專利名稱：獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機(jī)(內(nèi)燃機(jī))，特別是涉及一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可 控的自由活塞發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
國外在80年代即有直線發(fā)動機(jī)或自由活塞發(fā)動機(jī)等相關(guān)專利，例如“Linear engine / hydraulic pump (United States Patent: 4308720) (1982 年)，，，這類專利一般 均應(yīng)用二沖程內(nèi)燃機(jī)或斯特林發(fā)動機(jī)原理，輸出可為液壓能或電能的形式，其中大多為液 壓能形式。結(jié)構(gòu)上多采用對置式，不能分缸獨立運行。如專利“Free piston engine (United States Patent: 6199519) (2001 年)，，,"Opposed piston opposed cylinder free piston engine (United States Patent: 6953010) (2005 年)，，等。申請者已獲授權(quán)(2010 年 1 月) 的發(fā)明專利“內(nèi)燃-直線發(fā)電集成動力系統(tǒng)”(專利號ZL2007 10019410. 0)具有可調(diào)節(jié) 沖程各止點位置和可控活塞運動規(guī)律等獨特之處，其本質(zhì)上仍是應(yīng)用四沖程工作原理，即 系統(tǒng)依進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程的順序循環(huán)工作，本發(fā)明是在此基礎(chǔ)上的 進(jìn)一步改進(jìn)。自由活塞式發(fā)動機(jī)已具有較長的研究歷史，目前研究較多的二沖程自由活塞發(fā)動 機(jī)功率密度較大(同樣的發(fā)動機(jī)工作容積和重量可提供更大的功率)，但節(jié)能環(huán)保性能相對 差；而四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)節(jié)能環(huán)保性能有明顯優(yōu)勢，但功率密度有待提高(在同樣的工 作頻率下工作循環(huán)次數(shù)為前者的50%)。進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確控制有利于提高發(fā)動機(jī)的性能。例如，溫度過高，爆燃傾 向增加，有利氮氧化合物生成，傳熱損失增加；溫度過低，難保持穩(wěn)定工作(不利燃油蒸發(fā)混 合)。對于目前被成為下一代內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式——均質(zhì)壓燃(HCCI)，則更需要對進(jìn)氣熱力 學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確控制。但是現(xiàn)有技術(shù)尚未相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)。 通過實現(xiàn)獨立調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力和溫度等熱力學(xué)參數(shù)來改善發(fā)動機(jī)混合氣形成和燃燒過程，提 高發(fā)動機(jī)性能。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由 活塞發(fā)動機(jī)，包括由空氣壓縮機(jī)、壓力調(diào)節(jié)裝置、穩(wěn)壓箱、溫度調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成的進(jìn)氣及壓縮 模塊和電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)、活塞、直線電機(jī)動子、直線電機(jī)定子、彈性元件、系統(tǒng)控制器、驅(qū) 動模塊、蓄能元件；在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線運動的活塞與直線電機(jī)動子相連接構(gòu)成系統(tǒng)的運 動部件，彈性元件支承在運動部件下部，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)安裝在氣缸頂部，由系統(tǒng)控制器 控制其開啟/關(guān)閉動作完成進(jìn)氣與排氣；驅(qū)動模塊、蓄能元件完成電能的轉(zhuǎn)換及儲存，并由 系統(tǒng)控制器控制；空氣壓縮機(jī)、壓力調(diào)節(jié)裝置、穩(wěn)壓箱、溫度調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成的進(jìn)氣及壓縮模 塊通過管路與氣缸相連，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)控制調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的工質(zhì)質(zhì)量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為1)由于基本取消了發(fā)動機(jī)自身的進(jìn)氣與 壓縮沖程(將其限制在相對很短的行程之內(nèi))，使發(fā)動機(jī)由原來的四沖程完成一個工作循 環(huán)，改變?yōu)闇?zhǔn)二沖程完成一個工作循環(huán)，有利于提高自由活動塞發(fā)動機(jī)的功率密度，工作循 環(huán)數(shù)可以提高接近1倍左右；2)短的進(jìn)氣與壓縮沖程也減少了進(jìn)氣過程產(chǎn)生的工質(zhì)動能的 衰減；3)通過控制進(jìn)氣溫度，提高發(fā)動機(jī)節(jié)能環(huán)保性能。適當(dāng)冷卻有利于降低發(fā)動機(jī)正常工 況下的最高燃燒溫度，從而降低氮氧化合物生成量以及汽油機(jī)爆燃傾向，并減小傳熱損失。 適當(dāng)加熱有利于發(fā)動機(jī)冷態(tài)啟動時的燃油蒸發(fā)混合，從而控制碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉纳?成，保證發(fā)動機(jī)順利啟動。


附圖是本發(fā)明的獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中標(biāo)號所代表的含義為1-電磁驅(qū)動氣門，2-活塞，3-直線電機(jī)動子， 4_直線電機(jī)定子，5-彈性元件，6-空氣壓縮機(jī)，7-壓力調(diào)節(jié)裝置，8-穩(wěn)壓箱，9-溫度 調(diào)節(jié)裝置，10-系統(tǒng)控制器，11-驅(qū)動模塊，12-蓄能元件。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。結(jié)合附圖，一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)，包括由空氣壓 縮機(jī)6、壓力調(diào)節(jié)裝置7、穩(wěn)壓箱8、溫度調(diào)節(jié)裝置9構(gòu)成的進(jìn)氣及壓縮模塊和電磁驅(qū)動配氣 機(jī)構(gòu)1、活塞2、直線電機(jī)動子3、直線電機(jī)定子4、彈性元件5、系統(tǒng)控制器10、驅(qū)動模塊11、 蓄能元件12 ；
在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線運動的活塞2與直線電機(jī)動子3相連接構(gòu)成系統(tǒng)的運動部件，彈 性元件5支承在運動部件下部，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)1安裝在氣缸頂部，由系統(tǒng)控制器10控 制其開啟/關(guān)閉動作完成進(jìn)氣與排氣；驅(qū)動模塊11、蓄能元件12完成電能的轉(zhuǎn)換及儲存， 并由系統(tǒng)控制器10控制；空氣壓縮機(jī)6、壓力調(diào)節(jié)裝置7、穩(wěn)壓箱8、溫度調(diào)節(jié)裝置9構(gòu)成 的進(jìn)氣及壓縮模塊通過管路與氣缸相連，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)1控制調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的工質(zhì)質(zhì) 量。空氣壓縮機(jī)6、穩(wěn)壓箱8、溫度調(diào)節(jié)裝置9通過管路相互串聯(lián)，壓力調(diào)節(jié)裝置7通過 管路與空氣壓縮機(jī)6相并聯(lián)，空氣壓縮機(jī)6吸入空氣并壓縮后輸送至穩(wěn)壓箱8，完成壓縮過 程，空氣壓縮壓力由壓力調(diào)節(jié)裝置7實時控制，溫度調(diào)節(jié)裝置9根據(jù)發(fā)動機(jī)工況需要實時調(diào) 節(jié)進(jìn)氣溫度?；钊\動至接近上止點時，進(jìn)氣門打開，壓縮空氣進(jìn)入氣缸，由電磁驅(qū)動氣門控制 進(jìn)氣門運動規(guī)律，由直線電機(jī)控制活塞運動規(guī)律，從而保證進(jìn)氣量，經(jīng)過極短的進(jìn)氣、壓縮 過程后隨即開始燃燒過程。空氣壓縮機(jī)6采用電動離心式壓氣機(jī)，吸入空氣并壓縮后輸送至穩(wěn)壓箱8，完成獨 立的壓縮過程，空氣壓縮壓力由壓力調(diào)節(jié)裝置7實時控制。溫度調(diào)節(jié)裝置9根據(jù)發(fā)動機(jī)工 況需要實時調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度。例如，發(fā)動機(jī)冷機(jī)啟動時，可適當(dāng)加熱進(jìn)氣空氣，提供混合氣形 成的有利條件。發(fā)動機(jī)正常運行時，可適當(dāng)冷卻進(jìn)氣空氣，以提高發(fā)動機(jī)的節(jié)能環(huán)保性能?；钊\動至接近上止點時，進(jìn)氣門打開，壓縮空氣進(jìn)入氣缸，可視需要控制活塞運動規(guī)律及進(jìn)氣門運動規(guī)律(由電磁驅(qū)動氣門)來保證合適的進(jìn)氣量(與發(fā)動機(jī)輸出功率有 關(guān))。隨后即開始燃燒過程，膨脹、排氣過程與四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)類似。燃料的化學(xué)能通過燃燒膨脹做功，由活塞2直接連接直線電機(jī)動子3，輸出電能至 負(fù)載或蓄能元件12，也可在需要時輸入電能驅(qū)動活塞運動，并通過調(diào)節(jié)電磁力控制活塞的 運動規(guī)律。系統(tǒng)控制器10通過驅(qū)動模塊11控制直線電機(jī)電流的方向和大小，同時也控制 進(jìn)氣壓力、溫度等參數(shù)以及進(jìn)排氣、噴油、點火等發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)。本發(fā)明的應(yīng)用不局限于以柴油或汽油為燃料的自由活塞發(fā)動機(jī)，也有使用多種不 同燃料(包括壓縮天然氣、氫氣等)以及不同燃燒方式(例如均質(zhì)混合氣壓燃方式)的可能 性。即發(fā)動機(jī)的燃料為汽油、柴油等液體燃料，或為壓縮天然氣、氫氣等氣體燃料。在保持四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)摩擦損耗小，活塞運動規(guī)律優(yōu)化控制自由度大等優(yōu) 點的基礎(chǔ)上，提出一種準(zhǔn)二沖程的工作模式來同時兼顧提高自由活塞發(fā)動機(jī)的節(jié)能環(huán)保性 能以及功率密度。
權(quán)利要求
一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)，其特征在于，包括由空氣壓縮機(jī)[6]、壓力調(diào)節(jié)裝置[7]、穩(wěn)壓箱[8]、溫度調(diào)節(jié)裝置[9]構(gòu)成的進(jìn)氣及壓縮模塊和電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)[1]、活塞[2]、直線電機(jī)動子[3]、直線電機(jī)定子[4]、彈性元件[5]、系統(tǒng)控制器[10]、驅(qū)動模塊[11]、蓄能元件[12]；在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線運動的活塞[2]與直線電機(jī)動子[3]相連接構(gòu)成系統(tǒng)的運動部件，彈性元件[5]支承在運動部件下部，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)[1]安裝在氣缸頂部，由系統(tǒng)控制器[10]控制其開啟/關(guān)閉動作完成進(jìn)氣與排氣；驅(qū)動模塊[11]、蓄能元件[12]完成電能的轉(zhuǎn)換及儲存，并由系統(tǒng)控制器[10]控制；空氣壓縮機(jī)[6]、壓力調(diào)節(jié)裝置[7]、穩(wěn)壓箱[8]、溫度調(diào)節(jié)裝置[9]構(gòu)成的進(jìn)氣及壓縮模塊通過管路與氣缸相連，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)[1]控制調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的工質(zhì)質(zhì)量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)，其特 征在于，空氣壓縮機(jī)[6]、穩(wěn)壓箱[8]、溫度調(diào)節(jié)裝置[9]通過管路相互串聯(lián)，壓力調(diào)節(jié)裝置[7]通過管路與空氣壓縮機(jī)[6]相并聯(lián)，空氣壓縮機(jī)[6]吸入空氣并壓縮后輸送至穩(wěn)壓箱[8]，完成壓縮過程，空氣壓縮壓力由壓力調(diào)節(jié)裝置[7]實時控制，溫度調(diào)節(jié)裝置[9]根據(jù)發(fā) 動機(jī)工況需要實時調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)，其特 征在于，活塞運動至接近上止點時，進(jìn)氣門打開，壓縮空氣進(jìn)入氣缸，由電磁驅(qū)動氣門控制 進(jìn)氣門運動規(guī)律，由直線電機(jī)控制活塞運動規(guī)律，從而保證進(jìn)氣量，經(jīng)過極短的進(jìn)氣、壓縮 過程后隨即開始燃燒過程。
4.如權(quán)利要求1所述的一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)，其特 征在于，發(fā)動機(jī)的燃料為汽油、柴油等液體燃料，或為壓縮天然氣、氫氣等氣體燃料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獨立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的自由活塞發(fā)動機(jī)，在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線運動的活塞與直線電機(jī)動子相連接構(gòu)成系統(tǒng)的運動部件，彈性元件支承在運動部件下部，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)安裝在氣缸頂部，由系統(tǒng)控制器控制其開啟/關(guān)閉動作完成進(jìn)氣與排氣；驅(qū)動模塊、蓄能元件完成電能的轉(zhuǎn)換及儲存，并由系統(tǒng)控制器控制；進(jìn)氣及壓縮模塊通過管路與氣缸相連，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)控制調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的工質(zhì)質(zhì)量，由于取消發(fā)動機(jī)自身的進(jìn)氣與壓縮沖程，使發(fā)動機(jī)由原來的四沖程完成一個工作循環(huán)，改變?yōu)闇?zhǔn)二沖程完成一個工作循環(huán)，有利于提高自由活動塞發(fā)動機(jī)的功率密度，工作循環(huán)數(shù)可以提高近1倍，同時通過控制進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)，改善發(fā)動機(jī)節(jié)能環(huán)保性能。
文檔編號F02B71/04GK101979852SQ20101055692
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者常思勤, 徐照平, 林繼銘 申請人:南京理工大學(xué)