無撞擊自由活塞爆排發動機的製作方法
2023-05-15 13:28:31 2
專利名稱：無撞擊自由活塞爆排發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自由活塞發動機，尤其是一種無撞擊自由活塞爆排發動機。
背景技術：
自由活塞發動機具有效率高和結構簡單等優勢，但自由活塞發動機的活塞撞擊和失火問題一直是影響自由活塞發動機得以實際應用的首要問題。因此，需要發明一種新型自由活塞發動機
發明內容
為了解決上述問題，本發明提出的技術方案如下
一種無撞擊自由活塞爆排發動機，包括自由活塞機構，所述自由活塞機構包括自由活塞和氣缸，所述自由活塞設置在所述氣缸內，還包括高壓氣體供給源，所述高壓氣體供給源經控制機構與所述自由活塞機構的所述氣缸連通。所述高壓氣體供給源設為燃燒室，所述燃燒室經工質導入控制機構與所述氣缸連通。在所述燃燒室上設氧化劑入口。在所述燃燒室上設還原劑入口。在所述燃燒室上設膨脹劑入口。一個所述燃燒室與多個所述自由活塞機構連通。所述氧化劑入口與壓氣機的壓氣機壓縮氣體出口連通。還包括含氧氣體液化物源或含氧氣體源，所述氧化劑入口與所述含氧氣體液化物源或所述含氧氣體源連通。在所述氧化劑入口與所述壓氣機壓縮氣體出口連通的通道上設冷卻器。所述冷卻器設為混合式冷卻器或排熱式冷卻器。所述壓氣機設為葉輪壓氣機。在所述自由活塞機構的排氣道上設渦輪動力機構。在所述自由活塞機構的排氣道上設渦輪動力機構，所述渦輪動力機構對所述壓氣機輸出動力。所述高壓氣體供給源設為含氧氣體液化物儲罐，所述含氧氣體液化物儲罐經含氧氣體液化物控制閥與所述氣缸連通。所述自由活塞機構內設燃燒室，所述氣缸上設排氣閥和燃料噴射器。在所述含氧氣體液化物儲罐和所述含氧氣體液化物控制閥之間的通道上設低品質熱源熱交換器。在所述含氧氣體液化物儲罐和所述含氧氣體液化物控制閥之間的通道上設高壓慄。所述氣缸上設有火花塞。
所述自由活塞的行程與所述自由活塞直徑之比大於I。所述自由活塞與動力輸出單元連接,所述動力輸出單元對外輸出動力。所述自由活塞經彈性體與振子連接。所述燃燒室的承壓能力大於等於4MPa。一種提高提高無撞擊自由活塞爆排發動機的效率和環保性的方法，調整即將開始做功的氣體工質的溫度和/或壓力，使即將開始做功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係。調整即將開始做功的氣體工質的溫度到2000K以下，調整即將開始做功的氣體工質的壓力到15MPa以上。選擇性地，本發明中所述燃燒室的承壓能力大於等於4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、IIMPa、11. 5Pa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa、15MPa、15. 5MPa、16MPa、16. 5MPa、17MPa、17. 5MPa、18MPa、18. 5MPa、19MPa、19. 5MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa 或大於等於 40MPa。本發明的原理是，在所述自由活塞機構的所述自由活塞運動到接近所述氣缸的氣缸蓋時，將所述高壓氣體供給源中提供的高壓氣體導入所述氣缸中，阻止所述自由活塞向所述氣缸的氣缸蓋運動，從而防止所述自由活塞與所述氣缸的氣缸蓋撞擊。在所述高壓氣體供給源設為燃燒室的機構中，在所述自由活塞機構的自由活塞接近氣缸蓋時，將由所述燃燒室產生的高溫高壓工質定量正時充入所述自由活塞機構的氣缸內，所述氣缸內的壓力迅速提高，以阻止所述自由活塞繼續前行，防止所述自由活塞與所述氣缸蓋撞擊；當所述自由活塞停止時，在高溫高壓工質的作用下所述自由活塞將加速運動遠離氣缸蓋，與此同時，所述自由活塞對外輸出動力；當所述自由活塞遠離氣缸蓋達到一定程度時，所述自由活塞在外力作用下改變運動方向向接近所述氣缸蓋的方向運動，此時或略早於此時打開所述自由活塞機構的排氣門，隨著所述自由活塞不斷接近氣缸蓋，廢氣不斷從排氣門排出；當所述自由活塞接近氣缸蓋達到一定程度時，所述燃燒室和所述氣缸之間的工質導入控制機構將所述燃燒室產生的高溫高壓工質定量正時充入所述自由活塞機 構的氣缸內，此時，可將排氣門關閉或將排氣門略滯後關閉，在被導入的高溫高壓工質的作用下，活塞改變運動方向，進入下一循環，周而復始。上述外力是指一切可以使所述活塞改變運動方向的力，例如彈簧、對置設置的所述自由活塞機構等。在所述高壓氣體供給源設為含氧氣體液化物儲罐的機構中，當所述自由活塞接近完成排氣衝程時將含氧氣體液化物控制閥打開，使一定量的含氧氣體液化物以高壓氣體的形式充入氣缸使活塞迅速減速停止上行，防止所述自由活塞與所述氣缸蓋撞擊，此時向氣缸內噴射燃油，使燃油與缸內氣體發生燃燒化學反應，推動活塞對外做功。本發明中，所謂的自由活塞發動機是指活塞沒有或不受曲柄連杆機構限制，其上下止點位置不固定的活塞式熱動力系統。本發明中，所謂的爆排發動機是指由燃燒室和膨脹做功機構構成的，其循環過程只包括燃燒充氣做功過程(燃燒室在所述自由活塞機構外部)，或充氣燃燒爆炸做功過程(燃燒室在所述自由活塞機構內部)，和排氣過程，沒有一般內燃機的吸氣過程和壓縮過程的活塞式熱動力系統。所謂的燃燒充氣做功過程，是指燃燒室內的高溫高壓氣體工質充入所述自由活塞機構並完成膨脹做功的過程。所謂的充氣燃燒爆炸做功過程，是指向所述自由活塞機構內充入高壓氣體工質和燃料，然後通過壓燃或點燃的方式使其在所述自由活塞機構內的燃燒室裡燃燒爆炸，並完成膨脹做功的過程。本發明中，所謂的燃燒室是指一切能夠在其內部發生燃燒化學反應的容器，所謂的燃燒室可以是連續燃燒室，也可以是間歇燃燒室；所謂的自由活塞機構是指一切由自由活塞和氣缸構成的氣缸活塞機構。本發明中，所謂的工質導入控制機構是指受控制機構控制的閥。本發明中，所述自由活塞機構的活塞行程與活塞直徑之比大於I、I. 2、I. 4、I. 6、I. 8、2、2. 2、2. 4、2. 6、2. 8 或大於 3。本發明中，所謂的氧化劑是指一切化學燃燒意義上具有氧化功能的物質，在這裡主要指空氣、純氧、高壓含氧氣體、過氧化氫和含氧氣體液化物等；所謂的氣體液化物是指被液化的氣體，如液氧、液氮、液氫、液化空氣、液氦等，所謂的含氧氣體液化物是指被液化的含氧氣體，如液氧、液化空氣等。本發明中，所謂的還原劑是指一切化學燃燒意義上具有還原功能的物質，在這裡 主要指汽油、柴油、天然氣、氫氣、醇類可燃物和煤氣等碳氫化合物或碳氫氧化合物。本發明中，所謂的膨脹劑是指不參與燃燒化學反應，用於增加工質總體摩爾數的物質，例如高壓常溫氣體、高壓低溫氣體或者受熱後可以相變為氣態的物質，例如液態水、液氮或氣體液化物等。本發明中，所謂的壓氣機是指一切能夠將氣體進行壓縮的裝置，如活塞式壓氣機、葉輪式壓氣機、螺杆式壓氣機等；所謂的排熱式冷卻器是指能夠將熱量從工質中排出的裝置，例如散熱器、熱交換器等；所謂的混合式冷卻器是指能夠向工質內混入某種物質使工質降溫的裝置。本發明中，所謂的葉輪壓氣機是指能夠使氣體壓縮的葉輪機構，例如渦輪增壓系統中的葉輪等；所謂的渦輪動力機構是指一切可以利用氣體流動膨脹過程對外輸出動力的葉輪機構，例如渦輪增壓系統中的動力渦輪等。本發明中，所謂的動力輸出單元是指一切能夠利用所述自由活塞機構的活塞的往復運動產生機械能、電能或液力壓力能的機構，例如發電機、液壓泵等。本發明中，圖14是氣體工質的溫度T和壓力P的關係圖，O-A-H所示曲線是通過狀態參數為298K和0. IMPa的0點的氣體工質絕熱關係曲線；B點為氣體工質的實際狀態點，E-B-D所示曲線是通過B點的絕熱關係曲線，A點和B點的壓力相同；F-G所示曲線是通過2800K和IOMPa (即目前內燃機中即將開始做功的氣體工質的狀態點)的工質絕熱關係曲線。本發明中，圖 I 4 中的
P = CT^中的I是氣體工質絕熱指數，P是氣體工質的壓力，是氣體工質的溫度，C是常數。本發明中，所謂的類絕熱關係包括下列三種情況
1.氣體工質的狀態參數(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關係曲線上，即氣體工質的狀態參數點在圖14中O-A-H所示曲線上；
2.氣體工質的狀態參數(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關係曲線左側，即氣體工質的狀態參數點在圖14中O-A-H所示曲線的左側；
3.氣體工質的狀態參數(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關係曲線右側，即氣體工質的狀態參數點在圖14中O-A-H所示曲線的右側，但是氣體工質的溫度不高於由此氣體工質的壓力按絕熱關係計算所得溫度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加IlOK的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高於加20K的和，即如圖14所示，所述氣體工質的實際狀態點為B點，A點是壓力與B點相同的絕熱關係曲線上的點，A點和B 點之間的溫差應小於 1000K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、120K 、110K、100K、90K、80K、70K、60K、50K、40K、30K 或小於 20K。本發明中，所謂類絕熱關係可以是上述三種情況中的任何一種，也就是指即將開始做功的氣體工質的狀態參數(即氣體工質的溫度和壓力)點在如圖14所示的通過B點的絕熱過程曲線E-B-D的左側區域內。本發明中，所謂的即將開始做功的氣體工質是指進入所述自由活塞機構即將開始膨脹做功的氣體工質。本發明中，將即將開始做功的氣體工質的狀態參數(即氣體工質的溫度和壓力)符合類絕熱關係的發動機系統(即熱動力系統)定義為低熵發動機。本發明中，調整所述冷卻器的冷卻強度，調整所述壓氣機的氣體出口處的氣體壓力，調整所述膨脹劑入口處的膨脹劑的量可以實現使即將開始做功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係。本發明中，根據熱能與動力領域的公知技術，在必要的地方設置必要的部件、單元或系統。本發明的有益效果如下
本發明結構簡單，成本低，克服了自由活塞發動機實用化過程中的撞擊問題，還可以提高效率，並可改善環保問題。
圖I為本發明實施例I的結構示意 圖2為本發明實施例2的結構示意 圖3為本發明實施例3的結構示意 圖4為本發明實施例4的結構示意 圖5為本發明實施例5的結構示意 圖6為本發明實施例6的結構示意 圖7為本發明實施例7的結構示意 圖8為本發明實施例8的結構示意 圖9為本發明實施例9的結構示意圖；圖10為本發明實施例10的結構示意 圖11為本發明實施例11的結構示意 圖12為本發明實施例12的結構示意 圖13為本發明實施例13的結構示意 圖14是氣體工質的溫度T和壓力P的關係 圖中
I燃燒室、2自由活塞機構、3工質導入控制機構、4氧化劑入口、5還原劑入口、6膨脹劑入口、7壓氣機、8壓氣機壓縮氣體出口、9排熱式冷卻器、10混合式冷卻器、11葉輪壓氣機、12排氣道、13渦輪動力機構、14動力輸出單元、15含氧氣體液化物源、17彈性體、18振子、31自由活塞、32氣缸、33含氧氣體液化物儲罐、34排氣閥、35含氧氣體液化物控制閥、36燃料噴射器、37火花塞、39高壓泵、310低品質熱源熱交換器。
具體實施例方式實施例I
如圖I所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，包括燃燒室I和自由活塞機構2，所述燃燒室I設置在所述自由活塞機構2的外部，所述自由活塞機構2包括自由活塞31和氣缸32，所述自由活塞31設置在所述氣缸32內，所述燃燒室I經工質導入控制機構3與所述自由活塞機構2連通，在所述燃燒室I上設氧化劑入口 4和還原劑入口 5。所述燃燒室I的承壓能力大於等於4MPa。所述自由活塞31因沒有曲柄連杆機構，其上，下止點的位置不是固定的，而是由所述氣缸32內的實際壓力決定，因此所述自由活塞31和所述氣缸32的氣缸蓋之間容易發生撞擊。本方案解決這個問題的原理及工作過程如下當所述自由活塞31接近氣缸蓋時，所述工質導入控制機構3將由外設的所述燃燒室I產生的高溫高壓氣體工質定量正時充入所述氣缸32內，使所述氣缸32內的壓力迅速提高，即可阻止所述自由活塞31繼續前行，從而防止了所述自由活塞31與所述氣缸蓋撞擊。當所述自由活塞31停止時，在高溫高壓工質的作用下所述自由活塞31將加速運動遠離氣缸蓋，與此同時，所述自由活塞31可對外輸出動力。由此完成所述無撞擊自由活塞爆排發動機的燃燒充氣做功過程。本實施例中，所述自由活塞機構的活塞形成與活塞直徑之比為1，使所述無撞擊自由活塞爆排發動機以大行程的工作模式工作，提高系統的效率。選擇性地，所述自由活塞機構的活塞形成與活塞直徑之比還可以為I. 2,1. 4,1. 6,1. 8、2、2. 2,2. 4,2. 6,2. 8、3或4。實施例2
如圖2所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例I的區別在於在所述燃燒室I上還設膨脹劑入口 6，所述自由活塞31與動力輸出單元14連接，所述動力輸出單元14對外輸出動力，所述動力輸出單元14設為發電機。在工作過程中，通過所述膨脹劑入口 6可以將膨脹劑導入所述燃燒室1，由此可以提高所述燃燒室I內工質的壓力，並可降低工質的溫度。通過控制膨脹劑的導入量，可以實現使即將開始做功的氣體工質的溫度控制在2000K以下，使即將開始做功的氣體工質的壓力控制在15MPa以上，從而使即將開始做功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係，以提高發動機的效率並改善發動機排氣的環保性。、
本實施例中，所述膨脹劑為液態水。根據實際需求，所述膨脹劑還可以採用高壓常溫氣體、高壓低溫氣體或者其他受熱後可以相變為氣態的物質，例如液氮或氣體液化物等。實施例3
如圖3所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例I的區別在於一個所述燃燒室I與兩個所述自由活塞機構2連通。實施例4
如圖4所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例3的區別在於以實施例3的結構作為基本動力單元，兩個所述基本動力單元對置設置構成四缸發動機，並且所述工質導 入控制機構3設為由所述自由活塞直接控制的直動閥。實施例5
如圖5所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例I的區別在於所述氧化劑入口4與壓氣機7的壓氣機壓縮氣體出口 8連通。實施例6
如圖6所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例5的區別在於在所述氧化劑入口 4與所述壓氣機壓縮氣體出口 8連通的通道上設排熱式冷卻器9，所述排熱式冷卻器9設為散熱器。具體實施時，所述排熱式冷卻器9還可以設為熱交換器。為了提高所述無撞擊自由活塞爆排發動機的效率和環保性，通過調整氧化劑和還原劑的導入量，調整所述散熱式冷卻器9的排熱量，實現使即將開始做功的氣體工質的溫度控制在1800K以下，使即將開始做功的氣體工質的壓力控制在ISMPa以上，從而使即將開始做功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係，以提高發動機的效率並改善發動機排氣的環保性。實施例7
如圖7所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例5的區別在於在所述氧化劑入口 4與所述壓氣機壓縮氣體出口 8連通的通道上設混合式冷卻器10。為了提高所述無撞擊自由活塞爆排發動機的效率和環保性，使即將開始做功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係。實施例8
如圖8所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例5的區別在於所述壓氣機7設為葉輪壓氣機11，在所述自由活塞機構2的排氣道12上設渦輪動力機構13，所述渦輪動力機構13對所述葉輪壓氣機11輸出動力。實施例9
如圖9所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例I的區別在於所述氧化劑入口4與含氧氣體液化物源15連通。在具體實施時，所述含氧氣體液化物源15也可用含氧氣體源代替。實施例10
如圖10所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例I的區別在於以實施例I中的所述自由活塞機構2作為基本動力單元，兩個所述基本動力單元對置設置構成雙缸發動機，兩個所述自由活塞機構2共用一個所述燃燒室I。
實施例11
如圖11所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，包括燃燒室I和自由活塞機構2，所述燃燒室I設直在所述自由活塞機構2的內部，所述自由活塞機構2包括自由活塞31和氣缸32，所述自由活塞31設置在所述氣缸32內，所述氣缸32上設有排氣閥34和燃料噴射器36。本實施例中，所述高壓氣體供給源設為含氧氣體液化物儲罐33，所述氣缸32經含氧氣體液化物控制閥35與所述含氧氣體液化物罐33連通，所述氣缸32經所述排氣閥34與排氣道12連通。本實施例中，所述燃燒室I的承壓能力設為14MPa。當所述自由活塞31接近完成排氣衝程時將所述含氧氣體液化物控制閥35打開，使一定量的含氧氣體液化物以高壓氣體的形式充入所述氣缸32使所述自由活塞31迅速減速停止上行，從而防止所述自由活塞31與所述氣缸蓋撞擊。此時向所述氣缸32內噴射燃油，通過壓燃方式使燃油與缸內氣體發生燃燒化學反應，推動所述自由活塞31對外做功。 由此完成所述無撞擊自由活塞爆排發動機的充氣燃燒爆炸做功過程。本實施例中，所述燃燒室I的承壓能力設為34MPa。實施例12
如圖12所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例11的區別在於所述含氧氣體液化物儲罐33和所述含氧氣體液化物控制閥35之間設有高壓泵39和低品質熱源熱交換器310，本實施例中，所述燃燒室I中以點燃的方式發生燃燒化學反應，因此所述氣缸32上還設有火花塞37。本實施例中，所述燃燒室I的承壓能力設為40MPa。實施例13
如圖13所示的無撞擊自由活塞爆排發動機，其與實施例12的區別在於所述自由活塞31經彈性體17與振子18連接。可選擇地，在上述實施例1、3、5 9、11或12中，所述自由活塞31也可經所述彈性體17與所述振子18連接。顯然，本發明不限於以上實施例，根據本領域的公知技術和本發明所公開的技術方案，可以推導出或聯想出許多變型方案，所有這些變型方案，也應認為是本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種無撞擊自由活塞爆排發動機，包括自由活塞機構(2)，所述自由活塞機構(2)包括自由活塞(31)和氣缸(32)，所述自由活塞(31)設置在所述氣缸(32)內，其特徵在於還包括高壓氣體供給源，所述高壓氣體供給源經控制機構與所述自由活塞機構(2)的所述氣缸(32)連通。
2.如權利要求I所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於所述高壓氣體供給源設為燃燒室(I)，所述燃燒室(I)經工質導入控制機構(3 )與所述氣缸(32 )連通。
3.如權利要求2所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於在所述燃燒室(I)上設氧化劑入口(4)。
4.如權利要求2所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於在所述燃燒室(I)上設還原劑入口(5)。
5.如權利要求2所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於在所述燃燒室(I)上設膨脹劑入口(6)。
6.如權利要求2所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於一個所述燃燒室(I)與多個所述自由活塞機構(2)連通。
7.如權利要求3所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於所述氧化劑入口(4)與壓氣機(7)的壓氣機壓縮氣體出口(8)連通。
8.如權利要求3所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於還包括含氧氣體液化物源(15)或含氧氣體源，所述氧化劑入口(4)與所述含氧氣體液化物源(15)或所述含氧氣體源連通。
9.如權利要求7所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於在所述氧化劑入口(4)與所述壓氣機壓縮氣體出口(8)連通的通道上設冷卻器。
10.如權利要求9所述無撞擊自由活塞爆排發動機，其特徵在於所述冷卻器設為混合式冷卻器(10)或排熱式冷卻器(9)。
全文摘要
本發明涉及一種自由活塞發動機，尤其是一種無撞擊自由活塞爆排發動機。本發明包括自由活塞機構，所述自由活塞機構包括自由活塞和氣缸，所述自由活塞設置在所述氣缸內，還包括高壓氣體供給源，所述高壓氣體供給源經控制機構與所述自由活塞機構的所述氣缸連通。本發明結構簡單，成本低，克服了自由活塞發動機實用化過程中的撞擊問題，並可提高效率，改善環保問題。
文檔編號F02B71/00GK102720586SQ20121018985
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月8日 優先權日2011年6月10日
發明者靳北彪 申請人:摩爾動力(北京)技術股份有限公司