盛慶嬌

摘要： 隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，自由活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸發(fā)展。該內(nèi)燃機(jī)直接直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)會(huì)導(dǎo)致曲軸失效。它與內(nèi)燃機(jī)連桿系統(tǒng)相連，整個(gè)機(jī)構(gòu)只在一條直線(xiàn)上運(yùn)動(dòng)。它將燃燒室中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能輸出，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少;此外，內(nèi)燃機(jī)能量轉(zhuǎn)換損失小，摩擦小，機(jī)械效率高;另外，由于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不受機(jī)器的限制，內(nèi)燃機(jī)可以在高密度下工作，燃油適應(yīng)性廣。目前，這種特殊的發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的青睞。

Abstract： With the increasingly serious environmental pollution， free piston internal combustion engines have gradually developed. The internal combustion engine is directly a linear generator， which will cause the crankshaft to fail. It is connected with the connecting rod system of the internal combustion engine， and the whole mechanism only moves in a straight line. It directly converts the chemical energy in the combustion chamber into electrical output. Compared with the traditional rotor generator， it has a simple structure and fewer components. In addition， the internal combustion engine has low energy conversion loss， low friction， and high mechanical efficiency. In addition， because the piston engine is not Due to the limitations of the machine， the internal combustion engine can work at high density and has wide fuel adaptability. At present， this special engine is more and more favored by research institutions at home and abroad.

關(guān)鍵詞： 電機(jī);活塞;往復(fù)運(yùn)動(dòng)

Key words： motor;piston;reciprocating motion

中圖分類(lèi)號(hào)：TK45? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0068-02

0? 引言

活塞式內(nèi)燃機(jī)是20世紀(jì)30年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電器。由于內(nèi)燃機(jī)與直線(xiàn)發(fā)電機(jī)直接相連，曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中直接失效。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的優(yōu)點(diǎn)。因其具有體積小、重量輕、啟停簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

1? 自由發(fā)動(dòng)機(jī)歷史簡(jiǎn)述

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染已成為世界各國(guó)面臨的兩大嚴(yán)重社會(huì)問(wèn)題。為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放，提高效率，盡管一些科學(xué)家仍在努力改善和優(yōu)化傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，但其他科學(xué)家正在研究更有效的非正常發(fā)動(dòng)機(jī)。這引起了發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。先進(jìn)的基于微處理器的控制系統(tǒng)和現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，如電控燃油噴射和氣門(mén)執(zhí)行器，進(jìn)而對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行了更有效的控制[1]。一般來(lái)說(shuō)，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的總活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)權(quán)是由受其影響的氣壓決定的，并隨發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化而變化。在能量缸膨脹過(guò)程中，壓縮氣墊缸的空氣，暫時(shí)維持能源缸的所有外部工作，進(jìn)而控制螺旋中的車(chē)輪產(chǎn)生電能。20世紀(jì)80年代以來(lái)，德國(guó)工程師研制出一種雙沖程直流發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅可以用作發(fā)動(dòng)機(jī)，還可作為壓縮機(jī)、液壓泵和發(fā)電機(jī)。自由活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)是在傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上取消曲柄連桿機(jī)構(gòu)得到的。自由活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞僅做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)且行程不受機(jī)械約束[2]。與傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、起停容易等優(yōu)點(diǎn)。由于自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃機(jī)是線(xiàn)性縮回的，并且類(lèi)似于線(xiàn)性發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式，所以具有線(xiàn)性負(fù)載的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)是線(xiàn)性發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的一體化設(shè)計(jì)使熱能有效地轉(zhuǎn)化為電能。電子控制系統(tǒng)具有良好的可控性和快速響應(yīng)能力。線(xiàn)性發(fā)電機(jī)改變了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的反應(yīng)速度和可控性。線(xiàn)性發(fā)電機(jī)可用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)能夠可靠地自行起飛。但由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的限制，自由活塞式內(nèi)燃機(jī)存在著許多固有的缺陷，如部分負(fù)載熱效率低、同步機(jī)構(gòu)復(fù)雜、體積大等。隨著科技的不斷進(jìn)步發(fā)展，科學(xué)家轉(zhuǎn)向了曲軸式內(nèi)燃機(jī)的研究，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展熱潮逐漸降溫，人們逐漸淡忘了這一點(diǎn)。

在科技和電子控制技術(shù)日趨成熟的20世紀(jì)末，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與過(guò)去不同，重新被科學(xué)家重視，側(cè)重研究自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵和自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃機(jī)。這兩種裝置都以自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為一次能源單元，直接連接二次動(dòng)力裝置（液壓泵或線(xiàn)性發(fā)電機(jī)），直接產(chǎn)生水力能或電能。

國(guó)內(nèi)外對(duì)液壓自由活塞式內(nèi)燃機(jī)的研究開(kāi)始于上世紀(jì)80年代，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)主要有日本豐橋大學(xué)（ToyohashUniversity），芬蘭的坦佩類(lèi)工業(yè)大學(xué)（Tampere University of Technology），荷蘭的一家公司以及國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)和北京理工大學(xué)。一種常見(jiàn)的液壓自由活塞式內(nèi)燃機(jī)如圖1所示，內(nèi)燃機(jī)活塞與液壓泵剛性連接，燃料燃燒的化學(xué)能通過(guò)活塞組件直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗茌敵觥?/p>

事實(shí)上，在以前的發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲柄連接機(jī)構(gòu)是其基本結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的傳動(dòng)裝置。在正常的電機(jī)運(yùn)行中，電池的天然氣加熱擴(kuò)散，電池中的氣體加熱增加了嚴(yán)重的壓力，結(jié)合了最終改變活塞運(yùn)動(dòng)。與自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，它只是一個(gè)喚醒能量輸出系統(tǒng)。能量傳遞過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，復(fù)雜的能量損失是由最強(qiáng)大的。降低發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失。對(duì)于存在的這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們?nèi)栽谂ふ倚碌膯?wèn)題。研究人員發(fā)布了混合電力系統(tǒng)。能量轉(zhuǎn)化率不高，雜化體系中仍然存在負(fù)責(zé)任的裂解鍵結(jié)合機(jī)制[3]。為了克服傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的剛性動(dòng)力，科學(xué)家們提出了一種新型的混合動(dòng)力裝置自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它沒(méi)有曲軸和連桿機(jī)構(gòu)。直桿的一端與活塞相連，另一端與發(fā)動(dòng)機(jī)的直線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)相連。活塞相對(duì)自由移動(dòng)，因此稱(chēng)為自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。這種新型電器的優(yōu)點(diǎn)是壓縮比可變，耗電量低，成本低。國(guó)內(nèi)外的研究者都非常關(guān)注這種結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單和摩擦的缺乏。

2? 分類(lèi)及優(yōu)點(diǎn)

2.1 根據(jù)自由活塞式內(nèi)燃機(jī)的用途，可以分為以下幾類(lèi)：①自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可分為自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)裝置和自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，第一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料燃燒產(chǎn)生的氣體輸送到渦輪，然后延伸使其工作，后者主要控制壓縮機(jī)提供壓縮空氣。②按活塞向內(nèi)止點(diǎn)回復(fù)的方式，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以分為無(wú)專(zhuān)用氣熱氣缸和有專(zhuān)用氣墊氣缸兩類(lèi)。在以前的發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞縮回所需的能量來(lái)自壓縮機(jī)的無(wú)壓縮空氣量。儲(chǔ)存在壓縮空氣緩沖氣缸中。③根據(jù)燃燒室的數(shù)量、燒瓶的數(shù)量和相對(duì)位置，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可分為單活塞、雙活塞發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型和往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。一個(gè)燃燒室和一個(gè)活塞構(gòu)成了單活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)節(jié)和控制壓縮率和有效的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，但需要空氣彈簧恢復(fù)裝置;此外，單活塞的受力極不平衡，軸向振動(dòng)大，因此需要額外的調(diào)平裝置或更多的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)降低振動(dòng)。但是振動(dòng)比較大，控制進(jìn)排氣的難度較大。雙活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由一個(gè)燃燒室和兩個(gè)活塞組成。其動(dòng)力完全平衡，振動(dòng)最穩(wěn)定。有效地解決了機(jī)體的振動(dòng)問(wèn)題;無(wú)氣缸蓋可有效減少傳熱損失;但是，兩個(gè)活塞很難同步，導(dǎo)致壓力比不穩(wěn)定。因此需要一個(gè)附加的控制系統(tǒng)和同步裝置，但同時(shí)也增加了控制的難度和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

2.2 自由活塞發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)? ①因?yàn)榍?，連桿，氣門(mén)及曲軸箱等結(jié)構(gòu)的取消，自由活塞發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)變得更加的簡(jiǎn)單，且消耗的金屬量變少，其發(fā)電成本和重量降低，所占的空間也相應(yīng)的減少[4]。②自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)僅作一維運(yùn)動(dòng)，主要的運(yùn)動(dòng)部件是活塞、進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)。因此，這種結(jié)構(gòu)減少了潤(rùn)滑油，活塞和氣缸壁不受活塞側(cè)向力的影響，從而減少了摩擦磨損，降低了噪聲，從而簡(jiǎn)化了曲軸箱的設(shè)計(jì);拆下曲軸箱（傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源）可顯著降低振動(dòng)和噪聲[5]。③自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力比是可變的，使這種燃料更具適應(yīng)性。壓力率由負(fù)載動(dòng)態(tài)控制，燃燒效率通過(guò)在高負(fù)載范圍內(nèi)調(diào)整峰值負(fù)載壓力來(lái)優(yōu)化。④自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以組合多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸的數(shù)量和排量是靈活的。由于發(fā)動(dòng)機(jī)之間不需要機(jī)械連接，因此只允許操作符合負(fù)載條件的氣缸。這是一個(gè)很好的瞬態(tài)反應(yīng)，可以很快到達(dá)工作位置。

3? 工作原理

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)一般是利用汽油、柴油或者氣體燃料燃燒產(chǎn)生壓力的。通常是一個(gè)或一個(gè)以上活塞，每個(gè)活塞都在氣缸內(nèi)，燃料和空氣的混合物被注入其內(nèi)，然后被點(diǎn)燃（柴油機(jī)是被壓燃），產(chǎn)生氣體膨脹，推動(dòng)活塞向后運(yùn)動(dòng)?；钊倪@種直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿和曲軸轉(zhuǎn)換成圓周運(yùn)動(dòng)。

在生活中較為常見(jiàn)的自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)（FPLA）。燃料中的化學(xué)能通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過(guò)氣缸膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。切斷磁力線(xiàn)并將其轉(zhuǎn)化為電能。具體地說(shuō)，它由兩臺(tái)往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和一臺(tái)直線(xiàn)發(fā)電機(jī)的永磁體組成，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃機(jī)燃燒室位于兩端。這兩個(gè)活塞通過(guò)連桿連接?；旌蠚馔ㄟ^(guò)進(jìn)氣門(mén)進(jìn)入燃燒室。規(guī)則。當(dāng)柱塞向左移動(dòng)時(shí)，它在左側(cè)燃燒室中將可燃混合氣壓縮在一起（同時(shí)氣體停止右側(cè)膨脹和感覺(jué)過(guò)程）。為了將可燃混合物推入右燃燒室（與膨脹和收集過(guò)程左端的氣體同時(shí)），混合物點(diǎn)燃TDC附近的右端燃燒器。這樣，兩個(gè)相對(duì)的燃燒室就會(huì)點(diǎn)火，帶動(dòng)帶有永磁體的燃燒棒從鐵芯上來(lái)回移動(dòng)，螺旋流回路發(fā)生變化，產(chǎn)生流動(dòng)。FPLA是一種一次能源單元（自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)）和直線(xiàn)發(fā)電機(jī)的組合，它結(jié)合了兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是只有一個(gè)可動(dòng)部件作直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞不受缸體側(cè)向力的影響;二是曲軸和連桿活塞運(yùn)動(dòng)不受限制，上止點(diǎn)位置不固定，壓力系數(shù)可調(diào)，燃油適應(yīng)性廣，促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)低壓燃料的運(yùn)行;進(jìn)一步分析表明，F(xiàn)PLA將使HCCI新的燃燒模式更容易實(shí)現(xiàn)。內(nèi)燃機(jī)燃燒產(chǎn)生的排放物可能符合美國(guó)極低排放標(biāo)準(zhǔn)（ULEV）。另外，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃機(jī)連桿可由直線(xiàn)發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)換成電能作為直線(xiàn)發(fā)電機(jī)的動(dòng)力，省去了額外的耦合裝置，例如，通過(guò)在傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)之間連接軸和營(yíng)地;所以整個(gè)聯(lián)軸器的能量效率很高。

另外比較常見(jiàn)的還有液壓式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（hydraulic free piston engine，HFPE）。根據(jù)圖2描述了一個(gè)典型的液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作原理。假設(shè)裝置最初是靜止的，活塞材料在下止點(diǎn)處于最佳狀態(tài)。使電磁閥進(jìn)入正確的流量，然后高壓油電池通過(guò)15控制閥7進(jìn)入3液壓腔，產(chǎn)生動(dòng)力，使自由柱塞向上止點(diǎn)移動(dòng)，從電子武器的角度看，上述過(guò)程是有壓力的;在補(bǔ)償過(guò)程結(jié)束時(shí)，燃燒室接受?chē)娚涞娜加?。燃燒產(chǎn)生的高溫和高壓使自由頭骨獲得更好的推進(jìn)力，因此液壓油在壓力14下進(jìn)入液壓室。同時(shí)，液壓油通過(guò)控制閥5進(jìn)入高壓側(cè)，液壓室15中的液壓油也處于壓力下，通過(guò)控制閥經(jīng)過(guò)8流入液壓蓄電池3。對(duì)于電動(dòng)護(hù)罩，電動(dòng)閥包括：此過(guò)程處于膨脹階段，但從泵柱塞的角度來(lái)看，它屬于帶有噴油嘴的泵。當(dāng)膨脹結(jié)束時(shí)，泵的自由柱塞將自然返回下止點(diǎn)。如果電磁閥9仍處于充電狀態(tài)，則液壓蓄電池3這是液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的正常工作機(jī)制。

4? 總結(jié)

綜上所述，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是一種新型的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，它是內(nèi)燃機(jī)中的直線(xiàn)發(fā)電機(jī)和自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)合。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)摒棄了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿。機(jī)構(gòu)和活塞只作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)規(guī)律可調(diào)。

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