[实用新型]自由活塞式负荷响应发动机

说明书

技术领域

本实用新型涉及发动机领域。

背景技术

众所周知，往复式内燃发动机已经拥有一百多年的历史，是一种非常成功的热功转换机械。但目前人类所遇到的能源环境问题，对热功转换机械提出了更高的要求。为此，往复式内燃机就显得体积大、重量大、效率低、低排放性差。近些年来，人们开始特别注重自由活塞式发动机的研究和开发。与往复式活塞发动机相比，自由活塞式发动机具有效率高、排放性好，体积小、重量轻等优点。但是，自由活塞发动机的行程和压缩比的控制一直没有得到解决，也已成为自由活塞发动机商业化应用的巨大障碍。

为此需要发明一种排放量(行程)和几何压缩比可控可调的新型自由活塞发动机，以提高自由活塞发动机的效率、低排放性和适用性。

发明内容

传统往复式发动机的最大缺陷是在爆炸冲程上止点，活塞对曲轴没有力矩，而且在相当转角内力矩也较小，因而使气缸内的高温高压气体维持时间过长导致热量损失大，氮氧化物形成多，效率低，排放差。而自由活塞式发动机则不然，活塞在爆炸冲程开始时就具有很大的力矩，燃烧室内气体膨胀快，热量损失小，氮氧化物形成少，效率高，排放好。但是，自由活塞发动机的行程和压缩比的控制是十分困难的，一直是自由活塞发动机商业化应用的巨大障碍。

无论何种内燃发动机都是一种热功转换机械。其效率的核心是气缸内燃烧后的温度和压力，即燃烧后的工况。燃烧后的工况决定发动机的热效率，而燃烧后的工况基本上是由燃烧前的工况和空燃比决定的。所以燃烧前气缸内的压力、温度和空燃比基本上决定了发动机的热效率，而空气的量决定发动机可能实现的功率。原则上讲，燃烧后的温度越高压力也就越大，效率也就越高。在考虑爆燃、材料的强度和材料的热负荷等实际因素的前提下，一种燃料只有一个最佳工况，即一个最佳温度值、最佳压力值和最佳空燃比值，而且温度、压力和空燃比中任何一个参数偏离此最佳值都会严重影响发动机的效率。由于发动机的配气机构的节流效应很大，所以当发动机负荷和转速变化时，单一吸气冲程吸入气缸内的空气的量是不同的，由于传统发动机的几何压缩比是定值，故压缩冲程完了时气缸内的温度和压力也是不同的。在柴油发动机中，因没有节气门，转速越低吸入的空气越多，压缩后的温度和压力也越高。而转速低往往是负荷小的时候，所以只能向气缸内喷入少量燃油，致使空燃比大幅度偏离最佳值进而严重影响发动机的热效率，而且由于大量剩余氧气的存在导致大量氮氧化物的生成污染环境。在汽油发动机中，由于考虑到汽油点燃的问题不得不设置节气门，使发动机在低速时进气量减少以使在喷入少量燃油时仍可点燃发动机。然而，这导致汽油机在低转速低负荷时压缩冲程完了时的工况严重偏离最佳值，发动机的效率也因此而大幅度下降。由此可见，当转速和负荷变化时，传统发动机的工况和空燃比都会大幅度偏离最佳值，从而导致发动机的效率严重下降，排放严重恶化。当发动机的转速和负荷变化时，如都能保持发动机的最佳工况和最佳空燃比，则将大幅度提高发动机的效率和环保性。为实现这一目的，必须使发动机气缸的几何压缩比和排气量同时可调。

本实用新型的目的就是要公开一种排气量(行程)和几何压缩比可控可调的新型自由活塞发动机，可根据燃料不同和负荷变化调整排气量(行程)和压缩比，即自由活塞式负荷响应发动机，以提高发动机的效率、低排放性和适用性。该目的是这样实现的：

一种自由活塞式负荷响应发动机，包括：气缸和自由活塞，分别在共轴线设置的所述气缸中设置所述自由活塞，所述自由活塞的背部经连接件连接，在所述共轴线设置的所述气缸之间、所述气缸的各自连接件之间、所述气缸的各自固定件之间或所述气缸的各自随动件之间设置可调式距离控制装置，在所述自由活塞、所述自由活塞的各自连接件、所述自由活塞的各自固定件或所述自由活塞的各自随动件和与所述自由活塞相配装的所述气缸、所述气缸的各自连接件、所述气缸的各自固定件或所述气缸的各自随动件之间设置可调式行程控制装置。

所述可调式距离控制装置设为机械可调式距离控制装置，所述机械可调式距离控制装置设为由受控丝杠构成的丝杠可调式距离控制装置，或设为由受控偏心轴构成的偏心轴可调式距离控制装置，或设为由受控凸轮构成的凸轮可调式距离控制装置。通过所述受控丝杠、所述受控偏心轴和/或受控凸轮的转动实现两气缸间的距离的调整。

所述可调式行程控制装置设为机械可调式行程控制装置，所述机械可调式行程控制装置设为由连杆A、连杆B和受控端部销轴构成的二连杆可调式行程控制装置，或设为由所述连杆A、所述连杆B、连杆C和所述受控端部销轴构成的三连杆可调式行程控制装置。