用電機帶動變直線活塞往復運動的方法探析

盛慶嬌

摘要： 隨著環境污染日益嚴重，自由活塞內燃發動機逐漸發展。該內燃機直接直線發電機，該發電機會導致曲軸失效。它與內燃機連桿系統相連，整個機構只在一條直線上運動。它將燃燒室中的化學能直接轉化為電能輸出，與傳統轉子發電機相比，結構簡單，元件少;此外，內燃機能量轉換損失小，摩擦小，機械效率高;另外，由于活塞發動機不受機器的限制，內燃機可以在高密度下工作，燃油適應性廣。目前，這種特殊的發動機越來越受到國內外研究機構的青睞。

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.

關鍵詞： 電機;活塞;往復運動

Key words： motor;piston;reciprocating motion

中圖分類號：TK45? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0068-02

0? 引言

活塞式內燃機是20世紀30年代發展起來的一種新型電器。由于內燃機與直線發電機直接相連，曲柄連桿機構在運行中直接失效。與傳統內燃機相比，它具有結構簡單、體積小的優點。因其具有體積小、重量輕、啟停簡單、操作簡單、節能等優點，在石油化工行業得到了廣泛的應用。

1? 自由發動機歷史簡述

隨著工業技術的發展，能源危機和環境污染已成為世界各國面臨的兩大嚴重社會問題。為了減少發動機排放，提高效率，盡管一些科學家仍在努力改善和優化傳統發動機的性能，但其他科學家正在研究更有效的非正常發動機。這引起了發動機科學家的廣泛關注。先進的基于微處理器的控制系統和現代發動機技術，如電控燃油噴射和氣門執行器，進而對自由活塞發動機的運行進行了更有效的控制[1]。一般來說，自由活塞發動機的總活塞發動機的運動權是由受其影響的氣壓決定的，并隨發動機的工況變化而變化。在能量缸膨脹過程中，壓縮氣墊缸的空氣，暫時維持能源缸的所有外部工作，進而控制螺旋中的車輪產生電能。20世紀80年代以來，德國工程師研制出一種雙沖程直流發動機，不僅可以用作發動機，還可作為壓縮機、液壓泵和發電機。自由活塞內燃發動機是在傳統的內燃發動機的基礎上取消曲柄連桿機構得到的。自由活塞內燃發動機的活塞僅做往復直線運動且行程不受機械約束[2]。與傳統內燃發動機相比，它具有結構簡單、體積小、重量輕、起停容易等優點。由于自由活塞發動機活塞和自由活塞發動機的內燃機是線性縮回的，并且類似于線性發電機的運動模式，所以具有線性負載的自由活塞發動機發電機是線性發電機，發動機和發電機的一體化設計使熱能有效地轉化為電能。電子控制系統具有良好的可控性和快速響應能力。線性發電機改變了自由活塞發動機系統的反應速度和可控性。線性發電機可用于發動機啟動階段，使自由活塞發動機能夠可靠地自行起飛。但由于當時科學技術的限制，自由活塞式內燃機存在著許多固有的缺陷，如部分負載熱效率低、同步機構復雜、體積大等。隨著科技的不斷進步發展，科學家轉向了曲軸式內燃機的研究，自由活塞發動機的發展熱潮逐漸降溫，人們逐漸淡忘了這一點。

在科技和電子控制技術日趨成熟的20世紀末，自由活塞發動機與過去不同，重新被科學家重視，側重研究自由活塞發動機液壓泵和自由活塞發動機內燃機。這兩種裝置都以自由活塞發動機為一次能源單元，直接連接二次動力裝置（液壓泵或線性發電機），直接產生水力能或電能。

國內外對液壓自由活塞式內燃機的研究開始于上世紀80年代，相關科研機構主要有日本豐橋大學（ToyohashUniversity），芬蘭的坦佩類工業大學（Tampere University of Technology），荷蘭的一家公司以及國內浙江大學和北京理工大學。一種常見的液壓自由活塞式內燃機如圖1所示，內燃機活塞與液壓泵剛性連接，燃料燃燒的化學能通過活塞組件直接轉變為液壓能輸出。

事實上，在以前的發動機中，曲柄連接機構是其基本結構和強大的傳動裝置。在正常的電機運行中，電池的天然氣加熱擴散，電池中的氣體加熱增加了嚴重的壓力，結合了最終改變活塞運動。與自由活塞發動機，它只是一個喚醒能量輸出系統。能量傳遞過程是一個復雜的過程，復雜的能量損失是由最強大的。降低發動機的機械損失。對于存在的這個問題，科學家們仍在努力尋找新的問題。研究人員發布了混合電力系統。能量轉化率不高，雜化體系中仍然存在負責任的裂解鍵結合機制[3]。為了克服傳統發動機的剛性動力，科學家們提出了一種新型的混合動力裝置自由活塞發動機，與傳統的混合動力裝置和發動機相比，它沒有曲軸和連桿機構。直桿的一端與活塞相連，另一端與發動機的直線發動機相連?；钊鄬ψ杂梢苿樱虼朔Q為自由活塞發動機。這種新型電器的優點是壓縮比可變，耗電量低，成本低。國內外的研究者都非常關注這種結構的簡單和摩擦的缺乏。

2? 分類及優點

2.1 根據自由活塞式內燃機的用途，可以分為以下幾類：①自由活塞發動機可分為自由活塞發動機、燃氣輪機裝置和自由活塞發動機，第一臺發動機將燃料燃燒產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提供壓縮空氣。②按活塞向內止點回復的方式，自由活塞發動機可以分為無專用氣熱氣缸和有專用氣墊氣缸兩類。在以前的發動機中，活塞縮回所需的能量來自壓縮機的無壓縮空氣量。儲存在壓縮空氣緩沖氣缸中。③根據燃燒室的數量、燒瓶的數量和相對位置，自由活塞發動機可分為單活塞、雙活塞發動機類型和往復式活塞發動機。一個燃燒室和一個活塞構成了單活塞式自由活塞發動機，并且具有結構簡單，成本低廉的優點，并且能夠實現精確調節和控制壓縮率和有效的發動機排氣，但需要空氣彈簧恢復裝置;此外，單活塞的受力極不平衡，軸向振動大，因此需要額外的調平裝置或更多的發動機來降低振動。但是振動比較大，控制進排氣的難度較大。雙活塞發動機由一個燃燒室和兩個活塞組成。其動力完全平衡，振動最穩定。有效地解決了機體的振動問題;無氣缸蓋可有效減少傳熱損失;但是，兩個活塞很難同步，導致壓力比不穩定。因此需要一個附加的控制系統和同步裝置，但同時也增加了控制的難度和發動機結構的復雜性。

2.2 自由活塞發電機的優點? ①因為曲柄，連桿，氣門及曲軸箱等結構的取消，自由活塞發電機的結構變得更加的簡單，且消耗的金屬量變少，其發電成本和重量降低，所占的空間也相應的減少[4]。②自由活塞發動機僅作一維運動，主要的運動部件是活塞、進氣門和排氣門。因此，這種結構減少了潤滑油，活塞和氣缸壁不受活塞側向力的影響，從而減少了摩擦磨損，降低了噪聲，從而簡化了曲軸箱的設計;拆下曲軸箱（傳統發動機的主要噪聲源）可顯著降低振動和噪聲[5]。③自由活塞發動機的壓力比是可變的，使這種燃料更具適應性。壓力率由負載動態控制，燃燒效率通過在高負載范圍內調整峰值負載壓力來優化。④自由活塞發動機可以組合多個發動機，氣缸的數量和排量是靈活的。由于發動機之間不需要機械連接，因此只允許操作符合負載條件的氣缸。這是一個很好的瞬態反應，可以很快到達工作位置。

3? 工作原理

往復式發動機一般是利用汽油、柴油或者氣體燃料燃燒產生壓力的。通常是一個或一個以上活塞，每個活塞都在氣缸內，燃料和空氣的混合物被注入其內，然后被點燃（柴油機是被壓燃），產生氣體膨脹，推動活塞向后運動。活塞的這種直線運動通過連桿和曲軸轉換成圓周運動。

在生活中較為常見的自由活塞式內燃發動機（FPLA）。燃料中的化學能通過燃燒轉化為熱能，然后通過氣缸膨脹轉化為機械能。切斷磁力線并將其轉化為電能。具體地說，它由兩臺往復式活塞發動機、內燃機和一臺直線發電機的永磁體組成，自由活塞發動機的內燃機燃燒室位于兩端。這兩個活塞通過連桿連接。混合氣通過進氣門進入燃燒室。規則。當柱塞向左移動時，它在左側燃燒室中將可燃混合氣壓縮在一起（同時氣體停止右側膨脹和感覺過程）。為了將可燃混合物推入右燃燒室（與膨脹和收集過程左端的氣體同時），混合物點燃TDC附近的右端燃燒器。這樣，兩個相對的燃燒室就會點火，帶動帶有永磁體的燃燒棒從鐵芯上來回移動，螺旋流回路發生變化，產生流動。FPLA是一種一次能源單元（自由活塞發動機）和直線發電機的組合，它結合了兩個優點：一是只有一個可動部件作直線往復運動，活塞不受缸體側向力的影響;二是曲軸和連桿活塞運動不受限制，上止點位置不固定，壓力系數可調，燃油適應性廣，促進內燃機低壓燃料的運行;進一步分析表明，FPLA將使HCCI新的燃燒模式更容易實現。內燃機燃燒產生的排放物可能符合美國極低排放標準（ULEV）。另外，自由活塞發動機的內燃機連桿可由直線發電機直接轉換成電能作為直線發電機的動力，省去了額外的耦合裝置，例如，通過在傳統的旋轉內燃機和發電機之間連接軸和營地;所以整個聯軸器的能量效率很高。

另外比較常見的還有液壓式自由活塞發動機（hydraulic free piston engine，HFPE）。根據圖2描述了一個典型的液壓自由活塞發動機系統的工作原理。假設裝置最初是靜止的，活塞材料在下止點處于最佳狀態。使電磁閥進入正確的流量，然后高壓油電池通過15控制閥7進入3液壓腔，產生動力，使自由柱塞向上止點移動，從電子武器的角度看，上述過程是有壓力的;在補償過程結束時，燃燒室接受噴射的燃油。燃燒產生的高溫和高壓使自由頭骨獲得更好的推進力，因此液壓油在壓力14下進入液壓室。同時，液壓油通過控制閥5進入高壓側，液壓室15中的液壓油也處于壓力下，通過控制閥經過8流入液壓蓄電池3。對于電動護罩，電動閥包括：此過程處于膨脹階段，但從泵柱塞的角度來看，它屬于帶有噴油嘴的泵。當膨脹結束時，泵的自由柱塞將自然返回下止點。如果電磁閥9仍處于充電狀態，則液壓蓄電池3這是液壓自由活塞發動機系統的正常工作機制。

4? 總結

綜上所述，自由活塞發動機是一種新型的混合動力發動機，它是內燃機中的直線發電機和自由活塞發動機的結合。自由活塞發動機摒棄了傳統的內燃機曲柄連桿。機構和活塞只作直線運動，且運動規律可調。

參考文獻：

[1]李延驍，左正興，馮慧華.自由活塞發動機活塞環—氣缸套的潤滑及摩擦特性[J].內燃機學報，2018（4）.

[2]劉宇，汪洋，田相龍，等.液壓自由活塞發動機活塞運動規律自適應特性的研究[J].內燃機工程，2018.

[3]華儒，徐照平，劉梁，等.自由活塞發動機二沖程運行模式換氣過程優化[J].車用發動機，2018（4）：45-49.

[4]Goertz M，? Peng L. Free Piston Engine Its Application and Optimization[J]. Sae World Congress， 2000， 1.

[5]Carter D， Wechner E. The Free Piston Power Pack： Sustainable Power for Hybrid Electric Vehicles[J]. 2003.