用电机带动变直线活塞往复运动的方法探析

盛庆娇

摘要： 随着环境污染日益严重，自由活塞内燃发动机逐渐发展。该内燃机直接直线发电机，该发电机会导致曲轴失效。它与内燃机连杆系统相连，整个机构只在一条直线上运动。它将燃烧室中的化学能直接转化为电能输出，与传统转子发电机相比，结构简单，元件少;此外，内燃机能量转换损失小，摩擦小，机械效率高;另外，由于活塞发动机不受机器的限制，内燃机可以在高密度下工作，燃油适应性广。目前，这种特殊的发动机越来越受到国内外研究机构的青睐。

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.

關键词： 电机;活塞;往复运动

Key words： motor;piston;reciprocating motion

中图分类号：TK45                      文献标识码：A           文章编号：1674-957X（2021）17-0068-02

0  引言

活塞式内燃机是20世纪30年代发展起来的一种新型电器。由于内燃机与直线发电机直接相连，曲柄连杆机构在运行中直接失效。与传统内燃机相比，它具有结构简单、体积小的优点。因其具有体积小、重量轻、启停简单、操作简单、节能等优点，在石油化工行业得到了广泛的应用。

1  自由发动机历史简述

随着工业技术的发展，能源危机和环境污染已成为世界各国面临的两大严重社会问题。为了减少发动机排放，提高效率，尽管一些科学家仍在努力改善和优化传统发动机的性能，但其他科学家正在研究更有效的非正常发动机。这引起了发动机科学家的广泛关注。先进的基于微处理器的控制系统和现代发动机技术，如电控燃油喷射和气门执行器，进而对自由活塞发动机的运行进行了更有效的控制[1]。一般来说，自由活塞发动机的总活塞发动机的运动权是由受其影响的气压决定的，并随发动机的工况变化而变化。在能量缸膨胀过程中，压缩气垫缸的空气，暂时维持能源缸的所有外部工作，进而控制螺旋中的车轮产生电能。20世纪80年代以来，德国工程师研制出一种双冲程直流发动机，不仅可以用作发动机，还可作为压缩机、液压泵和发电机。自由活塞内燃发动机是在传统的内燃发动机的基础上取消曲柄连杆机构得到的。自由活塞内燃发动机的活塞仅做往复直线运动且行程不受机械约束[2]。与传统内燃发动机相比，它具有结构简单、体积小、重量轻、起停容易等优点。由于自由活塞发动机活塞和自由活塞发动机的内燃机是线性缩回的，并且类似于线性发电机的运动模式，所以具有线性负载的自由活塞发动机发电机是线性发电机，发动机和发电机的一体化设计使热能有效地转化为电能。电子控制系统具有良好的可控性和快速响应能力。线性发电机改变了自由活塞发动机系统的反应速度和可控性。线性发电机可用于发动机启动阶段，使自由活塞发动机能够可靠地自行起飞。但由于当时科学技术的限制，自由活塞式内燃机存在着许多固有的缺陷，如部分负载热效率低、同步机构复杂、体积大等。随着科技的不断进步发展，科学家转向了曲轴式内燃机的研究，自由活塞发动机的发展热潮逐渐降温，人们逐渐淡忘了这一点。

在科技和电子控制技术日趋成熟的20世纪末，自由活塞发动机与过去不同，重新被科学家重视，侧重研究自由活塞发动机液压泵和自由活塞发动机内燃机。这两种装置都以自由活塞发动机为一次能源单元，直接连接二次动力装置（液压泵或线性发电机），直接产生水力能或电能。

国内外对液压自由活塞式内燃机的研究开始于上世纪80年代，相关科研机构主要有日本丰桥大学（ToyohashUniversity），芬兰的坦佩类工业大学（Tampere University of Technology），荷兰的一家公司以及国内浙江大学和北京理工大学。一种常见的液压自由活塞式内燃机如图1所示，内燃机活塞与液压泵刚性连接，燃料燃烧的化学能通过活塞组件直接转变为液压能输出。

事实上，在以前的发动机中，曲柄连接机构是其基本结构和强大的传动装置。在正常的电机运行中，电池的天然气加热扩散，电池中的气体加热增加了严重的压力，结合了最终改变活塞运动。与自由活塞发动机，它只是一个唤醒能量输出系统。能量传递过程是一个复杂的过程，复杂的能量损失是由最强大的。降低发动机的机械损失。对于存在的这个问题，科学家们仍在努力寻找新的问题。研究人员发布了混合电力系统。能量转化率不高，杂化体系中仍然存在负责任的裂解键结合机制[3]。为了克服传统发动机的刚性动力，科学家们提出了一种新型的混合动力装置自由活塞发动机，与传统的混合动力装置和发动机相比，它没有曲轴和连杆机构。直杆的一端与活塞相连，另一端与发动机的直线发动机相连。活塞相对自由移动，因此称为自由活塞发动机。这种新型电器的优点是压缩比可变，耗电量低，成本低。国内外的研究者都非常关注这种结构的简单和摩擦的缺乏。

2  分类及优点

2.1 根据自由活塞式内燃机的用途，可以分为以下几类：①自由活塞发动机可分为自由活塞发动机、燃气轮机装置和自由活塞发动机，第一台发动机将燃料燃烧产生的气体输送到涡轮，然后延伸使其工作，后者主要控制压缩机提供压缩空气。②按活塞向内止点回复的方式，自由活塞发动机可以分为无专用气热气缸和有专用气垫气缸两类。在以前的发动机中，活塞缩回所需的能量来自压缩机的无压缩空气量。储存在压缩空气缓冲气缸中。③根据燃烧室的数量、烧瓶的数量和相对位置，自由活塞发动机可分为单活塞、双活塞发动机类型和往复式活塞发动机。一个燃烧室和一个活塞构成了单活塞式自由活塞发动机，并且具有结构简单，成本低廉的优点，并且能够实现精确调节和控制压缩率和有效的发动机排气，但需要空气弹簧恢复装置;此外，单活塞的受力极不平衡，轴向振动大，因此需要额外的调平装置或更多的发动机来降低振动。但是振动比较大，控制进排气的难度较大。双活塞发动机由一个燃烧室和两个活塞组成。其动力完全平衡，振动最稳定。有效地解决了机体的振动问题;无气缸盖可有效减少传热损失;但是，两个活塞很难同步，导致压力比不稳定。因此需要一个附加的控制系统和同步装置，但同时也增加了控制的难度和发动机结构的复杂性。

2.2 自由活塞发电机的优点  ①因为曲柄，连杆，气门及曲轴箱等结构的取消，自由活塞发电机的结构变得更加的简单，且消耗的金属量变少，其发电成本和重量降低，所占的空间也相应的减少[4]。②自由活塞发动机仅作一维运动，主要的运动部件是活塞、进气门和排气门。因此，这种结构减少了润滑油，活塞和气缸壁不受活塞侧向力的影响，从而减少了摩擦磨损，降低了噪声，从而简化了曲轴箱的设计;拆下曲轴箱（传统发动机的主要噪声源）可显著降低振动和噪声[5]。③自由活塞发动机的压力比是可变的，使这种燃料更具适应性。压力率由负载动态控制，燃烧效率通过在高负载范围内调整峰值负载压力来优化。④自由活塞发动机可以组合多个发动机，气缸的数量和排量是灵活的。由于发动机之间不需要机械连接，因此只允许操作符合负载条件的气缸。这是一个很好的瞬态反应，可以很快到达工作位置。

3  工作原理

往复式发动机一般是利用汽油、柴油或者气体燃料燃烧产生压力的。通常是一个或一个以上活塞，每个活塞都在气缸内，燃料和空气的混合物被注入其内，然后被点燃（柴油机是被压燃），产生气体膨胀，推动活塞向后运动。活塞的这种直线运动通过连杆和曲轴转换成圆周运动。

在生活中较为常见的自由活塞式内燃发动机（FPLA）。燃料中的化学能通过燃烧转化为热能，然后通过气缸膨胀转化为机械能。切断磁力线并将其转化为电能。具体地说，它由两台往复式活塞发动机、内燃机和一台直线发电机的永磁体组成，自由活塞发动机的内燃机燃烧室位于两端。这两个活塞通过连杆连接。混合气通过进气门进入燃烧室。规则。当柱塞向左移动时，它在左侧燃烧室中将可燃混合气压缩在一起（同时气体停止右侧膨胀和感觉过程）。为了将可燃混合物推入右燃烧室（与膨胀和收集过程左端的气体同时），混合物点燃TDC附近的右端燃烧器。这样，两个相对的燃烧室就会点火，带动带有永磁体的燃烧棒从铁芯上来回移动，螺旋流回路发生变化，产生流动。FPLA是一种一次能源单元（自由活塞发动机）和直线发电机的组合，它结合了两个优点：一是只有一个可动部件作直线往复运动，活塞不受缸体侧向力的影响;二是曲轴和连杆活塞运动不受限制，上止点位置不固定，压力系数可调，燃油适应性广，促进内燃机低压燃料的运行;进一步分析表明，FPLA将使HCCI新的燃烧模式更容易实现。内燃机燃烧产生的排放物可能符合美国极低排放标准（ULEV）。另外，自由活塞发动机的内燃机连杆可由直线发电机直接转换成电能作为直线发电机的动力，省去了额外的耦合装置，例如，通过在传统的旋转内燃机和发电机之间连接轴和营地;所以整个联轴器的能量效率很高。

另外比较常见的还有液压式自由活塞发动机（hydraulic free piston engine，HFPE）。根据图2描述了一个典型的液压自由活塞发动机系统的工作原理。假设装置最初是静止的，活塞材料在下止点处于最佳状态。使电磁阀进入正确的流量，然后高压油电池通过15控制阀7进入3液压腔，产生动力，使自由柱塞向上止点移动，从电子武器的角度看，上述过程是有压力的;在补偿过程结束时，燃烧室接受喷射的燃油。燃烧产生的高温和高压使自由头骨获得更好的推进力，因此液压油在压力14下进入液压室。同時，液压油通过控制阀5进入高压侧，液压室15中的液压油也处于压力下，通过控制阀经过8流入液压蓄电池3。对于电动护罩，电动阀包括：此过程处于膨胀阶段，但从泵柱塞的角度来看，它属于带有喷油嘴的泵。当膨胀结束时，泵的自由柱塞将自然返回下止点。如果电磁阀9仍处于充电状态，则液压蓄电池3这是液压自由活塞发动机系统的正常工作机制。

4  总结

综上所述，自由活塞发动机是一种新型的混合动力发动机，它是内燃机中的直线发电机和自由活塞发动机的结合。自由活塞发动机摒弃了传统的内燃机曲柄连杆。机构和活塞只作直线运动，且运动规律可调。

参考文献：

[1]李延骁，左正兴，冯慧华.自由活塞发动机活塞环—气缸套的润滑及摩擦特性[J].内燃机学报，2018（4）.

[2]刘宇，汪洋，田相龙，等.液压自由活塞发动机活塞运动规律自适应特性的研究[J].内燃机工程，2018.

[3]华儒，徐照平，刘梁，等.自由活塞发动机二冲程运行模式换气过程优化[J].车用发动机，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.