技术领域
[0001] 本
发明属于
能源动
力领域，具体涉及到自由活塞直线发
电机，气压
自由活塞发动机，液压自由活塞发动机。
背景技术
[0002] 为了节能和减少对环境污染，人们对十八世纪出现的自由活塞内燃发动机进行重新研发。自由活塞内燃发动机省略了
曲柄机构和机械
飞轮，活塞直接与负载(直线发电机，
液压泵，气泵等)相连，将
燃料燃烧的化学
热能直接转化为
电能，液压能，气压能输出。它具有整体结构简单，功率
密度高，压缩比可调，能适应多种化学燃料，机械摩损小，转换效率高等许多潜在优势。国内外众多的科研机构，研发出了多种自由活塞发动机，这些发动机大都是和所带负载一起进行开发，分别有自由活塞发电机，液压自由活塞发动机。自由活塞发电机，根据活塞和
气缸的布置一般可分三种类型，结构示意于图1所示：单气缸单活塞，对置活塞单气缸，双活塞双气缸。液压自由活塞发动机也有其相对应的三种类型：单活塞式，对置活塞式，双活塞式。现有这些自由活塞发动机，都分别还存在不少
缺陷：
[0003] 单气缸单活塞：
内燃机点火造成单向冲击，引起系统产生振动。活塞膨胀做工后的回位需特殊回弹装置，利用积蓄的能源进行复位，这不但需要消耗一部份积蓄能源，还直接导至输出的能源产生较大的脉动，对负载工作造成影响。
[0004] 对置活塞单气缸：需特殊回弹装置利用积蓄的能源进行复位，控制复杂，内外止点不稳定，随机飘移率大，影响发动机工作，易造成停车。
[0005] 双活塞双气缸：动平稳不好，振动大，扫气时间短，扫气不充分，影响燃烧效果，不易实现四冲程。
[0006] 自由活塞发动机这些技术难点还末得到完全攻克，研发的这些自由活塞发动机都还处于理论验证阶段，还并没有得到大规模的普及应用。
发明内容
[0007] 鉴于技术的现状，本发明的目的在于提供一种自由活塞式内燃发动机，做到功率密度高，振动小，自由活塞内外止点稳定可靠。可根据不同燃料，调整不同的压缩比，使之燃烧充分，对环境污染少。不需要特殊回弹装置，回复行程不需要消耗额外积蓄的能源，能实现四冲程工作循环，发动机能稳定可靠工作，能直接连接直线发电机，
液压泵等不同负载。
[0008] 传统的四冲程内燃发动机，排气干净，燃烧效果好，工作稳定，它四个独立的
燃烧室组成并联，由
曲轴连杆形成联动对外做工。
[0009] 创新的自由活塞发动机采用独立的四个燃烧室，在同一轴线上组成串联；省去曲轴，曲柄，用连杆组成联动对外做工。其结构原理如示意图2：
[0010] 气缸1内，由两个双头活塞2，四个单活塞3，将气缸分隔成四个燃烧室，101，102，103，104；
[0011] 燃烧室由单头活塞3，双头活塞2的一头与气缸壁形成封闭的一个腔，活塞在其中可自由往返运动；
[0012] 四个燃烧室中心的垂直
位置，下方设有进气孔4，上方设有排气孔5，侧面设有点火窗口6；
[0013] 燃烧室膨胀做工，对置的活塞同时向相反方向运行；
[0014] 连杆7，连杆8，置于
气缸体外，将六个活塞相互错开连成两组，即将一端的双头活塞与另一端双头活塞与之对置的两个单头活塞连在一起，形成一组，另一端的双头活塞与一端双头活塞与之对置的两个单头活塞连在一起形成另一组；
[0015]
机体上共设有三组
传感器，内止点传感器10，外止点传感器11，压缩比设定传感器12。每组传感器各为两个；
[0016] 机构两端的单活塞输出动力，可直接连负载22。
[0017] 这个自由活塞发动机和传统内燃发动机一样具有完全对称的四个工作行程，图2：
[0018] (图2-1)101进气，102排气，103压缩，104做工；
[0019] (图2-2)101压缩，102进气，103做工，104排气；
[0020] (图2-3)101做工，102压缩，103排气，104进气；
[0021] (图2-4)101排气，102做工，103进气，104压缩。
[0022] 机构运行，连杆7，连杆8分两组带动六个活塞同时向两个相反方向运动，保证了整体机构在运行中，质心不发生改变，消除了活塞剧烈往复运动带给系统的振动。
[0023] 燃烧室膨胀做工，活塞的复位，由下一个燃烧室做工通过连杆联动完成，不需要特殊回弹装置，不需从蓄能机构中获取
能量，结构简单，动作可靠。
[0024] 连杆由缸体上的支承体支承，担负活塞轴向力的传递，它不增加活塞的辐向压力即不增加活塞对缸壁的磨擦。节省能源，延长了机器寿命。
[0025] 活塞在气缸里可沿轴线自由运行但受连杆左右极限
定位限制。
[0026] 两对连杆相对应的检测部位，都到达内组或者外组传感器时，
控制器ECU执行发动机进入下个工作行程。
[0027] 活塞的准确定位，解决了止位点不固定影响燃烧，造成对系统的不稳定。
[0028] 活塞往返都做工，能源转换效率大幅提高。能源的脉冲式输出变为了上下对称的连续输出。
附图说明
[0029] 图1为现今几种常见的自由活塞构成的内燃发动机原理结构示意图：图1-1单气缸单活塞，图1-2对置活塞单气缸，图1-3双活塞双气缸，图1-21单活塞式，图1-22对置活塞式，图1-23双活塞式。1.1气缸，1.2活塞，1.3负载直线发电机，1.4燃烧室，1.5液压泵腔，1.6压缩腔。
[0030] 图2是本发明单管四室串联四冲程自由活塞发动机原理示意图。
[0031] 图3是本发明单管四室串联四冲程自由活塞发动机三维结构示意图。
具体实施方式
[0032] 以下结合图2，图3，对本发明作进一步描述：
[0033] 本发明的单管四室串联四冲程自由活塞发动机包括气缸体9，气
缸套1，双头活塞2，单头活塞3，进气孔4，排气孔5，点火窗口6，连杆7，连杆8，内止点传感器10，外止点传感器
11，压缩比设定传感器12，进气电磁
阀13，排气
电磁阀14。支承体15，点火装置16，直线
轴承17，
活塞销18，ECU控制器19，止位橡塑圈20，通孔21，负载22。
[0034] 气缸体9为八方柱体，它是整个机构的基体。其中心嵌有气缸套1，缸体外面有连杆支承体15。
[0035] 缸体上下左右四个面开有活塞销运行通孔21，运行通孔穿过气缸，直达缸体对面。
[0036] 活塞销穿过气缸，和连杆连结成一体。通孔21内嵌有弹性止位橡塑圈20，兼有活塞在内外止点越位时的限制功能。
[0037] 共两个双头活塞2，四个单头活塞3，它们将气缸分隔成四个燃烧室，101，102，103，104。
[0038] 四个燃烧室成串联状，其中心线均必须在同一轴线上。可按设定的程序轮番进行，进气，压缩，膨胀，排气四道工序。
[0039] 燃烧室中心的垂直位置，上方有排气孔5，下方有进气孔4，侧面有点火窗口6，排气电磁阀11，进气电磁阀12，点火装置13都安装在相对应的气缸体9上。
[0040] 在气缸体上下，左右四个面上共设有八个支承体15，支承体中心嵌有用以减小连杆往复运动所产生的
摩擦力的直
线轴承17。每个面上的两个支承体安装孔中心线与气缸的中心线绝对平行。
[0041] 连杆7有上下两根导杆分别由气缸体上，下两面的支承体15支承。
[0042] 101室的双头活塞，与103，104燃烧室的单头活塞，通过活塞销18穿过对应的活塞销运行通孔21，与连杆7连成一体，构成运动部件YDB1。
[0043] 连杆8有左右两根导杆分别由气缸体左，右两面的支承体15支承。
[0044] 104室的双头活塞，与101，102燃烧室的单头活塞，通过活塞销18穿过对应的活塞销运行通孔21，与连杆8连成一体，构成运动部件YDB2。
[0045] 所述连杆7两根导杆中心线构成的平面与气缸上，下平面垂直，并穿过气缸的中心线。
[0046] 所述连杆8两根导杆中心线构成的平面与气缸左，右平面垂直，并穿过气缸的中心线。
[0047] 所述连杆7，连杆8各自两根导杆所构成的平面互相垂直。
[0048] 连杆上的活塞销在各自对应的活动窗口往复运动，互不干扰
[0049] 所述连杆，活塞销其
质量一致，离所述气缸中心线距离一致，即以气缸中心为准，镜像设置。
[0050] 燃烧室的活塞都为对置活塞，任一燃烧室膨胀做工，运动部件YDB1，YDB2，都同时向相反方向运行。作用在机体上的力得到平衡，整体机构质心不变，避免了机体的振动。
[0051] 所述连杆7，连杆8及活塞销由质量而产生的重力全由缸体上的支承体15承载。
[0052] 活塞销运行通孔21的长度应能满足活塞从内止点到外止点的行程。但不得伸长至燃烧室内。并与燃烧室保有一定距离。
[0053] 点火时活塞离中心位置最近的点为内止点，膨胀时活塞离中心位置最远的点为外止点，内外止点的设定分别由传感器组10，传感器组11来完成。
[0054] 图2上所标示的内外止点监测，是101室与104室的内外止点。102，103室的内外止点刚好与其对应相反，101，104的外止点，即为102，103的内止点。
[0055] 不同类型的燃料要求不同的压缩比，可通过传感器12来设定。
[0056] 只有当传感器10，11通过连杆7，连杆8检测到对置的活塞都到达内止点或者外止点时，控制器ECU才发出指令进入下个冲程。由于某种随机原因一组连杆组件先行到达止点，此时即由活动窗口21止位等待，不能越位造成对对方活塞的干涉。
[0057] 装置的两端单头活塞可直接连接负载22直线发电机，液压注塞泵或者气泵等[0058] 发动机起动，控制器ECU将直线发电机转换成直线
电动机，或者液压泵，气泵转换为动力源推动活塞作初始往复运动。
[0059] 本发明单缸四室四冲程自由活塞发动机工作过程如下：
[0060] 进气行程：电控单元ECU控制负载(直线电机，液压泵或者气压泵)逆向做工，拉动发动机两端活塞向外运动，活动部件YDB1，YDB2互为反方向，向外运行，同时电控器ECU控制101燃烧室进气电磁阀打开，进入进气行程；
[0061]
压缩行程：传感器检测到活动部件YDB1，YDB2，都到达外止点位时，电控单元ECU控制发动机负载反过来推动活塞向内运动。活动部件YDB1，YDB2互为反方向，向内运行。传感器组12检测到101室活塞进入设定的压缩比位置时进气电磁阀关闭，喷油机构喷入适量燃油，是柴油可取消点火装置从点火窗口喷入，是气油可从进气通道喷入。101室完成压缩行程，与此同时103室的进气电磁阀打开，进入进气行程；
[0062] 膨胀行程：传感器检测到活动部件YDB1，YDB2，都到达内止点时，电控器ECU控制点火装置14点火，柴油无须点火，压燃引爆，101室膨胀做工，YDB1，YDB2同时向外运行，负载停止做工，同时103室进气电磁阀关闭，进入压缩行程，104室进气电磁阀打开，进入进气行程；
[0063] 排气行程：传感器检测到活动部件YDB1，YDB2，都到达外止点时，电控单元控制点火装置，103室点火，103室膨胀做工，101室的排气电磁阀打开，对置活塞挤出废气，同时104室进入压缩行程，102室进入进气行程，YDB1，YDB2同时向内运行。
[0064] 发动机起动后，按图2所示顺序循环运行。活塞对外做工输出动力，ECU控制负载转入常态，直线电机进入发电状态对外输出电能。或者是液压泵对外输出液压能。
[0065] 本发动机省去了传统内燃机的曲柄机构，继承了传统内燃机独立的四冲程结构特点，实现了活塞的自由运行，消除了活塞的侧向摩擦力，提高了能源利用率，延长了机器寿命；四冲程结构使燃烧更彻底，废气排除更干净，更经济环保；内外止点的准确定位使发动机运行更稳定可靠。压缩传感器12的设立，使发动机能适应不同的燃料所要求的压缩比，并实现了发动机低压缩比高膨胀比的运行。
[0066] 本发动机较现有的自由活塞发动机省去了复位
弹簧和专
门的复位机构，节省了能源，简化了机构，活塞往返都能做工。发动机的工作行程和复位行程轨迹完全重合，活塞的往复运动时间，
相位变得对称和更有规律。直线发电机输出上下对称
波形的电能，可直接用于用电器具。对于液压发动机，输出的液压能脉动小，流量稳定。通过控制器对发动机点火时间的调控能实现对发动机的
频率调整。
[0067] 本发动机若采用磁条
数字传感器取代传感器11，12，13，可实现随负载情况变化对内外止点，压缩比，膨胀比进行实时精准调控。对负载的
波动实现全闭环控制，能得到更好的燃烧转化效果和更少的污染排放。
[0068] 本发动机有广泛用途，由于两端连接负载，不论是直线发电机，液压
柱塞泵或者汽泵都能很方便的接入，具有极强的通用性。
