自由活塞发动机

自由活塞发动机是直链，“无曲柄式” 内燃机，其中所述活塞运动不是由一个控制曲轴，而是由力从相互作用决定燃烧室的气体，一回弹装置（例如，在一个活塞封闭气缸）和负载装置（例如气体压缩机或线性交流发电机）。

所有这些活塞发动机的目的是产生动力。在自由活塞式发动机中，该动力不传递到曲轴，而是通过驱动涡轮的排气压力，通过驱动线性负载（例如用于气动的空气压缩机）或通过将线性交流发电机直接并入而提取出来的。活塞产生电能。

自由活塞式发动机的基本配置通常称为单活塞，双活塞或对置活塞，是指燃烧缸的数量。自由活塞式发动机通常受限于二冲程工作原理，因为在每个前后循环中都需要动力冲程。但是，分行程四冲程版本已获得专利，GB2480461（A）于2011-11-23发布。

RP Pescara 提出了现代自由活塞发动机，最初的应用是单活塞空气压缩机。佩斯卡拉（Pescara）设立了必胜客技术局（Bureau Technique），以开发自由活塞发动机，罗伯特·胡伯（Robert Huber）从1924年至1962年担任该局的技术总监。

在1930年至1960年期间，发动机概念是一个非常受关注的话题，并且开发了许多可商购的单元。这些xxx代自由活塞发动机无一例外都是对置活塞发动机，其中两个活塞机械连接以确保对称运动。与传统技术相比，自由活塞式发动机具有一些优势，包括紧凑性和无振动设计。

自由活塞发动机概念的xxx个成功应用是空气压缩机。在这些发动机中，空气压缩机气缸通常以多级配置连接到运动的活塞。这些发动机中的一些利用压缩机气缸中残留的空气来使活塞返回，从而消除了对回弹装置的需求。

自由活塞空气压缩机已被德国海军使用，并具有高效、紧凑、低噪音和低振动的优点。

自由活塞式空气压缩机成功之后，许多工业研究小组开始开发自由活塞式气体发生器。在这些发动机中，没有连接至发动机本身的负载装置，而是从排气涡轮提取动力。

开发了许多自由活塞式气体发生器，并且这种单元在诸如固定式和船舶动力装置之类的大规模应用中得到了广泛使用。尝试将自由活塞式气体发生器用于车辆推进（例如在燃气轮机机车中），但没有成功。

自由活塞发动机概念的现代应用包括针对非公路车辆的液压发动机和旨在与混合动力电动车辆一起使用的自由活塞发动机发电机。

这些发动机通常是单活塞型的，液压缸通过液压控制系统同时充当负载和回弹装置。这使该装置具有很高的操作灵活性。据报道，出色的部分负荷性能。

多个研究小组正在研究用于消除重型曲轴的自由活塞式线性发电机，该笨重的曲轴在活塞和气缸壁中装有电线圈，用于混合动力电动汽车中作为增程器。xxx台自由活塞发电机在1934年获得了专利。包括Stelzer发动机和Pempek Systems根据德国专利制造的自由活塞动力组件。单活塞自由活塞线性发电机于2013年在德国航空航天中心（Deutsches ZentrumfürLuft- und Raumfahrt; DLR）进行了展示。

这些发动机主要为双活塞型，因此具有高功率重量比的紧凑型单元。这种设计的挑战是找到重量足够轻的电动机。据报道，双活塞发动机以高周期变化的形式出现了控制挑战。

2014年6月，丰田汽车发布了原型自由活塞发动机线性发电机（FPEG）。当活塞在其动力冲程期间被迫向下移动时，它会通过气缸中的绕组以产生三相交流电。活塞在两个冲程上均产生电，从而减少了活塞的死角。发电机使用液压启动的排气提升阀，汽油直喷阀和电子操作阀以二冲程循环运行。该发动机易于改装，可以在各种燃料下运行，包括氢气、天然气、乙醇、汽油和柴油。两缸FPEG具有固有的平衡性。

丰田声称连续使用时的热效率等级为42％，xxx超过了今天的平均25-30％的平均值。丰田展示了24英寸长乘以2.5英寸直径的装置，可产生15 hp（大于11 kW）的功率。

自由活塞式发动机的工作特性不同于传统的曲轴发动机。主要区别在于自由活塞式发动机中的活塞运动不受曲轴的限制，从而导致可变压缩比的潜在价值。但是，这确实也带来了控制挑战，因为必须精确控制死点的位置，以确保燃料点火和有效燃烧，并避免缸内压力过大，或者避免活塞撞击汽缸盖。自由活塞发动机具有许多独特的功能，其中一些赋予其潜在的优势，而另一些则代表着必须克服的挑战，自由活塞发动机才能成为传统技术的现实替代方案。

由于端点之间的活塞运动不受曲轴机构的机械限制，因此自由活塞发动机具有可变压缩比的宝贵功能，可以提供广泛的运行优化，更高的部分负荷效率以及可能的多燃料运行。通过适当的控制方法，通过可变的燃油喷射正时和气门正时来增强这些功能。

通过适当的频率控制方案（例如PPM（脉冲暂停调制）控制[1]）可实现可变的冲程长度，其中使用可控液压缸作为回弹装置，在BDC处暂停活塞运动。因此，可以通过在活塞到达BDC的时间与释放下一个冲程的压缩能量之间施加间隔来控制频率。

由于运动部件较少，因此减少了摩擦损失并降低了制造成本。因此，简单而紧凑的设计需要较少的维护，从而延长了使用寿命。

纯线性运动导致活塞上的侧向载荷非常低，因此对活塞的润滑要求降低。

自由活塞式发动机的燃烧过程非常适合均质充量压缩点火（HCCI）模式，在该模式下，预混合的充量被压缩并自燃，从而燃烧非常迅速，同时对精确点火正时控制的要求也较低。而且，由于几乎恒定的体积燃烧以及燃烧稀薄混合物以降低气体温度并因此降低某些类型的排放的可能性而获得了高效率。

通过并联运行多个发动机，可以减少由于平衡问题而引起的振动，但这需要对发动机转速进行精确控制。另一种可能性是使用配重，这将导致设计更加复杂，发动机尺寸和重量增加以及额外的摩擦损失。

由于没有像传统发动机中的飞轮那样的储能装置，因此它将无法驱动发动机旋转数圈。因此，如果发动机无法建立足够的压缩或其他因素影响喷射/点火和燃烧，则发动机可能会停止运转。这导致点火失败，并且需要精确的速度控制。

自由活塞概念的潜在优势包括

• 简单的设计和很少的运动部件，使紧凑型发动机的维护成本低，并减少了摩擦损失。
• 通过可变压缩比的操作灵活性允许针对所有工况和多种燃料的运行进行优化。自由活塞式发动机还非常适合均质充气压缩点火（HCCI）操作。
• 围绕上止点（TDC）的高活塞速度和快速的动力冲程扩展可增强燃油与空气的混合，并减少可用于传热损失和形成依赖温度的排放物（例如氮氧化物（NOx））的时间。

自由活塞发动机的主要挑战是发动机控制，这只能说对于单活塞液压自由活塞发动机是完全解决的。双活塞发动机在瞬态运行期间燃烧过程中的逐周期变化的影响以及发动机性能等问题是需要进一步研究的主题。曲轴发动机可以连接交流发电机、机油泵、燃油泵、冷却系统、启动器等传统配件。

可以从位于废气流中的涡轮机捕获旋转运动，以旋转传统的汽车发动机配件，例如交流发电机、空调压缩机、动力转向泵和防污染装置。

大多数自由活塞发动机是带有单个中央燃烧室的对置活塞型。对置活塞发动机是一种变体，它具有两个独立的燃烧室。一个例子是Stelzer引擎。

在21世纪，对自由活塞发动机的研究仍在继续，并且专利已在许多国家/地区发布。在英国，纽卡斯尔大学正在研究自由活塞发动机。

德国航空航天中心正在开发一种新型的自由活塞发动机，即自由活塞线性发电机。

除了这些原型之外，美国西弗吉尼亚大学的研究人员正在开发具有90Hz工作频率的机械弹簧的单缸自由活塞发动机原型。