自由活塞发动机

自由活塞发动机是一种线性的“无曲柄”内燃机，其中活塞运动不受曲轴控制，而是由来自燃烧室气体的力的相互作用、回弹装置（例如，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）。所有此类活塞发动机的目的是产生动力。在自由活塞发动机中，这种动力不传递到曲轴，而是通过驱动涡轮机的废气压力、通过驱动线性负载（如空气压缩机）来获得气动动力，或者通过将线性交流发电机直接集成到活塞产生电能。自由活塞发动机的基本配置俗称单活塞、双活塞或对置活塞，指的是燃烧气缸的数量。自由活塞发动机通常受限于二冲程工作原理，因为每个前后循环都需要做功冲程。

自由活塞发动机概念的首次成功应用是作为空气压缩机。在这些发动机中，空气压缩机气缸与移动活塞相连，通常采用多级配置。其中一些发动机利用压缩机气缸中剩余的空气使活塞返回，从而消除了对回弹装置的需要。自由活塞式空气压缩机被德国海军使用，具有高效、紧凑、低噪音和振动的优点。

自由活塞式空压机成功后，多个工业研究小组开始着手研制自由活塞式气体发生器。在这些发动机中，没有与发动机本身耦合的负载装置，但动力是从排气涡轮中提取的。因此，涡轮机的旋转运动可以驱动泵、螺旋桨、发电机或其他设备。在这种布置中，发动机的xxx负载是对进气进行增压​​，尽管理论上如果需要，这些空气中的一些可以被转移用作压缩空气源。这种修改将使自由活塞发动机在与上述排气驱动涡轮结合使用时，除了按需提供压缩空气外，还能够提供动力（来自涡轮的输出轴）。开发了许多自由活塞式气体发生器，这些装置广泛用于固定和船舶动力装置等大规模应用。曾尝试将自由活塞式气体发生器用于车辆推进（例如在燃气涡轮机车中），但没有成功。

自由活塞发动机概念的现代应用包括用于非公路车辆的液压发动机和用于混合动力电动汽车的自由活塞发动机发电机。

这些发动机通常是单活塞式的，液压缸使用液压控制系统作为负载和回弹装置。这使该装置具有很高的操作灵活性。已经报道了出色的部分负载性能。

当活塞在做功冲程期间被迫向下时，它通过气缸中的绕组以产生三相交流电。活塞在两个冲程中都产生电能，从而减少活塞死区损失。发电机以二冲程循环运行，使用液压驱动的排气提升阀、汽油直喷和电子操作阀。该发动机易于改装，可在各种燃料下运行，包括氢气、天然气、乙醇、汽油和柴油。两缸FPEG本质上是平衡的。丰田声称连续使用时的热效率等级为42%，xxx超过了今天25-30%的平均水平。丰田展示了一个24英寸长、2.5英寸直径的装置，可产生15马力（大于11千瓦）。

自由活塞发动机的运行特性不同于传统的曲轴发动机。主要区别在于自由活塞发动机中的活塞运动不受曲轴的限制，从而产生了可变压缩比的潜在价值特征。然而，这也带来了控制方面的挑战，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，或者更糟的是，活塞撞击气缸盖.自由活塞发动机具有许多独特的特点，其中一些赋予了它潜在的优势，而另一些则代表了自由活塞发动机必须克服的挑战，才能成为传统技术的现实替代品。由于端点之间的活塞运动不受曲柄机构的机械限制，自由活塞发动机具有可变压缩比的宝贵特性，可提供广泛的运行优化、更高的部分负载效率和可能的多燃料运行。这些通过适当的控制方法通过可变燃料喷射正时和气门正时得到增强。可变冲程长度是通过适当的频率控制方案来实现的，例如PPM（脉冲暂停调制）控制[1]，其中使用可控液压缸作为回弹装置，活塞运动在BDC处暂停。因此，可以通过在活塞到达BDC和为下一个冲程释放压缩能量之间施加暂停来控制频率。由于活动部件较少，因此降低了摩擦损失和制造成本。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较低。自由活塞发动机的燃烧过程非常适合均质充气压缩点火(HCCI)模式，其中预混合充气被压缩并自燃，从而导致非常快速的燃烧，同时对精确点火正时控制的要求较低。此外，由于几乎恒定的体积燃烧和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物的可能性，获得了高效率。通过并行运行多台发动机，可以减少由于平衡问题引起的振动，但这需要精确控制发动机转速。另一种可能性是应用配重，这会导致设计更复杂、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，它将无法驱动发动机转数圈。因此，如果发动机未能建立足够的压缩或如果其他因素影响喷射/点火和燃烧，发动机可能会停止。这会导致失火并需要精确的速度控制。

自由活塞概念的潜在优势包括：

• 设计简单，运动部件少，结构紧凑，维护成本低，摩擦损失小。
• 通过可变压缩比实现的操作灵活性允许针对所有操作条件和多燃料操作进行操作优化。自由活塞发动机更适用于均质充气压缩点火(HCCI)操作。
• 上止点(TDC)附近的高活塞速度和快速的动力冲程膨胀增强了燃料-空气混合并减少了热传递损失和形成氮氧化物(NOx)等与温度相关的排放物的时间。

自由活塞发动机面临的主要挑战是发动机控制，这对于单活塞液压自由活塞发动机来说只能说是完全解决了。诸如燃烧过程中循环变化的影响和双活塞发动机瞬态运行期间发动机性能的影响等问题是需要进一步研究的主题。

曲轴发动机可连接交流发电机、油泵、燃油泵、冷却系统、起动机等传统配件。旋转传统汽车发动机配件（例如交流发电机、空调压缩机、动力转向泵和防污染装置）的旋转运动可以从位于排气流中的涡轮机中捕获。

大多数自由活塞发动机是具有单个中央燃烧室的对置活塞式发动机。一种变体是具有两个独立燃烧室的对置活塞发动机。Stelzer引擎就是一个例子。

进入21世纪，自由活塞发动机的研究仍在继续，许多国家已经公布了专利。在英国，纽卡斯尔大学正在对自由活塞发动机进行研究。德国航天中心正在研制一种新型的自由活塞发动机——自由活塞线性发电机。除了这些原型，美国西弗吉尼亚大学的研究人员正在开发一种单缸自由活塞发动机原型，该发动机具有工作频率为90Hz的机械弹簧。