一种可变冲程的自由活塞发动机的制作方法

本发明涉及车辆发动机技术领域，特别是一种可变冲程的自由活塞发动机。

背景技术：

往复循环式发动机按照一个工作循环内的冲程数量不同，分为二冲程发动机和四冲程发动机两种。二冲程内燃机一个工作循环分为两个冲程，第一个冲程活塞从下止点运动到上止点完成进气和压缩，第二个冲程活塞从上止点运动到下止点完成做功和排气，一个工作循环完毕。四冲程内燃机一个工作循环分为四个冲程，第一个冲程活塞从上止点运动到下止点完成进气，第二个冲程活塞从下止点运行至上止点完成压缩，第三个冲程活塞从上止点运动到下止点完成做功，第四个冲程活塞从下止点运行至上止点完成排气。

两种发动机相比，二冲程发动机活塞往复运动一次做一次功，功率密度较大，单位时间内是四冲程发动机做功次数的两倍，理论上功率能达到四冲程发动机的两倍，且二冲程发动机结构紧凑，但是二冲程发动机虽然单位时间的做功次数比四冲程发动机多了一倍，但由于较大的容积损失，且换气效果差，缸内残余废气量较高，燃料利用率低，其动力性能仅增大50％-70％；四冲程发动机四个冲程完全分开，换气效果较好，燃料利用率高，排放较低，但是由于活塞往复运动两次完成一次做功，功率要低于二冲程发动机。

自由活塞发动机没有曲柄连杆机构，比传统发动机简单，零件少、体积小，并且发动机活塞在运动中没有侧向力，活塞的摩擦阻力较小，寿命长。由于没有曲柄连杆机构的约束，活塞的上下止点位置可变，发动机具有可变的压缩比，能够结合不同的发动机工况优化发动机的燃油经济性和减少排放，同时也实现了发动机适应多种燃料的能力。

目前实现可变冲程技术的方案主要有三种：第一种是在发动机上配置有两种冲程的气缸，根据实际需求分别单独使用二冲程气缸和四冲程气缸进行工作，即多缸合作模式，发动机利用率低，增加了发动机的重量和成本；第二种是用一套配气系统同时满足二冲程和四冲程的配气，在凸轮轴上设置有二冲程配气型线、四冲程配气型线以及切换用的过度型线，利用液压或者机械驱动的方式改变可变凸轮的位置来完成配气的切换，设计和生产难度较高，可控性低，无法得到良好的燃油经济型；第三种是改变发动机缸体的结构，将四冲程发动机的进排气门配气和二冲程发动机的扫气换气的方式相结合，利用不同气道闭合开启的组合来完成各冲程的工作，该方案发动机利用率较高，但是无法实现可变压缩比，且无法实现不同燃料的利用，在燃料适应性和燃油经济性上有所局限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种满足可在二冲程和四冲程之间自由切换，且具有可变压缩比的可变冲程自由活塞发动机，能满足不同工况需求，具有更好的燃油经济性和动力性，并且能满足不同燃料的工作。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种可变冲程的自由活塞发动机，包括燃烧室、弹簧室、永磁直线电机和电子控制单元四个部分，其中：

燃烧室部分包括可变配气机构、发动机缸盖、发动机缸体、活塞和火花塞，其中可变配气机构在电子控制单元的控制下改变气门升程、气门开启时刻、气门开启持续时间，实现发动机配气的全柔性化控制；

弹簧室部分包括弹簧和支架，其中弹簧固定在发动机活塞和直线电机之间，当活塞下行时弹簧被压缩，限制活塞位移并储能，当活塞上行时弹簧提供回复能量；

永磁直线电机部分包括直线电机外壳和线圈动子，其中线圈动子内线圈为同心螺线管排列，直线电机的线圈动子与发动机活塞固定连接，电子控制单元通过调节直线电机线圈通电电流大小和方向，实现对发动机活塞位移的控制；

电子控制单元在发动机工作时，根据不同的需求对发动机的配气、喷油、点火和活塞位移做出实时控制，使发动机能够工作在不同冲程、不同负荷下。

进一步地，所述活塞的上下止点可变，压缩比可变。

进一步地，所述直线电机外壳的材料为永磁体。

进一步地，所述直线电机外壳内侧与直线电机的线圈动子间留有工作间隙，使线圈动子能够上下移动。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)取消了凸轮轴配气机构和曲柄连杆机构，结构简单、利用率高；(2)用无凸轮可变配气机构替代了凸轮轴配气机构、直线电机驱动替代了曲柄连杆机构，实现了发动机各执行机构的全柔性化控制，使发动机能够在电子控制单元(ecu)的控制下实现冲程可改变、压缩比可变，可在二冲程和四冲程之间自由切换；(3)能满足不同工况需求，具有更好的燃油经济性和动力性，并且能满足不同燃料的工作。

附图说明

图1为本发明可变冲程的自由活塞发动机的结构示意图。

图2为四冲程发动机工作工况示意图。

图3为二冲程发动机工作工况示意图。

具体实施方式

本发明可变冲程的自由活塞发动机，包括燃烧室、弹簧室、永磁直线电机和电子控制单元四个部分，其中：

燃烧室部分包括可变配气机构1、发动机缸盖2、发动机缸体5、活塞4和火花塞3，其中可变配气机构1在电子控制单元的控制下改变气门升程、气门开启时刻、气门开启持续时间，实现发动机配气的全柔性化控制；

弹簧室部分包括弹簧7和支架8，其中弹簧7固定在发动机活塞4和直线电机之间，当活塞4下行时弹簧7被压缩，限制活塞4位移并储能，当活塞4上行时弹簧7提供回复能量；

永磁直线电机部分包括直线电机外壳9和线圈动子10，其中线圈动子10内线圈为同心螺线管排列，直线电机的线圈动子10与发动机活塞4固定连接，电子控制单元通过调节直线电机线圈通电电流大小和方向，实现对发动机活塞4位移的控制；

电子控制单元在发动机工作时，根据不同的需求对发动机的配气、喷油、点火和活塞4位移做出实时控制，使发动机能够工作在不同冲程、不同负荷下。

进一步地，所述活塞4的上下止点可变，压缩比可变。

进一步地，所述直线电机外壳9的材料为永磁体。

进一步地，所述直线电机外壳9内侧与直线电机的线圈动子10间留有工作间隙，使线圈动子10能够上下移动。

本下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

结合图1，本发明一种可变冲程的自由活塞发动机，包括燃烧室部分、弹簧室部分、永磁直线电机部分和电子控制单元部分四个部分。

其中：

燃烧室部分包括可变配气机构1、发动机缸盖2、发动机缸体5、活塞4和火花塞3，其中可变配气机构1在电子控制单元的控制下改变气门升程、气门开启时刻、气门开启持续时间，实现发动机配气的全柔性化控制；所述活塞4的上下止点可变，压缩比可变；

弹簧室部分包括弹簧7和支架8，其中弹簧7固定在发动机活塞4和直线电机之间，当活塞4下行时弹簧7被压缩，限制活塞4位移并储能，当活塞4上行时弹簧7提供回复能量；

永磁直线电机部分包括直线电机外壳9和线圈动子10，其中线圈动子10内线圈为同心螺线管排列，直线电机的线圈动子10与发动机活塞4固定连接，电子控制单元通过调节直线电机线圈通电电流大小和方向，实现对发动机活塞4位移的控制；所述直线电机外壳9的材料为永磁体；所述直线电机外壳9内侧与直线电机的线圈动子10间留有工作间隙，使线圈动子10能够上下移动；

电子控制单元在发动机工作时，根据不同的需求对发动机的配气、喷油、点火和活塞4位移做出实时控制，使发动机能够工作在不同冲程、不同负荷下。

四冲程发动机工作工况如图2所示：

做功冲程：电子控制单元(ecu)控制火花塞3点火，缸内混合工质开始燃烧，缸内压力升高推动活塞4从上止点往下止点运动，完成做功冲程；

排气冲程：活塞4在弹簧7和直线电机动子10的共同作用下从下止点往上止点运动，同时电子控制单元(ecu)向可变配气机构1给出排气门开启信号，可变配气机构1打开排气阀门并保持开启状态，在排气冲程结束时电子控制单元(ecu)向可变配气机构1给出排气门关闭信号，可变配气机构1关闭排气阀门并保持关闭状态，完成排气冲程；

进气冲程：活塞4在直线电机动子10的作用下从上止点往下止点运动，同时电子控制单元(ecu)向可变配气机构1给出进气门开启信号，可变配气机构1打开进气阀门并保持开启状态，在进气冲程结束时电子控制单元(ecu)向可变配气机构1给出进气门关闭信号，可变配气机构关闭进气阀门并保持关闭状态，完成进气冲程；

压缩冲程：活塞4在弹簧7和直线电机动子10的共同作用下从下止点往上止点运动，进气阀门和排气阀门保持关闭状态，喷油器接到控制器喷油信号进行喷油与新鲜空气混合，完成压缩冲程，一个循环结束。

二冲程发动机工作工况如图3所示：

第一阶段：电子控制单元(ecu)控制火花塞3点火，缸内混合工质开始燃烧，缸内压力迅速升高推动活塞4从上止点往下止点方向运动进行做功，活塞运动过程中，可变配气机构1先后开启排气阀门和进气阀门开始排气和进气，活塞4运动到下止点时第一阶段结束；

第二阶段：活塞4在弹簧7和直线电机动子10的共同作用下从下止点往上止点方向运动，可变配气机构1先后关闭排气阀门和进气阀门完成排气和进气，喷油器接到控制器喷油信号进行喷油与新鲜空气混合，活塞4运动至上止点压缩缸内混合气完成第二阶段，一个循环结束。

发动机从四冲程工作工况向二冲程工作工况切换过程：电子控制单元(ecu)接收到冲程切换信号后，控制发动机在四冲程工作状态下继续工作至压缩冲程结束(本循环结束)，切换成二冲程控制模式。

发动机从二冲程工作工况向四冲程工作工况切换过程：电子控制单元(ecu)接收到冲程切换信号后，控制发动机在二冲程工作状态下继续工作至第二阶段结束(本循环结束)，切换成四冲程控制模式。

综上所述，本发明可变冲程自由活塞发动机，可在二冲程和四冲程之间自由切换，且具有可变压缩比能满足不同工况需求，具有更好的燃油经济性和动力性，并且能满足不同燃料的工作。