技术领域
[0001] 本发明涉及的领域为发动机、制冷机、压气机、泵等使用的活塞系统。具体来说是适用于上述机械的自由活塞系统。
相关背景技术
[0002] 现有的活塞系统为往复式活塞系统。往复运动的活塞必须经历“加速‑减速‑静止‑反向加速‑减速‑静止‑加速”这样的循环过程。这一过程中，速度经历较大变化，造成该活塞系统振动大，难以平稳运行。特别在高速运行时，往复式活塞系统振动大的特点表现得更明显。
[0003] 往复式活塞系统的另一个特点是活塞始终在一个气缸内运动。这一特点既带来了节省空间的优点，也带来了结构复杂等问题。这些问题在现有的活塞式内燃机中特别突出，内燃机进行热‑功转换需要完成多个热力过程，为了在一个气缸内实现不同的热力过程，必须配备气门等机械装置和控制这些装置开启、关闭的机械或电子控制系统。这些额外的机电装置，一方面造成系统性能下降，另一方面气门开、关动作造成缸内气体状态突变，影响系统的平稳运行，产生噪音污染。
具体实施方式
[0011] 行星活塞系统的活塞的推荐实施方式如图2所示。活塞2由永磁体构成，为了增强永磁体磁场，可以附加导磁铁芯。在导管7外安装线圈8和导磁铁芯9。活塞有发电机和电动机两种工作模式。当活塞需要减速时处于发电机模式。此时运动活塞中永磁体的磁场与线圈8相对运动，在线圈8中产生感应电流，向外部供电。当活塞需要加速时处于电动机模式。此时线圈8由外部电源供电，线圈8中电流产生的磁场驱动活塞2运动。控制系统根据活塞及缸内气体状态传感器10测量的参数确定活塞在何时工作于发动机机模式或电动机模式以及线圈8内电流大小。
[0012] 当行星活塞系统应用于在恒温热源和恒温冷源之间工作的壁面换热型发动机时，称该发动机为壁面换热型行星活塞发动机。对该发动机，推荐的实施方式如图3所示。六个活塞1～6沿顺时针方向运动，各自的速度可以被独立控制。需要说明的是，实际的行星活塞系统的活塞数目根据需要确定，不一定是6个。从图3可以看到，随活塞1的运动，气缸6‑1(为了方便说明，将气缸用其两端的活塞编号表示，气缸6‑1表示活塞6和活塞1构成的气缸)即将进入加热区11。此时气缸内气体的状态如T‑s图(图4)中601点(标记“601”中两端6和1表示活塞编号，0用作分隔符)所示。当气缸进入加热区后，缸内气体吸热将导致其温度升高，如果此时气缸容积增大则会使缸内气体温度降低。两种因素叠加，如果气缸容积增大合适的程度，则缸内气体温度将保持恒定。缸内气体温度变化可以用热力学第一定律描述：
[0013] δq＝du+δw＝cvdT+pdv (1)
[0014] 公式(1)为描述闭口简单可压缩系统微元过程的热力学第一定律。式中δq为单位质量工质吸收的热量，u为比内能(单位质量工质的内能)，du为比内能的微分，δw为单位质量工质对外作功，cv为工质定容比热，p为压强，v为比容(单位工质的体积)，dv为比容的微分，dT为温度的微分。如果δq＝pdv则可得到cvdT＝0，即温度T恒定。因为行星活塞系统的活塞可以任意控制其速度，所以我们可以控制活塞1、6的速度，使气缸6‑1内气体在微元过程中对外作功pdv刚好与δq相等，这样就可以保证气缸6‑1在经过加热区11时内部工质温度恒定，即工质过程曲线为T‑s图(图4)中红色水平线。同样的道理，可以控制活塞3、4的速度，使气缸3‑4在经过放热区12时缸内工质的过程曲线为T‑s图(图4)中蓝色水平线。当气缸通过加热区或放热区后，缸内气体的进入绝热压缩或膨胀过程，此时对活塞速度的控制不需要太严格，只要能保证进入下一个热交换区时有合适的压缩或膨胀比即可。
[0015] 在图3所示时刻，壁面换热型行星活塞发动机各气缸内气体的状态在T‑s图(图4)中分别如102、203、304、405、506、601点所示。从T‑s图(图4)可以看出，对活塞运动进行控制后，行星活塞发动机实现了卡诺循环。热力学中的卡诺定理告诉我们，在相同恒温热源和冷源间工作的热机，卡诺热机具有最高热效率，因此，从理论上说，上述壁面换热型行星活塞发动机是一种具有最高热效率的发动机。
[0016] 除了上面所述壁面换热型行星活塞发动机，行星活塞系统还可以应用于内燃机、制冷机、压气机、泵等其它使用传统往复式活塞的机械装置。以内燃机为例，当使用行星活塞系统替换传统内燃机中的往复式活塞后，内燃机的结构如图5所示。在图5中，活塞沿顺时针方向运动。当运动的相邻活塞形成的气缸到达图中13所示区域时，燃料从燃油管18喷入气缸，与气缸内空气混合燃烧，必要时可使用火花塞点燃。当活塞继续运动使气缸到达图5中14所示区域时，气缸体积增大，其中的高温高压燃气膨胀，推动活塞运动，最终以电流的方式向外界输出功。活塞继续运动使气缸到达图5中15所示区域时，气缸体积缩小，将作功后的废气通过排气管20排出。气缸到达图5中16所示区域时，气缸体积增大，从进气管19吸入外界新鲜空气。气缸到达图5中17所示区域时，气缸体积减小，对吸入的新鲜空气进行压缩，使其成为高温高压空气。之后，活塞继续运动使气缸到达图5中13所示区域，开始新一轮热力循环。
[0017] 行星活塞系统提高发动机、制冷机及其它活塞机械运行性能的原因有两点。一个原因是活塞可以独立控制，这个特点既可以使采用行星活塞系统的发动机或制冷机的实际热力循环尽可能地逼近理想循环，从而提高发动机或制冷机的效率；还可以使发动机或制冷机具有变压缩比能力，从而增大其对不同燃料、不同负荷、不同环境参数等工作条件的适应性。另一个原因是活塞的单向循环运动。活塞的单向循环运动使发动机或制冷机的不同热力过程在不同的区域进行，这样既可以节省气门等开关装置，避免其影响系统运行的效率和平稳性，还可以使各个区域针对各自热力过程的特点进行优化，进一步提高系统运行效率。如果设计合理，在使用行星活塞系统代替往复活塞系统后，可以将原来间歇工作的发动机或制冷机变成连续工作的热机。
[0018] 总之，本发明所述行星活塞系统相比于已有活塞系统，在应用于发动机、制冷机、压气机、泵等机械时，将带来运行平稳、效率高、适应范围广的优点。
