動力機械：自由活塞式發動機

動力活塞與壓縮機活塞做成一體?構成活塞組。動力氣缸與壓縮機之間動力的傳遞靠活塞組完成。所謂「自由活塞」是指發動機沒有通常內燃機的曲柄連桿機構(見曲柄滑塊機構)?活塞組運動規律由作用在它上面的氣體壓力決定?並隨發動機工況變化。活塞組運動的特點是內?外止點位置都可以改變?由同步機構保持左?右活塞組對稱運動。動力氣缸膨脹行程時?氣墊缸內空氣被壓縮?暫時貯存動力氣缸向外所作的全部功。在隨後的回復行程中?氣墊缸內的氣體膨脹?將貯存的功全部轉移給空氣壓縮機。當無氣墊缸時?則壓縮機氣缸余隙容積中貯存的能量能起同樣的作用。

自由活塞發動機的研究始於1920年左右。30年代開始出現不同類型的試驗機型?至50年代才有正式工業產品。它按用途可分為自由活塞發氣機和自由活塞壓縮機兩類?按結構特點又可分為對稱式和非對稱式?以及有氣墊缸的和無氣墊缸的。這種發動機除燃用柴油外?也可燃用重油?原油和天然氣等燃料。

自由活塞發氣機 (free-piston gas generator)常與燃氣輪機共同組成自由活塞-燃氣輪機組(見圖自由活塞-燃氣輪機組示意圖 )。在機組中?發氣機只起工作氣體發生器的作用。在動力氣缸中對置裝著兩個動力活塞?分別與相應壓縮機活塞相連接。起動時?假定動力活塞迅速從外止點向內運動?壓縮機氣缸內的空氣即被壓縮?並通過輸氣閥壓入儲氣箱?供動力氣缸掃氣之用?同時動力氣缸內的空氣也被壓縮?空氣壓力和溫度均增高。當相對的兩個活塞接近內止點時?經噴油器將燃料噴入燃燒室而燃燒。高溫高壓燃氣向外推動動力活塞?即膨脹過程。活塞向外運動時使壓縮機氣缸內產生真空而從大氣吸入新鮮空氣?同時氣墊缸內的空氣被壓縮?儲存的能量用以推動活塞向內運動。在膨脹行程終了時?右活塞首先開啟排氣孔?隨後左活塞又打開進氣孔。

燃氣經排氣孔排入儲氣罐?而新鮮空氣則從掃氣儲氣箱經進氣孔送入動力氣缸?並清掃殘留的廢氣。燃氣由儲氣罐供入燃氣輪機內膨脹作功?由渦輪軸輸出功率。

自由活塞－燃氣輪機組熱力循環的高溫高壓階段在間歇工作的動力氣缸內完成?低溫低壓膨脹階段在燃氣輪機中完成。它比單獨的柴油機或燃氣輪機熱力循環有更高的總壓縮比和總膨脹比?因此理論熱效率較高。採用自由活塞發氣機時?機組布置和功率選擇有較大的靈活性?可用一台或多台發氣機與一台燃氣輪機配套。同時?機組連續運行的可靠性也增高。在多台發氣機中?若某一台發生故障?不會造成整個機組停止運行。但機組直接膨脹作功的工作氣體的壓力和溫度相應變低?致使單位功率的氣體流量大?因而增加了流動損失和傳熱損失。

此外?它由於布置分散?附屬設備多?應用範圍受到限制?主要用作船舶動力或電站?動力站等固定作業。自由活塞壓縮機是將發動機與壓縮機連結成一體的自身驅動的一種空氣壓縮機。