對外不直接輸出機械功﹐僅提供壓縮空氣或一定壓力﹑溫度的工作氣體的內(nèi)燃機。它的工作循環(huán)與對置活塞二沖程柴油機相似。這種發(fā)動機除有動力氣缸外還帶有空氣壓縮機和氣墊缸。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(fā)動機沒有通常內(nèi)燃機的曲柄連桿機構(見曲柄滑塊機構)﹐活塞組運動規(guī)律由作用在它上面的氣體壓力決定﹐并隨發(fā)動機工況變化。活塞組運動的特點是內(nèi)﹑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(nèi)空氣被壓縮﹐暫時貯存動力氣缸向外所作的全部功。在隨后的回復行程中﹐氣墊缸內(nèi)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(fā)動機的研究始于1920年左右。30年代開始出現(xiàn)不同類型的試驗機型﹐至50年代才有正式工業(yè)產(chǎn)品。它按用途可分為自由活塞發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)氣機只起工作氣體發(fā)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(nèi)運動﹐壓縮機氣缸內(nèi)的空氣即被壓縮﹐并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(nèi)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(nèi)止點時﹐經(jīng)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(nèi)產(chǎn)生真空而從大氣吸入新鮮空氣﹐同時氣墊缸內(nèi)的空氣被壓縮﹐儲存的能量用以推動活塞向內(nèi)運動。在膨脹行程終了時﹐右活塞首先開啟排氣孔﹐隨后左活塞又打開進氣孔。燃氣經(jīng)排氣孔排入儲氣罐﹐而新鮮空氣則從掃氣儲氣箱經(jīng)進氣孔送入動力氣缸﹐并清掃殘留的廢氣。燃氣由儲氣罐供入燃氣輪機內(nèi)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(huán)的高溫高壓階段在間歇工作的動力氣缸內(nèi)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(huán)有更高的總壓縮比和總膨脹比﹐因此理論熱效率較高。 采用自由活塞發(fā)氣機時﹐機組布置和功率選擇有較大的靈活性﹐可用一臺或多臺發(fā)氣機與一臺燃氣輪機配套。同時﹐機組連續(xù)運行的可靠性也增高。在多臺發(fā)氣機中﹐若某一臺發(fā)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﹐它由于布置分散﹑附屬設備多﹐應用范圍受到限制﹐主要用作船舶動力或電站﹑動力站等固定作業(yè)。 自由活塞壓縮機是將發(fā)動機與壓縮機連結成一體的自身驅(qū)動的一種空氣壓縮機。