CN100363603C - 内燃式机械与电力双元能量输出方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃式机械能与电力双元能量输出方法及其装置，特别是一种通过发动机内部分流，把热能转变成电能和旋转机械能输出的方法及其装置，先由第一工作室完成燃料热能向直线机械能的转换，再由第二工作室完成直线机械能的分流为两路，一路传递给第三或第一工作室，另一路按照电磁感应原理直接转换成交流电能并输出，传递到第三工作室中的直线机械能经曲轴-飞轮组件在曲轴箱体内转换成旋转机械能并输出；本装置第二工作室中的活塞-动子组件是完成分流能量的部件，一方面带动曲轴-飞轮组件，一方面与定子组件绕组线圈相对运动产生电能，本发明原理可靠，设计合理，效率高，一机多用，是工业场合理想多元动力输出技术。

Description

内燃式机械与电力双元能量输出方法及其装置

技术领域：

本发明涉及一种能量状态的转换并实现双元动力输出的方法及其装置，具体地说是一种通过发动机内部分流，由热能直接转换成机械能与电能，并同时实现输出机械与电力双元动力的内燃式机械与电力双元能量输出方法及其装置。

技术背景：

对于应急备用电源、军用和野外作业独立电源或车辆、船舶用等移动电源来说，传统上使用的是活塞式内燃发电机组，这种装置主要有两个能量转换部件和一个机械参数变换连接装置组成。目前这种由热能向电能转换的技术方法需要通过四个环节，一是由活塞式内燃发动机的一部分即主要由缸体、活塞等实现热能向直线机械能的转换；二是由活塞式内燃发动机的其他部分即曲柄连杆机构实现直线机械能向旋转机械能的转换；三是旋转机械动力经过中间环节如联轴器、齿轮副等，进行机械动力参数的变换，将动力传递给旋转发电机的转子；四是由旋转发电机的定子和转子相对转动导致电枢绕组在磁场中切割磁力线产生感应电动势和电流，实现旋转机械能向电能的转换。

这种传统内燃式的热能转变成电能的方法及其所使用的装置主要存在三方面的问题，一是这种装置实质上是由两个独立的能量转换装置即活塞式内燃发动机和旋转式发电机通过外部连接而成，存在匹配不合理，工作不协调等突出缺点；二是这种装置能量转换过程必须经过旋转环节，动力转换、传动全部经过曲轴，连杆摆动引起的活塞侧向力巨大，不仅造成了机械效率损失，同时造成了活塞与缸壁之间的严重磨损及额外热负载，同时使曲柄连杆机构的受力强度大，各铰接点处的摩擦损耗严重，系统运转的不均匀度大，最为严重的是由于系统能量转换、传递路线长，经过多个中间传递环节，造成了转换传递效率低，能源浪费严重，系统复杂、笨重，生产成本与运行成本高、污染严重等问题；三是这种传统的能量组合动力传动系统仅能以唯一的电力形式对外输出动力，不能很好地满足多功能作业装置的多员动力的需求。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述提到的现有活塞式内燃发电机组等能量组合动力的产生与传动系统功能单一，匹配不合理、工作不协调，转换与传递效率低、能量浪费大，系统复杂、笨重，机件间磨损严重、受力强度大，系统运转不均匀度大等突出缺点，寻求设计一种通过装置内部分流，由热能直接转换成机械能与电能，并同时亦可单独输出机械与电力双元动力的方法及其装置。本发明方法及其装置可以提供一种简单、高效、方便的可同时亦可单独输出机械能和电能的动力装置。尤其是采用该方法及其使用的装置，对于整个系统来说，机件间磨损轻、受力强度小，系统运转不均匀度小，并大大简化设备结构，缩小设备体积，节约原材料，减少污染环节等。

为了实现上述发明目的，本发明的方法在含有活塞-动子组件的能量转换装置中完成，经过燃烧产生热能、热能向直线机械能转换、直线机械能分流、直线机械能向电能的转换、直线机械能向旋转机械能的转换、输出电能和旋转机械能等过程，先由燃料燃烧放出的热能转变成直线机械能是经过进气、压缩、燃烧与膨胀、排气四个过程在第一工作室中完成；直线机械能的分流及向电能的转换在第二工作室中完成，在活塞往复机械动力作用下，直线机械能分流为两路，一路作为第二工作室的工作能量，另一路向第一或第三工作室传递能量；第二工作室的能量，由于活塞-动子组件与定子组件的直线相对运动，使定子组件绕组线圈产生的行波磁场和活塞-动子组件产生的永磁磁场相互作用而切割磁场产生电能并输出；分流后并传递到第三工作室的直线机械能通过曲轴连杆机构在第三工作室中完成向旋转机械能的转换并输出。

本方法可同时输出电能和机械能双元动力，当双元输出一端输出功率为零时，变为单元动力输出，其装置即为直线内燃式发电机或内燃发动机；在第二工作室中，电磁力直接作用于活塞-动子组件，与高压燃气的部分压力抵消，使曲柄连杆机构的受力强度减弱，减小曲轴与各轴承之间的摩擦损耗。

本方法可实现单相或多相电能输出，三相输出供电时，汽缸数设计为3的倍数，通过统一相位差为120°的三组汽缸的供油时刻，使在三组电枢绕组线圈中产生的感应电压的相位差互为120°电角度，形成三相电压的相序，对三组绕组线圈的首尾串接或并接可实现不同功率的电力输出。

本方法中通过调整第三工作室中的曲轴-飞轮组件的转速或活塞-动子组件的运动速度，可以改变输出电能的交流频率，当第三工作室中的曲轴-飞轮组件转速为3000转/分时，输出为50HZ的正弦交流电能。

本发明装置的主体包括第一工作室、第二工作室、第三工作室、曲轴箱体、气门挺杆、凸轮、正时大齿轮、正时小齿轮、曲轴-飞轮组件、连杆、通气孔、滑块、活塞-动子组件、定子组件、定子壳体、电力输出接线盒、绕组线圈、汽缸体、活塞和气缸盖，其中曲轴箱体、定子壳体、汽缸体及汽缸盖组成主体固定不动；汽缸盖、汽缸体、活塞组成第一工作室；活塞-动子组件、定子组件、定子壳体、绕组线圈组成第二工作室；曲轴箱体、曲轴-飞轮组件、连杆、滑块组成第三工作室；活塞与滑块通过动子平板部构成活塞-动子组件，在汽缸体及定子组件中往复运动，活塞-动子组件下端与连杆相连，并与曲轴箱体构成移动副，形成滑动轴承支撑结构；活塞-动子组件与连杆、曲柄-飞轮组件配合构成曲柄滑块结构，实现直线运动向旋转运动转换的功能。

本发明的主要技术及结构特征和工作原理如下。

固定式主机壳体由台式曲轴箱体、定子壳体、汽缸体和汽缸盖由下而上依次固定连接构成内空柱式结构，其右侧内直向制有气门挺杆，其下端与凸轮形成非连续式联动机构，活塞-动子组件顶端活塞在上下往复移动时在活塞上下两端形成第一工作室和第二工作室，其制有磁场的平板式动子组件往复串过定子组件中的绕组线圈的空心孔形成切割磁力线产生电能的机制，活塞-动子组件下端通过滑块与连杆对接联动，从而带动第三工作室内的曲轴-飞轮组件联动组合成直线机械能向旋转机械能转换的机构；定子组件绕组线圈中产生的感应电能经电学原理连通后由电力输出接线盒对外输出。

(1)第一工作室即燃烧室主要由汽缸盖、汽缸体、活塞等组成，通过一个工作循环即进气、压缩、燃烧与膨胀、排气四个过程，活塞运动两个或四个存程，实现一次热能向直线机械能的转换。活塞运动两个行程实现一次能量转换的称为二冲程双元动力装置，活塞运动四个行程实现一次能量转换的称为四冲程双元动力装置，二冲程、四冲程双元动力装置第一工作室的组成及工作机理与传统二冲程、四冲程内燃发动机燃烧室类同，由于去除了传统内燃发动机中连杆摆动引起的侧向力，活塞与汽缸壁间的摩擦情况及机械效率大为好转。

(2)第二工作室即机械能量分流与电能转换室，主要由定子组件和活塞-动子组件组成。定子组件由硅钢片叠成，采用双边结构形成，单相线圈绕组，活塞-动子组件的平板部由永磁材料钕铁硼和不导磁材料制成，其两端分别与活塞和滑块相连接，在活塞往复机械动力的作用下，实现直线机械能的分流及部分分流直线机械能向电能的转换与输出。

(3)第三工作室即回程与机械动力输出室1通过曲轴-飞轮组件实现直线机械能与旋转机械能的相互转换，输出旋转机械能量，保证活塞-动子组件的连续往复运动，承担系统定时及辅助系统驱动工作。

(4)活塞-动子组件主要由活塞、动子组件和滑块平板式连接而成，活塞-动子组件是第一工作室、第二工作室的组成部分，通过该组件实现热能向机械能、电能的转化及分流。

(5)辅助系统包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动(点火)、稳压及控制系统，用于辅助、保证主机系统的工作，对外提供有效、适用的功率流。其结构组成及工作机理与传统内燃机辅助系统类同。

(6)汽缸盖、汽缸体、定子壳体和曲轴箱组成装置的主体固定不动；活塞-动子组件在缸体中可以往复运动，活塞-动子组件下端经滑块与连杆相连，并与曲轴箱体构成移动副，形成滑动轴承支撑方式；活塞-动子组件与连杆、曲轴-飞轮组组件构成一个可以转换直线与旋转运动的曲轴滑块机构。

附图说明：

图1为本发明装置的结构原理示意图；

图2为本发明实施例车用机械-电力混种动力传动系统结构原理示意图；

图3为本发明实施例动力和照明混合供电系统原理示意图

具体实施方案：

本发明装置主体结构的部件组成主要有：第一工作室1、第二工作室2、第三工作室3、曲轴箱体4、气门挺杆5、凸轮6、正时大齿轮7、正时小齿轮8、曲轴-飞轮组件9、连杆10、通气孔11、滑块12、活塞-动子组件13、定子组件14、定子壳体15、电力输出接线盒16、绕组线圈17、汽缸体18、活塞19、汽缸盖20组合而成。曲轴箱体4、定子壳体15、汽缸体18及汽缸盖20组成装置的主体固定不动；汽缸盖20、汽缸体18、活塞19组成第一工作室1；活塞-动子组件13、定子组件14、定子壳体15、绕组线圈17组成第二工作室2；曲轴箱体4、曲轴-飞轮组件9、连杆10、滑块12组成第三工作室3；活塞19、滑块12通过动子连接板连接组成活塞-动子组件13；活塞-动子组件13在汽缸体18及定子组件14中可以往复运动，活塞-动子组件13下端与连杆11相连，并与曲轴箱体4构成移动副，形成滑动轴承支撑方式；活塞-动子组件13与连杆10、曲轴-飞轮组件9组成一个可以转换直线与旋转运动的曲柄滑块机构。三个工作室与活塞-动子组件13的数量、定子组件14、定子壳体15的结构形式可根据具体要求确定。辅助系统，包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动(点火)、稳压及控制等系统，可按常规方法配置而成。活塞19可以运动二个或四个行程实现一次热能向机械能的转换，运动二个行程实现一次能量转换的称为二冲程双元动力装置，活塞运动四伞行程实现一次能量转换的称为四冲程双元动力装置。

对于二冲程双元动力装置，第一行程，第一工作室1进行燃烧膨胀(作功)、换气过程，将热能转换为直线机械能，向活塞-动子组件13提供直线机械运动能量；活塞-动子组件13在直线机械运动能量作用下由上止点向下止点移动；第二工作室2首先进行直线机械能的分流，将活塞-动子组件13的直线机械能分为两路，第一路作为第二工作室2工作的能量，第二路作为向第三工作室3传递的能量，然后一方面通过活塞-动子组件13实现第二路分流直线机械能量向第三工作室3的传递，另一方面利用第一路分流直线机械能量带动活塞-动子组件13与定子组件14产生直线相对运动，使永磁磁场与行波磁场相互作用，从而切割磁场依据电磁工作原理实现第一路分流直线机械能量向电能的转换与输出；第三工作室3将活塞-动子组件13的分流直线运动转换为曲轴-飞轮组件9的旋转运动，并将该路的分流机械能量一是用于对外旋转机械能的持续输出；二是用于驱动辅助系统；三是用于活塞-动子组件13的其他行程的能量储备。第二行程，第三工作室3首先将曲轴-飞轮组件9的旋转运动转换为活塞-动子组件13的直线运动，向活塞-动子组件13提供惯性直线机械能量，同时持续进行对外旋转机械能的输出及辅助系统的驱动工作；活塞-动子组件13在惯性直线机械能量作用下由下止点向上止点移动；第二工作室2首先进行惯性直线机械能的分流，将活塞-动子组件13的惯性直线机械能分为两路，第一路作为第二工作室2工作的能量，第二路作为向第一工作室1传递的能量，然后一方面通过活塞-动子组件13实现第二路分流直线机械能量向第一工作室1的传递，另一方面利用第一路分流直线机械能量带动活塞-动子组件13与定子组件14产生直线相对运动，使永磁磁场与行波磁场相互作用，从而切割磁场依据电磁工作原理实现第一路分流直线视械能量向电能的转换与输出；第一工作室1在分流惯性直线机械能量作用下进行换气、压缩等过程，为下一循环的燃烧膨胀(作功)做准备。这样就实现了二冲程双元动力装置一个完整的热能向机械能和电能转换并输出的循环，如此周而复始。

对于四冲程双元动力装置，第一行程，第一工作室1进行燃烧膨胀(作功)过程，将热能转换为直线机械能，向活塞-动子组件13提供直线运动能量；活塞-动子组件13、第二工作室2、第三工作室3工作过程与二冲程双元动力装置第一行程相同。第二行程，活塞-动子组件13、第二工作室2、第三工作室3工作过程与二冲程双元动力装置第二行程相同；第一工作室1在分流机械能量作用下进行排气过程。第三行程，第三工作室3将曲轴-飞轮组件9的旋转运动转换为活塞-动子组件13的直线运动，向活塞-动子组件13提供惯性直线机械运动能量，同时持续进行对外旋转机械能的输出及辅助系统的驱动工作；活塞-动子组件13在惯性直线机械能作用下由上止点向下止点移动；第二工作室2首先进行惯性直线机械能的分流，将活塞-动子组件13的惯性直线机械能分为两路，第一路作为第二工作室2工作的能量，第二路作为向第一工作室1传递的能量，然后一方面通过活塞-动子组件13实现第二路分流直线机械能量向第一工作室1的传递，另一方面利用第一路分流直线机械能量带动活塞-动子组件13与定子组件14产生直线相对运动，使永磁磁场与行波磁场相互作用，从而切割磁场依据电磁工作原理实现第一路分流直线机械能量向电能的转换与输出；第一工作室1在分流惯性直线机械能量作用下进行吸气过程。第四行程，活塞-动子组件13、第二工作室2、第三工作室3工作过程与第二行程相同，第一工作室1在分流直线机械能量作用下进行压缩过程，为下一循环的燃烧膨胀(作功)做准备。这样就实现了四冲程双元动力装置一个完整的热能向机械能和电能转换并输出的循环，如此周而复始。

本发明的主要技术特征及优点在于(1)将传统内燃机与直线发电机技术集成，变传统内燃机单一机械动力输出为机械动力与电力双元动力输出，变传统将热能转换输出为电能的活塞式内燃发电机组这种复杂能量组合动力传动系统为一简单双元动力装置；(2)机内动力分流技术，此技术不仅能够实现动力的分流，而且第二工作室的电磁力直接作用于活塞-动子组件，与高压燃气的部分压力抵消，使内燃机曲柄连杆机构的受力强度大大减弱，曲轴与各轴承之间的摩擦损耗明显减小，同时大幅度降低了系统的运转不均匀度，另外由于连杆摆动给活塞造成的侧向力转移到活塞-动子组件下端与曲轴箱体构成的移动副即滑动轴承上，从而大幅度减少了活塞与汽缸套间的磨损和功率消耗；(3)第二工作室利用活塞-动子组件的往复运动直接将活塞-动子组件的分流机械能量转换为电能，减掉了传统活塞式内燃发电机组自内燃机活塞以后的所有中间环节，消除了由此带来的一切问题；(4)可同时输出机械与电力双元动力，当双元动力输出端的一端输出功率为零时，该双元动力装置即转变为单元动力输出装置即直线内燃式发电机或传统内燃发动机，当不需要机械能输出时，本发明的装置可作为发电机使用，当不需要电能输出时，本发明的装置可作为纯机械动力源使用；(5)根据工作性质及结构不同，该双元动力装置分为二冲程、四冲程、单缸、多缸等多种形式，燃料可为流体燃料如柴油、汽油等，亦可为气体燃料如天然气、煤制气、液化气等，根据需要可产生多种变型装置；(6)本装置根据用电设备所需功率的大小以及供电方式(单相或三相)的不同，可为单缸或多缸结构，实现单相和三相供电。三相供电时的汽缸数须为3的倍数，通过统一相位差为120°的三组汽缸的供油时刻，使在三组电枢绕组中产生的感应电压的相位差互为120°电角度，形成三相电压的相序，通过对三组绕组线圈首尾串接和并接，达到设备所需的功率。通过调整第三工作室中的曲轴-飞轮组件的转速即活塞-动子组件的运动速度，可以改变输出电能的交流频率，当第三工作室曲轴-飞轮组件的转速为3000转/分时，可以得到频率为50Hz正弦交流电压和电流。

实施例1：车用机械-电力混种动力传动系统

在本发明涉及的能量转换装置21上，采用常规技术方法配装燃料供给系统22、冷却系统23、润滑系统24、点火(启动)系统25，本发明装置21的电力输出端16与蓄电池26并联构成发电/电动机27的供电电源，发电/电动机27的机械动力输出端通过电机齿轮28与齿圈29构成齿轮副，将曲轴-飞轮组件9按现有技术工艺与能量汇流装置的太阳轮31相连接，齿圈29、太阳轮31、行星轮、行星架32构成能量汇流装置，将来自发电/电动机27和曲轴-飞轮组件9的机械动力汇流，然后通过汇流输出端行星架32与机械变速箱33、传动联轴节34、驱动桥35、半轴及车轮36等相连接，构成车用机械-电力混种动力传动系统，驱动车辆行驶，同时该系统可以通过改变发电/电动机27的工作状态，实现车辆惯性制动能量的回收再利用功效。

实施例2：动力和照明混合供电系统

在本发明涉及的能量转换装置21上，采用常规技术方法配装燃料供给系统22、冷却系统23、润滑系统24、点火(启动)系统25，控制本发明涉及的能量转换装置21三组汽缸的燃油供给顺序，使本发明涉及的能量转换装置21在电力输出接线盒16上形成三相电压即A相、B相、C相，按照三相异步电动机37的接线要求接入三相交流电压实现三相供电；在接线盒16A相接电感性负载38实现单相供电；在接线盒16B相接其它电阻性负载39实现单相供电；在接线盒16 C相接照明灯40实现照明供电，在本发明涉及的能量转换装置21的机械动力输出端不接任何机械负载，形成动力和照明混合供电系统。

Claims (6)

1.一种内燃式机械与电力双元能量输出的方法，在含有活塞-动子组件的能量转换装置中完成，经过燃烧、直线机械能转换与分流、电能转换、旋转机械能转换、双元能量输出过程，其特征在于先由燃料燃烧放出的热能经进气、压缩燃烧与膨胀、排气四个过程在第一工作室中完成向直线机械能的转换；在第二工作室中完成直线机械能的分流和向电能的转换，其中分流的一路能量传递到第一或第三工作室，另一路在第二工作室中由活塞-动子组件与定子组件的相对运动而切割磁场产生电能输出；传递到第三工作室的直线机械能量通过曲轴连杆机构在第三工作室中完成向旋转机械能的转换并输出。

2.根据权利要求1所述的内燃式机械与电力双元能量输出的方法，其特征在于直线机械能向电能的转换是在绕组线圈的行波磁场和活塞-动子组件的永久磁场相对直线运动切割磁场而产生电能经电学原理连接后通过电力输出接线盒输出的。

3.根据权利要求1所述的内燃式机械与电力双元能量输出的方法，其特征在于可实现单相或多相电能输出，三相电输出时，汽缸数为3的倍数，统一相位差为120°的三组汽缸的供油时刻，使在三组绕组线圈产生的感应电压相位差互为120°电角度，形成三相电压的相序；对三组绕组线圈的首尾串、并接可输出不同功率的电力。

4.根据权利要求1所述的内燃式机械与电力双元能量输出的方法，其特征在于调整第三工作室中的曲轴-飞轮组件的转速即活塞-动子组件的运动速度，可改变输出电能的频率，曲轴-飞轮组件的转速为3000转/分时，输出频率为50HZ正弦交流电能。

5.一种内燃式机械与电力双元能量输出装置，其主体包括第一工作室、第二工作室、第三工作室、曲轴箱体、气门挺杆、凸轮、正时大齿轮、正时小齿轮、曲轴-飞轮组件、连杆、通气孔、滑块、活塞-动子组件、定子组件、定子壳体、电力输出接线盒、绕组线圈、汽缸体、活塞和气缸盖，其特征在于固定式主机壳体由台式曲轴箱体、定子壳体、汽缸体和汽缸盖由下而上依次固定连接构成内空柱式结构，其右侧内直向制有气门挺杆，其下端与凸轮形成非连续式联动机构，活塞-动子组件顶端活塞在上下往复移动时在活塞上下两端形成第一工作室和第二工作室，其制有磁场的平板式动子组件往复穿过定子组件中的绕组线圈的空心孔形成切割磁力线产生电能的机制，活塞-动子组件下端通过滑块与连杆对接联动，从而带动第三工作室内的曲轴-飞轮组件联动组合成直线机械能向旋转机械能转换的机构；定子组件绕组线圈中产生的感应电能经电学原理连通后由电力输出接线盒对外输出。

6.根据权利要求5所述的内燃式机械与电力双元能量输出装置，其特征在于定子组件由硅钢片叠成，双边结构形成单相绕组线圈；活塞-动子组件的平板部由永磁材料和不导磁材料制成，其两端分别与活塞和滑块相连接。

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