CN101144421A - 嵌套式内燃-直线发电集成动力系统 - Google Patents

嵌套式内燃-直线发电集成动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种嵌套式内燃－直线发电集成动力系统。它由四行程内燃机燃烧室、直线电机、可逆储能元件和电控单元组成，内燃机燃烧室和直线电机同轴心线，内燃机燃烧室在内，永磁直线电机在外，形成嵌套结构，内燃机燃烧室由缸盖缸套以及活塞等构成，在内燃机燃烧室缸套外的直线电机内磁轭上设置冷却水路，直线电机运动部件通过连接杆与活塞相连，工作时同步运动，直线电机的外磁轭与机架固连。本发明的直线电机轮流工作于发电机和电动机工作模式，把活塞运动的动能转化为电能，同时控制活塞的四行程运动规律，明显提高了内燃－直线发电集成动力系统的功率密度，及能量转换与传递效率及可控性。

Description

嵌套式内燃-直线发电集成动力系统
一技术领域
本发明涉及一种动力装置，特别是一种嵌套式内燃-直线发电集成动力系统。
二背景技术
节约能源与保护环境两大主题推动着对具有高能量传递与转换效率的新型动力装置的探索与研究。自由活塞直线发电机(Free-Piston with Linear Generator)，又叫直线发动机(Linear Engine)，或者直线内燃机(Linear Combustion Engine)，是近10年逐渐发展起来的一类新型动力系统，它主要是通过对内燃机燃烧室和直线发电机的有机组合而成，结构形式多变。系统通常由两个两冲程内燃机燃烧室和一个直线发电机组成，燃料在两个燃烧室内轮流燃烧推动活塞做功，活塞带动直线发电机定子往复运动，直接把活塞运动的动能转化为电能输出。
美国西维吉尼亚大学(West Virginia University)和加利福尼亚Sandia国家实验室是目前两个主要的自由活塞直线发电机研究机构。到目前为止，西维吉尼亚大学的研究工作最具成效。Sandia国家实验室也对自由活塞直线发电机进行了深入的研究，他们把研究重点放在燃烧方式和使用多种燃料上，特别是使用氢作为燃料。此外，斯坦福大学(Stanford University)、迈阿密大学(University of Miami)、挪威科技大学(Norwegian University ofScience and Technology)等也对自由活塞直线发电机展开了一些基础性的研究。目前的自由活塞直线发电机均为对接结构(单缸)或对置结构(双缸)。
三发明内容
本发明的目的是提供一种具有优良的节能环保性能，可应用多种燃料，通过合理利用有限空间来提高其功率密度的嵌套式内燃-直线发电集成动力系统。
实现本发明的具体技术方案是：一种嵌套式内燃-直线发电集成动力系统，由四行程内燃机燃烧室、直线电机、可逆储能元件和电控单元四个部分组成，四行程内燃机燃烧室和直线电机两者同轴心线，汽油机燃烧室在内，直线电机在外，形成嵌套结构，内燃机燃烧室由缸盖、缸套以及活塞等构成，在内燃机燃烧室缸套外的直线电机内磁轭上设置冷却水路，直线电机运动部件通过连接杆与活塞相连，工作时同步运动，直线电机的外磁轭与机架固连。
本发明的工作原理是：直线电机轮流工作于发电机和电动机工作模式，把活塞运动的动能转化为电能，同时控制活塞的运动规律。可逆储能元件用于电能的存储和缓冲，电控单元完成整个系统的相关控制，在高功率密度的要求下，直线电机的长度直径比存在最佳值，嵌套结构在内部布置发动机燃烧室的结构正好能充分利用直线电机内部空间。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：内燃-直线发电集成动力系统有望发展成为新一代的节能环保、性能优良、同时具有较高性能价格比的车辆动力装置，并可能在其它需要移动电源、便携式电源的各种场合取代常规的内燃-发电机组而得到广泛应用。通过合理利用有限空间，明显提高了内燃-直线发电集成动力系统的功率密度，直线电机的长度直径比可按最佳值设计，提高了内燃-直线发电集成动力系统的能量转换与传递效率及可控性。
四附图说明
附图是本发明的嵌套结构的内燃-直线发电集成动力系统的结构示意图。
五具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
结合附图，本发明的嵌套结构的内燃-直线发电集成动力系统由四行程汽油机燃烧室1、动圈式永磁直线电机2、可逆储能元件3和电控单元4等四个部分组成，四行程汽油机燃烧室和动圈式永磁直线电机两者同轴心线，汽油机燃烧室在内，动圈式永磁直线电机在外，形成嵌套结构，内燃机燃烧室1由缸盖5缸套6以及活塞7等构成，在内燃机燃烧室缸套6外的直线电机内磁轭10上设置冷却水路11，直线电机运动部件9通过连接杆8与活塞7相连，工作时同步运动，永磁直线电机2的外磁轭12与机架13固连。直线电机运动部件9可为圆或多边的杯形。在内燃机燃烧室缸套6外的直线电机内磁轭10上可设置U形冷却水路11。
汽油机燃烧室通过燃烧膨胀做功把汽油的化学能转化为活塞的动能。直线电机轮流工作于发电机和电动机工作模式，把活塞运动的动能转化为电能，同时控制活塞的四行程运动规律。可逆储能元件用于电能的存储和缓冲，电控单元完成整个系统的相关控制。采用四行程汽油机燃烧室(配置有相应的喷油、点火、配气等子系统)和动圈式永磁直线电机，两者同轴心线，汽油机燃烧室在内，动圈式永磁直线电机在外，为嵌套结构。汽油机燃烧室由缸盖5(其中布置汽油机的喷油、点火以及配气等部件)，缸套6以及活塞7等构成。动圈式永磁直流电机的线圈固定在杯形线圈骨架上，并通过连接杆与汽油机活塞相连，工作时同步运动。汽油机燃烧室与动圈式永磁直线电机之间布置冷却水路，通过缸盖从动圈式永磁直线电机的内磁轭中流入，再由汽油机燃烧室的缸套外通过缸盖流出。
在高功率密度的要求下，直线电机的长度直径比存在最佳值，嵌套结构在内部布置发动机燃烧室的结构正好能充分利用直线电机内部空间。

Claims (5)

1.一种嵌套式内燃-直线发电集成动力系统，由四行程内燃机燃烧室[1]、直线电机[2]、可逆储能元件[3]和电控单元[4]组成，其特征在于：四行程内燃机燃烧室和直线电机两者同轴心线，内燃机燃烧室在内，直线电机在外，形成嵌套结构，内燃机燃烧室[1]由缸盖[5]、缸套[6]以及活塞[7]等构成，在内燃机燃烧室缸套[6]外的直线电机内磁轭[10]上设置冷却水路[11]，直线电机运动部件[9]通过连接杆[8]与活塞[7]相连，工作时同步运动，直线电机[2]的外磁轭[12]与机架[13]固连。
2.根据权利要求1所述的嵌套式内燃-直线发电集成动力系统，其特征在于：嵌套结构内部的四行程内燃机燃烧室[1]为汽油机燃烧室或应用其他燃料的内燃机燃烧室。
3.根据权利要求1或2所述的嵌套式内燃-直线发电集成动力系统，其特征在于：嵌套结构外部的直线电机[2]为动圈式永磁直线电机或其他形式的直线电机。
4.根据权利要求1所述的嵌套式内燃-直线发电集成动力系统，其特征在于：在内燃机燃烧室缸套[6]外的直线电机内磁轭[10]上设置U形冷却水路[11]。
5.根据权利要求1或2所述的嵌套式内燃-直线发电集成动力系统，其特征在于：直线电机运动部件[9]为圆或多边的杯形。
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