CN103233815B - 一种基于余热利用的自由活塞直线发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于余热利用的自由活塞直线发电机，属于能源动力技术领域。具体包括自由活塞内燃机、直线发电机、废气膨胀气缸。其中，自由活塞内燃机包括：喷油器、进气口、排气口、活塞、内燃机气缸；直线发电机包括：电机定子、电机动子；废气利用组件包括：引气管、进气门、排气门、回复活塞、回复气缸、喷水器。其工作过程包括起动过程和稳态运行过程。冷启动过程中，直线发动机以电动机模式进行工作，带动装置起动工作。稳态运行过程中，直线发电机以发电机模式进行工作，内燃机工作推动直线发电机作功发电，然后通过废气余热利用的方式使运动组件返回上止点，再进行下一循环运动。具有保护环境，节约能源的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于余热利用的自由活塞直线发电机，属于能源动力技术领域。
背景技术
自由活塞直线发电机是近年来兴起的一种新型动力装置，其整个系统包含内燃机与直线发电机两大模块。区别于传统机型，此新型动力装置没有曲柄连杆机构。内燃机模块与直线发电机模块之间一般通过连杆直接相连，前者通过热能转化而来的机械能能够在直线电机中直接转化为电能并向外输出。得益于其较短的动力传送链，其机械损失比传统机型更低。因而在总体效率上，自由活塞式内燃发电动力系统有更高的提升空间。应对日益严峻的能源问题，它有更大的潜力以提升经济性。
因为自由活塞直线发电机没有机械装置对活塞运动进行约束，活塞无法自然地完成从下止点回到上止点的过程。所以在其众多研究热点中，如何使得活塞在膨胀做功后能够重新由下止点返回上止点是一个尤其重要的问题。只有当活塞能够实现回复动作，系统才能进行往复工作从而对外连续输出电能。同时，在自由活塞直线发电机工作过程中，一般内燃机部分燃烧后产生的废气直接对环境排放，由于废气具有一定的温度及压力，因此直接排放将导致一部分能量损失。
发明内容
本发明的目的是为了解决自由活塞内燃机发电动力系统的活塞回复问题以及废气余热利用问题，提出一种基于余热利用的自由活塞直线发电机。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于余热利用的自由活塞直线发电机，包括：自由活塞内燃机、直线发电机、废气膨胀气缸。其中，自由活塞内燃机包括：喷油器、进气口、排气口、活塞、内燃机气缸；直线发电机包括：电机定子、电机动子；废气利用组件包括：引气管、进气门、排气门、回复活塞、回复气缸、喷水器。
具体的连接关系为：直线电机动子一端连接回复活塞，另一端与自由活塞内燃机的活塞连接，回复活塞、电机动子、内燃机活塞构成运动组件。回复活塞置于回复气缸内；喷水器安装于回复气缸一端上，排气门位于回复气缸下部，进气门位于回复气缸上部；自由活塞内燃机的活塞位于内燃机气缸内部，进气口位于内燃机气缸下部，排气口位于内燃机气缸上部，喷油器安装于内燃机气缸一端。引气管一端与内燃机气缸的排气口连接，另一端与回复气缸进气门连接。
本发明的基于余热利用的自由活塞直线发电机的工作过程包括起动过程和稳态运行过程。冷启动过程中，直线发动机以电动机模式进行工作，带动装置起动工作。稳态运行过程中，直线发电机以发电机模式进行工作，内燃机工作推动直线发电机作功发电，然后通过废气余热利用的方式使运动组件返回上止点，再进行下一循环运动。
其具体的工作情况如下：
1)起动过程。直线发动机以电动机模式工作，推动运动组件运动，压缩内燃机气缸内气体。然后自由活塞内燃机的喷油器对缸内喷射燃油。燃油在高压条件下燃烧作功，推动运动组件反向运动。此时起动过程完成。
2)运行过程。这一阶段工作时，系统以循环往复的形式进行工作。一个循环开始时，内燃机以上止点为起点进行燃烧工作，推动直线发电机以发电机模式向外作功、输出电能。此时回复气缸排气门打开，进气门关闭，回复气缸内气体压力与环境一致，保持相对低压状态。当内燃机缸内气体膨胀一段时间后，打开其排气口，将高温高压废气引入到引气管中。同时，关闭回复气缸的排气门，打开其进气门；打开自由活塞内燃机的进气口，对内燃机缸内换气，此时运动组件到达下止点。当废气通过引气管进入到回复气缸以后，关闭回复气缸排气门，对回复气缸内喷水。水从高温废气中吸热气化，形成高压蒸汽并开始推动运动组件返回上止点。以便开始下一循环。
有益效果
本发明的基于余热利用的自由活塞直线发电机利用废气的温度及压力，即废气余热。使得活塞在膨胀做功后能够重新由下止点返回上止点，实现回复动作，系统对外连续输出电能。具有保护环境，节约能源的优点。
附图说明
图1是实施例中基于余热利用的自由活塞直线发电机的结构示意图；
图中，1—喷油器；2—进气口；3—排气口；4—活塞；5—内燃机气缸；6—电机定子；7—电机动子；8—引气管；9—回复活塞；10—排气门；11—进气门；12—喷水器；13—回复气缸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种基于余热利用的自由活塞直线发电机，主要包含：自由活塞内燃机、直线发电机、废气膨胀气缸。其自由活塞内燃机主要包含：喷油器1、进气口2、排气口3、活塞4、内燃机气缸5；直线发电机包含：电机定子6、电机动子7；废气利用组件包括：引气管8、进气门11、排气门10、回复活塞9、回复气缸13、喷水器12。
具体的连接关系为：回复活塞9放置于回复气缸13内；喷水器12安装于回复气缸13上；引气管8一端与内燃机气缸5的排气口3连接，另一端与回复气缸进气门11连接；回复活塞9与直线电机动子7一端连接；直线电机动子7另一端与自由活塞内燃机的活塞4连接，回复活塞9、电机动子7、内燃机活塞4构成运动组件。
1)起动过程。此时直线发电机以电动机模式工作，电机动子7推动运动组件运动，活塞4压缩内燃机气缸5内气体。然后自由活塞内燃机的喷油器1对缸内喷射燃油。燃油在高压条件下燃烧作功，推动运动组件反向运动。此时起动过程完成。
2)运行过程。这一阶段工作时，系统以循环往复的形式进行工作。一个循环开始时，内燃机活塞4处于上止点位置，喷油器1向缸内喷射燃油，燃烧后高压气体推动运动组件运动。此时直线发电机以发电机模式向外作功、输出电能。且回复气缸排气门10打开，进气门11关闭，回复气缸13内气体压力与环境一致，保持相对低压状态。当内燃机气缸5内气体膨胀一段时间后，打开其排气口3，将高温高压废气引入到引气管8中。同时，关闭回复气缸的排气门10，打开其进气门11；打开自由活塞内燃机的进气口2，对内燃机气缸5内换气，此时运动组件到达下止点。当废气通过引气管8进入到回复气缸13以后，关闭回复气缸排气门11，喷水器12对回复气缸13内喷水。水从高温废气中吸热气化，形成高压蒸汽并开始推动运动组件返回上止点。之后开始下一循环。
Claims (2)
1.一种基于余热利用的自由活塞直线发电机，其特征在于：包括自由活塞内燃机、直线发电机、废气膨胀气缸；其中，自由活塞内燃机包括：喷油器、进气口、排气口、活塞、内燃机气缸；直线发电机包括：电机定子、电机动子；废气利用组件包括：引气管、进气门、排气门、回复活塞、回复气缸、喷水器；
具体的连接关系为：直线电机动子一端连接回复活塞，另一端与自由活塞内燃机的活塞连接，回复活塞、电机动子、内燃机活塞构成运动组件；回复活塞置于回复气缸内，喷水器安装于回复气缸一端上，排气门位于回复气缸下部，进气门位于回复气缸上部；自由活塞内燃机的活塞位于内燃机气缸内部，进气口位于内燃机气缸下部，排气口位于内燃机气缸上部，喷油器安装于内燃机气缸一端；引气管一端与内燃机气缸的排气口连接，另一端与回复气缸进气门连接；
以电动机模式起动工作，推动运动组件运动，压缩内燃机气缸内气体；然后自由活塞内燃机的喷油器对缸内喷射燃油，燃油在高压条件下燃烧作功，推动运动组件反向运动；
以循环往复的形式进行工作；一个循环开始时，内燃机以上止点为起点进行燃烧工作，推动直线发电机以发电机模式向外作功、输出电能，回复气缸排气门打开，进气门关闭，回复气缸内气体压力与环境一致，保持相对低压状态；当内燃机缸内气体膨胀一段时间后，打开其排气口，将高温高压废气引入到引气管中，同时，关闭回复气缸的排气门，打开其进气门；打开自由活塞内燃机的进气口，对内燃机缸内换气，运动组件到达下止点；当废气通过引气管进入到回复气缸以后，关闭回复气缸排气门，对回复气缸内喷水，水从高温废气中吸热气化，形成高压蒸汽并开始推动运动组件返回上止点。
2.根据权利要求1所述的一种基于余热利用的自由活塞直线发电机，其特征在于：包括起动过程和稳态运行过程。
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