CN103321739A

CN103321739A - 四冲程直线发动发电机

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Publication number: CN103321739A
Application number: CN2013102587561A
Authority: CN
Inventors: 张俊昌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明涉及机械技术领域，具体是一种四冲程内燃活塞式直线发动发电机的技术方案，结构上去掉了传统四冲程汽油发电机内的曲轴连杆装置，摒弃了传统四冲程汽油发电机工作中，需要将平动变为转动来带动旋转发电机发电的过程，有望提高传统四冲程汽油发电机的效率。代之以活塞通过直连杆连接磁极组成的发电（电动）机动子组件，跟动子组件相对位置有跟汽缸固结的发电（电动）机定子线圈。做功冲程开始，高温高压的燃气，推动活塞使动子组件跟定子线圈相对运动，发电机发电，部分能量以机械能形式储存于弹簧中；而排气、进气、压缩三个冲程由外供电给定子线圈跟动子组件构成的直线电动机，带动活塞来完成。其可用于直流供电或混合动力电动汽车。

Description

四冲程直线发动发电机

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及一种汽油发电机，尤其涉及四冲程内燃活塞式直线发动发电机。

背景技术

一般四冲程汽油发电机在做功冲程中，高温高压的燃气推动活塞平动，由曲轴连杆组件将活塞的平动转变成转动，带动旋转发电机发出电能。此冲程开始(上止点)，尽管燃气的压强最大，对活塞的压力最大，但由于曲轴连杆在一条直线上，输出的旋转力矩几乎为零，输出能量亦接近零。这很大的压力作用于曲轴连杆上，增大了相互间的摩擦力，增大了机件的磨损，在此冲程结束时(下止点)，尽管燃气依然具有一定的能量，但由于曲轴连杆的几何尺寸限制，不能进一步输出机械能，白白地浪费掉了；基于此，设计了这种活塞平动直接发电的发动发电机。

发明内容

本发明提供了一种四冲程内燃活塞式直线发动发电机的技术方案，应用本发明有望进一步提高四冲程内燃活塞式直线发动发电机的燃油经济性，得以推广应用。本发明可用于直流供电或对电流波形没有特殊要求发电的场合，也可用于混合动力电动汽车。

实施原理

这种四冲程内燃活塞式直线发动发电机，其结构上去掉了传统四冲程汽油发电机内的曲轴连杆装置，摒弃了传统四冲程汽油发电机工作中，需要将平动变为转动来带动旋转发电机发电的过程，有望提高传统四冲程汽油发电机的效率，以活塞通过直连杆连接磁极组成的发电机（电动机）动子组件，跟动子组件相对位置有跟汽缸固结的发电机（电动机）定子线圈；在做功冲程中，高温高压的燃气，推动活塞使动子组件跟定子线圈产生相对运动，发电机发电，发出的电能一方面对外供电及其他电路之需，多余的电能充入电瓶中；此冲程终了时，有部分能量以机械能形式储存于弹簧中；而排气、进气、压缩三个冲程由外供电给定子线圈跟动子组件构成的直线电动机，带动活塞来完成；

本发明可用于直流供电或混合动力电动汽车

一、进气冲程

排气终了时，活塞到达上止点，位置传感器给中央处理器发送位置信号，中央处理器发出指令给进排气门控制机构，使进气门开启、排气门关闭；中央处理器同时发出指令给直线电动机定子绕组控制电路，使之处于向下（设汽缸为竖立状态）正向（与做功冲程中活塞运行方向相同，下同）电动状态，给动子组件（活塞、直连杆、动子绕组）提供正向动力，带动活塞克服弹簧的弹力正向运动，气缸内吸入混合气体。此过程中，在电动力作用下弹簧渐被压缩，弹力增大，当电动力跟弹力平衡后，动子组件速度逐渐减小到零，组件到达下止点（每个冲程上下止点可以不同），吸气行程结束。此时弹簧被压缩，部分能量暂存为弹簧的弹性势能。

二、压缩冲程

进气终了时，活塞到达下止点，位置传感器给中央处理器发送位置信号，中央处理器发出指令给进排气门控制机构，使进排气门均关闭；中央处理器同时发出指令给直线电动机定子绕组控制电路，给动子组件提供逆向电动力，在电动力和弹簧弹力的共同作用下，使组件逆向运动，活塞压缩混合气，混合气体的压强增大，温度升高。此过程中，弹簧开始提供的是动力，随弹簧的伸长，弹力渐减小--为零--反向变为阻力，当电动力跟弹力与被压缩混合气的压力相平衡后不久，动子组件速度逐渐减小到零，组件到达上止点，压缩行程结束。

三、做功冲程

压缩行程终了时，活塞到达上止点，位置传感器给中央处理器发送位置信号，中央处理器发出指令给进排气门控制机构，使进排气门均关闭；中央处理器同时发出指令高压发生器工作，火花塞点火；中央处理器同时发出指令给直线发电机定子绕组控制电路，使之处于发电状态；压缩的混合气被点燃后，产生高温高压的燃气，推动活塞组件向下运动，发电机发电，发出的电经整流输出电能，发出的电能一方面供电动汽车行驶及其他电路之需，多余的电能充入电瓶中；此行程中，经历了化学能→热能→机械能→电能（部分能量暂存为弹簧的弹性势能）转化的过程。当动子组件速度逐渐减小到零，组件到达下止点，做功行程结束。

四、排气冲程

做功冲程结束时，活塞到达下止点，位置传感器给中央处理器发送位置信号，中央处理器发出指令给进排气门控制机构，使进气门关闭、排气门开启；中央处理器同时发出指令给定子绕组控制电路，使之处于逆向电动状态，给动子组件提供逆向动力，在电动力和弹簧弹力的共同作用下，推动活塞逆向运动，排出废气，活塞到达上止点后，排气行程结束。发动机开始下一个工作循环。

本装置跟传统四行程汽油机相比，减少了曲轴组件，且连杆用直的滑杆代替，减少了曲轴连杆间及活塞和汽缸间由于压力增大产生的摩擦；增设了弹簧，使各行程接近终了时，尤其是做功行程终了时，可将部分剩余能量暂存为弹簧的弹性势能，以备下一行程加以利用。适当地选择弹簧的倔强系数，使发动机工作时的振动频率跟弹簧振动系统的固有频率相一致，即处于谐振状态，使发动机工作时始终处于最佳工作状态，可使能量转换效率达到最大。

传统的四行程发动机，做功冲程开始，活塞处于上止点，连杆、曲轴在一条线上，点火后高温高压燃气的压强为最大，输出的旋转力矩几乎为零，输出能量亦接近零，这很大的压力作用于曲轴连杆上，增大了相互间的摩擦力，增加了由于摩擦的机械能损失，同时增大了机件的磨损。做功冲程的中间，活塞作用于曲轴连杆的推力将产生侧向分力，这分力的存在同样的增大了相互间的摩擦力，增加了由于摩擦的机械能损失，同时增大了机件的磨损，并产生侧向振动，加大了发动机机震的处理难度。本发明中，采用活塞平动直接发电，减少了由于摩擦产生的机械能损失。

传统的四行程发动机，做功冲程结束时(下止点)，尽管燃气依然具有一定的能量，但由于曲轴连杆的几何尺寸限制，不能进一步输出机械能，白白地浪费掉了，增设储能弹簧后，可将这部分能量暂存，再下一行程加以利用，可以进一步提高燃油利用率，基于此，设计了这种活塞平动直接发电的发动发电机。

冬天，汽车发动机启动后，需要怠速预热一段时间，对传统发动机，此过程仅是为了使发动机温升，而使用该发动机的电动汽车，不存在耗油怠速，此过程，亦可输出电能存入电瓶中。

此发动机工作时的“转速”，即工作频率跟汽车的行驶速度没有直接联系，适当地选择弹簧的倔强系数，使发动机工作时的振动频率跟弹簧振动系统的固有频率相一致，即处于谐振状态，使发动机工作时始终处于最佳工作状态，可使能量转换效率达到最大。

发动机的油门可用自动控制来实现，将油流量检测结果和输出电能检测结果加以比较，用其比较信号控制节气门的大小，使发动机工作时，比能量为最大。

可采用非对称行程，即吸气冲程和压缩冲程中活塞的行程相同；做功冲程和排气冲程中活塞的行程亦相同，但与前两行程可以不同。

在电负载空载、满载等不同工况时，分别可以采用不同的压缩比，即压缩比可变，亦可实现可控。

点火提前角可控，进排气门开启关闭时刻，进排气门开闭时间亦可控。

具体实施方案（如附图所示）（本例以直线发电和直线电动分列设计，可进一步设计为发电电动为一体，增加设备利用率）

附图1 构造总图

附图2 发电部分剖面图

附图3 电动部分剖面图

附图4 磁极、绕组部分横断面图

附图5 电控部分方框图

附图说明：

1活塞、6直连杆、12直线发电机磁极、13直线电动机磁极，由1、6、12、13固接构成动子组件；

2进气门电控装置、4进气门、14进气门弹簧，由2、4、14构成进气门控制组件；

3排气门电控装置、5排气门、15排气门弹簧，由3、3、15构成排气门控制组件；

7汽缸、9火花塞，7、9跟进排气门、动子组件构成发动机部分；

10直线发电机绕组、16直线发电机铁芯，10、16、12构成直线发电机部分；

17直线电动机绕组、18直线电动机铁芯，17、18、13构成直线电动机部分；

19位置传感器、20直线电动机控制模块，20外接直线电动机绕组17的接线端子，19、20构成直线电动机控制电路，同时产生动子组件的位置信号，将此信号提供给中央处理器26，20接受中央处理器26的指令，完成正向、逆向电动；

23储能装置，可用铅蓄电池或其他新型蓄电池。汽车发动机启动时提供能量来源；汽车起步、提速、上坡时补充能量；汽车下坡、减速、刹车时回收能量；平时相当于一个大容量电容，吸收并滤除整流后的脉冲成分，为整车提供高质量的直流电流。43、44为电源输出端子；

24高压发生电路，受中央处理器26控制，产生高压；

21直线发动机控制模块，21外接直线发电机绕组10的接线端子，内含大电流整流电路，受中央处理器26控制，只在做功行程中对外输出电能；

26中央处理器，接受20提供的动子组件位置信号（信号通路33），运算处理后输出控制信号：输出到2控制进气门组件完成进气门的开闭（信号通路34）；输出到3控制排气门组件完成排气门的开闭（信号通路35）；输出到24高压发生电路产生高压（信号通路36）；输出到20控制直线电动机的正向、逆向运动（信号通路32）；输出到21控制直线发电机的是否整流输出电能（信号通路41）；对于多缸汽油机，还应该接收其他缸的工作状态信号（信号通路38），同时输出本缸工作状态信号（信号通路39）到其他缸的控制模块，使各个汽缸协调地工作，避免出现各缸工作“七上八下”的情况。

一、进气冲程

排气终了时，活塞1到达上止点，布置在直线电动机定子绕组附近的霍尔元件（该霍尔元件还兼作无刷直流直线电机的反馈元件）19输出信号给直线电动机控制模块20，控制模块20将此信号运算比较后给中央处理器26发送位置信号，中央处理器26发出指令给进气门控制组件2排气门控制组件3，使进气门4开启、排气门5关闭；中央处理器26同时发出指令给直线电动机控制模块20，给直线电动机定子绕组17供电，使直线电动机动子磁极13受到正向（与做功冲程中活塞运行方向相同，下同）电动力而运动，通过直连杆6带动活塞1正向运动，汽缸7内吸入混合气体。此过程中，电动力基本不变，弹簧8渐被压缩，弹力增大，当电动力跟弹力平衡后，动子组件（包括直连杆6、固接在其上的活塞1、直线电动机动子磁极13、直线发电机动子磁极12）速度逐渐减小到零，组件到达下止点，吸气行程结束。此时弹簧8压缩量为最大，部分能量暂存为弹簧8的弹性势能。

二、压缩冲程

进气终了时，活塞1到达下止点，布置在直线电动机定子绕组附近的霍尔元件19输出信号给直线电动机控制模块20，控制模块20将此信号运算比较后给中央处理器26发送位置信号，中央处理器26发出指令给进气门控制组件2排气门控制组件3，使进气门4关闭、排气门5关闭；中央处理器26同时发出指令给直线电动机控制模块20，给直线电动机定子绕组17供电，使直线电动机动子磁极13受到逆向电动力，在电动力和弹簧8弹力的共同作用下，使组件逆向运动，活塞1压缩混合气，混合气体的压强增大，温度升高。此过程中，弹簧8开始提供的是动力，随弹簧的伸长，弹力渐减小--为零--反向变为阻力，当电动力跟弹力与被压缩混合气的压力相平衡后不久，动子组件速度逐渐减小到零，组件到达上止点，压缩行程结束。

三、做功冲程

压缩行程终了时，活塞到达上止点，布置在直线电动机定子绕组附近的霍尔元件19输出信号给直线电动机控制模块20，控制模块20将此信号运算比较后给中央处理器26发送位置信号，中央处理器26发出指令给进气门控制组件2排气门控制组件3，使进气门4关闭、排气门5关闭；中央处理器26同时发出指令给直线电动机控制模块20，使直线电动机处于关断状态，中央处理器26同时发出指令高压发生器24工作，火花塞9点火；中央处理器同时发出指令给直线发电机定子绕组控制电路21，使直线发电机定子绕组10处于发电状态。压缩的混合气在燃烧室11被点燃后，产生高温高压的燃气，推动活塞1使动子组件向下运动，发电机发电，发出的电经21整流输出电能，发出的电能一方面供电动汽车行驶及其他电路之需，多余的电能充入电瓶中。此行程中，经历了化学能→热能→机械能→电能（部分能量暂存为弹簧的弹性势能）转化的过程。当动子组件速度逐渐减小到零，组件到达下止点，做功行程结束。

四、排气冲程

做功冲程结束时，活塞到达下止点，布置在直线电动机定子绕组附近的霍尔元件（该霍尔元件还兼作无刷直流直线电机的反馈元件）19输出信号给直线电动机控制模块20，控制模块20将此信号运算比较后给中央处理器26发送位置信号，中央处理器26发出指令给进气门控制组件2、排气门控制组件3，使进气门4关闭、排气门5开启；中央处理器26同时发出指令给直线电动机控制模块20，给直线电动机定子绕组17供电，使直线电动机动子磁极13受到逆向电动力而运动，通过直连杆6带动活塞1逆向运动，在电动力和弹簧8弹力的共同作用下，推动活塞1逆向运动，排出废气，活塞到达上止点后，排气行程结束，发动机开始下一个工作循环。

发动机的启动

发动机起动前，动子组件弹簧处于平衡状态。开启启动开关，接通电源，同时给中央处理器26发送开始排气冲程的信号，发动发电机进行排气冲程工作，此行程终了时，开始下一个循环。依次进气、压缩、做功、排气……。

本发明提供了一种四冲程内燃活塞式直线发动发电机的技术方案，本发明摒弃了一般四冲程汽油发电机工作中，需要将平动变转动、转动变平动的过程。传统四冲程汽油发电机做功冲程中，高温高压的燃气推动活塞平动，由曲轴连杆组件将活塞的平动转变成转动，带动旋转发电机发出电能。此冲程开始(上止点)，尽管燃气的压强最大，对活塞的压力最大，但由于曲轴连杆在一条直线上，输出的旋转力矩几乎为零，输出能量亦接近零。这很大的压力作用于曲轴连杆上，增大了相互间的摩擦力，增大了机件的磨损；在此冲程结束时(下止点)，尽管燃气依然具有一定的能量，但由于曲轴连杆的几何尺寸限制，不能进一步输出机械能，白白地浪费掉了；

因此，这种活塞平动直接发电的发动发电机有望提高整体效率，这种活塞平动直接发电的发动发电机是否可以提高效率，能提高效率多少有待实验验证；

本发明可用于直流供电或对电流波形没有特殊要求发电的场合，也可用于混合动力电动汽车。

Claims

1.一种四冲程直线发动发电机装置，汽缸7的顶部装有火花塞9、进气门4、排气门5，汽缸中下部装有定子绕组10和17、位置传感器19；汽缸内活塞1通过直连杆6连接动子磁极12和13、储能弹簧8，动子磁极12跟发电绕组10铁芯16构成发电机组合，动子磁极13跟电动绕组17铁芯18构成电动机组合；中央处理器26和位置传感器19及外围控制模块构成电控电路；其特征是：做功冲程开始，高温高压的燃气，推动活塞1使动子组件向下运动，磁极12跟发电绕组10相对运动，发电机发电，发出的电经21整流输出直流电能，一方面对外供电，多余的电能充入电瓶23中，同时储能弹簧8被压缩，部分能量以机械能形式储存于弹簧中；其余三个冲程排气、进气、压缩由电瓶给电动绕组17供电，给电动机磁极13提供磁力，带动活塞9来完成；以上各项的协调完成均受控于围绕中央处理器26的电控电路。

2.如权利要求1所述的一种四冲程直线发动发电机装置，其特征是：汽缸7、活塞1、进气门4、排气门5、火花塞9跟传统四冲程汽油发动机结构相近，但汽缸下部装有定子绕组、位置传感器19，活塞1通过直连杆6连接动子组件和弹簧8。

3.如权利要求1所述的一种四冲程直线发动发电机装置，其特征是：动子组件中的磁极可以是永磁铁，也可是电磁铁；动子组件和储能弹簧8的位置可互换，对应的定子绕组作相应调整。

4.如权利要求1所述的一种四冲程直线发动发电机装置，其特征是：几个位置传感器19（如霍尔元件）受控于动子磁极，输出信号给中央处理器26，中央处理器26通过运算，得知动子组件的位置、运行速度和方向等参量，中央处理器26给各个控制模块发出指令，适时完成以下动作：进排气门的开闭、火花塞的点火、发电电动的切换、电动状态时绕组电流方向的转换等；如有多个汽缸，中央处理器26向他缸发出指令，同时接受他缸工作信息，以使各个汽缸协调工作。

5.如权利要求1所述的一种四冲程直线发动发电机装置，其特征是：选取倔强系数适当的储能弹簧8，使电动机工作于弹簧的谐振状态，进一步提高效率。

6.如权利要求1所述的一种四冲程直线发动发电机装置，其特征是：点火时间可电控，各个工作冲程的行程可电控。

7. 如权利要求1所述的一种四冲程直线发动发电机装置，其特征是：可用于直流供电或对电流波形没有特殊要求发电的场合，也可于混合动力电动汽车。