CN103590899A - 对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置包括四行程内燃机、具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机、可逆电能存储装置、连接直线电机和可逆电能存储装置的电力单元、分别与四行程内燃机的配气机构、点火装置和电力单元连接的电控单元，直线电机的动子与内燃机的活塞固定相连，在直线电机动子上设有位置检测元件，该位置检测元件与电控单元相连，所述四行程内燃机的燃烧室缸体两端开口，其内对称设置有两个活塞，直线电机也为对称设置的两个。本发明的集成装置运行动平衡特性好、扫气效率高。
Description
技术领域
本发明属于内燃机发电技术领域，特别是一种可以将燃料的化学能直接转化为电能输出的对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置。
背景技术
保护环境和节约资源的两大主题推动着人类对能量转化效率高、保护环境好的新型能量转化装置的探索和研究。自由活塞发动机（Free-Piston with Linear Generator）或称为直线内燃机（Linear Combustion Engine）是近30年来发展起来的新型动力系统，系统中自由活塞的往复运动主要转化为两种能量，一种是电能；另一种是液压能。
国内外自由活塞发动机普遍采用的二冲程工作循环，在经济性和环保等方面都存在不足，同时在着火和燃烧方面也存在问题。为此，中国发明专利“内燃-直线发电集成动力系统”（专利号：ZL2007 10019410.0）公开了一种内燃-直线发电集成动力系统，其采用四冲程工作循环，包括四行程内燃机、具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机、可逆电能存储装置、连接直线电机和可逆电能存储装置的电力控制单元、分别与四行程内燃机的配气机构、点火装置和电力控制单元连接的电控单元，直线电机的动子与内燃机活塞固定相连，在直线电机动子上面具有位置检测元件，该位置检测元件与电控单元相连，具体结构如图1所示。该集成动力系统能够实现内燃机的低压缩比与高膨胀比运行，系统效率高。
但是，上述四冲程内燃-直线发电集成动力系统仍存在动平衡特性不够好和扫气效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置，运行动平衡特性好、扫气效率高。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置包括四行程内燃机、具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机、可逆电能存储装置、连接直线电机和可逆电能存储装置的电力单元、分别与四行程内燃机的配气机构、点火装置和电力单元连接的电控单元，直线电机的动子与内燃机的活塞固定相连，在直线电机动子上设有位置检测元件，该位置检测元件与电控单元相连，所述四行程内燃机的燃烧室缸体两端开口，其内对称设置有两个活塞，直线电机也为对称设置的两个。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
1、动平衡特性好：由于左右两个活塞运动方向完全相反，可以很好地保持动平衡特性；
2、扫气效率高：应用四冲程内燃机工作原理可以很好的减少二冲程扫气过程的损失；同时，由于省略了曲轴连杆机构、齿轮箱等，可以减少能量的传递环节，能量转换效率高。
附图说明
图1是现有技术内燃-直线发电集成动力系统的结构示意图。
图2是本发明对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置的结构示意图。
图中，1 四行程内燃机，11 燃烧室缸体，12、121、122活塞，13 配气机构，14 点火装置，2、21、22 直线电机，201、211、221 动子，202、212、222 位置检测元件，3 可逆电能存储装置， 4 电力单元，5 电控单元，61、62回弹装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图2所示，本发明对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置，包括燃烧室缸体11两端开口、其内对称设置有两个活塞121、122的四行程内燃机1、两个具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机21、22、可逆电能存储装置3、连接直线电机和可逆电能存储装置的电力单元4分别与四行程内燃机的配气机构13、点火装置14和电力单元4连接的电控单元5，第一直线电机21的动子211与第一活塞121固定相连，第二直线电机22的动子221与第二活塞122固定相连，在每个直线电机动子211、221上设有位置检测元件212、222，该位置检测元件212、222与电控单元5相连。
本发明的技术方案，由于左右两个活塞运动方向完全相反，可以很好地保持动平衡特性；
同时，由于应用四冲程内燃机工作原理可以很好的减少二冲程扫气过程的损失；而且，由于省略了曲轴连杆机构、齿轮箱等，可以减少能量的传递环节，能量转换效率高。
在各直线电机21、22远离活塞121、122的一端各固定连接一回弹装置61、62，所述回弹装置61、62远离直线电机21、22的一端位置固定。
所述回弹装置61、62可以为弹簧。
回弹装置的设置进一步提高了装置的平衡特性和扫气效率。
所述四行程内燃机1的燃烧室缸体11沿轴线水平放置。这样，活塞和电机也都水平放置，从而将重力对装置运行平稳性带来的影响降到最低。
本发明对置式四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置是在保证装置动平衡特性的基础上的一种能量转化系统，燃料的化学能通过左右自由活塞121、122的直线运动带动直线发动机转化为电能，存储在可逆电能存储装置3中，也可以直接在负载上输出。燃烧室的设计参考常规发动机和特种发动机的设计；直线发电机21、22采用永磁直线发电机设计原则，采用动圈结构形式，要求直线发电可以工作与发电机模式和电动机模式；电力单元4根据电控单元5对系统的整体要求，控制直线发电机工作于发电机或电动机模式，从而控制自由活塞121、122的运行规律；可逆电能存储装置3为便于高效存储电能，采用蓄电池和超级电容的组合方式；电控单元5对整个系统进行控制。具体设计功能如下：实时通过直线发电机动子211、221上的位置检测元件212、222监测活塞的位置（位移和速度），控制点火装置14和配气机构13点火和进排气，通过电力单元4控制直线电机21、22与可逆电能存储装置3之间的电流输出和输入，从而控制活塞121、122的运动规律，实现四冲程的工作循环。
本发明的具体工作过程如下：
进气行程：上半个冲程，首先电控单元5通过电力单元4控制直线发电机21、22工作在电动机模式，通过控制可逆电力存储装置3输入直线发电机电压的大小改变直线发电机动子211、221的电磁力，使左右自由活塞121、122同步向相反的方向运动。在下半个行程左右自由活塞121、122在回弹装置61、62的作用下减速运动。此时，直线发电机21、22又工作于发电机模式，通过调节发电机的电流对左右自由活塞121、122的下止点进行调节，产生的电能存储于可逆电力存储装置3。
压缩行程：上半个冲程回弹装置6释放存储的弹性势能，推动左右自由活塞121、122加速向中间运动，压缩混合气；下半个行程电力单元4控制直线发电机21、22工作在电动机模式，同时调节施加在直线发电机的电压的大小改变电磁力的大小，直到左右自由活塞121、122速度趋近于零。在压缩行程快结束时，电控单元5控制点火装置进行点火，混合气开始燃烧。
做功行程：高压燃烧气体推动左右自由活塞121、122迅速向两边移动，电控单元5通过电力单元4控制直线发电机21、22处于发电机模式，左右自由活塞121、122带动直线发电机动子211、221运动进行发电，同时压缩回弹装置61、62，电力单元4调节可逆电力存储装置3与直线发电机21、22的发电电流，来调节下止点的位置，产生的电能存储于可逆电力存储装置3。
排气行程：由于做功行程对回弹装置61、62压缩量很大，左右自由活塞121、122向中间回弹，电控单元5通过电力单元4控制直线发电机处于发电机模式，同步调节直线发电机的输出电流来控制电磁力的大小，调节上止点的位置。
在整个的工作过程中，电控单元5通过位置检测元件212、222检测活塞的位移和速度，结合实时采集到的直线发电机的电压和电流信号，按照上述的四冲程工作模式，控制直线电机处于电动机模式或发电机模式，通过电力单元4实时调节直线发电机的电流大小、输出和输入，改变电磁力来实现低压缩比和高膨胀比运行状态。同时电控单元5根据活塞的位置状态和运行状态控制配气机构13和点火装置14。
Claims (4)
1.一种对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置，包括四行程内燃机（1）、具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机（2）、可逆电能存储装置（3）、连接所述直线电机（2）和可逆电能存储装置（3）的电力单元（4）、分别与四行程内燃机的配气机构（13）、点火装置（14）和电力单元（4）连接的电控单元（5），直线电机的动子（21）与内燃机的活塞（12）固定相连，在直线电机动子上设有位置检测元件（22），该位置检测元件（22）与电控单元（5）相连，其特征在于：所述四行程内燃机（1）的燃烧室缸体（11）两端开口，其内对称设置有两个活塞（121、122），所述直线电机（2）也为对称设置的两个（21、22）。
2.根据权利要求1所述的对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置，其特征在于：所述直线电机（21、22）远离活塞（121、122）的一端各固定连接回弹装置（61、62），所述回弹装置（61、62）远离直线电机（21、22）的一端位置固定。
3.根据权利要求2所述的对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置，其特征在于：所述回弹装置（61、62）为弹簧。
4.根据权利要求1所述的对置四冲程自由活塞内燃-直线发电集成装置，其特征在于：所述四行程内燃机（1）的燃烧室缸体（11）沿轴线水平放置。
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20140219 |