CN103670823A - 一种进气预加热式微自由活塞发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机领域和发电领域相关的微动力系统，特指一种进气预加热式微自由活塞发电机。其包括：磁性活塞、微燃烧室汽缸、混合气喷射器、进排气通道、废气腔、扫气板、单向排气阀门、激磁绕组、定子、定子绕组、左分离极、右分离极、电流逆变器、开关、蓄电池等。其特征是磁性活塞既作为微发动机的自由活塞又作为发电电枢；添加了废气腔、扫气板和单向排气阀门组成的扫气结构，增强了废气排气功能；将进气通道内嵌在排气通道里，利用废气余热，预热进气通道中的混合气体。其优点是将内燃机和发电机有机的结合起来，在简化结构的同时，优化微型发电机的整体性能，减少机械机构往复运动时的能量损失，获得较高的能量转换率。

Description

一种进气预加热式微自由活塞发电机

技术领域

本发明涉及内燃机领域和发电领域相关的微动力系统，特指一种进气预加热式微自由活塞发电机。   

背景技术

微型机电装置需要高能密度的能量输出装置来提供持续的动力输出，由于通过在微尺度空间内燃烧碳氢燃料的微型动力装置只需要10%的转换效率就能产生比目前最好的电池高6倍的能量密度，越来越多的学者对基于碳氢燃料燃烧的微型动力系统进行了设计与研究；现有的发电系统大部分采用原动机和发电机分离的方式，这种方式存在多种缺点，如体积较大、结构复杂、电磁转换效率低、能量消耗大等缺点。 

目前公开的所谓发电机和原动机相结合的各种技术中，大部分都没有完全实现发电机和原动机的真正结合，大多都是利用各种形式的动力源驱动活塞，再由活塞带动电机动子运动发电，如专利94112513.0：“往复式发电机”、200420109327.4“一种往复式发电机”、WO0188353：“FREE PISTON ENGINE WITH ELECTRICAL POWER OUTPUT”、RU2150014：“FREE-PISTON INTERNAL-COMBUSTION ENGINE WITH LINEAR AC GENERATOR”都是这样的；部分发明利用带磁性的活塞和螺线圈作为发电部件，发电效率太低，如专利US4403153：“FREE-PISTON ELECTRIC CURRENT GENERATOR”，而发电效率好一点的往复式发电机如专利US3891874：“COMPENSTATED RECIPROCATING ELECTRODYNAMIC MACHINE”所述的装置，但是该专利却需要外加其他的动力源来驱动；而专利CN1978877：“自由活塞发电机”，虽然克服了一些不足，但忽略了其它的缺点，没有考虑到废气的有效排放，废气余热利用等问题。 

发明内容

为了避免和克服上述不足，本发明提供一种利用废气余热预热混合气体，结合催化燃烧方式，采用磁性活塞往复运动直接发电的对置式微自由活塞发电机。 

实现本发明的技术方案为： 

一种进气预加热式微自由活塞发电机，包括磁性活塞、微燃烧室汽缸、混合气喷射器、进排气通道、废气腔、扫气板、单向排气阀门、激磁绕组、定子、定子绕组、左分离极、右分离极、电流逆变器、开关和蓄电池；自由活塞发电机的定子和磁性活塞均由磁性能极好且电阻率高的耐热材料制成，例如选择钐钴、铝镍钴等一些磁性材料制成，磁性活塞同时又作为电枢，发电机的启动靠电磁力来完成；左定子绕组和右定子绕组分别绕在定子上半部分的左分离极和右分离极上，左定子绕组和右定子绕组的组数、左分离级和右分离极的个数与分布与微燃烧室气缸的长度相匹配，定子的左分离极和右分离极的横截面积相等，形状相同；左定子绕组和右定子绕组并联后与电流逆变器串联后接到A、B两点，蓄电池和负载分别串联一个开关后也接到A、B两点；其特征在于：微燃烧室汽缸中是能够往复运动的磁性活塞，磁性活塞共有两个，由活塞连接杆相连接，微燃烧室汽缸内壁两端面与磁性活塞端涂有燃烧催化剂涂层，当一端微燃烧室汽缸内混合气体燃烧膨胀做功，推动磁性活塞运动，同时压缩另一端微燃烧室汽缸内的混合气体，受力更加平衡；微燃烧室汽缸两端面各设有一个混合气喷射器，微燃烧室汽缸内壁下端面与定子下半部分两端的上端面形成左右排气通道，左右排气通道内设有与混合气喷射器连接的左右进气通道，定子的下半部分的中部开有进气孔，并与左右进气通道相连接；左右排气通道入口处设有左右单向排气阀门；定子下半部分中间靠近微燃烧室汽缸位置，开设废气腔，废气腔内设有扫气板，扫气板将废气腔分为左右两个不相连通的空间，扫气板与活塞连接杆相连，随着磁性活塞与活塞连接杆的往复运动，压缩废气腔中废气，将废气经排气通道排出微发动机；将进气通道布置在排气通道内，由于废气中含有热量，流经排气通道时对进气通道进行加热，进而达到对混合气预热的目的。

本发明的优点是： 

（1）将内燃机和发电机有机的结合起来，简化了设备，有利于微型化的发展。

（2）机械能直接转化成电能，避免了机械机构传动时的能量损失，能获得较高的能量转换率。 

（3）微燃烧室内壁端面与磁性活塞端面涂有燃烧催化层，混合气体更易压缩着火，着火时刻点提前，单次压缩燃烧周期缩短，活塞往复频率增加。 

（4）将进气管道内嵌在排气管道里，利用废气余热，预热进气管道中的混合气体，提高混合气体初始温度，有利于混合气体压缩燃烧的进行。 

（5）增加了废气腔与单向排气阀门结构，优化了废气排放能力，使得微燃烧室汽缸内废气最大化排出汽缸外，新鲜气体增多，提高压缩燃烧做功能力。 

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图； 

图2是本发明实施例的电路原理图；

图3是左单向排气阀门放大图；

图4是进排气循环工作示意图，(a) 左端混合气喷射器开始进气；

图5是进排气循环工作示意图，(b) 磁性活塞向右运动；

图6是进排气循环工作示意图，(c)磁性活塞向左运动，右端混合气喷射器进气；

图7是进排气循环工作示意图，(d) 左端磁性活塞压缩左端微燃烧室汽缸内混合气体至底部；

图8是进排气循环工作示意图，（e）左端微燃烧室汽缸内混合气体燃烧膨胀推动磁性活塞向右运动；

图9是进排气循环工作示意图，(f) 左端微燃烧室汽缸内废气开始进入废气腔左边空间内；

图10是进排气循环工作示意图，(g) 左端混合气喷射器进气；

图11是进排气循环工作示意图，(h) 右端微燃烧室汽缸内混合气体燃烧膨胀推动活塞向左运动；

图12是进排气循环工作示意图，(i) 磁性活塞压缩左端微燃烧室汽缸内混合气体，废气腔左边空间内废气流入排气通道；

图13是进排气循环工作示意图，(j) 右端微燃烧室汽缸内废气进入废气腔右边空间内，右端混合气喷射器开始进气。

如图所示，图中标号分别代表：1.定子  2.激磁绕组  3.左定子绕组  4. 右定子绕组  5.左分离极  6.右分离极  7.微燃烧室汽缸 8.混合气喷射器  9.催化剂涂层  10.磁性活塞  11.活塞连接杆  12.扫气板  13.废气腔  14.左单向排气阀门  15.右单向排气阀门  16.进气通道  17.排气通道  18.进气孔 19.排气孔 20.电流逆变器  21.蓄电池开关  22.负载开关  23.蓄电池  24.负载。 

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。 

如图1和图2所示，使用时，首先闭合蓄电池开关21，利用蓄电池23中发出的电流经电流逆变器20转化成交流电，经左定子绕组3与右定子绕组4相应的发出交变磁场，交变磁场作用于磁性活塞10使之作往复运动，这样就完成了发电机的启动工作。 

磁性活塞10在交变磁场里左右运动，获得一定的运动速度后，打开混合气喷射器8开始喷射混合气体；如图4所示，磁性活塞10向右运动时，左端混合气喷射器8开启，向左端微燃烧室汽缸7内喷射混合气体；如图5所示，磁性活塞10运行至最右端，左端微燃烧室汽缸7内充满混合气体；磁性活塞10开始向左运动，压缩左端微燃烧室汽缸7内混合气的同时，右端混合气喷射器8开启，开始向右端微燃烧室汽缸7内喷射混合气体，如图6所示；图7为左端磁性活塞10压缩左端微燃烧室汽缸7内混合气体，磁性活塞10运行至最左端附近，此时右端微燃烧室汽缸7内充满混合气体；磁性活塞10压缩混合气体，随着混合气体体积不断缩小，混合气体内部温度和压力不断上升，当压缩比达到一定值，混合气体温达到自燃点时，不需要点火装置，混合气体便会着火燃烧，如图8所示，左端微燃烧室汽缸7内混合气燃烧膨胀，推动活塞10向右运动，同时压缩右端微燃烧室汽缸7内的混合气体，由于微燃烧室汽缸7内壁面与磁性活塞10端面添加燃烧催化剂涂层，混合气体更容易压缩着火燃烧做功；发动机原理与燃烧学中指出，燃气废气不能有效排出汽缸外，导致新鲜充量不足，影响发动机的动力输出性能。为了提高进排气效率，从而提高微自由活塞发电机的动力输出性能，本装置中增加了废气腔13、扫气板12、左单向排气阀门14及右单向排气阀门15等结构，增强进排气功能，如图9所示，磁性活塞10向右运动时，当磁性活塞10左端面运行至废气腔13的左端面，与废气腔13形成通道入口时，左端微燃烧室汽缸7内混合气燃烧后的废气开始流入废气腔13左边空间内，此时左单向排气阀门14是关闭的，右单向排气阀门15是打开的，从图3左单向排气阀门14放大图可以看出，左单向排气阀门14在挡板弹簧的作用下，当不受外力作用时，处于关闭状态，当扫气板12向左运动压缩废气腔左边空间内废气时，左单向排气阀门14才会打开，实现排气功能的同时，也避免了微发电机外空气经排气通道17流入微燃烧室里；由于废气腔13左边空间内的废气在上一个循环中经排气通道17被压缩出去，废气腔13左边空间气体较少，当扫气板向右运动时，废气腔13左边空间压力变小，左燃烧室汽缸7内混合气体压缩燃烧后，温度压力升高，当磁性活塞10的左端面运行至废气腔的左端面时，在压力差的作用下，废气会快速流入废气腔13左边空间内，排气性能增强；当右端磁性活塞10运行接近最右端时，左端混合气喷射器8开始进气，如图10所示，左端微燃烧室汽缸内进气的同时，将剩余的废气压缩排进废气腔13内；随着右端燃烧室汽缸内混合气体燃烧膨胀的开始，扫气板12伴随着磁性活塞10与活塞连接杆11开始向左运动，如图11所示，此时磁性活塞10开始压缩左端燃烧室里的新鲜混合气体，扫气板12开始压缩废气腔13左边空间内的废气，左单向排气阀门14在气压的作用下打开并开始排气；当左端磁性活塞10运行至废气腔最左端面时，左端微燃烧室汽缸7与废气腔13的通道被阻断，如图12所示，废气腔13左边空间内的废气在扫气板12的作用下，只会经排气通道17排出微发电机外，而不会进入左端燃烧室汽缸7内；当磁性活塞10运行接近最左端时，右端燃烧室汽缸7内废气开始流进废气腔13右边空间内，且右端混合气喷射器8开始进气，如图13所示，如此，微发电机单个进排气循环过程完成。 

左右进排气过程与混合气体燃烧膨胀过程交替完成，推动磁性活塞10往复运动，当磁性活塞10往复运动时，根据相对运动，相当于线圈导线在做切割磁感线的运动，产生电流，微型发动机通过混合气压缩燃烧释放出的能量转化为活塞的机械能，在微型发电机中可以通过一定的传动装置将活塞所获得的机械能输入到发电装置中，这样带动发电装置产生电能。断开蓄电池开关21，打开负载开关22，就可对负载24供电了，当不需要发电时，只需关闭混合气喷射器8即可。 

发动机在进行负荷特性试验时，预热后燃油消耗平均下降0.7%～3%，发动机在速度特性试验时发动机的动力性平均提高0.7%～1.1%，燃烧消耗率平均下降5.9～7.9；而燃油加温有利于提高混合气质量并改善燃烧、降低排放；考虑到预热混合气体对燃烧过程的影响，本装置中将进气通道18内嵌在排气通道17里，利用废气余热，预热进气通道中的混合气体，提高气体初始温度。 

Claims (1)

1.一种进气预加热式微自由活塞发电机，包括磁性活塞、微燃烧室汽缸、混合气喷射器、进排气通道、废气腔、扫气板、单向排气阀门、激磁绕组、定子、定子绕组、左分离极、右分离极、电流逆变器、开关和蓄电池；自由活塞发电机的定子和磁性活塞均由磁性能极好且电阻率高的耐热材料制成，磁性活塞同时又作为电枢，发电机的启动靠电磁力来完成；左定子绕组和右定子绕组分别绕在定子上半部分的左分离极和右分离极上，左定子绕组和右定子绕组的组数、左分离级和右分离极的个数与分布与微燃烧室气缸的长度相匹配，定子的左分离极和右分离极的横截面积相等，形状相同；左定子绕组和右定子绕组并联后与电流逆变器串联后接到A、B两点，蓄电池和负载分别串联一个开关后也接到A、B两点；其特征在于：微燃烧室汽缸中是能够往复运动的磁性活塞，磁性活塞共有两个，由活塞连接杆相连接，微燃烧室汽缸内壁两端面与磁性活塞端涂有燃烧催化剂涂层，当一端微燃烧室汽缸内混合气体燃烧膨胀做功，推动磁性活塞运动，同时压缩另一端微燃烧室汽缸内的混合气体，受力更加平衡；微燃烧室汽缸两端面各设有一个混合气喷射器，微燃烧室汽缸内壁下端面与定子下半部分两端的上端面形成左右排气通道，左右排气通道内设有与混合气喷射器连接的左右进气通道，定子的下半部分的中部开有进气孔，并与左右进气通道相连接；左右排气通道入口处设有左右单向排气阀门；定子下半部分中间靠近微燃烧室汽缸位置，开设废气腔，废气腔内设有扫气板，扫气板将废气腔分为左右两个不相连通的空间，扫气板与活塞连接杆相连，随着磁性活塞与活塞连接杆的往复运动，压缩废气腔中废气，将废气经排气通道排出微发动机；将进气通道布置在排气通道内，由于废气中含有热量，流经排气通道时对进气通道进行加热，进而达到对混合气预热的目的。

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