CN104179570B - 微小型热动力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型热动力发电装置，包括发动机组件和发电转子，所述发动机组件为轴向活塞式，利用凸轮为功率转化部件将活塞的上下往复运动转换成凸轮的旋转运动；所述发电转子直接与凸轮相连，发动机组件中的两个气缸本体分别对置于凸轮的两边。本发明具有结构简单紧凑、控制简单、工作可靠性高、效率高等优点。

Description

微小型热动力发电装置

技术领域

本发明主要涉及到微型发电设备领域，特指一种高功率密度的微小型热动力移动发电装置，尤其指的是功率范围为100W到1000W，装置重量在1.5Kg以下，体积小于0.002m³的便携式发电装置。

背景技术

目前，随着个人便携式数字化设备的日益普及其性能的提升，对于便携式能源设备的需求越来越大，传统的化学电池已经不能够满足。国内外许多科研机构已经开展或正在开展新概念微型小型移动电源的设计，相关的基础研究表明利用微型发动机驱动的移动电源其理论上的功率密度为现有的蓄电池的近100倍，且可以添加燃料重复利用。

现有技术中，微小型热动力发电装置主要由两类：一类为采用燃气推动叶轮旋转进而带动发电机产生电能，这一类微型发电系统与供电对象的主板连接在一起，容易产生高温对于电路造成一定的影响；另一类是以小型化的活塞式发动机为动力源驱动发电机运转，为了取得较高的功率密度，这一类设备的转速较高，易产生较大的振动与噪声。微小型的发电设备的发动机气缸尺度较小，燃烧情况与常规尺度发动机有较大不同，因而提高其燃烧效率也是国内外相关研究的重点。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、控制简单、工作可靠性高、效率高的微小型热动力发电装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种微小型热动力发电装置，包括发动机组件和发电转子，所述发动机组件为轴向活塞式，利用凸轮为功率转化部件将活塞的上下往复运动转换成凸轮的旋转运动；所述发电转子直接与凸轮相连，发动机组件中的两个气缸本体分别对置于凸轮的两边。

作为本发明的进一步改进：所述发电转子的两端通过两个支撑轴承分别与两个气缸本体连接。

作为本发明的进一步改进：所述凸轮为双作用端面凸轮。

作为本发明的进一步改进：所述双作用端面凸轮的型线为正弦曲线。

作为本发明的进一步改进：所述气缸本体上布置有四个气缸，分成两类，即动力气缸和辅助气缸，沿着气缸本体的轴向方向呈间隔分布；所述动力气缸的上部密闭，为工作容积；所述辅助气缸的活塞上部及下部均为密闭容积，分别为增压气缸和再膨胀气缸。

作为本发明的进一步改进：所述辅助气缸的直径为动力气缸的1.414倍。

作为本发明的进一步改进：所述发动机组件中包括四个活塞连杆组，分别为两个动力活塞连杆组和两个辅助活塞连杆组；活塞连杆的两头分别通过销轴与活塞铰接，每个活塞连杆上固定的两个活塞为等直径活塞；滚轮通过滚轮销轴铰接在连杆的中部。

作为本发明的进一步改进：所述滚轮上开设有滚轮储油槽和滚轮出油孔；所述滚轮销轴的外表面上设有销轴周面进油孔，所述滚轮销轴的端面上沿着轴向方向开设有销轴端面进油孔。

作为本发明的进一步改进：所述辅助气缸进气口的外部通路上安装有化油器，所述化油器包括化油器本体及油门调节螺母、进气口、油针、进油口、混合燃气出口，所述进气口、进油口、混合燃气出口均设置于化油器本体上。

作为本发明的进一步改进：所述气缸本体的两端分别为气缸顶盖和气缸底座，在每个气缸本体上还设有电热头和排气管。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的微小型热动力发电装置，采用集成化设计思想，将发电系统的热动力部分及发电部分有机的结合成了一个整体，使得发电机转子和发动机转子结合为一体，有效地减小了发电系统的体积和重量，集成度较高，有利于优化发电系统的结构。一体化的设计使得发动机的转子有着较大的转动惯量，可以有效地减小发动机的速度波动，使得发动机的转动更为平稳。

2、本发明采用凸轮驱动的轴向活塞发动机作为发电系统的动力部分，有着结构简单，功率密度大等优点。对置的布置形式使得发动机结构对称，受力特性好，运转平稳。

3、本发明的微小型热动力发电装置，采用凸轮作为发动机的驱动机构的主要构件，通过设计凸轮型线，使得活塞的运动规律适应发动机的做功规律，能够有效的提高发动机的燃烧效率和排放特性，提升发动机的整体性能。

4、本发明的微小型热动力发电装置，提出的三冲程的做功形式，在原有二冲程的基础之上，增加了进气增压和再膨胀冲程。增压冲程使得发动机扫气效果得到了提升，再膨胀过程使得燃气的内能得到了进一步的转化，提升了发动机的综合效率。

附图说明

图1是本发明结构原理示意图。

图2是本发明中气缸本体的结构原理示意图。

图3是本发明中气缸本体的动力气缸局部原理示意图。

图4是本发明中气缸本体的辅助气缸局部原理示意图。

图5是本发明中气缸本体与气缸底座之间的连接结构示意图。

图6是本发明中气缸底座的结构原理示意图。

图7是本发明中发电转子的结构原理示意图。

图8是本发明中凸轮的结构原理示意图。

图9是本发明中燃烧室部分的结构分解示意图。

图10是本发明中辅助活塞连杆组的结构原理示意图。

图11是本发明中动力活塞连杆组的结构原理示意图。

图12是本发明中滚轮的结构原理示意图。

图13是本发明中滚轮销轴的结构原理示意图。

图14是本发明中滚轮销轴的局部剖视示意图。

图15是本发明中化油器的结构原理示意图。

图例说明

1、发电转子；2、支撑轴承；3、气缸本体；4、气缸底座；5、化油器；6、顶盖螺钉；7、电热头；8、排气管；9、辅助气缸排气管道；10、动力气缸；11、辅助气缸；12、辅助气缸进气口；13、底座连接法兰；14、连杆导向槽；15、动力气缸排气口；16、动力气缸进气口；17、增压气缸排气口；18、转子磁极；19、凸轮型面；20、辅助活塞；21、动力活塞；23、滚轮销轴；24、滚轮；25、辅助连杆；26、动力连杆；27、滚轮储油槽；28、销轴周面进油孔；29、销轴端面进油孔；30、滚轮出油孔；31、油门调节螺母；32、进气口；33、油针；34、进油口；35、混合燃气出口。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的微小型热动力发电装置，包括发动机组件和发电转子1，发动机组件为轴向活塞式，利用凸轮(如端面圆柱凸轮)为主要功率转化部件，将活塞的上下往复运动转换成凸轮的旋转运动。轴向活塞式发动机的主轴平行周向布置的气缸轴线，有着结构紧凑，功率密度高等优点，用做小型化移动发电装置的动力源较为适合。发电转子1直接与凸轮相连，有机结合在一起。发动机组件采用对置式的布置结构，将两个气缸本体3分别对置于凸轮的两边。发电转子1的两端通过两个支撑轴承2分别与两个气缸本体3连接。凸轮固接在发电转子1的内部，为双作用端面凸轮；双作用端面凸轮的两个作用面分别与气缸本体3中连杆上铰接的两个滚轮24接触，双作用端面凸轮的两个端面的中心线为一正弦曲线，连杆通过滚轮24驱动双作用端面凸轮转动。如图7所示，发电转子1的侧面上设有转子磁极18。如图8所示，凸轮上设有凸轮型面19。

本实施例中，气缸本体3的两端分别为气缸顶盖和气缸底座4，气缸顶盖通过顶盖螺钉6固定于气缸本体3上，在每个气缸本体3上还设有化油器5、电热头7和排气管8。

如图2～图6所示，发动机组件的每个气缸本体3上布置有四个气缸，分为两类，即包括动力气缸10和辅助气缸11，沿着气缸本体3的轴向方向呈间隔分布。动力气缸10上设有动力气缸排气口15和动力气缸进气口16，辅助气缸11上设有辅助气缸进气口12、辅助气缸排气管道9和增压气缸排气口17。动力气缸10的上部密闭，为工作容积。辅助气缸11的活塞上部及下部均为密闭容积，分别为增压气缸和再膨胀气缸。在本实例中，气缸本体3设计为圆柱型，将四个一组、轴线平行于气缸本体3轴线的气缸沿着气缸本体3的周向布置，位置相差90°的两个气缸直径不同，相差180°的两个气缸直径相同。将这样的两组气缸本体3对置，中间通过固定装置保证气缸本体3的径向固定。在对置的两组气缸本体3中，直径相同的气缸相对设置。

本实施例中，辅助气缸11的直径为动力气缸10的1.414倍。

如图5所示，本发明中气缸本体3通过底座连接法兰13与气缸底座4相连，且底座连接法兰13与气缸本体3之间的连接体上设有连杆导向槽14。

发动机组件中包括四个活塞连杆组，分别为两个动力活塞连杆组和两个辅助活塞连杆组。活塞连杆的两头分别通过销轴与活塞铰接，每个活塞连杆上固定的两个活塞为等直径活塞。两个滚轮24通过滚轮销轴23铰接在连杆的中部。在本实施例中，如图9、图10和图11所示，两个等直径的辅助活塞20连接于辅助连杆25的两端，两个等直径的动力活塞21连接于动力连杆26的两端。

如图12、图13和图14所示，滚轮24上开设有滚轮储油槽27和滚轮出油孔30；滚轮销轴23的外表面上设有销轴周面进油孔28，滚轮销轴23的端面上沿着轴向方向开设有销轴端面进油孔29。

如图15所示，在发动机辅助气缸11进气口的外部通路上，安装有化油器5。本发明中的化油器5包括化油器本体及油门调节螺母31、进气口32、油针33、进油口34、混合燃气出口35，进气口32、进油口34、混合燃气出口35均设置于化油器本体上，燃料和空气通过化油器5混合之后形成了混合燃气被吸入发动机增压气缸。化油器5上的油针33可以控制混合燃气的浓度。化油器5上装有阀芯，可以通过调剂阀芯转动的角度的大小，控制发动机进气口阻力的大小。发动机再膨胀气缸的排气口，通过内部孔道与排气管8相连接，再膨胀气缸排除的气体再做功之后，排气的温度和压力在这里进一步的降低。

凸轮的作用面为圆柱的端面，凸轮在加工之后经过调质和表面硬化处理，使得作用表面的强度和耐磨性大大提高。凸轮的双作用面经过特殊设计，能够分别与连杆上的两个滚轮24接触，这样可以消除在连杆运动换向时的冲击。凸轮的型线可以是正弦曲线或是某一类具有特定的运动规律的曲线。双作用端面凸轮的型线为一类能够实现活塞往复运动的曲线，双作用端面凸轮的型线以正弦曲线为较优选择。

凸轮同时驱动四个连杆活塞组运动，每个连杆的运动之间有90°的相位差，当动力连杆26速度较大的时候，辅助连杆25的速度较小。正弦规律的凸轮中心线可以由如下的方程描述：

式中：r为凸轮型线所在的圆的半径，h是发动机活塞的行程。

利用上式计算得到的仅是凸轮的理论型线，为了得到发动机的凸轮的实际曲面需要进一步更为精确的计算。

滚轮24的轴线与凸轮轴线相互垂直，滚轮24外表面上的任意一点与滚轮24轴线的距离为r，与凸轮中轴线的距离为l，理想条件下滚轮24表面与凸轮作用面之间没有相对滑动，滚轮24转动的角速度θ′与凸轮转动的角速度ω之间有：ω＝rθ′/l。根据此关系式，若给定滚轮24外端面的直径(d₂)和外端面中心点距凸轮中心线的距离(l₂)，那么凸轮上任意一点的直径可以写为d＝l₂d₂/l。

根据凸轮与滚轮24之间纯滚动摩擦的要求，凸轮作用面为一复杂曲面。凸轮的外表面可以由两个圆锥形的刀具按照一定正弦曲线的路径切削形成。

具体应用时，本发明所使用的燃料为甲醇，在温度较高并附着有催化剂的电热丝的作用下压燃。气缸本体3顶部有电热头7，其电热丝为铂丝，发动机启动的时候利用外接电源，将电热丝加热到红热状态，发动机动力活塞21上行的过程，压缩混合燃气，使得混合燃气的温度和压强上升，接近压缩冲程末期的时候，在电热丝的作用下，混合气体燃烧，并且释放大量的热量，使得燃烧室内压力和温度急剧上升，推动动力活塞21向下运动。活塞通过连杆推动凸轮转动，同时也推动对置的动力气缸10的活塞上行，压缩混合气体。该发动机的优势在于由连杆推动凸轮转动向外做功，不需要由凸轮推动连杆运动，使得发动机冲击和振动减小。

发动机的动力缸为传统二冲程工作循环，由活塞的位置来控制进排气口的开闭。发动机辅助气缸11被活塞一分为二，上部为再膨胀气缸，下部为增压气缸。由于辅助活塞20和与之配套的动力活塞21的运动存在90°的相位差。当辅助活塞20快速下行的时候，动力活塞21基本处在下止点位置。此时，动力气缸10的排气口打开，动力缸内的气体经过内部气道进入辅助活塞20上部的再膨胀气缸。由于此时辅助活塞20快速下行，从动力缸内排出的气体再次做功，温度和压强进一步降低。而辅助气缸11下部增压气缸内的混合气体在活塞的压缩之下通过进气口进入到动力气缸10内，形成扫气作用，将动力气缸10内的废气置换成新鲜的混合燃气。随着辅助活塞20快速下行接近下止点位置，动力缸中的活塞快速上行，将动力缸的进排气口封闭，辅助气缸11的排气口打开，燃烧后的废气通过排气口排出。当动力活塞21开始向下止点位置快速下行的时候，辅助气缸11中活塞上行至上止点位置，此时，辅助气缸11的进气口打开，在外界大气压的作用下，混合燃气被吸入增压气缸。发动机的辅助气缸11的横截面积是动力气缸10的两倍，在同样的行程下，可以有效的对动力气缸10进行扫气，吹出燃烧后的气体，吹进混合燃气。在扫气过程结束的时候，动力气缸10内的气体压力要大于大气压，能够有效地提高发动机的功率密度。上述发动机的工作过程，可以概括为三冲程，即在原有二冲程发动机的基础之上，在进气口之前增加了混合燃气增压冲程，在排气口之后增加了再膨胀冲程。三冲程的设计是为了在不大幅降低发动机功率密度的前提下，有效的减小发动机的排气噪声。

发动机三冲程的工作过程是由发动机气缸体上的各种孔道以及发动机特殊的驱动机构实现的。凸轮的双作用曲面的轮廓决定了活塞特殊的运动规律，四个气缸在空间上均匀分布的布置形式决定了发动机任意一侧机体内四个活塞之间的相位之差。发动机活塞裙部的长度满足一定的要求，使得活塞可以有效地将进排气口密闭、排气口打开。在动力气缸10的底部，沿着圆周方面分别开有两个狭长的气口，即动力气缸排气口15和动力气缸进气口16，其中动力气缸进气口16开始位置要比动力气缸排气口15开始位置低，动力气缸排气口15结束位置要比动力气缸排气口15高。辅助气缸11的中部在周向方向上分别开有辅助气缸进气口12和增压气缸排气口17，增压气缸排气口17在上，辅助气缸进气口12在下，与动力气缸10的进排气口不同的是，辅助气缸11的进排气口在气缸轴线方向上没有交叠的部分，辅助活塞20的长度和进排气口开的位置，可以保证在辅助活塞20处于上止点的时候，排气口完全打开，进气口是完全封闭；在辅助活塞20位于下止点的时候，进气口完全打开，排气口完全封闭。动力气缸10的排气口通过发动机机体的内部孔道与辅助气缸11上部的再膨胀气缸连通，通气口位于再膨胀气缸的顶部。动力缸的进气口通过机体内部孔道与发动机辅助气缸11的增压气缸联通，通气口开在增压气缸的底部，这两个连通的气口始终保持着开启状态。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微小型热动力发电装置，其特征在于，包括发动机组件和发电转子(1)，所述发动机组件为轴向活塞式，利用凸轮为功率转化部件将活塞的上下往复运动转换成凸轮的旋转运动；所述发电转子(1)直接与凸轮相连，发动机组件中的两个气缸本体(3)分别对置于凸轮的两边；所述气缸本体(3)上布置有四个气缸，分成两类，即动力气缸(10)和辅助气缸(11)，沿着气缸本体(3)的周向方向呈间隔分布；所述动力气缸(10)的上部密闭，为工作容积；所述辅助气缸(11)的活塞上部及下部均为密闭容积，分别为增压气缸和再膨胀气缸；所述发动机组件中包括四个活塞连杆组，分别为两个动力活塞连杆组和两个辅助活塞连杆组；活塞连杆的两头分别通过销轴与活塞铰接，每个活塞连杆上固定的两个活塞为等直径活塞；滚轮通过滚轮销轴铰接在连杆的中部。

2.根据权利要求1所述的微小型热动力发电装置，其特征在于，所述发电转子(1)的两端通过两个支撑轴承(2)分别与两个气缸本体(3)连接。

3.根据权利要求1或2所述的微小型热动力发电装置，其特征在于，所述凸轮为双作用端面凸轮。

4.根据权利要求3所述的微小型热动力发电装置，其特征在于，所述双作用端面凸轮的型线为正弦曲线。

5.根据权利要求1所述的微小型热动力发电装置，其特征在于，所述辅助气缸(11)的直径为动力气缸(10)的1.414倍。

6.根据权利要求1所述的微小型热动力发电装置，其特征在于，所述滚轮(24)上开设有滚轮储油槽(27)和滚轮出油孔(30)；所述滚轮销轴(23)的外表面上设有销轴周面进油孔(28)，所述滚轮销轴(23)的端面上沿着轴向方向开设有销轴端面进油孔(29)。

7.根据权利要求1所述的微小型热动力发电装置，其特征在于，所述辅助气缸(11)进气口的外部通路上安装有化油器(5)，所述化油器(5)包括化油器本体及油门调节螺母(31)、进气口(32)、油针(33)、进油口(34)、混合燃气出口(35)，所述进气口(32)、进油口(34)、混合燃气出口(35)均设置于化油器本体上。

8.根据权利要求1或2所述的微小型热动力发电装置，其特征在于，所述气缸本体(3)的两端分别为气缸顶盖和气缸底座(4)，在每个气缸本体(3)上还设有电热头(7)和排气管(8)。