CN107503844A - 一种基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，包括定子和微型自由活塞动力装置，所述定子工作单元内设有固定的分割环；所述微型自由活塞动力装置装在所述定子工作单元内部，所述工作室包括燃烧室，所述燃烧室内设有燃烧室进气口和燃烧室排气口；所述燃烧室进气口中心到燃烧室内筋板的距离大于所述燃烧室排气口到燃烧室内筋板的距离；所述燃烧室进气口处设有单向阀，所述外圈定子和内圈定子壁上分别设有激磁绕组和定子绕组，所述激磁绕组与外部电源连接；所述定子绕组与储能电池连接。本发明可以使活塞运动的机械能直接转化成电能，利用废气动能带动涡轮机及压气机工作，对混合气体加压，提高混合气体初始压力，增大压缩比。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机领域、发电领域和微型涡轮装置的微动力领域，特别涉及一种基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机。
背景技术
近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的进展，微燃烧动力机电系统(Combustion-driven Power MEMS)广泛应用在人们生活的各个领域，微型动力装置作为未来便携式的动力，具有广阔的应用前景。自由活塞式发动机具有结构简单、能量转换效率高等显著优势，更适合向微型化发展。作为发动机第三种燃烧方式HCCI燃烧(Homogeneous chargecompression ignition)与微自由活塞动力装置相结合，可以有效的应对微型燃烧中存在的着火淬熄、燃烧不稳定、着火界限狭隘等问题。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。
目前公开的各种微型自由活塞发电机技术中，如专利201310199467.9和专利CN20142007671.6中均对发电机进气进行预热来提高混合气初温，进而提高发电机的效率，但未对发电机排气动能进行有效利用；如专利CN201610591973.6虽采用微型涡轮装置利用燃烧产生的高温高压的废气，热能转换输出为电能，但只利用了部分排气动能，存在能量浪费；且上述专利均为横向布置，发电机转子较长，对其刚度要求高。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，可以使活塞运动的机械能直接转化成电能，能获得较高的能量转换率；利用废气动能带动涡轮机及压气机工作，对混合气体加压，提高混合气体初始压力，增大压缩比，有利于混合气体压缩燃烧的进行和做功能力的提高。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，包括定子和微型自由活塞动力装置，所述定子截面呈圆环，所述定子包括外圈定子和内圈定子，所述外圈定子与内圈定子之间设有筋板，通过筋板将定子分割成均布的定子工作单元；所述定子工作单元内设有固定的分割环；所述微型自由活塞动力装置为磁性单活塞结构，所述微型自由活塞动力装置装在所述定子工作单元内部，且所述微型自由活塞动力装置的活塞杆穿过所述分割环，所述微型自由活塞动力装置在活塞杆的作用下能够在所述定子工作单元内转动；所述定子工作单元被所述微型自由活塞动力装置分为若干工作室，所述工作室包括燃烧室，所述燃烧室为筋板、外圈定子、内圈定子和微型自由活塞动力装置的磁性活塞之间的空间；所述燃烧室内设有燃烧室进气口和燃烧室排气口；所述燃烧室进气口位于外圈定子上，所述燃烧室排气口位于内圈定子上，所述燃烧室进气口中心到燃烧室内筋板的距离小于所述燃烧室排气口到燃烧室内筋板的距离；所述燃烧室进气口处设有单向阀，用于当燃烧室产生负压时，补充气体进入燃烧室；所述外圈定子和内圈定子壁上分别设有激磁绕组和定子绕组，所述激磁绕组与外部电源连接，用于产生磁场力使所述微型自由活塞动力装置运动；所述定子绕组与储能电池连接。
进一步，还包括电流逆变器，所述定子绕组与储能电池之间连接有电流逆变器，用于保证电流进入储能电池的方向一致。
进一步，所述燃烧室进气口中心线与所述外圈定子壁面夹角锐角为15-25°。
进一步，所述燃烧室排气口中心线与所述内圈定子壁面夹角锐角为15-25°。
进一步，所述磁性活塞的材质为耐热的磁性材料，优选衫钴或铝镍钴。
进一步，所述磁性活塞朝向燃烧室的端面上涂有催化剂涂层，所述催化剂涂层材料为铂或钯或过渡金属氧化物。
进一步，还包括微涡轮机，所述微涡轮机的叶片位于内圈定子内部，且叶片与内圈定子同心；所述燃烧室排气口中心线正对所述叶片叶身。
进一步，还包括微压气机，所述微压气机通过连杆与所述微涡轮机的叶片连接，所述微压气机的出气口与燃烧室进气口连接。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，将内燃机和发电机有机的结合起来，采用单活塞、单燃烧室的对称布置，结构简单，空间占有率小，更有利于微型化的发展；该发电机可以使活塞的机械能直接转化成电能，能获得较高的能量转换率。
2.本发明所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，通过磁性活塞端面涂有催化剂涂层，使得混合气体更易压缩着火、着火时刻点提前，活塞单次压缩燃烧周期缩短、往复频率增加。
3.本发明所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，通过燃烧室进气口与所述的上下定子壁面的夹角为15-25°，可以使进气形成较大的涡流比且扫气效率高。
4.本发明所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，通过上下定子中的两个活塞连杆连接两个单活塞，使两个活塞同步运动；
5.本发明所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，燃烧室排气通道为渐缩形喷嘴结构，有利于增大排气的出口速度；
6.本发明所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，排气口废气的动能推动涡轮机叶片转动，涡轮机带动压气机工作，对预混合气体加压，提高混合气体初始压力，增大压缩比，有利于混合气体压缩燃烧的进行和做功能力的提高。
附图说明
图1为本发明所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机的结构示意图。
图2为本发明所述的涡轮增压示意图。
图3为本发明结构的初始进气过程图。
图4为本发明结构的一端燃烧室内活塞压缩混合气、另一燃烧室进气过程图。
图5为本发明结构的一端燃烧室混合气膨胀做功、排气过程图
图6为本发明结构的一端燃烧室内进气、另一端燃烧室内活塞压缩混合气过程图。
图中：
1-分隔板；2-连杆；3-外圈定子；4-第一定子绕组；5-单向阀；6-第二燃烧室进气口；7-第二磁性活塞；8-第二燃烧室排气口；9-第二燃烧室；10-电流逆变器；11-第三燃烧室；12-第三燃烧室进气口；13-第三磁性活塞；14-第三燃烧室排气口；15-第二定子绕组；16-内圈定子；17-第四磁性活塞；18-第四燃烧室进气口；19-第四燃烧室排气口；20-第四燃烧室；21-第一燃烧室；22-催化剂涂层；23-第一燃烧室排气口；24-第一磁性活塞；25-第一燃烧室进气口；26-叶片；27-激磁绕组；28-活塞杆；29-微涡轮机；30-微压气机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，包括定子和微型自由活塞动力装置，所述定子截面呈圆环，所述定子包括外圈定子3和内圈定子16，所述外圈定子3与内圈定子16之间设有筋板，通过筋板将定子分割成均布的定子工作单元；图1中的实施例为2个定子工作单元，第一定子工作单元内设有固定的分割环1；第一微型自由活塞动力装置为磁性单活塞结构，第一微型自由活塞动力装置装在第一定子工作单元内部，且所述第一微型自由活塞动力装置的活塞杆28穿过所述分割环1，所述第一微型自由活塞动力装置在活塞杆28的作用下能够在所述第一定子工作单元内转动；所述第一定子工作单元被所述第一微型自由活塞动力装置分为若干工作室，所述工作室包括第一燃烧室21和第二燃烧室9，所述第一燃烧室21为筋板、外圈定子3、内圈定子16和第一微型自由活塞动力装置的第一磁性活塞24之间的空间；所述第二燃烧室9为筋板、外圈定子3、内圈定子16和第一微型自由活塞动力装置的第二磁性活塞7之间的空间；第一燃烧室21内设有第一燃烧室进气口25和第一燃烧室排气口23，第二燃烧室9内设有第二燃烧室进气口6和第二燃烧室排气口8；所述第一燃烧室进气口25和第二燃烧室进气口6位于外圈定子3上，第一燃烧室排气口23和第二燃烧室排气口8位于内圈定子16上，第一燃烧室进气口25中心到第一燃烧室内筋板的距离大于所述第一燃烧室排气口23中心到第一燃烧室内筋板的距离；第二燃烧室进气口6中心到第二燃烧室内筋板的距离大于所述第二燃烧室排气口8中心到第二燃烧室内筋板的距离；第一燃烧室进气口25和第二燃烧室进气口6处设有单向阀，用于当燃烧室产生负压时，补充气体进入燃烧室；所述外圈定子3和内圈定子16壁上分别设有激磁绕组27和第一定子绕组4，所述激磁绕组27与外部电源连接，用于产生磁场力使所述微型自由活塞动力装置运动；所述第一定子绕组4与储能电池连接。第二定子工作单元与第一定子工作单元为相同结构，故不再介绍。
由于第二定子工作单元与第一定子工作单元的结构完成一致，下面仅以第一定子工作单元来描述，所述第一燃烧室进气口25中心线或者第二燃烧室进气口6与所述外圈定子3壁面夹角锐角为15-25°；所述第一燃烧室排气口23或者第二燃烧室排气口8中心线与所述内圈定子16壁面夹角锐角为15-25°。这样可以确保进气形成较大的涡流比且扫气效率高。所述第一磁性活塞24和第二磁性活塞7的材质为耐热的磁性材料，优选衫钴或铝镍钴。所述磁性活塞朝向燃烧室的端面上涂有催化剂涂层22，所述催化剂涂层22材料为铂或钯或过渡金属氧化物。通过磁性活塞端面涂有催化剂涂层22，使得混合气体更易压缩着火、着火时刻点提前，活塞单次压缩燃烧周期缩短、往复频率增加。所述微型自由活塞动力装置排气过程中使得第一燃烧室21或者第第二燃烧室9内与进气口形成压差，混合气可以进入第一进气口25或者第二进气口6，为了确保第一燃烧室21或者第二燃烧室9混合气在膨胀做功过程中，气体无法从燃烧室进气口流出，故在所述燃烧室进气口处设有单向阀5，用于当燃烧室存在压差时，补充气体进入燃烧室。
如图2所示，还包括微涡轮机29，所述微涡轮机的叶片26位于内圈定子16内部，且叶片26与内圈定子16同心；所述第一燃烧室排气口23、第二燃烧室排气口8、第三燃烧室排气口14和第四燃烧室排气口19中心线正对所述叶片叶身。所述燃烧室排气口可以为渐缩形喷嘴结构，有利于增大排气的出口速度。还包括微压气机30，所述微压气机30通过连杆2与所述微涡轮机的叶片26连接，所述微压气机30的出气口与第一燃烧室进气口25、第二燃烧室进气口6、第三燃烧室进气口12和第四燃烧室进气口18连接。原理为：燃烧室排气口排出的废气动能推动涡轮机叶片26转动，微涡轮机29通过连杆2带动微压气机30工作，对预混合气体加压，提高混合气体初始压力，增大压缩比，然后将混合气体输送给燃烧室内，这样有利于混合气体压缩燃烧的进行和做功能力的提高。
实施例的工作过程：
如图3所示，发电机工作前，混合气经过单向阀5由第一燃烧室进气口25与第三燃烧室进气口12进入发电机内部的第一燃烧室21和第三燃烧室11；由于上部定子3和下部定子16内部都有微型自由活塞动力装置，所述第一磁性活塞24和第三磁性活塞13分别在初始位置挡住第一排气口23和第三排气口14，使混合气无法进入排气口，即混合气不会泄露到大气中；同时第二磁性活塞7和第四磁性活塞17分别挡住第二进气口6与第四进气口18，使混合气无法进入第二燃烧室9与第四燃烧室20。对外圈定子3和内圈定子16壁上的有激磁绕组27通电，激磁绕组27产生的交变的磁场，使第一磁性活塞24和第三磁性活塞13逆时针运动，这样就完成了发电机的启动工作。
如图4所示，第一磁性活塞24和第三磁性活塞13继续逆时针运动，分别压缩第一燃烧室21和第三燃烧室11内的混合气，当混合气的压缩比达到一定数值时，不需要点火装置，混合气体便会着火燃烧、膨胀做功推动微型自由活塞动力装置反向运动；同时由于活塞端面添加催化剂涂层22，使混合气体更容易压缩着火燃烧做功；同时由于第一定子工作单元内部与第二定子工作单元内部中的第一磁性活塞24与第二磁性活塞7和第三磁性活塞13与第四磁性活塞17之间分别有活塞连杆28，这样保证磁性活塞同步运动，混合气分别经过单向阀5由第二燃烧室进气口6和第四燃烧室进气口18进入第二燃烧室9与第四燃烧室20。
如图5所示，第一燃烧室21与第三燃烧室11内的混合气膨胀做功，推动第一磁性活塞24与第三磁性活塞13顺时针运动；第一燃烧室21与第三燃烧室11内的废气反别经过第一燃烧室排气口23与第三燃烧室排气口14排出发电机，排气气流推动微涡轮机叶片26逆时针转动；同时由于第二磁性活塞7与第一磁性活塞24、第四磁性活塞17与第三磁性活塞13同步运动，第二磁性活塞7与第四磁性活塞17分别压缩第二燃烧室9与第四燃烧室20内的混合气。
如图6所示，第二磁性活塞9和第四磁性活塞17继续顺时针运动，分别压缩第二燃烧室9与第四燃烧室20内的混合气，当混合气的压缩比达到一定数值时，不需要点火装置，混合气体便会着火燃烧、膨胀做功推动微型自由活塞动力装置的活塞反向运动；同时由于活塞端面添加催化剂涂层22，使混合气体更容易压缩着火燃烧做功；同时第一磁性活塞24与第二磁性活塞7和第三磁性活塞13与第四磁性活塞17之间有活塞连杆28，这样保证磁性活塞同步运动；由于第一燃烧室21与第三燃烧室11排气过程中与进气口存在压差，混合气分别经过单向阀5由第一燃烧室进气口25和第三燃烧室进气口12进入第一燃烧室21与第三燃烧室11。这样，微发电机单次进排气发电过程完成。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，其特征在于，包括定子和微型自由活塞动力装置，所述定子截面呈圆环，所述定子包括外圈定子(3)和内圈定子(16)，所述外圈定子(3)与内圈定子(16)之间设有筋板，通过筋板将定子分割成均布的定子工作单元；
所述定子工作单元内设有固定的分割环(1)；所述微型自由活塞动力装置为磁性单活塞结构，所述微型自由活塞动力装置装在所述定子工作单元内部，且所述微型自由活塞动力装置的活塞杆(28)穿过所述分割环(1)，所述微型自由活塞动力装置在活塞杆(28)的作用下能够在所述定子工作单元内转动；所述定子工作单元被所述微型自由活塞动力装置分为若干工作室，所述工作室包括燃烧室(9，11，20，21)，所述燃烧室(9，11，20，21)为筋板、外圈定子(3)、内圈定子(16)和微型自由活塞动力装置的磁性活塞(7，13，17，24)之间的空间；
所述燃烧室(9，11，20，21)内设有燃烧室进气口(6，12，18，25)和燃烧室排气口(8，14，19，23)；所述燃烧室进气口(6，12，18，25)位于外圈定子(3)上，所述燃烧室排气口(8，14，19，23)位于内圈定子(16)上，所述燃烧室进气口(6，12，18，25)中心到燃烧室内筋板的距离小于所述燃烧室排气口(8，14，19，23)中心到燃烧室内筋板的距离；所述燃烧室进气口(6，12，18，25)处设有单向阀(5)，用于当燃烧室(9，11，20，21)产生负压时，补充气体进入燃烧室(9，11，20，21)；
所述外圈定子(3)和内圈定子(16)壁上分别设有激磁绕组(27)和定子绕组(4，15)，所述激磁绕组(27)与外部电源连接，用于产生磁场力使所述微型自由活塞动力装置运动；所述定子绕组(4，15)与储能电池连接。
2.根据权利要求1所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，其特征在于，还包括电流逆变器(10)，所述定子绕组(4，15)与储能电池之间连接有电流逆变器(10)，用于保证电流进入储能电池的方向一致。
3.根据权利要求1所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，其特征在于，所述燃烧室进气口(6，12，18，25)中心线与所述外圈定子(3)壁面夹角锐角为15-25°。
4.根据权利要求1所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，其特征在于，所述燃烧室排气口(8，14，19，23)中心线与所述内圈定子(16)壁面夹角锐角为15-25°。
5.根据权利要求1所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，其特征在于，所述磁性活塞(7，13，17，24)的材质为耐热的磁性材料，优选衫钴或铝镍钴。
6.根据权利要求1所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，其特征在于，所述磁性活塞(7，13，17，24)朝向燃烧室(9，11，20，21)的端面上涂有催化剂涂层(22)，所述催化剂涂层(22)材料为铂或钯或过渡金属氧化物。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，其特征在于，还包括微涡轮机(29)，所述微涡轮机的叶片(26)位于内圈定子(16)内部，且叶片(26)与内圈定子(16)同心；所述燃烧室排气口(8，14，19，23)中心线正对所述叶片叶身。
8.根据权利要求1所述的基于燃烧室环形布置的微自由活塞发电机，其特征在于，还包括微压气机(30)，所述微压气机(30)通过连杆(2)与所述微涡轮机的叶片(26)连接，所述微压气机(30)的出气口与燃烧室进气口(6，12，18，25)连接。
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