CN107740727A - 一种hcci微自由活塞发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种HCCI微自由活塞发电机，包括定子和微型自由活塞动力装置，所述定子上设有主进气口，通过主进气口将定子分为对称分布且结构相同的定子工作单元；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装在所述定子工作单元内部，所述工作室包括燃烧室和压力室；所述压力室与主进气口贯通；所述燃烧室内设有燃烧室进气口和燃烧室排气口；所述压力室内设有压力室进气口，所述压力室进气口燃烧室进气口通过管道连接；所述主进气口处设有单向阀；所述定子工作单元内壁上设有激磁绕组和定子绕组。本发明可以使机械能直接转化成电能，利用废气余热预热混合气体，提高混合气体初始温度，有利于混合气体压缩燃烧的进行。
Description
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，特别涉及一种HCCI微自由活塞发电机。
背景技术
微型机电动力系统作为一种新型的动力装置广泛应用在人们生活的各个领域，具有很好的发展前景。利用碳氢燃料的动力装置相比于一般的动力源，如锂电池，具有能量密度低，低排放，低污染等优势，这就使设备的微型化，便携化成为可能。微自由活塞动力装置机械结构上没有传统内燃机的曲柄连杆、气阀等机构，自由活塞在气缸内做直线运动，不受机械力约束，但存在面容比较大带来的传热损失很大、预混合气体驻留时间不够难以实现连续化学反应等确定。而作为发动机第三种燃烧方式HCCI燃烧(Homogeneous chargecompressionignition)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，如专利申请号为CN201310199467.9和专利申请号为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，但没有考虑对初始进气的进行加压或加压与预热相结合等手段，存在微自由活塞发电机较大的膨胀末速度得不到充分利用，进而形成一种能量浪费。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种HCCI微自由活塞发电机，可以使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；利用废气余热预热混合气体，提高混合气体初始温度，有利于混合气体压缩燃烧的进行。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种HCCI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，所述定子上设有主进气口，通过主进气口将定子分为对称分布且结构相同的定子工作单元；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滑动；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和压力室，其中所述燃烧室位于所述定子工作单元的一端，所述压力室位于所述定子工作单元的另一端；所述压力室与主进气口贯通；所述燃烧室内设有燃烧室进气口和燃烧室排气口；所述压力室内设有压力室进气口，所述压力室进气口燃烧室进气口通过管道连接；所述燃烧室进气口中心到主进气口轴向距离大于所述燃烧室排气口到主进气口轴向距离；所述主进气口处设有单向阀，用于当压力室产生负压时，补充气体进入压力室；所述定子工作单元内壁上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，所述燃烧室进气口与所述定子工作单元壁面的顺时针夹角为15-25°；所述燃烧室排气口与所述定子工作单元壁面的逆时针夹角为15-25°。
进一步，所述微型自由活塞动力装置活塞的材质为耐热的磁性材料，优选衫钴或铝镍钴。
进一步，所述微型自由活塞动力装置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，所述压力室内设有排气进口和排气出口，所述排气进口和排气出口之间通过连接管连接，所述排气进口通过管道与燃烧室排气口连接。
进一步，所述连接管为渐扩管，所述渐扩管的截面积沿排气进口向排气出口逐渐变大。
进一步，所述连接管上设有翅片，用于增加热交换面积。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的HCCI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，有利于微型化的发展；可以使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。
2.本发明所述的HCCI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HCCI微自由活塞发电机，通过燃烧室进气口与定子工作单元壁面的顺时针夹角为15-25°和所述燃烧室排气口与定子工作单元壁面的逆时针夹角为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HCCI微自由活塞发电机，通过压力室进气口与燃烧室进气口通过管道连接，使燃烧室排气过程中，一部分废气进入进气管，参与工作循环，降低混合燃料的压燃着火界限，使着火时刻提前,降低NOx和PM的排放。
5.本发明所述的HCCI微自由活塞发电机，通过排气进口和出排气出口之间通过渐扩管连接，利用废气余热预热混合气体，提高混合气体初始温度，有利于混合气体压缩燃烧的进行。
6.本发明所述的HCCI微自由活塞发电机，利用活塞的动能压缩混合气，提高混合气体初始压力并为另一个活塞提供初动能，有利于改善燃烧室进气不足与活塞机械能损失等问题。
附图说明
图1为本发明所述的HCCI微自由活塞发电机的结构示意图。
图2为本发明所述的HCCI微自由活塞发电机进气过程图。
图3为本发明所述左定子工作单元的磁性活塞压缩混合气过程图。
图4为本发明所述第一燃烧室排气过程图。
图5为本发明所述左定子工作单元加压过程图。
图6为本发明所述右定子工作单元的燃烧室排气过程图。
图7为本发明所述右定子工作单元加压过程图。
图中：
1-左定子工作单元；2-电流逆变器；3-第一燃烧室排气口；4-左定子绕组；5-主进气口；6-激磁绕组；7-第一排气进口；8-单向阀；9-第二排气进口；10-第一压力室；11-右定子绕组；12-第二燃烧室排气口；13-第二燃烧室；14-第二燃烧室进气口；15-催化剂涂层；16-第一燃烧室进气口；17-第二压力室；18-第一燃烧室；19-右定子工作单元；20-分割环；21-第二压力室进气口；22-排气出口；23-翅片；24-第一压力室进气口。
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HCCI微自由活塞发电机，包括定子和微型自由活塞动力装置，所述定子上设有主进气口5，通过主进气口5将定子分为对称分布且结构相同的左定子工作单元1和右定子工作单元19；所述左定子工作单元1内设有固定的分割环20；所述微型自由活塞动力装置为单磁性活塞结构，所述左定子工作单元1内部设有所述微型自由活塞动力装置，且所述微型自由活塞动力装置的活塞杆穿过所述分割环20，且所述微型自由活塞动力装置在所述左定子工作单元1内滑动；所述左定子工作单元1被所述微型自由活塞动力装置分为若干工作室，所述工作室包括第一燃烧室18和第一压力室10，其中所述第一燃烧室18位于所述左定子工作单元1的一端，所述第一压力室10位于所述左定子工作单元1的另一端；所述第一压力室10与主进气口5贯通；所述第一燃烧室18内设有第一燃烧室进气口16和第一燃烧室排气口3；所述第一压力室10内设有第一压力室进气口24，所述第一压力室进气口24与第一燃烧室进气口16通过管道连接；所述第一燃烧室进气口16中心到主进气口5轴向距离大于所述第一燃烧室排气口3到主进气口5轴向距离；所述左定子工作单元1内壁上设有激磁绕组6和左定子绕组4，所述激磁绕组6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；所述左定子绕组4与储能电池连接。
由于右定子工作单元19与左定子工作单元1内部结构完成一致，且对称分布，即所述右定子工作单元19内也设有固定的分割环20；所述微型自由活塞动力装置为单磁性活塞结构，所述右定子工作单元19内部设有所述微型自由活塞动力装置，且所述微型自由活塞动力装置的活塞杆穿过所述分割环20，且所述微型自由活塞动力装置在所述右定子工作单元19内滑动；所述右定子工作单元19被所述微型自由活塞动力装置分为若干工作室，所述工作室包括第二燃烧室13和第二压力室17，其中所述第二燃烧室13位于所述右定子工作单元19的一端，所述第二压力室17位于所述右定子工作单元19的另一端；所述第二压力室17与主进气口5和第一压力室10贯通；所述第二燃烧室13内设有第二燃烧室进气口14和第二燃烧室排气口12；所述第二压力室17内设有第二压力室进气口21，所述第二压力室进气口21与第二燃烧室进气口14通过管道连接；所述第二燃烧室进气口14中心到主进气口5轴向距离大于所述第二燃烧室排气口12到主进气口5轴向距离；所述右定子工作单元19内壁上设有激磁绕组6和右定子绕组11，所述激磁绕组6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；所述右定子绕组11与储能电池连接。而右定子绕组11和左定子绕组4之间的连接关系根据不同的蓄电池或者发电机结构决定，为现有技术，故不再介绍。为了保证电流进入储能电池的方向一致，还包括电流逆变器2，所述左定子绕组4与储能电池之间连接有电流逆变器2，由于右定子工作单元19与左定子工作单元1内部结构完成一致，且对称分布，因此右定子工作单元内也有电流逆变器2。
微型自由活塞动力装置运动过程中使得第一压力室10或者第二压力室17内形成负压，混合气可以自然吸气的方式进入主进气口5，为了确保第一压力室10或者第二压力室17在压缩过程中，气体无法从主进气口5流出，固在所述主进气口5处设有单向阀8，用于当第一压力室10产生负压时，补充气体进入第一压力室10。
由于右定子工作单元19与左定子工作单元1内部结构完成一致，且对称分布，下面仅以左定子工作单元1内部的结构来描述，所述第一燃烧室进气口16与所述左定子工作单元1壁面的顺时针夹角为15-25°；所述第一燃烧室排气口3与所述左定子工作单元1壁面的逆时针夹角为15-25°，这样可以确保进气形成较大的涡流比且扫气效率高。所述微型自由活塞动力装置活塞的材质为耐热的磁性材料，优选衫钴或铝镍钴。所述第一燃烧室18内的所述微型自由活塞动力装置活塞端面上涂有催化剂涂层15，所述催化剂涂层15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，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。
所述第一压力室10内设有第一排气进口7和排气出口22，所述第一排气进口7和排气出口22之间通过渐扩管连接，所述第一排气进口7通过管道与第一燃烧室排气口3连接。通过第一排气进口和第一出排气出口之间通过渐扩管连接，利用废气余热预热混合气体，提高混合气体初始温度，有利于混合气体压缩燃烧的进行。
工作过程：
如图2所示，发电机工作前，混合气经过单向进气阀8进入发电机内部的第一压力室10，并通过第一压力室进气口24、第二压力室进气口21最终由进入第一燃烧室18和第二燃烧室13；由于右定子工作单元19和左定子工作单元1内部都有微型自由活塞动力装置，所述微型自由活塞动力装置的活塞在初始位置挡住第一燃烧室排气口3和第二燃烧室排气口12，使混合气无法进入渐扩管中，即混合气不会泄露到大气中；对左定子工作单元1的激磁绕组6通电，激磁绕组6产生的交变的磁场，使微型自由活塞动力装置的活塞向左运动即第一燃烧室18方向运动，这样就完成了发电机的启动工作。
如图3所示，左定子工作单元中的微型自由活塞动力装置的活塞继续向左运动，压缩第一燃烧室18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向右运动；同时由于活塞端面添加催化剂涂层15，使混合气体更容易压缩着火燃烧做功。
如图4和图5所示，左定子工作单元中的微型自由活塞动力装置的活塞向右运动到使第一燃烧室18与第一燃烧室排气口3和第一燃烧室进气口16连通，燃烧后的废气会进入第一排气进口7，由于左定子工作单元中微型自由活塞动力装置的活塞此时挡住第一压力室进气口24，废气无法进入到第一压力室10；高温废气通过第一排气进口7进入渐扩管，与第一压力室10内的混合气充分换热，使混合气的初始温度升高；左定子工作单元中磁性活塞向右运动压缩压力室内的混合气，使其初始压力升高，由于单向进气阀8的存在，并不会泄露到发电机外，同时由于磁性活塞挡住第一压力室进气口24，高压混合气通过第二压力室进气口21进入第二燃烧室13，并推动右定子工作单元内的磁性活塞向右运动；右定子工作单元内的磁性活塞继续向右运动，压燃混合气，使其着火燃烧、膨胀做功，推动右定子工作单元内的磁性活塞返回向左运动。
如图6和图7所示，右定子工作单元中的微型自由活塞动力装置的活塞向左运动到使第二燃烧室13与第二燃烧室排气口12和第二燃烧室进气口14连通，燃烧后的废气会进入第二排气进口9，由于右定子工作单元中微型自由活塞动力装置的活塞此时挡住第二压力室进气口21，废气无法进入到第二压力室17；高温废气通过第二排气进口9进入渐扩管，与第二压力室17内的混合气充分换热，使混合气的初始温度升高；右定子工作单元中磁性活塞向左运动压缩压力室内的混合气，使其初始压力升高，由于单向进气阀8的存在，并不会泄露到发电机外，同时由于磁性活塞挡住第二压力室进气口21，高压混合气通过第一压力室进气口24进入第一燃烧室18，并推动左定子工作单元内的磁性活塞向左运动；左定子工作单元内的磁性活塞继续向左运动，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HCCI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，所述定子上设有主进气口(5)，通过主进气口(5)将定子分为对称分布且结构相同的定子工作单元(1，19)；
所述定子工作单元(1，19)内设有固定的分割环(20)；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(1，19)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(20)，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(1，19)内滑动；所述定子工作单元(1，19)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(13，18)和压力室(10，17)，其中所述燃烧室(13，18)位于所述定子工作单元(1，19)的一端，所述压力室(10，17)位于所述定子工作单元(1，19)的另一端；所述压力室(10，17)与主进气口(5)贯通；所述燃烧室(13，18)内设有燃烧室进气口(14，16)和燃烧室排气口(3，12)；所述压力室(10，17)内设有压力室进气口(21，24)，所述压力室进气口(21，24)燃烧室进气口(14，16)通过管道连接；所述燃烧室进气口(14，16)中心到主进气口(5)轴向距离大于所述燃烧室排气口(3，12)到主进气口(5)轴向距离；所述主进气口(5)处设有单向阀(8)，用于当压力室(10，17)产生负压时，补充气体进入压力室(10，17)；
所述定子工作单元(1，19)内壁上设有激磁绕组(6)和定子绕组(4，11)，所述激磁绕组(6)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(4，11)与储能电池连接。
2.根据权利要求1所述的HCCI微自由活塞发电机，其特征在于，还包括电流逆变器(2)，所述定子绕组(4，11)与储能电池之间连接有电流逆变器(2)，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HCCI微自由活塞发电机，其特征在于，所述燃烧室进气口(14，16)与所述定子工作单元(1，19)壁面的顺时针夹角为15-25°；所述燃烧室排气口(3，12)与所述定子工作单元(1，19)壁面的逆时针夹角为15-25°。
4.根据权利要求1所述的HCCI微自由活塞发电机，其特征在于，所述微型自由活塞动力装置活塞的材质为耐热的磁性材料，优选衫钴或铝镍钴。
5.根据权利要求1所述的HCCI微自由活塞发电机，其特征在于，所述微型自由活塞动力装置朝向燃烧室(13，18)的端面上涂有催化剂涂层(15)，所述催化剂涂层(15)材料为铂或钯或过渡金属氧化物。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的HCCI微自由活塞发电机，其特征在于，所述压力室(10，17)内设有排气进口(7，9)和排气出口(22)，所述排气进口(7，9)和排气出口(22)之间通过连接管连接，所述排气进口(7，9)通过管道与燃烧室排气口(3，12)连接。
7.根据权利要求6所述的HCCI微自由活塞发电机，其特征在于，所述连接管为渐扩管，所述渐扩管的截面积沿排气进口(7，9)向排气出口(22)逐渐变大。
8.根据权利要求6所述的HCCI微自由活塞发电机，其特征在于，所述连接管上设有翅片(23)，用于增加热交换面积。
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