CN109113860B - 一种复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，包括液压缸和温差发电装置；第一微型自由活塞动力装置位于所述机体轴线上，若干第二微型自由活塞动力装置按所述机体的轴线圆周方向均布；所述机体上设有若干进气口和发电机排气口，所述发电机排气口与机体内腔连通；所述液压缸包括第一活塞杆、第二活塞杆和液压腔体，所述液压腔体与机体连接，所述液压腔体内设有第一活塞杆和若干第二活塞杆，第一微型自由活塞动力装置的活塞与第一活塞杆联动；第二微型自由活塞动力装置的活塞与第二活塞杆联动；所述机体内设有温差发电装置。本发明可以使活塞运动的机械能直接转化成电能，以获得较高的能量转换率；利用高温废气对混合进气预热。

Description

一种复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机
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，特别涉及一种复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机。
背景技术
微型动力系统的大力发展，对各个行业会产生深刻的变革，如生物医药、无人机探测领域以及便携式电源等。微型动力装置具有结构小、输出功率大的特点，具有广阔的应用前景。微型自由活塞动力装置结构上没有传统内燃机的曲柄连杆、气阀等机构，压缩比可变，通过与HCCI(Homogeneous charge compression ignition)燃烧方式相结合能够克服微型尺度燃烧所存在的着火淬熄、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。经过大量调研微型自由活塞动力装置的燃烧室尺寸与混合气初始温度对混合气的可靠着火及燃烧具有很大的影响。燃烧室长径比越大，混合气初始温度越高，混合气越容易发生着火燃烧。
目前公开的各种微型自由活塞发电机技术中，如公开号为CN107740727A的专利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，但未考虑废气余热利用的另一种形式——温差发电；同时目前的微型自由活塞发电机大多采用対置式布置，空间占有率高，同时结构冗杂，无法实现微型自由活塞发电机的集成化与模块化。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，可以使活塞运动的机械能直接转化成电能，以获得较高的能量转换率；利用高温废气对混合进气预热，提高混合气的进气温度，降低微型动力装置的压燃着火条件，提高装置的动力输出性能；利用发电机内部与外界的温差进行发电，提高能量的利用率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，包括微型自由活塞动力装置和机体，所述机体内部设有微型自由活塞动力装置，所述微型自由活塞动力装置的燃烧室上设有进气口和出气口，所述微型自由活塞动力装置壁面设有定子绕组，所述定子绕组与储能装置连接，还包括液压缸和温差发电装置；第一微型自由活塞动力装置位于所述机体轴线上，若干第二微型自由活塞动力装置按所述机体的轴线圆周方向均布；所述机体上设有若干进气口和发电机排气口，每个所述进气口分别与所述第一微型自由活塞动力装置的进气口和所述第二微型自由活塞动力装置的进气口连通，所述发电机排气口与机体内腔连通；所述第一微型自由活塞动力装置壁面设有激磁绕组，所述激磁绕组与外部电源连接，用于产生磁场力；
所述液压缸包括第一活塞杆、第二活塞杆和液压腔体，所述液压腔体与机体连接，所述液压腔体内设有第一活塞杆和若干第二活塞杆，所述第一活塞杆与所述第一微型自由活塞动力装置的活塞一一对应，且第一微型自由活塞动力装置的活塞与第一活塞杆联动；每个所述第二活塞杆与每个所述第二微型自由活塞动力装置的活塞一一对应，且第二微型自由活塞动力装置的活塞与第二活塞杆联动；所述机体内设有温差发电装置，用于发电。
进一步，所述第一微型自由活塞动力装置的进气口数量不小于若干所述第二微型自由活塞动力装置的进气口数量总和。
进一步，所述第一微型自由活塞动力装置的进气口与所述第二微型自由活塞动力装置的进气口之间通过三通连接，所述三通另一端与所述机体的进气口连通。
进一步，所述第一微型自由活塞动力装置的排气口数量不小于若干所述第二微型自由活塞动力装置的排气口数量总和。
进一步，所述微型自由活塞动力装置的出气口上设有单向阀。
进一步，所述机体的进气口上设有换热翅片。
进一步，所述微型自由活塞动力装置的活塞为磁性活塞，所述磁性活塞的材质为耐热的磁性材料；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，所述温差发电装置包括高温侧陶瓷板、低温侧陶瓷板、N型半导体和P型半导体；所述高温侧陶瓷板位于机体内表面，所述低温侧陶瓷板位于机体外表面，所述N型半导体和P型半导体交替排列在高温侧陶瓷板与低温侧陶瓷板之间，且通过导电片串联连接；所述导电片与所述储能装置连接。
进一步，还包括微型压气机，所述微型压气机与所述发电机排气口连通。
进一步，还包括微型抽气机，所述微型抽气机与所述发电机排气口连通，用于提高机体内腔的换气效率。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，将内燃机和发电机有机的结合起来，采用单活塞、单燃烧室的复式布置，结构简单，空间占有率小，更有利于微型化、模块化以及集成化的发展。
2.本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，通过发电机与液压缸相结合，发电机内部的单一活塞的运动为多个活塞提供初始速度，反之亦然，实现发电机的连续工作。
3.本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，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。
4.本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，利用高温废气预热初始进气并利用机体内外部的温差发电，能提高能量的利用率。
5.本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，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。
6.本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，通过燃烧室进气口与所述的上下微型动力装置壁面的夹角为15-25°，可以使进气形成较大的涡流比且扫气效率高。
7.本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，安装换热翅片的进气管暴露在高温废气中，实现热量的充分交换。
8.本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，废气出口处可连接微型压气机对初始进气加压，对废气动能进行再利用；也可连接微型抽气机，提高发电机内部的换气效率。
附图说明
图1为本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机左视图。
图2为图1的放大图。
图3为图1剖视图。
图4为本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机进气及启动过程示意图。
图5为本发明所述的第一微型自由活塞动力装置工作过程示意图。
图6为本发明所述的液压缸工作过程及第二微型自由活塞动力装置启动过程示意图。
图7为本发明所述的第二微型自由活塞动力装置工作过程示意图。
图8为本发明所述的液压缸工作过程及第一微型自由活塞动力装置启动过程示意图。
图中：
1-机体；2-进气口；3-机体内腔；4-第二微型自由活塞动力装置的出气口；5-第二微型自由活塞动力装置；6-第一微型自由活塞动力装置的出气口；7-第一微型自由活塞动力装置；8-液压腔体；9-不可压流体；10-封闭环；11-激磁绕组；12-定子绕组；13-电流逆变器；14-单向阀；15-第二燃烧室；16-第一燃烧室；17-第二活塞杆；18-发电机排气口；19-换热翅片；20-P型半导体；21-N型半导体；22-第一活塞杆；23-第二微型自由活塞动力装置的活塞；24-第一微型自由活塞动力装置的活塞。
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-图3所示，本发明所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，包括第一微型自由活塞动力装置7、第二微型自由活塞动力装置5和机体1，所述机体1内部设有第一微型自由活塞动力装置7和第二微型自由活塞动力装置5，所述第一微型自由活塞动力装置7内设有第一燃烧室16，所述第一燃烧室16内设有进气口和第一微型自由活塞动力装置的出气口6，所述第二微型自由活塞动力装置5内设有第二燃烧室15，所述第二燃烧室15内设有进气口和第二微型自由活塞动力装置的出气口4，所述第一微型自由活塞动力装置7和第二微型自由活塞动力装置5的壁面设有定子绕组12，所述定子绕组12与储能装置连接。所述第二微型自由活塞动力装置5的进气口中心到第二燃烧室15底部的距离小于第二微型自由活塞动力装置的出气口4中心线到第二燃烧室15底部的距离；所述第一微型自由活塞动力装置7的进气口中心到第一燃烧室16底部的距离小于第一微型自由活塞动力装置的出气口6中心线到第一燃烧室16底部的距离。第一微型自由活塞动力装置7与第二微型自由活塞动力装置5其结构均可为单向单活塞结构，由于单一的微型自由活塞动力装置为现有技术，其工作原理在此不再阐述。
本发明的发明点在于，还包括液压缸和温差发电装置；第一微型自由活塞动力装置7位于所述机体1轴线上，若干第二微型自由活塞动力装置5以所述机体1的轴线圆周方向均布；所述机体1上设有若干进气口2和发电机排气口18，每个所述进气口2可分别与所述第一微型自由活塞动力装置7的进气口和所述第二微型自由活塞动力装置5的进气口连通，所述发电机排气口18与机体内腔3连通；所述第一微型自由活塞动力装置7壁面设有激磁绕组11，所述激磁绕组11与外部电源连接，用于产生磁场力；所述定子绕组12与储能装置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。
所述液压缸包括第一活塞杆22、第二活塞杆17和液压腔体8，所述液压腔体8通过封闭环10与机体1密封连接，所述液压腔体8内部填充不可压流体9，不可压流体9可以为液压油，所述液压腔体8内设有第一活塞杆22和若干第二活塞杆17，所述第一活塞杆22与所述第一微型自由活塞动力装置的活塞24一一对应，且第一微型自由活塞动力装置的活塞24与第一活塞杆22联动，可以通过第一微型自由活塞动力装置的活塞24撞击使第一活塞杆22运动实现，也可以第一微型自由活塞动力装置的活塞24与第一活塞杆22通过拉杆连接；每个所述第二活塞杆17与每个所述第二微型自由活塞动力装置的活塞23一一对应，且第二微型自由活塞动力装置的活塞23与第二活塞杆17联动，可以通过第二微型自由活塞动力装置的活塞23撞击使第二活塞杆17运动实现，也可以第二微型自由活塞动力装置的活塞23与第二活塞杆17通过拉杆连接；所述温差发电装置包括高温侧陶瓷板、低温侧陶瓷板、N型半导体21和P型半导体20；所述高温侧陶瓷板位于机体1内表面，所述低温侧陶瓷板位于机体1外表面，所述N型半导体21和P型半导体20交替排列在高温侧陶瓷板与低温侧陶瓷板之间，且通过导电片串联连接；所述导电片与所述储能装置连接。
所述第一微型自由活塞动力装置7的进气口数量不小于若干所述第二微型自由活塞动力装置5的进气口数量总和。所述第一微型自由活塞动力装置7的进气口与所述第二微型自由活塞动力装置5的进气口之间通过三通连接，所述三通另一端与所述机体1的进气口2连通。当第一微型自由活塞动力装置7的进气口大于若干所述第二微型自由活塞动力装置5的进气口数量总和，一部分所述第一微型自由活塞动力装置7的进气口与所述第二微型自由活塞动力装置5的进气口之间通过三通连接，所述三通另一端与所述机体1的进气口2连通。另一部分所述第一微型自由活塞动力装置7的进气口直接与所述机体1的进气口2连通。所述第一微型自由活塞动力装置7的排气口数量不小于若干所述第二微型自由活塞动力装置5的排气口数量总和。
所述第一燃烧室16内设有进气口与第一燃烧室16壁面夹角锐角为15-25°，所述第二燃烧室15内设有进气口与第二燃烧室15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。第一微型自由活塞动力装置的活塞24和第二微型自由活塞动力装置的活塞23均为磁性活塞，磁性活塞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，所述催化剂涂层材料为铂或钯或过渡金属氧化物，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。第一微型自由活塞动力装置的出气口6和第二微型自由活塞动力装置的出气口4内均安装有单向阀14，用于当燃烧室产生负压时，废气无法返回燃烧室。所述机体1的进气口2上设有换热翅片19，实现热量的充分交换，可以预热进气口气体。
所述发电机排气口18可连接微型压气机对初始进气加压，对废气动能进行再利用；所述微型抽气机与所述发电机排气口18连通，用于提高机体内腔3的换气效率。
工作过程：
如图4所示，发电机工作前，混合气经过机体1的进气口2，进入第一燃烧室16和第二燃烧室15中，所述第一微型自由活塞动力装置的活塞24初始位置挡住第一微型自由活塞动力装置的出气口6，所述第二微型自由活塞动力装置的活塞23初始位置挡住第二微型自由活塞动力装置的出气口4，使混合气无法进入机体内腔3内。对第一微型自由活塞动力装置壁面上的激磁绕组11通电，激磁绕组11产生的交变的磁场，使第一微型自由活塞动力装置的活塞24向右运动，这样就完成了发电机的启动工作。
如图5所示，第一微型自由活塞动力装置的活塞24继续向右运动，压缩燃烧室16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、膨胀做功推动第一微型自由活塞动力装置的活塞24反向运动；同时由于第一微型自由活塞动力装置的活塞24端面添加催化剂涂层，使混合气体更容易压缩着火、燃烧做功。
如图6所示，当第一微型自由活塞动力装置的活塞24反向运动，燃烧废气由第一微型自由活塞动力装置的出气口6排出至机体内腔3内，新鲜混合气经过机体1的进气口2进入第一燃烧室16。当第一微型自由活塞动力装置的活塞24返回到初始位置时，由于第一微型自由活塞动力装置的活塞24以较大的末速度撞击第一活塞杆22，第一活塞杆22开始向左运动从而压缩不可压流体9，由于不可压流体9不可压缩，所以第二活塞杆17向右运动撞击第二微型自由活塞动力装置的活塞23，为其提供初始速度，使第二微型自由活塞动力装置的活塞23向右运动。
如图7所示，第二微型自由活塞动力装置的活塞23向右运动，压燃第二燃烧室15内的混合气，混合气燃烧并对第二微型自由活塞动力装置的活塞23做功，使第二微型自由活塞动力装置的活塞23反向运动。
如图8所示，第二微型自由活塞动力装置的活塞23反向运动，燃烧废气由第二微型自由活塞动力装置的出气口4排出至机体内腔3内，新鲜混合气经过机体1的进气口2进入第二燃烧室15。当第二微型自由活塞动力装置的活塞23以较大的末速度撞击第二活塞杆17，第二活塞杆17开始向左运动从而压缩不可压流体9，由于不可压流体9不可压缩，所以第一活塞杆22向右运动撞击第一微型自由活塞动力装置的活塞24，为其提供初始速度，使第一微型自由活塞动力装置的活塞24向右运动。这样，该发电机单次发电过程完成。
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 (10)

1.一种复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，包括微型自由活塞动力装置(5，7)和机体(1)，所述机体(1)内部设有微型自由活塞动力装置(5，7)，所述微型自由活塞动力装置(5，7)的燃烧室(15，16)上设有进气口和出气口(4，6)，所述微型自由活塞动力装置(5，7)壁面设有定子绕组(12)，所述定子绕组(12)与储能装置连接，其特征在于，还包括液压缸和温差发电装置；第一微型自由活塞动力装置(7)位于所述机体(1)轴线上，若干第二微型自由活塞动力装置(5)按所述机体(1)的轴线圆周方向均布；所述机体(1)上设有若干进气口(2)和发电机排气口(18)，每个所述进气口(2)分别与所述第一微型自由活塞动力装置(7)的进气口和所述第二微型自由活塞动力装置(5)的进气口连通，所述发电机排气口(18)与机体内腔(3)连通；所述微型自由活塞动力装置(5，7)的出气口(4，6)与机体内腔(3)连通，所述第一微型自由活塞动力装置(7)壁面设有激磁绕组(11)，所述激磁绕组(11)与外部电源连接，用于产生磁场力；
所述液压缸包括第一活塞杆(22)、第二活塞杆(17)和液压腔体(8)，所述液压腔体(8)与机体(1)连接，所述液压腔体(8)内设有第一活塞杆(22)和若干第二活塞杆(17)，所述第一活塞杆(22)与所述第一微型自由活塞动力装置的活塞(24)一一对应，且第一微型自由活塞动力装置的活塞(24)与第一活塞杆(22)联动；每个所述第二活塞杆(17)与每个所述第二微型自由活塞动力装置的活塞(23)一一对应，且第二微型自由活塞动力装置的活塞(23)与第二活塞杆(17)联动；
所述机体(1)内设有温差发电装置，用于发电。
2.根据权利要求1所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述第一微型自由活塞动力装置(7)的进气口数量不小于若干所述第二微型自由活塞动力装置(5)的进气口数量总和。
3.根据权利要求2所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述第一微型自由活塞动力装置(7)的进气口与所述第二微型自由活塞动力装置(5)的进气口之间通过三通连接，所述三通另一端与所述机体(1)的进气口(2)连通。
4.根据权利要求1所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述第一微型自由活塞动力装置(7)的排气口数量不小于若干所述第二微型自由活塞动力装置(5)的排气口数量总和。
5.根据权利要求1所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述微型自由活塞动力装置(5，7)的出气口(4，6)上分别设有单向阀(14)。
6.根据权利要求1所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述机体(1)的进气口(2)上设有换热翅片(19)。
7.根据权利要求1所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述微型自由活塞动力装置的活塞(23，24)为磁性活塞，所述磁性活塞的材质为耐热的磁性材料；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。
8.根据权利要求1所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述温差发电装置包括高温侧陶瓷板、低温侧陶瓷板、N型半导体(21)和P型半导体(20)；所述高温侧陶瓷板位于机体(1)内表面，所述低温侧陶瓷板位于机体(1)外表面，所述N型半导体(21)和P型半导体(20)交替排列在高温侧陶瓷板与低温侧陶瓷板之间，且通过导电片串联连接；所述导电片与所述储能装置连接。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，还包括微型压气机，所述微型压气机与所述发电机排气口(18)连通。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的复式燃烧室结构的微型自由活塞发电机，其特征在于，还包括微型抽气机，所述微型抽气机与所述发电机排气口(18)连通，用于提高机体内腔(3)的换气效率。
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