CN109555598A - 一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，包括气缸、定子绕组和整流器，所述定子绕组绕于气缸外表面，整流器与定子绕组相连；气缸内设有两个空腔和排气室，排气室设于两个空腔之间，排气室的两端与两个空腔之间设有隔板，排气室上设置排气口；两个空腔通过排气口的中心轴线对称分布，每个空腔上端有进气口，每个空腔内底部设有自增压进气通道；两个磁性活塞分别位于两个空腔内，将空腔内分为扫气室和燃烧室，活塞连杆穿过所述隔板连接两个磁性活塞，活塞连杆上有轴向凹槽结构，本发明自增压式直流扫气结构，结构设计简单，靠自身运行过程提高进气压力，同时改变废气出口位置，形成直流扫气模式，有助于提高微型动力装置的扫气效果。

Description

一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置

技术领域

本发明属于内燃机领域和发电领域相关的微动力系统，尤其涉及一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置。

背景技术

在能源动力领域，提高能量的利用率一直是重要的课题之一，各国研究者都在开发新型的能量转换装置，其中自由活塞式内燃机与直线发电机结合形成的动力装置，相比传统发动机，由于其无需曲柄连杆机构，具有结构简单、能量密度大、燃料适用性广等优点，成为典型的新型能量转换装置之一，装置运行时，自由活塞压缩均质气体，燃烧气体压燃后，推动活塞反向动行，同时压缩对称汽缸中的均质气体，交替压燃使得自由活塞往复运动，切割磁感线产生电能，其具有极大的应用前景。

同时随着微电子及微制造技术的发展，微机电系统也得到了快速的发展，其中便携式、快充式及长续航能力的动力源成为进一步推动微机电发展的重要影响因素之一。由于微机电系统的微型化，势必需要结构简单的动力装置来提供动力输出，将自由活塞发电装置微型化是一个非常好的选择。但是微自由活塞动力装置研究还处于前期探讨阶段，其装置也存在一些缺点：结构分布较紧凑，且二冲程相比四冲程，扫气时间短，扫气系统没有得到有效改善，容易产生扫气短路溢出，换气质量较差，残余废气较多，从而导致输出功率降低。本发明主要是对扫气结构进行设计，利用较少的结构变化，使得装置能够采用直流扫气方式，同时对扫气室结构进行设计，使得装置可以通过自身的运行来提高进气压力，从而进一步提高微动力装置的扫气效率，用以提高微动力装置的动力输出能力。

发明内容

本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种自增压式微自由活塞动力装置，目的在于提供一种更优的换气方案和结构，适当提高进气压力，从而提高给气效率和扫气效率。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种自增压式微自由活塞动力装置，包括气缸、定子绕组和整流器，所述定子绕组绕于气缸外表面，整流器与定子绕组相连；

所述气缸内设有第一空腔、排气室、第二空腔、第一磁性活塞、第二磁性活塞和活塞连杆，所述排气室设于第一空腔和第二空腔之间，排气室的两端与第一空腔和第二空腔之间设有隔板，所述排气室上设置排气口；所述第一空腔和第二空腔通过排气口的中心轴线对称分布且结构相同；所述第一空腔上端部设有进气口，所述第一空腔内的底部设有“U”型的自增压进气通道；所述第一磁性活塞位于第一空腔内，将第一空腔内分为扫气室和燃烧室，所述第二磁性活塞位于第二空腔内，将第二空腔内分为扫气室和燃烧室，所述第一磁性活塞与第二磁性活塞之间通过活塞连杆连接，所述活塞连杆的两端分别穿过所述隔板，所述活塞连杆上设有轴向凹槽结构；

进一步，所述磁性活塞表面绕有磁性叠片；

进一步，所述磁性活塞位于燃烧室的端头表面以及燃烧室的内壁涂有燃烧剂催化涂层；

进一步，所述进气口处设有单向阀门，所述单向阀门能向空腔内打开；

进一步，所述磁性活塞向同侧扫气室压缩过程中，且所述自增压进气通道全部处于该扫气室内，单向阀关闭，气体在该扫气室与底部的自增压进气通道内实现自增压；所述磁性活塞继续向同侧扫气室压缩，当扫气室和燃烧室通过自增压进气通道连通时，扫气室内的高压气体通过自增压进气通道流入燃烧室，实现直流扫气。

进一步，所述排气口可以对称设置2个。

本发明的有益效果：

(1)本发明中的磁性活塞连杆上刻有均匀的轴向凹槽，有利于压燃后的废气从燃烧室一端顶部排出，结合自增压通道的进气过程，可形成扫气效果更佳的直流扫气方案。

(2)单向阀门的设置，利用内外压差原理使得进气阀门可自行打开与关闭，无需复杂的机械结构或电子设备控制，通过调整单向阀门弹簧预紧力，设置阀门打开时所需的内外压差值。

(3)通过对扫气室结构的设计，可实现磁性活塞对扫气室中新鲜气体压缩增压效果，当活塞运行至特定位置时，自增压气体可由自增压进气通道流入燃烧室中，增强扫气效果，同时也无需复杂的机械结构。

附图说明

图1是本发明装置的二维截面示意图；

图2是活塞连杆组件的三维示意图；

图3-11是本发明自增压式微自由活塞动力装置第二磁性活塞从气缸的第二空腔向左运动完成左右空腔中气体发生压燃着火至扫气完成的一个循环工作过程的情形示意图；

图中，1、左燃烧室，2、右燃烧室，3、左扫气室，4、右扫气室，5、左进气口，6、右进气口，7、排气口，8、整流器，9、左单向阀门，10、活塞连杆，11、左磁性活塞，12、定子绕组，13、磁性叠片，14、左自增压进气通道，15、右自增压进气通道，16、右单向阀门，17、右磁性活塞，18、气缸。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提出了一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，包括气缸18、定子绕组12和整流器8，定子绕组12绕于气缸18外表面，整流器8通过导线与定子绕组12相连；从左往右，气缸18内设有第一空腔、排气室、第二空腔，且排气室设于第一空腔和第二空腔之间，排气室的两端与第一空腔和第二空腔之间设有隔板，所述排气室上对称设置2个排气口7，第一空腔和第二空腔通过排气口7的中心轴线对称分布且结构相同。

第一空腔上端部设有左进气口5，在左进气口5处设有朝向空腔内打开的左单向阀门9，第一空腔内的底部设有“U”型的左自增压进气通道14；左磁性活塞11位于设于第一空腔内，将第一空腔内分为左扫气室3和左燃烧室1，靠近隔板的是左燃烧室1；同理，由于第一空腔和第二空腔对称且结构相同，所以第二空腔上端部设有右进气口6，在右进气口6处设有朝向空腔内打开的右单向阀门16，第二空腔内的底部设有“U”型的右自增压进气通道15；所述右磁性活塞17位于设于第二空腔，将第二空腔内分为右扫气室4和右燃烧室2，靠近隔板的是右燃烧室2。

左磁性活塞11与右磁性活塞17的表面绕有磁性叠片13，左磁性活塞11与右磁性活塞17之间通过活塞连杆10连接，活塞连杆10的两端分别穿过所述隔板，如图2所示，活塞连杆10上设有轴向凹槽结构。

本发明中的扫气系统主要包括左进气口5、左单向阀门9、左扫气室3、左自增压进气通道14、活塞连杆10、排气室及排气口7、右自增压进气通道15、右扫气室4、右单向阀门16及右进气口6。

在本实施例中，磁性活塞组件和定子绕组的制作材料具有耐热，电阻率高，磁性极能好的特点，磁性活塞的端头与燃烧室的内壁均涂有燃烧剂催化涂层，如铂催化剂涂层，并且当一端的微燃烧室中混合气燃料燃烧时，膨胀做功进而推动活塞运动，同时另一端的燃烧室会压缩混合燃料，受力较平衡，两个燃烧室轮流燃烧膨胀推动活塞机构往复运动，气缸18外有定子绕组12缠绕，与磁性活塞做相对运动，切割磁感线，进而产生电能，导线将电流传送至整流器8以供外界电动机运行。

为了更清楚地解释本发明所提出的自增压式微自由活塞动力装置，下面结合工作过程作进一步说明：

从图3可以看出，由于活塞连杆组件从左端运行至右端，左扫气室3空间不断增大，压力会不断降低，当左扫气室3中气体压力小于大气压力时，在压差的作用下，左单向阀门9会自行打开，均质气体会流入左扫气室3中，完成进气过程，同时左燃烧室1中的气体已被压燃，而右燃烧室2中的废气会沿着活塞连杆10上的轴上凹槽流进排气室7中，同时右磁性活塞17运行至图3上的位置时，连接右扫气室4和右燃烧室2之间的右自增压进气通道15完全连通，右扫气室4中的增压气体沿着右自增压进气通道15流入右燃烧室2中，形成直流扫气方式，同时由于气体在右扫气室4中被压缩增压，高压气体流入右燃烧室2后，增强了直流扫气效果。图4中左燃烧室1中气体压燃后体积膨胀并推动活塞连杆组件开始向左端运行，此时由于左扫气室3的体积不断减小，左扫气室3中的气体压力上升，当大于大气压力时，左单向阀门9自行关闭，左扫气室3形成闭口系统，随着活塞连杆组件不断向左运行，左扫气室3中的压力会不断上升，同时左燃烧室2中的废气在新鲜气体的推动下，不断沿着活塞连杆10凹槽处流向排气室7中。随着活塞连杆组件继续向左运行，如图5所示，活塞连杆10凹槽部分移入左燃烧室1中，凹槽结构成为左燃烧室1和排气室7的通道，这样左燃烧室1中的废气便沿着活塞连杆10凹槽结构流入排气室7中，左燃烧室排气过程开始，同时由于活塞连杆组件向左运行，活塞连杆10凹槽结构移出右燃烧室2中，这样右燃烧室2便形成闭口系统，以便于气体的压缩升温，同时随着右扫气室4体积的不断增加，气体压力下降，当低于大气压气时，右单向阀门16便自行打开，右扫气室4进气开始。随着活塞连杆组件进一步向左运行，右燃烧室2中气体不断被压缩升温，如图6所示。当活塞连杆组件运行至图7中的位置时，右燃烧室2中的气体被压缩着火，同时由于左磁性活塞11运行至图7中的特定位置，连接左扫气室3和左燃烧室1的左自增压进气通道完全打开，左扫气室中3的自增压气体沿通道14流入左燃烧室1中，左燃烧室1中形成直流扫气模式，由于左扫气室3中的气体被压缩增压，沿左自增压进气通道14流入左燃烧室后可加强直流扫气效果。由于右燃烧室2气体压缩着火并开始膨胀做功，活塞连杆组件在推动力的作用下开始向右运行，

如图8所示，左燃烧室1中新鲜气体继续推动废气排入排气室7中，而右扫气室4随着活塞连杆组件的右行，体积不断减小，压气不断上升，在压差的作用下，右单向阀门16便自行关闭，右扫气室4形成闭口系统，以便于新鲜气体自增压过程的发生。随着活塞连杆组件继续向右运行，左单向阀门9打开，左扫气室3开始进气，随着活塞连杆10凹槽结构多左燃烧室1移入扫气室7中时，如图9所示，左燃烧室1便形成闭口系统，以便于左燃烧室1中气体的压缩升温。随着活塞连杆组件向右运行，左燃烧室1中的气体不断升温，右燃烧室2中的废气沿活塞连杆10凹槽结构不断排入扫气室中，如图10所示。当活塞连杆组件运行至图11中的位置时，左燃烧室中的气体已被压缩着火，同时由于右磁性活塞17运行至图11中的位置时，连接右燃烧室2和右扫气室4的右自增压进气通道15完全打开，自增压新鲜气体沿通道15流入右燃烧室2中，右燃烧室2中形成直流扫气模式。至此，汽缸18中左右两空腔分别完成一次气体压燃着火及扫气过程。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，其特征在于，包括气缸(18)、定子绕组(12)和整流器(8)，所述定子绕组(12)绕于气缸(18)外表面，整流器(8)与定子绕组(12)相连；

所述气缸(18)内设有第一空腔、排气室、第二空腔、2个磁性活塞连杆，所述排气室设于第一空腔和第二空腔之间，排气室的两端与第一空腔和第二空腔之间设有隔板，所述排气室上设置排气口(7)；所述第一空腔和第二空腔通过排气口(7)的中心轴线对称分布且结构相同，所述第一空腔上端部设有进气口，所述第一空腔内的底部设有自增压进气通道；一个磁性活塞位于设于第一空腔内，将第一空腔内分为扫气室和燃烧室，另一个磁性活塞位于第二空腔内，将第二空腔内分为扫气室和燃烧室，所述磁性活塞之间通过活塞连杆(10)连接，所述活塞连杆(10)的两端分别穿过所述隔板，所述活塞连杆(10)上设有轴向凹槽结构。

2.根据权利要求1所述的一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，其特征在于，所述自增压进气通道为“U”型。

3.根据权利要求1所述的一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，其特征在于，当所述磁性活塞向同侧扫气室压缩过程中，且所述自增压进气通道处于该扫气室内，气体在该扫气室内实现自增压。

4.根据权利要求1所述的一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，其特征在于，当扫气室和燃烧室通过所述自增压进气通道连通时，实现直流扫气。

5.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，其特征在于，所述磁性活塞表面绕有磁性叠片(13)。

6.根据权利要求5所述的一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，其特征在于，所述磁性活塞位于燃烧室的端头表面以及燃烧室的内壁涂有燃烧剂催化涂层。

7.根据权利要求1所述的一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，其特征在于，所述进气口处设有单向阀门，所述单向阀门能向空腔内打开。

8.根据权利要求1所述的一种设有自增压式直流扫气结构的微自由活塞动力装置，其特征在于，所述排气口(7)可以对称设置2个。