CN110778392B - 一种自由活塞式内燃机发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由活塞式内燃机发电机，包括内燃机组、直线发电机组、扫气室组；内燃机组包括气缸、气缸盖，直线发电机组包括内动子；扫气室组包括扫气室、扫气室盖和扫气管道；扫气室盖与气缸盖位于气缸的两端，内动子与扫气室盖围合形成扫气室，扫气管道设置在气缸壁上；扫气室盖外表面设置有进气口，内表面设置有进气阀片和排气阀片，空气从进气口和进气阀片进入扫气室，内动子向扫气室盖方向运动，压缩空气从排气阀片进入进气管道，并从所述扫气口进入燃烧室，燃烧后的气体从所述排气口排出完成扫气。本发明的自由活塞式内燃机发电机，扫气室结构紧凑，且不需要外接增压设备便可实现扫气，解决了二冲程发动机扫气的问题。

Description

一种自由活塞式内燃机发电机
技术领域
本发明涉及能源动力领域，尤其涉及能源动力领域的自由活塞式内燃机发电机。
背景技术
自由活塞式内燃发电机组是近几年来伴随着能源和环境问题逐渐发展起来的一种新型动力机。它直接将内燃机和直线发电机结合在一起，在结构上取消了内燃机的曲轴连杆系统，活塞不再受机械部件限制，整个机构仅存在直线运动。其次，活塞的运动是靠发动机缸内喷油点火来控制的，因此可通过改变发动机的喷油点火参数来改变活塞行程大小。而内燃机活塞直接作为直线发电机的动子的一部分，将燃烧室内的化学能直接转换为电能输出。与传统旋转内燃机带动的发电机组合相比，此内燃机与发电机组的直接耦合系统结构简单、零件数目少；中途能量转换损失小，摩擦力小，机械效率高；此外，由于活塞行程不受机械限制，内燃机可以运行在较大的压缩比下，燃料适应性较广。目前此特种发动机受到国内外越来越多的科研机构的青睐。
针对自由活塞式二冲程内燃发电机，目前扫气室常用的方式有三种，第一种是靠自由活塞对扫气室内空气进行压缩，这种方式上结构比较紧凑，但会随着活塞位移的增加，缸内压力逐渐增加，若压力过大则会影响内燃机膨胀行程下的做功，另外扫气压力波动较大；第二种方式是增加额外的设备，例如增加涡轮增压或电动鼓风机设备，这种方式对扫气会起到很好的效果，但成本也会有所增加。第三种方式是在气缸盖上安装排气门，扫气效果好，但排气门开启与关闭控制与前两种方式对比相对复杂。
发明内容
本发明的目的是提供自由活塞式内燃机发电机，以解决现有技术中的上述缺陷。
本发明的技术方案如下：
一种自由活塞式内燃机发电机，包括内燃机组、直线发电机组、扫气室组；所述内燃机组包括气缸、气缸盖和排气口，所述排气口设置在气缸壁上；所述直线发电机组包括内动子；所述扫气室组包括扫气室、扫气室盖和扫气管道，所述扫气室盖设置有进气口和出气口；所述扫气室盖与所述气缸盖位于所述气缸的两端，所述内动子的一端与所述扫气室盖围合形成所述扫气室，所述内动子的另一端与所述气缸盖围合形成燃烧室；所述扫气管道设置在气缸壁上，所述扫气管道一端为扫气口，另一端与所述出气口连通；空气从所述进气口进入所述扫气室，并从出气口、扫气管道进入所述燃烧室，燃烧后的气体从所述排气口排出完成扫气。
较佳地，所述直线发电机组还包括定子室，所述定子室固定设置在所述气缸壁上，所述定子室内固定设置定子线圈，所述内动子穿过所述定子室以及所述定子线圈；所述内动子上还设置有磁极组，用于切割磁感线。
较佳地，还包括电控单元，用于采集气缸内的信息；以及包括电池 管理系统，所述电控单元与所述电池管理系统共同实现电机电源的充电与放电。
较佳地，所述内动子包括活塞和连杆，所述活塞固定在所述连杆的两端；所述气缸内壁上还固定有光电编码器，所述连杆上设置有与所述光电编码器配合使用的刻度线；所述光电编码器用于检测内动子的位置和速度，并将其信息传递给所述电控单元。
较佳地，所述电控单元通过电池管理系统控制着电池的充电或放电状态，当电控单元采集到的内动子速度、位置、内燃机气缸内压强以及扫气室内的压强达到参考值时，喷油器进行喷油，火花塞进行工作，直线电机由电动状态转换为发电状态，电池管理系统控制电池进行充电；当采集到内动子的速度、位置、气缸内压强以及扫气室内的压强的数值未达到或超过预设参考值，直线发电机由充电状态转换为电动状态。
较佳地，所述内动子位于燃烧室的一端的活塞与所述定子室间还连接有弹簧。
较佳地，所述扫气管道为独立的管道并固定于所述气缸壁上，或所述气缸壁内的通孔形成所述扫气管道。
较佳地，所述活塞设置有密封环，防止压缩空气及燃烧气体的泄露。
较佳地，所述气缸盖上还设置有火花塞和喷油器。
较佳地，所述扫气室盖外表面设置有进气口，内表面设置有进气阀片和排气阀片，所述进气口与所述进气阀片连通，所述排气阀片设置在所述排气口上。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
第一，本发明的自由活塞式内燃机发电机，采用的是活塞式压缩机的扫气方式，即通过活塞的运行对扫气室内的气体进行压缩，当扫气室内的压力到达某一数值时，排气阀片则会开启，同时对发动机气缸内进行扫气，解决了自由活塞式二冲程内燃发电机的扫气问题，不需要附加其他的增加扫气压力的设备，结构紧凑，节约成本。
第二，本发明的自由活塞式内燃机发电机，扫气室盖上设置进气阀片和排气阀片，当扫气室内压力达到内燃机扫气压力时，排气阀片则会开启，这样即使活塞的位移一直在增加，扫气室内的压力仍保持在某一恒定值，减小内燃机膨胀行程下的做功的阻力。
第三，本发明的自由活塞式内燃机发电机，扫气室端阀片决定了扫气压力的大小，通过更换扫气室阀片便可实现对扫气压力的调节。
第四，本发明的自由活塞式内燃机发电机，由于活塞行程可变，则扫气室端气体的压缩行程也可变，即可根据发动机工况实时扫气。
第五，本发明的自由活塞式内燃机发电机，是基于单缸-弹簧结构的基础之上进行设计的，振动小，运行稳定，易于控制。
第六，本发明的自由活塞式内燃机发电机，通过电控单元不断的采集内动子的速度、位置、气缸内压强以及扫气室内的压强并将其与参考值做对比，从而切换直线发电机的工作状态，运行稳定。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1是本发明实施例1的自由活塞式内燃机发电机的示意图；
图2是本发明实施例1的自由活塞式内燃机发电机的示意图；
图3是本发明实施例1的自由活塞式内燃机发电机的信号连接及控制示意图。
附图标记：1-火花塞；2-喷油器；31-气缸；32-气缸盖；4-排气通道；5-弹簧；6-定子线圈；7-定子室；8-扫气室；9-进气阀片；10-进气口；11-扫气室盖；12-排气阀片；13-光电编码器；14-磁极组；15-进气管道；16- 扫气通道；17-内动子。
具体实施方式
本发明提供了一种自由活塞式内燃机发电机，包括内燃机组、直线发电机组、扫气室组；内燃机组包括气缸、气缸盖，直线发电机组包括内动子；扫气室组包括扫气室、扫气室盖和扫气管道；扫气室盖与气缸盖位于气缸的两端，内动子与扫气室盖围合形成扫气室，扫气管道设置在气缸壁上，扫气管道一端为扫气口，另一端与扫气室盖连通；扫气室盖外表面设置有进气口，内表面设置有进气阀片和排气阀片，空气从进气口和进气阀片进入扫气室，从排气阀片进入进气管道，并从所述扫气口进入所述燃烧室，燃烧后的气体从所述排气口排出完成扫气。
本发明的自由活塞式内燃机发电机的工作过程为：
(1)电动启动过程。直线发电机在控制单元的控制下工作，将电能转换为机械能。内动子(17)做直线运动，空气从大气环境下分别经由进气口(10)、进气阀片(9)进入到扫气室(8)内，在内动子(17)作用下使具有一定压力的新鲜空气经由排气阀片(12)、进气管道(15)、扫气口(16)进入到燃烧室内。当内动子(17)速度、加速度、位置以及内燃机气缸内压力到达某一数值时，直线发电机断电，由电动状态转换为发电状态。
(2)发电过程。当内动子(17)速度、加速度、位置以及内燃机气缸内压力到达某一数值时，喷油器(2)开始工作，进行定时定量的喷油，火花塞(1) 定时定点工作，同时排气通道(4)由内动子(17)打开进行废气的排放。内动子(17)在内燃机组燃烧气体压力、弹簧(5)、扫气室(8)内气体压力、摩擦力以及直线发电机磁阻力的共同作用下做往复直线运动。由于内动子(17) 切割定子线圈(6)磁感线产生电压，从而在电池管理系统的作用下对电池进行充电。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
请参见图1，本实施例的一种自由活塞式内燃机发电机，包括内燃机组、直线发电机组和扫气室组；所述内燃机组包括气缸(31)、气缸盖(32)和排气口 (4)，排气口(4)设置在气缸壁上，气缸盖(32)上设置有火花塞(1)和喷油器(2)。直线发电机组包括电池、内动子(17)和定子室(7)，电池为直线发电机供电，定子线圈(6)固定在定子室(7)内，内动子(17)包括活塞和连杆，连杆穿过定子线圈(6)，连杆上还设置有磁极组(14)，内动子(17)在气缸和定子线圈(6)内做往复直线运动。扫气室组包括扫气室(8)、扫气室盖(11)和扫气管道(15)，扫气管道(15)为独立的管道并固定设置在气缸壁上，扫气管道(15)一端为扫气口(16)，另一端与扫气室盖(11)连通。扫气室盖(11) 与气缸盖(32)位于气缸的两端，内动子(17)一端的活塞与扫气室盖(11)围合形成扫气室(8)，内动子(17)的另一端与气缸盖(32)围合形成燃烧室；扫气室盖(11)外表面设置有进气口(10)，内表面设置有进气阀片(9)和排气阀片(12)，空气从进气口(10)和进气阀片(9)进入扫气室(8)，从排气阀片(12)进入进气管道(15)，并从扫气口(16)进入燃烧室内，燃烧后的气体从排气口(4)排出完成扫气。进气阀片(9)和排气阀片(12)为单向阀片，更换排气阀片(12)可控制扫气压力。内动子(17)的两端布有密封环，防止压缩空气及燃烧气体的泄露。
在另一替换实施例中，扫气管道(15)由气缸壁内的通孔形成。扫气管道(15)的形状、数量不用于限制本发明。
优选的，内动子(17)另一端与定子室(7)间连接弹簧(5)，弹簧(5)辅助内动子(17)在气缸(31)内的往复直线运动。气缸壁上固定设置有光电编码器(13)，内动子(17)上设置有与光电编码器(13)配合使用的刻度线，光电编码器(13)在内动子(17)上的刻度线配合下对内动子(17)的位置和速度进行检测。优选的，还包括电控单元，光电编码器(13)将其采集的信息传递给电控单元，电控单元还用于采集气缸(31)内压强以及扫气室(8) 内的压强信息。
优选的，还包括电池管理系统，电控单元通过电池管理系统控制电池的充电和放电状态。请参见图2所示，是本发明实施例1的自由活塞式内燃机发电机的信号连接及控制示意图。电动启动过程中时，电池管理系统控制电池放电，电池向本实施例中的自由活塞式内燃机发电机提供电压，内动子开始运动。电控单元通过采集内动子(17)速度、位置、内燃机气缸(31)内压强以及扫气室(8)内的压强去判断发动机是否可以喷油与点火。当电控单元采集到的内动子(17)速度、位置、内燃机气缸(31)内压强以及扫气室(8)内的压强达到预设参考值时，喷油器(2)进行喷油，火花塞(1)进行工作，直线发电机由电动状态转换为发电状态，此时电池管理系统控制电池进行充电。
接通直线发电机电源，此时直线发电机处于电动启动状态。在进气和压缩行程下，空气从大气环境下分别经由进气口(10)、进气阀片(9)进入到扫气室(8)内，内动子(17)运动并挤压空气，具有一定压力的新鲜空气经由排气阀片(12)、进气管道(15)、扫气口(16)进入到燃烧室内。在燃烧室内的膨胀和排气行程下，排气通道(4)被内动子(17)打开，气体流出。光电编码器(13)检测内动子(17)的速度和位置，并将其信息发送至电控单元，同时电控单元检测内燃机气缸(31)压强以及扫气室(8)内的压强，当内动子(17)速度、位置、内燃机气缸(31)内压强以及扫气室(8)内的压强达到参考值时，喷油器(2)进行喷油，火花塞(1)进行工作，直线发电机由电动状态转换为发电状态。
本实施例的自由活塞式内燃机发电机正常工作时，直线发电机处于持续发电状态。电控单元不断的采集内动子(17)的速度、位置、气缸内压强以及扫气室(8)内的压强并将其与参考值做对比，若未达到或超过预设参考值，直线发电机由发电状态转换为电动状态。
因此在内燃机、直线发电机以及弹簧(5)的共同参与下使内动子(17) 的速度、位置、气缸内压强以及扫气室(8)内的压强达到其参考值，以确保自由活塞直线发电机组的稳定运行。
在本发明及上述实施例的教导下，本领域技术人员很容易预见到，本发明所列举或例举的各原料或其等同替换物、各加工方法或其等同替换物都能实现本发明，以及各原料和加工方法的参数上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (8)

1.一种自由活塞式内燃机发电机，其特征在于，包括内燃机组、直线发电机组、扫气室组；
所述内燃机组包括气缸、气缸盖和排气口，所述排气口设置在气缸壁上；所述直线发电机组包括内动子；所述扫气室组包括扫气室、扫气室盖和扫气管道，所述扫气室盖设置有进气口和出气口；所述扫气室盖位于所述气缸的端部，所述内动子的一端与所述扫气室盖围合形成所述扫气室，所述内动子的另一端与所述气缸盖围合形成燃烧室；所述扫气管道设置在气缸壁上，所述扫气管道一端为扫气口，另一端与所述出气口连通；空气从所述进气口进入所述扫气室，从所述出气口、扫气管道进入所述燃烧室，燃烧后的气体从所述排气口排出完成扫气；
所述直线发电机组还包括定子室，所述定子室固定设置在所述气缸壁上，所述定子室内固定设置定子线圈，所述内动子穿过所述定子室以及所述定子线圈；所述内动子上还设置有磁极组；
所述内动子包括活塞和连杆，所述活塞固定在所述连杆的两端；
所述内动子位于燃烧室的一端的活塞与所述定子室间还连接有弹簧。
2.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃机发电机，其特征在于，还包括电控单元，用于采集气缸内的信息；以及包括电池管理系统，所述电控单元与所述电池管理系统共同实现电机电源的充电与放电。
3.根据权利要求2所述的自由活塞式内燃机发电机，其特征在于，所述气缸内壁上还固定有光电编码器，所述连杆上设置有与所述光电编码器配合使用的刻度线；所述光电编码器用于检测内动子的位置和速度，并将其信息传递给所述电控单元。
4.根据权利要求3所述的自由活塞式内燃机发电机，其特征在于，所述电控单元通过电池管理系统控制着电池的充电或放电状态，当电控单元采集到的内动子速度、位置、内燃机气缸内压强以及扫气室内的压强达到参考值时，喷油器进行喷油，火花塞进行工作，直线电机由电动状态转换为发电状态，电池管理系统控制电池进行充电；当采集到内动子的速度、位置、气缸内压强以及扫气室内的压强的数值未达到或超过预设参考值，直线发电机由充电状态转换为电动状态。
5.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃机发电机，其特征在于，所述扫气管道为独立的管道并固定于所述气缸壁上，或所述气缸壁内的通孔形成所述扫气管道。
6.根据权利要求4所述的自由活塞式内燃机发电机，其特征在于，所述活塞设置有密封环，防止压缩空气及燃烧气体的泄露。
7.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃机发电机，其特征在于，所述气缸盖上还设置有火花塞和喷油器。
8.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃机发电机，其特征在于，所述扫气室盖外表面设置有进气口，内表面设置有进气阀片和排气阀片，所述进气口与所述进气阀片连通，所述排气阀片设置在所述排气口上。
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