CN111852650A - 一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，属于能源动力领域。主要包括：自由活塞发动机、直线发电机、连接杆。活塞开设有多个进气道，每个进气道上安装有进气门，进气门垫片与活塞之间装有进气门弹簧与进气门阻尼。通过调整进气门垫片与气缸底部相对位置及进气门阻尼阻尼系数优化进气门开启与关闭时刻，在二冲程自由活塞发动机上实现了低压缩比、高膨胀比，进一步提高了循环热效率。

Description

一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机

技术领域

本发明涉及一种能源动力工程机械装置，具体涉及一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，属于能源动力领域。

背景技术

近年来，人们一直在致力于寻求一种能量转换效率高的内燃发电装置，其中，自由活塞内燃发电机是自由活塞发动机和直线发电机耦合之后形成的一种新型能量转换装置，它将自由活塞与直线发电机次级直接固连，形成唯一的运动部件——活塞组件。系统运行时，缸内气体燃烧膨胀作功，推动活塞并带动动子运动，继而产生电能，最终通过较短的传递路径将燃料化学能直接转换为电能。它具有众多潜在性能优势，如机械摩擦损失少，结构紧凑体积小，能量传递路径短等。目前的自由活塞发电机普遍采用二冲程式内燃机,进排气采用类似二冲程的扫气口换气方式,换气效果较差。另外，由于自由活塞发动机活塞在上止点加速度大，燃烧放热过程等容度低，后燃严重,指示热效率相比曲轴式发动机较低。

理论上，如果自由活塞发动机工作循环中膨胀行程大于压缩行程，则燃料燃烧产生的热量可以更多地转化为机械能对外输出。对于传统二冲程发动机，扫气口位置是固定的，膨胀比与压缩比相等，限制了热效率的进一步提高。如果在二冲程发动机气缸盖上同时布置进排气门，不仅无法保证有效换气，还需要单独设置进气增压装置。

本发明利用自由活塞发动机无曲轴箱的结构特点，结合自由活塞特殊的运动规律，在二冲程自由活塞发动机上实现了低压缩比、高膨胀比，对进一步提高自由活塞发动机循环热效率具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了进一步提高二冲程自由活塞发动机循环热效率，从而提出了一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，主要包括：自由活塞发动机、直线发电机、连接杆。

自由活塞发动机包括：排气门控制器、喷油器、排气门、进气门、进气门垫片、活塞、单向进气阀、进气门弹簧、进气门阻尼、气缸；

直线发电机包括：发电机次级、发电机初级；

活塞开设有多个进气道。

连接关系：

气缸顶部中心处布置有喷油器，周围开设有多个排气道，排气门安装于排气道上，活塞安装在气缸内部，并保证工作时活塞一直处于气缸内部。活塞侧向表面与气缸内侧表面通过活塞环形成密封配合。气缸内侧表面与活塞顶面围成的空间为燃烧室。

气缸内侧表面与活塞背面围成的空间为压气室；气缸开设有进气口，进气口内安装有单向进气阀，行程范围内进气口始终暴露于压气室。气缸底部中心处开设有一个通孔，连接杆穿过通孔并保证与气缸同轴。

发电机初级内布置有发电机次级，发电机初级与发电机次级在轴向上可以相对运动；两侧活塞与发电机次级通过连接杆刚性连接在一起，形成一个活塞组件，可轴向往复运动；发电机初级与气缸相对固定。

活塞开设有多个进气道，每个进气道上安装有进气门，进气门与进气门垫片刚性连接，进气门垫片与活塞之间装有进气门弹簧与进气门阻尼。活塞靠近下止点时进气门垫片与气缸相接触，可通过调整进气门垫片与气缸底部相对位置确定进气门开启时刻。

通过调整进气门阻尼阻尼系数确定进气门关闭时刻，进气门阻尼阻尼系数越大，进气门弹簧带动进气门关闭时需克服的阻尼力越大，进气门关闭时刻越晚。

工作过程：

对于左侧自由活塞发动机部分，活塞组件从左侧向右侧运动时左侧自由活塞发动机的活塞从上止点向下止点运动(由于自由活塞发动机没有确定的止点，此止点是指理论的止点，下文涉及的止点均是指理论上的止点位置)，喷油器在上止点附近将高压燃油喷入燃烧室，燃烧室内混合气燃烧产生的爆发压力推动活塞向右运动，气缸内燃烧室的容积不断增大，而压气室的容积不断减小，此时单向进气阀处于关闭状态，压气室内气体被压缩，压力升高。做功完成后，排气门控制器控制排气门打开，燃烧室内废气排出，气缸内压力迅速下降。此后，活塞继续向右运动，进气门垫片与气缸底部接触，进气门停止运动，活塞在活塞组件(包括两侧活塞、连接杆与发电机次级)较大惯性力作用下克服进气门弹簧的弹力与进气门阻尼的阻尼力继续向右运动，进气门打开，压气室内的高压气体被压入燃烧室，开始换气。当活塞到达下止点时，进气门开度达到最大。

左侧自由活塞发动机的活塞到达下止点后，活塞组件在右侧自由活塞发动机燃烧室内爆发压力作用下从右侧向左侧运动(由于自由活塞发动机摒除了曲柄连杆机构，活塞运动规律不受机械束缚，在缸内爆发压力作用下，每冲程前期活塞远离止点时速度较高，而在每冲程后期靠近止点时速度较低)，此时活塞组件速度迅速升高，在较短时间内达到最大值。由于此时活塞与进气门垫片之间相对高速运动，进气门阻尼的阻尼力大于进气门(进气门相对活塞组件质量非常小)惯性力与进气门弹簧弹力之和，从而带动进气门垫片与气缸底部分离，同时保持进气门处于开启状态。在活塞速度达到峰值后，随着活塞与进气门垫片的相对速度减小，进气门阻尼阻尼力快速下降，小于进气门弹簧的弹力，进气门在进气门弹簧作用下关闭。进气门阻尼阻尼系数越大，进气门弹簧带动进气门关闭时需克服的阻尼力越大，进气门关闭时刻越晚。随后排气门在排气门控制器控制控制下关闭，换气过程结束。左侧自由活塞发动机换气过程中进气门关闭位置相对于开启位置更靠近上止点，导致膨胀行程较压缩行程长，进而实现了膨胀比大于压缩比。

左侧自由活塞发动机活塞由下止点向上止点运动的过程中，由于压气室容积不断增大，当压气室气体压力低于大气压力时，单向进气阀打开，新鲜空气被吸入压气室。当活塞到达上止点时已有足够的新鲜空气储备在了压气室。左侧自由活塞发动机一个工作循环结束。

右侧自由活塞发动机与左侧自由活塞发动机工作过程相同(左侧自由活塞发动机上止点对应右侧自由活塞发动机下止点)。

系统工作时左右两侧自由活塞发动机交替爆发，爆发压力推动活塞组件轴向往复运动，发电机次级与固定的发电机初级相对运动，切割直线发电机内部磁感线，输出电能。

有益效果

1、本发明的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，因为进气道开设在活塞上，实现了直线换气，进气更充分，提高了二冲程自由活塞发动机的换气效率。

2、本发明的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，因为换气过程中进气门关闭位置相对于开启位置更靠近上止点，膨胀比大于压缩比，缸内工质燃烧做功更充分，提高了热效率。

3、本发明的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，当系统运行频率升高时，进气门阻尼阻尼力增大，进气门关闭时刻延后，换气时间延长，实现了进气正时自发调节，从而使二冲程自由活塞发动机在偏离设计工况运行时仍能维持较高的换气效率。

4、本发明的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，因为进气道开设在气缸内部的活塞上，不占用气缸外部空间，结构更加紧凑，提高了整个动力装置的单位体积功率。

附图说明

图1是本发明的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机的剖视图；

其中，1—排气门控制器、2—喷油器、3—排气门、4—进气门、5—进气门垫片、6—活塞、7—单向进气阀、8—连接杆、9—发电机次级、10—发电机初级、11—进气门弹簧、12—进气门阻尼、13—气缸。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本发明的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，主要包括：自由活塞发动机、直线发电机、连接杆8。

自由活塞发动机包括：排气门控制器1、喷油器2、排气门3、进气门4、进气门垫片5、活塞6、单向进气阀7、进气门弹簧11、进气门阻尼12、气缸13；

直线发电机包括：发电机次级9、发电机初级10；

活塞6开设有多个进气道；

连接关系：

气缸13顶部中心处布置有喷油器2，周围开设有多个排气道，排气门3安装于排气道上，活塞6安装在气缸13内部，并保证工作时活塞6一直处于气缸13内部。活塞6侧向表面与气缸13内侧表面通过活塞环形成密封配合。气缸13内侧表面与活塞6顶面围成的空间为燃烧室。

气缸13内侧表面与活塞6背面围成的空间为压气室；气缸4开设有进气口，进气口内安装有单向进气阀7，行程范围内进气口始终暴露于压气室。气缸13底部中心处开设有一个通孔，连接杆8穿过通孔并保证与气缸同轴。

发电机初级10内布置有发电机次级9，发电机初级10与发电机次级9在轴向上可以相对运动；两侧活塞6与发电机次级9通过连接杆8刚性连接在一起，形成一个活塞组件，可轴向往复运动；发电机初级10与气缸13相对固定。

活塞6开设有多个进气道，每个进气道上安装有进气门4，进气门4与进气门垫片5刚性连接，进气门垫片5与活塞6之间装有进气门弹簧11与进气门阻尼12。活塞6靠近下止点时进气门垫片5与气缸13相接触，可通过调整进气门垫片5与气缸13底部相对位置确定进气门4开启时刻。

通过调整进气门阻尼12阻尼系数确定进气门4关闭时刻，进气门阻尼12阻尼系数越大，进气门弹簧11带动进气门4关闭时需克服的阻尼力越大，进气门4关闭时刻越晚。

工作过程：

对于左侧自由活塞发动机部分，活塞组件从左侧向右侧运动时左侧自由活塞发动机的活塞6从上止点向下止点运动(由于自由活塞发动机没有确定的止点，此止点是指理论的止点，下文涉及的止点均是指理论上的止点位置)，喷油器2在上止点附近将高压燃油喷入燃烧室，燃烧室内混合气燃烧产生的爆发压力推动活塞6向右运动，气缸内燃烧室的容积不断增大，而压气室的容积不断减小，此时单向进气阀7处于关闭状态，压气室内气体被压缩，压力升高。做功完成后，排气门控制器1控制排气门3打开，燃烧室内废气排出，气缸13内压力迅速下降。此后，活塞6继续向右运动，进气门垫片5与气缸13底部接触，进气门4停止运动，活塞6在活塞组件(包括两侧活塞6、连接杆8与发电机次级9)较大惯性力作用下克服进气门弹簧11的弹力与进气门阻尼12的阻尼力继续向右运动，进气门4打开，压气室内的高压气体被压入燃烧室，开始换气。当活塞6到达下止点时，进气门4开度达到最大。

左侧自由活塞发动机的活塞6到达下止点后，活塞组件在右侧自由活塞发动机燃烧室内爆发压力作用下从右侧向左侧运动(由于自由活塞发动机摒除了曲柄连杆机构，活塞运动规律不受机械束缚，在缸内爆发压力作用下，每冲程前期活塞远离止点时速度较高，而在每冲程后期靠近止点时速度较低)，此时活塞组件速度迅速升高，在较短时间内达到最大值。由于此时活塞6与进气门垫片5之间相对高速运动，进气门阻尼12的阻尼力大于进气门4(进气门相对活塞组件质量非常小)惯性力与进气门弹簧11弹力之和，从而带动进气门垫片5与气缸4底部分离，同时保持进气门4处于开启状态。在活塞6速度达到峰值后，随着活塞6与进气门垫片5的相对速度减小，进气门阻尼12阻尼力快速下降，小于进气门弹簧11的弹力，进气门4在进气门弹簧11作用下关闭。进气门阻尼12阻尼系数越大，进气门弹簧11带动进气门4关闭时需克服的阻尼力越大，进气门4关闭时刻越晚。随后排气门3在排气门控制器1控制控制下关闭，换气过程结束。左侧自由活塞发动机换气过程中进气门4关闭位置相对于开启位置更靠近上止点，导致膨胀行程较压缩行程长，进而实现了膨胀比大于压缩比。

左侧自由活塞发动机活塞6由下止点向上止点运动的过程中，由于压气室容积不断增大，当压气室气体压力低于大气压力时，单向进气阀7打开，新鲜空气被吸入压气室。当活塞6到达上止点时已有足够的新鲜空气储备在了压气室。左侧自由活塞发动机一个工作循环结束。

右侧自由活塞发动机与左侧自由活塞发动机工作过程相同(左侧自由活塞发动机上止点对应右侧自由活塞发动机下止点)。

系统工作时左右两侧自由活塞发动机交替爆发，爆发压力推动活塞组件轴向往复运动，发电机次级9与固定的发电机初级10相对运动，切割直线发电机内部磁感线，输出电能。

Claims (3)

1.一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，主要包括：自由活塞发动机、直线发电机、连接杆(8)；

自由活塞发动机包括：排气门控制器(1)、喷油器(2)、排气门(3)、进气门(4)、进气门垫片(5)、活塞(6)、单向进气阀(7)、进气门弹簧(11)、进气门阻尼(12)、气缸(13)；

直线发电机包括：发电机次级(9)、发电机初级(10)；

活塞(6)开设有多个进气道；

气缸(13)顶部中心处布置有喷油器(2)，周围开设有多个排气道，排气门(3)安装于排气道上，活塞(6)安装在气缸(13)内部，并保证工作时活塞(6)一直处于气缸(13)内部。活塞(6)侧向表面与气缸(13)内侧表面通过活塞环形成密封配合。气缸(13)内侧表面与活塞(6)顶面围成的空间为燃烧室。

气缸(13)内侧表面与活塞(6)背面围成的空间为压气室；气缸(4)开设有进气口，进气口内安装有单向进气阀(7)，行程范围内进气口始终暴露于压气室。气缸(13)底部中心处开设有一个通孔，连接杆(8)穿过通孔并保证与气缸同轴。

发电机初级(10)内布置有发电机次级(9)，发电机初级(10)与发电机次级(9)在轴向上可以相对运动；两侧活塞(6)与发电机次级(9)通过连接杆(8)刚性连接在一起，形成一个活塞组件，可轴向往复运动；发电机初级(10)与气缸(13)相对固定。

2.如权利要求1所述的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，其特征在于：活塞(6)开设有多个进气道，每个进气道上安装有进气门(4)，进气门(4)与进气门垫片(5)刚性连接，进气门垫片(5)与活塞(6)之间装有进气门弹簧(11)与进气门阻尼(12)。活塞(6)靠近下止点时进气门垫片(5)与气缸(13)相接触，可通过调整进气门垫片(5)与气缸(13)底部相对位置确定进气门(4)开启时刻。

3.如权利要求1或2所述的一种二冲程高膨胀比自由活塞内燃发电机，通过调整进气门阻尼(12)阻尼系数确定进气门(4)关闭时刻，进气门阻尼(12)阻尼系数越大，进气门弹簧(11)带动进气门(4)关闭时需克服的阻尼力越大，进气门(4)关闭时刻越晚。

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