CN112682170B - 一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能源动力机械工程装置，具体涉及一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机，属于能源动力领域。本发明的目的就是为了解决传统增程式内燃机能量转化效率低、二冲程自由活塞发电机排放高、已有四冲程自由活塞发电机侧向力突出的问题。本发明的自由活塞发电机使用四冲程的运行方式，进排气过程明显优于二冲程，可以高效地进行进排气，提高燃效效果，有效降低气体污染物的排放；还兼具了自由活塞发电机直线运动的特性，减少了曲轴等运动部件，有效的提高了内燃机的机械效率和功重比；由于运动部件上的四个活塞同轴布置，有效避免了侧向力的产生。

Description

一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机

技术领域

本发明涉及一种能源动力机械工程装置，具体涉及一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机，属于能源动力领域。

背景技术

随着电动车技术的不断发展，增程式电动车技术飞速进步，市场上已出现量产的增程式电动车。增程式电动汽车只有电机驱动一种方式，但是可以通过直接插电的方式充电，也可以使用内燃式增程器发电驱动电机，并将多产生的电能进行存储。已量产的增程式电动车增程器排量虽然不同，但均使用传统的内燃机作为动力源进行能量转换。增程式电动车电池模组小，纯电运行里程短，大部分运行时间需要启动内燃机式增程器，油耗并没有明显改善。而自由活塞发电机因较高的功重比和机械效率，在增程式电动车的应用上具有很大的潜力。

目前，大多数自由活塞发动机采用二冲程燃烧过程，虽然提高了功重比，但是燃烧效果差，CO、HC等气体污染物的排放量明显增加。有一少部分自由活塞发动机使用四冲程燃烧过程，但是活动部件不唯一，会导致额外的侧向力，控制难度高，难以实现稳定运行；还有一部分自由活塞发电机采用每侧两缸并列布局的方式，左右两侧共四个气缸，实现四冲程燃烧过程，这种结构也会在运动部件上产生侧向力，增大运动部件运行时的摩擦，影响机械效率和运动件使用寿命。故避免四冲程自由活塞发电机运行时不必要的侧向力，有效降低自由活塞发电机排放是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决传统增程式内燃机能量转化效率低、二冲程自由活塞发电机排放高、四冲程自由活塞发电机侧向力突出的问题，提出一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机。该自由活塞发电机使用四冲程的运行方式，进排气过程明显优于二冲程，可以高效地进行进排气，提高燃效效果，有效降低气体污染物的排放；还兼具了自由活塞发电机直线运动的特性，减少了曲轴等运动部件，有效的提高了内燃机的机械效率和功重比；由于运动部件上的四个活塞同轴布置，有效避免了侧向力的产生。

本发明的目的通过下述技术方案实现。

一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机，在同一轴线上安装四个气缸，通过安装环、连接杆、安装柱将四个气缸缸体固定连接，在同轴安装的同时保证四个气缸具有相同的运动特性。

在运动部件上安装发电机的动子，在固定部件上安装发电机的定子。在运动部件的圆柱面部分设计有8个开窗，保证固定部件通过开窗将四个缸体进行固定连接，同时通过开窗进行四个气缸的控制和进换气。

本发明中的四个气缸缸体通过固定部件同轴连接，四个活塞通过移动部件同轴连接，保证四个气缸的运动均发生在同一轴线上，有效避免了侧向力的产生。

本发明的四个活塞在运行时，按照第一活塞-第四活塞-第二活塞-第三活塞-第一活塞-第四活塞的顺序循环，依次进行燃烧。因为采用同轴的布局方式将四个活塞两两对称安装，所以在运行时，同侧的两个活塞同时运动到上止点，另外一侧的两个活塞则同时运动到下止点。

本发明中第一、第二气缸的燃烧室位于气缸的左侧，第三、第四气缸的燃烧室位于气缸的右侧。安装有四个活塞的运动部件每往复运动一次，每一个气缸都会经历二个冲程。所以每往复运动两次即可实现每个气缸的四个冲程。因为按照第一活塞-第四活塞-第二活塞-第三活塞的顺序循环做功，此自由活塞发电机在往复循环的四个冲程中均有动力，保证此自由活塞发电机四冲程的顺利运行。

当按照第一活塞-第四活塞-第二活塞-第三活塞或第二活塞-第三活塞-第一活塞-第四活塞顺序燃烧，在第一个冲程开始时，第一、二气缸的活塞同时运动到上止点，而第三、四气缸同时运动到下止点。

当按照第四活塞-第二活塞-第三活塞-第一活塞或第三活塞-第一活塞-第四活塞-第二活塞顺序燃烧，在第一个冲程开始时，第一、二气缸的活塞同时运动到下止点，而第三、四气缸同时运动到上止点。

有益效果

1、本发明的一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机，将自由活塞发动机调整为四冲程后，在相同运行速度下，进、排气冲程的时间增长为原来的2倍左右，进、排气更充分。四冲程的使用避免了二冲程进气和压缩在同一冲程完成的情况，不会因为压缩导致进气效率降低。四冲程的使用还避免了二冲程燃烧和排气在同一冲程完成的情况，不会出现燃料还未完全燃烧便随废气排出的情况。所以本发明设计的四冲程自由活塞相比于现有的二冲程自由活塞，可以提高进排气效率，降低HC、CO等污染物的排放。也避免了燃料燃烧不充分导致的燃油消耗率高但燃烧效率低的问题。

2、本发明的一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机，在采用四冲程运行方式的同时，没有曲轴等传统内燃机的运动部件，发电机的动子与活塞一起固连在运动部件上，通过往复运动直接产生电能，减少了曲轴上的功率损失。

3、本发明中的四个气缸在同一轴线上运行，并且具有相同的运动特性，有效避免了侧向力的产生。

附图说明

图1为同轴四缸四冲程自由活塞发电机整体图；

图2为运动部件透视图；

图3为固定部件透视图；

图4为同轴四缸四冲程自由活塞发电机整体透视图；

图5为运动部件剖视图；

图6为固定部件剖视图；

图7为同轴四缸四冲程自由活塞发电机整体剖视图；

图8为同轴四缸四冲程自由活塞发电机截面剖视图；

图9为简化后的第一、第二气缸上止点时的透视图；

图10为简化后的第三、第四气缸上止点时的透视图。

其中，1—第一活塞、2—运动部件开窗、3—第二活塞、4—动子、5—第三活塞、6—第四活塞、7—安装环、8—连接杆、9—进气管、10—油管、11—定子、12—安装柱、13—第一气缸、14—水管、15—排气管、16—第二气缸、17—第三气缸、18—第四气缸。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1。

如图1-9所示，一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机，其特征在于：内燃机部分的四个气缸同轴安装，没有曲轴等传统内燃机运动部件，在往复运动的同时采用四冲程的燃烧方式。

首先如图1所示，本发明的四缸四冲程自由活塞发电机必须水平安装，避免四个气缸内产生不同的重力作用。

如图2所示，活动部件内部的两个活塞为第二活塞3和第三活塞5，每个活塞周围的圆形壁面上面开有四个开窗，用于进行第二、三活塞的进排气、供油、冷却和控制等。通过图2还可以看出，第一、二活塞和第三、四活塞是对称安装的，，这种安装方式可以保证第一、二气缸做功时对于运动部件的推动力向右，第三、四气缸做功时对于运动部件的推动力向左，保证本专利四缸四冲程的实现。

在图2所示的运动部件上还安装有发电机的动子4，随固定于运动部件上的四个活塞一起运动，具有相同的运动特性，与图3中的定子11一同作用，进行发电。

如图3所示，为本专利的固定部件。可以看出，在最左端的第一气缸13和第四气缸18通过安装环7和连接杆8与固定部件固定连接。而位于固定部件内部的第二气缸16和第三气缸17则是通过安装柱12和进气管9、排气管15、水管14、油管10的外壳进行连接。

因为图3中的第一气缸13和第四气缸18安装在固定部件的外部，所以进气管、排气管、水管和油管等线路可以直接进行布置安装，而第二气缸16和第三气缸17由于安装在固定部件的内部，所以要通过进气管9、排气管15、水管14、油管10进行第二气缸16和第三气缸17的供给。

图4则是将图2的运动部件与图3的固定部件安装到一起后的透视图，可以看到，进气管9、排气管15、水管14、油管10和安装柱12均穿插在运动部件开窗2内，保证四缸四冲程发电机顺利运行的同时，运动部件与固定部件间不发生干涉。此结构摒弃了传统内燃机的曲轴等运动部件，减少了不必要的动力损失和摩擦损失，降低了额外的功率损失。同时，固定在运动部件上的动子4随运动部件进行直线运动，与固定部件上的定子11直接作用产生电能，减少了动力传递过程，提高了机械效率。

图5为运动部件的剖视图，可以更直观的看到运动部件各部分间如何进行固定连接，尤其是说明了第一活塞1、第二活塞3、第三活塞5、第四活塞6之间的相互连接关系。

图6为固定部件的剖视图，可以直观的看到第一气缸13和第四气缸18如何通过安装环7和连接杆8与固定部件连接，也可以看到第二气缸16和第三气缸17如何通过安装柱12和进气管9、排气管15、水管14、油管10的外壳进行连接。

图7则是将运动部件、固定部件和底座安装到一起后的剖视图，可以看到定子11和动子4之间的相对位置，也可以看到安装柱12和进气管9、排气管15、水管14、油管10如何在运动部件开窗2内分布的，保证运动部件在运动时不与固定部件见发生干涉。

图8则是将运动部件、固定部件和底座安装到一起后的某截面剖视图，右斜线部分表示固定部件，可以看到固定部件的安装柱12和进气管9、排气管15、水管14、油管10与内部的运动部件并未发生干涉，可以保证此四缸四冲程发电机的顺利运行。

进气管9和排气管15的安装必须是对称的，因为气缸的进、排气门对称分布于气缸盖的两侧。

图9为简化后运动部件与固定部件的安装透视图，可以更直观的说明本专利的四缸四冲程自由活塞发电机运行过程。图9表示第一气缸13和第二气缸16同时到达上止点，第三气缸17和第四气缸18同时到达下止点。因为本专利使用四冲程的运行方式，所以当活塞到达上止点时，可以是压缩冲程结束、做功冲程开始，也可以是排气冲程结束、进气冲程开始。根据上述分析，此时可以有两种情况，可以是第一气缸13开始做功冲程、第二气缸16开始进气冲程，也可以是第一气缸13开始进气冲程、第二气缸16开始做功冲程。同样的，右侧的第三气缸17和第四气缸18同时到达下止点。必然有一个气缸结束进气冲程、开始压缩冲程，另一个气缸结束做功冲程、开始排气冲程。

因为本专利的四缸四冲程自由活塞发电机采用第一活塞1-第四活塞6-第二活塞3-第三活塞5的运行方式不断循环，所以在图9所示的位置有两种运行情况。一种是第一气缸13内开始做功冲程，第二气缸16内开始进气冲程，第三气缸17内开始排气冲程，第四气缸18内开始压缩冲程；另一种是第一气缸13内开始进气冲程，第二气缸16内开始做功冲程，第三气缸17内开始压缩冲程，第四气缸18内开始排气冲程。

每两次往复运动组成一次四冲程运行过程，在相同运行速度下，进、排气冲程的时间增长为原来的2倍左右，进、排气更加充分。四冲程的使用避免了二冲程进气和压缩在同一冲程完成的情况，不会因为压缩导致进气效率降低。四冲程的使用还避免了二冲程燃烧和排气在同一冲程完成的情况，不会出现燃料还未完全燃烧便随废气排出的情况。所以本发明设计的四冲程自由活塞相比于现有的二冲程自由活塞，可以提高进排气效率，降低HC、CO等污染物的排放。也避免了燃料燃烧不充分导致的燃油消耗率高但燃烧效率低的问题。

实施例2

装置同实施例1，不同之处在于为了说明此同轴四缸四冲程发电机的另一运行过程，具体如图10所示。

图10为简化后运动部件与固定部件的安装透视图，表示第三气缸17和第四气缸18同时到达上止点，第一气缸13和第二气缸16同时到达下止点。

本专利使用四冲程的运行方式，当活塞到达上止点时，可以是压缩冲程结束、做功冲程开始，也可以是排气冲程结束、进气冲程开始。所以此时可以有两种情况，可以是第三气缸17开始做功冲程、第四气缸18开始进气冲程，也可以是第三气缸17开始进气冲程、第四气缸18开始做功冲程。同样的，左侧的第一气缸13和第二气缸16同时到达下止点。必然有一个气缸结束进气冲程、开始压缩冲程，另一个气缸结束做功冲程、开始排气冲程。

本专利的四缸四冲程自由活塞发电机采用第一活塞1-第四活塞6-第二活塞3-第三活塞5的运行方式不断循环，所以在图10所示的位置有两种运行情况。一种是第三气缸17内开始做功冲程，第四气缸18内开始进气冲程，第一气缸13内开始压缩冲程，第二气缸16内开始排气冲程；另一种是第三气缸17内开始进气冲程，第四气缸18内开始做功冲程，第一气缸13内开始排气冲程，第二气缸16内开始压缩冲程。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种同轴四缸四冲程自由活塞发电机，其特征在于：在同一轴线上安装四个气缸，四个气缸固定连接，四个活塞固定连接，确保四个活塞具有相同的运动特性；在运动部件上安装发电机的动子，在固定部件上安装发电机的定子；在运动部件的圆柱面部分设计有八个开窗，运动部件内部的两个活塞为第二活塞和第三活塞，第二活塞和第三活塞周围的圆形壁面上面各开有四个开窗，进气管、排气管、水管、油管和安装柱均穿插在运动部件开窗内，保证四缸四冲程自由活塞发电机顺利运行的同时，运动部件与固定部件间不发生干涉，位于固定部件内部的第二气缸和第三气缸是通过安装柱、进气管、排气管、水管、油管与固定部件进行连接，进气管和排气管的安装是对称的，第一气缸和第四气缸通过安装环和连接杆与固定部件固定连接，第一气缸和第四气缸安装在固定部件的外部，进气管、排气管、水管和油管直接进行布置安装，第二气缸和第三气缸安装在固定部件的内部，要通过穿插在运动部件开窗内的进气管、排气管、水管、油管进行第二气缸和第三气缸的供给；

四个气缸通过固定部件同轴连接，四个活塞通过运动部件同轴连接，保证四个活塞的运动均发生在同一轴线上，有效避免了侧向力的产生；

采用同轴的布局方式将四个活塞两两对称安装，所以在运行时，当同侧的两个活塞同时运动到上止点时，另一侧的两个活塞同时运动到下止点；

安装有四个活塞的运动部件往复运动一次，每个气缸会经历二个冲程；往复运动两次可实现单个气缸的四冲程运行；因为四个气缸依次循环做功，故自由活塞发电机在往复循环过程中均有动力输出，保证此自由活塞发电机的顺利运行。

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