CN113047952A - 一种六缸对置式自由活塞内燃发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种六缸对置式自由活塞内燃发电机，该发电机包括两套自由活塞内燃机组、一套对置活塞内燃机组和两套直线发电机组，进入缸内的空气先在自由活塞内燃机组和对置活塞内燃机组中的低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸组中进行第二阶段压缩，燃烧后的工质先在高压气缸组中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸组中进行第二阶段膨胀。解决了如何提高对置式自由活塞发电机的发电效率并提高装置的可靠性的技术问题，提出一种六缸对置式自由活塞内燃发电机，使用背置式自由活塞发电机代替对置式自由活塞发电机中的回复装置，提高了装置的可靠性和发电效率。

Description

一种六缸对置式自由活塞内燃发电机
技术领域
本发明涉及一种六缸对置式自由活塞内燃发电机，属于动力装置技术领域。
背景技术
随着社会的不断发展，人们对能源的需求日益增多，能源问题已经成为制约各行各业进一步发展的主要问题。在各种形式的能源中，电能是被使用最为广泛的能源之一，而电能在车辆、船舶等行业中又是主要由柴油机进行提供的。
在传统的柴油机发电过程中，能源的传递形式先是由燃料的化学能经过柴油机燃烧转变成曲轴输出的机械能，然后再由这部分机械能带动电机进行发电，转变成电能。整个能源的转换过程经过了较多的步骤，同时伴随着柴油机复杂的机械结构损失掉很大一部分，因此整体发电效率较低。
自由活塞发电机耦合了自由活塞发电机与直线电机的工作特点，能够把燃料的化学能直接转化成电能的形式，相比于传统的内燃机发电过程具有更高的发电效率与经济性能，但目前的背置式自由活塞发电机需要用两对气缸才能带动一组发电机的励磁线圈，功率密度较小。而对置式自由活塞发电机虽然功率密度大，但回复装置降低了装置的可靠性，增加了内燃发电机的故障率，难以推广普及。
发明内容
本发明为了解决如何提高对置式自由活塞发电机的发电效率并提高装置的可靠性的技术问题，提出一种六缸对置式自由活塞内燃发电机，使用背置式自由活塞发电机代替对置式自由活塞发电机中的回复装置，提高了装置的可靠性和发电效率。
本发明提出一种六缸对置式自由活塞内燃发电机，包括两套自由活塞内燃机组、一套对置活塞内燃机组和两套直线发电机组，所述对置活塞内燃机组的两侧分别连接两套直线发电机组，每套对置活塞内燃机组与一套自由活塞内燃机组连接，
所述直线电机组包括定子线圈、电机壳体、发电机动子、动子芯轴和弹簧，所述定子线圈固定在电机壳体内部，所述发电机动子固定在动子芯轴上，随着两侧的自由活塞内燃机组和对置活塞内燃机组带动动子芯轴运动，所述发电机动子切割定子线圈产生的磁感线，进行发电；所述弹簧布置在发电机动子与电机壳体之间，对动子芯轴的运动进行限位；
两套自由活塞内燃机组和一套对置活塞内燃机组均包括低压气缸组、高压气缸组、中冷器和废气连通管；所述低压气缸组和高压气缸组间连有中冷器和废气连通管，进入缸内的空气先在自由活塞内燃机组和对置活塞内燃机组中的低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸组中进行第二阶段压缩，燃烧后的工质先在高压气缸组中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸组中进行第二阶段膨胀。
优选地，所述对置活塞内燃机组中设置有两个对置活塞，所述自由活塞内燃机组中设置有一个活塞，对置活塞内燃机组中的两个对置活塞分别与两个自由活塞内燃机组的活塞相连，共用一根刚性连杆，所述直线发电机组的发电机动子固定于上述刚性连杆上，随连杆往复运动。
优选地，两套对置活塞内燃机组的两对置活塞的相位由同步机构所实现。
优选地，所述低压气缸组包括低压进气阀、低压排气阀、低压气缸、低压活塞、空气出口阀和废气进气口；所述低压进气阀、低压排气阀、空气出口阀、废气进气口布置在低压气缸的顶部，空气从所述低压进气阀进入低压气缸，在所述低压活塞的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从所述空气出口阀进入中冷器冷却。
优选地，空气从所述低压进气阀进入低压气缸，在所述低压活塞的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从所述空气出口阀进入中冷器冷却，中冷器中的压缩空气通过所述高压进气阀进入高压气缸，在高压活塞作用下进行第二阶段压缩，压缩过程完成后所述喷油器喷入燃油，高压气缸中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀流出至废气连通管，再通过废气进气口流入到低压气缸中推动低压活塞进行第二阶段膨胀，最终完全膨胀后的燃气通过低压排气阀排出到外界环境中。
优选地，所述低压活塞连接有曲柄连杆机构，其中三个低压气缸的曲柄连杆机构连接在同一根曲轴上，交互带动曲轴旋转。
优选地，所述高压气缸组包括高压进气阀、高压排气阀、高压气缸、高压活塞和喷油器；所述高压进气阀、喷油器与高压排气阀布置在高压气缸上，所述高压活塞与直线电机组中的动子芯轴相连。
优选地，所述中冷器中的压缩空气通过所述高压进气阀进入高压气缸，在高压活塞作用下进行第二阶段压缩，压缩过程完成后所述喷油器喷入燃油，高压气缸中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀流出至废气连通管，再通过废气进气口流入到低压气缸中推动低压活塞进行第二阶段膨胀，最终完全膨胀后的燃气通过低压排气阀排出到外界环境中。
优选地，所述低压活塞与高压活塞上均设置有活塞环，提高缸内润滑效果，防止空气与燃气泄漏。
优选地，所述低压气缸的行程与高压气缸相同，低压气缸的缸径与体积大于高压气缸的缸径与体积，所述低压气缸与高压气缸的气缸盖上装有监测缸内工作状态的温度传感器和压力传感器，所述高压气缸采用压燃式方法，在喷油后使混合气自燃。
本发明所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机的有益效果为：
1、本发明中的自由活塞发动机组和对置活塞发动机组，进入缸内的空气先在内燃机组中的低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸中进行第二阶段压缩，有效地提高了内燃机的进气压力，有利于提高工作过程平均有效压力，从而提高自由活塞发电机的热效率与发电效率。
2、燃烧后的工质先在高压气缸中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸中进行第二阶段膨胀，有效地提高了废气中的能量利用率，增加了膨胀功，有利于进一步提高自由活塞发电机的热效率和发电效率。
3、本发明中的自由活塞发电机，处于高温环境，负责燃烧的高压气缸体积与表面积较小，能够降低工作过程的传热损失，提高能量利用率。
4、本发明所述的一种六缸对置式自由活塞内燃发电机，提高了对置式自由活塞发电机的发电效率，并使用背置式自由活塞发电机代替对置式自由活塞发电机中的回复装置，提高了装置的可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种六缸对置式自由活塞内燃发电机的结构示意图；
附图标记：1-定子线圈；2-电机壳体；3-发电机动子；4-动子芯轴；5-弹簧；6-低压进气阀；7-低压排气阀；8-低压气缸；9-低压活塞；10-空气出口阀；11-废气进气口；12-中冷器；13-高压进气阀；14-高压气缸；15-高压活塞；16-喷油器；17-高压排气阀；18-废气连通管；19-低压气缸连杆；20-低压气缸曲柄；21-低压气缸组曲轴；23-同步机构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，可以理解的是，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅展示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在限制本发明。
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，包括两套自由活塞内燃机组、一套对置活塞内燃机组和两套直线发电机组，所述对置活塞内燃机组的两侧分别连接两套直线发电机组，每套对置活塞内燃机组与一套自由活塞内燃机组连接，
所述直线电机组包括定子线圈1、电机壳体2、发电机动子3、动子芯轴4和弹簧5，所述定子线圈1固定在电机壳体2内部，所述发电机动子3固定在动子芯轴4上，随着两侧的自由活塞内燃机组和对置活塞内燃机组带动动子芯轴4运动，所述发电机动子3切割定子线圈1产生的磁感线，进行发电；所述弹簧5布置在发电机动子3与电机壳体2之间，对动子芯轴4的运动进行限位；
两套自由活塞内燃机组和一套对置活塞内燃机组均包括低压气缸组、高压气缸组、中冷器12和废气连通管18；所述低压气缸组和高压气缸组间连有中冷器12和废气连通管18，进入缸内的空气先在自由活塞内燃机组和对置活塞内燃机组中的低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸组中进行第二阶段压缩，燃烧后的工质先在高压气缸组中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸组中进行第二阶段膨胀。
所述对置活塞内燃机组内的高压气缸组中的高压活塞15设置有两个，使高压气缸14容积效率得以提高。
进入缸内的空气先在内燃机组中的低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸中进行第二阶段压缩，有效地提高了内燃机的进气压力，有利于提高工作过程平均有效压力，从而提高自由活塞发电机的热效率与发电效率。燃烧后的工质先在高压气缸中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸中进行第二阶段膨胀，有效地提高了废气中的能量利用率，增加了膨胀功，有利于进一步提高自由活塞发电机的热效率和发电效率。
所述对置活塞内燃机组中设置有两个对置活塞，所述自由活塞内燃机组中设置有一个活塞，对置活塞内燃机组中的两个对置活塞分别与两个自由活塞内燃机组的活塞相连，共用一根刚性连杆，所述直线发电机组的发电机动子3固定于上述刚性连杆上，随连杆往复运动。所述直线发电机组的发电部分主要包括永磁体和励磁线圈，所述永磁体作为发电机动子3，固定于上述刚性连杆上，随连杆往复运动，励磁线圈作为定子，套在永磁体外围并保持固定。
两套对置活塞内燃机组的两对置活塞的相位由同步机构23所实现。
所述低压气缸组包括低压进气阀6、低压排气阀7、低压气缸8、低压活塞9、空气出口阀10和废气进气口11；所述低压进气阀6、低压排气阀7、空气出口阀10、废气进气口11布置在低压气缸8的顶部，空气从所述低压排气阀7进入低压气缸，在所述低压活塞9的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从所述空气出口阀10进入中冷器12冷却。
空气从所述低压进气阀6进入低压气缸8，在所述低压活塞9的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从所述空气出口阀10进入中冷器12冷却，中冷器12中的压缩空气通过所述高压进气阀13进入高压气缸14，在高压活塞15作用下进行第二阶段压缩，压缩过程完成后所述喷油器16喷入燃油，高压气缸14中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞15进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀17流出至废气连通管18，再通过废气进气口11流入到低压气缸8中推动低压活塞9进行第二阶段膨胀，最终完全膨胀后的燃气通过低压排气阀7排出到外界环境中。
所述低压活塞9连接有曲柄连杆机构，其中三个低压气缸8的曲柄连杆机构连接在同一根低压气缸组曲轴21上，交互带动曲轴旋转。所述曲柄连杆机构包括低压气缸连杆19与低压气缸曲柄20，所述低压气缸连杆19与低压气缸曲柄20连接。
所述高压气缸组包括高压进气阀13、高压排气阀17、高压气缸14、高压活塞15和喷油器16；所述高压进气阀13、喷油器16与高压排气阀17布置在高压气缸14上，所述高压活塞15与直线电机组中的动子芯轴4相连。
所述中冷器12中的压缩空气通过所述高压进气阀13进入高压气缸14，在高压活塞15作用下进行第二阶段压缩，压缩过程完成后所述喷油器16喷入燃油，高压气缸14中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞15进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀13流出至废气连通管18，再通过废气进气口11流入到低压气缸8中推动低压活塞9进行第二阶段膨胀，最终完全膨胀后的燃气通过低压排气阀7排出到外界环境中。
所述低压活塞9与高压活塞15上均设置有活塞环，提高缸内润滑效果，防止空气与燃气泄漏。所述活塞环类似一环形金属薄片，是通用技术。
所述低压气缸8的行程与高压气缸14相同，低压气缸8的缸径与体积大于高压气缸14的缸径与体积，自由活塞发电机，处于高温环境，负责燃烧的高压气缸体积与表面积较小，能够降低工作过程的传热损失，提高能量利用率。
所述低压气缸8与高压气缸14的气缸盖上装有监测缸内工作状态的温度传感器和压力传感器，所述高压气缸14采用压燃式方法，在喷油后使混合气自燃。
本发明提高了对置式自由活塞发电机的发电效率，并使用背置式自由活塞发电机代替对置式自由活塞发电机中的回复装置，提高了装置的可靠性。这里需要说明的是常规的对置式自由活塞发电机中的回复装置，用来对活塞进行限位和回弹。为了保证回复装置适应活塞运行的强大冲击力，需要回复装置有较高的可靠性，为了保证回弹过程中的运行速度和相位稳定，回复装置需要设计的较为复杂，复杂的装置造成了摩擦等损耗的增加，降低了发电效率。装置越复杂，损坏的几率越大，维修保养越方便，因此复杂的装置降低了装置的可靠性。
而本发明将回复装置更改为自由活塞发动机，增加了功率输出，并避免了使用回复装置可能造成的不稳定运行，提高了装置的可靠性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，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 (10)

1.一种六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，包括两套自由活塞内燃机组、一套对置活塞内燃机组和两套直线发电机组，所述对置活塞内燃机组的两侧分别连接两套直线发电机组，每套对置活塞内燃机组与一套自由活塞内燃机组连接，
所述直线电机组包括定子线圈(1)、电机壳体(2)、发电机动子(3)、动子芯轴(4)和弹簧(5)，所述定子线圈(1)固定在电机壳体(2)内部，所述发电机动子(3)固定在动子芯轴(4)上，随着两侧的自由活塞内燃机组和对置活塞内燃机组带动动子芯轴(4)运动，所述发电机动子(3)切割定子线圈(1)产生的磁感线，进行发电；所述弹簧(5)布置在发电机动子(3)与电机壳体(2)之间，对动子芯轴(4)的运动进行限位；
两套自由活塞内燃机组和一套对置活塞内燃机组均包括低压气缸组、高压气缸组、中冷器(12)和废气连通管(18)；所述低压气缸组和高压气缸组间连有中冷器(12)和废气连通管(18)，进入缸内的空气先在自由活塞内燃机组和对置活塞内燃机组中的低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸组中进行第二阶段压缩，燃烧后的工质先在高压气缸组中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸组中进行第二阶段膨胀。
2.根据权利要求1所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，所述对置活塞内燃机组中设置有两个对置活塞，所述自由活塞内燃机组中设置有一个活塞，对置活塞内燃机组中的两个对置活塞分别与两个自由活塞内燃机组的活塞相连，共用一根刚性连杆，所述直线发电机组的发电机动子(3)固定于上述刚性连杆上，随连杆往复运动。
3.根据权利要求2所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，两套对置活塞内燃机组的两对置活塞的相位由同步机构(23)所实现。
4.根据权利要求1所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，所述低压气缸组包括低压进气阀(6)、低压排气阀(7)、低压气缸(8)、低压活塞(9)、空气出口阀(10)和废气进气口(11)；所述低压进气阀(6)、低压排气阀(7)、空气出口阀(10)、废气进气口(11)布置在低压气缸(8)的顶部，空气从所述低压排气阀(7)进入低压气缸，在所述低压活塞(9)的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从所述空气出口阀(10)进入中冷器(12)冷却。
5.根据权利要求4所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，空气从所述低压进气阀(6)进入低压气缸(8)，在所述低压活塞(9)的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从所述空气出口阀(10)进入中冷器(12)冷却，中冷器(12)中的压缩空气通过所述高压进气阀(13)进入高压气缸(14)，在高压活塞(15)作用下进行第二阶段压缩，压缩过程完成后所述喷油器(16)喷入燃油，高压气缸(14)中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞(15)进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀(17)流出至废气连通管(18)，再通过废气进气口(11)流入到低压气缸(8)中推动低压活塞(9)进行第二阶段膨胀，最终完全膨胀后的燃气通过低压排气阀(7)排出到外界环境中。
6.根据权利要求4所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，所述低压活塞(9)连接有曲柄连杆机构，其中三个低压气缸(8)的曲柄连杆机构连接在同一根低压气缸组曲轴(21)上，交互带动曲轴旋转。
7.根据权利要求4所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，所述高压气缸组包括高压进气阀(13)、高压排气阀(17)、高压气缸(14)、高压活塞(15)和喷油器(16)；所述高压进气阀(13)、喷油器(16)与高压排气阀(17)布置在高压气缸(14)上，所述高压活塞(15)与直线电机组中的动子芯轴(4)相连。
8.根据权利要求7所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，所述中冷器(12)中的压缩空气通过所述高压进气阀(13)进入高压气缸(14)，在高压活塞(15)作用下进行第二阶段压缩，压缩过程完成后所述喷油器(16)喷入燃油，高压气缸(14)中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞(15)进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀13流出至废气连通管(18)，再通过废气进气口(11)流入到低压气缸(8)中推动低压活塞(9)进行第二阶段膨胀，最终完全膨胀后的燃气通过低压排气阀(7)排出到外界环境中。
9.根据权利要求8所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，所述低压活塞(9)与高压活塞(15)上均设置有活塞环，提高缸内润滑效果，防止空气与燃气泄漏。
10.根据权利要求8所述的六缸对置式自由活塞内燃发电机，其特征在于，所述低压气缸(8)的行程与高压气缸(14)相同，低压气缸(8)的缸径与体积大于高压气缸(14)的缸径与体积，所述低压气缸(8)与高压气缸(14)的气缸盖上装有监测缸内工作状态的温度传感器和压力传感器，所述高压气缸(14)采用压燃式方法，在喷油后使混合气自燃。
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