CN113482771B - 一种分缸式四冲程自由活塞发电机及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分缸式四冲程自由活塞发电机及工作方法，活塞发电机包括直线发电机组及布置在直线发电机组左右两端的两套内燃机组，每套内燃机组均包括高压气缸及低压气缸，在左侧的低压气缸的空气出口阀与右侧的高压气缸的的高压进气阀之间连接设置有一中冷器，在右侧的低压气缸的空气出口阀与左侧的高压气缸的高压进气阀之间也设有一中冷器，在左侧的高压气缸的高压排气阀与右侧的低压气缸的的废气进气口之间连接设置有一废气连通管，在右侧的高压气缸的高压排气阀与左侧的低压气缸的废气进气口之间也设有一废气连通管；两个高压活塞及两个低压活塞一一对应与四个连接轴固接，实现两套内燃机组的同步动作。本发明无结构约束，运动无冲突。
Description
技术领域
本发明属于动力能源技术领域，尤其是涉及一种分缸式四冲程自由活塞发电机及工作方法。
背景技术
现代化社会的高速发展加剧了化石能源的过度消耗，使得发动机行业对热效率指标更加重视。近年来基于分缸式热力循环的内燃机组合设计成为一大焦点，该设计采用两组不同大小的内燃机气缸，其中低压大缸以自然吸气的方式将外界新鲜空气吸入并完成第一段压缩，然后通入中冷器冷却。冷却后的新鲜空气再进入高压小缸，经过二次压缩后与喷入的燃油混合，混合气压燃后膨胀做功带动附属设备。最后燃烧废气再经过废气连通管从高压小缸排入低压大缸，并在后者的排气行程内排到外界。分缸式热力循环内燃机通过两阶段压缩空气，显著提高了充气量，增强了油气混合效果。与此同时，高压小缸单独作功显著减小了燃气的散热损失以及活塞的摩擦损失，使得内燃机热效率大幅提高而燃油消耗率急剧下降，极大改善了内燃机性能。部分学者通过将分缸式热力循环和自由活塞发电机结合提出了新型发电概念，可以完美地将前者的优点嫁接到后者上。
分缸式自由活塞发电机从结构上看属于四缸机，其对各缸工作循环顺序有严格的要求。传统的四缸内燃机通过曲轴的相位设计以及曲柄连杆的刚性连接，使得各缸内活塞按照预先设定的工作循环稳定工作。但分缸式自由活塞发电机取消了曲柄连杆和凸轮机构，高压活塞和低压活塞的运动规律不再受限制。另外由于高压活塞和低压活塞通过发动机动子段刚性连接，两者的运动规律总是相同，没有特定的相位差，因此传统的四缸机工作循环方案已不再适用于分缸式自由活塞发电机，需要结合后者独特的活塞运动规律针对性设计。而目前分缸式四冲程自由活塞发电机尚处于原理概念设计阶段，没有具体的工作循环设计方案来支撑发电机的样机试制。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种分缸式四冲程自由活塞发电机及工作方法，发电机无结构约束，运动无冲突，发电机正常工作。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种分缸式四冲程自由活塞发电机，它包括直线发电机组及布置在直线发电机组左右两端的两套内燃机组，其中所述直线发电机组包括壳体、动子芯轴、定子线圈以及发电机动子，所述动子芯轴活动穿装在壳体上，且所述动子芯轴包括主轴体及两两对称固装在主轴体两端的连接轴，所述定子线圈固装在壳体内且同轴套设在动子芯轴外部，所述发电机动子同轴固装在主轴体上且位于定子线圈与主轴体之间；
每套内燃机组均包括高压气缸及低压气缸，其中所述高压气缸包括高压缸体及高压活塞，高压缸体的封闭端安装有喷油器、高压进气阀及高压排气阀，所述低压气缸包括低压缸体及低压活塞，低压缸体的封闭端安装有低压进气阀、低压排气阀、废气进气口及空气出口阀；
在左侧的低压气缸的空气出口阀与右侧的高压气缸的的高压进气阀之间连接设置有一中冷器，在右侧的低压气缸的空气出口阀与左侧的高压气缸的高压进气阀之间也设有一中冷器，在左侧的高压气缸的高压排气阀与右侧的低压气缸的的废气进气口之间连接设置有一废气连通管，在右侧的高压气缸的高压排气阀与左侧的低压气缸的废气进气口之间也设有一废气连通管；
两个高压活塞及两个低压活塞一一对应与四个连接轴固接，实现两套内燃机组的同步动作。
进一步的，发电机动子的两端与壳体之间分别固装有弹簧。
进一步的，每个高压缸体上安装两个高压进气阀。
进一步的，所述低压气缸与高压气缸的行程相同。
进一步的，高压缸体的体积及内径均小于低压缸体的体积及内径。
进一步的，在高压活塞上及低压活塞上均安装有活塞环。
进一步的，每个高压缸体上安装的两个高压进气阀。
进一步的，高压缸体与低压缸体上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述温度传感器和压力传感器用来测量各个气缸内的温度和压力，所述位移传感器用来测量各个气缸内活塞的位置和运动速度。
进一步的，每个工作循环内活塞往复运动两个周期，每个周期内左右两边的高、低压活塞从其上止点或其下止点运动到各自的下止点或上止点，然后再返回初始的上止点或下止点；在任意时刻，两个高压活塞和两个低压活塞的空间相对位置固定。
一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，具体包括如下步骤：
步骤一，第一个周期内左侧的高、低压活塞从其上止点运动到其下止点，右侧的高、低压活塞则从其下止点运动到其上止点：此时左侧的低压气缸设置为进气行程，左侧的高压气缸设置为作功行程，右侧的低压气缸设置为压缩行程，右侧的高压气缸设置为压缩行程；
步骤二，第一个周期内左侧的高、低压活塞从其下止点运动到其上止点，右侧的高、低压活塞则从其上止点运动到其下止点：此时左侧的低压气缸设置为压缩行程，左侧的高压气缸设置为排气行程，右侧低压气缸设置为膨胀行程，右侧的高压气缸设置为作功行程；
步骤三，第二个周期内左侧的高、低压活塞从其上止点运动到其下止点，右侧的高、低压活塞则从其下止点运动到其上止点：左侧的低压气缸设置为膨胀行程，左侧的高压气缸设置为进气行程，右侧的低压气缸设置为排气行程，右侧的高压气缸设置为排气行程；
步骤四，第二个周期内左侧高、低压活塞从其下止点运动到其上止点，右侧的高、低压活塞则从其上止点运动到其下止点：此时左侧的低压气缸设置为排气行程，左侧的高压气缸设置为压缩行程，右侧的低压气缸设置为进气行程，右侧的高压气缸设置为进气行程；
至此，一种分缸式四冲程自由活塞发电机一个完整的工作循环结束。
相对于现有技术，本发明所述的一种套分缸式四冲程自由活塞发电机及工作方法具有以下优势：
1、本申请的一种分缸式四冲程自由活塞发电机，其高压气缸组与低压气缸组通过固定在相应电机动子上的动子芯轴刚性连接，无需传动装置，减少结构复杂度，大大提高该整机组运行的可靠性与稳定性，最大限度降低安全隐患，降低成本。
2、本申请具备两个气缸同时做功的条件，且将其连在同一根轴上，大大提高了其工作效率。
3、本申请的一种分缸式四冲程自由活塞发电机，具备准确详细的工作循环方案作为支撑，能够保证发电机循环稳定运行，无结构约束，运动无冲突。
4、本申请根据现有的分缸式四冲程自由活塞发电机的概念结构和活塞的运动规律，进一步准确详细地设计了各个气缸的工作循环匹配方案，明确了每个时刻各个气缸对应的行程状态，避免了结构约束和运动冲突引发的发电机工作受阻状况，为分缸式四冲程自由活塞发电机从概念设计到进一步实物搭建及稳定运行提供了极为重要的理论支撑。
附图说明
构成本发明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为本发明实施例所述的一种分缸式四冲程自由活塞发电机的结构示意图。
附图标记说明：
1-定子线圈；2-壳体；3-发电机动子；4-动子芯轴；41-主轴体，42-连接轴，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。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种分缸式四冲程自由活塞发电机，它包括直线发电机组及布置在直线发电机组左右两端的两套内燃机组，其中所述直线发电机组包括壳体2、动子芯轴4、定子线圈1以及发电机动子3，所述动子芯轴3活动穿装在壳体2上，且所述动子芯轴4包括主轴体41及两两对称固装在主轴体41两端的连接轴42，所述定子线圈1固装在壳体2内且同轴套设在动子芯轴4外部，所述发电机动子3同轴固装在主轴体41上且位于定子线圈1与主轴体41之间；
每套内燃机组均包括高压气缸及低压气缸，其中所述高压气缸包括高压缸体14及高压活塞15，高压缸体14的封闭端安装有喷油器16、高压进气阀13及高压排气阀17，所述低压气缸包括低压缸体8及低压活塞9，低压缸体8的封闭端安装有低压进气阀6、低压排气阀7、废气进气口11及空气出口阀10；
在左侧的低压气缸的空气出口阀与右侧的高压气缸的的高压进气阀之间连接设置有一中冷器12，在右侧的低压气缸的空气出口阀与左侧的高压气缸的高压进气阀之间也设有一中冷器，在左侧的高压气缸的高压排气阀与右侧的低压气缸的的废气进气口之间连接设置有一废气连通管18，在右侧的高压气缸的高压排气阀与左侧的低压气缸的废气进气口之间也设有一废气连通管；
两个高压活塞15及两个低压活塞9一一对应与四个连接轴42固接，实现两套内燃机组的同步动作。
高压活塞与低压活塞通过动子芯轴刚性连接，无需传动装置，有效减少结构复杂度。大大提高该整机组运行的可靠性与稳定性，最大限度降低安全隐患，降低成本。
发电机动子3的两端与壳体2之间分别固装有弹簧5。如此设计，通过弹簧5实现对动子芯轴4的运动进行限位。
高压缸体14的体积及内径均小于低压缸体8的体积及内径。本申请的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。
在高压活塞15上及低压活塞9上均安装有活塞环。如此设计，提高缸内润滑效果，防止空气与燃气泄漏。
高压缸体14与低压缸体8上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述温度传感器和压力传感器用来测量各个气缸内的温度和压力，所述位移传感器用来测量各个气缸内活塞的位置和运动速度。如此设计，有效监测缸体内的工作状态和活塞的运动状态。
每个高压缸体14上安装的两个高压进气阀13。如此设计，提高高压缸体14容积效率。
低压气缸与高压气缸的行程相同。每个工作循环内活塞往复运动两个周期，每个周期内左右两边的高、低压活塞从其上止点或其下止点运动到各自的下止点或上止点，然后再返回初始的上止点或下止点；在任意时刻，两个高压活塞和两个低压活塞的空间相对位置固定。
表1一种分缸式四冲程自由活塞发电机工作循环
如表1所示，一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，具体包括如下步骤：
步骤一，第一个周期内左侧的高、低压活塞从其上止点运动到其下止点，右侧的高、低压活塞则从其下止点运动到其上止点：此时左侧的低压气缸设置为进气行程，左侧的高压气缸设置为作功行程，右侧的低压气缸设置为压缩行程，右侧的高压气缸设置为压缩行程；
步骤二，第一个周期内左侧的高、低压活塞从其下止点运动到其上止点，右侧的高、低压活塞则从其上止点运动到其下止点：此时左侧的低压气缸设置为压缩行程，左侧的高压气缸设置为排气行程，右侧低压气缸设置为膨胀行程，右侧的高压气缸设置为作功行程；
步骤三，第二个周期内左侧的高、低压活塞从其上止点运动到其下止点，右侧的高、低压活塞则从其下止点运动到其上止点：左侧的低压气缸设置为膨胀行程，左侧的高压气缸设置为进气行程，右侧的低压气缸设置为排气行程，右侧的高压气缸设置为排气行程；
步骤四，第二个周期内左侧高、低压活塞从其下止点运动到其上止点，右侧的高、低压活塞则从其上止点运动到其下止点：此时左侧的低压气缸设置为排气行程，左侧的高压气缸设置为压缩行程，右侧的低压气缸设置为进气行程，右侧的高压气缸设置为进气行程；
至此，一种分缸式四冲程自由活塞发电机一个完整的工作循环结束。
在各个行程内，内燃机组带动动子芯轴4运动，发电机动子3切割定子线圈1产生的磁感线，进行发电。
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，进一步提高自由活塞发电机的热效率和发电效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，其特征在于：一种分缸式四冲程自由活塞发电机，它包括直线发电机组及布置在直线发电机组左右两端的两套内燃机组，其中所述直线发电机组包括壳体(2)、动子芯轴(4)、定子线圈(1)以及发电机动子(3)，所述动子芯轴(4 )活动穿装在壳体(2)上，且所述动子芯轴(4)包括主轴体(41)及两两对称固装在主轴体(41)两端的连接轴(42)，所述定子线圈(1)固装在壳体(2)内且同轴套设在动子芯轴(4)外部，所述发电机动子(3)同轴固装在主轴体(41)上且位于定子线圈(1)与主轴体(41)之间；
每套内燃机组均包括高压气缸及低压气缸，其中所述高压气缸包括高压缸体(14)及高压活塞(15)，高压缸体(14)的封闭端安装有喷油器(16)、高压进气阀(13)及高压排气阀(17)，所述低压气缸包括低压缸体(8)及低压活塞(9)，低压缸体(8)的封闭端安装有低压进气阀(6)、低压排气阀(7)、废气进气口(11)及空气出口阀(10)；
在左侧的低压气缸的空气出口阀与右侧的高压气缸的高压进气阀之间连接设置有一中冷器(12)，在右侧的低压气缸的空气出口阀与左侧的高压气缸的高压进气阀之间也设有一中冷器，在左侧的高压气缸的高压排气阀与右侧的低压气缸的废气进气口之间连接设置有一废气连通管(18)，在右侧的高压气缸的高压排气阀与左侧的低压气缸的废气进气口之间也设有一废气连通管；
两个高压活塞(15)及两个低压活塞(9)一一对应与四个连接轴(42)固接，实现两套内燃机组的同步动作；
每个工作循环内活塞往复运动两个周期，每个周期内左右两边的高、低压活塞从其上止点或其下止点运动到各自的下止点或上止点，然后再返回初始的上止点或下止点；在任意时刻，两个高压活塞和两个低压活塞的空间相对位置固定；
所述工作方法具体包括如下步骤：
步骤一，第一个周期内左侧的高、低压活塞从其上止点运动到其下止点，右侧的高、低压活塞则从其下止点运动到其上止点：此时左侧的低压气缸设置为进气行程，左侧的高压气缸设置为作功行程，右侧的低压气缸设置为压缩行程，右侧的高压气缸设置为压缩行程；
步骤二，第一个周期内左侧的高、低压活塞从其下止点运动到其上止点，右侧的高、低压活塞则从其上止点运动到其下止点：此时左侧的低压气缸设置为压缩行程，左侧的高压气缸设置为排气行程，右侧低压气缸设置为膨胀行程，右侧的高压气缸设置为作功行程；
步骤三，第二个周期内左侧的高、低压活塞从其上止点运动到其下止点，右侧的高、低压活塞则从其下止点运动到其上止点：左侧的低压气缸设置为膨胀行程，左侧的高压气缸设置为进气行程，右侧的低压气缸设置为排气行程，右侧的高压气缸设置为排气行程；
步骤四，第二个周期内左侧高、低压活塞从其下止点运动到其上止点，右侧的高、低压活塞则从其上止点运动到其下止点：此时左侧的低压气缸设置为排气行程，左侧的高压气缸设置为压缩行程，右侧的低压气缸设置为进气行程，右侧的高压气缸设置为进气行程；
至此，一种分缸式四冲程自由活塞发电机一个完整的工作循环结束。
2.根据权利要求1所述的一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，其特征在于：发电机动子(3)的两端与壳体(2)之间分别固装有弹簧(5)。
3.根据权利要求1所述的一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，其特征在于：低压气缸与高压气缸的行程相同。
4.根据权利要求1所述的一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，其特征在于：高压缸体(14)的体积及内径均小于低压缸体(8)的体积及内径。
5.根据权利要求1所述的一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，其特征在于：在高压活塞(15)上及低压活塞(9)上均安装有活塞环。
6.根据权利要求1所述的一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，其特征在于：高压缸体(14)与低压缸体(8)上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述温度传感器和压力传感器用来测量各个气缸内的温度和压力，所述位移传感器用来测量各个气缸内活塞的位置和运动速度。
7.根据权利要求1所述的一种分缸式四冲程自由活塞发电机的工作方法，其特征在于：每个高压缸体(14)上安装的两个高压进气阀(13)。
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