CN116220899A - 双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，包括分置在直线发电机左右两侧的两个燃烧室，以及在左右两侧燃烧室做来回往复运动的活塞动子组件，燃烧室顶部设置有可控电磁排气阀门、电子火花点火器、喷油嘴，燃烧室中部附着相应的散热片，燃烧室底部连接相应的扫气室，直线发电机设置有相应的定子线圈绕组、线性霍尔元件、活塞组件以及附着在活塞组件上的永磁体。一种双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，利用直流扫气技术，提升现有自由活塞内燃直线发电机的扫气质量，改变原有活塞组件的结构，使得系统在运行时，避免了因为外界负载的变化导致活塞撞击燃烧室缸盖或失火情况的发生。

Description

双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机及其工作方法

技术领域

本发明属于新能源混合动力汽车增程器技术领域，具体地说是一种双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机及其工作方法。

背景技术

随着车辆在日常生活中使用的越来越广泛，给能源问题和环境问题带来了巨大的挑战，各国政府都在寻求节能减排的有效策略。对于汽车行业来说，一方面促进了传统内燃机的改进，一方面也促进了新能源汽车的大力发展。在目前的发展过程中，新能源汽车主要分为纯电动汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车三种形式，但是纯电动汽车受到了电池技术和地面充电桩数量的限制，其续航里程较短，燃料电池汽车则受到电化学燃料技术发展而无法大规模应用的限制，而混合动力汽车则可以在一定程度上缓解这些情况。在这种背景下，由于自由活塞内燃直线发电机具有结构紧凑、功率密度高、燃料适应性强、能量利用率高等优点，利用自由活塞内燃直线发电机作为混合动力汽车的增程装置有着较大的应用前景。同时将自由活塞内燃直线发电机进行多缸化、多模块化后，也可以应用在深海探测装置动力源、航空航天研究过程中，其次，将其小型化和便携化后，可以作为某些便携式的军用设备或民用设备的电源。

目前针对自由活塞内燃直线发电机的研究多集中于双活塞式结构的研究，由于自由活塞内燃直线发电机取消了传统内燃机的曲柄连杆机构的限制，活塞组件的运动主要由左右两侧的燃烧室来进行控制。同时双活塞式结构使用的是二冲程循环方式，并没有四冲程循环中单独的进排气过程，多使用横流扫气的方式进行扫气，这种方式下进气口和排气口的关闭均由活塞来决定，在扫气过程中，进气口早于排气口关闭，不仅会产生过后排气现象，同时会在气缸顶部形成扫气死区，产生废气残留现象，其扫气质量较差。此外，自由活塞内燃直线发电机系统在稳定运行过程中，由于外界负载或上止点位置的变化，可能会导致活塞组件撞击缸盖或失火情况的产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机及其工作方法，与直流扫气技术结合，提升了系统的扫气性能，本发明提供了一种新的活塞组件样式，避免了因为外界负载的变化导致活塞撞击燃烧室缸盖或失火情况的发生。

本发明所采用的技术方案是：

一种双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，包括左侧燃烧室、右侧燃烧室、动子活塞组件，所述动子活塞组件位于左侧燃烧室和右侧燃烧室之间，

所述左侧燃烧室缸盖上设置有左侧可控电磁排气阀门、左侧电子火花点火器、左侧喷油嘴，所述右侧燃烧室缸盖上设置有右侧可控电磁排气阀门、右侧电子火花点火器、右侧喷油嘴，左侧燃烧室和右侧燃烧室的外侧周向分别设置有扫气室，两个扫气室之间设置有线圈绕组和线性霍尔元件，所述动子活塞组件外侧包括与线圈绕组相对设置的永磁铁，所述扫气室包括进气口和扫气口，所述动子活塞组件在左侧燃烧室和右侧燃烧室之间运动过程中能够打开和关闭所述扫气口。

进一步地，所述动子活塞组件自一侧燃烧室向另一侧燃烧室运动的过程中，所述一侧的可控电磁排气阀门比所述一侧的扫气口先打开，所述另一侧的可控电磁排气阀门比所述另一侧的扫气口先关闭。

进一步地，所述左侧燃烧室和右侧燃烧室外部均设置有散热片。

进一步地，所述扫气室左右对称设置有六个扫气口。

进一步地，所述线圈绕组绕设于多个定子齿内。

进一步地，所述线性霍尔元件包括两个，均安装于所述定子齿上。

进一步地，两个线性霍尔元件之间的距离为半个极距。

进一步地，所述动子活塞组件包括动子活塞组件本体和位于动子活塞组件本体中部的永磁铁支撑件，所述永磁铁支撑件与动子活塞组件本体之间通过连接件连接，所述连接件位于动子活塞组件本体和永磁铁支撑件之间的中部，所述永磁铁支撑件位于连接件左侧部分与动子活塞组件本体之间形成左侧空间，左侧燃烧室缸盖伸入左侧空间内，所述永磁铁支撑件位于连接件右侧部分与动子活塞组件本体之间形成右侧空间，右侧燃烧室缸盖伸入右侧空间内。

根据上述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机的工作方法，

左侧燃烧室和右侧燃烧室的工作过程分别包括两个行程，第一行程：自上止点运动到下止点，第二行程：自下止点运动到上止点，左侧燃烧室和右侧燃烧室的工作行程相反，具体过程为：

左侧燃烧室内已被压缩完成的可燃混合气，由左侧电子火花点火器进行点火，左侧燃烧室内的可燃混合气被点燃，高温高压作用在动子活塞组件表面，推动动子活塞组件由上止点向下止点进行运动，进入做功冲程，当线性霍尔元件检测反馈的动子活塞组件的位置信息达到预设的左侧可控电磁排气阀开启位置，左侧可控电磁排气阀开启，左侧燃烧室内的废气在内外压力差的作用下优先排出一部分，同时动子活塞组件继续向下止点进行运动，并逐步打开左侧燃烧室缸壁上的扫气口，进入直流扫气过程，气流在进入左侧燃烧室内后螺旋上升，加速推出废气，

当动子活塞组件达到左侧燃烧室下止点处时左侧燃烧室完成第一行程，左侧燃烧室完成第一行程过程中右侧燃烧室执行第二行程，左侧燃烧室完成第一行程后右侧燃烧室进入第一行程同时左侧燃烧室进入第二行程，右侧燃烧室推动动子活塞组件向左侧燃烧室的上止点处运动，当线性霍尔元件检测反馈的动子活塞组件的位置信息达到预设的左侧可控电磁排气阀关闭位置，左侧可控电磁排气阀关闭，但此时扫气口并未被完全关闭，同时动子活塞组件继续向上止点进行运动，扫气口在动子活塞组件的作用下逐渐关闭，当线性霍尔元件检测反馈的动子活塞组件的位置信息达到预设的左侧喷油嘴位置，左侧喷油嘴向左侧燃烧室内进行缸内直喷，使燃料与进入的新鲜空气混合形成可燃混合气，动子活塞组件继续向左侧燃烧室上止点运动，左侧燃烧室进入压缩冲程，当线性霍尔元件检测反馈的动子活塞组件的位置信息达到预设的左侧电子火花点火器点火位置，左侧燃烧室进行点火，点火位置设置在上止点前。

本发明的有益效果是：

(1)本发明双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机装置，具有发电功能，可以满足混合动力汽车增程技术的要求；

(2)在原有双活塞自由活塞内燃直线发电机的基础上改进使用直流扫气，提高扫气效果，促进整体发电效率；

(3)在原有活塞组件的基础上设计新的活塞组件样式，原有活塞组件为光杆式活塞，通过在原有活塞组件上加装承载永磁体的永磁铁支撑件，同时该部分通过具有横截面的连接件与活塞组件本体进行刚性连接，使得横截面的作用在于当其碰到直线发电机部分所设计的缸体后，即可使活塞组件停止运动，可有效避免因外界负载变化导致活塞撞击燃烧室缸盖或失火情况的发生。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机装置的结构示意图。

图2是本发明双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机装置中活塞组件的结构示意图。

图3是本发明双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机装置中燃烧室和扫气室连接示意图。

图4是一侧燃烧室在运行时各组件运行所预设的相应位置示意图。

图5是本发明双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机装置中直流扫气示意图。

图中，1、14.可控电磁排气阀，2、15.电子火花点火器，3、16.喷油嘴，4.散热片，5.扫气室，6.扫气口，7.进气口，8.线圈绕组，9.永磁铁，10.线性霍尔元件，11.定子齿，12.左侧燃烧室，13.右侧燃烧室，17.动子活塞组件，17-1.动子活塞组件本体，17-2.永磁铁支撑件，17-3.连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机装置的结构，如图1所示，包括位于左侧燃烧室12缸盖上的可控电磁排气阀门1、电子火花点火器2、喷油嘴3，位于右侧燃烧室13缸盖上的可控电磁排气阀门14、电子火花点火器15、喷油嘴16，左侧燃烧室12与右侧燃烧室13壳体中部设置有相应的散热片4，下部连接有相应的扫气室5，之间设置有线圈绕组8、附着在动子活塞组件17上的永磁铁9、安装在定子齿11上的线性霍尔元件10，动子活塞组件17在左侧燃烧室12与右侧燃烧室13之间进行来回往复运动；如图2所示，为所设计的动子活塞组件17的结构示意图；如图3所示，为左侧燃烧室12与扫气室5的连接示意图，其通过左右对称的六个扫气口6进行连接，扫气口6设置有一定的倾斜角度，在扫气室5和扫气口6的对称线上设置有一个进气口7。如图4所示，为一侧燃烧室在运行时，各组件运行所预设的相应位置，以左侧燃烧室12为例，TDC为该侧燃烧室上止点，BDC为该侧燃烧室下止点，所述X1为可控电磁排气阀1预设开启位置，X2为扫气口6预设开启位置，X3为可控电磁排气阀1预设关闭位置，X4为扫气口6预设关闭位置及喷油嘴3预设开启位置，X5为喷油嘴3预设关闭位置，X6为电子火花点火器2预设点火位置。

结合图2，所述动子活塞组件17包括动子活塞组件本体17-1和位于动子活塞组件本体17-1中部的永磁铁支撑件17-2，所述永磁铁支撑件17-2与动子活塞组件本体17-2之间通过连接件17-3连接，所述连接件17-3位于动子活塞组件本体17-1和永磁铁支撑件17-2之间的中部，所述永磁铁支撑件17-2位于连接件17-3左侧部分与动子活塞组件本体17-1之间形成左侧空间，左侧燃烧室12缸盖伸入左侧空间内，所述永磁铁支撑件17-2位于连接件17-3右侧部分与动子活塞组件本体17-1之间形成右侧空间，右侧燃烧室13缸盖伸入右侧空间内，在所述连接件17-3的限位下，所述动子活塞组件17在左侧燃烧室12和右侧燃烧室13之间的运动得以限位，可有效避免因外界负载变化导致活塞组件撞击燃烧室缸盖或失火情况的发生。

本发明的工作原理为：当装置在稳定运行时，动子活塞组件17在左侧燃烧室12与右侧燃烧室13的作用下进行来回往复运动，带动附着在动子活塞组件17上的永磁铁9也进行来回往复运动，线圈绕组8不断切割磁力线产生感应电动势。在运行过程中，需要获取动子活塞组件17的实时位移作为反馈变量，以此对可控电磁排气阀1、14的开闭、电子火花点火器2、15、喷油嘴3、16来进行控制，因此可在直线发电机部分的定子齿11上安装两个线性霍尔元件10来进行检测，两个线性霍尔元件10之间的距离为半个极距，当动子活塞组件17在运动时，线性霍尔元件10的输出电压应是按位移变化的正/余弦信号，再对两路信号进行模拟处理，以此来获得动子活塞组件17的实时位移。通过将检测所得的动子活塞组件17的实时位移与预设的可控电磁排气阀1、14关/闭位置、喷油嘴3、16喷油位置、电子火花点火器2、15点火位置进行比较，给予其相应的工作信号。

稳态运行时，可将其分为两个行程，第一行程：上止点→下止点，第二行程：下止点→上止点。以左侧燃烧室12为例，对其工作过程进行说明：

第一行程：上止点→下止点，假设左侧燃烧室12内为已被压缩完成的可燃混合气，由电子火花点火器2进行点火，左侧燃烧室12内的可燃混合气被点燃，高温高压作用在动子活塞组件17表面，推动动子活塞组件17由上止点向下止点进行运动，进入做功冲程，当线性霍尔元件10检测反馈的动子活塞组件17的位置信息达到可控电磁排气阀1预设开启位置X1，可控电磁排气阀1开启，左侧燃烧室12内的废气在内外压力差的作用下优先排出一部分，同时动子活塞组件17继续向下止点进行运动，并逐步到达左侧燃烧室12缸壁上扫气口6预设的开启位置X2，进入直流扫气过程，如图5所示，为直流扫气的示意图，气流在进入燃烧室内后螺旋上升，加速推出废气。

第二行程：下止点→上止点，当动子活塞组件17达到左侧燃烧室12下止点处，由右侧燃烧室13进入第一行程，推动动子活塞组件17向左侧燃烧室12的上止点处进行运动，当线性霍尔元件10检测反馈的动子活塞组件17的位置信息达到预设的可控电磁排气阀1关闭位置X3，可控电磁排气阀1关闭，但此时扫气口6并未被完全关闭，采用可控电磁排气阀1早于扫气口6关闭的方式，可以获得补充进气的效果。同时动子活塞组件17继续向上止点进行运动，当线性霍尔元件10检测反馈的动子活塞组件17的位置信息到达扫气口6预设关闭位置及喷油嘴3预设的开启位置X4，扫气口6也在动子活塞组件17的作用下完全关闭，喷油嘴3向左侧燃烧室12内进行缸内直喷，使燃料与进入的新鲜空气混合形成可燃混合气，当到达喷油嘴3预设的关闭位置X5，喷油嘴3进行关闭。动子活塞组件17继续向左侧燃烧室12上止点运动，左侧燃烧室12进入相应的压缩冲程，当线性霍尔元件10检测反馈的动子活塞组件17的位置信息达到预设的电子火花点火器2点火位置X6，左侧燃烧室12进行点火，点火位置设置在上止点前。

动子活塞组件17在第一行程和第二行程之间进行来回往复直线运动，带动动子活塞组件17上的永磁铁9，线圈绕组8不断切割磁力线，由此产生感应电动势。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，包括左侧燃烧室(12)、右侧燃烧室(13)、动子活塞组件(17)，所述动子活塞组件(17)位于左侧燃烧室(12)和右侧燃烧室(13)之间，其特征在于，

所述左侧燃烧室(12)缸盖上设置有左侧可控电磁排气阀门(1)、左侧电子火花点火器(2)、左侧喷油嘴(3)，所述右侧燃烧室(13)缸盖上设置有右侧可控电磁排气阀门(1)、右侧电子火花点火器(2)、右侧喷油嘴(3)，左侧燃烧室(12)和右侧燃烧室(13)的外侧周向分别设置有扫气室(5)，两个扫气室(5)之间设置有线圈绕组(8)和线性霍尔元件(10)，所述动子活塞组件(17)外侧包括与线圈绕组(8)相对设置的永磁铁(9)，所述扫气室(5)包括进气口(7)和扫气口(6)，所述动子活塞组件(17)在左侧燃烧室(12)和右侧燃烧室(13)之间运动过程中能够打开和关闭所述扫气口(6)。

2.根据权利要求1所述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，其特征在于，所述动子活塞组件(17)自一侧燃烧室向另一侧燃烧室运动的过程中，所述一侧的可控电磁排气阀门比所述一侧的扫气口先打开，所述另一侧的可控电磁排气阀门比所述另一侧的扫气口先关闭。

3.根据权利要求2所述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，其特征在于，所述左侧燃烧室(12)和右侧燃烧室(13)外部均设置有散热片(4)。

4.根据权利要求2所述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，其特征在于，所述扫气室(5)左右对称设置有六个扫气口(6)。

5.根据权利要求2所述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，其特征在于，所述线圈绕组(8)绕设于多个定子齿(11)内。

6.根据权利要求5所述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，其特征在于，所述线性霍尔元件(10)包括两个，均安装于所述定子齿(11)上。

7.根据权利要求6所述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，其特征在于，两个线性霍尔元件(10)之间的距离为半个极距。

8.根据权利要求2-7任一项所述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机，其特征在于，所述动子活塞组件(17)包括动子活塞组件本体(17-1)和位于动子活塞组件本体(17-1)中部的永磁铁支撑件(17-2)，所述永磁铁支撑件(17-2)与动子活塞组件本体(17-2)之间通过连接件(17-3)连接，所述连接件(17-3)位于动子活塞组件本体(17-1)和永磁铁支撑件(17-2)之间的中部，所述永磁铁支撑件(17-2)位于连接件(17-3)左侧部分与动子活塞组件本体(17-1)之间形成左侧空间，左侧燃烧室(12)缸盖伸入左侧空间内，所述永磁铁支撑件(17-2)位于连接件(17-3)右侧部分与动子活塞组件本体(17-1)之间形成右侧空间，右侧燃烧室(13)缸盖伸入右侧空间内。

9.根据权利要求2-8任一项所述的双活塞直流扫气式自由活塞内燃直线发电机的工作方法，其特征在于，

左侧燃烧室(12)和右侧燃烧室(13)的工作过程分别包括两个行程，第一行程：自上止点运动到下止点，第二行程：自下止点运动到上止点，左侧燃烧室(12)和右侧燃烧室(13)的工作行程相反，具体过程为：

左侧燃烧室(12)内已被压缩完成的可燃混合气，由左侧电子火花点火器(2)进行点火，左侧燃烧室(12)内的可燃混合气被点燃，高温高压作用在动子活塞组件(17)表面，推动动子活塞组件(17)由上止点向下止点进行运动，进入做功冲程，当线性霍尔元件(10)检测反馈的动子活塞组件(17)的位置信息达到预设的左侧可控电磁排气阀(1)开启位置，左侧可控电磁排气阀(1)开启，左侧燃烧室(12)内的废气在内外压力差的作用下优先排出一部分，同时动子活塞组件(17)继续向下止点进行运动，并逐步打开左侧燃烧室(12)缸壁上的扫气口(6)，进入直流扫气过程，气流在进入左侧燃烧室(12)内后螺旋上升，加速推出废气，

当动子活塞组件(17)达到左侧燃烧室(12)下止点处时左侧燃烧室(12)完成第一行程，左侧燃烧室(12)完成第一行程过程中右侧燃烧室(13)执行第二行程，左侧燃烧室(12)完成第一行程后右侧燃烧室(13)进入第一行程同时左侧燃烧室(12)进入第二行程，右侧燃烧室(13)推动动子活塞组件(17)向左侧燃烧室(12)的上止点处运动，当线性霍尔元件(10)检测反馈的动子活塞组件(17)的位置信息达到预设的左侧可控电磁排气阀(1)关闭位置，左侧可控电磁排气阀(1)关闭，但此时扫气口(6)并未被完全关闭，同时动子活塞组件(17)继续向上止点进行运动，扫气口(6)在动子活塞组件(17)的作用下逐渐关闭，当线性霍尔元件(10)检测反馈的动子活塞组件(17)的位置信息达到预设的左侧喷油嘴(3)位置，左侧喷油嘴(3)向左侧燃烧室(12)内进行缸内直喷，使燃料与进入的新鲜空气混合形成可燃混合气，动子活塞组件(17)继续向左侧燃烧室(12)上止点运动，左侧燃烧室(12)进入压缩冲程，当线性霍尔元件(10)检测反馈的动子活塞组件(17)的位置信息达到预设的左侧电子火花点火器(2)点火位置，左侧燃烧室(12)进行点火，点火位置设置在上止点前。

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