CN117646674A - 一种二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，包括：缸体、燃烧室、缸盖、电磁排气阀、火花塞、喷油器、电磁排气阀、散热片、扫气阀、活塞、活塞环组、进气止回阀、进气腔、端口、扫气室、连杆、线性位移传感器、端盖、直线轴承、电机外壳、定子槽、线圈绕组、电机动子、空气弹簧。所述空气弹簧布置在电机动子两侧,可有效避免失火情况发生，提高系统稳定性；所述扫气室布置在活塞侧面，无需外部设备可实现气体增压效果；所述扫气阀布置在活塞头部，可大大提升扫气效果。本发明的二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，结构简单，可显著提高自由活塞发电机扫气效果和系统稳定性。

Description

一种二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机

技术领域

本发明属于内燃机发电技术领域，尤其涉及一种二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机。

背景技术

随着经济的快速发展，车辆在日常生活使用的越来越广泛。内燃机是车辆动力的主要来源，在为人类生活水平发展和经济繁荣做出巨大贡献的同时，也给能源利用和环境保护造成了极大的压力。因此，全世界开始大力发展新能源汽车。自由活塞发电机具有高效、高功率密度、多种清洁燃料灵活适应性等特点。自由活塞发动机作为一款全新高效的动力转换装置，有望成为新一代混合动力汽车的辅助动源，具有极大的应用前景。

自由活塞发电机结构上主要由自由活塞内燃机和直线电机两部分组成，其最大的特点是取消了传统内燃机上的曲柄连杆机构和飞轮储能机构，活塞只做往复直线运动。因此自由活塞发电机具有结构简单，能量传递链短，机械损失少的优势；自由活塞发电机的压缩比是可变的，内燃机部分能够在不同工况下获得最佳燃油经济性或动力性。

目前自由活塞发电机多采用二冲程的循环方式，扫气过程对二冲程自由活塞发电机的燃料燃烧以及活塞做功至关重要。传统的二冲程自由活塞发电机多采用回流扫气，这种扫气方式往往燃烧和排放性能较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，目的在于提供一种更优的扫气方式，提升自由活塞发电机的扫气效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，包括：直线电机、对称设置在直线电机左右两侧的自由活塞内燃机和位移检测单元；

所述直线电机包括电机外壳，设置在电机外壳两端的端盖，设置在电机外壳内的定子槽，设置在定子槽上的线圈绕组，电机动子；所述电机动子表面固定有永磁体；所述电机动子两侧设有空气弹簧，用于提供存储势能并在出现失火情况时释放存储的势能；

所述自由活塞内燃机包括缸体，与缸体固定的缸盖，设置在缸盖上的电磁排气阀、火花塞、喷油器和电磁进气阀，设置在缸体内的活塞，活塞将缸体分隔为燃烧室和扫气室；所述缸体上对称设有两个进气腔，进气腔通过设置在缸体上的端口与扫气室连通，且进气腔设有进气止回阀；

所述活塞一端通过连杆与电机动子相连，连杆支撑在端盖上；活塞另一端设有扫气阀，扫气阀为单向阀，能够在扫气室内的气体压力达到设定值后打开，将扫气阀内气体引入燃烧室，将燃烧室内的废气加速顶向打开的电磁排气阀，从而实现直流扫气；

所述位移检测单元，用于检测活塞的实时位移，作为反馈变量以对电磁排气阀，进气止回阀的开闭、喷油器和火花塞点火进行控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明在直线电机壳体内设有空气弹簧，弹簧机构提供势能储存的作用，可有效避免失火的情况发生；

(2)本发明在活塞的侧面设有扫气室，当活塞从上止点向下止点运动时扫气室里的空气被压缩，形成气体增压的效果；

(3)本发明在缸盖上设有电磁排气阀，排气效果更好；进气腔上设有进气止回阀，可有效避免气体逸出；活塞上设有扫气阀，扫气室内压缩后的气体通过活塞的空气通道进入燃烧室将废气推向排气阀，扫气效果更好。扫气阀是一种允许气体单向流动的单向阀，在内外压差的作用下能自行开闭。

附图说明

图1为本发明二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机整体结构示意图。

图2为本发明二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机左侧气缸进气示意图。

图3为本发明二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机左侧气缸直流扫气示意图。

图示说明：1-缸体；2-燃烧室；3-缸盖；4-电磁排气阀；5-火花塞；6-喷油器；7-电磁排气阀；8-散热片；9-扫气阀；10-活塞；11-活塞环组；12-进气止回阀；13-进气腔；14-端口；15-扫气室；16-连杆；17-线性位移传感器；18-端盖；19-直线轴承；20-电机外壳；21-定子槽；22-线圈绕组；23-电机动子；24-空气弹簧。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

如图1所示，本发明提供一种二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，包括缸体1、燃烧室2、缸盖3、电磁排气阀4、火花塞5、喷油器6、电磁排气阀7、散热片8、扫气阀9、活塞10、活塞环组11、进气止回阀12、进气腔13、端口14、扫气室15、连杆16、线性位移传感器17、端盖18、直线轴承19、电机外壳20、定子槽21、线圈绕组22、电机动子23、空气弹簧24。两个气缸对称设置在最外端，缸盖3固定在缸体1上，缸盖3上设有火花塞5、喷油器6和两个电磁排气阀4，电磁排气阀4控制气缸排气，火花塞点燃缸内可燃混合气，喷油器向缸内喷入燃料；缸体1上设有散热片8、进气腔13、端口14，共计四个进气腔13，每两个进气腔13关于缸体1对称布置，每个进气腔13上都有进气止回阀12，进气止回阀12防止进气腔内的气体逸出；缸体1内设有活塞10，活塞10两侧设有燃烧室2和扫气室15，活塞10上设有扫气阀9，端口14位于扫气室15上；直线电机位于两气缸中间，电机外壳20内嵌有定子槽21，定子槽21内设置有线圈绕组22，电机外壳20两端设有端盖18，端盖18上设有线性位移传感器17，端盖18中心设置有直线轴承19，电机动子23表面固定有永磁体，永磁体以N极、S极交替排列；直线轴承19对电机动子轴向定位。活塞10、连杆16、电机动子23和空气弹簧24耦合在一起，四者始终一起做直线往复运动。空气弹簧24设置在电机动子23的两侧，直线电机与连杆连接处和轴承处均设有密封圈防止漏气。空气弹簧24提供势能存储的作用，当系统运行过程中出现失火现象，空气弹簧24将存储的势能释放，推动活塞组件向另一侧气缸运动，使自由活塞发电机重新进入稳定状态。

如图2所示，当进气止回阀12开启时，新鲜空气流入进气腔13，从端口14进入扫气室15，所设的进气止回阀12能防止空气逸出，新鲜空气源源不断进入扫气室15。如图3所示，以左侧气缸为例，当活塞组件向右运动时，扫气室15的空间不断减小，燃烧室2的空间不断增大，随着活塞组件继续向右运动，端口14被活塞10闭合，扫气室15形成一个封闭的空间，由于扫气室15的体积不断减小，扫气室15内的气体压力不断上升，当气体压力达到一定的阈值时，扫气室15内的增压后的气体由连杆16上的凹槽流入活塞10内部的空气通道，气体到达一定的压力后顶开设于活塞10头部的扫气阀9，高压气体流过扫气阀9进入燃烧室2，将燃烧室2内的废气加速顶向打开的电磁排气阀4，从而实现直流扫气。扫气阀9是一种允许气体单向流动的单向阀，在内外压差的作用下能自行开闭。当活塞10向左运动时候，燃烧室2体积不断减小，扫气室15体积不断增大，排气阀4先关闭，端口14打开，新鲜空气进入扫气室15，扫气室15内的气体压力不断减小，燃烧室2内的气体压力不断增大，由于内外压差作用，扫气阀9自行关闭，燃烧室2扫气过程结束。

为了更清楚的解释本发明所提出的二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，下面结合工作原理和工作过程进一步说明。

本发明的工作原理：自由活塞发动机两侧气缸对置于两侧，两个活塞10通过连杆16相连，电机动子23、空气弹簧24和活塞连杆耦合在一起，做直线往复运动切割磁感线，将动能转化为电能。在自由活塞发电机稳定运行状态下，一侧的气缸内燃着火后，缸内气体爆发的巨大压力作用于活塞连杆组件上，推动组件向另一侧运动，将燃料化学能转化为动能，为另一侧气缸提供压缩缸内混合气所需能量。空气弹簧将动能转换为势能存储起来，用来辅助系统的运行。随后另一侧的气缸内混合气达到着火条件，缸内燃料开始燃烧做功。左右活塞如此来回往复运动，两侧气缸轮流做功，实现能量的连续转化和输出。线性位移传感器17检测活塞的实时位移，将其作为反馈变量，对电磁排气阀，进气止回阀的开闭、喷油器和火花塞点火进行控制。空气弹簧24、电机动子23与活塞连杆耦合一起做直线往复运动，空气弹簧24提供势能存储的作用，当系统运行过程中出现失火现象，空气弹簧24将存储的势能释放，推动活塞组件向另一侧气缸运动，使自由活塞发电机重新进入稳定状态。

在其稳定运行时，自由活塞发电机有两个行程，分别是膨胀行程和压缩行程。膨胀冲程：上止点→下止点，压缩行程：下止点→上止点。以左侧气缸为例，对其工作过程进行说明：

为装置运行时动子运行所预设的相应位置，所述a为电磁排气阀预设开启位置，b为近气止回阀预设开启位置，c为电磁排气阀预设关闭位置，d为进气止回阀预设关闭位置，e为喷油器预设喷油位置，f为火花塞预设点火位置。

膨胀冲程：当左侧活塞组件运行到上止点前，火花塞5点燃缸内压缩的可燃混合气，高温高压气体作用在左侧活塞10表面，推动活塞组件向右运动，系统开始膨胀做功，当活塞组件运动到预设位置a，左侧的电磁排气阀7开启。活塞组件继续向右运动到预设位置b时，进气止回阀12开启。气体进入进气腔13，气体顺着端口14继续流入扫气室15，扫气室15内的气体由于活塞10向右运动被逐渐压缩增压。当扫气室15内的压力达到一定的压力，活塞上的扫气阀门9被增压的空气顶开，扫气室内的增压空气顺着活塞内部的空气通道进入燃烧室2，新鲜空气在进入燃烧室2后以直流扫气的形式将废气推出。

压缩冲程：活塞10运动下止点后，开始向左运动，当活塞组件运行到预设位置c时，电磁排气阀7关闭。活塞10继续向左运动到预设位置d，进气止回阀12关闭。随着活塞组件持续向左运行扫气室15内气体压力逐渐下降，在内外压差的作用下扫气阀9关闭。活塞组件向左运动持续压缩燃烧室2内的空气，在上止点前的预设位置e，喷油器6进行缸内直喷，在预设位置f处火花塞5点火。活塞组件在这两个行程下往复运动，不断切割磁感线，将动能转化为电能。

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 (5)

1.一种二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，其特征在于，包括：直线电机、对称设置在直线电机左右两侧的自由活塞内燃机和位移检测单元；

所述直线电机包括电机外壳，设置在电机外壳两端的端盖，设置在电机外壳内的定子槽，设置在定子槽上的线圈绕组，电机动子；所述电机动子表面固定有永磁体；所述电机动子两侧设有空气弹簧，用于提供存储势能并在出现失火情况时释放存储的势能；

所述自由活塞内燃机包括缸体，与缸体固定的缸盖，设置在缸盖上的电磁排气阀、火花塞、喷油器和电磁进气阀，设置在缸体内的活塞，活塞将缸体分隔为燃烧室和扫气室；所述缸体上对称设有两个进气腔，进气腔通过设置在缸体上的端口与扫气室连通，且进气腔设有进气止回阀；

所述活塞一端通过连杆与电机动子相连，连杆支撑在端盖上；活塞另一端设有扫气阀，扫气阀为单向阀，能够在扫气室内的气体压力达到设定值后打开，将扫气阀内气体引入燃烧室，将燃烧室内的废气加速顶向打开的电磁排气阀，从而实现直流扫气；

所述位移检测单元，用于检测活塞的实时位移，作为反馈变量以对电磁排气阀，进气止回阀的开闭、喷油器和火花塞点火进行控制。

2.根据权利要求1所述的二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，其特征在于，包括两个行程：

膨胀行程：当活塞运行到上止点前，火花塞点燃缸体内压缩的气体作用在活塞表面，推动活塞向扫气室运动，开始膨胀做功，当活塞运动到电磁排气阀预设开启位置，电磁排气阀开启；活塞继续向扫气室运动到近气止回阀预设开启位置时，进气止回阀开启；气体进入进气腔，气体顺着端口继续流入扫气室，扫气室内的气体由于活塞运动被逐渐压缩增压；当扫气室内的压力达到一定的压力，活塞上的扫气阀门被增压的空气顶开，扫气室内的增压空气顺着活塞内部的空气通道进入燃烧室，新鲜空气在进入燃烧室后以直流扫气的形式将废气推出；

压缩行程：活塞运动下止点后，开始向燃烧室运动，当活塞组件运行到电磁排气阀预设关闭位置时，电磁排气阀关闭；活塞继续向燃烧室运动到进气止回阀预设关闭位置，进气止回阀关闭；随着活塞持续向燃烧室运行，扫气室内气体压力逐渐下降，在内外压差的作用下扫气阀关闭；活塞向左运动持续压缩燃烧室内的空气，在上止点前的喷油器预设喷油位置，喷油器进行缸内直喷；在火花塞预设点火位置处，火花塞点火。

3.根据权利要求1所述的二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，其特征在于，所述缸体上设有散热片。

4.根据权利要求1所述的二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，其特征在于，所述端盖中心设置有直线轴承。

5.根据权利要求1所述的二冲程直流扫气结构的自由活塞发电机，其特征在于，所述端盖上设有线性位移传感器作为位移检测单元。