CN2931809Y - 内燃发电机 - Google Patents

Abstract

内燃发电机属于活塞式内燃机技术领域。它由汽缸1(含进气阀门3、火花塞4、排气阀门5)、活塞2、线圈6、一对磁靴7、活塞锁定装置8、谐振电容9、负载10、及相应微机控制电路11组成。它的活塞直接带动线圈在强磁场内运动，直接把工质的热能转换为线圈里的电能。功率调整采用脉冲调宽或调频技术。内燃发电机的工作由微机控制。内燃发电机属于自由活塞发动机，它的膨胀比和压缩比可以不同。因此它的热能—电能转换效率比曲柄—连杆机构的内燃机显著提高。而且可以在不同的环境下使用各种燃料，简化了内燃机的结构。本实用新型可以应用于任何类型的内燃机，特别是汽车使用的汽油发动机，能显著地提高了内燃机的热功转换效率。

Description

内燃发电机

技术领域：

本实用新型涉及活塞式内燃机技术领域。

背景技术：

一般的活塞式内燃机的是通过曲柄-连杆系统将热能转换为机械能，它的活塞行程被曲柄-连杆限制，它的作功有效平均压力只为工质对活塞的压力的50％，它的热能-机械能转换效率较低。

发明内容

要解决的技术问题：

为了提高曲柄-连杆内燃机的热能-机械能转换效率，本实用新型设计了内燃发电机，它可以显著地提高内燃机的热能电能的转换效率。

技术方案：

内燃发电机的技术方案是：

活塞直接带动线圈在强磁场内运动，把热能通过机械能转换成电能。活塞锁定装置保证内燃机完成定容加热过程。微机控制内燃发电的工作和功率调整。

1.内燃发电机的组成

如图1、所示，内燃发电机由含有进气阀门3、火花塞4、排气阀门5的汽缸1、活塞2、活塞锁定装置6、线圈7、一对磁靴8、谐振电容9、负载10、及相应微机控制电路11组成。

a)汽缸1与活塞2

汽缸、活塞与内燃机的汽缸、活塞一样，汽缸内有火花塞、进气阀门以及排气阀门，它们的功能和内燃机的一样。

火花塞点火、进气/排气阀门的工作由微机控制。

活塞有上下止点的锁定装置，锁定装置也有微机控制。

b)活塞锁定装置6，活塞锁定装置是当活塞在下止点时为了完成定容加热锁定活塞的装置。活塞锁定装置的工作由微机控制。

c)线圈7

发电机的绕组组成线圈，安装在活塞上，与活塞同步运动，在活塞作功冲程时它在磁场中运动产生电动势将热能转变成电能。在其他行程时将电能转换成活塞运动的机械能，完成排气、进气、压缩等行程。它与电容器一起决定谐振电路的谐振频率。

d)磁靴8

有两个相反磁场磁极的磁靴。作功行程时活塞带动线圈在磁场内运动产生电能，将热能转变成电能。在其他行程时将电能转换成活塞的动能，完成进气、排气以及压缩行程。

磁靴的磁场强度可以微机控制调整，从而适应不同冲程内负载的匹配。

d)电容

内燃发电机是一个高容量的储电电容。线圈内的电能通过转换储存到电容器内，电容器的电能供负载用电，并且供除作功冲程以外的其它冲程的电能。并且是谐振电路的电容。

e)负载

内燃发电机的负载有内负载和外用电负载。内负载包括进气、排气、压缩冲程时等效负载以及线圈、电容的损耗。外用电负载是电动机类的用电设备。

f)微机控制

微机依据时间及输出功率控制进气阀门、排气阀门、火花塞的工作顺序。

并且根据内燃发电机的工作状态控制谐振回路的通断，负载的通断，磁靴的磁场强调。以及活塞的锁定和解锁。

2.内燃发电机的等效电路及工作原理

a)内燃发电机的等效电路图

见图2，它有以下元件组成：

L：电感线圈，它完成热能/电能，电能/动能的转换

B：磁场

R_i：除作功冲程外其它冲程消耗电能的等效内阻

E(t)：作功冲程时线圈在磁场内运动产生的电动势

C：储能电容器，与电感线圈L一起决定系统的谐振频率

R_L等效负载电阻

开关1：线圈通断开关关

开关2：负载通断开

b)内燃发电机工作原理

在作功冲程时，活塞由下止点向上移动到上止点，同时也带动线圈在磁场B内向上运动，所以线圈内产生电动势E(t)，到达上止点时线圈内的电流达到最大值。通过设计线圈的匝数、长度和磁场强度，使线圈电荷的最大动能等于绝热热循环所作的功。

$\frac{{\mathrm{LI}}^2}{2}=Q_1-Q_2$

此时锁定活塞不使活塞作功，根据谐振电路原理，线圈内的电荷的动能将转换成电容内的电荷的势能。

$\frac{{\mathrm{LI}}^2}{2}=\frac{C{V}^2}{2}$

在其他冲程时由储存在电容器中的电能向线圈供电，产生使活塞运动的力。完成排气、进气及压缩冲程。

3.工作流程

a)初始条件

i.假设作功冲程活塞从下止点移动到上止点的时间为τ。那么设计谐振电路谐振周期为T＝4τ，谐振频率F＝1/T＝1/4τ。

ii.假设电容的容量足够大，能储存热能转换成的电能。

iii.假设磁场强度足够大，线圈从下止点移动到上止点时线圈里的电能等于绝热热循环所做的功。

iv.假设电容器充有充分的电能，活塞锁定在上止点。

活塞位置如图3所示。汽缸的工作冲程如表1

-τ～2τ(-T/4～T/2)	2τ～4τ(T/2～T)	4τ～6τ(T～3T/2)	6τ～7τ(3T/2～7T/4)
				排气	进气	压缩	作功

表1、工作冲程和时间关系

b)初始状态：

进气阀门	排气阀门	开关1	开关2	活塞
					闭合	开启	断	断	锁定在上止点

表2、初始状态

c)工作流程

1)启动

启动信号产生后，时统归零、系统初始化。

排气冲程：

t＝0时，开关1闭和、活塞解锁。电容器和线圈接通，电容器通过电感线圈放电，线圈内就有电流流通。在强磁场内就产生了向下的力推动活塞向下运动。

T＝τ时活塞运动到下止点，再次锁定活塞。

T＝2τ时没有消耗完的电能再次存储到电容器中。并且电容器的电压反相，关闭排气阀门。完成了排气冲程。

进气冲程：

t＝2τ时，打开进气阀门、活塞解锁。电容器又开始通过电感线圈放电，线圈内有电流流过，在磁场和电流的作用下就产生了向上的推力，活塞从下止点向上止点运动。

T＝3τ活塞运动到上止点，锁定活塞。线圈内未消耗完的电能开始向电容器充电。

T＝4τ线圈内的电流等于0，剩余的电能全部存储在电容器内。电容器电压再次反相。关闭进气阀门。完成了进气冲程。

压缩冲程：

t＝4τ活塞解锁，电容器又开始通过线圈放电，线圈内有电流流过，在磁场和电流的作用下，产生向下的力，活塞向下止点运动。

T＝5τ时，活塞运动到下止点，锁定活塞。线圈内的电能开始向电容器转移

t＝6τ时线圈内的电流等于0，剩余的电能全部存储在电容器内。完成了压缩冲程。

作功冲程：

t＝6τ点火、燃气充分燃烧后，活塞解锁、开关2接通负载。汽缸内的压缩燃气点火后形成高温高压气体，推动活塞向上止点运动活塞。

线圈在活塞的带动下也从下止点向上止点运动由于磁场的作用产生电流。

T＝7τ活塞运动到上止点，锁定活塞，打开排气阀门。此时线圈里的电流达到最大值，热能全部转换成电荷的动能。线圈开始向电容充电。

T＝8τ时线圈电流等于0，而电容的电压达到最大值，电荷的动能转换成电荷的势能。

在这个冲程中，同时也为负载提供电力。

这样可以周而复始地运转下去。

2)熄火：

当启动熄火命令时，要等待到作功冲程结束后即t＝8nτ时刻断开开关1断开电容与线圈的连接。断开开关2，断开电容与负载的连接。

这样电能就存储在电容内。等到下次启动命令到来时再供排气、进气、压缩冲程使用。打开排气发阀门。

4.内燃发电机的功率控制

内燃发电机的功率调整采用脉冲调宽或脉冲调频技术。

a)脉冲调宽

根据负载特性-时常数确定脉冲重复周期T，然后根据输出功率的大小调整内燃发电机的工作时间a，达到功率控制的目的。见图4。

假设输出的最大平均功率为 ，调整期为T，脉冲宽度为a那么此刻输出的平均功率为： $\stackrel{\‾}{P}=a/T\×{\stackrel{\‾}{P}}_{\max }.$ 输出最小功率为 ${\stackrel{\‾}{P}}_{\min }={\stackrel{\‾}{P}}_{\max }/T.$

b)脉冲调频

内燃发电机连续工作时的作功的工作频率为F，此时输出最大平均功率为

。如果内燃发电机作功的频率为f(f≤F)，那么它的平均输出功率为 $\stackrel{\‾}{P}={\stackrel{\‾}{P}}_{\max }\×f/F.$

由于内燃发电机的输出是交流电，因为有相位的问题不能连续调整，必须考虑相位同步。

本实用新型的有益效果是：

1.节能效果

与曲柄-连杆内燃机相比它可以显著地提高热能的转换效率。

a)可以设计成膨胀、排气过程和进汽、压缩过程不同的活塞行程。

由于内燃发电机属于自由活塞发动机，因此可以设计成膨胀/排气过程和进汽/压缩过程不同的活塞行程。膨胀比可以大于压缩比。从而提高了膨胀过程功输出，而减少了压缩过程功的损耗。这样就比曲柄-连杆发动机的热功转换效率显著地提高。

对汽油机效果更加显著。

b)机械摩擦损耗小

与曲柄-连杆内燃机相比：

i.由于汽缸壁与活塞环之间没有横向压力，所以汽缸壁与活塞环的摩擦损耗比曲柄-连杆内燃机小

ii.无有曲轴系的摩擦损耗

c)怠速时无能量损耗

内燃发电机怠速时不工作，所以没有能量消耗。

d)功率调整时无频率变化，只是交流电的幅度变化，所以定容加热系统可以工作在最佳状态，保证热转换效率不变化。

2.能适应各种燃料

由于它的压缩比可以调整，所以它可以在各种环境下使用各种燃料。

3.环保效果

a)废气的排放量显著减少

由于比内燃机效率显著地提高，所以输出相同功率时所消耗的燃油显著的减少，因此排放的废气也显著地减少。

b)功率调整时排放不变坏

内燃发电机功率调整是通过脉冲调宽或脉冲调频实现，油门大小始终不变，因此功率调整时废气排放不变坏。

内燃机功率调整靠油门的大小实现，功率调整时转速随着变化，效率也变化。过大过小油门都会使废气排放变坏。

c)怠速时不排放

内燃发电机功率不输出时不工作，因此不排放废气。

附图说明：

图1、内燃发电机结构示意图

1、汽缸，2、活塞，3、排气阀门，4、火花塞，5、进汽阀门，6、活塞锁定装置，7、线圈，8、磁场，  9、回路电容，10、负荷11、微机控制。

图2、内燃发电机等效电路图

图3、内燃发电机工作流程时序

-τ-2τ排气过程，排气阀门开，进汽阀门关闭。2τ-4τ进汽过程，排气阀门关闭，进汽阀门开。4τ-6τ为压缩过程，排气阀门和进汽阀门都关闭。

图4、内燃发电机脉冲调宽功率控制

图5、内燃发电机脉冲调频功率控制

图6、双缸内燃发电机原理示意图图

1、汽缸，2、活塞，3、进气阀门，4、火花塞，5、排气阀门，6、活塞锁定装置，7、线圈，8、磁场，9、回路电容，10、负荷，11、微机控制单元

图7、磁场与线圈的示意图

7、线圈，8、磁场

图8、四缸内燃发电机等效电路图

图9、六缸内燃发电机等效电路图

具体实施方式：

1.双缸内燃发电机

a)双缸内燃发电机的结构及组成

双缸内燃发电机的结构如图6、所示。它是由两两套汽缸，两套活塞、一套共用的磁靴和线圈、回路电容、以及控制、负载组成。

两个活塞通过连杆连接，连杆上固定线圈和活塞锁定装置。控制两套热循环系统的起始工作时间，让它们的相对延迟T/2或者T。

b)双缸内燃发电机的等效电路图

双缸内燃发电机的等效电路图与单缸的相同，只是多了一个作功行程，功率增加了一倍。

2.四缸内燃发电机

a)四缸内燃发电机的组成

四缸内燃发电机由两套双缸内燃发电机组成。控制两套发电机的启动时间，使两套发电机的相对延迟为T。

b)四缸内燃发电机的等效电路图

四缸内燃发电机的等效电路图如图7、所示。他有四个作功行程，输出功率是单缸发电机的四倍。

3.六缸内燃发电机

a)六缸内燃发电机的组成

六缸内燃发电机由三套双缸内燃发电机、以及相应的微机控制、负载组成。控制三套发电机的启动时间，使每套发电机的相对延迟为120°。

b)六缸内燃发电机等效电路图

六缸内燃发电机等效电路图如图8、所示。它的输出为三相交流电，输出为三相四线制。输出功率为单缸内燃发电机的6倍。

4.12缸内燃发电机

a)12缸内燃发电机的组成

12缸内燃发电机由两套六缸内燃发电机、以及相应的微机控制、负载组成。控制每套发电机的启动时间，使每套发电机的相对延迟为T。

b)12缸内燃发电机的输出

12缸内燃发电机的输出为三相四线制三相交流电。输出功率为单缸的12倍。

Claims (2)

1、一种内燃发电机，其特征是：内燃发电机由含有进气阀门、排气阀门、火花塞的汽缸、活塞、活塞锁定装置、一对磁靴、固定在活塞上的线圈、以及谐振电容、负载、及相应微机控制电路组成；线圈可以在磁靴的磁场内自由运动，并且线圈与谐振电容和负载连接。

2、根据权利要求1所述的内燃发电机，其特征是：发电机的线圈通过结构件直接固定在活塞上，与活塞同步运动。

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