CN102418601A - 一种高速自由活塞直线发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速自由活塞直线发电机，属于能源动力领域。它主要包括自由活塞内燃机、齿轮传动机构和直线发电机。两齿轮同轴相连组成齿轮传动机构；内燃机的两个自由活塞通过齿条式连杆固连形成一个活塞组件，活塞组件上的齿条通过匹配的齿轮传动机构与直线发电机的动子连接。内燃机的两个气缸分别轮流内部燃烧，推动活塞进行直线运动；由于活塞通过具有提速功能的齿轮传动机构与电机动子连接，因此内燃机每个气缸燃烧所产生的燃气爆发压力经过连杆和传动机构后最终提高电机动子的直线运动速度，本发明的一种高速自由活塞直线发电机，采用了齿轮传动机构，从而提高了电机动子的切割速度、增加了工作效率，电机动子的速度较活塞运动速度提高n倍。

Description

一种高速自由活塞直线发电机

技术领域

本发明涉及一种能源动力工程机械装置，具体涉及一种高速自由活塞直线发电机，属于能源动力领域。

背景技术

现有的内燃发电机一般结构为往复式内燃机通过曲柄连杆机构与旋转电机相连，包括二冲程和四冲程两类热力循环方式，其缺点是结构复杂、体积较大、热效率低，尾气排放污染物较多。特别是由于活塞的直线运动无法直接实现旋转动力输出，所以要靠曲柄连杆机构来转换，传统的曲轴主要由曲柄、曲拐和曲柄销组成，其主要特点为阶梯轴段，工作过程中活塞组因往复运动而引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全的平衡，由此引发的振动与噪声问题日益突出，严重影响了内燃发电机的发展。

近年来，人们一直在致力于寻求一种能量转换效率高，振动噪声小活塞式内燃发电机，以期解决上面提到的各种问题，为此做了大量的研究工作。其中，自由活塞式内燃直线发电装置是自由活塞式内燃发动机和直线发电机耦合之后形成的一种新型能量转换装置，目前已经被发明了，并且一些研究机构已经对其展开了研究，可参见李庆峰，肖进，黄震.自由活塞式内燃发电机仿真研究[J].中国机械工程，2009，20(8)：911-916，但目前研究的内燃直线发电装置主要由自由活塞发动机和直线发电机直接耦合的方式，由于受到内燃机技术的限制，目前内燃机活塞的运动速度较低，导致了直线发电机动子速度也较低，通常平均速度不超过15m/s，能量转换效率也不太高，因此不能够满足高速直线发电机的要求，无形中降低了内燃发电机的使用范围。另外，由于直线速度较低，在相同功率的前提下，直线发电机需要较大的体积才能满足功率的要求，因此由于速度的限制，降低了内燃发电机的单位体积功率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中发电机动子速度较低的问题，从而提出了一种高速自由活塞直线发电机。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种高速自由活塞内燃直线发电机，它主要包括自由活塞内燃机、齿轮传动机构、直线发电机和齿条连杆；自由活塞内燃机包括：发动机气缸、活塞、进气门、排气门、喷油器、进排气控制器；齿轮传动机构包括：第一齿轮、轴、第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮同轴连接；直线发电机包括：电机动子、电机定子。

其连接关系为：自由活塞内燃机的两个自由活塞通过齿条连杆固连形成一个活塞组件，活塞组件上的齿条通过匹配的齿轮传动机构与直线发电机的动子连接。

其工作过程为：

1)冷机启动过程。直线电机此时工作在电动机模式下，借助于电机的外力，电机动子带动齿轮传动机构转动，由于齿轮传动机构与齿条连杆啮合相连，气缸内的活塞也会随连杆做直线运动，此时内燃机其中一个气缸内处于压缩冲程，压缩气缸内的空气至上止点，当活塞运动至上止点时，安装在气缸顶部的喷油器喷射出高压燃油，并被压缩燃烧，产生高压燃气，推动活塞向下止点运行，开始对外作功，冷机启动过程完成；

2)运行过程。自由活塞内燃机两个气缸内部分别轮流爆发燃烧，推动活塞组件进行直线运动。活塞在上止点时，高压燃油燃烧产生的燃气爆发压力推动活塞向下止点运动，进行做功，通过齿条连杆推动齿轮传动机构，使与齿轮传动机构啮合连接的电机动子切割磁感线，产生电能输出。电机动子的速度较活塞运动速度提高n倍(n＝第二齿轮的直径/第一齿轮的直径)。

有益效果

1、本发明的一种高速自由活塞直线发电机，采用了齿轮传动机构，从而提高了电机动子的切割速度、增加了工作效率，电机动子的速度较活塞运动速度提高n倍(n＝第二齿轮的直径/第一齿轮的直径)。

2、作为关键部件的传动机构，主要由齿轮和齿条组成，是成熟技术，可靠性高，制造加工方便，造价低，且便于实现标准化和产品化。

附图说明

图1是实施例1的剖视图；

图中，1-发动机气缸、2-活塞、3-进气门、4-排气门、5-喷油器、6-进排气控制器、7-齿条连杆、8-第一齿轮、9-轴、10-第二齿轮、11-电机动子、12-电机定子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本发明的一种高速自由活塞内燃直线发电机，它主要包括自由活塞内燃机、齿轮传动机构、直线发电机和齿条连杆7；自由活塞内燃机包括：发动机气缸1、活塞2、进气门3、排气门4、喷油器5、进排气控制器6；齿轮传动机构包括：第一齿轮8、轴9、第二齿轮10，第一齿轮8与第二齿轮10通过轴9同轴连接；直线发电机包括：电机动子11、电机定子12，如图1所示；

其连接关系为：自由活塞内燃机的两个自由活塞通过固连形成一个活塞组件，活塞组件上的齿条连杆7通过匹配的齿轮传动机构与直线发电机的动子连接。齿轮12的直径与齿轮10的直径之比为2。

其工作过程为：

1)冷机启动过程。直线电机此时工作在电动机模式下。借助于电机的外力，电机动子11带动齿轮传动机构转动，由于齿轮传动机构与齿条式连杆7啮合相连，气缸内的活塞也会随连杆7做直线运动，此时内燃机其中一个气缸内处于压缩冲程，压缩气缸内的空气至上止点，当活塞运动至上止点时，安装在气缸顶部的喷油器喷射出高压燃油，并被压缩燃烧，产生高压燃气，推动活塞向下止点运行，开始对外作功，冷机启动过程完成；

2)运行过程。自由活塞内燃机两个气缸内部分别轮流爆发燃烧，推动活塞组件进行直线运动。活塞在上止点时，高压燃油燃烧产生的燃气爆发压力推动活塞向下止点运动，进行做功，通过齿条连杆7推动齿轮传动机构，使与齿轮传动机构啮合连接的电机动子11切割磁感线，产生电能输出。电机动子的速度较活塞运动速度提高2倍。

Claims (1)

1.一种高速自由活塞内燃直线发电机，它主要包括自由活塞内燃机和直线发电机，其特征在于：它还包括齿轮传动机构和齿条连杆(7)；自由活塞内燃机包括：发动机气缸(1)、活塞(2)、进气门(3)、排气门(4)、喷油器(5)、进排气控制器(6)；齿轮传动机构包括：第一齿轮(8)、轴(9)、第二齿轮(10)，第一齿轮(8)与第二齿轮(10)通过轴(9)同轴连接；直线发电机包括：电机动子(11)、电机定子(12)；其连接关系为：自由活塞内燃机的两个自由活塞通过齿条连杆(7)固连形成一个活塞组件，活塞组件上的齿条连杆(7)通过匹配的齿轮传动机构与直线发电机的动子连接；

其工作过程为：

1)冷机启动过程：直线电机此时工作在电动机模式下；借助于电机的外力，电机动子(11)带动齿轮传动机构转动，由于齿轮传动机构与齿条式连杆(7)啮合相连，气缸内的活塞也会随连杆(7)做直线运动，此时内燃机其中一个气缸内处于压缩冲程，压缩气缸内的空气至上止点，当活塞运动至上止点时，安装在气缸顶部的喷油器喷射出高压燃油，并被压缩燃烧，产生高压燃气，推动活塞向下止点运行，开始对外作功，冷机启动过程完成；

2)运行过程：自由活塞内燃机两个气缸内部分别轮流爆发燃烧，推动活塞组件进行直线运动；活塞在上止点时，高压燃油燃烧产生的燃气爆发压力推动活塞向下止点运动，进行做功，通过齿条连杆(7)推动齿轮传动机构，使与齿轮传动机构啮合连接的电机动子(11)切割磁感线，产生电能输出；电机动子的速度较活塞运动速度提高n倍。