CN103758637B - 一种自平衡高速自由活塞发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能源动力工程机械装置，具体涉及一种自平衡高速自由活塞发电机，属于能源动力领域。主要包括：自由活塞内燃机、平板直线发电机、泵气装置、传动换向装置、单向进气阀门。本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机，因为发电机初级与发电机次级同步反向运动,提高了发电机次级的切割速度，切割速度为活塞运动速度的2倍，增加了工作效率。

Description

一种自平衡高速自由活塞发电机

技术领域

本发明涉及一种能源动力工程机械装置，具体涉及一种自平衡高速自由活塞发电机，属于能源动力领域。

背景技术

近年来，人们一直在致力于寻求一种能量转换效率高，振动噪声小的活塞式内燃发电机，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，它将自由活塞与直线发电机次级直接固连，形成唯一的运动部件——活塞组件。***运行时，缸内气体燃烧膨胀作功，推动活塞并带动动子运动，继而产生电能，最终通过较短的传递路径将燃料化学能直接转换为电能。它具有众多潜在性能优势，如机械摩擦损失少，结构紧凑体积小，能量传递路径短，燃烧排放质量好等。

然而，由于在自由活塞发电机中,活塞组件为唯一的运动部件，活塞组件在往复运动时其惯性力无法通过其他往复运动质量平衡，从而带来了整个动力***的振动问题。采用四模块并联组合的结构形式,可通过控制各模块中活塞组件的运动使它们的惯性力与力矩相互抵消，但这种方法结构复杂且同步控制困难，难以实现产品化。而采用双模块并联的形式,需要增加平衡机构或采用机械换向装置才能实现惯性力与力矩同时平衡,结构相对四模块简单,但仍然比单模块复杂。

其次,目前的自由活塞发电机普遍采用二冲程式内燃机,进排气采用类似二冲程的扫气口换气方式,当运行频率较低时，由于进气量少且气流惯性小，换气效果很差,为了彻底排除燃烧后的废气并把新鲜空气充满气缸，往往需要在内燃机上安装扫气泵等增压装置来提高进气压力和进气量。

另外，由于***采用自由活塞内燃机和直线发电机直接耦合的方式，受到内燃机技术的限制，目前内燃机活塞的运动速度较低，导致了直线发电机次级速度也较低。一般***中次级的平均线速度不超过15m/s，能量转换效率不高，不能够满足高速直线发电机的工作条件要求，无形中降低了内燃发电机的使用范围。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***的单位体积功率。

发明内容

本发明的目的是为了在不增加模块数的情况下以紧凑的结构布置形式来消除自由活塞发电机工作时产生的不平衡惯性力和力矩，从而提出了一种自平衡高速自由活塞发电机，该发电机能够进一步提高换气质量及发电机次级的切割速度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机，主要包括：自由活塞内燃机、平板直线发电机、泵气装置、传动换向装置、单向进气阀门。

自由活塞内燃机包括：排气门控制器、喷油器、排气门、气缸、进气门、活塞、回复弹簧；

泵气装置包括：柱塞、气套；

平板直线发电机包括：发电机次级、发电机初级；

传动换向装置包括：支撑杆、换向齿轮、连接架；

发电机次级侧面布置有齿条；发电机次级长度大于发电机初级，保证行程范围内两者耦合面积保持不变；

活塞为一端封闭，一端开口的圆筒形结构。封闭端为头部，开口端为底部。

气套为类似方筒型结构，靠近活塞的一端为上端，远离活塞的一端为末端。截面为两直线与两弧线围成的形状，弧线半径与活塞半径相等；气套长度大于活塞行程的两倍，保证柱塞不脱离气套。

支撑杆中心处布置有轴承。

连接架内侧布置有齿条。

连接关系：

气缸顶部中心处布置有喷油器，周围开设有多个排气道，排气门安装于排气道上，活塞安装在气缸内部，并保证工作时活塞一直处于气缸内部。活塞侧向表面与气缸内侧表面通过活塞环形成密封配合。气缸内侧表面与活塞头部表面围成的空间为燃烧室。

活塞头部开设有多个进气道，每个进气道上安装有进气门，进气门与活塞之间装有回复弹簧。

活塞与气套同轴，活塞底部与气套上端刚性连接，由于活塞为圆筒形结构，气套为类似方筒型结构，所以两部件连接后在结合面上会产生两开口区域，在这两个开口区域上布置有单向进气阀门。

连接架两端分别与两气套末端弧线部分刚性连接；两组发电机初级分别与两气套末端直线部分刚性连接；

两组发电机初级之间布置有发电机次级，发电机次级两端分别与两柱塞刚性连接；柱塞与气套内侧表面形成滑动密封配合；发电机初级与发电机次级在轴向上可以相对运动，运动时保证柱塞不与发电机初级接触且不脱离气套；活塞内侧、单向进气阀门、气套和柱塞围城的空间成为泵气室。

每个支撑杆两端与两气缸固定连接。换向齿轮布置于支撑杆中间的轴承上，相对于支撑杆，换向齿轮的位置不能移动，但其自身可以转动。连接架内侧的齿条与换向齿轮相啮合；换向齿轮同时也与发电机次级上的齿条相啮合。

工作过程：

***工作时，由于连接架、气套、发电机初级和活塞固连在一起，而换向齿轮将连接架与发电机次级同时啮合在一起，所以活塞的运动与发电机次级的运动是同步反向的。当活塞带动发电机初级从左侧止点向右侧止点运动时，发电机次级从右侧止点向左侧止点运动，切割磁力线，产生电能。

此过程中，对于左侧内燃机部分，气缸内高压燃油燃烧产生的爆发压力推动活塞向右运动，燃烧室的容积不断增大，而泵气室的容积不断减小，此过程中，单向进气阀门处于关闭状态，泵气室内气体被压缩，压力升高。活塞运动到接近下止点（由于自由活塞内燃机没有确定的上下止点，此止点是指理论的止点，下文涉及的止点均是指理论上的止点位置）时，排气门控制器1控制排气门打开，废气排出，燃烧室内压力迅速下降。此后，活塞向右运动的过程中柱塞向左运动并与进气门接触，克服回复弹簧弹力并推动进气门向左运动，进气门打开，泵气室内的高压气体被压入燃烧室，开始换气。换气基本完成后，排气门关闭。当柱塞向右返回时，进气门在回复弹簧的作用下关闭。

对于右侧内燃机部分，活塞由下止点向上止点运动，压缩燃烧室内新鲜空气，燃烧室的容积不断减小，而泵气室的容积不断增大，在这个过程中，排气门控制器控制气缸上的排气门保持关闭状态，而进气门在回复弹簧的作用下也处于关闭的状态。燃烧室内气体压力不断升高，在活塞运动到上止点位置时即可达到爆发燃烧所需要的压力。与此同时，由于泵气室容积不断增大，其内部气体压力下降，低于大气压力，单向进气阀门打开，新鲜空气被吸入泵气室。当活塞到达上止点时已有足够的新鲜空气储备在了泵气室。

此过程终了，右侧气缸内喷入燃油，产生爆发压力，推动活塞从右侧止点向左侧止点运动，进入下一循环。

整个过程中，发电机初级与发电机次级的运动一直是同步反向的。一方面，发电机初级与发电机次级之间的相对速度是活塞运动速度的两倍，提高了发电机次级的切割速度、增加了工作效率。另一方面，柱塞在气套内的行程是活塞在气缸内的行程的两倍，通过合理设计气套截面形状可以优化进气量和进气压力，实现良好的换气。还有一个方面就是通过匹配运动件的质量，使活塞、气套、连接架和发电机初级的总质量与发电机次级和柱塞的总质量相等，可以使***中运动件在轴向上的惯性力相互抵消，***自然平衡。

有益效果

1、本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机，因为发电机次级与发电机初级同步反向运动,提高了发电机次级的切割速度、增加了工作效率，发电机次级的切割速度为活塞运动速度的2倍。

2、本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机，通过换向齿轮实现了发电机初级固连的运动组件与发电机次级固连的运动组件同步反向运动，使两组运动组件轴向上的惯性力相平衡，在单模块的结构形式下解决了***的振动问题，且不存在同步控制问题。

3、本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机，发电机次级在气套内的行程是活塞在气缸内的行程的两倍,可以通过合理设计气套截面形状来优化进气量和进气压力，实现良好的换气；且不需要另外配置其他泵气装置，使整个结构更加紧凑。

4、本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机，泵气装置与直线发电机之间采用嵌套的结构形式，省去了直线电机的导向部件，实现了集成设计，结构紧凑，刚度大。

附图说明

图1是本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机工作过程中右侧活塞位于上止点位置时的侧向刨面图；

图2是本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机工作过程中右侧活塞位于上止点位置时的俯视刨面图；

图3为活塞、单向进气阀门和气套的三维组合示意图。

其中，1—排气门控制器、2—喷油器、3—排气门、4—气缸、5—进气门、6—活塞、7—回复弹簧、8—柱塞、9—气套。10—单向进气阀门、11—发电机次级、12—发电机初级、13—支撑杆、14—换向齿轮、15—连接架。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本发明的一种自平衡高速自由活塞发电机，主要包括：自由活塞内燃机、平板直线发电机、泵气装置、传动换向装置、单向进气阀门10。

自由活塞内燃机包括：排气门控制器1、喷油器2、排气门3、气缸4、进气门5、活塞6、回复弹簧7；

泵气装置包括：柱塞8、气套9

平板直线发电机包括：发电机次级11、发电机初级12；

传动换向装置包括：支撑杆13、换向齿轮14、连接架15；

发电机次级11侧面布置有齿条；发电机次级11长度大于发电机初级12，保证行程范围内两者耦合面积保持不变；

活塞6为一端封闭，一端开口的圆筒形结构。封闭端为头部，开口端为底部。

气套9为类似方筒型结构，靠近活塞6的一端为上端，远离活塞6的一端为末端。截面为两直线与两弧线围成的形状，弧线半径与活塞6半径相等；气套9长度大于活塞6行程的两倍，保证柱塞8不脱离气套9。

支撑杆13中心处布置有轴承。

连接架15内侧布置有齿条。

连接关系：

气缸4顶部中心处布置有喷油器2，周围开设有多个排气道，排气门3安装于排气道上，活塞6安装在气缸4内部，并保证工作时活塞6一直处于气缸4内部。活塞6侧向表面与气缸4内侧表面通过活塞环形成密封配合。气缸4内侧表面与活塞6头部表面围成的空间为燃烧室。

活塞6头部开设有多个进气道，每个进气道上安装有进气门5，进气门5与活塞6之间装有回复弹簧7。

活塞6与气套9同轴，活塞6底部与气套9上端刚性连接，由于活塞为圆筒形结构，气套为类似方筒型结构，所以两部件连接后在结合面上会产生两开口区域，在这两个开口区域上布置有单向进气阀门10。

连接架15两端分别与两气套9末端弧线部分刚性连接；两组发电机初级12分别与两气套9末端直线部分刚性连接；

两组发电机初级12之间布置有发电机次级11，发电机次级11两端分别与两柱塞8刚性连接；柱塞8与气套9内侧表面形成滑动密封配合；发电机初级12与发电机次级11在轴向上可以相对运动，运动时保证柱塞8不与发电机初级接触且不脱离气套9；活塞6内侧、单向进气阀门10、气套9和柱塞8围城的空间成为泵气室。

每个支撑杆13两端与两气缸4固定连接。换向齿轮14布置于支撑杆13中间的轴承上，相对于支撑杆13，换向齿轮14的位置不能移动，但其自身可以转动。连接架15内侧的齿条与换向齿轮14相啮合；换向齿轮14同时也与发电机次级11上的齿条相啮合。

工作过程：

***工作时，由于连接架15、气套9、发电机初级12和活塞6固连在一起，而换向齿轮14将连接架15与发电机次级11同时啮合在一起，所以活塞6的运动与发电机次级11的运动是同步反向的。当活塞6带动发电机初级12从左侧止点向右侧止点运动时，发电机次级11从右侧止点向左侧止点运动，切割磁力线，产生电能。

此过程中，对于左侧内燃机部分，气缸4内高压燃油燃烧产生的爆发压力推动活塞6向右运动，燃烧室的容积不断增大，而泵气室的容积不断减小，此过程中，单向进气阀门10处于关闭状态，泵气室内气体被压缩，压力升高。活塞6运动到接近下止点（由于自由活塞内燃机没有确定的上下止点，此止点是指理论的止点，下文涉及的止点均是指理论上的止点位置）时，排气门控制器1控制排气门3打开，废气排出，燃烧室内压力迅速下降。此后，活塞6向右运动的过程中柱塞8向左运动并与进气门5接触，克服回复弹簧7弹力并推动进气门5向左运动，进气门5打开，泵气室内的高压气体被压入燃烧室，开始换气。换气基本完成后，排气门3关闭。当柱塞8向右返回时，进气门5在回复弹簧7的作用下关闭。

对于右侧内燃机部分，活塞6由下止点向上止点运动，压缩燃烧室内新鲜空气，燃烧室的容积不断减小，而泵气室的容积不断增大，在这个过程中，排气门控制器1控制气缸4上的排气门3保持关闭状态，而进气门5在回复弹簧7的作用下也处于关闭的状态。燃烧室内气体压力不断升高，在活塞6运动到上止点位置时即可达到爆发燃烧所需要的压力。与此同时，由于泵气室容积不断增大，其内部气体压力下降，低于大气压力，单向进气阀门10打开，新鲜空气被吸入泵气室。当活塞6到达上止点时已有足够的新鲜空气储备在了泵气室。

此过程终了，右侧气缸4内喷入燃油，产生爆发压力，推动活塞6从右侧止点向左侧止点运动，进入下一循环。

整个过程中，发电机初级12与发电机次级11的运动一直是同步反向的。一方面，发电机初级12与发电机次级11之间的相对速度是活塞6运动速度的两倍，提高了发电机次级11的切割速度、增加了工作效率。另一方面，柱塞8在气套9内的行程是活塞6在气缸4内的行程的两倍，通过合理设计气套9截面形状可以优化进气量和进气压力，实现良好的换气。还有一个方面就是通过匹配运动件的质量，使活塞6、气套9、连接架15和发电机初级12的总质量与发电机次级11和柱塞8的总质量相等，可以使***中运动件在轴向上的惯性力相互抵消，***自然平衡。

Claims (5)

1.一种自平衡高速自由活塞发电机，其特征在于：主要包括：自由活塞内燃机、平板直线发电机、泵气装置、传动换向装置、单向进气阀门(10)；

自由活塞内燃机包括：排气门控制器(1)、喷油器(2)、排气门(3)、气缸(4)、进气门(5)、活塞(6)、回复弹簧(7)；

泵气装置包括：柱塞(8)、气套(9)

平板直线发电机包括：发电机次级(11)、发电机初级(12)；

传动换向装置包括：支撑杆(13)、换向齿轮(14)、连接架(15)；

气缸(4)顶部中心处布置有喷油器(2)，周围开设有多个排气道，排气门(3)安装于排气道上，活塞(6)安装在气缸(4)内部，并保证工作时活塞(6)一直处于气缸(4)内部；活塞(6)侧向表面与气缸(4)内侧表面通过活塞环形成密封配合；气缸(4)内侧表面与活塞(6)头部表面围成的空间为燃烧室；

活塞(6)头部开设有多个进气道，每个进气道上安装有进气门(5)，进气门(5)与活塞(6)之间装有回复弹簧(7)；

活塞(6)与气套(9)同轴，活塞(6)底部与气套(9)上端刚性连接，由于活塞为圆筒形结构，气套为类似方筒型结构，所以两部件连接后在结合面上会产生两开口区域，在这两个开口区域上布置有单向进气阀门(10)；

连接架(15)两端分别与两气套(9)末端弧线部分刚性连接；两组发电机初级(12)分别与两气套(9)末端直线部分刚性连接；

两组发电机初级(12)之间布置有发电机次级(11)，发电机次级(11)两端分别与两柱塞(8)刚性连接；柱塞(8)与气套(9)内侧表面形成滑动密封配合；发电机初级(12)与发电机次级(11)在轴向上可以相对运动，运动时保证柱塞(8)不与发电机初级接触且不脱离气套(9)；活塞(6)内侧、单向进气阀门(10)、气套(9)和柱塞(8)围城的空间成为泵气室；

每个支撑杆(13)两端与两气缸(4)固定连接；换向齿轮(14)布置于支撑杆(13)中间的轴承上，相对于支撑杆(13)，换向齿轮(14)的位置不能移动，但其自身可以转动；连接架(15)内侧的齿条与换向齿轮(14)相啮合；换向齿轮(14)同时也与发电机次级(11)上的齿条相啮合。

2.如权利要求1所述的一种自平衡高速自由活塞发电机，其特征在于：所述发电机次级(11)侧面布置有齿条；发电机次级(11)长度大于发电机初级(12)，保证行程范围内两者耦合面积保持不变。

3.如权利要求1所述的一种自平衡高速自由活塞发电机，其特征在于：所述活塞(6)为一端封闭，一端开口的圆筒形结构；封闭端为头部，开口端为底部。

4.如权利要求1所述的一种自平衡高速自由活塞发电机，其特征在于：所述气套(9)为类似方筒型结构，靠近活塞(6)的一端为上端，远离活塞(6)的一端为末端；截面为两直线与两弧线围成的形状，弧线半径与活塞(6)半径相等；气套(9)长度大于活塞(6)行程的两倍，保证柱塞(8)不脱离气套(9)。

5.如权利要求1所述的一种自平衡高速自由活塞发电机，其特征在于：所述支撑杆(13)中心处布置有轴承。