CN109339944A - 一种微型自由活塞发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型自由活塞发电机，包括定子和磁性活塞，所述活塞为磁性对置式活塞，所述定子壁面设有定子绕组和激磁绕组，所述磁性活塞对称放置在定子内部，所述左磁性活塞位于第一压力室与第一进气腔之间，所述右磁性活塞位于第二压力室与第二进气腔之间，所述中间活塞位于燃烧室内，所述燃烧室对称处设有燃烧室排气口；所述中间活塞与左磁性活塞连接的活塞杆为第一变径杆，通过活塞的移动，使第一压力室与燃烧室连通或阻断；所述中间活塞与右磁性活塞的活塞杆连接的活塞杆为第二变径杆，通过活塞的移动，使第二压力室与燃烧室连通或阻断。本发明实现进气腔往压力室进气的过程，保证了进气的充盈性。

Description

一种微型自由活塞发电机

技术领域

本发明涉及内燃机领域或者发电领域，特别涉及一种微型自由活塞发电机。

背景技术

自由活塞发动机是近几年逐渐发展的一种新型发动机，它取消了传统发动机的曲柄连杆机构，活塞仅做往复直线运动，活塞的运动规律受发动机运行工况决定。由于自由活塞发动机的结构简单、易微型化，故微型化的自由活塞发动机成为了国际上又一个新的研究领域。微自由活塞发动机机械结构上没有传统内燃机的曲柄连杆、气阀等机构，自由活塞在气缸内不受机械力约束，因此其具有非常高的做功性能。由于微型化的自由活塞发动机对外输出功的方式受限，将微发动机与发电装置有机结合形成的微自由活塞发电机成为主流的研究方向。现有的微发电***大部分采用热电材料进行热电转换，利用在燃烧器表面加装热电材料，将热能直接转化为电能。这种发电方式对热电材料的要求高，且寿命非常有限。而微自由活塞发电机由于其容积效率大、能量转换率高、工作寿命长等优点，在众多微动力装置脱颖而出，成为国内外科研机构的研究热点。

众所周知，二冲程发动机的工作效率很大程度上取决于发动机的进气效果和扫气效率，对于微自由活塞发电机而言，由于微燃烧室进气阻力大，在其工作过程中容易出现进排气不充分等问题，故改善其内燃机部分的进气和扫气效果的问题能够极大地提高其发电效率。其次，由于微发电机尺寸的特殊性，燃料在微燃烧室燃烧后中会产生高温高压的废气，这部分废气中的能量约占燃料的总能量的40％，对该部分能量的利用能够很大程度上提高微发电机的效率。传统常规尺寸的发动机对废气预热利用这方面已经拥有相关比较成熟的技术，如废气涡轮增压技术、废气温差发电技术等等，但这些技术不适用于微型化的动力装置上。另外，在目前所有公开的专利中，均没有考虑到微动力装置的废气处理部分。现有的微自由活塞发电机设计大多采用外部器件进气增压的方式，这种设计使得装置集成化程度低，同时需要消耗外部做功。也有少数设计采用优化装置结构布置实现微发电机进气过程，如中国专利采用导气管将压力室与进气口连接，燃烧室与压力室产生负压时实现进气，但是该设计中由于两端活塞缺少刚性连接且实际气体是具有可压缩性的，故压力室的压力上升不明显，继而进气增压效果不明显。其次，该设计中将废气预热进气***设置在装置内部，这种结构设计不利于微型化的发展；再者，废气通过狭小的排气管中时会散失自身很大一部分热量，使得废气预热进气效果差。再如中国专利设计未能考虑微发动机扫气过程，因此这种设计的排气效果差，燃烧室内易残留燃烧废气，影响装置的做功能力。除此之外，该设计中没有考虑对高温废气进行回收利用和处理，造成了能量浪费和环境污染问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种微型自由活塞发电机，达到增压进气以及良好的扫气效果的微自由活塞发电机，同时设计进气预热***和废气处理***对进气余热加以利用以及减少有害物质的排放。设计中采用双燃烧室以及三活塞结构，通过活塞的挤压作用将进气挤压进燃烧室，增压后的进气不仅能够保证进气充分，同时达到很好的扫气效果；采用两端压力室中间燃烧室的结构布置，大大缩短了燃烧室中间活塞的做功冲程，避免燃烧室分散布置造成过多的散热损失。微燃烧室中产生的废气首先经过进气预热***，经过换热器将热量传递给新鲜进气。废气中含有的有害物质如CO、NO_X经过废气处理***被处理，减少有害物质的排放。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种微型自由活塞发电机，包括定子和磁性活塞，所述活塞为磁性对置式活塞，所述定子壁面设有定子绕组和激磁绕组，所述磁性活塞对称放置在定子内部，所述磁性活塞包括左磁性活塞、右磁性活塞和中间活塞，所述左磁性活塞位于第一压力室与第一进气腔之间，所述右磁性活塞位于第二压力室与第二进气腔之间，所述中间活塞位于燃烧室内，所述燃烧室对称处设有燃烧室排气口；所述第一压力室与第一进气腔和第二压力室与第二进气腔分别连通；

所述中间活塞与左磁性活塞连接的活塞杆为第一变径杆，通过活塞的移动，使第一压力室与燃烧室连通或阻断；

所述中间活塞与右磁性活塞的活塞杆连接的活塞杆为第二变径杆，通过活塞的移动，使第二压力室与燃烧室连通或阻断。

进一步，所述第一变径杆从左磁性活塞到中间活塞直径渐变；所述第二变径杆从右磁性活塞到中间活塞直径渐变。

进一步，还包括集气箱，所述集气箱分别与第一进气腔和第二进气腔连通；所述集气箱内设有预热***，用于预热进入集气箱的气体。

进一步，所述预热***包括换热管，所述换热管进口与燃烧室排气口；所述换热管缠绕在集气箱内部。

进一步，所述换热管出口连接废气处理***。

进一步，所述燃烧室排气口连接废气处理***。

进一步，所述第一压力室与第一进气腔和第二压力室与第二进气腔之间的管道上分别设有单向阀。

进一步，所述单向阀包括工字型阀芯和隔板，所述隔板位于第二压力室与第二进气腔或者第一压力室与第一进气腔之间的管道上；所述隔板中间设有可移动的工字型阀芯，所述隔板上设有至少2个通孔；所述工字型阀芯的两端长度不同，通过所述工字型阀芯在隔板中间之间的移动，使所述隔板上通孔导通或者阻断。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的微型自由活塞发电机，无需外部增压部件就可以实现进气增压，微发电机采用左右对称布置，结构简单，这样的结构设计更适合微型化的发展。

2.本发明所述的微型自由活塞发电机，通过活塞与装置的内壁面构成体积可变的压力室和进气腔，活塞的往复运动改变压力室与进气腔的体积，从而实现进气腔往压力室进气的过程。新鲜充量通过压力室增压后通入微燃烧室，保证了进气的充盈性。

3.本发明所述的微型自由活塞发电机，通过变直径的连杆与燃烧室进气道直径的差异，在相应冲程向燃烧室输送增压气体。扫气道与排气道布置在燃烧室左右两侧，新鲜气体沿小直径处连杆周侧进入燃烧室扫气，扫气效果近似直流扫气品质。

4.本发明所述的微型自由活塞发电机，设计进气预热***，利用废气中的余热预热新鲜进气，降低燃料的压燃着火条件，避免活塞与燃烧室底部的强烈碰撞，增加装置的使用寿命。

5.本发明所述的微型自由活塞发电机，进气预热***以及沿程管道外壁均布置保温层，减小散热损失导致余热浪费。

6.本发明所述的微型自由活塞发电机，设计废气处理***，避免或减少燃烧不充分导致的如CO等有害物质的排放。

7.本发明所述的微型自由活塞发电机，针对微尺度燃烧室设计的单向阀，其结构简单，安全可靠，易微型化，避免管道或燃烧室因压力过大造成回流现象。

附图说明

图1为本发明所述的微型自由活塞发电机结构示意图。

图2a为本发明所述的单向阀内部结构示意图。

图2b为本发明所述的单向阀闭合原理图。

图2c为本发明所述的单向阀开启合原理图。

图3为本发明所述的为微发电机的工作过程示意图，(a)启动阶段，第一燃烧室进气、(b)第一燃烧室压缩，第二燃烧室进气、(c)第一燃烧室压缩着火，第二燃烧室进气饱和、(d)第二燃烧室压缩，第一燃烧室扫气，废气预热进气，经过废气处理***排出、(e)第二燃烧室压缩着火，第一燃烧室进气饱和、(f)第一燃烧室压缩，第二燃烧室扫气，废气预热进气，经过废气处理***排出、(g)第一燃烧室压缩着火过程。

图中：

1-电流逆变器；2-活塞；3-激磁绕组；4-左定子绕组；5-第一燃烧室；6-右定子绕组；7-第二燃烧室；8-活塞杆；9-第二压力室；10-单向阀；11-第一进气腔；12-第一压力室；13-进气导管；14-保温层；15-集气箱；16-进气口；17-燃烧室排气口；18-废气处理***；19-排气口；20-换热管；21-第二进气腔；22-定子。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的微型自由活塞发电机，包括定子22和磁性活塞2，所述活塞2为磁性对置式活塞，所述定子22壁面设有左定子绕组、右定子绕组6和激磁绕组3，所述磁性活塞2对称放置在定子22内部，所述磁性活塞2包括左磁性活塞、右磁性活塞和中间活塞，所述左磁性活塞位于第一压力室12与第一进气腔11之间，所述右磁性活塞位于第二压力室9与第二进气腔21之间，所述中间活塞位于燃烧室内，并将燃烧室内分为互相不连通的第一燃烧室5和第二燃烧室7，所述燃烧室对称处设有燃烧室排气口17；所述第一压力室12与第一进气腔11和第二压力室9与第二进气腔21分别连通；所述中间活塞与左磁性活塞连接的活塞杆8为第一变径杆，通过活塞2的移动，使第一压力室12与燃烧室5连通或阻断；所述中间活塞与右磁性活塞的活塞杆8连接的活塞杆8为第二变径杆，通过活塞2的移动，使第二压力室9与燃烧室连通或阻断。所述第一变径杆从左磁性活塞到中间活塞直径渐变；所述第二变径杆从右磁性活塞到中间活塞直径渐变。

集气箱15通过进气导管13分别与第一进气腔11和第二进气腔21连通；所述进气导管13外包裹保温层14；所述集气箱15内设有预热***，用于预热进入集气箱15的气体。集气箱15上设有进气口16，用于给第一进气腔11和第二进气腔21供气。所述预热***包括换热管20，所述换热管20进口与燃烧室排气口17；所述换热管20缠绕在集气箱15内部。所述换热管20出口连接废气处理***18。所述废气处理***18的排气口与废气收集罐连接。

如图2a所示，所述第一压力室12与第一进气腔11和第二压力室9与第二进气腔21之间的管道上分别设有单向阀10。所述单向阀10包括工字型阀芯和隔板，所述隔板位于第二压力室9与第二进气腔21或者第一压力室12与第一进气腔11之间的管道上；所述隔板中间设有可移动的工字型阀芯，所述隔板上设有至少2个通孔；所述工字型阀芯的两端长度不同，通过所述工字型阀芯在隔板中间之间的移动，使所述隔板上通孔导通或者阻断。如图2b和图2c所示，单向阀10采用“工”字形结构，根据阀门两端的压力设计大小不同的工字型阀芯的阀板。小阀板闭合时，单向阀打开，允许压强大的一侧流体往压强小的一侧流动；大阀门闭合时，单向阀关闭，不允许有流体通过阀门管道。

工作原理，微自由活塞发电机的定子22和活塞2均由磁性能极好且电阻率高的耐热材料制成，活塞2同时又作为电枢，发电机的启动靠电磁力来完成。左定子绕组4和右定子绕组6分别绕在定子左半部分与右半部分上，左定子绕组4和右定子绕组6的组数与微燃烧室气缸的长度相关；左定子绕组4与电流逆变器1串联，右定子绕组6与另一电流逆变器串联，在激磁绕组的励磁下，活塞直线运动，活塞切割磁感线产生电能；在负载开关闭合和蓄电池开关打开情况下，发电机为负载提供电能；在负载开关打开和蓄电池开关闭合情况下，发电机的发电输送至蓄电池储存。

工作方式：

如图3a所示发电机启动前，集气箱15中的新鲜均质混合气通过进气导管13进入第一进气腔11和第一压力室12，第一变径杆使第一压力室12与第一燃烧室5连通，第一压力室12里的混合气由燃烧室进气道进入第一燃烧室5。闭合蓄电池开关，利用蓄电池中发出的电流经电流逆变器1转化成交流电，经左定子绕组4与右定子绕组6相应地发出交变的磁场，交变的磁场作用于活塞2使其运动，发电机的启动工作开始。磁性活塞2受到电磁力的驱动往右运动，压缩第一燃烧室5的均质混合气。

如图3b所示，在压缩第一燃烧室5的均质混合气的过程中，当活塞运行到一定位置时，第二变径杆使第二压力室9与第二燃烧室7连通；第二压力室9的新鲜混合气在活塞的挤压作用下由燃烧室进气道进入第二燃烧室7，第二燃烧室的进气工作开始。

如图3c所示，活塞2在电磁力的驱动下一直往左运动，直至压燃第一燃烧室5的均质混合气，在第一燃烧室5着火时刻，第二燃烧室7的进气完成。

如图3d所示，第一燃烧室5着火后活塞返回向右运动，促使活塞压缩第二燃烧室7的均质混合气；当活塞向右运行到一定位置时，此时燃烧室的排气口17打开，第一压力室12的新鲜混合气在活塞的挤压作用下由燃烧室进气道进入第一燃烧室5，由第一压力室12增压后的新鲜燃料进入第一燃烧室5对废气进行扫除；废气经过排气口17进入进气预热***，废气中的热量通过换热器20的换热作用传递给集气箱15内的新鲜混合气；预热后具有一定温度的新鲜气体再由进气导管13进入第二进气腔21，进气导管13沿程与集气箱表面均布满保温材料，避免因换热损失导致能量流失；活塞的运动将第二进气腔21的新鲜混合气挤压进第二压力室9；从进气预热***排出的废气输送至废气处理***18，废气处理***的作用是消除或降低废气中有害物质如CO的排放，废气经过废气处理***处理后，由废气处理排气口19排放至装置外。

如图3e所示，活塞受力一直往右运动，直至压燃第二燃烧室7的均质混合气，在第二燃烧室7着火时刻，第一燃烧室5的进气与排气同时完成；同样，该过程中产生的废气从排气口17排出再经过进气预热***和废气预处理***18排放至装置外。

如图3f所示，第二燃烧室7着火后，燃烧室的压力剧增，推动活塞向左运动，促使活塞压缩第一燃烧室5的均质混合燃料；当活塞向左运行到一定位置时，此时燃烧室的排气口17打开，第二压力室9的新鲜进气在活塞的挤压作用下由燃烧室进气道进入第二燃烧室7，由第二压力室9增压后的新鲜燃料进入第二燃烧室7对废气进行扫除；与此同时，集气箱15向第二进气腔和第二压力室9进气；同样，该过程中从排气口17排出的废气经过进气预热***和废气预处理***排放至装置外。

如图3g所示，活塞2受力一直往左运动，直至压燃第一燃烧室5的均质混合进气，在第一燃烧室5着火时刻，第二燃烧室7的进气与排气同时完成。

至此，微发电机的整个循环燃烧过程完成。左右进排气过程与混合气体燃烧膨胀过程交替完成，推动磁性活塞2往复运动，当磁性活塞往复运动时，根据相对运动，相当于线圈导线在做切割磁感线的运动，产生一定大小的电流；微型发动机通过混合气压缩燃烧释放出的能量转化为活塞的机械能，再通过发电机中的发电装置将活塞的机械能转化为电能；燃烧过程中产生的废气通过进气预热***对进气进行预热，进气预热的作用能够降低燃料的着火条件，再由废气处理***处理后排放至装置外。在负载开关合闭和蓄电池开关打开情况下，发电机为负载提供电能；在负载开关打开和蓄电池开关合闭情况下，发电机的发电输送至蓄电池储存。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微型自由活塞发电机，包括定子(22)和磁性活塞(2)，所述活塞(2)为磁性对置式活塞，所述定子(22)壁面设有定子绕组(4，6)和激磁绕组(3)，所述磁性活塞(2)对称放置在定子(22)内部，其特征在于，所述磁性活塞(2)包括左磁性活塞、右磁性活塞和中间活塞，所述左磁性活塞位于第一压力室(12)与第一进气腔(11)之间，所述右磁性活塞位于第二压力室(9)与第二进气腔(21)之间，所述中间活塞位于燃烧室内，所述燃烧室对称处设有燃烧室排气口(17)；所述第一压力室(12)与第一进气腔(11)和第二压力室(9)与第二进气腔(21)分别连通；

所述中间活塞与左磁性活塞连接的活塞杆(8)为第一变径杆，通过活塞(2)的移动，使第一压力室(12)与燃烧室(5)连通或阻断；

所述中间活塞与右磁性活塞的活塞杆(8)连接的活塞杆(8)为第二变径杆，通过活塞(2)的移动，使第二压力室(9)与燃烧室连通或阻断。

2.根据权利要求1所述的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述第一变径杆从左磁性活塞到中间活塞直径渐变；所述第二变径杆从右磁性活塞到中间活塞直径渐变。

3.根据权利要求1所述的微型自由活塞发电机，其特征在于，还包括集气箱(15)，所述集气箱(15)分别与第一进气腔(11)和第二进气腔(21)连通；所述集气箱(15)内设有预热***，用于预热进入集气箱(15)的气体。

4.根据权利要求3所述的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述预热***包括换热管(20)，所述换热管(20)进口与燃烧室排气口(17)；所述换热管(20)缠绕在集气箱(15)内部。

5.根据权利要求4所述的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述换热管(20)出口连接废气处理***(18)。

6.根据权利要求1-3任一项所述的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述燃烧室排气口(17)连接废气处理***(18)。

7.根据权利要求1-3任一项所述的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述第一压力室(12)与第一进气腔(11)和第二压力室(9)与第二进气腔(21)之间的管道上分别设有单向阀(10)。

8.根据权利要求7所述的微型自由活塞发电机，其特征在于，所述单向阀(10)包括工字型阀芯和隔板，所述隔板位于第二压力室(9)与第二进气腔(21)或者第一压力室(12)与第一进气腔(11)之间的管道上；所述隔板中间设有可移动的工字型阀芯，所述隔板上设有至少2个通孔；所述工字型阀芯的两端长度不同，通过所述工字型阀芯在隔板中间之间的移动，使所述隔板上通孔导通或者阻断。