CN113047948B - 一种基于刚性连接的自由活塞发电机 - Google Patents

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Abstract

一种基于刚性连接的自由活塞发电机，属于动力能源技术领域。本发明解决了现有的自由活塞发电机的发电效率低及稳定性差的问题。它包括直线发电机组及布置在直线发电机组两端的两套内燃机组，其中所述直线发电机组包括壳体、动子芯轴、定子线圈以及发电机动子，每套内燃机组均包括高压气缸及低压气缸，两个高压活塞及两个低压活塞一一对应与四个连接轴固接，实现两套内燃机组的同步动作。高压活塞与低压活塞通过动子芯轴刚性连接，无需传动装置，有效减少结构复杂度。大大提高该整机组运行的可靠性与稳定性，最大限度降低安全隐患，降低成本。

Description

一种基于刚性连接的自由活塞发电机
技术领域
本发明涉及一种基于刚性连接的自由活塞发电机，属于动力能源技术领域。
背景技术
随着社会的不断发展，人们对能源的需求日益增多，能源问题已经成为制约各行各业进一步发展的主要问题。在各种形式的能源中，电能是被使用最为广泛的能源之一，而电能在车辆、船舶等行业中又是主要由柴油机进行提供的。在传统的柴油机发电过程中，能源的传递形式先是由燃料的化学能经过柴油机燃烧转变成曲轴输出的机械能，然后再由这部分机械能带动电机进行发电，转变成电能。整个能源的转换过程经过了较多的步骤，同时伴随着柴油机复杂的机械结构，其损失掉了很大一部分能量，因此整体发电效率较低。自由活塞发电机(free piston linear alternator，FPLA)是一种新型的能量转化装置，它把自由活塞式内燃机与直线发电机耦合起来，把燃料的化学能直接转化为电能，相比于传统的内燃机发电过程具有更高的发电效率与经济性能，因此正在受到越来越多的关注。
针对现有的双自由活塞发电机，由于单个自由活塞发电机缸内的工作循环与普通内燃机相差无几，因此燃烧热效率并没有显著地提高，且传统的双自由活塞发电机的布置形式，如涡轮涡杆连接也并不能为提高燃烧热效率带来大的贡献，因此，双自由活塞发电机的热效率提升成为制约其发展的一大问题；此外，传统双自由活塞发电机布置形式如涡轮涡杆连接等存在稳定性差等一系列问题，给整个发电机运行带来了极大的安全隐患。
发明内容
本发明是为了解决现有的自由活塞发电机的发电效率低及稳定性差的问题，进而提供了一种基于刚性连接的自由活塞发电机。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于刚性连接的自由活塞发电机，它包括直线发电机组及布置在直线发电机组两端的两套内燃机组，其中所述直线发电机组包括壳体、动子芯轴、定子线圈以及发电机动子，所述动子芯轴活动穿装在壳体上，且所述动子芯轴包括主轴体及两两对称固装在主轴体两端的连接轴，所述定子线圈固装在壳体内且同轴套设在动子芯轴外部，所述发电机动子同轴固装在主轴体上且位于定子线圈与主轴体之间；
每套内燃机组均包括高压气缸及低压气缸，其中所述高压气缸包括高压缸体及高压活塞，高压缸体的封闭端安装有喷油器、高压进气阀及高压排气阀，所述低压气缸包括低压缸体及低压活塞，低压缸体的封闭端安装有低压进气阀、低压排气阀、废气进气口及空气出口阀，其中空气出口阀与高压进气阀之间连接设置有中冷器，高压排气阀与废气进气口之间连接设置有废气连通管；
两个高压活塞及两个低压活塞一一对应与四个连接轴固接，实现两套内燃机组的同步动作。
进一步地，发电机动子的两端与壳体之间分别固装有弹簧。
进一步地，每个高压缸体上安装的高压进气阀的数量为两个。
进一步地，低压气缸与高压气缸的行程相同。
进一步地，高压缸体的体积及内径均小于低压缸体的体积及内径。
进一步地，高压活塞上及低压活塞上均安装有活塞环。
进一步地，高压缸体与低压缸体上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器及压力传感器。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
空气分别在内燃机组的低压气缸和高压气缸进行了两阶段压缩，提高了进气压力；此外，燃烧后的工质分别在高压气缸和低压气缸进行了两阶段膨胀，大大提高了废气中的能量利用率。由此，与现有技术相比，本发明的气缸最大爆发压力得以显著提高。
相对于现有技术，该发明具备两个气缸同时做功的条件，且将其连在同一根轴上，大大提高了其工作效率。
高压活塞与低压活塞通过动子芯轴刚性连接，无需传动装置，有效减少结构复杂度。大大提高该整机组运行的可靠性与稳定性，最大限度降低安全隐患，降低成本。
附图说明
图1为本申请的主视示意图；
图2为内燃机组中高压气缸与低压气缸之间的连接示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1及图2说明本实施方式，一种基于刚性连接的自由活塞发电机，它包括直线发电机组及布置在直线发电机组两端的两套内燃机组，其中所述直线发电机组包括壳体2、动子芯轴4、定子线圈1以及发电机动子3，所述动子芯轴4活动穿装在壳体2上，且所述动子芯轴4包括主轴体及两两对称固装在主轴体41两端的连接轴42，所述定子线圈1固装在壳体2内且同轴套设在动子芯轴4外部，所述发电机动子3同轴固装在主轴体41上且位于定子线圈1与主轴体41之间；
每套内燃机组均包括高压气缸及低压气缸，其中所述高压气缸包括高压缸体14及高压活塞15，高压缸体14的封闭端安装有喷油器16、高压进气阀13及高压排气阀17，所述低压气缸包括低压缸体8及低压活塞9，低压缸体8的封闭端安装有低压进气阀6、低压排气阀7、废气进气口11及空气出口阀10，其中空气出口阀10与高压进气阀13之间连接设置有中冷器12，高压排气阀17与废气进气口11之间连接设置有废气连通管18；
两个高压活塞15及两个低压活塞9一一对应与四个连接轴42固接，实现两套内燃机组的同步动作。
四个连接轴的一端均与主轴体一体固接，另一端均位于壳体外部，高压活塞及低压活塞分别与四个连接轴的另一端固接。
工作原理：
内燃机组带动动子芯轴4运动，发电机动子3切割定子线圈1产生的磁感线，进行发电。
空气从低压进气阀6进入低压缸体8，在低压活塞9的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从空气出口阀10进入中冷器12冷却。
中冷器12中的压缩空气通过高压进气阀13进入高压缸体14，在高压活塞15的作用下进行第二阶段压缩。
压缩过程完成后，喷油器16喷入燃油，高压缸体14中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞15进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀17流出至废气连通管18，再通过废气进气口11流入到低压缸体8中推动低压活塞9进行第二阶段膨胀，最终完成膨胀后的燃气通过低压排气阀7排出到外界环境中。
高压气缸采用压燃式方法，在喷油后使混合气自燃。
空气先在内燃机组中的低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸中进行第二阶段压缩，有效地提高了内燃机的进气压力，有利于提高工作过程平均有效压力，从而提高自由活塞发电机的热效率与发电效率。
燃烧后的工质先在高压气缸中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸中进行第二阶段膨胀，有效地提高了废气中的能量利用率，增加了膨胀功，进一步提高自由活塞发电机的热效率和发电效率。
高压活塞与低压活塞通过动子芯轴刚性连接，无需传动装置，有效减少结构复杂度。大大提高该整机组运行的可靠性与稳定性，最大限度降低安全隐患，降低成本。
发电机动子3的两端与壳体2之间分别固装有弹簧5。如此设计，通过弹簧5实现对发电机动子3的运动进行限位，防止发电机动子3碰撞壳体以及活塞撞顶。
每个高压缸体14上安装的高压进气阀13的数量为两个。如此设计，提高高压缸体14容积效率。
低压气缸与高压气缸的行程相同。
高压缸体14的体积及内径均小于低压缸体8的体积及内径。本申请的发电机处于高温环境，负责燃烧的高压气缸体积与表面积较小，能够降低工作过程的传热损失，提高能量利用率。
高压活塞15上及低压活塞9上均安装有活塞环。如此设计，提高缸内润滑效果，防止空气与燃气泄漏。
高压缸体14与低压缸体8上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器及压力传感器。如此设计，有效监测缸体内的工作状态。

Claims (7)

1.一种基于刚性连接的自由活塞发电机，其特征在于：它包括直线发电机组及布置在直线发电机组两端的两套内燃机组，其中所述直线发电机组包括壳体(2)、动子芯轴(4)、定子线圈(1)以及发电机动子(3)，所述动子芯轴(4)活动穿装在壳体(2)上，且所述动子芯轴(4)包括主轴体及两两对称固装在主轴体(41)两端的连接轴(42)，所述定子线圈(1)固装在壳体(2)内且同轴套设在动子芯轴(4)外部，所述发电机动子(3)同轴固装在主轴体(41)上且位于定子线圈(1)与主轴体(41)之间；
每套内燃机组均包括高压气缸及低压气缸，其中所述高压气缸包括高压缸体(14)及高压活塞(15)，高压缸体(14)的封闭端安装有喷油器(16)、高压进气阀(13)及高压排气阀(17)，所述低压气缸包括低压缸体(8)及低压活塞(9)，低压缸体(8)的封闭端安装有低压进气阀(6)、低压排气阀(7)、废气进气口(11)及空气出口阀(10)，其中空气出口阀(10)与高压进气阀(13)之间连接设置有中冷器(12)，高压排气阀(17)与废气进气口(11)之间连接设置有废气连通管(18)；
两个高压活塞(15)及两个低压活塞(9)一一对应与四个连接轴(42)固接，实现两套内燃机组的同步动作；
空气从低压进气阀(6)进入低压缸体(8)，在低压活塞(9)的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从空气出口阀(10)进入中冷器(12)冷却；
中冷器(12)中的压缩空气通过高压进气阀(13)进入高压缸体(14)，在高压活塞(15)的作用下进行第二阶段压缩；
压缩过程完成后，喷油器(16)喷入燃油，高压缸体(14)中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞(15)进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀(17)流出至废气连通管(18)，再通过废气进气口(11)流入到低压缸体(8)中推动低压活塞(9)进行第二阶段膨胀，最终完成膨胀后的燃气通过低压排气阀(7)排出到外界环境中；
高压气缸采用压燃式方法，在喷油后使混合气自燃。
2.根据权利要求1所述的一种基于刚性连接的自由活塞发电机，其特征在于：发电机动子(3)的两端与壳体(2)之间分别固装有弹簧(5)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于刚性连接的自由活塞发电机，其特征在于：每个高压缸体(14)上安装的高压进气阀(13)的数量为两个。
4.根据权利要求1所述的一种基于刚性连接的自由活塞发电机，其特征在于：低压气缸与高压气缸的行程相同。
5.根据权利要求4所述的一种基于刚性连接的自由活塞发电机，其特征在于：高压缸体(14)的体积及内径均小于低压缸体(8)的体积及内径。
6.根据权利要求1所述的一种基于刚性连接的自由活塞发电机，其特征在于：高压活塞(15)上及低压活塞(9)上均安装有活塞环。
7.根据权利要求1所述的一种基于刚性连接的自由活塞发电机，其特征在于：高压缸体(14)与低压缸体(8)上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器及压力传感器。
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