CN113047954B - 一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机 - Google Patents

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Abstract

一种基于刚性同步传动***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发电效率低及稳定性差的问题。一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机，第一直线发电机组、第二直线发电机组、刚性同步传动组件、布置在第一直线发电机组两端的两个高压气缸以及布置在第二直线发电机组两端的两个低压气缸。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。通过刚性同步传动组件，使得高压活塞和低压活塞始终保持稳定的相位运行，避免出现因相位异变引发的活塞撞顶和压气不足等问题。

Description

一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机
技术领域
本发明涉及一种基于刚性同步传动***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损失掉很大一部分，因此整体发电效率较低。自由活塞发电机耦合了自由活塞发电机与直线电机的工作特点，能够把燃料的化学能直接转化成电能的形式，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。
针对普通的自由活塞发电机，因为取消了曲柄连杆结构，活塞与缸套之间的机械摩擦减小，机械效率得以提高，但是其缸内结构相比于普通内燃机没有太大改变，缸内工作循环与普通内燃机相同，因此整体燃烧的热效率没有任何提高。由于热效率受制于发动机传统的工作循环，自由活塞发电机的发电效率的进一步优化受到了阻碍。
自由活塞发电机的发电效率优化依赖于稳定的活塞运动状态。传统多缸内燃机由于曲柄连杆结构以及曲轴的限位作用，使得不同气缸能够维持固定的相位差稳定运行，各个时刻不同气缸内的活塞总是出现在设计所需的相对空间位置，从而保证了内燃机性能稳定。对于取消了曲柄连杆和曲轴的自由活塞发电机来说，气缸内活塞的运动只能单纯依靠新鲜空气和燃烧废气的推动作用，但是变工况下缸内各个工作循环内的气流运动极不稳定，一方面会出现活塞没有足够的动力将缸内新鲜空气压缩到理想状态，使得做功冲程时油雾燃烧不完全，从而导致自由活塞发电机的发电效率降低，同时油耗和污染物排放增加；另一方面，当缸内气流作用较强时，活塞运动速度非常快，由于缺少曲柄连杆和曲轴的限位作用，活塞极有可能越过上止点或下止点，发生撞顶现象，对气缸结构部件的安全性产生影响。除此之外，由于自由活塞发电机缸内气流运动的不稳定，自由活塞发电机在各个循环的工作状态也不稳定，异常工作循环的多次叠加最终会导致自由活塞发电机无法有效工作。因此，采取有效措施来维持自由活塞发电机缸内活塞运动相位的稳定至关重要。
发明内容
本发明是为了解决现有的自由活塞发电机发电效率低及稳定性差的问题，进而提供了一种基于刚性同步传动***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：
一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机，第一直线发电机组、第二直线发电机组、刚性同步传动组件、布置在第一直线发电机组两端的两个高压气缸以及布置在第二直线发电机组两端的两个低压气缸，
其中所述第一直线发电机组包括壳体、活动穿装在壳体上的动子芯轴、固装在壳体内且同轴套设在动子芯轴外部的定子线圈以及同轴固装在动子芯轴上且位于定子线圈与动子芯轴之间的发电机动子，第二直线发电机组与第一直线发电机组的结构组成相同，两个动子芯轴之间通过所述刚性同步传动组件连接；
每个所述高压气缸均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，两个高压活塞分别与第一直线发电机组的动子芯轴两端固接，每个所述低压气缸均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，两个低压活塞分别与第二直线发电机组的动子芯轴两端固接，位于同侧的高压气缸上的高压进气阀与低压气缸上的空气出口阀之间均连接设置有中冷器，位于同侧的高压气缸上的高压排气阀与低压气缸上的废气进气口之间连接设置有废气连通管。
进一步地，所述刚性同步传动组件包括传动轴以及固装在传动轴两端的两个蜗轮，两个动子芯轴上靠近传动轴的一端部均沿其周向加工有若干螺旋齿，两个蜗轮与两个动子芯轴上的螺旋齿对应啮合形成两组蜗轮蜗杆副。
进一步地，所述传动轴通过轴承安装到支撑结构上。
进一步地，每个直线发电机组中，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。
通过刚性同步传动组件，使得高压活塞和低压活塞始终保持稳定的相位运行，避免出现因相位异变引发的活塞撞顶和压气不足等问题。
附图说明
图1为本申请的主视示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机，第一直线发电机组、第二直线发电机组、刚性同步传动组件、布置在第一直线发电机组两端的两个高压气缸以及布置在第二直线发电机组两端的两个低压气缸，
其中所述第一直线发电机组包括壳体2、活动穿装在壳体2上的动子芯轴4、固装在壳体2内且同轴套设在动子芯轴4外部的定子线圈1以及同轴固装在动子芯轴4上且位于定子线圈1与动子芯轴4之间的发电机动子3，第二直线发电机组与第一直线发电机组的结构组成相同，两个动子芯轴4之间通过所述刚性同步传动组件连接；
每个所述高压气缸均包括高压缸体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17，两个高压活塞15分别与第一直线发电机组的动子芯轴4两端固接，每个所述低压气缸均包括低压缸体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10，两个低压活塞9分别与第二直线发电机组的动子芯轴4两端固接，位于同侧的高压气缸上的高压进气阀13与低压气缸上的空气出口阀10之间均连接设置有中冷器12，位于同侧的高压气缸上的高压排气阀17与低压气缸上的废气进气口11之间连接设置有废气连通管18。
第二直线发电机组与第一直线发电机组的结构组成相同，由于高压气缸尺寸参数比低压气缸小，考虑到活塞对动子芯轴的载荷作用，与高压气缸连接的动子芯轴较细，而与低压气缸连接的动子芯轴粗一些，所以与高压气缸连接的第一直线发电机组尺寸参数也比与低压气缸连接的第二直线发电机组尺寸参数小。
工作原理：
高压气缸、低压气缸、中冷器及废气连通管构成内燃机组。
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。
通过刚性同步传动组件，使得高压活塞15和低压活塞9始终保持稳定的相位运行，避免出现因相位异变引发的活塞撞顶和压气不足等问题。
所述刚性同步传动组件包括传动轴19以及固装在传动轴19两端的两个蜗轮22，两个动子芯轴4上靠近传动轴19的一端部均沿其周向加工有若干螺旋齿21，两个蜗轮22与两个动子芯轴4上的螺旋齿21对应啮合形成两组蜗轮蜗杆副。两组蜗轮蜗杆副的半径和齿数等参数，由高压活塞15和低压活塞9特定的运动相位相对关系确定。第一直线发电机组中的动子芯轴4往复直线运动，通过蜗轮蜗杆副带动传动轴19旋转；传动轴19再通过另一组蜗轮蜗杆副将其旋转运动转换成另一个动子芯轴4的往复直线运动，进而带动低压活塞9直线运动。由于两个动子芯轴4通过传动轴19及两组蜗轮蜗杆副刚性连接着，所以高压活塞15和低压活塞9的相对空间位置始终由设定的运动学规律控制着，以此维持自由活塞发电机的稳定工作。
所述传动轴19通过轴承20安装到支撑结构上。所述支撑结构可以为任何能够实现传动轴19径向限位的结构。通过轴承20使得传动轴19只能沿其自身周向运动。
每个直线发电机组中，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 (9)

1.一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机，其特征在于：第一直线发电机组、第二直线发电机组、刚性同步传动组件、布置在第一直线发电机组两端的两个高压气缸以及布置在第二直线发电机组两端的两个低压气缸，
其中所述第一直线发电机组包括壳体(2)、活动穿装在壳体(2)上的动子芯轴(4)、固装在壳体(2)内且同轴套设在动子芯轴(4)外部的定子线圈(1)以及同轴固装在动子芯轴(4)上且位于定子线圈(1)与动子芯轴(4)之间的发电机动子(3)，第二直线发电机组与第一直线发电机组的结构组成相同，两个动子芯轴(4)之间通过所述刚性同步传动组件连接；
每个所述高压气缸均包括高压缸体(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)，两个高压活塞(15)分别与第一直线发电机组的动子芯轴(4)两端固接，每个所述低压气缸均包括低压缸体(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)，两个低压活塞(9)分别与第二直线发电机组的动子芯轴(4)两端固接，位于同侧的高压气缸上的高压进气阀(13)与低压气缸上的空气出口阀(10)之间均连接设置有中冷器(12)，位于同侧的高压气缸上的高压排气阀(17)与低压气缸上的废气进气口(11)之间连接设置有废气连通管(18)；
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；
通过刚性同步传动组件，使得高压活塞(15)和低压活塞(9)始终保持稳定的相位运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机，其特征在于：所述刚性同步传动组件包括传动轴(19)以及固装在传动轴(19)两端的两个蜗轮(22)，两个动子芯轴(4)上靠近传动轴(19)的一端部均沿其周向加工有若干螺旋齿(21)，两个蜗轮(22)与两个动子芯轴(4)上的螺旋齿(21)对应啮合形成两组蜗轮蜗杆副。
3.根据权利要求2所述的一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机，其特征在于：所述传动轴(19)通过轴承(20)安装到支撑结构上。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于刚性同步传动***的自由活塞发电机，其特征在于：每个直线发电机组中，发电机动子(3)的两端与壳体(2)之间分别固装有弹簧(5)。
5.根据权利要求4所述的一种基于刚性同步传动***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。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种基于刚性同步传动***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。
7.根据权利要求6所述的一种基于刚性同步传动***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。
8.根据权利要求1所述的一种基于刚性同步传动***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。
9.根据权利要求1所述的一种基于刚性同步传动***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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