CN117167136A - 一种二冲程自由活塞直线励磁发电***及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二冲程自由活塞直线励磁发电***及其工作方法，该***包括直线电机、分置在直线电机左右两侧对称的两个自由活塞内燃机和两组柔性弹簧；直线发电机设置有相应的定子线圈绕组和电机动子，电机动子表面固定有永磁体，动子的两端分别和左右两活塞固连；燃烧室顶部设置有电磁进排气门、火花塞、喷油器，燃烧室中部附着相应的散热片，燃烧室侧面设置有润滑油箱。本发明采用双缸结构、二冲程循环工作，基于电磁进排气阀扫气，功重比大、扫气效率较传统回流扫气更高；在缸体上设计新的润滑装置，减少摩擦，进一步提高效率；在活塞与直线电机之间增加柔性弹簧组，提高了***的稳定性，减少循环变异性。
Description
技术领域
本发明属于内燃机发电技术领域，特别是一种二冲程自由活塞直线励磁发电***及其工作方法。
背景技术
内燃机作为一种典型的能量转换装置，现已应用于社会的方方面面。然而随着内燃机数量和应用规模的迅速增大，能源和环保问题也随之而来。各国政府和研究人员也逐渐重视起来，一方面优化传统内燃机的性能，另一方面也在积极探索新型能量转换装置。自由活塞直线励磁发电机就是在此背景下发展起来的新型能量转换装置。
自由活塞直线励磁发电机是由自由活塞内燃机和直线电机耦合而来，与传统的内燃机加发电机组合结构相比，它的内燃机和发电机可以天然集成一体。而且自由活塞内燃机部分在结构上去除了传统内燃机的曲轴和飞轮机构，活塞的运动不受机械结构的约束，侧向的摩擦也减少，因此该发电机具有结构紧凑、功率密度高、燃料适应性强等优势。
目前对于自由活塞直线励磁发电机的研究多集中于双活塞式结构的研究。双活塞式结构依靠左右两个气缸的交替燃烧来驱动动子组件往复运动，相比与单活塞式结构以弹簧作为回复装置，双活塞式结构功率密度更高，效率也更高；同时，由于动子组件的***，对于活塞的控制难度增大，***稳定性较差。另一方面，目前双活塞式结构采用二冲程的循环方式，多采用回流扫气的方式进行气体交换，这种方式下进排气口的开闭均由活塞的位置来控制，通常扫气效率不高。此外，双活塞自由活塞直线励磁发电机一般横向布置，不同于传统二冲程内燃机纵置可以利用飞溅润滑或者混合油气润滑，自由活塞发动机的润滑也是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二冲程自由活塞直线励磁发电***及其工作方法，其一采用电磁气门机构，提升***的扫气效率；其二在直线电机和燃烧室之间增加柔性弹簧组，增强了***的稳定性，减少***循环变异性；其三提供了一种新的活塞结构，解决了活塞环与缸套之间的润滑问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种二冲程自由活塞直线励磁发电***，包括：
直线电机，对称设置在直线电机左右两侧的自由活塞内燃机和柔性弹簧；
所述直线电机包括：电机外壳，设置在电机外壳两端的端盖，设置在电机外壳内的定子槽，置在定子槽上的线圈绕组，电机动子；所述线电机动子表面固定有永磁体；
所述自由活塞内燃机包括缸体，与缸体固定的缸盖，设置在缸盖上的电磁排气阀、火花塞、喷油器和电磁进气阀，设置在缸体内的火花塞，设置在火花塞两端的活塞环组，设置在缸体上的润滑油油箱；
所述活塞通过连杆与电机动子相连，连杆支撑在端盖上；柔性弹簧内圈与连杆固定，外圈与缸体固定，能够随连杆往复运动；
还包括位移检测模块，用于通过检测连杆的位置从而检测电磁排气阀、电磁进气阀的启闭位置，喷油嘴的喷油位置和火花塞的点火位置。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明在原有二冲程自由活塞直线励磁发电***的基础上改进使用电磁进排气阀来控制扫气过程，可以提高扫气效果，促进整体发电效率；
(2)本发明提出了一种润滑装置，解决了自由活塞与缸套之间的润滑问题；
(3)本发明利用柔性弹簧辅助，既可以起到对动子组件的悬挂作用，减少各部件之间的摩擦，同时可以提高***的稳定性，减少循环变异性，避免因燃烧室爆燃带来的撞缸问题。
附图说明
图1为本发明二冲程自由活塞直线励磁发电***整体结构示意图。
图2为本发明活塞动子组件运行到右止点时柔性弹簧形变示意图。
图3为图1所示A-A截面示意图。
图4为本发明二冲程自由活塞直线励磁发电***中柔性弹簧结构示意图。
图5为本发明在运行时动子组件运行中所预设的相应位置及相应操作示意图。
图示说明：1-缸体；2-燃烧室；3-缸盖；4-电磁排气阀；5-火花塞；6-喷油器；7-电磁进气阀；8-散热片；9-活塞；10-活塞环组；11-放油孔；12-连杆；13-柔性弹簧组；14-润滑油油箱；15-油腔；16-直线轴承；17-端盖；18-定子槽；19-线圈绕组；20-电机动子；21电机外壳；22-位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
如图1所示，本发明提供一种二冲程自由活塞直线励磁发电装置，包括直线电机、分置在直线电机左右两侧对称的两个自由活塞内燃机和两组柔性弹簧，所述左右两侧自由活塞内燃机均包括缸体1、燃烧室2、缸盖3、电磁排气阀4、火花塞5、喷油器6、电磁进气阀7、散热片8、活塞9、活塞环组10、放油孔11、连杆12、柔性弹簧组13、润滑油油箱14。
所述缸盖3固定在缸体1上，缸体1外部设置有相应的散热片8，缸体1上安装有润滑油箱14，润滑油箱14管道缸体1沿周向布置。所述火花塞5、喷油器6、电磁进气阀7、电磁排气阀4均安装在自由活塞内燃机的缸盖3上，火花塞5用于点燃燃烧室内的可燃混合气，电磁进气阀7、电磁排气阀4用于控制缸内的进排气；活塞9设置在缸体1的燃烧室2内，活塞环组10安装在活塞9的头部和尾部，用于防止活塞运动过程中气体工质的泄漏、清刮润滑油以及密封；活塞外圈中间设有一圈梯形环槽，梯形环槽和缸体1通过活塞环10配合形成润滑油油腔15；动子组件位于中间位置时，活塞梯形环槽的中轴线与润滑油箱14中轴线重合；柔性弹簧组13固定安装在内燃机缸体1远离燃烧室的一端，它的中心和连杆12固连，当动子组件位于中间位置的时候，左右柔性弹簧组13均无形变。
所述直线电机包括端盖17、定子槽18、线圈绕组19、电机动子20和电机外壳21，电机外壳21内嵌有定子槽18，定子槽18内设置有线圈绕组19，电机外壳21两端设有端盖17，端盖17向外延伸的部分设置有位移传感器22，这里可以采用激光位移传感器，端盖17中心设置有直线轴承16，电机动子20表面固定有永磁体，永磁体以N极、S极交替排列，电机动子20通过直线轴承16轴向定位。左右两侧自由活塞9分别通过左右两侧连杆12与电机动子20相连，组成活塞动子组件。动子组件在左右两侧燃烧室2的作用下进行水平往复运动。
如图3所示，为图1所示A-A截面示意图，图中1为缸体，9为活塞，14-1为润滑油油箱主体，14-2为润滑油环形油道，14-3为润滑油油孔，11为润滑油放油孔。润滑油环形油道14-2连接了润滑油油箱主体14-1和润滑油油孔14-3，润滑油油孔14-3共六个，均布在缸体周向位置。润滑油在重力作用下经过油道14-2从油孔14-3进入润滑油油腔15，同时当油腔15内压力过大，腔内润滑油也会从油孔14-3经过油道14-2回到油箱主体14-1。
如图4所示，为柔性弹簧组其中一个弹簧的结构示意图，柔性弹簧组由三个这样的弹簧重叠而组成，柔性弹簧内圈与连杆固定，外圈与缸体固定。图中13-1为固定孔，共八个，沿周向均布，用来与缸体1连接固定，13-2为螺旋臂，共五条，整个柔性弹簧主要靠螺旋臂的形变来工作。
如图5所示，为装置运行时动子运行所预设的相应位置，RDC为活塞右止点，LDC为活塞左止点，所述Lign、Rign分别为左右两侧燃烧室点火预设开启位置，Lexon、Rexon分别为左右两侧燃烧室电磁排气阀预设开启位置，Linon、Rinon分别为左右两侧燃烧室进气口预设开启位置，Lexoff、Rexoff分别为左右两侧燃烧室电磁排气阀预设关闭位置，Linoff、Rinoff分别为左右两侧燃烧室电磁进气阀预设关闭位置，Linj、Rinj分别为左右两侧燃烧室预设喷油位置。
结合图1和图5，说明本发明的工作原理为：当装置在稳定运行时，电机动子20在左侧燃烧室与右侧燃烧室的双重作用下进行来回往复运动，定子绕组19切割磁力线产生感应电动势。在运行过程中，需要获取活塞动子组件的精确位置信号作为反馈变量，以此对电磁排气阀4的开闭、电磁进气阀7的开闭、火花塞5、喷油嘴6来进行控制，因此在直线发电机的端盖上安装位移传感器22来进行检测，连杆12上有相匹配的刻度标线，以此来获得活塞动子组件的实时位移。通过将检测所得的电机动子20的实时位移与预设的电磁排气阀4开/闭位置，电磁进气阀7开/闭位置，喷油嘴6喷油位置，火花塞5点火位置进行比较，给予其相应的工作信号。此外左右活塞的行程均不超过活塞中心两活塞环之间的距离，以保证活塞与缸套之间润滑油腔的密闭性。
启动过程：直线电机开启电动模式，驱动直线电机动子20从中心位置先往右运动以获得足够的行程，随后直线电机切换驱动方向，驱动动子20向左运动压缩可燃混合气，到达点火位置后，火花塞5点火，实现启动过程。
稳定运行过程时，可将其分为两个冲程，第一冲程(左侧膨胀，右侧压缩)：左止点→右止点，第二冲程(左侧压缩，右侧膨胀)：右止点→左止点。以下对其工作过程进行说明：
第一冲程(左侧膨胀，右侧压缩)：左止点→右止点，假设左侧燃烧室2内为已被压缩完成的可燃混合气，在接近左止点前，由火花塞5进行点火，左侧燃烧室2内的可燃混合气被点燃，高温高压燃气作用在左侧活塞9表面，推动电机动子20由左止点向右止点进行运动，进入做功冲程，当位移传感器22检测反馈的电机动子20的位置信息达到左侧电磁排气阀4预设开启位置Lexon，左侧电磁排气阀4开启，左侧燃烧室2内的废气在内外压力差的作用下优先排出一部分，同时动子20继续向右止点进行运动，并逐步到达左侧电磁进气阀7预设开启位置Linon，进入扫气过程；在接近右止点位置Rign，右侧火花塞5点火，进入下一个冲程。在此过程中，两组柔性弹簧先提供回复力再提供制动力，提高***稳定性，减少***振动。
第二冲程(左侧压缩，右侧膨胀)：右止点→左止点，当活塞动子组件到达右止点处，由右侧燃烧室进入第一冲程，重复上述左侧燃烧室的工作过程，推动活塞动子组件向左止点进行运动。对于左侧燃烧室，当位移传感器22检测反馈的活塞动子组件的位置信息达到预设的左侧电磁排气阀4关闭位置Lexoff，左侧电磁排气阀4关闭，然后到达左侧电磁进气阀7关闭位置Linoff,左侧电磁进气阀7关闭，采用电磁排气阀4早于电磁进气阀7关闭的方式，可以获得补充进气的效果。同时动子活塞组件继续向左止点进行运动，当检测反馈的动子活塞组件的位置信息到达左侧喷油嘴6预设的喷油位置Linj，左侧喷油嘴6向左侧燃烧室2内进行喷油，使燃料与进入的新鲜空气混合形成可燃混合气，然后进入压缩过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种二冲程自由活塞直线励磁发电***，其特征在于，包括：
直线电机，对称设置在直线电机左右两侧的自由活塞内燃机和柔性弹簧；
所述直线电机包括：电机外壳，设置在电机外壳两端的端盖，设置在电机外壳内的定子槽，置在定子槽上的线圈绕组，电机动子；所述线电机动子表面固定有永磁体；
所述自由活塞内燃机包括缸体，与缸体固定的缸盖，设置在缸盖上的电磁排气阀、火花塞、喷油器和电磁进气阀，设置在缸体内的火花塞，设置在火花塞两端的活塞环组，设置在缸体上的润滑油油箱；
所述活塞通过连杆与电机动子相连，连杆支撑在端盖上；柔性弹簧内圈与连杆固定，外圈与缸体固定，能够随连杆往复运动；
还包括位移检测模块，用于通过检测连杆的位置从而检测电磁排气阀、电磁进气阀的启闭位置，喷油嘴的喷油位置和火花塞的点火位置。
2.根据权利要求1所述的二冲程自由活塞直线励磁发电***，其特征在于，所述活塞外圈中间设有一圈梯形环槽，梯形环槽和缸体通过活塞环配合形成润滑油油腔；所述润滑油油箱通过润滑油环形油道连接多个润滑油油孔，多个润滑油油孔沿缸体周向均布，润滑油经过润滑油环形油道从润滑油油孔进入润滑油油腔。
3.根据权利要求1所述的二冲程自由活塞直线励磁发电***，其特征在于，所述柔性弹簧上设有多个螺旋臂，通过螺旋臂的形变来工作。
4.根据权利要求1所述的二冲程自由活塞直线励磁发电***，其特征在于，所述缸体外部设置有散热片。
5.根据权利要求1-4所述的二冲程自由活塞直线励磁发电***，其特征在于，其工作方法包括：
第一冲程：左止点→右止点，设左侧燃烧室内为已被压缩完成的可燃混合气，在接近左止点前，由火花塞进行点火，左侧燃烧室内的可燃混合气被点燃，燃气作用在左侧活塞表面，推动电机动子由左止点向右止点进行运动，进入做功冲程，当位移检测模块检测反馈的电机动子的位置信息达到左侧电磁排气阀预设开启位置，左侧电磁排气阀开启，左侧燃烧室内的废气在内外压力差的作用下优先排出一部分，同时动子继续向右止点进行运动，并逐步到达左侧电磁进气阀预设开启位置，进入扫气过程，在接近右止点位置，右侧火花塞点火，进入下一个冲程；
第二冲程：右止点→左止点，当活塞到达右止点处，由右侧燃烧室进入第一冲程，重复上述左侧燃烧室的工作过程，推动活塞动子组件向左止点进行运动；对于左侧燃烧室，当位移检测模块检测反馈的位置信息达到预设的左侧电磁排气阀关闭位置，左侧电磁排气阀关闭，然后到达左侧电磁进气阀关闭位置，左侧电磁进气阀关闭，采用电磁排气阀早于电磁进气阀关闭的方式，以获得补充进气的效果；同时动子活塞继续向左止点进行运动，当检测反馈的位置信息到达左侧喷油嘴预设的喷油位置，左侧喷油嘴向左侧燃烧室内进行喷油，使燃料与进入的新鲜空气混合形成可燃混合气，然后进入压缩过程。
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