CN201129211Y - 准自由活塞直线发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种准自由活塞直线发电机组。它解决了目前电力自由活塞发动机结构复杂，工作不可靠等问题，具有结构简单，使用方便，工作可靠性好等优点。其结构为：它包括至少一个发电单元，以及相应的燃料供给、进排气系统，所述发电单元是由相互配合并相对直线运动的气缸－活塞组构成的联动发电单元，发电机动子与联动发电单元的运动件连接，发电机定子和绕组则与联动发电单元的固定件连接；同时在联动发电单元的运动止点处有约束运动件行程的固止件；发电机定子和绕组作为电力输出端。

Description

准自由活塞直线发电机组

技术领域

本实用新型属于内燃式动力装置的热能向电能转换的技术，尤其涉及一种准自由活塞直线发电机组。

背景技术

传统的内燃机-发电机组，首先通过活塞式内燃发动机的活塞-汽缸部分将燃料燃烧释放的热能转换为活塞的往复直线机械动力，再由曲柄-连杆机构部分将活塞的往复直线机械动力转换为旋转机械动力，而后将该旋转机械动力经过若干中间环节如联轴器、分动器等，机械动力的传递、分流及动力参数的变换，最后通过旋转发电机将机械能转换为电力。这种组合系统应用广泛，但存在以下明显的弊端：①由两个独立的能量转换单元——活塞式内燃机、旋转发电机，通过中间连接环节组合而成。热能到电力的转换及传递路线长，效率低，能量浪费严重。②由于系统中活塞与曲柄连杆机构直接相连，连杆的摆动引起的活塞侧向力较大，不仅造成了机械效率损失，同时造成了活塞与缸壁间的磨损及额外热负载；③曲柄连杆机构参与全部动力的传递与转换，曲柄连杆机构的受力强度大，各铰接点处的摩擦损耗严重，系统运转的不均匀度大。④曲轴连杆系统复杂、笨重，原材料浪费严重，生产成本与运行成本高。

电力自由活塞发动机EFPE较上述传统的内燃机-发电机组合系统有了很多改进。通过直线发电机，实现活塞直线机械能向电能的转换与输出。但是EFPE方案本身存在较多技术问题：

①启动系统复杂，附属系统驱动困难，难以实现定时、协调工作；4冲程工作模式、多缸联动难以实现。

②无固定止点、无固定行程，压缩比可变，虽然容易实现通过调整压缩比来改善发动机的燃烧过程，但工况稳定性难以控制；同时为了追求高效低排放，要求对压缩比的精确控制，导致控制系统较为复杂，难以解决。

③燃料的供给正时结构复杂，导致压缩比、燃烧压力等的控制变得不确定，循环供油量控制精度也比传统发动机要求高得多，从而带来燃油供给系统制造的难度。

④运动部件的运动特性为非正弦特性，在死点位置附近活塞运动是非对称的，且减速段长于加速段，与传统系统相比，热能-机械能及机械能-电力转换环境发生了变化，对转换过程带来影响，难以直接实现传统系统的工作特性及性能。

⑤在最大速度相同条件下，具有更大的加速度。由于结构上的不平衡，导致往复惯性力不能自我平衡，造成系统工作冲击及不稳定性增大，由此引起的振动问题需采取附加手段解决；

⑥由于活塞“自由”，故调速困难；因没有飞轮作用发动机熄火现象严重，导致发动机的工作可靠性变差。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有结构简单，使用方便，发动机工作可靠性好等优点的准自由活塞直线发电机组。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种准自由活塞直线发电机组，它包括至少一个发电单元，以及相应的燃料供给、进排气系统，所述发电单元是由相互配合并相对直线运动的气缸-活塞组构成的联动发电单元，发电机动子与联动发电单元的运动件连接，发电机定子和绕组则与联动发电单元的固定件连接；同时在联动发电单元的运动止点处有约束运动件行程的固止件；发电机定子和绕组作为电力输出端。

所述发电单元有多个，彼此并联。

所述发电单元由四个内燃烧式气缸-活塞及其附件组成，它的固定件包括依次安装在支撑固件上的第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸，发电机定子和绕组安装在第二气缸和第三气缸之间的支撑固件上，相对于轴心对称，各气缸与发电机定子和绕组在同一轴线上；其中第一气缸内为第一燃烧室，第二气缸的第二缸头侧为第二燃烧室，第三气缸的第三缸头侧为第三燃烧室，第四气缸内为第四燃烧室；

发电单元的运动件包括一个动力输出框架，在其中部安装与发电机定子和绕组配合的发电机动子，它相对于轴心对称，在动力输出框架的两端分别设有动子轴，动子轴两端分别连接第一活塞和第二活塞呈哑铃型，另一动子轴连接第三活塞和第四活塞也呈哑铃型；固定件和运动件的各活塞气缸各自对应安装；

固止件为第二气缸和第三气缸与各自缸头相对侧并由活塞分隔构成的空气垫室，空气垫室底部有辅助气道，其内部在活塞压缩时形成空气垫，阻止运动件运动。

所述发电单元由四个内燃烧式气缸-活塞及其附件组成，它的固定件包括依次安装在支撑固件上的第一气缸、第二定塞、第三定塞、第四气缸，一个发电机定子和绕组安装在第一气缸和第二定塞间的支撑固件上，另一发电机定子和绕组安装在第三定塞和第四气缸间的支撑固件上，两电机定子和绕组相对于轴心对称，各气缸、活塞和发电机定子和绕组在同一轴线上；其中第一气缸的第一缸头侧为第一燃烧室，第四气缸的第四缸头侧为第四燃烧室；

发电单元的运动件包括一个动力输出框架，在其两端分别为第二气缸和第三气缸，同时第二气缸与动子轴连接，动子轴上与第二气缸连接端设有一个发电机动子，另一端为第一活塞；第三气缸与另一动子轴连接，该动子轴与第三气缸连接端设有另一个发电机动子，另一端为第四活塞，两发电机动子相对于轴心对称；固定件和运动件中的各活塞、气缸分别对应安装在一起；

固止件为第一气缸和第四气缸与各自缸头相对侧并由活塞分隔构成的空气垫室，空气垫室底部有辅助气道，其内部在活塞压缩时形成空气垫，阻止运动件运动。

各燃烧室可具有相同的直径、行程和压缩比。同一气缸内的空气垫室和燃烧室直径为异径或同径均可。

所述固定件上安装辅助正时机构，它包括与空气垫室相对应的止点传感器、进排气门驱动机构。

本实用新型的发电单元采用4个内燃式活塞-汽缸结构。当然4个气缸-活塞结构也可具有相同的直径、行程和压缩比，并有相同的燃料供给和进、排气系统。固定件和运动件中的各活塞、气缸分别对应安装在一起；运动部件沿着其轴向连接成一个整体，并保持轴向结构对称。4个活塞-汽缸结构中，有2个在运动止点附近具有辅助活塞-汽缸结构即空气垫室，同一气缸内的空气垫室和燃烧室直径为异径或同径均可。空气垫室形成的密闭空间内，在活塞作用下形成空气绝热压缩过程——空气垫。该空气垫室用来约束活塞行程，同时缓冲直线运动能量。

运动部件可以是活塞，也可以是气缸体。可分别称为活塞结构形式、定塞结构形式。

在活塞结构形式中，首先采用两个反向对置的内燃式活塞-汽缸结构，通过直线动子轴将两个活塞连接成一个整体，构成动子轴两端对称的一个哑铃型运动部件。然后将两组哑铃型运动部件通过动力输出框架连接固定在一起，形成联动发电单元的4活塞运动部件。在动力输出框架的中部安装与发电机定子和绕组配合的发电机动子，它相对于轴心对称，在动力输出框架的两端分别设有动子轴，动子轴两端分别连接第一活塞和第二活塞呈哑铃型，另一动子轴连接第三活塞和第四活塞也呈哑铃型；

在活塞结构形式下，固定件包括依次安装在支撑固件上的第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸，发电机定子和绕组安装在第二气缸和第三气缸之间的支撑固件上，相对于轴心对称，各气缸与发电机定子和绕组在同一轴线上；其中第一气缸内为第一燃烧室，第二气缸的第二缸头侧为第二燃烧室，第三气缸的第三缸头侧为第三燃烧室，第四气缸内为第四燃烧室；固定件和运动件的各活塞气缸各自对应安装；

在活塞结构形式下，固止件为第二气缸和第三气缸与各自缸头相对侧并由活塞分隔构成的空气垫室，空气垫室底部有辅助气道，其内部在活塞压缩时形成空气垫，阻止运动件运动。

在定塞结构形式的发电单元中，四个内燃烧式气缸-活塞及其附件也分为两组，每组中的两个内燃式活塞-汽缸结构同方向顺置，并通过动子轴连接在一起。出于连接的合理性，其中的一个结构改变为固定活塞-活动气缸的形式。两组上述结构的活动气缸通过动力输出框架连接，即连接顺序依次为第一活塞、动子轴、第二气缸、动力输出框架、第三气缸、动子轴、第四活塞。运动件还包括固定在动子轴上的发电机动子，整体相对于轴心对称。

在定塞结构形式下，它的固定件包括依次安装在支撑固件上的第一气缸、第二定塞、第三定塞、第四气缸；一个发电机定子和绕组安装在第一气缸和第二定塞间的支撑固件上，另一发电机定子和绕组安装在第三定塞和第四气缸间的支撑固件上；各气缸、活塞和发电机定子和绕组相对于同一轴线轴心对称；其中第一气缸的第一缸头侧为第一燃烧室，第四气缸的第四缸头侧为第四燃烧室；

在定塞结构形式下，固止件为第一气缸和第四气缸与各自缸头相对侧并由活塞分隔构成的空气垫室，空气垫室底部有辅助气道，其内部在活塞压缩时形成空气垫，阻止运动件运动。

所述固定件上安装辅助正时机构，它包括与空气垫室相对应的止点传感器、进排气门驱动机构。通过与运动部分相配合，随着直线运动部分的行程，辅助系统分别动作，保证每个气缸-活塞结构按照A进气、B压缩(点火)、C做功、D排气四个冲程组织燃烧。配气相位使联动单元的4个活塞-汽缸结构做功相位分别为0度、90度、180度和270度。在4个冲程循环中每个活塞-汽缸结构轮流做功一次。

直线电机布置在运动部件的合适位置，并保持整个直线运动部分轴向对称，其定子绕组输出感应电流。所述发电单元可以多个彼此并联，其电流经过调整后，形成直流输出母线。

起动工况下，机组控制器检测运动部分的相位，控制直线发电机作为起动电机，或者外加起动电机，使用电池的能量来带动直线运动部件。并驱动正时辅助系统和燃料供给、进排气系统，形成起动过程而建立工作循环。

本实用新型的有益效果是：

首先，采用辅助活塞-汽缸结构约束活塞行程，实现固定止点、固定行程。正时和燃料供给控制系统简单。启动系统、附属系统驱动简化。

其次，采用单缸四冲程组织燃烧、每个冲程有1个活塞做功的四缸联动发电单元。克服因为没有飞轮造成的熄火问题，解决熄火现象导致的发动机工作可靠性差问题。

第三，采用固定的压缩比，现有的燃烧设计理论可以适用，解决了工况稳定性、高效低排放的难题。

第四，联动单元采用直流电力输出形式，克服由于运动部件的非正弦运动特性，热能-机械能及机械能-电力转换特性变化引起的性能困扰。

第五，采用直流输出母线，多个发电单元可以并联，形成大功率机组。发电单元可以独立启动或停车，具有部分功率输出效率高，可以容错运行的特点。

附图说明

图1为第一实施例的总装图；

图2为第一实施例的固定件结构示意图；

图3为第一实施例的运动件结构示意图；

图4为第二实施例的总装图；

图5为第二实施例的固定件结构示意图；

图6为第二实施例的运动件结构示意图。

其中，1.第四缸头，2.第一燃烧室，3.第一气缸，4.空气垫室，5.发电机定子和绕组，6.第二燃烧室，7.第二气缸，8.定塞，9.第三气缸，10.第三燃烧室，11.第四气缸，12.第四燃烧室，13.第一缸头，14.辅助气道，15.发电机动子，16.动子轴，17.第二缸头，18.支撑固件，19.第三缸头，20.第三活塞，21.第四活塞，22.第一活塞，23.动力输出框架，24.第二活塞，25.第二定塞，26.第三定塞。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

实施例1：

活塞结构形式的联动发电单元举例如下。

图2中，第一气缸3、第二气缸7、第三气缸9和第四气缸11轴向同心安装在支撑固件18上。第一缸头13和第四缸头1朝向外侧(图2中所示分别向左侧、右侧)，第二缸头17和第三缸头19相对，靠近发电机定子和绕组5。第二气缸7和第三气缸9的尾部分别空气垫室4以及关联的密封和辅助气道14。发电机定子和绕组5也安装在支撑固件18上，它相对于气缸轴线对称，并位于整个装置的轴向中心。

附图3所示，第一活塞22和第二活塞24通过动子轴16连成一体；相似地，第三活塞20和第四活塞21也通过动子轴16连成一体。动力输出框架23的两端分别连接两动子轴16，动力输出框架23的轴向中心位置安装发电机动子15，动力输出框架23将4个活塞、发电机动子连结成整体，构成直线运动部分。

附图1所示，第一气缸3和第一活塞22配合，形成第一燃烧室2；第二气缸7和第二活塞24配合，形成第二燃烧室6；第三气缸9和第三活塞20配合，形成第三燃烧室10；第四气缸11和第四活塞21配合，形成第四燃烧室12。动力输出框架23围绕第二、第三气缸的部分。其圆周向不是闭合的，如虚线所示，允许支撑固件18穿过它固定缸体，而不影响该框架的直线运动。相类似的，燃料供给和进气/排气系统的有关部件，也穿过该框架而不影响其直线运动。

附图1所示发电单元的工作过程简述为：

运动部分位于最左端(第一、三缸上止点，第二、四缸下止点)，开始向右运动(第一冲程)，第一缸头13执行进气冲程A，第二缸头17执行压缩冲程B，第三缸头19执行做功冲程C，第四缸头1执行排气冲程D；第三活塞20下行越过辅助气道14后，在第三气缸9的底部形成密闭空气垫室4，运动部分压缩该密闭空气，由于气垫作用，运动部分立即停止运动(到达止点)。

运动部分向左运动(第二冲程)，第一缸头13执行压缩冲程B，第二缸头17执行做功冲程C，第三缸头19执行排气冲程D，第四缸头1执行进气冲程A；第二活塞24下行越过辅助气道14后，在第二气缸7的底部形成密闭空气垫室4，运动部分压缩该密闭空气，由于气垫作用，运动部分立即停止运动(到达止点)。

运动部分向右运动(第三冲程)，第一缸头13执行做功冲程C，第二缸头17执行排气冲程D，第三缸头19执行进气冲程A，第四缸头1执行压缩冲程B；第三活塞20下行越过辅助气道14后，在第三气缸9的底部形成密闭空气垫室4，运动部分压缩该密闭空气，由于气垫作用，运动部分立即停止运动(到达止点)。

运动部分向左运动(第四冲程)，第一缸头13执行排气冲程D，第二缸头17执行进气冲程A，第三缸头19执行压缩冲程B，第四缸头1执行做功冲程C；第二活塞24下行越过辅助气道14后，在第二气缸7的底部形成密闭空气垫室4，运动部分压缩该密闭空气，由于气垫作用，运动部分立即停止运动(到达止点)。

四缸轮流发火，顺序为3-2-1-4。

实施例2：

定塞结构形式的联动发电单元的举例如下。

附图5所示，定塞8包括第二定塞25和第三定塞26，它们安装在两发电机定子和绕组5之间的支撑固件18上。定塞8上安装有第二燃烧室6和第三燃烧室10所需要的气道、气门、点火等附属部件。第一气缸3和第四气缸11的尾部分别有辅助气缸室4关联的密封结构和辅助气道14。发电机定子和绕组5也安装在支撑固件18上，它相对于气缸轴线对称，分成2个部分并分别与动子轴16相对应。

附图6所示，两发电机动子15分别通过动子轴16安装到动力输出框架23的两端上，发电机定子和绕组5也位于整个装置的轴向中心，并固定在支撑固件18上。第一活塞22通过动子轴16和第二气缸7一端连接固定，形成运动部件的一部分。第四活塞21通过动子轴16和第三气缸9一端连接固定，形成运动部件的另一部分。动力输出框架23两端分别连接第二气缸7和第三气缸9。发电机动子15分别安装在两动子轴16上。

附图4所示，第一气缸3和第一活塞22配合，形成第一燃烧室2；第二气缸7和第二定塞25配合，形成第二燃烧室6；第三气缸9和第三定塞26配合，形成第三燃烧室10；第四气缸11和第四活塞21配合，形成第四燃烧室12。动力输出框架23围绕第二、第三气缸的部分，其圆周向不是闭合的，如虚线所示，允许支撑固件18穿过它固定缸体，而不影响该框架的直线运动。相类似的，燃料供给和进气/排气系统的有关部件，也穿过该框架而不影响其直线运动。

本实用新型中未详述的气缸-活塞附件及其它相关技术均为公知技术，不再赘述。

Claims (5)

1、一种准自由活塞直线发电机组，它包括至少一个发电单元，以及相应的燃料供给、进排气系统，其特征是：所述发电单元是由相互配合并相对直线运动的气缸-活塞组构成的联动发电单元，发电机动子(15)与联动发电单元的运动件连接，发电机定子和绕组(5)则与联动发电单元的固定件连接；同时在联动发电单元的运动止点处有约束运动件行程的固止件；发电机定子和绕组(5)作为电力输出端。

2、根据权利要求1所述的准自由活塞直线发电机组，其特征是：所述发电单元有多个，彼此并联。

3、根据权利要求1所述的准自由活塞直线发电机组，其特征是：所述发电单元由四个内燃烧式气缸-活塞及其附件组成，它的固定件包括依次安装在支撑固件(18)上的第一气缸(3)、第二气缸(7)、第三气缸(9)和第四气缸(11)，发电机定子和绕组(5)安装在第二气缸(7)和第三气缸(9)之间的支撑固件(18)上，相对于轴心对称，各气缸与发电机定子和绕组(5)在同一轴线上；其中第一气缸(3)内为第一燃烧室(2)，第二气缸(7)的第二缸头(17)侧为第二燃烧室(6)，第三气缸(9)的第三缸头(19)侧为第三燃烧室(10)，第四气缸(11)内为第四燃烧室(12)；

发电单元的运动件包括一个动力输出框架(23)，在其中部安装与发电机定子和绕组(5)配合的发电机动子(15)，它相对于轴心对称，在动力输出框架(23)的两端分别设有动子轴(16)，动子轴(16)两端分别连接第一活塞(22)和第二活塞(24)呈哑铃型，另一动子轴(16)连接第三活塞(20)和第四活塞(21)也呈哑铃型；固定件和运动件的各活塞气缸各自对应安装；

固止件为第二气缸(7)和第三气缸(9)与各自缸头相对侧并由活塞分隔构成的空气垫室(4)，空气垫室(4)底部有辅助气道(14)，其内部在活塞压缩时形成空气垫，阻止运动件运动。

4、根据权利要求1所述的准自由活塞直线发电机组，其特征是：所述发电单元由四个内燃烧式气缸-活塞及其附件组成，它的固定件包括依次安装在支撑固件(18)上的第一气缸(3)、第二定塞(25)、第三定塞(26)、第四气缸(11)，一个发电机定子和绕组(5)安装在第一气缸(3)和第二定塞(25)间的支撑固件(18)上，另一发电机定子和绕组(5)安装在第三定塞(26)和第四气缸(11)间的支撑固件(18)上，两电机定子和绕组(5)相对于轴心对称，各气缸、活塞和发电机定子和绕组(5)在同一轴线上；其中第一气缸(3)的第一缸头(13)侧为第一燃烧室(2)，第四气缸(11)的第四缸头(1)侧为第四燃烧室(12)；

发电单元的运动件包括一个动力输出框架(23)，在其两端分别为第二气缸(7)和第三气缸(9)，同时第二气缸(7)与动子轴(16)连接，动子轴(16)上与第二气缸(7)连接端设有一个发电机动子(15)，另一端为第一活塞(22)；第三气缸(9)与另一动子轴(16)连接，该动子轴(16)与第三气缸(9)连接端设有另一个发电机动子(15)，另一端为第四活塞(21)，两发电机动子(15)相对于轴心对称；固定件和运动件中的各活塞、气缸分别对应安装在一起；

固止件为第一气缸(3)和第四气缸(11)与各自缸头相对侧并由活塞分隔构成的空气垫室(4)，空气垫室(4)底部有辅助气道(14)，其内部在活塞压缩时形成空气垫，阻止运动件运动。

5、根据权利要求3或4所述的准自由活塞直线发电机组，其特征是：所述固定件上安装辅助正时机构，它包括与空气垫室(4)相对应的止点传感器、进排气门驱动机构。

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