CN103573407A - 一种自平衡自由活塞内燃发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自平衡自由活塞内燃发电机，属于能源动力领域。包括自由活塞内燃机、换向齿轮、直线发电机。两活塞通过齿条连杆固连形成活塞组件；直线发电机的发电机动子与自由活塞内燃机中的活塞组件垂直；齿条连杆远离电机定子线圈的一侧布置有换向齿轮；齿条连杆上的齿条与换向齿轮相啮合；换向齿轮同时也与发电机动子上的齿条相啮合；通过换向齿轮将齿条连杆与发电机动子活动连接；通过两组换向齿轮将两个直线发电机、两个自由活塞内燃机相连接组成自平衡自由活塞内燃发电机；该机构通过换向齿轮实现了两活塞组件之间同步运动，平衡了活塞组件与发电机动子的往复惯性力与力矩，消除了系统的振动。

Description

一种自平衡自由活塞内燃发电机

技术领域

本发明涉及一种能源动力工程机械装置，具体涉及一种自平衡自由活塞内燃发电机，属于能源动力领域。

背景技术

近年来，人们一直在致力于寻求一种能量转换效率高，振动噪声小的活塞式内燃发电机，其中，自由活塞式内燃直线发电装置是自由活塞式内燃发动机和直线发电机耦合之后形成的一种新型能量转换装置，它将自由活塞与直线电机动子直接固连，形成唯一的运动部件——活塞组件。系统运行时，缸内气体燃烧膨胀作功，推动活塞并带动动子运动，继而产生电能，最终通过较短的传递路径将燃料化学能直接转换为电能。它具有众多潜在性能优势，如机械摩擦损失少，结构紧凑体积小，能量传递路径短，燃烧排放质量好等。

然而，由于在自由活塞发电机中,活塞组件为唯一的运动部件，活塞组件在往复运动时其惯性力无法通过其他往复运动质量平衡，从而带来了整个动力系统的振动问题。为使系统平衡,一些研究人员采用多模块并联组合的结构形式,可参见Carter D,Wechener E.The free piston power pack:Sustainable powerfor hybrid electric vehicles.SAE2003-01-3277,2003.在这种结构形式中每个模块中包括两个对置的汽缸和一组活塞组件。通过控制各模块中活塞组件的运动使它们的惯性力与力矩相互抵消，但这种方法需要至少4组模块才能同时平衡往复惯性力和力矩,结构复杂且同步控制困难，难以实现产品实用化。

发明内容

本发明的目的是为了避免现有自由活塞式内燃直线发电系统活塞组件惯性力不平衡带来整个动力系统的振动问题，从而提出了一种自平衡的自由活塞内燃发电机。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种自平衡的自由活塞内燃直线发电机，主要包括自由活塞内燃机、换向齿轮、直线发电机。自由活塞内燃机包括：进排气控制器、喷油器、排气门、进气门、气缸、活塞、齿条连杆；直线发电机包括发电机定子线圈和发电机动子。

连接关系：气缸开设有喷油器、排气门与进气门；排气门与进气门与进排气控制器连接；气缸内设有活塞；两活塞通过齿条连杆固连形成活塞组件；直线发电机的发电机动子与自由活塞内燃机中的活塞组件垂直；齿条连杆远离电机定子线圈的一侧布置有换向齿轮；齿条连杆上的齿条与换向齿轮相啮合；换向齿轮同时也与发电机动子上的齿条相啮合；通过换向齿轮将齿条连杆与发电机动子活动连接；通过两组换向齿轮将两个直线发电机、两个自由活塞内燃机相连接组成自平衡自由活塞内燃发电机。

工作过程：

分别将两个自由活塞内燃机命名为第一自由活塞内燃机、第二自由活塞内燃机。

运行时，第一自由活塞内燃机左侧气缸与第二自由活塞内燃机右侧气缸同时产生爆发压力，推动第一模块中的活塞组件向右运动,推动第二模块中的活塞组件向左运动；由于两自由活塞内燃机的齿条连杆与两发电机动子均通过换向齿轮啮合在一起，所以两活塞组件同步反向运动。同时，活塞组件中的齿条连杆带动换向齿轮转动，使与换向齿轮啮合的两发电机动子也反向同步运动，切割磁感线，产生电能输出；直至第一自由活塞内燃机右侧气缸与第二自由活塞内燃机左侧气缸产生爆发压力，进入下一循环。

工作过程中，两活塞组件同步反向运动，在其轴向上的惯性力是相互抵消的，由于两活塞组件轴线不重合，两活塞组件运动时会产生一个惯性力矩。这个力矩的大小=活塞组件的质量*活塞组件的加速度*两活塞组件的轴距；同样，两个发电机动子在换向齿轮的带动下同步反向运动，惯性力也是抵消的，但同样产生了一个惯性力矩，这个力矩的的大小=发电机动子的质量*发电机动子的加速度*两发电机动子的轴距；由于换向齿轮将齿条连杆与发电机动子啮合在一起，所以活塞组件的加速度与发电机动子的加速度实时相等；只要设计时保证：发电机动子的质量*两发电机动子的轴距=活塞组件的质量*两活塞组件的轴距，即可抵消掉活塞组件的惯性力矩和发电机动子的惯性力矩，使系统自平衡。

有益效果

1、本发明的一种自平衡自由活塞内燃发电机，通过换向齿轮实现了两活塞组件之间同步运动，平衡了活塞组件与发电机动子的往复惯性力与力矩，消除了系统的振动。由于采用了两组自由活塞内燃机与两组直线发电机的组合形式，结构相对四模块自由活塞内燃发电机简单。

2、作为关键部件的换向平衡机构，结构简单，主要由齿轮齿条组成，是成熟技术，可靠性高，制造加工方便，造价低，且便于实现标准化和产品化。

附图说明

图1是本发明的一种交叉平衡式自由活塞内燃直线发电机的剖视图；

其中，1—进排气控制器、2—喷油器、3—排气门、4—进气门、5—气缸、6—活塞、7—齿条连杆、8—换向齿轮、9—发电机动子；10—发电机定子线圈。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种自平衡的自由活塞内燃直线发电机，主要包括自由活塞内燃机、换向齿轮8、直线发电机。自由活塞内燃机包括：进排气控制器1、喷油器2、排气门3、进气门4、气缸5、活塞6、齿条连杆7；直线发电机包括发电机定子线圈10和发电机动子9。

连接关系：气缸5开设有喷油器2、排气门3与进气门4；排气门3与进气门4与进排气控制器1连接；气缸5内设有活塞6；两活塞6通过齿条连杆7固连形成活塞组件；直线发电机的发电机动子9与自由活塞内燃机中的活塞组件垂直；齿条连杆7远离电机定子线圈的一侧布置有换向齿轮8；齿条连杆7上的齿条与换向齿轮8相啮合；换向齿轮8同时也与发电机动子9上的齿条相啮合；通过换向齿轮8将齿条连杆7与发电机动子9活动连接；通过两组换向齿轮8将两个直线发电机、两个自由活塞内燃机相连接组成自平衡自由活塞内燃发电机。

工作过程：

分别将两个自由活塞内燃机命名为第一自由活塞内燃机、第二自由活塞内燃机。

运行时，第一自由活塞内燃机左侧气缸5与第二自由活塞内燃机右侧气缸5同时产生爆发压力，推动第一模块中的活塞组件向右运动,推动第二模块中的活塞组件向左运动；由于两自由活塞内燃机的齿条连杆7与两发电机动子9均通过换向齿轮8啮合在一起，所以两活塞组件同步反向运动。同时，活塞组件中的齿条连杆7带动换向齿轮8转动，使与换向齿轮8啮合的两发电机动子9也反向同步运动，切割磁感线，产生电能输出；直至第一自由活塞内燃机右侧气缸5与第二自由活塞内燃机左侧气缸5产生爆发压力，进入下一循环。

工作过程中，两活塞组件同步反向运动，在其轴向上的惯性力是相互抵消的，由于两活塞组件轴线不重合，两活塞组件运动时会产生一个惯性力矩。这个力矩的大小=活塞组件的质量*活塞组件的加速度*两活塞组件的轴距；同样，两个发电机动子9在换向齿轮8的带动下同步反向运动，惯性力也是抵消的，但同样产生了一个惯性力矩，这个力矩的的大小=发电机动子9的质量*发电机动子9的加速度*两发电机动子9的轴距；由于换向齿轮8将齿条连杆7与发电机动子9啮合在一起，所以活塞组件的加速度与发电机动子9的加速度实时相等；只要设计时保证：发电机动子9的质量*两发电机动子9的轴距=活塞组件的质量*两活塞组件的轴距，即可抵消掉活塞组件的惯性力矩和发电机动子9的惯性力矩，使系统自平衡。

Claims (3)

1.一种自平衡的自由活塞内燃直线发电机，包括自由活塞内燃机、直线发电机；其特征在于：还包括换向齿轮（8）；连接关系：气缸（5）开设有喷油器（2）、排气门（3）与进气门（4）；排气门（3）与进气门（4）与进排气控制器（1）连接；气缸（5）内设有活塞（6）；两活塞（6）通过齿条连杆（7）固连形成活塞（6）组件；直线发电机的发电机动子（9）与自由活塞内燃机中的活塞（6）组件垂直；齿条连杆（7）远离电机定子线圈的一侧布置有换向齿轮（8）；齿条连杆（7）上的齿条与换向齿轮（8）相啮合；换向齿轮（8）同时也与发电机动子（9）上的齿条相啮合；通过换向齿轮（8）将齿条连杆（7）与发电机动子（9）活动连接；通过两组换向齿轮（8）将两个直线发电机、两个自由活塞内燃机相连接组成自平衡自由活塞内燃发电机。

2.如权利要求1所述的一种自平衡的自由活塞内燃直线发电机，其特征在于：自由活塞内燃机包括：进排气控制器（1）、喷油器（2）、排气门（3）、进气门（4）、气缸（5）、活塞（6）、齿条连杆（7）。

3.如权利要求1所述的一种自平衡的自由活塞内燃直线发电机，其特征在于：直线发电机包括发电机定子线圈（10）和发电机动子（9）。

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