CN111322155A - 一种自由活塞式直线发电装置及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种自由活塞式直线发电装置及其发电方法，属于自由活塞式直线发电装置技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种自由活塞式直线发电装置结构及其发电方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括气缸，所述气缸的一端设置有电磁驱动气门、火花塞、喷油器，所述气缸的另一端与发电机腔室相连；所述气缸的缸体内部设置有活塞，所述活塞通过推杆与设置在发电机腔室内的动子磁轭相连，所述动子磁轭的外表面设置有动子磁极；所述发电机腔室的内壁上设置有定子铁芯，所述定子铁芯上设置有绕组；所述推杆的延伸端与电机动子相连，所述电机动子上还设置有位移传感器，所述电机动子与直线电机相连；本发明应用于直线发电装置。

Description

一种自由活塞式直线发电装置及其发电方法

技术领域

本发明一种自由活塞式直线发电装置及其发电方法，属于自由活塞式直线发电装置技术领域。

背景技术

近年来，有很多国家和国内大学及科研机构，对自由活塞发电机越来越关注，该类发电机是在传统自由活塞发动机的基础上，以直线电机作为负载，能够将燃料燃烧所产生的热能直接转化为更加清洁的电能输出，由于舍弃了传统发动机的曲柄连杆机构，与传统发动机相比，具有热效率高、压缩比可变、燃料适应性广等优点；该类发动机不仅能够用在纯电动汽车和混合动力汽车上，还能应用于移动电源以及便携式发电器材等领域。

但目前使用的自由活塞发电机主要为单缸二冲程自由活塞发电机，采用弹簧（空气弹簧或机械弹簧）调节活塞回位，存在环保性能较差、结构复杂、零部件成本高等缺点，无法量产投放市场，有待改进。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种自由活塞式直线发电装置结构及其发电方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种自由活塞式直线发电装置，包括气缸，所述气缸的一端设置有电磁驱动气门、火花塞、喷油器，所述气缸的另一端与发电机腔室相连；

所述气缸的缸体内部设置有活塞，所述活塞通过推杆与设置在发电机腔室内的动子磁轭相连，所述动子磁轭的外表面设置有动子磁极；

所述发电机腔室的内壁上设置有定子铁芯，所述定子铁芯上设置有绕组；

所述推杆的延伸端与电机动子相连，所述电机动子上还设置有位移传感器，所述电机动子与直线电机相连；

所述电磁驱动气门、火花塞、喷油器、位移传感器、直线电机的控制端通过导线与设置在控制室内的控制器相连，所述定子铁芯的电源输出端与电能存储模块相连，所述电能存储模块内部还设置有功率变换器；

所述电能存储模块的电源输出端分别与直线电机、控制器相连。

所述控制器内部使用的控制芯片型号为STM32F405RGT6；

所述位移传感器的型号为CZ891；

所述直线电机的型号为BZD-181N。

一种自由活塞式直线发电装置的发电方法，包括如下步骤：

步骤一：将气缸与发电机腔室进行安装连接，将气缸内各控制模块进行安装与接线，将发电机腔室内的铁芯绕组进行安装，并将定子铁芯的电源输出端与电能存储模块进行连接；安装完毕后，通过操作控制器控制直线电机动作；

步骤二：直线电机通过电机动子驱动活塞在气缸内移动，当活塞到达气缸内的上止点位置时，控制器控制电磁驱动气门打开，同时控制直线电机通过电机动子驱动活塞从上止点位置向下运动至x1处，使气缸完成进气冲程；当活塞下行时，控制器同时控制喷油器进行气道燃油喷射，此时直线电机工作在电动机模式；

步骤三：完成进气冲程后，控制器控制电磁驱动气门关闭，同时活塞在直线电机的驱动作用下向上运动至额定位置x2处，使气缸内的混合气体被压缩，使气缸完成压缩冲程，此时直线电机工作在电动机模式；

步骤四：完成压缩冲程后，活塞持续运动，当活塞运动到额定点火位置时，控制器向火花塞发出点火脉冲点燃缸内混合气；

同时当活塞运动到额定点火位置时，直线电机的控制电路将直线电机和负载电路导通，此时直线电机工作在发电机模式；

气缸内点火后爆发压力推动活塞向下运动至x3处，此时推杆连接的动子磁轭通过动子磁极切割绕组形成的磁场磁感线并产生感应电流；

步骤五：完成做功冲程后，当活塞止动后，控制器重新控制电磁驱动气门打开，直线电机拉动活塞运动至额定位置x4处，燃烧后的废气被排出气缸，排气冲程完成，此时直线电机工作在电动机模式。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种基于四冲程控制活塞动作进行发电的装置，该装置采用双缸内燃机反向并联的形式，使功率输出足够大，与传统的单缸内燃机设计形式相比，有效减小了振动惯性，工作平稳性好；本发明提供的发电装置缸体具有热效率高、压缩比可变、燃料适应性广等优点，与现有二冲程的活塞发电机相比，做功行程较长能使燃油充分燃烧，降低了燃料消耗，并能降低有害气体的排放；本发明将四冲程自由活塞发动机与直线型发电机合理装配，使两者的性能特点和优势得到充分发挥，结构简单、可靠性高。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明控制电路的结构示意图；

图3为本发明的工作过程示意图；

图4为本发明气缸内活塞位置参数与时间走势图；

图5为本发明的使用效果图；

图中：1为气缸、2为电磁驱动气门、3为火花塞、4为喷油器、5为发电机腔室、6为活塞、7为推杆、8为动子磁轭、9为动子磁极、10为定子铁芯、11为绕组、12为电机动子、13为位移传感器、14为直线电机、15为控制器、16为电能存储模块。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明提供一种自由活塞式直线发电装置，包括气缸1，所述气缸1的一端设置有电磁驱动气门2、火花塞3、喷油器4，所述气缸1的另一端与发电机腔室5相连；

所述气缸1的缸体内部设置有活塞6，所述活塞6通过推杆7与设置在发电机腔室5内的动子磁轭8相连，所述动子磁轭8的外表面设置有动子磁极9；

所述发电机腔室5的内壁上设置有定子铁芯10，所述定子铁芯10上设置有绕组11；

所述推杆7的延伸端与电机动子12相连，所述电机动子12上还设置有位移传感器13，所述电机动子12与直线电机14相连；

所述电磁驱动气门2、火花塞3、喷油器4、位移传感器13、直线电机14的控制端通过导线与设置在控制室内的控制器15相连，所述定子铁芯10的电源输出端与电能存储模块16相连，所述电能存储模块16内部还设置有功率变换器；

所述电能存储模块16的电源输出端分别与直线电机14、控制器15相连。

本发明提供的四冲程自由活塞发电机包括电控模块和机械模块：

其中电控模块包括整机模块控制系统、电能存储模块、传感器等部件；本发明提供的电能存储模块内部包括电池组，所述电池组能够存储电机动子在磁场内运动产生的电能，电能存储模块内部设置的功率变换器可实现发动机和电池组之间电能的双向流动，控制器能根据电机的反馈电流和位移速度信号控制电机的往复运动、燃油喷射、进排气门开关和点火燃烧，实现四冲程热力循环。

机械部分包括四冲程自由活塞发动机、直线电机等部件，其中自由活塞和电机动子固定连接形成活塞组件，是主要的运动部件。

本发明的发电方式主要为具备四冲程阶段控制自由活塞发电机的循环工作，启动阶段或出现失火时，直线电机工作在电动机模式，推动活塞运动组件运动，通过安装在电机动子上的位移传感器实时检测整个活塞运动组件的位置和速度，并反馈给控制器ECU，控制器ECU通过计算活塞的位移、速度及中点数据进行相应控制，由直线电机拖动活塞组件运动，直到满足点火条件，实现稳态着火后，电机切换回发电状态。

如图3所示，本发明提供的发电装置具体发电过程步骤如下：

第一阶段，活塞组件到达额定位置，ECU控制进气门打开，同时直线电机驱动活塞组件从上止点位置向下运动至x1处，完成进气冲程，活塞组件下行时，ECU根据控制喷油嘴进行气道燃油喷射，此时直线电机工作在电动机模式。此阶段，活塞组件的位移（x1的具体位置）、速度均由ECU根据负载大小计算后给出并精确控制；

第二阶段，ECU控制进气门关闭，活塞组件在直线电机的驱动作用下向上运动至额定位置x2处，混合气被压缩，完成压缩冲程，此时直线电机工作在电动机模式，此阶段，活塞组件的位移（x2的具体位置）、速度均由ECU根据负载大小计算后给出并精确控制；

第三阶段，当活塞运动到额定点火位置时，ECU发出点火脉冲点燃缸内混合气，活塞组件运动到达额定位置时，直线电机工作模式转换电路将直线电机和负载电路导通，此时直线电机工作在发电机模式，爆发压力推动活塞组件向下运动至x3处，电机动子切割磁感线产生感应电流。此阶段，点火时刻由ECU根据负载大小、冷却液温度等参数进行计算调整并精确控制，活塞组件的位移（x3的具体位置）由ECU控制，当爆发压力下降至临界值进行止动；

第四阶段，活塞组件止动后，ECU控制排气门打开，直线电机拉动活塞运动至额定位置x4处，废气被排出气缸，排气冲程完成，此时直线电机工作在电动机模式。

本发明提供的四冲程自由活塞直线发电装置，结构简单、功率质量比高，回位装置的取消，使该装置结构简单，成本降低，功率质量比提高。

整个装置的发电机部分取消了动子回位的弹簧类装置，由ECU控制电机电流大小以及方向，使发电机动子与自由活塞一体的活塞组件移动实现精确回位和行程大小，发电机行程适当加长，以配合发动机充分做功。

该装置的发动机部分采用四个冲程的工作循环，各行程大小、周期均能由ECU精确控制，动态灵活调节，可以最大限度提高热效率；具体控制时，根据实际需求，进气行程大小可变，根据需求控制其大小，从而控制进气量，调整输出功率；压缩行程通过ECU控制，适当提高上止点，以提高压缩比及热效率；排气行程通过ECU控制，滞后启动时刻并适当延长周期，在降低泵气损失同时让尾气充分排净；另外做功行程的下止点由ECU控制，当爆发压力下降至临界值可以进行止动，以增大做功行程，有效提高热能转化效率，该行程的增大会使气体燃烧充分，排气温度低，有害排放物较少，节约后处理成本。

本发明在实际使用时，将装置内燃机采用偶数缸反向并联设计使用，ECU通过安装在电机动子上的位移传感器实时检测整个活塞运动组件的位置和速度，ECU通过计算其位移、速度及中点综合控制各缸的点火时刻及工作过程，使其爆发振动相互抵消，与传统内燃机相比，有效减小了振动惯性，工作平稳性好。

本发明提供的内燃机具有热效率高、压缩比可变、燃料适应性广、拥有最高和功率-重量比和最低排放量等优点；与现有技术相比，做功行程较长能使燃油充分燃烧，热效率可提高45%左右，将损失控制在最小值，降低了燃料消耗，在所有工况下降低有害排放，且排气温度较低，NOX排放可降低30%-40%，节省了排气后处理设备中贵金属含量，降低了零部件成本。结构简单，响应快；该装置不仅可以用于新能源汽车在电动车电量不足时，对其进行充电，解决电动汽车“里程焦虑”问题，还可用于移动电源、各类仪器、火车、轮船以及便携式发电器材等领域。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种自由活塞式直线发电装置，包括气缸（1），其特征在于：所述气缸（1）的一端设置有电磁驱动气门（2）、火花塞（3）、喷油器（4），所述气缸（1）的另一端与发电机腔室（5）相连；

所述气缸（1）的缸体内部设置有活塞（6），所述活塞（6）通过推杆（7）与设置在发电机腔室（5）内的动子磁轭（8）相连，所述动子磁轭（8）的外表面设置有动子磁极（9）；

所述发电机腔室（5）的内壁上设置有定子铁芯（10），所述定子铁芯（10）上设置有绕组（11）；

所述推杆（7）的延伸端与电机动子（12）相连，所述电机动子（12）上还设置有位移传感器（13），所述电机动子（12）与直线电机（14）相连；

所述电磁驱动气门（2）、火花塞（3）、喷油器（4）、位移传感器（13）、直线电机（14）的控制端通过导线与设置在控制室内的控制器（15）相连，所述定子铁芯（10）的电源输出端与电能存储模块（16）相连，所述电能存储模块（16）内部还设置有功率变换器；

所述电能存储模块（16）的电源输出端分别与直线电机（14）、控制器（15）相连。

2.根据权利要求1所述的一种自由活塞式直线发电装置，其特征在于：所述控制器（15）内部使用的控制芯片型号为STM32F405RGT6；

所述位移传感器（13）的型号为CZ891；

所述直线电机（14）的型号为BZD-181N。

3.一种自由活塞式直线发电装置的发电方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将气缸（1）与发电机腔室（5）进行安装连接，将气缸内各控制模块进行安装与接线，将发电机腔室（5）内的铁芯绕组进行安装，并将定子铁芯（10）的电源输出端与电能存储模块（16）进行连接；安装完毕后，通过操作控制器（15）控制直线电机（14）动作；

步骤二：直线电机（14）通过电机动子（12）驱动活塞（6）在气缸（1）内移动，当活塞（6）到达气缸（1）内的上止点位置时，控制器（15）控制电磁驱动气门（2）打开，同时控制直线电机（14）通过电机动子（12）驱动活塞（6）从上止点位置向下运动至x1处，使气缸完成进气冲程；当活塞（6）下行时，控制器（15）同时控制喷油器（4）进行气道燃油喷射，此时直线电机（14）工作在电动机模式；

步骤三：完成进气冲程后，控制器（15）控制电磁驱动气门（2）关闭，同时活塞（6）在直线电机（14）的驱动作用下向上运动至额定位置x2处，使气缸内的混合气体被压缩，使气缸完成压缩冲程，此时直线电机（14）工作在电动机模式；

步骤四：完成压缩冲程后，活塞（6）持续运动，当活塞（6）运动到额定点火位置时，控制器（15）向火花塞（3）发出点火脉冲点燃缸内混合气；

同时当活塞（6）运动到额定点火位置时，直线电机（14）的控制电路将直线电机和负载电路导通，此时直线电机（14）工作在发电机模式；

气缸内点火后爆发压力推动活塞（6）向下运动至x3处，此时推杆（7）连接的动子磁轭（8）通过动子磁极（9）切割绕组（11）形成的磁场磁感线并产生感应电流；

步骤五：完成做功冲程后，当活塞（6）止动后，控制器（15）重新控制电磁驱动气门（2）打开，直线电机（14）拉动活塞（6）运动至额定位置x4处，燃烧后的废气被排出气缸，排气冲程完成，此时直线电机工作在电动机模式。

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