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CN111365121B - 由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机 - Google Patents

由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机 Download PDF

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CN111365121B CN201911426685.5A CN201911426685A CN111365121B CN 111365121 B CN111365121 B CN 111365121B CN 201911426685 A CN201911426685 A CN 201911426685A CN 111365121 B CN111365121 B CN 111365121B
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Abstract

由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机，涉及发动机与发电机，两套缸体连接在发电机机体上，缸内活塞通过连杆形成一组自由活塞，通过全程增压系统，活塞往复一次，每个缸排气门、进气门启闭一次，用新空气冲排废气并完成进气，然后压缩做功各一次，是缸内废气再循环结合类似米勒循环，通过压电爆震传感器、控制器，自动选择发动机适合当前状况所能达到的最高压缩比，活塞部分润滑是以惯性密度差驱动自循环泵为核心的内循环润滑，发电机是由两组相位相差90度的带有定子线圈绕组的齿槽形圆筒定子圆筒型稀土永磁往复式直线发电机，发电机的电能输出是功率受控调节输出电路，发电机兼做启动电机。

Description

由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机
技术领域
本发明涉及内燃机及其驱动的增程发电机，是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机。
背景技术
电动汽车由于其节能、环保的特性，是汽车发展的方向，目前的电动汽车存在单次充电续驶里程还不够长或电池自身过重、充电时间长、充电桩不普及等问题。增程式电动车既具有纯电动车高效率、低排放的特点，又可延长纯电动汽车的续驶里程，是解决当前节能与环保问题比较好的折中方案。现有四冲程增程器功率容积，升功率，功率比重都存在严重不足，现有两冲程往复式自由活塞发动机增程器污染大，浪费燃料。
发明内容
为了克服现有四冲程增程器功率容积，升功率，功率比重的严重不足，现有两冲程往复式自由活塞发动机增程器污染大，浪费燃料等问题，本发明提供由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机，它具有高功率容积，高升功率，高功率比重，可变压缩比及高效率，排放好，结构相对简单。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机有全程增压系统，包含增压器、散热器、传感器等组成，为发动机提供高于一个大气压低于四个大气压的中低压压缩空气，同一发动机的输出功率越高，增压系统提供的压缩空气压强越高。增压部分的具体的实施方式主要有三种：1、单独的机械增压器，缺点是浪费较多的能量；2、机械增压器与废气涡轮增压器同时使用，在传感器与电子控制系统ECU控制下，低功率主要由机械增压器工作，高功率时机械增压器弥补废气涡轮增压器增压能力的不足；3、把机械增压器与废气涡轮增压器做成一体，具体的就是在废气涡轮增压器上增加高速电动机，并加大增压涡轮体积，在传感器与电子控制系统ECU控制下，低功率主要由电动机驱动增压涡轮，废气涡轮辅助，高功率主要由废气涡轮驱动增压涡轮，电动机辅助。增压后气体经过散热器冷却供应给进气系统；
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的发动机采用全程增压系统的压缩空气对缸内废气冲排而完成排除大部分废气并完成进气的换排气的方式。区别于传统的四冲程、两冲程发动机，发动机一个循环周期的工作过程包括：压缩空气主动冲排废气并完成进气的过程、压缩冲程、做工冲程，活塞每往复运动一次，每缸做功一次，且每组总有一缸在做功。进气门位置可以设置在缸头上，也可以设置在活塞上。当进气门安装在活塞上时，气门外形为传统形状或环形，单气门安装在活塞中心，多气门在活塞上平衡对称安置，采用液压驱动或限位机械驱动或电磁驱动或机械电磁混合驱动。进气门位置设置在缸头上的：缸盖上的气门采用液压驱动或拉杆驱动(类似顶杆驱动)或电磁驱动或电液混合驱动，在现有普通四冲程发动机配气系统基础上，把配气系统进气门、排气门由活塞往复两次启闭一次变为活塞往复一次启闭一次，并把配气系统进气与排气工作时机改为大体一致，进气门与排气门共同开启的重叠范围比单独开启的范围大很多。进气门位置设置在缸头上也好，设置在活塞上也好，相同的，当发动机一缸做功冲程接近活塞内行(远缸头方向，相当于下行)的内止点(相当于下止点)时，排气门打开，开始排气，很快缸内气压接近大气压，这时进气门也打开，高于大气压的来源于全程增压系统的经过冷却的中低压压缩空气，对缸内废气快速的进行冲排换气，清除大部分废气，随后关闭排气门，紧接着进气结束关闭进气门，并通过进气门排气门在活塞上行的过程中的关闭的时机与全程增压系统的压强变化控制进气量，起到节气门功效，然后压缩、喷油、(汽油机还有点火)做功，进气门排气门在活塞上行的过程中的关闭的时机(具有节气门功效)根据设计目的的不同而不同，在大多数情况下，追求的是高效率，这时候可采用将全程增压系统的压强控制的稍微低一些，再匹配较长一些的换排气过程，由于全程增压系统的存在，进气门排气门可以在活塞上行到整个行程的50％多时关闭，这样做功冲程行程比压缩冲程行程多，膨胀比大于压缩比，这是简单的缸内废气再循环结合更简单高效的类似米勒循环(阿特金森循环)，同时可以配合稀薄燃烧。点火、燃料供应在现有普通四冲程发动机的基础上，在控制系统的控制下由活塞往复两次工作一次变为活塞往复一次工作一次，散热适当加强。进气门位置设置在活塞上的气体流通过程如下：通过发动机的全程增压系统向发电机机体腔内提供一个经过冷却的用于冲排废气并完成进气的压缩空气，压缩空气经过发电机机体腔内定子硅钢上的气道(进气门位置在缸头上时作为防止活塞与发电机之间气体压缩的气体流通通道)、活塞上的进气门、缸盖上的排气门对缸内废气进行冲排换气并完成进气。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的发动机采用自由活塞，一般有一组或者多组发动机及发电机部分，每组发动机及发电机包括带缸头的两套缸体，两套缸体对置安装在发电机机体两端上，两缸内的活塞通过活塞连杆连在一起形成一组自由活塞。活塞往复一次，完成三个“冲程”，换排气过程、压缩冲程、做功冲程，排气门、进气门启闭一次，进气门与排气门工作时机大体一致，进气门与排气门共同开启的重叠范围比单独开启的范围大很多，利用新鲜压缩空气冲排废气并完成进气：当发动机一个缸(下面称为一号缸)做功冲程接近活塞往复运动内行的内止点(远缸头方向，相当于四冲程发动机的下止点)时，排气门先打开，开始排气，很快缸内气压接近大气压，这时进气门也打开，高于大气压的来源于增压系统的空气对缸内废气快速的进行冲排换气，活塞到达内止点，这时对置的另一个缸(下面称为二号缸)的活塞开始做功向发电机方向靠近内行，连在一起的一号缸活塞同步开始外行，换排气继续，清除缸内大部分废气，随后关闭排气门，紧接着进气结束关闭进气门，然后压缩、喷油压燃(或点火)做功，二号缸对应继续做功、换排气并压缩，周而复始。发动机没有节气门，减少泵气损失，通过进气门排气门在活塞外行的过程中的关闭的时机调整进气量。进气门排气门在活塞外行的过程中的关闭的时机根据设计目的的不同而不同，在大多数情况下，追求的是高效率，这时候可采用将全程增压系统的压强控制的稍微低一些，再匹配较长一些的换排气过程，由于全程增压系统的存在，进气门排气门可以在活塞外行(近缸头方向)到整个行程的50％左右时关闭，这样做功冲程行程比压缩冲程行程多，膨胀比大于压缩比，这是简单的缸内废气再循环结合更简单高效的类似米勒循环(阿特金森循环)的循环，同时可以配合稀薄燃烧；在有些要追求高升功率情况下，这时候可采用将全程增压系统的压强控制的高一些，再匹配行程较短一些的换排气过程，由于全程增压系统的存在，进气门排气门可以在活塞外行到整个行程的30％甚至更少就可以完成换气并关闭，进气量加大，这时发动机的升功率可以达到现有自然吸气四冲程发动机的升功率的两倍。追求高效率与高功率可以通过可变行程配气系统与机械增压系统在一定范围内切换，可变行程配气系统根据气门的驱动方式不同，有各种不同的实现方式：电磁驱动、电液混合驱动、限位机械驱动、机械电磁混合驱动一般只要改变机械位置、电磁铁启闭时间即可实现。为提高排废气的效率，减少排废气的功率损失，对活塞上的进气门的结构可以作适当修改，由传统形状改为环形或弧形。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机的排量固定或可变：对于功率需求变化不太大的设备，采用发动机排量固定；对于功率需求变化较大的设备如货车等，除了可以采用多组发动机及发电机的部分启停来调整功率，还可以采用可变排量发动机，方法是用电机同步改变缸体相对发电机部分的位置，缸体相对发电机部分的升缩，从而达到改变活塞在缸体中运动行程，实现发动机排量的改变。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机的压缩比可变：通过压电爆震传感器、控制器，自动按程序控制燃料供应、电能输出，并根据程序自动选择当前燃料、当前外部环境、当前发动机状况、在最佳提前喷油压燃或点火角度和发动机状况所能达到的最佳压缩比，优先采用直喷压燃，稀薄燃烧。控制器不断收集分析压电爆震传感器爆震信号，如果一小段时间内没有爆震，在当前工况最佳提前喷油压燃或提前喷油点火角度的情况下，按程序升高压缩比运行，如果一小段时间内有爆震但超出合理范围，在当前工况最佳提前喷油压燃或提前喷油点火角度的情况下按程序降低压缩比运行，直到发动机保持轻微爆震。从而顺利解决汽油压燃不好伺候的难题，并实现当前环境当前燃油下的最高压缩比，从而让发动机具有更高的效率。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机在控制系统的控制下活塞的每一个往复，每个缸的点火(如采用压燃没有点火)、燃料供应工作一次，每个缸做功一次。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机的润滑系统包括活塞(进气门在活塞上的还有活塞上气门部分的)部分循环润滑和缸头部分的润滑。活塞及活塞上气门部分的内部润滑部分的一种设计包括润滑油油罐、油滤、进油管、气缸体上的进油接口及常闭进油两位三通控制阀(缸盖的部分润滑油路为常开)、活塞及活塞上气门部分的自循环润滑、气缸体上的出油接口及常闭出油两位三通控制阀(缸盖的部分润滑油路为常开)、出油管、油泵、回油管。活塞及活塞上气门部分的自循环润滑由活塞上的润滑油油槽、对称安置的润滑油导油管或油孔、活塞柄上的导油孔或导油管、活塞上的气门的润滑、惯性密度差加速自驱动自循环泵构成。其中惯性密度差加速自驱动自循环泵由圆管内放一个圆柱或圆球构成，内置于活塞连杆里或外置于活塞连杆上，活塞往复运动时，圆柱或圆球由于与润滑油密度不一样导致圆柱或圆球在作加速度运动时，运动滞后于活塞的加速度运动，从而带动润滑油往复运动；进气门在活塞上时，活塞上的气门的进出润滑油作为分支接于活塞连杆上的导油孔上。活塞及活塞上气门部分的内润滑部分在发动机停机时在程序控制下对一端活塞定位复位，接着打开气缸体上的进油接口上的常闭进油两位三通控制阀(缸盖的部分润滑油路对应为关闭)、气缸体上的出油接口上的常闭出油两位三通控制阀(缸盖的部分润滑油路对应为关闭)、油泵，对内润滑部分更换润滑油，然后对另一端活塞定位复位，接着打开气缸体上的进油接口上的常闭进油两位三通控制阀(缸盖的部分润滑油路对应为关闭)、气缸体上的出油接口上的常闭出油两位三通控制阀(缸盖的部分润滑油路对应为关闭)、油泵，对内润滑部分更换润滑油；发动机工作时气缸体上的进油接口上的常闭进油两位三通控制阀不通电(缸盖的部分润滑油路对应为打开)，油泵对缸盖气门的传统润滑及散热部分的润滑油进行泵油循环。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发电机是圆筒型稀土永磁往复式直线发电机。发电机采用现有3相直线发电机或二(或四)相发电机。二或四相发电机由两组相位相差90度的定子硅钢四周有气道的带有定子线圈绕组的齿槽形圆筒定子与包含一组分布均匀的稀土永磁体的动子组成，发电机定子是机体内的由两组相位相差90度的带有定子线圈绕组的齿槽形圆筒磁轭定子，进气门设置在活塞上时，发电机定子硅钢四周上有进气气道，进气门设置在缸头上时，发电机定子上有防止活塞与发电机之间的气体压缩的联通两活塞与发电机之间的空间的气道，发电机的定子齿槽与圆筒圆面平行，圆环形齿槽内是圆环形定子线圈绕组；发电机的定子齿槽上检测动子速度、加速度的传感器，如有霍尔传感器等，当然发电线圈也可以作为传感器使用；动子主要包括连接活塞的活塞连杆、活塞连杆外覆的软铁磁轭、等间隔套于磁轭外的多个环形稀土永磁体，环形永磁体厚度及间隔与定子齿距相同，环形永磁体S极N极极性为内外向，磁体内外极性间隔反向，也就是如果一个永磁体外圆周极性是S极，那么与它相邻的永磁体外圆周极性就是N极。每组定子相邻线圈的感应电压电流反向，所以要按电压电流连接引线，接法不同可得二(或四)相发电机及电动机。两组定子相位相差90度，表现在位置上是如果一组定子铁芯的齿与动子的永磁体同位，那么另一组定子铁芯的齿槽(绕组)与动子的永磁体同位。这种结构一方面可以作为二(四)相发电机及电动机，另一方面还可以大幅度降低动子与定子之间的作用力。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机与发电机连接处或发电机定子与发电机机体有位置精密微调机构。通过位置精密微调机构调节发动机包括永磁动子相对发电机的定子位置，让静态时的动子与定子的电磁作用力中对动子的作用力方向向上，大小略小于活塞连杆等整个动子的重力，必要时在发电机定子内部增加永磁动子位置限位轴承组，以减少活塞与缸套的压力与摩擦，延长发动机寿命并提高效率。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的发电机中的发电机同时又是复位与启动电机，运行中发动机偶尔压燃(点燃)做功失败时的复启驱动电机。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的发电机中的发电机采用电能输出的平衡调节，包括正常整流开关输出电路，为主功率输出电路，包括整流桥、保险管、电容C2、ECU控制的电子开关管G1、二极管G2、电感L1等，ECU控制的电子开关管G1、二极管G2、电感L1等，ECU控制的电子开关管G1、二极管G2、电感L1组成降压供电电路，二极管G2可以换成开关管，增程发电机正常状态发电都由此电路调节输出，电能输出的平衡调节还包括DC to DC升压功率调节，与正常整流开关输出电路并联，增程发电机正常状态发电此电路不启用，通过供油与电能输出的平衡调节保证活塞每个循环都能运动到最合适的位置(最合适的压缩比)。供油只能保证相对的准确，喷油状态雾化燃爆情况的变化也会导致每一次做功有所不同，这时通过定子上的霍尔传感器，ECU运算出动子部分的速度与加速度，并结合电池组、用电情况，ECU运算出活塞是否能够运动到最合适的位置：如果刚好能，不调节；如果燃爆功率不足，按照程序计算，ECU控制的电子开关管G1定量减少调节输出电路部分电流，减少输出功率，保证修正后活塞能运动到最合适的位置；如果燃爆功率异常超出，ECU启用DC to DC升压功率调节输出电路，按照程序计算定量控制DC to DC升压功率调节电路部分电压电流，增加输出功率，保证修正后活塞能运动到最合适的位置；调节后继续检测、计算、调节，直到这一冲程结束；就这样每一次做功不停计算，不停调节。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发电机在运行中能自动切换为启动状态：一般情况下，发动机每个周期都每个缸可以正常燃爆一次，特殊情况下，也可能会燃爆失败，每一冲程定子上的霍尔传感器或其它传感器都在不停的工作，并通过车载电脑控制器ECU运算出动子部分的速度与加速度，从而判断出应该燃爆的冲程是否成功燃爆，是否有异常摩擦或碰击，如果成功燃爆，通过车载电脑控制器ECU运算出的动子部分的速度与加速度立即调节功率输出，保证让对置的活塞刚好运动到合适位置，如果应该燃爆的冲程燃爆失败，发电机切换为电动机并调节驱动功率，保证让对置的活塞也运动到合适位置，控制器记录错误，如果有异常摩擦或碰击，控制器记录并显示问题，如果错误超出合理范围，提示检修信息，如果错误超出允许范围，停机并提示检修信息。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机为了减轻震动，一般两组或四组组合使用，通过程序控制它们反向运行。如果一组单独使用时，为了减轻震动，可以通过液压或齿轮等换向机构改变活塞与发动机动子的运动方向，让它们反向运行，并控制它们质量接近或相等。
本发明的有益效果是：
效率高，虽然增加了机械增压，消耗了不少能量，但是减少了排气冲程、吸气冲程这两个冲程的摩擦与泵气消耗，同时没有曲轴导致在缸内压力最高时力有可使之处，又有类似米勒循环的对能量的运用的提高，所以整体效率有较大的提升。
具有可变压缩比，通过压电爆震传感器、控制器，自动按程序控制燃料供应、电能输出，根据燃料自动选择当前燃料当前环境所能达到的最高压缩比，大幅度提高效率。
高功率容积，升功率大，高功率比重，可以达到现有同排量自然吸气发动机的2倍以上，因为它是由四冲程发动机异变而成的特异二冲程发动机，而且带有增压系统。
增程发电机通过二组、四组组合，组合中发电机中的活塞程控反相位运动，震动小；单独使用时，可以通过液压或齿轮等换向机构让活塞与发动机动子反向运行，并控制它们质量接近或相等，减轻了震动。
多组工作，损坏一个其余能正常工作，特别适合小型飞机使用。
高效率与高功率可以通过配气系统与增压系统切换，对于功率需求变化大的工况，如货车，这个也可以降低油耗。
动力平顺，因为做功冲程的频率提高一倍。
排放好，因为自带废气再循环，可以实现稀薄燃烧。
由两组相位相差90度的定子的圆筒型稀土永磁往复式直线发电机与单组定子圆筒型稀土永磁往复式直线发电机相比，一方面两组线圈不同的连接方法可以组成相位相差90度的两相电或相位依次相差90度四相电，另一方面便于通过控制系统把发电机兼作启动复位电机，还有一方面可以大幅度减少永磁体与定子铁芯之间的作用力。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明，附图仅示意原理。
图1是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的原理示意图。
图2是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机一个缸一个往复(一个循环)的发动机配气图。
图3是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机用齿轮作活塞与发电机动子换向机构的单组使用的原理示意图。
图4是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的功率调节输出部分电路原理示意图。
图5是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的部分工作过程流程示意。
图6是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机的润滑系统活塞部分示意图。
图7是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的进气门在活塞中间的示意图。
图8是由预增压换排气自电活塞发动机驱动的直线增程发电机的进气门在活塞四周的示意图。
图9是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的进气门在活塞上的活塞及气门上有绝热层时的活塞及气门上的防绝热层脱落的梯形环槽或梯形线槽或井字形槽顶视示意图。
图10是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的进气门在活塞上的活塞及气门上有绝热层时的活塞及气门上的防绝热层脱落的梯形环槽或梯形线槽或井字形槽剖面示意图。
图中：1、进气门组；2、排气门组；3、点火器(采用纯压燃方式没有点火器)；4、汽油、柴油、燃气等燃料喷嘴；5、活塞；51、活塞环；52、活塞上的润滑油流动环槽；6、缸体；7、惯性密度差加速自驱动自循环泵；71、惯性密度差加速自驱动自循环泵中的密度较高的圆柱或圆球形金属体；72、惯性密度差加速自驱动自循环泵中的低密度的润滑油；8、润滑油油道；9、压缩空气从发电机机体上进入的入口；10、配合限位机械驱动进气门的延时闭门电磁铁或机械装置；11、固定在机体上的限位机械驱动进气门的限位挡块；111、固定在机体上的限位机械驱动进气门的限位挡块的调节装置；12、活塞连杆；13、内外为磁极的环形稀土永磁体；14、四周有气道的带有定子线圈绕组的齿槽形圆筒定子；15、变向齿轮；16、活塞连杆上的齿条；17、发动机圆筒形动子内的齿条；18、保证发动机圆筒形动子做平动的限位轴承；19、润滑油循环泵；20、润滑油储油罐；21、油滤；22、常闭进油两位三通控制阀；23、防绝热层脱落的梯形槽以及绝热层
图2中：∠BOC范围表示活塞从外止点开始在高温高压燃气作用下内行的做功冲程；∠COG范围表示主动进气排气换排气过程，竖线阴影部分表示缸内废气含量在运转中越来越少，网格线阴影部分表示缸内空气含量在运转中越来越多；∠GOA范围表示活塞对空气压缩的压缩冲程。OB表示活塞运行到外止点，OE表示活塞运行到内止点，OA表示点火位置或热机喷油喷气位置，∠AOB为点火提前角或热机喷油喷气提前角，OC表示排气门开始开启位置，OD表示进气门开始开启位置，OF表示排气门关闭位置，换排气完成，OG表示进气门关闭位置，进气完成，∠DOF表示进气门、排气门都打开的换排气区域，∠COD表示排气门先打开的泄除废气高压的泄压排气区域，∠FOG表示排气门先关闭后利用增压系统增加空气进气量增加功率的区域，∠COF表示排气门打开的排气区域，∠DOG表示进气门打开的进气区域，∠COE为排气提前角。
具体实施方式
在图1中，全程增压系统，包含过滤器、增压器、散热器、传感器、管道等组成，为发动机提供高于一个大气压低于四个大气压的中低压压缩空气，同一发动机的输出功率越高，增压系统提供的压缩空气压强越高。增压系统增压器部分的具体的实施方式主要有三种：1、单独的机械增压器，缺点是浪费较多的能量；2、机械增压器与废气涡轮增压器同时使用，在传感器与电子控制系统ECU控制下，低功率主要由机械增压器工作，高功率时机械增压器弥补废气涡轮增压器增压能力的不足；3、把机械增压器与废气涡轮增压器做成一体，具体的就是在废气涡轮增压器上增加高速电动机，并加大增压涡轮体积，在传感器与电子控制系统ECU控制下，低功率主要由电动机驱动增压涡轮，废气涡轮辅助，高功率主要由废气涡轮驱动增压涡轮，电动机辅助。增压后气体经过散热器冷却供应给进气系统。由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的发动机采用自由活塞(5)，一般有一组或者多组发动机及发电机部分，每组发动机及发电机包括带缸头的两套缸体(6)，两套缸体(6)对置安装在发电机机体两端上，多组发动机采用偶数，以保证震动较小，两缸内的活塞(5)通过活塞连杆(12)连在一起形成一组自由活塞。生产时安装要保证两缸缸体(6)、内部的活塞(5)以及活塞连杆(12)各自的所在的圆柱体中心轴轴线重叠，保证运行时不产生异常的非轴向力，同时，如果发电机整体横着放置的，让静态时的动子与定子的电磁作用力中对动子的作用力方向向上，大小略小于活塞连杆(12)等整个动子的重力，克服动子的部分重力，减少系统运行摩擦与磨损。如果加工机床精度够高，可以不设计发动机与发电机连接处或发电机定子(14)与发电机机体有相对位置微调机构，如果加工机床精度不够高，增程发电机中的发动机与发电机连接处或发电机定子与发电机机体有相对位置微调机构。通过位置微调机构调节发动机包括永磁动子相对发电机的定子位置，让横置发电机静态时的动子与定子的所在的圆柱体中心轴轴线不完全重叠，动子与定子的上端间隙略小，使动子与定子的电磁作用力中对动子的作用力方向向上，大小略小于活塞连杆等整个动子的重力，同时保证两缸缸体、内部的活塞以及活塞连杆各自的所在的圆柱体中心轴轴线为同一条线，延长发动机寿命并提高效率。图中的直线增程发电机中的发电机是圆筒型稀土永磁往复式直线发电机。是二或四相发电机。二或四相发电机由两组相位相差90度的定子的硅钢四周有气道的带有定子线圈绕组的齿槽形圆筒定子(14)与包含一组分布均匀的稀土永磁体(13)的动子组成，发电机定子(14)是机体内的由两组相位相差90度的带有定子线圈绕组的齿槽形圆筒磁轭定子(14)，进气门设置在活塞上时，发电机定子硅钢四周上有进气气道，进气门设置在缸头上时，发电机定子上有防止活塞与发电机之间的气体压缩的联通两活塞与发电机之间的空间的气道，发电机的定子齿槽与圆筒圆面平行，圆环形齿槽内是圆环形定子线圈绕组；发电机的定子齿槽上有检测动子速度、加速度的传感器，如霍尔传感器等。动子主要包括连接活塞的活塞连杆(12)、活塞连杆外覆的软铁磁轭、等间隔套于磁轭外的多个环形稀土永磁体(13)，环形永磁体(13)厚度及间隔与定子齿距相同，环形永磁体S极N极极性为内外向，磁体内外极性间隔反向，也就是如果一个永磁体外圆周极性是S极，那么与它相邻的永磁体外圆周极性就是N极。每组定子相邻线圈的感应电压电流反向，所以要按电压电流连接引线，接法不同可得二或四相发电机及电动机。两组定子相位相差90度，表现在位置上是如果一组定子铁芯的齿与动子的永磁体同位，那么另一组定子铁芯的齿槽(绕组)与动子的永磁体同位。这种结构一方面可以作为二或四相发电机及电动机，另一方面还可以大幅度降低动子与定子之间的作用力。
图2是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机一个缸一个往复(一个循环)的发动机配气图。配气系统在现有普通四冲程发动机的基础上，把配气系统进气门、排气门由每两圈启闭一次变为每一圈启闭一次，工作频率提高一倍，并把配气系统进气与排气工作时机改为大体一致，进气门与排气门共同开启的重叠范围比单独开启的范围大很多：当发动机做功冲程接近活塞内行的最大行程时(图中OC位置)，排气门打开，开始排气，很快缸内气压接近大气压，这时进气门也打开(图中OD位置)，高于大气压的来源于增压系统的空气对缸内废气进行冲排换气，清除大部分废气，随后关闭排气门(图中OF位置)，紧接着关闭进气门(图中OG位置)。进排气门在活塞外行过程中的关闭的时机根据设计时的目的不同而不同，如追求高效率，可采用低压强增压系统匹配长行程换排气(图中∠EOF、∠EOG范围加大)，进排气门在活塞外行到整个行程的50％多时关闭，如追求高升功率，采用高压强增压系统匹配稍微短一些的换排气行程(图中∠EOF、∠EOG角度范围变小)。配气系统还可以采用可变行程配气系统，可变行程配气系统与增压系统在控制系统控制下可以在一定范围内切换高效率与高功率之间的工作状态。为提高排废气效率，对进气门的外形与行程作适应性修改，气门改小改锐，进气门气道靠近汽缸盖中心一侧加导流块，利于压缩气体沿着缸壁冲到缸底的活塞上；为提高排废气效率，另一结构设计是把进气门转移到活塞上，原来的缸盖上的进排气门都作排气门或取消部分保留部分作排气门。另外把进气门改为电磁进气门也是一个好的选择，可以方便怠速、高效率、高功率等工况的切换，如果进气门设计在活塞上并采用电磁进气门，连杆(12)上还要增加线圈等发电及通讯控制电路。在现有普通四冲程发动机的基础上，点火、燃料供应在控制系统的控制下由两圈一次变为一圈一次，散热加强。
图4是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的功率调节输出部分电路原理示意图。由预增压换排气自由活塞发动机驱动的发电机中的发电机同时又是复位与启动电机，运行中发动机偶尔压燃(点燃)做功失败时的复启驱动电机。电能输出的平衡调节包括正常整流开关输出电路，为主功率输出电路，包括整流桥、保险管、电容C2、ECU控制的电子开关管G1、二极管G2、电感L1等，ECU控制的电子开关管G1、二极管G2、电感L1组成降压供电电路，二极管G2可以换成开关管，增程发电机正常状态发电都由此电路调节输出，电能输出的平衡调节还包括DC to DC升压功率调节，与正常整流开关输出电路并联，增程发电机正常状态发电此电路不启用，通过供油与电能输出的平衡调节保证活塞每个循环都能运动到最合适的位置(最合适的压缩比)。供油只能保证相对的准确，喷油状态雾化燃爆情况的变化也会导致每一次做功有所不同，这时通过定子上的霍尔传感器等传感器，ECU运算出动子部分的速度与加速度，并结合电池组、用电情况，ECU运算出活塞是否能够运动到最合适的位置：如果刚好能，不调节；如果燃爆功率不足，按照程序计算，ECU控制的电子开关管G1定量减少调节输出电路部分通电时长，减少输出功率，保证修正后活塞能运动到最合适的位置；如果燃爆功率异常超出，ECU启用DC to DC升压功率调节输出电路，按照程序计算定量控制DC to DC升压功率调节电路部分的电压电流，增加输出功率，保证修正后活塞能运动到最合适的位置；调节后继续检测、计算、调节，直到这一冲程结束；就这样每一次做功不停计算，不停调节。由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发电机在运行中能自动切换为启动状态：一般情况下，发动机每个周期都每个缸可以正常燃爆一次，特殊情况下，也可能会燃爆失败，每一冲程定子上的霍尔传感器或其它传感器都在不停的工作，并通过车载电脑控制器ECU运算出动子部分的速度与加速度，从而判断出应该燃爆的冲程是否成功燃爆，是否有异常摩擦或碰击，如果成功燃爆，通过车载电脑控制器ECU运算出的动子部分的速度与加速度立即调节功率输出，保证让对置的活塞刚好运动到合适位置，如果应该燃爆的冲程燃爆失败，发电机切换为电动机并调节驱动功率，保证让对置的活塞也运动到合适位置，控制器记录错误，如果有异常摩擦或碰击，控制器记录并显示问题，如果错误超出合理范围，提示检修信息，如果错误超出允许范围，停机并提示检修信息。
图5是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的部分工作过程流程示意。开始启动发电机后，系统首先自检并对环境温度、气压、发动机温度等进行检测，以匹配最合适的压缩比进行工作，接着对发动机自由活塞进行复位，活塞到初始位置后，燃料、润滑油泵启动、机械增压启动，为发动机运行做好准备，根据当前环境、机器冷热机情况、燃料是否添加、前次工作的环境及压缩比、喷油点火角度车载电脑ECU按程序自动选择适合当前状况的压缩比、喷油点火角度等运行，发电机变身电动机启动，车载电脑ECU根据传感器自动调整启动电压电流与频率，保证活塞运动到合适位置，正常启动后通过定子上的霍尔传感器等传感器，ECU运算出动子部分的速度与加速度，并结合电池组、用电情况，ECU运算出活塞是否能够运动到最合适的位置，功率调节输出部分电路定量输出电能，同时根据用电器功率需求，合理调整燃料供应，通过压电爆震传感器、控制器，自动按程序控制燃料供应、电能输出，并根据程序自动选择当前燃料、当前外部环境、当前发动机状况、在最佳提前喷油压燃或点火角度和发动机状况所能达到的最佳压缩比，优先采用直喷压燃，稀薄燃烧，控制器不断收集分析压电爆震传感器爆震信号，如果一小段时间内没有爆震，在当前工况最佳提前喷油压燃或提前喷油点火角度的情况下，按程序升高压缩比运行，如果一小段时间内有爆震但超出合理范围，在当前工况最佳提前喷油压燃或提前喷油点火角度的情况下按程序降低压缩比运行，直到发动机保持轻微爆震，从而顺利解决汽油压燃不好伺候的难题，并实现当前环境当前燃油下的最高压缩比，从而让发动机具有更高的效率。停机后车载电脑ECU按程序根据运行时长及润滑情况对活塞部分润滑油是否更换做出判断。活塞部分的润滑油更换：在发动机停机时在程序控制下对一端活塞定位复位，接着打开气缸体上的进油接口上的常闭进油两位三通控制阀、气缸体上的出油接口上的常闭出油两位三通控制阀(这时缸盖的部分润滑油路对应为关闭)、油泵，对活塞润滑部分更换润滑油，然后对另一端活塞定位复位、更换润滑油；发动机工作时气缸体上的进出油接口上的常闭进油两位三通控制阀不通电(缸盖的部分润滑油路对应为打开)，油泵对缸盖气门的传统润滑及散热部分的润滑油进行泵油循环。
图6是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机的润滑系统活塞部分示意图。由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机的润滑系统包括活塞部分循环润滑(进气门在活塞上时还有活塞上气门部分的)和缸头部分的润滑。缸头部分的润滑及散热采用传统方式。活塞及活塞上气门部分的润滑的一种设计包括润滑油油罐、油滤、进油管、气缸体上的进油接口及常闭进油两位三通控制阀、活塞及活塞上气门部分(进气门在活塞上时)的自循环润滑、气缸体上的出油接口及常闭出油两位三通控制阀、出油管、油泵、回油管。活塞及活塞上气门部分的自循环润滑由活塞上的润滑油油槽、对称安置的润滑油导油管或油孔、活塞柄上的导油孔或导油管、活塞上的气门的润滑、惯性密度差加速自驱动自循环泵构成。其中惯性密度差加速自驱动自循环泵由圆管内放一个圆柱或圆球构成，内置于活塞连杆里或外置于活塞连杆上，活塞往复运动时，圆柱或圆球由于与润滑油密度不一样导致圆柱或圆球在作加速度运动时，运动滞后于活塞的加速度运动，从而带动润滑油做往复运动；进气门在活塞上时，活塞上的气门的进出润滑油作为分支接于活塞连杆上的导油孔上。
图7是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的进气门在活塞中间的示意图；图8是由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机的进气门在活塞四周的示意图。进气门位置可以设置在缸头上，也可以设置在活塞上。进气门位置设置在缸头上，机构相对简单，换气效率略低，成本小，缸盖上的气门采用液压驱动或拉杆驱动(类似顶杆驱动)或电磁驱动或电液混合驱动，在现有普通四冲程发动机配气系统基础上，把配气系统进气门、排气门由活塞往复两次启闭一次变为活塞往复一次启闭一次，并把配气系统进气与排气工作时机改为大体一致，进气门与排气门共同开启的重叠范围比单独开启的范围大很多。当进气门安装在活塞上时，效率高，成本也高，气门外形为传统形状或环形，单气门安装在活塞中心，多气门在活塞上平衡对称安置，采用液压驱动或限位机械驱动或电磁驱动或机械电磁混合驱动。进气门位置设置在缸头上也好，设置在活塞上也好，相同的，当发动机一缸做功冲程接近活塞内行(远缸头方向，相当于下行)的内止点(相当于下止点)时，排气门打开，开始排气，很快缸内气压接近大气压，这时进气门也打开，高于大气压的来源于全程增压系统的经过冷却的中低压压缩空气，对缸内废气快速的进行冲排换气，清除大部分废气，随后关闭排气门，紧接着进气结束关闭进气门，并通过进气门排气门在活塞上行的过程中的关闭的时机与全程增压系统的压强变化控制进气量，起到节气门功效，然后压缩、喷油、(汽油机还有点火)做功。
图9、图10是说由于结构的不同，活塞的散热难度加大，为了解决这个问题，可以在活塞的顶端的燃烧室侧增加绝热层，为了防止绝热层在恶劣的环境下脱落，活塞上开梯形的微小的防脱落同心环槽或线形槽或井字形槽，让绝热层部分镶嵌在梯形槽，相当于把绝热层铆合在活塞上，气门组的顶端的椎体的燃烧室侧也可以增加防脱落绝热层，缸头等运动非接触处的燃烧室面部分同样也可以增加防脱落绝热层，减少散热对应的就是提高效率。
另外，由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机的排量固定或可变：对于功率需求变化不太大的设备，采用发动机排量固定；对于功率需求变化较大的设备如货车等，除了可以采用多组发动机及发电机的部分启停来调整功率，还可以采用可变排量发动机，方法是用电机同步改变缸体相对发电机部分的位置，缸体相对发电机部分的升缩，从而达到改变活塞在缸体中运动行程，实现发动机排量的改变。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机中的发动机缸体圆柱的高度与直径的比值相对现有四冲程缸体的要大，以增加自由活塞行程，同时增大做工压缩行程比，提高效率。
由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机为了减轻震动，一般两组或四组组合使用，通过程序控制它们反向运行。如果一组单独使用时，为了减轻震动，可以通过液压或齿轮等换向机构改变活塞与发动机动子的运动方向，让它们反向运行，并控制它们质量接近或相等(图3)。

Claims (1)

1.由预增压换排气自由活塞发动机驱动的直线增程发电机，由发动机及发电机组成，其特征是：其中，发动机有全程增压系统；其中全程增压系统主要包括增压器、散热器、传感器，增压器为机械增压器或机械增压器与废气涡轮增压器同时使用或把机械增压器与废气涡轮增压器做成一体的增压器；发动机包括带缸盖的两套缸体，两套缸体对置安装在发电机机体上，两缸的活塞通过活塞连杆连在一起形成一组自由活塞，通过全程增压系统为发动机的提供用于冲排废气并完成进气的中低压压缩空气，压缩空气通过进气门对缸内废气进行冲排换气并完成进气，然后压缩、喷射燃料、压燃或点燃、做功；其中，发动机在控制系统的控制下，发动机活塞每往复一次，每个缸做功一次；其中，发动机的润滑系统包括活塞部分的内润滑部分和缸头部分的润滑，活塞部分的润滑包括润滑油油罐、油滤、进油管、气缸体上的进油接口及常闭进油两位三通控制阀、活塞部分的自循环润滑、气缸体上的出油接口及常闭出油两位三通控制阀、出油管、油泵、回油管，发动机的活塞部分具有自循环润滑系统，其中自循环润滑系统包含活塞上的润滑油油槽、对称安置的润滑油导油管或油孔、活塞柄上的导油孔或导油管、惯性密度差加速自驱动自循环泵；其中惯性密度差加速自驱动自循环泵由圆管内放一个圆柱或圆球构成，活塞往复运动时，圆柱或圆球由于与润滑油密度不一样导致圆柱或圆球在做加速度运动时，运动滞后于活塞的加速度运动，从而带动润滑油往复运动；发动机活塞部分的内润滑部分在发动机停机时更换内润滑部分的润滑油：在发动机停机时在程序控制下发电机变身电动机对一端活塞定位复位，接着打开气缸体上的进油接口上的常闭进油两位三通控制阀、气缸体上的出油接口上的常闭出油两位三通控制阀、油泵，对内润滑部分更换润滑油，然后对另一端活塞定位复位更换润滑油；发动机工作时气缸体上的进油接口上的常闭进油两位三通控制阀不通电，油泵对缸盖气门部分的润滑油泵油循环；其中发电机是由一组均匀分布在自由活塞连杆上的稀土永磁体构成的动子与两组相位相差90度的定子硅钢四周有气道的带有定子线圈绕组的齿槽形圆筒磁轭定子组成的圆筒型稀土永磁往复式直线发电机，其中发电机的定子齿槽与圆筒圆面平行，圆环形齿槽内是圆环形定子线圈绕组，定子硅钢上四周有气体通过的气道；其中动子主要包括连接活塞的活塞连杆、活塞连杆外覆的软铁磁轭、等间隔套于磁轭外的多个环形稀土永磁体，环形永磁体厚度及间隔与定子齿距相同，环形永磁体S极N极极性为内外向，磁体内外极性间隔反向；发电机同时又是复位与启动电机，是运行中发动机偶尔压燃或点燃做功失败时的驱动电机；其中，发动机的压缩比可变：通过压电爆震传感器、车载电脑控制器ECU、功率调节输出部分电路，自动按程序控制燃料供应、电能输出，并根据程序自动选择当前燃料、当前外部环境、当前发动机状况、在最佳提前喷油压燃或点火角度和发动机状况所能达到的最合适压缩比，让发动机保持轻微爆震；其中发电机的电能输出是受控平衡调节输出，电能输出的平衡调节包括正常整流开关输出电路和DC to DC升压功率调节电路，两者并联，通过供油与电能输出的平衡调节保证活塞每个循环都能运动到最合适的压缩比的位置，正常整流开关输出电路是增程发电机正常工作时电能功率输出电路，正常整流开关输出电路包含整流桥、保险管、电容C2、ECU控制的电子开关管G1、二极管G2、电感L1，增程发电机正常状态发电时DC to DC升压功率调节电路不启用；车载电脑控制器ECU一直重复下述过程：通过定子上的传感器，车载电脑控制器ECU运算出动子部分的速度与加速度，并结合电池组、用电情况，ECU按照程序运算出并同时按运算结果控制的电子开关管G1定量调节输出电路部分通电时长比例，调整输出功率，保证调整后对置的活塞理论上能运动到最合适的压缩比的位置；当增程发电机出现异常燃爆，ECU启用DC to DC升压功率调节输出电路，按照程序计算定量控制DC to DC升压功率调节电路部分的电压电流，保证修正后活塞能运动到最合适的压缩比的位置；其中，发电机在运行中能自动切换为启动状态：每一冲程定子上的霍尔传感器都在不停的工作，并通过车载电脑控制器ECU运算出动子部分的速度与加速度，从而判断出应该燃爆的冲程是否成功，当燃爆失败时，发电机切换为电动机并调节驱动功率，让对置的活塞运动到最合适的压缩比的位置，控制器记录错误；其中，直线增程发电机采用单组发动机及发电机或多组发动机及发电机，其中，发动机的排量固定或可变：其中可变排量的实现是用电机同步改变缸体相对发电机部分的位置，缸体相对发电机部分的升缩，从而达到改变活塞在缸体中运动行程，实现发动机排量的改变；为了减少震动，多组发动机及发电机一般两组或四组组合使用，发电机的动子直接安装于活塞的连杆上，一组单独使用时，发电机的动子直接安装于活塞的连杆上或者通过液压或齿轮换向机构改变活塞与发动机动子的运动方向，让自由活塞与动子反向运行，并控制自由活塞与动子质量接近或相等。
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