專利名稱：準自由活塞直線發電機組的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于內燃式動力裝置的熱能向電能轉換的技術，尤其涉及一種準自由活塞直 線發電機組。
背景技術：
傳統的內燃機一發電機組，首先通過活塞式內燃發動機的活塞一汽缸部分將燃料燃燒釋 放的熱能轉換為活塞的往復直線機械動力，再由曲柄一連桿機構部分將涪塞的往復直線機械 動力轉換為旋轉機械動力，而后將該旋轉機械動力經過若干中間環節如聯軸器、分動器等， 機械動力的傳遞、分流及動力參數的變換，最后通過旋轉發電機將機械能轉換為電力。.這種 組合系統應用廣泛，但存在以下明顯的弊端①由兩個獨立的能量轉換單元一一活塞式內燃 機、旋轉發電機，通過中間連接環節組合而成。熱能到電力的轉換及傳遞路線長，效率低， 能量浪費嚴重。②由于系統中活塞與曲柄連桿機構直接相連，連桿的擺動引起的活塞側向力 較大，不僅造成了機械效率損失，同時造成了活塞與缸壁間的磨損及額外熱負載；③曲柄連 桿機構參與全部動力的傳遞與轉換，曲柄連桿機構的受力強度大，各鉸接點處的摩擦損耗嚴 重，系統運轉的不均勻度大。④曲軸連桿系統復雜、笨重，原材料浪費嚴重，生產成本與運 行成本高。
電力自i活塞發動機EFPE較上述傳統的內燃機一發電機組合系統有了很多改進。通過直 線發電機，實現活塞直線機械能向電能的轉換與輸出。但是EFPE方案本身存在較多技術問題
① 啟動系統復雜，附屬系統驅動困難，難以實現定時、協調工作；4沖程工作模式、多 缸聯動難以實現。
② 無固定止點、無固定行程，壓縮比可變，雖然容易實現通過調整壓縮比來改善發動機 的燃燒過程，但工況穩定性難以控制；同時為了追求高效低排放，要求對壓縮比的精確控制， 導致控制系統較為復雜，灘以解決。
(D燃料的供給正時結構復雜，導致壓縮比、燃燒壓力等的控制變得不確定，循環供油量 控制精度也比傳統發動機要求高得多，從而帶來燃油供給系統制造的難度。
④ 運動部件的運動特性為非正弦特性，在死點位置附近活塞運動是非對稱的，且減速段 長于加速段，與傳統系統相比，熱能一機械能及機械能一電力轉換環境發生了變化，對轉換 過程帶來影響，難以直接實現傳統系統的工作特性及性能。
⑤ 在最大速度相同條件下，具有更大的加速度。由于結構上的不平衡，導致往復慣性力 不能自我平衡，造成系統工作沖擊及不穩定性增大，由此引起的振動問題需采取附加手段解 決；
(D由于活塞"自由"，故調速困難；因沒有飛輪作用發動機熄火現象嚴重，導致發動機的 工作可靠性變差。 發明內容
本實角新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種具有結構簡單，使用方便，發動機 工作可靠性好等優點的準自由活塞直線發電機組。
為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案
一種準自由活塞直線發電機組，它包括至少一個發電單元，以及相應的燃料供給、進排 氣系統，所述發電單元是由相互配合并相對直線運動的氣缸-活塞組構成的聯動發電單元，發 電機動子與聯動發電單元的運動件連接，發電機定子和繞組則與聯動發電單元的固定件連接； 同時在聯動發電單元的運動止點處有約束運動件行程的固止件；發電機定子和繞組作為電力 輸出端。
所述發電單元有多個，彼此并聯。所述發電單元由四個內燃燒式氣缸-活塞及其附件組成，它的固定件包括依次安裝在支撐 固件上的第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸，發電機定子和繞組安裝在第二氣缸和 第三氣缸之間的支撐固件上，相對于軸心對稱，各氣缸與發電機定子和繞組在同一軸線上； 其中第一氣缸內為第一燃燒室，第二氣缸的第二缸頭側為第二燃燒室，第三氣缸的第三缸頭 側為第三燃燒室，第四氣缸內為第四燃燒室；發電單元的運動件包括一個動力輸出框架，在其中部安裝與發電機定子和繞組配合的發 電機動子，它相對于軸心對稱，在動力輸出框架的兩端分別設有動子軸，動子軸兩端分別連 接第一活塞和第二活塞呈啞鈴型，另一動子軸連接第三活塞和第四活塞也呈啞鈴型；固定件 和運動件的各活塞氣缸各自對應安裝；固止件為第二氣缸和第三氣缸與各自缸頭相^側并由活塞分隔構成的空氣墊室，，空氣墊 室底部看輔助氣道，其內部在活塞壓縮時形成空氣墊，阻止運動件運動。 '所述發電單元由四個內燃燒式氣缸-活塞及其附件組成，它的固定件包括依次安裝在支撐 固件上的第一氣缸、第二定塞、第三定塞、第四氣缸， 一個發電機定子和繞組安裝在第一氣 缸和第二定塞間的支撐固件上，另一發電機定子和繞組安裝在第三定塞和第四氣缸間的支撐 固件上，兩電機定子和繞組相對于軸心對稱，各氣缸、活塞和發電機定子和繞組在同一軸線 上；其中第一氣缸的第一缸頭側為第一燃燒室，第四氣缸的第四缸頭側為第四燃燒室；發電單元的運動件包括一個動力輸出框架，在其兩端分別為第二氣缸和第三氣缸，同時 第二氣缸與動子軸連接，動子軸上與第二氣缸連接端設有一個發電機動子，另一端為第一活 塞；第三氣缸與另一動子軸連接，該動子軸與第三氣缸連接端設有另一個發電機動子，另一 端為第四活塞，兩發電機動子相對于軸心對稱；固定件和運動件中的各活塞、氣缸分別對應 安裝在一起；固止件為第一氣缸和第四氣缸與各自缸頭相對側并由活塞分隔構成的空氣墊室，空氣墊 室底部有輔助氣道，其內部在活塞壓縮時形成空氣墊，阻止運動件運動。各燃燒室可具有相同的直徑、行程和壓縮比。同一氣缸內的空氣墊室和燃燒室直徑為異 徑或同徑均可。所述固定件上安裝輔助正時機構，它包括與空氣墊室相對應的止點傳感器、進排氣門驅 動機構。本實用新型的發電單元采用4個內燃式活塞-汽缸結構。當然4個氣缸-活塞結構也可具有 相同的直徑、行程和壓縮比，并有相同的燃料供給和進、排氣系統。固定件和運動件中的各 活塞、氣缸分別對應安裝在一起；運動部件沿著其軸向連接成一個整體，并保持軸向結構對 稱。4個活塞-汽缸結構中，有2個在運動止點附近具有輔助活塞-汽缸結構即空氣墊室，同一 氣缸內的空氣墊室和燃燒室直徑為異徑或同徑均可。空氣墊室形成的密閉空間內，在活塞作 用下形成空氣絕熱壓縮過程一一空氣墊。該空氣墊室用來約束活塞行程，同時緩沖直線運動 能量。運動部件可以是活塞，也可以是氣缸體。可分別稱為活塞結構形式、.定塞結構形式。 在活塞結構形式中，首先采用兩個反向對置的內燃式活塞-汽缸結構，通過直線動子軸將 兩個活塞連接成一個整體，構成動子軸兩端對稱的一個啞鈴型運動部件。然后將兩組啞鈴型 運動部件通過動力^f出框架逢接固定在一起，形成聯動發電單元的4活塞運動部件。在動力 輸出框架的中部安裝與發電機定子和繞組配合的發電機動子，它相對于軸心對稱，在動力輸 出框架的兩端分別設有動子軸，動子軸兩端分別連接第一活塞和第二活塞呈啞鈴型，另一動 子軸連接第三活塞和第四活塞也呈啞鈴型；在活塞結構形式下，固定件包括依次安裝在支撐固件上的第一氣缸、第二氣缸、第三氣 缸和第四氣缸，發電機定子和繞組安裝在第二氣缸和第三氣缸之間的支撐固件上，相對于軸 心對稱，各氣缸與發電機定子和繞組在同一軸線上；其中第一氣缸內為第一燃燒室，第二氣缸的第二缸頭側為第二燃燒室，第三氣缸的第三缸頭側為第三燃燒室，第四氣缸內為第四燃 燒室；固定件和運動件的各活塞氣缸各自對應安裝；
在活塞結構形式下，固止件為第二氣缸和第三氣缸與各自缸頭相對側并由活塞分隔構成 的空氣墊室，空氣墊室底部有輔助氣道，其內部在活塞壓縮時形成空氣墊，阻止運動件運動。
在定塞結構形式的發電單元中，四個內燃燒式氣缸-活塞及其附件也分為兩組，每組中的 兩個內燃式活塞-汽缸結構同方向順置，并通過動子軸連接在一起。出于連接的合理性，其中 的一個結構改變為固定活塞-活動氣缸的形式。兩組上述結構的活動氣缸通過動力輸出框架連 接，即連接順序依次為第一活塞、動子軸、第二氣缸、動力輸出框架、第三氣缸、動子軸、 第四活塞。運動件還包括固定在動子軸上的發電機動子，整體相對于軸心對稱。
在定塞結構形式下，它的固定件包括依次安裝在支撐固件上的第一氣缸、第二定塞、第 三定塞、第四氣缸； 一個發電機定子和繞組安裝在第一氣缸和第二定塞間的支撐固件上，另
一發電機定子和繞組安裝在第三定i和第四氣缸間的支撐固件上；各氣i:、活塞和發電機定
子和繞組相對于同一軸線軸心對稱；其中第一氣缸的第一缸頭側為第一燃燒室，第四氣缸的 第四缸頭側為第四燃燒室；
在定塞結構形式下，固止件為第一氣缸和第四氣缸與各自缸頭相對側并由活塞分隔構成 的空氣墊室，空氣墊室底部有輔助氣道，其內部在活塞壓縮時形成空氣墊，阻止運動件運動。
所述固定件上安裝輔助正時機構，它包括與空氣墊室相對應的止點傳感器、進排氣門驅 動機構。通過與運動部分相配合，隨著直線運動部分的行程，輔助系統分別動作，保證每個 氣缸-活塞結構接照A進氣、B壓縮(點火)、C做功、D排氣四個沖程組織燃燒。配氣相位使 聯動單元的4個活塞-汽缸結構做功相位分別為0度、90度、180度和270度。在4個沖程循 環中每個活塞-汽缸結構輪流做功一次。
直線電機布置在運動部件的合適位置，并保持整個直線運動部分軸向對稱，其定子繞組 輸出感應電流。所述發電單元可以多個彼此并聯，其電流經過調#后，形成直流輸出母線。
起動工況下，機組控制器檢測運動部分的相位，控制直線發電機作為起動電機，或者外 加起動電機，使用電池的能量來帶動直線運動部件。并驅動正時輔助系統和燃料供給、進排-氣系統-形成起動過程而建立工作循環。
本實用新型的有益效果是
首先，采用輔助活塞-汽缸結構約束活塞行程，實現固定止點、固定行程。正時和燃料供 給控制系統簡單。啟動系統、附屬系統驅動簡化。
其次，采用單缸四沖程組織燃燒、每個沖程有1個活塞做功的四缸聯動發電單元。克服 因為沒有飛輪造成的熄火問題，解決熄火現象導致的發動機工作可靠性差問題。
第三，采用固定的壓縮比，現有的燃燒設計理論可以適用，解決了工況穩定性、高效低 排放的難題。
第四，聯動單元采用直流電力輸出形式，克服由于運動部件的非正弦運動特性，熱能一 機械能及機械能一電力轉換特性變化引起的性能困擾。
第五，采用直流輸出母線，多個發電單元可以并聯，形成大功率機組。發電單元可以獨 立啟動或停車，具有部分功率輸出效率高，可以容錯運行的特點。
圖l為第一實施例的總裝圖—2:為第一實施例的固定件結構示意圖3為第一實施例的運動件結構示意圖4為第二實施例的總裝圖5為第二實施例的固定件結構示意圖6為第二實施例的運動件結構示意圖。其中，l.第四缸頭，2.第一燃燒室，3.第一氣缸,4.空氣墊室，5.發電機定子和繞組，—6. 第二燃燒室，7.第二氣缸，8.定塞，9.第三氣缸，IO.第三燃燒室，ll.第四氣缸，12.第^燃 燒室，13.第一缸頭，14.輔助氣道，15.發電機動子，16.動子軸，17.第二缸頭，18.支撐固 件，19.第三缸頭，20.第三活塞，21.第四活塞，22.第一活塞，23.動力輸出框架，24.第二 活塞，25.第二定塞，26.第三定塞。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。 實施例1:
活塞結構形式的聯動發電單元舉例如下。
圖2中，第一氣缸3、第二氣缸7、第三氣缸9和第四氣缸11軸向同心安裝在支撐固件 18上。第一缸頭13和第四缸頭1朝向外側(圖2中所示分別向左側、右側)，第二缸頭17 和第三缸頭19相對，靠近發電機定子和繞組5。第二氣缸7和第三氣缸9的尾部分別空氣墊 室4以及關聯的密封和輔助氣道14。發電機定子和繞組5也安裝在支撐闔件18上，它相對 于氣缸軸線對稱，并位于整個裝置的軸向中心。
附圖3所示，第一活塞22和第二活塞24.通過動子軸16連成一體；相似地，第^活塞 20和第四活塞21也通過動子軸16連成一體。動力輸出框架23的兩端分別連接兩動子軸16, 動力輸出框架23的軸向中心位置安裝發電機動子15，動力輸出框架23將4個活塞、發電機 動子連結成整體，構成直線運動部分。
附圖1所示，第一氣缸3和第一活塞22配合，形成第一燃燒室2;第二氣缸7和第二活 塞24配合，形成第二燃燒室6;第三氣缸9和第三活塞20配合，形成第三燃燒室10;第四
3
氣缸11和第四活塞21配合，形成第四燃燒室12。動力輸出框架23圍繞第二、第三氣缸的 部分。其圓周向不是閉合的，如虛線所示，允許支撐固件18穿過它固定缸體，而不影響該框 架的直線運動。相類似的，燃料供給和進氣/排氣系統的有關部件，也穿過該框架而不影響其 直線運動。
附圖1所示發電單元的工作過程簡述為
運動部分位于最左端(第一、:三缸上止點，第二、四&I下止點)，開始向右運動(第一沖 程)，第r缸頭13一執行進氣沖程A，第二缸頭17執行壓縮沖程B,第三缸頭19執行做功沖 程C，第四缸頭1執行徘氣沖程D;第三活塞20下行越過輔助氣道14后，在第三氣缸9的 底部形成密閉空氣墊室4，運動部分壓縮該密閉空氣，由于氣墊作用，運動部分立即停止運 動(到達止點)。
運動部分向左運動(第二沖程)，第一缸頭13執行壓縮沖程B,第二缸頭17執行做功沖 程C，第三缸頭19執行排氣沖程D，第四缸頭1執行進氣沖程A;第二活塞24下行越過輔助 氣道14后，在第二氣缸7的底部形成密閉空氣墊室4，運動部分壓縮該密閉空氣，由于氣墊 作用，運動部分立即停止運動(到達止點)。
運動部分向右運動(第三沖程)，第一缸頭13執行做功沖程C,第二缸頭17執行排氣沖 程D，第三缸頭19執行進氣沖程A，第四缸頭1執行壓縮沖程B;第三活塞20下行越過輔助 氣道14后，在第三氣缸9的底部形成密閉空氣墊室4，運動部分壓縮該密閉空氣，由于氣墊 作用，運動部分立即停止運動(到達止點)。
運動部分向左運動(第四沖程),..第一缸頭13執行排氣沖程D，第二缸頭17執行進氣沖 程A，第三缸頭19執行壓縮沖程B，第四缸頭1執行做功沖程C;第二活塞24下行越過輔助 氣道14后，在第二氣缸7的底部形成密閉空氣墊室4，運動部分壓縮該密閉空氣，由于氣墊 作用，運動部分立即停止運動(到達止點)。
四缸輪流發火，順序為3-2-1-4。實施例2:
定塞結構形式的聯動發電單元的'舉例如下。
附圖5所示，定塞8包括第二定塞25和第三定塞26，它們安裝在兩發電機定子和繞組5 之間的支撐固件18上。定塞8上安裝有第二燃燒室6和第三燃燒室10所需要的氣道、氣門、 點火等附屬部件。第一氣缸3和第四氣缸11的尾部分別有輔助氣缸室4關聯的密封結構和輔 助氣道14。發電機定子和繞組5也安裝在支撐固件18上，它相對于氣缸軸線對稱，分成2 個部分并分別與動子軸16相對應。
附圖6所示，兩發電機動子15分別通過動子軸16安裝到動力輸出框架23的兩端上，發 電機定子和繞組5也位于整個裝置的軸向中心，并固定在支撐固件18上。第一活塞22通過 動子軸16和第二氣缸7—端連接固定，形成運動部件的一部分。第四活塞21通過動子軸16 和第三氣缸9一端連接固定，形成運動部件的另一部分。動力輸出框架23兩端分別連接第二 氣缸7和第三氣缸9。發電機動子15分別安裝在兩動子軸16上。
附圖4所示，第一氣缸3和第一活塞22配合，形成第一燃燒室2;第二氣缸7和第二定 塞25配合，形成第二燃燒室6;第三氣缸9和第三定塞26配合，形成第三燃燒室10;第四 氣缸11和第四活塞21配合，形成第四燃燒室12。動力輸出框架23圍繞第二、第三氣缸的 部分，其圓周向不是閉合的，如虛線所示，允許支撐固件18穿過它固定癥體，而不影響該框 架的直線運動。相類似的，燃料供給和進氣/排氣系統的有關部件，也穿過該框架而不影響其 直線運動。
本實用新型中未詳述的氣缸-活塞附件及其它相關技術均為公知技術，不再贅述。
權利要求1、一種準自由活塞直線發電機組，它包括至少一個發電單元，以及相應的燃料供給、進排氣系統，其特征是所述發電單元是由相互配合并相對直線運動的氣缸-活塞組構成的聯動發電單元，發電機動子(15)與聯動發電單元的運動件連接，發電機定子和繞組(5)則與聯動發電單元的固定件連接；同時在聯動發電單元的運動止點處有約束運動件行程的固止件；發電機定子和繞組(5)作為電力輸出端。
2、 根據權利要求l所述的準自由活塞直線發電機組，其特征是所述發電單元有多個， 彼此并聯。
3、 根據權利要求l所述的準自由活塞直線發電機組，其特征是所述發電單元由四個內 燃燒式氣缸-活塞及其附件組成，它的固定件包括依次安裝在支撐固件(18)上的第一氣缸(3)、 第二氣缸(7)、第三氣缸(9)和第四氣缸(11)，發電機定子和繞組(5)安裝在第二氣缸(7) 和第三氣缸(9)之間的支撐固件(18)上，相對于軸心對稱，各氣缸與發電機定子和繞組(5) 在同一軸線上；其中第一氣缸(3)內為第一燃燒室(2)，第二氣缸(7)的第二缸頭(17) 側為第二燃燒室(6)，第三氣缸(9)的第三缸頭(19)側為第三燃燒室(10)，第四氣缸(11) 內為第四燃燒室(12);發電單元的運動件包括一個動力輸出框架(23),在其中部安裝與發電機定子和繞組(5) 配合的發電機動子(15)，它相對于軸心對稱，在動力輸出框架(23)的兩端分別設有動子軸 (16)，動子軸(16)兩端分別連接第一活塞(22)和第二活塞(24)呈啞鈴型，另一動子軸 (16)連接第三活塞(20)和第四活塞(21)也呈啞鈴型；固定件和運動件的各活塞氣缸各 自對應安裝；固止件為第二氣缸(7)和第三氣缸(9)與客自缸頭相對側并由活塞分隔構成的空氣墊 室(4)，—空氣墊室(4)底部有輔助氣道(14)，其內部在活塞壓縮時形成空氣墊，阻止運動 件運動。
4、 根據權利要求l所述的準自由活塞直線發電機組，其特征是所述發電單元由四個內燃燒式氣缸-活塞及其附件組成，它的固定件包括依次安裝在支撐固件(18)上的第一氣缸(3)、 第二定塞(25)、第三定塞(26)、第四氣缸(11)， 一個發電機定子和繞組(5)安裝在第一 氣缸(3)和第二定塞(25)間的支撐固件(18)上，另一發電機定子和繞組(5)安裝在第 三定塞(26)和第四氣缸(11)間的支撐固件(18)上，兩電機定子和繞組(5)相對于軸心 對稱，各氣缸、活塞和發電機定子和繞組(5)在同一軸線上；其中第一氣缸(3)的第一缸 頭(13)側為第一燃燒室(2),第四氣缸(11)的第四缸頭(1)側為第四燃燒室(12);發電單元的運動件包括一個動力輸出框架(23)，在其兩端分別為第二氣缸(7)和第三 氣缸(9)，同時第二氣缸(7)與動子軸(16)連接，動子軸(16)上與第二氣缸(7)連接 端設有一個發電機動子(15)，另一端為第一活塞(22);第三氣缸(9)與另一動子軸(16) 連接，該動子軸(16)與第三氣缸(9).連接端設有另一個發電機動子(15)，另一端為第四 活塞(h)，兩發電機動子(15)相對于軸心對稱；固定件和運動件中的各活塞、氣缸分別對 應安裝在一起；固止件為第一氣缸(3)和第四氣缸(11)與各自缸頭相對側并由活塞分隔構成的空氣墊 室(4)，空氣墊室(4)底部有輔助氣道(14)，其內部在活塞壓縮時形成空氣墊，阻止運動 件運動。
5、 根據權利要求3或4所述的準自由活塞直線發電機組，其特征是所述固定件上安裝 輔助正時機構，它包括與空氣墊室(4)相對應的止點傳感器、進排氣門驅動機構。
專利摘要本實用新型公開了一種準自由活塞直線發電機組。它解決了目前電力自由活塞發動機結構復雜，工作不可靠等問題，具有結構簡單，使用方便，工作可靠性好等優點。其結構為它包括至少一個發電單元，以及相應的燃料供給、進排氣系統，所述發電單元是由相互配合并相對直線運動的氣缸-活塞組構成的聯動發電單元，發電機動子與聯動發電單元的運動件連接，發電機定子和繞組則與聯動發電單元的固定件連接；同時在聯動發電單元的運動止點處有約束運動件行程的固止件；發電機定子和繞組作為電力輸出端。
文檔編號F01L1/34GK201129211SQ200720158948
公開日2008年10月8日 申請日期2007年12月25日 優先權日2007年12月25日
發明者軍 孫, 澎 李 申請人:軍 孫