專利名稱：內燃直線往復式發電機及其操作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機發電機領域，尤其涉及一種內燃直線往復式發電機及其操作方法。
背景技術：
現有技術中存在一種兩缸自由活塞式發電機，如圖1所示，這類自由活塞式發電機由兩個對置的兩沖程內燃機組成，每一內燃機缸內的點火方式是火花塞點火，這類發電機除了換氣過程外，在任意時刻都有氣體膨脹做功，并可以通過控制自由活塞的運動規律提高壓縮比，從而提高燃燒放熱率，具有較強的動力性和節能效果。隨著研究的深入，研究者發現上述結構用于四沖程工作原理時，由于沒有曲柄連桿式內燃機中的飛輪的儲能作用，兩缸自由活塞式發電機在進排氣過程中難以保持穩定運行。研究者提出了另一種結構的直線發電機，即圖2示出的四缸四沖程自由活塞式發電機， 該發電機的四個缸內的四個活塞通過特定結構保持相對固定，在一個時刻只有一個缸內的活塞被燃料燃燒膨脹推動做功，并帶動其他三個活塞完成一次循環。這種四缸四沖程自由活塞式發電機能夠保證在任一時刻均有一個氣缸燃燒做功，保證了系統的穩定運行。但是上述四缸四沖程自由活塞式發電機依然存在一定的問題，如圖2所示，例如所述四個活塞是保持相對固定的，當某個氣缸內的活塞受膨脹推動時，其他三個活塞也相應地同向運動，以此類推，四個活塞的運動方向總是一致的。隨著該四個活塞的往復運動， 會造成整個發電機的機體的振動。另外，這種結構會產生較大的側傾力矩，使各個活塞均承受一定的側壓力，進而產生一定的摩擦損失，一定程度上削弱了自由活塞摩擦損失小的優勢。
發明內容
本發明的目的在于提供一種內燃直線往復式發電機，其設計結構能減小工作過程中造成的發電機的機體振動、減小活塞的摩擦力。為了達到上述目的，本發明提供了一種內燃直線往復式發電機，該發電機至少包括第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸；所述第一氣缸內的第一活塞通過第一連桿與所述第二氣缸內的第二活塞固定連接，所述第三氣缸內的第三活塞通過第二連桿與所述第四氣缸內的第四活塞固定連接；所述第一連桿和第二連桿通過聯動結構連接，當第一活塞和/或第二活塞帶動所述第一連桿直線移動時，所述聯動結構使所述第二連桿帶動所述第三活塞和第四活塞反向直線移動；當第三活塞和/或第四活塞帶動所述第二連桿直線移動時，所述聯動結構使所述第一連桿帶動所述第一活塞和第二活塞反向直線移動；所述第一連桿和所述第二連桿表面或內部設置有磁性部件，周圍設置感應線圈， 當所述第一連桿或所述第二連桿帶動所述磁性部件直線運動時，所述感應線圈中產生感應電動勢。
本發明還提供了上述的內燃直線往復式發電機的操作方法，其中該內燃發電機包括四個四沖程氣缸，當發電機的第一氣缸處于做功行程時，第二氣缸處于壓縮或排氣行程、 第三氣缸處于排氣或壓縮行程，以及第四氣缸處于進氣行程。本發明還提供了上述的內燃直線往復式發電機的操作方法，其中該內燃發電機包括四個二沖程氣缸，當第一氣缸處于燃燒做功行程時，第二氣缸處于壓縮行程、第三氣缸處于壓縮行程，以及第四氣缸處于燃燒做功行程。本發明提供的內燃直線往復式發電機具有兩對氣缸，每一對所述氣缸水平對置， 并分別用第一連桿和第二連桿連接所述兩對氣缸內的兩對活塞，使用聯動結構連接所述第一連桿和第二連桿，使得第一連桿與第二連桿在同一時刻的運動方向相反，這樣能減小該發電機工作時造成的機體振動和活塞付摩擦損失，有利于發電機的穩定、高效工作。
通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯圖1是現有技術中一種兩缸自由活塞式發電機的結構示意圖；圖2是現有技術中一種四缸四沖程自由活塞式發電機的結構示意圖；圖3至圖5是根據本發明的內燃直線往復式發電機的一個具體實施方式
在各個工況的結構示意圖；圖6至圖8是根據本發明的內燃直線往復式發電機的另一個具體實施方式
在各個工況的結構示意圖；附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施例作詳細描述。下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。需要指出的是，附圖示出的結構中的各個部件并未嚴格按照真實比例繪制，在實施過程中可以根據設計需求自定義所述各個部件的尺寸。本發明提供了一種內燃直線往復式發電機，該發電機至少包括第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸，優選地，其中所述第一氣缸和第二氣缸水平對置，所述第三氣缸和第四氣缸水平對置；所述第一氣缸內的第一活塞通過第一連桿與所述第二氣缸內的第二活塞連接， 所述第一連桿、第一活塞和第二活塞保持相對固定，所述第三氣缸內的第三活塞通過第二連桿與所述第四氣缸內的第四活塞連接，所述第二連桿、第三活塞和第四活塞保持相對固定；所述第一連桿和第二連桿通過聯動結構連接，當第一活塞或第二活塞帶動所述第一連桿直線移動時，所述聯動結構使所述第二連桿帶動所述第三活塞和第四活塞反向直線移動，當第三活塞或第四活塞帶動所述第二連桿直線移動時，所述聯動結構使所述第一連桿帶動所述第一活塞和第二活塞反向直線移動；所述第一連桿和所述第二連桿表面或內部設置磁性部件，并在該第一連桿和第二連桿周圍設置感應線圈，當所述第一連桿或所述第二連桿帶動所述磁性部件直線運動時， 所述感應線圈中產生感應電動勢。具體地，所述聯動結構是樞軸轉動的傳動桿結構，這類結構可以較好地實現聯動傳力。所述磁性部件包括永磁體，或軟鐵芯和勵磁繞組。在本發明的一個實施例中，所述第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸均為四沖程氣缸，在同一時刻，所述第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸四者中只有一個的內部處于燃燒膨脹做功狀態。在本發明的另一個實施例中，所述第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸均為兩沖程氣缸，在同一時刻，所述第一汽缸和所述第四氣缸同時處于內部燃燒膨脹做功狀態， 而第二和第三氣缸同時處于壓縮行程，或所述第二氣缸和所述第三汽缸同時處于內部膨脹做功狀態，而第一和第四氣缸同時處于壓縮行程。為了進一步說明本發明提供的內燃直線往復式發電機及其操作方法，下面給出兩個優選的具體實施方式
。
具體實施方式
一請參考圖3至圖5，圖3至圖5是根據本發明的內燃直線往復式發電機的一個具體實施方式
在各個工況的結構示意圖，首先參考圖3，該內燃直線往復式發電機具有四個氣缸，分別是第一氣缸10、第二氣缸20、第三氣缸30和第四氣缸40，相應地，第一活塞11、第二活塞21、第三活塞31和第四活塞41分別設置在上述四個氣缸中。第一活塞11和第二活塞21使用第一連桿100連接，并使第一活塞11、第二活塞21和第一連桿100保持相對固定。第三活塞31和第四活塞41使用第二連桿200連接，并使第三活塞31、第四活塞41和第二連桿200保持相對固定。在第一連桿100和第二連桿200的表面或內部設置磁性部件(該磁性部件通常是永磁體，或是使用勵磁繞組纏繞在軟鐵芯表面構成的磁性結構)；第一連桿100和第二連桿 200周圍設置感應線圈，當第一連桿100或第二連桿200帶動所述磁性部件直線往復運動時，該感應線圈切割所述磁性部件產生的磁場，所述感應線圈中產生感應電動勢(為了簡便起見，附圖中未示出所述磁性部件和感應線圈)。該感應線圈作為發電機的定子，從而通過該結構將內燃機燃料燃燒做功產生的能量轉變為發電機的電能進行輸出。第一連桿100和第二連桿200通過聯動結構連接，本具體實施方式
中，該聯動結構包括樞軸51、傳動桿52、第一連接件53和第二連接件M，其中傳動桿52是剛性直桿，該傳動桿52的幾何中心連接至樞軸51，使得傳動桿52以樞軸51為中心軸轉動；第一連接件53 和第二連接件M固定在傳動桿52的兩端。在第一連桿100上設置第一滑動槽101，該第一連接件53嵌入第一滑動槽101內，第一連接件53可以沿第一滑動槽101在與第一連桿 100直線運動的方向垂直的方向上直線運動；在第二連桿200上設置第二滑動槽201，該第二連接件M嵌入第二滑動槽內201內，第二連接件M可以沿第二滑動槽201在與第二連桿200直線運動的方向的垂直的方向上直線運動。假定該發電機已穩定運行若干循環，以圖3示出的工況為初始參考工況，圖4示出的工況中氣缸10內輸入燃料和氣體并點火，燃料燃燒膨脹推動第一活塞11向右運動(本文中描述運動方向的“左”、“右”、“上”和“下”這些方向使用的運動參考系指的是正視本發明附圖時的建立的平面運動參考系，僅為了描述本發明的技術方案，不應理解為對本發明具體實施方式
的限制)，第一活塞11的運動帶動第一連桿100和第二活塞21也向右運動， 受第一連桿100的運動影響，相對圖3中第一連接件53的位置，嵌于第一滑動槽101內的第一連接件53向右運動，由于該第一連接件53還與傳動桿52的一端保持相對固定，因此該第一連接件53還沿著第一滑動槽101向下運動。第一連接件53的實際運動軌跡應是以樞軸51作為圓心做旋轉運動(但因嵌于第一滑動槽101中，只表現為沿該槽上下滑動)， 并帶動傳動桿52以樞軸51為中心軸轉動。傳動桿52的轉動應帶動第二連接件M以樞軸 51為圓心做旋轉運動，但該第二連接件M嵌入第二滑動槽201內并受限，因此只能在該第二滑動槽201內向上做直線運動，因此該第二連接件M推動第二連桿200向左運動，即同時通過第二連桿200帶動第三活塞31和第四活塞41也向左運動。綜上所述，第一連桿100 通過上述聯動結構向第二連桿200傳遞力，在第一連桿100直線運動時實現第二連桿200 的反向直線運動。根據上述說明，由于該聯動結構是對稱的，本領域技術人員應當理解，可逆地，第二連桿200也可以通過上述聯動結構向第一連桿100傳遞力，在第二連桿200直線運動時實現第一連桿100的反向直線運動。圖4示出的具體實施方式
的一個實施例中，第一氣缸10、第二氣缸20、第三氣缸30 和第四氣缸40都是四沖程氣缸，在第一氣缸10內部點火，燃料燃燒膨脹做功以推動第一活塞11向右運動(第一氣缸10內是做功行程)，此時第二活塞21也向右運動，并壓縮第二氣缸20內的氣體和燃料(第二氣缸20內是壓縮行程)。第三活塞31向左運動，壓縮第三氣缸30的內部空間以排出其中的燃燒廢氣(第三氣缸30內是排氣行程)。第四活塞41同樣向左運動，第四氣缸40的內部空間增大，并向第四氣缸40的內部吸入新鮮空氣或油氣混合物(第四氣缸40內是進氣行程)。上述四個氣缸的狀態分別對應一個四沖程循環中的各個階段。在圖5示出的繼圖4之后的下一發電機工況中，在第二氣缸20內點火，使燃料燃燒膨脹推動第二活塞21向左運動(做功行程)，第一活塞11相應地向左運動排出第一氣缸 10內的燃燒廢氣(排氣行程)。相應地第一連桿100通過聯動結構帶動第二連桿200向右運動，即第三活塞31和第四活塞41向右運動，第三氣缸30的內部空間增大，并向第三氣缸 30內吸入新鮮空氣或油氣混合物(進氣行程)，第四活塞41則壓縮第四氣缸40的內的氣體和燃料(壓縮行程)。以此類推，該發電機四個氣缸內的行程各不相同，在同一時刻，只有一個氣缸內是做功行程。圖4示出的具體實施方式
的另一個實施例中提供另一種工作方式，第一氣缸10、 第二氣缸20、第三氣缸30和第四氣缸40都是二沖程氣缸，同時在第一氣缸10和第四氣缸 40內點火，第一連桿100和第二連桿200的運動方向相反。圖5示出的下一階段工況中，同時在第二氣缸20和第三汽缸30內點火，同樣第一連桿100和第二連桿200的運動方向相反。即使某一氣缸出現燃燒不足的情況，由于聯動結構的存在，也可以將這種燃燒不足的影響降低，有利于所述內燃直線往復式發電機平穩輸出動力。根據上述工作方式和結構結合二沖程內燃機的公知常識，本領域技術人員可以理解本實施例中每一氣缸的具體行程，在此不再贅述。
具體實施方式
二 請參考圖6至圖8，圖6至圖8是根據本發明的內燃直線往復式發電機的另一個具體實施方式
在各個工況的結構示意圖。與具體實施方式
一相比，本具體實施方式
具有不同的聯動結構，參考圖6，本具體是實施方式中的聯動結構包括樞軸51和可變長度傳動桿52， 其中可變長度傳動桿52是長度可變的剛性直桿(例如設計為剛性套管的形式)，該可變長度傳動桿52的幾何中心連接至樞軸51，使得該可變長度傳動桿52以樞軸51為中心軸轉動；可變長度傳動桿52的兩端可轉動地連接至第一連桿100和第二連桿200。參考圖7，相比圖6示出的結構，第一連桿100向右運動，帶動可變長度傳動桿52 以樞軸51為中心順時針轉動，因此第二連桿200被該可變長度傳動桿52向左推動(同時帶動與第二連桿200相對固定的第三活塞31和第四活塞41向左運動)達到如圖7所示的結構。參考圖8，相比圖7示出的結構，第二連桿200向左運動，帶動可變長度傳動桿51以樞軸51為中心逆時針轉動，因此第一連桿100被該可變長度傳動桿52向右推動(同時帶動與第一連桿100相對固定的第一活塞11和第二活塞21向右運動)達到如圖8所示的結構。在第一連桿100或第二連桿200左右往復式直線運動的過程中，可變長度傳動桿51以所述樞軸為中心軸轉動時，所述可變長度傳動桿的長度變長或變短，保持其兩端在所述第一連桿或第二連桿上的連接位置不變。亦即，可變長度傳動桿52 —邊以樞軸51為中心轉動，一邊改變其自身長度以實現第一連桿100和第二連桿200的反向運動。典型地，在本具體實施方式
中也存在不同的實施例，例如第一氣缸10、第二氣缸 20、第三氣缸30和第四氣缸40都是四沖程氣缸，也可以都是二沖程氣缸，其說明可以參考具體實施方式
一中相關部分的描述。本發明提供的內燃直線往復式發電機具有兩對氣缸，每一對所述氣缸水平對置， 并分別用第一連桿和第二連桿連接所述兩對氣缸內的兩對活塞，使用聯動結構連接所述第一連桿和第二連桿，使得第一連桿與第二連桿在同一時刻的運動方向相反，這樣能減小該發電機工作時造成的機體振動，有利于發電機的穩定工作。更重要地，這種結構不會產生側傾力矩，因此不會給自由活塞帶來側壓力，避免了由此產生的摩擦損失。此外，該發電機的四個活塞具有聯動結構形成的機械連接關系，當某一氣缸內出現燃燒問題時，該聯動結構能降低不利影響。以上所揭露的僅為本發明的一些較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。
權利要求
1.一種內燃直線往復式發電機，其特征在于，該發電機至少包括第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸； 所述第一氣缸內的第一活塞通過第一連桿與所述第二氣缸內的第二活塞固定連接，所述第三氣缸內的第三活塞通過第二連桿與所述第四氣缸內的第四活塞固定連接；所述第一連桿和第二連桿通過聯動結構連接，當第一活塞或第二活塞帶動所述第一連桿直線移動時，所述聯動結構使所述第二連桿帶動所述第三活塞和第四活塞反向直線移動；當第三活塞或第四活塞帶動所述第二連桿直線移動時，所述聯動結構使所述第一連桿帶動所述第一活塞和第二活塞反向直線移動；所述第一連桿和所述第二連桿表面和/或內部設置有磁性部件，周圍設置感應線圈， 當所述第一連桿和/或所述第二連桿帶動所述磁性部件直線運動時，所述感應線圈中產生感應電動勢。
2.根據權利要求1所述的發電機，其特征在于 所述聯動結構是樞軸轉動的傳動桿結構。
3.根據權利要求2所述的發電機，其特征在于，所述聯動結構包括樞軸、傳動桿，其中 所述傳動桿是剛性直桿，該傳動桿的幾何中心連接至所述樞軸，使得該傳動桿以所述樞軸為中心軸轉動；所述傳動桿的兩端分別嵌入所述第一連桿上的第一滑動槽和所述第二連桿上的第二滑動槽內；當所述傳動桿以所述樞軸為中心軸轉動時，所述傳動桿的兩端分別沿所述第一滑動槽和所述第二滑動槽在與所述第一連桿或所述第二連桿直線運動的方向垂直的方向上直線運動。
4.根據權利要求2所述的發電機，其特征在于，所述聯動結構包括樞軸和可變長度傳動桿，其中所述可變長度傳動桿是長度可變的剛性直桿，該可變長度傳動桿的幾何中心連接至所述樞軸，使得該可變長度傳動桿以所述樞軸為中心軸轉動；所述可變長度傳動桿的兩端可轉動地連接至所述第一連桿和第二連桿； 當所述可變長度傳動桿以所述樞軸為中心軸轉動時，所述可變長度傳動桿的長度變長或變短，保持其兩端在所述第一連桿或第二連桿上的連接位置不變。
5.根據權利要求1所述的發電機，其特征在于，所述磁性部件包括 永磁體；或軟鐵芯和勵磁繞組，所述勵磁繞組纏繞在所述軟鐵芯表面。
6.根據權利要求1所述的發電機，其特征在于在同一時刻，所述第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸四者中至少有一個內部處于燃燒膨脹做功狀態。
7.一種根據權利要求1所述的內燃直線往復式發電機的操作方法，其特征在于，所述內燃發電機按四沖程原理運行，如果第一氣缸處于做功行程，則第二氣缸處于壓縮或排氣行程、第三氣缸處于排氣或壓縮行程，以及第四氣缸處于進氣行程。
8.一種根據權利要求1所述的內燃直線往復式發電機的操作方法，其特征在于，所述內燃發電機按二沖程原理運行，如果第一氣缸處于燃燒做功行程，則第二氣缸處于壓縮行程、第三氣缸處于壓縮行程，以及第四氣缸處于燃燒做功行程。
全文摘要
本發明提供了一種內燃直線往復式發電機，該發電機具有兩對氣缸，并分別用第一連桿和第二連桿連接所述兩對氣缸內的兩對活塞。使用聯動結構連接所述第一連桿和第二連桿，使得第一連桿與第二連桿在同一時刻的運動方向相反，這樣能減小該發電機工作時造成的機體振動，以及避免氣缸活塞摩擦，有利于發電機的高效穩定工作。此外，該發電機的四個活塞具有聯動結構形成的機械連接關系。當內燃機按四沖程原理運行時，該聯動結構能保證四個氣缸按照固定的發火順序穩定工作。
文檔編號H02K1/06GK102434276SQ201110232209
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月12日 優先權日2011年8月12日
發明者劉福水, 孫作宇, 郭良平 申請人:北京理工大學