专利名称：一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，属于热能与动力工程技 术领域。
背景技术：
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。目前研究的内燃直线发电装置原动力——内燃机部分普遍 采用二冲程式内燃机，进排气采用类似二冲程的扫气口扫气方式，扫气效果差，同时伴随着 恶劣的燃烧情况。而且，由于进气门和进气道的布置使得发电机不能布置在汽缸周围，无形 中增大了整个装置的轴向长度，另外进、排气门均布置在汽缸盖上还会促使汽缸盖热负荷 加大，进气和排气相互干涉，出现进排气不畅等缺点。近年来，人们一直在致力于寻求一种良好进排气过程的自由活塞式内燃发电机， 以期解决上面提到的各种问题，为此做了大量的研究工作。美国西弗吉尼亚大学的克里 斯托弗发明了 一种进排气口在汽缸两侧的内燃直线发电机，可以利用进气的惯性来促进排 气，但其燃烧室密封难以解决，低速运转动力性差，整机可靠性差。南京理工大学发明一种 四冲程式内燃直线发电机，采用四冲程循环，将扫气过程作为单独冲程存在，虽然部分地提 高了扫气效果，但四冲程相比较二冲程而言，相对单位周期做功次数降低为一半，单位周期 功率也随之降低，人为地降低了自由活塞发电机功率密度。除此之外，还有一些类似的发 明，例如进排气口分布于汽缸的同侧，会出现进排气相互耦合、换气不畅的问题，且工艺难 度高，特别是燃烧室空间过小的时候，热负荷会很高，造成整机可靠性差，热效率低，难以产 品实用化。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，解决当前内燃直线电动机的耗油量 大、排放差、进排气不匹配和工艺难的问题，提出一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置。本发明是通过以下技术方案实现的。本发明的一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，由汽缸、活塞、进气门、被 动式进气阀门、万向联轴杆、保护弹簧、单向进气阀门、线圈绕组初级、永磁体式次级及支 架、高压共轨喷油器和排气门电子控制系统组成，其外围设备为尾气涡轮增压器和固定用 基座，其连接关系为排气门安装于汽缸顶部正中的排气道；高压共轨喷油器安装于排气门侧面；活塞 安装在汽缸内部，二者的圆周接触端面装有活塞环；活塞内部设计有两个进气道，每个进气 道均安装有进气门和被动式进气阀门，每个被动式进气阀门上装有回复弹簧，进气门和被 动式进气阀门之间为刚性连接，被动式进气阀门控制进气门的开启或关闭，被动式进气阀 门的动作是通过燃烧室和压气箱的压力以及回复弹簧的弹力来控制的，当压气箱的压力减去燃烧室的压力能够回复弹簧的弹力时，被动式进气阀门动作带动进气门处于开启状态， 否则进气门处于关闭状态；活塞通过万向联轴杆与线圈绕组初级刚性连接，其中万向连轴 杆穿过汽缸底部的通孔，且万向连轴杆在汽缸内部分的外部围绕有保护弹簧，弹簧的弹力 可以控制活塞时之不能直接撞击汽缸；压气箱侧面带有进气口，进气口内安装单向进气阀， 并与外部尾气涡轮增压器的输出相连接；线圈绕组初级外部有永磁体次级及支架，永磁体 次级固定于支架上，支架与汽缸都固定外部的基座上；上述燃烧室所指为汽缸顶部至活塞上部的空间，压气箱所指为汽缸底部至活塞下 部的空间。本发明的一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，其工作过程包括冷机启动 过程和运行过程；在冷机启动过程中，线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作；在工 作过程中，当活塞向上止点运动过程中线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作，当活 塞向下止点运动过程中线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作；其工作过程分别为1)冷机启动过程。本装置的启动过程类似于柴油机，启动过程中需要借助于外力， 此时线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作，启动时线圈绕组初级在电动机的外力作 用下作直线运动，带动活塞向下运动压缩压气箱和保护弹簧；压气箱内的气压升高，当压气 箱内的气压高于燃烧室内的气压达到被动式进气阀门的开启压力后，被动式进气阀门就会 带动进气门一起打开，压气箱向燃烧室内喷射出空气；当活塞运动到下止点时，线圈绕组 初级和永磁体次级的工作方式为电动机方式，电动机推动活塞向上止点运动，并压缩燃烧 室内的空气，当压气箱与汽缸内压力差不足以克服被动式进气阀门上的回复弹簧的弹簧力 时，回复弹簧带动被动式进气阀门动作，进气门闭合；当压气箱内部气压低于汽缸外部气压 的数值超过单向进气阀的开启压力时，单向进气阀自动开启，向压气箱内输送空气，完成进 气过程；当活塞运动到上止点时，安装在汽缸盖上的喷油器向燃烧室内喷射高压燃油并被 压缩燃烧，冷机启动过程完成；幻运行过程。活塞在上止点时，高压燃油燃烧产生的燃气爆发压力推动活塞向下 止点运动，进行做功，压缩压气箱里的空气和保护弹簧，与活塞相连的线圈绕组初级与固定 的永磁体次级发生相对运动，线圈绕组初级切割永磁体次级所产生磁场的磁力线，进而产 生电能输出给外部负载，此时由排气门电子控制系统控制排气门打开，废气陆续排出至外 部尾气涡轮增压器的输入口，燃烧室内气压逐渐降低；活塞向下止点运行过程中，压气箱气 压升高，当压气箱内的气压高于燃烧室内的气压达到被动式进气阀门的开启压力后，被动 式进气阀门就会带动进气门一起打开，压气箱向燃烧室内喷射出空气；当活塞运动到下止 点时，线圈绕组初级和永磁体次级的工作方式为电动机方式，电动机推动活塞向上止点运 动，并压缩燃烧室内的空气，当压气箱与汽缸内压力差不足以克服被动式进气阀门上的回 复弹簧的弹簧力时，被动式进气阀门关闭，闭合进气门；当活塞运动到上止点时，安装在汽 缸盖上的喷油器向燃烧室内喷射高压燃油并被压缩燃烧，完成一个工作循环；本装置运行 过程中按照此工作循环继续工作。有益效果本发明的一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，可适用于车辆、船舶和工 程机械等领域，其优势在于进气门和排气门的布置形式使内燃直线发电装置气体循环方 式为单向气体交换，这样布置进气更充分，排气更完全，并且采用被动进气的设计，使新鲜空气由活塞背面的轴向方向进入，不需要任何外部导管，这就给汽缸外部提供了很大空间， 增加了整个装置的单位体积功率；采用先进的热力循环，燃烧工况好，排气干净，使得具有 良好的环保性能；同时，内燃机部分的压缩比高，有较高的热效率；作为关键部件的被动进 气活塞组件结构简单，制造加工方便，造价低，便于实现标准化和产品化。
图1是本发明实施例的剖视图；其中，1-汽缸；2-活塞；3-进气门；4-被动式进气阀门；5-被动式进气阀门的回复 弹簧；6-万向联轴杆；7-保护弹簧；8-单向进气阀门；9-压气箱；10-线圈绕组初级；11-永 磁体式次级及支架；12-高压共轨喷油器；13-排气门。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，如图1所示，由汽缸1、活塞2、进气 门3、被动式进气阀门4、万向联轴杆6、保护弹簧7、单向进气阀门8、线圈绕组初级10、永磁 体式次级及支架11、高压共轨喷油器12和排气门电子控制系统组成，其中，被动式进气阀 门4包括被动式进气阀门的回复弹簧5其外围设备为尾气涡轮增压器和固定用基座，其连 接关系为排气门安装于汽缸顶部正中的排气道；高压共轨喷油器安装于排气门侧面；活塞 安装在汽缸内部，二者的圆周接触端面装有活塞环；活塞内部设计有两个进气道，每个进气 道均安装有进气门和被动式进气阀门，每个被动式进气阀门上装有回复弹簧，进气门和被 动式进气阀门之间为刚性连接，被动式进气阀门控制进气门的开启或关闭，被动式进气阀 门的动作是通过燃烧室和压气箱的压力以及回复弹簧的弹力来控制的，当压气箱的压力减 去燃烧室的压力能够回复弹簧的弹力时，被动式进气阀门动作带动进气门处于开启状态， 否则进气门处于关闭状态；活塞通过万向联轴杆与线圈绕组初级刚性连接，其中万向连轴 杆穿过汽缸底部的通孔，且万向连轴杆在汽缸内部分的外部围绕有保护弹簧，弹簧的弹力 可以控制活塞时之不能直接撞击汽缸；压气箱侧面带有进气口，进气口内安装单向进气阀， 并与外部尾气涡轮增压器的输出相连接；线圈绕组初级外部有永磁体次级及支架，永磁体 次级固定于支架上，支架与汽缸都固定外部的基座上；上述燃烧室所指为汽缸顶部至活塞上部的空间，压气箱所指为汽缸底部至活塞下 部的空间。
本发明的一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，其工作过程包括冷机启动 过程和运行过程；在冷机启动过程中，线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作；在工 作过程中，当活塞向上止点运动过程中线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作，当活 塞向下止点运动过程中线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作；其工作过程分别为
1)冷机启动过程。本装置的启动过程类似于柴油机，启动过程中需要借助于外力， 此时线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作，启动时线圈绕组初级在电动机的外力作 用下作直线运动，带动活塞向下运动压缩压气箱和保护弹簧；压气箱内的气压升高，当压气箱内的气压高于燃烧室内的气压达到被动式进气阀门的开启压力后，被动式进气阀门就会 带动进气门一起打开，压气箱向燃烧室内喷射出空气；当活塞运动到下止点时，线圈绕组 初级和永磁体次级的工作方式为电动机方式，电动机推动活塞向上止点运动，并压缩燃烧 室内的空气，当压气箱与汽缸内压力差不足以克服被动式进气阀门上的回复弹簧的弹簧力 时，被动式进气阀门关闭，闭合进气门；当压气箱内部气压低于汽缸外部气压的数值超过单 向进气阀的开启压力时，单向进气阀自动开启，向压气箱内输送空气，完成进气过程；当活 塞运动到上止点时，安装在汽缸盖上的喷油器向燃烧室内喷射高压燃油并被压缩燃烧，冷 机启动过程完成；幻运行过程。活塞在上止点时，高压燃油燃烧产生的燃气爆发压力推动活塞向下 止点运动，进行做功，压缩压气箱里的空气和保护弹簧，与活塞相连的线圈绕组初级与固定 的永磁体次级发生相对运动，线圈绕组初级切割永磁体次级所产生磁场的磁力线，进而产 生电能输出给外部负载，此时由排气门电子控制系统控制排气门打开，废气陆续排出至外 部尾气涡轮增压器的输入口，燃烧室内气压逐渐降低；活塞向下止点运行过程中，压气箱气 压升高，当压气箱内的气压高于燃烧室内的气压达到被动式进气阀门的开启压力后，被动 式进气阀门就会带动进气门一起打开，压气箱向燃烧室内喷射出空气；当活塞运动到下止 点时，线圈绕组初级和永磁体次级的工作方式为电动机方式，电动机推动活塞向上止点运 动，并压缩燃烧室内的空气，当压气箱与汽缸内压力差不足以克服被动式进气阀门上的回 复弹簧的弹簧力时，回复弹簧带动被动式进气阀门动作，进气门闭合；当活塞运动到上止点 时，安装在汽缸盖上的喷油器向燃烧室内喷射高压燃油并被压缩燃烧，完成一个工作循环； 本装置运行过程中按照此工作循环继续工作。本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用发明的精神和范围的情况下，还可 以做出各种变化和变型，因此所有等效的技术方案也属于本发明的范畴，其专利保护范围 是由本申请权利要求书所限定的。
权利要求
1.一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，其外围设备为尾气涡轮增压器和固定 用基座，其特征在于由汽缸、活塞、进气门、被动式进气阀门、万向联轴杆、保护弹簧、单向进气阀门、线圈 绕组初级、永磁体式次级及支架、高压共轨喷油器和排气门电子控制系统组成，其连接关系 为排气门安装于汽缸盖上部正中的排气道；高压共轨喷油器安装于排气门侧面；活塞安 装在汽缸内部，二者的圆周接触端面装有活塞环；活塞内部设计有两个进气道，每个进气道 均安装有进气门和被动式进气阀门，每个被动式进气阀门上装有回复弹簧，进气门和被动 式进气阀门之间为刚性连接，被动式进气阀门的动作可以带动进气门实现开启或关闭；活 塞通过万向联轴杆与线圈绕组初级刚性连接，其中万向连轴杆穿过汽缸底部的通孔，且万 向连轴杆在汽缸内部分的外部围绕有保护弹簧；压气箱侧面带有进气口，进气口内安装单 向进气阀，并与外部尾气涡轮增压器的输出端相连接；线圈绕组初级外部有永磁体次级及 支架，永磁体次级固定于支架上，支架与汽缸都固定外部的基座上；上述燃烧室所指为汽缸顶部至活塞上部的空间，压气箱所指为汽缸底部至活塞下部的 空间。
2.根据权利要求1所述的一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，其特征在于 其工作过程包括冷机启动过程和运行过程。
3.根据权利要求2所述的一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，其特征在于 在冷机启动过程中，线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作；在工作过程中，当活塞向 上止点运动过程中线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作，当活塞向下止点运动过程 中线圈绕组初级和永磁体次级作为发电机工作。
4.根据权利要求2所述的一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，其特征在于所 述冷机启动过程为线圈绕组初级和永磁体次级作为电动机工作，启动时线圈绕组初级在 电动机的外力作用下作直线运动，带动活塞向下运动压缩压气箱和保护弹簧；当压气箱内 的气压高于燃烧室内的气压达到被动式进气阀门的开启压力后，被动式进气阀门带动进气 门一起打开，压气箱向燃烧室内喷射出空气；当活塞运动到下止点时，线圈绕组初级和永磁 体次级的工作方式为电动机方式，电动机推动活塞向上止点运动，并压缩燃烧室内的空气， 当压气箱与汽缸内压力差不足以克服被动式进气阀门上的回复弹簧的弹簧力时，被动式进 气阀门关闭，闭合进气门；当压气箱内部气压低于汽缸外部气压的数值超过单向进气阀的 开启压力时，单向进气阀自动开启，向压气箱内输送空气，完成进气过程；当活塞运动到上 止点时，安装在汽缸盖上的喷油器向燃烧室内喷射高压燃油并被压缩燃烧，冷机启动过程 完成。
5.根据权利要求2所述的一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，其特征在于 所述工作过程为按照工作循环进行工作，每个工作循环内容为活塞在上止点时，安装在汽 缸盖上的喷油器向燃烧室内喷射高压燃油，燃油被压缩燃烧，燃烧产生的燃气爆发压力推 动活塞向下止点运动，进行做功，压缩压气箱里的空气和保护弹簧，与活塞相连的线圈绕组 初级与固定的永磁体次级发生相对运动，线圈绕组初级切割永磁体次级所产生磁场的磁力 线，产生电能输出给外部负载，此时排气门电子控制系统控制排气门打开，废气陆续排出至 外部尾气涡轮增压器的输入口，燃烧室内气压逐渐降低；活塞向下止点运行过程中，压气箱气压升高，当压气箱内的气压高于燃烧室内的气压达到被动式进气阀门的开启压力后，被 动式进气阀门就会带动进气门一起打开，压气箱向燃烧室内喷射出空气；当活塞运动到下 止点时，线圈绕组初级和永磁体次级的工作方式为电动机方式，电动机推动活塞向上止点 运动，并压缩燃烧室内的空气，当压气箱与汽缸内压力差不足以克服被动式进气阀门上的 回复弹簧的弹簧力时，回复弹簧带动被动式进气阀门动作，进气门闭合；当活塞运动到上止 点时完成一个工作循环。
全文摘要
本发明涉及一种被动进气式内燃直线电磁能量转换装置，属于热能与动力工程技术领域。由汽缸、活塞、进气门、被动式进气阀门、万向联轴杆、保护弹簧、单向进气阀门、线圈绕组初级、永磁体式次级及支架、高压共轨喷油器和排气门电子控制系统组成，工作过程分为冷机启动过程和工作过程。本发明结构紧凑，控制方法简单，可靠性好，易于制造和组装，加工成本低；进气门和排气门的布置形式使内燃直线发电装置换气过程方式为单向气体交换，使进气更充分，排气更完全；采用被动进气的设计，使新鲜空气由活塞背面的轴向方向进入，不需要任何外部导管，这就给汽缸外部提供了很大空间，增加了整个装置的单位体积功率。
文档编号F02P11/00GK102052149SQ20111000458
公开日2011年5月11日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者冯慧华, 左正兴, 田小飞, 田春来, 袁晨恒 申请人:北京理工大学