专利名称：自由活塞式内燃机发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种内燃机发电系统，具体是一种自由活塞式内燃机发电系统，属于内燃机技术领域。
背景技术：
自由活塞式内燃机是指发动机取消了通常内燃机的曲柄连杆机构，活塞运动规律由分置于两端的燃烧室内的燃烧规律控制，并随着发动机的工况而变化。由于不受机械杆件的约束，其动力活塞是自由的，即压缩比可变。与传统的曲轴式发动机相比，省去了曲轴式内燃机中将活塞的往复运动转换为旋转运动的曲柄连杆机构，具有结构简单、零件数目少、重量轻、成本低、效率高、燃料范围广等优点。并且在受力和运动方面，活塞与缸体间无侧向力作用，摩擦力小，从而延长了发动机的寿命，另一方面只有作往复直线运动的活塞组件，发动机的起停相对容易，此外由于压缩比可变，易于使用其它代用燃料，启动性能好。
近年来，随着内燃机技术的日益成熟，应用日趋广泛，人们开始对传统内燃机进行探索性改进研究。国外关于自由活塞内燃机发电系统也早开始了基础性的探索研究。
经对现有技术的文献检索发现，S.Scott Goldsborough等在《SAETechnical Paper series》(汽车工程师学会科技文章索引)1999年文章编号为1999-01-0619上发表的“A Numerical Study of a Free Piston IC EngineOperating on Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion”(“均质混合压燃式自由活塞内燃机的数学模拟”)，该文章介绍了美国圣第安实验室的一个原型机器，自由活塞式发电机。介绍了一个对置活塞式内燃机，连杆上布有永磁铁，随着连杆的左右移动在线圈内产生感应电流。其不足在于，为了获得不同的压缩比，需要有专门得进、排气门设计，通过控制进气来完成整个过程的燃烧。这种方式装置复杂，为了实现HCCI燃烧方式，混合燃料需事先配制，在两冲程的扫气过程中部分混合气会随着燃烧产物一起排出，对燃油经济性影响较大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种新型自由活塞式内燃机发电系统。本发明将内燃机的应用范围拓广，燃料化学能转换成电能输出；工作效率高，工况单一；采用增压技术，增加进气密度，改善了内燃机的经济性，该系统利用先进的电控喷射技术以及二冲程发动机本身方便的内部EGR特性，来达到控制耦合系统的燃烧，提高热效率和降低有害排放的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明是由一个两缸的二冲程发动机和永磁直线发电机构成。具体部件包括左右两个活塞、连杆、气缸、左右对置的两个燃烧室、燃油喷嘴、进气口、排气口、置于连杆上的永磁铁、气缸外的线圈、铁芯、活塞位置传感器、电子控制单元、两个外接高压启动泵。
以上部件之间的连接关系为左右两个活塞通过中间的连杆组成一个对置结构，连杆上布置有永磁铁，随着对置结构一起在气缸内做左右的往复运动。气缸共有左右两个燃烧室，分别布置喷油嘴，由电子控制单元控制在适当的时刻喷油进行燃烧。与传统的内燃机一样，左右两个燃烧室内还分别有各自的进气口和排气口，分置于燃烧室的上下两侧，在每个进气口还设置了高压启动泵，以便在开机是提供高压的气体，推动活塞运动。电子控制单元与喷油嘴、布置于连杆上的位置传感器之间有电气连接，它接受位置传感器发送的连杆位置信号，在适当的时候对喷油嘴进行喷油控制。两气缸之间布置线圈，用于产生感应电流。活塞、连杆、汽缸、喷油嘴、进气口、排气口组成自由活塞式内燃机的动力部分；铁芯、线圈、永磁铁构成自由活塞式内燃机的电气部分。
为了提高本发明的效率，在气缸的排气管处外接涡轮增压器，利用排气的残余热量推动涡轮增压器，增加进气的压力。由于没有了传统内燃机的飞轮作为蓄能装备，启动时利用外接的高压泵，通过高压启动泵提供的高压气体推动对应活塞向另一侧运动，完成第一个循环地压缩过程。
为了确定活塞运动的位置，在连杆上布置一个活塞位置传感器，在运动开始以后将活塞的位置实时的传给外部的电子控制单元，再由电子控制单元向喷油嘴发出喷油信号，喷出燃油，在燃烧室燃烧。新鲜空气由进气口进入气缸，当活塞向左运动时，压缩左端燃烧室内新鲜空气(同时右端气缸完成膨胀冲程以及排气和进气过程)，并在左端气缸上止点附近左边喷油嘴喷出燃油，着火燃烧，推动活塞向右运动，压缩右端燃烧室内新鲜空气(同时左端气缸完成膨胀冲程以及排气和进气过程)，并在右端气缸上止点附近右边喷油嘴接受电子控制单元喷油信号喷出燃油，着火燃烧。两个对置的燃烧室内轮流着火燃烧推动装有永磁体的连杆在铁芯内来回运动，从而在线圈中产生电流。两个对置封闭的燃烧室同时还具有空气弹簧的作用。
本发明与现有技术相比，燃油的供给采用电控缸内直喷的方式，从而可以避免扫气过程中可燃混合气的损失；取消了气缸盖上的排气阀，以取消排气控制机构，缸内的扫气效率通过扫气压力的变化来控制；该系统利用先进的电控喷射技术以及二冲程发动机本身方便的内部EGR特性，来达到控制耦合系统的燃烧，提高热效率和降低有害排放的目的。
图1是本发明系统的结构示意图。
图中，1为第一活塞、2为第二活塞、3为连杆、4为第一燃烧室、5为第二燃烧室、6为第一燃油喷嘴、7为第二燃油喷嘴、8为第一进气口、9为第二进气口、10为第一排气口、11为第二排气口、12为永磁铁12、13为线圈、14为铁芯、15为活塞位置传感器、16为电子控制单元、17为第一高压启动泵、18为第二高压启动泵、19为第一涡轮增压器、20为第二涡轮增压器、21为气缸。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
如图1所示，本发明包括第一活塞1、第二活塞2、连杆3、第一燃烧室4、第二燃烧室5、第一燃油喷嘴6、第二燃油喷嘴7、第一进气口8、第二进气口9、第一排气口10、第二排气口11、永磁铁12、线圈13、铁芯14、活塞位置传感器15、电子控制单元16、第一高压启动泵17、第二高压启动泵18、第一涡轮增压器19、第二涡轮增压器20、气缸21。
第一活塞1、第二活塞2通过中间的连杆3组成一个对置的整体，连杆3上布置有永磁铁12，随着对置结构一起在气缸21内做左右的往复运动。气缸21内设有第一燃烧室4、第二燃烧室5，第一燃烧室4、第二燃烧室5分别内置第一喷油嘴6、第二喷油嘴7，在适当的时刻喷油进行燃烧。气缸21外侧紧密的缠绕着线圈13，用于产生感应电流，由线圈13、气缸21组成的整体置于铁芯14中。
第一活塞1、第二活塞2、连杆3、汽缸21、第一喷油嘴6、第二喷油嘴7、第一进气口8、第二进气口9、第一排气口10、第二排气口11组成自由活塞式内燃机的动力部分；铁芯14、线圈13、永磁铁12构成自由活塞式内燃机的电气部分；活塞位置传感器15，电子控制单元16构成了自由活塞式内燃机的电控部分。为了提高机器的效率，采用废气利用涡轮增压原理，也即在气缸21的第一排气口10、第二排气口11处相应的外接第一涡轮增压器19、第二涡轮增压器20，利用排气的残余热量推动增压涡轮器，增加进气的压力。由于缺少传统内燃机的蓄能机构飞轮，启动利用了外接的两个高压启动泵18、19，通过两个高压启动泵18、19提供的高压气体启动推动相应的活塞向另一侧运动，压缩另一侧燃烧室中的气体。为了更方便的观测活塞的运动，在连杆3上布置了一个位置传感器15，在运动开始以后将活塞的位置实时的传给外部的电子控制单元16，在合适的时候由电子控制单元16向喷油嘴发出喷油信号，喷出燃油，在燃烧室燃烧。
假设活塞初始时位于图示位置，也即第一活塞靠近左边上止点，第二高压启动泵18接收到控制信号，高压气体通过18进入第二燃烧室5，推动第二活塞2向左运动，压缩左侧气体，当电子控制单元检测到第一活塞1达第一燃烧室上止点附近时，向第一喷油嘴6发出喷油指示，第一燃烧室4内喷油燃烧，气体膨胀，推动第一活塞迅速向右侧移动。对左侧气体而言，第一活塞向右运动，到达第一排气口10后，大量的废气经过第一排气口10进入第一涡轮增压器19，利用残余的能量推动第一涡轮增压器19，产生新的高压进气，对第一燃烧室4进行迅速的扫气过程。对右侧气体而言，在第二活塞2向右压缩的过程中，首先进行着高压气流的扫气过程，当第二活塞2经过第二进气口9、第二排气口11后，扫气过程结束，紧接着进入压缩冲程。同样，当电子控制单元16检测到活塞位置传感器15的信号，第二活塞2到达第二燃烧室5上止点附近时，控制第二喷油嘴7喷油，第二燃烧室5内喷油燃烧，推动第二活塞2向左运动，开始另一个循环。因为两个对置的燃烧室内轮流着火燃烧，两活塞之间的连杆3做往复直线运动，布置于连杆3上的永磁铁12也随之左右往复运动，在线圈中产生交流电。
权利要求
1.一种自由活塞式内燃机发电系统，包括第一活塞(1)、第二活塞(2)、连杆(3)、第一燃烧室(4)、第二燃烧室(5)、第一燃油喷嘴(6)、第二燃油喷嘴(7)、第一进气口(8)、第二进气口(9)、第一排气口(10)、第二排气口(11)、永磁铁(12)、线圈(13)、铁芯(14)、活塞位置传感器(15)、电子控制单元(16)、第一高压启动泵(17)、第二高压启动泵(18)、第一涡轮增压器(19)、第二涡轮增压器(20)、气缸(21)，其特征在于第一活塞(1)、第二活塞(2)通过中间的连杆(3)组成一个对置的整体，连杆(3)上布置有永磁铁(12)，气缸(16)内设有第一燃烧室(4)、第二燃烧室(5)，第一燃烧室(4)、第二燃烧室(5)分别内置第一喷油嘴(6)、第二喷油嘴(7)，气缸(21)外侧紧密的缠绕着线圈(13)，由线圈(13)、气缸(21)组成的整体置于铁芯(14)中，第一燃烧室(4)和第二燃烧室(5)内还分别布置有各自独立的第一进气口(8)、第二进气口(9)和第一排气口(10)、第二排气口(11)，在第一进气口(8)、第二进气口(9)分别设有第一高压启动泵(17)、第二高压启动泵(18)，电子控制单元(16)与第一燃油喷嘴(6)、第二燃油喷嘴(7)、活塞位置传感器(15)之间通过电气连接。
2.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃机发电系统，，其特征是气缸(21)的第一排气口(10)、第二排气口(11)处连接第一增压涡轮器(19)、第二增压涡轮器(20)。
3.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃机发电系统，，其特征是第一进气口(8)、第二进气口(9)、第一排气口(10)、第二排气口(11)分置于第一燃烧室(4)、第二燃烧室(5)的上下两侧。
4.根据权利要求1所述的自由活塞式内燃机发电系统，，其特征是活塞位置传感器(15)布置在连杆(3)上，活塞位置传感器(15)将活塞的位置实时的传给外部的电子控制单元(16)，由电子控制单元(16)向喷油嘴发出喷油信号。
全文摘要
一种自由活塞式内燃机发电系统，属于内燃机技术领域。本发明包括左右两个活塞、连杆、气缸、左右对置的两个燃烧室、燃油喷嘴、进气口、排气口、置于连杆上的永磁铁、气缸外的线圈、铁芯、活塞位置传感器、电子控制单元、两个外接高压启动泵以及涡轮增压器。高压启动泵通过通道与进气管相连，在机器初始运行时提供动力，并参与扫气过程；增压涡轮与排气管相连，由燃烧废气推动，对进气做工，提高进气温度和压力；发电系统布置于两燃烧室之间，由两端燃烧室交替燃烧推动装有永磁铁的连杆在线圈内往复运动，产生电流。本发明既具备自由活塞式内燃机的特点，又稳定运行在单一的工况，使得内燃机的设计较为简单，效率也较高。
文档编号F02B63/04GK1888402SQ20061002912
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者肖进, 黄震, 李庆峰 申请人:上海交通大学