一种单作用液压式内燃机直线发电装置

本发明涉及能源动力技术领域，具体为一种单作用液压式内燃机直线发电装置。

背景技术：

内燃机是一种结合各种机械构件将燃料的化学能转化为机械能的动力机械，内燃机相比于其他的热机具有热效率高、功率范围较广等优势，目前实验室热机效率目前已经达到了48％，额定功率范围也从零点几千瓦时到上万千瓦时，其广泛运用与汽车、船舶、起重机等各种机械；但由于内燃机结合的机械构件一般为曲轴，转盘，凸轮等，导致装置布局复杂、零件众多、震动较大、对于燃料要求较高、排放污染大等问题，且其受制于自身机械动力特性的影响导致转化效率低；近年来，人们对于如何提高发电效率及如何设计更高效的内燃机进行了大量的探索与实验，对于内燃机的主要研究方向是将其轻量化，要求结构简单化和减少排放，改善对于燃料质量的高依赖性等问题。

液压系统相比于传统的曲轴式机械构件，其具有效率更高、抗污染能力更强、体积流量小、能量密度大等特点，液压式内燃机直线发电装置相比于现普遍使用的曲轴内燃机发电装置相对比，具有结构简单、可变止点位置、无曲轴、无侧向力、对润滑要求低、零部件少、造价低、重量较小、能量损耗较低和适应工况范围广等优点，且液压式内燃机-直线发电机装置的主要运动均为直线运动，极大的减少了零件的数量并消除转动过程带来的摩擦损耗，降低了装置本身的能量损耗；现有实验证明，通过液压系统将内燃机传递出的机械能进行储能并传递给直线发电机，经几者耦合的效率最高可达到60％，远高于通过机械构件传递能量进行发电的效率，且目前的能源转换机械的研究主要是针对于高功率这一方向，导致现有的能源转换机械普遍结构笨重、机械损失大、效率低、能源利用不足、适用工况范围狭窄等，而忽略了高效率方向能源转换机械的发展，不利于对有限资源的合理使用。

技术实现要素：

本发明意在提供一种单作用液压式内燃机直线发电装置，以解决现有技术曲轴内燃机发电装置转换效率低和适用工况范围狭窄的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的基础技术方案是：一种单作用液压式内燃机直线发电装置，包括进气管、气体增压机构、排气管、内燃机、配重机构、直线发电机、液压柱塞缸、单向阀、电磁阀、蓄能器、手动泵、先导式溢流阀和油缸，所述内燃机包括内燃机气缸和自由活塞，所述进气管与所述气体增压机构和所述内燃机气缸同时管接，所述进气管在所述气体增压机构与所述内燃机气缸之间管接有进气阀，所述内燃机气缸连接有火花塞，所述内燃机气缸还管接有排气管，所述排气管管接有排气阀，所述自由活塞沿着所述内燃机气缸的轴向运动，所述自由活塞的自由端与所述配重机构的一端连接，所述配重机构的另一端与所述液压柱塞缸连接，所述直线发电机设有定子，所述定子沿着所述直线发电机的轨道滑移，所述液压柱塞缸与所述定子连接，所述直线发电机设于所述配重机构与所述液压柱塞缸之间，所述电磁阀的a端与所述单向阀的输出端连接，所述电磁阀的p端与所述单向阀的输入端连接，所述单向阀的输入端还与所述蓄能器和所述先导式溢流阀同时管接，所述先导式溢流阀的自由端与所述油缸管接，所述手动泵并联在所述先导式溢流阀的两端。

基础技术方案的原理：初始状态下，将进气阀和电磁阀打开，调节先导式溢流阀的压力为零，对整个系统泄压；冷机启动阶段：打开进气阀，气体从进气管经气体增压机构进入内燃机气缸，使得自由活塞向远离内燃机气缸的一侧运动，接着关闭进气阀和电磁阀，利用手动泵对液压回路进行加压，保证液压回路具有一定的初始压力，使得蓄能器的压力与系统初始压力相同，调节完成后打开电磁阀与排气阀，在系统初始液压力的作用下推动液压柱塞缸的柱塞向远离液压柱塞缸的一侧运动，液压柱塞缸的柱塞推动自由活塞向靠近内燃机气缸的一侧运动至上止点位置，同时将内燃机气缸内的残余气体排尽；进气阶段：进气阀打开，排气阀和电磁阀关闭，液压系统中的液压油只能经单向阀流向蓄能器或经先导式溢流阀溢流进入油箱，燃料混合气体从进气管经气体增压机构增压后进入内燃机气缸中，内燃机气缸内充盈适量的燃料混合气体后进气阀关闭，火花塞对内燃机气缸内的燃料气体进行点火，燃料气体在内燃机气缸中爆炸膨胀，高压气体推动自由活塞向远离内燃机气缸的一侧运动，自由活塞推动配重机构也向远离内燃机气缸的一侧运动，配重机构推动液压柱塞缸的柱塞向靠近液压柱塞缸缸底一侧运动，在此过程中，定子沿着直线发电机的轨道滑移，切割直线发电机产生的磁感线发电，同时将液压柱塞缸内的液体油挤出，液压柱塞缸将机械能转化为液压能使得液压系统压力上升，液压油经由单向阀流向蓄能器中，将部分能量储存于蓄能器中，配重机构在过程中还可以起到缓冲作用，并将一部分的能量转化为自身动能继续推动液压柱塞缸的柱塞向液压柱塞缸缸底一侧运动，燃料气体完全膨胀后自由活塞处于下止点位置；排气阶段：排气阀和电磁阀打开，蓄能器中储存的液压能反向推动液压柱塞缸的柱塞向远离液压柱塞缸缸底一侧运动，此时定子沿着直线发电机的轨道反向滑移，再次切割直线发电机产生的磁感线发电，液压柱塞缸的柱塞推动配重机构向靠近内燃机气缸的一侧运动，并推动自由活塞向靠近内燃机气缸的一侧运动，将内燃机气缸内的气体从排气管排出，当内燃机气缸内的气体完全排出后，再次重复上述进气阶段和出气阶段，以此往复为一个周期循环，实现持续的发电。

基础技术方案的有益效果是：通过匹配内燃机气缸内的燃料气体、自由活塞的行程和液压系统之间的关系即调节发电量，以此适应各种工况的不同需求；在进气阶段自由活塞对配重机构的推力转化为配重机构的动能，在燃料气体完全燃烧后配重机构在其动能的作用下继续推动液压柱塞缸持续向靠近液压柱塞缸缸底一侧运动，定子沿着直线发电机的轨道滑移，切割直线发电机产生的磁感线发电；在排气阶段蓄能器释放液压油，液压能推动液压柱塞缸的柱塞向远离液压柱塞缸缸底的一侧运动，定子沿着直线发电机的轨道反向滑移，再次切割直线发电机产生的磁感线发电，即进气阶段和排气阶段均能够切割磁感线发电，且进气阶段和排气阶段都大大的减少了装置内残余气体未完全排出而造成的余隙容积损失，提高了整个系统转化效率，综上本发明解决了现有技术曲轴内燃机发电装置转换效率低和适用工况范围狭窄的问题；另外相比的曲轴式内燃机，本发明所涉及的内燃机采用与液压系统串联的方式，液压系统与液压弹簧有着相仿的结构特性，通过增减配重机构和调节液压系统压力可以调节内燃机气缸缸内的压力，合理配置自由活塞的行程可以使得自由活塞完全返程，故本发明的内燃机并不具有严格意义上的下止点位移，或者说下止点可控，使用方便；整个装置体积流量小、能量密度大、无曲轴、结构简单、可变止点位置、无侧向力、经济性好、维修方便，在实际使用时在通用性、操作性和经济性好。

优选地，所述配重机构与所述自由活塞和所述液压液压柱塞缸均为可拆卸连接。

通过上述设置，在实际工作情况中，根据整个系统传感器采集到的温度、压力及位移等数据，实时的改变配重机构的质量以实现对于整个系统的效率优化：其一改善整个系统的脉动性使得系统运行更加平稳；其二通过改变配重机构的质量实现了对系统运动部分的惯量改变，运行参数反馈调整系统惯量有利于自由活塞获得更大的行程，进一步提高了整个系统的能量转换效率。

优选地，所述直线发电机通过同步装置并联有多个直线发电机。

通过上述设置，整个系统往复一个周期循环，多个发电装置发电，发电量高。

优选地，所述进气阀和所述排气阀均为气动高速开关。

通过上述设置，高速开关经设定后，其自动开启关闭响应快，开启和关闭的时间准确，保证装置的动态特性并提高整个系统的效率，系统的动态特性有利于精确的调整内燃机能量的转换率，符合智能化的设计趋势，便于广泛的推广运用。

优选地，所述内燃机气缸还连接有位移传感器，所述位移传感器用于检测所述自由活塞的位置，所述位移传感器控制所述进气阀和所述排气阀的启停。

通过上述设置，位移传感器捕捉自由活塞在内燃机气缸内的位置，根据自由活塞的位置精确的控制进气阀和排气阀的启停，进一步保证了装置的动态特性，提高了整个系统的效率。

优选地，所述电磁阀为直动式二位二通高速电磁阀。

通过上述设置，直动式二位二通电磁阀电磁阀通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。在真空、负压、零压时均能正常工作，响应时间短，适用范围广。

附图说明

图1为本发明一种单作用液压式内燃机直线发电装置的原理示意图；

附图中的对应标记的名称为：

气管1、气体增压机构2、进气阀3、火花塞4、排气管5、排气阀6、内燃机气缸7、自由活塞8、配重机构9、直线发电机10、液压柱塞缸11、定子12、单向阀13、电磁阀14、蓄能器15、手动泵16、油缸17、先导式溢流阀18、位移传感器19。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，一种单作用液压式内燃机直线发电装置，包括进气管1、气体增压机构2、进气阀3、排气管5、排气阀6、内燃机、配重机构9、直线发电机10、液压柱塞缸11、单向阀13、电磁阀14、蓄能器15、手动泵16、先导式溢流阀18、位移传感器19和油缸17，内燃机包括内燃机气缸7和自由活塞8，进气管1与内燃机气缸7的左上侧管接，进气管1还同时与气体增压机构2和进气阀3管接，进气阀3设于内燃机气缸7和进气阀3之间，排气管5与内燃机气缸7的左下侧管接，排气管5还与排气阀6管接，进气阀3和排气阀6均为气动高速开关，内燃机气缸7的左侧还穿设有火花塞4，自由活塞8沿着内燃机气缸7的轴向运动，内燃机气缸7的下侧连接有位移传感器19，位移传感器19用于检测自由活塞8的位置，位移传感器19控制进气阀3和排气阀6的启停，自由活塞8的右侧与配重机构9的左侧套接，配重机构9的右侧与液压柱塞缸11的左侧套接，直线发电机10设有定子12，定子12沿着直线发电机10的轨道滑移，液压柱塞缸11与定子12套接，直线发电机10设于配重机构9与液压柱塞缸11之间，液压柱塞缸11的右侧与单向阀管接，电磁阀14的a端与单向阀13的输出端连接，电磁阀14的p端与单向阀13的输入端连接，电磁阀14为直动式二位二通高速电磁阀，单向阀13的输入端还与蓄能器15和先导式溢流阀18同时管接，先导式溢流阀18的下侧与油缸17管接，手动泵16并联在先导式溢流阀18的两端。

具体实施过程如下：

在使用本装置前，根据实际工况选择配重机构9的配重，调节系统运动部分的惯量使得自由活塞8获得更大的行程，同时保证系统运行的平稳性，并提高整个系统的能量转换效率；再手动打开进气阀3和电磁阀14，调节先导式溢流阀18的压力为零，对整个系统泄压；冷机启动阶段：气体从进气管1经气体增压机构2进入内燃机气缸7，使得自由活塞8向右侧运动，接着关闭进气阀3和电磁阀14，利用手动泵16对液压回路进行加压，保证液压回路具有一定的初始压力，使得蓄能器15的压力与系统初始压力相同，调节完成后打开电磁阀14与排气阀6，在系统初始液压力的作用下推动液压柱塞缸11的柱塞向左侧运动，液压柱塞缸11的柱塞推动自由活塞8向左侧运动至上止点位置，同时将内燃机气缸7内的残余气体排尽；接着设定位移传感器19与进气阀3和排气阀6与使工况相适应的响应时间和启停时间，保证装置的动态特性和整个系统的效率；进气阶段：位移传感器19根据自由活塞8的位置控制进气阀3打开，排气阀6和电磁阀14关闭，液压系统中的液压油只能经单向阀13流向蓄能器15或经先导式溢流阀18溢流进入油箱，燃料混合气体从进气管1经气体增压机构2增压后进入内燃机气缸7中，内燃机气缸7内充盈适量的燃料混合气体后进气阀3关闭，火花塞4对内燃机气缸7内的燃料气体进行点火，燃料气体在内燃机气缸7中爆炸膨胀，高压气体推动自由活塞8向右侧运动，自由活塞8推动配重机构9也向右侧运动，配重机构9推动液压柱塞缸11的柱塞向右侧运动，在此过程中，定子12沿着直线发电机10的轨道向右滑移，切割直线发电机10产生的磁感线发电，液压柱塞缸11的柱塞将液压柱塞缸11内的液体油挤出，液压柱塞缸11将机械能转化为液压能使得液压系统压力上升，液压油经由单向阀流向蓄能器15中，将部分能量储存于蓄能器15中，配重机构9在该过程中还可以起到缓冲作用，并将一部分的能量转化为自身动能继续推动液压柱塞缸11的柱塞向右侧运动，燃料气体完全膨胀后自由活塞8处于下止点位置；排气阶段：位移传感器19再次根据自由活塞8的位置控制排气阀6和电磁阀14打开，蓄能器15中储存的液压能反向推动液压柱塞缸11的柱塞向左侧运动，此时定子12沿着直线发电机10的轨道向左滑移，再次切割直线发电机10产生的磁感线发电，液压柱塞缸11的柱塞推动配重机构9向左侧运动，并推动自由活塞8向左侧运动，将内燃机气缸7内的气体从排气管5排出，当内燃机气缸7内的气体完全排出后，再次重复上述进气阶段和出气阶段，以此往复为一个周期循环，定子12沿着直线发电机10的轨道往复滑移切割直线发电机10产生的磁感线实现持续的发电。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。