磁悬式小冲发动机的制作方法

1.本技术属于发动机技术领域，尤其涉及一种磁悬式小冲发动机。


背景技术：

2.普通发电设备一般将直线电机和活塞式内燃机通过直杆简单连接为一体化设备，体积相对较大，应用场景受限。此外，普通的活塞式内燃机中轴承与活塞导杆间的摩擦较大，从一定程度上降低了发电效率。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术实施例提供了一种磁悬式小冲发动机，以解决目前发电设备体积较大、发电效率较低的问题。
4.本技术实施例提供了一种磁悬式小冲发动机，包括：气缸，所述气缸内设置有气缸线圈和内套，所述内套设置在所述气缸线圈的内侧。所述内套的两端均设有气缸盖。所述气缸盖上设有点火燃烧室和排气孔。两个气缸盖上分别设置有多个包括但不限于激光发生器的发射装置和多个包括但不限于激光接收器的接收装置。所述激光发生器和激光接收器成对设置。所述内套内设置有连接为一体且同轴的活塞和导杆。所述活塞随导杆在所述内套内上下移动。所述导杆的两端伸出所述内套及气缸。所述活塞的内部设有活塞线圈和电磁铁。所述活塞线圈与电力输出线连接，所述电力输出线沿所述导杆的内孔伸出所述气缸。所述电力输出线在伸出气缸后通过电力输出电缆，并经整流变换装置与蓄电池连接。所述蓄电池通过定子供电电缆与气缸线圈连接。所述蓄电池的充放电过程受ecu控制。ecu控制磁悬式小冲发动机工作模式自由转化。所述活塞的外侧设置有第一间隙传感器，所述第一间隙传感器用于监测所述活塞相对于所述内套中心轴的第一偏移量。所述电磁铁根据所述第一偏移量对所述活塞进行调节。在所述导杆伸出所述内套及气缸的部分，设置有支撑套、磁悬浮轴承和第二间隙传感器。所述第二间隙传感器用于监测所述导杆相对于所述支撑套中心轴的第二偏移量。所述磁悬浮轴承根据所述第二偏移量对所述导杆进行调节。所述支撑套、磁悬浮轴承和内套同轴。
5.具体的，在所述导杆伸出所述内套及气缸的部分还设置有辅助轴承。
6.具体的，所述内套的外侧设置有绝热夹层。
7.具体的，所述磁悬浮轴承内设置有多个轴承线圈。
8.具体的，所述磁悬浮轴承根据所述第二偏移量调节对应的轴承线圈的电流。
9.具体的，所述第一间隙传感器和电磁铁分别与信号控制线连接，所述信号控制线沿所述导杆的内孔伸出所述气缸。
10.具体的，所述气缸盖上还设有缓冲垫，所述缓冲垫为气体缓冲垫或磁悬缓冲垫。
11.具体的，所述导杆的两端设置有缓冲装置，所述缓冲装置包括缓冲磁垫和弹簧。气缸盖的排气孔分别经尾气排放管与尾气喷口连接。气缸内燃烧产生的水蒸气从所述尾气喷口排出。
12.具体的，所述点火燃烧室包括火花塞、液氢喷嘴和液氧喷嘴。所述绝热夹层为真空绝热夹层。
13.具体的，所述内套为钨内套，所述气缸盖的内侧设置有钨里衬。或者，所述内套为超级钢内套，所述气缸盖的内侧设置有超级钢里衬，并配置有水冷却装置或气体冷却装置。
14.具体的，所述气缸线圈使用超导材料制作。
15.本技术实施例提供的磁悬式小冲发动机，在活塞内设置活塞线圈，相当于将直线电机内置与活塞式内燃机之中，显著减小了发电设备的体积。此外，本技术实施例提供的磁悬式小冲发动机选用磁悬浮轴承，相较于普通轴承能够显著降低摩擦，有利于提高发电效率。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本技术实施例提供的磁悬式小冲发动机的结构示意图；图2是图1中b-b方向的剖视示意图；图3是图1中a-a方向的剖视示意图；图4是图1中c-c方向的剖视示意图；图5是图1中d-d方向的剖视示意图图6是本技术实施例提供的另一磁悬式小冲发动机的结构示意图；其中，1—气缸，2—气缸线圈，3—内套，4—点火燃烧室，5—缓冲垫，6—排气孔，7—活塞，8—导杆，10—活塞线圈，11—磁悬浮轴承，12’—第一间隙传感器，12—第二间隙传感器，13—电力输出线，14—辅助轴承，15—绝热夹层，17—信号控制线，18—轴承线圈，19—电磁铁，20—支撑套，21—气缸盖，22—火花塞，23—液氢喷嘴，24—液氧喷嘴，25—激光发生器，26—激光接收器，27—缓冲磁垫，28—弹簧，29—机座，30—保护罩，31+—电力输出电缆，32—整流变换装置，33—蓄电池，34—定子供电电缆，35—尾气排放管，36—尾气喷口。
具体实施方式
18.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
19.为了说明本技术所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
20.实施例1本技术实施例1提供了一种磁悬式小冲发动机，如图1所示，该发动机设有气缸1。气缸1设置在机座29上，气缸1的两端设有保护罩30。气缸1内设置有气缸线圈2和内套3，内套3设置在气缸线圈2的内侧。可以选用钨内套活钨合金作为内套3，并且在内套3的外侧设
置有绝热夹层15。具体的，可以选用真空绝热夹层作为绝热夹层15。内套3的两端均设有气缸盖21，并且在气缸盖21的内侧设有钨里衬或钨合金里衬。或者，内套3为超级钢内套，气缸盖21的内侧设置有钨里衬、钨合金里衬或超级钢里衬。当选用超级钢里衬时，配置有水冷却装置或气体冷却装置。超级钢为强度达到2000mpa的钢材。
21.两个气缸盖21的结构相同，气缸盖21上均设有点火燃烧室4、缓冲垫5和排气孔6。图2示出了位于内套3底部的气缸盖21一个具体示例的示意图。在图2所示的气缸盖21中，设置有均匀排布的3个点火燃烧室、3个缓冲垫和3个排气孔。在一具体实施方式中，点火燃烧室4中设有火花塞22、液氢喷嘴23和液氧喷嘴24，可以选用气体缓冲垫或磁悬缓冲垫作为图1和图2中的缓冲垫5。
22.两个气缸盖21上分别设置有多个激光发生器25和多个激光接收器26，并且激光发生器25和激光接收器26成对设置。在图1所示的磁悬式小冲发动机中，在位于内套上部的气缸盖上设置有激光发生器25，在位于内套下部的气缸盖上设置有激光接收器26。具体的，可以沿圆周方向均匀设置4对激光发生器25和激光接收器26，从4个方向上监控活塞7的倾斜。
23.内套3内设置有连接为一体且同轴的活塞7和导杆8，活塞7随导杆8在内套3内上下移动。导杆8的两端伸出内套3及气缸1。
24.活塞7的内部设有活塞线圈10和电磁铁19。活塞线圈10与电力输出线13连接，电力输出线13沿导杆8的内孔伸出气缸1。电力输出线13在伸出气缸1后通过电力输出电缆31，并经整流变换装置32与蓄电池33连接。蓄电池33通过定子供电电缆34与气缸线圈2连接。蓄电池33中的部分电能可用于向气缸线圈2供电。蓄电池33的充放电过程受ecu控制。发动机的运转过程受ecu控制。
25.活塞7的外侧设置有第一间隙传感器12’，第一间隙传感器12’用于监测活塞7相对于内套3中心轴的第一偏移量。电磁铁19根据第一偏移量对活塞7进行调节。在实际应用中，可以沿圆周方向均匀设置4个电磁铁19，从而从4个方向上调控活塞7的倾斜。除第一偏移量外，电磁铁19还会根据激光发生器25和激光接收器26发出的激光监测信号对活塞7的倾斜进行动态调整。图3示出了气缸和活塞的一个具体示例的示意图。
26.在导杆8伸出内套3及气缸1的部分，设置有支撑套20、磁悬浮轴承11、第二间隙传感器12和辅助轴承14。支撑套20、磁悬浮轴承11和内套3同轴。第二间隙传感器12用于监测导杆8相对于支撑套20中心轴的第二偏移量。磁悬浮轴承11根据第二偏移量对导杆8进行调节。在一具体实施方式中，如图4所示，磁悬浮轴承11内设置有多个轴承线圈18，磁悬浮轴承11根据第二偏移量调节对应的轴承线圈18的电流，从而调控各个轴承线圈18作用于导杆8的磁力，进而对导杆8的倾斜进行动态调整。第一间隙传感器12’和电磁铁19均与信号控制线17连接，信号控制线17沿导杆8的内孔伸出气缸1。
27.在图1所示的磁悬式小冲发动机中，采用第一间隙传感器12’、激光发生器25和激光接收器26直接监控活塞的倾斜。此外，通过第二间隙传感器和磁悬浮轴承对导杆的倾斜进行调控。由于气缸的内套与支撑套20同轴，气缸的活塞与导杆同轴移动，通过调控导杆相对于磁悬浮轴承的第二偏移量，能够间接对内套中活塞的倾斜进行调控，及时扶正倾斜的活塞。由于本技术实施例提供的磁悬式小冲发动机能够及时扶正倾斜的活塞，因此，相较于普通发动机，可以在本技术实施例提供的磁悬式小冲发动机中始终保持极小的间隙而不发生摩擦，避免了摩擦损失，降低磁通量损失，而且几乎达到零泄露，从而提高发动机发电效
率。
28.在一具体实施方式中，活塞直径58mm，活塞冲程68mm，单缸单冲程小冲发动机转速为15000rpm（每分钟15000转是指活塞上下15000次循环），气缸线圈在超导条件下（利用液氦形成温度4k）稳定通电，产生20特斯拉的高磁力，磁力线与气缸轴向垂直。气缸线圈使用超导材料制作。活塞上下移动，活塞内线圈切割磁力线高效发电，发电量200kw。液氢液氧燃烧时压力为1500mpa，温度为2000℃，膨胀发电后压力为0.1mpa，温度为100℃，膨胀比为1.5万。
29.对于图1所示的磁悬式小冲发动机，工作过程如下：以活塞到达上止点（此时活塞上顶面与气缸盖上平面距离0.1mm）为例，介绍磁悬式小冲发动机的启动过程。当活塞到达上止点时，气缸上部分首先进行燃烧做功行程，此时打开气缸上部分的液氢喷嘴和液氧喷嘴，喷入液氢和液氧；然后火花塞开始点火，液氢液氧燃烧产生1500mpa、2000℃的水蒸汽，推动活塞向下运动膨胀做功，同时打开气缸下部分的排气门，气缸下部分开始排气（启动点火步骤与正常运转步骤的步骤一类同）。
30.气缸正常运转步骤：步骤一：活塞到达上止点（此时活塞上顶面与气缸盖上平面距离0.1mm）时，气缸上部分进行燃烧做功行程，此时打开气缸上部分的液氢喷嘴和液氧喷嘴，喷入压力为30mpa的液氢和液氧；由于此时气缸上部分内温度为870℃，压力为15mpa，喷入的液氢液氧自动燃烧产生1500mpa、2000℃的水蒸汽，推动活塞向下运动膨胀做功，同时打开气缸下部分的排气门，气缸下部分开始排气。
31.步骤二：活塞向下运行到距下止点5mm处，关闭气缸下部分的排气门，活塞在惯性的作用下开始压缩气缸下部分中剩余的水蒸汽。
32.步骤三：活塞继续运行到气缸下止点（此时活塞下顶面与气缸盖下平面距离0.1mm）时，气缸上部分的水蒸汽膨胀到0.1mpa，100℃，而同时气缸下部分中的水蒸汽被压缩到15mpa，870℃；此时气缸上部分的燃烧做功行程结束转入排气压缩行程，气缸下部分的排气压缩行程结束转入燃烧做功行程。
33.步骤四：打开气缸下部分的液氢喷嘴和液氧喷嘴，喷入压力为30mpa的液氢和液氧；由于此时气缸下部分内温度为870℃，压力为15mpa，喷入的液氢液氧自动燃烧产生1500mpa、2000℃的水蒸汽，推动活塞向上运动膨胀做功，同时打开气缸上部分的排气门，气缸上部分开始排气。
34.步骤五：活塞向上运行到距上止点5mm处，关闭气缸上部分的排气门，活塞在惯性的作用下开始压缩气缸上部分中剩余的水蒸汽。
35.步骤六：活塞继续运行到气缸上止点（此时活塞上顶面与气缸盖上平面距离0.1mm）时，气缸下部分的水蒸汽膨胀到0.1mpa，100℃，而同时气缸上部分中的水蒸汽被压缩到15mpa，870℃；此时气缸下部分的燃烧做功行程结束转入排气压缩行程，气缸上部分的排气压缩行程结束转入燃烧做功行程。此时气缸重复进行步骤一工作，如此往复循环。
36.发动机所需氢、氧来自“安氢系统+柯来浦系统”或其它系统。发动机排出的水蒸气进入“安氢系统+柯来浦系统”重复使用。安氢系统和柯来浦系统的技术方案可参见中国专利申请《金属储氢材料超低温下吸放氢的装置》（申请号2020101648407）中的记述。
37.活塞上设置有用于发电的活塞线圈，活塞在做直线运动时，切割由气缸壁上设置
的气缸线圈产生的磁场（20特斯拉）产生电流，通过电力输出线向外输出电力。允许气缸线圈的磁场在不同时间、不同位置发生变化，以满足工艺要求。在活塞运动到接近气缸一端（上止点或下止点）时，允许气缸线圈的磁场增强。
38.汽缸壁上设置的气缸线圈处在液氦低温环境（温度为4k）中，气缸线圈采用超导体制作，能够使其电阻热耗降到最低。气缸线圈产生垂直于气缸轴线方向的磁场。图5为气缸线圈的剖视图。气缸线圈的磁场强度可以调整改变，允许活塞开始运动时气缸线圈的磁场强度较小，活塞运动到接近气缸另外一端（上止点或下止点）时，允许磁场强度增大，保证活塞不与气缸相撞，起到辅助气垫和磁垫的作用，进一步保护气缸不被活塞碰撞。
39.活塞上沿四周均布四个第一间隙传感器和四个电磁铁，电磁铁与汽缸线圈产生的磁力相吸。通过第一间隙传感器对活塞外壁与汽缸内壁之间的间隙进行测量及检测，发现活塞偏移中心位置后，通过调整活塞电磁铁中线圈的电流大小，可以控制电磁吸力的大小，驱动活塞向中心回归，纠正偏移，起到磁悬浮轴承的作用。另外，还通过在两个气缸盖上设置激光发生器和接收器，检测活塞的偏移，进一步提高检测精度和控制精度。
40.在支撑套上也设置有磁悬浮轴承，采用类似活塞上电磁铁的间隙控制原理。支撑套上还设置有辅助轴承，辅助轴承的内圈与导杆外圆的间隙控制在不大于活塞与气缸壁之间间隙的1/2到1/3。当磁悬浮轴承出现大的偏移时，由辅助轴承起支撑作用，以保护磁悬浮轴承。活塞与汽缸壁的间隙控制在0.001mm，磁悬浮轴承的控制精度在0.001mm以内。由于活塞和气缸内壁之间，导杆和支撑套之间的间隙控制的足够小，几乎不会发生泄露。活塞和活塞的导杆都是通过磁悬浮控制的，磁悬浮的控制精度和准确性，使得活塞和气缸以及活塞的导杆和支撑套是不接触不碰撞的，有接触和碰撞是小概率事件，可以采用或不采用润滑剂，或很少采用润滑剂，同时有机械轴承（即辅助轴承）保护。转速越大，从活塞和气缸之间的间隙漏出的气体越少。
41.实施例2气缸内温度很高，直接在上下气缸盖上设置缓冲垫可能会影响缓冲效果，不能对活塞进行持久有效保护。为此，可以取消图1和图2中设置在气缸盖上的缓冲垫5，使用设置在气缸外部的缓冲装置代替缓冲垫5。图6示出了本技术实施例2提供的一种磁悬式小冲发动机，其组成和结构基本与图1所示的磁悬式小冲发动机相同，区别在于将缓冲装置设置在气缸外部，具体的，将缓冲装置设在了导杆8的两端。缓冲装置包括缓冲磁垫27和弹簧28。此外，在图6所示的磁悬式小冲发动机中，上下气缸盖的排气孔分别经尾气排放管35与尾气喷口36连接。通过尾气喷口36可以将1mpa，180℃的水蒸汽喷出磁悬式小冲发动机，喷出的水蒸汽能够作为推力，提供动力。实施例2提供的磁悬式小冲发动机能够喷出一定量的水蒸汽，能够产生一定量推力。图6所示的磁悬式小冲发动机的转速为150000rpm，并且具有高柯来浦系数等优点。发动机的性能采用柯来浦系数进行评价，柯来浦系数为发动机功率除以发动机有效体积与有效重量乘积的商。图6所示的磁悬式小冲发动机的发电量为1268kw，柯来浦系数约为14030kw/（kg.m3）。图1所示的磁悬式小冲发动机的柯来浦系数约为2220kw/（kg.m3）。
42.可以将图6所示的带有尾气喷口的发动机安装在飞机等飞行器上。喷入的燃料量、压力和转速等均可进行均匀无极调节。实施例2中的气缸容量可变，根据飞行器的动力需求，对应调整发动机的气缸容量。气缸壁里的定子线圈（即气缸线圈）产生的磁场强度，可以
通过调节输入的励磁电流的大小来调整，从而调控发动机的发电量和尾气喷口推力的比例。当飞行器在低速低空飞行时，发动机正常工作，定子励磁线圈（即气缸线圈）通入正常电流，可产生正常磁场（20特斯拉），发动机主要进行发电工作，利用电力驱动飞机飞行，排出的水蒸气压力和温度较低。当需要高速飞行或紧急飞行时，减小或切断定子线圈（即气缸线圈）的励磁电流，降低磁场强度或取消磁场，减少或停止发电，使发动机主要用于喷气推进。此时尾气喷口喷出的水蒸气产生的推力达到最大。以上变化和调整随时可以通过ecu进行切换和综合控制，从而使整个飞行器推进系统高效运行，综合效率高。此发动机使用在飞机上，可以取消或减少飞机机翼的作用。
43.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。