[发明专利]一种具有双级活塞的自然吸气式自由活塞内燃发电机

说明书

技术领域

发明涉及一种能源动力工程机械装置，具体涉及一种具有双级活塞的自然吸气式自由活塞内燃发电机，属于能源动力技术领域。

背景技术

自由活塞式内燃发电机(以下简称FPEG)是从20世纪30年代逐步发展起来的一种新型动力装置，它取消了曲柄连杆机构，活塞仅做往复直线运动，且行程不受机械约束，结合了内燃机和直线感应电动机彼此的技术特点，作为一种新型发电机理念而备受关注。该装置的结构示意如附图1所示，利用直线电机固定连接两个卧置内燃机。当左缸内进行燃烧做膨胀冲程时，活塞右行，压缩右缸内气体，使右缸进入压缩冲程；当活塞达到本循环的上止点时，右缸开始点火燃烧继而进入膨胀冲程；如是，活塞带动磁棒在直线电机中进行往复运动，切割直线电机的磁力线产生感应电动势，对外输出电能。

由于动力输出结构差异，自然吸气式二冲程自由活塞内燃机与传统二冲程内燃机换气过程相比存在明显不同。对于传统内燃机用于输出动力的曲柄连杆机构在扫气箱内，不存在金属实体进出扫气箱，故活塞上下止点的扫气箱容积差即为该发动机的排量，如图2(a)所示。FPEG则以直线电机的动子磁棒作为活塞连接件并切割磁感线输出电能，而磁棒为部分而非全部在扫气箱内，继而在活塞运动过程中，磁棒连接件随动而进出扫气箱，从而使上下止点扫气箱容积差小于发动机排量，实际容积差应为排量与磁棒满行程露出扫气箱的体积之差，如图2(b)所示。该差异直接导致FPEG相比于传统内燃机在气过程中扫气箱的容积变化率的减小，将扫气箱内气体变化看做绝热多变过程，则有p_s·V_s^γ＝C，对之求导有，由此可知，容积变化率减小使扫气箱内的压力变化率减小，进而引起换气时瞬时扫气流量的的衰减，使得FPEG的换气过程不如同缸径同行程的传统二冲程内燃机充分。对于FPEG，为保证换气过程中扫气箱有足够大的容积变化率，开发一种新式的换气结构尤为必要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有双级活塞的自然吸气式自由活塞内燃发电机，将扫气箱部分同气缸体部分分开后采用了双级活塞进行压缩换气，能够根据需要改变扫气箱内活塞的压缩面积，从而实现扫气容积变化率的可变。

一种具有双级活塞的自然吸气式自由活塞内燃发电机，包括连杆，永磁体、线圈、铁芯、壳体、第一级活塞、气缸体、扫气箱、第二级活塞和通气管；

其整体连接关系为：所述连杆的两端分别固定连接第一级活塞，两端的第一级活塞与气缸体配合，连杆的中段设置永磁体，永磁体和线圈、铁芯以及壳体组成直线电机；扫气箱同轴位于永磁体的端面与第一级活塞之间，扫气箱一端开放且一端封闭，开放端朝向第一级活塞；第二级活塞固定在连杆上并与扫气箱配合，通气管将气缸体的进气门与扫气箱的内腔连通。

进一步的，所述扫气箱通过单向阀连接化油器；

进一步的，所述第二级活塞与扫气箱配合的外圆周面上装有气环，用于实现第二级活塞两侧空间内气体的密封。

工作过程和原理：

1、冷机启动过程：

冷机启动过程通过上位机给直线电机的电磁线圈施加一定大小的启动电流，从而产生作用在永磁体上的电磁力；在电磁力的驱动下，连杆带动第一级活塞、第二级活塞和永磁体组成的活塞组件往复运动，并且运动位移幅值逐渐增加。经过一定时间后，当活塞组件的位移幅值达到启动过程的点火位置且往复频率达到可进行启动的最低频率时，点火系统被触发，直线电机转换为被动发电状态，系统进入正常工作状态。

2、正常运行过程：

自由活塞内燃发电机的两个气缸体内部分轮流爆发燃烧，推动活塞组件进行直线运动。当左侧气缸体内的第一级活塞位于上止点时，气缸体内燃烧产生的高压气体推动整个活塞组件向右运动。此时左侧扫气箱的第二级活塞压缩扫气箱内的新鲜混合气；而右侧扫气箱则在第二级活塞右行运动的作用下产生真空度，通过单向阀，从化油器端吸入新鲜混合气。随着第一级活塞右行，左侧气缸体的排气门打开，气体在气缸体内压力作用下自由排气。随之左侧气缸体的进气门打开，新鲜混合气则在同侧扫气箱相对较高的扫气压力下被压入气缸体，左侧气缸体实现换气；当左侧气缸体内的第一级活塞处于下止点时，右侧气缸体内气体爆发产生压力推动活塞组件左行。如此往复运动，整个运动过程中磁棒切割磁感线，对外输出电能。

有益效果：

1、本发明采用将扫气箱和缸套分离的结构方式，第一级活塞与传统活塞无差别，第二级活塞压缩从气缸体上脱离的扫气箱中的气体，由于使用第二级活塞的压缩面积大于直接将连杆连在第一级活塞上的压缩面积，可明显改善换气效果。