一种催化燃烧式微型HCCI自由活塞发电机

摘要

本发明提供了一种催化燃烧式微型HCCI自由活塞发电机，包括高压储能器、气缸、低压油箱、电流逆变器、导线、第一开关、负载、第二开关和蓄电池；气缸包括燃烧室、活塞、压气腔、柱塞和柱塞腔；燃烧室位于对置的磁性活塞之间；燃烧室上方设有排气口、扫气口和喷油器，燃烧室下方设有进气总管；进气总管的进口处设有簧片阀；每个磁性活塞的另一端连接柱塞；磁性活塞和柱塞之间腔体构成压气腔；高压储能器通过高压电磁阀连接柱塞腔上端；低压油箱通过低压电磁阀连接柱塞腔下端；气缸外部设有螺线圈；螺线圈通过导线与电流逆变器、第二开关和蓄电池串联，第二开关和蓄电池再与第一开关和负载并联。该微型发电机结构简化，能够获得更大的能量密度。

说明书

技术领域

本发明属于内燃机和发电机微动力系统领域，尤其是涉及一种催化燃烧式微型HCCI自由活塞发电机。

背景技术

以碳氢化合物为燃料的微动力系统以其能量密度高、体积小等优点，受到了国内外学者广泛的关注与研究。但伴随着科学研究工作进展的深入，开发新型的微型动力系统过程中，科学研究工作者面临了各式各样的困难与挑战。燃烧室体积急剧减小，微燃烧室内部的燃烧环境以及燃烧条件等都发生了改变。带来了许多严重制约微型动力装置发展的一系列难题。例如，缩小的燃烧室体积导致较大面容比带来的传热损失；微燃烧室预混合气体驻留时间不够，带来的难以实现连续的化学反应；火焰淬熄；微小型燃烧室内燃烧不稳定等。这些难题严重地制约了微动力装置的开发工作。

均质充量压缩燃烧方式是一种新型燃烧方式，它采用均质充量空气与燃料混合，燃烧室内多点着火，试验证明与传统的燃烧方式相比较，均质充量压缩燃烧方式具有较高的燃烧效率，低NOx和PM排放等优点，很好地解决了微型动力装置所存在的难题。但是目前发电机和微型HCCI自由活塞发动机相结合的专利和技术较少。许多自由活塞发电机在其标准配置中受限制于两冲程操作原理,每次往复循环需要动力冲程以维持发动机运作，如美国专利US2900592,美国专利US4924956,而专利CN201110427677.X,美国专利US6541875等则忽略了自由活塞运动稳定性的控制，活塞充分高的动能诸如由于快速负载减少可能导致在该活塞和汽缸盖之间的机械接触，造成损坏，反之负载增加则可能导致熄火。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种催化燃烧式微型HCCI自由活塞发电机，采用两组自由活塞内燃机与发电机并联的结构形式，使微型发电机的结构简化，避免了机械传动所造成的摩擦损失和耗损，进而获得更大的能量密度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种催化燃烧式微型HCCI自由活塞发电机，包括高压储能器、高压电磁阀、气缸、低压油箱、低压电磁阀、电流逆变器、导线、第一开关、负载、第二开关和蓄电池；所述气缸包括燃烧室、一对对置的活塞、一对压气腔、一对柱塞和一对柱塞腔；所述燃烧室位于对置的磁性活塞之间；燃烧室上方设有排气口、扫气口和喷油器，燃烧室下方设有进气总管；进气总管的进口处设有簧片阀；每个磁性活塞的另一端连接柱塞；磁性活塞和柱塞之间腔体构成压气腔；高压储能器通过高压电磁阀连接柱塞腔上端；低压油箱通过低压电磁阀连接柱塞腔下端；气缸外部设有螺线圈；所述螺线圈通过导线与电流逆变器、第二开关和蓄电池串联，第二开关和蓄电池再与第一开关和负载并联。

进一步的，所述柱塞和压气腔之间还设有回位油箱。

进一步的，所述排气口设有增压阀，所述扫气口设有减压阀。

进一步的，所述高压储能器和低压油箱之间设有溢流阀。

进一步的，所述燃烧室的底部和活塞端面均布置有催化剂层。

进一步的，所述磁性活塞由磁性能极好且电阻率高的耐热材料。

进一步的，所述磁性活塞的材质为衫钻或铝镍钻。

进一步的，所述高压电磁阀设有电子控制单元EPR-P1。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的一种催化燃烧式微型HCCI自由活塞发电机，将内燃机与发电机相结合，将机械能直接转化为电能，避免了机械传动所造成的摩擦损失和耗损，提高了能量转化效率；两组自由活塞内燃机与发电机并联的结构形式，不仅使微型发电机的结构简化，而且能够获得更大的能量密度。

(2)本发明采用对置式自由活塞发电机，工作过程中具有发动机质心固定、无往复惯性力、扫气效率高等优点。

(3)本发明通过在柱塞和压气腔之间还设有回位油箱，保证即使发动机发生故障后，仍然能够推动活塞返回下止点。

(4)本发明在进气口增加了增压阀，扫气口增加了减压阀，而且增加了电磁阀和簧片阀门结构，优化了活塞运动过程和废气排放过程，提高了能量转化效率和压缩燃烧做功能力。

(5)本发明在微自由活塞压缩端面以及燃烧室底部添加催化剂层,增加催化剂覆盖面积,降低燃烧了反应所需的活化能,提高了着火燃烧可靠性，加快了燃烧速率,加快产能速率。

(6)本发明将微自由活塞与均质充量压燃过程相结合起来，具有较高的燃烧效率，低NOx和PM排放等优点，且解决了微尺度燃烧中火焰淬熄以及热量损失等问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中的电路图。

附图标记说明如下：

1-压气腔；2-排气口；3-喷油器；4-扫气口；5-高压电磁阀；6-溢流阀；7-柱塞腔；8-高压油；9-螺线圈；10-高压储能器；11-回位油箱；12-激光位移传感器；13-簧片阀；14-进气总管；15-磁性活塞；16-柱塞；17-低压油箱；18-低压油；19-燃烧室；20-低压电磁阀；21-增压阀；22-减压阀；23-电流逆变器；24-导线；25-第一开关；26-负载；27-第二开关；28-蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种催化燃烧式微型HCCI自由活塞发电机，包括高压储能器10、高压电磁阀5、气缸、低压油箱17、低压电磁阀20、电流逆变器23、导线24、第一开关25、负载26、第二开关27和蓄电池28；所述气缸包括燃烧室19、一对对置的活塞15、一对压气腔1、一对柱塞16和一对柱塞腔7；所述燃烧室19位于对置的磁性活塞15之间；燃烧室19上方设有排气口2、扫气口4和喷油器3，燃烧室19下方设有进气总管14；进气总管14的进口处设有簧片阀13；所述排气口2设有增压阀21，所述扫气口4设有减压阀22，优化了活塞运动过程和废气排放过程，提高了能量转化效率和压缩燃烧做功能力。

每个磁性活塞15的另一端连接柱塞16；所述燃烧室19的底部和活塞15端面均布置有催化剂层，降低燃烧了反应所需的活化能,提高了着火燃烧可靠性，加快了燃烧速率，加快产能速率。磁性活塞15和柱塞16之间腔体构成压气腔1，所述柱塞16和压气腔1之间还设有回位油箱11，其作用是在发动机发生故障后，推动活塞15返回下止点。回位油箱11与柱塞腔7共同使用同一个缸体，工作过程相互联系相互影响，回位油箱11内装有低压油，当工作循环处于压缩冲程时，柱塞腔7体积增大，回位油箱11体积减小，邮箱内油压增大，当发动机处于故障时将推动活塞15返回下止点。高压储能器10通过高压电磁阀5连接柱塞腔7上端；所述高压电磁阀5设有电子控制单元EPR-P1，用来控制高压电磁阀5开启；低压油箱17通过低压电磁阀20连接柱塞腔7下端；所述激光位移传感器12采用回波分析原理来测量距离，原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。所述高压储能器10和低压油箱17之间设有溢流阀6；气缸外部设有螺线圈9；所述螺线圈9通过导线24与电流逆变器23、第二开关27和蓄电池28串联，第二开关27和蓄电池28再与第一开关25和负载26并联。

工作过程：

当磁性活塞15处于下止点，电子控制单元EPR-P1控制高压电磁阀开启，高压油6从高压蓄能器10进入柱塞腔7推动磁性活塞15由下止点上行，即磁性活塞15由两侧位置向中间燃烧室19运动，压缩冲程开始；当磁性活塞15具备到达上止点的动能时，电子控制单元EPR-P1控制高压电磁阀5关闭，低压电磁阀20由于柱塞腔7内抽真空而自动打开，之后低压电磁阀20以斩波维持开度，磁性活塞15依靠惯性继续上行到上止点，压缩冲程结束；当磁性活塞15到达上止点前，燃烧室19的喷油器3喷油，燃料燃烧放热，磁性活塞15下行，做功冲程开始；低压电磁阀20保持开启，直到磁性活塞15具有到达下止点的动能，低压电磁阀20关闭；磁性活塞15推动柱塞16将高压油6压回高压蓄能器10，在磁性活塞15下行的同时，簧片阀13关闭，空气被磁性活塞15压缩储存在进气总管14和活塞底部的压气腔1内；当磁性活塞15位移小于排气口2位置时，排气口2随即打开，废气排出，当磁性活塞15继续下行位移小于扫气口4位置时，扫气口4相继打开，压缩空气经扫气口4进入气缸内，并推动废气进一步排出，发动机完成了一个工作循环，激光传感器12记录整个工作循环过程。回位油腔11的作用是在发动机发生故障后，推动磁性活塞15返回下止点，液压自由活塞适合工作在中低频率下。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。