微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机及启动方法技术

本公开提供一种微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机及启动方法，该微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机包括：连杆、永磁直线发电机以及两个气缸；两个气缸，相对设置在永磁直线发电机的两端；其中，通过气缸内设置的点火装置点火燃烧后的高温高压燃气推动气缸内的活塞做功，并带动连杆沿其长度方向往复运动，进而带动与连杆连接的环形永磁体沿连杆的长度方向往复运动，使永磁直线发电机内的线圈绕组切割环形永磁体的磁感线，输出电能。本公开提供的微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机及启动方法对现有技术中的发动机进行了微型化设计，并且无须额外设计启动电机，输出功率为百瓦量级，可作为便携式移动电源。

【技术实现步骤摘要】
微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机及启动方法
本公开涉及微型能源动力系统
，尤其涉及一种微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机及启动方法。
技术介绍
随着科学技术的进步，电子与机械产品的微型化和便携化成为当今发展的主流趋势。微电脑、便携式检测仪器、无人值守野外设备、紧急备用电源和微型机器人等这些微机械和微电子产品迅速发展并广泛应用，改变了人类的生产和生活方式，也成为人类文明发展的标志和推动力之一。目前，这些产品的能源供给方式主要采用自身携带的电池。在过去20年中，随着便携式机电设备的功能大幅提升，相应的电力消耗也增大了20倍，而电池的能量密度只扩大了近3倍，难以给用户提供理想的连续工作时间。显然，采用先进的机械加工技术，乃至MEMS技术，我们能够把电子或机械产品做到微型化，但供能部件(如电池)却成为整个系统中最笨重的单元，制约了产品微型化的实现，因而迫切需要研制新型的高能量密度、高功率重量比、长寿命的微型能源动力系统。目前各种适合微型便携式设备使用的能量储存介质中，化学燃料是能量储存密度最高的，可到50kJ/g，是目前最先进可充电电池的50倍左右，理论上即使基于燃料燃烧的微能源动力系统的能效仅有10％，其供能时间也可以比充电电池提高一个数量级，且燃料补充迅速。所以，研究以化学燃料为动力的微型发动机是解决目前电池能量密度低、续航时间短等难题的最有希望的途径。自由活塞发动机是20世纪30年代提出的一种新型动力装置，该发动机取消了常规活塞发动机的曲柄连杆机构，活塞运动不受物理约束，结构简单、零件数目少、重量轻；比较适合采用压燃模式，具有污染物排放少、热效率高等多种潜在优势，并且结合了直线发电机，使得整个发动机结构紧凑，能量密度高，被认为是一种有前途的动力装置。但是由于受制于当时落后的电子控制技术，加上传统内燃机的迅速发展，自由活塞发动机的发展比较缓慢。然而，随着近些年来环保法规的日趋严格和电子控制技术的快速发展，自由活塞发动机再次引起了人们的广泛关注。然而，在实现本公开的过程中，本申请专利技术人发现，目前国内外科研机构研究较多的是常规尺度的双缸对置式自由活塞发动机，工作介质为汽油或柴油等液体燃料。液体燃料固然有能量密度大、便于携带等优势，但必须为发动机设计复杂的高压喷油控制装置，降低了发动机运行可靠性，同时燃料燃烧产物中有害物质含量偏高，不利于环保，更为最重要的是气缸内油-气混合物需要很高的压比才能被电热塞点燃，因此还要为发动机设计大推力启动电机，极大增加了发动机重量。目前的自由活塞发动机的点火方式几乎均采用火花塞点火，点火位置固定，这种点火方式在常规尺度定行程发动机上得到了较好的适用，而对于自由活塞发动机，由于运行过程中行程一直在改变导致压比也随之变化，所以不适宜采用固定位置点火，而且自由活塞发动机运行过程中频率普遍较高，电火花点火控制系统难以对点火定时进行精确判断，从而影响发动机性能。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机及启动方法，以克服电池能量密度低、续航时间短等缺点，缓解现有技术中的自由活塞发动机启动困难、运行稳定性差的技术问题。(二)技术方案本公开提供一种微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机，包括：连杆、永磁直线发电机以及两个气缸；永磁直线发电机包括：环形永磁体，沿长度方向设置在所述连杆上，并与所述连杆固定连接；以及线圈绕组，环绕设置在所述环形永磁体的外侧；两个气缸相对设置在所述永磁直线发电机的两端，每个所述气缸均包括：点火装置，其设置在所述气缸的顶部，用于引燃所述气缸内的气体燃料；以及活塞，设置在所述气缸的内部，且分别与所述连杆的两端连接；其中，所述点火装置点火燃烧后的高温高压燃气推动活塞做功，并带动所述连杆沿其长度方向往复运动，进而带动所述环形永磁体沿所述连杆的长度方向往复运动，使所述线圈绕组切割所述环形永磁体的磁感线，输出电能。在本公开的一些实施例中，所述气缸还包括：气缸套筒，与所述永磁直线发电机固定连接，其顶部设置有气缸盖，其内部中空设置；气缸本体，其贴合所述气缸套筒的内侧壁设置，并与所述活塞间隙配合，其内设置有燃烧腔体；其中所述气缸本体的顶部边缘贴合所述气缸盖的内侧。在本公开的一些实施例中，其中：所述气缸套筒包括：进气口，其设置在所述气缸套筒的中部，且其开口方向与所述气缸套筒的轴线呈45°夹角并朝向所述气缸套筒的顶部；以及排气口，其与所述进气口沿所述气缸套筒的周向相对设置。在本公开的一些实施例中，所述气缸本体包括：进气口，其设置在所述气缸本体的中部，其开口方向与所述气缸本体的轴线呈45°夹角并朝向所述气缸套筒的顶部，并与所述气缸套筒的所述进气口连通；排气口，与所述气缸本体的所述进气口沿所述气缸本体的周向相对设置，并与所述气缸套筒的所述排气口连通。在本公开的一些实施例中，所述气缸套筒还包括：圆弧形进气槽，其形成于所述气缸套筒内部，与所述气缸套筒的所述进气口连通，并沿所述气缸本体的外侧周向设置；条形进气槽，其形成于所述气缸套筒的内部，与所述圆弧形进气槽连通，并沿所述气缸本体的长度方向设置。在本公开的一些实施例中，所述气缸本体的所述进气口包括：第一进气口、第二进气口和第三进气口，所述第一进气口、所述第二进气口和所述第三进气口沿所述气缸本体的周向设置，且所述第一进气口、所述第二进气口和所述第三进气口均与所述圆弧形进气槽连通。在本公开的一些实施例中，其中：所述圆弧形进气槽的弧度范围介于180°至230°之间，宽度范围介于5mm至8mm之间，深度范围介于1.5mm至3mm之间，所述条形进气槽的宽度范围介于5mm至8mm之间，深度范围介于1.5mm至3mm之间；所述第一进气口与气缸本体的所述排气口相对设置在所述气缸本体的两侧，所述气缸本体的所述排气口上边沿到所述气缸本体顶部的距离比三个所述进气口的上边沿到所述气缸顶部的距离小2mm。在本公开的一些实施例中，所述永磁直线发电机还包括：永磁直线发电机外壳，其两端与所述气缸套筒固定连接；环形定子硅钢叠片，其嵌入所述永磁直线发电机外壳的内侧，所述环形定子硅钢叠片的始端和末端分别与定子压紧环抵接，所述定子压紧环的外侧分别与环形密封垫片抵接，所述环形密封垫片的外侧边缘分别与所述永磁直线发电机外壳两端的所述气缸套筒的底部边缘抵接，该环形定子硅钢叠片用于固定所述绕圈线组并导磁；钛合金支撑管，其套接在所述连杆上；环形动子硅钢叠片，所述环形动子硅钢叠片和所述环形永磁体交替套接在所述钛合金支撑管外侧，所述环形动子硅钢叠片的始端和末端分别由固定环压紧，所述固定环与连杆通过顶丝固定；其中，所述连杆分别穿过所述固定环和所述环形密封垫片，所述固定环与所述连杆通过顶丝固定，连杆首端和末端伸入所述气缸内与所述活塞连接。在本公开的一些实施例中，所述点火装置包括：电热塞，其设置在所述气缸盖上，用于点燃气体燃料；以及直流电源，用于为所述电热塞供电。在本公开的一些实施例中，该发动机的点火方式为电热塞辅助压缩点燃，其中所述直流电源的输出电压范围介于1.6V至2.5V之间，输出电流范围介于3A至4A之间，所述电热塞的发热功率范围介于4.5W至10W之间。在本公开的一些实施例中，该发动机的外部形状为回转体，其长度范围介于150本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机，包括：连杆；永磁直线发电机，包括：环形永磁体，沿长度方向设置在所述连杆上，并与所述连杆固定连接；以及线圈绕组，环绕设置在所述环形永磁体的外侧；以及两个气缸，相对设置在所述永磁直线发电机的两端，每个所述气缸均包括：点火装置，其设置在所述气缸的顶部，用于引燃所述气缸内的气体燃料；以及活塞，设置在所述气缸的内部，且分别与所述连杆的两端连接；其中，所述点火装置点火燃烧后的高温高压燃气推动活塞做功，并带动所述连杆沿其长度方向往复运动，进而带动所述环形永磁体沿所述连杆的长度方向往复运动，使所述线圈绕组切割所述环形永磁体的磁感线，输出电能。

【技术特征摘要】
1.一种微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机，包括：连杆；永磁直线发电机，包括：环形永磁体，沿长度方向设置在所述连杆上，并与所述连杆固定连接；以及线圈绕组，环绕设置在所述环形永磁体的外侧；以及两个气缸，相对设置在所述永磁直线发电机的两端，每个所述气缸均包括：点火装置，其设置在所述气缸的顶部，用于引燃所述气缸内的气体燃料；以及活塞，设置在所述气缸的内部，且分别与所述连杆的两端连接；其中，所述点火装置点火燃烧后的高温高压燃气推动活塞做功，并带动所述连杆沿其长度方向往复运动，进而带动所述环形永磁体沿所述连杆的长度方向往复运动，使所述线圈绕组切割所述环形永磁体的磁感线，输出电能。2.根据权利要求1所述的微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机，所述气缸还包括：气缸套筒，与所述永磁直线发电机固定连接，其顶部设置有气缸盖，其内部中空设置；气缸本体，其贴合所述气缸套筒的内侧壁设置，并与所述活塞间隙配合，其内设置有燃烧腔体；其中所述气缸本体的顶部边缘贴合所述气缸盖的内侧。3.根据权利要求2所述的微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机，其中：所述气缸套筒包括：进气口，其设置在所述气缸套筒的中部，且其开口方向与所述气缸套筒的轴线呈45°夹角并朝向所述气缸套筒的顶部；以及排气口，其与所述进气口沿所述气缸套筒的周向相对设置；所述气缸本体包括：进气口，其设置在所述气缸本体的中部，其开口方向与所述气缸本体的轴线呈45°夹角并朝向所述气缸套筒的顶部，并与所述气缸套筒的所述进气口连通；排气口，与所述气缸本体的所述进气口沿所述气缸本体的周向相对设置，并与所述气缸套筒的所述排气口连通。4.根据权利要求3所述的微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机，其中：所述气缸套筒还包括：圆弧形进气槽，其形成于所述气缸套筒内部，与所述气缸套筒的所述进气口连通，并沿所述气缸本体的外侧周向设置；条形进气槽，其形成于所述气缸套筒的内部，与所述圆弧形进气槽连通，并沿所述气缸本体的长度方向设置；所述气缸本体的所述进气口包括：第一进气口、第二进气口和第三进气口，所述第一进气口、所述第二进气口和所述第三进气口沿所述气缸本体的周向设置，且所述第一进气口、所述第二进气口和所述第三进气口均与所述圆弧形进气槽连通。5.根据权利要求4所述的微型二冲程往复摆动式自由活塞发动机，其中：所述圆弧形进气槽的弧度范围介于180°至230°之间，宽度范围介于5mm至8mm之间，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔文俊，黄福军，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11