自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞制造技术

一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞，包括沿活塞轴同轴布置的一个或更多元件，其中所述活塞的长度至少为其最大直径的五倍，其中所述元件中的至少一个由导磁复合材料形成，该导磁材料具有比电工钢的各向同性电阻率的两倍大的各向同性电阻率，这种布置提供改进的自由活塞位置控制、更一致的燃烧和改进的电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】活塞和在该活塞上施加力的方法
本专利技术涉及一种活塞，特别地，涉及一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞。
技术介绍
在常规的内燃机中，活塞由于被连接至曲轴而被机械地限制在其汽缸中，曲轴由于活塞在汽缸中的往复线性移动而被旋转性地驱动。然而，在自由活塞式发动机中，活塞不与曲轴连接，尽管活塞可以被提供在具有例如在US-A-7383796中教导的外部机械联接的这种类型的发电机中。进一步地，已知可通过在自由活塞式发动机中的往复活塞通过一个或更多电线圈的移动产生磁通变化来发电，例如US-A-7318506。在这种布置中，活塞携带第一线圈且随着其在汽缸中的往复运动其在环绕该汽缸的第二线圈中产生电流。然而，活塞由可渗透磁通的固体材料制成，且必须相对于汽缸的长度非常短，以使其在穿过第二线圈时可以感应磁通变化。在现有的自由活塞式发动机中，活塞的长度通常小于燃烧室的汽缸孔的直径的五倍。自由活塞式发动机中的电机的输出功率由气隙的面积决定，为了实现由直径和工作容积确定的用于给定燃烧室的几何形状的足够的气隙面积，电机的直径通常大于燃烧室的直径。这种直径的变化需要复杂和昂贵的机械方法来密封每个燃烧室，并确保它们彼此同轴对准，且与中间的电机的轴同轴对准。自由活塞式发动机驱动型发电机的三个主要的设计挑战为：第一，要实现尺寸适于发动机的燃烧功率输出的电机的高电机效率；第二，要实现活塞运动控制和燃烧室设计的良好度，以使能够确保燃烧过程效率和完全性；第三，以尽可能最低的成本解决以上两种挑战。
技术实现思路
本专利技术提供一种与活塞、燃烧室和电机的设计有关的部件的有利组合，这些部件共同提供一种高效率的燃烧过程，允许燃烧功率输出的高效率的电功率转换，提供作用于低活塞质量的高电机控制力用于更一致的燃烧过程控制，并且避免在活塞中使用昂贵的稀土磁性材料和发动机中燃烧机构和发电机构之间复杂的设计接口。因此，本专利技术处理了每个指明的设计挑战。根据本专利技术，提供一种用于发动机驱动型发电机的活塞，包括一个或更多导磁元件，该一个或更多导磁元件具有各向同性的导磁率和电阻率，沿活塞轴布置并通过夹紧装置或其它装置固定，以使相邻元件之间保持接触，其中该活塞的长度至少为其最大直径的五倍。活塞长度与活塞直径的比率提供燃烧室的功率输出和具有与细长活塞的圆柱形表面相同的面积的气隙的功率容量之间更好的匹配。因此，气隙直径和燃烧室直径可以相等，且位于活塞的相对端部的燃烧室之间不需要直径的变化，因此，这种活塞使得自由活塞式发动机能够以比现有类型的自由活塞式发动机更低的成本构造。进一步地，本专利技术提供一种活塞，该活塞在发动机驱动型发电机中特别有效，具有沿活塞在其中往复移动的汽缸隔开的多个线圈，其线圈提供轴向磁通电机结构，其中环形磁通回路与活塞的行进方向同轴。活塞元件的各向同性的磁导率和电阻率允许此轴向磁通结构具有在活塞中的最小涡流损耗，提供比其它自由活塞式发动机电机构思更高的效率和控制力。进一步地，在该轴向磁通构造中的移动活塞质量低于在等效横向磁通构造中的可能的移动活塞质量，改进了由线圈施加的电磁力的控制权，并允许与横向磁通构造相比改进的活塞运动控制。优选地，活塞顶被提供在活塞的每个端部，以保护铁芯和隔离元件免受燃烧的影响。可替代地，每个活塞可具有面向燃烧室的单个活塞顶，活塞的相对端面向用作在每个动力冲程结束时反转活塞的方向的缓冲室。可替代地，每个活塞可具有面向两个对置的活塞之间的中心燃烧室的单个活塞顶，该两个对置的活塞以彼此相反的相位移动以实现充分平衡的发电机单元。优选地，活塞顶由诸如陶瓷或钛的轻质、耐高温和绝缘的材料制成，和/或具有凹面以减少在上止点时的热损失。优选地，活塞顶涂覆氧化催化剂材料或由氧化催化剂材料制成，该氧化催化剂材料提高燃烧室中的燃烧的一致性和完全性。优选地，活塞顶的暴露的表面面积至少为活塞的截面面积的两倍，从而提高燃烧催化剂的效力。优选地，活塞轴为中空的，以减小活塞质量，并且同轴布置在活塞轴上的一个或更多导磁元件形成为具有相同外径的环形圈。优选地，汽缸的圆周表面的一部分涂覆减阻和耐磨材料。附图说明现在将参照附图描述本专利技术的示例，其中：图1示出具有根据本专利技术示例的活塞的自由活塞式发动机驱动型发电机的汽缸的纵剖面，该活塞在两个端部均具有活塞顶；图2为图1中的活塞的纵剖面，示出同轴布置在中空活塞轴上的元件的构造；图3为活塞的垂直剖面，示出轴和环形元件的同心布置；图4为活塞的替代实施例的纵剖面，其只在一个端部具有活塞顶；图5为图1中的活塞和汽缸的剖视图，例示由线圈和根据本专利技术的活塞的移动在开关定子元件中引起的磁通；图6为活塞和汽缸的垂直剖面，示出极为接近地布置在活塞中的线性发电机定子和导磁元件；图7为在充气位移扫气阶段期间进气阀、进气滑动口阀开口和燃料喷射器的布置的更详细的纵剖面；图8为在排气阶段期间包括排气阀和致动器的排气装置的更详细的纵剖面；图9为示出在完整的发动机循环期间汽缸内的变化的活塞位置和在该期间发动机循环事件定时的时间-位移图；图10为示出在完整的发动机循环期间典型的汽缸压力图的压力-容积图；图11为在压缩阶段终点并大约在第一室内燃烧事件的火花点火和启动时在上止点的汽缸的示意纵剖面；图12为第一室的膨胀阶段中途的汽缸的示意纵剖面；图13为在膨胀阶段终点并在进气和排气阀打开之前的汽缸的示意纵剖面；图14为在进气阀打开以充满室1后的汽缸的示意纵剖面，允许充气流体压力等于第一室中的较低汽缸压力；图15为在排气阀打开并且同时进气阀仍然打开以对第一室扫气后的汽缸的示意纵剖面；图16为在进气阀已关闭后在燃料喷射到第一室期间的汽缸的示意纵剖面；图17为在润滑剂和/或冷却剂喷射到活塞外表面上期间的汽缸的示意纵剖面；图18为排气阀打开并且进气阀和滑动口阀关闭后以使通过活塞位移实现从第一室继续排出废气的汽缸的示意纵剖面；图19为第一室中的压缩阶段中途的汽缸的示意纵剖面；在这些附图和说明书中，使用以下标记：1-汽缸1a-第一进气口开口1b-第二进气口开口2-活塞2a-活塞外表面2b-活塞端面2c-活塞轴2d-活塞顶2e-润滑控制部件2f-导磁活塞磁心元件2g-非导磁活塞隔离元件2h-活塞轴端部2i-活塞轴盖3-第一燃烧室3a-第一燃烧室高度3b-第一燃烧室直径4-第二燃烧室5-燃料喷射装置5a-燃料6-进气装置6a-进气滑动口阀开口6b-进气口6c-进气阀6d-进气阀致动器6e-充气压缩机6f-进气歧管6g-进气阀凹部6h-进气通道7-排气装置7a-汽缸盖7b-排气阀7c-排气阀致动器7d-排气歧管通道8-点火装置9-线性发电机装置9a-线圈9b-开关装置9c-导磁定子元件9d-控制模块9e-电输出装置10-润滑剂和冷却剂施加装置T1、T2、T3和T4-定子和活塞元件中的环形磁通路线具体实施方式图1示出提供在自由活塞式发动机驱动型发电系统中的本专利技术的示例。可见活塞2沿汽缸1的长度自由移动，活塞被约束为与汽缸1同轴对准，从而将汽缸1有效地分隔成第一燃烧室3和第二燃烧室4，每个室根据活塞2在汽缸1内的位置而具有可变容积。活塞2的任何部分都不伸出汽缸1。使用第一室3作为示例，室3、4中的每个均具有可变高度3a和固定直径3b。优选地，汽缸1围绕其轴线旋转对称，并相对于垂直于其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞，包括沿活塞轴同轴布置的一个或更多元件，其中所述活塞的长度至少为其最大直径的五倍，其中所述元件中的至少一个由导磁材料形成，该导磁材料具有比电工钢的各向同性电阻率的两倍大的各向同性电阻率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.08.10 GB 1113746.01.一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞，包括沿活塞轴同轴布置的一个或更多元件，其中所述元件中的至少一个由导磁且电渗透的复合材料形成，其特征在于：所述导磁且电渗透的复合材料在所有方向上均具有大于5.0×10-6Ω·m的各向同性电阻率，所述活塞的长度至少为其最大直径的五倍，所述活塞被布置在用于感应与所述活塞的轴线同轴的多个环形磁通回路的磁通产生装置中，并且所述磁通产生装置包括多个同轴线圈和定子元件，该多个同轴线圈和定子元件被布置为极为接近所述活塞，以使所述活塞的移动切割所述环形磁通回路并由此引起由所述磁通产生装置施加的磁通的变化。2.根据权利要求1所述的活塞，还具有开关装置，所述磁通能通过该开关装置以至少100Hz的频率变化。3.根据权利要求1所述的活塞，被布置在具有润滑剂和冷却剂施加装置的自由活塞式发动机中，该润滑剂和冷却剂施加装置允许冷却剂和/或润滑液直接喷射到所述活塞的表面上。4.根据权利要求1所述的活塞，其中所述元件中的至少一个由非磁性材料形成，并且每个元件被固定为使得相邻元件之间保持接触。5.根据权利要求1所述的活塞，进一步包括提供在所述活塞的一个或两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：塞缪尔·爱德华·科克里尔，
申请(专利权)人：自由活塞式发动机有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB