一種三燃動力雙模集成發電的製造方法

2023-05-01 04:55:56

一種三燃動力雙模集成發電的製造方法
【專利摘要】本發明是一種三燃動力雙模集成發電機，其特徵是：兩個對置的動力環形活塞和轉子環形活塞，以二衝程方式工作的動力活塞及活塞連杆上的齒輪組將往復運動轉換成外凸輪與對置活塞的圓周運動，未完全燃燒的燃氣排人中央通道中，進一步充分燃燒做功，尾氣繼續加熱斯特林氣缸的受熱端後排出；中心軸齒輪與轉子活塞齒輪之間的行星減速齒輪把低速轉子活塞與高速渦輪連接起來，同時斯特林機組在中心軸帶動下旋轉發電，斯特林活塞做直線發電，轉子環形活塞內外壁旋轉發電，外凸輪旋轉發電；在前端的進氣離心渦輪將空氣壓縮進入環形增壓散熱潤滑室，冷卻氣缸壁，潤滑運動摩擦部件，保障發動機正常平穩運行。
【專利說明】一種三燃動力雙模集成發電機

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種"三燃動力雙模集成發電機"裝置，屬於依靠燃油燃燒依次通過活 塞、潤輪和斯特林熱機三次做功產生動力並依靠旋轉發電、直線發電兩種發電方式的一種 機械裝置，本發明結合了內燃機（活塞發動機與渦輪發動機）和外燃機（斯特林發動機） 的優點，將燃氣做功有效轉化為電能，避免了油耗過大，提高了集成發電機整體的熱效率。

【背景技術】
[0002] 傳統的以燃油為原料的發電機系統是"活塞氣缸（燃氣做功）--曲軸傳動（將 活塞的直線運動變為圓周運動）--帶動旋轉發電機"，或者是"燃氣輪機（燃氣做功）-- 旋轉軸帶動旋轉發電機"兩種方式，傳統的活塞發動機和燃氣輪機都存在結構複雜、熱效率 低、油耗1?等問題。
[0003] 此發明在本人另一項發明"環形活塞與燃氣渦輪聯合發動機"（專利申請號：）基 礎上，結合外燃機以及"旋轉和直線"兩種發電方式，使得燃油做功可以最高效率轉化為電 能，突破了現有柴燃發電機組的技術瓶頸。
[0004] 傳統的斯特林發動機由於結構複雜，散熱條件欠佳以及封閉性問題難以解決等問 題難以得到廣泛應用，本發明中的斯特林機組不對外做機械運動，僅以活塞運動轉化為電 能，因此系統結構簡單可靠。


【發明內容】

[0005] 針對上述問題，本發明結合了內燃發動機與外燃發動機兩者的優點，並能充分有 效活塞渦輪的旋轉和直線運動直接發電，使之協調統一對外輸出電力，本發明解決其技術 問題所採用的技術方案及有益效果是：
[0006] 1、"二衝程環形活塞與發電機轉子活塞"其特徵是：一端的環形活塞和氣缸構成 一個中空的圓筒，這是一個二衝程的動力活塞和氣缸，另一端的發電機轉子活塞對稱反向 布置，上下兩個活塞由於有三根或四根活塞連杆剛性連接，持續同步反向運動，活塞運動周 期按二衝程方式運動，運動周期所需時間是四衝程周期的一半，在單位時間裡做功是四衝 程的兩倍，同時將還未完全燃燒結束的氣體排進中央通道，供燃氣渦輪機組來繼續完成燃 氣做功的運動，二衝程的運動方式不僅提高了單位輸出功率（單位時間、單位體積、單位重 量），還簡化了系統設計，減少了很多四衝程所必須的氣門和控制氣門的凸輪軸，從能量利 用方面看也省略了這部分零件運動所耗費的能量；動力活塞表面根據高壓燃油噴嘴的方向 布置特定的燃燒凹槽和微齒面，使得高壓燃油噴霧的燃燒直接促使環形活塞按照特定方向 旋轉及直線運動。
[0007] 2、安裝在活塞連杆上的齒輪組在外圍三峰三谷或四峰四谷（對應於活塞連杆的 數量）的外凸輪的齒輪邊上滾動；由於活塞連杆上的齒輪組與外凸輪的接觸為齒輪滾動， 傳動效率高且可靠性強；活塞的上下往復運動轉換為外凸輪的圓周運動，完成了氣缸活塞 的對外做功，外凸輪同時也是外發電機的轉子部分；在外周轉凸輪的反作用力下，動力活塞 與轉子活塞本身也產生與外凸輪反向的旋轉運動，轉子活塞的旋轉運動為旋轉發電創造了 條件；轉子活塞本身也是環形結構，內、外圈都是旋轉發電機的轉子。
[0008] 3、"燃氣渦輪發動機"其特徵是：一組動力渦輪安裝在中心軸上，放置在環形氣缸 中空的圓筒裡，下氣缸蓋將中心圓筒的下端封閉，中心軸通過下氣缸蓋，向心渦輪在氣缸排 出的高溫高壓氣體下做功，同時引導氣流向後運動；在發電機轉子活塞外側，隨動的轉子氣 缸構成一個內齒輪，並通過行星減速齒輪與中心軸相連，這樣中心軸從燃氣渦輪獲得的旋 轉動力與活塞組的旋轉動力統一起來了；行星減速齒輪外側安裝一個進氣風扇，用於發電 機降溫、動力氣缸壁降溫和進氣增壓。
[0009] 4、在尾氣排放外側安裝一套四缸聯動的斯特林外燃機組，斯特林機組的受熱端被 高溫尾氣直接加熱，斯特林機組與中心軸連接，在中心軸的驅動下旋轉，氣缸冷端散熱條件 好，活塞在封閉氣缸內直線往復運動，活塞表面安裝有永磁鐵，氣缸外有線圈，活塞與氣缸 構成直線發電機；由於斯特林機組本身不對外做功，因此無活塞連杆破壞封閉氣缸，保證了 氣缸的氣密性，使得斯特林機組可以使用輕質高壓的工質氣體（例如氦氣），提高了斯特林 機組熱效率。
[0010] 5、"環形增壓、散熱與潤滑室"其特徵是：外殼通過上下氣缸蓋與發動機本體剛性 連接，外殼對應於外周轉凸輪、轉子活塞的部分有漆包線繞組，外殼與氣缸外壁以及最底端 的氣缸蓋共同構成了一個環形圓筒狀的半封閉空間，頂部離心渦輪將新鮮空氣增壓後進入 "環形增壓與散熱室"，氣缸外壁有大量的散熱片，可以將熱量傳導給空氣，在冷卻氣缸壁的 同時還進一步預熱空氣，這部分被傳統活塞發動機浪費的能源轉變為空氣的內能，這種能 量回收利用方式簡潔高效，不需要再加額外的設備和消耗二次能源，傳統發動機為了散熱 需要增加散熱器、散熱風扇、循環水泵以及連接管路等；本發明中的發動機潤滑油以典型的 二衝程發動機的潤滑方式，即將潤滑油霧混合進空氣當中，隨著增壓空氣有效分布在氣缸、 活塞、連杆、凸輪、齒輪、軸承摩擦副的接觸面，可以持續有效地保障發動機整體的正常運 行；氣缸進氣口開在環形氣缸的外壁上，與"環形增壓、散熱與潤滑室"連通，排氣口開在環 形氣缸的內壁上，與中央通道連通，進、排氣口都無需氣門以及氣門控制機構，依靠內部活 塞來控制開啟和關閉，環形活塞在燃氣做功排氣行程中依次先開啟排氣口，再開啟進氣口， 在進氣壓縮行程中依次先關閉進氣口，再關閉排氣口；本發明中的發動機由於氣缸進氣只 是空氣與少量潤滑油的霧化微粒，在活塞壓縮行程終了時通過高壓共軌向缸內噴射燃油， 以開始燃燒做功的行程，由於氣缸與活塞都是環形長圓筒狀的，而且氣缸蓋外部都安裝了 旋轉運動的斯特林機組，因此本發明的發動機將高壓燃油噴嘴徑向向心布置在氣缸周圍， 而高壓共軌油管也是在"環形增壓、散熱與潤滑室"裡，這樣可以對燃油進行預熱處理，增加 燃油的內能有利於燃油在噴射瞬間霧化更加充分，燃燒做功更快；高壓燃油泵是一個需要 二次能源帶動的設備，安置在外殼以外，便於安裝檢修、維護保養。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 附圖文件裡的圖1是：軸向剖面示意圖，圖2是：活塞連杆齒輪組與凸輪軌道組合 示意圖。
[0012] 圖1軸向剖面示意圖說明：
[0013] 1是離心進氣渦輪 2是渦輪機組中心軸3是轉子內齒輪
[0014] 4是轉子氣缸活塞 5是含漆包線外殼 6是漆包線內殼
[0015] 7是活塞連杆 8是環形氣缸外壁 9是環形氣缸內壁
[0016] 10是尾氣做功渦輪11是動力氣缸蓋 12是斯特林氣缸熱端
[0017] 13是中部活塞 14是斯特林氣缸冷端15是中心軸齒輪
[0018] 16是行星減速齒輪17是轉子活塞內壁 18是轉子活塞外壁
[0019] 19是連杆上的齒輪組20是外周轉凸輪 21是氣缸內壁隔斷
[0020] 22是動力活塞 23是進氣口 24是燃氣做功室
[0021] 25是排氣口 26是高壓燃油噴嘴 27是斯特林機組外壁
[0022] 28是離心渦輪風扇 29是斯特林機組外壁30是底部保護外殼
[0023] 圖2活塞連杆齒輪組與凸輪軌道組合示意圖說明：
[0024] 31是外周轉凸輪 32是凸輪軌道的上斜齒輪面
[0025] 33是軌道的立齒輪面 34是凸輪軌道的下斜齒輪面
[0026] 35是活塞連杆齒輪組的上斜齒輪面36是活塞連杆齒輪組的立齒輪面
[0027] 37是活塞連杆齒輪組的下斜齒輪面38是對置活塞連杆

【具體實施方式】
[0028] 1、頂端的進氣渦輪將空氣壓縮進入"環形增壓、散熱與潤滑室"，空氣通過環形氣 缸外壁上的散熱片進一步吸收熱量、增加內能和冷卻氣缸壁，潤滑油在壓縮空氣裡充分霧 化，有效潤滑氣缸、活塞、連杆、凸輪、齒輪和軸承的摩擦副；
[0029] 2、當環形動力活塞做功排氣行程終了時開啟了氣缸進氣口，空氣進入氣缸掃氣， 當環形活塞壓縮空氣行程終了時，高壓燃油噴嘴向氣缸裡噴射燃油開始燃燒做功，活塞連 杆上的齒輪組在外凸輪軌道上滾動，將活塞往復運動轉換成凸輪的圓周運動，由於凸輪軌 道的反作用力，對置活塞以相反方向做圓周運動；活塞連杆齒輪組都是以連杆為中心軸，受 力方向集中到連杆的垂直方向，運動受力部件結構強度高，齒輪傳動效率高；
[0030] 3、當活塞做功完畢開啟排氣口時，燃氣從排氣口排出衝擊燃氣渦輪做功，在中央 通道裡未完全燃燒的燃氣充分燃燒，通過燃氣渦輪繼續膨脹做功，最後向斯特林機組的氣 缸受熱端排出，加熱封閉在斯特林機組裡的工質氣體；由於斯特林機組隨中心軸聯動，氣缸 冷端有離心風扇形成良好的散熱條件，使得氣缸裡的活塞可以快速往復運動，斯特林活塞 上安裝永磁體，氣缸套上有漆包線，活塞的往復可以直接進行直線發電；
[0031] 4、燃氣渦輪機組一方面直接帶動同軸的進氣離心渦輪運動，同時另一方面也帶動 中心軸齒輪高速旋轉，行星減速齒輪將高速中心軸齒輪與低速的轉子活塞齒輪連接起來同 步運動，內部中心軸齒輪與外部轉子活塞齒輪的旋轉方向相反；
[0032] 5、本發明中保證發動機正常平穩運行的"冷卻散熱設備"、"潤滑油設備"、"尾氣增 壓設備"以及"旋轉發電設備"直線發電設備"高度集成，無需另外增加設備。
【權利要求】
1. 一種"三燃動力雙模集成發電機"，其特徵是：兩個對置的動力環形活塞和轉子環形 活塞，以二衝程方式工作的動力活塞及活塞連杆將往復運動轉換成凸輪的圓周運動，未完 全燃燒的燃氣排人中央通道中進一步充分燃燒，並通過燃氣渦輪做功，尾氣繼續加熱斯特 林氣缸的受熱端和工質氣體，斯特林機組整體在中心軸帶動下旋轉發電，冷端在離心風扇 作用下冷卻工質氣體，活塞往復運動做直線發電，位於轉子齒輪與中心軸齒輪之間的行星 減速齒輪把低速轉子活塞與高速渦輪連接起來，在前端的進氣離心渦輪將空氣壓縮進入環 形增壓散熱潤滑室，冷卻氣缸壁，潤滑運動摩擦部件，保障發動機正常平穩運行。
2. 根據權利要求1所訴的發電機，"動力環形活塞"其特徵是：動力活塞表面根據高壓 燃油噴嘴的方向布置特定的燃燒凹槽和微齒面，使得高壓燃油噴霧的燃燒直接促使環形活 塞按照特定方向旋轉及直線運動。
3. 根據權利要求1所訴的發電機，"轉子環形活塞"其特徵是：轉子活塞與動力活塞都 是環形結構，對稱布置，中間有活塞連杆相連，轉子活塞的內、外壁都安裝有永磁體，相鄰的 內、外定子上安裝有漆包線。
4. 根據權利要求1所訴的發電機，"活塞連杆齒輪組與傳動凸輪"其特徵是：活塞連杆 將動力活塞和轉子活塞剛性連接，以保證兩個環形活塞同步運動，在活塞連杆中端有一齒 輪組，齒輪組可以在凸輪圓周波浪軌道上滾動，活塞的往復運動被傳遞到凸輪波浪軌道上， 使得凸輪可以進行圓周運動，同時由於軌道的反作用力，使得動力活塞和轉子活塞做方向 相反的旋轉運動，所有的旋轉部件都可以實現旋轉發電。
5. 根據權利要求1所訴的發電機，"全封閉斯特林發電機組"其特徵是：四個封閉氣缸 以軸對稱方式分布在中心軸周圍，每個封閉式氣缸的熱端與另一個封閉式氣缸的冷端有管 道聯通，管道中間有一個多空泡沫金屬作為回熱器，封閉式氣缸兩端是金屬材質的熱端和 冷端，中間是隔熱材料絕熱段，中段氣缸壁安裝有漆包線，活塞表面安裝有永磁體，活塞在 兩端工質氣體的熱脹冷縮條件下快速往復運動，形成直線發電；斯特林機組整體在中心軸 帶動下高速旋轉，一方面可以使得冷端在離心風扇作用下快速散熱，另一方面又可以形成 旋轉發電，斯特林活塞不對外輸出動力，無複雜的活塞連杆，使得氣缸的封閉性問題得以解 決，使用輕質高壓的工質氣體（例如氦氣）可以提高系統熱效率。
6. 根據權利要求1所訴的發電機，"集成發電機內部行星減速齒輪"其特徵是：渦輪中 心軸齒輪與轉子活塞的內齒輪是一對同心圓，兩者旋轉方向相反，渦輪中心軸齒輪是高速 旋轉的部件，而轉子活塞齒輪是相對低速旋轉的部件，分布在同心圓之間的行星減速齒輪 把低速的轉子活塞齒輪與高速的渦輪中心軸齒輪連接在一起，保證發電機系統內部兩個做 功部件同步協調運動，這樣就把活塞和渦輪做的功統一起來了。
【文檔編號】F02G1/044GK104121093SQ201410331012
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】曾濤 申請人:曾濤