[发明专利]自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞

说明书

技术领域

本发明涉及一种活塞，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。 

背景技术

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。 

发明内容

本发明提供一种与活塞、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，本发明处理了每个指明的设计挑战。 

根据本发明，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，本发明提供一种活塞，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发明的示例，其中： 

图1示出具有根据本发明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；