燃气蒸汽直线发电机
技术领域
本发明属于废气回收利用以及发电机技术领域，特别涉及一种基于废气余热回收转化蒸汽的燃气蒸汽直线发电机。
背景技术
自由燃气蒸汽直线发电机是由自由活塞式内燃机与直线发电机直接耦合，通过左右燃烧室交替膨胀做功带动直线发电机往复运动发电。该装置机械结构上省略了将活塞的往复运动转化为旋转运动的曲柄连杆机构和机械飞轮，直接利用燃烧室活塞的往复运动驱动直线电机发电，将燃料燃烧产生的热能直接转化为电能输出，提高了机械效率，并能在不改变内燃机结构的情况下调节压缩比以适应汽油、柴油、天然气、甲烷、氢气等多种燃料，而高压缩比均质充量压缩点火(HCCI)的燃烧方式，使得燃料的燃烧效率很高，整个系统效率可达传统内燃机的2～3倍，并且几乎无排放(NOX<10×10-6)。
而现实应用中，自由燃气直线发电机排出的废气具有一定的压力和动能，动力越大则废气的排出速度高；这些具有一定的压力和动能的废气通常不经过任何处理即排向大气中，不仅大大浪费掉了废气的热能，而且还对环境带来了不可估量的影响，加速了温室效应的产生。
发明内容
在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
为解决现有燃气直线发电机浪费废气的热能以及污染环境的问题，本申请提供一种燃气蒸汽直线发电机，其包括第一活塞式燃气动力源、第二活塞式蒸气动力源、一直线发电机以及一余热回收装置，一连杆分别连接第一活塞式燃气动力源和第二活塞式蒸气动力源的两个活塞；所述直线发电机包括设于第一活塞式燃气动力源和第二活塞式蒸气动力源外侧的永磁体，永磁体外侧设置与永磁体相间设置的线圈，两个活塞带动连杆做往复运动时，使得永磁体不断在绕有线圈的铁芯内左右往复运动，切割磁力线，从而产生感应电动势进行发电；所述余热回收装置与第二活塞式蒸气动力源相连接，连杆做一次往复运动后将废气排入余热回收装置，余热回收装置处理后作为第二活塞式蒸气动力源的推动力。
作为一种可行的方案，所述第一活塞式燃气动力源包括左气缸、高压空气瓶和压缩天然气；所述第二活塞式蒸气动力源包括右气缸，右气缸和左气缸相对于直线发电机左右对称设置；左气缸包括在其内部活动设置的第一活塞、与第一活塞连接的连杆、以及火花塞、第一进气阀和第一排气阀，左气缸通过第一活塞形成一密闭的空腔，第一活塞带动连杆在左气缸内做往复运动；高压空气瓶和压缩天然气分别通过管道与左气缸连接；右气缸包括在其内部活动设置的第二活塞、以及第二进气阀、第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀以及进水口，右气缸通过第二活塞分隔为密闭的左腔室和右腔室，左气缸的连杆的自由端连接至第二活塞，第二活塞带动连杆在右气缸内做往复运动；一排气管沿着连杆布置，且连杆位于排气管的内部，即排气管包裹在连杆的外部，使该排气管的一端连接至左气缸的空腔内，另一端连接至右气缸的右腔室内；第一排气阀和第二排气阀直线连通，且分别设置于连杆的两端部；所述余热回收装置包括一水罐，水罐通过第一管道连接至右气缸的第三排气阀，水罐通过第二管道连接到一电磁三通阀，电磁三通阀通过喷水嘴连接到右气缸的进水口，电磁三通阀控制喷水嘴向右气缸的进水口内喷水或者喷气；水罐上还有一个用于排废气(燃气废气和蒸汽)的排气孔；使用时，首先通过高压空气瓶和压缩天然气向左气缸的第一进气阀喷入空气和天然气，达到一定量时，火花塞点火，左气缸燃烧做功，第一活塞向右移动，通过连杆带动第二活塞向右移动，当第二活塞到达右气缸的右边极限(距离右缸的右壁有顶针长度距离)时，第一排气阀和第二排气阀同时打开，左气缸内的高温燃气通过排气管喷入右气缸的右腔室，使右气缸的第二活塞向左移动；当第二活塞到达预设位置C点(预设位置，是由燃气动力推动第二活塞到达的极限位置)时，喷水嘴向右气缸的右腔室内喷水，右气缸的右腔室内高温燃气使水膨胀变成高压水蒸气，做功使第一活塞继续向左移动到达左气缸的左极限位置(A点，距离左缸的左壁有一定长度距离))时，打开第三排气阀排气，一个做功循环完成，继续上述做功循环。
进一步的，所述第一排气阀和第二排气阀分别设置于连杆的两端部，连杆上设有复位弹簧组件；当第二活塞到达右气缸的右边极限时，第一排气阀和第二排气阀同时打开，具体是第二排气阀向左凹陷，对应第一排气阀向左凸出，从而使第一排气阀和第二排气阀连通，进而使排气管的通道导通。
优选的，所述右气缸的右边极限位置设置有顶针，顶针设置在右气缸的右侧壁上，且其位置对应F点排气阀而设置，用于检测第二活塞是否到达右气缸的右边极限位置。
其中，右气缸通过第二活塞分为左腔室和右腔室，左腔室压缩空气到高压空气瓶，右腔室喷水做功，第四排气阀设置于右气缸的左腔室的左侧上部，第二进气阀设置于左侧下部，当第二活塞向右移动时，第二进气阀打开，第四排气阀关闭，向左移动时第二进气阀关闭，第四排气阀打开，排气到高压空气瓶。
优选的，左气缸与右气缸的容积比为1:(4-5)。
进一步的，右气缸上还设有用于监测活塞运动位置的位置传感器。
更进一步的，为避免前几次燃烧做功不足以推动右气缸的第二活塞向左运动的问题，右气缸的底部还设有温度传感器，右气缸上还设有第二火花塞，高压空气瓶和压缩天然气还分别通过管道与右气缸连接；初始启动时，当温度传感器检测温度低于预设值时，使电磁三通阀关闭进水通路，打开连接至高压空气瓶和压缩天然气的通路，向右气缸喷入空气和燃气，达到一定量时，第二火花塞点火，燃料做功使右气缸的第二活塞向左移动，当温度传感器检测到温度达到预设值时，电磁三通阀打开右气缸和水罐之间的进水通路，关闭高压空气瓶和压缩天然气的通路，继续正常情况下的做功循环，发动机恢复正常，右气缸喷水动作低温启动完成。
本发明为一种新型的燃气蒸汽直线发电机，可用于电动汽车，解决了现今电动汽车续航短，充电时间长，不能大范围应用的痛点，使用成本与直接采用市电充电等同。本发明不局限于电动汽车，还可应用于其他任何用电设备的供电。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、通过余热回收装置将废气重新再利用，只排放少量二氧化碳，节能环保；2、结构简单成本低，能效高(70％-80％)，可以比拟燃料电池；3、本申请经过巧妙设计，省掉了启动机，可频繁启动。还设计了低温启动解决方案，解决了前几次燃烧做功不足以推动右气缸的第二活塞向左运动的问题。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1为本发明的燃气蒸汽直线发电机的原理图；
图2为本发明的第一活塞式燃气动力源和第二活塞式蒸气动力源的原理示意图；
图3为图1中连杆和复位弹簧组件部分的放大示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的一种燃气蒸汽直线发电机，其包括第一活塞式燃气动力源、第二活塞式蒸气动力源、一直线发电机以及一余热回收装置，一连杆分别连接第一活塞式燃气动力源和第二活塞式蒸气动力源的两个活塞；直线发电机包括设于第一活塞式燃气动力源和第二活塞式蒸气动力源外侧的永磁体，永磁体外侧设置与永磁体相间设置的线圈，两个活塞带动连杆做往复运动时，使得永磁体不断在绕有线圈的铁芯内左右往复运动，切割磁力线，从而产生感应电动势进行发电；余热回收装置与第二活塞式蒸气动力源相连接，连杆做一次往复运动后将废气排入余热回收装置，余热回收装置处理后作为第二活塞式蒸气动力源的推动力。
本实施例中，参见图1和图2，第一活塞式燃气动力源包括左气缸100、高压空气瓶200和压缩天然气罐300；第二活塞式蒸气动力源包括右气缸400，右气缸400和左气缸100相对于直线发电机500左右对称设置；左气缸100包括在其内部活动设置的第一活塞101、与第一活塞101连接的连杆102、以及火花塞103、第一进气阀104和第一排气阀105(位于图上D点的排气阀，可称为D点排气阀)，左气缸100通过第一活塞101形成一密闭的空腔，第一活塞101带动连杆102在左气缸100内做往复运动；高压空气瓶200和压缩天然气罐300分别通过管道与左气缸100连接。
右气缸400包括在其内部活动设置的第二活塞401、以及第二进气阀402、第二排气阀403(位于图上F点的排气阀，可称为F点排气阀)、第三排气阀404(位于图上S点的排气阀，可称为S点排气阀)、第四排气阀405以及进水口，右气缸400通过第二活塞401分隔为密闭的左腔室410和右腔室420。
左气缸100的连杆102的自由端连接至第二活塞401，第二活塞401带动连杆102在右气缸400内做往复运动；一排气管600沿着连杆102布置，且连杆102位于排气管600的内部，即排气管600包裹在连杆102的外部，使该排气管600的一端连接至左气缸100的空腔内，另一端连接至右气缸400的右腔室420内。
第一排气阀105和第二排气阀403直线连通，且分别设置于连杆102的两端部。
本实施例中，余热回收装置是由装有水的水罐700实现的，水罐700通过第一管道701连接至右气缸400的第三排气阀404，水罐700通过第二管道702连接到一电磁三通阀703，电磁三通阀703通过喷水嘴704连接到右气缸400的进水口，电磁三通阀703控制喷水嘴704向右气缸400的进水口内喷水或者喷气。水罐700上还有一个用于排废气(燃气废气和蒸汽)的排气孔705。
使用时，当左气缸100活塞在A点(A点距离左缸的左壁有一定长度距离)时，通过高压空气瓶200和压缩天然气罐300同时经由第一进气阀104向左气缸100喷入天然气和空气，当达到一定量时，火花塞103点火，发动机启动，左气缸100燃烧做功，第一活塞101向右移动，通过连杆102带动第二活塞401向右移动。为检测第二活塞401是否到达右气缸400的右边极限位置B点(B点距离右气缸的右壁有顶针长度的距离)，右气缸400的右边极限位置设置有顶针406，顶针406设置在右气缸400的右侧壁上，且其位置对应F点排气阀(第二排气阀403)而设置，也即顶针406设置在连杆与F点排气阀的延长线上；当第二活塞401到达B点顶针位置时，D点排气阀(第一排气阀105)和F点排气阀(第二排气阀403)同时打开，左气缸100高温燃气通过排气管600喷入右气缸400的右腔室420，使右气缸400的第二活塞401向左移动。当第二活塞401到达预设位置C点(C点为预设位置，是由燃气动力推动第二活塞401到达的极限位置)时，喷水嘴704喷水，喷水嘴704向右气缸400的右腔室420内喷水，右气缸400的右腔室420内高温燃气使水膨胀变成高压水蒸气，做功使第一活塞101继续向左移动到达左气缸100的左极限位置A点时，打开第三排气阀404排气，一个做功循环完成，接下来继续上述做功循环。通过本申请的余热回收装置对燃气发电机排出废气的余热进行回收，喷水到右气缸400的右腔室420内，右腔室420内的高温气体使右腔室420内的水蒸发为水蒸气，可继续做功，从而省掉了启动机的设置，可实现频繁启动。
第一排气阀105和第二排气阀403同时打开的其中一个解决方案如下：
参见图3，第一排气阀105和第二排气阀403分别设置于连杆102的两端部，连杆102上设有复位弹簧组件，该复位弹簧组件包括缠绕在连杆上的弹簧106，弹簧106的一端固定在连杆102上，弹簧106的另一端设有限位件107；当第二活塞401到达右气缸400的右边极限时，第一排气阀105和第二排气阀403同时打开，具体是第二活塞401到达右气缸400的右边极限B点后，顶针406陷入第二活塞401内部，使得第二排气阀403向左凹陷，对应第一排气阀105向左凸出，从而使第一排气阀105和第二排气阀403连通，进而使排气管600的通道导通。当第二活塞401向左移动，远离B点顶针406之后，第一排气阀105和第二排气阀403在弹簧的作用下自动复位，从而关闭第一排气阀105和第二排气阀403之间的连通通道。
此外，还可以采用其他方法使第一排气阀105和第二排气阀403同时打开。
参见图2，左气缸100与右气缸400的容积比优选比例为1:(4-5)。本实施例中，右气缸400通过第二活塞401分为左腔室410和右腔室420，左腔室410压缩空气到高压空气瓶200，右腔室420喷水做功，左腔室410的左侧上部设有第四排气阀405，左侧上部设有第二进气阀402，当第二活塞401向右移动时，第二进气阀402打开，第四排气阀405关闭，向左移动时第二进气阀402关闭，第四排气阀405打开，排气到高压空气瓶200。
另外，为避免前几次燃烧做功不足以推动右气缸400的第二活塞401向左运动的问题，本发明还特别设计了低温启动方案。具体的，参见图1中的虚线部分，右气缸400的底部还设有温度传感器407，右气缸400上还设有第二火花塞408，高压空气瓶200和压缩天然气罐300还分别通过管道与右气缸400连接。因为低温启动时，前几次燃烧做功的高温废气在到达右气缸400时，被左右气缸400吸走大部分热能，剩余热能不能使足够的水变成高温水蒸气，推动右气缸400活塞向左移动，使发动机不能启动，因此在右气缸400上加了温度传感器407，电磁三通阀703，第二火花塞408，当温度传感器407检测到低温时，使电磁三通阀703关闭进水通路打开高压空气和天然气通路，向右气缸400喷入空气和燃料，达到一定量时第二火花塞408点火，燃料做功使右气缸400活塞向左移动，当温度传感器407检测到温度正常时，电磁三通阀703打开进水通路，关闭空气和天然气通路，发动机恢复正常，右气缸400喷水动作低温启动完成。
本实施例中，右气缸400上还设有用于监测活塞运动位置的位置传感器。
此外，压缩天然气罐300也可以由燃油或者其他动力源替代作为动力，压缩天然气罐300仅作为示例。
通过本申请的余热回收装置不仅可省掉启动机的设置，节约动能，而且该装置可减少燃料的消耗，从总量上减少了烟、气、碳和SO2的排放量；同时，该装置还可降低了整个装置的烟气排放温度，有效降低了温室效应，具有绿色环保、节能减排，成本低廉的优势。本发明不局限于电动汽车，还可应用于其他任何用电设备的供电，应用广泛，具有非常好的使用前景。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。
