一种二冲程自由活塞发电系统及其发电方法技术方案

本发明专利技术公开了一种二冲程自由活塞式发电系统及其发电方法，该系统包括燃烧系统、回复装置(11)、电机系统、电子控制单元(1)、功率变换器(2)以及储能装置(3)。通过调节直线电机中线圈电流的大小和持续时间来控制自由活塞运动组件的位移，实现自由活塞发电系统可变压缩比和可变行程的优势。本发明专利技术公开的自由活塞发电系统采用二冲程循环工作，且效率高、成本低、排放小、燃料普适性广，相比于同类系统所占体积较小，具有同类系统不具备的便携性优势。可用于增程式混合动力汽车、分布式发电、辅助电源等领域。

A Two-stroke Free Piston Power Generation System and Its Generation Method

The invention discloses a two-stroke free piston power generation system and its generating method, which comprises a combustion system, a recovery device (11), a motor system, an electronic control unit (1), a power converter (2) and an energy storage device (3). The displacement of the free piston motion module is controlled by adjusting the coil current and duration of the linear motor. The advantages of variable compression ratio and variable stroke of the free piston power generation system are realized. The free piston power generation system of the invention adopts a two-stroke cycle operation, and has high efficiency, low cost, small emission and wide fuel universality. Compared with the similar system, the free piston power generation system has smaller volume, and has the advantages of portability that the similar system does not have. It can be used in the fields of augmented hybrid electric vehicle, distributed generation, auxiliary power supply and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种二冲程自由活塞发电系统及其发电方法
本专利技术属于发电
，特别涉及一种二冲程自由活塞发电系统及其发电方法。
技术介绍
目前，由于能源危机和环境污染，寻找一种可持续发展的清洁能源是目前各行业面临的共性问题。对于汽车工业来说，虽然纯电动汽车是未来汽车的主流方向，但是受制于基础科学的限制，电动汽车还不能全方面取代传统车辆的地位，由此，发展混合动力汽车成为了传统汽车向纯电动汽车过渡的最佳选择。自由活塞发电系统去除了传统发动机结构中的曲柄连杆结构，比传统曲轴式发动机结构紧凑，且活塞在运动时不会受到侧向力作用，减小了摩擦损耗。由于自由活塞发电系统具有压缩比可变的特性，能够结合相应工况进行优化和减排，也具有适应多种燃料的能力。目前常见的自由活塞发电系统结构为双活塞式，即燃烧室布置在中央，两边分别布置一个燃烧室，采用二冲程循环工作，一个燃烧室处于做功状态时，推动活塞为另一个燃烧室的压缩冲程提供能量。此结构对于控制系统要求苛刻，难以实现样机的连续稳定运行，且当采用双活塞式结构时，工作循环只能采用二冲程循环，目前尚未有实现能连续稳定运行的双活塞式样机的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种运行稳定、控制精确的二冲程自由活塞发电系统及其发电方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种二冲程自由活塞发电系统，包括燃烧系统、电机系统、回复装置以及电子控制单元，所述燃烧系统包括点火装置、发动机缸头、自由活塞、进气口、扫气室、排气口、燃料喷射装置和燃烧室，所述燃料喷射装置和点火装置位于所述发动机缸头的上部，所述自由活塞位于发动机缸头内部，发动机缸头内位于所述自由活塞上方的空间为燃烧室，发动机缸头内位于所述自由活塞下方的空间为扫气室，进气口和排气口分别设置于发动机缸头的侧壁上，所述电机系统包括线圈、电机动子和永磁体，其中电机动子内的线圈为螺线管排列，电机动子与所述自由活塞固定连接构成活塞运动组件，永磁体位于电机动子外且位于线圈的内侧，在活塞运动组件上设置有活塞运动位置的检测元件，所述回复装置设置于自由活塞的下部。进一步地，所述发电系统还包括功率变换器和储能装置，所述电子控制单元通过导线分别与燃料喷射装置、点火装置以及功率变换器相连，功率变换器和储能装置相连接。进一步地，所述燃烧室内设置有压力传感器，所述自由活塞上设置有位移传感器，所述压力传感器与位移传感器分别与电子控制单元连接。进一步地，所述线圈分别与电子控制单元和功率变换器连接。进一步地，所述回复装置是机械弹簧或气体弹簧或液压回复装置。进一步地，所述储能装置是蓄电池或者超级电容器或者二者的组合。根据上述所述的二冲程自由活塞发电系统的发电方法，包括以下步骤：步骤一：在系统启动时，电子控制单元通过控制功率变换器的工作状态使电机系统工作于电动模式，由储能装置向电机系统提供电能，通过控制电流的大小和方向，电机动子带着自由活塞向下运动，新鲜空气逐渐由进气口进入缸内，同时下方的回复装置被压缩，将电能储存为弹性势能；步骤二：启动冲程完成后，系统进入二冲程工作循环，二冲程工作循环包括压缩冲程和膨胀冲程，当压缩冲程开始时，在回复装置的作用下，自由活塞向上运动，电机动子切割磁感线发电，电能通过功率变换器存入储能装置中，活塞运动组件上行的同时逐渐关闭排气口，对缸内的混合气进行压缩，在接近压缩冲程末时，燃料喷射装置向缸内喷射燃料，点火装置于压缩冲程末点燃混合气，在压缩过程中，电子控制单元根据缸内压力信号和活塞运动组件的位移信号判断缸内混合气的燃烧状态，当缸内混合气正常燃烧时，电机系统在膨胀冲程将工作于发电模式，将燃烧产生的能量转化为电能储存，当检测到缸内混合器燃烧不充分或出现失火时，电机系统在膨胀冲程将工作于电动模式；步骤三：当电机系统在膨胀冲程工作于电动模式时，点火装置于压缩冲程末对缸内混合气进行点燃，缸内混合气燃烧不充分或是未被点着，电子控制单元根据压力传感器信号判断缸内燃烧工况后，通过功率传感器向电机系统提供电能，使电机系统工作于电动模式，带动活塞运动组件向下运动，此过程逐渐打开排气口和进气口，完成缸内换气，同时向下压缩回复装置，当自由活塞到达下换向点时，膨胀冲程结束，随后回复装置推动活塞运动组件上行发电，进入压缩冲程；当电机系统在膨胀冲程工作于发电模式时，点火装置于压缩冲程末对缸内混合气进行点燃，混合气被点燃，释放的能量推动活塞运动组件下行，电机动子切割磁感线发电，电子控制单元通过控制功率变换器使电机系统工作于发电模式，所发电能通过功率变换器存入储能装置中，活塞运动组件下行过程逐渐打开排气口和进气口，完成缸内换气，同时向下压缩回复装置，当自由活塞到达下换向点时，膨胀冲程结束，随后回复装置推动活塞运动组件上行发电，进入压缩冲程。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：本专利技术的自由活塞发电系统采用二冲程工作循环，电控通过活塞位置、缸内压力以及电流等信号，判断缸内燃烧状态，而后通过功率变换器对电机系统的工作状态、电机电流的大小以及方向进行控制，从而保证系统的连续稳定运行，同时控制电流的大小和持续时间，还可以改变活塞运动组件的上下换向点，实现了压缩比可变，这使得本专利技术的自由活塞发电系统具有良好的燃料普适性，本专利技术公开的自由活塞发电系统采用二冲程循环工作，效率高、成本低、排放小、燃料普适性广，相比于同类系统所占体积较小，具有同类系统不具备的便携性优势。附图说明图1为本专利技术二冲程自由活塞发电系统组成图。图2为本专利技术二冲程自由活塞发电系统工作循环示意图。图中：1.电子控制单元；2.功率变换器；3.储能装置；4.点火装置；5.发动机缸头；6.自由活塞；7.进气口；8.扫气室；9.线圈；10.电机动子；11.回复装置；12.永磁体；13.排气口；14.燃烧室；15.燃料喷射装置。具体实施方式下面结合说明书附图，对本专利技术作进一步的说明。结合图1，一种二冲程自由活塞发电系统，包括燃烧系统、电机系统、回复装置11以及电子控制单元1，所述燃烧系统包括点火装置4、发动机缸头5、自由活塞6、进气口7、扫气室8、排气口13、燃料喷射装置15和燃烧室14，所述燃料喷射装置15和点火装置4位于所述发动机缸头5的上部，所述自由活塞6位于发动机缸头5内部，发动机缸头5内位于所述自由活塞6上方的空间为燃烧室14，发动机缸头5内位于所述自由活塞6下方的空间为扫气室8，进气口7和排气口13分别设置于发动机缸头5的侧壁上，所述电机系统包括线圈9、电机动子10和永磁体12，其中电机动子10内的线圈9为螺线管排列，电机动子10与所述自由活塞6固定连接构成活塞运动组件，永磁体12位于电机动子10外且位于线圈9的内侧，在活塞运动组件上设置有活塞运动位置的检测元件，所述回复装置11设置于自由活塞6的下部。进一步地，所述回复装置为机械弹簧11，机械弹簧11固定在直线电机动子10和底部之间，当自由活塞6下行时，机械弹簧11被压缩，起到调节自由活塞6位移和储能的作用；当自由活塞6上行时，机械弹簧11回复释放储存的弹性势能。进一步地，所述电子控制单元1在发动机工作时，根据发动机内的燃烧状态对电机的工作模式进行调节，控制电机线圈中的电流大小和方向以及喷油点火等信号，与上位机保持通信，对自由活塞发电系统进行调试和控制。功率变换器2可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二冲程自由活塞发电系统，其特征在于，包括燃烧系统、电机系统、回复装置(11)以及电子控制单元(1)，所述燃烧系统包括点火装置(4)、发动机缸头(5)、自由活塞(6)、进气口(7)、扫气室(8)、排气口(13)、燃料喷射装置(15)和燃烧室(14)，所述燃料喷射装置(15)和点火装置(4)位于所述发动机缸头(5)的上部，所述自由活塞(6)位于发动机缸头(5)内部，发动机缸头(5)内位于所述自由活塞(6)上方的空间为燃烧室(14)，发动机缸头(5)内位于所述自由活塞(6)下方的空间为扫气室(8)，进气口(7)和排气口(13)分别设置于发动机缸头(5)的侧壁上，所述电机系统包括线圈(9)、电机动子(10)和永磁体(12)，其中电机动子(10)内的线圈(9)为螺线管排列，电机动子(10)与所述自由活塞(6)固定连接构成活塞运动组件，永磁体(12)位于电机动子(10)外且位于线圈(9)的内侧，在活塞运动组件上设置有活塞运动位置的检测元件，所述回复装置(11)设置于自由活塞(6)的下部。

【技术特征摘要】
1.一种二冲程自由活塞发电系统，其特征在于，包括燃烧系统、电机系统、回复装置(11)以及电子控制单元(1)，所述燃烧系统包括点火装置(4)、发动机缸头(5)、自由活塞(6)、进气口(7)、扫气室(8)、排气口(13)、燃料喷射装置(15)和燃烧室(14)，所述燃料喷射装置(15)和点火装置(4)位于所述发动机缸头(5)的上部，所述自由活塞(6)位于发动机缸头(5)内部，发动机缸头(5)内位于所述自由活塞(6)上方的空间为燃烧室(14)，发动机缸头(5)内位于所述自由活塞(6)下方的空间为扫气室(8)，进气口(7)和排气口(13)分别设置于发动机缸头(5)的侧壁上，所述电机系统包括线圈(9)、电机动子(10)和永磁体(12)，其中电机动子(10)内的线圈(9)为螺线管排列，电机动子(10)与所述自由活塞(6)固定连接构成活塞运动组件，永磁体(12)位于电机动子(10)外且位于线圈(9)的内侧，在活塞运动组件上设置有活塞运动位置的检测元件，所述回复装置(11)设置于自由活塞(6)的下部。2.根据权利要求1所述的二冲程自由活塞发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括功率变换器(2)和储能装置(3)，所述电子控制单元(1)通过导线分别与燃料喷射装置(15)、点火装置(4)以及功率变换器(2)相连，功率变换器(2)和储能装置(3)相连接。3.根据权利要求2所述的二冲程自由活塞发电系统，其特征在于，所述燃烧室(14)内设置有压力传感器，所述自由活塞(6)上设置有位移传感器，所述压力传感器与位移传感器分别与电子控制单元(1)连接。4.根据权利要求3所述的二冲程自由活塞发电系统，其特征在于，所述线圈(9)分别与电子控制单元(1)和功率变换器(2)连接。5.根据权利要求4所述的二冲程自由活塞发电系统，其特征在于，所述回复装置(11)是机械弹簧或气体弹簧或液压回复装置。6.根据权利要求4所述的二冲程自由活塞发电系统，其特征在于，所述储能装置(3)是蓄电池或者超级电容器或者二者的组合。7.根据权利要求4-6任一项所述的二冲程自由活塞发电系统的发电方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在系统启动时，电子控制单元(1)通过控制功率变换器(2)的工...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐照平，刘东，刘梁，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32