CN102877940A - 电机式自由活塞内燃发电装置启动系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于动力机械技术领域，具体涉及电机式自由活塞内燃发电装置启动系统。本发明提供两种，其中第一种包括第一自由活塞内燃机、第二自由活塞内燃机、连杆和直线电机。第一自由活塞内燃机，直线电机，第二自由活塞内燃机顺次连接，整个机构左右对称。第二种增添了第一启动线圈和第二启动线圈。根据两种系统结构提出三种启动方案，第一种启动方案简单易控，不需要额外直线电机模式转换电路；第二种启动方案所需零部件少，启动时间短；第三种启动方案，可匹配峰值推力较小的直线电机，有助于减小整个装置的体积。通过仿真和实验结果证明，本发明可以在1秒内实现自由活塞内燃发电装置的快速启动。

Description

电机式自由活塞内燃发电装置启动系统

技术领域

本发明属于动力机械技术领域，具体涉及电机式自由活塞内燃发电装置启动系统。

背景技术

自由活塞内燃发电装置是自由活塞式内燃机和直线发电机耦合之后形成的一种新型能量转换装置，它将自由活塞与直线电机动子直接固连，形成唯一的运动部件——活塞组件。系统运行时，缸内气体燃烧膨胀作功，推动活塞并带动动子运动，继而产生电能，最终通过较短的传递路径将燃料化学能直接转换为电能。

现有的内燃发电机一般结构为往复式内燃机通过曲柄连杆机构与旋转电机相连，包括二冲程和四冲程两类热力循环方式，其缺点是结构复杂、体积较大、热效率低，尾气排放污染物较多。特别是由于活塞的直线运动无法直接实现旋转动力输出，所以要靠曲柄连杆机构来转换，传统的曲轴主要由曲柄、曲拐和曲柄销组成，其主要特点为阶梯轴段，工作过程中活塞组因往复运动而引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全的平衡，由此引发的振动与噪声问题日益突出，严重影响了内燃发电机的发展。

与往复式内燃机和旋转发电机组合的混合动力系统最大的区别在于，自由活塞内燃发电装置摒除了曲柄连杆机构，部件运动过程只包含活塞组件的直线往复运动。自由活塞运动不受机构束缚，可以实现变压缩比内燃机热力循环。它具有众多潜在性能优势，例如机械摩擦损失少，结构紧凑体积小，能量传递路径短，燃烧排放质量好等。它不仅可以用在混合电动或纯电动汽车和船舶上，还可以作为辅助动力发电机组使用，是一种前景巨大和优势明显的动力机械装置。

然而，由于自由活塞内燃发电系统没有曲柄连杆机构，不能像传统内燃机那样通过飞轮积蓄启动电机的能量来实现内燃机的启动，必须通过施加与活塞运动方向相同的推力使得内燃机活塞达到指定位置，满足自由活塞内燃机着火所需压缩比。如何实现自由活塞内燃发电机的快速、有效启动是当前制约该动力装置发展的原因之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决自由活塞内燃发电系统启动问题，从而提出的电机式自由活塞内燃发电装置启动系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，包括第一自由活塞内燃机、第二自由活塞内燃机、连杆和直线电机。第一自由活塞内燃机，直线电机，第二自由活塞内燃机顺次连接，整个机构左右对称。第一自由活塞、电机动子和第二自由活塞依次通过连杆连接，形成一个活塞组件。

第一自由活塞内燃机包括第一内燃机气缸、第一自由活塞、第一进气门、第一排气门、第一喷油器、第一进排气控制器；第一自由活塞置于第一内燃机气缸内部，第一喷油器位于第一内燃机气缸顶部中央，第一进气门及第一排气门位于第一内燃机气缸顶部，并对称位于第一喷油器两侧，第一进排气控制器位于第一内燃机气缸外部、与第一进气门及第一排气门连接，用于控制第一进气门与第一排气门的打开及关闭。

第二自由活塞内燃机的结构与第一自由活塞内燃机相同，包括第二内燃机气缸、第二自由活塞、第二进气门、第二排气门、第二喷油器、第二进排气控制器；第二自由活塞置于第二内燃机气缸内部,第二喷油器位于第二内燃机气缸顶部中央,第二进气门及第二排气门位于第二内燃机气缸顶部，并对称位于第二喷油器两侧，第二进排气控制器位于第二内燃机气缸外部、与第二进气门及第二排气门连接，用于控制第二进气门与第二排气门的打开及关闭。

直线电机为动磁式电机，直线电机动子上安装永磁体，位于直线电机定子内部，直线电机具有直线电动机和直线发电机两个工作模式。

上述电机式自由活塞内燃发电装置启动系统有两种启动方案，这两种方案在自由活塞内燃发电装置启动过程中，均使直线电机工作在直线电动机的工作模式，推动活塞组件运动达到自由活塞内燃机着火所需压缩比，完成启动过程，同时，直线电机切换为直线发电机模式，对外输出电能。

第一种启动方案：使活塞组件在直线电机推力作用下完成一个先加速后减速到零的过程，并在第一个启动循环内达到自由活塞内燃机着火所需条件。自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门、第一排气门、第二进气门和第二排气门均处于关闭状态，启动前根据预期获得的压缩比，在控制程序中预先设置活塞组件运动的距离、加速度、减速度、加速及减速过程所需要的时间。启动时，直线电机工作在电动机模式拖动活塞组件按照预先设定向第一内燃机气缸（或第二内燃机气缸）一侧运动，当活塞组件速度为零时，该侧内燃机的喷油器将燃料喷入气缸，气缸内的混合气着火燃烧，自由活塞内燃发电装置启动过程完成，同时直线电机从电动机模式切换为发电机模式，开始作为负载输出电能。本方案适用于直线电机在电动机模式下作用在活塞组件上的推力足够大，能够使活塞组件在一个启动循环内达到内燃机着火所需压缩比。

第二种启动方案：使直线电机以恒定推力作用在活塞组件上，完成若干个先加速后减速为零，再反向加速后减速为零的过程，最终达到内燃机着火所需压缩比。自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门、第一排气门、第二进气门和第二排气门均处于关闭状态；需要启动自由活塞内燃发电装置时，直线电机工作在电动机模式下，并以恒定力作用在活塞组件上，拖动活塞组件向第一内燃机气缸（或第二内燃机气缸）一侧运动，此时电机力大于气缸内气体压力与摩擦力之和，因此活塞组件加速运动；随着气缸内气体压力逐渐增大，当电机力小于气缸内气体压力与摩擦力之和时，活塞组件开始做减速运动，直至速度为零；随后电机力反向，拖动活塞组件向相反方向运动，活塞组件在电机力、摩擦力与气缸内气体压力的作用下，又经历先加速后减速为零的过程，随后电机力再次反向；重复上述步骤，拖动活塞组件运动，并保持直线电机的推力与活塞速度一直同向，活塞组件上止点所达到的位移逐渐增大，当达到自由活塞内燃机着火所需压缩比时，完成启动过程；同时，直线电机切换为直线发电机模式，对外输出电能。本方案适用于直线电机最大推力较小，不能够使活塞组件在一个启动循环内达到内燃机着火所需压缩比的情况。

本发明提供的另一种电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，包括第一自由活塞内燃机、第二自由活塞内燃机、连杆、第一启动线圈、第二启动线圈和直线电机。

其中，第一自由活塞内燃机包括第一内燃机气缸、第一自由活塞、第一进气门、第一排气门、第一喷油器和第一进排气控制器；第一活塞置于第一内燃机气缸内部，第一喷油器位于第一内燃机气缸顶部中央，第一进气门及第一排气门位于第一内燃机气缸顶部，并对称位于第一喷油器两侧，第一进排气控制器位于第一内燃机气缸外部、与第一进气门及第一排气门连接，用于控制第一进气门与第一排气门的打开及关闭。

第二自由活塞内燃机的结构与第一自由活塞内燃机相同，包括第二内燃机气缸、第二自由活塞、第二进气门、第二排气门、第二喷油器、第二进排气控制器；第二自由活塞置于第二内燃机气缸内部,第二喷油器位于第二内燃机气缸顶部中央,第二进气门及第二排气门位于第二内燃机气缸顶部，并对称位于第二喷油器两侧，第二进排气控制器位于第二内燃机气缸外部、与第二进气门及第二排气门连接，用于控制第二进气门与第二排气门的打开及关闭。

直线电机为动磁式电机，直线电机动子上安装永磁体，位于直线电机定子内部，直线电机工作在发电机模式。

第一启动线圈和第二启动线圈分别置于直线电机定子线圈两侧。第一内燃机气缸、第二内燃机气缸分别位于第一启动线圈、第二启动线圈的另一侧。第一自由活塞、电机动子和第二自由活塞依次通过连杆连接，形成一个活塞组件。

基于第二种电机式自由活塞内燃发电装置启动系统的启动方案，即本发明提供的第三种启动方案为：在自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门、第一排气门、第二进气门和第二排气门均处于关闭状态，启动前根据预期获得的压缩比，在控制程序中预先设置活塞组件运动的距离、加速度、减速度、加速及减速过程所需要的时间。当需要启动时，第一启动线圈、第二启动线圈与直线电机动子构成启动电动机，拖动活塞组件按照控制程序的设定向第一内燃机气缸（或第二内燃机气缸）一侧运动，完成一个先加速后减速到零的过程，达到该侧自由活塞内燃机启动所需压缩比，启动完成后，通过控制程序使启动线圈脱离。该侧自由活塞内燃机的喷油器将燃料喷入气缸，气缸内的混合气着火燃烧，自由活塞内燃发电装置启动过程完成，启动过程中，直线电机一直工作在发电机模式，作为负载输出电能。

有益效果

1、本发明的电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，以电机力作为外力，通过仿真和实验结果证明，可以在1秒内实现自由活塞内燃发电装置的快速启动。

2、本发明的三种启动方案，第一种启动方案简单易控，不需要额外直线电机模式转换电路；第二种启动方案所需零部件少，启动时间短；第三种启动方案，可匹配峰值推力较小的直线电机，有助于减小整个装置的体积。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图中，1-第一进排气控制器、2-第一喷油器、3-第一进气门、4-第一排气门、5-第一内燃机气缸、6-第一自由活塞、7-第一启动线圈、8-直线电机定子、9-直线电机动子、10-第二启动线圈、11—第二自由活塞、12—第二内燃机气缸、13—第二排气门、14—第二喷油器、15—第二进排气控制器、16—第二进气门、17-连杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供的第一种电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，包括第一进排气控制器1、第一喷油器2、第一进气门3、第一排气门4、第一内燃机气缸5、第一自由活塞6、直线电机定子8、直线电机动子9、第二自由活塞11、第二内燃机气缸12、第二排气门13、第二喷油器14、第二进排气控制器15、第二进气门16、连杆17；

第一自由活塞6置于第一内燃机气缸5内部，第一喷油器2位于第一内燃机气缸5顶部中央，第一进气门3及第一排气门4位于第一内燃机气缸5顶部，并对称位于第一喷油器2两侧，第一进排气控制器1位于第一内燃机气缸5外部、与第一进气门3及第一排气门4连接，用于控制第一进气门3与第一排气门4的打开及关闭；

第二自由活塞11置于第二内燃机气缸12内部,第二喷油器14位于第二内燃机气缸12顶部中央,第二进气门16及第二排气门13位于第二内燃机气缸12顶部，并对称位于第二喷油器14两侧，第二进排气控制器15位于第二内燃机气缸12外部、与第二进气门16及第二排气门13连接，用于控制第二进气门16与第二排气门13的打开及关闭；

直线电机动子9上安装永磁体，位于直线电机定子8内部，第一自由活塞、直线电机动子和第二自由活塞依次通过连杆17连接，形成一个活塞组件。

本发明提供的另一种电机式自由活塞内燃发电装置启动系统与本发明提供的第一种电机式自由活塞内燃发电装置启动系统相比，增添了第一启动线圈7和第二启动线圈10，其余组成结构与第一种电机式自由活塞内燃发电装置启动系统相同。第一启动线圈7和第二启动线圈10分别置于直线电机定子线圈8两侧。第一内燃机气缸5、第二内燃机气缸12分别位于第一启动线圈7、第二启动线圈10的另一侧。

实施例1

第一种启动方案：自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门3、第一排气门4、第二进气门16和第二排气门13均处于关闭状态，启动前根据预期获得的压缩比，在控制程序中预先设置活塞组件运动的距离、加速度、减速度、加速及减速过程所需要的时间。启动时，直线电机工作在电动机模式拖动活塞组件按照预先设定向第一内燃机气缸5（或第二内燃机气缸12）一侧运动，当活塞组件速度为零时，该侧内燃机的喷油器将燃料喷入气缸，气缸内的混合气着火燃烧，自由活塞内燃发电装置启动过程完成，同时直线电机从电动机模式切换为发电机模式，开始作为负载输出电能。

实施例2

第二种启动方案：自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门3、第一排气门4、第二进气门16和第二排气门13均处于关闭状态；需要启动自由活塞内燃发电装置时，直线电机工作在电动机模式下，并以恒定力作用在活塞组件上，拖动活塞组件向第一内燃机气缸5（或第二内燃机气缸12）一侧运动；随着气缸内气体压力逐渐增大，当电机力小于气缸内气体压力与摩擦力之和时，活塞组件开始做减速运动，直至速度为零；随后电机力反向，拖动活塞组件向相反方向运动，活塞组件在电机力、摩擦力与气缸内气体压力的作用下，又经历先加速后减速为零的过程，随后电机力再次反向；重复上述步骤，拖动活塞组件运动，并保持直线电机的推力与活塞速度一直同向，活塞组件上止点所达到的位移逐渐增大，当达到自由活塞内燃机着火所需压缩比时，完成启动过程；同时，直线电机切换为直线发电机模式，对外输出电能。

实施例3

在自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门3、第一排气门4、第二进气门16和第二排气门13均处于关闭状态，启动前根据预期获得的压缩比，在控制程序中预先设置活塞组件运动的距离、加速度、减速度、加速及减速过程所需要的时间。当需要启动时，第一启动线圈7、第二启动线圈10与直线电机动子9构成启动电动机，拖动活塞组件按照控制程序的设定向第一内燃机气缸5（或第二内燃机气缸12）一侧运动，完成一个先加速后减速到零的过程，达到该侧自由活塞内燃机启动所需压缩比，启动完成后，通过控制程序使第一启动线圈7和第二启动线圈10脱离。该侧自由活塞内燃机的喷油器将燃料喷入气缸，气缸内的混合气着火燃烧，自由活塞内燃发电装置启动过程完成，启动过程中，直线电机一直工作在发电机模式，作为负载输出电能。

Claims (6)

1.电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，其特征在于：包括第一自由活塞内燃机、第二自由活塞内燃机、连杆和直线电机；第一自由活塞内燃机，直线电机，第二自由活塞内燃机顺次连接，整个机构左右对称；

第一自由活塞、电机动子和第二自由活塞依次通过连杆连接，形成一个活塞组件；

第一自由活塞内燃机包括第一内燃机气缸、第一自由活塞、第一进气门、第一排气门、第一喷油器、第一进排气控制器；第一自由活塞置于第一内燃机气缸内部，第一喷油器位于第一内燃机气缸顶部中央，第一进气门及第一排气门位于第一内燃机气缸顶部，并对称位于第一喷油器两侧，第一进排气控制器位于第一内燃机气缸外部、与第一进气门及第一排气门连接，用于控制第一进气门与第一排气门的打开及关闭；

第二自由活塞内燃机的结构与第一自由活塞内燃机相同，包括第二内燃机气缸、第二自由活塞、第二进气门、第二排气门、第二喷油器、第二进排气控制器；第二自由活塞置于第二内燃机气缸内部,第二喷油器位于第二内燃机气缸顶部中央,第二进气门及第二排气门位于第二内燃机气缸顶部，并对称位于第二喷油器两侧，第二进排气控制器位于第二内燃机气缸外部、与第二进气门及第二排气门连接，用于控制第二进气门与第二排气门的打开及关闭；

直线电机为动磁式电机，直线电机动子上安装永磁体，位于直线电机定子内部。

2.根据权利要求1所述的电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，其特征在于：所述直线电机具有直线电动机和直线发电机两个工作模式。

3.根据权利要求1所述的电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，其特征在于：第一种启动方案为活塞组件在直线电机推力作用下先加速后减速到零，并在第一个启动循环内达到自由活塞内燃机着火所需条件，具体过程为：自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门、第一排气门、第二进气门和第二排气门均处于关闭状态，启动前根据预期获得的压缩比，在控制程序中预先设置活塞组件运动的距离、加速度、减速度、加速及减速过程所需要的时间；启动时，直线电机工作在电动机模式拖动活塞组件按照预先设定方向，向第一内燃机气缸或第二内燃机气缸一侧运动，当活塞组件速度为零时，该侧内燃机的喷油器将燃料喷入气缸，气缸内的混合气着火燃烧，自由活塞内燃发电装置启动过程完成，同时直线电机从电动机模式切换为发电机模式，开始作为负载输出电能；本方案适用于直线电机在电动机模式下作用在活塞组件上的推力足够大，能够使活塞组件在一个启动循环内达到内燃机着火所需压缩比。

4.根据权利要求1所述的电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，其特征在于：第二种启动方案为使直线电机以恒定推力作用在活塞组件上，完成若干个先加速后减速为零，再反向加速后减速为零的过程，最终达到内燃机着火所需压缩比，具体过程为：自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门、第一排气门、第二进气门和第二排气门均处于关闭状态；需要启动自由活塞内燃发电装置时，直线电机工作在电动机模式下，并以恒定力作用在活塞组件上，拖动活塞组件向第一内燃机气缸或第二内燃机气缸一侧运动，此时电机力大于气缸内气体压力与摩擦力之和，因此活塞组件加速运动；随着气缸内气体压力逐渐增大，当电机力小于气缸内气体压力与摩擦力之和时，活塞组件开始做减速运动，直至速度为零；随后电机力反向，拖动活塞组件向相反方向运动，活塞组件在电机力、摩擦力与气缸内气体压力的作用下，又经历先加速后减速为零的过程，随后电机力再次反向；重复上述过程，拖动活塞组件运动，并保持直线电机的推力与活塞速度一直同向，活塞组件上止点所达到的位移逐渐增大，当达到自由活塞内燃机着火所需压缩比时，完成启动过程；同时，直线电机切换为直线发电机模式，对外输出电能；本方案适用于直线电机最大推力较小，不能够使活塞组件在一个启动循环内达到内燃机着火所需压缩比的情况。

5.电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，其特征在于：包括第一自由活塞内燃机、第二自由活塞内燃机、连杆、第一启动线圈、第二启动线圈和直线电机；

其中，第一自由活塞内燃机包括第一内燃机气缸、第一自由活塞、第一进气门、第一排气门、第一喷油器和第一进排气控制器；第一活塞置于第一内燃机气缸内部，第一喷油器位于第一内燃机气缸顶部中央，第一进气门及第一排气门位于第一内燃机气缸顶部，并对称位于第一喷油器两侧，第一进排气控制器位于第一内燃机气缸外部、与第一进气门及第一排气门连接，用于控制第一进气门与第一排气门的打开及关闭；

第二自由活塞内燃机的结构与第一自由活塞内燃机相同，包括第二内燃机气缸、第二自由活塞、第二进气门、第二排气门、第二喷油器、第二进排气控制器；第二自由活塞置于第二内燃机气缸内部,第二喷油器位于第二内燃机气缸顶部中央,第二进气门及第二排气门位于第二内燃机气缸顶部，并对称位于第二喷油器两侧，第二进排气控制器位于第二内燃机气缸外部、与第二进气门及第二排气门连接，用于控制第二进气门与第二排气门的打开及关闭；

直线电机为动磁式电机，直线电机动子上安装永磁体，位于直线电机定子内部；

第一启动线圈和第二启动线圈分别置于直线电机定子线圈两侧；第一内燃机气缸、第二内燃机气缸分别位于第一启动线圈、第二启动线圈的另一侧；第一自由活塞、电机动子和第二自由活塞依次通过连杆连接，形成一个活塞组件。

6.根据权利要求5所述的电机式自由活塞内燃发电装置启动系统，其特征在于：启动方案具体过程为：在自由活塞内燃发电装置不工作时，活塞组件位于直线电机中点，第一进气门、第一排气门、第二进气门和第二排气门均处于关闭状态，启动前根据预期获得的压缩比，在控制程序中预先设置活塞组件运动的距离、加速度、减速度、加速及减速过程所需要的时间；当需要启动时，第一启动线圈、第二启动线圈与直线电机动子构成启动电动机，拖动活塞组件按照控制程序的设定向第一内燃机气缸或第二内燃机气缸一侧运动，完成一个先加速后减速到零的过程，达到该侧自由活塞内燃机启动所需压缩比，启动完成后，通过控制程序使启动线圈脱离；该侧自由活塞内燃机的喷油器将燃料喷入气缸，气缸内的混合气着火燃烧，自由活塞内燃发电装置启动过程完成，启动过程中，直线电机一直工作在发电机模式，作为负载输出电能。

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