CN108386271B - 一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统，属于能源动力机械领域。该系统主要包括余压回收系统、蓄能充电系统、燃料供给系统、采集控制系统、传动系统五部分。本发明提出一种新型自由活塞直线电机的集成单元作为能量回收转化和减压装置，并基于该装置设计了一套新型的车用气电混合动力系统，该系统可将压缩天然气汽车燃气输送管道中的余压能转化为电能进行存储，并用于整车供电和驱动电机，电机工作输出转矩经转矩耦合装置与发动机的转矩相耦合，共同作为汽车动力输出，可大大提高天然气汽车的行驶里程。

Description

一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统
技术领域
本发明涉及一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统，可将压缩天然气汽车或者油气混合动力汽车中天然气传输过程中的余压能回收利用，转化为电能用于动力输出，属于能源动力机械领域。
背景技术
作为油气混合动力汽车或者纯压缩天然气汽车，天然气的存储压力要远远高于其进入发动机的燃烧压力，通常的做法是用调压器进行减压后再进行使用。在节流降压过程中，其压降完全消耗在克服流动阻力上，天然气在流动过程中没有推动任何机械做功，压力能未得到回收。另一方面气体燃料的能量密度低，天然气汽车携带的燃料量较少，一般行驶距离较汽油或柴油车短。由于气体燃料在汽缸中的可燃混合气里占有一定的容积（汽油机汽缸中流体燃料所占容积忽略不计），在同样的气缸工作容积下，用天然气作燃料时作的功少。而目前用的天然气发动机大多是由原汽油机改装的，因而汽油车在改用天然气后功率往往会下降10%～20%左右，这就是司机所说的爬坡没劲、加速响应慢等现象。一般柴油汽车如果用"双燃料"方式改装燃用天然气，则不会出现这种现象，但改装件的结构较为复杂。且目前的天然气汽车是在原来的汽油车或柴油车的基础上改装的，原来汽油机或柴油机的燃料系统大多保留。这样，要在原汽车的系统上增加天然气燃料系统，特别是气瓶使原来的汽车的有效空间减少，本身的自重也增加了。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述传统油气混合动力汽车或者纯压缩天然气汽车的不足，提出一种新型自由活塞直线电机集成单元作为能量回收转化和减压装置，并基于该装置设计了一套新型的车用气电混合动力系统，该系统可将压缩天然气汽车燃料输送管道中的余压能转化为电能进行存储，并用于整车供电和驱动电机，电机工作输出转矩经转矩耦合装置与发动机的转矩相耦合，共同作为汽车动力输出。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
该系统主要包括：余压回收系统、蓄能充电系统、燃料供给系统、采集控制系统、传动系统五部分；具体为包括天然气储气罐1、加气阀2、高压燃气滤清器3、高压电磁阀4、减压器5、转换开关6、电控调压器7、自由活塞直线电机集成单元8、低压燃气滤清器9、混合器10、ECU11、点火模块12、点火线圈13、发动机14、喷射阀及共轨15、蓄电池组16、驱动电机17、稳压阀18、分流器19、第一电磁阀20、第二电磁阀21、第三电磁阀22、第四电磁阀23、第一三通阀24、第二三通阀25、第一流量计26、第二流量计27、自由活塞气缸28、活塞29、活塞动子连杆组件30、直线发电机定子31、支撑架32、永磁式圆筒直线电机33、位移传感器34、信息采集模块35、整流器36、功率转换器37、电机控制器38、转矩耦合装置39、传动装置40、车轮41、第一温度传感器42、第一压力传感器43、第二压力传感器44、第二温度传感器45、第三温度传感器46、第三压力传感器47、第四压力传感器48、第四温度传感器49、氧传感器50、离合器51、直线发电机动子52。
按照气体整体走向，天然气储气罐1依次通过管路与加气阀2、高压燃气滤清器3、高压电磁阀4、减压器5连接，减压器5经由第一温度传感器42、第一压力传感器43与转换开关6连接，转换开关6分别与电控调压器7和稳压阀18连接，稳压阀18与分流器19连接，分流器19分别与第二电磁阀21、第三电磁阀22连接；第二电磁阀21与第一三通阀24连接，第一三通阀24通过第一流量计26并经由第二压力传感器44、第二温度传感器45与自由活塞气缸28的B端连接，同时第三电磁阀22与第二三通阀25连接，第二三通阀25通过第二流量计27并经由第三温度传感器46、第三压力传感器47与自由活塞气缸28的A端连接；自由活塞气缸28内设有活塞29；第一三通阀24和第一电磁阀20连接，第二三通阀25与第四电磁阀23连接，第一电磁阀20和第四电磁阀23连接汇总后与电控调压器7连接，电控调压器7依次与低压燃气滤清器9、混合器10、喷射阀及共轨15连接，喷射阀及共轨15经由第四温度传感器49、第四压力传感器48、氧传感器50与发动机14连接，上述所述连接均为管路连接，形成进排气管路。
发动机14与离合器51连接，驱动电机17与离合器51分别与转矩耦合装置39连接进行转矩相耦合，然后与传动装置40连接，传动装置40与车轮41连接，作为动力输出，上述连接均为传动轴连接。
在自由活塞气缸28的A端，与自由活塞气缸28内的活塞29通过活塞动子连杆组件30与直线发电机动子52固定连接在一起，直线发电机动子52位于永磁式圆筒直线电机33中心，直线发电机定子31采用支撑架32固定，在直线发电机定子31外侧设有位移传感器34；直线发电机定子31依次与整流器36、功率转换器37、蓄电池组16连接，将直线发电机定子31产生的电储存到蓄电池组16中，蓄电池组16通过电机控制器38和驱动电机17连接，上述所述连接为电路连接。
第一流量计26、第二流量计27、第一温度传感器42、第一压力传感器43、第二压力传感器44、第二温度传感器45、第三温度传感器46、第三压力传感器47、第四压力传感器48、第四温度传感器49、氧传感器50、位移传感器34分别与信息采集模块35连接，上述连接组成为采集线路。
点火模块12通过点火线圈13与发动机14连接，点火模块12、高压电磁阀4、减压器5、电控调压器7、喷射阀及共轨15、电机控制器38、第一电磁阀20、第二电磁阀21、第三电磁阀22、第四电磁阀23分别与ECU11连接，上述连接形成控制线路；信息采集模块35与ECU11连接，将采集的数据信息反馈给ECU11，使得ECU11能够精确控制上述这些部件。
与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提出一种新型自由活塞直线电机集成单元作为能量回收转化装置，并基于该装置设计了一套新型的车用气电混合动力系统，相比传统油气混合动力汽车或者纯压缩天然气汽车，该系统结构简单，占用体积小，大大减轻系统装置的自重。
2、本发明的余压回收系统采用新型自由活塞直线电机作为能量转化装置，其结构紧凑简单、机电一体化程度高、机械损失小，能量转化效率高；活塞的运动通过电磁阀的通断控制，具有控制简单，精度高等优点，且该装置启动过程方便快捷，不需要附加额外的启动装置。
3、本发明中余压回收系统直接将压缩天然气汽车燃料输送管道中的余压能转化为电能进行存储，并用于整车供电和驱动电机，电机工作输出转矩经转矩耦合装置与发动机的转矩相耦合，共同作为汽车动力输出。无需消耗额外的能量，大大降低了能耗，相比传统油气混合动力汽车或者纯压缩天然气汽车，可大大提高车辆行驶里程和动力扭矩。
4、本发明使用天然气和电能作为动力来源，都属于清洁能源，该系统排放污染大大低于以汽油或柴油为燃料的汽车，尾气中不含硫化物和铅等，具有环保效益和经济效益等优势。
附图说明
图1是车用气电混合动力系统工作原理示意图。
图2是利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统装置部分实物连接关系示意图。
图中：1、天然气储气罐；2、加气阀；3、高压燃气滤清器；4、高压电磁阀；5、减压器；6、转换开关；7、电控调压器；8、自由活塞直线电机集成单元；9、低压燃气滤清器；10、混合器；11、ECU；12、点火模块；13、点火线圈；14、发动机；15、喷射阀及共轨；16、蓄电池组；17、驱动电机；18、稳压阀；19、分流器；20、第一电磁阀；21、第二电磁阀；22、第三电磁阀；23、第四电磁阀；24、第一三通阀；25、第二三通阀；26、第一流量计；27、第二流量计；28、自由活塞气缸；29、活塞；30、活塞动子连杆组件；31、直线发电机定子；32、支撑架；33、永磁式圆筒直线电机；34、位移传感器；35、信息采集模块；36、整流器；37、功率转换器；38、电机控制器；39、转矩耦合装置；40、传动装置；41、车轮；42、第一温度传感器；43、第一压力传感器；44、第二压力传感器；45、第二温度传感器；46、第三温度传感器；47、第三压力传感器；48、第四压力传感器；49、第四温度传感器；50、氧传感器；51、离合器；52、直线发电机动子。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统，该系统主要包括余压回收系统、蓄能充电系统、燃料供给系统、采集控制系统、传动系统五部分。上述的余压回收系统包括：稳压阀18、分流器19、第一电磁阀20、第二电磁阀21、第三电磁阀22、第四电磁阀23、第一三通阀24、第二三通阀25、第一流量计26、第二流量计27、自由活塞气缸28、活塞29、活塞动子连杆组件30、直线发电机定子31、直线发电机动子52、支撑架32、永磁式圆筒直线电机33、位移传感器34、第二压力传感器44、第二温度传感器45、第三温度传感器46、第三压力传感器47；上述蓄能充电系统包括：直线发电机定子31、整流器36、功率转换器37、蓄电池组16；上述燃料供给系统包括：天然气储气罐1、加气阀2、高压燃气滤清器3、高压电磁阀4、减压器5、转换开关6、电控调压器7、自由活塞直线电机集成单元8、低压燃气滤清器9、混合器10、发动机14、喷射阀及共轨15；上述采集控制系统包括：ECU11、点火模块12、点火线圈13、信息采集模块35、高压电磁阀4、减压器5、电控调压器7、喷射阀及共轨15、电机控制器38、第一电磁阀20、第二电磁阀21、第三电磁阀22、第四电磁阀23、第一温度传感器42、第二温度传感器45、第三温度传感器46、第四温度传感器49、第一压力传感器43、第二压力传感器44、第三压力传感器47、第四压力传感器48、氧传感器50、位移传感器34、流量计26、27；上述传动系统包括：发动机14、驱动电机17、离合器51、电机控制器38、转矩耦合装置39、传动装置40、车轮41。
上述一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统各部件的连接关系是：
上述余压回收系统各部件连接关系为：气缸A端进气管道上依次布置有稳压阀18、分流器19、第三电磁阀22、第二三通阀25、第二流量计27、第三温度传感器46、第三压力传感器47、自由活塞气缸28，各部件通过管路首尾相连；气缸B端进气管道上依次布置有稳压阀18、分流器19、第二电磁阀21、第一三通阀24、第一流量计26、第二压力传感器44、第二温度传感器45，各部件通过管路首尾相连；气缸A端排气管路上依次布置有自由活塞气缸28、第三温度传感器46、第三压力传感器47、第二流量计27、第二三通阀25、第四电磁阀23，各部件通过管路首尾相连；气缸B端排气管路上依次布置有自由活塞气缸28、第二压力传感器44、第二温度传感器45、第一流量计26、第一三通阀24、第一电磁阀20，各部件通过管路首尾相连。
上述蓄能充电系统各部件连接关系为：整流器36一端与直线发电机定子31相连，另一端与功率转换器37相连；功率转换器37、蓄电池组16通过线路依次相连接。
上述燃料供给系统各部件连接关系为：转换开关6一端与减压器5相连接，另一端分别与余压回收系统中的稳压阀18和电控调压器7通过管路相连接；电控调压器7分别与余压回收系统中的第一电磁阀20、第四电磁阀23、转换开关6和低压燃气滤清器9通过管路相连接；天然气储气罐1、加气阀2、高压燃气滤清器3、高压电磁阀4、减压器5通过管路依次相连接；低压燃气滤清器9、混合器10、喷射阀及共轨15、发动机14通过管路依次相连接。
上述采集控制系统各部件连接关系为：第一温度传感器42和第一压力传感器43一端安装在减压器5与转换开关6之间的管路上，另一端与信息采集模块35相连接；第二压力传感器44和第二温度传感器45一端安装在第一流量计26与自由活塞气缸28之间的管路上，另一端与信息采集模块35相连接；第三温度传感器46、第三压力传感器47一端安装在第二流量计27与自由活塞气缸28之间的管路上，另一端与信息采集模块35相连接；第四压力传感器48、第四温度传感器49和氧传感器50一端安装在喷射阀及共轨15与发动机14之间管路上，另一端与信息采集模块35相连接；第一流量计26安装在第一三通阀24与自由活塞气缸28B端的管路之间；第二流量计27安装在第二三通阀25与自由活塞气缸28A端的管路之间；信息采集模块35与ECU11相连，将采集到的信息存储并传递给ECU11；点火线圈13一端与点火模块12相连，另一端安装在发动机14上；位移传感器34一端固定在支撑架32上，另一端与信息采集模块35相连接；ECU11分别与第一电磁阀20、第二电磁阀21、第三电磁阀22、第四电磁阀23、点火模块12、高压电磁阀4、减压器5、电控调压器7、喷射阀及共轨15、电机控制器38相连，通过接收信息采集模块35的信息，精确控制这些部件。
上述传动系统各部件连接关系为：发动机14、离合器51、转矩耦合装置39、传动装置40、车轮41通过传动轴依次相连接；驱动电机17一端与电机控制器38相连，另一端与转矩耦合装置39相连接。
以下结合附图详细说明该系统的工作原理：
动力输出方式一：充气站将天然气通过充气阀2充入天然气储气罐1至20-25MPa进行存储。当使用天然气作燃料时，高压电磁阀4打开，储气罐1内的高压天然气经过高压管路上的充气阀2、高压燃气滤清器3、高压电磁阀4进入减压器5进行减压。高压电磁阀4的开合由ECU11控制,减压器5的作用是将高压的压缩天然气经过减压加热将压力调整至1MPa左右。高压天然气在减压过程中由于减压膨胀,需要吸收大量的热量,为防止减压器结冰,从发动机14中将发动机冷却液引出到减压器5对燃气进行加热。经减压后的天然气通过低压管路经过转换开关6进入电控调压器7，电控调压器7的作用是根据发动机14运行工况精确控制天然气的压力。天然气经过电控调压器7调节到所需的压力，然后经过低压燃气滤清器9过滤后进入混合器10，使天然气与空气均匀混合，满足发动机14不同工况的使用要求，最后通过喷射阀及共轨15将混合燃气喷入发动机14缸内，经点火线圈13点燃进行燃烧,点火线圈13的点火时刻由ECU11控制。燃料燃烧释放能量推动发动机活塞上下运动，从而进行动力输出，此时驱动电机17不工作。此为第一种动力输出方式，即纯压缩天然气动力输出模式。
动力输出方式二：充气站将天然气通过充气阀2充入天然气储气罐1至20-25MPa进行存储。当使用天然气作燃料时，高压电磁阀4打开，储气罐1内的高压天然气通过高压管路上的充气阀2、高压燃气滤清器3、高压电磁阀4进入减压器5减压至1MPa左右。经减压后的天然气通过低压管路经过转换开关6进入自由活塞直线电机集成单元8，通过ECU对第一电磁阀20、第二电磁阀21、第三电磁阀22、第四电磁阀23的控制，使天然气交替进入自由活塞气缸28A、B两侧气缸内，利用天然气压力推动活塞29往复运动，活塞29往复运动过程中，通过活塞动子连杆组件30带动永磁式圆筒直线电机动子做切割磁感线运动产生电能，产生的电能经过整流器36和功率转换器37存储于蓄电池组16中，用于驱动电机17和整车供电。进入自由活塞直线电机集成单元8的天然气做功后，排出自由活塞气缸28进入电控调压器7，经电控调压器7调整压力，然后经过低压燃气滤清器9过滤、混合器10中与空气均匀混合，最后通过喷射阀及共轨15喷入发动机14缸内，经点火线圈13点燃进行燃烧,燃料燃烧释放能量推动发动机14活塞上下运动，输出动力。存储于蓄电池组16中的电能经电机控制器38控制驱动电机17运转，输出转矩。转矩耦合装置39将发动机14和驱动电机17的转矩耦合后，通过传动装置40传递到车轮41，驱动汽车运动，此时驱动电机17和发动机14同时工作。此为第二种动力输出方式，即气电混合动力输出模式。
第一种和第二种动力输出方式可根据不同工作条件，通过转换开关自由调节。
自由活塞直线电机集成单元工作原理：该装置将单活塞双作用的自由活塞气缸28与一台永磁式圆筒直线电机33耦合，通过输入的高压天然气推动活塞29往复运动，带动直线发电机的动子做往复切割磁感线的运动，从而将天然气所携带的能量转化为电能输出，用于驱动电机17和整车供电。装置开始工作时，第三电磁阀22打开，第四电磁阀23闭合，第一电磁阀20打开，第二电磁阀21闭合，经减压器5减压后的天然气（1MPa左右）通过第三电磁阀22所在进气管路，从自由活塞气缸A端快速充入缸内，推动自由活塞29由气缸A端向B端运动，做功后的天然气从自由活塞气缸B端排出，通过第一电磁阀20所在排气管路排出进入电控调压器7种。通入一定时间t秒后，第三电磁阀22闭合，第一电磁阀20、第二电磁阀21、第四电磁阀23状态不变，气体在缸内自由膨胀，继续推动活塞29运动。当活塞29运动到自由活塞气缸B端设定位移点B1时，ECU11发出指令，第一电磁阀20闭合，第二电磁阀21打开，第三电磁阀22闭合，第四电磁阀23打开，经减压器5减压后的天然气（1MPa左右）经第二电磁阀21所在进气管路，从自由活塞气缸28B端快速充入缸内，推动活塞29由气缸B端向A端运动，做功后的天然气从自由活塞气缸A端流出，通过第四电磁阀23所在排气管路排出进入电控调压器7种。通入一定时间t秒后，第二电磁阀21闭合，电磁阀20、22、23状态不变，气体在自由活塞气缸28内自由膨胀，继续推动活塞29运动。同理，当活塞运动到自由活塞气缸28A端设定位移点A1时，ECU发出指令，第三电磁阀22打开，第二电磁阀21闭合，第一电磁阀20打开，第四电磁阀23闭合，气体通过自由活塞气缸28A端快速进入缸内，开始下一工作循环。活塞29往复运动过程中，通过活塞动子连杆组30带动圆筒式直线电机动子运动，动子连续运动时，通过线圈的磁通方向将翻转变化，产生电能，输出的交流电通过整流器36转化为直流电储存到蓄电池组16中。
本装置的进气时间t可通过ECU11调整电磁阀21、22打开的持续时间来自由控制，从而调整膨胀过程时间长短，达到进一步对天然气减压的目的，也可一直充气使运动过程无膨胀过程，以获得较高的功率输出。同时，自由活塞气缸28两端特定位移点A1、B1也可通过ECU11自由设置，从而调整自由活塞气缸28中活塞29的行程，以适应不同工作环境，从而获得更好的能量转化效率。
以上实施例仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所述的技术方案进行修改或替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例的范围。

Claims (1)

1.一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统，其特征在于，包括：余压回收系统、蓄能充电系统、燃料供给系统、采集控制系统、传动系统五部分；具体为包括天然气储气罐（1）、加气阀（2）、高压燃气滤清器（3）、高压电磁阀（4）、减压器（5）、转换开关（6）、电控调压器（7）、自由活塞直线电机集成单元（8）、低压燃气滤清器（9）、混合器（10）、ECU（11）、点火模块（12）、点火线圈（13）、发动机（14）、喷射阀及共轨（15）、蓄电池组（16）、驱动电机（17）、稳压阀（18）、分流器（19）、第一电磁阀（20）、第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）、第四电磁阀（23）、第一三通阀（24）、第二三通阀（25）、第一流量计（26）、第二流量计（27）、自由活塞气缸（28）、活塞（29）、活塞动子连杆组件（30）、直线发电机定子（31）、支撑架（32）、永磁式圆筒直线电机（33）、位移传感器（34）、信息采集模块（35）、整流器（36）、功率转换器（37）、电机控制器（38）、转矩耦合装置（39）、传动装置（40）、车轮（41）、第一温度传感器（42）、第一压力传感器（43）、第二压力传感器（44）、第二温度传感器（45）、第三温度传感器（46）、第三压力传感器（47）、第四压力传感器（48）、第四温度传感器（49）、氧传感器（50）、离合器（51）、直线发电机动子（52）；
按照气体整体走向，天然气储气罐（1）依次通过管路与加气阀（2）、高压燃气滤清器（3）、高压电磁阀（4）、减压器（5）连接，减压器（5）经由第一温度传感器（42）、第一压力传感器（43）与转换开关（6）连接，转换开关（6）分别与电控调压器（7）和稳压阀（18）连接，稳压阀（18）与分流器（19）连接，分流器（19）分别与第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）连接；第二电磁阀（21）与第一三通阀（24）连接，第一三通阀（24）通过第一流量计（26）并经由第二压力传感器（44）、第二温度传感器（45）与自由活塞气缸（28）的B端连接，同时第三电磁阀（22）与第二三通阀（25）连接，第二三通阀（25）通过第二流量计（27）并经由第三温度传感器（46）、第三压力传感器（47）与自由活塞气缸（28）的A端连接；自由活塞气缸（28）内设有活塞（29）；第一三通阀（24）和第一电磁阀（20）连接，第二三通阀（25）与第四电磁阀（23）连接，第一电磁阀（20）和第四电磁阀（23）连接汇总后与电控调压器（7）连接，电控调压器（7）依次与低压燃气滤清器（9）、混合器（10）、喷射阀及共轨（15）连接，喷射阀及共轨（15）经由第四温度传感器（49）、第四压力传感器（48）、氧传感器（50）与发动机（14）连接；
发动机（14）与离合器（51）连接，驱动电机（17）与离合器（51）分别与转矩耦合装置（39）连接进行转矩相耦合，然后与传动装置（40）连接，传动装置（40）与车轮（41）连接，作为动力输出；
在自由活塞气缸（28）的A端，自由活塞气缸（28）内的活塞（29）通过活塞动子连杆组件（30）与永磁式圆筒直线电机（33）中的直线发电机动子（52）固定连接在一起，直线发电机动子（52）位于永磁式圆筒直线电机（33）中心，直线发电机定子（31）采用支撑架（32）固定，在直线发电机定子（31）外侧设有位移传感器（34）；直线发电机定子（31）依次与整流器（36）、功率转换器（37）、蓄电池组（16）连接，将直线发电机定子（31）产生的电储存到蓄电池组（16）中，蓄电池组（16）通过电机控制器（38）和驱动电机（17）连接；
采集线路:第一流量计（26）、第二流量计（27）、第一温度传感器（42）、第一压力传感器（43）、第二压力传感器（44）、第二温度传感器（45）、第三温度传感器（46）、第三压力传感器（47）、第四压力传感器（48）、第四温度传感器（49）、氧传感器（50）、位移传感器（34）分别与信息采集模块（35）连接；
点火模块（12）通过点火线圈（13）与发动机（14）连接，点火模块（12）、高压电磁阀（4）、减压器（5）、电控调压器（7）、喷射阀及共轨（15）、电机控制器（38）、第一电磁阀（20）、第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）、第四电磁阀（23）分别与ECU（11）连接；信息采集模块（35）与ECU（11）连接，将采集的数据信息反馈给ECU（11）；
运行方式包括如下：动力输出方式一：充气站将天然气通过充气阀（2）充入天然气储气罐（1）至20-25MPa进行存储；当使用天然气作燃料时，高压电磁阀（4）打开，储气罐（1）内的高压天然气经过高压管路上的充气阀（2）、高压燃气滤清器（3）、高压电磁阀（4）进入减压器（5）进行减压；高压电磁阀（4）的开合由ECU（11）控制,减压器（5）的作用是将高压的压缩天然气经过减压加热将压力降低；高压天然气在减压过程中由于减压膨胀,需要吸收大量的热量,为防止减压器结冰,从发动机（14）中将发动机冷却液引出到减压器（5）对天然气进行加热；经减压后的天然气通过低压管路经过转换开关（6）进入电控调压器（7），电控调压器（7）的作用是根据发动机（14）运行工况精确控制天然气的压力；天然气经过电控调压器（7）调节到所需的压力，然后经过低压燃气滤清器（9）过滤后进入混合器（10），使天然气与空气均匀混合，满足发动机（14）不同工况的使用要求，最后通过喷射阀及共轨（15）将混合燃气喷入发动机（14）缸内，经点火线圈（13）点燃进行燃烧,点火线圈（13）的点火时刻由ECU（11）控制；燃料燃烧释放能量推动发动机活塞向下运动，从而进行动力输出，此时驱动电机（17）不工作；此为第一种动力输出方式，即纯压缩天然气动力输出模式；
动力输出方式二：充气站将天然气通过充气阀（2）充入天然气储气罐（1）至20-25MPa进行存储；当使用天然气作燃料时，高压电磁阀（4）打开，储气罐（1）内的高压天然气通过高压管路上的充气阀（2）、高压燃气滤清器（3）、高压电磁阀（4）进入减压器（5）减压；经减压后的天然气通过低压管路经过转换开关（6）进入自由活塞直线电机集成单元（8），通过ECU对第一电磁阀（20）、第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）、第四电磁阀（23）的控制，使天然气交替进入自由活塞气缸（28）A、B两端气缸内，利用天然气压力推动活塞（29）往复运动，活塞（29）往复运动过程中，通过活塞动子连杆组件（30）带动直线发电机动子（52）做切割磁感线运动产生电能，产生的电能经过整流器（36）和功率转换器（37）存储于蓄电池组（16）中，用于驱动电机（17）和整车供电；进入自由活塞直线电机集成单元（8）的天然气做功后，排出自由活塞气缸（28）进入电控调压器（7），经电控调压器（7）调整压力，然后经过低压燃气滤清器（9）过滤、混合器（10）中与空气均匀混合，最后通过喷射阀及共轨（15）喷入发动机（14）缸内，经点火线圈（13）点燃进行燃烧,燃料燃烧释放能量推动发动机（14）活塞向下运动，输出动力；存储于蓄电池组（16）中的电能经电机控制器（38）控制驱动电机（17）运转，输出转矩；转矩耦合装置（39）将发动机（14）和驱动电机（17）的转矩耦合后，通过传动装置（40）传递到车轮（41），驱动汽车运动，此时驱动电机（17）和发动机（14）同时工作；此为第二种动力输出方式，即气电混合动力输出模式；
第一种和第二种动力输出方式根据不同工作条件，通过转换开关自由调节；
自由活塞气缸（28）为单活塞双作用，自由活塞气缸（28）与一台永磁式圆筒直线电机（33）耦合，通过输入的高压天然气推动活塞（29）往复运动，带动直线发电机动子（52）做往复切割磁感线的运动，从而将天然气所携带的能量转化为电能输出，用于驱动电机（17）和整车供电；装置开始工作时，第三电磁阀（22）打开，第四电磁阀（23）闭合，第一电磁阀（20）打开，第二电磁阀（21）闭合，经减压器（5）减压后的天然气通过第三电磁阀（22）所在进气管路，从自由活塞气缸A端快速充入缸内，推动自由活塞（29）由气缸A端向B端运动，做功后的天然气从自由活塞气缸B端排出，通过第一电磁阀（20）所在排气管路排出进入电控调压器（7）中；通入一定时间t秒后，第三电磁阀（22）闭合，第一电磁阀（20）、第二电磁阀（21）、第四电磁阀（23）状态不变，气体在缸内自由膨胀，继续推动活塞（29）运动；当活塞（29）运动到自由活塞气缸B端设定位移点B1时，ECU（11）发出指令，第一电磁阀（20）闭合，第二电磁阀（21）打开，第三电磁阀（22）闭合，第四电磁阀（23）打开，经减压器（5）减压后的天然气经第二电磁阀（21）所在进气管路，从自由活塞气缸（28）B端快速充入缸内，推动活塞（29）由气缸B端向A端运动，做功后的天然气从自由活塞气缸A端流出，通过第四电磁阀（23）所在排气管路排出进入电控调压器（7）中；通入一定时间t秒后，第二电磁阀（21）闭合，第一电磁阀（20）、第三电磁阀（22）、第四电磁阀（23）状态不变，气体在自由活塞气缸（28）内自由膨胀，继续推动活塞（29）运动；同理，当活塞运动到自由活塞气缸（28）A端设定位移点A1时，ECU发出指令，第三电磁阀（22）打开，第二电磁阀（21）闭合，第一电磁阀（20）打开，第四电磁阀（23）闭合，气体通过自由活塞气缸（28）A端快速进入缸内，开始下一工作循环；活塞（29）往复运动过程中，通过活塞动子连杆组（30）带动直线发电机动子（52）运动，动子连续运动时，通过线圈的磁通方向将翻转变化，产生电能，输出的交流电通过整流器（36）转化为直流电储存到蓄电池组（16）中；
进气时间t通过ECU（11）调整第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）打开的持续时间来自由控制，从而调整膨胀过程时间长短，达到进一步对天然气减压的目的，或一直充气使运动过程无膨胀过程，以获得较高的功率输出；同时，自由活塞气缸（28）两端特定位移点A1、B1通过ECU（11）自由设置，从而调整自由活塞气缸（28）中活塞（29）的行程，以适应不同工作环境，从而获得更好的能量转化效率。
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