CN109473696A - 一种自由活塞式热力学燃料电池系统 - Google Patents

一种自由活塞式热力学燃料电池系统 Download PDF

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杨利杰
刘梁
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Abstract

本发明提供了一种自由活塞式热力学燃料电池系统，该系统包括中央燃烧室，直线发电机，气体弹簧，电子控制器，功率变换器，以及可逆储能装置；中央燃烧室包括设置有进排气口的缸体，对称放置在缸体内的两个燃烧室活塞，设置在缸体上的燃料喷射装置和点火装置；直线发电机有两个，对称设置在缸体的两端；气体弹簧有两个，包括左、右气体弹簧室和左、右气体弹簧活塞；气体弹簧室位于中央燃烧室和直线发电机之间；直线发电机动子、气体弹簧活塞以及左燃烧室活塞通过连杆连接在一起。本发明具有效率和功率密度高，制造成本低，结构紧凑，排放低，以及可以使用天然气、乙醇等其他清洁的代用燃料等优点。

Description

一种自由活塞式热力学燃料电池系统
技术领域
本发明属于发动机技术领域，特别涉及一种自由活塞式热力学燃料电池系统。
背景技术
目前，能源危机、环境污染已经成为制约社会可持续发展的一个重要因素，对于日益增长的汽车需求，寻找新的清洁可代用燃料和开发新技术提高能源利用效率是当下急需解决的重点问题。虽然纯电动汽车是未来发展的主流方向，但是，由于现有技术和工艺水平的限制，目前纯电动汽车的发展受到了制约，混合动力汽车作为汽车电动化的一种过渡，成为现在汽车动力装置研究的主要技术方向。常规的混合动力汽车采用的是传统的内燃机作为动力源，带动旋转的发电机进行发电。这种发电装置体积大，质量大，效率低，并且由于压缩比固定，对于系统效率的进一步提升以及其他清洁代用燃料的使用都有诸多限制，因此，研究合适的发电装置是混合动力汽车技术的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、发电效率高、运行动平衡特性好的自由活塞式热力学燃料电池系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种自由活塞式热力学燃料电池系统，包括中央燃烧室、位于所述中央燃烧室两侧的左直线发电机和右直线发电机、电子控制器、功率变换器以及可逆储能装置，所述中央燃烧室包括缸体、进气活塞、排气活塞、第一气体弹簧活塞、第二气体弹簧活塞、燃料喷射装置和点火装置，所述缸体为左右贯穿的结构，其包括中间的小径段和两端的大径段，所述小径段的中间位置上设置有所述燃料喷射装置和点火装置，所述小径段的一端上开设有进气口，另一端上开设有排气口，所述进气活塞的一端伸入小径段的一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述进气活塞移动的外止点所述进气口能够连通小径段内部和外界，在所述进气活塞移动的内止点所述进气活塞能够挡住所述进气口从而隔断小径段内部和外界的连通，所述进气活塞的另一端与第一气体弹簧活塞一体连接，所述第一气体弹簧活塞能够在大径内轴向移动，所述排气活塞的一端伸入小径段的另一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述排气活塞移动的外止点所述排气口能够连通小径段内部和外界，在所述排气活塞移动的内止点所述排气活塞能够挡住所述排气口从而隔断小径段内部和外界的连通，所述排气活塞的另一端与第二气体弹簧活塞一体连接，所述第二气体弹簧活塞能够在大径内轴向移动，两端的大径段上均开设有补气口，所述进气活塞与排气活塞的内止点之间形成燃烧室内腔，当所述进气活塞与排气活塞均从内止点向外止点移动时，所述排气口比进气口先被打开，所述左直线发电机通过左连杆与所述第一气体弹簧活塞连接，所述右直线发电机通过右连杆与所述第二气体弹簧活塞连接，在左连杆和右连杆上分别设置有左活塞位置检测单元和右活塞位置检测单元，左直线发电机和右直线发电机均通过导线和功率变换器连接，功率变换器通过导线和可逆储能装置连接，所述的电子控制器通过导线分别和燃料喷射装置、点火装置以及功率变换器连接。
进一步地，所述进气口为2个，在所述小径段的径向上对称设置，所述排气口为2个，在所述小径段的径向上对称设置。
进一步地，所述左直线发电机包括左直线发电机线圈、左直线发电机定子、左直线发电机动子，所述右直线发电机包括右直线发电机线圈、右直线发电机定子、右直线发电机动子，所述左连杆伸入左直线发电机定子内与左直线发电机定子内腔的左直线发电机动子连接，所述右连杆伸入右直线发电机定子内与右直线发电机定子内腔的右直线发电机动子连接。
进一步地，所述左直线发电机定子的端侧设置有与连通其内腔与外界的左直线发电机冷却口，所述右直线发电机定子的端侧设置有与连通其内腔与外界的右直线发电机冷却口。
进一步地，所述排气口与燃料喷射装置的距离小于进气口与燃料喷射装置的距离。
进一步地，所述左直线发电机和右直线发电机均是动磁式或者动圈式。
进一步地，所述可逆储能装置是蓄电池或者是超级电容器或者是蓄电池和超级电容器的组合。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本系统具有集成度高，结构紧凑，制造成本低的优点；(2)减少了能量转化和传递的中间环节，该系统的发电效率比传统的发电装置的发电效率高，排放低；(3)该系统的压缩比可变，使得具有高效燃烧的HCCI燃烧更容易实现，而且该系统对天然气、乙醇等其他清洁的代用燃料的适应性好，对于提高汽车的经济型和发展节能环保新的清洁能源混合汽车具有重要意义；(4)该系统在结构上左右对称，且左右两个活塞运动运动方向完全相反，系统在工作时动平衡特性好；(5)该系统可以作为增程器用于混合动力汽车，也可以在分布式发电，大功率移动电源以及充电站等场合得到广泛应用。
附图说明
图1为本发明自由活塞式热力学燃料电池系统结构示意图。
图2为本发明自由活塞式热力学燃料电池系统工作时的工况示意图。
图中：1A.左直线发电机线圈；2A.左直线发电机冷却口；3A.左直线发电机定子；4A.左直线发电机动子；5A.左连杆；6A.左活塞位置检测单元；7A.第一气体弹簧室；8A.第一气体弹簧活塞；9A.进气活塞；10.进气口；11.中央燃烧室；12.点火装置；13.排气口；14.缸体；15.补气口；16.燃料喷射装置；17.电子控制器；18.功率变换器；19.可逆储能装置；1B.右直线发电机线圈；2B.右直线发电机冷却口；3B.右直线发电机定子；4B.右直线发电机动子；5B.右连杆；6B.右活塞位置检测单元；7B.第二气体气体弹簧室；8B.第二气体弹簧活塞；9B.排气活塞。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种自由活塞式热力学燃料电池系统，包括中央燃烧室11、位于所述中央燃烧室11两侧的左直线发电机和右直线发电机、电子控制器17、功率变换器18以及可逆储能装置19，所述中央燃烧室11包括缸体14、进气活塞9A、排气活塞9B、第一气体弹簧活塞8A、第二气体弹簧活塞8B、燃料喷射装置16和点火装置12，所述缸体14为左右贯穿的结构，其包括中间的小径段和两端的大径段，所述小径段的中间位置上设置有所述燃料喷射装置16和点火装置12，所述小径段的一端上开设有进气口10，另一端上开设有排气口13，所述进气活塞9A的一端伸入小径段的一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述进气活塞9A移动的外止点所述进气口10能够连通小径段内部和外界，在所述进气活塞9A移动的内止点所述进气活塞9A能够挡住所述进气口10从而隔断小径段内部和外界的连通，所述进气活塞9A的另一端与第一气体弹簧活塞8A一体连接，所述第一气体弹簧活塞8A能够在大径内轴向移动，所述排气活塞9B的一端伸入小径段的另一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述排气活塞9B移动的外止点所述排气口13能够连通小径段内部和外界，在所述排气活塞9B移动的内止点所述排气活塞9B能够挡住所述排气口13从而隔断小径段内部和外界的连通，所述排气活塞9B的另一端与第二气体弹簧活塞8B一体连接，所述第二气体弹簧活塞8B能够在大径内轴向移动，两端的大径段上均开设有补气口15，所述进气活塞9A与排气活塞9B的内止点之间形成燃烧室内腔，当所述进气活塞9A与排气活塞9B均从内止点向外止点移动时，所述排气口13比进气口10先被打开，所述左直线发电机通过左连杆5A与所述第一气体弹簧活塞8A连接，所述右直线发电机通过右连杆5B与所述第二气体弹簧活塞8B连接，在左连杆5A和右连杆5B上分别设置有左活塞位置检测单元6A和右活塞位置检测单元6B，左直线发电机和右直线发电机均通过导线和功率变换器18连接，功率变换器18通过导线和可逆储能装置19连接，所述的电子控制器17通过导线分别和燃料喷射装置16、点火装置12以及功率变换器18连接。
进一步地，所述进气口10为2个，在所述小径段的径向上对称设置，所述排气口13为2个，在所述小径段的径向上对称设置。
进一步地，所述左直线发电机包括左直线发电机线圈1A、左直线发电机定子3A、左直线发电机动子4A，所述右直线发电机包括右直线发电机线圈1B、右直线发电机定子3B、右直线发电机动子4B，所述左连杆5A伸入左直线发电机定子3A内与左直线发电机定子3A内腔的左直线发电机动子4A连接，所述右连杆5B伸入右直线发电机定子3B内与右直线发电机定子3B内腔的右直线发电机动子4B连接。
进一步地，所述左直线发电机定子3A的端侧设置有与连通其内腔与外界的左直线发电机冷却口2A，所述右直线发电机定子3B的端侧设置有与连通其内腔与外界的右直线发电机冷却口2B。
进一步地，所述排气口13与燃料喷射装置16的距离小于进气口10与燃料喷射装置16的距离。
进一步地，所述左直线发电机和右直线发电机均是动磁式或者动圈式。
进一步地，所述可逆储能装置19是蓄电池或者是超级电容器或者是蓄电池和超级电容器的组合。
本发明的一种自由活塞式热力学燃料电池系统，在系统正常工作发电时，直线发电机工作在发电模式，通过燃烧做功将储存在燃料中的化学能转换为活塞运动组件的动能，直线发电机的动子运动切割磁感线发电，电能经过功率变换器储存在储能装置中；在系统启动过程或出现失火时，直线发电机工作在电动模式，储能装置通过功率变换器向电机提供电能，通过调节电磁力的大小调节活塞运动组件的运动规律，从而维持系统的稳定运行。
如图2所示，本发明的一种自由活塞式热力学燃料电池系统使用二冲程工作原理，系统的工作过程如下：
在系统启动时，电子控制器通过控制功率变换器使两个直线发电机工作在电动模式，可逆储能装置为两个直线发电机提供电能，通过控制直线发电机电磁力的大小和方向，使左右两个活塞运动组件向着远离燃烧室的方向运动，随着活塞运动组件向两端的运动，进排气口都逐渐打开，新鲜的空气通过进气口被吸入燃烧室内，燃烧室内的气体通过排气口被排出燃烧室外。与此同时，左右两个气体弹簧被压缩，一部分能量转化为弹簧的势能。当左右两个活塞分别运动到左止点和右止点时，启动过程完成。
在启动过程完成后，系统将进入膨胀冲程和压缩冲程的二冲程工作循环，电子控制器根据采集的燃烧室的压力信号，活塞组件的位移信号，直线发电机线圈电流信号来判断燃烧状态。当检测到燃料正常燃烧时，系统将工作于正常工作循环，在压缩和膨胀冲程中，直线发电机都工作于发电模式，产生电能并储存在储能装置中；当检测到燃料在燃烧室中燃烧不充分，或者出现失火(不燃烧)情况时，特别是在刚启动完成时，很容易出现这种情况，这时系统将工作于失火工作循环。下面分别对失火循环和正常工作循环进行介绍。
在失火循环时，压缩冲程：在两个气体弹簧的作用下，左右两活塞运动组件都向着靠近燃烧室的方向运动，电子控制器通过控制功率变换器使两个直线发电机工作在发电模式，直线发电机的动子切割磁感线发电，电能通过功率变换器储存在可逆的储能装置中，随着活塞运动组件向着燃烧室方向运动，进排气口都逐渐关闭，燃烧室内气体被压缩，在接近压缩冲程的终点时，燃料通过燃料喷射装置被喷入燃烧室内，在压缩冲程末，点火装置点燃混合气，系统将进入膨胀冲程。
在失火循环时，膨胀冲程：在压缩冲程末，混合气被点燃，但由于混合气燃烧不充分，或者没有燃烧，电子控制器通过控制功率变换器使两个直线发电机工作在电动模式，可逆储能装置为两个直线发电机提供电能，通过控制电机电磁力的大小和方向，使左右两个活塞运动组件向着远离燃烧室的方向运动，随着活塞运动组件向两端的运动，进排气口都逐渐打开，新鲜的空气通过进气口被吸入燃烧室内，燃烧室内的废气通过排气口被排出燃烧室外。与此同时，左右两个气体弹簧被压缩，一部分能量转化为弹簧的势能。当左右两个活塞分别运动到左止点和右止点时，膨胀冲程完成，系统将进入压缩冲程。
上述失火循环将重复下去直到检测到燃料燃烧充分，系统将进入正常工作循环。正常工作循的压缩冲程和失火循环的压缩冲程过程完全一样，这里不在论述。正常工作循环的膨胀冲程：电子控制器通过控制功率变换器使两个直线发电机工作在发电模式，在燃烧压力的作用下，左右两活塞运动组件向远离燃烧室的方向运动，直线发电机的动子切割磁感线发电，电能通过功率变换器储存在可逆的储能装置中。随着活塞运动组件向两端的运动，进排气口都逐渐打开，新鲜的空气通过进气口被吸入燃烧室内，燃烧室内的燃烧废气通过排气口被排出燃烧室外。与此同时，左右两个气体弹簧被压缩，一部分能量转化为弹簧的势能。当左右两个活塞分别运动到左止点和右止点时，循环膨胀冲程完成，系统将进入压缩冲程。
综上所述，该系统应用二冲程的工作原理，电子控制器通过对活塞位置，燃烧室压力，以及直线发电机线圈电流信号的采集处理，判断系统的工作状态，然后通过变换器控制直线发电机的工作状态，包括电机电流的大小方向。通过精确控制可以解决启动、失火等问题，保证系统的正常稳定运行，同时还可以改变活塞的运动止点，从而改变压缩比和膨胀比，这使得系统对于其它的清洁燃料具有很好的适应性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种自由活塞式热力学燃料电池系统，其特征在于，包括中央燃烧室(11)、位于所述中央燃烧室(11)两侧的左直线发电机和右直线发电机、电子控制器(17)、功率变换器(18)以及可逆储能装置(19)，所述中央燃烧室(11)包括缸体(14)、进气活塞(9A)、排气活塞(9B)、第一气体弹簧活塞(8A)、第二气体弹簧活塞(8B)、燃料喷射装置(16)和点火装置(12)，所述缸体(14)为左右贯穿的结构，其包括中间的小径段和两端的大径段，所述小径段的中间位置上设置有所述燃料喷射装置(16)和点火装置(12)，所述小径段的一端上开设有进气口(10)，另一端上开设有排气口(13)，所述进气活塞(9A)的一端伸入小径段的一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述进气活塞(9A)移动的外止点所述进气口(10)能够连通小径段内部和外界，在所述进气活塞(9A)移动的内止点所述进气活塞(9A)能够挡住所述进气口(10)从而隔断小径段内部和外界的连通，所述进气活塞(9A)的另一端与第一气体弹簧活塞(8A)一体连接，所述第一气体弹簧活塞(8A)能够在大径内轴向移动，所述排气活塞(9B)的一端伸入小径段的另一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述排气活塞(9B)移动的外止点所述排气口(13)能够连通小径段内部和外界，在所述排气活塞(9B)移动的内止点所述排气活塞(9B)能够挡住所述排气口(13)从而隔断小径段内部和外界的连通，所述排气活塞(9B)的另一端与第二气体弹簧活塞(8B)一体连接，所述第二气体弹簧活塞(8B)能够在大径内轴向移动，两端的大径段上均开设有补气口(15)，所述进气活塞(9A)与排气活塞(9B)的内止点之间形成燃烧室内腔，当所述进气活塞(9A)与排气活塞(9B)均从内止点向外止点移动时，所述排气口(13)比进气口(10)先被打开，所述左直线发电机通过左连杆(5A)与所述第一气体弹簧活塞(8A)连接，所述右直线发电机通过右连杆(5B)与所述第二气体弹簧活塞(8B)连接，在左连杆(5A)和右连杆(5B)上分别设置有左活塞位置检测单元(6A)和右活塞位置检测单元(6B)，左直线发电机和右直线发电机均通过导线和功率变换器(18)连接，功率变换器(18)通过导线和可逆储能装置(19)连接，所述的电子控制器(17)通过导线分别和燃料喷射装置(16)、点火装置(12)以及功率变换器(18)连接。
2.根据权利要求1所述的自由活塞式热力学燃料电池系统，其特征在于，所述进气口(10)为2个，在所述小径段的径向上对称设置，所述排气口(13)为2个，在所述小径段的径向上对称设置。
3.根据权利要求2所述的自由活塞式热力学燃料电池系统，其特征在于，所述左直线发电机包括左直线发电机线圈(1A)、左直线发电机定子(3A)、左直线发电机动子(4A)，所述右直线发电机包括右直线发电机线圈(1B)、右直线发电机定子(3B)、右直线发电机动子(4B)，所述左连杆(5A)伸入左直线发电机定子(3A)内与左直线发电机定子(3A)内腔的左直线发电机动子(4A)连接，所述右连杆(5B)伸入右直线发电机定子(3B)内与右直线发电机定子(3B)内腔的右直线发电机动子(4B)连接。
4.根据权利要求3所述的自由活塞式热力学燃料电池系统，其特征在于，所述左直线发电机定子(3A)的端侧设置有与连通其内腔与外界的左直线发电机冷却口(2A)，所述右直线发电机定子(3B)的端侧设置有与连通其内腔与外界的右直线发电机冷却口(2B)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的自由活塞式热力学燃料电池系统，其特征在于，所述排气口(13)与燃料喷射装置(16)的距离小于进气口(10)与燃料喷射装置(16)的距离。
6.根据权利要求5所述的自由活塞式热力学燃料电池系统，其特征在于，所述左直线发电机和右直线发电机均是动磁式或者动圈式。
7.根据权利要求5所述的自由活塞式热力学燃料电池系统，其特征在于，所述可逆储能装置(19)是蓄电池或者是超级电容器或者是蓄电池和超级电容器的组合。
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