CN113266464B - 一种自由活塞内燃直线发电机运行系统及运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由活塞内燃直线发电机运行系统及运行控制方法，涉及能源动力机械技术领域，系统包括：自由活塞内燃直线发电机、有机朗肯循环系统、辅助进排气系统以及信息采集控制系统；所述自由活塞内燃直线发电机、有机朗肯循环系统、辅助进排气系统以及信息采集控制系统通过连接管路或线路连接；解决现有技术中自由活塞内燃直线发电机运行易失稳甚至停止运行，扫气效率低，整体运行效率低的问题。

Description

一种自由活塞内燃直线发电机运行系统及运行控制方法
技术领域
本发明涉及能源动力机械技术领域，尤其涉及一种自由活塞内燃直线发电机运行系统及运行控制方法。
背景技术
内燃机作为一种典型的能量转换装置，现已应用于社会的方方面面。然而随着内燃机数量和应用规模的迅速增大，其所带来的能源和环保问题也愈发严重，在这样的压力下，研究人员在优化传统内燃机性能的同时，也在积极寻找新的可实现能量转换的动力机械装置，自由活塞内燃直线发电机便是在这样的背景下逐渐发展起来的新型能量转换装置。
自由活塞内燃直线发电机是一种直线内燃发电混合动力型能量转换动力装置，它由自由活塞发动机和直线电机耦合而成。自由活塞内燃直线发电机运行时，左右两侧发动机燃烧室内气体交替燃烧膨胀做功，推动活塞及直线电机动子往复运动，直线电机动子切割磁感线产生电能输出，从而实现将燃料的化学能转换为电能。
自由活塞内燃直线发电机最大的特点是摒除了曲柄连杆机构，具有结构紧凑、能量传递链短、高功率密度、可变压缩比运行、多燃料适用性和多模块并行运行等多种潜在优势。自由活塞内燃直线发电机可以直接输出电能，因此它不仅可以用于混合动力或纯电动汽车或船舶上，还可以作为辅助动力发电机组使用，具有广阔应用前景。
自由活塞内燃直线发电机取消了曲柄连杆机构，不能通过飞轮积蓄起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活塞运动到指定位置，使其满足自由活塞发动机着火所需条件。
对于带有储能机构的传统内燃机，单次失火或随机性失火现象不足以对其运行稳定性产生影响；但是对于自由活塞内燃直线发电机，只要出现一次失火现象，便会导致系统循环间能量无法连续传递，最终造成整个系统出现失稳甚至停止运行现象。
此外，由于上述问题以及扫气效率低等原因，现阶段自由活塞内燃直线发电机的整体运行效率较低。因此，如何实现自由活塞内燃直线发电机的快速有效启动、维持其稳定高效运行是当前制约该能量转换动力装置发展的重要原因。
发明内容
为了解决上述技术问题，针对以上问题点，本发明公开了一种自由活塞内燃直线发电机运行系统及运行控制方法，解决现有技术中自由活塞内燃直线发电机运行易失稳甚至停止运行，扫气效率低，整体运行效率低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明提供了一种自由活塞内燃直线发电机运行系统，所述系统包括：
自由活塞内燃直线发电机、有机朗肯循环系统、辅助进排气系统以及信息采集控制系统；
所述自由活塞内燃直线发电机、有机朗肯循环系统、辅助进排气系统以及信息采集控制系统通过连接管路或线路连接；
所述自由活塞内燃直线发电机，包括：左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机以及直线电机；
所述有机朗肯循环系统，包括：换热器、工质泵、储液罐、冷凝器、自由活塞直线膨胀/压缩机、流量计以及阀门和连接管路；
所述辅助进排气系统，包括：高压储气罐、储气箱、冷却器、第一调压阀、第二调压阀、第三调压阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第一泄压阀、第二泄压阀、第一通断阀、第二通断阀、第五通断阀、第六压力传感器以及连接管路；
所述信息采集控制系统，包括：上位机、蓄电池、采集控制器。
在一个实施方式中，所述自由活塞内燃直线发电机，包括：左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机以及直线电机，具体结构及安装连接关系为：
所述左侧自由活塞发动机包括：第一喷油器、第一进气口、第一扫气口、左缸散热片、第一燃烧室、第一火花塞、第一压力传感器、第一电磁气门、第一排气口、第一活塞、第一活塞销、第一活塞环、第一扫气室、第一连杆；
所述右侧自由活塞发动机包括：第二喷油器、第二进气口、第二扫气口、右缸散热片、第二燃烧室、第二火花塞、第二压力传感器、第二电磁气门、第二排气口、第二活塞、第二活塞销、第二活塞环、第二扫气室、第二连杆；
所述直线电机包括：直线电机定子和直线电机动子；
所述第一喷油器、第二喷油器分别安装在所述自由活塞发动机的左右两侧进气管道上；
所述第一火花塞、第二火花塞、第一电磁气门、第二电磁气门和第一压力传感器、第二压力传感器均安装在自由活塞发动机的左右两侧气缸盖上；
所述第一活塞环安装在第一活塞的头部，所述第二活塞环安装在第二活塞的头部；
所述直线电机动子位于直线电机内部，其两端通过连杆与活塞相连接组成活塞动子组件；
所述第一连杆通过第一活塞销与第一活塞相连接，所述第二连杆通过第二活塞销与第二活塞相连接。
在一个实施方式中，所述自由活塞直线膨胀/压缩机，包括：
第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第三压力传感器、第四压力传感器、第三活塞、第四活塞、自由活塞直线膨胀/压缩机定子、自由活塞直线膨胀/压缩机动子；
所述第三压力传感器和第四压力传感器安装在自由活塞直线膨胀/压缩机的左、右气缸盖上。
在一个实施方式中，所述有机朗肯循环系统，与自由活塞内燃直线发电机运行系统其他部件的连接关系为：
所述自由活塞内燃直线发电机的排气总管上安装有温度传感器和第五压力传感器并分为两路，一路经过第一通断阀直接与外界环境相通，另一路经过第二通断阀与换热器相连接；
所述换热器又分别与流量计和第三通断阀相连接；
第三通断阀经过管路分别与第五通断阀、第六通断阀以及自由活塞直线膨胀/压缩机的第一电磁阀和第三电磁阀相连接；
自由活塞直线膨胀/压缩机的第二电磁阀和第四电磁阀经过第四通断阀和截止阀分别与冷凝器和高压储气罐相连接；冷凝器的另一端与储液罐相连接；
工质泵的一端与流量计相连接，另一端与储液罐相连接；
上述所有连接均为管路连接。
在一个实施方式中，所述辅助进排气系统，与自由活塞内燃直线发电机运行系统其他部件的连接关系为：
所述高压储气罐经过第一调压阀、第一单向阀分别与第一电磁气门和第二电磁气门相连接，再经过第二调压阀与储气箱相连接；第一电磁气门、第二电磁气门经过管路又与冷却器相连接；储气箱通过第三调压阀并经由第二单向阀、第三单向阀分别与第一进气口、第二进气口相连接，第一泄压阀安装在第二单向阀与第一喷油器之间的管路上，第二泄压阀安装在第三单向阀与第二喷油器之间的管路上，上述所有连接均为管路连接。
在一个实施方式中，所述信息采集控制系统，与自由活塞内燃直线发电机运行系统其他部件的连接关系为：
所述采集控制器与所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一通断阀、第二通断阀、第三通断阀、第四通断阀、第五通断阀、第六通断阀、第一喷油器、第二喷油器、第一火花塞、第二火花塞、第一电磁气门、第二电磁气门、第一调压阀、第二调压阀、第三调压阀、截止阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、温度传感器、流量计均通过线路连接；
采集控制器通过线路与直线电机定子相连接，采集直线电机的输出电能和位移参数，并驱动直线电机动子运动；
采集控制器分别与蓄电池和上位机相连接，运行过程中输出的电能通过采集控制器整流调节后储存在蓄电池中，同时采集的数据信息经整合后反馈给上位机，上位机通过采集控制器来设置系统中各部件的运行控制参数。
本发明还提供了一种自由活塞内燃直线发电机运行控制方法，包括如上所述的自由活塞内燃直线发电机运行系统，包括：
系统启动，辅助进排气系统工作；
采集控制系统根据自由活塞内燃直线发电机的缸径、行程以及燃烧方式设定辅助进排气系统控制参数，选择不同方式启动自由活塞内燃直线发电机；
判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况，若是，则判断系统排气能量是否足以回收，若是，则启动有机朗肯系统，将自由活塞发动机的排气能量回收转化为电能；若否，则直接向外界环境进行排气；
判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况，若否，则判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在压缩机运行工况，若是，则采集控制系统控制自由活塞内燃直线发电机作为一级压缩机，控制自由活塞直线膨胀/压缩机作为二级压缩机，两级压缩的模式产生高压气体工质储存于高压储气罐中；若否，则只控制自由活塞直线膨胀/压缩机工作在压缩机运行工况，产生高压气体工质储存于高压储气罐中。
在一个实施方式中，所述采集控制系统根据自由活塞内燃直线发电机的缸径、行程以及燃烧方式设定辅助进排气系统控制参数，实现不同方式启动自由活塞内燃直线发电机，包括：
在自由活塞发动机缸径小于90mm,最大行程小于100mm时，高压储气罐内气体压力高于10bar,采用启动方式一：从左侧或者右侧单侧自由活塞发动机启动，在一个循环内实现冷启动；
在自由活塞发动机缸径大于90mm,最大行程大于100mm、高压储气罐内气体压力低于10bar或自由活塞发动机为柴油压燃着火方式时，采用启动方式二：任意位置启动，通过多个循环的能量积累实现启动成功。
在一个实施方式中，所判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况，若是，则判断系统排气能量是否足以回收，若是，则启动有机朗肯系统，将自由活塞发动机的排气能量回收转化为电能；若否，则直接向外界环境进行排气，包括：
采集控制设置预设温度值和压力值，判断是否启动有机朗肯系统，若排气总管的压力和温度实测值低于预设温度值和压力值，则判定排气能量不足以回收，直接向外界环境进行排气；
若排气总管的压力和温度实测值高于预设温度值和压力值，则判定排气能量足以回收，启动有机朗肯系统。
在一个实施方式中，所述有机朗肯系统中自由活塞直线膨胀机/压缩机可设置一个或多个。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明的辅助进排气系统利用高压气体工质可快速、有效启动自由活塞内燃直线发电机；在运行过程中辅助进排气系统可帮助自由活塞发动机进行换气，提高扫气效率；在某一侧燃烧室内发生失火时，辅助进排气系统可通过快速充入高压气体维持其稳定运行，实现系统连续稳定运行。
2、本发明通过有机朗肯循环系统与自由活塞内燃直线发电机的匹配，实现排气能量的高效回收，回收的能量转换为电能，从而提高整个系统的发电效率。
3、本发明中的自由活塞内燃直线发电机和自由活塞直线膨胀/压缩机均可运行在两种模式，运行在压缩机模式时均可为高压储气罐提供高压气体工质，以供辅助进排气系统使用，而不需要额外设备，从而使其结构紧凑，占用空间小，部件利用率高，且通过合理改变连接方式便可实现两级压缩。
4、本发明的关键部件及辅助进排气系统均是成熟技术，加工制造方便，可靠性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明所述的一种自由活塞内燃直线发电机运行系统及运行控制方法，下面将对实施例所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例提供的一种自由活塞内燃直线发电机运行系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种自由活塞内燃直线发电机运行系统的自由活塞直线发电机结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种自由活塞内燃直线发电机运行系统的自由活塞直线膨胀机/压缩机机构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种自由活塞内燃直线发电机运行控制方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种自由活塞内燃直线发电机运行系统的结构示意图；
图示说明：1-第一喷油器、2-第一进气口、3-第一扫气口、4-左缸散热片、5-第一燃烧室、6-第一火花塞、7-第一压力传感器、8-第一电磁气门、9-第一排气口、10-第一活塞、11-第一活塞销、12-第一活塞环、13-第一扫气室、14-第一连杆、15-第二喷油器、16-第二进气口、17-第二扫气口、18-右缸散热片、19-第二燃烧室、20-第二火花塞、21-第二压力传感器、22-第二电磁气门、23-第二排气口、24-第二活塞、25-第二活塞销、26-第二活塞环、27-第二扫气室、28-第二连杆、29-直线电机、30-直线电机定子、31-直线电机动子、32-第三活塞、33-第四活塞、34-第一电磁阀、35-第二电磁阀、36-第三电磁阀、37-第四电磁阀、38-第三压力传感器、39-第四压力传感器、40-自由活塞直线膨胀/压缩机定子、41-自由活塞直线膨胀/压缩机动子、42-温度传感器、43-第五压力传感器、44-第一通断阀、45-第二通断阀、46-第三通断阀、47-换热器、48-流量计、49-工质泵、50-储液罐、51-冷凝器、52-第四通断阀、53-自由活塞直线膨胀/压缩机、54-截止阀、55-第六压力传感器、56-高压储气罐、57-第一调压阀、58-第一单向阀、59-第二调压阀、60-储气箱、61-第三调压阀、62-第二单向阀、63-第三单向阀、64-第一泄压阀、65-第二泄压阀、66-冷却器、67-第五通断阀、68-第六通断阀、69-采集控制器、70-蓄电池、71-上位机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及它们 的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
请参阅图1，图2，图3，图1，图2，图3示出了可用于实施本发明实施例方案的一种自由活塞内燃直线发电机运行系统，所述系统包括：
自由活塞内燃直线发电机、有机朗肯循环系统、辅助进排气系统以及信息采集控制系统；
所述自由活塞内燃直线发电机、有机朗肯循环系统、辅助进排气系统以及信息采集控制系统通过连接管路或线路连接；
所述自由活塞内燃直线发电机，包括：左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机以及直线电机；
在本说明书实施例中，所述左侧自由活塞发动机包括：第一喷油器1、第一进气口2、第一扫气口3、左缸散热片4、第一燃烧室5、第一火花塞6、第一压力传感器7、第一电磁气门8、第一排气口9、第一活塞10、第一活塞销11、第一活塞环12、第一扫气室13、第一连杆14；
所述右侧自由活塞发动机包括：第二喷油器15、第二进气口16、第二扫气口17、右缸散热片18、第二燃烧室19、第二火花塞20、第二压力传感器21、第二电磁气门22、第二排气口23、第二活塞24、第二活塞销25、第二活塞环26、第二扫气室27、第二连杆28；
所述直线电机包括：直线电机定子30和直线电机动子31；
所述第一喷油器1、第二喷油器15分别安装在所述自由活塞发动机的左右两侧进气管道上；
所述第一火花塞6、第二火花塞20、第一电磁气门8、第二电磁气门22和第一压力传感器7、第二压力传感器21均安装在自由活塞发动机的左右两侧气缸盖上；
所述第一活塞环12安装在第一活塞10的头部，所述第二活塞环26安装在第二活塞24的头部；
所述直线电机动子31位于直线电机29内部，其两端通过连杆与活塞相连接组成活塞动子组件；
所述第一连杆14通过第一活塞销11与第一活塞10相连接，所述第二连杆28通过第二活塞销25与第二活塞24相连接；
喷油器安装在自由活塞发动机的进气管道上，用于喷射燃油；火花塞、电磁气门和压力传感器均安装在自由活塞发动机的气缸盖上，火花塞用于点燃燃烧室内的可燃混合气，电磁气门用于控制高压气体的喷射，压力传感器用于测量燃烧室内压力；活塞环安装在活塞的头部，用于防止活塞运动过程中气体工质的泄漏；直线电机动子位于直线电机内部，其两端通过连杆与活塞相连接，组成系统中唯一的直线运动部件（简称：活塞动子组件），连杆通过活塞销与活塞相连接。
所述有机朗肯循环系统，包括：换热器47、工质泵49、储液罐50、冷凝器51、自由活塞直线膨胀/压缩机53、流量计48以及阀门和连接管路；
在本说明书实施例中，所述自由活塞内燃直线发电机的排气总管上安装有温度传感器42和第五压力传感器43并分为两路，一路经过第一通断阀44直接与外界环境相通，另一路经过第二通断阀45与换热器47相连接；
所述换热器47又分别与流量计48和第三通断阀46相连接；
第三通断阀46经过管路分别与第五通断阀67、第六通断阀68以及自由活塞直线膨胀/压缩机53的第一电磁阀34和第三电磁阀36相连接；
自由活塞直线膨胀/压缩机53的第二电磁阀35和第四电磁阀37经过第四通断阀52和截止阀54分别与冷凝器51和高压储气罐56相连接；冷凝器51的另一端与储液罐50相连接；
工质泵49的一端与流量计48相连接，另一端与储液罐50相连接；
上述所有连接均为管路连接。
所述辅助进排气系统，包括：高压储气罐56、储气箱60、冷却器66、第一调压阀57、第二调压阀59、第三调压阀61、第一单向阀58、第二单向阀62、第三单向阀63、第一泄压阀64、第二泄压阀65、第一通断阀44、第二通断阀45、第五通断阀67、第六压力传感器55以及连接管路；
在本说明书实施例中，高压储气罐56经过第一调压阀57、第一单向阀58分别与第一电磁气门8和第二电磁气门22相连接，再经过第二调压阀59与储气箱60相连接；第一电磁气门8、第二电磁气门22经过管路又与冷却器66相连接；储气箱60通过第三调压阀61并经由第二单向阀62、第三单向阀63分别与第一进气口2、第二进气口16相连接；
泄压阀安装在单向阀与喷油器之间的管路上，上述所有连接均为管路连接，形成辅助进排气系统。
所述信息采集控制系统，包括：上位机71、蓄电池70、采集控制器69。
在本说明书实施例中，所述采集控制器69与所述第一电磁阀34、第二电磁阀35、第三电磁阀36、第四电磁阀37、第一通断阀44、第二通断阀45、第三通断阀46、第四通断阀52、第五通断阀67、第六通断阀67、第一喷油器1、第二喷油器15、第一火花塞6、第二火花塞20、第一电磁气门8、第二电磁气门22、第一调压阀57、第二调压阀58、第三调压阀59、截止阀54、第一压力传感器7、第二压力传感器21、第三压力传感器38、第四压力传感器39、第五压力传感器43、第六压力传感器55、温度传感器42、流量计48均通过线路连接；
采集控制器69通过线路与直线电机定子30和自由活塞直线膨胀/压缩机定子40相连接，采集直线电机的输出电能和位移参数，并驱动直线电机动子31和自由活塞直线膨胀/压缩机动子41运动；
第六压力传感器55安装在高压储气罐56与截止阀54之间的管路上，用于测量高压储气罐56内的气体压力；温度传感器42、第五压力传感器43安装在自由活塞发动机排气总管上，用于测量排气压力和温度；第三压力传感器38和第四压力传感器39安装在自由活塞直线膨胀/压缩机的气缸盖上，用于测量缸内气体压力；
采集控制器69分别与蓄电池70和上位机71相连接，运行过程中输出的电能通过采集控制器69整流调节后储存在蓄电池70中，同时采集的数据信息经整合后反馈给上位机71，上位机71通过采集控制器69来设置系统中各部件的运行控制参数。
以下结合图4介绍本发明基于上述系统的自由活塞内燃直线发电机运行控制方法，包括：
S401、系统启动，辅助进排气系统工作；
S402、采集控制系统根据自由活塞内燃直线发电机的缸径、行程以及燃烧方式设定辅助进排气系统控制参数，选择不同方式启动自由活塞内燃直线发电机；
S403、判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况；
S404、若是，则判断系统排气能量是否足以回收，若是，则启动有机朗肯系统，将自由活塞发动机的排气能量回收转化为电能；若否，则直接向外界环境进行排气；
S405、判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况，若否，则判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在压缩机运行工况，若是，则采集控制系统控制自由活塞内燃直线发电机作为一级压缩机，控制自由活塞直线膨胀/压缩机作为二级压缩机，两级压缩的模式产生高压气体工质储存于高压储气罐中；若否，则只控制自由活塞直线膨胀/压缩机工作在压缩机运行工况，产生高压气体工质储存于高压储气罐中。
请参考图4，其所示为本发明实施例提供的一种自由活塞内燃直线发电机运行控制方法的流程示意图，本说明书提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规；或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序，可以按照实施例或附图所示的方法顺序执行。
在本说明书实施例中，所述采集控制系统根据自由活塞内燃直线发电机的缸径、行程以及燃烧方式设定辅助进排气系统控制参数，实现不同方式启动自由活塞内燃直线发电机，包括：
在自由活塞发动机缸径小于90mm,最大行程小于100mm时，高压储气罐内气体压力高于10bar,采用启动方式一：从左侧或者右侧单侧自由活塞发动机启动，在一个循环内实现冷启动；
在自由活塞发动机缸径大于90mm,最大行程大于100mm、高压储气罐内气体压力低于10bar或自由活塞发动机为柴油压燃着火方式时，采用启动方式二：任意位置启动，通过多个循环的能量积累实现启动成功。
自由活塞内燃直线发电机工作时，左右两侧自由活塞发动机燃烧室内的可燃混合气交替燃烧膨胀做功，推动活塞动子组件往复运动，从而带动直线电机动子切割电机内部磁感线，产生电能对外输出，并储存在蓄电池中，最终实现将燃料的化学能转换为电能。
在本说明书实施例中，所述采用启动方式一：从左侧或者右侧单侧自由活塞发动机启动，在一个循环内实现冷启动，具体为：
当从左侧自由活塞发动机启动时，启动开始前所有阀门均处于关闭状态，第一活塞10位于左侧气缸中靠近上止点处，采集控制器69控制第一调压阀57、第一电磁气门8、第一通断阀44、第三调压阀61开启，高压气体通过管道迅速充入第一燃烧室5，在高压气体的作用下推动活塞动子组件向右运动，第二燃烧室19内气体被压缩，当第一活塞10运动到第一排气门9开启位置时，第一电磁气门8关闭，停止进气，第一喷油器1喷油，随后可燃混合气开始进入第一燃烧室5中，当活塞动子组件运动到设定位置X1时，采集控制器69控制第二电磁气门22开启，高压气体通过管道迅速充入第二燃烧室19内，在高压气体的作用下开始推动活塞动子组件向左运动，此时第一燃烧室5内气体开始被压缩，当第二活塞24运动到第二排气门23开启位置时，第二电磁气门22关闭停止进气，第二喷油器15喷油，可燃混合气开始进入第二燃烧室19中，由于惯性作用，活塞动子组件会继续向左运动，当运动到满足左侧自由活塞发动机着火所需压缩比和缸内压力位置Xstart-L时，第一火花塞6点火，可燃混合气被点燃开始膨胀做功推动活塞动子组件向右运动，同理，当活塞动子组件运动到满足右侧自由活塞发动机着火所需压缩比和缸内压力位置Xstart-R时，第二火花塞20点火，可燃混合气被点燃开始膨胀做功推动活塞动子组件向左运动，以此往复，自由活塞内燃直线发电机启动过程完成，开始稳定工作。
当从右侧自由活塞发动机启动时，启动开始前所有阀门均处于关闭状态，第二活塞24位于右侧气缸中靠近上止点处，采集控制器69控制第一调压阀57、第二电磁气门22、第一通断阀44、第二调压阀61开启，高压气体通过管道迅速进入第二燃烧室19，在高压气体的作用下推动活塞动子组件向左运动，此时第一燃烧室5内气体被压缩，当第二活塞24运动到第二排气门23开启位置时，第二电磁气门22关闭，停止进气，第二喷油器15喷油，可燃混合气开始进入第二燃烧室19中，当活塞动子组件运动到设定位置X2时，采集控制器69控制第一电磁气门8开启，高压气体通过管道迅速充入第一燃烧室5内，在高压气体的作用下开始推动活塞动子组件向右运动，此时第二燃烧室19内气体被压缩，当第一活塞10运动到第一排气门9开启位置时，第一电磁气门8关闭停止进气，第一喷油器1喷油，可燃混合气开始进入第一燃烧室5中，由于惯性作用，活塞动子组件会继续向右运动，当运动到满足右侧自由活塞发动机着火所需压缩比和缸内压力位置Xstart-R时，第二火花塞20点火，可燃混合气被点燃，开始膨胀做功推动活塞动子组件向左运动，同理，当活塞动子组件运动到满足左侧自由活塞发动机着火所需压缩比和缸内压力位置Xstart-L时，第一火花塞6点火，可燃混合气被点燃，开始膨胀做功推动活塞动子组件向右运动，以此往复，自由活塞内燃直线发电机启动过程完成，开始稳定工作。
在本说明书实施例中，所述采用启动方式二：任意位置启动，通过多个循环的能量积累实现启动成功，具体为：
启动开始前所有阀门均处于关闭状态，活塞可位于自由活塞发动机内任意位置，采集控制器69控制第一调压阀57开启，并控制第一电磁气门8和第二电磁气门22交替开启关闭，高压气体交替进入燃烧室内推动活塞动子组件往复运动，活塞动子组件和发动机气缸内的气体不断积蓄能量，自由活塞发动机的压缩比和峰值缸内压力不断增长，直至达到发动机点火所需条件，则在下一循环时，第一通断阀44、第三调压阀61开启，同时喷油器开始交替喷油，与所述启动方式一相同，可燃混合气交替进入燃烧室内被压缩点燃，燃烧后的可燃混合气膨胀做功推动活塞动子组件往复运动，自由活塞内燃直线发电机启动过程完成，开始稳定工作。
在本发明实施例中，所述点火位置Xstart-R、Xstart-L和设定位置X1、X2均可通过采集控制器69在上位机71中设置，以满足不同自由活塞发动机结构的启动要求，并结合启动方式一和二的选择，使其启动在最优工况下，从而减少高压气体工质的使用，节约能量。
自由活塞内燃直线发电机取消了曲柄连杆机构，其活塞运动规律与传统内燃机不同，它的活塞运动上、下止点不受连杆机构的限制，且活塞行程是可变的，这导致运行过程中前一个循环的波动将直接影响下一循环的工作性能。因此，在本发明中辅助进排气系统也被用来维持其稳定运行，提高该系统的抗扰动能力。在自由活塞内燃直线发电机的运行过程中，当检测到某一燃烧室内发生燃烧波动甚至失火现象时，采集控制器69将控制该气缸上的电磁气门开启，高压气体快速充入燃烧室内，辅助燃烧膨胀过程推动活塞动子组件继续运动，以使其下一循环能顺利达到着火条件，从而维持其稳定的能量传递。
在自由活塞内燃直线发电机稳定运行过程中，辅助进排气系统不需要用于系统的启动，此时则被用于帮助自由活塞发动机进行换气过程。工作过程中，当活塞运动到排气门开启位置时，电磁气门开启，高压气体迅速充入燃烧室内帮助燃烧后的混合气快速排出，进气持续t秒后电磁气门关闭，开始正常排气和扫气过程。进气持续时间t可通过采集控制器69在上位机71中设置，以满足不同自由活塞发动机结构的排气要求，从而提高自由活塞发动机的扫气效率，并使其扫气效率达到最优。在本说明书实施例中，所判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况，若是，则判断系统排气能量是否足以回收，若是，则启动有机朗肯系统，将自由活塞发动机的排气能量回收转化为电能；若否，则直接向外界环境进行排气，包括：
采集控制设置预设温度值和压力值，判断是否启动有机朗肯系统，若排气总管的压力和温度实测值低于预设温度值和压力值，则判定排气能量不足以回收，直接向外界环境进行排气；
若排气总管的压力和温度实测值高于预设温度值和压力值，则判定排气能量足以回收，启动有机朗肯系统。
在本说明书实施例中，根据自由活塞内燃直线发电机的运行工况，可以预设不同的温度To和压力Po作为控制信号来决定有机朗肯循环系统是否工作，并使自由活塞内燃直线发电机和有机朗肯循环均工作在最优工况范围内。当排气总管的压力和温度实测值低于设定值，即排气能量不足以回收时，第一通断阀44开启，第二通断阀45关闭，自由活塞发动机的排气通过第一通断阀44所在排气管路直接排入外界环境中；当排气总管的压力和温度实测值高于设定值，即排气能量足以回收时，第一通断阀44关闭，第二通断阀45开启，有机朗肯循环系统工作，采集控制器69发出指令，第二通断阀45、第三通断阀46、第四通断阀52接通，其它阀门均处于关闭状态，排气经过第二通断阀45所在管路进入换热器47中与经过工质泵49加压的有机工质进行换热，高温排气所带能量传递给液态有机工质，使其变为高温高压气态有机工质，随后高温高压气态有机工质交替进入自由活塞直线膨胀/压缩机53，膨胀做功，推动活塞动子组件往复运动，从而带动自由活塞直线膨胀/压缩机动子41切割磁感线运动，产生电能对外输出。做功后的低压乏汽通过管路进入冷凝器51，在冷凝器51中冷却后变为液态有机工质，液态有机工质通过管路进入储液罐50中暂时储存，随后工质泵49将有机工质加压后经过流量计48再次送到换热器47中与高温排气进行换热，至此，完成一个工作循环。
输出的电能经过采集控制器69整流调节后储存在蓄电池70中，从而将自由活塞发动机的排气能量回收转化为电能，提高了自由活塞内燃直线发电机的发电效率。
在本说明书实施例中，辅助进排气系统所需的高压气体可通过调节自由活塞内燃直线发电机和自由活塞直线膨胀/压缩机53的工作模式来产生，而不需要额外的设备。在有机朗肯循环系统不工作时，自由活塞直线膨胀/压缩机53用作压缩机模式，采集控制器69驱动自由活塞直线膨胀/压缩机动子41带动活塞做往复直线运动，两侧气缸内气体工质轮流完成吸气-压缩-排气过程。具体工作过程为：第六通断阀68、第一电磁阀34开启，其它阀门处于关闭状态，采集控制器69驱动自由活塞直线膨胀/压缩机动子41带动活塞向右运动，右侧缸内气体被压缩，当缸内压力达到设定值PC1时，第四电磁阀37、截止阀54开启，产生的高压气体通过管道充入高压储气罐56中，当第四活塞33运动到设定位置XCR时，第一电磁阀34和第四电磁阀37关闭，第三电磁阀36开启，采集控制器69驱动自由活塞直线膨胀/压缩机动子41带动活塞向左运动，左侧缸内气体开始被压缩，当缸内压力达到设定值PC1时，第二电磁阀35、截止阀54开启，产生的高压气体充入高压储气罐56中，当第三活塞32运动到设定位置XCL时，第一电磁阀34开启，第二电磁阀35和第三电磁阀36关闭，采集控制器69控制活塞动子组件开始向右运动，以此往复直线运动，实现高压气体工质的持续产出。
当自由活塞发动机的缸径和行程较大或自由活塞发动机为柴油压燃着火方式时，其启动过程需要更高的压力，此时采用两级压缩来产生辅助进排气系统所需的高压气体。自由活塞内燃直线发电机工作在压缩机模式，且作为一级压缩机使用；由于在设计中自由活塞直线膨胀/压缩机53选用的直线电机推力较大，因此当其工作在压缩机模式时，作为二级压缩机使用。
所述两级压缩工作过程：开始工作，通断阀44开启，其它阀门均处于关闭状态。左右两侧燃烧室的气体通过排气门进入，直线电机动子31带动活塞向左运动，第一燃烧室5内气体被压缩，当第一燃烧室5内气体压力达到PC2时，第一电磁气门8、第五通断阀67、第一电磁阀34开启，产生的高压气体经过冷却器66冷却后温度降到常温，再经第一电磁阀34进入气缸内，高压气体全部进入后，第一电磁阀34关闭，第三电磁阀36开启，自由活塞直线膨胀/压缩机动子41带动活塞向左运动，高压气体继续被压缩，当缸内压力达到PH2时，第二电磁阀35、截止阀54开启，高压气体通过管路充入高压储气罐56中；同理，当直线电机动子31带动活塞向右运动，第二燃烧室19内气体被压缩，当第二燃烧室19内气体压力达到PC2时，第二电磁气门22、第三电磁阀36开启，产生的高压气体经过冷却器66冷却后温度降到常温，再经第三电磁阀36进入气缸内，高压空气全部进入后，第三电磁阀36关闭，第一电磁阀34开启，自由活塞直线膨胀/压缩机动子41带动活塞向右运动，继续压缩高压气体，当缸内压力达到PH2时，第四电磁阀37开启，高压气体通过管路充入高压储气罐56中，如此往复直线运动，实现高压气体工质的持续产出。
上述缸内压力设定值PC1、PC2、PH2和设定位置XCR、XCL均可通过采集控制器69在上位机71中设置，以满足不同自由活塞内燃直线发电机的启动要求，并适配其各自的压缩能力，实现不同压缩比。
在本发明实施例中，所述有机朗肯系统中自由活塞直线膨胀/压缩机可设置一个或多个。
如图5所示，有机朗肯循环系统中设置有一个或多个自由活塞直线膨胀/压缩机，以两个自由活塞直线膨胀/压缩机为例，其工作方式可以有三种：（1）同时工作在膨胀机模式，用于发电回收排气能量；（2）其中一个工作在膨胀机模式，用于发电回收排气能量，另一个工作在压缩机模式，用于在运行过程中产生高压气体工质；（3）同时工作在压缩机模式，用于在运行过程中产生高压气体工质。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种自由活塞内燃直线发电机运行系统，其特征在于，所述系统包括：
自由活塞内燃直线发电机、有机朗肯循环系统、辅助进排气系统以及信息采集控制系统；
所述自由活塞内燃直线发电机、有机朗肯循环系统、辅助进排气系统以及信息采集控制系统通过连接管路或线路连接；
所述自由活塞内燃直线发电机，包括：左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机以及直线电机；
所述有机朗肯循环系统，包括：换热器、工质泵、储液罐、冷凝器、自由活塞直线膨胀/压缩机、流量计以及阀门和连接管路；
所述辅助进排气系统，包括：高压储气罐、储气箱、冷却器、第一调压阀、第二调压阀、第三调压阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第一泄压阀、第二泄压阀、第一通断阀、第二通断阀、第五通断阀、第六压力传感器以及连接管路；
所述信息采集控制系统，包括：上位机、蓄电池、采集控制器；
左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机以及直线电机，具体结构及安装连接关系为：
所述左侧自由活塞发动机包括：第一喷油器、第一进气口、第一扫气口、左缸散热片、第一燃烧室、第一火花塞、第一压力传感器、第一电磁气门、第一排气口、第一活塞、第一活塞销、第一活塞环、第一扫气室、第一连杆；
所述右侧自由活塞发动机包括：第二喷油器、第二进气口、第二扫气口、右缸散热片、第二燃烧室、第二火花塞、第二压力传感器、第二电磁气门、第二排气口、第二活塞、第二活塞销、第二活塞环、第二扫气室、第二连杆；
所述直线电机包括：直线电机定子和直线电机动子；
所述第一喷油器、第二喷油器分别安装在所述自由活塞发动机的左右两侧进气管道上；
所述第一火花塞、第二火花塞、第一电磁气门、第二电磁气门和第一压力传感器、第二压力传感器均安装在自由活塞发动机的左右两侧气缸盖上；
所述第一活塞环安装在第一活塞的头部，所述第二活塞环安装在第二活塞的头部；
所述直线电机动子位于直线电机内部，其两端通过连杆与活塞相连接组成活塞动子组件；
所述第一连杆通过第一活塞销与第一活塞相连接，所述第二连杆通过第二活塞销与第二活塞相连接；
所述自由活塞直线膨胀/压缩机，包括：
第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第三压力传感器、第四压力传感器、第三活塞、第四活塞、自由活塞直线膨胀/压缩机定子、自由活塞直线膨胀/压缩机动子；
所述第一电磁阀、第二电磁阀安装在自由活塞直线膨胀/压缩机的左气缸盖上；
所述第三电磁阀、第四电磁阀安装在自由活塞直线膨胀/压缩机的右气缸盖上；
所述第三活塞、第四活塞安装在自由活塞直线膨胀/压缩机的左、右气缸内；
所述自由活塞直线膨胀/压缩机定子、自由活塞直线膨胀/压缩机动子安装在自由活塞直线膨胀/压缩机内部，自由活塞直线膨胀/压缩机定子固定、自由活塞直线膨胀/压缩机动子做往复直线运动；
所述第三压力传感器和第四压力传感器安装在自由活塞直线膨胀/压缩机的左、右气缸盖上；
所述有机朗肯循环系统，与自由活塞内燃直线发电机运行系统的部件的连接关系为：
所述自由活塞内燃直线发电机的排气总管上安装有温度传感器和第五压力传感器并分为两路，一路经过第一通断阀直接与外界环境相通，另一路经过第二通断阀与换热器相连接；
所述换热器又分别与流量计和第三通断阀相连接；
第三通断阀经过管路分别与第五通断阀、第六通断阀以及自由活塞直线膨胀/压缩机的第一电磁阀和第三电磁阀相连接；
自由活塞直线膨胀/压缩机的第二电磁阀和第四电磁阀经过第四通断阀和截止阀分别与冷凝器和高压储气罐相连接；冷凝器的另一端与储液罐相连接；
工质泵的一端与流量计相连接，另一端与储液罐相连接；
所述辅助进排气系统，与自由活塞内燃直线发电机运行系统的部件的连接关系为：
所述高压储气罐经过第一调压阀、第一单向阀分别与第一电磁气门和第二电磁气门相连接，再经过第二调压阀与储气箱相连接；第一电磁气门、第二电磁气门经过管路又与冷却器相连接；储气箱通过第三调压阀并经由第二单向阀、第三单向阀分别与第一进气口、第二进气口相连接，第一泄压阀安装在第二单向阀与第一喷油器之间的管路上，第二泄压阀安装在第三单向阀与第二喷油器之间的管路上；
所述信息采集控制系统，与自由活塞内燃直线发电机运行系统其他部件的连接关系为：
所述采集控制器与所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一通断阀、第二通断阀、第三通断阀、第四通断阀、第五通断阀、第六通断阀、第一喷油器、第二喷油器、第一火花塞、第二火花塞、第一电磁气门、第二电磁气门、第一调压阀、第二调压阀、第三调压阀、截止阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、温度传感器、流量计均通过线路连接；
采集控制器通过线路与直线电机定子相连接，采集直线电机的输出电能和位移参数，并驱动直线电机动子运动；
采集控制器分别与蓄电池和上位机相连接，运行过程中输出的电能通过采集控制器整流调节后储存在蓄电池中，同时采集的数据信息经整合后反馈给上位机，上位机通过采集控制器来设置系统中各部件的运行控制参数。
2.一种自由活塞内燃直线发电机运行控制方法，包括如权利要求1所述的自由活塞内燃直线发电机运行系统，其特征在于，包括：
系统启动，辅助进排气系统工作；
采集控制系统根据自由活塞内燃直线发电机的缸径、行程以及燃烧方式设定辅助进排气系统控制参数，选择不同方式启动自由活塞内燃直线发电机；
判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况，若是，则判断系统排气能量是否足以回收，若是，则启动有机朗肯循环系统，将自由活塞发动机的排气能量回收转化为电能；若否，则直接向外界环境进行排气；
判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况，若否，则判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在压缩机运行工况，若是，则采集控制系统控制自由活塞内燃直线发电机作为一级压缩机，控制自由活塞直线膨胀/压缩机作为二级压缩机，两级压缩的模式产生高压气体工质储存于高压储气罐中；若否，则只控制自由活塞直线膨胀/压缩机工作在压缩机运行工况，产生高压气体工质储存于高压储气罐中。
3.如权利要求2所述的自由活塞内燃直线发电机运行控制方法，其特征在于，所述采集控制系统根据自由活塞内燃直线发电机的缸径、行程以及燃烧方式设定辅助进排气系统控制参数，选择不同方式启动自由活塞内燃直线发电机，包括：
在自由活塞发动机缸径小于90mm、最大行程小于100mm、高压储气罐内气体压力高于10bar时,采用启动方式一：从左侧或者右侧单侧自由活塞发动机启动，在一个循环内实现冷启动；
在自由活塞发动机缸径大于90mm、最大行程大于100mm、高压储气罐内气体压力低于10bar时或自由活塞发动机为柴油压燃着火方式时，采用启动方式二：在任意位置启动，通过多个循环的能量积累实现启动。
4.如权利要求2所述的自由活塞内燃直线发电机运行控制方法，其特征在于，所述判断自由活塞内燃直线发电机是否需要工作在发电机运行工况，若是，则判断系统排气能量是否足以回收，若是，则启动有机朗肯循环系统，将自由活塞发动机的排气能量回收转化为电能；若否，则直接向外界环境进行排气，包括：
采集控制设置预设温度值和压力值，判断是否启动有机朗肯循环系统，若排气总管的压力和温度实测值低于预设温度值和压力值，则判定排气能量不足以回收，直接向外界环境进行排气；
若排气总管的压力和温度实测值高于预设温度值和压力值，则判定排气能量足以回收，启动有机朗肯循环系统。
5.如权利要求2所述的自由活塞内燃直线发电机运行控制方法，其特征在于，所述有机朗肯循环系统中自由活塞直线膨胀机/压缩机可设置一个或多个。
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