CN115163296B - 一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统和方法 - Google Patents

一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统，包括左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机、第一直线电机、第二直线电机、液压系统、采集控制系统；所述自由活塞发动机、直线电机、液压系统以及采集控制系统通过连杆、活塞、管路或线路相连接；本发明还公开一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的方法，本发明解决现有技术中自由活塞内燃发电机等容燃烧时间短，燃烧效率低的问题；此外，通过液压系统和第一直线电机的分级控制实现自由活塞内燃发电机的稳定运行和快速起动。

Description

一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统 和方法
技术领域
本发明涉及能源动力机械技术领域，尤其涉及一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统和方法。
背景技术
自由活塞内燃发电机是一种直线内燃发电混合动力装置，主要由自由活塞发动机和直线电机耦合形成。自由活塞内燃发电机在运行时，左、右两侧自由活塞发动机交替燃烧膨胀做功，推动活塞带动直线电机动子往复运动，直线电机动子切割电机定子线圈产生电动势对外输出，从而将燃料的化学能转化为电能。由于其直接输出电能，因此可用于新能源汽车增程器、孤岛发电、舰船发电等，具有广阔的应用前景。
自由活塞内燃发电机摒弃了曲柄连杆机构，具有功率密度高、能量传递链短、压缩比灵活可变、燃料适用性强以及多模块运行等众多潜在优势。但正是由于其取消了曲柄连杆机构，不能通过飞轮等零件储存能量，导致在运动过程中，活塞动子组件的运动特性完全取决于其所受作用力，在点火位置至上止点阶段，受压缩及燃烧气体压力作用，活塞动子组件速度迅速降为零，而经过上止点后，燃烧气体膨胀，燃烧室内压力迅速升高，活塞动子组件以较大加速度反向运动，因此，在上止点附近，活塞停留时间较短。由内燃机学可知，点燃式内燃机等容燃烧时，燃烧效率较高，而等容燃烧要求燃烧几乎在上止点附近完成，但由于自由活塞内燃发电机的活塞动子组件在上止点附近停留时间较短，导致等容燃烧度较低，燃烧效率相对较低，自由活塞内燃发电机的优势不能完全发挥出来。
此外，当某一侧发动机出现燃烧异常或者失火现象时，会导致活塞动子组件受力突变、失衡，循环间能量无法连续传递，严重时会导致整个系统出现失稳、燃烧不连续甚至停止运行等现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统和方法，解决现有技术中自由活塞内燃发电机的活塞动子组件在上止点附近停留时间短，等容燃烧度低导致的燃烧效率不高、运行过程中失稳甚至停止运行等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统，包括自由活塞发动机、直线电机和液压系统；
所述自由活塞发动机包括两个侧边自由活塞发动机；
所述侧边自由活塞发动机包括活塞组件、燃烧室和扫气室；
所述燃烧室上开设有进气口和排气口，进气口上设置有喷油器；
所述燃烧室上设置有火花塞；
所述燃烧室和扫气室相互连通；
所述活塞组件滑动设置在燃烧室和扫气室中；
所述液压系统包括液压室、液压活塞、蓄能器和蓄能调压器；
所述液压活塞滑动设置在液压室中，并将液压室分隔成第一液压室和第二液压室；
所述第一液压室和第二液压室均通过管路分别与蓄能器和蓄能调压器相连接；所述蓄能器通过管路并经过单向阀后与蓄能调压器相连接；所述蓄能器用于存储液压能；所述蓄能调压器用于调节蓄能器输出液体的压力；
所述直线电机包括第一直线电机和第二直线电机；
所述第一直线电机和第二直线电机共用一个直线电机动子；其中一个侧边自由活塞发动机的活塞组件、液压活塞、直线电机动子和另一个侧边自由活塞发动机的活塞组件，四者依次连接。
优选地，两个所述侧边自由活塞发动机分别为左侧自由活塞发动机和右侧自由活塞发动机；
所述左侧自由活塞发动机包括第一活塞组件、第一燃烧室和第一扫气室；
所述第一燃烧室和第一扫气室相互连通；
所述第一燃烧室上设置有第一火花塞、第一压力传感器和第一散热片；
所述第一燃烧室上开设有第一进气口和第一排气口，第一进气口上设置有第一喷油器；
所述第一活塞组件包括第一活塞、第一活塞销、第一活塞环和第一连杆；
所述第一活塞滑动设置在第一燃烧室和第一扫气室中，第一连杆的一端通过第一活塞销与第一活塞相连接，第一活塞环安装于第一活塞的头部；
所述右侧自由活塞发动机包括第二活塞组件、第二燃烧室和第二扫气室；
所述第二燃烧室和第二扫气室相互连通；
所述第二燃烧室上设置有第二火花塞、第二压力传感和第二散热片；
所述第二燃烧室上开设有第二进气口和第二排气口，第二进气口上设置有第二喷油器；
所述第二活塞组件包括第二活塞、第二活塞销、第二活塞环和第二连杆；
所述第二活塞滑动设置在第二燃烧室和第二扫气室中，第二连杆的一端通过第二活塞销与第二活塞相连接，第二活塞环安装于第二活塞的头部；
所述液压活塞、直线电机动子、第一活塞组件和第二活塞组件，共同组成活塞动子组件。
优选地，还包括采集控制系统；
所述采集控制系统包括上位机、控制单元ECU、第一电机控制器、第二电机控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀；
所述上位机与控制单元ECU信号连接；
所述控制单元ECU分别与第一电机控制器、第二电机控制器、喷油器、火花塞、第一压力传感器、第二压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀信号连接；
所述第一电机控制器和第二电机控制器分别与第一直线电机和第二直线电机信号连接；
所述第一压力传感器设置在第一燃烧室内；
所述第二压力传感器设置在第二燃烧室内；
所述第一电磁阀设置在第一液压室与蓄能器之间的管路上；
所述第二电磁阀设置在第一液压室与蓄能调压器之间的管路上；
所述第三电磁阀设置在第二液压室与蓄能器之间的管路上；
所述第四电磁阀设置在第二液压室与蓄能调压器之间的管路上。
优选地，所述采集控制系统还包括负载电路；
所述第二直线电机与负载电路连接。
优选地，所述采集控制系统还包括整流变换器和蓄电池；
所述第一电机控制器和第二电机控制器均与整流变换器连接；
所述整流变换器与蓄电池连接。
本发明还公开一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的方法，包括以下步骤：
一、冷起动过程：
第一直线电机工作在电动机模式，第二直线电机工作在发电机模式，第一直线电机驱动活塞动子组件在两个侧边自由活塞发动机的燃烧室内往复运动，活塞动子组件和燃烧室内的气体不断积蓄能量，自由活塞发动机的压缩比和燃烧室内压力不断增大，直至达到点火所需条件；
然后喷油器喷油形成可燃混合气，可燃混合气进入燃烧室内被压缩、点燃；成功点燃后，开始逐渐减小通入第一直线电机定子线圈中的电流直至为零，同时第二直线电机负载电路的负载逐渐减小，当运行稳定后，第一直线电机再切换为发电机工作模式，开始发电；
二、稳定发电过程：
当可燃混合气进入燃烧室内被压缩、点燃后，产生膨胀做功，使得活塞动子组件往复运动；在往复运动时，第一液压室和第二液压室内的液体经过蓄能器和蓄能调压器来回流动，提供液压阻力，延长活塞组件在上止点附近的停留时间；
通过活塞动子组件的往复运动，带动直线电机动子切割第一直线电机定子和第二直线电机定子的线圈，产生电动势并经过整流变换器后，对外输出。
优选地，在稳定发电过程中，电磁阀交替开启关闭，当活塞运动到上止点附近时，通过控制电磁阀的开度，使液压室形成相对密闭腔，从而产生阻止活塞动子组件反向运动的液压阻力，以延长活塞动子组件在上止点附近停留时间，从而延长等容燃烧时间。
优选地，冷起动过程和稳定发电过程，具体包括以下步骤：
进入冷起动过程：
1)、第一直线电机工作在电动机模式，第二直线电机工作在发电机模式，且第二直线电机的负载电路处于大负载状态，第一直线电机驱动活塞动子组件在第一燃烧室、第二燃烧室、第一扫气室和第二扫气室往复运动，第一燃烧室和第二燃烧室内的气体不断积累能量，自由活塞发动机的压缩比和第一燃烧室及第二燃烧室内压力不断增大，直至达到点火所需条件；
2)、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀全部处于开启状态，第一喷油器和第二喷油器开始交替喷油，喷油持续时间T1，可燃混合气交替进入第一燃烧室和第二燃烧室内，当第一活塞运行到设定位置A1时，第一火花塞点火，可燃混合气被点燃，产生膨胀做功；第一直线电机产生的电磁推力与膨胀做功共同推动活塞动子组件向右运动，第二燃烧室处于压缩冲程；
当第二活塞运行至设定位置A2时，第二火花塞点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向右运动，直至运动到上止点，第二燃烧室内的可燃混合气燃烧膨胀，缸内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向左运动，以此循环往复；
3)、在第一次成功点燃后，控制单元ECU便开始控制减小第一直线电机定子3线圈中通入的电流I，第一直线电机的电磁推力Fe1逐渐减小，直至减为零，同时第二直线电机的负载电路的负载逐渐减小，第二直线电机电磁阻力Fe2’逐渐增大，直至切断与负载电路的连接，随后，第二直线电机与整流变换器相连通；
4)、当运行稳定后，第一直线电机切换为发电机工作模式，冷起动完成；
然后进入稳定发电过程：
5)、冷起动完成后，自由活塞内燃发电机开始稳定发电过程，第一直线电机和第二直线电机均处于发电机模式，第一喷油器、第二喷油器交替喷油，喷油持续时间T2，当第一活塞运动到设定位置A1时，第一火花塞点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向左运动，直至运动到上止点；
6)、第二电磁阀、第三电磁阀开启，第一电磁阀、第四电磁阀关闭；第一燃烧室内的可燃混合气燃烧膨胀，第一燃烧室内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向右运动；液压活塞随之向右运动，第二液压室中的液体依次经过第三电磁阀、蓄能器、蓄能调压器和第二电磁阀后，充入第一液压室内，并通过控制第三电磁阀的开度来控制液体流量，从而使第二液压室内液体产生阻止活塞动子组件向右运动的第二液压阻力F2’，从而延长第一活塞在上止点附近的停留时间，增大等容燃烧时间，在燃烧阶段后期以及膨胀阶段，将第三电磁阀调整为全开状态，以使第二液压室内的液体快速流出，减小第二液压阻力F2’；
活塞动子组件向右运动，当第二活塞运行至设定位置A2时，第二火花塞点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向右运动，直至运动到上止点，此时：第一电磁阀、第四电磁阀开启，第二电磁阀、第三电磁阀关闭，第二燃烧室内的可燃混合气燃烧膨胀，缸内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向左运动，第一液压室内的液体依次经过第一电磁阀、蓄能器、蓄能调压器和第四电磁阀后，充入第二液压室内，并通过控制第一电磁阀的开度来控制液体流量，从而使第一液压室内的液体产生阻止活塞动子组件向左运动的第一液压阻力F1’，从而延长第二活塞在上止点附近的停留时间，增大等容燃烧时间；在燃烧阶段后期以及膨胀阶段，将第一电磁阀调整为全开状态，以使第一液压室内的液体快速流出，减小第一液压阻力F1’；
活塞动子组件向左运动，当第一活塞运动到设定位置A1时，第一火花塞点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向左运动，直至运动到上止点，至此一个工作循环完成，以此循环往复；
直线电机动子往复运动，切割第一直线电机和第二直线电机的定子线圈产生电动势，经过整流变换器处理后对外输出，直接用于需要供电的设备或储存于蓄电池中。
优选地，在稳定发电过程中，当检测到某一燃烧室内发生燃烧异常甚至失火现象时，控制单元ECU将会控制蓄能调压器输出高压液体充入液压室内，产生液压推力F1或F2，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；与此同时，第一直线电机将处于待转换模式状态，若液压室产生的液压推力F1和F2不足以使自由活塞内燃发电机恢复到稳定发电状态，第一直线电机将迅速切换到电动机模式，产生电磁推力Fe1，随后的工作状态与冷起动过程类似。
优选地，在冷起动过程中，喷油持续时间T1大于稳定发电过程中喷油持续时间T2。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、在稳定发电过程中，当活塞运动至上止点附近，通过控制液压室内液体对活塞动子组件的作用力，延长活塞在上止点附近的停留时间，从而延长等容燃烧时间，提高自由活塞发动机的燃烧效率。
2、通过液压室内液压力的控制和电磁力的分级控制，可以维持系统的稳定运行。
3、在稳定发电过程中，可以通过灵活控制液压室内液压力(F1’，F2’，F1，F2)和电磁力(Fe1’，Fe2’，Fe1，Fe2)，可使活塞动子组件按照设定的位移曲线或速度曲线运动，从而提高整个系统的效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统结构示意图；
图2为本发明实施例所述活塞动子组件在冷起动过程受力分析示意图；
图3为本发明实施例所述活塞动子组件在稳定发电过程受力分析示意图。
图示说明：1-第一直线电机、2-第二直线电机、3-第一直线电机定子、4-第二直线电机定子、5-直线电机动子、6-隔磁材料、7-直线轴承、8-第一密封轴承、9-第一电机控制器、10-第二电机控制器、11-第一液压室、12-液压活塞、13-第二液压室、14-第二密封轴承、15-第一电磁阀、16-第二电磁阀、17-第三电磁阀、18-第四电磁阀、19-蓄能器、20-单向阀、21-蓄能调压器、22-第一喷油器、23-第一进气口、24-第一散热片、25-第一燃烧室、26-第一火花塞、27-第一压力传感器、28-第一活塞、29-第一活塞销、30-第一活塞环、31-第一排气口、32-第一扫气室、33-第一连杆、34-第二喷油器、35-第二进气口、36-第二散热片、37-第二燃烧室、38-第二火花塞、39-第二压力传感器、40-第二活塞、41-第二活塞环、42-第二活塞环、43-第二排气口、44-第二扫气室、45-第二连杆、46-负载电路、47-整流变换器、48-蓄电池、49-控制单元ECU、50-上位机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
下面结合附图1-3对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统，包括自由活塞发动机、直线电机、液压系统和采集控制系统；
自由活塞发动机包括两个侧边自由活塞发动机，两个侧边自由活塞发动机分别为左侧自由活塞发动机和右侧自由活塞发动机；
其中：
左侧自由活塞发动机包括第一活塞组件、第一燃烧室25和第一扫气室32；
第一燃烧室25和第一扫气室32相互连通；
第一燃烧室25上设置有第一火花塞26、第一压力传感器27和第一散热片24；
第一燃烧室25上开设有第一进气口23和第一排气口31，第一进气口23上设置有第一喷油器22；
第一活塞组件包括第一活塞28、第一活塞销29、第一活塞环30和第一连杆33；
第一活塞28滑动设置在第一燃烧室25和第一扫气室32中，第一连杆33的一端通过第一活塞销29与第一活塞28相连接，第一活塞环30安装于第一活塞28的头部；用于防止气体泄漏；
右侧自由活塞发动机包括第二活塞组件、第二燃烧室37和第二扫气室44；
第二燃烧室37和第二扫气室44相互连通；
第二燃烧室37上设置有第二火花塞38、第二压力传感39和第二散热片36；
第二燃烧室37上开设有第二进气口35和第二排气口43，第二进气口35上设置有第二喷油器34；
第二活塞组件包括第二活塞40、第二活塞销41、第二活塞环42和第二连杆45；
第二活塞40滑动设置在第二燃烧室37和第二扫气室44中，第二连杆45的一端通过第二活塞销41与第二活塞40相连接，第二活塞环42安装于第二活塞40的头部；用于防止气体泄漏。
第一喷油器22和第二喷油器34分别安装在左、右两侧自由活塞发动机的第一进气口23和第二进气口35，用于喷射燃料；所述第一火花塞26和第二火花塞38分别安装在左、右两侧自由活塞发动机的第一燃烧室25和第二燃烧室37的气缸盖中部，用于点燃可燃混合气；所述第一压力传感器27和第二压力传感器39分别安装在左、右两侧自由活塞发动机的第一燃烧室25和第二燃烧室37的气缸盖上，用于测量燃烧室内的气体压力；
液压系统包括液压室、液压活塞12、蓄能器19和蓄能调压器21；
液压室由第二密封轴承14和直线电机的外壳围合形成，液压活塞12滑动设置在液压室中，并将液压室分隔成第一液压室11和第二液压室13。
第一液压室11与蓄能器19通过管路连接，第一电磁阀15布置于第一液压室11与蓄能器19之间的管路上；第一液压室11和蓄能调压器21通过管路连接，第二电磁阀16布置于第一液压室11与蓄能调压器21之间的管路上；第二液压室13与蓄能器19通过管路连接，第三电磁阀17布置于第二液压室13与蓄能器19之间的管路上；第二液压室13与蓄能调压器21通过管路连接，第四电磁阀18布置于第二液压室13与蓄能调压器21之间的管路上；所述蓄能器19通过管路并经过单向阀20后与蓄能调压器21相连接；所述蓄能器19用于存储液压能；所述蓄能调压器21用于调节蓄能器19输出液体的压力；
直线电机包括第一直线电机1和第二直线电机2；
第一直线电机1和第二直线电机2耦合在一起，共用一个直线电机动子5，并布置于左侧自由活塞发动机和右侧自由活塞发动机的正中间；直线电机动子5安装于第一直线电机1和第二直线电机2的内部，其一端与液压活塞12相连接，另一端与第二连杆45相连接；
第二直线电机2作为主电机，相对较大，在整个运行过程中一直处于发电机模式，第一直线电机1作为辅助发电机，相对较小，只需保证其电磁推力满足冷起动即可，主要用于自由活塞内燃发电机的冷起动和维持稳定运行。
液压活塞12一端与直线电机动子5相连接，另一端与第一连杆33相连接；第一电机控制器9与第一直线电机1信号连接；第二电机控制器10与第二直线电机2信号连接；
第一直线电机1的第一直线电机定子3以及第二直线电机2的第二直线电机定子4，两者均套设在直线电机动子5上；
第一直线电机定子3和第二直线电机定子4之间布置有隔磁材料6，隔磁材料6用于分隔电机磁路。
第二直线电机定子4外侧还安装有第一密封轴承8，第一直线电机定子3外侧还安装有直线轴承7；
所述第一活塞28、第一活塞销29、第一连杆33、液压活塞12、直线电机动子5、第二连杆45、第二活塞销42和第二活塞40依次安装连接在一起，组成活塞动子组件；
采集控制系统包括上位机50、控制单元ECU49、整流变换器47、蓄电池48、第一电机控制器9、第二电机控制器10、第一压力传感器27、第二压力传感器39、第一电磁阀15、第二电磁阀16、第三电磁阀17、第四电磁阀18和负载电路46；
控制单元ECU49分别与整流变换器47、蓄电池48、第一喷油器22、第二喷油器34、第一火花塞26、第二火花塞38、第一压力传感器27、第二压力传感器39、第一电磁阀15、第二电磁阀16、第三电磁阀17、第四电磁阀18、蓄能调压器21、负载电路46通过线路相连接；
第二直线电机2与负载电路46连接；
所述控制单元ECU49通过线路与上位机50相连接，控制单元ECU49将系统中采集的信息经整合后反馈给上位机50，上位机50又将运行参数写入控制单元ECU49中来控制系统中各部件的运行状态；所述控制单元ECU49通过线路与第一电机控制器9、第二电机控制器10相连接，分别采集第一直线电机1和第二直线电机2的输出电动势和位移信息，并控制直线电机的工作模式；
第一电机控制器9和第二电机控制器10均与整流变换器47连接；整流变换器47通过线路与蓄电池48相连接。
本发明还公开一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的方法，自由活塞内燃发电机的工作主要分为：冷起动过程和稳定发电过程；包括以下步骤：
冷起动过程：
1)、第一直线电机1工作在电动机模式，第二直线电机2工作在发电机模式，且第二直线电机2的负载电路46处于大负载状态，因此其产生的电磁阻力Fe2’较小，第一直线电机1驱动活塞动子组件在第一燃烧室25、第二燃烧室37、第一扫气室32和第二扫气室44往复运动，第一燃烧室25和第二燃烧室37内的气体不断积累能量，自由活塞发动机的压缩比和第一燃烧室25及第二燃烧室37内压力不断增大，直至达到点火所需条件；
点火所需条件的设置方式为：对于排量为99mL的自由活塞发动机，进气温度大于25℃，当上位机50接收到两个压力传感器(第一压力传感器27和第二压力传感器39)检测到的压力值均高于5bar时，判断为达到点火所需条件。
2)、第一喷油器22和第二喷油器34开始交替喷油，喷油持续时间T1，可燃混合气交替进入第一燃烧室25和第二燃烧室37内，当第一活塞28运行到设定位置A1时，第一火花塞26点火，可燃混合气被点燃，产生膨胀做功；第一直线电机1产生的电磁推力与膨胀做功共同推动活塞动子组件向右运动，第二燃烧室37处于压缩冲程；
当第二活塞40运行至设定位置A2时，第二火花塞38点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向右运动，直至运动到上止点，第二燃烧室37内的可燃混合气燃烧膨胀，缸内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向左运动，以此循环往复；
设定位置A1和设定位置A2的设置方法为：当以活塞动子组件位于中间位置时为0点，向左运动为正，向右运动为负，总行程为70mm时，设定位置A1和设定位置A2可以分别设置为+30mm和-30mm，也可设置为+30mm和-28mm，需要根据实际运行工况设置。
3)、在第一次成功点燃后，控制单元ECU49便开始控制减小第一直线电机定子3线圈中通入的电流I，第一直线电机1的电磁推力Fe1逐渐减小，直至减为零，同时第二直线电机2的负载电路46的负载逐渐减小，第二直线电机2电磁阻力Fe2’逐渐增大，直至切断与负载电路46的连接，随后，第二直线电机2与整流变换器47相连通；
4)、当运行稳定后，第一直线电机1切换为发电机工作模式，开始发电，至此，冷起动完成。
在冷起动阶段，电磁阀全部开启，第一液压室11和第二液压室13内的液体通过第一电磁阀15和第三电磁阀17来回流动。第一液压室11和第二液压室13不起到调节活塞动子组件受力的作用，且第一液压室内液压力F1和第二液压室内液压力F2均较小；然后进入稳定发电过程：
5)、冷起动完成后，自由活塞内燃发电机开始稳定发电过程，第一直线电机1和第二直线电机2均处于发电机模式，第一喷油器22、第二喷油器34交替喷油，喷油持续时间T2，且液压室开始工作，当第一活塞28运动到设定位置A1时，第一火花塞26点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向左运动，直至运动到上止点；
6)、第二电磁阀16、第三电磁阀17开启，第一电磁阀15、第四电磁阀18关闭，第一燃烧室25内的可燃混合气燃烧膨胀，第一燃烧室25内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向右运动；液压活塞12随之向右运动，第二液压室13中的液体依次经过第三电磁阀17、蓄能器19、蓄能调压器21和第二电磁阀16后，充入第一液压室11内，并通过控制第三电磁阀17的开度来控制液体流量，从而使第二液压室13内液体产生阻止活塞动子组件向右运动的第二液压阻力F2’，从而延长第一活塞28在上止点附近的停留时间，增大等容燃烧时间，在燃烧阶段后期以及膨胀阶段，将第三电磁阀调整为全开状态，以使第一液压室内的液体快速流出，减小第二液压阻力F2’，从而缩短膨胀时间，减小散热损失；
活塞动子组件向右运动，当第二活塞40运行至设定位置A2时，第二火花塞38点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向右运动，直至运动到上止点，此时：第一电磁阀15、第四电磁阀18开启，第二电磁阀16、第三电磁阀17关闭，第二燃烧室37内的可燃混合气燃烧膨胀，缸内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向左运动，第一液压室11内的液体依次经过第一电磁阀15、蓄能器19、蓄能调压器21和第四电磁阀18后，充入第二液压室13内，并通过控制第一电磁阀15的开度来控制液体流量，从而使第一液压室11内液体产生阻止活塞动子组件向左运动的第一液压阻力F1’，从而延长第二活塞40在上止点附近的停留时间，增大等容燃烧时间，在燃烧阶段后期以及膨胀阶段，将第一电磁阀调整为全开状态，以使第一液压室内的液体快速流出，减小第一液压阻力F1’，从而缩短膨胀时间，减小散热损失；
活塞动子组件向左运动，当第一活塞28运动到设定位置A1时，同理，第一火花塞26点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向左运动，直至运动到上止点，至此一个工作循环完成，以此循环往复。
直线电机动子5往复运动，切割第一直线电机1和第二直线电机2的定子线圈产生电动势，经过整流变换器47处理后对外输出，直接用于需要供电的设备或储存于蓄电池48中，第二直线电机2作为主发电机，在整个运行过程中一直处于发电机模式，第一直线电机作为辅助发电机，且定子线圈较少，主要用于自由活塞内燃发电机的冷起动和维持稳定运行。
所述设定位置A1和A2、喷油持续时间T1和T2以及负载电路的负载可通过控制单元ECU49灵活控制，以满足不同自由活塞内燃发电机以及不同运行工况的需求，从而实现整个系统的高效运行，在冷起动过程中喷油持续时间T1大于稳定发电过程中喷油持续时间T2。
在本实施例中，结合图2、图3介绍本发明提供的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统和方法的工作原理；
自由活塞内燃发电机的工作主要分为：冷起动过程和稳定发电过程；
活塞动子组件在运行过程中所受的力包括：燃烧室内气体力、摩擦力、电磁推/阻力、液压室内液压力、扫气室内气体力；
如图2所示，在冷起动过程，当活塞动子组件向左运动时，根据牛顿第二定律可得：
Fe1+FR+F2+Fsl-Fsr-Fe2’-Ff-F1-FL＝ma
如图3所示，在稳定发电过程，当活塞动子组件向左运动时，根据牛顿第二定律可得：
FR+F2+Fsl-Fsr-Fe1’-Fe2’-Ff-F1-FL＝ma
式中，m为活塞动子组件质量，a为活塞动子组件加速度，FR为第二燃烧室内气体力，FL为第一燃烧室内气体力，Ff为摩擦力，Fe1和Fe1’分别为第一直线电机的电磁推力和电磁阻力，Fe2’为第二直线电机的电磁阻力，Fsl为第一扫气室内气体力，Fsr为第二扫气室内气体力，F1为第一液压室内液压力，F2为第二液压室内液压力。所述液压室内液压力可以是液压阻力(F1’，F2’)，也可以是液压推力(F1，F2)。
当直线电机工作在发电机模式时，所产生的电磁力为电磁阻力Fe’，计算公式如下：
当直线电机工作在电动机模式时，所产生的电磁力为电磁推力Fe，计算公式如下：
Fe＝Ka·I
式中，Ka为直线电机推力系数，Ke为直线电机反电势系数，Rin为直线电机定子线圈电阻，Rout为负载电路的负载，Ls为直线电机电感值，I为直线电机定子线圈中通入的电流。由上式可知，负载电路中负载增大时，电磁阻力Fe’减小；当直线电机定子线圈中通入的电流减小时，电磁推力Fe减小。
在运动过程中，活塞动子组件的运动状态由上述这些力共同决定，当输入参数(喷油量、进气压力，点火位置等参数)确定后，FR、FL、Ff、Fsl、Fsr均为不可控变量，仅剩电磁力和液压室内液压力为可控变量。
稳定发电过程：冷起动完成后，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，带动直线电机动子5切割第一直线电机定子3和第二直线电机定子4的线圈，产生电动势并经过整流变换器47后，对外输出。在此过程中，电磁阀交替开启关闭，当活塞动子组件运动到上止点附近时，通过控制电磁阀的开度，使液压室形成相对密闭腔，从而产生阻止活塞动子组件反向运动的液压阻力(F1’，F2’)，以延长活塞动子组件在上止点附近停留时间，从而延长等容燃烧时间，提高自由活塞发动机的燃烧效率。
此外，液压系统也被用来维持其稳定运行，在稳定发电过程中，当检测到某一燃烧室(第一燃烧室25或第二燃烧室37)内发生燃烧异常甚至失火现象时，控制单元ECU49将会控制蓄能调压器21输出高压液体充入液压室内，产生液压推力F1或F2，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。与此同时，第一直线电机将处于待转换模式状态，若液压室产生的液压推力F1和F2不足以使自由活塞内燃发电机恢复到稳定发电状态，第一直线电机将迅速切换到电动机模式，产生电磁推力Fe1，随后的工作状态与冷起动过程类似(即重新执行冷起动步骤)。
发生燃烧异常甚至失火现象的判定方法为：在某一循环中，当活塞运行到上止点处时，上位机50接收到的第一压力传感器27和第二压力传感器39检测到的压力值明显低于其他循环的压力时，则判断为发生燃烧异常甚至失火现象。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统，其特征在于：包括自由活塞发动机、直线电机和液压系统；
所述自由活塞发动机包括两个侧边自由活塞发动机；
所述侧边自由活塞发动机包括活塞组件、燃烧室和扫气室；
所述燃烧室上开设有进气口和排气口，进气口上设置有喷油器；
所述燃烧室上设置有火花塞；
所述燃烧室和扫气室相互连通；
所述活塞组件滑动设置在燃烧室和扫气室中；
所述液压系统包括液压室、液压活塞、蓄能器和蓄能调压器；
所述液压活塞滑动设置在液压室中，并将液压室分隔成第一液压室和第二液压室；
所述第一液压室和第二液压室均通过管路分别与蓄能器和蓄能调压器相连接；所述蓄能器通过管路并经过单向阀后与蓄能调压器相连接；所述蓄能器用于存储液压能；所述蓄能调压器用于调节蓄能器输出液体的压力；
所述直线电机包括第一直线电机和第二直线电机；所述第一直线电机用于作为发电机或电动机；所述第二直线电机用于作为发电机；
所述第一直线电机和第二直线电机共用一个直线电机动子，所述第一直线电机的第一直线电机定子的线圈和所述第二直线电机的第二直线电机定子的线圈，均套设在直线电机动子外；其中一个侧边自由活塞发动机的活塞组件、液压活塞、直线电机动子和另一个侧边自由活塞发动机的活塞组件，四者依次固定连接；在稳定发电过程中，第一液压室和第二液压室内的液体经过蓄能器和蓄能调压器来回流动，提供液压阻力，延长活塞组件在上止点附近的停留时间，从而延长等容燃烧时间。
2.根据权利要求1所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统，其特征在于：
两个所述侧边自由活塞发动机分别为左侧自由活塞发动机和右侧自由活塞发动机；
所述左侧自由活塞发动机包括第一活塞组件、第一燃烧室和第一扫气室；
所述第一燃烧室和第一扫气室相互连通；
所述第一燃烧室上设置有第一火花塞、第一压力传感器和第一散热片；
所述第一燃烧室上开设有第一进气口和第一排气口，第一进气口上设置有第一喷油器；
所述第一活塞组件包括第一活塞、第一活塞销、第一活塞环和第一连杆；
所述第一活塞滑动设置在第一燃烧室和第一扫气室中，第一连杆的一端通过第一活塞销与第一活塞相连接，第一活塞环安装于第一活塞的头部；
所述右侧自由活塞发动机包括第二活塞组件、第二燃烧室和第二扫气室；
所述第二燃烧室和第二扫气室相互连通；
所述第二燃烧室上设置有第二火花塞、第二压力传感和第二散热片；
所述第二燃烧室上开设有第二进气口和第二排气口，第二进气口上设置有第二喷油器；
所述第二活塞组件包括第二活塞、第二活塞销、第二活塞环和第二连杆；
所述第二活塞滑动设置在第二燃烧室和第二扫气室中，第二连杆的一端通过第二活塞销与第二活塞相连接，第二活塞环安装于第二活塞的头部;
所述液压活塞、直线电机动子、第一活塞组件和第二活塞组件，共同组成活塞动子组件。
3.根据权利要求2所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统，其特征在于：还包括采集控制系统；
所述采集控制系统包括上位机、控制单元ECU、第一电机控制器、第二电机控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀；
所述上位机与控制单元ECU信号连接；
所述控制单元ECU分别与第一电机控制器、第二电机控制器、喷油器、火花塞、第一压力传感器、第二压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀信号连接；
所述第一电机控制器和第二电机控制器分别与第一直线电机和第二直线电机信号连接；
所述第一压力传感器设置在第一燃烧室内；
所述第二压力传感器设置在第二燃烧室内；
所述第一电磁阀设置在第一液压室与蓄能器之间的管路上；
所述第二电磁阀设置在第一液压室与蓄能调压器之间的管路上；
所述第三电磁阀设置在第二液压室与蓄能器之间的管路上；
所述第四电磁阀设置在第二液压室与蓄能调压器之间的管路上。
4.根据权利要求3所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统，其特征在于：
所述采集控制系统还包括负载电路；
所述第二直线电机与负载电路连接。
5.根据权利要求4所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统，其特征在于：
所述采集控制系统还包括整流变换器和蓄电池；
所述第一电机控制器和第二电机控制器均与整流变换器连接；
所述整流变换器与蓄电池连接。
6.一种实现权利要求5所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、冷起动过程：
第一直线电机工作在电动机模式，第二直线电机工作在发电机模式，第一直线电机驱动活塞动子组件在两个侧边自由活塞发动机的燃烧室内往复运动，活塞动子组件和燃烧室内的气体不断积蓄能量，自由活塞发动机的压缩比和燃烧室内压力不断增大，直至达到点火所需条件；
然后喷油器喷油形成可燃混合气，可燃混合气进入燃烧室内被压缩、点燃；成功点燃后，开始逐渐减小通入第一直线电机定子线圈中的电流直至为零，同时第二直线电机负载电路的负载逐渐减小，当运行稳定后，第一直线电机再切换为发电机工作模式，开始发电；
二、稳定发电过程：
当可燃混合气进入燃烧室内被压缩、点燃后，产生膨胀做功，使得活塞动子组件往复运动；在往复运动时，第一液压室和第二液压室内的液体经过蓄能器和蓄能调压器来回流动，提供液压阻力，延长活塞组件在上止点附近的停留时间；
通过活塞动子组件的往复运动，带动直线电机动子切割第一直线电机定子和第二直线电机定子的线圈，产生电动势并经过整流变换器后，对外输出。
7.根据权利要求6所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的方法，其特征在于：
在稳定发电过程中，电磁阀交替开启关闭，当活塞运动到上止点附近时，通过控制电磁阀的开度，使液压室形成相对密闭腔，从而产生阻止活塞动子组件反向运动的液压阻力，以延长活塞动子组件在上止点附近停留时间，从而延长等容燃烧时间。
8.根据权利要求7所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的方法，其特征在于，冷起动过程和稳定发电过程，具体包括以下步骤：
进入冷起动过程：
1）、第一直线电机工作在电动机模式，第二直线电机工作在发电机模式，且第二直线电机的负载电路处于大负载状态，第一直线电机驱动活塞动子组件在第一燃烧室、第二燃烧室、第一扫气室和第二扫气室往复运动，第一燃烧室和第二燃烧室内的气体不断积累能量，自由活塞发动机的压缩比和第一燃烧室及第二燃烧室内压力不断增大，直至达到点火所需条件；
2）、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀全部处于开启状态，第一喷油器和第二喷油器开始交替喷油，喷油持续时间T1，可燃混合气交替进入第一燃烧室和第二燃烧室内，当第一活塞运行到设定位置A1时，第一火花塞点火，可燃混合气被点燃，产生膨胀做功；第一直线电机产生的电磁推力与膨胀做功共同推动活塞动子组件向右运动，第二燃烧室处于压缩冲程；
当第二活塞运行至设定位置A2时，第二火花塞点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向右运动，直至运动到上止点，第二燃烧室内的可燃混合气燃烧膨胀，缸内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向左运动，以此循环往复；
3）、在第一次成功点燃后，控制单元ECU便开始控制减小第一直线电机定子3线圈中通入的电流I，第一直线电机的电磁推力F e1逐渐减小，直至减为零，同时第二直线电机的负载电路的负载逐渐减小，第二直线电机电磁阻力F e2 ，逐渐增大，直至切断与负载电路的连接，随后，第二直线电机与整流变换器相连通；
4）、当运行稳定后，第一直线电机切换为发电机工作模式，冷起动完成；
然后进入稳定发电过程：
5）、冷起动完成后，自由活塞内燃发电机开始稳定发电过程，第一直线电机和第二直线电机均处于发电机模式，第一喷油器、第二喷油器交替喷油，喷油持续时间T2，当第一活塞运动到设定位置A1时，第一火花塞点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向左运动，直至运动到上止点；
6）、第二电磁阀、第三电磁阀开启，第一电磁阀、第四电磁阀关闭；第一燃烧室内的可燃混合气燃烧膨胀，第一燃烧室内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向右运动；液压活塞随之向右运动，第二液压室中的液体依次经过第三电磁阀、蓄能器、蓄能调压器和第二电磁阀后，充入第一液压室内，并通过控制第三电磁阀的开度来控制液体流量，从而使第二液压室内液体产生阻止活塞动子组件向右运动的第二液压阻力F 2 ，，从而延长第一活塞在上止点附近的停留时间，增大等容燃烧时间，在燃烧阶段后期以及膨胀阶段，将第三电磁阀调整为全开状态，以使第二液压室内的液体快速流出，减小第二液压阻力F 2 ，；
活塞动子组件向右运动，当第二活塞运行至设定位置A2时，第二火花塞点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向右运动，直至运动到上止点，此时：第一电磁阀、第四电磁阀开启，第二电磁阀、第三电磁阀关闭，第二燃烧室内的可燃混合气燃烧膨胀，缸内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向左运动，第一液压室内的液体依次经过第一电磁阀、蓄能器、蓄能调压器和第四电磁阀后，充入第二液压室内，并通过控制第一电磁阀的开度来控制液体流量，从而使第一液压室内的液体产生阻止活塞动子组件向左运动的第一液压阻力F 1 ，，从而延长第二活塞在上止点附近的停留时间，增大等容燃烧时间；在燃烧阶段后期以及膨胀阶段，将第一电磁阀调整为全开状态，以使第一液压室内的液体快速流出，减小第一液压阻力F 1 ，；
活塞动子组件向左运动，当第一活塞运动到设定位置A1时，第一火花塞点火，活塞动子组件由于惯性作用会继续向左运动，直至运动到上止点，至此一个工作循环完成，以此循环往复；
直线电机动子往复运动，切割第一直线电机和第二直线电机的定子线圈产生电动势，经过整流变换器处理后对外输出，直接用于需要供电的设备或储存于蓄电池中。
9.根据权利要求8所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的方法，其特征在于：
在稳定发电过程中，当检测到某一燃烧室内发生燃烧异常甚至失火现象时，控制单元ECU将会控制蓄能调压器输出高压液体充入液压室内，产生液压推力F 1或F 2，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；与此同时，第一直线电机将处于待转换模式状态，若液压室产生的液压推力F 1和F 2不足以使自由活塞内燃发电机恢复到稳定发电状态，第一直线电机将迅速切换到电动机模式，产生电磁推力F e1，随后的工作状态与冷起动过程类似。
10.根据权利要求9所述的一种提高自由活塞内燃发电机燃烧效率及运行稳定性的方法，其特征在于：
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