專利名稱：電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于動力機械技術領域，具體涉及電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統。
背景技術：
自由活塞內燃發電裝置是自由活塞式內燃機和直線發電機耦合之后形成的一種新型能量轉換裝置，它將自由活塞與直線電機動子直接固連，形成唯一的運動部件——活塞組件。系統運行時，缸內氣體燃燒膨脹作功，推動活塞并帶動動子運動，繼而產生電能，最終通過較短的傳遞路徑將燃料化學能直接轉換為電能。現有的內燃發電機一般結構為往復式內燃機通過曲柄連桿機構與旋轉電機相連，包括二沖程和四沖程兩類熱力循環方式，其缺點是結構復雜、體積較大、熱效率低，尾氣排放污染物較多。特別是由于活塞的直線運動無法直接實現旋轉動力輸出，所以要靠曲柄連桿機構來轉換，傳統的曲軸主要由曲柄、曲拐和曲柄銷組成，其主要特點為階梯軸段，工作過程中活塞組因往復運動而引起的往復慣性力和慣性力矩不能得到完全的平衡，由此引發的振動與噪聲問題日益突出，嚴重影響了內燃發電機的發展。與往復式內燃機和旋轉發電機組合的混合動力系統最大的區別在于，自由活塞內燃發電裝置摒除了曲柄連桿機構，部件運動過程只包含活塞組件的直線往復運動。自由活塞運動不受機構束縛，可以實現變壓縮比內燃機熱力循環。它具有眾多潛在性能優勢，例如機械摩擦損失少，結構緊湊體積小，能量傳遞路徑短，燃燒排放質量好等。它不僅可以用在混合電動或純電動汽車和船舶上，還可以作為輔助動力發電機組使用，是一種前景巨大和優勢明顯的動力機械裝置。然而，由于自由活塞內燃發電系統沒有曲柄連桿機構，不能像傳統內燃機那樣通過飛輪積蓄啟動電機的能量來實現內燃機的啟動，必須通過施加與活塞運動方向相同的推力使得內燃機活塞達到指定位置，滿足自由活塞內燃機著火所需壓縮比。如何實現自由活塞內燃發電機的快速、有效啟動是當前制約該動力裝置發展的原因之一。
發明內容本實用新型的目的是為了解決自由活塞內燃發電系統啟動問題，從而提出的電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統。本實用新型的目的是通過下述技術方案實現的。本實用新型的一種電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，包括第一自由活塞內燃機、第二自由活塞內燃機、連桿和直線電機。第一自由活塞內燃機，直線電機，第二自由活塞內燃機順次連接，整個機構左右對稱。第一自由活塞、電機動子和第二自由活塞依次通過連桿連接，形成一個活塞組件。第一自由活塞內燃機包括第一內燃機氣缸、第一自由活塞、第一進氣門、第一排氣門、第一噴油器、第一進排氣控制器；第一自由活塞置于第一內燃機氣缸內部，第一噴油器位于第一內燃機氣缸頂部中央，第一進氣門及第一排氣門位于第一內燃機氣缸頂部，并對稱位于第一噴油器兩側，第一進排氣控制器位于第一內燃機氣缸外部、與第一進氣門及第一排氣門連接，用于控制第一進氣門與第一排氣門的打開及關閉。第二自由活塞內燃機的結構與第一自由活塞內燃機相同，包括第二內燃機氣缸、第二自由活塞、第二進氣門、第二排氣門、第二噴油器、第二進排氣控制器；第二自由活塞置于第二內燃機氣缸內部，第二噴油器位于第二內燃機氣缸頂部中央，第二進氣門及第二排氣門位于第二內燃機氣缸頂部，并對稱位于第二噴油器兩側，第二進排氣控制器位于第二內燃機氣缸外部、與第二進氣門及第二排氣門連接，用于控制第二進氣門與第二排氣門的打開及關閉。 直線電機為動磁式電機，直線電機動子上安裝永磁體，位于直線電機定子內部，直線電機具有直線電動機和直線發電機兩個工作模式。上述電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統有兩種啟動方案，這兩種方案在自由活塞內燃發電裝置啟動過程中，均使直線電機工作在直線電動機的工作模式，推動活塞組件運動達到自由活塞內燃機著火所需壓縮比，完成啟動過程，同時，直線電機切換為直線發電機模式，對外輸出電能。第一種啟動方案使活塞組件在直線電機推力作用下完成一個先加速后減速到零的過程，并在第一個啟動循環內達到自由活塞內燃機著火所需條件。自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門、第一排氣門、第二進氣門和第二排氣門均處于關閉狀態，啟動前根據預期獲得的壓縮比，在控制程序中預先設置活塞組件運動的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時間。啟動時，直線電機工作在電動機模式拖動活塞組件按照預先設定向第一內燃機氣缸(或第二內燃機氣缸)一側運動，當活塞組件速度為零時，該側內燃機的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內的混合氣著火燃燒，自由活塞內燃發電裝置啟動過程完成，同時直線電機從電動機模式切換為發電機模式，開始作為負載輸出電能。本方案適用于直線電機在電動機模式下作用在活塞組件上的推力足夠大，能夠使活塞組件在一個啟動循環內達到內燃機著火所需壓縮比。第二種啟動方案使直線電機以恒定推力作用在活塞組件上，完成若干個先加速后減速為零，再反向加速后減速為零的過程，最終達到內燃機著火所需壓縮比。自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門、第一排氣門、第二進氣門和第二排氣門均處于關閉狀態；需要啟動自由活塞內燃發電裝置時，直線電機工作在電動機模式下，并以恒定力作用在活塞組件上，拖動活塞組件向第一內燃機氣缸(或第二內燃機氣缸)一側運動，此時電機力大于氣缸內氣體壓力與摩擦力之和，因此活塞組件加速運動；隨著氣缸內氣體壓力逐漸增大，當電機力小于氣缸內氣體壓力與摩擦力之和時，活塞組件開始做減速運動，直至速度為零；隨后電機力反向，拖動活塞組件向相反方向運動，活塞組件在電機力、摩擦力與氣缸內氣體壓力的作用下，又經歷先加速后減速為零的過程，隨后電機力再次反向；重復上述步驟，拖動活塞組件運動，并保持直線電機的推力與活塞速度一直同向，活塞組件上止點所達到的位移逐漸增大，當達到自由活塞內燃機著火所需壓縮比時，完成啟動過程；同時，直線電機切換為直線發電機模式，對外輸出電能。本方案適用于直線電機最大推力較小，不能夠使活塞組件在一個啟動循環內達到內燃機著火所需壓縮比的情況。[0015]本實用新型提供的另一種電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，包括第一自由活塞內燃機、第二自由活塞內燃機、連桿、第一啟動線圈、第二啟動線圈和直線電機。其中，第一自由活塞內燃機包括第一內燃機氣缸、第一自由活塞、第一進氣門、第一排氣門、第一噴油器和第一進排氣控制器；第一活塞置于第一內燃機氣缸內部，第一噴油器位于第一內燃機氣缸頂部中央，第一進氣門及第一排氣門位于第一內燃機氣缸頂部，并對稱位于第一噴油器兩側，第一進排氣控制器位于第一內燃機氣缸外部、與第一進氣門及第一排氣門連接，用于控制第一進氣門與第一排氣門的打開及關閉。第二自由活塞內燃機的結構與第一自由活塞內燃機相同，包括第二內燃機氣缸、第二自由活塞、第二進氣門、第二排氣門、第二噴油器、第二進排氣控制器；第二自由活塞置于第二內燃機氣缸內部，第二噴油器位于第二內燃機氣缸頂部中央，第二進氣門及第二排氣門位于第二內燃機氣缸頂部，并對稱位于第二噴油器兩側，第二進排氣控制器位于第二內燃機氣缸外部、與第二進氣門及第二排氣門連接，用于控制第二進氣門與第二排氣門的打開及關閉。直線電機為動磁式電機，直線電機動子上安裝永磁體，位于直線電機定子內部，直線電機工作在發電機模式。第一啟動線圈和第二啟動線圈分別置于直線電機定子線圈兩側。第一內燃機氣缸、第二內燃機氣缸分別位于第一啟動線圈、第二啟動線圈的另一側。第一自由活塞、電機動子和第二自由活塞依次通過連桿連接，形成一個活塞組件。基于第二種電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統的啟動方案，即本實用新型提供的第三種啟動方案為在自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門、第一排氣門、第二進氣門和第二排氣門均處于關閉狀態，啟動前根據預期獲得的壓縮比，在控制程序中預先設置活塞組件運動的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時間。當需要啟動時，第一啟動線圈、第二啟動線圈與直線電機動子構成啟動電動機，拖動活塞組件按照控制程序的設定向第一內燃機氣缸(或第二內燃機氣缸)一側運動，完成一個先加速后減速到零的過程，達到該側自由活塞內燃機啟動所需壓縮比，啟動完成后，通過控制程序使啟動線圈脫離。該側自由活塞內燃機的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內的混合氣著火燃燒，自由活塞內燃發電裝置啟動過程完成，啟動過程中，直線電機一直工作在發電機模式，作為負載輸出電能。有益效果1、本實用新型的電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，以電機力作為外力，通過仿真和實驗結果證明，可以在I秒內實現自由活塞內燃發電裝置的快速啟動。2、本實用新型的三種啟動方案，第一種啟動方案簡單易控，不需要額外直線電機模式轉換電路；第二種啟動方案所需零部件少，啟動時間短；第三種啟動方案，可匹配峰值推力較小的直線電機，有助于減小整個裝置的體積。
圖1是實施例的結構示意圖；圖中，I一第一進排氣控制器、2-第一噴油器、3-第一進氣門、4一第一排氣門、5-第一內燃機氣缸、6-第一自由活塞、7-第一啟動線圈、8—直線電機定子、9一直線電機動子、10-第二啟動線圈、11一第二自由活塞、12—第二內燃機氣缸、13—第二排氣門、14一第二噴油器、15一第二進排氣控制器、16一第二進氣門、17-連桿。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。本實用新型提供的第一種電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，包括第一進排氣控制器1、第一噴油器2、第一進氣門3、第一排氣門4、第一內燃機氣缸5、第一自由活塞6、直線電機定子8、直線電機動子9、第二自由活塞11、第二內燃機氣缸12、第二排氣門13、第二噴油器14、第二進排氣控制器15、第二進氣門16、連桿17 ；第一自由活塞6置于第一內燃機氣缸5內部，第一噴油器2位于第一內燃機氣缸5頂部中央，第一進氣門3及第一排氣門4位于第一內燃機氣缸5頂部，并對稱位于第一噴油器2兩側，第一進排氣控制器I位于第一內燃機氣缸5外部、與第一進氣門3及第一排氣門4連接，用于控制第一進氣門3與第一排氣門4的打開及關閉；第二自由活塞11置于第二內燃機氣缸12內部，第二噴油器14位于第二內燃機氣缸12頂部中央，第二進氣門16及第二排氣門13位于第二內燃機氣缸12頂部,并對稱位于第二噴油器14兩側，第二進排氣控制器15位于第二內燃機氣缸12外部、與第二進氣門16及第二排氣門13連接，用于控制第二進氣門16與第二排氣門13的打開及關閉；直線電機動子9上安裝永磁體，位于直線電機定子8內部，第一自由活塞、直線電機動子和第二自由活塞依次通過連桿17連接，形成一個活塞組件。本實用新型提供的另一種電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統與本實用新型提供的第一種電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統相比，增添了第一啟動線圈7和第二啟動線圈10，其余組成結構與第一種電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統相同。第一啟動線圈7和第二啟動線圈10分別置于直線電機定子線圈8兩側。第一內燃機氣缸5、第二內燃機氣缸12分別位于第一啟動線圈7、第二啟動線圈10的另一側。實施例1第一種啟動方案自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門3、第一排氣門4、第二進氣門16和第二排氣門13均處于關閉狀態,啟動前根據預期獲得的壓縮比，在控制程序中預先設置活塞組件運動的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時間。啟動時，直線電機工作在電動機模式拖動活塞組件按照預先設定向第一內燃機氣缸5 (或第二內燃機氣缸12) —側運動，當活塞組件速度為零時，該側內燃機的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內的混合氣著火燃燒，自由活塞內燃發電裝置啟動過程完成，同時直線電機從電動機模式切換為發電機模式，開始作為負載輸出電能。實施例2第二種啟動方案自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門3、第一排氣門4、第二進氣門16和第二排氣門13均處于關閉狀態；需要啟動自由活塞內燃發電裝置時，直線電機工作在電動機模式下，并以恒定力作用在活塞組件上，拖動活塞組件向第一內燃機氣缸5 (或第二內燃機氣缸12)—側運動；隨著氣缸內氣體壓力逐漸增大，當電機力小于氣缸內氣體壓力與摩擦力之和時，活塞組件開始做減速運動，直至速度為零；隨后電機力反向，拖動活塞組件向相反方向運動，活塞組件在電機力、摩擦力與氣缸內氣體壓力的作用下，又經歷先加速后減速為零的過程，隨后電機力再次反向；重復上述步驟，拖動活塞組件運動，并保持直線電機的推力與活塞速度一直同向，活塞組件上止點所達到的位移逐漸增大，當達到自由活塞內燃機著火所需壓縮比時，完成啟動過程；同時，直線電機切換為直線發電機模式，對外輸出電能。實施例3在自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門3、第一排氣門4、第二進氣門16和第二排氣門13均處于關閉狀態，啟動前根據預期獲得的壓縮比，在控制程序中預先設置活塞組件運動的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時間。當需要啟動時，第一啟動線圈7、第二啟動線圈10與直線電機動子9構成啟動電動機，拖動活塞組件按照控制程序的設定向第一內燃機氣缸5 (或第二內燃機氣缸12)—側運動，完成一個先加速后減速到零的過程，達到該側自由活塞內燃機啟動所需壓縮比，啟動完成后，通過控制程序使第一啟動線圈7和第二啟動線圈10脫離。該側自由活塞內燃機的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內的混合氣著火燃燒，自由活塞內燃發電裝置啟動過程完成，啟動過程中，直線電機一直工作在發電機模式，作為負載輸出電能。
權利要求1.電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，其特征在于包括第一自由活塞內燃機、 第二自由活塞內燃機、連桿和直線電機；第一自由活塞內燃機，直線電機，第二自由活塞內燃機順次連接，整個機構左右對稱；第一自由活塞、電機動子和第二自由活塞依次通過連桿連接，形成一個活塞組件；第一自由活塞內燃機包括第一內燃機氣缸、第一自由活塞、第一進氣門、第一排氣門、 第一噴油器、第一進排氣控制器；第一自由活塞置于第一內燃機氣缸內部，第一噴油器位于第一內燃機氣缸頂部中央，第一進氣門及第一排氣門位于第一內燃機氣缸頂部，并對稱位于第一噴油器兩側，第一進排氣控制器位于第一內燃機氣缸外部、與第一進氣門及第一排氣門連接，用于控制第一進氣門與第一排氣門的打開及關閉；第二自由活塞內燃機的結構與第一自由活塞內燃機相同，包括第二內燃機氣缸、第二自由活塞、第二進氣門、第二排氣門、第二噴油器、第二進排氣控制器；第二自由活塞置于第二內燃機氣缸內部，第二噴油器位于第二內燃機氣缸頂部中央，第二進氣門及第二排氣門位于第二內燃機氣缸頂部，并對稱位于第二噴油器兩側，第二進排氣控制器位于第二內燃機氣缸外部、與第二進氣門及第二排氣門連接，用于控制第二進氣門與第二排氣門的打開及關閉；直線電機為動磁式電機，直線電機動子上安裝永磁體，位于直線電機定子內部。
2.根據權利要求1所述的電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，其特征在于所述直線電機具有直線電動機和直線發電機兩個工作模式。
3.根據權利要求1所述的電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，其特征在于第一種啟動方案為活塞組件在直線電機推力作用下先加速后減速到零，并在第一個啟動循環內達到自由活塞內燃機著火所需條件，具體過程為自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門、第一排氣門、第二進氣門和第二排氣門均處于關閉狀態，啟動前根據預期獲得的壓縮比，在控制程序中預先設置活塞組件運動的距離、加速度、 減速度、加速及減速過程所需要的時間；啟動時，直線電機工作在電動機模式拖動活塞組件按照預先設定方向，向第一內燃機氣缸或第二內燃機氣缸一側運動，當活塞組件速度為零時，該側內燃機的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內的混合氣著火燃燒，自由活塞內燃發電裝置啟動過程完成，同時直線電機從電動機模式切換為發電機模式，開始作為負載輸出電能; 本方案適用于直線電機在電動機模式下作用在活塞組件上的推力足夠大，能夠使活塞組件在一個啟動循環內達到內燃機著火所需壓縮比。
4.根據權利要求1所述的電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，其特征在于第二種啟動方案為使直線電機以恒定推力作用在活塞組件上，完成若干個先加速后減速為零， 再反向加速后減速為零的過程，最終達到內燃機著火所需壓縮比，具體過程為自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門、第一排氣門、第二進氣門和第二排氣門均處于關閉狀態；需要啟動自由活塞內燃發電裝置時，直線電機工作在電動機模式下，并以恒定力作用在活塞組件上，拖動活塞組件向第一內燃機氣缸或第二內燃機氣缸一側運動，此時電機力大于氣缸內氣體壓力與摩擦力之和，因此活塞組件加速運動；隨著氣缸內氣體壓力逐漸增大，當電機力小于氣缸內氣體壓力與摩擦力之和時，活塞組件開始做減速運動，直至速度為零；隨后電機力反向，拖動活塞組件向相反方向運動，活塞組件在電機力、摩擦力與氣缸內氣體壓力的作用下，又經歷先加速后減速為零的過程，隨后電機力再次反向；重復上述過程，拖動活塞組件運動，并保持直線電機的推力與活塞速度一直同向，活塞組件上止點所達到的位移逐漸增大，當達到自由活塞內燃機著火所需壓縮比時， 完成啟動過程；同時，直線電機切換為直線發電機模式，對外輸出電能；本方案適用于直線電機最大推力較小，不能夠使活塞組件在一個啟動循環內達到內燃機著火所需壓縮比的情況。
5.電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，其特征在于包括第一自由活塞內燃機、 第二自由活塞內燃機、連桿、第一啟動線圈、第二啟動線圈和直線電機；其中，第一自由活塞內燃機包括第一內燃機氣缸、第一自由活塞、第一進氣門、第一排氣門、第一噴油器和第一進排氣控制器；第一活塞置于第一內燃機氣缸內部，第一噴油器位于第一內燃機氣缸頂部中央，第一進氣門及第一排氣門位于第一內燃機氣缸頂部，并對稱位于第一噴油器兩側，第一進排氣控制器位于第一內燃機氣缸外部、與第一進氣門及第一排氣門連接，用于控制第一進氣門與第一排氣門的打開及關閉；第二自由活塞內燃機的結構與第一自由活塞內燃機相同，包括第二內燃機氣缸、第二自由活塞、第二進氣門、第二排氣門、第二噴油器、第二進排氣控制器；第二自由活塞置于第二內燃機氣缸內部，第二噴油器位于第二內燃機氣缸頂部中央，第二進氣門及第二排氣門位于第二內燃機氣缸頂部，并對稱位于第二噴油器兩側，第二進排氣控制器位于第二內燃機氣缸外部、與第二進氣門及第二排氣門連接，用于控制第二進氣門與第二排氣門的打開及關閉；直線電機為動磁式電機，直線電機動子上安裝永磁體，位于直線電機定子內部；第一啟動線圈和第二啟動線圈分別置于直線電機定子線圈兩側；第一內燃機氣缸、第二內燃機氣缸分別位于第一啟動線圈、第二啟動線圈的另一側；第一自由活塞、電機動子和第二自由活塞依次通過連桿連接，形成一個活塞組件。
6.根據權利要求5所述的電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統，其特征在于啟動方案具體過程為在自由活塞內燃發電裝置不工作時，活塞組件位于直線電機中點，第一進氣門、第一排氣門、第二進氣門和第二排氣門均處于關閉狀態，啟動前根據預期獲得的壓縮比，在控制程序中預先設置活塞組件運動的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時間；當需要啟動時，第一啟動線圈、第二啟動線圈與直線電機動子構成啟動電動機，拖動活塞組件按照控制程序的設定向第一內燃機氣缸或第二內燃機氣缸一側運動，完成一個先加速后減速到零的過程，達到該側自由活塞內燃機啟動所需壓縮比，啟動完成后，通過控制程序使啟動線圈脫離；該側自由活塞內燃機的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內的混合氣著火燃燒，自由活塞內燃發電裝置啟動過程完成，啟動過程中，直線電機一直工作在發電機模式，作為負載輸出電能。
專利摘要本實用新型屬于動力機械技術領域，具體涉及電機式自由活塞內燃發電裝置啟動系統。本實用新型提供兩種，其中第一種包括第一自由活塞內燃機、第二自由活塞內燃機、連桿和直線電機。第一自由活塞內燃機，直線電機，第二自由活塞內燃機順次連接，整個機構左右對稱。第二種增添了第一啟動線圈和第二啟動線圈。根據兩種系統結構提出三種啟動方案，第一種啟動方案簡單易控，不需要額外直線電機模式轉換電路；第二種啟動方案所需零部件少，啟動時間短；第三種啟動方案，可匹配峰值推力較小的直線電機，有助于減小整個裝置的體積。通過仿真和實驗結果證明，本實用新型可以在1秒內實現自由活塞內燃發電裝置的快速啟動。
文檔編號F02B71/02GK202851144SQ20122052426
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者左正興, 賈博儒, 馮慧華, 許大濤, 宋豫 申請人:北京理工大學