[發(fā)明專(zhuān)利]一種二沖程自由活塞發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)電方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910070828.7
• 申請(qǐng)日: 2019-01-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109653869B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐照平;劉東;劉梁
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): F02B71/04
• 分類(lèi)號(hào): F02B71/04;F02B75/02;H02K7/18;H02K7/14
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 32203
• 代理人: 張祥

1.一種二沖程自由活塞發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，所述二沖程自由活塞發(fā)電系統(tǒng)包括燃燒系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、回復(fù)裝置(11)以及電子控制單元(1)，所述燃燒系統(tǒng)包括點(diǎn)火裝置(4)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭(5)、自由活塞(6)、進(jìn)氣口(7)、掃氣室(8)、排氣口(13)、燃料噴射裝置(15)和燃燒室(14)，所述燃料噴射裝置(15)和點(diǎn)火裝置(4)位于所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭(5)的上部，所述自由活塞(6)位于發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭(5)內(nèi)部，發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭(5)內(nèi)位于所述自由活塞(6)上方的空間為燃燒室(14)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭(5)內(nèi)位于所述自由活塞(6)下方的空間為掃氣室(8)，進(jìn)氣口(7)和排氣口(13)分別設(shè)置于發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭(5)的側(cè)壁上，

所述電機(jī)系統(tǒng)包括線(xiàn)圈(9)、電機(jī)動(dòng)子(10)和永磁體(12)，其中電機(jī)動(dòng)子(10)內(nèi)的線(xiàn)圈(9)為螺線(xiàn)管排列，電機(jī)動(dòng)子(10)與所述自由活塞(6)固定連接構(gòu)成活塞運(yùn)動(dòng)組件，永磁體(12)位于電機(jī)動(dòng)子(10)外且位于線(xiàn)圈(9)的內(nèi)側(cè)，在活塞運(yùn)動(dòng)組件上設(shè)置有活塞運(yùn)動(dòng)位置的檢測(cè)元件，

所述回復(fù)裝置(11)設(shè)置于自由活塞(6)的下部；

所述發(fā)電系統(tǒng)還包括功率變換器(2)和儲(chǔ)能裝置(3)，所述電子控制單元(1)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)分別與燃料噴射裝置(15)、點(diǎn)火裝置(4)以及功率變換器(2)相連，功率變換器(2)和儲(chǔ)能裝置(3)相連接；

所述燃燒室(14)內(nèi)設(shè)置有壓力傳感器，所述自由活塞(6)上設(shè)置有位移傳感器，所述壓力傳感器與位移傳感器分別與電子控制單元(1)連接；

所述線(xiàn)圈(9)分別與電子控制單元(1)和功率變換器(2)連接；

所述發(fā)電方法包括以下步驟：

步驟一：在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，電子控制單元(1)通過(guò)控制功率變換器(2)的工作狀態(tài)使電機(jī)系統(tǒng)工作于電動(dòng)模式，由儲(chǔ)能裝置(3)向電機(jī)系統(tǒng)提供電能，通過(guò)控制電流的大小和方向，電機(jī)動(dòng)子(10)帶著自由活塞(6)向下運(yùn)動(dòng)，新鮮空氣逐漸由進(jìn)氣口(7)進(jìn)入缸內(nèi)，同時(shí)下方的回復(fù)裝置(11)被壓縮，將電能儲(chǔ)存為彈性勢(shì)能；

步驟二：?jiǎn)?dòng)沖程完成后，系統(tǒng)進(jìn)入二沖程工作循環(huán)，二沖程工作循環(huán)包括壓縮沖程和膨脹沖程，當(dāng)壓縮沖程開(kāi)始時(shí)，在回復(fù)裝置(11)的作用下，自由活塞(6)向上運(yùn)動(dòng)，電機(jī)動(dòng)子(10)切割磁感線(xiàn)發(fā)電，電能通過(guò)功率變換器(2)存入儲(chǔ)能裝置(3)中，活塞運(yùn)動(dòng)組件上行的同時(shí)逐漸關(guān)閉排氣口(13)，對(duì)缸內(nèi)的混合氣進(jìn)行壓縮，在接近壓縮沖程末時(shí)，燃料噴射裝置(15)向缸內(nèi)噴射燃料，點(diǎn)火裝置(4)于壓縮沖程末點(diǎn)燃混合氣，在壓縮過(guò)程中，電子控制單元(1)根據(jù)缸內(nèi)壓力信號(hào)和活塞運(yùn)動(dòng)組件的位移信號(hào)判斷缸內(nèi)混合氣的燃燒狀態(tài)，當(dāng)缸內(nèi)混合氣正常燃燒時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)在膨脹沖程將工作于發(fā)電模式，將燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存，當(dāng)檢測(cè)到缸內(nèi)混合器燃燒不充分或出現(xiàn)失火時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)在膨脹沖程將工作于電動(dòng)模式；

步驟三：當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)在膨脹沖程工作于電動(dòng)模式時(shí)，點(diǎn)火裝置(4)于壓縮沖程末對(duì)缸內(nèi)混合氣進(jìn)行點(diǎn)燃，缸內(nèi)混合氣燃燒不充分或是未被點(diǎn)著，電子控制單元(1)根據(jù)壓力傳感器信號(hào)判斷缸內(nèi)燃燒工況后，通過(guò)功率傳感器(2)向電機(jī)系統(tǒng)提供電能，使電機(jī)系統(tǒng)工作于電動(dòng)模式，帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)組件向下運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程逐漸打開(kāi)排氣口(13)和進(jìn)氣口(7)，完成缸內(nèi)換氣，同時(shí)向下壓縮回復(fù)裝置(11)，當(dāng)自由活塞(6)到達(dá)下?lián)Q向點(diǎn)時(shí)，膨脹沖程結(jié)束，隨后回復(fù)裝置(11)推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)組件上行發(fā)電，進(jìn)入壓縮沖程；

當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)在膨脹沖程工作于發(fā)電模式時(shí)，點(diǎn)火裝置(4)于壓縮沖程末對(duì)缸內(nèi)混合氣進(jìn)行點(diǎn)燃，混合氣被點(diǎn)燃，釋放的能量推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)組件下行，電機(jī)動(dòng)子(10)切割磁感線(xiàn)發(fā)電，電子控制單元(1)通過(guò)控制功率變換器(2)使電機(jī)系統(tǒng)工作于發(fā)電模式，所發(fā)電能通過(guò)功率變換器(2)存入儲(chǔ)能裝置(3)中，活塞運(yùn)動(dòng)組件下行過(guò)程逐漸打開(kāi)排氣口(13)和進(jìn)氣口(7)，完成缸內(nèi)換氣，同時(shí)向下壓縮回復(fù)裝置(11)，當(dāng)自由活塞(6)到達(dá)下?lián)Q向點(diǎn)時(shí)，膨脹沖程結(jié)束，隨后回復(fù)裝置(11)推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)組件上行發(fā)電，進(jìn)入壓縮沖程。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二沖程自由活塞發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，所述回復(fù)裝置(11)是機(jī)械彈簧或氣體彈簧或液壓回復(fù)裝置。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二沖程自由活塞發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，所述儲(chǔ)能裝置(3)是蓄電池或者超級(jí)電容器或者二者的組合。