[發明專利]一種二沖程自由活塞發電系統及其發電方法

有效

• 申請號: 201910070828.7
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109653869B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 徐照平;劉東;劉梁
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: F02B71/04
• 分類號: F02B71/04;F02B75/02;H02K7/18;H02K7/14
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張祥

本發明公開了一種二沖程自由活塞式發電系統及其發電方法，該系統包括燃燒系統、回復裝置(11)、電機系統、電子控制單元(1)、功率變換器(2)以及儲能裝置(3)。通過調節直線電機中線圈電流的大小和持續時間來控制自由活塞運動組件的位移，實現自由活塞發電系統可變壓縮比和可變行程的優勢。本發明公開的自由活塞發電系統采用二沖程循環工作，且效率高、成本低、排放小、燃料普適性廣，相比于同類系統所占體積較小，具有同類系統不具備的便攜性優勢。可用于增程式混合動力汽車、分布式發電、輔助電源等領域。

技術領域

本發明屬于發電技術領域，特別涉及一種二沖程自由活塞發電系統及其發電方法。

背景技術

目前，由于能源危機和環境污染，尋找一種可持續發展的清潔能源是目前各行業面臨的共性問題。對于汽車工業來說，雖然純電動汽車是未來汽車的主流方向，但是受制于基礎科學的限制，電動汽車還不能全方面取代傳統車輛的地位，由此，發展混合動力汽車成為了傳統汽車向純電動汽車過渡的最佳選擇。

自由活塞發電系統去除了傳統發動機結構中的曲柄連桿結構，比傳統曲軸式發動機結構緊湊，且活塞在運動時不會受到側向力作用，減小了摩擦損耗。由于自由活塞發電系統具有壓縮比可變的特性，能夠結合相應工況進行優化和減排，也具有適應多種燃料的能力。

目前常見的自由活塞發電系統結構為雙活塞式，即燃燒室布置在中央，兩邊分別布置一個燃燒室，采用二沖程循環工作，一個燃燒室處于做功狀態時，推動活塞為另一個燃燒室的壓縮沖程提供能量。此結構對于控制系統要求苛刻，難以實現樣機的連續穩定運行，且當采用雙活塞式結構時，工作循環只能采用二沖程循環，目前尚未有實現能連續穩定運行的雙活塞式樣機的報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種運行穩定、控制精確的二沖程自由活塞發電系統及其發電方法。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種二沖程自由活塞發電系統，包括燃燒系統、電機系統、回復裝置以及電子控制單元，所述燃燒系統包括點火裝置、發動機缸頭、自由活塞、進氣口、掃氣室、排氣口、燃料噴射裝置和燃燒室，所述燃料噴射裝置和點火裝置位于所述發動機缸頭的上部，所述自由活塞位于發動機缸頭內部，發動機缸頭內位于所述自由活塞上方的空間為燃燒室，發動機缸頭內位于所述自由活塞下方的空間為掃氣室，進氣口和排氣口分別設置于發動機缸頭的側壁上，

所述電機系統包括線圈、電機動子和永磁體，其中電機動子內的線圈為螺線管排列，電機動子與所述自由活塞固定連接構成活塞運動組件，永磁體位于電機動子外且位于線圈的內側，在活塞運動組件上設置有活塞運動位置的檢測元件，所述回復裝置設置于自由活塞的下部。

進一步地，所述發電系統還包括功率變換器和儲能裝置，所述電子控制單元通過導線分別與燃料噴射裝置、點火裝置以及功率變換器相連，功率變換器和儲能裝置相連接。

進一步地，所述燃燒室內設置有壓力傳感器，所述自由活塞上設置有位移傳感器，所述壓力傳感器與位移傳感器分別與電子控制單元連接。

進一步地，所述線圈分別與電子控制單元和功率變換器連接。

進一步地，所述回復裝置是機械彈簧或氣體彈簧或液壓回復裝置。

進一步地，所述儲能裝置是蓄電池或者超級電容器或者二者的組合。

根據上述所述的二沖程自由活塞發電系統的發電方法，包括以下步驟：

步驟一：在系統啟動時，電子控制單元通過控制功率變換器的工作狀態使電機系統工作于電動模式，由儲能裝置向電機系統提供電能，通過控制電流的大小和方向，電機動子帶著自由活塞向下運動，新鮮空氣逐漸由進氣口進入缸內，同時下方的回復裝置被壓縮，將電能儲存為彈性勢能；