[发明专利]一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统

权利要求书

1.一种利用压缩天然气余压发电的车用气电混合动力系统，其特征在于，包括：余压回收系统、蓄能充电系统、燃料供给系统、采集控制系统、传动系统五部分；具体为包括天然气储气罐（1）、加气阀（2）、高压燃气滤清器（3）、高压电磁阀（4）、减压器（5）、转换开关（6）、电控调压器（7）、自由活塞直线电机集成单元（8）、低压燃气滤清器（9）、混合器（10）、ECU（11）、点火模块（12）、点火线圈（13）、发动机（14）、喷射阀及共轨（15）、蓄电池组（16）、驱动电机（17）、稳压阀（18）、分流器（19）、第一电磁阀（20）、第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）、第四电磁阀（23）、第一三通阀（24）、第二三通阀（25）、第一流量计（26）、第二流量计（27）、自由活塞气缸（28）、活塞（29）、活塞动子连杆组件（30）、直线发电机定子（31）、支撑架（32）、永磁式圆筒直线电机（33）、位移传感器（34）、信息采集模块（35）、整流器（36）、功率转换器（37）、电机控制器（38）、转矩耦合装置（39）、传动装置（40）、车轮（41）、第一温度传感器（42）、第一压力传感器（43）、第二压力传感器（44）、第二温度传感器（45）、第三温度传感器（46）、第三压力传感器（47）、第四压力传感器（48）、第四温度传感器（49）、氧传感器（50）、离合器（51）、直线发电机动子（52）；

按照气体整体走向，天然气储气罐（1）依次通过管路与加气阀（2）、高压燃气滤清器（3）、高压电磁阀（4）、减压器（5）连接，减压器（5）经由第一温度传感器（42）、第一压力传感器（43）与转换开关（6）连接，转换开关（6）分别与电控调压器（7）和稳压阀（18）连接，稳压阀（18）与分流器（19）连接，分流器（19）分别与第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）连接；第二电磁阀（21）与第一三通阀（24）连接，第一三通阀（24）通过第一流量计（26）并经由第二压力传感器（44）、第二温度传感器（45）与自由活塞气缸（28）的B端连接，同时第三电磁阀（22）与第二三通阀（25）连接，第二三通阀（25）通过第二流量计（27）并经由第三温度传感器（46）、第三压力传感器（47）与自由活塞气缸（28）的A端连接；自由活塞气缸（28）内设有活塞（29）；第一三通阀（24）和第一电磁阀（20）连接，第二三通阀（25）与第四电磁阀（23）连接，第一电磁阀（20）和第四电磁阀（23）连接汇总后与电控调压器（7）连接，电控调压器（7）依次与低压燃气滤清器（9）、混合器（10）、喷射阀及共轨（15）连接，喷射阀及共轨（15）经由第四温度传感器（49）、第四压力传感器（48）、氧传感器（50）与发动机（14）连接；

发动机（14）与离合器（51）连接，驱动电机（17）与离合器（51）分别与转矩耦合装置（39）连接进行转矩相耦合，然后与传动装置（40）连接，传动装置（40）与车轮（41）连接，作为动力输出；

在自由活塞气缸（28）的A端，自由活塞气缸（28）内的活塞（29）通过活塞动子连杆组件（30）与永磁式圆筒直线电机（33）中的直线发电机动子（52）固定连接在一起，直线发电机动子（52）位于永磁式圆筒直线电机（33）中心，直线发电机定子（31）采用支撑架（32）固定，在直线发电机定子（31）外侧设有位移传感器（34）；直线发电机定子（31）依次与整流器（36）、功率转换器（37）、蓄电池组（16）连接，将直线发电机定子（31）产生的电储存到蓄电池组（16）中，蓄电池组（16）通过电机控制器（38）和驱动电机（17）连接；

采集线路:第一流量计（26）、第二流量计（27）、第一温度传感器（42）、第一压力传感器（43）、第二压力传感器（44）、第二温度传感器（45）、第三温度传感器（46）、第三压力传感器（47）、第四压力传感器（48）、第四温度传感器（49）、氧传感器（50）、位移传感器（34）分别与信息采集模块（35）连接；

点火模块（12）通过点火线圈（13）与发动机（14）连接，点火模块（12）、高压电磁阀（4）、减压器（5）、电控调压器（7）、喷射阀及共轨（15）、电机控制器（38）、第一电磁阀（20）、第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）、第四电磁阀（23）分别与ECU（11）连接；信息采集模块（35）与ECU（11）连接，将采集的数据信息反馈给ECU（11）；

运行方式包括如下：动力输出方式一：充气站将天然气通过充气阀（2）充入天然气储气罐（1）至20-25MPa进行存储；当使用天然气作燃料时，高压电磁阀（4）打开，储气罐（1）内的高压天然气经过高压管路上的充气阀（2）、高压燃气滤清器（3）、高压电磁阀（4）进入减压器（5）进行减压；高压电磁阀（4）的开合由ECU（11）控制,减压器（5）的作用是将高压的压缩天然气经过减压加热将压力降低；高压天然气在减压过程中由于减压膨胀,需要吸收大量的热量,为防止减压器结冰,从发动机（14）中将发动机冷却液引出到减压器（5）对天然气进行加热；经减压后的天然气通过低压管路经过转换开关（6）进入电控调压器（7），电控调压器（7）的作用是根据发动机（14）运行工况精确控制天然气的压力；天然气经过电控调压器（7）调节到所需的压力，然后经过低压燃气滤清器（9）过滤后进入混合器（10），使天然气与空气均匀混合，满足发动机（14）不同工况的使用要求，最后通过喷射阀及共轨（15）将混合燃气喷入发动机（14）缸内，经点火线圈（13）点燃进行燃烧,点火线圈（13）的点火时刻由ECU（11）控制；燃料燃烧释放能量推动发动机活塞向下运动，从而进行动力输出，此时驱动电机（17）不工作；此为第一种动力输出方式，即纯压缩天然气动力输出模式；

动力输出方式二：充气站将天然气通过充气阀（2）充入天然气储气罐（1）至20-25MPa进行存储；当使用天然气作燃料时，高压电磁阀（4）打开，储气罐（1）内的高压天然气通过高压管路上的充气阀（2）、高压燃气滤清器（3）、高压电磁阀（4）进入减压器（5）减压；经减压后的天然气通过低压管路经过转换开关（6）进入自由活塞直线电机集成单元（8），通过ECU对第一电磁阀（20）、第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）、第四电磁阀（23）的控制，使天然气交替进入自由活塞气缸（28）A、B两端气缸内，利用天然气压力推动活塞（29）往复运动，活塞（29）往复运动过程中，通过活塞动子连杆组件（30）带动直线发电机动子（52）做切割磁感线运动产生电能，产生的电能经过整流器（36）和功率转换器（37）存储于蓄电池组（16）中，用于驱动电机（17）和整车供电；进入自由活塞直线电机集成单元（8）的天然气做功后，排出自由活塞气缸（28）进入电控调压器（7），经电控调压器（7）调整压力，然后经过低压燃气滤清器（9）过滤、混合器（10）中与空气均匀混合，最后通过喷射阀及共轨（15）喷入发动机（14）缸内，经点火线圈（13）点燃进行燃烧,燃料燃烧释放能量推动发动机（14）活塞向下运动，输出动力；存储于蓄电池组（16）中的电能经电机控制器（38）控制驱动电机（17）运转，输出转矩；转矩耦合装置（39）将发动机（14）和驱动电机（17）的转矩耦合后，通过传动装置（40）传递到车轮（41），驱动汽车运动，此时驱动电机（17）和发动机（14）同时工作；此为第二种动力输出方式，即气电混合动力输出模式；

第一种和第二种动力输出方式根据不同工作条件，通过转换开关自由调节；

自由活塞气缸（28）为单活塞双作用，自由活塞气缸（28）与一台永磁式圆筒直线电机（33）耦合，通过输入的高压天然气推动活塞（29）往复运动，带动直线发电机动子（52）做往复切割磁感线的运动，从而将天然气所携带的能量转化为电能输出，用于驱动电机（17）和整车供电；装置开始工作时，第三电磁阀（22）打开，第四电磁阀（23）闭合，第一电磁阀（20）打开，第二电磁阀（21）闭合，经减压器（5）减压后的天然气通过第三电磁阀（22）所在进气管路，从自由活塞气缸A端快速充入缸内，推动自由活塞（29）由气缸A端向B端运动，做功后的天然气从自由活塞气缸B端排出，通过第一电磁阀（20）所在排气管路排出进入电控调压器（7）中；通入一定时间t秒后，第三电磁阀（22）闭合，第一电磁阀（20）、第二电磁阀（21）、第四电磁阀（23）状态不变，气体在缸内自由膨胀，继续推动活塞（29）运动；当活塞（29）运动到自由活塞气缸B端设定位移点B1时，ECU（11）发出指令，第一电磁阀（20）闭合，第二电磁阀（21）打开，第三电磁阀（22）闭合，第四电磁阀（23）打开，经减压器（5）减压后的天然气经第二电磁阀（21）所在进气管路，从自由活塞气缸（28）B端快速充入缸内，推动活塞（29）由气缸B端向A端运动，做功后的天然气从自由活塞气缸A端流出，通过第四电磁阀（23）所在排气管路排出进入电控调压器（7）中；通入一定时间t秒后，第二电磁阀（21）闭合，第一电磁阀（20）、第三电磁阀（22）、第四电磁阀（23）状态不变，气体在自由活塞气缸（28）内自由膨胀，继续推动活塞（29）运动；同理，当活塞运动到自由活塞气缸（28）A端设定位移点A1时，ECU发出指令，第三电磁阀（22）打开，第二电磁阀（21）闭合，第一电磁阀（20）打开，第四电磁阀（23）闭合，气体通过自由活塞气缸（28）A端快速进入缸内，开始下一工作循环；活塞（29）往复运动过程中，通过活塞动子连杆组（30）带动直线发电机动子（52）运动，动子连续运动时，通过线圈的磁通方向将翻转变化，产生电能，输出的交流电通过整流器（36）转化为直流电储存到蓄电池组（16）中；

进气时间t通过ECU（11）调整第二电磁阀（21）、第三电磁阀（22）打开的持续时间来自由控制，从而调整膨胀过程时间长短，达到进一步对天然气减压的目的，或一直充气使运动过程无膨胀过程，以获得较高的功率输出；同时，自由活塞气缸（28）两端特定位移点A1、B1通过ECU（11）自由设置，从而调整自由活塞气缸（28）中活塞（29）的行程，以适应不同工作环境，从而获得更好的能量转化效率。