[发明专利]一种二冲程自由活塞发电系统及其发电方法

说明书

本发明公开了一种二冲程自由活塞式发电系统及其发电方法，该系统包括燃烧系统、回复装置(11)、电机系统、电子控制单元(1)、功率变换器(2)以及储能装置(3)。通过调节直线电机中线圈电流的大小和持续时间来控制自由活塞运动组件的位移，实现自由活塞发电系统可变压缩比和可变行程的优势。本发明公开的自由活塞发电系统采用二冲程循环工作，且效率高、成本低、排放小、燃料普适性广，相比于同类系统所占体积较小，具有同类系统不具备的便携性优势。可用于增程式混合动力汽车、分布式发电、辅助电源等领域。

技术领域

本发明属于发电技术领域，特别涉及一种二冲程自由活塞发电系统及其发电方法。

背景技术

目前，由于能源危机和环境污染，寻找一种可持续发展的清洁能源是目前各行业面临的共性问题。对于汽车工业来说，虽然纯电动汽车是未来汽车的主流方向，但是受制于基础科学的限制，电动汽车还不能全方面取代传统车辆的地位，由此，发展混合动力汽车成为了传统汽车向纯电动汽车过渡的最佳选择。

自由活塞发电系统去除了传统发动机结构中的曲柄连杆结构，比传统曲轴式发动机结构紧凑，且活塞在运动时不会受到侧向力作用，减小了摩擦损耗。由于自由活塞发电系统具有压缩比可变的特性，能够结合相应工况进行优化和减排，也具有适应多种燃料的能力。

目前常见的自由活塞发电系统结构为双活塞式，即燃烧室布置在中央，两边分别布置一个燃烧室，采用二冲程循环工作，一个燃烧室处于做功状态时，推动活塞为另一个燃烧室的压缩冲程提供能量。此结构对于控制系统要求苛刻，难以实现样机的连续稳定运行，且当采用双活塞式结构时，工作循环只能采用二冲程循环，目前尚未有实现能连续稳定运行的双活塞式样机的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运行稳定、控制精确的二冲程自由活塞发电系统及其发电方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种二冲程自由活塞发电系统，包括燃烧系统、电机系统、回复装置以及电子控制单元，所述燃烧系统包括点火装置、发动机缸头、自由活塞、进气口、扫气室、排气口、燃料喷射装置和燃烧室，所述燃料喷射装置和点火装置位于所述发动机缸头的上部，所述自由活塞位于发动机缸头内部，发动机缸头内位于所述自由活塞上方的空间为燃烧室，发动机缸头内位于所述自由活塞下方的空间为扫气室，进气口和排气口分别设置于发动机缸头的侧壁上，

所述电机系统包括线圈、电机动子和永磁体，其中电机动子内的线圈为螺线管排列，电机动子与所述自由活塞固定连接构成活塞运动组件，永磁体位于电机动子外且位于线圈的内侧，在活塞运动组件上设置有活塞运动位置的检测元件，所述回复装置设置于自由活塞的下部。

进一步地，所述发电系统还包括功率变换器和储能装置，所述电子控制单元通过导线分别与燃料喷射装置、点火装置以及功率变换器相连，功率变换器和储能装置相连接。

进一步地，所述燃烧室内设置有压力传感器，所述自由活塞上设置有位移传感器，所述压力传感器与位移传感器分别与电子控制单元连接。

进一步地，所述线圈分别与电子控制单元和功率变换器连接。

进一步地，所述回复装置是机械弹簧或气体弹簧或液压回复装置。

进一步地，所述储能装置是蓄电池或者超级电容器或者二者的组合。

根据上述所述的二冲程自由活塞发电系统的发电方法，包括以下步骤：

步骤一：在系统启动时，电子控制单元通过控制功率变换器的工作状态使电机系统工作于电动模式，由储能装置向电机系统提供电能，通过控制电流的大小和方向，电机动子带着自由活塞向下运动，新鲜空气逐渐由进气口进入缸内，同时下方的回复装置被压缩，将电能储存为弹性势能；