專利名稱：電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于動(dòng)力機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置是自由活塞式內(nèi)燃機(jī)和直線發(fā)電機(jī)耦合之后形成的一種新型能量轉(zhuǎn)換裝置，它將自由活塞與直線電機(jī)動(dòng)子直接固連，形成唯一的運(yùn)動(dòng)部件——活塞組件。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，缸內(nèi)氣體燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞并帶動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，繼而產(chǎn)生電能，最終通過較短的傳遞路徑將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能?，F(xiàn)有的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)一般結(jié)構(gòu)為往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相連，包括二沖程和四沖程兩類熱力循環(huán)方式，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)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(yùn)動(dòng)無法直接實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力輸出，所以要靠曲柄連桿機(jī)構(gòu)來轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的曲軸主要由曲柄、曲拐和曲柄銷組成，其主要特點(diǎn)為階梯軸段，工作過程中活塞組因往復(fù)運(yùn)動(dòng)而引起的往復(fù)慣性力和慣性力矩不能得到完全的平衡，由此引發(fā)的振動(dòng)與噪聲問題日益突出，嚴(yán)重影響了內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的發(fā)展。與往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)和旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組合的混合動(dòng)力系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置摒除了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，部件運(yùn)動(dòng)過程只包含活塞組件的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。自由活塞運(yùn)動(dòng)不受機(jī)構(gòu)束縛，可以實(shí)現(xiàn)變壓縮比內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)。它具有眾多潛在性能優(yōu)勢，例如機(jī)械摩擦損失少，結(jié)構(gòu)緊湊體積小，能量傳遞路徑短，燃燒排放質(zhì)量好等。它不僅可以用在混合電動(dòng)或純電動(dòng)汽車和船舶上，還可以作為輔助動(dòng)力發(fā)電機(jī)組使用，是一種前景巨大和優(yōu)勢明顯的動(dòng)力機(jī)械裝置。然而，由于自由活塞內(nèi)燃發(fā)電系統(tǒng)沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，不能像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)那樣通過飛輪積蓄啟動(dòng)電機(jī)的能量來實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)，必須通過施加與活塞運(yùn)動(dòng)方向相同的推力使得內(nèi)燃機(jī)活塞達(dá)到指定位置，滿足自由活塞內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比。如何實(shí)現(xiàn)自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的快速、有效啟動(dòng)是當(dāng)前制約該動(dòng)力裝置發(fā)展的原因之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決自由活塞內(nèi)燃發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)問題，從而提出的電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，包括第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)、第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)、連桿和直線電機(jī)。第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)，直線電機(jī)，第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)順次連接，整個(gè)機(jī)構(gòu)左右對稱。第一自由活塞、電機(jī)動(dòng)子和第二自由活塞依次通過連桿連接，形成一個(gè)活塞組件。第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)包括第一內(nèi)燃機(jī)氣缸、第一自由活塞、第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第一噴油器、第一進(jìn)排氣控制器；第一自由活塞置于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部，第一噴油器位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部中央，第一進(jìn)氣門及第一排氣門位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部，并對稱位于第一噴油器兩側(cè)，第一進(jìn)排氣控制器位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸外部、與第一進(jìn)氣門及第一排氣門連接，用于控制第一進(jìn)氣門與第一排氣門的打開及關(guān)閉。第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)與第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)相同，包括第二內(nèi)燃機(jī)氣缸、第二自由活塞、第二進(jìn)氣門、第二排氣門、第二噴油器、第二進(jìn)排氣控制器；第二自由活塞置于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部，第二噴油器位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部中央，第二進(jìn)氣門及第二排氣門位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部，并對稱位于第二噴油器兩側(cè)，第二進(jìn)排氣控制器位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸外部、與第二進(jìn)氣門及第二排氣門連接，用于控制第二進(jìn)氣門與第二排氣門的打開及關(guān)閉。 直線電機(jī)為動(dòng)磁式電機(jī)，直線電機(jī)動(dòng)子上安裝永磁體，位于直線電機(jī)定子內(nèi)部，直線電機(jī)具有直線電動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)兩個(gè)工作模式。上述電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)有兩種啟動(dòng)方案，這兩種方案在自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)過程中，均使直線電機(jī)工作在直線電動(dòng)機(jī)的工作模式，推動(dòng)活塞組 件運(yùn)動(dòng)達(dá)到自由活塞內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比，完成啟動(dòng)過程，同時(shí)，直線電機(jī)切換為直線發(fā)電機(jī)模式，對外輸出電能。第一種啟動(dòng)方案使活塞組件在直線電機(jī)推力作用下完成一個(gè)先加速后減速到零的過程，并在第一個(gè)啟動(dòng)循環(huán)內(nèi)達(dá)到自由活塞內(nèi)燃機(jī)著火所需條件。自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第二進(jìn)氣門和第二排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)前根據(jù)預(yù)期獲得的壓縮比，在控制程序中預(yù)先設(shè)置活塞組件運(yùn)動(dòng)的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式拖動(dòng)活塞組件按照預(yù)先設(shè)定向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸(或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸)一側(cè)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞組件速度為零時(shí)，該側(cè)內(nèi)燃機(jī)的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內(nèi)的混合氣著火燃燒，自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)過程完成，同時(shí)直線電機(jī)從電動(dòng)機(jī)模式切換為發(fā)電機(jī)模式，開始作為負(fù)載輸出電能。本方案適用于直線電機(jī)在電動(dòng)機(jī)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(gè)啟動(dòng)循環(huán)內(nèi)達(dá)到內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比。第二種啟動(dòng)方案使直線電機(jī)以恒定推力作用在活塞組件上，完成若干個(gè)先加速后減速為零，再反向加速后減速為零的過程，最終達(dá)到內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比。自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第二進(jìn)氣門和第二排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)；需要啟動(dòng)自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置時(shí)，直線電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式下，并以恒定力作用在活塞組件上，拖動(dòng)活塞組件向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸(或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸)一側(cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)力大于氣缸內(nèi)氣體壓力與摩擦力之和，因此活塞組件加速運(yùn)動(dòng)；隨著氣缸內(nèi)氣體壓力逐漸增大，當(dāng)電機(jī)力小于氣缸內(nèi)氣體壓力與摩擦力之和時(shí)，活塞組件開始做減速運(yùn)動(dòng)，直至速度為零；隨后電機(jī)力反向，拖動(dòng)活塞組件向相反方向運(yùn)動(dòng)，活塞組件在電機(jī)力、摩擦力與氣缸內(nèi)氣體壓力的作用下，又經(jīng)歷先加速后減速為零的過程，隨后電機(jī)力再次反向；重復(fù)上述步驟，拖動(dòng)活塞組件運(yùn)動(dòng)，并保持直線電機(jī)的推力與活塞速度一直同向，活塞組件上止點(diǎn)所達(dá)到的位移逐漸增大，當(dāng)達(dá)到自由活塞內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比時(shí)，完成啟動(dòng)過程；同時(shí)，直線電機(jī)切換為直線發(fā)電機(jī)模式，對外輸出電能。本方案適用于直線電機(jī)最大推力較小，不能夠使活塞組件在一個(gè)啟動(dòng)循環(huán)內(nèi)達(dá)到內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比的情況。
本發(fā)明提供的另一種電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，包括第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)、第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)、連桿、第一啟動(dòng)線圈、第二啟動(dòng)線圈和直線電機(jī)。其中，第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)包括第一內(nèi)燃機(jī)氣缸、第一自由活塞、第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第一噴油器和第一進(jìn)排氣控制器；第一活塞置于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部，第一噴油器位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部中央，第一進(jìn)氣門及第一排氣門位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部，并對稱位于第一噴油器兩側(cè)，第一進(jìn)排氣控制器位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸外部、與第一進(jìn)氣門及第一排氣門連接，用于控制第一進(jìn)氣門與第一排氣門的打開及關(guān)閉。第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)與第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)相同，包括第二內(nèi)燃機(jī)氣缸、第二自由活塞、第二進(jìn)氣門、第二排氣門、第二噴油器、第二進(jìn)排氣控制器；第二自由活塞置于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部，第二噴油器位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部中央，第二進(jìn)氣門及第二排氣門位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部，并對稱位于第二噴油器兩側(cè)，第二進(jìn)排氣控制器位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸外部、與第二進(jìn)氣門及第二排氣門連接，用于控制第二進(jìn)氣門與第二排氣門的打開及關(guān)閉。
直線電機(jī)為動(dòng)磁式電機(jī)，直線電機(jī)動(dòng)子上安裝永磁體，位于直線電機(jī)定子內(nèi)部，直線電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式。第一啟動(dòng)線圈和第二啟動(dòng)線圈分別置于直線電機(jī)定子線圈兩側(cè)。第一內(nèi)燃機(jī)氣缸、第二內(nèi)燃機(jī)氣缸分別位于第一啟動(dòng)線圈、第二啟動(dòng)線圈的另一側(cè)。第一自由活塞、電機(jī)動(dòng)子和第二自由活塞依次通過連桿連接，形成一個(gè)活塞組件?；诘诙N電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)方案，即本發(fā)明提供的第三種啟動(dòng)方案為在自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第二進(jìn)氣門和第二排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)前根據(jù)預(yù)期獲得的壓縮比，在控制程序中預(yù)先設(shè)置活塞組件運(yùn)動(dòng)的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時(shí)間。當(dāng)需要啟動(dòng)時(shí)，第一啟動(dòng)線圈、第二啟動(dòng)線圈與直線電機(jī)動(dòng)子構(gòu)成啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)活塞組件按照控制程序的設(shè)定向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸(或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸)一側(cè)運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)先加速后減速到零的過程，達(dá)到該側(cè)自由活塞內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)所需壓縮比，啟動(dòng)完成后，通過控制程序使啟動(dòng)線圈脫離。該側(cè)自由活塞內(nèi)燃機(jī)的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內(nèi)的混合氣著火燃燒，自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)過程完成，啟動(dòng)過程中，直線電機(jī)一直工作在發(fā)電機(jī)模式，作為負(fù)載輸出電能。有益效果I、本發(fā)明的電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，以電機(jī)力作為外力，通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，可以在I秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置的快速啟動(dòng)。2、本發(fā)明的三種啟動(dòng)方案，第一種啟動(dòng)方案簡單易控，不需要額外直線電機(jī)模式轉(zhuǎn)換電路；第二種啟動(dòng)方案所需零部件少，啟動(dòng)時(shí)間短；第三種啟動(dòng)方案，可匹配峰值推力較小的直線電機(jī)，有助于減小整個(gè)裝置的體積。


圖I是實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，I-第一進(jìn)排氣控制器、2-第一噴油器、3-第一進(jìn)氣門、4-第一排氣門、5-第一內(nèi)燃機(jī)氣缸、6-第一自由活塞、7-第一啟動(dòng)線圈、8-直線電機(jī)定子、9-直線電機(jī)動(dòng)子、10-第二啟動(dòng)線圈、11一第二自由活塞、12—第二內(nèi)燃機(jī)氣缸、13—第二排氣門、14一第二噴油器、15一第二進(jìn)排氣控制器、16一第二進(jìn)氣門、17-連桿。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明提供的第一種電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，包括第一進(jìn)排氣控制器I、第一噴油器2、第一進(jìn)氣門3、第一排氣門4、第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5、第一自由活塞6、直線電機(jī)定子8、直線電機(jī)動(dòng)子9、第二自由活塞11、第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12、第二排氣門13、第二噴油器14、第二進(jìn)排氣控制器15、第二進(jìn)氣門16、連桿17 ；第一自由活塞6置于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5內(nèi)部，第一噴油器2位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5頂部中央，第一進(jìn)氣門3及第一排氣門4位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5頂部，并對稱位于第一噴油器2兩側(cè)，第一進(jìn)排氣控制器I位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5外部、與第一進(jìn)氣門3及第一排氣門4連接，用于控制第一進(jìn)氣門3與第一排氣門4的打開及關(guān)閉；·第二自由活塞11置于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12內(nèi)部，第二噴油器14位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12頂部中央，第二進(jìn)氣門16及第二排氣門13位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12頂部,并對稱位于第二噴油器14兩側(cè)，第二進(jìn)排氣控制器15位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12外部、與第二進(jìn)氣門16及第二排氣門13連接，用于控制第二進(jìn)氣門16與第二排氣門13的打開及關(guān)閉；直線電機(jī)動(dòng)子9上安裝永磁體，位于直線電機(jī)定子8內(nèi)部，第一自由活塞、直線電機(jī)動(dòng)子和第二自由活塞依次通過連桿17連接，形成一個(gè)活塞組件。本發(fā)明提供的另一種電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)與本發(fā)明提供的第一種電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)相比，增添了第一啟動(dòng)線圈7和第二啟動(dòng)線圈10，其余組成結(jié)構(gòu)與第一種電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)相同。第一啟動(dòng)線圈7和第二啟動(dòng)線圈10分別置于直線電機(jī)定子線圈8兩側(cè)。第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5、第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12分別位于第一啟動(dòng)線圈7、第二啟動(dòng)線圈10的另一側(cè)。實(shí)施例I第一種啟動(dòng)方案自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門3、第一排氣門4、第二進(jìn)氣門16和第二排氣門13均處于關(guān)閉狀態(tài),啟動(dòng)前根據(jù)預(yù)期獲得的壓縮比，在控制程序中預(yù)先設(shè)置活塞組件運(yùn)動(dòng)的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式拖動(dòng)活塞組件按照預(yù)先設(shè)定向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5 (或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12) —側(cè)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞組件速度為零時(shí)，該側(cè)內(nèi)燃機(jī)的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內(nèi)的混合氣著火燃燒，自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)過程完成，同時(shí)直線電機(jī)從電動(dòng)機(jī)模式切換為發(fā)電機(jī)模式，開始作為負(fù)載輸出電能。實(shí)施例2第二種啟動(dòng)方案自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門3、第一排氣門4、第二進(jìn)氣門16和第二排氣門13均處于關(guān)閉狀態(tài)；需要啟動(dòng)自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置時(shí)，直線電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式下，并以恒定力作用在活塞組件上，拖動(dòng)活塞組件向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5 (或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12)—側(cè)運(yùn)動(dòng)；隨著氣缸內(nèi)氣體壓力逐漸增大，當(dāng)電機(jī)力小于氣缸內(nèi)氣體壓力與摩擦力之和時(shí)，活塞組件開始做減速運(yùn)動(dòng)，直至速度為零；隨后電機(jī)力反向，拖動(dòng)活塞組件向相反方向運(yùn)動(dòng)，活塞組件在電機(jī)力、摩擦力與氣缸內(nèi)氣體壓力的作用下，又經(jīng)歷先加速后減速為零的過程，隨后電機(jī)力再次反向；重復(fù)上述步驟，拖動(dòng)活塞組件運(yùn)動(dòng)，并保持直線電機(jī)的推力與活塞速度一直同向，活塞組件上止點(diǎn)所達(dá)到的位移逐漸增大，當(dāng)達(dá)到自由活塞內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比時(shí)，完成啟動(dòng)過程；同時(shí)，直線電機(jī)切換為直線發(fā)電機(jī)模式，對外輸出電能。實(shí)施例3在自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門3、第一排氣門4、第二進(jìn)氣門16和第二排氣門13均處于關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)前根據(jù)預(yù)期獲得的壓縮比，在控制程序中預(yù)先設(shè)置活塞組件運(yùn)動(dòng)的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時(shí)間。當(dāng)需要啟動(dòng)時(shí)，第一啟動(dòng)線圈7、第二啟動(dòng)線圈10與直線電機(jī)動(dòng)子9構(gòu)成啟動(dòng)電 動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)活塞組件按照控制程序的設(shè)定向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸5 (或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸12)—側(cè)運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)先加速后減速到零的過程，達(dá)到該側(cè)自由活塞內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)所需壓縮比，啟動(dòng)完成后，通過控制程序使第一啟動(dòng)線圈7和第二啟動(dòng)線圈10脫離。該側(cè)自由活塞內(nèi)燃機(jī)的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內(nèi)的混合氣著火燃燒，自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)過程完成，啟動(dòng)過程中，直線電機(jī)一直工作在發(fā)電機(jī)模式，作為負(fù)載輸出電能。
權(quán)利要求
1.電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于包括第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)、第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)、連桿和直線電機(jī)；第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)，直線電機(jī)，第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)順次連接，整個(gè)機(jī)構(gòu)左右對稱； 第一自由活塞、電機(jī)動(dòng)子和第二自由活塞依次通過連桿連接，形成一個(gè)活塞組件； 第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)包括第一內(nèi)燃機(jī)氣缸、第一自由活塞、第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第一噴油器、第一進(jìn)排氣控制器；第一自由活塞置于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部，第一噴油器位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部中央，第一進(jìn)氣門及第一排氣門位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部，并對稱位于第一噴油器兩側(cè)，第一進(jìn)排氣控制器位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸外部、與第一進(jìn)氣門及第一排氣門連接，用于控制第一進(jìn)氣門與第一排氣門的打開及關(guān)閉； 第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)與第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)相同，包括第二內(nèi)燃機(jī)氣缸、第二自由活塞、第二進(jìn)氣門、第二排氣門、第二噴油器、第二進(jìn)排氣控制器；第二自由活塞置于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部，第二噴油器位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部中央，第二進(jìn)氣門及第二排氣門位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部，并對稱位于第二噴油器兩側(cè)，第二進(jìn)排氣控制器位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸外部、與第二進(jìn)氣門及第二排氣門連接，用于控制第二進(jìn)氣門與第二排氣門的打開及關(guān)閉； 直線電機(jī)為動(dòng)磁式電機(jī)，直線電機(jī)動(dòng)子上安裝永磁體，位于直線電機(jī)定子內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述直線電機(jī)具有直線電動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)兩個(gè)工作模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于第一種啟動(dòng)方案為活塞組件在直線電機(jī)推力作用下先加速后減速到零，并在第一個(gè)啟動(dòng)循環(huán)內(nèi)達(dá)到自由活塞內(nèi)燃機(jī)著火所需條件，具體過程為自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第二進(jìn)氣門和第二排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)前根據(jù)預(yù)期獲得的壓縮比，在控制程序中預(yù)先設(shè)置活塞組件運(yùn)動(dòng)的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時(shí)間；啟動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式拖動(dòng)活塞組件按照預(yù)先設(shè)定方向，向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸一側(cè)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞組件速度為零時(shí)，該側(cè)內(nèi)燃機(jī)的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內(nèi)的混合氣著火燃燒，自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)過程完成，同時(shí)直線電機(jī)從電動(dòng)機(jī)模式切換為發(fā)電機(jī)模式，開始作為負(fù)載輸出電能；本方案適用于直線電機(jī)在電動(dòng)機(jī)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(gè)啟動(dòng)循環(huán)內(nèi)達(dá)到內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于第二種啟動(dòng)方案為使直線電機(jī)以恒定推力作用在活塞組件上，完成若干個(gè)先加速后減速為零，再反向加速后減速為零的過程，最終達(dá)到內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比，具體過程為自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第二進(jìn)氣門和第二排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)；需要啟動(dòng)自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置時(shí)，直線電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式下，并以恒定力作用在活塞組件上，拖動(dòng)活塞組件向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸一側(cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)力大于氣缸內(nèi)氣體壓力與摩擦力之和，因此活塞組件加速運(yùn)動(dòng)；隨著氣缸內(nèi)氣體壓力逐漸增大，當(dāng)電機(jī)力小于氣缸內(nèi)氣體壓力與摩擦力之和時(shí)，活塞組件開始做減速運(yùn)動(dòng)，直至速度為零；隨后電機(jī)力反向，拖動(dòng)活塞組件向相反方向運(yùn)動(dòng)，活塞組件在電機(jī)力、摩擦力與氣缸內(nèi)氣體壓力的作用下，又經(jīng)歷先加速后減速為零的過程，隨后電機(jī)力再次反向；重復(fù)上述過程，拖動(dòng)活塞組件運(yùn)動(dòng)，并保持直線電機(jī)的推力與活塞速度一直同向，活塞組件上止點(diǎn)所達(dá)到的位移逐漸增大，當(dāng)達(dá)到自由活塞內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比時(shí)，完成啟動(dòng)過程；同時(shí)，直線電機(jī)切換為直線發(fā)電機(jī)模式，對外輸出電能；本方案適用于直線電機(jī)最大推力較小，不能夠使活塞組件在一個(gè)啟動(dòng)循環(huán)內(nèi)達(dá)到內(nèi)燃機(jī)著火所需壓縮比的情況。
5.電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于包括第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)、第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)、連桿、第一啟動(dòng)線圈、第二啟動(dòng)線圈和直線電機(jī)； 其中，第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)包括第一內(nèi)燃機(jī)氣缸、第一自由活塞、第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第一噴油器和第一進(jìn)排氣控制器；第一活塞置于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部，第一噴油器位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部中央，第一進(jìn)氣門及第一排氣門位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部，并對稱位于第一噴油器兩側(cè)，第一進(jìn)排氣控制器位于第一內(nèi)燃機(jī)氣缸外部、與第一進(jìn)氣門及第一排氣門連接，用于控制第一進(jìn)氣門與第一排氣門的打開及關(guān)閉； 第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)與第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)相同，包括第二內(nèi)燃機(jī)氣缸、第二自由活塞、第二進(jìn)氣門、第二排氣門、第二噴油器、第二進(jìn)排氣控制器；第二自由活塞置于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)部，第二噴油器位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部中央，第二進(jìn)氣門及第二排氣門位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸頂部，并對稱位于第二噴油器兩側(cè)，第二進(jìn)排氣控制器位于第二內(nèi)燃機(jī)氣缸外部、與第二進(jìn)氣門及第二排氣門連接，用于控制第二進(jìn)氣門與第二排氣門的打開及關(guān)閉； 直線電機(jī)為動(dòng)磁式電機(jī)，直線電機(jī)動(dòng)子上安裝永磁體，位于直線電機(jī)定子內(nèi)部； 第一啟動(dòng)線圈和第二啟動(dòng)線圈分別置于直線電機(jī)定子線圈兩側(cè)；第一內(nèi)燃機(jī)氣缸、第二內(nèi)燃機(jī)氣缸分別位于第一啟動(dòng)線圈、第二啟動(dòng)線圈的另一側(cè)；第一自由活塞、電機(jī)動(dòng)子和第二自由活塞依次通過連桿連接，形成一個(gè)活塞組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于啟動(dòng)方案具體過程為在自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置不工作時(shí)，活塞組件位于直線電機(jī)中點(diǎn)，第一進(jìn)氣門、第一排氣門、第二進(jìn)氣門和第二排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)前根據(jù)預(yù)期獲得的壓縮t匕，在控制程序中預(yù)先設(shè)置活塞組件運(yùn)動(dòng)的距離、加速度、減速度、加速及減速過程所需要的時(shí)間；當(dāng)需要啟動(dòng)時(shí)，第一啟動(dòng)線圈、第二啟動(dòng)線圈與直線電機(jī)動(dòng)子構(gòu)成啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)活塞組件按照控制程序的設(shè)定向第一內(nèi)燃機(jī)氣缸或第二內(nèi)燃機(jī)氣缸一側(cè)運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)先加速后減速到零的過程，達(dá)到該側(cè)自由活塞內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)所需壓縮比，啟動(dòng)完成后，通過控制程序使啟動(dòng)線圈脫離；該側(cè)自由活塞內(nèi)燃機(jī)的噴油器將燃料噴入氣缸，氣缸內(nèi)的混合氣著火燃燒，自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)過程完成，啟動(dòng)過程中，直線電機(jī)一直工作在發(fā)電機(jī)模式，作為負(fù)載輸出電能。
全文摘要
本發(fā)明屬于動(dòng)力機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及電機(jī)式自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置啟動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明提供兩種，其中第一種包括第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)、第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)、連桿和直線電機(jī)。第一自由活塞內(nèi)燃機(jī)，直線電機(jī)，第二自由活塞內(nèi)燃機(jī)順次連接，整個(gè)機(jī)構(gòu)左右對稱。第二種增添了第一啟動(dòng)線圈和第二啟動(dòng)線圈。根據(jù)兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出三種啟動(dòng)方案，第一種啟動(dòng)方案簡單易控，不需要額外直線電機(jī)模式轉(zhuǎn)換電路；第二種啟動(dòng)方案所需零部件少，啟動(dòng)時(shí)間短；第三種啟動(dòng)方案，可匹配峰值推力較小的直線電機(jī)，有助于減小整個(gè)裝置的體積。通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本發(fā)明可以在1秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由活塞內(nèi)燃發(fā)電裝置的快速啟動(dòng)。
文檔編號(hào)F02B71/02GK102877940SQ20121038887
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)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(xué)