CN100577464C - 内燃-直线发电集成动力*** - Google Patents

内燃-直线发电集成动力*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃-直线发电集成动力***。该动力***包括四行程内燃机燃烧室，所述的四行程内燃机燃烧室包括缸体、设置在缸体内的活塞、在缸体上设置的点火装置和配气机构，具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机包括直线电机动子和直线电机定子，该直线电机动子上设置活塞运动位置检测元件，该直线电机动子与四行程内燃机燃烧室的活塞连接；所述的直线电机定子通过电力控制单元与可逆电能存储装置连接；所述的电控单元分别与点火装置、配气机构、电力控制单元、可逆电能存储装置和活塞运动位置检测元件连接。本发明具有高比功率；能够实现内燃机的低压缩比与高膨胀比运行，可保证高负荷率的分缸、分组独立运行工作模式以提高***效率。

Description

内燃-直线发电集成动力***
一技术领域
本发明属于输入燃料后，经能量转换与传递后输出电能的集成动力***，可应用于汽车动力以及其他其它需要移动电源、便携式电源的各种场合，特别是一种内燃-直线发电集成动力***。
二背景技术
自由活塞式发动机已具有较长的研究历史，上世纪50年代就有将其作为燃气发生器与单级涡轮机结合运行的研究。一种较为典型的双缸对置式二行程直线发电机的技术方案见图1(Ehab F.Shoukry.Numerical Simulation for Parametric Study of aTwo-Stroke Compression Ignition Direct Injection Linear engine.Doctoral Dissertation，West Virginia University，2003)。
目前研究的这类自由活塞式直线发电机主要应用二行程内燃机工作原理，而由于二行程内燃机节能环保性能显著低于四行程内燃机，同时还存在由于不着火、循环波动等不正常燃烧而出现活塞冲撞使***工作可靠性难以提高的难题。同时通常采用对置双缸形式来保证每个行程有一个燃烧室处于做功行程，两个燃烧室互相提供非做功行程的活塞驱动力，或采用弹簧等机械储能的形式来提供非做功行程的活塞驱动力，未能给予自由活塞完全的自由度，内燃机压缩比与膨胀比相等，因而也很难通过调节活塞运动规律来提高内燃机的热力循环效率。
国外在80年代即有直线发动机或自由活塞发动机等相关专利，例如“Linear engine/hydraulic pump(United States Patent：4308720)(1982年)”，这类专利一般均应用二行程内燃机或斯特林发动机原理，输出可为液压能或电能的形式，其中大多为液压能形式。结构上多采用对置式，不能分缸独立运行。如专利“Free piston engine(United StatesPatent：6199519)(2001年)”，“Opposed piston opposed cylinder free piston engine(UnitedStates Patent：6953010)(2005年)”等，还有在自由活塞发动机燃烧方式(如HCCI)、燃料(如氢气)等方面的一些专利。
国内的实用新型专利“直线内燃式发电装置(200420097646.8)”和发明专利“内燃式机械与电力双元能量输出方法及其装置(200410036181.x)”中，装置仍保留了发动机的曲柄连杆机构，仅在活塞与曲柄连杆机构间增加了直线发电部分(专利中称为“发动机内部分流”)，活塞运动与常规发动机相同，不能自由控制。还有如实用新型专利“内燃式流体活塞泵(01236443.6)”，采用二行程内燃机原理，直接与直线运动的液压泵连接以及发明专利“液压自由活塞发动机增压启动装置(03115990.7)”，用充入高压液体的方法解决自由活塞发动机的启动问题。
三发明内容
本发明的目的在于提供一种能够直接输出电能，并实现内燃机的低压缩比与高膨胀比运行，保证高负荷率的分缸、分组独立运行工作模式的内燃-直线发电集成动力***。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种内燃-直线发电集成动力***，包括四行程内燃机燃烧室、电力控制单元、可逆电能存储装置及电控单元，所述的四行程内燃机燃烧室包括缸体、设置在缸体内的活塞、在缸体上设置的点火装置和配气机构，所述的电控单元分别与点火装置、配气机构、电力控制单元和可逆电能存储装置连接，具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机包括直线电机动子和直线电机定子，该直线电机动子上设置活塞运动位置检测元件，该直线电机动子与四行程内燃机燃烧室的活塞连接；所述的直线电机定子通过电力控制单元与可逆电能存储装置连接；所述的电控单元与活塞运动位置检测元件连接；四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机可以为一组或一组以上，每一组四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机可以都设置相应的电力控制单元、可逆电能存储装置和电控单元，或者每几组四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机可以设置一个电力控制单元、可逆电能存储装置和电控单元。
本发明内燃-直线发电集成动力***可以只有一个电力控制单元、可逆电能存储装置和电控单元分别与所有组的四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过减少能量传递与转换的环节，优化内燃机的热力循环与运转工况，提高机电能量转换的效率，从燃料输入到电能输出的***能量转换与传递效率较常规***(例如常规内燃机与发电机的组合)将有明显提高；(2)由于没有了曲柄连杆机构和飞轮，本***具有高比功率；(3)由于自由活塞的结构，所以可以使用多种不同燃烧以及优化燃烧方式，故而成为节能、环保性能优良同时具有较高性能价格比的车辆动力装置，并在其他需要移动电源、便携式电源的各种场合得到广泛应用；(4)***应用四行程内燃机原理，主要通过切换直线电机的发电和电动工作状态、调节直线电机线圈电流的方向和大小从而改变直线电机的电磁力的方向和大小来控制活塞运动，以获得更好的节能环保性能，同时提高***工作可靠性，解决应用二行程内燃机原理的直线发动机由于不着火、循环波动等不正常燃烧而出现活塞冲撞的难题；(5)实现内燃机的低压缩比与高膨胀比运行以及可保证高负荷率的分缸、分组独立运行工作模式以提高***效率；同时，分缸、分组独立运行的工作模式还减小***应用中对电能存储元件容量的要求。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
四附图说明
图1是现有技术中的双缸对置式二行程直线发电机的结构示意图。
图2是本发明内燃-直线发电集成动力***的结构示意图。
1.点火装置；2.配气机构；3.缸体；4.活塞；5.活塞运动位置检测元件；6.直线电机动子；7.直线电机定子；8.电力控制单元；9.可逆电能存储装置；10.电控单元。
五具体实施方式
结合图2，本发明的内燃-直线发电集成动力***，包括四行程内燃机燃烧室、电力控制单元8、可逆电能存储装置9及电控单元10，所述的四行程内燃机燃烧室包括缸体3、设置在缸体3内的活塞4、在缸体3上设置的点火装置1和配气机构2，所述的电控单元10分别与点火装置1、配气机构2、电力控制单元8和可逆电能存储装置9连接，具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机包括直线电机动子6(如可以为永磁动铁式无刷直线电机)和直线电机定子7，该直线电机动子6上设置活塞运动位置检测元件5，该直线电机动子6与四行程内燃机燃烧室的活塞4连接；通过切换直线电机的发电和电动工作状态、调节直线电机线圈电流的方向和大小从而改变直线电机的电磁力的方向和大小来控制活塞4运动，可实现内燃机的低压缩比与高膨胀比运行。所述的直线电机定子7通过电力控制单元8与可逆电能存储装置9连接；所述的电控单元10与活塞运动位置检测元件5连接。本发明的四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机可以只有一组，或者根据需要可以有多组。因此与此对应连接的电力控制单元8、可逆电能存储装置9和电控单元10可以每一组都设置一个，或者所有组的四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机只连接一个电力控制单元8、可逆电能存储装置9和电控单元10，或者所有组中每几组四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机连接一个电力控制单元8、可逆电能存储装置9和电控单元10从而实现内燃机的低压缩比与高膨胀比运行以及分缸、分组独立运行工作模式。
本发明内燃-直线发电集成动力***的燃料的化学能通过燃烧膨胀做功，由活塞4直接连接直线电机输出电能至负载或电能存储子***，也可在需要时输入电能驱动活塞运动，并通过调节电磁力控制活塞的运动规律，电能存储元件的应用以及分缸、分组运行的工作模式将保证***在具有最优经济性的稳定工况下工作并能在实际应用中实现能量的柔性传输。在可逆电能存储子***中，采用蓄电池与超级电容组合的方式以发挥各自的优势，充分利用超级电容高功率密度和高效的特点，为实现通过调节电磁力来控制活塞运动提供前提条件。
四行程内燃机燃烧室可参考常规四行程汽油机设计；直线电机可采用永磁直流电机原理设计，要求可工作于电动工作模式带动活塞运动，也可工作于发电工作模式由活塞推动发电。电力控制单元8主要是根据电控单元10的指令控制电能在直线电机和可逆电能存储装置9之间的流动以及电能的输出。可逆电能存储装置9可采用蓄电池和超级电容作为电能存储元件。电控单元设计具有以下功能：通过活塞运动位置检测元件5检测活塞的运动位置和速度，通过电力控制单元8控制直线电机的工作模式以及直线电机的运动速度；控制点火装置1和配气机构2；控制整个***循环执行四冲程工作原理。
本发明内燃-直线发电集成动力***使用四冲程工作原理，即***循环工作于进气行程、压缩行程、做功行程、排气行程。
在进气行程开始，电控单元10，如ECU通过电力控制单元8主动控制直线电机工作于电动工作模式，通过调节施加于直线电机的电压的大小改变直线电机的电磁力，带动活塞4向远离缸顶的方向运动，使缸体中吸入燃料混合气。在进气行程末了，电控单元10通过电力控制单元8主动控制直线电机工作于发电工作模式，对活塞4和直线电机动子进行制动，并将他们的动能转化为电能还给可逆电能存储装置9。
在压缩行程中，电控单元10通过电力控制单元8改变施加于直线电机的电压方向，同时通过调节施加于直线电机的电压的大小改变直线电机的电磁力的大小，带动活塞4向着缸顶的方向运动，快速压缩燃料混合气，直到活塞4的速度趋近于零。在压缩行程末，电控单元10控制点火装置1点火，燃料混合气燃烧。
在做功行程中，燃料燃烧将化学能转化为热能，气体膨胀做功推动活塞4运动，电控单元10通过电力控制单元8主动控制直线电机工作于发电工作模式，活塞4直接推动永磁动铁式无刷直线电机的永磁动子运动，形成运动的磁场，定子绕组磁通量发生变化产生电能，直接输出至负载或可逆电能存储装置9。
在排气行程中，电控单元10通过电力控制单元8主动控制直线电机工作于电动工作模式，通过调节施加于直线电机的电压的大小改变直线电机的电磁力，带动活塞4向着缸顶的方向运动，排出燃烧废气。在排气行程末了，电控单元10通过电力控制单元8主动控制直线电机工作于发电工作模式，对活塞4和直线电机动子进行制动，并将他们的动能转化为电能还给可逆电能存储装置9。
在整个过程中，保持低压缩比与高膨胀比运行。电控单元10通过活塞运动位置检测元件5检测活塞的位置，并计算活塞的运动速度，结合实时采集到的直线电机的电压和电流信号，根据以上的四冲程的工作方式，控制直线电机的发电/电动工作状态、以及通过改变直线电机的电压和电流的方向和大小控制直线电机的运动方向和运动速度。同时，电控单元10根据四行程内燃机燃烧室的工作过程，控制配气机构2和点火装置1。可逆电能存储装置9在整个工作过程中用于能量的存储和缓冲。
总的来说，***应用四行程内燃机原理，主要通过调节直线电机的电磁力来控制活塞4运动，以获得更好的节能环保性能，同时提高***工作可靠性，解决应用二行程内燃机原理的直线发动机由于不着火、循环波动等不正常燃烧而出现活塞冲撞的难题；实现内燃机的低压缩比与高膨胀比运行以及可保证高负荷率的分缸、分组独立运行工作模式以提高***效率；同时，分缸、分组独立运行的工作模式还可减小***应用中对电能存储元件容量的要求。

Claims (1)

1、一种内燃-直线发电集成动力***，包括四行程内燃机燃烧室、电力控制单元[8]、可逆电能存储装置[9]及电控单元[10]，所述的四行程内燃机燃烧室包括缸体[3]、设置在缸体[3]内的活塞[4]、在缸体[3]上设置的点火装置[1]和配气机构[2]，所述的电控单元[10]分别与点火装置[1]、配气机构[2]、电力控制单元[8]和可逆电能存储装置[9]连接，具有发电工作模式和电动工作模式的直线电机包括直线电机动子[6]和直线电机定子[7]，该直线电机动子[6]上设置活塞运动位置检测元件[5]，该直线电机动子[6]与四行程内燃机燃烧室的活塞[4]连接；所述的直线电机定子[7]通过电力控制单元[8]与可逆电能存储装置[9]连接；所述的电控单元[10]与活塞运动位置检测元件[5]连接；四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机为一组或一组以上，其特征在于：每一组四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机都设置相应的电力控制单元[8]、可逆电能存储装置[9]和电控单元[10]，或者每几组四行程内燃机燃烧室及与其连接的直线电机设置一个电力控制单元[8]、可逆电能存储装置[9]和电控单元[10]。
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