本发明涉及一种活塞行程可控的内燃式自由活塞直线发电机集成测控系统，属于能源动力机械领域。
背景技术：
能源和环境问题是制约社会可持续发展的关键，随着空气污染物的加剧和化石能源的日益枯竭，提高能量的利用效率成为能源动力领域不可回避的重要话题。为了实现创建能源节约型和环境友好型社会的目标，我国将绿色、节能、环保和高效作为时代主题，并一直在改进和发明各种进行能量转换的动力机械装置，内燃式自由活塞直线发电机就是其中的一种。内燃式自由活塞直线发电机是自由活塞式内燃机和直线发电机耦合后形成的一种新型能量转换装置，它将自由活塞与直线电机动子直接固连，形成唯一的运动部件。当系统运行时，缸内气体燃烧释放能量，推动活塞并带动直线电机动子往复运动，继而产生电能，最终通过较短的传递路径将燃料化学能直接转换为电能。
现有的内燃发电机一般结构为往复式内燃机，通过曲柄连杆机构与旋转电机相连，包括二冲程和四冲程两类热力循环方式，其缺点是结构复杂、体积较大、热效率低，尾气排放污染物较多。特别是由于活塞的直线运动无法直接实现旋转动力输出，所以要靠曲柄连杆机构来转换，传统的曲轴主要由曲柄、曲拐和曲柄销组成，工作过程中活塞组因往复运动而引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全的平衡，由此引发的振动与噪声问题日益突出，严重影响了内燃发电机的发展。相比于传统内燃发电机，自由活塞内燃直线发电机取消了曲柄连杆机构结构，其活塞可以在气缸内自由运动而不受曲柄连杆机构的限制，所以它没有固定的上下止点，压缩比可变，从而可适用于多种燃料的燃烧要求，能够实现nox和微粒物的低排放，且具有摩擦损失小，能量转换效率高，结构紧凑等优点。但是，目前还没有相对成熟的方法能够实现对自由活塞直线发电机上下止点的精确控制，然而上下止点位置直接决定着发动机的压缩比，压缩比又是发动机的一项非常关键的参数，它严重影响着发动机性能参数，因此对上下止点位置的控制直接影响着整个自由活塞直线发电机的工作性能。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种活塞行程可变的内燃式自由活塞直线发电机集成测控系统。该装置将单活塞、双作用的自由活塞气缸与一台永磁式直线发电机耦合，通过气缸左侧燃料燃烧释放的能量和气缸右侧输入的高压气体推动活塞往复运动，带动直线发电机的动子做往复切割磁感线的运动，从而将可燃混合气携带的能量转化为电能输出。并且，通过测控系统可以自由改变气缸a侧进气时间t和两端特定位移点a1、b1、预设压缩比位移点x，从而改变该装置的进气量、活塞行程、压缩比，以适应不同工况。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
该系统主要包括：进气系统、尾气处理系统、回复系统、采集控制系统、电能存储系统五部分，具体包括电脑(1)、信息整合模块(2)、电子控制单元(3)、高压可燃混合气储气罐(4)、稳压阀(5)、分流器(6)、压气机(7)、回气罐(8)、单向阀(9)、第一电磁阀(10)、第二电磁阀(11)、第三电磁阀(12)、三通阀(13)、第一流量计(14)、第二流量计(15)、火花塞(16)、自由活塞气缸(17)、排气门(18)、进气门(19)、活塞(20)、回复气门(21)、第一活塞环(22)、第二活塞环(23)、永磁式直线发电机(24)、永磁式直线发电机定子(25)、永磁式直线发电机动子(26)、活塞动子连杆(27)、光栅位移传感器(28)、整流器(29)、电压表(30)、电流表(31)、开关(32)、电能存储装置(33)、第一温度传感器(34)、第一压力传感器(35)、第二温度传感器(36)、第二压力传感器(37)、第三压力传感器(38)、第三温度传感器(39)、氧传感器(40)、催化转化器(41)、消音器(42)；
按照可燃混合气的整体走向，高压可燃混合气储气罐(4)依次通过管路与稳压阀(5)、分流器(6)连接，分流器(6)分别与第二电磁阀(11)、第三电磁阀(12)连接，第三电磁阀(12)通过第一流量计(14)并经由第二温度传感器(36)、第二压力传感器(37)与进气门(19)相连接，进气门(19)安装在自由活塞气缸(17)的a端；三通阀(13)一端与第一电磁阀(10)连接，一端与第二电磁阀(11)连接，一端通过第二流量计(15)并经由第一温度传感器(34)、第一压力传感器(35)与回复气门(21)连接，回复气门(21)安装在自由活塞气缸(17)的b端，第一电磁阀(10)依次与单向阀(9)、回气罐(8)、压气机(7)、高压可燃混合气储气罐(4)相连接，安装在自由活塞气缸(17)a端的排气门(18)经过第三压力传感器(38)、第三温度传感器(39)、氧传感器(40)与催化转化器(41)连接，催化转化器(41)直接与消音器(42)相连接，上述所述连接均为管路连接，形成进排气管路；
自由活塞气缸(17)a端的轴端安装有火花塞(16)，用于点燃可燃混合气；自由活塞气缸(17)内设有活塞(20)，活塞(20)外侧周向设有凸出且平行的第一活塞环(22)和第二活塞环(23)，自由活塞气缸(17)与永磁式直线发电机(24)采取水平布置方式，永磁式直线发电机(24)包括永磁式直线发电机定子(25)和永磁式直线发电机动子(26)，永磁式直线发电机定子(25)在永磁式直线发电机动子(26)的外面；在自由活塞气缸(17)的b端，活塞(20)通过活塞动子连杆组(27)与永磁式直线发电机动子(26)固定连接在一起，在永磁式直线发电机定子(25)外侧设有光栅位移传感器(28)，用于监测活塞(20)的位置信息；
永磁式直线发电机定子(25)依次与整流器(29)、电压表(30)、电流表(31)、开关(32)、电能存储装置(33)连接，将永磁式直线发电机定子(25)中产生的电储存到电能存储装置(33)，上述所述连接均为电路连接，形成电能存储系统；
电脑(1)、第一流量计(14)、第二流量计(15)、光栅位移传感器(28)、电压表(30)、电流表(31)、第一温度传感器(34)、第一压力传感器(35)、第二温度传感器(36)、第二压力传感器(37)、第三压力传感器(38)、第三温度传感器(39)、氧传感器(40)分别与信息整合模块(2)连接，上述连接组成为采集线路；
第一电磁阀(10)、第二电磁阀(11)、第三电磁阀(12)、火花塞(16)、排气门(18)、进气门(19)分别与电子控制单元(3)连接，上述连接形成控制线路；
同时信息整合模块(2)分别与电子控制单元(3)和电脑(1)相连接，能够使采集的数据信息经整合后反馈给电子控制单元(3)，进一步使得电子控制单元(3)能够精确控制控制线路上的部件，能够使得采集的数据信息经整合后反馈给电脑(1)，使得电脑(1)能够存储并实时显示采集的数据图形。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明与现有内燃式发电机相比，摒弃了曲柄连杆机构，结构紧凑，占用体积小，且活塞运动过程中无侧向力产生，摩擦阻力小，能量损失减少，能量转换效率高。
2、本发明在不同工作条件下，气缸a侧进气时间t、特定位移点a1、b1、预设压缩比位移点x可通过电子控制单元(3)自由设置，从而达到改变进气量、活塞行程和压缩比，可适用于多种燃料的燃烧要求，有利于在不同工况下高效输出电能。
3、本发明采用单活塞、单气缸、双作用，气缸a端燃烧可燃混合气体做功，气缸b端用同样气体作为回复动力来源，与现有的双气缸内燃式直线发电机相比，具有结构简单，易于控制，运行稳定性好等优点，并且该装置启动过程方便快捷，不需要附加额外的启动装置，可确保每循环均能点燃混合气，基本不会发生失火现象。
附图说明
图1是内燃式自由活塞直线发电机集成测控系统原理示意图
图2是内燃式自由活塞直线发电机结构示意图
图中：1、电脑；2、信息整合模块；3、电子控制单元；4、高压可燃混合气储气罐；5、稳压阀；6、分流器；7、压气机；8、回气罐；9、单向阀；10、第一电磁阀；11、第二电磁阀；12、第三电磁阀；13、三通阀；14、第一流量计；15、第二流量计；16、火花塞；17、自由活塞气缸；18、排气门；19、进气门；20、活塞；21、回复气门；22、第一活塞环；23、第二活塞环；24、永磁式直线发电机；25、永磁式直线发电机定子；26、永磁式直线发电机动子；27、活塞动子连杆；28、光栅位移传感器；29、整流器；30、电压表；31、电流表；32、开关；33、电能存储装置；34、第一温度传感器；35、第一压力传感器；36、第二温度传感器；37、第二压力传感器；38、第三压力传感器；39、第三温度传感器；40、氧传感器；41、催化转化器；42、消音器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种活塞行程可控的内燃式自由活塞直线发电机集成测控系统，该系统主要包括进气系统、尾气处理系统、回复系统、采集控制系统、电能存储系统五部分。上述进气系统包括：高压可燃混合气储气罐(4)、稳压阀(5)、分流器(6)、第三电磁阀(12)、第一流量计(14)、进气门(19)；上述尾气处理系统包括：排气门(18)、催化转化器(41)、消音器(42)；上述回复系统包括：高压可燃混合气储气罐(4)、稳压阀(5)、分流器(6)、压气机(7)、回气罐(8)、单向阀(9)、第一电磁阀(10)、第二电磁阀(11)、三通阀(13)、第二流量计(15)、回复气门(21)；上述采集控制系统包括：电脑(1)、信息整合模块(2)、电子控制单元(3)、电磁阀(10、11、12)、流量计(14、15)、火花塞(16)、排气门(18)、进气门(19)、光栅位移传感器(28)、电压表(30)、电流表(31)、温度传感器(34、36、39)、压力传感器(35、37、38)、氧传感器(40)；上述电能存储系统包括：永磁式直线发电机定子(25)、整流器(29)、电压表(30)、电流表(31)、开关(32)、电能存储装置(33)。
上述一种活塞行程可控的内燃式自由活塞直线发电机集成测控系统各部件的连接关系是：进气系统各部件连接关系：高压可燃混合气储气罐(4)、稳压阀(5)、分流器(6)、第三电磁阀(12)、第一流量计(14)、进气门(19)各部件通过管路首尾相连。尾气处理系统各部件连接关系：排气门(18)、催化转化器(41)、消音器(42)各部件通过管路依次相连接。回复系统各部件连接关系：高压可燃混合气储气罐(4)、稳压阀(5)、分流器(6)通过管路依次连接，分流器(6)一端与稳压阀(5)连接，另一端分别与第二电磁阀(11)和第三电磁阀(12)相连接；第二流量计(15)安装在回复气门(21)与三通阀(13)之间的管路上；三通阀(13)一端与第二流量计(15)相连接，另一端通过管路分别与第一电磁阀(10)、第二电磁阀(11)相连接；第一电磁阀(10)、单向阀(9)、回气罐(8)、压气机(7)、可燃混合气储气罐(4)通过管路依次相连接。采集控制系统各部件连接关系：第一温度传感器(34)、第一压力传感器(35)一端安装在回复气门(21)与第二流量计(15)之间的管路上，另一端分别与信息整合模块(2)相连接；第二温度传感器(36)、第二压力传感器(37)一端安装在进气门(19)与第一流量计(14)之间的管路上，另一端分别与信息整合模块(2)相连接；第三压力传感器(38)、第三温度传感器(39)、氧传感器(40)一端安装在排气门(18)与催化转化器(41)之间的管路上，另一端分别与信息整合模块(2)相连接；光栅位移传感器(28)一端安装在永磁式直线发电机定子(25)上，另一端与信息整合模块(2)相连接；电压表(30)、电流表(31)依次安装在整流器(29)与电能存储装置(33)之间的电路上；信息整合模块(2)分别与流量计(14、15)、光栅位移传感器(28)、电压表(30)、电流表(31)、温度传感器(34、36、39)、压力传感器(35、37、38)、氧传感器(40)连接，形成采集线路，信息整合模块(2)另一端分别与电子控制单元(3)和电脑(1)相连接，采集的数据信息经整合后反馈给电子控制单元(3)，使电子控制单元(3)能够精确控制上述这些部件，采集的信息经整合后反馈给电脑(1)，使电脑(1)能够存储并实时显示采集的数据图形。电能存储系统各部件连接关系：永磁式直线发电机定子(25)、整流器(29)、电压表(30)、电流表(31)、开关(32)、电能存储装置(33)通过电路依次相连接。
以下结合附图详细说明该系统的工作方法：
一种活塞行程可控的内燃式自由活塞直线发电机集成测控系统，该系统将自由活塞气缸(17)与一台永磁式直线发电机(24)耦合，通过输入的高压可燃混合气推动活塞(20)往复运动，带动直线发电机的动子(26)做往复切割磁感线的运动，从而将可燃混合气所携带的能量转化为电能输出，该系统中内燃式自由活塞直线发电机为四冲程工作模式，包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。进气冲程：当需要工作时，按下启动按钮进行启动，控制系统发出指令，控制第三电磁阀(12)、进气门(19)、第一电磁阀(10)打开，排气门(18)、第二电磁阀(11)关闭，储气罐(4)内的高压可燃混合气通过第三电磁阀(12)所在进气管路，从自由活塞气缸(17)的进气门(19)进入气缸a侧，在气体压力的作用下，活塞(20)向右运动，活塞(20)右侧气体通过第一电磁阀(10)所在排气管路排出气缸，通入一定时间t秒后，第三电磁阀(12)和进气门(19)闭合，排气门(18)、电磁阀(10、11)状态不变，气体在缸内自由膨胀，继续推动活塞(20)运动；压缩冲程：当活塞(20)运动到气缸b侧预先设置的特定位移点b1时，控制系统发出指令，控制第一电磁阀(10)关闭，第二电磁阀(11)打开，排气门(18)、进气门(19)、第三电磁阀(12)仍处于关闭状态，高压混合气体通过第二电磁阀(11)所在进气管路从自由活塞气缸(17)b端充入气缸内活塞(20)的右侧，推动活塞(20)从b端向a端运动，活塞(20)向左运动过程中压缩活塞(20)左侧的可燃混合气；做功冲程：当活塞(20)运动到气缸左侧预设压缩比位移点x时，控制系统发出指令，控制火花塞(16)点火，第二电磁阀(11)关闭，第一电磁阀(10)打开，排气门(18)、进气门(19)、第三电磁阀(12)仍处于关闭状态，可燃混合气在气缸(17)内燃烧释放能量推动活塞向右运动，气缸右侧做功后的气体通过第一电磁阀(10)所在排气管路排出自由活塞气缸(17)；排气冲程：同理，当活塞(20)运动到气缸右侧预先设置的特定位移点b1时，控制系统发出指令，控制第一电磁阀(10)关闭，第二电磁阀(11)打开，排气门(18)打开，进气门(19)和第三电磁阀(12)仍处于关闭状态，高压气体通过第二电磁阀(11)所在进气管路从自由活塞气缸(17)b端充入气缸右侧推动活塞向左运动，活塞(20)左侧燃烧废气从排气门(18)排出，经催化转化器(41)处理后，再经过消音器排到大气中，当活塞(20)运动到气缸a侧预先设置的特定位移点a1时，控制系统发出指令，第二电磁阀(11)、排气门(18)关闭，第一电磁阀(10)、进气门(19)、第三电磁阀(12)打开，高压可燃混合气通过进气门(19)快速进入缸内，开始下一工作循环。通过第一电磁阀(10)所在排气管路排出的气体经过单向阀(9)进入回气罐(8)暂时存储，然后再通过压气机(7)将回气罐(8)的气体重新压缩到所需压力储存到可燃混合气储气罐(4)中，再次用于燃烧、回复，达到循环利用。活塞(20)上设有第一活塞环(22)、第二活塞环(23)，起到密封隔热的作用。活塞(20)往复运动过程中，通过活塞动子连杆组(27)带动永磁式直线发电机动子(26)运动，动子连续运动时，通过线圈的磁通方向翻转变化产生电能，输出的交流电通过整流器(29)转化为直流电储存到电能存储装置(33)中。
本装置中气缸(17)的a侧进气时间t可通过电子控制单元(3)调整进气门(19)、第三电磁阀(12)打开的持续时间来自由控制，从而控制可燃混合气的进气量多少，使进入缸内气体充分燃烧，实现nox和微粒物的低排放，同时，自由活塞气缸(28)两端特定位移点a1、b1、预设压缩比位移点x也可通过电子控制单元(3)自由设置，从而调整自由活塞气缸(17)中活塞(20)的行程和压缩比，以适应不同工况。