一种机-电-液-冷却耦合的自由活塞发动机集成系统及运行方法

1.本发明涉及能源动力机械技术领域，具体涉及一种机-电-液-冷却耦合的自由活塞发动机集成系统及运行方法。


背景技术：

2.随着能源危机与环境污染问题越来越突出，人们对内燃机的动力性和经济性也提出了越来越高的要求。研究人员在优化传统内燃机性能的同时，也在积极寻找新型能量转换动力装置，自由活塞发动机便在这样的背景下逐渐发展起来。
3.自由活塞内燃发电机是将自由活塞发动机和直线电机相耦合形成，通过往复运动的活塞动子组件将燃料燃烧所释放的能量转化为电能输出；液压自由活塞发动机则是将自由活塞发动机和液压泵相耦合形成，通过往复运动的活塞动子组件将燃料燃烧所释放的能量转化为液压能输出。由于其可直接输出电能或液压能，因此可用于混合动力汽车或船舶以及其它装置的辅助动力源，是未来新能源动力系统的重要研究方向。
4.自由活塞内燃发电机和液压自由活塞发动机取消了曲柄连杆机构，具有能量传递链短、功率密度高、压缩比灵活可变、燃料适用性强以及多模块并行运行等特点。但目前关于自由活塞内燃发电机和液压自由活塞发动机的研究仍处于技术探索阶段，且在现有文献中，未见有在结构上将两者相耦合，同时输出电能和液压能的装置。
5.此外，自由活塞内燃发电机稳定运行过程中，直线电机和发动机的温度会逐渐升高，导致集成系统的能量转换效率降低，甚至会导致直线电机的永磁体发生退磁失效，因此需要设计合理的冷却结构对其进行冷却，保证集成系统的稳定运行。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种机-电-液-冷却耦合的自由活塞发动机集成系统及运行方法，其可实现机械能-电能-液压能的相互转换，并在输出液压能的同时可对直线电机和自由活塞发动机进行梯级冷却，从而提高整个系统的能量转换效率。
7.本发明公开了一种机-电-液-冷却耦合的自由活塞发动机集成系统，包括：左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机、直线电机和液压储能冷却系统，所述液压储能冷却系统包括第一液压腔、第二液压腔、换热器、低压蓄能器、中冷器和蓄能调压器；
8.所述直线电机设置在所述左侧自由活塞发动机与右侧自由活塞发动机之间，直线电机动子的两端均连接有液压活塞，所述液压活塞与对应侧的直线电机定子之间形成所述第一液压腔和第二液压腔，所述液压活塞通过连杆与对应侧自由活塞发动机的活塞相连；所述直线电机定子的外表面设有与所述第一液压腔相连通的第一冷却管道和第三冷却管道，以及与所述第二液压腔相连通的第二冷却管道和第四冷却管道；
9.所述左侧自由活塞发动机的气缸外壁布置有第一冷却腔，所述右侧自由活塞发动
机的气缸外壁布置有第二冷却腔；所述第一冷却腔或第二冷却腔通过管道与第三冷却管道和第四冷却管道相连，所述第一冷却腔或第二冷却腔通过管道与所述换热器相连，所述换热器与所述低压蓄能器相连，所述低压蓄能器分别与所述第一液压腔和第二液压腔相连；
10.所述中冷器一端与蓄能调压器相连、另一端与所述第一冷却管道和第二冷却管道相连。
11.作为本发明的进一步改进，所述液压储能冷却系统还包括：第一液压阀、第二液压阀、第三液压阀、第四液压阀、第五液压阀和第六液压阀；
12.所述第一液压阀布置于所述第一液压腔与低压蓄能器之间的管路上；
13.所述第二液压阀布置于所述第二液压腔与低压蓄能器之间的管路上；
14.所述第三液压阀布置于所述第一液压腔与第一冷却管道的接口处；
15.所述第四液压阀布置于所述第二液压腔与第二冷却管道的接口处；
16.所述第五液压阀布置于所述第一液压腔与第三冷却管道的接口处；
17.所述第六液压阀布置于所述第二液压腔与第四冷却管道的接口处。
18.作为本发明的进一步改进，所述液压储能冷却系统还包括：第一止回阀、第二止回阀、第三止回阀和第四止回阀；
19.所述第一止回阀位于所述第一冷却腔与第三冷却管道和第四冷却管道之间的管路上；
20.所述第二止回阀位于所述第二冷却腔与第三冷却管道和第四冷却管道之间的管路上；
21.所述第三止回阀位于所述第一冷却腔与换热器之间的管路上；
22.所述第四止回阀位于所述第二冷却腔与换热器之间的管路上。
23.作为本发明的进一步改进，所述直线电机动子设置在所述直线电机定子中部，所述直线电机除所述直线电机定子、直线电机动子、第一冷却管道、第二冷却管道、第三冷却管道和第四冷却管道外，还包括：电能变换器；
24.所述电能变换器，用于对所述直线电机动子切割所述直线电机定子的磁感线而产生的电动势，进行电能变换后对外输出电能。
25.作为本发明的进一步改进，所述左侧自由活塞发动机还包括：第一喷油器、第一进气口、第一燃烧室、第一散热片、第一火花塞、第一活塞、第一活塞环、第一活塞销、第一排气口、第一连杆和第一扫气室；所述右侧自由活塞发动机还包括：第二喷油器、第二进气口、第二燃烧室、第二散热片、第二火花塞、第二活塞、第二活塞环、第二活塞销、第二排气口、第二连杆和第二扫气室；
26.所述第一火花塞或第二火花塞安装在左侧自由活塞发动机或右侧自由活塞发动机的气缸盖上，所述第一散热片或第二散热片安装在左侧自由活塞发动机或右侧自由活塞发动机的气缸盖上，所述第一喷油器或第二喷油器安装在左侧自由活塞发动机或右侧自由活塞发动机的进气管道上；
27.所述第一活塞环或第二活塞环安装在所述第一活塞或第二活塞的头部，所述第一活塞环或第二活塞环与对应侧的气缸盖之间形成所述第一燃烧室或第二燃烧室；所述第一活塞或第二活塞的尾部通过所述第一活塞销或第二活塞销与所述第一连杆或第二连杆的一端相连，所述第一连杆或第二连杆的另一端与所述直线电机动子两端的第一液压活塞或
第二液压活塞相连，所述第一活塞或第二活塞与所述第一液压活塞或第二液压活塞之间形成所述第一扫气室或第二扫气室；
28.所述第一燃烧室上设有第一进气口和第一排气口，所述第二燃烧室上设有第二进气口和第二排气口。
29.作为本发明的进一步改进，所述第一活塞、第一活塞销、第一连杆、第一液压活塞、直线电机动子、第二液压活塞、第二连杆、第二活塞销、第二活塞依次连接在一起，组成系统的活塞动子组件。
30.本发明还公开了一种基于上述自由活塞发动机集成系统的运行方法，包括：冷起动过程和稳定运行过程；
31.冷起动过程：直线电机工作在电动机模式，驱动直线电机动子带动活塞动子组件往复运动，活塞动子组件和自由活塞发动机燃烧室内的气体不断积蓄能量，自由活塞发动机的压缩比和缸内压力不断增大，直至达到发动机点火所需条件，则在下一循环时，喷油器开始喷油，可燃混合气进入燃烧室内被压缩、点燃，冷起动完成；
32.稳定发电过程：冷起动完成后，直线电机切换为发电机模式，左右两侧自由活塞发动机燃烧室内的可燃混合气交替燃烧膨胀做功，推动活塞动子组件往复运动，从而带动直线电机动子切割磁感线，产生电动势经过电能变换器后对外输出；在此过程中，液压阀交替开启关闭，液压腔内的液体被泵出，泵出时经过冷却管道可对直线电机进行冷却，经过冷却管道后一部分经过中冷器冷却后进入蓄能变换器中，对外输出液压能；另一部分被泵入冷却腔内用于对自由活塞发动机进行冷却，经过冷却腔后的液体在换热器中与外界换热后，进入低压蓄能器中，以此循环。
33.作为本发明的进一步改进，在冷起动过程中，第一液压阀～第六液压阀均处于开启状态。
34.作为本发明的进一步改进，所述稳定发电过程，具体包括：
35.冷起动完成后，直线电机切换为发电机模式，活塞动子组件向右运动，第二燃烧室处于压缩冲程，当活塞动子组件向右运动到设定位置xr时，第二火花塞点火，可燃混合气被点燃，活塞动子组件由于惯性力会继续向右运动，直至到达上止点，此时：第一液压阀、第四液压阀开启，第二液压阀、第三液压阀、第五液压阀、第六液压阀关闭；第二燃烧室内的可燃混合气燃烧膨胀，燃烧室内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向左运动，第一燃烧室处于压缩冲程，第二液压腔内的液体经过第二冷却管道、中冷器后进入蓄能调压器中，低压蓄能器中的液体通过第一液压阀所在管路充入第一液压腔内；
36.当活塞动子组件运动到设定位置x2时，第六液压阀开启，其它液压阀状态保持不变，第二液压腔内的液体开始经过第四冷却管道进入冷却腔中，用于冷却自由活塞发动机；
37.当活塞动子组件继续向左运行到设定位置x
l
时，第一火花塞点火，可燃混合气被点燃，活塞动子组件由于惯性力会继续向左运动，直至到达上止点，此时：第二液压阀、第三液压阀开启，第一液压阀、第四液压阀、第五液压阀、第六液压阀关闭；第一燃烧室内的可燃混合气燃烧膨胀，燃烧室内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向右运动，第一液压腔内的液体经过第一冷却管道、中冷器后进入蓄能调压器中，低压蓄能器中的液体通过第二液压阀所在管路迅速充入第二液压腔内；
38.当活塞动子组件运动到设定位置x1时，第五液压阀开启，其它液压阀状态保持不
变，第一液压腔内的液体开始经过第三冷却管道进入冷却腔中，用于冷却自由活塞发动机；
39.以此循环。
40.作为本发明的进一步改进，设定位置xr、x
l
、x1、x2可根据自由活塞发动机的结构和运行工况运行进行灵活设置；通过控制第三液压阀、第四液压阀的开度和开启时间、第五液压阀和第六液压阀的开启时间以及调节蓄能调压器，实现不同液压能的输出。
41.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
42.1、本发明的集成系统可以直接对外输出电能和液压能，结构紧凑，功率密度高；
43.2、本发明集成系统中液压腔内的液体被泵出时可对直线电机进行冷却，从而提高直线电机的发电效率，冷却直线电机后的液体温升较低，可继续对自由活塞发动机进行冷却，实现梯级冷却，提高集成系统的能量转换效率；
44.3、本发明的集成系统在稳定运行过程中，可通过控制液压阀的开度和蓄能调压器，实现不同压力能的输出。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明的机-电-液-冷却耦合的自由活塞发动机集成系统及运行方法，下面将对实施例所需要的附图作简单地介绍。
46.图1为本发明实施例提供的机-电-液-冷却耦合的自由活塞发动机集成系统的结构示意图；
47.图2为本发明实施例提供的机-电-液-冷却耦合的自由活塞发动机集成系统运行方法的流程示意图。
48.图中：
49.1-直线电机定子、2-直线电机动子、3-第一冷却管道、4-第二冷却管道、5-第三冷却管道、6-第四冷却管道、7-第一液压腔、8-第二液压腔、9-第一液压阀、10-第二液压阀、11-第三液压阀、12-第四液压阀、13-第五液压阀、14-第六液压阀、15-第一液压活塞、16-第二液压活塞、17-第一喷油器、18-第一进气口、19-第一燃烧室、20-第一散热片、21-第一火花塞、22-第一活塞、23-第一活塞环、24-第一活塞销、25-第一冷却腔、26-第一排气口、27-第一连杆、28-第一扫气室、29-第二喷油器、30-第二进气口、31-第二燃烧室、32-第二散热片、33-第二火花塞、34-第二活塞、35-第二活塞环、36-第二活塞销、37-第二冷却腔、38-第二排气口、39-第二连杆、40-第二扫气室、41-中冷器、42-蓄能调压器、43-电能变换器、44-第一止回阀、45-第二止回阀、46-第三止回阀、47-第四止回阀、48-换热器、49-低压蓄能器。
具体实施方式
50.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
52.如图1所示，本发明提供一种机-电-液-冷却耦合的自由活塞发动机集成系统，包括：直线电机、左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机和液压储能冷却系统；其中，
53.直线电机包括：直线电机定子1、直线电机动子2、电能变换器43、第一冷却管道3、第二冷却管道4、第三冷却管道5、第四冷却管道6；
54.左侧自由活塞发动机包括：第一喷油器17、第一进气口18、第一燃烧室19、第一散热片20、第一火花塞21、第一活塞22、第一活塞环23、第一活塞销24、第一冷却腔25、第一排气口26、第一连杆27、第一扫气室28；
55.右侧自由活塞发动机包括：第二喷油器29、第二进气口30、第二燃烧室31、第二散热片32、第二火花塞33、第二活塞34、第二活塞环35、第二活塞销36、第二冷却腔37、第二排气口38、第二连杆39、第二扫气室40；
56.液压储能冷却系统包括：第一液压腔7、第二液压腔8、第一液压阀9、第二液压阀10、第三液压阀11、第四液压阀12、第五液压阀13、第六液压阀14、第一液压活塞15、第二液压活塞16、中冷器41、换热器48、蓄能调压器42、低压蓄能器49、第一止回阀44、第二止回阀45、第三止回阀46、第四止回阀47、冷却腔、冷却管道以及连接管路。
57.本发明左侧自由活塞发动机、右侧自由活塞发动机、直线电机、液压储能冷却系统安装连接关系为：
58.本发明的直线电机设置在左侧自由活塞发动机与右侧自由活塞发动机之间，直线电机动子2的两端连接有第一液压活塞15和第二液压活塞16，第一液压活塞15与直线电机定子1一侧之间形成第一液压腔7，第二液压活塞16与直线电机定子1另一侧之间形成第二液压腔8；直线电机定子1的外表面设有与第一液压腔7相连通的第一冷却管道3和第三冷却管道5，以及与第二液压腔8相连通的第二冷却管道4和第四冷却管道6。
59.左侧自由活塞发动机的气缸外壁布置有第一冷却腔25，右侧自由活塞发动机的气缸外壁布置有第二冷却腔37；第一冷却腔25或第二冷却腔37通过管道与第三冷却管道5和第四冷却管道6相连，第一冷却腔25或第二冷却腔37通过管道与换热器48相连，换热器48与低压蓄能器49相连，低压蓄能器49分别与第一液压腔7和第二液压腔8相连；中冷器41一端与蓄能调压器42相连、另一端与第一冷却管道3和第二冷却管道4相连。
60.第一火花塞21或第二火花塞33安装在左侧自由活塞发动机或右侧自由活塞发动机的气缸盖上，第一散热片20或第二散热片32安装在左侧自由活塞发动机或右侧自由活塞发动机的气缸盖上，第一喷油器17或第二喷油器29安装在左侧自由活塞发动机或右侧自由活塞发动机的进气管道上；第一活塞环23或第二活塞环35安装在第一活塞22或第二活塞34的头部，第一活塞环23或第二活塞环35与对应侧的气缸盖之间形成第一燃烧室19或第二燃烧室31；第一活塞22或第二活塞24的尾部通过第一活塞销24或第二活塞销36与第一连杆27或第二连杆39的一端相连，第一连杆27或第二连杆39的另一端与直线电机动子2两端的第一液压活塞15或第二液压活塞16相连，第一活塞22或第二活塞34与第一液压活塞15或第二液压活塞16之间形成第一扫气室28或第二扫气室40；第一燃烧室19上设有第一进气口18和第一排气口26，第二燃烧室31上设有第二进气口30和第二排气口38。
61.第一液压阀9布置于第一液压腔7与低压蓄能器49之间的管路上；第二液压阀10布置于第二液压腔8与低压蓄能器49之间的管路；第三液压阀11布置于第一液压腔7与第一冷却管道3的接口处；第四液压阀12布置于第二液压腔8与第二冷却管道4的接口处；第五液压阀13布置于第一液压腔7与第三冷却管道5的接口处；第六液压阀14布置于第二液压腔8与第四冷却管道6的接口处。
62.第一止回阀44布置于第一冷却腔25与第三、第四冷却管道5、6之间的管路上；第二止回阀45布置于第二冷却腔37与第三、第四冷却管道5、6之间的管路上；第三止回阀46布置于第一冷却腔25与换热器48之间的管路上；第四止回阀47布置于第二冷却腔37与换热器48之间的管路上。
63.第一活塞22、第一活塞销24、第一连杆27、第一液压活塞15、直线电机动子2、第二液压活塞16、第二连杆39、第二活塞销36、第二活塞34依次连接在一起，组成系统中的运动部件，简称活塞动子组件。
64.进一步，
65.第一、第二喷油器用于喷射燃料，第一、第二火花塞用于点燃燃烧室内的可燃混合气，第一、第二活塞环用于防止活塞运动过程中气体工质的泄漏，第一～第四冷却管道用于冷却直线电机定子，第一、第二冷却腔用于冷却气缸，第一～第六液压阀用于控制液压腔内液体的流入流出，蓄能调压器用于调节输出液压能的大小，中冷器和换热器用于对管道内液体进行冷却，电能变换器用于对直线电机动子切割直线电机定子的磁感线而产生的电动势，进行电能变换后对外输出电能。
66.如图2所示，本发明提供一种基于上述自由活塞发动机集成系统的运行方法，包括：冷起动过程和稳定运行过程；
67.1)冷起动过程：
68.直线电机工作在电动机模式，驱动直线电机动子带动活塞动子组件往复运动，活塞动子组件和自由活塞发动机燃烧室内的气体不断积蓄能量，自由活塞发动机的压缩比和缸内压力不断增大，直至达到发动机点火所需条件，则在下一循环时，喷油器开始喷油，可燃混合气进入燃烧室内被压缩、点燃，冷起动完成；在冷起动过程中，第一液压阀～第六液压阀均处于开启状态；
69.详细工作过程为：
70.开始工作，直线电机工作在电动机模式，驱动直线电机动子2带动活塞动子组件往复运动，活塞动子组件和燃烧室内的气体不断积蓄能量，自由活塞发动机的压缩比和燃烧室内压力不断增大，直至达到点火所需条件，则在下一工作循环，喷油器17、29开始交替喷油，可燃混合气交替进入燃烧室19、31内，当活塞动子组件向左运行到设定位置x
l
时，第一火花塞21点火，可燃混合气被点燃，燃烧室内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件向右运动，冷起动完成；
71.2)稳定发电过程：
72.冷起动完成后，直线电机切换为发电机模式，左右两侧自由活塞发动机燃烧室内的可燃混合气交替燃烧膨胀做功，推动活塞动子组件往复运动，从而带动直线电机动子切割磁感线，产生电动势经过电能变换器后对外输出；在此过程中，液压阀交替开启关闭，液压腔内的液体被泵出，泵出时经过冷却管道可对直线电机进行冷却，经过冷却管道后一部分经过中冷器冷却后进入蓄能变换器中，对外输出液压能；另一部分被泵入冷却腔内用于对自由活塞发动机进行冷却，经过冷却腔后的液体在换热器中与外界换热后，进入低压蓄能器中，以此循环；
73.详细工作过程为：
74.冷起动完成后，直线电机切换为发电机模式，活塞动子组件向右运动，第二燃烧室
31处于压缩冲程，在这个过程中液压阀均处于开启状态，当活塞动子组件向右运动到设定位置xr时，第二火花塞33点火，可燃混合气被点燃，活塞动子组件由于惯性力会继续向右运动，直至到达上止点，此时：第一液压阀9、第四液压阀12开启，第二液压阀10、第三液压阀11、第五液压阀13、第六液压阀14关闭，第二燃烧室31内的可燃混合气燃烧膨胀，燃烧室内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向左运动，第一燃烧室19处于压缩冲程，第二液压腔8内的液体经过第二冷却管道4、中冷器41后进入蓄能调压器42中，低压蓄能器49中的液体通过第一液压阀9所在管路迅速充入第一液压腔7内；
75.当活塞动子组件运动到设定位置x2时，第六液压阀14开启，其它液压阀状态保持不变，第二液压腔8内的液体开始经过第四冷却管道6进入冷却腔25、37中，用于冷却自由活塞发动机；
76.当活塞动子组件继续向左运行到设定位置x
l
时，第一火花塞21点火，可燃混合气被点燃，活塞动子组件由于惯性力会继续向左运动，直至到达上止点，此时：第二液压阀10、第三液压阀11开启，第一液压阀6、第四液压阀12、第五液压阀13、第六液压阀14关闭，第一燃烧室19内的可燃混合气燃烧膨胀，燃烧室内压力迅速增大，开始推动活塞动子组件反向向右运动，第一液压腔7内的液体经过第一冷却管道3、中冷器41后进入蓄能调压器42中，低压蓄能器49中的液体通过第二液压阀10所在管路迅速充入第二液压腔8内；
77.当活塞动子组件运动到设定位置x1时，第五液压阀13开启，其它液压阀状态保持不变，第一液压腔7内的液体开始经过第三冷却管道5进入冷却腔25、37中，用于冷却自由活塞发动机；
78.当活塞动子组件向右运动到设定位置xr时，第二火花塞33点火，同理，以此循环往复。活塞动子组件往复运动，带动直线电机动子2切割磁感线，产生电动势，经过电能变换器43处理后对外输出，实现将燃料的化学能转换为电能；通过控制第三液压阀11、第四液压阀12的开度、第五液压阀13、第六液压阀14的开启时间以及调节蓄能调压器42，可以得到不同的液压能输出，实现将燃料的化学能转换为液压能；
79.被泵出的高压液体经过冷却管道时用于对直线电机进行冷却，从而提高其发电效率，由于直线电机的温度相比于发动机的温度较低，经过冷却后的液体仍可继续用于对自由活塞发动机进行冷却，被泵出的液体经过第三冷却道5、第四冷却道6后进入冷却腔25、37内用于对自由活塞发动机进行冷却，从而实现梯级冷却，经过冷却腔25、37的液体进入换热器48与外界进行换热、冷却，然后进入低压蓄能器49中，以此循环。
80.进一步，上述设定位置xr、x
l
、x1、x2可根据自由活塞发动机的结构和运行工况运行进行灵活设置；通过控制第三液压阀、第四液压阀的开度和开启时间、第五液压阀和第六液压阀的开启时间以及调节蓄能调压器42，可以实现不同液压能的输出，从而改变自由活塞发动机集成系统的电功率输出与液压功率输出的比例。
81.本发明的优点为：
82.1、本发明的集成系统可以直接对外输出电能和液压能，结构紧凑，功率密度高；
83.2、本发明集成系统中液压腔内的液体被泵出时可对直线电机进行冷却，从而提高直线电机的发电效率，冷却直线电机后的液体温升较低，可继续对自由活塞发动机进行冷却，实现梯级冷却，提高集成系统的能量转换效率；
84.3、本发明的集成系统在稳定运行过程中，可通过控制液压阀的开度和蓄能调压
器，实现不同压力能的输出。
85.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。