一种自由活塞直线发电机系统及其控制方法与流程

1.本文涉及车辆技术，尤指一种自由活塞直线发电机系统及其控制方法。


背景技术：

2.自由活塞直线发电机是一种适用于电动汽车的新型增程装置，与传统的发动机加发电机的结构相比，它的发动机和发电机天然集成一体。由于自由活塞直线发电机取消了传统发动机所使用的曲轴连杆机构，活塞运动自由不受机械结构约束，因此该发动机具有结构简单紧凑，能量转化过程少等优点。除此之外，自由活塞直线发电机的燃料普适性强，可使用不同种类的燃料。
3.自由活塞直线发电机的开发难点之一是合理的组织换气过程。自由活塞直线发电机合理的组织换气过程，可以提高充气效率，减少扫出去的混合气，提高发动机效率，减少排放。自由活塞直线发电机如何合理的组织换气过程，是本领域技术人员一直致力于解决的技术难题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题中的至少之一，本技术提供了一种自由活塞直线发电机系统，其组织换气过程可以实现调整至更合理。
5.本技术还提供了一种自由活塞直线发电机系统的控制方法。
6.本发明实施例提供的自由活塞直线发电机系统，包括：缸体，具有第一活塞腔、进气口、燃烧室、排气口和第二活塞腔，所述燃烧室位于第一活塞腔和所述第二活塞腔之间，所述进气口位于所述第一活塞腔和所述燃烧室之间，所述排气口位于所述第二活塞腔和所述燃烧室之间；包括第一活塞和第二活塞的活塞组，所述第一活塞可移动地设于所述第一活塞腔、并设置成能够打开和关闭所述进气口，所述第二活塞可移动地设于所述第二活塞腔、并设置成能够打开和关闭所述排气口；其中，所述第一活塞和所述第一活塞腔的背向所述燃烧室的一端之间设有第一复位单元，所述第二活塞和所述第二活塞腔的背向所述燃烧室的一端之间设有第二复位单元，所述第二活塞和所述第二活塞腔的周壁之间设有功能机构，所述功能机构设置成能够形成对所述第二活塞进行增速和降速的驱动力。
7.在一些示例性实施例中，若所述第二活塞的工作频率低于设计频率，则在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，控制所述功能机构对所述第二活塞进行增速，使所述第二活塞提前关闭所述排气口；若所述第二活塞的工作频率高于设计频率，则在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，控制所述功能机构对所述第二活塞进行减速，使所述第二活塞延后关闭所述排气口。
8.在一些示例性实施例中，所述第一活塞和所述第一活塞腔的周壁之间设有能量转换机构，所述能量转换机构设置成能够将机械能转换成电能。
9.在一些示例性实施例中，所述功能机构还设置成将机械能转换成电能
10.在一些示例性实施例中，所述功能机构和所述能量转换机构均为电磁铁机构。
11.在一些示例性实施例中，所述功能机构包括：第二线圈，设于所述第二活塞腔的周壁；和第二铁芯，设于所述第二活塞腔内、并与所述第二活塞相连接，第二复位单元位于所述第二铁芯和所述第二活塞腔的背向所述燃烧室的一端之间。
12.在一些示例性实施例中，所述第一复位单元和所述第二复位单元为空气弹簧。
13.在一些示例性实施例中，所述进气口与所述燃烧室的中心之间的轴向距离大于所述排气口与所述燃烧室的中心之间的轴向距离。
14.本发明实施例提出的控制方法，包括：若所述第二活塞的工作频率低于设计频率，则在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，控制所述功能机构对所述第二活塞进行增速，使所述第二活塞提前关闭所述排气口。
15.在一些示例性实施例中，在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，所述排气口滞后于所述进气口进行关闭。
16.本发明实施例提出的控制方法，包括：若所述第二活塞的工作频率高于设计频率，则在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，控制所述功能机构对所述第二活塞进行减速，使所述第二活塞延后关闭所述排气口。
17.在一些示例性实施例中，在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，所述排气口滞后于所述进气口进行关闭。
18.本技术提供的自由活塞直线发电机系统，其结构简单紧凑。若第二活塞的工作频率低于设计频率，则在第一活塞和第二活塞相向运动关闭排气口的过程中会造成混合气扫出过多，此时设置成控制功能机构对第二活塞进行增速，使第二活塞提前关闭排气口，缩短排气过程，减少燃烧室内新鲜空气的逃逸；若第二活塞的工作频率高于设计频率，则在第一活塞和第二活塞相向运动关闭排气口的过程中会造成废气排出不畅，此时设置成控制功能机构对第二活塞进行减速，使第二活塞延后关闭排气口，延长排气过程，有利于扫出废气。
19.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
20.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
21.图1为本发明一些实施例提出的自由活塞直线发电机系统的剖视结构示意图；
22.图2为第二活塞的工作频率低于设计频率时，自由活塞直线发电机系统的位移时间曲线图；
23.图3为第二活塞的工作频率高于设计频率时，自由活塞直线发电机系统的位移时间曲线图。
24.其中，图1中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
25.1-进气口，2-排气口，3-缸体，4-火花塞，5-第一活塞，6-第二活塞，7-燃烧室，8-第一铁芯，9-第二铁芯，10-第二线圈，11-第一线圈，12-空气弹簧。
具体实施方式
26.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
27.本发明实施例提供的自由活塞直线发电机系统，如图1所示，包括：缸体3，缸体3具有第一活塞腔、进气口1、燃烧室7、排气口2和第二活塞腔，燃烧室7位于第一活塞腔和第二活塞腔之间，进气口1位于第一活塞腔和燃烧室7之间，排气口2位于第二活塞腔和燃烧室7之间；包括第一活塞5和第二活塞6的活塞组，第一活塞5可轴向移动地设于第一活塞腔、并设置成能够打开和关闭进气口1，第二活塞6可轴向移动地设于第二活塞腔、并设置成能够打开和关闭排气口2；其中，第一活塞5和第一活塞腔的背向燃烧室7的一端之间设有第一复位单元，第二活塞6和第二活塞腔的背向燃烧室7的一端之间设有第二复位单元，第二活塞6和第二活塞腔的周壁之间设有功能机构，功能机构设置成能够形成对第二活塞6进行增速和降速的驱动力，功能机构还可以设置成能够将第二活塞6的机械能转换成电能进行发电，燃烧室7设有火花塞4和喷油嘴等结构。轴向为缸体3的轴向。若第二活塞6的工作频率低于设计频率，则在第一活塞5和第二活塞6相向运动关闭排气口2的过程中，控制功能机构对第二活塞6进行增速，使第二活塞6提前关闭排气口；若第二活塞6的工作频率高于设计频率，则在第一活塞5和第二活塞6相向运动关闭排气口2的过程中，控制功能机构对第二活塞6进行减速，使第二活塞6延后关闭排气口。
28.第二活塞6位于右侧的内止点(位于燃烧室的右端处)、并关闭排气口2，第一活塞5位于左侧的内止点(位于燃烧室的左端处)、并关闭进气口1。如图2中的实线所示，燃烧室7内通过火花塞4进行点火燃烧，高温高压气体推动第一活塞5向左，第二活塞6向右膨胀做功，排气口2在时刻a打开，进气口1在时刻b打开(b滞后于a)，然后处于进气口1和排气口2同时开启状态，直至第一活塞5向左运动至左侧的外止点，第二活塞6向右运动至右侧的外止点，此过程功能机构将第二活塞6的机械能转换成电能进行发电(相向运动过程)。而后，第一活塞5在第一复位单元的作用下向右朝向燃烧室7运动，第二活塞6在第二复位单元的作用下向左朝向燃烧室7运动，第一活塞5运行到时刻c时，第一活塞5关闭进气口1，第二活塞6运行到时刻d时，第二活塞6关闭排气口2(d滞后于c)，最终第一活塞5运动至左侧的内止点，第二活塞6运动至右侧的内止点(背向运动过程)。
29.在设计频率下，自由活塞直线发电机的组织换气过程合理，具备充气效率高，扫出去的混合气少，发动机效率高，排放少等的优点。
30.在实际使用过程中，若第二活塞6的工作频率低于设计频率，则在第一活塞和第二活塞相向运动关闭排气口2的过程中会造成混合气扫出过多，此时设置成在第一活塞5和第二活塞6相向运动关闭排气口2的过程中控制功能机构对第二活塞6进行增速(即驱动力的方向朝向燃烧室7，与第二活塞6的运动方向相同)，使第二活塞6提前关闭排气口2(在图2中e时间关闭，此过程第二活塞6的位移时间曲线改变为图2中的虚线)，以此来缩短排气过程，减少燃烧室7内新鲜空气的逃逸，可以实现对扫气过程进行精确控制。
31.在实际使用过程中，若第二活塞6的工作频率高于设计频率，则在第一活塞和第二活塞相向运动关闭排气口2的过程中会造成废气排出不畅，此时设置成控制功能机构对第
二活塞6进行减速(即驱动力的方向背向燃烧室7，与第二活塞6的运动方向相反)，使第二活塞6延后关闭排气口2(在图3中f时间关闭，此过程第二活塞6的位移时间曲线改变为图3中的虚线)，以此来延长排气过程，有利于扫出废气，可以实现对扫气过程进行精确控制。
32.在一些示例中，如图1所示，第一活塞5和第一活塞腔的周壁之间设有能量转换机构，能量转换机构设置成能够将第一活塞5的机械能转换成电能，功能机构设置成能够将第二活塞6的机械能转换成电能，功能机构和能量转换机构共同进行发电，这样发电效率更高。
33.在一些实施例中，如图1所示，功能机构和能量转换机构均设置为电磁铁机构。
34.可以是，如图1所示，能量转换机构包括：第一线圈11，第一线圈11设于第一活塞腔的周壁；和第一铁芯8，第一铁芯8设于第一活塞腔内、并与第一活塞5相连接，第一复位单元位于第一铁芯8和第一活塞腔的背向燃烧室7的一端之间。为了确保功能机构的使用寿命，第一复位单元设置成空气弹簧12。
35.可以是，如图1所示，功能机构包括：第二线圈10，第二线圈10设于第二活塞腔的周壁；和第二铁芯9，第二铁芯9设于第二活塞腔内、并与第二活塞6相连接，第二复位单元位于第二铁芯9和第二活塞腔的背向燃烧室7的一端之间。为了确保第二复位单元的使用寿命，第二复位单元也设置成空气弹簧12。
36.在一些实施例中，进气口1与燃烧室7的中心之间的轴向距离大于排气口2与燃烧室7的中心之间的轴向距离，在相向运动过程实现进气口1滞后于排气口2打开，在背向运动过程实现排气口2滞后于进气口1关闭。
37.第二活塞6位于右侧的内止点、并关闭排气口2，第一活塞5位于左侧的内止点、并关闭进气口1。燃烧室7内通过火花塞4进行点火燃烧，高温高压气体推动第一活塞5向左，第二活塞6向右膨胀做功，排气口2优先于进气口1进行打开，然后进气口1和排气口2处于同时开启状态，直至第一活塞5向左运动至左侧的外止点，第二活塞6向右运动至右侧的外止点，此过程功能机构和能量转换机构将机械能转换成电能进行发电(相向运动过程)。而后，第一活塞5在第一复位单元的作用下向右朝向燃烧室7运动，第二活塞6在第二复位单元的作用下向左朝向燃烧室7运动，进气口1优先于排气口2进行关闭，最终第一活塞5运动至左侧的内止点，第二活塞6运动至右侧的内止点(背向运动过程)。
38.该自由活塞直线发电机系统，可以采用常规三元催化器，实现废气当量燃烧。
39.本发明实施例提出的控制方法(图中未示出)，包括：若第二活塞6的工作频率低于设计频率，则在第一活塞5和第二活塞6相向运动关闭排气口2的过程中，控制功能机构对第二活塞6进行增速，使第二活塞6提前关闭排气口2，以此来缩短排气过程，减少燃烧室7内新鲜空气的逃逸，可以实现对扫气过程进行精确控制。
40.在一些实施例中，如图2所示，在第一活塞5和第二活塞6相向运动关闭排气口2的过程中，排气口2滞后于进气口1进行关闭，这样可以更好地实现对扫气过程进行精确控制。
41.其中，如图2所示，在第一活塞5和第二活塞6背向运动的过程中，排气口2优先于进气口1进行打开。
42.本发明实施例提出的控制方法(图中未示出)，包括：若第二活塞6的工作频率高于设计频率，则在第一活塞5和第二活塞6相向运动关闭排气口2的过程中，控制功能机构对第二活塞6进行减速，使第二活塞6延后关闭排气口2，以此来延长排气过程，有利于扫出废气，
可以实现对扫气过程进行精确控制。
43.在一些实施例中，如图3所示，在第一活塞5和第二活塞6相向运动关闭排气口2的过程中，排气口2滞后于进气口1进行关闭，这样可以更好地实现对扫气过程进行精确控制。
44.其中，如图3所示，在第一活塞5和第二活塞6背向运动的过程中，排气口2优先于进气口1进行打开。
45.综上所述，本技术提供的技术方案自由活塞直线发电机系统，其结构简单紧凑。若第二活塞的工作频率低于设计频率，则在第一活塞和第二活塞相向运动关闭排气口的过程中会造成混合气扫出过多，此时设置成控制功能机构对第二活塞进行增速，使第二活塞提前关闭排气口，缩短排气过程，减少燃烧室内新鲜空气的逃逸；若第二活塞的工作频率高于设计频率，则在第一活塞和第二活塞相向运动关闭排气口的过程中会造成废气排出不畅，此时设置成控制功能机构对第二活塞进行减速，使第二活塞延后关闭排气口，延长排气过程，有利于扫出废气。
46.在本发明中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、
““
口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
47.在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

技术特征：
1.一种自由活塞直线发电机系统，其特征在于，包括：缸体，具有第一活塞腔、进气口、燃烧室、排气口和第二活塞腔，所述燃烧室位于第一活塞腔和所述第二活塞腔之间，所述进气口位于所述第一活塞腔和所述燃烧室之间，所述排气口位于所述第二活塞腔和所述燃烧室之间；包括第一活塞和第二活塞的活塞组，所述第一活塞可移动地设于所述第一活塞腔、并设置成能够打开和关闭所述进气口，所述第二活塞可移动地设于所述第二活塞腔、并设置成能够打开和关闭所述排气口；所述第一活塞和所述第一活塞腔的背向所述燃烧室的一端之间设有第一复位单元，所述第二活塞和所述第二活塞腔的背向所述燃烧室的一端之间设有第二复位单元，所述第二活塞和所述第二活塞腔的周壁之间设有功能机构，所述功能机构设置成能够形成对所述第二活塞进行增速和降速的驱动力。2.根据权利要求1所述的自由活塞直线发电机系统，其特征在于，若所述第二活塞的工作频率低于设计频率，则在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，控制所述功能机构对所述第二活塞进行增速，使所述第二活塞提前关闭所述排气口；若所述第二活塞的工作频率高于设计频率，则在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，控制所述功能机构对所述第二活塞进行减速，使所述第二活塞延后关闭所述排气口。3.根据权利要求2所述的自由活塞直线发电机系统，其特征在于，所述第一活塞和所述第一活塞腔的周壁之间设有能量转换机构，所述能量转换机构设置成能够将机械能转换成电能，所述功能机构还设置成将机械能转换成电能；其中，所述功能机构和所述能量转换机构均为电磁铁机构。4.根据权利要求1至3中任一项所述的自由活塞直线发电机系统，其特征在于，所述功能机构包括：第二线圈，设于所述第二活塞腔的周壁；和第二铁芯，设于所述第二活塞腔内、并与所述第二活塞相连接，第二复位单元位于所述第二铁芯和所述第二活塞腔的背向所述燃烧室的一端之间。5.根据权利要求1至3中任一项所述的自由活塞直线发电机系统，其特征在于，所述第一复位单元和所述第二复位单元为空气弹簧。6.根据权利要求1至3中任一项所述的自由活塞直线发电机系统，其特征在于，所述进气口与所述燃烧室的中心之间的轴向距离大于所述排气口与所述燃烧室的中心之间的轴向距离。7.一种如权利要求1至6中任一项所述的自由活塞直线发电机系统的控制方法，其特征在于，包括：若所述第二活塞的工作频率低于设计频率，则在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，控制所述功能机构对所述第二活塞进行增速，使所述第二活塞提前关闭所述排气口。8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，所述排气口滞后于所述进气口进行关闭。9.一种如权利要求1至6中任一项所述的自由活塞直线发电机系统的控制方法，其特征
在于，包括：若所述第二活塞的工作频率高于设计频率，则在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，控制所述功能机构对所述第二活塞进行减速，使所述第二活塞延后关闭所述排气口。10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在所述第一活塞和所述第二活塞相向运动关闭所述排气口的过程中，所述排气口滞后于所述进气口进行关闭。

技术总结
本文提供了一种自由活塞直线发电机系统及其控制方法。发电机系统包括：缸体，具有第一活塞腔、进气口、燃烧室、排气口和第二活塞腔，燃烧室位于第一活塞腔和第二活塞腔之间，进气口位于第一活塞腔和燃烧室之间，排气口位于第二活塞腔和燃烧室之间；包括第一活塞和第二活塞的活塞组，第一活塞可移动地设于第一活塞腔，第二活塞可移动地设于第二活塞腔；其中，第一活塞和第一活塞腔的背向燃烧室的一端之间设有第一复位单元，第二活塞和第二活塞腔的背向燃烧室的一端之间设有第二复位单元，第二活塞和第二活塞腔的周壁之间设有能够形成对第二活塞进行增速和降速的驱动力功能机构。该自由活塞直线发电机系统，其组织换气过程可以实现调整至更合理。现调整至更合理。现调整至更合理。


技术研发人员：李双清 韦虹 胡轲
受保护的技术使用者：浙江吉利动力总成有限公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/5/12