[发明专利]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

说明书

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及运行方法，涉及能源动力机械技术领域，系统包括：液压储能冷却系统、直线电机和设置直线电机两侧的左侧自由活塞发动机和右侧自由活塞发动机；本发明的自由活塞发动机集成系统可直接对外输出电能和液压能，结构紧凑，功率密度高，液压储能冷却系统先对直线电机进行冷却，随后对自由活塞发动机进行冷却，可实现梯级冷却，提高系统的能量转换效率。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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；

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；

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；

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。

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；

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；

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；

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；