CN104595027A - 活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

一种活塞式内燃机，包括：活塞组，气缸，设置在所述气缸内的连杆，喷嘴组和点火系统，所述点火系统包括：输入信号传感器，点火执行器和电连接于所述输入信号传感器且电连接与所述点火执行器的电子控制单元。本发明的技术方案可以提高自由活塞式内燃机的点火的精确性，可靠性和可控制性。

Description

活塞式内燃机

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别是一种活塞式内燃机。

背景技术

近年来，随着内燃机技术的日益成熟，应用日趋广泛，人们开始对传统内燃机进行探索性改进研究。传统内燃机由于其本身曲轴连杆布置，活塞裙部有一个缺口。这样，活塞裙部的结构强度较弱，所能承受的应力变化范围较小。而自由活塞式内燃机运行过程中活塞所受的应力远大于传统活塞，因此，将普通活塞直接应用于自由活塞式内燃机上容易造成裙部破裂。

众所周知，为了提高二冲程内燃机的性能，采用电控喷油和点火定时是最关键的因素，若控制不精确，则发动机性能恶化，经济性、动力性差，甚至不能启动。自由活塞式内燃机面临的主要问题出现在上止点的控制上。控制上止点位置，可在不同工况下实现可变压缩比；可以限制活塞极限位置，避免碰壁而损坏气缸等。而上止点的控制除了改进机械结构以外通常由控制点火时间来进行。所以研制精确、可靠、可控制的电火控制装置是自由活塞式内燃机的首要任务。

因此如何提高自由活塞式内燃机的点火的精确性，可靠性和可控制性成为目前亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的技术方案解决的问题是提高自由活塞式内燃机的点火的精确性，可靠性和可控制性。

为解决上述问题，本发明的技术方案提供了一种活塞式内燃机，

包括：

活塞组，所述活塞组包括第一活塞和其连通的第二活塞，所述第一活塞和第二活塞均为圆柱型，所述第一活塞的顶部与所述第二活塞的顶部均为平顶，所述第一活塞的顶部与所述第二活塞的顶部均刻有螺旋状凹槽；

气缸，所述气缸包括第一燃烧室和与其连通的第二燃烧室，所述第一燃烧室与所述第二燃烧室对置，所述第一燃烧室的顶部和第二燃烧室的顶部均为取消余隙容积的平顶，所述第一燃烧室的顶部与所述第一活塞的上表面相配合，所述第二燃烧室的顶部与所述第二活塞的上表面相配合；

连杆，设置在所述气缸内，所述连杆在所述第一燃烧室和第二燃烧室之间作往复运动；

喷嘴组，所述喷嘴组包括位于所述第一燃烧室的第一喷嘴和位于所述第二燃烧室的第二喷嘴；

点火系统，所述点火系统包括：

输入信号传感器，所述输入信号传感器包括霍尔传感器和电连接于所述霍尔传感器的直线位移传感器，所述直线位移传感器由所述霍尔传感器触发，所述霍尔传感器设置于所述连杆的运动路线上；

点火执行器；

电连接于所述输入信号传感器且电连接与所述点火执行器的电子控制单元，所述电子控制单元从所述输入信号传感器接收点火控制信号后，控制所述点火执行器点火。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

能够实时地判定连杆的位置，以精确地掌控点火时间，避免连杆撞击到气缸盖而损坏该自由活塞式内燃机；此外，该内燃机可以根据工况灵活调节点火参数，以保障该自由活塞式内燃机运行在最优条件；此外，该自由活塞式内燃机利用喷嘴进行缸内直喷燃料，能够有效的避免二冲程内燃机扫气过程中混合气的损失，大幅降低油耗。

本发明技术方案中的活塞式内燃机，还具有点火保护模块，该点火保护模块能够判断连杆与气缸的相对运动情况，当该连杆即将撞上该气缸盖时，强制点火，以实现对该自由活塞式内燃机的保护。

附图说明

图1是本发明实施例提供的自由活塞式内燃机系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的点火执行器结构示意图；

图3是本发明实施例提供的点火执行器的初级电流、次级电压与时间的关系图；

图4是本发明实施例提供的点火执行器限流控制图示；

图5是本发明实施例提供的点火保护模块所需要的临界速度脉普图；

图6是本发明实施例提供的点火保护模块仿真；

图7是现有技术的活塞内燃机与本发明技术方案的活塞内燃机的加速度对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

自由活塞式内燃机（简称活塞式内燃机）是指发动机取消了通常的曲柄连杆机构，活塞运动不受物理约束的一种特种内燃机。其结构一般包括两个同轴相向开口的气缸，及一活动连杠两头分别置于该气缸中，并沿轴向往复活动。由于不受机械杆件的约束，其动力活塞是自由的，即压缩比可变。与传统的曲轴式发动机相比，它省去了曲轴式内燃机中将活塞的往复运动转换为旋转运动的曲柄连杆机构，具有结构简单、零件数目少、重量轻、成本低、效率高等优点；并且在受力和运动方面，活塞与缸体间无侧向力作用，摩擦力小，从而延长了发动机的寿命；另一方面只有做往复直线运动的活塞组件，发动机的起停相对容易；此外由于压缩比可变，易于使用其它代用燃料，启动性能好。由此可见，自由活塞式内燃机具有广阔的发展前景。

近年来，随着内燃机技术的日益成熟，应用日趋广泛，人们开始对传统内燃机进行探索性改进研究。国外关于自由活塞式内燃机也开始了基础性的探索研究，主要围绕液压自由活塞式内燃机和自由活塞内燃式发电机展开。但现在对自由活塞式内燃机的研究还不够深入，也缺乏相关的报道。

众所周知，为了提高二冲程内燃机的性能，采用电控喷油和点火定时是最关键的因素，若控制不精确，则发动机性能恶化，经济性、动力性差，甚至不能启动。自由活塞式内燃机面临的主要问题出现在上止点的控制上。控制上止点位置，可在不同工况下实现可变压缩比；可以限制活塞极限位置，避免碰壁而损坏气缸等。而上止点的控制除了改进机械结构以外通常由控制点火时间来进行。所以研制精确、可靠、可控制的电火控制装置是自由活塞式内燃机的首要任务。

现有技术中的液压自由活塞式内燃机的点火系统，其利用霍尔开关定点触发火花塞点火，属于硬件控制。但其在变工况时不能灵活调整点火位置，某些工况下不恰当的点火时刻会使得发动机性能恶化，经济性、动力性变差，很难发挥自由活塞式内燃机压缩比可变的优势。

传统内燃机由于其本身曲轴连杆布置，活塞裙部有一个缺口。这样，活塞裙部的结构强度较弱，所能承受的应力变化范围较小。而自由活塞式内燃机运行过程中活塞所受的应力远大于传统活塞，因此，将普通活塞直接应用于自由活塞式内燃机上容易造成裙部破裂。

此外，传统火花塞点火的内燃机缸盖与活塞顶之间的燃烧室余隙容积较大，若将其直接应用到自由活塞式内燃机上，一旦系统控制程序发生故障，活塞很可能与缸盖发生碰撞产生安全隐患。

另一方面，普通两冲程内燃机的扫气过程容易造成混合气短路损失，因此油耗较大。

为解决上述问题，本发明的技术方案提供了一种活塞式内燃机，包括：

活塞组，所述活塞组包括第一活塞和其连通的第二活塞，所述第一活塞和第二活塞均为圆柱型，所述第一活塞的顶部与所述第二活塞的顶部均为平顶，所述第一活塞的顶部与所述第二活塞的顶部均刻有螺旋状凹槽；

气缸，所述气缸包括第一燃烧室和与其连通的第二燃烧室，所述第一燃烧室与所述第二燃烧室对置，所述第一燃烧室的顶部和第二燃烧室的顶部均为取消余隙容积的平顶，所述第一燃烧室的顶部与所述第一活塞的上表面相配合，所述第二燃烧室的顶部与所述第二活塞的上表面相配合；

连杆，设置在所述气缸内，所述连杆在所述第一燃烧室和第二燃烧室之间作往复运动；

喷嘴组，所述喷嘴组包括位于所述第一燃烧室的第一喷嘴和位于所述第二燃烧室的第二喷嘴；

点火系统，所述点火系统包括：

输入信号传感器，所述输入信号传感器包括霍尔传感器和电连接于所述霍尔传感器的直线位移传感器，所述直线位移传感器由所述霍尔传感器触发，所述霍尔传感器设置于所述连杆的运动路线上；

点火执行器；

电连接于所述输入信号传感器且电连接与所述点火执行器的电子控制单元，所述电子控制单元从所述输入信号传感器接收信号后，控制所述点火执行器点火。

所述电子控制单元从所述输入信号传感器接收信号后，控制所述点火执行器点火包括：当所述连杆通过时，所述霍尔传感器触发所述直线位移传感器感应所述连杆的位移量，当所述位移量到达预设位移量时，所述电子控制单元控制所述点火执行器点火，所述连杆制动并反向运动。

所述活塞式内燃机还包括：

点火保护模块，所述点火保护模块包括：速度传感器，保护点火执行器和电子保护控制单元，所述电子保护控制单元电连接于所述速度传感器和所述保护点火执行器，所述电子保护控制单元设置有临界速度值，所述速度传感器设置于所述气缸内，所述速度传感器与所述连杆之间设置有预设距离，所述速度传感器感应所述连杆到达所述预设距离时的瞬时速度。

所述临界速度值为所述连杆自由压缩时到达其运动极限位置的速度，当所述瞬时速度大于或等于所述临界速度值时，所述电子控制保护单元控制所述保护点火执行器点火。

图1是本发明实施例提供的自由活塞式内燃机系统的结构示意图，如图1所示，1为第一燃烧室；2为点火执行器；3为第一排气口；4为电子控制单元；5为直线位移传感器，包括磁栅齿条501和磁栅读头502；6为第二排气口；7为气缸；8为第二燃烧室；9为第二活塞；10为第二进气口；11为连杆；12为霍尔传感器，包括齿1201和霍尔信号发生器1202；13为第一进气口；14为第一活塞；15为速度传感器；16为第一喷嘴；17为第二喷嘴。

如图1所示，一种自由活塞式内燃机，其包括：

一连杆11，设置在气缸7内，于第一燃烧室1及第二燃烧室8之间作往复运动；

一活塞组，包括一第一活塞14及一与其连通的第二活塞9，其中，该第一活塞及该第二活塞裙部没有缺口，为一完整的圆柱表面，该第一活塞14及该第二活塞9顶部为平顶，并刻有螺旋状凹槽以增大气流的扰动，促使空气产生挤压涡流；

一气缸7，包括一第一燃烧室1及一与其连通的第二燃烧室8，其中，该第一燃烧室与该第二燃烧室对置，该第一燃烧室1及该第二燃烧室8顶部为取消余隙容积的平顶，与该第一活塞14或该第二活塞9的上表面相配合；

一喷嘴组，包括一第一喷嘴16及一第二喷嘴17，分别布置于第一燃烧室1和第二燃烧室8中，且电连接于电子控制单元4，在该第一燃烧室1或该第二燃烧室8扫气过程结束后，该电子控制单元4控制该第一喷嘴16或该第二喷嘴17向该第一燃烧室1或该第二燃烧室8喷入燃料，以在该第一燃烧室1或该第二燃烧室8内形成可燃混合气；

一点火系统，其包括：一输入信号传感器，包括一霍尔传感器12，及一直线位移传感器5电连接于霍尔传感器12，并由该霍尔传感器触发。一点火执行器2，以及一电子控制单元4电连接于该输入信号传感器及该点火执行器2，用于从输入信号传感器接受一信号，并控制该点火执行器点火。其中，霍尔传感器12设置于连杆11的运动路线上，当连杆11通过时，该霍尔传感器触发直线位移传感器5开始精确感应该连杆的一位移量，当该位移量到达一预设值时，电子控制单元4控制该点火执行器点火，利用热力学原理使该连杆制动并反向运动，如是反复。

具体地，霍尔传感器12在连杆11通过时产生该信号，直线位移传感器5收到该信号后开始记录连杆11的位移量。该预设值存储于电子控制单元4中，与此位移量进行比较。

具体地，电子控制单元4包括一处理器，可以为16位的微处理器（MCU）。根据一较佳实施例，该点火执行器包括点火线圈初级206、次级207、一火花塞208、一电压比较器202、一mos管204、一12V直流电源211、一采样电阻201、一逻辑控制器203、一二极管209、一保护电容205、一保护电阻212及一开关210。

进一步的，火花塞208与该点火线圈次级207相连并接地；12V直流电源211通过开关210、二极管209、点火线圈初级206与mos管204的漏极相连，在mos管204漏极加入保护电容205和保护电阻212并接地，以避免瞬时电流过大烧毁mos管。mos管204源极通过采样电阻201接地；点火线圈初级206充电电流与充电限制电流经过电压比较器202后与一点火控制信号通过逻辑控制器203引入mos管204栅极，控制mos管204工作在不同状态下。

点火执行器2具体的工作过程如下，在预设的点火参考位置，电子控制单元4控制mos管204导通，对点火线圈初级206充电。在点火正时，控制mos管204截止，从而在点火线圈次级207中产生高压（>10kV），使火花塞208点火。当自由活塞式内燃机出现故障时，有可能发生充电异常，初级线圈206充电异常会使该点火线圈或mos管204过热损坏，利用电压比较器202时实检测充电电流大小，超过充电限制电流后，电压比较器202输出翻转，通过逻辑控制器203使mos管204由可变电阻区向恒流区偏移，以减小充电电流。

进一步的，该第一燃烧室1及该第二燃烧室8分别具有第一排气口3、第一进气口13及第二排气口6、第二进气口10，分别对称布置于对应燃烧室的末端。排气口和进气口受活塞往复运动而周期性的开关，完成燃烧室内气体与外界环境的交换。

该自由活塞式内燃机进一步包括一点火保护模块，其包括：一速度传感器15，一保护点火执行器，可以为点火执行器2，以及一电子保护控制单元，可以为电子控制单元4，电连接于该速度传感器15及该保护点火执行器2，存储有一临界速度值，其中，该速度传感器设置于对置气缸内，离连杆11的一运动极限位置一预设距离，感应该连杆到达此处的一瞬时速度，该临界速度值为该连杆自由压缩时恰好能到达该运动极限位置的速度，当该瞬时速度大于等于该临界速度值时，该电子控制保护单元控制该保护点火执行器点火。

图2是本发明实施例提供的点火执行器结构示意图，如图2所示，201为采样电阻；202为电压比较器；203为逻辑控制器；204为mos管；205为保护电容；206为点火线圈初级；207为点火线圈次级；208为火花塞；209为二极管；210为开关；211为12V直流电源；212为保护电阻。下面结合图1和图2详细说明。

本实施例包括：第一燃烧室1、点火执行器2（包括采样电阻201、电压比较器202、逻辑控制器203、mos管204、保护电容205、点火线圈初级206、点火线圈次级207、火花塞208、二极管209、开关210、12V直流电源211、保护电阻212）、第一排气口3、电子控制单元4、直线位移传感器5（包括磁栅齿条501和磁栅读头502）、第二排气口6、气缸7、第二燃烧室8、第二活塞9、第二进气口10、连杆11；霍尔传感器12（包括齿1201和霍尔信号发生器1202）、第一进气口13；第一活塞14；速度传感器15；第一喷嘴16；第二喷嘴17。

第一活塞14与第二活塞9通过中间的连杆11组成一个对置结构，构成自由活塞式内燃机的唯一运动部件，第一燃烧室1、第二燃烧室8对置于系统两侧，其中分别布置第一喷嘴16、第二喷嘴17以及点火执行器2。两个燃烧室内还分别设置第一进气口13、第一排气口3以及第二进气口10、第二排气6口。火花塞208与点火线圈次级207相连并接地；12V直流电源211通过开关210、二极管209、点火线圈初级206与mos管204漏极相连，在mos管204漏极加入保护电容205和保护电阻212并接地，以避免瞬时电流过大烧毁mos管；mos管204源极通过采样电阻201接地；点火线圈初级206电流引入电压比较器202产生过电流保护信号，与电子控制单元4发出的点火控制信号送入逻辑控制器203处理，处理后的信号直接引入mos管204栅极。齿1201布置于连杆11的中央，随之往复运动，霍尔信号发生器1202固定于两燃烧室中央不动，与电子控制单元4电气连接。磁栅齿条501布置于自由活塞内燃机连杆11上，随之运动，磁栅读头502固定于两燃烧室中间不动，与电子控制单元4电气连接。

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。在图1所示位置，连杆11与第一活塞14、第二活塞9一起向左侧上止点运动。此时，霍尔信号发生器1202早已判断出齿1201通过，产生信号给电子控制单元4，提示预设点火参考信号来临。电子控制单元4立刻给点火执行器2信号，进一步使直线位移传感器5进入工作状态，开始精确计算连杆11超过预设位置的偏移量，与内存中预设值进行比较。同时在自由活塞式内燃机的另一侧，新鲜空气由第二进气门10进入气缸，促使第二燃烧室8中的残留废气经过第二排气口6排出，完成第二燃烧室8的扫气过程。随着连杆11的进一步向左运动，第一燃烧室1的预设点火时刻到来，电子控制单元4控制点火执行器2工作，完成点火功能。第一燃烧室1燃烧产生的高压气体推动连杆11与第一活塞14、第二活塞9向右侧运动，待第二活塞9封住第二排气口6之后，电子控制单元4控制第二喷嘴17喷入燃料，在第二燃烧室8中形成可燃混合气。连杆11与第一活塞14、第二活塞9继续向右侧上止点运动，进而完成上述相同的动作。自由活塞式内燃机在这种方式下，产生直线运动，对外直接做功，输出能量。

点火执行器2的具体实施过程如下：

自由活塞式内燃机启动，开关210闭合，点火参考信号来临时，电子控制单元4发出信号，mos管204导通，12V直流电源211产生电流通过开关210、二极管209、点火线圈初级206、mos管、采样电阻201形成闭合回路，点火线圈初级206电流从零开始增大。点火正时来临时，电子控制单元4发出信号，mos管204截止，点火线圈次级207感应出高压，击穿混合气，火花塞208点火。若充电电流超过最大允许电流（7.56A）但点火正时没来临，电压比较器202发生翻转，输出低电平，经过逻辑控制器203后，控制mos管204由可变电阻区向恒流区偏移，点火线圈初级206充电电流减小，保障mos管204正常工作。

本实施例是通过以下技术方案实现判缸与点火正时的：

自由活塞式内燃机的最大特点就是连杆11的运动由第一第二燃烧室1、8燃烧状况决定，前一次燃烧过程直接影响下一次运动，因此，第一活塞14、第二活塞9的上止点位置不固定，随着负荷、点火位置等发生变化。不同的点火时刻对内燃机的运动规律、效率有决定性作用，根据负荷调整点火时刻可以保障内燃机运行在最优状况。

上止点前点火：经过滤波处理的霍尔传感器12和直线位移传感器5的信号分别实现点火参考和点火正时功能。在连杆11上加工可以被霍尔信号发生器1202分辨的齿1201，随着连杆11一起运动。霍尔信号发生器1202检测到齿1201经过，向电子控制单元4输出一个方波，提示预设位置来临。该方波被作为点火参考信号，控制点火线圈初级206开始充电，同时触发直线位移传感器5开始计数，在点火正时的时候(计数器溢出)进入中断程序，电子控制单元4控制点火信号拉低，mos管204截止，点火线圈次级207感应出高压，火花塞208点火。需要调整点火位置时，只需修改直线位移传感器5的计数器初始值，保证点火的精度为0.01～0.1mm。

上止点后点火：由于第一活塞14、第二活塞9的上止点位置可变，前述方法显然不能准确判断上止点后的点火位置。对应此种情况，应利用活塞上止点信号作为判缸信号。电子控制单元4时实捕捉直线位移传感器5的A、B信号上升沿的时刻，作出连杆11运动方向的判断；在A、B信号相位差发生变化(运动方向改变)的时候标记该时刻为循环上止点位置，产生判缸信号，触发直线位移传感器5计数，同样根据不同的初值，完成上止点后某具体位置点火，精度为0.010～0.1mm。

对于上止点前点火的情况，齿1201在靠近上止点和远离上止点的运动过程会两次触发霍尔信号发生器1202，使得霍尔传感器12输出两个方波，如果霍尔传感器12的脉冲信号不加过滤处理直接作为点火参考信号，每个循环将产生一个错误的点火信号，因此必须将齿1201远离上止点时触发的脉冲予以屏蔽。

本实施例通过以下技术方案实现点火能量的控制：

根据点火线圈技术参数，初级206充电电流随通电时间呈指数规律变化，初级电流决定点火能量。点火线圈初级206采用12V直流电源211供电，维持3ms充电时间就可以在次级207中产生10kV以上的点火电压，点火能量达到50mJ以上，满足发动机正常运转时的点火需要，因此设置此充电时间为基本脉宽。为了确保点火能量和次级207电压不受12V直流电源211电压变化的影响，在直流电源211电压变低时，应适当增加充电时间。

本实施例通过以下技术方案实现安全保护作用：

由于火花塞点火式内燃机的燃烧室多为半球形燃烧室，余隙容积大，最大压缩比被限制。第一活塞14、第二活塞9没有固定的上止点，预设的点火时间不恰当而活塞惯性过大有可能碰到对应的燃烧室1（8）极限位置(缸盖)发生危险，对这种异常情况，除了改进内燃机设计参数以外还需要添加辅助保护措施。在点火系统里设置强制点火模块，引入临界速度并保存于电子控制单元4内存中。这里，临界速度的大小与内燃机的负载有关，假设在该速度下，活塞14（9）恰好能自由压缩到对应燃烧室1（8）的极限位置。以极限位置前3mm之处作为采样点，采样活塞1（8）速度，与存储的临界速度进行比较，若采样速度超过临界速度，电子控制单元4强制对应mos管204立即截止，对应火花塞208点火，对活塞做负功，抵消多余动能。

实施例1仿真

计算机仿真成本低，能够较为准确的反应所研究的对象。对本发明所提出的点火系统来说，通过仿真建模，可以考察该点火系统在正常和异常状况下的不同工作过程，有利于进一步深入了解该点火系统的特性。进一步地，对该系统的仿真考察了整个动力装置的运动、受力情况，从而验证了使用新结构的活塞、新形状燃烧室的必要性，使得整个动力系统的安全可靠性得到保障。

(1). 正常点火情况仿真

高能点火线圈参数：初级绕组0.55Ω，电感5.8mH；次级绕组6.2kΩ，电感14H；能量转换效率75％，采样电阻0.1Ω。根据计算，本设计方案初级回路的时间常数约为8.9ms，在此充电时间下，初级切断电流不加限制可以达到10A以上，不采用限流控制不仅浪费电能，而且有可能使电路发生损坏。利用Matlab/Simulink编制程序，测试不同充电时间下初级线圈电流以及次级电压变化如图3、图4所示。其中图3对应充电脉宽3ms，图4对应充电脉宽6ms。

由仿真结果可见，控制脉宽持续3ms就可以使初级线圈储能50mJ，与点火线圈的技术参数吻合。在发动机启动、怠速和加速或者稀薄燃烧时，混合气难以点着，需要较高的点火能量，在此情况下，也应调整充电脉宽至5ms以上，使点火能量达到100mJ。而脉宽达到6ms时，电流已经达到设定的安全电流上限，限流保护模块已经起到预期的作用，限制充电电流稳定在7.56A。

表1总结了此设计方案的不同充电脉宽下点火线圈初级切断电流、次级电压以及点火能量变化规律。可以看出，超过6ms的脉宽已无实际意义，对点火系统已没有任何影响。

表1 点火线圈电气特性表

(2) 点火保护模块仿真

a. 临界速度求解

该自由活塞式内燃机系统包括燃烧室的热力学过程和活塞运动的动力学部分，分别建模如下：

热力学模型

对于某负载，假设临界速度为v₀，压缩冲程燃烧室内气体压力、体积满足

（1）

式中，C_v、R_g分别为定容比热容和气体状态常数，P、V分别为气体瞬间压力和体积，为气体与外界热交换，包括燃料燃烧的能量和对外散热。

燃料燃烧产生的能量满足

（2）

式中H_u为燃料的低热值，G_b为每一循环喷入气缸内的燃料质量，为燃烧速率，根据Wiebe公式，有

（3）

式中n为燃料品质数，对汽油一般取1～3之间的常数。tz为燃烧持续时间

忽略传热系数随空间的变化，内燃机运动过程中，散热损失满足

（4）

式中，T、T_w分别为缸内工质瞬时温度和壁面温度；h为对流传热系数，A为有效传热面积，包括活塞顶表面面积、缸盖内表面面积以及燃气与气缸壁接触的传热面积。根据Eichelberg对自然吸气低速二冲程研究得出的经验公式

（5）

式中v_m为活塞平均速度

将(2)～(5)带入(1)，即可得到燃烧室热力学过程与缸内压力的动态变化规律。

动力学模型

对活塞进行受力分析，根据牛顿第二定律

（6）

式中P₁、P₂分别为左右两侧气体压力，S为活塞截面积，F_mag和f分别为负载力（电磁力）和摩擦力，均与运动速度成正比，比例系数随负载变化。

热力学模型与动力学模型结合在一起即可得到封闭的方程组，描述自由活塞式内燃机的实际工作过程。

临界速度求解

根据实际自由活塞内燃机的模型，设置燃料H_u=43500kJ/kg, n=3,按照当量比供给，气体绝热指数1.37，定压比热容788J/(kg∙K)，壁面平均温度400K。利用matlab编制程序，结合上述初始条件求解公式(1)~(6)，求解不同负载下的临界速度，结果如图5所示。

根据此临界速度制作脉谱图，使电子控制单元检测该位置处活塞的运动速度，一旦超过此数值，立刻控制mos管截止，使火花塞点火，保障自由活塞式内燃机安全运行。

b. 点火保护模块仿真

人为设置异常状态，使MCU检测到活塞速度超过临界速度，强制点火系统点火，对比强制点火前后系统运动规律的改变。设置燃烧循环向气缸内气体放热50J，相当于燃油按照化学计量配比供给，能量利用率约为26％。图6描述了活塞顶到极限位置的距离随时间变化曲线，设定的采样速度为2.1m/s。曲线1为没有保护作用时二者间距变化，曲线2描述了保护模块起作用后二者间距变化，此时MCU检测到异常，使火花塞强制点火。很明显，由于运动速度超过临界速度，曲线1的一部分已经位于水平线之下，这表明活塞位置超过缸盖，将发生危险；而采取强制点火措施以后，活塞速度在极限位置之前已经减小到零，保证自由活塞式内燃机安全运行。可以看出，基于强制点火的安全保护模块能有效的弥补传统燃烧室带来的负面影响，配合其它改进措施共同保障自由活塞内燃机的安全运行。

(3) 动力系统仿真

根据(6)可以得到此动力装置的活塞连杆的速度、加速度等参数的变化规律。求解运行过程中活塞的加速度随运动位移变化规律，并与同频率下的传统内燃机活塞进行对比，结果如图7所示。 曲线1为自由活塞，曲线2为传统内燃机活塞。明显，在左右两侧位移上止点处，自由活塞的加速度远远大于传统的活塞，超过传统活塞加速度的两倍以上，这直接造成自由活塞在此处所受的应力远大于传统活塞。此外，在整个运行过程中，自由活塞的加速度变化也远不如传统活塞平缓，因此活塞所受的冲击和拉伸较大。因此，对此动力装置的活塞裙部结构进行改进设计是非常有必要的。

实施效果对比

表2总结了本实施例与CN101328855的动力装置的各特性参数的对比。

表2 特性参数对比

	活塞许用应力/Mpa	油耗/g/kWh	燃烧效率	几何压缩比	扫气效率
						现有技术	80	326	88%	6.5	72%
本实施例	147	232	95%	7.9	78%

有益效果

通过本实施例的改进，该自由活塞式内燃机的活塞许用应力增加了83.7%，能有效的延长其寿命，降低维护成本；此外，系统几何压缩比增加了21.6%，有利于燃料的燃烧，进一步地，扫气效率提高了6%，燃烧效率提高了7%；喷嘴组的设置避免了混合气短路损失，使系统油耗降低了约40.5%。

本发明的技术方案至少具有以下优势：

能够实时地判定连杆的位置，以精确地掌控点火时间，避免连杆撞击到气缸盖而损坏该自由活塞式内燃机；此外，该内燃机可以根据工况灵活调节点火参数，以保障该自由活塞式内燃机运行在最优条件；此外，该自由活塞式内燃机利用喷嘴进行缸内直喷燃料，能够有效的避免二冲程内燃机扫气过程中混合气的损失，大幅降低油耗。

本发明技术方案中的活塞式内燃机，还具有点火保护模块，该点火保护模块能够判断连杆与气缸的相对运动情况，当该连杆即将撞上该气缸盖时，强制点火，以实现对该自由活塞式内燃机的保护。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种活塞式内燃机，其特征在于，包括：

活塞组，所述活塞组包括第一活塞和其连通的第二活塞，所述第一活塞和第二活塞均为圆柱型，所述第一活塞的顶部与所述第二活塞的顶部均为平顶，所述第一活塞的顶部与所述第二活塞的顶部均刻有螺旋状凹槽；

气缸，所述气缸包括第一燃烧室和与其连通的第二燃烧室，所述第一燃烧室与所述第二燃烧室对置，所述第一燃烧室的顶部和第二燃烧室的顶部均为取消余隙容积的平顶，所述第一燃烧室的顶部与所述第一活塞的上表面相配合，所述第二燃烧室的顶部与所述第二活塞的上表面相配合；

连杆，设置在所述气缸内，所述连杆在所述第一燃烧室和第二燃烧室之间作往复运动；

喷嘴组，所述喷嘴组包括位于所述第一燃烧室的第一喷嘴和位于所述第二燃烧室的第二喷嘴；

点火系统，所述点火系统包括：

输入信号传感器，所述输入信号传感器包括霍尔传感器和电连接于所述霍尔传感器的直线位移传感器，所述直线位移传感器由所述霍尔传感器触发，所述霍尔传感器设置于所述连杆的运动路线上；

点火执行器；

电连接于所述输入信号传感器且电连接与所述点火执行器的电子控制单元，所述电子控制单元从所述输入信号传感器接收点火控制信号后，控制所述点火执行器点火。

2.如权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于，所述电子控制单元从所述输入信号传感器接收信号后，控制所述点火执行器点火包括：当所述连杆通过时，所述霍尔传感器触发所述直线位移传感器感应所述连杆的位移量，当所述位移量到达预设位移量时，所述电子控制单元控制所述点火执行器点火，所述连杆制动并反向运动。

3.如权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于，还包括：

点火保护模块，所述点火保护模块包括：速度传感器，保护点火执行器和电子保护控制单元，所述电子保护控制单元电连接于所述速度传感器和所述保护点火执行器，所述电子保护控制单元设置有临界速度值，所述速度传感器设置于所述气缸内，所述速度传感器与所述连杆之间设置有预设距离，所述速度传感器感应所述连杆到达所述预设距离时的瞬时速度。

4.如权利要求3所述的活塞式内燃机，其特征在于，所述临界速度值为所述连杆自由压缩时到达其运动极限位置的速度，当所述瞬时速度大于或等于所述临界速度值时，所述电子控制保护单元控制所述保护点火执行器点火。

5.如权利要求3所述的活塞式内燃机，其特征在于，所述电子控制单元包括处理器，所述点火执行器包括点火线圈、火花塞、电压比较器、mos管、12V直流电源、采样电阻、逻辑控制器、二极管、保护电容、保护电阻、和开关；所述火花塞与所述点火线圈的次级相连并接地；所述12V直流电源通过所述开关、所述二极管、所述点火线圈初级与所述mos管的漏极相连，在所述mos管的漏极加入所述保护电容和保护电阻并接地，所述mos管的源极通过所述采样电阻接地；所述点火线圈的初级充电电流与充电限制电流经过所述电压比较器后与所述点火控制信号通过所述逻辑控制器引入所述mos管的栅极，控制所述mos管工作在不同状态下。

6.如权利要求5所述的活塞式内燃机，其特征在于，在预设的点火参考位置，所述电子控制单元控制所述mos管导通，对所述点火线圈初级充电，在点火正时，控制所述mos管截止，在所述点火线圈的次级中产生高压，使所述火花塞点火。

7.如权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于，所述第一燃烧室及所述第二燃烧室分别具有排气口及进气口，分别对称布置于所述第一燃烧室及所述第二燃烧室的末端，所述排气口和进气口受所述连杆往复运动而周期性的开关。

8.如权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于，所述第一喷嘴及所述第二喷嘴分别电连接于所述电子控制单元，在所述第一燃烧室或所述第二燃烧室扫气过程结束后，所述电子控制单元控制所述第一喷嘴或所述第二喷嘴向所述第一燃烧室或所述第二燃烧室喷入燃料。