CN106194426A - 一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，涉及用于发电系统切换过程的控制方法，属于能源动力领域。本发明包括如下步骤：在切换过程中，首先根据当前自由活塞直线发电系统状态和切换条件计算能接通负载系统的负载F_g值；接通负载系统后，根据当前状态和切换条件计算需要逐步减少电机力的次数n；再根据当前状态判断是否满足切换条件，如满足切换条件，逐次减少电机力直到电机力F_m为0，完成电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式。本发明能够实现自由活塞直线发电系统从启动过程到发电过程的顺利过渡，确保自由活塞直线发电系统稳定连续运行，此外，还具有适用范围广和切换过程不受电机力大小影响的优点。

Description

一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于发电系统切换过程的控制方法，尤其涉及一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，属于能源动力领域。

背景技术

随着日趋严格的排放法规的实施和消费者对于燃油消耗率的高要求，全球研究者在提高传统发动机效率和性能的同时，亦着手研发新型能量转化装置。自由活塞直线发电系统作为新型能量转换装置的一个典型代表，因其具有结构简单，能量转换效率高，功率密度大、多燃料适应性等众多优势，具有极大的应用前景。

自由活塞直线发电系统是由两个自由活塞式内燃机与一个直线电机耦合而成。其工作原理是左右两侧内燃机气缸的混合气交替燃烧，推动活塞及电机动子往复运动，切割磁力线，产生电能，实现燃料化学能向电能的直接转化。根据自由活塞直线发电系统工作原理，我们可以发现其过程分为三个过程：启动过程、切换过程和发电过程。因为自由活塞直线发电系统的特殊结构特点和运行机理，我们可以通过控制电机工作模式，实现样机从启动过程到切换过程再到发电过程的顺利转换，并且无需其他辅助装置。分析自由活塞直线发电系统三个工作过程可以发现，在启动过程中，电机运行为电动机工作模式，电动机提供一个恒定电机力，方向与活塞运动方向相同，推动活塞往复运动实现内燃机启动；切换过程是将电机从电动机工作模式切换成发电机工作模式，以便顺利进入发电过程，其工作原理是先将自由活塞直线发电系统与负载系统接通，然后当测控系统判定满足切换条件之后逐步减少电机力直到电机力为0；发电过程中，电机运行在发电机工作模式，利用电机动子往复运动切割磁力线产生电能。由于自由活塞直线发电系统在启动过程和发电过程中，电机工作模式较为简单——单一工作模式下运行(即启动过程中电机运行为电动机工作模式，发电过程中电机运行为发电机工作模式)；但是在切换过程中，先将自由活塞直线发电系统与负载系统接通，然后当测控系统判定满足切换条件之后逐步减少电机力直到电机力为0。由此可以发现，当接通负载系统之后，只有当自由活塞直线发电系统在满足切换条件时才可以逐步减少电机力实现电机工作模式进行切换，所以对自由活塞直线发电系统切换控制及切换条件的判别才是切换过程的重点，才是实现电机工作模式切换的成功的关键。所以，在切换过程中，因此，这就需要一套切实可行的切换控制方法和切换条件的判别方法来判断自由活塞直线发电系统当前的运行状态是否满足切换条件，实现电机顺利从电动机工作模式向发电机工作模式顺利切换，以便实现自由活塞直线发电系统从启动过程到发电过程的顺利过渡。

发明内容

本发明公开的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，要解决的技术问题是提供使自由活塞直线发电系统从启动过程到发电过程顺利过渡的切换条件，并提供基于上述切换条件的将电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式的控制方法，进而实现自由活塞直线发电系统从启动过程到发电过程的顺利过渡，确保自由活塞直线发电系统稳定连续运行。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

所述的自由活塞直线发电系统是由两个自由活塞式内燃机与一个直线电机耦合而成。两个自由活塞式内燃机对称布置在直线电机左右两侧。所述的两个自由活塞式内燃机分别定义为左侧内燃机和右侧内燃机。其工作原理是左右两侧内燃机气缸内的混合气交替点火燃烧，产生高温高压气体推动活塞及电机动子往复运动，切割磁力线，产生电能，将燃料的化学能直接转化成电能。

本发明公开的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，由于自由活塞直线发电系统在切换过程中，先将自由活塞直线发电系统与负载系统接通，然后当测控系统判定满足切换条件之后再采用逐步减少电机力直到电机力为0的控制方法实现自由活塞直线发电系统的电机工作模式切换。所以当接通负载系统之后，只有当自由活塞直线发电系统在满足切换条件时才逐步减少电机力实现电机工作模式进行切换，所以每次在接通负载之前和减少电机力之前都需要判别当前自由活塞直线发电系统运行状态是否达到切换，满足切换条件时，逐次减少电机力F_m，直到电机力F_m为0，完成自由活塞直线发电系统的电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式。

本发明公开的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：在切换过程中首先根据当前自由活塞直线发电系统状态和切换条件计算出能接通负载系统的负载F_g值。

在切换过程中，切换前电机运行为电动机工作模式，电动机提供方向与活塞运动方向相同的恒定电机力，推动活塞往复运动实现内燃机启动。所述的使自由活塞直线发电系统从启动过程到发电过程顺利过渡的切换条件为：保证将自由活塞直线发电系统与负载系统接通，并且确保在接通负载系统之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行，即左、右两侧气缸都能达到着火条件：条件1.气缸压力能达到p₀bar；条件2.压缩比能达到a，如公式(1)所以：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{V}{V-A\·x_{TDC}}\\ p_L\≥p_0\\ \mathrm{\ϵ}\≥a\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，ε为压缩比,V为内燃机气缸最大容积，A为活塞顶面法向投影面积(m²)，x_TDC为活塞有效工作行程。p_L左侧内燃机气缸内的气体压力(bar),p₀内燃机气缸内气体满足着火条件的压力(bar)，a内燃机气缸内气体满足着火条件的压缩比。

所以在切换过程中首先根据自由活塞直线发电系统当前状态和切换条件计算出能接通负载系统的的负载F_g值，在自由活塞直线发电系统在切换过程中，将自由活塞直线发电系统在接通负载之前，根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，在满足公式(1)的前提下采用公式(2)能够计算得出负载F_g的大小。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f+F_m-F_g---\left(2\right)$

其中，m为运动组件的总质量(kg)，x为活塞的位移(m)，F_f为摩擦力(N)，F_m为恒定电机力(N)，F_g为负载(N)，p_L和p_R分别为左右两侧内燃机气缸内的气体压力(bar)。

步骤二：在切换过程中，自由活塞直线发电系统在接通负载系统之后，根据自由活塞直线发电系统当前状态和步骤一所述的切换条件计算得出需要逐步减少电机力的次数n，即切换次数n。

在切换过程中，将自由活塞直线发电系统与负载系统接通，由于步骤一已得到负载F_g值的大小，然后根据自由活塞直线发电系统当前状态，即根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，在满足公式(1)的前提下采用公式(3)能够计算得出需要逐步减少电机力的次数n，即切换次数n。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f+\frac{n-1}{n}{F}_m-F_g---\left(3\right)$

步骤三：切换过程中，在确定好切换次数n之后再根据当前自由活塞直线发电系统状态判断是否满足逐步减少电机力的切换条件，如满足切换条件，再次减少转入步骤四。

在切换过程中，自由活塞直线发电系统的测控系统在算出切换次数n之后，根据自由活塞直线发电系统当前状态，判别是否达到减少的条件。并且确保在减少之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行。即左、右两侧气缸都能达到点火条件：条件1.气缸压力能达到p₀bar；条件2.压缩比能达到a，如公式(1)所以。因此，在步骤二得到切换次数n之后，然后根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，采用公式(3)判别是否满足逐步减少电机力的切换条件，如果测控系统判断自由活塞直线发电系统当前状态满足切换条件时，再次减少转入步骤四。

步骤四：重复进行步骤三，逐次减少电机力F_m，直到电机力F_m为0，即自由活塞当前运行状态如公式(4)所示。至此，完成自由活塞直线发电系统的电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f-F_g---\left(4\right)$

有益效果：

1、本发明公开的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，提供使自由活塞直线发电系统从启动过程到发电过程顺利过渡的切换条件，并提供基于上述切换条件的将电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式的控制方法，能够系统性解决由于切换过程中电机力工作模式转换引起的波动等一系列问题，可以实现电机从电动机工作模式到发电机工作模式的顺利转换，确保自由活塞直线发电系统稳定连续运行。而且该方法简单且可靠性高，无需其他系统辅助完成电机工作模式切换。

2、本发明公开的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，适用范围广，不仅仅适用于汽油燃料自由活塞直线发电系统，亦可适用于其他燃料的自由活塞直线发电系统，仅仅将其点火条件设置成所用燃料的点火条件即可。

3、本发明公开的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，在切换过程中不受电机力大小影响。当电机力较大时，通过增加切换次数实现自由活塞直线发电系统的电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式；当电机力较少时，通过一次切换即能够实现自由活塞直线发电系统的电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式。

附图说明

图1为本发明的自由活塞直线发电系统结构示意图；

图2为本发明的自由活塞直线发电系统活塞组件的受力分析图；

图3为本发明的自由活塞直线发电系统的切换方法原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。以汽油燃料自由活塞直线发电系统为例进行说明。

实施例1：

本实施例公开的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：在切换过程中首先根据当前自由活塞直线发电系统状态和切换条件计算出能接通负载系统的负载F_g值。

在切换过程中，一开始电机运行为电动机工作模式，电动机提供一个方向与活塞运动方向相同的恒定电机力，推动活塞往复运动实现内燃机启动。所以在切换过程中首先根据自由活塞直线发电系统当前状态和切换条件计算出能接通负载系统的负载F_g值。并且确保在接通负载系统之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行。即左、右两侧气缸都能达到着火条件：1.气缸压力能达到10bar；2.压缩比能达到8，如公式(5)所以。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{V}{V-A\·x_{TDC}}\\ p_L\≥10\\ \mathrm{\ϵ}\≥8\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，压缩比ε为8,内燃机气缸最大容积V为100cc，活塞顶面法向投影面积A为0.0023m²，活塞有效工作行程x_TDC为0.036mm。左侧内燃机气缸内气体满足着火条件的压力p_L为10bar。

在自由活塞直线发电系统在切换过程中，将自由活塞直线发电系统在接通负载之前，根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，在满足公式(5)的前提下采用公式(6)能够计算得出负载大小F_g为200N。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f+F_m-F_g---\left(6\right)$

其中，运动组件的总质量m为5kg，活塞的位移x为(m)，摩擦力F_f为50N，恒定电机力F_m为300N，负载大小F_g为(N)，p_L和p_R为左右两侧内燃机气缸内的气体压力(bar)。

步骤二：在切换过程中在接通负载系统之后再根据当前自由活塞直线发电系统状态计算出需要逐步减少电机力的次数，即切换次数n。在切换过程中，自由活塞直线发电系统在接通负载系统之后，根据自由活塞直线发电系统当前状态和切换条件计算得出需要逐步减少电机力的次数。并且确保在接通负载系统之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行。即左、右两侧气缸都能达到点火条件：1.气缸压力能达到10bar；2.压缩比能达到8。因此，在步骤一完成之后得到负载F_g为200N，将自由活塞直线发电系统与负载系统接通，然后根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，在满足公式(5)的前提下采用公式(7)能够计算得出需要逐步减少电机力的次数n为4，即切换次数4。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f+\frac{3}{4}{F}_m-F_g---\left(7\right)$

步骤三：在切换过程中在确定好切换次数之后再根据当前自由活塞直线发电系统状态判断是否满足逐步减少电机力的切换条件。在切换过程中，自由活塞直线发电系统的测控系统在算出切换次数4之后，根据自由活塞直线发电系统当前状态，判别是否达到减少的条件。并且确保在减少之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行。即左、右两侧气缸都能达到点火条件：1.气缸压力能达到10bar；2.压缩比能达到8。因此，在步骤2完成得到切换次数4之后，然后根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，在满足公式(5)的前提下采用公式(7)判别是否满足逐步减少电机力的条件。如果不满足逐步减少电机力的条件时，自由活塞直线发电系统继续维持现状；如果满足逐步较少电机力的条件时，自由活塞直线发电系统的电机力减少

步骤四：当在步骤三完成电机力减少之后，如果测控系统判断自由活塞直线发电系统当前状态满足切换条件时，再次减少采用公式(8)，并且确保在再次减少之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行。即左、右两侧气缸都能达到点火条件：1.气缸压力能达到10bar；2.压缩比能达到8。如果不满足逐步减少电机力的条件时，自由活塞直线发电系统继续维持现状。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f+\frac{2}{4}{F}_m-F_g---\left(8\right)$

步骤五：当在步骤四完成电机力减少之后，如果测控系统判断自由活塞直线发电系统当前状态满足切换条件时，再次减少采用公式(9)，并且确保在再次减少之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行。即左、右两侧气缸都能达到点火条件：1.气缸压力能达到10bar；2.压缩比能达到8。如果不满足逐步减少电机力的条件时，自由活塞直线发电系统继续维持现状。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f+\frac{1}{4}{F}_m-F_g---\left(9\right)$

步骤六：当在步骤五完成电机力减少之后，如果测控系统判断自由活塞直线发电系统当前状态满足切换条件时，再次减少采用公式(10)，并且确保在再次减少之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行。即左、右两侧气缸都能达到点火条件：1.气缸压力能达到10bar；2.压缩比能达到8。如果不满足逐步减少电机力的条件时，自由活塞直线发电系统继续维持现状。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f-F_g---\left(10\right)$

至此，完成汽油燃料自由活塞直线发电系统的切换过程，实现电机从电动机工作模式切换成发电机工作模式，保证汽油燃料自由活塞直线发电系统的稳定连续运行。

并且，针对其他燃料自由活塞直线发电系统而言，采用此切换控制方法和判断方法是，仅仅将着火判断条件改成所用燃料的着火条件即可，其他切换方法和切换条件判断方法不变，完成自由活塞直线发电系统的切换过程，实现电机从电动机工作模式切换成发电机工作模式，保证自由活塞直线发电系统的稳定连续运行。

需要说明，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：在切换过程中首先根据当前自由活塞直线发电系统状态和切换条件计算出能接通负载系统的负载F_g值；

步骤二：在切换过程中，自由活塞直线发电系统在接通负载系统之后，根据自由活塞直线发电系统当前状态和步骤一所述的切换条件计算得出需要逐步减少电机力的次数n，即切换次数n；

步骤三：切换过程中，在确定好切换次数n之后再根据当前自由活塞直线发电系统状态判断是否满足逐步减少电机力的切换条件，如满足切换条件，再次减少转入步骤四；

步骤四：重复进行步骤三，逐次减少电机力F_m，直到电机力F_m为0，至此，完成自由活塞直线发电系统的电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式。

2.如权利要求1所述的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，其特征在于：

所述的步骤一具体实现方法为，在切换过程中，切换前电机运行为电动机工作模式，电动机提供方向与活塞运动方向相同的恒定电机力，推动活塞往复运动实现内燃机启动；所述的使自由活塞直线发电系统从启动过程到发电过程顺利过渡的切换条件为：保证将自由活塞直线发电系统与负载系统接通，并且确保在接通负载系统之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行，即左、右两侧气缸都能达到着火条件：条件1.气缸压力能达到p₀bar；条件2.压缩比能达到a，如公式(1)所以：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{V}{V-A\·x_{TDC}}\\ p_L\≥p_0\\ \mathrm{\ϵ}\≥a\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，ε为压缩比,V为内燃机气缸最大容积，A为活塞顶面法向投影面积(m²)，x_TDC为活塞有效工作行程；p_L左侧内燃机气缸内的气体压力(bar),p0内燃机气缸内气体满足着火条件的压力(bar)，a内燃机气缸内气体满足着火条件的压缩比；

所以在切换过程中首先根据自由活塞直线发电系统当前状态和切换条件计算出能接通负载系统的的负载F_g值，在自由活塞直线发电系统在切换过程中，将自由活塞直线发电系统在接通负载之前，根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，在满足公式(1)的前提下采用公式(2)能够计算得出负载F_g的大小；

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f+F_m-F_g---\left(2\right)$

其中，m为运动组件的总质量(kg)，x为活塞的位移(m)，F_f为摩擦力(N)，F_m为恒定电机力(N)，F_g为负载(N)，p_L和p_R分别为左右两侧内燃机气缸内的气体压力(bar)；

所述的步骤二具体实现方法为，在切换过程中，将自由活塞直线发电系统与负载系统接通，由于步骤一已得到负载F_g值的大小，然后根据自由活塞直线发电系统当前状态，即根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，在满足公式(1)的前提下采用公式(3)能够计算得出需要逐步减少电机力的次数n，即切换次数n；

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f+\frac{n-1}{n}{F}_m-F_g---\left(3\right)$

所述的步骤三具体实现方法为，在切换过程中，自由活塞直线发电系统的测控系统在算出切换次数n之后，根据自由活塞直线发电系统当前状态，判别是否达到减少的条件；并且确保在减少之后自由活塞直线发电系统亦能连续运行；即左、右两侧气缸都能达到点火条件：条件1.气缸压力能达到p₀bar；条件2.压缩比能达到a，如公式(1)所以；因此，在步骤二得到切换次数n之后，然后根据测控系统检测到右侧气缸的峰值压力，采用公式(3)判别是否满足逐步减少电机力的切换条件，如果测控系统判断自由活塞直线发电系统当前状态满足切换条件时，再次减少转入步骤四；

所述的步骤四具体实现方法为，重复进行步骤三，逐次减少电机力F_m，直到电机力F_m为0，即自由活塞当前运行状态如公式(4)所示；至此，完成自由活塞直线发电系统的电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=(p_L-p_R)A-F_f-F_g---\left(4\right)$

3.如权利要求1或2所述的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，其特征在于：适用范围广，不仅仅适用于汽油燃料自由活塞直线发电系统，亦可适用于其他燃料的自由活塞直线发电系统，仅仅将其点火条件设置成所用燃料的点火条件即可。

4.如权利要求1或2所述的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，其特征在于：在切换过程中不受电机力大小影响；当电机力较大时，通过增加切换次数实现自由活塞直线发电系统的电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式；当电机力较少时，通过一次切换即能够实现自由活塞直线发电系统的电机从电动机工作模式切换到发电机工作模式。

5.如权利要求1或2所述的一种用于自由活塞直线发电系统切换过程的控制方法，其特征在于：所述的自由活塞直线发电系统是由两个自由活塞式内燃机与一个直线电机耦合而成；两个自由活塞式内燃机对称布置在直线电机左右两侧；所述的两个自由活塞式内燃机分别定义为左侧内燃机和右侧内燃机；其工作原理是左右两侧内燃机气缸内的混合气交替点火燃烧，产生高温高压气体推动活塞及电机动子往复运动，切割磁力线，产生电能，将燃料的化学能直接转化成电能。