CN109488471B - 一种自由活塞发动机稳定运行过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由活塞发动机稳定运行过程控制方法，控制方法包括：实时监测自由活塞发动机缸内压力信号和位移信号；控制器根据缸压信号和位移信号利用迭代学习算法对压缩冲程终点进行控制；在当发动机工作于膨胀冲程时，控制器根据缸内燃烧峰值压力估算当前循环燃烧产生的能量；根据所估算的当前循环燃烧能量给定当前循环膨胀冲程电机发电量，以保证活塞组件在随机燃烧循环波动的影响下能够运动到预定位置开始下一循环。本发明的控制方法能够克服汽油内燃机固有的燃烧循环波动，保证自由活塞发动机连续稳定运行。

Description

一种自由活塞发动机稳定运行过程控制方法

技术领域

本发明属于活塞发动机技术领域，特别涉及一种自由活塞发动机稳定运行过程控制方法。

背景技术

自由活塞发动机作为一种新型的能源动力装置，其发展潜力巨大，可以用于混合动力汽车、增程式电动车等多种动力场合，有着广阔的市场潜力。

自由活塞发动机通常有单活塞式、双活塞式和对置活塞三种结构，其主体部分由内燃机、电机组成，单活塞式自由活塞发动机还包含回复装置。

单活塞式自由活塞发动机的具体结构如图1所示，其机械结构通常由扫气室6、活塞组件7、燃烧室8、点火线圈9和喷油嘴10的内燃机部分、电机部分5以及回复装置4组成。

由于汽油机喷油量波动这一固有特性，发动机稳定运行时的燃烧循环波动是无法避免的。常规的内燃机由于有飞轮这样的储能装置以及曲柄连杆机构的约束，活塞的运动较为固定，这些扰动无法对活塞的运动造成影响。但是自由活塞发动机取消了曲柄连杆及飞轮结构，活塞的运动较为自由，容易受到来自缸内循环燃烧波动的干扰，造成自由活塞发动机运动失稳，难以实现连续稳定运行。目前，由于循环燃烧波动造成的难于稳定运行是导致自由活塞发动机未曾大规模商业化应用的主要困难之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由活塞发动机稳定运行过程控制方法，能够保证自由活塞发动机连续稳定运行，有效提高自由活塞发动机工作稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自由活塞发动机稳定运行过程控制方法，包括以下步骤：

10)采集发动机信号：实时监测缸内压力信号和活塞位移信号，具体包括：

11)实时监测缸内压力信号和活塞位移信号；

12)根据活塞位移信号求导计算得到活塞运动的速度；

20)控制压缩冲程终点：以上一循环电机发电量为基础，以上一循环与本循环压缩冲程起点差、上一循环与预定压缩冲程终点差两个量为参考，采用迭代学习控制算法对压缩冲程终点进行控制，具体包括：

21)根据活塞位移信号比较当前循环压缩冲程起点和上一循环压缩冲程起点并得到上一循环与本循环压缩冲程起点差；

22)根据活塞位移信号比较预定的压缩冲程终点和上一循环的压缩冲程终点得到上一循环与预定的压缩冲程终点差；

23)以上一循环膨胀冲程发电量为基础，以根据活塞位移信号得到的上一循环与本循环压缩冲程起点差、上一循环与预定压缩冲程终点差为参考，通过迭代学习控制算法给出本循环压缩冲程发电量，控制器不断计算本循环压缩冲程的实际发电量，并与之前给出的目标发电量进行比较，当实际发电量达到预定的发电量时，电机终止发电，使活塞能够到达预定的压缩冲程终点目标位置；

24)对活塞运动的速度进行判断，若反向，则自由活塞发动机开始膨胀冲程工作，控制器控制膨胀冲程终点；

25)若活塞运动速度未反向，则继续压缩冲程工作；

30)控制膨胀冲程终点：当活塞运动到预定位置或者到预定时刻时，控制器采集此前出现的缸内燃烧峰值压力，通过燃烧峰值压力算出当前循环膨胀冲程的目标发电量，通过调节膨胀冲程发电量来保证活塞组件能够到达到预定的终点位置，具体包括：

31)根据缸内压力信号进行比较判断，当到达预定时刻或者活塞到达预定位置时，获取之前出现的缸内燃烧峰值压力；

32)控制器根据此前缸内出现的燃烧峰值压力估算当前循环燃烧产生的能量；；

33)计算当前循环膨胀冲程的电机发电量，使剩余的燃烧能量能够保证活塞到达预定的膨胀冲程终点，继续开始下一循环；

34)判断活塞运动速度，若反向，则自由活塞发动机一个工作循环完成，开始下一循环的压缩冲程；

35)若活塞运动组件速度未反向，则继续膨胀冲程工作。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

本发明公开的控制策略基于燃烧能量对自由活塞发动机进行控制，通过缸内燃烧峰值压力估算燃烧的能量，而后根据能量平衡原理给出当前循环的目标发电量，克服了汽油机固有的燃烧循环波动对自由活塞发动机的影响。有效提高了自由活塞发动机工作稳定性。经过仿真和试验验证，自由活塞发动机稳定运行工况时的活塞运动可以得到有效控制。

附图说明

图1为单活塞式自由活塞发动机结构图。

图2为本发明自由活塞发动机稳定运行过程控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，实施例所用的自由活塞发动机包括控制器1、功率变换器2、储能装置3、回复装置4、电机5以及由扫气室6、活塞运动组件7、气缸8、点火线圈9、喷油嘴10。

实施例中的发动机为二冲程发动机，压缩冲程时活塞组件7在回复装置4推动下向上运动，同时喷油嘴10向缸内喷射燃料，压缩冲程的终点由迭代学习算法进行控制，当活塞组件7到达某位置时，点火线圈9对缸内混合气进行点燃，控制器1根据缸内出现的峰值压力对当前循环燃烧能量进行估算，而后决定本循环膨胀冲程的发电量，以保证活塞能够到达预定的膨胀冲程终点位置，继续下一循环。

本实施例自由活塞发动机稳定运行过程控制方法包括以下步骤：

10)采集发动机信号：实时监测缸内压力信号和活塞位移信号，具体包括：

11)实时监测缸内压力信号和活塞位移信号；

12)根据活塞位移信号求导计算得到活塞运动的速度；

20)控制压缩冲程终点：以上一循环电机发电量为基础，以上一循环与本循环压缩冲程起点差、上一循环与预定压缩冲程终点差两个量为参考，采用迭代学习控制算法对压缩冲程终点进行控制，具体包括：

21)根据活塞位移信号比较当前循环压缩冲程起点和上一循环压缩冲程起点并得到上一循环与本循环压缩冲程起点差；

22)根据活塞位移信号比较预定的压缩冲程终点和上一循环的压缩冲程终点得到上一循环与预定的压缩冲程终点差；

23)以上一循环膨胀冲程发电量为基础，以根据活塞位移信号得到的上一循环与本循环压缩冲程起点差、上一循环与预定压缩冲程终点差为参考，通过迭代学习控制算法给出本循环压缩冲程发电量，控制器不断计算本循环压缩冲程的实际发电量，并与之前给出的目标发电量进行比较，当实际发电量达到预定的发电量时，电机终止发电，使活塞能够到达预定的压缩冲程终点目标位置；

24)对活塞运动的速度进行判断，若反向，则自由活塞发动机开始膨胀冲程工作，控制器控制膨胀冲程终点；

25)若活塞运动速度未反向，则继续压缩冲程工作；

30)控制膨胀冲程终点：当活塞运动到预定位置或者到预定时刻时，控制器采集此前出现的缸内燃烧峰值压力，通过燃烧峰值压力估算出当前循环燃烧产生的能量，根据燃烧能量、电机发电量、弹簧弹性势能和扫气室压力能之间的能量平衡关系计算得到当前循环膨胀冲程的目标发电量。通过调节膨胀冲程发电量来保证活塞组件能够到达到预定的终点位置，具体包括：

31)根据缸内压力信号进行比较判断，当到达预定时刻或者活塞到达预定位置时，获取之前出现的缸内燃烧峰值压力；

32)控制器根据此前缸内出现的燃烧峰值压力估算当前循环燃烧产生的能量；；

33)计算当前循环膨胀冲程的电机发电量，使剩余的燃烧能量能够保证活塞到达预定的膨胀冲程终点，继续开始下一循环；

34)判断活塞运动速度，若反向，则自由活塞发动机一个工作循环完成，开始下一循环的压缩冲程；

35)若活塞运动组件速度未反向，则继续膨胀冲程工作。

本发明的控制方法经过仿真和实际试验证明，可以稳定高效的克服自由活塞发动机稳定运行时出现的燃烧循环波动，实现样机的连续稳定运行，保证样机稳定工作室的可靠性和稳定性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种自由活塞发动机稳定运行过程控制方法，所述发动机为二冲程发动机，其特征在于，包括以下步骤：

10)采集发动机信号：实时监测缸内压力信号和活塞位移信号，具体包括：

11)实时监测缸内压力信号和活塞位移信号；

12)根据活塞位移信号求导计算得到活塞运动的速度；

20)控制压缩冲程终点：以上一循环膨胀冲程发电量为基础，以上一循环与本循环压缩冲程起点差、上一循环与预定压缩冲程终点差两个量为参考，采用迭代学习控制算法对压缩冲程终点进行控制，具体包括：

21)根据活塞位移信号比较当前循环压缩冲程起点和上一循环压缩冲程起点并得到上一循环与本循环压缩冲程起点差；

22)根据活塞位移信号比较预定的压缩冲程终点和上一循环的压缩冲程终点得到上一循环与预定的压缩冲程终点差；

23)以上一循环膨胀冲程发电量为基础，以根据活塞位移信号得到的上一循环与本循环压缩冲程起点差、上一循环与预定压缩冲程终点差为参考，通过迭代学习控制算法给出本循环压缩冲程发电量，控制器不断计算本循环压缩冲程的实际发电量，并与之前给出的目标发电量进行比较，当实际发电量达到预定的发电量时，电机终止发电，使活塞能够到达预定的压缩冲程终点目标位置；

24)对活塞运动的速度进行判断，若反向，则自由活塞发动机开始膨胀冲程工作，控制器控制膨胀冲程终点；

25)若活塞运动速度未反向，则继续压缩冲程工作；

30)控制膨胀冲程终点：当活塞运动到预定位置或者到预定时刻时，控制器采集此前出现的缸内燃烧峰值压力，通过燃烧峰值压力算出当前循环膨胀冲程的目标发电量，通过调节膨胀冲程发电量来保证活塞组件能够到达到预定的终点位置，具体包括：

31)根据缸内压力信号进行比较判断，当到达预定时刻或者活塞到达预定位置时，获取之前出现的缸内燃烧峰值压力；

32)控制器根据此前缸内出现的燃烧峰值压力估算当前循环燃烧产生的能量；

33)计算当前循环膨胀冲程的电机发电量，使剩余的燃烧能量能够保证活塞到达预定的膨胀冲程终点，继续开始下一循环；

34)判断活塞运动速度，若反向，则自由活塞发动机一个工作循环完成，开始下一循环的压缩冲程；

35)若活塞运动组件速度未反向，则继续膨胀冲程工作。

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