CN109736957B - 一种自由活塞发动机启动过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由活塞发动机启动过程控制方法。在其启动过程中，对其缸内压力信号和活塞运动信号进行检测，控制器根据信号算出当前的缸内循环指示功，判断启动时的燃烧状态，对电机的工作模式进行调节，保证在缸内出现失火、后燃以及燃烧压力不足的不正常燃烧情况下，运动组件都能按照控制要求到达预定的冲程终点位置，完成自由活塞发动机的冷机启动。上述的控制方法，可以保证自由活塞发动机稳定高效启动。

Description

一种自由活塞发动机启动过程控制方法

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启动过程控制方法。

背景技术

自由活塞发动机是目前一种新型的能量转换系统，不同于传统的内燃机，自由活塞发动机去除了传统的曲柄连杆机构，其活塞的运动相对自由。这带来了压缩比可变、摩擦损耗小、燃料普适性强等一系列优势。目前已经有大量仿真和试验室原理性样机证明，自由活塞发动机相对于传统发动机在效率和环保型上有着显著优势。

目前常见的自由活塞发动机有单活塞、双活塞和对置活塞三种形式，主要部件有内燃机、电机构成，单活塞式自由活塞发动机由于结构不对称还有回复装置。

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组成的内燃机部分、电机部分5以及回复装置4组成。

在冷机启动时，电机部分5的电机动子驱动活塞压缩回复装置4到达下换向点，而后活塞组件7在回复装置4的推动下进行压缩冲程，喷油嘴10在压缩冲程中按照控制器信号进行喷油；而后点火线圈9对缸内混合气进行点燃，进行膨胀冲程。

目前自由活塞发动机的稳定高效启动是当下亟需解决的一个重点问题，由于自由活塞发动机冷机启动的燃烧环境不好，容易出现失火与不充分燃烧的现象。当缸内出现失火或者不充分燃烧时，现有的控制策略难以准确判断此时缸内是否燃烧，从而无法对电机的工作模式进行控制；启动过程中的燃烧变化范围较大，燃烧的好坏决定了电机发电量的多少，准确判断燃烧状态从而对活塞的运动进行有效的主动控制也是当前启动过程控制策略的难点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定高效启动自由活塞发动机的控制方法。

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启动过程控制方法，包括以下步骤：

10)采集发动机信号:实时采集活塞运动的位移信号和缸内压力信号，具体包括：

11)全程实时监测活塞的位移信号和缸内压力信号；

12)对位移信号进行计算得到活塞运动速度信号；

20)驱动过程：将活塞驱动至压缩冲程始点，具体包括：

21)电机以电动模式工作，驱动活塞从初始位置运动；

22)根据位移信号对活塞的位置进行判断，若到达预定的压缩冲程起点，则开始压缩冲程循环；

23)若没有到达预定的压缩冲程起点，则电机继续驱动活塞运动；

30)压缩冲程：自由活塞发动机开始压缩冲程工作循环，具体包括：

31)控制器根据活塞的位置给定当前循环压缩冲程的电机发电量；

32)当活塞运动到预定位置时，控制器给出喷油点火信号；

33)活塞在所给发电量的控制下，到达预定的压缩冲程终点位置，同时根据活塞速度信号判断，若速度反向则自由活塞发动机开始进行膨胀冲程；

34)若活塞速度信号未反向，则继续压缩冲程；

40)膨胀冲程：自由活塞发动机开始膨胀冲程工作循环，具体包括：

41)当活塞运动至预定位置时，控制器根据缸内压力信号和活塞位移信号计算当前缸内循环指示功大小；

42)控制器将计算得到的循环指示功同设定值进行比较，

43)若缸内的循环指示功小于设定值，则缸内混合气未被点燃，出现失火现象，电机转化为电动机工作，由电动机驱动活塞到达预定的终点位置，准备进入下一循环；

44)若缸内的循环指示功大于或等于设定值，则缸内混合气被点燃，控制器根据循环指示功判断此时缸内的燃烧状况，是否出现后燃或者压力不足的不正常燃烧的情况，并根据循环指示功大小给定当前循环膨胀冲程的电机发电量，电机作为发电机工作，将燃烧产生的部分能量转化为电能，同时保证剩余能量能够使活塞达到预定的膨胀冲程终点，准备进入下一循环。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

本发明通过在启动过程中，对其缸内压力信号和活塞运动信号进行检测，控制器根据信号算出当前的缸内循环指示功，判断启动时的燃烧状态，对电机的工作模式进行调节，保证在缸内出现失火、后燃等不正常燃烧的情况下，运动组件都能按照控制要求到达预定的冲程终点位置，完成自由活塞发动机的冷机启动，克服了冷机启动过程中出现的失火、后燃等不正常燃烧状况，稳定高效启动自由活塞发动机，有利于自由活塞发动机快速过渡到稳定工况。

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启动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。

冷机启动时，活塞运动组件7在电机5的驱动向下运动压缩回复装置4至下换向点，随后在回复装置4推动下向上开始压缩冲程，当到达某位置时，喷油嘴10向缸内喷油，火花塞9对混合气进行点火。

在某时刻控制器1对根据缸压和位移信号算得的缸内循环指示功进行判断，若缸内循环指示功大于设定值，则表明混合气被点燃，电机此时作为发电机工作，发电量根据循环指示功的大小决定，电机发电吸收混合气燃烧产生的一部分能量，从而保证剩下的能量足够使活塞运动至预定的膨胀冲程终点位置；若缸内循环指示功小于设定值，则表明混合气没有被点燃，电机转化为电动机工作，由电机驱动活塞运动组件到达预定的膨胀冲程终点位置。

结合图2，本实施例自由活塞发动机启动过程控制方法包括以下步骤：

10)采集发动机信号:实时采集活塞运动的位移信号和缸内压力信号，具体包括：

11)全程实时监测活塞的位移信号和缸内压力信号；

12)对位移信号进行计算得到活塞运动速度信号；

20)驱动过程：将活塞驱动至压缩冲程始点，具体包括：

21)电机以电动模式工作，驱动活塞从初始位置运动；

22)根据位移信号对活塞的位置进行判断，若到达预定的压缩冲程起点，则开始压缩冲程循环；

23)若没有到达预定的压缩冲程起点，则电机继续驱动活塞运动；

30)压缩冲程：自由活塞发动机开始压缩冲程工作循环，具体包括：

31)控制器根据活塞的位置给定当前循环压缩冲程的电机发电量；

32)当活塞运动到预定位置时，控制器给出喷油点火信号；

33)活塞在所给发电量的控制下，到达预定的压缩冲程终点位置，同时根据活塞速度信号判断，若速度反向则自由活塞发动机开始进行膨胀冲程；

34)若活塞速度信号未反向，则继续压缩冲程；

40)膨胀冲程：自由活塞发动机开始膨胀冲程工作循环，具体包括：

41)当活塞运动至预定位置时，控制器根据缸内压力信号和活塞位移信号计算当前缸内循环指示功大小；

42)控制器将计算得到的循环指示功同设定值进行比较，

43)若缸内的循环指示功小于设定值，则缸内混合气未被点燃，出现失火现象，电机转化为电动机工作，由电动机驱动活塞到达预定的终点位置，准备进入下一循环；

44)若缸内的循环指示功大于或等于设定值，则缸内混合气被点燃，控制器根据循环指示功判断此时缸内的燃烧状况，是否出现后燃或者压力不足的不正常燃烧的情况，并根据循环指示功大小给定当前循环膨胀冲程的电机发电量，电机作为发电机工作，将燃烧产生的部分能量转化为电能，同时保证剩余能量能够使活塞达到预定的膨胀冲程终点，准备进入下一循环。

本发明的控制方法经过实际试验证明，可以克服自由活塞发动机冷机启动中出现的各种不正常燃烧现象，成功启动自由活塞发动机，保证了自由活塞发动机的稳定高效启动。

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启动过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

10)采集发动机信号:实时采集活塞运动的位移信号和缸内压力信号，具体包括：

11)全程实时监测活塞的位移信号和缸内压力信号；

12)对位移信号进行计算得到活塞运动速度信号；

20)驱动过程：将活塞驱动至压缩冲程起点，具体包括：

21)电机以电动模式工作，驱动活塞从初始位置运动；

22)根据位移信号对活塞的位置进行判断，若到达预定的压缩冲程起点，则开始压缩冲程循环；

23)若没有到达预定的压缩冲程起点，则电机继续驱动活塞运动；

30)压缩冲程：自由活塞发动机开始压缩冲程工作循环，具体包括：

31)控制器根据活塞的位置给定当前循环压缩冲程的电机发电量；

32)当活塞运动到预定位置时，控制器给出喷油点火信号；

33)活塞在所给发电量的控制下，到达预定的压缩冲程终点位置，同时根据活塞速度信号判断，若速度反向则自由活塞发动机开始进行膨胀冲程；

34)若活塞速度信号未反向，则继续压缩冲程；

40)膨胀冲程：自由活塞发动机开始膨胀冲程工作循环，具体包括：

41)当活塞运动至预定位置时，控制器根据缸内压力信号和活塞位移信号计算当前缸内循环指示功大小；

42)控制器将计算得到的循环指示功同设定值进行比较，

43)若缸内的循环指示功小于设定值，则缸内混合气未被点燃，出现失火现象，电机转化为电动机工作，由电动机驱动活塞到达预定的终点位置，准备进入下一循环；

44)若缸内的循环指示功大于或等于设定值，则缸内混合气被点燃，控制器根据循环指示功判断此时缸内的燃烧状况，是否出现后燃或者压力不足的不正常燃烧的情况，并根据循环指示功大小给定当前循环膨胀冲程的电机发电量，电机作为发电机工作，将燃烧产生的部分能量转化为电能，同时保证剩余能量能够使活塞达到预定的膨胀冲程终点，准备进入下一循环。

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