CN111140349A - 自由活塞位置检测机构、发动机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热能与动力技术领域，具体涉及一种自由活塞位置检测机构、发动机及其控制方法。本发明中的自由活塞位置检测机构包括活塞、活塞杆、旋转盘和检测单元，活塞杆的一端与活塞相连，旋转盘上设有多个凸起，传动单元用于连接活塞杆和旋转盘，检测单元用于检测多个凸起的位置，当活塞运动时，活塞杆和传动单元能够带动旋转盘进行转动，检测单元能够检测多个凸起的位置，从而判断活塞的位置。通过使用本技术方案中的自由活塞位置检测机构，增加了旋转盘，放大了移动信号，将传统内燃机点火控制应用于自由活塞点火控制，提高了点火和喷射时间的准确性。

Description

自由活塞位置检测机构、发动机及其控制方法

技术领域

本发明属于热能与动力技术领域，具体涉及一种自由活塞位置检测机构、发动机及其控制方法。

背景技术

自由活塞式发动机是一种没有曲轴连杆的发动机，一般和直线发电机机结合使用，由于没有曲轴和凸轮轴，也就没有曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器。但是自由活塞式发动机需要精确控制喷射和点火时间，而且活塞的上止点和下止点都会因为外界或控制的原因而变化(可变压缩比)，这也造成了喷油和点火控制的难度。目前缺乏可靠的活塞运动控制导致无法持续稳定的运行，从而制约其工程化应用。

发明内容

本发明的目的是至少解决自由活塞发动机获取活塞位置信号较难的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种自由活塞位置检测机构，包括：

活塞；

活塞杆，所述活塞杆的一端与所述活塞相连；

旋转盘，所述旋转盘上设有多个凸起；

传动单元，所述传动单元用于连接所述活塞杆和所述旋转盘；

检测单元，所述检测单元用于检测所述多个凸起的位置；

其中，当所述活塞运动时，所述活塞杆和所述传动单元能够带动所述旋转盘进行转动，所述检测单元能够检测所述多个凸起的位置，从而判断所述活塞的位置。

通过使用本技术方案中的自由活塞位置检测机构，增加了旋转盘，当活塞运动时，传动单元能够带动旋转盘进行圆周运动，检测单元能够监控多个凸块的位置，进而判断自由活塞位置检测机构的位置，本发明放大了活塞的移动信号，将传统内燃机点火控制应用于自由活塞点火控制，提高了点火和喷射时间的准确性。

另外，根据本发明的自由活塞位置检测机构，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施方式中，所述传动单元为第一直杆，所述第一直杆的第一端与所述活塞杆的另一端相连，所述第一直杆的第二端与所述旋转盘的边缘相连。

在本发明的一些实施方式中，所述活塞杆的所述一端套设有第一弹性件。

在本发明的一些实施方式中，所述传动单元为第二直杆，所述第二直杆的第一端与所述活塞杆的另一端固定连接，且所述第二直杆与所述活塞杆始终处于同一直线方向上，所述第二直杆上设有第一齿形，所述旋转盘上设有与所述第一齿形相匹配的第二齿形。

在本发明的一些实施方式中，所述第二直杆与所述活塞杆为一体式结构。

在本发明的一些实施方式中，所述第二直杆的第二端设有第二弹性件。

在本发明的一些实施方式中，所述多个凸起包括第一凸起组和第二凸起组，所述第一凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离均相等，所述第二凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离均相等，且所述第一凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离等于所述第二凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离，所述第一凸起组与所述第二凸起组间的周向距离大于所述第一凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离。

在本发明的一些实施方式中，所述检测单元包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器沿所述旋转盘的周向方向间隔设置。

在本发明还提出了一种发动机，该发动机包括以上实施方式中的自由活塞位置检测机构。

在本发明还提出了一种自由活塞位置检测机构的控制方法，包括：

根据检测单元采集所述多个凸起的位置；

根据所述多个凸起的位置确定所述活塞的位置。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的自由活塞位置检测机构的一种整体结构示意图；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的自由活塞位置检测机构的另一种整体结构示意图；

图3为图1中旋转盘和检测单元的整体结构示意图。

11：活塞、12：活塞杆、121：第一齿形；

20：旋转盘、21：第一凸起组、22：第二凸起组、23：第二齿形；

31：第一直杆；

41：第一传感器、42：第二传感器；

51：第一弹性件、52：第二弹性件；

61：第一腔体、62：第二腔体；

70：绕组线圈。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的自由活塞位置检测机构的一种整体结构示意图。图2示意性地示出了根据本发明实施方式的自由活塞位置检测机构的另一种整体结构示意图。如图1和2所示，本发明提出了一种自由活塞位置检测机构、发动机及其控制方法。本发明中的自由活塞位置检测机构包括活塞11、活塞杆12、旋转盘20和检测单元，活塞杆12的一端与活塞11相连，旋转盘20上设有多个凸起和，传动单元用于连接活塞杆12和旋转盘20，检测单元用于检测多个凸起的位置，当活塞11运动时，活塞杆12和传动单元能够带动旋转盘20进行转动，检测单元能够检测多个凸起的位置，从而判断活塞11的位置。

通过使用本技术方案中的自由活塞位置检测机构，增加了旋转盘20，当活塞11运动时，传动单元能够带动旋转盘20进行圆周运动，检测单元能够监控多个凸起的位置，进而判断自由活塞位置检测机构的位置，本发明放大了活塞的移动信号，将传统内燃机点火控制应用于自由活塞点火控制，提高了点火和喷射时间的准确性。

进一步地，在本发明的第一种实施例中，传动单元为第一直杆31，第一直杆31的第一端与活塞杆12的另一端相连，第一直杆31的第二端与旋转盘20的边缘相连，其中，活塞杆12的一端还套设有第一弹性件51。本发明的第一种实施例中还包括第一腔体61，活塞11穿设于第一腔体61内部，第一弹性件51位于第一腔体61内部并套设于活塞杆12上。当活塞11运动时，活塞杆12可以带动第一直杆31移动，同时第一直杆31驱动旋转盘20的边缘位置使得旋转盘20做圆周运动，当到达旋转盘20的上止点位置时，第一弹性件51将受力使得活塞11回退，同时活塞带动第一直杆31进行位移，旋转盘20受到第一直杆31的拉力向相反的方向做圆周运动，最终到达下止点。

进一步地，在本发明的第二种实施例中，传动单元为第二直杆，第二直杆的第一端与活塞杆12的另一端固定连接，且第二直杆与活塞杆12始终处于同一直线方向上，第二直杆上设有第一齿形121，旋转盘20上设有与第一齿形121相匹配的第二齿形23。当活塞11运动时，第二直杆上的第一齿形121可以与旋转盘20上的第二齿形23相配合，进而使得旋转盘20做圆周运动。

具体地，在本发明的其他实施例中，第二直杆与活塞杆12为一体式结构，这样同样可以达到配合旋转盘20上的第二齿形23进行活塞位置的确定。其中，活塞杆12远离第一腔体61的一端还设有第二腔体62，活塞杆12能够在第二腔体62内部活动，同时第二腔体62内部设有第二弹性件52，第二弹性件52的一端固定于第二腔体62远离活塞杆12的一端，第二弹性件52的另一端与活塞杆12远离第一腔体61的一端相连接。当活塞运动时，活塞杆12向右移动，同时带动旋转盘20进行圆周运动，到达上止点后，位于第二腔体62内部的第二弹性件52作用，使得活塞杆12以及活塞11进行复位，同时带动旋转盘20向相反方向圆周运动，进而到达下止点。

进一步地，在本实施例中，多个凸起包括第一凸起组21和第二凸起组22，第一凸起组21中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离均相等，第二凸起组22中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离均相等，且第一凸起组21中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离等于第二凸起组22中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离，这样有利于传感器进行信号的准确采取，提高了准确性。其中，如图3所示，第一凸起组21与第二凸起组22间的周向距离大于第一凸起组21中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离，即第一凸起组21和第二凸起组22之间设有缺齿部(图1、2和3中虚线方框的位置)，缺齿部与凸块均匀分布于旋转盘20的周边，缺齿部用于检测单元的检测对象，从而确定活塞的上下止点。

具体地，在本实施例中，检测单元包括第一传感器41和第二传感器42，第一传感器41和第二传感器42沿旋转盘20的周向方向间隔设置。本实施例中可以采用通常的霍尔或磁电传感器测量位置及转速。由于自由活塞的上下止点是可变的，旋转盘20过上止点后会往回运动，但是信号还是一样的，判断返回运动的位置可以通过信号的预测和实际的比较来确定，由于这种方式需要的精度比较高，也可采用两个错位的传感元件来采集信号(错位是指一个位置传感器测到齿时，另一个位置传感器应该在两个齿中间的位置)，这样对比两个波形，就可以确定上下止点的位置。在本实施例中，第一传感器41和第二传感器42沿旋转盘20的周向间隔设置，双位置传感元件间隔设置可以精确计算出上下止点，并且可以用于诊断和失效时备用系统。

具体地，在本实施例中，活塞杆外部还套设有绕组线圈70，用于支撑位于第一腔体61外部的杆部，提供一定的支持力。

具体地，在其他的实施例中，旋转盘20上也可以只设置为一个凸块，检测单元可以只检测这一个凸块的不同位置进而确定活塞11的上下止点。

进一步地，自由活塞位置检测机构的上下止点的控制方法为：如图3所示，本实施例中旋转盘20上的凸块为个17个，分别以20度转角均匀分布在旋转盘20周面上，因此旋转盘20上具有一个缺齿部的位置。当第一传感器41采集到缺齿部的信号，80度转角后第二传感器42采集到缺齿部的信号，再过角度a(角度a值通过上一次的计算值来预设，通过本次瞬时速度和加速度来修正)认为到达上止点；当第二传感器42采集到缺齿部的信号，80度转角后第一传感器41采集到缺齿部的信号，再过角度b(角度b值通过上一次的计算值来预设，通过本次瞬时速度和加速度来修正)认为到达下止点。其中，虚拟的上下止点的设计更加增加了整个逻辑的可移植性，上下止点的实时更新可以根据硬件的能力，检测单元和旋转盘20加工的精度来调整，甚至可以完全采用虚拟的上下止点，只用实际计算的上下止点来更新。

具体地，在本发明的实施例中，虽然自由活塞可以变压缩比，但是活塞的行程是在一定范围之内的(取决于设计)，传动单元的大小根据活塞11的最大行程来确定，确保旋转盘20与活塞11一样往返旋转运动，旋转盘20的大小根据信号的精度要求来确定。

本发明还提出了一种发动机，包括以上的自由活塞位置检测机构。

通过使用本技术方案中的自由活塞位置检测机构，增加了旋转盘，当活塞运动时，传动单元能够带动旋转盘进行圆周运动，检测单元能够监控多个凸块的位置，进而判断自由活塞位置检测机构的位置，本发明放大了活塞的移动信号，将传统内燃机点火控制应用于自由活塞点火控制，提高了点火和喷射时间的准确性。

本发明还提出了一种自由活塞位置检测机构的控制方法，包括：

根据检测单元采集多个凸块的位置；

根据多个凸块的位置确定活塞的位置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自由活塞位置检测机构，其特征在于，包括：

活塞；

活塞杆，所述活塞杆的一端与所述活塞相连；

旋转盘，所述旋转盘上设有多个凸起；

传动单元，所述传动单元用于连接所述活塞杆和所述旋转盘；

检测单元，所述检测单元用于检测所述多个凸起的位置；

其中，当所述活塞运动时，所述活塞杆和所述传动单元能够带动所述旋转盘进行转动，所述检测单元能够检测所述多个凸起的位置，从而判断所述活塞的位置。

2.根据权利要求1所述的自由活塞位置检测机构，其特征在于，所述传动单元为第一直杆，所述第一直杆的第一端与所述活塞杆的另一端相连，所述第一直杆的第二端与所述旋转盘的边缘相连。

3.根据权利要求2所述的自由活塞位置检测机构，其特征在于，所述活塞杆的所述一端套设有第一弹性件。

4.根据权利要求1所述的自由活塞位置检测机构，其特征在于，所述传动单元为第二直杆，所述第二直杆的第一端与所述活塞杆的另一端固定连接，且所述第二直杆与所述活塞杆始终处于同一直线方向上，所述第二直杆上设有第一齿形，所述旋转盘上设有与所述第一齿形相匹配的第二齿形。

5.根据权利要求4所述的自由活塞位置检测机构，其特征在于，所述第二直杆与所述活塞杆为一体式结构。

6.根据权利要求4所述的自由活塞位置检测机构，其特征在于，所述第二直杆的第二端设有第二弹性件。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的自由活塞位置检测机构，其特征在于，所述多个凸起包括第一凸起组和第二凸起组，所述第一凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离均相等，所述第二凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离均相等，且所述第一凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离等于所述第二凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离，所述第一凸起组与所述第二凸起组间的周向距离大于所述第一凸起组中任意相邻设置的两个凸起间的周向距离。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的自由活塞位置检测机构，其特征在于，所述检测单元包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器沿所述旋转盘的周向方向间隔设置。

9.一种发动机，其特征在于，具有根据权利要求1-8中任一项所述的自由活塞位置检测机构。

10.一种自由活塞位置检测的方法，根据权利要求1-8中任一项所述的自由活塞位置检测机构进行检测，其特征在于，包括：

根据检测单元采集所述多个凸起的位置；

根据所述多个凸起的位置确定所述活塞的位置。

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