一種自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方法，該方法針對自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)各工作階段的特點(diǎn)，將工作過程劃分為5個(gè)工作狀態(tài)，包括：停機(jī)、啟動(dòng)工況、怠速工況、發(fā)電工況和限速工況；怠速工況的控制目標(biāo)是活塞組件的工作頻率穩(wěn)定，發(fā)電工況的控制目標(biāo)是活塞組件的工作頻率不超速，啟動(dòng)工況與怠速工況之間的跳轉(zhuǎn)條件是活塞組件的運(yùn)動(dòng)幅度是否達(dá)到點(diǎn)火點(diǎn)，怠速工況和發(fā)電工況之間的跳轉(zhuǎn)條件是節(jié)氣門開度是否超過節(jié)氣門總開度乘以一個(gè)設(shè)定百分比。在啟動(dòng)工況、怠速工況和發(fā)電工況下，當(dāng)活塞組件的工作頻率f大于系統(tǒng)最高安全允許頻率時(shí)，進(jìn)入限速工況，以降低工作頻率，而后返回原工況。使用本發(fā)明能夠提高對整體狀態(tài)控制的精確度和穩(wěn)定性。
【專利說明】一種自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自由活塞式內(nèi)燃機(jī)20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的一種新型動(dòng)力裝置，它取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，活塞僅做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，且行程不受機(jī)械約束，結(jié)合了發(fā)動(dòng)機(jī)和線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)彼此的技術(shù)特點(diǎn)，作為一種新型發(fā)電機(jī)理念而備受關(guān)注。該裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用直線電機(jī)固定連接2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)左缸內(nèi)進(jìn)行燃燒做膨脹沖程時(shí)，活塞右行，對右氣缸進(jìn)行壓縮沖程；當(dāng)活塞達(dá)到本循環(huán)的點(diǎn)火位置時(shí)，右氣缸開始進(jìn)行點(diǎn)火燃燒做膨脹沖程；如是，活塞在直線電機(jī)中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切割發(fā)電機(jī)中的磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，對外輸出電能。
[0003]FPEG系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)化的必要條件，因此對其進(jìn)行精確控制以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。自由活塞式直線內(nèi)燃發(fā)電機(jī)(Free pistonengine Generator,FPEG)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)活塞式內(nèi)燃機(jī)不同,其取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，活塞在自由態(tài)下進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，處于自由態(tài)的活塞對控制參數(shù)更為敏感。因此針對不同的工作狀態(tài)，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)控制策略，以實(shí)現(xiàn)廣泛工況范圍內(nèi)的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對整機(jī)狀態(tài)的精確、穩(wěn)定控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方法，能夠提高對整體狀態(tài)控制的精確度和穩(wěn)定性。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]設(shè)計(jì)5種狀態(tài)包括:停機(jī)、啟動(dòng)工況、怠速工況、發(fā)電工況和限速工況；
[0007]自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，首先從停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)入啟動(dòng)工況；
[0008]在啟動(dòng)工況下，活塞組件左右換向運(yùn)動(dòng)并逐步加大運(yùn)動(dòng)幅度，當(dāng)活塞組件運(yùn)動(dòng)幅度D到達(dá)設(shè)定的點(diǎn)火位置Dth時(shí)，點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的可燃混合氣，直線電機(jī)斷電，同時(shí)暫不加載，系統(tǒng)切換至怠速工況；
[0009]在怠速工況下，始終檢測活塞組件的工作頻率f，通過對供油量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使得工作頻率f與設(shè)定目標(biāo)頻率faim之間的誤差在設(shè)定頻率誤差范圍之內(nèi)；當(dāng)活塞組件運(yùn)動(dòng)幅度D小于Dth時(shí)，返回啟動(dòng)工況；當(dāng)節(jié)氣門開度Kd大于節(jié)氣門總開度乘以一個(gè)設(shè)定百分比Kth時(shí)，進(jìn)入發(fā)電工況；
[0010]在發(fā)電工況下，根據(jù)活塞組件的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向，對左側(cè)氣缸和右側(cè)氣缸進(jìn)行輪流點(diǎn)火；當(dāng)節(jié)氣門開度Kd小于或等于節(jié)氣門總開度乘以所述百分比Kth時(shí)，返回怠速工況；
[0011]在啟動(dòng)工況、怠速工況和發(fā)電工況下，當(dāng)活塞組件的工作頻率f小于最小工作頻率fmin時(shí)，進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，當(dāng)活塞組件的工作頻率f大于系統(tǒng)最高安全允許頻率fmax時(shí)，進(jìn)入限速工況；[0012]在限速工況下，通過改變外接負(fù)載，降低活塞組件的工作頻率；當(dāng)活塞組件的工作頻率降至系統(tǒng)最高安全運(yùn)行頻率f_以下某一特定值，返回原工況。
[0013]較佳地，將工況之間的變化過程定義為調(diào)節(jié)工況；在調(diào)節(jié)工況下，以活塞組件的工作頻率穩(wěn)定為目標(biāo)，當(dāng)工作頻率低于設(shè)定目標(biāo)頻率faim時(shí)，增加供油量以提高工作頻率f，當(dāng)工作頻率高于設(shè)定目標(biāo)頻率faim時(shí)，增加負(fù)載以減小工作頻率f。
[0014]有益效果:
[0015](I)本發(fā)明將針對FPEG系統(tǒng)各工作階段的特點(diǎn)，將工作過程劃分為幾個(gè)工作狀態(tài)，設(shè)定工作狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)條件，以及在各工作狀態(tài)內(nèi)部進(jìn)行穩(wěn)定、精確控制的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對整機(jī)狀態(tài)的精確、穩(wěn)定控制。
[0016](2)本發(fā)明進(jìn)一步將工況之間的變化過程定義為調(diào)節(jié)工況，通過供油量和外接負(fù)載的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)過程的頻率穩(wěn)定，進(jìn)一步保證了對整機(jī)狀態(tài)的精確、穩(wěn)定控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的示意圖。
[0018]圖2為FPEG工作狀態(tài)切換流程圖。
[0019]圖3為啟動(dòng)工況的控制流程。
[0020]圖4為怠速工況的控制流程。
[0021]圖5為發(fā)電工況的控制流程。
[0022]圖6為限速工況的控制流程。
[0023]圖7為調(diào)節(jié)工況的控制流程。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明針對FPEG系統(tǒng)各工作階段的特點(diǎn)，將工作過程劃分為幾個(gè)工作狀態(tài)，設(shè)定工作狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)條件，以及在各工作狀態(tài)內(nèi)部進(jìn)行穩(wěn)定、精確控制的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對整機(jī)狀態(tài)的精確、穩(wěn)定控制。
[0025]FPEG系統(tǒng)的工作狀態(tài)的劃分主要基于活塞組件頻率f (即工作頻率)、節(jié)氣門開度Kd。工作頻率表征的是單位時(shí)間內(nèi)的做功次數(shù)；節(jié)氣門開度控制的是進(jìn)油量和進(jìn)氣量，表征的是單次做功的大小。作為一種能量轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)了工作頻率和節(jié)氣門的精確控制，也就實(shí)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化過程的精確控制。
[0026]系統(tǒng)從停機(jī)到運(yùn)行需要一個(gè)啟動(dòng)過程，在這個(gè)過程中電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，在驅(qū)動(dòng)器的作用下驅(qū)動(dòng)活塞組件壓縮兩側(cè)燃燒室內(nèi)的可燃混和氣直到點(diǎn)火位置，ECU輸出點(diǎn)火信號(hào)，點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的可燃混和氣，同時(shí)電機(jī)切換至發(fā)電狀態(tài)，活塞間組件在燃燒壓力的作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。啟動(dòng)過程完成后，燃料依靠進(jìn)氣和缸內(nèi)溫度汽化后才能參與燃燒，此時(shí)機(jī)體處于冷態(tài)，加載需要的大量燃油不能汽化，惡化燃燒過程，因此需要一個(gè)怠速過程實(shí)現(xiàn)熱機(jī)。熱機(jī)后，可以增加節(jié)氣門開度，加大供油量進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。此外，系統(tǒng)的工作頻率過高，會(huì)導(dǎo)致熱負(fù)荷增加，振動(dòng)劇烈，影響安全運(yùn)行，因此有必要設(shè)定一個(gè)工作頻率限制，一旦超限，進(jìn)行限速，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
[0027]基于以上分析，本發(fā)明將FPEG的工作過程分為5種工作狀態(tài):停機(jī)狀態(tài)、啟動(dòng)工況、怠速工況、發(fā)電工況和限速工況。怠速工況的控制目標(biāo)是活塞組件的工作頻率穩(wěn)定，發(fā)電工況的控制目標(biāo)是活塞組件的工作頻率不超速，啟動(dòng)工況與怠速工況之間的跳轉(zhuǎn)條件是活塞組件的運(yùn)動(dòng)幅度是否達(dá)到點(diǎn)火點(diǎn)，怠速工況和發(fā)電工況之間的跳轉(zhuǎn)條件是節(jié)氣門開度是否超過設(shè)定值。在運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)活塞組件的工作頻率過大時(shí)，進(jìn)入限速工況，以降低工作頻率，而后返回原工況。
[0028]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029]如表1所示，本發(fā)明設(shè)定的各工況及其狀態(tài)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，設(shè)計(jì)5種狀態(tài)包括:停機(jī)、啟動(dòng)工況、怠速工況、發(fā)電工況和限速工況； 自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，首先從停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)入啟動(dòng)工況； 在啟動(dòng)工況下:活塞組件左右換向運(yùn)動(dòng)并逐步加大運(yùn)動(dòng)幅度，當(dāng)活塞組件運(yùn)動(dòng)幅度D到達(dá)設(shè)定的點(diǎn)火位置Dth時(shí)，點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的可燃混合氣，直線電機(jī)斷電，同時(shí)暫不加載，系統(tǒng)切換至怠速工況； 在怠速工況下:始終檢測活塞組件的工作頻率f，通過對供油量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使得工作頻率f與設(shè)定目標(biāo)頻率faim之間的誤差在設(shè)定頻率誤差范圍之內(nèi)；當(dāng)活塞組件運(yùn)動(dòng)幅度D小于Dth時(shí)，返回啟動(dòng)工況；當(dāng)節(jié)氣門開度Kd大于節(jié)氣門總開度乘以一個(gè)設(shè)定百分比Kth時(shí)，進(jìn)入發(fā)電工況； 在發(fā)電工況下:根據(jù)活塞組件的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向，對左側(cè)氣缸和右側(cè)氣缸進(jìn)行輪流點(diǎn)火；當(dāng)節(jié)氣門開度Kd小于或等于節(jié)氣門總開度乘以所述百分比Kth時(shí)，返回怠速工況； 在啟動(dòng)工況、怠速工況和發(fā)電工況下:當(dāng)活塞組件的工作頻率f小于最小工作頻率fmin時(shí)，進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，當(dāng)活塞組件的工作頻率f大于系統(tǒng)最高安全允許頻率fmax時(shí)，進(jìn)入限速工況； 在限速工況下:通過改變外接負(fù)載，降低活塞組件的工作頻率，當(dāng)活塞組件的工作頻率降至系統(tǒng)最高安全運(yùn)行頻率fmax以下某一特定值，返回原工況。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將工況之間的變化過程定義為調(diào)節(jié)工況； 在調(diào)節(jié)工況下:以活塞組件的工作頻率穩(wěn)定為目標(biāo)，當(dāng)工作頻率低于設(shè)定目標(biāo)頻率faim時(shí)，增加供油量以提高工作頻率f，當(dāng)工作頻率高于設(shè)定目標(biāo)頻率faim時(shí)，增加負(fù)載以減小工作頻率f。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述設(shè)定的點(diǎn)火位置Dth為上止點(diǎn)前2mm?8mm η
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述Kth=10%。
【文檔編號(hào)】F02D29/06GK103498733SQ201310455026
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】劉福水, 王道靜, 姜一通 申請人:北京理工大學(xué)