CN103498733A - 一种自由活塞内燃发电机的运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由活塞内燃发电机的运动控制方法,该方法针对自由活塞内燃发电机各工作阶段的特点,将工作过程划分为5个工作状态,包括:停机、启动工况、怠速工况、发电工况和限速工况;怠速工况的控制目标是活塞组件的工作频率稳定,发电工况的控制目标是活塞组件的工作频率不超速,启动工况与怠速工况之间的跳转条件是活塞组件的运动幅度是否达到点火点,怠速工况和发电工况之间的跳转条件是节气门开度是否超过节气门总开度乘以一个设定百分比。在启动工况、怠速工况和发电工况下,当活塞组件的工作频率f大于***最高安全允许频率时,进入限速工况,以降低工作频率,而后返回原工况。使用本发明能够提高对整体状态控制的精确度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及自由活塞内燃发电机控制技术领域,尤其涉及一种自由活塞内燃发电机的运动控制方法。
背景技术
自由活塞式内燃机20世纪30年代发展起来的一种新型动力装置,它取消了曲柄连杆机构,活塞仅做往复直线运动,且行程不受机械约束,结合了发动机和线性感应电动机彼此的技术特点,作为一种新型发电机理念而备受关注。该装置的结构如图1所示,利用直线电机固定连接2个发动机。当左缸内进行燃烧做膨胀冲程时,活塞右行,对右气缸进行压缩冲程;当活塞达到本循环的点火位置时,右气缸开始进行点火燃烧做膨胀冲程;如是,活塞在直线电机中进行往复运动,切割发电机中的磁力线产生感应电动势,对外输出电能。
FPEG***稳定运行是实现能量高效转化的必要条件,因此对其进行精确控制以实现稳定运行是设计过程中的重点和难点。自由活塞式直线内燃发电机(Free piston engine Generator,FPEG)的运动规律和***结构与传统活塞式内燃机不同,其取消了曲柄连杆机构,活塞在自由态下进行直线往复运动,处于自由态的活塞对控制参数更为敏感。因此针对不同的工作状态,需要单独设计控制策略,以实现广泛工况范围内的精确控制,从而实现对整机状态的精确、稳定控制。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种自由活塞内燃发电机的运动控制方法,能够提高对整体状态控制的精确度和稳定性。
为了解决上述技术问题,本发明是这样实现的:
设计5种状态包括:停机、启动工况、怠速工况、发电工况和限速工况;
自由活塞内燃发电机启动后,首先从停机状态转入启动工况;
在启动工况下,活塞组件左右换向运动并逐步加大运动幅度,当活塞组件运动幅度D到达设定的点火位置Dth时,点燃燃烧室内的可燃混合气,直线电机断电,同时暂不加载,***切换至怠速工况;
在怠速工况下,始终检测活塞组件的工作频率f,通过对供油量进行动态调节,使得工作频率f与设定目标频率faim之间的误差在设定频率误差范围之内;当活塞组件运动幅度D小于Dth时,返回启动工况;当节气门开度Kd大于节气门总开度乘以一个设定百分比Kth时,进入发电工况;
在发电工况下,根据活塞组件的当前运动方向,对左侧气缸和右侧气缸进行轮流点火;当节气门开度Kd小于或等于节气门总开度乘以所述百分比Kth时,返回怠速工况;
在启动工况、怠速工况和发电工况下,当活塞组件的工作频率f小于最小工作频率fmin时,进入停机状态,当活塞组件的工作频率f大于***最高安全允许频率fmax时,进入限速工况;
在限速工况下,通过改变外接负载,降低活塞组件的工作频率;当活塞组件的工作频率降至***最高安全运行频率fmax以下某一特定值,返回原工况。
较佳地,将工况之间的变化过程定义为调节工况;在调节工况下,以活塞组件的工作频率稳定为目标,当工作频率低于设定目标频率faim时,增加供油量以提高工作频率f,当工作频率高于设定目标频率faim时,增加负载以减小工作频率f。
有益效果:
(1)本发明将针对FPEG***各工作阶段的特点,将工作过程划分为几个工作状态,设定工作状态之间的跳转条件,以及在各工作状态内部进行稳定、精确控制的控制策略,从而实现对整机状态的精确、稳定控制。
(2)本发明进一步将工况之间的变化过程定义为调节工况,通过供油量和外接负载的调节实现调节过程的频率稳定,进一步保证了对整机状态的精确、稳定控制。
附图说明
图1为自由活塞内燃发电机的示意图。
图2为FPEG工作状态切换流程图。
图3为启动工况的控制流程。
图4为怠速工况的控制流程。
图5为发电工况的控制流程。
图6为限速工况的控制流程。
图7为调节工况的控制流程。
具体实施方式
本发明针对FPEG***各工作阶段的特点,将工作过程划分为几个工作状态,设定工作状态之间的跳转条件,以及在各工作状态内部进行稳定、精确控制的控制策略,从而实现对整机状态的精确、稳定控制。
FPEG***的工作状态的划分主要基于活塞组件频率f(即工作频率)、节气门开度Kd。工作频率表征的是单位时间内的做功次数;节气门开度控制的是进油量和进气量,表征的是单次做功的大小。作为一种能量转化装置,实现了工作频率和节气门的精确控制,也就实现的能量转化过程的精确控制。
***从停机到运行需要一个启动过程,在这个过程中电机工作在电动状态,在驱动器的作用下驱动活塞组件压缩两侧燃烧室内的可燃混和气直到点火位置,ECU输出点火信号,点燃燃烧室内的可燃混和气,同时电机切换至发电状态,活塞间组件在燃烧压力的作用下往复运动。启动过程完成后,燃料依靠进气和缸内温度汽化后才能参与燃烧,此时机体处于冷态,加载需要的大量燃油不能汽化,恶化燃烧过程,因此需要一个怠速过程实现热机。热机后,可以增加节气门开度,加大供油量进入发电状态。此外,***的工作频率过高,会导致热负荷增加,振动剧烈,影响安全运行,因此有必要设定一个工作频率限制,一旦超限,进行限速,以保证***的安全运行。
基于以上分析,本发明将FPEG的工作过程分为5种工作状态:停机状态、启动工况、怠速工况、发电工况和限速工况。怠速工况的控制目标是活塞组件的工作频率稳定,发电工况的控制目标是活塞组件的工作频率不超速,启动工况与怠速工况之间的跳转条件是活塞组件的运动幅度是否达到点火点,怠速工况和发电工况之间的跳转条件是节气门开度是否超过设定值。在运行状态下,当活塞组件的工作频率过大时,进入限速工况,以降低工作频率,而后返回原工况。
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
如表1所示,本发明设定的各工况及其状态如下:
表1FPEG工作状态划分
表1中,f表示***的工作频率;D表示活塞组件的位移,以***的中心位置为原点,那么|D|max就是活塞组件的振幅;Kd表示节气门开度,表征***的供油量;fmax表示***的最高安全运行频率,保证运行在安全工况;fmin为***正常工作的最小运行频率。
因为工作状态是互相排斥的,必须确保在任何时候FPEG只能并且必须进入一个控制状态,而在整个运行过程中是在这些状态之间不断切换的,使FPEG可以在不同的工况下都可以稳定、可靠的工作。因此,设计了如图2所示的FPEG工作状态切换流程图。
如图2所示,FPEG启动后,首先进入启动工况,活塞组件左右换向运动并逐步加大运动幅度,当活塞组件运动幅度D到达气缸设定的点火位置Dth=20mm后,开始点火,进入怠速工况。
在怠速工况下,当活塞组件运动幅度D小于20mm时,返回启动工况;当节气门开度Kd大于节气门总开度的一个百分比Kth(Kth=10%)时,进入发电工况。
在发电工况下,当节气门开度小于或等于节气门总开度的10%时,返回怠速工况。
在启动工况、怠速工况和发电工况下,当活塞组件的频率小于最小工作频率fmin=1Hz时,进入停机工况,当活塞组件的频率大于***最高安全允许频率fmax时,进入限速工况。
在停机工况下,当活塞组件频率大于0后,重新进入启动工况。
在限速工况下,当活塞组件频率低于***最高安全允许频率fmax一个设定值后(例如设定值=5),返回原工况。
下面对各工况下的***运行进行描述。
1启动工况
FPEG是直线电机与发动机耦合的整体,可以通过直线电机实现启动过程。直线电机工作在电动状态,通过状态控制设置,使直线电机工作在恒推力模式,当活塞组件速度为零时实现直线电机的推力换向。通过直线电机的多次切换,逐步加大活塞组件运动的振幅。启动过程中时刻监测活塞组件位移,当活塞组件运动振幅D达到程序预定值Dth时,电控***输出点火信号,***切换至怠速工况,启动工况结束。
预定值Dth的选取原则为:启动过程中,工作在电动状态的电机压缩两侧燃烧室内的可燃混和气,振幅增加,需要电机的推力急剧增加,因此,在保证***启动的前提下尽可能前提点火位置,上止点前2~8mm为最易于启动的点火位置之一,尤其是5mm。本实施例中,上止点为距离***中心位置25mm,则Dth为距离***中心位置20mm。
启动工况下的控制流程如图3所示。
FPEG启动时,通过直线电机控制器将活塞组件归于***中心位置。运动过程中检测活塞组件的运动速度和位移。速度为零时,判断活塞位置D是否到达相应气缸设定的点火位置(20mm,上止点前5mm)。若没有达到点火位置时,直线电机驱动活塞组件换向;若达到点火位置时,电控***输出点火控制信号,点燃燃烧室内的可燃混合气,推动活塞组件运动,直线电机断电,不再有功率输出,同时暂不加载,***切换至怠速工况。
2怠速工况
发动机节气门开度大于总开度的10%后,供油量急剧增加,导致输出功率迅速增加,因此本发明将怠速工况设定为节气门开度小于或等于总开度10%的工作状态。在该状态下,FPEG的发动机节气门处于怠速状态(开度Kd小于10%),发电机没有功率输出,自身以一定频率和行程稳定运转。FPEG工作于怠速工况时,通过电控***控制点火位置和燃料供应量,使发动机燃烧做功完全用于克服机械摩擦。
参照传统曲柄连杆式发动机,利用工作频率的平稳性来评价FPEG怠速工况,那么怠速工况的控制要点就是:频率稳定。在无外界负载的条件下,工作频率主要由燃料的供应量调节。设定怠速稳定的频率误差范围为fd=±0.5Hz。控制示意图如图4所示。一旦检测到工作频率f与设定频率目标faim之差超过0.5Hz,开始调节供油量。调节量根据实测工作频率f与设定的目标工作频率faim之差,采用增量式PID算法计算得出,对供油量进行动态调节,直至工作频率控制的允许的误差范围内。
怠速工况的燃烧过放热主要用于热机和摩擦,此时工作频率稳定,有利于缸内燃烧过程优化,迅速热机并切换至发电状态。
3发电工况
发电工况的控制要点是不超速。因此在发电工况中,一旦工作频率超限,迅速启动加载限速工况,将工作频率降至安全频率以下某一特定值(比如安全频率的90%),以避免***在发电工况和限速工况之间频繁切换,造成***的运行不稳。
FPEG处于稳定发电工况时,运行的频率与外接负载恒定。控制***示意图如图5所示。通过位移传感器判断活塞组件的位移和运动方向。根据当前活塞组件的运动方向,确定当前需要点火的是左侧气缸还是右侧气缸;到达设定的点火时刻后,对应气缸点火;活塞组件向相反方向运动,另一侧气缸点火控制程序开始运行,如此循环往复。直线电机中的定子线圈切割磁感线,产生的电能消耗在外接负载上。
在上述运行工况(包括启动工况、怠速工况和发电工况)中,一旦工作频率过低,本实施例中是低于最小工作频率fmin=1Hz,燃烧状况急剧恶化,进入停机工况。
4限速工况
FPEG的运行速度以工作频率来表征。限速工况是***运行的频率超出了设定的最大值,需要进行加载减速,即通过改变外接负载,调整电机线圈电流的大小,利用电磁力制动,降低***的工作频率,使其工作的稳定工况。
控制流程示意图如图6所示。始终判断***的工作频率f。***保留了一定的安全余量,当工作频率f超过设定的最大值fmax时,起动加载减速;运行频率减至fmax的90%时,进入原正常工作模式。
在上述各工况之间进行调节时,控制参数和外接负载发生变化,FPEG从稳态到动态、再到稳态。本发明进一步将工况之间的变化过程定义为调节工况。在调节工况下,以工作频率稳定为目标,当工作频率低于设定目标值时,增加供油量以提高工作频率;当工作频率高于设定目标值时,增加负载以增大活塞组件的运行阻力,降低运行速度,减小工作频率。
控制流程示意图如图7所示。判断方法与怠速工况类似,始终检测当前工作频率f与设定目标工作频率faim的误差。调节手段略有不同,工作频率高于设定目标值时,采用加载减速的方式降低工作频率。对于***的调节工况,主要控制参数为燃油供应量和负载。增加点火提前位置,使压缩负功增加,可以在一定程度上降低活塞组件的运行速度,减小工作频率,但会造成效率下降,***的热负荷增加。因此,***的点火正时以热效率为指标进行优化,不作为调整工作频率的控制参数。以行程长度(压缩比)为控制目标,控制方式类似。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非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,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种自由活塞内燃发电机的运动控制方法,其特征在于,设计5种状态包括:停机、启动工况、怠速工况、发电工况和限速工况;
自由活塞内燃发电机启动后,首先从停机状态转入启动工况;
在启动工况下:活塞组件左右换向运动并逐步加大运动幅度,当活塞组件运动幅度D到达设定的点火位置Dth时,点燃燃烧室内的可燃混合气,直线电机断电,同时暂不加载,***切换至怠速工况;
在怠速工况下:始终检测活塞组件的工作频率f,通过对供油量进行动态调节,使得工作频率f与设定目标频率faim之间的误差在设定频率误差范围之内;当活塞组件运动幅度D小于Dth时,返回启动工况;当节气门开度Kd大于节气门总开度乘以一个设定百分比Kth时,进入发电工况;
在发电工况下:根据活塞组件的当前运动方向,对左侧气缸和右侧气缸进行轮流点火;当节气门开度Kd小于或等于节气门总开度乘以所述百分比Kth时,返回怠速工况;
在启动工况、怠速工况和发电工况下:当活塞组件的工作频率f小于最小工作频率fmin时,进入停机状态,当活塞组件的工作频率f大于***最高安全允许频率fmax时,进入限速工况;
在限速工况下:通过改变外接负载,降低活塞组件的工作频率,当活塞组件的工作频率降至***最高安全运行频率fmax以下某一特定值,返回原工况。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,将工况之间的变化过程定义为调节工况;
在调节工况下:以活塞组件的工作频率稳定为目标,当工作频率低于设定目标频率faim时,增加供油量以提高工作频率f,当工作频率高于设定目标频率faim时,增加负载以减小工作频率f。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述设定的点火位置Dth为上止点前2mm~8mm。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述Kth=10%。
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