自由活塞式内燃机点火保护模块、系统及方法

摘要

一种自由活塞式内燃机点火系统、方法及保护模块，属于内燃机技术领域。所述系统包括：输入信号传感器、点火执行器、电子控制单元，所述输入信号传感器包括霍尔传感器，直线位移传感器，直线位移传感器电连接于霍尔传感器，并由该霍尔传感器触发；其中，所述霍尔传感器设置于自由活塞式内燃机的连杆的运动路线上，当该连杆通过时，霍尔传感器触发直线位移传感器开始感应该连杆的一位移量，当该位移量到达一预设值时，电子控制单元控制点火执行器点火，利用热力学原理使该连杆制动并反向运动，如是反复。本发明能够实时地判定连杆的位置，以精确地掌控点火时间，可以根据工况灵活调节点火参数，以保障自由活塞式内燃机运行在最优条件。

权利要求

1.一种自由活塞式内燃机点火保护模块，其特征在于，包括：速度传感器、保护点火执行器、电子保护控制单元，所述电子保护控制单元电连接于所述速度传感器及所述保护点火执行器，存储有一临界速度值； 其中，所述速度传感器设置于自由活塞式内燃机的一气缸内，离该自由活塞式内燃机连杆的一运动极限位置预设距离，感应该连杆到达此处的一瞬时速度，该临界速度值为该连杆自由压缩时恰好能到达该运动极限位置的速度，当该瞬时速度大于该临界速度值时，所述电子控制保护单元控制所述保护点火执行器点火。

2. —种自由活塞式内燃机点火系统，其特征在于，包括：输入信号传感器、 点火执行器、电子控制单元，所述电子控制单元电连接于所述输入信号传感器及 所述点火执行器，用于从所述输入信号传感器接受信号，并控制所述点火执行器 点火；所述输入信号传感器，包括霍尔传感器及直线位移传感器，所述直线位移传 感器电连接于所述霍尔传感器，并由该霍尔传感器触发；所述点火执行器包括： 一点火线圈、 一火花塞、 一电压比较器、一raos管、 一12V直流电源、 一采样电阻、 一逻辑控制器、一二极管、 一保护电容、 一保护 电阻、及一开关；其中，所述火花塞与所述点火线圏次级相连并接地，所述12V 直流电源通过所述开关、二极管、点火线圈初级与所述mos管漏极相连，在该 mos管漏极加入所述保护电容和保护电阻并接地，以避免瞬时电流过大烧毁mos 管，该mos管源极通过所述采样电阻接地；所述点火线圈初级充电电流与充电限 制电流经过所述电压比较器后与一点火控制信号通过所述逻辑控制器引入所述 mos管栅极，控制所述mos管工作在不同状态下；其中，所述霍尔传感器设置于自由活塞式内燃机的连杆的运动路线上，当该 连杆通过时，所述霍尔传感器触发所述直线位移传感器开始感应该连杆的一位移 量，当该位移量到达一预设值时，所述电子控制单元控制所述点火执行器点火， 利用热力学原理使该连杆制动并反向运动，如是反复。

3. 如权利要求2所述的自由活塞式内燃机点火系统，其特征是，所述霍尔传感器在该连杆通过时产生该信号，所述直线位移传感器收到该信号后开始记录该 连杆的该位移量，该预设值存储于所述电子控制单元中，与该位移量进行比较。

4. 一种自由活塞式内燃机点火方法，其特征在于，包括如下步骤： 第一步，在自由活塞式内燃机的连杆通过一预设位置时产生一点火参考信号；第二步，收到该点火参考信号后，计算该连杆超过该预设位置的偏移量； 第三步，将该偏移量与内存中的预设值进行比较；第四步，该偏移量与该预设值相等时，在该连杆运动方向前方的燃烧室内点 火，其中，所述预设值可调节。

5. 如权利要求4所述的自由活塞式内燃机点火方法，其特征是，采用强制点 火的方法来避免自由活塞运动碰到缸盖，所述强制点火步骤为：第一步，在自由活塞式内燃机的对置气缸内距离运动极限位置某一距离处设 置一速度传感器，检测自由活塞达到该点时的瞬时速度；第二步，当该瞬时速度大于内存中存储的临界速度值时，连杆运动前方的燃 烧室内强制点火，对活塞做功，避免其碰到缸盖，其中，该临界速度值为连杆自 由压縮时恰好能到达该运动极限位置的速度。

说明书

自由活塞式内燃机点火保护模块、系统及方法技术领域本发明涉及的是一种内燃机技术领域的点火保护模块、系统及方法，具体是 一种自由活塞式内燃机点火保护模块、系统及方法。 背景技术自由活塞式内燃机是指发动机取消了通常的曲柄连杆机构，活塞运动不受物 理约束的一种特种内燃机。其结构一般包括两个同轴相向开口的气缸，及一活动 连杠两头分别置于该气缸中，并沿轴向往复活动。由于不受机械杆件的约束，其 动力活塞是自由的，即压缩比可变。与传统的曲轴式发动机相比，它省去了曲轴 式内燃机中将活塞的往复运动转换为旋转运动的曲柄连杆机构，具有结构简单、 零件数目少、重量轻、成本低、效率高等优点；并且在受力和运动方面，活塞与 缸体间无侧向力作用，摩擦力小，从而延长了发动机的寿命；另一方面只有做往 复直线运动的活塞组件，发动机的起停相对容易；此外由于压缩比可变，易于使用其它代用燃料，启动性能好。由此可见，自由活塞式内燃机具有广阔的发展前旦 豕。近年来，随着内燃机技术的日益成熟，应用日趋广泛，人们开始对传统内燃 机进行探索性改进研究。国外关于自由活塞式内燃机也开始了基础性的探索研 究，主要围绕液压自由活塞式内燃机和自由活塞内燃式发电机展开。但现在对自 由活塞式内燃机的研究还不够深入，也缺乏相关的报道。众所周知，为了提高二冲程内燃机的性能，采用电控喷油和点火定时是最关 键的因素，若控制不精确，则发动机性能恶化，经济性、动力性差，甚至不能启 动。自由活塞式内燃机面临的主要问题出现在上止点的控制上。控制上止点位置， 可在不同工况下实现可变压縮比；可以限制活塞极限位置，避免碰壁而损坏气缸 等。而上止点的控制通常由控制点火时间来进行。所以研制精确、可靠、可控制 的电火控制装置是自由活塞式内燃机的首要任务。经对现有技术的文献检索发现，浙江大学流体传动及控制实验室张亚强等人在《小型内燃机与摩托车》2003年32(1)上发表的"液压自由活塞发动机点火系 统的研制"介绍了浙江大学研制的液压自由活塞式内燃机的点火系统。其利用霍 尔开关定点触发火花塞点火，属于硬件控制。但其在变工况时不能灵活调整点火 位置，某些工况下不恰当的点火时刻会使得发动机性能恶化，经济性、动力性变 差，很难发挥自由活塞式内燃机压縮比可变的优势。 发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种自由活塞式内燃机点火保 护模块、系统及方法。本发明的保护模块能够判断连杆与气缸的相对运动情况， 当该连杆即将撞上该气缸盖时，强制点火，以实现对该自由活塞式内燃机的保护； 本发明的系统能够实时地判定连杆的位置，以精确地掌控点火时间，可以根据工 况灵活调节点火参数，以保障自由活塞式内燃机运行在最优条件，其中，该自由 活塞式内燃机点火系统围绕判缸、点火正时、点火最小能量展开；本发明的方法 能够实时地判定连杆的位置，以精确地掌控点火时间，可以根据工况灵活调节点 火参数，提高效率，以保障该自由活塞式内燃机运行在最优条件；进一步，它可 以避免连杆撞击到气缸盖而损坏该自由活塞式内燃机。

本发明是通过以下技术方案实现的-

本发明所涉及的自由活塞式内燃机点火保护模块，包括：速度传感器、保护 点火执行器、电子保护控制单元，所述电子保护控制单元电连接于所述速度传感 器及所述保护点火执行器，存储有一临界速度值；

其中，所述速度传感器设置于自由活塞式内燃机的一气缸内，离该自由活塞 式内燃机连杆的一运动极限位置预设距离，感应该连杆到达此处的一瞬时速度， 该临界速度值为该连杆自由压缩时恰好能到达该运动极限位置的速度，当该瞬时 速度大于该临界速度值时，所述电子控制保护单元控制所述保护点火执行器点 火。

本发明所涉及的自由活塞式内燃机点火系统，包括：输入信号传感器、点火 执行器、电子控制单元，所述电子控制单元电连接于所述输入信号传感器及所述 点火执行器,用于从所述输入信号传感器接受信号，并控制所述点火执行器点火；

所述输入信号传感器，包括霍尔传感器及直线位移传感器，所述直线位移传 感器电连接于所述霍尔传感器，并由该霍尔传感器触发；

其中，所述霍尔传感器设置于自由活塞式内燃机的连杆的运动路线上，当该连杆通过时，所述霍尔传感器触发所述直线位移传感器开始精确感应该连杆的一 位移量，当该位移量到达一预设值时，所述电子控制单元控制所述点火执行器点 火，利用热力学原理使该连杆制动并反向运动，如是反复。

本发明所涉及的自由活塞式内燃机点火方法，包括如下步骤：

第一步，在自由活塞式内燃机的连杆通过一预设位置时产生一点火参考信

号；

第二步，收到该点火参考信号后，精确计算该连杆超过该预设位置的偏移量； 第三步，将该偏移量与内存中的预设值进行比较；

第四步，该偏移量与该预设值相等时，在该连杆运动方向前方的燃烧室内点 火，其中，所述预设值可调节。

由于点燃式内燃机燃烧室余隙容积较大，自由活塞没有物理约束，若运动不 当很容易碰到缸盖，发生危险。在这种异常情况下，需要有相关安全措施来配合 燃烧室物理形状的改进,具体地，采用强制点火的方法来避免自由活塞碰到缸盖， 步骤为-

第一步，在自由活塞式内燃机的对置气缸内距离运动极限位置某一距离处设 置一速度传感器，检测自由活塞达到该点时的瞬时速度；

第二步，当该瞬时速度大于内存中存储的临界速度值时，连杆运动前方的燃 烧室内强制点火，对活塞做功，避免其碰到缸盖。其中，该临界速度值为连杆自 由压縮时恰好能到达该运动极限位置的速度。

正常情况下，该强制点火不发生作用。

与现有技术相比，本发明主要具有如下优点：更准确的进行自由活塞运动的 判缸，通过软件的方式实现可变点火时刻以及点火能量，其中，点火正时至少可 以精确到0.1mm,若对信号进行倍频处理，精度可以提高到0.025mm;利用安全

保护模块来弥补点燃式内燃机的燃烧室形状的固有缺陷，进一步保证自由活塞内 燃机系统的安全运行。 附图说明

图1是本发明实施例自由活塞式内燃机点火系统的结构示意图； 图中：l为第一燃烧室；2为点火执行器；3为第一排气口； 4为电子控制单 元；5为直线位移传感器，包括磁栅齿条501和磁栅读头502; 6为第二排气口；

7为气缸；8为第二燃烧室；9为第二活塞；10为第二进气口； 11为连杆；12为霍尔传感器，包括齿1201和霍尔信号发生器1202; 13为第一进气口； M为 第一活塞；15为速度传感器。

图2是优选实施例中的点火执行器结构示意图；

图中，201为采样电阻；202为电压比较器；203为逻辑控制器；204为mos 管；205为保护电容；206为点火线圈初级；207为点火线圈次级；208为火花塞; 209为二极管；210为开关；211为12V直流电源；212为保护电阻。

图3是充电脉宽3ms时点火线圈初级电流与时间关系示意图。

图4为点火线圈次级高压与时间关系示意图。

图5是充电脉宽6ms时点火线圈限流控制图；

其中：（a)是点火线圈初级电流与时间关系，（b)为点火线圈次级电压与时间 关系。

图6为点火保护模块所需要的临界速度脉普图。 图7是点火保护膜快仿真曲线示意图；

其中：a为无保护模块时位移与时间，b为保护模块起作用时位移与时间变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
如图1所示， 一自由活塞式内燃机点火系统，其包括：
一输入信号传感器，包括一霍尔传感器12，及一直线位移传感器5电连接 于该霍尔传感器，并由该霍尔传感器触发； 一点火执行器2;以及
一电子控制单元4电连接于输入信号传感器及点火执行器2，用于从输入信
号传感器接受一信号，并控制点火执行器2点火；
其中，该霍尔传感器12设置于自由活塞式内燃机的连杆11的运动路线上， 当连杆11通过时，霍尔传感器12触发直线位移传感器5开始精确感应连杆]] 的位移量，当位移量到达一预设值时，电子控制单元4控制对应点火执行器点火， 利用热力学原理使连杆ll制动并反向运动，如是反复。
具体地，霍尔传感器12在连杆11通过时产生该信号，直线位移传感器5收到该信号后开始记录连杆11的位移量。该预设值存储于该电子控制单元4中， 与该位移量进行比较。
具体地，电子控制单元4可以为一个16位的微处理器（MCU)，用于处理输 入信号传感器信号，进一步触发相应点火执行器工作。
如图2所示，根据一较佳实施例，该点火执行器2包括点火线圈初级2()6、 次级207、 一火花塞208、 一电压比较器202、 一金属氧化物半导体管（mos管） 204、 一 12V直流电源211、 一采样电阻201、 一逻辑控制器203、 一二极管2()9、 一保护电容205、 一保护电阻212及一开关210。
进一步的，火花塞208与该点火线圈次级207相连并接地；12V直流电源211 通过开关210、 二极管209、点火线圈初级206与mos管204的漏极相连，在mos 管204漏极加入保护电容205和保护电阻212并接地，以避免瞬时电流过大烧毁 mos管。mos管204源极通过采样电阻201接地；点火线圈初级206充电电流与 充电限制电流经过电压比较器202后与一点火控制信号通过逻辑控制器203引入 mos管204栅极，控制mos管工作在不同状态下。
点火执行器2具体的工作过程如下，在预设的点火参考位置，电子控制单元 4控制mos管204导通，对点火线圈初级206充电。在点火正时，控制mos管204 截止，从而在点火线圈次级207中产生高压（M0kV)，使火花塞208点火。当自 由活塞式内燃机出现故障时，有可能发生充电异常，初级线圈206充电异常会使 该点火线圈或mos管204过热损坏，利用电压比较器202时实检测充电电流大小， 超过充电限制电流后，电压比较器202输出翻转，通过逻辑控制器203使mos 管204由可变电阻区向恒流区偏移，以减小充电电流。
本发明还提供了一种用于自由活塞式内燃机的点火方法，其包括：
在连杆11通过一预设位置时产生一点火参考信号；
收到该点火参考信号后，精确计算连杆11超过该预设位置的一偏移量；
将该偏移量与一内存中的 一预设值进行比较；
该偏移量与该预设值相等时，在连杆运动方向前方的燃烧室内点火，其中， 该预设值可调节。
进一步的，该点火方法还包括：感应连杆11到达一预设位置处的一瞬时速 度，当该瞬时速度大于该临界速度值时，该电子控制保护单元控制对应保护点火 执行器点火，其中，该临界速度值为连杆ll自由压縮时恰好能到达运动极限位置(活塞碰到缸盖)的速度。
本发明还提供了一种用于自由活塞式内燃机的点火保护模±央，其包括-一速度传感器15;
一保护点火执行器，具体地可以为点火执行器2;以及
一电子保护控制单元，具体地可以为电子控制单元4，电连接于该速度传感 器15及该保护点火执行器2，存储有一临界速度值；
其中，速度传感器15设置于一自由活塞式内燃机的对置气缸内，离该自由 活塞式内燃机的连杆11的一运动极限位置一预设距离，感应连杆11到达此处的 一瞬时速度，该临界速度值为连杆ll自由压縮时恰好能到达该运动极限位置的
速度，当该瞬时速度大于该临界速度值时，该电子控制保护单元4控制该保护点 火执行器2点火。
优选实施例
如图1所示，本实施例采用的自由活塞内燃机包括：第一燃烧室l、点火执
行器2 (包括采样电阻201、电压比较器202、逻辑控制器203、 mos管204、保 护电容205、点火线圈初级206、点火线圈次级207、火花塞208、 二极管209、 开关210、 12V直流电源211、保护电阻212)、第一排气口3、电子控制单元4、 直线位移传感器5 (包括磁栅齿条501和磁栅读头502)、第二排气口 6、气缸7、 第二燃烧室8、第二活塞9、第二进气口 10、连杆ll;霍尔传感器12 (包括齿 1201和霍尔信号发生器1202)、第一进气口13;第一活塞14;速度传感器】5。 第一活塞14与第二活塞9通过中间的连杆11组成一个对置结构，构成自由 活塞式内燃机的唯一运动部件，第一燃烧室l、第二燃烧室8对置于系统两侧， 其中分别布置点火执行器2。两个燃烧室内还分别设置第一进气口 13、第一排气 口 3以及第二进气口 10、第二排气6 口。火花塞208与点火线圈次级207相连 并接地；12V直流电源211通过开关210、 二极管209、点火线圈初级206与mos 管204漏极相连，在mos管204漏极加入保护电容205和保护电阻212并接地， 以避免瞬时电流过大烧毁mos管；mos管204源极通过采样电阻201接地；点火 线圈初级206电流引入电压比较器202产生过电流保护信号，与电子控制单元4 发出的点火控制信号送入逻辑控制器203处理，处理后的信号直接引入m。s管 204栅极。齿1201布置于连杆11的中央，随之往复运动，霍尔信号发生器1202 固定于两燃烧室中央不动，与电子控制单元4电气连接。磁栅齿条501布置于自由活塞内燃机连杆ll上，随之运动，磁栅读头502固定于两燃烧室中间不动， 与电子控制单元4电气连接。
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。在图1所示位置，连杆 ll与第一活塞14、第二活塞9一起向左侧上止点运动。此时，霍尔信号发生器 1202早已判断出齿1201通过，产生信号给电子控制单元4，提示预设点火参考 信号来临。电子控制单元4立刻给点火执行器2信号，进一步使直线位移传感器 5进入工作状态，开始精确计算连杆11超过预设位置的偏移量，与内存中预设 值进行比较。同时在自由活塞式内燃机的另一侧，可燃混合气由第二进气门10 迸入气缸，促使第二燃烧室8中的残留废气经过第二排气口6排出，完成第二燃 烧室8的扫气过程。随着连杆11的进一步向左运动，第一燃烧室l的预设点火 时刻到来，电子控制单元4控制点火执行器2工作，完成点火功能。第一燃烧室 1燃烧产生的高压气体推动连杆11与第一活塞14、第二活塞9向右侧运动，完 成上述相同的动作。自由活塞式内燃机在这种方式下，产生直线运动，对外直接 做功，输出能量。
点火执行器2的具体实施过程如下-
自由活塞式内燃机启动，开关210闭合，点火参考信号来临时，电子控制单 元4发出信号，mos管204导通，12V直流电源211产生电流通过开关210、 二 极管209、点火线圈初级206、 mos管、采样电阻201形成闭合回路，点火线圈 初级206电流从零开始增大。点火正时来临时，电子控制单元4发出信号，mos 管204截止，点火线圈次级207感应出高压，击穿混合气，火花塞208点火。若 充电电流超过最大允许电流（7.56A)但点火正时没来临，电压比较器202发生 翻转，输出低电平，经过逻辑控制器203后，控制mos管204由可变电阻区向恒 流区偏移，点火线圈初级206充电电流减小，保障mos管204正常工作。
本实施例是通过以下技术方案实现判缸与点火正时的：
自由活塞式内燃机的最大特点就是连杆11的运动由第一燃烧室1、第二燃 烧室8燃烧状况决定，前一次燃烧过程直接影响下一次运动，因此，第一活塞 14、第二活塞9的上止点位置不固定，随着负荷、点火位置等发生变化。不同的 点火时刻对内燃机的运动规律、效率有决定性作用，根据负荷调整点火时刻可以 保障内燃机运行在最优状况。
上止点前点火：经过滤波处理的霍尔传感器12和直线位移传感器5的信号分别实现点火参考和点火正时功能。在连杆11上加工可以被霍尔信号发生器 1202分辨的齿1201,随着连杆11 一起运动。霍尔信号发生器1202检测到齿1201 经过，向电子控制单元4输出一个方波，提示预设位置来临。该方波被作为点火 参考信号，控制点火线圈初级206开始充电，同时触发直线位移传感器5开始计 数，在点火正时的时候(计数器溢出）进入中断程序，电子控制单元4控制点火信 号拉低，mos管204截止，点火线圈次级207感应出高压，火花塞208点火。需 要调整点火位置时，只需修改直线位移传感器5的计数器初始值，保证点火的精 度为0. 01〜0. l咖。
上止点后点火：由于第一活塞14、第二活塞9的上止点位置可变，前述方 法显然不能准确判断上止点后的点火位置。对应此种情况，应利用活塞上止点信 号作为判缸信号。电子控制单元4时实捕捉直线位移传感器5的A、 B信号上升 沿的时刻，作出连杆ll运动方向的判断；在A、 B信号相位差发生变化(运动方 向改变)的时候标记该时刻为循环上止点位置，产生判缸信号，触发直线位移传 感器5计数，同样根据不同的初值，完成上止点后某具体位置点火，精度为 0. 010〜0. l咖。
对于上止点前点火的情况，齿1201在靠近上止点和远离上止点的运动过程 会两次触发霍尔信号发生器1202，使得霍尔传感器12输出两个方波，如果霍尔 传感器12的脉冲信号不加过滤处理直接作为点火参考信号，每个循环将产生一 个错误的点火信号，因此必须将齿1201远离上止点时触发的脉冲予以屏蔽。
本实施例通过以下技术方案实现点火能量的控制-
根据点火线圈技术参数，点火线圈初级206充电电流随通电时间呈指数规律 变化，初级电流决定点火能量。点火线圈初级206采用12V直流电源211供电， 维持3ms充电时间就可以在次级207中产生10kV以上的点火电压，点火能量达 到50mJ以上，满足发动机正常运转时的点火需要，因此设置此充电时间为基本 脉宽。为了确保点火能量和次级207电压不受12V直流电源211电压变化的影响， 在直流电源211电压变低时，应适当增加充电时间。
本实施例通过以下技术方案实现安全保护作用-
由于火花塞点火式内燃机的燃烧室多为半球形燃烧室，余隙容积大，最大压 缩比被限制。第一活塞14没有固定的上止点，预设的点火时间不恰当而活塞惯 性过大有可能碰到第一燃烧室l极限位置(缸盖)发生危险，同样的，第二活塞9有可能碰到第二燃烧室8极限位置(缸盖)发生危险。对这种异常情况，除了改进 内燃机设计参数以外还需要添加辅助保护措施。在点火系统里设置强制点火模 块，引入临界速度并保存于电子控制单元4内存中。这里，临界速度的大小与内 燃机的负载有关，假设在该速度下，第一活塞14、第二活塞9恰好能自由压缩 到第一燃烧室1或第二燃烧室8的极限位置。以极限位置前3mra之处作为采样点， 采样第一活塞14、第二活塞9速度，与存储的临界速度进行比较，若采样速度 超过临界速度，电子控制单元4强制对应mos管204立即截止，对应火花塞208 点火，对活塞做负功，抵消多余动能。 实施例仿真
计算机仿真成本低，能够较为准确的反应所研究的对象。对本发明所提出的 点火系统来说，通过仿真建模，可以考察该点火系统在正常和异常状况下的不同 工作过程，有利于进一步深入了解该点火系统的特性。
(1).正常点火情况仿真
高能点火线圈参数：初级绕组0.55Q，电感5.8raH;次级绕组6.2kQ，电 感14H;能量转换效率75%，采样电阻0.1Q。根据计算，本设计方案初级回路 的时间常数约为8.9ms,在此充电时间下，初级切断电流不加限制可以达到10A 以上，不采用限流控制不仅浪费电能，而且有可能使电路发生损坏。利用 Matlab/Simulink编制程序，测试不同充电时间下初级线圈电流以及次级电压变 化如图3、 4、 5所示。其中图3、 4对应充电脉宽3ms，图5对应充电脉宽6ms。
由仿真结果可见，控制脉宽持续3ms就可以使初级线圈储能50mJ，与点火 线圈的技术参数吻合。在发动机启动、怠速和加速或者稀薄燃烧时，混合气难以 点着，需要较高的点火能量，在此情况下，也应调整充电脉宽至5ms以上，使点 火能量达到100mJ。而脉宽达到6ms时，电流己经达到设定的安全电流上限'限 流保护模块已经起到预期的作用，限制充电电流稳定在7. 56A。
表1总结了此设计方案的不同充电脉宽下点火线圈初级切断电流、次级电 压以及点火能量变化规律。可以看出'超过6ms的脉宽已无实际意义，对点火系 统已没有任何影响。表l点火线圈电气特性表
充电时间/ms 1 2 3 4 5 6
切断电流/A 1.81 3.4 4. 82 6. 06 7.15 7. 56
次级电压/kV 6.165 11,58 16.4 20,61 24. 35 25. 75
点火能量/mJ 7. 1 25.2 50.6 79.9 111.3 124.3
(2)点火保护模块仿真 a.临界速度求解
该自由活塞式内燃机系统包括燃烧室的热力学过程和活塞运动的动力学部 分，分别建模如下： 热力学模型
对于某负载，假设临界速度为v。，压缩冲程燃烧室内气体压力、体积满足
& d/f i?g必 （1) 式中，G、《分别为定容比热容和气体状态常数，尸、F分别为气体瞬间压力
和体积，&为气体与外界热交换，包括燃料燃烧的能量和对外散热。 燃料燃烧产生的能量满足
& u 。 & (2)
式中^为燃料的低热值，6L为每一循环喷入气缸内的燃料质量，i为燃烧 速率，根据Wiebe公式，有
= 6.卯8 ^ (丄)"exp[-6細* (丄)"+1] A te V p (3)
式中力为燃料品质数，对汽油一般取1〜3之间的常数。"为燃烧持续时间 忽略传热系数随空间的变化，内燃机运动过程中，散热损失满足
& w (4)式中，r、 7;分别为缸内工质瞬时温度和壁面温度；力为对流传热系数，力 为有效传热面积，包括活塞顶表面面积、缸盖内表面面积以及燃气与气缸壁接触
的传热面积。根据Eichelberg对自然吸气低速二冲程研究得出的经验公式
"7.67xl(T3 xi[xV?^ ,匚、
v M (5)
式中K为活塞平均速度
将(2)〜(5)带入(1)，即可得到燃烧室热力学过程与缸内压力的动态变化规律。
动力学模型
对活塞进行受力分析，根据牛顿第二定律
(《-^-,呵一/ -=fl
w (6)
式中A、尸2分别为左右两侧气体压力，S为活塞截面积，/^和/分别为负载 力（电磁力）和摩擦力，均与运动速度成正比，比例系数随负载变化。
热力学模型与动力学模型结合在一起即可得到封闭的方程组，描述自由活塞 式内燃机的实际工作过程。
临界速度求解
根据实际自由活塞内燃机的模型，设置燃料^=43500kJ/kg, f3,按照当量 比供给，气体绝热指数1.37,定压比热容788J/(kg-K)，壁面平均温度400K。利 用matlab编制程序，结合上述初始条件求解公式（1)-(6)求解不同负载下的临界 速度，结果如图6所示。
根据此临界速度制作脉谱图，使电子控制单元检测该位置处活塞的运动速 度， 一旦超过此数值，立刻控制mos管截止，使火花塞点火，保障自由活塞式内 燃机安全运行。
b.点火保护模块仿真
人为设置异常状态，使MCU检测到活塞速度超过临界速度，强制点火系统点 火，对比强制点火前后系统运动规律的改变。设置燃烧循环向气缸内气体放热 50J，相当于燃油按照化学计量配比供给，能量利用率约为26%。图7描述了活 塞顶到极限位置的距离随时间变化曲线，设定的采样速度为2.1m/s。曲线1为没有保护作用时二者间距变化，曲线b描述了保护模块起作用后二者间距变化， 此时MCU检测到异常，使火花塞强制点火。很明显，由于运动速度超过临界速度, 曲线a的一部分己经位于水平线之下，这表明活塞位置超过缸盖，将发生危险；
而采取强制点火措施以后，活塞速度在极限位置之前己经减小到零，保证自由活 塞式内燃机安全运行。可以看出，基于强制点火的安全保护模块能有效的弥补传 统燃烧室带来的负面影响，配合其它改进措施共同保障自由活塞内燃机的安全运行。