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一种双缸车载自由活塞线性发电机及其控制方法
申请号	CN202311446594.4	申请日	2023-11-01	公开(公告)号	CN117489473A	公开(公告)日	2024-02-02
申请人	东莞职业技术学院; 东莞市虎头局汽车养护服务有限公司;			发明人	李亚鹏; 黎柱鸿; 刘存山; 刘丰; 肖对养; 宋谦; 莫小伟;
摘要	本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种双缸车载自由活塞线性发电机及其控制方法，包括活塞连杆组，燃料供给系统、进排气系统、点火系统，直线发电机、蓄电池组、控制单元；本发明活塞连杆组负责将燃料的化学能转化为机械功，进排气系统控制进气和排气过程，燃料供给系统提供燃料，点火系统负责点火，直线发电机则用于提供额外的驱动力，并与低压蓄电池和高压动力电池配合工作，控制单元则对各个部件进行协调和控制。这种双缸车载自由活塞增程器装置的引入，能够有效克服现有技术的缺陷，提升车辆的动力性能和燃油利用效率。
权利要求	1.一种双缸车载自由活塞线性发电机，其特征在于：包括活塞连杆组(1)，燃料供给系统(4)、进排气系统(3)、点火系统(5)，直线发电机(2)、蓄电池组、控制单元，进排气系统(3)控制进气和排气过程，燃料供给系统(4)用于提供燃料，点火系统(5)用于点火，直线发电机(2)用于发电，蓄电池组用于储存电能，控制单元对各个部件进行协调和控制；燃料由燃料供给系统(4)加压并输送至点火系统(5)，点火系统(5)点燃混合气体，活塞连杆组(1)产生动能，驱动直线发电机(2)发电，并将电能储存在蓄电池组中，控制单元用于对各个系统的协调控制。 2.根据权利要求1所述的一种双缸车载自由活塞线性发电机，其特征在于：所述活塞连杆组(1)包括气缸体、设置于汽缸体内的活塞、设置于活塞上的活塞环、设置于活塞下方的连杆、设置于汽缸体内部上壁与活塞之间的回位弹簧，所述连杆底部与所述直线发电机(2)连接，所述活塞于汽缸体内部推动所述连杆往复运动。 3.根据权利要求1所述的一种双缸车载自由活塞线性发电机，其特征在于：所述燃料供给系统(4)包括燃油泵、进气管道，所述进气管道连接于所述进气管道上。 4.根据权利要求所述的一种双缸车载自由活塞线性发电机及其控制方法，其特征在于：所述点火系统(5)包括点火线圈、火花塞。 5.根据权利要求1所述的一种双缸车载自由活塞线性发电机，其特征在于：所述进排气系统(3)包括进气管、排气管、进气门、排气门、线性电机配气机构。 6.根据权利要求5所述的一种双缸车载自由活塞线性发电机，其特征在于：所述线性电机配气机构包括电源分配单元、电机驱动系统、控制器以及进气阀和排气阀，电源分配单元充当中央枢纽，管理整个系统的电源和控制信号的分配，电机驱动系统驱动进气门和排气门，控制器实现动态运动控制。 7.根据权利要求6所述的一种双缸车载自由活塞线性发电机，其特征在于：所述控制器为伺服控制器。 8.根据权利要求1所述的一种双缸车载自由活塞线性发电机，其特征在于：所述燃料供给系统(4)包括喷油器、燃油管、燃油箱、燃油泵。 9.根据权利要求1所述的一种双缸车载自由活塞线性发电机，其特征在于：所述直线电机包括定子绕组、定子铁芯、气隙、动子，定子铁芯内设置有多个圆环形绕槽，所述绕槽用来嵌装定子绕组，动子安装到定子铁芯内，气隙设置于动子磁极与定子齿之间，动子沿定子铁芯轴线方向往复运动。 10.一种双缸车载自由活塞线性发电机的控制方法，其特征在于：包括以下步骤： S01：设置自由活塞发动机初始转速； S02：根据瞬态模式触发启动、发电、驱动模式，每个模式均含模拟动力学和燃烧所需的相关子模型； S03：实时计算活塞的位置、发动机转速、循环位置； S04：保存运算结果并用于数据后处理和分析，调整对于不同发动机转速、压缩比、点火提前角。
说明书全文	一种双缸车载自由活塞线性发电机及其控制方法技术领域： [0001] 本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种双缸车载自由活塞线性发电机及其控制方法。背景技术： [0002] 近年来，随着我国经济社会的进步和对绿色健康发展理念的日益重视，新能源汽车得到了快速发展，在传统的柴油机发电过程中，能源的传递形式先是由燃料的化学能经过柴油机燃烧转变成曲轴输出的机械能，然后再由这部分机械能带动电机进行发电，转变成电能。整个能源的转换过程经过了较多的步骤，同时伴随着柴油机复杂的机械结构损失掉很大一部分，因此整体发电效率较低。而目前的自由活塞发电机耦合了自由活塞发电机与直线电机的工作特点，能够把燃料的化学能直接转化成电能的形式，相比于传统的内燃机发电过程具有更高的发电效率与经济性能，但目前的背置式自由活塞发电机需要用两对气缸才能带动一组发电机的励磁线圈，功率密度较小，而对置式自由活塞发电机虽然功率密度大，但回复装置降低了装置的可靠性，增加了内燃发电机的故障率，难以推广普及。发明内容： [0003] 本发明的目的就是针对现有技术存在的不足而提供一种双缸车载自由活塞线性发电机及其控制方法，与常规的内燃机与发电机组合相比，自由活塞直线发电机动力系统具有更高的能量转换与传递效率，适用于混合动力电动汽车的动力源应用，并具有良好的前景。 [0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双缸车载自由活塞线性发电机，包括活塞连杆组，燃料供给系统、进排气系统、点火系统，直线发电机、蓄电池组、控制单元，进排气系统控制进气和排气过程，燃料供给系统用于提供燃料，点火系统用于点火，直线发电机用于发电，蓄电池组用于储存电能，控制单元对各个部件进行协调和控制；燃料由燃料供给系统加压并输送至点火系统，点火系统点燃混合气体，活塞连杆组产生动能，驱动直线发电机发电，并将电能储存在蓄电池组中，控制单元用于对各个系统的协调控制。 [0005] 对上述方案的进一步改进为，所述活塞连杆组包括气缸体、设置于汽缸体内的活塞、设置于活塞上的活塞环、设置于活塞下方的连杆、设置于汽缸体内部上壁与活塞之间的回位弹簧，所述连杆底部与所述直线发电机连接，所述活塞于汽缸体内部推动所述连杆往复运动。 [0006] 对上述方案的进一步改进为，所述燃料供给系统包括燃油泵、进气管道，所述进气管道连接于所述进气管道上。 [0007] 对上述方案的进一步改进为，所述点火系统包括点火线圈、火花塞。 [0008] 对上述方案的进一步改进为，所述进排气系统包括进气管、排气管、进气门、排气门、线性电机配气机构。 [0009] 对上述方案的进一步改进为，所述线性电机配气机构包括电源分配单元、电机驱动系统、控制器以及进气阀和排气阀，电源分配单元充当中央枢纽，管理整个系统的电源和控制信号的分配，电机驱动系统驱动进气门和排气门，控制器实现动态运动控制。 [0010] 对上述方案的进一步改进为，所述控制器为伺服控制器。 [0011] 对上述方案的进一步改进为，所述燃料供给系统包括喷油器、燃油管、燃油箱、燃油泵。 [0012] 对上述方案的进一步改进为，所述直线电机包括定子绕组、定子铁芯、气隙、动子，定子铁芯内设置有多个圆环形绕槽，所述绕槽用来嵌装定子绕组，动子安装到定子铁芯内，气隙设置于动子磁极与定子齿之间，动子沿定子铁芯轴线方向往复运动。 [0013] 另一方面，本发明提供一种双缸车载自由活塞线性发电机的控制方法，包括以下步骤： [0014] S01：设置自由活塞发动机初始转速； [0015] S02：根据瞬态模式触发启动、发电、驱动模式，每个模式均包含模拟动力学和燃烧所需的相关子模型； [0016] S03：实时计算活塞的位置、发动机转速、循环位置； [0017] S04：保存运算结果并用于数据后处理和分析，调整对于不同发动机转速、压缩比、点火提前角。 [0018] 本发明有益效果在于：一种双缸车载自由活塞线性发电机，包括活塞连杆组，燃料供给系统、进排气系统、点火系统，直线发电机、蓄电池组、控制单元，进排气系统控制进气和排气过程，燃料供给系统用于提供燃料，点火系统用于点火，直线发电机用于发电，蓄电池组用于储存电能，控制单元对各个部件进行协调和控制；燃料由燃料供给系统加压并输送至点火系统，点火系统点燃混合气体，活塞连杆组产生动能，驱动直线发电机发电，并将电能储存在蓄电池组中，控制单元用于对各个系统的协调控制； [0019] 本发明活塞连杆组负责将燃料的化学能转化为机械功，进排气系统控制进气和排气过程，燃料供给系统提供燃料，点火系统负责点火，直线发电机则用于提供额外的驱动力，并与低压蓄电池和高压动力电池配合工作，控制单元则对各个部件进行协调和控制，能够克服现有技术的功率低，故障率低的问题，提升车辆的动力性能和燃油利用效率。附图说明： [0020] 图1为本发明结构示意图。 [0021] 图2为本发明线性电机配气机构的结构示意图。 [0022] 图3为本发明控制方法的流程示意图。 [0023] 附图标记说明：活塞连杆组1，直线发电机2，进排气系统3，燃料供给系统4，点火系统5。具体实施方式： [0024] 下面结合附图对本发明作进一步的说明，如图1‑2所示，本发明为一种双缸车载自由活塞线性发电机，包括活塞连杆组1，燃料供给系统4、进排气系统3、点火系统5，直线发电机2、蓄电池组、控制单元，进排气系统3控制进气和排气过程，燃料供给系统4用于提供燃料，点火系统5用于点火，直线发电机2用于发电，蓄电池组用于储存电能，控制单元对各个部件进行协调和控制；燃料由燃料供给系统4加压并输送至点火系统5，点火系统5点燃混合气体，活塞连杆组1产生动能，驱动直线发电机2发电，并将电能储存在蓄电池组中，控制单元用于对各个系统的协调控制，本发明活塞连杆组1负责将燃料的化学能转化为机械功，进排气系统3控制进气和排气过程，燃料供给系统4提供燃料，点火系统5负责点火，直线发电机2则用于提供额外的驱动力，并与低压蓄电池和高压动力电池配合工作，控制单元则对各个部件进行协调和控制，这种双缸车载自由活塞增程器装置的引入，能够有效克服现有技术的缺陷，提升车辆的动力性能和燃油利用效率。 [0025] 本发明所述活塞连杆组1包括气缸体、设置于汽缸体内的活塞、设置于活塞上的活塞环、设置于活塞下方的连杆、设置于汽缸体内部上壁与活塞之间的回位弹簧，所述连杆底部与所述直线发电机2连接，所述活塞于汽缸体内部推动所述连杆往复运动。 [0026] 本发明所述燃料供给系统4包括燃油泵、进气管道，所述进气管道连接于所述进气管道上。 [0027] 本发明所述点火系统5包括点火线圈、火花塞。 [0028] 本发明所述进排气系统3包括进气管、排气管、进气门、排气门、线性电机配气机构，如图1所示，本发明所述线性电机配气机构包括电源分配单元、电机驱动系统、控制器以及进气阀和排气阀，电源分配单元充当中央枢纽，管理整个系统的电源和控制信号的分配，电机驱动系统驱动进气门和排气门，控制器实现动态运动控制，电源分配单元充当中央枢纽，管理整个系统的电源和控制信号的分配。它确保高效的电源管理，并最大限度地减少布线复杂性，从而形成精简且紧凑的解决方案；本发明电机驱动系统优选采用LinMot电机驱动系统，LinMot线性电机技术可以快速、精确地驱动进气门和排气门，这些直线电机提供高力密度、平稳运行和低维护需求，能很好的适用于对性能要求苛刻的应用场合；本发明控制器优选为E200‑MT控制器，可实现精确的动态运动控制，通过CAN网络与MC9S12XS128自由活塞发动机控制单元传递喷油、点火和空气流量信号，从而计算出各类模式下最佳的进排气门开启时间和升程大小，确保电源分配单元、LinMot电机驱动系统和MC9S12XS128 自由活塞发动机控制单元之间的最佳协调和同步，从而实现精确的阀门驱动；气门和排气门由LinMot系统控制，原型的灵活设计允许调节气门正时和升程，从而能够在各种工况下优化发动机性能，本发明排气阀与进气阀均采用LinMot柔性阀门，可调节的气门正时和升程可以微调发动机的性能，优化功率输出和效率。其次，LinMot系统提供精确的动态运动控制，可确保精确的阀门驱动，提高燃烧效率，减少排放并增强动力输出；本发明所述控制器为伺服控制器，伺服控制器具备完整的数字位置控制系统，不会出现模拟控制器遇到的偏移问题并可以定义运动轨迹，以实现自适应的运动轨迹跟踪。伺服放大器接受叠加位置的±10V模拟信号。控制回路用于控制线性电机的速度，线性电机内部的位置传感器提供位置反馈，可以通过增量位置信号进行访问输出。这些信号允许在没有外部位置传感器的情况下从外部闭合位置回路。在驱动模式下，伺服放大器的工作方式类似于旋转电机的扭矩模式放大器。模拟命令信号被转换为线性电机的输出电流，该电流将在线性电机中产生与输入电压成比例的力。在速度模式下，模拟输入电压对应于滑块的速度。在这两种操作模式下，必须由外部运动控制器关闭位置回路。 [0029] 本发明所述燃料供给系统4包括喷油器、燃油管、燃油箱、燃油泵。 [0030] 本发明所述直线电机包括定子绕组、定子铁芯、气隙、动子磁极、直轴，定子铁芯呈圆筒形，圆筒内圆柱面有多个圆环形绕槽，所述绕槽用来嵌装定子绕组，定子绕组是环形的，动子安装到筒状定子内，动子磁极与定子齿之间留有气隙，动子沿定子铁芯轴线方向往复运动。 [0031] 工作原理： [0032] 本发电机装置包括气缸、气缸和线性电机的安装。在气缸上安装有气缸压力传感器、位置传感器和热电偶，以及各种执行器，如linmot线性电机配气机构、点火线圈和喷油器。在气缸上安装有气缸压力传感器、位置传感器和热电偶，以及各种执行器，如linmot线性电机配气机构、点火线圈和喷油器。传感器将采集到的信号传递给控制单元MC9SXS8单片机。单片机通过预测行程控制方法的计算，在不同的模式下确定最佳的点火提前角，以控制点火线圈的点火时间；确定喷油器的喷油量，以控制燃油喷入气缸的量；以及控制linmot线性电机配气机构开启和关闭进排气门的时间，从而实现双缸车载自由活塞增程器在启动模式、动力模式和发电模式下的稳定高效运行。 [0033] 另一方面，如图3所示，本发明提供一种双缸车载自由活塞线性发电机的控制方法，包括以下步骤： [0034] S01：设置自由活塞发动机初始转速； [0035] S02：根据瞬态模式触发启动、发电、驱动模式，每个模式均包含模拟动力学和燃烧所需的相关子模型； [0036] S03：实时计算活塞的位置、发动机转速、循环位置； [0037] S04：保存运算结果并用于数据后处理和分析，调整对于不同发动机转速、压缩比、点火提前角。 [0038] 该控制方法用于求解活塞动力学的数值方程，并利用状态流进行线性电机/发电机的干预，以实现预测行程控制，在每个模式启动模式、动力模式、发电模式持续时间结束时，各种性能结果被转移到工作空间中进行后处理和分析，研究对象包括循环速度对自由活塞发动机发电机性能以及不同压缩比和爆震响应的影响；通过预测行程控制方法，可以更准确地控制双缸车载自由活塞增程器的工作过程。该控制方法利用数值方程求解活塞动力学，通过线性电机/发电机的干预实现行程的精确预测，在不同工作模式下，控制方法将所得到的性能结果进行后处理和分析，以评估循环速度对发动机性能的影响，并研究不同压缩比和爆震响应的特性，该装置简单实用，可以适应包括可再生能源等多种类型的燃料在发动机内燃烧通过直线发电机2发电并储存在高压电池内，通过高压电控总成将高压直流电转化为三相高压交流电驱动车辆驱动电机带动车辆前进。 [0039] 当然，以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。