[发明专利]一种自由活塞内燃发电机的运动控制方法

说明书

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系统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）的运动规律和系统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D_th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，系统切换至怠速工况；

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f_aim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D_th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K_th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K_th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f_min时，进入停机状态，当活塞组件的工作频率f大于系统最高安全允许频率f_max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系统最高安全运行频率f_max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f_aim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f_aim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系统各工作阶段的特点，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系统各工作阶段的特点，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。