一种基于极值搜索的自由活塞发动机控制系统点火位置优化方法，属于发动机技术领域。本发明专利技术的目的是通过控制管理系统能够使自由活塞发动机稳定运行在各个工作点，应用极值搜索策略来寻找自由活塞发动机的最优点火位置并完成map标定的基于极值搜索的自由活塞发动机控制系统点火位置优化方法。本发明专利技术的两个自由活塞组件通过齿轮和两根齿条啮合，两对活塞通过镜像运动实现四冲程运行；采用电磁驱动的可变气门正时机构，安装在气缸顶部；左右两个气缸的几何中点为活塞运动位置的原点，活塞及连杆向右运动能够达到的极限位置为下止点，向左运动能够达到的极限位置为上止点。本发明专利技术提高自由活塞发动机运行的稳定性及经济性，减少点火位置map标定过程中消耗的资源、时间。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于发动机
技术介绍
近年来，随着排放法规的日益严格，以及国家在环保投入力度的加大，混合动力汽车作为新能源汽车的重要组成部分获得了迅速发展。自由活塞发动机是近几年来针对混合动力汽车动力系统的应用需求，逐渐发展起来的一种新型动力系统。自由活塞发动机在机械结构上省略了曲柄连杆机构和机械飞轮，直接利用燃烧室活塞的往复运动驱动直线发电机或液压泵，将燃料燃烧产生的热能直接转化为电力或液力输出，因此具有燃料适用范围广、能量传递与转化环节少、机械结构紧凑等特点。相比于常规混合动力汽车中的动力装置，可以大幅提高能源最终利用率。该系统将有望发展成为新一代的节能环保性能优良、同时具有较高性能价格比的新型汽车动力装置。自由活塞发动机由于取消曲轴和飞轮装置，导致发动机对点火位置变化非常敏感，点火位置对发动机的经济性等存在较大影响，点火位置靠前（点火过早）会造成爆震，活塞运动受阻，效率降低，磨损加剧；点火位置靠后（点火过晚）导致发动机过热，功率下降。因此通过优化点火位置能够有效提升自由活塞发动机的经济性。在工程上，实际发动机的点火位置/角度通常是根据发动机运行工况、状态通过查map表得到的。然而传统map标定方法周期很长，不利于缩短自由活塞发动机的开发周期，并且传统标定实验工作量巨大，不利于降低自由活塞发动机的开发成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过控制管理系统能够使自由活塞发动机稳定运行在各个工作点，然后以自由活塞发动机燃油消耗最小为目标，应用极值搜索策略来寻找自由活塞发动机的最优点火位置并完成 map标定的基于极值搜索的自由活塞发动机控制系统点火位置优化方法。本专利技术的两个自由活塞组件通过齿轮和两根齿条啮合，其中两根齿条分别安装在相邻的上活塞及连杆组件和下活塞及连杆组件上，齿轮安装在齿轮轴上，两对活塞通过镜像运动实现四冲程运行；采用电磁驱动的可变气门正时机构，安装在气缸顶部；左右两个气缸的几何中点为活塞运动位置的原点，活塞及连杆向右运动能够达到的极限位置为下止点，向左运动能够达到的极限位置为上止点。本专利技术的工作过程是：当系统启动时，直线发电机工作在电动机状态，将自由的活塞组件拖动到一个能够维持运动的工作频率下；燃油通过喷油器在压缩冲程直接喷入气缸，当活塞位置传感器感应到活塞运动至点火位置后，火花塞点燃，每一个气缸进行交替燃烧来推动活塞进行往复的运动；假设初始状态为气缸一工作在进气冲程，气缸三工作在压缩冲程，气缸四工作在膨胀冲程，气缸二工作在排气冲程，上活塞及连杆组件在气缸四燃烧做功的推动下向左运动，下活塞及连杆组件在齿轮及齿条链接带动下向右运动；当上活塞及连杆组件向左运动至上止点时，此时下活塞及连杆组件向右运动至下止点，气缸一完成进气冲程，气缸三完成压缩冲程，气缸四完成膨胀冲程，气缸二完成排气冲程；接着气缸三进入膨胀冲程，在气缸三燃烧做功的作用下上活塞及连杆组件向右运动，下活塞及连杆装置在齿轮及齿条链接带动下向左运动，此时气缸四进入排气冲程，气缸二进入进气冲程，气缸一进入压缩冲程；当上活塞及连杆组件向右运动至下止点时，此时下活塞及连杆组件向左运动至上止点，气缸三完成膨胀冲程，气缸四完成排气冲程，气缸二完成进气冲程，气缸一完成压缩冲程；接着气缸一进入膨胀冲程，下活塞及连杆组件在气缸一燃烧做功的作用下向右运动，上活塞及连杆装置在齿轮及齿条链接带动下向左运动，此时，气缸三进入排气冲程，气缸四进入进气冲程，气缸二进入压缩冲程，当下活塞及连杆组件向右运动至下止点时，上活塞及连杆组件向左运动至上止点，此时气缸一完成膨胀冲程，气缸三完成排气冲程，气缸四完成进气冲程，气缸二完成压缩冲程；接着气缸二进入膨胀冲程，下活塞及连杆组件在气缸二燃烧做功的作用下向左运动，上活塞及连杆装置在齿轮及齿条链接带动下向右运动，气缸一进入排气冲程，气缸三进入进气冲程，气缸四进入压缩冲程；这样上、下活塞及连杆组件通过齿轮及齿条链接带动进行直线往返运动，实现了自由活塞发动机进气，压缩，膨胀，排气冲程，并且保证每个冲程中有一个气缸处在燃烧做功的状态，为非膨胀冲程的活塞提供驱动力；此外自由活塞发动机将作为混合动力电动汽车的发电装置，电机部分选用永磁直线电机，作为动子的永磁铁镶嵌在活塞连杆上，而线圈固定在定子上，镶嵌在活塞连杆的永磁铁随着活塞及连杆往复运动使得线圈不断切割磁感线，此时直线发电机工作在发电机状态，最终将内能转化成电能对外输出。本专利技术的优化方法是：控制管理系统通过控制喷油量实现对活塞位置间隙的控制；控制管理系统根据实际的电磁负载系数决策出一个理想的电磁负载系数抑制活塞位置间隙的波动，系统输入一个期望空燃比，控制管理系统根据循环喷油量及期望空燃比，计算得到一个理想的节气门开度；控制管理系统采用双闭环控制，外环采用MPC控制器，内环采用基于非线性三步设计的控制器。本专利技术的优化方法是：调节点火位置使自由活塞发动机在期望的工况下一个完整循环下的燃油消耗量最小即 （1）同时保证系统能量守恒 （2）其中每循环的喷油量是可测量，并且在自由活塞发动机控制系统中对应着如下函数关系 （3）设优化问题中的，恒值，进而公式(1)表示为: （4）利用极值搜索方法搜索到最优输入使得输出保持在极值。本专利技术提高自由活塞发动机运行的稳定性及经济性，减少点火位置map标定过程中消耗的资源、时间。具有以下有益效果：（1）自由活塞发动机相比于普通内燃机，可以大幅提高能源最终利用率，对自由活塞发动机点火位置进行优化能够进一步提升自由活塞发动机的燃油经济性。（2）点火位置map的标定是在离线情况下进行的，减少了自由活塞发动机在线计算量，传统的点火位置map标定方法费时，不利于缩短自由活塞发动机研发周期，相较于传统的map标定，本专利技术提出了一种基于极值搜索的点火位置优化策略，能够有效减少map标定的工作量，缩短自由活塞发动机的开发周期。（3）本专利技术首先通过控制管理系统使自由活塞发动机稳定工作在各个工况，利用极值搜索的策略，对点火位置进行优化。这种优化策略为自由活塞发动机参数优化提供了一种通用框架。附图说明图1四缸四冲程自由活塞发动机结构俯视图；图2四缸四冲程自由活塞发动机结构主视图；图3 活塞间隙在时刻采样示意图；图4点火位置对自由活塞发动机循环喷油量的影响；图5基于极值搜索的自由活塞发动机控制系统点火位置优化框图；图6恒定负载下活塞间隙阶跃信号跟踪响应；图7恒定负载下节气门开度响应曲线；图8恒定负载下喷油量变化曲线；图9负载变化情况下活塞间隙变化曲线；图10负载变化情况下节气门开度变化曲线；图11负载变化情况下电磁负载系数变化曲线；图12自由活塞发动机点火位置优化过程图；图13自由活塞发动机点火位置优化结果图；图14自由活塞发动机点火位置map图；图中标号说明：1—上活塞及连杆组件；2—下活塞及连杆组件；3—火花塞；4—喷油器；5—可变正时电磁阀（进排气阀）；6—齿轮；7—齿条； 8—气缸一；9—气缸二；10—气缸三；11—气缸四；12—永磁铁；13—线圈；14—活塞运动位置原点；15—齿轮轴。具体实施方式本专利技术所研究的自由活塞发动机的结构采用双活塞四缸四冲程结构的缸内直喷汽油发动机，其结构如图1、图2所示。两个自由活塞组件通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于极值搜索的自由活塞发动机控制系统点火位置，其特征在于：两个自由活塞组件通过齿轮（6）和两根齿条（7）啮合，其中两根齿条（7）分别安装在相邻的上活塞及连杆组件（1）和下活塞及连杆组件（2）上，齿轮安装在齿轮轴（15）上，两对活塞通过镜像运动实现四冲程运行；采用电磁驱动的可变气门正时机构（5），安装在气缸顶部；左右两个气缸的几何中点为活塞运动位置的原点（14），活塞及连杆向右运动能够达到的极限位置为下止点，向左运动能够达到的极限位置为上止点。
【技术特征摘要】
1.一种基于极值搜索的自由活塞发动机控制系统点火位置，其特征在于：两个自由活塞组件通过齿轮（6）和两根齿条（7）啮合，其中两根齿条（7）分别安装在相邻的上活塞及连杆组件（1）和下活塞及连杆组件（2）上，齿轮安装在齿轮轴（15）上，两对活塞通过镜像运动实现四冲程运行；采用电磁驱动的可变气门正时机构（5），安装在气缸顶部；左右两个气缸的几何中点为活塞运动位置的原点（14），活塞及连杆向右运动能够达到的极限位置为下止点，向左运动能够达到的极限位置为上止点。2.权利要求1所述基于极值搜索的自由活塞发动机控制系统点火位置的工作过程，其特征在于：当系统启动时，直线发电机工作在电动机状态，将自由的活塞组件拖动到一个能够维持运动的工作频率下；燃油通过喷油器（4）在压缩冲程直接喷入气缸，当活塞位置传感器感应到活塞运动至点火位置后，火花塞（3）点燃，每一个气缸进行交替燃烧来推动活塞进行往复的运动；假设初始状态为气缸一（8）工作在进气冲程，气缸三（10）工作在压缩冲程，气缸四（11）工作在膨胀冲程，气缸二（9）工作在排气冲程，上活塞及连杆组件（1）在气缸四（11）燃烧做功的推动下向左运动，下活塞及连杆组件（2）在齿轮（6）及齿条（7）链接带动下向右运动；当上活塞及连杆组件（1）向左运动至上止点时，此时下活塞及连杆组件（2）向右运动至下止点，气缸一（8）完成进气冲程，气缸三（10）完成压缩冲程，气缸四（11）完成膨胀冲程，气缸二（9） 完成排气冲程；接着气缸三（10）进入膨胀冲程，在气缸三（10）燃烧做功的作用下上活塞及连杆组件（1）向右运动，下活塞及连杆装置（2）在齿轮（6）及齿条（7）链接带动下向左运动，此时气缸四（11）进入排气冲程，气缸二（9） 进入进气冲程，气缸一（8）进入压缩冲程；当上活塞及连杆组件（1）向右运动至下止点时，此时下活塞及连杆组件（2）向左运动至上止点，气缸三（10）完成膨胀冲程，气缸四（11）完成排气冲程，气缸二（9） 完成进气冲程，气缸一（8）完成压缩冲程；接着气缸一（8）进入膨胀冲程，下活塞及连杆组件（2）在气缸一（8）燃烧做功的作用下向右运动，上活塞及连杆装置（1）在齿轮（6）及齿条（7）链接带动下向左运动，此时，...
【专利技术属性】
技术研发人员：宫洵，王长勇，胡云峰，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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