本发明专利技术提供一种基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，通过改变活塞运动规律来达到提高热效率的目的。首先建立发动机缸内热力学计算函数，用于计算指示热效率；然后将所述发动机缸内热力学计算函数中的活塞运动规律曲线用分段五项式叠加计算函数表示：最后根据所设置的待优化变量建立优化计算函数，以发动机缸内热力学计算函数中指示热效率最高为优化目标，来优化所设置的待优化变量，以找到热效率最高时的最优活塞运动规律曲线；然后最优活塞运动规律曲线控制活塞运动。然后最优活塞运动规律曲线控制活塞运动。然后最优活塞运动规律曲线控制活塞运动。
【技术实现步骤摘要】
基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法
[0001]本专利技术涉及一种发动机热效率提升方法，具体涉及一种基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，属于发动机
技术介绍
[0002]提高热效率是动力机械始终追寻的目标，尤其对发动机而言，热效率的提高意味着动力设备续航能力的提高。除此之外，在石油资源枯竭和全球变暖的全球大背景下，提高发动机的热效率也意味着燃油经济性的提高和二氧化碳排放降低。
[0003]对于柴油机，不完全燃烧造成的热损失可以忽略不计，因此减少排气损失及散热损失是提高内燃机热效率的两个根本方向，但传统内燃机因其固定的活塞位移规律难以实现同时减少上述两种能量损失。首先，为减少排气损失，内燃机普遍采用高效燃烧手段使放热更加集中，进而提高燃烧等容度，但其作用有限，无法将等容度提高到极限，同时却因其放热集中在上止点附近导致缸内温度升高，散热增加，以至于热效率收益降低。其次，为减少散热，隔热材料、部分隔热技术被大量尝试，但其应用于发动机时则会导致排气温度明显提高，排气损失增加，只有部分能量转换为指示功。
[0004]由此可见，因传统内燃机曲柄连杆机构固定的运动规律的弊端，难以使其热效率进一步提高。然而，自由活塞发动机可进行活塞位移主动设计的方式，来突破其限制。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，通过改变活塞运动规律来达到提高热效率的目的。
[0006]基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，具体步骤为：
[0007]步骤1：建立发动机缸内热力学计算函数，用于计算指示热效率；
[0008]所述发动机缸内热力学计算函数耦合了活塞运动规律曲线、容积变化率、燃烧放热率以及传热率的参数化计算函数；
[0009]步骤2：将所述发动机缸内热力学计算函数中的活塞运动规律曲线用分段五项式叠加计算函数表示：
[0010]分段指将活塞运动规律TDCF燃烧上止点为对称轴，其两侧分别定义五项式叠加计算函数；所述五项式叠加计算函数则指利用四个指数及系数均可调节的指数函数式与一个可实现角速度加速及活塞上止点短暂停留的余弦函数式相加构成；两个五项式叠加计算函数中的系数为活塞运动规律曲线的待优化变量；
[0011]步骤3：根据步骤2所设置的待优化变量建立优化计算函数，以发动机缸内热力学计算函数中指示热效率最高为优化目标，来优化所设置的待优化变量，以找到热效率最高时的最优活塞运动规律曲线；然后最优活塞运动规律曲线控制活塞运动。
[0012]作为本专利技术的一种优选方式，所述步骤2中：
[0013]以TDCF燃烧上止点为0
°
CA点，左侧从
‑
180
°
CA起始，右侧则以180
°
CA终止，两个五
项式叠加计算函数如下：
[0014]TDCF燃烧上止点左侧型线函数：
[0015][0016]其中A
L
的计算方法：
[0017]如果且曲线位移加速段：
[0018][0019]如果且曲线位移不变段：
[0020]A
L
＝C5+C6
[0021]TDCF燃烧上止点右侧型线函数：
[0022][0023]其中A
R
的计算方法：
[0024]如果且曲线位移加速段：
[0025][0026]如果且曲线位移不变段：
[0027]A
R
＝C11+C12
[0028]其中：dis
L
表示TDCF燃烧上止点左侧活塞位移，单位mm；dis
R
表示TDCF燃烧上止点右侧活塞位移，单位mm；stroke为冲程，单位mm；为曲轴转角，单位为
°
CA；D为每循环曲轴转角度数的一半；C1、C2、C3、C4与C7、C8、C9、C10；B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10分别为TDCF燃烧上止点左右两侧各四项指数函数式的系数和指数；A
L
为左侧型线函数中的余弦函数式，omega1为A
L
对应的余弦曲线角速度的加速因子；A
R
为右侧型线函数中的余弦函数式，omega2为A
R
对应的余弦曲线角速度的加速因子；上述C1至C12，B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10以及omega1和omega2这22个系数为活塞运动规律的待优化变量。
[0029]作为本专利技术的一种优选方式，所述步骤1中，所述发动机缸内热力学计算函数构建过程为：
[0030]101：容积变化规律由活塞运动规律控制：缸内的瞬时容积的计算公式为：
[0031](活塞位移+余隙高度)
×
缸盖面积
[0032]其中余隙高度根据压缩比和行程计算得到；
[0033]102：利用类定熵压缩或膨胀过程状态参数关系式求出倒拖缸温曲线和缸压曲线；
[0034]103：实际缸温曲线利用倒拖缸温曲线与由于燃烧与传热所导致的总温度变化量叠加计算得到，再利用气体状态方程计算出缸压曲线；
[0035]104：最后利用循环做功量除以循环加热量求出指示热效率。
[0036]作为本专利技术的一种优选方式，所述步骤1中，发动机缸内热力学计算函数中的燃烧放热率模型和传热率模型分别采用三韦伯模型和Woschini传热模型。
[0037]作为本专利技术的一种优选方式，进一步的采用提高压缩比、稀薄燃烧、优化放热规律、米勒循环和缸内隔热中的一种以上的方法改变发动机缸内的热力条件，以确定在不同
工况条件下，自由活塞发动机最佳的活塞运动规律。
[0038]作为本专利技术的一种优选方式，提高步骤1中所建立的发动机缸内热力学计算函数中的压缩比，然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
[0039]作为本专利技术的一种优选方式，通过增压的方式实现稀薄燃烧，即通过提高进气压力来增加进气量，在喷油量不变的情况下，实现稀薄燃烧；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
[0040]作为本专利技术的一种优选方式，通过缩短燃烧持续期来优化放热规律，然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
[0041]作为本专利技术的一种优选方式，固定几何压缩比和有效压缩比，通过使排气门晚关提高有效膨胀比来实现米勒循环；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
[0042]作为本专利技术的一种优选方式，采用温度波动隔热技术，即通过采用体积比热小，导热系数低的热障涂层来使燃烧室壁面温度随缸内工质温度同时变化，降低工质与壁面的温差，削弱对流换热；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
[0043]有益效果：
[0044](1)本专利技术的方法通过改变活塞运动规律来实现自由活塞发动机热效率；自由活塞发动机由于活塞运动不受机械机构的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：步骤为：步骤1：建立发动机缸内热力学计算函数，用于计算指示热效率；所述发动机缸内热力学计算函数耦合了活塞运动规律曲线、容积变化率、燃烧放热率以及传热率的参数化计算函数；步骤2：将所述发动机缸内热力学计算函数中的活塞运动规律曲线用分段五项式叠加计算函数表示：分段指将活塞运动规律TDCF燃烧上止点为对称轴，其两侧分别定义五项式叠加计算函数；所述五项式叠加计算函数则指利用四个指数及系数均可调节的指数函数式与一个可实现角速度加速及活塞上止点短暂停留的余弦函数式相加构成；两个五项式叠加计算函数中的系数为活塞运动规律曲线的待优化变量；步骤3：根据步骤2所设置的待优化变量建立优化计算函数，以发动机缸内热力学计算函数中指示热效率最高为优化目标，来优化所设置的待优化变量，以找到热效率最高时的最优活塞运动规律曲线；然后最优活塞运动规律曲线控制活塞运动。2.如权利要求1所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：所述步骤2中：以TDCF燃烧上止点为0℃A点，左侧从
‑
180℃A起始，右侧则以180℃A终止，两个五项式叠加计算函数如下：TDCF燃烧上止点左侧型线函数：其中A
L
的计算方法：如果且曲线位移加速段：如果且曲线位移不变段A
L
＝C5+C6TDCF燃烧上止点右侧型线函数：其中A
R
的计算方法：如果且曲线位移加速段如果且曲线位移不变段A
R
＝C11+C12其中：dis
L
表示TDCF燃烧上止点左侧活塞位移，单位mm；dis
R
表示TDCF燃烧上止点右侧活塞位移，单位mm；stroke为冲程，单位mm；为曲轴转角，单位为℃A；D为每循环曲轴转角度数的一半；C1、C2、C3、C4与C7、C8、C9、C10；B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10分别为TDCF燃烧上止点左右两侧各四项指数函数式的系数和指数；A
L
为左侧型线函数中的余弦函数式，
omega1为A
L
对应的余弦曲线角速度的加速因子；A
R
为右侧型线函数中的余弦函数式，omega2为A
R
对应的余弦曲线角速度的加速因子；上述C1至C12，B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴晗，车伟凡，薄亚卿，张泽宇，贾博儒，石智成，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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