CN115324727B - 自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置及方法，包括高速密封气缸组件和动子定位组件，高速密封气缸的密封气缸配合设置在底座与扫气箱之间，装配构成外部密闭结构；密封连杆在与密封气缸内壁配合的外壁上设有密封气环和密封油环，构成内部密封结构；动子定位组件的永磁体安装于密封连杆的外周，磁性开关置于密封气缸的外周并通过信号引线与控制系统相连；控制系统用于识别磁性开关是否打开，确定动子当前状态并对自由活塞内燃发电机发出相应的指令。本发明的密封气缸组件可满足自由活塞内燃发电机进气系统的高速运行特性，动子定位组件可对动子运动状态进行精准快速识别，降低控制系统的复杂程度和设计以及维护成本。

Description

自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置及方法

技术领域

本发明涉及自由活塞内燃发电机技术领域，具体涉及一种自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置及方法。

背景技术

自由活塞内燃发电机包括自由活塞发动机和直线电机，自由活塞发动机的活塞与直线电机的动子通过连杆构成运动组件。

以二冲程发动机为动力单元的自由活塞内燃发电机的换气方式为：新鲜充量进入扫气箱，再以扫气方式进入气缸。换气过程中活塞连接动子因往复运动进出扫气箱，该换气结构与外界无法形成密闭空间，导致泵气损失增大，燃油经济性较大等问题。为减少解决上述问题，需设计一种适用于高速运动状态下有效可靠的密封结构。

自由活塞内燃发电机由于取消了曲柄连杆机构，稳定运行难度增加，依赖于快速、精准、稳定的控制系统。自由活塞内燃发电机的点火、喷油、扫气信号基于动子的位置和运动状态进行触发，因此必须保证对动子状态的快速、精准识别。当前动子状态识别装置较为复杂，控制系统设计和维护成本较高，因此有必要设计一种结构简单，技术成熟，能够快速且稳定识别动子状态的装置与方法。

发明内容

为解决自由活塞内燃发电机运行时密封性能差、动子定位复杂的技术问题，本发明提供一种自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置及方法。

本发明公开了一种自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，所述自由活塞内燃发电机包括自由活塞发动机和直线电机，所述自由活塞发动机的活塞与所述直线电机的直线电机动子通过密封连杆构成运动组件；在所述自由活塞发动机的底座与扫气箱之间安装有高速密封气缸组件和动子定位组件；

所述高速密封气缸组件包括密封气缸，所述密封气缸配合设置在所述底座与扫气箱之间且三者装配构成外部密闭结构；所述密封连杆滑设在所述密封气缸内，所述密封连杆在与密封气缸内壁相配合的外壁上设有至少一道密封气环和至少一道密封油环，构成内部密封结构；

所述动子定位组件包括永磁体和磁性开关组件，所述永磁体安装于所述密封连杆的外周，所述磁性开关组件置于所述密封气缸的外周并通过信号引线与自由活塞内燃发电机的控制系统相连；所述控制系统用于识别磁性开关组件是否打开，确定动子当前状态并对自由活塞内燃发电机发出相应的指令。

作为本发明的进一步改进，所述密封气缸、底座和扫气箱通过过盈配合装配构成外部密闭结构。

作为本发明的进一步改进，所述密封气缸内侧安装的密封连杆呈“+”型结构，所述密封连杆的活塞连接侧通过销结构与所述活塞连接，所述密封连杆的动子连接侧通过螺栓与所述直线电机动子连接。

作为本发明的进一步改进，所述密封气环设置在靠近活塞侧，所述密封油环设置在靠近直线电机动子侧；所述密封气环为开口式金属密封气环，所述密封油环为开口式金属密封油环，所述开口式金属密封气环和开口式金属密封油环嵌于所述密封连杆的环槽之内，在自身膨胀力和气体压力的共同作用下与所述密封气缸内壁形成过盈配合，进而构成内部密封结构。

作为本发明的进一步改进，所述自由活塞内燃发电机运行时，燃烧所需的油气混合物在进气压力的作用下充满所述扫气箱，对所述内部密封结构进行润滑，实现所述自由活塞内燃发电机的扫气系统在高速运动状态下的动态密封。

作为本发明的进一步改进，所述永磁体的材料包括但不限于橡胶磁、永磁铁氧体、烧结钕铁硼中的一种，所述永磁体的结构包括但不限于圆柱形磁环和立方体磁块中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述磁性开关组件包括磁性开关、保护电路和保护壳，所述磁性开关和保护电路通过树脂塑封在所述保护壳内，所述保护壳安装于所述密封气缸外周的凸台结构上，所述磁性开关与保护电路相串联且一端引出第一信号引线、另一端引出第二信号引线，通过所述第一信号引线和第二信号引线与控制系统和/或动作执行元件相连，所述动作执行元件包括但不限于点火器和喷油器。

本发明还公开了一种基于自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的目标位置确定方法，包括：

将直线电机动子置于两侧自由活塞发动机缸体的中间位置，并设该点为零点；设固定于所述密封气缸外壁的磁性开关与所述零点距离为x₁，设安装于所述密封连杆外周的永磁体与所述零点距离为x₂，通过x₁与x₂之间的差值Δx确定目标位置。

本发明还公开了一种基于自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的动子位置状态识别方法，包括：

永磁体随活塞移动到达所确定的目标识别位置，磁性开关在洛伦兹力的作用下接通电路获得直线电机动子位置状态，并将其位置信号传出给控制系统和/或动作执行元件。

本发明还公开了一种基于自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的动子运动状态识别方法，包括：

所述自由活塞内燃发电机的当前循环周期计算方法：

计所述永磁体随活塞开始移动时刻为t₀，永磁体第1次到达磁性开关位置的时刻为t₁，永磁体第2次到达磁性开关位置的时刻为t₂，永磁体第3次到达磁性开关位置的时刻为t₃，以此类推，永磁体第n次到达磁性开关位置的时刻为t_n；根据自由活塞内燃发电机活塞做往复运动的特性，可推出自由活塞内燃发电机第n循环的周期计算公式为：T_n＝t_n+2-t_n，其对应的瞬时频率为：f_n＝1/T_n；

所述自由活塞内燃发电机的单位时间频率计算方法：

计单位时间内磁性开关发出信号的次数为N，根据自由活塞内燃发电机活塞做往复运动的特性，可推出自由活塞内燃发电机单位时间频率计算公式为：f_n＝N/2。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的密封气缸组件可满足自由活塞内燃发电机进气系统的高速运行特性，并且并具备自主润滑功能，相比其他密封结构具有低摩擦和耐疲劳的优势；

本发明的动子定位组件具有技术成熟，结构简单，安装便捷，反应快速等优势，其可对动子运动状态进行精准快速识别，降低控制系统的复杂程度和设计以及维护成本。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的结构示意图；

图2为图1的磁性开关组件的结构示意图。

图中：

1、点火器；2、缸盖；3、缸套；4、缸体；5、活塞；6、密封连杆；7、密封气缸；8、磁性开关组件；9、底座；10、直线电机定子；11、直线电机动子；12、永磁体；13、第一密封气环；14、第二密封气环；15、密封油环；16、喷油器；17、扫气箱；18、控制系统；201、凸台结构；202、保护壳；203、磁性开关；204、保护电路；205、第一信号引线；206、第二信号引线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，自由活塞内燃发电机包括左右两端的自由活塞发动机、设置在两端自由活塞发动机之间的直线电机以及支撑自由活塞发动机和直线电机的底座9；其中，

本发明的左右两端的自由活塞发动机包括点火器1、缸盖2、缸套3、缸体4、活塞5、密封连杆6、喷油器16和扫气箱17，直线电机包括直线电机定子10和直线电机动子11；点火器1安装在缸盖2上，缸盖2对应安装在缸套3上，缸套3嵌套在缸体4内壁，缸体4内装有活塞5，密封连杆6与直线电机动子11和两端的活塞5相连构成运动组件，直线电机动子11外侧设有直线电机定子10。

本发明在自由活塞发动机的底座9与扫气箱17之间安装有高速密封气缸组件和动子定位组件；具体的：

如图1所示，高速密封气缸组件包括密封气缸7，密封气缸7配合设置在底座9与扫气箱17之间且三者通过过盈配合装配构成外部密闭结构；密封连杆6滑设在密封气缸7内，密封连杆6在与密封气缸7的内壁相配合的外壁上设有至少一道密封气环和至少一道密封油环15，构成内部密封结构；自由活塞内燃发电机运行时，燃烧所需的油气混合物在进气压力的作用下充满扫气箱17，对内部密封结构进行润滑，可降低其摩擦阻力与热应力，进而实现自由活塞内燃发电机的扫气系统在高速运动状态下的动态密封。进一步，密封气缸7内侧安装的密封连杆6呈“+”型结构，密封连杆6的活塞连接侧通过销结构与活塞5连接，密封连杆6的动子连接侧通过螺栓与直线电机动子11连接；活塞5、密封连杆6与直线电机动子11构成运动组件，在缸内爆发压力的作用下进行高速直线运动。进一步，密封气环设置在靠近活塞侧，如本发明在密封连杆6上设置的第一密封气环13和第二密封气环14，密封油环15设置在靠近直线电机动子侧；第一密封气环13和第二密封气环14为开口式金属密封气环，密封油环15为开口式金属密封油环，开口式金属密封气环和开口式金属密封油环嵌于密封连杆6的环槽之内，在自身膨胀力和气体压力的共同作用下与密封气缸7内壁形成过盈配合，进而构成内部密封结构。进一步，密封气缸7长度要大于自由活塞5冲程，避免开口式金属密封气环和开口式金属密封油环在运行期间发生脱落。

如图1所示，本发明的动子定位组件包括永磁体12和磁性开关组件8，永磁体12安装于密封连杆6的外周，磁性开关组件8置于密封气缸7的外周并通过信号引线与自由活塞内燃发电机的控制系统18相连；控制系统用于识别磁性开关组件8是否打开，确定动子当前状态并对自由活塞内燃发电机发出相应的指令。进一步，通过信号引线也可直接连接点火器、喷油器等动作执行元件。进一步，永磁体的材料包括但不限于橡胶磁、永磁铁氧体、烧结钕铁硼中的一种，永磁体的结构包括但不限于圆柱形磁环和立方体磁块中的一种。

具体的，如图2所示，本发明的磁性开关组件8包括磁性开关203、保护电路204和保护壳202，磁性开关203和保护电路204通过树脂塑封在保护壳202内，保护壳202安装于密封气缸7外周的凸台结构201上，磁性开关与保护电路相串联且一端引出第一信号引线205、另一端引出第二信号引线206，通过第一信号引线205和第二信号引线206与控制系统18和/或动作执行元件相连。

本发明提供一种基于自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的目标位置确定方法，包括：

将直线电机动子置于两侧自由活塞发动机缸体的中间位置，并设该点为零点；设固定于密封气缸外壁的磁性开关与零点距离为x₁，设安装于密封连杆外周的永磁体与零点距离为x₂，通过x₁与x₂之间的差值Δx确定目标位置。

由动子位置状态识别方法可知，当零点确定，某一目标位置的确定只与Δx相关，本方法去除了永磁体12与磁性开关203安装位置的限制，可根据实际结构与需求灵活布置。

本发明提供一种基于自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的动子位置状态识别方法，包括：

永磁体随活塞移动到达上述所确定的目标识别位置，磁性开关在洛伦兹力的作用下接通电路获得直线电机动子位置状态，并将其位置信号传出给控制系统和/或动作执行元件，确定动子当前位置并对自由活塞内燃发电机发出相应的指令。

本发明提供一种基于自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的动子运动状态识别方法，包括：

自由活塞内燃发电机的当前循环周期计算方法：

计永磁体随活塞开始移动时刻为t₀，永磁体第1次到达磁性开关位置的时刻为t₁，永磁体第2次到达磁性开关位置的时刻为t₂，永磁体第3次到达磁性开关位置的时刻为t₃，以此类推，永磁体第n次到达磁性开关位置的时刻为t_n；根据自由活塞内燃发电机活塞做往复运动的特性，可推出自由活塞内燃发电机第n循环的周期计算公式为：T_n＝t_n+2-t_n，其对应的瞬时频率为：f_n＝1/T_n；

自由活塞内燃发电机的单位时间频率计算方法：

计单位时间内磁性开关发出信号的次数为N，根据自由活塞内燃发电机活塞做往复运动的特性，可推出自由活塞内燃发电机单位时间频率计算公式为：f_n＝N/2。

本发明的优点为：

本发明的密封气缸组件可满足自由活塞内燃发电机进气系统的高速运行特性，并且并具备自主润滑功能，相比其他密封结构具有低摩擦和耐疲劳的优势；本发明的动子定位组件具有技术成熟，结构简单，安装便捷，反应快速等优势，其可对动子运动状态进行精准快速识别，降低控制系统的复杂程度和设计以及维护成本。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，所述自由活塞内燃发电机包括自由活塞发动机和直线电机，所述自由活塞发动机的活塞与所述直线电机的直线电机动子通过密封连杆构成运动组件；其特征在于，在所述自由活塞发动机的底座与扫气箱之间安装有高速密封气缸组件和动子定位组件；

所述高速密封气缸组件包括密封气缸，所述密封气缸配合设置在所述底座与扫气箱之间且三者装配构成外部密闭结构；所述密封连杆滑设在所述密封气缸内，所述密封连杆在与密封气缸内壁相配合的外壁上设有至少一道密封气环和至少一道密封油环，构成内部密封结构；

所述动子定位组件包括永磁体和磁性开关组件，所述永磁体安装于所述密封连杆的外周，所述磁性开关组件置于所述密封气缸的外周并通过信号引线与自由活塞内燃发电机的控制系统相连；所述控制系统用于识别磁性开关组件是否打开，确定动子当前状态并对自由活塞内燃发电机发出相应的指令。

2.如权利要求1所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，其特征在于，所述密封气缸、底座和扫气箱通过过盈配合装配构成外部密闭结构。

3.如权利要求1所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，其特征在于，所述密封气缸内侧安装的密封连杆呈“+”型结构，所述密封连杆的活塞连接侧通过销结构与所述活塞连接，所述密封连杆的动子连接侧通过螺栓与所述直线电机动子连接。

4.如权利要求1所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，其特征在于，所述密封气环设置在靠近活塞侧，所述密封油环设置在靠近直线电机动子侧；所述密封气环为开口式金属密封气环，所述密封油环为开口式金属密封油环，所述开口式金属密封气环和开口式金属密封油环嵌于所述密封连杆的环槽之内，在自身膨胀力和气体压力的共同作用下与所述密封气缸内壁形成过盈配合，进而构成内部密封结构。

5.如权利要求1或4所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，其特征在于，所述自由活塞内燃发电机运行时，燃烧所需的油气混合物在进气压力的作用下充满所述扫气箱，对所述内部密封结构进行润滑，实现所述自由活塞内燃发电机的扫气系统在高速运动状态下的动态密封。

6.如权利要求1所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，其特征在于，所述永磁体的材料包括橡胶磁、永磁铁氧体、烧结钕铁硼中的一种，所述永磁体的结构包括圆柱形磁环和立方体磁块中的一种。

7.如权利要求1所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置，其特征在于，所述磁性开关组件包括磁性开关、保护电路和保护壳，所述磁性开关和保护电路通过树脂塑封在所述保护壳内，所述保护壳安装于所述密封气缸外周的凸台结构上，所述磁性开关与保护电路相串联且一端引出第一信号引线、另一端引出第二信号引线，通过所述第一信号引线和第二信号引线与控制系统和/或动作执行元件相连，所述动作执行元件包括点火器和喷油器。

8.一种基于如权利要求1～7中任一项所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的目标位置确定方法，其特征在于，包括：

将直线电机动子置于两侧自由活塞发动机缸体的中间位置，并设该点为零点；设固定于所述密封气缸外壁的磁性开关与所述零点距离为x₁，设安装于所述密封连杆外周的永磁体与所述零点距离为x₂，通过x₁与x₂之间的差值Δx确定目标位置。

9.一种基于如权利要求1～7中任一项所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的动子位置状态识别方法，其特征在于，包括：

永磁体随活塞移动到达所确定的目标识别位置，磁性开关在洛伦兹力的作用下接通电路获得直线电机动子位置状态，并将其位置信号传出给控制系统和/或动作执行元件。

10.一种基于如权利要求1～7中任一项所述的自由活塞内燃发电机的增压进气及动子状态识别装置的动子运动状态识别方法，其特征在于，包括：

所述自由活塞内燃发电机的当前循环周期计算方法：

计所述永磁体随活塞开始移动时刻为t₀，永磁体第1次到达磁性开关位置的时刻为t₁，永磁体第2次到达磁性开关位置的时刻为t₂，永磁体第3次到达磁性开关位置的时刻为t₃，以此类推，永磁体第n次到达磁性开关位置的时刻为t_n；根据自由活塞内燃发电机活塞做往复运动的特性，可推出自由活塞内燃发电机第n循环的周期计算公式为：T_n＝t_n+2-t_n，其对应的瞬时频率为：f_n＝1/T_n；

所述自由活塞内燃发电机的单位时间频率计算方法：

计单位时间内磁性开关发出信号的次数为N，根据自由活塞内燃发电机活塞做往复运动的特性，可推出自由活塞内燃发电机单位时间频率计算公式为：f_n＝N/2。