基于極值搜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置優(yōu)化方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于極值搜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置優(yōu)化方法，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是通過(guò)控制管理系統(tǒng)能夠使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在各個(gè)工作點(diǎn)，應(yīng)用極值搜索策略來(lái)尋找自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)點(diǎn)火位置并完成map標(biāo)定的基于極值搜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置優(yōu)化方法。本發(fā)明的兩個(gè)自由活塞組件通過(guò)齒輪和兩根齒條嚙合，兩對(duì)活塞通過(guò)鏡像運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四沖程運(yùn)行；采用電磁驅(qū)動(dòng)的可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)，安裝在氣缸頂部；左右兩個(gè)氣缸的幾何中點(diǎn)為活塞運(yùn)動(dòng)位置的原點(diǎn)，活塞及連桿向右運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為下止點(diǎn)，向左運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為上止點(diǎn)。本發(fā)明提高自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，減少點(diǎn)火位置map標(biāo)定過(guò)程中消耗的資源、時(shí)間。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于極值搜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，以及國(guó)家在環(huán)保投入力度的加大，混合動(dòng)力汽 車(chē)作為新能源汽車(chē)的重要組成部分獲得了迅速發(fā)展。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是近幾年來(lái)針對(duì)混合 動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用需求，逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型動(dòng)力系統(tǒng)。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī) 械結(jié)構(gòu)上省略了曲柄連桿機(jī)構(gòu)和機(jī)械飛輪，直接利用燃燒室活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電 機(jī)或液壓栗，將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)化為電力或液力輸出，因此具有燃料適用范圍 廣、能量傳遞與轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)少、機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。相比于常規(guī)混合動(dòng)力汽車(chē)中的動(dòng)力裝 置，可以大幅提高能源最終利用率。該系統(tǒng)將有望發(fā)展成為新一代的節(jié)能環(huán)保性能優(yōu)良、同 時(shí)具有較高性能價(jià)格比的新型汽車(chē)動(dòng)力裝置。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由于取消曲軸和飛輪裝置， 導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)點(diǎn)火位置變化非常敏感，點(diǎn)火位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性等存在較大影響，點(diǎn)火 位置靠前（點(diǎn)火過(guò)早)會(huì)造成爆震，活塞運(yùn)動(dòng)受阻，效率降低，磨損加劇;點(diǎn)火位置靠后（點(diǎn)火 過(guò)晚)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，功率下降。 因此通過(guò)優(yōu)化點(diǎn)火位置能夠有效提升自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。在工程上，實(shí)際發(fā)動(dòng) 機(jī)的點(diǎn)火位置/角度通常是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況、狀態(tài)通過(guò)查map表得到的。然而傳統(tǒng)map標(biāo) 定方法周期很長(zhǎng)，不利于縮短自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)周期，并且傳統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)工作量巨大， 不利于降低自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是通過(guò)控制管理系統(tǒng)能夠使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在各個(gè)工作 點(diǎn)，然后以自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗最小為目標(biāo)，應(yīng)用極值搜索策略來(lái)尋找自由活塞發(fā)動(dòng) 機(jī)的最優(yōu)點(diǎn)火位置并完成map標(biāo)定的基于極值搜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置 優(yōu)化方法。
[0004] 本發(fā)明的兩個(gè)自由活塞組件通過(guò)齒輪和兩根齒條嚙合，其中兩根齒條分別安裝在 相鄰的上活塞及連桿組件和下活塞及連桿組件上，齒輪安裝在齒輪軸上，兩對(duì)活塞通過(guò)鏡 像運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四沖程運(yùn)行;采用電磁驅(qū)動(dòng)的可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)，安裝在氣缸頂部;左右兩個(gè)氣 缸的幾何中點(diǎn)為活塞運(yùn)動(dòng)位置的原點(diǎn)，活塞及連桿向右運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為下止 點(diǎn)，向左運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為上止點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明的工作過(guò)程是：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，直線發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將自由的活 塞組件拖動(dòng)到一個(gè)能夠維持運(yùn)動(dòng)的工作頻率下；燃油通過(guò)噴油器在壓縮沖程直接噴入氣 缸，當(dāng)活塞位置傳感器感應(yīng)到活塞運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)火位置后，火花塞點(diǎn)燃，每一個(gè)氣缸進(jìn)行交替燃 燒來(lái)推動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動(dòng);假設(shè)初始狀態(tài)為氣缸一工作在進(jìn)氣沖程，氣缸三工作在壓 縮沖程，氣缸四工作在膨脹沖程，氣缸二工作在排氣沖程，上活塞及連桿組件在氣缸四燃燒 做功的推動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，下活塞及連桿組件在齒輪及齒條鏈接帶動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)上活塞 及連桿組件向左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)下活塞及連桿組件向右運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)，氣缸一完成 進(jìn)氣沖程，氣缸三完成壓縮沖程，氣缸四完成膨脹沖程，氣缸二完成排氣沖程;接著氣缸三 進(jìn)入膨脹沖程，在氣缸三燃燒做功的作用下上活塞及連桿組件向右運(yùn)動(dòng)，下活塞及連桿裝 置在齒輪及齒條鏈接帶動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣缸四進(jìn)入排氣沖程，氣缸二進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣 缸一進(jìn)入壓縮沖程；當(dāng)上活塞及連桿組件向右運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)下活塞及連桿組件向 左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)，氣缸三完成膨脹沖程，氣缸四完成排氣沖程，氣缸二完成進(jìn)氣沖程，氣缸 一完成壓縮沖程;接著氣缸一進(jìn)入膨脹沖程，下活塞及連桿組件在氣缸一燃燒做功的作用 下向右運(yùn)動(dòng)，上活塞及連桿裝置在齒輪及齒條鏈接帶動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，氣缸三進(jìn)入排氣 沖程，氣缸四進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸二進(jìn)入壓縮沖程，當(dāng)下活塞及連桿組件向右運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn) 時(shí)，上活塞及連桿組件向左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)，此時(shí)氣缸一完成膨脹沖程，氣缸三完成排氣沖 程，氣缸四完成進(jìn)氣沖程，氣缸二完成壓縮沖程;接著氣缸二進(jìn)入膨脹沖程，下活塞及連桿 組件在氣缸二燃燒做功的作用下向左運(yùn)動(dòng)，上活塞及連桿裝置在齒輪及齒條鏈接帶動(dòng)下向 右運(yùn)動(dòng)，氣缸一進(jìn)入排氣沖程，氣缸三進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸四進(jìn)入壓縮沖程;這樣上、下活塞 及連桿組件通過(guò)齒輪及齒條鏈接帶動(dòng)進(jìn)行直線往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，壓 縮，膨脹，排氣沖程，并且保證每個(gè)沖程中有一個(gè)氣缸處在燃燒做功的狀態(tài)，為非膨脹沖程 的活塞提供驅(qū)動(dòng)力;此外自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)電裝置，電機(jī)部分 選用永磁直線電機(jī)，作為動(dòng)子的永磁鐵鑲嵌在活塞連桿上，而線圈固定在定子上，鑲嵌在活 塞連桿的永磁鐵隨著活塞及連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得線圈不斷切割磁感線，此時(shí)直線發(fā)電機(jī)工作 在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，最終將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成電能對(duì)外輸出。
[0006] 本發(fā)明的優(yōu)化方法是:控制管理系統(tǒng)通過(guò)控制噴油量《料實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞位置間隙_ 的控制;控制管理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的電磁負(fù)載系數(shù)鋒決策出一個(gè)理想的電磁負(fù)載系數(shù)《抑制 活塞位置間隙:?的波動(dòng)，系統(tǒng)輸入一個(gè)期望空燃比為.，控制管理系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)噴油量從 及期望空燃比是，計(jì)算得到一個(gè)理想的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度#;控制管理系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán) 采用MPC控制器，內(nèi)環(huán)采用基于非線性三步設(shè)計(jì)的控制器。
[0007] 本發(fā)明的優(yōu)化方法是：調(diào)節(jié)點(diǎn)火位置、\使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在期望的工況下一個(gè)完 整循環(huán)下的燃油消耗量最小即
其中每循環(huán)的噴油量是可測(cè)量，并且在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)著如下函 數(shù)關(guān)系
設(shè)優(yōu)化問(wèn)題中的乂，恒值，進(jìn)而公式(1)表示為：
利用極值搜索方法搜索到最優(yōu)輸入使得輸出保持在極值。
[0008] 本發(fā)明提高自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，減少點(diǎn)火位置map標(biāo)定過(guò)程 中消耗的資源、時(shí)間。具有以下有益效果： (1)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比于普通內(nèi)燃機(jī)，可以大幅提高能源最終利用率，對(duì)自由活塞發(fā) 動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置進(jìn)行優(yōu)化能夠進(jìn)一步提升自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
[0009] (2)點(diǎn)火位置map的標(biāo)定是在離線情況下進(jìn)行的，減少了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在線計(jì)算 量，傳統(tǒng)的點(diǎn)火位置map標(biāo)定方法費(fèi)時(shí)，不利于縮短自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)周期，相較于傳統(tǒng) 的map標(biāo)定，本發(fā)明提出了一種基于極值搜索的點(diǎn)火位置優(yōu)化策略，能夠有效減少map標(biāo)定 的工作量，縮短自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)周期。
[0010] (3)本發(fā)明首先通過(guò)控制管理系統(tǒng)使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在各個(gè)工況，利用 極值搜索的策略，對(duì)點(diǎn)火位置進(jìn)行優(yōu)化。這種優(yōu)化策略為自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化提供了 一種通用框架。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1四缸四沖程自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖2四缸四沖程自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖； 圖3活塞間隙養(yǎng)在;4:_. - m +. 1時(shí)刻采樣示意圖； 圖4點(diǎn)火位置對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量的影響； 圖5基于極值搜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置優(yōu)化框圖； 圖6恒定負(fù)載下活塞間隙階躍信號(hào)跟蹤響應(yīng)； 圖7恒定負(fù)載下節(jié)氣門(mén)開(kāi)度響應(yīng)曲線； 圖8恒定負(fù)載下噴油量變化曲線； 圖9負(fù)載變化情況下活塞間隙變化曲線； 圖10負(fù)載變化情況下節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化曲線； 圖11負(fù)載變化情況下電磁負(fù)載系數(shù)變化曲線； 圖12自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置優(yōu)化過(guò)程圖； 圖13自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置優(yōu)化結(jié)果圖； 圖14自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置map圖； 圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1一上活塞及連桿組件;2-下活塞及連桿組件;3-火花塞;4一噴油器； 5-可變正時(shí)電磁閥（進(jìn)排氣閥）；6-齒輪;7-齒條；8-氣缸一;9一氣缸二；10-氣缸三； 11 -氣缸四；12-永磁鐵;13-線圈；14-活塞運(yùn)動(dòng)位置原點(diǎn)；15-齒輪軸。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 本發(fā)明所研究的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)采用雙活塞四缸四沖程結(jié)構(gòu)的缸內(nèi)直噴 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。兩個(gè)自由活塞組件通過(guò)齒輪6和齒條7鏈接，其中齒條7 安裝在活塞及連桿組件1，2上，齒輪安裝在齒輪軸15上，兩對(duì)活塞通過(guò)鏡像運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四沖程 運(yùn)行。在進(jìn)氣方面，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)取消了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)由凸輪軸驅(qū)動(dòng)的進(jìn)氣排氣門(mén)機(jī)構(gòu)，采 用電磁驅(qū)動(dòng)的可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)5,安裝在氣缸頂部。應(yīng)用可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，可以使系統(tǒng) 在最優(yōu)的換氣位置進(jìn)行換氣，減小栗氣損失的同時(shí)提高輸出效率。為了方便描述四缸四沖 程自由活塞的工作過(guò)程，規(guī)定以左右兩個(gè)氣缸的幾何中點(diǎn)為活塞運(yùn)動(dòng)位置的原點(diǎn)14,活塞 及連桿向右運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為下止點(diǎn)，向左運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為上止點(diǎn)， 點(diǎn)火正時(shí)可以設(shè)置為1-3-4-2。
[0013] 本發(fā)明的工作過(guò)程是：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，直線發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將自由的活 塞組件拖動(dòng)到一個(gè)能夠維持運(yùn)動(dòng)的工作頻率下。燃油通過(guò)噴油器4在壓縮沖程直接噴入氣 缸，當(dāng)活塞位置傳感器感應(yīng)到活塞運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)火位置后，火花塞3點(diǎn)燃，每一個(gè)氣缸進(jìn)行交替 燃燒來(lái)推動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)初始狀態(tài)為氣缸一 8工作在進(jìn)氣沖程，氣缸三10工作 在壓縮沖程，氣缸四11工作在膨脹沖程，氣缸二9工作在排氣沖程，上活塞及連桿組件1在氣 缸四11燃燒做功的推動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，下活塞及連桿組件2在齒輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)下向右 運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上活塞及連桿組件1向左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)下活塞及連桿組件2向右運(yùn)動(dòng)至下 止點(diǎn)，氣缸一8完成進(jìn)氣沖程，氣缸三10完成壓縮沖程，氣缸四11完成膨脹沖程，氣缸二9完 成排氣沖程。接著氣缸三10進(jìn)入膨脹沖程，在氣缸三10燃燒做功的作用下上活塞及連桿組 件1向右運(yùn)動(dòng)，下活塞及連桿裝置2在齒輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣缸四11進(jìn) 入排氣沖程，氣缸二9進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸一8進(jìn)入壓縮沖程。當(dāng)上活塞及連桿組件1向右運(yùn) 動(dòng)至下止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)下活塞及連桿組件2向左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)，氣缸三10完成膨脹沖程，氣缸 四11完成排氣沖程，氣缸二9完成進(jìn)氣沖程，氣缸一8完成壓縮沖程。接著氣缸一8進(jìn)入膨脹 沖程，下活塞及連桿組件2在氣缸一 8燃燒做功的作用下向右運(yùn)動(dòng)，上活塞及連桿裝置1在齒 輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，氣缸三10進(jìn)入排氣沖程，氣缸四11進(jìn)入進(jìn)氣沖程， 氣缸二9進(jìn)入壓縮沖程，當(dāng)下活塞及連桿組件2向右運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)時(shí)，上活塞及連桿組件1 向左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)，此時(shí)氣缸一8完成膨脹沖程，氣缸三10完成排氣沖程，氣缸四11完成進(jìn) 氣沖程，氣缸二9完成壓縮沖程。接著氣缸二9進(jìn)入膨脹沖程，下活塞及連桿組件2在氣缸二 9燃燒做功的作用下向左運(yùn)動(dòng)，上活塞及連桿裝置1在齒輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)， 氣缸一 8進(jìn)入排氣沖程，氣缸三10進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸四11進(jìn)入壓縮沖程。這樣上、下活塞及 連桿組件1、2通過(guò)齒輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)進(jìn)行直線往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣， 壓縮，膨脹，排氣沖程，并且保證每個(gè)沖程中有一個(gè)氣缸處在燃燒做功的狀態(tài)，為非膨脹沖 程的活塞提供驅(qū)動(dòng)力。此外自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)電裝置，電機(jī)部 分選用永磁直線電機(jī)，作為動(dòng)子的永磁鐵12鑲嵌在活塞連桿上，而線圈13固定在定子上，鑲 嵌在活塞連桿的永磁鐵12隨著活塞及連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得線圈不斷切割磁感線，此時(shí)直線發(fā) 電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，最終將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成電能對(duì)外輸出。
[0014] 本發(fā)明利用極值搜索策略對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置進(jìn)行優(yōu)化： 本發(fā)明的優(yōu)化方法是:控制管理系統(tǒng)通過(guò)控制噴油量，> 實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞位置間隙1的控 制;控制管理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的電磁負(fù)載系數(shù)％決策出一個(gè)理想的電磁負(fù)載系數(shù)抑制活塞 位置間隙1的波動(dòng)，系統(tǒng)輸入一個(gè)期望空燃比I，控制管理系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)噴油量及期 望空燃比?，計(jì)算得到一個(gè)理想的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度^控制管理系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)采用 MPC控制器，內(nèi)環(huán)采用基于非線性三步設(shè)計(jì)的控制器。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)化方法是:調(diào)節(jié)點(diǎn)火位置使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在期望的工況下一個(gè)完 整循環(huán)下的燃油消耗量#4太最小即
同時(shí)保證系統(tǒng)能量守恒
其中每循環(huán)的噴油量是可測(cè)量，并且在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)著如下函 數(shù)關(guān)系
設(shè)優(yōu)化問(wèn)題中的％，篇恒值，進(jìn)而公式(1)表示為：
利用極值搜索方法搜索到最優(yōu)輸入使得輸出保持在極值。
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述： 本發(fā)明所研究的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)采用雙活塞四缸四沖程結(jié)構(gòu)的缸內(nèi)直噴汽油 發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。兩個(gè)自由活塞組件通過(guò)齒輪6和齒條7鏈接，其中齒條7安裝 在活塞及連桿組件1，2上，齒輪安裝在齒輪軸15上，兩對(duì)活塞通過(guò)鏡像運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四沖程運(yùn) 行。在進(jìn)氣方面，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)取消了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)由凸輪軸驅(qū)動(dòng)的進(jìn)氣排氣門(mén)機(jī)構(gòu)，采用 電磁驅(qū)動(dòng)的可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)5,安裝在氣缸頂部。應(yīng)用可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，可以使系統(tǒng)在 最優(yōu)的換氣位置進(jìn)行換氣，減小栗氣損失的同時(shí)提高輸出效率。為了方便描述四缸四沖程 自由活塞的工作過(guò)程，規(guī)定以左右兩個(gè)氣缸的幾何中點(diǎn)為活塞運(yùn)動(dòng)位置的原點(diǎn)14,活塞及 連桿向右運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為下止點(diǎn)，向左運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為上止點(diǎn)，點(diǎn) 火正時(shí)可以設(shè)置為1 -3-4-2。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，直線發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將自由的活塞 組件拖動(dòng)到一個(gè)能夠維持運(yùn)動(dòng)的工作頻率下。燃油通過(guò)噴油器4在壓縮沖程直接噴入氣缸， 當(dāng)活塞位置傳感器感應(yīng)到活塞運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)火位置后，火花塞3點(diǎn)燃，每一個(gè)氣缸進(jìn)行交替燃燒 來(lái)推動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)初始狀態(tài)為氣缸一 8工作在進(jìn)氣沖程，氣缸三10工作在壓 縮沖程，氣缸四11工作在膨脹沖程，氣缸二9工作在排氣沖程，上活塞及連桿組件1在氣缸四 11燃燒做功的推動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，下活塞及連桿組件2在齒輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)上活塞及連桿組件1向左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)下活塞及連桿組件2向右運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)， 氣缸一8完成進(jìn)氣沖程，氣缸三10完成壓縮沖程，氣缸四11完成膨脹沖程，氣缸二9完成排 氣沖程。接著氣缸三10進(jìn)入膨脹沖程，在氣缸三10燃燒做功的作用下上活塞及連桿組件1向 右運(yùn)動(dòng)，下活塞及連桿裝置2在齒輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣缸四11進(jìn)入排氣 沖程，氣缸二9進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸一8進(jìn)入壓縮沖程。當(dāng)上活塞及連桿組件1向右運(yùn)動(dòng)至下 止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)下活塞及連桿組件2向左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)，氣缸三10完成膨脹沖程，氣缸四11完 成排氣沖程，氣缸二9完成進(jìn)氣沖程，氣缸一8完成壓縮沖程。接著氣缸一8進(jìn)入膨脹沖程， 下活塞及連桿組件2在氣缸一 8燃燒做功的作用下向右運(yùn)動(dòng)，上活塞及連桿裝置1在齒輪6及 齒條7鏈接帶動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，氣缸三10進(jìn)入排氣沖程，氣缸四11進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸二 9進(jìn)入壓縮沖程，當(dāng)下活塞及連桿組件2向右運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)時(shí)，上活塞及連桿組件1向左運(yùn) 動(dòng)至上止點(diǎn)，此時(shí)氣缸一8完成膨脹沖程，氣缸三10完成排氣沖程，氣缸四11完成進(jìn)氣沖程， 氣缸二9完成壓縮沖程。接著氣缸二9進(jìn)入膨脹沖程，下活塞及連桿組件2在氣缸二9燃燒做 功的作用下向左運(yùn)動(dòng)，上活塞及連桿裝置1在齒輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)，氣缸一 8 進(jìn)入排氣沖程，氣缸三10進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸四11進(jìn)入壓縮沖程。這樣上、下活塞及連桿組 件1、2通過(guò)齒輪6及齒條7鏈接帶動(dòng)進(jìn)行直線往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，壓縮， 膨脹，排氣沖程，并且保證每個(gè)沖程中有一個(gè)氣缸處在燃燒做功的狀態(tài)，為非膨脹沖程的活 塞提供驅(qū)動(dòng)力。此外自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)電裝置，電機(jī)部分選用 永磁直線電機(jī)，作為動(dòng)子的永磁鐵12鑲嵌在活塞連桿上，而線圈13固定在定子上，鑲嵌在活 塞連桿的永磁鐵12隨著活塞及連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得線圈不斷切割磁感線，此時(shí)直線發(fā)電機(jī)工 作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，最終將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成電能對(duì)外輸出。
[0017] 本發(fā)明首先利用控制管理系統(tǒng)使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在各個(gè)工況。在此基礎(chǔ) 上，為降低燃油消耗，利用極值搜索策略對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置進(jìn)行優(yōu)化。為實(shí)現(xiàn)對(duì)自 由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，本發(fā)明對(duì)控制管理系統(tǒng)進(jìn)行以下考慮： (1)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)取消了曲軸等機(jī)械機(jī)構(gòu)，活塞運(yùn)動(dòng)不受約束，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程 由活塞運(yùn)動(dòng)組件的能量平衡決定。此能量平衡是指燃燒產(chǎn)生的能量和對(duì)外有效做功及摩擦 消耗之間的平衡。為了保護(hù)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中組件不受損害同時(shí)保證穩(wěn)定的燃燒條 件，活塞運(yùn)動(dòng)控制的主要控制目標(biāo)是讓活塞在每一循環(huán)的運(yùn)動(dòng)下，都能達(dá)到參考的上下止 點(diǎn)位置，因此將自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制描述為關(guān)于自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上、下止點(diǎn)的活塞 位置間隙值的控制。圖3描述了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，活塞位置間隙^在一 個(gè)完整循環(huán)下采樣示意圖。以氣缸一8和氣缸二9為例，活塞組件在一個(gè)完整循環(huán)內(nèi)，經(jīng)過(guò)下 止點(diǎn)-上止點(diǎn)-下止點(diǎn)所在位置的間隙值分別為。
[0018] (2)分析影響自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)并進(jìn)行控制 循環(huán)噴油量氣移:循環(huán)噴油量的改變將直接導(dǎo)致活塞位移的變化，如果噴油量太小， 活塞組件將無(wú)法克服系統(tǒng)摩擦力及電磁負(fù)載，活塞行程無(wú)法達(dá)到點(diǎn)火位置，導(dǎo)致失火或振 動(dòng)；相反，如果噴油量太大，燃油燃燒釋放過(guò)大的能量并猛烈推動(dòng)氣缸，極端情況會(huì)使活塞 撞擊氣缸蓋，損毀發(fā)動(dòng)機(jī)。因此在實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)控制噴油量使活塞在理想且安全的 情況下運(yùn)行是非常重要的。
[0019] 電磁負(fù)載系數(shù):在混合動(dòng)力車(chē)輛框架下中，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率需要隨 著駕駛員的需求的變化而變化，電磁負(fù)載與外界需求相對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)通過(guò)電力電子設(shè)備調(diào)節(jié) 電磁負(fù)載系數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出。
[0020] 節(jié)氣門(mén)開(kāi)度沒(méi)：節(jié)氣門(mén)用來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量，為了實(shí)現(xiàn)自由活塞發(fā)動(dòng) 機(jī)氣路和油路的配合，控制管理系統(tǒng)需要根據(jù)循環(huán)噴油量?/.*及期望空燃比4，計(jì)算得到一 個(gè)理想的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度沒(méi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到理想的功率輸出并保證具有良好的排放。
[0021] 點(diǎn)火位置\ :點(diǎn)火位置％是影響自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要參數(shù)，點(diǎn)火位置靠前 (點(diǎn)火過(guò)早)會(huì)造成氣缸爆震，活塞運(yùn)動(dòng)受阻，效率降低，磨損加??；點(diǎn)火位置靠后（點(diǎn)火過(guò) 晚）導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，功率下降。同時(shí)點(diǎn)火位置對(duì)于循環(huán)噴油量具有較大影響，這直接關(guān)系 到自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。如圖3表示不同活塞運(yùn)動(dòng)間隙下，點(diǎn)火位置對(duì)循環(huán)噴油量的影 響，活塞運(yùn)動(dòng)到止點(diǎn)時(shí)的間隙值分別取5 · 5mm，6mm和6 · 5mm。由圖4可知，在不同的間隙下點(diǎn) 火位置％對(duì)噴油量^^的影響規(guī)律都不盡相同，原因在于自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒的過(guò)程 帶有很強(qiáng)的非線性，循環(huán)噴油量與點(diǎn)火位置之間并不是嚴(yán)格遞增或遞減的關(guān)系。但是可以 確定的是，在每一個(gè)間隙位置，存在一個(gè)最優(yōu)的點(diǎn)火位置，使得在這樣情況下的循環(huán)噴油量 達(dá)到最小值。因此，在不同的工況下，通過(guò)優(yōu)化點(diǎn)火位置％，可以降低自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃 油消耗量。
[0022] 綜合考慮以上因素，我們制定自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制及點(diǎn)火位置優(yōu)化方案如圖5所 示。整個(gè)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是關(guān)于自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上、下止點(diǎn)的活塞位置間隙值 的控制，由于循環(huán)噴油量％4的改變將直接導(dǎo)致活塞位移的變化，因此在實(shí)際運(yùn)行中，控制 管理系統(tǒng)通過(guò)控制噴油量氣實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞位置間隙的控制，同時(shí)考慮到電磁負(fù)載系數(shù)-的瞬時(shí)變化會(huì)影響到實(shí)際活塞位置間隙％:的穩(wěn)定，而活塞間隙&的波動(dòng)有可能使活塞運(yùn)動(dòng) 超出安全約束范圍，因此控制管理系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際的電磁負(fù)載系數(shù)％決策出一個(gè)理想的 電磁負(fù)載系數(shù)抑制活塞位置間隙的波動(dòng)，確保能使活塞運(yùn)動(dòng)在安全約束范圍內(nèi)，除此 之外考慮到自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路和油路需要配合，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到理想的功率輸出，因此 系統(tǒng)輸入一個(gè)期望空燃比4,控制管理系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)噴油量及期望空燃比4,計(jì)算得到 一個(gè)理想的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度#。由于控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制，反饋信號(hào)除了實(shí)際的活塞位置間隙氣 ，還有通過(guò)觀測(cè)器估計(jì)得到的進(jìn)入氣缸空氣量進(jìn)氣歧管壓力私。在具體的控制算法設(shè)計(jì) 上，控制管理系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)采用MPC控制器，內(nèi)環(huán)采用基于非線性三步設(shè)計(jì)的 控制器，具體該控制管理系統(tǒng)的算法參見(jiàn)【1】通過(guò)這樣一個(gè)閉環(huán)管理系統(tǒng)，能夠使自由活塞 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行各個(gè)工作點(diǎn)上。然后在此基礎(chǔ)上對(duì)點(diǎn)火位置進(jìn)行優(yōu)化。下面本發(fā)明以負(fù)載 恒定和負(fù)載變化為例，驗(yàn)證控制管理系統(tǒng)對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)跟蹤控制效果。
[0023] (1)恒定負(fù)載情況下的活塞間隙義跟蹤控制 圖6描述恒定負(fù)載情況下活塞間隙巧.跟蹤階躍響應(yīng)信號(hào)的控制結(jié)果。在這組仿真中， 電磁負(fù)載系數(shù)S為恒值，同時(shí)認(rèn)為容積效率無(wú)漂移。從圖6可以看出，通過(guò)控制管理系統(tǒng)的 作用，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞間隙\能夠快速的跟蹤給定期望值，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差趨 于零。調(diào)節(jié)時(shí)間在〇 . 3秒左右，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求。圖7表示節(jié)氣門(mén)(9:的響應(yīng)曲線，當(dāng) 壓縮比變大時(shí)，節(jié)氣門(mén)也隨之變大，更多的空氣進(jìn)入氣缸和更多的燃油燃燒產(chǎn)生更多的能 量，推動(dòng)自由活塞向著更遠(yuǎn)的距離運(yùn)動(dòng)并達(dá)到期望的運(yùn)動(dòng)位置。圖8是與進(jìn)氣量對(duì)應(yīng)的每缸 循環(huán)噴油量曲線，其中噴油量是通過(guò)實(shí)際進(jìn)入氣缸空氣量在當(dāng)量空燃比W = 1:4.?)況下計(jì) 算得到的。結(jié)果表明在不考慮容積效率漂移時(shí)，控制管理系統(tǒng)能夠獲得滿意的控制效果，從 而保證整個(gè)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)獲得期望的控制性能。
[0024] (2)負(fù)載變化情況下的活塞波動(dòng)約束驗(yàn)證 混合動(dòng)力汽車(chē)中變化的能量需求會(huì)對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)位置帶來(lái)波動(dòng)，較大 的波動(dòng)范圍會(huì)導(dǎo)致自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)失火或損壞。在控制管理系統(tǒng)中，我們依然考慮活塞波 動(dòng)范圍為系統(tǒng)的主要約束。為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)能夠保證約束，我們分別設(shè)定了三個(gè)不同的 活塞位置允許波動(dòng)范圍（1111111，0.5111111，0.3111111)。圖9表明，電磁負(fù)載系數(shù)由《 :=1變化為 α = 〇 Ρ的過(guò)程中，活塞運(yùn)動(dòng)間隙值心迅速波動(dòng)，但是在控制管理系統(tǒng)的作用下，活塞 運(yùn)動(dòng)位置波動(dòng)依然滿足在安全的限制范圍之內(nèi)，同時(shí)在電磁負(fù)載系數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制系統(tǒng) 調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度如圖10所示。在圖11中，電磁負(fù)載系數(shù)變化的速率通過(guò)調(diào)節(jié)而變緩，隨著約 束變硬，電磁負(fù)載系數(shù)的變化速率隨之變得更緩。
[0025]以上仿真驗(yàn)證表明，在系統(tǒng)實(shí)際容積效率不發(fā)生偏移的情況下，所設(shè)計(jì)的控制管 理系統(tǒng)能夠獲得很好的活塞間隙4跟蹤控制性能，同時(shí)保證在負(fù)載瞬時(shí)變化時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)的 波動(dòng)滿足設(shè)定的約束。
[0026]通過(guò)介紹雙活塞四缸四沖程自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)以及工作原理，設(shè)計(jì)其控制管 理系統(tǒng)，可以使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在每一個(gè)工作點(diǎn)都工作在穩(wěn)態(tài)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)節(jié)點(diǎn)火 位置I使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在期望的工況下一個(gè)完整循環(huán)下的燃油消耗量@汾最小即
同時(shí)保證系統(tǒng)能量守十旦
其中每循環(huán)的噴油量》Μ是可測(cè)量，并且在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)著如下函 數(shù)關(guān)系
由于控制管理系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)期望的活塞位置和電磁輸出，因此設(shè) 優(yōu)化問(wèn)題中的&亙值，進(jìn)而公式（1)表示為：
利用極值搜索方法搜索到最優(yōu)輸入使得輸出保持在極值。顯然噴油總量辦是關(guān)于點(diǎn)火 位置的一個(gè)非線性函數(shù)且函數(shù)具體的形式未知。
[0027] 極值搜索(Extremum Seeking, ES )是一種可用于解決含有極值的非線性控制或 優(yōu)化問(wèn)題的方法。若系統(tǒng)模型或函數(shù)的表達(dá)形式對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是未知的，但已知系統(tǒng)輸 出或函數(shù)具有極值，可以利用的信息是系統(tǒng)的輸入和可測(cè)量的輸出，那么利用極值搜索方 法可以搜索到最優(yōu)輸入使得輸出保持在極值。
[0028] 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)四缸四沖程自由活塞點(diǎn)火位置的優(yōu)化和標(biāo)定，我們?cè)O(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn):首 先在工況的設(shè)定上，我們選擇自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞間隙％合理運(yùn)行范圍為[5.5皿；，7皿7 ]，步長(zhǎng)為0.1???？紤]到當(dāng)電磁負(fù)載系數(shù)::?:時(shí)，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作在滿負(fù)荷工 況，當(dāng)電磁負(fù)載系數(shù)= ?時(shí)，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作在空載工況。而在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行 時(shí)，當(dāng)負(fù)載系數(shù)《 ·￡ i 5)時(shí)，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率較低，因此本發(fā)明將電磁 負(fù)載系數(shù)_:的范圍選為[0.4, 1]，·步長(zhǎng)為0.1，整個(gè)實(shí)驗(yàn)總共112組工況基本上涵蓋了自 由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的正常工況。極值搜索作為是一種優(yōu)化策略，在具體的優(yōu)化算法的選擇 上，包括梯度下降法，單純形法，遺傳算法等，遺傳算法作為一種全局優(yōu)化算法，其尋優(yōu)過(guò)程 不是從一點(diǎn)開(kāi)始，而是從一個(gè)群體開(kāi)始，相比于局部算法，更容易找到全局最優(yōu)解。本發(fā)明 以遺傳算法為例對(duì)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，基于遺傳算法的自由活塞發(fā)動(dòng) 機(jī)點(diǎn)火位置優(yōu)化的步驟如下： 程序初始化:確定種群規(guī)模，種群代數(shù)，復(fù)制概率，交叉概率，變異概率，進(jìn)化終止準(zhǔn)則， 隨機(jī)產(chǎn)生初始種群 備m計(jì)算針棚勺函數(shù)，本發(fā)明的函繼盾環(huán)噴油量即
復(fù)制操作:復(fù)制操作選用的是精英個(gè)體保留策略，這樣可以保證遺傳算法能夠收斂到 最優(yōu)值 交叉操作:交叉操作采用單點(diǎn)交叉，將種群中的個(gè)體隨機(jī)配對(duì)，相互交換其部分基因， 生成兩個(gè)新的個(gè)體，交叉操作決定了遺傳算法的全局搜索能力 變異操作:變異操作采用均勻變異，將種群中的個(gè)體基以一定的變異概率突變，生成新 個(gè)體，變異操作保持了種群的多樣性 終止準(zhǔn)則判斷:終止準(zhǔn)則為達(dá)到最大種群代數(shù)，若滿足條件運(yùn)算終止。否則進(jìn)行進(jìn)行復(fù) 制，交叉，變異操作 為了進(jìn)一步說(shuō)明自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置優(yōu)化及map標(biāo)定過(guò)程，我們以電磁負(fù)載系數(shù) 取0.9,活塞間隙&取5.5??這組工況為例，利用遺傳算法對(duì)點(diǎn)火位置％^進(jìn)行優(yōu)化，首 先進(jìn)行遺傳算法的程序設(shè)定，具體參數(shù)如表1所示， 表1:遺傳算法程序設(shè)置
基于遺傳算法的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置優(yōu)化過(guò)程如圖12所示。由圖12可知，優(yōu)化過(guò) 程中，隨著種群代數(shù)的增加，目標(biāo)函數(shù)(循環(huán)噴油量)收斂于一個(gè)最小值，通過(guò)優(yōu)化我們得到 此時(shí)的點(diǎn)火位置為35.39_如圖13所示，噴油量為1.76 X 103? / 按照該方法， 完成剩余111組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中橫向坐標(biāo)為電磁負(fù)載系數(shù)_，縱向坐標(biāo)為活 塞間隙。最終我們得到一個(gè)基于遺傳算法標(biāo)定的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置優(yōu)化map，如 圖14所示。
[0029]表2基于遺傳算法的點(diǎn)火位置優(yōu)化結(jié)果
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于極值捜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置，其特征在于:兩個(gè)自由活 塞組件通過(guò)齒輪(6)和兩根齒條(7)曬合，其中兩根齒條(7)分別安裝在相鄰的上活塞及連 桿組件（1)和下活塞及連桿組件（2)上，齒輪安裝在齒輪軸（15)上，兩對(duì)活塞通過(guò)鏡像運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)四沖程運(yùn)行;采用電磁驅(qū)動(dòng)的可變氣口正時(shí)機(jī)構(gòu)巧），安裝在氣缸頂部；左右兩個(gè)氣缸 的幾何中點(diǎn)為活塞運(yùn)動(dòng)位置的原點(diǎn)（14)，活塞及連桿向右運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為下止 點(diǎn)，向左運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到的極限位置為上止點(diǎn)。2. 權(quán)利要求1所述基于極值捜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置的工作過(guò)程，其 特征在于：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，直線發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將自由的活塞組件拖動(dòng)到一個(gè)能 夠維持運(yùn)動(dòng)的工作頻率下;燃油通過(guò)噴油器(4)在壓縮沖程直接噴入氣缸，當(dāng)活塞位置傳感 器感應(yīng)到活塞運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)火位置后，火花塞(3)點(diǎn)燃，每一個(gè)氣缸進(jìn)行交替燃燒來(lái)推動(dòng)活塞進(jìn) 行往復(fù)的運(yùn)動(dòng);假設(shè)初始狀態(tài)為氣缸一 (8)工作在進(jìn)氣沖程，氣缸Ξ(10)工作在壓縮沖程， 氣缸四（11)工作在膨脹沖程，氣缸二(9)工作在排氣沖程，上活塞及連桿組件（1)在氣缸四 (11)燃燒做功的推動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，下活塞及連桿組件（2)在齒輪(6)及齒條(7)鏈接帶動(dòng)下 向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)上活塞及連桿組件（1)向左運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)下活塞及連桿組件（2)向右 運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)，氣缸一(8)完成進(jìn)氣沖程，氣缸Ξ( 10)完成壓縮沖程，氣缸四（11)完成膨脹 沖程，氣缸二(9)完成排氣沖程;接著氣缸Ξ( 10)進(jìn)入膨脹沖程，在氣缸Ξ( 10)燃燒做功的 作用下上活塞及連桿組件（1)向右運(yùn)動(dòng)，下活塞及連桿裝置(2)在齒輪(6)及齒條(7)鏈接帶 動(dòng)下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣缸四（11)進(jìn)入排氣沖程，氣缸二(9)進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸一(8)進(jìn)入 壓縮沖程；當(dāng)上活塞及連桿組件（1)向右運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)下活塞及連桿組件（2)向左 運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)，氣缸Ξ( 10)完成膨脹沖程，氣缸四（11)完成排氣沖程，氣缸二(9)完成進(jìn)氣 沖程，氣缸一 (8)完成壓縮沖程;接著氣缸一 (8)進(jìn)入膨脹沖程，下活塞及連桿組件(2)在氣 缸一 (8)燃燒做功的作用下向右運(yùn)動(dòng)，上活塞及連桿裝置（1)在齒輪(6)及齒條(7)鏈接帶動(dòng) 下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，氣缸Ξ(1〇)進(jìn)入排氣沖程，氣缸四（11)進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸二(9)進(jìn)入 壓縮沖程，當(dāng)下活塞及連桿組件（2)向右運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)時(shí)，上活塞及連桿組件（1)向左運(yùn)動(dòng) 至上止點(diǎn)，此時(shí)氣缸一(8)完成膨脹沖程，氣缸Ξ( 10)完成排氣沖程，氣缸四（11)完成進(jìn)氣 沖程，氣缸二(9)完成壓縮沖程;接著氣缸二(9)進(jìn)入膨脹沖程，下活塞及連桿組件(2)在氣 缸二(9)燃燒做功的作用下向左運(yùn)動(dòng)，上活塞及連桿裝置（1)在齒輪(6)及齒條(7)鏈接帶動(dòng) 下向右運(yùn)動(dòng)，氣缸一(8)進(jìn)入排氣沖程，氣缸Ξ(10)進(jìn)入進(jìn)氣沖程，氣缸四（11)進(jìn)入壓縮沖 程;運(yùn)樣上、下活塞及連桿組件（1)、（2)通過(guò)齒輪(6)及齒條（7)鏈接帶動(dòng)進(jìn)行直線往返運(yùn) 動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，壓縮，膨脹，排氣沖程，并且保證每個(gè)沖程中有一個(gè)氣缸處 在燃燒做功的狀態(tài)，為非膨脹沖程的活塞提供驅(qū)動(dòng)力;此外自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將作為混合動(dòng) 力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)電裝置，電機(jī)部分選用永磁直線電機(jī)，作為動(dòng)子的永磁鐵（12)鑲嵌在活塞 連桿上，而線圈（13)固定在定子上，鑲嵌在活塞連桿的永磁鐵（12)隨著活塞及連桿往復(fù)運(yùn) 動(dòng)使得線圈不斷切割磁感線，此時(shí)直線發(fā)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，最終將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成電能 對(duì)外輸出。3. 權(quán)利要求1所述的基于極值捜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置的優(yōu)化方法， 其特征在于:控制管理系統(tǒng)通過(guò)控制噴油量實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞位置間隙巧的控制;控制管理 系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的電磁負(fù)載系數(shù)決策出一個(gè)理想的電磁負(fù)載系數(shù)為抑制活塞位置間隙海 的波動(dòng)，系統(tǒng)輸入一個(gè)期望空燃比4,控制管理系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)噴油量*3糾:及期望空燃比冬， 計(jì)算得到一個(gè)理想的節(jié)氣口開(kāi)度貸;控制管理系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)采用MPC控制器， 內(nèi)環(huán)采用基于非線性Ξ步設(shè)計(jì)的控制器。4.權(quán)利要求3所述的基于極值捜索的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)火位置的優(yōu)化方法， 其特征在于:調(diào)節(jié)點(diǎn)火位置令使自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在期望的工況下一個(gè)完整循環(huán)下的燃油消 耗量最小即其中每循環(huán)的噴油量"V*是可測(cè)量，并且在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)著如下函 數(shù)關(guān)系設(shè)優(yōu)化問(wèn)題中的馬,，心恒值，進(jìn)而公式(1)表示為：(4) 利用極值捜索方法捜索到最優(yōu)輸入使得輸出保持在極值。
【文檔編號(hào)】F02P9/00GK106089541SQ201610419444
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日 公開(kāi)號(hào)201610419444.8, CN 106089541 A, CN 106089541A, CN 201610419444, CN-A-106089541, CN106089541 A, CN106089541A, CN201610419444, CN201610419444.8
【發(fā)明人】宮洵, 王長(zhǎng)勇, 胡云峰, 陳虹
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)