自由活塞内燃发电机的振动控制及能量回收装置及方法
阅读说明：本技术 自由活塞内燃发电机的振动控制及能量回收装置及方法 (Vibration control and energy recovery device and method for free piston internal combustion engine generator ) 是由 贾博儒 张志远 冯慧华 左正兴 李健 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自由活塞内燃发电机的振动控制及能量回收装置及方法,在自由活塞内燃发电机两端的发动机缸盖与外部机构之间安装有电磁能量回收机构；电磁能量回收机构包括动子组件和与动子组件相配合的定子组件,动子组件与定子组件之间设有螺旋弹簧；动子组件安装在发动机缸盖上且动子组件上设有永磁体,定子组件安装在外部机构上且定子组件相对应永磁体设有线圈；线圈与自由活塞内燃发电机的控制系统相连,控制系统用于控制线圈是否通电以及通入的电流大小,基于电磁能量回收机构实现振动控制及能量回收。本发明能够解决自由活塞内燃发电机在作为汽车增程器使用时的振动强度过大的问题,并且在一定程度上提高了系统的能量转换效率。(The invention discloses a vibration control and energy recovery device and method of a free piston internal combustion engine generator.A electromagnetic energy recovery mechanism is arranged between engine cylinder covers at two ends of the free piston internal combustion engine generator and an external mechanism; the electromagnetic energy recovery mechanism comprises a rotor assembly and a stator assembly matched with the rotor assembly, and a spiral spring is arranged between the rotor assembly and the stator assembly; the rotor assembly is arranged on the engine cylinder cover and is provided with a permanent magnet, the stator assembly is arranged on the external mechanism and is provided with a coil corresponding to the permanent magnet; the coil is connected with a control system of the free piston internal combustion generator, the control system is used for controlling whether the coil is electrified or not and the size of the introduced current, and vibration control and energy recovery are realized based on the electromagnetic energy recovery mechanism. The invention can solve the problem that the vibration intensity of the free piston internal combustion generator is overlarge when the free piston internal combustion generator is used as an automobile range extender, and improves the energy conversion efficiency of the system to a certain extent.)
技术领域
本发明涉及振动控制与能量回收
技术领域
，具体涉及一种自由活塞内燃发电机的振动控制及能量回收装置及方法。背景技术
能源的应用与转换装置一直是科研中的热门研究领域，自由活塞内燃发电机作为一种新型的能源转换装置，具备高体积功率、压缩比可调以及方便模块化布置的优点；十分合适用于未来混合动力汽车增程器使用。
自由活塞内燃发电机目前仍处于原理探索阶段，从目前的研究结果来看，特殊结构形式的自由活塞内燃发电机安装在车辆上作为增程器使用时，其自身较强的振动以及独特的振动特性将会制约其应用。
发明内容
为解决自由活塞内燃发电机作为汽车增程器使用时振动形式特殊、振动强度较高的技术问题，本发明提供一种自由活塞内燃发电机的振动控制及能量回收装置及方法。
本发明公开了一种自由活塞内燃发电机的振动控制及能量回收装置，在自由活塞内燃发电机两端的发动机缸盖与外部机构之间安装有电磁能量回收机构；
所述电磁能量回收机构包括动子组件和与所述动子组件相配合的定子组件，所述动子组件与所述定子组件之间设有螺旋弹簧；所述动子组件安装在所述发动机缸盖上且所述动子组件上设有永磁体，所述定子组件安装在所述外部机构上且所述定子组件相对应所述永磁体设有线圈；
所述线圈与自由活塞内燃发电机的控制系统相连，所述控制系统用于控制所述线圈是否通电以及通入的电流大小，基于所述电磁能量回收机构实现振动控制及能量回收。
作为本发明的进一步改进，所述自由活塞内燃发电机的基座与外界机构的安装处设有减震材料，所述减震材料与基座组成的被动隔振底座，实现对所述自由活塞内燃发电机的被动隔振。
作为本发明的进一步改进，所述隔振材料包括橡胶、软木、超细玻璃棉板、聚氨酯泡沫塑料中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述动子组件的运动方向与所述自由活塞内燃发电机的活塞的运动方向一致，一侧的所述发动机缸盖上对称设有两个所述电磁能量回收机构。
作为本发明的进一步改进，
所述动子组件呈“T”型结构，所述动子组件的横向安装面通过螺栓安装在所述发动机缸盖上，所述动子组件的竖杆上安装有所述永磁体；
所述定子组件呈“工”型结构，所述定子组件的竖杆中部设有供所述动子组件插入的导向孔，所述定子组件的一横向安装面通过螺栓安装在所述外部机构上；
所述螺旋弹簧套在所述动子组件的竖杆上，且一端抵在所述动子组件的横向安装面、另一端抵在所述定子组件的另一横向安装面。
作为本发明的进一步改进，所述外部机构为大刚度支架，所述螺旋弹簧的极限压缩长度大于自由活塞内燃发电机的极限振动幅度。
作为本发明的进一步改进，所述自由活塞内燃发电机的能量包括汽油、柴油、重油、氢气、甲烷中的一种。
本发明还公开了一种基于上述装置的主动振动控制方法，包括：
在所述自由活塞内燃发电机启动阶段的低频共振区，所述控制系统采集发电机的运行状态，经过处理得到应当施加在所述线圈上的电流，并将计算后的电流大小通入所述线圈中；同时，所述控制系统根据反馈的运行状态实时调整电流大小，从而在电磁能量回收机构内产生一定的阻尼力，实现在启动阶段起到主动隔振作用。
本发明还公开了一种基于上述装置的被动振动控制方法，包括：
在自由活塞内燃发电机的基座与外界机构的安装处设有减震材料，通过所述减震材料与基座组成的被动隔振底座，实现对所述自由活塞内燃发电机的被动隔振。
本发明还公开了一种基于上述装置的主动振动控制方法，包括：
在自由活塞内燃发电机进入稳定发电阶段后，撤去施加在电磁能量回收机构的电流，系统由于燃烧及动子组件运动导致的结构振动使得电磁能量回收机构内发生线圈切割磁感线进行发电，从而实现能量回收功能。
本发明的有益效果为：
本发明在系统启动阶段，通过分析系统运行特性，对电磁能量回收机构施加对应大小的电流，实现主动隔振的效果；
本发明在在系统实现冷启动后的稳定发电阶段，撤去施加在能量回收装置中的电流，利用系统运行过程中由于燃烧导致的机体振动，安装在缸盖的电磁能量回收机构实现系统振动能量的回收与利用，提高系统能量利用率；
本发明在基座与外界连接处添加隔振材料实现整机的被动隔振；
本发明能够解决自由活塞内燃发电机在作为汽车增程器使用时的振动强度过大的问题，并且在一定程度上提高了系统的能量转换效率。
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振动控制及能量回收装置的结构示意图；
图2为图1中电磁能量回收机构的结构示意图。
图中：
1-发动机缸盖，2-发动机缸体，3-活塞，4-喷油器，5-控制系统，6-进气管，7-扫气口，8-排气口，9-连杆，10-电机外部负载，11-直线电机动子，12-直线电机定子，13-减震材料，14-基座，15-电磁能量回收机构，16-大刚度支架；
201-连接螺栓，202-动子组件，203-螺旋弹簧，204-定子组件，205-永磁体，206-线圈。
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振动控制及能量回收装置，其中，
本发明的自由活塞内燃发电机包括：发动机缸盖1、发动机缸体2、活塞3、喷油器4、控制系统5、进气管6、扫气口7、排气口8、连杆9、电机外部负载10、直线电机动子11、直线电机定子12和基座14；其中，两端的发动机缸盖1对应安装在发动机缸体2上，发动机缸体2装有活塞3，两端的活塞3通过连杆9与直线电机动子11相连，直线电机动子11外侧设有直线电机定子12，直线电机动子11与直线电机定子12构成直线电机；发动机缸体2上设有进气管6、扫气口7和排气口8，进气管6上设有喷油器4，扫气口7与排气口8仅作为换气形式，不作为固定结构形式，对气门式换气依然适用；电机外部负载10与电机的输出端相连，发动机缸体2上设有基座14。进一步，上述自由活塞内燃发电机的能量来源不局限于汽油，也可以是柴油、重油等化石燃料，也可以是氢气、甲烷等可燃气体。
本发明在基座14与外界机构(安装支架等)的安装处设有减震材料13，而后通过螺栓实现基座14与外界机构(安装支架等)的固定安装，减震材料13与基座14组成发电机的被动隔振底座，实现对自由活塞内燃发电机的被动隔振。进一步，隔振材料不限于橡胶、软木、超细玻璃棉板、聚氨酯泡沫塑料等。
本发明在自由活塞内燃发电机两端的发动机缸盖1与外部机构(大刚度支架16等)之间安装有电磁能量回收机构15，基于电磁能量回收机构15实现主动振动控制及能量回收，具体的：
如图2所示，本发明的电磁能量回收机构15包括动子组件202和与动子组件202相配合的定子组件204，动子组件202与定子组件204之间设有螺旋弹簧203；动子组件202安装在发动机缸盖1上且动子组件上设有永磁体205，定子组件204安装在大刚度支架16上且定子组件204相对应永磁体205设有线圈206；线圈206与自由活塞内燃发电机的控制系统5相连，控制系统5用于控制线圈206是否通电以及通入的电流大小，基于电磁能量回收机构15实现主动振动控制及能量回收。
进一步，动子组件202的运动方向与自由活塞内燃发电机的活塞3的运动方向一致，一侧的发动机缸盖1上对称设有两个电磁能量回收机构15。
进一步，如图2所示，动子组件202呈“T”型结构，动子组件的横向安装面通过螺栓201安装在发动机缸盖1上，动子组件202的竖杆上安装有永磁体205；定子组件204呈“工”型结构，定子组件204的竖杆中部设有供动子组件202插入的导向孔，定子组件204的一横向安装面通过螺栓201安装在大刚度支架16上；螺旋弹簧203套在动子组件202的竖杆上，且一端抵在动子组件202的横向安装面、另一端抵在定子组件204的另一横向安装面；更进一步，螺旋弹簧203的极限压缩长度大于自由活塞内燃发电机的极限振动幅度。
本发明提供一种基于上述装置的主动振动控制方法，包括：
在自由活塞内燃发电机进行启动时，直线电机拖动活塞3压缩两侧可燃气体，在达到点火条件前，系统的运行频率较低(一般低于20Hz)，容易出现共振现象；在此条件下，控制系统(ECU)5采集到系统的运行状态，经过处理得到应当施加在电磁能量回收机构15内线圈206中的电流并将计算后的电流大小通入线圈中；同时，控制系统根据反馈的运行状态实时调整电流大小，从而在电磁能量回收机构内产生一定的阻尼力，实现在启动阶段起到主动隔振作用。
本发明提供一种基于上述装置的被动振动控制方法，包括：
在自由活塞内燃发电机的基座14与外界机构的安装处设有减震材料113，通过减震材料与基座组成的被动隔振底座，实现对自由活塞内燃发电机的被动隔振。
本发明提供一种基于上述装置的主动振动控制方法，包括：
在自由活塞内燃发电机成功实现启动后，系统进入稳定发电阶段，系统的运行频率较高(一般高于30Hz)，撤去施加在线圈206的电流，此时根据系统的运动特性，缸盖的振动方向与此时电磁能量回收机构15中动子组件202的运动方向相同，根据法拉第电磁感应定律，线圈中产生感应电流，安装在发动机缸盖1上的电磁能量回收机构15实现能量回收的功能。
基于此，通过该发明方法可使自由活塞内燃发电机的振动降低，又可使振动能量得到回收，进一步提高系统能量转换效率。
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。
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