专利名称：调节通过借助自由活塞内燃机驱动的发电机产生电能的装置的操作的方法
背景技术：
双冲程自由活塞内燃机作为驱动装置是公知的，它具有两同轴接续设置的气缸，在其中设置彼此反向运动的活塞对，两活塞对的相同方向运动的活塞分别彼此连接，各活塞对在其气缸中限定了燃烧室，在气缸被交替点火时，两分别彼此连接的活塞反向来回运动，运动能通过活塞连接件分出并例如用于驱动发电机。
发明内容
本发明目的在于提供一种调节产生电能装置操作的方法，使得自由活塞内燃机的操作稳定。
上述目的通过权利要求1给出的特征实现。自由活塞内燃机的最佳操作通过压缩比的额定值预定。活塞对各彼此连接活塞的自由运动直接影响到实际的压缩比以及自由活塞内燃机的工作频率。现在通过一个相应的传感器，可以检测气缸中的活塞位置或活塞的运动特别是活塞的运动过程并由此获得实际压缩比和工作频率的相应测量信号。
通过将活塞连接件与发电机的转子耦合以及通过对与定子绕组连接的功放级装置的调节，发电机的定子绕组通过脉冲调节被施加电压并根据由额定/实际压缩比得到的调节预定值在必要时通过与燃料量的配合实现，以稳定自由活塞内燃机的操作。
本发明调节方法的特别优点在于，压缩比的检测和与其相关的活塞运动过程的检测在工作循环时实现，必要的调节作用通过对定子绕组的电压施加装置和/或通过下一工作冲程的燃料量起作用，以便可以快速灵敏地调节自由活塞内燃机的操作状态。由此，对这种产生电能装置中的自由活塞内燃机的稳定操作进行微调。
如果在负载和发电机之间如在本发明优选方案中设置蓄电池或电容器形式的缓冲蓄电器，或设置与功放级装置连接的特殊外接电源，例如在其中的一个气缸断火时仍可以保持均匀操作。通过调节，在气缸断火时为了通过对定子绕组相应施加电压不点火进行“膨胀冲程”，其发电机作为发动机操作，以进行“工作冲程”，从而至少近似获得另一气缸直接随后工作循环的预定压缩比并进行工作冲程且同时为了断火气缸再进行所需要的压缩，进行下一工作循环。
在调节装置的相应方案中，还可以连续检测同一气缸的断火情况并可以停机。
在优选使用的双冲程自由活塞内燃机中，燃料通过直接喷入燃烧室或喷入空气吸入通道。输入燃料的点火通过外点火或自动点火实现。
在基本可以通过相应的驱动装置将两活塞对的来回运动转换成转动时并以公知的方式驱动发动机时，有利的是优选使用所谓的直线发电机。直线发电机包括一个定子，其具有至少一个线圈的绕组，和一个杆状的来回运动的转子。不同的工作原理是公知的，例如通过永磁作用、磁阻作用或不同相位的感应作用。
也可以只在两活塞对的活塞之间形成连接件作为转子，运动能从活塞对的另两个活塞的连接件通过机械方式例如通过相应的传动装置耦合到转子上，这样只需一台发电机。
通过脉冲地调节施加到发电机绕组的电压，随时调节相应气缸中的活塞对的位置。由此，可以与发电机的负载无关地调节自由活塞内燃机气缸的压缩比。在通过缝槽换气的实施方式中，有利的是，由两活塞相应限定的燃烧室的中位相对于缝槽改变，这样改变“阀重叠”。
本发明的其它特征由下面描述的实施例给出。
下面参照示意附图进一步描述本发明。其中图1示出了由自由活塞内燃机驱动的直线发电机产生电能制造的示意结构；图2示出了图1方案的变形；
图3示出了调节的方块图。
具体实施例方式
图1示出了用于产生电能的主要包括两平行直线发电机1的发电机组，包括分别具有多个线圈的两定子绕组2和3。定子绕组2和3分别配置有转子4和5，它们相对于定子绕组2和3来回运动，产生电能。
在所示实施例中，设置双冲程—双气缸—自由活塞内燃机作为动力装置，它主要包括两轴向串接的气缸6和7，其中活塞6.1和6.2以及活塞7.1和7.2反向往复运动导向。
活塞6.1和7.1与转子4连接，而活塞6.2和7.2与转子5连接，使得活塞的往复运动直接传递到转子上。
在这里，未示出用于换气的结构件。优选纵向流动的换气或者通过调节阀实现或者通过在气缸壁上的纵向槽实现，如双冲程发动机所公开的那样。优选设置未进一步示出的吹洗泵或附加的增压机。
各活塞6.1，6.2和7.1，7.2限定了一个燃烧室。在所示实施例中，燃料的输入借助喷嘴8和9直接喷入，但燃料的输入也可以通过在此未详细示出的空气吸入通道上的喷射件实现。根据发动机原理，燃料的点火通过外源点火或自行点火实现。两气缸6和7的点火交替进行。
在图1所示的工作状态是在燃料—空气混合物被点火后，气缸6开始进行膨胀冲程。两活塞6.1和6.2在气体压力作用下彼此分开，而气缸7中的两活塞7.1和7.2彼此反向运动且压缩气缸充气，在下冲程中气缸7被点火并以相反的方向进行工作冲程。两转子4和5穿过相应的定子绕组2和3相反运动，由于转子4、5的往复运动产生相应的“成组”电能。
由于通过转子4、5往复运动随时间变化的运动性，还可以检测气缸6和7中活塞的相应位置，这可以通过相应的调节使得施加到定子绕组2、3上的脉冲电压与由活塞产生的机械能相匹配，取用相应的电能。
对此，两定子绕组2、3设置可调的功放级装置10.1、10.2，它们通过调节器11调节。正如在这里提到的，功放级装置可以与适合的电源12连接。
在功放级装置10.1和10.2后面连接有蓄电池或存储电容器形式的缓冲器13.1的负载13，以便取用非连续产生的负载电能作为连续即恒定的电能。
对定子绕组2和3配置测量传感器14和15，通过它们检测产生的电压和产生的电流并作为测量值传到调节器11中。通过调节器11这样调节功放级装置10.1和10.2，通过相应改变施加到定子绕组2和3上的脉冲电压影响转子4、5的速度，由此影响压缩比并在各冲程下优选保持恒定。这通过经对定子绕组2、3施加脉冲电压有目的地减速或加速转子4、5和/或改变燃料量如通过改变喷射时间实现。由此，对其调节方法提供“快速”内调节回路。
通过其测量传感器16，由负载13取用的电能例如通过测量电流和/或电压检测。其测量值同样传到调节器11，通过其调节器调节相应的燃料供给根据取用的电能可以调节燃料量。
为了替代或增强上述电传感器(测量传感器14、15)，至少给两气缸6、7配置两传感器17和18，通过它们可以检测气缸中活塞的相应位置特别是相应的“上死点位置”，以调节燃料的供给并在外源点火时调节点火。
此外，优选的电—机械传感器(测量传感器17、18)与相应的调节器11连接，检测用于动力调节活塞的运动过程。可以根据检测的活塞相应的端位置导出其压缩比。根据随时间改变的位置，获得运动速度曲线，对于调节器11所需要的测量值直接用于“快速”调节。
为了调节自由活塞内燃机恒定即处于最佳的动力状态，对调节器11的“快速”内调节回路输入作为预定额定值的压缩比。其压缩比能以取决于负载的特性曲线族形式表示，以便对于不同的负载，规定用于额定/实际比值的不同的额定值。
图2示出了图1装置的变形，它只设置一直线发电机1.1，替代两直线发电机，它包括由一个或多个线圈构成的定子绕组2.1。配置的转子4.1与活塞6.1和7.1刚性连接。
两活塞6.2和7.2之间的刚性连接件19与换向传动机构20连接，其驱动机构21直接与两活塞6.1和7.1之间连接件刚性连接并同时将活塞6.2和7.2的机械能传给转子2.1。
图3示出了调节回路连接的方块图。在图1中的各部件的附图标记与图3中的相同。
从该方块图可看出，直线发电机1、自由活塞内燃机6、7和功放级装置10.1/10.2彼此相互作用，其中通过由经测量传感器14、15和功放级装置10的调节器11构成的“快速”内调节回路在所示自由活塞内燃机稳定工作状态下调节定子绕组和必要时调节燃料喷嘴8、9。
内调节回路与外调节回路相匹配，通过其外调节回路经测量传感器16由调节器11检测相应取用的(电)负载并根据燃料量调节。
由于在输入电能时直线发电机1也可以作为发动机工作，对于在这里所述的产生电能的装置也可以起动自由活塞内燃机6、7。对此，设置在负载前连接蓄电池或电容器形式的蓄电器13.1。一旦由缓冲蓄电器构成的蓄电器13.1的容量不够，如图1所示，必须使用相应的外电源12。此外，其起动过程经调节器11通过相应调节功放级装置10引导。
下面简述其调节功能连续检测的机械状态量(活塞速度、活塞位置)提供给轨道或状态腔中的活塞。
通过评估有效工作冲程中活塞“死点”转向点之后轨道转换的化学能，可以“估计”内燃机稳定工作所需要的通过发电机的转换能量，以便略微在下一燃烧开始之前获得预定的目标状态(压缩比、内燃机的工作频率)。通过在工作冲程时施加脉冲电压，其发电机在短时间作为发动机工作，以便补偿对活塞运动过程的外界影响。特别是可以识别和“掩盖”断火。确定实现通过发电机能量转换的转换时间点和接通电压、由自由活塞内燃机输出的能量，对此，连续检验轨道并相应修正转换时间和接通电压。
定子绕组线圈的电压在内燃机冲程时通过半导体桥根据调节规则系统判断标准转换成+Ub和/或0和7或-Ub。根据在冲程过程损坏件的工作冲程时由传感器获得的调节结果，施加的电压在+Ub，和/或-Ub之间变换或不变换(Ub是工作电压)。由此，在经发电机稳定内燃机的工作冲程时，直接点火的气缸活塞根据施加的电压被缓冲和/或驱动或根据发电机负载的减小产生气体压力。上述电压的施加在冲程时改变，活塞根据由调节器检测的轨道以及压缩和工作频率的规定值运动。
由于由发电机作用到内燃机上的在转向点区域的磁力明显小于气体压力，能量转换主要在轨道的中部区域(活塞运动速度大时)即在点火点前进行。
由此，必要的是，借助作为发动机操作的发电机通过谐振激励起动自由活塞内燃机。这可以通过具有相同规则系统的调节器利用传感信号实现。特别是，可以抑制喷射至到达到可点火的压缩比。
为了从停机状态起动内燃机，要对传感器进行校准并将活塞调节到中位。这通过采用发电机通过将活塞运动到机械端止挡上实现。对此，借助缝槽解除压缩作用。
为了断开系统，根据目的这样对定子绕组通电流，使得在喷射断开后，活塞静止对称。特别是在最后燃烧后活塞立即静止或对操作的发电机进行附加周期冲洗。
权利要求
1.一种调节产生电能装置的操作的方法，其装置包括至少具有一加电压的定子绕组的发电机和至少一转子，具有双冲程自由活塞内燃机，它具有两同轴接续设置的气缸和各气缸的彼此反向运动的活塞对，两活塞对的相同方向运动的活塞分别彼此连接，其中活塞连接件与发电机的转子作用处于有效连接，具有定子绕组的可调电压施加装置，其中通过传感器检测至少一活塞对的活塞运动的两活塞位置和/或速度并通过调节定子绕组的电压施加装置和/或调节燃料量调节自由活塞内燃机气缸中的预定压缩比。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于检测并在调节时考虑由发电机产生的电压和/或电流。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过调节与燃料量调节有关的发电机上的电压施加装置，调节自由活塞内燃机活塞的运动过程。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于通过调节燃料量，影响相应气缸活塞中的活塞对的位置和/或压缩比。
5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于发电机是直线发电机。
6.如上述权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于设置一外电源，通过它借助相应的调节和脉冲向发电机提供起动内燃机的电能。
全文摘要
一种调节产生电能装置的操作的方法，其装置包括至少具有一加电压的定子绕组的发电机和至少一转子，具有双冲程自由活塞内燃机，它具有两同轴接续设置的气缸和各气缸的彼此反向运动的活塞对，两活塞对的相同方向运动的活塞分别彼此连接，其中活塞连接件与发电机的转子处于有效连接，其中调节定子绕组的电压和/或调节燃料量，保持自由活塞内燃机气缸中的预定压缩比。
文档编号F02B71/06GK1678823SQ03820793
公开日2005年10月5日 申请日期2003年7月8日 优先权日2002年9月3日
发明者汉斯·肯珀, 克里斯蒂安·博伊厄, 亨德里克斯·扬森 申请人:Fev电机技术有限公司