JP2003343202A - Free piston engine driving linear generator - Google Patents
Free piston engine driving linear generatorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フリーピストンエ
ンジンとリニア発電機とを組み合わせて発電を行うフリ
ーピストンエンジン駆動リニア発電装置に係り、特に、
フリーピストンエンジンがディーゼル内燃機関であるも
のに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、クランク、コンロッド及び変
動荷重軸受（ピストンピン軸受）などが不要で小型化に
有利な内燃機関として、フリーピストンエンジンが知ら
れている。また、２ストロークサイクルのフリーピスト
ンエンジンを駆動源として用い、リニア発電機を駆動し
て発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置
（以下、フリーピストンリニア発電装置と呼ぶ）が知ら
れている。このフリーピストンリニア発電装置は、図７
に示すように、対向して配置された左右一対の２ストロ
ークサイクルフリーピストンエンジン１Ｌ，１Ｒが互い
のピストン２Ｌ、２Ｒをシャフト３で連結されており、
該シャフト３の中央部に設けられた磁石部４がリニア発
電機５の磁界内を往復移動することで発電するように構
成されたものである。なお、図中の符号６Ｌ，６Ｒはシ
リンダ、７Ｌ，７Ｒは給気口、８Ｌ，８Ｒは排気弁であ
る。
【０００３】次に、このような２ストロークサイクルの
フリーピストンエンジンリニア発電装置の動作について
説明する。図８は連結されたピストン２Ｌ、２Ｒの位置
と時間との関係を示したものである。図に示すように、
一方のピストンエンジン１Ｌは、膨張、ガス交換、圧
縮、燃焼を繰り返し、他方のピストンエンジン１Ｒは、
一方のピストンエンジン１Ｌとタイミングをずらして膨
張、ガス交換、圧縮、燃焼を繰り返す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に熱効
率の面からは、実際のサイクルを図９に示すディーゼル
サイクルにできるだけ近づけることが望ましい。このた
めには、膨脹行程において等圧（定圧）膨脹させる必要
がある。したがって、上記のフリーピストンエンジンに
おいても、熱効率の面から等圧膨張を実現することが望
まれている。
【０００５】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、理想的なディーゼルサイクルを追求することを目
的としており、特に、熱効率の高いフリーピストンエン
ジン駆動リニア発電装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載のフリー
ピストンエンジン駆動リニア発電装置は、同一直線上に
対向して配置し行程をずらして運転される左右一対のフ
リーピストンエンジンと、該エンジンのフリーピストン
同士を連結して往復移動する磁石部を備えたシャフト
と、前記磁石部が制御手段により可変の磁界内を往復移
動して発電機または電動機として機能するリニア発電機
と、前記フリーピストンエンジンのシリンダ内圧力を検
出する圧力センサとが設けられ、前記制御手段は、前記
圧力センサにより検出されたシリンダ内圧力に基づい
て、燃焼時の該シリンダ内圧力が一定となるシリンダ容
積の変化量を算出し、さらに、該制御手段は、前記リニ
ア発電機の磁界を制御してシリンダ容積の変化量が前記
算出した変化量となるように前記フリーピストンの動作
を制御することを特徴とする。
【０００７】この発明においては、圧力Ｐ、発熱量を
Ｑ、シリンダ容積をＶとおくとき、以下のようにフリー
ピストンを制御する。熱力学第１法則及びガスの状態方
程式から、
ｄｐ＝｛（κ−１）／Ｖ｝ｄＱ−κ（Ｐ／Ｖ）ｄＶ
κ：ガスの比熱比
が成り立ち、ｄｐ＝０とするためには、適切なｄＶはｄ
Ｑと同じパターンで変化させればよい。運転において
は、ｄｐ＝０となるようにｄＶの変化を制御すること
で、等圧膨張が実現する。
【０００８】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。以下、本発明に係る２ス
トロークサイクルのフリーピストンエンジン駆動リニア
発電装置（以下、フリーピストンリニア発電装置と呼
ぶ）の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、上
記従来技術と同一の構成については同一の符号を用い、
その説明を省略する。上述したフリーピストンエンジン
１Ｌ，１Ｒについては、熱効率の面から実際のサイクル
を図９に示すディーゼルサイクルにできるだけ近づける
ことが望ましい。このためには、膨脹行程において等圧
（定圧）膨脹させる必要がある。そこで、本実施形態で
は、以下の構成により等圧膨張を実現する。図１におい
て、１８は磁界制御部、２０は制御部（制御手段）であ
る。磁界制御部１８は電力母線へ接続されていることで
電力が供給されている。リニア発電機５は、磁界制御部
１８を介して制御部２０と接続されており、単に発電を
行うだけではなく、磁界制御部１８によって磁界が制御
されることでピストン２Ｌ，２Ｒの動作を積極的に制御
することができるようになっている。また、シリンダ６
Ｌ，６Ｒ内の圧力、すなわちシリンダ内圧力Ｐを検出す
る圧力センサ２１Ｌ，２１Ｒを設け、両センサ２１Ｌ，
２１Ｒの検出値を制御部２０に入力する。シリンダ内圧
Ｐの入力を受けた制御部２０では、磁界制御部１８に制
御信号を出力する。この制御信号は、リニア発電機とし
て機能しているリニア発電機５の磁界の強さを可変制御
するもので、図２に示すように、爆発後の膨脹行程でシ
リンダ内圧力Ｐが一定となる等圧膨脹が実現されるよう
に磁界を制御するものである。すなわち、磁界の強さを
適切に調整することで発電負荷（ブレーキ力）を制御
し、これによってピストン２Ｌ，２Ｒの移動速度を制御
して等圧膨脹を実現するのである。このような構成及び
制御を行うことで、熱効率が高い理想のディーゼルサイ
クルに近づけることが可能になる。なお、図２、図３、
図４において、横軸は時間を示している。
【０００９】具体的には、圧力Ｐを圧力センサ２１Ｌ、
２１Ｒによって測定する。圧力Ｐと、図３に示した予め
与えられた発熱量変化ｄＱから、適切な容積変化を求め
る。すなわち、熱力学第１法則及びガスの状態方程式か
ら、
ｄｐ＝｛（κ−１）／Ｖ｝ｄＱ−κ（Ｐ／Ｖ）ｄＶ
κ：ガスの比熱比
が成り立ち、ｄｐ＝０とするためには、適切なｄＶは図
４に示したようにｄＱと同じパターンで変化させればよ
い。なお、本例では複数の燃焼パターンによる複数のｄ
Ｑパターンａ〜ｅについて示している。したがって、通
常のピストン２Ｌ，２Ｒの移動に伴う容積Ｖの変化に対
し、等圧膨張時には図５および図６に示すように、上記
図４の容積変化量ｄＶでピストン２Ｌ，２Ｒが移動する
ように制御部２０がリニア発電機５を制御する。なお、
図４及び図６において、各線ａ〜ｅは各々図３のｄＱパ
ターンａ〜ｅに対応している。
【００１０】このように、圧力変化ｄＰ＝０となる容積
変化量ｄＶを制御する。これによって、等圧膨張が可能
となり、筒内最高圧力の制限下においても熱効率のよい
ディーゼルサイクルとすることができる。
【００１１】
【発明の効果】上述した本発明のフリーピストンエンジ
ン駆動リニア発電装置によれば、制御手段がフリーピス
トンを制御することで、等圧膨張を実現することができ
る。したがって熱効率のよいディーゼルサイクルとする
ことができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a free-piston engine-driven linear power generator that generates power by combining a free-piston engine and a linear generator.
The invention relates to the free piston engine being a diesel internal combustion engine. Conventionally, a free-piston engine has been known as an internal combustion engine that does not require a crank, a connecting rod, a variable load bearing (a piston pin bearing), and is advantageous in miniaturization. Also, a free-piston engine-driven linear power generator (hereinafter, referred to as a free-piston linear power generator) that uses a two-stroke cycle free-piston engine as a drive source and drives a linear generator to generate power is known. This free-piston linear generator is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, a pair of left and right two-stroke cycle free piston engines 1L and 1R arranged opposite to each other are connected to each other by pistons 2L and 2R via a shaft 3.
The magnet unit 4 provided at the center of the shaft 3 reciprocates in the magnetic field of the linear generator 5 to generate power. In the drawings, reference numerals 6L and 6R denote cylinders, 7L and 7R denote air supply ports, and 8L and 8R denote exhaust valves. Next, the operation of such a two-stroke cycle free-piston engine linear generator will be described. FIG. 8 shows the relationship between the position of the connected pistons 2L and 2R and time. As shown in the figure,
One piston engine 1L repeats expansion, gas exchange, compression, and combustion, and the other piston engine 1R
The expansion, gas exchange, compression, and combustion are repeated at a timing shifted from one piston engine 1L. [0004] By the way, it is generally desirable to make the actual cycle as close as possible to the diesel cycle shown in FIG. 9 from the viewpoint of thermal efficiency. For this purpose, it is necessary to perform equal-pressure (constant-pressure) expansion during the expansion process. Therefore, it is desired that the above-mentioned free piston engine also realizes equal pressure expansion from the viewpoint of thermal efficiency. The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to pursue an ideal diesel cycle. In particular, it is an object of the present invention to provide a free-piston engine-driven linear power generator with high thermal efficiency. . [0006] A free-piston engine-driven linear power generator according to claim 1 comprises a pair of left and right free-piston engines which are arranged on the same straight line so as to face each other and are operated at a different stroke. A shaft having a magnet portion that reciprocates by connecting the free pistons of the engine, and a linear generator that reciprocates in a variable magnetic field by the control means and functions as a generator or an electric motor; A pressure sensor for detecting an in-cylinder pressure of the free-piston engine, wherein the control means is configured to control the cylinder volume at which the in-cylinder pressure during combustion is constant based on the in-cylinder pressure detected by the pressure sensor. And the control means controls the magnetic field of the linear generator to calculate the change in cylinder volume. The operation of the free piston is controlled so as to obtain a change amount. In the present invention, when the pressure P, the heat generation amount is Q, and the cylinder volume is V, the free piston is controlled as follows. From the first law of thermodynamics and the equation of state of gas, dp = ｛(κ-1) / V｝ dQ-κ (P / V) dV κ: The specific heat ratio of gas is established, and in order to set dp = 0, The appropriate dV is d
What is necessary is just to change in the same pattern as Q. In operation, constant pressure expansion is realized by controlling the change in dV so that dp = 0. Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Hereinafter, an embodiment of a two-stroke cycle free-piston engine-driven linear power generator (hereinafter, referred to as a free-piston linear power generator) according to the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the same reference numerals are used for the same configurations as the above-described conventional technology,
The description is omitted. Regarding the free piston engines 1L and 1R described above, it is desirable that the actual cycle be as close as possible to the diesel cycle shown in FIG. 9 from the viewpoint of thermal efficiency. For this purpose, it is necessary to perform equal-pressure (constant-pressure) expansion during the expansion process. Therefore, in the present embodiment, equal pressure expansion is realized by the following configuration. In FIG. 1, reference numeral 18 denotes a magnetic field control unit, and 20 denotes a control unit (control means). The magnetic field control unit 18 is supplied with electric power by being connected to the electric power bus. The linear generator 5 is connected to the control unit 20 via the magnetic field control unit 18. The linear generator 5 not only performs power generation but also actively controls the operation of the pistons 2L and 2R by controlling the magnetic field by the magnetic field control unit 18. Can be controlled. In addition, cylinder 6
Pressure sensors 21L and 21R for detecting the pressure in the cylinders L and 6R, that is, the cylinder pressure P, are provided.
The detected value of 21R is input to the control unit 20. The control unit 20 receiving the input of the cylinder internal pressure P outputs a control signal to the magnetic field control unit 18. This control signal variably controls the strength of the magnetic field of the linear generator 5 functioning as a linear generator. As shown in FIG. 2, the pressure P in the cylinder becomes constant during the expansion stroke after the explosion. The magnetic field is controlled so that equal pressure expansion is realized. That is, the power generation load (braking force) is controlled by appropriately adjusting the strength of the magnetic field, and thereby the moving speed of the pistons 2L and 2R is controlled to realize equal pressure expansion. By performing such a configuration and control, it becomes possible to approach an ideal diesel cycle having high thermal efficiency. 2 and 3,
In FIG. 4, the horizontal axis indicates time. Specifically, the pressure P is measured by a pressure sensor 21L,
Measured by 21R. An appropriate change in volume is determined from the pressure P and the change dQ of heat value given in advance shown in FIG. That is, from the first law of thermodynamics and the equation of state of the gas, dp = ｛(κ-1) / V｝ dQ-κ (P / V) dV κ: The specific heat ratio of the gas is established, and in order to set dp = 0 The appropriate dV may be changed in the same pattern as dQ as shown in FIG. Note that in this example, a plurality of d's due to a plurality of combustion patterns
The Q patterns a to e are shown. Therefore, as shown in FIGS. 5 and 6, the pistons 2L, 2R move with the volume change dV shown in FIG. The control unit 20 controls the linear generator 5. In addition,
4 and 6, the lines a to e correspond to the dQ patterns a to e in FIG. 3, respectively. As described above, the volume change dV at which the pressure change dP = 0 is controlled. As a result, equal-pressure expansion becomes possible, and a diesel cycle with good thermal efficiency can be achieved even under the limitation of the maximum in-cylinder pressure. According to the above-described linear power generator driven by a free piston engine according to the present invention, the control means controls the free piston, thereby realizing constant pressure expansion. Therefore, a diesel cycle with high thermal efficiency can be obtained.
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態として示したフリーピス
トンリニア発電装置を示した図である。
【図２】 ディーゼルサイクルにおけるシリンダ内圧力
と時間との関係を示した図である。
【図３】 燃料発熱変化量と時間とを示した図である。
【図４】 シリンダ内容積変化量と時間とを示した図で
ある。
【図５】 シリンダ内容積と時間との関係を示した図で
ある。
【図６】 シリンダ内容積と時間との関係を示した図で
あり、図５の一部を拡大したものである。
【図７】 従来のフリーピストンリニア発電装置を示し
た図である。
【図８】 ２ストロークサイクルのフリーピストンエン
ジンの動作過程を示した図である。
【図９】 ディーゼルサイクルを示した図である。
【符号の説明】
１Ｌ、１Ｒ フリーピストンエンジン
２Ｌ、２Ｒ ピストン
３ シャフト
４ 磁石部
５ リニア発電機
１８ 磁界制御部
２０ 制御部（制御手段）
２１Ｌ、２１Ｒ 圧力センサBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a free-piston linear power generator shown as one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a cylinder pressure and time in a diesel cycle. FIG. 3 is a diagram showing a fuel heat generation change amount and time. FIG. 4 is a diagram showing a cylinder volume change amount and time. FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a cylinder internal volume and time. 6 is a diagram showing the relationship between the cylinder internal volume and time, and is an enlarged view of a part of FIG. 5; FIG. 7 is a view showing a conventional free piston linear power generator. FIG. 8 is a view showing an operation process of a free piston engine in a two-stroke cycle. FIG. 9 is a view showing a diesel cycle. [Description of Signs] 1L, 1R Free piston engine 2L, 2R Piston 3 Shaft 4 Magnet unit 5 Linear generator 18 Magnetic field control unit 20 Control unit (control means) 21L, 21R Pressure sensor
Claims (1)
して運転される左右一対のフリーピストンエンジンと、
該エンジンのフリーピストン同士を連結して往復移動す
る磁石部を備えたシャフトと、前記磁石部が制御手段に
より可変の磁界内を往復移動して発電機または電動機と
して機能するリニア発電機と、前記フリーピストンエン
ジンのシリンダ内圧力を検出する圧力センサとが設けら
れ、 前記制御手段は、前記圧力センサにより検出されたシリ
ンダ内圧力に基づいて、燃焼時の該シリンダ内圧力が一
定となるシリンダ容積の変化量を算出し、さらに、該制
御手段は、前記リニア発電機の磁界を制御してシリンダ
容積の変化量が前記算出した変化量となるように前記フ
リーピストンの動作を制御することを特徴とするフリー
ピストンエンジン駆動リニア発電装置。Claims: 1. A pair of left and right free piston engines which are arranged opposite to each other on the same straight line and which are operated at staggered strokes.
A shaft provided with a magnet portion that reciprocates by connecting the free pistons of the engine, a linear generator that reciprocates in a variable magnetic field by the control means and functions as a generator or an electric motor, A pressure sensor for detecting the pressure in the cylinder of the free-piston engine, wherein the control means is configured, based on the pressure in the cylinder, detected by the pressure sensor, to determine a cylinder volume at which the pressure in the cylinder during combustion is constant. Calculating a change amount, and further controlling the magnetic field of the linear generator to control the operation of the free piston so that the change amount of the cylinder volume becomes the calculated change amount. Free piston engine driven linear generator.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002157195A JP2003343202A (en) | 2002-05-30 | 2002-05-30 | Free piston engine driving linear generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002157195A JP2003343202A (en) | 2002-05-30 | 2002-05-30 | Free piston engine driving linear generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003343202A true JP2003343202A (en) | 2003-12-03 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002157195A Withdrawn JP2003343202A (en) | 2002-05-30 | 2002-05-30 | Free piston engine driving linear generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
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