JP2018062902A - Free piston engine generator - Google Patents
Free piston engine generator Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018062902A JP2018062902A JP2016201825A JP2016201825A JP2018062902A JP 2018062902 A JP2018062902 A JP 2018062902A JP 2016201825 A JP2016201825 A JP 2016201825A JP 2016201825 A JP2016201825 A JP 2016201825A JP 2018062902 A JP2018062902 A JP 2018062902A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piston
- dead center
- speed
- top dead
- engine generator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
Description
本発明は、フリーピストンエンジン発電機に関し、特にピストン動作の制御に関する。 The present invention relates to a free piston engine generator, and more particularly to control of piston operation.
フリーピストンエンジンにより駆動されるリニア発電機（以下、フリーピストンエンジン発電機と記す。）が知られている。エンジンのピストンに磁石、エンジンブロックにコイルを設けピストンの往復運動によりコイルに電流を発生させて発電が行われる。また、コイルに電力を供給することによりピストンの動作を制御することもできる。 A linear generator driven by a free piston engine (hereinafter referred to as a free piston engine generator) is known. A magnet is provided on the piston of the engine, and a coil is provided on the engine block. Electricity is generated by generating a current in the coil by reciprocating movement of the piston. Further, the operation of the piston can be controlled by supplying electric power to the coil.
下記特許文献１に記載されたフリーピストンエンジン発電機では、ピストンの可動範囲の中央寄りの一部区間で発電およびピストン駆動が行われる。この区間では、発電電力が制御され、またピストンを駆動するためにコイルに供給される電力が制御される。この区間を「電力制御区間」と記す。電力制御区間の外側、つまりピストン可動範囲の端寄りの区間では、ピストンは磁石とコイルの間に生じる電磁力の影響を受けずに運動する。この区間を「自由運動区間」と記す。自由運動区間のピストンは、ピストン自身の慣性とシリンダ内の気体の反発力によって運動する。ピストンは、可動範囲の端に向けて移動中、シリンダ内の気体を圧縮しつつ減速する。速度が０となった時点で折り返す。燃焼室側の速度が０となった位置を「上死点」、反対側の速度が０となった位置を「下死点」と記す。 In the free piston engine generator described in Patent Document 1 below, power generation and piston drive are performed in a partial section closer to the center of the movable range of the piston. In this section, the generated power is controlled, and the power supplied to the coil for driving the piston is controlled. This section is referred to as a “power control section”. Outside the power control section, that is, in a section near the end of the piston movable range, the piston moves without being affected by the electromagnetic force generated between the magnet and the coil. This section is referred to as “free movement section”. The piston in the free movement section moves due to the inertia of the piston itself and the repulsive force of the gas in the cylinder. The piston decelerates while compressing the gas in the cylinder while moving toward the end of the movable range. Wraps when the speed reaches zero. The position where the speed on the combustion chamber side becomes 0 is referred to as “top dead center”, and the position where the speed on the opposite side becomes 0 is referred to as “bottom dead center”.
下記特許文献１では、上死点の位置が予め定められた目標位置となるように、電力制御区間内のピストンの速度を制御している。具体的には、上死点の位置を検出し、この位置と目標位置の偏差から次のサイクルにおけるピストンの速度を定めるフィードバック制御が行われる。 In Patent Document 1 below, the speed of the piston in the power control section is controlled so that the position of the top dead center becomes a predetermined target position. Specifically, the position of the top dead center is detected, and feedback control is performed to determine the piston speed in the next cycle from the deviation between this position and the target position.
上死点の位置に基づきフリーピストンエンジン発電機の制御を行う場合、その運転の安定性を高めるためには、ピストンの位置、特に上死点位置の検出精度を高める必要がある。また、ピストンの速度制御の結果、到達する上死点に達する前に着火すると、燃焼ガスによりピストンが押し戻されてしまい、本来の上死点位置が不明となる。このため、上死点位置に基づくフィードバック制御が精度よく行われないという問題があった。 When the control of the free piston engine generator is performed based on the position of the top dead center, it is necessary to increase the detection accuracy of the piston position, particularly the top dead center position, in order to increase the stability of the operation. As a result of the speed control of the piston, if ignition occurs before reaching the top dead center, the piston is pushed back by the combustion gas, and the original top dead center position becomes unknown. For this reason, there is a problem that feedback control based on the top dead center position is not performed with high accuracy.
本発明は、取得された上死点の位置に基づく制御によらずに、フリーピストンエンジン発電機の運転の安定性を高めることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the stability of operation of a free piston engine generator without using control based on the acquired position of top dead center.
本発明のフリーピストンエンジン発電機は、シリンダを確定するエンジンブロックと、シリンダに沿って往復運動するピストンとを有し、エンジンブロックにコイルが備えられ、ピストンに磁石が備えられている。さらに、ピストンがピストンの可動範囲の一部に設定された電力制御区間にあるときに、コイルに流れる電流を制御する制御部とを有する。制御部は、電力制御区間の上死点側端点を圧縮行程中のピストンが通過するときの速度が、その後ピストンが上死点に達したときの燃焼室温度が燃焼可能温度となる可燃速度となるように、コイルに流れる電流を制御する。 The free piston engine generator of the present invention has an engine block that determines a cylinder and a piston that reciprocates along the cylinder. The engine block includes a coil, and the piston includes a magnet. And a control unit that controls a current flowing through the coil when the piston is in a power control section set in a part of the movable range of the piston. The control unit is configured such that the speed at which the piston during the compression stroke passes through the top dead center side end point of the power control section, and the combustible speed at which the combustion chamber temperature when the piston reaches the top dead center is the combustible temperature Thus, the current flowing in the coil is controlled.
ピストンがシリンダ内の気体を圧縮し、燃焼室の温度が、最終的に燃料が燃焼可能な温度となれば、そのときのピストンの位置がどこであっても、フリーピストンエンジン発電機の運転を継続することができる。ピストンがある時点で持っている運動エネルギと、その後のある時点における燃焼室温度（例えば上死点到達時）の関係が分かれば、ピストンの運動エネルギを制御することで燃焼室の温度を制御することができる。例えば、ピストンの運動エネルギと内部エネルギの関係に基づき、燃焼室の温度を制御することができる。ピストンがある時点で持っている運動エネルギと、その後のエネルギ収支が分かれば、その後のある時点（例えば上死点到達時）におけるシリンダ内の気体の内部エネルギを算出することができる。さらに、気体の組成が分かれば内部エネルギからシリンダ内の温度も算出することができる。電力制御区間内ではピストンの速度が制御可能であり、この区間の上死点側端点における速度を制御することにより、その後ピストンが上死点に達したときの燃焼室温度を制御することができる。したがって、燃焼室温度が、燃料が燃焼可能な温度となるように、電力制御区間の上死点側端点におけるピストンの速度を制御することで、フリーピストンエンジン発電機の運転を継続することができる。 If the piston compresses the gas in the cylinder and the temperature of the combustion chamber finally becomes a temperature at which the fuel can be combusted, the operation of the free piston engine generator will continue regardless of the position of the piston at that time can do. If you know the relationship between the kinetic energy that the piston has at a certain point and the combustion chamber temperature at a certain point in time (for example, when top dead center is reached), the temperature of the combustion chamber is controlled by controlling the kinetic energy of the piston be able to. For example, the temperature of the combustion chamber can be controlled based on the relationship between the kinetic energy of the piston and the internal energy. If the kinetic energy that the piston has at a certain point in time and the subsequent energy balance are known, the internal energy of the gas in the cylinder at a certain point after that (for example, when top dead center is reached) can be calculated. Furthermore, if the gas composition is known, the temperature in the cylinder can be calculated from the internal energy. The speed of the piston can be controlled within the power control section, and the combustion chamber temperature when the piston reaches the top dead center can be controlled by controlling the speed at the top dead center side end point in this section. . Therefore, the operation of the free piston engine generator can be continued by controlling the piston speed at the top dead center side end point of the power control section so that the combustion chamber temperature becomes a temperature at which the fuel can be combusted. .
制御部は、ピストンの速度をフィードバック制御するものとできる。さらに、制御部は、圧縮行程中のピストンの速度が電力制御区間内において可燃速度となるように、コイルに流れる電流を制御するものとできる。 The control unit can perform feedback control of the speed of the piston. Further, the control unit can control the current flowing through the coil so that the speed of the piston during the compression stroke becomes a combustible speed in the power control section.
また、制御部は、膨張行程中のピストンが上死点側端点を通過する速度と可燃速度とに基づき、電力制御区間を往復する間に発電すべき電力を算出し、算出された電力に基づきコイルに流れる電流を制御するものとできる。 In addition, the control unit calculates the power to be generated while reciprocating the power control section based on the speed at which the piston during the expansion stroke passes through the top dead center side end point and the combustible speed, and based on the calculated power The current flowing through the coil can be controlled.
また、制御部は、ピストンが上死点に達したときに、燃焼室内の気体が燃焼可能温度となる内部エネルギを有することになる、圧縮行程中の上死点側端点を通過するときのピストンの運動エネルギを求め、この運動エネルギをピストンが有するように可燃速度を定めるものとすることができる。 In addition, when the piston reaches the top dead center, the control unit has internal energy at which the gas in the combustion chamber becomes a combustible temperature, and the piston when passing through the top dead center side end point during the compression stroke And the flammable speed can be determined so that the piston has this kinetic energy.
本発明によれば、電力制御区間の上死点側端点における圧縮行程中のピストンの速度を制御することで、上死点位置を取得せずともフリーピストンエンジン発電機を安定的に運転することができる。 According to the present invention, by controlling the speed of the piston during the compression stroke at the top dead center side end point in the power control section, the free piston engine generator can be stably operated without acquiring the top dead center position. Can do.
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態のフリーピストンエンジン発電機１０の概略構成を示す模式図である。フリーピストンエンジン発電機１０は、フリーピストンエンジンと発電機が組み合わされて、または一体化されている。この実施形態においてはフリーピストンエンジンは単一掃気流ディーゼルエンジンである。フリーピストンエンジンは、シリンダ１２を画定するエンジンブロック１４と、シリンダ１２内をシリンダ１２の軸線に沿って往復運動するピストン１６を含む。ピストン１６の外周部には、磁石１８が配置されている。また、エンジンブロック１４には、シリンダ１２を囲むように、コイル２０が配置されている。磁石１８とコイル２０によりリニア発電機が構成される。さらに、フリーピストンエンジン発電機１０は、コイル２０に流れる電流を三相インバータ２２を介して制御する制御部２４を備える。また、発電された電力を蓄えるバッテリ２６を備える。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a free piston engine generator 10 of the present embodiment. In the free piston engine generator 10, a free piston engine and a generator are combined or integrated. In this embodiment, the free piston engine is a single scavenging diesel engine. The free piston engine includes an engine block 14 that defines a cylinder 12 and a piston 16 that reciprocates in the cylinder 12 along the axis of the cylinder 12. A magnet 18 is disposed on the outer periphery of the piston 16. A coil 20 is disposed in the engine block 14 so as to surround the cylinder 12. The magnet 18 and the coil 20 constitute a linear generator. Furthermore, the free piston engine generator 10 includes a control unit 24 that controls the current flowing through the coil 20 via the three-phase inverter 22. Moreover, the battery 26 which stores the electric power generated is provided.
ピストン１６は、直径の小さいピストン小径部２８と、直径の大きいピストン大径部３０を有する。シリンダ１２もピストン１６に合わせてシリンダ小径部３２とシリンダ大径部３４を有する。ピストン小径部２８とシリンダ小径部３２が燃焼室３６を画定し、ピストン大径部３０とシリンダ大径部３４が空気ばね室３８を画定する。 The piston 16 has a small piston diameter portion 28 having a small diameter and a large piston diameter portion 30 having a large diameter. The cylinder 12 also has a cylinder small diameter portion 32 and a cylinder large diameter portion 34 corresponding to the piston 16. The piston small diameter portion 28 and the cylinder small diameter portion 32 define a combustion chamber 36, and the piston large diameter portion 30 and the cylinder large diameter portion 34 define an air spring chamber 38.
燃焼室３６には、その頂部において吸気管４２が連通している。さらに、吸気管４２の燃焼室３６に対する開口である吸気口を開閉するように吸気弁４４が設けられている。また、シリンダ小径部３２の側壁には、掃気口４６が設けられ、掃気口４６には排気管４８が接続されている。掃気口４６は、ピストン１６、特にピストン小径部２８の側面によって開閉される。吸気管４２と排気管４８には、ＥＧＲ（排気再循環）管５２が接続されている。ＥＧＲ管５２には、ＥＧＲ弁５４が設けられ、必要に応じて開閉して、ＥＧＲ量が調節される。空気ばね室３８は密閉されており、ピストン１６の往復運動に伴い、空気ばね室３８内の空気が圧縮され、また膨張する。 An intake pipe 42 communicates with the combustion chamber 36 at the top. Further, an intake valve 44 is provided so as to open and close an intake port that is an opening of the intake pipe 42 with respect to the combustion chamber 36. A scavenging port 46 is provided on the side wall of the small cylinder diameter portion 32, and an exhaust pipe 48 is connected to the scavenging port 46. The scavenging port 46 is opened and closed by the side surface of the piston 16, particularly the piston small diameter portion 28. An EGR (exhaust gas recirculation) pipe 52 is connected to the intake pipe 42 and the exhaust pipe 48. The EGR pipe 52 is provided with an EGR valve 54, which is opened and closed as necessary to adjust the EGR amount. The air spring chamber 38 is sealed, and the air in the air spring chamber 38 is compressed and expanded as the piston 16 reciprocates.
磁石１８は、ピストン大径部３０の外周部に配置され、シリンダの軸線方向に沿って、極性が交互になるように配置される。エンジンブロック１４には、シリンダ大径部３４を囲むように、また磁石１８に対向するようにコイル２０が配置されている。コイル２０は、Ｖ相、Ｕ相、Ｗ相のコイルが順に繰り返してシリンダの軸線方向に沿って配列されている。コイル２０に流れる電流は、三相インバータ２２を介して制御部２４により制御される。ピストン１６が往復運動することによりコイル２０に誘起された三相交流電力は、三相インバータ２２にて直流電力に変換されバッテリ２６に充電される。また、発電された電力は、他の負荷に供給されてもよい。 The magnet 18 is arrange | positioned at the outer peripheral part of the piston large diameter part 30, and is arrange | positioned so that polarity may become alternate along the axial direction of a cylinder. The engine block 14 is provided with a coil 20 so as to surround the cylinder large diameter portion 34 and to face the magnet 18. In the coil 20, V-phase, U-phase, and W-phase coils are repeatedly arranged in order along the axial direction of the cylinder. The current flowing through the coil 20 is controlled by the control unit 24 via the three-phase inverter 22. The three-phase AC power induced in the coil 20 by the reciprocating motion of the piston 16 is converted into DC power by the three-phase inverter 22 and charged to the battery 26. Moreover, the generated electric power may be supplied to another load.
エンジンブロック１４には、ピストン１６の位置を検出するための位置センサ５６が設けられている。ピストン１６には、位置センサ５６に対向するようスケール５７が設けられている。スケール５７との相対位置に基づき位置センサ５６は、ピストン１６の位置に応じた信号を出力する。 The engine block 14 is provided with a position sensor 56 for detecting the position of the piston 16. The piston 16 is provided with a scale 57 so as to face the position sensor 56. Based on the relative position to the scale 57, the position sensor 56 outputs a signal corresponding to the position of the piston 16.
制御部２４は、ピストン１６が上死点に達したときの燃焼室３６内の温度が、着火温度となるようにピストン１６の速度を制御する。制御部２４の動作については、後に詳述するが、ここでは簡単に説明する。着火温度は、燃料の性状によって定まる値である。圧縮仕事算出部５８は、ピストン１６が上死点に達したときの燃焼室温度がこの着火温度となるために、燃焼室内の気体に対しピストン１６がなすべき仕事Ｗを算出する。可燃速度算出部６０は、この仕事Ｗに見合う運動エネルギをピストン１６が有するためのピストンの速度を算出する。この速度であれば、ピストン１６が上死点に達したとき燃料を燃焼させることができる。この速度を「可燃速度」と記し、その符号をｖbとする。速度指令算出部６２は、可燃速度ｖbに基づき速度指令ｖ*を算出する。一方、速度算出部６４は、位置センサ５６の出力信号に基づき、実際のピストン速度ｖを算出する。推力指令算出部６６は、ピストンの速度指令ｖ*と実際の速度ｖの差分から推力指令τ*を算出する。さらに、電圧指令算出部６８が推力指令τ*と、位置センサ５６により検出されたピストン１６の位置とに基づき三相の電圧指令Ｖ*を算出する。この電圧指令Ｖ*に基づき、三相インバータ２２によって三相のコイル２０の電流が制御され、この結果ピストン速度が制御される。このように、このフリーピストンエンジン発電機１０は、ピストンの速度をフィードバック制御している。 The control unit 24 controls the speed of the piston 16 so that the temperature in the combustion chamber 36 when the piston 16 reaches top dead center becomes the ignition temperature. The operation of the control unit 24 will be described in detail later, but will be briefly described here. The ignition temperature is a value determined by the properties of the fuel. The compression work calculation unit 58 calculates the work W to be performed by the piston 16 with respect to the gas in the combustion chamber because the combustion chamber temperature when the piston 16 reaches top dead center becomes the ignition temperature. The combustible speed calculation unit 60 calculates the speed of the piston for the piston 16 to have kinetic energy commensurate with the work W. At this speed, the fuel can be burned when the piston 16 reaches top dead center. This speed is described as “flammable speed”, and its sign is vb. The speed command calculation unit 62 calculates a speed command v * based on the combustible speed vb. On the other hand, the speed calculation unit 64 calculates the actual piston speed v based on the output signal of the position sensor 56. The thrust command calculator 66 calculates a thrust command τ * from the difference between the piston speed command v * and the actual speed v. Further, the voltage command calculation unit 68 calculates a three-phase voltage command V * based on the thrust command τ * and the position of the piston 16 detected by the position sensor 56. Based on this voltage command V * , the current of the three-phase coil 20 is controlled by the three-phase inverter 22, and as a result, the piston speed is controlled. Thus, this free piston engine generator 10 feedback-controls the speed of the piston.
フリーピストンエンジン発電機１０の動作、特にエンジンの動作について説明する。ピストン１６が上死点にあるとき燃料が燃焼し、燃焼ガスがピストン１６を押し、ピストン１６が移動する。このピストン１６の移動により空気ばね室３８内の気体が圧縮される。ピストン１６が下死点近傍に達すると、掃気口４６が開放され、また吸気弁４４が開く。掃気口４６が開放されることにより、燃焼ガスが排気として排出される。吸気弁４４が開くことにより、予圧された新気がシリンダ小径部３２内に供給される。ピストン１６が下死点に達すると、空気ばね室３８内の圧縮された気体の圧力でピストン１６は折り返し、上死点に向かい、シリンダ小径部３２内の気体を圧縮する。一方、ピストン１６が下死点近傍にあるとき吸気弁４４が閉じられる。ピストン１６が上死点近傍に達すると、燃焼室３６内に燃料を噴射し、燃料が燃焼する。このサイクルを繰り返して運転が継続する。 The operation of the free piston engine generator 10, particularly the operation of the engine will be described. When the piston 16 is at the top dead center, the fuel burns, the combustion gas pushes the piston 16, and the piston 16 moves. The movement of the piston 16 compresses the gas in the air spring chamber 38. When the piston 16 reaches near the bottom dead center, the scavenging port 46 is opened and the intake valve 44 is opened. When the scavenging port 46 is opened, the combustion gas is discharged as exhaust gas. By opening the intake valve 44, the preloaded fresh air is supplied into the cylinder small diameter portion 32. When the piston 16 reaches the bottom dead center, the piston 16 is turned back by the pressure of the compressed gas in the air spring chamber 38, toward the top dead center, and compresses the gas in the cylinder small diameter portion 32. On the other hand, when the piston 16 is near the bottom dead center, the intake valve 44 is closed. When the piston 16 reaches near the top dead center, fuel is injected into the combustion chamber 36, and the fuel is combusted. The operation is continued by repeating this cycle.
図２は、燃焼室３６内の気体のエネルギ収支に関する説明図である。ピストン１６は、可動範囲ｓ内で往復運動する。フリーピストンエンジンにおいては、各サイクルにおけるピストン１６の折り返し位置（上死点、下死点）は必ずしも一致しないが、可動範囲ｓは最大の範囲を想定している。磁石１８とコイル２０により構成される発電機で発電される電力および発電機に供給される電力は、ピストン１６が電力制御区間ｃ内に位置する時のみに制御される。図２において、可動範囲ｓおよび電力制御区間ｃは、ピストン１６の燃焼室３６に面した端面の位置を用いて示されている。あるサイクルにおいて、上死点にあるピストン１６が一点鎖線で示されている。このピストンの位置、つまり上死点を符号ｐ0で表す。可動範囲ｓの端付近では、ピストン１６の速度が遅くなるため、コイル２０に流れる電流によるピストンの動きの制御は効率が悪く、発電効率も悪い。このため、可動範囲ｓの全区間での制御は行わない。電力制御区間ｃは、可動範囲ｓの両端部を除いて、中央寄りに設けられ、この発電制御区間ｃ内にピストン１６が位置するときに、電力制御が行われる。電力制御区間ｃの上死点側の端点を、以降「上死点側端点」と記し、符号ｐ1を付す。 FIG. 2 is an explanatory diagram relating to the energy balance of the gas in the combustion chamber 36. The piston 16 reciprocates within the movable range s. In the free piston engine, the return position (top dead center, bottom dead center) of the piston 16 in each cycle does not necessarily match, but the movable range s assumes the maximum range. The electric power generated by the generator constituted by the magnet 18 and the coil 20 and the electric power supplied to the generator are controlled only when the piston 16 is located in the power control section c. In FIG. 2, the movable range s and the power control section c are shown using the position of the end face of the piston 16 facing the combustion chamber 36. In a certain cycle, the piston 16 at the top dead center is indicated by a one-dot chain line. The position of this piston, that is, the top dead center is represented by the symbol p 0 . In the vicinity of the end of the movable range s, the speed of the piston 16 becomes slow. Therefore, the control of the movement of the piston by the current flowing through the coil 20 is inefficient, and the power generation efficiency is also poor. For this reason, control in all the sections of the movable range s is not performed. The power control section c is provided near the center except for both ends of the movable range s, and power control is performed when the piston 16 is located in the power generation control section c. The end point on the top dead center side of the power control section c is hereinafter referred to as “top dead center side end point” and is denoted by reference sign p 1 .
圧縮行程中のピストン１６は、電力制御区間ｃ内では速度が制御され、上死点側端点ｐ1を通過した後は、制御を受けずに運動する。電力制御区間ｃの外側に設けられた自由運動区間では、ピストン１６は、コイル２０と磁石１８の間の相互作用をを受けないという意味において自由に運動する。上死点側端点ｐ1を通過した後、ピストン１６の運動エネルギＫは、燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵ等に変換され、全運動エネルギが消費されたときピストン１６は停止（上死点）する。このとき燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵが最大となり、気体の温度も最高となる。 The piston 16 during the compression stroke is controlled in speed in the power control section c, and moves without being controlled after passing through the top dead center side end point p 1 . In the free movement section provided outside the power control section c, the piston 16 moves freely in the sense that it does not receive the interaction between the coil 20 and the magnet 18. After passing through the top dead center side end point p 1 , the kinetic energy K of the piston 16 is converted into the internal energy U of the gas in the combustion chamber 36 and the piston 16 is stopped when the entire kinetic energy is consumed (top dead center). Do). At this time, the internal energy U of the gas in the combustion chamber 36 is maximized, and the gas temperature is also maximized.
ピストン１６が上死点ｐ0となったときの内部エネルギＵ0は、式（１）で表される。
Ｕ0＝Ｕ1＋ΔＵ1,0
＝Ｕ1＋Ｋ1＋(ＵＧ1−ＵＧ0)−Ｅf1,0−Ｅw1,0 ・・・（１）
ここで、ＵＧは、空気ばね室３８内の気体の内部エネルギ、ΔＵ1,0は、上死点側端点ｐ1から上死点ｐ0までの間の内部エネルギＵの増分、Ｅf1,0は、上死点側端点ｐ1から上死点ｐ0までの摩擦による損失エネルギ、Ｅw1,0は、上死点側端点ｐ1から上死点ｐ0までの冷却による損失エネルギである。また、上死点ｐ0における各パラメータに添え字「0」、上死点側端点ｐ1における各パラメータに添え字「1」を付す。
The internal energy U 0 when the piston 16 reaches the top dead center p 0 is expressed by the equation (1).
U 0 = U 1 + ΔU 1,0
= U 1 + K 1 + (UG 1 −UG 0 ) −Ef 1,0 −Ew 1,0 (1)
Here, UG is the internal energy of the gas in the air spring chamber 38, ΔU 1,0 is the increment of the internal energy U between the top dead center side end point p 1 and the top dead center p 0 , E f 1,0 Is a loss energy due to friction from the top dead center side end point p 1 to the top dead center p 0 , and Ew 1,0 is a loss energy due to cooling from the top dead center side end point p 1 to the top dead center p 0 . Further, a subscript “ 0 ” is attached to each parameter at the top dead center p 0, and a subscript “ 1 ” is attached to each parameter at the top dead center side end point p 1 .
式（１）において、ピストン１６の運動エネルギＫ1（＝(１/２)ｍｖ1 2）は、予めピストン１６の質量ｍを求めておけば、ピストンの速度ｖ1から算出することができる。ピストンの速度ｖ1は、例えば、位置センサ５６により測定されたピストン１６の位置を微分することによって求めることができる。 In equation (1), the kinetic energy K 1 (= (1/2) mv 1 2 ) of the piston 16 can be calculated from the piston velocity v 1 if the mass m of the piston 16 is obtained in advance. The piston velocity v 1 can be obtained, for example, by differentiating the position of the piston 16 measured by the position sensor 56.
空気ばね室３８内の気体の内部エネルギＵＧは、温度をＴg、モル数をｎg、気体定数をＲgとすれば、式（２）で表せる。
ＵＧ＝(３/２)・ｎg・Ｒg・Ｔg ・・・（２）
空気ばね室３８内の気体が空気であれば、組成が分かっているので、成分ごとのモル数、気体定数が分かり、温度Ｔgを検出すれば内部エネルギＵＧ1,ＵＧ0を算出することができる。
The internal energy UG of the gas in the air spring chamber 38 can be expressed by equation (2) if the temperature is Tg, the number of moles is ng, and the gas constant is Rg.
UG = (3/2) ・ ng ・ Rg ・ Tg (2)
If the gas in the air spring chamber 38 is air, the composition is known, so the number of moles and gas constant for each component can be known, and the internal energy UG 1 and UG 0 can be calculated by detecting the temperature Tg. .
また、気体の状態方程式(ＰＶ＝ｎＲＴ)を式（２）に適用すれば、式（３）が得られる。
ＵＧ＝(３/２)・Ｐg・Ｖg ・・・（３）
ここで、Ｐgは空気ばね室３８内の圧力、Ｖgは空気ばね室３８の体積である。空気ばね室３８内の圧力Ｐgは、圧力センサを設けることにより取得することができる。また、空気ばね室３８の体積Ｖgは、位置センサ５６により測定されたピストン１６の位置から算出すことができる。したがって、空気ばね室３８内の圧力Ｐgと空気ばね室３８の体積Ｖgからも内部エネルギＵＧ1,ＵＧ0を算出することができる。
Further, when the gas equation of state (PV = nRT) is applied to the equation (2), the equation (3) is obtained.
UG = (3/2) ・ Pg ・ Vg (3)
Here, Pg is the pressure in the air spring chamber 38, and Vg is the volume of the air spring chamber 38. The pressure Pg in the air spring chamber 38 can be obtained by providing a pressure sensor. Further, the volume Vg of the air spring chamber 38 can be calculated from the position of the piston 16 measured by the position sensor 56. Therefore, the internal energies UG 1 and UG 0 can also be calculated from the pressure Pg in the air spring chamber 38 and the volume Vg of the air spring chamber 38.
摩擦による損失エネルギＥf1,0は、およそ潤滑油温および冷却水温の関数となり、実験的に求めておく。潤滑油温と冷却水温を変数とした関数として表し、この関数を記憶しておき、取得した潤滑油温および冷却水温を関数に代入して損失エネルギＥf1,0を算出することができる。また、潤滑油温と冷却水温の組を損失エネルギＥf1,0と対応付け、対応表として記憶し、取得した潤滑油温および冷却水温を対応表に適用して損失エネルギＥf1,0を算出することができる。摩擦による損失エネルギＥf1,0が、燃焼室３６内の圧力にも影響される場合は、潤滑油温、冷却水温に加え燃焼室内圧力も変数として関数または対応表を作成し、これに基づき損失エネルギＥf1,0を算出するようにできる。 The loss energy Ef 1,0 due to friction is approximately a function of the lubricating oil temperature and the cooling water temperature, and is determined experimentally. The loss energy Ef 1,0 can be calculated by expressing the function as a function of the lubricating oil temperature and the cooling water temperature as variables, storing the functions, and substituting the acquired lubricating oil temperature and cooling water temperature into the function. Also, the pair of lubricating oil temperature and cooling water temperature is associated with loss energy Ef 1,0 and stored as a correspondence table, and the obtained lubricating oil temperature and cooling water temperature are applied to the correspondence table to calculate loss energy Ef 1,0 . can do. When the loss energy Ef 1,0 due to friction is also affected by the pressure in the combustion chamber 36, a function or correspondence table is created with the combustion chamber pressure as a variable in addition to the lubricating oil temperature and cooling water temperature, and the loss is based on this. The energy Ef 1,0 can be calculated.
冷却による損失エネルギＥw1,0も、およそ潤滑油温および冷却水温の関数であり、実験的に求めておく。潤滑油温と冷却水温を変数とした関数として表し、これを記憶しておき、取得した潤滑油温および冷却水温を関数に代入して損失エネルギＥw1,0を算出することができる。また、潤滑油温と冷却水温の組を損失エネルギＥw1,0と対応付け、対応表として記憶し、取得した潤滑油温および冷却水温を対応表に適用して損失エネルギＥw1,0を算出することができる。 The loss energy Ew 1,0 due to cooling is also a function of the lubricating oil temperature and the cooling water temperature, and is determined experimentally. The loss energy Ew 1,0 can be calculated by representing the function as a function of the lubricating oil temperature and the cooling water temperature, storing them, and substituting the acquired lubricating oil temperature and cooling water temperature into the function. Also, the pair of lubricating oil temperature and cooling water temperature is associated with loss energy Ew 1,0 and stored as a correspondence table, and the obtained lubricating oil temperature and cooling water temperature are applied to the correspondence table to calculate loss energy Ew 1,0 . can do.
上死点側端点ｐ1における燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵ1は、燃焼室３６内のガス量、組成、温度Ｔ1から算出できる。ガス量および組成は、式（４）から算出することができる。
(ガス量)＝(新気量)＋(外部ＥＧＲ量)＋(内部ＥＧＲ量) ・・・（４）
The internal energy U 1 of the gas in the combustion chamber 36 at the top dead center side end point p 1 can be calculated from the gas amount, composition, and temperature T 1 in the combustion chamber 36. The gas amount and composition can be calculated from the equation (4).
(Gas amount) = (New air amount) + (External EGR amount) + (Internal EGR amount) (4)
新気量は、ＥＧＲ管５２との合流点より上流の吸気管４２にエアフローメータを設け、新気の質量流量を測定して、１回の吸気行程において吸入された新気の質量を求めることができる。空気の組成は既知であるので、成分（窒素、酸素）ごとの質量およびモル数を求めることができる。また、吸気管４２内の流速、温度、圧力から新気の質量を求めることもでき、同様に成分ごとの質量およびモル数を求めることができる。 The amount of fresh air is obtained by installing an air flow meter in the intake pipe 42 upstream from the junction with the EGR pipe 52 and measuring the mass flow rate of fresh air to determine the mass of fresh air sucked in one intake stroke. Can do. Since the composition of air is known, the mass and the number of moles for each component (nitrogen, oxygen) can be determined. Moreover, the mass of fresh air can also be calculated | required from the flow velocity in the intake pipe 42, temperature, and pressure, and the mass and the number of moles for every component can be calculated | required similarly.
外部ＥＧＲ量は、ＥＧＲ管５２との合流点より下流の吸気管４２の質量流量から、新気の質量流量を減算することにより求めることができる。ＥＧＲ管５２との合流点より下流の質量流量は、この部分に圧力センサを設け、検出された圧力と、ピストン１６の移動量から求めた体積流量から求めることができる。また、排気の組成は、燃料の種類および供給量から求めることができる。これらにより、外部ＥＧＲされた気体の成分ごとの質量およびモル数を求めることができる。 The external EGR amount can be obtained by subtracting the mass flow rate of fresh air from the mass flow rate of the intake pipe 42 downstream from the junction with the EGR pipe 52. The mass flow rate downstream from the junction with the EGR pipe 52 can be obtained from a volume flow rate obtained from the detected pressure and the movement amount of the piston 16 by providing a pressure sensor in this portion. Further, the composition of the exhaust gas can be obtained from the type of fuel and the supply amount. Thus, the mass and the number of moles for each component of the gas subjected to external EGR can be obtained.
内部ＥＧＲは、掃気行程において、排気されずに残留した燃焼済みガスによるＥＧＲである。内部ＥＧＲ量は、排気管４８と吸気管４２の圧力差と、ピストン１６が膨張側の折り返し位置（下死点）にあるときのシリンダ小径部３２内の体積に基づき算出できる。排気の組成は、燃料の種類および供給量から求めることができる。これらにより、内部ＥＧＲされた気体の成分ごとの質量およびモル数を求めることができる。 The internal EGR is EGR due to the burned gas remaining without being exhausted during the scavenging stroke. The amount of internal EGR can be calculated based on the pressure difference between the exhaust pipe 48 and the intake pipe 42 and the volume in the cylinder small diameter portion 32 when the piston 16 is at the expansion side return position (bottom dead center). The composition of the exhaust can be determined from the type of fuel and the supply amount. Thus, the mass and the number of moles for each component of the gas subjected to internal EGR can be obtained.
以上のように、新気量、外部ＥＧＲ量、および内部ＥＧＲ量を求めることができ、燃焼室３６内のガス量、組成を求めることができる。 As described above, the amount of fresh air, the amount of external EGR, and the amount of internal EGR can be obtained, and the amount of gas and the composition in the combustion chamber 36 can be obtained.
温度Ｔ1は、燃焼室３６内に温度センサを設け、取得することができる。温度Ｔ1は、また、例えば燃焼室３６に圧力センサを設け、測定された圧力を気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）に適用して求めることができる。圧力Ｐは測定され、体積Ｖはピストン１６が上死点側端点ｐ1あるときの燃焼室３６の体積であるから既知の値である。前述のようにガスの量、組成が分かっているので、成分ごとのモル数ｎ、気体定数Ｒが分かり、温度Ｔ1を算出することができる。 The temperature T 1 can be obtained by providing a temperature sensor in the combustion chamber 36. The temperature T 1 can also be obtained by, for example, providing a pressure sensor in the combustion chamber 36 and applying the measured pressure to the gas state equation (PV = nRT). The pressure P is measured, and the volume V is a known value because it is the volume of the combustion chamber 36 when the piston 16 is at the top dead center side end point p 1 . Since the amount and composition of the gas are known as described above, the number of moles n and the gas constant R for each component are known, and the temperature T 1 can be calculated.
上死点側端点ｐ1における燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵ1は式（５）で求めることができる。
Ｕ1＝(３/２)ｎaＲaＴ1＋(３/２)ｎbＲbＴ1＋(３/２)ｎcＲcＴ1＋・・・
・・・（５）
ここで、ｎa、ｎb、ｎc・・・は各成分のモル数、Ｒa、Ｒb、Ｒc・・・は各成分の気体定数である。
The internal energy U 1 of the gas in the combustion chamber 36 at the top dead center side end point p 1 can be obtained by Expression (5).
U 1 = (3/2) n a R a T 1 + (3/2) n b R b T 1 + (3/2) n c R c T 1 +.
... (5)
Here, n a, n b, n c ··· represents the number of moles of each component, R a, R b, R c ··· is the gas constant of each component.
以上から、式（１）の右辺の各項を求めることができ、よって、左辺である上死点ｐ0における燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵ0を求めることができる。そのときの温度Ｔ0は、式（６）より求めることができる。
Ｔ0＝(２/３)[１/(ｎaＲa＋ｎbＲb＋ｎcＲc＋・・・]Ｕ0 ・・・（６）
From the above, each term on the right side of the equation (1) can be obtained, and therefore the internal energy U 0 of the gas in the combustion chamber 36 at the top dead center p 0 which is the left side can be obtained. The temperature T 0 at that time can be obtained from Equation (6).
T 0 = (2/3) [1 / (n a R a + n b R b + n c R c +...] U 0 (6)
このように、上死点側端点ｐ1におけるピストン１６の運動エネルギＫ1から上死点ｐ0における燃焼室３６内の温度Ｔ0を求めることができる。以上の算出と逆の過程により、ピストン１６が上死点ｐ0に来たときの燃焼室３６内の温度Ｔ0がある温度となるような上死点側端点ｐ1におけるピストンの速度ｖ1を算出することができる。 Thus, it is possible to determine the temperature T 0 in the combustion chamber 36 at the top dead center p 0 from the kinetic energy K 1 of the piston 16 at the top dead center end point p 1. By a process reverse to the above calculation, the piston speed v 1 at the top dead center side end point p 1 at which the temperature T 0 in the combustion chamber 36 when the piston 16 reaches the top dead center p 0 becomes a certain temperature. Can be calculated.
制御部２４の動作について再度説明する。制御部２４の圧縮仕事算出部５８は、使用している燃料の性状に基づき予め記憶されている着火温度Ｔbを取得する。さらに、ピストン１６が上死点ｐ0に達したとき燃焼室３６内が温度Ｔ0が着火温度Ｔbとなるための上死点側端点ｐ1から上死点ｐ0までにピストン１６がなすべき仕事Ｗ1,0を算出する。ピストン１６は上死点ｐ0において速度ｖ＝０であるから、上記の仕事Ｗ1,0をなすためには、ピストン１６は上死点側端点ｐ1において、仕事Ｗ1,0に等しい運動エネルギＫb（以下、可燃運動エネルギと記す。）を有していればよい。式（１）を変形して式（１）’を得る。
Ｗ1,0＝Ｋb＝Ｕ0−｛Ｕ1＋(ＵＧ1−ＵＧ0)−Ｅf1,0−Ｅw1,0｝ ・・・（１）’
The operation of the control unit 24 will be described again. The compression work calculation unit 58 of the control unit 24 acquires an ignition temperature Tb stored in advance based on the properties of the fuel being used. Further, when the piston 16 reaches the top dead center p 0 , the temperature T 0 in the combustion chamber 36 becomes the ignition temperature Tb, and the piston 16 should be made from the top dead center side end point p 1 to the top dead center p 0. Calculate the work W 1,0 . Since the piston 16 has a velocity v = 0 at the top dead center p 0 , in order to perform the above-described work W 1,0 , the piston 16 moves at the top dead center side end point p 1 equal to the work W 1,0. It only needs to have energy Kb (hereinafter referred to as combustible kinetic energy). Expression (1) ′ is obtained by transforming Expression (1).
W 1,0 = Kb = U 0 − {U 1 + (UG 1 −UG 0 ) −Ef 1,0 −Ew 1,0 } (1) ′
可燃速度算出部６０は、上死点側端点ｐ1においてピストン１６が可燃運動エネルギＫbを有するようそのときの速度ｖb（＝√(２Ｋb/ｍ)を算出する。速度指令算出部６２は、上死点側端点ｐ1において速度ｖbとなる速度指令ｖ*を出力する。例えば、圧縮行程中の電力制御区間ｃの全域で速度ｖbになるように制御することができる。速度指令ｖ*から速度算出部６４で算出された現実の速度ｖが減算され、これに基づき推力指令算出部６６で推力指令τ*が算出される。さらに、電圧指令算出部６８は、推力指令τ*とピストン１６の位置に基づき電圧指令Ｖ*を算出し、電圧指令Ｖ*に基づき三相インバータ２２が動作し、三相交流電力がコイル２０に供給される。 The combustible speed calculation unit 60 calculates the speed vb (= √ (2 Kb / m) at that time so that the piston 16 has combustible kinetic energy Kb at the top dead center side end point p 1 . A speed command v * that is a speed vb is output at the dead-end side end point p 1. For example, the speed command v * can be controlled so as to be the speed vb in the entire power control section c during the compression stroke. The actual speed v calculated by the calculation unit 64 is subtracted, and based on this, a thrust command τ * is calculated by the thrust command calculation unit 66. Further, the voltage command calculation unit 68 determines the thrust command τ * and the piston 16 A voltage command V * is calculated based on the position, the three-phase inverter 22 operates based on the voltage command V * , and three-phase AC power is supplied to the coil 20.
以上のように、ピストン１６の速度をフィードバック制御して電圧制御区間ｃの上死点側端点ｐ1におけるピストンの速度ｖ1を可燃速度ｖbとする。これにより、その後ピストン１６が上死点ｐ0に達したとき、燃焼室３６内の温度が着火温度Ｔbとなり、燃料の燃焼が開始される。上死点ｐ0の位置を測定せずともフリーピストンエンジン発電機１０の運転を継続することができる。 As described above, the speed of the piston 16 is feedback-controlled so that the piston speed v 1 at the top dead center side end point p 1 in the voltage control section c is set as the combustible speed vb. As a result, when the piston 16 subsequently reaches top dead center p 0 , the temperature in the combustion chamber 36 becomes the ignition temperature Tb, and fuel combustion is started. The operation of the free piston engine generator 10 can be continued without measuring the position of the top dead center p 0 .
図３は、本発明に係る他の実施形態のフリーピストンエンジン発電機７０の概略構成を示す模式図である。フリーピストンエンジン発電機１０と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。フリーピストンエンジン発電機１０との相違は、制御部７２の構成である。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a free piston engine generator 70 according to another embodiment of the present invention. The same components as those of the free piston engine generator 10 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The difference from the free piston engine generator 10 is the configuration of the control unit 72.
フリーピストンエンジン発電機７０においては、膨張行程および圧縮行程でピストン１６が電力制御区間ｃを通過する際の発電量を制御して、圧縮行程において上死点側端点ｐ1をピストン１６が通過する速度ｖ1を可燃速度ｖbとしている。圧縮仕事算出部５８で算出された仕事Ｗ1,0は、圧縮行程中のピストン１６が上死点側端点ｐ1を通過するときに持っているべき運動エネルギＫbである。膨張行程中のピストンが上死点側端点ｐ1を通過するときに持っている運動エネルギＫ2を、ピストン１６が下死点から戻ってきたときに運動エネルギＫbまで減少させることで、次のサイクルにおいても燃料が燃焼する。このフリーピストンエンジン発電機７０においては、発電量を制御することにより、圧縮行程中の上死点側端点ｐ1におけるピストン１６の運動エネルギを可燃運動エネルギＫbとしている。 In a free piston engine generator 70, the piston 16 in the expansion stroke and the compression stroke by controlling the amount of power generated when passing through the power control section c, passes through the top dead center end point p 1 piston 16 in the compression stroke the speed v 1 is a combustible speed vb. The work W 1,0 calculated by the compression work calculation unit 58 is the kinetic energy Kb that the piston 16 during the compression stroke should have when passing through the top dead center side end point p 1 . By reducing the kinetic energy K 2 that the piston in the expansion stroke has when passing through the top dead center side end point p 1 to the kinetic energy K b when the piston 16 returns from the bottom dead center, Fuel also burns in the cycle. In this free-piston engine generator 70, by controlling the power generation amount, and the kinetic energy of the piston 16 at the top dead center end point p 1 on during the compression stroke as a combustible kinetic energy Kb.
発電量算出部７４は、ピストン１６が上死点側端点ｐ1と下死点の間で往復する間の発電すべき発電量ＧＥを式（７）に基づき算出する。
ＧＥ＝Ｋ2−Ｋb−Ｅf2,1−Ｅw2,1 ・・・（７）
Ｅf2,1はピストンが上死点側端点ｐ1と下死点の間で往復する間の摩擦による損失エネルギ、Ｅw2,1はピストンが上死点側端点ｐ1と下死点の間で往復する間の冷却による損失エネルギである。Ｅf2,1およびＥw2,1は、前述のＥf1,0、Ｅw1,0と同様、潤滑油温および冷却水温の関数として予め求めておき、この関数を用いて算出することができる。また、前述のＥf1,0、Ｅw1,0と同様に対応表を用いて求めるようにすることもできる。
The power generation amount calculation unit 74 calculates the power generation amount GE to be generated while the piston 16 reciprocates between the top dead center side end point p 1 and the bottom dead center based on the equation (7).
GE = K 2 −Kb−Ef 2,1 −Ew 2,1 (7)
During the ef 2,1 loss energy due to friction between the piston reciprocates between the top dead center end point p 1 and the bottom dead center, Ew 2,1 piston is the top dead center end point p 1 and the bottom dead center This is energy loss due to cooling during reciprocation. Ef 2,1 and Ew 2,1 can be calculated in advance as a function of the lubricating oil temperature and the cooling water temperature in the same manner as Ef 1,0 and Ew 1,0 described above, and can be calculated using this function. It is also possible to use the correspondence table in the same manner as Ef 1,0 and Ew 1,0 described above.
推力指令算出部６６は、この発電量ＧＥに基づき推力指令τ*を算出する。推力τは、例えば、電力制御区間ｃ内で一定値となるようにすることができる。この場合、電力制御区間ｃの長さをＬcとすれば、推力τは、式（８）で算出される。
τ＝ＧＥ/(２Ｌc) ・・・（８）
さらに電圧指令算出部６８が推力指令τ*とピストンの位置に基づき電圧指令Ｖ*を算出し、三相インバータ２２が電圧指令Ｖ*に従い、三相交流電力をコイル２０に供給する。
The thrust command calculation unit 66 calculates a thrust command τ * based on the power generation amount GE. For example, the thrust τ can be a constant value within the power control section c. In this case, if the length of the power control section c is Lc, the thrust τ is calculated by Expression (8).
τ = GE / (2Lc) (8)
Further, the voltage command calculation unit 68 calculates a voltage command V * based on the thrust command τ * and the position of the piston, and the three-phase inverter 22 supplies three-phase AC power to the coil 20 according to the voltage command V * .
フリーピストンエンジンは、ディーゼル機関（圧縮着火機関）に限らず、他の熱機関とすることができ、例えばオットー機関（火花点火機関）とすることができる。オットー機関の場合、自己着火はしないので、点火した際に燃料が燃焼可能な温度となるようにピストンの速度が制御される。 The free piston engine is not limited to a diesel engine (compression ignition engine), but can be another heat engine, for example, an Otto engine (spark ignition engine). In the case of an Otto engine, since self-ignition is not performed, the speed of the piston is controlled so that the temperature at which the fuel can be combusted when ignited.
１０ フリーピストンエンジン発電機、１２ シリンダ、１４ エンジンブロック、１６ ピストン、１８ 磁石、２０ コイル、２２ 三相インバータ、２４ 制御部、２６ バッテリ、２８ ピストン小径部、３０ ピストン大径部、３２ シリンダ小径部、３４ シリンダ大径部、３６ 燃焼室、３８ 空気ばね室、４２ 吸気管、４４ 吸気弁、４６ 掃気口、４８ 排気管、５２ ＥＧＲ管、５４ ＥＧＲ弁、５６ 位置センサ、５７ スケール、５８ 圧縮仕事算出部、６０ 可燃速度算出部、６２ 速度指令算出部、６４ 速度算出部、６６ 推力指令算出部、６８ 電圧指令算出部、７０ フリーピストンエンジン発電機、７２ 制御部、７４ 発電量算出部、ｓ 可動範囲、ｃ 電力制御区間、ｐ0 上死点、ｐ1 上死点側端点、ｖ ピストンの速度、ｖb 可燃速度、ｍ ピストンの質量、Ｕ 燃焼室内の気体の内部エネルギ、ＵＧ 空気ばね室内の気体の内部エネルギ、Ｋ ピストンの運動エネルギ、Ｅf 摩擦による損失エネルギ、Ｅw 冷却による損失エネルギ、Ｔ 燃焼室内温度、Ｔb 着火温度。 10 free piston engine generator, 12 cylinders, 14 engine blocks, 16 pistons, 18 magnets, 20 coils, 22 three-phase inverter, 24 control unit, 26 battery, 28 piston small diameter part, 30 piston large diameter part, 32 cylinder small diameter part , 34 Cylinder large diameter part, 36 Combustion chamber, 38 Air spring chamber, 42 Intake pipe, 44 Intake valve, 46 Scavenging port, 48 Exhaust pipe, 52 EGR pipe, 54 EGR valve, 56 Position sensor, 57 Scale, 58 Compression work Calculation unit, 60 combustible speed calculation unit, 62 speed command calculation unit, 64 speed calculation unit, 66 thrust command calculation unit, 68 voltage command calculation unit, 70 free piston engine generator, 72 control unit, 74 power generation amount calculation unit, s movable range, c power control interval, p 0 TDC, p 1 TDC end point, v piston velocity, vb combustible velocity, m piste Mass, internal energy of the U combustion chamber of a gas, internal energy of UG air spring chamber of the gas, K piston kinetic energy, energy loss due Ef friction, energy loss due Ew cooling, T the combustion chamber temperature, Tb ignition temperature.
Claims (6)
磁石を備え、シリンダに沿って往復運動するピストンと、
ピストンがピストンの可動範囲の一部に設定された電力制御区間にあるときに、コイルに流れる電流を制御する制御部と、
を有し、
制御部は、電力制御区間の上死点側端点を圧縮行程中のピストンが通過するときの速度が、その後ピストンが上死点に達したときの燃焼室温度が燃焼可能温度となる可燃速度となるように、コイルに流れる電流を制御する、
フリーピストンエンジン発電機。 An engine block comprising a coil and defining a cylinder;
A piston comprising a magnet and reciprocating along a cylinder;
A control unit for controlling a current flowing in the coil when the piston is in a power control section set as a part of the movable range of the piston;
Have
The control unit is configured such that the speed at which the piston during the compression stroke passes through the top dead center side end point of the power control section, and the combustible speed at which the combustion chamber temperature when the piston reaches the top dead center is the combustible temperature. To control the current flowing in the coil,
Free piston engine generator.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016201825A JP2018062902A (en) | 2016-10-13 | 2016-10-13 | Free piston engine generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016201825A JP2018062902A (en) | 2016-10-13 | 2016-10-13 | Free piston engine generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018062902A true JP2018062902A (en) | 2018-04-19 |
Family
ID=61967530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016201825A Pending JP2018062902A (en) | 2016-10-13 | 2016-10-13 | Free piston engine generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2018062902A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109488471A (en) * | 2018-12-20 | 2019-03-19 | 南京理工大学 | A kind of free-piston engine stable operation course control method for use |
| CN110397501A (en) * | 2019-08-26 | 2019-11-01 | 青岛大学 | A kind of permanent piston-type electromechanics binary power engine |
| CN112324568A (en) * | 2020-09-27 | 2021-02-05 | 山东休普动力科技股份有限公司 | Control method and system for top dead center position of free piston linear generator |
-
2016
- 2016-10-13 JP JP2016201825A patent/JP2018062902A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109488471A (en) * | 2018-12-20 | 2019-03-19 | 南京理工大学 | A kind of free-piston engine stable operation course control method for use |
| CN109488471B (en) * | 2018-12-20 | 2021-09-03 | 南京理工大学 | Method for controlling stable operation process of free piston engine |
| CN110397501A (en) * | 2019-08-26 | 2019-11-01 | 青岛大学 | A kind of permanent piston-type electromechanics binary power engine |
| CN112324568A (en) * | 2020-09-27 | 2021-02-05 | 山东休普动力科技股份有限公司 | Control method and system for top dead center position of free piston linear generator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11352947B2 (en) | Energy storage and conversion in linear generators | |
| Hung et al. | A review of free-piston linear engines | |
| US10731586B2 (en) | Control of piston trajectory in a free-piston combustion engine | |
| Kosaka et al. | Development of free piston engine linear generator system part 1-investigation of fundamental characteristics | |
| Jia et al. | Development approach of a spark-ignited free-piston engine generator | |
| Guo et al. | Research on the operation characteristics of a free-piston linear generator: Numerical model and experimental results | |
| EP3436680B1 (en) | Control of piston trajectoy in a linear generator | |
| JP2018062902A (en) | Free piston engine generator | |
| CN208106561U (en) | A kind of internal combustion type free piston linear generator integrated surveying system | |
| Ismael et al. | Investigation on free-piston motion and power generation of a dual-piston air-driven expander linear generator | |
| Aziz et al. | Effect of generator configuration on the free-piston motion and power generation of air-driven expander system | |
| Kim et al. | The effects of spark timing and equivalence ratio on spark-ignition linear engine operation with liquefied petroleum gas | |
| Ismael et al. | Effect of aspect ratio on frequency and power generation of a free-piston linear generator | |
| RU2537324C1 (en) | Method of compressed air generation by free-piston power module with common external combustion chamber | |
| Kock et al. | A high efficient energy converter for a hybrid vehicle concept-gas spring focused | |
| RU2468224C1 (en) | Free-piston double-cylinder energy module of double purpose with common external combustion chamber and linear power generator | |
| RU2680289C1 (en) | Method of controlling the level of charging the pneumatic accumulator of the free-piston energy module with an external combustion chamber | |
| RU2426900C1 (en) | Procedure for optimisation of process of combustion products expansion in plunger-free power module with external combustion chamber | |
| Anwerudin et al. | Energy Reports | |
| Mohammed et al. | Effect of generator configuration on the free-piston motion and power generation of air-driven expander system | |
| Wang et al. | ANALYSIS OF THE WHOLE PROCESS MOTION CHARACTERISTICS FOR FPICPS USING A VALIDATED FAST-RESPONSE FORCE CONTROL MODEL BASED ON PMLSMS MATHEMATICAL MODEL | |
| Liu et al. | Simulation and Prototype Experiment Research of a Four Stroke Free Piston Engine | |
| Rinderknecht et al. | A high efficient energy converter for a hybrid vehicle |