JP6274191B2 - フリーピストン式発電機の制御装置 - Google Patents
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Description
図1に、本実施形態に係るフリーピストン式発電システムの概要を示す。フリーピストン式発電システムは、フリーピストン式発電機10とその制御装置18を備える。フリーピストン式発電機10は、シリンダ12、ピストン14、及び検出器16を備える。
ピストン14は、シリンダ12内に収容され、当該シリンダ12内を往復移動する。ピストン14とシリンダ12との間にはわずかなクリアランスが設けられており、燃焼室20と空気ばね室22との気体の流通を抑制しつつ、シリンダ12内のピストン14の移動を可能としている。
本実施形態に係る制御装置18は、速度制御に基づいてピストン14の挙動を制御する。制御装置18は、ピストン14が空気ばね室22側に移動させられる膨張行程において第1速度指令値を定めるとともに、ピストン14が燃焼室20側に移動させられる圧縮工程において第2速度指令値を定める。
上述したように、速度制御においては、ピストン14の速度を、膨張行程では第1速度指令値に制御し、圧縮過程では第2速度指令値とするような制御が行われる。したがって、ピストン14のストロークに応じた速度指令波は、図3にて示したように、第1速度指令値と第2速度指令値をピーク値とする矩形波となる。この速度指令波の生成について、以下説明する。
図3に示すように、膨張行程と圧縮行程での発電電力(モータリングにおいては送電電力)が均等でない場合、一般に、より大きな電力が発生しているときに、効率が低下する。また、電力の不均等により、発電時に送電が生じたり、逆にモータリング(送電)時に発電が生じることも効率低下の要因となる。このような膨張行程と圧縮行程における電力(発電電力及び送電電力)のアンバランスを緩和させて両行程で電力を平準化させるために、本実施形態では下死点の目標位置を変更させる。
出力増加を狙って燃焼室20に噴射する燃料を増量させることが考えられる。このとき、燃焼圧力が増加してピストン14が空気ばね室22の端部壁に衝突するおそれがある。そこで、燃焼圧力の増加に併せて空気ばね室22内の空気圧(ばね係数)を増加させるようにしてもよい。例えば、空気ばね室22にコンプレッサ等の加圧源を接続する。制御装置18は、燃焼圧力の増加に追従するように、空気ばね室22内の空気圧を増加させるように、加圧源を制御する。
上述した実施形態では、燃焼室20と対向して空気ばね室22を設けていたが、この形態に限らない。要するにピストン14の付勢に抗してピストン14を燃焼室20に押し戻す反発力を生じさせるものであればよい。例えば、空気ばね室22の代わりにばね室を設けてもよい。具体的には、ピストン14のストローク方向に垂直なシリンダ12の内壁に弾性体を設ける。弾性体は、金属や樹脂をばね状(コイルばね、皿ばね)に加工したものであってよい。また、空気ばね室22を構成する空間にゴム等の弾性体を充填してもよい。さらに、空気ばね室22の代わりに磁石室を設けてもよい。例えばピストン14とシリンダ12との互いの対向面に磁石を設け、その反発力を利用する。磁石は永久磁石であっても電磁石であってもよい。ただし、ピストン14に給電手段を設けることが困難な場合は、ピストン14には永久磁石を設けることが好適である。加えて、空気ばね室22に上記のばねや弾性体、及び磁石の少なくとも一つを組み合わせてもよい。また、空気ばね室22の代わりに第2の燃焼室を設けてもよい。
Claims (10)
- 磁石が組み込まれたピストンが、コイルが設けられたシリンダ内を往復移動することによって発電が行われる、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記シリンダ内には燃焼室が設けられ、
前記制御装置は、
前記ピストンが前記燃焼室とは反対側に移動させられる膨張行程における第1速度指令値と、前記ピストンが前記燃焼室側に移動させられる圧縮行程における第2速度指令値を設定し、
発電時に、電気制動により前記ピストンの速度を前記第1及び第2速度指令値に到達させるように発電量を制御し、または、モータリング時に前記コイルを励磁させて前記ピストンの速度を前記第1及び第2速度指令値に到達させるように送電量を制御し、
前記第1及び第2速度指令値の設定に当たり、所定の往復周期における、前記ピストンが最も燃焼室寄りとなる上死点位置と、前記ピストンが最も前記燃焼室から遠くなる下死点位置とに基づいて、その次の往復周期における前記第1及び第2速度指令値を設定することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 請求項1に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記ピストンは、前記シリンダ内に設けられた前記燃焼室と空気ばね室との間を往復することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 請求項2に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、所定の往復周期における、実際の上死点位置と上死点目標位置との差、及び、実際の下死点位置と下死点目標位置との差に基づいて、その次の往復周期における、前記第1速度指令値及び第2速度指令値をピーク値とする速度指令波の振幅及び当該速度指令波の速度0からのオフセット量を求めることを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 請求項3に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記下死点目標位置を変更することで、前記第1及び第2速度指令値の絶対値差分を低減させることを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 請求項3または4に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記第1速度指令値で制御中の発電電力積算量が前記第2速度指令値で制御中の発電電力積算量よりも大きい場合、前記ピストンの下死点目標位置を、前記ピストンのストローク中央位置から離間させるように変更し、
前記第2速度指令値で制御中の発電電力積算量が前記第1速度指令値で制御中の発電電力積算量よりも大きい場合、前記ピストンの下死点目標位置を、前記ピストンのストローク中央位置寄りに変更することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 請求項2から5のいずれか一つに記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記燃焼室における燃焼圧力の増加に伴って、前記空気ばね室の空気圧を増加させることを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 請求項1から6のいずれか一つに記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、モータリング開始時に、ストローク中央位置から見て前記ピストンの停止位置とは逆側に当該ピストンを付勢するように、前記コイルへの励磁電流を制御することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 請求項1から7のいずれか一つに記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記ピストンの前記上死点位置及び前記下死点位置通過中は、発送電を休止するように発送電タイミングを制御することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 請求項3に従属する請求項8に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記モータリングに当たり、前記上死点目標位置の半値から前記下死点目標位置の半値までの領域を前記コイルの励磁領域に設定することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。 - 磁石が組み込まれたピストンが、コイルが設けられたシリンダ内の、燃焼室と空気ばね室との間を往復移動することによって発電が行われる、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記ピストンが前記空気ばね室側に移動させられる膨張行程における第1速度指令値と、前記ピストンが前記燃焼室側に移動させられる圧縮行程における第2速度指令値を設定し、
発電時に、電気制動により前記ピストンの速度を前記第1及び第2速度指令値に到達させるように発電量を制御し、または、モータリング時に前記コイルを励磁させて前記ピストンの速度を前記第1及び第2速度指令値に到達させるように送電量を制御し、
前記ピストンが最も燃焼室寄りとなる上死点位置と、前記ピストンが最も空気ばね室寄りとなる下死点位置を前記ピストンが通過する間は発送電を休止するように発送電タイミングを制御することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。
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