RU143160U1 - LINEAR DC GENERATOR WITH DRIVE FROM FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE - Google Patents
LINEAR DC GENERATOR WITH DRIVE FROM FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE Download PDFInfo
- Publication number
- RU143160U1 RU143160U1 RU2013158637/06U RU2013158637U RU143160U1 RU 143160 U1 RU143160 U1 RU 143160U1 RU 2013158637/06 U RU2013158637/06 U RU 2013158637/06U RU 2013158637 U RU2013158637 U RU 2013158637U RU 143160 U1 RU143160 U1 RU 143160U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- module
- control system
- stator winding
- coils
- piston
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
1. Линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащий расположенные вдоль его центральной оси корпус, размещенные в корпусе статорную обмотку возбуждения и якорь, свободнопоршневой двигатель, выполненный в виде двух оппозитно закрепленных на корпусе генератора цилиндров, каждый из которых содержит поршень, камеру сгорания, топливную форсунку, канал впуска воздуха и канал выпуска продуктов сгорания, причем поршни цилиндров взаимосвязаны между собой и с якорем общим штоком в единый подвижный вдоль центральной оси модуль, а также датчики контроля положения модуля и электронную систему управления, содержащую ряд функциональных блоков, обеспечивающих требуемый алгоритм его работы, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью обеспечения позиционирования модуля в рабочих положениях, предотвращения неуправляемого движения модуля и векторного управления магнитным полем статорной обмотки; и электронная система управления в нем дополнительно снабжена блоком определения положения модуля, блоком торможения и позиционирования модуля и системой векторного управления магнитным полем статорной обмотки, включающей в себя блок расчета векторов магнитного поля и силовой блок управления; статорная обмотка выполнена многофазной, не менее чем трехфазной, состоит из нескольких независимых катушек или соединенных последовательно или параллельно групп катушек, питаемых от системы векторного управления, якорем служит средняя часть общего штока с установленными на ней постоянными магнитами, которые по числу и размерам соответствуют катушкам или катушечным группам с�1. A linear generator driven by a free-piston internal combustion engine, comprising a housing located along its central axis, a stator field coil and an armature, a free-piston engine made in the form of two opposed cylinders mounted on the generator housing, each of which contains a piston, a chamber combustion, fuel nozzle, air inlet channel and the exhaust channel of the combustion products, and the pistons of the cylinders are interconnected with each other and with the anchor by a common rod into a single movable along the central axis of the module, as well as sensors for monitoring the position of the module and an electronic control system containing a number of functional blocks providing the required algorithm of its operation, characterized in that it is configured to provide positioning of the module in operating positions, to prevent uncontrolled movement of the module and vector control magnetic field stator winding; and the electronic control system therein is further provided with a module for determining the position of the module, a braking and positioning module for the module, and a vector control system for the magnetic field of the stator winding, including a magnetic field vector calculation unit and a power control unit; the stator winding is made of multiphase, not less than three-phase, consists of several independent coils or groups of coils connected in series or in parallel, fed from a vector control system, the anchor is the middle part of the common rod with permanent magnets mounted on it, which in number and size correspond to coils or coil groups with
Description
Полезная модель относится к области электротехники, точнее к линейным генераторам электрической энергии, выполненным с приводом от свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания, и предназначена для использования в различных отраслях в качестве автономных источников энергии или в составе комбинированных энергоустановок гибридных транспортных средств в транспортном машиностроении.The utility model relates to the field of electrical engineering, more specifically to linear electric energy generators, made with the drive from free piston internal combustion engines, and is intended for use in various industries as autonomous energy sources or as a part of combined power plants of hybrid vehicles in transport engineering.
Известен линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (СПД), представляющим собой одноцилиндровый двигатель с двухсторонним поршнем, являющимся якорем с обмотками возбуждения, перемещающемся относительно статорных обмоток, расположенных в корпусе, (US №7318506, 2008 г.). В нем имеется система контроля и регулирования положения поршня, наличие которой позволяет управлять впусками и выпусками с целью управления сгоранием топливной смеси в камерах сгорания цилиндра, однако то обстоятельство, что поршень - якорь подвержен нагреву в процессе работы до высоких температур, превышающих рабочие температуры постоянных магнитов, препятствует использованию последних, что могло бы способствовать дальнейшему увеличению энергоемкости такого генератора.Known linear generator driven by a free piston internal combustion engine (SPD), which is a single cylinder engine with a two-sided piston, which is an armature with field windings moving relative to the stator windings located in the housing (US No. 7318506, 2008). It has a piston control and regulation system, the presence of which allows controlling inlets and outlets to control the combustion of the fuel mixture in the combustion chambers of the cylinder, however, the fact that the piston is an anchor is subject to heating during operation to high temperatures exceeding the working temperatures of the permanent magnets prevents the use of the latter, which could contribute to a further increase in the energy intensity of such a generator.
Известен линейный генератор с приводом также от одноцилиндрового СПД, но с двумя оппозитно установленными на общем штоке поршнями, в котором якорем является установленный на средней части штока вспомогательный поршень с постоянными магнитами, в какой-то степени защищенный от воздействия высоких рабочих температур камер сгорания цилиндров (RU №2500905, 2013 г.).A linear generator is also known with a drive from a single-cylinder SPD, but with two opposed pistons mounted on a common rod, in which the anchor is an auxiliary piston with permanent magnets mounted on the middle part of the rod, to some extent protected from the effects of high operating temperatures of the cylinder combustion chambers ( RU No. 2500905, 2013).
В этом аналоге предусмотрено ограничение хода поршня для предотвращения механических повреждений конструкции от несанкционированных перемещений поршней, но отсутствует возможность позиционирования поршня во время работы в различных промежуточных позициях, что следует отнести к его основному недостатку, поскольку препятствует созданию условий, необходимых для повышения эффективности термодинамического цикла работы.This analogue provides for the restriction of the piston stroke to prevent mechanical damage to the structure from unauthorized movements of the pistons, but there is no possibility of positioning the piston during operation in various intermediate positions, which should be attributed to its main drawback, since it prevents the creation of conditions necessary to increase the efficiency of the thermodynamic cycle .
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является линейный генератор с приводом от двухцилиндрового СПД (RU №2150014, 2000 г.), который содержит расположенные вдоль его центральной оси корпус, статорную обмотку возбуждения и якорь, размещенные в корпусе, а также датчики перемещения якоря, и в котором свободнопоршневой двигатель выполнен в виде двух оппозитно закрепленных на корпусе генератора цилиндров, каждый из которых имеет поршень, камеру сгорания, топливную форсунку, канал впуска воздуха и канал выпуска продуктов сгорания, причем, поршни цилиндров и якорь взаимосвязаны общим штоком в единый подвижный вдоль центральной оси модуль, а датчики положения якоря и форсунки имеют электрическую связь с электронной системой блоком управления, включающей в себя ряд функциональных блоков.The closest analogue (prototype) of the proposed utility model is a linear generator driven by a two-cylinder SPD (RU No. 2150014, 2000), which contains a housing located along its central axis, a stator field winding and an armature located in the housing, as well as displacement sensors anchors, and in which the free piston engine is made in the form of two opposed cylinders mounted on the generator body, each of which has a piston, a combustion chamber, a fuel nozzle, an air inlet channel and a product outlet channel in combustion, the pistons and cylinders interconnected common anchor rod into a single unit movable along the central axis, and the armature position sensors and nozzles are in electrical communication with electronic control unit, comprising a number of functional blocks.
Недостатки прототипа заключаются в том, что в нем не предусмотрено осуществление функций устройства по выполнению векторного управления магнитным полем статорной обмотки, по позиционированию модуля в рабочих положениях и предотвращению неуправляемого движения модуля, вследствие чего, в нем не реализован высокоэффективный термодинамический цикл работы СПД, позволяющий достичь высоких показателей по выходной мощности двигателя и экологическим характеристикам его работы.The disadvantages of the prototype are that it does not provide for the implementation of the functions of the device for performing vector control of the magnetic field of the stator winding, for positioning the module in operating positions and preventing uncontrolled movement of the module, as a result of which, it does not implement a highly efficient thermodynamic operation cycle of the SPD, which allows achieving high rates of engine power output and environmental performance.
Отсутствие постоянных магнитов в конструкции якоря линейного генератора ограничивает удельные показатели генератора, например его удельную мощность.The absence of permanent magnets in the design of the armature of a linear generator limits the specific characteristics of the generator, for example, its specific power.
К тому же в прототипе выполнение магнитной системы генерирования тока с использованием якоря в виде отдельно выполненной детали из магнитопроницаемого материала и предлагаемое изготовление поршней и общего штока между ними также из магнитопроницаемых материалов может привести к увеличению массогабаритных параметров единого совершающего возвратно-поступательные движения вдоль центральной оси генератора модуля, образованного поршнями с якорем.In addition, in the prototype, the implementation of a magnetic current generation system using an anchor in the form of a separately made part from a magnetically permeable material and the proposed manufacture of pistons and a common rod between them also from magnetically permeable materials can lead to an increase in the mass and size parameters of a single reciprocating motion along the central axis of the generator module formed by pistons with an anchor.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на увеличение удельных показателей линейного генератора в части генерации электрической энергии и повышение мощностных и экологических характеристик СПД.The problem solved by the utility model is aimed at increasing the specific indicators of a linear generator in terms of generating electric energy and increasing the power and environmental characteristics of SPD.
Технический результат состоит в реализации заявленной задачи.The technical result consists in the implementation of the stated objectives.
Сущность полезной модели заключается в том, что линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащий расположенные вдоль его центральной оси корпус, размещенные в корпусе статорную обмотку возбуждения и якорь, свободнопоршневой двигатель, выполненный в виде двух оппозитно закрепленных на корпусе генератора цилиндров, каждый из которых содержит поршень, камеру сгорания, топливную форсунку, канал впуска воздуха и канал выпуска продуктов сгорания, причем поршни цилиндров взаимосвязаны между собой и с якорем общим штоком в единый подвижный вдоль центральной оси модуль; а также датчики контроля положения модуля и электронную систему управления, содержащую ряд функциональных блоков, обеспечивающих требуемый алгоритм его работы, в отличие от прототипа, выполнен с возможностью обеспечения позиционирования модуля в рабочих положениях, предотвращения неуправляемого движения модуля и векторного управления магнитным полем статорной обмотки, и электронная система управления в нем дополнительно снабжена блоком определения положения модуля, блоком торможения и позиционирования модуля и системой векторного управления магнитным полем статорной обмотки, включающей в себя блок расчета векторов магнитного поля и силовой блок управления; статорная обмотка выполнена многофазной, не менее чем трехфазной, состоит из нескольких независимых катушек или соединенных последовательно или параллельно групп катушек, питаемых от системы векторного управления, якорем служит средняя часть общего штока с установленными на ней постоянными магнитами, которые по числу и размерам соответствуют катушкам или катушечным группам статорной обмотки, и при этом блок определения положения модуля включает в себя упомянутые датчики перемещения модуля, выполненные индуктивными или магнитными, установленные между катушками или группами катушек статорной обмотки, блок торможения и позиционирования модуля выполнен логическим, выдающим в качестве выходных сигналов значения силы и сигналы о пропуске зажигания, используемые системой векторного управления; свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания оснащен регулируемым турбокомпрессором, связанным с каналами впуска и выпуска и установленным на выходе канала выпуска выпускным клапаном с электромагнитным приводом, подключенным к электронной системе управления, а каждый из цилиндров дополнительно имеет устройство воспламенения рабочей смеси в камерах сгорания, используемое для поджига топливной смеси в период начального запуска СПД и содержит элементы для обеспечения прямоточной клапанно-щелевой продувки.The essence of the utility model is that a linear generator driven by a free piston internal combustion engine, comprising a housing located along its central axis, a stator field coil and an armature, a free piston engine made in the form of two opposed cylinders mounted on the generator body, each of which contains a piston, a combustion chamber, a fuel nozzle, an air inlet channel and a combustion products outlet channel, the cylinder pistons being interconnected between oh and the anchor stem into a single common movable along the central axis of the module; as well as sensors for monitoring the position of the module and an electronic control system containing a number of functional blocks providing the required algorithm for its operation, unlike the prototype, is configured to provide positioning of the module in operating positions, to prevent uncontrolled movement of the module and vector control of the magnetic field of the stator winding, and the electronic control system in it is additionally equipped with a unit for determining the position of the module, a braking and positioning unit for the module, and a vector system control the magnetic field of the stator winding, comprising a block for calculating a magnetic field vectors and the power control unit; the stator winding is made of multiphase, not less than three-phase, consists of several independent coils or groups of coils connected in series or in parallel, fed from a vector control system, the anchor is the middle part of the common rod with permanent magnets mounted on it, which in number and size correspond to coils or coil groups of the stator winding, and wherein the unit for determining the position of the module includes the above-mentioned displacement sensors of the module, made inductive or magnetic, tanovlenii between the coils or groups of coils of the stator winding, the braking unit and ranking module configured logical issuing as output signals the values of power and signals misfire used vector control system; the free-piston internal combustion engine is equipped with an adjustable turbocharger associated with the intake and exhaust channels and an exhaust valve with an electromagnetic actuator mounted at the output of the exhaust channel, connected to an electronic control system, and each of the cylinders additionally has a device for igniting the working mixture in the combustion chambers, used to ignite the fuel mixture during the initial launch of the SPD and contains elements for providing direct-flow valve-slotted purge.
Дополнительные отличия генератора состоят в том, что в частных случаях исполнения:Additional differences of the generator are that in special cases of execution:
- поршни в нем могут быть выполнены из алюминиевого сплава;- the pistons in it can be made of aluminum alloy;
- корпус снабжен съемными боковыми крышками, служащими для крепления цилиндров свободнопоршневого двигателя и размещения общего штока.- the housing is equipped with removable side covers that serve to mount the cylinders of the free piston engine and accommodate a common rod.
Турбокомпрессор и выпускной клапан с электромагнитным (бескулачковым) приводом в совокупности с возможностью выборочного позиционирования якоря генератора в задаваемой алгоритмом работы устройства позиции позволяют реализовать высокоэффективный термодинамический цикл благодаря тому, что процесс сгорания происходит с непосредственным впрыском топлива и воспламенением от сжатия, процесс прямоточной клапанно-щелевой продувки обеспечивает высокую эффективность очистки цилиндра от отработавших газов (ОГ), а регулируемое позиционирование якоря генератора позволяет варьировать величину степени сжатия.The turbocharger and exhaust valve with an electromagnetic (camless) drive, together with the possibility of selective positioning of the generator armature in the position set by the operation algorithm of the device, allow for a highly efficient thermodynamic cycle due to the fact that the combustion process occurs with direct fuel injection and compression ignition, a direct-flow valve-slotted process purge provides high efficiency cleaning the cylinder from exhaust gases (exhaust), and adjustable positioning The generator armature allows one to vary the magnitude of the compression ratio.
Реализация высокоэффективного термодинамического цикла в СПД позволяет достичь высоких экологических характеристик и повышения выходной мощности двигателя, что позволяет использовать их в качестве привода линейных генераторов высокой электрической мощности.The implementation of a highly efficient thermodynamic cycle in SPD allows achieving high environmental characteristics and increasing the engine output power, which makes it possible to use them as a drive of linear generators of high electric power.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображен линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.The utility model is illustrated in the drawing, which shows a linear generator driven by a free piston internal combustion engine.
Корпус 1 генератора выполнен в виде тонкостенного цилиндра с боковыми съемными крышками 2. В корпусе вдоль его центральной оси с креплением на крышках 2 оппозитно расположены цилиндры 3 и 4 СПД с размещенными в них поршнями 5 и 6, связанными между собой общим штоком 7, установленным в линейных подшипниках, размещенных в центральных отверстиях крышек 2, а также статорная обмотка 8 и якорь 9, в качестве которого служит средняя часть штока 7 с установленными на ней постоянными магнитами 10, например неодимовыми. Статорная обмотка возбуждения 8 выполнена многофазной, не менее чем трехфазной, и состоит из нескольких независимых катушек или соединенных последовательно или параллельно групп катушек, и магниты 10 по числу и размерам соответствуют катушкам или катушечным группам статорной обмотки 8.The generator housing 1 is made in the form of a thin-walled cylinder with removable side covers 2. In the housing along its central axis with fastening on the covers 2, SPD cylinders 3 and 4 are opposite, with pistons 5 and 6 located in them and connected by a common rod 7 installed in linear bearings located in the central holes of the covers 2, as well as the stator winding 8 and the armature 9, which serves as the middle part of the rod 7 with permanent magnets 10 mounted on it, for example, neodymium. The stator field winding 8 is made of multiphase, no less than three-phase, and consists of several independent coils or groups of coils connected in series or in parallel, and the magnets 10 in number and size correspond to coils or coil groups of the stator winding 8.
Поршни 3 и 4 могут быть изготовлены из алюминиевого сплава, а шток 7 - стальным.Pistons 3 and 4 can be made of aluminum alloy, and the rod 7 - steel.
Каждый из цилиндров 3 и 4 снабжен установленными на их торцевой поверхности со стороны камер сгорания 11 и 12, соответственно, топливными форсунками 13 и 14 и устройствами воспламенения рабочей смеси в камерах сгорания, например свечами зажигания 15 и 16, и каналами выпуска 17 и 18 ОГ с установленными в них выпускными клапанами 19 и 20 с электромагнитным (бескулачковым) приводом, а также конструктивными элементами для принудительного воздушного или жидкостного охлаждения (на чертеже не показаны). На боковых поверхностях цилиндров 3 и 4 имеются каналы впуска 21, предназначенные для подачи воздуха внутрь цилиндров.Each of the cylinders 3 and 4 is equipped with fuel nozzles 13 and 14 mounted on their end surface from the side of the combustion chambers 11 and 12, respectively, and ignition devices for the working mixture in the combustion chambers, for example, spark plugs 15 and 16, and exhaust channels 17 and 18 of the exhaust gas with exhaust valves 19 and 20 installed in them with an electromagnetic (camless) drive, as well as structural elements for forced air or liquid cooling (not shown in the drawing). On the side surfaces of the cylinders 3 and 4 there are inlet channels 21 for supplying air into the cylinders.
СПД оснащен регулируемым турбокомпрессором 22, связанным с каналами впуска 21 и выпуска 17 и 18. Турбокомпрессор 22 в совокупности с каналами впуска 21, выпускными клапанами 19 и 20 и каналами выпуска 17 и 18 обеспечивает процесс газообмена двигателя с прямоточной клапанно-щелевой продувкой.SPD is equipped with an adjustable turbocharger 22 associated with the inlet channels 21 and exhaust 17 and 18. The turbocharger 22 in conjunction with the inlet channels 21, exhaust valves 19 and 20 and the exhaust channels 17 and 18 provides the gas exchange process of the engine with direct-flow valve-slotted purging.
Электронная система управления (ЭСУ) 23 включает в себя ряд типовых функциональных блоков, предназначенных для обеспечения требуемого заложенной в ней программой алгоритма работы генератора (на чертеже условно не показаны в виду их известности) и дополнительно содержит блок 24 определения положения модуля, включающий в себя датчики перемещения 25, выполненные индуктивного или магнитного типа, которые установлены между катушками или группами катушек статорной обмотки 8; блок 26 торможения и позиционирования модуля, предотвращающий удары и неуправляемое движение модуля в случае пропуска зажигания, а также позиционирующий модуль в положении запуска и перезапуска, и систему 27 векторного управления (СВУ) магнитным полем статорной обмотки 8, включающую в себя блок 28 расчета векторов магнитного поля и силовой блок управления 29, связанный со статорной обмоткой 8 электрической шиной 30.The electronic control system (ESA) 23 includes a number of typical functional blocks designed to provide the generator algorithm required by its program (not shown conventionally in the drawing in view of their fame) and further comprises a module 24 for determining the position of the module, including sensors displacements 25, made inductive or magnetic type, which are installed between the coils or groups of coils of the stator winding 8; unit 26 for braking and positioning the module, preventing shock and uncontrolled movement of the module in the event of a misfire, as well as a positioning module in the start and restart position, and vector control system (VCA) of the magnetic field of the stator winding 8, including a block 28 for calculating the magnetic vector field and power control unit 29 associated with the stator winding 8 by an electric bus 30.
Каждый электрически управляемый компонент линейного генератора, а также датчики перемещения 25 имеют электрическую связь с ЭСУ 23.Each electrically controlled component of the linear generator, as well as displacement sensors 25 are in electrical communication with the ESA 23.
Работа линейного генератора сводится к функционированию на следующих режимах: пуск, генерация электроэнергии, перезапуск, останов.The operation of the linear generator is reduced to functioning in the following modes: start, power generation, restart, stop.
В режиме «Пуск» выполняются следующие действия:In the "Start" mode, the following actions are performed:
ЭСУ 23 задает блоку 26 определенное пусковое положение модуля, соответствующее положению модуля вблизи ВМТ в момент подачи высокого напряжения на свечи зажигания 15 и 16. Следует отметить, что в описании работы линейного генератора термин ВМТ носит условный характер, т.к. в предлагаемом СПД существует возможность выборочного позиционирования модуля в задаваемой алгоритмом работы устройства позиции и положение ВМТ может варьироваться в зависимости от нагрузочного режима работы линейного генератора.ESA 23 sets block 26 to a specific starting position of the module corresponding to the position of the module near TDC at the time of supplying high voltage to the spark plugs 15 and 16. It should be noted that the term TDC is conditional in the description of the operation of the linear generator, because in the proposed SPD, it is possible to selectively position the module in the position specified by the device operation algorithm and the TDC position may vary depending on the load mode of the linear generator.
Блок 24 рассчитывает линейное положение якоря на основании информации от датчиков перемещения 25. Блок 26 отрабатывает заданное положение, выдавая сигнал управления силой на СВУ 27, при этом получая сигнал обратной связи по положению, получаемому от блока 24.Block 24 calculates the linear position of the armature based on information from displacement sensors 25. Block 26 fulfills the set position by issuing a force control signal to the VCA 27, while receiving a feedback signal from the position received from block 24.
СВУ 27, также получая информацию от блока 24, с помощью блока 29 силового управления по заданному алгоритму формирует токи в статорной обмотке 8 и, таким образом, создает заданную электромагнитную силу, необходимую для движения модуля вдоль центральной оси линейного генератора.IED 27, also receiving information from block 24, using the power control unit 29 according to a predetermined algorithm generates currents in the stator winding 8 and, thus, creates a given electromagnetic force necessary for the module to move along the central axis of the linear generator.
В результате действия электромагнитных сил, возбуждаемых статорной обмоткой 8 и действующих на постоянные магниты 10 якоря 9, модуль начинает движение вдоль центральной оси цилиндров 3 и 4. Примем, что модуль движется в сторону камеры сгорания 12 цилиндра 4, при этом в цилиндре 4 при закрытом выпускном клапане 20 совершается такт сжатия. Топливо впрыскивается форсункой 14 до прихода поршня к верхней мертвой точке (ВМТ), причем пуск холодного или непрогретого двигателя всегда осуществляется с использованием свечей зажигания 15 и 16, поэтому, когда модуль занимает необходимое пусковое положение, на свечу зажигания 16 подается высокое напряжение. После воспламенения топливной смеси происходит рабочий ход, при котором нарастающее давление в камере сгорания 12 цилиндра 4 заставляет поршень 6 двигаться в сторону камеры сгорания 11 цилиндра 3. Выход ОГ из цилиндра 12 осуществляется через выпускной клапан 20 по каналу выпуска 18. Перед выходом ОГ в атмосферу часть их энергии передается турбокомпрессору 22, который обеспечивает принудительную подачу воздуха в цилиндры СПД. В цилиндре 3, в котором также происходит впуск воздуха, впрыск топлива с последующим сжатием топливной смеси, ее воспламенение и рабочий ход, новый цикл повторяется в том же порядке. Циклы СПД организованы так, что во время такта сжатия и рабочего хода в одном цилиндре, в противоположном цилиндре протекают такты рабочего хода и выпуска.As a result of the action of electromagnetic forces excited by the stator winding 8 and acting on the permanent magnets 10 of the armature 9, the module starts moving along the central axis of the cylinders 3 and 4. Let us assume that the module moves towards the combustion chamber 12 of cylinder 4, while in cylinder 4 when closed exhaust valve 20 is a compression stroke. Fuel is injected by the nozzle 14 until the piston reaches the top dead center (TDC), and a cold or unheated engine is always started using spark plugs 15 and 16, so when the module is in the desired starting position, high voltage is applied to the spark plug 16. After ignition of the fuel mixture, a working stroke occurs, in which the increasing pressure in the combustion chamber 12 of the cylinder 4 causes the piston 6 to move towards the combustion chamber 11 of the cylinder 3. The exhaust gas from the cylinder 12 is carried out through the exhaust valve 20 through the exhaust channel 18. Before the exhaust to the atmosphere part of their energy is transmitted to the turbocharger 22, which provides forced air supply to the SPD cylinders. In cylinder 3, in which air inlet also occurs, fuel is injected, followed by compression of the fuel mixture, its ignition and stroke, the new cycle is repeated in the same order. SPD cycles are organized so that during the compression stroke and the stroke in the same cylinder, the strokes of the stroke and exhaust flow in the opposite cylinder.
После запуска СПД линейный генератор переходит в режим генерации электроэнергии, в процессе которого вырабатываемый электрический ток через выводные клеммы ЭСУ 23 (на чертеже не показаны) поступает потребителю.After starting the SPD, the linear generator enters the power generation mode, during which the generated electric current enters the consumer through the output terminals of the ESA 23 (not shown in the drawing).
Во время работы линейного генератора в этом режиме СВУ 27 осуществляет управление электромагнитной силой линейного генератора по заданному алгоритму. Система посредством блока 28 расчета векторов магнитного поля определяет электромагнитные параметры работы линейного генератора в каждый момент времени на основании информации от датчиков фазных тока и напряжения (на чертеже не показаны), а также информации о текущем линейном положении модуля. Последнюю информацию СВУ 27 получает от блока 24. В соответствии с заложенной моделью и заданным алгоритмом СВУ 27 посредством силового блока управления 29 и электрической шины 30 формирует токи в статорной обмотке 8 линейного генератора. Таким образом, СВУ 27 отрабатывает заданную линейную электромагнитную силу.During operation of the linear generator in this mode, the VCA 27 controls the electromagnetic power of the linear generator according to a predetermined algorithm. The system through the block 28 calculation of the magnetic field vectors determines the electromagnetic parameters of the linear generator at any time based on information from the phase current and voltage sensors (not shown), as well as information about the current linear position of the module. The latest information from the VCA 27 is received from the block 24. In accordance with the model and the given algorithm, the VCA 27 generates currents in the stator winding 8 of the linear generator through the power control unit 29 and the electric bus 30. Thus, the IED 27 fulfills a given linear electromagnetic force.
Блок 24 определяет линейное положение якоря 9 и, соответственно, постоянных магнитов 10 относительно статорной обмотки 8, получая информацию от датчиков перемещения 25, на которые воздействуют постоянные магниты 10 якоря 9. Расположение датчиков 25 с шагом, который меньше шага расположения магнитов 10 на якоре 9, позволяет блоку 24 определять линейное положение якоря 9 с достаточной точностью. Информация об установленном блоком 24 положении якоря передается в СБУ 27, а также в блок 26.Block 24 determines the linear position of the armature 9 and, accordingly, the permanent magnets 10 relative to the stator winding 8, receiving information from displacement sensors 25, which are affected by the permanent magnets 10 of the armature 9. The location of the sensors 25 in increments that are less than the spacing of the magnets 10 on the armature 9 , allows block 24 to determine the linear position of the armature 9 with sufficient accuracy. Information about the position of the armature installed by block 24 is transmitted to SBU 27, as well as to block 26.
Во время работы линейного генератора блок 26 в качестве выходных сигналов выдает данные о значении силы в СВУ 27, и при необходимости сигнал о пропуске зажигания, используемый ЭСУ 23 для перевода работы устройства в режим перезапуска. Блок 26 представляет собой замкнутую систему управления линейным положением якоря 9, выполненную на базе ПИД-регулятора, и с осуществлением обратной связи по информации от датчиков перемещения 25.During operation of the linear generator unit 26 as output signals provides data on the value of the force in the VCA 27, and if necessary, the misfire signal used by the ESA 23 to put the device into restart mode. Block 26 is a closed control system for the linear position of the armature 9, made on the basis of the PID controller, and with the implementation of feedback on information from displacement sensors 25.
В режиме «Генерация электроэнергии» при возвратно-поступательном движении модуля вдоль центральной оси в статорной обмотке 8 наводится электродвижущая сила. При подключенной нагрузке это приводит к протеканию электрического тока и осуществляется выработка электрической энергии.In the "Power generation" mode, when the module is reciprocating along the central axis, an electromotive force is induced in the stator winding 8. When the load is connected, this leads to the flow of electric current and electric energy is generated.
В данном режиме ЭСУ 23 работает в виде замкнутой системы управления с регулировкой отдаваемой в нагрузку электрической мощности. ЭСУ 23 измеряет отдаваемую в нагрузку электрическую мощность, регулируя ее с помощью задания силы сопротивления движению модуля в СВУ 27, которая отрабатывает заданное на модуле усилие. При этом, в случае изменения направления движения модуля, ЭСУ 23 меняет знак уставки электромагнитного усилия для СВУ 27 на противоположный. Таким образом, СВУ 27 все время создает заданную силу, направление которой противоположно движению модуля.In this mode, the ESA 23 operates in the form of a closed-loop control system with adjustment of the electrical power supplied to the load. The ESA 23 measures the electrical power supplied to the load, adjusting it by setting the resistance to movement of the module in the VCA 27, which fulfills the force set on the module. In this case, in the case of a change in the direction of movement of the module, the ESA 23 changes the sign of the electromagnetic force setting for the VCA 27 to the opposite. Thus, the IED 27 all the time creates a given force, the direction of which is opposite to the movement of the module.
Для поддержания заданной частоты работы СПД ЭСУ 23 управляет также цикловой подачей топлива и воздуха в цилиндры 3 и 4 двигателя.To maintain a given frequency of operation, the SPD ESA 23 also controls the cyclic supply of fuel and air to the cylinders 3 and 4 of the engine.
Параллельно свою работу осуществляет блок 26, который контролирует параметры движения модуля по его положению, данные о котором поступают от блока 24.In parallel, its work is carried out by block 26, which controls the motion parameters of the module by its position, the data about which come from block 24.
Во время работы линейного генератора ЭСУ 23 определяет достаточность условий для переключения СПД в работу по высокоэффективному термодинамическому циклу, при котором происходит самовоспламенение топливной смеси.During operation of the linear generator, the ESA 23 determines the sufficiency of the conditions for switching the SPD to work on a highly efficient thermodynamic cycle, in which self-ignition of the fuel mixture occurs.
При работе линейного генератора по высокоэффективному термодинамическому циклу выключается устройство воспламенения топливной смеси 15 и 16, а необходимая температура для самовоспламенения топливной смеси в конце такта сжатия достигается за счет регулируемой степени сжатия СПД, а также варьируемой подачи воздуха в цилиндры 3 и 4, обеспечиваемой регулируемым турбокомпрессором 22.When the linear generator operates in a highly efficient thermodynamic cycle, the fuel mixture ignition device 15 and 16 is turned off, and the necessary temperature for self-ignition of the fuel mixture at the end of the compression stroke is achieved due to the adjustable compression ratio of the SPD, as well as the variable air supply to the cylinders 3 and 4, provided by an adjustable turbocharger 22.
Поскольку впускные каналы 21 цилиндров 3 и 4 СПД имеют фиксированную конфигурацию, то изменение мощности СПД время работы линейного генератора, а также осуществление прямоточной клапанно-щелевой продувки, происходит с помощью переменных фазы открытия и закрытия выпускных клапанов 19 и 20.Since the inlet channels 21 of the cylinders 3 and 4 of the SPD have a fixed configuration, the change in the power of the SPD during the operation of the linear generator, as well as the direct-flow valve-slot purge, occurs using the variables of the opening and closing phases of the exhaust valves 19 and 20.
Фазы открытия и закрытия выпускного клапана изменяются в зависимости от позиции поршней 5 и 6 двигателя. Для получения максимальной мощности СПД, и, соответственно, максимальной электрической мощности линейного генератора, выпускные клапаны 19 и 20 открываются согласно рассчитанным значениям, заложенным в ЭСУ 23, при которых обеспечивается высокая степень расширения газов при хорошей продувке цилиндров 5 и 6, обеспечивающей снижение содержания ОГ в камерах сгорания 11 и 12 СПД (известно, что увеличение доли остаточных ОГ приводит разбавлению свежего заряда с последующим ухудшением качества сгорания).The phases of opening and closing the exhaust valve vary depending on the position of the pistons 5 and 6 of the engine. To obtain the maximum power of the SPD, and, accordingly, the maximum electric power of the linear generator, the exhaust valves 19 and 20 open according to the calculated values laid down in the ESA 23, which provide a high degree of expansion of gases with good purging of cylinders 5 and 6, which reduces the exhaust gas content in combustion chambers 11 and 12 SPD (it is known that an increase in the share of residual exhaust gas leads to dilution of the fresh charge with a subsequent deterioration in the quality of combustion).
Во время работы СПД момент начала самовоспламенения фиксируется СВУ 27 по изменению данных о скорости движения модуля, которые определяются блоком 26. Начало самовоспламенения контролируется фазой впрыска топлива форсунками 13 и 14.During the operation of the SPD, the moment of the start of self-ignition is recorded by the IED 27 according to the change in the data on the speed of the module, which are determined by block 26. The start of self-ignition is controlled by the fuel injection phase by the nozzles 13 and 14.
Для достижения высоких мощностных и экологических характеристик СПД впрыск топлива происходит в фазе, при которой происходит выгорание около 50% топлива и достигается максимум скорости тепловыделения в непосредственной близости к установленной ВМТ на данном нагрузочном режиме. В этом случае реализуется высокоэффективный термодинамический цикл, а выделение теплоты в цикле происходит при почти неподвижном поршне (модуле), т.е. в условиях почти неизменного объема камеры сгорания.To achieve high power and environmental characteristics of SPD, fuel injection occurs in a phase at which about 50% of the fuel burns out and the maximum heat release rate is reached in close proximity to the TDC set at this load mode. In this case, a highly efficient thermodynamic cycle is realized, and heat is released in the cycle with an almost stationary piston (module), i.e. in conditions of an almost constant volume of the combustion chamber.
Контроль фазы впрыска в СПД имеет существенное значение в достижении высоких характеристик линейного генератора. Поскольку при раннем начале сгорания (большое опережение впрыска топлива) степень сжатия уменьшается вследствие раннего тепловыделения, то модуль в этом случае раньше изменит направление своего движения и начнет движение в сторону оппозитного цилиндра. Это явление сокращает ход поршня и снижает степень сжатия, что в совокупности оказывает отрицательное влияние на термический КПД двигателя.The control of the injection phase in the SPD is essential in achieving high performance linear generator. Since at the early start of combustion (a large advance in fuel injection) the compression ratio decreases due to early heat generation, the module in this case will change its direction earlier and begin to move in the direction of the opposed cylinder. This phenomenon reduces the piston stroke and reduces the degree of compression, which together has a negative effect on the thermal efficiency of the engine.
В том случае, когда топливо впрыскивается в цилиндры слишком поздно, в цилиндрах образуется высокое давление сгорания, которое изменяет направление движения поршня до момента полного выгорания топлива. Точка 50% выгорания топлива, а также максимум кривой скорости тепловыделения находятся далеко за ВМТ, в результате чего эффективность сгорания становится низкой и увеличивается удельный расход топлива СПД.In the event that the fuel is injected into the cylinders too late, a high combustion pressure is generated in the cylinders, which changes the direction of movement of the piston until the fuel burns out completely. The point of 50% burnup of the fuel, as well as the maximum curve of the heat release rate are located far beyond the TDC, as a result of which the combustion efficiency becomes low and the specific fuel consumption of the LDS increases.
В предлагаемом же решении совокупность регулируемого турбокомпрессора 22, выпускных клапанов с электромагнитным (бескулачковым) приводом 19 и 20, регулируемой фазы впрыска и регулируемого позиционирования поршней СПД позволяют избежать таких негативных явлений, как увеличение доли остаточных ОГ в камере сгорания с последующим ухудшением качества сгорания, снижение степени сжатия вследствие раннего тепловыделения и низкая эффективность сгорания, и реализовать высокоэффективный термодинамический цикл, характеризующийся самовоспламенение топливной смеси. При пропусках самовоспламенения нарушается равномерное движение модуля линейного генератора, что может выражаться как в выходе модуля за пределы ожидаемой ВМТ, так и в изменении закономерности в скорости движения модуля. При появлении любого из перечисленных признаков пропуска самовоспламенения блок 26 передает сигнал в ЭСУ 23, а также задает тормозное усилие на модуле с целью его полной остановки.In the proposed solution, the combination of an adjustable turbocharger 22, exhaust valves with an electromagnetic (camless) drive 19 and 20, an adjustable injection phase and an adjustable positioning of the SPD pistons avoid such negative phenomena as an increase in the share of residual exhaust gases in the combustion chamber with subsequent deterioration in the quality of combustion, reduction compression ratios due to early heat release and low combustion efficiency, and realize a highly efficient thermodynamic cycle characterized by self-ignition of the fuel mixture. With misfires of self-ignition, the uniform movement of the module of the linear generator is violated, which can be expressed both in the output of the module beyond the expected TDC and in a change in the pattern in the speed of the module. When any of the listed signs of skipping self-ignition occur, unit 26 transmits a signal to the ESA 23 and also sets the braking force on the module in order to stop it completely.
В этот момент ЭСУ 23 линейного генератора при получении сигнала о пропуске зажигания переходит в режим «Перезапуск» и дает команду на кратковременную продувку цилиндров от остатков несгоревшего топлива, выполняемую с помощью линейного генератора, работающего в режиме электродвигателя, после чего ЭСУ 23 переходит в режим «Пуск», последовательность которого приведена выше.At this moment, the ESU 23 of the linear generator, upon receipt of the misfire signal, enters the “Restart” mode and gives the command for short-term purging of the cylinders from the remains of unburned fuel, performed using the linear generator operating in the electric motor mode, after which the ESU 23 switches to the “ Start ", the sequence of which is given above.
Режим «Останов» - для останова линейного генератора происходит переключение линейного генератора в режим электродвигателя, при этом отключаются топливные форсунки 13 и 14, выпускные клапаны 19 и 20 закрываются.“Stop” mode - to stop the linear generator, the linear generator switches to the electric motor mode, while the fuel injectors 13 and 14 are turned off, the exhaust valves 19 and 20 are closed.
На статорную обмотку 8 подается ток, создающий электромагнитные силы, направление которых противоположно движению модуля линейного генератора. В результате действия сил происходит быстрое торможение модуля с его последующим остановом.A current is generated to the stator winding 8, creating electromagnetic forces, the direction of which is opposite to the movement of the linear generator module. As a result of the action of the forces, the module is rapidly braked and then stopped.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013158637/06U RU143160U1 (en) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | LINEAR DC GENERATOR WITH DRIVE FROM FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013158637/06U RU143160U1 (en) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | LINEAR DC GENERATOR WITH DRIVE FROM FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU143160U1 true RU143160U1 (en) | 2014-07-20 |
Family
ID=51220053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013158637/06U RU143160U1 (en) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | LINEAR DC GENERATOR WITH DRIVE FROM FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU143160U1 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106194426A (en) * | 2016-07-26 | 2016-12-07 | 北京理工大学 | A kind of control method for free piston linear electricity generation system handoff procedure |
| RU2605444C1 (en) * | 2015-06-08 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянский государственный технический университет" | Alternating current generator with axial-piston engine |
| RU176220U1 (en) * | 2017-04-21 | 2018-01-12 | Александр Сергеевич Ванюшкин | INTERNAL COMBUSTION GENERATOR |
| RU2652092C1 (en) * | 2017-06-19 | 2018-04-25 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method for conversion of thermal energy to electrical energy by a two-cylinder free piston power module with opposite motion of pistons, linear power generator and heat exchanger |
| RU2654689C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-05-22 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method of the thermal energy transformation to electricity by the two-cylinder free linked energy-module with the opposite pistons movement, linear electric generator, heat exchanger and refrigerator |
| RU2655684C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-05-29 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method of the thermal energy transformation to electricity by the two-cylinder free linked energy-module with the heat exchanger and linear electric generator |
| RU195112U1 (en) * | 2019-10-16 | 2020-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Free-piston internal combustion engine with linear electric three-phase generator |
| RU196382U1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью научно-технический центр "АРГО" (ООО НТЦ "АРГО") | LINEAR SYNCHRONOUS GENERATOR |
| RU197366U1 (en) * | 2019-11-05 | 2020-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH LINEAR GENERATOR |
| RU2731454C1 (en) * | 2019-10-16 | 2020-09-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Free-piston internal combustion engine with linear electric three-phase generator |
-
2013
- 2013-12-30 RU RU2013158637/06U patent/RU143160U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2605444C1 (en) * | 2015-06-08 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянский государственный технический университет" | Alternating current generator with axial-piston engine |
| CN106194426A (en) * | 2016-07-26 | 2016-12-07 | 北京理工大学 | A kind of control method for free piston linear electricity generation system handoff procedure |
| RU176220U1 (en) * | 2017-04-21 | 2018-01-12 | Александр Сергеевич Ванюшкин | INTERNAL COMBUSTION GENERATOR |
| RU2652092C1 (en) * | 2017-06-19 | 2018-04-25 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method for conversion of thermal energy to electrical energy by a two-cylinder free piston power module with opposite motion of pistons, linear power generator and heat exchanger |
| RU2654689C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-05-22 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method of the thermal energy transformation to electricity by the two-cylinder free linked energy-module with the opposite pistons movement, linear electric generator, heat exchanger and refrigerator |
| RU2655684C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-05-29 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method of the thermal energy transformation to electricity by the two-cylinder free linked energy-module with the heat exchanger and linear electric generator |
| RU195112U1 (en) * | 2019-10-16 | 2020-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Free-piston internal combustion engine with linear electric three-phase generator |
| RU2731454C1 (en) * | 2019-10-16 | 2020-09-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Free-piston internal combustion engine with linear electric three-phase generator |
| RU196382U1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью научно-технический центр "АРГО" (ООО НТЦ "АРГО") | LINEAR SYNCHRONOUS GENERATOR |
| RU197366U1 (en) * | 2019-11-05 | 2020-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH LINEAR GENERATOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU143160U1 (en) | LINEAR DC GENERATOR WITH DRIVE FROM FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
| JP3778931B2 (en) | Linear generator | |
| US7116004B2 (en) | Method for regulating the operation of a device for generating electric energy by means of a generator driven by a free-piston internal combustion engine | |
| JP2005539170A5 (en) | ||
| JP2013526677A (en) | Free piston internal combustion engine | |
| RU2500905C1 (en) | Free-piston engine | |
| JP2012202386A (en) | Free piston generator | |
| CN115163296B (en) | System and method for improving combustion efficiency and operation stability of free piston internal combustion generator | |
| JP2018062902A (en) | Free piston engine generator | |
| US11846230B2 (en) | Adaptive linear linked piston electric power generator | |
| Liu et al. | Modeling and control of a portable two-stroke free-piston engine generator | |
| KR101010664B1 (en) | Pre-piston engine of linear generator system | |
| Kock et al. | A high efficient energy converter for a hybrid vehicle concept-gas spring focused | |
| RU2680289C1 (en) | Method of controlling the level of charging the pneumatic accumulator of the free-piston energy module with an external combustion chamber | |
| AU2010357852A1 (en) | Electric power generator and motor assembly equipped therewith | |
| CN103827465B (en) | Piston and the method applying power on this piston | |
| SU1733650A1 (en) | Method for operation of free-piston diesel-electric-generator | |
| RU2328607C1 (en) | Method of load synchronisation of free-piston internal combustion engine pistons motion | |
| Li et al. | Modeling of a two-stroke free-piston engine with hcci combustion | |
| WO2003069142A1 (en) | Free piston internal combustion engine | |
| Rinderknecht et al. | A high efficient energy converter for a hybrid vehicle concept | |
| RU195112U1 (en) | Free-piston internal combustion engine with linear electric three-phase generator | |
| Liu et al. | Research on Control Method of Linear-Generator System Used for Free-Piston Energy Converter in Range Extenders | |
| RU2517956C1 (en) | Plunger-free engine | |
| RU2516767C1 (en) | Plunger-free four-cylinder engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD1K | Correction of name of utility model owner | ||
| PC12 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for utility models |
Effective date: 20170427 |
|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20191231 |