RU171807U1 - DEVICE FOR REGULATING FREE PISTON STIRLING ENGINE - Google Patents
DEVICE FOR REGULATING FREE PISTON STIRLING ENGINE Download PDFInfo
- Publication number
- RU171807U1 RU171807U1 RU2015150556U RU2015150556U RU171807U1 RU 171807 U1 RU171807 U1 RU 171807U1 RU 2015150556 U RU2015150556 U RU 2015150556U RU 2015150556 U RU2015150556 U RU 2015150556U RU 171807 U1 RU171807 U1 RU 171807U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piston
- displacer
- cavity
- compression
- engine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее к устройствам для регулирования среднего положения поршней, совершающих возвратно-поступательное движение, в свободнопоршневых машинах, и предназначена, преимущественно, для регулирования среднего положения вытеснителя и поршня в свободнопоршневых двигателях Стирлинга. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство регулирования включает расположенный в корпусе цилиндр с подвижными в нем поршнем и вытеснителем, имеющий полости сжатия и расширения рабочего тела и буферную полость, связанную газовой магистралью с полостью сжатия, содержащее управляемый перепускной клапан, установленный в газовой магистрали, связывающей буферную полость цилиндра с полостью сжатия. Согласно полезной модели устройство выполнено с возможностью определения положения поршня посредством датчика и положения вытеснителя посредством индуктивного датчика, размещенного снаружи цилиндра, и имеет размещенную во внутренней полости вытеснителя газовую пружину, выполненную с возможностью изменения ее жесткости во время работы посредством дополнительной газовой магистрали с встроенным в нее управляемым перепускным клапаном, которая соединяет полость газовой пружины с полостью сжатия. Оба клапана имеют электромагнитные приводы с частотой срабатывания за один рабочий цикл двигателя, как минимум, один раз и управляются по сигналам датчиков определения положения поршня и вытеснителя посредством микропроцессорного контроллера. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to the field of engine building, more specifically to devices for regulating the average position of reciprocating pistons in free piston machines, and is intended primarily for regulating the average position of the displacer and piston in Stirling free piston engines. The essence of the utility model lies in the fact that the control device includes a cylinder located in the housing with movable piston and displacer, having compression and expansion cavities of the working fluid and a buffer cavity connected by a gas line with a compression cavity, containing a controlled bypass valve installed in the gas line connecting the buffer cavity of the cylinder with the compression cavity. According to a utility model, the device is arranged to determine the position of the piston by means of a sensor and the position of the displacer by means of an inductive sensor located outside the cylinder, and has a gas spring located in the internal cavity of the displacer, which is capable of changing its stiffness during operation by means of an additional gas line with an integrated gas spring controlled bypass valve, which connects the gas spring cavity to the compression cavity. Both valves have electromagnetic actuators with a response frequency for one engine duty cycle at least once and are controlled by the signals of the piston and propellant position sensors using a microprocessor controller. 1 s.p. f-ly, 1 ill.
Description
Полезная модель относится к области двигателестроения, точнее к устройствам для регулирования свободнопоршневых двигателей Стирлинга (СПДС), предназначенным для регулирования среднего положения вытеснителя и поршня, совершающих возвратно-поступательное движение.The utility model relates to the field of engine building, more specifically to devices for regulating Stirling free piston engines (SPDS), designed to regulate the average position of the displacer and piston, reciprocating.
Во время работы СПДС вытеснитель и поршень движутся возвратно-поступательно с одинаковой частотой и с фазовым смещением, при котором движение вытеснителя отстает от движения рабочего поршня на некоторое фазовое смещение. Рабочая частота колебаний может достигать 100 Гц, что требует от систем регулирования высокого быстродействия.During SPDS operation, the displacer and the piston move back and forth with the same frequency and phase displacement, at which the displacer movement lags behind the movement of the working piston by some phase displacement. The operating oscillation frequency can reach 100 Hz, which requires high-speed control systems.
В процессе работы СПДС между полостями цилиндра двигателя неизбежно возникают небольшие утечки рабочего тела (РТ) через неидеальные уплотнения вытеснителя, поршня, которые приводят к отклонению среднего давления РТ во внутренних полостях от требуемых значений.During the operation of the SPDS between the cavities of the engine cylinder, small leaks of the working fluid (RT) inevitably occur through imperfect seals of the displacer, piston, which lead to the deviation of the average pressure of the RT in the internal cavities from the required values.
Такое отклонение среднего давления РТ способно привести к изменениям среднего положения вытеснителя и поршня, что вызовет отклонение фазового смещения между вытеснителем и поршнем от расчетных значений. Данное отклонение способно привести к нарушению автоколебательного процесса СПДС вплоть до полной остановки двигателя, поэтому для создания эффективного двигателя и получения устойчивых выходных показателей необходимо обеспечить постоянные расчетные значения фазового смещения и среднего положения вытеснителя и поршня, что достигается путем циклового регулирования их взаимного положения. Следовательно, разработка и применение устройств регулирования, воздействующих непосредственно на поршень и вытеснитель, является актуальной задачей.Such a deviation of the average pressure RT can lead to changes in the average position of the displacer and the piston, which will cause a deviation of the phase displacement between the displacer and the piston from the calculated values. This deviation can lead to a violation of the self-oscillation process of the SPDS up to a complete stop of the engine, therefore, to create an effective engine and obtain stable output indicators, it is necessary to provide constant calculated values of the phase displacement and the average position of the displacer and piston, which is achieved by cyclically adjusting their relative position. Therefore, the development and application of control devices acting directly on the piston and displacer is an urgent task.
Из уровня техники известно устройство для регулирования среднего положения поршня в СПДС (US 4583364, МПК: F02G 1/043, 22.04.1986 г.), которое предотвращает отклонение среднего положения поршня, вызванное утечкой рабочего газа между рабочим пространством и буферной полостью цилиндра.The prior art device for controlling the average position of the piston in the SPDS (US 4583364, IPC:
В нем используется перепускной канал, расположенный в неподвижном штоке двигателя. Перепускной канал находится между рабочей и буферной полостью и гидравлически связывается с каналами в поршне и с газовой пружиной вытеснителя. Вытеснитель блокирует перепускной канал, чтобы предотвратить связь между буферной полостью и рабочим пространством, когда поршень движется в сторону буферной полости и открывает канал для обеспечения связи и компенсации утечек рабочего тела, когда поршень движется в сторону рабочего пространства.It uses a bypass located in a fixed engine rod. The bypass channel is located between the working and the buffer cavity and is hydraulically connected with the channels in the piston and with the gas spring of the displacer. The displacer blocks the bypass channel to prevent communication between the buffer cavity and the working space when the piston moves towards the buffer cavity and opens the channel to provide communication and compensate for leaks of the working fluid when the piston moves towards the working space.
Основным недостатком такого устройства центрирования являются насосные потери, вызванные необходимостью перемещения рабочего тела через регулирующие каналы на каждом рабочем ходе. Насосные потери приводят к дополнительным затратам энергии и в итоге снижают энергоэффективность двигателя.The main disadvantage of such a centering device is pumping losses caused by the need to move the working fluid through the control channels at each working stroke. Pumping losses result in additional energy costs and ultimately reduce the energy efficiency of the engine.
Другим известным решением для регулирования хода поршня является система с перепускным клапаном, предназначенным для предотвращения избыточного хода поршня в СПДС (US 4945726, МПК: F02G 1/0435, опубликованному 07.08.1990). В нем для улучшения рабочих параметров системы используется газовая пружина вытеснителя, полость которой соединена с золотниковым клапаном, имеющим механический, электрический или пневматический привод. Клапан предназначен для частичного открытия и закрытия канала в соответствующем устройстве, которое определяет амплитуду рабочего поршня. Таким образом, рабочее тело может перемещаться внутри газовой пружины вытеснителя в полость с более низким давлением для снижения жесткости газовой пружины. Уменьшение жесткости приводит к снижению усилия, развиваемого газовой пружиной, вследствие чего уменьшается фазовый сдвиг вытеснителя относительно поршня. Результатом регулирования становится снижение мощности двигателя и получение нового хода поршня, при котором исключается его соударение с элементами двигателя. При этом выполняются условия для резонансного колебания в условиях сниженной нагрузки.Another well-known solution for regulating the stroke of the piston is a system with a bypass valve designed to prevent excessive piston stroke in the SPDS (US 4945726, IPC: F02G 1/0435, published 07.08.1990). In it, to improve the operating parameters of the system, a gas displacer spring is used, the cavity of which is connected to a spool valve having a mechanical, electric or pneumatic drive. The valve is designed to partially open and close the channel in the corresponding device, which determines the amplitude of the working piston. Thus, the working fluid can move inside the gas spring of the displacer into the cavity with a lower pressure to reduce the stiffness of the gas spring. The decrease in stiffness leads to a decrease in the force developed by the gas spring, as a result of which the phase shift of the displacer relative to the piston is reduced. The result of regulation is a decrease in engine power and a new piston stroke, in which its collision with engine elements is excluded. In this case, the conditions for resonance oscillation under reduced load conditions are satisfied.
Однако решение, предложенное в этом аналоге, создает сложные условия для работы уплотнений газовой пружины вытеснителя, так как во время работы днище вытеснителя постоянно взаимодействует с горячим рабочим телом, находящимся в полости расширения. Несмотря на тонкую стенку корпуса вытеснителя, снижающую тепловой поток от днища вытеснителя к его основанию, область контакта уплотнения поршня газовой пружины и внутренней поверхности вытеснителя будет иметь достаточно высокую температуру. Данная особенность системы для обеспечения высокого ресурса работы СПДС способна усложнить или, применительно к высокотемпературным двигателям с максимальной температурой в полости расширения 600-700°С, сделать невозможным выбор уплотнений поршня газовой пружины.However, the solution proposed in this analogue creates difficult conditions for the gas displacer spring seals to work, since during operation the displacer bottom constantly interacts with a hot working fluid located in the expansion cavity. Despite the thin wall of the displacer housing, which reduces the heat flux from the displacer bottom to its base, the contact area of the gas spring piston seal and the inner surface of the displacer will have a sufficiently high temperature. This feature of the system to ensure a high service life of SPDS can complicate or, in relation to high-temperature engines with a maximum temperature in the expansion cavity of 600-700 ° C, make it impossible to select gas spring piston seals.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является устройство центрирования для свободнопоршневой машины (US 5873246, МПК: F02G 1/0435, опубликованному 23.02.1999), принятое нами за прототип. В варианте осуществления (фиг. 6 описания патента) устройство позволяет регулировать положение поршня при его отклонении от среднего значения в обоих направлениях. В состав устройства центрирования входит регулятор давления, состоящий из диафрагменного привода клапана и золотникового клапана двойного действия, газовые магистрали, соединяющие рабочую и буферную полость цилиндра двигателя с каналами клапана и его привода, и обратные клапаны, обеспечивающие однонаправленное движение рабочего тела.The closest analogue of the proposed utility model is a centering device for a free piston machine (US 5873246, IPC: F02G 1/0435, published 02.23.1999), which we adopted as a prototype. In the embodiment (Fig. 6 of the patent description), the device allows you to adjust the position of the piston when it deviates from the average value in both directions. The centering device includes a pressure regulator, consisting of a diaphragm valve actuator and a double-acting spool valve, gas lines connecting the working and buffer cavities of the engine cylinder to the valve channels and its actuators, and check valves providing unidirectional movement of the working fluid.
Среднее положение поршня смещается в сторону буферной полости, когда происходит утечка части рабочего тела в рабочую полость. Когда мгновенное и среднее давление в рабочей полости превышает мгновенное и среднее давление в буферной полости, регулятор давления перемещает золотниковый клапан и открывает канал, позволяя рабочему телу перетекать из рабочей полости в буферную полость через обратный клапан. Когда среднее положение поршня смещается в противоположном направлении, открытый золотниковый клапан соединяет полости, но обратный клапан обеспечивает движение рабочего тела только из буферной полости в рабочую полость.The middle position of the piston is shifted towards the buffer cavity when a part of the working fluid leaks into the working cavity. When the instantaneous and average pressure in the working cavity exceeds the instantaneous and average pressure in the buffer cavity, the pressure regulator moves the spool valve and opens the channel, allowing the working fluid to flow from the working cavity into the buffer cavity through the check valve. When the middle position of the piston is shifted in the opposite direction, an open spool valve connects the cavity, but the check valve provides movement of the working fluid only from the buffer cavity to the working cavity.
Для привода клапана в прототипе имеется диафрагменный привод, который не содержит демпфирующие или разгрузочные устройства, препятствующие паразитным колебаниям диафрагмы за счет сглаживания циклических максимумов давления, что можно отнести к недостатку прототипа. Функция демпфирования возложена на ограничители расхода, установленные в газовых трубках между рабочей и буферной полостью, или обеспечивается применением капиллярных газовых трубок.To drive the valve in the prototype there is a diaphragm actuator that does not contain damping or unloading devices that prevent spurious oscillations of the diaphragm due to smoothing of cyclic pressure maxima, which can be attributed to the disadvantage of the prototype. The damping function is assigned to flow restrictors installed in gas tubes between the working and buffer cavities, or is ensured by the use of capillary gas tubes.
Однако применение ограничителей расхода или капиллярных газовых трубок способно привести к увеличению времени отклика системы при стабилизации давления в рабочей и буферной полости, так как изменение мгновенного давления будет происходить с задержкой вследствие сопротивления этих элементов. Результатом этой особенности может быть снижение частоты регулирования, что приведет к возникновению вибраций или нестабильности работы двигателя.However, the use of flow restrictors or capillary gas tubes can lead to an increase in the response time of the system during stabilization of the pressure in the working and buffer cavities, since the change in instantaneous pressure will occur with a delay due to the resistance of these elements. The result of this feature may be a decrease in the frequency of regulation, which will lead to the occurrence of vibrations or instability of the engine.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на создание эффективного устройства регулирования положения вытеснителя и поршня СПДС с высокой точностью и быстродействием.The problem solved by the utility model is aimed at creating an effective device for regulating the position of the displacer and the SPDS piston with high accuracy and speed.
Технический результат заключается в повышении эффективности регулирования за счет дальнейшего увеличения быстродействия и точности регулирования для обеспечения равномерности работы и стабильности выходных показателей свободнопоршневого двигателя Стирлинга.The technical result consists in increasing the efficiency of regulation by further increasing the speed and accuracy of regulation to ensure uniform operation and stability of the output indicators of the Stirling free-piston engine.
Технический результат достигается тем, что устройство для регулирования свободнопоршневого двигателя Стирлинга, включающее в себя по меньшей мере расположенный в корпусе цилиндр с подвижными в нем поршнем и вытеснителем, имеющий полости сжатия и расширения рабочего тела и буферную полость, связанную газовой магистралью с полостью сжатия, содержащее автоматически управляемый перепускной клапан, установленный в газовой магистрали, связывающей буферную полость цилиндра с полостью сжатия, в отличие от прототипа выполнено с возможностью определения положения вытеснителя посредством индуктивного датчика, размещенного снаружи цилиндра, и определения положения поршня посредством датчика соответствующего типа, установленного относительно поршня определенным образом, и имеет размещенную во внутренней полости вытеснителя газовую пружину, выполненную с возможностью изменения ее жесткости во время работы посредством дополнительной газовой магистрали с встроенным в нее автоматически управляемым перепускным клапаном, которая соединяет полость газовой пружины с полостью сжатия, при этом оба упомянутых перепускных клапана имеют электромагнитные приводы с частотой срабатывания за один рабочий цикл двигателя, как минимум, один раз, управляемые по сигналам упомянутых датчиков определения положения поршня и вытеснителя посредством микропроцессорного контроллера.The technical result is achieved by the fact that the device for controlling the free-piston Stirling engine, including at least a cylinder located in the housing with movable piston and displacer, having compression and expansion cavities of the working fluid and a buffer cavity connected by a gas line to the compression cavity, containing an automatically controlled bypass valve installed in the gas line connecting the buffer cavity of the cylinder with the compression cavity, in contrast to the prototype, is configured to determining the position of the displacer by means of an inductive sensor located outside the cylinder, and determining the position of the piston by means of a sensor of a corresponding type installed relative to the piston in a certain way, and has a gas spring located in the internal cavity of the displacer, which is capable of changing its stiffness during operation by means of an additional gas line with an automatically controlled bypass valve integrated in it, which connects the cavity of the gas spring with the cavity compression, both of said relief valves are electromagnetic actuators with a frequency response in one working cycle of the engine, at least once, controlled by the signals of said sensors and determining the position of the displacer piston by means of the microprocessor controller.
Дополнительное отличие состоит в том, что определение положения поршня обеспечивается датчиком индуктивного или оптического типа, установленным с возможностью непосредственного определения перемещения поршня, либо по показаниям датчика, встроенного в служащую в двигателе в качестве нагрузки линейную электрическую машину.An additional difference is that the determination of the position of the piston is provided by an inductive or optical type sensor installed with the ability to directly determine the movement of the piston, or according to the readings of a sensor built into the linear electric machine serving as a load in the engine.
Устройство для регулирования свободнопоршневого двигателя по предложенной полезной модели обеспечивает высокую точность и быстродействие регулирования, что достигается за счет комплексного использования клапанов для перепуска РТ, электромагнитные приводы которых управляются посредством микропроцессорного контроллера, использующего информацию от датчиков положения вытеснителя и поршня.A device for regulating a free piston engine according to the proposed utility model provides high accuracy and speed of regulation, which is achieved through the integrated use of valves for bypassing the RT, the electromagnetic actuators of which are controlled by a microprocessor controller using information from the displacement and piston position sensors.
Функциональные возможности и алгоритм работы устройства регулирования обеспечивают быстрое и точное регулирование совместного движения вытеснителя и поршня, когда поддерживаются заданные: среднее положение и фазовое смещение вытеснителя и поршня, что позволяет достичь требуемой мощности свободнопоршневого двигателя и избежать ударов поршня и вытеснителя о корпусные элементы свободнопоршневого двигателя. Совокупность указанных преимуществ обеспечивает устойчивый автоколебательный процесс СПДС.The functionality and algorithm of operation of the control device provide quick and accurate regulation of the joint movement of the displacer and the piston when the specified: middle position and phase displacement of the displacer and piston are supported, which allows to achieve the required power of the free piston engine and to avoid impacts of the piston and displacer on the body elements of the free piston engine. The combination of these advantages provides a stable self-oscillation process of SPDS.
Полезная модель проиллюстрирована чертежом, на котором представлен общий вид устройства для регулирования свободнопоршневого двигателя Стерлинга (схема, пример).The utility model is illustrated by a drawing, which shows a General view of the device for controlling a free-piston Stirling engine (diagram, example).
Предлагаемое устройство регулирования предназначено для работы в составе СПДС, состоящего из корпуса 1, включающего неподвижный цилиндр 2, в котором совершают возвратно-поступательные движения вытеснитель 3 и поршень 4 с уплотнением 5 и механически связанной с ним линейной электрической машиной (ЛЭМ) 20 или другого вида нагрузкой, теплообменного контура 6, включающего в себя нагреватель с охладителем для нагрева и охлаждения рабочего тела и регенератор, обеспечивающий регенерацию тепла в двигателе, газовой пружины 7, объем которой образован штоком 8 с уплотнением 9 и внутренним объемом вытеснителя 3, буферной полости 10, объем которой ограничен корпусом 1 и поршнем 4, рабочей полости, состоящей из полости расширения 11, образованной вытеснителем 3 и верхней частью неподвижного цилиндра 2, и полости сжатия 12, заключенной между вытеснителем 3 и поршнем 4, причем уплотнение 5 выполняет герметичное разделение рабочей и буферной 10 полости, а внутренний канал 13, размещенный в штоке 8 газовой пружины 7, предназначен для подачи и выпуска рабочего тела.The proposed control device is designed to work as part of the SPDS, consisting of a
Совокупное действие газовой пружины 7, а также давления рабочего тела в полости расширения 11 и в полости сжатия 12 на вытеснитель 3, имеющий постоянную массу, образует его динамическую систему, обеспечивающую колебание вытеснителя 3 с необходимой частотой.The combined effect of the
Устройство регулирования СПДС включает в себя клапан 14 с электромагнитным приводом, установленный в газовой магистрали 15, гидравлически связывающей буферную полость 10 с полостью сжатия 12; клапан 16, расположенный в газовой магистрали 17, гидравлически связывающей полость сжатия 12 с газовой пружиной 7; индуктивный датчик 18 положения вытеснителя 3, установленный в проточке на внешней части цилиндра 2; датчик 19 положения поршня 4, встроенного в линейную электрическую машину 20 двигателя. Микропроцессорный контроллер 21 электрически связан с клапанами 14 и 16 и датчиками регулирования 18 и 19. При этом может быть использован датчик положения 19 поршня 4, обеспечивающий непосредственное определение перемещения поршня. В этом случае датчик положения 19, выполненный индуктивным или оптическим, устанавливается рядом с поршнем 4. Непосредственное определение перемещения поршня происходит за счет измерения выходного сигнала датчика 19 при изменении положения поршня 4.The control device SPDS includes a
Для описания работы устройства рассмотрены режимы работы свободнопоршневого двигателя, на которых осуществляется регулирование, и порядок действий, выполняемых во время регулирования, которые заключаются в:To describe the operation of the device, the operating modes of the free-piston engine, on which the regulation is carried out, and the order of actions performed during the regulation, which are:
- постоянном отслеживании изменения ряда параметров взаимного расположения вытеснителя 3 и поршня 4 двигателя (например, частота колебаний, среднее положение вытеснителя и поршня и фазовое смещение между ними);- constantly monitoring changes in a number of parameters of the mutual arrangement of the
- сравнении полученных данных этих параметров;- comparison of the data obtained for these parameters;
- корректировке параметров согласно принятому алгоритму.- adjustment of parameters according to the accepted algorithm.
Алгоритм регулирования включает действия, направленные на обеспечение необходимого среднего положения вытеснителя 3, рабочего поршня 4 и фазового угла между ними. Представленный алгоритм обеспечивает работу свободнопоршневого двигателя на стационарном режиме, когда нагрузка постоянна, и не затрагивает переходные режимы.The control algorithm includes actions aimed at ensuring the necessary average position of the
Перед запуском СПДС выполняется предварительная оценка нагрузки, которая будет оказываться на свободнопоршневой двигатель. В соответствии с нагрузкой выбираются требуемые значения амплитуд колебания вытеснителя 3 и поршня 4, фазового смещения между ними и прочие параметры свободнопоршневого двигателя, совокупное действие которых обеспечивает устойчивый автоколебательный процесс СПДС. Устанавливается необходимое среднее давление РТ в рабочей полости, состоящей из полостей расширения 11 и сжатия 12, и в газовой пружине 7 вытеснителя 3 и буферной полости 10 поршня 4.Before starting SPDS, a preliminary assessment of the load is performed, which will be on the free piston engine. In accordance with the load, the required values of the oscillation amplitudes of the
Запуск свободнопоршневого двигателя производится за счет внешнего возмущающего усилия, создаваемого ЛЭМ 20 или другим внешним источником и передаваемого поршню 4, при условии, что в полостях расширения 11 и сжатия 12 установлены необходимые температуры РТ. После завершения запуска свободнопоршневого двигателя в работу вступает устройство для регулирования.The free piston engine is started due to an external disturbing force created by the
Регулирование направлено на компенсацию утечек между полостями, вызванных неидеальными уплотнениями.Regulation aims to compensate for leaks between cavities caused by imperfect seals.
1. Регулирование среднего положения поршня1. Regulation of the average position of the piston
Положение поршня 4 определяется суммой действующих на него сил: нагрузкой со стороны потребителя, силой инерции и силой, вызванной давлением РТ в полости сжатия 12 и в буферной полости 10.The position of the
Поскольку рассматривается стационарный режим работы свободнопоршневого двигателя и масса поршня 4 постоянна, а давление РТ в рабочей полости изменяется по гармоническому закону, то для регулирования среднего положения поршня 4 во время рабочего цикла принято варьировать давление в буферной полости 10.Since we consider the stationary mode of operation of the free piston engine and the mass of the
Мгновенное положение поршня 4 отслеживается по сигналу датчика 19 микропроцессорным контроллером 21 в течение рабочего цикла постоянно. На основании данных с датчика 19 рассчитывается среднее положение поршня 4, отклонение от которого требует регулирования.The instantaneous position of the
Отклонение рабочего поршня 4 может происходить в двух направлениях:Deviation of the working
- в сторону полости сжатия 12 (ВМТ поршня), где ВМТ - верхняя мертвая точка, представляющая собой крайнее верхнее положение;- in the direction of the compression cavity 12 (TDC of the piston), where TDC is the top dead center, representing the extreme upper position;
- в сторону буферной полости 10 (НМТ поршня), где НМТ - нижняя мертвая точка, представляющая собой крайнее нижнее положение.- towards the buffer cavity 10 (BDC of the piston), where BDC is the bottom dead center, which represents the lowest position.
Далее рассматриваем 2 случая при движении рабочего поршня, когда требуется регулирование.Next, we consider 2 cases when the working piston moves, when regulation is required.
Смещение среднего положения поршня в сторону ВМТDisplacement of the average position of the piston towards TDC
Причиной данного смещения является перетекание РТ через уплотнение 5 поршня 4 из полости сжатия 12 в буферную полость 10, в результате чего давление в буферной полости 10 повышается.The reason for this displacement is the flow of RT through the
При движении поршня 4 в сторону НМТ из-за увеличения давления в буферной полости 10 повышается сила, направленная против движения поршня 4. В результате этого поршень 4 не доходит до расчетного значения НМТ и, изменив направление движения, начинает двигаться в сторону ВМТ. В итоге поршень переходит за точку расчетного значения ВМТ, что приводит к изменению среднего положения поршня.When the
Микропроцессорный контроллер 21 с помощью датчика положения 19 поршня определяет отклонение среднего положения поршня 4 и уже со следующего рабочего хода начинается регулирование.The
При следующем движении поршня 4 в направлении НМТ микропроцессорный контроллер 21 подает управляющий импульс на клапан 14 с электромагнитным приводом, который открывается и гидравлически связывает полость сжатия 12 с буферной полостью 10. Для эффективного перепуска РТ полное открытие клапана 14 с электромагнитным приводом должно происходить в точке с максимальным перепадом давления между полостями: буферной 10 и сжатия 12, то есть при положении поршня 4 в НМТ.During the next movement of the
При следующем прохождении поршня 4 через ВМТ микропроцессорным контроллером 21 вычисляется среднее положение поршня 4, которое затем сравнивается с параметрами данного нагрузочного режима. Если установлено, что поршень 4 снова вышел за пределы ВМТ, то действия по регулированию повторяются вновь.The next passage of the
Если при последующем вычислении среднего положения поршня 4 достигается требуемая величина, то при последующем движении поршня 4 клапан 14 остается закрытым.If during the subsequent calculation of the average position of the
Смещение среднего положения поршня в сторону НМТDisplacement of the average position of the piston towards the BDC
Причиной данного смещения является перетекание РТ через уплотнение 5 поршня 4 из буферной полости 10 в полость сжатия 12, в результате чего давление в буферной полости 10 снижается.The reason for this displacement is the flow of RT through the
При движении поршня 4 в сторону НМТ из-за снижения давления в буферной полости 10 уменьшается сила, направленная против движения поршня 4. В результате этого поршень 4 проходит точку расчетного значения НМТ. В итоге при обратном движении поршень 4 не доходит до точки расчетного значения ВМТ, что приводит к изменению среднего положения поршня 4.When the
Микропроцессорный контроллер 21 с помощью датчика положения 19 поршня 4 определяет отклонение его среднего положения и уже со следующего рабочего хода начинается регулирование.The
При движении поршня 4 в сторону ВМТ в конце его хода на электромагнитный привод клапана 14 микропроцессорным контроллером 21 подается управляющий импульс так, что открытие указанного клапана 14 происходит при положении поршня 4 в ВМТ. В этом случае полость сжатия 12 гидравлически связывается с буферной полостью 10 и за счет достаточного перепада давления, когда объем полости сжатия 12 минимальный, а объем буферной полости 10 максимален, происходит перетекание регулирующего объема РТ из полости сжатия 12 в буферную полость 10.When the
При следующем прохождении поршнем 4 НМТ микропроцессорным контроллером 21 вычисляется среднее положение поршня 4, которое сравнивается с параметрами данного нагрузочного режима. При очередном смещении среднего положения поршня 4 к НМТ действия по регулированию повторяются вновь.The next time the
Если при последующем вычислении среднего положения поршня 4 достигается требуемая величина, то при дальнейших колебаниях поршня 4 клапан 14 с электромагнитным приводом остается закрытым.If during the subsequent calculation of the average position of the
2. Регулирование среднего положения вытеснителя2. Regulation of the middle position of the displacer
Положение вытеснителя 3 определяется суммой действующих на него сил: силой, вызванной давлением РТ в полости расширения 11 и сжатия 12, силой инерции вытеснителя 3 и силой со стороны газовой пружины 7.The position of the
Поскольку масса вытеснителя 3 постоянна, а давление РТ в полостях: расширения 11 и сжатия 12, является гармонически изменяемой величиной, то для регулирования положения вытеснителя 3 в течение рабочего цикла принято варьировать давление в газовой пружине 7.Since the mass of the
Отклонение вытеснителя 3 может происходить в двух направлениях:The deviation of the
- в сторону полости расширения 11 (ВМТ вытеснителя) где: ВМТ - верхняя мертвая точка, представляющая собой крайнее верхнее положение;- in the direction of the expansion cavity 11 (TDC displacer) where: TDC - top dead center, which represents the extreme upper position;
- в сторону полости сжатия 12 (НМТ вытеснителя), где: НМТ - нижняя мертвая точка, представляющая собой крайнее нижнее положение.- towards the compression cavity 12 (BDC displacer), where: BDC - the bottom dead center, which represents the lowest position.
Далее рассматриваем два случая при движении вытеснителя 3, когда требуется регулирование.Next, we consider two cases when the
Смещение среднего положения вытеснителя в сторону ВМТDisplacement of the middle position of the displacer towards TDC
Смещение происходит в результате высокой жесткости газовой пружины 7, которая создает избыточное усилие при движении вытеснителя 3 в сторону ВМТ. Причиной увеличения жесткости газовой пружины 7 является перетекание РТ через уплотнение 9 штока 8 из полости сжатия 12 в газовую пружину 7.The displacement occurs as a result of the high stiffness of the
При движении вытеснителя 3 в сторону НМТ из-за увеличения давления в газовой пружине 7 повышается сила, действующая против движения вытеснителя 3. В результате этого вытеснитель 3, не достигнув расчетного значения НМТ, изменяет направление движения и начинает двигаться в сторону ВМТ. В итоге вытеснитель 3 проходит точку расчетного значения ВМТ, что приводит к изменению его среднего положения.When the
Микропроцессорный контроллер 21 с помощью датчика положения 18 вытеснителя 3 определяет отклонение его среднего положения, и уже со следующего рабочего хода начинается регулирование.The
При движении вытеснителя 3 в сторону НМТ микропроцессорный контроллер 21 подает управляющий импульс на клапан 16 с электромагнитным приводом, при открытии которого полость сжатия 12 и объем газовой пружины 7 гидравлически связываются. Для обеспечения эффективного перепуска РТ полное открытие указанного клапана 16 производится в точке с максимальным перепадом давления между полостью сжатия 12 и газовой пружиной 7, то есть при положении вытеснителя 3 в НМТ.When the
При следующем прохождении вытеснителя 3 через ВМТ микропроцессорным контроллером 21 вычисляется среднее положение вытеснителя 3, которое сравнивается с установленными параметрами. Если смещение вытеснителя 3 от его среднего положения фиксируется вновь, то на следующем рабочем ходе регулирования повторяются заново.At the next passage of the
Если при вычислении среднего положения вытеснителя 3 на следующем рабочем ходе достигается требуемая величина, то клапан 16 с электромагнитным приводом закрывается.If, when calculating the average position of the
Смещение среднего положения вытеснителя в сторону НМТThe displacement of the middle position of the displacer towards BDC
Причиной смещения является низкая жесткость газовой пружины 7, которая создает недостаточное усилие. Такого усилия пружины 7 недостаточно для возврата вытеснителя 3 на обратном ходе в его первоначальное положение.The reason for the displacement is the low stiffness of the
При движении вытеснителя 3 в сторону НМТ из-за снижения давления в газовой пружине 7 уменьшается сила, действующая против движения вытеснителя 3. В результате этого вытеснитель 3 выходит за пределы расчетной НМТ и при обратном движении не доходит до требуемой ВМТ, что приводит к изменению его среднего положения.When the
Микропроцессорный контроллер 21 с помощью индуктивного датчика положения 18 вытеснителя 3 определяет отклонение его среднего положения и уже со следующего рабочего хода начинается регулирование.The
При движении вытеснителя 3 в сторону ВМТ в конце его хода на электромагнитный привод клапана 16 микропроцессорным контроллером 21 подается управляющий импульс так, что открытие указанного клапана 16 происходит при положении вытеснителя 3 в ВМТ. В этом случае полость сжатия 12 гидравлически связывается с газовой пружиной 7 и за счет достаточного перепада давления, когда объем газовой пружины 7 максимален, происходит перетекание регулирующего объема РТ из полости сжатия 12 в газовую пружину 7.When the
При следующем прохождении вытеснителем 3 НМТ микропроцессорным контроллером 21 вычисляется среднее положение вытеснителя 3, которое сравнивается с параметрами данного нагрузочного режима. При очередном смещении среднего положения вытеснителя 3 к НМТ действия устройства для регулирования повторяются вновь.The next time the
Если при последующем вычислении среднего положения вытеснителя 3 достигается требуемая величина, то в дальнейшем клапан 16 остается закрытым.If during the subsequent calculation of the average position of the
Длительность открытия клапанов 14 и 16 с электромагнитными приводами подбирается экспериментально и зависит от среднего давления и вида используемого РТ, расходных характеристик запорного элемента клапанов и скоростного режима свободнопоршневого двигателя Стирлинга.The duration of the opening of
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015150556U RU171807U9 (en) | 2015-11-26 | 2015-11-26 | DEVICE FOR REGULATING FREE PISTON STIRLING ENGINE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015150556U RU171807U9 (en) | 2015-11-26 | 2015-11-26 | DEVICE FOR REGULATING FREE PISTON STIRLING ENGINE |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU171807U1 true RU171807U1 (en) | 2017-06-16 |
RU171807U9 RU171807U9 (en) | 2017-08-29 |
Family
ID=59068668
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015150556U RU171807U9 (en) | 2015-11-26 | 2015-11-26 | DEVICE FOR REGULATING FREE PISTON STIRLING ENGINE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU171807U9 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111089022A (en) * | 2018-10-23 | 2020-05-01 | 中国科学院理化技术研究所 | Free piston Stirling generator with stroke protection |
RU2811223C1 (en) * | 2022-08-11 | 2024-01-11 | Василий Иванович Котельников | Method of linear drive of displacement piston in stirling engine |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109974338B (en) * | 2019-03-06 | 2020-12-11 | 中国科学院理化技术研究所 | Phase modulator and thermoacoustic system |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4583364A (en) * | 1985-08-19 | 1986-04-22 | Sunpower, Inc. | Piston centering method and apparatus for free-piston Stirling engines |
US4945726A (en) * | 1989-08-23 | 1990-08-07 | Sunpower, Inc. | Leaky gas spring valve for preventing piston overstroke in a free piston stirling engine |
SU1745986A1 (en) * | 1990-01-12 | 1992-07-07 | Мгту Им.Н.Э.Баумана | Power plant |
US5873246A (en) * | 1996-12-04 | 1999-02-23 | Sunpower, Inc. | Centering system for free piston machine |
-
2015
- 2015-11-26 RU RU2015150556U patent/RU171807U9/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4583364A (en) * | 1985-08-19 | 1986-04-22 | Sunpower, Inc. | Piston centering method and apparatus for free-piston Stirling engines |
US4945726A (en) * | 1989-08-23 | 1990-08-07 | Sunpower, Inc. | Leaky gas spring valve for preventing piston overstroke in a free piston stirling engine |
SU1745986A1 (en) * | 1990-01-12 | 1992-07-07 | Мгту Им.Н.Э.Баумана | Power plant |
US5873246A (en) * | 1996-12-04 | 1999-02-23 | Sunpower, Inc. | Centering system for free piston machine |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111089022A (en) * | 2018-10-23 | 2020-05-01 | 中国科学院理化技术研究所 | Free piston Stirling generator with stroke protection |
RU2811223C1 (en) * | 2022-08-11 | 2024-01-11 | Василий Иванович Котельников | Method of linear drive of displacement piston in stirling engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU171807U9 (en) | 2017-08-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4881372A (en) | Stirling engine | |
JP5995971B2 (en) | Gamma-type free piston Stirling engine with opposed pistons | |
JP4580268B2 (en) | Free piston position measuring device and free piston control device | |
US4387568A (en) | Stirling engine displacer gas bearing | |
US7614240B2 (en) | Control method for pulse tube cryocooler | |
US4945726A (en) | Leaky gas spring valve for preventing piston overstroke in a free piston stirling engine | |
JPH0129983B2 (en) | ||
US20130247593A1 (en) | Pulse tube refrigerator and method of operating thereof | |
RU171807U9 (en) | DEVICE FOR REGULATING FREE PISTON STIRLING ENGINE | |
JP6554428B2 (en) | Stirling engine output adjustment device | |
US4856280A (en) | Apparatus and method for the speed or power control of stirling type machines | |
TW201944016A (en) | Pneumatic drive cryocooler | |
US4967558A (en) | Stabilized free-piston stirling cycle machine | |
US20120174585A1 (en) | Closed loop thermodynamic machine | |
KR100457460B1 (en) | Centering apparatus for free piston machine | |
EP0056398A4 (en) | Hermetic resonant piston posted displacer type stirling engine compressor alternator. | |
JP4277909B2 (en) | External combustion engine | |
JP2009281614A (en) | Free piston type stirling cycle machine | |
US4568251A (en) | Cyclic speed control apparatus in variable stroke machines | |
US3733974A (en) | Piston cylinder combination | |
WO2019230586A1 (en) | Stirling engine | |
KR20190090487A (en) | Method for adjusting internal pressure according to a change of environment and the stirling engine | |
US11976609B2 (en) | Stirling engine | |
RU2755967C1 (en) | Two-cylinder reciprocating compressor with autonomous liquid cooling | |
JP2718147B2 (en) | Stirling engine and output control method for stirling engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH1K | Reissue of utility model (1st page) | ||
TK1K | Correction to the publication in the bulletin (utility model) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG1K - IN JOURNAL: 17-2017 FOR TAG: (73) |
|
PC91 | Official registration of the transfer of exclusive right (utility model) |
Effective date: 20180221 |
|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20181127 |