CN113047949A - 一种基于pid闭环控制的分缸式自由活塞发电机 - Google Patents

一种基于pid闭环控制的分缸式自由活塞发电机 Download PDF

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Abstract

一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，属于动力能源技术领域。本发明解决了现有的分缸式自由活塞发电机发电效率低且结构强度及安全性差的问题。一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，它包括控制***、第一直线发电机组、第二直线发电机组、布置在第一直线发电机组两端的两个高压气缸以及布置在第二直线发电机组两端的两个低压气缸，燃烧后的工质先在高压气缸中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸中进行第二阶段膨胀，有效地提高了废气中的能量利用率，增加了膨胀功，提高自由活塞发电机的热效率和发电效率。采用控制***实现高压气缸与低压气缸的同步运动，减少了机械摩擦损失提高能量的利用率，提高了***的结构强度和安全性。

Description

一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机
技术领域
本发明涉及一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，属于动力能源技术领域。
背景技术
随着社会的不断发展，人们对能源的需求日益增多，能源问题已经成为制约各行各业进一步发展的主要问题。在各种形式的能源中，电能是被使用最为广泛的能源之一，而电能在车辆、船舶等行业中主要由柴油机提供。在传统的柴油机发电过程中，能源的传递形式先是由燃料的化学能经过柴油机燃烧转变成曲轴输出的机械能，然后再由这部分机械能带动电机进行发电，转变成电能。整个能源的转换过程经过了较多的步骤，同时伴随着柴油机复杂的机械结构损失掉很大一部分，因此整体发电效率较低。自由活塞发电机耦合了自由活塞发电机与直线电机的工作特点，简化了大部分的机械结构，从而可以有效降低机械结构摩擦等造成的损失，提升整体发电效率，相比于传统的内燃机发电过程具有更高的发电效率与经济性能，因此正在受到越来越多的关注。
针对普通的自由活塞发电机，因为取消了曲柄连杆结构，活塞与缸套之间的机械摩擦减小，机械效率得以提高，但是其缸内结构相比于普通内燃机没有太大改变，缸内工作循环与普通内燃机相同，因此整体燃烧的热效率没有提高。
为了提高自由活塞发电机的整体燃烧热效率，提出了分缸式热力循环***的工作循环模式。但通过曲柄连杆机构实现低压气缸活塞运动，不能利用低压气缸活塞运动所产生的机械能将其转换为电能，使自由活塞发电机发电效率的进一步优化受到了阻碍。
基于分缸式热力循环***的自由活塞发电机虽然实现了对低压气缸机械能的充分利用，但其依赖工作循环模式提高自由活塞发电机发电效率，自由活塞发电机工作循环的实现必须保证低压气缸与高压气缸活塞的同步运动，因此采用合理的方式实现高压气缸与低压气缸活塞的同步运动至关重要。
现有的基于分缸式热力循环***的自由活塞发电机采用机械传动方式实现高压气缸与低压气缸的同步运动，不仅增加了机械摩擦损失导致自由活塞发电机的发电效率降低，而且降低了***的结构强度和安全性。
发明内容
本发明是为了解决现有的分缸式自由活塞发电机发电效率低且结构强度及安全性差的问题，进而提供了一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，它包括控制***、第一直线发电机组、第二直线发电机组、布置在第一直线发电机组两端的两个高压气缸以及布置在第二直线发电机组两端的两个低压气缸，
其中所述第一直线发电机组包括壳体、活动穿装在壳体上的动子芯轴、固装在壳体内且同轴套设在动子芯轴外部的定子线圈以及同轴固装在动子芯轴上且位于定子线圈与动子芯轴之间的发电机动子；第二直线发电机组与第一直线发电机组的结构组成相同；
每个所述高压气缸均包括高压缸体及高压活塞，高压缸体的封闭端安装有喷油器、高压进气阀及高压排气阀，两个高压活塞分别与第一直线发电机组的动子芯轴两端固接，每个所述低压气缸均包括低压缸体及低压活塞，低压缸体的封闭端安装有低压进气阀、低压排气阀、废气进气口及空气出口阀，两个低压活塞分别与第二直线发电机组的动子芯轴两端固接，位于同侧的高压气缸上的高压进气阀与低压气缸上的空气出口阀之间均连接设置有中冷器，位于同侧的高压气缸上的高压排气阀与低压气缸上的废气进气口之间连接设置有废气连通管；
所述控制***包括第一位移传感器、第二位移传感器及PID控制器，其中所述第一位移传感器安装在第一直线发电机组的动子芯轴上，所述第二位移传感器安装在第二直线发电机组的动子芯轴上，所述PID控制器与第一位移传感器、第二位移传感器及第二直线发电机组中的定子线圈之间分别相连。
进一步地，每个直线发电机组中，发电机动子的两端与壳体之间分别固装有弹簧。
进一步地，每个高压缸体上安装的高压进气阀的数量为两个。
进一步地，低压气缸与高压气缸的行程相同。
进一步地，高压缸体的体积及内径均小于低压缸体的体积及内径。
进一步地，高压活塞上及低压活塞上均安装有活塞环。
进一步地，高压缸体与低压缸体上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器及压力传感器。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
空气先在内燃机组中的低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸中进行第二阶段压缩，有效地提高了内燃机的进气压力，有利于提高工作过程平均有效压力，从而提高自由活塞发电机的热效率与发电效率。
燃烧后的工质先在高压气缸中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸中进行第二阶段膨胀，有效地提高了废气中的能量利用率，增加了膨胀功，进一步提高自由活塞发电机的热效率和发电效率。
采用控制***实现高压气缸与低压气缸的同步运动，减少了机械摩擦损失提高能量的利用率，同时提高了***的结构强度和安全性。
附图说明
图1为本申请的主视示意图；
图2为内燃机组中高压气缸与低压气缸之间的连接示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1及图2说明本实施方式，一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，它包括控制***、第一直线发电机组、第二直线发电机组、布置在第一直线发电机组两端的两个高压气缸以及布置在第二直线发电机组两端的两个低压气缸，
其中所述第一直线发电机组包括壳体2、活动穿装在壳体2上的动子芯轴4、固装在壳体2内且同轴套设在动子芯轴4外部的定子线圈1以及同轴固装在动子芯轴4上且位于定子线圈1与动子芯轴4之间的发电机动子3；第二直线发电机组与第一直线发电机组的结构组成相同；
每个所述高压气缸均包括高压缸体14及高压活塞15，高压缸体14的封闭端安装有喷油器16、高压进气阀13及高压排气阀17，两个高压活塞15分别与第一直线发电机组的动子芯轴4两端固接，每个所述低压气缸均包括低压缸体8及低压活塞9，低压缸体8的封闭端安装有低压进气阀6、低压排气阀7、废气进气口11及空气出口阀10，两个低压活塞9分别与第二直线发电机组的动子芯轴4两端固接，位于同侧的高压气缸上的高压进气阀13与低压气缸上的空气出口阀10之间均连接设置有中冷器12，位于同侧的高压气缸上的高压排气阀17与低压气缸上的废气进气口11之间连接设置有废气连通管18；
所述控制***包括第一位移传感器20、第二位移传感器21及PID控制器19，其中所述第一位移传感器20安装在第一直线发电机组的动子芯轴4上，所述第二位移传感器21安装在第二直线发电机组的动子芯轴4上，所述PID控制器19与第一位移传感器20、第二位移传感器21及第二直线发电机组中的定子线圈1之间分别相连。
第二直线发电机组与第一直线发电机组的结构组成相同，但具体参数不同，如：二者动子芯轴直径不同，线圈数量不同。其中第二直线发电机组的动子芯轴直径更大，是为了方便与较大尺寸的低压活塞连接，第二直线发电机组的线圈数量较少，是为了在发电机作为电动机时减少对电能的损耗。
工作原理：
高压气缸、低压气缸、中冷器及废气连通管构成内燃机组。
内燃机组带动动子芯轴4运动，发电机动子3切割定子线圈1产生的磁感线，进行发电。
空气从低压进气阀6进入低压缸体8，在低压活塞9的作用下实现第一阶段压缩，压缩空气从空气出口阀10进入中冷器12冷却。
中冷器12中的压缩空气通过高压进气阀13进入高压缸体14，在高压活塞15的作用下进行第二阶段压缩。
压缩过程完成后，喷油器16喷入燃油，高压缸体14中发生燃烧过程，燃气推动高压活塞15进行第一阶段膨胀，膨胀后燃气通过高压排气阀17流出至废气连通管18，再通过废气进气口11流入到低压缸体8中推动低压活塞9进行第二阶段膨胀，最终完成膨胀后的燃气通过低压排气阀7排出到外界环境中。
高压气缸采用压燃式方法，在喷油后使混合气自燃。
空气先在低压气缸组进行第一阶段压缩，又在高压气缸中进行第二阶段压缩，有效地提高了内燃机的进气压力，有利于提高工作过程平均有效压力，从而提高自由活塞发电机的热效率与发电效率。
燃烧后的工质先在高压气缸中进行第一阶段膨胀，然后又在低压气缸中进行第二阶段膨胀，有效地提高了废气中的能量利用率，增加了膨胀功，进一步提高自由活塞发电机的热效率和发电效率。
两个位移传感器将两个动子芯轴4的运动情况反馈给PID控制器19,如果两个动子芯轴4运动同步，则第一直线发电机组中的定子线圈1向外输电，第一直线发电机组作为发电机运转，如果两个动子芯轴4运动不同步，则向第一直线发电机组中的定子线圈1送电，第一直线发电机组作为电动机运转，通过将两个动子芯轴4的运动情况实时反馈给PID控制器19，PID控制器19控制向第一直线发电机组中的定子线圈1送电电流，实现第一直线发电机组中的动子芯轴4的运动速度调整，进一步实现两个动子芯轴4运动同步。
采用控制***实现高压气缸与低压气缸的同步运动，减少了机械摩擦损失提高能量的利用率，同时提高了***的结构强度和安全性。
每个直线发电机组中，发电机动子3的两端与壳体2之间分别固装有弹簧5。如此设计，通过弹簧5实现对发电机动子3的运动进行限位，由于动子芯轴与活塞固接，因此还可以实现对活塞的运动限位。
每个高压缸体14上安装的高压进气阀13的数量为两个。如此设计，提高高压缸体14容积效率。
低压气缸与高压气缸的行程相同。
高压缸体14的体积及内径均小于低压缸体8的体积及内径。本申请的发电机处于高温环境，负责燃烧的高压气缸体积与表面积较小，能够降低工作过程的传热损失，提高能量利用率。
高压活塞15上及低压活塞9上均安装有活塞环。如此设计，提高缸内润滑效果，防止空气与燃气泄漏。
高压缸体14与低压缸体8上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器及压力传感器。如此设计，有效监测缸体内的工作状态。

Claims (7)

1.一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，其特征在于：它包括控制***、第一直线发电机组、第二直线发电机组、布置在第一直线发电机组两端的两个高压气缸以及布置在第二直线发电机组两端的两个低压气缸，
其中所述第一直线发电机组包括壳体(2)、活动穿装在壳体(2)上的动子芯轴(4)、固装在壳体(2)内且同轴套设在动子芯轴(4)外部的定子线圈(1)以及同轴固装在动子芯轴(4)上且位于定子线圈(1)与动子芯轴(4)之间的发电机动子(3)；第二直线发电机组与第一直线发电机组的结构组成相同；
每个所述高压气缸均包括高压缸体(14)及高压活塞(15)，高压缸体(14)的封闭端安装有喷油器(16)、高压进气阀(13)及高压排气阀(17)，两个高压活塞(15)分别与第一直线发电机组的动子芯轴(4)两端固接，每个所述低压气缸均包括低压缸体(8)及低压活塞(9)，低压缸体(8)的封闭端安装有低压进气阀(6)、低压排气阀(7)、废气进气口(11)及空气出口阀(10)，两个低压活塞(9)分别与第二直线发电机组的动子芯轴(4)两端固接，位于同侧的高压气缸上的高压进气阀(13)与低压气缸上的空气出口阀(10)之间均连接设置有中冷器(12)，位于同侧的高压气缸上的高压排气阀(17)与低压气缸上的废气进气口(11)之间连接设置有废气连通管(18)；
所述控制***包括第一位移传感器(20)、第二位移传感器(21)及PID控制器(19)，其中所述第一位移传感器(20)安装在第一直线发电机组的动子芯轴(4)上，所述第二位移传感器(21)安装在第二直线发电机组的动子芯轴(4)上，所述PID控制器(19)与第一位移传感器(20)、第二位移传感器(21)及第二直线发电机组中的定子线圈(1)之间分别相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，其特征在于：每个直线发电机组中，发电机动子(3)的两端与壳体(2)之间分别固装有弹簧(5)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，其特征在于：每个高压缸体(14)上安装的高压进气阀(13)的数量为两个。
4.根据权利要求3所述的一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，其特征在于：低压气缸与高压气缸的行程相同。
5.根据权利要求4所述的一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，其特征在于：高压缸体(14)的体积及内径均小于低压缸体(8)的体积及内径。
6.根据权利要求1所述的一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，其特征在于：高压活塞(15)上及低压活塞(9)上均安装有活塞环。
7.根据权利要求1所述的一种基于PID闭环控制的分缸式自由活塞发电机，其特征在于：高压缸体(14)与低压缸体(8)上均安装有气缸盖，且每个气缸盖上均装有温度传感器及压力传感器。
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