JP2005155345A - フリーピストンエンジンおよびこれを用いた発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 体格の大型化を招くことなく振動が低減され、耐久性および効率の高いフリーピストンエンジンおよびこれを用いた発電装置を提供する。
【解決手段】 第一板ばね部５１および第二板ばね部５２により、第一ピストン３１に接続する第一シャフト４１、および第二ピストン３２に接続する第二シャフト４２をハウジング２１に支持している。そのため、第一シャフト４１および第二シャフト４２は軸方向への移動が許容されるとともに、径方向への移動および周方向への回転が規制される。第一板ばね部５１および第二板ばね部５２は第一シャフト４１または第二シャフト４２に軸方向へ二か所ずつ設置されている。そのため、第一シャフト４１および第二シャフト４２の傾斜は低減される。したがって、第一ピストン３１および第二ピストン３２とシリンダ２２との接触および摩耗が防止され、耐久性を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フリーピストンエンジン、およびこれを用いた発電装置に関する。

従来、クランク、コンロッドおよびピストンピン軸受けなどが不要で小型化が可能なエンジンとして、フリーピストンエンジンが知られている。また、フリーピストンエンジンを動力源として用いる発電装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に開示されているフリーピストンエンジンは、軸方向の中央部に配置されている磁石部と、両端部に配置されているピストンとを有するシャフトを備えている。このフリーピストンエンジンの場合、両端部のピストンがそれぞれ収容されているシリンダにおいて、燃料を含むガスを交互に爆発させることにより、磁石部は軸方向へ往復移動する。

また、上述とは異なる形式として、対向する二つのピストンを一つのシリンダの内部に収容し、ピストンの背部に圧力室を設置するフリーピストンエンジンが公知である（特許文献２参照）。対向するピストンの間で燃料を含むガスを爆発させることにより軸方向の一方への駆動力が得られる。このとき、ピストンの背部の圧力室に充填されているガスは圧縮されるため、ピストンを逆方向へ押し付ける。これにより、ピストンは燃焼室へ押し戻され往復駆動される。
さらに、コイルばねによってピストンを押し戻す力を発生させるスターリングサイクルの外燃機関によるフリーピストンエンジンも公知である（特許文献３参照）。
特開２００１−２４１３０２号公報 米国特許第３３７０５７６号明細書 米国特許第４４５０６８５号明細書

ところで、ピストンの往復移動を継続するためには、燃焼室における燃焼行程の後に、ピストンを燃焼室方向へ押し戻す力を与える手段が必要となる。特許文献１に開示されている技術のように両端部の燃焼室で交互に燃焼行程を行う場合、一方の燃焼室における燃焼行程によってピストンを他方の燃焼室へ押し戻すことができる。しかしながら、二つの燃焼室から構成される二気筒のフリーピストンエンジンの場合、爆発による周期的な振動を低減することは困難である。そのため、フリーピストンエンジンの気筒数を増加し、発生する振動を相殺する必要がある。その結果、多気筒化にともなうフリーピストンエンジンの大型化を招き、小型化を図るというフリーピストンエンジンのメリットが達成されない。

特許文献２に開示されている技術のように二つのピストンを一つのシリンダの内部に対向して配置する場合、二つのピストンはそれぞれ逆位相で往復移動するため、発生する振動を低減することができる。しかしながら、二つのピストンを逆位相で往復移動させるためには、燃焼行程において移動したピストンを燃焼室側へ押し戻す手段が必要となる。圧力室に充填されているガスによりピストンを押し戻す場合、圧力室内のガスが圧縮および膨張するごとに、ピストンの運動エネルギーは熱エネルギーに変換されて放出される。その結果、燃焼室におけるガスの爆発によるエネルギーを効率よく取り出すことができない。また、ガスは、ピストンの変位量に対する反力が非線形であるとともに、温度や圧力によって特性が変化する。さらに、圧力室にガスを補充する手段、および圧力室のガスの圧力を制御する弁手段などを必要とする。その結果、フリーピストンエンジンの制御が困難であるとともに、体格の大型化および構造の複雑化を招く。

特許文献１、２または３に開示されている技術では、ピストンの移動をシリンダとの摺動によって案内している。そのため、ピストンとシリンダとの接触面において摩耗が生じやすく、耐久性の低下を招きやすい。
さらに、上記の特許文献１、２または３に開示されている技術では、ピストンの周方向への回転を規制することが困難である。そのため、フリーピストンエンジンを例えば発電機の動力源として用いる場合、ピストンに接続するシャフトには磁石部を周方向へ均等に円筒状に設置する必要がある。磁石部を円筒状に設置すると、モータ発電機から電力または駆動力を発生する際、磁界の変化を生じる面積が低下し、効率の低下を招く。一方、磁界の変化を生じる面積を拡大するには、磁石部の直径を拡大する必要がある。そのため、体格の大型化、および重量の増加を招く。

そこで、本発明の目的は、体格の大型化を招くことなく振動が低減され、耐久性の高いフリーピストンエンジンを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、体格の大型化を招くことがなく、出力の増大が図られる発電装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、第一ばね手段および第二ばね手段は燃焼室における爆発により第一ピストンおよび第二ピストンが得たエネルギーの一部を弾性エネルギーとして蓄積する。そして、第一ばね手段および第二ばね手段は、蓄積したエネルギーを運動エネルギーに回生して第一ピストンおよび第二ピストンを燃焼室方向へ押し戻す。そのため、エネルギーの損失が低減される。したがって、効率を高めることができる。また、第一ピストンおよび第二ピストンは対向して設置されているので、第一ピストンおよび第二ピストンの移動にともなう振動は相殺される。そのため、振動を低減するためにシリンダを増加する必要はない。さらに、第一ピストンは第一ばね手段に支持され、第二ピストンは第二ばね手段に支持されている。そのため、第一ピストンおよび第二ピストンとシリンダを形成するハウジングとの接触、ならびに接触にともなう摩耗は低減される。したがって、体格の大型化を招くことなく振動を低減することができるとともに、耐久性を高めることができる。

請求項２記載の発明では、第一ばね手段および第二ばね手段は平行板ばね部を有している。これにより、第一ピストンおよび第二ピストンの移動方向、すなわち軸方向については十分に弾性変形し、第一ピストンおよび第二ピストンのストロークを許容する。一方、平行板ばね部は、第一ピストンおよび第二ピストンの径方向への移動、および周方向への回転については制限する。そのため、第一ピストンおよび第二ピストンとシリンダを形成するハウジングとの接触、ならびに接触にともなう摩耗は低減される。したがって、耐久性を高めることができる。また、第一ピストンおよび第二ピストンとハウジングとは接触しないため、第一ピストンおよび第二ピストンとシリンダを形成するハウジングとの間の潤滑は不要となる。例えば２ストロークエンジンを潤滑油で潤滑する場合、潤滑油は燃焼室において燃料とともに燃焼する。そのため、潤滑油を定期的に補給する必要がある。請求項２記載の発明では、第一ピストンおよび第二ピストンとハウジングとの間の潤滑は不要である。そのため、潤滑油の補給をする必要がなく、維持を容易にすることができる。

請求項３記載の発明では、平行板ばね部は第一シャフトおよび第二シャフトの軸方向へ複数設置されている。そのため、平行板ばね部を積層して一括して配置する場合と比較して、各平行板ばね部の加工および精度の確保が容易である。したがって、平行板ばね部の加工工数を低減することができる。また、平行板ばね部を第一シャフトおよび第二シャフトの軸方向において複数の位置に設置することにより、第一シャフトおよび第二シャフトは安定して支持され、軸に対する傾斜が低減される。そのため、第一シャフトに接続する第一ピストンおよび第二シャフトに接続する第二ピストンの傾斜が低減され、第一ピストンおよび第二ピストンとシリンダとの接触が低減される。したがって、耐久性を高めることができる。

請求項４記載の発明では、第一振動系と第二振動系とは変位量が一致し、かつ逆位相で振動する。これにより、第一振動系および第二振動系から生じる振動は互いに相殺される。したがって、体格の大型化を招くことなく、振動を低減することができる。ここで、本明細書中において、「変位量」とは、第一ピストンおよび第二ピストンの上死点から下死点側への移動量をいう。そのため、第一ピストンおよび第二ピストンは、上死点にあるとき「変位量」が最小となり、下死点にあるとき「変位量」が最大となる。

請求項５記載の発明では、吸気手段と排気手段とは燃焼室の内部においてガスがユニフロー掃気を形成可能に配置されている。そのため、例えば２ストロークによる作動を採用した場合、混合ガスと燃焼ガスとは効率よく入れ換えられる。したがって、燃焼効率を高めることができる。
請求項６記載の発明では、吸気手段および排気手段は弁手段を有している。第一ピストンおよび第二ピストンの変位量に応じて弁手段を開閉することにより、適切な時期に混合ガスの供給、および燃焼ガスの排出が行われる。したがって、燃焼効率を高めることができる。
請求項７記載の発明では、点火手段は検出手段が検出した第一ピストンおよび第二ピストンの変位量に同期して燃焼室に供給された混合ガスに点火する。そのため、混合ガスの掃気着火、着火遅れ、あるいは失火などの異常燃焼が防止される。したがって、燃焼効率を高めることができる。

請求項８記載の発明では、請求項１から７のいずれか記載のフリーピストンエンジンを備えている。例えば、フリーピストンエンジンで駆動される発電機としてリニアモータ発電機を採用する場合、可動子と固定子との間には磁力による大きな吸引力や反発力が生じる。そのため、発電機として好適な磁気回路を形成するためには、発生する吸引力や反発力に打ち勝って可動子と固定子との隙間を精密に保持する必要がある。ピストンとシリンダとの摺動によって移動を案内する場合、吸引力や反発力によって可動子と固定子との間の隙間が保持されず、ピストンとシリンダとは強く接触するおそれがある。この場合、摩擦力の増加、およびエネルギーの損失の増大を招くとともに、部分的な摩耗の進行にともなうガス漏れなどを招くおそれがある。そこで、請求項８記載の発明では、第一ばね手段および第二ばね手段により第一ピストンおよび第二ピストンは保持されている。そのため、第一ピストンおよび第二ピストンとシリンダとの接触、ならびに接触にともなう摩耗は低減される。また、第一ピストンおよび第二ピストンの周方向の回転が制限されるため、第一可動子および第二可動子の形状の自由度は高められる。これにより、第一可動子および第二可動子は円筒状以外の形状に成形可能である。したがって、小型化および放熱性の向上、ならびに軽量化および出力向上を図ることができる。

請求項９または１０記載の発明では、第一リニアモータ発電機および第二リニアモータ発電機の磁界を調整することにより、第一ピストンおよび第二ピストンの変位量あるいは振動周波数を一定に制御している。したがって、フリーピストンエンジンの運転状態を負荷状況に応じて適切に調整することができ、運転状態の変動を低減することができる。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるフリーピストンエンジンを適用した発電装置を図１に示す。第１実施形態による発電装置１０は、フリーピストンエンジンに負荷を加える負荷手段としてリニアモータ発電機を備えている。第１実施形態による発電装置１０は、例えば外部の図示しないバッテリーを介してモータなどに接続されている。発電装置１０は、例えば小型の車両の動力源、あるいはシリース型ハイブリッド車両の動力源として適用される。

発電装置１０は、一体に構成されているフリーピストンエンジン２０と、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０とを備えている。また、発電装置１０は、制御部１１、混合ガス生成部１２および点火手段としての点火プラグ１３を備えている。制御部１１は、フリーピストンエンジン２０、第一リニアモータ発電機１１０、第二リニアモータ発電機２１０、混合ガス生成部１２および点火プラグ１３など発電装置１０の全体を制御する。

混合ガス生成部１２は、燃料および空気から所定の空燃比の混合ガスを生成する。制御部１１は、混合ガス生成部１２で生成する混合ガスの空燃比を制御するとともに、混合ガス生成部１２からフリーピストンエンジン２０に供給される混合ガスの供給量を制御する。本実施形態の場合、フリーピストンエンジン２０の燃料は例えば水素やメタンなどの気体燃料が用いられる。なお、燃料としては、水素やメタンに限らず、ブタンやプロパンなどの可燃性の気体、あるいはガソリンや軽油など可燃性の液体を用いることができる。

フリーピストンエンジン２０は、ハウジング２１、第一ピストン３１、第二ピストン３２、第一シャフト４１および第二シャフト４２、ならびに第一ばね手段としての第一板ばね部５１および第二ばね手段としての第二板ばね部５２を備えている。第一ピストン３１、第一シャフト４１および第一板ばね部５１は、第一駆動系を構成している。第二ピストン３２、第二シャフト４２および第二板ばね部５２は、第二駆動系を構成している。ハウジング２１は筒状の内壁面によりシリンダ２２を形成している。第一ピストン３１および第二ピストン３２は、シリンダ２２の内部に軸方向へ往復移動可能に収容されている。第一ピストン３１と第二ピストン３２とは対向して設置されている。第一シャフト４１は第一ピストン３１の反燃焼室側に接続されている。第二シャフト４２は第二ピストン３２の反燃焼室側に接続されている。第一ピストン３１の第二ピストン３２と対向する端面と、第二ピストン３２の第一ピストン３１と対向する端面と、シリンダ２２を形成するハウジング２１の内壁面とは、燃焼室２３を形成する。燃焼室２３は、第一ピストン３１および第二ピストン３２の軸方向への移動にともなって容積が変化する。

燃焼室２３は吸気口２４および排気口２５を有している。第一ピストン３１は、反燃焼室側においてハウジング２１との間に第一副室６１を形成する。また、第二ピストン３２は、反燃焼室側においてハウジング２１との間に第二副室６２を形成する。燃焼室２３に開口する吸気口２４は、吸気通路７１、第一副室６１、第二副室６２および吸気通路７２を経由して混合ガス生成部１２に接続している。これにより、混合ガス生成部１２で生成した混合ガスは、吸気口２４から燃焼室２３へ供給される。吸気口２４、吸気通路７１および吸気通路７２は請求項に記載の吸気手段を構成している。排気口２５は、排気通路７３を経由してフリーピストンエンジン２０の外部に接続している。排気口２５および排気通路７３は請求項に記載の排気手段を構成している。点火プラグ１３は、燃焼室２３に設置されている。点火プラグ１３には、制御部１１から所定のタイミングで点火制御信号が印加される。点火プラグ１３は、点火制御信号に基づいて燃焼室２３に吸入された混合ガスに点火する。第一ピストン３１および第二ピストン３２の外径は、シリンダ２２を形成するハウジング２１の内径よりもわずかに小さい。そのため、燃焼室２３、第一副室６１および第二副室６２は、第一ピストン３１および第二ピストン３２とハウジング２１とにより気密が保たれる。

第一板ばね部５１は、第一ピストン３１の反燃焼室側において第一シャフト４１に接続している。第一板ばね部５１は、第一ピストン３１および第一シャフト４１を軸方向へ往復移動可能にハウジング２１に支持している。第一板ばね部５１は、第一ピストン３１および第一シャフト４１の変位量に応じた力を、変位方向とは逆方向に第一ピストン３１および第一シャフト４１に加える。すなわち、第一板ばね部５１は、第一ピストン３１が図１に示す位置により燃焼室２３側に位置するとき第一ピストン３１および第一シャフト４１を反燃焼室側へ押し付け、図１に示す位置より反燃焼室側に位置するとき第一ピストン３１および第一シャフト４１を燃焼室２３側へ押し付ける。

第二板ばね部５２は、第一板ばね部５１と同様に第二ピストン３２の反燃焼室側において第二シャフト４２に接続している。第二板ばね部５２は、第二ピストン３２および第二シャフト４２を軸方向へ往復移動可能にハウジング２１に支持している。第二板ばね部５２は、第二ピストン３２および第二シャフト４２の変位量に応じた力を、変位方向とは逆方向に第二ピストン３２および第二シャフト４２に加える。すなわち、第二板ばね部５２は、第二ピストン３２が図１に示す位置により燃焼室２３側に位置するとき第二ピストン３２および第二シャフト４２を反燃焼室側へ押し付け、図１に示す位置より反燃焼室側に位置するとき第二ピストン３２および第二シャフト４２を燃焼室２３側へ押し付ける。

第一板ばね部５１は、第一シャフト４１の軸方向へ二か所設置されているばね群５１１およびばね群５１２を有している。また、第二板ばね部５２は、第二シャフト４２の軸方向へ二か所設置されているばね群５２１およびばね群５２２を有している。ここで、ばね群５１１、ばね群５１２、ばね群５２１およびばね群５２２は、請求項に記載の平行板ばね部に対応する。

第一板ばね部５１を構成するばね群５１１およびばね群５１２、ならびに第二板ばね部５２を構成するばね群５２１およびばね群５２２は、それぞれ複数の板ばねを有している。ばね群５１１、５１２、５２１、５２２は、概ね平行に積層されている複数の板ばねを有している。第一板ばね部５１は、第一シャフト４１とハウジング２１とを硬く結合している。そのため、第一板ばね部５１は、第一シャフト４１およびハウジング２１に固定されている。同様に、第二板ばね部５２は、第二シャフト４２とハウジング２１とを硬く結合している。そのため、第二板ばね部５２は、第二シャフト４２およびハウジング２１に固定されている。これにより、第一板ばね部５１および第二板ばね部５２は、第一シャフト４１および第二シャフト４２の軸方向への移動を許容するとともに、第一シャフト４１および第二シャフト４２の径方向への移動、ならびに周方向への回転を制限する。

第一板ばね部５１は軸方向に二か所のばね群５１１およびばね群５１２を有し、第二板ばね部５２は軸方向に二か所のばね群５２１およびばね群５２２を有している。これにより、第一シャフト４１および第二シャフト４２は、軸方向の二か所で支持される。第一シャフト４１および第二シャフト４２を軸方向の二か所で支持することにより、第一シャフト４１および第二シャフト４２は中心軸に対する傾斜が低減する。また、複数のばね群から第一板ばね部５１および第二板ばね部５２を構成することにより、一つのばね群あたりに板ばねの数を低減することができる。これにより、ばね群を構成する板ばねに高い加工精度を必要とせず、加工工数を低減することができる。

第一リニアモータ発電機１１０は、第一可動子１１１および第一固定子１２１を有している。第一可動子１１１は、非磁性の第一シャフト４１に設置されている永久磁石１１２を有している。第一可動子１１１は、第一シャフト４１とともに軸方向へ往復移動する。第一可動子１１１の永久磁石１１２は、図２に示すように第一シャフト４１から放射状に突出して設置されている。第一可動子１１１は、図１に示すように第一シャフト４１の軸方向において第一板ばね部５１のばね群５１１とばね群５２１との間に配置されている。第一固定子１２１は、第一可動子１１１の外周側を覆って配置されている。第一固定子１２１は、ヨーク１２２に固定されているコイル１２３を有している。ヨーク１２２は、ハウジング２１に固定されている。なお、ヨーク１２２はハウジング２１と一体に形成してもよい。また、第一可動子１１１の永久磁石１１２は、非磁性の第一シャフト４１の一部を磁化することにより、第一シャフト４１と一体に形成してもよい。

第二リニアモータ発電機２１０は、第二可動子２１１および第二固定子２２１を有している。第二可動子２１１は、非磁性性の第二シャフト４２に設置されている永久磁石２１２を有している。第二可動子２１１は、第二シャフト４２とともに軸方向へ往復移動する。第二可動子２１１の永久磁石２１２は、図１に示す第一可動子１１１の永久磁石１１２と同様に第二シャフト４２から放射状に突出して設置されている。第二可動子２１１は、第二シャフト４２の軸方向において第二板ばね部５２のばね群５２１とばね群５２２との間に配置されている。第二固定子２２１は、第二可動子２１１の外周側を覆って配置されている。第二固定子２２１は、ヨーク２２２に固定されているコイル２２３を有している。ヨーク２２２は、ハウジング２１に固定されている。なお、ヨーク２２２はハウジング２１と一体に形成してもよい。また、第二可動子２１１の永久磁石２１２は、非磁性の第二シャフト４２の一部を磁化することにより、第二シャフト４２と一体に形成してもよい。

第一リニアモータ発電機１１０の第一固定子１２１および第二リニアモータ発電機２１０の第二固定子２２１は、制御部１１と電気的に接続している。第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０から電力が発生するとき、すなわち発電機として機能するとき、制御部１１は第一固定子１２１および第二固定子２２１から出力された電力を図示しない外部のバッテリーへ供給する。一方、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０から駆動力が発生するとき、すなわちリニアモータとして機能するとき、制御部１１はバッテリーに蓄えられている電力を第一固定子１２１および第二固定子２２１へ供給する。

次に、上述した構成の発電装置１０の作動について説明する。
まず、フリーピストンエンジン２０の作動について説明する。第１実施形態のフリーピストンエンジン２０は２ストロークエンジンである。そのため、第一ピストン３１および第二ピストン３２が軸方向へ一往復する間に、吸気および排気からなる掃気行程と、圧縮および燃焼からなる燃焼行程とが行われる。フリーピストンエンジン２０は、掃気行程と燃焼行程とを繰り返す。以下、第一ピストン３１および第二ピストン３２が最も燃焼室２３側に変位した位置を「上死点」とし、最も反燃焼室側に変位した位置を「下死点」とする。

第一ピストン３１および第二ピストン３２が上死点に向けて移動することにより、燃焼室２３に吸入された混合ガスは圧縮される。そして、第一ピストン３１および第二ピストン３２が上死点に到達するタイミングに同期して、制御部１１は点火プラグ１３に点火制御信号を印加する。これにより、点火プラグ１３は燃焼室２３の混合ガスに点火する。なお、ディーゼルサイクルにより燃焼室２３において圧縮された混合ガスが自己着火する場合、原理的に点火プラグ１３は不要である。しかし、点火プラグ１３を用いて混合ガスに点火することにより、フリーピストンエンジン２０の運転の安定化が図られる。特に、運転の始動時あるいは非定常時の場合、点火プラグ１３による混合ガスの点火は安定的な運転に有効である。一方、オットーサイクルによる運転の場合、点火プラグ１３は必須となる。
第一ピストン３１および第二ピストン３２が上死点に向けて移動することにより、第一副室６１および第二副室６２は容積が拡大し圧力が低下する。そのため、混合ガス生成部１２で生成された混合ガスは、吸気通路７２を経由して第一副室６１および第二副室６２に吸入される。

点火プラグ１３が混合ガスに点火すると、図３に示すように燃焼室２３に供給された混合ガスは燃料の燃焼にともなって爆発し、燃焼室２３の圧力は急激に増加する。混合ガスの燃焼によって生じた燃焼ガスは燃焼室２３において膨張し、第一ピストン３１および第二ピストン３２は膨張する燃焼ガスによって下死点に向けて押し付けられる。これにより、第一ピストン３１および第二ピストン３２は下死点に向けて移動する。第一ピストン３１および第二ピストン３２が下死点へ向けて移動することにより、燃焼室２３は容積が拡大し圧力が低下する。一方、第一ピストン３１および第二ピストン３２の下死点への移動によって、第一副室６１および第二副室６２は容積が縮小し圧力が上昇する。そのため、第一副室６１および第二副室６２に吸入された混合ガスは、吸気通路７１を通して燃焼室２３へ流入する。

また、このとき、第一ピストン３１および第二ピストン３２の下死点へ向けての移動により、第一ピストン３１および第二ピストン３２とともに第一シャフト４１および第二シャフト４２は反燃焼室方向へ移動する。そのため、第一板ばね部５１および第二板ばね部５２は弾性変形し、第一シャフト４１および第二シャフト４２を燃焼室２３側へ押し戻すエネルギーを蓄える。

第一ピストン３１および第二ピストン３２が下死点に到達すると、第一板ばね部５１および第二板ばね部５２に蓄えられたエネルギーにより、第一ピストン３１および第二ピストン３２は第一シャフト４１および第二シャフト４２とともに燃焼室２３側へ押し戻される。これにより、燃焼室２３に吸入された混合ガスは圧縮されるとともに、燃焼室２３の内部に残留している燃焼ガスは排気通路７３から外部へ排出される。

本実施形態の場合、図４に示すように吸気口２４と排気口２５とはシリンダ２２の軸方向の中心から非対称に配置されている。すなわち、排気口２５は吸気口２４よりもシリンダ２２の軸方向中心よりに開口している。そのため、第一ピストン３１および第二ピストン３２の変位量が同一であるとき、燃焼行程では排気口２５は吸気口２４よりも早く燃焼室２３に開口するとともに、掃気行程では排気口２５は吸気口２４よりも遅くまで燃焼室２３に開口する。これにより、掃気行程において、燃焼室２３には吸気口２４から排気口２５まで一方向のガスの流れが形成される。すなわち、燃焼室２３にはユニフロー掃気が形成される。その結果、燃焼室２３の内部への燃焼ガスの残留が低減される。

そして、第一ピストン３１および第二ピストン３２が再び上死点に到達するタイミングに同期して制御部１１は点火プラグ１３に点火制御信号を出力する。以上の行程を繰り返すことにより、フリーピストンエンジン２０は運転を継続する。第一ピストン３１および第二ピストン３２は、変位量が同一であり、かつ逆位相となるように運転される。

次に、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０の作動について説明する。
第一ピストン３１および第二ピストン３２の往復移動にともなって、第一ピストン３１に接続している第一シャフト４１および第二ピストン３２に接続している第二シャフト４２も軸方向へ往復移動する。これにより、第一シャフト４１に設置されている第一可動子１１１は第一固定子１２１に対し相対的な移動を生じ、第二シャフト４２に設置されている第二可動子２１１は第二固定子２２１に対し相対的な移動を生じる。第一可動子１１１と第一固定子１２１との相対移動、および第二可動子２１１と第二固定子２２１との相対移動によって、第一固定子１２１および第二固定子２２１の周辺における磁界は変化する。その結果、第一固定子１２１および第二固定子２２１のコイル１２３、２２３には電力が生じる。第一固定子１２１および第二固定子２２１から発生する電力は、制御部１１を介してバッテリーに蓄えられる。

制御部１１は、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０から発生する電力の位相を検出する。第一可動子１１１および第二可動子２１１の移動によって、発生する電力の位相は変化する。すなわち、第一可動子１１１と第一固定子１２１との相対的な位置関係、および第二可動子２１１と第二固定子２２１との相対的な位置関係によって第一リニアモータ発電機１１０から出力される電力および第二リニアモータ発電機２１０から出力される電圧および電流の位相および大きさは変化する。そこで、制御部１１は、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０から発生する電力の位相を検出することにより、第一リニアモータ発電機１１０の第一可動子１１１の位置、および第二リニアモータ発電機２１０の第二可動子２１１の位置を検出する。すなわち、制御部１１は、請求項に記載の検出手段および位置検出手段として機能する。制御部１１は、検出した第一可動子１１１および第二可動子２１１の位置からフリーピストンエンジン２０の運転状態を検出する。そして、制御部１１は、検出したフリーピストンエンジン２０の運転状態に基づいて、混合ガス生成部１２への制御信号および点火プラグ１３への点火制御信号を出力する。また、制御部１１は、検出した運転状態に基づいて、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０の第一固定子１２１および第二固定子２２１に印加する電力を制御するための電界制御信号を出力する。

一方、制御部１１は、第一固定子１２１および第二固定子２２１に電界制御信号を出力することにより、第一固定子１２１および第二固定子２２１に電力を供給する。第一固定子１２１および第二固定子２２１は、制御部１１から電力が供給されると、周囲に磁界を発生する。第一固定子１２１および第二固定子２２１の周囲に磁界が発生すると、第一固定子１２１と第一可動子１１１との間、および第二固定子２２１と第二可動子２１１との間には磁気的な力が発生する。そのため、第一固定子１２１および第二固定子２２１に電力を供給することにより、第一可動子１１１が設置されている第一駆動系、および第二可動子２１１が設置されている第二駆動系の運動状態が変化する。すなわち、制御部１１は、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０に電力を供給することにより、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０をリニアモータとして機能させ、フリーピストンエンジン２０の運転状態を制御する。その結果、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０は第一駆動系および第二駆動系へ駆動力を与える。

制御部１１がフリーピストンエンジン２０の運転状態を制御することにより、第一リニアモータ発電機１１０は第一駆動系の作動を補助し、第二リニアモータ発電機２１０は第二駆動系の作動を補助する。例えば、掃気行程における燃焼室２３の混合ガスの圧縮時の場合、第一板ばね部５１または第二板ばね部５２のばね力では第一ピストン３１または第二ピストン３２を燃焼室２３側へ押し戻す力が不足することがある。また、例えば燃焼行程のとき、第一ピストン３１または第二ピストン３２の変位量は過大となることがある。このとき、制御部１１が第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０に電力を供給することにより、第一駆動系および第二駆動系の移動を補助し、第一ピストン３１および第二ピストン３２の変位量を調整することができる。さらに、第一ピストン３１と第二ピストン３２との変位量が異なるとき、制御部１１が第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０に供給する電力を調整する。これにより、第一ピストン３１および第二ピストン３２は逆方向かつ同一の変位量に制御することができる。

以上説明した本発明の第１実施形態では、第一板ばね部５１および第二板ばね部５２により、第一ピストン３１に接続する第一シャフト４１、および第二ピストン３２に接続する第二シャフト４２をハウジング２１に支持している。そのため、第一シャフト４１および第二シャフト４２は軸方向への移動が許容されるとともに、径方向への移動および周方向への回転が規制される。また、第一板ばね部５１は第一シャフト４１に第一可動子１１１を挟んで軸方向へ二か所設置され、第二板ばね部５２は第二シャフト４２に第二可動子２１１を挟んで軸方向へ二か所設置されている。そのため、第一シャフト４１および第二シャフト４２の傾斜は低減される。したがって、第一ピストン３１および第二ピストン３２とシリンダ２２を形成するハウジング２１の内周壁との接触、および接触にともなう摩耗が防止され、フリーピストンエンジン２０の耐久性を高めることができる。また、接触を防止することにより、潤滑剤が不要となり、フリーピストンエンジン２０の維持を容易にすることができる。さらに、第一シャフト４１および第二シャフト４２の径方向および周方向の移動が規制されるため、第一可動子１１１および第二可動子２１１の形状の自由度は向上する。これにより、第一可動子１１１および第二可動子２１１には、円筒形状に限らず放射状に永久磁石１１２、２１２を配置することができる。したがって、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０の小型化および放熱性の向上、ならびに軽量化および出力向上を図ることができる。

第１実施形態では、第一ピストン３１と第二ピストン３２とは逆位相かつ同一の変位量で運転される。そのため、第一ピストン３１の移動にともなう振動と第二ピストン３２の移動にともなう振動とは相殺される。そのため、振動を低減するために、多気筒化を図る必要はない。したがって、体格の大型化を招くことなく、振動を低減することができる。

第１実施形態では、燃焼室２３の内部ではユニフロー掃気が行われる。そのため、燃焼室２３の内部への燃焼ガスの残留が低減される。したがって、燃焼効率を高め、フリーピストンエンジン２０の効率を高めることができる。
第１実施形態では、制御部１１は第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０の出力電力から第一可動子１１１および第二可動子２１１の変位量を検出している。制御部１１は、検出した変位量からフリーピストンエンジン２０の運転状態を検出し、フリーピストンエンジン２０を制御している。そのため、第一ピストン３１および第二ピストン３２の変位量および振動周波数は一定に保たれる。したがって、フリーピストンエンジン２０の運転状態を負荷に応じて適切に調整することができ、運転状態の変動を低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による発電装置を図５に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施形態による発電装置８０のフリーピストンエンジン２０は、弁手段としての吸気弁８１および排気弁８２を備えている。また、発電装置８０は、吸気弁８１を開閉駆動する吸気弁アクチュエータ８３、および排気弁８２を開閉駆動する排気弁アクチュエータ８４を備えている。吸気弁アクチュエータ８３および排気弁アクチュエータ８４は、例えば電磁式あるいは圧電式のリニアアクチュエータが適用される。吸気弁８１は、吸気通路８５に設置され、吸気通路７１と燃焼室２３との接続を断続する。また、排気弁８２は、排気通路８６に設置され、排気通路８６と燃焼室２３との接続を断続する。吸気弁アクチュエータ８３および排気弁アクチュエータ８４は、制御部１１に接続している。制御部１１は、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０の出力電力から検出した第一ピストン３１および第二ピストン３２の変位量に同期して吸気弁８１および排気弁８２を開閉する。

上述の第１実施形態の場合、燃焼室２３と吸気通路７１または排気通路７３とは、第一ピストン３１または第二ピストン３２の移動によってのみ断続される。そのため、例えばフリーピストンエンジン２０の運転状態が非定常となり、第一ピストン３１と第二ピストン３２とが異なる変位量あるいは異なる周期で移動する場合、燃焼室２３と吸気通路７１または排気通路７３との接続タイミングが不適切になることがある。その結果、燃焼ガスの排出や混合ガスの吸入が不十分となるおそれがある。そこで、第２実施形態では、吸気弁８１および排気弁８２を設置することにより、燃焼室２３と吸気通路８５または排気通路８６との断続は第一ピストン３１および第二ピストン３２の変位量に応じて適切なタイミングで行われる。したがって、燃焼室２３における混合ガスの燃焼効率を向上することができる。また、燃料を含む燃焼ガスの排出は低減することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による発電装置を図６に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第３実施形態による発電装置１００のフリーピストンエンジン１２０は、弁手段としての吸気弁１０１および排気弁１０２を備えている。また、発電装置１００は、吸気弁１０１を開閉駆動する吸気弁アクチュエータ１０３、および排気弁１０２を開閉駆動する排気弁アクチュエータ１０４を備えている。吸気弁１０１は、吸気通路１０５に設置され、吸気通路１０５と燃焼室２３との接続を断続する。また、排気弁１０２は、排気通路１０６に設置され、排気通路１０６と燃焼室２３との接続を断続する。吸気弁アクチュエータ１０３および排気弁アクチュエータ１０４は、制御部１１に接続している。制御部１１は、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０の出力電力から検出した第一ピストン３１および第二ピストン３２の変位量に同期して吸気弁１０１および排気弁１０２を開閉する。

第３実施形態による発電装置１００のフリーピストンエンジン１２０は、４ストロークエンジンである。そのため、燃焼室２３は吸気通路１０５を経由して混合ガス生成部１２に直接接続している。また、燃焼室２３は排気通路１０６を経由してフリーピストンエンジン１２０の外部に接続している。これにより、第一ピストン３１および第二ピストン３２の反燃焼室側には副室が形成されない。

第３実施形態による発電装置１００の作動について説明する。
本実施形態では、フリーピストンエンジン１２０は４ストロークエンジンである。そのため、フリーピストンエンジン１２０の作動には吸気、圧縮、燃焼および排気の各行程が含まれる。
図７に示すように、吸気行程の場合、第一ピストン３１および第二ピストン３２は上死点から下死点へ移動する。このとき、吸気弁１０１は開弁し、吸気通路１０５を経由して混合ガス生成部１２と燃焼室２３とは接続する。一方、排気弁１０２は閉弁している。また、第一ピストン３１および第二ピストン３２の下死点への移動によって、燃焼室２３の内部の圧力は低下する。そのため、混合ガス生成部１２で生成された混合ガスは燃焼室２３へ吸入される。さらに、第一ピストン３１および第二ピストン３２が上死点から下死点へ移動することにより、第一板ばね部５１および第二板ばね部５２には第一ピストン３１および第二ピストン３２を燃焼室２３方向へ押し戻すエネルギーが蓄えられる。なお、吸気行程では、第一ピストン３１および第二ピストン３２を下死点方向へ駆動する第一板ばね部５１および第二板ばね部５２の力は不足する場合がある。そのため、制御部１１は、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０に電力を供給する。これにより、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０は、第一ピストン３１および第二ピストン３２の移動を補助する。

第一ピストン３１および第二ピストン３２が下死点まで移動すると、吸気行程が完了し、フリーピストンエンジン１２０は図８に示すように圧縮行程へ移行する。圧縮行程では、第一ピストン３１および第二ピストン３２は下死点から上死点へ移動する。このとき、吸気弁１０１および排気弁１０２はいずれも閉弁している。第一ピストン３１および第二ピストン３２の上死点への移動によって、燃焼室２３は内部の圧力が上昇する。燃焼室２３は外部と遮断されているため、燃焼室２３は内部の温度および圧力が上昇する。圧縮行程では、第一板ばね部５１および第二板ばね部５２に蓄えられたエネルギーにより第一ピストン３１および第二ピストン３２は燃焼室２３側へ押し戻される。第一板ばね部５１および第二板ばね部５２の弾性変形により蓄えられたエネルギーが第一ピストン３１および第二ピストン３２の移動に不足するとき、制御部１１は第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０に電力を供給する。これにより、第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０は、第一ピストン３１および第二ピストン３２の移動を補助する。このとき、第一ピストン３１および第二ピストン３２の移動方向は吸気行程と逆であるので、制御部１１は第一リニアモータ発電機１１０および第二リニアモータ発電機２１０へ吸気行程時に供給した電力とは正負が逆転した電力を供給する。

第一ピストン３１および第二ピストン３２が上死点まで移動すると、圧縮行程が完了し、フリーピストンエンジン１２０は図９に示すように燃焼行程へ移行する。圧縮行程において第一ピストン３１および第二ピストン３２が上死点まで移動すると、この移動に同期して制御部１１は点火プラグ１３に点火制御信号を出力する。これにより、点火プラグ１３は、燃焼室２３において圧縮された混合ガスに点火する。点火プラグ１３の点火により、燃焼室２３の混合ガスは爆発する。このとき、吸気弁１０１および排気弁１０２はいずれも閉弁している。点火により混合ガスが燃焼して生じた燃焼ガスは膨張するため、第一ピストン３１および第二ピストン３２は下死点方向へ押し付けられて移動する。第一ピストン３１および第二ピストン３２が上死点から下死点へ移動することにより、第一板ばね部５１および第二板ばね部５２には第一ピストン３１および第二ピストン３２を燃焼室２３方向へ押し戻すエネルギーが蓄えられる。なお、燃焼ガスの膨張によって第一ピストン３１または第二ピストン３２の移動量が過剰となるとき、制御部１１は第一リニアモータ発電機１１０または第二リニアモータ発電機２１０に電力を供給し、第一ピストン３１または第二ピストン３２の過剰な移動を制限する。

第一ピストン３１および第二ピストン３２が下死点まで移動すると、燃焼行程が完了し、フリーピストンエンジン１２０は図１０に示すように排気行程へ移行する。排気行程では、第一ピストン３１および第二ピストン３２は第一板ばね部５１および第二板ばね部５２に蓄えられたエネルギーにより燃焼室２３へ押し戻される。このとき、排気弁１０２は開弁するとともに、吸気弁１０１は閉弁を継続する。そのため、第一ピストン３１および第二ピストン３２は、下死点から上死点へ移動する際、燃焼室２３の内部に残留している燃焼ガスを排気通路１０６へ押し出す。これにより、燃焼室２３の内部の燃焼ガスは外部へ排出される。

排気行程が完了すると、第一ピストン３１および第二ピストン３２は再び上死点から下死点へ移動する。このとき、排気弁１０２は閉弁するとともに、吸気弁１０１は開弁する。これにより、フリーピストンエンジン１２０は再び吸気行程へ移行し、上記の作動を繰り返す。
以上、説明した第３実施形態では、フリーピストンエンジン１２０として４ストロークのエンジンを適用している。これにより、第一ピストン３１および第二ピストン３２の反燃焼室側の副室は不要である。したがって、構造を簡単にすることができる。また、４ストロークエンジンを適用することにより、燃焼室２３の内部への燃焼ガスの残留、あるいは燃焼室２３の外部への混合ガスの漏れを防止することができる。

以上説明した複数の実施形態では、本発明を二つのピストンを有するフリーピストンエンジンに適用する例について説明した。しかし、上記で説明したフリーピストンエンジンを複数組み合わせて四つ以上のピストンを有するフリーピストンエンジンとしてもよい。また、複数の実施形態では、二つのピストンを同軸上に直列に配置するフリーピストンエンジンを例に説明したが、例えば星型配置など、直列の配置に限らず本発明を適用することができる。

本発明の第１実施形態による発電装置を示す模式的な断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図である。 本発明の第１実施形態による発電装置を示す模式的な断面図であって、燃焼行程を示す図である。 本発明の第１実施形態による発電装置を示す模式的な断面図であって、掃気行程を示す図である。 本発明の第２実施形態による発電装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第３実施形態による発電装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第３実施形態による発電装置を示す模式的な断面図であって、吸気行程を示す図である。 本発明の第３実施形態による発電装置を示す模式的な断面図であって、圧縮行程を示す図である。 本発明の第３実施形態による発電装置を示す模式的な断面図であって、燃焼行程を示す図である。 本発明の第３実施形態による発電装置を示す模式的な断面図であって、排気行程を示す図である。

符号の説明

１０、８０、１００ 発電装置、１１ 制御部（検出手段、位置検出手段、制御手段）、１３ 点火プラグ（点火手段）、２０、１２０ フリーピストンエンジン、２１ ハウジング、２２ シリンダ、２３ 燃焼室、２４ 吸気口（吸気手段）、２５ 排気口（排気手段）、３１ 第一ピストン（第一振動系）、３２ 第二ピストン（第二振動系）、４１ 第一シャフト（第一振動系）、４２ 第二シャフト（第二振動系）、５１ 第一板ばね部（第一ばね手段、第一振動系）、５２ 第二板ばね部（第二ばね手段、第二振動系）、７１、７２、８５、１０５ 吸気通路（吸気手段）、７３、８６、１０６ 排気通路（排気手段）、８１、１０１ 吸気弁（弁手段）、８２、１０２ 排気弁（弁手段）、１１０ 第一リニアモータ発電機、１１１ 第一可動子、１２１ 第一固定子、２１０ 第二リニアモータ発電機、２１１ 第二可動子、２２１ 第二固定子、５１１、５１２、５１３、５１４ ばね群（平行板ばね部）

Claims (10)

1. シリンダを有するハウジングと、
   前記シリンダの内部に軸方向へ往復移動可能に収容されている第一ピストンと、
   前記シリンダの内部に軸方向へ往復移動可能に前記第一ピストンと対向して収容され、前記シリンダおよび前記第一ピストンとの間に燃焼室を形成する第二ピストンと、
   前記第一ピストンの反燃焼室側に接続され、前記第一ピストンとともに往復移動する第一シャフトと、
   前記第二ピストンの反燃焼室側に接続され、前記第二ピストンとともに往復移動する第二シャフトと、
   前記第一シャフトに接続されて前記第一ピストンおよび前記第一シャフトを支持し、前記第一シャフトの変位量に応じた反対方向の力を前記第一シャフトへ加える第一ばね手段と、
   前記第二シャフトに接続されて前記第二ピストンおよび前記第二シャフトを支持し、前記第二シャフトの変位量に応じた反対方向の力を前記第二シャフトへ加える第二ばね手段と、
   を備えることを特徴とするフリーピストンエンジン。
2. 前記第一ばね手段および前記第二ばね手段は、前記第一シャフトおよび前記第二シャフトの軸方向への移動を許容し、前記第一シャフトおよび前記第二シャフトの径方向および周方向の移動を制限する平行板ばね部を有することを特徴とする請求項１記載のフリーピストンエンジン。
3. 前記平行板ばね部は、前記第一シャフトおよび前記第二シャフトの軸方向に複数設置されていることを特徴とする請求項２記載のフリーピストンエンジン。
4. 前記第一ピストン、前記第一シャフトおよび前記第一ばね手段を有する第一振動系と、前記第二ピストン、前記第二シャフトおよび前記第二ばね手段を有する第二振動系とは、軸方向の変位量が一致し、かつ逆位相で振動することを特徴とする請求項１、２または３記載のフリーピストンエンジン。
5. 前記燃焼室へ混合ガスを供給する吸気手段と、前記燃焼室から燃焼ガスを排出する排気手段とを備え、
   前記吸気手段および前記排気手段は、前記燃焼室の内部においてユニフロー掃気を形成可能に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のフリーピストンエンジン。
6. 前記吸気手段および前記排気手段は、それぞれ前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの移動に同期して開閉し前記燃焼室へ供給される混合ガスおよび前記燃焼室から排出される燃焼ガスを断続する弁手段を有することを特徴とする請求項５記載のフリーピストンエンジン。
7. 前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの変位量を検出する検出手段と、
   前記燃焼室に設置され、前記検出手段で検出された前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの変位量に応じて前記燃焼室に供給された混合ガスに点火する点火手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のフリーピストンエンジン。
8. 請求項１から７のいずれか一項記載のフリーピストンエンジンと、
   前記第一シャフトに設置され前記第一シャフトとともに軸方向へ往復移動する第一可動子、前記第一可動子の外周側に設置され前記第一シャフトの移動による前記第一可動子周辺の磁界の変化により電力を発生するとともに前記第一可動子の周辺に磁界を発生して前記第一可動子に力を加える第一固定子を有する第一リニアモータ発電機と、
   前記第二シャフトに設置され前記第二シャフトとともに軸方向へ往復移動する第二可動子、および前記第二可動子の外周側に設置され前記第二シャフトの移動による前記第二可動子周辺の磁界の変化により電力を発生するとともに前記第二可動子の周辺に磁界を発生して前記第二可動子に力を加える第二固定子を有する第二リニアモータ発電機と、
   を備えることを特徴とする発電装置。
9. 前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの変位量を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段が検出した前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの変位量に基づいて前記第一リニアモータ発電機および前記第二リニアモータ発電機の磁界を調整し、前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの変位量を一定に制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項８記載の発電装置。
10. 前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの変位量を検出する位置検出手段と、
    前記位置検出手段が検出した前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの変位量に基づいて前記第一リニアモータ発電機および前記第二リニアモータ発電機の磁界を調整し、前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの振動周波数を一定に制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項８または９記載の発電装置。

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