JP2005318708A

JP2005318708A - フリーピストン発電装置

Info

Publication number: JP2005318708A
Application number: JP2004132808A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Kawasaki; 憲介川崎
Original assignee: Shikoku Research Institute Inc
Current assignee: Shikoku Research Institute Inc
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】対向した一対のフリーピストンエンジンを設ける必要がなく、しかもフリーピストンエンジンの低出力運転時でも発電効率のよいフリーピストン発電装置を提供する。
【解決手段】１つのフリーピストンエンジン１１と、このエンジン１１のフリーピストン１３の往復移動によって発電を行うリニア発電機２０とを備え、リニア発電機２０を電動機として駆動させることにより、フリーピストンエンジン１１の吸気行程と圧縮行程と排気行程を行わせ、フリーピストンエンジン１１の燃焼膨張時にリニア発電機２０から発電出力を取り出す。
【選択図】図１

Description

この発明は、フリーピストンエンジンとリニア発電機とを備えたフリーピストン発電装置に関する。

従来から、フリーピストンエンジンを駆動源としてリニア発電機を駆動させて発電を行うフリーピストン発電装置が知られている（特許文献１参照）。

かかるフリーピストン発電装置は、相対向して配置された一対のフリーピストンエンジンと、このフリーピストンエンジンのピストン同士を連結して往復移動するシャフトと、このシャフトの往復移動によって発電を行うリニア発電機とを備えている。

そして、このフリーピストン発電装置によれば、フリーピストンエンジンが熱効率が高いことにより、高い発電効率が得られるなどの利点を有している。
特開２００３−３４３２０２号公報

しかしながら、このようなフリーピストン発電装置にあっては、対向したフリーピストンエンジンを交互に連続して燃焼させるもので、対向したフリーピストンエンジンの出力と発電出力をバランスさせて安定した連続運転を行うにはフリーピストンエンジンの高度な制御技術が必要である。また、対向したフリーピストンエンジンの出力調整が難しいため、フリーピストンエンジンの低出力運転時では発電効率が低下してしまう等の多くの問題があった。

この発明の目的は、対向した一対のフリーピストンエンジンを設ける必要がなく、しかもフリーピストンエンジンの低出力運転時でも発電効率のよいフリーピストン発電装置を提供することにある。

請求項１の発明は、１つのフリーピストンエンジンと、このエンジンのフリーピストンの往復移動によって発電を行うリニア発電機とを備え、
前記リニア発電機を電動機として駆動させることにより前記フリーピストンを移動させて、フリーピストンエンジンの吸気行程と圧縮行程と排気行程を行わせ、
前記フリーピストンエンジンの燃焼膨張時に前記リニア発電機から発電出力を取り出すことを特徴とする。

請求項２の発明は、１つのフリーピストンエンジンと、このエンジンのフリーピストンの往復移動によって発電を行うリニア発電機と、前記リニア発電機のコイルに電流を流す制御手段と、前記フリーピストンの位置を検出する位置検出手段とを備え、
前記制御手段は、位置検出手段が検出するフリーピストンの位置に基づいて前記リニア発電機のコイルに電流を流すことにより、フリーピストンエンジンの吸気行程と圧縮行程と排気行程の際に前記リニア発電機を電動機として動作させ、前記フリーピストンエンジンの燃焼膨張時に前記リニア発電機から発電出力を取り出すことを特徴とする。

請求項３の発明は、前記制御手段は、位置検出手段が吸気行程の際にフリーピストンが吸気下死点近傍にきたことを検出したときと、排気行程の際にフリーピストンが上死点近傍にきたことを検出したとき、リニア発電機に回生制動を掛けることを特徴とする。

請求項４の発明は、前記フリーピストンエンジンのシリンダの底部に、フリーピストンが下死点方向に移動することによって圧縮される気密室を形成し、この気密室に圧力調整用バルブを設け、
前記圧縮行程と排気行程の際に、前記フリーピストンを移動させる力として前記密室の圧力を利用することを特徴とする。

請求項５の発明は、前記吸気行程の際に、フリーピストンが下死点に到達したとき、前記リニア発電機を利用してそのフリーピストンをさらに下死点方向に移動させてシリンダ内を負圧にすることを特徴とする。

請求項６の発明は、フリーピストンエンジンの圧縮比を膨張比より小さくしたことを特徴とする。

請求項７の発明は、前記圧縮行程を断熱圧縮で行うことを特徴とする。

この発明によれば、１つのフリーピストンエンジンを使用するものであるから、対向した一対のフリーピストンエンジンを交互に燃焼させる必要がない。このため、フリーピストンエンジンを制御するための高度な制御技術が不要である。また、１つのフリーピストンエンジンであることにより、そのエンジン出力調整が簡単なものとなり、フリーピストン発電装置の低出力運転時でも発電効率の低下を防止することができる。

以下、この発明に係るフリーピストン発電装置の実施例を図面に基づいて説明する。

［第１実施例］
図１に示すフリーピストン発電装置１０は、４サイクルのフリーピストンエンジン１１と、このフリーピストンエンジン１１によって発電を行うリニア発電機２０と、フリーピストンエンジン１１のフリーピストン１３の位置を検出する位置検出センサ（位置検出手段）３０と、位置検出センサ３０が検知するフリーピストン１３の位置に基づいてリニア発電機２０のコイル２１に流れる電流を制御する制御装置（制御手段）５０（図４参照）とを備えている。

フリーピストンエンジン１１は、シリンダ１２内を上下動するフリーピストン１３と、このフリーピストン１３に接続されたロッド１４と、このロッド１４の下部に設けられたブラケット１５等とを備えている。また、シリンダヘッド１２Ａには吸気バルブ１６と排気バルブ１７が設けられている。

そして、フリーピストンエンジン１１の吸気行程では、吸気バルブ１６が開成し、排気行程で排気バルブ１７が開成するようになっている。また、圧縮行程では断熱圧縮が行われるようになっている。吸気バルブ１６および排気バルブ１７の開成はソレノイドなどのアクチュエータＳ１,Ｓ２（図４参照）によって行われる。

リニア発電機２０は、円筒状に巻回されたコイル２１と、このコイル２１内に上下動自在に配置された円筒形の永久磁石２２等とを備えている。

永久磁石２２は、フリーピストンエンジン１１のブラケット１５に取り付けられた支持具２３に固定されている。そして、フリーピストンエンジン１１のフリーピストン１３の上下動によって永久磁石２２はコイル２１内を上下動するようになっている。

コイル２１は、図２に示すように円形の鉄心２４に設けた円形の凹部２５の内側面２５Ａに沿って取り付けられている。また、凹部２５の中心部には円柱状の鉄心軸部２６が一体に形成され、鉄心２４と凹部２５と鉄心軸部２６とが同心円に形成されている。また、鉄心軸部２６が永久磁石２２の穴２２Ａを貫通しており、永久磁石２２は鉄心軸部２６に沿って上下動するようになっている。

位置検出センサ３０は、例えば図３に示すように、細長い反射面３１ａを等間隔に形成した反射テープ３１と、この反射テープ３１に向けて光りを射出する発光ダイオード３２と、反射面３１ａで反射した光を受光する受光ダイオード３３等とから構成されている。そして、位置検出センサ３０は反射面３１ａを検知することにより、パルスを出力していくようになっている。また、反射テープ３１は図１に示すように例えば支持具２３に貼着され、発光ダイオード３２および受光ダイオード３３は例えば鉄心２４の上面に設けられている。

制御装置５０は、図４に示すように、位置検出センサ３０が出力するパルスの数からフリーピストン１３の位置を算出する位置算出手段５１と、そのパルスの間隔からフリーピストン１３の速度を算出する速度算出手段５２と、位置算出手段５１が算出したフリーピストン１３の位置と速度算出手段５２が算出したフリーピストン１３の速度とから予め設定した目標設定電流値を出力する目標電流設定器５３と、その目標設定電流値とリニア発電機２０のコイル２１に流れる電流との差を求める加算器５４と、その差に応じたゲイン信号を出力する制御ゲイン回路５５と、この制御ゲイン回路５５が出力するゲイン信号に基づいてリニア発電機２０のコイル２１に目標設定電流値の電流を流す電流制御装置５６と、位置算出手段５１が算出したフリーピストン１３の位置と速度算出手段５２が算出したフリーピストン１３の速度と目標電流設定器５３が出力する目標設定電流値とに基づいてその目標設定電流値を補正する目標電流補正回路５７と、ソレノイドＳ１,Ｓ２に電流を流す駆動回路５８と、位置算出手段５１が算出したフリーピストン１３の位置に基づいて駆動回路５８を制御するバルブ制御部５９等とを備えている。

目標電流設定器５３は、燃焼エネルギーを最大限取り出せるように、フリーピストン１３の位置と速度に対応して目標電流値が予め求められており、この目標電流値が図示しないメモリに記憶され、このメモリからその位置と速度に対応した目標電流値を読み出して出力するものである。

目標電流補正回路５７は、燃焼エネルギーを最大限取り出すために、燃焼・膨張時にフリーピストン１３が膨張下死点またはこの膨張下死点から離れた許容位置で、その速度がゼロとなるように目標電流値を設定する必要があり、その目標電流値をより適切に設定できるようにフリーピストンエンジン１１の運転状況に応じて目標電流値を補正するものである。

すなわち、フリーピストン１３が膨張下死点ｂまたはそれより下の予め設定した位置ｂ１に達したとき、フリーピストン１３の降下速度が設定値Ｖb1より大きいときは、次回の燃焼・膨張時にコイル２１に流す目標電流値をΔiだけ増加させる。次回以降もフリーピストン１３の降下速度が設定値Ｖb1より大きいとき、さらにΔiずつ増加させていく。これにより、フリーピストン１３の降下速度を設定値Ｖb1以下に補正していくものである。

逆に、フリーピストン１３の降下速度が、膨張下死点ｂより上の位置ｂ２で設定値Ｖb2以下になった場合、次回の燃焼・膨張時にコイル２１に流す目標電流値をΔiだけ減少させる。次回以降もフリーピストン１３の降下速度が設定値Ｖb2より小さいとき、さらにΔiずつ減少させていく。これにより、フリーピストン１３の降下速度を設定値Ｖb2以上に補正していくものである。

また、フリーピストン１３が膨張下死点ｂまたはこの下死点ｂより下の予め設定した位置ｂ３（ｂ１より低い位置）に達したとき、フリーピストン１３の降下速度が設定値Ｖb3以上の場合、衝突防止のためコイル２１に流れる電流を設定した停止用の値まで急増させる。

フリーピストン１３の上死点や吸気行程の下死点についても同様な補正を行ってもよい。

目標電流の補正の他に、吸気下死点の位置ａを調整することも可能である。

すなわち、フリーピストン１３が膨脹下死点ｂまたはそれより下の予め設定した位置ｂ１に達したとき、フリーピストン１３の降下速度が設定値Ｖｂ１より大きいときは、次回の吸気時にフリーピストン１３の吸気下死点の位置ａをΔａだけ上側に設定し、吸気量を少なくする。次回以降もフリーピストン１３の降下速度が設定値Ｖｂ１より大きいとき、さらにΔａずつ上側へ吸気下死点の位置を上げていく。

また、逆にフリーピストン１３の降下速度が膨脹下死点ｂより上の位置ｂ２で設定値Ｖｂ２以下になった場合、次回の吸気時にフリーピストン１３の吸気下死点の位置ａをΔａだけ下側に設定し、吸気量を増加させる。次回以降もフリーピストン１３の降下速度が設定値Ｖｂ２以下より小さいとき、さらにΔａずつ下側へ吸気下死点の位置を下げていく。
［動作］
次に、上記のように構成されるフリーピストン発電装置１０の動作について説明する。

フリーピストンエンジン１１は、駆動前の待機ではフリーピストン１３が図５（Ａ）の（１）に示すように上死点に位置している。

そして、図示しないスタートスイッチがオンされると（時点ｔ１）、バルブ制御部５９により駆動回路５８が駆動されてソレノイドＳ１に電流が流されて吸気バルブ１６が開成される。なお、ソレノイドＳ１に電流を供給するために制御装置５０は図示しないバッテリを備えている。

また、電流制御装置５６によりリニア発電機２０のコイル２１に電流が流されて、リニア発電機２０が電動機として動作する。これにより、フリーピストン１３は下降を開始する。すなわち、図５（Ａ）の（１）′に示す吸気行程に入り、燃料と空気の混合気体の吸気が行われる。

フリーピストン１３の下降とともに位置検出センサ３０がパルスを出力し、位置算出手段５１がそのパルスの数からフリーピストン１３の位置を算出し、この算出した位置が予め設定した吸気下死点近傍になると、すなわち、フリーピストン１３が吸気下死点近傍に来ると、電流制御装置５６は、リニア発電機２０のコイル２１に流れる電流を停止させる極性の電圧を出力し、リニア発電機２０を発電機として動作させる。これにより回生制動が働き、図５（Ａ）の（２）に示すようにフリーピストン１３が吸気下死点に停止される。

そして、フリーピストン１３が吸気下死点に停止されると、バルブ制御部５９が駆動回路５８の動作を停止させて吸気バルブ１６を閉成させる。

この後、電流制御装置５６によりリニア発電機２０のコイル２１に上記と逆方向の電流が流さられる。これにより、リニア発電機２０が電動機として動作してフリーピストン１３が上昇を開始する（時点ｔ３）。

フリーピストン１３の上昇により、図５（Ａ）の（２）′に示す圧縮行程に入り、シリンダ１２内に吸気された混合気体が断熱圧縮されていく。フリーピストン１３が上死点近傍に達すると、断熱圧縮によりシリンダ１２内の温度が点火温度に達し（図５（Ａ）の（３））、混合気体が点火・燃焼し（時点ｔ４）、燃焼気体が膨張してフリーピストン１３が下降していく。

このフリーピストン１３の下降により、すなわち燃焼膨脹時にリニア発電機２０が発電を行う（図５（Ａ）の（４）′）。この発電の一部は制御装置５０の図示しないバッテリに充電される。

このフリーピストン１３の下降の際、位置検出センサ３０が出力するパルスの数からフリーピストン１３の位置を位置算出手段５１が算出し、そのパルスの間隔からフリーピストン１３の速度を速度算出手段５２が算出する。目標電流設定器５３は、燃焼エネルギーを最大限取り出せるように、フリーピストン１３の位置と速度とから予め設定した目標設定電流値を出力し、電流制御装置５６は目標設定電流値の電流をリニア発電機２０のコイル２１に流す。

そして、図５（Ａ）の（５）に示すようにフリーピストン１３が膨張下死点に到達すると、リニア発電機２０のコイル２１に目標設定電流値の電流が流れていることにより、フリーピストン１３が膨張下死点（膨張比で予め決められた下死点ｃ）に停止される（時点ｔ５）。これは、フリーピストン１３が膨張下死点で停止されるように目標設定電流値が決められていることによる。

この後、排気行程に入り、排気バルブ１７が開成されるとともに、引き続きリニア発電機２０のコイル２１に電流が流され、リニア発電機２０が電動機として動作する。これにより、フリーピストン１３が上昇して排気が行われていく。

フリーピストン１３が上死点に到達する直前に排気バルブ１７が閉成され、フリーピストン１３が上死点に停止される。

このフリーピストン１３が上死点に停止される際、電流制御装置５６は、リニア発電機２０のコイル２１に流れる電流を停止させる極性の電圧を出力し、リニア発電機２０を発電機として動作させる。これにより回生制動が働き（時点ｔ６）、フリーピストン１３が確実に上死点に停止される。

以後、これら上記の動作が繰り返し行われて、リニア発電機２０によって発電が行われる。

上記のように、１つのフリーピストンエンジン１１でリニア発電機２０を駆動させているので、従来のようにフリーピストンエンジンを制御するための高度な制御技術が不要である。

さらに、フリーピストンエンジン１１の膨張下死点は吸気下死点より下方に設定されているので、圧縮比は膨張比より小さくなっている。このため、低い圧縮比で熱効率の高い出力が得られ、高効率発電が可能となる。

また、フリーピストンエンジン１１の運転は単発の燃焼毎で完結し、既存エンジンのような一定速度（６０Ｈz）の運転や、対向した一対のフリーピストンエンジンを連続して交互に燃焼させる必要がなく、このためフリーピストンエンジン１１の出力調整は単位時間当たりの燃焼回数の増減で行える。このため、その出力調整は簡単なものとなる。

さらに、燃焼１回当たりの発電条件が変わらないため、エンジン出力の大小に拘わらず、同じ発電効率で運転することができ、低出力運転時でも発電効率が低下しない。

また、燃焼１回当たりの発電電力量と、寿命までの燃焼回数が一定であることから、負荷の大小に拘わらず寿命内での発電可能な総電力量は一定である。

ちなみに、内燃機関の寿命は運転時間数で決まるが、低出力運転が続く低負荷率で使用すると、寿命と寿命内の発電可能な総電力量の両方が低下する。

上記実施例のフリーピストン発電装置１０によれば、低負荷のときには時間当たりの燃焼回数が少なくなり、燃焼許容回数に達するまでの期間が長くなる（長寿命化）。また、燃焼１回当たりの発電電力量が一定のため、寿命内の発電可能な総電力量は負荷の大小で変化しない。

この第１実施例によれば、リニア発電機２０の中心部の鉄心軸部２６を固定子側に設けたものであるから、可動部の慣性を小さくすることができ、鉄心軸部２６があることにより磁石２２による磁束が鉄心２４に流れやすく、磁石２２の位置による磁路抵抗の変化も少ない。
［第２実施例］
図６および図７は第２実施例のリニア発電機１２０を示したものである。このリニア発電機１２０は、円筒鉄心１２１の穴１２２の内周面１２２Ａに取り付けた２つのコイル１２３,１２４と、フリーピストン１３のロッド１１４に取り付けられるとともに円筒鉄心１２１の穴１２２内に配置された鉄心１２５と、この鉄心１２５の上下に取り付けられた円筒状の一対の永久磁石１２６,１２７とを備えている。永久磁石１２６,１２７の磁極の向きは互いに逆向きになっており、コイル１２３,１２４は互いに逆方向に巻回されている。

このリニア発電機１２０は、鉄心１２５とともに永久磁石１２６,１２７をコイル１２３,１２４内で上下動させて、第１実施例の２倍の発電電力量が得られるようにしたものである。

この第２実施例のリニア発電機１２０は、鉄心１２５の上下に永久磁石１２６,１２７を設けたものであるから、例えば上の永久磁石１２６から出た磁束は、上側のコイル１２３を横切り、外側の円筒鉄心１２１を通り、極性の異なる下側のコイル１２４を横切り、永久磁石１２７を通って中心の鉄心１２５に入って元の永久磁石に戻るループを形成するものであり、比較的短距離の磁束のループとなる。また、可動部が移動しても磁束が通る磁路抵抗は変化しない。
［第３実施例］
図８および図９は第３実施例のリニア発電機２２０を示したものである。このリニア発電機２２０は、鉄心２４の凹部２５の内側面２５Ａに円筒状の磁石２２１を取り付け、支持具２３に円筒状に巻回さえたコイル２２２を取り付け、このコイル２２２を磁石２２１の穴２２１Ａ内で上下動させるようにしたものである。

この第３実施例のリニア発電機２２０は、第１実施例のリニア発電機２０の永久磁石２２とコイル２１を逆にしたものであり、コイル２２２を上下動させるようにしたものである。

この第３実施例のリニア発電機２２０によれば、中心に鉄心軸部２６を設けているので、磁路抵抗が小さく、可動部に鉄心がないことにより慣性も小さくすることができる。
［第４実施例］
図１０（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）は第４実施例のリニア発電機３２０を示したものである。このリニア発電機３２０は、フリーピストン１３のロッド１１４の下部に平板状の永久磁石３２１を取り付け、この永久磁石３２１をＵ字形の鉄心３２２の上下方向に延びた２つの鉄心部３２３,３２４の間に上下動自在に配置し、鉄心部３２３の外周囲にコイル３２５を装着し、このコイル３２５の側方に沿って永久磁石３２１を上下動させるようにしたものである。

第４実施例のリニア発電機３２０によれば、永久磁石３２１に対面したコイル３２５の巻線部でしか推力を発生しないが、構造が単純で可動部の質量を小さくすることができる。
［第５実施例］
図１１および図１２は第５実施例のリニア発電機４２０を示したものである。このリニア発電機４２０は、円筒鉄心１２１の穴１２２の内周面１２２Ａに２つの円筒状の永久磁石４２１,４２２を上下に取り付け、フリーピストン１３のロッド１１４に取り付けられた鉄心１２５を磁石４２１,４２２の穴４２１Ａ,４２２Ａ内に配置し、この鉄心１２５の上下に一対のコイル４２３,４２４を巻回したものである。永久磁石４２１,４２２の磁極の向きは互いに逆向きになっている。コイル４２３,４２４は互いに逆方向に巻回されている。

この第５実施例のリニア発電機４２０は、第２実施例のリニア発電機１２０の永久磁石１２６,１２７とコイル１２３を逆にしたものである。

この第５実施例のリニア発電機４２０はコイル１２３を上下動させるようにしたものである。

この第５実施例のリニア発電機４２０は、筒状の永久磁石４２１,４２２の中をコイル４２３,４２４が移動するものであるが、鉄心１２５に巻き方の異なる２つのコイル４２３,４２４を設け、両者を鉄心１２５で結合したものである。

この第５実施例のリニア発電機４２０によれば、例えば上側の永久磁石４２１から出た磁束は、外側の鉄心１２１から下側の永久磁石４２２を通り、コイル４２４を横切って中心の鉄心１２５から上側のコイル４２３を横切って元の永久磁石４２１に戻るループを形成する。このループは比較的に短い距離であり、また可動部が移動しても磁束が通る回路の磁路抵抗は変化しない。
［第６実施例］
図１３（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）は第６実施例のリニア発電機４２０を示したものである。このリニア発電機４２０は、相対向する平板状の一対の鉄心４２１,４２２と、この鉄心４２１の内側面４２１Ａに配置されたコイル４２３と、フリーピストン１３のロッド１１４に取り付けられた平板状の取付部材４２４と、この取付部材４２４の上下に取り付けた平板状の一対の永久磁石４２５,４２６とを備えている。永久磁石４２５,４２６の磁極の向きは互いに逆向きになっている。

コイル４２３の導線は、鉄心４２１の内側面４２１Ａの上下方向に沿って並設され、すなわち、左右方向に平行に配置されている。

この第６実施例のリニア発電機４２０は永久磁石４２５,４２６を上下動させるようにしたものである。

第６実施例のリニア発電機４２０は、第４実施例のコイル３２５の利用率の悪さを改善したものであり、磁石４２５,４２６に対向する鉄心４２１の側面にだけコイル４２３を平板状に巻き、コイル４２３に流れる電流の向きに合わせて磁石４２５,４２６の磁極を反対向きにしてその磁石４２５,４２６を取付部材４２４に取り付けたものである。

そして、このリニア発電機４２０では、上の磁石４２５から出た磁束はコイル４２３を横切り、左の鉄心４２１から下側のコイル４２３を横切り、下側の永久磁石４２６から右側の鉄心４２２を通って上側の永久磁石４２５に戻るループを形成する。

この第６実施例のリニア発電機４２０によれば、可動部分に鉄心を設けていないことにより、可動部分の慣性を低減することができ、可動部分の位置に拘わらず磁路抵抗を同じにすることができる。
［第７実施例］
図１４（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）は第７実施例のリニア発電機５２０を示したものである。このリニア発電機５２０は、相対向する平板状の一対の鉄心４２１,４２２と、この鉄心４２１の内側面４２１Ａの上下に取り付けられた一対の磁石５２１,５２２と、ロッド１１４に取り付けられた平板状の取付部材４２４の一側面４２４Ａに取り付けられたコイル５２３とを備えている。磁石５２１,５２２の磁極の向きは互いに逆向きになっている。

また、コイル５２３の導線は、取付部材４２４の上下に左右方向に平行に配置されている。

この第７実施例のリニア発電機５２０はコイル５２３を上下動させるようにしたものである。

この第７実施例のリニア発電機５２０は、第６実施例のリニア発電機４２０の磁石４２５,４２６とコイル４２３を逆にしたものである。

第７実施例のリニア発電機５２０によれば、可動部分に鉄心を設けていないことにより、可動部分の慣性を低減することができ、可動部分の位置に拘わらず磁路抵抗を同じにすることができる。
［第８実施例］
図１５は第８実施例のフリーピストン発電装置の動作を示したタイムチャートである。なお、フリーピストン発電装置の構成は、第１実施例ないし第７実施例のいずれの構成であってもよい。

この第８実施例では、図１５（Ａ）の（２）に示すようにフリーピストン１３が吸気下死点にきたとき（時点ｔａ１）、吸気弁１６を閉じるが、リニア発電機をそのまま電動機として動作させ続けてフリーピストン１３をさらに下げてシリンダ１２内を負圧にする。そして、フリーピストン１３を吸気下死点より下の所定位置近傍にくると（時点ｔａ２）、リニア発電機を発電機として動作させる。これにより回生制動が働き、図１５（Ａ）の（２）″に示すようにフリーピストン１３が吸気下死点以下の所定位置に停止される。

この後、シリンダ１２内の負圧を利用するとともにリニア発電機を電動機として動作させてフリーピストン１３を上昇させ、図１５（Ａ）の（２）′に示す断熱圧縮の状態へ持っていく。その他の動作は第１実施例と同じなのでその説明は省略する。

この第８実施例によれば、図１５（Ａ）の（２）″の過程を追加したものであるから、リニア発電機による電動機としての出力が一旦シリンダ１２内に負の圧力エネルギーとして蓄積され、圧縮過程でその蓄積された圧力エネルギーがフリーピストン１３を上昇させる力として利用することができるようになり、断熱圧縮に要するリニア発電機の最大出力を低減することができるようになる。
［第９実施例］
図１６は第９実施例のフリーピストン発電装置６１０の構成を示したものである。

フリーピストン発電装置６１０のフリーピストンエンジン６１１は、シリンダ１２の下部開口を底壁部６１２で閉塞し、この底壁部６１２とフリーピストン１３との間に気密室６１３を形成し、その底壁部６１２に圧力調整バルブ６１４を設けたものである。そして、圧力調整バルブ６１４の開成により、気密室６１３が外気に連通されるようになっている。

図１７はフリーピストン発電装置６１０の制御系の構成を示したブロック図である。図１７において、Ｓ３は圧力調整バルブ６１４を開閉させるソレノイドなどのアクチュエータであり、このアクチュエータＳ３は駆動回路５８によって駆動される。他の構成は第１実施例と同一なのでその説明は省略する。
［動作］
次に、上記のように構成されるフリーピストン発電装置６１０の動作を図１８に示すタイムチャートを参照しながら説明する。

まず、フリーピストンエンジン６１１は、駆動前の待機ではフリーピストン１３が図１８（Ａ）の（１）に示すように上死点に位置し、圧力調整バルブ６１４は開成されている。

そして、図示しないスタートスイッチがオンされると（時点ｔ０）、図１７に示すバルブ制御部５９により駆動回路５８が駆動されてソレノイドＳ１に電流が流されて吸気バルブ１６が開成される。また、ソレノイドＳ３に電流が流されて調整バルブ６１４が閉成される。そして、電流制御装置５６によりリニア発電機２０のコイル２１に電流が流されて、リニア発電機２０が電動機として動作する。これにより、フリーピストン１３は下降を開始する。すなわち、図１８（Ａ）の（１）′に示す吸気行程に入り、燃料と空気の混合気体の吸気が行われる。

また、フリーピストン１３の下降により、シリンダ１２の気密室６１３の圧力が上昇していく。

フリーピストン１３が吸気下死点近傍に来ると、電流制御装置５６は、リニア発電機２０のコイル２１に流れる電流を停止させる極性の電圧を出力し、リニア発電機２０を発電機として動作させる。これにより回生制動が働き、図１８（Ａ）の（２）に示すようにフリーピストン１３が吸気下死点に停止される（時点ｔｂ１）。また、フリーピストン１３が吸気下死点に停止されると、バルブ制御部５９が駆動回路５８の動作を停止させて吸気バルブ１６を閉成させる。

この後、電流制御装置５６は、リニア発電機２０のコイル２１に上記と逆方向の電流を流してリニア発電機２０を電動機として動作させる。このリニア発電機２０の電動機としての動作と、シリンダ１２の気密室６１３の圧力とによってフリーピストン１３は上昇していく（時点ｔｂ２）。

フリーピストン１３の上昇により、図１８（Ａ）の（２）′に示す圧縮行程に入り、シリンダ１２内に吸気された混合気体が断熱圧縮されていく。フリーピストン１３が上死点近傍に達すると、断熱圧縮によりシリンダ１２内の温度が点火温度に達し（図１８（Ａ）の（３））、混合気体が点火・燃焼し（時点ｔｂ３）、燃焼気体が膨張してフリーピストン１３が下降していく。

このフリーピストン１３の下降により、リニア発電機２０が発電を行う（図１８（Ａ）の（４）′）。また、フリーピストン１３の下降によって、圧力調整バルブ６１４が閉成されていることによりシリンダ１２の気密室６１３の圧力が上昇していく。

そして、図１８（Ａ）の（５）に示すようにフリーピストン１３が膨張下死点に到達すると、リニア発電機２０のコイル２１に目標設定電流値の電流が流れていることにより、フリーピストン１３が膨張下死点に停止される（時点ｔｂ４）。

この後、排気行程に入り、排気バルブ１７が開成されるとともに、引き続きリニア発電機２０のコイル２１に電流が流され、リニア発電機２０が電動機として動作する。このリニア発電機２０の電動機としての動作と、シリンダ１２の気密室６１３の圧力とによってフリーピストン１３は上昇していく。このフリーピストン１３の上昇により排気が行われていく。

フリーピストン１３が上死点に到達する直前に排気バルブ１７が閉成されるとともに圧力調整バルブ６１４が開成される。そして、フリーピストン１３が上死点に停止される。

このフリーピストン１３が上死点に停止される際、電流制御装置５６は、リニア発電機２０のコイル２１に流れる電流を停止させる極性の電圧を出力し、リニア発電機２０を発電機として動作させる。これにより回生制動が働き（時点ｔｂ５）、フリーピストン１３が確実に上死点に停止される。

この第９実施例のフリーピストン発電装置６１０によれば、圧縮行程および排気行程の際に、気密室の圧力をフリーピストン１３の上昇のときの補助に利用するようにしたものであるから、リニア発電機２０を電動機として動作させるときの入力電力を抑制することができる。また、フリーピストン１３が下がるときのエネルギーで気密室を圧縮するものであるから、運転損失の低下を図ることができる。これらにより、リニア発電機２０の容量の低減を図ることができる。
［第１０実施例］
図１９はフリーピストン発電装置６１０の第１０実施例の動作を示したタイムチャートである。

この第１０実施例では、図１９（Ａ）の（２）に示すようにフリーピストン１３が吸気下死点にきたとき（時点ｔｂ１）、吸気弁１６を閉じるが、リニア発電機２０をそのまま電動機として動作させ続けてフリーピストン１３をさらに下げてシリンダ１２内を負圧にする。また、気密室６１３をさらに圧縮していく。

そして、フリーピストン１３を吸気下死点より下の所定位置近傍にくると（時点ｔｂ２′）、リニア発電機を発電機として動作させる。これにより回生制動が働き、図１９（Ａ）の（２）″に示すようにフリーピストン１３が吸気下死点以下の所定位置に停止される。

この後、シリンダ１２内の負圧と、気密室６１３の圧力を利用するとともにリニア発電機を電動機として動作させてフリーピストン１３を上昇させ、図１９（Ａ）の（２）′に示す断熱圧縮の状態へ持っていく。その他の動作は第９実施例と同じなのでその説明は省略する。

この第１０実施例によれば、図１９（Ａ）の（２）″の過程を追加したものであるから、リニア発電機による電動機としての出力が一旦シリンダ１２内に負の圧力エネルギーと、気密室６１３の正の圧力エネルギーとして蓄積され、圧縮過程でその蓄積された圧力エネルギーがフリーピストン１３を上昇させる力として利用することができるようになり、断熱圧縮に要するリニア発電機の最大出力を第９実施例のものよりさらに低減することができるようになる。

第１実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した断面図である。図１に示すフリーピストン発電装置のリニア発電機の構成を示した平断面図である。位置検出センサの構成を示した説明図である。第１実施例のフリーピストン発電装置の制御系の構成を示したブロック図である。（Ａ）各行程のフリーピストンの位置を示した説明図である。（Ｂ）リニア発電機のコイルに流れる電流と電圧を示したタイムチャートである。第２実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した断面図である。図６に示すフリーピストン発電装置のリニア発電機の構成を示した平断面図である。第３実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した断面図である。図８に示すフリーピストン発電装置のリニア発電機の構成を示した平断面図である。（Ａ）第４実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した断面図である。（Ｂ）第４実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した側面図である。（Ｃ）第４実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した平断面図である。第５実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した断面図である。図１１に示すフリーピストン発電装置のリニア発電機の構成を示した平断面図である。（Ａ）第５実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した断面図である。（Ｂ）第５実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した側面図である。（Ｃ）第５実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した平断面図である。（Ａ）第６実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した断面図である。（Ｂ）第６実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した側面図である。（Ｃ）第６実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した平断面図である。（Ａ）第８実施例のフリーピストン発電装置の各行程のフリーピストンの位置を示した説明図である。（Ｂ）リニア発電機のコイルに流れる電流と電圧を示したタイムチャートである。第９実施例のフリーピストン発電装置の構成を示した断面図である。図１６のフリーピストン発電装置の制御系の構成を示したブロック図である。（Ａ）第９実施例のフリーピストン発電装置の各行程のフリーピストンの位置を示した説明図である。（Ｂ）リニア発電機のコイルに流れる電流と電圧を示したタイムチャートである。（Ａ）第１０実施例の各行程のフリーピストンの位置を示した説明図である。（Ｂ）リニア発電機のコイルに流れる電流と電圧を示したタイムチャートである。

符号の説明

１１フリーピストンエンジン
１３フリーピストン
２０リニア発電機

Claims

１つのフリーピストンエンジンと、このエンジンのフリーピストンの往復移動によって発電を行うリニア発電機とを備え、
前記リニア発電機を電動機として駆動させることにより前記フリーピストンを移動させて、フリーピストンエンジンの吸気行程と圧縮行程と排気行程を行わせ、
前記フリーピストンエンジンの燃焼膨張時に前記リニア発電機から発電出力を取り出すことを特徴とするフリーピストン発電装置。
１つのフリーピストンエンジンと、このエンジンのフリーピストンの往復移動によって発電を行うリニア発電機と、前記リニア発電機のコイルに電流を流す制御手段と、前記フリーピストンの位置を検出する位置検出手段とを備え、
前記制御手段は、位置検出手段が検出するフリーピストンの位置に基づいて前記リニア発電機のコイルに電流を流すことにより、フリーピストンエンジンの吸気行程と圧縮行程と排気行程の際に前記リニア発電機を電動機として動作させ、前記フリーピストンエンジンの燃焼膨張時に前記リニア発電機から発電出力を取り出すことを特徴とするフリーピストン発電装置。
前記制御手段は、位置検出手段が吸気行程の際にフリーピストンが吸気下死点近傍にきたことを検出したときと、排気行程の際にフリーピストンが上死点近傍にきたことを検出したとき、リニア発電機に回生制動を掛けることを特徴とする請求項２に記載のフリーピストン発電装置。
前記フリーピストンエンジンのシリンダの底部に、フリーピストンが下死点方向に移動することによって圧縮される気密室を形成し、この気密室に圧力調整用バルブを設け、
前記圧縮行程と排気行程の際に、前記フリーピストンを移動させる力として前記密室の圧力を利用することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のフリーピストン発電装置。
前記吸気行程の際に、フリーピストンが下死点に到達したとき、前記リニア発電機を利用してそのフリーピストンをさらに下死点方向に移動させてシリンダ内を負圧にすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のフリーピストン発電装置。
フリーピストンエンジンの圧縮比を膨張比より小さくしたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載のフリーピストン発電装置。
前記圧縮行程を断熱圧縮で行うことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載のフリーピストン発電装置。