JP2008057383A - フリーピストンエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】要求発電量に応じた適切な発電電力が得られるようにする。
【解決手段】駆動輪２Ｒ、２Ｌを駆動するための走行用モータ１への電力供給が、第１発電機１２、第２発電機１３から行われる。第１発電機１２は高速運転時に発電効率がよくなるように設定される。第２発電機１３は、フリーピストンエンジン１１のピストン４１，４２の慣性質量を変更するための重りととしても機能するもので、低速運転時に発電効率がよくなるように設定される。第２発電機１３は、ピストン４１、４２に対して、クラッチ１４を介してピストン断続される。要求発電量が小さいときは、クラッチ１４を接続することにより、ピストン４１，４２の慣性質量が大きくなって低速運転され、第２発電機１３によって効率よく発電が行われる。要求発電量が大きいときは、クラッチ１４が切断されて、ピストン４１，４２はその慣性質量が小さくなって高速運転され、第１発電機１２で効率よく発電される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フリーピストンエンジンの制御装置に関するものである。

近時、燃焼ガスの有する熱エネルギを高効率に取り出すという観点から、フリーピストンエンジンが注目されている。特許文献１には、フリーピストンエンジンのピストンに設けた永久磁石が、リニア発電機の磁界内を往復動されることにより発電を行うものが開示されている。また、特許文献２には、互いに一体化された左右一対のピストンを行程をずらして運転することにより、左右一対のピストンが一体となって往復動されるようにし、この左右一対のピストンを連結している連結ロッドに、リニア発電機用の永久磁石を保持させたものが開示されている。
特開２００５−１５５３４５号公報 特開２００３−３４３２０２号公報

発電を行うフリーピストンエンジンにおいては、例えば自動車の走行モータへの給電用として用いる等の場合は、要求負荷やバッテリの蓄電量等に応じて発電量を大きく変化させる必要がある。この発電量を変化させるには、ピストン速度を変更することにより達成できるが、フリーピストンエンジンにおいては、通常の自動車用エンジンとは異なって、吸入空気量や燃料噴射量を大きく変化させるという手法によってピストン速度を大きく変化させることが難しいものとなる。すなわち、フリーピストンエンジンでは、その上死点位置と下死点位置とが一定位置に定まらずに、例えば一の気筒の膨張エネルギによって他の気筒の圧縮を行う等のことから、ピストン速度を適正値からかなり低下させてしまうと、圧縮圧力が大きく低下して出力の大幅な低下となるばかりでなく、極端な場合にはエンジンが自動停止してしまうことになる。

一方、フリーピストンエンジンにおいては、要求される最高出力に応じた最高発電量を確保するために、かなりの高速運転を行うことも要求される。このため、例えば低負荷運転時のような要求発電量が小さいときに、高速運転を行っているときのピストン速度のまま発電を行ったのでは、余剰電力が大きくなり過ぎて、バッテリへの充電のみでは余剰電力を吸収できなかったり、余剰電力を十分に吸収しようとすとバッテリを大型化することが要求され、また余剰電力をバッテリへ急速充電せざるを得ないことにもなってバッテリの耐久性低下や充電損失が大きくなる等の問題を生じてしまう。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、要求発電量に応じた適切な発電量が得られるようにしたフリーピストンエンジンの制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
シリンダと、
前記シリンダ内に往復動可能に嵌合されると共に該シリンダ内の燃焼圧力を受けるピストンと、
前記ピストンの往復動に応じて発電を行なう第１発電機と、
要求発電量に応じて前記ピストンの慣性質量を変更する慣性質量変更手段と、
を備えているようにしてある。

上記解決手法によれば、ピストンの慣性質量が変化されることによって、安定した運転が得られるピストン速度の適正値が変化される。つまり、高速でも低速でも安定した運転を行って、要求発電量に応じた適切なピストン速度として、適切な発電量を得ることが可能になる。また、適宜低速での運転が行われることにより、常時高速運転する場合に比して耐久性向上の上でも好ましいものとなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記慣性質量変更手段は、前記ピストンの往復動速度が所定速度以下のときに慣性質量の変更を行うように設定されている、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、慣性質量の変更に伴うショックを防止する上で好ましいものとなる。

前記慣性質量変更手段が、前記ピストンに連結されて該ピストンの往復動に応じて変位される質量体と、該ピストンと質量体との連結を断続するクラッチと、を備えているようにしてある（請求項３対応）。この場合、質量体とピストンとの連結を断続するという簡単かつ確実な手法でもって、ピストン速度つまり発電量の大きさを変更することができる。

前記質量体が、前記第１発電機とは別体の第２発電機とされ、
前記第２発電機が、前記第１発電機よりも低速で定格出力となるように設定されている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、質量体を第２発電機でもって構成することにより、質量体を単なる重りでもって構成する場合に比して、より効率よく発電を行わせる上で好ましいものとなる。すなわち、第１発電機が高速用、第２発電機が低速用となって、ピストン速度に応じた効率のよい発電を行なうことができる。

前記シリンダおよびピストンが一対設けられると共に、一方のピストンの膨張行程時に他方のピストンの圧縮行程時となるように該一対のピストンの行程が互いに異なるように設定され、
前記一対のピストンに対して連動機構を介して連結されて、一方のピストンの膨張行程時に正転されると共に他方のピストンの膨張行程時に逆転されるシャフトが設けられ、
前記第１発電機が、前記シャフトの正逆回転に応じて発電を行う回転式とされ、
前記慣性質量変更手段が、前記第１発電機とは別体とされて前記シャフトの正逆回転に応じて発電を行う回転式の第２発電機と、該シャフトと第２発電機との連結を断続するクラッチと、を備えている、
ようにしてある（請求項５対応）。この場合、第１、第２の各発電機をそれぞれ回転式として、リニア式発電機の場合に比して発電効率が高くしかもコスト的にも有利なものとすることができる。また、一方のピストンの有する爆発エネルギによって、他方のピストンでの圧縮作用を行わせることができ、ピストンに対して圧縮用（復帰用）のリターンスプリングを別途設ける必要もなくなる。

前記第１発電機が、常時前記シャフトに連結されると共に該シャフトが高速回転されたときに定格出力となるように設定され、
前記第２発電機が、前記第１発電機よりも低速回転のときに定格出力となるように設定されている、
ようにしてある（請求項６対応）。この場合、ピストン速度の大きくなる高速時とピストン速度の小さくなる低速時とにそれぞれ対応した効率のよい発電を行うことができる。

前記連動機構が、前記ピストンの往復動によって往復動されるラックと、該ラックに噛合されると共に前記シャフトと連動されたピニオンとを有している、ようにしてある（請求項７対応）。この場合、ラックとピニオンという簡単な構成を利用して、ピストンの往復動をシャフトの正逆回転に変換することができる。

前記シリンダおよびピストンが同一軸線上において一対設けられると共に、一方のピストンの膨張行程時に他方のピストンの圧縮行程時となるように該一対のピストンの行程が互いに異なるように設定され、
前記一対のピストン同士が連結ロッドを介して連結されており、
前記第１発電機が、前記連結ロッドに対して機械的に連結されて、該連結ロッドの往復動に応じて発電を行うようにされ、
前記慣性質量変更手段が、前記連結ロッドに対して機械的に連結されて該連結ロッドの往復動に応じて発電を行うと共に前記第１発電機とは別体とされた第２発電機と、該連結ロッドと第２発電機との連結を断続するクラッチと、を備えている、
ようにしてある（請求項８対応）。この場合、一対のピストンを２つの発電機に連結させるのに、１つの連結ロッドを有効に利用して行うことができる。また、一方のピストンの有する爆発エネルギによって、他方のピストンでの圧縮作用を行わせることができ、ピストンに対して圧縮用（復帰用）のリターンスプリングを別途設ける必要もなくなる。

本発明によれば、フリーピストンエンジンによって発電を行う場合に、要求発電量に応じて適切な発電量を得ることができる。

図１は、車両としての自動車を駆動するモータへの給電用としてフリーピストンエンジンを利用した場合の実施形態を示すものである。この図１において、１は駆動用（走行用）のモータで、実施形態ではＡＣモータで構成されている。２Ｒ、２Ｌは左右の駆動輪（前輪または後輪）であり、この駆動輪２Ｒ、２Ｌは、デファレンシャルギア３を介してモータ１によって駆動される。

１０は、後述するフリーピストンエンジンであり、エンジン本体１１と第１発電機１２と第２発電機１３を含めたユニット体として構成されている。第１発電機１２によって発電された電力（交流）は、整流器２０によって直流に変換された後、ＤＣ−ＡＣコンバータ２１を介してモータ１に供給される一方、余剰電力はバッテリ２２に供給される。同様に、第２発電機１３によって発電された電力（交流）は、整流器２５によって直流に変換された後、ＤＣ−ＡＣコンバータ２１を介してモータ１に供給される一方、余剰電力はバッテリ２２に供給される。バッテリ２２からの電力が、上記ＤＣ−ＡＣコンバータ２１を介してモータ１に供給されるようにもなっている。制動時の回生エネルギを回収するため、制動時には、モータ１によって発電された電力が、整流器２３によって直流に変換された後、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４によって昇圧されてバッテリ２２に供給される。

第１発電機１２は、高速用とされて（高速回転されたときに定格出力が得られるように、コイルの巻き数や磁界場強度等が設定されている）、エンジン本体１１によって常時駆動される一方、第２発電機１３は低速用とされている（低速回転されたときに定格出力が得られるように設定されている）。この第２発電機１３は、クラッチ１４を介してエンジン本体１１に対して断続されるようになっている。すなわち、クラッチ１４は、要求発電量が小さくてエンジン本体１１を低速運転する場合に接続され、要求発電量が大きくてエンジン本体１１を高速運転するときは切断される。

自動車の運転状態に応じた電力供給の流れは、例えば次のように行われるが、フリーピストンエンジン１０による最大発電量は、モータ１による最大出力を確保できる程度に十分に大きいものとされている。
（１）要求発電量が極めて少ないとき
発進時や極軽負荷時でかつバッテリ２２の蓄電量が大きいときである。このときは、各発電機１２、１３での発電は行われず（フリーピストンエンジン１０の停止状態）、バッテリ２２からのみモータ１へ電力が供給される。
（２）要求発電量が少ないとき
軽負荷運転時、または中負荷かつバッテリ２２の蓄電量が多いときである。このときは、クラッチ１４が接続されて、低速用の第２発電機１３での発電が行われて（フリーピストンエンジン１０が作動で、クラッチ１４が接続）、第２発電機１３からモータ１へ電力が供給されると共に、余剰電力はバッテリ２２に蓄電される。なお、高速用の第１発電機１２は駆動されるものの、高速時に定格出力を得る設定とされているために、低速時には発電電圧が極めて小さくなり、事実上低速用の第２発電機１３での発電のみとなる。
（３）要求発電量が中程度のとき
中負荷時、または軽負荷かつバッテリ２２の蓄電量が少ないときである。このときは、第１発電機１２のみ（クラッチ１４の切断）、あるいは事実上第２発電機１３のみ（クラッチ１４の接続）での発電が行われて、モータ１へ電力が供給されると共に、余剰電力はバッテリ２２に蓄電される。
（４）要求発電量が大きいとき
高負荷時、または中負荷かつバッテリ２２の蓄電量が少ないときである。このときは、第１発電機１２でのみ発電が行われて（クラッチ１４は切断）、第１発電機１２からモータ１へ電力が供給されると共に、余剰電力はバッテリ２２に蓄電される。
（５）回生制動時
モータ１が駆動輪２Ｒ、２Ｌによって駆動される発電機として機能されるときである。このときは、モータ１で発電された電力がバッテリ２２に蓄電される。なお、フリーピストンエンジン１０は、停止してもよいが、次の発電に備えて低速で運転を継続させることもできる（クラッチ１４は接続）。

次に、フリーピストンエンジン１０について、図２、図３を参照しつつ説明する。まず、フリーピストンエンジン１０は、ハウジング（ケーシング）Ｋを有し、このハウジングＫは、防振ゴム８６を介して車両のフレームに保持されている。ハウジングＫ内には、エンジン本体１１を構成する第１、第２の一対のシリンダ３１，３２が配設されている。第１シリンダ３１内には第１ピストン４１が摺動自在に嵌合され、同様に第２シリンダ３２内には第２ピストン４２が摺動自在に嵌合されている。各シリンダ３１と３２（各ピストン４１と４２）とは、左右に隣り合って配置、より具体的には互いに平行な上下方向に伸びる２つの軸線上に別々に位置するように設定されている（互いに同一軸線上に位置しないように設定されている）。

第１シリンダ３１と第１ピストン４１とによって第１燃焼室５１が画成され、第２シリンダ３２と第２ピストン４２とによって第２燃焼室５２が画成されている。各燃焼室５１，５２には、それぞれ吸気弁５３、排気弁５４および燃料噴射弁５５が配設されて、４サイクルの燃焼が行われるようになっている（実施形態では自己着火式とされて、点火プラグは有しないものとなっている）。すなわち、吸気弁５３が開かれて燃焼室５１（５２）に吸気が供給された後、燃料噴射弁５５から燃料噴射が実行されて燃焼が行われ、その後排気弁が開かれて燃焼室５１（５２）内の排気ガスが外部へ排出されることになる。第１ピストン４１と第２ピストン４２とは、互いに行程が１８０度相違されて、一方のピストンが燃焼圧力を受けるとき（膨張行程にあるとき）、他方のピストンが圧縮行程とされる。このように、一方のピストンの有する爆発エネルギによって、他方のピストンの圧縮作用を行わせるので、各ピストン４１，４２に対して圧縮用のリターンスプリングを別途設ける必要がないものとなっている。

第１ピストン４１には、その軸線方向に伸ばして一対の第１ラック６１が一体化され、同様に第２ピストン４２には、その軸線方向に伸ばして一対の第２ラック６２が一体化されている。各ラック６１と６２との間には、シャフト６５が配設されている。このシャフト６５は、エンジン本体１１のハウジング（ケーシング）Ｋに回転可能に保持されている。各ピストン４１，４２に設けられた一対のラック６１，６２は、ピストン４１，４２の径方向に離れた位置となるように位置されている。

シャフト６５には、その軸線方向に小間隔をあけて一対のピニオン６６が一体的に取付けられている。そして、このピニオン６６に対して、第１ラック６１および第２ラック６２が噛合されている。すなわち、各ラック６１，６２によって、シャフト６５つまりピニオン６６が径方向から挟まれた形式でもって、各ラック６１，６２がピニオン６６に噛合されている。これにより、ピニオン６６の径方向一方側からのみラックが噛合される場合に比して、シャフト６５つまりピニオン６６に対して片持ち式に外力が大きく作用することが防止される。なお、各ピストン４１，４２に対して一対のラック（ピニオン）を設けたのは、ピストン４１，４２に対して作用するラックからの反力が片持ち式に作用しないようにする等のためであり、１つのピストンに対して１つのラック（ピニオン）のみを設けるようにしてもよい。このように、ラックアンドピニオン機構を利用して、ピストン４１，４２の往復動に応じて、シャフト６５が正逆回転されることになる。

シャフト６５には、前述した吸気弁５３用の駆動カム７１，および排気弁５４用のカム７２が一体的に設けられている。図３において、一対のピニオン６６を挟んで図中左方側のカム７１，７２が、一方のシリンダ３１（一方のピストン４１）用であり、図中右方側のカム７１，７２が他方のシリンダ３２（他方のピストン４２）用である。

一方のシリンダ３１における吸気弁５３に着目して、カム７１との機械的な連動関係について説明する。図３において、ハウジングＫには、シリンダ３１の上方位置においてロッカアームシャフト８１が保持され、このロッカアームシャフト８１に、ロッカアーム８２が揺動自在に保持されている。このロッカアーム８２の一端部が吸気弁５３と係合されて、吸気弁５３を開弁方向に押圧可能となっている。勿論、吸気弁５３は、図示を略すリターンスプリングによって、閉弁方向に常時付勢されている。

上記ロッカアーム８２の他端部には、上下方向に伸びるタペット８３の上端部が、回動可能に連結されている。このタペット８３の下端部は、吸気弁５３用の駆動カム７１に対して常時当接されている。これにより、ピストン４１，４２の往復動に応じてシャフト６５が正逆回転されると、カム７１も正逆回転されて、ロッカアーム８２がロッカアームシャフト８１を中心として揺動され、これにより、吸気弁５３が所定のタイミングで開閉されて、吸気、圧縮、膨張、排気という４サイクルでの各行程が行われることになる。

シリンダ３２における排気弁５４や、シリンダ３２における吸気弁５３，排気弁５４についても、シリンダ３１における吸気弁５３と同様に、ロッカアームやタペットを介して所定タイミングでもって開閉駆動されることになる。

シャフト６５に対して、第１発電機１２、第２発電機１３が直列に配置され、各発電機１２と１３との間にクラッチ１４が配設されている。第１発電機１２は、シャフト６５に対して常時連結されている。また、第２発電機１３は、クラッチ１４が接続されたとき、第１発電機１２（の上記ロータ）を介してシャフト６５に連結される。

各発電機１２、１３は、永久磁石を保持したロータおよび固定コイルを有する回転式とされて、シャフト６５が回転されることにより永久磁石を保持したロータが回転され、これによりロータの周囲に設けたコイルに誘導起電力が発生されて発電されることになる。このような回転式の発電機１２、１３にあっては、同じ発電量を得るのであれば、リニア式発電機よりもより発電効率の高いものとなり、かつコストも安価になる。なお、発電機１２、１３は、高熱となるシリンダ３１，３２の外部に位置されているので（特にシリンダ３１，３２から離れた位置に設置されているので）、より発電効率を高める上でも好ましいものとなっている。

高速用となる第１発電機１２は、例えばピストン速度が２０ｍ／ｓｅｃのときに定格出力が得られるように設定され、低速用の第２発電機１３は、例えばピストン速度が５ｍ／ｓｅｃのときに定格出力が得られるように設定されて、両発電機１２と１３との特性が互いに相違されている。すなわち、第１発電機１２は、シャフト６５が高速で正逆回転されるときに効率よく大きな電圧を発生する一方、シャフト６５の正逆回転速度が大きく低下すると、十分な発電を行えない（発電電圧が極端に低下する）ものとなる。これとは逆に、第２発電機１３は、シャフト６５が低速で正逆回転されるときに効率よく大きな電圧を発生する一方、シャフト６５の正逆回転速度が大きく上昇すると、十分な発電を行えない（発電電圧が極端に低下する）ものとなる。

ここで、一般的に、ピストン速度が大きくなるほど大きな発電量が得られるが、フリーピストンエンジンにおいては、安定した運転を得るためのピストン速度には適正値（適正幅）がある。すなわち、フリーピストンエンジンにおいては、安定した運転がピストンの共振周波数域において得られる一方、共振周波数はピストンの「慣性質量の１／２乗」に反比例する。つまり、ピストンの慣性質量が大きいほど、共振周波数が小さくなって低速での安定運転を得ることができ、ピストンの慣性質量が小さいほど共振周波数が大きくなって高速での安定運転を得ることができる。なお、ピストンの慣性質量は、ピストン単体での質量に加えて、ピストンに機械的に連動された各種部材の質量を加味した値となる（ピストンと共に一体的に動く全部材の慣性質量ということになる）。

要求発電量が大きくて大きなピストン速度が要求されるときは、クラッチ１４を切断して質量体としての第２発電機１３がピストンの慣性質量として作用しないようにしてあるので、相対的にピストンの慣性質量は小さいものとなり、高速での安定運転が得られると共に、高速用として設定された第１発電機１２による効率的な発電が行われることになる。逆に、要求発電量が小さくて小さなピストン速度が要求されるときは、クラッチ１４を接続して質量体としての第２発電機１３がピストンの慣性質量として作用するようにしてあるので、ピストンの慣性質量は大きいものとなり、低速での安定運転が得られると共に、低速用として設定された第１発電機１２による効率的な発電が行われることになる。

上述した要求発電量に応じて発電態様を切り替えるために、電磁式のクラッチ１４の断続制御等が、図１に示すように、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラＣＵによって制御される。そして、コントローラＣＵには、アクセル開度センサ１５で検出されたアクセル開度信号、ブレーキセンサ１６で検出されたブレーキ信号、および蓄電センサ１７で検出されたバッテリ２２の蓄電量信号が入力される。なお、アクセル開度、ブレーキ信号およびバッテリ蓄電量は、要求発電量を決定するためのパラメータとして用いられる。

次に、図４に示すフローチャートを参照しつつ、コントローラＣＵの制御例について説明する。なお、以下の説明でＳはステップを示す。まず、Ｓ１において、
アクセル開度とブレーキ信号の有無と蓄電量とが読み込まれる。次いでＳ２において、図５に示すマップから、アクセル開度に応じた要求出力が決定される。要求出力は、アクセル開度が大きいほど大きくされ、アクセル開度がある程度以上大きくなると要求出力は上限値の言って一とされる。次いで、Ｓ３において、要求出力とバッテリ蓄電量とに基づいて、図示を略すをマップ等から、要求発電量が決定される。要求発電量は、バッテリ蓄電量が小さいほどかつ要求出力が大きいほど、大きくなるように決定される。

Ｓ３の後、Ｓ４において、要求発電量がゼロであるか否かが判別される。このＳ４での判別は、前述した運転状態に応じた発電態様の（１）または（５）の状態であるか否かの判別となる。このＳ４の判別でＹＥＳのときは、Ｓ５において、現在エンジン（エンジン本体１１）が作動中であるか否かが判別される。このＳ５の判別でＹＥＳのときは、Ｓ６においてエンジンを停止させた後、リターンされる。Ｓ５の判別でＮＯのときは、Ｓ６を経ることなくなくそのままリターンされる。

前記Ｓ４の判別でＮＯのときは、Ｓ７において、現在エンジン作動中であるか否かが判別される。このＳ７の判別でＮＯのときは、Ｓ９においてエンジンを作動させた後Ｓ８に移行され、Ｓ７の判別でＹＥＳのときはＳ９を経ることなくＳ８に移行される。Ｓ８では、要求発電量が、低速用発電機１３の最大出力以上であるか否かが判別される。このＳ８の判別でＮＯのときは、低速用発電機１３で発電を行うときであり、このときは、まずＳ１０において、クラッチ１４が接続されているか否かが判別される。このＳ１０の判別でＹＥＳのときは、クラッチ１４が接続されていて低速用発電機１３で発電が可能な状態になっているときなので、そのままリターンされる。

上記Ｓ１０の判別でＮＯのときは、Ｓ１１において、ピストン速度が所定速度（０あるいは０に近い速度）であるか否かが判別される。このＳ１１の判別でＹＥＳのときは、Ｓ１２において、クラッチ１４を接続した後、リターンされる。また、Ｓ１１の判別でＮＯのときは、ピストン速度が所定速度以下になるのを待って、Ｓ１２へ移行される。このように、ピストン速度が小さいときにクラッチ１４を接続することにより、クラッチ１４の接続に起因するショックが防止あるいは低減されることになる。

前記Ｓ８の判別でＹＥＳのときは、高速用の第１発電機１２でのみ発電を行うときで、クラッチ１４を切断すべき状態である。このときは、まず、Ｓ１３において、クラッチ１４が接続中であるか否かが判別される。このＳ１３の判別でＮＯのときは、既にクラッチ１４が接続されているときなので、そのままリターンされる。上記Ｓ１３の判別でＹＥＳのときは、Ｓ１４において、ピストン速度が所定速度（０あるいは０に近い速度）であるか否かが判別される。このＳ１４の判別でＹＥＳのときは、Ｓ１５において、クラッチ１４を切断した後、リターンされる。また、Ｓ１４の判別でＮＯのときは、ピストン速度が所定速度以下になるのを待って、Ｓ１５へ移行される。このように、ピストン速度が小さいときにクラッチ１４を切断することにより、クラッチ１４の切断に起因するショックが防止あるいは低減されることになる。

図６は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前述の実施形態と同一構成要素には同一符合を付してその重複した説明は省略する。本実施形態では、両端がそれぞれ閉じられた円筒状部材によって構成されたシリンダ部材３０を有する。シリンダ部材３０は、その一端部側に第１シリンダ３１が構成される一方、その他端部側に第２シリンダ３２が構成されている。第１シリンダ３１内には第１ピストン４１が摺動自在に嵌合され、第２シリンダ３２内には第２ピストン４２が摺動自在に嵌合されている。各ピストン４１と４２とは、連結ロッド４３によって連結されて互いに一体化されている。第１ピストン４１と第２ピストン４２とは、互いに行程が１８０度相違されて、一方のピストンが燃焼圧力を受けるとき（膨張行程にあるとき）、他方のピストンが圧縮行程とされる。これにより、一対のピストン４１、４２と連結ロッド４３とのユニット体は、互いに一体となって、シリンダ部材３０の軸線方向に往復動されることになる。なお、図６では、吸気弁、排気弁等は図示を略してある。

上記連結ロッド４３にはラック６１Ａ、６１Ｂが一体的に形成されている。このラック６１Ａ、６１Ｂは、前記実施形態における一対のラック６１，６２に相当するものである。一対のピストン４１と４２との間には、連結ロッド４３の付近において、連結ロッド４３を挟んで対象位置において一対のシャフト６５Ａ、６５Ｂが配設されている。このシャフト６５Ａに一体的に設けたピニオン６６Ａが、上記ラック６１Ａに噛合されている。また、シャフト６５Ｂに一体的に設けたピニオン６６Ｂが、上記ラック６１Ｂに噛合されている。そして、シャフト６５Ａには第１発電機１２が常時連結される一方、シャフト６５Ｂには、クラッチ１４を介して第２発電機１３が連結されている。なお、シリンダ部材３０には、ピニオン６６Ａ、６６Ｂとの干渉そ避けるための切欠３０ａ、３０ｂが形成されている。

本実施形態では、ピストン４１，４２の往復動に応じて、連結ロッド４３も往復動され、これに伴って、シャフト６５Ａ、６５Ｂが正逆回転されて、回転式の発電機１２、１３によって発電されることになる。勿論、高速時にクラッチ１４が切断されて１発電機１２のみによる発電が行われ、低速時にはクラッチ１４が接続されて第２発電機１３による発電が行われる。本実施形態では、１つの連結ロッド４３が、２つのピストン４１，４２を発電機１２，１３と連動させるための共通用とされている。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。ピストンは、一対構造の場合に限らず、１つのみであってもよく、あるいは図２や図６に示す構造のものを複数段並置したものであってもよい（例えば、図３において、シャフト６５の軸線方向に間隔をあけてピストン（シリンダ）を複数設置する構造で、シャフト６５は全てのピストン共通の１本とされる）。例えば、図２に示す構造のものを３段並置して（ピストンつまり燃焼室の数は合計で６個）、１つの燃焼室の排気量を３３０ｃｃとした場合には、総排気量１９８０ｃｃのフリーピストンエンジンが得られることになる。往復動されるピストンによってシャフト６５（６５Ａ、６５Ｂ）を正逆回転させるための機械的な連動機構は適宜の形式のものを採択できるが、歯車を利用したものが、精度よく連動させる上でかつ極力簡単な構成にする等の上で好ましいものとなる。シャフト６５（６５Ａ、６５Ｂ）とピストンとの連動機構中にチェーン等の巻掛け媒介節を介在させてもよく、この場合は、シャフト６５（６５Ａ、６５Ｂ）や発電機１２、１３の配設位置の選択の自由度が高まることになる。

２つの発電機１２と１３とを、それぞれ、別個のクラッチを介してシャフト６５（ピストン）に断続させるようにしてもよい。この場合、高速時には、第１発電機１２用のクラッチのみを接続すると共に第２発電機１３用のクラッチを切断し、逆に、低速時には第２発電機１３用のクラッチのみを接続すると共に、第１発電機１２用のクラッチを切断すればよい（ただし、この場合は、低速用の発電機１３に別途重りをつける等により、十分に慣性質量が大きくなるようにしておく等のことが必要となる）。質量体として、発電機以外に、例えば比重の大きい金属からなる単なる重りをピストンに対して断続させるようにしてもよい。また、慣性質量の変更は、２段階に限らず、３段階以上の多段階にすることもでき、多段階にするほど、要求発電量にきめ細かく対応することができる。

発電機１２、１３は、回転式とすることなく、従来一般的に採用されているリニア式とすることもでき、この場合は、正逆回転されるシャフト６５（６５Ａ、６５Ｂ）を必ずしも必要としない。リニア式の発電機を用いる場合は、例えば、図６において、ピニオン６５Ａ、６５Ｂに噛合されるラックを有する磁石保持体をシリンダ部材３０の軸線方向に伸ばして往復動可能に配設して、この磁石保持体に永久磁石をシリンダ部材３０の軸線方向に伸ばして保持させる共に、この永久磁石に近接させて、シリンダ部材３０の軸線方向に伸ばしてコイルを配設すればよい。また、磁石保持体を別途設けることなく、連結ロッド４３に直接永久磁石を保持させてよい（ただし、連結ロッド４３に断続される質量体としての発電機あるいは単なる重りは、クラッチを介して連結ロッドに断続されるように構成される）。

吸気弁５３，排気弁５４をシャフト６５によって開閉駆動する場合、カム７１，７２を直接シャフト６５に設けることなく、例えばシリンダ３１，３２の上部にカムシャフトを配設して、シャフト６５とカムシャフトとをチェーン等によって連動させるようにしてもよい（いわゆるオーバヘッドカムシャフト形式）。勿論、吸気弁５３，排気弁５４は、シャフト６５に対して機械的に連動されることなく、電磁式に駆動されるものであってもい。フリーピストンエンジンは、火花点火式であってもよく、あるいは２サイクル式（この場合は吸気弁および排気弁は不用となる）にする等、適宜の形式を採択することができる。フリーピストンエンジンは、自動車用に限らず、定置式の発電用等に用いる等、その使用範囲は限定されないものである。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

フリーピストンエンジンを自動車の走行用モータへの給電用として利用した場合の実施形態を示す全体系統図。 本発明によるフリーピストンエンジンの一例を示す断面側面図。 図２のＸ３−Ｘ３線相当での全体断面図。 本発明の制御例を示すフローチャート。 アクセル開度と要求出力との関係を示すマップ。 本発明の第２の実施形態を示すもので、図２に対応した図。

１：モータ
２Ｒ、２Ｌ：駆動輪
１０：フリーピストンエンジン
１１：エンジン本体
１２：第１発電機（高速用）
１３：第２発電機（低速用）
１４：クラッチ（第２発電機の断続用）
１５：アクセル開度センサ
１６：ブレーキセンサ
１７：蓄電量センサ
２２：バッテリ
３１：第１シリンダ
３２：第２シリンダ
４１：第１ピストン
４２：第２ピストン
４３：連結ロッド
５１：第１燃焼室
５２：第２燃焼室
５３：吸気弁
５４：排気弁
５５：燃料噴射弁
６１，６２：ラック（連動機構）
６１Ａ、６１Ｂ：ラック（連動機構）
６５：シャフト（正逆回転）
６５Ａ、６５Ｂ：シャフト（正逆回転）
６６：ピニオン（連動機構）
６６Ａ、６６Ｂ：ピニオン（連動機構）

Claims (8)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内に往復動可能に嵌合されると共に該シリンダ内の燃焼圧力を受けるピストンと、
   前記ピストンの往復動に応じて発電を行なう第１発電機と、
   要求発電量に応じて前記ピストンの慣性質量を変更する慣性質量変更手段と、
   を備えていることを特徴とするフリーピストンエンジンの制御装置。
2. 請求項１において、
   前記慣性質量変更手段は、前記ピストンの往復動速度が所定速度以下のときに慣性質量の変更を行うように設定されている、ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記慣性質量変更手段が、前記ピストンに連結されて該ピストンの往復動に応じて変位される質量体と、該ピストンと質量体との連結を断続するクラッチと、を備えていることを特徴とするフリーピストンエンジンの制御装置。
4. 請求項３において、
   前記質量体が、前記第１発電機とは別体の第２発電機とされ、
   前記第２発電機が、前記第１発電機よりも低速で定格出力となるように設定されている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御装置。
5. 請求項１または請求項２において、
   前記シリンダおよびピストンが一対設けられると共に、一方のピストンの膨張行程時に他方のピストンの圧縮行程時となるように該一対のピストンの行程が互いに異なるように設定され、
   前記一対のピストンに対して連動機構を介して連結されて、一方のピストンの膨張行程時に正転されると共に他方のピストンの膨張行程時に逆転されるシャフトが設けられ、
   前記第１発電機が、前記シャフトの正逆回転に応じて発電を行う回転式とされ、
   前記慣性質量変更手段が、前記第１発電機とは別体とされて前記シャフトの正逆回転に応じて発電を行う回転式の第２発電機と、該シャフトと第２発電機との連結を断続するクラッチと、を備えている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御装置。
6. 請求項５において、
   前記第１発電機が、常時前記シャフトに連結されると共に該シャフトが高速回転されたときに定格出力となるように設定され、
   前記第２発電機が、前記第１発電機よりも低速回転のときに定格出力となるように設定されている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御装置。
7. 請求項５または請求項６において、
   前記連動機構が、前記ピストンの往復動によって往復動されるラックと、該ラックに噛合されると共に前記シャフトと連動されたピニオンとを有している、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
8. 請求項１または請求項２において、
   前記シリンダおよびピストンが同一軸線上において一対設けられると共に、一方のピストンの膨張行程時に他方のピストンの圧縮行程時となるように該一対のピストンの行程が互いに異なるように設定され、
   前記一対のピストン同士が連結ロッドを介して連結されており、
   前記第１発電機が、前記連結ロッドに対して機械的に連結されて、該連結ロッドの往復動に応じて発電を行うようにされ、
   前記慣性質量変更手段が、前記連結ロッドに対して機械的に連結されて該連結ロッドの往復動に応じて発電を行うと共に前記第１発電機とは別体とされた第２発電機と、該連結ロッドと第２発電機との連結を断続するクラッチと、を備えている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御装置。