JP2009008068A - フリーピストンエンジンおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電量に応じてエンジンの負荷を変更した場合でも、エンジンを効率よく運転できるようにする。
【解決手段】シリンダハウジング３１内に互いに直列に一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂ）が摺動自在に嵌合されて、一対のピストン間に燃焼室３５Ａ（３５Ｂ）が構成される。シリンダハウジング３１に形成された吸気ポート３６Ａ（３６Ｂ）および排気ポート３７Ａ（３７Ｂ）が、一対のピストンの往復動に応じて開閉される。一対のピストンの往復動に応じて、発電機１２（コイル４５と磁石４６）の発電が行われる。発電機の発電量に応じてエンジンの負荷が制御される一方、エンジンの負荷に応じて、一対のピストンのシリンダハウジング３１に対する軸線方向の相対位置が変更される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、フリーピストンエンジンおよびその制御方法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１には、１つのシリンダ（シリンダボア）内に互いに直列に一対のピストンを摺動自在に嵌合して、この一対のピストンの間に燃焼室を構成したものが開示されている。すなわち、燃焼室での燃焼圧力を受けたときに、一対のピストンが互いに離間する方向に駆動されるものが開示されている。さらに、特許文献１には、シリンダボアに開口された吸気ポートと排気ポートとをシリンダ軸線方向に間隔を開けて配置して、一対のピストンの往復動に応じて吸気ポートと排気ポートとが開閉されるもの、つまり吸気ポート、排気ポートの燃焼室に対する連通と遮断とが一対のピストンの往復動に応じて切替えられるものが開示されている。
特開２００５−１５５３４５号公報

フリーピストンエンジンは、クランクシャフトが存在しないために、圧縮比可変であるという特徴がある（上死点位置と下死点位置とが常時一定とはならない）。この圧縮比を積極的に変更することや、あるいは例えば燃料噴射量、点火時期、発電量等の負荷変更等の運転状態の変更に応じて自動的に圧縮比が変更される場合もある。このように、圧縮比が変更された場合、シリンダに対するピストンの相対位置関係が変更されることになる（上死点位置あるいは下死点位置が変更される）。

ところで、フリーピストンエンジンを、例えばハイブリッド車における発電用、あるいはコジェネシステムにおける発電用として利用する場合、発電量の変更に応じて、エンジンの運転状態、特にエンジンの負荷となる燃料噴射量を変更することが要求される。発電量に応じてエンジンの負荷を変更する場合、吸気ポート、排気ポートを一対のピストンの往復動に応じて開閉するようにしたままでは、エンジンの効率的な運転が阻害されてしまうことになり、この点においてなんらかの対策が望まれることになる。より具体的には、例えば発電量を低下させるのに伴って燃料噴射量を減少させた場合、着火性確保のために圧縮比を大きくせざるを得ず、この結果、圧縮エネルギ確保のためにピストン速度が速くなって、燃料噴射の回数が増大して、燃費の悪化をまねくことになる。

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、発電量に応じてエンジンの負荷を変更した場合でも、エンジンを効率よく運転できるようにしたフリーピストンエンジンおよびその制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明におけるフリーピストンエンジン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、
シリンダハウジングに形成されたシリンダボア内に互いに直列に一対のピストンを摺動自在に嵌合されて、該一対のピストンの間に燃焼室が構成され、
前記シリンダハウジングに形成された吸気ポートおよび排気ポートが、前記一対のピストンの往復動に応じて開閉されるように前記シリンダボア内に開口されたフリーピストンエンジンにおいて、
前記一対のピストンの往復動に応じて発電を行う発電機と、
前記発電機の発電量を制御する発電制御手段と、
前記発電機の発電量に応じてエンジンの負荷を制御する燃焼制御手段と、
前記燃焼制御手段によって制御されるエンジンの負荷に応じて、前記一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置を変更する位置変更手段と、
を備えているようにしてある。

上記解決手法によれば、位置変更機構によって、一対のピストンのシリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置を変更することによって、ピストンによる吸気ポート、排気ポートの開閉タイミングが変更されることになる。すなわち、エンジンの負荷の変更に応じて上記相対位置を変更することによって、エンジンの負荷に応じた最適な充填効率を得ることができ、燃費の悪化を防止することができる。また、上記相対位置の変更は、ピストン（ピストンリング）のシリンダボア内面に対する摺動範囲が変更されることになって、同じ摺動範囲のまま運転を行う場合に比して、摺動範囲の摩耗に起因してシリンダボア内面に段差が形成されてしまう事態を防止あるいは抑制する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〜請求項９に記載のとおりである。すなわち、
前記位置変更手段が、前記燃焼室を構成する際の前記一対のピストンのシリンダ軸線方向の距離を変化させることなく、該一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置を変更する、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、大きな燃焼圧力に抗することなく、相対位置の変更を小さい力でもって行うことができる。

前記シリンダハウジングとは別個独立して、前記ピストンを保持するピストン保持用ハウジングを備え、
前記位置変更手段が、シリンダ軸線方向における前記シリンダハウジングとピストン保持用ハウジングとの距離を変化させるものとして構成されている、
ようにしてある（請求項３対応）。この場合、ピストンを、シリンダハウジングのみに保持させるのではなく、別途ピストン保持用ハウジングに保持させて、このシリンダハウジングとピストン保持用ハウジングとの距離変更によって、一対のピストンとシリンダハウジングとのシリンダ軸線方向の相対位置を変更することができる。

前記位置変更手段は、前記一対のピストン間における発電態様を互いに相違させるものとして設定されている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、発電態様を相違させることによって位置変更を行うことができ、構造の簡単化やコスト低減等の上でも好ましいものとなる。

前記位置変更手段は、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電を実行する時期を相違させるものとして設定されている、ようにしてある（請求項５対応）。この場合、位置変更のために発電態様を相違させるためのより具体的なものが提供される。

前記位置変更手段は、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電負荷の変化態様を相違させるものとして設定されている、ようにしてある（請求項６対応）。この場合、発電負荷を相違させることによって位置変更を行うことができ、構造の簡単化やコスト低減等の上でも好ましいものとなる。

前記吸気ポートと排気ポートとが、シリンダ軸線方向に間隔を開けて前記シリンダボア内に開口され、
前記位置変更手段は、エンジンの負荷が大きいときは小さいときに比して、前記一対のピストンが前記吸気ポート側寄りの位置となるように位置変更を行う、
ようにしてある（請求項７対応）。この場合、吸気ポートと排気ポートとの位置関係を考慮して、エンジンの負荷に応じた具体的な位置変更の態様が提供される。

前記位置変更手段は、
エンジンの負荷が第１所定値と該第１所定値よりも大きい値に設定された第２所定値との間にあるときは、前記一対のピストンがシリンダ軸線方向において所定の基準位置となるようにし、
エンジンの負荷が前記第１所定値よりも小さいときは、前記一対のピストンが前記基準位置よりも前記排気ポート側寄りの位置となるようにし、
エンジンの負荷が前記第２所定値よりも大きいときは、前記一対のピストンが前記基準位置よりも前記吸気ポート側寄りの位置となるようにする、
ようにしてある（請求項８対応）。この場合、使用頻度の高いエンジンの負荷範囲では基準位置のままとして、相対位置の変更を極力行わないですむようにする上で好ましいものとなる。

エンジンが圧縮自己着火式とされ、
前記吸気ポートが、圧縮状態での混合気を供給するための掃気ポートとされ、
エンジンの負荷が、燃料噴射量とされている、
ようにしてある（請求項９対応）。この場合、圧縮自己着火式は、簡単な構造ですみかつ使用燃料の融通性の高いものとなる一方、燃料噴射量の変更に応じて圧縮比をかなり大きく変化せざるを得ないために燃費悪化を生じやすいものとなるが、エンジンの負荷に応じて上記相対位置を変更することによって、エンジンの負荷に応じた最適な充填効率を得ることができるので、燃料噴射量の変更に伴う燃費悪化を効果的に防止することができる。

前記目的を達成するため、本発明におけるフリーピストンエンジンの制御方法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１０に記載のように、
シリンダハウジングに形成されたシリンダボア内に互いに直列に一対のピストンが摺動自在に嵌合されて、該一対のピストンの間に燃焼室が構成され、
前記シリンダハウジングに形成された吸気ポートおよび排気ポートが、前記一対のピストンの往復動に応じて開閉されるように前記シリンダボア内に開口され、
前記一対のピストンの往復動に応じて駆動される発電機によって発電を行うようにしたフリーピストンエンジンの制御方法において、
前記発電機の発電量を制御する第１のステップと、
前記発電機の発電量に応じてエンジンの負荷を制御する第２のステップと、
前記第２のステップで制御されるエンジンの負荷に応じて、前記一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置を変更する第３のステップと、
を備えているようにしてある。上記解決手法によれば、請求項１に対応したフリーピストンエンジンの制御方法が提供される。

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１１以下に記載のとおりである。
前記第３のステップでは、前記一対のピストン間における発電態様を互いに相違させることによって前記相対位置を変更する、ようにしてある（請求項１１対応）。この場合、請求項４に対応した制御方法が提供される。

前記第３のステップでは、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電を実行する時期を相違させることによって前記相対位置を変更する、ようにしてある（請求項１２対応）。この場合、請求項５に対応した制御方法が提供される。

前記第３のステップでは、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電負荷の変化態様を相違させるものとして設定されている、ようにしてある（請求項１３対応）。この場合、請求項６に対応した制御方法が提供される。

本発明によれば、発電量に応じたエンジンの負荷変更に起因して燃費が悪化してしまう事態を防止あるいは抑制して、エンジンを効率よく運転できる。

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、発電ユニットであり、この発電ユニット１０は、ピストンやシリンダを含むフリーピストンエンジン１１と発電機１２とを含めたユニット体として構成されている。フリーピストンエンジン１１は、発電機１２を駆動するもので、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。また、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。

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、発電機１２での発電は行われず（フリーピストンエンジン１１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〜中負荷時でかつバッテリ２２の蓄電量が多いときである。このときは、発電機１２での発電が行われて（フリーピストンエンジン１１が作動）、発電機１２からもっぱらモータ１へ電力が供給される（若干の余剰電力分を発電して、余剰電力をバッテリ２２に蓄電するようにしてもよい）。
（３）要求発電量が中〜大のとき
軽負荷〜高負荷時でかつバッテリ２２の蓄電量が少ないときである。このときは、発電機１２で走行に必要な電力以上の十分な発電が行われて（フリーピストンエンジン１１が作動）、発電機１２からモータ１へ電力が供給されると共に、十分な余剰電力がバッテリ２２に蓄電される。
（４）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１１は、停止してもよいが、次の発電に備えて、極低速で運転を継続させることもできる。

次に、発電ユニット１０の一例について、図２を参照しつつ説明する。まず、フリーピストンエンジン１１の部分に着目して説明すると、フリーピストンエンジン１１は、実質的に２組の第１エンジン３０Ａと第２エンジン３０Ｂとによって構成されている。３１はシリンダハウジングであり、互いに平行な２つの第１シリンダボア３２Ａと第２シリンダボア３２Ｂとが形成されている。第１シリンダボア３２Ａ内には、一対（２つ）のピストン３３Ａと３４Ａとが摺動自在に嵌合されて、一対のピストン３３Ａと３４Ａとの間に１つの燃焼室３５Ａが形成されている。同様に、第２シリンダボア３２Ｂ内には、一対（２つ）のピストン３３Ｂと３４Ｂとが摺動自在に嵌合されて、一対のピストン３３Ｂと３４Ｂとの間に１つの燃焼室３５Ｂが形成されている。

上記燃焼室３５Ａには、シリンダ軸線方向に間隔をあけて、吸気ポート３６Ａと排気ポート３７Ａとが開口されている。同様に、燃焼室３５Ｂにも、シリンダ軸線方向に間隔をあけて、吸気ポート３６Ｂと排気ポート３７Ｂとが開口されている。各エンジン３０Ａ、３０Ｂは、２サイクルの自己着火式とされて、吸気ポート３６Ａ（３６Ｂ）から供給された吸気が燃焼室３５Ａ（３５Ｂ）で燃焼されると、一対のピストン３３Ａと３４Ａ（３３Ｂと３４Ｂ）とが互いに離間する方向に駆動され、燃焼室３５Ａ（３５Ｂ）内の排気ガスは、排気ポート３７Ａ（３７Ｂ）から外部に排出されることになる。後述するように、２つのエンジン３０Ａと３０Ｂとの各ピストン同士が連結されて、例えば第１エンジン３０Ａのピストン３３Ａと３４Ａとが互いに離間するときは、第２エンジン３０Ｂのピストン３３Ｂと３４Ｂとが互いに接近するように連係されて、一方のエンジンの燃焼圧力によって、他方のエンジンを圧縮するようになっている。これにより、圧縮のためにピストンを戻り方向に付勢するためのリターンスプリングを別途要しないものとなっている。

次に、発電機１２の部分に着目して説明する。まず、４１は、ピストン保持用ハウジングであり、このピストン保持用ハウジング４１は、シリンダハウジング３１に対して、シリンダ軸線方向に間隔をあけて配設されている。ピストン保持用ハウジング４１には、合計４組のリニア発電機４３Ａ、４４Ａ、４３Ｂ、４４Ｂが、シリンダ軸線方向と直交する方向に間隔をあけて構成されている。すなわち、各発電機４３Ａ、４４Ａ、４３Ｂ、４４Ｂは、それぞれ、固定された円筒状の発電コイル４５と、発電用コイル４５内に摺動自在に嵌合された磁石（永久磁石あるいは電磁石）４６とを有し、各磁石４６の移動方向はシリンダ軸線方向とされている。

発電機４３Ａの磁石４６は、連結部材５３Ａを介して、ピストン３３Ａと連結されている。発電機４４Ａの磁石４６は、連結部材５４Ａを介して、ピストン３４Ａと連結されている。発電機４３Ｂの磁石４６は、連結部材５３Ｂを介して、ピストン３３Ｂと連結されている。発電機４４Ｂの磁石４６は、連結部材５４Ｂを介して、ピストン３４Ｂと連結されている。さらに、発電機４３Ａの磁石４６（つまりピストン３３Ａ）と発電機４４Ｂの磁石４６（つまりピストン３４Ｂ）とが連結部材５５によって連結され、発電機４４Ａの磁石４６（つまりピストン３４Ａ）と発電機４３Ｂの磁石４６（つまりピストン３３Ｂ）とが連結部材５６によって連結されている。このような連結によって、例えば第１エンジン３０Ａのピストン３３Ａと３４Ａとが互いに離間するときは、第２エンジン３０Ｂのピストン３３Ｂと３４Ｂとが互いに接近するように連係されて（ピストン３３Ｂと３４Ｂとが離間するときは、ピストン３３Ａと３４Ａとが接近する）、一方のエンジンの燃焼圧力によって、他方のエンジンを圧縮するようになっている。これにより、圧縮のためにピストンを戻り方向に付勢するためのリターンスプリングを別途要しないものとなっている。

図２中、６１はベース部材であり、このベース部材６１は、設置面６２に固定されている。設置面６２は、例えば、自動車の場合は車体（フレーム）とされ、コジェネシステムの場合は設置床面とされる。このようなベース部材６１上に、前述したシリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１とが設置される。シリンダハウジング３１は、ベース部材６１上に、スライダ６３を介してシリンダ軸線方向に所定範囲（例えば２０ｍｍ）変位可能に保持されている。これに対して、ピストン保持用ハウジング４１は、ベース部材６１上に固定されている。これにより、シリンダハウジング３１は、ピストン保持用ハウジング４１に対して、シリンダ軸線方向に相対変位可能となっている。

シリンダハウジング３１をピストン保持用ハウジング４１に対して相対的に変位させるために、ピストン保持用ハウジング４１には、モータ７１によって回転駆動されるピニオン７２が保持されている。一方、シリンダハウジング３１には、ピニオン７２に噛合されるラック７３が固定されている。ラック７３は、シリンダ軸線方向に伸びている。これにより、モータ７１によってピニオン７２を正逆回転させると、シリンダハウジング３１が、ピストン保持用ハウジング４１に対して接近、離間されることになり、モータ７１の回転位置を制御することによって、シリンダハウジング３１のピストン保持用ハウジング４１に対する相対距離が所望の大きさに変更される。勿論、各エンジン３０Ａと３０Ｂとは、同一仕様とされ、かつ吸気量や燃料供給量等が全て同じ条件でもって運転されるものである。

上記モータ７１の回転位置は、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（制御ユニット）Ｕによって制御される。図３に示すように、このコントローラＵには、車速センサ７６で検出された車速（車速信号）と、アクセル開度センサで検出されたアクセル開度（アクセル開度信号）が入力される。そして、コントローラＵは、後述のように、モータ７１の制御（位置変更手段の機能）と、発電機１２での発電量の制御（発電量制御手段の機能）と、燃料噴射弁７８からの燃料噴射量の制御（燃焼制御手段の機能）とを行う。なお、燃料噴射弁７８は、吸気ポート３６Ａ、３６Ｂに連なる吸気通路（図示略）中に燃料噴射を行うもので、吸入空気はあらかじめ図示を略す圧縮ポンプで圧縮された状態とされていて、吸入空気と噴射燃料とが混合された混合気は圧縮状態でもって燃焼室３５Ａ、３５Ｂに供給されるようになっている（吸気ポート３６Ａ、３６Ｂが掃気ポートとなっている）。

次に、ピストン３３Ａと３４Ａに着目して、シリンダハウジング３１に対するシリンダ軸線方向の相対位置の変更の点について説明する（ピストン３３Ｂと３４Ｂとについても同じである）。まず、図５は、燃料噴射量と吸入新規量との設定例を示すものであり、図中、λは空気過剰率、Ａは第１所定値、Ｂは第１所定値よりも大きい値となる第２所定値である。λ＝５はほぼ着火限界となるものであり（リーン燃焼の限界）、λが１〜２の間は排気ガス中のＮＯｘが増大する領域である。図５の例では、燃料噴射量が第１所定値Ａよりも小さい低負荷時においては、λが５となるように一定λとされる。また、燃料噴射量が第２所定値よりも大きい高負荷時には、λが２となるように一定λとされる。そして、燃料噴射量が第１所定値と第２所定値との間にある中負荷時には、燃料噴射量の減少に応じて徐々にλが大きくなるようにされる。これにより、新規吸入空気量と燃料噴射量と燃焼室内での残留ＥＧＲ量とは、燃料噴射量（負荷）に応じて図６に示すようになる。

図５，図６に示すような対応関係を得るために、一対のピストン３３Ａと３４Ａが（３３Ｂと３４Ｂについても同じ）シリンダハウジング３１に対してなすシリンダ軸線方向の相対位置が、燃料噴射量に応じて変更される。すなわち、図４に示すように、燃料噴射量が上記第１所定値Ａと第２所定値Ｂとの間にある中負荷時相当のときは、図９に示すように、一対のピストン３３Ａと３４Ａとのシリンダ軸線方向中間位置（燃焼室３５Ａのシリンダ軸線方向中間位置）が、吸気ポート３６Ａと排気ポート３７Ａとのほぼ中間位置とされる（基準位置で、燃焼室位置が０と表現される場合もある）。このとき、各ピストン３３Ａ、３４Ａの変位の状況（ピストン位置）と、吸気ポート３６Ａと排気ポート３７Ａとの開口面積が変化される状況が、図９に示される。

燃料噴射量が上記第１所定値Ａよりも小さい低負荷時相当のときは、図４に示すように、一対のピストン３３Ａと３４Ａが、シリンダハウジング３１に対して相対的に、前記基準位置よりも排気ポート３７Ａ側に変更される。これにより、図１０に示すように、基準位置にある場合に比して、排気ポート３７Ａが遅閉じされることにより充填率が低下され、また吸気ポート３６Ａの行程面積が減少されることにより掃気量（新気量）が減少される。これにより、同じ圧縮比を得ようとした場合、圧縮前のピストン速度を小さく（遅く）することができ、エンジン速度を下げることができる。つまり、エンジン速度の低下によって、燃焼回数が減少され（燃料噴射回数の減少）、摩擦も減少され、高効率を維持できることになる。なお、ピストンの有効ストロークも、基準位置の場合に比して小さくなる。

燃料噴射量が前記第２所定値Ｂよりも大きい高負荷時相当のときは、図４に示すように、一対のピストン３３Ａと３４Ａが、シリンダハウジング３１に対して相対的に、前記基準位置よりも吸気ポート３６Ａ側に変更される。これにより、図１１に示すように、基準位置にある場合に比して、排気ポート３７Ａが早閉じとされて、充填率を向上させることができる。また、吸気ポート３６Ａの行程面積が増大されて、掃気量（新気量）が増大される。これにより、同じ圧縮比を得ようとした場合、圧縮前のピストン速度を早くすることができ、エンジン速度を上げることができる。なお、ピストンの有効ストロークは、基準位置の場合に比して大きくなる。

図７、図８は、前述したピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対するシリンダ軸線方向の相対位置変更を、燃料噴射量（エンジンの負荷）に応じて行うことの利点を図式的に示すものである。すなわち、図７は、エンジンスピードと出力との関係を示すもので、従来は、出力の変化に応じたエンジンスピードの変化が緩やかであるが（ほぼ一定）、本発明の場合は、出力が小さくなるとエンジンスピードが小さくなる度合が大きいものとなる。つまり、出力の大きさに応じた適切なエンジンスピードにすることが可能となって、エンジンを高効率で運転するのに好ましいということが理解される。

図８は、要求出力（燃料噴射量とみることができる）と、着火性との関係を示すもので、従来のもの（ピストンのシリンダハウジングに対する相対位置を燃料噴射量に応じて変更しないもの）と本発明とでは、要求出力が大きい状態では、着火性は殆ど同じである。しかしながら、従来のものでは、要求出力が低下すると大きく着火限界が低下することになるが、本発明においては、要求出力が低下されても着火性が低下する度合いが小さいものとなる。換言すれば、従来のものでは、着火性の限界から、要求出力をある程度以上に小さくすることは不可能であったが、本発明では、低負荷時にピストンのシリンダハウジングに対する相対位置を基準位置よりも排気ポート側とすることで内部ＥＧＲ量を増加させて、燃焼室内の温度を高めるようにしたので、従来では不可能であった要求出力が十分に小さい状態（低負荷時）でも着火性を確保することができる（より小さい要求出力状態での運転を行うことが可能になる）。

図１２は、コントローラＵによる制御例を示すフローチャートであり、以下このフローチャートについて説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。まず、Ｑ１において、車速とアクセル開度とが読み込まれる。次いで、Ｑ２において、車速をアクセル開度とに基づいて、発電要求量が決定される。この後、Ｑ３において、Ｑ２で決定された要求発電量に応じて、燃料噴射量が決定される。そして、Ｑ４において、コントローラＵに記憶されている図５に示すマップを参照して、燃料噴射量に対応した吸入新規量が決定される。

上記Ｑ４の後、Ｑ５において、エンジンの負荷（実施形態では燃料噴射量）が、図４あるいは図５に示す第１所定値Ａよりも小さいか、あるいは第２所定値Ｂよりも大きいか否かが判別される。このＱ５の判別でＮＯのときは、Ｑ６において、ピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂについても同じ）のシリンダハウジング３１に対するシリンダ軸線方向位置が、前述の基準位置（図９に対応した位置）とされる。

前記Ｑ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ７において、ピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂについても同じ）のシリンダハウジング３１に対するシリンダ軸線方向位置が、前述の基準位置から変更される（図１０または図１１に対応した位置）。勿論、燃料噴射量が第１所定値Ａよりも小さいときに図１０に対応した位置とされ、燃料噴射量が第２所定値Ｂよりも大きいときに図１１に対応した位置とされる。

図１３、図１４および図１７は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前記実施形態と同一構成要素には同一符号を付してその重複した説明は省略する（このことは以下の第３の実施形態以下においても同じ）。本実施形態では、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（発電機４３Ａ、４４Ａ）による発電態様を互いに相違させることによって、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ間の距離を一定に保持したまま、該一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対するシリンダ軸線方向の相対位置関係を変更するようにしてある（３３Ｂ、３４Ｂによる発電態様についても同じ）。このため、本実施形態では、シリンダハウジング３１がベース部材６１に対して一体化されて、シリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１とがベース部材６１を介して一体とされると共に、モータ７１を有しない設定とされている。また、シリンダ３０Ｂの吸気ポート３６Ｂと排気ポート３７Ｂとの位置が、第１の実施形態（図２）の場合とは逆になっている。

各ピストン３３Ａ、３４Ａ、３３Ｂ、３４Ｂによる発電態様を相違させるために、図１３に示すように、各発電機４３Ａ、４３Ｂ、４４Ａ、４４Ｂにおける発電用コイル４５の一端と整流器２０の入力端子との間に、スイッチ８１を接続してある。スイッチ８１は、コントローラＵによって開閉制御されるもので、本実施形態ではデューティ制御されるようになっている。なお、スイッチ８１としては、リレースイッチ、スイッチングトランジスタ等、デューティ制御による応答性に対応できるものであれば、適宜のスイッチを用いることができる。

一対のピストン３３Ａ、３４Ａによる１サイクルあたりの発電態様は、一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対する相対位置を変更する必要のないときは、互いに等しくされる。

これに対して、上記相対位置を変更するときは、一対のピストン３３Ａと３４Ａとの間で発電態様が変更される。すなわち、一方のピストン３３Ａによる発電は、例えば図１４（ａ）に示すように、１サイクルの全期間に渡って平均的に実行される。この一方、他方のピストン３４Ａによる発電は、例えば図１４（ｂ）に示すように、１サイクルの前期にのみ集中して実行される。ただし、実施形態では、各ピストン３３Ａと３４Ａとによる１サイクルあたりの発電総量は互いに等しく設定されているが、発電総量を違いに相違させることもできる。これにより、ピストン３４Ａの速度が燃焼初期時から急激に低下される一方、ピストン３３Ａの速度はゆっくりと低下される。そして、一対のピストン３３Ａ、３４Ａが燃焼室３５Ａを構成するようにもっとも近接した状態では、各ピストン３３Ａ、３４Ａは、シリンダハウジング３１に対して、一方のピストン３４Ａ側に相対変位された状態とされる。

なお、互いに機械的に連結されたピストン３３Ａと３４Ｂ（３４Ａと３３Ｂ）の発電態様は互いに同じになるように制御されるが、この機械的な連結をなくすことによって、２組の一対のピストン３３Ａ、３４Ａと３３Ｂ、３４Ｂとの発電態様の変更の自由度が高まるものとなる。また、本実施形態のように、互いに機械的に連結されたピストン３３Ａと３４Ｂ（３４Ａと３３Ｂ）の発電態様が互いに同じになるように制御した方が、互いに機械的に連結されたピストン同士の減速度合が等しくなるため、連結部材５３Ａ、５３Ｂ、５４Ａ、５４Ｂおよび５５，５６にかかるピストンからの反力を低減する上で好ましいものとなる。その際に、図１７に示すように、機械的に連結されたピストン同士は同じポート側に位置させる（機械的に連結されたピストン３３Ａと３４Ｂはともに吸気ポート側、３４Ａと３３Ｂはともに吸気ポート側）ことで、気筒内の掃気量（新気量）がシリンダ３０Ａと３０Ｂの間で略同じになるため、いずれのシリンダにおいても負荷に応じた最適な充填効率を得ることができる。

上述したように、本実施形態では、一対のピストン３３Ａと３４Ａ（３３Ｂと３４Ｂ）による発電態様を変更するという簡単な手法によって、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂ）のシリンダハウジング３１に対するシリンダ軸線方向での相対位置を変更することができる。また、デューティ制御によって、発電量を実質的に無段階に変更することが可能となる。勿論、シリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１とを一体に形成することができる他、モータ７１が不要になるので、全体として構造簡単化やコスト低減の上でも好ましいものとなる。

図１５は、本発明の第３の実施形態を示すもので、前記第２の実施形態に対応するもので、発電量を段階的に変更可能としたものである（図１７の構成を採択してある）。すなわち、各発電機４３Ａ、４４Ａ、４３Ｂ、４４Ｂの発電用コイル（４５に相当）を、複数（実施形態では３個）のコイル４５ａ〜４５ｃの分割構成とし、かつ磁石（４６に相当）を複数の分割磁石４６ａ〜４６ｃの分割構成としてある。そして、各分割コイル４５ａ〜４５ｃの一端と整流器２０との間に、それぞれコントローラＵによって開閉制御されるスイッチ８２ａ、８２ｂあるいは８２ｃ（スイッチ８１に対応）を介在させるようにしてある。

各スイッチ８２ａ〜８２ｃをＯＮしておく態様を、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂと３４Ｂ）とで相違させることにより、１サイクルあたりの発電総量を互いに等しくしつつ、一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対するその軸線方向の相対位置を変更することが可能になる。例えば、一方のピストン３４Ａに対応したスイッチ８２ａ〜８２ｃについては、１サイクルの前期においてのみ全てＯＮする一方、他方のピストン３３Ａに対応するスイッチ８２ａ〜８２ｃについては、１サイクルの全期間について例えば２つのスイッチ８２ａと８２ｂとの２つのスイッチのみをＯＮにすることにより、一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対する相対位置が変更される。

図１６は、本発明の第４の実施形態を示すものである（図１７の構成を採択してある）。本実施形態では、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂについても同じ）の発電用コイル４５は、図５の場合と同様にそれぞれ１つのみ設ける一方、整流器（２０に相当）を、ピストン３３Ａ用の整流器２０ａとピストン３４Ａ用の整流器２０ｂとに別個に設けてある。そして、各発電用コイル４５の一端を整流器２０ａあるいは２０ｂに接続するのに、直接整流器２０ａあるいは２０ｂに接続すると共に、これと並列に、コントローラＵによって開閉制御されるスイッチ８３ａあるいは８３ｂ（スイッチ８１に対応）および電気的負荷としてのキャパシタ８４を介しても接続するようにしてある。本実施形態では、スイッチ８３ａは一方のピストン３３Ａ用であり、スイッチ８３ｂは他方のピストン３４Ａ用である。

各スイッチ８３ａと８３ｂとのうち、いずれか一方をＯＮすると共に、他方をＯＦＦすることにより、ＯＮされた側のスイッチに対応したピストンの発電負荷が、他方のピストンの発電負荷に対して増大されることになる。勿論、両方のスイッチ８３ａと８３ｂとを共にＯＮ（または共にＯＦＦ）しておくことにより、一対のピストン３３Ａと３４Ａとにおける発電負荷が共に等しくされる。一対のピストン３３Ａと３４Ａとのシリンダハウジング３１に対する相対位置を変更する際には、上述したスイッチ８３ａと８３ｂとのＯＮ、ＯＦＦの制御によって行うことができる。すなわち、スイッチ８３ａと８３ｂとをＯＮするタイミングを１サイクルあたりで変更することにより、１サイクルあたりの発電総量を一対のピストン３３Ａと３４Ａとで互いに等しく設定しつつ、一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対する相対位置を、当初に発電負荷が大きくされたピストン寄りの位置に変更することができる。

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。フリーピストンエンジン１１は、１つのエンジン３０Ａのみ（あるいは３０Ｂのみ）でもよく（単気筒）、あるいは３組以上（３気筒以上）であってもよい。ピストンを図２に示すような一対構造として採択しない場合は、例えば、ピストンを圧縮方向に変位させるための力を、別途設けたリターンスプリングによって得るようにしてもよい。

発電機１２（４３Ａ〜４４Ｂ）は、リニア式に限らず、回転式であってもよい（例えば、ピストンの往復運動をラックアンドピニオン機構によって正逆回転運動に変換して、回転式発電機を正逆回転させることによって発電させるようにする）。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４サイクル式にする等、適宜の形式を採択することができる。シリンダハウジング３１を固定する一方（例えばベース部材６１にシリンダハウジング３１を固定）、一対のピストン３３Ａと３４Ａ（３３Ｂと３４Ｂ）とを、その相対距離が変更されないようにしてシリンダハウジング３１に対して変位させるようにしてもよい。例えば、図２の構造において、シリンダハウジング３１およびピストン保持用ハウジング４１をそれぞれベース部材６１に固定して、例えば連結部材５５と５６とをそれぞれシリンダ軸線方向に同一距離だけ変位させるようにしてもよい。シリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１との相対距離の変更は、モータ７１に限らず、油圧式アクチュエータによって行うようにしてもよい。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側面断面図。 本発明の制御系統をブロック図的に示す図。 エンジンの負荷に応じたピストン位置の変更方向を示す図。 燃料噴射量に応じた吸入新規量の設定例を示す図。 図５に示す設定例に対応した燃料噴射量と新規吸気量と内部ＥＧＲ残量との関係を示す図。 エンジンスピードと出力との対応関係を従来の場合と対比して示す図。 要求出力と着火性との関係を従来の場合と対比して示す図。 中負荷時でのピストン位置と吸気ポート、排気ポートの開口面積の関係を示す図。 低負荷時でのピストン位置と吸気ポート、排気ポートの開口面積の関係を示す図。 高負荷時でのピストン位置と吸気ポート、排気ポートの開口面積の関係を示す図。 本発明の制御例を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態を示すもので、発電用コイル部分の回路図。 図１３に示すスイッチの制御例を示すタイムチャート。 本発明の第３の実施形態を示すもので、図１３に対応した回路図。 本発明の第４の実施形態を示すもので、図１３に対応した回路図。 本発明の第２〜第４の実施形態が適用されるフリーピストンエンジンを示すもので、図２に対応した側面断面図。

符号の説明

１０：発電ユニット
１１：フリーピストンエンジン
１２：発電機
２０：整流器
２０ａ、２０ｂ：整流器（図１６）
３０Ａ：第１エンジン
３０Ｂ：第２エンジン
３１：シリンダハウジング
３２Ａ：第１シリンダボア
３２Ｂ：第２シリンダボア
３３Ａ、３４Ａ：ピストン
３３Ｂ、３４Ｂ：ピストン
３５Ａ、３５Ｂ：燃焼室
３６Ａ、３６Ｂ：吸気ポート
３７Ａ、３７Ｂ：排気ポート
４１：ピストン保持用ハウジング
４５：発電用コイル
４５ａ〜４５ｃ：分割コイル（図１５）
６１：ベース部材
６３：スライダ
７１：モータ
７２：ピニオン
７３：ラック
７５：位置センサ
８２ａ〜８２ｃ：スイッチ（図１５）
８３ａ、８３ｂ：スイッチ（図１６）
８４：キャパシタ（図１６）
Ｕ：コントローラ

Claims (13)

1. シリンダハウジングに形成されたシリンダボア内に互いに直列に一対のピストンが摺動自在に嵌合されて、該一対のピストンの間に燃焼室が構成され、
   前記シリンダハウジングに形成された吸気ポートおよび排気ポートが、前記一対のピストンの往復動に応じて開閉されるように前記シリンダボア内に開口されたフリーピストンエンジンにおいて、
   前記一対のピストンの往復動に応じて発電を行う発電機と、
   前記発電機の発電量を制御する発電制御手段と、
   前記発電機の発電量に応じてエンジンの負荷を制御する燃焼制御手段と、
   前記燃焼制御手段によって制御されるエンジンの負荷に応じて、前記一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置を変更する位置変更手段と、
   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。
2. 請求項１において、
   前記位置変更手段が、前記燃焼室を構成する際の前記一対のピストンのシリンダ軸線方向の距離を変化させることなく、該一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置を変更する、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記シリンダハウジングとは別個独立して、前記ピストンを保持するピストン保持用ハウジングを備え、
   前記位置変更手段が、シリンダ軸線方向における前記シリンダハウジングとピストン保持用ハウジングとの距離を変化させるものとして構成されている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
4. 請求項１において、
   前記位置変更手段は、前記一対のピストン間における発電態様を互いに相違させるものとして設定されている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
5. 請求項１において、
   前記位置変更手段は、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電を実行する時期を相違させるものとして設定されている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
6. 請求項１において、
   前記位置変更手段は、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電負荷の変化態様を相違させるものとして設定されている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、
   前記吸気ポートと排気ポートとが、シリンダ軸線方向に間隔を開けて前記シリンダボア内に開口され、
   前記位置変更手段は、エンジンの負荷が大きいときは小さいときに比して、前記一対のピストンが前記吸気ポート側寄りの位置となるように位置変更を行う、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
8. 請求項７において、
   前記位置変更手段は、
   エンジンの負荷が第１所定値と該第１所定値よりも大きい値に設定された第２所定値との間にあるときは、前記一対のピストンがシリンダ軸線方向において所定の基準位置となるようにし、
   エンジンの負荷が前記第１所定値よりも小さいときは、前記一対のピストンが前記基準位置よりも前記排気ポート側寄りの位置となるようにし、
   エンジンの負荷が前記第２所定値よりも大きいときは、前記一対のピストンが前記基準位置よりも前記吸気ポート側寄りの位置となるようにする、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、
   エンジンが圧縮自己着火式とされ、
   前記吸気ポートが、圧縮状態での混合気を供給するための掃気ポートとされ、
   エンジンの負荷が、燃料噴射量とされている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
10. シリンダハウジングに形成されたシリンダボア内に互いに直列に一対のピストンが摺動自在に嵌合されて、該一対のピストンの間に燃焼室が構成され、
    前記シリンダハウジングに形成された吸気ポートおよび排気ポートが、前記一対のピストンの往復動に応じて開閉されるように前記シリンダボア内に開口され、
    前記一対のピストンの往復動に応じて駆動される発電機によって発電を行うようにしたフリーピストンエンジンの制御方法において、
    前記発電機の発電量を制御する第１のステップと、
    前記発電機の発電量に応じてエンジンの負荷を制御する第２のステップと、
    前記第２のステップで制御されるエンジンの負荷に応じて、前記一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置を変更する第３のステップと、
    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方法。
11. 請求項１０において、
    前記第３のステップでは、前記一対のピストン間における発電態様を互いに相違させることによって前記相対位置を変更する、ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御方法。
12. 請求項１０において、
    前記第３のステップでは、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電を実行する時期を相違させることによって前記相対位置を変更する、ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御方法。
13. 請求項１０において、
    前記第３のステップでは、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電負荷の変化態様を相違させるものとして設定されている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。

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