JP2012021461A - Free-piston engine-driven linear power generator - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a more efficient free-piston engine-driven linear power generator.SOLUTION: This free-piston engine-driven linear generator 10 includes at least one linear generator 12 provided with an engine unit 14 and a power generation unit. The engine unit 14 is provided with a piston 32 reciprocatingly disposed in a cylinder 30, and a combustion chamber 36 and an air chamber 34 provided on both sides of the piston 32 and having volume changed in association with the reciprocating motion of the piston 32. The power generation unit is the linear generator provided with the piston 32 and a coil 22 fixed on the outer periphery of the piston 32, and generating power in association with the reciprocating motion of the piston 32. The piston 32 reciprocates in the cylinder 30 by combustion pressure generated when burning an air-fuel mixture in the combustion chamber 36, and repulsive power of gas in the air chamber, compressed by the combustion pressure.

Description

本発明は、クランク機構を用いることなく、シリンダ内でピストンを往復運動させるフリーピストンエンジンの動きを利用して発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置に関する。   The present invention relates to a free piston engine-driven linear power generator that generates electric power by using a motion of a free piston engine that reciprocates a piston in a cylinder without using a crank mechanism.

従来から、クランク機構を用いることなく、シリンダ内でピストンを往復運動させるフリーピストンエンジンが広く知られている。また、一部においては、このフリーピストンエンジンを備えた発電装置も知られている。   Conventionally, a free piston engine that reciprocates a piston in a cylinder without using a crank mechanism is widely known. In some cases, a power generation device including the free piston engine is also known.

例えば、特許文献1には、フリーピストンエンジンの動きを利用して発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置が開示されている。この発電装置は、同一直線状に対向して配置し、行程をずらして運転される左右一対のフリーピストンエンジンと、当該エンジンのピストン同士を連結して往復運動する磁石部を備えたシャフト部と、磁石部の周囲に磁界を生じさせる機構と、を備えており、シャフト部の往復運動により発電する。   For example, Patent Document 1 discloses a free piston engine-driven linear power generation device that generates power using the motion of a free piston engine. This power generation device is disposed in the same straight line and is operated by shifting the stroke, and a pair of left and right free piston engines, and a shaft portion including a magnet portion that reciprocates by connecting pistons of the engines. And a mechanism for generating a magnetic field around the magnet portion, and generates electric power by reciprocating motion of the shaft portion.

また、特許文献2には、シリンダ内に対向配置された二つのピストンの間に燃焼室を、各ピストンの燃焼室とは反対側に空気室を、設けたフリーピストンエンジンが開示されている。このフリーピストンエンジンでは、燃焼室で燃料燃焼させた際の燃焼圧力、および、当該燃焼圧力を受けて移動するピストンにより圧縮された空気室の圧縮反力によりピストンを往復運動させるようになっている。   Patent Document 2 discloses a free piston engine in which a combustion chamber is provided between two pistons arranged to face each other in a cylinder, and an air chamber is provided on the opposite side of each piston from the combustion chamber. In this free piston engine, the piston is reciprocated by the combustion pressure when the fuel is burned in the combustion chamber and the compression reaction force of the air chamber compressed by the piston that moves under the combustion pressure. .

特開2001−241302号公報JP 2001-241302 A 実開昭58−139532号公報Japanese Utility Model Publication No. 58-139532

こうしたフリーピストンエンジンは、小型化に有利な内燃機関として期待されている。しかし、従来のフリーピストンエンジンは、過大な振動が生じやすかったり、効率が悪かったり、といった問題があった。例えば、特許文献1記載のフリーピストンエンジンでは、二つのピストンが左右非対称の動きをするため、駆動時に大きな振動が生じやすかった。この問題を避けるためには、左右対称になるように、二つまたは四つのフリーピストンエンジンを配置することが考えられる。しかし、この場合、燃焼室(気筒に相当)が四つまたは八つになるため、気筒数の増加とサイズ大型化という新たな問題が生じる。   Such a free piston engine is expected as an internal combustion engine advantageous for downsizing. However, the conventional free piston engine has a problem that excessive vibration is easily generated or efficiency is low. For example, in the free piston engine described in Patent Document 1, since two pistons move asymmetrically, large vibrations are likely to occur during driving. In order to avoid this problem, it is conceivable to arrange two or four free piston engines so as to be symmetrical. However, in this case, since there are four or eight combustion chambers (corresponding to cylinders), new problems such as an increase in the number of cylinders and an increase in size arise.

また、特許文献2に記載のフリーピストンエンジンは、二つのピストンが左右対称に動くため、振動の発生を抑制・低減できるものの、燃焼圧力で押された空気室が、高温・高圧となって、熱の損失を生じ、効率が低下するという問題があった。また、この特許文献2では、ピストンの動きを直接利用した発電はなされておらず、必ずしも効率的とはいえなかった。   Moreover, although the free piston engine described in Patent Document 2 can suppress and reduce the occurrence of vibration because the two pistons move symmetrically, the air chamber pushed by the combustion pressure becomes high temperature and high pressure, There was a problem that heat loss was caused and efficiency was lowered. Moreover, in this patent document 2, the electric power generation which directly utilized the movement of the piston was not performed, and it was not necessarily efficient.

そこで、本発明では、より効率的なフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a more efficient free piston engine drive linear power generator.

本発明のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置は、シリンダ内でピストンを往復運動させるエンジンユニットと、前記ピストンの往復運動に応じて発電する発電ユニットと、からなるリニア発電機を1以上備えたフリーピストン駆動リニア発電装置であって、前記エンジンユニットは、シリンダ内に往復運動自在に配されたピストンと、前記ピストンの両側に設けられ、前記ピストンの往復運動に伴い体積変化する燃焼室および空気室と、を備え、前記発電ユニットは、前記ピストンと、当該ピストンの外周囲に固定されたコイルと、を備え、前記ピストンの往復運動に伴い発電するリニア発電機であり、前記ピストンは、前記燃焼室での燃料および空気の混合気の燃焼時に生じる燃焼圧力および前記燃焼圧力により圧縮された空気室内ガスの反発力によりシリンダ内で往復運動する、ことを特徴とする。   A free-piston engine-driven linear power generator according to the present invention is a free-piston equipped with one or more linear generators composed of an engine unit that reciprocates a piston in a cylinder and a power-generating unit that generates power in accordance with the reciprocating motion of the piston. A drive linear power generator, wherein the engine unit includes a piston disposed in a reciprocating manner in a cylinder, a combustion chamber and an air chamber that are provided on both sides of the piston and change in volume as the piston reciprocates. The power generation unit is a linear generator that includes the piston and a coil fixed to the outer periphery of the piston, and generates electric power as the piston reciprocates, and the piston includes the combustion chamber Combustion pressure generated at the time of combustion of a fuel / air mixture in the air and an air chamber compressed by the combustion pressure It reciprocates in the cylinder by the repulsive force of the gas, characterized in that.

好適な態様では、前記ピストンには、永久磁石が埋め込まれており、前記発電ユニットは、前記ピストンの往復運動に伴い、前記永久磁石と前記コイルとの相対位置関係が変化することで発電する。   In a preferred aspect, a permanent magnet is embedded in the piston, and the power generation unit generates power by changing a relative positional relationship between the permanent magnet and the coil as the piston reciprocates.

他の好適な態様では、同一線上に左右対称になるように配置された二個のリニア発電機を備え、前記二つのリニア発電機に設けられた二つのエンジンユニットそれぞれのピストンが左右対称に往復運動するべく、二つのエンジンユニットが同期して動作する。この場合、前記二つのリニア発電機に設けられた二つのエンジンユニットは、一つの空気室を共有する、ことが望ましい。   In another preferred embodiment, the apparatus includes two linear generators arranged on the same line so as to be symmetrical, and the pistons of the two engine units provided in the two linear generators reciprocate symmetrically. In order to move, the two engine units operate synchronously. In this case, it is desirable that the two engine units provided in the two linear generators share one air chamber.

他の好適な態様では、前記エンジンユニットは、さらに、前記空気室の内圧を、一定範囲内に保つべく当該内圧を調整する内圧調整手段を備える。他の好適な態様では、前記シリンダの内側面のうち、往復運動するピストンとの接触部分の少なくとも一部には、セラミックコーティングが施されている。他の好適な態様では、前記燃焼室には、前記シリンダ内のピストンの位置に応じて開口面積が変化する掃気孔と、前記燃焼室からの既燃ガス排出を制御する排気弁と、が設けられている。   In another preferred aspect, the engine unit further includes an internal pressure adjusting means for adjusting the internal pressure of the air chamber so as to keep the internal pressure within a certain range. In another preferred embodiment, a ceramic coating is applied to at least a part of a contact portion of the inner surface of the cylinder with the reciprocating piston. In another preferred aspect, the combustion chamber is provided with a scavenging hole whose opening area changes according to the position of the piston in the cylinder, and an exhaust valve for controlling the discharge of burned gas from the combustion chamber. It has been.

他の好適な態様では、前記ピストンは、内部が空洞の中空構造であり、前記ピストンおよびシリンダには、前記ピストンの内部への空気流入および前記ピストン内部から外部への空気流出を許容する連通孔が設けられている。他の好適な態様では、前記エンジンユニットは、さらに、前記ピストンの位置を検出する位置検出手段を備える。他の好適な態様では、前記シリンダの少なくとも一部は、電磁鋼板からなる。   In another preferred aspect, the piston has a hollow structure with a hollow inside, and the piston and the cylinder have a communication hole that allows air to flow into and out of the piston. Is provided. In another preferred aspect, the engine unit further includes position detection means for detecting the position of the piston. In another preferred aspect, at least a part of the cylinder is made of a magnetic steel sheet.

他の好適な態様では、前記空気室は、空気室内ガスと外部との熱交換を阻害する遮熱構造を有する。この場合、前記遮熱構造は、前記空気室の内壁の少なくとも一部に形成され、熱伝導率および単位体積あたりの熱容量が前記空気室を形成する母材よりも低い遮熱膜である。   In another preferred aspect, the air chamber has a heat shield structure that inhibits heat exchange between the air chamber gas and the outside. In this case, the heat shield structure is a heat shield film that is formed on at least a part of the inner wall of the air chamber and has a lower thermal conductivity and a heat capacity per unit volume than the base material forming the air chamber.

本発明によれば、ピストンの動きを直接利用して発電しているため、効率をより向上できる。   According to the present invention, since the power is generated by directly using the movement of the piston, the efficiency can be further improved.

本発明の実施形態であるリニア発電装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the linear electric power generating apparatus which is embodiment of this invention. リニア発電装置の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of a linear electric power generating apparatus. リニア発電装置の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of a linear electric power generating apparatus. エンジンユニットにおけるピストンの変位を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement of the piston in an engine unit. エンジンユニットにおけるピストンの速度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the speed change of the piston in an engine unit. 燃焼室および空気室の圧力変化を示すグラフである。It is a graph which shows the pressure change of a combustion chamber and an air chamber. シミュレーションで用いる各パラメータを示す図である。It is a figure which shows each parameter used by simulation. シミュレーションで用いた発電効率マップである。It is a power generation efficiency map used in the simulation. 本発明の他の実施形態であるリニア発電装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the linear electric power generating apparatus which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態であるリニア発電装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the linear electric power generating apparatus which is other embodiment of this invention. 従来のフリーピストンエンジンの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional free piston engine. 従来の他のフリーピストンエンジンの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the other conventional free piston engine.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の第一実施形態であるフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置(以下「リニア発電装置」と略す)10の概略構成図である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a free piston engine drive linear power generator (hereinafter abbreviated as “linear power generator”) 10 according to a first embodiment of the present invention.

このリニア発電装置10は、一つのリニア発電機12により構成されている。また、リニア発電機12は、燃焼圧力によりシリンダ30内でピストン32を往復運動させるエンジンユニット14(フリーピストンエンジン)と、当該ピストン32の動きを利用して発電を行う発電ユニットと、を備えている。発電ユニットは、固定子として機能するシリンダ30と、可動子として機能するピストン32と、から構成される。ピストン32の外側面には永久磁石20が埋め込まれており、シリンダ30の内壁(永久磁石20の外周囲)には発電コイル22が固定設置されている。エンジンユニット14の駆動によりピストン32がシリンダ30内で往復移動すると、この永久磁石20と発電コイル22との相対位置関係が変化し、これにより、永久磁石20周囲の磁界が変化する。そして、この磁界の変化に応じて発電コイル22に誘導起電力が発生する。この誘導起電力によって発電が行われ、発電により得られた電力は、図示しない制御装置を介してバッテリなどに送電される。   The linear power generator 10 includes a single linear generator 12. The linear generator 12 includes an engine unit 14 (free piston engine) that reciprocates the piston 32 in the cylinder 30 by combustion pressure, and a power generation unit that generates power using the movement of the piston 32. Yes. The power generation unit includes a cylinder 30 that functions as a stator and a piston 32 that functions as a mover. A permanent magnet 20 is embedded in the outer surface of the piston 32, and a power generation coil 22 is fixedly installed on the inner wall of the cylinder 30 (the outer periphery of the permanent magnet 20). When the piston 32 reciprocates in the cylinder 30 by driving the engine unit 14, the relative positional relationship between the permanent magnet 20 and the power generation coil 22 changes, and thereby the magnetic field around the permanent magnet 20 changes. An induced electromotive force is generated in the power generation coil 22 in accordance with the change in the magnetic field. Electric power is generated by the induced electromotive force, and the electric power obtained by the power generation is transmitted to a battery or the like via a control device (not shown).

エンジンユニット14は、ピストン32をシリンダ30内で往復運動させるユニットである。このエンジンユニット14には、発電ユニットの固定子としても機能するシリンダ30と、発電ユニットの可動子としても機能するピストン32と、シリンダ30内においてピストン32の両側に設けられた燃焼室36および空気室34と、を備えている。つまり、ピストン32は、燃焼室36および空気室34に挟まれている。そして、このピストン32の往復運動に伴い、燃焼室36および空気室34の体積が変化する。   The engine unit 14 is a unit that reciprocates the piston 32 in the cylinder 30. The engine unit 14 includes a cylinder 30 that also functions as a stator of the power generation unit, a piston 32 that also functions as a mover of the power generation unit, combustion chambers 36 provided on both sides of the piston 32 in the cylinder 30, and air. And a chamber 34. That is, the piston 32 is sandwiched between the combustion chamber 36 and the air chamber 34. As the piston 32 reciprocates, the volumes of the combustion chamber 36 and the air chamber 34 change.

燃焼室36は、燃料と新気(空気)との混合気が燃焼させられるチャンバである。この燃焼室36には、燃料噴射弁40、点火プラグ(図示せず)、排気弁38、掃気孔42などが設けられている。燃料噴射弁40は、燃焼室36の端面(シリンダ30の閉端面)に取り付けられた弁体で、燃焼室36内に燃料を供給する。点火プラグは、燃料と新気とが混合された混合気に点火し、燃焼(爆発)を生じさせる。排気弁38は、燃焼室36の端面(シリンダ30の閉端面)に取り付けられており、燃焼後に生じる既燃ガスを外部に排出する。   The combustion chamber 36 is a chamber in which an air-fuel mixture of fuel and fresh air (air) is combusted. The combustion chamber 36 is provided with a fuel injection valve 40, an ignition plug (not shown), an exhaust valve 38, a scavenging hole 42, and the like. The fuel injection valve 40 is a valve body attached to the end surface of the combustion chamber 36 (closed end surface of the cylinder 30), and supplies fuel into the combustion chamber 36. The spark plug ignites an air-fuel mixture in which fuel and fresh air are mixed to cause combustion (explosion). The exhaust valve 38 is attached to the end face of the combustion chamber 36 (closed end face of the cylinder 30), and discharges burnt gas generated after combustion to the outside.

掃気孔42は、燃焼室36内に新気を取り込むためにシリンダ30の中間部分に設けられた孔である。この掃気孔42は、ピストン32の変位に応じて開口量が変化する。すなわち、ピストン32が燃焼室36側(図面左側)の端部付近に位置し、燃焼室36が圧縮された状態では、掃気孔42は、ピストン32により遮蔽された状態となる。この場合、燃焼室36への新気導入は阻害される。一方で、燃焼圧力によりピストン32が空気室34側(図面右側)へと移動すると、掃気孔が徐々に開口されていき、新気の導入が促されるようになっている。このように、空気室34寄りの位置にピストン32の変位に応じて開口量が可変となる掃気孔42を設け、反対側端部に排気弁38を設けることにより、新気の導入と、既燃ガスの排出を一方向に行うことができる。そして、これにより、既燃ガスの排出および新気の吸入を、より効率的に行うことができる。   The scavenging hole 42 is a hole provided in an intermediate portion of the cylinder 30 for taking in fresh air into the combustion chamber 36. The amount of opening of the scavenging hole 42 changes according to the displacement of the piston 32. That is, when the piston 32 is located near the end portion on the combustion chamber 36 side (left side in the drawing) and the combustion chamber 36 is compressed, the scavenging holes 42 are shielded by the piston 32. In this case, introduction of fresh air into the combustion chamber 36 is hindered. On the other hand, when the piston 32 moves to the air chamber 34 side (the right side of the drawing) due to the combustion pressure, the scavenging holes are gradually opened, and the introduction of new air is promoted. In this way, by providing the scavenging hole 42 whose opening amount is variable according to the displacement of the piston 32 at the position near the air chamber 34 and providing the exhaust valve 38 at the opposite end, The fuel gas can be discharged in one direction. Thus, burned gas can be discharged and fresh air can be sucked more efficiently.

空気室34は、燃焼室36とは反対側に設けられ、シリンダ30とピストン32の端面により囲まれたチャンバである。この空気室34の内部に存在する空気室内ガス(空気など)は、混合気の燃焼により空気室34側に移動してきたピストン32を、燃焼室36側に押し戻す空気バネとして機能する。すなわち、燃焼室内の燃焼圧力によりピストン32が空気室34側に移動すると、空気室34が圧縮されることになる。圧縮された空気室34は、圧縮された反動で、再度、膨張するべく、ピストン32を燃焼室36側へと押し戻す。   The air chamber 34 is a chamber provided on the opposite side of the combustion chamber 36 and surrounded by the end faces of the cylinder 30 and the piston 32. The air chamber gas (air or the like) existing inside the air chamber 34 functions as an air spring that pushes the piston 32 that has moved to the air chamber 34 side by combustion of the air-fuel mixture back to the combustion chamber 36 side. That is, when the piston 32 moves toward the air chamber 34 due to the combustion pressure in the combustion chamber, the air chamber 34 is compressed. The compressed air chamber 34 pushes the piston 32 back toward the combustion chamber 36 so as to expand again by the compressed reaction.

ここで、この空気室34の圧縮・膨張(燃焼室36の膨張・圧縮)によるピストン32の往復運動を適切に行い、エンジンユニット14の損傷などを効果的に防止するためには、空気室34の圧力が一定範囲内に収まっていることが必要となる。そこで、本実施形態では、この空気室34の圧力が一定範囲内に収まるように、空気室34に圧力を調整する調圧弁46を設けている。この調圧弁46は、空気室34の圧力が上限値を超えた場合には、空気室34の内気を外部に流出させ、空気室34の圧力が下限値を下回った場合には外気を空気室34に流入させ、圧力を一定範囲内に保つ。この調圧弁46としては、例えば、圧力センサ(図示せず)と、当該圧力センサの検出値に応じて開閉する電磁弁と、を組み合わせたものでもよいし、一定圧力で機械的に開閉する機械式バルブ、例えば、ダックビルバルブなどであってもよい。   Here, in order to appropriately prevent the engine unit 14 from being damaged by appropriately reciprocating the piston 32 by the compression / expansion of the air chamber 34 (expansion / compression of the combustion chamber 36), the air chamber 34 is used. It is necessary that the pressure is within a certain range. Therefore, in the present embodiment, a pressure regulating valve 46 for adjusting the pressure is provided in the air chamber 34 so that the pressure of the air chamber 34 falls within a certain range. The pressure regulating valve 46 causes the inside air of the air chamber 34 to flow out to the outside when the pressure in the air chamber 34 exceeds the upper limit value, and causes the outside air to flow into the air chamber when the pressure in the air chamber 34 falls below the lower limit value. The pressure is kept within a certain range. The pressure regulating valve 46 may be, for example, a combination of a pressure sensor (not shown) and an electromagnetic valve that opens and closes according to a detection value of the pressure sensor, or a machine that mechanically opens and closes at a constant pressure. It may be a type valve, such as a duckbill valve.

ここで、燃焼圧力により圧縮された空気室34の内部は、空気室内ガス(空気)の圧縮により高圧・高温になり、熱損失が増加して、効率が低下するという問題があった。本実施形態では、空気室34での熱損失を低減し、発電効率を向上させるために、空気室34に、空気室内ガスと外部との熱交換を阻害する遮熱構造を設けている。   Here, there is a problem that the inside of the air chamber 34 compressed by the combustion pressure becomes high pressure and high temperature due to compression of the air chamber gas (air), heat loss increases, and efficiency decreases. In the present embodiment, in order to reduce heat loss in the air chamber 34 and improve power generation efficiency, the air chamber 34 is provided with a heat shield structure that inhibits heat exchange between the air chamber gas and the outside.

この遮熱構造としては、種々の形態が考えられるが、例えば、当該空気室34の内壁の少なくとも一部を熱伝導率の低い材料で構成することで遮熱構造を実現してもよい。熱伝導率の低い材料としては、例えば、セラミックが挙げられる。こうした材料で、空気室34を構成するシリンダ30の内壁面およびピストン32の端部を構成することにより、外部との熱交換が妨げられ、熱損失を低減できる。   Although various forms are conceivable as the heat shield structure, for example, the heat shield structure may be realized by configuring at least a part of the inner wall of the air chamber 34 with a material having low thermal conductivity. An example of the material having a low thermal conductivity is ceramic. By forming the inner wall surface of the cylinder 30 constituting the air chamber 34 and the end portion of the piston 32 with such a material, heat exchange with the outside is prevented, and heat loss can be reduced.

また、別の形態として、空気室34の内壁の少なくとも一部に遮熱膜を形成してもよい。遮熱膜は、熱伝導率・熱容量が十分に小さい膜体である。こうした遮熱膜としては、例えば、空気室34を形成する母材(シリンダ30およびピストン32)よりも低い熱伝導率を有した膜状の第一断熱材の内部に、単位体積あたりの熱容量および熱伝導率が母材および第一断熱材のいずれよりも低い第二断熱材を混入させた膜体を用いることが望ましい。ここで第一断熱材としては、ジルコニアやシリコン、チタン、ジルコニウム等のセラミックなどを用いることができる。また、第二断熱材としては、中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、シリカを主成分とする微細多孔構造の断熱材などを用いることができる。また、例えば、特開2009−243352号公報や、国際公開WO09/020206号パンフレットに開示されているような遮熱膜を用いてもよい。   As another form, a thermal barrier film may be formed on at least a part of the inner wall of the air chamber 34. The thermal barrier film is a film body having a sufficiently small thermal conductivity and heat capacity. As such a thermal barrier film, for example, the heat capacity per unit volume and the inside of the film-like first heat insulating material having a lower thermal conductivity than the base material (cylinder 30 and piston 32) forming the air chamber 34, and It is desirable to use a film body in which a second heat insulating material having a lower thermal conductivity than both the base material and the first heat insulating material is mixed. Here, as the first heat insulating material, ceramics such as zirconia, silicon, titanium, and zirconium can be used. In addition, as the second heat insulating material, a hollow ceramic bead, a hollow glass bead, a heat insulating material having a fine porous structure mainly composed of silica, and the like can be used. Further, for example, a heat shielding film as disclosed in JP 2009-243352 A or WO 09/020206 pamphlet may be used.

こうした遮熱膜は、熱容量および熱伝導率が十分に小さいため、空気室内ガスの温度変化に追従しやすく、熱損失を低減しやすい。すなわち、通常、熱損失Qは、空気室34内の圧力やガス流に起因する熱伝達係数をh、空気室34内の表面積をA、空気室34内のガス温度をTg、空気室内ガスと接触する壁面温度をTwallとした場合、Q=A・h・(Tg−Twall)の式で表される。この式から明らかなとおり、空気室内ガスの温度Tgと、空気室34の壁面温度Twallとの差が小さくなるほど、熱損失Qも小さくなる。したがって、熱損失を低減するためには、空気室34の壁面温度Twallを空気室内ガスの温度Tgに追従させることが望まれる。そして、こうした温度追従性の高さは、熱伝導率および単位体積あたりの熱容量が十分に低い材料を用いることで実現される。また、単に熱伝導率および単位体積あたりの熱容量が低いだけでは足りず、機械的、熱的強度が十分にあることも望まれる。遮熱膜は、熱伝導率および単位体積あたりの熱容量が十分に低い第二断熱材を、機械的強度が高い第一断熱材内に混合することで、機械的強度を保ちつつ、十分に低い熱伝導率および単位体積あたりの熱容量を有することができる。そして、かかる遮熱膜を空気室34の内壁に設けることにより、熱損失を効果的に低減できる。   Since such a heat shield film has a sufficiently small heat capacity and thermal conductivity, it is easy to follow the temperature change of the air chamber gas and easily reduce heat loss. That is, normally, the heat loss Q is expressed as follows: h is the heat transfer coefficient resulting from the pressure and gas flow in the air chamber 34, A is the surface area in the air chamber 34, Tg is the gas temperature in the air chamber 34, When the wall surface temperature to be contacted is Twall, it is expressed by the equation Q = A · h · (Tg−Twall). As is clear from this equation, the heat loss Q decreases as the difference between the temperature Tg of the air chamber gas and the wall surface temperature Twall of the air chamber 34 decreases. Therefore, in order to reduce heat loss, it is desirable to make the wall surface temperature Twall of the air chamber 34 follow the temperature Tg of the air chamber gas. Such high temperature followability is realized by using a material having sufficiently low thermal conductivity and heat capacity per unit volume. Moreover, it is not sufficient that the thermal conductivity and the heat capacity per unit volume are low, and it is also desirable that the mechanical and thermal strength be sufficient. The thermal barrier film is sufficiently low while maintaining the mechanical strength by mixing the second heat insulating material with sufficiently low thermal conductivity and heat capacity per unit volume into the first heat insulating material with high mechanical strength. It can have thermal conductivity and heat capacity per unit volume. Then, by providing such a heat shield film on the inner wall of the air chamber 34, heat loss can be effectively reduced.

また、この遮熱膜を用いた場合には、空気室34の内表面温度は、空気室34が圧縮されたとき(空気室内ガスが温度上昇したとき)にのみ上昇し、定常的には上昇しにくくなる。そのため、熱伝導率の低い材料で壁面を構成する場合に比して、遮熱膜を用いた場合には、磁石の温度上昇も緩和できる。なお、効率向上のためには、燃焼室36の熱損失を低減することも望ましい。そのため、燃焼室36の内表面にも、上述したような遮熱膜を設けることが望ましい。   Further, when this thermal barrier film is used, the inner surface temperature of the air chamber 34 increases only when the air chamber 34 is compressed (when the temperature of the air chamber gas rises), and rises constantly. It becomes difficult to do. Therefore, compared with the case where the wall surface is made of a material having a low thermal conductivity, the temperature rise of the magnet can be mitigated when the thermal barrier film is used. In order to improve efficiency, it is also desirable to reduce heat loss in the combustion chamber 36. Therefore, it is desirable to provide the above-described heat shielding film also on the inner surface of the combustion chamber 36.

シリンダ30には、ピストン32の位置を検出するセンサ44が1以上、より望ましくは複数設けられている。このセンサ44は、ピストン32の先端が横切ったことを検知するもので、例えば、光学式、渦電流式のセンサを用いることができる。図示しない制御部は、このセンサ44の検出信号から時刻ごとのピストン32の位置と速度を推定する。そして、制御部は、この推定結果に基づいて、各種バルブの開閉タイミングや、プラグ点火タイミング、燃料の供給量や供給タイミングなどを制御する。   The cylinder 30 is provided with one or more, more preferably a plurality of sensors 44 for detecting the position of the piston 32. The sensor 44 detects that the tip of the piston 32 has crossed, and for example, an optical or eddy current sensor can be used. A control unit (not shown) estimates the position and speed of the piston 32 for each time from the detection signal of the sensor 44. Then, the control unit controls the opening / closing timing of various valves, the plug ignition timing, the fuel supply amount, the supply timing, and the like based on the estimation result.

ピストン32は、既述したとおり、燃焼圧力および空気室34の圧縮反発力に応じて、シリンダ30内を往復運動する部材である。このピストン32の外周面には永久磁石20が埋め込まれており、発電ユニットの可動子としても機能する。   As described above, the piston 32 is a member that reciprocates in the cylinder 30 according to the combustion pressure and the compression repulsion force of the air chamber 34. A permanent magnet 20 is embedded in the outer peripheral surface of the piston 32, and also functions as a mover of the power generation unit.

また、本実施形態では、このピストン32の冷却効率を向上させるために、ピストン32を中空構造にするとともに、当該ピストン32およびシリンダ30に連通孔48,50を形成している。すなわち、図1に示すように、本実施形態では、ピストン32として、内部が空洞になっている中空体を用いている。そして、このピストン32およびシリンダ30のそれぞれに、連通孔48,50を形成している。ピストン32の変位に伴い、ピストン32の連通孔48とシリンダ30の連通孔50が重なると、ピストン32内部への空気流入およびピストン32内部から外部への空気流出が許容されることになる。この流入出する空気により、ピストン32が内部から冷却される。また、一部の空気は、ピストン32の外周囲にも回り込み、ピストン32を外周囲からも冷却できる。なお、この連通孔48,50の数は特に限定されず、図1に示すように二つであってもよいし、図2に示すように、より多数であってもよい。図2に示すように、ピストン32に多数の連通孔48を設けることにより、空気の通る位置が次々に変わり、より効率的にピストン32を冷却できる。   In the present embodiment, in order to improve the cooling efficiency of the piston 32, the piston 32 has a hollow structure, and communication holes 48 and 50 are formed in the piston 32 and the cylinder 30. That is, as shown in FIG. 1, in this embodiment, a hollow body having a hollow inside is used as the piston 32. Communication holes 48 and 50 are formed in the piston 32 and the cylinder 30, respectively. If the communication hole 48 of the piston 32 and the communication hole 50 of the cylinder 30 overlap with the displacement of the piston 32, the air inflow into the piston 32 and the air outflow from the piston 32 to the outside are allowed. The piston 32 is cooled from the inside by the air flowing in and out. Further, a part of the air also goes around the outer periphery of the piston 32, and the piston 32 can be cooled from the outer periphery. The number of the communication holes 48 and 50 is not particularly limited, and may be two as shown in FIG. 1 or may be more as shown in FIG. As shown in FIG. 2, by providing a large number of communication holes 48 in the piston 32, the positions through which air passes change one after another, and the piston 32 can be cooled more efficiently.

このピストン32は、繰り返し述べてきたように、シリンダ30内で往復運動する。本実施形態では、シリンダ30とピストン32との摺動部(接触部)の少なくとも一部に、無潤滑で摺動させるためのコーティングを施している。このコーティングとしては、無潤滑でピストン32を往復運動させることができるものなら特に限定されないが、例えば、セラミックコーティングなどを採用することができる。かかるコーティングを施すことで、潤滑剤を供給することなく、ピストン32を往復運動させることができ、エンジンユニット14の構成をより簡易化できる。なお、このシリンダ30は、発電効率を高めるために、図3に示すように、電磁鋼板から構成されてもよい。そして、この電磁鋼板に、既述の掃気孔42や、冷却水を流すための冷却水路52を設けてもよい。   The piston 32 reciprocates in the cylinder 30 as described repeatedly. In the present embodiment, at least a part of the sliding portion (contact portion) between the cylinder 30 and the piston 32 is provided with a coating for sliding without lubrication. The coating is not particularly limited as long as it can reciprocate the piston 32 without lubrication. For example, a ceramic coating can be employed. By applying such coating, the piston 32 can be reciprocated without supplying the lubricant, and the configuration of the engine unit 14 can be further simplified. In addition, in order to improve electric power generation efficiency, this cylinder 30 may be comprised from an electromagnetic steel plate as shown in FIG. And you may provide the above-mentioned scavenging hole 42 and the cooling water path 52 for flowing cooling water in this electromagnetic steel plate.

次に、このエンジンユニット14の動作について説明する。まず、燃焼室36の内部に燃料−空気の混合気がある状態で、ピストン32が燃焼室36側(図面左側)に移動し、燃焼室36が十分に圧縮されると、点火プラグにより混合気への点火がなされる。この点火により混合気が燃焼(爆発)し、その燃焼圧力(ガス膨張力)により、ピストン32が空気室34側へと移動し、燃焼室36の膨張、空気室34の圧縮が行われる。このとき、燃焼室36では、排気バルブが開放され、燃焼室36内における既燃ガスの排気が行われる。また、ピストン32が、空気室34側へと移動することで、ピストン32により閉鎖されていた掃気孔42が徐々に開放されていき、燃焼室36への新気の取り込みが行われる。   Next, the operation of the engine unit 14 will be described. First, when there is a fuel-air mixture in the combustion chamber 36, the piston 32 moves to the combustion chamber 36 side (the left side in the drawing) and the combustion chamber 36 is sufficiently compressed. Is ignited. By this ignition, the air-fuel mixture is combusted (exploded), and the combustion pressure (gas expansion force) causes the piston 32 to move toward the air chamber 34 so that the combustion chamber 36 is expanded and the air chamber 34 is compressed. At this time, in the combustion chamber 36, the exhaust valve is opened, and the burned gas is exhausted in the combustion chamber 36. Further, as the piston 32 moves toward the air chamber 34, the scavenging holes 42 closed by the piston 32 are gradually opened, and fresh air is taken into the combustion chamber 36.

一方、空気室34は、燃焼圧力により移動するピストン32により圧縮されていく。この圧縮により、空気室内ガスが高温・高圧へと変化していく。ただし、空気室34には遮熱構造が設けられているため、当該高温化に伴う熱損失は大幅に抑えられている。特に、遮熱構造として、遮熱膜が用いられている場合、空気室内ガスの温度上昇に追従して、空気室34の内表面(遮熱膜の表面)も温度上昇するため、熱損失が効果的に抑えられる。また、空気室内ガスの圧縮に伴い、空気室34の内圧が過大になった場合には、調圧弁46により、内圧が上限値以下になるように調整される。これにより、エンジンユニット14の破損等が効果的に防止される。   On the other hand, the air chamber 34 is compressed by the piston 32 that moves due to the combustion pressure. By this compression, the gas in the air changes to high temperature and high pressure. However, since the air chamber 34 is provided with a heat shield structure, heat loss due to the high temperature is greatly suppressed. In particular, when a thermal barrier film is used as the thermal barrier structure, the inner surface of the air chamber 34 (the surface of the thermal barrier film) also increases in temperature following the increase in the temperature of the air chamber gas. Effectively suppressed. Further, when the internal pressure of the air chamber 34 becomes excessive as the air chamber gas is compressed, the internal pressure is adjusted to be equal to or lower than the upper limit value by the pressure regulating valve 46. Thereby, damage to the engine unit 14 and the like are effectively prevented.

ピストン32が、空気室34を十分に圧縮すると、今度は、当該空気室34の圧縮空気の膨張力(反発力)により、ピストン32が燃焼室36側へと押し戻される。これにより、空気室34の膨張・燃焼室36の圧縮が開始される。ピストン32が燃焼室36側へと移動することで掃気孔42が閉鎖される。また、排気弁38の閉鎖も行われ、燃焼室36が密閉された状態となる。その状態で燃料の噴射が行われ、燃焼室36内に新気と燃料の混合気が充填される。   When the piston 32 sufficiently compresses the air chamber 34, this time, the piston 32 is pushed back toward the combustion chamber 36 by the expansion force (repulsive force) of the compressed air in the air chamber 34. Thereby, the expansion of the air chamber 34 and the compression of the combustion chamber 36 are started. As the piston 32 moves toward the combustion chamber 36, the scavenging holes 42 are closed. Further, the exhaust valve 38 is also closed, and the combustion chamber 36 is sealed. In this state, fuel is injected and the combustion chamber 36 is filled with a mixture of fresh air and fuel.

このとき、空気室34は、急激に膨張しており、空気室内ガスの温度低下が生じる。遮熱構造として、遮熱膜を採用した場合には、この空気室内ガスの温度低下に追従して、空気室34の内表面温度も低下する。そして、その結果、磁石の温度上昇を効果的に緩和することができる。また、空気室34の膨張に伴い、空気室34内の圧力が過度に低下した場合には、調圧弁46により、内圧が下限値以上になるように調整される。   At this time, the air chamber 34 is rapidly expanding, and the temperature of the air chamber gas is lowered. When a thermal barrier film is employed as the thermal barrier structure, the inner surface temperature of the air chamber 34 also decreases following the temperature decrease of the air chamber gas. As a result, the temperature rise of the magnet can be effectively mitigated. Further, when the pressure in the air chamber 34 is excessively reduced as the air chamber 34 expands, the pressure is adjusted by the pressure regulating valve 46 so that the internal pressure becomes equal to or higher than the lower limit value.

ピストン32が燃焼室36を十分に圧縮すると、点火プラグにより混合気に点火がなされる。そして、再び、ピストン32が空気室34側へ移動し、空気室34の圧縮が行われる。以降は、同様のサイクル、すなわち、燃焼室36の圧縮・空気室34の膨張、混合気燃焼、燃焼室36の膨張・空気室34の圧縮のサイクルを繰り返す。そして、このサイクルの過程で、ピストン32に埋め込まれた永久磁石20周囲の磁界が変化し、当該磁界の変化に応じて発電コイル22に、誘導起電力が発生することで、発電が行われる。なお、上述の説明では、火花点火について例示したが、圧縮着火燃焼(ディーゼル燃焼)を用いてもよいし、後述のように予混合圧縮自着火燃焼を用いてもよい。また、上述の説明では、永久磁石を用いた発電ユニットを示したが、永久磁石を用いないリラクタンス同期モータを応用して、発電ユニットを永久磁石を使わない構成としてもよい。   When the piston 32 sufficiently compresses the combustion chamber 36, the air-fuel mixture is ignited by the spark plug. Then, the piston 32 again moves to the air chamber 34 side, and the air chamber 34 is compressed. Thereafter, the same cycle, that is, the compression / compression of the combustion chamber 36, the expansion of the air chamber 34, the mixture combustion, and the expansion of the combustion chamber 36 / the compression of the air chamber 34 is repeated. In the course of this cycle, the magnetic field around the permanent magnet 20 embedded in the piston 32 changes, and an induced electromotive force is generated in the power generation coil 22 according to the change in the magnetic field, thereby generating power. In the above description, spark ignition is exemplified, but compression ignition combustion (diesel combustion) may be used, or premixed compression auto ignition combustion may be used as described later. In the above description, a power generation unit using a permanent magnet is shown. However, a reluctance synchronous motor that does not use a permanent magnet may be applied, and the power generation unit may be configured not to use a permanent magnet.

次に、このエンジンユニット14の特性について図4〜図6を参照して説明する。図4は、このエンジンユニット14を駆動した際のピストン32の変位を示すグラフである。図4において、横軸は時刻を、縦軸はピストン32の変位を示している。また、図5はピストン32の速度を示すグラフであり、横軸は時刻を、縦軸はピストン32の速度を示している。さらに、図6は、燃焼室36と空気室34の圧力履歴を示すグラフである。図6において横軸は時刻を、縦軸は圧力を示しており、実線は燃焼室36の、破線は空気室34の圧力を示している。   Next, the characteristics of the engine unit 14 will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a graph showing the displacement of the piston 32 when the engine unit 14 is driven. In FIG. 4, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the displacement of the piston 32. FIG. 5 is a graph showing the speed of the piston 32. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the speed of the piston 32. Further, FIG. 6 is a graph showing the pressure history of the combustion chamber 36 and the air chamber 34. In FIG. 6, the horizontal axis indicates time, the vertical axis indicates pressure, the solid line indicates the pressure in the combustion chamber 36, and the broken line indicates the pressure in the air chamber 34.

図4から明らかなとおり、本エンジンユニット14によれば、クランク機構を有したエンジンと比べ、ピストン32が上死点および下死点に留まる時間が短い。また、通常のクランク機構を持つエンジンでは、予混合圧縮自着火燃焼を用いると、ピストン上死点からピストン32が離れたタイミングでの着火(すなわち着火タイミングのズレ)が生じてしまい、等容度の低下、ひいては、燃焼効率の低下が生じる恐れがあった。一方で、フリーピストンエンジンでは、クランク機構を持たないために、ピストン上死点の位置は機構的には決まらず、予混合圧縮自着火が生じれば、その後、ピストンの慣性力のために生じる遅れ時間のあと、速やかに圧縮から膨張に転じる。その結果、等容度を高く保つことができ、結果として、効率を向上させることができる。   As apparent from FIG. 4, according to the engine unit 14, the time during which the piston 32 stays at the top dead center and the bottom dead center is short as compared with the engine having the crank mechanism. Further, in an engine having a normal crank mechanism, when premixed compression auto-ignition combustion is used, ignition occurs at a timing when the piston 32 is separated from the top dead center of the piston (that is, a deviation in ignition timing), and the equal volume There is a possibility that the reduction of the combustion efficiency and the reduction of the combustion efficiency may occur. On the other hand, since the free piston engine does not have a crank mechanism, the position of the top dead center of the piston is not determined mechanically, and if premixed compression self-ignition occurs, it is generated due to the inertial force of the piston thereafter. After the lag time, it immediately turns from compression to expansion. As a result, the isovolume can be kept high, and as a result, the efficiency can be improved.

次に、このリニア発電装置10による効率を、シミュレーションにより検証した結果について説明する。はじめに、シミュレーションの前提条件について説明する。燃料と新気との混合気の温度、圧力、濃度に応じて変化する着火・燃焼過程をモデル化するために、着火過程ではマルチステップShellモデルを、燃焼過程ではKongモデルを用いた。また、本シミュレーションでは、低NOx特性を実現できる予混合圧縮自着火を前提としている。   Next, the results of verifying the efficiency of the linear power generator 10 by simulation will be described. First, the preconditions for simulation will be described. In order to model the ignition / combustion process that changes according to the temperature, pressure, and concentration of the mixture of fuel and fresh air, a multi-step Shell model was used in the ignition process, and a Kong model was used in the combustion process. In this simulation, premixed compression self-ignition capable of realizing low NOx characteristics is premised.

ガス交換に関しては、一般の2ストロークエンジンと同様に、掃気孔高さDがピストンストロークLの約1/3(D=L/3)と仮定している(図7参照)。そして、燃焼室36と掃気孔42が連通すると、燃焼室36内の既燃ガスが全て0.2Mpa、330Kの空気に置換されると仮定している。冷却水への放熱に関しては、燃焼室36から冷却水への放熱、空気室34から冷却水への放熱をWoschniの式を用いてモデル化している。   Regarding gas exchange, as in a general two-stroke engine, the scavenging hole height D is assumed to be about 1/3 of the piston stroke L (D = L / 3) (see FIG. 7). When the combustion chamber 36 and the scavenging hole 42 communicate with each other, it is assumed that all the burned gas in the combustion chamber 36 is replaced with 0.2 Mpa and 330 K air. Regarding the heat radiation to the cooling water, the heat radiation from the combustion chamber 36 to the cooling water and the heat radiation from the air chamber 34 to the cooling water are modeled using the Woschni equation.

発電ユニットの発電効率については、図8のマップを用いた。これは、回転数と負荷トルクで決まる市販発電機(25KW)の発電効率をもとに作成したマップで、市販発電機の回転子回転数を、本リニア発電装置において永久磁石20が発電コイル22を横切る速度に、負荷トルクを負荷に変換したものである。発電負荷Fは、下記の式1に基づいて算出したもので、これに上述の発電効率を乗じることで、リニア発電装置10での発電量を算出した。なお、式1において、cは電磁気力係数、xはピストン32の変位を意味している。
F=c・(dx/dt) ・・・ 式1
For the power generation efficiency of the power generation unit, the map of FIG. 8 was used. This is a map created based on the power generation efficiency of a commercial generator (25 kW) determined by the rotational speed and the load torque. The rotor rotational speed of the commercial generator is determined by the permanent magnet 20 in the linear power generator. The load torque is converted into a load at a speed crossing. The power generation load F was calculated based on the following Equation 1, and the power generation amount in the linear power generation apparatus 10 was calculated by multiplying the power generation load F by the above-described power generation efficiency. In Equation 1, c represents an electromagnetic force coefficient, and x represents a displacement of the piston 32.
F = c · (dx / dt) Equation 1

そして、以上のモデルと下記式2の運動方程式を組み合わせ、リニア発電装置10の動作を計算している。なお、式2において、mはピストン32質量、ΔPは燃焼室36と空気室34との圧力差、Kはピストン32断面積を示している。
m・(d2x/dt2)=ΔP・K−F ・・・ 式2
And the operation | movement of the linear electric power generating apparatus 10 is calculated combining the above model and the equation of motion of following formula 2. In Equation 2, m represents the mass of the piston 32, ΔP represents the pressure difference between the combustion chamber 36 and the air chamber 34, and K represents the cross-sectional area of the piston 32.
m · (d2x / dt2) = ΔP · K−F Equation 2

また、ここでは、表1に示す3種類のリニア発電装置A〜Cを、シミュレーション対象とする。表1に示すとおり、リニア発電装置A〜Cは、いずれも、ボア(シリンダ30内径)が56mm、掃気孔高さが50mm、ピストン質量が1700g、燃料噴射量が10.0mg/stである。一方で、この三つのリニア発電装置A〜Cは互いに空気室の遮熱率が異なっている。すなわち、リニア発電装置Aは遮熱構造を有しておらず、リニア発電装置Bは空気室の遮熱率20%、リニア発電装置Cは空気室の遮熱率50%となっている。   Here, the three types of linear power generators A to C shown in Table 1 are to be simulated. As shown in Table 1, all of the linear power generators A to C have a bore (cylinder 30 inner diameter) of 56 mm, a scavenging hole height of 50 mm, a piston mass of 1700 g, and a fuel injection amount of 10.0 mg / st. On the other hand, these three linear power generators A to C are different from each other in heat insulation rate of the air chamber. That is, the linear power generator A does not have a heat shield structure, the linear power generator B has a heat shield rate of 20% for the air chamber, and the linear power generator C has a heat shield rate of 50% for the air chamber.

Figure 2012021461
Figure 2012021461

以上の条件でシミュレーションした結果を、表2に示す。表2に示すとおり、遮熱率が高いほど、冷損が低下し、図示熱効率、発電効率、総合効率、比出力が向上することが分かる。   Table 2 shows the results of simulation under the above conditions. As shown in Table 2, it can be seen that the higher the heat shielding rate, the lower the cooling loss, and the improved indicated thermal efficiency, power generation efficiency, overall efficiency, and specific output.

Figure 2012021461
Figure 2012021461

次に、第二実施形態のリニア発電装置10について図9を参照して説明する。このリニア発電装置10は、第一実施形態で説明したリニア発電機12を、空気室34が中央に位置するべく、同一直線上、かつ、左右対称に二つ配置したものである。つまり、このリニア発電装置10は、同一直線上に左右対称になるように配置された二つのエンジンユニット14、および、同一直線上に左右対称になるように配置された二つの発電ユニットを備えている。このリニア発電装置10においては、第一リニア発電機12aおよび第二リニア発電機12bは、そのピストン32が左右対称に動くように同期して駆動させられる。すなわち、第一リニア発電機12aのピストン32が右方向に移動して燃焼室36を圧縮開始するタイミングで、第二リニア発電機12bのピストン32も左方向に移動して燃焼室36の圧縮を開始し、第一リニア発電機12aの燃焼室36で混合気に点火するタイミングで、第二リニア発電機12bの燃焼室36でも混合気に点火する。   Next, the linear power generator 10 of 2nd embodiment is demonstrated with reference to FIG. In this linear power generator 10, two linear generators 12 described in the first embodiment are arranged on the same straight line and symmetrically so that the air chamber 34 is located at the center. That is, the linear power generation apparatus 10 includes two engine units 14 arranged to be symmetrical on the same straight line, and two power generation units arranged to be symmetrical on the same straight line. Yes. In this linear power generator 10, the first linear generator 12a and the second linear generator 12b are driven in synchronism so that the pistons 32 move left and right symmetrically. That is, at the timing when the piston 32 of the first linear generator 12a moves to the right and starts to compress the combustion chamber 36, the piston 32 of the second linear generator 12b also moves to the left and compresses the combustion chamber 36. At the timing when the mixture is ignited in the combustion chamber 36 of the first linear generator 12a, the mixture is also ignited in the combustion chamber 36 of the second linear generator 12b.

このように、第一リニア発電機12aおよび第二リニア発電機12bの両方で、同一行程を同一タイミングで実行することで、二つのピストン32が左右対称に動くことになる。そして、これにより、第一リニア発電機12aおよび第二リニア発電機12bで生じる起振力を相殺することができ、エンジンの振動を低減することができる。   Thus, by performing the same stroke at the same timing in both the first linear generator 12a and the second linear generator 12b, the two pistons 32 move symmetrically. As a result, the excitation force generated in the first linear generator 12a and the second linear generator 12b can be offset, and the vibration of the engine can be reduced.

ここで、これまでの説明で明らかなとおり、本実施形態のエンジンユニット14は、空気室34と燃焼室36とを有したフリーピストンエンジンであるため、従来に比して、振動を低減しつつも、気筒数の減少と小型化が可能となる。   Here, as is apparent from the above description, the engine unit 14 of the present embodiment is a free piston engine having an air chamber 34 and a combustion chamber 36, so that vibration is reduced as compared with the conventional case. However, the number of cylinders can be reduced and the size can be reduced.

これについて、従来技術と比較して説明する。図11は、特許文献1等に記載されている従来のフリーピストンエンジン100の概略構成図である。図11に示すとおり、従来のフリーピストンエンジン100は、一つのピストン132の両側に燃焼室136が設けられている。そして、片側の燃焼室136で生じた燃焼圧力により押されたピストン132を、反対側の燃焼室136で生じた燃焼圧力で押し戻す動作を繰り返すことでピストン132を往復運動させていた。すなわち、従来のフリーピストンエンジン100は、二つの燃焼室136を有した二気筒構成に相当する。かかる構成の場合、起振力を打ち消すためには、図11に示すように、二つのフリーピストンエンジン100を直列に配置するか、図12に示すように四つのフリーピストンエンジン100を上下前後に並列に配置する必要がある。図11に示す構成によれば、ピストン132の動きが左右対称になり、振動を打ち消すことができる。ただし、この図11の構成は、四つの燃焼室136を有した四気筒に相当するものであり、本実施形態に比して、気筒数増加とサイズ増加を招く。また、図12の構成でも、ピストン132の動きが左右・上下対称になるため、往復方向起振力および回転モーメントの打ち消しが可能であるが、八つの燃焼室136を有した八気筒に相当するため、図11の構成以上に気筒数およびサイズが増加する。   This will be described in comparison with the prior art. FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a conventional free piston engine 100 described in Patent Document 1 and the like. As shown in FIG. 11, the conventional free piston engine 100 is provided with combustion chambers 136 on both sides of one piston 132. The piston 132 is reciprocated by repeating the operation of pushing back the piston 132 pushed by the combustion pressure generated in the combustion chamber 136 on one side with the combustion pressure generated in the combustion chamber 136 on the opposite side. That is, the conventional free piston engine 100 corresponds to a two-cylinder configuration having two combustion chambers 136. In the case of such a configuration, in order to cancel the vibration generating force, two free piston engines 100 are arranged in series as shown in FIG. 11, or the four free piston engines 100 are moved up and down as shown in FIG. Must be placed in parallel. According to the configuration shown in FIG. 11, the movement of the piston 132 is bilaterally symmetric, and the vibration can be canceled out. However, the configuration of FIG. 11 corresponds to a four-cylinder having four combustion chambers 136, and causes an increase in the number of cylinders and an increase in size as compared with the present embodiment. In the configuration shown in FIG. 12, the movement of the piston 132 is bilaterally and vertically symmetrical, so that it is possible to cancel the reciprocating vibration force and rotational moment. However, this corresponds to an eight cylinder having eight combustion chambers 136. Therefore, the number of cylinders and the size increase more than the configuration of FIG.

一方、本実施形態では、空気室34を圧縮した反動によりピストン32を押し戻す構成であり、各燃焼室36ごとに、対応するピストン32が一つ存在している。そのため、二つの燃焼室36に対応する二つのピストン32を左右対称に駆動することが容易であり、結果として、燃焼室36が二つだけ存在する二気筒構成(すなわち図9に示す構成)であっても、往復方向(気筒軸方向)起振力を打ち消すことができる。さらに、同一直線上の配置のため回転モーメントも発生しない。その結果、より少ない気筒かつ小さいサイズで、振動が低減されたリニア発電装置10が得られる。   On the other hand, in the present embodiment, the piston 32 is pushed back by the reaction of compressing the air chamber 34, and one corresponding piston 32 exists for each combustion chamber 36. Therefore, it is easy to drive the two pistons 32 corresponding to the two combustion chambers 36 symmetrically, and as a result, in a two-cylinder configuration in which only two combustion chambers 36 exist (that is, the configuration shown in FIG. 9). Even in such a case, the vibration force in the reciprocating direction (cylinder axis direction) can be canceled out. Furthermore, no rotational moment is generated due to the arrangement on the same straight line. As a result, the linear power generator 10 with fewer cylinders and a smaller size and reduced vibration can be obtained.

なお、図9では、二つのピストン32の間に介在する空気室34が二つに分離された構成となっている。換言すれば、二つのエンジンユニット14が互いに別々の空気室34を用いる構成となっている。しかし、図10に示すように、二つのピストン32の間に介在する壁を取り除いて、二つのエンジンユニット14で、一つの空気室34を共有するようにしてもよい。かかる構成であっても、ピストン32は左右対称に動くことができ、往復方向起振力を打ち消すことができ、回転モーメントも発生しない。   In FIG. 9, the air chamber 34 interposed between the two pistons 32 is separated into two. In other words, the two engine units 14 use separate air chambers 34. However, as shown in FIG. 10, the wall interposed between the two pistons 32 may be removed so that the two engine units 14 share one air chamber 34. Even in such a configuration, the piston 32 can move symmetrically, can cancel the reciprocating vibration force, and no rotational moment is generated.

10 リニア発電装置、12 リニア発電機、14 エンジンユニット、20 永久磁石、22 発電コイル、30 シリンダ、32 ピストン、34 空気室、36 燃焼室、38 排気弁、40 燃料噴射弁、42 掃気孔、44 センサ、46 調圧弁、48,50 連通孔、52 冷却水路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Linear generator, 12 Linear generator, 14 Engine unit, 20 Permanent magnet, 22 Generator coil, 30 Cylinder, 32 Piston, 34 Air chamber, 36 Combustion chamber, 38 Exhaust valve, 40 Fuel injection valve, 42 Scavenging hole, 44 Sensor, 46 pressure regulating valve, 48, 50 communication hole, 52 cooling water channel.

Claims (12)

シリンダ内でピストンを往復運動させるエンジンユニットと、前記ピストンの往復運動に応じて発電する発電ユニットと、からなるリニア発電機を1以上備えたフリーピストン駆動リニア発電装置であって、
前記エンジンユニットは、
シリンダ内に往復運動自在に配されたピストンと、
前記ピストンの両側に設けられ、前記ピストンの往復運動に伴い体積変化する燃焼室および空気室と、
を備え、
前記発電ユニットは、前記ピストンと、当該ピストンの外周囲に固定されたコイルと、を備え、前記ピストンの往復運動に伴い発電するリニア発電機であり、
前記ピストンは、前記燃焼室での燃料および空気の混合気の燃焼時に生じる燃焼圧力および前記燃焼圧力により圧縮された空気室内ガスの反発力によりシリンダ内で往復運動する、
ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
A free piston drive linear power generator comprising one or more linear generators comprising an engine unit that reciprocates a piston in a cylinder, and a power generation unit that generates power in response to the reciprocation of the piston,
The engine unit is
A piston disposed in a reciprocating manner in a cylinder;
A combustion chamber and an air chamber that are provided on both sides of the piston and change in volume as the piston reciprocates;
With
The power generation unit is a linear generator that includes the piston and a coil that is fixed to the outer periphery of the piston, and that generates electric power as the piston reciprocates,
The piston reciprocates in the cylinder by the combustion pressure generated when the fuel / air mixture is burned in the combustion chamber and the repulsive force of the air chamber gas compressed by the combustion pressure.
The free piston engine drive linear power generator characterized by the above-mentioned.
請求項1に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記ピストンには、永久磁石が埋め込まれており、
前記発電ユニットは、前記ピストンの往復運動に伴い、前記永久磁石と前記コイルとの相対位置関係が変化することで発電する、
ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
It is a free piston engine drive linear power generator of Claim 1,
A permanent magnet is embedded in the piston,
The power generation unit generates power by changing the relative positional relationship between the permanent magnet and the coil with the reciprocation of the piston.
The free piston engine drive linear power generator characterized by the above-mentioned.
請求項1または2に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
同一線上に左右対称になるように配置された二個のリニア発電機を備え、
前記二つのリニア発電機に設けられた二つのエンジンユニットそれぞれのピストンが左右対称に往復運動するべく、二つのエンジンユニットが同期して動作する、
ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
The free piston engine drive linear power generator according to claim 1 or 2,
It has two linear generators arranged to be symmetrical on the same line,
The two engine units operate synchronously so that the pistons of the two engine units provided in the two linear generators reciprocate symmetrically,
The free piston engine drive linear power generator characterized by the above-mentioned.
請求項3に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記二つのエンジンユニットは、一つの空気室を共有する、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
It is a free piston engine drive linear power generator according to claim 3,
The two engine units share a single air chamber, and a free piston engine drive linear power generator.
請求項1から4のいずれか1項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記エンジンユニットは、さらに、前記空気室の内圧を、一定範囲内に保つべく当該内圧を調整する内圧調整手段を備える、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
A free-piston engine-driven linear power generator according to any one of claims 1 to 4,
The free-piston engine-driven linear power generator, wherein the engine unit further comprises an internal pressure adjusting means for adjusting the internal pressure of the air chamber so as to keep the internal pressure within a certain range.
請求項1から5のいずれか1項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記シリンダの内側面のうち、往復運動するピストンとの接触部分の少なくとも一部には、セラミックコーティングが施されている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
It is a free piston engine drive linear power generator according to any one of claims 1 to 5,
A free-piston engine-driven linear power generator, wherein a ceramic coating is applied to at least a part of a contact portion with a reciprocating piston on an inner surface of the cylinder.
請求項1から6のいずれか1項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記燃焼室には、前記シリンダ内のピストンの位置に応じて開口面積が変化する掃気孔と、前記燃焼室からの既燃ガス排出を制御する排気弁と、が設けられている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
It is a free piston engine drive linear power generator according to any one of claims 1 to 6,
The combustion chamber is provided with scavenging holes whose opening area changes according to the position of the piston in the cylinder, and an exhaust valve that controls the discharge of burned gas from the combustion chamber. Free piston engine driven linear generator.
請求項1から7のいずれか1項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記ピストンは、内部が空洞の中空構造であり、
前記ピストンおよびシリンダには、前記ピストンの内部への空気流入および前記ピストン内部から外部への空気流出を許容する連通孔が設けられている、
ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
A free piston engine-driven linear power generator according to any one of claims 1 to 7,
The piston has a hollow structure with a hollow inside,
The piston and the cylinder are provided with communication holes that allow air inflow into the piston and air out from the piston inside.
The free piston engine drive linear power generator characterized by the above-mentioned.
請求項1から8のいずれか1項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記エンジンユニットは、さらに、前記ピストンの位置を検出する位置検出手段を備える、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
A free piston engine drive linear power generator according to any one of claims 1 to 8,
The free-piston engine-driven linear power generator, wherein the engine unit further comprises position detection means for detecting the position of the piston.
請求項1から9のいずれか1項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記シリンダの少なくとも一部は、電磁鋼板からなる、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
A free-piston engine-driven linear power generator according to any one of claims 1 to 9,
At least a part of the cylinder is made of an electromagnetic steel plate, and a free piston engine drive linear power generator.
請求項1から10のいずれか1項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記空気室は、空気室内ガスと外部との熱交換を阻害する遮熱構造を有する、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
It is a free piston engine drive linear power generator according to any one of claims 1 to 10,
The free-piston engine-driven linear power generator, wherein the air chamber has a heat shield structure that inhibits heat exchange between the air chamber gas and the outside.
請求項11に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置であって、
前記遮熱構造は、前記空気室の内壁の少なくとも一部に形成され、熱伝導率および単位体積あたりの熱容量が前記空気室を形成する母材よりも低い遮熱膜である、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
It is a free piston engine drive linear power generator of Claim 11,
The heat shield structure is a heat shield film formed on at least a part of the inner wall of the air chamber and having a lower thermal conductivity and a heat capacity per unit volume than a base material forming the air chamber. Free piston engine driven linear generator.
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