JP2012202385A

JP2012202385A - Free piston generator

Info

Publication number: JP2012202385A
Application number: JP2011070599A
Authority: JP
Inventors: Hidemasa Kosaka; 英雅小坂; Yuichi Oteru; 祐一大輝; Yoshihiro Hotta; 義博堀田; Kiyomi Nakakita; 清己中北; Kosuke Aiki; 宏介相木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP5447419B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a free piston generator adapted to further improve its efficiency.SOLUTION: The free piston generator 10 includes: an engine unit 16 in which a combustion chamber 26 and an air chamber 28 are provided on both sides across a piston 20 and the piston 20 is reciprocatingly moved by combustion pressure when fuel is burnt in the combustion chamber 26 and repulsive force of the air chamber 28 compressed by the piston 20; and a power generation unit 14 for generating power with the reciprocating movement of the piston 20. An air-chamber pressure receiving area being an area of the piston end surface in contact with the air chamber 28 is larger than a combustion-chamber pressure receiving area being an area of the piston end surface in contact with the combustion chamber 26.

Description

本発明は、機械的な拘束を受けることなくシリンダ内で直線往復運動するピストンの動きに伴い発電するフリーピストン式発電機に関する。 The present invention relates to a free-piston generator that generates electric power with the movement of a piston that reciprocates linearly in a cylinder without being mechanically constrained.

従来から、燃焼室で燃料を燃焼させた際に得られる燃焼圧力により、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に発電ユニットを組み込み、ピストンの往復運動に伴い発電を行うフリーピストン式発電機が広く知られている。 Conventionally, a free piston generator that incorporates a power generation unit into a free piston engine that reciprocates the piston in the cylinder by the combustion pressure obtained when the fuel is burned in the combustion chamber, and generates power with the reciprocating motion of the piston. Is widely known.

例えば、特許文献１には、燃焼室内に進退するピストンに連結されたロッドに永久磁石を固定し、その周囲にコイルが配置されたフリーピストン式発電機が開示されている。この発電機では、ピストンの往復運動に伴い永久磁石とコイルとの相対位置関係が変化することで発電が行われる。この特許文献１において、燃焼圧力により燃焼室から離れる方向に移動したピストンは、ロッドに取り付けられた板バネの復元力で燃焼室側に押し戻される。 For example, Patent Document 1 discloses a free piston generator in which a permanent magnet is fixed to a rod connected to a piston that advances and retreats in a combustion chamber, and a coil is disposed around the permanent magnet. In this generator, power generation is performed by changing the relative positional relationship between the permanent magnet and the coil as the piston reciprocates. In this patent document 1, the piston that has moved away from the combustion chamber due to the combustion pressure is pushed back toward the combustion chamber by the restoring force of a leaf spring attached to the rod.

また、フリーピストン式発電機の中には、板バネに替えて、ピストンの燃焼室とは反対側に空気室を設け、ピストンの移動に伴い圧縮された空気室の反発力により、ピストンを燃焼室側に押し戻すものもある。かかる空気室を利用した構成によれば、板バネのように耐久性に乏しい機械部品を省略することができ、発電機の寿命を向上することができる。 In addition, in the free piston generator, an air chamber is provided on the opposite side of the piston combustion chamber in place of the leaf spring, and the piston is combusted by the repulsive force of the air chamber compressed as the piston moves. Some are pushed back to the room. According to the configuration using such an air chamber, mechanical parts with poor durability such as leaf springs can be omitted, and the life of the generator can be improved.

特開２００６−１７００７１号公報JP 2006-170071 A

しかしながら、こうした空気室を利用する構成の場合、空気室内の空気圧縮に伴い、温度上昇が発生し、熱損失が生じることがあった。そして、結果としてフリーピストン式リニア発電機のシステム効率（エンジンの熱効率×発電機の発電効率）が低下するという問題があった。 However, in the case of a configuration using such an air chamber, a temperature increase may occur due to air compression in the air chamber, and heat loss may occur. As a result, there is a problem that the system efficiency of the free-piston linear generator (the thermal efficiency of the engine × the power generation efficiency of the generator) decreases.

そこで、本発明では、フリーピストン式リニア発電機のシステム効率を上昇でき得るフリーピストン式発電機を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a free piston generator that can increase the system efficiency of the free piston linear generator.

本発明のフリーピストン式発電機は、ピストンの直線往復運動に伴い発電するフリーピストン式発電機であって、ピストンを挟んで両側に燃焼室および空気室が設けられ、前記燃焼室で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力および前記ピストンにより圧縮された空気室の反発力によりピストンが往復移動するエンジンユニットと、前記ピストンの往復運動に伴い発電を行う発電ユニットと、を備え、前記空気室に面するピストン端面の面積である空気室受圧面積が、前記燃焼室に面するピストン端面の面積である燃焼室受圧面積より大きい、ことを特徴とする。 The free-piston generator of the present invention is a free-piston generator that generates electric power as the piston reciprocates linearly, and has combustion chambers and air chambers on both sides of the piston, and burns fuel in the combustion chamber. An engine unit in which the piston reciprocates due to a combustion pressure at the time of being applied and a repulsive force of the air chamber compressed by the piston, and a power generation unit that generates electric power in association with the reciprocating motion of the piston. The air chamber pressure receiving area, which is the area of the piston end face, is larger than the combustion chamber pressure receiving area, which is the area of the piston end face facing the combustion chamber.

好適な態様では、前記ピストンは、燃焼室内に進退する小径部と、前記小径部よりも大径で空気室に進退する大径部と、を備える。この場合、前記発電ユニットは、前記ピストンの大径部の外側面に設置される永久磁石と、前記ピストンを収容するシリンダの内側面のうち前記永久磁石との対向位置に設置された発電コイルと、を備えることが望ましい。 In a preferred aspect, the piston includes a small-diameter portion that advances and retracts into the combustion chamber, and a large-diameter portion that has a larger diameter than the small-diameter portion and advances and retracts into the air chamber. In this case, the power generation unit includes a permanent magnet installed on the outer side surface of the large-diameter portion of the piston, and a power generation coil installed at a position facing the permanent magnet on the inner side surface of the cylinder housing the piston. It is desirable to provide.

他の好適な態様では、前記ピストンを収容するシリンダは、シリンダ端部から突出し、ピストンの運動方向をガイドする１以上のガイド体を備え、前記ピストンは、前記ガイド体が挿入される凹部を１以上備える。 In another preferred aspect, the cylinder that accommodates the piston includes one or more guide bodies that project from a cylinder end portion and guide a movement direction of the piston, and the piston includes a recess in which the guide body is inserted. Prepare for the above.

この場合、前記シリンダは、前記シリンダの中心軸上において空気室側端部から突出し、前記ガイド体として機能する支柱と、前記燃焼室側端部から突出する環状リブであって、燃焼室の周壁を構成し、前記ガイド体として機能する内側ライナと、を備え、前記ピストンは、前記支柱が挿入され、空気室側端部から燃焼室側に向かって延びるピストン内凹部と、内側ライナが挿入され、前記ピストン内凹部の周囲において燃焼室側端部から空気室側に向かって延びるピストン外凹部と、を備える、ことが望ましい。 In this case, the cylinder protrudes from the air chamber side end on the central axis of the cylinder, and functions as the guide body, and an annular rib protruding from the combustion chamber side end, and the peripheral wall of the combustion chamber An inner liner that functions as the guide body, and the piston has the strut inserted therein, a piston inner recess extending from the air chamber side end toward the combustion chamber, and an inner liner inserted. And a piston outer recess extending from the combustion chamber side end toward the air chamber around the inner recess of the piston.

また、前記ガイド体と、前記ガイド体が挿入される前記凹部との間には、前記ガイド体および前記凹部の相対移動を補助するリニアボールベアリングが配される、ことも望ましい。 It is also desirable that a linear ball bearing for assisting relative movement of the guide body and the recess is disposed between the guide body and the recess into which the guide body is inserted.

他の好適な態様では、前記シリンダ内において区画される空間のうち前記燃焼室および空気室のいずれにも該当しない空間の少なくとも一つが、作動油または作動空気が充填され、前記ピストンの変位を制御する油圧室または空圧室として機能する。 In another preferred embodiment, at least one of the spaces defined in the cylinder that does not correspond to either the combustion chamber or the air chamber is filled with hydraulic oil or hydraulic air, and the displacement of the piston is controlled. Functions as a hydraulic chamber or pneumatic chamber.

他の好適な態様では、前記空気室におけるシリンダ内側面とピストン外側面との間は、ガスシール部材を設けることなく、微小間隙を介して対向しており、前記微小間隙量は、空気室内空気の燃焼室側への漏れ量が予め規定された許容漏れ量以下になる値に設定されている。 In another preferred aspect, the cylinder inner surface and the piston outer surface in the air chamber are opposed to each other through a minute gap without providing a gas seal member, and the amount of the minute gap is defined as air in the air chamber. The amount of leakage to the combustion chamber side is set to a value that is equal to or less than a predetermined allowable leakage amount.

本発明によれば、空気室受圧面積が、燃焼室受圧面積より大きいため、空気室圧力が比較的小さくて、ピストンを押し戻すことができるため、熱損失が低減でき、結果としてフリーピストン式リニア発電機のシステム効率（エンジンの熱効率×発電機の発電効率）を向上できる。 According to the present invention, since the air chamber pressure receiving area is larger than the combustion chamber pressure receiving area, the air chamber pressure is relatively small and the piston can be pushed back, so that heat loss can be reduced, resulting in free piston linear power generation. System efficiency (engine thermal efficiency x generator power generation efficiency).

本発明の実施形態であるフリーピストン式発電機の構成図である。It is a lineblock diagram of the free piston type generator which is an embodiment of the present invention. 第二実施形態のフリーピストン式発電機の構成図である。It is a block diagram of the free piston type generator of 2nd embodiment. 他のフリーピストン式発電機の構成図である。It is a block diagram of another free piston type generator. フリーピストン式発電機の概略図である。It is the schematic of a free piston type generator.

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、本発明の実施形態であるフリーピストン式発電機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 generator 10 according to an embodiment of the present invention.

このフリーピストン式発電機１０は、燃焼圧力によるピストン２０の動きを電気的エネルギに変換して取り出す装置で、ピストン２０を往復運動させるエンジンユニット１６と、ピストンの動きに伴い発電を行なう発電ユニット１４と、に大別される。 The free piston generator 10 is a device that converts the movement of the piston 20 due to the combustion pressure into electric energy and takes it out. The engine unit 16 reciprocates the piston 20 and the power generation unit 14 that generates power in accordance with the movement of the piston. It is roughly divided into

発電ユニット１４は、固定子として機能するシリンダ１８と、可動子として機能するピストン２０と、から構成される。ピストン２０の外側面には永久磁石２４が埋め込まれており、シリンダ１８の内壁（永久磁石２４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１６の駆動によりピストン２０がシリンダ１８内で往復移動すると、この永久磁石２４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２４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、図示しないバッテリなどに送電される。 The power generation unit 14 includes a cylinder 18 that functions as a stator and a piston 20 that functions as a mover. A permanent magnet 24 is embedded in the outer surface of the piston 20, and a power generation coil 22 is fixedly installed on the inner wall of the cylinder 18 (the outer periphery of the permanent magnet 24). When the piston 20 reciprocates in the cylinder 18 by driving the engine unit 16, the relative positional relationship between the permanent magnet 24 and the power generation coil 22 changes, and thereby the magnetic field around the permanent magnet 24 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 (not shown).

エンジンユニット１６は、ピストン２０をシリンダ１８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１６には、発電ユニット１４の固定子としても機能するシリンダ１８と、発電ユニット１４の可動子としても機能するピストン２０と、シリンダ１８内においてピストン２０の両側に設けられた燃焼室２６および空気室２８と、を備えている。つまり、ピストン２０は、燃焼室２６および空気室２８に挟まれている。そして、燃焼室２６および空気室２８は、ピストン２０の往復運動に伴い体積が変化するようになっている。 The engine unit 16 is a unit that reciprocates the piston 20 within the cylinder 18. The engine unit 16 includes a cylinder 18 that also functions as a stator of the power generation unit 14, a piston 20 that also functions as a mover of the power generation unit 14, and combustion chambers 26 provided on both sides of the piston 20 in the cylinder 18. And an air chamber 28. That is, the piston 20 is sandwiched between the combustion chamber 26 and the air chamber 28. The volumes of the combustion chamber 26 and the air chamber 28 change as the piston 20 reciprocates.

シリンダ１８は、既述したとおり、固定子として機能するもので、その内部には発電コイル２２が埋め込まれている。このシリンダ１８の一端側には燃焼室２６が、他端側には空気室２８が形成され、両室２６，２８の間にはピストン２０が摺動自在に配置される。ここで、本実施形態では、シリンダ１８の内部には段差が形成されており、燃焼室２６が形成される小径空間と、小径部２０ｓよりも内径が大きくて空気室２８が形成される大径空間と、が形成されている。既述の発電コイル２２は、この大径空間の内側面に配置される。このようにシリンダ１８の内部に段差を形成し、小径空間と大径空間とを設ける理由については後に詳説する。 As described above, the cylinder 18 functions as a stator, and a power generation coil 22 is embedded therein. A combustion chamber 26 is formed on one end side of the cylinder 18 and an air chamber 28 is formed on the other end side, and the piston 20 is slidably disposed between the chambers 26 and 28. Here, in this embodiment, a step is formed inside the cylinder 18, and a small diameter space where the combustion chamber 26 is formed and a large diameter where the inner diameter is larger than the small diameter portion 20 s and the air chamber 28 is formed. A space is formed. The already-described power generating coil 22 is disposed on the inner surface of the large-diameter space. The reason why the step is formed inside the cylinder 18 to provide the small diameter space and the large diameter space will be described in detail later.

ピストン２０は、可動子として機能するもので、シリンダ１８の内部に摺動自在に配置される。このピストン２０も、シリンダ１８と同様に段差が形成されており、燃焼室２６側に位置する小径部２０ｓと、小径部２０ｓよりも大径で空気室２８側に位置する大径部２０ｂと、を備えている。そして、このピストン２０のうち、大径部２０ｂの外表面に永久磁石２４が配置される。 The piston 20 functions as a mover and is slidably disposed inside the cylinder 18. The piston 20 is also formed with a step similarly to the cylinder 18, and has a small diameter portion 20s located on the combustion chamber 26 side, a large diameter portion 20b located on the air chamber 28 side with a larger diameter than the small diameter portion 20s, It has. And the permanent magnet 24 is arrange | positioned in the outer surface of the large diameter part 20b among this piston 20. FIG.

燃焼室２６は、燃料と新気（空気）との混合気の燃焼を行うチャンバである。この燃焼室２６には、燃料噴射弁３０や、点火プラグ３２、排気弁３４、掃気孔３６などが設けられている。燃料噴射弁３０は、燃焼室２６の端面（シリンダ１８の閉端面）に取り付けられた弁体で、燃焼室２６内に燃料を供給する。点火プラグ３２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３４は、燃焼室２６の端面（シリンダ１８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。掃気孔３６は、燃焼室２６内に新気を取り込むために燃焼室２６の空気室２８寄りの位置に設けられ、掃気ポート３７に接続された孔である。この掃気孔３６は、ピストン２０の変位に応じて開口量が変化する。すなわち、ピストン２０が燃焼室２６側の端部付近に位置し、燃焼室２６が圧縮された状態では、掃気孔３６は、ピストン２０により遮蔽された状態となる。この場合、燃焼室２６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２０が空気室２８側（図面右側）へと移動すると、掃気孔３６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。なお、ピストン２０により開放・閉鎖される掃気孔３６に代えて、電気や油圧で開閉駆動される掃気弁を設けてもよい。 The combustion chamber 26 is a chamber that burns an air-fuel mixture of fuel and fresh air (air). The combustion chamber 26 is provided with a fuel injection valve 30, an ignition plug 32, an exhaust valve 34, a scavenging hole 36, and the like. The fuel injection valve 30 is a valve body attached to the end surface of the combustion chamber 26 (the closed end surface of the cylinder 18), and supplies fuel into the combustion chamber 26. The spark plug 32 ignites an air-fuel mixture in which fuel and fresh air are mixed to cause combustion (explosion). The exhaust valve 34 is attached to the end face of the combustion chamber 26 (closed end face of the cylinder 18), and discharges burnt gas generated after combustion to the outside. The scavenging hole 36 is a hole provided at a position near the air chamber 28 of the combustion chamber 26 in order to take in fresh air into the combustion chamber 26 and connected to the scavenging port 37. The opening amount of the scavenging hole 36 changes according to the displacement of the piston 20. That is, when the piston 20 is positioned near the end portion on the combustion chamber 26 side and the combustion chamber 26 is compressed, the scavenging holes 36 are shielded by the piston 20. In this case, introduction of fresh air into the combustion chamber 26 is inhibited. On the other hand, when the piston 20 moves to the air chamber 28 side (the right side of the drawing) due to the combustion pressure, the scavenging holes 36 are gradually opened, and the introduction of new air is promoted. Instead of the scavenging holes 36 opened and closed by the piston 20, a scavenging valve that is driven to open and close by electricity or hydraulic pressure may be provided.

空気室２８は、燃焼室２６とは反対側に設けられ、シリンダ１８とピストン２０の端面により囲まれたチャンバである。この空気室２８の内部に存在する空気室２８内ガス（空気など）は、混合気の燃焼により空気室２８側に移動してきたピストン２０を、燃焼室２６側に押し戻す空気バネとして機能する。すなわち、燃焼室２６内の燃焼圧力によりピストン２０が空気室２８側に移動すると、空気室２８が圧縮されることになる。圧縮された空気室２８は、圧縮された反動で、再度、膨張するべく、ピストン２０を燃焼室２６側へと押し戻す。 The air chamber 28 is a chamber provided on the opposite side of the combustion chamber 26 and surrounded by the end surfaces of the cylinder 18 and the piston 20. The gas (such as air) in the air chamber 28 existing inside the air chamber 28 functions as an air spring that pushes the piston 20 that has moved to the air chamber 28 side by combustion of the air-fuel mixture back to the combustion chamber 26 side. That is, when the piston 20 moves to the air chamber 28 side by the combustion pressure in the combustion chamber 26, the air chamber 28 is compressed. The compressed air chamber 28 pushes the piston 20 back to the combustion chamber 26 side to expand again by the compressed reaction.

この空気室２８には、空気室２８の圧力を調整する調圧弁３８が設けられている。この調圧弁３８は、空気室２８の圧力が過大な場合には、空気室２８の内気を外部に流出させ、空気室２８の圧力が過小な場合には外気を空気室２８に流入させる。この調圧弁３８としては、例えば、圧力センサと、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。 The air chamber 28 is provided with a pressure regulating valve 38 that adjusts the pressure of the air chamber 28. The pressure regulating valve 38 causes the inside air of the air chamber 28 to flow out to the outside when the pressure in the air chamber 28 is excessive, and allows the outside air to flow into the air chamber 28 when the pressure in the air chamber 28 is too small. The pressure regulating valve 38 may be, for example, a combination of a pressure sensor and an electromagnetic valve that opens and closes according to a detection value of the pressure sensor, or a mechanical valve that mechanically opens and closes at a constant pressure. It may be a duckbill valve.

シリンダ１８の特定箇所に設けられた位置センサ４０は、当該センサ設置位置へのピストン２０の到達を検出するセンサである。図示しない制御部は、この位置センサ４０で検知された到達タイミングとセンサ設置位置を、予め用意した運動特性のマップと照合したり、運動方程式を解いたり、簡単なモデルに当てはめたりして、ピストン２０の位置や速度を取得する。制御部は、ここで得られたピストン２０の位置や速度に基づいて、各種バルブの開閉タイミングや、燃料の噴射量、発電負荷量などを制御する。なお、かかる位置センサ４０に替えて、ピストン２０の位置をストローク全域に亘って検知する、光学的なリニアエンコーダや、磁気歪式直線変位センサ、あるいは、渦電流式ギャップセンサなどを用いてもよい。 A position sensor 40 provided at a specific location of the cylinder 18 is a sensor that detects the arrival of the piston 20 at the sensor installation position. A control unit (not shown) collates the arrival timing detected by the position sensor 40 and the sensor installation position with a map of motion characteristics prepared in advance, solves a motion equation, or applies it to a simple model, Get 20 positions and velocities. Based on the position and speed of the piston 20 obtained here, the control unit controls the opening / closing timing of various valves, the fuel injection amount, the power generation load amount, and the like. Instead of the position sensor 40, an optical linear encoder, a magnetostrictive linear displacement sensor, an eddy current gap sensor, or the like that detects the position of the piston 20 over the entire stroke may be used. .

ここで、本実施形態では、空気室側のシリンダ内径およびピストン２０外径を、燃焼室側のシリンダ内径およびピストン外径よりも大きくしている。別の言い方をすると、空気室２８からの反発圧力を受けるピストン２０端面の面積である空気室側受圧面積（すなわちピストン２０の空気室側端面の面積）を、燃焼室２６からの燃焼圧力を受けるピストン２０端面の面積である燃焼室側受圧面積（すなわちピストン２０の燃焼室側端面の面積）よりも大きくしている。かかる構成とするのは、次の理由による。 Here, in this embodiment, the cylinder inner diameter and the piston 20 outer diameter on the air chamber side are larger than the cylinder inner diameter and the piston outer diameter on the combustion chamber side. In other words, the air chamber side pressure receiving area (that is, the area of the air chamber side end face of the piston 20) that is the area of the end face of the piston 20 that receives the repulsive pressure from the air chamber 28 receives the combustion pressure from the combustion chamber 26. It is larger than the pressure receiving area on the combustion chamber side that is the area of the end face of the piston 20 (that is, the area of the end face of the piston 20 on the combustion chamber side). The reason for this configuration is as follows.

既述の説明で明らかなとおり、フリーピストン式発電機１０では、燃焼圧力により空気室側に移動したピストン２０は、当該ピストン２０により圧縮された空気室２８の反発力により、燃焼室側に押し戻される。ここで、この空気室２８の圧縮の際には、空気室２８の内圧の上昇に伴い、温度も上昇することが知られている。かかる温度上昇は、熱損失を増大させ、ひいてはフリーピストン式リニア発電機のシステム効率低下の要因となる。また、過度に温度が上昇した状態で、ピストン２０の摺動を補助する潤滑油が空気室２８内に浸入すると、当該潤滑油が自着火する恐れもあった。したがって、空気室２８の温度上昇、ひいては、空気室２８の圧力上昇は極力抑えられることが望ましいといえる。 As is apparent from the above description, in the free piston generator 10, the piston 20 moved to the air chamber side by the combustion pressure is pushed back to the combustion chamber side by the repulsive force of the air chamber 28 compressed by the piston 20. It is. Here, it is known that when the air chamber 28 is compressed, the temperature increases as the internal pressure of the air chamber 28 increases. Such a temperature increase increases heat loss, which in turn causes a reduction in system efficiency of the free piston linear generator. In addition, if the lubricating oil that assists the sliding of the piston 20 enters the air chamber 28 in a state where the temperature is excessively increased, the lubricating oil may be self-ignited. Therefore, it can be said that it is desirable to suppress the temperature rise of the air chamber 28 and, consequently, the pressure rise of the air chamber 28 as much as possible.

ここで、ピストン２０が空気室２８から受ける反発力は、空気室２８がピストン２０を押す単位面積あたりの力（すなわち空気室２８の圧力）に、空気室側受圧面積を乗じた値となる。したがって、空気室側受圧面積が大きければ、空気室２８の圧力が低めでも、十分な反発力を得ることが出来るといえる。 Here, the repulsive force that the piston 20 receives from the air chamber 28 is a value obtained by multiplying the force per unit area by which the air chamber 28 pushes the piston 20 (that is, the pressure of the air chamber 28) by the pressure receiving area on the air chamber side. Therefore, if the air chamber side pressure receiving area is large, it can be said that a sufficient repulsive force can be obtained even if the pressure of the air chamber 28 is low.

しかし、従来のフリーピストン式発電機では、径一定のピストン２０を使用しており、空気室側受圧面積を大きくすることは困難であった。もちろん、ピストン全体の外径を大きくすれば、空気室側受圧面積も大きくできるが、この場合、ピストン２０の質量も大きくなる。そのため、ピストン２０を押し戻すために必要な反発力も大きくなり、結果として、空気室２８の圧力も高くせざるを得ず、空気室２８の温度上昇を効果的に抑制することはできない。また、ピストン２０全体の外径増大は、発電機の体格増大も招き、望ましくない。 However, in the conventional free piston generator, the piston 20 having a constant diameter is used, and it is difficult to increase the pressure receiving area on the air chamber side. Of course, if the outer diameter of the entire piston is increased, the air chamber side pressure receiving area can be increased, but in this case, the mass of the piston 20 is also increased. Therefore, the repulsive force required to push back the piston 20 also increases, and as a result, the pressure of the air chamber 28 must be increased, and the temperature rise of the air chamber 28 cannot be effectively suppressed. Further, an increase in the outer diameter of the entire piston 20 causes an increase in the size of the generator, which is not desirable.

一方、本実施形態では、シリンダ１８・ピストン２０の途中に段差を形成し、空気室寄りの部分だけ大径にしている。これにより、ピストン２０の質量の大幅な増加を防止しつつ、空気室側受圧面積を増大させることができる。その結果、空気室２８の内圧を過度に高めなくても、ピストン２０を押し戻すのに十分な反発力を得ることができる。そして、これにより、空気室２８の温度上昇を抑制でき、ひいては、熱損失の低減や、潤滑油の自着火のリスクを低減できる。 On the other hand, in the present embodiment, a step is formed in the middle of the cylinder 18 and the piston 20, and only the portion close to the air chamber has a large diameter. Thereby, the air chamber side pressure receiving area can be increased while preventing a significant increase in the mass of the piston 20. As a result, a repulsive force sufficient to push back the piston 20 can be obtained without excessively increasing the internal pressure of the air chamber 28. And thereby, the temperature rise of the air chamber 28 can be suppressed, and by extension, the heat loss can be reduced and the risk of self-ignition of the lubricating oil can be reduced.

また、本実施形態では、燃焼室２６容積当たりの磁石表面積を大きくできるという利点もある。すなわち、発電ユニット１４を構成する永久磁石２４は、ピストン２０の外表面に設置される。したがって、この永久磁石２４の表面積は、どうしても、ピストン２０の径に依存することになる。そのため、径一定のピストン２０を用いていた従来のフリーピストン式発電機では、この永久磁石２４の表面積を大幅に増加させることが難しく、結果として、発電出力の増加が困難であった。一方、本実施形態では、既述したように、空気室寄りの部分だけ大径にしているため、永久磁石２４の設置面積を広くとることができ、燃焼室容積当たりの磁石表面積を大きくすることができる。その結果、発電量を増加させることができる。 Moreover, in this embodiment, there exists an advantage that the magnet surface area per combustion chamber 26 volume can be enlarged. That is, the permanent magnet 24 constituting the power generation unit 14 is installed on the outer surface of the piston 20. Therefore, the surface area of the permanent magnet 24 inevitably depends on the diameter of the piston 20. Therefore, in the conventional free piston generator using the piston 20 having a constant diameter, it is difficult to significantly increase the surface area of the permanent magnet 24, and as a result, it is difficult to increase the power generation output. On the other hand, in the present embodiment, as described above, since only the portion closer to the air chamber is made larger in diameter, the installation area of the permanent magnet 24 can be increased, and the magnet surface area per combustion chamber volume can be increased. Can do. As a result, the power generation amount can be increased.

次に、このフリーピストン式発電機１０の動作について説明する。まず、燃焼室２６の内部に燃料−空気の混合気がある状態で、ピストン２０が燃焼室２６側に移動し、燃焼室２６が十分に圧縮されると、点火プラグ３２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２０が空気室２８側へと移動し、燃焼室２６の膨張、空気室２８の圧縮が行われる。このとき、燃焼室２６では、排気弁３４が開放され、燃焼室２６内における既燃ガスの排気が行われる。また、ピストン２０が、空気室２８側へと移動することで、ピストン２０により閉鎖されていた掃気孔３６が徐々に開放されていき、燃焼室２６への新気の取り込みが行われる。 Next, the operation of the free piston generator 10 will be described. First, in a state where there is a fuel-air mixture inside the combustion chamber 26, when the piston 20 moves to the combustion chamber 26 side and the combustion chamber 26 is sufficiently compressed, the ignition plug 32 ignites the mixture. Is made. By this ignition, the air-fuel mixture is combusted (explosion), and the combustion pressure (gas expansion force) causes the piston 20 to move toward the air chamber 28, whereby the combustion chamber 26 is expanded and the air chamber 28 is compressed. At this time, in the combustion chamber 26, the exhaust valve 34 is opened, and the burned gas is exhausted in the combustion chamber 26. Further, when the piston 20 moves to the air chamber 28 side, the scavenging holes 36 closed by the piston 20 are gradually opened, and fresh air is taken into the combustion chamber 26.

一方、空気室２８は、燃焼圧力により移動するピストン２０により圧縮されていく。そして、ピストン２０が、空気室２８を十分に圧縮すると、今度は、当該空気室２８の圧縮空気の膨張力（反発力）により、ピストン２０が燃焼室２６側へと押し戻される。これにより、空気室２８の膨張・燃焼室２６の圧縮が開始される。なお、本実施形態では、空気室側受圧面積を、燃焼室側受圧面積に比して大きくしている。そのため、空気室２８の内圧が比較的小さくても、ピストン２０全体が受ける反発力（空気室２８の圧力×受圧面積）を大きくすることができる。そして、その結果、圧縮に伴う空気室２８の温度上昇を低減でき、熱損失が低減され、ひいては、フリーピストン式リニア発電機のシステム効率が向上される。 On the other hand, the air chamber 28 is compressed by the piston 20 that moves due to the combustion pressure. When the piston 20 sufficiently compresses the air chamber 28, this time, the piston 20 is pushed back toward the combustion chamber 26 by the expansion force (repulsive force) of the compressed air in the air chamber 28. Thereby, the expansion of the air chamber 28 and the compression of the combustion chamber 26 are started. In the present embodiment, the air chamber side pressure receiving area is larger than the combustion chamber side pressure receiving area. Therefore, even if the internal pressure of the air chamber 28 is relatively small, the repulsive force (pressure of the air chamber 28 x pressure receiving area) received by the entire piston 20 can be increased. As a result, the temperature rise of the air chamber 28 accompanying compression can be reduced, heat loss is reduced, and the system efficiency of the free piston linear generator is improved.

ピストン２０が燃焼室２６側へと移動することで掃気孔３６が閉鎖される。また、排気弁３４の閉鎖も行われ、燃焼室２６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２６内に新気と燃料の混合気が充填される。ピストン２０が燃焼室２６を十分に圧縮すると、点火プラグ３２により混合気に点火がなされる。そして、再び、ピストン２０が空気室２８側へ移動し、空気室２８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２６の圧縮・空気室２８の膨張（圧縮行程）、混合気燃焼、燃焼室２６の膨張・空気室２８の圧縮（膨張行程）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２０に埋め込まれた永久磁石２４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。 As the piston 20 moves to the combustion chamber 26 side, the scavenging hole 36 is closed. Further, the exhaust valve 34 is also closed, and the combustion chamber 26 is sealed. In this state, fuel is injected, and the combustion chamber 26 is filled with a mixture of fresh air and fuel. When the piston 20 sufficiently compresses the combustion chamber 26, the air-fuel mixture is ignited by the spark plug 32. Then, the piston 20 again moves to the air chamber 28 side, and the air chamber 28 is compressed. Thereafter, the same cycle, that is, the cycle of compression / compression of the combustion chamber 26 and the expansion (compression stroke) of the air chamber 28, the mixture combustion, and the expansion of the combustion chamber 26 and the compression of the air chamber 28 (expansion stroke) are repeated. Then, in the process of this cycle, the magnetic field around the permanent magnet 24 embedded in the piston 20 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.

なお、本実施形態では、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、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２４を用いた発電ユニット１４を示したが、永久磁石２４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１４を永久磁石２４を使わない構成としてもよい。 In the present embodiment, spark ignition is exemplified, but compression ignition combustion (diesel combustion) may be used, or premixed compression self-ignition combustion may be used. In the above description, the power generation unit 14 using the permanent magnet 24 is shown. However, the power generation unit 14 may be configured not to use the permanent magnet 24 by applying a reluctance synchronous motor that does not use the permanent magnet 24.

いずれにしても、本実施形態のように、燃焼室側受圧面積に比して、空気室側受圧面積を大きくすることで、空気室２８の温度上昇を抑えることができる。そして、これにより、熱損失を低減でき、潤滑油の自着火の恐れも低減できる。 In any case, the temperature rise of the air chamber 28 can be suppressed by increasing the air chamber side pressure receiving area as compared with the combustion chamber side pressure receiving area as in the present embodiment. Thereby, heat loss can be reduced, and the risk of self-ignition of the lubricating oil can also be reduced.

次に、第二実施形態について図２を参照して説明する。図２は、第二実施形態であるフリーピストン式発電機の構成図である。このフリーピストン式発電機１０の基本的構成は、第一実施形態とほぼ同じである。 Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram of a free piston generator according to the second embodiment. The basic configuration of the free piston generator 10 is substantially the same as in the first embodiment.

すなわち、このフリーピストン式発電機１０は、発電ユニット１４とエンジンユニット１６を備え、エンジンユニット１６は、シリンダ１８内に収容されたピストン２０と、当該ピストン２０の両側に設けられた燃焼室２６および空気室２８を備えている。そして、燃焼室２６で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力およびピストン２０により圧縮された空気室２８の反発力によりピストン２０が往復移動するようになっている。 That is, this free piston generator 10 includes a power generation unit 14 and an engine unit 16, and the engine unit 16 includes a piston 20 housed in a cylinder 18, combustion chambers 26 provided on both sides of the piston 20, and An air chamber 28 is provided. The piston 20 is reciprocated by the combustion pressure when the fuel is burned in the combustion chamber 26 and the repulsive force of the air chamber 28 compressed by the piston 20.

ただし、第一実施形態と異なり、本実施形態では、ピストン２０およびシリンダ１８の形状が若干異なっている。すなわち、本実施形態においては、シリンダ１８には、ピストン２０の運動方向をガイドする１以上のガイド体が形成されており、ピストン２０には、このガイド体が挿入される凹部が設けられている点で第一実施形態と異なっている。 However, unlike the first embodiment, in this embodiment, the shapes of the piston 20 and the cylinder 18 are slightly different. In other words, in the present embodiment, the cylinder 18 is formed with one or more guide bodies that guide the movement direction of the piston 20, and the piston 20 is provided with a recess into which the guide body is inserted. This is different from the first embodiment.

より具体的に説明すると、本実施形態のシリンダ１８は、ガイド体として機能する支柱部４２と、内側ライナ４４と、が形成されている。支柱部４２は、シリンダ１８の空気室側端面の中央から燃焼室側に向かって伸びる柱状部位で、後述するピストン２０のピストン内凹部４６に挿入される部位である。 More specifically, the cylinder 18 of the present embodiment is formed with a column portion 42 that functions as a guide body and an inner liner 44. The column portion 42 is a columnar portion that extends from the center of the air chamber side end surface of the cylinder 18 toward the combustion chamber side, and is a portion that is inserted into a later-described piston indentation 46 of the piston 20.

内側ライナ４４は、燃焼室側端部から空気室側に向かって延びる環状のリブである。この内側ライナ４４で囲まれた内部が燃焼室２６となり、内側ライナ４４は、燃焼室２６の周壁として機能することになる。また、この内側ライナ４４は、ピストン２０のピストン外凹部４８に挿入され、ピストン２０の運動方向を副次的にガイドするガイド体としても機能する。 The inner liner 44 is an annular rib extending from the combustion chamber side end toward the air chamber. The interior surrounded by the inner liner 44 becomes the combustion chamber 26, and the inner liner 44 functions as a peripheral wall of the combustion chamber 26. Further, the inner liner 44 is inserted into the piston outer recess 48 of the piston 20 and also functions as a guide body that secondaryly guides the movement direction of the piston 20.

ピストン２０には、ピストン内凹部４６とピストン外凹部４８とが形成されている。ピストン内凹部４６は、ピストン２０の空気室側端面の中央から燃焼室側に向かって延び、支柱部４２が挿入される穴である。このピストン内凹部４６の内径は、支柱部４２の外径とほぼ等しく、このピストン内凹部４６に支柱部４２が挿入されることで、実質的に、ピストン２０の径方向への動きが規制され、軸方向への動きのみが許容されることになる。その結果、往復運動の過程で、永久磁石２４と発電コイル２２との接触が効果的に防止でき、より安定した駆動が可能となる。また、ピストン内凹部４６を設けることにより、ピストン２０内部の一部が空洞化し、ピストン２０の質量が低下することになる。この場合、ピストン２０を燃焼室側に押し戻すのに必要な反発力は、比較的小さくてもよいことになる。そして、その結果、空気室２８を過度に圧縮しなくても、押し戻しに必要な反発力が得られることになり、空気室２８の圧力上昇、ひいては、温度上昇を低減できる。 The piston 20 is formed with a piston inner recess 46 and a piston outer recess 48. The in-piston recess 46 extends from the center of the air chamber side end face of the piston 20 toward the combustion chamber, and is a hole into which the support column 42 is inserted. The inner diameter of the piston inner recess 46 is substantially equal to the outer diameter of the support column 42. By inserting the support column 42 into the piston recess 46, the movement of the piston 20 in the radial direction is substantially restricted. Only the movement in the axial direction is allowed. As a result, the contact between the permanent magnet 24 and the power generation coil 22 can be effectively prevented during the reciprocating motion, and more stable driving is possible. Also, by providing the in-piston recess 46, a part of the inside of the piston 20 is hollowed out, and the mass of the piston 20 is reduced. In this case, the repulsive force required to push the piston 20 back to the combustion chamber side may be relatively small. As a result, even if the air chamber 28 is not excessively compressed, a repulsive force necessary for pushing back can be obtained, and an increase in the pressure of the air chamber 28 and consequently a temperature increase can be reduced.

ピストン外凹部４８は、ピストン２０の燃焼室側端部から空気室側に向かって延び、内側ライナ４４が挿入される環状の穴である。このピストン外凹部４８の断面形状は、内側ライナ４４の断面形状とほぼ等しく、このピストン外凹部４８に内側ライナ４４が挿入されることで、ピストン２０の径方向への動きの規制がより強化される。また、かかるピストン外凹部４８を設けることにより、ピストン２０の質量を低減しつつも、ピストン２０の最大外径は大きく保つことができる。その結果、押し戻しに必要な反発力をより低減でき、ひいては、空気室２８の圧力上昇、ひいては、温度上昇をより低減できる。また、ピストン２０の最大外径は大きく保てるため、磁石表面積を広く取ることができ、結果として発電出力の増加を図ることができる。 The piston outer recess 48 is an annular hole that extends from the combustion chamber side end of the piston 20 toward the air chamber and into which the inner liner 44 is inserted. The cross-sectional shape of the piston outer recess 48 is substantially the same as the cross-sectional shape of the inner liner 44, and the inner liner 44 is inserted into the piston outer recess 48, thereby restricting the movement of the piston 20 in the radial direction. The Further, by providing the piston outer recess 48, the maximum outer diameter of the piston 20 can be kept large while reducing the mass of the piston 20. As a result, the repulsive force required for pushing back can be further reduced, and as a result, the pressure increase in the air chamber 28 and, hence, the temperature increase can be further reduced. Further, since the maximum outer diameter of the piston 20 can be kept large, the magnet surface area can be increased, and as a result, the power generation output can be increased.

このピストン２０は、別の見方をすれば、空気室側端部に位置するベース部５０と、当該空気室側端面から燃焼室側に延びる円筒状の本体部５２と、ベース部５０の周縁から燃焼室側に延びる外側ライナ５４と、を備えているともいえる。ベース部５０および本体部５２の中央には、支柱部４２が挿入されるピストン内凹部４６が形成されており、本体部５２と外側ライナ５４との間には、ピストン外凹部４８として機能する環状の穴が形成されている。そして、本体部５２の燃焼室寄りの部分が燃焼室２６に進退する小径部２０ｓとして機能する。また、空気室側端部に位置するベース部５０および外側ライナ５４の部分が、空気室２８に進退する大径部２０ｂとして機能することになる。そして、この大径部２０ｂとして機能する外側ライナ５４の外側面に永久磁石２４が設置されている。つまり、本実施形態でも、第二実施形態と同様に、ピストン２０が、燃焼室２６内に進退する小径部２０ｓと、小径部２０ｓよりも大径で空気室２８に進退する大径部２０ｂと、を備えており、大径部２０ｂの外表面に永久磁石２４が設置されている。 From another viewpoint, the piston 20 includes a base portion 50 located at the air chamber side end portion, a cylindrical main body portion 52 extending from the air chamber side end surface toward the combustion chamber side, and a peripheral edge of the base portion 50. It can also be said that the outer liner 54 extending toward the combustion chamber is provided. In the center of the base portion 50 and the main body portion 52, a piston inner recessed portion 46 into which the column portion 42 is inserted is formed, and an annular functioning as a piston outer recessed portion 48 is formed between the main body portion 52 and the outer liner 54. Holes are formed. A portion of the main body 52 near the combustion chamber functions as a small diameter portion 20 s that advances and retreats to the combustion chamber 26. In addition, the base portion 50 and the outer liner 54 located at the air chamber side end function as the large diameter portion 20 b that advances and retreats to the air chamber 28. And the permanent magnet 24 is installed in the outer surface of the outer side liner 54 which functions as this large diameter part 20b. That is, in this embodiment as well, as in the second embodiment, the piston 20 has a small diameter portion 20s that advances and retreats into the combustion chamber 26, and a large diameter portion 20b that has a larger diameter than the small diameter portion 20s and advances and retreats to the air chamber 28. The permanent magnet 24 is installed on the outer surface of the large diameter portion 20b.

なお、本実施形態では、空気室２８の中央に支柱部４２が形成されているため、空気室２８の断面形状は、円環形状となる。本実施形態では、空気室２８が、このように円環形状になったとしても、空気室側受圧面積が、燃焼室側受圧面積よりも大きくなるような寸法設定としている。すなわち、燃焼室２６の内径（ボア径）をＤａ、空気室２８の外径をＤｂ、空気室２８の内径（支柱部４２の外径）をＤｃとした場合、燃焼室側受圧面積Ｓ１＝（Ｄａ^２／４）＊πが、空気室側受圧面積Ｓ２＝（Ｄｂ^２／４）＊π−（Ｄｃ^２／４）＊πより大きくなるように（つまりＤａ^２＜（Ｄｂ^２−Ｄｃ^２）となるように）寸法設定している。かかる構成とすることで、第一実施形態と同様に、空気室２８の内圧上昇を低減でき、ひいては、空気室２８の温度上昇を低減できる。そして、その結果、熱損失を低減でき、また、潤滑油の自着火を効果的に抑制できる。 In this embodiment, since the support column 42 is formed in the center of the air chamber 28, the cross-sectional shape of the air chamber 28 is an annular shape. In the present embodiment, even if the air chamber 28 has such an annular shape, the dimensions are set such that the air chamber side pressure receiving area is larger than the combustion chamber side pressure receiving area. That is, when the inner diameter (bore diameter) of the combustion chamber 26 is Da, the outer diameter of the air chamber 28 is Db, and the inner diameter of the air chamber 28 (outer diameter of the support column 42) is Dc, the combustion chamber side pressure receiving area S1 = ( Da ^2/4) * π is the air chamber pressure receiving area ^{S2 = (Db 2/4)} * π- (Dc 2/4) * π as is larger (i.e. ^{^{^{Da 2 <(Db 2 -Dc 2}}} ) The dimensions are set so that By adopting such a configuration, as in the first embodiment, an increase in the internal pressure of the air chamber 28 can be reduced, and consequently, an increase in the temperature of the air chamber 28 can be reduced. As a result, heat loss can be reduced, and self-ignition of the lubricating oil can be effectively suppressed.

また、図２から明らかなとおり、本実施形態のピストン２０によれば、燃焼室２６から永久磁石２４までの熱伝導経路を長くすることができる。すなわち、一般に、発電ユニット１４を構成する永久磁石２４は、その減磁を避けるために、極力、一定温度に保たれることが望ましい。しかし、燃焼室２６で生じた燃焼熱が、ピストン２０を介して永久磁石２４に伝達され、永久磁石２４の温度が上昇するという問題がある。特に、中実のピストン２０の場合、燃焼室側端面に伝達された熱は、永久磁石２４まで、ほぼ、直線の経路を伝わって伝達され、永久磁石２４が温度上昇、ひいては、減磁しやすいという問題があった。一方、本実施形態のように、ピストン２０の一部を空洞化しておくことで、燃焼室側端面に伝達された熱は、本体部５２の側面からベース部５０、ベース部５０から外側ライナ５４を通って永久磁石２４に伝わることになり、熱伝導経路が長くなる。この熱伝導の過程で、空気中に放熱されたりすることで、最終的に、永久磁石２４に伝達される熱量を低減でき、結果として、永久磁石２４の温度上昇を抑制することができる。そして、その結果、永久磁石２４の減磁を抑制でき、発電効率を向上することができる。 As is clear from FIG. 2, according to the piston 20 of the present embodiment, the heat conduction path from the combustion chamber 26 to the permanent magnet 24 can be lengthened. That is, in general, it is desirable that the permanent magnet 24 constituting the power generation unit 14 be kept at a constant temperature as much as possible in order to avoid demagnetization. However, there is a problem that the combustion heat generated in the combustion chamber 26 is transmitted to the permanent magnet 24 via the piston 20 and the temperature of the permanent magnet 24 rises. In particular, in the case of the solid piston 20, the heat transmitted to the combustion chamber side end surface is transmitted to the permanent magnet 24 through a substantially straight path, and the permanent magnet 24 is likely to increase in temperature and thus demagnetize. There was a problem. On the other hand, as in the present embodiment, by making a part of the piston 20 hollow, the heat transmitted to the end surface on the combustion chamber side is from the side surface of the main body portion 52 to the base portion 50 and from the base portion 50 to the outer liner 54. It will be transmitted to the permanent magnet 24 through the heat conduction path. In the course of this heat conduction, heat is dissipated into the air, so that the amount of heat transmitted to the permanent magnet 24 can be finally reduced, and as a result, the temperature rise of the permanent magnet 24 can be suppressed. As a result, the demagnetization of the permanent magnet 24 can be suppressed, and the power generation efficiency can be improved.

なお、本実施形態では、ピストン内凹部４６に、ガイド体として機能する支柱部４２を、直接、挿入しているが、図３に示すように、両者の間に両者の相対移動を補助するリニアボールベアリング５６を配してもよい。かかる構成とすることで、ピストン２０の径方向への動きがより確実に規制され、永久磁石２４と発電コイル２２との接触がより効果的に防止できる。また、ピストン内凹部４６の側面と支柱部４２の側面との接触を防ぐことができ、その間の摩擦抵抗も低減できる。その結果、無駄な損失を低減でき、より効率的な発電が可能となる。 In the present embodiment, the support column portion 42 that functions as a guide body is directly inserted into the indented portion 46 of the piston. However, as shown in FIG. A ball bearing 56 may be provided. By setting it as this structure, the movement to the radial direction of piston 20 is controlled more reliably, and the contact with the permanent magnet 24 and the electric power generation coil 22 can be prevented more effectively. Further, the contact between the side surface of the in-piston recess 46 and the side surface of the support column 42 can be prevented, and the frictional resistance therebetween can be reduced. As a result, useless loss can be reduced, and more efficient power generation becomes possible.

また、本実施形態では、ガイド体・凹部として、支柱部４２・ピストン内凹部４６と内側ライナ４４・ピストン外凹部４８の二種類を設けているが、当然ながら、これらは一種類でもよいし、より多種類設けられてもよい。例えば、支柱部４２およびピストン内凹部４６を省略し、内側ライナ４４・ピストン外凹部４８のみで、ピストン２０の移動方向をガイドするようにしてもよい。その場合であっても、ピストン２０の本体部５２の内部を空洞にし、ピストン２０全体の軽量化や伝熱経路の長距離化を図ることが望ましい。 Further, in this embodiment, as the guide body / concave, there are provided two types of support column 42, piston internal recess 46 and inner liner 44 / piston external recess 48, but of course, these may be one type, More types may be provided. For example, the supporting column 42 and the piston inner recess 46 may be omitted, and the moving direction of the piston 20 may be guided only by the inner liner 44 and the piston outer recess 48. Even in that case, it is desirable to make the inside of the main body portion 52 of the piston 20 hollow to reduce the weight of the entire piston 20 and to increase the distance of the heat transfer path.

いずれにしても、第一実施形態および第二実施形態のように、空気室側受圧面積を、燃焼室側受圧面積よりも大きくすることにより、空気室２８を過度に圧縮しなくても十分な反発力を得ることができ、結果として、空気室２８の温度上昇に伴う熱損失の増大を抑制することができ、発電効率を向上できる。 In any case, as in the first embodiment and the second embodiment, by making the air chamber side pressure receiving area larger than the combustion chamber side pressure receiving area, it is sufficient that the air chamber 28 is not excessively compressed. A repulsive force can be obtained, and as a result, an increase in heat loss accompanying a temperature rise in the air chamber 28 can be suppressed, and power generation efficiency can be improved.

なお、第一実施形態および第二実施形態のいずれにおいても、シリンダ１８やピストン２０に段差や突起を設けることにより、シリンダ１８内に、空気室２８および燃焼室２６以外にも区画された区画空間６０ａ〜６０ｄ（図１〜図３参照）が幾つか形成されることになる。こうした区画空間６０ａ〜６０ｄは、燃焼室２６や空気室２８と同様、ピストン２０の往復運動に伴い体積変化する。したがって、かかる区画空間６０ａ〜６０ｄを密閉状態とすると、空気室２８同様、空気バネとして機能し、ピストン２０の挙動に悪影響を与え、無駄な圧縮仕事が発生する。したがって、かかる区画空間６０ａ〜６０ｄは、外部空間と連通させ、内圧一定に保たれるようにすることが望ましい。 In both the first embodiment and the second embodiment, the cylinder 18 and the piston 20 are provided with steps and protrusions, so that the partitioned space is partitioned in the cylinder 18 other than the air chamber 28 and the combustion chamber 26. Several 60a-60d (refer FIGS. 1-3) will be formed. Like the combustion chamber 26 and the air chamber 28, the volume of the partition spaces 60 a to 60 d changes as the piston 20 reciprocates. Therefore, when the partition spaces 60a to 60d are in a sealed state, like the air chamber 28, it functions as an air spring, adversely affects the behavior of the piston 20, and generates unnecessary compression work. Therefore, it is desirable that the partition spaces 60a to 60d communicate with the external space so that the internal pressure is kept constant.

また、別の形態として、こうした区画区間６０ａ〜６０ｄの少なくとも一つを油圧室もしくは制御された空圧室として利用してもよい。例えば、図２において、内側ライナ４４と、シリンダ１８の内側面と、ピストン２０の外側ライナ５４の端面とで区画された環状空間６０ｂを、作動油もしくは作動空気が充填された油圧室もしくは空圧室として用いてもよい。そして、この環状空間６０ｂに充填する作動油もしくは作動空気の量・圧力を、適宜、制御することにより、ピストン２０の燃焼室側への最大変位量や速度を制御するようにしてもよい。かかる構成とすることで、ピストン２０の上死点位置、ひいては、圧縮比を制御できる。その結果、燃焼圧力が過大になることを防止でき、また、燃焼騒音なども抑制できる。 As another form, at least one of the partition sections 60a to 60d may be used as a hydraulic chamber or a controlled pneumatic chamber. For example, in FIG. 2, an annular space 60b defined by the inner liner 44, the inner surface of the cylinder 18, and the end surface of the outer liner 54 of the piston 20 is formed into a hydraulic chamber or pneumatic pressure filled with hydraulic oil or hydraulic air. It may be used as a chamber. Then, the maximum displacement amount and speed of the piston 20 toward the combustion chamber may be controlled by appropriately controlling the amount and pressure of the working oil or working air filled in the annular space 60b. With this configuration, the top dead center position of the piston 20 and thus the compression ratio can be controlled. As a result, the combustion pressure can be prevented from becoming excessive, and combustion noise can be suppressed.

また、第一実施形態および第二実施形態のようにピストン２０の空気室側部分の外径を大きくする場合には、ピストンリング等のガスシール部材を省略することが望ましい。すなわち、従来のフリーピストン式発電機１０では、空気室２８からのガス（空気）の漏れを防止するために、ピストンリングのようなガスシール部材を、ピストン２０の外表面と、シリンダ１８の内表面との間の間隙に配置していた。かかるピストンリングを設けることにより、空気室２８の圧力が高くなっても、空気室２８からのガス漏れが効果的に防止される。 Moreover, when enlarging the outer diameter of the air chamber side part of piston 20 like 1st embodiment and 2nd embodiment, it is desirable to abbreviate | omit gas seal members, such as a piston ring. That is, in the conventional free piston generator 10, in order to prevent gas (air) leakage from the air chamber 28, a gas seal member such as a piston ring is provided between the outer surface of the piston 20 and the inside of the cylinder 18. It was placed in the gap between the surface. By providing such a piston ring, gas leakage from the air chamber 28 is effectively prevented even when the pressure of the air chamber 28 increases.

しかしながら、かかるピストンリングは、シリンダ１８の内表面に接触した状態で、ピストン２０とともに往復運動することになり、摩擦損失を生み出していた。特に、第一実施形態および第二実施形態のようにピストン２０の空気室側部分の外径が大きい場合には、ピストン２０の周長、ひいては、ピストンリングの周長が長くならざるを得ず、結果として、ピストンリングとシリンダ１８内側面との接触面積が大きくなる。その結果、摩擦損失が大きくなりがちという問題がある。 However, such a piston ring reciprocates with the piston 20 in contact with the inner surface of the cylinder 18, thereby generating a friction loss. In particular, when the outer diameter of the air chamber side portion of the piston 20 is large as in the first embodiment and the second embodiment, the circumferential length of the piston 20 and thus the circumferential length of the piston ring must be increased. As a result, the contact area between the piston ring and the inner surface of the cylinder 18 is increased. As a result, there is a problem that friction loss tends to increase.

かかる問題を避けるために、ピストン２０の空気室側部分の外径を大きくする場合には、ピストンリング等のガスシール部材を省略することが望ましい。なお、この場合、前記空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙量は、空気室２８内ガスの燃焼室側への漏れ量が予め規定された許容漏れ量以下になる値に設計する。これについて、図４を参照して説明する。図４は、フリーピストン式発電機１０の概略図である。図４に示す構成において、空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙を通過するガス流量Ｑは、空気室２８の内外での圧力差をΔＰ、ピストン２０径をｄ、間隙量をｈ、ガス密度をρ、作動ガスの動粘度をν、間隙量ｈとなる部分の長さをＬとした場合、当該間隙を通過するガス流量Ｑは次の式１で表される。
Ｑ＝（１．５７・ΔＰ・ｈ^３・ｄ）／（ρ・ν・Ｌ）・・・（１）
そして、ピストン２０の偏心も考慮すると最大ガス漏れ量ＱｍａｘはＱｍａｘ＝２．５Ｑとなる。この最大ガス漏れ量Ｑｍａｘが、規定の許容漏れ率で定まるガス漏れ量以下となるべく、間隙量ｈを決定しておくことが望ましい。 In order to avoid such a problem, when the outer diameter of the air chamber side portion of the piston 20 is increased, it is desirable to omit a gas seal member such as a piston ring. In this case, the gap amount between the inner side surface of the cylinder 18 and the outer side surface of the piston 20 in the air chamber 28 is such that the leak amount of the gas in the air chamber 28 to the combustion chamber side is less than a predetermined allowable leak amount. To design. This will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic view of the free piston generator 10. In the configuration shown in FIG. 4, the gas flow rate Q that passes through the gap between the inner surface of the cylinder 18 and the outer surface of the piston 20 in the air chamber 28 is ΔP, the diameter of the piston 20 is d, When the amount is h, the gas density is ρ, the working viscosity of the working gas is ν, and the length of the portion where the gap amount is h is L, the gas flow rate Q passing through the gap is expressed by the following equation (1).
Q = (1.57 · ΔP · h ³ · d) / (ρ · ν · L) (1)
In consideration of the eccentricity of the piston 20, the maximum gas leakage amount Qmax is Qmax = 2.5Q. It is desirable to determine the gap amount h so that the maximum gas leak amount Qmax is equal to or less than the gas leak amount determined by the prescribed allowable leak rate.

ここで、最大ガス漏れ量Ｑｍａｘは、圧力差ΔＰ、ピストン２０径ｄ、および、間隙量ｈの３乗に比例し、ガス密度ρ、作動ガスの動粘度ν、間隙部分の長さＬに反比例する。このうち、空気室２８内ガスとして、空気を利用する限り、ガス密度ρおよび作動ガスの動粘度νは一定値となる。したがって、実質的に間隙量ｈは、許容漏れ率α、圧力差ΔＰ、ピストン２０径ｄ、および、間隙部分の長さＬに基づいて決定されることになる。より具体的に言えば、間隙量ｈは、許容漏れ率αが大きいほど大きく、圧力差ΔＰが大きいほど小さく、ピストン径ｄが大きいほど小さく、間隙部分の長さが大きいほど大きくなるように決定されることが望ましい。なお、ここで記載したシリンダ１８の内側面とピストン２０の外側面以外の間隙、すなわち、本体部５２と内側ライナ４４の間隙、支柱部４２とピストン内凹部４６の間隙には、ピストンリングのようなガスシール部材を用いることもできるし、ガスシール部材を省略して、ここに記載したように間隙量が予め規定した許容漏れ量となるように設計することもできる。 Here, the maximum gas leakage amount Qmax is proportional to the pressure difference ΔP, the piston 20 diameter d and the cube of the gap amount h, and inversely proportional to the gas density ρ, the working gas kinematic viscosity ν, and the length L of the gap portion. To do. Among these, as long as air is used as the gas in the air chamber 28, the gas density ρ and the kinematic viscosity ν of the working gas are constant values. Therefore, the gap amount h is substantially determined based on the allowable leak rate α, the pressure difference ΔP, the piston 20 diameter d, and the length L of the gap portion. More specifically, the gap amount h is determined to be larger as the allowable leak rate α is larger, smaller as the pressure difference ΔP is larger, smaller as the piston diameter d is larger, and larger as the gap portion length is larger. It is desirable that A gap other than the inner side surface of the cylinder 18 and the outer side surface of the piston 20 described here, that is, a gap between the main body 52 and the inner liner 44 and a gap between the column portion 42 and the inner recess 46 of the piston are formed like a piston ring. A gas seal member may be used, or the gas seal member may be omitted and the gap amount may be designed to be a predetermined allowable leak amount as described herein.

また、永久磁石２４と発電コイル２２との接触を防止するために、永久磁石２４表面と発電コイル２２設置面との間隙量ｂは、空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙量ｃよりも大きくしておくことが望ましい。 In order to prevent contact between the permanent magnet 24 and the power generation coil 22, the gap amount b between the surface of the permanent magnet 24 and the installation surface of the power generation coil 22 is determined between the inner surface of the cylinder 18 and the outer surface of the piston 20 in the air chamber 28. It is desirable to make it larger than the gap amount c.

１０フリーピストン式発電機、１４発電ユニット、１６エンジンユニット、１８シリンダ、２０ピストン、２２発電コイル、２４永久磁石、２６燃焼室、２８空気室、３０燃料噴射弁、３２点火プラグ、３４排気弁、３６掃気孔、３７掃気ポート、３８調圧弁、４０位置センサ、４２支柱部、４４内側ライナ、４６ピストン内凹部、４８ピストン外凹部、５０ベース部、５２本体部、５４外側ライナ、５６リニアボールベアリング。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Free piston type generator, 14 Power generation unit, 16 Engine unit, 18 Cylinder, 20 Piston, 22 Power generation coil, 24 Permanent magnet, 26 Combustion chamber, 28 Air chamber, 30 Fuel injection valve, 32 Spark plug, 34 Exhaust valve, 36 scavenging hole, 37 scavenging port, 38 pressure regulating valve, 40 position sensor, 42 strut portion, 44 inner liner, 46 piston inner recess, 48 piston outer recess, 50 base portion, 52 main body portion, 54 outer liner, 56 linear ball bearing .

Claims

A free-piston generator that generates power as the piston reciprocates,
An engine unit in which a combustion chamber and an air chamber are provided on both sides of the piston, and the piston reciprocates due to a combustion pressure when fuel is burned in the combustion chamber and a repulsive force of the air chamber compressed by the piston;
A power generation unit that generates power with the reciprocating motion of the piston;
With
The air chamber pressure receiving area which is the area of the piston end face facing the air chamber is larger than the combustion chamber pressure receiving area which is the area of the piston end face facing the combustion chamber,
A free piston generator.

The free piston generator according to claim 1,
The piston includes a small-diameter portion that advances and retreats into the combustion chamber, and a large-diameter portion that has a larger diameter than the small-diameter portion and advances and retracts into the air chamber.

A free piston generator according to claim 2,
The power generation unit includes a permanent magnet installed on the outer side surface of the large-diameter portion of the piston, and a power generation coil installed at a position facing the permanent magnet on the inner side surface of the cylinder housing the piston. A free piston generator.

A free piston generator according to any one of claims 1 to 3,
The cylinder that houses the piston includes one or more guide bodies that project from the cylinder end and guide the direction of movement of the piston.
The piston includes one or more recesses into which the guide body is inserted.
A free piston generator.

A free piston generator according to claim 4,
The cylinder is
A column that protrudes from the air chamber side end on the central axis of the cylinder and functions as the guide body,
An annular rib projecting from the combustion chamber side end, constituting a peripheral wall of the combustion chamber, and an inner liner functioning as the guide body;
The piston comprises:
A recess in the piston into which the support column is inserted and extends from the air chamber side end toward the combustion chamber;
An inner liner is inserted, and an outer piston recess extending from the combustion chamber side end toward the air chamber around the inner recess of the piston;
Comprising
A free piston generator.

A free piston generator according to claim 4 or 5,
A free piston generator, wherein a linear ball bearing for assisting relative movement of the guide body and the recess is disposed between the guide body and the recess into which the guide body is inserted. .

A free piston generator according to any one of claims 1 to 6,
A hydraulic chamber or a pneumatic chamber in which at least one of the spaces defined in the cylinder that does not correspond to either the combustion chamber or the air chamber is filled with working oil or working air and controls the displacement of the piston. A free-piston generator that functions as:

A free piston generator according to any one of claims 1 to 7,
Between the inner surface of the cylinder and the outer surface of the piston in the air chamber, facing each other through a minute gap without providing a gas seal member,
The amount of minute gap is set to a value at which the amount of leakage of air in the air to the combustion chamber side is equal to or less than a predetermined allowable leakage amount,
A free piston generator.