JP2013256886A - Free piston generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フリーピストン式発電機に関する。 The present invention relates to a free piston generator.
従来から、機械的に拘束されることなくシリンダ内で往復運動するピストン(フリーピストン)を用いた発電機が知られている。例えば、特許文献1、2には、筒形状のシリンダと、シリンダ内部に配置されたピストンを備えた、2ストロークエンジン駆動のフリーピストン式発電機が開示されている。
Conventionally, a generator using a piston (free piston) that reciprocates in a cylinder without being mechanically restricted is known. For example,
シリンダ内部には、ピストンを挟んで対向する様に、燃焼室と空気室が形成されている。燃焼室には、掃気孔が設けられている。この掃気孔から新気が燃焼室に導入される。さらに燃焼室には、燃料を噴射するインジェクタが設けられている。また、燃焼室には点火手段が設けられており、点火手段は、燃焼室で生成された燃料と新気の混合気を燃焼させる。その際に生じる燃焼圧力により、ピストンが空気室側に移動させられる。空気室はいわゆる空気ばねとしての機能を備えている。ピストンの移動に伴い空気室が圧縮されることで反発力が生じ、この反発力によりピストンが燃焼室側に押し戻される。 A combustion chamber and an air chamber are formed inside the cylinder so as to face each other with the piston interposed therebetween. A scavenging hole is provided in the combustion chamber. Fresh air is introduced into the combustion chamber from the scavenging holes. Further, the combustion chamber is provided with an injector for injecting fuel. The combustion chamber is provided with ignition means, and the ignition means burns the fuel-air mixture produced in the combustion chamber. The piston is moved to the air chamber side by the combustion pressure generated at that time. The air chamber has a function as a so-called air spring. As the piston moves, the air chamber is compressed to generate a repulsive force, and the repulsive force pushes the piston back toward the combustion chamber.
シリンダの内周面にはコイルが設けられている。また、ピストンの外周面には永久磁石が設けられている。ピストンの往復運動に伴い、永久磁石とコイルとの位置が相対変化する。このとき、コイルに誘導起電力が発生する。発生した電力は、バッテリー等の蓄電手段に供給される。 A coil is provided on the inner peripheral surface of the cylinder. A permanent magnet is provided on the outer peripheral surface of the piston. As the piston reciprocates, the positions of the permanent magnet and the coil change relatively. At this time, an induced electromotive force is generated in the coil. The generated electric power is supplied to power storage means such as a battery.
また、特許文献3では、直線移動する物体の変位を検出するために、当該物体表面に移動量計測用スリットを形成するとともに、当該スリットの変位を検出する検出手段を備えることが開示されている。
Further,
ところで、燃料室に新気を導入する掃気期間でないときにも、掃気孔には圧力が掛けられており、ピストンとシリンダとの隙間を通じて、新気が空気室側に吹き抜けるおそれがある。これは、掃気孔に新気を送り込む掃気ポンプのロスに繋がることから、ピストンとシリンダとの隙間をシールすることが好適である。具体的には、シリンダ内周面に、ピストン外周面と摺接する内張りシールリングを設けることが考えられる。この場合、ピストン外周面には永久磁石が設けられており、その永久磁石は脆性材料で構成されている場合があることから、永久磁石には摺接しないように、シールリングを設けることが好適である。 By the way, even when it is not the scavenging period during which fresh air is introduced into the fuel chamber, pressure is applied to the scavenging holes, and there is a possibility that fresh air will blow through the air chamber through the gap between the piston and the cylinder. This leads to a loss of the scavenging pump that sends fresh air into the scavenging holes, so it is preferable to seal the gap between the piston and the cylinder. Specifically, it is conceivable to provide a lining seal ring in sliding contact with the piston outer peripheral surface on the cylinder inner peripheral surface. In this case, a permanent magnet is provided on the outer peripheral surface of the piston, and the permanent magnet may be made of a brittle material. Therefore, it is preferable to provide a seal ring so that the permanent magnet does not slide. It is.
また、ピストンの変位を検出するために、ピストンの外周面にスリットを切る場合、永久磁石にスリットを切ると、その凹凸形状に起因して磁力が変動し、誘導起電力が不安定になるおそれがある。そこで、永久磁石を避けてスリットを設けることが好適である。 In addition, when a slit is cut in the outer peripheral surface of the piston in order to detect the displacement of the piston, if the slit is cut in the permanent magnet, the magnetic force fluctuates due to the uneven shape and the induced electromotive force may become unstable. There is. Therefore, it is preferable to provide a slit avoiding the permanent magnet.
永久磁石を避けるようにして、スリット及びシールリングを設けると、図10に示すように、シールリング110とスリット112とが摺接してしまう場合がある。例えば、フリーピストン式発電機の小型化のため、ピストンの移動方向長さを短くした際に(ピストン外周面から永久磁石以外のスペースが削られた場合に)、上記のような場合が生じ得る。シールリングとの摺接面に、スリットによる凹凸が形成されると、シール性能が低下するおそれがある。そこで、本発明は、ピストンとシリンダとのシール性を保ちつつピストンの変位測定が可能な、フリーピストン式発電機を提供することを目的とする。 If the slit and the seal ring are provided so as to avoid the permanent magnet, the seal ring 110 and the slit 112 may come into sliding contact as shown in FIG. For example, when the length of the piston in the moving direction is shortened to reduce the size of the free piston generator (when a space other than the permanent magnet is removed from the outer peripheral surface of the piston), the above case may occur. . If irregularities due to slits are formed on the sliding contact surface with the seal ring, the sealing performance may be deteriorated. Then, an object of this invention is to provide the free piston type generator which can measure the displacement of a piston, maintaining the sealing performance of a piston and a cylinder.
本発明は、フリーピストン式発電機に関するものである。当該発電機は、筒形状に形成されたシリンダと、前記シリンダ内に配置されたピストンと、前記ピストンを挟んで対向するように設けられるとともに、前記ピストンを往復移動させる、燃焼室及び空気室と、を備える。さらに、前記シリンダの内周面に設けられるとともに、前記ピストンの外周面に摺接する、シール部材と、前記ピストンの外周面に形成された溝部と、前記溝部の変位を検出する変位検出器と、を備える。さらに、前記溝部のうち、前記シール部材に摺接する部分に充填されるとともに、前記ピストンの構成材料とは前記変位検出器の検出特性が異なる充填部材を備える。 The present invention relates to a free piston generator. The generator includes a cylinder formed in a cylindrical shape, a piston disposed in the cylinder, a combustion chamber and an air chamber that are provided so as to face each other with the piston interposed therebetween and reciprocate the piston. . Further, a seal member provided on the inner peripheral surface of the cylinder and in sliding contact with the outer peripheral surface of the piston, a groove formed on the outer peripheral surface of the piston, a displacement detector for detecting displacement of the groove, Is provided. Furthermore, a portion of the groove that is in sliding contact with the seal member is filled, and a filling member having a detection characteristic of the displacement detector different from that of the constituent material of the piston is provided.
また、上記発明において、前記充填材料の摩擦係数は、前記ピストンの構成材料の摩擦係数以下であることが好適である。 Moreover, in the said invention, it is suitable that the friction coefficient of the said filling material is below the friction coefficient of the constituent material of the said piston.
また、上記発明において、前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含み、前記変位検出器は複数設けられ、それぞれの前記変位検出器は、前記移動方向に沿って前記溝パターンの検出範囲がオフセットされていることが好適である。 In the above invention, the groove portion includes a groove pattern in which a plurality of grooves are formed along the moving direction of the piston, and a plurality of the displacement detectors are provided, and each of the displacement detectors extends in the moving direction. It is preferable that the detection range of the groove pattern is offset along.
また、上記発明において、前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含むとともに、前記溝パターンは、前記ピストンの周廻りに複数形成され、それぞれの前記溝パターンは、他の前記溝パターンに対して、前記ピストンの移動方向に沿った前記溝の幅未満の範囲で、前記ピストンの移動方向に沿ってオフセットされていることが好適である。 Further, in the above invention, the groove portion includes a groove pattern in which a plurality of grooves are formed along a moving direction of the piston, and the groove pattern is formed in a plurality around the periphery of the piston. Is preferably offset along the moving direction of the piston within a range less than the width of the groove along the moving direction of the piston with respect to the other groove pattern.
また、上記発明において、前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含むとともに、前記溝パターンは、前記ピストンの周廻りに複数形成され、前記溝パターンは、前記ピストンの径方向に沿って対向するように形成されていることが好適である。さらに、前記変位検出器は、前記溝パターンの変位に応じた信号を出力するとともに、前記溝パターンの変位を求める際に、前記対向する溝パターンに応じたそれぞれの前記信号を足し合わせることが好適である。 Further, in the above invention, the groove portion includes a groove pattern in which a plurality of grooves are formed along a moving direction of the piston, and the groove pattern is formed in a plurality around the piston, and the groove pattern is It is preferable that they are formed so as to oppose each other along the radial direction of the piston. Further, the displacement detector preferably outputs a signal corresponding to the displacement of the groove pattern, and adds the signals corresponding to the opposed groove patterns when obtaining the displacement of the groove pattern. It is.
また、上記発明において、前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿った隣り合う溝同士の間隔が、端部側に向かうに従って狭くなるように前記溝が形成されていることが好適である。 In the above invention, it is preferable that the groove is formed so that an interval between adjacent grooves along the moving direction of the piston becomes narrower toward the end side.
また、上記発明において、前記溝部は、隣り合う溝同士の間隔が、第1の間隔となるように形成された部分と、第2の間隔となるように形成された部分とを含むことが好適である。 In the above invention, it is preferable that the groove portion includes a portion formed so that an interval between adjacent grooves is a first interval and a portion formed so as to be a second interval. It is.
また、上記発明において、前記充填部材は、前記変位検出器の検出特性が互いに異なる第1の充填部材と第2の充填部材を含むことが好適である。 In the above invention, it is preferable that the filling member includes a first filling member and a second filling member that have different detection characteristics of the displacement detector.
また、上記発明において、前記溝部は、溝深さが第1の深さとなるように形成された溝と、第2の深さとなるように形成された溝とを含むことが好適である。 In the above invention, it is preferable that the groove portion includes a groove formed so that the groove depth is the first depth and a groove formed so as to be the second depth.
また、上記発明において、前記空気室及び燃焼室の少なくとも一方には圧力センサが設けられ、前記圧力センサの値に応じて、前記ピストンの位置が検出されることが好適である。 In the above invention, it is preferable that a pressure sensor is provided in at least one of the air chamber and the combustion chamber, and the position of the piston is detected according to the value of the pressure sensor.
また、上記発明において、前記シリンダの内周面にはコイルが設けられ、前記ピストンの外周面には磁石が設けられ、前記コイルに電流を供給して磁界を発生させることで前記ピストンを移動させる際に、前記コイルに供給される電流値に応じて前記ピストンの位置が検出されることが好適である。 In the above invention, a coil is provided on the inner peripheral surface of the cylinder, and a magnet is provided on the outer peripheral surface of the piston. The piston is moved by supplying a current to the coil to generate a magnetic field. In this case, it is preferable that the position of the piston is detected according to a current value supplied to the coil.
また、上記発明において、前記変位検出器からの信号に応じて前記ピストンの位置を算出する演算器を備え、前記演算器は、既に受信した信号から前記ピストンの速度及び加速度を算出するとともに、前記速度及び加速度に応じて、前記ピストンの現在位置を算出することが好適である。 Further, in the above invention, an arithmetic unit that calculates the position of the piston according to a signal from the displacement detector is provided, and the arithmetic unit calculates the speed and acceleration of the piston from the already received signal, and It is preferable to calculate the current position of the piston according to the speed and acceleration.
本発明によれば、ピストンとシリンダとのシール性の低下を抑制しつつ、ピストンの変位を測定することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to measure the displacement of a piston, suppressing the fall of the sealing performance of a piston and a cylinder.
図1に、本実施の形態に係るフリーピストン式発電機10を例示する。フリーピストン式発電機10は、シリンダ12、ピストン14、燃焼室16、空気室18、シール部材20、溝部22、充填部材24、及び変位検出器26を含んで構成される。
FIG. 1 illustrates a
シリンダ12は、筒形状の部材であり、内部にピストン14、燃焼室16、空気室18等を備えることができる。シリンダ12は、燃焼室16での燃焼に起因する高温環境に耐え得る部材から構成されていることが好適である。例えばアルミ等の材料から構成されていてよい。また、シリンダ12の内周面には、コイル27が設けられている。コイル27は図示しないバッテリー等の蓄電手段に接続されている。
The cylinder 12 is a cylindrical member, and can include a
ピストン14を挟んで対向する様に、シリンダ12内には、燃焼室16及び空気室18が設けられる。燃焼室16は、燃焼圧力を生じさせてピストン14を移動させる。燃焼室16は、例えば、シリンダ12内部の端部側に設けるようにしてもよい。
A
燃焼室16には、掃気孔28、排気口30、排気バルブ32、インジェクタ34、及び点火手段36が設けられている。掃気孔28は、燃焼室16内に新気を導入する。新気の導入に際して、図示しない掃気ポンプを駆動させることによって、外部から掃気孔28に新気を導入するようにしてもよい。掃気孔28は、例えば、シリンダ12の内壁面に開口されていてよく、ピストン14が上死点に位置しているときにはピストン14によって塞がれるとともに、ピストン14が下死点に位置しているときには解放されるような位置に形成されていてよい。なお、上死点とは、ピストン14が最も燃焼室16側に位置したときを指し、また、下死点とは、ピストン14が最も空気室18側に位置したときを指している。また、排気口30は、燃焼室で新気と燃料との混合気を燃焼させた後の排気を、外部に排出する。また、排気口30が無く、掃気孔28のみで掃気・排気を行うループフロー式であってもよい。インジェクタ34は、燃料を噴射する噴射手段である。燃料は、掃気孔28より前のポートにて供給してもよい。点火手段36は、混合気に点火して燃焼圧力を生じさせる。例えば、排気バルブ32の開放タイミング、インジェクタ34の噴射タイミング、及び、点火手段36の点火タイミングは、ピストン14の位置に応じて決定するようにしてもよい。また、点火手段36の無い、圧縮自着火方式によって燃焼圧力を生じさせてもよい。
In the
空気室18は、ピストン14を燃焼室16側に押し戻す、いわゆる空気ばねの機能を備えている。ピストン14が燃焼室16側から空気室18側に移動する際に、空気室18が圧縮される。この圧縮により反発力が生じ、当該反発力により、ピストン14が燃焼室16側に押し戻される。ここで、空気室18には、内圧を一定範囲に収めるための調圧弁38が設けられていてもよい。
The
なお、ピストン14に加える反発力を高めるために、ピストン14の燃焼室16側端面よりも、空気室18側端面の面積を大きくするように、ピストン14、燃焼室16、及び空気室18を構成してもよい。
In order to increase the repulsive force applied to the
シール部材20は、ピストン14の外周面に摺接することで、ピストン14の外周面との隙間をシールする。ピストン14の外周面をシールすることで、燃焼室16からの気体漏れを抑制することができる。シール部材20は、例えば、ピストン14の外周面の形状に沿って円環状に形成されたシールリングであってよい。シール部材20は、シリンダ12の内周面に固定されていてよい。例えば、シリンダ12の内周面にシール溝を切るとともに、当該シール溝に、シール部材20を嵌め込むようにしてもよい。また、シール部材20は、ピストン14に設けられた永久磁石40と摺接することのない位置に設けられていることが好適である。例えば、ピストン14が上死点にいるときの永久磁石40の位置よりも燃焼室16側にシール部材20を設けてよい。
The
変位検出器26は、後述するピストン14の溝部22の変位を検出する。溝部22の変位を検出することで、ピストン14の変位を求めることができる。変位検出器26は、シリンダ12に設けられてよく、溝部22に近接して設けられていてよい。例えば、検出面がシリンダ12の内周面に露出するようにしてもよい。
The
また、変位検出器26は、図2に示すような、検出信号及び変位信号を出力可能であってよい。変位検出器26から出力される検出信号S1は、溝部22の凹凸に応じて2つの値を取るようにしてもよい。例えば、変位検出器26が充填部材24によって充填されている部分と相対しているときに、変位検出器26は、検出信号S1Hを出力する。また、充填部材24に充填されていない、ピストン14の構成部材と相対しているときに、変位検出器26は、検出信号S1Lを出力する。
Further, the
変位検出器26内には、検出信号S1の値をカウントするカウンタが設けられてよい。例えば、変位検出器26内のハードウェア回路によってカウンタが構成されてよい。検出信号S1の値が変化する度に、変位信号値C1が1ずつ増減されるように構成されており、この変位信号値C1の増減によって、ピストン14の位置が算出できる。カウンタはリアルタイムで変位信号値C1のカウントを行ってよい。
A counter that counts the value of the detection signal S1 may be provided in the
変位検出器26は、溝部22の変位を検出可能な手段であればよく、例えば、渦電流センサ、光学センサ、静電容量センサ等の非接触センサであってよい。なお、シリンダ12内は潤滑用のオイル等がシリンダ12の内表面やピストン14の外表面に付着しており、光学的に良好な検出環境を確保することは困難となる場合がある。このような観点から、変位検出器26として、渦電流センサや静電容量センサを用いることが好適である。
The
A/D変換器25は、変位検出器から出力された変位信号値C1をデジタル信号に変換する。また、演算器23は、デジタル変換された変位信号を取り込むとともに、取り込んだ変位信号に基づいて、ピストン14の変位を求める。例えば、図2中の塗り潰し黒丸プロットで例示するように、クロック信号に応じたサンプリングタイミングごとに、変位信号値C1を取り込む。
The A /
図1に戻り、ピストン14は、燃焼室16及び空気室18の作用により、シリンダ12内を往復移動させられる。ピストン14は、シリンダ12の内周面に沿った形状であってよい。例えば、円柱形状であってよい。また、シリンダ12内を往復移動可能とするために、シリンダ12の内周面と、ピストン14の外周面との間には、シール部材20との摺接部分を除いて、隙間(クリアランス)が設けられていることが好適である。例えば、当該隙間は、0.2mm以上50mm以下であってよい。
Returning to FIG. 1, the
ピストン14の外周面には、永久磁石40が設けられている。ピストン14がシリンダ12内を往復移動することで、ピストン14に設けられた永久磁石40と、シリンダ12に設けられたコイル27との位置が相対変化する。このとき、コイル27に誘導起電力が発生する。発生した電力は、図示しないバッテリー等の蓄電手段に供給される。
A
また、ピストン14は、燃焼室16による温度上昇や、空気室18の圧力上昇に耐え得る材料から構成することが好適である。例えば、ピストン14はアルミ等の金属材料から構成されていてよい。
The
ピストン14の外周面には、溝部22が形成されている。ここで、永久磁石40に溝部22を形成すると、永久磁石40の厚みが変化してしまい、それによって誘導起電力が変動するおそれがある。そこで、溝部22は、ピストン14の外周面のうち、永久磁石40を避けた位置に設けることが好適である。例えば、溝部22は、ピストン14の外周面のうち、永久磁石40よりも燃焼室16側に設けられていてよい。
A
溝部22は、ピストン14の移動方向に沿って溝が複数形成された、溝パターンを含んでよい。また、溝部22は、ピストン14が上死点及び下死点に位置している際に、変位検出器26の検出範囲に含まれるように形成されていることが好適である。こうすることで、ピストン14の全変位を検出することが可能となる。例えば、ピストン14の移動方向に沿った溝部22の長さは、ピストン14のストローク長さ(往復長)以上となるように設けられていてよい。
The
また、溝部22は、ピストン14の往復運動に適応するように作成してもよい。例えば、ピストン14は、上死点及び下死点付近には単位時間当たりの変位が少なく、また、上死点と下死点の間では、単位時間当たりの変位が大きい。このようなピストン14の往復運動に適応するように、図3(a)に例示されているように、ピストン14の移動方向に沿った隣り合う溝同士の間隔(ピッチ)が、端部側に向かうに従って狭くなるように溝部22を形成してもよい。このようにすることで、上死点及び下死点付近のピストン14の変位を正確に検出することが可能となる。
Further, the
また、ピストン14の変位の絶対値を求める上で、基準値となるような基準パターンを溝部22に形成してもよい。例えば、隣り合う溝の間隔が、他のものとは異なるような特異なパターンを形成するようにしてもよい。例えば、図3(b)に例示されているように、溝間隔がd1である溝パターン22Aと、溝間隔がd2である基準パターン22Bを形成するようにしてもよい。または、図3(c)に例示されているように、溝幅がW3である溝22Cと、溝幅がW4である基準溝22Dを形成するようにしてもよい。
Further, a reference pattern that serves as a reference value for obtaining the absolute value of the displacement of the
例えば、変位検出器26が基準パターン22Bや基準溝22Dを検出すると、言い換えると、基準パターン22Bや基準溝22Dが変位検出器26を横切ると、変位検出器26は、ピストン14の位置を基準座標(例えば0)にリセットするようにしてもよい。また、基準パターン22Bのその他の形成方法として、図3(d)に例示するように、他の溝の深さとは異なる深さの基準溝22Eを形成してもよい。
For example, when the
また、ピストン14の変位検出の精度を高めるために、溝部22を複数形成してもよい。例えば、図4に例示するように、ピストン14の周廻りに溝部22を複数形成してよい。ここで、それぞれの溝部22の溝パターンは、他の溝部22の溝パターンに対して、ピストン14の移動方向に沿ってオフセットされていることが好適である。このとき、オフセットの幅W1は、ピストン14の移動方向に沿った溝の幅W2未満の範囲であってよい。
In order to improve the accuracy of displacement detection of the
これらの複数の溝部22のそれぞれに、変位検出器26を設ける。図4では、4つの溝部22F〜22Iに対して、変位検出器26F〜26Iを設けている。各変位検出器26F〜26Iが検出した検出信号のパルスの切り替わり点は、それぞれオフセット幅W1分だけ、ずれたものとなる。パルスの切り替わり点がずれることで、変位検出の分解能が向上する。
A
また、複数の溝部22は、ピストン14の径方向に沿って対向するように設けられていてよい。このようにすることで、ピストン14の振動に伴う検出信号の変動を補償することが可能となる。ピストン14は、図1の矢印で示す往復移動の他に、往復移動とは直交する方向に振動する場合がある。そうなると、変位検出器26と溝部22との間隔が変化する。この変化に起因して変位検出器26から出力される検出信号の波形が変動するおそれがある。例えば、変位検出器26が渦電流センサである場合、変位検出器26と溝部22との距離が離れると、検出信号の振幅が低減し、近づくと振幅は増大する。このような変動を補償するために、対向配置された溝部22のそれぞれの検出信号を足し合わせてよい。この場合、対向する溝部22を、ピストン14の移動方向に沿ってオフセットせずに形成することが好適である。
The plurality of
ピストン14が振動する際に、対向配置された溝部22の一方は変位検出器26と離れ、他方は変位検出器26に近づく。したがって、一方の検出信号の振幅は低減し、他方の検出信号の振幅は増大する。対向配置された変位検出器26の一方が、他方の検出信号を足し合わせることで、変動の影響がキャンセルされる。
When the
なお、溝部22を複数設けてそれぞれをオフセットさせる代わりに、図5に例示するように、単一の溝パターンに対して複数の変位検出器26を設けて、これらの変位検出器26の検出範囲を、ピストン14の移動方向に沿ってオフセットさせるようにしてもよい。
Instead of providing a plurality of
溝部22には、充填部材24が充填されている。充填部材24は、少なくとも、溝部22がシール部材20に摺接する部分に充填される。充填の際に、シール部材20との摺動面が平滑となるように、溝部22に充填部材24を充填することが好適である。充填された部分が平滑になることで、シール部材20とのシール性が良好に保たれる。例えば、充填部材24の充填量は、溝の容積と同一であってよい。また、ピストン14の外周面と充填部材24の外表面が面一となるように充填部材24が充填されてよい。
The
充填部材24は、ピストン14の構成材料とは変位検出器26の検出特性が異なるような材料を含んでいることが好適である。例えば変位検出器26が渦電流センサである場合、充填部材24は、ピストン14の構成材料とはインピーダンスの異なる材料であってよい。例えば、充填部材24は、エポキシやPEEK等の樹脂材料や、鉄や銅などの金属材料であってよい。
The filling
また、シール部材20との摺動を考慮して、充填部材24の摩擦係数は、ピストン14の構成材料の摩擦係数以下であることが好適である。こうすることで、発電の際の摩擦損失を抑制することができる。
In consideration of sliding with the
なお、充填部材24の材質を変更することにより、溝部22の基準位置を定めるようにしてもよい。例えば、図6に示すように、溝部22に溝の幅、溝の間隔が一様な溝パターンを形成する。さらに、所定の溝44に、充填部材24Aを充填するとともに、他の溝46には、充填部材24Aとは変位検出器26の検出特性が異なる充填部材24Bを充填する。例えば、充填部材24Aは、充填部材24Bとはインピーダンスの異なる材料から構成してもよい。
Note that the reference position of the
次に、フリーピストン式発電機10の始動時における、ピストン14の位置検出について、図7を用いて説明する。フリーピストン式発電機10を始動させるときには、コイル27に電流を供給して、コイル27に磁界を発生させる。発生した磁界により、ピストン14が移動させられる。例えば、ピストン14が空気室18側に移動させられる。ピストン14が所定の始動位置まで移動すると、燃焼室16にて混合気が燃焼される。
Next, detection of the position of the
ピストン14がコイル27の磁界によって移動している間に、変位検出器26が溝部22の基準パターンを検出すれば、ピストン14の位置の絶対値を求めることができる。一方、基準位置が変位検出器26よりも空気室18側に位置しているなど、ピストン14がコイル27の磁界によって移動している間に、変位検出器26が溝部22の基準パターンを検出できない場合がある。このような場合に、変位検出器26以外の、ピストン14の位置を推定する手段を用いてもよい。
If the
例えば、コイル27への供給電流の変化に基づいて、ピストン14の位置を推定してもよい。ピストン14が空気室18側に移動するほど、空気室18は圧縮されるので、ピストン14をさらに空気室18側に移動させるには、より多くの電流が必要となる。つまり、ピストン14が空気室18側に移動するにしたがって、電流値は増加する。そこで、コイル27への供給電流値に閾値を設けて、供給電流値が閾値を超過したときに、ピストン14を燃焼室16側に移動させるように、コイル27への供給電流を切り替える。このようにすることで、変位検出器26が溝部22の基準パターンを確実に検出できるようになる。
For example, the position of the
また、コイル27への供給電流をモニタする代わりに、空気室18に圧力センサ48を設けて、この圧力センサ48の圧力変化をもとに、ピストン14の位置を推定するようにしてもよい。例えば、圧力値に閾値を設けて、空気室18の圧力値が閾値を超過したときに、ピストン14を燃焼室16側に移動させるように、コイル27への供給電流を切り替えるようにしてもよい。
Further, instead of monitoring the current supplied to the
なお、上記の説明では、最初に空気室18に向かってピストン14を動かす場合を例示したが、ピストン14を最初に燃焼室16に向かって動かすようにしてもよい。その場合、圧力センサ48を燃焼室16に設けることが好適である。
In the above description, the case where the
次に、ピストン14の変位の予測値の算出について説明する。ピストン14が上死点または下死点付近を移動しているときなど、ピストン14の移動が遅い場合に、図8に示すように、2つのサンプリングタイミングt1、t2に亘って、変位信号値C1が変化しないことがある。そうなると、演算器23ではピストン14が移動していないものと誤って判断してしまい、燃料噴射の停止など、異常制御を実行するおそれがある。
Next, calculation of the predicted value of displacement of the
そこで、変位信号を演算加工して、ピストン14の現在位置を予測することが好適である。具体的には、演算器23は、既に受信した変位信号値C1から、ピストン14の速度及び加速度を算出する。さらに、求めた速度及び加速度に基づいて、破線で示すようなピストン14の軌跡を算出する。加えて、塗りつぶし三角プロットで示すように、前回のサンプリングタイミングから、変位信号値C1が変化していない場合、当該軌跡におけるピストン14の位置の予測値を算出する。
Therefore, it is preferable to predict the current position of the
また、上述の実施形態においては、溝部22を永久磁石40よりもピストン14の燃焼室16側に設けるとともに、シール部材20及び変位検出器26を、コイル27よりもシリンダ12の燃焼室16側に設けていたが、この形態に限られない。例えば、溝部22を永久磁石40よりもピストン14の空気室18側に設けるとともに、シール部材20及び変位検出器26を、コイル27よりもシリンダ12の空気室18側に設けてよい。また、図9に示すように、ピストン14に設けられたピストンリング50をシール部材20として用いてもよい。図9に示した形態は、上述の実施形態と比較して、移動方向に沿ったピストン14の長さが延び、その結果、発電機全体が大型化するおそれがあるものの、ピストン14とシリンダ12とのシール性の低下を抑制しつつ、ピストン14の変位を測定することが可能となる。
In the above-described embodiment, the
10 フリーピストン式発電機、12 シリンダ、14 ピストン、16 燃焼室、18 空気室、20 シール部材、22 溝部、23 演算器、24 充填部材、25 A/D変換器、26 変位検出器、27 コイル、28 掃気孔、30 排気口、32 排気バルブ、34 インジェクタ、36 点火手段、38 調圧弁、40 永久磁石、44 所定の溝、46 所定の溝以外の溝、48 圧力センサ、50 ピストンリング。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記シリンダ内に配置されたピストンと、
前記ピストンを挟んで対向するように設けられるとともに、前記ピストンを往復移動させる、燃焼室及び空気室と、
前記シリンダの内周面に設けられるとともに、前記ピストンの外周面に摺接する、シール部材と、
前記ピストンの外周面に形成された溝部と、
前記溝部の変位を検出する変位検出器と、
前記溝部のうち、前記シール部材に摺接する部分に充填されるとともに、前記ピストンの構成材料とは前記変位検出器の検出特性が異なる充填部材と、
を備えたことを特徴とする、フリーピストン式発電機。 A cylinder formed in a cylindrical shape;
A piston disposed in the cylinder;
A combustion chamber and an air chamber, which are provided so as to face each other with the piston interposed therebetween, and which reciprocates the piston;
A seal member provided on the inner peripheral surface of the cylinder and in sliding contact with the outer peripheral surface of the piston;
A groove formed on the outer peripheral surface of the piston;
A displacement detector for detecting the displacement of the groove,
Of the groove portion, the filling member is slidably contacted with the seal member, and the filling member is different in detection characteristics of the displacement detector from the constituent material of the piston,
A free-piston generator characterized by comprising:
前記充填材料の摩擦係数は、前記ピストンの構成材料の摩擦係数以下であることを特徴とする、フリーピストン式発電機。 The free piston generator according to claim 1,
The free piston generator according to claim 1, wherein a friction coefficient of the filling material is equal to or less than a friction coefficient of a constituent material of the piston.
前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含み、
前記変位検出器は複数設けられ、それぞれの前記変位検出器は、前記移動方向に沿って前記溝パターンの検出範囲がオフセットされていることを特徴とする、フリーピストン式発電機。 The free piston generator according to claim 1 or 2,
The groove part includes a groove pattern in which a plurality of grooves are formed along the moving direction of the piston,
A free piston generator, wherein a plurality of the displacement detectors are provided, and each of the displacement detectors has a detection range of the groove pattern offset along the moving direction.
前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含むとともに、前記溝パターンは、前記ピストンの周廻りに複数形成され、
それぞれの前記溝パターンは、他の前記溝パターンに対して、前記ピストンの移動方向に沿った前記溝の幅未満の範囲で、前記ピストンの移動方向に沿ってオフセットされていることを特徴とする、フリーピストン式発電機。 The free piston generator according to claim 1 or 2,
The groove portion includes a groove pattern in which a plurality of grooves are formed along the moving direction of the piston, and the groove pattern is formed in a plurality around the piston,
Each of the groove patterns is offset along the moving direction of the piston within a range less than the width of the groove along the moving direction of the piston with respect to the other groove patterns. A free piston generator.
前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿って溝が複数形成された溝パターンを含むとともに、前記溝パターンは、前記ピストンの周廻りに複数形成され、
前記溝パターンは、前記ピストンの径方向に沿って対向するように形成され、
前記変位検出器は、前記溝パターンの変位に応じた信号を出力するとともに、前記溝パターンの変位を求める際に、前記対向する溝パターンに応じたそれぞれの前記信号を足し合わせることを特徴とする、フリーピストン式発電機。 The free piston generator according to claim 1 or 2,
The groove portion includes a groove pattern in which a plurality of grooves are formed along the moving direction of the piston, and the groove pattern is formed in a plurality around the piston,
The groove pattern is formed to face along the radial direction of the piston,
The displacement detector outputs a signal corresponding to the displacement of the groove pattern, and adds the signals corresponding to the opposed groove patterns when obtaining the displacement of the groove pattern. A free piston generator.
前記溝部は、前記ピストンの移動方向に沿った隣り合う溝同士の間隔が、端部側に向かうに従って狭くなるように前記溝が形成されていることを特徴とする、フリーピストン式発電機。 A free piston generator according to any one of claims 1 to 5,
The free piston generator according to claim 1, wherein the groove is formed such that an interval between adjacent grooves along the moving direction of the piston becomes narrower toward an end side.
前記溝部は、隣り合う溝同士の間隔が、第1の間隔となるように形成された部分と、第2の間隔となるように形成された部分とを含むことを特徴とする、フリーピストン式発電機。 A free piston generator according to any one of claims 1 to 5,
The groove portion includes a portion formed such that an interval between adjacent grooves is a first interval and a portion formed so as to be a second interval, a free piston type Generator.
前記充填部材は、前記変位検出器の検出特性が互いに異なる第1の充填部材と第2の充填部材を含むことを特徴とする、フリーピストン式発電機。 A free piston generator according to any one of claims 1 to 7,
The free-piston generator, wherein the filling member includes a first filling member and a second filling member having different detection characteristics of the displacement detector.
前記溝部は、溝深さが第1の深さとなるように形成された溝と、第2の深さとなるように形成された溝とを含むことを特徴とする、フリーピストン式発電機。 A free piston generator according to any one of claims 1 to 8,
The groove part includes a groove formed to have a groove depth of a first depth and a groove formed to have a second depth of the free piston generator.
前記空気室及び燃焼室の少なくとも一方には圧力センサが設けられ、前記圧力センサの値に応じて、前記ピストンの位置が検出されることを特徴とする、フリーピストン式発電機。 A free piston generator according to any one of claims 1 to 9,
At least one of the air chamber and the combustion chamber is provided with a pressure sensor, and the position of the piston is detected according to the value of the pressure sensor.
前記シリンダの内周面にはコイルが設けられ、
前記ピストンの外周面には磁石が設けられ、
前記コイルに電流を供給して磁界を発生させることで前記ピストンを移動させる際に、前記コイルに供給される電流値に応じて前記ピストンの位置が検出されることを特徴とする、フリーピストン式発電機。 A free piston generator according to any one of claims 1 to 10,
A coil is provided on the inner peripheral surface of the cylinder,
A magnet is provided on the outer peripheral surface of the piston,
When the piston is moved by supplying a current to the coil to generate a magnetic field, the position of the piston is detected according to the current value supplied to the coil. Generator.
前記変位検出器からの信号に応じて前記ピストンの位置を算出する演算器を備え、
前記演算器は、既に受信した信号から前記ピストンの速度及び加速度を算出するとともに、前記速度及び加速度に応じて、前記ピストンの現在位置を算出することを特徴とする、フリーピストン式発電機。 A free piston generator according to any one of claims 1 to 11,
An arithmetic unit that calculates the position of the piston in response to a signal from the displacement detector;
The arithmetic unit calculates a speed and acceleration of the piston from a signal already received, and calculates a current position of the piston according to the speed and acceleration.
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