JP5630123B2 - リニア発電フリーピストンエンジン、および、その始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、クランク機構を用いることなく、二つのチャンバに挟まれたピストンをシリンダ内で往復摺動させて発電するリニア発電フリーピストンエンジン、および、その始動方法に関する。

従来から、クランク機構を用いることなく、ピストンをシリンダ内で往復摺動させるフリーピストンエンジンが広く知られている。こうしたフリーピストンエンジンでは、当該ピストンの動きを利用して発電するリニア発電機が組み込まれることも多い。

こうしたフリーピストンエンジンでは、その始動に関する技術がいくつか提案されている。例えば、特許文献１には、ピストンに永久磁石を組み込むとともに、当該ピストンの周囲に発電コイルを設置し、ピストン摺動時に発電コイルに生じる誘導起電力で発電を行うリニア発電機が組み込まれたフリーピストンエンジンが開示されている。特許文献１では、このリニア発電機を、リニアモータとしても利用しており、エンジンの始動時には、当該リニアモータでピストンを加速して燃焼室を圧縮したうえで燃焼を行い、エンジン動作を開始させるようになっている。

また、特許文献２には、二つのピストンの間に、流体が供給される液圧シリンダを設け、当該液圧シリンダに高圧流体を供給することでピストンを加速して燃焼室を圧縮したうえで燃焼を行い、エンジンを始動する技術が開示されている。

特開２００９−２１６１００号公報 特開２００９−２３４９号公報 特表２００３−５１７１３４号公報 特開昭６０−１２８９７５号公報

こうした技術に基づけば、一応、フリーピストンエンジンを始動できる。しかし、特許文献１に記載の技術のように、燃焼室を圧縮するだけの加速をピストンに与えることが可能な機能をリニア発電機に持たせるためには、容量が大きく、高価なリニアモータと制御回路が必要となり、エンジン構成の複雑化、コスト増加といった問題を招く。

また、特許文献２に記載の技術の場合、高圧流体を貯蔵しておくシステムが必要でありエンジン全体の複雑化、大型化、コスト増加といった問題を避けられない。また、エンジン始動に失敗したときには、ピストンを元の位置に戻す手段がないため、非常に不安定なエンジンであるといえる。

以上の通り、従来の技術では、エンジン始動のために、機構・装置が別途必要であり、構成の複雑化、コスト増加という問題があった。

なお、クランク機構を用いるピストンクランク式エンジンにおいては、エンジン始動のための機構・装置を省略する技術が一部で提案されている（特許文献３，４など）。これらは、ピストンクランク機構のピストンを所定の位置に停止させ、燃焼始動を実現するために、エンジン停止時に吸排気バルブの開閉タイミングや、クランク軸の回転を制御するようになっている。しかし、これらの技術は、いずれもピストンクランク式エンジンに関するものであり、フリーピストンエンジンには直接適用することは困難である。また、これらの特許文献３，４の技術は、摺動摩擦が大きくなる極低温時に燃焼始動することはできず、始動前に暖機などが必要という問題があった。

そこで、本発明では、より簡易な構成で、エンジン始動が可能なリニア発電フリーピストンエンジン、および、その始動方法を提供することを目的とする。

本発明のリニア発電フリーピストンエンジンは、シリンダ内に往復運動自在なピストンおよび前記ピストンを挟む二つのチャンバが設けられたエンジンユニットであって、前記二つのチャンバのうち少なくとも一方のチャンバで行われる燃料の燃焼で得られる燃焼圧力により前記ピストンがシリンダ内で往復運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、前記エンジンユニットの駆動を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記エンジンユニットを始動する場合には、前記燃料の燃焼により得られる理論仕事が前記エンジンユニット始動時に生じる各種仕事損失より大きくなるピストンの位置範囲である始動範囲内にピストンを位置させたうえで、
燃料を含む可燃混合気への点火を行い、前記エンジンユニットを停止する際には、前記ピストンが前記始動範囲内で停止するべく、前記エンジンユニットの駆動を制御することで、始動時におけるピストン位置を前記始動範囲内にし、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知する位置検知手段を備え、前記制御手段は、前記位置検知手段での検知結果に基づいて、燃焼室の圧力およびピストンに作用するブレーキ力の少なくとも一つを制御することで、ピストンの停止位置を制御する、ことを特徴とする。

好適な態様では、前記仕事損失は、想定される環境温度のうち最も低い温度における冷却損失、および、冷間摩擦による損失を含む。

前記二つのチャンバは、燃料の燃焼が行われる燃焼室と、前記燃料の燃焼時の燃焼圧力を受けたピストンにより圧縮されるとともに当該圧縮時の反発力でピストンを押し返す空気室と、であり、前記制御手段は、前記位置検知手段での検知結果に基づいて、燃焼室の圧力、ピストンに作用するブレーキ力、空気室の圧力の少なくとも一つを制御することで、ピストンの停止位置を制御する、ことも望ましい。

他の好適な態様では、前記制御手段は、前記エンジンユニットの始動に先立って、前記発電ユニットをリニアモータとして機能させて前記ピストンを移動させることで前記ピストン位置を前記始動範囲内にする。

他の好適な態様では、請求項１から６のいずれか１項に記載のリニア発電フリーピストンエンジンであって、前記発電ユニットは、前記ピストンに設けられた永久磁石と、当該永久磁石の周囲に固定設置された発電コイルと、を備える。

他の好適な態様では、前記発電ユニットは、前記ピストンに埋め込まれた永久磁石と、前記永久磁石の周囲に固定設置された発電コイルと、を有する。

他の本発明であるリニア発電フリーピストンエンジンの始動方法は、二つのチャンバで挟まれたピストンを、前記二つのチャンバのうち少なくとも一方のチャンバで行われる燃料の燃焼で得られる燃焼圧力により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伴い発電を行う発電ユニットと、を備えたリニア発電フリーピストンエンジンの始動方法であって、前記燃料の燃焼により得られる理論仕事が、前記フリーピストンエンジンの始動時に生じる各種仕事損失より大きくなるピストンの位置範囲である始動範囲内にピストンを位置させたうえで、燃料への点火を行うことで前記エンジンユニットを始動し、前記エンジンユニットを停止する際には、前記ピストンが前記始動範囲内で停止するべく、前記エンジンユニットの駆動を制御することで、始動時におけるピストン位置を前記始動範囲内にし、前記エンジンユニットに設けられた前記ピストンの位置を検知する位置検知手段での検知結果に基づいて、燃焼室の圧力およびピストンに作用するブレーキ力の少なくとも一つを制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、エンジンユニットの始動時に、ピストンを、燃料の燃焼により得られる理論仕事が始動時に生じる各種仕事損失より大きくなるピストンの位置範囲である始動範囲内に位置させているため、別途、始動のための専用装置を設けることなく、エンジンを始動させることができる。その結果、より簡易な構成で、エンジン始動が可能となる。

第一実施形態のフリーピストンエンジンの概略構成図である。 第一実施形態の変形例のフリーピストンエンジンの概略構成図である。 最大ストロークを説明する図である。 始動時におけるピストンの位置と初爆により得られる仕事との関係を示すグラフである。 第二実施形態のフリーピストンエンジンの概略構成図である。 第二実施形態の変形例のフリーピストンエンジンの概略構成図である。 第三実施形態のフリーピストンエンジンの概略構成図である。 第三実施形態の変形例のフリーピストンエンジンの概略構成図である。 ピストンクランク式エンジンにおける油温と、各部品の摩擦平均有効圧との関係を示すグラフである。

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１０の概略構成図である。このフリーピストンエンジン１０は、ピストン１６をシリンダ１７内で摺動往復させるエンジンユニット１２と、当該ピストン１６の動きを利用して発電を行う発電ユニット１４、および、これら二つのユニットの駆動を制御する制御部（図示せず）と、に大別される。

はじめに発電ユニット１４について説明する。発電ユニット１４は、ピストン１６の外側面に埋め込まれた永久磁石５０と、当該永久磁石５０の外周囲に固定設置された発電コイル５２と、を備えている。エンジンユニット１２の駆動によりピストン１６がシリンダ１７内で往復移動すると、この永久磁石５０と発電コイル５２との相対位置関係が変化し、これにより、永久磁石５０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５２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、制御部を介して図示しないバッテリなどに送電される。また、この発電ユニット１４は、エンジン始動の際は、ピストン１６を所望の位置に移動させるリニアモータとしても機能する。なお、本実施形態では、永久磁石を使った発電ユニットを例示しているが、リラクタンス同期モータの技術を用いた永久磁石無しの発電ユニットとしてもよい。

エンジンユニット１２は、ピストン１６をシリンダ１７内で往復摺動させるユニットである。このエンジンユニット１２には、シリンダ１７と、ピストン１６が設けられており、当該ピストン１６の両側には、燃焼室１８ａ，１８ｂ（以下、両者を区別しない場合は単に「燃焼室１８」とよび添字ａ，ｂを省略する。以下、他部材も同じ）として機能する二つのチャンバが設けられている。

燃焼室１８は、ピストン１６の摺動に連動して体積変化するチャンバで、図面右側に位置する第一燃焼室１８ａがピストン１６により圧縮された状態では、図面左側の第二燃焼室１８ｂが膨張し、第一燃焼室１８ａが膨張した状態では、第二燃焼室１８ｂがピストン１６により圧縮されることになる。

各燃焼室１８には、燃料噴射弁２０、点火プラグ２２、排気ポート２８、掃気ポート３２などが設けられている。燃料噴射弁２０は、燃焼室１８に燃料を供給（噴射）するための弁で、その開閉は、制御部により制御されている。この燃料噴射弁２０を介して供給された燃料は、掃気ポート３２を介して供給された新気と混合された可燃混合気として、燃焼室１８内で燃焼させられる。点火プラグ２２は、この可燃混合気への点火を行うプラグで、その駆動は制御部により制御される。

排気ポート２８は、可燃混合気の燃焼により生じる既燃ガスを外部に排出するポートである。この排気ポート２８と燃焼室１８の間には、アクチュエータ２６により開閉駆動させられる排気バルブ２４が介在しており、当該排気バルブ２４の開閉に応じて、既燃ガスの排出が制御される。なお、この排気バルブ２４の駆動に関しても、制御部により制御される。

掃気ポート３２は、燃焼室１８へ新気を導入するポートである。この掃気ポート３２は、シリンダ１７の中間部分に設けられており、燃焼室１８と連通するための孔部分（掃気孔）は、ピストン１６の摺動に応じて開口量が変化するようになっている。すなわち、燃焼室１８を圧縮した状態では、当該燃焼室１８に設けられた掃気孔はピストン１６により閉鎖され、新気の導入が阻害される。一方、燃焼室１８が膨張した状態では、ピストン１６が、掃気孔をふさがない位置に移動するため、掃気孔が開口され、新気の導入が許容される。このように、ピストン１６の位置に応じて開口量を可変とすることで、簡易な構成で、適度なタイミングでの新気導入が可能となる。なお、掃気ポート３２の上流側にはスロットルバルブ（図示せず）が設けられており、当該スロットルバルブの開閉量によっても、導入される新気の流量を制御できるようになっている。

なお、ピストン１６により開放・閉鎖される掃気ポート３２に代えて、図２に示すように、アクチュエータ３６により駆動される掃気バルブ３４を介して、シリンダ１７の閉端面に接続される掃気ポート３２を設けてもよい。かかる場合であっても、掃気ポート３２の上流には、開度が調整可能なスロットルバルブを設けておく。そして、制御部は、このスロットルバルブの開度、および、掃気バルブ３４の開閉タイミングを制御して、新気の導入を制御するようにすればよい。

エンジンユニット１２には、さらに、ピストン１６の位置を検出する位置検出手段が設けられている。この位置検出手段としては、種々の形態が考えられるが、例えば、ピストン１６が横切ったことを検出する位置センサ３０を、ピストン１６の移動範囲内に設けるようにしてもよい。この位置センサ３０としては、例えば、非接触で物体の通過を検知できるセンサ、例えば、光学式センサや、渦電流式センサなどを用いることができる。制御部は、この位置センサ３０での検出信号に基づいて、ピストン１６の位置や速度を算出（推定）し、得られた位置・速度に基づいて各種バルブや点火プラグ２２、発電ユニット１４の駆動を制御する。なお、図面では、位置センサ３０を一つだけ設けているが、位置センサ３０は複数であってもよい。

こうした構成のエンジンユニット１２の動作について説明する。このエンジンユニット１２は、始動した後は、二つの燃焼室１８で、交互に燃料の燃焼（爆発）を行うことで、ピストン１６を往復摺動させる。具体的には、ピストン１６が図面右側から左側（第一燃焼室１８ａ側から第二燃焼室１８ｂ側）に移動し、第一燃焼室１８ａが膨張、第二燃焼室１８ｂが圧縮されたとする。この場合、制御部は、排気バルブ２４ａを開放し、第一燃焼室１８ａに存在する既燃ガスの排気を促す。また、ピストン１６が左方向に移動することで、当該ピストン１６によって閉鎖されていた掃気ポート３２ａが開放され、第一燃焼室１８ａと連通する。これにより、第一燃焼室１８ａに新気が導入される。

一方、第二燃焼室１８ｂは、ピストン１６により徐々に圧縮されていく。このとき、制御部は燃料噴射弁２０ｂを制御して、第二燃焼室１８ｂに燃料を噴射する。これにより、第二燃焼室１８ｂには新気と燃料とが混合した可燃混合気が生成される。そして、ピストン１６が規定の位置まで達すれば（第二燃焼室１８ｂが規定の圧力まで圧縮されれば）、制御部は、点火プラグ２２ｂを駆動して、可燃混合気への点火を行わせる。可燃混合気が点火され、燃焼することで、第二燃焼室１８ｂには、高圧の燃焼圧力が生じる。この燃焼圧力を受けて、ピストン１６は、第一燃焼室１８ａ側へと押し返されることになる。換言すれば、この燃焼圧力を受けて、第二燃焼室１８ｂが膨張、第一燃焼室１８ａが圧縮されることになる。

ピストン１６が、第一燃焼室１８ａ側に移動したことが検知されれば、制御部は、今度は、第二燃焼室１８ｂの排気バルブ２４ｂを開放し、第二燃焼室１８ｂに存在する既燃ガスの排気を促す。また、ピストン１６が右方向に移動することで、当該ピストン１６によって閉鎖されていた掃気ポート３２ｂが開放され、第二燃焼室１８ｂと連通する。これにより、第二燃焼室１８ｂに新気が導入される。

一方、第一燃焼室１８ａは、ピストン１６の移動により圧縮されることになる。このとき、ピストン１６の移動により第一燃焼室１８ａの掃気ポート３２ａが当該ピストン１６で閉鎖されることになる。また、制御部は、第一燃焼室１８ａの排気バルブ２４ａを閉鎖する。そして、その後、制御部は、燃料噴射弁２０ａを駆動して、第一燃焼室１８ａに燃料を噴射させる。そして、ピストン１６の移動により、第一燃焼室１８ａが十分に圧縮されれば、制御部は、点火プラグ２２ａを駆動して、可燃混合気を点火、燃焼させ、再度、ピストン１６を第二燃焼室１８ｂ側へと移動させる。以降、同様の手順で、第二燃焼室１８ｂでの燃焼および第一燃焼室１８ａでの燃焼を交互に繰り返すことで、ピストン１６の往復摺動が行われることになる。そして、このピストン１６の往復摺動により、当該ピストン１６に埋め込まれた永久磁石５０周囲の磁界が変化し、発電コイル５２に誘導起電力が発生し、発電が行われることになる。

以上の説明から明らかなように、一度、動き始めたエンジンユニット１２は、二つの燃焼室１８ａ，１８ｂで交互に燃焼を繰り返すことで、継続的にピストン１６を動かすことが出来る。

次に、エンジン始動時の動きについて、従来技術と比較して説明する。初めに、特許文献１などに記載の従来のフリーピストンエンジンでのエンジン始動について簡単に説明する。特許文献１などに記載の従来技術では、エンジン始動の際は、フリーピストンエンジンに組み込まれたリニア発電ユニットを、ピストンを移動させるリニアモータとして利用していた。すなわち、エンジン始動時には、ピストンをリニアモータで加速して、燃焼室を圧縮したうえで燃焼を行うようにしていた。換言すれば、リニアモータとしても機能するリニア発電ユニットを、クランクピストン式エンジンにおけるセルモータのように利用し、エンジンの始動を図っていた。

しかし、燃焼室を圧縮するだけの加速をピストンに与えることが可能な機能をリニア発電ユニットに持たせるためには、容量が大きく、高価な磁石・コイルと、制御回路とが必要であり、構造の複雑化、コストの増加などの問題を招いていた。また、その他にも、フリーピストンエンジンの始動に関する技術がいくつか提案されているが、いずれも、エンジン始動のための専用の装置が別途必要であり、構造の複雑化、コストの増加、エンジンの大型化などの問題を招いていた。

こうした問題を避けるために、本実施形態では、エンジンを燃焼始動させている。すなわち、大気圧の空気が充填されている一つの燃焼室１８に、可燃混合比となる燃料を噴射したうえで、点火プラグ２２での点火を行い、エンジンを始動させている。ただし、本実施形態では、この燃焼始動に先立って、必ず、ピストン１６を、規定の始動範囲内に位置させている。ここで、始動範囲内とは、後に詳説するように、初爆により得られる理論仕事から、始動時に生じる各種損失を引いた後に実仕事が残るピストン１６の位置範囲である。本実施形態では、最大ストロークの中央１／３の範囲を、この始動範囲としている。なお、図３に示すとおり、最大ストロークとは、ピストン１６が可動できる最大範囲であり、その長さＳは、シリンダ１７の長軸長さ（シリンダ長）Ｌ１から、ピストン１６の長軸長さ（ピストン長）Ｌ２を引いた値である（Ｓ＝Ｌ１−Ｌ２）。本実施形態では、エンジン始動の際に、ピストン１６を、この最大ストロークの中央１／３の範囲内に位置させている。別の言い方をすれば、本実施形態では、エンジン始動の際に、ピストン１６の端部がシリンダ１７端面からＳ／３〜２Ｓ／３離れた範囲内に位置するようにしている。

エンジン始動の際、常に、ピストン１６を始動範囲内に位置させるために、本実施形態では、エンジンを停止する際、ピストン１６が始動範囲内で停止するように位置制御している。具体的には、制御部は、ピストン１６を停止する際には、位置センサ３０での検出値に基づいて、燃焼室１８の圧力およびピストン１６に作用するブレーキ力の少なくとも一つを制御して、ピストン１６を始動範囲内で停止させる。ここで、燃焼室１８の圧力は、燃料噴射量、排気バルブ２４の開閉タイミング、掃気ポート３２の上流に設置されたスロットルバルブの開度（図２の形態の場合は、さらに、掃気バルブ３４の開閉タイミング）の少なくとも一つを調整することで調整される。ピストン１６に作用するブレーキ力は、発電ユニット１４の発電負荷を調整することで調整される。つまり、制御部は、エンジン停止する際に、位置センサ３０の出力に基づいて、燃料噴射量、排気バルブ２４の開閉タイミング、掃気ポート３２の上流に設置されたスロットルバルブの開度、リニア発電ユニット１４の発電負荷（図２の形態の場合は、さらに、掃気バルブ３４の開閉タイミング）を調整し、ピストン１６の停止位置が最大ストロークの中央１／３の範囲内（始動範囲内）になるようにしている。これにより、次回のエンジン始動の際には、必ず、ピストン１６が、始動範囲内に位置していることになる。

また、別の形態として、エンジンの始動に先立って、発電ユニット１４をリニアモータとして用い、当該リニアモータで、ピストン１６を始動範囲内に移動させる処理をおこなってもよい。この場合のピストン移動は、低速でよく、別途、容量が大きく、高価な磁石やコイル、制御回路を設ける必要はない。

いずれにしても、本実施形態では、予め、ピストンを始動範囲内に位置させたうえで、可燃混合気への点火を行い、エンジン始動を図っている。なお、この始動のための最初の着火に失敗にした場合は、再度、可燃混合気への着火を行う。また、着火したものの、掃気・排気行程を終える前にピストン１６が停止した場合には、リニア発電ユニット１４をリニアモータとして用い、掃気・排気行程を強制的に実行させる。そして、その後、当該リニアモータで、ピストン１６を始動範囲内に移動させた後、燃焼室１８に燃料を供給し、点火プラグ２２で再度着火すればよい。

ここで、エンジン始動の際に、ピストン１６を最大ストロークの中央１／３の範囲内に位置させる理由について説明する。燃焼始動を可能にするためには、エンジン始動のために行う最初の燃焼（初爆）により、次サイクルの圧縮に使える仕事を得ることが必要となる。しかし、ピストン１６の位置によっては十分な仕事が得られず、結果として、次サイクルの圧縮が得られない場合がある。

これについて図４を参照して説明する。図４は、始動時におけるピストン１６の位置と初爆により得られる仕事との関係を示すグラフである。なお、このグラフは、フリーピストンエンジンのボアが８６ｍｍ、最大ストローク長が８６ｍｍ、考慮すべき環境温度のうち燃焼始動が最も困難な−３０℃の場合を想定している。また、最大ストローク長が８６ｍｍであるから、図４においてピストン位置０は、ピストン１６が上死点ＴＤＣに、ピストン位置８６ｍｍはピストン１６が下死点ＢＤＣに位置していることを意味している。

この図４において、太実線は、計算上、初爆で得られる仕事、すなわち、理論仕事Ｊａを示している。しかし、現実には、この理論仕事Ｊａ分の仕事は得られず、各種の仕事損失が生じる。具体的には、矢印１で示す冷却による損失、矢印２で示す燃焼悪化による損失（未燃損失）、矢印３で示すピストン１６速度が遅いことによるピストンリングからの圧力漏れによる損失、矢印４で示すピストンリングとライナーとの摺動摩擦（冷間摩擦）による損失が生じる。そして、実際には、理論仕事Ｊａから、これら各種損失を差し引いた値が実際に得られる仕事、実仕事Ｊｂ（図４において細実線で図示）となる。この実仕事Ｊｂが、実際に、次サイクルの圧縮につかえる仕事となる。

この図４から明らかなとおり、ピストン１６位置が過度に上死点ＴＤＣに近い場合には、理論仕事Ｊａそのものが小さくなる。そして、各種損失量が理論仕事Ｊａ量を上回るため、結果として、実仕事Ｊｂ、すなわち、次サイクルの圧縮に使える仕事が残らなくなる。これは、ピストン位置が、上死点ＴＤＣに過度に近く、燃焼室１８の体積が過度に小さい場合には、燃焼室１８内の空気量が少ないため、得られる仕事が少なくなるためである。その結果、他方の燃焼室１８を圧縮するに必要な分だけピストン１６を動かすことができず、初爆後、ピストン１６の往復運動が継続できなくなる。

逆に、ピストン１６位置が過度に下死点ＢＤＣに近い場合も、理論仕事Ｊａそのものは小さくなる。そして、各種損失が理論仕事Ｊａを上回るため、結果として、実仕事Ｊｂ、すなわち、次サイクルの圧縮に使える仕事が残らなくなる。これは、ピストン１６が下死点ＢＤＣに近い場合、燃焼室１８内の空気量は多いが、燃焼後に仕事を取り出すためのピストン１６のストロークが短くなり、得られる仕事が少なくなるためである。そして、その結果、この場合であっても、初爆後、ピストン１６の往復運動が継続できなくなる。

一方で、図４に示すとおり、ピストン１６が中央付近に位置している場合は、理論仕事Ｊａが大きくなり、各種損失を引いても、実仕事Ｊｂが残ることが分かる。具体的には、始動時におけるピストン位置が２０〜５０ｍｍの範囲であれば、実仕事Ｊｂが残るため、燃焼始動が可能であることが分かる。ここで、最大ストローク長は８６ｍｍであるため、２０〜５０ｍｍの範囲は、最大ストロークの中央約１／３の範囲であるといえる。つまり、エンジン始動時に、ピストン１６を最大ストロークの中央１／３の範囲内に位置させておけば、燃焼始動が可能ということになる。

そのため、本実施形態では、始動時におけるピストン１６位置を、最大ストロークの中央１／３の範囲内にしている。かかる位置にすることで、始動のための専用の装置を設けることなく、燃焼始動が可能となる。なお、本実施形態では、最大ストロークの中央１／３の範囲を、始動範囲（始動時のピストン範囲）としているが、初爆により得られる理論仕事Ｊａが始動時に生じる各種仕事損失の合計より大きくなる範囲であれば、他の範囲内を始動範囲としてもよい。また、上記説明では、始動時に、燃焼室１８内の空気に対して、可燃空燃比となる量の燃料を供給するとしたが、周囲条件（大気温度、大気圧、冷却水温度、オイル温度など）に応じて、過濃空燃比、希薄空燃比、理論空燃比を使い分けてもよい。また、燃料の燃焼は、点火プラグ２２を用いない圧縮着火方式としてもよいが、エンジン始動時だけは、点火プラグ２２による点火を行う。

なお、上述したように、本実施形態では、ピストンを始動範囲に位置させておけば、−３０℃のような極低温環境下でも、実仕事が残り、燃焼始動が可能となる。これは、本実施形態のようなフリーピストンエンジンが、ピストンクランク式エンジンに比して、摺動部が少ないためである。すなわち、ピストンクランク式エンジンにおいても、燃焼始動を許容するための技術がいくつか提案されている。しかし、実際には、ピストンクランク式エンジンの場合、−３０℃のような極低温時には、エンジン各部の摺動摩擦が大きい（冷間摩擦が大きい）ため、燃焼始動は実現できていない。これについて図９を参照して説明する。図９は、ピストンクランク式エンジンにおける油温と、各部品の摩擦平均有効圧との関係を示すグラフである。この図９から明らかなとおり、ピストンクランク式エンジンでは、低温になるとクランクとコンロッドの摩擦（図９におけるハッチング箇所）が急激に大きくなる。これは、低温ではオイル粘度が急激に高くなり、これによって、回転部品の保持に用いているすべり軸受けの摩擦抵抗が急増するためである。

一方、本実施形態のようなフリーピストンエンジンでは、こうしたクランクやコンロッド、すべり軸受けといった部品がないため、ピストンクランク式エンジンと比べてフリクションは小さくなる。その結果、極低温時でも、燃焼始動が可能となる。

次に、第二実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、第二実施形態のフリーピストンエンジン１０の概略図である。このフリーピストンエンジン１０は、第一実施形態と異なり、ピストン１６の両側に、燃焼室１８と空気室４０が設けられている。この燃焼室１８の構成は、第一実施形態と同様で、燃料噴射弁２０、点火プラグ２２、排気ポート２８、掃気ポート３２などが設けられている。なお、ピストン１６により閉鎖・開放される掃気ポート３２に代えて、図６に示すように、掃気バルブ３４を介して燃焼室１８に連通される掃気ポート３２を設けてもよい。

空気室４０は、燃焼室１８での燃焼により空気室側に押されたピストン１６で圧縮され、この圧縮の反発力で、ピストン１６を押し返すチャンバである。この空気室４０には、当該空気室４０内の圧力を調整するための圧力調整弁４２が設けられており、その駆動は制御部により制御されている。

かかるフリーピストンエンジン１０の動作について説明する。ピストン１６が燃焼室１８側に移動し、燃焼室１８が圧縮、空気室４０が膨張した状態で、燃焼室１８で燃料の燃焼が行われると、当該燃焼時に生じる燃焼圧力によりピストン１６が空気室４０側に移動する。その結果、燃焼室１８が膨張、空気室４０が圧縮される。このとき、制御部は、排気バルブ２４を駆動して、燃焼室１８内にある既燃ガスの排出を行う。また、ピストン１６の移動に伴い、掃気ポート３２が燃焼室１８と連通され、燃焼室１８内に新気が導入される。

そして、このときのピストン１６の移動により、空気室４０が十分に圧縮されると、当該圧縮の反発力により、ピストン１６が、燃焼室１８側に押し戻されることになる。この押し戻しにより、燃焼室１８が圧縮、空気室４０が膨張することになる。このとき制御部は、排気バルブ２４を閉鎖し、その後、燃料噴射弁２０を駆動して、燃焼室１８に燃料を噴射する。そして、燃焼室１８が十分に圧縮されれば、点火プラグ２２での点火を行い、再度、燃焼室１８で可燃混合気の燃焼を行う。これにより、再び、空気室４０が圧縮される。そして、以降は、この可燃混合気の燃焼、空気室４０の反動によるピストン１６の押し返しが繰り返されることで、ピストン１６の往復運動が継続される。

また、本実施形態のフリーピストンエンジン１０においても、第一実施形態と同様に、エンジン始動時には、ピストン１６を始動範囲内、すなわち、ピストン１６の最大ストロークの中央１／３の範囲内に位置させたうえで、可燃混合気への点火を行い、エンジンの燃焼始動を行う。

具体的には、本実施形態では、エンジン停止時に、位置センサ３０での検出値に基づいて、燃焼室１８内の圧力、空気室４０内の圧力、発電ユニット１４の発電負荷の少なくとも一つを調節して、ピストン１６が始動範囲内で停止するようにしている。ここで、燃焼室１８内の圧力は、燃料噴射量、排気バルブ２４の開閉タイミング、掃気ポート３２上流にあるスロットルバルブの開度（図６に示す形態では、さらに、掃気バルブ３４の開閉タイミング）の少なくとも一つを調整することで調節される。また、空気室４０内の圧力は、圧力調整弁４２を調整することで調節される。さらに、発電ユニット１４の発電負荷を調節することで、ピストン１６に作用するブレーキ力が変化させられる。なお、ここでのブレーキ力は、主として、発電負荷により得られるが、油圧もしくは摩擦力などによって得るようにしてもよい。また、ピストン１６の停止位置を制御するのではなく、エンジン始動に先立って、発電ユニット１４をリニアモータとして機能させ、ピストン１６を始動範囲内に移動させてもよい。

いずれにしても、エンジン始動の段階で、ピストン１６を始動範囲内に位置させることで、エンジン始動のための専用装置を別途設けることなく、エンジンを燃焼始動させることができる。

次に、第三実施形態について図７を参照して説明する。図７は、第三実施形態であるフリーピストンエンジン１０の概略構成図である。このフリーピストンエンジン１０は、第二実施形態のフリーピストンエンジン１０を、二つ、左右対称になるように配置したものである。すなわち、このフリーピストンエンジン１０は、左右対象に配置された二つのエンジンユニット１２ａ，１２ｂと、同じく左右対称に配置された二つの発電ユニット１４ａ，ｂと、を備えている。

より具体的に説明すると、このフリーピストンエンジン１０においては、一つのシリンダ１７内に、二つのピストン１６ａ，１６ｂが摺動自在に配置されており、当該二つのピストン１６ａ，１６ｂの間に空気室４０が、当該二つのピストン１６ａ，１６ｂの空気室４０とは反対側に燃焼室１８ａ，１８ｂが設けられている。換言すれば、二つのエンジンユニット１２ａ，１２ｂで、一つの空気室４０を共有する形となっている。なお、この第三実施形態においても、第一、第二実施形態と同様に、ピストン１６により閉鎖・開放される掃気ポート３２に代えて、図８に示すような、掃気バルブ３４を介して燃焼室１８に連通される掃気ポート３２を設けてもよい。

このフリーピストンエンジン１０を駆動する場合には、二つのエンジンユニット１２ａ，１２ｂで、同期して、各種行程を実行する。すなわち、第一エンジンユニット１２ａで燃料・空気混合気への点火を行うタイミングで、第二エンジンユニット１２ｂでも燃料・空気混合気への点火を行う。この点火により、二つのピストン１６ａ，１６ｂは、互いに近づく方向に移動し、当該二つのピストン１６ａ，１６ｂの間に位置する空気室４０が圧縮されることになる。その後、この圧縮された空気室４０の反発力により、二つのピストン１６ａ，１６ｂは互いに離れる方向へと移動し、二つの燃焼室１８ａ，１８ｂが圧縮されることになる。二つの燃焼室１８が圧縮されれば、再び、燃料・空気混合気への点火が行われる。以降、この燃焼室１８の圧縮、燃焼、空気室４０の圧縮の行程を二つのエンジンユニット１２ａ，１２ｂで同期して繰り返すことで、ピストン１６の往復摺動が継続される。

このように、左右対称に配された二つのエンジンユニット１２ａ，１２ｂを同期して駆動させることにより、各エンジンユニット１２ａ，１２ｂで生じた起振力を互いに打ち消すことができるため、エンジン駆動に伴う振動を効果的に低減できる。

そして、かかるフリーピストンエンジン１０においても、第一実施形態、第二実施形態と同様に、ピストン１６を最大ストロークの中央１／３の範囲内に位置させたうえで、可燃混合気への点火を行い、エンジンの燃焼始動を行う。

具体的には、エンジン停止時に、位置センサ３０での検出値に基づいて、燃焼室１８内の圧力、空気室４０内の圧力、発電ユニット１４の発電負荷の少なくとも一つを調節して、ピストン１６が始動範囲内で停止するようにする。ここで、燃焼室１８内の圧力は、燃料噴射量、排気バルブ２４の開閉タイミング、掃気ポート３２上流にあるスロットルバルブの開度（図８に示す形態の場合、さらに、掃気バルブ３４の開閉タイミング）を調整することで調節される。また、空気室４０内の圧力は、圧力調整弁４２を調整することで調節される。さらに、発電ユニット１４の発電負荷を調節することで、ピストン１６に作用するブレーキ力が変化させられる。また、別の形態として、エンジン始動に先立って、発電ユニット１４をリニアモータとして機能させ、ピストン１６を始動範囲内に移動させてもよい。

いずれにしても、エンジン始動の段階で、ピストン１６を始動範囲内に位置させることで、エンジン始動のための専用装置を別途設けることなく、エンジンを燃焼始動させることができる。なお、本実施形態において、最大ストローク長は、シリンダ１７の長軸中心位置からシリンダ１７端部までの距離から、ピストン１６の長軸長さを引いた距離となる。

以上、説明したように、第一〜第三実施形態では、いずれも、エンジン始動の際に、ピストン１６を、当該ピストン１６の最大ストロークの中央１／３の範囲内に位置させたうえで、燃料を含む可燃混合気への点火を行う。これにより、別途、エンジン始動のための専用装置を設けることなく、エンジンの燃焼始動が可能となる。そして、結果として、フリーピストンエンジン１０の構成の簡略化、コスト低減、サイズ小型化などが可能となる。

１０ フリーピストンエンジン、１２ エンジンユニット、１４ 発電ユニット、１６ ピストン、１７ シリンダ、１８ 燃焼室、２０ 燃料噴射弁、２２ 点火プラグ、２４ 排気バルブ、２６，３６ アクチュエータ、２８ 排気ポート、３０ 位置センサ、３２ 掃気ポート、３４ 掃気バルブ、４０ 空気室、４２ 圧力調整弁、５０ 永久磁石、５２ 発電コイル。

Claims (6)

1. シリンダ内に往復運動自在なピストンおよび前記ピストンを挟む二つのチャンバが設けられたエンジンユニットであって、前記二つのチャンバのうち少なくとも一方のチャンバで行われる燃料の燃焼で得られる燃焼圧力により前記ピストンがシリンダ内で往復運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、
   前記エンジンユニットの駆動を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記エンジンユニットを始動する場合には、前記燃料の燃焼により得られる理論仕事が前記エンジンユニット始動時に生じる各種仕事損失より大きくなるピストンの位置範囲である始動範囲内にピストンを位置させたうえで、燃料を含む可燃混合気への点火を行い、前記エンジンユニットを停止する際には、前記ピストンが前記始動範囲内で停止するべく、前記エンジンユニットの駆動を制御することで、始動時におけるピストン位置を前記始動範囲内にし、
   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知する位置検知手段を備え、
   前記制御手段は、前記位置検知手段での検知結果に基づいて、燃焼室の圧力およびピストンに作用するブレーキ力の少なくとも一つを制御することで、ピストンの停止位置を制御する、
   ことを特徴とするリニア発電フリーピストンエンジン。
2. 請求項１に記載のリニア発電フリーピストンエンジンであって、
   前記仕事損失は、想定される環境温度のうち最も低い温度における冷却損失、および、冷間摩擦による損失を含む、ことを特徴とするリニア発電フリーピストンエンジン。
3. 請求項１または２記載のリニア発電フリーピストンエンジンであって、
   前記二つのチャンバは、燃料の燃焼が行われる燃焼室と、前記燃料の燃焼時の燃焼圧力を受けたピストンにより圧縮されるとともに当該圧縮時の反発力でピストンを押し返す空気室と、であり、
   前記制御手段は、前記位置検知手段での検知結果に基づいて、燃焼室の圧力、ピストンに作用するブレーキ力、空気室の圧力の少なくとも一つを制御することで、ピストンの停止位置を制御する、
   ことを特徴とするリニア発電フリーピストンエンジン。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のリニア発電フリーピストンエンジンであって、
   前記発電ユニットは、前記ピストンに設けられた永久磁石と、当該永久磁石の周囲に固定設置された発電コイルと、を備えることを特徴とするリニア発電フリーピストンエンジン。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載のリニア発電フリーピストンエンジンであって、
   前記発電ユニットは、
   前記ピストンに埋め込まれた永久磁石と、
   前記永久磁石の周囲に固定設置された発電コイルと、
   を有することを特徴とするリニア発電フリーピストンエンジン。
6. 二つのチャンバで挟まれたピストンを、前記二つのチャンバのうち少なくとも一方のチャンバで行われる燃料の燃焼で得られる燃焼圧力により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伴い発電を行う発電ユニットと、を備えたリニア発電フリーピストンエンジンの始動方法であって、
   前記燃料の燃焼により得られる理論仕事が、前記フリーピストンエンジンの始動時に生じる各種仕事損失より大きくなるピストンの位置範囲である始動範囲内にピストンを位置させたうえで、燃料への点火を行うことで前記エンジンユニットを始動し、
   前記エンジンユニットを停止する際には、前記ピストンが前記始動範囲内で停止するべく、前記エンジンユニットの駆動を制御することで、始動時におけるピストン位置を前記始動範囲内にし、
   前記エンジンユニットに設けられた前記ピストンの位置を検知する位置検知手段での検知結果に基づいて、燃焼室の圧力およびピストンに作用するブレーキ力の少なくとも一つを制御する、
   ことを特徴とするリニア発電フリーピストンエンジンの始動方法。

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