WO2012133242A1

WO2012133242A1 - フリーピストン式発電機

Info

Publication number: WO2012133242A1
Application number: PCT/JP2012/057629
Authority: WO
Inventors: 堀田　義博; 英雅小坂; 中北　清己; 祐一大輝; 相木　宏介; 智行秋田
Original assignee: 株式会社豊田中央研究所
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-10-04
Also published as: JP2012202387A; DE112012000915T5; JP5447420B2

Abstract

　ピストン２０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１０は、ピストン２０を挟んで両側に燃焼室２６およびバネ部２８が設けられ、前記燃焼室２６で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力および前記ピストン２０により圧縮されたバネ部の復元力によりピストン２０が往復移動するエンジンユニット１６と、前記ピストン２０の往復運動に伴い発電を行う発電ユニット１４と、前記エンジンユニット１６および発電ユニット１４の駆動を制御する制御手段５０と、を備える。前記制御手段は、前記燃焼室に噴射する燃料噴射量と発電負荷とのバランス、バネ部２８の反発力、燃焼室２６への吸入空気量などを調整して、ピストン２０の運動周波数または燃焼時の圧縮比を調整する。

Description

フリーピストン式発電機

　本発明は、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に関する。

　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。

特開２００８－２２３６２８号公報実開昭５８－１３９５３２号公報特開２００６－１７００７１号公報

「大学講義　内燃機関」、木村逸郎・酒井忠美、Ｐ２６９、丸善株式会社「自由ピストン・ガス発生機の設計と思索」、長尾不二男、機械学会論文集、昭和３１年４月

　フリーピストンエンジンは、ピストンが機械的な拘束を受けないため、ピストンの運動周期や、燃焼時の圧縮比を所望の値に調整することが困難という問題があった。その結果、エンジン部の熱効率の低下や、発電効率の低下、運動周波数の変動（ひいては発電量の変動）を生じ、これらによって、複数気筒の運動周期を同期させることができなくなって振動が発生するといった問題が生じることがあった。

　ここで、特許文献１には、圧縮比を所望の値にする技術として、ピストンの速度が所定速度以下になった場合には、発電機での発電を停止する技術が開示されている。かかる技術によれば、圧縮比を、ある程度、所望の値に調整することができる。しかしながら、発電負荷の調整範囲を広く設定できないため、エンジンの熱効率が低下したり、発電効率が低くなる場合があった。

　また、振動低減のために二つのピストンを同軸上に対称配置する技術も提案されている。この方式で振動を低減するためには、二つのピストンの運動が完全に対称であること（運動周期の同期がとれている）が要求される。特許文献２、非特許文献１，２には、二つのピストンの同期をとるために、機械式のリンク機構や歯車を用いる技術が開示されている。かかる技術によれば、二つのピストンの同期をとることができ、結果として振動を低減できる。しかしながら、これらの技術によれば、摩擦や慣性質量の増加という問題を招き、フリーピストン式機関の効率を著しく低下させる。

　また、特許文献３には、ピストンの往復運動に応じて発電するとともに必要に応じてピストンを駆動するリニアモータを設け、当該リニアモータの作動周波数を変更することで二つのピストンの同期を取る技術が開示されている。しかし、この特許文献３では、実際にリニアモータの作動周波数をどのように変更するのか開示されていない。

　つまり、従来、フリーピストンリニア発電機の効率（すなわちエンジン部の熱効率×リニア発電機部の発電効率）をほぼ好適な値に保ったまま、ピストンの運動周期や、燃焼時の圧縮比を調整でき得るフリーピストン式発電機はなかった。そこで、本発明では、フリーピストンリニア発電機の効率を下げることなく、ピストンの運動周期や、燃焼時の圧縮比を調整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。

　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バネ部が設けられ、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バネ部の復元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、前記エンジンユニットおよび発電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、前記燃焼室に噴射する燃料噴射量と発電負荷とのバランス、バネ部の反発力、燃焼室への吸入空気量、火花点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射率の少なくとも一つを調整して、ピストンの運動周波数または燃焼時の圧縮比を調整する。

　好適な態様では、前記エンジンユニットは、同軸上に対称に並べられており、前記制御手段は、これら二つのエンジンユニットの駆動位相を一致させるべく前記ピストンの運動周波数を調整する。

　他の好適な態様では、前記燃焼室での燃焼は、燃料と空気を混合した混合気を圧縮して高温にし、自己着火させる予混合圧縮自着火方式で行われており、前記制御手段は、前記燃料の燃焼時期が予め規定された時期となるべく燃焼時の圧縮比を調整する。

　他の好適な態様では、前記燃焼室での燃焼は、火花を火種として燃料と空気を混合した混合気を点火する火花点火方式で行われており、前記制御手段は、ノッキングが検知された場合には、前記圧縮比を低下させる。

　他の好適な態様では、前記バネ部は、前記ピストンを挟んで前記燃焼室の反対側に設けられ、前記ピストンの往復運動に伴い体積変化する空気室であって、圧縮された際の室内ガスの反発力によりピストンを燃焼室側に押す空気室から構成されており、前記制御手段は、前記空気室内の空気量を増減することで、前記バネ部の反発力を増減する。

　他の好適な態様では、前記制御手段は、発電負荷の調整に際して、発電負荷をピストン速度で割った値である発電負荷係数を調整指標として用いる。この場合、前記制御部は、前記発電負荷係数と燃料噴射量の比率をほぼ一定に保ちつつ、前記発電負荷係数および燃料噴射量の値を増減することで、発電量を増減する、ことが望ましい。また、前記制御部は、前記発電負荷係数に対する燃料噴射量の比率を高めることで、運動周波数および圧縮比の値を高める、ことも望ましい。また、前記制御部は、圧縮行程における発電負荷の積算値が、膨張行程における発電負荷の積算値よりも大きくなるべく、前記発電負荷を調整する、ことも望ましい。

　本発明によれば、燃料噴射量と前記発電負荷とのバランス、バネ部の反発力、燃焼室への吸入空気量、火花点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射率の少なくとも一つを調整して、ピストンの運動周波数または燃焼時の圧縮比を調整しているため、リンク機構を設けることで機械的な摩擦損失を増加させるといった背反を伴うことなく、ピストンの運動周期や、燃焼時の圧縮比を調整できる。

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。解析モデルを示す図である。解析に用いた発電効率マップである。解析の前提条件を示す表である。フリーピストン式発電機の運動態様を模式的に示したグラフである。シミュレーション結果を示す図である。シミュレーション結果を示す図である。シミュレーション結果を示す図である。シミュレーション結果を示す図である。図６Ｃの拡大図である。図６Ｄの拡大図である。シミュレーションにより得られた、空気室の初期圧力および燃焼室の初期圧力と運動周波数との関係を示す表である。ピストンの移動態様を示す図である。ピストンの移動態様を示す図である。他のフリーピストン式発電機の構成図である。他のフリーピストン式発電機の構成図である。

　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。

　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の動きを電気的エネルギに変換して取り出す装置で、対称配置された二つの発電装置１２ａ，１２ｂ（以下、両者を区別しない場合は添字アルファベットを省略し「発電装置１２」という。他部材も同じ）と、この二つの発電装置１２ａ，１２ｂの駆動を制御する制御部５０と、を備えている。

　一つの発電装置１２は、燃焼圧力によりピストン２０をシリンダ１８内で往復運動させるエンジンユニット１６と、当該ピストン２０の動きを利用して発電を行う発電ユニット１４と、に大別される。本実施形態では、かかる発電装置１２を、同軸線上に左右対称になるように二つ配置している。

　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。

　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。本実施形態では、二つのエンジンユニット１６ａ，１６ｂを、空気室２８が中央、燃焼室２６が左右両端に位置するように、同軸線上に対象配置している。

　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の内部に段差を形成し、燃焼室２６が形成される小径部と、小径部よりも内径が大きく空気室２８が形成される大径部と、を設けている。既述の発電コイル２２は、この大径部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、小径部と大径部とを設ける理由については後に詳説する。

　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と、小径部よりも大径で空気室２８側に位置する大径部と、を備えている。そして、このピストン２０のうち、大径部の外表面に永久磁石２４が配置される。

　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、電気的あるいは油圧によって開閉駆動される掃気弁を設けてもよい。

　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側に押し戻すバネ部（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。

　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。

　ここで、本実施形態では、この空気室２８におけるシリンダ１８内径を、燃焼室２６におけるシリンダ１８内径よりも大きくし、空気室２８の受圧面積（ピストン２０の端面と接触する面積）を、燃焼室２６の受圧面積よりも大きくしている。かかる構成とすることで、空気室２８の圧縮度合いが低くても、十分な反発力を得ることができる。すなわち、空気室２８のピストン２０を押す力は、空気室２８の内圧にピストン２０の受圧面積を乗じた値となる。したがって、受圧面積が大きいほど、大きい押圧力（反発力）を得ることができる。別の言い方をすると、受圧面積が大きければ、内圧が低くても十分な反発力を得ることができる。そして、その結果、空気室２８の圧縮に伴う温度上昇を低減でき、ひいては、熱損失を低減できるとともに、オイルの着火を防止できる。

　また、かかる構成とした場合、燃焼室２６のボア径に対するピストン２０の外周の表面積を大きくすることができる。永久磁石２４の設置場所であるピストン２０の外表面の面積が増大することで、設置可能な永久磁石２４の面積も増大させることができ、結果として、発電出力を増加させることができる。

　こうしたエンジンユニット１６には、ノッキングの発生を検知するノッキング検知手段や、各ピストン２０の位置を検出するピストン位置検知手段４０などが設けられている。ノッキング検知手段としては、公知のノッキングセンサなどを用いることができる。

　また、ピストン位置検知手段４０としては、少なくとも、ピストン２０が特定の位置に到達したことを検知でき得るものであれば、その構成などは特に限定されない。したがって、例えば、光学的なリニアエンコーダや、磁気歪式直線変位センサのように、ピストン２０の位置をストローク全域に亘って検知するものであってもよい。また、別の形態として、１以上の位置センサ（光学式センサやギャップセンサなど）で、ピストン２０のセンサ通過タイミングを検知し、この通過タイミングとセンサ設置位置（既知）に基づいて、ピストン２０の運動周波数を計算するようにしてもよい。また、得ら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するようにしてもよい。かかる構成とすることで、上死点・下死点への到達タイミングや、上死点・下死点の位置（フリーピストンエンジンでは位置が変化する）、圧縮比、ストローク全域におけるピストン２０の位置も得られる。また、より正確な位置推定を可能にするために、潤滑油温や水温から、摩擦損失も併せて考慮してもよい。

　さらに、別の形態として、燃焼室２６や空気室２８の圧力に基づいて上死点・下死点への到達タイミングを検知してもよい。すなわち、燃焼室２６または空気室２８に圧力センサを設けておき、燃焼室２６の圧力が最大となったタイミングを上死点への到達タイミング、空気室２８の圧力が最大となったタイミングを下死点への到達タイミングとして検知してもよい。燃焼室２６の圧力に基づいて上死点への到達タイミングを検知する場合、当該検知に用いる圧力センサとして、燃焼状態・燃焼時期の検出や吸排気の状態・時期の検出に用いられる圧力センサをそのまま用いることができ、部品点数の増加を防ぎつつ、上死点への到達タイミングを検知できる。また、空気室２８の圧力に基づいて下死点への到達タイミングを検知する場合、空気室２８からの漏れの影響を除けば精度良くピストン位置を算出でき、空気バネ室の圧力調整によって作動周波数を調整するための情報としても利用できる。

　制御部５０は、二つのエンジンユニット１６、発電ユニット１４の駆動を制御するものである。本実施形態の制御部５０は、運動周波数や、燃焼時の圧縮比を調整するために、発電負荷や燃料噴射量、空気室２８の空気量、燃焼室２６への吸入空気量の少なくとも一つを調整する。これらのパラメータを調整する理由については、後に詳説する。

　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。二つのエンジンユニット１６は、同じ行程を同じタイミングで行う。各エンジンユニット１６の動作の流れは次のとおりである。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。

　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の圧縮空気の膨張する力（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２８の受圧面積を、燃焼室２６の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（内圧×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、フリーピストン式発電機１０のシステム効率が向上される。また、空気室２８に混入したオイルの着火を防止できる。

　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。

　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。

　ここで、本実施形態では、これまで述べてきたとおり、二つのエンジンユニット１６を、空気室２８が中央に位置するべく、同一直線上、かつ、左右対称に配置している。駆動に際しては、二つのピストン２０が、左右対称に動くように運動を同期して駆動させられる。すなわち、図面右側のピストン２０が右方向に移動して燃焼室２６を圧縮開始するタイミングで、図面左側のピストン２０も左方向に移動して燃焼室２６の圧縮を開始し、図面右側の燃焼室２６で混合気に点火するタイミングで、図面左側の燃焼室２６でも混合気に点火する。

　このように、二つのエンジンユニット１６で、同一行程を同一タイミングで実行することで、二つのピストン２０が左右対称に動くことになる。そして、これにより、一方のエンジンユニット１６で生じた起振力を、他方のエンジンユニット１６で生じる起振力で相殺することができ、発電ユニット全体の振動をキャンセルできる。

　ここで、この振動相殺の効果を十分に発揮するためには、二つのピストン２０が正確に同期していることが求められる。また、効率的な発電を行うためには、圧縮比を状況や燃料種類に応じて好適な値にすることが要求される。

　本実施形態では、この課題に鑑み、フリーピストン式発電機１０の駆動の駆動状況を監視し、この駆動状況に応じて、燃料噴射量と発電負荷のバランス、空気室２８の空気量、燃焼室２６への吸入空気量、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射率の少なくとも一つを調整し、ピストン２０の運動周波数や燃焼時の圧縮比を調整している。

　より具体的に説明すると、本実施形態では、ピストン２０の運動周期、および、燃焼時の圧縮比を調整する。ピストン２０の運動周期は、主に、二つのエンジンユニット１６を正確に同期させるために調整される。すなわち、制御部５０は、ピストン位置検知手段４０により検知されたピストン位置などに基づいて、二つのピストン２０の位相が一致しているか否かを監視する。二つのピストン２０の位相がずれている場合には、いずれか一方のピストン２０の運動周期を変更し、他方のピストン２０と同じ位相になるように調整する。

　また、制御部５０は、ピストン位置検知手段４０で検知されたピストン位置などに基づいて圧縮比を取得し、得られた圧縮比と目標圧縮比範囲とを比較する。そして、圧縮比が目標圧縮比範囲に収まるように、圧縮比を増減する。また、このように目標圧縮比範囲との比較に応じて増減するだけでなく、駆動状況に応じて圧縮比を増減するようにしてもよい。例えば、火花点火方式の場合においてノッキングを検知した場合には、制御部５０は、当該ノッキングを解消するように、圧縮比を低下させてもよい。また、予混合圧縮自着火方式の場合においては、使用する燃料種類などに応じて、燃焼騒音や熱効率が望ましい範囲に収まる燃焼時期が異なってくる。そこで、使用する燃料種類に応じて、好適な燃焼時期が得られるように、圧縮比を調整してもよい。

　このように本実施形態では、必要に応じて、ピストン２０の運動周期や燃焼時の圧縮比を可変調整している。これらの可変調整は、燃料噴射量と発電負荷のバランス、空気室２８の空気量、燃焼室２６への吸入空気量、着火時期の少なくとも一つを調整することで実現されている。以下では、これらパラメータを調整することで、運動周期や圧縮比が調整できる理由について説明する。

　はじめに、燃料噴射量と発電負荷のバランスと、運動周期および圧縮比と、の関係について説明する。本願出願人は、フリーピストン式発電機１０の運動を数値シミュレーションにより解析した結果、燃料噴射量と発電負荷のバランスに応じて、運動周期および圧縮比が可変することを得た。以下、この数値シミュレーションの結果について詳説する。

　図２は、この数値シミュレーションで用いた解析モデルを示す図である。また、図３は、当該解析に用いたリニア発電機の発電効率を示す図であり、図４は計算条件を示す表である。

　図２に示すように、本実施形態では、発電装置１２を一つだけ有したフリーピストン式発電機１０を解析モデルとして用いている。この解析モデルにおいて、空気室２８の受圧面積はＡａｉｒ、燃焼室２６の受圧面積はＡｃｏｍｂ（Ａａｉｒ＞Ａｃｏｍｂ）となっている。

　また、着火・燃焼過程をモデル化するために、着火過程ではマルチステップＳｈｅｌｌモデルを用いた。また、本シミュレーションでは、低ＮＯｘ特性を実現できる予混合圧縮自着火を前提としている。燃焼室２６や空気室から壁への放熱はＷｏｓｃｈｎｉの式を用いてモデル化している。リニア発電ユニット１４の発電効率については、図３のマップを用いている。

　また、この解析モデルでは、発電負荷がピストン速度に比例するように制御している。すなわち、ピストン２０の変位をｘ、時間をｔ、発電負荷（発電によるブレーキ力）をＦとした場合、式１を満たすような制御を行っている。なお、本実施形態では、この式１における係数ｃを、「発電負荷係数」と呼び、発電負荷の調整における指標として用いている。

　次に、ピストン２０の運動について考える。ピストン２０の運動は、式２の運動方程式を解くことで求めることができる。なお、式２において、ｍはピストン２０の質量、Ｐｃｏｍｂは燃焼室２６の圧力、Ｐａｉｒは空気室２８の圧力、ｆｒｉｃは摩擦力である。

　図５は、上記のようにして解いたフリーピストン式発電機１０の運動態様を模式的に示したグラフである。横軸は燃料噴射量であって、フリーピストン式発電機１０に投入される燃料エネルギーの大きさを示す。また、縦軸は前述の発電負荷係数ｃであって、フリーピストン式発電機１０から取り出すエネルギーの大きさを決める指標である。

　図５の境界線Ａよりも上側の領域は、投入エネルギーによって駆動されるピストンの運動エネルギーよりも発電負荷が大きいことを意味しており、ピストン２０の運動が継続できない「運動停止」の領域となる。図５の境界線Ｂよりも右上側の領域は、ピストンの運動エネルギーが、フリーピストン式発電機１０が吸収できるエネルギーを超えており、フリーピストン式発電機１０の発電量の制限によって運転できない領域となる。したがって、実際にフリーピストン式発電機１０が作動可能な「作動可能領域」は、境界線Ａと境界線Ｂ両方の下側の領域（図５においてハッチングを施した領域）となる。

　この作動可能領域内における各種特性値を燃焼サイクルのシミュレーションと運動シミュレーションを合わせて計算した結果を図６、図７に示す。図６Ａは図示熱効率、図６Ｂは発電量、図６Ｃは運動周波数、図６Ｄは作動時の圧縮比の等高線マップである。また、図７Ａ，Ｂは、それぞれ図６Ｃ，Ｄの拡大図である。

　本実施形態では、基本的には、燃料噴射量および発電負荷係数を、図７Ａ，Ｂにおける基準ラインＬに沿って調整し、フリーピストン式発電機１０を駆動する。なお、基準ラインＬとは、作動可能範囲と、運動停止範囲との境界線にほぼ一致するラインである。このとき、発電量を上げたい場合には、基準ラインＬに沿って燃料噴射量および発電負荷係数を上げ、発電量を下げたい場合には、基準ラインＬに沿って燃料噴射量および発電負荷係数を下げる。換言すれば、発電量のみを変更したい場合には、発電負荷係数と燃料噴射量の比率をほぼ一定に保ちつつ、発電負荷係数および燃料噴射量の両方の値を変更する。

　一方、運動周波数または圧縮比を上げたいときには、燃料噴射量の増加および発電負荷係数の低減を行い、基準ラインＬから離れた噴射量および発電負荷係数とする。換言すれば、運動周波数および圧縮比は、発電負荷係数に対する燃料噴射量の比率を高めることで高められる。かかる制御にする理由について説明する。

　フリーピストン式発電機１０では、当然ながら、システム全体の発電出力（エンジン部の出力×発電機部の発電効率）を必要に応じて変更できることが求められる。

　こうした観点に基づき、図６Ａの図示熱効率の等高線マップを参照すると、高い効率を得るためには、燃料噴射量および発電負荷係数は、図６Ａにおける領域Ｅ１，Ｅ２内に納めることが望ましいことが分かる。このため、燃料噴射量および発電負荷係数は、図７Ａ，Ｂに示す基準ラインＬに沿って調整されることが望ましいことが分かる。そして、図６Ｂの発電量の等高線マップを参照すると、燃料噴射量および発電負荷係数を、このラインＬに沿って調整することで、発電量を適宜、増減できることが分かる。

　また、図６Ｃ，Ｄ（図７Ａ，Ｂ）における運動周波数および圧縮比の等高線マップを参照する限り、基準ラインＬに沿って燃料噴射量および発電負荷係数を調整しても、運動周波数および圧縮比は殆ど変動しないことが分かる。つまり、基準ラインＬに沿って燃料噴射量および発電負荷係数を調整する限り、運動周波数および圧縮比を変化させることなく、発電量を調整できる。

　一方で、二つのピストン２０の位相ズレや、失火などにより、運動周波数や圧縮比を変更する必要が生じた場合には、燃料噴射量を上げる、または、発電負荷係数を下げる、あるいは、この両方を実行することで、運動周波数が増加し、また、圧縮比が増加することが分かる。

　したがって、本実施形態では、予め規定された基準ラインＬに沿って燃料噴射量および発電負荷係数を調整する一方で、運動周波数や圧縮比を変更する必要が生じた場合には、燃料噴射量および発電負荷係数の少なくとも一方の増減を実行する。

　なお、本実施形態では、効率や筒内圧を考慮して、基準ラインを、作動可能範囲と運動停止範囲との境界線としているが、より作動可能範囲側のラインを基準ラインとすることで、運動周波数および圧縮比を下げる方向への調整も可能となる。いずれにしても、こうしたシミュレーション結果から、発電負荷係数および燃料噴射量を調整することで、運動周波数および圧縮比を調整できることが分かる。なお、火花点火機関においては点火時期、圧縮自着火機関においては燃料噴射時期、燃料噴射率を変更することでエンジン出力が変化する。したがって、これらを変更することは燃料噴射量の変更と同様の効果がある。すなわち、点火時期を最も効率の高い時期に近づけること（一般には早めること）は、燃料噴射量を増した場合と同様の効果がある。同様に、燃料噴射率を熱効率が高くなるように変更すること（一般には噴射率を高めること）は燃料噴射量を増すことに相当する。燃料噴射率は平均的に増減するだけでなく、その形状を変更する（例えば前半だけ低くする）といった調整の方法もある。

　次に、空気室２８の空気量および燃焼室２６の吸入空気量と、運動周波数および圧縮比と、の関係について説明する。図８は、フリーピストン式発電機１０の運動を数値シミュレーションにより解析した結果得られた、空気室２８の初期圧力および燃焼室２６の初期圧力と運動周波数との関係を示す表である。

　この数値シミュレーションの前提条件は、上述したシミュレーションと同様で、図２に示す解析モデルと、図３に示す発電効率と、図４に示す計算条件と、を用いて行っている。また、発電負荷係数は、一定値としている。

　ここで、空気室２８の初期圧力とは、ピストン２０の上死点において空気室２８の体積が最大となり、空気室２８の圧力が最小になったときの圧力である。また、燃焼室２６の初期圧力とはピストン２０の下死点において、燃焼室２６の体積が最大となり、燃焼室２６の圧力が最小になったときの圧力である。この燃焼室２６の初期圧力は、４サイクル機関の場合には吸気管内圧力から吸入時の吸気バルブでの流動抵抗による圧力低下部を減じた圧力にほぼ相当し、２サイクル期間の場合には掃気圧力から掃気孔３６での吸入抵抗による圧力低下分を減じた圧力にほぼ相当する。そして、空気室２８の初期圧力および燃焼室２６の初期圧力を変化させることは、それらの室内に閉じ込められるガス量を変化させることに相当する。

　図８の表から明らかなとおり、空気室２８の初期圧力を高めた場合（表のＢ列）、基準状態（表のＡ列）に比して、運動周波数が増加することが分かる。これは、バネ部として機能する空気室２８のバネ定数が高まったことにより生じると考えられる。本実施形態では、この特性を生かし、空気室２８の初期圧力を増減させることで、運動周波数を増減させる。また、運動周波数を増減させることで、圧縮比を所望の値に調整する。なお、空気室２８の初期圧力は、空気室２８に設けた圧力調整弁により調整することができる。

　次に、燃焼室２６の初期圧力と運動周波数との関係について検討する。図８の表から明らかなとおり、燃焼室２６の初期圧力を高めた場合（表のＣ列）、基準状態（表のＡ列）に比して、運動周波数が変化することがわかる。ただし、空気室２８の初期圧力と異なり、燃焼室２６の初期圧力を高めた場合には、運動周波数も高まるとは限らない。これは、次の理由による。

　燃焼室２６でも、初期圧力が高まれば空気バネの反発力が高まり、運動周波数を高めようとする作用が生じる。その一方で、本シミュレーションのように予混合圧縮自着火方式の場合、当量比が変わることで、燃焼時期や熱発生率パターンが変化することも運動周波数に影響する。このように、燃焼室２６の初期圧力を変化させた場合、燃焼状況の変化も併せて生じるため、燃焼室初期圧力の増加は必ずしも、運動周波数の増加とはならない。

　したがって、燃焼室初期圧力（燃焼室２６の吸入空気量）の場合、単純に当該圧力を増減するだけで、運動周波数を増減することはできない。しかしながら、図８に示すよう燃焼室初期圧力を変化させることで運動周波数も変化することは明らかである。したがって、燃焼室初期圧力で運動周波数を調整する場合には、燃焼室初期圧力と運動周波数との相関関係を示したデータを事前に取得しておいたり、モデルベース制御を行なったりすることが望ましい。そして、必要に応じて、運動周波数を増減させることで、圧縮比も所望の値に調整する。なお、燃焼室の初期圧力は、吸気管（４サイクル機関の場合）や掃気室（２サイクル機関の場合）の圧力を、過給機や掃気ポンプ、吸気絞り弁で調整することで、調整される。

　以上の説明から明らかなとおり、本実施形態では、燃料噴射量と発電負荷（発電負荷係数）とのバランス、空気室２８の空気量（初期圧力）、燃焼室２６の吸入空気量（初期圧力）の少なくとも一つを調整して、運動周波数または圧縮比を調整している。これにより、機械的拘束のないフリーピストン式発電機１０においても、所望の運動周波数や圧縮比を得ることができ、結果として、効率の向上や振動の低下が図れる。また、予混合圧縮自着火方式においては、用いる燃料種類によって最適な燃焼時期が異なってくるが、本実施形態では、燃料噴射量と発電負荷のバランスを変更することで圧縮比、ひいては、燃焼時期を調整できるため、フリーピストン式発電機１０の構成を変えることなく、様々な燃料種類に対応することができる。

　なお、これまでの説明で明らかなとおり、本実施形態では、発電負荷をピストン速度で除した値である発電負荷係数を、発電負荷の調整指標として用いている。したがって、フリーピストン式発電機１０の制御を行なう場合には、この発電負荷係数が所望の値となるように、発電負荷をピストン速度に応じて変更する必要がある。このピストン速度に応じた発電負荷の変更は、例えば、インバータを用いたＰＷＭ制御により行なうことができる。また、別の形態として、ダイオードブリッジで整流した後、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧量を調整したり、負荷抵抗の値を変更したりすることでも発電負荷を変更できる。

　また、発電負荷係数は、運動周波数や圧縮比の変更以外の目的でも変更されてもよい。例えば、上死点近傍でのピストン２０の移動速度を低減し、上死点近傍におけるピストン２０の滞留時間を長くするために、圧縮行程における発電負荷の積算値を、膨張行程における発電負荷の積算値よりも大きくなるように発電負荷を調整してもよい。具体的には、例えば、膨張行程時の発電負荷係数よりも、圧縮行程における発電負荷係数を大きくするようにしてもよい。図９は、このときのピストン２０の移動態様を示す図である。図９において太実線は膨張行程のピストン２０の動きを、太破線は圧縮行程のピストン２０の動きをそれぞれ示している。この場合、ピストン２０は、上死点（速度ゼロ点）から空気室２８側に移動し、最終的に下死点（速度ゼロ点）に到達する膨張行程においては点Ｏ（速度ゼロ点）－点Ａ１－点Ｏを通る。続いて、下死点（速度ゼロ点）から燃焼室２６側に移動し、最終的に上死点（速度ゼロ点）に到達する圧縮行程において、ピストン２０は、点Ｏ－点Ａ２－点Ｏを順次通ることになる。このとき、圧縮行程では、膨張行程に比して、発電負荷係数が高くなっており、ピストン２０に作用するブレーキ力が大きくなっている。その結果、上死点に近づく速度が遅くなり、結果として、上死点近傍でのピストン２０滞留時間を長く保つことができる。

　また、別の形態として、図１０に示すように圧縮行程において発電負荷を一定（発電負荷係数を速度に反比例）させてもよい。かかる構成とすることで、上死点付近のピストン２０の運動が抑制され、等容度を高めることができる。そして、これにより、熱効率の向上や、フリーピストン式発電機１０の体格の小型化が可能となる。また、かかる構成においても、圧縮行程において、ピストン２０に作用するブレーキ力を大きくすることができ、結果として、上死点近傍でのピストン２０滞留時間を長く保つことができる。なお、このように行程などに応じて発電負荷係数を変更する場合において、運動周波数や圧縮比の変更を避けたい場合には、燃料噴射量および発電負荷係数の関係が、図７の基準ラインＬのようになるように、発電負荷係数の変更に伴い、燃料噴射量も変更すればよい。

　また、ピストン速度が低い領域では、発電負荷をゼロとし、発電を停止するようにしてもよい。すなわち、図３の発電効率線マップなどから明らかなとおり、ピストン速度が低い場合には、発電効率が低い。そこで、ピストン速度が、特定閾値以下の場合には、発電を停止することも望ましい。これにより、効率を向上させることができる。

　また、本実施形態では、図１に示すような、二つの発電装置１２を、空気室２８が中央に位置するように同軸上に対称配置したフリーピストン式発電機１０を例示したが、フリーピストン式発電機であれば、適宜、その構成は変更されてもよい。

　例えば、図１１に示すように、空気室２８ではなく、燃焼室２６を中央に位置するように、二つの発電装置１２を対称配置したフリーピストン式発電機１０を対象としてもよい。かかる構成とすることで、ガス交換のためのバルブ機構の一部を二つの発電装置１２で共用できるメリットがある。また、別の形態として、単一の発電装置１２からなるフリーピストン式発電機１０を対象としてもよい。すなわち、図１２に示すように、二つの発電装置１２を対称配置するのではなく、単一の発電装置１２だけを使用する場合にも本願発明を応用してもよい。なお、この場合、ピストン２０が一つしか存在しないことになるので、当然ながら、二つのピストン２０の位相を一致させる必要はない。しかし、この場合であっても、圧縮比や圧縮時期を調整する必要はあるため、本願発明は十分に有効となる。また、上述の実施形態では、空気室２８の受圧面積が燃焼室２６の受圧面積より大きい形態を例示していたが、図１２に示すように、両室の受圧面積を等しいフリーピストン式発電機１０も当然に対象としてよい。さらに、本実施形態では、空気室２８で構成される空気バネを、ピストン２０を押し返すバネ部として用いているが、空気室２８（空気バネ）に代えて機械式ばねを用いたフリーピストン式発電機１０を対象としてもよい。なお、この場合には、発電負荷と燃焼噴射量のバランス、および、燃焼室２６の吸入空気量の少なくとも一方を調整して、運動周波数や圧縮比を調整すればよい。

　１０　フリーピストン式発電機、１２　発電装置、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、３８　調圧弁、４０　ピストン位置検知手段、５０　制御部。

Claims

　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バネ部が設けられ、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バネ部の復元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、
　前記エンジンユニットおよび発電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、前記燃焼室に噴射する燃料噴射量と発電負荷とのバランス、バネ部の反発力、燃焼室への吸入空気量、火花点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射率の少なくとも一つを調整して、ピストンの運動周波数または燃焼時の圧縮比を調整する、
　ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
　請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
　前記エンジンユニットは、同軸上に対称に並べられており、
　前記制御手段は、二つのエンジンユニットの駆動位相を一致させるべく前記ピストンの運動周波数を調整する、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
　請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
　前記燃焼室での燃焼は、燃料と空気を混合した混合気を圧縮して高温にし、自己着火させる予混合圧縮自着火方式で行われており、
　前記制御手段は、前記燃料の燃焼時期が予め規定された時期となるべく燃焼時の圧縮比を調整する、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
　請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
　前記燃焼室での燃焼は、燃料と空気の混合気に火花点火する方式で行われており、
　前記制御手段は、ノッキングが検知された場合には、前記圧縮比を低下させる、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
　請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
　前記バネ部は、前記ピストンを挟んで前記燃焼室の反対側に設けられ、前記ピストンの往復運動に伴い体積変化する空気室であって、圧縮された際の室内ガスの反発力によりピストンを燃焼室側に押す空気室から構成されており、
　前記制御手段は、前記空気室内の空気量を増減することで、前記バネ部の反発力を増減する、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
　請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
　前記制御手段は、発電負荷の調整に際して、発電負荷をピストン速度で割った値である発電負荷係数を調整指標として用いる、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
　請求項６に記載のフリーピストン式発電機であって、
　前記制御部は、前記発電負荷係数と燃料噴射量の比率をほぼ一定に保ちつつ、前記発電負荷係数および燃料噴射量の値を増減することで、発電量を増減する、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
　請求項６に記載のフリーピストン式発電機であって、
　前記制御部は、前記発電負荷係数に対する燃料噴射量の比率を高めることで、運動周波数および圧縮比の値を高める、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
　請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
　前記制御部は、圧縮行程における発電負荷の積算値が、膨張行程における発電負荷の積算値よりも大きくなるべく、前記発電負荷を調整するフリーピストン式発電機。