| 【発明の名称】 |
フリーピストンエンジン駆動リニア発電装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】石田 裕幸
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| 【要約】 |
【課題】熱効率の高いロングストローク化を可能にたフリーピストンエンジンにより駆動されるフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置を提供する。
【解決手段】同一直線上に対向して配置し行程をずらして運転される左右一対の４ストロークサイクルフリーピストンエンジン１０Ｌ，１０Ｒと、該エンジンのピストン１１Ｌ，１１Ｒ同士を連結して往復移動する磁石部１３を備えたシャフト部１２と、磁石部１３が磁界制御部１８により可変の磁界内を往復移動して発電機または電動機として機能するリニア発電・電動機１４と、リニア発電・電動機１４に接続された電源１９とを具備して構成した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 同一直線上に対向して配置し行程をずらして運転される左右一対の４ストロークサイクルフリーピストンエンジンと、該エンジンのフリーピストン同士を連結して往復移動する磁石部を備えたシャフト部と、前記磁石部が制御手段により可変の磁界内を往復移動して発電機または電動機として機能するリニア発電・電動機と、前記リニア発電・電動機に接続された電源とを具備して構成したことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
【請求項２】 前記制御手段は、前記４ストロークサイクルフリーピストンエンジンの一方が膨脹行程にあるとき前記リニア発電・電動機の磁界を発電機側に切り換えると共に、前記４ストロークサイクルフリーピストンエンジンが左右共に膨脹行程以外の行程にあるとき前記リニア発電・電動機の磁界を電動機側に切り換えることを特徴とする請求項１記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
【請求項３】 前記４ストロークサイクルフリーピストンエンジンのシリンダ内圧力を検出し、該シリンダ内圧力の検出値が燃焼時に一定となるよう前記リニア発電・電動機の磁界を制御することを特徴とする請求項１または２記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
【請求項４】 前記左右一対の４ストロークサイクルフリーピストンエンジンをそれぞれが平行になるよう上下左右に並べて配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
【請求項５】 同一直線上に対向して配置しサイクルをずらして運転される左右一対の６ストロークサイクルフリーピストンエンジンと、該エンジンのピストン同士を連結して往復移動する磁石部を備えたシャフト部と、前記磁石部が制御手段により可変の磁界内を往復移動して発電機または電動機として機能するリニア発電・電動機と、前記リニア発電・電動機に接続された電源とを具備し、前記６ストロークサイクルフリーピストンエンジンが、吸入行程、排気行程、吸入行程、圧縮行程、膨脹行程及び排気行程の順で運転されることを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フリーピストンエンジンとリニア発電機とを組み合わせて発電を行うフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置に係り、特に、フリーピストンエンジンがディーゼル内燃機関であるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、クランク、コンロッド及び変動荷重軸受（ピストンピン軸受）などが不要で小型化に有利な内燃機関として、フリーピストンエンジンが知られている。また、２ストロークサイクルのフリーピストンエンジンを駆動源として用い、リニア発電機を駆動して発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置（以下、フリーピストンリニア発電装置と呼ぶ）が知られている。このフリーピストンリニア発電装置は、図７に示すように、対向して配置された左右一対の２ストロークサイクルフリーピストンエンジン１Ｌ，１Ｒが互いのピストン２Ｌ、２Ｒをシャフト３で連結されており、該シャフト３の中央部に設けられた磁石部４がリニア発電機５の磁界内を往復移動することで発電するように構成されたものである。なお、図中の符号６Ｌ，６Ｒはシリンダ、７Ｌ，７Ｒは給気口、８Ｌ，８Ｒは排気弁である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したフリーピストンリニア発電装置においては、２ストロークサイクルフリーピストンエンジン１Ｌ，１Ｒを駆動源としているため、左右のエンジンで交互に燃焼が行われて連続した駆動力を得ることができる。すなわち、２ストロークサイクルフリーピストンエンジン１Ｌ，１Ｒでは、ピストンが一往復することで、新気により排気ガスを掃気した後圧縮を行う圧縮行程と、燃焼（爆発）後に新気を給気する膨脹行程とが交互に実施されるため、一方が圧縮行程にあるときは他方が膨脹行程にある。
【０００４】しかしながら、このような２ストロークサイクルフリーピストンエンジンは、給気口を設けるために、膨脹行程が短くなるという問題がある。
【０００５】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、クランク機構を排除して理想的なディーゼルサイクルを追求することを目的としており、特に、熱効率の高い膨脹行程を長くしたフリーピストンエンジンにより駆動されるフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置は、同一直線上に対向して配置し行程をずらして運転される左右一対の４ストロークサイクルフリーピストンエンジンと、該エンジンのフリーピストン同士を連結して往復移動する磁石部を備えたシャフト部と、前記磁石部が制御手段により可変の磁界内を往復移動して発電機または電動機として機能するリニア発電・電動機と、前記リニア発電・電動機に接続された電源とを具備して構成したことを特徴とするものである。
【０００７】このようなフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置によれば、４ストロークサイクルフリーピストンエンジンを採用したことで、熱効率の高いロングストローク化が可能となる。また、リニア発電・電動機を採用したことで、フリーピストンエンジンから駆動力が得られるときは発電機を駆動して発電し、駆動力が発生しない時には電動機によりピストンを移動させるので、装置を連続運転することが可能になる。このようなフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置において、前記左右一対の４ストロークサイクルフリーピストンエンジンは、一方が膨脹行程にあるとき他方が圧縮行程または排気行程のいずれかにある。また、このようなフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置において、前記制御手段は、前記４ストロークサイクルフリーピストンエンジンの一方が膨脹行程にあるとき前記リニア発電・電動機の磁界を発電機側に切り換えると共に、前記４ストロークサイクルフリーピストンエンジンが左右共に膨脹行程以外の行程にあるとき前記リニア発電・電動機の磁界を電動機側に切り換えることが好ましく、これにより、フリーピストンエンジンのスムーズな連続運転及びリニア発電・電動機による発電が可能となる。
【０００８】そして、上記のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置においては、前記４ストロークサイクルフリーピストンエンジンのシリンダ内圧力を検出し、該シリンダ内圧力の検出値が燃焼時に一定となるよう前記リニア発電・電動機の磁界を制御することが好ましく、これにより、理想的なディーゼルエンジンの定圧サイクルを実現できる。
【０００９】さらに、上記のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置は、前記左右一対の４ストロークサイクルフリーピストンエンジンをそれぞれが平行になるよう上下左右に並べて配置するのが好ましく、これにより、フリーピストンエンジンの起振力が完全にバランスするため、起振力をなくすことができる。従って、このようなスクエア８シリンダーの構成を１ユニットとして設置するのが好ましい。
【００１０】請求項６に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置は、同一直線上に対向して配置しサイクルをずらして運転される左右一対の６ストロークサイクルフリーピストンエンジンと、該エンジンのピストン同士を連結して往復移動する磁石部を備えたシャフト部と、前記磁石部が制御手段により可変の磁界内を往復移動して発電機または電動機として機能するリニア発電・電動機と、前記リニア発電・電動機に接続された電源とを具備し、前記６ストロークサイクルフリーピストンエンジンが、吸入行程、排気行程、吸入行程、圧縮行程、膨脹行程及び排気行程の順で運転されることを特徴とするものである。
【００１１】このようなフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置によれば、６ストロークサイクルフリーピストンエンジンを採用したため排気行程及び吸入行程が増加し、排気と給気を完全に分離して行うことができる。このため、低速給排気によるガス流入損失を低減できるようになり、ガス交換効率を向上させるため給排気ポートを小型化することができ、さらにロングストローク化が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置（以下、フリーピストンリニア発電装置と呼ぶ）の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）に示す第１の実施形態において、符号の１０Ｌ，１０Ｒは４ストロークサイクルフリーピストンエンジン、１１Ｌ，１１Ｒはピストン、１２はシャフト、１３は磁石部、１４はリニア発電・電動機、１５Ｌ，１５Ｒはシリンダ、１６Ｌ，１６Ｒは給気弁、１７Ｌ，１７Ｒは排気弁、１８は磁界制御部、１９は電源、２０は制御部である。
【００１３】この実施形態では、左右一対の４ストロークサイクルフリーピストンエンジン（以下、エンジンと呼ぶ）１０Ｌ，１０Ｒが、シリンダ１５Ｌ，１５Ｒの開放端面（一方の円筒底面）を互いに対向させて同一直線上に配置されている。そして、エンジン１０Ｌ，１０Ｒのピストン１１Ｌ、１１Ｒをシャフト１２で連結し、両ピストン１１Ｌ，１１Ｒがそれぞれのシリンダ１５Ｌ，１５Ｒ内を一体的に往復運動するように構成してある。なお、両シリンダ１５Ｌ，１５Ｒの閉端面（他方の円筒底面）には、それぞれ給気弁１６Ｌ，１６Ｒ及び排気弁１７Ｌ，１７Ｒが設けられている。
【００１４】また、シャフト１２の中央部には磁石部１３が設けられ、該磁石部１３がリニア発電・電動機１４内に形成される磁界内を往復移動するように構成されている。リニア発電・電動機１４は、磁界制御部１８及び電源１９を介して制御部２０と接続されており、磁界を制御することで発電機または電動機のいずれかの機能を発揮するようになっている。このような制御は、回生制御と呼ばれている。すなわち、リニア発電・電動機１４は、エンジン１０Ｌ，１０Ｒが膨脹行程にあって出力を得られるときには発電機として機能し、膨脹行程以外で出力を得られないときには電源１９から電力の供給を受けてピストン１１Ｌ，１１Ｒを駆動させる電動機として機能する。
【００１５】続いて、上述したフリーピストンリニア発電装置の動作を図１（ｂ）に基づいて説明する。エンジン１０Ｌ，１０Ｒは、いずれも４ストロークサイクルエンジンであるため、ピストン１１Ｌ，１１Ｒが２往復する間に吸入行程、圧縮行程、膨脹行程及び排気行程の順に進行し、この行程を繰り返して運転が継続される。この時、両エンジン１０Ｌ，１０Ｒは行程をずらして運転され、一方が膨脹行程にあるときには他方が圧縮行程または排気行程のいずれかにある。図示の例では、一方のエンジン１０Ｌが他方のエンジン１０Ｒから１行程遅れて運転されており、一方のエンジン１０Ｌが膨脹行程にあるとき他方のエンジン１０Ｒが排気行程となる。
【００１６】このため、エンジン１０Ｌ，１０Ｒのいずれか一方が膨脹行程にあるときは燃料の燃焼（爆発）によって出力が得られる。ここで、エンジン１０Ｌが膨脹行程にあるとすれば、燃焼ガスの膨脹圧力によりピストン１１Ｌがシリンダ１５Ｌ内をリニア発電・電動機１４側（紙面右側）へ移動し、これと一体のシャフト１２、磁石部１３及びピストン１１Ｒも同一直線上を同方向へ移動する。この時、リニア発電・電動機１４の磁界はリニア発電機として機能するように設定されているので、同磁界内を磁石部１３が移動することで発電が行われる。なお、１行程遅れて運転されるエンジン１０Ｌが膨脹行程にあるとき、もう一方のエンジン１０Ｒは排気行程にあるため、エンジン１０Ｌの出力の一部は、ピストン１１Ｒを押して開状態の排気弁１７Ｒから前行程で発生した燃焼ガスを排気するためにも使用される。
【００１７】続いて、エンジン１０Ｌが膨脹行程から排気行程に入ると、他方のエンジン１０Ｒでは排気行程から吸入行程に変わる。この運転状態では、いずれのエンジンも膨脹行程にないため出力を得ることはできず、従って、リニア発電・電動機１４の磁界を電動機側へ切り換えて電源１９より通電する。このため、リニア発電・電動機１４はリニア電動機として機能し、磁石部１３を有するシャフト１２及びその両端にあるピストン１１Ｌ，１１Ｒを紙面左側へ移動させる駆動源となる。この結果、吸入行程のエンジン１０Ｒでは給気弁１６Ｒが開いて給気され、排気行程のエンジン１０Ｌでは排気弁１７Ｌが開いて排気される。
【００１８】次に、エンジン１０Ｌが排気行程から吸入行程に変わると、他方のエンジン１０Ｒは吸入行程から圧縮行程に変わる。この運転状態でも両エンジン１０Ｌ，１０Ｒから出力を得ることができないため、リニア発電・電動機１４をリニア電動機として機能させ、磁石部１３を有するシャフト１２及びその両端にあるピストン１１Ｌ，１１Ｒを紙面右側へ移動させる。この結果、吸入行程のエンジン１０Ｌでは給気弁１６Ｌが開いて給気され、圧縮行程のエンジン１０Ｒでは給気弁１６Ｒ及び排気弁１７Ｒ共に閉じて給気が圧縮される。
【００１９】最後に、エンジン１０Ｌが吸入行程から圧縮行程に変わると、他方のエンジン１０Ｒは圧縮行程から膨脹行程に変わり、爆発により燃焼ガスが膨脹してピストン１０Ｒを押す。この時、リニア発電・電動機１４の磁界はリニア発電機として機能するよう切り換えられ、同磁界内をシャフト１２の磁石部１３が紙面左側へ移動することで発電が行われる。以後、同様の行程を繰り返すことでフリーピストンリニア発電装置の運転が継続して行われる。
【００２０】このようなフリーピストンリニア発電装置とすれば、４ストロークサイクルフリーピストンエンジンを採用したことにより、クランク、コンロッド及び変動荷重軸受などが不要となり、さらに、潤滑油供給系についても小型化できるため、装置全体を小型化できる。また、４ストロークサイクルのエンジンとしたので、２ストロークサイクルエンジンのように給排気を制御するためにピストンの動きが制約を受けるようなことはなく、従って、ロングストローク化することで優れた熱効率が得られるフルストローク膨脹を可能にする。さらに、２ストロークサイクルに比べて給排気のオーバーラップが少ないため、給気の吹き抜けを低減でき、この点でも効率の向上に貢献する。
【００２１】ところで、上述した４ストロークサイクルフリーピストンエンジン１０Ｌ，１０Ｒについては、熱効率の面から実際のサイクルを図２に示すディーゼルサイクルにできるだけ近づけることが望ましい。このためには、膨脹行程において等圧（定圧）膨脹させる必要がある。そこで、図３に示す第２の実施形態では、シリンダ１５Ｌ，１５Ｒ内の圧力、すなわちシリンダ内圧力Ｐを検出する圧力センサ２１Ｌ，２１Ｒを設け、両センサ２１Ｌ，２１Ｒの検出値を制御部２０に入力する。シリンダ内圧Ｐの入力を受けた制御部２０では、磁界制御部１８に制御信号を出力する。
【００２２】この制御信号は、リニア発電機として機能しているリニア発電・電動機１４の磁界の強さを可変制御するもので、図４に示すように、爆発後の膨脹行程でシリンダ内圧力Ｐが一定となる等圧膨脹が実現されるように磁界を制御するものである。すなわち、磁界の強さを適切に調整することで発電負荷（ブレーキ力）を制御し、これによってピストン１１Ｌ，１１Ｒの移動速度を制御して等圧膨脹を実現するのである。このような構成及び制御を行うことで、熱効率が高い理想のディーゼルサイクルに近づけることが可能になる。
【００２３】続いて、本発明のフリーピストンリニア発電装置の第３の実施形態を図５に示して説明する。この実施形態においては、上述した構成のフリーピストンリニア発電装置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを４セット組み合わせ、左右一対の４ストロークサイクルフリーピストンエンジン１０Ｌ，１０Ｒをそれぞれが平行になるよう上下左右に並べて配置したものである。これを１ユニットとして構成し運転することで、スクエア８シリンダーの配置となり、各シリンダの起振力をバランスさせることができるている。すなわち、スクエア８シリンダーの配置により各シリンダで発生した起振力が相殺されるため、実質的には完全バランスさせることにより起振力をゼロにすることができる。
【００２４】この場合、フリーピストンリニア発電装置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、ピストンの移動方向が対角の位置関係にあるＡとＣ及びＢとＤにおいてそれぞれ同方向となるように運転するのが好ましい。さらに、図５に示すように、フリーピストンリニア発電装置Ａ及びＣが共に右側のエンジンで膨脹行程にあるとき、フリーピストンリニア発電装置Ｂ及びＤが共に左側のエンジンで膨脹行程にあるというように、４セットが同じ行程となるように運転するのが好ましい。なお、実際の設置に関しては、上述した４セットのフリーピストンリニア発電装置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを１ユニットとしてその倍数を設置すればよく、また、制御部２０等については、ユニット毎あるいは設置ユニットの全体を一括して制御するものとしてもよい。
【００２５】最後に、本発明によるフリーピストンリニア発電装置の第４の実施形態を図６に基づいて説明する。この実施形態では、フリーピストンエンジン１０Ｌ及び１０Ｒを共に６ストロークサイクルで運転するようにしてあり、他の構成については上述した各実施形態と同様である。この場合の６ストロークサイクルとは、吸入行程、排気行程、吸入行程、圧縮行程、膨脹行程及び排気行程の順に繰り返す６行程によって構成されるものであり、上述した４ストロークサイクルに排気行程及び吸入行程を追加してそれぞれ２回繰り返しすようになっている。従って、ピストン１１Ｌ，１１Ｒは３往復して一回の爆発を行うことになる。
【００２６】このような６ストロークサイクルフリーピストンエンジンを採用すると、燃焼ガスを排気する排気行程と新鮮な給気を吸入する吸入行程とを完全に分離できるため、シリンダ１５Ｌ，１５Ｒ内ではより新鮮な給気により燃料を爆発燃焼させることができる。すなわち、４ストロークサイクルエンジンでは給排気行程がそれぞれ１回しかないため、排気行程における燃焼ガスの排気と吸入行程における給気とをオーバーラップさせて行うが、この時、給気弁及び排気弁が共に開状態になるため、２ストロークサイクルほどではないにしても給気吹き抜けが生じ、シリンダ内を完全に給気するのは困難である。これに対して、給排気を２回行える６ストロークサイクルエンジンでは、排気行程における排気と吸入行程における給気とを完全に分離して実施することができ、従って、給気弁及び排気弁が共に開状態になるオーバーラップをなくすかあるいは最小限にすることができるのである。
【００２７】また、シリンダ１５Ｌ，１５Ｒ内の排気及び給気を完全に実施できるため、低速運転時において低速給排気によるガス流入損失が低減され、ガス交換効率の向上と給排気ポートの小径化に有効である。そして、このようなガス交換効率の向上は熱効率の面で優れているロングストローク化を実現する上でより一層有利になり、一方、給排気ポートの小径化は給排気動弁系の小型化を可能にするので、シリンダ１５Ｌ，１５Ｒの径を細くして装置全体を小型化することができる。なお、図６に示した実施形態では、左右のエンジンが１行程ずれたものとなっているが、磁界の変更回数が増すものの３行程ずらすことによっても運転は可能である。
【００２８】
【発明の効果】上述した本発明のフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置によれば、４ストロークサイクルエンジンに加えて、磁界制御によりリニア発電器及びリニア電動機の機能が得られるリニア発電・電動機を採用したので、エンジン出力がある膨脹行程にないときにはリニア電動機によりエンジンを駆動し、エンジン出力がある膨脹行程ではリニア発電器を駆動して発電するというように、４ストロークサイクルフリーピストンエンジンによる装置の連続運転が可能になる。また、４ストロークサイクルのエンジンとすることで、フリーピストンエンジンをロングストローク化して熱効率を高めることもできる。
【００２９】そして、シリンダ内圧力を検出して磁界の強さを制御するようにしたので、膨脹行程において等圧膨脹させることができ、熱効率に優れた理想的なディーゼルサイクルに近づけた運転が可能になる。また、スクエア８シリンダーの配置を１ユニットとして構成すれば、起振力を完全バランスさせたフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置を提供することができる。
【００３０】さらに、６ストロークサイクルエンジンを採用すれば、熱効率に優れたロングストローク化がより一層容易になり、しかも、シリンダの小径化により装置全体を小型化することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年２月２９日（２０００．２．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１２７３７
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２４１３０２（Ｐ２００１−２４１３０２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年９月７日（２００１．９．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−５４５８５（Ｐ２０００−５４５８５） |
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