JP2009008069A - フリーピストンエンジンおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダボア内面に段差が形成されるのを防止あるいは抑制する。
【解決手段】シリンダハウジング３１内に互いに直列に一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂ）を摺動自在に嵌合して、この一対のピストンの間に燃焼室３５Ａ（３５Ｂ）が構成される。一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂ）間の距離を一定に保持したまま、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂ）のシリンダハウジング３１に対する軸線方向の相対位置関係を変更する位置変更手段を備えている。上記相対位置の変更は、シリンダハウジング３１に対して、一対のピストンを摺動自在に保持するピストン保持用ハウジング４１の位置をモータ７１によって変更することや、一対のピストン間での発電態様を変更することによって行うことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、フリーピストンエンジンおよびその制御方法に関するものである。

近時、燃焼ガスの有する熱エネルギを高効率に取り出すという観点から、フリーピストンエンジンが注目されている。特許文献１には、フリーピストンエンジンのピストンに設けた永久磁石が、リニア発電機の磁界内を往復動されることにより発電を行うものが開示されている。また、特許文献１には、１つのシリンダ（シリンダボア）内に互いに直列に一対のピストンを摺動自在に嵌合して、この一対のピストンの間に燃焼室を構成したものが開示されている。すなわち、燃焼室での燃焼圧力を受けたときに、一対のピストンが互いに離間する方向に駆動されるものが開示されている。
特開２００５−１５５３４５号公報

ところで、フリーピストンエンジンは、クランクシャフトが存在しないために、圧縮比可変であるという特徴がある（上死点位置と下死点位置とが常時一定とはならない）。この圧縮比を積極的に変更することや、あるいは例えば燃料噴射量、点火時期、発電量等の負荷変更等の運転状態の変更に応じて自動的に圧縮比が変更される場合もある。このように、圧縮比が変更された場合、シリンダに対するピストンの相対位置関係が変更されることになる（上死点位置あるいは下死点位置が変更される）。

一方、圧縮比が一定のままの運転状態が長時間継続すると、ピストンに取付けられているピストンリングの摺動範囲が一定となるが、このピストンリングによって、一定の摺動範囲でもってシリンダボア内面が少なからず摩耗されて、シリンダボア内面の他の部分と段差を生じることになり、またこの段差付近にスラッジが堆積しやすいものとなる。このように、シリンダボア内面に段差が形成されてしまうと、圧縮比が変更されたときに、ピストンリングがこの段差やその付近に堆積されたスラッジを越えるときに引っかかりを生じたり、シール漏れを生じる原因となる。とりわけ、フリーピストンエンジンは、例えばコジェネシステムやハイブリッド車等における発電機駆動用等、一定の運転状態でもって長時間連続して運転される用途に用いられることが多いので、上述した段差が形成され易いものである。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、シリンダボア内面に段差が形成されるのを防止あるいは抑制できるようにしたフリーピストンエンジンおよびその制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明におけるフリーピストンエンジンにあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
シリンダハウジングに形成されたシリンダボア内に互いに直列に一対のピストンを摺動自在に嵌合して、該一対のピストンの間に燃焼室を構成してなるフリーピストンエンジンにおいて、
前記燃焼室を構成する際の前記一対のピストン間の距離を一定に保持したまま、該一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置関係を変更する位置変更手段を備えている、
ようにしてある。上記解決手法によれば、位置変更手段によって、一対のピストンのシリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置を変更することによって、同じ圧縮比でもって運転した状態でも、ピストン（ピストンリング）のシリンダボア内面に対する摺動範囲が変更されることになる。これにより、長時間同じ圧縮比でもって運転されても、位置変更手段による位置変更を随時行うことにより、シリンダボア内面に段差が形成されてしまう事態が防止あるいは抑制されることになる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２〜請求項４に記載のとおりである。すなわち、
前記シリンダハウジングとは別個独立して、前記ピストンを保持するピストン保持用ハウジングを備え、
前記位置変更手段が、シリンダ軸線方向における前記シリンダハウジングとピストン保持用ハウジングとの距離を変化させるものとして構成されている、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、ピストンを、シリンダハウジングのみに保持させるのではなく、別途ピストン保持用ハウジングに保持させて、このシリンダハウジングとピストン保持用ハウジングとの距離変更によって、一対のピストンとシリンダハウジングとのシリンダ軸線方向の相対位置を変更することができる。

前記位置変更手段が、前記シリンダハウジングとピストン保持用ハウジングとの距離を変更するためのモータを備えている、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、位置変更そのものは一対のピストン間の距離の変更を伴わないので小さい力ですむので、モータによって位置変更を容易かつ精度よく行うことができる。

前記位置変更手段は、圧縮比が所定期間不変のときに作動される、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、圧縮比不変の状態が所定期間継続したときに位置変更を行うので、シリンダボア内面に段差が形成される可能性のある状態を総合的に勘案して、段差が形成されてしまう事態の防止あるいは抑制を簡単かつ確実に行うことができる。

前記目的を達成するため、本発明におけるフリーピストンエンジンの制御方法にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項５に記載のように、
シリンダハウジングに形成されたシリンダボア内に互いに直列に一対のピストンを摺動自在に嵌合して、該一対のピストンの間に燃焼室を構成してなるフリーピストンエンジンの制御方法において、
前記燃焼室を構成する際の前記一対のピストン間の距離を一定に保持しつつ運転を行う第１工程と、
前記第１工程中に、前記一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置関係を変更する第２工程と、
を備えているようにしてある。上記解決手法によれば、請求項１に記載のフリーピストンエンジンの制御方法が提供される。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項６以下に記載のとおりである。すなわち、
前記一対のピストンによってそれぞれ発電を行うようにされ、
前記第１工程においては、前記一対のピストンによる発電総量が互いに等しくされる、
ようにしてある（請求項６対応）。この場合、発電との関係で、第１工程における具体的な運転態様が提供される。

前記第２工程においては、前記一対のピストンによる発電態様が互いに相違される、ようにしてある（請求項７対応）。この場合、発電との関係で、第２工程における具体的な運転態様が提供される。また、発電態様の変更で位置変更を行うことができ、構造の簡単化やコスト低減等の上でも好ましいものとなる。

前記第２工程においては、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電を実行する時期が相違される、ようにしてある（請求項８対応）。この場合、第２工程でのより具体的な発電態様が提供される。

前記第２工程においては、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電負荷を相違させる、ようにしてある（請求項９対応）。この場合、発電負荷との関係で、第２工程における具体的な運転態様が提供される。また、発電負荷の変更で位置変更を行うことができ、構造の簡単化やコスト低減等の上でも好ましいものとなる。

本発明によれば、シリンダボア内面に段差が形成されてしまう事態を防止あるいは抑制することができる。

図１は、車両としての自動車を駆動するモータへの給電用としてフリーピストンエンジンを利用した場合の実施形態を示すものである。この図１において、１は駆動用（走行用）のモータで、実施形態ではＡＣモータで構成されている。２Ｒ、２Ｌは左右の駆動輪（前輪または後輪）であり、この駆動輪２Ｒ、２Ｌは、デファレンシャルギア３を介してモータ１によって駆動される。

１０は、発電ユニットであり、この発電ユニット１０は、ピストンやシリンダを含むフリーピストンエンジン１１と発電機１２とを含めたユニット体として構成されている。フリーピストンエンジン１１は、発電機１２を駆動するもので、発電機１２によって発電された電力（交流）は、整流器２０によって直流に変換された後、ＤＣ−ＡＣコンバータ２１を介してモータ１に供給される一方、余剰電力はバッテリ２２に供給される。また、バッテリ２２からの電力が、上記ＤＣ−ＡＣコンバータ２１を介してモータ１に供給されるようにもなっている。制動時の回生エネルギを回収するため、制動時には、モータ１によって発電された電力が、整流器２３によって直流に変換された後、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４によって昇圧されてバッテリ２２に供給される。

自動車の運転状態に応じた電力供給の流れは、例えば次のように行われるが、フリーピストンエンジン１０による最大発電量は、モータ１による最大出力を確保できる程度に十分に大きいものとされている。
（１）要求発電量が極めて少ないとき
発進時や極軽負荷時でかつバッテリ２２の蓄電量が大きいときである。このときは、発電機１２での発電は行われず（フリーピストンエンジン１１の停止状態）、バッテリ２２からのみモータ１へ電力が供給される。
（２）要求発電量が少ないとき
軽負荷〜中負荷時でかつバッテリ２２の蓄電量が多いときである。このときは、発電機１２での発電が行われて（フリーピストンエンジン１１が作動）、発電機１２からもっぱらモータ１へ電力が供給される（若干の余剰電力分を発電して、余剰電力をバッテリ２２に蓄電するようにしてもよい）。
（３）要求発電量が中〜大のとき
軽負荷〜高負荷時でかつバッテリ２２の蓄電量が少ないときである。このときは、発電機１２で走行に必要な電力以上の十分な発電が行われて（フリーピストンエンジン１１が作動）、発電機１２からモータ１へ電力が供給されると共に、十分な余剰電力がバッテリ２２に蓄電される。
（４）回生制動時
モータ１が駆動輪２Ｒ、２Ｌによって駆動される発電機として機能されるときである。このときは、モータ１で発電された電力がバッテリ２２に蓄電される。なお、フリーピストンエンジン１１は、停止してもよいが、次の発電に備えて、極低速で運転を継続させることもできる。

次に、発電ユニット１０の一例について、図２を参照しつつ説明する。まず、フリーピストンエンジン１１の部分に着目して説明すると、フリーピストンエンジン１１は、実質的に２組の第１エンジン３０Ａと第２エンジン３０Ｂとによって構成されている。３１はシリンダハウジングであり、互いに平行な２つの第１シリンダボア３２Ａと第２シリンダボア３２Ｂとが形成されている。第１シリンダボア３２Ａ内には、一対（２つ）のピストン３３Ａと３４Ａとが摺動自在に嵌合されて、一対のピストン３３Ａと３４Ａとの間に１つの燃焼室３５Ａが形成されている。同様に、第２シリンダボア３２Ｂ内には、一対（２つ）のピストン３３Ｂと３４Ｂとが摺動自在に嵌合されて、一対のピストン３３Ｂと３４Ｂとの間に１つの燃焼室３５Ｂが形成されている。

上記燃焼室３５Ａには、シリンダ軸線方向に間隔をあけて、掃気ポート３６Ａと排気ポート３７Ａとが開口されている。同様に、燃焼室３５Ｂにも、シリンダ軸線方向に間隔をあけて、掃気ポート３６Ｂと排気ポート３７Ｂとが開口されている。各エンジン３０Ａ、３０Ｂは、２サイクルの自己着火式とされて、掃気ポート３６Ａ（３６Ｂ）から供給された吸気が燃焼室３５Ａ（３５Ｂ）で燃焼されると、一対のピストン３３Ａと３４Ａ（３３Ｂと３４Ｂ）とが互いに離間する方向に駆動され、燃焼室３５Ａ（３５Ｂ）内の排気ガスは、排気ポート３７Ａ（３７Ｂ）から外部に排出されることになる。後述するように、２つのエンジン３０Ａと３０Ｂとの各ピストン同士が連結されて、例えば第１エンジン３０Ａのピストン３３Ａと３４Ａとが互いに離間するときは、第２エンジン３０Ｂのピストン３３Ｂと３４Ｂとが互いに接近するように連係されて、一方のエンジンの燃焼圧力によって、他方のエンジンを圧縮するようになっている。これにより、圧縮のためにピストンを戻り方向に付勢するためのリターンスプリングを別途要しないものとなっている。

次に、発電機１２の部分に着目して説明する。まず、４１は、ピストン保持用ハウジングであり、このピストン保持用ハウジング４１は、シリンダハウジング３１に対して、シリンダ軸線方向に間隔をあけて配設されている。ピストン保持用ハウジング４１には、合計４組のリニア発電機４３Ａ、４４Ａ、４３Ｂ、４４Ｂが、シリンダ軸線方向と直交する方向に間隔をあけて構成されている。すなわち、各発電機４３Ａ、４４Ａ、４３Ｂ、４４Ｂは、それぞれ、固定された円筒状の発電コイル４５と、発電用コイル４５内に摺動自在に嵌合された磁石（永久磁石あるいは電磁石）４６とを有し、各磁石４６の移動方向はシリンダ軸線方向とされている。

発電機４３Ａの磁石４６は、連結部材５３Ａを介して、ピストン３３Ａと連結されている。発電機４４Ａの磁石４６は、連結部材５４Ａを介して、ピストン３４Ａと連結されている。発電機４３Ｂの磁石４６は、連結部材５３Ｂを介して、ピストン３３Ｂと連結されている。発電機４４Ｂの磁石４６は、連結部材５４Ｂを介して、ピストン３４Ｂと連結されている。さらに、発電機４３Ａの磁石４６（つまりピストン３３Ａ）と発電機４４Ｂの磁石４６（つまりピストン３４Ｂ）とが連結部材５５によって連結され、発電機４４Ａの磁石４６（つまりピストン３４Ａ）と発電機４３Ｂの磁石４６（つまりピストン３３Ｂ）とが連結部材５６によって連結されている。このような連結によって、例えば第１エンジン３０Ａのピストン３３Ａと３４Ａとが互いに離間するときは、第２エンジン３０Ｂのピストン３３Ｂと３４Ｂとが互いに接近するように連係されて（ピストン３３Ｂと３４Ｂとが離間するときは、ピストン３３Ａと３４Ａとが接近する）、一方のエンジンの燃焼圧力によって、他方のエンジンを圧縮するようになっている。これにより、圧縮のためにピストンを戻り方向に付勢するためのリターンスプリングを別途要しないものとなっている。

図２中、６１はベース部材であり、このベース部材６１は、設置面６２に固定されている。設置面６２は、例えば、自動車の場合は車体（フレーム）とされ、コジェネシステムの場合は設置床面とされる。このようなベース部材６１上に、前述したシリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１とが設置される。シリンダハウジング３１は、ベース部材６１上に、スライダ６３を介してシリンダ軸線方向に所定範囲（例えば２０ｍｍ）変位可能に保持されている。これに対して、ピストン保持用ハウジング４１は、ベース部材６１上に固定されている。これにより、シリンダハウジング３１は、ピストン保持用ハウジング４１に対して、シリンダ軸線方向に相対変位可能となっている。

シリンダハウジング３１をピストン保持用ハウジング４１に対して相対的に変位させるために、ピストン保持用ハウジング４１には、モータ７１によって回転駆動されるピニオン７２が保持されている。一方、シリンダハウジング３１には、ピニオン７２に噛合されるラック７３が固定されている。ラック７３は、シリンダ軸線方向に伸びている。これにより、モータ７１によってピニオン７２を正逆回転させると、シリンダハウジング３１が、ピストン保持用ハウジング４１に対して接近、離間されることになり、モータ７１の回転位置を制御することによって、シリンダハウジング３１のピストン保持用ハウジング４１に対する相対距離が所望の大きさに変更される。勿論、各エンジン３０Ａと３０Ｂとは、同一仕様とされ、かつ吸気量や燃料供給量等が全て同じ条件でもって運転されるものである。

上記モータ７１の回転位置は、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）Ｕによって制御される。このコントローラＵには、位置センサ７５で検出された位置信号が入力される。位置センサ７５は、例えば、リニアセンサとされて、ある１つのピストン、例えばピストン３３Ａの変位位置を検出するもので、特にそのストローク端位置が検出される（上死点位置あるいは下死点位置の検出）。例えば、位置センサ７５によって検出される例えばピストン３３Ａの上死点位置が変更ないときは、同じ圧縮比でもって運転が継続されていることを示し、検出される上死点位置が変更されたときは、圧縮比が変更されたことを示す。

本実施形態では、位置センサ７５によって、例えばピストン３３Ａの上死点位置が所定期間（例えば１０秒）継続して同じ位置であるということが検出されたときは、モータ７１によってシリンダハウジング３１をピストン保持用ハウジング４１に対して相対変位させて（シリンダハウジング３１に対する各ピストン３３Ａ〜３４Ｂ）の相対位置関係を変更させて）、シリンダボア３２Ａ（３２Ｂ）内面に段差が形成されるのを防止あるいは抑制するようになっている。

次に、図３を参照しつつ、ピストン３３Ａに着目して、シリンダボア内面に段差が形成される状況を示してある。この図３において、同じ圧縮比でもって運転が長時間継続された場合に、上死点位置にあるピストン３３Ａが実線で示され、そのときのピストンリング３８の位置が符合Ｐで示される。ピストン３３Ａが同じ圧縮比でもって運転されて、ピストン３３Ａつまりピストンリング３８がストロークＬ１の範囲でもって往復動される状態が長時間継続すると、シリンダボア３２ＡのうちストロークＬ１部分が、他の部分に対して摩耗が進行して、ストロークＬ１の端部に段差が形成されやすくなる。そして、ストロークＬ１のうち上死点側端となる符合Ｐで示す部分には、スラッジが堆積しやすいものとなる。

同じ圧縮比での運転状態が所定期間継続した時点で、前述のようにシリンダハウジング３１をシリンダ軸線方向に変位させることにより、シリンダハウジング３１を変位させる前と同じ圧縮比でもって運転したとき、ピストン３３Ａの位置が相対的に図３一点鎖線で示すように変更されることになる。このようなシリンダハウジング３１のシリンダ軸線方向の変位を、同じ運転状態が所定期間継続した時点毎に行うことによって、シリンダボア内面に段差が形成されてしまう事態やスラッジが堆積してしまう事態が防止あるいは抑制されることになる。

図４は、本発明の制御例を示すフローチャートであり、以下このフローチャートについて説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。まず、Ｑ１において、アクセル開度および車速が読み込まれた後、Ｑ２において、アクセル開度および車速に基づいて発電機１２での要求発電量が決定される。Ｑ３では、決定された要求発電量を満足させるための燃料噴射量が決定されて、所定の噴射タイミングでもって燃料噴射が実行される。

上記Ｑ３の後、Ｑ４において、位置センサ７５で検出されるピストンストローク端位置（特に上死点位置）に変化があったか否かが判別される。このＱ４の判別でＮＯのときは、ピストン位置の変化がない状態が所定時間（例えば１０秒）継続したか否かが判別される。このＱ５の判別でＹＥＳのときは、Ｑ６において、モータ７１を駆動して、シリンダハウジング３１をピストン保持用ハウジング４１に対して変位させる（シリンダボア内面への段差形成の防止あるいは抑制の制御）。上記Ｑ４の判別でＹＥＳのとき、あるいはＱ５の判別でＮＯのときは、それぞれＱ６を経ることなくリターンされる。

上記Ｑ６でのシリンダハウジング３１の変位（１回分の変位）は、例えば、次のようにして行うことができる。すなわち、一方ストローク端方向に向けて所定距離（例えば１ｍｍ）だけ変位させるものとし、一方ストローク端まで変位されたときは、他方ストローク端に向けて所定距離（例えば１ｍｍ）だけ変位させる、というように、所定距離（例えばピストンの最大ストロークが８０ｍｍの場合に例えば１２ｍｍ）範囲でもって、１回あたりの変位量を同一ピッチとしつつ往復させるように変位させることができる。この他、例えば、変位量と変位方向とを乱数表を利用して設定して、シリンダハウジング３１を変位させるようにする等、その変位量や変位方向の設定は適宜選択できるものである。なお、モータ７１によるシリンダハウジング３１の駆動は、一対のピストン３３Ａと３４Ａ（３３Ｂと３４Ｂ）との距離が一定のまま行われるので、つまり燃焼圧力に抗して行う必要がないので、小さな力ですむことになる。

図５、図６は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前記実施形態と同一構成要素には同一符号を付してその重複した説明は省略する（このことは以下の第３の実施形態以下においても同じ）。本実施形態では、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（発電機４３Ａ、４４Ａ）による発電態様を互いに相違させることによって、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ間の距離を一定に保持したまま、該一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対するシリンダ軸線方向の相対位置関係を変更するようにしてある（３３Ｂ、３４Ｂによる発電態様についても同じ）。このため、本実施形態では、シリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１とが一体とされると共に、モータ７１を有しない設定とされている。

各ピストン３３Ａ、３４Ａ、３３Ｂ、３４Ｂによる発電態様を相違させるために、図５に示すように、各発電機４３Ａ、４３Ｂ、４４Ａ、４４Ｂにおける発電用コイル４５の一端と整流器２０の入力端子との間に、スイッチ８１を接続してある。スイッチ８１は、コントローラＵによって開閉制御されるもので、本実施形態ではデューティ制御されるようになっている。なお、スイッチ８１としては、リレースイッチ、スイッチングトランジスタ等、デューティ制御による応答性に対応できるものであれば、適宜のスイッチを用いることができる。

一対のピストン３３Ａ、３４Ａによる１サイクルあたりの発電態様は、一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対する相対位置を変更する必要のないときは、互いに等しくされる。

これに対して、上記相対位置を変更するときは、一対のピストン３３Ａと３４Ａとの間で発電態様が変更される。すなわち、例えば図６に示すよう、一方のピストン３３Ａによる発電は、図６（ａ）に示すように、１サイクルの全期間に渡って平均的に実行される。この一方、他方のピストン３４Ａによる発電は、図６（ｂ）に示すように、１サイクルの前期にのみ集中して実行される。ただし、実施形態では、各ピストン３３Ａと３４Ａとによる１サイクルあたりの発電総量は互いに等しく設定されているが、発電総量を違いに相違させることもできる。これにより、ピストン３４Ａの速度が燃焼初期時から急激に低下される一方、ピストン３３Ａの速度はゆっくりと低下される。そして、一対のピストン３３Ａ、３４Ａが燃焼室３５Ａを構成するようにもっとも近接した状態では、各ピストン３３Ａ、３４Ａは、シリンダハウジング３１に対して、一方のピストン３４Ａ側に相対変位された状態とされる。なお、互いに機械的に連結されたピストン３３Ａと３４Ｂ（３４Ａと３３Ｂ）の発電態様が互いに同じになるように制御した方が、互いに機械的に連結されたピストン同士の減速度合が等しくなるため、連結部材５３Ａ、５３Ｂ、５４Ａ、５４Ｂおよび５５，５６にかかるピストンからの反力を低減する上で好ましいものとなる。

上述したように、本実施形態では、一対のピストン３３Ａと３４Ａ（３４Ｂと３４Ｂ）による発電態様を変更するという簡単な手法によって、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂ）のシリンダハウジング３１に対するシリンダ軸線方向での相対位置を変更することができる。また、デューティ制御によって、発電量を実質的に無段階に変更することが可能となる。勿論、シリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１とを一体に形成することができる他、モータ７１が不要になるので、全体として構造簡単化やコスト低減の上でも好ましいものとなる。

図７に本発明の第３の実施形態を示す。図７は、前記第２の実施形態に対応するもので、発電量を段階的に変更可能としたものである。すなわち、各発電機４３Ａ、４４Ａ、４３Ｂ、４４Ｂの発電用コイル（４５に相当）を、複数（実施形態では３個）のコイル４５ａ〜４５ｃの分割構成とし、かつ磁石（４６に相当）を複数の分割磁石４６ａ〜４６ｃの分割構成としてある。そして、各分割コイル４５ａ〜４５ｃの一端と整流器２０との間に、それぞれコントローラＵによって開閉制御されるスイッチ８２ａ、８２ｂあるいは８２ｃ（スイッチ８１に対応）を介在させるようにしてある。

各スイッチ８２ａ〜８２ｃをＯＮしておく態様を、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂと３４Ｂ）とで相違させることにより、１サイクルあたりの発電総量を互いに等しくしつつ、一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対するその軸線方向の相対位置を変更することが可能になる。例えば、一方のピストン３４Ａに対応したスイッチ８２ａ〜８２ｃについては、１サイクルの前期においてのみ全てＯＮする一方、他方のピストン３３Ａに対応するスイッチ８２ａ〜８２ｃについては、１サイクルの全期間について例えば２つのスイッチ８２ａと８２ｂとの２つのスイッチのみをＯＮにすることにより、一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対する相対位置が変更される。

図８は、本発明の第４の実施形態を示すものである。本実施形態では、一対のピストン３３Ａ、３４Ａ（３３Ｂ、３４Ｂについても同じ）の発電用コイル４５は、図５の場合と同様にそれぞれ１つのみ設ける一方、整流器（２０に相当）を、ピストン３３Ａ用の整流器２０ａとピストン３４Ａ用の整流器２０ｂとに別個に設けてある。そして、各発電用コイル４５の一端を整流器２０ａあるいは２０ｂに接続するのに、直接整流器２０ａあるいは２０ｂに接続すると共に、これと並列に、コントローラＵによって開閉制御されるスイッチ８３ａあるいは８３ｂ（スイッチ８１に対応）および電気的負荷としてのキャパシタ８４を介しても接続するようにしてある。本実施形態では、スイッチ８３ａは一方のピストン３３Ａ用であり、スイッチ８３ｂは他方のピストン３４Ａ用である。

各スイッチ８３ａと８３ｂとのうち、いずれか一方をＯＮすると共に、他方をＯＦＦすることにより、ＯＮされた側のスイッチに対応したピストンの発電負荷が、他方のピストンの発電負荷に対して増大されることになる。勿論、両方のスイッチ８３ａと８３ｂとを共にＯＮ（または共にＯＦＦ）しておくことにより、一対のピストン３３Ａと３４Ａとにおける発電負荷が共に等しくされる。一対のピストン３３Ａと３４Ａとのシリンダハウジング３１に対する相対位置を変更する際には、上述したスイッチ８３ａと８３ｂとのＯＮ、ＯＦＦの制御によって行うことができる。すなわち、スイッチ８３ａと８３ｂとをＯＮするタイミングを１サイクルあたりで変更することにより、１サイクルあたりの発電総量を一対のピストン３３Ａと３４Ａとで互いに等しく設定しつつ、一対のピストン３３Ａ、３４Ａのシリンダハウジング３１に対する相対位置を、当初に発電負荷が大きくされたピストン寄りの位置に変更することができる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。フリーピストンエンジン１１は、１つのエンジン３０Ａのみ（あるいは３０Ｂのみ）でもよく（単気筒）、あるいは３組以上（３気筒以上）であってもよい。ピストンを図２に示すような一対構造として採択しない場合は、例えば、ピストンを圧縮方向に変位させるための力を、別途設けたリターンスプリングによって得るようにしてもよい。

発電機１２（４３Ａ〜４４Ｂ）は、リニア式に限らず、回転式であってもよい（例えば、ピストンの往復運動をラックアンドピニオン機構によって正逆回転運動に変換して、回転式発電機を正逆回転させることによって発電させるようにする）。フリーピストンエンジンは、火花点火式であってもよく、あるいは４サイクル式にする等、適宜の形式を採択することができる。シリンダハウジング３１を固定する一方（例えばベース部材６１にシリンダハウジング３１を固定）、一対のピストン３３Ａと３４Ａ（３３Ｂと３４Ｂ）とを、その相対距離が変更されないようにしてシリンダハウジング３１に対して変位させるようにしてもよい。例えば、図２の構造において、シリンダハウジング３１およびピストン保持用ハウジング４１をそれぞれベース部材６１に固定して、例えば連結部材５５と５６とをそれぞれシリンダ軸線方向に同一距離だけ変位させるようにしてもよい。シリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１との相対距離の変更は、モータ７１に限らず、油圧式アクチュエータによって行うようにしてもよい。
シリンダハウジング３１とピストン保持用ハウジング４１との相対距離の変更は、位置センサ７５を利用して制御する場合に限らず、例えば、エンジンの同じ運転状態（例えば同じ燃料噴射量であったり、同じ要求発電量である状態）が所定期間継続した時点で相対距離を変更させる等、適宜の条件設定を行うことができる。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

フリーピストンエンジンを自動車の走行用モータへの給電用として利用した場合の実施形態を示す全体系統図。 本発明によるフリーピストンエンジンの一例を示す側面断面図。 シリンダボア内面に段差が形成される状況を説明する要部側面断面図。 本発明の制御例を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態を示すもので、発電用コイル部分の回路図。 図５に示すスイッチの制御例を示すタイムチャート。 本発明の第３の実施形態を示すもので、図５に対応した回路図。 本発明の第４の実施形態を示すもので、図５に対応した回路図。

符号の説明

１０：発電ユニット
１１：フリーピストンエンジン
１２：発電機
２０：整流器
２０ａ、２０ｂ：整流器（図８）
３０Ａ：第１エンジン
３０Ｂ：第２エンジン
３１：シリンダハウジング
３２Ａ：第１シリンダボア
３２Ｂ：第２シリンダボア
３３Ａ、３４Ａ：ピストン
３３Ｂ、３４Ｂ：ピストン
３５Ａ、３５Ｂ：燃焼室
３８：ピストンリング
４１：ピストン保持用ハウジング
４５：発電用コイル
４６：永久磁石
４５ａ〜４５ｃ：分割コイル（図７）
６１：ベース部材
６３：スライダ
７１：モータ
７２：ピニオン
７３：ラック
７５：位置センサ
８１：スイッチ
８２ａ〜８２ｃ：スイッチ（図７）
８３ａ、８３ｂ：スイッチ（図８）
８４：キャパシタ（図８）
Ｕ：コントローラ

Claims (9)

1. シリンダハウジングに形成されたシリンダボア内に互いに直列に一対のピストンを摺動自在に嵌合して、該一対のピストンの間に燃焼室を構成してなるフリーピストンエンジンにおいて、
   前記燃焼室を構成する際の前記一対のピストン間の距離を一定に保持したまま、該一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置関係を変更する位置変更手段を備えている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
2. 請求項１において、
   前記シリンダハウジングとは別個独立して、前記ピストンを保持するピストン保持用ハウジングを備え、
   前記位置変更手段が、シリンダ軸線方向における前記シリンダハウジングとピストン保持用ハウジングとの距離を変化させるものとして構成されている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
3. 請求項１において、
   前記位置変更手段が、前記シリンダハウジングとピストン保持用ハウジングとの距離を変更するためのモータを備えている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   前記位置変更手段は、圧縮比が所定期間不変のときに作動される、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
5. シリンダハウジングに形成されたシリンダボア内に互いに直列に一対のピストンを摺動自在に嵌合して、該一対のピストンの間に燃焼室を構成してなるフリーピストンエンジンの制御方法において、
   前記燃焼室を構成する際の前記一対のピストン間の距離を一定に保持しつつ運転を行う第１工程と、
   前記第１工程中に、前記一対のピストンの前記シリンダハウジングに対するシリンダ軸線方向の相対位置関係を変更する第２工程と、
   を備えていることを特徴とするフリーピストンエンジンの制御方法。
6. 請求項５において、
   前記一対のピストンによってそれぞれ発電を行うようにされ、
   前記第１工程においては、前記一対のピストンによる発電総量が互いに等しくされる、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御方法。
7. 請求項６において、
   前記第２工程においては、前記一対のピストンによる発電態様が互いに相違される、ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御方法。
8. 請求項６において、
   前記第２工程においては、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電を実行する時期が相違される、ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御方法。
9. 請求項６において、
   前記第２工程においては、前記一対のピストン間において、１サイクル中での発電負荷を相違させる、ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御方法。

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