JP2008223628A - フリーピストンエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な制御によって圧縮比を所望の値に設定できるようにする。
【解決手段】フリーピストンエンジン１１が、シリンダ３１，３２と、シリンダ３１，３２内に往復動可能に嵌合されると共にシリンダ３１，３２内の燃焼圧力を受けるピストン４１，４２とを有する。発電機１２が、ピストン４１、４２の機械的変位に応じて変位される永久磁石４と、永久磁石４５の周囲に配設された発電用コイル４６とを有する。ピストン速度センサＳ５によって検出手段されるピストン４１，４２の速度ＶＰが所定速度ＶＣ以下になったときに、発電機１２の発電が停止される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、フリーピストンエンジンの制御装置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２には、熱効率向上の観点から、シリンダ内の容積変化をみながら等圧膨張となるように発電機の磁界制御を行うことが開示されている。
特開２００５−１５５３４５号公報 特開２００３−３４３２０２号公報

ところで、フリーピストンエンジンにおいては、いかに圧縮比を所定のものとして確保するかが重要となる。すなわち、フリーピストンエンジンにおいては、そのストローク端を機械的に規制するクランク軸やコンロッドのような部材が存在しないため、圧縮比が一律に決定され難いものとなり、例えば発電負荷の相違や燃焼圧力の相違等によって圧縮比がかなり変動されることになる。この一方、熱効率向上や運転環境の相違等の種々の観点から、圧縮比をある一定値として設定したりあるいは可変制御することが要求されることもある。

フリーピストンエンジンにおいて、圧縮比を所望の大きさとするのに、前述の特許文献２に記載のように、発電機の磁界制御を利用すること、つまり発電負荷を微妙に変更制御することが考えられる。しかしながら、この場合は、相当に複雑な磁界制御が要求されることになり、しかもピストン速度が大きくなると磁界制御が十分に追従しきれないことにもなりかねない。とりわけ、フリーピストンエンジンによって発電されたエネルギを、自動車を駆動するためのモータ駆動用として用いた場合は、相当に大きなピストン速度が要求されることになるので、磁界制御によって圧縮比を所望の値に設定することが非常に難しいものとなる。

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、簡単な制御によって圧縮比を所望の値に設定できるようにしたフリーピストンエンジンの制御装置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、
シリンダと、該シリンダ内に往復動可能に嵌合されると共に該シリンダ内の燃焼圧力を受けるピストンと、を備えたフリーピストンエンジンの制御装置において、
前記ピストンの機械的変位に応じて変位される永久磁石および該永久磁石の周囲に配設された発電用コイルを有する発電機と、
前記ピストンの速度に関連した値を検出するピストン速度検出手段と、
前記ピストン速度検出手段によって検出手段されるピストン速度が所定速度以下になったときに、前記発電機による発電を停止させる発電停止手段と、
を備えているようにしてある。

上記解決手法によれば、ピストンが往復動されることにより、ピストンと機械的に連動された永久磁石が変位されて、発電用コイルから発電電力が取り出されることになる。そして、ピストン速度が所定速度以下にまで低下した時点で発電が停止されて、発電停止後のピストンの有する運動エネルギによって圧縮が行われることになる。ピストンの運動エネルギは、ピストン速度をＶ、ピストン質量をＭとすると、「Ｍ・Ｖ・Ｖ・／２」であらわされる。ピストン質量Ｍは常に一定値であるので、ピストン速度Ｖに関連した値となる発電停止時のピストン所定速度を変更することによって、圧縮のためのピストンの運動エネルギが変更されることになる。換言すれば、上記所定速度をパラメータとして発電停止の制御を実行することによって、圧縮比を所望の大きさにすることができる。そして、所望の圧縮比を得るには、発電を停止するときのピストン速度をみておけばよいので、制御も非常に簡単となり、しかもピストン速度が大きくても容易に対応できるものである。

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以下に記載のとおりである。すなわち、
前記発電機によって充電されるバッテリを備え、
前記発電機による発電電圧が前記バッテリの電圧よりも大きくなるように前記所定速度が設定されている、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、発電機による発電を行っているときは、ピストン速度が所定速度よりも大きくなって、発電電圧がバッテリ電圧よりも大きくなる。これにより、別途昇圧器を用いることなく、発電機からの発電電力をバッテリに充電することが可能となる。

フリーピストンエンジンの失火に関する値を検出する失火検出手段と、
前記失火検出手段によって失火が検出されたときに、前記所定速度が大きくなるように補正する補正手段と、
をさらに備えているようにしてある（請求項３対応）。この場合、失火が生じたときは、所定速度を大きな値に補正することにより圧縮比が大きくされ、以後の失火を防止することができる。

フリーピストンエンジンのノッキングに関する値を検出するノッキング検出手段と、
前記ノッキング検出手段によってノッキングが検出されたときに、前記所定速度が小さくなるように補正する補正手段と、
をさらに備えているようにしてある（請求項４対応）。この場合、ノッキングが生じたときは、所定速度を小さな値に補正することにより圧縮比が小さくされ、以後のノッキングを防止することができる。

本発明によれば、簡単な制御によって圧縮比を所望の値に設定できる。

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。この図２において、フリーピストンエンジン１１は、両端がそれぞれ閉じられた円筒状部材によって構成されたシリンダ部材３０を有する。シリンダ部材３０は、その一端部側に第１シリンダ３１が構成される一方、その他端部側に第２シリンダ３２が構成されている。第１シリンダ３１内には第１ピストン４１が摺動自在に嵌合され、第２シリンダ３２内には第２ピストン４２が摺動自在に嵌合されている。各ピストン４１と４２とは、連結ロッド４３によって連結されて互いに一体化されている。

第１シリンダ３１と第１ピストン４１とによって第１燃焼室５１が画成され、第２シリンダ３２と第２ピストン４２とによって第２燃焼室５２が画成されている。フリーピストンエンジン１１は、実施形態では、自己着火式の２サイクルエンジンとされて、圧縮、膨張、排気、掃気のサイクルが繰り返されるようになっている。第１ピストン４１と第２ピストン４２とは、互いに行程が相違されて、一方のピストンが膨張行程末期にあるとき、他方のピストンが圧縮行程末期となるように設定される。これにより、一対のピストン４１、４２と連結ロッド４３との連結ユニットＵＴは、互いに一体となって、シリンダ部材３０の軸線方向に往復動されることになる。なお、図２は簡略表示のため、吸気ポート、排気ポート、掃気ポート等は図示を略してある。

前記連結ロッド４３には、質量対となる磁石保持体４４が一体形成されている。この磁石保持体４４には、連結ロッド４３の軸線方向に沿って多数の永久磁石４５が固定されている。この永久磁石４５に対応して、シリンダ３０の外部には、３相交流用となる発電用コイル４６が固定配置されている。これにより、発電用コイル４６に磁界を与えた状態で、連結ユニットＵＴが往復動されると、永久磁石４５が発電用コイル４６の直近を移動して磁界の変化が生じて、発電用コイル４６に誘導起電力が発生される（発電電力の発生）。このように、実施形態では、永久磁石４５と発電用コイル４６とで共同して、リニア式の発電機１２が構成されている。

図３は、燃料噴射の制御と発電制御とを行うための制御系統をブロック図的に示すものである。この図３において、Ｕ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）である。このコントローラＵには、各種センサＳ１〜Ｓ６からの信号が入力される。そして、コントローラＵは、上記各種センサＳ１〜Ｓ６からの入力信号に基づいて、燃料噴射弁５１からの燃料噴射制御と，発電機１２の発電制御とを行う。

上記センサＳ１は、車速を検出する車速センサである。センサＳ２は、アクセル開度を検出するアクセル開度センサである。センサＳ３は、ノッキング（のレベル）を検出するノッキングセンサである。センサＳ４は、失火を検出する失火センサである。センサＳ５は、ピストン速度度を検出するピストン速度センサである。センサＳ６は、ピストン位置を検出するピストン位置センサである。

上記ノッキングセンサＳ３は、ノッキングに関する値を検出する適宜のものを用いることができる。失火センサＳ４は、例えば燃焼によって発生するイオンの発生態様に応じた信号を出力するセンサ等、失火に関する値を検出する適宜のものを用いることができる。ピストン速度センサＳ５は、ユニット体ＵＴの速度に関する適宜の値を検出するものとすることができ、例えば、もっとも精度よく検出できるセンサとしてリニアエンコーダを用いることができ、この他、発電電圧の大きさ（永久磁石４５の移動速度に応じて変化する磁界の変化速度に相当）や、発電された交流電圧の相の変化をみることによってピストン速度を間接的に検出するものであってもよい。

発電機１２による発電は、ピストン速度（連結ユニット体ＵＴの速度）が所定速度よりも大きい状態のときにのみ実行され、所定速度以下では発電が停止される。ピストン速度が所定速度以下となったときに発電を停止した場合において、ピストン速度が変化する一例が示され図４に示され、この図４に示すような態様でピストン速度を変化させたときの発電電圧の変化態様が図５に示される。この図５において、ＢＶで示す電圧値がバッテリ２２の電圧値（出力電圧値）に相当しており、上記所定速度は、発電機１２での発電電圧がＢＶよりも大きくなるような範囲でもって設定される。

上述のように、発電を停止するときの所定速度が、バッテリ電圧よりも大きくなる範囲に設定されることから、発電機１２で発電を実行している限り、発電機１２での発電電圧はバッテリ電圧よりも大きい状態となる。これにより、別途電圧昇圧器を用いることなく、発電機１２での発電電力をバッテリ２２への充電用として供給することが可能となる。なお、発電電圧の波形は、ほぼ矩形波状となる。

図６は、燃焼室５１，５２に供給される混合気の空気過剰率λを２の一定値に設定し、発電機負荷Ｇ（Ｎ／（ｍ／ｓ））を２０００の一定値に設定した状態で、発電を停止するときの所定速度ＶＣを変化させたときのピストン移動量（移動位置）とピストン速度と圧縮比との関係を示すものである。この図６において、ピストン移動量は、連結ユニットＵＴの移動量として示してあり、ピストン速度が０の位置を境にして、上側部分が、一方の燃焼室（例えば燃焼室５１）での燃焼圧力を受けて往動する様子を示し、下側部分が他方の燃焼室（例えば燃焼室５２）での燃焼圧力を受けて復動するときの様子を示す。また、実線が発電を停止する所定速度ＶＣを８．０ｍ／ｓに設定したときを示し、破線が所定速度ＶＣを７．０ｍ／ｓに設定したときを示し、一点鎖線が所定速度ＶＣを６．０ｍ／ｓに設定したときを示す。

図６において、ピストン移動量が、０ｍｍの位置が一方の圧縮ストローク端位置となり、１４０ｍｍの位置が他方側の圧縮ストローク端位置となる。したがって、ピストン速度が０のときに、ピストン移動量０ｍｍ（あるいは１４０ｍｍ）の位置から離れているほど、圧縮比が小さくなる。そして、発電停止となる所定速度ＶＣが大きくなるほど、もっぱら圧縮のために用いられるユニット体ＵＴの運動エネルギが大きくなって圧縮比が大きくなる、ということが理解される。

図７は、図６に対応した図であるが、発電停止となる所定速度ＶＣを一定値である７．０ｍ／ｓに設定した場合に、空気過剰率λと発電機負荷Ｇとを変化させたときの状態を示してある。すなわち、実線がλ＝５、発電機負荷Ｇ＝２５００の場合を示し、一点鎖線がλ＝５、発電機負荷Ｇ＝２０００の場合を示し、破線がλ＝２、発電機負荷Ｇ＝２５００の場合を示し、二点鎖線がλ＝２、発電機負荷Ｇ＝２０００の場合を示してある。この図７から明らかなように、発電停止する所定速度ＶＣが一定値であれば、空気過剰率λの変化や発電負荷Ｇの変化にかかわらず、圧縮比が一定になることが理解される。

次に、ピストン速度度が所定速度ＶＣ以下になったときに発電停止（発電カット）を行うための制御例について、燃料噴射の制御と共に、図８、図９のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。

メインのフローチャートとなる図８において、まず、Ｑ１において、各種センサ等のからの信号が入力された後、Ｑ２において、発電要求量が決定される。この発電要求量は、例えば、車速とアクセル開度とに基づいて決定することができる。この後、Ｑ３において、発電要求量に応じた燃料噴射量が決定された後、Ｑ４において、燃料噴射が実行される（吸気ポート噴射であるので、噴射タイミングの設定の自由度が高いものとなり、かつ燃焼室５１，５２では均一燃焼とされる）。

前記Ｑ４の後、Ｑ５において、ノッキングセンサＳ３からの出力に基づいて、今回の燃焼がノッキングぎみであるか否かが判別される。このＱ５の判別でＹＥＳのときは、発電停止するときの所定速度ＶＣが、現在値よりも小さい値に補正される。この補正の度合は、ノッキングのレベルが高いほど大きくされる。

前記Ｑ５の判別でＮＯのときは、Ｑ６において、失火センサＳ４からの出力に基づいて、今回の燃焼が失火ぎみであるか否かが判別される。このＱ６の判別でＹＥＳのときは、Ｑ８において、発電停止するときの所定速度ＶＣが、現在値よりも大きい値に補正される。この補正の度合は、失火のレベルが高いほど大きくされる。

前記Ｑ６の判別でＮＯのときは、現在の所定速度ＶＣであってもノッキングや失火が生じていないときであり、このときは、Ｑ９において、現在の所定速度ＶＣがそのまま維持される。前記Ｑ７、Ｑ８あるいはＱ９の後は、それぞれ、Ｑ１０に移行して、設定された所定速度ＶＣに記憶（更新）される。このＱ１０での処理は、例えば、基本的に要求圧縮比と発電停止となる所定速度ＶＣとの対応関係を示すマップへの記憶値の更新となり、Ｑ８，やＱ９での補正は、このマップ値の補正となる。

図９のフローチャートは、図８のフローチャートに対して所定時間毎に割り込み処理されるもので、まずＱ２１において、各種センサからの信号が読み込まれる。この後、Ｑ２２において、要求圧縮比が決定される。すなわち、例えば、現在のフリーピストンエンジン１１の運転状態（例えば、燃料噴射量およびピストン速度）に基づいて空気過剰率λを決定して（例えばλ＝２〜５の範囲で決定）、この決定された空気過剰率λに基づいて要求圧縮比が決定される（例えばマップによる照合）。

前記Ｑ２２の後、Ｑ２３において、要求圧縮比に基づいて、発電停止するときの所定速度ＶＣが決定される。この所定速度ＶＣの決定は、前述したＱ１０で説明したマップに照合することによって行われる（Ｑ７，Ｑ８での補正が行われている場合あり）。

前記Ｑ２３の後、Ｓ２４において、ピストン速度センサＳ５で検出された実際のピストン速度ＶＰが、Ｑ２３で設定された所定速度ＶＣ以下であるか否かが判別される。このＱ２４のＮＯのときは、Ｑ２５において、発電をそのまま継続して実行させる処理を行った後、Ｑ２４に戻る。Ｑ２４の判別でＹＥＳのときは、Ｑ２６において、発電が停止される。

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。ピストンは、互いに一体化された一対構造の場合に限らず、１つのみであってもよく、あるいは図２に示す構造のものを複数段並置したものであってもよい。例えば、図２に示す構造のものを３段並置して（ピストンつまり燃焼室の数は合計で６個）、１つの燃焼室の排気量を３３０ｃｃとした場合には、総排気量１９８０ｃｃのフリーピストンエンジンが得られることになる。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付勢するリターンスプリングを別途設けるようにすればよい（所定速度ＶＣで発電停止された時点でのピストン運動エネルギでもって、リターンスプリングに対して次の圧縮のためのエネルギを蓄積させる）。

永久磁石４５は、ユニット体ＵＴつまりピストン５１，５２に対して一体に設けることなく、例えば、ピストン５１，５２に対して歯車等を介して連動された磁石保持体を設けて、この磁石保持体に永久磁石４５を保持させるようにすればよい。特に、歯車を介して永久磁石をピストンと連動させる場合、ピストンの往復動に応じて永久磁石（磁石保持体）が正逆回転されるように構成することもでき、この場合は、発電機１２としてはより発電効率の高い回転式のものを用いることができる。フリーピストンエンジンは、自動車用に限らず、定置式の発電用等に用いる等、その仕様範囲は限定されないものである。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。要求圧縮比は、可変とすることなく基本的に一定値のままとしもよく、また一定値とする場合には、大気圧や吸気温度等の運転環境の相違に応じて要求圧縮比を補正することもできる。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一部断面平面図。 本発明の制御系統をブロック図的に示す図。 ピストン速度が所定速度以下となったときに発電停止する場合に、ピストン速度が変化する様子を示すタイムチャート。 図４のピストン速度の変化よって生じた発電電圧の変化の様子を示すタイムチャート。 空気過剰率λと発電機負荷Ｇとを一定値として、発電停止するときの所定速度ＶＣを変化させたときのピストン移動量と圧縮比とピストン速度とを示す特性図。 発電停止するときの所定速度ＶＣを一定値として、空気過剰率λと発電機負荷Ｇとを変化させたときのピストン移動量と圧縮比とピストン速度とを示す特性図。 本発明の制御例を示すフローチャート。 本発明の制御例を示すフローチャート。

１０：発電ユニット
１１：フリーピストンエンジン
１２：発電機
２２：バッテリ
３０シリンダ部材
３１：第１シリンダ
３２：第２シリンダ
４１：第１ピストン
４２：第２ピストン
４３：連結ロッド
４４：磁石保持体
４５：永久磁石
４６：発電用コイル
５１：第１燃焼室
５２：第２燃焼室
Ｕ：コントローラ
Ｓ３：ノッキングセンサ
Ｓ４：失火センサ
Ｓ５：ピストン速度センサ

Claims (4)

1. シリンダと、該シリンダ内に往復動可能に嵌合されると共に該シリンダ内の燃焼圧力を受けるピストンと、を備えたフリーピストンエンジンの制御装置において、
   前記ピストンの機械的変位に応じて変位される永久磁石および該永久磁石の周囲に配設された発電用コイルを有する発電機と、
   前記ピストンの速度に関連した値を検出するピストン速度検出手段と、
   前記ピストン速度検出手段によって検出手段されるピストン速度が所定速度以下になったときに、前記発電機による発電を停止させる発電停止手段と、
   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装置。
2. 請求項１において、
   前記発電機によって充電されるバッテリを備え、
   前記発電機による発電電圧が前記バッテリの電圧よりも大きくなるように前記所定速度が設定されている、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジンの制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   フリーピストンエンジンの失火に関する値を検出する失火検出手段と、
   前記失火検出手段によって失火が検出されたときに、前記所定速度が大きくなるように補正する補正手段と、
   をさらに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装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   フリーピストンエンジンのノッキングに関する値を検出するノッキング検出手段と、
   前記ノッキング検出手段によってノッキングが検出されたときに、前記所定速度が小さくなるように補正する補正手段と、
   をさらに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装置。

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