(57)【要約】  【課題】ピストンの往復動を利用して発電を行う場合に、より効率的に発電できるようにする。  【解決手段】フリーピストンエンジンが、例えば一対のシリンダ３１，３２と、シリンダ内に摺動自在に嵌合された一対のピストン４１，４２を有する。ピストン４１，４２の往復動が、隣合う互いに平行な一対の軸線上において行われる。ピストン４１、４２にはラック６１、６２がその往復動方向に伸ばして一体化される。ラック６１と６２との間に、シャフト６５が配設される。シャフト６５に一体化されたピニオン６６が、上記ラック６１，６２に噛合されて、一方のピストン４１が膨張行程にあるときに正転され、他方のピストン４２が膨張行程にあるときに逆転される。ピストン４１，４２の往復動に応じて正逆回転されるシャフト６５によって、回転式の発電機１２が駆動されて発電が行われる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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において、
前記シリンダの外部において回動可能に配設されたシャフトと、
前記ピストンの往復動に応じて該シャフトが正逆回転されるように該ピストンとシャフトとを機械的に連動させる連動機構と、
前記シャフトに連結され、該シャフトの正逆回転に伴って発電を行う回転式の発電機と、
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。
【請求項２】
請求項１において、
前記連動機構が、前記ピストンの往復動によって往復動されるラックと、該ラックに噛合されると共に前記シャフトと連動されたピニオンとを有している、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
【請求項３】
請求項２において、
前記シリンダおよびピストンが一対設けられて、該一対のシリンダが互いに平行な別々の軸線上に位置するように左右に並設され、
前記シャフトが、前記一対のシリンダの各軸線間に位置するように配設され、
前記一対のピストンから伸びる各ラックが、前記シャフトに取付けられた前記ピニオンをその径方向から挟むようにして該ラックに噛合され、
前記一対のピストンの行程が互いに異なるように設定されて、一方のピストンの膨張行程時に前記シャフトが正転されると共に他方のピストンの膨張行程時に該シャフトが逆転される、
ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
【請求項４】
請求項２において、
同一直線上において前記シリンダおよびピストンがそれぞれ一対設けられ、
前記一対のピストンが連結ロッドを介して互いに一体化されて、該連結ロッドに前記ラックが形成され、
前記一対のピストンの行程が互いに異なるように設定されて、一方のピストンの膨張行程時に前記シャフトが正転されると共に他方のピストンの膨張行程時に該シャフトが逆転される、
ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
前記シリンダに、吸気弁および排気弁が設けられ、
それぞれ前記シャフトの正逆回転によって正逆回転される前記吸気弁用の駆動カムおよび排気弁用の駆動カムが設けられている、
ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
【請求項６】
請求項５において、
前記各駆動カムが、前記シャフトに一体的に設けられている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストンエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、互いに一体化された左右一対のピストンを行程をずらして運転することにより、左右一対のピストンが一体となって往復動されるようにし、この左右一対のピストンを連結している連結ロッドに、リニア発電機用の永久磁石を保持させたものが開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１５５３４５号公報
【特許文献２】特開２００３−３４３２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、フリーピストンエンジンにおいては、前述の特許文献１、特許文献２に開示のように、往復動されるピストンを利用して、燃焼ガスの有する熱エネルギを一旦ピストンの往復動という機械的エンジンに変換した後、最終的に電気エネルギとして取り出すことが多くなっている。そして、発電機は、ピストンの往復動に応じて発電するように、リニア式とされるのが通常である。しかしながら、リニア式の発電機は、回転式の発電機に比して発電効率が悪いものとなる。
【０００４】
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、ピストンの往復動を利用して発電を行う場合に、より効率的に発電を行えるようにしたフリーピストンエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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において、
前記シリンダの外部において回動可能に配設されたシャフトと、
前記ピストンの往復動に応じて該シャフトが正逆回転されるように該ピストンとシャフトとを機械的に連動させる連動機構と、
前記シャフトに連結され、該シャフトの正逆回転に伴って発電を行う回転式の発電機と、
を備えているようにしてある。
【０００６】
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シャフトが正逆回転されて、発電機によって発電されることになる。この場合、発電機は回転式であるため、リニア式発電機に比して、発電効率の優れたものとなりしかも同じ発電量を得るものであればより安価なものを使用ることができる。また、発電機は、高熱となり易いシリンダの外部に配設することが可能となって高熱の影響を受けにくくなり、より高い発電効率を確保する上でも好ましいものとなる。
【０００７】
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、
前記連動機構が、前記ピストンの往復動によって往復動されるラックと、該ラックに噛合されると共に前記シャフトと連動されたピニオンとを有している、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、ラックとピニオンという簡単な構成を利用して、ピストンの往復動をシャフトの正逆回転に変換することができる。
【０００８】
前記シリンダおよびピストンが一対設けられて、該一対のシリンダが互いに平行な別々の軸線上に位置するように左右に並設され、
前記シャフトが、前記一対のシリンダの各軸線間に位置するように配設され、
前記一対のピストンから伸びる各ラックが、前記シャフトに取付けられた前記ピニオンをその径方向から挟むようにして該ラックに噛合され、
前記一対のピストンの行程が互いに異なるように設定されて、一方のピストンの膨張行程時に前記シャフトが正転されると共に他方のピストンの膨張行程時に該シャフトが逆転される、
ようにしてある（請求項３対応）。この場合、一対のシリンダとピストンとを左右に並設するという配置によって、エンジン全体として、一方のピストンの軸線方向に長くなってしまう事態を防止する上で好ましいものとなる。また、燃焼が行われるシリンダ回りはかなり複雑な機構となってメンテナンスの必要性の高い部分となるが、一対のシリンダ同士が隣合うことになるので、良好なメンテナンス性を確保する上でも好ましいものとなる。さらに、一方のピストンの有する爆発エネルギによって、他方のピストンでの圧縮作用を行わせることができ、ピストンに対して圧縮用（復帰用）のリターンスプリングを別途設ける必要もなくなる。
【０００９】
同一直線上において前記シリンダおよびピストンがそれぞれ一対設けられ、
前記一対のピストンが連結ロッドを介して互いに一体化されて、該連結ロッドに前記ラックが形成され、
前記一対のピストンの行程が互いに異なるように設定されて、一方のピストンの膨張行程時に前記シャフトが正転されると共に他方のピストンの膨張行程時に該シャフトが逆転される、
ようにしてある（請求項４対応）。この場合、ラックを各ピストン毎に設けることなく、１つのラックでもって一対のピストン共通用とすることができる。また、一方のピストンの有する爆発エネルギによって、他方のピストンでの圧縮作用を行わせることができ、ピストンに対して圧縮用（復帰用）のリターンスプリングを別途設ける必要もなくなる。
【００１０】
前記シリンダに、吸気弁および排気弁が設けられ、
それぞれ前記シャフトの正逆回転によって正逆回転される前記吸気弁用の駆動カムおよび排気弁用の駆動カムが設けられている、
ようにしてある（請求項５対応）。この場合、吸気弁と排気弁の各開閉タイミングを精度よくかつ簡単に行わせる上で好ましいものとなる。また、吸気弁および排気弁を電磁式に開閉する場合に比して、コストダウンを図ることができる。
【００１１】
前記各駆動カムが、前記シャフトに一体的に設けられている、ようにしてある（請求項６対応）。この場合、シャフトをカムシャフトとして有効に利用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、フリーピストンエンジンによってより効率よく発電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
１０は、後述するフリーピストンエンジンであり、ピストンやシリンダを含むエンジン本体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１０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。
【００１５】
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１０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１０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１０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１０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。
【００１６】
次に、フリーピストンエンジン１０について、図２、図３を参照しつつ説明する。まず、エンジン本体１は、ハウジング（ケーシング）Ｋを有し、このハウジングＫは、防振ゴム８６を介して車両のフレームに保持されている。ハウジングＫ内には、第１、第２の一対のシリンダ３１，３２が配設されている。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、同様に第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。各シリンダ３１と３２（各ピストン４１と４２）とは、左右に隣り合って配置、より具体的には互いに平行な上下方向に伸びる２つの軸線上に別々に位置するように設定されている（互いに同一軸線上に位置しないように設定されている）。
【００１７】
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。各燃焼室５１，５２には、それぞれ吸気弁５３、排気弁５４および燃料噴射弁５５が配設されて、４サイクルの燃焼が行わわれるようになっている（実施形態では自己着火式とされて、点火プラグは有しないものとなっている）。すなわち、吸気弁５３が開かれて燃焼室５１（５２）に吸気が供給された後、燃料噴射弁５５から燃料噴射が実行されて燃焼が行われ、その後排気弁が開かれて燃焼室５１（５２）内の排気ガスが外部へ排出されることになる。第１ピストン４１と第２ピストン４２とは、互いに行程が１８０度相違されて、一方のピストンが燃焼圧力を受けるとき（膨張行程にあるとき）、他方のピストンが圧縮行程とされる。このように、一方のピストンの有する爆発エネルギによって、他方のピストンの圧縮作用を行わせるので、各ピストン４１，４２に対して圧縮用のリターンスプリングを別途設ける必要がないものとなっている。
【００１８】
第１ピストン４１には、その軸線方向に伸ばして一対の第１ラック６１が一体化され、同様に第２ピストン４２には、その軸線方向に伸ばして一対の第２ラック６２が一体化されている。各ラック６１と６２との間には、シャフト６５が配設されている。このシャフト６５は、エンジン本体１１のハウジング（ケーシング）Ｋに回転可能に保持されている。各ピストン４１，４２に設けられた一対のラック６１，６２は、ピストン４１，４２の径方向に離れた位置となるように位置されている。
【００１９】
シャフト６５には、その軸線方向に小間隔をあけて一対のピニオン６６が一体的に取付けられている。そして、このピニオン６６に対して、第１ラック６１および第２ラック６２が噛合されている。すなわち、各ラック６１，６２によって、シャフト６５つまりピニオン６６が径方向から挟まれた形式でもって、各ラック６１，６２がピニオン６６に噛合されている。これにより、ピニオン６６の径方向一方側からのみラックが噛合される場合に比して、シャフト６５つまりピニオン６６に対して片持ち式に外力が大きく作用することが防止される。なお、各ピストン４１，４２に対して一対のラック（ピニオン）を設けたのは、ピストン４１，４２に対して作用するラックからの反力が片持ち式に作用しないようにする等のためであり、１つのピストンに対して１つのラック（ピニオン）のみを設けるようにしてもよい。このように、ラックアンドピニオン機構を利用して、ピストン４１，４２の往復動に応じて、シャフト６５が正逆回転されることになる。
【００２０】
シャフト６５には、前述した吸気弁５３用の駆動カム７１，および排気弁５４用のカム７２が一体的に設けられている。図３において、一対のピニオン６６を挟んで図中左方側のカム７１，７２が、一方のシリンダ３１（一方のピストン４１）用であり、図中右方側のカム７１，７２が他方のシリンダ３２（他方のピストン４２）用である。
【００２１】
一方のシリンダ３１における吸気弁５３に着目して、カム７１との機械的な連動関係について説明する。図３において、ハウジングＫには、シリンダ３１の上方位置においてロッカアームシャフト８１が保持され、このロッカアームシャフト８１に、ロッカアーム８２が揺動自在に保持されている。このロッカアーム８２の一端部が吸気弁５３と係合されて、吸気弁５３を開弁方向に押圧可能となっている。勿論、吸気弁５３は、図示を略すリターンスプリングによって、閉弁方向に常時付勢されている。
【００２２】
上記ロッカアーム８２の他端部には、上下方向に伸びるタペット８３の上端部が、回動可能に連結されている。このタペット８３の下端部は、吸気弁５３用の駆動カム７１に対して常時当接されている。これにより、ピストン４１，４２の往復動に応じてシャフト６５が正逆回転されると、カム７１も正逆回転されて、ロッカアーム８２がロッカアームシャフト８１を中心として揺動され、これにより、吸気弁５３が所定のタイミングで開閉されて、吸気、圧縮、膨張、排気という４サイクルでの各行程が行われることになる。
【００２３】
シリンダ３１における排気弁５４や、シリンダ３２における吸気弁５３，排気弁５４についても、シリンダ３１における吸気弁５３と同様に、ロッカアームやタペットを介して所定タイミングでもって開閉駆動されることになる。
【００２４】
シャフト６５には、発電機１２が直列に連結、配置されて、シャフト６５の一端部がは軸受８５を介してハウジングＫに対して回転可能に保持されると共に、シャフト６５の他端部は発電機１２を介してハウジングＫに保持されている。すなわち、発電機１２は、そのケーシングがハウジングＫに固定されて、発電機１２の入力軸１２ａが連結具８６によってシャフト６５に対して一体回転するように連結されている。発電機１２は、ロータおよび固定コイルを有する回転式とされて、発電機１２の入力軸１２ａが回転されることにより永久磁石を保持したロータが回転され、これによりロータの周囲に設けたコイルに誘導起電力が発生されて発電されることになる。このような回転式の発電機１２にあっては、同じ発電量を得るのであれば、リニア式発電機よりもより発電効率の高いものとなり、かつコストも安価になる。なお、発電機１２は、高熱となるシリンダ３１，３２の外部に位置されているので（特にシリンダ３１，３２から離れた位置に設置されているので）、より発電効率を高める上でも好ましいものとなっている。
【００２５】
図４は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前述の実施形態と同一構成要素には同一符合を付してその重複した説明は省略する。本実施形態では、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ピストン４１と第２ピストン４２とは、互いに行程が１８０度相違されて、一方のピストンが燃焼圧力を受けるとき（膨張行程にあるとき）、他方のピストンが圧縮行程とされる。これにより、一対のピストン４１、４２と連結ロッド４３とのユニット体は、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４では、吸気弁、排気弁等は図示を略してある。
【００２６】
上記連結ロッド４３にはラック６１Ａが一体化されている。このラック６１Ａは、前記実施形態における一対のラック６１，６２に相当するものである。一対のピストン４１と４２との間には、連結ロッド４３の付近において、シャフト６５が配設され、このシャフト６５に設けたピニオン６６が、上記ラック６１Ａに噛合されている。そして、図示を略すが、シャフト６５には発電機１２（の入力軸１２ａ）が連結されている。なお、シリンダ部材３０には、ピニオン６６との干渉そ避けるための切欠３０ａが形成されている。
【００２７】
本実施形態では、ピストン４１，４２の往復動に応じて、連結ロッド４３も往復動され、これに伴って、シャフト６５が正逆回転されて、回転式の発電機１２によって発電されることになる。本実施形態では、連結ロッド４３に設けた１つのラック６１Ａが、２つのピストン４１，４２との共通用のラックとされている。
【００２８】
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３において、シャフト６５の軸線方向に間隔をあけてピストン（シリンダ）を複数設置する構造で、シャフト６５は全てのピストン共通の１本とされる）。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。往復動されるピストンによって発電機１２が連結されたシャフトを正逆回転させるための機械的な連動機構は適宜の形式のものを採択できるが、歯車を利用したものが、精度よく連動させる上でかつ極力簡単な構成にする等の上で好ましいものとなる。発電機１２が連結されるシャフト６５とピストンとの連動機構中にチェーン等の巻掛け媒介節を介在させてもよく、この場合は、シャフト６５や発電機１２の配設位置の選択の自由度が高まることになる。
【００２９】
吸気弁５３，排気弁５４をシャフト６５によって開閉駆動する場合、カム７１，７２を直接シャフト６５に設けることなく、例えばシリンダ３１，３２の上部にカムシャフトを配設して、シャフト６５とカムシャフトとをチェーン等によって連動させるようにしてもよい（いわゆるオーバヘッドカムシャフト形式）。勿論、吸気弁５３，排気弁５４は、シャフト６５に対して機械的に連動されることなく、電磁式に駆動されるものであってもい。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２サイクル式（この場合は吸気弁および排気弁は不用となる）にする等、適宜の形式を採択することができる。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、その使用範囲は限定されないものである。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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】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。
【図２】本発明によるフリーピストンエンジンの一例を示す断面側面図。
【図３】図２のＸ３−Ｘ３線相当での全体断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示すもので、図２に対応した図。
【００３１】
１：モータ
２Ｒ、２Ｌ：駆動輪
１０：フリーピストンエンジン
１１：エンジン本体
１２：発電機
１２ａ：入力軸
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
５１：第１燃焼室
５２：第２燃焼室
５３：吸気弁
５４：排気弁
５５：燃料噴射弁
６１，６２：ラック（連動機構）
６１Ａ：ラック（連動機構）
６５：シャフト（正逆回転）
６６：ピニオン（連動機構）
７１：駆動用カム（吸気弁用）
７２：駆動用カム（排気弁用）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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