(57)【要約】【課題】圧縮エアの消費量を抑制できる空気エンジン及び発電システムを提供する。【解決手段】シリンダＳ１ａ、給気孔Ｈｉｎ１ａ及び排気孔Ｈｅｘ１ａが形成されたエンジンブロック５１と、シリンダＳ１ａ内を往復してクランクシャフト６４を回転させるピストンＰ１ａと、クランクシャフト６４の回転の変動を抑制するフライホイール５３ａ、５３ｂとを備えた空気エンジン１０において、シリンダＳ１ａの長手方向外側に配置され、補助シリンダＳ１b、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂ、及び補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂが形成された補助ブロック５２と、ピストンＰ１ａに連結され、シリンダＳ１ａの長手方向外側にエンジンブロック５１を貫通して補助ブロック５２の内部に延びる連結部材ＣＢ１と、補助シリンダＳ１ｂ内を往復し、連結部材ＣＢ１を介してピストンＰ１ａを往復させる補助ピストンＰ１ｂとを備える。【選択図】図２
2013100769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ、給気孔及び排気孔が形成されたエンジンブロックと、
前記給気孔を開閉して、前記シリンダに圧縮エアを供給するための給気バルブと、
前記排気孔を開閉して、前記シリンダ内のエアを負圧により排気するための排気バルブと、
前記シリンダ内を往復してクランクシャフトを回転させるピストンと、
前記クランクシャフトの回転の変動を抑制するフライホイールとを備えた空気エンジンにおいて、
前記シリンダの長手方向外側に配置され、補助シリンダ、補助シリンダ給気孔、及び補助シリンダ排気孔が形成された補助ブロックと、
前記補助シリンダ給気孔を開閉して、前記補助シリンダに圧縮エアを供給するための補助シリンダ給気バルブと、
前記補助シリンダ排気孔を開閉して、前記補助シリンダ内のエアを負圧により排気するための補助シリンダ排気バルブと、
前記ピストンに連結され、前記シリンダの長手方向外側に前記エンジンブロックを貫通して前記補助ブロックの内部に延びる連結部材と、
前記補助シリンダ内を往復し、前記連結部材を介して前記ピストンを往復させる補助ピストンとを備えたことを特徴とする空気エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の空気エンジンにおいて、
前記給気孔及び前記排気孔は、前記エンジンブロックの前記シリンダの上側に形成され、
前記排気孔の断面積は、前記給気孔の断面積よりも大きく、
前記補助シリンダ給気孔及び前記補助シリンダ排気孔は、前記補助ブロックの前記補助シリンダの上側に形成され、
前記補助シリンダ排気孔の断面積は、前記補助シリンダ給気孔の断面積よりも大きいことを特徴とする空気エンジン。
【請求項３】
請求項１記載の空気エンジンにおいて、
前記給気孔及び前記排気孔は、前記エンジンブロックの前記シリンダの下側に形成され、
前記給気孔の断面積は、前記排気孔の断面積よりも大きく、
前記補助シリンダ給気孔及び前記補助シリンダ排気孔は、前記補助ブロックの前記補助シリンダの下側に形成され、
前記補助シリンダ給気孔の断面積は、前記補助シリンダ排気孔の断面積よりも大きいことを特徴とする空気エンジン。
【請求項４】
原動機と、
前記原動機によって駆動されるコンプレッサと、
前記コンプレッサによって圧縮された圧縮エアを蓄える圧縮エアタンクと、
前記原動機によって駆動されるバキュームポンプと、
前記バキュームポンプによって内部が負圧に維持されるバキュームタンクと、
前記圧縮エアタンク及び前記バキュームタンクに接続された空気エンジンと、
前記空気エンジンによって駆動される発電機とを備えた発電システムにおいて、
前記空気エンジンは、シリンダ、給気孔、及び排気孔が形成されたエンジンブロックと、
前記給気孔を開閉して、前記シリンダに圧縮エアを供給するための給気バルブと、
前記排気孔を開閉して、前記シリンダ内のエアを負圧により排気するための排気バルブと、
前記シリンダ内を往復してクランクシャフトを回転させるピストンと、
前記クランクシャフトの回転の変動を抑制するフライホイールと、
前記シリンダの長手方向外側に配置され、補助シリンダ、補助シリンダ給気孔、及び補助シリンダ排気孔が形成された補助ブロックと、
前記補助シリンダ給気孔を開閉して、前記補助シリンダに圧縮エアを供給するための補助シリンダ給気バルブと、
前記補助シリンダ排気孔を開閉して、前記補助シリンダ内のエアを負圧により排気するための補助シリンダ排気バルブと、
前記ピストンに連結され、前記シリンダの長手方向外側に前記エンジンブロックを貫通して前記補助ブロックの内部に延びる連結部材と、
前記補助シリンダ内を往復し、前記連結部材を介して前記ピストンを往復させる補助ピストンとを備えたことを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気により作動する空気エンジン及び空気エンジンを備えた発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、圧縮空気を利用した発電装置が記載されている。この発電装置は、圧縮空気の膨張エネルギーを利用して駆動する２つの駆動シリンダと、クランク機構と、駆動シリンダへの給気と排気のタイミングを制御する動弁機構と、リニア発電部と、駆動シリンダに圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段を備え、圧縮空気の膨張エネルギーで駆動してリニア発電部において発電するものである。
【０００３】
また、特許文献２には、主として夜間の余剰電力を使用して駆動した圧縮機で圧縮空気として蓄積したエネルギーを利用して、昼間の電力需要時に膨張機を回転させ発電する圧縮空気によるエネルギー蓄熱利用装置が記載されている。このエネルギー蓄熱利用装置は、圧縮槽に高圧空気を送る圧縮動作と、その圧力槽内に蓄積された高圧空気を膨張する膨張動作とに併用自在な電動発電機連結の容積型の圧縮／膨張機の膨張動作時に発生する冷熱を蓄熱して、その圧縮動作時の冷却源に使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６９４８７号公報
【特許文献２】特開平３−１５６１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、空気エンジンを長時間駆動するために、圧縮エアの消費量を低減する必要がある。
本発明は、圧縮エアの消費量を低減できる空気エンジン及び発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る空気エンジンは、シリンダ、給気孔及び排気孔が形成されたエンジンブロックと、
前記給気孔を開閉して、前記シリンダに圧縮エアを供給するための給気バルブと、
前記排気孔を開閉して、前記シリンダ内のエアを負圧により排気するための排気バルブと、
前記シリンダ内を往復してクランクシャフトを回転させるピストンと、
前記クランクシャフトの回転の変動を抑制するフライホイールとを備えた空気エンジンにおいて、
前記シリンダの長手方向外側に配置され、補助シリンダ、補助シリンダ給気孔、及び補助シリンダ排気孔が形成された補助ブロックと、
前記補助シリンダ給気孔を開閉して、前記補助シリンダに圧縮エアを供給するための補助シリンダ給気バルブと、
前記補助シリンダ排気孔を開閉して、前記補助シリンダ内のエアを負圧により排気するための補助シリンダ排気バルブと、
前記ピストンに連結され、前記シリンダの長手方向外側に前記エンジンブロックを貫通して前記補助ブロックの内部に延びる連結部材と、
前記補助シリンダ内を往復し、前記連結部材を介して前記ピストンを往復させる補助ピストンとを備える。
【０００７】
第１の発明に係る空気エンジンにおいて、
前記給気孔及び前記排気孔は、前記エンジンブロックの前記シリンダの上側に形成され、
前記排気孔の断面積は、前記給気孔の断面積よりも大きく、
前記補助シリンダ給気孔及び前記補助シリンダ排気孔は、前記補助ブロックの前記補助シリンダの上側に形成され、
前記補助シリンダ排気孔の断面積は、前記補助シリンダ給気孔の断面積よりも大きいことが好ましい。
【０００８】
第１の発明に係る空気エンジンにおいて、
前記給気孔及び前記排気孔は、前記エンジンブロックの前記シリンダの下側に形成され、
前記給気孔の断面積は、前記排気孔の断面積よりも大きく、
前記補助シリンダ給気孔及び前記補助シリンダ排気孔は、前記補助ブロックの前記補助シリンダの下側に形成され、
前記補助シリンダ給気孔の断面積は、前記補助シリンダ排気孔の断面積よりも大きいことが好ましい。
【０００９】
前記目的に沿う第２の発明に係る発電システムは、原動機と、
前記原動機によって駆動されるコンプレッサと、
前記コンプレッサによって圧縮された圧縮エアを蓄える圧縮エアタンクと、
前記原動機によって駆動されるバキュームポンプと、
前記バキュームポンプによって内部が負圧に維持されるバキュームタンクと、
前記圧縮エアタンク及び前記バキュームタンクに接続された空気エンジンと、
前記空気エンジンによって駆動される発電機とを備えた発電システムにおいて、
前記空気エンジンは、シリンダ、給気孔、及び排気孔が形成されたエンジンブロックと、
前記給気孔を開閉して、前記シリンダに圧縮エアを供給するための給気バルブと、
前記排気孔を開閉して、前記シリンダ内のエアを負圧により排気するための排気バルブと、
前記シリンダ内を往復してクランクシャフトを回転させるピストンと、
前記クランクシャフトの回転の変動を抑制するフライホイールと、
前記シリンダの長手方向外側に配置され、補助シリンダ、補助シリンダ給気孔、及び補助シリンダ排気孔が形成された補助ブロックと、
前記補助シリンダ給気孔を開閉して、前記補助シリンダに圧縮エアを供給するための補助シリンダ給気バルブと、
前記補助シリンダ排気孔を開閉して、前記補助シリンダ内のエアを負圧により排気するための補助シリンダ排気バルブと、
前記ピストンに連結され、前記シリンダの長手方向外側に前記エンジンブロックを貫通して前記補助ブロックの内部に延びる連結部材と、
前記補助シリンダ内を往復し、前記連結部材を介して前記ピストンを往復させる補助ピストンとを備える。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１〜３記載の空気エンジンにおいては、補助ピストンを有しているので、圧縮エアの消費量を低減できる。
【００１１】
特に、請求項２、３記載の空気エンジンにおいては、出力トルクが向上する。
【００１２】
請求項４記載の発電システムにおいては、空気エンジンが補助ピストンを有しているので、圧縮エアの消費量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る空気エンジンを有する発電システムを示す構成図である。
【図２】同空気エンジンの構造図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｆ）は、同空気エンジンの動作を示す説明図である。
【図４】同空気エンジンの適用例を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る空気エンジンの構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る空気エンジン１０は、図１に示す発電システム２０に設けられている。
発電システム２０は、原動機２２と、コンプレッサ２４ａ、２４ｂと、圧縮エアタンク２６と、バキュームポンプ２８と、バキュームタンク３２と、空気エンジン１０と、発電機３４とを備えている。
【００１６】
原動機２２は、動力を発生することができる。原動機２２は、例えば風のエネルギーを機械エネルギーに変換する風力原動機である。ただし、原動機２２は、太陽光、地熱及び波力等の自然エネルギーを利用した原動機とすることもできる。また、原動機２２は、ガソリンエンジンとすることもできる。
【００１７】
コンプレッサ２４ａ、２４ｂは、それぞれ、エアを圧縮し、圧縮エアを生成できる。各コンプレッサ２４ａ、２４ｂは、それぞれ、減速機４２及びギア４４を介して原動機２２に接続され、原動機２２によって駆動される。なお、コンプレッサは２つ設けられることに限定されるものではなく、例えば１つのみ設けられていてもよい。また、コンプレッサは、減速機４２やギア４４を介さずに、直接原動機によって駆動されてもよい。
【００１８】
圧縮エアタンク２６は、コンプレッサ２４ａ、２４ｂにより圧縮された圧縮エアを蓄えることができる。圧縮エアタンク２６には、各空気エンジン１０に圧縮エアを供給するための圧縮エアラインＬＡが接続されている。
【００１９】
バキュームポンプ２８は、バキュームタンク３２の中のエアを吸引することができる。バキュームポンプ２８は、原動機２２に接続され、原動機２２によって駆動される。
【００２０】
バキュームタンク３２は、バキュームポンプ２８によってエアが吸引されるので、内部が負圧に維持される。バキュームタンク３２には、バキュームラインＬＶが接続されている。バキュームラインＬＶは、内部が負圧となっている。
【００２１】
空気エンジン１０は、圧縮エアタンク２６及びバキュームタンク３２からそれぞれ延びる圧縮エアラインＬＡ及びバキュームラインＬＶに接続され、圧縮エアタンク２６に蓄えられた圧縮エアによって作動するエンジンである。空気エンジン１０は、発電システム２０に複数設けられている。ただし、空気エンジン１０は、複数設けられることに限定されるものではなく、１つだけ設けられていてもよい。
【００２２】
発電機３４は、電力を生成することができる。発電機３４は、空気エンジン１０に接続され、空気エンジン１０によって駆動される。
【００２３】
このように、発電システム２０は、空気圧により空気エンジン１０を動作させて発電機３４を駆動できる。従って、発電システム２０は、例えば風が止んでいるなど、自然エネルギーを得られないために原動機２２を駆動できない場合や、電力需要のピーク時に電力消費を抑える必要がある場合に、圧縮エアタンク２６に蓄えた圧縮エア及びバキュームタンク３２のバキュームを用いて、バックアップ用の発電手段として適用できる。
なお、発電システム２０には、圧縮エアタンク２６に蓄えた圧縮エアが不足した場合に備え、コンプレッサ２４ａ、２４ｂを駆動するための小型ディーゼルエンジンを設けることもできる。また、バキュームタンク３２のバキューム圧が所定の圧力を維持できなくなった場合に備え、バキュームポンプ２８を駆動するための小型ディーゼルエンジンを設けることもできる。小型ディーゼルエンジンの燃料は、例えば天ぷら油等の廃油とすることが好ましい。
【００２４】
次に、空気エンジン１０について、詳細に説明する。
図２に示す空気エンジン１０は、例えば直列２気筒のエンジンである。空気エンジン１０は、燃料を燃焼しないので、有毒な排気ガスを放出することなく動力を発生できる。
空気エンジン１０は、エンジンブロック５１と、給気バルブＶｉｎ１ａ、Ｖｉｎ２ａと、排気バルブＶｅｘ１ａ、Ｖｅｘ２ａと、第１のピストンＰ１ａと、第２のピストンＰ２ａと、フライホイール５３ａ、５３ｂとを備えている。
【００２５】
エンジンブロック５１は、エンジン本体の骨格を構成する。エンジンブロック５１には、第１のシリンダＳ１ａ、第２のシリンダＳ２ａ、給気孔Ｈｉｎ１ａ、Ｈｉｎ２ａ、及び排気孔Ｈｅｘ１ａ、Ｈｅｘ２ａが形成されている。
給気孔Ｈｉｎ１ａ、Ｈｉｎ２ａには、それぞれ、圧縮エアタンク２６から延びる圧縮エアラインＬＡ（図１参照）が接続される。
排気孔Ｈｅｘ１ａ、Ｈｅｘ２ａには、それぞれ、バキュームタンク３２から延びるバキュームラインＬＶ（図１参照）が接続される。
給気孔Ｈｉｎ１ａ及び排気孔Ｈｅｘ１ａは、第１のシリンダＳ１ａの上側に形成されている。給気孔Ｈｉｎ２ａ及び排気孔Ｈｅｘ２ａは、第２のシリンダＳ２ａの上側に形成されている。
【００２６】
以下、各シリンダＳ１ａ、Ｓ２ａの部分は実質的に同一の構成であるので、第１のシリンダＳ１ａの部分を中心に説明する。
給気バルブＶｉｎ１ａは、給気孔Ｈｉｎ１ａに設けられ、給気孔Ｈｉｎ１ａを開閉できる。給気バルブＶｉｎ１ａが開くことによって、圧縮エアラインＬＡを介して第１のシリンダＳ１ａに圧縮エアが供給される。給気バルブＶｉｎ１ａの開度は、任意に設定できる。
給気バルブＶｉｎ１ａは、具体的には、例えば電磁的に動作するボールバルブである。
【００２７】
排気バルブＶｅｘ１ａは、排気孔Ｈｅｘ１ａに設けられ、排気孔Ｈｅｘ１ａを開閉できる。排気バルブＶｅｘ１ａが開くことによって、第１のシリンダＳ１ａ内のエアがバキュームラインＬＶの負圧により排気される。排気バルブＶｅｘ１ａの開度は、任意に設定できる。
排気バルブＶｅｘ１ａは、具体的には、例えば電磁的に動作するボールバルブである。
なお、給気バルブＶｉｎ１ａ及び排気バルブＶｅｘ１ａの開閉（開度）は、図示しない電子制御装置によって制御される。
【００２８】
第１のピストンＰ１ａは、圧縮エアの給排気により、第１のシリンダＳ１ａ内を往復できる。第１のピストンＰ１ａは、下部に連結されたコネクティングロッド６２を介して、クランクシャフト６４を回転させることができる。
なお、第１のピストンＰ１ａは、上から下に移動する場合よりも下から上に移動する場合の方が、負荷が大きくなるため、第１のシリンダＳ１ａ内部のエアを吸引しやすいように、排気孔Ｈｅｘ１ａの断面積が、給気孔Ｈｉｎ１ａの断面積よりも大きいことが好ましい。排気孔Ｈｅｘ１ａの断面積が、給気孔Ｈｉｎ１ａの断面積よりも大きいことにより、空気エンジン１０の出力トルクが向上する。
【００２９】
フライホイール５３ａ、５３ｂは、クランクシャフト６４の回転の変動を抑制できる。フライホイール５３ａ、５３ｂは、エンジンブロック５１の外側にて、クランクシャフト６４の一端側及び他端側にそれぞれ設けられている。
フライホイール５３ａ、５３ｂは、慣性モーメントを大きくするために、可能な限り、径を大きく、重くすることが好ましい。
各フライホイール５３ａ、５３ｂには、クランク角度を検出する第１のクランク角センサ６６ａ及び第２のクランク角センサ６６ｂが設けられている。
第１のクランク角センサ６６ａは、給気バルブＶｉｎ１ａの開閉タイミングを検出するためのセンサである。第２のクランク角センサ６６ｂは、排気バルブＶｅｘ１ａの開閉タイミングを検出するためのセンサである。
なお、フライホイールは１つだけ設けることもできる。また、クランク角センサは、給気バルブＶｉｎ１ａ及び排気バルブＶｅｘ１ａの開閉タイミングを検出することができれば、任意のセンサでよい。
【００３０】
空気エンジン１０は、更に、第１のシリンダＳ１ａに対応して、第１の補助ブロック５２と、補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂと、補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂと、連結部材ＣＢ１と、第１の補助ピストンＰ１ｂとを備えている。
また、空気エンジン１０は、第２のシリンダＳ２ａに対応して、第２の補助ブロック５５と、補助シリンダ給気バルブＶｉｎ２ｂと、補助シリンダ排気バルブＶｅｘ２ｂと、連結部材ＣＢ２と、第２の補助ピストンＰ２ｂとを備えている。
【００３１】
以下、各補助ブロック５２、５５の部分は実質的に同一の構成であるので、第１の補助ブロック５２の部分を中心に説明する。
第１の補助ブロック５２は、第１のシリンダＳ１ａの長手方向上側（外側）に配置され、エンジンブロック５１に設けられている。第１の補助ブロック５２には、第１のシリンダＳ１ａよりも容積が小さい第１の補助シリンダＳ１ｂ、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂ、及び補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂが形成されている。
補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂには、圧縮エアタンク２６から延びる圧縮エアラインＬＡ（図１参照）が接続される。
補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂには、バキュームタンク３２から延びるバキュームラインＬＶ（図１参照）が接続される。
補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂ及び補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂは、第１の補助シリンダＳ１ｂの上側に形成されている。
なお、第２の補助ブロック５５にも、同様に、第２の補助シリンダＳ２ｂ、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ２ｂ、及び補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ２ｂが形成されている。
【００３２】
補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂは、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂに設けられ、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂを開閉できる。補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂが開くことによって、第１の補助シリンダＳ１ｂに圧縮エアが供給される。補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂの開度は、任意に設定できる。
補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂは、具体的には、例えば電磁的に動作するボールバルブである。
【００３３】
補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂは、補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂに設けられ、補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂを開閉できる。補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂが開くことによって、第１の補助シリンダＳ１ｂ内部のエアを負圧により排気できる。補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂの開度は、任意に設定できる。
補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂは、具体的には、例えば電磁的に動作するボールバルブである。
なお、補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂの開閉タイミングは、第１のクランク角センサ６６ａによって検出される。補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂの開閉タイミングは、第２のクランク角センサ６６ｂによって検出される。補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂ及び補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂの開閉（開度）は、前述の給気バルブＶｉｎ１ａ及び排気バルブＶｅｘ１ａを制御する電子制御装置によって制御される。
【００３４】
連結部材ＣＢ１は、第１のピストンＰ１ａに連結され、第１のシリンダＳ１ａの長手方向外側にエンジンブロック５１を貫通して第１の補助ブロック５２の内部に延びている。詳細には、連結部材ＣＢ１は、一端部が、第１のピストンＰ１ａのコネクティングロッド６２が連結される側とは反対の側の面に連結されている。連結部材ＣＢ１の長手方向は、第１のシリンダＳ１ａの長手方向と一致する。
【００３５】
第１の補助ピストンＰ１ｂは、圧縮エアの給排気により、第１の補助シリンダＳ１ｂの内部を往復できる。第１の補助ピストンＰ１ｂは、連結部材ＣＢ１を介して第１のピストンＰ１ａを往復させることができる。換言すると、第１の補助ピストンＰ１ｂは、連結部材ＣＢ１、第１のピストンＰ１ａ及びコネクティングロッド６２を介して、クランクシャフト６４を回転させることができる。
なお、第１の補助ピストンＰ１ｂは、上から下に移動する場合よりも下から上に移動する場合の方が、負荷が大きくなるため、第１の補助シリンダＳ１ｂ内部のエアを吸引しやすいように、補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂの断面積が、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂの断面積よりも大きいことが好ましい。補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂの断面積が、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂの断面積よりも大きいことにより、空気エンジン１０の出力トルクが向上する。
【００３６】
次に、空気エンジン１０の動作について、図３に基づいて行程ごとに説明する。
各シリンダＳ１ａ、Ｓ２ａの第１のピストンＰ１ａ及び第２のピストンＰ２ａの行程（各補助シリンダＳ１ｂ、Ｓ２ｂの第１の補助ピストンＰ１ｂ及び第２の補助ピストンＰ２ｂの行程）は、互いに順序がずれているだけであるので、図２に示す右側の第１のピストンＰ１ａ及び第１の補助ピストンＰ１ｂの行程についてのみ説明する。
【００３７】
（１）第１行程
図３（Ａ）に示すように、第１のピストンＰ１ａ及び第１の補助ピストンＰ１ｂは、上死点に位置している。図３（Ａ）において、給気バルブＶｉｎ１ａ、排気バルブＶｅｘ１ａ、補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂ、及び補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂは閉じている。
電子制御装置は、給気バルブＶｉｎ１ａ及び補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂを開き、第１のシリンダＳ１ａ及び第１の補助シリンダＳ１ｂに圧縮エアを導入する。第１のピストンＰ１ａ及び第１の補助ピストンＰ１ｂは、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、上死点から下死点に向かって移動する。
【００３８】
（２）第２行程
図３（Ｄ）に示すように、第１のピストンＰ１ａ及び第１の補助ピストンＰ１ｂは、下死点に位置している。図３（Ｄ）において、給気バルブＶｉｎ１ａ、排気バルブＶｅｘ１ａ、補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂ、及び補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂは閉じている。
排気バルブＶｅｘ１ａ及び補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂを開き、第１のシリンダＳ１ａ及び第１の補助シリンダＳ１ｂ内のエアを排気（吸引）する。第１のピストンＰ１ａ及び第１の補助ピストンＰ１ｂは、図３（Ｅ）及び図３（Ｆ）に示すように、下死点から上死点に向かって移動する。
なお、第１及び第２の行程において、各バルブＶｉｎ１ａ、Ｖｉｎ１ｂ、Ｖｅｘ１ａ、Ｖｅｘ１ｂの開閉タイミングには、進みや遅れを与えることもできる。各バルブＶｉｎ１ａ、Ｖｉｎ１ｂ、Ｖｅｘ１ａ、Ｖｅｘ１ｂの開閉タイミングは、上死点及び下死点前の６〜１０度とすることが好ましい。また、給気バルブＶｉｎ１ａ及び排気バルブＶｅｘ１ａ（補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂ及び補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂ）が共に開くオーバーラップを設けることもできる。
【００３９】
以降、第１及び第２の行程を繰り返すことによって、クランクシャフト６４が回転し、発電機３４（図１参照）が駆動される。
ここで、空気エンジン１０の始動開始後、クランクシャフト６４の回転が予め決められた回転域に到達した場合には、給気バルブＶｉｎ１ａ及び排気バルブＶｅｘ１ａ並びに給気バルブＶｉｎ２ａ及び排気バルブＶｅｘ２ａを共に予め決められた開度まで絞った状態で開き、第１の補助ピストンＰ１ｂ及び第２の補助ピストンＰ２ｂのみで、クランクシャフト６４を回転させる。
なお、エンジンブロック５１並びに第１及び第２の補助ブロック５２、５５に、それぞれシリンダの内部の圧力を大気開放するための孔及びこの孔を開閉する大気開放バルブを設けておき、空気エンジン１０の始動開始後、クランクシャフト６４の回転が予め決められた回転域に到達した場合に大気開放バルブを開き、第１の補助ピストンＰ１ｂ及び第２の補助ピストンＰ２ｂのみで、クランクシャフト６４を回転させるようにしてもよい。
【００４０】
このように、クランクシャフト６４の回転が予め決められた回転域に到達した場合には、シリンダ容積が小さい第１及び第２の補助シリンダＳ１ｂ、Ｓ２ｂのみを使用するので、圧縮エアの消費量が低減される。
また、第１のシリンダＳ１ａ及び第１の補助シリンダＳ１ｂ並びに第２のシリンダＳ２ａ及び第２の補助シリンダＳ２ｂ内部のエアは、バキュームラインＬＶによって吸引されるので、バキュームラインＬＶによって吸引されない場合よりも空気エンジン１０の出力トルクが向上する。
【００４１】
なお、図４に示すように、空気エンジン１０は、クランクシャフト６４の発電機３４を駆動する側とは反対の側に設けられたカップリング３０２を介して、空気を圧縮する補助コンプレッサ３０４を駆動することもできる。
カップリング３０２は、クランクシャフト６４の回転の伝達を断続できる。カップリング３０２は、空気エンジン１０の回転が低速の間はクランクシャフト６４の回転を伝達せず、空気エンジン１０の回転数が予め決められた大きさを超えた場合には、クランクシャフト６４の回転を伝達する。
補助コンプレッサ３０４は、カップリング３０２を介してクランクシャフト６４により駆動され、圧縮エアを生成できる。この圧縮エアは、圧縮エアタンク２６に蓄えられる。
【００４２】
＜第２の実施の形態＞
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る空気エンジン１１０について説明する。第１の実施の形態に係る空気エンジン１０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４３】
空気エンジン１１０の配列形式は、図５に示すように、２気筒のいわゆる水平対向型であり、第１のピストンＰ１ａ及び第２のピストンＰ２ａが上下方向に移動するように配置されている。
空気エンジン１１０は、第１のシリンダＳ１ａ及び第２のシリンダＳ２ａが形成されたエンジンブロック１５１と、給気バルブＶｉｎ１ａと、排気バルブＶｅｘ１ａと、第１のピストンＰ１ａと、フライホイール（不図示）とを備えている。また、空気エンジン１１０は、給気バルブＶｉｎ２ａと、排気バルブＶｅｘ２ａと、第２のピストンＰ２ａとを備えている。
【００４４】
更に、空気エンジン１１０は、第１のシリンダＳ１ａに対応して、第１の補助シリンダＳ１ｂが形成された第１の補助ブロック１５２と、補助シリンダ給気バルブＶｉｎ１ｂと、補助シリンダ排気バルブＶｅｘ１ｂと、連結部材ＣＢ１と、第１の補助ピストンＰ１ｂとを備えている。また、空気エンジン１１０は、第２のシリンダＳ２ａに対応して、第２の補助シリンダＳ２ｂが形成された第２の補助ブロック１５５と、補助シリンダ給気バルブＶｉｎ２ｂと、補助シリンダ排気バルブＶｅｘ２ｂと、連結部材ＣＢ２と、第２の補助ピストンＰ２ｂとを備えている。
【００４５】
エンジンブロック１５１に形成された第１のシリンダＳ１ａの上側には、給気孔Ｈｉｎ１ａ及び排気孔Ｈｅｘ１ａが形成されている。
給気孔Ｈｉｎ１ａには、圧縮エアラインＬＡが接続され、排気孔Ｈｅｘ１ａには、バキュームラインＬＶが接続されている。
第１のピストンＰ１ａは、上から下に向かう場合よりも下から上に向かう場合の方が、負荷が大きくなるため、第１のシリンダＳ１ａ内部のエアを吸引しやすいように、排気孔Ｈｅｘ１ａの断面積が、給気孔Ｈｉｎ１ａの断面積よりも大きくなっている。これにより、空気エンジン１１０の出力トルクが向上する。
【００４６】
第１の補助ブロック１５２に形成された第１の補助シリンダＳ１ｂの上側には、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂ及び補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂが形成されている。
補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂには、圧縮エアラインＬＡが接続され、補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂには、バキュームラインＬＶが接続されている。
第１の補助ピストンＰ１ｂは、上から下に向かう場合よりも下から上に向かう場合の方が、負荷が大きくなるため、第１の補助シリンダＳ１ｂ内部のエアを吸引しやすいように、補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ１ｂの断面積が、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ１ｂの断面積よりも大きくなっている。これにより、空気エンジン１１０の出力トルクが向上する。
【００４７】
エンジンブロック１５１に形成された第２のシリンダＳ２ａの下側には、給気孔Ｈｉｎ２ａ及び排気孔Ｈｅｘ２ａが形成されている。
給気孔Ｈｉｎ２ａには、圧縮エアラインＬＡが接続され、排気孔Ｈｅｘ２ａには、バキュームラインＬＶが接続されている。
第２のピストンＰ２ａは、上から下に向かう場合よりも下から上に向かう場合の方が、負荷が大きくなるため、圧縮エアを第２のシリンダＳ２ａに供給しやすいように、給気孔Ｈｉｎ２ａの断面積が、排気孔Ｈｅｘ２ａの断面積よりも大きくなっている。これにより、空気エンジン１１０の出力トルクが向上する。
【００４８】
第２の補助ブロック１５５に形成された第２の補助シリンダＳ２ｂの下側には、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ２ｂ及び補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ２ｂが形成されている。
補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ２ｂには、圧縮エアラインＬＡが接続され、補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ２ｂには、バキュームラインＬＶが接続されている。
第２の補助ピストンＰ２ｂは、上から下に向かう場合よりも下から上に向かう場合の方が、負荷が大きくなるため、圧縮エアを第２の補助シリンダＳ２ｂに供給しやすいように、補助シリンダ給気孔Ｈｉｎ２ｂの断面積が、補助シリンダ排気孔Ｈｅｘ２ｂの断面積よりも大きくなっている。これにより、空気エンジン１１０の出力トルクが向上する。
【００４９】
なお、各給気孔Ｈｉｎ１ａ、Ｈｉｎ１ｂ、Ｈｉｎ２ａ、Ｈｉｎ２ｂに接続される圧縮エアラインＬＡには、それぞれ、内部のエア流量を調整する調整器１１２が設けられている。
また、各排気孔Ｈｅｘ１ａ、Ｈｅｘ１ｂ、Ｈｅｘ２ａ、Ｈｅｘ２ｂに接続されるバキュームラインＬＶには、それぞれ、内部のエア流量を調整する調整器１１４が設けられている。
【００５０】
電子制御装置は、図示しないクランク角センサの検出信号に基づいて、各給気バルブＶｉｎ１ａ、Ｖｉｎ１ｂ及び各排気バルブＶｅｘ１ａ、Ｖｅｘ１ｂ並びに各給気バルブＶｉｎ２ａ、Ｖｉｎ２ｂ及び各排気バルブＶｅｘ２ａ、Ｖｅｘ２ｂを開閉する。その結果、各シリンダＳ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂにエアが供給され、各ピストンＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ａ、Ｐ２ｂが上下に移動し、クランクシャフト６４が回転する。
空気エンジン１１０の詳細な動作は、第１の実施の形態に係る空気エンジン１０と実質的に同一であるので省略する。
【００５１】
本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述の実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５２】
空気エンジンは、２気筒でなくてもよい。即ち、空気エンジンは、単気筒であってもよいし、３気筒以上であってもよい。
また、空気エンジンの配列形式は、直列型や水平対向型に限定されるものではない。空気エンジンの配列形式は、例えば、Ｖ型としてもよい。
【００５３】
各給気バルブ及び各排気バルブはクランク角センサの出力に基づいて電磁的に動作するセンサ方式のバルブに限定されるものではなく、タイミングギアにより駆動されるカムシャフトにより動作するタイミングギア方式のバルブとすることもできる。
【符号の説明】
【００５４】
１０：空気エンジン、２０：発電システム、２２：原動機、２４ａ、２４ｂ：コンプレッサ、２６：圧縮エアタンク、２８：バキュームポンプ、３２：バキュームタンク、３４：発電機、４２：減速機、４４：ギア、５１：エンジンブロック、５２：第１の補助ブロック、５３ａ、５３ｂ：フライホイール、５５：第２の補助ブロック、６２：コネクティングロッド、６４：クランクシャフト、６６ａ：第１のクランク角センサ、６６ｂ：第２のクランク角センサ、１１０：空気エンジン、１１２：調整器、１１４：調整器、１５１：エンジンブロック、１５２：第１の補助ブロック、１５５：第２の補助ブロック、３０２：カップリング、３０４：補助コンプレッサ、ＣＢ１：連結部材、ＣＢ２：連結部材、Ｈｅｘ１ａ、Ｈｅｘ２ａ：排気孔、Ｈｅｘ１ｂ、Ｈｅｘ２ｂ：補助シリンダ排気孔、Ｈｉｎ１ａ、Ｈｉｎ２ａ：給気孔、Ｈｉｎ１ｂ、Ｈｉｎ２ｂ：補助シリンダ給気孔、ＬＡ：圧縮エアライン、ＬＶ：バキュームライン、Ｐ１ａ：第１のピストン、Ｐ１ｂ：第１の補助ピストン、Ｐ２ａ：第２のピストン、Ｐ２ｂ：第２の補助ピストン、Ｓ１ａ：第１のシリンダ、Ｓ１ｂ：第１の補助シリンダ、Ｓ２ａ：第２のシリンダ、Ｓ２ｂ：第２の補助シリンダ、Ｖｅｘ１ａ、Ｖｅｘ２ａ：排気バルブ、Ｖｅｘ１ｂ、Ｖｅｘ２ｂ：補助シリンダ排気バルブ、Ｖｉｎ１ａ、Ｖｉｎ２ａ：給気バルブ、Ｖｉｎ１ｂ、Ｖｉｎ２ｂ：補助シリンダ給気バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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