特許 6274191 フリーピストン式発電機の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6274191

(24)【登録日】2018年1月19日

(45)【発行日】2018年2月7日

(54)【発明の名称】フリーピストン式発電機の制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02B 71/04 20060101AFI20180129BHJP

【ＦＩ】

   F02B71/04

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-229277(P2015-229277)

(22)【出願日】2015年11月25日

(65)【公開番号】特開2016-109123(P2016-109123A)

(43)【公開日】2016年6月20日

【審査請求日】2017年2月23日

(31)【優先権主張番号】特願2014-244949(P2014-244949)

(32)【優先日】2014年12月3日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】守屋 一成

(72)【発明者】

【氏名】後藤 成晶

(72)【発明者】

【氏名】小坂 英雅

(72)【発明者】

【氏名】秋田 智行

(72)【発明者】

【氏名】堀田 義博

(72)【発明者】

【氏名】中北 清己

【審査官】 瀬戸 康平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２０２３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２２３６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０２６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５６８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１７４２７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００７−５３２８２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ７１／００

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁石が組み込まれたピストンが、コイルが設けられたシリンダ内を往復移動することによって発電が行われる、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記シリンダ内には燃焼室が設けられ、
前記制御装置は、
前記ピストンが前記燃焼室とは反対側に移動させられる膨張行程における第１速度指令値と、前記ピストンが前記燃焼室側に移動させられる圧縮行程における第２速度指令値を設定し、
発電時に、電気制動により前記ピストンの速度を前記第１及び第２速度指令値に到達させるように発電量を制御し、または、モータリング時に前記コイルを励磁させて前記ピストンの速度を前記第１及び第２速度指令値に到達させるように送電量を制御し、
前記第１及び第２速度指令値の設定に当たり、所定の往復周期における、前記ピストンが最も燃焼室寄りとなる上死点位置と、前記ピストンが最も前記燃焼室から遠くなる下死点位置とに基づいて、その次の往復周期における前記第１及び第２速度指令値を設定することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記ピストンは、前記シリンダ内に設けられた前記燃焼室と空気ばね室との間を往復することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項3】

請求項２に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、所定の往復周期における、実際の上死点位置と上死点目標位置との差、及び、実際の下死点位置と下死点目標位置との差に基づいて、その次の往復周期における、前記第１速度指令値及び第２速度指令値をピーク値とする速度指令波の振幅及び当該速度指令波の速度０からのオフセット量を求めることを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項4】

請求項３に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記下死点目標位置を変更することで、前記第１及び第２速度指令値の絶対値差分を低減させることを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項5】

請求項３または４に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記第１速度指令値で制御中の発電電力積算量が前記第２速度指令値で制御中の発電電力積算量よりも大きい場合、前記ピストンの下死点目標位置を、前記ピストンのストローク中央位置から離間させるように変更し、
前記第２速度指令値で制御中の発電電力積算量が前記第１速度指令値で制御中の発電電力積算量よりも大きい場合、前記ピストンの下死点目標位置を、前記ピストンのストローク中央位置寄りに変更することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項6】

請求項２から５のいずれか一つに記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記燃焼室における燃焼圧力の増加に伴って、前記空気ばね室の空気圧を増加させることを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一つに記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、モータリング開始時に、ストローク中央位置から見て前記ピストンの停止位置とは逆側に当該ピストンを付勢するように、前記コイルへの励磁電流を制御することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一つに記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記ピストンの前記上死点位置及び前記下死点位置通過中は、発送電を休止するように発送電タイミングを制御することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項9】

請求項３に従属する請求項８に記載の、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、前記モータリングに当たり、前記上死点目標位置の半値から前記下死点目標位置の半値までの領域を前記コイルの励磁領域に設定することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【請求項10】

磁石が組み込まれたピストンが、コイルが設けられたシリンダ内の、燃焼室と空気ばね室との間を往復移動することによって発電が行われる、フリーピストン式発電機の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記ピストンが前記空気ばね室側に移動させられる膨張行程における第１速度指令値と、前記ピストンが前記燃焼室側に移動させられる圧縮行程における第２速度指令値を設定し、
発電時に、電気制動により前記ピストンの速度を前記第１及び第２速度指令値に到達させるように発電量を制御し、または、モータリング時に前記コイルを励磁させて前記ピストンの速度を前記第１及び第２速度指令値に到達させるように送電量を制御し、
前記ピストンが最も燃焼室寄りとなる上死点位置と、前記ピストンが最も空気ばね室寄りとなる下死点位置を前記ピストンが通過する間は発送電を休止するように発送電タイミングを制御することを特徴とする、フリーピストン式発電機の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁石が組み込まれたピストンが、コイルが設けられたシリンダ内を往復移動することによって発電する、フリーピストン式発電機の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、シリンダ内でピストンを往復移動させることによって発電するフリーピストン式発電機が知られている。ピストンは機械的に拘束されずにシリンダ内を往復移動可能となっている。

【0003】

シリンダ内における、ピストン往復移動方向（シリンダの長手方向）に沿った一端には燃焼室が設けられ、他端には空気ばね室が設けられている。燃料と空気の混合気を燃焼室で燃焼させると、燃焼圧によりピストンが燃焼室から空気ばね室側に押し出される。ピストンの移動に伴い空気ばね室は体積が圧縮される。すると、この圧縮に対する反発力が生じて、ピストンは再び燃焼室に戻される。

【0004】

ピストン外周面には永久磁石が設けられ、シリンダ内周面にはコイルが設けられる。ピストンの往復移動に伴って、永久磁石とコイルとが相対移動する。この際に生じる誘導起電力により、発電が行われる。

【0005】

非特許文献１には、フリーピストン式発電機において、ピストンの挙動を制御する方法が記載されている。これによると、燃焼によりピストンに加わるエネルギ、空気ばねの圧縮により空気に蓄えられるエネルギ、及びシリンダとピストンの摩擦エネルギの和からピストンの摩擦エネルギを差し引いたエネルギを、発電によるエネルギとして算出する数式が記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】フロリアン・コック（Florian Kock）他、「フリーピストンリニア発電機用機能拡張モジュール−革新的、小型、高効率レンジに関する開発−(The Free Piston Linear Generator - Development of an Innovative, Compact, Hightly Efficient Range -Extender Module)、ＳＡＥインターナショナル（SAE International）、ＳＡＥトランスアクション（SAE Transaction）、２０１３年４月８日、第２０１３−０１−１７２７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、エネルギ収支に基づく制御方法では外乱要素が多く、パラメータを正確に特定することは容易ではない。例えば燃焼室では燃焼のばらつきが発生し、上記パラメータのうち、燃焼によりピストンに加わるエネルギを正確に特定することは困難となる。パラメータの特定が困難となることで、ピストン制御の精度は低くなる。そこで、本発明は、従来よりもピストンの挙動を正確に制御可能な、フリーピストン式発電機の制御装置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】

【0008】

本発明は、磁石が組み込まれたピストンが、コイルが設けられたシリンダ内を往復移動することによって発電が行われる、フリーピストン式発電機の制御装置に関するものである。前記シリンダ内には燃焼室が設けられる。前記制御装置は、前記ピストンが前記燃焼室とは反対側に移動させられる膨張行程における第１速度指令値と、前記ピストンが前記燃焼室側に移動させられる圧縮行程における第２速度指令値を設定し、発電時に、電気制動により前記ピストンの速度を第１及び第２速度指令値に到達させるように発電量を制御し、または、モータリング時に前記コイルを励磁させて前記ピストンの速度を第１及び第２速度指令値に到達させるように送電量を制御し、第１及び第２速度指令値の設定に当たり、所定の往復周期における、前記ピストンが最も燃焼室寄りとなる上死点位置と、前記ピストンが最も燃焼室から遠くなる下死点位置とに基づいて、その次の往復周期における第１及び第２速度指令値を設定する。

【0009】

また、上記発明において、前記ピストンは、前記シリンダ内に設けられた燃焼室と空気ばね室との間を往復することが好適である。

【0010】

また、上記発明において、前記制御装置は、所定の往復周期における、実際の上死点位置と上死点目標位置との差、及び、実際の下死点位置と下死点目標位置との差に基づいて、その次の往復周期における、第１速度指令値及び第２速度指令値をピーク値とする速度指令波の振幅及び当該速度指令波の速度０からのオフセット量を求めることが好適である。

【0011】

また、上記発明において、前記制御装置は、前記下死点目標位置を変更することで、第１及び第２速度指令値の絶対値差分を低減させることが好適である。

【0012】

また、上記発明において、前記制御装置は、第１速度指令値で制御中の発電電力積算量が第２速度指令値で制御中の発電電力積算量よりも大きい場合、前記ピストンの下死点目標位置を、前記ピストンのストローク中央位置から離間させるように変更し、第２速度指令値で制御中の発電電力積算量が第１速度指令値で制御中の発電電力積算量よりも大きい場合、前記ピストンの下死点目標位置を、前記ピストンのストローク中央位置寄りに変更することが好適である。

【0013】

また、上記発明において、前記制御装置は、前記燃焼室における燃焼圧力の増加に伴って、前記空気ばね室の空気圧を増加させることが好適である。

【0014】

また、上記発明において、前記制御装置は、モータリング開始時に、ストローク中央位置から見て前記ピストンの停止位置とは逆側に当該ピストンを付勢するように、前記コイルへの励磁電流を制御することが好適である。

【0015】

また、上記発明において、前記制御装置は、前記ピストンの前記上死点位置及び前記下死点位置通過中は、発送電を休止するように発送電タイミングを制御することが好適である。

【0016】

また、上記発明において、前記制御装置は、前記モータリングに当たり、上死点目標位置の半値から下死点目標位置の半値までの領域を前記コイルの励磁領域に設定することが好適である。

【0017】

また、本発明の別態様は、磁石が組み込まれたピストンが、コイルが設けられたシリンダ内の、燃焼室と空気ばね室との間を往復移動することによって発電が行われる、フリーピストン式発電機の制御装置に関するものである。前記制御装置は、前記ピストンが前記空気ばね室側に移動させられる膨張行程における第１速度指令値と、前記ピストンが前記燃焼室側に移動させられる圧縮行程における第２速度指令値を設定し、発電時に、電気制動により前記ピストンの速度を第１及び第２速度指令値に到達させるように発電量を制御し、または、モータリング時に前記コイルを励磁させて前記ピストンの速度を第１及び第２速度指令値に到達させるように送電量を制御し、前記ピストンが最も燃焼室寄りとなる上死点位置と、前記ピストンが最も空気ばね室寄りとなる下死点位置を前記ピストンが通過する間は発送電を休止するように発送電タイミングを制御する。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、従来よりもピストンの挙動を正確に制御可能な、フリーピストン式発電機の制御装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本実施形態に係るフリーピストン式発電システムの概要を説明する図である。

【図2】スリット列周辺の拡大断面図である。

【図3】本実施形態に係る速度制御について説明する図である。

【図4】本実施形態に係るピストンの始動方法を例示する図である。

【図5】速度指令値の設定方法について説明する図である。

【図6】速度指令値の変更方法について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜全体構成＞
図１に、本実施形態に係るフリーピストン式発電システムの概要を示す。フリーピストン式発電システムは、フリーピストン式発電機１０とその制御装置１８を備える。フリーピストン式発電機１０は、シリンダ１２、ピストン１４、及び検出器１６を備える。

【0021】

シリンダ１２内の長手方向一端には燃焼室２０が設けられ、他端には空気ばね室２２が設けられている。ピストン１４はシリンダ１２内に配置され、燃焼室２０で発生する燃焼圧力と空気ばね室２２の圧縮に伴う反発力とで、燃焼室２０と空気ばね室２２との間を往復移動する。

【0022】

ピストン１４の外周面には永久磁石２４が設けられ、またシリンダ１２内周面にはコイル２６が周方向に沿って巻き回されている。ピストン１４の往復移動に伴い、永久磁石２４とコイル２６とが相対移動する。これにより誘導起電力が生じて発電が行われる。

【0023】

また、フリーピストン式発電機１０の始動時、つまりピストン１４を停止状態から往復運動状態にするために、フリーピストン式発電機１０を電動機として使用する。この電動機として使用する動作として、本実施形態では、初期化とモータリングが含まれる。初期化は、ピストン１４の絶対位置が不明であるときにピストン１４を移動させて絶対値の探索を行う動作である。モータリングとは、初期化後にコイル２６に励磁電流を流してピストン１４を移動させることを指しており、ピストン１４の駆動方式としては、燃焼圧力（爆発エネルギ）によりピストン１４を移動させるファイアリングと対の関係にある。

【0024】

制御装置１８は、発電時（ファイアリング時）には、燃焼圧力や空気ばね室２２の反発力等で付勢されたピストン１４を、電気制動によって速度制御することで、ピストン１４の挙動を制御する。また始動時（モータリング時）には、コイル２６に流す励磁電流を調整して速度制御することで、ピストン１４の挙動を制御する。

【0025】

なお、電気制動とは、発電電力を抵抗器に消費させる発電制動と、発電電力を他の電気機器に分配する回生制動の両者を含むものとする。本実施形態においては、発電制動と回生制動の少なくとも一方が実施されればよい。

【0026】

＜各構成の詳細＞
ピストン１４は、シリンダ１２内に収容され、当該シリンダ１２内を往復移動する。ピストン１４とシリンダ１２との間にはわずかなクリアランスが設けられており、燃焼室２０と空気ばね室２２との気体の流通を抑制しつつ、シリンダ１２内のピストン１４の移動を可能としている。

【0027】

図１に示す例では、ピストン１４は、燃焼室２０側が相対的に小径であり、空気ばね室２２側が相対的に大径となっている。このようにすることで、ピストン１４の空気ばね室２２側の受圧面積が、燃焼室２０側の受圧面積よりも大きくなり、空気ばね室２２の圧力が比較的小さくても、ピストン１４を燃焼室２０に押し戻すことができる。

【0028】

また、ピストン１４は、大径部（空気ばね室側）の最外周部に、燃焼室２０側に突出するような円環部２８が形成されている。円環部２８はシリンダ１２の燃焼室２０側に設けられたガイドリング溝３０に挿入されるように形成されている。円環部２８がガイドリング溝３０に挿入された状態でピストン１４が往復移動することで、当該往復移動（ストローク）が安定する。

【0029】

加えて、ピストン１４の往復移動を安定させる更なる手段として、ピストン１４の小径部の裏側、つまり空気ばね室２２側には、軸方向に抉られた止まり穴３２が形成されている。止まり穴３２にはシリンダ１２の空気ばね室２２から延びるガイドシャフト３４が挿入される。

【0030】

また、円環部２８を含めたピストン１４の大径部の外周面、つまりピストン１４の最外周面には、永久磁石２４が設けられている。永久磁石２４はピストン１４の全ストロークにおいてコイル２６と対面するように配置されていることが好適である。

【0031】

燃焼室２０から相対的に離間した大径部の外周面に永久磁石２４を設けることで、燃焼室２０からの熱が永久磁石２４に伝達しにくくなり、その結果、永久磁石２４の高温化に伴う減磁を防ぐことができる。

【0032】

円環部２８を含めたピストン１４の大径部の外周面には、永久磁石２４の他にも、スリット列３５が切られている。図１に示す例では、ピストン１４の紙面上下にスリット列３５が切られているが、さらに両側面にもスリット列３５が切られていてよい。つまりピストン１４の外周面には、周廻りに９０°間隔でスリット列３５が切られていてよい。また、これらスリット列３５は、位相をずらすようにして形成されていてよい。例えば隣り合うスリット３７，３７（図２参照）同士の間隔の４分の１ごとに、各面にスリット列３５を切るようにしてもよい。このようにすることで、ピストン１４の位置を高精度に検出することが可能となる。

【0033】

スリット列３５の拡大図、すなわち図１の一点鎖線の円で囲った部分の拡大図を図２に示す。スリット列３５はピストン１４の軸方向に沿ってスリット３７を複数切ることで構成される。また、本実施形態では、隣り合うスリット３７，３７のピッチ（間隔）が、他のピッチとは異なるような特徴部３６を設けている。例えば図２では、スリット３７，３７間のピッチｄ１とは異なるピッチｄ２となるような特徴部３６を、スリット列３５の中央部に設けている。なお、図１では、特徴部３６を、紙面上下のスリット列３５に設けているが、周廻りに複数形成されたスリット列３５のいずれかひとつに、特徴部３６を設けるようにしてもよい。

【0034】

スリット列３５は、ピストン１４の全ストロークにおいて検出器１６と対向するように形成されていてよい。例えばピストン１４が上死点（最も燃焼室２０側の位置）にいる場合に、スリット列３５の紙面最も右側のスリット３７が検出器１６と対向するようにし、ピストン１４が下死点（最も空気ばね室２２側）にいる場合に、スリット列３５の紙面最も左側のスリット３７が検出器１６と対向するようにする。加えて、ピストン１４がストローク中央、つまり、シリンダ長の中央に位置するときに検出器１６と対向するように、特徴部３６をピストン１４に形成することが好適である。

【0035】

図１に戻り、シリンダ１２は、中空の略筒形状部材である。この中空領域の長手方向の全長、つまりシリンダ長がストローク長となり、その中央位置がストローク中央（原点）となる。また、ストローク長の端部がストローク端部となる。ピストン１４の形状に合わせて、シリンダの中空形状は、燃焼室２０側が相対的に小径となっており、空気ばね室２２側が相対的に大径となっている。

【0036】

ピストン１４の往復移動方向に沿って、言い換えると、シリンダ長方向の一端には燃焼室２０が形成され、他端には空気ばね室２２が形成されている。燃焼室２０は、掃気孔３８、排気口４０、排気バルブ４２、インジェクタ４４、及び点火手段４６が設けられている。

【0037】

掃気孔３８は、燃焼室２０内に新気を導入する。新気の導入に際して、図示しない掃気ポンプを駆動させることによって、外部から掃気孔３８に新気を導入するようにしてもよい。掃気孔３８は、例えば、シリンダ１２の内壁面に開口されていてよく、ピストン１４が上死点に位置しているときにはピストン１４によって塞がれるとともに、ピストン１４が下死点に位置しているときには開放されるような位置に形成されていてよい。

【0038】

また、排気口４０は、燃焼室で新気と燃料との混合気を燃焼させた後の排気を、外部に排出する。また、排気口４０が無く、掃気孔３８のみで掃気・排気を行うループフロー式であってもよい。

【0039】

インジェクタ４４は、燃料を噴射する噴射手段である。点火手段４６は、混合気に点火して燃焼圧力を生じさせる。また、点火手段４６の無い、圧縮自着火方式によって燃焼圧力を生じさせてもよい。

【0040】

空気ばね室２２は、ピストン１４を燃焼室２０側に押し戻す機能を有している。ピストン１４が燃焼室２０側から空気ばね室２２側に移動する際に、空気ばね室２２が圧縮される。この圧縮により反発力が生じ、当該反発力により、ピストン１４が燃焼室２０側に押し戻される。内圧を一定範囲に収めるため、空気ばね室２２には、調圧弁４８が設けられていてもよい。さらに、調圧弁４８に代えて、コンプレッサ等の加圧源を空気ばね室２２に接続してもよい。

【0041】

コイル２６は、シリンダ１２の内周面に設けられている。コイル２６は、ピストン１４の全ストロークに亘って、永久磁石２４と対向するような位置に設けられていることが好適である。また、コイル２６は、外部に設けられたインバータ等の電力変換器（図示せず）に接続される。コイル２６で発生した交流電力は電力変換器によって直流電力に変換されてバッテリ等の直流電源に供給される。また、初期化時及びモータリング時には、直流電源から供給された直流電力が電力変換器によって交流電力に変換されてコイル２６に供給される。

【0042】

検出器１６は、対向するスリット列３５の通過を検出することでピストン１４の変位を検出する。また、スリット列３５の特徴部３６を検出する。検出器１６は、コイル２６とともに、シリンダ１２の大径部分の内周面に設けられる。上述したように、検出器１６はピストン１４の全ストロークに亘って、スリット列３５と対向するような位置に設けられていることが好適である。

【0043】

検出器１６は、スリット３７の凹凸に応じて２つの値を取るようにしてもよい。例えば、検出器１６がスリット３７の底面と相対しているときに、検出器１６は、検出信号Ｓ１Ｈを出力する。また、スリット３７，３７間の突出面と相対しているときに、検出器１６は、検出信号Ｓ１Ｌを出力する。

【0044】

検出器１６内には、検出信号Ｓ１の値をカウントするカウンタが設けられてよい。例えば、検出器１６内のハードウェア回路によってカウンタが構成されてよい。検出信号Ｓ１の値（Ｈ／Ｌ）が増加する度にカウンタが増えるように構成されており、このカウンタ値によって、ピストン１４の位置が算出できる。また、カウンタ値は、スリット列３５の特徴部３６を検知したときにはリセットするように設定されていてもよい。このリセット動作により、ピストン１４の絶対位置を検出することが可能となる。カウンタ値は制御装置１８に送信される。

【0045】

検出器１６は、例えば、渦電流センサ、光学センサ、静電容量センサ等の非接触センサのいずれかから構成されてよい。なお、シリンダ１２内は潤滑用のオイル等がシリンダ１２の内表面やピストン１４の外表面に付着しており、光学的に良好な検出環境を確保することは困難となる場合がある。このような観点から、検出器１６として、渦電流センサや静電容量センサを用いることが好適である。

【0046】

制御装置１８は、フリーピストン式発電機１０が安定的な発電を行うために、ピストン１４の挙動を制御する。また、初期化時及びモータリング時には、フリーピストン式発電機１０を電動機として機能させ、ピストン１４を移動させる。

【0047】

制御装置１８は、コンピュータから構成されてよく、例えば、演算回路であるＣＰＵ、メモリ等の記憶部、及び機器・センサインターフェースが内部バスを介して互いに接続されている。記憶部には、後述する速度制御プログラムが記憶されており、ＣＰＵが当該プログラムを実行することで、当該速度制御が行われる。

【0048】

制御装置１８は、機器・センサインターフェースを介して、周辺機器との信号授受を行う。具体的には、検出器１６からカウンタ値を受信し、また、排気バルブ４２、インジェクタ４４、及び、点火手段４６に対して作動信号を送信する。電気制動を行う際には、フリーピストン式発電機１０の発電量を制御する。例えば、発電電力の供給先（電気機器、バッテリ、抵抗器等）を選択する。さらに、モータリング時にはコイル２６に供給する励磁電流量を制御する。

【0049】

＜速度制御によるピストン制御＞
本実施形態に係る制御装置１８は、速度制御に基づいてピストン１４の挙動を制御する。制御装置１８は、ピストン１４が空気ばね室２２側に移動させられる膨張行程において第１速度指令値を定めるとともに、ピストン１４が燃焼室２０側に移動させられる圧縮工程において第２速度指令値を定める。

【0050】

膨張行程及び圧縮過程では、ピストン１４の速度がそれぞれ定められた速度指令値となるように速度制御を行う。発電時（ファイアリング時）は、電気制動によって速度制御を行う。すなわち、制御装置１８は、ピストン１４の速度を第１速度指令値（膨張行程）及び第２速度指令値（圧縮行程）に到達させるように発電量を制御する。始動時（モータリング時）は、励磁電流制御によって速度制御を行う。すなわち、制御装置１８は、ピストン１４の速度を第１速度指令値（膨張行程）及び第２速度指令値（圧縮行程）に到達させるように、コイル２６への送電量を制御する。

【0051】

ピストン１４の速度は上死点及び下死点で最低速度を取り、ストローク中央位置で最高速度を取る。このような挙動に合わせて、発電制動及び励磁を行う。

【0052】

発電量とピストン１４の制動量、及び、送電量（励磁電流量）とピストン１４の推進量との関係は既知であることから、従来のような外乱要素の多いエネルギ収支に基づくピストン制御と比較して、本実施形態に係る速度制御は、ピストン１４の挙動をより高精度に制御することが可能となる。

【0053】

上記のような発電制動及びコイル２６の励磁は、ピストン１４の全ストロークに亘って行ってもよいが、速度制御の効率が相対的に高い領域のみを狙って制御を実行するようにしてよい。一般的に、ピストン１４が上死点または下死点近傍にいるときはピストン１４の速度が低くなり、この範囲の発電効率や励磁電流による推進効率は相対的に低くなる。そこで、例えば図３のハッチングで示すように、ピストン１４が上死点及び下死点を通過中は、電気制動及び励磁電流の送電を休止（自由運動させる）して、それ以外の領域で発送電を行うよう、発送電タイミングを制御してもよい。ここで、図３の下段には電力変化が示されている。ファイアリング（発電）時の発電量を実線で示し、モータリング時の送電量を破線で示している。

【0054】

発送電領域は（したがって発送電休止領域も）任意に定めることができる。例えば、上死点目標位置の半値（上死点目標位置と原点の中間位置）から下死点目標位置の半値（下死点目標位置と原点の中間位置）までの領域をコイルの励磁領域及び発電領域に設定してもよい。また、ピストン１４の最高速度の９０％以内の領域を励磁領域及び発電領域に設定してもよい。

【0055】

なお、モータリング開始時において、上記のように上死点及び下死点近傍にて送電（励磁）を休止する場合、ピストン１４の停止位置が上死点または下死点に寄っており、かつ、モータリングによって上死点側または下死点側にピストン１４を移動させようとすると、短期間のうちに送電が休止されてピストン１４の付勢が不十分となる。

【0056】

そこで、図４のように、ピストン１４の停止位置が既知である場合には、ストローク中央位置から見て当該ピストン１４の停止位置とは逆側にピストン１４を付勢するように、コイル２６への励磁電流を制御することが好適である。例えば、ピストン１４の停止位置がストローク中央位置から見て空気ばね室２２（下死点）側に寄っている場合は、制御装置１８は、ピストン１４を燃焼室２０（上死点）側に移動させるように励磁電流をコイル２６に供給する。

【0057】

また、他の始動方法として、ピストン１４の移動領域を、上述のように上死点及び下死点近傍を除いた励磁領域に限定するようにしてもよい。この場合、速度制御の実行によってピストン１４が上死点及び下死点まで移動しないように調整することが好適である。例えば、後述する速度制御の振幅比例項ゲインｋ_ｐＡ、振幅積分項ゲインｋ_ｉＡ、オフセット比例項ゲインｋ_ｐＯ、オフセット積分項ゲインｋ_ｉＯを通常の１／１０程度とする。

【0058】

＜速度指令波の生成＞
上述したように、速度制御においては、ピストン１４の速度を、膨張行程では第１速度指令値に制御し、圧縮過程では第２速度指令値とするような制御が行われる。したがって、ピストン１４のストロークに応じた速度指令波は、図３にて示したように、第１速度指令値と第２速度指令値をピーク値とする矩形波となる。この速度指令波の生成について、以下説明する。

【0059】

制御装置１８は、第１及び第２速度指令値の設定に当たり、所定の往復周期における、ピストン１４の上死点位置と下死点位置とに基づいて、その次の往復周期における第１及び第２速度指令値を設定する。

【0060】

具体的には、図５に示すように、予め定めた、上死点目標位置及び下死点目標位置と、ｋ−１周期目における、実際の上死点と下死点との差を求める。上死点目標位置と実際の上死点との差ΔＳ_ＴＤＣと、下死点目標位置と実際の下死点との差ΔＳ_ＢＤＣが求められると、制御装置１８は、これらの値を用いて速度指令波の振幅Ａと、速度０からのオフセット量Ｏとを求める。

【0061】

速度指令値の振幅Ａは、下記数式（１）により求めることができる。また、速度指令値のオフセット量Ｏは、下記数式（２）により求めることができる。数式（１）（２）で求められた振幅Ａ及びオフセット量Ｏに基づいてｋ周期目の速度指令波（したがって第１速度指令値及び第２速度指令値）が生成される。

【0062】

【数1】

【0063】

ここで、数式（１）のｋ_ｐＡは振幅比例項ゲイン、ｋ_ｉＡは振幅積分項ゲインを示す。また、数式（２）のｋ_ｐＯはオフセット比例項ゲイン、ｋ_ｉＯはオフセット積分項ゲインを示す。

【0064】

＜速度指令値のバランス調整＞
図３に示すように、膨張行程と圧縮行程での発電電力（モータリングにおいては送電電力）が均等でない場合、一般に、より大きな電力が発生しているときに、効率が低下する。また、電力の不均等により、発電時に送電が生じたり、逆にモータリング（送電）時に発電が生じることも効率低下の要因となる。このような膨張行程と圧縮行程における電力（発電電力及び送電電力）のアンバランスを緩和させて両行程で電力を平準化させるために、本実施形態では下死点の目標位置を変更させる。

【0065】

膨張行程と圧縮行程における電力のアンバランスを緩和させるには、下死点目標位置を調節すればよい。一般的に、下死点目標位置は所定の調節幅を持つ（なお、上死点位置は燃焼制御のための圧縮率と関連しており、上死点目標位置に調節幅を持たせることは困難となる）。下死点目標位置を引き下げる（シリンダ端部側に移動させる）と、膨張行程におけるピストン１４の移動距離が相対的に長くなることから、膨張行程中の電気制動力が相対的に小さくなり（モータリング時においては駆動力が相対的に大きくなり）、その結果、発電電力は減少する（送電電力は増加する）。その一方で、ピストン１４がより下死点側まで到達するので空気ばね室２２に蓄えられるエネルギが増加する。このエネルギは圧縮行程で放出されることから、これに併せて発電制動力を大きくする必要がある。その結果、圧縮行程での発電電力は増加する（送電電力は減少する）。つまり、膨張行程と圧縮行程の電力がバランスされる。

【0066】

下死点目標位置の調整は、例えば、下記のような基準で行われる。第１速度指令値で制御中の発電電力積算量が、第２速度指令値で制御中の発電電力積算量よりも大きい場合は、下死点目標位置を、ピストン１４のストローク中央位置から離間させるように変更する。また、第２速度指令値で制御中の発電電力積算量が第１速度指令値で制御中の発電電力積算量よりも大きい場合は、下死点目標位置を、ピストン１４のストローク中央位置寄りに変更する。このような変更を行うことで、第１速度指令値と第２速度指令値の絶対値差分が低減され、膨張行程と圧縮行程の電力がバランスされる。

【0067】

＜空気ばね室圧協調制御＞
出力増加を狙って燃焼室２０に噴射する燃料を増量させることが考えられる。このとき、燃焼圧力が増加してピストン１４が空気ばね室２２の端部壁に衝突するおそれがある。そこで、燃焼圧力の増加に併せて空気ばね室２２内の空気圧（ばね係数）を増加させるようにしてもよい。例えば、空気ばね室２２にコンプレッサ等の加圧源を接続する。制御装置１８は、燃焼圧力の増加に追従するように、空気ばね室２２内の空気圧を増加させるように、加圧源を制御する。

【0068】

＜その他の実施形態＞
上述した実施形態では、燃焼室２０と対向して空気ばね室２２を設けていたが、この形態に限らない。要するにピストン１４の付勢に抗してピストン１４を燃焼室２０に押し戻す反発力を生じさせるものであればよい。例えば、空気ばね室２２の代わりにばね室を設けてもよい。具体的には、ピストン１４のストローク方向に垂直なシリンダ１２の内壁に弾性体を設ける。弾性体は、金属や樹脂をばね状（コイルばね、皿ばね）に加工したものであってよい。また、空気ばね室２２を構成する空間にゴム等の弾性体を充填してもよい。さらに、空気ばね室２２の代わりに磁石室を設けてもよい。例えばピストン１４とシリンダ１２との互いの対向面に磁石を設け、その反発力を利用する。磁石は永久磁石であっても電磁石であってもよい。ただし、ピストン１４に給電手段を設けることが困難な場合は、ピストン１４には永久磁石を設けることが好適である。加えて、空気ばね室２２に上記のばねや弾性体、及び磁石の少なくとも一つを組み合わせてもよい。また、空気ばね室２２の代わりに第２の燃焼室を設けてもよい。

【0069】

なお、上述した燃焼室２０の燃焼圧力に応じたばね係数の調整については、例えばばねや弾性体であればピストン１４のストローク方向の位置を可変にする移動手段を設ければよい。また、電磁石であれば電流量を調整すればよい。また、空気ばね室２２の代わりに第２の燃焼室を設ける場合には、燃焼室２０に噴射する燃料の供給量の変化と協調するようにして、第２の燃焼室に噴射する燃料の供給量を調整すればよい。

【符号の説明】

【0070】

１０ フリーピストン式発電機、１２ シリンダ、１４ ピストン、１６ 検出器、１８ 制御装置、２０ 燃焼室、２２ 空気ばね室、２４ 永久磁石、２６ コイル。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】