JP2018062902A - フリーピストンエンジン発電機 - Google Patents

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堀田　義博
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義博 堀田
成晶 後藤
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成晶 後藤
中北　清己
Kiyomi Nakakita
清己 中北
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Abstract

【課題】フリーピストンエンジン発電機を、測定された上死点の位置に基づき制御に因らずに安定的に運転する。
【解決手段】フリーピストンエンジン発電機１０は、シリンダ１２内で往復運動するピストン１６を有する。ピストン１６に永久磁石１８が、シリンダ１２側にコイル２０が設けられている。ピストン１６が往復運動する可動範囲ｓ内の一部にコイル２０に流れる電流を制御する電力制御区間ｃが設けられている。電力制御区間ｃの上死点側端点ｐ1を圧縮行程中のピストン１６が通過するときの速度が、その後ピストンが上死点に達したときの燃焼室温度が燃焼可能温度となる可燃速度となるように、コイルに流れる電流を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、フリーピストンエンジン発電機に関し、特にピストン動作の制御に関する。
フリーピストンエンジンにより駆動されるリニア発電機（以下、フリーピストンエンジン発電機と記す。）が知られている。エンジンのピストンに磁石、エンジンブロックにコイルを設けピストンの往復運動によりコイルに電流を発生させて発電が行われる。また、コイルに電力を供給することによりピストンの動作を制御することもできる。
下記特許文献１に記載されたフリーピストンエンジン発電機では、ピストンの可動範囲の中央寄りの一部区間で発電およびピストン駆動が行われる。この区間では、発電電力が制御され、またピストンを駆動するためにコイルに供給される電力が制御される。この区間を「電力制御区間」と記す。電力制御区間の外側、つまりピストン可動範囲の端寄りの区間では、ピストンは磁石とコイルの間に生じる電磁力の影響を受けずに運動する。この区間を「自由運動区間」と記す。自由運動区間のピストンは、ピストン自身の慣性とシリンダ内の気体の反発力によって運動する。ピストンは、可動範囲の端に向けて移動中、シリンダ内の気体を圧縮しつつ減速する。速度が０となった時点で折り返す。燃焼室側の速度が０となった位置を「上死点」、反対側の速度が０となった位置を「下死点」と記す。
下記特許文献１では、上死点の位置が予め定められた目標位置となるように、電力制御区間内のピストンの速度を制御している。具体的には、上死点の位置を検出し、この位置と目標位置の偏差から次のサイクルにおけるピストンの速度を定めるフィードバック制御が行われる。
特開２０１６-１０９１２３号公報
上死点の位置に基づきフリーピストンエンジン発電機の制御を行う場合、その運転の安定性を高めるためには、ピストンの位置、特に上死点位置の検出精度を高める必要がある。また、ピストンの速度制御の結果、到達する上死点に達する前に着火すると、燃焼ガスによりピストンが押し戻されてしまい、本来の上死点位置が不明となる。このため、上死点位置に基づくフィードバック制御が精度よく行われないという問題があった。
本発明は、取得された上死点の位置に基づく制御によらずに、フリーピストンエンジン発電機の運転の安定性を高めることを目的とする。
本発明のフリーピストンエンジン発電機は、シリンダを確定するエンジンブロックと、シリンダに沿って往復運動するピストンとを有し、エンジンブロックにコイルが備えられ、ピストンに磁石が備えられている。さらに、ピストンがピストンの可動範囲の一部に設定された電力制御区間にあるときに、コイルに流れる電流を制御する制御部とを有する。制御部は、電力制御区間の上死点側端点を圧縮行程中のピストンが通過するときの速度が、その後ピストンが上死点に達したときの燃焼室温度が燃焼可能温度となる可燃速度となるように、コイルに流れる電流を制御する。
ピストンがシリンダ内の気体を圧縮し、燃焼室の温度が、最終的に燃料が燃焼可能な温度となれば、そのときのピストンの位置がどこであっても、フリーピストンエンジン発電機の運転を継続することができる。ピストンがある時点で持っている運動エネルギと、その後のある時点における燃焼室温度（例えば上死点到達時）の関係が分かれば、ピストンの運動エネルギを制御することで燃焼室の温度を制御することができる。例えば、ピストンの運動エネルギと内部エネルギの関係に基づき、燃焼室の温度を制御することができる。ピストンがある時点で持っている運動エネルギと、その後のエネルギ収支が分かれば、その後のある時点（例えば上死点到達時）におけるシリンダ内の気体の内部エネルギを算出することができる。さらに、気体の組成が分かれば内部エネルギからシリンダ内の温度も算出することができる。電力制御区間内ではピストンの速度が制御可能であり、この区間の上死点側端点における速度を制御することにより、その後ピストンが上死点に達したときの燃焼室温度を制御することができる。したがって、燃焼室温度が、燃料が燃焼可能な温度となるように、電力制御区間の上死点側端点におけるピストンの速度を制御することで、フリーピストンエンジン発電機の運転を継続することができる。
制御部は、ピストンの速度をフィードバック制御するものとできる。さらに、制御部は、圧縮行程中のピストンの速度が電力制御区間内において可燃速度となるように、コイルに流れる電流を制御するものとできる。
また、制御部は、膨張行程中のピストンが上死点側端点を通過する速度と可燃速度とに基づき、電力制御区間を往復する間に発電すべき電力を算出し、算出された電力に基づきコイルに流れる電流を制御するものとできる。
また、制御部は、ピストンが上死点に達したときに、燃焼室内の気体が燃焼可能温度となる内部エネルギを有することになる、圧縮行程中の上死点側端点を通過するときのピストンの運動エネルギを求め、この運動エネルギをピストンが有するように可燃速度を定めるものとすることができる。
本発明によれば、電力制御区間の上死点側端点における圧縮行程中のピストンの速度を制御することで、上死点位置を取得せずともフリーピストンエンジン発電機を安定的に運転することができる。
本実施形態のフリーピストンエンジン発電機の概略構成を示す模式図である。 本実施形態のフリーピストンエンジン発電機のエネルギ収支の説明図である。 他の実施形態のフリーピストンエンジン発電機の概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態のフリーピストンエンジン発電機１０の概略構成を示す模式図である。フリーピストンエンジン発電機１０は、フリーピストンエンジンと発電機が組み合わされて、または一体化されている。この実施形態においてはフリーピストンエンジンは単一掃気流ディーゼルエンジンである。フリーピストンエンジンは、シリンダ１２を画定するエンジンブロック１４と、シリンダ１２内をシリンダ１２の軸線に沿って往復運動するピストン１６を含む。ピストン１６の外周部には、磁石１８が配置されている。また、エンジンブロック１４には、シリンダ１２を囲むように、コイル２０が配置されている。磁石１８とコイル２０によりリニア発電機が構成される。さらに、フリーピストンエンジン発電機１０は、コイル２０に流れる電流を三相インバータ２２を介して制御する制御部２４を備える。また、発電された電力を蓄えるバッテリ２６を備える。
ピストン１６は、直径の小さいピストン小径部２８と、直径の大きいピストン大径部３０を有する。シリンダ１２もピストン１６に合わせてシリンダ小径部３２とシリンダ大径部３４を有する。ピストン小径部２８とシリンダ小径部３２が燃焼室３６を画定し、ピストン大径部３０とシリンダ大径部３４が空気ばね室３８を画定する。
燃焼室３６には、その頂部において吸気管４２が連通している。さらに、吸気管４２の燃焼室３６に対する開口である吸気口を開閉するように吸気弁４４が設けられている。また、シリンダ小径部３２の側壁には、掃気口４６が設けられ、掃気口４６には排気管４８が接続されている。掃気口４６は、ピストン１６、特にピストン小径部２８の側面によって開閉される。吸気管４２と排気管４８には、ＥＧＲ（排気再循環）管５２が接続されている。ＥＧＲ管５２には、ＥＧＲ弁５４が設けられ、必要に応じて開閉して、ＥＧＲ量が調節される。空気ばね室３８は密閉されており、ピストン１６の往復運動に伴い、空気ばね室３８内の空気が圧縮され、また膨張する。
磁石１８は、ピストン大径部３０の外周部に配置され、シリンダの軸線方向に沿って、極性が交互になるように配置される。エンジンブロック１４には、シリンダ大径部３４を囲むように、また磁石１８に対向するようにコイル２０が配置されている。コイル２０は、Ｖ相、Ｕ相、Ｗ相のコイルが順に繰り返してシリンダの軸線方向に沿って配列されている。コイル２０に流れる電流は、三相インバータ２２を介して制御部２４により制御される。ピストン１６が往復運動することによりコイル２０に誘起された三相交流電力は、三相インバータ２２にて直流電力に変換されバッテリ２６に充電される。また、発電された電力は、他の負荷に供給されてもよい。
エンジンブロック１４には、ピストン１６の位置を検出するための位置センサ５６が設けられている。ピストン１６には、位置センサ５６に対向するようスケール５７が設けられている。スケール５７との相対位置に基づき位置センサ５６は、ピストン１６の位置に応じた信号を出力する。
制御部２４は、ピストン１６が上死点に達したときの燃焼室３６内の温度が、着火温度となるようにピストン１６の速度を制御する。制御部２４の動作については、後に詳述するが、ここでは簡単に説明する。着火温度は、燃料の性状によって定まる値である。圧縮仕事算出部５８は、ピストン１６が上死点に達したときの燃焼室温度がこの着火温度となるために、燃焼室内の気体に対しピストン１６がなすべき仕事Ｗを算出する。可燃速度算出部６０は、この仕事Ｗに見合う運動エネルギをピストン１６が有するためのピストンの速度を算出する。この速度であれば、ピストン１６が上死点に達したとき燃料を燃焼させることができる。この速度を「可燃速度」と記し、その符号をｖbとする。速度指令算出部６２は、可燃速度ｖbに基づき速度指令ｖ*を算出する。一方、速度算出部６４は、位置センサ５６の出力信号に基づき、実際のピストン速度ｖを算出する。推力指令算出部６６は、ピストンの速度指令ｖ*と実際の速度ｖの差分から推力指令τ*を算出する。さらに、電圧指令算出部６８が推力指令τ*と、位置センサ５６により検出されたピストン１６の位置とに基づき三相の電圧指令Ｖ*を算出する。この電圧指令Ｖ*に基づき、三相インバータ２２によって三相のコイル２０の電流が制御され、この結果ピストン速度が制御される。このように、このフリーピストンエンジン発電機１０は、ピストンの速度をフィードバック制御している。
フリーピストンエンジン発電機１０の動作、特にエンジンの動作について説明する。ピストン１６が上死点にあるとき燃料が燃焼し、燃焼ガスがピストン１６を押し、ピストン１６が移動する。このピストン１６の移動により空気ばね室３８内の気体が圧縮される。ピストン１６が下死点近傍に達すると、掃気口４６が開放され、また吸気弁４４が開く。掃気口４６が開放されることにより、燃焼ガスが排気として排出される。吸気弁４４が開くことにより、予圧された新気がシリンダ小径部３２内に供給される。ピストン１６が下死点に達すると、空気ばね室３８内の圧縮された気体の圧力でピストン１６は折り返し、上死点に向かい、シリンダ小径部３２内の気体を圧縮する。一方、ピストン１６が下死点近傍にあるとき吸気弁４４が閉じられる。ピストン１６が上死点近傍に達すると、燃焼室３６内に燃料を噴射し、燃料が燃焼する。このサイクルを繰り返して運転が継続する。
図２は、燃焼室３６内の気体のエネルギ収支に関する説明図である。ピストン１６は、可動範囲ｓ内で往復運動する。フリーピストンエンジンにおいては、各サイクルにおけるピストン１６の折り返し位置（上死点、下死点）は必ずしも一致しないが、可動範囲ｓは最大の範囲を想定している。磁石１８とコイル２０により構成される発電機で発電される電力および発電機に供給される電力は、ピストン１６が電力制御区間ｃ内に位置する時のみに制御される。図２において、可動範囲ｓおよび電力制御区間ｃは、ピストン１６の燃焼室３６に面した端面の位置を用いて示されている。あるサイクルにおいて、上死点にあるピストン１６が一点鎖線で示されている。このピストンの位置、つまり上死点を符号ｐ0で表す。可動範囲ｓの端付近では、ピストン１６の速度が遅くなるため、コイル２０に流れる電流によるピストンの動きの制御は効率が悪く、発電効率も悪い。このため、可動範囲ｓの全区間での制御は行わない。電力制御区間ｃは、可動範囲ｓの両端部を除いて、中央寄りに設けられ、この発電制御区間ｃ内にピストン１６が位置するときに、電力制御が行われる。電力制御区間ｃの上死点側の端点を、以降「上死点側端点」と記し、符号ｐ1を付す。
圧縮行程中のピストン１６は、電力制御区間ｃ内では速度が制御され、上死点側端点ｐ1を通過した後は、制御を受けずに運動する。電力制御区間ｃの外側に設けられた自由運動区間では、ピストン１６は、コイル２０と磁石１８の間の相互作用をを受けないという意味において自由に運動する。上死点側端点ｐ1を通過した後、ピストン１６の運動エネルギＫは、燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵ等に変換され、全運動エネルギが消費されたときピストン１６は停止（上死点）する。このとき燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵが最大となり、気体の温度も最高となる。
ピストン１６が上死点ｐ0となったときの内部エネルギＵ0は、式（１）で表される。
Ｕ0＝Ｕ1＋ΔＵ1,0
＝Ｕ1＋Ｋ1＋(ＵＧ1−ＵＧ0)−Ｅf1,0−Ｅw1,0 ・・・（１）
ここで、ＵＧは、空気ばね室３８内の気体の内部エネルギ、ΔＵ1,0は、上死点側端点ｐ1から上死点ｐ0までの間の内部エネルギＵの増分、Ｅf1,0は、上死点側端点ｐ1から上死点ｐ0までの摩擦による損失エネルギ、Ｅw1,0は、上死点側端点ｐ1から上死点ｐ0までの冷却による損失エネルギである。また、上死点ｐ0における各パラメータに添え字「0」、上死点側端点ｐ1における各パラメータに添え字「1」を付す。
式（１）において、ピストン１６の運動エネルギＫ1（＝(１/２)ｍｖ1 2）は、予めピストン１６の質量ｍを求めておけば、ピストンの速度ｖ1から算出することができる。ピストンの速度ｖ1は、例えば、位置センサ５６により測定されたピストン１６の位置を微分することによって求めることができる。
空気ばね室３８内の気体の内部エネルギＵＧは、温度をＴg、モル数をｎg、気体定数をＲgとすれば、式（２）で表せる。
ＵＧ＝(３/２)・ｎg・Ｒg・Ｔg ・・・（２）
空気ばね室３８内の気体が空気であれば、組成が分かっているので、成分ごとのモル数、気体定数が分かり、温度Ｔgを検出すれば内部エネルギＵＧ1,ＵＧ0を算出することができる。
また、気体の状態方程式(ＰＶ＝ｎＲＴ)を式（２）に適用すれば、式（３）が得られる。
ＵＧ＝(３/２)・Ｐg・Ｖg ・・・（３）
ここで、Ｐgは空気ばね室３８内の圧力、Ｖgは空気ばね室３８の体積である。空気ばね室３８内の圧力Ｐgは、圧力センサを設けることにより取得することができる。また、空気ばね室３８の体積Ｖgは、位置センサ５６により測定されたピストン１６の位置から算出すことができる。したがって、空気ばね室３８内の圧力Ｐgと空気ばね室３８の体積Ｖgからも内部エネルギＵＧ1,ＵＧ0を算出することができる。
摩擦による損失エネルギＥf1,0は、およそ潤滑油温および冷却水温の関数となり、実験的に求めておく。潤滑油温と冷却水温を変数とした関数として表し、この関数を記憶しておき、取得した潤滑油温および冷却水温を関数に代入して損失エネルギＥf1,0を算出することができる。また、潤滑油温と冷却水温の組を損失エネルギＥf1,0と対応付け、対応表として記憶し、取得した潤滑油温および冷却水温を対応表に適用して損失エネルギＥf1,0を算出することができる。摩擦による損失エネルギＥf1,0が、燃焼室３６内の圧力にも影響される場合は、潤滑油温、冷却水温に加え燃焼室内圧力も変数として関数または対応表を作成し、これに基づき損失エネルギＥf1,0を算出するようにできる。
冷却による損失エネルギＥw1,0も、およそ潤滑油温および冷却水温の関数であり、実験的に求めておく。潤滑油温と冷却水温を変数とした関数として表し、これを記憶しておき、取得した潤滑油温および冷却水温を関数に代入して損失エネルギＥw1,0を算出することができる。また、潤滑油温と冷却水温の組を損失エネルギＥw1,0と対応付け、対応表として記憶し、取得した潤滑油温および冷却水温を対応表に適用して損失エネルギＥw1,0を算出することができる。
上死点側端点ｐ1における燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵ1は、燃焼室３６内のガス量、組成、温度Ｔ1から算出できる。ガス量および組成は、式（４）から算出することができる。
(ガス量)＝(新気量)＋(外部ＥＧＲ量)＋(内部ＥＧＲ量) ・・・（４）
新気量は、ＥＧＲ管５２との合流点より上流の吸気管４２にエアフローメータを設け、新気の質量流量を測定して、１回の吸気行程において吸入された新気の質量を求めることができる。空気の組成は既知であるので、成分（窒素、酸素）ごとの質量およびモル数を求めることができる。また、吸気管４２内の流速、温度、圧力から新気の質量を求めることもでき、同様に成分ごとの質量およびモル数を求めることができる。
外部ＥＧＲ量は、ＥＧＲ管５２との合流点より下流の吸気管４２の質量流量から、新気の質量流量を減算することにより求めることができる。ＥＧＲ管５２との合流点より下流の質量流量は、この部分に圧力センサを設け、検出された圧力と、ピストン１６の移動量から求めた体積流量から求めることができる。また、排気の組成は、燃料の種類および供給量から求めることができる。これらにより、外部ＥＧＲされた気体の成分ごとの質量およびモル数を求めることができる。
内部ＥＧＲは、掃気行程において、排気されずに残留した燃焼済みガスによるＥＧＲである。内部ＥＧＲ量は、排気管４８と吸気管４２の圧力差と、ピストン１６が膨張側の折り返し位置（下死点）にあるときのシリンダ小径部３２内の体積に基づき算出できる。排気の組成は、燃料の種類および供給量から求めることができる。これらにより、内部ＥＧＲされた気体の成分ごとの質量およびモル数を求めることができる。
以上のように、新気量、外部ＥＧＲ量、および内部ＥＧＲ量を求めることができ、燃焼室３６内のガス量、組成を求めることができる。
温度Ｔ1は、燃焼室３６内に温度センサを設け、取得することができる。温度Ｔ1は、また、例えば燃焼室３６に圧力センサを設け、測定された圧力を気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）に適用して求めることができる。圧力Ｐは測定され、体積Ｖはピストン１６が上死点側端点ｐ1あるときの燃焼室３６の体積であるから既知の値である。前述のようにガスの量、組成が分かっているので、成分ごとのモル数ｎ、気体定数Ｒが分かり、温度Ｔ1を算出することができる。
上死点側端点ｐ1における燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵ1は式（５）で求めることができる。
Ｕ1＝(３/２)ｎaＲaＴ1＋(３/２)ｎbＲbＴ1＋(３/２)ｎcＲcＴ1＋・・・
・・・（５）
ここで、ｎa、ｎb、ｎc・・・は各成分のモル数、Ｒa、Ｒb、Ｒc・・・は各成分の気体定数である。
以上から、式（１）の右辺の各項を求めることができ、よって、左辺である上死点ｐ0における燃焼室３６内の気体の内部エネルギＵ0を求めることができる。そのときの温度Ｔ0は、式（６）より求めることができる。
Ｔ0＝(２/３)[１/(ｎaＲa＋ｎbＲb＋ｎcＲc＋・・・]Ｕ0 ・・・（６）
このように、上死点側端点ｐ1におけるピストン１６の運動エネルギＫ1から上死点ｐ0における燃焼室３６内の温度Ｔ0を求めることができる。以上の算出と逆の過程により、ピストン１６が上死点ｐ0に来たときの燃焼室３６内の温度Ｔ0がある温度となるような上死点側端点ｐ1におけるピストンの速度ｖ1を算出することができる。
制御部２４の動作について再度説明する。制御部２４の圧縮仕事算出部５８は、使用している燃料の性状に基づき予め記憶されている着火温度Ｔbを取得する。さらに、ピストン１６が上死点ｐ0に達したとき燃焼室３６内が温度Ｔ0が着火温度Ｔbとなるための上死点側端点ｐ1から上死点ｐ0までにピストン１６がなすべき仕事Ｗ1,0を算出する。ピストン１６は上死点ｐ0において速度ｖ＝０であるから、上記の仕事Ｗ1,0をなすためには、ピストン１６は上死点側端点ｐ1において、仕事Ｗ1,0に等しい運動エネルギＫb（以下、可燃運動エネルギと記す。）を有していればよい。式（１）を変形して式（１）’を得る。
Ｗ1,0＝Ｋb＝Ｕ0−｛Ｕ1＋(ＵＧ1−ＵＧ0)−Ｅf1,0−Ｅw1,0｝ ・・・（１）’
可燃速度算出部６０は、上死点側端点ｐ1においてピストン１６が可燃運動エネルギＫbを有するようそのときの速度ｖb（＝√(２Ｋb/ｍ)を算出する。速度指令算出部６２は、上死点側端点ｐ1において速度ｖbとなる速度指令ｖ*を出力する。例えば、圧縮行程中の電力制御区間ｃの全域で速度ｖbになるように制御することができる。速度指令ｖ*から速度算出部６４で算出された現実の速度ｖが減算され、これに基づき推力指令算出部６６で推力指令τ*が算出される。さらに、電圧指令算出部６８は、推力指令τ*とピストン１６の位置に基づき電圧指令Ｖ*を算出し、電圧指令Ｖ*に基づき三相インバータ２２が動作し、三相交流電力がコイル２０に供給される。
以上のように、ピストン１６の速度をフィードバック制御して電圧制御区間ｃの上死点側端点ｐ1におけるピストンの速度ｖ1を可燃速度ｖbとする。これにより、その後ピストン１６が上死点ｐ0に達したとき、燃焼室３６内の温度が着火温度Ｔbとなり、燃料の燃焼が開始される。上死点ｐ0の位置を測定せずともフリーピストンエンジン発電機１０の運転を継続することができる。
図３は、本発明に係る他の実施形態のフリーピストンエンジン発電機７０の概略構成を示す模式図である。フリーピストンエンジン発電機１０と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。フリーピストンエンジン発電機１０との相違は、制御部７２の構成である。
フリーピストンエンジン発電機７０においては、膨張行程および圧縮行程でピストン１６が電力制御区間ｃを通過する際の発電量を制御して、圧縮行程において上死点側端点ｐ1をピストン１６が通過する速度ｖ1を可燃速度ｖbとしている。圧縮仕事算出部５８で算出された仕事Ｗ1,0は、圧縮行程中のピストン１６が上死点側端点ｐ1を通過するときに持っているべき運動エネルギＫbである。膨張行程中のピストンが上死点側端点ｐ1を通過するときに持っている運動エネルギＫ2を、ピストン１６が下死点から戻ってきたときに運動エネルギＫbまで減少させることで、次のサイクルにおいても燃料が燃焼する。このフリーピストンエンジン発電機７０においては、発電量を制御することにより、圧縮行程中の上死点側端点ｐ1におけるピストン１６の運動エネルギを可燃運動エネルギＫbとしている。
発電量算出部７４は、ピストン１６が上死点側端点ｐ1と下死点の間で往復する間の発電すべき発電量ＧＥを式（７）に基づき算出する。
ＧＥ＝Ｋ2−Ｋb−Ｅf2,1−Ｅw2,1 ・・・（７）
Ｅf2,1はピストンが上死点側端点ｐ1と下死点の間で往復する間の摩擦による損失エネルギ、Ｅw2,1はピストンが上死点側端点ｐ1と下死点の間で往復する間の冷却による損失エネルギである。Ｅf2,1およびＥw2,1は、前述のＥf1,0、Ｅw1,0と同様、潤滑油温および冷却水温の関数として予め求めておき、この関数を用いて算出することができる。また、前述のＥf1,0、Ｅw1,0と同様に対応表を用いて求めるようにすることもできる。
推力指令算出部６６は、この発電量ＧＥに基づき推力指令τ*を算出する。推力τは、例えば、電力制御区間ｃ内で一定値となるようにすることができる。この場合、電力制御区間ｃの長さをＬcとすれば、推力τは、式（８）で算出される。
τ＝ＧＥ/(２Ｌc) ・・・（８）
さらに電圧指令算出部６８が推力指令τ*とピストンの位置に基づき電圧指令Ｖ*を算出し、三相インバータ２２が電圧指令Ｖ*に従い、三相交流電力をコイル２０に供給する。
フリーピストンエンジンは、ディーゼル機関（圧縮着火機関）に限らず、他の熱機関とすることができ、例えばオットー機関（火花点火機関）とすることができる。オットー機関の場合、自己着火はしないので、点火した際に燃料が燃焼可能な温度となるようにピストンの速度が制御される。
１０ フリーピストンエンジン発電機、１２ シリンダ、１４ エンジンブロック、１６ ピストン、１８ 磁石、２０ コイル、２２ 三相インバータ、２４ 制御部、２６ バッテリ、２８ ピストン小径部、３０ ピストン大径部、３２ シリンダ小径部、３４ シリンダ大径部、３６ 燃焼室、３８ 空気ばね室、４２ 吸気管、４４ 吸気弁、４６ 掃気口、４８ 排気管、５２ ＥＧＲ管、５４ ＥＧＲ弁、５６ 位置センサ、５７ スケール、５８ 圧縮仕事算出部、６０ 可燃速度算出部、６２ 速度指令算出部、６４ 速度算出部、６６ 推力指令算出部、６８ 電圧指令算出部、７０ フリーピストンエンジン発電機、７２ 制御部、７４ 発電量算出部、ｓ 可動範囲、ｃ 電力制御区間、ｐ0 上死点、ｐ1 上死点側端点、ｖ ピストンの速度、ｖb 可燃速度、ｍ ピストンの質量、Ｕ 燃焼室内の気体の内部エネルギ、ＵＧ 空気ばね室内の気体の内部エネルギ、Ｋ ピストンの運動エネルギ、Ｅf 摩擦による損失エネルギ、Ｅw 冷却による損失エネルギ、Ｔ 燃焼室内温度、Ｔb 着火温度。

Claims (6)

  1. コイルを備え、シリンダを画定するエンジンブロックと、
    磁石を備え、シリンダに沿って往復運動するピストンと、
    ピストンがピストンの可動範囲の一部に設定された電力制御区間にあるときに、コイルに流れる電流を制御する制御部と、
    を有し、
    制御部は、電力制御区間の上死点側端点を圧縮行程中のピストンが通過するときの速度が、その後ピストンが上死点に達したときの燃焼室温度が燃焼可能温度となる可燃速度となるように、コイルに流れる電流を制御する、
    フリーピストンエンジン発電機。
  2. 請求項１に記載されたフリーピストンエンジン発電機であって、制御部は、ピストンの速度をフィードバック制御する、フリーピストンエンジン発電機。
  3. 請求項２に記載されたフリーピストンエンジン発電機であって、制御部は、圧縮行程中のピストンの速度が電力制御区間内において可燃速度となるように、コイルに流れる電流を制御する、フリーピストンエンジン発電機。
  4. 請求項１に記載されたフリーピストンエンジン発電機であって、制御部は、膨張行程中のピストンが上死点側端点を通過する速度と可燃速度とに基づき、電力制御区間を往復する間に発電すべき電力を算出し、算出された電力に基づきコイルに流れる電流を制御する、フリーピストンエンジン発電機。
  5. 請求項１に記載されたフリーピストンエンジン発電機であって、制御部は、膨張行程中と圧縮行程中のピストンが上死点側端点を通過する速度に基づき、電力制御区間を往復する間のピストンに対する制動力を算出し、算出された制動力に基づきコイルに流れる電流を制御する、フリーピストンエンジン発電機。
  6. 請求項１〜５に記載されたフリーピストンエンジン発電機であって、制御部は、ピストンが上死点に達したときに、燃焼室内の気体が燃焼可能温度となる内部エネルギを有することになる、圧縮行程中の上死点側端点を通過するときのピストンの運動エネルギを求め、この運動エネルギをピストンが有するように可燃速度を定める、フリーピストンエンジン発電機。
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