フリーピストンエンジン

フリーピストンエンジンは、クランクシャフトによってピストンの動きが制御されるのではなく、燃焼室ガス、リバウンド装置（例えば、密閉シリンダー内のピストン）、および負荷装置（例えば、ガス圧縮機またはリニアオルタネータ）からの力の相互作用によって決定される、直線的な「クランクレス」内燃機関です。

こうしたピストンエンジンの目的はすべて動力を生成することである。フリーピストンエンジンでは、この動力はクランクシャフトに伝達されるのではなく、排気ガスの圧力によってタービンを駆動するか、空気圧縮機などの直線負荷を駆動して空気圧動力を得るか、あるいは直線型発電機をピストンに直接組み込んで電力を生成することによって取り出される。

自由ピストンエンジンの基本構成は、燃焼シリンダーの数に応じて、一般的にシングルピストン、デュアルピストン、または対向ピストンとして知られています。自由ピストンエンジンは、前後方向のサイクルごとに動力行程が必要となるため、通常は2ストローク動作原理に限定されます。ただし、分割サイクル 4ストロークバージョンが特許取得されており、GB2480461 (A) が2011年11月23日に公開されています。^{[ 1 ]}

第一世代

現代の自由ピストンエンジンはR.P. ペスカーラ^{[ 2 ]}によって提案され、当初の用途は単一ピストン空気圧縮機でした。ペスカーラは自由ピストンエンジンの開発のためにペスカーラ技術局を設立し、ロバート・フーバーは1924 年から 1962 年まで同局の技術部長を務めました。^{[ 3 ]}

1930年から1960年にかけて、このエンジンコンセプトは大きな注目を集め、数多くの市販ユニットが開発された。これらの第一世代のフリーピストンエンジンは、例外なく対向ピストンエンジンであり、2つのピストンは機械的に連結されて対称的な動きを実現していた。フリーピストンエンジンは、従来の技術に比べて、コンパクトさや振動のない設計など、いくつかの利点を提供した。

空気圧縮機

自由ピストンエンジンの概念が最初に実用化されたのは、空気圧縮機でした。これらのエンジンでは、空気圧縮機のシリンダーが可動ピストンに連結されており、多くの場合、多段構成になっていました。これらのエンジンの中には、圧縮機シリンダー内に残った空気を利用してピストンを戻すものもあり、それによってリバウンド装置が不要になりました。

自由ピストン式空気圧縮機は、ドイツ海軍などで使用されており、高効率、コンパクト、低騒音・低振動といった利点があった。^{[ 7 ]}

ガス発電機

自由ピストン式空気圧縮機の成功を受けて、多くの産業研究グループが自由ピストン式ガス発生器の開発に着手した。これらのエンジンでは、エンジン自体に負荷装置が接続されておらず、排気タービンから動力が取り出される。そのため、タービンの回転運動によってポンプ、プロペラ、発電機、その他の装置を駆動することができる。

この構成では、エンジンにかかる負荷は吸気の過給のみですが、理論的には、必要に応じてこの空気の一部を圧縮空気源として利用することも可能です。このような変更を加えることで、前述の排気駆動タービンと併用した場合、フリーピストンエンジンは、タービンの出力軸からの動力に加えて、必要に応じて圧縮空気も供給できるようになります。

自由ピストン式ガス発生器が数多く開発され、定置型発電所や船舶発電所などの大規模用途で広く使用された。^{[ 8 ]}自由ピストン式ガス発生器を車両推進（ガスタービン機関車など）に利用しようとする試みもあったが、成功しなかった。^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

特徴

フリーピストンエンジンの動作特性は、従来のクランクシャフトエンジンとは異なります。主な違いは、フリーピストンエンジンではピストンの動きがクランクシャフトによって制限されないため、可変圧縮比という潜在的に価値のある機能を実現できる点にあります。しかし、これは制御上の課題ももたらします。燃料の着火と効率的な燃焼を確保し、過剰なシリンダー内圧や、最悪の場合はピストンがシリンダーヘッドに衝突するのを避けるためには、デッドセンターの位置を正確に制御する必要があるからです。フリーピストンエンジンには多くの独自の機能があり、その中には潜在的な利点となるものもあれば、従来の技術に代わる現実的な選択肢となるために克服しなければならない課題となるものもあります。

ピストンがクランク機構によって機械的に制限されないため、フリーピストンエンジンは可変圧縮比という貴重な特徴を備えており、これにより幅広い運転最適化、高い部分負荷効率、そして多燃料運転が可能になります。これらの利点は、適切な制御方法による可変燃料噴射タイミングとバルブタイミングによってさらに強化されます。

可変ストローク長は、PPM（パルスポーズ変調）制御[1]などの適切な周波数制御方式によって実現されます。この方式では、制御可能な油圧シリンダを反発装置として使用し、ピストンの動きをBDCで一時停止します。したがって、ピストンがBDCに到達してから次のストロークの圧縮エネルギーが解放されるまでの間にポーズを適用することで、周波数を制御できます。

可動部品が少ないため、摩擦損失と製造コストが削減されます。シンプルでコンパクトな設計によりメンテナンスの手間が軽減され、製品寿命が延びます。

純粋な直線運動によりピストンにかかる横方向の負荷が非常に小さくなるため、ピストンに必要な潤滑油の量が少なくて済む。

フリーピストンエンジンの燃焼プロセスは、均質混合気圧縮着火（HCCI）方式に非常に適しています。この方式では、予混合気が圧縮されて自己着火するため、非常に速い燃焼が可能となり、点火時期の精密制御に対する要求も低くなります。また、ほぼ一定体積燃焼が可能であること、希薄混合気を燃焼させてガス温度を下げ、それによって一部の排出ガスを低減できることから、高い効率が得られます。

複数のエンジンを並列運転することで、バランスの問題による振動を軽減できる可能性があるが、そのためにはエンジンの回転速度を正確に制御する必要がある。別の方法としては、カウンターウェイトを取り付ける方法もあるが、その場合、設計がより複雑になり、エンジンのサイズと重量が増加し、摩擦損失も増加する。

従来のエンジンにあるフライホイールのような運動エネルギー貯蔵装置を持たないフリーピストンエンジンは、エンジンサイクルのタイミングや圧力のわずかな変動によって停止しやすい。エンジンが十分な圧縮を得られない場合や、噴射／点火および燃焼に他の要因が影響する場合、エンジンが失火したり停止したりする可能性があるため、速度とタイミングの精密な制御が必要となる。

利点

フリーピストン方式の潜在的な利点としては、以下のようなものがある。

可動部品が少ないシンプルな設計により、コンパクトなエンジンを実現し、メンテナンスコストの低減と摩擦損失の低減を実現しています。
可変圧縮比による運転の柔軟性により、あらゆる運転条件および多燃料運転での運転最適化が可能になります。自由ピストンエンジンは、均質混合気圧縮着火（HCCI）運転にも適しています。^{[ 20 ]}
上死点（TDC）付近でのピストン速度が高く、パワーストロークの膨張が速いため、燃料と空気の混合が促進され、熱伝達損失や窒素酸化物（NOx）などの温度依存性排出物の生成に利用できる時間が短縮されます。^{[ 21 ]}^{[ 22 ]}

課題

自由ピストンエンジンの主な課題はエンジン制御であり、これは単一ピストン油圧自由ピストンエンジンでのみ完全に解決されていると言える。二重ピストンエンジンにおける燃焼プロセスのサイクルごとの変動の影響や過渡運転時のエンジン性能などの問題は、さらなる調査が必要なトピックである。クランクシャフトエンジンは、オルタネーター、オイルポンプ、燃料ポンプ、冷却システム、スターターなどの従来のアクセサリーを接続できる。

排気流の中に設置されたタービンから、オルタネーター、エアコンコンプレッサー、パワーステアリングポンプ、排気ガス浄化装置といった従来の自動車エンジン付属部品を回転させるための回転運動を取り出すことができる。

対向ピストンエンジン

ほとんどの自由ピストンエンジンは、中央に単一の燃焼室を持つ対向ピストン式である。そのバリエーションとして、2つの独立した燃焼室を持つ対向ピストンエンジンがある。ステルツァーエンジンはその一例である。

参考文献

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情報源

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外部リンク

ドイツ航空宇宙センター（DLR）の研究者らが、電気自動車向けの新型航続距離延長装置を発表
無料ピストンエンジンに関する詳細なホームページ
イナスBV
ニューカッスル大学
ヴァンダービルト大学無料ピストンエンジンコンプレッサー（ 2010年12月23日にWayback Machineにアーカイブ済み）
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