JP2000504084A - 自由ピストン装置の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 相互に向かって、または相互から離反するように動作する２つのピストンを配設したシリンダなどを有するディーゼル形自由ピストンガス発生器に関する改良。シリンダ端部において、シリンダおよびピストンが、高エネルギー排気ガスを利用する装置にこの排気ガスを供給する配管に接続できる燃焼室を構成する。本発明によれば、シリンダ部に設けた排気ガス開口に少なくとも一つの排気ガス弁を配設する。この開口は、常時燃焼室に連絡する。排気ガス弁は、例えば、センサーによってガス発生器パラメータ値を直ちに演算するコンピュータによって制御される始動手段によって動作する。

Description

【発明の詳細な説明】 自由ピストン装置の改良 本発明は、 少なくとも一つのシリンダ部をもつシリンダ装置、 シリンダ部に配設したピストン、 シリンダ部およびピストンによって構成される燃焼室および戻し室、および 燃焼室に空気を供給するポンプまたは圧縮機装置、 を有し、ピストンを長手方向に燃焼室に向けて動作させてガスを圧縮し、または 反対方向に動作させて戻し室の空気を圧縮し、これを交互に行なう自由ピストン 装置の改良に関する。 このような自由ピストン装置としては、ディーゼル形のものが、例えばガス発 生器として利用されている。 公知ディーゼル形自由ピストンガス発生器の場合、ピストンが動作すると、シ リンダの排気ガス口のカバーが外れ、燃焼室から排気ガスを排出する。ピストン の位置のみに依存する、このような排気ガス口のカバー外しの場合、燃焼室内の 圧縮開始を制御することによって、ガス発生器の部分負荷制御を実施できる可能 性が小さくなる。これは、現実には、ガス発生器の運転時間全体を通じてほぼ公 称出力しか得られないことを意味する。 戻し室および燃焼室を個別に分離して配設することも知られているが、この場 合には、ガス発生器にかなりのスペースが必要になる。 また、燃焼室に向かい合うピストンの端部に一つのシールリングを設けること も知られているが、この部分を出口に対して完全にシールすることはできない。 公知自由ピストン発生器の場合、戻し室内に進入するガス発生器の自由ピストン の部分の容量のみが設定されるという意味では、戻し室の容量が設定されている が、この戻し室はガス発生器の運転を調整するために使用できない。 また、公知自由ピストン発生器には、自由ピストンがシリンダ部の隣接端壁に 接触して、これらが破損する恐れがある。 本発明の目的は、上記ガス発生器を制御できるように改良する排気ガス装置を 提供することにある。 本発明装置の特徴は、特許請求の範囲の特徴項に記載した通りである。 以下、本発明の実施例の概略図である図１〜図７について本発明を詳しく説明 することにする。 図１は、それぞれピストンを有し、かつ長手方向軸線が同軸の２つのシリンダ 部をもつ自由ピストンガス発生器を示す概略縦断面図である。図示のように、こ れらシリンダ部に共通な燃焼室をシリンダ部の隣接領域に設ける。この断面図は 同時に提出した明細書に添付した断面図と同じである。 図２は、ピストンをもつガス発生器の縦断面図である。 図３は、図２に示したガス発生器を原則的に２台有する、それぞれ２つのシリ ンダおよびピストンを備えたガ ス発生器を示す縦断面図である。図示のように、これらの長手方向軸線は同軸で 、戻し室、即ち緩衝室を相互に対向して設ける。図４は、緩衝室、即ち戻し室と 圧縮機装置を組み合わせた、シリンダ部およびピストンを備えたガス発生器を示 す縦断面図である。 図５は、図４に示した形式のガス発生器を４台組み合わせたものの縦断面図で ある。 図６は、ひとつのピストンと、各端部に燃焼室をもつシリンダを備えたシリン ダ装置を有するガス発生器を示す縦断面図である。 図７は、ガス発生器のシリンダ装置の燃焼室付近にあるシリンダ部の、一部を 切り欠いた横断面図である。 ガス発生器構成の細部については、本願明細書と同時に提出した上記明細書が 参考になる。戻し室内の空気の質量またはエネルギーを変更することによって、 ピストン行程動作を変更できるようにプログラムされたコンピュータを使用して 上記形式のガス発生器の行程を制御する方法が記載されている。このコンピュー タによって、圧力センサー、温度センサーや位置センサーなどのセンサーのアレ ーを使用して、自由ピストンガス発生器の動作パラメータに関する値を求めるこ とができる。この場合の特徴などは上記明細書に記載され、特許請求の範囲で定 義されているので、ここでは説明を簡単にするために繰り返さない。なお、これ ら基本的な特徴は本発明でも利用されている。 図１に示したガス発生器は、同時に出願した明細書で説明しているのと同じ形 式である。ピストンが各行程で排気ガス口のカバーを外す代わりに、シリンダ装 置の中心に、燃焼室が連絡し、かつ排気ガスの燃焼室からの排気を制御する排気 ガス弁１を配設したチャネルを設ける。このため、燃焼室からの排気ガスの排気 はピストンによるシリンダ部の出口の開度に依存する。この排気ガス弁１は、例 えば、同時に出願した明細書に記載したコンピュータで制御することによって、 部分負荷時、ガス発生器を動作する。 さらに、入り口や個々の行程長さおよび熱負荷に対して横中央面に対して対称 になっているので、ガス発生器の組み立てや解体が簡単であり、従って保守が簡 単である。 図２のガス発生器の場合、同時に出願した明細書で説明したシリンダ装置の１ ／２に相当するシリンダ３に一つのピストン２を配設する。但し、この実施例で は、例えば、図１に関連して説明したような排気ガス弁４をシリンダの端面にお いて燃焼室に設ける。 燃焼室に向き合うピストンの端部と対向するシリンダ端壁とが衝突するのを防 ぐために、燃焼室６とは反対側にある圧縮機ピストン側にある通気室９において 、ピストン２の拡大部５に円筒形の、軸方向に突出するジベル７を取り付ける。 ジベル７の横断面は軸方向に突設した孔８の横断面と同じ形状である。この孔８ は、圧縮機ハ ウジング壁内に形成するが、この孔を介して通気室９の空気が周囲の空気と連絡 する。燃焼室内に進入するピストン端部が対向するシリンダ端壁に接近し過ぎる と、ジベル７が孔８に嵌入し、通気室１０を閉じる。従って、ピストンがさらに 進むと、封入されている空気の圧力が高くなり、ピストンの進入動作に制動をか け、ピストンとシリンダ端壁との衝突を回避できる。この設計の場合、ピストン がその長手方向軸を中心として回転するのを抑える（図示しない）案内装置が必 要である。 両死点位置でピストンとシリンダ端壁とが衝突するのを防ぐために、前記コン ピュータによって戻し室、即ち緩衝室に過剰な空気を供給でき、ピストンが緩衝 室に衝突することを防止できる。あるいは、緩衝室から空気を取り出して、ピス トンの燃焼室への進入速度を低速化してもよい。 ピストンと緩衝シリンダ壁との間のクリアランスが小さいと、比較的高い圧力 を緩衝室に直ちに送ることができ、同様に、ピストンと緩衝室端壁との衝突を回 避できる。 図２に、ピストンが燃焼室から後退する場合に、シリンダの入り口に圧縮空気 を供給する圧縮機の弁の構成を示す。逆形弁構成とは対照的に、この弁構成は有 利である。というのは、圧縮機室６と入り口との間になんらかの加圧室を設ける 必要がなく、従って圧力エネルギーの蓄積に関連してヒステリシスループが発生 しないからで ある。さらに、この装置によれば、導入空気圧縮に影響する変動をもたらさずに 、圧縮比を変えることができる。しかし、問題も一つあり、外側死点位置、即ち 燃焼室後退時にピストンが位置する死点位置では、ピストンについてのトレラン スを小さくしなければならないことである。これを相殺するためには、戻し室、 即ち緩衝室の容量を調節できるようにするのが有利である。これは、緩衝室にお いてシリンダ端壁をシリンダ端部に軸方向に螺入するねじの形に成形すると実現 できる。このシリンダ端壁を回転駆動できるモーターを設けることによって、シ リンダに係合したり、あるいはシリンダから離脱できるようにすると、緩衝室容 量を簡単に変えることができる。このモーターは、例えば、前記の同時に提出し た明細書に記載したコンピュータによって制御できる。 図２に示すように、空気を圧縮機から圧縮空気タンク１１に送り、このタンク から弁１２を介して、例えばガスタービンに送り、ガス発生器からの排気ガスと 混合する。これによって、吸気段階における燃焼室への空気供給を制御できる。 このような制御のためには、例えば、シリンダ内の吸気弁（図示せず）を制御す ればよい。 燃焼室および緩衝室を図１に示すように配置する代わりに、図３に示すように 配置してもよい。この配置では、シリンダ部の燃焼室をシリンダの最先端に設置 でき、従ってシリンダ部を標準的なディーゼルモーターを対象とするシリンダと 同様に設計できる。即ち、燃焼室におけ るシリンダの冷却を改善できる。ガス発生器の適正作動を得るためには、各ピス トンに対してそれぞれ個別な緩衝室を設ける必要がある。この理由から、中心仕 切り板１５を設けて、２つの緩衝室１６、１７を分離形成する。 図４に示すピストンを備えたガス発生器の場合には、外部の死点位置に達した 後、燃焼室に向かってピストンを戻す戻し室、即ち緩衝室としても圧縮機室が作 用する。この構成では、前記コンピュータなどによる調整や図３について説明し たような調整を行なって、圧縮機室内の空気のエネルギーがピストンの戻り動作 のために常に十分利用できるようにし、燃焼室内のガスの圧縮行程（圧縮行程） を確実に実行できるようにする必要がある。 ピストンがただ一つのガス発生器は動的平衡状態にないため、この種のガス発 生器は、同じようなガス発生器と組み合わせて使用できる。この場合、ピストン の進入・後退動作には位相シフトがある。 図４では、図３に示した形式のガス発生器を４台使用し、（図示しない）共通 のフレームに一列に配置する。例えば、２つの外側ガス発生器２１、２２のピス トンの動作位相は同相にできる。また、これらピストンは、２つの内側ガス発生 器のピストンに対して１８０゜位相がずれている。 各ガス発生器の圧縮機室から、空気を配管２５により圧縮空気タンク２６を介 してそれぞれのガス発生器入り口に送る。 このタンクから、配管２７を遮断弁２８まで延設し、配管２９と同様な配管を 相互に接続するマニホルド３０にこの遮断弁を配管２９を介して接続する。排気 ガスは、排気ガス出口から配管３１を介して配管２９に送る。 マニホルド３０から排気ガスをチャンバー３５に送り、ここで排気ガスの圧力 変動をある程度まで調整する。チャンバー３５から、ターボ圧縮機３３を駆動す るガスタービン３４に排気ガスを送る。この過程で、ターボ圧縮機３３が周囲の 空気を吸引・圧縮し、中間冷却器３４および空気マニホルド３６を介して各ガス 発生器の圧縮機の入り口弁に送る。 圧縮機から入り口までの配管２５の代わりに、（図示しない）チャネルを各シ リンダ内に延設できる。 図６に示す、ピストン５１をひとつ備えたガス発生器の場合、ピストン５１に 、圧縮機ピストン部５２を形成する拡大中心部を設ける。各側において、ピスト ン５１に作動ピストン部５３および５４を形成する。 拡大中心圧縮機シリンダ部５６を有するシリンダ装置５５にこのピストン５１ を配設する。各側において、シリンダ装置に、直径が同じ作動シリンダ部５７お よび５８を形成する。 ピストン５２、５３、５４については、各シリンダ部５６、５７、５８におい て軸方向に前後に動作できるように配設する。 圧縮機シリンダ部５６の端壁とともに、圧縮機ピスト ン部５２が２つの圧縮機室６１、６２を構成する。各圧縮機室には、入り口弁お よび出口弁６３、６４および６５、６６を設ける。 また、作動シリンダ部の端領域とともに、作動ピストン部の端部が燃焼室７１ 、７２を構成する。 作動シリンダ部５７、５８には、吸気口７５、７６および排気ガス出口７７、 ７８を設ける。排気ガス出口には、対応する弁作動手段８５、８６、８７、８８ によって作動できる弁８１、８２、８３、８４を設ける。さらに、作動シリンダ 部には、燃料噴射ノズル８９、９０を設ける。 右側圧縮機室６２の出口弁６５を配管によって左側作動シリンダ部５７の入り 口７５に接続し、そしてさらに遮断弁９１を介してガスタービン９５の入り口に 接続する。このガスタービンには、配管により両作動シリンダから排気ガスを供 給する。 さらに、左側圧縮機室６１の出口弁６４を配管によって右側作動シリンダ部５ ８の入り口７６に接続し、そしてさらに遮断弁９２を介してガスタービン９５の 入り口に接続する。 このガスタービン９５はターボ圧縮機９６を駆動し、そして例えば発電機９７ を駆動するようになっている。ターボ圧縮機が周囲の空気を吸引し、これを圧縮 状態で中間冷却器９８を介して圧縮機室の入り口弁６３、６６に送る。 この場合も、排気ガス弁の作動手段８５〜８８は上記のコンピュータによって 作動できる。 図６の排気ガス発生器の特徴は、シリンダ装置の最先端部に燃焼室を配置でき るため、運転時にかなりの高温になる隣接シリンダ部へのアクセスが容易であり 、良好な冷却が可能になることである。さらに、負荷の大きい排気ガス出口の代 わりに、公知方法で良好に冷却できるそれ自体公知な弁装置が使用できる。 遮断弁９１、９２を開放すると、ガス発生器からの排気ガスヘ冷気を供給でき 、これによってタービン９５に送られるガスの温度を下げることができる。 このガス発生器のシリンダ数はひとつであるため、共通フレームに例えば４台 のガス発生器を配置するのが有利であり、図５に示した装置について説明したよ うに、ほぼ動的に平衡した装置を実現できる。 図７に、軸方向に、そして同じシリンダ１０３内に２つのピストン１０１、１ ０２を設けたガス発生器の中心部を示す。このシリンダ１０３とともに、相互に 対向して設けられたピストンの端部が燃焼室１０４を構成する。燃料噴射ノズル １０５を設けて、燃料を燃焼室１０４に供給する。 例えば、図示の左側ピストン１０１は、内側死点位置にある。即ち、燃焼室１ ０４の最も奥まで挿入された時の位置である。また、図示の右側ピストン１０２ は外側死点位置にある。なお、動作時、両ピストンは、実質的 に、内側死点位置か外側死点位置のいずれかの位置に同時に位置する。 燃焼室に向き合う端部付近では、各ピストンに一対のシールリング１１１、１ １２、１１３、１１４を取り付ける。各対のシールリング、即ち１１１、１１２ および１１３、１１４間にはそれぞれ間隔を設け、ピストンが適当な位置にきた ときの軸方向からみた場合に、排気ガス口または吸気口のいずれかの側にシール を実現できるようにする。従って、各ピストンが遮断弁を構成することになる。 これは出力調整にとって重要である。というのは、通常、ガス発生器は少なくと も２つのシリンダをもち、これらピストン対を順次始動停止するからである。 なお、添付図面には特に示していないが、ガス発生器始動装置や、コンピュー タなどのためのセンサーなどを設けることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年４月３日（１９９８．４．３） 【補正内容】 補正の翻訳 請求の範囲 １．少なくとも一つのシリンダとピストン（１９）を内部に配設し、これらシリ ンダおよびピストンの端部が、シリンダとともに、それぞれ燃焼室および緩衝室 を構成し、そして圧縮機室（８）をもつピストン圧縮機により圧縮空気を燃焼室 に供給する自由ピストンガス発生器において、シリンダ部に設けた開口に少なく とも一つの排気ガス弁を配設し、この開口を燃焼室に常時連絡し、排気ガス弁を 始動手段によって動作し、緩衝室が圧縮機室の機能部を構成することを特徴とす る自由ピストンガス発生器。 ２．圧縮機室／緩衝室を構成する側に対向するピストン（２）の側が、シリンダ （３）の一部とともに通気室（１０）を構成し、ピストン（２）が通気室（１０ ）に対して外側死点にあるときに、即ち通気室の容量が最大のときに、軸方向の 貫通流路（８）を介して周囲の空気に通気室が連絡し、そしてジベル（７）がピ ストンから通気室内に突出し、ピストン（２）が外側死点から通気室（１０）の 内側死点に向かってある距離動作したときに、ジベル（７）が流路（８）に気密 的に嵌入することを特徴とする請求項１の自由ピストンガス発生器。 ３．圧縮機室／緩衝室に連絡する弁装置、圧縮空気タンク、およびピストンが緩 衝室に対して外側死点にあるときに、タンクから圧縮機室／緩衝室に圧縮空気を 導入す るように弁装置を動作させる制御装置を有する請求項１または２の自由ピストン ガス発生器において、弁装置もまた周囲の空気に連絡し、制御装置が位置センサ ーによってシリンダ部内の自由ピストンの位置を連続設定し、そして制御装置が 弁装置を始動して、ピストンの任意の位置で圧縮機室／緩衝室を圧縮空気タンク または周囲の空気に接続して、自由ピストンの端部の一つがシリンダ部のこれに 隣接する端部に接触するのを防止することを特徴とする自由ピストンガス発生器 。 ４．少なくとも一つのシリンダとピストン（２）を内部に配設し、これらシリン ダおよびピストンの端部が、シリンダ（３）とともに、それぞれ燃焼室（１３） 、緩衝室（１４）および圧縮機室（６）を構成し、そして圧縮機室（６）が圧縮 空気を燃焼室に供給する自由ピストンガス発生器において、シリンダ部に設けた 開口に少なくとも一つの排気ガス弁を配設し、排気ガス弁を始動手段によって動 作し、緩衝室の一方のシリンダ部分が他方のシリンダ部分に対して可動な成分を 有し、この成分によって緩衝室の容量を蛙ことを特徴とする自由ピストンガス発 生器。 ５．上記成分が、緩衝室に螺入かつ緩衝室から螺出できるねじであることを特徴 とする請求項４に記載の自由ピストン発生器。 ６．上記成分のシリンダ部分への螺入およびシリンダ部分からの螺出を、シリン ダに対するピストンの動作に関 する情報が与えられるコンピュータによって制御することを特徴とする請求項４ または５の自由ピストンガス発生器。 ７．圧縮機室／緩衝室を構成する側に対向するピストン（２）の側が、シリンダ （３）の一部とともに通気室（１０）を構成し、ピストン（２）が通気室（１０ ）に対して外側死点にあるときに、即ち通気室の容量が最大のときに、軸方向の 貫通流路（８）を介して周囲の空気に通気室が連絡し、そしてジベル（７）がピ ストンから通気室内に突出し、ピストン（２）が外側死点から通気室（１０）の 内側死点に向かってある距離動作したときに、ジベル（７）が流路（８）に気密 的に嵌入することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項のの自由ピストンガ ス発生器。 ８．緩衝室（１４）に連絡する弁装置、圧縮空気タンク、およびピストンが緩衝 室に対して外側死点にあるときに、タンクから圧縮機室／緩衝室に圧縮空気を導 入するように弁装置を動作させる制御装置を有する請求項４〜７のいずれか１項 の自由ピストンガス発生器において、弁装置もまた周囲の空気に連絡し、制御装 置が位置センサーによってシリンダ部（３）内の自由ピストン（２）の位置を連 続設定し、そして制御装置が弁装置を始動して、ピストンの任意の位置で緩衝室 （１４）を圧縮空気タンクまたは周囲の空気に接続して、自由ピストン（２）の 端部の一つがシリンダ部のこれに隣接する端部に接触す るのを防止することを特徴とする自由ピストンガス発生器。 【手続補正書】 【提出日】１９９８年１０月２日（１９９８．１０．２） 【補正内容】 明細書 自由ピストン装置の改良 本発明は、少なくとも一つのシリンダと、このシリンダに設けたピストンとを 有し、ピストンの端部がシリンダとともにそれぞれ燃焼室および緩衝室を構成し 、そしてさらに圧縮空気を燃焼室に供給するピストン圧縮機を有する自由ピスト ンガス発生器に関する。 また、本発明は、少なくとも一つのシリンダと、このシリンダに設けたピスト ンとを有し、ピストンの端部がシリンダとともにそれぞれ燃焼室、緩衝室、およ び圧縮空気を燃焼室に供給する圧縮機室を構成する自由ピストンガス発生器にも 関する。 このような自由ピストン装置としては、ディーゼル形のものが、例えばガス発 生器として利用されている。 公知ディーゼル形自由ピストンガス発生器の場合、ピストンが動作すると、シ リンダの排気ガス口のカバーが外れ、燃焼室から排気ガスを排出する。ピストン の位置のみに依存する、このような排気ガス口のカバー外しの場合、燃焼室内の 圧縮開始を制御することによって、ガス発生器の部分負荷制御を実施できる可能 性が小さくなる。これは、現実には、ガス発生器の運転時間全体を通じてほぼ公 称出力しか得られないことを意味する。 戻し室および燃焼室を個別に分離して配設することも知られているが、この場 合には、ガス発生器にかなりのスペースが必要になる。 また、燃焼室に向かい合うピストンの端部に一つのシールリングを設けること も知られているが、この部分を出口に対して完全にシールすることはできない。 公知自由ピストン発生器の場合、戻し室内に進入するガス発生器の自由ピスト ンの部分の容量のみが設定されるという意味では、戻し室の容量が設定されてい るが、この戻し室はガス発生器の運転を調整するために使用できない。 また、公知自由ピストン発生器には、自由ピストンがシリンダ部の隣接端壁に 接触して、これらが破損する恐れがある。 ＧＢ２２１４５６９には、一方、燃焼室と、圧縮機室と、戻し室とを有する自 由ピストンガス発生器が開示されている。ガス発生器シリンダと、自由ピストン に直接接続した圧縮器ピストンとが戻し室を構成し、調整器および逆止め弁を介 してスワールタンクに戻し室が接続されている。 万一漏れが生じた場合には、戻し室内の空気をトッピングする。また、原則的 には、戻し室は密閉室であり、この密閉室の可動壁のみが密閉室に対向する圧縮 ピストンの部分になる。 ガス発生器の排気口はピストンによって開閉する。 このように、戻し室の空気容量および圧力、および排気タイミングはシリンダ に対する往復ピストンの位置のみの関数である。 即ち、ガス発生器の重要な運転パラメータはピストンの位置のみの関数である 。また、戻し室は圧縮機室としては機能しないので、この戻し室には、内圧を維 持する手段を別に設ける必要がある。 本発明の目的は、上記ガス発生器を制御できるように改良する排気ガス装置を 提供することにある。 本発明装置の特徴は、特許請求の範囲の特徴項に記載した通りである。 以下、本発明の実施例の概略図である図１〜図７について本発明を詳しく説明 することにする。 図１は、それぞれピストンを有し、かつ長手方向軸線が同軸の２つのシリンダ 部をもつ自由ピストンガス発生器を示す概略縦断面図である。図示のように、こ れらシリンダ部に共通な燃焼室をシリンダ部の隣接領域に設ける。この断面図は ＷＯ９７／２８３６２の断面図と同じである。 図２は、ピストンをもつガス発生器の縦断面図である。 図３は、図２と同様な形式のガス発生器を原則的に２台有する、それぞれ２つ のシリンダおよびピストンを備えたガス発生器を示す縦断面図である。図示のよ うに、これらの長手方向軸線は同軸で、戻し室、即ち緩衝室を相互に対向して設 ける。 図４は、緩衝室、即ち戻し室と圧縮機装置を組み合わせた、シリンダ部および ピストンを備えたガス発生器を示す縦断面図である。 図５は、図４に示した形式のガス発生器を４台組み合わせたものの縦断面図で ある。 図６は、一つのピストンと、各端部に燃焼室をもつシリンダを備えたシリンダ 装置を有するガス発生器を示す縦断面図である。 図７は、ガス発生器のシリンダ装置の燃焼室付近にあるシリンダ部の、一部を 切り欠いた横断面図である。 ガス発生器構成の細部については、ＷＯ９７／２８３６２が参考になる。戻し 室内の空気の質量またはエネルギーを変更することによって、ピストン行程動作 を変更できるようにプログラムされたコンピュータを使用して上記形式のガス発 生器の行程を制御する方法が記載されている。このコンピュータによって、圧力 センサー、温度センサーや位置センサーなどのセンサーのアレーを使用して、自 由ピストンガス発生器の動作パラメータに関する値を求めることができる。この 場合の特徴などは上記明細書に記載され、特許請求の範囲で定義されているので 、ここでは説明を簡単にするために繰り返さない。なお、これら基本的な特徴は 本発明でも利用されている。 図１に示したガス発生器は、ＷＯ９７／２８３６２と同じ形式である。ピスト ンが各行程で排気ガス口のカバーを外す代わりに、シリンダ装置の中心に、燃焼 室が連絡し、かつ排気ガスの燃焼室からの排気を制御する排気ガス弁１を配設し たチャネルを設ける。このため、燃焼室からの排気ガスの排気はピストンによる シリンダ部の 出口の開度に依存する。この排気ガス弁１は、例えば、同時に出願した明細書に 記載したコンピュータで制御することによって、部分負荷時、ガス発生器を動作 する。 さらに、入り口や個々の行程長さおよび熱負荷に対して横中央面に対して対称 になっているので、ガス発生器の組み立てや解体が簡単であり、従って保守が簡 単である。 図２のガス発生器の場合、ＷＯ９７／２８３６２で説明したシリンダ装置の１ ／２に相当するシリンダ３に一つのピストン２を配設する。但し、この実施例で は、例えば、図１に関連して説明したような排気ガス弁４をシリンダの端面にお いて燃焼室に設ける。 燃焼室に向き合うピストンの端部と対向するシリンダ端壁とが衝突するのを防 ぐために、燃焼室６とは反対側にある圧縮機ピストン側にある通気室１０におい て、ピストン２の拡大部５に円筒形の、軸方向に突出するジベル７を取り付ける 。ジベル７の横断面は軸方向に突設した孔８の横断面と同じ形状である。この孔 ８は、圧縮機ハウジング壁内に形成するが、この孔を介して通気室１０の空気が 周囲の空気と連絡する。燃焼室内に進入するピストン端部が対向するシリンダ端 壁に接近し過ぎると、ジベル７が孔８に嵌入し、通気室１０を閉じる。従って、 ピストンがさらに進むと、封入されている空気の圧力が高くなり、ピストンの進 入動作に制動をかけ、ピストンとシリンダ端壁との衝突を回避できる。この設計 の場合、ピストンがその長手方向軸を中心として回転するのを抑える（図示しな い）案内装置が必要である。 両死点位置でピストンとシリンダ端壁とが衝突するのを防ぐために、前記コン ピュータによって戻し室、即ち緩衝室に過剰な空気を供給でき、ピストンが緩衝 室に衝突することを防止できる。あるいは、緩衝室から空気を取り出して、ピス トンの燃焼室への進入速度を低速化してもよい。 ピストンと緩衝シリンダ壁との間のクリアランスが小さいと、比較的高い圧力 を緩衝室に直ちに送ることができ、同様に、ピストンと緩衝室端壁との衝突を回 避できる。 図２に、ピストンが燃焼室から後退する場合に、シリンダの入り口に圧縮空気 を供給する圧縮機の弁の構成を示す。ピストンが燃焼室に向かって前進する場合 に、圧縮空気をシリンダの入り口に供給する弁構成とは対照的に、この弁構成は 有利である。というのは、圧縮機室６と入り口との間になんらかの加圧室を設け る必要がなく、従って圧力エネルギーの蓄積に関連してヒステリシスループが発 生しないからである。さらに、この装置によれば、導入空気圧縮に影響する変動 をもたらさずに、圧縮比を変えることができる。しかし、問題も一つあり、外側 死点位置、即ち燃焼室後退時にピストンが位置する死点位置では、ピストンにつ いてのトレランスを小さくしなければならないことである。これを相殺するため に は、戻し室、即ち緩衝室の容量を調節できるようにするのが有利である。これは 、緩衝室においてシリンダ端壁をシリンダ端部に軸方向に螺入するねじの形（図 示せず）に成形すると実現できる。このシリンダ端壁を回転駆動できるモーター を設けることによって、シリンダに係合したり、あるいはシリンダから離脱でき るようにすると、緩衝室容量を簡単に変えることができる。このモーターは、例 えば、ＷＯ９７／２８３６２に記載したコンピュータによって制御できる。 図２に示すように、空気を圧縮機から圧縮空気タンク１１に送り、このタンク から弁１２を介して、例えばガスタービンに送り、ガス発生器からの排気ガスと 混合する。これによって、吸気段階における燃焼室への空気供給を制御できる。 このような制御のためには、例えば、シリンダ内の吸気弁（図示せず）を制御す ればよい。 燃焼室および緩衝室を図１に示すように配置する代わりに、図３に示すように 配置してもよい。この配置では、シリンダ部の燃焼室をシリンダの最先端に設置 でき、従ってシリンダ部を標準的なディーゼルモーターを対象とするシリンダと 同様に設計できる。即ち、燃焼室におけるシリンダの冷却を改善できる。ガス発 生器の適正作動を得るためには、各ピストンに対してそれぞれ個別な緩衝室を設 ける必要がある。この理由から、中心仕切り板１５を設けて、２つの緩衝室１６ 、１７を分離形成する。 図４に示すピストンを備えたガス発生器の場合には、 外部の死点位置に達した後、燃焼室に向かってピストンを戻す戻し室、即ち緩衝 室としても圧縮機室が作用する。この構成では、前記コンピュータなどによる調 整や図２について説明したような調整を行なって、圧縮機室内の空気のエネルギ ーがピストンの戻り動作のために常に十分利用できるようにし、燃焼室内のガス の圧縮行程（圧縮行程）を確実に実行できるようにする必要がある。 ピストンがただ一つのガス発生器は動的平衡状態にないため、この種のガス発 生器は、同じようなガス発生器と組み合わせて使用できる。この場合、ピストン の進入・後退動作には位相シフトがある。 図５では、図３に示した形式のガス発生器を４台使用し、（図示しない）共通 のフレームに一列に配置する。例えば、２つの外側ガス発生器２１、２２のピス トンの動作位相は同相にできる。また、これらピストンは、２つの内側ガス発生 器のピストンに対して１８０゜位相がずれている。 各ガス発生器の圧縮機室から、空気を配管２５により圧縮空気タンク２６を介 してそれぞれのガス発生器入り口に送る。 このタンクから、配管２７を遮断弁２８まで延設し、配管２９と同様な配管を 相互に接続するマニホルド３０にこの遮断弁を配管２９を介して接続する。排気 ガスは、排気ガス出口から配管３１を介して配管２９に送る。 マニホルド３０から排気ガスをチャンバー３５に送 り、ここで排気ガスの圧力変動をある程度まで調整する。チャンバー３５から、 ターボ圧縮機３３を駆動するガスタービン３４に排気ガスを送る。この過程で、 ターボ圧縮機３３が周囲の空気を吸引・圧縮し、中間冷却器３４および空気マニ ホルド３６を介して各ガス発生器の圧縮機の入り口弁に送る。 圧縮機から入り口までの配管２５の代わりに、（図示しない）チャネルを各シ リンダ内に延設できる。 図６に示す、ピストン５１をひとつ備えたガス発生器の場合、ピストン５１に 、圧縮機ピストン部５２を形成する拡大中心部を設ける。各側において、ピスト ン５１に作動ピストン部５３および５４を形成する。 拡大中心圧縮機シリンダ部56を有するシリンダ装置５５にこのピストン５１を 配設する。各側において、シリンダ装置に、直径が同じ作動シリンダ部５７およ び５８を形成する。 ピストン５２、５３、５４については、各シリンダ部５６、５７、５８におい て軸方向に前後に動作できるように配設する。 圧縮機シリンダ部５６の端壁とともに、圧縮機ピストン部５２が２つの圧縮機 室６１、６２を構成する。各圧縮機室には、入り口弁および出口弁６３、６４お よび６５、６６を設ける。 また、作動シリンダ部の端領域とともに、作動ピストン部の端部が燃焼室７１ 、７２を構成する。 作動シリンダ部５７、５８には、吸気口７５、７６および排気ガス出口７７、 ７８を設ける。排気ガス出口には、対応する弁作動手段８５、８６、８７、８８ によって作動できる弁８１、８２、８３、８４を設ける。さらに、作動シリンダ 部には、燃料噴射ノズル８９、９０を設ける。 右側圧縮機室６２の出口弁６５を配管によって左側作動シリンダ部５７の入り 口７５に接続し、そしてさらに遮断弁９１を介してガスタービン９５の入り口に 接続する。このガスタービンには、配管により両作動シリンダから排気ガスを供 給する。 さらに、左側圧縮機室６１の出口弁６４を配管によって右側作動シリンダ部５ ８の入り口７６に接続し、そしてさらに遮断弁９２を介してガスタービン９５の 入り口に接続する。 このガスタービン９５はターボ圧縮機９６を駆動し、そして例えば発電機９７ を駆動するようになっている。ターボ圧縮機が周囲の空気を吸引し、これを圧縮 状態で中間冷却器９８を介して圧縮機室の入り口弁６３、６６に送る。 この場合も、排気ガス弁の作動手段８５〜８８は上記のコンピュータによって 作動できる。 図６の排気ガス発生器の特徴は、シリンダ装置の最先端部に燃焼室を配置でき るため、運転時にかなりの高温になる隣接シリンダ部へのアクセスが容易であり 、良好 な冷却が可能になることである。さらに、負荷の大きい排気ガス出口の代わりに 、公知方法で良好に冷却できるそれ自体公知な弁装置が使用できる。 遮断弁９１、９２を開放すると、ガス発生器からの排気ガスへ冷気を供給でき 、これによってタービン９５に送られるガスの温度を下げることができる。 このガス発生器のシリンダ数はひとつであるため、共通フレームに例えば４台 のガス発生器を配置するのが有利であり、図５に示した装置について説明したよ うに、ほぼ動的に平衡した装置を実現できる。 図７に、軸方向に、そして同じシリンダ１０３内に２つのピストン１０１、１ ０２を設けたガス発生器の中心部を示す。このシリンダ１０３とともに、相互に 対向して設けられたピストンの端部が燃焼室１０４を構成する。燃料噴射ノズル １０５を設けて、燃料を燃焼室１０４に供給する。 例えば、図示の左側ピストン１０１は、内側死点位置にある。即ち、燃焼室１ ０４の最も奥まで挿入された時の位置である。また、図示の右側ピストン１０２ は外側死点位置にある。なお、動作時、両ピストンは、実質的に、内側死点位置 か外側死点位置のいずれかの位置に同時に位置する。 燃焼室に向き合う端部付近では、各ピストンに一対のシールリング１１１、１ １２、１１３、１１４を取り付ける。各対のシールリング、即ち１１１、１１２ および １１３、１１４間にはそれぞれ間隔を設け、ピストンが適当な位置にきたときの 軸方向からみた場合に、排気ガスロまたは吸気口のいずれかの側にシールを実現 できるようにする。従って、各ピストンが遮断弁を構成することになる。これは 出力調整にとって重要である。というのは、通常、ガス発生器は少なくとも２つ のシリンダをもち、これらピストン対を順次始動停止するからである。 なお、添付図面には特に示していないが、ガス発生器始動装置や、コンピュー タなどのためのセンサーなどを設けることができる。 請求の範囲 １．少なくとも一つのシリンダと、このシリンダに設けたピストン１９とを有し 、ピストンの端部がシリンダとともにそれぞれ燃焼室および緩衝室を構成し、そ してさらに圧縮空気を燃焼室に供給する圧縮機室１８を有するピストン圧縮機を 有する自由ピストンガス発生器において、 シリンダ部に設けた開口に少なくとも一つの排気ガス弁を設け、この開口を常 時燃焼室に連絡するとともに、排気ガス弁を始動手段によって操作し、緩衝室が 圧縮機室の機能的部分を形成するようにしたことを特徴とする自由ピストンガス 発生器。 ２．圧縮機室／緩衝室を構成する側に対向するピストン２の側部がシリンダ３の 一部とともに通気室１０を構成し、通気室１０が軸方向貫通路８を介して、ピス トン２が通気室１０に対して外側死点にあるときに、即ち通気室容量が最大にな ったときに、周囲空気と連絡するようにし、そしてジベル７をピストンから通気 室に軸方向に繰り出すとともに、ピストン２が通気室１０の外側死点から内側死 点に所定距離移動したときに、ジベル７が気密的に軸方向貫通路８に挿入できる ようにしたことを特徴とする請求項１の自由ピストンガス発生器。 ３．さらに、圧縮器室／緩衝室に連絡する弁装置と、圧縮ガス容器と、弁装置を 制御して、ピストンが緩衝室に対して外側死点にあるときに、圧縮空気を圧縮器 室／緩 衝室に導入する制御弁とを有する請求項１または２の自由ピストンガス発生器に おいて、 弁装置も周囲空気に連絡し、制御装置が位置センサーによってシリンダ部にお ける自由ピストンの位置を連続的に検出し、そして弁装置を作動して、ピストン の任意の位置において圧縮機室／緩衝室を圧縮空気容器または周囲空気に接続し 、自由ピストンの端部の一つとシリンダ部の隣接端部との接触を防止するように 制御装置を構成した自由ピストンガス発生器。 ４．少なくとも一つのシリンダと、このシリンダ内に設けたピストン２とを有し 、ピストン２の端部がシリンダ３とともにそれぞれ燃焼室１３、緩衝室１４およ び圧縮空気を燃焼室に供給する圧縮機室６を構成する自由ピストンガス発生器に おいて、 少なくとも一つの排気ガス弁をシリンダ部の開口に設け、この開口を燃焼室に 常時連絡し、上記排気ガス弁をアクチュエータによって作動し、そして緩衝室の シリンダ部を、このシリンダ部のその他の部分に対して可動な成分で構成し、こ の成分によって緩衝室容量を可変にした自由ピストンガス発生器。 ５．上記成分が、緩衝室にねじ作用により係脱できるねじである請求項４の自由 ピストンガス発生器。 ６．上記成分のシリンダ部に対する係脱動作を、シリンダに対するピストンの運 動に関する情報を与えるコンピュータによって制御する請求項４または５の自由 ピスト ンガス発生器。 ７．圧縮機室を構成する側に対向するピストン２の側部がシリンダ３の一部とと もに通気室１０を構成し、通気室１０が軸方向貫通路８を介して、ピストン２が 通気室１０に対して外側死点にあるときに、即ち通気室容量が最大になったとき に、周囲空気と連絡するようにし、そしてジベル７をピストンから通気室に軸方 向に繰り出すとともに、ピストン２が通気室１０の外側死点から内側死点に所定 距離移動したときに、ジベル７が気密的に軸方向貫通路８に挿入できるようにし たことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項の自由ピストンガス発生器。 ８．さらに、緩衝室１４に連絡する弁装置と、圧縮ガス容器と、弁装置を制御し て、ピストンが緩衝室に対して外側死点にあるときに、圧縮空気を緩衝室１４に 導入する制御弁とを有する請求項４〜７のいずれか１項の自由ピストンガス発生 器において、 弁装置も周囲空気に連絡し、制御装置が位置センサーによってシリンダ部３に おける自由ピストン２の位置を連続的に検出し、そして弁装置を作動して、ピス トンの任意の位置において緩衝室１４を圧縮空気容器または周囲空気に接続し、 自由ピストン２の端部の一つとシリンダ部の隣接端部との接触を防止するように 制御装置を構成した自由ピストンガス発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも一つのシリンダ部をもつシリンダ装置、 シリンダ部に配設したピストン、 シリンダ部およびピストンによって構成される燃焼室および戻し室、および 燃焼室に空気を供給するポンプまたは圧縮機装置、 を有し、ピストンを長手方向に燃焼室に向けて動作させてガスを圧縮し、または 反対方向に動作させて戻し室の空気を圧縮し、これを交互に行なう自由ピストン 装置において、 シリンダ部に設けた開口に少なくとも一つの排気ガス弁を設け、この開口を常 時燃焼室に連絡するとともに、排気ガス弁を始動手段によって操作することを特 徴とする自由ピストン装置。 ２． 戻し室が圧縮機装置の一部を構成することを特徴とする請求項１の自由ピ ストン装置。 ３． 燃焼室に向き合うピストン端部にピストンの長手方向に間隔をおいて設け られる２つのシールリングを設け、シリンダ装置の入り口か出口のいずれかの側 にシールリングが位置する位置にピストンを固定するほかに、この位置にピスト ンを動作させる装置を設けたことを特徴とする請求項１または２の自由ピストン 装置。 ４． 戻し室の容量を調節できるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のい ずれか１項の自由ピストン装置。 ５． 戻し室の壁に貫通ねじ孔を形成し、この孔にねじを螺入して戻し室の容量 を変更できるようにしたことを特徴とする請求項４の自由ピストン装置。 ６． 圧縮機が、自由ピストンによって駆動され、かつ対応する圧縮機シリンダ 内内で軸方向に動作可能な圧縮機ピストンを有する軸方向ピストンポンプで、圧 縮機ピストンの一方の側の圧縮機シリンダが圧縮機ピストンとともに圧縮機室を 構成するとともに、圧縮機ピストンの他方の側の圧縮機シリンダが軸方向に延長 する流路によって周囲空気に連絡するスペースを形成する請求項１の自由ピスト ン装置において、 圧縮機ピストンが、横断面が流路横断面に一致する軸方向に延長する圧縮機ピ ストン部を有し、自由ピストンがシリンダ部の端壁に接近したときに、このピス トン部が流路に進入し、流路を閉じることを特徴とする自由ピストン装置。 ７． 圧縮機が、自由ピストンによって駆動され、かつ対応する圧縮機シリンダ 内内で軸方向に動作可能な圧縮機ピストンを有する軸方向ピストンポンプで、圧 縮機ピストンの一方の側の圧縮機シリンダが圧縮機ピストンとともに圧縮機室を 構成する請求項１の自由ピストン装置において、 位置センサーによってシリンダ部内の自由ピストンの位置を連続的に設定する 制御装置、および配管および遮断弁を介して圧縮機室に接続する圧縮空気タンク を有し、 この制御装置によって遮断弁を開放して、圧縮空気を圧縮空気室内に導入し、自 由ピストンの端部の一方とこれに隣接するシリンダ部の端部との接触を防止する ようにしたことを特徴とする自由ピストン装置。