JP2002538351A - 半径方向に移動可能なキャップを有するピストンヘッドを備えた自由ピストン内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 自由ピストン内燃機関（１０）は、実質的に円筒状の内側表面（６８）を有する燃焼シリンダ（１６）を含む。燃焼シリンダ（１６）内に往復運動するように配置されるピストン（１４）は、ピストンヘッド（３２）とプランジャロッド（３４）とを含む。プランジャロッド（３４）は、ピストンヘッド（３２）に取り付けられ、長手方向軸（６０）を有する。ピストンヘッド（３２）は、非金属キャップ（６２）と金属スカート（６４）とを含む。非金属キャップ（６２）は、燃焼シリンダの内側表面（６８）に密に近接して、燃焼シリンダの内面（６８）とで支持表面を定める実質的に円筒状の外側表面（６６）を有する。キャップ（６２）は、プランジャロッド（３４）の長手方向軸（６０）と平行な方向に不動にスカート（６４）に固く取り付けられ、さらにプランジャロッド（３４）の長手方向軸（６０）に対して半径方向に可動にスカート（６４）に取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は、自由ピストン内燃機関、より詳しくは、そのような機関内のピスト
ンおよびシリンダ構成に関する。

【０００２】 （背景技術） 自由ピストン内燃機関は、対応する燃焼シリンダ内に往復運動するように配置
された１またはそれ以上のピストンを含む。但し、それらのピストンは、クラン
ク軸を使用して互いに連結されていない。むしろ、各ピストンは、典型的には、
ある種の仕事出力を提供するために使用されるプランジャロッドと固く連結され
ている。例えば、プランジャロッドは、電流を誘導することによる電気的パワー
出力、または空気圧または液圧パワー出力などの流体パワー出力を提供するため
に使用されても良い。液圧出力を伴う自由ピストンエンジンにおいては、プラン
ジャは、特定の用途に使用され得る作動液をポンプ供給するために使用されてい
る。典型的には、燃焼シリンダを画成するハウジングが、プランジャが内部に配
置される液圧シリンダ、および燃焼シリンダと液圧シリンダとの間の中間圧縮シ
リンダをも画成する。燃焼シリンダは、最大内径を有し、圧縮シリンダは、燃焼
シリンダよりも小さい内径を有し、さらに油圧シリンダは、圧縮シリンダよりも
さらに小さい内径を有する。ピストンヘッドとプランジャヘッドとの間の位置で
プランジャに取り付けられ、それによって運ばれる圧縮ヘッドは、圧縮シリンダ
の内径よりも僅かに小さい外径を有する。液圧シリンダと流体接続されている高
圧液圧アキュムレータは、自由ピストンエンジンの動作中にプランジャの往復運
動を通じて加圧される。補助液圧アキュムレータは、圧縮シリンダ内のエリアと
選択的に相互接続されて比較的高い軸方向の圧力を圧縮ヘッドに対して加え、そ
れによってピストンヘッドを上死点（ＴＤＣ）位置に向かって移動させる。

【０００３】 自由ピストン内燃機関に使用されるピストンは、典型的には、全体がアルミニ
ウムまたはスチールのような金属材料から構成されたピストンヘッドを含む。ア
ルミニウムやスチールのような金属は、比較的高い熱膨張係数を有する。したが
って、自由ピストンエンジンの動作中、金属ピストンヘッドは、燃焼シリンダの
内側表面に向かって半径方向にかなり膨張する。自由ピストンエンジンに使用さ
れる各ピストンヘッドは、故に、動作中に比較的大きな半径方向の膨張を調節す
るために燃焼シリンダの内側表面にかなりの半径方向のクリアランスを与える外
径をもって形成される。動作中にピストンヘッドを通過する燃焼生成物のブロー
バイを防止するために、ピストンヘッドの外周表面は、対応するピストンリング
をその内部に収容する１またはそれ以上のピストンリング溝をもって形成される
。ピストンリングは、ピストンヘッドの半径方向の熱膨張および熱収縮を可能に
すると同時に、ピストンヘッドを通過する燃焼生成物のブローバイを効果的に防
止する。

【０００４】 ピストンリングは、上述のように有用な機能を提供するが、製造および組立コ
ストを低減するためには、ピストンリングの使用を排除することが望ましい。

【０００５】 さらに、ピストンリングと燃焼シリンダの内側表面との間における過度の摩耗
を防止するために、適当な潤滑剤でピストンリングを潤滑することが必要である
。ピストンリングを潤滑する潤滑系統は、適切な潤滑を実効あらしめるために付
加的なポーティングおよび／または他の構造を必要とし、ひいては、それがエン
ジンの大きさや複雑さを増大させることとなる。さらに、潤滑油はエンジンから
の望ましくない排出物質を増大させるかもしれない。

【０００６】 金属製燃焼シリンダやピストンリング付き金属製ピストンを含む従来式のピス
トンおよびシリンダ配列を用いることに伴う他の問題は、燃焼シリンダおよびピ
ストンヘッドの適切な冷却を実効あらしめるために、適切な流体冷却チャネルを
燃焼シリンダ内に備えなければならないことである。これらの冷却流体チャネル
も、エンジンの大きさや複雑さを増大させることとなる。

【０００７】 本発明は、上述の１つ以上の問題を克服することに向けられている。

【０００８】 （発明の概要） 本発明は、非金属キャップおよび金属スカートを有するピストンヘッドを備え
た自由ピストン内燃機関を提供し、それらは、非金属キャップがプランジャロッ
ドの長手方向軸に対して半径方向に移動自在であり、それによって使用中のピス
トンヘッドとプランジャロッドとの間の同心整列不良を調整できるように共に連
結されている。

【０００９】 本発明の１つの形態において、自由ピストン内燃機関は、略円筒状の内側表面
を有する燃焼シリンダを含む。燃焼シリンダ内に往復運動するように配置される
ピストンは、ピストンヘッドとプランジャロッドとを含む。プランジャロッドは
、ピストンヘッドに取り付けられ、長手方向軸を有する。ピストンヘッドは、非
金属キャップと金属スカートとを含む。キャップは、燃焼シリンダの内側表面に
密に近接して、燃焼シリンダの内側表面とで支持表面を定める実質的に円筒状の
外側表面を有する。キャップは、プランジャロッドの長手方向軸に平行な方向に
実質的に不動にスカートに取り付けられ、さらにプランジャロッドの長手方向軸
に対して半径方向に可動にスカートに取り付けられている。

【００１０】 本発明の利点は、ピストンヘッドとプランジャロッドとの間の同心整列不良を
調整するようにピストンヘッドがプランジャロッドに対して取り付けられている
ことである。

【００１１】 他の利点は、同心整列不良に関するピストンヘッドおよびプランジャロッドへ
の半径方向の荷重が低減され、または排除されることである。

【００１２】 他の利点は、ピストンヘッドと燃焼シリンダの内側表面との間の半径方向動作
の寸法公差が低減され、または排除されて、ピストンリング溝とピストンリング
を使用しないで燃焼生成物のブローバイを防ぐことである。

【００１３】 他の利点は、ピストンリングを使用しないことで、自由ピストンエンジン内で
の潤滑油および冷却流体の必要性をなくし、ひいては、エンジンの物理的大きさ
を低減し、そのような潤滑および冷却構造に関わる効率損失をなくすことである
。

【００１４】 さらなる他の利点は、支持表面を定めるピストンヘッドの部分が、低摩擦性、
低熱膨張性、および高耐熱性という特性を有する材料から構成されることである
。

【００１５】 （発明の詳細な説明） さて図面を参照するに、詳細には図１を参照するに、ハウジング１２およびピス
トン１４を含む自由ピストン内燃機関１０の一部の１つの実施形態が概略側部断
面図で示されている。

【００１６】 ハウジング１２は、一般に、燃焼シリンダ１６、圧縮シリンダ１８および液圧
シリンダ２０を含む。ハウジング１２はまた、燃焼シリンダ１６内の燃焼チャン
バ２８と連通して配置されている燃焼空気入口２２、空気掃気チャネル２４、お
よび排気口２６を含む。燃焼空気は、ピストン１４がＢＤＣ位置またはそれに接
近するとき、燃焼空気入口２２および空気掃気チャネル２４を経て燃焼チャンバ
２８内に運ばれる。選ばれた等級のディーゼル燃料のような適切な燃料が、ピス
トン１４がＴＤＣ位置に向かって移動するとき、概略的に示され参照番号３０が
付された制御可能な燃料噴射器システムを使用して、燃焼チャンバ２８内に噴射
される。ＢＤＣ位置とＴＤＣ位置との間のピストン１４の行程長は、固定であっ
ても可変であっても良い。

【００１７】 ピストン１４は、燃焼シリンダ２８内で往復運動するように配置され、一般に
、プランジャロッド３４に取り付けられたピストンヘッド３２を含む。プランジ
ャヘッド３６は、ピストンヘッド３２の一般に反対側の端部においてプランジャ
ロッド３４の小径部分３８に取り付けられている。液圧シリンダ２０は、ハウジ
ング１２内の入口ポート４０および出口ポート４２の各々と連通するように配置
されている。液圧シリンダ２０内のプランジャヘッド３６の往復運動は、ピスト
ン１４の圧縮行程で、低圧液圧アキュムレータ（図示せず）のような、作動流体
源から入口ポート４０を通して液圧シリンダ２０内に作動液を引き込ませ、ピス
トン１４の戻り行程で高圧液圧アキュムレータ（図示せず）に出口ポート４２か
ら加圧された作動液を放出させる。

【００１８】 圧縮ヘッド４４は、ピストンヘッド３２とプランジャヘッド３６との間に配置
され、プランジャロッド３４の小径部分３８を大径部分４６と相互に連結してい
る。ＢＤＣ位置とＴＤＣ位置との間、および、その逆のピストンヘッド３２の往
復運動は、圧縮シリンダ１８内の圧縮ヘッド４４に対応する往復運動を起こさせ
る。圧縮ヘッド４４は、圧縮ヘッド４４と圧縮シリンダ１８の内側表面との間を
効果的に密閉し且つ摩擦を低減する複数の連続的に隣接したランドおよびバレー
４８を含む。圧縮シリンダ１８は、一般にその略両端の流体ポート５０、５２と
連通して配置される。流体ポート５０に近接した圧縮ヘッド４４側の圧縮シリン
ダ１８内に送られる加圧された流体は、圧縮工程中にＴＤＣ位置に向かってピス
トン１４を移動させる。逆に、初期始動時またはミスファイヤの発生時にピスト
ン１４の戻り行程を行うために、加圧された流体を、大径部分４６を包囲する環
状空間５４において液ポート５２を通して圧縮シリンダ１８内に送るようにして
も良い。

【００１９】 燃焼シリンダ１６は、プランジャロッド３４の大径部分４６を包囲する環状ベ
アリング／シール５６を使用して圧縮シリンダ１８から分離されている。ベアリ
ング／シール５６は、それを通る大径部分４６の摺動運動を許容し、しかも同時
に大径部分４６を半径方向に支持している。同様に、圧縮シリンダ１８は、環状
ベアリング／シール５８を使用して液圧シリンダ２０から分離されている。ベア
リング／シール５８は、プランジャロッド３４の小径部分３８の摺動運動を許容
し、しかも同時に小径部分３８を半径方向に支持している。プランジャロッド３
４は、一対の環状ベアリング／シール５６、５８によって摺動的に支えられるの
で、プランジャロッド３４の長手方向軸６０は各ベアリング／シール５６、５８
の中心を通って延在することが理解されよう。製造公差などの理由で、プランジ
ャロッド３４の長手方向軸６０は、燃焼シリンダ１６の長手方向軸（参照番号が
付されていない）と正確に同心をなさないこともあり得る。自由ピストンエンジ
ン内のピストンヘッドは、故に従来からその周囲にピストンリング溝およびピス
トンリングを含み、ピストンヘッドとプランジャロッドとの間の同心整列不良を
調整している。しかしながら、以下で詳述されるように、本発明のピストンヘッ
ド３２は、顕著な利点を提供する異なる方法で、プランジャロッド３４とピスト
ンヘッド３２との間の同心整列不良を調整している。

【００２０】 さて、図２を参照するに、ピストンヘッド３２がより詳細に示されている。ピ
ストンヘッド３２は、金属スカート６４に連結されている非金属キャップ６２を
含む。キャップ６２は、スカート６４の外径よりも大きい直径をもった実質的に
円筒状の外側表面６６を有する。外側表面６６は、燃焼シリンダ１６の内側表面
６８（図１）に密に近接しており、燃焼シリンダ１６の内側表面６８とで支持表
面を定める。示された実施形態では、キャップ６２の外側表面６６と燃焼シリン
ダ１６の内側表面６８とは、約０．０００〜０．００２インチ、好ましくは約０
．０００〜０．００１インチ、そしてより好ましくは約０．０００インチの半径
方向動作クリアランスをそれらの間に有する。ここで使用される用語「半径方向
動作クリアランス」は、、自由ピストンエンジン１０が動作状態にあるときのキ
ャップ６２の外側表面６６と燃焼シリンダ１６の内側表面６８との間の半径方向
のクリアランスを意味する。つまり、半径方向動作クリアランスは、ピストン１
２と燃焼シリンダ１６が動作温度にあるときに、ここに記載されたような範囲内
となるように設計されている。

【００２１】 図２に示されるように、キャップ６２の外側表面６６は、いかなるピストンリ
ング溝もその中に含んではおらず、故に、いかなるピストンリングも支持してい
ない。ピストン１２の戻り行程中における排出生成物の過度のブローバイを防止
すると共に、キャップ６２の外側表面６６と燃焼シリンダ１６の内側表面６８と
の間の過度の摩耗を防止するために、キャップ６２は、選択された物理的特性を
有する材料から形成される。より詳しくは、キャップ６２は、比較的低い熱膨張
係数、低摩擦係数、および高耐熱性を有する非金属材料から形成される。適切で
あることが判明しているこのような非金属材料の例は、複合材料やセラミック材
料を含む。示された実施形態において、キャップ６２は、炭素母材内に炭素強化
繊維を有する炭素−炭素複合材料から形成されている。炭素母材は、適当な樹脂
内に炭素粉末を包含しても良い。炭素強化繊維は、ランダム配列されたチョップ
トファイバであっても良く、ランダムに配列され、または１またはそれ以上の方
向に配列された長寸フィラメントであっても良い。

【００２２】 キャップ６２が構成される非金属材料は、好ましくは、約０．５〜１０ｐｐｍ
／℃の熱膨張係数を有する。示された実施形態において、キャップ６２が構成さ
れる炭素−炭素複合材料は、約１〜２ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有する。さらに
、キャップ６２が構成される非金属材料は、好ましくは、０．０１〜０．１５の
摩擦係数を有する。示された実施形態において、キャップ６２が構成される炭素
−炭素複合材料は、約０．１０の摩擦係数を有する。さらに、キャップ６２が構
成される非金属材料は、好ましくは、約４００℃〜２５００℃までの耐熱性を有
する。示された実施形態において、キャップ６２が構成される炭素−炭素複合材
料は、約５００℃までの耐熱性を有する。

【００２３】 スカート６４は、アルミニウムまたはスチールのような、適切な金属材料から
形成される。示された実施形態において、スカート６４は、アルミニウムから形
成されている。金属スカート６４の熱膨張係数は、キャップ６２の熱膨張係数よ
りも大きいので、非動作温度でのスカート６４の外径は、動作温度においてスカ
ート６４の外径が外側表面６６の外径を超えないほどに十分小さい。つまり、ス
カート６４は、燃焼シリンダ１６の内側表面６８との主たる支持表面となること
が意図されているわけではない。当然、若干の断続的接触が、スカート６４の外
径と内側表面６８との間で起こり得るが、スカート６４は、主たる支持表面とな
ることが意図されているわけではない。

【００２４】 キャップ６２とスカート６４とは、キャップ６２がスカート６４に対して半径
方向に制限された範囲で動くことができるように一緒連結されている。より詳し
くは、キャップ６２は、スカート６４の肩部７２の外径よりも大い直径を有する
段付き内側表面７０を定める凹所６９を含む。示された実施形態において、ほぼ
０．００１〜０．００３インチの、より好ましくは約０．００２インチの半径方
向クリアランスが、内側表面７０と肩部７２との間に形成される。複数の半径方
向に延在する孔７４（示された実施形態では４個の孔）は、それぞれ、肩部７２
の孔７５と螺合される止めネジ７６をその中に受け入れる。各孔７４の内径は、
対応する止めネジ７６の外径よりも大きいので、止めネジ７６は、キャップ６２
をスカート６４に保つと共にそれらの間における相対的運動を許容する。各孔７
４は、キャップ６２の周方向に対応する方向に延ばされて、所与の止めネジ７６
と略直交する方向へのキャップ６２の半径方向の移動を許容するようにしても良
い。プランジャロッド３４は、製造公差などのために、燃焼シリンダ１６の長手
方向軸と完全には一直線に並んでいないそれら軸長に沿う一対のベアリング／シ
ール５６、５８によって支えられている。キャップ６２がスカート６４に対して
半径方向に移動するのを許容することによって、自由ピストンエンジン１０内で
の往復運動中にプランジャロッド３４への横方向荷重が低減され、または除かれ
る。

【００２５】 示された実施形態において、燃焼シリンダ１６は、内側表面６８を定めるライ
ナ７８を含む。ライナ７８は、上述のような、キャップ６２が形成される非金属
材料と同様の物理的特性を有する非金属材料から形成される。示された実施形態
において、ライナ７８もまた、キャップ６２が形成されている炭素−炭素複合材
料と実質的に同じ物理的特性をもった炭素−炭素複合材料から形成されている。
外側表面６６と内側表面６８とのそれぞれが形成される炭素−炭素複合材料は比
較的低い摩擦係数を有するので、外側表面６６と内側表面６８との間の摩耗が最
小限に抑えられる。さらに、外側表面６６と内側表面６８とのそれぞれが形成さ
れる炭素−炭素複合材料は比較的低い熱膨張係数を有するので、それらの間の半
径方向動作クリアランスは、最小の距離（例えば、０．０００インチ）に維持さ
れ、それによって動作中の燃焼生成物のブローバイを防止する。

【００２６】 ピストン１２を組み立てるために、ボルト８０が、取付けフランジ８２内に挿
通され、プランジャロッド３４の端部に螺着される。そして、取付けフランジ８
２は、金属スカート６４内に配置され、スカート６４を取付フランジ３０に取り
付けるために複数のボルト８４が使用される。そして、キャップ６２が、スカー
ト６４の端部を覆うように配置され、複数の止めネジ７６が、キャップ６２の対
応する孔７４に通され、スカート６４の肩部７２に螺合される。その後、ピスト
ン１２を、自由ピストンエンジン１０内に設置することができる。

【００２７】 さて、図３を参照するに、ピストンヘッド９２とプランジャロッド９４とを含
む本発明の他の実施形態のピストン９０の側部断面図が示されている。ピストン
ヘッド９２は、プランジャロッド９４によるいずれかの方向への軸方向荷重に耐
える強度をピストンヘッド９２に与えるために、概略的に示されるように、ピス
トンヘッド９２内に配列されている炭素強化繊維９６を有する炭素−炭素複合材
料から全体が形成されている。ピストンヘッド９２は、プランジャロッド９４の
外径よりも大きい内径を有する開口１００を備えたハブ９８を含み、それによっ
てそれらの間に所望の半径方向動作クリアランスを提供する。スナップリング１
０２は、ハブ９８をプランジャロッド９４に取り付けており、同時に、それらの
間における相対的な半径方向の運動をも許容する。

【００２８】 図面に示され、上述された実施形態において、ピストンヘッド３２および９２
のそれぞれは、一般に、燃焼チャンバ２８に面する側に平坦な面を含む。但し、
燃焼チャンバ２８に近接して配置される面の形状は、特定の用途に応じて、変更
できることは理解されるよう。

【００２９】 （産業上の利用可能性） 使用中、選択されたピストン１４または９０は、燃焼シリンダ１６内に往復運
動するように配置される。選択されたピストンは、圧縮行程中にＢＤＣ位置とＴ
ＤＣ位置との間を、戻り行程中にＴＤＣ位置とＢＤＣ位置との間を移動する。燃
焼空気は、燃焼空気入口２２および空気掃気チャネル２４を通して燃焼チャンバ
２８内に導入される。燃料は、燃料噴射器３０を使用して燃焼チャンバ２８内に
制御可能に噴射される。ピストンヘッドの外側支持表面と燃焼シリンダ１６の内
側表面６８とによって定められた非金属の炭素−炭素支持表面は、ピストンリン
グ溝またはピストンリングを使用することなく、燃焼シリンダ１６内でピストン
が使用されることを許容する。プランジャロッド３４と燃焼シリンダ１６との長
手方向軸間の同心整列不良は、ピストンヘッドの少なくとも一部が往復運動中に
半径方向に移動できることで調整される。

【００３０】 ピストンヘッドは、プランジャロッドに対して取り付けられ、それらの間の同
心整列不良を調整する。同心整列不良に関わるピストンヘッドおよびプランジャ
ロッドへの半径方向荷重は、それによって低減され、または排除される。ピスト
ンリングがないことで、自由ピストンエンジンでの潤滑油や冷却流体の必要性が
なくなり、ひいては、エンジンの物理的大きさを低減し、そのような潤滑および
冷却構造に関わる効率損失をなくす。

【００３１】 この発明の他の形態、目的および利点は、図面、明細書および添付の特許請求
の範囲の検討から得ることができる。

【図面の簡単な説明】

本発明の上述した、および他の特徴および利点、それらを達成する方法がより
明白となり、且つ、本発明は、添付の図面に関連して採用される本発明の実施形
態の以下の説明を参照することによって、さらに良く理解されよう。

【図１】 本発明のピストンの実施形態がその内部に配置された自由ピストン内燃機関の
一部の概略側部断面図である。

【図２】 図１に示されたピストンの側部断面図である。

【図３】 本発明のピストンの他の実施形態の側部断面図である。 対応する参照符号は、いくつかの図面を通して対応する部分を示す。ここで詳
述された事例は、１つの形式での本発明の好ましい実施形態を例示しており、こ
のような事例は、いかなる意味においても本発明の範囲を限定するものとして解
釈されるべきではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ， ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，Ｃ Ｚ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ， ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，Ｌ Ｒ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ， ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，Ｔ Ｒ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ジョン エム．スローマ アメリカ合衆国 61540 イリノイ州 ラ コン ノース フルトン ストリート 114

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自由ピストン内燃機関（１０）であって、 略円筒状内側表面（６８）を有する燃焼シリンダ（１６）と、 前記燃焼シリンダ（１６）内に往復運動するように配置され、ピストンヘッド
   （３２）とプランジャロッド（３４）とを含むピストン（１４）であって、前記
   プランジャロッド（３４）が、前記ピストンヘッド（３２）に取り付けられ、長
   手方向軸（６０）を有し、前記ピストンヘッド（３２）が、非金属キャップ（６
   ２）と金属スカート（６４）とを含み、前記キャップ（６２）が、前記燃焼シリ
   ンダ（１６）の前記内側表面（６８）に密に近接して、前記燃焼シリンダ（１６
   ）の前記内側表面（６８）とで支持表面を定める略円筒状の外側表面（６６）を
   有し、前記キャップ（６２）が、前記プランジャロッド（３４）の前記長手方向
   軸（６０）に平行な方向に実質的に不動に前記スカート（６４）に取り付けられ
   ており、さらに前記プランジャロッド（３４）の前記長手方向軸（６０）に対し
   て半径方向に可動に前記スカート（６４）に取り付けられているピストン（１４
   ）と、 を具備することを特徴とする自由ピストン内燃機関。
2. 【請求項２】 前記キャップ（６２）は、半径方向内側に面する環状の内側
   表面（７０）を備えた凹所（６９）を有し、前記凹所（６９）は、前記半径方向
   への前記運動を許容する半径方向動作クリアランスをもって前記スカート（６４
   ）の端部に嵌合していることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン内燃機
   関。
3. 【請求項３】 前記スカート（６４）は、前記キャップ（６２）の前記凹所
   内に配置された環状肩部（７２）を含むことを特徴とする請求項２に記載の自由
   ピストン内燃機関。
4. 【請求項４】 前記キャップ（６２）は、前記支持表面から前記凹所（６９
   ）の前記内側表面（７０）まで半径方向に延在する複数の孔（７４）を含み、前
   記スカート（６４）は、前記肩部（７２）から半径方向に延在する複数の孔（７
   ５）を含み、そして、複数の締結具（７６）であって、各々が、前記キャップ（
   ６２）のそれぞれの前記孔（７４）内に配置され、前記肩部（７２）のそれぞれ
   の前記孔（７５）に固く取り付けられている複数の締結具（７６）をさらに具備
   していることを特徴とする請求項３に記載の自由ピストン内燃機関。
5. 【請求項５】 前記各締結具（７６）は、前記肩部のそれぞれの前記孔（７
   ５）に螺着されていることを特徴とする請求項４に記載の自由ピストン内燃機関
   。
6. 【請求項６】 前記キャップ（６２）の前記各孔（７４）は、前記支持表面
   の周方向に延ばされていることを特徴とする請求項４に記載の自由ピストン内燃
   機関。
7. 【請求項７】 前記キャップ（６２）は、前記スカート（６４）の外径より
   も大きい外径を有することを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン内燃機関
   。
8. 【請求項８】 前記非金属材料は、複合材料およびセラミック材料から成る
   群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン内燃機関。
9. 【請求項９】 前記非金属材料は、本質的に、炭素母材内に炭素強化繊維を
   有する炭素−炭素複合材料から成ることを特徴とする請求項８に記載の自由ピス
   トン内燃機関。
10. 【請求項１０】 前記非金属材料は、０．５〜１０ｐｐｍ／℃の熱膨張係数
    を有することを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン内燃機関。
11. 【請求項１１】 前記非金属材料は、約１〜２ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有
    することを特徴とする請求項１０に記載の自由ピストン内燃機関。
12. 【請求項１２】 前記非金属材料は、０．０１〜０．１５の摩擦係数を有す
    ることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン内燃機関。
13. 【請求項１３】 前記非金属材料は、約０．１０の摩擦係数を有することを
    特徴とする請求項１２に記載の自由ピストン内燃機関。
14. 【請求項１４】 前記非金属材料は、４００℃〜２５００℃までの耐熱性を
    有することを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン内燃機関。
15. 【請求項１５】 前記非金属材料は、約５００℃までの耐熱性を有すること
    を特徴とする請求項１４に記載の自由内燃機関。
16. 【請求項１６】 前記ピストンヘッドの前記外側表面（６６）および前記燃
    焼シリンダ（１６）の前記内側表面（６８）は、それらの間に、約０．０００〜
    ０．００２インチの半径方向動作クリアランスを有することを特徴とする請求項
    １に記載の自由ピストン内燃機関。
17. 【請求項１７】 前記ピストンヘッド（３２）の前記外側表面（６６）およ
    び前記燃焼シリンダ（１６）の前記内側表面（６８）は、それらの間に、約０．
    ０００インチの半径方向動作クリアランスを有することを特徴とする請求項１６
    に記載の自由ピストン内燃機関。
18. 【請求項１８】 自由ピストン内燃機関（１０）であって、 略円筒状の内側表面（６８）を有する燃焼シリンダ（１６）と、 前記燃焼シリンダ（１６）内に往復運動するように配置され、ピストンヘッド
    （３２、９２）と、長手方向軸（６０）を有するプランジャロッド（３４、９４
    ）とを含むピストン（１４、９０）であって、前記ピストンヘッド（３２、９２
    ）が、前記燃焼シリンダ（１６）の前記内側表面に密に近接して、前記内側表面
    とで支持表面を定める実質的に円筒状の外側表面（６６）を有し、前記ピストン
    ヘッド（３２、９２）と前記プランジャロッド（３４、９４）とは、前記ピスト
    ンヘッド（３２、９２）が前記燃焼シリンダ（１６）内での前記ピストンの往復
    運動中に前記プランジャロッド（３４、９４）と共に移動し、前記ピストンヘッ
    ド（３２、９２）が前記往復運動中に前記プランジャロッド（３４、９４）の前
    記長手方向軸（６０）に対して半径方向に移動自在であるように共に相互に連結
    されているピストン（１４、９０）と、 を具備していることを特徴とする自由ピストン内燃機関。
19. 【請求項１９】 前記ピストンヘッド（３２、９２）は、非金属キャップ（
    ６２）と金属スカート（６４）とを含み、前記キャップは半径方向内側に面する
    環状の内側表面（７０）を備えた凹所（６９）を有し、前記凹所（６９）は、前
    記半径方向への前記運動を許容する半径方向動作クリアランスをもって前記スカ
    ート（６４）の端部に嵌合していることを特徴とする請求項１８に記載の自由ピ
    ストン内燃機関。
20. 【請求項２０】 前記スカート（６４）は、前記キャップ（６２）の前記凹
    所（７０）内に配置された環状肩部（７２）を含むことを特徴とする請求項１９
    に記載の自由ピストン内燃機関。
21. 【請求項２１】 前記キャップ（６２）は、前記支持表面（６６）から前記
    凹所（６９）の前記内側表面（７０）まで半径方向に延在する複数の孔（７４）
    を含み、前記スカートは、前記肩部（７２）から半径方向に延在する複数の孔（
    ７５）を含み、そして、複数の締結具（７６）であって、各々が、前記キャップ
    （６２）のそれぞれの前記孔（７４）内に配置され、前記肩部（７２）のそれぞ
    れの前記孔（７５）に固く取り付けられている複数の締結具（７６）をさらに具
    備していることを特徴とする請求項２０に記載の自由ピストン内燃機関。
22. 【請求項２２】 前記各締結具（７６）は、前記肩部（７２）のそれぞれの
    前記孔（７５）に螺着されていることを特徴とする、請求項２１に記載の自由ピ
    ストン内燃機関。
23. 【請求項２３】 前記キャップ（６２）の前記各孔（７４）は、前記支持表
    面の周方向に延ばされていることを特徴とする請求項２１に記載の自由ピストン
    内燃機関。