JP2002543317A - 非金属支持表面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

非金属支持表面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

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JP2002543317A
JP2002543317A JP2000601318A JP2000601318A JP2002543317A JP 2002543317 A JP2002543317 A JP 2002543317A JP 2000601318 A JP2000601318 A JP 2000601318A JP 2000601318 A JP2000601318 A JP 2000601318A JP 2002543317 A JP2002543317 A JP 2002543317A
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Abstract

(57)【要約】 自由ピストン内燃機関は、実質的に円筒状の内側表面(38)を有する燃焼シリンダ(14)を含む。ピストン(12、56、72および74、94)は、燃焼シリンダ(14)内に往復運動するように配置されている。ピストン(12、56、72および74、94)は、ピストンヘッド(26、58、72、96)と、ピストンヘッド(26、58、72、96)に取り付けられたプランジャロッド(28、60、74、98)とを含む。ピストンヘッド(26、58、72、96)は、燃焼シリンダ(14)の内側表面に密接し、燃焼シリンダ(14)の内側表面とで支持表面(36)を定める実質的に円筒状の外側表面(36)を有する。支持表面(36)は、本質的に非金属材料から成る。

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。各ピストンは、典型的には、所望の
仕事出力を提供するプランジャロッドに固く取り付けられている。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、または空気圧あ
るい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
【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、比較的高い熱膨張率を有する。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、1またはそれ以上の対応ピ
ストンリングをその内部に収容する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/または他の構造体を必要とし、ひいては、それがエ
ンジンのサイズ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ヘッドを含む従来式
のピストンおよびシリンダ配列を用いることに伴うもう一つの問題は、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サイズ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、低摩擦性、低熱膨張性および高耐熱性という特性をもった非金属製
の半径方向外側支持表面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
を提供する。
【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、実質的に円筒状の内
側表面を有する燃焼シリンダを含む。ピストンは、燃焼シリンダ内に往復運動す
るように配置されている。ピストンは、ピストンヘッドと、ピストンヘッドに取
り付けられたプランジャロッドとを含む。ピストンヘッドは、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。その支持表面は、本質的に非金属材料から成る。
【0010】 本発明の利点は、自由ピストンエンジン内の潤滑油や冷却流体の必要性が除か
れ、それによって物理的サイズの増大や、そのような構造に関連する効率損失の
減少を除くことである。
【0011】 もう一つの利点は、ピストンヘッドとシリンダ内側表面との間の半径方向クリ
アランスが、実質的に低減または除かれ、それによって、ピストンヘッド内のピ
ストンリング溝とピストンリングとの必要性を除くことである。
【0012】 さらにもう一つの利点は、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。
【0013】 (発明の詳細な説明) さて、図を参照するに、より詳しくは図1を参照するに、図2で詳細に説明さ
れた本発明のピストン12の実施形態を含む自由ピストン内燃機関10の一部の
実施形態が概略側部断面図で示されている。
【0014】 自由ピストンエンジン10は、燃焼空気入口16と排気口18とを備えた燃焼
シリンダ14を含む。燃焼空気は、ピストン12が下死点(BDC)位置にあり
、またはそれに接近するとき、燃焼空気入口16および空気掃気チャネル20を
通して燃焼チャンバ22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12が上死点(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24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22内に噴射される。BDC位置とTDC位置との間のピスト
ン12の行程長(S)は、固定であっても可変であっても良い。
【0015】 さて、図2を参照するに、ピストン12がより詳細に示されている。ピストン
12は、燃焼シリンダ14内に往復運動するように配置され、一般に、取付フラ
ンジ30を使用してプランジャロッド28に取り付けられたピストンヘッド26
を含む。
【0016】 ピストンヘッド26は、金属スカート34に連結されている非金属キャップ3
2を含む。キャップ32は、スカート34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36を有する。外側表面36は、燃焼シリンダ14の内側
表面38(図1)に密に近接しており、燃焼シリンダ14の内側表面とで支持表
面を定める。示された実施形態では、キャップ32の外側表面36と燃焼シリン
ダ14の内側表面38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32の外側表面36と燃焼シリンダ14の内側表面38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12
と燃焼シリンダ14が動作温度にあるときに、ここに記載したような範囲内とな
るように設計されている。
【0017】 図2に示されるように、キャップ32の外側表面36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32の外側表面36と燃焼シリンダ14の内側表面38と
の間の過度の摩耗を防止するために、キャップ32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32は、比較的低い熱膨張
率、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32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、適切な樹脂内
に炭素粉末を包含していても良い。炭素強化繊維は、ランダムに配列されたチョ
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。
【0018】 キャップ32が構成される非金属材料は、好ましくは、約0.5〜10ppm
/℃の熱膨張率を有する。示された実施形態において、キャップ32が構成され
る炭素−炭素複合材料は、約1〜2ppm/℃の熱膨張率を有する。さらに、キ
ャップ32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32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32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32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。この耐熱性は、燃焼チャンバ22に近接し
たキャップ32の表面にコーティングを施すことにより増大化させることができ
る。
【0019】 スカート34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34は、アルミニウムから形
成されている。金属スカート34の熱膨張率は、キャップ32の熱膨張率よりも
大きいので、非動作温度でのスカート34の外径は、動作温度においてスカート
34の外径が外側表面36の外径を超えないほどに十分小さい。つまり、スカー
ト34は、燃焼シリンダ14の内側表面38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34の外径と
内側表面38との間で起こり得るが、スカート34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。
【0020】 キャップ32とスカート34とは、キャップ32がスカート34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に連結されている。より詳
しくは、キャップ32は、スカート34の肩部42の外径よりも大きい直径を有
する段付き内側表面40を含む。示された実施形態において、約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40と肩部42との間に形成される。複数の半径方向に延在する孔
44(示された実施形態では4個の孔)は、それぞれ、肩部42と螺合される止
めネジ46をその中に受け入れる。各孔44の内径は、対応する止めネジ46の
外径よりも大きいので、止めネジ46は、キャップ32をスカート34に保つと
共にそれらの間における相対運動を許容する。プランジャロッド32は、製造公
差などのために燃焼シリンダ14の長手方向軸と完全には一直線に並んではいな
いそれらの軸長に沿う一対の軸受によって支えられても良い。キャップ32をス
カート34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28への横方向荷重が低減
され、または除かれる。
【0021】 示された実施形態において、燃焼シリンダ14は、内側表面38を定めるライ
ナ52を含む。ライナ52は、上述のように、キャップ32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52もまた、キャップ32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36と内側表面38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36と内側表面38との間の摩耗が最
小限に抑えられる。さらに、外側表面36と内側表面38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率を有するので、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。
【0022】 ピストン12を組み立てるために、ボルト48が、取付フランジ30内に通さ
れ、プランジャロッド28の端部に螺着される。そして、取付フランジ30は、
金属スカート34内に配置され、スカート34を取付フランジ30に取り付ける
ために複数のボルト50が使用される。そして、キャップ32が、スカート34
の端部を覆うように配置され、複数の止めネジ46が、キャップ32の対応する
孔44に通され、スカート34の肩部42に合される。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。
【0023】 さて、図3を参照するに、ピストンヘッド58とプランジャロッド60とを含
む本発明のもう一つの実施形態のピストン56の側部断面図が示されている。ピ
ストンヘッド58は、プランジャロッド60によるいずれの方向への軸方向荷重
に耐える強度をピストンヘッド58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58内に配列された炭素強化繊維62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58は、プランジャロッド60の
外径よりも大きい内径を有する開口66をもったハブ64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68
は、ハブ64をプランジャロッド60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も許容する。
【0024】 さて、図4〜6を参照するに、プランジャロッド74(図6)に取り付けられ
ているピストンヘッド72(図4および5)を含むピストンのさらにもう一つの
実施形態が示されている。示された実施形態において、ピストンヘッド72は、
全体が炭素−炭素複合材料から構成されている。一対のロッキングフランジ76
は、スカート78の対向する側から半径方向内側に突出している。プランジャロ
ッド74に取り付けられたハブ80は、ピストンヘッド72の背面82に押し付
けるように配置される。プランジャロッド74は、ハブ82から半径方向外側に
突出する耳部84がロッキングフランジ76と背面82との間に配置されるよう
に回転される。止めネジまたはボルト86は、ハブ80の孔88を通過し、ピス
トンヘッド72の背面82内の孔90に螺合される。耳部84とスカート78の
内径との間の半径方向動作クリアランスだけでなく、孔88の内径とボルト86
のシャフトとの間の半径方向クリアランスは、動作中のプランジャロッド74と
ピストンヘッド72との間の相対的な半径方向の運動を可能にする。
【0025】 さて、図7を参照するに、ピストンヘッド96およびプランジャロッド98を
含む、本発明のさらにもう一つの実施形態のピストン94の側部断面図が示され
ている。ピストンヘッド96は、上述のような物理的特性を有する炭素−炭素複
合材料から形成される。金属製プランジャロッド98は、ボルト102を使用し
て金属製取付ハブ100に取り付けられる。ピストンヘッド98のスカート10
6を通過して半径方向に延在する複数のボルトまたはピン104は、ピストンヘ
ッド96とプランジャロッド98とを相互に連結し、同時に、特定用途に応じて
、所望範囲内でそれらの間における相対的な運動を許容する。
【0026】 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26、58、7
2、96は、一般的に、それぞれ燃焼チャンバ22に面する側に概略平坦な面を
含む。但し、燃焼チャンバ22に近接して配置される面の形状は、特定の用途に
応じて、変更できることが理解されよう。
【0027】 (産業上の利用可能性) 使用中、選択されたピストン12、56、72および74、または94は、燃
焼シリンダ14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TDC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、燃焼入口16および空気掃気チャネル20
を通して燃焼チャンバ22内に導入される。燃料は、燃料噴射器24を使用して
燃焼チャンバ22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14の内側表面38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22内でピストンが使用されることを許容する。
【0028】 この発明の他の形態、目的および利点は、図面、明細書および添付した請求の
範囲の検討から得ることができる。
【図面の簡単な説明】
添付の図面と共に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、本
発明の上述したこと、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、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もう一つの実施形態の側部断面図である。
【図4】 本発明のピストンヘッドのさらにもう一つの実施形態の側部断面図である。
【図5】 図4のピストンヘッドの背面図である。
【図6】 図4および図5のピストンヘッドと共に使用することができるプランジャの実
施形態の斜視図である。
【図7】 本発明のピストンのさらにもう一つ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 (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F16J 1/08 F16J 1/08 (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

Claims (21)

    【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、 実質的に円筒状の内側表面(38)を有する燃焼シリンダ(14)と、 前記燃焼シリンダ(14)内に往復運動するように配置され、ピストンヘッド
    (26、58、72、96)と、前記ピストンヘッド(26、58、72、96
    )に取り付けられたプランジャロッド(28、60、74、98)とを含むピス
    トン(12、56、72および74、94)であって、前記ピストンヘッド(2
    6、58、72、96)が、前記燃焼シリンダ(14)の前記内側表面(38)
    に密に近接して、前記燃焼シリンダ(14)の前記内側表面(38)とで支持表
    面(36)を定める実質的に円筒状の外側表面(36)を有しており、前記支持
    表面(36)が、本質的に非金属材料から成るピストン(12、56、72およ
    び74、94)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
    群から選択さ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。
  3. 【請求項3】 前記非金属材料は、本質的に、炭素母材内に炭素強化繊維(
    62)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2に記載の
    自由ピストン内燃機関。
  4. 【請求項4】 前記炭素強化繊維(62)は前記ピストンヘッド内に少なく
    とも一方向に配列され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】 前記非金属材料は、約0.5〜10ppm/℃の熱膨張率を
    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。
  6. 【請求項6】 前記非金属材料は、約1〜2ppm/℃の熱膨張率を有する
    ことを特徴とする請求項5に記載の自由ピストン内燃機関。
  7. 【請求項7】 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。
  8. 【請求項8】 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7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、約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。
  10. 【請求項10】 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9に記載の自由ピストン内燃機関。
  11. 【請求項11】 前記ピストンヘッドの前記外側表面(36)および前記燃
    焼シリンダ(14)の前記内側表面(38)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。
  12. 【請求項12】 前記ピストンヘッドの前記外側表面(36)および前記燃
    焼シリンダ(14)の前記内側表面(38)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11に記載の自
    由ピストン内燃機関。
  13. 【請求項13】 前記燃焼シリンダ(14)は、前記内側表面(38)を定
    めるライナ(52)を有し、前記ライナ(52)は、本質的に非金属材料から成
    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。
  14. 【請求項14】 前記ライナ(52)の前記非金属材料は、複合材料および
    セラミック材料から成る群から選択されることを特徴とする請求項13に記載の
    自由ピストン内燃機関。
  15. 【請求項15】 前記ライナ(52)の前記非金属材料は、本質的に、炭素
    母材内に炭素強化繊維(62)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14に記載の自由ピストン内燃機関。
  16. 【請求項16】 前記ピストンヘッド(58、72、96)の実質的にすべ
    てが、本質的に前記非金属材料から成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(26)は、本質的に前記非金属材料
    から成ると共に前記支持表面(36)を定めるキャップ(32)を含み、さらに
    、前記キャップ(32)に取り付けられ、前記キャップ(32)と前記プランジ
    ャロッド(28)とを相互に連結する金属スカート(34)を具備することを特
    徴とする請求項1に記載の自由ピストン内燃機関。
  18. 【請求項18】 前記ピストンヘッド(26、58、72、96)の前記外
    側表面(36)は、ピストンリング溝およびピストンリングを有してはいないこ
    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。
  19. 【請求項19】 自由ピストン内燃機関(10)であって、 内側部表面(38)をもったライナ(52)を有する燃焼シリンダ(14)で
    あって、前記ライナ(52)が本質的に非金属材料から成る燃焼シリンダ(14
    )と、 前記燃焼シリンダ(14)内に往復運動するように配置され、ピストンヘッド
    (26、58、72、96)と、前記ピストンヘッド(26、58、72、96
    )に取り付けられたプランジャロッド(28、60、74、98)とを含むピス
    トン(12、56、72および74、94)であって、前記ピストンヘッドが、
    前記燃焼シリンダ(14)の前記内側表面(38)に密に近接して、前記燃焼シ
    リンダ(14)の前記内側表面(38)とで支持表面(36)を定める実質的に
    円筒状の外側表面(36)を有しており、前記支持表面(36)が、本質的に非
    金属材料から成るピストン(12、56、72および74、94)と、 を具備することを特徴とする自由ピストン内燃機関。
  20. 【請求項20】 前記ピストンヘッド(26、58、72、96)は、本質
    的に、炭素母材内に炭素強化繊維(62)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19に記載の自由ピストン内燃機関。
  21. 【請求項21】 前記ライナ(52)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20に記載の
    自由ピストン内燃機関。
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