JP2003524727A

JP2003524727A - フリーピストン機関

Info

Publication number: JP2003524727A
Application number: JP2001540026A
Authority: JP
Inventors: シェファー，ルドルフ; ダントルグラバー，イェルク
Original assignee: マネスマンレクソロートアクチェンゲゼルシャフト
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2003-08-19
Also published as: EP1232335A1; EP1232335B1; WO2001038706A1

Abstract

(57)【要約】フリーピストン機関を開示している。このフリーピストン機関の機関用ピストンには流体圧シリンダによって圧縮方向に力を加えることができる。流体圧シリンダは、切替弁によって、高圧貯留装置または低圧貯留装置の圧力に接続されることができる。本発明によれば、制御ピストンを含むバルブ構成は流体圧シリンダと切替弁との間に配設され、切替弁の制御状態によって高圧リザーバ装置との接続が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は請求項１の前段のフリーピストン機関に関する。

【０００２】フリーピストン機関は、基本的に、２サイクル式に作動する燃焼機関であり、
この燃焼機関はクランクシャフト駆動を伴わないと共に、駆動トレインとして燃
焼機関の次に配設された往復ポンプを備える流体圧回路を有する。機関用ピスト
ンは流体圧シリンダに接続され、これによって、機関の作動サイクル中に発生す
る直動エネルギは、従来のクランクシャフト駆動の回転運動を介することなく流
体圧作動媒体に直接供給される。上記流体圧回路の次に配設された貯留能力のあ
る流体圧回路は、出力を吸収し、出力要求に応じて流体圧出力ユニット、例えば
軸線方向ピストン機関に出力を供給するように出力を緩衝する。

【０００３】ドイツ特許第４０２４５９１Ａ１号において、ブランドル（Brandl）のフリー
ピストン機関としても知られる一般的なフリーピストン機関が記載されている。
このフリーピストン機関では、機関用ピストンの圧縮運動は、２／３方向切替弁
を介して高圧アキュムレータまたは低圧アキュムレータに接続できる流体圧ピス
トンと協働して行われる。圧縮行程の始めに、高圧アキュムレータ内の圧力を流
体圧シリンダに加えることによって機関用ピストンの加速が行われる。機関用ピ
ストンが所定の速度に達すると、流体圧シリンダは切替弁によって低圧アキュム
レータに接続され、この結果、機関用ピストンのさらなる圧縮行程が作動ガスの
圧縮圧に起因する有効な力に抗して行われる。外死点（ＡＴ）に達した後、作動
ガスが着火され、機関用ピストンは内死点（ＩＴ）に向かって加速される。ＡＴ
からＩＴへのピストン運動の間、高圧アキュムレータへの接続が開かれるように
切替弁が制御され、これによって機関用ピストンが減速され、その運動エネルギ
はポテンシャル流体圧エネルギに転換され、よって高圧アキュムレータにエネル
ギが蓄えられる。切替弁の応答時間はミリ秒単位であるが、恐らく高圧アキュム
レータとの接続を開閉制御することによって切替弁において機関出力の１０％オ
ーダの絞りロスが生じる。

【０００４】ブランドルのフリーピストン機関の上記欠点は、別のフリーピストン、例えば
欧州特許第０６１３５２１Ｂ１号に開示されているようないわゆるＩＮＮＡＳ機
関を用いて克服される。しかしながら、このような機関は極めて複雑な構造を有
し、結果的に装置技術に関してブランドルの機関の場合よりも実質的に費用が高
くなってしまう。

【０００５】上述したことを考慮して、本発明の目的は、装置技術に関して費用を最小限に
抑えながらも絞りロスを低減するように一般的なフリーピストン機関をさらに発
展させることにある。

【０００６】上述した目的は、請求項１の特徴を有するフリーピストン機関によって達成さ
れる。

【０００７】本発明によれば、制御ピストンを含む弁組立体は、流体圧ピストンを収容する
流体圧シリンダと、流体圧シリンダと高圧アキュムレータ手段または低圧アキュ
ムレータとを選択的に流体的に接続するための切替弁との間に配設され、これに
よって切替弁における出力圧力または高圧アキュムレータの圧力に応じた圧縮力
を流体圧ピストンに加えることができる。

【０００８】機関用ピストンを制御するためには、伝達弁組立体の弁本体に作用する圧力を
増圧または減圧するだけでよいので、切替弁を従来技術におけるよりも実質的に
少ない流量用に設計することができ、したがって最小限の絞りロスで短時間の切
替えを実現することが可能である。

【０００９】本発明によれば、制御ピストンは制御縁部を有するように設計され、これによ
り高圧アキュムレータとの接続を開くように制御することができるようになる。
斯くして、制御ピストンは制御ピストンの制御縁部によって高圧アキュムレータ
手段からその切替えエネルギを獲得し、これにより、切替弁を流れる圧力媒体の
量は制御ピストンの開放運動を開始するためにのみ必要となるため最小限とされ
る。

【００１０】本発明の弁組立体を中間に配置した結果、切替弁を流れる量を最小限にするこ
とが可能であり、したがって高圧アキュムレータとの接続部を開閉する際の圧力
損失は最小である。

【００１１】制御ピストンの断面積は流体圧ピストンの断面積よりも大きくなるように有利
に形成される。このため、選択された伝達比によって機関用ピストンを充分に加
速するのに制御ピストンのストロークが比較的小さくても十分である。

【００１２】別の実施形態では、制御ピストンの開放運動はストッパによって制限される。
制御ピストンがこのストッパに接触した後、流体圧シリンダ内ではもはや増圧が
行われず、この結果、機関用ピストンの更なる加速は行われない。すなわち、本
発明によれば、従来技術で必要とされるような切替弁の閉鎖動作は制御ピストン
のストッパとの接触に置き換えられるため、切替弁の閉鎖時に生じる絞りロスが
実際に生じない。このストッパは、機関用ピストンの最高速度に合わせることが
できるように調整可能に形成されてもよい。

【００１３】燃焼行程中における制御ピストンのリセットは実質的に制御バネの力を介して
行われ、この閉鎖動作中に十分な時間が利用可能であると共に絞りロスは実質的
に生じない。

【００１４】機関用ピストンの燃焼行程時の高圧アキュムレータ手段へのエネルギ蓄積は逆
止弁が設けられた高圧通路を介して行われる。本発明のフリーピストン機関の一
つの実施形態では、エネルギ蓄積行程が制御ピストンの位置から独立するように
上記高圧通路を制御ピストンの別の制御縁部によって開閉制御することができる
。

【００１５】本発明のフリーピストン機関の有利な発展形態によれば、高圧アキュムレータ
手段に通じる高圧通路に方向弁を設けることが可能であり、これにより高圧通路
に設けられた逆止弁をバイパスするためのバイパスラインの開閉を制御すること
ができる。この方向弁により、圧縮行程時に高圧アキュムレータ手段の圧力を流
体圧ピストンに直接加えることができ、これに対し制御ピストンは当初その閉鎖
位置に留まる。流体圧ピストンが所定の加速度または速度に到達した後、バイパ
スラインは閉じられ、よって流体圧ピストンの更なる運動は制御ピストンによる
上述した方法で決定される。

【００１６】フリーピストンが実質的に逆圧なしでその内死点の方向に変位することができ
るように、上記方向弁には高圧通路をリザーバに接続できる切替位置を選択的に
設けることが可能である。

【００１７】フリーピストン機関の他の有利な別形態では、制御ピストンは段付きピストン
の形態を有し、開放方向に作用する環状面は逆止弁を有する低圧通路を介して低
圧アキュムレータに接続される。制御ピストンの広い方の環状端面には、閉鎖方
向において流体圧ピストンの流体圧シリンダ内の圧力と制御バネの力とが加えら
れる。この別形態では、圧力媒体は制御ピストンの開放運動全体に亘って低圧ア
キュムレータから吸入される。このような制御ピストンの変位の全範囲に亘った
均一な圧力媒体の補充により、従来における解決策において生じる流体圧シリン
ダ内のキャビテーションを防止することができる。これは、制御ピストンがスト
ッパに接触して、流体圧ピストンまたは機関用ピストンがその最大速度に到達し
たときに本質的に補充が行われるためである。

【００１８】段付きピストンの環状空間は圧力通路を介して高圧アキュムレータに接続され
、これにより高圧アキュムレータ手段へのエネルギ蓄積は制御ピストンの復帰運
動時に行われる。

【００１９】好ましくは、段付きの制御ピストンの広い方の端面の後方周縁部は制御ピスト
ンがその弁座に接触する少し前に高圧通路が開かれるように形成され、これによ
り機関用ピストンまたは流体圧ピストンの運動エネルギはそれぞれ高圧アキュム
レータ手段にエネルギを蓄積するのに利用される。

【００２０】予備試験では、高圧アキュムレータ手段に接続された他の消費機器によって高
圧アキュムレータ手段の圧力が比較的強く変動することがあり、これがフリーピ
ストン機関の圧縮行程時に不安定な状態をもたらすことがあることが示された。
この欠点を克服するために、別の有利な別形態において、中間圧アキュムレータ
と高圧アキュムレータとを有する高圧アキュムレータ手段が設計される。この場
合、圧縮行程に必要なエネルギは中間圧アキュムレータから引かれる。中間圧ア
キュムレータは適切なバルブ手段を介して高圧アキュムレータに接続されると共
に高圧アキュムレータの最小レベル未満の圧力レベルに維持される。限界圧力を
超えると、中間圧アキュムレータ内の圧力は低圧アキュムレータに向かって解放
される。

【００２１】内死点に向かう機関用ピストンの復帰運動時には中間圧アキュムレータに送給
する高圧アキュムレータにエネルギが有利に蓄積される。

【００２２】本発明のフリーピストン機関の別形態では、流体圧ピストンは段差付きピスト
ンとして設計され、この場合、段差付きピストンと段付き制御ピストン用の環状
空間とによって画成される環状空間は膨張行程および圧縮行程中にそれぞれ低圧
アキュムレータに接続されることができる。

【００２３】本発明のフリーピストン機関では伝達弁組立体が機関用ピストン軸線と同軸に
配設されると特にコンパクトな形態とすることができる。

【００２４】弁組立体はロジック弁としてまたはスプール弁として設計されることが好まし
い。

【００２５】本発明の他の有利な発展形態は更なる従属請求項の主要事項である。

【００２６】本発明の好ましい実施形態について、概略図を参照して以下により詳細に説明
する。

【００２７】図１は、本発明のフリーピストン機関を非常に単純化した概略図を示す。この
機関は、少なくとも一つの燃焼シリンダ４（図１の破線の右）と流体圧シリンダ
６（垂直破線の左）とを画成する機関ハウジング２を具備する。

【００２８】燃焼シリンダ４のシリンダボア８には機関用ピストン１０が案内され、この機
関用ピストン１０によりシリンダボア８は燃焼室１６および吸気室１８に分割さ
れる。図示したフリーピストン機関１の待機位置では、機関用ピストン１０は出
口通路１４が開かれるようにその内死点（ＩＴ）に配置されており、この結果、
燃焼ガスが燃焼室１６から流出する。一方、吸気室１８の後部において開口して
いると共に吸気弁を備えた吸気通路２０を介して新鮮なガスの供給が行われる。
吸気室１８および燃焼室１６はオーバフロー通路２２によって通じている。

【００２９】燃焼室１６内への燃料の噴射は燃焼シリンダ４のシリンダヘッド内の噴射弁２
４によって行われる。フリーピストン機関１を冷却するために燃焼シリンダ４の
周壁部に冷却通路２７が形成される。このように、フリーピストン機関１は従来
の２ストローク機関に対応するため、説明の追加は省略する。

【００３０】機関用ピストン１０は、この機関用ピストン１０の直径よりも実質的に直径が
小さい流体圧ピストン２６を保持する。この流体圧ピストン２６は流体圧シリン
ダ６の段付きの軸線方向ボア２８に侵入する。

【００３１】流体圧ピストン２６が延在する軸線方向ボア２８と吸気室１８との間の接続ボ
アには適切なシール手段が設けられ、したがって燃焼シリンダ４および流体圧シ
リンダ６に収容される媒体は互いに分離されている。

【００３２】流体圧シリンダの軸線方向ボア２８内に向かって径方向に配設された高圧通路
３０が開口し、この高圧通路３０は逆止弁３２を介して高圧アキュムレータ３４
に接続される。同様に、低圧アキュムレータ３６、例えば圧力媒体タンクが低圧
通路３８と逆止弁４０とを介して軸線方向ボア２８によって画成される空間に接
続される。逆止弁４０は軸線方向ボア２８に収容された圧力媒体の低圧アキュム
レータ３６への還流を防止し、一方、逆止弁３２は高圧アキュムレータ３４に収
容された圧力媒体の軸線方向ボア２８への還流を防止する。

【００３３】流体圧ピストン２６は軸線方向ボア２８を通って延びると共に制御空間４２に
侵入する。制御空間４２では、ロジックピストンの形態である制御ピストン４４
が案内される。制御ピストン４４は制御バネ４６内によって弁座４８に対して付
勢される。

【００３４】弁座４８に隣接した制御空間４２の領域に、一方で高圧アキュムレータ３４に
接続されると共に他方で切替弁５２の入口ポートＰに接続された圧力通路５０が
開口する。

【００３５】制御ピストン４４の一方の端面に隣接したパイロット空間５４が制御通路５６
を介して切替弁５２の出口ポート、すなわち作動ポートＡに接続される。この出
口ポート、すなわち作動ポートＡは、機関制御部（図示せず）によって制御され
且つ電気的にまたは電動流体圧的に作動する３／２方向弁の形態をとる。さらに
、切替弁５２は上述した出口ポートＡおよび圧力ポートＰとは別にリザーバまた
は低圧アキュムレータ３６に接続されるリザーバポートＴを有する。

【００３６】図示した切替弁５２の基本位置では、リザーバポートＴと作動ポートＡとが相
互に接続され且つ圧力ポートＰが遮断される。切替弁５２の一つの切替位置では
、圧力ポートＰが作動ポートＡに接続され、リザーバポートＴが遮断される。図
１によれば、制御ピストン４４はフリーピストン機関１の基本位置において弁座
４８上に着座し、この結果、パイロット空間５４と制御空間４２とが互いに遮断
される。この場合、ロジック弁の制御ピストン４４は、制御バネ４６の力と、軸
線方向ボア２８内の圧力、すなわち後方の制御空間４２内の圧力とを閉鎖方向に
受け、一方、パイロット空間５４内の圧力を開放方向に受ける。

【００３７】低圧アキュムレータ３６内の圧力がパイロット空間５４および制御空間４２に
作用する場合、制御ピストン４４は本質的にバネの力によって弁座４８に対して
付勢される。

【００３８】この時、燃焼室１６内には吸気室１８からオーバフロー通路２２を介して押し
出された新鮮なガスが存在する。

【００３９】新鮮なガスを圧縮するため、機関制御部によって切替弁５２が第二の切替位置
に切り替えられる。この場合、図２のように圧力ポートＰが作動ポートＡと通じ
、この結果、高圧アキュムレータ３４からの圧力媒体が圧力通路５０と制御通路
５６とを介してパイロット空間５４に送られる。すなわち、制御ピストン４４の
一方の端面は高圧を受け、一方、制御空間４２内にはなお低圧が作用している。
圧力差により制御ピストン４４がその弁座４８から持ち上げられ、また、制御ピ
ストン４４の周縁によって形成される制御縁部５８によってパイロット空間５４
と圧力通路５０との間の接続が開かれる。このように、制御縁部５８を介して制
御ピストン４４の端面が高圧アキュムレータ３４の圧力を直接受け、制御ピスト
ン４４が制御縁部５８の開度の関数として制御ピストン４４の加速エネルギを獲
得する。この結果生じる制御ピストン４４の軸線方向の変位によって流体圧ピス
トン２６が加速されて機関用ピストン１０が図２の右方向に移動せしめられる。
出口通路１４およびオーバフロー通路２２は機関用ピストン１０によって閉じら
れ、また燃焼室１６に存在する新鮮なガスが圧縮される。

【００４０】逆止弁４０によって、制御ピストン４４の運動時に圧力媒体が軸線方向ボア２
８から低圧アキュムレータ３６内に流入することが防止される。

【００４１】外死点ＡＴに向かって機関用ピストン１０が変位した結果、新鮮なガスが吸気
通路２０を介して吸気室１８内に吸引される。

【００４２】図３によれば、制御ピストン４４は所定の距離Ｄだけ変位した後に制御空間４
２のストッパ６０に接触する。最高速度に加速された機関用ピストン１０はその
質量慣性によってＡＴに向かって移動し続け、軸線方向ボア２８内に形成される
負圧によって圧力媒体が低圧アキュムレータ３６から逆止弁４０と低圧通路３８
とを介して吸引される。ストッパ６０の位置は、ストッパ６０に制御ピストン４
４が接触した時の機関用ピストン１０の運動エネルギが、燃焼室１６内の新鮮な
ガスを圧縮しつつポリトロープ的に増加する力に対抗して機関用ピストン１０を
ＡＴに向かって移動させるのに十分であるように選択される。このストロークに
おいて、機関用ピストン１０は圧縮力によって減速されて、ＡＴで静止する。

【００４３】この段階を図４に示す。機関用ピストン１０がそのＡＴで減速されると、燃料
が燃焼室１６内に噴射されて新鮮なガスの高い温度によって着火される。この結
果、機関用ピストン１０は燃焼室１６内の燃焼圧力の増加によってＡＴからＩＴ
に向かう方向に加速される（図５）。その結果生じる制御ピストン４４に向かう
流体圧ピストン２６の変位によって、軸線方向ボア２８、すなわち制御空間４２
の圧力が増加し、その圧力がアキュムレータ３４内の圧力からバネ４６による圧
力を差し引いた圧力に等しくなり、そして、この圧力から生じる力と制御バネ４
６の力とによって制御ピストン４４がストッパ６０から持ち上げられ、そして距
離Ｄだけ変位せしめられて弁座４８に対して付勢される。これによって、高圧ア
キュムレータ３４との直接の接続が閉じられ、したがって、図示した切替位置に
位置する切替弁を介してのみ高い圧力が制御ピストン４４にその開方向に向かっ
て作用し続ける。

【００４４】ロジック弁を閉弁した後、軸線方向ボア２８および制御空間４２の圧力はアキ
ュムレータ３４内の支配圧力にまで上昇する。

【００４５】機関用ピストン１０および流体圧ピストン２６はこの圧力に対抗してさらに運
動し、その結果、高圧アキュムレータの圧力に対して作用する機関用ピストン１
０の運動エネルギが減少し、機関用ピストン１０が減速せしめられる。ロジック
弁が閉鎖されている間の圧力上昇によって、逆止弁３２が開弁し、高圧通路３０
を介して高圧アキュムレータ３４に圧力が蓄えられる。このようにして、機関用
ピストン１０の運動エネルギの大部分はポテンシャル流体圧エネルギに変換され
、高圧アキュムレータ３４に直接送られる。ＩＴに向かう機関用ピストン１０の
運動時に出口通路１４およびオーバフロー通路２２が開かれ、この結果、新鮮な
ガスがオーバフロー通路２２を通して燃焼室１６内に入り、排気ガスが出口通路
１４を通して掃気される。

【００４６】ＩＴに到達すると、切替弁５２がその基本位置に切り替えられ、この結果、制
御ピストン４４の端面には低圧が加えられる。こうして、ピストン位置と圧力状
態とは図１を参照して上述したような初期状態となる。そして、切替弁５２を切
り替えることによって、新しい作動サイクルが始まり得る。

【００４７】機関用ピストン１０の加速、およびこれに関連する上述したサイクルのフリー
ピストン機関１の圧縮比は、本質的に加速段階において制御ピストン４４が対象
とする距離Ｄの長さのみの影響を受ける。高圧アキュムレータ３４内の圧力に関
係なく機関作動時に常に同一の圧縮比に達するように、制御ピストン４４用のス
トッパ６０を調整可能に設計してもよい。このような調整は、例えば機関制御部
によって行われる。

【００４８】図７に示した実施形態では、高圧通路３０が制御空間４２内に開口している。
こうすることにより、制御ピストン４４のピストンジャケットに形成される別の
制御縁部６２によって高圧通路３０の開閉が制御されるという効果があり、この
結果、制御ピストン４４の制御運動がさらに最適化され、またロジック弁が確実
に迅速に閉鎖せしめられるようになる。その他については、図７に示した実施形
態は上述した実施形態と同様であり、したがって更なる説明は省略する。

【００４９】当然、上述した実施形態で使用されるロジック弁（シート弁）の代わりに、ス
プール弁を使用することもできる。

【００５０】上述した実施形態では、ロジック弁の軸は燃焼シリンダの軸と同軸に設計され
る。ただし、当然ながら、流体圧シリンダ６と流体的に確実に接続される他の相
対位置であってもよい。

【００５１】図８にフリーピストン機関の一つの実施形態を示す。このフリーピストン機関
では、方向弁７０を介して高圧アキュムレータ３４内の高圧を流体圧ピストン、
すなわち作動ピストン２６に加えることができる。図８に示したフリーピストン
機関の基本構造は図１に示した実施形態と同様であり、よって、以下では新たに
追加される構成要素のみについて説明する。図８によれば、バイパスライン７２
を介して逆止弁３２をバイパスすることができ、このバイパスライン７２上には
方向弁７０が位置決めされる。図示した実施形態では、方向弁７０は三つの切替
位置を有するように設計され、切替位置ａでは、バイパスライン７２が開かれる
と共にリザーバとの接続が遮断される。基本位置０では、リザーバおよびバイパ
スライン７２の両方に向かう接続が遮断される。ｂで示した切替位置では、逆止
弁３２よりも上流側の高圧通路３０の領域はリザーバと接続可能であり、したが
って軸線方向ボア２８の圧力をリザーバに向かって解放することができる。

【００５２】上述した実施形態の圧縮ストロークを開始するために切替弁５２が作動位置に
切り替えられ、これにより制御ピストン４４の左側端面には高圧アキュムレータ
３４の圧力が加えられる。方向弁７０は、逆止弁３２がバイパスされる図示した
一方の切替位置に切り替えられ、これにより流体圧アキュムレータ３４の圧力は
軸線方向ボア２８に、すなわち制御ピストン４４の後方側にも作用する。流体圧
が平衡状態にあるため、制御ピストン４４は制御バネ４６の力によって制御ピス
トン４４の閉鎖位置に付勢される。

【００５３】軸線方向ボア２８内の圧力によって流体圧ピストン２６が加速され、これによ
り機関用ピストン１０の圧縮ストロークが開始される。流体圧ピストン２６およ
び／または機関用ピストン１０が所定の最高速度、例えば５ｍ／ｓに達した後、
方向弁７０が０によって示した遮断位置に切り替えられ、これによりバイパスラ
イン７２が遮断され、高圧アキュムレータ３４から軸線方向ボア２８内への圧力
媒体の供給が防止される。これに続き、制御ピストン４４はその弁座４８から上
昇し、機関用ピストン１０の更なる運動は制御ピストン４４の軸線方向の変位に
よって決定される。

【００５４】方向弁７０に中間位置があるため、制御ピストン４４が作動する前の機関用ピ
ストン１０の初期速度を様々に設定することができる。この変更可能な初期速度
は、方向弁７０を制御することによって作動状態と開放ストロークおよび開放時
間の関数として適応させることができる。

【００５５】バイパスライン７２の開放時間が長い場合、制御ピストン４４の軸線方向の変
位を比較的小さくすることが可能であり、これによりよりコンパクトな設計が可
能である。しかし、このためには、これに対応して方向弁７０の公称幅を大きく
しなければならない。機関用ピストン１０の初期速度が比較的遅くても十分な場
合、方向弁７０を非常に小さな構造とすることが可能であり、この場合には、媒
体流が低圧であるので切替が迅速になり、方向弁７０の領域における損失が低く
なる。切替位置ｂでは軸線方向ボア２８内の圧力が解放され、これにより流体圧
ピストン２６または機関用ピストン１０は着火に失敗した場合に切替え後に内死
点（ＩＴ）に向かって更に移動せしめられる。

【００５６】図９では、基本構造に関しては図７に示した実施形態と同様である実施形態が
示されている。換言すれば、図９に示した別の実施形態では、同様に、高圧通路
３０は制御ピストン４４の後方制御縁部７２によって開閉が制御される。

【００５７】図９に示した実施形態の本質的な違いは制御ピストン４４が段付きピストンの
形態を有することにあり、径方向に拡大された環状カラー７４が制御ピストン４
４を受容する制御空間７８の対応する拡大部分７６に形成される。

【００５８】制御ピストン４４の閉鎖位置では高圧通路３０は制御ピストン４４の広い方の
端面によって画成される空間７８内に向かって開いており、これに対して別の圧
力通路８０は段付きピストン４４の環状端面によって画成される環状空間８２内
に向かって開いている。この圧力通路８０は高圧アキュムレータ８４に接続され
、逆止弁８４が高圧通路３０に配設された逆止弁３２と同様に高圧アキュムレー
タ３４から環状空間８２内への流れを防止する。

【００５９】図９に示した実施形態では、バイパスライン７２を介して逆止弁３２をバイパ
スすることが可能であり、このバイパスライン７２には配分弁８６が配設され、
この配分弁８６の機能は原則的に上述した実施形態の方向弁７０の機能と同様で
ある。

【００６０】低圧アキュムレータ３６との接続を確立する低圧通路３８は同様に環状空間３
２内に向かって開いており、これにより制御ピストン４４は低圧アキュムレータ
３６の圧力を開放方向に受ける。したがって、基本位置において低圧アキュムレ
ータ３６の圧力に対抗して制御ピストン４４を弁座４８に付勢するように制御バ
ネ４６の力を調整しなければならない。

【００６１】圧縮ストロークを開始するために切替弁５２が作動位置に切り替えられ、これ
により制御ピストン４４が弁座４８から上昇すると共に、流体圧ピストン２６お
よび機関用ピストン１０の両方が加速される。制御ピストン４４の変位の間にお
いて初めから、低圧通路３８を介して低圧アキュムレータ３６から圧力媒体が吸
引され、これにより開放運動は低圧アキュムレータ３６の圧力によって支持され
る。

【００６２】摩擦損失や温度変化等を補償することが必要な場合、上述した実施形態と同様
に、配分弁３６を介して流体圧アキュムレータ３４の圧力を流体圧ピストン２６
に直接加えることができる。

【００６３】図示した実施形態では、ストッパ６０は制御ピストン４４が何の影響も受けな
いように制御ピストン４４から軸線方向に離間した位置に形成される。すなわち
、フリーピストン機関１の作動時、制御ピストン４４はストッパ６０と接触する
代わりに、力の平衡によって開放方向におけるその終端位置に停止せしめられる
。制御ピストン４４は機関用ピストン１０がその外死点ＡＴに到達したときに上
記終端位置に達する。

【００６４】明らかな力の平衡の結果、機関用ピストン１０および制御ピストン３４の両方
が外死点ＡＴで静止し、その後、噴射弁２４を介して燃料を噴射した結果、混合
気が着火する。そして、機関用ピストン１０および制御ピストン４４はそれらの
基本位置へ戻るように移動する。制御ピストン４４の戻り運動により環状空間８
２に存在する圧力媒体は圧力通路８０と逆止弁８４とを介して高圧アキュムレー
タ３４へ送られ、これにより高圧アキュムレータ３４に圧力が蓄えられる。制御
ピストン４４の所定の軸線方向への変位に続いて制御ピストン４４の制御縁部６
２によって高圧通路３０が開かれ、これにより、制御ピストン４４が弁座４８に
接触する直前に、機関用ピストン１０の運動エネルギが高圧通路３０と逆止弁３
２とを介して流体圧アキュムレータ３４にエネルギを蓄えるのに利用される。制
御弁４４が制御弁４８に接触した後に切替弁５２が切り替えられ、これにより、
制御ピストン４４の狭い方の端面がそれぞれリザーバに向かってまたは低圧に向
かって解放され、そしてサイクルを新たに開始することができるようになる。

【００６５】図１０は、図９に示した実施形態の別形態を示す。本実施形態では作動ピスト
ン、すなわち流体圧ピストン２６が段差付きピストン（differential piston）
の形態であり、径方向引込み部分が機関用ピストン１０へと向けられる。流体圧
ピストン２６の径方向引込み部分は軸線方向ボア２８と共に別の環状空間８８を
形成し、この環状空間８８は、低圧ライン９０と逆止弁９２とを介して低圧アキ
ュムレータ３６に接続されると共に、接続通路９４と逆止弁９６とを介して制御
ピストン４４の広い方の端面によって画成される空間７８に接続される。圧縮ス
トローク時、別の環状空間８８に存在する圧力媒体は接続通路９４と逆止弁９６
とを介して空間７８に向かって押し出される。内死点ＩＴに向かう機関用ピスト
ン１０の戻り運動時、低圧アキュムレータ３６から低圧ライン９０と逆止弁９２
とを介して圧力媒体が環状空間８８内に吸引される。換言すれば、圧力媒体は圧
縮ストローク時に制御ピストン４４の一方の側の空間７８内に流入可能であり、
これに対して膨張ストローク時、圧力媒体は低圧アキュムレータ３６から環状空
間８８内に流入することができる。したがって、上述した解決策と比較した特定
の利点は、圧縮ストローク時に圧力媒体が低圧アキュムレータ３６から低圧通路
３８と逆止弁４０とを介して環状空間８２内に流れ、また膨張ストローク時に圧
力媒体が低圧ライン９０と逆止弁９２とを介して別の環状空間８８内に流れるこ
とが可能であるということにある。したがって、圧力媒体の流れは機関用ピスト
ン１０の死点において停止する必要がなく実質的に自由に循環可能であり、この
ためフリーピストン機関１の効率は図９に示した解決策と比較して改善される。

【００６６】最後に、図１１には、基本構造に関して図７に示した実施形態と同様な実施形
態が示されている。図１１に示した別形態では、高圧アキュムレータ３４および
低圧アキュムレータ３６とは別に圧力通路５０に接続される追加の中間圧アキュ
ムレータ９８が設けられ、これにより保持弁５２がその作動位置に切り替えられ
るとき、図１１の制御ピストン４４の左側端面が中間圧アキュムレータ９８の圧
力を受ける。中間圧アキュムレータ９８は制御弁１０２を備えたライン１００を
介して、逆止弁３２から下流側に配置された高圧通路３０の部分に接続される。
同様に、中間圧アキュムレータ９８は間に別のライン１０４および別の制御弁１
０６を介して低圧アキュムレータ３６に接続される。

【００６７】図１１に示した解決策では、高圧アキュムレータ３４は逆止弁３２を介して高
圧通路３０に接続され、この高圧通路３０は制御ピストン４４の停止位置からの
制御ピストン４４の戻り運動時に制御縁部６２によって開かれる。

【００６８】中間圧アキュムレータ９８の圧力レベルは高圧アキュムレータ３４の圧力レベ
ルと低圧アキュムレータ３６の圧力レベルとの間にある。基本位置では二つの制
御弁１０２と１０６とが閉鎖されており、よって切替弁５２をその作動位置に切
り替えると制御ピストン４４の端面は中間圧アキュムレータ９８の圧力を受ける
。換言すれば、機関用ピストン１０の加速は中間圧アキュムレータ９８の圧力に
本質的に関係する。この圧力は制御弁１０２、１０６の適切な制御によって一定
レベルに維持される。

【００６９】中間圧アキュムレータ９８の圧力が所定のレベル以下に低下した場合には制御
弁１０２が開かれ、これにより高圧アキュムレータ３４を介して中間圧アキュム
レータ９８には圧力が蓄えられる。所定の圧力レベルを超えた場合には別の制御
弁１０６が開かれ、よって圧力は低圧アキュムレータ３６に向かって解放される
。

【００７０】膨張ストローク時、高圧アキュムレータ３４には高圧通路３０が開かれた後に
圧力が蓄えられる。本解決策では、フリーピストン機関の圧力供給は、例えば高
圧アキュムレータ３４に接続された別の消費装置の作動時に生じる高圧アキュム
レータ３４における外乱および圧力変動から本質的に独立している。

【００７１】流体圧ピストン２６に圧力を直接加えるための方向弁７０と、中間圧アキュム
レータ９８と、段付きピストンとして設計される制御ピストン４４と、段差付き
ピストンとして設計される流体圧ピストン２０とを含む上述した別形態は、任意
の所望の方法で実用的に組み合わせてもよく、したがって本発明は上述した実施
形態に限定されるものではない。

【００７２】開示した装置はフリーピストン機関であり、このフリーピストン機関の機関用
ピストンには流体圧シリンダを介して圧縮方向に力が加えられる。流体圧シリン
ダは切替弁を介して高圧アキュムレータ手段または低圧アキュムレータ内の圧力
と連通される。本発明によれば、制御ピストンを含む弁組立体が流体圧シリンダ
と切替弁との間に設けられ、高圧アキュムレータ手段との接続は制御ピストンの
制御縁部の補助により開かれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フリーピストン機関の第一の実施形態の概略図である。

【図２】図１に示した実施形態の様々な作動段階の一つを示す。

【図３】図１に示した実施形態の様々な作動段階の一つを示す。

【図４】図１に示した実施形態の様々な作動段階の一つを示す。

【図５】図１に示した実施形態の様々な作動段階の一つを示す。

【図６】図１に示した実施形態の様々な作動段階の一つを示す。

【図７】本発明のフリーピストン機関の別の実施形態を示す。

【図８】機関用ピストン速度の流体圧制限のための方向弁を有するフリーピストン機関
の実施形態を示す。

【図９】段付きピストンとして設計された制御ピストンを有するフリーピストン機関の
実施形態を示す。

【図１０】段差付きシリンダとして設計された流体圧ピストンを有する図９のフリーピス
トン機関の別形態を示す。

【図１１】中間圧アキュムレータを有するフリーピストン機関の実施形態を示す。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＣＮ，ＪＰ，ＵＳ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関用ピストン（１０）と該機関用ピストンと協働する流体
圧ピストン（２６）とを有し、切替弁（５２）を介して高圧アキュムレータ手段
（３４）内または低圧アキュムレータ（３６）内の圧力を流体圧ピストンに加え
ることができるフリーピストン機関において、上記流体圧ピストン（２６）と切
替弁（５２）との間に制御ピストン（４４）を有する弁組立体（４４、４６、４
８）が配設され、制御ピストン（４４）の制御縁部（５８）によって高圧アキュ
ムレータ手段（３４）との接続が開かれるように制御されることができ、上記制
御ピストン（４４）は流体圧シリンダ（６）内の圧力と制御バネ（４６）の力と
によって閉鎖方向に力が加えられると共に切替弁（５２）の出力圧力によってま
たは高圧アキュムレータ手段（３４）内の圧力によって開放方向に力が加えられ
ることを特徴とするフリーピストン機関。
【請求項２】上記制御ピストン（４４）のピストン面積が流体圧ピストン
（２６）の流体圧作用断面積よりも大きい請求項１に記載のフリーピストン機関
。
【請求項３】上記流体圧ピストン（２６）のストロークが終端する前に上
記制御ピストン（４４）の開放方向へのストロークがストッパ（６０）によって
制限される請求項１または２に記載のフリーピストン機関。
【請求項４】上記ストッパ（６０）が調整可能である請求項１〜３のいず
れか１項に記載のフリーピストン機関。
【請求項５】上記流体圧シリンダ（６）は高圧ポート（３０）を介して高
圧アキュムレータ手段（３４）に接続可能であって低圧ポート（３８）を介して
低圧アキュムレータ（３６）に接続可能であり、逆止弁（３２、４０）がそれぞ
れ高圧アキュムレータ手段（３４）からのまたは低圧アキュムレータ（３６）へ
の還流を防止する請求項１〜４のいずれか１項に記載のフリーピストン機関。
【請求項６】上記高圧ポート（３０）に配設された逆止弁（３２）を、方
向弁（７０、８６）によってバイパスまたは遮断可能であるバイパスライン（７
２）を介してバイパスすることができる請求項５に記載のフリーピストン機関。
【請求項７】上記方向弁（７０）が切替位置（ｂ）を有し、該切替位置に
おいてバイパスライン（７２）をタンクに接続することができる請求項６に記載
のフリーピストン機関。
【請求項８】上記高圧ポート（３０）は制御ピストン（４４）の第二の制
御縁部（６２）によって開かれるように制御されることができる請求項５〜７の
いずれか１項に記載のフリーピストン機関。
【請求項９】上記制御ピストン（４４）が段付きピストンであり、制御ピ
ストン（４４）の環状端面によって画成される環状空間（８２）は低圧アキュム
レータ（３６）と高圧アキュムレータ手段（３４）とに接続可能である請求項５
〜８のいずれか１項に記載のフリーピストン機関。
【請求項１０】上記圧力ポート（３０）は制御ピストン（４４）の広い方
の端面によって画成された空間（７８）に通じる請求項９に記載のフリーピスト
ン機関。
【請求項１１】上記高圧アキュムレータ手段（３４、９８）はライン（１
００）と制御弁（１０２）とを介して互いに接続可能な中間圧アキュムレータ（
９８）と高圧アキュムレータ（３４）とを有し、開放方向に作用する制御ピスト
ン（４４）の端面に中間圧アキュムレータ（３４）の圧力を加えることができる
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフリーピストン機関。
【請求項１２】上記中間圧アキュムレータ（９４）は更なる結合ライン（
１０４）と更なる制御弁（１０６）とを介して低圧アキュムレータ（３６）と接
続可能である請求項１１に記載のフリーピストン機関。
【請求項１３】上記高圧ポート（３０）が高圧アキュムレータ（３４）と
結合される請求項５、１１または１２のいずれか１項に記載のフリーピストン機
関。
【請求項１４】上記伝達弁組立体（４４、４６、４８）が機関用ピストン
の軸線と同軸に配設される請求項１〜１３のいずれか１項に記載のフリーピスト
ン機関。
【請求項１５】上記伝達弁組立体（４４、４６、４８）がロジック弁また
はスプール弁として設計される請求項１〜１４のいずれか１項に記載のフリーピ
ストン機関。