JP2003533629A - 自由ピストン機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、段付き油圧ピストン（８）により駆動される機関用ピストン（６）を備える自由ピストン機関（１）に関する。前記油圧ピストン（８）の大径部分は、圧縮シリンダ（１８）内を案内されるのに対し、小径部分は作動シリンダ（１４）内に配置されている。圧縮行程中、圧縮シリンダ（１８）は、高圧蓄圧器（３０）に接続され、作動シリンダ（１４）は、低圧蓄圧器（２４）に、又は、高圧蓄圧器に、接続される。膨張行程中、シリンダ室からの圧力媒体の排除は、高圧蓄圧器に詰め込むことを許す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１に記載される発明の前文の通りの自由ピストン機関に関す
る。

【０００２】 自由ピストン機関は、基本的には、２サイクル方式で作動し、クランク軸駆動
装置ではなくて、それ以降に配置されている動力伝達装置としての往復動ポンプ
を含む油圧回路を有する燃焼機関である。このために、機関用ピストンは、油圧
シリンダに接続されている。それによって、クランク軸駆動装置における回転運
動という古典的な手段によることなしに、機関の作動サイクル中に発生された並
進エネルギが、油圧作動媒体に直接供給される。それ以降に配置された、貯蔵能
力のある油圧回路は、出力された動力を吸収し、その動力を動力要求にしたがっ
て油圧出力ユニット、例えば、アキシャルピストン形機関、に供給するために、
該動力を吸収するように設計されている。

【０００３】 西独国特許出願公開第４０２４５９１号明細書（ＤＥ４０２４５９１Ａ１）に
おいて、一般的な形式の自由ピストン機関が開示されている。該機関は、また、
ブランドル自由ピストン機関（a Brandl free-piston engine）として知られて
いる。この構成概念の場合、機関用ピストンの圧縮運動は、２／３方式の切換弁
を介して高圧アキュムレータ又は低圧アキュムレータに接続され得る油圧ピスト
ンとの協同という形で行なわれる。圧縮行程の開始時において、機関用ピストン
の加速は、油圧シリンダに高圧アキュムレータの圧力を加えるという形で行なわ
れる。いったん所定の機関用ピストン速度に到達すると、油圧シリンダは、切換
弁を介して低圧アキュムレータに接続される。その結果、作動気体の圧縮圧力に
よる有効力に抗して、機関用ピストンのさらなる圧縮行程が行われる。外側死点
（ＡＴ）［the outer dead center（上死点）］に到達した後、作動気体は、点
火され、機関用ピストンは、内側死点（ＩＴ）［the inner dead center（下死
点）］に向かって加速される。ＡＴ（外側死点）からＩＴ（内側死点）へのこの
ピストンの運動中、高圧アキュムレータとの接続は、切換弁を介して開状態に制
御され、それによって、機関用ピストンは、減速され、その運動エネルギーは、
油圧の位置エネルギーに変換され、高圧アキュムレータは、充填される。切換弁
の応答時間は、ミリ秒の範囲内にあるけれども、高圧アキュムレータへの接続を
開状態及び閉状態に制御することにより、多分機関動力の１０％程度の絞り損失
（throttling loses）が切換弁内に生じる。

【０００４】 ブランドル自由ピストン機関のこれらの欠点は、別の自由ピストン設計、例え
ば、国際公開第９６０３５７６号パンフレット（ＷＯ９６０３５７６Ａ１）に開
示されているようないわゆるインナス（INNAS）機関の助けを借りて克服され得
る。

【０００５】 このインナス自由ピストン機関においては、油圧ピストンは、ステップピスト
ン（a step piston）として設計されており、２つの有効表面を有している。有
効表面の大きい第１ピストンは、圧縮シリンダ内に配置されているけれども、有
効表面の小さい第２ピストンは、ポンプ作動室すなわち作動シリンダを画成して
いる。大きい表面は、圧縮シリンダ内の圧力を受けることができる。一方、作動
シリンダは、逆止弁を介して高圧アキュムレータ又は低圧アキュムレータと接続
され得る。このインナス自由ピストン機関は、ブランドル自由ピストン機関と比
べてかなり複雑な構造を有している。その結果、装置技術に関する経費は、比較
的高い。

【０００６】 上述の点に鑑みて、本発明は、一般的な自由ピストン機関を、装置技術に関す
る経費をできる限り小さくするように、さらに発展させる目的に基づいている。

【０００７】 この目的は、請求項１の特徴を有する自由ピストン機関により達成される。

【０００８】 本発明に係る自由ピストン機関は、圧縮シリンダ内を案内される大きな端面と
作動シリンダ内の小さな端面とを備える段付きピストン（a stepped piston）を
有する。作動シリンダ及び圧縮シリンダの両者は、圧縮行程を開始するための又
は膨張行程の間充填するための共通の高圧アキュムレータに接続されてもよい。
冒頭に述べられたインナス自由ピストン機関と比べて、この改良型は、単に２つ
の圧力アキュムレータ、すなわち、低圧アキュムレータと高圧アキュムレータ、
だけで運転に充分であるという利点を有する。一方、一般的なインナス自由ピス
トン機関においては、関連したラインを持つ３つの圧力アキュムレータが用意さ
れなければならない。したがって、システムは、装置技術に関してより低経費で
、実質的によりコンパクトに構成され得る。その結果、自由ピストン機関の製造
コストは、冒頭に述べられた解決法と比べて低減される。

【０００９】 他の利点は、油圧ピストン又は機関用ピストンそれぞれが、圧力状態の結果と
して自動的に達成される内側死点を有するという事実にある。高圧アキュムレー
タの高圧時、機関用ピストンは、膨張行程の間、この高圧に抗して作動しなけれ
ばならない。その結果、膨張行程は、力の釣り合いのため、高圧アキュムレータ
の低圧時より早い時点において完了する。死点位置のこのような移動により、以
下のサイクルにおける圧縮行程の間有効である加速距離は、それ相応により短い
。圧縮行程中の高圧アキュムレータの圧力が、大きい方の端面に作用する時、こ
のより短い加速距離は、高圧により相殺するように補正される。その結果、機関
用ピストンは、より長い加速距離を有する低圧の場合とほぼ同じ速度になるまで
加速される。したがって、機関用ピストンに供給されるエネルギーは、高圧アキ
ュムレータの低圧の場合、言い換えると、より長い加速距離の場合、にそれに供
給されるエネルギーにほぼ等しい状態にとどまる。

【００１０】 その死点位置からの油圧ピストンの戻り運動中における圧力媒体の吸引が油圧
ピストンの経路のほとんど全体に沿って行なわれることが、本発明による解決法
のさらに別の重要な利点である。一方、冒頭に述べられたブランドル自由ピスト
ン機関においては、油圧ピストンが所定の加速度に達した後にのみ、低圧アキュ
ムレータからの圧力媒体の吸引が行なわれる。

【００１１】 この解決法においては、例えば、不点火の結果として、機関用ピストンが内側
死点に到達しない場合、低圧アキュムレータの圧力を作動シリンダに加えること
により、該内側死点に到達し得る。

【００１２】 好ましい解決法においては、大きい方の端面により画成されている圧縮室及び
環状面により画成されている作動室の両者が、圧縮行程の間、油圧アキュムレー
タに接続されている。圧縮行程の間、圧力媒体は、ここでは高圧アキュムレータ
から供給される。また、同時に、圧力媒体は、作動シリンダから高圧アキュムレ
ータに戻される。したがって、圧縮方向に作動しているピストン面積は、大きい
方の端面と好ましくは差動ピストン形状を有するピストンの環状面との間の面積
差に相当する。これらの改良型の結果として、高圧アキュムレータへの接続を開
閉制御する始動弁を横切る圧力媒体の流れは、従来の解決法に比べて実質的に減
少され得る。

【００１３】 差動ピストンを含むものは、インナス自由ピストン機関よりも本質的に小さい
構造上の長さを有する。なぜならば、本発明の解決法においては、圧縮シリンダ
が、圧縮行程の間加圧をするためにも、及び高圧アキュムレータを充填するため
にも両方のために使用されるからである。

【００１４】 差動シリンダの代わりに、ピストンカラー（a piston collar）を備え、作動
シリンダ内を案内されるそのピストンロッド及び圧縮シリンダ内を案内されるそ
のより大径のピストン部分を有する、ピストンを使用することも可能である。圧
縮行程を始めるために、ステップピストンの環状端面は、高圧アキュムレータに
接続される。この場合、低圧アキュムレータの圧力は、ピストンロッドのより小
さい端面に作用する。その結果、圧縮行程は、圧力媒体が低圧アキュムレータか
ら吸引されることにより支持される。

【００１５】 有益な開発において、ステップピストンは、圧縮行程中、高圧アキュムレータ
との接続が開状態に制御され得る制御ランドを備える。その結果、油圧ピストン
の所定加速距離後、圧力媒体は、始動弁をバイパスする一方、高圧アキュムレー
タから直接圧縮シリンダ内に供給される。したがって、圧力媒体の主流が始動弁
を介して案内される必要がないので、絞り損失は、さらに低下され得る。

【００１６】 特に好ましい改良型において、自由ピストン機関は、方向制御弁を含み、その
助けをかりて、始動弁を取り囲む始動ラインを開状態に制御し得る。その結果、
大きい断面積が、機関を始動するとき、自由ピストンを加速するために提供され
る。この方向制御弁は、自由ピストン機関の動作中開状態のままである。

【００１７】 このような改良型において、方向制御弁が、段付き論理ピストン（a stepped
logic piston）を持つ論理弁（a logic valve）の形状を有する場合が好ましい
。論理ピストンの小さい方の断面積は、上流の解放弁（release valve）を介し
て高圧アキュムレータの圧力を受けることを可能とするのに対し、論理ピストン
の大きい方の断面積は、圧縮シリンダの圧力を受ける。

【００１８】 解放弁は、小さい方の断面積が該解放弁を介して高圧アキュムレータの圧力又
はタンク圧力を状況に応じて受け得る３／２方式の方向制御弁として設計される
ことが好ましい。

【００１９】 機関用ピストンが不点火又は何らかの別の機能不全により外側死点に戻り得な
い場合のために、自由ピストン機関は、引込用手段を備えてもよい。ここで、圧
縮シリンダは、ピストン引込用アセンブリを介して、タンクに接続されてもよい
。その結果、外側死点に向く方向に作用しているピストン端面は、圧力から解放
される。

【００２０】 特に好ましい実施例においては、ピストン引込用アセンブリは、遮断弁を有し
、該遮断弁の開位置において、作動シリンダは、圧縮シリンダに接続される。

【００２１】 ピストン引込用アセンブリは、ピストン引込用弁をさらに含み、該弁の中間で
圧縮シリンダがタンクに接続されてもよい。

【００２２】 本発明にしたがって、遮断弁は、油圧ピストンに一体化されている。このよう
な解決法は、圧縮シリンダと作動シリンダとの間の接続経路が短いので、絞り損
失が、最小であるという利点を提供する。さらに、このような装置は、非常に小
型の構造を有する。なぜならば、ピストン引込用アセンブリのために独立した収
容を設ける必要がないからである。小型化は、逆止弁もまた油圧ピストンに一体
化されるならば、さらに改良され得る。

【００２３】 逆止弁と遮断弁を一体化する１つの可能性は、油圧ピストンが、カラー及びピ
ストンロッドの２つの部品で設計されることにある。この場合、カラーは、滑り
スリーブを介してピストンロッド上をスライドしながら移動可能であるように設
計されている。カラーは、並進位置にある制御断面を遮断する。それで、圧縮シ
リンダと作動シリンダとの間の接続は、閉状態に制御される。その停止位置にお
いて、制御断面は、それに相応して、開状態に制御される。

【００２４】 このような構造的解決法の場合には、閉鎖本体が、ピストンロッドの一端部に
軸方向にスライドしながら案内され、圧縮シリンダの低圧時におけるバネ偏倚さ
れた定位置に配置されると、カラーの凹部を遮断する。閉鎖本体は、圧力が圧縮
シリンダ内で高められる時、上昇する。その結果、圧縮シリンダと作動シリンダ
との間の接続は、上記したようなカラーの軸方向の移動により再び閉じられるだ
けである。

【００２５】 機能不全の場合には、ステップピストンは、外側死点に向く方向に作用してい
るその環状端面が高圧アキュムレータの圧力を受け得る時、外側死点に向く方向
に積極的に移動され得る。その場合、反対の方向に作用しているステップピスト
ンの少なくとも１つの表面は、圧力から解放される。戻りは、機関用ピストン側
の環状端面が内側死点に向く方向に作用しているステップピストンの環状端面よ
り大きな面積を持つように設計されるならば、特に簡単である。

【００２６】 多少圧縮圧力に影響を与えるために、バイパスラインが、低圧アキュムレータ
へ導く低圧通路に設けられてもよい。それによって、そこに配置されている逆止
弁は迂回され得る。このバイパスラインは、絞り弁により遮断され得る。

【００２７】 本発明のさらなる有益な成果は、サブクレームの内容にある。

【００２８】 本発明の好ましい実施例が、概要図を参照することにより、以下に詳細に説明
される。

【００２９】 図１は、自由ピストン機関１の第１実施例の概略図を示す。該自由ピストン機
関１は、機関用ハウジング２を有し、該ハウジング２の燃焼シリンダ４内に機関
用ピストン６が案内される。該機関用ピストン６は、軸孔１０内を案内される、
同軸上に配置される油圧ピストン８に、動作接続状態にある。油圧ピストン８の
環状端面１２は、作動シリンダ１４を画成している。一方、油圧ピストンの大き
い方の端面１６は、圧縮シリンダ１８を画成している。

【００３０】 圧力通路２０及び低圧通路２２は、作動シリンダ１４に合流している。低圧通
路は、低圧アキュムレータ２４に接続されている。この場合、作動シリンダ１４
から低圧アキュムレータ２４への圧力媒体の流れは、逆止弁２６によって妨げら
れている。

【００３１】 圧縮シリンダ１８は、高圧通路２８を介して高圧アキュムレータ３０に接続さ
れている。この場合、高圧通路２８は、２／２方式の方向制御弁として設計され
ている始動弁３２の助けを借りて開状態又は閉状態に制御され得る。圧力通路２
０は、高圧通路２８に合流している。別の逆止弁３４を介して、高圧アキュムレ
ータ３０から作動シリンダ１４への圧力媒体の流れは妨げられている。

【００３２】 燃焼シリンダ４には、出口通路３６が設けられており、それを通って排気ガス
が機関用ピストン６により画成されている燃焼室３８から排出され得る。

【００３３】 油圧ピストン８に面している機関用ピストン６の後ろ側は、機関用ピストン６
の図示されている内側死点位置でその最小容積となる吸気室４０を画成している
。吸気室４０は、オーバーフロー通路４２を介して燃焼室３８に接続されている
。

【００３４】 新鮮な空気が、機関用ピストン６の圧縮行程中に、吸気弁４６を含む吸気通路
４４を経て供給され得る。自由ピストン機関の点火は、燃焼シリンダ内に開口し
ている噴射装置（an injector）４８を介して燃料を噴射することにより引き起
こされる。

【００３５】 以下に、図１に示されている自由ピストン機関の機能が説明される。サイクル
の始めにおいて、燃焼室３８は、新鮮な空気で満たされており、始動弁３２は閉
じられていると共に、機関用ピストン６及び油圧ピストン８は、図１に示される
ように、その死点位置（ＩＴ）にある。

【００３６】 圧縮行程を開始するために、始動弁３２は、高圧アキュムレータ３０が圧縮シ
リンダ１８に接続されるように開かれる。大きい方の端面１６に作用する圧力の
せいで、油圧ピストンは、その死点位置から加速され、この加速が機関用ピスト
ン６に伝えられる。作動シリンダ１４内に存在する圧力媒体は、逆止弁３４及び
圧力ライン２０を経由して圧力通路２８に逆に運ばれる。すなわち、油圧ピスト
ン８の端面１６と環状端面１２は、高圧アキュムレータ３０の圧力を受ける。そ
の結果、ピストンロッドの領域に対応する端面が、外側死点（ＡＴ）に向く方向
に作動する。低圧アキュムレータ２４への接続は、逆止弁２６により遮断されて
いる。

【００３７】 図２にしたがって、新鮮な空気が、機関用ピストン６の圧縮行程中、吸気通路
４４及び開かれている吸気弁４６を経て、容積を増しつつある吸気室４０内に吸
引される。機関用ピストン６の加速は、燃焼シリンダ３８内でポリトロープ状に
増大しつつある新鮮な空気の圧縮圧力に抗して行なわれる。この結果として、機
関用ピストン６は、減速され、外側死点（ＡＴ）で停止状態になる。

【００３８】 機関用ピストン６がそのＡＴ（外側死点）において減速されるとすぐに、噴射
装置４８を介して燃料が噴射され、新鮮な空気が高温になる結果として点火され
る。その結果、図３にしたがって、機関用ピストン６は、燃焼室３８を構築する
燃焼圧力によりＡＴ（外側死点）からＩＴ（内側死点）に向けて加速される。こ
の加速は、油圧ピストン８に伝えられ、それで該油圧ピストン８は、そのＩＴ（
内側死点）に向けて、図３における左側に移動する。作動シリンダ１４の環状空
間の大きさが結果として増大することのせいで、低圧通路２２及び逆止弁２６を
経由して低圧アキュムレータ２４から圧力媒体が吸引される。同時に、圧縮シリ
ンダ１８内の圧力媒体は、高圧通路２８に押し退けられ、油圧アキュムレータ３
０が充填される。すなわち、図１乃至３に示される実施例においては、油圧アキ
ュムレータ３０を充填することが、低圧アキュムレータからの圧力媒体を補足的
に吸引することと同時に実行される。この補足的吸引は、油圧ピストン８の連続
した戻り運動の間に行われるので、キャビテーション現象が作動室１４内で起こ
らない。

【００３９】 戻り運動中、機関用ピストン６及び油圧ピストン８は、これらがＩＴ（内側死
点）において減速されるまで、高圧アキュムレータ３０のアキュムレータ圧力に
対して、それらの運動エネルギーが減少される。この行程中、燃焼シリンダ３８
は、吸気室４０からオーバーフロー通路４２を通って溢れ出る新鮮な気体で掃気
される。機関用ピストン６及び油圧ピストン８がそれらのＩＴ（内側死点）に達
した後、始動弁３２は、その遮断位置をとらされ、自由ピストン機関１は、次の
サイクルの準備ができている。

【００４０】 図４は、圧縮行程中の自由ピストン機関を示している。この場合、上記実施例
は、圧縮エネルギーを計量する手段により補足されている。この手段は、それを
通って低圧通路２２の逆止弁２６が迂回され得るバイパスライン５０を有してい
る。バイパスライン５０には、２／２方式の方向制御弁として設計されている絞
り弁５２が設けられている。該絞り弁５２は、その遮断位置にある時バイパスラ
イン５０を遮断する。

【００４１】 絞り弁５２が遮断された状態においては、図４に示される実施例は、上述の図
面の内の１つに対応する。機関用制御装置に連通する絞り弁５２を開くことによ
り、作動シリンダ１４は、低圧アキュムレータ２４に直接的に接続される。その
結果、環状端面１２は、低圧アキュムレータ２４の圧力を受ける。したがって、
油圧ピストン８は、圧縮行程中に、高圧アキュムレータ３０の圧力に抗して加速
される必要がない。その結果、例えば、圧縮行程の開始時に、供給される圧縮エ
ネルギーが増加され得る。

【００４２】 自由ピストン機関の制御装置における機能不全の場合、例えば、不点火の場合
には、機関用ピストン６及び油圧ピストン８が、ＩＴ（内側死点）に正しく戻さ
れることができないことが起こり得る。ＩＴ（内側死点）への戻りを容易にする
ために、自由ピストン機関１は、図５に示される改良型のピストン引込システム
を含むように改良される。例えば、このピストン引込システムは、圧力通路２０
に配置されるピストン引込弁５４により構成されてもよい。ａで示されるピスト
ン引込弁５４の定位置において、圧力通路２０は、上記した方法で高圧通路２８
に接続されている。その結果、その機能は、上記した実施例の１つに対応する。
機能不全の場合に、始動弁３２が閉じられ、ピストン引込弁５４は、ｂで示され
る位置をとる。この場合、高圧通路２８は、タンクＴに接続される。次に、圧縮
シリンダ１８にある圧力媒体は、タンクＴに向けて圧力を解放される。その結果
、油圧ピストン８及び従って機関用ピストン６は、作動室１４を支配している低
圧アキュムレータ２４の圧力により、その内側死点に戻され得る。

【００４３】 図６は、自由ピストン機関１の実施例を示す。この実施例では、油圧ピストン
８は、２つのピストンロッド５６、５８及びリング状カラー６０を持つステップ
ピストンの形状を有する。この実施例では、作動シリンダ１４は、図６に示され
るように、右側のピストンロッド５６の端面６２により画成されている。圧縮シ
リンダ１８は、ピストンロッド５６に面しているリング状カラー６０の環状端面
６４により画成されている。ピストンロッド５８及び油圧ピストン８の左側の環
状面６６は、油圧シリンダ８を受け入れている軸孔１０のリング状シリンダ６８
を画成している。低圧アキュムレータ２４は、低圧通路２２及び逆止弁２６を経
てピストンロッド５６に隣接する作動シリンダ１４に接続されている上記した実
施例と全く同じである。この作動シリンダ１４には、高圧アキュムレータ３０と
接続され、逆止弁３０を含む圧力通路２０もまた合流している。

【００４４】 高圧アキュムレータ３０は、さらに、高圧通路２８を経て、右側の環状端面６
４で画成されている圧縮シリンダ１８に接続されている。高圧通路２８の途中に
、始動弁３２が配置されている。始動弁３２は、そこに配置され、圧縮シリンダ
１８から高圧アキュムレータ３０への圧縮媒体の戻り流れを許す逆止弁７０を有
しているバイパス通路７２を経て迂回されていてもよい。

【００４５】 リング状カラー６０の環状端面６４の外周縁を介して、圧力ライン７４が開状
態に制御されてもよい。該圧力ライン７４は、逆止弁７０の下流の位置で高圧通
路２８に合流している。

【００４６】 その他の点については、図６に示される自由ピストン機関は、上記した実施例
の機関に対応する。それで、さらなる説明が省略され得る。

【００４７】 圧縮行程を開始するために、始動弁３２は、遮断位置から伝送位置をとる。そ
の結果、高圧アキュムレータ３０は、圧力通路２８を経て圧縮シリンダ１８に接
続される。圧力が環状端面６４に作用することで、油圧ピストン８は、加速され
、機関用ピストン６は、そのＡＴ（外側死点）に向けて移動し、燃焼シリンダ３
８内に存在する新鮮な空気が圧縮される。油圧ピストン８の所定の軸方向の移動
が完了したとき、環状端面６４の外周縁は、圧力ライン７４を開状態に制御する
。その結果、圧力媒体は、始動弁３２を迂回しながら、圧縮シリンダ１８に直接
的に入り得る。これによって、始動弁３２を横切る絞り損失が最小限に抑えられ
得る。なぜならば、圧力媒体は、圧縮行程の始めには始動弁３２を通って流れて
いただけであるからである。圧縮行程中、圧力媒体は、低圧アキュムレータ２４
から低圧通路２２及び開いている逆止弁２６を経て、作動シリンダ１４内に吸引
される。機関用ピストン６は、ＡＴ（外側死点）における燃焼室３８の上昇する
圧縮圧力により減速される。始動弁３２が閉じられ、燃料が噴射装置４８を介し
て噴射され、かくして、形成された混合気が点火される。機関用ピストン６及び
油圧ピストン８は、ＡＴ（外側死点）からＩＴ（内側死点）へ加速されると共に
、圧力ライン７４は、油圧ピストン８の戻り運動中に閉状態に制御される。膨張
運動は、作動シリンダ１４の及び圧縮シリンダ１８の圧力に抗して行なわれる。
その結果、高圧アキュムレータ３０は、逆止弁３４が開いている時、圧力通路２
０または高圧通路２８を経て充填される。

【００４８】 図７は、ステップピストンの形状を有する油圧ピストン８を持つ、図６に示さ
れている自由ピストン機関の改良型を示している。この場合、ステップピストン
は、機能不全の時、機関用ピストン６及び油圧ピストン８をそれらのＩＴ（内側
死点）位置に戻すことを許容するピストン引込システムを装備されている。図７
に示される実施例において、ピストン引込システムは、高圧アキュムレータ３０
に接続されている引込通路７６を含んでいる。該引込通路７６は、リング状シリ
ンダ６８に合流している。リング状シリンダ６８と高圧アキュムレータ３０との
間の接続は、２／２方式の方向制御弁として設計されている切換弁７８を用いて
遮断または開放され得る。機能不全、例えば不点火の場合に、リング状シリンダ
６８は、切換弁７８を経て、高圧アキュムレータ３０に接続され得る。その結果
、環状端面６６は、ＩＴ（内側死点）に向く方向に作用する圧力を受ける。図７
に示される実施例において、ピストンロッド５８の面積は、ピストンロッド５６
の面積より小さく動かされている。その結果、リング状カラー６０の両端面６６
、６４に作用する結果として生ずる力は、ＩＴ（内側死点）に向く方向に作用す
る。

【００４９】 作動シリンダ１４の圧力は、作動シリンダ１４を逆止弁２６の下流に配置され
ている低圧通路２２の一部分に接続している逃がし通路８０を経て減少され得る
。この逃がし通路は、制御弁８２を介して開状態及び閉状態に制御され得る。す
なわち、ピストンを引き込むことが開始されるとすぐに、制御弁８２は、その開
位置をとる。その結果、圧力媒体は、油圧ピストン８の戻り運動中、逃がし通路
８０を経て作動シリンダ１４により低圧アキュムレータ２４に供給される。

【００５０】 油圧ピストン８の環状端面６６は、通路８４を経て、逃がし通路８０を含んで
いる別の切換弁８６にさらに接続され、そしてそれによって低圧アキュムレータ
２４に直接的に接続され得る。その結果、例えば、圧縮行程中、油圧ピストン８
の後ろ側は、低圧を受け得る。これによって、制御弁８２は、遮断位置をとる。

【００５１】 図８は、その中に配置されている機関用ピストン（不図示）を駆動する油圧ピ
ストン８を有する自由ピストン機関１の油圧ピストン領域の概略図を示す。図４
による実施例に類似した図８に示される実施例においては、低圧アキュムレータ
２４は、逆止弁２６を経て、作動シリンダ１４の環状作動室に接続されている。
逆止弁２６は、絞り弁５２を含んでいるバイパスライン５０を用いて迂回され得
る。その結果、圧縮行程の開始時に供給される圧縮エネルギは、低圧アキュムレ
ータ２４に直接的に加えることにより影響を与えられ得る。

【００５２】 高圧アキュムレータ３０は、高圧通路２８、始動弁３２及び圧力通路２０を経
て、圧縮シリンダ１８に接続されている。図示されている実施例において、逆止
弁３４は、油圧ピストン８内に一体化されている。

【００５３】 図５に示される実施態様に類似して、自由ピストン機関は、図示されている方
法では、しかしながら、遮断弁８６及び引込弁８８により形成されているピスト
ン引込アセンブリ８４を含んでいる。遮断弁８６もまた、油圧ピストン８に一体
化されている。引込弁８８は、バネ偏倚された定位置で、タンク通路９０と圧力
通路２０との間に延在している通路９２を遮断し、その切換位置でこの接続を開
く２／２方式の方向制御弁の形状を有する。

【００５４】 高圧通路２８は、方向制御弁９４を経て、さらに始動弁３２を迂回しながら、
自由ピストン機関１の機関用ハウジング２に一体化されている圧縮シリンダ１８
に直接的に接続され得る。図８に示されている実施例において、方向制御弁９４
は、階段状の論理ピストン（a stepped logic piston）９６を持つ論理弁（２／
２方式のカートリッジ弁）の形状を有している。大きい方の断面積９８を有する
、論理ピストン９６の端面は、弁座１００に対して偏倚されている。この弁座１
００の領域において、バイパスライン１０４を経て高圧通路２８に接続されてい
る半径方向ポート１０２が形成されている。すなわち、論理ピストン９６が弁座
１００にある時、バイパスライン１０４と圧縮室１８との接続は、遮断されてい
る。

【００５５】 小さい方の断面積１０６を有する、論理ピストン９６のもう一方の端面は、制
御通路１１０及び解放弁１１２を経て、タンク通路９０または高圧通路２８に接
続され得る制御室１０８内で案内されている。図示されている実施例の開放弁１
１２は、バネ偏倚されたその定位置で高圧通路２８を制御通路１１０に接続する
３／２方式の方向制御弁の形状を有している。切換位置では、高圧通路２８との
接続は遮断され、制御通路１１０は、タンク通路９０に接続される。

【００５６】 制御室１０８に存在する圧力に加えて、論路ピストン９６は、バネ１１３の力
により座１０４に対して閉じる方向にさらに偏倚されている。

【００５７】 自由ピストン機関を始動するために、解放弁１１２は、切換位置をとる。その
結果、小さい方の断面積１０６は、タンク圧力を受ける。バネ１１３は、機関を
始動する時、最初はそのままの制御ピストンが弁座１００に対して偏倚されるよ
うに設計されている。始動弁３２が開かれ、それで圧縮シリンダ１８は高圧アキ
ュムレータの圧力を受け、油圧ピストン８は、増大する圧力により加速される。
このことは、論理ピストン９６の大きい方の断面積９８に作用する圧力を上昇さ
せる。その結果、ピストン９６が開き、弁座１００から立上がる。それによって
、半径方向ポート１０２及びそれにしたがい、高圧アキュムレータ３０への接続
が開かれ、論理弁９４は、完全に開く。

【００５８】 この改良型においては、論理弁９６が、それ自身の制御ランドを介して開くそ
のエネルギを受けるので、パイロット弁が必要でないという利点がある。開運動
は、非常に迅速に行なわれ、それで、圧縮シリンダ１８の圧力は、高い動力学的
特性により増大され得る。自由ピストン機関１の動作中、論理ピストン９６は、
開位置のままである。

【００５９】 自由ピストン機関を停止するために、始動弁３２が閉じられ、解放弁１１２が
その定位置に切り換えられる。その結果、論理ピストン９６の小さい方の断面積
１０６は、高圧アキュムレータの圧力を受ける。次に、自由ピストン機関１は、
停止状態になり、同時に始動弁３２及び論理弁９４は閉じられる。すなわち、上
記解決法においては、論理弁９４もまた、逆止弁として作用し、それにより、圧
縮シリンダ１８から高圧アキュムレータ３０への接続は、開状態に制御され得る
。

【００６０】 図８の概略図から理解されるように、遮断弁８６は、閉鎖方向に閉鎖バネ１１
４の力を受け、開方向に圧縮シリンダ１８の圧力を受ける。遮断弁８６が開いて
いる間、作動シリンダ１４は、逆止弁３４を経て圧縮シリンダ１８に接続されて
いる。したがって、圧縮シリンダ１８に上記圧力が形成されている間、遮断弁８
６は、その開位置をとる。その結果、圧縮行程中、作動シリンダ１４に形成して
いる圧力は、逆止弁３４及び高圧通路２８を経て高圧アキュムレータ３０に充填
するために利用され得る。

【００６１】 図９は、逆止弁８４及び遮断弁８６を油圧ピストン８に一体化するための実行
可能な構造上の解決法を示している。したがって、油圧ピストンは、カラー１１
６及びカラー１１６の外径と比較して小さい径を持つピストンロッド１１８を備
える分割されたピストン形状を有している。カラー１１６及びピストンロッド１
１８は、滑りスリーブ１２０を介して互いに接続されている。軸方向の接続に関
して、ピストンロッド１１８は、滑りスリーブ１２０の内側に配置された大きい
方の径の端部１２２を有している。図示されている停止位置において、後部停止
表面１２４は、滑りスリーブ１２０の停止輪１２６に接触している。端部１２２
は、閉鎖本体１３０が軸方向に滑るように案内されている案内孔１２８とともに
設計されている。閉鎖本体は、圧縮バネ１３２を介してカラー１１６に向けて偏
倚されている。カラーは、カップ形の構造を持ち、その底面１３４に凹部１３７
を有する。図に示された定位置において、この凹部１３７は、それに対して偏倚
されている閉鎖本体１３０により閉じられている。その結果、圧縮シリンダ１８
と作動シリンダ１４との間の接続が遮断されている。したがって、閉鎖本体１３
０は、カラー１１６の座１３６を形成している。

【００６２】 図９によれば、閉鎖本体１３０は、それを介して圧縮媒体が作動シリンダ１８
からバネ室１４０に入り得る補正孔１３８を有する。閉鎖本体１３０は、ピスト
ンロッド１１８の軸孔１４４を封印するように突入している案内用心棒１４２を
有している。圧縮バネ１３２の力および左側の座側端面と右側のバネ室側環状端
面との面積の差は、閉鎖本体１３０が、低圧アキュムレータ２４の圧力より低い
作動シリンダ１８の圧力が存在して依然としてその閉鎖位置に偏倚されるように
選択される。高圧が作動シリンダ１８に達するとすぐに、閉鎖本体１３０は、そ
れが停止肩部１４６に接するまで、圧縮バネ１３２の力に抗して右側に移動され
る。作動シリンダ１８の圧力により、カラー１１６もまた、それが閉鎖本体１３
０に接するまで、ピストンロッド１１８に関して軸方向右側（図９で見て）に移
動される。その結果、凹部１３７が遮断される。圧縮行程中、作動シリンダ１４
の圧力が圧縮シリンダ１８の圧力より大きいか又は等しい圧力に上昇すると、カ
ラー１１６は、その端面に作用する圧力差により閉鎖本体１３０から引き揚げら
れ、圧縮シリンダ１８への作動シリンダ１４との間の接続が開状態に制御され、
高圧アキュムレータが充填される。すなわち、この実施例において、カラー１１
６は、作動シリンダ１４と圧縮シリンダ１８との間の接続を開状態に制御する逆
止弁として作用する。圧縮バネ１３２を有する閉鎖本体１３０は、圧縮シリンダ
１８の圧力が上昇するとその開位置をとる遮断弁として実質的に作用する。この
遮断弁は、圧縮シリンダ１８の圧力が低圧アキュムレータ２４の圧力より低い場
合にのみ閉じる。自由ピストンがその始動位置に意図的に戻されることになって
いる時はいつも、このような低圧状態がセットされる。

【００６３】 特に、上記解決法は、極めて小型の構造により特徴付けられる。この場合、作
動シリンダ１４と圧縮シリンダ１８との間の直接的接続により、絞り損失が最小
になる。基本的には、図８、９で説明された解決法もまた、上記実施例において
実現化され得る。

【００６４】 上記実施例において示されたさらなる装置は、基本的に、段付きピストンまた
は差動ピストンを単独でまたは組み合わせて有する上記改良型の両方に使用され
得る。

【００６５】 図５に示される３／２方式の方向制御弁の代わりに、ピストン引込弁５４とし
て２／２方式の方向制御弁を使用することも可能である。この場合、逆止弁３４
もまた、閉鎖可能であるように改良されるべきである。

【００６６】 開示されたものは、段付き油圧ピストンを介して駆動可能な機関用ピストンを
含む自由ピストン機関である。油圧ピストンの大きい方の径が圧縮シリンダ内を
案内されるのに対して、小さい方の径は、作動シリンダ内に配置される。圧縮行
程中、圧縮シリンダは、高圧アキュムレータに接続される。また、作動シリンダ
は、低圧アキュムレータ又は高圧アキュムレータに接続される。ある膨張行程中
、高圧アキュムレータは、シリンダ室から移動される圧縮媒体により充填される
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 差動ピストンとして設計されている油圧ピストンを含む自由ピストン機関の実
施例を示す。

【図２】 図１における自由ピストン機関の異なる動作位置を示す。

【図３】 図１における自由ピストン機関の異なる動作位置を示す。

【図４】 圧縮圧力を調整する手段を有する図１の自由ピストン機関を示す。

【図５】 ピストン引込手段を含んでいる図１の自由ピストン機関を示す。

【図６】 ステップピストンとして設計されている油圧ピストンを有する自由ピストン機
関の実施例を示す。

【図７】 ピストン引込手段を含む、図６に示される実施例の改良型を示す。

【図８】 油圧ピストンに部分的に一体化されている、変更された始動手段及びピストン
引込アセンブリを有する自由ピストン機関の実施例を示す。

【図９】 図８の油圧ピストンの構造的解決法を示す。

【符号の説明】

１ 自由ピストン機関 ２ 機関用ハウジング ４ 燃焼シリンダ ６ 機関用ピストン ８ 油圧ピストン １０ 軸孔 １２ 環状端面 １４ 作動シリンダ １６ 端面 １８ 圧縮シリンダ ２０ 圧力通路 ２２ 低圧通路 ２４ 低圧アキュムレータ ２６ 逆止弁 ２８ 高圧通路 ３０ 高圧アキュムレータ ３２ 始動弁 ３４ 逆止弁 ３６ 出口通路 ３８ 燃焼室 ４０ 吸気室 ４２ オーバーフロー通路 ４４ 吸気通路 ４６ 吸気弁 ４８ 噴射装置 ５０ バイパスライン ５２ 絞り弁 ５４ ピストン引込弁 ５６ ピストンロッド ５８ ピストンロッド ６０ リング状カラー ６２ 端面、小さい ６４ 右側環状端面 ６６ 環状面 ６８ リング状シリンダ ７０ 逆止弁 ７２ バイパス通路 ７４ 圧力ライン ７６ 引込通路 ７８ 切換弁 ８０ 逃がし通路 ８２ 制御弁 ８４ ピストン引込アセンブリ ８６ 遮断弁 ８８ 引込弁 ９０ タンク通路 ９２ 通路 ９４ 方向制御弁 ９６ 論理ピストン ９８ より大きい断面積 １００ 弁座 １０２ 半径方向ポート １０４ バイパスライン １０６ より小さい断面積 １０８ 制御室 １１０ 制御通路 １１２ 解放弁 １１３ バネ １１４ 閉鎖バネ １１６ カラー １１８ ピストンロッド １２０ 滑りスリーブ １２２ 端部 １２４ 停止表面 １２６ 停止リング １２８ 案内孔 １３０ 閉鎖本体 １３２ 圧縮バネ １３４ 底面 １３６ 座 １３７ 凹部 １３８ 補正孔 １４０ バネ室 １４２ 案内用心棒 １４４ 軸孔 １４６ 停止肩部

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＴＲ)，ＣＮ，Ｊ Ｐ，ＵＳ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動シリンダ（１４）内に配置されるより小さい径部分、及
   び圧縮行程中始動弁（３２）を経由して圧力媒体用アキュムレータ（３０）から
   の圧力媒体を受けることが可能な圧縮シリンダ内のより大きい径部分、を有する
   段付き油圧ピストン（８）を介して駆動されることが可能な機関用ピストン（６
   ）を含む自由ピストン機関において、 圧力媒体は、低圧アキュムレータ（２４）から前記作動シリンダ（１４）へ吸
   引され得、さらに、膨張行程中、圧縮媒体は、圧力媒体用アキュムレータを充填
   するために、前記シリンダ（１４、１８）の１つに用いられ得る自由ピストン機
   関であって、 前記圧縮媒体用アキュムレータは、前記作動シリンダ（１４）と前記圧縮シリ
   ンダ（１８）との両方に接続され得る高圧アキュムレータ（３０）であることを
   特徴とする自由ピストン機関。
2. 【請求項２】 前記ピストン（８）の大きい方の端面（１６）は、前記高圧
   アキュムレータ（３０）に接続され得、 前記ピストン（８）の小さい方の環状端面（１２）は、逆止弁（３４）を経由
   して前記高圧アキュムレータ（３０）に、又は、第２逆止弁（２６）を経由して
   前記低圧アキュムレータ（２４）に接続され得ることを特徴とする請求項１に記
   載の自由ピストン機関。
3. 【請求項３】 前記油圧ピストン（８）は、前記作動シリンダ（１４）内を
   案内されるピストンロッド（５６）、前記圧縮シリンダ（１８）内を案内される
   より大きい径（６０）を持つピストン部分を有するステップピストン（８）であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン機関。
4. 【請求項４】 一方で始動弁（３２）と高圧アキュムレータとの間の前記高
   圧通路（２８）の領域に合流し、他方で前記圧縮シリンダ（１８）に合流し、前
   記油圧ピストン（８）の圧縮行程中、開状態に制御されることが可能な圧力ライ
   ン（７４）を含み、 前記始動弁（３２）と前記圧縮シリンダ（１８）との間に配置される前記高圧
   通路（２８）の部分は、逆止弁（７０）を含むラインを経由して前記圧力ライン
   （７４）に接続され得ることを特徴とする請求項２又は３に記載の自由ピストン
   機関。
5. 【請求項５】 切換弁（７８）を含む引込通路（７６）が、前記高圧通路（
   ２８）から分岐し、別のピストンロッド（５８）がそれを通って延びているリン
   グ状シリンダ（６８）に合流し、 その結果、圧力媒体が、前記切換弁（７８）が開状態に制御される時、前記機
   関用ピストン（８）の内側死点に向く方向に作用する環状面（６６）に適用され
   得ることを特徴とする請求項３又は４に記載の自由ピストン機関。
6. 【請求項６】 機関用ピストン側の前記ピストンロッド（５８）は、前記他
   のピストンロッド（５６）より小さい径を有することを特徴とする請求項５に記
   載の自由ピストン機関。
7. 【請求項７】 方向制御弁（９４）を含み、該方向制御弁（９４）のピスト
   ン（９６）は、前記始動弁（３２）を迂回するバイパスライン（１０４）を開状
   態に制御することを許容することを特徴とする請求項２に記載の自由ピストン機
   関。
8. 【請求項８】 前記方向制御弁（９４）は、段付き構造をもつ論理ピストン
   を有する論理弁であり、 小さい方の断面積が、解放弁（１１２）を経由して前記高圧アキュムレータ（
   ３０）の圧力を受け、その大きい方の断面積（９８）が、前記圧縮シリンダ（１
   ８）の圧力を受けることを特徴とする請求項７に記載の自由ピストン機関。
9. 【請求項９】 前記解放弁（１１２）は、前記高圧アキュムレータ（３０）
   の圧力を、又は、その切換位置で、小さい方の断面積（１０６）にタンク通路（
   ９０）の圧力を、適用する３／２方式の方向制御弁であることを特徴とする請求
   項８に記載の自由ピストン機関。
10. 【請求項１０】 ピストン引込弁装置（５４）を含み、それによって、前記
    圧縮シリンダは、前記タンク（Ｔ）に、又は、前記高圧アキュムレータ（３０）
    に接続され得ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の自由ピスト
    ン機関。
11. 【請求項１１】 前記ピストン引込アセンブリ（５４）は、前記作動シリン
    ダ（１４）を前記圧縮シリンダ（１８）に接続する遮断弁（８６）及び前記圧縮
    シリンダ（１８）を前記タンク（９０）に接続する引込弁（８８）を含み、 前記遮断弁（８６）は、前記油圧ピストン（８）に一体化されていることを特
    徴とする請求項１０に記載の自由ピストン機関。
12. 【請求項１２】 前記高圧アキュムレータ（３０）に関連する前記逆止弁（
    ３４）もまた、前記油圧ピストン（８）に一体化されていることを特徴とする請
    求項１１に記載の自由ピストン機関。
13. 【請求項１３】 大きい方のピストン径を形成している前記油圧ピストン（
    ８）のカラー（１６０）は、滑りスリーブ（１２０）を介してピストンロッド（
    １１８）に接続され、前記ピストンロッド（１１８）は、その端部（１２２）に
    より前記滑りスリーブ（１２０）内を軸方向に移動可能に案内されており、 前記カラー（１１６）は、一方の並進位置で制御断面を閉鎖しており、それで
    、前記圧縮シリンダ（１４）と前記作動シリンダ（１８）との間の接続が妨げら
    れていることを特徴とする請求項１２に記載の自由ピストン機関。
14. 【請求項１４】 前記カラー（１１６）の底面（１３４）の凹部に対して圧
    縮バネ（１３２）を用いて偏倚されている閉鎖本体（１３０）は、前記端部（１
    ２２）内を案内され、前記圧縮シリンダ（１８）の圧力は、前記閉鎖本体（１３
    ０）の補正孔（１３８）を経由して前記圧縮バネ（１３２）用バネ室（１４０）
    内に伝えられ、閉鎖方向に作用している前記閉鎖本体（１３０）の表面は、開方
    向に作用している前記閉鎖本体（１３０）の端面より小さいことを特徴とする請
    求項１３に記載の自由ピストン機関。
15. 【請求項１５】 前記逆止弁（２６）を迂回するバイパスライン（５０）は
    、前記作動シリンダ（１４）と前記低圧アキュムレータ（２４）との間の低圧通
    路（２２）に設けられていると共に、絞り弁（５２）を用いて前記バイパスライ
    ン（５０）を遮断することができることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれ
    かに記載の自由ピストン機関。