JP2592638B2 - 自由ピストンエンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、本体と、本体上に設けられた少なくとも１
個のエンジンシリンダのついた内燃エンジンと、エンジ
ンシリンダ内を往復するエンジンピストンと、エンジン
ピストンと共に往復運動する様にエンジンピストンへ固
定されたピストンロッドと、ポンプシリンダとそのピス
トンロッドへ固定されたポンプピストンとから成る動力
集中ユニットとを有する自由ピストンエンジンに関する
ものである。

このタイプの自由ピストンエンジンは、米国特許明細
書第3089305号に開示されている。このタイプの自由ピ
ストンエンジンは、従来の自由ピストンエンジン即ちポ
ンプとエンジンが独立したユニットで且つ、エンジンの
クランクシャフトが回転式動力出力軸により回転式ポン
プトランスミッションシャフトへ伝達されなければなら
ないものと比較していくつかの利点を提供する。それら
の利点には次のものが含まれる： 回転部品がなくなり且つエンジン及びポンプが構造的
及び機械的に単一のユニットを構成するので、本質的に
一層簡単で一層コンパクトであること、 エンジンとエンジンから離れたポンプとを連結する上
での問題点を回避できること、 エンジンの動力が従来より一層効率的に油圧油の加圧
に寄与すること。

然しながら、これらの利点にも拘らず、上記タイプの
自由ピストンエジンは試験段階を越えて進展しなかっ
た。その重大な理由の一つは、複数の作動部位への動力
の出力及び分配のためのうまい手段がないということで
ある。若し、ピストンロッドに唯１個の集中的な油圧シ
リンダがついていたら、問題は如何にしてその出力を充
分に広い限界内で制御するか及び如何にしてその動力を
互いに独立した動力需要をもった異なる作動部位へ分配
するかということである。

本発明の一般的な目的は、上記タイプの自由ピストン
エンジンを更に発展させて、エンジンピストンの動作を
できるだけ効率的にし、且つそれを互いに独立した需要
をもつ異なった作動部位に質的及び量的に適合可能な自
由ピストンエンジンの出力に直接に転換することであ
る。

本発明の特定の目的は、その油圧が簡単な形で異なる
駆動モータ及び作業装置へ分配でき、かくして各モータ
及び作業装置の動作が容易に且つ独立に制御できる、自
由ピストンエンジンを提供することである。

本発明の更に目的とするところは、作業機械の駆動モ
ータや作業装置のための動作エネルギ（油圧、電気また
は空気）が所望の形において出来るだけ直接に生成でき
る、効率的な且つその出力に鑑みコンパクトな自由ピス
トンエンジンを提供することである。

これらの目的を達成するため、本発明の自由ピストン
エンジンは、特許請求の範囲に記載された特徴的な態様
を有している。

以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して説明す
る。

自由ピストンエンジンのエンジン部分１は、２個の同
軸エンジンシリンダ14、14を有しており、それらのエン
ジンピストン２、２は、エンジンピストン2,2のための
共通ピストンロッドとして役立つピストンロッド６によ
り堅固に連結されている。自由ピストンエンジンの本体
は、ピストンロッド６を囲む環境部材27,3a,3b,3a,27a
を有し、それらは、軸方向に一列に取付けられている。
エンジンシリンダ14,14と本体の環境部材27、27aとの間
にはコンプレッサ15、15が設けられており、それらはコ
ンプレッサシリンダ16とエンジンピストン２の基部に固
定されたコンプレッサピストン19とを有している。コン
プレッサは、更に背圧弁18aとのついた吸気ダクト18と
コンプレッサシリンダ16をエンジンシリンダ14に連結し
ている掃気用空気ダクト17とを有している。掃気用空気
ダクト17の背圧弁17aは、装置を操作するためには必要
でない。コンプレッサシリンダ16のエンジンの方に向い
ている端部には、大気に開口している息抜き口20がつい
ている。

油圧油ポンプ部分は、参照数字３で概括的に示されて
おり、軸方向に離隔した環状部材3a,3aとその間の環状
部材3bとを有している。各環状部材3aには、軸方向を向
いた複数のポンプシリンダ５が、環状部材3aの周辺に適
当な距離を距ててついている。ポンプシリンダ５のロッ
ド状ピストン４は、環状部材3bによって担持されピスト
ンロッド６に締付けられたフランジ4aに固定されてい
る。該フランジ4aは、勿論、半径方向のロッドで代える
ことができる。各ポンプシリンダ５には、油圧油取入れ
及び排出ダクト９及び10がついている（図中では明細に
示していない。）。ポンプシリンダ５の数は、個々の用
途次第である。最小の数は、一つの行程方向で２個のポ
ンプシリンダである。複数ピストン単シリンダエンジン
も３個のポンプシリンダ即ち一つの方向にむいている２
個の小さなポンプシリンダ及び反対方向に向いている１
個の大きいポンプシリンダを有することができる。ある
種の定格として、ほとんど実際的な応用において、ポン
プシリンダ５の数は、少なくとも６でなければならない
と云い得るであろう。一般に、要求は30を超えない。自
由ピストンエンジンは、所要の数及びサイズのシリンダ
に対応する様に構成部品3a、3b、4a及び４を単に製造す
ることによって種々の数のシリンダで製作することがで
きる。この要求は、作業機械の油圧モータと作動シリン
ダとの数及びサイズを基礎にして決定される。単駆動モ
ータまたは作動シリンダを操作するために２個またはそ
れ以上のピストン−シリンダユニット４、５を用いるの
が多くの場合望ましく、駆動または操作スピードは、操
作用に１個またはそれ以上のピストン−シリンダユニッ
ト4,5を、及び油圧油の自由な循環用に残りの１個また
はそれ以上のユニット４、５を切換えることによって調
節される。

発電用的のため、ピストンロッド６には、磁石22がつ
いており、それは、モータが回転中に導線24の鉄心23の
極を通って前後進する。巻線24及びその鉄心23は、本体
の環状部材27aに固定されている。図面は概略例を示し
ている。実際には、磁石22及び鉄心23は、軸方向に一列
なものと横方向に隣接したものと数個の極を有すること
ができる。油圧ポンプ３は主動力源であり、そして、参
照数字21で示された発電機部分は、作業機械のバッテリ
を充電するのに用いられる補助動力源である。

発電機21は、エンジン始動モータとしても用いること
ができる。この場合には、その出力は、エンジンピスト
ンを往復運動に駆り立てるのに充分な様に設計されなけ
ればならない。往復運動行程は燃料の着火のために必要
な圧力がいずれかのエンジンシリンダ中に生じるのに充
分な様に徐々に増加する。

いくつかの適用例では、圧縮空気も必要である。これ
は、空気コンプレッサ25で供給され、そのコンプレッサ
ピストン26は、ピストンロッド６にシリンダ27の内側で
固定されている。シリンダ27の両端には、背圧弁28のつ
いた吸気ダクト29と背圧弁31のついた圧縮空気ダクト30
とがついており、該ピストン26は、両方向で膨張行程を
もたらしている。

第２図には、作業機械へ本発明の自由ピストンエンジ
ンを適用する一例が示されており、それは、 車輪のハブによって担持され、各々が自分の圧力及び戻
しダクト９、10により動力集中ポンプ部分３へ別々に連
結されている４個の駆動モータ41を有している。この様
な構成は、自動車の様なすべての四輪駆動車輪によく適
している。作業機械への適用においては、ポンプ部分３
の両方のシリンダユニット3a,3aから複数の圧力及び戻
し導管37及び38が延びており、それらは、作業機械の動
作シリンダや作業装置のシリンダ及び／またはモータへ
連結されている。その様な作業機械の例としては、シヤ
シ制御保守機械や農業機械がある。ポンプ部分３は、駆
動モータ41を作動させるための少なくとも４個の同じサ
イズのピストン−シリンダユニット4,5を有している。
それらに加えて、作業装置には多くのピストン−シリン
ダユニット4,5が要求されるであろう。動力制御の見地
から、単駆動モータまたは作業工具のためのいくつかの
ピストン−シリンダユニット4,5のあることが望まし
い。

自由ピストンエンジンの動作は、次の様に進行する。
例えば電気的に発電機ユニット21により始動が行われ
る。始動は、コンプレッサ素子25により圧縮空気アキュ
ムレータで行うこともできるし、または、ポンプ部分３
を介して油圧油アキュムレータで行うこともできる。エ
ンジンが２行程ディーゼル原理で動作する時には、始動
は、予熱プラグを用いることによって促進される。燃料
噴射ノズル32は、その動作動力をピストンロッド６から
受ける様に連結することができる（油圧ポンプ4,5と原
理的には同じ。）。あるいは、また、電気的に動作する
または電気的に制御された噴射ポンプを用いることも可
能である。本質的な特徴は、噴射ポンプまたはノズル32
が、エンジンピストン２の位置を基礎にして、または、
エンジンシリンダ14内の圧力を基礎にして、またはこれ
らの結合効果を基礎にしてその動作時間が与えられると
いうことである。第１図は、弁33により噴射ノズル32へ
燃料を供給するための高圧ポンプ34を示している。弁33
の開弁は、エンジンシリンダ14の圧力センサ35によって
制御される。圧力アキュムレータ36は、液体燃料の供給
圧力を同じにする。弁33は、ある遅延時間の後に閉じ
る。エンジン出力は、該遅延時間即ち噴射時間を調節す
ることによって制御可能である。始動は、予熱プラグが
用いられる時には、燃料の着火のために比較的低い圧縮
を用いることによって行うことが可能である。最初の膨
張行程は、そこでのより効果的な爆発により、既に対向
するエンジンシリンダ14内に実質的により高い圧縮を生
じており、そして、該対向シリンダ14の中に再び圧縮が
進行する。動作は２行程原理で進行するから、該コンプ
レッサ15は、エンジン出力にとって本質的な意義を有し
ている。コンプレッサシリンダ16の直径はエンジンシリ
ンダ14の直径を超えるから、その排気量は、燃焼ガスの
効果的な排出のために充分であろう。かくして、自由ピ
ストンエンジンがそのサイズに関して高い出力を出すこ
とが確実になる。液体燃料噴射のタイミングは、コンプ
レッサにる排気に関して特別な意義を有する。従って燃
焼室全体は、液体燃料がシリンダに供給される前に完全
に排気できる。換言すれば、液体燃料のエンジンシリン
ダ14への噴射は、該シリンダ14の全部の出入口が閉じら
れるまでは行われない。

若しも、例えば液体燃料供給における障害のために、
一方のエンジンシリンダ14の中で着火が起こらない場合
には、該エンジンシリンダ内の空気は、シリンダの蓋に
打撃を与える前に、エンジンピストン２を加圧し停止さ
せる。この状況における圧縮は、通常の膨張行程圧力を
超えないから、エンジンは、この障害または機能不全に
よる障害を受けない。

本発明に関する限り、着火のモーメントが自動的に調
節され、そして着火のタイミングを特殊な機械的または
電子的装置により処理する必要がないという理由にから
も、ディーゼル原理が明らかに望ましい。然しながら、
電気着火のオットーサイクルエンジン、バルブエンジン
及び４行程エンジンも本発明の範囲内にあうことは明白
である。

自由ピストンエンジンが運動している時は、１個また
は複数の油圧ポンプ４、５はそれ自身用のモータやシリ
ンダに油圧油を供給し、かくしてそれらの動作は、個々
に且つ独立して制御可能である。該制御は、例えば吸入
ダクトに取付られた背圧弁の開度を調節してポンプシリ
ンダ５の吸入圧を規制することによって行うことができ
る。こうすることによって、該ポンプシリンダ内に負圧
が生じ、該ポンプシリンダには一部だけ油が充填されて
いる。バルビスター（valvister）または他の比例制御
弁自身などのそれ自身公知の弁を圧力ダクト内に用いる
ことも可能である。

異なった環状部材3a,3aに設けられた２個のポンプシ
リンダ5,5を共通の圧力ダクト９で結合することによ
り、二重パルス周波数且つ低パルス振幅のための特に望
ましい状況が得られる。この場合には、圧力アキュムレ
ータは必ずしも必要でなく、油圧油ホースの固有容積及
び可撓性がエンジンへ送られる圧力を同じにするための
圧力アキュムレータとして働く。然しながら、油圧油ア
キュムレータの使用は、油圧によるエンジンの始動や車
輌制動エネルギーの貯蔵が可能であるなど多くの有用な
特別の性質を与える。圧力アキュムレータに貯えられる
制御エネルギーは、出発のときの加速のために、それ自
身公知の方法で利用可能である。圧力アキュムレータの
第３の適用は、何らの力の損失なしに反対油圧によって
エンジン行程の周波数の制御ができることである。

上述の実施例は、何ら本発明を限定する見地から記述
されたものではない。詳細な構造は、多くの態様で変え
ることができる。例えば、エンジンピストン2,2は、交
番行程で動作する様に、多くの異なった態様で互いに結
合することができる。エンジンピストン2,2は、平行で
あることができ、そして、それらのピストンロッドは、
ロッカ・アームの端部に軸承することができる。エンジ
ンは、エンジンピストンが互いに機械的に連結されずに
互いに多少独立して動くのに適した態様で動作する様に
設計することもできる。この場合には、逆行程（排気及
び圧縮）は、ばねにより行われる。勿論、本発明は、単
一の自由ピストンエンジンから得られる様に複数のエン
ジンユニットが並列に連結された構成をも包含する。本
発明の範囲は、単一のポンプシリンダからの圧力ダクト
10が２個以上のモータまたはアクチュエータ用に分岐す
るが、特許請求の範囲内で油圧油出力のために本発明の
複ピストン原理が同時に利用されている様な適用例にも
及ぶものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の自由ピストンエンジンの縦断面図で
ある。 第２図は、その自由ピストンエンジンの一つの応用を示
す概略図である。 １……エンジン部分、 ２……エンジンピストン、 ３……油圧ポンプ部分、 3a,3b,27,27a……環状部分、 ４……ロッド状ピストン、 ５……ポンプシリンダ、 ６……ピストンロッド、 9,10……油圧油ダクト、 14……エンジンシリンダ、 15……コンプレッサ、 16……コンプレッサシリンダ、 17……排気ダクト、 17a,18a,28,31……背圧弁、 18、29……吸気ダクト 19……コンプレッサピストン、 20……息抜き口、21……発電機、 22……磁石、23……鉄心、 24……巻線、25……コンプレッサ、 26……コンプレッサピストン、 30……圧縮空気ダクト、 32……噴射ノズル、33……弁、 34……高圧ポンプ、35……圧力センサ、 36……圧力アキュムレータ、 37,38……圧力及び戻し導管、 41……駆動モータ。

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】本体と、本体に設けられた少なくとも１個
   のエンジンシリンダ（14）を有する内燃エンジン（１）
   と、該エンジンシリンダ内の往復エンジンピストン
   （２）と、エンジンピストン（２）と共に往復運動する
   様に該ピストンに固定されたピストンロッド（６）と、
   少なくとも３個の別々なポンプシリンダ（５）、及び、
   ピストンロッド（６）へ固定された少なくとも３つの別
   々のポンプピストン（４）を有する動力出力ユニットと
   から成り、且つ各ポンプシリンダ（５）には、ポンプシ
   リンダ（５）を駆動モータ（41）またはアクチュエータ
   シリンダへ連結する油圧油取り入れ及び圧力ダクト
   （９、10）が設けられている自由ピストンエンジンであ
   って、該ポンプシリンダ（５）の少なくとも２個は、異
   なった直径を有しており、該少なくとも２個のポンプシ
   リンダの圧力ダクト（９）は、それぞれ、異なった直径
   を有する該少なくとも２個のポンプシリンダの出力を別
   々に且つ独立して制御するための制御弁手段を有するこ
   とを特徴とする自由ピストンエンジン。
2. 【請求項２】複数のポンプピストン（４）が、半径方向
   ロッドまたはフランジ（4a）を介して平行した関係で前
   記ピストンロッド（６）に固定されること、及び、異な
   った直径を有する少なくとも２個の別々のポンプピスト
   ン（４）が、同じ方向に向いており、かくして、同時に
   同じ方向で膨張行程の動作を演じることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項に記載の自由ピストンエンジン。
3. 【請求項３】前記動力出力ユニットが、少なくとも４個
   の同じ寸法のポンプシリンダユニット（４）と、異なっ
   た寸法の少なくとも１個のポンプシリンダ（５）とを有
   していることを特徴とする、特許請求の範囲第１項、第
   ２項に記載の自由ピストンエンジン。
4. 【請求項４】異なった直径を有する少なくとも２個の油
   圧ピストン−シリンダユニット（4,5）が、圧力ダクト
   （９）の１個以上を随意に駆動モータまたは、油圧油容
   器に接続されている自由循環ダクトに切り換えのための
   弁を有する圧力ダクト（９）により、駆動モータまたは
   アクチュエータシリンダに接続されていることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項または第２項に記載の自由
   ピストンエンジン。
5. 【請求項５】前記本体が、複数の軸方向に連接しピスト
   ンロッド（６）を囲む環状部材（27,3a,3b,3a）を有し
   ており、且つ、それらのうちの２個の軸方向に離隔した
   環状部材（3a,3a）が前記ポンプシリンダ（５）を互い
   に反対の位置で担持していること、及び、異なった環境
   状部材（3a）により担持されている２個のポンプシリン
   ダ（５）が、共通の圧力ダクト（９）に接続されている
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の自由ピストンエンジン。
6. 【請求項６】エンジンがコンプレッサ装備の２行程エン
   ジンであり、該コンプレッサは、少なくとも１個のコン
   プレッサシリンダ（16）と、コンプレッサシリンダ（1
   6）に嵌め込まれたコンプレッサピストン（19）と、コ
   ンプレッサ、及びエンジンシリンダ（14）へ連結してい
   る掃気用空気ダクト（17）に連結され吸気ダクト（18）
   とを有する自由ピストンエンジンであって、エンジンシ
   リンダ（14）のすべての出入口、即ち排気口及び掃気用
   空気口が閉じられるまでは噴射が開始しない様に液体燃
   料直接噴射装置の噴射が、ピストンロッド（６）の位置
   及び／またはエンジンシリンダ（14）内の圧力を基礎に
   して制御されることを特徴とする、特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の自由ピストンエンジン。
7. 【請求項７】コンプレッサシリンダ（16）のエンジン側
   の端部に、大気に開口した息抜き口（20）がついている
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第６項に記載の自由
   ピストンエンジン。
8. 【請求項８】各駆動モータ（41）が、１つの油圧油ダク
   ト（９）によりいくつかのポンプシリンダ（５）へ連結
   され、ポンプシリンダ（５）と駆動モータ（41）との間
   に油圧油の直接伝達が行われることを特徴とする、特許
   請求の範囲第１項または第４項に記載の油圧駆動モータ
   付自動車輌における自由ピストンエンジン。
9. 【請求項９】油圧駆動モータ（41）または対になった２
   つの油圧駆動モータ及び作業装置のためのシリンダ及び
   ／またはモータが、それぞれ油圧ダクトによりいくつか
   のポンプシリンダ（５）へ連結されていることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項または第４項に記載の自由
   ピストンエンジン。