JP3768237B2 - 自由ピストンエンジン - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は請求項１の序文部に記載の自由ピストンエンジンに関する。
（背景技術）
この種のエンジンは周知であり、流体およびガス燃料の化学エネルギを機械的エネルギに例えば油圧若しくは気圧あるいは電気エネルギに変換するために使用される。
周知の自由ピストンエンジンにおけるエネルギ変換は、燃焼空間内で圧縮空気と燃料との混合気を点火し、この際燃焼混合気が膨張して燃焼ピストンを移動することにより行われる。自由に移動する燃焼ピストンの運動は、油圧制御システムによるエンジン制御システムによつて制御される。供給エネルギは油圧システムにより消費され得、この油圧システムは気圧システムあるいは電気システムにより油圧制御システムと組合わせて使用可能である。
化学的エネルギを油圧エネルギに変換するこの種の自由ピストンエンジンは、例えばEP0254353あるいはWO93／10342に開示されていて周知である。これらの刊行物に説明されるエンジンの場合、自由ピストンの移動は油圧システムにより制御され、この油圧システムでは燃焼ピストンと共にピストン装置を構成する油圧ピストンは、圧縮行程の開始前には下死点上に停止しており、制御信号が入力されたとき新しい行程を開始する。この信号により開始弁、例えばEP0254353の図１に示す弁26あるいはWO93/10342の図３に示す弁24が切り替えられ、この際燃焼ピストンの動作が開始される。
これらの周知の自由ピストンエンジンの欠点は、膨張行程の終期にピストン装置がリバウンド現象を起こすことにある。膨張行程の終期に、即ち燃焼ピストンが停止する瞬間に、第１のチヤンバ内の圧力および第２のチヤンバが蓄圧機の圧力と等しくなる。第１の面が第２の面より大にされていることにより、ピストン装置はリバウンド現象を起こし、オイルの供給がないため第１のチヤンバ内の圧力が迅速に減少する。第２のチヤンバ内の圧力は蓄圧機内の圧力と等しくなり、ピストン装置が停止し、次に再び動作する。
（発明の開示）
本発明の目的は、リバウンド現象を最小限に抑え、ピストン装置をより迅速に停止させ、連続する行程間のロス時間を低く抑えることにある。この結果、下死点上でのピストン装置の位置決めもより良好に行われ得る。
これにより本発明による自由ピストンエンジンは請求項１の特徴部に応じた構成がとられる。
蓄圧機と第２のチヤンバとの間の導管内に逆止め弁を配置すると、ピストン装置のリバウンド現象中、第２のチヤンバ内の圧力が蓄圧機内の圧力より高くできる。この高い圧力は油圧ピストンの第２の面に作用し、燃焼チヤンバ方向の移動を停止する。このようにリバウンド現象を相当に抑え得、ピストン装置の運動をより好適に制御でき、エンジンの周波数を高くできる。
更に自由ピストンエンジンの改良は、エンジンが請求項２あるいは３の特徴部に応じて構成されるとき、得られる。
ピストン装置が高速移動し油圧ピストンを移動することにより、第１のチヤンバと第２のチヤンバとの間の接続部を閉鎖可能な領域で、第１のチヤンバと蓄圧機との間あるいは第１のチヤンバと第２のチヤンバとの間の接続部を開口すると、開始弁を流れる流速が低く維持され、この結果油圧システムの損失が小さく維持され得る。
本発明を添付の図面に応じて以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は従来例による油圧制御システムを備えた自由ピストンエンジンを示す図、図２は本発明による自由ピストンエンジンの油圧制御システムの第１の実施例の簡略断面図、図３は図２に相応する本発明による自由ピストンエンジンの油圧制御システムの第２の実施例の簡略断面図、図４は本発明による自由ピストンエンジンの油圧制御システムの第３の実施例およびエネルギ消費システムを示す図である。
これらの図面において、同一の部材は同一の番号で示してある。
（発明を実施するための最良の形態）
図１は燃焼部１、２と必要ならばポンプ３とで構成される従来の自由ピストンエンジンを示す。燃焼部１では燃焼ピストン４は燃焼ピストン５内で往復動作可能である。この燃焼ピストン５、燃焼ピストン４およびシリンダヘツド７により燃焼空間６が区画される。燃焼空間６内では圧縮空気と燃料との混合気が点火されて、燃料の化学的エネルギがガス圧として放出される。
図示の従来例ではエンジンに１個の燃焼ピストン４により区画される１個の燃焼空間６が設けられる。一方２個の燃焼ピストンが１個のシリンダ内に互いに対向して配置され本発明を同様に適用可能な他のエンジンは周知である。
燃焼が、例えば燃焼エンジン分野、特にクランク連結ロツドエンジンの分野において周知の幾種かの構成により達成可能である。例えば燃焼ピストン４により燃焼空気が燃焼に必要な圧力および温度まで圧縮されると、燃料をある方法（詳述しないが）により燃焼空間６内に噴射する２行程デイーゼル構成が挙げられる。
各内燃機関に必要な燃焼ピストン４上での空気の圧縮は圧縮行程中になされる。この行程中に燃焼ピストン４は燃焼空間６の容積が最大になる第１の位置Ａから燃焼空間６の容積が最小となる第２の位置へ移動する。第１の位置は従来のクランク連結ロツドエンジンの下死点とされる位置に相当し、第２の位置は上死点に相当する。これらの位置では、燃焼ピストン４が停止しており、移動方向が反転される。圧縮行程中、エネルギは油圧により燃焼ピストン４へ供給され、油圧自体はこのエネルギを燃焼空間６内の空気へ供給する。
燃焼ピストン４へのエネルギ供給および燃焼ピストン４の下死点上での停止は、油圧制御システム２により図１に示すエンジンを用いて実現され得、油圧制御システム２はピストンロツド８により燃焼ピストン４に堅固に連結されている。油圧ピストン９およびピストンヘツド21はピストンロツド８に付設されていて、全体としてピストン装置24を構成する。油圧ピストン９は油圧シリンダ23内で往復動作する。油圧シリンダ23および第１の面10により第１のチヤンバ12が区画され、第１のチヤンバ12は溝15、16を介し蓄圧機14に連通される。油圧シリンダ23および第２の面11により第２のチヤンバ13が区画され、第２のチヤンバ13は溝17を介し蓄圧機14に連通される。第１の面10は第２の面11より大である。燃焼空間６が最大容積に達し、油圧ピストン９が第１の位置を取ると、溝16は油圧ピストン９により閉鎖される。第１のチヤンバ12および蓄圧機14は油圧シリンダ23の右端部と連結された溝15により連結される。この連結は逆止め弁19および開始弁20へ向かつて、これらの弁は互いに平行に配置される。逆止め弁19はオイルが第１のチヤンバ12から蓄圧機14へ殆ど抵抗なく流動可能になるように配置されている。開始弁20はエンジンに所定エネルギを発生させるエンジン制御システム（図示せず）により作動される。
図１に示すエンジンおよび開始弁20の動作は以下の通りである。即ちピストン装置24が下死点である位置Ａ上に停止している限り、溝16は油圧ピストン９の外面により閉鎖される。第２の面11は蓄圧機14内の圧力を受ける。開始弁20は閉鎖され、第２の面11が第１の面10より小であるため、第１のチヤンバ12内の圧力が第２のチヤンバ13内の圧力より低くされ、逆止め弁19が閉鎖される。自由ピストンエンジンは開始弁20が開放するや否や、別の行程を開始する。次にピストン装置24は圧縮行程を開始する。油圧ピストン９が溝16を通過した後、第１のチヤンバ12は蓄圧機14および第２のチヤンバ13からのオイルがこの溝を経て充満される。
オイルができる限り小さな抵抗で流動可能になるようにするため、溝16の直径が大にされる。溝16は圧縮行程の開始後、できる限り早期に溝16の開口部を閉鎖するように配置される。一方ピストンが下死点上にあるときは、第１のチヤンバ12側上の油圧ピストン９の縁部と溝16の開口部との間は所望の長さに維持する必要があり、これにより第１のチヤンバ12と蓄圧機14との間の囲い部を経る漏洩が制限され、ピストンが不都合に圧縮行程を開始することはない。更に溝16の開口部は、以下に説明するピストン装置24のリバウンド現象がある間、閉鎖状態に維持される。技術的に可能な油圧ピストン９と油圧シリンダ23との間の間隙幅および通常の蓄圧機の圧力に関して、ピストンの直径の20％以上の長さを有するとき、良好な結果が得られることが判明している。
圧縮行程中エネルギがピストン装置24へ供給され、ピストン装置24自体はこのエネルギを燃焼空間６内の空気へ供給する。燃焼空気は詳述しないが、周知の空気供給システムにより燃焼空間６内に導入される。圧縮された燃焼空気の圧力が増加すると、ピストン装置24の移動が制動され、ピストン装置は上死点上で停止する。
上死点の近傍において燃焼は周知のエンジン制御システムに相当するエンジン制御システム（詳述しないが）により開始され、このエンジン制御システムは特に開始弁20、燃料システムおよびユーザのエネルギ要求を測定する一以上のセンサに接続される。燃料は例えば、燃料噴射あるいはスパークによる燃料・空気の混合気を点火することにより開始される。膨張行程中混合気の点火によりピストン装置24が下死点まで押される、即ち第２の位置から第１の位置へのピストン装置24が移動され、燃焼で放出されたエネルギは一部が蓄圧機14に蓄積され、他部がポンプ３を介し消費される。膨張行程の終期にピストン装置24は下死点上に停止し、逆止め弁が迅速に閉鎖され、開始弁20が閉鎖されて、開始弁20が制御手段により再び開放され、新たな行程が開始されるまで、ピストン装置24はその位置に停止する。
圧縮行程の開始後油圧ピストン９が溝16の開口部を閉鎖する時点から開始弁20は閉鎖され、膨張行程中油圧ピストン９により再びこの開口部が閉鎖される前に開始弁20は閉鎖される必要がある。
ポンプ３は逆止め弁25とピストンヘツド21で構成され、この逆止め弁およびピストンヘツドにより空間22が区画される。ポンプ３は高圧蓄圧機29と低圧蓄圧機28との間に圧力差を発生させ、これが維持されるよう機能する。これら蓄圧機28、29には導管26、27が具備され、導管は例えば水圧エンジン（図示せず）に接続される。この水圧エンジンが回転しエネルギを消費したとき、高圧蓄圧機29内の圧力が減少する。これはエンジン制御システムによつてエンジンが作動され、開始弁20を開放することにより新たな行程を開始したとき、エンジン制御システムと接続されるセンサにより検出される。更に制御システムは、特にあるエネルギ消費に必要な燃料を燃焼空間へ供給し、所望の時間に点火させるよう機能する。
高圧蓄圧機29内の圧力はこの消費により決定され、この圧力は極めて低く、あるいは逆に長期間に亘り極めて高くできる。蓄圧機14内の圧力はできる限り、一定レベルに維持され、エンジン制御システムが最適に動作可能である。
上述した制御手段の外に、他の周知な補助システム、例えば圧縮行程の終期に点火が生じないとき、ピストン装置を下死点へ移動させるシステム、あるいは蓄圧機14内の圧力を所望のレベルに維持するオイル補充システムが設けられる。
自由ピストンエンジンにはまた逆止め弁19のような迅速に閉鎖する逆止め弁が設けられ、油圧ピストン９の下死点上の第１のチヤンバ12内の残留オイル容積が最小に維持される。これらの周知の構成はリバウンド現象を最小限に抑えるために必要である。
図２は油圧制御システム２の第１の実施例を示しており、この場合調整がなされて膨張行程の終期にピストン装置24のリバウンド現象が小さくされる。このリバウンド現象は図１の実施例の場合、膨張行程の終期に第１のチヤンバ12内の圧力が蓄圧機14内の圧力に相当することによつて生ぜしめられる。第１の面10は第２の面11より大で、この面上に同一の圧力が付与されるので、ピストン装置24が燃焼空間へ移動し、次に平衡が得られるまでリバウンド現象を引き起こす。
図２による実施例の場合、第２のチヤンバ13内の圧力が蓄圧機の圧力を越えて増加するため、この移動はより低速にされる。この圧力増加は溝17を介し蓄圧機14から第２のチヤンバ13へのオイル供給が逆止め弁30を介して生じることによつて生じ、リバウンド現象中逆止め弁30により蓄圧機14へのオイルの流動が阻止され得る。この閉鎖時間ができる限り短いことにより好適な動作が実現され得る。
溝18を介した第１および第２のチヤンバ間の連通、延いては蓄圧機14と第２のチヤンバ13との間の連通は、ピストン装置24が下死点上にあり、油圧ピストン９は第１の位置Ａにあるとき油圧ピストン９により閉鎖される。第１の位置Ａでは、溝17延いては第２のチヤンバ13は開始弁20を介し溝15および第１のチヤンバ12と連通するだけである。
ピストン装置24が膨張行程の終期に停止し、リバウンド現象が開始するとき、開始弁20が閉鎖されると第２のチヤンバ13内のオイルは第２のチヤンバ13から流出することが阻止され、この結果油圧ピストン９の移動によつて第２のチヤンバ13内の圧力が上昇し、リバウンド運動はより迅速に中止され、移動方向が逆にされる。この移動により、第１のチヤンバ12内の圧力が再び蓄圧機14内の圧力を越えて上昇し、逆止め弁19が短時間、開放する。
逆止め弁19を介し蓄圧機14へのエネルギが遮断されるので、リバウンド現象は低圧力および低速度で反復される。
この現象は、一部摩擦および漏出損失のため、エネルギが遮断されて油圧ピストン９が停止するまで、反復される。第２のチヤンバ13内の圧力が蓄圧機の圧力を越えて上昇され得るので、リバウンド現象中ピストン装置24の移動の範囲が小さく、移動速度は低い。これにより結果より正確なエンジン制御が得られる。
本実施例では、油圧ピストン９により第２のチヤンバ13から押し出されるオイルがすべて圧縮行程の初期に開始弁20を介し第１のチヤンバ12へ移送される。油圧ピストン９が溝18を通過した後、第１のチヤンバ12と第２のチヤンバ13との間は溝17、18を介し連通される。ピストン速度が最大になる圧縮行程および膨張行程の一部の期間、オイルは殆ど抵抗なく第１のチヤンバから第２のチヤンバへ流動され得、この結果損失が最小限に抑えることができ、油圧効率が高く維持される。
第１の位置Ａで油圧ピストン９の縁部に連係する溝16の位置は図１に添つて説明した場合と同一であり、リバウンド現象が抑えられる結果、所定の行程が予期せずに開始されるような危惧が低減される。開始弁および他の部材の動作も同様である。
図３は油圧制御システム２の第２の実施例を示している。
油圧ピストン９は図３に第１の位置Ａとして示される下死点の近傍でのみ油圧シリンダ23により密封され外囲される。第１の位置Ａにおいて開始弁20が閉鎖されている場合、第２のチヤンバ13が逆止め弁30だけを介し蓄圧機14に連通する。この位置では第１のチヤンバ12は溝15および閉鎖された開始弁20を介し第２のチヤンバ13に連通される。
圧縮行程は開始弁20の開放から開始され、オイルは蓄圧機14から逆止め弁30および開始弁20を介し第１のチヤンバ12へ流動し、一方油圧ピストン９により第２のチヤンバ13から押し出されたオイルは、溝17、開始弁20および溝15を介し第１のチヤンバ12へ流動する。第１の面10上の蓄圧機圧力により、ピストン装置24が燃焼チヤンバ方向へ移動開始し、油圧シリンダ23内の溝16を閉鎖する。この瞬間まで油圧ピストン９により第２のチヤンバ13から押し出されたオイルのみが開始弁20を介し第１のチヤンバ12へ流動する。ピストンが油圧シリンダ23を閉鎖すると、オイルチヤンバのみが残り、このオイルチヤンバと蓄圧機14との間が連通される。
圧縮行程中、ピストン装置24は燃焼チヤンバ方向へ移動して上死点上で停止し、膨張行程を開始する。膨張行程中、油圧ピストン９により押し出されたオイルは蓄圧機14へ殆ど抵抗なく押進され、この異動中開始弁20は閉鎖される。油圧ピストン９が油圧シリンダ23により外囲されたときから、押進されたオイルが逆止め弁30および溝17を経て第２のチヤンバ13へ流動する。オイルは次に第１のチヤンバ12から溝16を経て蓄圧機14へ流動し、溝16の開口部が油圧ピストン９により溝15および逆止め弁19を経て閉鎖される。ピストン装置は図２に沿つて上述した構成と同様の構成で停止され得る。
図４は第３の実施例の簡略図であり、この場合迅速開放する開始弁が油圧制御システム２の一部の部材に一体に連係される。
油圧ピストン９が付設されたピストンロツド33は油圧ピストン９の両側を連通する溝35を有している。第１のチヤンバ12側において、この溝35は摺動可能な弁胴部37により弁着座部36で閉鎖可能であり、また第２のチヤンバ13側においてこれは溝35の開口部を閉鎖可能な摺動可能なリング34により達成され得る。
リング34が油圧ピストン９方向へ移動されると、空間31が形成される。この空間31は弁（図示せず）により高圧点および低圧点と連通可能である。この結果リング34は油圧シリンダ23内で移動され、ピストン装置24が下死点へ向かつて移動される。ピストン装置24が下死点へ移動された後、リング34は次の圧縮行程の開始前に、左端側の開始位置へ移動可能である。
弁胴部37の移動は弁ピストン38により制御可能であり、弁ピストン38およびシリンダにより第１の弁チヤンバ39および第２の弁チヤンバ40が区画される。第１の弁チヤンバ39は溝42および弁46を介し低圧点に連通される。第２の弁チヤンバ40は溝41、44を介し第２のチヤンバ、延いては蓄圧機14内の圧力を受けるように連通される。所望ならば弁47をこの導管内に配置可能であり、弁46は省略することもできる。第１のチヤンバ12は溝43、弁45および溝44を介し第２のチヤンバと連通される。弁ピストン38の直径は弁着座部36での密封部の直径より大にされている。
図４に示す油圧制御システムを備えたエンジンの圧縮行程は弁45の開放動作から開始される。延いては第２の弁チヤンバ40内の圧力により、弁胴部37はこの動作に伴う傾向にある。一方弁46は弁45が開放されると同時に閉鎖されるため、弁胴部37は移動せず、弁着座部36の個所で間隙が生じ、この結果溝35が開放する。次にオイルは蓄圧機14から逆止め弁30、溝17および第２のチヤンバ13を経て第１のチヤンバ12へ向かい溝35を流動し、この結果ピストン装置24は燃焼空間へ向かつて移動を開始して圧縮行程を開始する。
圧縮行程が開始した後弁45が閉鎖され、弁46は開放される。これに伴い弁胴部37がピストン装置24へ向かつて移動し、膨張行程の終期に溝35を閉鎖する準備をする。所望ならば弁46が弁47と交換しても同様な動作を行う。ピストン装置24の移動により発生されるオイル流は弁着座部36を通過し溝35を通過し、弁45、46、47はサイズを極めて小さくできるので、迅速に切り替え可能になる。従つて図１〜図３の開始弁20は弁胴部37と置換でき、この場合弁胴部37は溝35を閉鎖し、オイル圧を受けて移動し、また弁45、46あるいは47により制御され得る。
膨張行程の終期に溝35は弁胴部37により閉鎖されているため、ピストン装置24は停止する。第２の弁チヤンバ40内の圧力は第２のチヤンバ13内の圧力と等しく、この結果リバウンド現象中およびこのチヤンバ内の圧力が増加していても、弁胴部37は弁着座部36に対し密封押し付けられている。弁着座部36には密封部を改良する手段が具備される。弁着座部36は例えば、弾性材料で作られるか、あるいは円錐部材には弾性層を設けることができる。

Claims (3)

1. 燃焼部（１）と油圧制御システム（２）とエネルギ消費システム（３）とエンジン制御システムとを備えた自由ピストンエンジンであって、
   燃焼部（１）は、少なくとも１つの燃焼ピストン（４）を有する燃焼シリンダ（５）を包含し、燃焼ピストン（４）により燃焼空間（６）の片側が区画され、燃焼ピストン（４）は、燃焼空間（６）の容積が最大となる第１の位置（Ａ）と容積が最小となる第２の位置との間を燃焼シリンダ（５）内で往復動作可能であり、
   油圧制御システム（２）は、第１の位置（Ａ）から第２の位置へ移動する圧縮行程において燃焼空気の圧縮に必要なエネルギを燃焼ピストン（４）へ供給し、第２の位置から第１の位置（Ａ）へ移動する膨張行程において燃焼で放出されたエネルギの一部を蓄圧機（１４）に蓄積することができるとともに燃焼ピストン（４）を第１の位置（Ａ）に保持できるように構成され、
   油圧制御システム（２）は、油圧ピストン（９）と油圧シリンダ（２３）を包含し、油圧ピストン（９）は、燃焼ピストン（４）と共にピストン装置（２４）を構成し、油圧ピストン（９）は、第１の面（１０）に油圧を受けると力をピストン装置（２４）に与えて燃焼ピストン（４）に与え、第１の面（１０）より小さい第２の面（１１）に油圧を受けると第１の面の力と反対方向の力を与え、油圧ピストン（９）は、油圧シリンダ（２３）の少なくとも第１の位置（Ａ）付近において密封状態に嵌められる構成であり、
   油圧制御システム（２）は、第１の面（１０）と油圧シリンダ（２３）とにより区画される第１のチャンバ（１２）と、第２の面（１１）と油圧シリンダ（２３）とにより区画される第２のチャンバ（１３）と、ピストン装置（２４）の第１の位置（Ａ）及びその付近において蓄圧機（１４）からのオイルを開始弁（２０、３７、４５、４６）を通して第１のチャンバ（１２）へ供給する第１の通路と、ピストン装置（２４）の第１の位置（Ａ）及びその付近において第１のチャンバ（１２）からの油を蓄圧機（１４）に供給する第２の通路と、ピストン装置（２４）の第１の位置（Ａ）及びその付近において蓄圧機（１４）と第２のチャンバ（１３）とを連通する第３の通路とを包含し、
   前記第１の通路は、前記第２の通路に直接接続されるとともに、前記第３の通路を介して蓄圧機（１４）に連通しており、前記第３の通路には、第２のチャンバ（１３）から蓄圧機（１４）への流れを阻止する逆止弁（３０）が設けられている、
   ことを特徴とする自由ピストンエンジン。
2. 請求項１に記載の自由ピストンエンジンにおいて、第４の通路（１６）が、油圧シリンダ（２３）の壁に、第１の位置（Ａ）及びその付近にある油圧ピストン（９）によって閉じるように配置され、第４の通路（１６）は、油圧ピストン（９）が他の位置にあるとき第１のチャンバ（１２）と蓄圧機（１４）とを連通する、ことを特徴とする自由ピストンエンジン。
3. 請求項１又は請求項２に記載の自由ピストンエンジンにおいて、第５の通路（１７、１８、３５）が、油圧ピストン（９）が第１の位置（Ａ）及びその付近にあるときにピストン装置（２４）によって閉じるように配置され、第５の通路は、油圧ピストン（９）が他の位置にあるとき第１のチャンバ（１２）と第２のチャンバ（１３）とを連通することを特徴とする自由ピストンエンジン。

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