JP4022148B2 - 直接駆動流体圧出力を備えた自由ピストンエンジンシステム - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、自由ピストン内燃機関に関し、より詳しくは、流体圧出力および１台またはそれ以上のアキュムレータを有する自由ピストン内燃機関に関する。
【０００２】
（背景技術）
内燃機関は典型的に、複数の燃焼シリンダ内に配置された複数の対応するピストンを含む。各ピストンは、ピストンロッドの一端に旋回可能に接続され、次いで、ピストンロッドの他端において共通のクランクシャフトに旋回可能に接続されている。上死点（ＴＤＣ）位置と下死点（ＢＤＣ）位置との間における各ピストンの相対的軸方向変位は、各ピストンが接続されているクランクシャフトのクランクアームの角度方向で決定される。
【０００３】
自由ピストン内燃機関（ＦＰＥ）も同様に、複数の燃焼シリンダ内に往復運動するように配置された複数の対応するピストンを含む。但し、これらのピストンは、共通のクランクシャフトの使用を通じて相互に接続されていない。むしろ、各ピストンは典型的には、ある種の作業出力を提供するために使用されるプランジャロッドと固く接続されている。液圧出力を伴う自由ピストンエンジンにおいては、プランジャは、特定の用途に使用され得る作動液をポンプ供給するために使用される。典型的には、燃焼シリンダを画成するハウジングは、プランジャが内部に配置される液圧シリンダをも画成する。燃焼シリンダが最大の内径を有し、液圧シリンダは、それよりも小さい内径を有する。液圧シリンダと流体接続されている高圧液圧アキュムレータは、自由ピストンエンジンの作動中のプランジャの往復運動を通じて加圧される。補助液圧アキュムレータは、圧縮シリンダ内のエリアと選択的に相互に接続されて、比較的高い軸方向圧力を圧縮ヘッドに対して加え、それによってピストンヘッドをＴＤＣ位置に向かって移動させる。
【０００４】
上述のような自由ピストンエンジンは典型的に、高流量、低圧作動液を低流量、高圧出力に、またはその逆に変換する液圧変換機と典型的に連結される。液圧変換機からの液圧出力は、車両のような、作業ユニット内のポンプのような１台またはそれ以上の構成要素を駆動するのに利用される。上述のような液圧変換機の例は、本発明の譲受人に譲渡されている米国特許第５，８７８，６４９号（Ｒａａｂ）で開示されている。
【０００５】
上述のような中間液圧変換機の利用に伴う問題は、本質的にシステムからエネルギーの一部が吸収され、それによりシステムの効率が低下することにある。自由ピストンエンジンからの液圧出力パワーを回転機械的出力パワーに変換する他の方法も公知であり、利用されている。但し、これらの中間パワー変換技術の各々は、システムからのエネルギーを吸収し、システムの効率を低下させる。
【０００６】
本発明は、上述のような１つ以上の問題を克服することである。
【０００７】
（発明の開示）
本発明の一形態においては、自由ピストンエンジンシステムは、少なくとも１台の液圧ポンプを備えており、各ポンプは第１の流体ポートと第２の流体ポートとを有する。自由ピストン内燃機関は、燃焼シリンダ、液圧シリンダ、燃焼シリンダ内に往復運動するように配置されたピストン、およびピストンに取り付けられ、液圧シリンダ内に配置されたプランジャを含む。低圧アキュムレータは液圧シリンダと流体接続されている。第１の制御弁は、低圧アキュムレータを液圧シリンダと相互に接続する。少なくとも１台の高圧アキュムレータは液圧シリンダと流体接続されている。少なくとも１つの第２の制御弁を備え、各第２の制御弁はそれぞれの高圧アキュムレータを液圧シリンダと相互に接続する。第３の制御弁は、液圧シリンダを各ポンプの第１の流体ポートと相互に接続する。第４の制御弁は、液圧シリンダを各ポンプの第２の流体ポートと相互に接続する。第１の使用圧力アキュムレータは、各ポンプと第３の制御弁または第４の制御弁との間に連結される。
【０００８】
本発明の他の形態においては、自由ピストンエンジンシステムを動作させる方法であって、各ポンプが第１の流体ポートと第２の流体ポートとを有する、少なくとも１台の液圧ポンプを設けるステップと、燃焼シリンダ、液圧シリンダ、燃焼シリンダ内に往復運動するように配置されたピストン、およびピストンに取り付けられ、液圧シリンダ内に配置されたプランジャを含む自由ピストン内燃機関を設けるステップと、低圧アキュムレータと液圧シリンダとの間に第１の制御弁を流体接続するステップと、高圧アキュムレータと液圧シリンダとの間に第２の制御弁を流体接続するステップと、液圧シリンダと各ポンプの第１の流体ポートとの間に第３の制御弁を流体接続するステップと、液圧シリンダと各ポンプの第２の流体ポートとの間に第４の制御弁を流体接続するステップと、各ポンプと、第３の制御弁および第４の制御弁の一方との間に第１の使用圧力アキュムレータを連結するステップと、閉流路内の少なくとも１台のポンプを駆動するために第１の制御弁、第２の制御弁、第３の制御弁、および第４の制御弁を選択的に制御するステップとを備えている方法。
【０００９】
（発明を実施するための最良の形態）
さて、図面を参照するに、特に図１において、本発明の自由ピストンエンジンシステム１０の形式の作業ユニットの一実施形態が示されている。示された実施形態においては、自由ピストンエンジンシステム１０は、ＦＰＥ１２、複数の液圧（流体圧）ポンプ１４、および複数の車輪１６を含む車両の形式である。
【００１０】
各液圧ポンプ１４は、ＦＰＥ１２によって提供される作動液によって駆動される定容量型ポンプ（a fixed geometry pump）である。各ポンプ１４は、第１の流体ポート１８、第２の流体ポート２０、および回動可能な出力軸２２を含む。第１の流体ポート１８および第２の流体ポート２０は、それぞれが入口または出口として働き、出力軸２２を所望方向に回動可能に駆動するようにしても良い。第１の流体ポート１８または第２の流体ポート２０が入口として働く間、第１の流体ポート１８または第２の流体ポート２０の他方は出口として働くことは理解されよう。出力軸２２は、対応する車輪１６を回動可能に駆動するための対応車輪１６と連結される。各ポンプ１４は、ゆえに、対応車輪１６を駆動するための駆動モータ、または制動するためのブレーキとして働く。
【００１１】
ＦＰＥ１２は、燃焼シリンダ２６と液圧（流体圧）シリンダ２８とを画成するハウジング２４を含む。燃料噴射器３０は、ディーゼル燃料のような、燃料を燃焼シリンダ２６内のチャンバ３２内に噴射する。ハウジング２４はまた、チャンバ３２と連通して配置される吸気ポート３４と排気ポート３６とを画成する。
【００１２】
ＦＰＥ１２はまた、燃焼シリンダ２６内に往復運動するように配置されるピストン３８を含む。ピストン３８は、動作中に下死点位置（図示せず）と上死点位置（燃料噴射器３０に近い）との間で移動可能である。ピストン３８は、ピストン３８を通過する燃焼生成物のブローバイを阻止する１本またはそれ以上のリング４０を備えても良い。
【００１３】
プランジャ４２は、ピストン３８と連結され、液圧シリンダ２８内に往復運動するように配置される。プランジャ４２は、液圧シリンダ２８の内径に近接して滑動するプランジャヘッド４４を含む。ハウジング２４で支持された軸受４６は、液圧シリンダ２８内でプランジャ４２を案内するのを補助する。
【００１４】
本発明の形態によれば、複数の流体リザーバおよび制御可能な弁が液圧シリンダ２８とポンプ１４との間に流体接続される。より詳しくは、低圧アキュムレータ４８、高圧アキュムレータ５０、第１の使用圧力アキュムレータ５２、および第２の使用圧力アキュムレータ５４は、各液圧シリンダ２８と流体接続される。第１の制御弁５６は、低圧アキュムレータ４８と液圧シリンダ２８を流体相互接続し、第２の制御弁５８は、高圧アキュムレータ５０と液圧シリンダ２８を流体相互接続し、第３の制御弁６０は、第１の使用圧力アキュムレータ５２と液圧シリンダ２８を流体相互接続し、第４の制御弁６２は、第２の使用圧力アキュムレータ５４と液圧シリンダ２８を流体相互接続する。示された実施形態においては、第１の制御弁５６は、制御可能な高速の電気−液圧式（電気−流体圧式）の形をとり、第２の制御弁５８は、制御可能な高速の電気−液圧式（電気−流体圧式）の形をとり、第３の制御弁６０は、制御可能な高速の電気−液圧式（電気−流体圧式）スプール弁の形をとり、第４の制御弁６２は、制御可能な高速の電気−液圧式（電気−流体圧式）スプール弁の形をとる。
【００１５】
第１の制御弁５６および第２の制御弁５８は各々、選択された圧力で開／閉するように構成される。より詳しくは、第１の制御弁５６は、液圧シリンダ２８内の圧力が所定レベルより低下すると（プランジャ４２が上死点位置に向かって移動すると）開くように構成され、第２の制御弁５８は、液圧シリンダ２８内の圧力が所定レベルより上昇すると（プランジャ４２が圧縮行程中に下死点位置に向かって移動するとき）開くように構成される。第１の制御弁５６および第２の制御弁５８はまた、制御装置（図示せず）を使用して圧力に関係なく選択的に開／閉されても良い。
【００１６】
図２は、本発明の作業ユニット／自由ピストンエンジンシステム７０の他の実施形態を例示する。自由ピストンエンジンシステム７０は、図１で示された自由ピストンエンジンシステム１０内のほとんどのシステム構成要素を含む。但し、図２で示される自由ピストンエンジンシステム７０は、使用圧力アキュムレータ５２を備えていない。第３の制御弁６０は、加圧作動液が動作中に各ポンプ１４へ直接供給されるように作動される。加圧作動液は、車輪１６を前方方向に駆動するための流体ライン６４を通して送られる。ゆえに、加圧流体は通常、ピストン３８およびプランジャ４２の圧縮行程中に流体ライン６４を通って流れる。使用圧力アキュムレータ５４もまた、リターンライン６６を経てポンプ１４から戻る作動液のガスバネとして作用するように提供される。弁５６，５８，６０，６２は、異なる多数の制御機構のうちいずれかを使用して制御可能に作動されても良い。
【００１７】
（産業上の利用可能性）
動作時、ディーゼル燃料のような、燃料が、燃焼シリンダ２６内のチャンバ３２内に噴射される。高圧アキュムレータ５０は、ポンプ（図示せず）など、公知の方法を利用して予備的に充填される。第２の制御弁５８は、開かれて高圧流体のパルスを高圧アキュムレータ５０から液圧シリンダ２８へ流入させる。高圧作動液は、ヘッド４４に軸方向の力を加え、次いでピストン３８を上死点位置へ向かって移動させる。ピストン３８は、上死点位置に向かって移動するとそれが吸気ポート３４および排気ポート３６を閉じ、圧縮行程中に上死点位置または近くにおいてチャンバ３２内の燃料を燃焼させる。プランジャ４２が上死点位置に向かって移動すると、液圧シリンダ２８内の圧力が減少するので第１の制御弁５６が開き、第２の制御弁５８が閉じる。チャンバ３２内の燃焼によって生じたエネルギーは、ピストン３８およびプランジャ４２を下死点位置に向かって移動させる。液圧シリンダ２８内の圧力が増加すると、第１の制御弁５６を閉じさせ、第２の制御弁５８を開かせる。液圧シリンダ２８内の高圧作動液は、高圧アキュムレータ５０内にポンプ供給され、それによって高圧アキュムレータ５０を充填する。高圧アキュムレータ５０内の圧力が感知され、内部の圧力が所定レベルとなるまでＦＰＥ１２が律動的に連続して作動される。
【００１８】
車輪１６を回動可能に駆動するために、第３の制御弁６０および第４の制御弁６２が選択的に作動されて閉流路内で各ポンプ１４を通る作動液の流れを提供する。各第１の流体ポート１８は第３の制御弁６０と並列に連結され、各第２の流体ポート２０は第４の制御弁６２と並列に流体接続されている。各第１の流体ポート１８が入口ポートとして働き、各第２の流体ポート２０が出口ポートとして働くとすると、第３の制御弁６０は、流体ライン６４を介して高圧作動液を各第１の流体ポート１８へ提供し、第４の制御弁６２は、リターン流体ライン６６を介して各第２の流体ポート２０からの作動液を受ける。
【００１９】
第１の使用圧力アキュムレータ５２は、高圧作動液を各第１の流体ポート１８へ提供する貯蔵用アキュムレータとして働く。第１の使用圧力アキュムレータ５２を加圧するために、第２の制御弁５８および第３の制御弁６０が開いている間、第１の制御弁５６および第４の制御弁６２は閉じている。高圧アキュムレータ５０の物理的寸法は、第１の使用圧力アキュムレータ５２が高圧流体で充填されるように第１の使用圧力アキュムレータ５２の寸法よりも大きいことが留意されよう。
【００２０】
高圧流体は、高圧流体ライン６４を介して各第１の流体ポート１８へ並行して同時に流れる。第１の作動圧力アキュムレータ５２は、ゆえに、高圧流体ライン６４内の圧力変動の一部を吸収し、高圧流体ライン６４内の圧力をより均一なものにするガスバネとして働く。高圧流体は、各ポンプ１４を回動的に駆動し、リターン流体ライン６６を介して第４の制御弁６２へ戻される。第２の使用圧力アキュムレータ５４は再度、リターン流体ライン６６内の圧力変動を緩和するガスバネとして働く。第１の制御弁５６および第４の制御弁６２は、リターン流体ライン６６内の流体が低圧アキュムレータ４８を再充填するために使用されるように第２の制御弁５８および第３の制御弁６０が閉じている間、開いていても良い。
【００２１】
第１の制御弁５６、第２の制御弁５８、第３の制御弁６０および第４の制御弁６２を選択的に作動させるシーケンスおよびタイミングは、高圧流体ライン６４、リターン流体ライン６６、低圧アキュムレータ４８および高圧アキュムレータ５０と関連付けられた圧力センサを利用して実行されても良い。
【００２２】
各出力軸２２の回転方向を逆転させるためには、各ポンプ１４の各第２の流体ポート２０が入口として働き、各第１の流体ポート１８が出口として働く。流体ライン６６は、ゆえに、高圧ラインとなり、流体ライン６４がリターンラインとなる。動作の方法は、実質的に上述したものと同様であるので、さらに詳述しない。
【００２３】
各出力軸２２を自由回転させるためには、第３の制御弁６０および第４の制御弁６２が同時に開かれても良い。これは、流体ライン６４と流体ライン６６との間の圧力を実質的に均衡させ、それによって各ポンプ１４に加えられる駆動力とはならない。
【００２４】
本発明の自由ピストンエンジンシステムは、車両内の複数の液圧ポンプを自由ピストンエンジンと関連付けられたアキュムレータと直接連結する。従って、中間のパワー変換装置が排除され、システムの全体の効率が改良される。自由ピストンエンジン内の液圧シリンダと複数の液圧ポンプとの間での流体の流れは、閉流路内で行われても良い、それによってシステム内のエネルギーを保存することができる。各々のアキュムレータと関連付けられている制御弁は、システムを加圧し、閉流路内での流れを実行するように制御可能に作動されても良い。
【００２５】
上述の動作方法においては、本発明の自由ピストンエンジンシステム１０は、上述のような特定の方法で制御される。但し、自由ピストンエンジンシステム１０および／または自由ピストンエンジンシステム７０は、特定の用途により、多様な圧力下で多様な流体の流れを提供するべく弁５６，５８，６０，６２を使用して制御可能に作動されても良いことも理解されるべきである。例えば、急速な加速が望ましい場合、弁５６，５８，および６０は、車輪１６を駆動するポンプ１４へ最大限の流体の流れを提供するために弁６２が閉じている間に各々開かれる。あるいは、弁５６および６２を閉状態に維持しつつ弁５８および６０を開くことも可能である。他の制御機構も、本発明の範囲内で可能である。
【００２６】
本発明の他の形態、目的、および利点は、図面、明細書および特許請求の範囲の検討によって得られることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の自由ピストンエンジンシステムの一実施形態の概略図である。
【図２】 本発明の自由ピストンエンジンシステムの他の実施形態の概略図である。

Claims (16)

1. 自由ピストンエンジンシステム（１０）であって、
   第１の流体ポート（１８）と第２の流体ポート（２０）とをそれぞれが有する、少なくとも１台の流体圧ポンプ（１４）と、
   燃焼シリンダ（２６）、流体圧シリンダ（２８）、前記燃焼シリンダ（２６）内に往復運動するように配置されたピストン（３８）、および、前記ピストン（３８）に取り付けられ、前記流体圧シリンダ（２８）内に配置されたプランジャ（４２）を含む自由ピストン内燃機関（１２）と、
   前記流体圧シリンダ（２８）と流体連結される低圧アキュムレータ（４８）と、
   前記低圧アキュムレータ（４８）を前記流体圧シリンダ（２８）と相互に接続させる第１の制御弁（５６）と、
   前記流体圧シリンダ（２８）と流体連結される少なくとも１台の高圧アキュムレータ（５０）と、
   それぞれの前記高圧アキュムレータ（５０）を前記流体圧シリンダ（２８）と各々が相互に接続させる少なくとも１つの第２の制御弁（５８）と、
   前記流体圧シリンダ（２８）を前記各ポンプ（１４）の前記第１の流体ポート（１８）と相互に接続させる第３の制御弁（６０）と、
   前記流体圧シリンダ（２８）を前記各ポンプ（１４）の前記第２の流体ポート（２０）と相互に接続させる第４の制御弁（６２）と、
   前記各ポンプ（１４）と、前記第３の制御弁（６０）および前記第４の制御弁（６２）のうちの一方との間に連結される第１の使用圧力アキュムレータ（５２）と、を備える自由ピストンエンジンシステム（１０）。
2. 前記第１の制御弁（５６）は、制御可能な電気−流体圧式ポペット弁である、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
3. 前記各第２の制御弁（５８）は、制御可能な電気−流体圧式ポペット弁である、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
4. 前記第３の制御弁（６０）は、電気−流体圧式スプール弁である、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
5. 前記第４の制御弁（６２）は、電気−流体圧式スプール弁である、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
6. 前記各ポンプ（１４）と、前記第３の制御弁（６０）および前記第４の制御弁（６２）のうちの他方との間に連結される第２の使用圧力アキュムレータ（５４）を含む、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
7. 前記第１の使用圧力アキュムレータ（５２）は、前記各ポンプ（１４）と前記第３の制御弁（６０）との間に連結され、前記第２の使用圧力アキュムレータ（５４）は、前記各ポンプ（１４）と前記第４の制御弁（６２）との間に連結される、請求項６に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
8. 前記少なくとも１台の高圧アキュムレータ（５０）は１台の高圧アキュムレータ（５０）であり、前記少なくとも１つの第２の制御弁（５８）は単一の第２の制御弁である、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
9. 前記少なくとも１台の流体圧ポンプ（１４）は、４台の流体圧ポンプである、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
10. 前記各流体圧ポンプ（１４）は、定容量型流体圧ポンプである、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
11. 前記自由ピストンエンジンシステム（１０）は、複数の車輪（１６）を備えた車両であり、前記各流体圧ポンプ（１４）は、対応する前記車輪（１６）の駆動モータである、請求項１に記載の自由ピストンエンジンシステム（１０）。
12. 作業ユニット（１０）であって、
    第１の流体ポート（１８）と第２の流体ポート（２０）とを各々が有する少なくとも１台の流体圧ポンプ（１４）と、
    チャンバ（３２）を含む高圧流体圧源と、
    前記チャンバ（３２）と流体連結される低圧アキュムレータ（４８）と、
    前記低圧アキュムレータ（４８）を前記チャンバ（３２）と相互に接続させる第１の制御弁（５６）と、
    前記チャンバ（３２）と流体連結される少なくとも１台の高圧アキュムレータ（５０）と、
    それぞれの前記高圧アキュムレータ（５０）を前記チャンバ（３２）と各々が相互に接続させる少なくとも１つの第２の制御弁（５８）と、
    前記チャンバ（３２）を前記各ポンプ（１４）の前記第１の流体ポート（１８）と相互に接続させる第３の制御弁（６０）と、
    前記チャンバ（３２）を前記各ポンプ（１４）の前記第２の流体ポート（２０）と相互に接続させる第４の制御弁（６２）と、
    前記各ポンプ（１４）と、前記第３の制御弁（６０）および前記第４の制御弁（６２）のうちの一方との間に連結される第１の使用圧力アキュムレータ（５２）とを備える作業ユニット（１０）。
13. 前記高圧流体圧源は、燃焼シリンダ（２６）、流体圧シリンダ（２８）、前記燃焼シリンダ（２６）内に往復運動するように配置されたピストン（３８）、および、前記ピストン（３８）に取り付けられ、前記流体圧シリンダ（２８）内に配置されたプランジャ（４２）を含む自由ピストン内燃機関（１２）であり、前記流体圧シリンダ（２８）は、前記チャンバ（３２）である、請求項１２に記載の作業ユニット（１０）。
14. 自由ピストンエンジンシステム（１０）を動作させる方法であって、
    第１の流体ポート（１８）と第２の流体ポート（２０）とを各々が有する少なくとも１台の流体圧ポンプ（１４）を設けるステップと、
    燃焼シリンダ（２６）、流体圧シリンダ（２８）、前記燃焼シリンダ（２６）内に往復運動するように配置されたピストン（３８）、および、前記ピストン（３８）に取り付けられ、前記流体圧シリンダ（２８）内に配置されたプランジャ（４２）を含む自由ピストン内燃機関（１２）を設けるステップと、
    低圧アキュムレータ（４８）と前記流体圧シリンダ（２８）との間に第１の制御弁（５６）を流体連結するステップと、
    高圧アキュムレータ（５０）と前記流体圧シリンダ（２８）との間に第２の制御弁（５８）を流体連結するステップと、
    前記液圧シリンダ（２８）と前記各ポンプ（１４）の前記第１の流体ポート（１８）との間に第３の制御弁（６０）を流体連結するステップと、
    前記液圧シリンダ（２８）と前記各ポンプ（１４）の前記第２の流体ポート（２０）との間に第４の制御弁（６２）を流体連結するステップと、
    前記各ポンプ（１４）と、前記第３の制御弁（６０）および前記第４の制御弁（６２）のうちの一方との間に第１の使用圧力アキュムレータ（５２）を連結するステップと、
    閉流路内の少なくとも１台の前記ポンプ（１４）を駆動するべく前記第１の制御弁（５６）、前記第２の制御弁（５８）、前記第３の制御弁（６０）、および、前記第４の制御弁（６２）を選択的に制御するステップとを備える方法。
15. 前記選択的に制御するステップは、閉流路内の前記各ポンプ（１４）を駆動する、請求項１４に記載の方法。
16. 補助高圧アキュムレータ（５０）と前記流体圧シリンダ（２８）との間に補助的な第２の制御弁（５８）を流体連結するステップを含む請求項１４に記載の方法。

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