JP4480899B2

JP4480899B2 - パルス圧縮で自由ピストン内燃機関を動作させる方法

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Publication number: JP4480899B2
Application number: JP2000601317A
Authority: JP
Inventors: エム．ベーリーブレット
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2020-02-07
Also published as: DE10084286T1; GB0119088D0; GB2363164A; JP2002538352A; WO2000050752A1; US6158401A; AU3591100A

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、自由ピストン内燃機関、より詳しくは、液圧パワー出力を有する自由ピストン内燃機関を動作させる方法に関する。
【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連結され、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連結されている。上死点（ＴＤＣ）位置と下死点（ＢＤＣ）位置との間での各ピストンの相対的軸方向変位は、各ピストンが連結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も同じように、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、クランクシャフトの使用を通じて相互に連結されていない。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連結されている。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ている。典型的には、燃焼シリンダを画成するハウジングが、プランジャが内部に配置される液圧シリンダおよび燃焼シリンダと液圧シリンダとの間の中間圧縮シリンダも画成する。燃焼シリンダが最大の内径を有し、圧縮シリンダは、燃焼シリンダよりも小さい内径を有し、さらに液圧シリンダは、圧縮シリンダよりもさらに小さい内径を有する。圧縮ヘッドはピストンヘッドとプランジャヘッドとの間の場所でプランジャに取り付けられて支持されており、圧縮シリンダの内径よりも僅かに小さい外径を有する。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動作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上死点位置に向かって移動させる。
【０００４】
上述のような液圧パワー出力を備えた自由ピストンエンジンにおいて、プランジャを支持する液圧シリンダ内の圧力チャンバは、ピストンヘッドがリターン行程中に下死点位置に向かって移動するとき、高圧液圧アキュムレータのみに接続される。圧縮行程中には、低圧液圧アキュムレータのみが、プランジャを支持する液圧シリンダ内の圧力チャンバに接続される。圧縮シリンダ内の高圧作動液は、ピストンヘッドを上死点位置に向かって移動するように作用し、且つ、プランジャヘッドの断面積は比較的小さく、故に大きな付加的軸方向の力をプランジャに比例的で意味ありげには加えないので、高圧液圧アキュムレータは、高圧液圧アキュムレータ内に先に蓄積されたいかなる圧力の漏れをも回避するべく、圧縮行程中には液圧シリンダ内の圧力チャンバと接続されない。
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、自由ピストンエンジンを動作させる方法を提供し、ここでは、高圧のパルスが高圧液圧アキュムレータから液圧シリンダに供給され、次いで燃焼チャンバ内で適切な圧縮をもたらすのに十分な運動エネルギーをピストンヘッドに与える。
【０００６】
本発明の自由ピストンエンジンを動作させる方法の１つの形態においては、ピストンは、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ヘッド、液圧シリンダ内に往復運動するように配置されたプランジャヘッド、およびピストンヘッドをプランジャヘッドと相互に連結するプランジャロッドを含む。プランジャヘッドおよび液圧シリンダは、プランジャロッドとほぼ反対のプランジャヘッドの側に可変容積の圧力チャンバを画成する。作動液の供給は、圧縮行程の開始部分で高圧液圧アキュムレータから圧力チャンバ内にパルス化されて、ピストンヘッドを上死点位置に向かって移動させる。次に高圧液圧アキュムレータは、圧力チャンバから結合解除される。低圧液圧アキュムレータは、圧縮行程の残留部分で圧力チャンバに結合され、それによって、ピストンヘッドが上死点位置に向かって移動するにつれ、相対的低圧の作動液が液圧シリンダに流入するのを許容する。
【０００７】
本発明の利点は、液圧シリンダ内の圧力チャンバ内の流体圧力が、圧縮行程中にピストンヘッドを上死点位置に移動させることと、リターン行程中に液圧アキュムレータを加圧することとの両方に使用されることである。
【０００８】
もう一つの利点は、同一の高圧アキュムレータが、圧縮行程中とリターン行程中との両方に使用され得ることである。
【０００９】
さらにもう一つの利点は、圧縮行程中に高圧エネルギーのパルスのみが高圧液圧アキュムレータから供給され、実質的に全てのリターン行程中に、高圧アキュムレータが加圧され、それによって、高圧液圧アキュムレータ内の圧力に正味正利得が得られることである。
【００１０】
本発明の上述した特徴および利点、ならびに他の特徴および利点、またそれらを達成する方法がより明瞭となり、本発明は添付の図面に関連して採用される本発明の実施形態に関する以下の説明を参照することによって、良く理解されよう。
【００１１】
対応する参照符号は、数図面を通して対応する部品を示すものとする。ここで詳述された事例は、１つの形態での本発明の１つの好適実施形態を例示するものであり、このような事例は、いかなる意味においても本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００１２】
（発明の詳細な説明）
さて、図面を参照するに、より詳しくは図１を参照するに、一般に、ハウジング１２、ピストン１４、および液圧回路１６を含む本発明の自由ピストン内燃機関１０の１つの実施形態が示されている。
【００１３】
ハウジング１２は、燃焼シリンダ１８、および液圧シリンダ２０を含む。ハウジング１２はまた、燃焼シリンダ１８内の燃焼チャンバ２８と連通して配置されている燃焼空気入口２２、空気掃気チャネル２４、および排気口２６を含む。燃焼空気は、ピストン１４がＢＤＣ位置またはそれに接近すると、燃焼空気入口２２および掃気チャネル２４を経て燃焼チャンバ２８内に運ばれる。選ばれた等級のディーゼル燃料などの適切な燃料が、ピストン１４がＴＤＣ位置に向かって移動するとき、概略的に示され、参照番号３０が付された制御可能な燃料噴射器システムを使用して、燃焼チャンバ２８内に噴射される。ＢＤＣ位置とＴＤＣ位置との間のピストン１４の行程長は、固定であっても可変とすることもできる。
【００１４】
ピストン１４は、燃焼シリンダ１８内で往復運動するように配置され、ＴＤＣ位置に向かう圧縮行程中、およびＢＤＣ位置に向かうリターン行程中に移動可能である。ピストン１４は一般に、プランジャロッド３４に取り付けられるピストンヘッド３２を含む。ピストンヘッド３２は、示された実施形態では、アルミニウムまたはスチールなどの金属材料から形成されているが、摩擦係数、熱膨張率、耐熱性などの適当な物理的特性を有する他の材料から形成することもできる。例えば、ピストンヘッド３２は、複合材料またはセラミック材料などの非金属材料で形成することもできる。特に、ピストンヘッド３２は、炭素および樹脂母材内にランダム配列、または一方向もしくは多方向に配列される炭素強化繊維を有する炭素−炭素複合材料で形成することができる。
【００１５】
ピストンヘッド３２は、２つの環状ピストンリング溝３６を含み、その中に対応する一対のピストンリング（参照番号を付さず）が配置されて、動作中におけるピストン１４のリターン行程時の燃焼生成物のブローバイを防止する。ピストンヘッド３２が、比較的低い熱膨張率を有する適当な非金属材料から形成される場合、ピストンリング溝３６および関連するピストンリングとが不要となるように、ピストンヘッド３２と燃焼シリンダ１８の内部表面との間の半径方向動作クリアランスが低減されることが可能となる。ピストンヘッド３２は、ピストン１４がＴＤＣ位置、またはその近くにあるときに、排気口２６に近接して存在し、その排気口２６を閉じる細長いスカート部３８をも含み、それによって燃焼空気入口２２を通って入る燃焼空気が排気口２６を出ていくのを防止する。
【００１６】
プランジャロッド３４は、取付ハブ４０とボルト４２とを使用して、その一端でピストンヘッド３２に固く取り付けられている。ボルト４２は、取付ハブ４０内の穴（参照符号を付さず）を貫通して延在し、プランジャロッド３４の端部に形成された対応する穴と螺合されている。取付ハブ４０は、ボルト、溶接、および／または接着などを用いた適当な方法で、燃焼チャンバ２８と反対のピストンヘッド３２側に取り付けられている。プランジャロッド３４を包囲し、ハウジング１２によって支持されたシール４４は、燃焼シリンダ１８を液圧シリンダ２０から隔絶している。
【００１７】
プランジャヘッド４６は、ピストンヘッド３２と反対のプランジャロッド３４の一端に固く取り付けられている。ＢＤＣ位置とＴＤＣ位置との間、およびその逆のピストンヘッド３２の往復運動によって、液圧シリンダ２０内でのプランジャロッド３４およびプランジャヘッド４６が対応する往復運動をする。プランジャヘッド４６は、プランジャヘッド４６と液圧シリンダ２０の内部表面との間を効果的にシールし、それらの間の摩擦を低減する複数の連続して隣接するランドおよびバレー４８を含む。
【００１８】
プランジャヘッド４６および液圧シリンダ２０は、プランジャロッド３４と一般に反対のプランジャヘッド４６側に可変容積圧力チャンバ５０を画成する。圧力チャンバ５０の容積は、液圧シリンダ２０内のプランジャヘッド４６の長手方向位置によって変化する。流体ポート５２および流体ポート５４は、可変容積圧力チャンバ５０と流体接続されている。プランジャロッド３４を包囲する環状空間５６は、ハウジング１２内の流体ポート５８と流体連通して配置されている。流体は、ＢＤＣ位置に向かうプランジャロッド３４およびプランジャヘッド４６の運動時に流体ポート５８を通って、環状空間５６に引き込まれるので、負圧が、可変容積圧力チャンバ５０と反対のプランジャヘッド４６側に発生しない。環状空間５６内のプランジャヘッド４６に作用する加圧流体の有効断面積と比べた場合の可変容積圧力チャンバ５０内のプランジャヘッド４６に作用する加圧流体の有効断面積は、約５：１〜３０：１の比率である。示された実施形態において、プランジャヘッド４６の両側に作用する有効断面積間の比率は、約２０：１である。この比率は、ＢＤＣ位置に向かうプランジャヘッド４６の運動時に環状空間５６内での負圧の発生を防止するのに適しており、しかも同時に、プランジャヘッド４６がＴＤＣ位置に向かって移動する際に自由ピストンエンジン１０の効率に実質的に悪影響を及ぼさないことが分かっている。
【００１９】
液圧回路１６は、液圧シリンダ２０と接続され、流体静力学ドライブユニット（図示せず）のような特定用途の負荷への作動液などの加圧流体源を提供する。液圧回路１６は、一般に高圧液圧アキュムレータＨ、低圧液圧アキュムレータＬ、および以下で詳述されるように、選択された時点で高圧液圧アキュムレータＨおよび低圧液圧アキュムレータＬを液圧シリンダ２０と接続するために使用される適当な弁機構などを含む。
【００２０】
より詳しくは、液圧回路１６は、液源６０からの作動液を受けて最初に高圧液圧アキュムレータＨを所望圧力まで充填する。始動モータ６２は、液圧ポンプ６４を駆動して高圧液圧アキュムレータＨ内の作動液を加圧する。ポンプ６４で送られた作動液は、ポンプ６４の入力側のチェック弁６６、およびポンプ６４の出力側のチェック弁６８およびフィルタ７０を通って流れる。ポンプ６４で生成された圧力は、ライン７１と流体ポート５８との相互接続を介して環状空間５６をも加圧する。リリーフ弁７２で、高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力がしきい値限度を上回らないようにする。
【００２１】
高圧液圧アキュムレータＨ内に蓄積される高圧作動液は、流体静力学ドライブユニットのような、特定用途に適した負荷に供給される。高圧液圧アキュムレータＨ内の高圧は最初にポンプ６４を使用して発生され、その後、自由ピストンエンジン１０のポンプ作用を利用して発生および維持される。
【００２２】
比例弁７４は、高圧液圧アキュムレータＨと連通して配置された入力を有し、低圧液圧アキュムレータＬを充填し、自由ピストンエンジン１０の補助的機構装置を駆動する液圧パワー源となる二つの機能を提供する。より詳しくは、比例弁７４は、高圧液圧アキュムレータＨから液圧モータ（ＨＤＭ）への高圧作動液の可変制御された流量を提供する。液圧モータＨＤＭは、冷却ファン、同期発電機、およびウォターポンプのようなベルト／プーリ構成を利用する自由ピストンエンジン１０の補助的設備を駆動する回転機械的出力シャフトを有する。当然、液圧モータＨＤＭで駆動される補助的設備は一方の用途と他の用途では異なることがある。
【００２３】
液圧モータＨＤＭは、低圧液圧アキュムレータＬを所望圧力に充填するために使用される低圧ポンプ（ＬＰＰ）をも駆動する。低圧ポンプＬＰＰは、熱交換器７６およびチェック弁７８のそれぞれと並列に接続されている液圧出力を有する。熱交換器７６を通過する流量が、所望の要求に対して十分な流れを提供するには不十分である場合、チェック弁７８の両側の圧力差がチェック弁７８を開かせ、それによって作動液が一時的に熱交換器７６を迂回して流れることができるようにする。低圧ポンプＬＰＰによって発成されライン８０に存在する圧力がしきい値を上回る場合は、チェック弁８１が開いて、作動液を液圧モータＨＤＭの入力側に逆流させる。圧力リリーフ弁８２は、ライン８０内の作動液がしきい値を上回るのを防止する。
【００２４】
低圧液圧アキュムレータＬは、選択的に、低圧チェック弁（ＬＰＣ）および低圧シャットオフ弁（ＬＰＳ）を使用して液圧シリンダ２０内の圧力チャンバ５０に比較的低圧の作動液を提供する。それに反して、高圧液圧アキュムレータＨは、高圧チェック弁（ＨＰＣ）および高圧パイロット弁（ＨＰＰ）を使用して液圧シリンダ２０内の圧力チャンバ５０に高圧作動液を供給する。
【００２５】
自由ピストンエンジン１０の初期始動段階では、始動モータ６２が作動されてポンプ６４を駆動し、それによって高圧液圧アキュムレータＨを所望圧力まで加圧する。ピストン１４は、圧縮行程中の効果的な圧縮を許すべきＢＤＣ位置に十分近い位置に存在しない場合があるので、ＢＤＣ位置にピストン１４を手動で戻す手順を経る必要があることがある。すなわち、低圧シャットオフ弁ＬＰＳが適当なコントローラを使用して開かれて、液圧プランジャ４６の圧力チャンバ５０に隣接した側の圧力を最小限に抑える。環状空間５６は、高圧液圧アキュムレータＨと連通しているので、液圧プランジャ４６の両側の圧力差が、図１に示されるように、ピストン１４をＢＤＣ位置に向かって移動させる。
【００２６】
ピストン１４が、燃焼チャンバ２８内を有効圧縮比にする位置にあるとき、高圧チェック弁ＨＰＣを手動で開くべく、高圧パイロット弁ＨＰＰがコントローラを利用して作動され、それによって、高圧液圧アキュムレータから圧力チャンバ５０内に高圧作動液のパルスを供給する。低圧チェック弁ＬＰＣおよび低圧シャットオフ弁ＬＰＳの両方共、高圧作動液のパルスが圧力チャンバ５０に供給されるときには閉じられる。作動液の高圧パルスは、プランジャヘッド４６およびピストンヘッド３２をＴＤＣ位置に向かって移動させる。プランジャヘッド４６の両側の断面積における比較的大きな比率差のため、環状空間５６内にある高圧作動液は、ＴＤＣ位置に向かうプランジャヘッド４６およびピストンヘッド３２の移動を妨げない。高圧作動液のパルスは、燃焼チャンバ２８内で燃焼を起こす運動エネルギーでピストン１４を移動させるに足る期間、圧力チャンバ５０に加えられる。そのパルスは、継続時間に基いてもよく、または燃焼シリンダ１８内でのピストンヘッド３２の検出位置に基いても良い。
【００２７】
プランジャヘッド４６がＴＤＣ位置に向かって移動すると、圧力チャンバ５０の容積が増大する。容積が増大すると、次に、圧力チャンバ５０内の圧力が減少し、それが高圧チェック弁ＨＰＣを閉じさせ、低圧チェック弁ＬＰＣを開かせる。低圧液圧アキュムレータＬ内にある比較的低圧の作動液は、プランジャヘッド４６がＴＤＣ位置に向かって移動するにつれ圧力チャンバ５０内の容積を満たす。圧縮行程の始めの部分に（例えば、行程長の６０％の間）に高圧液圧アキュムレータＨからの圧力パルスのみを利用し、続いて低圧液圧アキュムレータＬからの低圧作動液で圧力チャンバ５０を満たすことによって、高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力の正味利得が達成される。
【００２８】
空気掃気チャネル２４および燃料噴射器３０を介して燃焼空気および燃料のそれぞれを燃焼チャンバ２８内に正しく充填することによって、正規の燃焼がＴＤＣ位置、またはその近くにおいて燃焼チャンバ２８内で起こる。ピストン１４が、燃焼後にＢＤＣ位置に向かって移動すると、圧力チャンバ５０内で容積が減少し、圧力が増大する。圧力が増大すると、低圧チェック弁ＬＰＣを閉じさせ、高圧チェック弁ＨＰＣを開かせる。リターン行程中に高圧チェック弁を通して強制的に送られる高圧作動液は、高圧液圧アキュムレータＨと連通しており、高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力の正味正利得となる。
【００２９】
図２は、図１に示された実施形態と実質的に同じである燃焼シリンダおよびピストン構成を含む本発明の自由ピストン内燃機関９０の他の実施形態を例示する。自由ピストンエンジン９０の液圧回路９２は、図１で示された液圧回路１６の実施形態と同じである多数の液圧部品をも含む。液圧回路９２は、主に、液圧回路９２がミニサーボ主スプール（ＭＳＳ）およびミニサーボパイロット（ＭＳＰ）を備えたミニサーボ弁９４を含むことで、液圧回路１６とは異なる。ミニサーボ主スプールＭＳＳは、自由ピストンエンジン９０の動作中に選択された時点で制御可能に作動されて、図１で示された実施形態に関して上述したやり方と同じように、高圧液圧アキュムレータＨからの高圧作動液の高圧パルスをもたらす。ミニサーボパイロットＭＳＰは、制御可能に作動されて、ミニサーボ主スプールＭＳＳを制御可能に作動させるのに必要な圧力を供給する。高圧作動液のパルスは、時間またはピストン１４の検出位置のいずれかによる継続時間だけ圧力チャンバ５０に供給される。圧力チャンバ５０内の容積が増大すると、その圧力は呼応して減少し、低圧チェック弁ＬＰＣの開口となる。低圧液圧アキュムレータＬからの低圧作動液は、ゆえに、ピストン１４の圧縮行程中に圧力チャンバ５０に流入する。燃焼後およびピストン１４のリターン行程中に、圧力チャンバ５０内の圧力は増大し、それによって低圧チェック弁ＬＰＣ閉じさせ、高圧チェック弁ＨＰＣを開かせる。ピストン１４のリターン行程中に圧力チャンバ５０内に生じた高圧作動液は、高圧チェック弁ＨＰＣを通して高圧液圧アキュムレータＨ内にポンプ供給され、それによって高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力に正味正利得が得られる。
【００３０】
さて、図３を参照するに、本発明の自由ピストンエンジン１００のさらにもう一つの実施形態が示されている。再び、燃焼シリンダ１８およびピストン１４の配列は、図１および２で示された自由ピストンエンジン１０、９０の実施形態と実質的に同じである。液圧回路１０２も同じように、図１および２で示された液圧回路１６、９２の実施形態と同じである多数の液圧部品を含む。但し、液圧回路１０２は、２つのパイロット作動チェック弁１０４、１０６を含む。パイロット作動チェック弁１０４は、図１で示された実施形態を参照して上述した高圧チェック弁ＨＰＣおよび高圧パイロット弁ＨＰＰと同じように作動する高圧チェック弁（ＨＰＣ）および高圧パイロット弁（ＨＰＰ）を含む。パイロット作動チェック弁１０６は、高圧チェック弁１０４と同じように働く低圧チェック弁（ＬＰＣ）および低圧パイロット弁（ＬＰＰ）を含む。低圧パイロット弁ＬＰＰの入力側は、ライン１０８を経て高圧液圧アキュムレータＨ内の高圧作動液と接続されている。低圧パイロット弁ＬＰＰは、低圧チェック弁ＬＰＣを開口するに足る加圧された作動液のパルスを低圧チェック弁ＬＰＣに供給するようにコントローラを利用して制御可能に作動することができる。
【００３１】
使用中、高圧作動液のパルスは、燃焼させるのに十分な運動エネルギーでピストン１４をＴＤＣ位置に向かって移動させるようにパイロット作動チェック弁１０４を使用して圧力チャンバ５０に供給され得る。高圧パイロット弁ＨＰＰは、時間間隔、またはピストン１４の検出された位置により、作動停止され、それによって高圧チェック弁ＨＰＣが閉じるようにする。プランジャヘッド４６がＴＤＣ位置に移動すると、圧力チャンバ５０内の圧力が減少し、低圧チェック弁ＬＰＣが開く。低圧作動液は、このようにして、圧力チャンバ５０内の容積を満たすと共に、圧力チャンバ５０内の容積が膨張する。燃焼後、ピストン１４は、圧力チャンバ５０内の圧力を増大させるＢＤＣ位置に向かって移動する。圧力が増大すると、低圧チェック弁ＬＰＣを閉じさせ、高圧チェック弁を開かせる。液圧シリンダ２０内のプランジャヘッド４６のポンプ作用によって発生された高圧作動液は、高圧液圧アキュムレータＨ内に流入し、高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力の正味正利得となる。センサ（概略的に示され、Ｓに位置決めされた）は、ＢＤＣ位置に近いピストン１４を検出する。圧縮行程をもたらすための高圧パルスは、センサの起動信号により時期設定される。
【００３２】
図３で示された自由ピストンエンジン１００の実施形態を使用して手動リターン作業を行うために、高圧作動液が高圧液圧アキュムレータＨから環状空間５６内に供給される。低圧パイロット弁ＬＰＰは、低圧チェック弁ＬＰＣを開かせるように制御可能に作動される。プランジャヘッド４６の両側の圧力差は、ピストン１４をＢＤＣ位置に向かって移動させる。ピストン１４が、燃焼チャンバ２８内での燃焼をもたらすのに有効な圧縮比を提供する位置にあるとき、作動液の高圧パルスが、パイロット作動チェック弁１０４を使用して圧力チャンバ５０内に送られて、ピストン１４の圧縮行程を開始する。
【００３３】
図１〜３に示され、上述された実施形態において、ピストン１４は、一体的に形成されているプランジャヘッド４６を有するプランジャロッド３４を含む。但し、プランジャヘッド４６はプランジャロッド３４と別体で、それに取り付けられてもよい。
【００３４】
さて、図４および５を参照するに、図１〜３に示された自由ピストンエンジン１０を始動し、動作させる本発明の方法をさらに詳細に説明する。自由ピストンエンジン１０を始動および動作させる方法が示され、特に、図１に示された液圧回路１６参照して詳述される。しかしながら、自由ピストンエンジン１０を始動（図４）し、自由ピストンエンジン１０を動作（図５）させる方法は、当業者には容易に理解される僅かな改造で液圧回路９２と１０２と共に容易に使用できる。
【００３５】
さて、図４を参照するに、自由ピストンエンジン１０を始動する方法は、着火キーをＯＮにすることから始まる（ブロック１１０）。高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力ＨＰが、圧力が自由ピストンエンジン１０を着火させるほど十分に高いか否かを判定するために検出される（判定ブロック１１２）。圧力ＨＰが最小圧力ＨＰ_min未満である場合には、始動モータＭが起動されてポンプ６４を駆動し、それによって、高圧液圧アキュムレータＨを加圧する（ブロック１１４）。高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力ＨＰがＨＰ_minで示された自由ピストンエンジン１０を着火させる最小圧力よりも大きくなるまで、制御はブロック１１０、１１２および１１４を循環する（ライン１１６）。判定ボックス１１８において、高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力の値が、最大しきい圧力値ＨＰ_setとも比較される。圧力ＨＰが最大しきい値ＨＰ_setよりも大きい場合、判定ブロック１１８の結果がＮＯとなり、制御は判定ブロック１１２に戻る。他方、圧力ＨＰが最大しきい圧力ＨＰ_set未満である場合、高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力は条件を満たし、低圧液圧アキュムレータＬ内の圧力ＬＰが検出される。低圧液圧アキュムレータＬ内の圧力ＬＰが最小しきい圧力ＬＰ_min以下で且つ最大しきい圧力ＬＰ_set未満である場合、補助液圧モータＡＨＭ（図１ではＨＤＭ１で示された）が検出された速度に基づいて調節される（ブロック１２０）。他方、検出された圧力ＬＰが最小しきい圧力ＬＰ_minよりも大きく且つ最大しきい圧力ＬＰ_set未満である場合（ライン１２４）、ピストン１４がＢＤＣ位置またはその近くにあることを示すべくセンサＳが作動されたかどうかについての問い合わせが行われる（判定ブロック１２６）。判定ブロック１２６の結果がＹＥＳである場合（ライン１２８）、高圧液圧アキュムレータＨおよび低圧液圧アキュムレータＬ内の圧力が許容可能範囲にあり、ピストン１４が自由ピストンエンジン１０を着火できる位置にある（ブロック１３０）。他方、センサＳが作動されていない場合、ピストン１４は、自由ピストンエンジン１０を着火できるほど十分にＢＤＣ位置に接近していない（ライン１３２）。ピストン１４の手動リターン作業が、次に、先に詳述されたように、ピストン１４をＢＤＣ位置に移動させるために低圧シャットオフ弁ＬＰＳを開き、環状空間５６に高圧作動液を加えることによって行われる（ブロック１３４）。この手動リターン作業後、自由ピストンエンジン１０は、着火できる準備が整う（ブロック１３０）。
【００３６】
さて、図５を参照するに、通常動作中の自由ピストンエンジン１０を動作させる方法が詳述される。エンジン始動シーケンスが完了し、自由ピストンエンジン１０の着火準備完了後（ブロック１３６）、高圧液圧アキュムレータＨ内の高圧作動液ＨＰの圧力および温度がチェックされる（ブロック１３８）。圧力チャンバ５０内に噴射される高圧作動液ＨＰパルスのパルス幅だけでなく、燃料噴射器３０を使用して燃焼チャンバ２８内に噴射される燃料パルスとの両方のパルス幅が、自由ピストンエンジン１０内に所望の圧縮比をもたらし、自由ピストンエンジン１０から仕事を出力させるように決定される（ブロック１４０）。次に変数ＴＩＭＥはゼロに設定され（ブロック１４２）、高圧チェック弁ＨＰＣが高圧パイロット弁ＨＰＰを使用して開かれて、高圧液圧アキュムレータＨを圧力チャンバ５０と接続する（ブロック１４４）。変数ＴＩＭＥが、ブロック１４０で決定された高圧パルス幅時間ＨＰ_pulよりも大きくなるかまたはそれに等しくなるまで待機状態となる（判定ブロック１４６およびライン１４８）。
【００３７】
高圧パルスが圧力チャンバ５０内に噴射された後（ライン１５０）、高圧チェック弁ＨＰＣの作動が停止され、圧力チャンバ５０は、高圧液圧アキュムレータＨとの結合から解除される（ブロック１５２）。
【００３８】
ブロック１５４および１５６、判定ブロック１５８およびリターンライン１６０は、燃焼チャンバ２８内に燃料を噴射するために使用される燃料噴射タイミングシーケンスに対応する。ブロック１５４において、周知のタイマー回路または同等のものを使用して尚も連続的に増加されている変数ＴＩＭＥが変数ＩｎｊＳｔａｒｔと比較されて、燃料が燃料噴射器３０を用いて燃焼チャンバ２８内に噴射される時点を決定する。変数ＴＩＭＥは、高圧パルスを噴射する前の圧縮行程の開始時にゼロに初期設定されたので、変数ＩｎｊＳｔａｒｔは、燃料を燃焼チャンバ２８内に噴射するのにピストン１４が適切な場所に在るべき時点に対応する。変数ＩｎｊＳｔａｒｔは、経験的にまたは理論的に決定されても良く、好ましくは、示された実施形態においては特定的に構成された自由ピストンエンジンに対して経験的に決定される。変数ＴＩＭＥが変数ＩｎｊＳｔａｒｔに等しくなる、またはそれよりも僅かに大きくなった後、燃料噴射器３０が作動されて所定量の燃料が燃焼チャンバ２８内に噴射される（ブロック１５６）。変数ＴＩＭＥは、次に、燃料噴射器３０の作動が停止され圧縮行程の開始に対する時点に対応する変数ＩｎｊＥｎｄと比較される。変数ＴＩＭＥが変数ＩｎｊＥｎｄよりも大きくないまたは等しい場合（ライン１６０）、待機状態となり、その間、燃料噴射器３０が開いたまま保持され、制御はブロック１５４に戻る。他方、変数ＴＩＭＥが変数ＩｎｊＥｎｄに等しい、またはそれよりも僅かでも大きくなると（ライン１６２）、燃料噴射器３０の作動が停止される（ブロック１６４）。
【００３９】
ピストン１４がＴＤＣ位置を通過し、ＢＤＣ位置に向かってリターン行程を開始すると、圧力チャンバ５０内の圧力が増大し始め、圧力の増大の結果、低圧チェック弁ＬＰＣが閉じ、高圧チェック弁ＨＰＣが開く（ブロック１６８）。高圧チェック弁ＨＰＣが開いた後、高圧パイロット弁ＨＰＰが開かれて（ブロック１７０）、高圧チェック弁ＨＰＣを開状態に維持する。高圧パイロット弁ＨＰＰが開かれる時点は、尚も増加している変数ＴＩＭＥの値に基づき、高圧チェック弁ＨＰＣがすでに開いていることを確実にするために僅かな遅延期間を有して選択される。
【００４０】
判定ブロック１７２および１７４、およびライン１７６は、燃焼が自由ピストンエンジン１０の燃焼チャンバ２８内で起こっていることを確実にするために生じる待機状態に対応する。燃焼が起こらない場合、自由ピストンエンジン１０内に入力されたエネルギーは、ピストンセンサＳを作動させるＢＤＣ位置またはその近くの場所にピストン１４を戻させるのには不十分である（ブロック１７２）。センサＳが作動されなかった場合には（ライン１７８）、尚も増加している変数ＴＩＭＥが、ミスファイヤが起こったことを示す所定のしきい値に対応する変数Ｔ_misと比較される（ブロック１７４）。センサＳがまだ作動されず、変数ＴＩＭＥも、ミスファイヤが起こったことを示していない場合（ライン１７６）、制御は判定ブロック１５８に戻り、待機状態が再び現れる。他方、センサＳが作動されておらず、変数ＴＩＭＥがミスファイヤを示している場合（ライン１８０）、制御は、ミスファイヤ処理手順に進む、これは図６を参照して以下に詳述される（ブロック１８２）。
【００４１】
燃焼が燃焼チャンバ２８内で起こり、センサＳが所定時間内に作動される場合（ライン１８４）、ピストン１４はＢＤＣ位置またはその近くにある。変数バウンス時間ＢＴはゼロに設定され（ブロック１８６）、待機状態が、判定ブロック１８８、ブロック１９０、およびリターンライン１９２で起こる。この待機状態は、ピストン１４がＢＤＣ位置に向かって移動するときにセンサＳが最初にハイになり、続いてピストン１４がＴＤＣ位置に向かって跳ね返るときにセンサＳがローとなるときの期間に対応する。センサＳがハイとなった後（判定ブロック１７２）、変数バウンス時間ＢＴはゼロに設定される（ブロック１８６）。次いで、センサＳをローにさせるほど十分な距離、ピストン１４がＴＤＣ位置に向かって跳ね返ったか否かについての判定が行われる（判定ブロック１８８）。センサＳが尚もハイである場合、変数ＢＴは、１だけ増加され、制御は、ライン１９２を経て判定ブロック１８８の入力側に戻る。
【００４２】
センサＳがローとなり、ピストン１４がセンサＳの設置場所に対応する所定距離、ＴＤＣ位置に向かって跳ね返っていることを示すと（ライン１９４）、変数ＢＴの値が、燃料は増大または減少される必要があるかを判定するために検査される（ブロック１９６）。より詳しくは、センサＳが始めにハイとなり、続いてローとなるときとの間の時間は、ピストン１４がセンサＳを通過する距離に対応する。より大量の燃料が燃焼チャンバ２８内で燃焼される場合、ピストン１４は、センサＳをさらに過ぎて、ＴＤＣ位置からさらに離れた位置にあるＢＤＣ位置に向かって移動する。その結果、センサＳがハイとなるときと、続いてローとなるときとの間の時間は、より大きくなる。他方、もっと少量の燃料が燃焼チャンバ２８内で燃焼される場合、ピストン１４は、センサＳを過ぎて、ＴＤＣ位置により近いＢＤＣ位置に向かってより小距離を移動する。その結果、センサＳがハイとなるときと、続いてローとなるときとの間の時間はより小さくなる。
【００４３】
上記から、変数バウンス時間ＢＴの値で表される、センサＳがハイとなるときと続いてローとなるときとの間の時間は、燃焼チャンバ２８内の燃焼過程中に必要である燃料量の近似値として利用できることが理解されよう。変数ＢＴの値がしきい値ＢＴ_setよりも大きい場合には、次の圧縮行程中に燃焼チャンバ２８内に噴射される燃料量が予め設定された量だけ減らされる。逆に、変数ＢＴの値がＢＴ_setのしきい値未満である場合には、次の圧縮行程中に燃焼チャンバ２８内に噴射される燃料量が予め設定された量だけ増やされる。変数ＢＴの値をしきい値ＢＴ_setと比較し、燃料を増加または低減することによって、自由ピストンエンジン１０の最大効率に相当する最適充填量の燃料が各サイクル中に燃焼チャンバ２８内に充填される。
【００４４】
次の圧縮行程中に燃焼チャンバ２８内に充填されるべき量の燃料が決定された後に、制御は、ライン１９８を経てブロック１３６に戻る。自由ピストンエンジン１０は、次に再び着火される準備が整う。
【００４５】
さて、図６を参照するに、ミスファイヤ状態の発生時に自由ピストンエンジンを動作させる本発明の方法の一実施形態を詳述する。図６に示された実施形態において、その方法は、液圧回路１６を備えた自由ピストンエンジン１０を使用して実施されるものとする。但し、図６に示された方法の実施形態は、図２および３に示された液圧回路９２または１０２を使用する自由ピストンエンジン１０などの自由ピストンエンジンの他の実施形態にも同じように適用可能であることが理解されよう。
【００４６】
ブロック２００において、高圧弁は「１」に設定されるが、これはピストン１４がＢＤＣ位置に向かって移動し始めるとき高圧チェック弁ＨＰＣが開かれることを意味する。変数「時間」は、高圧チェック弁ＨＰＣの開口と実質的に同時に「０」に設定され（ブロック２０２）、例えば、タイマー回路などを用いて増加される。次に、ピストン１４がＢＤＣ位置またはそれに近い位置に移動し、位置センサＳを作動させるかどうかにより、待機状態となる（判定ブロック２０４）。センサＳが作動されると、センサＳの値は「１」に等しくなる。待機状態中、変数「時間」は増加され、延長燃焼時間（ＥＣＴ；ブロック２０８）の最大しきい値限度を表す定数値と比較される。変数ＴＩＭＥが定数ＥＣＴを上回る前に位置センサが作動される場合には（ライン１２６）、ミスファイヤは一時的でしかなく、制御は自由ピストンエンジン１０の通常動作のための主制御ルーチンに戻る（ブロック２０７）。他方、位置センサが作動されず、変数ＴＩＭＥが定数ＥＣＴよりも大きくなる場合には（ブロック２０８およびライン２１０）、自由ピストンエンジン１０はミスファイヤから回復せず、高圧弁はＯＦＦにされる（ブロック２１２）。位置センサＳが作動されるようにピストン１４がＢＤＣ位置またはその近くの位置に移動したかどうかを判定するために、再び、最終チエックが行われる（判定ブロック２１４）。センサＳが作動された場合には、自由ピストンエンジン１０は再び着火でき、制御は主制御ルーチンに戻る（ライン２１６）。他方、位置センサＳがまだ作動されていない場合には（ライン２１８）、さらに詳細に上述されたように、手動リターン手順が開始される。
【００４７】
（産業上の利用可能性）
使用中、燃料と空気との混合体は、自由ピストンエンジン１０、９０または１００の燃焼チャンバ２８内に充填される。高圧作動液の高圧パルスは、高圧液圧アキュムレータＨから圧力チャンバ５０内に導入される。高圧作動液のパルスは、燃焼チャンバ２８内で燃焼をもたらすのに十分な運動エネルギーでピストン１４をＴＤＣ位置に向かって移動させる。高圧作動液のパルスが圧力チャンバ５０に加えられた後、高圧液圧アキュムレータＨとの流体接続が閉じられ、低圧液圧アキュムレータＬとの流体接続が開かれる。圧力チャンバ５０内の膨張する容積は、圧縮行程の残りの間に、低圧作動液で満たされる。リターン行程中、低圧液圧アキュムレータＬとの流体接続は閉じられ、高圧液圧アキュムレータＨとの流体接続が開かれる。ＢＤＣ位置に向かう液圧プランジャ４６の運動は、高圧作動液が高圧液圧アキュムレータＨ内にポンプ供給されるようにし、それによって高圧液圧アキュムレータＨ内の圧力の正味正利得が得られる。高圧液圧アキュムレータＨ内に生成された高圧作動液は、液圧伝動装置用パワー源のような、任意の適当な用途に利用できる。
【００４８】
この発明の他の形態、目的および利点は、図面、明細書および添付の特許請求範囲の考察から得ることができる。
【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のもう一つの実施形態の概略図である。
【図３】本発明の自由ピストンエンジンのさらにもう一つの実施形態の概略図である。
【図４】図１に示された自由ピストンエンジンを始動する本発明の方法の１つの実施形態を示すフローチャートである。
【図５ａ】図１の自由ピストン内燃機関を動作させる本発明の方法の１つの実施形態を示すフローチャートである。
【図５ｂ】図１の自由ピストン内燃機関を動作させる本発明の方法の１つの実施形態を示すフローチャートである。
【図６】図５に示されたミスファイヤ状態の発生時の自由ピストンエンジンを動作させる本発明の方法の１つの実施形態を示すフローチャートである。

Claims

自由ピストン内燃機関（１０、９０、１００）を動作させる方法であって、
燃焼シリンダ（２８）および液圧シリンダ（２０）を含むハウジング（１２）を設けるステップと、
前記燃焼シリンダ（２８）内に往復運動するように配置されたピストンヘッド（３２）、前記液圧シリンダ（２０）内に往復運動するように配置されたプランジャヘッド（４６）、および前記ピストンヘッド（３２）を前記プランジャヘッド（４６）に相互に連結するプランジャロッド（３４）を含むピストン（１４）であって、前記プランジャヘッド（４６）と前記液圧シリンダ（２０）とが前記プランジャロッド（３４）とほぼ反対の前記プランジャヘッド側に可変容積圧力チャンバ（５０）を画成する、ピストン（１４）を設けるステップと、
前記ピストンヘッド（３２）を上死点位置に向かって移動させるために圧縮行程の開始部分で高圧液圧アキュムレータ（Ｈ）から前記圧力チャンバ（５０）への作動液の供給をパルス化するステップと、
前記圧力チャンバ（５０）から前記高圧液圧アキュムレータ（Ｈ）を結合解除するステップと、
前記圧縮行程の残留部分で低圧液圧アキュムレータ（Ｌ）を前記圧力チャンバ（５０）と結合させ、それによって、前記ピストンヘッド（３２）が前記上死点位置に向かって移動するときに比較的低圧の作動液が前記液圧シリンダ（２０）に流入するのを許容するステップと、
を具備することを特徴とする方法。
前記作動液を前記高圧液圧アキュムレータ（Ｈ）から前記圧力チャンバ（５０）内にパルス化して送ることで、前記ピストンヘッド（３２）は、前記燃焼シリンダ（２８）内で自然燃焼をもたらすのに十分な運動エネルギーで移動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記パルス化ステップは、前記圧縮行程の前記開始部分で前記高圧液圧アキュムレータ（Ｈ）を前記圧力チャンバ（５０）と相互接続するために、弁を選択的に作動させるサブステップを具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記弁は、高速パイロット作動チェック弁（ＨＨＰ、ＨＰＣ）を具備することを特徴とする請求項３に記載の方法。
弁（ＨＨＰ、ＨＰＣ；ＭＳＳ、ＭＳＰ）を使用して、リターン行程の実質的に全ての間に、前記圧力チャンバ（５０）を前記高圧液圧アキュムレータ（Ｈ）と相互接続するさらなるステップを具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記弁（ＨＨＰ、ＨＰＬ；ＭＳＳ、ＭＳＰ）は、パイロット弁（ＨＰＰ）およびチェック弁（ＨＰＣ）を含むパイロット作動チェック弁（ＨＰＣ、ＨＰＰ）であって、前記チェック弁（ＨＰＣ）は前記リターン行程の開始部分で自動的に開き、前記パイロット弁（ＨＨＰ）は、前記チェック弁（ＨＰＣ）が開いた後に開いて、前記リターン行程の実質的に全ての間に前記チェック弁（ＨＰＣ）を開に保持する、パイロット作動チェック弁（ＨＰＣ、ＨＰＰ）を具備することを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記ピストン（１４）が前記下死点位置またはそれに近いかのいずれかにあるとき、センサで前記ピストン（１４）の位置を検出するさらなるステップを具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記ピストン（１４）の前記検出された位置により、前記燃焼シリンダ（２８）内で燃焼が起こっているかどうかを判定するさらなるステップを具備することを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記ピストン（１４）の前記検出された位置により、ミスファイヤが発生しているかどうかを判定するさらなるステップを具備することを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記センサが前記ピストン（１４）を検出する期間を判定するさらなるステップを具備することを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記センサが前記ピストン（１４）を検出しなくなった後、前記パルス化ステップを繰り返すさらなるステップを具備することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記燃焼チャンバ（２８）内に所定量の燃料を噴射するステップであって、前記所定燃料量は、前記センサが前記ピストン（１４）を検出する前記期間に依存する、さらなるステップを具備することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
前記所定燃料量は、前記センサが前記ピストン（１４）を検出した後の前記ピストン（１４）の跳ね返りの大きさに対応することを特徴とする請求項１２に記載の方法。