JP4751000B2

JP4751000B2 - 自由ピストン機関

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Publication number: JP4751000B2
Application number: JP2001584722A
Authority: JP
Inventors: シェーファールドルフ
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-05-15
Also published as: DE10120196A1; JP2003533629A; DE50106900D1

Description

【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２０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３０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６４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３８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２０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１００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１１２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１１４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８６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１１６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１１８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１３０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１３０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１１６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

Claims

作動シリンダ（１４）内に配置される段付き油圧ピストン（８）の小さい端面（１２、６２）、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、段付き油圧ピストン（８）の大きい端面（１６、６４）、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、
圧縮工程中または膨張行程中、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、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（３０）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、
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）であり、
前記ピストン（８）の大きい端面（１６、６４）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）の小さい端面（１２、６２）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）に接続され得る自由ピストン機関であって、
自由ピストン機関は、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自由ピストン機関。
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。
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に記載の自由ピストン機関。
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、機関用ピストン側のピストンロッド（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に記載の自由ピストン機関。
前記機関用ピストン側のピストンロッド（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４に記載の自由ピストン機関。
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（１８）の圧力を受け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。
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６に記載の自由ピストン機関。
ピストン引込弁装置（５４、８４）を含み、それによって、前記圧縮シリンダ（１８）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７のいずれかに記載の自由ピストン機関。
前記ピストン引込弁装置（８４）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（Ｔ）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８に記載の自由ピストン機関。
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９に記載の自由ピストン機関。
大きい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（１１６）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１０に記載の自由ピストン機関。
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（１２２）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（１３０）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１１に記載の自由ピストン機関。
前記第２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に記載の自由ピストン機関。