JP4901659B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本願は、２００２年３月１５日に提出された「対向ピストン対向シリンダ電力セル（OPPOSED PISTON OPPOSED CYLINDER ELECTRIC POWER CELL）」と題する係属中の米国暫定特許出願第６０／３６４６６２号に基づく利益を主張するものである。また、この参照を以て、当該出願における全開示内容をその目的に従い本願に繰り入れるものとする。
本発明は内燃機関に関する。本発明のある種の実施形態は、リニア発電機と一体化された内燃機関に関する。本発明の他のある種の実施形態は、ポンピング手段と一体化された内燃機関に関する。
内燃機関を用いて電力を発生させるシステムは広く知られており、その種の発電機構としては、ピストンの往復運動とリンクして磁束変化を発生させる発電機がある。リニア発電機は本質的にはコイルと一式の磁石とから構成される。コイルとは多重の磁束経路を発生させる巻線を、また磁石とは永久磁石又は電磁石を指している。磁界内をコイルが相対運動すると電流が誘導される。
対向ピストン対向シリンダ燃焼機関や、発電機構付き内燃機関には、様々なタイプがある。そこで、いくつか代表的なものを示すことにする。
まず、１９９８年１２月１５日に発行された米国特許第５８５０１１１号（この参照を以てその内容を本願に繰り入れるものとする）に開示されている例がある。この特許により開示されている自由ピストン・可変ストローク・リニアオルタネータ交流（ＡＣ）発電機は、対向シリンダとピストン対毎に設けられた１個の可動要素とを有する燃焼エンジンによる発電機である。
他の例としては、１９９７年８月５日に発行された米国特許第５６５４５９６号（この参照を以てその内容を本願に繰り入れるものとする）に開示されている例がある。この参照文献に開示されているリニア電機は、１個の発動アセンブリ及び１個のステータアセンブリを有している。
米国特許第３５４１３６２号により開示されている対向ピストンエンジンは、２対のピストン、クランクシャフト、連結ロッド、並びに界磁石及びポールピースを有する少なくとも一式のインダクタを、備えている。このうち連結ロッドによって、相対向する可動部材が往復運動する。
米国特許第５８５０１１１号明細書 米国特許第５６５４５９６号明細書 米国特許第３５４１３６２号明細書
米国特許第５３９７９２２号、第４８７３８２６号又は第４６４９２８３号には、リニア発電機を有する内燃機関が開示されている。しかしながら、これらの従来技術装置はいずれも１又は複数の制約を有している。例えば、これらの従来技術装置は、クランクシャフトやリストピン（クランクピン）といった、甚だしく複雑な可動要素を多数備えており、従ってフリーピストンエンジンとは言えない。更に、上掲の従来技術文献は、エンジン及びこれに関連する電力発生機構を低振動レベル及び高効率で動作させるための、対向して往復運動する質量要素を、示していない。これらの従来技術装置は、また、重く且つ騒音がうるさいという点で不都合である。更にまた、既存のシステムは低効率であり顕著な摩擦損失を発生させることがある。加えて、既存のシステムにおいては、その力学的アンバランスによって、往復運動部品及びこれに関連する可動部品に更なる摩損が生じてしまう。
本発明と同一の発明者によりなされた発明に係る米国特許第６１７０４４３号（本願と同一の出願人による。またこの参照を以てその内容を本願に繰り入れるものとする）には、従来技術における多くの問題点に対する改善が示されている。米国特許第６１７０４４３号に開示されている内燃機関は対向ピストン対を伴う対向シリンダを有している。その対向ピストン対は、それぞれ連結ロッド、例えばプッシュロッドやプルロッドにより、クランクシャフトに連結されている。但し、このシステムは電力発生機構を有していない。また、この特許には３個のシリンダを有するフリーピストン型対向ピストン対向シリンダエンジンは、開示されていない。
本発明によれば、従来技術における上述の問題点の多くが克服され、より効率的なエンジン及び発電システムに対するこれまで実現されてこなかった要請が、達成される。一例を示すと、本発明によれば、２個のピストンが２個の相対向するシリンダ内に中央ピストンと共に配置される“対向ピストン対向シリンダ”（ＯＰＯＣ）構成のエンジンが実現される。このエンジンは２ストロークシステムとしても４ストロークシステムとしても構成できる。このエンジンを作動させると、２個の相対向する運動線が共通軸上に発生する。各要素の質量をバランスさせることにより、共通軸に沿った振動レスの往復機械運動が達成される。
本発明の利点のうち一つは、対向方向における長く精密なストロークを利用でき、ガソリン、ディーゼル、水素、メタノール、エタノール、ＪＰ６／８、天然ガス等、複数種類の燃料により作動できることである。
エンジンの冷却は、例えば空冷の場合はリブ又はフィンにより、また液冷の場合は冷却液を循環させる導管により、それぞれ好適に実施できる。
この軽量コンパクトで効率的なまた振動レス運転できる内燃機関は、相対向する線上での運動をベースとする数多くの用途に用いことができる。その際には、発電機構その他の応用機器へと機械的エネルギを伝達するリンク機構を用いる。例えば、このリンク機構はまた、機械的エネルギをギアその他の構造へと伝達し、最終的に内燃機関におけるホイールその他のドライブ機構を回転させる。
本発明においては、新規なポンピング機構、特にそれを少なくとも１個のフリーピストンを有する３ピストンＯＰＯＣエンジンと併用することを、想定している。このポンピング機構は通常、２個の基本的な構成要素、即ちハウジング、及びその内側に摺動可能に配置されたプランジャから、構成される。リンク機構は、１個又は複数個のピストンによる機械的往復運動を、ポンピング機構の構成要素のうち一方又は双方に伝達し得る。また、ポンピング機構を用いて流体を移送又は圧縮することができる。当業者であれば、ポンピング機構を用いて流体を移送又は圧縮できるため、基本的なポンピング機構を（他の流体移送及び圧縮動作に加え）空気圧又は流体圧による仕事をさせるのに利用できることを、認識できるであろう。
本発明においては、また、ポンピング機構の基本的構成要素における、ある種の新規な構成を、相対向する運動線を発生させる各種形式のエンジンに用いることについて、検討している。例えば、発動手段により提供される相対向した線運動における運動軸に平行な軸に沿って動くよう、ポンピング機構の構成要素を配置することが、可能である。この一般的構成に関する一変形例としては、ポンプハウジング及びプランジャを、ポンプの発動手段と同心配置することが、可能である。なお、発動手段としては、少なくとも１個のフリーピストンを有する３ピストンＯＰＯＣエンジンを、好適に使用できる。
好ましいことに、本発明におけるポンピング機構は、内燃機関用排出ポンプとして構成できる。
注記した通り、本発明の好適な用途のうち一つは電力セルである。この電力セルは、ＯＰＯＣエンジンをリニア発電機等の電力又は磁束発生機構と組み合わせたものである。
電力セルにおいて使用され、その相対運動により磁束を発生させる各種構成のコイルや磁石も、検討されている。例えば、往復運動している中央のダブルエンドピストン（又は連結された２個のピストン）上の運動線を、コイル取り付け用に用いることができる。第１の運動線とこれに対向する運動に係る第２の運動線は、永久磁石又は電磁石の配置用に利用することができる。加えて、付加的な静止構造として、必要な鉄心及びコイルを設けることができる。この構成において、仮にコイルが静止しているならば、第１の発動機はまた磁石及び付加的な鉄の裏打ち材を備える構成とすることができる。
エンジン運転時においては、磁石システムはコイルに対して一方向に動き、一方でコイルは反対方向に動く。従って、磁石対コイルの相対運動により磁束変化が誘起される。磁束は巻線、磁石、鉄の裏打ち材、その他必要とされる構造要素を通る。
エンジンにおけるストローク反転時には、両発動機はその相平行な運動方向をそれぞれ反転させるため、その後も引き続き互いに相対向する方向に運動する。従って、コイルにおける磁束や電流の向きも反転する。
電力セルにおいては、例えば、発動手段により提供される相対向する線運動における運動軸に平行な軸に沿って運動するよう、磁束発生機構の構成要素を配置し得る。この構成の変形例においては、電力セルの発動手段に対し磁束発生要素を同心配置する。好適な例においては、発動手段として、少なくとも１個のフリーピストンを有する３ピストンＯＰＯＣエンジンを、使用する。
本発明は、軸に沿って運動する磁石及び鉄心構造に対するコイル配置の組合せを変化させることにより、単相、二相、三相その他、各種の相の組合せとして構成できる。電力多相化により、より小さくより効率的な電力回路パッケージを得ることができる。
コイルは用途上の必要に応じて構成することができる。また、意図している用途に応じ、相の個数も定めることができる。
磁石の個数は、用途、発電機のサイズ、相の個数、出力の周波数、及びストロークの長さにより異なる。
磁束発生発電機構に属する構成部品の冷却は、その構成部品のアセンブリ中に元々組み込まれているギャップにより、またストローク毎に発動機が分離することにより、好適に行われ得る。
なお、以上の記述は、本発明の実施形態及び特徴事項に関する限定列挙を意図するものではない。当業者であれば、後に掲げる詳細な記述及び図面から、他の実施形態及び特徴事項を導出することができる。
本発明は一般に内燃機関に関するけれども、原理的には、発電機構、流体ポンピング機構、空気圧ドライブ機構、ギアドライブ機構その他の補助機構、即ちピストンの運動に係る機械的エネルギを伝達するために用いられるエンジン上の連結部材乃至リンク部材と結合可能な補助機構に、適用することもできる。
また、１８０度を以て対向している２個のシリンダを有するＯＰＯＣエンジンにより概論するが、他の構造の燃焼室を必要とするような他のシリンダ構造も考慮のうちにある。
また、１個又は複数個のピストンに接続されている連結乃至リンク要素によって、直線反復運動するピストンをシリンダ外の要素に機械的に連結させることが可能である。例えば、必要な機構及び構造が提供されるようシリンダ及び関連するピストンを配置する。その一部として、例えば、連結部材やリンク要素を好適に動かすためのスロット付きシリンダや関連する構造を設ける。ある例においては、以下に詳細に説明するように、２個の外側ピストンがタンデムに（並んで連結されて）動くよう当該２個の外側ピストンがリンク要素により連結される。即ち、ある１個の外側ピストンが中央ピストン方向へと内側に動くと、第２の外側ピストンが中央ピストンから離れて外側へと動くよう、これらの外側ピストンがリンク要素により連結される。
更に、第２の連結部材やリンク要素を中央ピストンに連結するようにしてもよい。即ち、中央ピストンの運動をシリンダ外に伝達させるようにしてもよい。中央ピストンはまた、発電機、流体又は空気圧ポンプ、その他のシリンダ内装置の構成要素に、連結することもできる。従って、外側ピストンが（関連する連結部材やリンク要素と共に）ある方向に沿ってタンデムに（並んで連結されて）動くと、中央ピストンは（関連する第２の連結部材要素と共に）逆方向の運動を伝達する。そして、個々の連結部材によりシリンダ外に伝達されるこれら２通りの運動線は、多くの有用な用途に供され得る。その効果の一つとして、２個の相対向する運動線によってバランスしたエンジンシステムが得られる、という効果を、何ら追加部材を要することなく実現することができる。
また、エンジンを空気、燃料その他の冷媒により冷却するために、冷却フィンや冷却通路をピストンの周りに設けることができる。即ち、適当な冷却通路や空冷フィンをエンジンに設けることができる。
・フリーピストン付きＯＰＯＣエンジンの例
本発明は対向ピストン対向シリンダ（ＯＰＯＣ）内燃機関に関する発明と考え得る。好適には、ＯＰＯＣエンジンにおいては１個又は複数個のフリーピストンが使用される。ここで用いた“フリーピストン”なる用語は、クランクシャフトのような機構、即ち運動を制御する機構に連結されずに、シリンダ内に配置されるピストンを、さしている。シリンダ内におけるピストンの位置は、一般に、燃焼プロセスによって生じる力、（機械的、電気的、流体的又は空気的なエネルギに係る）エネルギ伝達システムの力、並びに動的な質量による力、に依る。ピストン間を同期させるリンク要素と共に、２個又はそれ以上の個数の対向自由ピストンを設けてもよい。
一般に、フリーピストンエンジンは２ストロークエンジンとして考慮に値する。しかしながら、フリーピストンエンジンの４サイクル運転も考慮され得る。４サイクル運転するには、排出ポートと吸入ポートとの間で特別な同期をとらねばならない。また、いくつかのフリーピストンを連結して４サイクルプロセスを実現することによって、効率の低下を補償し、またフリーである質量による力のアンバランスを補償するのが望ましい。
図１並びに図２ａ〜図２ｃに、対向ピストン対向シリンダ（ＯＰＯＣ）エンジン１２１の一例を示す。この対向シリンダは、第１のシリンダ１０３ａと、第１のシリンダ１０３ａに対して１８０度の角度を以て配置されている第２のシリンダ１０３ｂとを、有している。また、図示の如く２個のピストン１０５及び１０７は相対向している。図１においては、ピストン１０７が上死点（ＴＤＣ）位置にあるのに対して、ピストン１０５は下死点（ＢＤＣ）位置にある。中央ピストン１０９は、対をなしている外側ピストン１０５と外側ピストン１０７との中間に、位置している。中央ピストン１０９は、ピストン１０７と協働して燃焼室１１１ｂを、またピストン１０５と協働して燃焼室１１１ａを、それぞれ形成している。また、ＢＤＣにある燃焼室１１１ａは“排気状態”にあると言い得る。しかしながら、ここでは“燃焼室”なる用語を広い意味で使用している。即ち、“排気状態”や現実の燃焼等を含め、シリンダ壁１８１、各外側ピストン１０５若しくは１０７、及び中央ピストン１０９によって規定される様々な体積を包含する意味で、“燃焼室”なる言葉を使用している。更に、ピストン１０５、１０７及び１０９は共通軸１４５上に並んでいる。また、吸入ポート１７７及び排出ポート１７９も図示されている。付加的なリンク要素１８３は、外側ピストン同士を連結し、タンデム動作を生ぜしめている。ピストンから機械的エネルギの伝達を受けるため、ピストン１０５、１０７及び１０９には１個又は複数個の連結部材が接続されている。連結部材１８２はスロット１８５を通っている。スロット１８５等のスロットをエンジン１２１に組み込むことにより、エンジンの全体長を減らすことができる。連結部材は別個の要素とすることもできるし、一体となって動く要素群によるアセンブリとして実現することもできる。また、注記すべきことに、“リンク要素”なる用語は、ここでは、連結要素のうちシリンダ（その中を連結要素がその他の部分と同調して運動する）の外に延びる部分の集まり又は連続体を意味する用語として、用いている。シリンダにスロットを設けるのに代えて、スリーブ及びこれと連携した連結部材を設けることによって、シリンダ壁に孔を設けることを避けることができる。或いは、図示しない連結手段を各ピストン１０５又は１０７の下側や裏面に連結するようにしてもよい。
・ＯＰＯＣエンジンにて使用されるフリーピストンの例
中央ピストン１０９は、例えば２個のピストンヘッド１１０ａ及び１１０ｂを備えている。このような構成を採ることにより、デザインをコンパクトにすることができる。比較するに、従来技術に係るピストンには、比較的長いピストンスカートを設けていた。これは、ピストンに横方向から働く力によってピストンがシリンダ内にてスタックしてしまうことを、スカートによって防ぐためである。これに対して、フリーピストンであって、クランクシャフトやその他のデバイスに連結されていない中央ピストン１０９には、そもそも、横方向の力が作用しない。従ってスカートも不要である。
図１及び図２ａ〜図２ｃに示されるピストン１０９はダブルヘッド１１０を有するデザインであり、そのうち一方のピストンヘッド１１０ａはシリンダ１０３ａ及び外側ピストン１０５と共に燃焼室１１１ａを形成しており、ピストンヘッド１１０ｂはシリンダ１０３ｂ及び外側ピストン１０７と共に第２の燃焼室１１１ｂを規定している。このデザインによって、従来技術におけるピストンスカートは不要とされている。なぜなら、各ピストンヘッド１１０が各燃焼シリンダ内において他のピストンヘッドを案内するからである。ピストン１０５又はピストン１０７に横方向の力が作用しないため、ピストンがスタックすることを防ぐための長いスカートは、もはや必要ではなくなっている。外側ピストン１０５及び１０７は、また、ピストン１０９のそれと同様に小さなピストンヘッド１１０を有している。しかし、ピストンの底部において、燃焼室から高温の排出ガスを分離しそれらを逃がすのが望ましいことから、専ら排出ポート１７９において、ピストン１０５又は１０７の下側乃至裏面側（底面側）におけるピストン長を長くし、協働する一式のピストンリング（例えばリング１８７）を収容するようにすることができる。
中央ピストン１０９をこのように設計することによって、エンジン１２１全体のパッケージをコンパクトにすることができる。即ち、ピストン１０９の底面側は、ピストンヘッド１１０ａ及び１１０ｂ間の構造として規定されているように、ユニークな特徴を有している。特に、ピストン１０９の底面側はシリンダ壁１８１と協働して室を形成しており、この室によって、吸入ガスの脈動流を緩衝することができる。この緩衝室は、例えば吸入ガス室１７８として使用することができる。吸入ガス、例えば所望の燃料と空気とを適切な比率を以て混合したものは、既知の手段によって室１７８内に初期充填される。そして、中央ピストン１０９が共通軸１４５に沿って反復運動すると、これと合いの手をうつようにして、図１及び図２ａ〜図２ｃに示される吸入ポート１７７が運動中の室１７８内を横切り、新たな吸入ガスを各燃焼室１１１ａ又は１１１ｂ内に導入させる。ピストンヘッド１１０ａ又は１１０ｂの底面側、吸入ポート１７７と室１７８との間に、シーリングを設ける必要はない。
ピストンリング１８９は、膨張及び圧縮ストローク中において燃焼室１１１をシールするため、並びに吸入空気と燃料の混合気が燃焼室１１１に適切でないタイミングで流入することを防ぐために、使用できる。従って、２個のピストンヘッド１１０ａ及び１１０ｂ並びにピストンリング１８９を収容するのに十分な長さがあれば足りることから、ピストン１０９は従来技術におけるピストンに比べて非常に短くすることができる。そして、室１７８の壁により、シリンダと小型な中央ピストン１０９との間の空間が規定される。
外側ピストン１０５及び１０７もまたユニークな特徴を有しており、これもエンジン１２１のパッケージをコンパクトにする上で一助となっている。該当する特徴事項の一つは、ピストン１０５又は１０７表面上の点から正接方向に延びるように、それぞれ連結部材１８２を設けたことである。シリンダ１０３には例えばスロット１８５を設け、このスロット１８５により、ピストン及び関連連結部材１８２が摺動動作を行えるようにしている。スロット１８５はシリンダ１０３の長さを最小化するよう位置決めされているため、スロット１８５においてギャップ、即ちピストン１０５又は１０７及びシリンダ１０３のシーリングにおけるギャップが生まれている。
即ち、リング１８７のうち、あるリングが、スロット１８５に、位置的に重複乃至一致すると、シールにギャップが生まれる。そこで、協働する一連のリング１８７を例えば各ピストン１０５又は１０７の底部に沿って分散配置することによって、少なくとも１個のリングがシリンダ１０３の一部分、即ちスロット１８５及び排出ポートを含む部分と位置的に重複乃至一致したとき、他のもう１個のリングによってピストン１０５又は１０７と燃焼室１１１との間に好適なシールを保持させるようにする。ピストンリング１８７及び１８９の更なる詳細については後に説明する。
以上、３個のピストンを有する構成を例として本発明に関する説明を行った。当業者であれば、ピストンの個数を変えた構成例えば４個のピストンを有する構成がどのようなものであるかを、以上の説明における教示を参照して理解することができよう。また、図６に、単純化した３ピストンＯＰＯＣエンジン２１を示す。この例では、中央ピストン９はシリンダ３ａ及び３ｂ内にて燃焼室１１ａ及び１１ｂを形成している。シリンダの反対側にはそれぞれ外側ピストン５及び７が設けられており、それら外側ピストン５及び７は中央ピストンに対して対面している。更に、図９に、２個の中央ピストン１３ａ及び１３ｂを連結して構成した中央ピストン変形例を示す。この例では、ピストン１３ａとピストン１３ｂとの間が、２個の連結ロッド１５ａ及び１５ｂ並びに中央ピン１７により連結されている。
・ＯＰＯＣフリーピストンエンジンと共に使用されるリングの例
ピストン１０５、１０７及び１０９は、図示の如く、各燃焼室１１１ａ及び１１１ｂに対し従来型ピストンリング例えばピストンリング１８７及び１８９により、シールされている。
リングは、また、排出ポートを燃焼室及び緩衝室に対してシールしている。
リングは、総じて、コンパクトで丈の短いエンジンを実現する一助となっている。外側ピストン１０５及び１０７の底面側には、一式のピストンリング１８７が設けられている。これらのリングは、ピストンが動いてスロット１８５上にリングが位置したため一方のシールが破れたときに、これと一連をなす他のリングが例えばシリンダ壁１８１に対する必要なシールを提供するよう、スロット１８５と協働する。このようにして、排出ポート１７９は、ピストン１０５及び１０７の下側にある室から隔絶された状態を保つ。
注記すべきことに、吸入ポート１７７は吸入ガス室１７８に対してシールされていない。このことも、エンジン１２１の全長を短くする上で有意な要因である。
・ＯＰＯＣフリーピストンエンジンと共に使用される吸入システムの例
空気、燃料その他必要な未燃ガスは、既知の手段によって燃焼室１１１ａ及び１１１ｂ内へと導入できる。好適な空気導入方法としては、吸入ガス室１７８によってシリンダをガス源の引入口と連結する、という方法がある。吸入ガス室１７８は中央ピストン１０９の下に配置できる。或いは、図示しないリンク流路を用いて燃焼室内へと、吸入ガスを送り込むようにすることもできる。この種の流路はその直径が小さい通路であり、各燃焼室１１１内への導入につれてガスは、より高圧な給気（過給）圧となる。
燃料と空気の混合及び導入に既知の手段を使用することにより、オットーサイクル、ディーゼルサイクル、ＨＣＣＩ（Homogeneous Combustion, Compression Ignition）等の燃焼プロセスを使用することができる。
・ＯＰＯＣフリーピストンエンジンと共に使用される燃焼システムの例
本発明におけるエンジン１２１は、様々な燃料及び燃焼プロセスと共に使用できる。例えば、空気と燃料の均質な混合気、火花点火、並びに外部混合気のスロットル制御を含め、エンジン１２１をオットーサイクルに従いガソリン向けに構成することができる。
エンジンはまた、例えばディーゼルサイクルに従いディーゼル燃料向けに構成することができる。即ち、燃焼室内に直接燃料を噴射することにより、燃焼室内部の燃料と空気の混合の質、即ち圧縮点火を伴う不均質混合気の質を制御する（即ち噴射燃料質量による燃焼の制御を意味する）。
加えて、エンジン１２１にてＨＣＣＩサイクルを使用することもできる。ＨＣＣＩとは、圧縮点火及び外部若しくは内部空燃混合を伴う均質混合のことを言う。エンジン内に燃料及び空気を導入する方法として他の方法を用いても、好適に動作し得るであろう。例えば、空気及び燃料をエアベルトやキャブレタや噴射システム内にて混合することもできる。
また、従来技術に係る他の種類のエンジンと共に、本願にて述べる実施形態に、吸入空気のスーパーチャージング又はターボチャージングを用いることもできる。
・ＯＰＯＣフリーピストンエンジンと共に使用されるタイミング及び排出システムの例
特に図２ａ〜図２ｃには、３個の基準位置におけるエンジン１２１の状態を順に示してある。そのうち図２ａにおいては、ＯＰＯＣエンジン１２１は、その右側に関し下死点（ＢＤＣ）と呼ばれる位置にある。或いは、より詳細に言えば、シリンダライナ乃至シリンダ壁１８１並びに外側ピストン１０７及び中央ピストン１０９により規定される燃焼室１１１ｂが、ＢＤＣ位置にある。図２ｂに示したのは中間位置にあるエンジン１２１である。そして図２ｃに示したエンジン１２１は、その右側の燃焼室１１１ｂに関し上死点（ＴＤＣ）と呼ばれる位置にある。
便宜上、エンジン１２１の片側のシリンダ１０３ａ（図１参照）についてのみ説明を行い、エンジン１２１についての説明とする。これは、システムが概略左右対称であるためである。即ち、両燃焼室１１１ａ及び１１１ｂの双方について、同様の構成要素及び構成部品が設けられていることによる。
排出ポート１７９は、吸入ポート１７７よりも高背の構成要素である。即ち、吸入ポートの背丈（高さ）が例えばピストンストロークの１０〜２５％であるのに対して、排出ポートの背丈（高さ）は例えばピストンストロークの２５〜４０％程の高さであり、排出ポートは吸入ポートに比べて例えばピストンストロークのおよそ１５〜２０％程も高背である。これにより、排出ポート１７９はまず、吸入ポートが開く前に、圧力下にある排出ガスを燃焼室から排出ポートへと逃がし、シリンダ１０３ａの内圧を下げる。そして、吸入ポート１７７が開き、所望の空燃混合気が燃焼室に入って、新規の圧縮ストロークが開始される。普通、シリンダ１０３ａの、あるサイクルに係るシーケンス（順序）は、まず燃焼後にピストン１０５及び１０９が分離し、排出ポート１７９が開くところから始まる。そして、中央ピストン１０９がＴＤＣ位置からＢＤＣ位置へと動くと吸入ポート１７７が開く。次に、吸入ポート１７７が閉じ、最後に排出ポート１７９が閉じる。外側ピストン１０５及び中央ピストン１０９が図２ｃに示すようなＢＤＣ位置にくると、サイクルが完了し往復運動が始まる。これは、エンジン１２１における動作タイミングが左右対称であることによる。
外側ピストン１０５及び中央ピストン１０９がシリンダ１０３ａ内でＴＤＣ位置からＢＤＣ位置へと動くのと同時に、外側ピストン１０７及び中央ピストン１０９はシリンダ１０３ｂ内でＢＤＣ位置からＴＤＣ位置へと動く。
或いは、中央ピストン１０９と外側ピストン１０５及び１０７との間で相異なる形態で（時間的に位相をずらして）機械的エネルギを取り出す装置を用い、中央ピストン１０９並びに外側ピストン１０５及び１０７のシーケンスを操作することにより、ピストンの動作タイミングを左右非対称にすることもできる。
動作の過程において、排出ポート１７９及び吸入ポート１７７が同時に開くことにより、圧力波が生じて燃焼後ガスの排出が促進される。
好適な実施形態においては、外側ピストン１０５及び１０７はサイクル時間の１０％程も中央ピストン１０９より先行させる。外側ピストン１０５及び１０７が中央ピストン１０９に対して厳密に反対に動いているのであれば完全にバランスするのであるが、このような非対称即ち中央ピストンに対する外側ピストンの先行によって、より望ましいタイミング特性が得られる。また、他にエンジンバランスを向上させるような特徴を設けるようにすれば、エンジンの構成に必要な可動要素のそれぞれについて、それと同様の質量を有し、常時それと逆方向に動く他の構成要素とマッチングさせることができる。即ち、エンジンバランスを確保する目的で質量要素を付加する必要は、ない。なお、本発明の特徴事項の一つは、従来のエンジンにおいて散見されていた可動要素、例えばクランクシャフトやカムやリストピンやリンクやバルブその他の関連部品等、可動要素の個数を削減することである。
・ＯＰＯＣフリーピストンエンジンにおける運転モードの例
ＯＰＯＣエンジンにおいては、シリンダストロークＣＳは２個のピストンストロークＰＳに分けられている。燃焼ピストンエンジンにおけるピストンスピード乃至速度は、摩擦工学上の境界条件により１４ｍ／ｓｅｃに制限されている。最適なピストンストロークＰＳ対口径Ｂの比であるＰＳ／Ｂは１±０．１５である。これは、所与のピストンスピードにおいてＯＰＯＣエンジンが従来エンジンの２倍、シリンダストロークすることを意味している。この特徴事項は、フリーピストンＯＰＯＣ燃焼エンジンにおけるユニークな利点である。内径Ｂのほぼ２倍にも至る長いシリンダストローク（ＣＳ〜２×Ｂ）は、基本的に、非常に効率的な２ストローク排出につながり、熱力学上の改善につながるものである。
本発明におけるエンジンの排気量ＤはピストンストロークＰＳ及びシリンダの口径Ｂによって規定されている。好適な実施形態においては、第１のシリンダ１０３ａと第２のシリンダ１０３ｂとを設け、各シリンダ１０３ａ及び１０３ｂの長さを、ピストンストロークＰＳの少なくとも３．５倍＋中央ピストン１０９のピストンヘッド１１０の高さ＋外側ピストンにおける連結要素１８２ａ用付加長さ、とする。これによって、エンジン１２１の全長は、最小でピストンストロークＰＳの８倍に収まる。例えば、好適な実施形態においては、全長がピストンストロークＰＳの（９±１）倍となる。ＯＰＯＣユニットの排気量Ｄは、Ｄ＝ＰＳ×Ｂ2×πとなる。ピストンストロークＰＳは例えば口径Ｂの（１±０．１５）倍である。
・エンジン駆動ポンプ機構
本発明の技術的範囲には、本願にて説明したＯＰＯＣエンジンを含め対向運動線を提供するエンジンと結合された、新規なポンピング機構も包含される。ＯＰＯＣエンジン１２１の有用な用途の一つは、上述したように、図２ａ〜図２ｃに例示した外付けポンプ装置用の発動機構である。しかしながら、ポンプ機構以外にも、ピストン１０５、１０７及び１０９の直線的反復運動を利用することができる装置は数多くある。即ち、部材１８２ａ、１８２ｂ及び１８２ｃのような連結部材を各ピストン１０５、１０７又は１０９に取り付け又はリンクさせれば、ＯＰＯＣエンジン１２１の外部に機械的エネルギを伝達させることができる。想定されているポンピング装置の一つは、電力セルである。他の用途としては、空気圧コンプレッサや流体圧ポンプがある。言い換えれば、ポンプは、そのポンプの吸入バルブを介し各種流体を圧縮乃至移送させるのに、使用できる。好適な変形例は本件技術分野において容易に理解され得る。
説明を目的として、通常のポンプ機構を示す。図２ａ〜図２ｃに示す通りＯＰＯＣエンジン１２１はハウジング１３５及び第１のプランジャ１３１から構成された外部ポンプアセンブリを有している。第１のプランジャ１３１は、エンジン１２１の外側ピストン１０５及び１０７から各連結部材要素１８２を介して延びたリンク要素１８３に連結されている。また、付加的な第２のプランジャ１３７は、図示の如く、連結部材１８２ｃによってエンジン１２１の中央ピストン１０９に連結されている。
ハウジング１３５は、エンジン１２１の外部に設けることができる。図示される如く、ハウジング１３５をエンジン１２１の周囲に置くことによって、第１のプランジャ１３１及び付加的な第２のプランジャ１３７によるポンプ動作を共通軸１４５に対して概略平行に行わせることができる。
もしポンプに第１のプランジャ１３１及び第２のプランジャ１３７双方が設けられているのなら、第１のプランジャ１３１をピストン１０５及び１０７に、第２のプランジャ１３７をピストン１０９にそれぞれ連結することによって、２個の相対向する運動線が得られる。即ち、システム全体１２１について好適なバランス、振動及び騒音特性を得ることができる。この構成においては、共通室内に得られるポンプはダブルポンプである。
内燃機関と一体化されている典型的な実施形態においては、空気、燃料又はその双方が、一連のリードバルブ（図示せず）によってハウジング１３５内に導入される。ここで述べたことからも理解され得るように、空燃混合気における空燃比は、純粋空気（燃料なし）から純粋燃料（空気なし）に至る範囲にて、どの様にも設定できる。リードバルブのうち少なくとも１個はハウジング１３５の一方又は双方の端部、例えば端部１３８ａ及び１３８ｂに置かれる。このようにしておけば、当該混合物は、第１のプランジャ１３１及び付加的な第２のプランジャ１３７におけるポンピング動作により、適当なバルブを介してハウジング１３５内に引き込まれる。例えば、図２ｃにおいては、ピストン１０５が下死点にあり、ハウジング１３５の内壁及び第１のプランジャ１３１によって規定される室１４０ａが、ハウジング１３５内に形成されている。プランジャ１３７の運動によってある体積が移動するため、室は左側の室１４０ａと右側の室１４０ｂとに分かれている。プランジャ１３７が右側に変位すると、左側の室１４０ａの体積が増加しその圧力が低下する。室１４０ａ内の圧力がハウジング１３５の外の圧力よりも低下すると、混合物は例えば図示しないリードバルブを介して室１４０ａ内に引き込まれる。ピストン１０５が下死点から上死点へと変位すると、プランジャ１３７の運動方向が反転し、室１４０ａ内の混合気が圧縮されて既知の手段（例えば導管、チャネルその他の流路）によりガス吸入室１７８へと押しやられる。ハウジング１３５とエンジン吸入ポート１７７との間には、図示しないもう一式のリードバルブを置けばよい。そうすれば、同様の形態での反転往復動作により、混合気が室１４０ｂに引き込まれる等、以上に述べたものと同様のプロセスが実行される。
流体乃至空気をポンプ装置内に導入するには、リンク要素１８３内に管を組み込んでおけばよい。例えば、リンク要素１８３を中空パイプとし、エンジン１２１の外部からこの中空パイプ内に空気乃至流体を通してハウジング１３５内に導き、ハウジング内の空洞や第１のプランジャ１３１や付加的な第２のプランジャ１３７へと送給すればよい。従って、流体乃至空気は多目的に使用できる。例えば、流体乃至空気を用いて構成部品を冷却することができる。また例えば、流体乃至空気を空気圧乃至流体圧シリンダ内で用いて、エンジン１２１の外部で仕事をさせてもよい。理解されるであろうが、ポンプ装置を空気と燃料からなる気体混合物用に使用した場合、プランジャでその体積を圧縮することができる。しかしながら、ポンプ装置はまた、ある体積の流体、例えば非圧縮性の流体を変位させる用途にも、使用できる。
外部ポンプは、共通シリンダ１０３の周縁を取り巻くような連続的な要素配置形状を以て、配置することができる。例えば、エンジンの周りにポンプを同心配置することができる。また、ＯＰＯＣエンジン内のピストンによって提供される対向直線運動にポンプを適合させるような配置を採ることも、同様に好ましいことである。
・排出ポンプの例
図１及び図２ａ〜図２ｃにおいては、第１のプランジャ１３１及び第２のプランジャ１３７を共通ハウジング１３５内に設けた構成を有する“ダブルポンプ”を用いて、エンジン１２１に燃料及び空気を導入している。このような用途を、便宜上、排出ポンプと称する。ここではダブルポンプを有する構成として本発明を検討することとするが、シングルポンプを備える構成として本発明を実施することもできる。
図３ａ〜図３ｃに、ＯＰＯＣエンジン２１に連結された排出ポンプを示す。排出ポンプ使用時においては、所望の比の燃料及び空気が既知の手段によってハウジング３８内に導入される。例えば、燃料は、例えば２０００ｂａｒといった高圧で、或いはディーゼル燃焼プロセスにて要求される圧力にて、噴射される。他の例としては、シングルソレノイドにより実行される低圧注入であり、この例においては、電気信号によってソレノイドプランジャを開かせ、それによって燃料を低圧でハウジング内に、又は吸入ポート近傍のエアベルト内に、注入させる。
典型的な実施形態においては、図示しない一式のリードバルブによって空気、燃料又はその双方がハウジング３８内に導入される。ここで述べたことからも理解され得るように、空燃混合物における空燃比は、純粋空気（燃料なし）から純粋燃料（空気なし）に至る範囲にて、どの様にも設定できる。リードバルブのうち少なくとも１個はハウジング１３５の両端、例えば端部１０ａ及び１０ｂに置かれる。このようにしておけば、当該混合気は、例えばコイル３０のような第１のプランジャや、例えば磁石２５のような第２のプランジャによる、ポンピング動作によって、ハウジング３８内に引き込まれる。
コイル３０は、ぐるりと配置された磁石２５により規定される室４２において第１のプランジャとして動作する。コイル３０が室４２内で往復運動すると、ある体積の流体乃至空気が圧縮され、少なくとも１個のリードバルブとの協働によってエンジン２１内へと送られる。同様に、磁石２５は、ぐるりと配置されたハウジング３８の内側を規定する室４０において、第２のプランジャとして動作する。リードバルブを室４０と室４２との間に置くことにより、流体若しくは空気又はその双方の流れを単一方向に保つことができる。ある実施形態においては、一式のリードバルブが室４２ａと室４０ａとの間に置かれ、第２の一式のリードバルブが室４０ｂと室４２ｂとの間に置かれる。このようにすることによって、膨張ストロークにおいて流体乃至空気は各室に引き込まれ、圧縮ストローク（圧縮工程）において次の室又はエンジン内へと送り込まれることとなる。
・電力セル（ＥＰＣ）の例
本発明は、２個の相対向し、かつ直線的な運動をする運動要素、又は往復運動要素及び静止要素を用いて、新規な発電機構又は磁束発生機構として実施できる。当該構成要素のうち一方は１個又は一連のコイルであり、他方は１個又は一連の磁石であって、これら構成要素はその相対運動により磁束が誘起誘導されるように配置される。図３ａ〜図２３ｃに、本発明による新規な電力セル、磁束発生機構及び関連する構成部品の一例を示す。（同一の特徴事項については同一の符号によって（３桁の番号が付されている場合はその最後２桁を同一とすることによって）示す）。
・相対向する運動線を提供する発動機構を備えた電力セルを形成するのに使用される磁束発生機構の例
本願で述べる磁束発生機構は、２個の相対向する運動線を発生させる機構と組み合わせて用いることができる。その種の機構として特に関心を寄せ得るものとしては、機械的エネルギを対向する方向に同時伝達可能な同期要素を有する内燃機関がある。従って、ＯＰＯＣエンジン、例えばエンジン２１の新規且つ主たる用途の一つは、本願で述べる磁束発生機構と共に用いて電力セル内で電流を発生させることである、と言える。ここで述べる実施形態においては、磁束発生手段からシステム外部への交流の伝達は、既知の手法により実現できる。好適に使用できる伝達手法としては、図３ａ〜図５ｂに示したリンク要素８３、８３ａ及び８３ｂと電気的に接触する電気ブラシ又はスリーブ状の接触子を用いる、という手法がある。
本願における“磁石”とは永久磁石、誘導磁石その他、磁束を提供できる手段を意味しており、例えばＨａｌｂａｃｈシリーズ等のことを指している。磁石のＨａｌｂａｃｈシリーズは、共通軸４５に直交する方向に対するシーケンスとして、Ｎ極磁石とＳ極磁石との間に東向き磁石や西向き磁石をちりばめた交番シーケンスを含んでいる。これと同様に、Ｎ極とＳ極とが交番する一連の磁石のセットを、用いることもできる。磁石なる用語は、また、磁性部品に直接物理的に接触する鉄の裏打ち材をも含む意味で、また磁性部品から空隙により分離されている鉄の裏打ち材をも含む意味で、用いられている。磁石なる用語についてはこのように様々な定義を与えることができ、またこれらの定義は図面に明示されている。
本願における“磁気的に誘導可能な磁束要素”とは、磁石が作用して磁束を誘起誘導させる構造を意味している。典型的には、磁気的に誘導可能な磁束要素とは、コイル、即ち銅線やアルミニウム線等の導電性物質による巻線のことを、指している。便宜上、以下の説明においては、文脈上の例外を除いて、“コイル”なる用語を“磁気的に誘導可能な磁束要素”なる用語と相互互換的に用いるものとする。従って、簡易捲回コイル、コイル巻線、界磁巻線、表面巻線その他、各種のデバイスを、本発明の好適な実現実施に利用できる。
ワイヤとワイヤの間、又はワイヤの層とワイヤの層との間には、絶縁素材を配置することができる。そのようにすれば、ワイヤをいくつかの層又は行に亘って積み重ね又は捲回することができる。
磁束発生機構における可動要素は、その相対運動により磁束が誘起誘導する要素、即ち磁石、コイル又は鉄の裏打ち材の組合せにより実現できる。可動要素は例えば固定型の支持構造を有する。即ち、コイル対磁石の相対運動により磁束変化を引き起こしコイルに電圧を誘導させ電流を発生させる、という原理は、様々な可動要素を適宜組み合わせ、それらや固定要素を適宜協働させることにより、実現することができる。
固定要素及び可動要素の配置例を図７ａ〜図２０ｃに示す。これらのコンポーネントは本願で述べたＯＰＯＣエンジンと組み合わせることができる。或いは、相対向する運動線を提供可能な他種の発動機構を、配置に係る磁束発生要素と組み合わせて用いることもできる。
図７ａ〜図７ｃに示す実施形態においては、裏打ち積層層１２８に接続された少なくとも１個のコイル１３０から構成される表面実装コイル１３２が、可動磁石１２５に対して移動している。表面実装コイル１３２は、表面実装された一連のコイル１３０から構成されている。図示の例では、３セットの表面実装コイル１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃが、共通の裏打ち積層層１２８上に取り付けられている。このコイル１３２は磁石１２５に対して相対的に運動する。例えば、磁石における一連のＮ極磁石１３９及びＳ極磁石１４１は交番配置され、またこの磁石は鉄の裏打ち材１３４を備えてアッセンブリ１３６を構成する。ある望ましい実施形態においては、コイルセグメント１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃの、磁石１３９及び１４１に対する寸法比率が、三相電流を発生させるべく３：２に設定される。要素間の相対運動は図中の矢印１５７により示す通りである。
図８ａ〜図８ｃに、可動磁石１２５に対し相対運動している可動コイル１３２を示す。この例においては、コイルは３セットの表面実装コイル１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃを有しており、これらはいずれも共通の裏打ち積層層１２８上に取り付けられている。磁石１２５における一連のＮ極磁石１３９及びＳ極磁石１４１は交番配置されているが、この例における鉄の裏打ち材１３４は積層状態で固定されている。更に、この例でも、三相電流を発生させるため、コイル１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃの、磁石１３９及び１４１に対する寸法比率は所望の比率３：２に設定されている。
図１０ａ〜図１０ｃに、裏打ち積層層１２８を伴う３セットのコイル１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃを有する表面実装コイル１３２を示す。表面実装コイル１３２は、可動磁石１２６に対して相対的に運動している。磁石１２６は一連のＨａｌｂａｃｈ磁石である。
他の好適な可動要素の例としては、図１１ａ〜図１１ｃに示すように、コイル巻線３０がある。この例でも、磁石２５は交番配置された一連のＮ極磁石３９及びＳ極磁石４１から構成されており、更に鉄の裏打ち材３６を備えている。磁石２５及び鉄の裏打ち材３６は第２の可動要素を構成している。コイル３０は例えば裏打ち積層層３４及び歯３２を有している。歯３２はコイル巻線の各セット３１ａ、３１ｂ及び３１ｃを互いに分離している。また、コイル巻線３１ａ、３１ｂ及び３１ｃの、磁石３９及び４１に対する寸法比率は、三相電流を発生させるため３：２に設定されている。
図１２ａ〜図１２ｃに、Ｈａｌｂａｃｈシリーズの可動磁石２６に対して相対的に運動しているコイル３０を示す。先に述べたように、コイル３０は歯３２を有しており、歯３２は各セットの巻線３１を互いに分離している。Ｈａｌｂａｃｈシリーズの磁石２６が第２の発動機であるため、鉄の裏打ち材は不要である。
図１３ａ〜図１３ｃに、可動磁石３７に対して相対的に運動しているコイル３０を示す。ここでは、磁石３７が鉄の裏打ち材３８から分離されている。鉄の裏打ち材３８は、磁石３７に対して静止した状態で保たれて積層されている。
図７ａ〜図１３ｃに示した各例においては、可動要素のうち一方はコイルであり第２の可動要素は磁石である。各可動要素は、互いに分離しつつ、かつ相対向する運動線を、必要としている。
これに代わる例としては、図１４ａ〜図１４ｃに示すように、固定コイル２９及び可動磁石２５／３７を有する例がある。この実施形態においては、コイル２９は歯３１等の巻線セパレータを有しており、この巻線セパレータは巻線３３同士を分離している。裏打ち材３４もまたコイル２９を有している。少なくとも１個の磁石２５／３７は固定コイル２９に対して相対的に運動している。磁石は図示の如く可動裏打ち材３６を備える構成とすることができる。
図１５ａ〜図１５ｃに示されている表面実装コイル１３０は、分割されている第２の可動要素間に配置されており、この第２の可動要素は磁石１２５を有している。各磁石１２５は鉄の裏打ち材１３４を有している。コイル１３０は積層裏打ち材を必要としていない。
分割されている可動要素の他の例を図１６ａ〜図１６ｃに示す。第１の可動要素はコイル２８とすることができる。第２の可動要素は、Ｈａｌｂａｃｈシリーズの磁石２６等、分割されている可動要素とすることができる。コイル２８は、分割されている第２の可動要素とは逆方向に運動している。
図１７ａ〜図１７ｃに、第１の可動要素例えばコイル２８、並びに分割されている第２の可動要素例えば磁石２５に関し、他の好適な例を示す。この例においては、各磁石２５が可動要素であり、それぞれそれに対応する鉄の裏打ち材３８が固定である。この構成においては、磁束変化が可動要素の速度の２倍の速度で生じる。２個の可動要素をタンデムに且つ相対向する方向に動かす上で、ＯＰＯＣエンジンを好適に使用することができる。
図１８ａ〜図１８ｃに、２個の可動要素に代わる例を示す。即ち、この例では可動要素はコイル１３０のみである。磁石１２５ａ及び１２５ｂは固定にすることができる。この構成においては、磁束変化が第１の可動要素のスピードに対して正比例している。従って、図３ａ〜図５ｂに示したＯＰＯＣエンジン２１と組み合わせて用いた場合、コイル１３０はピストンのうち１個、例えば中央ピストン９と同じ速度で動く。ピストン９の反復運動は、図３ａ〜図３ｃに示したリンク要素８３等の伝達機構を介して、コイル１３０に伝わる。可動コイルの重量を減らしスピードを上げるには、コイルを分割してその一方を中央ピストンにリンクさせると共に他方を外側ピストンにリンクさせればよい。これによって、質量付加なしに、システムのバランスを改善することもできる。
図１９ａ〜図１９ｃに、コイル１３０から構成される第１の可動要素を示す。第２の可動要素はＨａｌｂａｃｈシリーズ１２６に分割されている。この例の動作は先に述べたものと同様の原理に基づいている。なお、符号と部材の関係は先に述べたものと同様である。
表面実装コイル、例えば図２０ａ〜図２０ｃに示すコイル１３０は、磁石１２５ａ及び１２５ｂ等、分割された第２の可動要素間に配置することができる。図２０ａ〜図２０ｃに示すように、磁石１２５ａ及び１２５ｂは、それぞれ、対応する固定型の鉄の裏打ち材１３４ａ及び１３４ｂを有している。
図７ａ〜図８ｃ、図１０ａ〜図１３ｃ、図１５ａ〜図１７ｃ及び図１９ａ〜図２０ｃのそれぞれにおいては、各可動要素を反対方向に反復運動させるため、２個の相対向する運動線が必要とされる。このような運動線は、既知の手段により又は本発明に係る手段により提供することができる。
・ＯＰＯＣエンジンを使用するＥＰＣの例
２つの相対向する運動線を発生させるのに好適な機構の一つとして、ＯＰＯＣエンジンがある。特に利点の多い対向運動線提供型エンジンは、図３ａ〜図５ｂに示したエンジン２１のような、或いは図１〜図２ｃに示したエンジン１２１のような、或いは米国特許第６１７０４４３号に記載された４ピストンＯＰＯＣエンジンのような、ＯＰＯＣフリーピストンエンジンである。明瞭化の観点から、図３ａ〜図５ｂに示したＯＰＯＣエンジン２１を用い、電力セルの一例に関し説明を行う。
本願において先に説明した通り、ＯＰＯＣエンジン２１は２個の相対向する外側ピストン５及び７、並びに中央ピストン９を有している。外側ピストン５及び７は、それぞれ対応する連結部材８２ａ及び８２ｂを有している。連結部材８２ａ及び８２ｂは１個又は複数個のリンク要素８３により互いにリンクされている。外側ピストン５及び７が軸４５に沿って直線的に往復運動すると、この往復運動は連結部材８２によりエンジン２１外へと伝達される。即ち、ピストン５及び７の往復運動は軸４５と平行な軸へと伝達される。図示の如く、コイル３０はリンク要素８３に連結乃至リンクされており、このリンク要素８３は連結部材８２に連結乃至リンクされている。外側ピストン５及び７がタンデムに動くと、コイル３０は第１の線に沿って運動する。
第２の運動線はコイル３０の運動とは逆方向を向いており、中央ピストン９に連結乃至リンクされている連結部材８２ｃ等、１個又は複数個の連結部材に一組の磁石２５を連結乃至リンクすることによって、この運動線が形成されている。中央ピストン９が外側ピストン５及び７とは逆方向に動くことから、磁石２５はコイル３０とは逆方向に動く。
所望のシステムバランスを確保するため、発電機構には、バランスしつつ相対向する方向に動く可動要素群を、設けておくことができる。これらの可動要素は、第２の可動要素例えば磁石２５のそれと等しい又は近い質量を有するものとする。加えて、可動質量を減らすため、所要の鉄の裏打ち材を固定支持構造、乃至ハウジング３８内に設けておくことができる。
固定要素と共に単一の可動要素を備える従来システムと比較するに、２個の可動要素例えば磁石及びコイルを反対方向に動かす本発明は、従来技術における磁束変化速度の２倍の磁束変化速度を提供することができる。２個の相対向する可動磁束発生要素により概ねもたらされている急峻な磁束変化は、得られる電圧も２倍になるという点で、有利なものである。本願に記述したシステムにおける電力密度を上昇させるには、２個の相対向する運動線に沿う往復運動の速度、磁力、又はその双方を増大させればよい。空隙における磁気テンションは、コイル、空隙及び磁力の間の関係を示す関数によって与えられる。従って、磁石の強度を強め、又はコイルにおける巻数を増やすことにより、最適な配置とすることで、電力出力を最適値に調整することができる。或いは、コイルや磁石等の可動要素を軽量化してその往復運動を高速化することによっても、電力出力を増大させることができる。図３ａ〜図５ｂに示すように、磁石２５に対するコイル３０の相対速度はリンク要素８３又はピストンの速度の２倍である。当該相対速度は２４ｍ／ｓｅｃ程にも高めることができる。これは、燃焼機関における実現可能平均ピストン速度の２倍である。従って、磁束変化の速度は運動線が単一である場合の２倍となる。
磁束変化速度は交流成分を含んでいる。図３ａ〜図５ｂに、三相発電機構を示す。三相のうち少なくとも一相は、コイル３０の一巻線に導通接触しているリンク要素８３ａに連結乃至リンクさせる。コイル３０の巻線のうち第２の相を発生させる第２の巻線はリンク要素８３ｂと連結乃至リンクさせ、第３の相を発生させる第３の巻線はリンク要素８３と連結乃至リンクさせる。
コイル３０は、例えばアルミニウム線又は銅線を捲回したものである。可動コイル例えばコイル３０には、例えばアルミニウム線を用いる。アルミニウム線は割合に高抵抗であるが、反面、低密度でもある。従って、アルミニウム製の大直径ワイヤを使用することにより、可動要素における重量特性を、所望の重量、例えば銅の１／２倍の重量とすることができる。
・周囲を取り巻くよう配置された可動要素を有するＥＰＣの例
磁束発生要素付きＯＰＯＣエンジンの用途に関する以上の説明に基づき、図３ａ〜図５ｂに示した効果的且つ特徴的構成要素に関して説明を行う。図示した実施形態においては、磁束発生機構は、ピストン５、７及び９の運動に係る共通軸４５の周りに且つ当該共通軸４５に沿うよう、配置されている。例えば、配置されているコイル３０に対し、一組の磁石２５及び一組の磁石３７を同心的に且つ摺動可能に配置する。コイルは第１の運動線に関連づけられており、この第１の運動線は、中央ピストン９に係る部材間を連結することによって提供されている。他方、磁石２５は、対応するエンジンから第２の線に沿った反復運動を伝達する連結部材８２ｃに、連結乃至リンクされている。第１の運動線に係る運動と第２の運動線に係る運動とは逆方向である。従って、磁石２５はコイル３０に対して逆方向に動く。好ましくは、各可動要素間には間隙を設ける。本実施形態においては、磁束発生機構の一次可動要素が、図示されている支持構造乃至ハウジング３８によって、取り囲まれている。ハウジング３８は、磁石２５用の鉄の裏打ち材として使用できるだけでなく、各可動要素用の支持構造としても機能させることができる。ハウジング３８は、共通軸４５の周りにぐるりと配置されている。ハウジングは、往復運動する磁石２５によってある体積の空気又は空燃混合物が圧縮及び送出されるよう、必要な室群を形成する。この動作は、各構成部品を冷却し又はエンジンからの排出を行う上で、有用である。同心配置されている円筒状構造物間には空隙を設けておくことができる。この種の空隙は、電力セル２３を冷却するための冷媒又は空気又は空燃混合物用の通路として、機能し得る。この冷却手段は、２個の可動要素に固有のポンピング機構を助長するであろう。また、端部磁石を漏斗状に形成して冷媒を空隙に導入するとよい。或いは、リンク要素８３により冷媒を導入することもできる。
ある実施形態においては、ヘリウム等の過冷却の(super cooled)流体を、冷媒として用いる。この過冷却の流体は、他から分離された状態を保つこととする。例えば、吸入ガスからは常時隔絶しておく。この過冷却の流体によって磁束発生機構の構成要素の温度を下げ、超伝導等の良好な伝導状態を得ることができる。
図６に、エンジン２１の第１のシリンダ３ａ及び第２のシリンダ３ｂを示す。これらのシリンダは、それぞれ、ピストンストロークＰＳの３．５倍の長さを有しているため、電力セル２３の全長は最短でもピストンストロークＰＳの８倍となる。即ち、電力セル２３の全長はピストンストロークＰＳの（９±１）倍となる。１個のＯＰＯＣの排気量Ｄは、Ｄ＝ＰＳ×Ｂ2×πとなる。ピストンストロークＰＳは、例えば、口径Ｂの（１±０．１５）倍とすべきである。
幅は口径Ｂの（４±１）倍である。これにより、電力セル２３の発動機及び固定支持部材を収めるのに必要なスペースが得られる。１個の電力セルの“ボックス体積”ＢＶは、ＢＶ＝ｃ×ＰＳ×Ｂ2（但しｃ＝１６１±８９）の範囲内にある値となる。
例えば、図３ａ〜図５ｂに示した電力セル２３は、第１組の可動磁石２５、第２組の可動磁石３７、並びに図５ａ及び図５ｂに示す可動コイル３１若しくは図３ａ〜図３ｃに示すコイル３０を有しており、幅７５は４×Ｂ、長さは９×ＰＳである。ＰＳ／Ｂ＝１であるならば、ＯＰＯＣユニットの排気量ＤはＤ＝ＰＳ3×πとなり、電力セル１個のボックス体積ＢＶはＢＶ＝１４４×ＰＳ3となる。
例えば、３．２ｃｍのピストンストローク又は約１００立方ｃｍの排気量Ｄを要する５ｋＷの電力セルの場合、そのボックス体積は約４．７リットルとなる。なお、本実施形態は三相システムに係る実施形態であるが、二相、三相、四相等、必要な或いは所望の相数に係る実施形態を以て本発明を好適に実施可能である。
・放射状に配置された可動要素を有するＥＰＣの例
図２２ａ〜図２２ｃに、本発明の他の実施形態を示す。ＯＰＯＣエンジン３２１は２個の相対向する外側ピストン３０５及び３０７を有しており、これら外側ピストン３０５及び３０７は、直線的に相対向する燃焼室３１１ａ及び３１１ｂをそれぞれ中央ピストン３０９と協働して規定している。各ピストンは対応する連結部材３８２を有しており、この連結部材３８２により、ピストン３０５、３０７及び３０７の往復運動がエンジン３２１の外へと伝達される。外側ピストン３０５及び３０７はリンク要素３８３により連結されており、これにより、ピストンのタンデム運動が実現されている。リンク要素３８３は第１の可動要素、例えば磁石３２５を取り付けるのに使用することができる。即ち、外側ピストン３０５及び３０７の直線的往復運動によって、磁石３２５がタンデム運動する。
中央ピストン３０９に連結されているのは第２の可動要素例えば磁石３３７である。中央ピストン３０９は、外側ピストン３０５及び３０７とは逆方向に動くため、エンジン３２１の外側において二通りの相対向する運動線が形成されることとなる。更に、２個の磁石３２５及び３２７とこれに関連する可動要素は、力学的アンバランスによりシステムが振動することがないよう、平衡化されている。
本実施形態においては、コイルは固定型のコイル３２９である。他方で、各磁石３２５及び３３７は可動鉄の裏打ち材を有していない。即ち、可動要素は非常に軽量であるから、ピストンの速度は高くなり、システムの効率が高くなる。
また、コイルを一方の可動要素として用い磁石を相対向する第２の可動要素として用いるよう、この構成を適宜変形することができる。同様に、本発明の原理に従い、可動磁束発生要素を組み合わせることができる。
本実施形態には、本発明の他の実施形態との関連で前述した通り、また図面から読み取れる通り、必要な吸入、燃焼及び排出システムを設けることができる。
・スイッチリラクタンスを有するＥＰＣの例
図２１に、本発明の他の実施形態を示す。システム２２３は、エンジン（図示せず）の共通軸２４５の周りに配置された固定型のコイル２２９を備えている。第１の可動要素、例えば磁石２２５は、固定コイル２２９に隣接して配置されている。第２の可動要素、例えばコイル２３０は、可動磁石２２５が固定コイル２２９と可動コイル２３０との間に配置されることとなるよう、中心軸２４５の周りに配置されている。
図２３ａ〜図２３ｃに、支持構造内に設けられた固定コイル２２９と固定磁石２２５とを有する他の実施形態を示す。本実施形態においては、第１の可動要素は、ＯＰＯＣエンジンの外側ピストンに連結される積層層２３０である。第２の可動要素は、ＯＰＯＣエンジンの中央ピストンに連結乃至リンクされる積層層２３７である。
・平行配置されたＥＰＣ及びＯＰＯＣエンジンの例
発電システム例えば三相電力セルについて検討が行われている。理解されるであろうが、その種の構成において交流電力に脈動電流が生じると不要な電気出力が発生する。死点、すなわちＴＤＣ／ＢＤＣの近傍では電流は発生しない。電気出力を平滑化するためには、それぞれ発電機構を有する２個のＯＰＯＣエンジンを組み合わせればよい。その際、並列運転する２個の発電機構は、互いに１／２サイクル時間だけずらして動作させる。これにより、非常に均一で所望値に近い電力密度を有する２個の三相電力流れが得られる。
脈動電流を蓄積し、より安定な利用しやすい交流乃至直流を得るため、キャパシタを配置することができる。これによって、電力回路の効率及び電力密度を最適化することができる。
本願において説明した代表的な実施形態をもとにして、複数のＯＰＯＣエンジンを各種形態にて組み合わせ、リンク要素により互いに機械的又は電気的に結合させることができる。このようにすることによって、１個又はそれ以上の対数の対向ピストン対向シリンダ装置を必要に応じて、同時に、又は選択的に切替えて、又は断続的に作動させることができる。
上述した構成に加えて、米国特許第６１７０４４３号に記載されている４ピストン対向ピストン対向シリンダエンジンを検討し、本願において述べた発電機構及びポンピング機構と好適に組み合わせることができる。
当業者であれば、本発明の説明のため掲げた構成要素や動作の細部や素材や構成において、多様な改変及び変形をなすことができる。そのような改変及び変形は、別紙請求の範囲に記載した発明の本質及び技術的範囲から逸脱するものではない。
本発明の一実施形態に係るエンジンの断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの断面を、ポンプ要素を含む関連機構と共に示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの断面を、ポンプ要素を含む関連機構と共に示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの断面を、ポンプ要素を含む関連機構と共に示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び発電機構の等方的断面を示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び発電機構の等方的断面を示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び発電機構の等方的断面を示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び発電機構の断面を示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び発電機構の断面を示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び発電機構の断面を示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び発電機構の断面を示すシーケンス図である。 図４ａ〜図４ｄに示した実施形態の端面図である。 図４ａ〜図４ｄに示した実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態に係るピストン及びシリンダの断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る中央ピストンを示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁束発生機構の構成要素を示す図である。 本発明の一実施形態に係る発電機構及び関連するエンジンシリンダの部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び関連する機構の運転状態を示す等方的断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び関連する機構の運転状態を示す等方的断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び関連する機構の運転状態を示す等方的断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び関連する機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び関連する機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン及び関連する機構を示す図である。
符号の説明
１０３ａ 第１のシリンダ、１０３ｂ 第２のシリンダ、１０５，１０７ ピストン、１０９ 中央ピストン、１２１ エンジン、１８２ａ，１８２ｂ，１８２ｃ 連結部材。

Claims (16)

  1. それぞれ第１シリンダ壁および第２シリンダ壁によって少なくとも一部分が規定され、互いに対向配置されている、第１外側シリンダおよび第２外側シリンダと、
    第１および第２外側シリンダのそれぞれに１個が対応する２個の外側ピストン及びこれら外側ピストンの間に配置された中央ピストンを含み、そのうち中央ピストンがピストンの動きを規制する他の機構に結合されていないフリーピストンであり、各ピストンが共通軸上を往復運動可能である、少なくとも一組のピストンと、
    第１の外側ピストンの一端、中央ピストンの第１の端、並びに第１シリンダ壁、によって規定される第１の燃焼室と、
    第２の外側ピストンの一端、中央ピストンの第２の端、並びに第２シリンダ壁、によって規定される第２の燃焼室と、
    ２個の外側ピストンの少なくとも１個に結合され、このピストンと共に往復運動するよう構成され、そのピストンに対応するシリンダ壁を貫いて半径方向に延び機械的エネルギを当該シリンダの外部に伝達する第１の連結部材と、
    中央ピストンに連結され、このピストンと共に往復運動するよう構成され、中央ピストンから半径方向に延びる第２の連結部材と、
    を備え、
    第１の連結部材と第２の連結部材とが、互いに反対の向きに往復運動するよう構成されている、
    内燃機関。
  2. 請求項１に記載の内燃機関であって、シリンダの内壁によってガス吸入室が規定されるよう、中央ピストンの中央部における寸法が狭搾している、内燃機関。
  3. 請求項１または２に記載の内燃機関であって、
    中央ピストンが２個の端部を有するピストンであり、
    少なくとも１個のシリンダは、吸入ポートより先に排出ポートが開くようシリンダ内に配置された排出ポートを有する、
    内燃機関。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関であって、更に、
    第１のポンプ室を包含するハウジングと、
    第１のポンプ室内に配置され、少なくとも１個のピストンにリンクされ、そのピストンの往復運動が伝達される第１のプランジャと、
    を有する排出ポンプを備え、
    第１のプランジャへのピストンの往復運動の伝達によってハウジング内にガスが引き込まれ、そのガスが内燃機関内へと向かう、
    内燃機関。
  5. 請求項４に記載の内燃機関であって、
    前記ハウジング内に配置され、かつ前記２個の燃焼室の周囲に環状に配置された第２のプランジャを備え、
    前記第１のプランジャは、第２のプランジャを囲み、また前記２個の燃焼室の周囲に環状に配置され、前記ハウジングは、第１のプランジャを囲み、また前記２個の燃焼室の周囲に環状に配置される、
    内燃機関。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関であって、２個の外側ピストンがタンデムに運動するようリンクするリンク要素を備え、
    リンク要素が、内燃機関及び／又は外部機構の構成部品間での流体又は気体移送用の導管を有する、内燃機関。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関であって、組をなす３個のピストン全てがフリーピストンである、内燃機関。
  8. ２個の外側ピストン及びこれら外側ピストンの間に配置された中央ピストンを含み、そのうち中央ピストンがピストンの動きを規制する他の機構に結合されていないフリーピストンであり、各ピストンが共通軸上を往復運動可能である、少なくとも一組のピストンと、
    第１の外側ピストンの一端、中央ピストンの第１の端、並びにこれら第１の外側ピストン及び中央ピストン用のシリンダ、によって規定される第１の燃焼室と、
    第１の外側ピストンから半径方向に前記シリンダを貫いて延び、機械的エネルギを前記シリンダの外部に伝達するよう構成されている連結部材と、
    第２の外側ピストンの一端、中央ピストンの第２の端、並びにこれら第２の外側ピストン及び中央ピストン用のシリンダ、によって規定される第２の燃焼室と、
    を備え、
    シリンダの内壁によってガス吸入室が規定されるよう、中央ピストンの中央部における寸法が狭搾している、
    内燃機関。
  9. ２個の外側ピストン及びこれら外側ピストンの間に配置された中央ピストンを含み、そのうち中央ピストンがピストンの動きを規制する他の機構に結合されていないフリーピストンであり、各ピストンが共通軸上を往復運動可能である、少なくとも一組のピストンと、
    第１の外側ピストンの一端、中央ピストンの第１の端、並びにこれら第１の外側ピストン及び中央ピストン用のシリンダ、によって規定される第１の燃焼室と、
    第２の外側ピストンの一端、中央ピストンの第２の端、並びにこれら第２の外側ピストン及び中央ピストン用のシリンダ、によって規定される第２の燃焼室と、
    前記外側ピストンのうちの１つから半径方向にシリンダ壁を貫いて延び、その外側ピストンと共に往復運動することで機械的エネルギを、その外側ピストンに対応するシリンダの外部に伝達するよう構成されている連結部材と、
    を備え、
    中央ピストンが２個の端部を有するピストンであり、
    少なくとも１個のシリンダは、燃焼室内の中央及び外側ピストンがその燃焼室の次の燃焼を分離するように、吸入ポートより先に排出ポートが開くようシリンダ内に配置された排出ポートを有する、
    内燃機関。
  10. ２個の外側ピストン及びこれら外側ピストンの間に配置された中央ピストンを含み、そのうち中央ピストンがピストンの動きを規制する他の機構に結合されていないフリーピストンであり、各ピストンが共通軸上を往復運動する、少なくとも一組のピストンと、
    第１の外側ピストンの一端、中央ピストンの第１の端、並びにこれら第１の外側ピストン及び中央ピストン用のシリンダ、によって規定される第１の燃焼室と、
    第２の外側ピストンの一端、中央ピストンの第２の端、並びにこれら第２の外側ピストン及び中央ピストン用のシリンダ、によって規定される第２の燃焼室と、
    を備え、
    中央ピストンが２個の端部を有するピストンであり、
    各ピストンが、各ピストンの運動に係る共通軸に対して略直交する方向に沿って、そのピストンに対応するシリンダを貫いて延びる連結部材に連結され、
    シリンダの内壁によってガス吸入室が規定されるよう、中央ピストンの中央部における寸法が狭搾している、
    内燃機関。
  11. 実質的対向ピストン対向シリンダ配置における１個又は複数個のシリンダ内に、シリンダの軸に沿って配置された少なくとも一対の燃焼室であって、
    タンデムに動く２個の外側ピストンと、当該タンデムに動く外側ピストンに対して逆行する相対向して動く少なくとも１個の中央ピストンと、を含む３個のフリーピストンを有し、中央ピストンがピストン動きを規制する他の機構に結合されていないフリーピストンである、少なくとも一対の燃焼室と、
    中央ピストンの端部と協働して燃焼室を構成する端部を有する各上記外側ピストンと、
    少なくとも２個のピストンそれぞれに連結された連結部材であって、シリンダ外部に半径方向に延びる部分を有し且つ機械的エネルギを伝達すべくピストンに応じて直線的に移動可能な連結部材と、
    連結部材によりピストンが外部機構に連結されるよう各連結部材が貫いて延伸するスロットを有する各上記シリンダと、
    タンデムに運動するよう外側ピストンをリンクするリンク要素と、
    を備え、
    リンク要素が、内燃機関及び／又は外部機構の構成部品間での流体又は気体移送用の導管を有する、内燃機関。
  12. 請求項１１に記載の内燃機関であって、
    シリンダの内壁によってガス吸入室が規定されるよう、中央ピストンの中央部における寸法が狭搾し、
    少なくとも１個のシリンダは、吸入ポートより先に排出ポートが開くようシリンダ内に配置された排出ポートを有する、
    内燃機関。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関であって、内燃機関は圧縮点火プロセスに適して構成される、内燃機関。
  14. 請求項１３に記載の内燃機関であって、前記圧縮点火プロセスは予混合圧縮着火である、内燃機関。
  15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の内燃機関であって、中央ピストンが２個の端部を有するピストンであり、２ストロークエンジンである内燃機関。
  16. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の内燃機関であって、４ストロークエンジンである内燃機関。
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