JPS5882023A - 自由ピストン式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は自由ピストン式内燃機関、特にリニア同期発
電機をもつ発電機の運転に用いられる機関の改良に関す
る。

連結棒及びクランクを有する内燃機関は、特に発電機の
運転に用いられるとき、低効率で有書ガスを発生すると
とに関して満足すべき−のではない。ガスメーピンな代
替使用するのは、極めて高い出力の場合のみＫｌｌ定さ
れるのは、このようなタービンが高価であることと、こ
れらのタービンが接衝上の諸間鴎な生ずる故である。中
出力のためｋは次組自由ピストン式機関が提案された。

これらの機関においては、リンク機構によって発生され
る抵抗作用が無いから、燃焼が始まった直後においてピ
ストン移動の遅れを生じさせるのは、可動部品の慣性で
あり、５− これＫよってシリンダ室内の気化、混合及び燃焼のため
の十分な時間を保証し、同時Ｋ　ＩＪンク機構によって
妨害される代りに１この行程中に発生される高い圧力に
対応する推力が運動エネルギの形で可動部品に蓄積され
、かつサイクル中に利用される。ゆえに１これらの機関
において、リンク機構を無くすことＫより得られる構造
の部品化、及び機械的損失の減少に加えて、エネルギの
変換に極めて有利な状態を生ぜしめ、これによって効率
の増大および熱損失、排出ガス温度および該ガス中に含
まれる特Ｋｆｆｌ素酸化物などの汚染物質の減少が得ら
れる。

しかし、自由ピストン式機関はそれらの回転中に従来か
ら未だ完全には解決し得なかった重要な問題点を生ぜし
めており、これらの問題点のうち最も重要なものは、圧
縮行程を実施するためのエネルギの供給、種々のピスト
ンの運動の同期性を得ること、およびこれらピストンの
移動距離の制限であり、普通の機関では、これらの問題
はフライホイールを具備する駆動軸に６− 結合されたリンク機構の配設によって解決されるが、自
由ピストン機関ではこれに相幽する−のを持たない。

圧縮性１を実施するためにピストンの動きに抵抗する液
圧ばねを用いることが提案されたが、このばねは構造が
複雑であり、さらに効率の低下を伴い液体の損失を招く
欠点をもち、この問題は正常運転時に関しては対向シリ
ンダの配置を改めるととＫよって解決されたが、燃焼を
起さない場合は、他の手段と組合わせなければこの解決
方法は無効になり、この他の手段とは従来から用いられ
ている歯車装置やリンク機構である。リンク機構又は歯
車装置を用いない解決方法においては、ピストンの移動
距離を予め定めた値に１１１Ｉｌ＠すること、又は複数
のユニットを含む機関におけるピストンの同期運動を保
証するととに関して、未だ解決方法が見出されていない
。

この発明の目的は＋７　ニア交流発電機と結合可能な自
由ピストン式機関を提供するＫあり、この機関は発生し
た機械的エネルギを伝達するのにリ−７り機構及び歯車
装置を全く使用せず、不良燃焼状態においても圧縮行程
を遂行し、精密に予め定めた制限内でピストンの移動を
行い、腹数のユニットをもつ機関の場合は容易にそれら
の同期運動を得ることかできる。

この発明の要旨は、両端に２つの対向シリンダ内で作動
する１対のピストンを、またソノ中間位置にリニア交流
発電機又は他の使用装置の可動要素を含む少くとも１つ
のユニットのピストン棒に剛接されたタペットと係合さ
れ、かっモーフによって作動される少くとも１つのカム
な使用する構成にある。

この構成により、ユニットのピストン棒、従って関連ピ
ストンは、モータによって作動されるカムによって予め
定められた運動法則に従って制限範囲内で移動する。カ
ムの形状を適切に設計し、かつその作動速度を適切に調
節することによって、正常運転中にカムによって与えら
れる運動は、自由ピストンユニットの運動と一致するか
ら、カムすなわちモーｌと、タペットすなわち自由ピス
トン機関との関にはなんらのエネルギ移送も行われない
。しかしカムが設けられているから、なんらかの異常運
転が起った場合は、自由ピストンが予め定めた移動距離
の制限を越えることを防止し、かつ燃焼が偶発的に停止
した場合に、カムがタペットを介してユニットのピスト
ン棒な引張って圧縮性ｗｅ遂行させる。そのうえ、複数
のユニットから成る機関の場合、種々のユニットの完全
な同期運動を得るためｋは、関連するカム間に同期性を
提供すれば十分である。

ピストンの有効な運動をつくり、かつ液圧ばねのような
他の部材と同様にす／り機構および歯車伝動装置を省略
するために、この発明による自由ピストン機関は、従畿
の往復運動機関の効率よりもはるかに高い効率、さらＫ
は同等出力の！−−ンの効率よりも幾分高い総効率を提
供し、さらに潤滑油の消費量が大いに節約され、かつ自
由ピストン機関の低汚染特性が最も有効９− な方法で利用できる。最後にモータを具備するカムは、
現在自由ピストン機関用として知られている圧縮空気シ
ステム又はリニア交流発電機なモータとして一時的に利
用するシステムの代替手段として適当と思われれば機関
の始動に用いることもできる。

この発明はまた本書に規定された型式の機関用の特有の
装置、特に可動部品の重量に起因して、大型機関のシリ
ンダ壁に作用する荷重を無くすための磁気式支持装置に
＠し、さらに粉炭又は他の固形燃料を供給される機関を
正常に運転させる装置に関する。

この発明の装置の上記及び他の特徴並びに利点は、それ
らに限定するものではないこの発明の実施例を用い図面
を参照しての以下の説明から明らかＫなるであろう。

第１図に示すユニットは、ピストン３．４を内部に装備
した２つの対向シリンダ１，２Ｖ含み、ピストン３．４
は互いにピストン棒５によって剛接され、このピストン
棒５は中間位置に−】〇− おいて、この場合では例えば永久磁石のようなリニア交
流発電機７の誘導子６を支持する。これらの部品は、出
願人自身によって既に提案された型式の発電機をもつ自
由ピストン式機関を形成し、この機関において、各シリ
ンダ１．２の圧縮行程は対向シリンダ内での膨張行程に
よって遂行され、従って通常運転中は、圧縮行程を発動
させるための補助装置を必要とせず、同時に移動量の制
限は後続する燃焼を行うための混合物の圧縮に対する抵
抗によって決められる。

しかし、この両方の影響は運転が不整である場合に喪失
され、かつこのような不利点を無くすために、この発明
によれば偏心モータ９によって作動され、かつユニット
のピストン棒５に剛接されたタペット８と係合するカム
１１が提供される。タペット８はローラを具えた１対の
頑丈なビンにより、又はピストン棒５の溝又は他のこれ
に相当する手段によって形成され、カム１１は円形とな
っているが、その形状は自由ピストン機関の最良の運転
のために適切に決定される。モータ９は、カム１１の回
転が自由ピストン機関の運転と実質的に同期し、これに
よって正常運転中にカム１１とタペット８との保合が現
実には生ずるが、抵抗やエネルギの伝達は含まないよう
に制御される。しかし、もしピストン棒５が予め定めた
移動限度において停止しなければ、タペット８とカム１
１との間の接触により、ピストン３．４とピストン棒５
の移動は積極的に制限される。もし１つのシリンダが燃
焼の遂行に失敗し、従って対向するシリンダ内の圧縮を
発動できないときは、タペット８゛とカム１１との積極
的な協働により、モータ９は圧縮行程を遂行するのに必
要なエネルギを供給し、自由ピストン機関の停止を避け
る。同様に自由ピストン機関の始動は、自由ピストン機
関に対して一般に用いられているように圧縮空気システ
ム又は始動モータとしてリニア交流発電機の使用を望ま
ないときは、モータ９によって実施できる。

好ましくは、このモータ９の制御は、正常状態において
ピストン棒５の変位に支障を与えず、これによって自由
ピストン機関の運転の妨げとならないように、タペット
８の運動に対して僅かに先行するように行われる。図示
しない過当な装置によって、タペット８をカム１１と協
働する適正位置に維持するために、ピストン棒５がそれ
自身のまわりに回転するのを防ぐ。

カム１１は平衡重量１０ｖ有する。この重量は自由ビ不
トン機関のバランスが取れていないユニットの部分的平
衡を提供するために、カム自身の平衡が必要な場合に設
けられる。

モータ９は速度を甚しく変更せずＫ、必要な場合に高い
結合力を供給できる型式のものでなければならない。よ
って、それは分流励起モータ、モータフｌダイン又は適
切な電子制御装置を具備した電気モーｌが用いられる。

モータ９に作用する負衡を制限するために、モータ９が
自由ピストン機関の機能的欠除を補うのに必要とする時
間の間、リニア交流発電機をしゃ断するための適切な装
置が設けられる。

１３− 第３、第４図は第１１第２図に示されたものと類似の２
つの２ニツトの配置を示し、この配置はそれ自身平衡さ
れ、かつ両方のユニットに対して単一のカムな必要とし
、さらに両者間に明確な同期作用な提供する。この図面
において２つのユニットのうち、右側のものはこれまで
に述べたユニットと同一の符号を付し、また左側のもの
はこれに／な付して対応する符号をもってあられし、こ
の両ユニットは１つの中央シリンダ１′内で対向するピ
ストン３．３′を具えて対称的に配置され、カム１２（
この場合には円形でなく実質的Ｋ１１ｉＨ円形又は長円
形）は、少くとも１つの対称軸線をもち、かつピストン
棒５．５′の両方のタペット８．８′と協働する。この
場合自由ピストン機関およびカムは、共にそれ自身静的
及び動的に平衡され、平衡重量は必要としない。構造お
よび作動の対称性を得るためＫ。

モータ９′を有する第２カム１２′が第４図に示すよう
に配置される。

カム１１．１．２の形状を適切に選定すること１４− により、ピストンに対して最適な移動量を決定すること
ができ、またもし望むならば、ある行薯、特に圧縮行程
及び膨侭行程を調節するために、ピストンの運動法則に
適度な影響を与えることができる。同じ目的として、カ
ムの形状を適切に選定する代りに、又はそれに加えて、
送りの適切な電子制御又は送りの周期的不連続性を受け
るモータ１１によって可変速度でカムを作動させること
もできる。集積回路の使用によって、例えばリニア交流
発電機に付加される荷重によるような、運転状１１によ
って変化する制御方法を実施できることが明らかである
。

上述の説明から通解できるように１重大な故障の場合、
タペットによってカムに作用する荷重は極めて高くなり
、即ちカムの中心からその最大及び最小距離の位置で極
めて高くなる。稀にしか起り得ない要求事項を満たすと
いう配置から、カムの質量を大きくすることを避けるた
めに、第３図に示すように、カムの正常回転中に、カム
が摺動するようにカムの内側に支持部材３０ｖ、また外
ｇａに支持部材３１ｖ配置することができ、過荷重の場
合、カムは弾性変形を受け、支持部材３０，３１と当接
して受けた過剰応力を放出する。この支持部材３ｏ、３
１はローラを用いることができ、又はカムがローラと接
触状態となるとき、ローラがカムに与える制動効果を受
は入れる静止部材とすることもでき、このような場合は
他めて低周期であるから重大な故障としてはあられれな
い。

これとは別に、ピストン棒５．５′のタペット８．８′
に作用する移動量制限抵抗停止具な配置することもでき
る。

これらの手段な用いることＫより、カムは適度な荷重に
対して設計しておけばよく、ピストンリング等の破壊の
ような例外的な場合に起り得る最大荷重に対して設計し
なくてもよい。よってカムは例えば、リプ付き！のよう
な比較的軽量な構造を採用できる。

この発明による機関は既にそれ自身高効率および高比出
力をもつから、この発明によれば等しい出力の通常の機
関に比して、その総重量及び寸法が小さい機関を提供で
き、このことは公知のように工業上特に重要なことであ
る。

自由ピストン機関はそのシリンダを少くと４嫌ぼ水平に
装着することが一般に要求されるから、ピストン、ピス
トン棒、及びリニア交流発電機の誘導子はシリンダ壁の
一方のｌＩＫ取付けられ、これはＩＩＩＩＫ大童機関に
おいて不都合な生ぜしめる。この不利点を避けるために
、この発明によれば、第６図に示すように可動部品の磁
気的支持装置が提供される。この場合ピストン棒Ｓ％５
′は、支持部材１５．　　ｉｌｌ、　　１５’、　　Ｉ
ＩＩ’上を滑動可能なスライド１３，１４．１３’。

１４′を具備し、スライドおよび支持部材はと−に永久
磁化さ°れているから、それぞれの同符号の極が対向し
て互いに反ばつする。前記諸部品を適切に設計するとと
によって、なんらの摩捧をも伴わすに可動部品を支持す
ることが可能である。この配置は、交流発電機から正弦
波形と極めて類似した波形なもつ電流を得るためＫ。

１１− 第５、第６図に示すように、複数の誘導子及び電機子を
もつリニア交流発電機を用いることを４１に有利にさせ
る。

この発明は気化器型および、液体又は気体燃料噴射型で
、しかも点火栓着火式又は圧縮着火式のいずれの型式の
自由ピストン機関にも適用される。しかし、この発明は
粉炭又は他の固形燃料を供給される断熱式機関を提供す
るのにも有効に用いられる。この場合、機関の断熱性を
得るため、及び燃焼によって生ずる灰の減少を促進する
ために、特別な装置を配設しなければならない。第７．
８８図は対向ピストンをもつ中間シリンダ１７（これは
既出図のシリンダ１′に相当する）及び末端シリンダ１
８用のこのような装置を示す。１９．２０はそれぞれ空
気流入口及び同排出口を示し、これらはシリンダ１７．
１８の壁及びセラミック材料製の各内側被覆部材２１．
２２を貫通し、２３は粉炭噴射器を示し、かつ鎖線は流
入口１９から排出口３０への空気流の経路を示す。この
排出口の近１８− 〈ｋ電極！４が配設され、これｋは燃焼が行われるとす
ぐに高電圧が加えられ、これによって燃焼によって生じ
た灰に高い静電引力を与え、この灰は排出口に向けて引
きつけられて次いで空気沈泥によって射出される。好ま
しくは、電極２４は次にアースに接続して噴射燃料粉末
への静電引力現象を避ける。それはこの現象はシリンダ
内での燃焼のため燃料粉末の均等な分布に支障を与える
からである。

一般に満足な正弦波形状をもたないリニア交流発電機に
よって造られた電流が、嬉９図に示すようＫそのままで
は使用できない場合において、この発明による機関によ
って作動された発電機２１５によって整流ユニット２６
に１次いでフライホイール２８に結合された直流モー−
２７に供給され、フライホイールの下流において、発生
されたエネルギは直接又は間接的方法で利用され、例え
ば正弦波形電流な供給する交流発電機２９、又は牽引モ
ータメタダインに給電するのに用いる発電機メタダイン
等に入る。

フライホイール２８はまたシリンダ内の燃焼が不調の場
合にもトルクを均等化する。さらに、フライホイール２
８はリニア交流発電機又は他の部品を冷却するための適
切なファンを具備することができる。

自由ピストン機関が電気エネルギを発生するためにＩＪ
　＝ア交流発電機を駆動する典型的な場合を考察してき
たが、この発明の機関はまた、機械的エネルギを直接発
生するのに用いられることは明らかで、％にこのエネル
ギが例えば圧縮機、ポンプ等のような往復運動型式の機
器に用いられるときに利用されることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の一部を縦断したものの
平面図、第２図は第１図のものの一部を縦断したものの
正面図、第３図はこの発明の第３実施例の一部を縦断し
たもの、の平面図、第４図は第３図のものの一部を縦断
した正面図、第Ｓ図はこの発明の第３実施例の一部を縦
断したものの平面図、第６図は第６図のものの一部を縦
断したものの正面図、第７、第８図はこの発明の第４１
１！施例の中央シリンダ及び端末シリンダの縦断正面図
、第９図はこの発明による機関を用いた電気エネルギ発
生鉄量の概略斜面図である。 １、　　ｌ’、　　ｚ、　　１・・・シリンダ　　３．
　３’、　　４．　４’・・・ピストン５、ｓ′・・・
ピストン棒　　　　　Ｌ　　６”・・誘導子７．１′・
・・リニア交流発電機　　８．３′・・・タペット９−
φ・モー／　　　　　　　　１１，１！・・・力　ム１
鳥ｓｓ：　１４．１４’−・・スライド　ｔｔ　ｘｓ：
　ｘｆ！ｈ１６’−・・支持部材１７．１１１・・・シ
リンダ　　　１９・・・流入口２０・・・排出口　　　
　　　　２１．２Ｆ・・内側植種部材２３．１４・・・
電　極 ２１−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ！、　少くと亀一対の対向シリンダを含み、その　　　
   ・中に収容されたピストンが中間位置において発生され
   たエネルギを利用する原動機の可動要素に結合されたピ
   ストン棒によって互いに３゜結合され、モータによって
   ピストン棒の移動量と実質的に同期されるように作動さ
   れ、かつピストン棒のタペットと係合する少くとも１つ
   のカムを含み、これによって正常運転中には実質的にエ
   ネルギの伝達が生じないが、＾當這転の場合には、ピス
   トンの移動距離を制限し、かつ圧縮行寝ｙ４１ｐ＊とさ
   れるエネルギをピストンに伝達するようになっていると
   　　　４゜とを特徴とする自由ピストン式内燃機関。 象　互いに対向する少くと４８つのユニットを含み、各
   ユニットが共通のピストン棒によって互いに結合された
   ２つの対向するピストンな含み、モータによって作動さ
   れるカムが、両方のユニットのピストン棒に配設された
   タペットと係合するように配置され、これＫよって両方
   のユニットを作動して相互間に正確な同期作用を生じさ
   せるよりになっていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の自由ピストン式内燃機関。 共通のピストン棒によって互いに結合された２つの対向
   したピストンＷ含む４ＪＩ数のユニットと、モータを具
   備しかつピストン棒に設けられたタペットと協働する被
   数のカムとを具え、ユニット間の同期作用が、モータと
   カムとの同期作用によって達成されるようＫなっている
   ことを特徴とする自由ピストン式内燃機関。 モータを具備するカムが、自由ピストン式機関の運動態
   様を有効に変更するために１定められた時間中にタペッ
   トと協働してサイクルのはとんどの部分に沿って、タペ
   ットの運動に実質的に追従するような形状となっている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項の
   いずれか１項記載の自由ピストン式内燃機関。 ５、　自由ピストン式機関の運動の態様を有効に変更す
   るために、カムがモータによって非均等態様で運動する
   ようＫなっていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第４項のいずれか１項記載の自由ピストン式内
   燃機関。 ６、　カム、タペット及びモータを含むシステムが、さ
   らに自由ピストン式機関の始動に用いられるように配置
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第５項のいずれか１項記載の自由ピストン式内燃機関
   。 ７、　カムの正常回転中にカムと滑動係合し、かつタペ
   ットによってカムに作用された応力が過大の場合に、カ
   ムに対する支持作用を提供するように配置された支持部
   材を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
   第６項のいずれか１項記載の自由ピストン式内燃機関。 ８、　実質的に水平位ｔＫ配装されたピストン棒に、支
   持部材上を滑動可能なスライドが結合され、スライドと
   支持部材とが、磁気反発によってピストン棒、各ピスト
   ン及び原動機の全重量もしくはその一部の重量を支持す
   るために、互いに対面する同極性の磁極をもって磁化さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
   第７項のいずれか１項記載の自由ピストン式内燃機関。 ９、　　ｒＩＵ形粉末燃料を供給される断熱機関の場合
   、シリンダが排出口の近くに配設された電極をもつセラ
   ミック材料をもって暮打ちされ、前記電極が排出口近く
   の灰を引き付けるためＫ。 燃焼後に高い電圧に接続され、固形粉末燃料の噴射中は
   アースされるように配置されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか１項記載の
   自由ピストン式内燃機関。 １Ｇ、　　機関の運転の瞬間状１１に応じて異った方法
   で、峰−夕を具備するカムの作用を調整する電子式制御
   装置を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第９項のいずれか１項記載の自由ピストン式内燃機関
   。