KR20010041304A

KR20010041304A - 자유 피스톤 내연 기관

Info

Publication number: KR20010041304A
Application number: KR1020007009405A
Authority: KR
Inventors: 비얼윌리엄티.; 콥코윌리엄엘.
Original assignee: 윌리엄 티. 비일 ; 존 지. 크로포드; 썬파워, 인코포레이티드
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2001-05-15
Also published as: EP1058779A1; WO1999043936A1; AU2783799A; CA2320075A1; US6035637A; JP2002505399A; EP1058779A4; BR9908237A

Abstract

효율적인 자유 피스톤 내연 기관(802,811,832,14,114,314,614)은 압축비보다 큰 팽창비를 가진다. 기관은 개스 베어링(804,813,831)을 가지며, 개스 터빈, 스털링 기관, 스팀 기관등을 위한 토핑 사이클로서 작동되도록 사용되는 600℃를 넘는 배기 온도를 가진다. 기관의 유연한 제어를 위한 향상된 밸브 시스템은 피스톤 안의 밸브 액튜에이터(28,32,132,410,616)의 사용을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 한쌍의 대향하여 배치된 연소 챔버 통로들 각각은 통로를 통한 개스의 통과를 제어하기 위한 연소 챔버 밸브(132,410)를 가진다. 밸브가 개방되고 폐쇄되는 피스톤 위치의 가변적인 제어는 넓은 범위의 동력 출력 부하 조건에 걸쳐서 기관이 높은 효율로 작동될 수 있게 한다. 다른 구현예에서 연소 챔버와 개스 콤프레서는 같은 실린더내에 조합된다.

Description

자유 피스톤 내연 기관{Free-piston internal-combustion engine}

액체 석유 제품을 연료로 하는 내연 기관은 광범위한 운송 및, 정지 기계에 기계적인 동력을 제공하는 뒷받침이 되어왔다. 그러한 기관의 연료 전환 효율을 향상시키려는 많은 발전이 있어왔다. 오늘날 상업적으로 생산되고 사용되는 대부분의 내연 기관들이 크랭크 샤프트 및, 내부 연결된 커넥팅 로드에 의해 가능한 운동의 한계에 제한되는 왕복 피스톤을 이용하고 있을지라도, 자유 피스톤 내연 기관도 있다.

도 1은 1950년에 상업적으로 판매되었던 자유 피스톤 디젤 기관에 관한 선행 기술의 예이다. 이러한 기관은 30년 동안 상업적으로 중대한 발전을 경험하였다. 그것의 적용예는 전기를 동력으로 하는 공장으로부터 선박, 자동차에 걸쳐 있었다. 초기에 자유 피스톤 기관에 관련된 예는 미국 특허 제 1,036,288호; 제 1,571,615 호; 제 1,657,641 호; 제 2,075,137 호; 제 2,595,396 호; 제2,814,552호; 등이다. 이러한 기관들에 대해서 주장된 장점들은 다음과 같다.

연료에 대한 무감성: 자유 피스톤 기관은 연료의 완전한 연소를 보장하도록 자동적으로 압축비를 조절한다.

고 효율성: 터빈을 포함하는 자동차의 적용예에 대한 기관의 완전 부하 열 효율은 32 내지 36 % 인데. 이것은 현재의 스파크 점화 기관에 비해서 현저하게 나은 것이다.

원활함: 대향하는 피스톤 장치는 실질적으로 진동 없이 균형이 본래 잡혀있다.

토크의 배가: 터빈은 저속에서 토크를 증가시키도록 작용하며, 이것은 트랜스미션의 디자인을 단순화시킬 수 있다.

낮은 터빈 온도: 1950 년대에는 고온 재료가 결여 되었기 때문에 이것이 쥬요한 장점이었다. 이러한 장점은 현대적인 재료를 이용하는 오늘날에 있어서는 훨씬 덜 중요하다.

동력 대 중량 비 : 이것은 구동 트레인과 종래 가솔린 기관의 동력 대 중량 비율과 비교될 수 있으며, 그로써 중량의 감소가 더욱 가능해진다.

쓰로틀 응답성: 가동 부분의 낮은 질량은 기관 및, 구동 트레인이 증가된 동력 요건에 대하여 극히 빠르게 응답할 수 있게 한다.

이러한 주요 장점 및, 이러한 기관들의 개발에 대한 주된 투자에도 불구하고, 결국 이러한 기술에서의 관심에 종식을 가져온 심각한 문제가 있었다. 이러한 문제들은 불량한 부품 하중 효율을 포함하는데, 이는 흡입 및 배기 포트를 개방하기 위하여 피스톤이 필연적으로 고정된 행정에서 작동되어야 하기 때문이다. 점진적인 경쟁 기술의 향상과 조합된 이러한 실제적인 문제점들은 1960 년대 까지 자유 피스톤 내연 기관의 포기를 강요하였다. 찰스 페이에트 테일러는 그의 저서 "이론과 실제에서의 내연 기관"에서 이러한 기관의 현재적인 관점을 요약하였는데, 이는 "각 경우에서의 결과는 만족스럽지 못했으며, 그 유형들은 이제 쓸모없는 것일 수 있다"고 했다.

그 이후로 자유 피스톤 내연 기관에서는 상대적으로 발전이 거의 없었다. 이러한 기관과 관련된 보다 최근의 특허의 예는 미국 특허 제 4,873,822 호; 제 5,123,245 호; 제 5,363,651 호; 제 4,530,317 호; 제 4,415,313 호; 제 4,665,703 호; 제 5,144,917 호; 및, 제 4,205,528 호;들을 포함한다. 비록 이러한 기관들의 대부분이 선택된 단일 동력 출력 부하 조건에서 양호한 효율을 제공하도록 디자인되고 생산될 수 있을지라도, 단지 하나의 부하 조건하에서 작동되도록 요구도니 기관은 거의 몇개 안된다. 대부분의 내연 기관은 낮은 동력으로부터 큰 동력에 이르는 넓은 범위에 걸쳐서 변화되는 동력을 제공하여야 한다. 더욱이, 흡기 및, 배기를 위한 단순한 측벽 포트의 사용은 이러한 기관들에 대해서 필연적으로 동일한 압축 및, 팽창 행정의 길이를 만들며, 이것은 그들의 효율을 제한한다. 보다 신규의 특허들에 개시된 기관들은 여전히 초기 디자인의 시동, 신뢰성, 제어 및, 효율 문제를 많이 다루고 있으며, 이들은 상용화되지 않았다.

1950 년대 이후의 중요한 향상은 렌저 특허 제 3,772,722 호에 기술되어 있다. 렌저는 개스 베어링과 세라믹 부품을 사용하는 자유 피스톤 기관을 설명하고 있다. 이러한 향상점들의 주요한 목적은 피스톤 링과 관련된 신뢰성 문제를 제거하는 것이었다. 이것은 또한 고온에서 필요한 간극을 감소시키도록 열 팽창 계수가 낮은 세라믹 부품의 사용을 기술하고 있다. 다른 한편, 상기 특허는 흡기 및 배기용으로 단순한 측벽 포트를 사용하는데, 이것은 사이클 효율을 제한한다.

본 발명의 기본적인 목적은 자유 피스톤 내연 기관의 포기를 강요했던 문제를 해결하면서 초기 디자인의 바람직한 특징을 유지하거나 또는 향상시킨 기관을 생산하는 것이다. 다행스럽게도 지난 40년간은 스터링 기관과 선형 압축기와 같은 다른 적용예에서 자유 피스톤 기계에 대하여 대단한 향상이 있었다. 더욱이, 관련 재료 기술과 제어 기술이 크게 향상되었다. 본 발명은 초기 디자인의 문제를 해결하도록 이러한 향상점들을 독창적인 방법으로 이용한다.

본 발명의 독특한 특징은 이것이 압축 행정보다 큰 팽창 행정을 가능하게 한다는데 있다. 자유 피스톤 내연 기관에 관련된 선행의 기술은 이러한 특징을 구비하지 않는다. 보다 긴 팽창 행정은 사이클 효율이 주로 증가될 수 있게 한다. 예를 들면, 단순한 공기 사이클에 대해서, 이상적인 효율이 종래의 오토 사이클로부터 완전 팽창을 가진 사이클로 60 내지 80 % 증가한다. 이러한 장점은 이론적인 손실에서의 50 % 감소를 나타내는 것이다. 완전 팽창은 또한 기관을 이탈하는 압력 펄스를 크게 감소시켜서 배기 머플러에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 이러한 특징은 중요한 비용 및 성능상 장점을 제공한다.

제 2 의 독특한 특징은 압축 비율 보다 큰 팽창 비율과 조합된 자유 피스톤을 지지하는 개스 베어링의 사용이다. 개스 베어링은 마찰 손실을 크게 감소시키며, 이는 보다 긴 팽창 행정의 완전한 사용을 가능하게 한다. 종래의 피스톤 링 또는 다른 베어링은 팽창 행정을 증가시키는 대부분의 이론적인 장점을 부정하게 되는 큰 손실을 발생시킨다. 따라서, 본 발명에서는 보다 긴 팽창 행정으로부터의 주된 장점을 가능하게 하는데 있어서 개스 베어링이 예기치 않은 역할을 수행한다.

더욱이, 개스 베어링의 사용은 고온 작동에서의 주요 문제점을 제거하는 오일 또는 다른 윤활제의 필요성을 제거한다. 현재의 세라믹과 다른 재료들은 기관이 거의 단열적일 수 있게 하며, 이것은 냉각 시스템에 대한 필요성을 제거한다. 윤활제와 고온 작동의 제거는 2-행정 기관으로부터 잠재적인 배출물을 크게 감소시킬 수 있으며 연소 과정의 제어를 용이하게 한다. 오일을 제거하는 것은 그와 관련된 유지 관리 및, 신뢰성의 문제도 제거하게 되는데, 이것은 2-행정 기관에서는 심각한 문제이다. 따라서, 이러한 장치는 냉각 시스템과 윤활 시스템의 필요성을 효과적으로 제거하여, 기관의 디자인을 크게 단순화시킨다.

본 발명의 제 3 의 독특한 특징은 하류의 터빈 또는 열기관과, 고온 배기를 제공할 수 있는 자유 피스톤 내연 기관을 조합하는 것이다. 이러한 장치는 자유 피스톤 기관이 비상한 고 효율의 동력 발생 시스템을 제공할 수 있는 최고의 사이클로서의 역할을 할 수 있게 한다. 이러한 최고의 사이클은 신규 및, 기존의 동력 플랜트에 적용될 수 있다. 이러한 모든 특징들의 조합은 현재 기관 효율의 두 배보다 큰 가능성을 가진다. 이러한 특징들은 또한 배출물을 감소시키며 기관 부하 출력의 변화에 급속한 응답을 제공한다.

이러한 발전에 더하여, 본 발명은 넓은 범위의 작동 조건에 걸쳐서 훨씬 다양한 제어를 제공할 가능성을 가진다. 내연 기관의 효율과 동력에 중요한 세가지 변수들은 행정 또는 변위, 팽창비 및, 압축비들이다. 종래의 크랭크 유형의 내연 기관들은 이들 변수의 그 어떤 제어된 조절을 허용하지 않는다. 내연 기관의 효율은 또한 팽창비에 대한 압축비의 비율의 함수이기도 한다. 종래의 내연 기관에서는 이들이 모두 가변적일 수 없다. 내연 기관의 동력은 연소 챔버를 통해서 연료와 적절하게 혼합된 공기의 질량 유동에 비례하며, 따라서 피스톤 변위의 함수이기도 하다. 그러나, 피스톤 변위는 크랭크 유형의 기관에서 가변적일 수 없다.

본 발명의 일부 구현예의 특징 및, 목적은 상기 4 개의 모든 변수들이 제어 가능하게 변화될 수 있을뿐만 아니라, 부가적으로 팽창비와 압축비가 서로에 대하여 독립적으로 조절될 수 있는 자유 피스톤 내연 기관을 제공하는 것이다. 이것은 기관이 압축비와 상이한 팽창비로써 작동될 수 있게 하고, 또한 기관의 변위 또는 행정이 제어될 수 있게 한다. 결국, 저 동력이 필요할때, 본 발명의 기관은 압축비보다 상당히 큰 팽창비로써 작동될 수 있음으로써, 기관이 거의 완전한 팽창으로 작동될 수 있어서 기계적인 출력 동력으로 전환되는 고 비율의 연소 열 에너지를 초래한다. 보다 큰 동력의 요구에 대하여, 기관의 변위와 팽창비는 주어진 동력의 요구에 대하여 최대의 효율을 달성하도록 변화될 수 있다.

본 발명은 전체적으로 내연 기관에 관한 것이며, 보다 상세하게는 자유 피스톤 내연 기관에서의 개선점에 관한 것이다. 본 발명의 주요한 특징은 압축비 보다 큰 팽창비로써 가동되는 성능이다. 저 마찰 개스 베어링과 조합된 이러한 특징은 기관의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 더욱이, 개스 베어링의 사용은 오일의 필요성을 제거하며 세라믹 재료의 사용을 통해서 기관이 훨씬 높은 온도로 가동될 수 있게 한다. 보다 높은 온도는 다시 열기관 또는 개스 터빈에 대해서 최고의 싸이클로서 자유-피스톤 기관을 사용할 수 있게 한다. 이러한 특징들의 조합은 종래의 기관에 비교하여 완전 부하의 에너지 효율을 배가하는 가능성을 부여한다.

기관의 부가적인 특징은 가변적인 부하로써 적용되는 것에 대한 훨씬 유연한 제어의 가능성이다. 본 발명은 이전에 존재하던 내연 기관의 경직된 구성 제한의 한계로부터 내연 기관을 자유롭게 한다. 이것은 자유 피스톤, 밸브의 콤퓨터 제어와 완전한 제어 및, 밸브 액튜에이터 타이밍을 독특하게 조합하여, 기관이 넓은 범위의 부하 조건들중 특정한 부하에 대해서 최적의 작동 조건하에서 작동되도록 자동적으로 조절될 수 있게 함으로써 이루어진다. 본 발명을 구체화한 기관은 기관 작동의 모든 요소 또는 변수들 제어의 비상한 자유도를 제공함으로써, 현재 그 어떤 동력의 요구가 있는지에 무관하게 기관이 최적의 작동 조건에서 또는 그에 근접하여 작동되도록 한다.

도 1 은 자유 피스톤 내연 기관에 대한 종래 기술이다.

도 2 는 기관의 기본적인 구현예에 대한 블록 다이아그램이다.

도 3 은 흡기 및, 배기 타이밍에 대한 간단한 기계적 제어를 사용하는 구현예이다.

도 4 는 기관 연소 챔버가 압축 챔버로서의 역할도 하는 다른 구현예이다.

도 5 는 피스톤이 두개의 연소 챔버 사이에 있는 구현예이다.

도 6a 내지 6c 는 다중의 실린더가 단일 피스톤 기관에 대한 진동을 제어하도록 배치될 수 있는 방법을 도시한다.

도 7 은 본 발명의 기본적인 원리를 나타내는 블록 다이아그램이다.

도 8 은 본 발명의 구현예를 나타내는 다이아그램이다.

도 9 는 본 발명의 다른 구현예를 나타내는 다이아그램이다.

도 10 은 본 발명의 다른 대안의 구현예를 도시한다.

도 11 및, 도 11a 는 본 발명의 다른 대안의 구현예를 도시한다.

도 12, 도 13, 도 14 는 낮은 동력, 중간 동력 및, 큰 동력 조건하에서 본 발명의 작동을 나타내는 압력/체적 그래프이다.

도 15 는 본 발명의 다른 구현예를 나타낸다.

도 16 은 본 발명의 다른 구현예를 나타낸다.

도 17 은 본 발명의 다중 기관의 다른 구현예에 대한 블록 다이그램이다.

도 18 은 자유 피스톤 기관이 열기관에 대해서 최고의 사이클로서의 역할을 하는 구현예이다.

도 19 는 자유 피스톤으로부터 폐열이 개스 터빈용 연소기 열의 일부를 대체하는 구현예를 도시한다.

도 20 은 발전기를 구동하는 터빈 과급 장치를 구비하는 구현예이다.

도 21 은 도 20 의 구현예의 변형이며, 이것은 행성 기어열 및, 터빈 속도에서의 변화를 보상함으로써 일정한 출력 속도를 제공하는 가변 속도 모터 발전기를 구비한다.

본 발명은 실린더의 안과 밖으로의 개스 유동 제어가 향상된 자유 피스톤 내연 기관이다. 선행 기술에 비해 중요하게 향상된 점은 압축 행정보다 큰 팽창 행정의 이용이다. 증가된 팽창 행정은 기관의 사이클 효율을 현저하게 향상시킨다.

다른 중요한 특징은 마찰을 크게 감소시킨 개스 베어링의 사용이다. 이러한 특징은 피스톤으로 하여금 최소한의 마찰 손실과 함께 보다 긴 팽창 행정으로부터 보다 유용한 일을 추출할 수 있게 한다. 보다 낮은 마찰 손실은 낮은 부하의 조건에서 기관의 효율을 크게 향상시키는 잠재성도 가지는데, 이들이 기관의 고정 손실을 크게 감소시키기 때문이다. 개스 베어링은 또한 피스톤 링의 제거를 가능하게 하는데, 이것은 선행 기술에서 주된 신뢰성의 문제였다. 개스 베어링은 기관 오일의 필요성을 제거하는데, 이것은 배출물을 감소시키고, 기관 디자인을 단순화시키며, 작동 비용을 저감시키고, 그리고 고온 작동에 대한 주된 장애를 제거한다. 세라믹과 다른 고온 재료와 조합한 개스 베어링을 사용하여 거의 단열적인 작동이 가능하다. 더욱이 상기 기관은 기관 하류측의 개스 터빈 또는 열기관을 사용하여 부가적인 일의 회수 가능성을 허용하는 훨씬 고온의 배기 온도를 제공할 수 있다.

일부 구현예는, 실린더내에서 슬라이드 가능하고 그리고 시일 가능하게 왕복될 수 있는 적어도 하나의 피스톤을 가지고, 그리고 바람직하게는 실린더 내에서 대향하는 방향으로 왕복하는 두개의 마주하는 피스톤을 가지는 유형의 향상된 자유 피스톤 내연 기관이다. 피스톤은 개스 베어링에 의해서 지지되는 것이 바람직하다. 각 피스톤은 중앙의 연소 챔버를 경계짖고 한정하는 단부면을 가진다. 기관은 또한 그것의 압축 행정을 통해서 피스톤을 구동하는 피스톤에 연결된 구동부를 구비한다. 구동부는 각 피스톤에 작용하는 스프링인 것이 바람직하며, 이것은 플라이휘일 효과를 얻기 위하여 피스톤의 팽창 행정 동안에 에너지를 저장한다. 기관은 또한 연료 인젝터를 구비하며, 점화 연소를 위한 스파크 점화기를 구비할 수도 있다.

일부 구현예의 다른 향상점은 훨씬 유연한 제어에 관한 것이다. 이러한 향상점은 적어도 하나의, 그리고 바람직하게는 두개의 연소 챔버 밸브를 구비하며, 그 각각은 연소 챔버와 다른 체적 사이의 개스 통로를 제어하도록 또 다른 체적과 연소 챔버 사이에 연장된 통로내에 있다. 밸브 폐쇄 및, 개방 액튜에이터는 적어도 하나의 연소 챔버 밸브에 연결된다. 피스톤 위치 센서는 밸브 폐쇄 액튜에이터에 연결되며 실린더내 피스톤의 제어 가능하게 변환될 수 있는 선택 위치에 응답하여 밸브의 폐쇄를 개시한다. 피스톤 위치에 응답성이 있는 밸브 개방 액튜에이터도 연소 챔버 밸브에 연결된다. 두개의 연소 챔버 밸브들은 필수적으로 동기화되어 개방 및, 폐쇄된다. 바람직하게는 연소 챔버 밸브가 개방되었을때 연소 챔버를 세정 하고 연소를 지원하는 공기를 제공하도록 송풍기 또는 다른 공기 임펠러 장치가 통로에 연결된다. 이러한 기능은 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이 개스의 모멘텀이 세정 과정을 보조할 수 있도록 흡입 및 배기 통로를 조정함으로써 이루어질 수도 있다. 이러한 모멘텀 세정은, 최상의 배기를 위한 포트의 조정이 빈도에 의해 강하게 결정되기 때문에, 자유 피스톤 기관에서는 크랭크 기관에 비해서 보다 일정한 빈도의 결과로서 향상된다.

작동에 있어서, 밸브는 팽창 행정의 필요한 단부에 근접한 연소 챔버를 배출시키도록 개방된다. 밸브를 개방하는 것은 연소 개스의 팽창을 종료시키며 배기 및, 연소 생성물의 세정을 개시하고, 그리고 충분한 송풍으로써 연소 챔버의 과급을 개시한다. 밸브는 제어 가능한 피스톤 위치에서 배출 및, 세정을 종료시키도록 폐쇄되며, 따라서 배기가 종료되고 압축이 개시된다.

가변적인 부하 조건하에서, 기관 제어는 연소 챔버내로 분사된 연료의 양을 변환시킬뿐만 아니라, 밸브가 개방되는 피스톤 위치와 기관 작동에 맞도록 밸브가 폐쇄되는 위치를 가변시킴으로써 동력이 공급될 수 있는 최대 효율로 필요한 기관 동력을 공급한다.

낮은 동력에 대해서는 피스톤의 내측으로 움직일때 배기 밸브의 폐쇄가 적절하게 지연됨으로써, 밸브가 폐쇄될때 작은 양의 공기가 실린더내에서 작은 양의 공기가 실린더에서 압축되며, 따라서 작은 양의 연료가 분사될 필요가 잇다. 이러한 연료 및, 공기의 질량은 통상적인 연소, 팽창 및, 배기 사이클을 통해서 진행하여 결과적으로 낮은 동력을 가져온다. 이러한 동력 감소 방법은 쓰로틀로 흡입 과정에서의 압력을 감소시키는 종래의 스파크 점화 기관의 방법보다 더욱 효율적이다. 쓰로틀 작동 과정은 에너지를 낭비하며 기관의 전체적인 열 효율을 감소시킨다. 다른 한편으로, 본 발명에 있어서, 그러한 쓰로틀 작용이 필요하지 않으며, 대신에 보다 작은 양의 공기가 압축, 점화 및, 팽창을 위해서 기관에 필요하다. 이것은 동력을 감소시키는 보다 효과적인 방법이다. 이것은 낮은 동력이 필요할때 보다 큰 기관의 쓰로틀을 작동시키는 것보다, 보다 작은 기관을 가지는 것과 마찬가지이다.

기관을 통한 이러한 공기 유동의 감소는 스파크 시간, 배기 밸브 개방 및, 연료 분사에서의 변화를 필요로 하기도 한다. 이러한 모든 제어는 가변적인 밸브 타이밍으로부터 유도된 커다란 작동의 유연성의 결과로서 상기 기계에서 가능하다.

도면에 도시된 본 발명의 바람직한 구현예를 설명하는데 있어서, 특정한 용어가 명확성을 위해서 사용될 것이다. 그러나, 본 발명이 그렇게 선택된 특정의 용어에 제한되는 것으로 의도되지는 않으며, 그리고 각 특정의 용어는 유사한 목적을 달성하도록 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적 등가물을 포함한다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들면, 그에 연결된 단어 또는 유사한 용어가 종종 사용된다. 이것은 직접적인 연결에 제한되지 않으며, 그러한 연결이 당해 기술 분야의 업자들에게 균등한 것으로 인식되는 다른 회로 요소를 통한 연결을 포함한다. 더욱이, 전자 신호에서 공지된 작동을 수행하는 유형인 회로가 도시되어 있다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 등가물로서 인식되는 다른 회로가 많이 있으며, 미래에는 더 많을 수 있다는 점을 인식할 것이며, 이는 이들이 신호에 대해서 동일한 작동을 제공하기 때문이다.

도 2 는 기관의 기본적인 구성을 도시한다. 자유 피스톤(801)은 실린더(802)내에서 왕복하며 연소 챔버(803)의 일 단부를 한정한다. 피스톤은 개스 베어링(804)에 의해서 지지되는 것이 바람직하다. 피스톤에 부착된 구동부(805)는 압축 행정 동안에 피스톤을 위로 움직이며 사이클의 흡기 및, 배기 부분 동안에도 피스톤을 움직일 수 있다. 흡기 수단(806)은 연소(807)를 지원할 수 있는 개스 소스와 연소 챔버에 연결되어 있다. 연소를 지원하는 개스의 소스가 정상적으로는 대기이다. 그러나 담겨진 공기, 산소 또는 다른 산화 물질일 수 있다. 연료(808)를 부가하는 수단은 챔버에 연결된다. 연료를 부가하는 수단은 연료 인젝터(injector)인 것이 바람직하지만, 카브레터일 수도 있으며, 그러한 경우에 이것은 흡기 수단과 조합된다. 연료를 부가하는 수단이 정상적으로는 피스톤 위치 센서 또는 다른 수단을 구비하여 연료 분사의 적절한 타이밍을 보장한다. 배기 수단(809)은 또한 챔버에 연결되어 챔버로부터의 연소 생성물을 제거한다. 바람직한 배기 수단은 밸브와 대기 사이에 통로를 가진 연소 챔버의 주변에 위치한 밸브이다. 흡기 및, 배기 수단의 작동은 피스톤의 팽창 행정이 압축 행정보다 커질 수 있게 한다. 이러한 제어를 달성하는 바람직한 방법은, 흡기 수단을 차단하고 있는 동안에, 상향 행정의 첫번째 부분 에 대해서 배기 수단이 작동을 계속할 수 있도록 하는 것이다. 팽창 행정에 대해서 바람직한 작동 모드는 피스톤이 그것의 하향 행정의 끝에 도달할때 배기 및, 흡기 양쪽의 작동을 개시하는 것이다. 유압 또는 공압 펌프, 선형의 발전기 또는 다른 수단을 구동하도록 피스톤을 이용함으로써 일이 피스톤으로부터 추출된다.

도 3 은 기본적인 바람직한 구현예를 도시한다. 피스톤(810)은 연소 챔버(812)를 한정하는 실린더(811)내에서 왕복한다. 피스톤은 행정의 압축 부분 동안에 피스톤을 움직이는 구동부로서 작용하는 스프링(824)과 출력 샤프트(823)에 연결된다. 피스톤은 개스 베어링(813)에 의해서 지지되는 자유 피스톤인 것이 바람직하다. 송풍기(814)는 새로운 공기를 가압하여 이것을 연소 챔버에 공급하고 통로(815)를 통해서 흡기 포트(816)에 공급한다. 실린더 내측의 작동 포트(825)로부터의 압력에 의해 작동되는 밸브(817)는 팽창 행정 동안에 배기 포트(818)를 보조적으로 덮는다. 밸브는 실린더 둘레의 링의 형태인 것이 바람직하다. 실린더내의 다중 포트(819)는 밸브상의 하중의 균형을 잡는다. 피스톤은 결국 실린더의 압력을 감소시키는 흡기 포트(816)와 주 배기 포트(820)를 노출시키며 스프링(821)이 보조 포트를 개방할 수 있도록 한다. 다음에 새로운 공기는 배기 개스를 일소시키도록 송풍기(814)로부터 흡기 포트를 통해서 유동할 수 있다. 피스톤이 상향 행정을 개시할때 이것은 주 배기 포트와 흡기 포트를 덮는다. 실린더내 압력은 피스톤이 보조적인 배기 포트를 덮을때까지 배기 압력에 근접하게 유지된다. 그러한 지점에서 피스톤은 압축 행정을 시작하며 연료 인젝터(822)는 연료를 챔버에 부가한다. 이후에 연료는 점화되며 사이클이 자체적으로 반복된다.

상기 도면들은 압축 점화 기관을 도시하는 반면에, 스파크 기관도 선택될 수 있다. 다른 선택으로서 단일 피스톤이 아닌 대향 피스톤을 사용할 수 있다. 또한 바람직한 것은 아닐지라도 다른 선택으로서, 피스톤을 관련 베어링과 피스톤 링을 가진 종래의 크랭크 메카니즘에 부착시킨다.

도 4 는 다른 바람직한 구현예를 도시하는데, 이것은 연소 챔버가 압축기로서의 역할을 할 수도 있는 것이다. 이러한 구현예는 마트리카르디의 미국 특허 제 1,036,288 호에 개시된 이중 작용 2 행정 기관을 개선시킨 것이다. 피스톤(830)은 실린더(832)내에서 왕복하는 개스 베어링(831)에 의해서 지지된다. 피스톤은 두개의 연소 챔버(833,834) 사이에서 움직인다. 실린더는 고정되지 않으며 두개의 정지부(835,836) 사이에서 미끄러질 수 있다. 흡기 체크 밸브(837,838)는 실린더의 단부에 위치한다. 배출 포트(839,840)는 실린더의 단부에 근접한 측벽에서 발견된다. 체크 밸브(841,842)는 연소 챔버내로의 역류를 방지하도록 배기 라인(843,844)내에 위치한다. 연료 인젝터(845,846)는 연료를 각 연소 챔버에 공급한다. 실린더의 운동은 배출 포트를 덮거나 덮은것을 벗긴다.

상기 기관의 작동은 팽창 개스의 에너지를 완전하게 이용한다. 사이클은 도 4 에서 실린더의 우측 단부에 있는 피스톤과 함께 시작된다. 우측 연소 챔버내의 점화가 발생하여 피스톤을 좌측으로 급속하게 강제한다. 점화 이전의 압축 행정과 점화의 힘은 실린더를 우측으로 미끄러져서 움직이도록 강제한다. 실린더의 운동은 우측 배출 포트(840)를 덮으며, 이것은 고압의 개스가 팽창 행정 동안에 이러한 포트들을 통해서 배출될 수 없다는 것을 의미한다. 같은 실린더 운동은 실린더의 좌측에서배출 포트(839)를 노출시킨다. 피스톤이 좌측으로 움직이면서, 좌측의 배출 밸브가 개방되어 개스가 배출될 수 있을때까지 피스톤은 좌측 챔버내 개스를 압축한다. 결국 우측 연소 챔버 내측의 압력은 흡기 밸브(838)에 있는 개스의 압력 이하로 강하하며 다른 개스가 챔버에 들어온다. 동시에 피스톤은 움직어셔 실린더의 좌측에 있는 배출 포트를 덮으며 점화 준비를 위해서 일정량의 개스를 압축시킨다. 이후에 연료는 좌측 챔버내로 분사되며, 점화 및, 사이클이 다시 시작된다.

터빈은 기관으로부터의 배출에 연결될 수 있다. 터빈 구동부로부터의 동력은 발전기와 기관용 과급기를 구동시킬 수 있다. 이러한 터보 과급기-발전기 장치는 기관이 효율적으로 동력을 발생시킬 수 있게 하며 기관으로의 공기 유동을 제어한다.

상기 기관이 도 3 에 도시된 기관과 공유하는 새로운 특징은 압축 행정 보다 큰 팽창 행정을 제공하는 능력이다. 압축 행정은 배출 밸브가 폐쇄될때 시작되어 점화시에 끝난다. 팽창 행정은 점화시에 시작되어 흡기 체크 밸브가 개방시에 끝난다. 피스톤이 폐쇄된 배출 포트 까지 움직일때 개스는 여전히 팽창중이기 때문에 팽창 행정이 압축 행정 보다 훨씬 크게 되는 결과를 낳는다. 이처럼 보다 긴 팽창 행정은 기관으로 하여금 팽창 개스내 에너지를 완전하게 사용할 수 있게 한다.

선행 기술에서는 압축 행정과 팽창 행정이 필연적으로 동일한 길이를 가졌다. 이전의 디자인에서는 피스톤이 점화 이후에 배출 포트를 노출시킬때 배출 체크 밸브가 개방된다. 밸브가 개방될때, 개스는 실린더로부터 배출될 수 있으며, 이것은 팽창 행정을 끝낸다. 피스톤이 점화 이전에 배출 포트를 덮을때 압축 행정이 시작된다. 그 결과로 압축 행정과 팽창 행정은 배출 포트와 점화 지점 사이의 거리에 있게 된다. 따라서 새로운 기관은 이전의 디자인보다 훨씬 긴 팽창 행정을 가지며, 이것은 기관의 효율을 향상시킨다.

도 4 의 구현예는 선행 기술에 비해 몇가지의 중요한 장점을 가진다. 첫번째 장점은 이것이 팽창 행정 동안에 배출 포트를 덮는 메카니즘을 구비한다는 점이며, 이것은 연소 생성물의 완전한 팽창을 가능하게 하고 효율을 향상시킨다. 다른 장점은 피스톤이 개스 베어링에 의해서 지지된다는 것이며, 이것은 마찰을 감소시키고 오일 또는 다른 윤활제에 대한 필요성을 제거한다. 부가적인 장점은 세라믹 재료를 사용할 수 있다는 것인데, 이는 매우 높은 온도를 견딜 수 있다. 고온에서 작동할 수 있는 성능은 냉각 시스템이 필요하지 않다는 점을 의미한다.

상기 구현예가 배출 포트의 개방 및, 폐쇄를 제어하는 가동 실린더를 도시하는 반면에, 다른 장치들이 가능하다. 예를 들면, 도 3 의 밸브 장치도 이러한 구현예를 사용할 수 있다. 다른 가능성은 배출 포트를 제어하는 일종의 밸브 액튜에이터의 사용이다.

도 3 및, 도 4 의 구현예에 대한 바람직한 작동 모드가 완전 팽창인 것인 반면에, 기관에 대한 단순한 변화는 완전 팽창 없이 큰 동력 모드로 기관이 가동될 수 있게 한다. 도 3 에 도시된 기관에 대해서 보조 포트를 간단하게 차단함으로서 기관이 종래의 오토 사이클로 작동될 수 있다. 마찬가지로, 도 4 의 기관의 실린더 위치를 고정시킴으로써 점화가 완전 팽창 특징을 무력화시킨 직후에 배출 밸브는 개스를 배출시킬 수 있다. 작동 모드를 변화시키는 성능은 비록 효율이 떨어지기는 하지만 일시적으로 기관이 고 부하를 충족시킬 수 있다.

도 5 는 도 4 의 구현예의 다른 구현이며, 이것은 기관의 각 단부에 위치한 압축기용의 피스톤을 구동시키는 구동 실린더를 사용하는 것이다. 도 4 에서와 같이, 피스톤(850)은 내부 실린더(851)내에서 두개의 연소 챔버(852,853) 사이를 왕복한다. 내부 실린더(851)는 다시 외측 실린더(858)의 내측에서 왕복한다. 배출 밸브(854,855)는 챔버 외부로의 유동을 제어한다. 흡기 밸브(856,857)는 챔버 내로의 유동을 제어한다.

도 5 와 도 4 의 주된 상이점은 기관의 각 단부에서의 압축기 챔버(858,859)의 부가이다. 내부 실린더(851)는 피스톤(858,860)을 구동한다. 이러한 피스톤은 외측에서 압축기 실린더(861,862)를 가지고 내측에서 바운스 챔버(bounce chamber, 863, 864)를 가진다. 연료 인젝터(865,866)는 연료를 각 연소 챔버로 공급한다. 흡입 밸브(867,868)는 새로운 공기가 압축기 실린더내로 들어올 수 있게 한다. 배출 라인(869,868)은 배출 개스가 기관으로부터 밖으로 배출되게 한다. 배출 라인은 개스가 외기로 배출되기 이전에 일을 추출하도록 터빈에 연결되는 것이 정상적이다.

도 6a 내지 6b는 상기 기관들이 진동을 최소화하도록 함께 장착될 수 있는 방법을 도시한다. 구성 a 는 공통의 축을 공유하는 두개의 실린더를 도시한다. 제어는 피스톤(180)이 180 도로 위상이 다르게 유지하여 힘들이 평형을 이룬다. 이러한 제어는 연료 분사 타이밍 및, 분사량, 스파트 타이밍, 그리고 출력 압력상의 제어를 포함할 수 있다. 구성 b 는 4 개의 실린더가 한줄로 있는 것을 도시한다. 두개의 단부 실린더에 있는 피스톤은 중간 피스톤이 180 도로 위상이 다르게 있는 동안에 함께 움직인다. 구성 c 는 유사한 목적을 달성하는 다른 장치를 도시한다. 4 개의 실린더가 사각형으로 배치된다. 각 피스톤은 위상이 같고 대향하는 피스톤은 인접한 피스톤과 180 도의 상이한 위상이다. 이러한 도면들은 세가지의 양호한 구성을 도시한다; 힘을 평형화시키는 목적을 달성하는 다른 장치가 가능하다. 이러한 예들은 간단한 기계적인 제어를 사용하여 매우 높은 디자인 효율을 달성할 수 있는 기관 디자인을 도시한다. 넓은 범위의 동력 출력에 걸쳐서 우수한 효율을 부여할 수 있는 훨씬 유연한 제어도 가능하다. 본 발명의 다양한 제어 특징의 기본적인 원칙은 도 7 에 도시되어 있다. 도 7 은 한쌍의 피스톤(10,12)을 가지는 자유 피스톤 내연 기관을 도시하며, 상기 피스톤은 실린더(14)내에서 반대의 위상으로 왕복될 수 있고 시일 가능하게 미끄러질 수 있는 것이다. 피스톤(10)의 각 면(16)과 피스톤(12)의 단부면(18)은 연소 챔버(20)를 경계짖고 한정한다.

구동부(22)는 피스톤(10)에 연결되고 유사한 구동부(24)는 그것의 압축 행정을 통해서 각 피스톤을 구동하는 피스톤(12)에 연결되어 있다. 그러한 구동부들은 당해 기술 분야의 업자들에게 공지되어 있으며, 바람직하게는 에너지 저장 장치를 구비하는데, 이것은 일 발생 팽창 행정으로부터 초래된 에너지를 저장하고, 그리고 플라이휘일 효과를 달성하기 위하여 압축 행정 동안에 저장된 에너지를 피스톤에 복귀시킨다. 예를 들면, 동력 출력의 일부는 유압 모터를 구동하도록 사용될 수 있어서, 구동부(22,24)로 이용된 유압 실린더 또는 유압 액튜에이터를 구동하도록 사용된 유압 유체의 고압 저장조를 제공한다.

기관은 또한 연료 인젝터(26)를 가지며, 이것은 바람직하게는 어떤 면에서 고압하에 연료를 분사하기 위한 것이며 선행 기술에서 통상적인 구조를 이용하는 것이다. 비록 디이젤 기관에서와 같이 점화가 연료의 충분한 압축에 의해 개시될 수 있다 할지라도, 기관은 종래의 스파크 플러그와 같은 점화 시스템(28)을 가지는 것이 바람직하다. 그러나 바람직하게는 기관의 작동이 예를 들면 등유, 천연 개스, 디이젤 연료, 가솔린 및, 수소와 같은 광범위한 연료로써 가능하도록 스파크가 저 휘발성 연료의 점화용인 고 에너지 스파크이다.

연소 챔버 밸브(30)는 피스톤(10)내에 제공되며, 유사하게는 연소 챔버 밸브(32)가 피스톤(12)내에 제공된다. 각 연소 챔버 밸브는 통로(34, 36)에 각기 연결됨으로써, 각 연소 챔버 밸브는 연소 챔버(20)와 지구 대기 사이의 개스 통로를 제어하거나 또는 개스 터빈 유입부 또는 과급기와 같은 다른 공간을 제어한다. 연소 챔버 밸브(30)는 밸브 액튜에이터(38)에 연결되며, 연소 챔버 밸브(32)는 밸브 액튜에이터(40)에 연결된다. 비록 각 밸브 액튜에이터는 전체적으로 개별 밸브들 각각을 폐쇄하고 개방하도록 작동할 수 있을지라도, 본 발명의 일부 구현예에서 밸브(32)와 같은 밸브들중 하나가 체크 밸브일 수 있으며, 다른 밸브는 밸브 액튜에이터에 의해서 폐쇄될 수 있고 개스 압력에 의해서 개방될 수 있는 것이 대안으로서 가능하다는 점이 이해될 것이다. 근년에는 선행 기술에서 다양한 전기 제어 밸브가 발전되었는데, 이것은 본 발명의 연소 챔버 밸브로서도 잘 작동할 정도로 충분히 빠른 것이다.

도 7의 피스톤(10)과 같은 적어도 하나의 피스톤에는 피스톤 위치를 표시하는 신호를 제공하는 피스톤 위치 트랜스듀서(42)가 제공된다. 상기 피스톤 위치 트랜스듀서의 다양한 것들이 당해 기술 분야의 업자들에게 알려져 있다. 이것은 코일 스프링에 장착된 스트레인 게이지, 선형 가변의 차동 트랜스포머, 또는 본원에 참고로서 포함되는 다음의 미국 특허에 개시된 그 어떤 위치 트랜스듀서를 포함한다. 이것은 미국 특허 제 5,342,176 호; 제 4,912,409 호; 제 4,866,378 호; 및, 제 4,864,232 호;들이다. 피스톤 위치 트랜스듀서(42)는 신호 처리 회로(44)에 연결되어 있으며, 이것은 아날로그 대 디지탈 콘버터를 구비하여 다시 디지탈 콤퓨터(46)에 연결될 수 있다. 모든 작동 및, 제어 기능들은 현대의 통상적인 내연 기관에서 기능들이 통상적으로 제어되는 바와 같이 콤퓨터에 의해서 제어된다.

위치 트랜스듀서(42), 신호 처리 회로(44) 및, 콤퓨터(46)는 본 발명의 일반화된 구현예에서 밸브 액튜에이터(38,40)에 연결된 피스톤 위치 센서로서 작동한다. 이들은 밸브(30,32)를 폐쇄하도록 선택된 피스톤 위치에서 밸브 액튜에이터(38,40)에 신호를 함께 제공한다. 일반적으로, 이들은 상기 밸브를 개방하도록 밸브 액튜에이터(38,40)에 상이한 신호를 제공할 수도 있다. 제어 입력(47)도, 기관의 동력 출력을 제어하거나, 또는 행정을 제어하거나, 또는 다른 변수나 변수들을 제어하는 것과 같이, 기관을 제어하도록 컴퓨터(46)에 제공될 수 있다. 제어 입력(47)은 피드백 제어 시스템내에 편입될 수 있다.

피스톤 위치 센서가 선택된 피스톤 위치를 검출할때 연소실의 양측 밸브(30,32)가 밸브 액튜에이터에 의해서 직접적으로 개방될 수 있을지라도, 첵크 밸브 또는 다른 압력 응답 밸브는 그들에 걸친 압력 편차에 응답하여 개방 및, 폐쇄될 것이다. 그러한 압력 응답 밸브들은 연소실내의 압력이 피스톤 위치의 함수라는 점에서 본 발명에서의 피스톤 위치에 응답성이 있다.

이와는 달리 상기의 기능들은 전자-기계적 장치 또는 유압 장치 또는 슬라이딩 접촉 수단이나 그와 유사한 수단, 또는 당해 기술 분야에서 공지된 다른 수단과 같은 구식의 방법에 의해서 제어될 수 있다. 이러한 간단한 기계적 방법이 완전한 콤퓨터 제어보다도 덜 유연한 반면에, 이들은 결과가 유용하기 위해서 최적의 요구되는 타이밍에 합리적으로 근접할 수 있다.

작동에 있어서, 관성 및, 개스의 동역학적 효과 때문에 필연적으로 정확하게 동시는 아닐지라도, 연소실 밸브(30,32)들은 거의 동시에 개방되고 폐쇄된다. 바람직하게는 연소실 밸브(30,32)가 개방되었을때 연소실로부터 연소 생성물 개스를 제거하고 그리고 연소를 지원하는 공기로 연소실을 충전하도록 송풍기(48)가 제공된다. 가압된 공기는 송풍기 통과 통로(36), 밸브(32), 연소실(20), 밸브(32) 및, 통로(34)에 의해서 강제된다. 송풍기(48)는 연소 개스의 제거를 위해서 대기압 보다 약간 높은 압력에서만 작동할 수 있거나, 또는 연소 개스의 제거 뿐만 아니라, 연소실 내에 증가된 공기량을 제공하도록 과급기(supercharger)일수도 있다.

피스톤(10,12)은 커넥팅 로드(50,52)를 통해서 개별의 부하(54,56)에 연결되어 유용한 동력의 출력을 나타낸다. 적절한 부하는 당해 기술 분야에서 통상적으로 공지되어 있으며, 유압 펌프, 공압 펌프 및, 전기 교류 발전기를 포함한다. 이러한 부라로부터의 일부 동력은 점화 및, 전기 처리 시스템, 공기 송풍기 및, 밸브 액튜에이터와 같은 기관의 보조 시스템을 구동하도록 사용될 수 있다. 발생된 유압, 공압 또는 전기 동력은 당해 기술 분야에서 공지된 저장 장치에 의해서 시동시에 사용되도록 저장될 수 있다.

본 발명의 작동은 도 13 의 압력/체적 다이아그램과 연결하여 설명될 수 있다. 피스톤(10,12)이 그들의 왕복 경로의 최외곽 또는 말단 위치에 있을때, 그들의 위치는 도 13 의 점(A)에 해당한다. 밸브(30,32)는 점(A)에서 개방되고, 피스톤(10,12)은 구동부(22,24)에 의해서 그들의 중간 위치를 향해 내측으로 구동된다. 피스톤이 점(A)로부터 점(B)를 향해서 이러한 최초의, 압축/세정 행정의 세정 부분을 따라서 내측으로 움직이면, 압축이 발생하지 않으며, 송풍기는 연소 챔버로부터 생성물을 강제하여 연소 챔버를 새로운 공기로 재충전시킨다. 지점(B)의 피스톤 위치가 피스톤 위치 센서에 의해서 검출될때, 피스톤 위치 센서는 밸브 액튜에이터(38,40)를 작동시켜서 밸브(30,32)를 폐쇄시키고 압축을 개시한다. 압축은 피스톤이 지점(B)으로부터 지점(C)으로 움직일때 계속된다. 지점(C)의 직후에, 연료가 분사되고 점화가 개시되어 적어도 대략 지점(D)까지 계속된다. 연소의 열에너지는 개스의 압력을 증가시켜서 이후에 피스톤의 움직임은 연소실내의 개스를 계속 팽창시켜서, 피스톤(10,12)들을 팽창 행정을 따라서 근접 지점(A)으로 개별적으로 구동한다. 이러한 지점에서 배기 밸브가 개방되고 사이클이 반복된다.

결국, 본 발명에서 연소 챔버는 연소 개스의 더 이상의 팽창을 종료시키고 연소 생성물의 배출과 연소 챔버의 재충전을 개시하도록 팽창 행정의 단부에 근접한 피스톤 위치에서 배기된다. 배기는 배출을 종료시키고 압축을 개시하도록 제어 가능하게 가변적인 피스톤 위치(B)에서 밸브를 폐쇄시킴으로써 종료된다. 본 발명은 요구되는 출력 동력 및/또는 요구되는 효율에서의 변화에 응답하여 배기를 개시하고 종료하도록 밸브가 개방 및, 폐쇄되는 피스톤 위치의 적어도 하나 그리고 바람직하게는 양쪽의 변화를 허용한다. 팽창비는 연소 챔버 밸브가 개방되는 피스톤 위치의 함수이고, 압축비는 연소 챔버 밸브가 폐쇄되는 피스톤 위치의 함수이기 때문에, 팽창비와 압축비 모두는 독립적으로 제어될 수 있다. 피스톤 행정은 밸브가 개방 및, 폐쇄되는 위치 및, 연소되는 연료량의 함수이기 때문에, 본 발명은 압축이 개시되는 피스톤 위치 및, 팽창이 종료되는 피스톤 위치의 독립적이고 직접적인 제어를 가능하게 할뿐만 아니라, 기관 행정의 변위 또는 길이의 제어도 가능하게 한다.

도 8 은 다른 구현예를 도시하는데, 본 발명의 다른 구현예를 대체할 수 잇는 다양한 다른 구성부를 구비하는 것이다. 도 8 의 기관은 실린더(114)내에서 왕복하는 한쌍의 피스톤(110,112)을 가진다. 각 피스톤은 공기 펌프 장치와 일체로 형성된다. 피스톤(110)은 피스톤(112)과 일치하며, 따라서 하나만이 도시되어 있다. 제 2 의 피스톤(116)은 제 1 피스톤(110)의 스커트(skirt)로서 형성되어 있으며 펌프 실린더(118)내에서 왕복한다. 펌프는 구조 및, 이중적인 작용에 있어서 통상적이며, 흡기 첵크 밸브(120,122)와 배기 첵크 밸브(124,126)가 제공되어 있다. 이러한 공기 펌프는 밸브 액튜에이터 작동을 위한 공압 시스템에서 사용되는 어큐뮬레이터를 형성하는 고압 개스 저장조(128)내로 주변의 공기를 펌프시키는 역할을 한다. 팽창 행정 동안에 에너지를 저장하고 압축/세정 행정 동안에 피스톤을 내측으로 구동하는 구동부는 이중 작용 코일 스프링(130)이며, 기관 작동의 설계 진동수에서나 또는 그에 근접한 진동수에서 피스톤(110)을 공명 상태로 지지하는 스프링 상수를 가진다.

연소 챔버 밸브(132)는 고압 개스 저장조(128)로부터 적용되고 해제되며 피스톤(134)에 작용하는 개스 압력에 의해서 개방되고 폐쇄된다. 압력의 적용 및, 해제는 Y 밸브(136)에 의해서 제어되며, 이것은다시 두개의 상태 사이에서 스위치되는 솔레노이드(138)에 의해서 작동된다. 피스톤 위치 트랜스듀서(140)는 순간적인 피스톤 위치를 센싱하여 그 신호를 도 7 과 연관되어 설명된 방식으로 콤퓨터 및,신호 처리 회로(142)에 적용한다. 고압의 개스는 Y 밸브(136)를 통해서 실린더 벽내에 형성된 고리형 홈(144)에 부가된다. 고리형 홈(144)은 액튜에이터 피스톤(134)과 통하는 포트(146)에 맞추어진다. 고리형 홈(144)은 피스톤(110)의 행정 동안에 포트(146)과 통하는 상태로 유지되기에 충분할 정도로 멀리 축방향으로 연장되어야만 한다. 솔레노이드가 그것의 제 1 상태로 스위치되어서 압력을 저장조(128)로부터 밸브 액튜에이터 피스톤(134)으로 적용하도록 Y 밸브(136)를 스위치시킬때 밸브(132)는 개방된다. 솔레노이드가 그것의 제 2 상태로 스위치되어서 고압 개스를 고리형 홈(144)으로부터 배기시키도록 Y 밸브(136)를 스위치시킬때 밸브(132)는 폐쇄되어, 코일 스프링(150)이 밸브(132)의 폐쇄를 강제하는 것을 허용한다. 따라서, 피스톤(134), 스프링(150), 밸브(136), 솔레노이드(138) 및, 고압 저장조(128)는 함께 밸브 액튜에이터를 제공하는데, 상기 밸브 액튜에이터는 개입 제어 밸브(136)에 의해 제어되고 유압원(128)으로부터 적용되는 압력에 응답성이 있는 것이다.

피스톤(112)내 제 2 연소 챔버 밸브(152)는 분리된 밸브 액튜에이터를 필요로 하지 않는 첵크 밸브이며 본 발명의 일부 구현예에서 다르게 사용될 수 있다. 송풍기(160) 및, 관련된 세정 공기 저장부(162)에 의해 적용되는 압력의 결과로서, 첵크 밸브(152)는 팽창 행정의 끝에 연소 챔버 밸브(132)가 개방된 이후에 개방된다. 연소 챔버 밸브(132)가 개방된 이후에 첵크 밸브(152)에 걸친 차동적인 압력은 흡기 통로(164)를 통해서 연소 챔버(115)의 내부로 강제된 공기의 유동을 가능하게 하지만, 압축, 연소 및, 팽창 동안에 반대 방향으로의 유동을 방지한다.

이와는 달리, 이러한 흡기 첵크 밸브가 배기 개스의 모멘텀 효과에 의해서 야기되는, 실린더내의 압력이 대기중보다 낮게 감소되는 것에 의해서 개방될 수 있다. 배기 덕트 기하학의 주의 깊은 디자인과 조합된, 배기 밸브가 개방되었을때 그것을 통한 빠른 개스 속도는 이러한 모멘텀 효과를 향상시킬 수 있고 실린더 내부의 압력을 대기압보다 낮은 수준으로 감소시킬 수 있다. 이러한 모멘텀 효과는 선행 기술에서 공지되어 있다.

도 8 은 종래 방식으로 점화를 개시하는 한쌍의 통상적인 스파크 플러그 전극(166)의 사용을 도시한다.

도 9 는 본 발명의 다른 구현예를 도시하며, 이것은 도 8 과 유사하지만, 예외적으로 피스톤(210)에 대한 밸브 액튜에이터가 도 2 에서와 같이 폐쇄된 연소 챔버 밸브를 편향시키는 대신에 연소 챔버 밸브(214)를 개방 위치를 향해 편향시키는 스프링(212)을 구비한다. 도 8 에 도시된 연소 챔버 밸브(132)가 개방된 것과 같은 방식으로 연소 챔버 밸브(214)를 폐쇄하도록 도 9 의 구현예에서 고압이 고압 개스 저장조(216)로부터 적용된다. 그러나, 연소 챔버 압력이 선택 압력보다 낮게 강하할 정도로 피스톤(210)이 그것의 팽창 행정을 따라서 충분히 멀리 이동할때 연소 챔버 밸브(214)가 개방된다. 상세하게는, 스프링의 힘이 연소 챔버 밸브(214)상의 정미의 차동 압력의 힘을 초과할때 밸브(214)가 개방된다. 당해 기술 분야에 알려진 많은 다른 유형의 밸브 액튜에이터 시스템이 사용될 수도 있으며, 이들은 솔레노이드에 의해서 직접적으로 구동되는 밸브뿐 아니라 캡과 유압 밸브 작동 시스템을 포함한다.

도 10 은 본 발명의 구현예에서 이용될 수 있는 다른 구성 요소를 가진 다른 대안의 구현예를 도시한다. 도 10 은 실린더(314)내에서 시일되어 왕복하는 한쌍의 피스톤(310,312)을 가지는 기관을 도시한다. 도 4 의 구현예에서, 연소 챔버 밸브(316,318)는 피스톤(310,312) 중간의, 연소 챔버(322)에서 실린더내에 형성된 헤드(320)내에 위치한다. 피스톤 위치 트랜스듀서(324)는 피스톤 커넥팅 로드(326)의 외부 부분에 연결될 수 있으며, 이것은 또한 동력 출력(328)을 제공하도록 연결되어 있다. 비록 이전에 설명된 방식으로 밸브(316,318)들 모두가 밸브 액튜에이터들에 의해서 개방되고 폐쇄될 수 있을지라도, 도 4 는 연소 챔버 흡기 밸브(316)를 도 2 및, 도 3 을 참조하여 설명된 방식의 첵크 밸브로서 설명한다. 다른 연소 챔버 밸브(318)는, 피스톤 위치 센서를 함께 형성하는 피스톤 위치 트랜스듀서(324) 및, 그것의 신호 처리와 콤퓨터 회로(332)에 응답하는 관련된 밸브 액튜에이터(330)에 의해서 스위치가 켜지고 꺼지게 된다.

도 10 은 또한 연소 챔버(322)로부터의 배기 개스가 터빈(334)을 통해서 적용될 수 있는 것을 도시하는데, 상기 터빈(334)은 그것의 회전 샤프트가 전기 동력 발생용 교류 발전기에 연결되어서 연소 생성물의 팽창으로부터 부가적인 에너지를 추출하고 그러한 에너지를 보조 시스템에 의한 사용을 위해 전기 동력으로 전환시킨다. 이와는 달리, 피스톤 로드로부터의 동력이 다시 터빈을 구동하는 유체를 펌프시키도록 사용된다면, 배기 가스는 그러한 유체를 보충할 수 있어서 같은 터빈을 구동하게 된다.

예를 들면, 도 16 은 바람직한 구현예이며, 실린더(614)내의 자유 피스톤(610,612)을 구비한다. 구현예는 전체적으로 다른 도면에서의 것과 유사하다. 그러나, 연소 챔버 밸브(616)는 신호 처리 및, 콤퓨터 회로(620)에 연결된 전기 솔레노이드 액튜에이터(618)를 가진다. 더욱이, 터빈(622), 전기 교류 발전기(624) 및, 소풍기(626)는 같은 샤프트(628)를 회전시키도록 연결된다. 왕복하는, 자유 피스톤(610,612)으로부터의 출력 동력은 고압의 개스 펌프(630,632)에 연결된다. 연소 과정으로부터의 배출 개스뿐만 아니라, 상기 개스 펌프(630,632)는 통로(634)를 통해서 터빈 동력용으로 터빈(622)을 향한다. 따라서 터빈은 공통의 회전 샤프트(628)에 대한 그들의 연결을 통해서 교류 발전기(624)와 세정 송풍기(622)를 구동시킨다. 이러한 구현예에서 최종의 출력 동력은 교류 발전기(624)로부터의 전기 동력이다. 이와는 달리, 세정용 공기는 고압 개스 펌프(630,632)로부터의 고압 개스 부분으로부터 유도될 수 있다.

교류 발전기는 시동하는 동안에 축전 배터리에 의해서 모터로서 에너지가 주어질 수 있도록 설계될 수 있으며, 따라서 이것은 실린더(614)내의 최초 공기 충전을 위해서 세정용 송풍기를 구동하게 될 것이다. 이러한 경우에, 오버라이드 클러치는 시동하는 동안에 교류 발전기를 터빈으로부터 분리하게 되는 것이 바람직하다. 이와는 달리, 송풍기는 그 자신의 전용 전기 모터에 의해서 구동될 수 있다.

비록 고압 개스 펌프가 명확성을 위해서 도 16 에서는 기관의 외부에 있는 분리된 블록으로서 도시되었을지라도, 이들은 도 3 에 도시된 방식으로 자유 피스톤(610,612)의 단부에서 스커트로서 형성된 피스톤에 의해 바람직하게 형성될 수 있다. 도 11 은 복수개의 개별적인 기관(710,712,714)을 구비하는 다단계 기관을 도시한다. 이러한 각 개별적인 기관들은 도 1 내지 도 10 에 도시되 위에서 설명된 바와 같이 본 발명의 구현예이다. 비록 세개가 도시되었을지라도, 상기 개별적인 기관의 그 어떤 갯수라도 다단계 기관에서 사용될 수 있다. 각 개별적인 기관들의 피스톤은 통상적인 연동 장치를 통해서 연결되어 출력 동력을 전기 부하(716)와 같은 동일한 부하에 공급하게 된다. 예를 들면, 피스톤은 전기 부하(716)에 연결된, 전기 교류 발전기(720,730)에 연결될 수 있다. 공압 또는 유압과 같은, 이전에 설명된 이용 가능한 다른 동력 출력 시스템들중 그 어느 것이라도 사용될 수 있다. 각 개별적인 기관들(710,714)은 위에서 설명된 방식으로 단일의 제어 콤퓨터(732)에 연결되어 그에 의해 제어된다. 그러나, 각 개별의 기관들은, 모든 개별의 기관보다도 적은 수를 포함하는, 선택된 개별의 기관을 동시에 작동시키기 위하여 콤퓨터에 의해서 선택적으로 가동되거나 또는 비가동될 수 있다. 이것은 도 11 의 다단계 기관들로 하여금 현재의 부하 요구를 충족시키는데 필요한 이들 개별적인 기관들만으로 작동될 수 있게 하며, 이것은 부하 수요 검출기로부터 콤퓨터에 의해서 센싱되는데, 상기 부하 수요 검출기는 부하(716)에 연결되고 입력(733)에서 콤퓨터에 연결되어 부하 수요 신호를 제공한다. 예를 들면, 부하(716)가 전기적인 것이라면, 전류, 전압 또는 동력 검출기는 가벼운 부하 아래에서 단일의 개별적인 기관을 작동시킬 수 있으며 부하가 증가함에 따라서 기관의 수를 증가시킨다. 마찬가지로, 부하가 다단계 기관에 의해 추진되는 차량이라면, 공회전시에는 단지 단일의 개별적인 기관이 작동될 것이고 빠른 가속에 대해서는 모든 기관이 작동되며 시내의 주행에서는 모든 기관보다도 적은 수가 작동될 것이다.

개별적인 기관을 비가동시키는 하나의 방식은 그것의 연소 챔버 밸브를 폐쇄시켜서 그들을 폐쇄 위치에 유지시키는 것이다. 이것은 다른 도면에서 도시된 바와 같이, 송풍기가 연소 공기를 연소 챔버로 제공하는 것을 방지한다. 연료 분사기와 통하는 밸브(740,742,744)들은 비가동의 연소 챔버내로 연료가 분사되는 것을 방지하도록 꺼질수도 있다. 스파크를 비가동시키는 것과 같이 다른 제어 수단이 사용될 수도 있다는 점은 명백하다. 밸브는 송풍기 통로를 통해서 제공될 수도 있다.

본 발명을 구체화한 기관으로 기관 동력과 효율을 제어하는 것은 도 12 내지 도 14 에 도시되어 있으며, 연소 챔버내로 분사되는 연료량의 제어된 조절뿐만 아니라, 연소 챔버 밸브가 개방되거나 또는 폐쇄되는 피스톤 위치들중 적어도 하나, 바람직하게는 그 모두를 변환시키는 것을 포함한다. 도 12 내지 도 14 에서, 수직 축은 기관의 대칭적인 중심을 나타내도록 위치되었으며 중심으로부터 이탈된 피스톤의 변위는 수평 축을 따른 거리에 의해서 표시된다. 기관은 도 14 에 도시된 바와 같이, 연소 챔버 밸브가 개방되는 피스톤 위치(A) 및, 연소 챔버 밸브가 피스톤 행정을 감소시키도록 도면에서 좌측을 향해 폐쇄되는 피스톤 위치(B)를 통상적으로 움직임으로써 상대적으로 낮은 동력으로 작동한다. 통상적으로 연료의 공급도 감소된다.

배기 밸브 폐쇄 지점(A)을 좌측으로 움직임으로써, 차후의 압축, 연소 및, 팽창을 위해서 실린더내에 있는 공기량은 감소된다. 배기 밸브의 폐쇄에서의 지연은 기관의 크기 또는 변위를 효과적으로 감소시키며 따라서 동력을 감소시킨다. 그 효과는 통상적인 크랭크 구동 기관에서의 크랭크 샤프트 행정 거리를 감소시키는 것과 같다. 이러한 동력 감소 방법은 통상적인 디이젤 기관에서 단순히 분사 연료를 감소시키거나 또는 유입 공기를 쓰로틀링시키는 통상적인 것보다도 훨씬 효율적이다.

도 12 및, 도 13 은, 연소 챔버 밸브가 개방되는 때에 지점(A)에서 연소 챔버 압력이 송풍기의 유입되는 과급 압력의 압력으로 실질적으로 강하했던 것을 관찰함으로써 보이는 바와 같이, 연소 챔버내 팽창 에너지의 매우 높은 비율이 피스톤을 구동함에 있어서 사용되는 것을 나타낸다.

높은 동력의 수요가 충족되어야만 할때, 연소 챔버 밸브 개방의 위치(A)와 연소 챔버 밸브 폐쇄의 위치(B)는 우측을 향해서 독립적이며 급속하게 움직일 수 있고 분사되는 연료량은 증가된다. 도 14 는 그 한계에 접근한 위치(A)와, 압축이 발생하는 동안인 위치(B)로부터 위치(C)로의 압축/세정 행정의 부분에 대한, 연소의 열 에너지가 팽창 개스로부터 추출되는 동안인 위치(D)로부터 위치(A)까지의 팽창 행정의 부분의 비율이 높은 동력 출력에 거의 동등하게 만들어질 수 있을 정도로 우측으로 충분히 멀리 움직인 위치(B)를 도시한다. 이것은 지점(A) 이후의 상대적으로 높은 비율의 압력 강하 및, 따라서 연소 개스 팽창 에너지의 일부 손실을 초래한다. 불완전한 팽창으로부터의 손실은 정상적으로는 최소한이며, 기관이 최대 동력 수준에 근접하여 작동될때 실질적일 뿐이다. 배기 개스 터빈이 설치된 경우에, 이러한 불완전 팽창 에너지 조차도 터빈을 통하여 팽창에서 부분적으로 회수될 수 있다. 그러나, 동력의 손실이 통상적인 내연 기관에서와 같이 거의 실질적인 것은 아니며 실용 크기의 기관으로부터의 높은 동력 출력을 위해서는 회피될 수 없는 것으로 믿어진다.

여기서 다시 밸브 폐쇄 지점(A)을 우측을 향해 유효하게 움직이는 것은 기관의 변위를 증가시키며, 이것은 이러한 경우에 지점(A)에서 실린더내에 포획된 양이 크기 때문이다. 실린더내의 공기량이 커지면 사이클의 차후 압축, 연소 및, 팽창 부분에 이용될 수 있는 동력이 증가된다. 이러한 유형의 자유 피스톤 장치의 작동에 있어서, 팽창 비율은 압축비에 접근할 수 있으며, 이것은 배기로의 에너지 손실량을 증가시킨다. 이러한 배기 손실은 기관이 저 동력 모드에서 작동될때보다 크게 되는 반면에, 이것은 종래의 내연 기관의 손실보다는 크지 않게 된다. 이러한 작동 지점은 기관이 제한적인 효율 감소와 함께 절정의 동력을 제공할 수 있게 한다.

도 11 은 비록 바람직한 것은 아닐지라도 본 발명의 다른 구현예를 도시하며, 이것은 연소 챔버 밸브(410)의 개방 및, 폐쇄를 제어하기 위한 슬라이드 밸브 또는 스풀 밸브를 형성하는 미끄럼 부재에 의존하는 것이다. 도 11 에서 피스톤9412)은 실린더(414)내에 장착되어 있다. 한쌍의 고리형 슬라이드(416,418)는 실린더와 정렬되어 있지만, 충분한 공간이 제공됨으로써 이들은 선택된 위치로 축방향으로 미끄러질 수 있다. 고압원(420)은 슬라이드(418)를 통해서 포트(422)에 적용된다. 밸브 작동 피스톤(424)은 피스톤(412)내의 대응하는 액튜에이터 실린더(426)안에서 시일되어 왕복될 수 있다. 밸브 작동 피스톤(424)은 커넥팅 로드(428)에 의해서 밸브(410)에 연결된다. 실린더(426)내 챔버(430)는, 피스톤(412)이 이동하는 동안에 통로(432)가 포트(422)에 맞게 되었을때, 피스톤 통로(432)를 통해서 고압원(420)과 연결된다. 이러한 방식으로, 소스(420)로부터의 압력은 스프링(434)의 힘에 반해서 피스톤(424)이 연소 챔버 밸브(410)를 개방하도록 강제한다. 마찬가지로, 통로(436)가 포트(438)와 맞게 되어서 챔버(430)에 적용된 압력을 고압원(420)에 의해서 해제할때 피스톤 통로(436)는 슬라이드(416)내의 포트(438)와 통하게 되며, 따라서 스프링(434)이 연소 챔버 밸브(410)의 폐쇄를 강제할 수 있도록 한다.

결과적으로, 고리형 슬라이드(416,418)의 축방향 위치는 연소 챔버 밸브(410)가 개방되고 폐쇄되는 피스톤 위치를 결정한다.

도 11a 는 도 11의 구현예에 대한 PV 다이아그램이다. 바람직하게는 밸브가 도 11a 에 도시된 영역(A)의 어딘가에서 폐쇄되고, 영역(B)의 어딘가에서 개방되며, 그 특정한 위치는 기관의 작동 조건에 의해서 결정된다.

도 15 는 연소 챔버 밸브(510)의 개방 위치를 제어하는 다른 대안의 방식을 도시한다. 밸브(510)는 커넥팅 로드(520)를 통해서 캠 종동부(522)에 연결되며 스프링(524)에 의해서 폐쇄 위치로 편향된다. 축방향으로 미끌어질 수 있는 핑거(526)는 피스톤(530)내에 형성된 챔버(528)내로 돌출하여, 피스톤(530)내 개구부(532)를 통과한다.

피스톤(530)이 도 15 에서 충분히 좌측으로 미끌어져서 핑거(526)가 캠 종동부(522)와 맞물리게끔 했을때, 피스톤(530)이 더욱 좌측으로 움직이는 것은 연소 챔버 밸브(510)가 개방되게 강제할 것이다. 도 15 는 따라서 연소 챔버 밸브의 전체적인 기계적 작동이 선택적으로 이루어질 수도 있음으로 나타낸다. 비록 도 15 의 구현예는 밸브가 피스톤 왕복의 동일한 위치에서 개방되고 폐쇄될 것이라는 단점을 가지고 있을지라도, 연소 챔버 밸브(510)가 상기의 기계적 구조에 의해서 상이한 위치에서 개방되고 폐쇄될 수 있도록 다른 유사한 작동 구조들이 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에 의해서 이용되고 예상될 수 있다.

기관 연소 및, 효율 제어의 기술은 저렴하고 강력한 콤퓨터의 출현에 의해 변혁되었다. 기관은 최근년의 간단한 기계적 장치에 의해서 실현되는 그 어떤 것을 훨씬 능가하는 정도로 제어된다. 예를 들면 공기와 연료의 혼합물은 콤퓨터 제어 분사 시스템을 이용하여 연소 효율을 최대화시키도록 사이클 마다 제어된다. 본 발명의 기관은 이전에 이용할 수 없었던 과정을 가능하게 하도록, 흡입 및, 배기 밸브 운동의 제어에 있어서 똑같이 깊은 진전을 가능하게 한다. 중요한 예는, 통상적인 스파크 점화 기관에서 출력 동력을 제어하기 위한 수단으로서 매우 낭비적인 쓰로틀링 과정을 제거하도록, 열역학적 사이클을 통한 유량을 밸브의 폐쇄 시간에 의해 제어하는 것이다. 이러한 제어 및, 이러한 효과에 대한 이유들의 기술적인 상세는 소사이어티 오브 모토모티브 엔지니어(Society of Automotive Engineers)의 회보에 간행된 논문에서 찾아볼 수 있다.

본 발명에 있어서, 제어 콤퓨터는 공지된 유형의 그 어떤 위치 센서에 의해서도 피스톤 위치에 대한 정보를 공급받는데, 상기 위치 센서는 선형 가변 차동 트랜스포머, 또는 피스톤의 테이퍼진 부분상에서 작동하는 근접 센서, 또는 피스톤 위치에 비례하는 전압을 제공할 수 있는 많은 다른 것들이다. 더욱이, 동시에 연료의 효율을 최대화하고 오염을 감소시키도록 설계자가 보유를 원할 수 있는 다른 정보 및, 불연소 연료, 일산화탄소, 유리 산소를 검출하는 센서로부터의 정보를 콤퓨터는 수신한다. 이후에 제어 콤퓨터는 동력, 효율 및, 동력에서의 변화에 대한 응답성과 같은 다른 특성들을 달성하기 위하여 요구되는 동력이 기관 조건에 맞게끔 작동한다.

본 발명을 구체화한 기관의 시동은 통상적인 축전 배터리와 같은 보조 동력원을 필요로 한다. 구동 스프링이 이완되어 있는 중간 위치에 피스톤들이 위치할지라도, 피스톤들은 그들의 내측 인접 위치에서 휴지 상태로 있는 것이 바람직하다.

시동을 위해서, 제어부는 시동 명령을 센싱하며, 소량의 연료를 연소 챔버로 향하게 하여 스파크에 의해서 점화되게 하여, 피스톤이 외측 한계를 향해 움직이게 한다. 연소 챔버는 기관 정지시의 마지막 사이클에서 이미 세정되었다. 제어부는 배기 밸브를 개방하고, 이전에 저장된 공기원으로부터, 또는 피스톤의 외측 단부에 의해 공기를 펌핑하는 피스톤의 외측 방향 운동으로부터, 또는 전기 또는 유압 모터나 배기 터빈에 의해 동력을 받는 전용 송풍기로부터의 배기 및, 세정 작용을 가능하게 한다. 피스톤의 다음 사이클은 정상 상태의 작동에 대해서 상기에 설명된 바와 같이 동력 출력에 잇어서 정상에 근접하게 될 것이며, 예외적으로 밸브 타이밍은 처음에 상대적으로 보다 짧은 행정을 제공할 수 있고, 다음에 행정이 정상 상태의 작동으로 증가됨에 따라서 밸브가 개방되고 폐쇄되는 피스톤 위치가 변화된다.

실린더내에 공기의 압축 에너지를 공급할 필요가 없기 때문에, 여기서 설명된 시동 과정은 정상적으로 필요한 것보다 훨씬 적은 저장 에너지를 필요로 한다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 더욱이 통상적인 크랭크 메카니즘의 관성을 극복할 필요도 없다. 시동 에너지의 대부분은 피스톤이 그것의 내부 위치에 근접하여 정지 상태로 있을때 소량인 연료의 최초 연소로부터 온다. 시동에 필요한 저장 에너지는 낮기 때문에, 훨씬 작은 배터리 또는 다른 저장 매체가 필요하다. 다른 장점은 시동 시퀀스가 에너지 저장을 고갈시키지 않고도 수회 반복될 수 있다는 점이다. 이것은 통상적인 자유 피스톤 기관에 대조되는데, 통상적인 피스톤 기관에서는 흡기 및, 배기 포트를 덮지 않기 위하여 압축 점화를 달성하고 전체 행정을 통해서 피스톤을 움직이기에 충분할 정도로 피스톤을 가속하도록 매우 높은 시동 에너지 입력이 필요하다.

정상적인 작동의 동안에, 작업자가 더 이상의 동력을 필요로 한다면, 제어부는 더 이상의 연료를 분사하는 반면에, 이와 동시에 연소 챔버 밸브를 조기에 폐쇄함으로써 보다 많은 공기가 열역학적 사이클을 통해 진입할 수 있도록 한다. 동력 소요가 크면, 제어부는 사이클의 보다 높은 평균 유효 압력을 제공하도록 팽창 과정에서 조기에 밸브를 개방할 수 있어서, 통상적인 기관에서 현재 행해지는 바와 같이, 배기내의 일부 잔류하는 팽창 에너지가 배기 터빈내에서 다시 회수되거나 또는 대기중으로 팽창되게 한다.

동력의 감소가 요구된다면, 제어부는 세정 과정 동안에 연소 챔버 밸브를 늦게 폐쇄함으로써 사이클에서 분사된 연료 및, 공기량을 감축한다. 제어부는 배기 포트를 늦게 개방함으로써 다른 수요에 대응하는 완전 팽창을 이용한다.

적은 동력이 요구된다면, 제어부는 한쌍의 실린더 또는 그 이상의 실린더를 차단할 수 있으며 최적의 효율로 필요한 것을 제공할 수 있는 실린더만이 작동 가능하게 한다. 따라서, 세쌍의 피스톤을 가지는 차량은 시내 주행에서 그들중 단지 한쌍만을 사용할 수 있어서 그것의 성능중 일부로써만 작동된다.이후에 가장 큰 동력이 필요로 할때, 제어부는 공회전의 쌍을 시동시켜서 모든 세쌍의 피스톤을 전체 동력으로 작동시킬 수 있다. 이러한 유형의 작동은 필요한 동력이 전체 기관 성능에 비교해서 매우 작을때조차도 모든 메카니즘이 작동되어야만 하는 통상적인 것에 비해서 기관의 기계적 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 전체적인 메카니즘은 그것이 동력을 거의 전달하고 있지 않을지라도 작동하는 동력을 필요로 하며, 따라서 통상적인 기관에서 전체 메카니즘의 작동은 낮은 부하 조건에 대해서 극히 낭비적이다.

연료의 분사 비율은 동력에 의해서 제어될뿐만 아니라, (과도한 분사 연료 또는 부족한 공기 유동을 나타내는) 연소되지 않은 연료 의 존재를 센싱함으로써, 그리고 또한 부족한 공기를 나타내는 일산화탄소의 존재를 센싱함으로써 제어된다. 상기 모든 것은 당해 기술 분야에 공지되어 있지만, 본 발명의 자유 피스톤 기관의 유연성은, 통상적인 고정 변위와 고정 밸브 타이밍 기관의 경직성의 결과로서 이전에 이용될 수 없었던 최적화 방법의 완전한 적용을 가능하게 한다.

비록 두개의 마주하는 피스톤이 과정의 균형 및, 대칭을 위해서 바람직할지라도, 본 발명의 원리는 설명된 기관의 대칭점에서 종료하는 단일 피스톤 기관에 적용될 수 있다. 그러한 기관은 비록 두개의 연소 챔버 밸브가 보다 실용적이긴 할지라도 단일의 연소 챔버 밸브를 사용할 수 있다. 두개의 밸브를 가지고 기관은 이전에 설명된 방식으로 작동된다. 양측 밸브는 헤드에 위치될 수 있거나, 양측 밸브가 피스톤내에 위치될 수 있거나, 또는 이전에 설명된 도면에 나타낸 바와 같은 유형의 교통 통로로써 하나의 밸브가 각각의 것에 위치될 수 있다.

단일 밸브가 사용된다면, 세정 및, 과급이 용이하게 달성될 수 없다. 그러한 구현예에서, 기관은 위에서 설명된 2 행정 모드에서보다는 4 행정 모드로 작동될 수 있다. 2 행정 모드에 있어서, 연소 및, 팽창은 제 1 행정으로 발생되는 반면에, 배기, 흡기 및, 압축은 모두 제 2 행정에서 발생한다. 4 행정 모드의 작동에 있어서, 연소 및, 팽창은 제 1 행정으로 발생하고, 배기는 제 2 행정으로 발생하며, 흡기는 제 3 행정으로 발생하고, 압축은 제 4 행정으로 발생한다. 이것은 동일한 행정 길이에 대하여 보다 높은 압축 비율을 가능하게 하지만, 배기, 흡기 및, 압축 행정을 구동하기 위해서 보다 많은 에너지의 저장을 필요로 할 것이다.

단일 밸브의 경우에 대한 다른 대안은 팽창 행정의 단부에서 실린더의 내부로 공기를 넣는 것이며, 이후에 압축 행정의 개시시에 배기 개스와 공기의 혼합물을 배출하는 것이다. 이러한 접근은 공기를 연소 과정에 적절하게 공급하는 것을 보장하도록 연소 생성물과 유입되는 공기의 혼합에 의존한다. 이러한 접근이 바람직하지 않는 반면에, 이것은 단일 밸브로써 2 행정 작동이 가능하다는 점을 보여준다.

본 발명은 이제 다양한 장점을 제공한다는 것이 보여질 수 있다. 본 발명에 의해 가능한 가변 밸브 타이밍은 팽창비와 압축비의 독립적인 제어를 가능하게 한다. 결과적으로, 팽창비는 압축비보다 클 수 있으며, 그들 사이의 비율도 제어될 수 있다. 이것은 모든 동력 레벨에서 높은 연료 효율을 유지하면서, 동력 출력에서의 변화를 가능하게 한다. 연소된 개스의 완전한 또는 완전에 가까운 팽창이 가능하다. 완전한 팽창은 기관을 상당히 조용하게 하는데, 이는 도 6 및, 도 7 에서 A 에 표시된 바와 같이 연소 챔버내에 낮은 압력이 있을때 밸브가 개방되기 때문이다. 공회전을 포함하는, 낮은 동력의 고 효율 모드로 기관을 작동시키려면, 밸브들은 압축비보다 높은 팽창비를 제공하고 보다 작은 행정을 제공하도록 타이밍이 맞추어진다. 결국, 기관은 낮은 동력의 효율적인, 소형 변위 기관이 된다. 압축을 지나서 과도하게 팽창되는 것은 통상적인 내연 기관의 소음 및, 갑작스런 압력 강하 특성으로써 배기되는 대신에 팽창 에너지가 회수될 수 있게 한다. 이것은 또한 행정 또는 제거 체적이 항상 일정한 통상적인 내연 기관에 고유한 쓰로틀링 손실을 제거한다.

높은 동력의 작동에 있어서, 압축 및, 팽창비는 증가될 수 있으며 압축비는 통상적인 내연 기관에서와 같이 팽창비에 거의 동등하게 된다. 분사된 연료의 비율 및, 양이 증가됨으로써, 행정이 증가하여 기관이 증가된 제거 체적을 가진, 커다란 변위의 기관으로서 작동되게 한다.

이러한 타이밍의 변화는 연소 챔버 밸브 개방 위치에 대한 간단한 전자적 변화와 함께 상대적으로 급속하게 이루어질 수 있기 때문에, 급속하고 높은 동력의 부스트(boost)가 가능하다. 팽창 행정이 높은 사이클 압력에서 작동하고 그리고 압력이 대기압으로 감소되기 이전에 밸브가 개방되기 때문에 높은 동력 작동에서의 효율은 낮은 동력의 작동에서보다 낮다. 그럼에도 불구하고, 타이밍의 제어는 현재 이용한 것보다도 더 효율적인 작동을 제공한다. 압력 강하로부터 대기중으로의 배기 개스내 잔류 가용 동력은 당해 기술 분야에서 공지된 바와 같이 배기 터빈에 의해서 부분적으로 포획될 수 있다.

실제의 효율적인 자유 피스톤 내연 기관의 다른 장점은 오일에 기초한 윤활제보다는 특히 피스톤과 실린더 사이의 개스 베어링의 사용이 가능하다는 점이다. 크랭크 메카니즘의 사용을보부터 초래되는 바와 같은, 부가적인 부하가 없기 때문에, 개스 베어링이 사용될 수 있다. 개스 베어링은 실질적으로 비접촉 운동을 제공하고, 링을 필요로 하지 않으며, 따라서 최소한의 마모와 최대한의 수명을 제공한다. 오일에 기초한 윤활유의 제거는 실린더가 불결해지는 것과 배기 오염을 제거한다. 기관은 오일 없이 가동되며 부가적인 부하를 가지지 않음으로써 매우 고온으로 가동될 수 있고 통상적인 냉각 자켓을 필요로 하지 않으며, 따라서 팽창 동안의 열 손실이 최소화되므로 비용을 감소시키고 효율을 증가시킨다.

개스 베어링을 작동시키는데 필요한 개스 압력은 첵크 밸브를 통해서 작업 개스 사이클로부터 포획되어 저장 챔버에 공급될 수 있다. 다른 대안은 피스톤용 복귀 수단으로서 사용되는 개스 스프링으로부터 또는 피스톤 운동에 의해서 구동되는 전용 개스 펌프를 사용하는 것이다. 이러한 대안들은 자유 피스톤 스털링 기관에 관련된 종래 기술에 공지되어 있다.

상이한 연료는, 연소 챔버 밸브가 개방되고 폐쇄되며, 연료가 분사되고 점화가 개시되는 상이한 피스톤 위치들을 포함하는 상이한 제어 알고리듬을 요구할 수 있다.

천연 개스를 연료로 사용되는 것에 있어서, 연료는 연소 챔버 밸브가 폐쇄되는 도 6 내지 도 8 의 지점(B) 직후에 분사되는 것이 바람직하다. 이것은 낮은 압력의 개스 분사와, 점화 이전의 공기와 연료의 양호한 혼합을 가능하게 한다.

본 발명에 따라서 구성된 기관은 기계적인 단순성, 고효율, 낮은 시동 에너지, 가벼운 하중, 저비용 및, 상대적으로 긴 수명을 가지며, 전기 자동차용의 보조적인 동력원으로서 특히 유용하다. 본 발명의 자유 피스톤 내연 기관은 다중 실린더에서 일부의 피스톤을 비작동 상태로 두면서 단지 다른 일부의 피스톤들만을 작동시키는 성능뿐만 아니라, 흡입 및, 배기 밸브 타이밍, 연료 분사 및, 점화 타이밍의 완전한 가변성과, 가변적인 피스톤의 제거 체적을 가능하게 한다. 내연 기관의 동력은 연소 챔버내 열역학적 사이클을 통과하는 공기의 질량 유량에 비례한다. 결과적으로, 본 발명의 구현예에서, 연소 챔버 밸브가 폐쇄되고 압축이 개시될때 실린더내의 개스 체적에 비례하는 것이다. 그러한 체적은 본 발명의 구현예에서 가변적으로 제어될 수 있는 것이다. 자유 피스톤의 순수한 선형 운동은 개스 베어링의 사용을 가능하게 하도록 피스톤상의 부가적인 힘을 배제하며, 그리고 표면상에 오일이 없기 때문에, 실린더 벽용으로 적절한 고온 재료(세라믹)을 사용하여 단열(비 냉각) 작동이 가능하다.

도 18 은 다른 구현예를 도시하는데, 이것은 일 출력(909)을 제공하는 거의 단열 상태인 자유 피스톤 내연 기관(901)으로부터의 고온 배기 개스(903)로부터 일을 추출하는 열기관(911)을 구비한다. 열기관은 스털링 기관 또는 증기 기관인 것이 바람직하다. 증기 기관용 작동 유체는 물인 반면에, 스털링 기관에서는 헬륨, 수소 도는 다른 개스이다. 열기관은 내연 기관으로부터의 배기 개스와의 열교환기(902)를 구비한다. 이러한 열교환기는 열기관용 작동 유체에 열을 공급한다. 일 추출 수단(905)은 고온의 작동 유체로부터 일(910)의 형태로 에너지를 제거한다. 이후에 유체는 저온 열교환기(906)에 들어가기 전에 유체를 냉각시키는 내부 열교환기(912)를 통과하게 된다. 저온 열교환기는 작동 유체로부터 열을 제거하여 이를 보다 낮은 온도의 히트 싱크(913)로 배출한다. 히트 싱크는 환경일 수 있거나, 또는 공간 난방, 물의 가열을 제공하거나, 또는 흡수 냉각 시스템을 구동하기 위한 열 회수 열교환기일 수 있다. 펌핑 수단(908)은 다음에 작동 유체를 내부 열교환기를 통해서 뒤로 고온의 열교환기(902)에 움직일 수 있다. 내부 열교환기는 증기 기관에서의 작동용으로는 불필요하지만, 사이클 효율을 향상시킨다.

다른 자유 피스톤 기관과는 달리, 본 발명의 배기 온도는 정상적으로 600℃를 초과하며, 이것은 열기관에 대해서 25 내지 30 퍼센트의 효율이 가능하다는 것을 의미한다. 이러한 장치는 더욱이 전체적인 시스템 효율을 향상시킨다.

도 19 는 거의 단열인 자유 피스톤 내연 기관이 토핑 사이클(topping cycle)로서 작용하는 다른 구현예이다. 개스 터빈 사이클은 버너(922)와 터빈(923)에 고압 공기를 제공하는 콤플레서(921)를 구비한다. 흡입 공기(925)는 대기로부터 오는 것이 정상적이다. 거의 단열 상태인 자유 피스톤 내연 기관(924)은 콤프레서를 떠나는 배출 흐름(926)으로부터 고압 공기(927)를 취한다. 이러한 기관은 피스톤을 지지하도록 개스 베어링을 사용하고 고온의 작동을 취급하도록 고온 세라믹 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 기관은 고온의 공기(928)를 배출 흐름(926)으로 복귀시키며, 상기 배출 흐름은 버너 흡입 공기 흐름(929)을 형성하도록 혼합된다. 버너는 공기 흐름의 온도를 더욱 상승시키며 터빈 유입 공기(930)를 제공한다. 터빈 배기(931)는 대기내로 직접적으로 갈 수 있거나 또는 증기 사이클을 구동하도록 열 회수 열교환기를 통과할 수 있다.

이러한 구현예에서, 자유 피스톤 내연 기관은 개스 터빈용 버너에 의해서 공급되는 열의 일부를 대체한다. 선행 기술과의 중요한 차이점은 자유 피스톤 내연 기관이 버너에 통상적으로 600℃를 넘는 매우 높은 온도의 개스를 공급할 수 있다는 점이다. 이러한 구현예의 다른 특징은 콤프레서와 터빈의 온도 및, 압력이 실질적으로 버너에 의해 공급되는 모든 열을 가진 것과 같은 가동중인 기관의 것이라는 점이다. 이러한 유사한 조건은 기관이 최소한의 노력으로써 현존하는 개스 터빈 디자인에 합체될 수 있다는 점을 의미한다. 더욱이, 터빈은 자유 피스톤 내연 기관 없이도 작동할 수 있다. 내연 기관 기관의 배기 온도 및, 터빈에 대한 흡기 온도에 따라서, 버너 작동의 필요성이 완전히 제거될 수 있다. 도면에서는 단일의 자유 피스톤 내연 기관이 도시되었지만, 다중 기관이 사용되는 것이 바람직하다.

도 19 의 구현예는 지극히 높은 사이클 효율을 제공할 수 있다. 복합 사이클 개스 터빈/증기 플랜트는 이제 50% 보다 양호한 열효율을 가진다. 새로운 단열 자유 피스톤 내연 기관은 50% 이상의 효율을 달성할 수 있다. 자유 피스톤 기관으로부터의 폐열이 전체 버너 열 입력을 대체할 수 있다면, 복합 사이클 효율은 75 % 에 접근할 수 있다.

토핑 사이클의 잠재적인 장점을 보는 다른 방법은 한계 효율에 관한 것이다. 개스 사이클에서의 버너는 그것의 모든 출력이 일보다는 열에 있다는 점에서 실질적으로 제로의 기계적 효율을 가진다. 내연 기관이 거의 단열적이라면, 에너지 입력은 배기 가스를 가열시키거나 또는 일의 출력일 수 있다. 열의 출력은 단지 버너로부터의 열 입력을 대체한다. 이러한 분석은 기관의 한계 효율이 실질적으로 100% 라는 점을 의미한다. 이러한 경우에 한계 효율은 기관 및 터빈으로 정미의 부가적인 열의 입력에 의해 분할된 기관외로의 부가 일을 의미한다. 내연 기관으로부터의 그 어떤 일도 버너의 작동으로부터 이용할 수 없었던 부가적인 일이라는 점이 최저선이다. 이러한 설정은 현존하는 개스 터빈 동력 플랜트의 성능을 향상시키는데 매우 커다란 유용성을 가져야만 한다.

도 20 은 도 4 에 도시된 구현예 또는 공압 출력을 가진 다른 구현예와 같은 기관으로부터 전력을 생산하는 터빈을 구비하는 바람직한 구현예를 도시한다. 터빈(1001)은 가압된 공기(1003)를 기관(1004)에 공급하는 콤프레서(1002)를 구동한다. 기관은 터빈(1001)을 구동하는 고온의 가압 배기(1005)를 생산한다. 터빈은 또한 고 효율 발전기(1007)를 구동하는 축 출력(1006)을 가진다. 발전기는 교류 전력(1008)을 생산한다.

기관으로 들어가는 공기 압력이 정상적으로는 총 동력 조건에서 대기압의 수배가 될 것이다. 낮은 부하에서 기관의 흡기 압력은 대기압에 가깝게 강하하게 될 것이다. 매우 낮은 부하에서는 흡기 압력을 대기압 이하로 강하시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에, 콤프레서는 기관으로 가는 공기로부터 일을 추출하는 터빈으로서 작용하게 된다. 이러한 모든 작동 모드에서 기관의 흡기 압력은 최소한의 효율 손실로써 변화된다.

이러한 구성은 효율을 유지하면서 연료 분사상의 간단한 제어가 기관 출력에서의 커다란 변화를 제공하는 것을 허용한다. 이러한 단순성에 대한 중요한 이유는 기관 동력 출력, 터빈 출력 및, 콤프레서 동력이 대략 모두 기관 속도의 세제곱으로 변화하기 때문이다. 작은 동력의 출력에 대해서는 단지 소량의 연료만이 실린더내로 분사된다. 피스톤 속도는 낮으며 결과적인 배출 압력 및, 유동이 낮다. 피스톤 속도가 두배가 되면, 피스톤의 운동학적 에너지는 4 의 계수로 증가한다. 각 행정에 대해서피스톤을 가속시키는데 필요한 공기 및, 연료량도 4 의 계수로 증가한다. 주어진 시간에 두배의 행정이 있기 때문에, 연료 입력은 8 의 계수로 증가한다. 입력 및, 배출 공기 압력도 터빈과 콤프레서의 속도가 두개가 되므로 4 의 계수로 증가한다. 이러한 관계가 의미하는 것은 기관내로 분사되는 연료량을 증가시키는 것이 터빈에 의해 제거되는 동력과 기관으로의 공기 공급에서 적절한 증가를 초래하기도 한다는 것이다. 따라서 간단한 인젝터 제어가 가변하는 기관 성능을 변화시키는 효율적인 방법을 제공할 수 있다.

도 21 은 고정된 주파수의 출력을 제공할 수 있는, 터빈과급장치가 구비된 발전기 장치의 변형을 도시한다. 이러한 구성은 속도 감속을 제공하고 그리고 고정된 터빈의 가변적인 속도를 고정된 속도 출력으로 변환시키도록 혹성 기어 또는 다른 주전원의 기어(epicyclic gear)를 이용한다. 도 20 에서와 같이, 터빈(1001)은 가압된 공기(1003)를 기관(1004)에 공급하는 콤프레서(1002)를 구동한다. 기관은 터빈(1001)을 구동하는 고온의 가압된 배기(1005)를 생산한다. 터빈이 혹성 기어 세트(1011)의 태양 기어(1010)을 구동한다는 점이 차이점이다. 혹성 캐리어(1012)는 태양 기어(1010)와 링 기어(1013)에 의해서 구동된다. 출력 샤프트(1014)는 혹성 캐리어를 주 발전기(1015)에 연결한다. 주 발전기가 정상적으로는 50 또는 60 Hz 의 고정 주파수 출력을 제공하도록 일정한 속도로 가동된다. 보조적인 가변 속도 모터(1016)는 스퍼 기어(1017)에 연결되는데, 이것은 링 기어를 구동한다. 가변 속도 모터는 가변 주파수 구동부(1018)에 의해 구동되는 3 상 유도 모터인것이 바람직하다. 다른 가능한 가변 속도 모터 및, 구동부의 조합은 DC 와 스위치 자기 저항 시스템을 포함한다.

혹성 기어는 상대적으로 작은 가변 속도 모터와 구동부가 터빈으로부터의 속도 변환을 보상할 수 있게 한다. 보조 샤프트가 정지되었을때 최대 터빈 속도가 발생한다. 느린 터빈 속도에서, 보조적인 모터는 주 발전기에 대한 일정한 속도를 보상하고 유지하도록 상기 보조적인 모터의 속도를 증가시킨다. 보조적인 모터로부터의 최고 동력 출력은 전체 터빈 속도의 2/3 에서 발생하며, 이러한 지점에서 보조 출력 동력은 전체 부하의 터빈 출력의 4/27 (약 15%)이다.

보조적인 가변 속도 모터가 재생 구동부를 구비하고 있다면, 이것도 발전기로서 가동될 수 있다. 발전기 모드에서, 보조적인 모터 샤프트는 반대 방향으로 회전하게 되며 터빈이 보다 빠른 속도로 가동될 수 있게 한다. 이러한 장치에 대해서 터빈 속도는 정지된 보조 샤프트에 해당하는 것을 지나서 대략 12% 로 증가할 수 있다. 정미의 결과는 보조 모터 발전기가 터빈 동력 출력의 단지 10 % 에 대해서만 크기를 맞추어질 수 있다는 것이다.

혹성 기어의 다른 장점은 속도 감속기로서 작용하는 그것의 능력이다. 5:1 또는 그 이상의 속도 감소가 가능하며, 주 발전기의 속도보다 훨씬 빠른 속도에서 터빈이 가동될 수 있게 한다. 물론, 실질적으로 보다 큰 비율이 필요하다면 부가적인 기어들 또는 다른 속도 감속 수단이 더욱 속도 감속을 증가시키도록 부가될 수 있다. 이러한 구현예는 주거용 또는 상업용 적용예를 위한 동력 발생에서 유용할 수 있을 것이다.

본 발명의 특정한 바람직한 구현예가 상세하게 개시되었을지라도, 첨부된 청구 범위 또는 본 발명의 사상으로부터 이탈함이 없이 다양한 수정이 채용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

본 발명은 차량의 기관뿐만 아니라 다양한 산업용 기관으로 이용 가능하다.

Claims

실린더;

상기 실린더내에서 미끄러져서 왕복 운동할 수 있는 피스톤;

상기 실린더내에서 상기 피스톤에 의해 한정된 경계를 가지는 연소 챔버로서, 상기 피스톤의 압축 행정 동안에 상기 피스톤의 운동이 상기 챔버내 개스를 압축하고 상기 피스톤의 행정 동안에 상기 챔버내 개스를 팽창시키는 연소 챔버;

상기 챔버내 개스를 압축시키는 방향으로 상기 피스톤을 구동시키는 구동부;

개스원으로부터 상기 챔버내로 개스를 유인하는 흡기 수단;

연료를 상기 챔버에 부가하는 수단;

상기 챔버로부터 연소 생성물을 배출시키는 배기 수단; 및,

상기 연소 챔버내 연료의 점화 이후의 상기 피스톤의 팽창 행정이 점화 이전의 압축 행정보다 크도록 상기 흡기 및, 배기 수단을 제어하는 수단;을 구비하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 1 항에 있어서, 상기 피스톤을 상기 실린더내에 지지하는 개스 베어링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 2 항에 있어서, 상기 실린더의 벽을 통해서 전달되는 전체적인 열은 상기 기관내에서 연소되는 연료의 낮은 가열값의 20 % 보다 작은 것을 특징으로 자유 피스톤 내연 기관.
제 3 항에 있어서, 배기 개스를 열원으로 사용하는 열기관을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 4 항에 있어서, 상기 열기관은 스털링 기관(Stirling engine)인 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 열기관이 증기 기관인 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 흡기 수단은 연소를 지원할 수 있는 상기 개스원과 상기 피스톤에 대향하는 연소 챔버의 단부 사이의 유동 경로 및, 상기 유동 경로내에 위치한 적어도 하나의 첵크 밸브를 구비하고,

상기 배기 수단은 실린더 벽에 위치한 적어도 하나의 첵크 밸브를 구비하고,

상기 제어 수단은 상기 피스톤의 팽창 행정 동안에 상기 배기 밸브를 통한 유동을 방지하는 수단을 구비하고,

상기 챔버에 연료를 부가하는 상기 수단은 연료를 상기 챔버내로 분사하는 연료 인젝터를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 7 항에 있어서, 상기 복귀 수단은 제 1 연소 챔버로부터 상기 피스톤의 반대인 측상에 위치한 제 2 의 연소 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 7 항에 있어서, 상기 복귀 수단은 개스 스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 7 항에 있어서, 개스가 상기의 배기 첵크 밸브를 나간 이후에 개스의 압력은 상기 기관이 콤프레서로 작용하도록 상기 개스원의 압력보다 더 큰 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 10 항에 있어서, 상기 배기 수단과 대기 사이의 유동 경로내에 위치한 터빈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 11 항에 있어서, 상기 배기 밸브를 통한 유동을 방지하는 상기 수단은 상기 연소 챔버 내측의 압력에 의해서 작동되는 슬라이드 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 1 항에 있어서, 상기 배기 수단은 상기 밸브의 위치를 제어하는 밸브 액튜에이터와 함께 상기 챔버와 대기 사이의 유동 경로내 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 13 항에 있어서, 상기 흡기 수단은 상기 개스원과 상기 챔버 사이의 유동 경로와, 상기 유동 경로내 흡기 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 14 항에 있어서, 상기 흡기 수단은 상기 개스를 대기압 이상으로 가압하는 송풍기를 구비하고 상기 흡기 밸브는 첵크 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 15 항에 있어서, 피스톤 위치 센서와 피스톤 위치에 응답하여 연료를 부가하는 상기 수단과 상기 배기 밸브의 작동을 제어하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 1 항에 있어서, 상기 연소 챔버내에 위치한 스파크 점화 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
압축된 공기를 가열하는 버너에 압축 공기의 흐름을 공급하고 가열 압축된 공기를 동력 발생용 터빈에 공급하는 콤프레서를 구비하는 동력 플랜트에 있어서,

상기 흐름으로부터 압축 공기의 적어도 일부를 수용하여, 터빈에 의해서 발생된 동력에 더하여 동력을 발생시키도록 상기 수용된 압축 공기를 이용하고, 그리고 배기 개스를 상기 버너에 공급된 상기 흐름에 제공하는 자유 피스톤 내연 기관을 구비하는 것으로 향상된 동력 플랜트.
제 18 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 내연 기관에서의 피스톤은 개스 베어링에 의해서 지지되는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
제 19 항에 있어서, 상기 내연 기관에 의해 발생된 폐열의 적어도 80% 는 상기 버너로 들어가는 개스를 가열하는데 들어가는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
연소를 지원할 수 있는 연료 및, 개스를 연소 챔버로 공급하는 단계,

점화 이전의 상기 챔버의 절대 압력이 압축 행정의 개시시에 상기 챔버내 개스 압력의 세배보다 크지 않도록, 피스톤을 그 행정의 정상에 근접하게 감소된 압축으로써 움직이는 단계 및,

상기 연소 챔버내 상기 연료를 스파크로써 점화하는 단계를 구비하는 내연 기관 시동 방법.
실린더;

제 1 및, 제 2 의 대향하는 방향으로 상기 실린더내에서 미끄러져서 움직일 수 있는 피스톤;

상기 피스톤에 의해서 한정된 경계를 가지는 상기 실린더내에 있는 연소 챔버로서, 상기 피스톤은 상기 피스톤의 압축 행정 동안에 상기 챔버내의 개스를 상기 제 1 방향으로 압축시키고, 상기 피스톤의 팽창 행정 동안에 상기 챔버내의 개스를 상기 제 2 방향으로 팽창시키는 연소 챔버;

연료를 상기 챔버로 부가하는 수단;

개스를 상기 챔버내에서 압축시키는 방향으로 상기 피스톤을 구동시키는 구동부;

개스를 상기 개스원으로부터 상기 챔버내로 받아들이도록 상기 실린더의 벽에 위치한 흡기 포트;

상기 챔버로부터 개스성의 연소 생성물을 배출시키도록 상기 실린더의 벽에 위치한 배기 포트;

상기 실린더의 벽에 위치한 보조 포트;

상기 팽창 행정의 단부에서 발생된 제 1 의 소정 압력보다 낮은 제 2 의 소정 압력에 응답하여 상기 보조 포트를 폐쇄하는 압력으로 작동되는 밸브;를 구비하고,

상기 개스성의 생성물이 상기 연소 챔버로부터 배출될 수 있고 새로운 개스가 상기 연소 챔버로 들어갈 수 있도록 상기 피스톤은 상기 팽창 행정의 단부에 상기 흡기 및, 배기 포트를 벗기고, 상기 피스톤은 상기 제 1 방향으로 운동하는 동안에 상기 보조 포트를 덮을때에만 그것의 압축 행정을 개시함으로써, 상기 챔버내 상기 연료의 점화 이후의 상기 팽창 행정이 상기 압축 행정보다 더 긴 것을 특징으로 하는 내연 기관.
제 22 항에 있어서, 상기 기관은 상기 실린더내에 상기 피스톤을 지지하는 개스 베어링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
실린더, 상기 실린더내에서 미끄러져서 움직일 수 있는 피스톤 및, 상기 피스톤과 상기 실린더에 의해 한정된 챔버를 구비하고,

상기 챔버를 실린더 외측의 유체 체적에 연결시키는 상기 피스톤내 통로, 상기 통로내 밸브 및, 상기 피스톤내에 위치하고 상기 밸브의 위치를 제어하는 밸브 액튜에이터를 구비하는 것으로써 향상된 왕복 장치.
공기를 기관에 대한 흡기로 공급하는 콤프레서,

기관으로부터 보다 높은 압력의 개스 출력을 수용하고 상기 콤프레서를 구동시키며 축 출력에 연결된 터빈,

증가된 동력 출력이 필요할때 상기 기관에 대한 연료량이 증가하도록 상기 기관에 들어가는 연료량을 제어하는 수단으로서, 상기 기관에 공급되는 공기에서의 대응하는 증가가 있도록 상기 터빈과 상기 콤프레서의 속도를 증가시키는 상기 기관 배출의 개스 압력 및 유동을 증가시키는 수단을 구비하는, 공압 출력으로 자유 피스톤 내연 기관으로부터의 출력 동력을 제어하는 수단.
제 25 항에 있어서, 상기 터빈으로부터의 상기 축 출력에 연결된 제 1 입력을 가진 주전원의 기어(epicyclic gear),

상기 주전원의 기어에 대한 제 2 입력에 연결된 가변 속도 모터 발전기,

가변 속도 모터 발전기의 속도가 터빈 속도에서의 변화를 보상하여 상기 주전원 기어로부터의 일정한 출력 속도에 근접하도록 유지될 수 있도록 하는 상기 기어로부터의 축 출력을 더 구비하는 자유 피스톤 내연 기관으로부터의 출력 동력 제어 수단.
제 25 항에 있어서, 상기 자유 피스톤 내연 기관은 제 28 항에서 설명된 기관인 것을 특징으로 하는 출력 동력 제어 수단.
미국 특허 제 1,036,288 호의 자유 피스톤 내연 기관에 있어서, 연소 생성물이 공기 흡입 압력으로 완전히 팽창될 수 있도록 점화 직후에 상기 기관의 배출 포트를 통한 유동을 방지하는 수단을 구비하는 것으로 향상된 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 내연 기관.
제 28 항에 있어서, 상기 피스톤을 지지하는 개스 베어링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기관.