(57)【要約】  フリーピストン式４ストロークエンジン（２１０）が開示される。エンジン（２１０）は、エンジンブロック構造体（２１２）及びエンジンブロック構造体（２１２）に対して直線状シャトル中心線（２１５）に沿って往復動可能にエンジンブロック構造体（２１２）に取り付けられた剛性シャトル（２１４）を有する。エンジン（２１０）は、入口通路（２１６）から成る選択的に密封可能なネットワーク及び出口通路（２１８）から成る選択的に密封可能なネットワークを更に有する。シャトル（２１４）は、略円筒形の第１のシャトル部分（２２０）、第１のシャトル部分（２２０）から軸方向に間隔をおいて設けられた略円筒形の第２のシャトル部分（２２２）、及び第１のシャトル部分（２２０）を第２のシャトル部分（２２２）に対して剛性的に固定するシャトルフレーム（２２４）を有する。第１及び第２のシャトル部分（２２０，２２２）は、シャトル中心線（２１５）に沿って互いに軸方向に整列している。第１のシャトル部分（２２０）は、互いに反対側に位置した第１及び第２のシャトル表面（２２８，２３２）を備え、第２のシャトル部分（２２２）は、互いに反対側に位置した第１及び第２のシャトル表面（２３６，２４０）を備える。シャトル中心線（２１５）は、４つ全てのシャトル表面（２２８，２３２，２３６，２４０）の中心を延びている。エンジン（２１０）は、第１のシャトル表面（２２０）とエンジンブロック構造体（２１２）との間に形成された第１のチャンバ（２５０）、第２のシャトル表面（２３２）とエンジンブロック構造体（２１２）との間に形成された第２のチャンバ（２５２）、第３のシャトル表面（２３６）とエンジンブロック構造体（２１２）との間に形成された第３のチャンバ（２５４）、及び第４のシャトル表面（２４０）とエンジンブロック構造体（２１２）との間に形成された第４のチャンバ（２５６）を更に有する。シャトルフレーム（２２４）は、チャンバ（２５０，２５２，２５４，２５６）の各々の外側に位置している。
2009516801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリーピストン式４ストローク内燃エンジンであって、
エンジンブロック構造体と、
前記エンジンブロック構造体に対して往復動できるよう前記エンジンブロック構造体に取り付けられたシャトルであって、互いに反対側に位置する第１及び第２のシャトル表面を備えた第１のシャトル部分と、互いに反対側に位置する第３及び第４のシャトル表面を備えた第２のシャトル部分と、前記第１のシャトル部分と前記第２のシャトル部分を連結して前記シャトル部分が互いに対して固定されるようにするシャトルフレームと、４つ全ての前記シャトル表面の中心を延びるシャトル中心線とを有し、前記シャトル中心線に沿って往復動するように構成されたシャトルと、
前記第１のシャトル表面と前記エンジンブロック構造体との間に形成された第１のチャンバと、
前記第２のシャトル表面と前記エンジンブロック構造体との間に形成された第２のチャンバと、
前記第３のシャトル表面と前記エンジンブロック構造体との間に形成された第３のチャンバと、
前記第４のシャトル表面と前記エンジンブロック構造体との間に形成された第４のチャンバと、
前記チャンバの各々と連通した選択的に封止可能な入口流体通路及び出口流体通路から成る構造とを備え、
前記シャトルフレームは、前記チャンバの外側に位置している、
ことを特徴とするフリーピストン式４ストローク内燃エンジン。
【請求項２】
前記シャトルフレームは、前記チャンバの各々から間隔をおいた状態でこの外側に位置している、
請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記シャトル中心線は、直線状である、
請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記第１のシャトル部分は、略円筒形であり、前記第１のシャトル表面を備えた第１のピストン端及び前記第２のシャトル表面を備えた第２のピストン端を有し、
前記第２のシャトル部分は、略円筒形であり、前記第３のシャトル表面を備えた第３のピストン端及び前記第４のシャトル表面を備えた第４のピストン端を有し、
前記第１のシャトル部分と前記第２のシャトル部分は、前記シャトル中心線に沿って互いに間隔をおいた状態で軸方向に整列している、
請求項３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記エンジンブロック構造体は、前記第１のピストン端を収容した略円筒形の第１のキャビティと、前記第２のピストン端を収容した略円筒形の第２のキャビティと、前記第３のピストン端を収容した略円筒形の第３のキャビティと、前記第４のピストン端を収容した略円筒形の第４のキャビティとを有し、
前記第１のチャンバは、略円筒形であり、前記第１のキャビティ及び前記第１のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第２のチャンバは、略円筒形であり、前記第２のキャビティ及び前記第２のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第３のチャンバは、略円筒形であり、前記第３のキャビティ及び前記第３のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第４のチャンバは、略円筒形であり、前記第４のキャビティ及び前記第４のシャトル表面によって境界付けられている、
請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
前記シャトルフレームは、前記シャトル中心線に平行に延びるロッドを備えた少なくとも１つのロッド組立体と、前記ロッドを前記第１のシャトル部分に接合する第１の半径方向ストラットと、前記ロッドを前記第２のシャトル部分に接合する第２の半径方向ストラットとを有する、
請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記ロッドは、前記４つのチャンバから半径方向に間隔をおいて設けられている、
請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
前記シャトルフレームは、前記シャトル中心線から且つ互いに等間隔をおいて位置する前記ロッド組立体を４つ有する、
請求項６又は７に記載のエンジン。
【請求項９】
前記第１のシャトル部分は、略円筒形であり、前記第１のシャトル表面を備えた第１のピストン端及び前記第２のシャトル表面を備えた第２のピストン端を有し、
前記第２のシャトル部分は、前記第１のシャトル部分の外径よりも大きな内径を備えた全体として環状の角柱状であり、前記第２のシャトル部分は、前記第３のシャトル表面を備えた第３のピストン端及び前記第４のシャトル表面を備えた第４のピストン端を有し、
前記第１のシャトル部分と前記第２のシャトル部分は、前記シャトル中心線に沿って同軸であり、前記第２のシャトル部分は、前記第１のシャトル部分周りに軸方向に配置されている、
請求項３に記載のエンジン。
【請求項１０】
前記エンジンブロック構造体は、前記第１のピストン端を収容した略円筒形の第１のキャビティと、前記第２のピストン端を収容した略円筒形の第２のキャビティと、前記第３のピストン端を収容した全体として環状角柱状の第３のキャビティと、前記第４のピストン端を収容した全体として環状角柱状の第４のキャビティとを有し、
前記第１のチャンバは、略円筒形であり、前記第１のキャビティ及び前記第１のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第２のチャンバは、略円筒形であり、前記第２のキャビティ及び前記第２のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第３のチャンバは、全体として環状角柱状であり、前記第３のキャビティ及び前記第３のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第４のチャンバは、全体として環状角柱状であり、前記第４のキャビティ及び前記第４のシャトル表面によって境界付けられている、
請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記シャトルフレームは、前記第１のシャトル部分を前記第２のシャトル部分に接合する少なくとも１つの半径方向ストラットを有する、
請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記シャトルフレームは、前記第１のシャトル部分を前記第２のシャトル部分に接合する環状プレートを有する、
請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記シャトルフレームは、複数本の互いに間隔をおいた半径方向ストラットを有する、
請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１４】
前記シャトル中心線は、円形である、
請求項２に記載のエンジン。
【請求項１５】
前記第１のシャトル部分は、全体的形状が円環状扇形であり、前記第１のシャトル部分は、前記第１のシャトル表面を備えた第１のピストン端及び前記第２のシャトル表面を備えた第２のピストン端を有し、
前記第２のシャトル部分は、全体的形状が円環状扇形であり、前記第２のシャトル部分は、前記第３のシャトル表面を備えた第３のピストン端及び前記第４のシャトル表面を備えた第４のピストン端を有する、
請求項１４に記載のエンジン。
【請求項１６】
前記エンジンブロック構造体は、前記第１のピストン端を収容した全体として円環状扇形の第１のキャビティと、前記第２のピストン端を収容した全体として円環状扇形の第２のキャビティと、前記第３のピストン端を収容した全体として円環状扇形の第３のキャビティと、前記第４のピストン端を収容した全体として円環状扇形の第４のキャビティとを有し、
前記第１のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、前記第１のチャンバは、前記第１のキャビティ及び前記第１のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第２のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、前記第２のチャンバは、前記第２のキャビティ及び前記第２のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第３のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、前記第３のチャンバは、前記第３のキャビティ及び前記第３のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第４のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、前記第４のチャンバは、前記第４のキャビティ及び前記第４のシャトル表面によって境界付けられている、
請求項１５に記載のエンジン。
【請求項１７】
前記シャトルフレームは、前記チャンバの各々の周辺に位置すると共にその境界を形成する、
請求項１に記載のエンジン。
【請求項１８】
前記シャトル中心線は、直線状である、
請求項１７に記載のエンジン。
【請求項１９】
前記シャトルフレームは、全体として管状であり、前記シャトル中心線に沿う軸線を有すると共に前記シャトルフレーム内に略円筒形の空間を画定し、
前記第１のシャトル部分は、略円筒形であり、前記円筒形空間内に配置されており、前記円筒形空間を第１のシャトル端キャビティ及びシャトル中間キャビティに分割し、
前記第２のシャトル部分は、略円筒形であり、前記第１のシャトル部分から軸方向に間隔をおいた状態で前記円筒形空間内に配置されており、更に、前記円筒形空間を前記シャトル中間キャビティ及び第２のシャトル端キャビティに分割している、
請求項１８に記載のエンジン。
【請求項２０】
前記エンジンブロック構造体は、
前記シャトル中間キャビティ内に配置された内側ブロック部分を有し、前記内側ブロック部分は、全体として円形の第１の端フェース及びこれと反対側の全体として円形の第２の端フェースを備え、
前記第１のシャトル端キャビティ内に延びる第１の外側ブロック部分を有し、前記第１の外側ブロック部分は、前記内側ブロック部分の前記第１の端フェースに対向した全体として円形の端フェースを備え、
前記第２のシャトル端キャビティ内に延びる第２の外側ブロック部分を有し、前記第２の外側ブロック部分は、前記内側ブロック部分の前記第２の端フェースに対向した全体として円形の端フェースを備え、
前記第１のチャンバは、前記シャトルフレーム、前記第１の外側ブロック部分の前記端フェース、及び前記第１のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第２のチャンバは、前記シャトルフレーム、前記内側ブロック部分の前記第１の端フェース、及び前記第２のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第３のチャンバは、前記シャトルフレーム、前記内側ブロック部分の前記第２の端フェース、及び前記第３のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第４のチャンバは、前記シャトルフレーム、前記第１の外側ブロック部分の前記端フェース、及び前記第４のシャトル表面によって境界付けられている、
請求項１９に記載のエンジン。
【請求項２１】
前記シャトル中間キャビティは、少なくとも１つの孔を有し、前記内側ブロック部分は、前記孔を貫通した状態で支持されている、
請求項２０に記載のエンジン。
【請求項２２】
前記シャトルフレームは、全体として管状の内側フレーム壁及び前記内側フレーム壁の外径よりも大きな内径を備えた全体として管状の外側フレーム壁を有し、前記外側フレーム壁と前記内側フレーム壁は、前記シャトル中心線回りに同軸であり、略円筒形の内側空間が、前記内側フレーム壁内に形成され、全体として環状の角柱状外側空間が、前記外側フレーム壁と前記内側フレーム壁との間に形成され、
前記第１のシャトル部分は、略円筒形であり、前記内側空間内に配置されており、前記内側空間を第１のシャトル内側キャビティと第２のシャトル内側キャビティに分割し、
前記第２のシャトル部分は、全体として環状角柱状であり、前記外側空間内に配置されており、前記外側空間を第１のシャトル外側キャビティ及び第２のシャトル外側キャビティに分割している、
請求項１８に記載のエンジン。
【請求項２３】
前記エンジンブロック構造体は、
前記第１のシャトル内側キャビティ内に延びる第１の内側ブロック部分を有し、前記第１の内側ブロック部分は、全体として円形の端フェースを備え、
前記第２のシャトル内側キャビティ内に延びる第２の内側ブロック部分を有し、前記第２の内側ブロック部分は、前記第１の内側ブロック部分の前記端フェースに対向した全体として円形の端フェースを備え、
前記第１のシャトル外側キャビティ内に延びる第１の外側ブロック部分を有し、前記第１の外側ブロック部分は、全体として環状の端フェースを備え、
前記第２のシャトル外側キャビティ内に延びる第２の外側ブロック部分を有し、前記第２の外側ブロック部分は、前記第１の外側ブロック部分の前記端フェースに対向した全体として環状の端フェースを備え、
前記第１のチャンバは、前記内側フレーム壁、前記第１の内側ブロック部分の前記端フェース、及び前記第１のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第２のチャンバは、前記内側フレーム壁、前記第２の内側ブロック部分の前記端フェース、及び前記第２のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第３のチャンバは、前記外側フレーム壁、前記内側フレーム壁、前記第１の外側ブロック部分の前記端フェース、及び前記第３のシャトル表面によって境界付けられ、
前記第４のチャンバは、前記外側フレーム壁、前記内側フレーム壁、前記第２の外側ブロック部分の前記端フェース、及び前記第４のシャトル表面によって境界付けられている、
請求項２２に記載のエンジン。
【請求項２４】
前記シャトル中心線は、円形である、
請求項１７に記載のエンジン。
【請求項２５】
前記シャトルフレームは、全体として円環状且つ中空であり、前記シャトルフレーム内に全体として円環状の空間を画定し、
前記第１のシャトル部分及び前記第２のシャトル部分は、全体として円環状扇形の形をしていて、前記シャトルフレーム内に配置されており、前記シャトルフレーム内の前記円環状空間を第１のシャトルキャビティ及び第２のシャトルキャビティに分割している、
請求項２４に記載のエンジン。
【請求項２６】
前記エンジンブロック構造体は、
前記第１のキャビティ内に配置された第１のブロック部分を有し、前記第１のブロック部分は、全体として円形の第１の端フェース及び全体として円形の第２の端フェースを備え、
前記第２のキャビティ内に配置された第２のブロック部分を有し、前記第２のブロック部分は、前記第１のブロック部分の前記第１の端フェースに対向した全体として円形の第１の端フェース及び前記第１のブロック部分の前記端フェースに対向した全体として円形の第２の端フェースを備え、
前記第１のチャンバは、前記シャトル本体、前記第１のブロック部分の前記第１の端フェース、及び前記第１のシャトル表面によって画定され、
前記第２のチャンバは、前記シャトル本体、前記第１のブロック部分の前記第２の端フェース、及び前記第２のシャトル表面によって画定され、
前記第３のチャンバは、前記シャトル本体、前記第２のブロック部分の前記第１の端フェース、及び前記第３のシャトル表面によって画定され、
前記第４のチャンバは、前記シャトル本体、前記第２のブロック部分の前記第２の端フェース、及び前記第４のシャトル表面によって画定されている、
請求項２５に記載のエンジン。
【請求項２７】
前記ピストンシャトルは、前記第１及び前記第２のキャビティの各々の中に延びる少なくとも１つの孔を有し、前記エンジンブロック構造体の前記第１のブロック部分及び前記第２のブロック部分は、前記孔を貫通した状態で支持されている、
請求項２６に記載のエンジン。
【請求項２８】
前記第１のシャトル表面と前記第２のシャトル表面は、互いに合同であり、前記第３のシャトル表面と前記第４のシャトル表面も又、互いに合同である、
請求項１ないし２７の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項２９】
前記エンジンは、前記シャトルの前記往復動を動力出力源に変換するようになった動力取り出し装置を有する、
請求項１ないし２８の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項３０】
前記ピストンシャトルは、前記第１のシャトル部分を前記第２のシャトル部分に接合する少なくとも１本のスポークを有する、
請求項１４ないし１６のいずれか１項又は請求項２４ないし２７のいずれか１項に従属する請求項２９に記載のエンジン。
【請求項３１】
前記シャトルは、回動可能に取り付けられた中央ハブを更に有し、前記少なくとも１本のスポークは、前記中央ハブに取り付けられており、前記動力取り出し装置は、前記シャトルの前記往復動を回転動力出力源に変換するようになったラチェット機構体を有する、
請求項３０に記載のエンジン。
【請求項３２】
前記動力取り出し装置は、前記シャトル及び前記エンジンブロック構造体のうちの一方の一部をなす少なくとも１つの誘導コイルと、前記シャトル及び前記エンジンブロック構造体のうちの他方の一部をなす少なくとも１つの磁石とを有する、
請求項２９ないし３１の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項３３】
各前記チャンバと各前記流体通路とのそれぞれの連通は、各前記チャンバと各前記流体通路とのそれぞれの間に配置された弁によって制御される、
請求項１ないし３２の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項３４】
前記流体通路のうちの１つ又は２つ以上は、各々、前記チャンバのうちの２つ又は３つ以上と連通している、
請求項１ないし３３の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項３５】
均質チャージ圧縮着火システムを更に有する、
請求項１ないし３４の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項３６】
前記動力取り出し装置によって一行程当たりのエネルギー取り出し量を制御するようになったフィードバックコントローラを更に有する、
請求項２９に記載のエンジン。
【請求項３７】
前記シャトルの速度を測定するようになったセンサを更に有し、前記フィードバックコントローラは、前記シャトル速度が最適設定速度よりも高いか低いかに応じて一行程当たり多くの又は少ない運動エネルギーを取り出すようになっている、
請求項３６に記載のエンジン。
【請求項３８】
熱損失を最小限に抑えるようになった過給機を更に有する、
請求項１ないし３７の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項３９】
前記シャトルは、互いに反対側に位置する第５のシャトル表面及び第６のシャトル表面を備えた第３のシャトル部分を更に有し、前記シャトルフレームは、３つ全てのシャトル部分を互いに連結し、前記過給機は、
前記第５のシャトル表面と前記エンジンブロック構造体との間に形成された第５のチャンバを有し、前記第５のチャンバは、前記出口流体通路及び排気マニホルドと選択的に流体連通状態にあり、
前記第６のシャトル表面と前記エンジンブロック構造体との間に形成された第６のチャンバを有し、前記第６のチャンバは、前記入口流体通路及び吸気マニホルドと選択的流体連通状態にある、
請求項３８に記載のエンジン。
【請求項４０】
前記シャトルは、周囲空気に露出されている、
請求項１ないし３９の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項４１】
前記シャトル部分は、中空である、
請求項１ないし４０のいずれか１項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストン式エンジンに関し、詳細には、フリーピストン式４ストロークエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
オットーサイクル４ストローク内燃エンジンは、一世紀以上にわたって使用されており、依然として普及している。これは、主として、これらの効率が比較的高く且つ動力と重量の比が高いからである。
【０００３】
しかしながら、標準型のクランク作動式火花点火（ＳＩ）４ストローク内燃エンジン、例えば自動車に通常見られるかかる内燃エンジンは、高い圧縮比では「ノッキング」を起こすので圧縮比がおおよそ１０：１に制限されている。この圧縮比の制限により、基本的に、ＳＩエンジンの効率が制限される。
【０００４】
他方、ディーゼルエンジンは、ほぼ最大の圧縮状態が達成されるまで燃料が噴射されないのでノッキングを生じない。その結果、ディーゼルエンジンは、ＳＩエンジンよりも高い圧縮比を達成することができ、したがって効率が高い。残念ながら、ディーゼルエンジンにおける燃料噴射中の燃料と空気の不均一な混合により、典型的には、パティキュレートエミッション（「スート（すす状物質）」）が生じると共に大気汚染ガスが生じ、この汚染は、効率が高いにもかかわらず一般に許容することができない。
【０００５】
従来型ＳＩエンジンと従来型ディーゼルエンジンの両方は、クランクの動作によってピストンの直線運動をシャフトの回転運動に変換する。クランク式エンジンのクランクは、ピストン力の大部分をシリンダ壁及びクランク軸受に伝える。上死点（ＴＤＣ）では、膨張力が最大に達したとき、事実上全ての膨張力がピストンを加速するのではなく、クランク軸受に伝達される。これにより、軸受に摩耗が生じる。また、これは、ピストンがＴＤＣの近傍でそのサイクルの大部分を消費し、したがって相当多量の熱をチャンバ壁に伝えて失い、かくして効率が減少することを意味している。
【０００６】
他方、フリーピストン式エンジンは、ピストンの直線往復運動をまず最初に回転エネルギーに変換するのではなく、直接他の形態のエネルギー、例えば電気エネルギー、空気圧エネルギー又は油圧エネルギーに変換することができる。フリーピストン式エンジンは、クランク式エンジンと比べて多くの利点を備えている。具体的に言えば、フリーピストン式エンジンでは、膨張中のガスの力の全ては、相当な横力がピストンをシリンダ壁に押し付けるよう作用することはなく、一般に運動方向に作用する。さらに、フリーピストンの場合、クランク式エンジンピストンと比較して、ＴＤＣの近傍ではサイクルの消費分が比例的に少なく、その結果、熱損失が少なくなると共に効率が増大する。
【０００７】
クランク式エンジンと比較した場合のフリーピストン式エンジンのもう１つの利点は、かかるフリーピストン式エンジンが均質チャージ圧縮着火（ＨＣＣＩ）と通称されている方式を容易に利用できることにある。ＨＣＣＩでは、ピストンは、あらかじめ混合されたリーン（希薄）な燃料と空気の混合気を断熱圧縮し、ついには温度の上昇により混合気が着火する。ＨＣＣＩは、燃料と空気が着火前に十分に混合されるのでパティキュレートエミッションを回避する。ＨＣＣＩは、主としてリーンな燃料と空気の比を用いることによりノッキングを回避し、この燃料と空気の比は、可燃限界よりも低い。ディーゼル着火と同様、ＨＣＣＩは、燃空混合気（チャージ）を着火させるうえで、圧縮により生じる高い温度を利用している。ＨＣＣＩのリーンなチャージのために、燃焼温度は、比較的低く、したがって、ＳＩエンジンと比較して、窒素酸化物及び他の大気汚染ガスが少なく、圧縮比は、非常に高く、ディーゼルエンジンと同等の高い効率が得られる。しかしながら、クランク式エンジンにおいてＨＣＣＩをＴＤＣのところでピストンと同期して調時することが実際問題として困難なので、クランク作動式内燃エンジンではＨＣＣＩの利用が抑止された。
【０００８】
フリーピストン式内燃エンジンは、一般に、２ストロークエンジンである。２ストロークエンジンには、新鮮なチャージと排気ガス流の幾分かの混合が避けられないという問題がある。これにより、効率が低くなるだけでなく、一般に、受け入れがたいレベルの大気汚染が生じる。したがって、大気汚染のレベルが深刻ではない小規模用途を除き、２ストロークエンジンは、広く用いられてはいない。フリーピストン式４ストロークエンジンが、米国特許第６，５８２，２０４号明細書（発明者：グレイ・ジュニア（Gray, Jr.））（以下、「グレイ・ジュニア特許明細書」という）で提案された。これは、２つのフリーピストン組立体が互いに逆方向に振動するようにこれらフリーピストン組立体をラックピニオン装置によって互いに結合することを必要とする。ラックとピニオンによるカップリング又は結合手段により、一方のピストン組立体は、他方を交互に駆動することができる。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，５８２，２０４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この結合方式には、大きな欠点がある。第１に、ピストンは、強力な横荷重を両方のピストンに及ぼす。というのは、これらピニオンは、ピストンの軸線に沿ってではなく、必然的にピストンの側部に作用するからである。このように横荷重が生じることは、理想的には横荷重が生じないフリーピストン式エンジンの主要な利点を損なう。横荷重により生じる主要な問題は、摩耗の増大及び大荷重下における潤滑の困難である。ラックとピニオンによるカップリングのもう１つの欠点は、ピストンに加わる力が全てこのカップリングを介して伝達されなければならないので、ラックとピニオンの両方に摩耗及び摩擦が生じることにある。グレイ・ジュニア特許明細書で提案された他のカップリング又は結合手段としては、チェーン、逆止弁、追加のピストン等を備えた油圧機械式可撓式リンク装置が挙げられる。かかる複雑なカップリングにより、エンジンの効率が減少する。
【００１１】
本発明の目的は、上述の欠点のうちの１つ又は２つ以上を実質的に解決し、又は少なくとも軽減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本発明は、フリーピストン式４ストローク内燃エンジンであって、
エンジンブロック構造体と、
エンジンブロック構造体に対して往復動できるようエンジンブロック構造体に取り付けられたシャトルであって、互いに反対側に位置する第１及び第２のシャトル表面を備えた第１のシャトル部分と、互いに反対側に位置する第３及び第４のシャトル表面を備えた第２のシャトル部分と、第１のシャトル部分と第２のシャトル部分を連結してシャトル部分が互いに対して固定されるようにするシャトルフレームと、４つ全てのシャトル表面の中心を延びるシャトル中心線とを有し、シャトル中心線に沿って往復動するように構成されたシャトルと、
第１のシャトル表面とエンジンブロック構造体との間に形成された第１のチャンバと、
第２のシャトル表面とエンジンブロック構造体との間に形成された第２のチャンバと、
第３のシャトル表面とエンジンブロック構造体との間に形成された第３のチャンバと、
第４のシャトル表面とエンジンブロック構造体との間に形成された第４のチャンバと、
チャンバの各々と連通した選択的に封止可能な入口流体通路及び出口流体通路から成る構造とを備え、
シャトルフレームは、チャンバの外側に位置していることを特徴とするエンジンを提供する。
【００１３】
本明細書において、「チャンバの外側」という表現は、シャトルフレームがチャンバの境界を形成することによりチャンバに対して周縁に位置する場合があること、或いは、チャンバから間隔をおくことによりチャンバの完全に外側に位置する場合があることを意味している。この用語は、シャトルフレームがチャンバ内に入り込むことを除外する。
【００１４】
オプションとして、シャトル中心線は、直線状である。変形例として、シャトル中心線は、円形である。
【００１５】
第１の好ましい実施形態では、第１のシャトル部分は、略円筒形であり、第１のシャトル表面を備えた第１のピストン端及び第２のシャトル表面を備えた第２のピストン端を有し、
第２のシャトル部分は、略円筒形であり、第３のシャトル表面を備えた第３のピストン端及び第４のシャトル表面を備えた第４のピストン端を有し、第１のシャトル部分と第２のシャトル部分は、シャトル中心線に沿って互いに間隔をおいた状態で軸方向に整列している。
【００１６】
この実施形態では、エンジンブロック構造体は、好ましくは、第１のピストン端を収容した略円筒形の第１のキャビティと、第２のピストン端を収容した略円筒形の第２のキャビティと、第３のピストン端を収容した略円筒形の第３のキャビティと、第４のピストン端を収容した略円筒形の第４のキャビティとを有し、第１のチャンバは、略円筒形であり、第１のキャビティ及び第１のシャトル表面によって境界付けられ、第２のチャンバは、略円筒形であり、第２のキャビティ及び第２のシャトル表面によって境界付けられ、第３のチャンバは、略円筒形であり、第３のキャビティ及び第３のシャトル表面によって境界付けられ、第４のチャンバは、略円筒形であり、第４のキャビティ及び第４のシャトル表面によって境界付けられている。
【００１７】
好ましくは、シャトルフレームは、シャトル中心線に平行に延びるロッドを備えた少なくとも１つのロッド組立体と、ロッドを第１のシャトル部分に接合する第１の半径方向ストラットと、ロッドを第２のシャトル部分に接合する第２の半径方向ストラットとを有する。さらに好ましくは、ロッドは、４つのチャンバから半径方向に間隔をおいて設けられている。シャトルフレームは、シャトル中心線から且つ互いに等間隔をおいて位置するロッド組立体を４つ有するのが良い。
【００１８】
第２の好ましい実施形態では、第１のシャトル部分は、略円筒形であり、第１のシャトル表面を備えた第１のピストン端及び第２のシャトル表面を備えた第２のピストン端を有し、第２のシャトル部分は、第１のシャトル部分の外径よりも大きな内径を備えた全体として環状の角柱状であり、第２のシャトル部分は、第３のシャトル表面を備えた第３のピストン端及び第４のシャトル表面を備えた第４のピストン端を有し、第１のシャトル部分と第２のシャトル部分は、シャトル中心線に沿って同軸であり、第２のシャトル部分は、第１のシャトル部分周りに軸方向に配置されている。
【００１９】
この実施形態では、エンジンブロック構造体は、好ましくは、第１のピストン端を収容した略円筒形の第１のキャビティと、第２のピストン端を収容した略円筒形の第２のキャビティと、第３のピストン端を収容した全体として環状角柱状の第３のキャビティと、第４のピストン端を収容した全体として環状角柱状の第４のキャビティとを有し、
第１のチャンバは、略円筒形であり、第１のキャビティ及び第１のシャトル表面によって境界付けられ、第２のチャンバは、略円筒形であり、第２のキャビティ及び第２のシャトル表面によって境界付けられ、第３のチャンバは、全体として環状角柱状であり、第３のキャビティ及び第３のシャトル表面によって境界付けられ、第４のチャンバは、全体として環状角柱状であり、第４のキャビティ及び第４のシャトル表面によって境界付けられている。
【００２０】
好ましくは、シャトルフレームは、第１のシャトル部分を第２のシャトル部分に接合する少なくとも１つの半径方向ストラットを有する。シャトルフレームは、複数本の互いに間隔をおいた半径方向リンクを有するのが良い。変形例として、シャトルフレームは、環状プレートを有するのが良い。
【００２１】
第３の実施形態では、第１のシャトル部分は、全体的形状が円環状扇形であり、第１のシャトル部分は、第１のシャトル表面を備えた第１のピストン端及び第２のシャトル表面を備えた第２のピストン端を有し、第２のシャトル部分は、全体的形状が円環状扇形であり、第２のシャトル部分は、第３のシャトル表面を備えた第３のピストン端及び第４のシャトル表面を備えた第４のピストン端を有する。
【００２２】
この実施形態では、エンジンブロック構造体は、好ましくは、第１のピストン端を収容した全体として円環状扇形の第１のキャビティと、第２のピストン端を収容した全体として円環状扇形の第２のキャビティと、第３のピストン端を収容した全体として円環状扇形の第３のキャビティと、第４のピストン端を収容した全体として円環状扇形の第４のキャビティとを有し、第１のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、第１のチャンバは、第１のキャビティ及び第１のシャトル表面によって境界付けられ、第２のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、第２のチャンバは、第２のキャビティ及び第２のシャトル表面によって境界付けられ、第３のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、第３のチャンバは、第３のキャビティ及び第３のシャトル表面によって境界付けられ、第４のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、第４のチャンバは、第４のキャビティ及び第４のシャトル表面によって境界付けられている。
【００２３】
第４の実施形態では、シャトルフレームは、全体として管状であり、シャトル中心線に沿う軸線を有すると共にシャトルフレーム内に略円筒形の空間を画定し、
第１のシャトル部分は、略円筒形であり、円筒形空間内に配置されており、円筒形空間を第１のシャトル端キャビティ及びシャトル中間キャビティに分割し、
第２のシャトル部分は、略円筒形であり、第１のシャトル部分から軸方向に間隔をおいた状態で円筒形空間内に配置されており、更に、円筒形空間をシャトル中間キャビティ及び第２のシャトル端キャビティに分割している。
【００２４】
この実施形態では、エンジンブロック構造体は、好ましくは、シャトル中間キャビティ内に配置された内側ブロック部分を有し、内側ブロック部分は、全体として円形の第１の端フェース及びこれと反対側の全体として円形の第２の端フェースを備え、第１のシャトル端キャビティ内に延びる第１の外側ブロック部分を有し、第１の外側ブロック部分は、内側ブロック部分の第１の端フェースに対向した全体として円形の端フェースを備え、第２のシャトル端キャビティ内に延びる第２の外側ブロック部分を有し、第２の外側ブロック部分は、内側ブロック部分の第２の端フェースに対向した全体として円形の端フェースを備え、第１のチャンバは、シャトルフレーム、第１の外側ブロック部分の端フェース、及び第１のシャトル表面によって境界付けられ、第２のチャンバは、シャトルフレーム、内側ブロック部分の第１の端フェース、及び第２のシャトル表面によって境界付けられ、第３のチャンバは、シャトルフレーム、内側ブロック部分の第２の端フェース、及び第３のシャトル表面によって境界付けられ、第４のチャンバは、シャトルフレーム、第１の外側ブロック部分の端フェース、及び第４のシャトル表面によって境界付けられている。
【００２５】
好ましくは、シャトル中間キャビティは、少なくとも１つの孔を有し、内側ブロック部分は、孔を貫通した状態で支持されている。
【００２６】
第５の好ましい実施形態では、シャトルフレームは、全体として管状の内側フレーム壁及び内側フレーム壁の外径よりも大きな内径を備えた全体として管状の外側フレーム壁を有し、外側フレーム壁と内側フレーム壁は、シャトル中心線回りに同軸であり、略円筒形の内側空間が、内側フレーム壁内に形成され、全体として環状の角柱状外側空間が、外側フレーム壁と内側フレーム壁との間に形成され、
第１のシャトル部分は、略円筒形であり、内側空間内に配置されており、内側空間を第１のシャトル内側キャビティと第２のシャトル内側キャビティに分割し、第２のシャトル部分は、全体として環状角柱状であり、外側空間内に配置されており、外側空間を第１のシャトル外側キャビティ及び第２のシャトル外側キャビティに分割している。
【００２７】
この実施形態では、エンジンブロック構造体は、好ましくは、第１のシャトル内側キャビティ内に延びる第１の内側ブロック部分を有し、第１の内側ブロック部分は、全体として円形の端フェースを備え、第２のシャトル内側キャビティ内に延びる第２の内側ブロック部分を有し、第２の内側ブロック部分は、第１の内側ブロック部分の端フェースに対向した全体として円形の端フェースを備え、第１のシャトル外側キャビティ内に延びる第１の外側ブロック部分を有し、第１の外側ブロック部分は、全体として環状の端フェースを備え、第２のシャトル外側キャビティ内に延びる第２の外側ブロック部分を有し、第２の外側ブロック部分は、第１の外側ブロック部分の端フェースに対向した全体として環状の端フェースを備え、第１のチャンバは、内側フレーム壁、第１の内側ブロック部分の端フェース、及び第１のシャトル表面によって境界付けられ、第２のチャンバは、内側フレーム壁、第２の内側ブロック部分の端フェース、及び第２のシャトル表面によって境界付けられ、第３のチャンバは、外側フレーム壁、内側フレーム壁、第１の外側ブロック部分の端フェース、及び第３のシャトル表面によって境界付けられ、第４のチャンバは、外側フレーム壁、内側フレーム壁、第２の外側ブロック部分の端フェース、及び第４のシャトル表面によって境界付けられている。
【００２８】
第６の実施形態では、シャトルフレームは、全体として円環状且つ中空であり、シャトルフレーム内に全体として円環状の空間を画定し、第１のシャトル部分及び第２のシャトル部分は、全体として円環状扇形の形をしていて、シャトルフレーム内に配置されており、シャトルフレーム内の円環状空間を第１のシャトルキャビティ及び第２のシャトルキャビティに分割している。
【００２９】
この実施形態では、エンジンブロック構造体は、好ましくは、第１のキャビティ内に配置された第１のブロック部分を有し、第１のブロック部分は、全体として円形の第１の端フェース及び全体として円形の第２の端フェースを備え、第２のキャビティ内に配置された第２のブロック部分を有し、第２のブロック部分は、第１のブロック部分の第１の端フェースに対向した全体として円形の第１の端フェース及び第１のブロック部分の端フェースに対向した全体として円形の第２の端フェースを備え、第１のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、第１のチャンバは、シャトルフレーム、第１のブロック部分の第１の端フェース、及び第１のシャトル表面によって画定され、第２のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、第２のチャンバは、シャトルフレーム、第１のブロック部分の第２の端フェース、及び第２のシャトル表面によって画定され、第３のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、第３のチャンバは、シャトルフレーム、第２のブロック部分の第１の端フェース、及び第３のシャトル表面によって画定され、第４のチャンバは、全体的形状が円環状扇形であり、第４のチャンバは、シャトルフレーム、第２のブロック部分の第２の端フェース、及び第４のシャトル表面によって画定されている。
【００３０】
好ましくは、シャトルは、第１及び第２のキャビティの各々の中に延びる少なくとも１つの孔を有し、エンジンブロック構造体の第１のブロック部分及び第２のブロック部分は、孔を貫通した状態で支持されている。
【００３１】
好ましくは、第１のシャトル表面と第２のシャトル表面は、互いに合同であり、第３のシャトル表面と第４のシャトル表面も又、互いに合同である。
【００３２】
好ましくは、エンジンは、シャトルの往復動を動力出力源に変換するようになった動力取り出し装置を有する。さらに好ましくは、動力取り出し装置は、シャトル及びエンジンブロック構造体のうちの一方の一部をなす少なくとも１つの誘導コイルと、シャトル及びエンジンブロック構造体のうちの他方の一部をなす少なくとも１つの磁石とを有する。
【００３３】
好ましくは、第３及び第４の実施形態では、シャトルフレームは、第１のシャトル部分を第２のシャトル部分に接合する少なくとも１本のスポークを有する。さらに好ましくは、シャトルは、回動可能に取り付けられた中央ハブを更に有し、少なくとも１本のスポークは、中央ハブに取り付けられており、動力取り出し装置は、シャトルの往復動を回転動力出力源に変換するようになったラチェット機構体を有する。
【００３４】
好ましくは、各チャンバと各流体通路とのそれぞれの連通は、各チャンバと各流体通路とのそれぞれの間に配置された弁によって制御される。さらに好ましくは、流体通路のうちの１つ又は２つ以上は、各々、チャンバのうちの２つ又は３つ以上と連通している。
【００３５】
好ましくは、エンジンは、動力取り出し装置によって一行程当たりのエネルギー取り出し量を制御するようになったフィードバックコントローラを更に有する。さらに好ましくは、エンジンは、シャトルの速度を測定するようになったセンサを有し、フィードバックコントローラは、シャトル速度が最適設定速度よりも高いか低いかに応じて一行程当たり多くの又は少ない運動エネルギーを取り出すようになっている。
【００３６】
好ましくは、エンジンは、熱損失を最小限に抑えるようになった過給機を更に有する。さらに好ましくは、シャトルは、互いに反対側に位置する第５のシャトル表面及び第６のシャトル表面を備えた第３のシャトル部分を更に有し、シャトルフレームは、３つ全てのシャトル部分を互いに連結し、過給機は、第５のシャトル表面とエンジンブロック構造体との間に形成された第５のチャンバを有し、第５のチャンバは、出口流体通路及び排気マニホルドと選択的に流体連通状態にあり、第６のシャトル表面とエンジンブロック構造体との間に形成された第６のチャンバを有し、第６のチャンバは、入口流体通路及び吸気マニホルドと選択的流体連通状態にある。
【００３７】
好ましくは、シャトルは、周囲空気に露出されている。さちに好ましくは、シャトル部分は、中空である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
次に、添付の図面を参照して本発明の好ましい形態を例示として説明する。なお、図中、互いに類似した参照符号は、互いに類似した特徴を示している。
【００３９】
図面を参照すると、図１Ａないし図１Ｄは、４ストロークサイクルを説明する目的でフリーピストン式４ストローク内燃エンジン１１０の一例を示している。エンジン１１０は、エンジンブロック構造体１１２及びシャトル中心線１１５に沿ってエンジンブロック構造体１１２に対して往復動可能にエンジンブロック構造体１１２に取り付けられたシャトル１１４を有している。エンジン１１０は、燃料／空気供給源（図示せず）と連通した入口通路１１６から成る選択的に封止可能なネットワークと、排気系統（図示せず）と連通した出口通路１１８から成る選択的に封止可能なネットワークとを更に有している。
【００４０】
フリーピストンシャトル１１４は、第１の略円筒形のシャトル部分１２０、第１のシャトル部分１２０から軸方向に間隔をおいて設けられた第２の略円筒形のシャトル部分１２２及び第１のシャトル部分１２０と第２のシャトル部分１２２を互いに連結する連結ロッド１２４を有している。第１のシャトル部分１２０及び第２のシャトル部分１２２は、シャトル中心線１１５に沿って軸方向に整列している。第１のシャトル部分１２０は、全体として円形の第１のシャトル表面１２８を備えた第１のピストン端１２６及び全体として円形の第２のシャトル表面１３２を備えた第２のピストン端１３０を有している。第２のシャトル部分１２２は、全体として円形の第３のシャトル表面１３６を備えた第３のピストン端１３４及び全体として円形の第４のシャトル表面１４０を備えた第４のピストン端１３８を有している。
【００４１】
エンジンブロック構造体１１２は、第１のシャトル部分１２０が収納された略円筒形の第１のキャビティ１４２及び第２のシャトル部分１２２が収納された略円筒形の第２のキャビティ１４６を有している。この構成により、４つの略円筒形のチャンバ、即ち、第１のキャビティ１４２及び第１のシャトル表面１２８により境界付けられた第１のチャンバ１５０と、第１のキャビティ１４２及び第２のシャトル表面１３２によって境界付けられた第２のチャンバ１５２と、第２のキャビティ１４６及び第３のシャトル表面１３６によって境界付けられた第３のチャンバ１５４と、第２のキャビティ１４６及び第４のシャトル表面１４０によって境界付けられた第４のチャンバ１５６とが構成されている。シャトル部分１２０，１２２の各々に取り付けられた低摩擦チャンバシール１５８、例えばピストンリングにより、チャンバ１５０，１５２，１５４，１５６の各々の流体隔離が保証される。連結ロッド１２４は、エンジンブロック構造体１１２に設けられたボア１６０を経て第１のキャビティ１４２と第２のキャビティ１４６との間に延び、第２のチャンバ１５２及び第３のチャンバ１５４を貫通している。連結ロッド１２４は又、第２のシャトル表面１３２及び第３のシャトル表面１３６の表面積を減少させる。連結ロッド１２４とボア１６０との間のボアシール１６２が、第２のチャンバ１５２と第３のチャンバ１５４を互いに隔離している。
【００４２】
第１のチャンバ１５０は、第１の入口弁１６４を介して入口通路１１６のネットワークと連通すると共に第１の出口弁１６６を介して出口通路１１８のネットワークと連通している。同様に、第２のチャンバ１５２は、第２の入口弁１６８を介して入口通路１１６のネットワークと連通すると共に第２の出口弁１７０を介して出口通路１１８のネットワークと連結している。第３のチャンバ１５４は、第３の入口弁１７２を介して、入口通路１１６のネットワークと連結すると共に第３の出口弁１７４を介して出口通路１１８のネットワークと連結している。同様に、第４のチャンバ１５６は、第４の入口弁１７６を介して入口通路１１６のネットワークと連結すると共に第４の出口弁１７８を介して出口通路１１８のネットワークと連通している。
【００４３】
動力取り出し装置１８０が、第１のキャビティ１４２と第２のキャビティ１４６との間でエンジンブロック構造体１１２に取り付けられており、連結ロッド１２４の一部分を包囲している。動力取り出し装置１８０は、ここでは電磁誘導装置の形態で示されており、この電磁誘導装置は、連結ロッド１２４に設けられた磁石（図示せず）及び連結ロッド１２４の周りにエンジンブロック構造体１１２内に設けられた誘導コイル１８２を備えている。動力取り出し装置１８０は、可逆性であるのが良く、このことは、シャトル１１４からの動力の取り出しに加えて、この動力取り出し装置は、動力をシャトル１１４に供給することができることを意味している。これは、始動の際に有用である。
【００４４】
動作原理を説明すると、エンジン１１０を始動させるため、燃料／空気混合気を第１のチャンバ１５０に供給し、電磁誘導装置に逆方向に電力供給し、この電磁誘導装置は、シャトル１１４を図１Ａに示す位置まで駆動し、第１のチャンバ１５０内の燃料／空気混合気を圧縮し、次に、例えばＳＩ又はＨＣＣＩによりこの混合気を点火させる。この結果、図１Ａに示す形態が得られ、図１Ａは、「第一行程」を示している。第１のチャンバ１５０内の点火された燃料／空気混合気は、燃焼し、第１のシャトル部分１２０を左側から右側に駆動する。第２のチャンバ１５２内のガスは、開かれている第２の出口弁１７０を経て追い出される。第２のシャトル部分１２２は、第１のシャトル部分１２０に対して固定されており、この第２のシャトル部分は、第１のシャトル部分１２０によって左側から右側に駆動される。これにより、燃料／空気混合気が第３の入口弁１７２を経て第３のチャンバ１５４内に引き込まると共に第４のチャンバ１５６内の燃料／空気混合気が圧縮される。この行程の完了時に、第２の出口弁１７０及び第３の入口弁１７２が閉じられ、第１の出口弁１６６及び第２の入口弁１６８が開かれる。これらの動作の結果として、図１Ｂに示す形態が得られる。
【００４５】
「第２ストローク」を示す図１Ｂを参照すると、第４のチャンバ１５６内の圧縮状態の燃料／空気混合気は、燃焼し、第２のシャトル部分１２２を右側から左側に駆動し、第３のチャンバ１５４内の燃料／空気混合気を圧縮する。第１のシャトル部分１２０は、第２のシャトル部分１２２に対して固定されており、この第１のシャトル部分は、第２のシャトル部分１２２によって右側から左側に駆動される。これにより、燃焼生成物が開いている第１の出口弁１６６を経て第１のチャンバ１５０から追い出されると共に燃料／空気混合気が開いている第２の入口弁１６８を経て第２のチャンバ１５２内に引き込まれる。この行程の完了時に、第１の出口弁１６６及び第２の入口弁１６８が閉じられ、第４の出口弁１７８及び第１の入口弁１６４が開かれる。これら動作の結果として、図１Ｃに示される形態が得られる。
【００４６】
「第三行程」を示す図１Ｃを参照すると、第３のチャンバ１５４内の圧縮状態の燃料／空気混合気は、燃焼し、第２のシャトル部分１２２を左側から右側に駆動し、開いている第４の出口弁７８を経て燃焼生成物を第４のチャンバ１５６から追い出す。第１のシャトル部分１２０は、第２のシャトル部分１２２に対して固定されており、この第１のシャトル部分は、第２のシャトル部分１２２によって左側から右側に駆動される。これにより、第２のチャンバ１５２内の燃料／空気混合気が圧縮されると共に燃料／空気混合気が開いている第１の入口弁１６４を経て第１のチャンバ１５０内に引き込まれる。この行程の完了時に、第４の出口弁１７８及び第１の入口弁１６４が閉じられ、第３の出口弁１７４及び第４の入口弁１７６が開かれる。これら動作の結果として、図１Ｄに示される形態が得られる。
【００４７】
「第４行程」を示す図１Ｄを参照すると、第２のチャンバ１５２内の圧縮状態の燃料／空気混合気は、燃焼し、第１のシャトル部分１２０を右側から左側に駆動し、第１のチャンバ１５０内の燃料／空気混合気を圧縮する。第２のシャトル部分１２２は、第１のシャトル部分１２０に対して固定されており、この第２のシャトル部分１２２は、第１のシャトル部分１２０によって右側から左側に駆動される。これにより、燃焼生成物が開いている第３の出口弁１７４を経て第３のチャンバ１５４から追い出されると共に燃料／空気混合気が第４の入口弁１７６を経て第４のチャンバ１５６内に引き込まれる。この行程の完了時に、第３の出口弁１７４及び第４の入口弁１７６が閉じられ、第２の出口弁１７０及び第３の入口弁１７２が開かれる。これら動作の結果として、図１Ａに示される形態が得られ、サイクルは、再び始まる。
【００４８】
このように、シャトル１１４は、エンジンブロック構造体１１２内で前後に往復動する。連結ロッド１２４に取り付けられた磁石（図示せず）の往復動により、電流が誘導コイル１８２中に誘導され、電力出力源が提供される。
【００４９】
キャビティ１４２，１４６の壁と接触状態にあるボアシール１６２及びチャンバシール１５８は、理想的には、良好で低摩擦のシールを提供する。必要な潤滑及び封止を可能にする考えられる手段としては、ピストンリング、気体軸受又は当業者に周知の他の手段が挙げられる。ピストンシャトル１１４に横荷重が加わらない場合、クランク式エンジンの場合よりも、低摩擦シールが容易に提供される。
【００５０】
フリーピストン式４ストローク直列内燃エンジン２１０を備えた第１の実施形態が、図２Ａないし図２Ｃに示されている。エンジン２１０は、エンジンブロック構造体２１２及び直線状シャトル中心線２１５に沿ってエンジンブロック構造体２１２に対して往復動可能にエンジンブロック構造体２１２に取り付けられた剛性シャトル２１４を有している。エンジン２１０は、燃料／空気供給源（図示せず）と連通した入口通路２１６を備えた選択的に封止可能なネットワークと、排気系統（図示せず）と連通した出口通路２１８を備えた選択的に封止可能なネットワークとを更に有している。
【００５１】
シャトル２１４は、略円筒形の第１のシャトル部分２２０、第１のシャトル部分２２０から軸方向に間隔をおいて設けられた略円筒形の第２のシャトル部分２２２及び第１のシャトル部分２２０を第２のシャトル部分２２２に剛性的に固定したシャトルフレーム２２４を有している。したがって、第１のシャトル部分２２０と第２のシャトル部分２２２は、互いに対して動くことができない。第１のシャトル部分２２０と第２のシャトル部分２２２は、シャトル中心線２１５に沿って軸方向に整列している。図２Ｂ及び図２Ｃに最も良く示されているように、シャトルフレーム２２４は、シャトル中心線２１５から且つシャトル部分２２０，２２２の周りで互いに等間隔をおいて位置する４本のロッド２２３を有している。変形実施形態では、任意本数のロッドを設けることができる。ロッド２２３は、ストラット２２５によってシャトル部分２２０，２２２に連結されている。第１のシャトル部分２２０は、全体として円形の第１のシャトル表面２２８を備えた第１のピストン端２２６及び全体として円形の第２のシャトル表面２３２を備えた第２のピストン端２３０を有している。第２のシャトル部分２２２は、全体として円形の第３のシャトル表面２３６を備えた第３のピストン端２３４及び全体として円形の第４のシャトル表面２４０を備えた第４のピストン端２３８を有している。
【００５２】
エンジンブロック構造体２１２は、第１のピストン端２２６を収容した略円筒形の第１のキャビティ２４２、第２のピストン端２３０を収容した略円筒形の第２のキャビティ２４４、第３のピストン端２３４を収容した略円筒形の第３のキャビティ２４６及び第４のピストン端２３８を収容した略円筒形の第４のキャビティ２４８を有している。この構成により、４つの略円筒形のチャンバ、即ち、第１のキャビティ２４２及び第１のシャトル表面２２８により境界付けられた第１のチャンバ２５０と、第２のキャビティ２４４及び第２のシャトル表面２３２によって境界付けられた第２のチャンバ２５２と、第３のキャビティ２４６及び第３のシャトル表面２３６によって境界付けられた第３のチャンバ２５４と、第４のキャビティ２４８及び第４のシャトル表面２４０によって境界付けられた第４のチャンバ２５６とが構成されている。ピストン端２２６，２３０，２３４，２３８の各々に取り付けられた低摩擦チャンバシール２５８により、チャンバ２５０，２５２，２５４，２５６の各々の流体隔離が保証される。
【００５３】
図２Ａでは、シャトル部分２２０，２２２は、筒体として示されている。シール２５８は、エンジンブロック構造体２１２と接触状態にあるシャトル２１４の唯一の部分であるので、シャトル表面２２８，２３２，２３６，２４０相互間の円筒形シャトル部分２２０，２２２の中央部分に代えて、シャトル表面２２８，２３２，２３６，２４０をシャトルフレーム２２４に連結する任意の構造的コンポーネントを用いることができる。かかるコンポーネントは、シャトル表面２２８，２３２，２３６，２４０に作用する力をシャトルフレーム２２４にしっかりと伝達するよう設計されなければならない。
【００５４】
第１のチャンバ２５０は、第１の入口弁２６４を介して入口通路２１６のネットワークと連通すると共に第１の出口弁２６６を介して出口通路２１８のネットワークと連通している。同様に、第２のチャンバ２５２は、第２の入口弁２６８を介して入口通路２１６のネットワークと連通すると共に第２の出口弁２７０を介して出口通路２１８のネットワークと連結している。第３のチャンバ２５４は、第３の入口弁２７２を介して、入口通路２１６のネットワークと連結すると共に第３の出口弁２７４を介して出口通路２１８のネットワークと連結している。同様に、第４のチャンバ２５６は、第４の入口弁２７６を介して入口通路２１６のネットワークと連結すると共に第４の出口弁２７８を介して出口通路２１８のネットワークと連通している。
【００５５】
動力取り出し装置２８０が、エンジンブロック構造体２１２内に設けられている。動力取り出し装置２８０は、可逆電磁誘導装置の形態で示されており、この電磁誘導装置は、シャトルフレーム２２４に設けられた磁石２８４及び磁石２８４に隣接してエンジンブロック構造体２１２内に設けられた誘導コイル（図示せず）を備えている。
【００５６】
動作原理を説明すると、シャトル２１４は、図１Ａないし図１Ｄを参照して、例示のエンジン１１０に関して説明したのと同じ全体的サイクルで往復動し、図２Ａは、図１Ａに示す第一行程に対応している。シャトル２１４は、直線状シャトル中心線２１５に沿って動き、その結果、シャトル部分２２０，２２２に作用する圧力の中心が、シャトル中心線２１５上に位置するようになっている。これは、シャトル２１４とエンジンブロック構造体２１２の両方を軸対称に作ると共にシャトル中心線２１５回りにバランスさせることにより達成される。したがって、シャトル２１４に作用する回しモーメントはゼロであり、しかもシャトル２１４とエンジンブロック構造体２１２との間の側荷重はゼロである。このように側荷重が存在しないことにより摩擦力及びこれに対応したシール２５８の摩耗が最小限に抑えられる。
【００５７】
シャトルフレーム２２４が全体としてチャンバ２５０，２５２，２５４，２５６の外部に位置しているので、例示のエンジン１１０のボアシール１６２及び任意の関連の潤滑は、不要である。さらに、チャンバ２５０，２５２，２５４，２５６は、例示のエンジン１１０とは異なり、全て互いに同一であり、この例示のエンジン１１０では、ロッド１２４は、第２のチャンバ１５２及び第３のチャンバ１５４を小さくし、第１のシャトル表面１２８及び第４のシャトル表面１４０に対して第２のシャトル表面１３２及び第３のシャトル表面１３６の表面積を減少させている。このことは、第２の実施形態について受ける摩擦が低く、コンポーネントが少なく、しかもあり得るガス漏れ点が少ないことを意味している。さらに、シャトル部品２２０，２２２は、外部から容易に接近可能なので、シャトル部分２２０，２２２を容易に冷却して潤滑することができる。これとは対照的に、性能を著しく損なわないで潤滑用流体又は冷却用流体を例示のエンジン１１０のシャトル部分１２０，１２２に送り出すことは、非常に困難である。
【００５８】
同軸フリーピストン式４ストローク内燃エンジン３１０を備えた第２の実施形態が、図３Ａ及び図３Ｂに示されている。エンジン３１０は、エンジンブロック構造体３１２及びシャトル中心線３１５に沿ってエンジンブロック構造体３１２に対して往復動可能にエンジンブロック構造体３１２に取り付けられた剛性シャトル３１４を有している。エンジン３１０は、燃料／空気供給源（図示せず）と連通した入口通路３１６を備えた選択的に封止可能なネットワークと、排気系統（図示せず）と連通した出口通路３１８を備えた選択的に封止可能なネットワークとを更に有している。
【００５９】
図３Ｂに最も良く示されているように、シャトル３１４は、略円筒形の第１のシャトル部分３２０、全体として環状角柱状の（即ち、環状角柱の形をした）第２のシャトル部分３２２及び第１のシャトル部分３２０を第２のシャトル部分３２２に対して剛性的に固定したシャトルフレーム３２４を有している。本明細書と関連して、「角柱」という用語は、長さに沿って一様な断面（例えば、環状帯を有する幾何学的形状を説明するために用いられている。したがって、第１のシャトル部分３２０と第２のシャトル部分３２２は、互いに対して動くことができない。第２のシャトル部分３２２は、第１のシャトル部分３２０の外径よりも大きな内径を有し、第２のシャトル部分３２２は、シャトル中心線３１５に沿って第１のシャトル部分３２０周りに同軸に配置されている。シャトルフレーム３２４は、第１のシャトル部分３２０と第２のシャトル部分３２２との間に延びる環状プレート３２５を有している。第１のシャトル部分３２０は、全体として円形の第１のシャトル表面３２８を備えた第１のピストン端３２６及び全体として円形の第２のシャトル表面３３２を備えた第２のピストン端３３０を有している。第２のシャトル部分３２２は、全体として環状の第３のシャトル表面３３６を備えた第３のピストン端３３４及び全体として環状の第４のシャトル表面３４０を備えた第４のピストン端３３８を有している。
【００６０】
エンジンブロック構造体２１２は、第１のピストン端２２６を収容した略円筒形の第１のキャビティ２４２、第２のピストン端２３０を収容した略円筒形の第２のキャビティ２４４、第３のピストン端２３４を収容した略円筒形の第３のキャビティ２４６及び第４のピストン端２３８を収容した略円筒形の第４のキャビティ２４８を有している。この構成により、４つの略円筒形のチャンバ、即ち、第１のキャビティ２４２及び第１のシャトル表面２２８により境界付けられた第１のチャンバ２５０と、第２のキャビティ２４４及び第２のシャトル表面２３２によって境界付けられた第２のチャンバ２５２と、第３のキャビティ２４６及び第３のシャトル表面２３６によって境界付けられた第３のチャンバ２５４と、第４のキャビティ２４８及び第４のシャトル表面２４０によって境界付けられた第４のチャンバ２５６とが構成されている。ピストン端２２６，２３０，２３４，２３８の各々に取り付けられた低摩擦チャンバシール２５８により、チャンバ２５０，２５２，２５４，２５６の各々の流体隔離が保証される。
【００６１】
第１のチャンバ３５０は、第１の入口弁３６４を介して入口通路３１６のネットワークと連通すると共に第１の出口弁３６６を介して出口通路３１８のネットワークと連通している。同様に、第２のチャンバ３５２は、第２の入口弁３６８を介して入口通路３１６のネットワークと連通すると共に第２の出口弁３７０を介して出口通路３１８のネットワークと連結している。第３のチャンバ３５４は、第３の入口弁３７２を介して、入口通路３１６のネットワークと連結すると共に第３の出口弁３７４を介して出口通路３１８のネットワークと連結している。同様に、第４のチャンバ３５６は、第４の入口弁３７６を介して入口通路３１６のネットワークと連結すると共に第４の出口弁３７８を介して出口通路３１８のネットワークと連通している。
【００６２】
動力取り出し装置３８０が、エンジンブロック構造体３１２内に設けられている。動力取り出し装置３８０は、可逆電磁誘導装置の形態で示されており、この電磁誘導装置は、シャトルフレーム３２４に設けられた磁石３８４及び磁石３８４に隣接してエンジンブロック構造体３１２内に設けられた誘導コイル３８２を備えている。
【００６３】
動作原理を説明すると、シャトル３１４は、図１Ａないし図１Ｄを参照して、例示のエンジン１１０に関して説明したのと同じ全体的サイクルで往復動し、図３Ａは、図１Ａに示す第一行程に対応している。シャトル３１４は、直線状シャトル中心線３１５に沿って動き、その結果、シャトル部分３２０，３２２に作用する圧力の中心が、シャトル中心線３１５上に位置するようになっている。これは、シャトル３１４とエンジンブロック構造体３１２の両方を軸対称に作ると共にシャトル中心線３１５回りにバランスさせることにより達成される。したがって、シャトル３１４に作用する回しモーメントはゼロであり、しかもシャトル３１４とエンジンブロック構造体３１２との間の側荷重はゼロである。このように側荷重が存在しないことにより、摩擦力及びこれに対応したシール３５８の摩耗が最小限に抑えられる。
【００６４】
図２Ａないし図２Ｃに示す第１の実施形態は、チャンバ２５０，２５２，２５４，２５６が直列状態なので、特に、大きな行程とボアの比が用いられた場合（効率上の理由で）長い傾向がある。或る用途では、この長さは、問題となる場合がある。したがって、第２の実施形態は、短い同軸エンジン３１０を提供する。第２の実施形態のエンジン３１０は、第１の実施形態の第３のチャンバ２５４及び第４のチャンバ２５６が第１の実施形態の第１のチャンバ２５０及び第２のチャンバ２５２の周りに効果的に巻かれて２つの環状チャンバ２５４，２５６を形成していることを除き、第１の実施形態のエンジン２５０と本質的には同一である。したがって、第２の実施形態は、第１の実施形態よりも短い。
【００６５】
ドーナツ形又は円環状フリーピストン式４ストローク内燃エンジン４１０を備えた第３の実施形態が、図４Ａないし図４Ｄに示されている。エンジン４１０は、エンジンブロック構造体４１２及び円形のシャトル中心線４１５に沿ってエンジンブロック構造体４１２に対して動くことを可能にエンジンブロック構造体４１２に取り付けられた剛性シャトル４１４を有している。シャトル４１４も又、スポーク４８４を介して中央シャフト４９２に回動可能に取り付けられている。エンジン４１０は、燃料／空気供給源（図示せず）と連通した入口通路４１６を備えた選択的に封止可能なネットワークと、排気系統（図示せず）と連通した出口通路４１８を備えた選択的に封止可能なネットワークとを更に有している。
【００６６】
シャトル４１４は、円環状扇形の全体的形状をした第１のシャトル部分４２０、円環状扇形の全体的形をした第２のシャトル部分４２２及び第１のシャトル部分４２０を第２のシャトル部分４２２に対して剛性的に固定したシャトルフレーム４２４を有している。したがって、第１のシャトル部分４２０と第２のシャトル部分４２２は、互いに対して動くことができない。第１のシャトル部分４２０と第２のシャトル部分４２２は、シャトル中心線４１５周りに互いに等間隔をおいて設けられている。エンジン４１０は、エンジンブロック構造体４１２及びシャトル中心線４１５に沿ってエンジンブロック構造体４１２に対して往復動可能にエンジンブロック構造体４１２に取り付けられた剛性シャトル４１４を有している。エンジン４１０は、燃料／空気供給源（図示せず）と連通した入口通路４１６を備えた選択的に封止可能なネットワークと、排気系統（図示せず）と連通した出口通路４１８を備えた選択的に封止可能なネットワークとを更に有している。
【００６７】
シャトル３１４は、全体的形状が円環状扇形の第１のシャトル部分４２０、全体的形状が円環状扇形の第２のシャトル部分４２２及び第１のシャトル部分４２０を第２のシャトル部分４２２に対して剛性的に固定したシャトルフレーム４２４を有している。したがって、第１のシャトル部分４２０と第２のシャトル部分４２２は、互いに対して動くことができない。第１のシャトル部分４２０と第２のシャトル部分４２２は、シャトル中心線４１５回りに互いから等間隔をおいて設けられている。第１のシャトル部分４２０は、全体として円形の第１のシャトル表面４２８を備えた第１のピストン端４２６及び全体として円形の第２のシャトル表面４３２を備えた第２のピストン端４３０を有している。第２のシャトル部分４２２は、全体として環状の第３のシャトル表面４３６を備えた第３のピストン端４３４及び全体として環状の第４のシャトル表面４４０を備えた第４のピストン端４３８を有している。
【００６８】
エンジンブロック構造体４１２は、第１のピストン端４２６を収容した全体的形状が円環状扇形の第１のキャビティ４４２、第２のピストン端４３０を収容した全体的形状が円環状扇形の第２のキャビティ４４４、第３のピストン端４３４を収容した全体的形状が円環状扇型の第３のキャビティ４４６及び第４のピストン端４３８を収容した全体的形状が円環状扇形の第４のキャビティ４４８を有している。この構成により、各々が円環状扇形の全体的形状をした４つのチャンバ、即ち、第１のキャビティ４４２及び第１のシャトル表面４２８により境界付けられた第１のチャンバ４５０と、第２のキャビティ４４４及び第２のシャトル表面４３２によって境界付けられた第２のチャンバ４５２と、第３のキャビティ４４６及び第３のシャトル表面４３６によって境界付けられた第３のチャンバ４５４と、第４のキャビティ４４８及び第４のシャトル表面４４０によって境界付けられた第４のチャンバ４５６とが構成されている。ピストン端４２６，４３０，４３４，４３８の各々に取り付けられた低摩擦チャンバシール４５８により、チャンバ４５０，４５２，４５４，４５６の各々の流体隔離が保証される。
【００６９】
第１のチャンバ４５０は、第１の入口弁４６４を介して入口通路４１６のネットワークと連通すると共に第１の出口弁４６６を介して出口通路４１８のネットワークと連通している。同様に、第２のチャンバ４５２は、第２の入口弁４６８を介して入口通路４１６のネットワークと連通すると共に第２の出口弁４７０を介して出口通路４１８のネットワークと連結している。第３のチャンバ４５４は、第３の入口弁４７２を介して、入口通路４１６のネットワークと連結すると共に第３の出口弁４７４を介して出口通路４１８のネットワークと連結している。同様に、第４のチャンバ４５６は、第４の入口弁４７６を介して入口通路４１６のネットワークと連結すると共に第４の出口弁４７８を介して出口通路４１８のネットワークと連通している。
【００７０】
図４Ｂ及び図４Ｄに最も良く示されているように、動力取り出し装置４８０が、シャフト４９２に取り付けられ、シャトル４１４の往復動回動運動を一方向回転運動に変換するようになったラチェット機構体４９０の形態で設けられている。追加の動力取り出し装置（図示せず）、例えば電磁誘導装置をシャトル４１４とエンジンブロック構造体４１２との間に更に設けるのが良い。ラチェット機構体４９０は、シャフト４９２に取り付けられた第１のラチェットギア（爪車）４９４及び自由に回転する第２のラチェットギア（爪車）４９５を有している。遊び歯車４９８が、エンジンブロック構造体４１２に取り付けられており、この遊び歯車は、駆動力を第２のラチェットギア４９５から第１のラチェットギア４９４及び出力シャフト４９２に伝える。シャトル４２４に回動可能に取り付けられた爪４９６が、ばね押しされており、これら爪は、シャフト４９２に対する時計回りの回転を可能にしたり反時計回りの回転を可能にしたり或いは回転を行わないように設定できる。これにより、シャトル４２４の往復動がシャフト４９２から出力される単一方向の回転に変換される。トルクアブソーバ及び振動伝達ダンパも又設けるのが良い。往復回転運動を連続回転運動に変換する他の手段は、当業者には周知である。この結果として、第３の実施形態により得られる動力をこれが好ましい出力である用途に関して機械的トルクに変換することができる。
【００７１】
動作原理を説明すると、シャトル４１４は、図１Ａないし図１Ｄを参照して、例示のエンジン１１０に関して説明したのと同じ全体的サイクルで往復動し、図４Ａは、図１Ａに示す第一行程に対応している。シャトル４１４は、直線状シャトル中心線４１５に沿って動き、その結果、シャトル部分４２０，４２２に作用する圧力の中心が、シャトル中心線４１５上に位置するようになっている。さらに、シャトル４１４は、シャフト４８０に関して対称であると共にこの周りにバランスが取られている。したがって、シャトル４１４とエンジンブロック構造体４１２との間には横荷重が存在せず、しかも、シャフト４８０に及ぼされる不均衡な（アンバランスな）荷重はゼロである。
【００７２】
第１の実施形態及び第２の実施形態では、シャトル２１４，３１４は、各サイクルで直線状に前後に往復動する。或る用途に関し、例えば自動車を駆動するため又は従来型発電機では、この直線往復運動を円形運動に変換することが望ましい。この理由で、第３の実施形態は、ドーナツ形の又はトロイダル形エンジン４１０を提供する。第３の実施形態は、シャトル２１４が円環帯（トーラス）を形成するよう湾曲状態に曲げられていることを除き、第１の実施形態と本質的に同一である。これにより、回転動力出力をラチェット機構体４９０により第３の実施形態から取り出すことができる。
【００７３】
フリーピストン式４ストローク直列エンジン５４１を備えた第４の実施形態が、図５Ａ、図５Ｂに示されている。エンジン５１０は、エンジンブロック構造体５１２及び直線状シャトル中心線５１５に沿ってエンジンブロック構造体５１２に対して往復動可能にエンジンブロック構造体５１２に取り付けられたシャトル５１４を有している。エンジン５１０は、燃料／空気供給源（図示せず）と連通した入口通路５１６を備えた選択的に封止可能なネットワークと、排気系統（図示せず）と連通した出口通路５１８を備えた選択的に封止可能なネットワークとを更に有している。
【００７４】
シャトル５１４は、略円筒形の第１のシャトル部分５２０、第１のシャトル部分５２０から軸方向に間隔をおいて設けられた略円筒形の第２のシャトル部分５２２及び第１のシャトル部分５２０を第２のシャトル部分５２２に対して剛性的に固定した全体として管状のシャトルフレーム５２４を有している。したがって、第１のシャトル部分５２０と第２のシャトル部分５２２は、互いに対して動くことができない。シャトルフレーム５２４は、その内部に略円筒形の空間を画定している。第１のシャトル部分５２０と第２のシャトル部分５２２は、シャトル中心線５１５に沿って軸方向に整列しており、これらシャトル部分５２０，５２２は、シャトルフレーム５２４の円筒形空間内に配置されている。第１のシャトル部分５２０は、全体として円形の第１のシャトル表面５２８を備えた第１のピストン端５２６及び全体として円形の第２のシャトル表面５３２を備えた第２のピストン端５３０を有している。第２のシャトル部分５２２は、全体として円形の第３のシャトル表面５３６を備えた第３のピストン端５３４及び全体として円形の第４のシャトル表面５４０を備えた第４のピストン端５３８を有している。第１のシャトル部分５２０及び第２のシャトル部分５２２は、空気又は他の流体によるシャトル部分５２０，５２２の冷却を容易にするよう中空である。第１のシャトル部分５２０及び第２のシャトル部分５２２は、効果的な間仕切りであり、シャトルフレーム５２４内の円筒形空間を第１のシャトル端キャビティ５３１、シャトル中間キャビティ５３３及び第２のシャトル端キャビティ５３７に分割している。シャトル中間キャビティ５３３への接近を可能にするために長手方向孔５３９がシャトルフレーム５２４に形成されている。
【００７５】
エンジンブロック構造体５１２は、第１の外側ブロック部分５４１、内側ブロック部分５４３及び第２の外側ブロック部分５４７を有している。内側ブロック部分５４３は、シャトル中間キャビティ５３３内に配置され、この内側ブロック部分は、全体として円形の第１の端フェース５５３及び全体として円形の第２の端フェース５５５を有している。第１の外側ブロック部分５４１は、第１のシャトル端キャビティ５３１内に延びており、この第１の外側ブロック部分は、内側ブロック部分５４３の第１の端フェース５５３に対向した全体として円形の端フェース５５１を有している。第２の外側ブロック部分５４７は、第２のシャトル端キャビティ５３７内に延びており、この第２の外側ブロック部分は、内側ブロック部分５４３の第２の端フェース５５５に対向した全体として円形の端フェース５５７を有している。内側ブロック部分５４３は、孔５３９を介してエンジンブロック構造体５１２によって支持されている。
【００７６】
第１のシャトル部分５２０は、第１の外側ブロック部分５４１の端フェース５５１と内側ブロック部分５４３の第１の端フェース５５３との間に配置されている。第２のシャトル部分５２２は、第２の外側ブロック部分５４７の端フェース５５７と内側ブロック部分５４３の第２の端フェース５５５との間に配置されている。この構成により、４つの略円筒形のチャンバ、即ち、第１の外側ブロック部分５４１の端フェース５５１、シャトルフレーム５２４及び第１のシャトル表面５２８によって境界付けられた第１のチャンバ５５０、内側ブロック部分５４３の第１の端フェース５５３、シャトルフレーム５２４及び第２のシャトル表面５３２によって境界付けられた第２のチャンバ５５２、内側ブロック部分５４３の第２の端フェース５５５、シャトルフレーム５２４及び第３のシャトル表面５３６によって境界付けられた第３のチャンバ５５４、及び第２の外側ブロック部分５４７の端フェース５５７、シャトルフレーム５２４及び第４のシャトル表面５４０によって境界付けられた第４のチャンバ５５６が構成されている。内側ブロック部分５４３及び外側ブロック部分５４１，５４７に取り付けられた低摩擦チャンバ低摩擦シール５５８により、チャンバ５５０，５５２，５５４，５５６の各々の流体隔離が保証される。
【００７７】
第１のチャンバ５５０は、第１の入口弁５６４を介して入口通路５１６のネットワークと連通すると共に第１の出口弁５６６を介して出口通路５１８のネットワークと連通している。同様に、第２のチャンバ５５２は、第２の入口弁５６８を介して入口通路５１６のネットワークと連通すると共に第２の出口弁５７０を介して出口通路５１８のネットワークと連結している。第３のチャンバ５５４は、第３の入口弁５７２を介して、入口通路５１６のネットワークと連結すると共に第３の出口弁５７４を介して出口通路５１８のネットワークと連結している。同様に、第４のチャンバ５５６は、第４の入口弁５７６を介して入口通路５１６のネットワークと連結すると共に第４の出口弁５７８を介して出口通路５１８のネットワークと連通している。
【００７８】
動力取り出し装置５８０が、エンジンブロック構造体５１２内に設けられている。動力取り出し装置５８０は、可逆電磁誘導装置の形態で示されており、この電磁誘導装置は、シャトルフレーム５２４に設けられた磁石５８４及び磁石５８４に隣接してエンジンブロック構造体５１２内に設けられた誘導コイル（図示せず）を備えている。
【００７９】
動作原理を説明すると、シャトル５１４は、図１Ａないし図１Ｄを参照して、例示のエンジン１１０に関して説明したのと同じ全体的サイクルで往復動し、図５Ａは、図１Ａに示す第一行程に対応している。
【００８０】
この実施形態では、シャトル５１４の外部の総表面積は、動力取り出し手段５８０が作用するうえで利用可能であり、かくして、例示のエンジン１１０と比較してエネルギーの取り出しが容易になる。例示のエンジン１１０のボアシール１６２は、この実施形態では省かれており、チャンバシール５５８は、例示のエンジン１１０のチャンバシール及び可動シャトル部分１２０，１２２，２２０，２２２，３２０，３２２，４２０，４２２に取り付けられている。第２、第３及び第４の実施形態のチャンバシールとは異なり、静止しており、即ち、エンジンブロック構造体５１２に固定されている。これは、密封方法、例えばリング（ピストンリング）及び任意の必要な潤滑用流体が静止し、かくして、リングは、点検整備が容易であり、しかも潤滑用流体の供給が容易であることを意味している。
【００８１】
同軸フリーピストン式４ストロークエンジン６１０を備えた第５の実施形態が、図６Ａ及び図６Ｂに示されている。エンジン６１０は、エンジンブロック構造体６１２及び直線状シャトル中心線６１５に沿ってエンジンブロック構造体６１２に対して往復動可能にエンジンブロック構造体６１２に取り付けられた剛性シャトル６１４を有している。エンジン６１０は、燃料／空気供給源（図示せず）と連通した入口通路６１６を備えた選択的に封止可能なネットワークと、排気系統（図示せず）と連通した出口通路６１８を備えた選択的に封止可能なネットワークとを更に有している。
【００８２】
シャトル６１４は、略円筒形の第１のシャトル部分６２０、全体として環状の第２のシャトル部分６２２及びシャトルフレーム６２４を有し、このシャトルフレームは、全体として管状の内側フレーム壁６２５及び内側フレーム壁６２５の周りに配置され、内側フレーム壁６２５よりも直径の大きな全体として管状の外側フレーム壁６２７を有している。内側フレーム壁６２５と外側フレーム壁６２７は、シャトル中心線６１５に沿って軸方向に整列しており、内側フレーム壁６２５内に略円筒形の空間を画定すると共に内側フレーム壁６２５と外側フレーム壁６２７との間に全体として環状の空間を画定している。シャトルフレーム６２４は、第１のシャトル部分６２０を第２のシャトル部分６２２に対して剛性的に固定している。したがって、第１のシャトル部分６２０と第２のシャトル部分６２２は、互いに対して動くことができない。第１のシャトル部分６２０と第２のシャトル部分６２２は、シャトル中心線６１５に沿って同軸状に整列すると共にシャトルフレーム６２４の円筒形空間及び環状空間内にそれぞれ配置されている。第１のシャトル部分６２０は、全体として円形の第１のシャトル表面６２８を備えた第１のピストン端６２６及び全体として円形の第２のシャトル表面６３２を備えた第２のピストン端６３０を有している。第２のシャトル部分６２２は、全体として環状の第３のシャトル表面６３６を備えた第３のピストン端６３４及び全体として環状の第４のシャトル表面６４０を備えた第４のピストン端６３８を有している。第４の実施形態のシャトル部分５２０，５２２の場合と同様、第５の実施形態のシャトル部分６２０，６２２も又、冷却を容易にするよう中空であるのが良い。第１及び第２のシャトル部分６２０，６２２は、効果的な間仕切りであり、第１のシャトル部分６２０は、内側フレーム壁６２５内の円筒形空間を第１のシャトル内側キャビティ６３１と第２のシャトル内側キャビティ６３３に分割し、第２のシャトル部分６２２は、内側フレーム壁６２５と外側フレーム壁６２７との間の環状空間を第１のシャトル外側キャビティ６３５と第２のシャトル外側キャビティ６３７に分割している。
【００８３】
エンジンブロック構造体６１２は、第１の内側ブロック部分６４１、第２の内側ブロック部分６４３、第１の外側ブロック部分６４５及び第２の外側ブロック部分６４７を有している。第１の内側ブロック部分６４１は、第１のシャトル内側キャビティ６３１内に延び、全体として円形の端フェース６５１を有している。第２の内側ブロック部分６４３は、第２シャトル内側キャビティ６３３内に延び、第１の内側ブロック部分６４１の端フェース６５１に対向した全体として円形の端フェース６５３を有している。第１の外側ブロック部分６４５は、第１のシャトル外側キャビティ６３５内に延び全体として環状の端フェース６５５を有している。第２の外側ブロック部分６４７は、第２のシャトル外側キャビティ６３７内に延び、第１の外側ブロック部分６４５の端フェース６５５に対向した全体として環状の端フェース６５７を有している。
【００８４】
第１のシャトル部分６２０は、第１の内側ブロック部分６４１の端フェース６５１と第２の内側ブロック部分６４３の端フェース６５３との間に配置されている。第２のシャトル部分６２２は、第１の外側ブロック部分６４５の端フェース６５５と第２の外側ブロック部分６４７の端フェース６５７との間に配置されている。この構成により、２つの略円筒形のチャンバ及び２つの全体として環状角柱状のチャンバ、即ち、第１の内側ブロック部分６４１の端フェース６５１、内側フレーム壁６２５及び第１のシャトル表面６２８によって境界付けられた第１のチャンバ６５０、第２の内側ブロック部分６４３の端フェース６５３、内側フレーム壁６２５及び第２のシャトル表面６３２によって境界付けられた第２のチャンバ６５２、第１の外側ブロック部分６４５の端フェース６５５、内側フレーム壁６２５、外側フレーム壁６２７及び第３のシャトル表面６３６によって境界付けられた第３のチャンバ６５４、及び第２の外側ブロック部分６４７の端フェース６５７、内側フレーム壁６２５、外側フレーム壁６２７及び第４のシャトル表面６４０によって境界付けられた第４のチャンバ６５６が形成されている。内側及び外側ブロック部分６４１，６４３，６４５，６４７に取り付けられた低摩擦チャンバシール６５８により、チャンバ６５０，６５２，６５４，６５６の各々の流体隔離が保証される。
【００８５】
第１のチャンバ６５０は、第１の入口弁６６４を介して入口通路６１６のネットワークと連通すると共に第１の出口弁６６６を介して出口通路６１８のネットワークと連通している。同様に、第２のチャンバ６５２は、第２の入口弁６６８を介して入口通路６１６のネットワークと連通すると共に第２の出口弁６７０を介して出口通路６１８のネットワークと連結している。第３のチャンバ６５４は、第３の入口弁６７２を介して、入口通路６１６のネットワークと連結すると共に第３の出口弁６７４を介して出口通路６１８のネットワークと連結している。同様に、第４のチャンバ６５６は、第４の入口弁６７６を介して入口通路６１６のネットワークと連結すると共に第４の出口弁６７８を介して出口通路６１８のネットワークと連通している。
【００８６】
動力取り出し装置６８０が、エンジンブロック構造体６１２内に設けられている。動力取り出し装置６８０は、可逆電磁誘導装置の形態で示されており、この電磁誘導装置は、シャトルフレーム６２４に設けられた磁石６８４及び磁石６８４に隣接してエンジンブロック構造体６１２内に設けられた誘導コイル（図示せず）を備えている。
【００８７】
動作原理を説明すると、シャトル６１４は、図１Ａないし図１Ｄを参照して、例示のエンジン１１０に関して説明したのと同じ全体的サイクルで往復動し、図６Ａは、図１Ａに示す第一行程に対応している。
【００８８】
図５Ａ及び図５Ｂに示す第４の実施形態は、チャンバ５５０，５５２，５５４，５５６が直列状態なので、特に、大きな行程とボアの比が用いられた場合（効率上の理由で）長い傾向がある。或る用途では、この長さは、問題となる場合がある。この理由で、第４の実施形態は、別の短い同軸エンジン６１０を提供する。第５の実施形態のエンジン６１０は、第４の実施形態の第３のチャンバ５５４及び第４のチャンバ５５６が第４の実施形態の第１のチャンバ５５０及び第２のチャンバ５５２の周りに効果的に巻かれて２つの環状チャンバ５５４，５５６を形成していることを除き、第４の実施形態のエンジン５５０と本質的には同一である。したがって、第５の実施形態は、第４の実施形態よりもコンパクトである。
【００８９】
円環状フリーピストン式４ストロークエンジン７１０を備えた第６の実施形態が、図７Ａ及び図７Ｂに示されている。エンジン７１０は、エンジンブロック構造体７１２及び円形のシャトル中心線７１５に沿ってエンジンブロック構造体７１２に対して動くことを可能にエンジンブロック構造体７１２に取り付けられた剛性シャトル７１４を有している。シャトル７１４も又、スポーク７８４を介して中央シャフト７９２に回動可能に取り付けられている。エンジン７１０は、燃料／空気供給源（図示せず）と連通した入口通路７１６を備えた選択的に封止可能なネットワークと、排気系統（図示せず）と連通した出口通路７１８を備えた選択的に封止可能なネットワークとを更に有している。
【００９０】
シャトル７１４は、全体的形状が円環状扇形の第１のシャトル部分７２０、全体的形状が円環状扇形の第２のシャトル部分７２２及び中空で全体として円環状のシャトルフレーム７２４を有し、このシャトルフレームは、シャトルフレーム７２４内に全体として円環状の空間を画定している。第１のシャトル部分７２０と第２のシャトル部分７２２は、シャトル中心線７１５周りに互いに等間隔をおいて設けられると共にシャトルフレーム７２４の円環状空間内に配置されている。シャトルフレーム７２４は、第１のシャトル部分７２０を第２のシャトル部分７２２に対して剛性的に固定している。したがって、第１のシャトル部分７２０と第２のシャトル部分７２２は、互いに対して動くことができない。第１のシャトル部分７２０は、全体として円形の第１のシャトル表面７２８を備えた第１のピストン端７２６及び全体として円形の第２のシャトル表面７３２を備えた第２のピストン端７３０を有している。第２のシャトル部分７２２は、全体として環状の第３のシャトル表面７３６を備えた第３のピストン端７３４及び全体として環状の第４のシャトル表面７４０を備えた第４のピストン端７３８を有している。第４の実施形態のシャトル部分５２０，５２２の場合と同様、第５の実施形態のシャトル部分７２０，７２２も又、冷却を容易にするよう中空であるのが良い。第１のシャトル部分７２０及び第２のシャトル部分７２２は、効果的な間仕切りであり、シャトルフレーム７２４内の円環状空間を第１のシャトルキャビティ７３１と第２のシャトルキャビティ７３５に分割している。第１のシャトルキャビティ７３１及び第２のシャトルキャビティ７３５への接近を可能にするために長手方向孔７３９がシャトルフレーム７２４に形成されている。
【００９１】
エンジンブロック構造体７１２は、第１のブロック部分７４１及び第２のブロック部分７４５を有している。第１のブロック部分７４１は、第１のシャトルキャビティ７３１内に配置され、全体として円形の第１の端フェース７５１及び全体として円形の第１の端フェース７５７を有している。第２のブロック部分７４５は、第２のシャトルキャビティ７３５内に配置され、全体として円形の第１の端フェース７５３及び全体として円形の第２の端フェース７５５を有している。第１のブロック部分７４１及び第２のブロック部分７４５は、孔７３９を介してエンジンブロック構造体７１２によって支持されている。
【００９２】
第１のシャトル部分７２０は、第１の外側ブロック部分７４１の端フェース７５１と内側ブロック部分７４３の第１の端フェース７５３との間に配置されている。第２のシャトル部分７２２は、第２の外側ブロック部分７４７の端フェース７５７と内側ブロック部分７４３の第２の端フェース７５５との間に配置されている。この構成により、各々の全体的形状が円環状扇形である４つのチャンバ、即ち、第１の外側ブロック部分７４１の端フェース７５１、シャトルフレーム７２４及び第１のシャトル表面７２８によって境界付けられた第１のチャンバ７５０、内側ブロック部分７４３の第１の端フェース７５３、シャトルフレーム７２４及び第２のシャトル表面７３２によって境界付けられた第２のチャンバ７５２、内側ブロック部分７４３の第２の端フェース７５５、シャトルフレーム７２４及び第３のシャトル表面７３６によって境界付けられた第３のチャンバ７５４、及び第２の外側ブロック部分７４７の端フェース７５７、シャトルフレーム７２４及び第４のシャトル表面７４０によって境界付けられた第４のチャンバ７５６が構成されている。ブロック部分７４１，７４５の各々に取り付けられた低摩擦チャンバ低摩擦シール７５８により、チャンバ７５０，７５２，７５４，７５６の各々の流体隔離が保証される。
【００９３】
第１のチャンバ７５０は、第１の入口弁７６４を介して入口通路７１６のネットワークと連通すると共に第１の出口弁７６６を介して出口通路７１８のネットワークと連通している。同様に、第２のチャンバ７５２は、第２の入口弁７６８を介して入口通路７１６のネットワークと連通すると共に第２の出口弁７７０を介して出口通路７１８のネットワークと連結している。第３のチャンバ７５４は、第３の入口弁７７２を介して、入口通路７１６のネットワークと連結すると共に第３の出口弁７７４を介して出口通路７１８のネットワークと連結している。同様に、第４のチャンバ７５６は、第４の入口弁７７６を介して入口通路７１６のネットワークと連結すると共に第４の出口弁７７８を介して出口通路７１８のネットワークと連通している。
【００９４】
図７Ｂに最も良く示されているように、図４Ａないし図４Ｄに示されている構成と同様、動力取り出し装置７８０が、シャフト７９２に取り付けられ、シャトル７１４の往復動回動運動を一方向回転運動に変換するようになったラチェット機構体７９０の形態で設けられている。追加の動力取り出し装置（図示せず）、例えば電磁誘導装置をシャトル７１４とエンジンブロック構造体７１２との間に更に設けるのが良い。ラチェット機構体７９０は、シャフト７９２に取り付けられた第１のラチェットギア（爪車）７９４及び自由に回転する第２のラチェットギア（爪車）７９５を有している。遊び歯車７９８が、エンジンブロック構造体７１２に取り付けられており、この遊び歯車は、駆動力を第２のラチェットギア７９５から第１のラチェットギア７９４及び出力シャフト７９２に伝える。シャトル７２４に回動可能に取り付けられた爪７９６が、ばね押しされており、これら爪は、シャフト７９２に対する時計回りの回転を可能にしたり反時計回りの回転を可能にしたり或いは回転を行わないように設定できる。これにより、シャトル７２４の往復動がシャフト７９２から出力される単一方向の回転に変換される。トルクアブソーバ及び振動伝達ダンパも又設けるのが良い。往復回転運動を連続回転運動に変換する他の手段は、当業者には周知である。この結果として、第６の実施形態により得られる動力をこれが好ましい出力である用途に関して機械的トルクに変換することができる。
【００９５】
動作原理を説明すると、シャトル７１４は、図１Ａないし図１Ｄを参照して、例示のエンジン１１０に関して説明したのと同じ全体的サイクルで往復動し、図７Ａは、図１Ａに示す第一行程に対応している。
【００９６】
第４の実施形態及び５４の実施形態では、シャトル５１４，６１４は、各サイクルで直線状に前後に往復動する。或る用途に関し、例えば自動車を駆動するため又は従来型発電機では、この直線往復運動を円形運動に変換することが望ましい。この理由で、第３の実施形態は、ドーナツ形（トロイダル形）エンジン７１０を提供する。この実施形態は、ピストンシャトル５１４が円環帯（トーラス）を形成するよう湾曲状態に曲げられていることを除き、第４の実施形態と本質的に同一である。第１、第２、第４及び第５の実施形態も又、第３及び第６の実施形態と関連して説明したラチェット機構体とほぼ同じラチェット機構体を有する動力取り出し装置に関連させるのが良い。図２、図３、図５及び図６に示す直線形実施形態のためのこの機械的動力取り出し手段は、エンジンブロックに対するシャトルフレームの相対的往復運動をシャフトの一方向回転運動に変換する。この変換は、逆転装置が一方向回転を保証した状態でエンジンブロックに対するシャトルの相対的直線運動がトルクをシャフトに加えるのに十分である場合、シャフト歯車装置に係合するラチェットを用いることにより達成される。ラチェット係合機構体は、横荷重をシャトルに加えないようにシャフト周りに対称に配置されている。周期的ラチェット係合から得られる回転を滑らかにするようフライホイール又は類似の手段をシャフトに追加するのが良い。図２、図３、図５及び図６に示す直線形実施形態のこの機械的動力取り出し方式は、図４及び図７に示すトロイダル形実施形態について示した機械的動力取り出し方式に類似している。直線往復運動をシャフトの滑らかな一方向回転運動に変換する多くの互いに類似した機構体は、当業者に知られている。
【００９７】
例示のエンジンと比較した場合の第１、第２及び第３の実施形態の主要な利点のうちの１つは、シールが比較的容易に潤滑され、運動中のシャトルが容易に冷却されるということにある。例えば、図２Ａを参照すると、油を露出状態のシャトル部分２２０，２２２に吹き付けて薄い潤滑膜を形成することによりシール２５８を潤滑することができる。表面張力と加速力の相乗作用により、油膜は、クランク係数内でのスプラッシュにより油が油受けからクランク式エンジン内のシリンダ壁に分配されるのと非常に良く似た仕方でシール２５８及びチャンバ壁に広がることになる。また、シャトル部分２２０，２２２が露出されているので、これらシャトル部分をシャトル部分２２０，２２２の周りの空間内の空気によって空冷することができる。この空冷は、冷却に関与する表面積を増大させる設計上の特徴部、例えばフィンによって促進できる。
【００９８】
図５を参照すると、シール５５８は、エンジンブロック構造体５１２に取り付けられおり、したがって、静止状態にある（はね返り運動を除く）。その結果、潤滑用流体、例えば油又は空気をエンジンブロック構造体５１２内に設けられた細い又は狭いチャネル（図示せず）によって外部加圧リザーバ（図示せず）からシール５５８に供給することができる。これは、第５及び第６の実施形態に同じように当てはまる。潤滑用流体として空気が特に魅力的である。というのは、空気は、容易に利用でき、非汚染性であり、低摩擦であり、しかも摩耗がゼロの潤滑剤だからである。変形例として、必要な潤滑を行うために油をシャトルフレーム２２４の内面に吹き付けても良い。シャトルフレーム２２４の外面は、空気に露出されているので、これは、第１、第２及び第３の実施形態よりも表面積が大きな状態で空冷されるという利点を有している。この場合も又、空冷を促進するためにフィンを用いるのが良い。全ての実施形態において乾燥状態の潤滑剤も使用できるが、かかる乾燥状態の潤滑剤は、一般に、摩擦及び摩耗特性が高い。
【００９９】
クランク式エンジンでは、シリンダ内のピストンは、一般に、１つ又は２つ以上の潤滑式ばね押しピストンリングによって封止されている。更に、クランク式エンジン内で生じる横荷重のために、ピストンスカートは、シリンダ壁と摺動接触状態にあり、したがって、スカートも又、ピストンの摩擦に寄与する。本発明では、横荷重がそれほどピストンに加わることがないので、摩擦の非常に低い別の形式の摺動シールを代替的に使用できる。かかる変形例としてのシールは、シリンダ壁と接触状態にあり且つピストン頂部のリムに固定された可撓性のばね押しリップまたはフランジを備えている。チャンバ内のガス圧力は、フランジをシリンダ壁に押し付け、かくしてピストンと一緒に動く一方で、シリンダ壁に沿って摺動する形式の自動封止シールが提供される。中程度のチャンバ圧力下において、ばね押しによりフランジは、ピストン壁に当接保持される。この種の自動封止ピストンシールは、一般に自転車用ポンプ又はそれほど横荷重をもたらさない他のポンプに用いられており、当業者には周知である。自動封止フランジシールは、上述の実施形態のどれにでも有利に使用できる。ただし、標準型ピストンリングも又可能である。フランジシールは、摩擦が低く、摩耗が少なく、且つ未燃焼ガスを蓄積する隙間が無いので有利である。いずれの封止構造においても、ピストンスカートは、シリンダ壁と接触状態にあってはならない。というのは、これにより、側荷重の支持上の利点が無く、ピストンの摩擦及び摩耗が増大するからである。
【０１００】
上述の実施形態の全てに関し、入口弁及び出口弁は、それぞれのチャンバの同一のフェースに設けられている。代替手段としては、入口弁をシャトル部分のシャトル表面に再配置して弁によって制御される領域を拡大することである。例えば、図２Ａを参照すると、チャンバ２５０内において、入口弁２６４を第１のピストン端２２６に移動させ、出口弁２６６と再配置された入口弁２６４の両方を拡大させて広い入口／出口領域を提供する。同様な入口弁再配置を上述の実施形態の全てに行うことができる。この別の入口弁配置により、ガスが燃焼チャンバに入ったりこれから出たりするための領域が広くなり、標準の並列（横並び）位置決め方式よりもポンプ損失が低く且つ乱流が少ない。再配置された入口弁に作動上、ガス圧力の差と弁それ自体の慣性の両方によって自動的に動力供給でき又は外部から動力供給できる。ラッチアンドリリース（latch and release）機構体を用いてサイクルの所望の時点で入口弁の開閉を制御するのが良い。この入口弁制御機構体は、可動シャトルに設けられているので、この別の弁配置方式は、標準の並列位置決め方式よりも動作が困難である。
【０１０１】
上述の実施形態の各々に関し、エンジンのサイクルの任意の行程中、常時１つのチャンバが膨張を生じ、別のチャンバは、圧縮を生じ、別のチャンバは、排気を生じ、残りのチャンバは、新鮮なチャージを取り込み一サイクルの実施中、各チャンバは、４つの動作（膨張、排気、吸気、圧縮）の各々を別々に行うことであろう。かくして、このサイクル中の全ての行程は、動力行程であり、膨張と圧縮との間のエネルギーの差のみが、動力取り出し装置によって取り出される。これにより、エネルギーを別々に貯蔵したりこれを戻したりしてこれが必然的に伴う全てのエネルギー変換損失と一緒に、圧縮、排気及び吸気行程にエネルギー供給する必要が回避される。各実施形態において、弁とは別に、可動部品は、本質的に１つだけであり、それはシャトルである。クランク式エンジンとは異なり、シャトルを加速させる力は、加速方向に作用し、したがってシャトルに加わる横荷重はゼロであり、かくして、チャンバ壁との摩擦及び摩耗が比較的少ない。また、従来型エンジンとは異なり、クランク又は軸受が存在しないので、荷重がクランク軸受に加わることがない。クランクが存在しないことは又、高温ガスの膨張がクランク式エンジンの場合よりも迅速であることを意味する。これは、シャトルが迅速に加速してチャンバ壁が高温ガスにさらされる時間が短くなり、それにより壁への熱伝達量が減少するからである。
【０１０２】
実施形態の全てに関し、第１のシャトル表面と第２のシャトル表面は、好ましくは、互いに合同であり、第３のシャトル表面と第４のシャトル表面も又、好ましくは合同である。これにより、互いに反対側に位置するチャンバが同一の寸法を有するようになり、各チャンバからの首尾一貫した動力行程の達成が容易になる。有利には、エネルギー／動力出力の好ましいモードは、可撓性ケーブル、電気ケーブル又は流体ケーブルを介するモードであり、動力出力がエンジンブロック構造体にしっかりとは結合されないようになる。このことは、エンジンが応従性又は低摩擦摺動支持体に取り付けられた場合、エンジンブロックが、エンジン取り付け台にそれほど振動エネルギーを伝達しないで、シャトルとは逆の位相で前後に揺動できることを意味する。応従性又は低摩擦摺動取り付け台を用いると、防振手段が不要になる。必要ならば、防振手段、例えば振動、カウンタウエイトを設けることができる。しかしながら、トロイダル形エンジン４１０，７１０のいずれも、動力出力の直接的な機械的結合を可能にし、したがって、振動出力トルクを相殺する或る方法が、用途に応じてこの場合には必要なことがある。かかる相殺手段は、シャフト４９２，７９２に取り付けられ、エンジンそれ自体とは逆の位相及び角運動量で駆動される振動フライホイールによって提供されるのが良い。変形例として、どの実施形態においても、エンジンを二重にして二重形態におけるシャトルの対が逆位相で往復動する形態の８つのチャンバを形成して振動を打ち消しても良い。
【０１０３】
上述の実施形態の各々のエンジンのシャトルを駆動する燃焼は、好ましくは、均質チャージ圧縮着火（ＨＣＣＩ）方式によって行われ、変形例として従来型火花点火（ＳＩ）方式又はディーゼル燃料噴射方式によって行われても良い。ＨＣＣＩを着火方法として用いた場合、必要な圧縮比は、非常に高く、代表的には２０：１ないし３０：１であるのが良い。かかる高い圧縮比では、圧縮行程の終了時における隙間は、非常に小さいのでエンジンの全体的規模及び行程とボアの比に応じて、チャンバ壁への相当高い熱損失が生じるようになる場合がある。かかる僅かな隙間を回避するため、エンジンは、圧縮と膨張の段階的実施（過給とも呼ばれている）を行うよう改造されるのが良い。図８Ａ及び図８Ｂは、第２の実施形態を過給改造型の状態で示している。図８Ｂは、入口通路８１６及び出口通路８１８から成るネットワークを示すために、図８Ａの断面図からずれた角度で見たエンジン８１０の断面図である。エンジン８１０は、関連の第５のチャンバ８６１及びこれとは反対側に位置する第６のチャンバ８６３を備えた第３のピストン部分８２１を有している。第５の入口弁８７３及び第５の出口弁８７５が、第５のチャンバ８６１内に設けられ、第６の入口弁８７７及び第６の出口弁８７９が、第６のチャンバ８６３内に設けられている。第５の出口弁８７５が、入口通路８１６のネットワークと流体連通状態にあり、第６の入口弁８７７は、出口通路８１８のネットワークと流体連通状態にある。第５の入口弁８７３は、入口マニホルド（図示せず）と流体連通状態にあり、第６の出口弁８７９は、廃棄物浄化及びマフラコンポーネントを有する排気マニホルド（図示せず）と流体連通状態にある。第５のチャンバ８６１の圧縮は、出口通路８１８のネットワーク内の圧力が入口通路８１６のネットワーク内の圧力よりも大きいことに起因して生じる第６のチャンバ８６３の膨張によって駆動される。新鮮なチャージが、第５の入口弁８７３を介して第５のチャンバ８６１内に引き込まれ、第６のチャンバ８６３からの膨張後の排気ガスが、第６の出口弁８７９を介して出る。過給機と燃焼チャンバとの間のチャージの位相は、リザーバ８８１によってバッファされる。図８に示す第１段圧縮／膨張実施形態は、往復動ピストン形式のものであるが、圧縮膨張タービンが、過給エンジンについて慣例的であるように代わりを務めても良い。
【０１０４】
エンジンの動力出力を例えば自動車用途の場合のように広範にわたって変化させることが必要な場合、これを行う多くの方法が存在する。一の方法は、動力が必要な場合又は必要ではない場合、例えば、アイドリングの際、エンジンをオンにし又はオフにすることである。この方法は、エンジンの動力出力を以下に説明するようにバッファする場合特に容易である。というのは、エンジンが作動していないときでも幾分かの動力を短時間にわたり利用できるからである。動力出力を変化させるもう１つの方法は、燃料／空気混合気の比を変化させることである。非常にリーンな混合気は、低い動力出力をもたらし、これに対し、リッチ（濃厚）な混合気は、高い動力出力をもたらす。動力出力を変化させるこの方法は、ノッキングの開始又は最大設計圧力を超えることによりリッチ混合気側が制限され、損失に打ち勝つための動力が不十分なのでリーンな混合気側で制限される。所与のエンジンが最適効率動作混合気比を有することになるので、動力出力を変化させるこの方法は、所望の動力と所望の効率の何らかの妥協策を必要とする。
【０１０５】
ミラーサイクル（Miller Cycle）に基づく動力出力を変化させる別の方法は、圧縮行程の一部にわたり入口弁を開放状態に保つことにより入力チャージのどれほど多くがチャンバ内に保持されるかを制御する。これにより、チャンバ内に引き込まれたチャージの何割かを入口マニホルド内に押し戻すことができ、その後、弁が閉じ、圧縮が始まる。変形例として、入口弁は、早期に閉じても良く、それにより十分なチャージがチャンバに入るのが阻止される。いずれの場合においても、圧縮の開始時には十分には至らないレベルのチャージが存在する。しかしながら、この部分チャージにより生じる燃焼ガスの膨張は、シャトル部分がチャンバの端に達するまで続く、理想的には、膨張ガスは、膨張が完了し、排気弁が開かれると、大気圧状態にあり、したがって、圧縮ガスに本来存在するエネルギーの全てが、シャトルに伝達されるようになる。エンジンをこれが常態ではアトキンソン／ミラーサイクル（Atkinson/Miller cycle）で作動するよう設計することにより、弁開閉時期を変更することによりチャンバ内に保持されるチャージの量を増大させることにより利用可能な動力貯蔵分が存在する。チャージの増大は、動力出力の増大を意味するが、この増大は、完全なミラーサイクルに対し効率を低下させるという犠牲を払って達成される。可変弁開閉時期では、アトキンソン／ミラーサイクルと標準オットーサイクルとの間のどこかに位置する作動が可能である。有利には、エンジンは、常態では、完全ミラーサイクルで作動することができ、かくして、最大の効率が得られるが、かかるエンジンは、より多くの動力が必要な場合、弁調時を利用することによりこのサイクルをオットーサイクルに向かってシフトさせる。これら動力出力変化方法の任意の組み合わせ又は別個独立の使用は、用途に応じて採用できる。
【０１０６】
エンジンの始動は、動力取り出し装置が可逆性である場合、即ち、動力取り出し装置がエネルギー入力を受け取ることができ、次にこれをシャトルの運動エネルギーに変えることができる場合、特に容易である。電気エネルギー動力取り出し装置の場合、これは、動力取り出し装置が発電機（通常の作動）か電気モータ（始動）かのいずれかとして働くことを意味している。エンジンは、始動中に駆動すべき低質量部分（シャトル）を１つしか備えていないので、これは、クランク式エンジンと同じほど多くの始動時エネルギーを必要としない。
【０１０７】
エンジンを停止させる多くの方法が可能である。一の方法は、入口弁を開かないようにして新たなチャージが対応のチャンバ内に引き込まれないようにすることである。この方法は、可変弁開閉時期がミラーサイクルの実施のために用いられる場合実施するのが特に容易である。というのは、この場合、弁は、既に完全に制御されているからである。別の方法は、膨張中のガスにより得られるエネルギーよりも多くのエネルギーをシャトルから取り出し、かくしてシャトルを減速させ、最終的には停止させることである。ブレーキに等価な他の方法を使用しても良い。
【０１０８】
動力取り出し装置の多くの種々の形態を用いることができ、このような形態としては、電気式動力取り出し装置、空気圧式動力取り出し装置、油圧式動力取り出し装置及び機械式動力取り出し装置が挙げられる。一手段は、電力出力が多くの用途で有用な利点を有する電気エネルギー変換方式であり、製作するのが比較的安価であり、しかも高いエネルギー変換効率を有する。可動シャトルと静止電力取り出し装置が互いに電磁結合されている状態では、シャトルと電力取り出し装置を物理的に接触させる必要はない。電磁結合の一の方法は、エンジンブロック構造体内にコイルを設け、シャトルに極性が交互の永久磁石ストリップを設けることである。シャトルが動くと、その磁界は、コイル中に電流を誘導し、この電流により生じた磁界は、シャトルの運動に対抗し、かくして、シャトルの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。コイルがピストンシャトルに設けられ、永久磁石がエンジンブロック構造体に設けられた別の構成も又可能であり、質量の大きなコンポーネントを静止要素に動かすという利点を有するが、可動シャトルに電気接点を提供しなければならないという不都合がある。取り出されている電気エネルギーを検出して制御する（例えば、切り換えによって）と、最適量のエネルギーが各行程で取り出されるようにすることができる。同一の検出及び制御装置を始動中にも用いると、十分なエネルギーがシャトルに供給されて稼働中の弁に達するようにすることができる。直線形態の状態に平べったくされた電気モータ／発電機設計の種々の形態に類似した他の構成が可能である。これら別のモータ／発電機設計の多くは、高価な（且つ重い）永久磁石ではなく、誘導磁界を用いる。これら種々の電磁エネルギー変換手段は、当業者には周知である。
【０１０９】
シャトルの運動速度が一行程を通じて変化するので、電力取り出し装置により生じる電流は、代表的には、周波数及び電圧が変化する交流電流であり、これは、大抵の電気的用途にとって適した動力出力ではない。この変化する動力出力を有用な電源に変える一の方法は、ＡＣ電流を整流し、整流器の出力を用いて大形キャパシタを充電し、次にキャパシタを電力源として用いることである。事実、キャパシタは、フライホイールが標準型クランク式エンジンにとって機械的エネルギーバッファとして働くのと非常に良く似た仕方でエンジンからの出力と用途負荷との間のエネルギーバッファとして働く。ハイブリッド型自動車用途では、非常に大型のキャパシタが用いられる場合、かかる大型キャパシタは、大動力エネルギー貯蔵装置（回生制動のため）又は迅速な加速のための短時間動力貯蔵分としても働くことができる。エンジンの振動動力出力を負荷からバッファする別のエネルギー貯蔵装置は、フライホイールである。エネルギーを電気的に、空気圧的に、油圧的に又は機械的にフライホイールに加え又はこれから取り出すことができる。
【０１１０】
別の動力取り出し装置は、シャトルの運動を圧縮空気圧力に変換する。かかる装置の１つは、圧縮機として働くよう可動シャトルに追加されるピストンシリンダ装置を含む。例えば、同軸エンジン３１０では、ピストン／シリンダの別の環状層を追加して両側圧縮チャンバを形成するのが良い。エンジンブロック構造体中の弁は、新鮮な空気を入れ、圧縮空気を出す。出力圧縮空気を別個の圧縮空気貯蔵チャンバに送るのが良く、この別個の圧縮空気貯蔵チャンバは、振動圧縮機からの漸変出力圧力と用途負荷との間のバッファとして働く。電気出力の場合と同様、現在のバッファ圧力で圧縮されている空気の量は、最適エネルギーを各行程から取り出すために制御されなければならない（弁の開閉磁気を介して）。さらに別のエネルギー変換手段は、油圧を用いることである。これは、当業者には理解されるように、圧縮空気の場合と本質的に同じように機能する。
【０１１１】
変形例として、直線振動運動をシャトルと接触状態にあるホイール又はピニオンによって振動回転運動に変換しても良い。好ましくは、この接触は、シャトルに加わる横荷重が生じないように構成される。次に、この振動回転運動を変速発電機によって電気エネルギーに変換することができ、又は、機械的トルクとしての出力のための一方向回転運動に変換することができる。動力取り出し手段の全てに関し、一般に、エンジンと用途負荷との間の何らかのエネルギー貯蔵手段を介して動力出力をバッファするのが有利である。かかるエネルギーバッファは、負荷動力がエンジン動力出力にもはや直接的には結びつけられないようにする。これは、瞬時用途動力がエンジン動力を超える場合があり、差は、エネルギーバッファから引き出されることを意味している。同様に、用途が動力を消費するのではなく、動力を瞬間的に発生させる場合（例えば回生制動のように）、エネルギーバッファは、後で使用するために余分なエネルギーを貯蔵することができる。かかるエネルギー貯蔵手段は又、動力をエンジン始動中に供給するのに有用である。電気動力システムの場合、大型キャパシタ又は電気的に結合されたフライホイールが、適当なエネルギー貯蔵手段であり、空気圧又は油圧動力システムの場合、圧縮ガスが、適当なエネルギー貯蔵手段であり、機械的動力システムの場合、フライホイールから成るエネルギー貯蔵手段が適している。
【０１１２】
図９に示すように、動力取り出し装置９８０は、一行程当たりに取り出されるエネルギーの量を制御するためのフィードバックコントローラ９８８を備えるのが良い。エンジンブロック構造体９１２内に設けられたセンサ９８９が、シャトル速度を検出し、動力取り出し装置９８０は、シャトル９１４の速度が設定最適速度よりも高いか又は低いかどうかに応じて、一行程当たりそれぞれ多い又は少ない運動エネルギーを取り出す。設定速度は、所望に応じて現在の燃空比を得るために最適効率又は動力出力をもたらすよう選択されている。一行程当たりにコントローラ９８８が取り出すエネルギーが多すぎる場合、シャトル９１４は、減速し、最終的には点火を生じさせるのには不十分な運動エネルギーの状態になる。この時点では、エンジン９１０は、ミスファイヤを起こし、急に停止するようになる。かくして、フィードバックコントローラ９８８は、エンジン９１０をオフに切り換えるのにも使用できる。同様に、始動の際、フィードバックコントローラ９８８は、各行程でエネルギーを追加し、ついには、シャトル９１４は、点火を誘発するのに十分な運動エネルギーに達する。すなわち、エネルギーを取り出すのではなく、一行程当たりのエネルギーを追加することにより、コントローラ９８８は、エンジン９１０を始動させることも可能である。一行程当たりに取り出されるエネルギーが少なすぎる場合、シャトル９１４は、加速して、ついには、摩擦及びポンプ損失が新たな平衡動作速度を定めるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１Ａ】例としてのフリーピストン式４ストロークエンジンの一行程の断面図である。
【図１Ｂ】例としてのフリーピストン式４ストロークエンジンの一行程の断面図である。
【図１Ｃ】例としてのフリーピストン式４ストロークエンジンの一行程の断面図である。
【図１Ｄ】例としてのフリーピストン式４ストロークエンジンの一行程の断面図である。
【図２Ａ】フリーピストン式エンジンの第１の実施形態の断面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図２Ｃ】図２ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図３Ａ】フリーピストン式エンジンの第２の実施形態の断面図である。
【図３Ｂ】図３ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４Ａ】フリーピストン式エンジンの第３の実施形態の断面図である。
【図４Ｂ】図４ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａに示す実施形態の平面図である。
【図４Ｄ】図４ＣのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図５Ａ】フリーピストン式エンジンの第４の実施形態の断面図である。
【図５Ｂ】図５ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図６Ａ】フリーピストン式エンジンの第５の実施形態の断面図である。
【図６Ｂ】図６ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図７Ａ】フリーピストン式エンジンの第６の実施形態の断面図である。
【図７Ｂ】図７ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図８Ａ】図２Ａの実施形態の変形形態の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａのエンジンの別の断面図である。
【図９】フィードバックコントローラを備えた図２Ａの実施形態の略図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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