(57)【要約】  少なくとも１つの燃焼ピストンを有する油圧式内燃機関であって、燃焼ピストンは、クランクシャフトまたは任意の他の燃焼ピストンに機械的には接続されず、弁構成によって油圧プランジャに作用し、弁構成は、典型的には吸気行程、圧縮行程、燃焼または動力行程、および排気行程を通してピストン位置および速度を制御するように電子制御される油圧式内燃機関。電子制御式の燃料注入および電子制御式のエンジン弁は、使用することができる動作サイクルの大きな自由度を提供し、エンジンは、油圧モータまたは他の油圧機器で使用するために油圧流体を高圧アキュムレータにポンプする。燃焼を維持するために高圧空気注入を使用する実施形態も開示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼シリンダ内に燃焼ピストンを備える内燃機関であって、前記燃焼シリンダは、燃焼ピストンの上に燃焼室を画定し、前記燃焼室は、電子制御式の吸気弁および排気弁を有し、前記燃焼ピストンは、任意の他の燃焼ピストンまたは空気圧縮ピストンに機械的に接続されておらず、
内燃機関はさらに、燃焼ピストン位置センサと、
前記燃焼ピストンの下にある複数の油圧プランジャとを備え、各油圧プランジャは、それぞれの油圧シリンダ内にあり、前記油圧シリンダは、各油圧シリンダを高圧油圧システムまたは低圧油圧システムに制御可能に結合させるための電子制御式の油圧シリンダ弁構成に結合され、
内燃機関はさらに、制御装置を備え、前記制御装置は、電子制御式の油圧シリンダ弁構成と、電子制御式の吸気弁および排気弁とを制御して、前記燃焼ピストン位置センサの出力に応答して、前記燃焼シリンダ内での前記燃焼ピストンの上方向運動と下方向運動の両方を制御する内燃機関。
【請求項２】
さらに、前記燃焼室内に燃料を制御可能に注入するように配設された電子制御式の燃料注入器を備え、前記制御装置は、前記電子制御式の燃料注入器も制御する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記プランジャは、前記燃焼シリンダの中心線の周りで直径方向で向かい合う位置に配設され、前記制御装置によって制御される前記弁構成は、直径方向で向かい合う油圧シリンダの対を前記高圧油圧システムまたは前記低圧油圧システムに一緒に結合させる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記複数の油圧プランジャは、前記燃焼シリンダの中心線に沿って配設された１つの中心プランジャを含み、前記中心プランジャは、前記燃焼ピストンに接続され、拡大された下側端部を有し、前記下側端部の上で、前記燃焼ピストンを下方向に引っ張るように油圧力を及ぼすことができる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
各燃焼シリンダは、高圧空気レールから前記燃焼室内に高圧空気を注入するための電子制御弁を含み、
内燃機関はさらに、空気圧縮シリンダ内に空気圧縮ピストンを備え、前記空気圧縮シリンダは、前記空気圧縮ピストンの上に空気圧縮室を画定し、前記空気圧縮室は、吸気弁と、前記高圧空気レールに高圧空気を送るための弁とを有し、前記空気圧縮ピストンは、どの他の燃焼ピストンまたは空気圧縮ピストンにも機械的に接続されておらず、
内燃機関はさらに、空気圧縮ピストン位置センサと、
前記空気圧縮ピストンの下にある複数の油圧プランジャとを備え、各油圧プランジャは、それぞれの油圧シリンダ内にあり、前記油圧シリンダは、各油圧シリンダを前記高圧油圧システムまたは前記低圧油圧システムに制御可能に結合させるための電子制御式の弁構成に結合され、
前記制御装置は、前記電子制御式の油圧シリンダ弁構成と、前記電子制御式の吸気弁および排気弁とを制御して、前記空気圧縮ピストン位置センサの出力に応答して、前記燃焼シリンダ内での前記燃焼ピストンの上方向運動と下方向運動の両方、および前記空気圧縮シリンダ内での前記空気圧縮ピストンの上方向運動と下方向運動の両方を制御し、さらにまた、前記高圧空気レールから前記燃焼室内に高圧空気を注入するための前記電子制御弁を制御する
請求項１に記載の内燃機関。
【請求項６】
さらに、前記燃焼室内に燃料を制御可能に注入するように配設された電子制御式の燃料注入器を備え、前記制御装置は、前記電子制御式の燃料注入器も制御する請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記制御装置は、前記燃焼ピストンに、前記燃焼ピストンに関する吸気行程、圧縮行程、動力行程、および排気行程を一連のものとして実行させ、かつ前記空気圧縮ピストンに関する吸気行程および空気圧縮行程を連続的に実行させる請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記制御装置は、前記電子制御式の燃料注入器に、前記吸気行程中または前記圧縮行程の開始時に前記燃焼室内への燃料の注入を行わせ、前記燃料の圧縮点火後、前記動力行程中に、前記燃料室内のすべての燃料が消費されるまで燃焼を維持するために、燃料は注入せずに、前記空気レールから前記燃焼室内への空気の注入を行わせる請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】
シリンダはすべて、燃焼シリンダと空気圧縮シリンダとの両方の構成を有し、各シリンダは、ある時点では空気圧縮シリンダとして、別の時点では燃焼シリンダとして、前記制御装置によって動作させることができる請求項７に記載の内燃機関。
【請求項１０】
一方のシリンダは、常に空気圧縮シリンダとして動作され、他方のシリンダは、燃焼シリンダとして常に動作される請求項７に記載の内燃機関。
【請求項１１】
さらに、
出力シリンダ内にある出力ピストンであって、出力ピストンの下にあるコネクティングロッドを介してクランクシャフトに接続された出力ピストンと、
前記出力ピストンの上にあり、前記出力ピストンに対して作用する複数の出力油圧プランジャとを備え、各出力油圧プランジャは、それぞれの出力油圧シリンダ内にあり、前記出力油圧シリンダは、各出力油圧シリンダを高圧油圧システムまたは低圧油圧システムに制御可能に結合させるための電子制御式の出力油圧シリンダ弁構成に結合されて、前記クランクシャフトを回転駆動させ、
前記制御装置は、動力設定に応答して前記電子制御式の出力油圧シリンダ弁構成も制御する請求項６に記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記高圧油圧システム内の圧力に応答して前記燃焼ピストンを制御する請求項１１に記載の内燃機関。
【請求項１３】
さらに、
出力シリンダ内にある出力ピストンであって、出力ピストンの下にあるコネクティングロッドを介してクランクシャフトに接続された出力ピストンと、
前記出力ピストンの上にあり、前記出力ピストンに対して作用する複数の出力油圧プランジャとを備え、各出力油圧プランジャは、それぞれの出力油圧シリンダ内にあり、前記出力油圧シリンダは、各出力油圧シリンダを高圧油圧システムまたは低圧油圧システムに制御可能に結合させるための電子制御式の出力油圧シリンダ弁構成に結合されて、前記クランクシャフトを回転駆動させ、
前記制御装置は、動力設定に応答して前記電子制御式の出力油圧シリンダ弁構成も制御する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記制御装置は、前記高圧油圧システム内の圧力に応答して前記燃焼ピストンを制御する請求項１３に記載の内燃機関。
【請求項１５】
燃焼シリンダと、
前記燃焼シリンダ内の燃焼ピストンとを備える内燃機関であって、前記燃焼シリンダは、燃焼ピストンの第１の表面の上に燃焼室を画定し、前記燃焼ピストンの運動は、前記内燃機関内の任意の他の燃焼ピストンまたは圧縮ピストンと一緒に移動するように機械的に固定されてはおらず、
内燃機関はさらに、少なくとも１対の第１の油圧シリンダを備え、第１の油圧シリンダの各対の第１の油圧シリンダは、前記燃焼シリンダの中心軸から等距離で前記燃焼シリンダの直径の向かい合う側に位置され、
内燃機関はさらに、複数の第１の油圧プランジャを備え、前記複数の第１の油圧プランジャはそれぞれ、前記第１の油圧シリンダの１つの内部にあり、前記燃焼ピストンの第２の表面に対して配設されて、前記燃焼ピストンと共に往復運動し、
内燃機関はさらに、少なくとも１つの電気作動式の第１の油圧流体制御弁を備え、前記第１の油圧流体制御弁は、前記第１の油圧シリンダの少なくとも１つに結合されて、第１の油圧シリンダの各対を高圧油圧ラインまたは低圧油圧ラインに選択的に結合させる内燃機関。
【請求項１６】
さらに、少なくとも２つの電気作動式の第１の油圧流体制御弁を備え、各第１の油圧流体制御弁は、ちょうど１つの油圧シリンダに結合される請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項１７】
さらに、
油圧シリンダに結合された少なくとも２つの電気作動式の第１の油圧流体制御弁と、
前記燃焼シリンダの中心軸と位置合わせされた中心油圧シリンダと、
前記燃焼ピストンの第２の表面に結合され、前記中心油圧シリンダ内にある中心油圧プランジャとを備え、
前記電気作動式の第１の油圧流体制御弁の１つは、前記中心油圧シリンダに結合されて、前記第１の油圧シリンダとは無関係に前記中心油圧シリンダを高圧油圧ラインに選択的に結合させる請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項１８】
前記中心油圧プランジャは、２つの向かい合う油圧制御面を提供し、前記油圧制御面は、前記中心油圧プランジャが、前記中心軸に沿って前記燃焼ピストンを往復させることができるようにする請求項１７に記載の内燃機関。
【請求項１９】
さらに、前記燃焼シリンダ内部での前記燃焼ピストンの位置を感知するための燃焼ピストン位置センサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ピストンセンサ、および前記少なくとも１つの電気作動式の第１の油圧流体制御弁に結合されて、前記センサに応答して、前記第１の油圧流体制御弁に電気信号を選択的に提供し、それにより、前記第１の油圧シリンダを前記高圧油圧ラインに結合させ、前記燃焼ピストンに対して可変および可逆の力を提供し、さらに、前記燃料注入器ならびに吸気弁および排気弁に対する電子制御を提供する請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項２０】
マルチシリンダエンジンを形成する複数の前記内燃機関を備える請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項２１】
さらに、
空気レールと、
少なくとも１つの圧縮シリンダとを備え、前記圧縮シリンダは、前記圧縮シリンダ内に圧縮ピストンを有し、前記圧縮ピストンの第１の表面の上に圧縮室を画定し、
内燃機関はさらに、前記圧縮室に結合された電子制御式の吸気弁と、
少なくとも１対の第２の油圧シリンダとを備え、第２の油圧シリンダの各対の前記第２の油圧シリンダは、前記圧縮シリンダの中心軸から等距離で、前記圧縮シリンダの直径の向かい合う側に位置され、
内燃機関はさらに、複数の第２の油圧プランジャを備え、前記複数の第２の油圧プランジャはそれぞれ、前記第２の油圧シリンダの１つの内部にあり、前記圧縮ピストンの第２の表面に対して配設されて、前記圧縮ピストンを往復運動させ、
内燃機関はさらに、第２の油圧シリンダの各対を高圧油圧ラインまたは低圧油圧ラインに選択的に結合させるために、前記第２の油圧シリンダに結合された少なくとも１つの電気作動式の第２の油圧流体制御弁を備え、
各燃焼シリンダは、前記圧縮シリンダによって圧縮された空気を各燃焼シリンダ内に注入するための電子制御式の空気注入弁を有する請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項２２】
さらに、各燃焼シリンダに関して、
前記燃焼室内に燃料を注入するように配設された電子制御式の燃料注入器と、
前記燃焼室に結合された電子制御式の吸気弁および排気弁と
を備える請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項２３】
さらに、
駆動シリンダと、
前記駆動シリンダの中心軸に沿って前記駆動シリンダ内部で摺動する駆動ピストンと、
コネクティングロッドによって前記駆動ピストンの第１の側に結合されるクランクシャフトと、
少なくとも１対の第３の油圧シリンダとを備え、第３の油圧シリンダの各対の前記第３の油圧シリンダは、前記駆動シリンダの中心軸から等距離で、前記駆動シリンダの直径の向かい合う側に位置され、
内燃機関はさらに、複数の第３の油圧プランジャを備え、前記複数の第３の油圧プランジャはそれぞれ、前記第３の油圧シリンダの１つの内部にあり、前記第１の側とは反対の前記駆動ピストンの第２の側に対して押圧するように構成され、
内燃機関はさらに、第３の油圧シリンダの各対を高圧油圧ラインまたは低圧油圧ラインに選択的に結合させるために、前記第３の油圧シリンダに結合された少なくとも１つの電気作動式の第３の油圧流体制御弁を備え、それにより、前記第２の複数の油圧プランジャは、前記駆動ピストンを移動させ、前記クランクシャフトを回転させる
請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項２４】
燃焼シリンダと、
前記燃焼シリンダ内の燃焼ピストンとを備える内燃機関であって、前記燃焼シリンダは、燃焼ピストンの第１の表面の上に燃焼室を画定し、前記燃焼ピストンの前記運動は、前記内燃機関内の任意の他の燃焼ピストンまたは圧縮ピストンと一緒に移動するように機械的に固定されてはおらず、
内燃機関はさらに、少なくとも１対の第１の油圧シリンダを備え、第１の油圧シリンダの各対の第１の油圧シリンダは、前記燃焼シリンダの中心軸から等距離で前記燃焼シリンダの直径の向かい合う側に位置され、
内燃機関はさらに、複数の第１の油圧プランジャを備え、前記複数の第１の油圧プランジャはそれぞれ、前記第１の油圧シリンダの１つの内部にあり、前記燃焼ピストンの第２の表面に対して配設されて、前記燃焼ピストンと共に往復運動し、
内燃機関はさらに、少なくとも２つの電気作動式の第１の油圧流体制御弁を備え、前記第１の油圧流体制御弁は、前記第１の油圧シリンダの少なくとも１つに結合されて、第１の油圧シリンダの各対を高圧油圧ラインまたは低圧油圧ラインに選択的に結合させ、
内燃機関はさらに、前記燃焼シリンダの中心軸と位置合わせされた中心油圧シリンダと、
前記燃焼ピストンの前記第２の表面に結合され、前記中心油圧シリンダ内にある中心油圧プランジャとを備え、前記中心油圧プランジャは、２つの向かい合う油圧制御面を提供し、前記油圧制御面は、前記油圧プランジャが、前記中心軸に沿って前記燃焼ピストンを往復させることができるようにし、
前記電気作動式の第１の油圧流体制御弁の１つは、前記中心油圧シリンダに結合されて、前記第１の油圧シリンダとは無関係に前記中心油圧シリンダを高圧油圧ラインに選択的に結合させ、
内燃機関はさらに、前記燃焼シリンダ内部での前記燃焼ピストンの位置を感知するための燃焼ピストン位置センサと、
制御装置とを備え、前記制御装置は、前記位置センサ、および前記少なくとも１つの電気作動式の第１の油圧流体制御弁に結合され、前記センサに応答して、前記第１の油圧流体制御弁に電気信号を選択的に提供し、それにより、前記第１の油圧シリンダを前記高圧油圧ラインに結合させ、前記燃焼ピストンに対して可変および可逆の力を提供し、さらに、前記燃料注入器ならびに吸気弁および排気弁に対する電子制御を提供し、
内燃機関はさらに、空気レールと、
少なくとも１つの圧縮シリンダとを備え、前記圧縮シリンダは、前記圧縮シリンダ内に圧縮ピストンを有し、前記圧縮ピストンの第１の表面の上に圧縮室を画定し、
内燃機関はさらに、前記圧縮室に結合された電子制御式の吸気弁と、
少なくとも１対の第２の油圧シリンダとを備え、第２の油圧シリンダの各対の前記第２の油圧シリンダは、前記圧縮シリンダの中心軸から等距離で、前記圧縮シリンダの直径の向かい合う側に位置され、
内燃機関はさらに、複数の第２の油圧プランジャを備え、前記複数の第２の油圧プランジャはそれぞれ、前記第２の油圧シリンダの１つの内部にあり、前記圧縮ピストンの第２の表面に対して配設されて、前記圧縮ピストンを往復運動させ、
内燃機関はさらに、第２の油圧シリンダの各対を高圧油圧ラインまたは低圧油圧ラインに選択的に結合させるために、前記第２の油圧シリンダに結合された少なくとも１つの電気作動式の第２の油圧流体制御弁を備え、
各燃焼シリンダは、前記圧縮シリンダによって圧縮された空気を各燃焼シリンダ内に注入するための電子制御式の空気注入弁を有する内燃機関。
【請求項２５】
さらに、
前記燃焼室内に燃料を注入するように配設された電子制御式の燃料注入器と、
前記燃焼室に結合された電子制御式の吸気弁および排気弁と
を備える請求項２４に記載の内燃機関。
【請求項２６】
さらに、
駆動シリンダと、
前記駆動シリンダの中心軸に沿って前記駆動シリンダ内部で摺動する駆動ピストンと、
コネクティングロッドによって前記駆動ピストンの第１の側に結合されるクランクシャフトと、
少なくとも１対の第３の油圧シリンダとを備え、第３の油圧シリンダの各対の前記第３の油圧シリンダは、前記駆動シリンダの中心軸から等距離で、前記駆動シリンダの直径の向かい合う側に位置され、
内燃機関はさらに、複数の第３の油圧プランジャを備え、前記複数の第３の油圧プランジャはそれぞれ、前記第３の油圧シリンダの１つの内部にあり、前記第１の側とは反対の前記駆動ピストンの第２の側に対して押圧するように構成され、
内燃機関はさらに、第３の油圧シリンダの各対を高圧油圧ラインまたは低圧油圧ラインに選択的に結合させるために、前記第３の油圧シリンダに結合された少なくとも１つの電気作動式の第３の油圧流体制御弁を備え、それにより、前記第２の複数の油圧プランジャは、前記駆動ピストンを移動させ、前記クランクシャフトを回転させる
請求項２４に記載の内燃機関。
【請求項２７】
内燃機関を操作する方法であって、
内部に燃焼ピストンを有する燃焼シリンダを提供するステップを含み、前記燃焼シリンダは、前記燃焼ピストンの第１の表面の上に燃焼室を画定し、前記燃焼ピストンの前記運動は、前記内燃機関内の任意の他の燃焼ピストンまたは圧縮ピストンと一緒に移動するように機械的に固定されてはおらず、
方法はさらに、前記燃焼ピストンの第２の表面に作用する少なくとも１対の第１の油圧シリンダに高圧または低圧油圧流体を選択的に提供して、前記燃焼ピストンに、圧縮行程で前記燃焼室の内容物の圧縮を行わせるように、少なくとも１つの電気作動式の第１の油圧流体制御弁を選択的に操作するステップを含み、
第１の油圧シリンダは、それぞれ第１の油圧プランジャを含み、前記第１の油圧シリンダの各対は、直径がほぼ等しく、前記燃焼シリンダの直径上に位置され、前記燃焼シリンダの中心から等距離に向かい合わせで間隔を空けて配置され、
前記複数の第１の油圧流体制御弁は、それぞれ前記第１の油圧シリンダの少なくとも１つに結合されて、直径方向で向かい合う対としての前記第１の油圧シリンダを、残りの第１の油圧シリンダとは無関係に前記高圧油圧ラインに選択的に結合させ、
方法はさらに、少なくとも前記燃焼室の前記内容物が圧縮されて点火の準備ができる時点まで、前記燃焼室に燃料および空気を提供するステップと、
前記燃料の点火に続く動力行程中に、前記燃焼ピストンに結合された前記複数の第１の油圧シリンダの直径方向で向かい合う対から高圧油圧流体を受け取るように、前記複数の第１の油圧流体制御弁を選択的に操作するステップとを含み、
前記複数の電気作動式の第１の油圧流体制御弁は、前記圧縮行程および動力行程中の前記燃焼ピストン速度および移動限度を制御するように操作される方法。
【請求項２８】
さらに、油圧シリンダの上面に高圧油圧流体を供給し、前記燃焼ピストンに結合された油圧プランジャに、下死点中心位置に向けて前記圧縮ピストンの移動を行わせるステップを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
さらに、前記燃焼シリンダの前記中心軸に沿って位置された中心油圧シリンダの上面に高圧油圧流体を供給するために、前記複数の電気作動式の第１の油圧流体制御弁の１つを選択的に操作するステップを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
さらに、前記燃焼ピストンに圧縮行程を実行させるために、前記油圧シリンダの少なくとも１つの下面に高圧油圧流体を供給するように、前記複数の電気作動式の第１の油圧流体制御弁の１つを選択的に操作するステップを含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
さらに、前記燃焼シリンダの動作状態を感知するために、前記燃焼シリンダに結合されたセンサに応答して、前記複数の電気作動式の第１の油圧流体制御弁を選択的に操作するステップを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記センサは、前記燃焼ピストンの位置を感知する請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
さらに、前記圧縮行程の開始時または開始前に、前記燃焼室内に燃料を入れるステップを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記動力行程での燃焼中に、燃料は注入されずに空気のみが前記燃焼シリンダ内に注入される請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
さらに、前記動力行程での燃焼中に、前記燃焼シリンダ内に空気を注入するステップを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記燃料はアンモニアである請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記燃料はアンモニアである請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
さらに、
複数の第２の油圧シリンダに高圧油圧流体を提供するために、複数の電気作動式の第２の油圧流体制御弁を選択的に操作するステップを含み、
前記第２の油圧シリンダの各対は、直径がほぼ等しく、駆動シリンダの直径上に位置され、前記駆動シリンダの中心から等距離に向かい合わせで間隔を空けて配置され、
第２の油圧シリンダはそれぞれ、前記駆動シリンダ内部の駆動ピストンの第１の側に対して押圧するように構成された第２の油圧プランジャを含み、前記第２の油圧プランジャは、前記駆動ピストンに、コネクティングロッドによって前記第１の側と反対側の前記駆動ピストンの第２の側に結合されたクランクシャフトの回転を行わせ、
前記複数の第２の油圧流体制御弁は、それぞれ前記複数の第２の油圧シリンダの１つに結合されて、前記第２の油圧シリンダを、前記残りの第２の油圧シリンダとは無関係に前記高圧油圧ラインに選択的に結合させる請求項２７に記載の方法。
【請求項３９】
さらに、車両の車輪を回転させるために前記クランクシャフトを結合させるステップを含む請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００９年１０月１２日出願の米国仮特許出願第６１／２５０，７８４号（特許文献１）、２０１０年１月２６日出願の米国仮特許出願第６１／２９８，４７９号（特許文献２）、２０１０年２月１日出願の米国仮特許出願第６１／３００，４０３号（特許文献３）、および２０１０年４月５日出願の米国仮特許出願第６１／３２０，９４３号（特許文献４）の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、フリーピストンエンジンおよびそのためのパワートレインに関する。
【背景技術】
【０００３】
内燃機関は、燃焼によって化学エネルギーや力学的エネルギーに変換するための有用なデバイスである。典型的な内燃機関は、ガソリンやディーゼル燃料などの石油化学燃料のエネルギーを力学的回転エネルギーに変換する。これは、閉塞領域での燃焼によって生成される圧力を使用して、燃焼ガスが膨張するときにピストンを下方向に押し下げ、その運動をクランクシャフトを使用して回転運動に変換することによって行われる。しかし、ピストンおよびクランクシャフトメカニズムの使用は、エンジンの動作に多くの制約をもたらし、これらが、燃焼プロセスから抽出することができる有用な力学的エネルギーの量を制限する。
【０００４】
フリーピストンエンジンは、直線形の「クランクレス」内燃機関であり、ピストン運動は、クランクシャフトによっては制御されず、燃焼室ガス、リバウンドデバイス、および負荷デバイスからの力の相互作用によって決定される。油圧フリーピストンエンジンは、燃焼ピストンを油圧シリンダに結合させ、油圧シリンダは、油圧制御システムを使用して、負荷デバイスとリバウンドデバイスの両方として作用する。これは、ユニットに動作自由度を与える。従来技術における油圧フリーピストンエンジンの形態は良好な動作自由度を実現しているが、さらに大きな動作自由度およびエネルギー効率を有する油圧フリーピストンエンジンを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／２５０，７８４号
【特許文献２】米国仮特許出願第６１／２９８，４７９号
【特許文献３】米国仮特許出願第６１／３００，４０３号
【特許文献４】米国仮特許出願第６１／３２０，９４３号
【特許文献５】米国特許第６，７３９，２９３号
【特許文献６】米国特許第６，４１５，７４９号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０２４５９８２号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００８／０２６４３９３号
【特許文献９】米国特許出願公開第２００９／０１８３６９９号
【特許文献１０】米国特許出願第１２／２５６，２９６号
【特許文献１１】米国特許第５，６４０，９８７号
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明によるエンジンの１つのシリンダの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態と共に使用することができるフリーピストン位置感知システムを概略的に示す図である。
【図３】本発明の別の可能な一般的な実装形態の概略図である。
【図４】本発明を使用する例示的な車両動力システムに関するブロック図である。
【図５】本発明によるフリーピストンエンジンに関する４行程動作サイクルを示す図である。
【図６】本発明による別の例示的なフリーピストンエンジン／パワートレインの概略図である。
【図７】本発明によるさらに別の例示的なフリーピストンエンジン／パワートレインの概略図である。
【図８】より物理的な実現形態での図４の電動機−発電機を示す。
【図９】本発明を具現化するエンジンの断面図である。
【図１０】本発明を具現化する燃焼シリンダおよび油圧アセンブリの模式図である。
【図１１】燃焼ピストンを示すために燃焼シリンダを省いた、図１０のデバイスの模式図である。
【図１２】図１０のデバイスでの燃焼ピストンおよび油圧プランジャの平面図である。
【図１３】断面線１３−１３に沿って取った図１０のデバイスの断面図である。
【図１４】本発明を具現化する別の燃焼シリンダおよび油圧アセンブリの模式図である。
【図１５】断面線１５−１５に沿って取った図１４のデバイスの断面図である。
【図１６】図１４のデバイスにおける燃焼ピストンおよび油圧プランジャの平面図である。
【図１７】本発明に従って使用することができる弁および制御システムの概略図である。
【図１８】本発明に従ってパワートレインと共に使用することができる弁および制御システムの概略図である。
【図１９】本発明によるマルチシリンダエンジンに関する例示的な制御システム全体の概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本明細書で開示するのは、無段電子制御式の油圧弁作動機構、高圧電子制御式の燃料注入機構、およびそれらと共に使用可能なパワートレインを備えるフリーピストンタイプの油圧式内燃機関である。以下の説明において、本発明のいくつかの態様を一実施形態に関して全般的に開示するとき、その開示は、そのような態様を他の実施形態においても使用することができる可能性を包含する。
【０００８】
図１に、本発明によるエンジンの１つのシリンダを概略的に示す。エンジンにおける２つの主要なサブアセンブリは、シリンダヘッドアセンブリと、油圧弁を備えるピストン／プランジャアセンブリである。それらは互いに比較的独立したものであり、以下、個別に説明する。
【０００９】
この実施形態では、シリンダヘッドアセンブリは、増圧機タイプの燃料注入器を使用する高圧電子制御式の燃料注入器４４と、米国特許第６，７３９，２９３号（特許文献５）に開示される一般的なタイプの油圧弁作動システム４６とを組み込む。
【００１０】
ピストン／プランジャアセンブリが従来のエンジンのピストン／コネクティングロッド／クランクシャフトアセンブリの代わりに使用され、燃焼中に解放される化学エネルギーを油圧エネルギーに変換する。ピストン／プランジャアセンブリは、電気作動式の油圧制御弁を適時に開閉させて低圧リザーバから高圧アキュムレータに油圧流体を効果的にポンプすることによってこの変換を行う。
【００１１】
ピストン／プランジャアセンブリは、以下のように説明することができる。ピストン２０は、油圧プランジャ２２を有する対合底面を有する。各ピストンごとに複数本のプランジャがあり、少なくとも３本であり、場合によってはそれよりも多く、例えば第７の中心プランジャ２４の周りに等間隔で分散させて配置された６本のプランジャである（図１２参照）。プランジャの上部は、ピストン２０の底面によって下方向に押される（「上部」、「底部」、「上」、「下」などの語は、便宜上、相対的な意味合いで使用しており、絶対的な意味合いではなく、限定として解釈すべきではないことに留意されたい）。プランジャの底部には、油圧体積が設けられる。これらの体積はそれぞれ、電気作動式の３方向油圧弁２６、２８、および３０（本明細書ではプランジャ弁と呼ぶ）を介して、プランジャ弁が閉じた位置にあるときには低圧（ＬＰ）レール３２に接続され、プランジャ弁が開いた位置にあるときには高圧（ＨＰ）レール３４に接続される。また、プランジャ体積はそれぞれ、逆止弁３６を介してＬＰレールに接続させることができ、制御弁の流れ面積およびサイズは増加させずに、ＬＰレールからプランジャ油圧体積への流れ面積を増加させる。
【００１２】
吸気行程中にピストン２０ならびにプランジャ２２および２４が底部位置に戻る動きは、図１に示される油圧復帰構成によって容易になる。この油圧復帰のために、中心プランジャがピストンに接続される。少なくとも１本のプランジャ、好ましくは中心プランジャ２４が、吸気行程中にピストンを引っぱって下方向に移動させることができなければならない。図１に示されるように、中心プランジャの底部は、上側部分よりも直径が大きく、この実施形態では常に高圧レールに結合されている。これは、例えば吸気行程においてピストン２０を戻すために中心ピストンの底部が低圧レールに結合されているときには、中心ピストンに対して下方向への力を加えるが、例えば圧縮行程中または動力行程中に使用することができる弁２６によってピストン２０の底部が高圧レールに結合されているときには、上方向への力を加える。また、代替形態として、中心プランジャ２４の拡大端部３８の上の領域を制御弁に結合させて、高圧レールまたは低圧レールに制御可能に結合させることができる。すべてのプランジャに関していかなる場合にも、低圧レールは、プランジャがそれぞれのプランジャに関するそれぞれの油圧流体入口ポートから移動して離れるときに、対応する油圧体積を埋め戻すように十分に高い圧力にすべきであることに留意されたい。
【００１３】
各エンジンシリンダに関して複数本のプランジャを使用することで、エンジンサイクル全体を通して、ピストンの上部に対する圧力をプランジャの底部に対する油圧力と合致または平衡させることができるようになり、それにより、燃焼サイクルの任意の時点でピストン／プランジャ速度の制御を容易にし、これはさらに、化学エネルギーから油圧エネルギーへの高効率の変換を容易にする。燃焼室内に圧力センサ２５を設けて、制御装置への入力を提供することができ、制御装置は、望みであれば、油圧制御弁の位置およびピストンの位置を監視することによって、ピストン／プランジャの速度を管理し、時間に対するピストンの位置、ピストンの速度、および加速度から、実質的にすべての必要な情報を提供する。
【００１４】
中心プランジャ２４に加えて６本のプランジャ２２が使用される場合、直径方向で向かい合う２本のプランジャは、１つの弁、例えば弁２６によって制御することができ、他の４本のプランジャは、弁３０によって制御することができる。中心プランジャ３８の正味のサイズが他の６本のプランジャと同じである場合、例えば、動力行程中、高圧レール（および高圧アキュムレータ）に油圧流体をポンプするために７本、６本（中心プランジャ２４以外すべて）、５本（４本のプランジャと、中心プランジャ２４）、４本（弁の１つによって制御される４本のプランジャ）、または３本（弁の１つによって制御される２本のプランジャと、中心プランジャ）を使用することができ、所望のピストンの力に良く合致するように一対での進行を行い、ピストンの位置および速度を常に良好に制御する。
【００１５】
あるいは、プランジャは、それぞれ独自の制御弁を有することがあるが、そのような実施形態では、水平軸の周りでのピストン２０のトルクが生じないように、直径方向で向かい合うプランジャ用の制御弁は一緒に動作される。したがって、さらなる代替形態として、各弁は、向かい合うプランジャの対を制御することができる。また、そのような実施形態は、所望の結果を達成するための弁の切替えが減少されるので、上述した一対での進行をより簡単に達成できる。必要とされる流れ面積を提供するために、好ましくは高速であり、電子制御式であり、電気作動式の弁、また好ましくは２段スプール弁を使用すべきであることは明らかである。
【００１６】
図１に示されるタイプのエンジンでは、典型的には複数のシリンダが使用され、各シリンダは、図１に示されるものと同じである。そのようなエンジンでは、図示されるように圧縮点火を使用することが好ましいが、あるいは望みであればスパーク点火を使用することもでき、または圧縮点火機能を備えるエンジンでの追加機能としてスパーク点火を使用することもでき、さらに広範囲の燃料での動作を可能にする。その際、燃焼室への直接の燃料注入を行っても行わなくてもよい。従来の４行程動作サイクルを使用することができるが、２行程動作も可能である。それに関して、エンジンは、全出力で稼動させることができ、１サイクル内で完全に停止させることができ、その後、やはり１サイクル内で全出力で再始動させることができることに留意されたい。
【００１７】
フリーピストンエンジンでは、定義上、クランクシャフトタイプのエンジンにおけるピストンに関して存在するような予め定められたピストン位置または運動、特にピストン速度およびピストン極限位置は存在しない。したがって、速度極値を回避することができるように、またピストン極限位置を事前定義する、または少なくとも制御することができるように、フリーピストンエンジンにおいてフリーピストンの位置および速度を知ることが重要である。したがって、図２に、この目的に使用することができるフリーピストン位置感知システムを概略的に示す。特に、動力行程において下方向に運動しているフリーピストン２０は油圧流体をポンプし、本明細書で前述したように、様々な数の油圧ピストンを使用して高圧レールおよびアキュムレータにポンプして、フリーピストン２０の速度を制御する。他方で、中心油圧ピストン２４は、本明細書で前述したように、フリーピストン復帰機能と吸気行程機能とを提供する。
【００１８】
しかし、ピストン位置感知に関しては、電磁鋼プランジャ４０がコイル４２と共に使用され、コイル４２は、比較的高い周波数のＡＣ信号で励磁される。コイルのインピーダンスは、磁気プランジャ４０の位置と共に変動する。プランジャ位置に対するインピーダンスの変化は線形でないことがあり、および／またはインピーダンスを感知するための回路は線形でないことがあるが、出力信号をピストン位置と線形化させるために較正曲線を容易に適用することができる。それに関して、フリーピストンエンジンが処理装置によって制御されるので、較正は、アナログ−デジタル変換器によって非線形信号をデジタル信号に変換することによってデジタル領域で容易に行うことができ、次いでルックアップテーブルによってデジタル信号を線形化し、デジタル形式で真のピストン位置を定めて、フリーピストンエンジンのデジタル制御装置で使用できるようにする。明らかに図２は概略図であるが、フリーピストン位置センサの原理を示す。
【００１９】
次に図３を参照すると、本発明の別の可能な一般的な実装形態の概略図を見ることができる。この実装形態では、６シリンダエンジンが示されており、２つの中心シリンダが圧縮ＣＯＭＰのために使用され、エンジンの各端部にある２つのシリンダが燃焼シリンダＣＯＭＢとして使用される。燃焼シリンダからの排気ＥＸＨは、大気ＡＴＭへ排気される前に過給機ＴＵＲＢＯを駆動させる。この実施形態での過給機は、吸気ＩＮＴを約４ｂａｒの圧力まで増加させ、過給した空気を６つのシリンダすべての吸気弁に供給する。エンジン始動のため、およびその他、過給機ブーストが必要または有益であるときは常に、圧力ＰSの下で油圧流体源に結合された制御弁によって制御される油圧モータによって、油圧補助が提供されることがある。２つの圧縮シリンダＣＯＭＰの場合には、通常は各シリンダごとに２つの吸気弁と２つの排気弁はすべて入力弁として使用することができ、約２００ｂａｒの圧力で圧縮シリンダＣＯＭＰから空気レールを通して空気タンクに圧縮空気を排気するための逆止弁Ｃ．Ｖ．が各圧縮シリンダＣＯＭＰにある。
【００２０】
あるいは、能動弁を使用することができる。当然、空気タンク内の圧力は、圧縮シリンダＣＯＭＰの吸気弁が閉じられる圧縮ピストン位置を制御することによって制御することができ、これはまた、当然、空気タンクに送り込まれる高圧空気の体積を制御する。それに関して、燃焼シリンダＣＯＭＰ自体が２サイクル、４サイクル、６サイクル、または何らかの他のモードのいずれで動作するかに関わらず、圧縮シリンダＣＯＭＰは常に２サイクル圧縮モードで動作することに留意されたい。
【００２１】
空気タンクからの空気は、弁を介して各燃焼室ＣＯＭＢに注入され、この弁も、好ましい実施形態では電子制御装置によって油圧制御され、当然、タイミング調整およびサイズ調整などを行われて、燃焼室内に注入される所望の量およびタイミングの空気を供給する。それに関して、空気の注入の時点で空気タンク内の圧力が燃焼室内の圧力よりも高くなければならないことは明らかであるが、好ましい実施形態では、これは、圧力として、ならびに燃焼室内での点火および温度の指標として、燃焼室内の圧力を実際に監視することによって容易に実現される。図３では、空気タンクから空気を注入するためにただ１つの弁が概略的に示されているが、複数の弁を使用することもできることに留意されたい。
【００２２】
好ましくは、空気注入中、空気タンク内の圧力は、燃焼室ＣＯＭＢ内よりも高い圧力であるが、不必要なエネルギーを放散するほど高くはないように、圧縮シリンダＣＯＭＰにある吸気弁の制御によって制御される。それに関して、空気タンク内で達成することができる最高圧力は、圧縮シリンダＣＯＭＰに関して容易に制御することができ、圧縮シリンダＣＯＭＰは、エンジンヘッド設計により、燃焼シリンダＣＯＭＢに関する圧縮比とは異なる、特にそれよりも大きいことがある。空気タンク内の実際の圧力、および空気タンクに送り込まれる空気の体積は、圧縮シリンダへの吸気弁の制御によって容易に制御可能である。一般に、空気タンク内の空気は、その実質的に断熱的な圧縮により高温になるが、通常、高圧空気はその熱が失われる前に注入のために使用されるので、一般にはそのエネルギーのそれほど多くは損失されないことに留意されたい。
【００２３】
次に図４を参照すると、本発明を使用する例示的な車両動力システムに関するブロック図を見ることができる。この図、および図５の４行程動作サイクルはフリーピストンエンジンに関するものであり、このフリーピストンエンジンは、例えば、米国特許第６，４１５，７４９号（特許文献６）、米国特許出願公開第２００７／０２４５９８２号（特許文献７）、第２００８／０２６４３９３号（特許文献８）、および第２００９／０１８３６９９号（特許文献９）、および米国特許出願第１２／２５６，２９６号（特許文献１０）（それらの開示を参照により本明細書に援用する）に記載される動作サイクルの任意のものを使用することもでき、さらに、圧縮点火を使用して、限定はしないがディーゼル、バイオディーゼル、およびアンモニア燃料を含めた様々な燃料を使用することができる。興味深い別の燃料はエタノールである。エタノールは炭素をベースとするが、トウモロコシまたは他の植物に由来し、したがって、エタノール中の炭素は、植物が吸収する二酸化炭素からのものであり、すなわち燃料としてのエタノールは実質的にカーボンニュートラルである。実際には、エンジンの吸気マニホルドに導入することによって、またはガス燃料用に提供された弁を介して燃焼室内に直接導入して、ガス燃料を使用することもできる。
【００２４】
図３に示されるものと同様の図４に示されるエンジンは、２つの燃焼シリンダと１つの圧縮シリンダとを使用し、図５に示される動作サイクルで動作することができる。２つの燃焼シリンダはそれぞれ４行程サイクルで動作し、圧縮シリンダは２行程サイクルで動作する。各燃焼シリンダにおいて、また圧縮シリンダにおいても、前述したものなどピストン位置センサを使用することができるが、望みに応じて、ホール効果センサなど他のタイプのセンサも使用することができる。使用されるピストン位置センサは、線形センサでも非線形センサでもよく、例えば、上死点中心および下死点中心ピストン位置の近くでの感度が高くなるように設計されたセンサでよい。これは、これらの移動限度でのより高い精度が有用となることがあるからである（語句「上死点中心」および「下死点中心」は、通常のクランクシャフトタイプのピストンエンジンにおける専門用語から借用したものであり、ここで説明するタイプのフリーピストンエンジンでは、実際には単に、動作中のピストンの上端または最も上の位置およびピストンの下端または最も下の位置であり、これは実際にはサイクルごとに変化することがある）。
【００２５】
空気タンクは、適切な時点で注入できるように空気を供給するための、圧縮シリンダ出力に関する緩衝機構となる高圧空気貯蔵タンクである（説明する一例）。本説明では、燃焼シリンダは例示的な４行程サイクル（図５参照）を使用して動作しているので、燃焼シリンダは、吸気行程と、圧縮行程と、動力行程と、排気行程とを含み、例示的なサイクルでは、後続の動力行程のために注入すべきすべての燃料の燃料注入が、吸気行程中、または圧縮行程中の早い段階で行われる。吸気行程中の注入は良好な燃料空気混合を保証し、さらには最良の混合のために空気取込中に注入が行われることもあり、これに続いて、いくらかのＥＧＲ（排気再循環）のために排気弁を開くことができる。しかし、点火時に、燃焼室内の燃料を多く含む混合物が、ＮＯXが生成される温度に達しないように、吸気行程中に取り込まれる空気の量は意図的に制限されることに留意されたい。極端には、空気が取り入れられないことがあり、しかし前の動力行程からの残っている注入済みの残余空気を使用して、後の圧縮行程の終了時に点火が行われる。
【００２６】
点火後の動力行程中に行われる空気注入は、上死点中心位置またはその付近で行われる。燃焼シリンダの４行程サイクルに対して圧縮シリンダは２行程サイクル動作であるので、点火後に注入される空気の量は、吸気行程中に取り込まれた空気とほぼ等しいか、またはいくぶん多くてよい。これは当然、圧縮シリンダと燃焼シリンダが同じ周波数で動作していることを仮定しているが、本発明の限定ではない。なぜなら、これはフリーピストンエンジンであるので、圧縮シリンダが燃焼シリンダの動作の周波数とは異なる周波数で動作することがあるからであり、それに関して、車両の惰性走行中など動力が必要とされないときには、再び動力が必要となるまですべてのシリンダが停止することができる。
【００２７】
それに関して、ピストンは、一般に例えば２４００ｒｐｍで駆動するクランクシャフトタイプエンジンの動作に対応するピストン速度で動作することができるが、実際にはあるピストン位置で休止することがあり、例えば排気行程の後、次の吸気行程の前に、圧縮シリンダに関しては下死点中心位置で、燃焼シリンダに関しては上死点中心位置で休止することがあることに留意されたい。したがって、ピストン速度は、２４００ｒｐｍで動作するクランクシャフトタイプのエンジンと同様でよいが、動作の合間の休止により、フリーピストンエンジンでのピストンは、実質的に完全な停止状態までの任意のより低い周波数で動作できるようになる。
【００２８】
また、圧縮シリンダと燃焼シリンダが互いに無関係の周波数で動作することもできるが、シリンダに関する速度プロファイルは、クランクシャフトの制約によっては定められず、したがって最良の効率となるように調整することができることにも留意されたい。それに関して、燃焼シリンダは、異なる行程に関して異なるピストン速度プロファイルを使用することができ、実際、吸気、圧縮、動力、および排気行程はすべて互いに異なっていることがあり、当然、圧縮シリンダに使用されるピストン速度プロファイルとも異なることがある。
【００２９】
燃焼シリンダのための燃料は、注入のために、燃料システム（図４には詳細には図示せず）によって、例えば各燃焼シリンダにある増圧機タイプの燃料注入器によって供給される。燃焼シリンダは、制御可能な遮断弁を介してメイン高圧アキュムレータに正味の高圧油圧流体を供給する。フリーピストン油圧はリフトポンプから低圧ラインに提供され、必要となる高圧油圧流体があれば、それは高圧アキュムレータまたは高圧レールから提供される。電気作動式の圧力逃がし弁は、そのままでは体積流（圧力）が過剰であるときに、リフトポンプの出力を低圧リザーバに結合させて戻すことができ、リフトポンプが動作していないときには任意選択の逆止弁７０が低圧ライン内の圧力を保つ。
【００３０】
また、高圧油圧流体が駆動ポンプ−モータに供給され、駆動ポンプ−モータは、図示される実施形態では、任意選択のギア減速機構および通常の設計のディファレンシャルによって車両の車輪を駆動する。あるいは、各駆動輪ごとに個別の駆動ポンプ−モータを使用することができ、あるいは、車両のすべての車輪に関して、適切な自在継手を介して１つの駆動ポンプ−モータを使用することができ、または各車輪で１つの駆動ポンプ−モータを使用することができる。
【００３１】
すべての弁構成ではないが、特に圧縮シリンダおよび３つの燃焼シリンダに関する弁構成を図４に示す。また、高圧油圧流体を発電機ポンプ−モータに流すことができ、バッテリパックを充電するように電動機−発電機を動作させ、駆動ポンプ−モータおよび発電機ポンプ−モータの低圧油圧流体出力は低圧ラインに戻される。したがって、メイン高圧アキュムレータまたはスタータ高圧アキュムレータに高圧油圧流体が貯蔵されていない通常動作では、駆動ポンプ−モータおよび発電機ポンプ−モータの低圧油圧流体出力を通して低圧ラインに戻される流体の流れは、燃焼シリンダの油圧ピストンに補給するのに必要な流れに等しく、したがってリフトポンプはそれほど活発には動作しない。望みであれば、３つのピストンすべてによって引き起こされる低圧ライン内でのパルスを吸収するために低圧アキュムレータを組み込むことができる。
【００３２】
車両の車輪を駆動させる駆動ポンプ−モータは好ましくは可逆であり、すなわち、両方向モータとして、および両方向ポンプとして働くことができ、制動時にメイン高圧アキュムレータ内に油圧流体をポンプするための回生ブレーキを提供する。車輪に動力供給する駆動ポンプ−モータは、好ましくは可変ポンプ−モータであり、例えば、そこへの油圧流体供給の（高圧と低圧の間での）圧力の変調によって達成することができ、駆動ポンプ−モータの低圧出力は、駆動ポンプ−モータの入力への高圧油圧流体のパルスの合間にその入力に戻るように結合される。
【００３３】
一形態では、バッテリパックは、電動機−発電機に動力供給して発電機モータを回転させることができ、駆動ポンプ−モータによって車両の車輪に動力供給する。あるいは、メイン高圧アキュムレータ自体が与圧されていない場合には、フリーピストンエンジンを始動させるための高圧アキュムレータスタータを充電する。したがって、高圧アキュムレータスタータは比較的小さいアキュムレータであり、これは、上記のようにバッテリパックによって、エンジン始動に適した圧力に与圧することができ、あるいは始動に十分な圧力および体積の高圧油圧流体を単に貯蔵することができる。当然、バッテリパック、電動機−発電機、および発電機ポンプ−モータのサイズに応じて、システムは、必要なときにバッテリパックの充電および車両への動力供給を行うフリーピストンエンジンを備えるハイブリッド機構として動作することができる。
【００３４】
図５に示される４行程サイクルでは、圧縮行程の開始の前後で下死点またはその付近で行われる燃料注入が示され、圧縮点火は、上死点中心付近で行われる。この例示的実施形態では、すべての燃料が、圧縮行程の開始時または吸気行程中に下死点中心またはその付近で注入され、高温排気ガスがシリンダ内に残っており、燃料を気体状態に変え、点火前に燃料と混ざり合い、その際、ＥＧＲを行っても行わなくてもよい。点火の時点で、それぞれの燃焼シリンダ内の酸素の量が制限され、それにより圧力上昇が制限され、より重要なことには温度上昇が制限され、ＮＯXが生じる温度未満に温度を保つ。
【００３５】
点火後、および上死点中心に到達後、上述したように空気が注入されて、燃焼を維持し、注入されたすべての燃料を消費して、従来のクランクシャフトタイプのピストンエンジンの２つのシリンダの出力動力に近い各燃焼シリンダごとの出力動力を提供する。それに関して、そのようなフリーピストンエンジンの利点の１つは、上死点またはその付近で、ピストンの軸に位置合わせされたコネクティングロッドおよびクランクシャフトのクランクによってピストン運動が制約されないことであり、したがって、ピストンは、上死中心位置で、および下死点中心位置までピストン運動全体にわたって、出力動力を提供する準備ができている。
【００３６】
当然、限定はしないが文献に開示された特許発明（又は発明）に開示されている任意の他の動作サイクルを、本発明のフリーピストンエンジンと共に使用することもできる。それに関して、前述の特許および特許出願に従って動作されるエンジンは大きな自由度を提供するが、その自由度は、従来技術で知られているような電子制御式の燃料注入および油圧弁作動を用いた本発明のフリーピストンエンジンによって実際に高められる。なぜなら、最高の動作効率となるように、そのようなフリーピストンエンジンのほぼすべての動作パラメータを変更することができるからである。
【００３７】
また、車両の駆動輪への実質的に直接的な油圧駆動を提供することによって、車両のトランスミッションをなくす（または複雑さを非常に低減したトランスミッションを用いる）こと、およびエンジンを瞬時に効果的に始動および停止させることができるために、回生動作とあいまって、駆動システム全体に関する非常に高い効率を生み出す。例えば実効圧縮行程よりも長い実効動力（膨張）行程の使用など、他の特徴または動作方法も容易に組み込むことができることは明らかである。いずれにせよ、最も効率良くなるようなピストン速度や圧縮比などでフリーピストンエンジンが動作することができる機能と、サイクルの合間に休止することができる機能との組合せにより、通常であれば関係のあるクランクシャフトの回転、さらにそこで必要となる動力出力とは無関係に、最も効率の良い動作パラメータを有するフリーピストンエンジンの動作を実現できるようになる。
【００３８】
次に、本発明によるフリーピストンエンジンおよび車両ドライブトレインの例示的な物理的構成のさらなる概略的な実例を図示して説明する。これらの構成は、新車用と、既存の車両への後付け用との両方を意図されている。いずれの場合にも、そのような新規の技術の最も実用的な導入法は、新規の技術の特徴および利点を変えずに保ちながら、既存の技術をできるだけ実用的に使用することによるものと考えられる。それに関して、保護される本発明の一態様は、燃焼シリンダの動作の周波数と、機械的な推進を行う（または惰性走行中、もしくは回生ブレーキ時のエネルギー貯蔵中の）油圧モータの回転の速度との完全な切離しである。
【００３９】
次に、図６を参照すると、別の例示的なフリーピストンエンジンシステムの概略図を見ることができる。この実施形態では、すべてのエンジンシリンダが燃焼シリンダである。この実施形態における機械的な動力を提供するための油圧モータは、従来のピストンエンジンのクランクシャフト５０を使用し、コネクティングロッド５２が、従来の様式でピストン５４をクランクシャフト５０に接続させる。ピストン５４は、本発明のエンジンピストンに準拠したものでよく、あるいは、従来のピストン設計に応じて望まれるときや必要とされるときには、本発明のエンジンピストンの特別な代替物でもよい。
【００４０】
ピストン５４の上の油圧ピストン５６は、任意の数値組合せで、弁６０を介してアキュムレータ５８内の高圧油圧流体により動作されて、クランクシャフトの出力のために必要とされる機械的な動力を提供する。弁６０は２段弁でよく、第１の段は、機械的な動力出力が必要なときにアキュムレータ５８からピストン５６へ、または換気されたリザーバもしくは低圧のリザーバへの高圧油圧流体の流れを弁で調節するために、大きい方の弁をそれぞれ油圧制御するように電子的（電気的）に制御可能である。大きい方の弁は、高圧アキュムレータに結合されたラインからの高圧を使用して油圧制御される。この高圧油圧流体は、燃焼シリンダ２０の上の電子制御弁７２によって、油圧弁作動および燃料注入を制御するためにも使用され、燃焼シリンダ２０はさらに、２段の電気制御式の油圧弁７４を介して油圧シリンダ２２と相互作用し、また、油圧弁７４の大きい方の弁は、ライン６２内の低圧油圧流体を使用して、小さい方の電子制御弁によって油圧制御される。
【００４１】
したがって、図６に示される実施形態では、制御弁／マニホルドアセンブリ７６は、フリーピストン油圧エンジンアセンブリを上に載せた従来のピストンエンジンブロックアセンブリのブロックにボルト留めすることができる。フリーピストンエンジンは、ディーゼル、バイオディーゼル、または他の従来の圧縮点火燃料もしくは従来のものではない圧縮点火燃料を使用して、従来の圧縮点火サイクルで動作させることができる。そのようなエンジンに興味深い１つの燃料は、カーボンフリー燃料としてのアンモニア（ＮＨ3）である。上死点中心ピストン位置で弁を開く必要をなくした、または燃料注入を行う必要をなくしたサイクルで動作する本発明は、予め燃料を注入しておくので、非常に高い圧縮比でのピストン運動を可能にし、アンモニアの圧縮点火を可能にして、油圧エネルギーへの非常に効率的なエネルギー変換を行う。図示されるエンジンではすべてのシリンダが同じであるが、これは本実施形態の限定事項ではない。
【００４２】
図６の概略図では、アセンブリ全体は比較的背の高いものになっている。しかし、オーバーヘッドバルブおよび弁駆動システムによる従来のエンジンの高さに鑑みて、図６のフリーピストンエンジンシステムは、図６に示されるアセンブリを注意深くパッケージングすることによって、全体の高さを従来の圧縮点火エンジンに近くすることができる。そのようなエンジンは、従来のエンジンブロック、または現在あるエンジンブロックを使用することができ、ここでフリーピストンエンジンへの変換は、本質的にボルト留めタイプの変換である。図６に示されるものなどフリーピストンエンジンは、クランクシャフトの回転速度をゼロまで下げてエネルギーを提供または回収することができ、したがって、後進のためでさえ一般にギアシフトが必要とされないのでクラッチが必要ないため、後付け部品として、クランクシャフトの端部に直接固定されたトランスミッションシャフトをクラッチの代わりに使用することができ、あるいは、クラッチはそのまま残しておくがクラッチペダルを取り外してしまうようにできる。クランクシャフトは、油圧モータプランジャに対する油圧を制御する油圧弁構成の適切な制御によって、いずれかの方向で油圧駆動させることができる。
【００４３】
実際には、エンジンの全体の高さが問題である場合、本発明は、図７に示されるようにパッケージングすることができ、６つのシリンダエンジンのうち３つのシリンダが、油圧エネルギーを発生させるためのフリーピストン燃焼シリンダとして使用され、３つのシリンダが、油圧エネルギーを仕事に変換するための油圧モータとして使用され、そのうちの２つが、固定ギア減速機構を介して、または２速以上のトランスミッションもしくはリアエンドを介して車両の車輪を回転させ、１つが付属品を駆動させる。前述したように、フリーピストンエンジン部分の動作速度は、油圧モータ区域の動作速度から完全に切り離され、それらのいずれかは、速度をゼロまで下げて動作可能であり、油圧モータ部分は、「制動」中のエネルギー回収のために使用されるときに、車両の運動エネルギーを回収することができる。
【００４４】
図８は、より物理的な実現形態での図４の電動機−発電機を示す。また、図８は、各燃焼シリンダへの、空気貯蔵タンクおよび少なくとも１つの追加の電子制御弁５１の組込みを示す。これは、空気タンク内に高圧空気を貯蔵するために任意の燃焼シリンダを空気圧縮機として動作させることができるようにし、また燃焼シリンダとして使用される任意のシリンダへの空気注入を使用して、動力行程中のフリーピストンのより大きい運動全体にわたって燃焼を維持する。これは、上で参照した特許および特許出願に記載されているような動作サイクルを使用して、任意の時点で、いくつかのシリンダを圧縮シリンダとして使用し、いくつかの他のシリンダを燃焼シリンダとして使用できるようにする。ここでも、エンジンの高さが問題である場合、図８に示されるタイプのエンジンを、図７に示されるようにパッケージングすることができる。
【００４５】
したがって、図３、図４、および図８の実施形態では、シリンダの燃焼室内に注入するために空気圧縮が行われ、一方、図６および７の実施形態では、空気注入は行われず、したがってより従来の動作サイクルが使用される。
【００４６】
図９は、本発明を具現化する内燃機関の断面図を示す。この図は、油圧流体のためのリザーバおよびアキュムレータを他のエンジン構造と共に組み込むことができる様子を示す。
【００４７】
図１０は、本発明を具現化する内燃機関１００の一部の模式図を示す。エンジン１００は、シリンダブロック内の燃焼シリンダ内部で摺動する燃焼ピストン１０２を備える燃焼シリンダブロック１０４を含む。エンジン全体は、吸気弁および排気弁、ならびに場合によっては燃料注入器および／またはスパークプラグなどの部品を提供するために、燃焼シリンダブロック１０４の上端部に結合されたシリンダヘッドを含む。それに関して、図１における注入器４４および他の図に示される注入器を、燃料空気混合物の点火のためのスパークプラグの概略図とみなすことができる。使用される圧縮比がより高いことに関連したより高い効率に基づき、圧縮点火が好ましいが、望みであればスパーク点火を使用することもできる。例えば、達成できる圧縮比を非常に高く制御可能にできる本発明のようなエンジンが使用されない限り、通常は、アンモニアのような燃料に関して圧縮点火を達成することは難しく、またスパーク点火も、スパーク点火を行うことができる燃料空気比の範囲が狭いので、クランクシャフトタイプのエンジンの従来の圧縮比ではやや難しい。しかし、本発明を使用すると、従来のクランクシャフトエンジンよりも高い圧縮比を使用することができ、これは、より高い圧縮温度でスパーク点火を行うことができる燃料空気比を広くする（すなわち、燃焼を維持するための放熱要件を減少させる）はずであり、それにより、図５に示されるような動作サイクルの使用を可能にする。この動作サイクルでは、達成することができるより高い圧縮比により、アンモニアの注入または気化が、燃焼室内で非常に燃料を多く含む空気燃料比を生成し、この空気燃料比は、スパークプラグによって点火することができる圧縮点火温度に十分に近く、空気は、動力行程中に注入され、始めは燃料を非常に多く含んでいる装入物中のすべてのアンモニアが消費されるまで燃焼を維持する。
【００４８】
油圧プランジャブロック１０６が燃焼シリンダブロック１０４に結合される。以下にさらに説明するように、油圧プランジャブロック１０６は、燃焼ピストン１０２に結合された複数の油圧プランジャを含む。以下にさらに説明するように、複数の油圧制御弁１１０、１１２、１２０、１２２は、油圧プランジャに結合される。
【００４９】
図１１は、内燃機関１００の一部分の模式図を示し、エンジンの追加の詳細を見ることができるように燃焼シリンダブロックは省いてある。図示される実施形態では、燃焼ピストン１０２は、６本の油圧プランジャ２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６に結合される。６本の油圧プランジャは、油圧プランジャブロック１０６における６つの対応する油圧シリンダ２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６内で摺動する。燃焼ピストン１０２は、燃焼シリンダに関する対称軸である中心軸２００に沿って燃焼シリンダ内部で摺動する。
【００５０】
図１２は、燃焼ピストン１０２と、６つの油圧シリンダ２１１〜２１６とを示す平面図である。油圧シリンダが、２１１−２１２、２１３−２１４、２１５−２１６として対になって配置されているのが見られる。油圧シリンダの各対は、燃焼シリンダの中心軸２００を通過する破線によって示唆されるように、燃焼シリンダの直径上に位置される。対を成す各油圧シリンダは、実質的に同じ直径を有し、中心軸２００から同じ距離に位置される。これにより、燃焼ピストン１０２に対する回転モーメントを生じずに、油圧シリンダの対の１つにおける２本の油圧プランジャによって燃焼ピストン１０２を支持することができるようになる。
【００５１】
図１３は、内燃機関１００の断面図であり、エンジンのさらなる詳細を見ることができるようにしてある。図示される実施形態では、油圧制御弁は、スプールタイプの３方向弁１１０、１１２を制御する電気作動式のパイロット弁１２０、１２２を含む。図示される実施形態では、３つの油圧制御弁は共通の本体を共有する。一実施形態でのパイロット弁は、米国特許第５，６４０，９８７号（特許文献１１）に示される一般的なタイプのスプール弁であるが、望みであれば、ラッチ式でない弁およびスプリングリターン弁を使用することもでき、必ずしもそうでなくてよいがスプール弁が好ましい。
【００５２】
右側断面を取られている弁で見られるように、スプール４３２は、油圧シリンダ４０５の下端部を、１つの接続部４３４または一対の接続部４３６、４３８に接続させる。接続部の一方は高圧油圧ラインに接続され、他方は低圧油圧ラインに接続される。各油圧弁が、残りの油圧弁とは無関係に制御されることが重要である。これは、エンジンの動作の大きな自由度を提供する。
【００５３】
前述したように、各２段弁は、それぞれの油圧シリンダの端部を高圧油圧ラインまたは低圧油圧ラインに制御可能に結合させる。スプール弁は、最大の流れ面積を提供するのに必要なスプールの運動が最小限であるので、そのような用途でいくつかの利点を有する。また、スプール弁は、いわゆるメークビフォアブレーク式またはメークアフターブレーク式に設計することができる。すなわち、３方向スプール弁は、ポートＡからポートＣへの流路を開く前に、ポートＡからポートＢへの流れを遮断するように設計することができる。本発明のようなシステムでは、瞬時の油圧ロックが生じ、かなりのエネルギー損失を生じるので、これはかなり難しいことがある。他方で、ポートＡからポートＢへの流れを遮断する前にポートＡからポートＣへの流路を開くことにより、高圧油圧ラインから低圧油圧ラインへの瞬時の直接の流路が生じ、これもまたかなりのエネルギー損失をもたらす。本発明では、これらの効果が、一部は弁の速度によって、一部は油圧流体の圧縮率によって、また最も重要なことには、第２段のスプール弁の設計によって最小限に抑えられ、これら２つの考慮事項の間での最も効率的な妥協点で動作する。
【００５４】
断面図で示される２本のプランジャ２０５、２０６は、拡大された下側部分を含み、この部分が上側油圧体積４１５、４１６を形成し、上側油圧体積４１５、４１６は、下死点中心に向けて燃焼ピストン１０２を駆動させるために与圧することができる。高圧が下側油圧体積４０５、４０６に接続されるとき、より大きな下側油圧体積４０５、４０６の作用面が正味の上方向への力を生成するので、上側油圧体積４１５、４１６は、高圧供給ラインに連続的に接続させることができる。
【００５５】
油圧プランジャ２０５、２０６は、少量の遊びを形成する接続部によって燃焼ピストン１０２に結合されることに注目することができる。この遊びは、燃焼ピストン１０２と油圧シリンダ２１１〜２１６の間のわずかな位置合わせ不良に対処する。
【００５６】
図１４は、本発明の別の実施形態における内燃機関５００の一部分の模式図を示す。エンジン５００は、燃焼ピストン５０２を有する燃焼シリンダブロック５０４を含み、燃焼ピストン５０２は、シリンダブロック内の燃焼室内部で摺動する。エンジン全体は、吸気弁および排気弁、ならびに場合によっては燃料注入器および／またはスパークプラグなどの部品を提供するために、燃焼シリンダブロック５０４の上端部に結合されたシリンダヘッドを含む。
【００５７】
油圧プランジャブロック５０６が燃焼シリンダブロック５０４に結合される。以下にさらに説明するように、油圧プランジャブロック５０６は、燃焼ピストン５０２に結合された複数の油圧プランジャを含む。以下にさらに説明するように、複数の油圧制御弁５１０、５１２、５１４、５２０、５２２、５２４は、油圧プランジャに結合される。
【００５８】
図１５は、内燃機関５００の断面図であり、エンジンのさらなる詳細を見ることができるようにしてある。この実施形態では、燃焼シリンダの中心軸６００に沿って位置されたただ１つの油圧シリンダ６１７内で摺動する追加の油圧プランジャ６０７がある。追加の油圧制御弁５１２、５２２が設けられて、この追加の油圧シリンダを高圧および低圧油圧ラインに接続させる。ただ１本の油圧プランジャ６０７が燃焼シリンダの中心軸６００に沿って位置されるので、燃焼ピストンに対して回転モーメントを生じずに、燃焼ピストン５０２とただ１本の油圧プランジャ６０７の間に力を加えることができる。他の点では、この実施形態は、上述した実施形態と同様である。
【００５９】
ただ１つの油圧シリンダ６１７は、その下側部分で拡大されている。油圧プランジャの下端部６２４も同様に拡大されている。これは、ただ１本の油圧プランジャ６０７が燃焼ピストン５０２を押すまたは引くことができるように、２つの向かい合う油圧制御面を生成する。高圧油圧流体は、油圧プランジャの下で、油圧シリンダ６２６内に導入することができ、燃焼ピストン５０２を上方向に押すか、または燃焼サイクル中の燃焼ピストンの下方向への運動に抵抗する。高圧油圧流体は、油圧プランジャの拡大部分６２４の上で油圧シリンダ６２２内に導入することができ、吸気サイクル中に燃焼ピストン５０２を下方向に引っ張る。
【００６０】
いくつかの実施形態では、高圧油圧流体は、油圧プランジャの拡大部分の上で油圧シリンダ６２２に連続的に供給される。油圧プランジャ６０７は、低圧油圧流体が油圧プランジャの下で油圧シリンダ６２６内に導入されるときに、燃焼ピストン５０２を下方向に引っ張る。なぜなら、油圧プランジャの上側部分に作用する高圧油圧流体は、油圧プランジャの下側部分に作用する低圧油圧流体が生み出す上方向への力よりも大きい力を下方向に生み出すからである。したがって、正味の下方向への力が生じる。高圧油圧流体が、油圧プランジャの上側部分と下側部分の両方に供給されるとき、油圧プランジャの下側部分の面積の方が大きいので、上方向への正味の力が生じる。他の実施形態では、２つの３方向弁を使用して、油圧プランジャの上部と下部の両方を高圧流体と低圧流体の間で切り替える。
【００６１】
図１６は、燃焼ピストン５０２と、７つの油圧シリンダ６１１〜６１７とを示す平面図である。油圧シリンダのうちの６つが、６１１−６１２、６１３−６１４、６１５−６１６として対になって配置されているのが見られる。油圧シリンダの各対は、燃焼シリンダの中心軸６００を通過する破線によって示唆されるように、燃焼シリンダの直径上に位置される。対を成す各油圧シリンダは、実質的に同じ直径を有し、中心軸６００から同じ距離に位置される。これにより、燃焼ピストン５０２に対する回転モーメントを生じずに、油圧シリンダの対の１つにおける２本の油圧プランジャによって燃焼ピストン５０２を支持することができるようになる。また、上述したように、燃焼ピストン５０２は、燃焼ピストン５０２に対する回転モーメントを生じずに、ただ１つの中央に位置された油圧プランジャ６１７によって支持することもできる。
【００６２】
図１７は、油圧プランジャ６１１〜６１７と、それらに関連付けられる電気作動式の油圧制御弁７１１〜７１７と、制御弁を作動させる電気信号７０１〜７０７を発生する電子制御装置７３６との概略図である。各油圧制御弁７１１〜７１７は、３方向弁である。第１のポートが、高圧油圧流体供給ライン７３０に結合される。第２のポートが、低圧油圧流体供給ライン７３２に結合される。第３のポートが、各油圧プランジャ６１１〜６１７の下で油圧体積に結合されて、電子制御装置７３６によって発生される電気信号７０１〜７０７に従って低圧または高圧油圧流体を供給する。
【００６３】
各油圧制御弁７１１〜７１７は、他の制御弁とは無関係に制御され、これは、エンジンの動作にかなりの自由度を提供することに留意されたい。燃焼ピストンの膨張行程中の油圧流体への与圧力に変換されるエネルギーの量は、クランクシャフトおよびコネクティングロッドの機械的な配置によっては制約されず、また、エンジン内の任意の他のピストンに対する燃焼ピストンの運動の機械的な結合によっても制約されない。
【００６４】
電子制御装置７３６は、１つまたは複数のセンサ７３４から電気的な入力を受信し、これらのセンサ７３４は、燃焼ピストン位置やシリンダ圧力などエンジン状態に関する情報を提供する。また、電子制御装置は、アキュムレータ圧力７３８など、動作状態に関係する他の入力も受信する。電子制御装置７３６は、様々あるうちのどの方法でも、入力を使用して、燃焼ピストンの動作を制御する電気信号７０１〜７０７を発生させることができる。
【００６５】
１つまたは複数の油圧プランジャ６１７が、上側油圧体積内で高圧油圧流体を受け取って、燃焼ピストンに対する下方向への力を生成する。これにより、燃焼ピストンを、吸気行程のために上死点中心から下死点中心に移動させることができるようになる。図示される実施形態では、高圧油圧流体は上側油圧体積に連続的に供給される。油圧プランジャ６１７の上側制御表面は、下側制御表面よりも面積が小さい。したがって、下側油圧体積を低圧油圧流体から高圧油圧流体に切り替えることで、正味の上方向への力が生み出される。他の実施形態では、さらなる３方向制御弁を使用して、上側油圧体積を低圧油圧流体から高圧油圧流体に切り替える。
【００６６】
図１８は、油圧プランジャ５６と、それらの関連する電気作動式の油圧制御弁６０との概略図であり、油圧制御弁６０は、図６に示される、油圧動力を機械的な力に変換するための動力変換器構成と共に使用することができる。これは、上述した油圧動力の発生を制御するための上述した構成とほぼ同一であることが分かる。
【００６７】
電子制御装置８３６は、制御弁６０を作動させる電気信号８０１〜８０６を発生する。電子制御装置８３６は、１つまたは複数のセンサ８３４からの電気的な入力を受信し、センサ８３４は、駆動ピストン位置や出力回転速度など、動力変換器状態に関する情報を提供する。また、電子制御装置は、動力設定８３８（例えばアクセル位置）など、動作状態に関係する他の入力も受信する。電子制御装置８３６は、様々あるうちのどの方法でも、入力を使用して、燃焼ピストンの動作を制御する電気信号８０１〜８０６を発生させることができる。動力変換器用の電子制御装置８３６は、燃焼ピストン制御用の電子制御装置７３６と同じでよく、または別個のデバイスでもよい。多数の電気信号を厳密なタイミング要件で生成させる必要があるので、電子制御装置７３６、８３６は、必要な計算能力を提供して必要な精度および自由度でエンジンを制御するために、複数の処理装置を使用することができる。
【００６８】
図１９は、本発明によるマルチシリンダエンジン用の主制御装置の全体的なブロック図であり、エンジンが空気注入用の専用の圧縮シリンダを有するかどうかには無関係であり、使用されるエンジン動作サイクルにも無関係であるが、スパーク点火が使用される場合には、語「燃料注入器」をスパークプラグに変更すべきである。図１９に示されるように、この実施形態では、主制御装置は、空気圧縮および注入が使用される場合には、エンジン内の各ピストンのピストン位置と、高圧アキュムレータ圧力および空気レール圧力または空気タンク圧力（図３）とを監視して、エンジン弁作動システム、燃料注入器（または使用される場合にはスパークプラグ）、および図１７のプランジャ弁制御装置に制御信号を提供する。この実施形態では、図１７のプランジャ弁制御装置は、始動されると主制御装置から独立して動作するように仮定されるが、望みであれば、主制御装置は、プランジャ弁制御装置に動作パラメータを提供することができる。それに関して、使用されるシステム制御の細分化の量は、例えばその細分化が行われる場合には、設計選択の問題であって本発明の一部ではないが、今述べたものなどいくつかの細分化は、故障点検の目的で有利であることがあり、実際に何かが故障した場合に交換する制御装置のコストを下げる。したがって、本明細書および添付の特許請求の範囲で使用する語「制御装置」および「電子制御装置」は、最も一般的な意味合いで使用し、本発明のエンジンおよびドライブトレインの制御機構のあらゆる細分した部分を意味して包含し、必ずしもそうでなくてよいが典型的には、ここ最近の実績に基づいて反復制御補正を用いたルックアップテーブルを使った処理装置制御を使用する。空気圧縮および注入が使用される場合の高圧アキュムレータ圧力および空気レール圧力または空気タンク圧力（図３）の監視は、必要に応じてエンジンの動作を制御して、最適な高圧アキュムレータ圧力および空気レール圧力または空気タンク圧力を維持する目的のものである。空気圧縮ピストンは、任意の他のピストン（燃焼ピストンまたは空気圧縮ピストン）とは無関係に動作することができることに留意されたい。
【００６９】
前に述べたように、ピストンは、例えば２４００ｒｐｍで動作するクランクシャフトタイプのエンジンの動作に一般にほぼ対応するピストン速度で動作することができるが、実際には、必要とされる高圧油圧流体送入速度に応じて、適切な時間にわたって、あるピストン位置で休止することがある。それに関して、クランクシャフトエンジンとは異なり、ピストン運動プロファイルおよび速度は、十分に制御することができ、任意の他の燃焼ピストン、または使用される場合には圧縮ピストンの運動とは無関係に、望みであれば４行程動作（２行程動作も可能）に関する圧縮行程、燃焼または動力行程、および排気行程、および吸気行程それぞれについて異なっているようにすることができる。また、それぞれを、エンジンの現在の要件に合わせて調整することができる。例として、シリンダ壁に対する圧縮および燃焼の熱損失は、アイドル状態での従来のエンジン、またはゆっくり回転するエンジンではかなり大きいことがある。本発明によるエンジンでは、圧縮および燃焼または動力行程は、熱効率を高めるために、（例えば全出力が必要とされない限り）吸気行程および排気行程よりも意図的に速くする（より高いピストン速度にする）ことができる。より具体的には、圧縮行程および動力行程は、より高いピストン速度で、増加される熱効率と減少される油圧効率とのバランスを取るように選択することができ、必要であればサイクルの合間での休止を伴ってエンジンに関する最大効率の動作点を提供する。エンジンを始動させるために、効率の考慮とは無関係に、圧縮行程に関する燃焼ピストン速度を最大化し、吸気加熱器が使用される場合でさえ圧縮による最大温度上昇を保証することが適切であることがある。それに関して、使用される制御弁の動作速度と、本発明のエンジンのすべての面をタイミングと量の両方について制御することができる機能とにより、動作サイクルおよび使用可能な燃料の非常に大きな自由度が提供され、それでもなお高効率の動作は実現される。それに関して、典型的には、エンジン制御装置、例えば図１９の主制御装置および／または図１７のプランジャ弁制御装置が、制御目的でピストン位置および速度を監視し、また、油圧制御弁設定およびピストン加速度も監視して、燃焼の開始、ならびに燃焼室内の圧力上昇の速度および量を感知し、サイクルごとの増分または反復調節を行って、望まれるときに正確に点火できるようにし、必要な場合には、燃料注入器動作とエンジン弁動作のバランスを取ることによって各燃焼シリンダの動力出力のバランスを取る。
【００７０】
したがって、本発明はいくつかの態様を有し、それらの態様は、単独で、または望みであれば様々な組合せまたは部分的な組合せで実践することができる。限定ではなく例示の目的で、本発明の好ましい実施形態を開示して本明細書で説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更を行うことができることを当業者は理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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