(57)【要約】フリーピストン・エンジンが、流体ポンプ組立体の互いに向かい合う側部に配設された、一組の対向するエンジン・シリンダを備えて構成される。内側ピストン組立体が、一組の内側ピストンを含み、各内側ピストンがエンジン・シリンダの各々の一つの中に動作可能に配設され、内側ピストンの間にプッシュロッドが結合されている。外側ピストン組立体が、一組の外側ピストンを含み、各外側ピストンがエンジン・シリンダの各々の一つの中に動作可能に配設され、外側ピストンの間に少なくとも一つのプルロッドが結合されている。プルロッドは、流体ポンプ組立体の中の外側ポンプ室を通って伸び、この室の中に流体プランジャを形成する。
2008500491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一側部、該第一側部と対向した関係にある第二側部、内側流体ポンプ室、外側流体ポンプ室、該内側流体ポンプ室及び該外側流体ポンプ室に選択的に流体連通して比較的低い圧力の下で流体を収容するための第一容器並びに該内側流体ポンプ室及び該外側流体ポンプ室に選択的に流体連通して比較的高い圧力の下で流体を収容するための第二容器を有する流体ポンプ組立体と、
該流体ポンプ組立体の第一側部に近接し且つ動作軸回りの中心に配設され、第一エンジン・シリンダを規定する第一シリンダ・ライナーを含む第一燃焼シリンダ組立体と、
上記流体ポンプ組立体の第二側部に近接し且つ上記動作軸回りの中心に配設され、第二エンジン・シリンダを規定する第二シリンダ・ライナーを含む第二燃焼シリンダ組立体と、
第一内側ピストンヘッドを備えると共に、該第一内側ピストンヘッドが上記第一側部の外方を向くように且つ上記動作軸に沿って上記第一エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動するように該第一エンジン・シリンダ内に配設された第一内側ピストン及び、第二内側ピストンヘッドを備えると共に、該第二内側ピストンヘッドが上記第二側部の外方を向くように且つ上記動作軸に沿って上記第二エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動するように該第二エンジン・シリンダ内に配設された第二内側ピストンを有し、該第一内側ピストンに取り付けられた第一端部と該第二内側ピストンに取り付けられた第二端部と上記流体ポンプ組立体内の上記内側流体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つプッシュロッドを更に含む内側ピストン組立体と、
第一外側ピストンヘッドを備えると共に、該第一外側ピストンヘッドが上記第一内側ピストンヘッドの方を向くように且つ上記第一エンジン・シリンダ内で進退自在に摺動するように該第一エンジン・シリンダ内に配設された第一外側ピストン及び、第二外側ピストンヘッドを備えると共に、該第二外側ピストンヘッドが上記第二内側ピストンヘッドの方を向くように且つ上記動作軸に沿って上記第二エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動するように該第二エンジン・シリンダ内に配設された第二外側ピストンを有し、該第一外側ピストンに取り付けられた第一端部と該第二外側ピストンに取り付けられた第二端部と上記流体ポンプ組立体内の上記外側流体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つ第一プルロッドを更に含む外側ピストン組立体とを備えるエンジン。
【請求項２】
上記流体ポンプ組立体は、上記第一容器及び上記第二容器に選択的に連通する第二外側流体ポンプ室を更に有しており、
上記外側ピストン組立体は、上記第一プルロッドから間隔を空けて配設されて、上記第一外側ピストンに取り付けられた第一端部と上記第二外側ピストンに取り付けられた第二端部と上記第二外側流体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つ第二プルロッドを更に含む請求項１のエンジン。
【請求項３】
上記内側ピストン組立体は、特定の質量を持ち、
上記外側ピストン組立体は、該内側ピストン組立体の質量に等しい特定の質量を持つ請求項２のエンジン。
【請求項４】
上記プッシュロッドの上記中間部は、上記内側流体ポンプ室内に収容され且つ該内側ポンプ室内の流体にポンピング作用を生じさせるべくその中で進退自在に可動とされる内側プランジャを形成し、
上記プルロッドの上記中間部は、上記外側流体ポンプ室内に収容され且つ該外側ポンプ室内の流体にポンピング作用を生じさせるべくその中で進退自在に可動とされる第一外側プランジャを形成し、
上記第二プルロッドの上記中間部は、上記第二外側流体ポンプ室内に収容され且つ該外側ポンプ室内の流体にポンピング作用を生じさせるべくその中で進退自在に可動とされる第二外側プランジャを形成する請求項３のエンジン。
【請求項５】
上記流体ポンプ組立体は、
上記第一容器と上記内側流体ポンプ室との間において、流体が該第一容器から該内側流体ポンプ室へのみ選択的に流れることができるように配設された内側低圧ワンウエイ・バルブ、
上記第一容器と上記外側流体ポンプ室との間において、流体が該第一容器から該外側流体ポンプ室へのみ選択的に流れることができるように配設された第一外側低圧ワンウエイ・バルブ及び、
上記第一容器と上記第二外側流体ポンプ室との間において、流体が該第一容器から該第二外側流体ポンプ室へのみ選択的に流れることができるように配設された第二外側低圧ワンウエイ・バルブを更に含む請求項４のエンジン。
【請求項６】
上記流体ポンプ組立体は、
上記第二容器と上記内側流体ポンプ室との間において、流体が該内側流体ポンプ室から該第二容器へのみ選択的に流れることができるように配設された内側高圧ワンウエイ・バルブ、
上記第二容器と上記外側流体ポンプ室との間において、流体が該外側流体ポンプ室から該第二容器へのみ選択的に流れることができるように配設された第一外側高圧ワンウエイ・バルブ及び、
上記第二容器と上記第二外側流体ポンプ室との間において、流体が該第二外側流体ポンプ室から該第二容器へのみ選択的に流れることができるように配設された第二外側高圧ワンウエイ・バルブを更に含む請求項５のエンジン。
【請求項７】
上記内側プランジャは、内側流体ポンプ能力を生成すべく上記第一内側流体ポンプ室に動作可能に係合可能であり、
上記第一外側プランジャは、第一外側流体ポンプ能力を生成すべく上記外側流体ポンプ室に動作可能に係合可能であり、
上記第二外側プランジャは、第二外側流体ポンプ能力を生成すべく上記第二外側流体ポンプ室に動作可能に係合可能であり、
該第一外側流体ポンプ能力と該第二外側流体ポンプ能力との和は、該内側流体ポンプ能力と実質的に等しい請求項６のエンジン。
【請求項８】
上記プッシュロッドの上記中間部は、内側流体ポンプ能力を生成すべく上記第一内側流体ポンプ室と動作可能に係合可能であり、
上記第一プルロッドの中間部は、第一外側流体ポンプ能力を生成すべく上記外側流体ポンプ室と動作可能に係合可能であり、
上記第二プルロッドの中間部は、第二外側流体ポンプ能力を生成すべく上記第二外側ポンプ室と動作可能に係合可能であり、
該第一外側流体ポンプ能力と該第二外側流体ポンプ能力との和は、該内側流体ポンプ能力と実質的に等しい請求項２のエンジン。
【請求項９】
上記第一容器と流体連通する第一ポート、上記第二容器と流体連通する第二ポート、上記内側流体ポンプ室と流体連通する第三ポート並びに上記外側流体ポンプ室及び上記第二外側流体ポンプ室と流体連通する第四ポートを有する流体制御バルブを更に含み、
該流体制御バルブは、該第一ポートを該第三ポート及び該第四ポートの一方に選択的に接続する一方で該第二ポートを該第三ポート及び該第四ポートの他方に接続して、該第一ポート及び該第二ポートを該第三ポート及び該第四ポートの両方から選択的に分離するように作動する請求項２のエンジン。
【請求項１０】
上記流体は、液体である請求項１のエンジン。
【請求項１１】
上記流体は、油圧オイルである請求項１０のエンジン。
【請求項１２】
上記第一容器と流体連通する第一ポート、上記第二容器と流体連通する第二ポート、上記内側流体ポンプ室と流体連通する第三ポート及び上記外側流体ポンプ室と流体連通する第四ポートを有する流体制御バルブを更に含み、
該流体制御バルブは、該第一ポートを該第三ポート及び該第四ポートの一方に選択的に接続する一方で、該第二ポートを該第三ポート及び該第四ポートの他方に接続して、該第一ポート及び該第二ポートを該第三ポート及び該第四ポートの両方から選択的に分離するように作動する請求項１０のエンジン。
【請求項１３】
上記第一シリンダ・ライナーを通って上記第一エンジン・シリンダ内に伸びる第一点火プラグと、
上記第二シリンダ・ライナーを通って上記第二エンジン・シリンダ内に伸びる第二点火プラグとを更に含む請求項１のエンジン。
【請求項１４】
上記第一シリンダ・ライナーを通って上記第一エンジン・シリンダ内に伸びる第一グロー・プラグと、
上記第二シリンダ・ライナーを通って上記第二エンジン・シリンダ内に伸びる第二グロー・プラグとを更に含む請求項１のエンジン。
【請求項１５】
上記流体ポンプ組立体は、上記第一容器と上記内側流体ポンプ室との間において、流体が該第一容器から該内側流体ポンプ室へのみ選択的に流れることができるように配設された内側低圧ワンウエイ・バルブ及び、上記第二容器と上記内側流体ポンプ室との間において、流体が該内側流体ポンプ室から該第二容器へのみ選択的に流れることができるように配設された内側高圧ワンウエイ・バルブを更に含み、
上記プッシュロッドの上記中間部は、上記内側流体ポンプ室内に収容され且つ該内側流体ポンプ室内の流体にポンピング作用を生じさせるべくその中で進退自在に可動とされる内側プランジャを形成する請求項１のエンジン。
【請求項１６】
上記流体ポンプ組立体は、上記第一容器と上記外側流体ポンプ室との間において、流体が該第一容器から該外側流体ポンプ室へのみ選択的に流れることができるように配設された外側低圧ワンウエイ・バルブ及び、上記第二容器と上記外側流体ポンプ室との間において、流体が該外側流体ポンプ室から上記第二容器へのみ選択的に流れることができるように配設された外側高圧ワンウエイ・バルブを更に含み、
上記プッシュロッドの上記中間部は、上記外側流体ポンプ室内に収容され且つ上記内側流体ポンプ室内の流体にポンピング作用を生じさせるべくその中で進退自在に可動とされる外側プランジャを形成する請求項１５のエンジン。
【請求項１７】
上記第一容器は、低圧レールと流体連通する低圧容器とで構成され、
上記第二容器は、高圧レールと流体連通する高圧容器とで構成される請求項１のエンジン。
【請求項１８】
第一側部、該第一側部と対向した関係にある第二側部、内側液体ポンプ室、外側液体ポンプ室、第二外側液体ポンプ室、該内側液体ポンプ室、該外側液体ポンプ室及び該第二外側液体ポンプ室に選択的に流体連通して比較的低い圧力の下で作動液体を収容するための第一容器、該内側液体ポンプ室、該外側液体ポンプ室及び該第二外側液体ポンプ室に選択的に流体連通して比較的高い圧力の下で作動液体を収容するための第二容器を有する作動液体ポンプ組立体と、
該作動液体ポンプ組立体の第一側部に近接し且つ動作軸回りの中心に配設され、第一エンジン・シリンダを規定する第一シリンダ・ライナーを含む第一燃焼シリンダ組立体と、
上記作動液体ポンプ組立体の第二側部に近接し且つ上記動作軸周りの中心に配設され、第二エンジン・シリンダを規定する第二シリンダ・ライナーを含む第二燃焼シリンダ組立体と、
上記第一エンジン・シリンダ内に配設され、上記動作軸に沿って該第一エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動する第一内側ピストン及び、上記第二エンジン・シリンダ内に配設され、上記動作軸に沿って該第二エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動する第二内側ピストンを有し、該第一内側ピストンに取り付けられた第一端部と該第二内側ピストンに取り付けられた第二端部と上記作動液体ポンプ組立体内の上記内側液体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つプッシュロッドを更に含む内側ピストン組立体と、
上記第一エンジン・シリンダ内に配設され、上記動作軸に沿って該第一エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動する第一外側ピストン及び、上記第二エンジン・シリンダ内に配設され、上記動作軸に沿って該第二エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動する第二外側ピストンを有し、該第一外側ピストンに取り付けられた第一端部と該第二外側ピストンに取り付けられた第二端部と上記作動液体ポンプ組立体内の上記外側液体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つ第一プルロッド及び、該第一プルロッドから間隔を空けて配設され、該第一外側ピストンに取り付けられた第一端部と該第二外側ピストンに取り付けられた第二端部と上記第二外側液体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つ第二プルロッドをさらに含む外側ピストン組立体とを備えるエンジン。
【請求項１９】
上記第一容器と流体連通する第一ポート、上記第二容器と流体連通する第二ポート、上記内側液体ポンプ室と流体連通する第三ポート並びに上記外側液体ポンプ室及び上記第二外側液体ポンプ室と流体連通する第四ポートを有する流体制御バルブを更に含み、
該流体制御バルブは、該第一ポートを該第三ポート及び該第四ポートの一方に選択的に接続する一方で該第二ポートを該第三ポート及び該第四ポートの他方に接続して、該第一ポート及び該第二ポートを該第三ポート及び該第四ポートの両方から選択的に分離するように作動する請求項１８のエンジン。
【請求項２０】
エンジンの運転方法において、
第一側部、該第一側部と対向した関係にある第二側部、内側流体ポンプ室、外側流体ポンプ室、該内側流体ポンプ室及び該外側流体ポンプ室に選択的に流体連通して比較的低い圧力の下で流体を収容するための第一容器並びに該内側流体ポンプ室及び該外側流体ポンプ室に選択的に流体連通して比較的高い圧力の下で流体を収容するための第二容器を有する流体ポンプ組立体を準備する工程と、
該流体ポンプ組立体の第一側部に近接し且つ動作軸回りの中心に配設され、第一エンジン・シリンダを規定する第一シリンダ・ライナーを含む第一燃焼シリンダ組立体を準備する工程と、
上記流体ポンプ組立体の第二側部に近接し且つ上記動作軸回りの中心に配設され、第二エンジン・シリンダを規定する第二シリンダ・ライナーを含む第二燃焼シリンダ組立体を準備する工程と、
上記第一エンジン・シリンダ内に配設され、上記動作軸に沿って該第一エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動する第一内側ピストン及び、上記第二エンジン・シリンダ内に配設され、上記動作軸に沿って該第二エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動する第二内側ピストンを有し、該第一内側ピストンに取り付けられた第一端部と該第二内側ピストンに取り付けられた第二端部と上記流体ポンプ組立体内の上記内側流体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つプッシュロッドを更に含む内側ピストン組立体を準備する工程と、
上記第一エンジン・シリンダ内に配設され、上記動作軸に沿って該第一エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動する第一外側ピストン及び、上記第二エンジン・シリンダ内に配設され、上記動作軸に沿って該第二エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動する第二外側ピストンを有し、該第一外側ピストンに取り付けられた第一端部と該第二外側ピストンに取り付けられた第二端部と上記流体ポンプ組立体内の上記外側流体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つ第一プルロッドをさらに含む外側ピストン組立体を準備する工程と、
燃料及び空気を上記第一エンジン・シリンダ内に移動させる工程と、
上記第一エンジン・シリンダ内の燃料及び空気の自発的な燃焼が生じるまで、上記第一内側ピストン及び上記第一外側ピストンを互いに対向する動きで動作させる工程とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストン・エンジンに関連し、より具体的には、対向ピストン・対向シリンダ構成を持つフリーピストン・エンジンに関連する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（エンジン）は、機械的に固定されたピストンの動きによって動作している。例えば、自動車用の従来のエンジンは、クランクシャフト及び、夫々のシリンダの中の各ピストンの動きを機械的に決定するコネクティング・ロッド組立体を含む。各ピストンの位置がエンジン・サイクル内の如何なる任意の点に関しても知られ、このことがエンジンのタイミングと作動を単純化するので、この形式のエンジンが望ましい。これらの従来の形式のエンジンは近年、効率に関して大きく改良されたが、エンジン本来の性質に起因して、その効率は依然として制限されている。特に、ピストンの機械的に固定された動きが圧縮比を固定するため、出力密度が制限される。さらに、ピストン（さらに、カムシャフトとエンジン・バルブ）の動きを方向付ける可動部品の全てが、大きな摩擦抵抗を作り出し、それを克服するためには、エンジンそれ自体からのエネルギーを必要とする。その結果として生じる低い出力密度が、エンジンが所望のものより、大きく且つ重くなることを意味する。また、構成しなければならない全ての機械的連結のため、エンジン設計及びエンジン実装の柔軟性が、制限される。
【０００３】
したがって、環境及び他の理由のため、エンジンに、これら従来のエンジンよりも高い出力密度を持たすことが望まれる。より軽い相対的重さ、より小さい実装サイズ及び、改良された燃料経済性の有利点が、車両及び据え置き型発電設備用途の両方において大きな有利点となり得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の別の形式が、フリーピストン・エンジンである。これは、シリンダ内のピストンの動きが、機械的に固定されていないエンジンである。その動きは、所定の時間において各ピストンに作用する力のバランスによって制御される。動きが固定されていないので、エンジンは可変圧縮比を持つことが可能となり、このことは、エンジン運転パラメータの設計において、より大きな柔軟性を可能とする。また、従来のクランクシャフト及び、ピストンに横力を発生させるためにクランクシャフトに取り付けられたロッドが存在しないので、エンジン作動の間に生成される摩擦は、概して小さい。しかしながら、フリーピストンを用いると、エンジン作動の複雑性が大きく増加するため、これらの形式のエンジンは未だ一般的に使用される状態になっていない。
【０００５】
フリーピストン・エンジンの複雑な作動を管理するための取り組みの一つにおいて、リニア・ジェネレータ（linear generator）をフリーピストン・エンジンに連結させることに取り組むことがあった。そのような配置は、フリーピストン上の力のバランスを制御する補助のためにジェネレーターを使用しながら、ジェネレーターに、蓄積され得る電気出力を生成させることを可能にする。しかしながら、リニア・ジェネレータは電力の生成において、特に、通常の回転式ジェネレータと比べたときに、とりわけ効率的ではない。
【０００６】
したがって、従来技術のエンジンの欠点を克服し、軽量で、多くの異なる用途での使用のためのエネルギーを効率的に生成すべく使用され得る、高い出力密度を供給する内燃機関を持つことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その実施形態において、本発明は、第一側部及び第一側部と対向した関係にある第二側部、内側流体ポンプ室及び外側流体ポンプ室、内側流体ポンプ室及び外側流体ポンプ室に選択的に流体連通する、比較的低い圧力の下で流体を収容するための容器、及び内側流体ポンプ室及び外側流体ポンプ室に選択的に流体連通する、比較的高い圧力の下で流体を収容するための容器、を持つ流体ポンプ組立体を含むエンジンを意図している。このエンジンに対して、動作軸周りの中心に置かれた第一燃焼シリンダ組立体が、流体ポンプ組立体の第一側部に近接して配設され且つ、第一エンジン・シリンダを規定する第一シリンダ・ライナーを含み、動作軸回りの中心に置かれた第二燃焼シリンダ組立体が、流体ポンプ組立体の第二側部に近接して配設され且つ、第二エンジン・シリンダを規定する第二シリンダ・ライナーを含む。エンジンはまた、第一内側ピストンヘッドを備えた第一内側ピストン及び、第二内側ピストンヘッドを備えた第二内側ピストンを持つ内側ピストン組立体を、第一内側ピストンが、第一内側ピストンヘッドが第一側部から見て外方を向くように第一エンジン・シリンダ内に取り付けられ、第二内側ピストンが、第二内側ピストンヘッドが第二側部から見て外方を向くように第二エンジン・シリンダ内に取り付けられる状態で且つ、内側ピストン組立体が、第一内側ピストンに取り付けられた第一端部と第二内側ピストンに取り付けられた第二端部と流体ポンプ組立体内の内側流体ポンプ室を通って伸びる中間部を持つプッシュロッドを更に含む状態で包含する。エンジンは、第一外側ピストンヘッドを備えた第一外側ピストン及び、第二外側ピストンヘッドを備えた第二外側ピストンを持つ外側ピストン組立体を、第一外側ピストンが、第一外側ピストンヘッドが第一内側ピストンヘッドの方を向くように第一エンジン・シリンダ内に取り付けられ、第二外側ピストンが、第二外側ピストンヘッドが第二内側ピストンヘッドの方を向くように第二エンジン・シリンダ内に取り付けられる状態で且つ、外側ピストン組立体が、第一外側ピストンに取り付けられた第一端部と第二外側ピストンに取り付けられた第二端部と流体ポンプ組立体内の外側流体ポンプ室を通って伸びる中間部とを持つ第一プルロッドを更に有する状態で包含する。
【０００８】
本発明の実施形態はまた、第一側部及び第一側部に対して対向する関係にある第二側部、内側流体ポンプ室及び外側流体ポンプ室、内側流体ポンプ室及び外側流体ポンプ室に選択的に流体連通する、比較的低い圧力の下で流体を収容するための第一容器及び、内側流体ポンプ室及び外側流体ポンプ室に選択的に流体連通する、比較的高い圧力の下で流体を収容するための第二容器を持つ流体ポンプ組立体を準備する工程、流体ポンプ組立体の第一側部に近接して配設され、そして、第一エンジン・シリンダを規定する第一シリンダ・ライナーを含む、動作軸回りの中心に置かれた第一燃焼シリンダ組立体を準備する工程、流体ポンプ組立体の第二側部に近接して配設され、そして、第二エンジン・シリンダを規定する第二シリンダ・ライナーを含む、動作軸回りの中心に置かれた第二燃焼シリンダ組立体を準備する工程、第一内側ピストン及び第二内側ピストンを持つ内側ピストン組立体を、第一内側ピストンが第一エンジン・シリンダ内に取り付けられそして、動作軸に沿って第一エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動可能であり、そして第二内側ピストンが第二エンジン・シリンダ内に取り付けられそして、動作軸に沿って第一エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動可能であり、そして、第一内側ピストンに取り付けられた第一端部と第二内側ピストンに取り付けられた第二端部と流体ポンプ組立体内の内側流体ポンプ室を通って伸びる中間部を持つプッシュロッドを更に含む状態で準備する工程、第一外側ピストン及び、第二外側ピストンを持つ外側ピストン組立体を、第一外側ピストンが第一エンジン・シリンダ内に取り付けられそして、動作軸に沿って第一エンジン・シリンダ内を進退自在であり、そして第二外側ピストンが第二エンジン・シリンダ内に取り付けられそして、動作軸に沿って第二エンジン・シリンダ内を進退自在に摺動可能であり、そして、第一外側ピストンに取り付けられた第一端部と第二外側ピストンに取り付けられた第二端部と流体ポンプ組立体内の外側流体ポンプ室を通って延設される中間部とを持つ第一プルロッドを更に有する状態で準備する工程、燃料及び空気を第一エンジン・シリンダ内に移動させる工程及び、第一エンジン・シリンダ内の燃料及び空気の自発的な燃焼が生じるまで、第一内側ピストン及び第一外側ピストンを互いに対向する動きで動作させる工程を有するエンジンの運転方法を意図している。
【０００９】
本発明の実施形態の利点は、フリーピストン・エンジンの対向ピストン・対向シリンダ（opposed piston, opposed cylinder : OPOC）構成が、他の可能性のあるフリーピストン・エンジン構成よりも本質的にバランスの取れたエンジンを可能にさせることである。
【００１０】
着火シリンダの燃焼エネルギーが、隣のシリンダの給気を着火させるべく直接圧縮するために使用されることが、本発明の実施形態の別の利点である。
【００１１】
備えている主要可動部品が相対的に少ないOPOC構成されたフリーピストン・エンジンの、エンジン作動の間に克服すべき摩擦の総量が、クランク式エンジンよりも概して少ないことが、本発明の実施形態の別の利点である。
【００１２】
本発明の実施形態の更なる利点は、エンジンからのエネルギー出力が、加圧流体として蓄積されるだけでなく、エンジンが作動している間に、流体がエンジンのバランス取りを開始し、そして制御するために使用され得ることである。流体中に蓄えられたエネルギーは、例えば車両の駆動輪や、流体を動力源とする発電機のような他の組立体に動力供給するために使用され得る。さらに、複数のOPOCフリーピストン・エンジンが、夫々がエネルギー蓄積装置に対して加圧流体を提供する状態で、並列に使用される場合がある。
【００１３】
本発明の更なる利点は、種々の圧縮比が、予混合圧縮自己着火（homogeneous charge, combustion ignition : HCCI）エンジン運転を達成するのに一層貢献するだけでなく、エンジン制御ストラテジー（strategy）が、燃焼に使用される広範囲の燃料種に適合可能となるのを許容することである。OPOCフリーピストン・エンジンは、早期着火からの負のサイクル仕事の生成を、クランクシャフトを備えたエンジンよりも容易に回避しながら、HCCI燃焼に必要とされる圧縮エネルギーを得ることができる。HCCI燃焼は、エンジンが、従来の火花点下式エンジンよりも高い出力密度を備えることを可能とする。
【００１４】
本発明の更なる利点は、OPOCエンジンがその迅速に方向転換する能力によって流体圧動力を効率的に生成することであり、速度及び出力が零の期間を最小化する。さらに、それは、各ポンプ室が燃焼室ピストン組立体の一つにのみ結合し、従って、エンジン・ストローク全体の二分の一のみを通じて作動するため、一サイクルにつき、ピストン・ストローク全体の半分の規定回転数において流体エネルギーを生成する。この、エンジン・ストロークの二分の一においてポンピングする能力は、エンジン出力密度が最大許容ポンピング速度で制限されるときに、重要な意味を持ち得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図1〜11が、対向ピストン・対向シリンダ型油圧フリーピストン・エンジン10を示す。エンジン10が、そこから伸びる第一ピストン/シリンダ組立体14及び、そこから第一ピストン/シリンダ組立体14と一列に並ぶように反対方向に伸びる第二ピストン/シリンダ組立体16とを備える、油圧ポンプブロック組立体12を含む。第一ピストン/シリンダ組立体14のタイミングが、第二ピストン/シリンダ組立体16と正反対になる。したがって、一方が上死点にあるとき、他方は下死点にある。さらに、その動きは、単一の動作軸に沿う或いは、平行である。このフリーピストン・エンジンの構成が、より本質的にバランスの取れたエンジンを可能とする。
【００１６】
加えて、後述する説明が、エンジンによって生成されたエネルギーを加圧流体の形式で蓄えるのみでなく、この加圧流体の一部を、エンジン作動の調整及びエンジン・バランスの保持の開始に、そして時には補助するために使用することを開示する。
【００１７】
第一ピストン/シリンダ組立体14は、流体ポンプブロック組立体12に取り付けられる第一シリンダ・ジャケット18を含む。第一シリンダ・ジャケット18は、流体ポンプブロック組立体12に隣接して置かれる第一排気ガス・スクロール20を含む。第一排気ガス・スクロール20の内部が、第一シリンダ・ジャケット18の円周方向に且つ、第一排気フランジ24の径方向外側に伸びる内側排気流路22を規定する。排気フランジ24は、エンジン運転中に排気ガスを取り除くための排気装置（不図示）に接続するように構成される。排気装置は、排気ガスを適切に処理して運び去る限りにおいて、如何なる所望の形式でもあり得る。例えば、それは、排気マニフォールド、マフラー、触媒コンバータ或いは、ターボチャージャー、或いはこれら及び可能性のある他の構成要素の組み合わせであり得る。
【００１８】
第一シリンダ・ジャケット18はまた、流体ポンプブロック組立体12に近接配置され、概して円周方向に伸びる冷却液通路28内に伸びる冷却液注入口26を含む。冷却液注入口26は、冷却液冷却システム（不図示）に接続し、冷却液冷却システムは、例えば、エンジン冷却液から熱を取り除くためのラジエータのような熱交換器、冷却システムを通して冷却液を圧送するためのウオーター・ポンプ、温度センサー及び、冷却液を目標温度範囲内に維持するための流量制御バルブ、若しくは、これらの構成要素間に延設された冷却液ライン、若しくは、これら及び可能性のある他の構成要素の組み合わせを含み得る。冷却システムは、エンジンから適切な量の熱を取り除く限りにおいて、如何なる形式の所望のエンジン冷却システムでもあり得る。
【００１９】
第一シリンダ・ジャケット18の、排気ガス・スクロール20からの反対側の端部において、その内部が吸気流路31を規定する吸気環30が円周方向に伸びる。吸気環30に隣接して、第一シリンダ・ジャケット18が、その中に第一燃料噴射弁34が取り付けられる燃料噴射弁用ボス32を形成する。第一燃料噴射弁34は、燃料噴射弁の開口時期及び期間を決定するための信号を供給する電子制御器35に電気的に接続される。第一燃料噴射弁34はまた、燃料システム39（概略的に開示するのみ）から燃料を供給する燃料噴射弁レール37に接続する。燃料システム39は、例えば、燃料タンク、燃料ポンプ或いは燃料レールに至る燃料ライン、又はこれら及び可能性のある構成要素の組合せを含み得る。所望の圧力の下で適切な量の燃料を燃料噴射弁34に対して供給可能な如何なる形式の燃料システムが、概して利用可能である。好ましくは、燃料噴射弁レール37はまた、制御器35に電気的に接続された燃料圧センサー41を含む。制御器35は好ましくは、バッテリー（不図示）、好ましくはエンジン10からのエネルギー出力を動力源とする発電機若しくはオルタネータ又は、他の幾つかの適切な電力供給器を備える電気システムを動力源とする。また、ここにおいて制御器35が単数形として言及されているが、それは、もし必要であれば、互いに通信する複数の電子処理装置を含み得る。
【００２０】
第一シリンダ・ジャケット18は、第一排気ガス・スクロール20と吸気環30との間の中間部の付近にその中に第一シリンダ圧力センサー38が取り付けられる圧力センサー取付ボス36を形成する。第一シリンダ圧力センサー38は、制御器35に電気的に接続されるのが好ましい。第一シリンダ圧力センサー38は、任意選択要素であり、したがって、もしそれがエンジン内で使用されなかったならば、圧力センサー取付ボス36も同様に取り除かれるであろう。燃料噴射弁ボス32及びセンサー取付ボス36の両方は、第一シリンダ・ジャケット18を通って、第一シリンダ・ジャケット18の長さ方向に伸びるメイン・ボア40に向かって伸びる。冷却液通路28、内側排気流路22及び、吸気環30が全て、メイン・ボア40内に同様に開口している。
【００２１】
第一ピストン/シリンダ組立体14はまた、第一シリンダ・ジャケット18のメイン・ボア40を通って伸び、そして好ましくはメイン・ボア40に圧入される第一シリンダ・ライナー42を含む。第一シリンダ・ライナー42は、その中を伸びて第一エンジン・シリンダ44を規定する円筒形状のメイン・ボアを含む。第一エンジン・シリンダの中心軸が、動作軸に沿うのが好ましい。第一シリンダ・ライナー42はまた、第一エンジン・シリンダ44と第一シリンダ・ジャケット18の内側排気流路22との間に伸びて接続する、円周方向に間隔を空けられた一連の排気ポート46を含む。
【００２２】
第一シリンダ・ライナー42は、排気ポート46の付近で第一シリンダ・ジャケット18内の冷却液通路28と接する。この冷却液通路28は、第一シリンダ・ライナー42から径方向外側に伸びる、間隔を空けて置かれた一連の螺旋状リブ48に接続し、そして、第一シリンダ・ジャケット18のメイン・ボア40に接して、一連のシリンダ冷却液通路50を形成する。これらのリブ48の内側において、シリンダ圧力タップボス52が、第一エンジン・シリンダ44から、第一シリンダ・ジャケット18上のセンサー取付ボス36に伸びる。これは、第一シリンダ圧力センサー38をエンジン冷却液からシールする一方で、センサー38が第一エンジン・シリンダ44に対して晒されることを可能とする。
【００２３】
燃料噴射弁ボア54は、燃料噴射弁ボス32と一列に並び、リブ48を通って第一エンジン・シリンダ44に向かって伸びる。これは、第一燃料噴射弁34に、第一エンジン・シリンダ44内に直接燃料を噴射することを可能にする。
【００２４】
第一シリンダ・ライナー42はまた、円周方向に間隔を空けて置かれ、第一シリンダ・ジャケット18の吸気環30と接し、第一シリンダ44に開口する一連の吸気ポート56を持つ。吸気ポート56に隣接して、間隔を空けて置かれた一連のオイルミスト孔58が、第一シリンダ・ライナー42の周囲に円周方向に配設される。
【００２５】
第一ピストン/シリンダ組立体14はまた、第一エア・ベルト60を含む。エア・ベルト60は、第一シリンダ・ライナー42の回りに取り付けられ、吸気環30の位置において第一シリンダ・ジャケット18と接している。オイル注入管62が、第一エア・ベルト60から突出し、そして第一エア・ベルト60を通って伸びて、オイルミスト環64に接続する。オイルミスト環64は、オイルミスト孔58の位置において第一シリンダ・ライナー42と接し、その回りを円周方向に伸びる。オイル供給システム（不図示）が、オイルをオイルミスト環64に供給するために、オイル注入管62に接続する。オイル供給システムは、例えば、オイルパン、オイルポンプ、オイルフィルタ、オイルクーラー若しくはオイルをシステム中に移動させるオイルライン又は、これら及び他の可能性のある構成要素の組み合わせを含み得る。オイル供給システムは、エンジンが作動している間にエンジンに潤滑油を適切に供給するためにエンジン構成部品と協力することが出来るような、如何なるシステムでもあり得る。
【００２６】
また、冷却液環66が、第一シリンダ・ライナー42に接し、その円周方向に伸びる。冷却液環66は、シリンダ冷却液通路50に接続し、そしてまた、第一エア・ベルト60から伸びる冷却液排出口68にも接続する。この冷却液排出口68は、上述した冷却液冷却システム（不図示）に接続する。第一エア・ベルト60はまた、一組のプルロッド通路70及び、第一シリンダ・ジャケット18の吸気環30と連通する吸気通路72を備える。
【００２７】
第一ピストン/シリンダ組立体14はまた、第一掃気ポンプ74を組み込む。掃気ポンプ74は、第一エア・ベルト60及び、第一シリンダ・ライナー42端部の周囲を組み込む掃気ポンプ筐体76を含む。掃気ポンプ筐体76は、入力室82に通じる吸気口ポート80及び排出室86に通じる排出口ポート84を備えた主ポンプ室78を持つ。主ポンプ室78は、概して楕円形の断面を持つ円筒形状である。
【００２８】
吸気口リード弁組立体88及び掃気ポンプ吸気口カバー90が、入力室82に取り付けられる。吸気口カバー90は、吸気システム（不図示）に接続する空気吸い込み口92を含むのが好ましい。吸気システムは、例えば、好ましくは何らかの形式のターボ過給機又は機械式過給機から空気を受ける吸気マニフォールド、スロットル・バルブ、質量エアフロー・センサー、大気温度センサー、或いはフィルター、或いは、これらの及び他の可能性のある構成要素の組み合わせを含み得る。吸気システムは、特定のエンジン運転状態に関して、所望の容積の空気を所望の圧力で空気吸い込み口92に供給するようなものであれば、如何なるシステムでもあり得る。
【００２９】
吸気口リード弁組立体88内のリード弁94が、空気流を吸気口カバー90から入力室82に流入するのを可能する一方で、逆方向の流れを防止するために、配置される。排出口リード弁組立体89及び、掃気ポンプ排出口カバー91が、排出室86に取り付けられる。排出口カバー91は、排出口リード弁組立体89から、第一エア・ベルト60内の吸気通路72を経て第一シリンダ・ジャケット18の吸気流路31に至る吸気通路93を含む。排出口リード弁組立体89内のリード弁95が、空気流が排出室86を出て吸気通路93に至るのを可能とする一方で、その逆方向の空気流を防止するために配置される。
【００３０】
第二ピストン/シリンダ組立体114は、流体ポンプブロック組立体12に取り付けられた第二シリンダ・ジャケット118を含む。第二シリンダ・ジャケット118は、流体ポンプブロック組立体12に近接配置された第二排気ガス・スクロール120を含む。第二排気ガス・スクロール120の内部が、第二シリンダ・ジャケット118の円周方向に且つ、第二排気フランジ124の径方向外側に伸びる内側排気流路122を規定する。排気フランジ124は、上で簡単に論じたように、排気装置（不図示）に接続するように構成される。第二シリンダ・ジャケット118はまた、流体ポンプブロック組立体12に近接配置され、概して円周方向に伸びる冷却液通路128内に伸びる冷却液注入口126を含む。冷却液注入口126は、冷却液冷却システム（不図示）に接続する。
【００３１】
第二シリンダ・ジャケット118の、排気ガス・スクロール120の反対側の端部において、その内部が吸気流路131を規定する吸気環130が円周方向に伸びる。第二シリンダ・ジャケット118は、吸気環130に隣接して、その中に第二燃料噴射弁134が取り付けられる燃料噴射弁用ボス132を形成する。第二燃料噴射弁134は、燃料噴射弁の開口時期及び期間を決定するための信号を供給する電子制御器35に電気的に接続される。第二燃料噴射弁134はまた、燃料システム39から燃料を供給する燃料噴射弁レール37に接続される。燃料システム39は、例えば、燃料タンク、燃料ポンプ及び、燃料レールに通じる燃料ラインを含み得る。燃料噴射弁レール37はまた、制御器35に電気的に接続された燃料圧力センサー141を含むのが好ましくい。
【００３２】
第二シリンダ・ジャケット118は、第二排気ガス・スクロール120と吸気環130との間の中間部の付近に、その中に第二シリンダ圧力センサー138が取り付けられる圧力センサー取付ボス136を形成する。第二シリンダ圧力センサー138は、任意的なものである。燃料噴射弁ボス132及びセンサー取付ボス136の両方は、第二シリンダ・ジャケット118を通って、第二シリンダ・ジャケット118の長さ方向に伸びるメイン・ボア140に伸びる。冷却液通路128、内側排気流路122及び、吸気環130が全て、メイン・ボア140内に同様に開口している。
【００３３】
第二ピストン/シリンダ組立体114はまた、第二シリンダ・ジャケット118のメイン・ボア140を通って伸び、そして好ましくはメイン・ボア140内に圧入される第二シリンダ・ライナー142を含む。第二シリンダ・ライナー142は、その中を伸びて第二エンジン・シリンダ144を規定する円筒形状のメイン・ボアを含む。第二エンジン・シリンダ144の中心軸は、動作軸に沿うのが好ましい。第二シリンダ・ライナー142はまた、第二エンジン・シリンダ144と第二シリンダ・ジャケット18の内側排気流路122との間に伸びて接続する、円周方向に間隔を空けられた一連の排気ポート146を含む。
【００３４】
第二シリンダ・ライナー142は、排気ポート146の付近で第二シリンダ・ジャケット118内の冷却液通路128と接する。この冷却液通路128は、第一シリンダ・ライナー142から径方向外側に伸びる、間隔を空けて置かれた一連の螺旋状リブ148に接続し、そして、第二シリンダ・ジャケット118のメイン・ボア140に接して、一連のシリンダ冷却液通路150を形成する。これらのリブ148の内部において、シリンダ圧力タップボス152が、第二エンジン・シリンダ144から、第二シリンダ・ジャケット118上のセンサー取付ボス136に伸びる。これは、第二シリンダ圧力センサー138をエンジン冷却液からシールする一方で、センサー138が第二エンジン・シリンダ144に対して晒されることを可能とする。
【００３５】
燃料噴射弁ボアが、燃料噴射弁ボス132と一列に並び、リブ148を通って第二エンジン・シリンダ144に向かって伸びる。これは、第二燃料噴射弁134に、第二エンジン・シリンダ144内に直接燃料を噴射することを可能にする。
【００３６】
第二シリンダ・ライナー142はまた、円周方向に間隔を空けて置かれ、第二シリンダ・ジャケット118の吸気環130と接し、第二シリンダ144に開口する一連の吸気ポート156を持つ。吸気ポート156に隣接して、間隔を空けて置かれた一連のオイルミスト孔158が、第二シリンダ・ライナー142の周囲に円周方向に配設される。
【００３７】
第二ピストン/シリンダ組立体14はまた、第二エア・ベルト160を含む。エア・ベルト160は、第二シリンダ・ライナー142の回りに取り付けられ、吸気環130の位置において第二シリンダ・ジャケット118と接している。オイル注入管162が、第二エア・ベルト160から突出し、第二エア・ベルト160を通って伸びて、オイルミスト環164に接続する。オイルミスト環164は、オイルミスト孔158の位置において第二シリンダ・ライナー142と接し、その回りを円周方向に伸びる。オイル供給システム（不図示）が、オイルをオイルミスト環164に供給するために、オイル注入管162に接続する。
【００３８】
また、冷却液環166が、第二シリンダ・ライナー142に接し、その円周方向に伸びる。冷却液環166は、シリンダ冷却液通路150に接続し、そしてまた、第二エア・ベルト160から伸びる冷却液排出口168にも接続する。この冷却液排出口168は、上述した冷却液冷却システム（不図示）に接続する。第二エア・ベルト160はまた、一組のプルロッド通路170及び、第二シリンダ・ジャケット118の吸気環130と連通する吸気通路172を備える。
【００３９】
第二ピストン/シリンダ組立体114はまた、第二掃気ポンプ174を組み込む。掃気ポンプ174は、第二エア・ベルト160及び、第二シリンダ・ライナー142の端部の周囲を組み込む掃気ポンプ筐体176を含む。掃気ポンプ筐体176は、入力室182に通じる吸気口ポート180及び、排出室186に通じる排出口ポート184を備えた、主ポンプ室178を持つ。主ポンプ室78は、概して楕円形の断面を持つ円筒形状である。吸気口リード弁組立体188及び掃気ポンプ吸気口カバー190が、入力室182に取り付けられる。吸気口カバー190は、好ましくはある種の過給器或いはターボ過給器（不図示）から空気を受ける吸気マニフォールド（不図示）に接続するのが好ましい吸気口192を含む。吸気口リード弁組立体188内のリード弁194が、空気流を吸気口カバー190から入力室182に流入するのを可能する一方で、逆方向の流れを防止するために配置される。
【００４０】
排出口リード弁組立体189及び掃気ポンプ排出口カバー191が、排出室186に取り付けられる。排出口カバー191は、排出口リード弁組立体189から第二エア・ベルト160内の吸気通路172を経て第二シリンダ・ジャケット118の吸気流路131に至る吸気通路193を含む。排出口リード弁組立体189内のリード弁195が、空気流が排出室186を出て吸気通路193に至るのを可能とする一方で、その逆方向の空気流を防止するために配置される。
【００４１】
二つのピストン組立体、即ち、内側ピストン組立体200及び外側ピストン組立体250が、二つのピストン/シリンダ組立体14及び16の内部に収容される。内側ピストン組立体200は、そのヘッド210が流体ポンプブロック組立体12から見て外方を向き且つ、その後部211が流体ポンプブロック組立体12に対向する状態で第一エンジン・シリンダ44内に取り付けられた第一内側ピストン202を備える。第一内側ピストン202が、その外径と第一エンジン・シリンダ44の壁との間に小さな間隙を持って、第一エンジン・シリンダ44の中に取り付けられる。そのため、第一内側ピストン202はまた、その外周回りに三つのリング溝を、第一の溝が第一圧縮リング204を受け、第二の溝が第二圧縮リング206を受け、そして第三の溝がオイル調整リング208を受ける状態で含むのが好ましい。三つのリング204、206及び208は全て、第一エンジン・シリンダ44の壁との間をシールする大きさである。
【００４２】
第一内側ピストン202はまた、ピストン202の後部211からヘッド210に向かって、概して軸方向に伸びる一連の穴212を含むのが望ましい。穴212の各々は、部分的にナトリウム化合物で満たされ、そして穴212の中にナトリウム化合物を密封するための蓋214を持つのが好ましい。
【００４３】
内側ピストン組立体200は、第二エンジン・シリンダ144内に、そのヘッド222が流体ポンプブロック組立体12から見て外方を向き且つ、その後部223が流体ポンプブロック組立体12に対向する状態で取り付けられた第二内側ピストン220を更に備える。第二内側ピストン220は、その外径と第二エンジン・シリンダ144の壁との間に小さな間隙をもった状態で、第二エンジン・シリンダ144内に取り付けられる。そのため、第二内側ピストン220はまた、その外周回りに三つのリング溝を、第一の溝が第一圧縮リング224を受け、第二の溝が第二圧縮リング226を受け、そして第三の溝がオイル調整リング228を受ける状態で、含むのが好ましい。三つのリング224、226及び228は全て、第二エンジン・シリンダ144の壁との間をシールする大きさである。
【００４４】
第二内側ピストン220はまた、ピストン220の後部223からヘッド222に向かって、概して軸方向に伸びる一連の穴230を含むのが望ましい。穴230の各々は、部分的にナトリウム化合物で満たされ、そして穴230の中にナトリウム化合物を密封するための蓋232を持つのが好ましい。
【００４５】
第一内側ピストン202は、中央に位置して軸方向に伸び、その中に締め具218を受ける穴216を含み、そして第二内側ピストン220もまた、中央に位置して軸方向に伸び、その中に締め具236を受ける穴234を含む。締め具218及び236は夫々、流体ポンプブロック組立体12を通って伸びるプッシュロッド240の端部の夫々に装着される。内側ピストン202及び220の夫々に取り付けられたプッシュロッド240は、二つのピストン202及び220を、好ましくは動作軸に沿って一体的に移動させる。プッシュロッド240はまた、内側プランジャ242を形成する径拡大領域を含む。内側プランジャ242は、二つのピストン202及び220の中ほどに位置する。内側プランジャ242の目的は、流体ポンプブロック組立体12に関連して、後述されるであろう。
【００４６】
内側ピストン組立体200はまた、第一ガイドロッド244及び、第二ガイドロッド245の夫々を、第一及び第二内側ピストン202、220の後面211、223の間を連結すべく、流体ポンプブロック組立体12を通って伸びる状態で含むのが望ましい。ガイドロッド244及び245は、エンジンの作動中、内側ピストン組立体200を回転しないようにする。また、ガイドロッド244及び245の少なくとも一つ、好ましくは両方が、エンジン作動中に内側ピストン組立体200の角度位置を判定するために使用され得る位置センサー指標を含むのが好ましい。そのような指標は、第一ガイドロッド244の回りに取り付けられる第一の銅リングの組246という形を取り得る。第二ガイドロッド245もまた、第二の銅リングの組247として指標を含むのが好ましい。その結果、第二ガイドロッド245は、第一ガイドロッド244上の位置センサーが内側ピストン組立体200の軸方向の位置を正確に読み取るのを確実にするための位置校正センサーの一部として使用され得る。
【００４７】
外側ピストン組立体250は、第一エンジン・シリンダ44内に、そのヘッド254が第一内側ピストン202のヘッド210に対向し且つ、その後部256が第一掃気ポンプの主ポンプ室78に対向する状態で取り付けられた第一外側ピストン252を持つ。第一外側ピストン252は、その外径と第一エンジン・シリンダ44の壁との間に小さな間隙をもった状態で、第一エンジン・シリンダ44内に取り付けられる。そのため、第一外側ピストン252はまた、その外周回りに三つのリング溝を、第一の溝が第一圧縮リング258を受け、第二の溝が第二圧縮リング260を受け、そして第三の溝がオイル調整リング262を受ける状態で、含むのが好ましい。三つのリング258、260及び262は全て、第一エンジン・シリンダ44の壁との間をシールする大きさである。
【００４８】
第一ピストン・ブリッジ264が、第一外側ピストン252の後部256に取り付けられる。第一ピストン・ブリッジ264は、第一外側ピストン252と共に移動し、そして、実質的に第一外側ピストン252の一部を形成する。第一ピストン・ブリッジ264は、第一掃気ポンプ74の主ポンプ室78の壁に摺動接触し且つシールする、概して楕円形状の外側部266を含む。楕円部266の小径が、第一外側ピストン252のヘッド254の直径に比べてわずかに小さく、一方で、楕円部266の大径がヘッド254の直径に比べて大幅に大きいのが好ましい。第一プルロッド・ボス268及び第二プルロッド・ボス269が、楕円部266の大径部に沿って且つ、第一外側ピストン252の外径の径方向外側に配設される。
【００４９】
ガイドポスト・ボス270が、第一ピストン・ブリッジ264の中心に配設される。第一ガイドポスト271が、第一掃気ポンプ筐体76に取付けられ、そこから伸びる。第一ガイドポスト271はまた、ガイドポスト・ボス270内を進退自在に摺動する。その結果、ガイドポスト・ボス270は、エンジン作動中、ガイドポスト271上を摺動し、第一外側ピストン252が第一エンジン・シリンダ44内を摺動するとき、第一外側ピストン252の配置を適切に保つ。
【００５０】
外側ピストン組立体250はまた、第二エンジン・シリンダ144内に、そのヘッド276が第二内側ピストン220のヘッド222に対向し且つ、その後部277が第二掃気ポンプの主ポンプ室178に対向する状態で取り付けられた第二外側ピストン275を備える。第二外側ピストン275は、その外径と第二エンジン・シリンダ144の壁との間に小さな間隙をもった状態で、第二エンジン・シリンダ144内に取り付けられる。そのため、第二内側ピストン275はまた、その外周回りに三つのリング溝を、第一の溝が第一圧縮リング278を受け、第二の溝が第二圧縮リング279を受け、そして第三の溝がオイル調整リング280を受ける状態で含むのが好ましい。三つのリング278、279及び280は全て、第二エンジン・シリンダ144の壁との間をシールする大きさである。
【００５１】
第二ピストン・ブリッジ282が、第二外側ピストン275の後部277に取り付けられる。第二ピストン・ブリッジ282は、第二掃気ポンプ174の主ポンプ室178の壁に摺動接触し且つシールする、概して楕円形状の外側部283を含む。楕円部283の小径が、第二外側ピストン275のヘッド276の直径に比べてわずかに小さく、一方で、楕円部283の大径がヘッド276の直径に比べてかなり大きいのが好ましい。第一プルロッド・ボス284及び第二プルロッド・ボス285が、楕円部283の大径部に沿って且つ、第二外側ピストン275の外径の径方向外側に配設される。
【００５２】
ガイドポスト・ボス286が、第二ピストン・ブリッジ282の中心部に配設される。第二ガイドポスト287が、第二掃気ポンプ筐体176に取付けられ、そこから伸びる。第二ガイドポスト287はまた、ガイドポスト・ボス286内を進退自在に摺動する。その結果、ガイドポスト・ボス286は、エンジン作動中、ガイドポスト287上を摺動し、第二外側ピストン275が第二エンジン・シリンダ144内を摺動するとき、第二外側ピストン275の配置を適切に保つ。
【００５３】
第二ガイドポスト287はまた、位置センサー組立体288の一部を形成する。位置センサー組立体288は、少なくとも一つの位置指標290を持ち、第二外側ピストン275に取り付けられて摺動可能なセンサー・ロッド289を含む。センサー291が、センサーロッド289の周りに取り付けられ、そして第二掃気ポンプ筐体176を通って伸び、そこにおいて電気コネクタ292がセンサー291を電子制御器35に接続する。制御器35は、センサー291からの出力を、外側ピストン組立体250の位置及び速度を判定するために使用することが出来る。
【００５４】
外側ピストン組立体250はまた、第一プルロッド293及び第二プルロッド294を含む。第一プルロッド293は、第一ピストン・ブリッジ264上の第一プルロッド・ボス268と、第二ピストン・ブリッジ282上の第一プルロッド・ボス284との間を接続する。ブリッジ264及び282が楕円形なので、第一プルロッド293は、エンジン・シリンダの作動を邪魔することなく、それらを連結させることが出来、そして、動作軸に対して平行な動きを可能とする。
【００５５】
第一プルロッド293は、第一外側プランジャ295を形成する拡大径領域を含む。第一外側プランジャ295は、第一ピストン・ブリッジ264及び第二ピストン・ブリッジ282との間の、流体ポンプブロック組立体12中間部に配設される。第一プルロッド・スリーブ272が、第一プルロッド293周りに、流体ポンプブロック組立体12と第一シリンダ・ジャケット18との間に伸び、そして第二プルロッド・スリーブ273が、第一プルロッド293周りに、流体ポンプブロック組立体12と第二シリンダ・ジャケット118との間に伸びる。プルロッド・スリーブ272及び273は、第一プルロッド293がエンジン構成部品に完全に囲まれるのを確かなものとし、その結果、混入物質が接触して第一プルロッド293の作動を妨げるのを防止する。
【００５６】
第二プルロッド294が、第一ピストン・ブリッジ264上の第二プルロッド・ボス269と、第二ピストン・ブリッジ282上の第二プルロッド・ボス285との間を接続する。第二プルロッド294が、第二外側プランジャ296を形成する拡大径部を含む。第二外側プランジャ296は、第一ピストン・ブリッジ264及び第二ピストン・ブリッジ282との間の、流体ポンプブロック組立体12中間部に配設される。第三プルロッド・スリーブ274が、第二プルロッド294周りに、流体ポンプブロック組立体12と第一シリンダ・ジャケット18との間に伸び、そして好ましくは位置検出プルロッド・スリーブ281が、第二プルロッド294周りに、流体ポンプブロック組立体12と第二シリンダ・ジャケット118との間に伸びる。プルロッド・スリーブ274及び281は、第二プルロッド294がエンジン構成部品に完全に囲まれるのを確かなものとし、その結果、混入物質が接触して第二プルロッド294の作動を妨げるのを防止する。
【００５７】
加えて、第二プルロッド294は、その上に間隔を空けて取り付けられ且つ、位置検出プルロッド・スリーブ281の内部に配設される、銅リング298を含むのが好ましい。位置検出プルロッド・スリーブ281は、銅リング298に近接して配置されたセンサー組立体297を含むのが好ましい。次にセンサー組立体297は制御器35に接続され、銅リング298の位置を検出する。その結果、制御器35はセンサー組立体29からの出力を他のセンサー291を校正するために使用可能であり、従って、外側ピストン組立体250の位置及び速度の正確な測定を確かなものとする。
【００５８】
エンジン10にとって、最適な作動特性を確かなものとするために、バランスが保たれていることが好ましい。エンジンがバランスを保たれる為には、外側ピストン組立体250、即ち、外側ピストン252及び275と一緒に動く全ての部品の全質量が、内側ピストン組立体200、即ち、内側ピストン202及び220と一緒に動く全ての部品の全質量が等しくなければならない。また、バランスがとられたエンジンにとって、プッシュロッド240の内側プランジャ242の液圧面積が、プルロッド292及び294の外側プランジャ295及び296の液圧面積の和と等しく且つ、第一外側プランジャ295の液圧面積が第二外側プランジャ296の液圧面積と等しいのが好ましい。したがって、ピストン組立体200及び250内の異なる構成部品の材質は、組立体の質量のバランスを取りつつ、適切な熱的特性及び強度特性を確かなものとするように選択される。例えば、外側ピストン252及び275はアルミニウムから作られ、そして楕円形状のブリッジ264及び282は鋼から作られる一方で、内側ピストン202及び220とプッシュロッド240は鋳鉄から作られ、プルロッド293及び294もまた鋳鉄から作られ得る。しかしながら、必要に応じて、他の適切な材質が使用されてもよい。
【００５９】
上述したように、流体ポンプブロック組立体12は、第一ピストン/シリンダ組立体14と第二ピストン/シリンダ組立体16との間に組み込まれる。それは、種々の流体ポーティング及び通路、冷却液通路そして、潤滑オイルパン及び通路がその中に形成される、好ましくは鋼から作られる、ポンプブロック302を含む。
【００６０】
ポンプブロック302は、プッシュロッド240がその中を通って伸びるプッシュロッド穴304を含む。内側プランジャ242は、プッシュロッド穴304の周りを円周方向にシールする。中央穴304の両端部もまた、プッシュロッド240に接触してシールし、一方の端部には、シールを生成するためにシールプラグ309を採用している。これらのシールは、内側プランジャ242の一方側に内側ポンプ室306を形成し、内側プランジャ242の他方側に内側連結ポンプ（coupler-pumping）室308を形成する。
【００６１】
ポンプブロック302はまた、その中を第一プルロッド293が通って伸びる第一プルロッド穴310及び、その中を第二プルロッド294が通って伸びる第二プルロッド穴312を含む。第一外側プランジャ295が、第一プルロッド穴310の周りを円周方向にシールし、第二外側プランジャ296が第二プルロッド穴312の周りを円周方向にシールする。第一プルロッド穴310は、各端部において、第一プルロッド293に接触してシールすべく形成され、一方の端部においてシールプラグ311がシールのために採用されている。プルロッド穴310は、第一プルロッド293と連携して、第一外側プランジャ295の一方側に第一外側ポンプ室314を形成し、第一外側プランジャ295の他方側に第一外側連結ポンプ室316を形成する。第二プルロッド穴312は、各端部において、第二プルロッド294に接触してシールすべく形成され、一方の端部においてシールプラグ313がシールのために使用されている。第二プルロッド穴312は、第二プルロッド294と連携して、第二外側プランジャ296の一方側に第二外側ポンプ室318を形成し、第二外側プランジャ296の他方側に第二外側連結ポンプ室320を形成する。
【００６２】
内側連結ポンプ室308及び第一外側連結ポンプ室316は、第一交差接続通路322に接続される。加えて、内側連結ポンプ室308及び第二外側連結ポンプ室320は、第二交差接続通路323に接続される。したがって、三つの連結ポンプ室308、316及び320は常時、互いに流体的に連通した状態にある。
【００６３】
制限要素326を備えた低圧通路324は、第二交差接続通路323から第一連結調整バルブ328に通じている。第一連結調整バルブ328は、流体システム329の側面の低圧容器330に接続される。それは、第二交差接続通路323から低圧容器330への流体流れを可能とする位置と、そのような流体流れを遮る位置との間で切り替えられ得る。制限要素334を備えた高圧通路332が、第一交差接続通路322から第二連結調整バルブ336に通じている。第二連結調整バルブ336は、流体システム329側面の高圧容器338に接続される。それは、第一交差接続通路322から高圧容器338への流体流れを可能とする位置と、そのような流体流れを遮る位置との間で切り替えられ得る。第一及び第二連結調整バルブ328及び336は、電子制御器35に電気的に接続され、それにより制御される。
【００６４】
共振通路340が、第二交差接続通路323と、ポンプブロック組立体302に取り付けられたヘルムホルツ共振機342との間に伸びる。  ヘルムホルツ共振機342は、流体が交差接続通路322及び323を通じて連結ポンプ室308、316及び320の間を行き来する際に生じる脈動を減衰させるべく調整される。  ヘルムホルツ共振機342は、必要に応じてエンジン10から取り除かれ得る。
【００６５】
これらの交差接続通路322及び323は、それらに接続される油圧部品と共に、内側ピストン組立体200を外側ピストン組立体250に流体的に連結させる流体回路を形成する。連結調整バルブ328及び336を閉じた状態で、連結ポンプ室308、316及び320内の容積及び、交差接続通路322及び323が、（作動油のような）本質的に非圧縮性の流体で満たされているので、この容積は一定に保たれる。また、上記の様に、プッシュロッド240の内側プランジャ242が、（直線的な移動量につき）プルロッド293及び294の夫々の各外側プランジャ295及び296の二倍の容積の流体を移動させるべく、大きさが設定されている。したがって、もし内側ピストン組立体200が右に1ミリメートル動いたならば、内側ポンプ室308から流体が移動し、外側ピストン組立体250は、二つの連結ポンプ室316及び320内の流体の量を受けるため、左に1ミリメートル移動しなければならない。これは、内側ピストン組立体200と外側ピストン組立体250が機械的に固定されていないにも係らず、それらが実質的に互いに正反対に移動することを確かなものとする。その結果、二つのピストン組立体200及び250に関する上死点及び下死点が同時に到達される。
【００６６】
第一及び第二連結調整バルブ328及び336は、シール周りの漏れが連結器内に保持される流体の容積を変える場合、連結器からの流体の一部追加或いは除去を可能とする。ピストン組立体200及び250を接続する流体システムを説明してきたが、必要に応じて、ピストン組立体200及び250が互いに反対に移動するのを確かなものとするための他の機構が使用される場合もある。
【００６７】
流体ポンプブロック組立体12はまた、ポンプブロック302の中を通って、ポンプブロック302の下側に配設されているオイルパン346に伸びる一組のオイル注入口344及び345を含む。オイルパン346は、ポンプブロック組立体12内の種々の可動部品に対し、可動部品、特に、第一及び第二内側ピストン202及び220が摺動するシリンダ壁44及び144の部分の撥ねかけ潤滑を可能とするため開かれている。オイルパン346はまた、オイルリターン排出口348を含む。オイル注入口344及び345そして、オイルリターン排出口348は、オイル供給装置（不図示）に接続される。オイルパン346はまた、エンジンの作動の間、ピストン202及び220が往復運動するときに、空気が内側ピストン202及び220の後で前後移動するのを可能とする。
【００６８】
冷却液注入口350が、ポンプブロック302の底部に取り付けられる。冷却液注入口350は、ポンプブロック内を通じて伸び、それから、ポンプブロック302の上端部に取り付けられた冷却液排出口354に接続する一連の冷却液通路352に接続する。冷却液注入口350及び冷却液排出口354は、冷却液冷却システム（不図示）に接続する。ポンプブロック302を通して流れる冷却液は、エンジン作動の間に可動部品が過熱しないことを確かなものとするだろう。
【００６９】
流体ポンプブロック組立体12はまた、ポンプブロック302の上端部に取り付けられた低圧レール356を含み、低圧レール356は、流体ラインを介して低圧容器330に接続される低圧レール・ポート358を含む。低圧レール356は、内側組360、第一外側組362及び第二外側組363の、三組の一方向低圧チェックバルブに対して開放する。内側組チェックバルブ360は、通路364を介して、内側ポンプ室306に低圧レール356から内側ポンプ室306への流体流れのみを可能とする状態で接続する。第一外側組チェックバルブ362は、通路365を介して、第一外側ポンプ室314に低圧レール356から第一外側ポンプ室314への流体流れのみを可能とする状態で接続する。第二外側組チェックバルブ363も同様に、通路366を介して、第二外側ポンプ室318に低圧レール356から第二外側ポンプ室318への流体流れのみを可能とする状態で接続する。内側組チェックバルブ360が四つの個別バルブを含み、外側組チェックバルブの各々362及び363が二つのバルブを含むが、必要に応じて、異なる数の個別バルブが使用される場合もある。ただし、内側プランジャ242が、外側プランジャ295及び296のどちらについても二倍のポンピング能力を持つので、内側組360の開口面積は、外側組の夫々362及び363の開口面積の二倍に設定されるのが好ましい。
【００７０】
高圧レール368がポンプブロック302の底部に取り付けられ、流体圧ラインを介して高圧容器338に接続される高圧レールポート369を含む。高圧レール368は、内側組370、第一外側組371及び第二外側組372の三組の一方向低圧チェックバルブに対して開放する。内側組チェックバルブ370は、通路373を介して、内側ポンプ室306に内側ポンプ室306から高圧レール368への流体流れのみを可能とする状態で接続する。第一外側組チェックバルブ371は、通路373を介して、第一外側ポンプ室314に第一外側ポンプ室314から高圧レール368への流体流れのみを可能とする状態で接続する。第二外側組チェックバルブ372は、通路375を介して、第二外側ポンプ室318に第二外側ポンプ室318から高圧レール368への流体流れのみを可能とする状態で接続する。この場合も、内側組370の開口面積は、外側組の夫々371及び372の開口面積の二倍に設定されるのが好ましい。
【００７１】
低圧レール356は、その中の圧力を検出するためにその中に取り付けられる圧力センサー376を含むのが好ましい。高圧レール368も同様に、その中の流体の圧力を検出するための圧力センサー377をその中に含むのが好ましい。圧力センサー376及び377の両方は、圧力信号を受けて処理するための電子制御器35に電気的に接続される。
【００７２】
流体始動制御バルブ379が、ポンプブロック302の上端部に、低圧レール356に近接して取り付けられる。流体始動制御バルブ379は、ここにおいて概略的にのみ示すが、好ましくは、例えばニューヨーク州イースト・オーロラ（East Aurora）のMoog社によって製造された、部品番号35-196-4000-I-4PC-2-VITを持つMoog流体制御バルブのような流体バルブである。制御バルブ379は、ポンプブロック302上に、高圧ポート380、低圧ポート381、内側ポンプ室ポート382及び外側ポンプ室ポート383の四つのポートを取り付けている。高圧ポート380は、流体通路を介して高圧レール368に接続され、そして、低圧ポート381は、流体通路を介して低圧レール356に接続される。内側ポンプ室ポート382は、第一始動/流出・流体通路384を介して、内側ポンプ室306に接続し、一方で、外側ポンプ室ポート383は、第二始動/流出・流体通路385を介して、二つの外側ポンプ室314及び318に接続する。
【００７３】
制御バルブ379は、高圧ポート380を内側ポンプ室ポート382に流体的に接続し、同時に、低圧ポート381を外側ポンプ室ポート383に接続すべく動作し得る。制御バルブ379はまた、低圧ポート381を内側ポンプ室ポート382に流体的に接続し、同時に、高圧ポート380を外側ポンプ室ポート383に接続すべく動作し得る。三番目の動作状態において、制御バルブ379は、高圧及び低圧ポート380及び381と、内側及び外側ポンプ室ポート382及び383との間の、作動流体の流れを遮断する。電子制御器35が、制御バルブ379がいずれの動作状態になるかを制御するのが好ましい。
【００７４】
流体ポンプブロック組立体12はまた、ピストン移動の終端の夫々における最大距離を設定するピストン停止具を含み得る。これらの停止具は、フリーピストン・エンジンに関し、ピストンの動きが、固定された機械的経路よりむしろ、力のバランスによって決定されることに起因して、必要とされ得る。内側ピストン組立体200用のピストン停止具は、中央穴304の各端部に即ち、ポンプブロック302及びシールプラグ309上に配設された適合停止部389を備えた状態で、プッシュロッド240の内側プランジャ242の両側に間隔を空けて置かれた複数の径方向段付部388を含むのが望ましい。段付部388の停止部389に対する相対位置は、内側ピストン組立体200の両方向への最大移動量を決定する。もし段付部388が停止部389と係合したならば、その方向へのピストンの動きは止められる。
【００７５】
外側ピストン組立体250用の停止具は、第一および第二プルロッド293及び294夫々の、外側プランジャ295及び296の両側に間隔をおいて置かれた径方向段付部を含むのが好ましい。ポンプブロック302及びシールプラグ311及び313は、内側ピストン組立体200と同様の方法で、第一および第二プルロッド穴310及び312の夫々の向かい合う端部に置かれた、適合停止部392及び393を含む。
【００７６】
代替例として、ピストン停止具は取り除かれ得る。この構成の場合、第一外側ピストン252のヘッド254に当たる第一内側ピストン202のヘッド210が、一つの方向における停止具として働き、一方で、第二外側ピストン275のヘッド276に当たる第二内側ピストン220のヘッド222がもう一方の方向における停止具として働く。これは一見、好ましくないように見えるが、ピストンヘッドが比較的広い接触面積を持ち、そして、そこにおいてピストンが停止具として作動しているシリンダ内の圧力が、衝突直前に急激に上昇するので、衝突速度は遅い。
【００７７】
流体ポンプブロック組立体12はまた、一組の位置センサーを含むのが好ましい。第一位置センサー395が、ポンプブロック302内に、第一組の銅リング246を含む第一ガイドロッド244の一部を取り囲んで取り付けられる。第二位置センサー396が、ポンプブロック302内に、第二組の銅リング247を含む第二ガイドロッド245の一部を取り囲んで取り付けられるのが好ましい。位置センサー395及び396は、電子制御器35に電気的に接続され、そして、電子制御器35に位置信号を供給する。第一位置センサー395からのセンサー情報を用いて、制御器35は内側ピストン組立体200の位置及び速度を判定できる。第二位置センサー396からの情報が、第一位置センサー395の校正に使用されるのが好ましい。
【００７８】
これから、エンジン10の作動を説明する。エンジン10はフリーピストン・エンジンなので、ピストンの動きはピストン組立体200及び250に作用する力のバランス（均衡）によって決定される。例えば、主要な力が、対向するエンジン・シリンダ44及び144のシリンダ内圧、種々の可動部品によって生成される摩擦、空気掃気、動いているピストン組立体200及び250の慣性、及び、プランジャ242、295及び296によって生成される幾らかの負荷であるのが通常である。したがって、ピストン組立体200及び250の夫々は、持続した往復ピストン運動を生成するために、適切なタイミング及び量で入力エネルギーを受けなければならない。この往復動は、燃焼プロセスのためにシリンダ44及び144の中で必要とされる圧縮を得るのに、十分なものでなければならない。特に各行程に関する移動の終わり近くで、ピストン組立体200及び250の動きを制御するための入力を使用することにより、ピストン上死点位置、つまり圧縮比が制御され得る。さらに、エンジン運転状態に基づいて燃焼を生じさせるのに必要な圧縮比を変更できるので、この圧縮比を変更する能力が、HCCI燃焼をより実現可能なものとする。力のバランスが、正確な時機に作動され且つ調整されなければならないので、電子制御器35は、効率的なエンジン作動及び持続するエンジン作動にとって重要なエンジン構成部品を監視し、そして作動させる。
【００７９】
エンジン始動に先立って、流体システム329の高圧容器338が、作動液を、例えば5,000から6,000ポンド平方インチ（pounds per square inch: PSI）であり得る比較的高圧に保持する。流体システム329の低圧容器330が、作動液を、例えば50から60PSIであり得る比較的低圧に保持する。
【００８０】
エンジン始動プロセスの開始において、電子制御器35は、高圧ポート380が内側ポンプ室ポート382に対して開放し且つ、低圧ポート381が外側ポンプ室ポート383に対して開放する第一バルブ位置と、高圧ポート380が外側ポンプ室ポート383に対して開放し且つ、低圧ポート381が内側ポンプ室ポート382に対して開放する第二バルブ位置との間を交互に入れ替わる始動制御バルブ379にエネルギーを加える。
【００８１】
制御バルブ379の第一バルブ位置において、高圧容器338からの流体が内側ポンプ室306の中に押し出され、プッシュロッド240の内側プランジャ242に、即ち、内側ピストン組立体全体に（ここに図面内で示されるものとして）右方への動きを開始させる。これは、内側連結ポンプ室308内の流体が、第一及び第二交差接続通路322及び323を通って、第一及び第二外側連結ポンプ室316及び320に押し出されることを引き起こすであろう。これは、次に、第一及び第二プルロッド293及び294の第一及び第二外側プランジャ295及び296の夫々に、即ち、外側ピストン組立体250全体に、左方（ここに図面内で示されるものとして）への移動を開始させるであろう。外側ピストン組立体250が左方に移動するとき、第一及び第二外側ポンプ室314及び318からの流体は、制御バルブ379を通って、低圧容器330内に押し出されるであろう。
【００８２】
二つのピストン組立体200及び250の対向する動きが、第一外側ピストン252及び第一内側ピストン202に、第一エンジン・シリンダ44内でそれらの下死点の方向に同時に離れる動きをさせ、一方で、第二外側ピストン275及び第二内側ピストン220は、第二エンジン・シリンダ144内でそれらの上死点の方向にお互いに向かって同時に移動するであろう。ピストン組立体200及び250の両方が、単一の直線的な動作軸に沿って、前後に移動する。単一の動作軸は、図10および11内のエンジン・シリンダ44及び144内で両側矢印によって示されるように、二つのエンジン・シリンダ44及び144の中心を通って伸びる。
【００８３】
制御バルブ379の第二バルブ位置において、高圧容器338からの流体が、第一及び第二外側ポンプ室314及び318の中に押し出され、第一及び第二プルロッド293及び294の第一及び第二外側プランジャ295及び296の夫々に、即ち、外側ピストン組立体全体に右方への動きを開始させる。これは、第一及び第二外側連結ポンプ室316及び320内の流体が、第一及び第二交差接続通路322及び323を通って、内側連結ポンプ室308に押し出されることを引き起こすであろう。これは、次に、プッシュロッド240の内側プランジャ242に、即ち、内側ピストン組立体200全体に左方への移動を開始させるであろう。内側ピストン組立体200が左方に移動するとき、内側ポンプ室306からの流体は、制御バルブ379を通って低圧容器330内に押し出されるであろう。
【００８４】
この二つのピストン組立体200及び250の対向する動きが、第一外側ピストン252及び第一内側ピストン202を、第一エンジン・シリンダ44内でそれらの上死点の方向にお互いに向かって同時に移動させ、一方で、第二外側ピストン275及び第二内側ピストン220は、第二エンジン・シリンダ144内でそれらの下死点の方向に同時にお互いから離れて移動するであろう。
【００８５】
始動制御バルブ379の三つのバルブ位置を正確に且つ迅速に切り替えることにより、ピストン組立体200及び250は、第一エンジン・シリンダ44内に圧縮を生じさせることと、第二エンジン・シリンダ144内に圧縮を生じさせることとを、選択的に切り替えさせられ得る。位置センサー288及び395を監視することにより、電子制御器35は、両方のピストン組立体200及び250の位置及び速度を判定する。位置及び速度の情報はその後、エンジン・シリンダ44及び144内に望ましい量の圧縮比を生成すべく始動制御バルブ379を切り替えるための適切なタイミングを決定するため、制御器35によって使用される。そして、この考察から、エンジン始動において始動制御バルブ379が、エンジン作動の必要に応じてピストン組立体200及び250を移動させる方法で、ピストン組立体200及び250の動きを制御することが分かる。
【００８６】
エンジン10は、エンジン・シリンダ44及び144の吸気ポート及び排気ポートを開閉するために別の如何なるバルブ装置も持たないで、2サイクルエンジンとして動作する。したがって、燃料/空気混合気の圧縮、燃焼（点火を含む）、膨張及びガス交換（吸気と排気を含む）が、ピストンの2行程の間に達成される。この配置は、エンジン10全体のサイズを最小化するだけでなく、可動部品の数を最小化する。
【００８７】
内側ピストン組立体200の動きが、内側ピストン202及び220に、夫々のエンジン・シリンダ44及び144に関する排気ポート46及び146を選択的に開閉させる。外側ピストン組立体250の動きが、外側ピストン252及び275に、夫々のエンジン・シリンダ44及び144に関する吸気ポート56及び156を選択的に開閉させ、また、ピストン・ブリッジ264及び282に吸気を充填させる。外側ピストン組立体250の動きはまた、外側ピストン252及び275に、燃料噴射弁34及び134の閉鎖と、燃料噴射弁34及び134のエンジン・シリンダ44及び144夫々に対する露出とを選択的に生じさせる。従って、始動制御バルブ379によって引き起こされる内側及び外側ピストン組立体200及び250の動きは、エンジン・シリンダ44及び144内への空気充填をもたらすのに必要とされる動きを提供し、燃料が充填空気と混合すべくシリンダ内に供給されるのを可能とし、そして燃焼が生じるのに十分な圧縮を供給する。
【００８８】
通常の作動条件における燃焼プロセスが、このエンジン10の可変圧縮比能力を非常に高い効率の燃焼形式を可能とするために利用する予混合圧縮着火（homogeneous charge, compression ignition: HCCI）形式であるのが好ましい。HCCIプロセスは、高圧縮比に起因して自動点火される均一充填混合気を使用する。すなわち、予混合された充填混合気が自動点火（あるいは、自然発火とも呼ばれる）する点まで圧縮加熱される。HCCIプロセスによって発生させられる自動点火のため、混合気全体に亘って、迅速な燃焼を確かなものとするために多数の点火点が存在し、火炎伝播が不要なので、低い等量比（化学量論的比に対する実際の燃料/空気の比の比率）が使用されるのを可能とする。これは、ピーク・シリンダ温度を低減し、より一般的な形式の内燃機関に対して窒素酸化物の形成を著しく低減させながら、改善された熱効率をもたらす。
【００８９】
さらに具体的に、通常のHCCIエンジン運転の間の、吸気、圧縮、燃焼及び排気イベントについて、第一エンジン・シリンダ44に関して記述されるであろう（第二エンジン・シリンダ14にも同様に適用可能である）。第一外側ピストン252の動きが、吸気ポート56の時期及び期間の判定と同時に吸気の充填を行い、そして第一燃料噴射弁34が第一エンジン・シリンダ44に開放される。第一外側ピストン252がその上死点に向かって移動するとき、第一掃気ポンプ74の主ポンプ室78の容積が増大し、空気が吸気口リード弁94を介して引き込まれる。
【００９０】
上死点の後、一般的には燃焼イベントの後、第一外側ピストン252の動きは、主ポンプ室78内の容積を低減し、空気の圧縮、排出口リード弁95を介しての強制的な排出、及び、吸気通路93と72そして吸気流路31への導入をもたらす。第一外側ピストン252がその下死点位置へ向かって移動を続ける時、それは吸気ポート56を露出させ、圧縮空気が吸気流路31から第一エンジン・シリンダ44に流入するのを可能とするであろう。この時、第一燃料噴射弁34もまた、第一エンジン・シリンダ44に露出される。制御器35は、第一燃料噴射弁34を駆動し、燃料を入ってくる充填空気内への噴霧を生じさせるであろう。燃料噴射弁の駆動の時機及び期間を決定するため、燃料圧センサー41のみならず、外側ピストン位置センサー291が制御器35によって使用される。
【００９１】
下死点に達した後、第一外側ピストン252は上死点位置に向かって移動する。この移動の間、第一外側ピストン252は吸気ポート56及び燃料噴射弁ボア54を第一エンジン・シリンダ44から閉鎖する。第一外側ピストン252が上死点位置に向かって移動し続ける時、充填混合気が圧縮される。ピストン252が上死点或いはその近傍にあるとき第一燃料噴射弁34は第一外側ピストン252によって覆われているので燃焼イベントに晒されることはないが、第一燃料噴射弁34が第一エンジン・シリンダ44の中に直接噴射することに留意する。
【００９２】
第一内側ピストン202の動きは、排気ポート46の第一エンジン・シリンダ44に対して開放される時機及び期間を決定する。第一内側ピストン202が上死点から離れるとき、典型的には燃焼イベントの後、ピストン202は排気ポート46を通過し、排気ガスが排気ポート46を介して流れ出るのを可能とする。排気ガスはその後、第一排気ガス・スクロール20内を流れ、そして、他の排気装置（不図示）を介して流出するだろう。下死点の後、第一内側ピストン202は上死点に向かって移動し、そして、この行程の途中で、排気ポート46を覆い、それらを効率的に閉じるだろう。この時に排気ポート46を介して流出されなかった排気ガスの幾らかは、内部排気ガス還流（exhaust gas recirculation : EGR）としてシリンダ44の中に残るだろう。第一内側ピストン202が上死点に向かって移動し続ける時、充填混合気が圧縮される。
【００９３】
第二エンジン・シリンダ144は第一エンジン・シリンダ44に対して反対方向に作動するので、第一エンジン・シリンダ44内の燃焼イベントが、第一内側ピストン202及び第一外側ピストン252を離れるように駆動させ、一方で、第二エンジン・シリンダ144内の燃焼イベントが、第一内側ピストン202及び第一外側ピストン252を互いに向かうように移動させ（第一シリンダ44内に圧縮を生じさせ）、それにより、エンジン作動サイクルを持続的に保持し続ける。それから、各燃焼イベントに先立って、その時エンジンが作動している種々の運転条件を考慮して燃料噴射を制御することにより、エンジン10の自立運転作動が保持される。燃料噴射制御は、燃焼のために必要とされる圧縮比を得るのに充分でなければならない一方で、ピストン停止具との衝突を避けなければならないピストン・ストロークの長さを調節するために使用され得る。もちろん、過渡条件、時折の無燃焼イベント、システム不均衡及び、他の因子を許容するため、始動制御バルブ379が時折、ピストンの動きを修正するため、燃料制御と組み合わせて使用され得る。これは、所定のエンジン運転状態に関して適切な圧縮比が達成されることのみならず、ピストン組立体200及び250の移動方向を変える燃焼エネルギーの無駄を避けるため、自己点火が上死点位置において若しくは、上死点位置の直後において生じることを確かなものとすることを含む。
【００９４】
通常のエンジン作動の間、燃焼イベントがピストン組立体200及び250に往復動をさせるとき、プッシュロッド240とプルロッド293及び294がプランジャ242、295及び296をそれら夫々の穴304、310及び312の中で前後に駆動する。内側ピストン組立体200が（図示されているように）右方に動くとき、内側プランジャの動きは内側組低圧チェックバルブ360を開放させ、低圧レール356からの油圧が、内側ポンプ室306内に引き込まれることを可能にする。低圧レール356を出て行く流体は、低圧容器330から補充される。低圧レール356内に保持される流体の量及び、低圧容器330が低圧レール356を補充する能力は、低圧チェックバルブの組を通る流量を保持するのに充分で無ければならない。さもなければ、キャビテーションの問題が生じる可能性がある。
【００９５】
加えて、外側ピストン組立体250が左に動くと同時に、外側プランジャ295及び296が、第一及び第二外側ポンプ室314及び318内の流体を、第一及び第二外側高圧チェックバルブ371及び372を介して高圧レール368へ圧送する。これが、流体を高圧容器338内に移動させる。それから、高圧容器338内の圧力下の流体が、他の構成要素及び装置を駆動するのみならず、エンジン作動のための貯蔵エネルギー源として利用可能である。利用可能な作動液エネルギーが作動液流の圧力レベル及び流量の関数なので、最初にエンジンの寸法を設計するとき、ピストン・ストローク、ピストン周波数及び/又は作動液プランジャの寸法を決めるにあたって、目標のエンジン出力を使用することが出来る。ピストン振動数に関して、一般的に、移動するピストン組立体の質量が大きくなるほど、エンジンの最適な動作周波数が小さくなる。
【００９６】
内側ピストン組立体200を右方に移動させるエンジン・ストロークの間、内側プランジャ242が、内側連結ポンプ室306からの流体を、二つの外側連結ポンプ室316及び320に対して圧送する。上述したように、これは、二つのピストン組立体200及び250に、互いに対向する動きを保持させる。もし、位置センサー288及び395が、二つのピストン組立体200及び250が中心からドリフトしたことを検出したならば、連結調整バルブ328及び336の一方が、オフセットを修正すべく駆動され得る。
【００９７】
次のエンジン・ストロークの間、内側ピストン組立体200が左方に移動するとき、内側プランジャ242によって生成される流体圧が、内側高圧チェックバルブ370を開き、流体を高圧レール368そして高圧容器338に至るまで、強制的に流す。外側ピストン組立体250は同時に右方に移動し、外側プランジャ295及び296が、第一及び第二の外側組低圧チェックバルブ362及び363を介して、流体が低圧レール356から引き出されるようにする。このエンジン・ストロークの間、外側プランジャ295及び296はまた、流体を外側連結ポンプ室316及び320から内側連結ポンプ室306に圧送する。
【００９８】
その結果、内側ピストン組立体200及び外側ピストン組立体250がいつも互いに反対側に移動する、つまり、それにより内側プランジャ242が二つの外側プランジャ295及び296に対していつも反対に移動するので、各エンジン・ストロークが、内側プランジャ242もしくは外側プランジャ295及び296のいずれかにのみ、高圧容器388への流体圧送を供給する。夫々の場合における対向するストローク方向が、流体を連結システム中に圧送すべく動作するだろう。一方で、もし、内側プランジャ242と外側プランジャ295及び296との両方に関して両方向で高圧容器内へのポンピング作用を得ることが望ましいならば、異なる形式の連結システムが使用されるべきである。
【００９９】
もちろん、エンジンの内部にあるこのサブシステムの作動に加えて、エンジン10の作動を維持するため、必要に応じて外部システムもエンジン作動の間、機能するであろう。したがって、必要に応じて、エンジン構成要素が過熱しないことを確かなものとするために、冷却システムが冷却液を冷却液通路28、50、66、128、150、166及び352を介して圧送されるであろう。また、燃料システム39が燃料を蓄積し、そして所望の圧力において燃料噴射弁34及び134に燃料を供給するであろう。電気システムが制御器35、センサー及び、作動の為に電力を必要とする他の構成部品に電力を供給するであろう。オイル供給システムが、必要に応じて、特定の構成要素に潤滑を提供するための潤滑油をエンジンに供給するであろう。そして、吸気システムがエンジン作動の間、必要に応じて、空気吸い込み口92及び192に空気を供給するであろう。
【０１００】
図12は、本発明の代替実施形態を示す。この実施形態において、エンジン408は、シリンダ・ジャケット410が、点火栓414がその中に取り付けられる点火栓取付ボス412を含む点を除き、第一実施形態と基本的に同じである。シリンダ・ライナ（この図においては不図示）が、点火栓取付ボス412と一列に並べられた通路を含み、そのようにして点火栓414がシリンダ内に突出するのを可能とする。点火栓414は、複数のピストン間のシリンダの大体中間部に、圧力センサー38から円周方向に間隔を空けて配設されるのが好ましい。点火栓414の突出端部が、好ましくは制御器35（この図では不図示）によって制御される電気点火システム（不図示）に接続される。この実施形態に関し、対向するシリンダの両方が、直前に説明したそのような点火栓配置を含むのが好ましい。
【０１０１】
エンジン408は第一実施形態のエンジンと同様の方法で作動する。点火栓414の追加が、多少のコストとエンジンの複雑性を追加するが、それらは、エンジン408の始動及び作動における幾つかの柔軟性を可能とする。エンジン始動の間、シリンダ内の圧縮比がHCCI燃焼に未だ十分でない場合、燃焼イベントを発生させるために各シリンダの上死点或いはその近傍において点火栓414が駆動され得る。その後、通常のエンジン作動の間、エンジン408はHCCI燃焼で作動し得る。加えて、もし、通常のHCCIエンジン作動の間に、燃焼イベントが生じなかった場合、シリンダ内の未燃燃料の蓄積を避け、そして未燃燃料が排気システムの中に押し込まれるのを避けるための、遅延型燃焼イベントを引き起こすために、点火が使用され得る。または、もしこのエンジンの作動においてHCCI燃焼が要求されないならば、エンジン408は、全ての燃焼イベントの間、火花点火を使用する通常作動条件の下で作動されるであろう。
【０１０２】
図13は、本発明の別の代替実施形態を示す。この実施形態は図12に示す代替実施形態と同様のエンジン418であるが、点火栓ではなくグロー・プラグ（概略的に示す）の使用を示す。シリンダ・ジャケット422が、その中にグロー・プラグ420が取り付けられるグロー・プラグボス424を含む。グロー・プラグ420は穴426を通って、エンジン・シリンダ430に晒されるように、シリンダ・ライナー428内に伸びる。この場合も、グロー・プラグは、複数のピストン間のシリンダの大体中間部に、圧力センサー38から円周方向に間隔を空けて配設され、その突出端部が、好ましくは制御器35（この図では不図示）によって制御される電気点火システム（不図示）に接続される。その作動は、図12に関して説明したのと同様であり、ここでは更なる検討は行わない。
【０１０３】
エネルギー蓄積媒体及び制御バルブのために使用される流体は、作動油として説明されてきたが、必要に応じて、他の適切な流体も使用され得る。例えば、容器の代わりに気体圧縮流体エネルギー蓄積システムが有れば、流体は気体であり得る。流体は、液体或いは気体の状態であり得る冷媒の場合がある。これら両方の例において、流体はもはや（該して非圧縮性である）液体ではないので、二つのピストン組立体の対向する動きを確かなものとするために使用される連結システムも、変わるであろう。しかしながら、OPOCフリーピストン・エンジン構成、特に、HCCI燃焼は、流体エネルギー蓄積媒体に蓄積されるエネルギーを生成するために、依然として使用され得る。
【０１０４】
本発明の特定の実施形態が詳細に説明されてきたが、本発明が関連する技術の当業者は、特許請求の範囲によって規定される本発明を実施するための種々の代替設計及び実施形態を認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に従った、流体制御及び出力を備えた対向ピストン・対向シリンダ型フリーピストン・エンジンの斜視図である。
【図２】図１のエンジンの端面図である。
【図３Ａ】図１のエンジンの上面図である。
【図３Ｂ】図１のエンジンの底面図である。
【図４Ａ】図１のエンジンの側面図である。
【図４Ｂ】図１のエンジンの側面図である。
【図５Ａ】図３Ａの5A-5A線に沿ったエンジンの断面図である。
【図５Ｂ】図３Ｂの5B-5B線に沿ったエンジンの断面図である。
【図６Ａ】図４Ａの6A-6A線に沿ったエンジンの断面図である。
【図６Ｂ】図４Ｂの6B-6B線に沿ったエンジンの断面図である。
【図７】図１のエンジンの一部の斜視図であり、さらに具体的には、流体ポンプブロック組立体及び、内側ピストン組立体の上面斜視図である。
【図８】図７と同様の斜視図であるが、流体ポンプブロック組立体及び、内側ピストン組立体の底面を見る図である。
【図９】図１のエンジンのシリンダ・ライナーの斜視図である。
【図１０】図１のエンジンの流体回路の概略図である。
【図１１】図１のエンジンと共に使用される電気回路の一部の概略図である。
【図１２】図１のエンジンの一部の斜視図であるが、代替実施形態を示す。
【図１３】図１のエンジンの一部の断面図であるが、別の代替実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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