(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由ピストン内燃機関（１０）であって、
燃焼シリンダ（１６）、第２のシリンダ（１８）、および、前記第２のシリンダ（１８）と連通して配置され、前記第２のシリンダ（１８）に加圧された流体を送るための流体ポート（５０）を含むハウジング（１２）と、
上死点位置と下死点位置との間で移動可能である前記ハウジング（１２）内のピストン（１４）であって、前記燃焼シリンダ（１６）内に往復運動するように配置されたピストンヘッド（３２）と、前記第２のシリンダ（１８）内に往復運動するように配置された第２のヘッド（４４）と、前記ピストンヘッド（３２）に取り付けられた第１の端部と前記第２のヘッド（４４）に取り付けられた第２の端部とを有するプランジャロッド（３４）と、前記プランジャロッド（３４）および前記第２のヘッド（４４）のうち少なくとも一つに取り付けられて前記プランジャロッド（３４）に近接する流れインピンジメント装置（６０）であって、前記上死点位置に向かう前記ピストンの運動時に前記ピストン（１４）を回転させる複数の羽根（６２）を含む流れインピンジメント装置（６０）とを含むピストン（１４）と、
を具備することを特徴とする自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項２】
前記第２のシリンダ（１８）は、圧縮シリンダ（１８）からなり、前記第２のヘッド（４４）は、圧縮ヘッド（４４）からなり、圧縮シリンダ（１８）内の圧縮ヘッド（４４）は、圧縮行程中、上死点位置に向かって前記ピストン（１４）を移動させることを特徴とする、請求項１に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項３】
前記圧縮ヘッド（４４）が前記上死点近くにあるとき、前記圧縮ヘッド（４４）と前記圧縮シリンダ（１８）との間に半径方向クリアランスが存在し、該半径方向クリアランスは、圧縮行程中に前記圧縮ヘッド（４４）を通過する流体の流れを可能にすることを特徴とする請求項２に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項４】
前記複数の羽根（６２）は、半径方向に延びる複数の羽根（６２）からなることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項５】
前記半径方向に延びる複数の羽根（６２）は、前記第２のヘッド（４４）の端面に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項６】
前記プランジャロッド（３４）は、長手方向軸（６４）を有し、前記羽根（６２）は、前記長手方向軸（６４）に対して鋭角に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項７】
前記複数の羽根（６２）は、線状および曲線状のプロファイルのうちの一つを有することを特徴とする請求項４に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項８】
前記複数の羽根（６２）は、曲線状のプロファイルを有することを特徴とする請求項７に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項９】
前記ハウジング（１２）は、液圧シリンダ（２０）をさらに含み、前記ピストン（１４）は、前記液圧シリンダ（２０）内に往復運動するように配置されたプランジャヘッド（３６）をさらに含み、前記第２のヘッド（４４）は、前記ピストンヘッド（３２）と前記プランジャヘッド（３６）との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項１０】
自由ピストン内燃機関（１０）であって、
燃焼シリンダ（１６）と圧縮シリンダ（１８）とを含むハウジング（１２）と、
前記燃焼シリンダ（１６）内に往復運動するように配置されたピストンヘッド（３２）と、前記第２のシリンダ（１８）内に往復運動するように配置された第２のヘッド（４４）と、前記ピストンヘッド（３２）に取り付けられた第１の端部および前記第２のヘッド（４４）に取り付けられた第２の端部を備え、長手方向軸（６４）を有するプランジャロッド（３４）と、前記プランジャロッド（３４）および前記第２のヘッド（４４）のそれぞれに取り付けられた半径方向に延びる複数の羽根（６２）であって、前記ピストンヘッド（３２）に向けられる前記長手方向軸（６４）に対して鋭角に配置されている複数の羽根（６２）とを含むピストン（１４）と、
を具備することを特徴とする自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項１１】
前記複数の羽根（６２）は、線状および曲線状のプロファイルのうちの一つを有することを特徴とする請求項１０に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項１２】
前記複数の羽根（６２）は、曲線状のプロファイルを有することを特徴とする請求項１１に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【請求項１３】
前記ハウジング（１２）は、液圧シリンダ（２０）をさらに含み、前記ピストン（１４）は、前記液圧シリンダ（２０）内に往復運動するように配置されたプランジャヘッド（３６）をさらに含み、前記第２のヘッド（４４）は、前記ピストンヘッド（３２）と前記プランジャヘッド（３６）との間に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の自由ピストン内燃機関（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、自由ピストン内燃機関に関し、より詳しくは、そのような機関内のピストンおよびシリンダ構成に関する。
【０００２】
（背景技術）
自由ピストン内燃機関は、対応する燃焼シリンダ内に往復運動するように配置された１つ以上のピストンを含む。但し、それらのピストンは、クランク軸を使用して相互接続されていない。むしろ、各ピストンは、一般的には、ある種の仕事出力を提供するために使用されるプランジャロッドと固く連結されている。例えば、プランジャロッドは、電流を誘導することによる電気的パワー出力、または空気圧あるいは液圧パワー出力などの流体パワー出力を提供するために使用されても良い。液圧出力を伴う自由ピストンエンジンにおいては、プランジャは、特定の用途に使用され得る作動液をポンプ供給するために使用されている。一般的には、燃焼シリンダを画成するハウジングが、プランジャが内部に配置される液圧シリンダ、および燃焼シリンダと液圧シリンダとの間の中間圧縮シリンダをも画成する。燃焼シリンダは、最大内径を有し、圧縮シリンダは、燃焼シリンダよりも小さい内径を有し、さらに液圧シリンダは、圧縮シリンダよりもさらに小さい内径を有する。ピストンヘッドとプランジャヘッドとの間の位置でプランジャに取り付けられ、それによって運ばれる圧縮ヘッドは、圧縮シリンダの内径よりも僅かに小さい外径を有する。液圧シリンダと流体接続されている高圧液圧アキュムレータは、自由ピストンエンジンの動作中にプランジャの往復運動を通じて加圧される。補助液圧アキュムレータは、圧縮シリンダ内のエリアと選択的に相互接続されて比較的高い軸方向の圧力を圧縮ヘッドに対して加え、それによってピストンヘッドを上死点（ＴＤＣ）位置に向かって移動させる。
【０００３】
従来式の自由ピストンエンジンでは、各ピストンは、対応する燃焼シリンダ内で往復運動するように配置されているが、燃焼シリンダ内では回転しない。ピストンがＴＤＣ位置から下死点（ＢＤＣ）位置に向かって移動すると、ピストンヘッドは排気口を越えて開口させて燃焼チャンバ内の燃焼生成物をそこから流出させる。ピストンヘッドは、燃焼シリンダ内で回転しないので、ピストンヘッドの同じ部分が、引き続きその排気口に近接して配置される。排気口に近接したピストンヘッドの部分は、ピストンヘッドの他の部分と比べて（例えば、掃気チャネルに関する燃焼エリア入口に近接したピストンヘッドの部分と比べて）より高温となることが分かった。ピストンヘッドのこれらの温度勾配や歪みは、時間の経過と共にピストンヘッドの熱疲労を起こし、ピストンヘッドの耐用寿命を短縮させてしまうことになる。
【０００４】
本発明は、上述の１つ以上の問題を克服することに向けられている。
【０００５】
（発明の開示）
本発明の１つの形態において、自由ピストン内燃機関は、燃焼シリンダ、第２のシリンダ、および加圧された流体を第２のシリンダへ送るための第２のシリンダと連通して配置された流体ポートを備えたハウジングを含む。ハウジング内のピストンは、上死点位置と下死点位置との間で移動可能である。ピストンは、燃焼シリンダ内に往復運動するように配置されたピストンヘッド、第２のシリンダ内に往復運動するように配置された第２のヘッド、およびピストンヘッドに取り付けられた第１の端部および第２のヘッドに取り付けられた第２の端部を備えたプランジャロッドを含む。流れインピンジメント装置は、プランジャロッドに近接して位置決めされ、プランジャロッドおよび／または第２のヘッドに取り付けられている。流れインピンジメント装置は、上死点位置へ向かう運動時にピストンを回転させる複数の羽根を含む。
【０００６】
本発明の他の形態において、自由ピストン内燃機関は、燃焼シリンダと第２のシリンダとを備えたハウジングを含む。ピストンは、燃焼シリンダ内に往復運動するように配置されたピストンヘッド、第２シリンダ内に往復運動するように配置された第２のヘッド、ピストンヘッドに取り付けられた第１の端部、第２のヘッドに取り付けられた第２の端部、および長手方向軸を有するプランジャロッド、およびプランジャロッドと第２のヘッドとに取り付けられた半径方向に延びる複数の羽根を含む。半径方向に延びる羽根は、ピストンヘッドに向けられ、長手方向軸に対して鋭角に配置されている。
【０００７】
（発明を実施するための最良の形態）
さて、図面を参照するに、より詳細には図１を参照するに、ハウジング１２およびピストン１４を含む自由ピストン内燃機関１０の一部の実施形態が概略側部断面図で示されている。
【０００８】
ハウジング１２は、一般に、燃焼シリンダ１６、圧縮シリンダ１８および液圧シリンダ２０を含む。ハウジング１２はまた、燃焼シリンダ１６内の燃焼チャンバ２８と連通して配置されている燃焼空気入口２２、空気掃気チャネル２４、および排気口２６を含む。燃焼空気は、ピストン１４がＢＤＣ位置またはそれに接近すると、燃焼空気入口２２および空気掃気チャネル２４を経て燃焼チャンバ２８内に運ばれる。選ばれた等級のディーゼル燃料のような適切な燃料が、ピストン１４がＴＤＣ位置に向かって移動するとき、概略的に示され参照番号３０が付された制御可能な燃料噴射器システムを使用して、燃焼チャンバ２８内に噴射される。ＢＤＣ位置とＴＤＣ位置との間のピストン１４の行程長は、固定であっても可変であっても良い。
【０００９】
ピストン１４は、燃焼シリンダ２８内で往復運動するように配置され、一般に、プランジャロッド３４に取り付けられたピストンヘッド３２を含む。プランジャヘッド３６は、ピストンヘッド３２の一般に反対側の端部においてプランジャロッド３４の小径部３８に取り付けられている。液圧シリンダ２０は、ハウジング１２内の入口ポート４０および出口ポート４２の各々と連通するように配置されている。液圧シリンダ２０内のプランジャヘッド３６の往復運動は、ピストン１４の圧縮行程で、低圧液圧アキュムレータ（図示せず）のような、作動流体源から入口ポート４０を通して液圧シリンダ２０内に作動液を引き込ませ、ピストン１４の戻り行程で高圧液圧アキュムレータ（図示せず）に出口ポート４２から加圧された作動液を放出させる。
【００１０】
圧縮ヘッド４４は、ピストンヘッド３２とプランジャヘッド３６との間に配置され、プランジャロッド３４の小径部３８を大径部４６と相互接続している。ＢＤＣ位置とＴＤＣ位置との間、および、その逆のピストンヘッド３２の往復運動は、圧縮シリンダ１８内の圧縮ヘッド４４に対応する往復運動を起こさせる。圧縮ヘッド４４は、圧縮ヘッド４４と圧縮シリンダ１８の内側表面との間を効果的に密閉し且つ摩擦を低減する複数の連続的に隣接したランドおよびバレー４８を含む。圧縮シリンダ１８は、一般にその両端の流体ポート５０、５２と連通して配置される。流体ポート５０に近接した圧縮ヘッド４４側の圧縮シリンダ１８内に送られる加圧された流体は、圧縮行程中にＴＤＣ位置に向かってピストン１４を移動させる。逆に、初期始動時またはミスファイヤの発生時にピストン１４の戻り行程を行うために、加圧された流体を、流体ポート５２を通して大径部４６を包囲する環状空間５４において圧縮シリンダ１８内へ送るようにしても良い。
【００１１】
燃焼シリンダ１６は、プランジャロッド３４の大径部４６を包囲する少なくとも１つの環状ベアリング／シール５６を使用して圧縮シリンダ１８から分離されている。ベアリング／シール５６は、それを通る大径部４６の摺動運動を許容し、しかも同時に大径部４６を半径方向に支持している。同様に、圧縮シリンダ１８は、環状ベアリング／シール（図示せず）を使用して液圧シリンダ２０から分離されており、ベアリング／シールは、プランジャロッド３４の小径部３８の摺動運動を許容し、しかも同時に小径部３８を半径方向に支持している。
【００１２】
本発明の形態によれば、ピストン１４には、圧縮行程中にピストン１４がＢＤＣからＴＤＣ位置に移動するとき、図２で最良に示されているように、圧縮シリンダ１８内の流体が流れインピンジメント装置６０に衝突する、流れインピンジメント装置６０が備えられている。流れインピンジメント装置６０に衝突する圧縮シリンダ１８内の流体（矢印６６で示されるように）は、ピストン１４の圧縮行程中にピストン１４を回転させる（参照符号６１の矢印で示されるように）。
【００１３】
特に、流れインピンジメント装置６０は、圧縮ヘッド４４よりも大きい直径を有し、ピストンヘッド３２に向けられ、プランジャロッド３４の大径部４６に近接する半径方向に延びる複数の羽根６２を含む。羽根６２は、圧縮ヘッド４４に向かって延びていない、すなわち面していない。むしろ、圧縮ヘッド４４に近接する流れインピンジメント装置６０の部分は、ピストン１４が戻り行程中にＴＤＣ位置からＢＤＣ位置まで移動するとき圧縮シリンダ１８内の流体が流れインピンジメント装置６０を過ぎて単に流れることができるようにする平滑表面で略環状に成形されている。したがって、ピストン１４の回転は、ピストン１４の圧縮行程中にしか起こらない。これによって、ピストン１４の回転がピストン１４の連続サイクル中に増す、または段階化することができ、それによって、確実にピストンヘッド３２の異なる部分が排気口２６を通って排出する高温排気ガスに暴露されるようになる。
【００１４】
羽根６２の正確な枚数や形態は、自由ピストンエンジン１０の特定用途により変化させることができる。示された実施形態において、流れインピンジメント装置６０は、プランジャロッド３４の長手方向軸６４に対して鋭角に配置される曲線状縁部と実質的に同じように構成されている４枚の羽根６２を含む（図４）。羽根６２は、長手方向軸６４から半径方向に延びているが、長手方向軸６４から僅かにオフセットされている（図４）。他の実施形態において、羽根６２は、長手方向軸６４に対して異なる角度で配置されても良く、線状プロファイルを有しても良く、および／またはプランジャロッド３４の長手方向軸６４と整列しても良い。さらに、羽根６２は、互いに同じように構成され、または異なるように構成されても良い。羽根６２の具体的な形態は、各ピストン振動を有するピストン１４の回転の程度に影響を及ぼし、特定の用途に応じて変更しても良いことが理解されよう。
【００１５】
示された実施形態において、流れインピンジメント装置６０は、圧縮ヘッド４４と大径部４６とのそれぞれと一体的に構成される。つまり、流れインピンジメント装置６０は、圧縮ヘッド４４と大径部４６とのそれぞれで一体的に形成される。但し、流れインピンジメント装置６０が圧縮ヘッド４４または大径部４６とのみ接続されるようにそれを構成することも可能である。流れインピンジメント装置６０の他の構成も可能である。
【００１６】
（産業上の利用可能性）
動作中、ピストン１４は、燃焼シリンダ１６内に往復運動するように配置され、圧縮行程中にＢＤＣ位置とＴＤＣ位置との間、および戻り行程中にＴＤＣ位置とＢＤＣ位置との間を移動する。ＢＤＣ位置の実際の位置は、サイクル毎に異なっても良い。燃焼空気は、燃焼空気入口２２と空気掃気チャネル２４を通して燃焼チャンバ２８内に導入される。燃料は、燃料噴射器３０を使用して燃焼チャンバ２８内に制御可能に噴射される。ピストン１４がＢＤＣ位置にある、またはそれに接近するとき、加圧された流体のパルスは、流体ポート５０を通して、プランジャロッド３４の小径部３８に取り付けられている圧縮ヘッド４４の端部に近接した圧縮シリンダ１８内に送られる。加圧された流体は、プランジャロッド３４の小径部３８を包囲する圧縮シリンダ１８の部分を満たし、圧縮行程中にピストン１４をＴＤＣ位置に向かって移動させる。ピストン１４がＢＤＣ位置、またはその近くにあるとき（図１）、圧縮ヘッド４４は、圧縮シリンダ１８の内径を実質的に密封し、それによって、流体ポート５０を通して律動的に送られた高圧流体がピストン１４をＴＤＣ位置に向かって移動させる。ピストン１４がＢＤＣ位置から離れる方向に移動するとき、圧縮ヘッド４４はもはや圧縮シリンダ１８の内径と密封接触していない（図２）。半径方向クリアランスは、流れインピンジメント装置６０と圧縮シリンダ１８の内径との間に存在する。この半径方向クリアランスは、圧縮行程中に流れインピンジメント装置６０を通過する圧縮シリンダ１８内の流体の流れを可能にする。ピストン１８がＴＤＣ位置に向かって移動すると、圧縮シリンダ１８内の流体の運動量の変化が、羽根６２に衝突し、流れインピンジメント装置６２を過ぎて流れ、羽根６２と長手方向軸６４との間でなす鋭角の関係の結果、ピストン１４に回転力を与える。ピストン１４に与えられる回転力は、圧縮行程中にピストン１４を少し回転させる。
【００１７】
ピストン１４がＴＤＣ位置にある、またはそれに接近するとき（図３）、圧縮を経て燃焼が、燃焼チャンバ２８内で起こり、ピストン１４が戻り行程中にＢＤＣ位置に向かって戻るように移動する。ピストン１４がＢＤＣ位置に向かって移動すると、圧縮シリンダ１８内の流体が、圧縮ヘッド４４に近接した流れインピンジメント装置６０の湾曲環状部分の上に沿って流れる。従って、羽根６２は、ピストン１４が戻り行程中にＢＤＣ位置に向かって移動するとき圧縮シリンダ１８内の流体流からある程度保護される。流体は、単に流れインピンジメント装置６０の上に沿って実質的に流れ、羽根６２に直に衝突しないので、ピストン１４は戻り行程中に回転しない。これは、自由ピストン機関１０の連続サイクル中に確実に増すようにピストン１４が回転するようにする。
【００１８】
本発明は、排気口２６に近接するピストンヘッド３２の部分の熱疲労を防ぐために使用中にピストン１４を回転させる。回転するピストン１４は、ピストンヘッド３２と燃焼シリンダ壁１６との間の不均一な摩耗を抑制する。ピストン１４は、システムに付加的な動力入力を要求することなく回転される。ピストン１４は、増すように回転し、確実にピストンヘッド３２の異なる部分が、排気口２６を通って流れる高温ガスに暴露されるようにする。
【００１９】
この発明の他の形態、目的および利点は、図面、明細書および添付した請求の範囲の検討によって得られることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ピストンが下死点位置にある状態の本発明の自由ピストン内燃機関の一部の概略側部断面図である。
【図２】  ピストンが下死点位置と上死点位置との間にある状態の、図１の自由ピストン内燃機関の概略側部断面図である。
【図３】  ピストンが上死点位置にある状態の、図１および２の自由ピストン内燃機関の概略側部断面図である。
【図４】  図１における２−２線についての断面図である。
【図１】
0004557480.tif 000002
【図２】
0004557480.tif 000003
【図３】
0004557480.tif 000004
【図４】
0004557480.tif 000005