JPH0263093B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は自由ピストン式内燃機関、特にリニ
ア同期発電機をもつ発電機の運転に用いられる機
関の改良に関する。

連結桿及びクランクを有する内燃機関は、特に
発電機の運転に用いられるとき、低効率で有害ガ
スを発生することに関して満足すべきものではな
い。ガスタービンを代替使用するのは、極めて高
い出力の場合のみに限定されるのは、このような
タービンが高価であることと、これらのタービン
が技術上の諸問題を生ずる故である。中出力のた
めには所謂自由ピストン式機関が提案された。こ
れらの機関においては、リンク機構によつて発生
される抵抗作用が無いから、燃焼が始まつた直後
においてピストン移動の遅れを生じさせるのは、
可動部品の慣性であり、これによつてシリンダ室
内の気化、混合及び燃焼のための十分な時間を保
証し、同時にリンク機構によつて妨害される代り
に、この行程中に発生される高い圧力に対応する
推力が運動エネルギの形で可動部品に蓄積され、
かつサイクル中に利用される。ゆえに、これらの
機関において、リンク機構を無くすことにより得
られる構造の簡易化、及び機械的損失の減少に加
えて、エネルギの変換に極めて有利な状態を生ぜ
しめ、これによつて効率の増大および熱損失、排
出ガス温度および該ガス中に含まれる特に窒素酸
化物などの汚染物質の減少が得られる。

しかし、自由ピストン式機関はそれらの回転中
に従来から未だ完全には解決し得なかつた重要な
問題点を生ぜしめており、これらの問題点のうち
最も重要なものは、圧縮行程を実施するためのエ
ネルギの供給、種々のピストンの運動の同期性を
得ること、およびこれらピストンの移動距離の制
限であり、普通の機関では、これらの問題はフラ
イホイールを具備する駆動軸に結合されたリンク
機構の配設によつて解決されるが、自由ピストン
機関ではこれに相当するものを持たない。

圧縮行程を実施するためにピストンの動きに抵
抗する液圧ばねを用いることが提案されたが、こ
のばねは構造が複雑であり、さらに効率の低下を
伴い液体の損失を招く欠点をもち、この問題は正
常運転時に関しては対向シリンダの配置を改める
ことによつて解決されたが、燃焼を起さない場合
は、他の手段と組合わせなければこの解決方法は
無効になり、この他の手段とは従来から用いられ
ている歯車装置やリンク機構である。リンク機構
又は歯車装置を用いない解決方法においては、ピ
ストンの移動距離を予め定めた値に制限するこ
と、又は複数のユニツトを含む機関におけるピス
トンの同期運動を保証することに関して、未だ解
決方法が見出されていない。

この発明の目的はリニア交流発電機と結合可能
な自由ピストン式機関を提供するにあり、この機
関は発生した機械的エネルギを伝達するのにリン
ク機構及び歯車装置を全く使用せず、不良燃焼状
態においても圧縮行程を遂行し、精密に予め定め
た制限内でピストンの移動を行い複数のユニツト
をもつ機関の場合は容易にそれらの同期運動を得
ることができる。

この発明の要旨は、両端に２つの対向シリンダ
内で作動する１対のピストンを、またその中間位
置にリニア交流発電機又は他の使用装置の可動要
素を含む少くとも１つのユニツトのピストン棒に
剛接されたタペツトと係合され、かつモータによ
つて作動される少くとも１つのカムを使用する構
成にある。

この構成により、ユニツトのピストン棒、従つ
て関連ピストンは、モータによつて作動されるカ
ムによつて予め定められた運動法則に従つて制限
範囲内で移動する。カムの形状を適切に設計し、
かつその作動速度を適切に調節することによつ
て、正常運転中にカムによつて与えられる運動
は、自由ピストンユニツトの運動と一致するか
ら、カムすなわちモータと、タペツトすなわち自
由ピストン機関との間にはなんらのエネルギ移送
も行われない。しかしカムが設けられているか
ら、なんらかの異常運転が起つた場合は、自由ピ
ストンが予め定めた移動距離の制限を越えること
を防止し、かつ燃焼が偶発的に停止した場合に、
カムがタペツトを介してユニツトのピストン棒を
引張つて圧縮行程を遂行させる。そのうえ、複数
のユニツトから成る機関の場合、種々のユニツト
の完全な同期運動を得るためには、関連するカム
間に同期性を提供すれば十分である。

ピストンの有効な運動をつくり、かつ液圧ばね
のような他の部材と同様にリンク機構および歯車
伝動装置を省略するために、この発明による自由
ピストン機関は、従来の往復運動機関の効率より
もはるかに高い効率、さらには同等出力のタービ
ンの効率よりも幾分高い総効率を提供し、さらに
潤滑油の消費量が大いに節約され、かつ自由ピス
トン機関の低汚染特性が最も有効な方法で利用で
きる。最後にモータを具備するカムは、現在自由
ピストン機関用として知られている圧縮空気シス
テム又はリニア交流電機をモータとして一時的に
利用するシステムの代替手段として適当と思われ
れば機関の始動に用いることもできる。

この発明はまた本書に規定された型式の機関用
の特有の装置、特に可動部品の重量に起因して、
大型機関のシリンダ壁に作用する荷重を無くすた
めの磁気式支持装置に関し、さらに粉炭又は他の
固形燃料を供給される機関を正常に運転させる装
置に関する。

この発明の装置の上記及び他の特徴並びに利点
は、それらに限定するものではないこの発明の実
施例を用い図面を参照しての以下の説明から明ら
かになるであろう。

第１図に示すユニツトは、ピストン３，４を内
部に装備した２つの対向シリンダ１，２を含み、
ピストン３，４は互いにピストン棒５によつて剛
接され、このピストン棒５は中間位置において、
この場合では例えば永久磁石のようなリニア交流
発電機７の誘導子６を支持する。これらの部品
は、出願人自身によつて既に提案された型式の発
電機をもつ自由ピストン式機関を形成し、この機
関において、各シリンダ１，２の圧縮行程は対向
シリンダ内での膨張行程によつて遂行され、従つ
て通常運転中は、圧縮行程を発動させるための補
助装置を必要とせず、同時に移動量の制限は後続
する燃焼を行うための混合物の圧縮に対する抵抗
によつて決められる。しかし、この両方の影響は
運転が不整である場合に喪失され、かつこのよう
な不利点を無くすために、この発明によれば偏心
モータ９によつて作動され、かつユニツトのピス
トン棒５に剛接されたタペツト８と係合するカム
１１が提供される。タペツト８はローラを具えた
１対の頑丈なピンにより、又はピストン棒５の溝
又は他のこれに相当する手段によつて形成され、
カム１１は円形となつているが、その形状は設計
者が設計したピストンの運動に適合するように他
の形状となつてもよい。モータ９は、カム１１の
回転が自由ピストン機関の運転と実質的に同期
し、これによつて正常運転中にカム１１とタペツ
ト８との係合が現実には生ずるが、抵抗やエネル
ギの伝達は含まないように制御される。しかし、
もしピストン棒５が予め定めた移動限度において
停止しなければ、タペツト８とカム１１との間の
接触により、ピストン３，４とピストン棒５の移
動は積極的に制限される。もし１つのシリンダが
燃焼の遂行に失敗し、従つて対向するシリンダ内
の圧縮を発動できないときは、タペツト８とカム
１１との積極的な協働により、モータ９は圧縮行
程を遂行するのに必要なエネルギを供給し、自由
ピストン機関の停止を避ける。同様に自由ピスト
ン機関の始動は、自由ピストン機関に対して一般
に用いられるように圧縮空気システム又は始動モ
ータとしてリニア交流発電機の使用を望まないと
きは、モータ９によつて実施できる。

好ましくは、このモータ９の制御は、正常状態
においてピストン棒５の変位に支障を与えず、こ
れによつて自由ピストン機関の運転の妨げとなら
ないように、タペツト８の運動に対して僅かに先
行するように行われる。図示しない適当な装置に
よつて、タペツト８をカム１１と協働する適正位
置に維持するために、ピストン棒５がそれ自身の
まわりに回転するのを妨ぐ。

カム１１は平衡重量１０を有する。この重量は
自由ピストン機関のバランスが取れていないユニ
ツトの部分的平衡を提供するために、カム自身の
平衡が必要な場合に設けられる。

モータ９は速度を甚しく変更せずに、必要な場
合に高い結合力を供給できる型止のものでなけれ
ばならない。よつて、それは分流励起モータ、モ
ータメタダイン又は適切な電子制御装置を具備し
た電気モータが用いられる。モータ９に作用する
負荷を制限するために、モータ９が自由ピストン
機関の機能的欠除を補うのに必要とする時間の
間、リニア交流発電機をしや断するための適切な
装置が設けられる。

第３，４図は第１，第２図に示されたものと類
似の２つのユニツトの配置を示し、この配置はそ
れ自身平衡され、かつ両方のユニツトに対して単
一のカムを必要とし、さらに両者間に明確な同期
作用を提供する。この図面において２つのユニツ
トのうち、右側のものはこれまでに述べたユニツ
トと同一の符号を付し、また左側のものはこれ
に′を付して対応する符号をもつてあらわし、こ
の両ユニツトは１つの中央シリンダ１′内で対向
するピストン３，３′を具えて対称的に配置され、
カム１２（この場合には円形でなく実質的に楕円
形又は長円形）は、少くとも１つの対称軸線をも
ち、かつピストン棒５、５′の両方のタペツト８，
８′と協働する。この場合自由ピストン機関およ
びカムは、共にそれ自身静的及び動的に平衡さ
れ、平衡重量は必要としない。構造および作動の
対称性を得るために、モータ９′を有する第２カ
ム１２′が第４図に示すように配置される。

カム１１，１２の形状を適切に選定することに
より、ピストンに対して最適な移動量を決定する
ことができ、またもし望むならば、ある行程、特
に圧縮行程及び膨張行程を調節するために、ピス
トンの運動法則に適度な影響を与えることができ
る。同じ目的として、カムの形状を適切に選定す
る代りに、又はそれに加えて、送りの適切な電子
制御又は送りの周期的不連続性を受けるモータ９
によつて可変速度でカムを作動させることもでき
る。集積回路の使用によつて、例えばリニア交流
発電機に付加される荷重によるような、運転状態
によつて変化する制御方法を実施できることが明
らかである。

上述の説明から理解できるように、重大な故障
の場合、タペツトによつてカムに作用する荷重は
極めて高くなり、即ちカムの中心からその最大及
び最小距離の位置で極めて高くなる。稀にしか起
り得ない要求事項を満たすという配慮から、カム
の質量を大きくすることを避けるために、第３図
に示すように、カムの正常回転中に、カムが摺動
するようにカムの内側に支持部材３０を、また外
側に支持部材３１を配置することができ、過荷重
の場合、カムは弾性変形を受け、支持部材３０，
３１と当接して受けた過剰応力を放出する。この
支持部材３０，３１はローラを用いることがで
き、又はカムがローラと接触状態となるとき、ロ
ーラがカムに与える制動効果を受け入れる静止部
材とすることもでき、このような場合は極めて低
周期であるから重大な故障としてはあらわれな
い。

これとは別に、ピストン棒５，５′のタペツト
８，８′に作用する移動量制限抵抗停止具を配置
することもできる。

これらの手段を用いることにより、カムは適度
な荷重に対して設計しておけばよく、ピストンリ
ング等の破壊のような例外的な場合に起り得る最
大荷重に対して設計しなくてもよい。よつてカム
は例えばリブ付き板のような比較的軽量な構造を
採用できる。

この発明による機関は既にそれ自身高効率およ
び高比出力をもつから、この発明によれば等しい
出力の通常の機関に比して、その総重量及び寸法
が小さい機関を提供でき、このことは公知のよう
に工業上特に重要なことである。

自由ピストン機関はそのシリンダを少くともほ
ぼ水平に装着することが一般に要求されるから、
ピストン、ピストン棒、及びリニア交流発電機の
誘導子はシリンダ壁の一方の側に取付けられ、こ
れは特に大型機関において不都合を生ぜしめる。
この不利点を避けるために、この発明によれば、
第６図に示すように可動部品の磁気的支持装置が
提供される。この場合ピストン棒５，５′は、支
持部材１５，１６，１５′，１６′上を滑動可能な
スライド１３，１４，１３′，１４′を具備し、ス
ライドおよび支持部材はともに永久磁化されてい
るから、それぞれの同符号の極が対向して互いに
反ぱつする。前記諸部品を適切に設計することに
よつて、なんらの摩擦をも伴わずに可動部品を支
持することが可能である。この配置は、交流発電
機から正弦波形と極めて類似した波形をもつ電流
を得るために、第５，第６図に示すように、複数
の誘導子及び電機子をもつリニア交流発電機を用
いることを特に有利にさせる。

この発明は気化器型および、液体又は気体燃料
噴射型で、しかも点火栓着火式又は圧縮着火式の
いずれの型式の自由ピストン機関にも適用され
る。しかし、この発明は粉炭又は他の固形燃料を
供給される断熱式機関を提供するのにも有効に用
いられる。この場合、機関の断熱性を得るため、
及び燃焼によつて生ずる灰の減少を促進するため
に、特別な装置を配設しなければならない。第
７，第８図に対向ピストンをもつ中間シリンダ１
７（これは既出図のシリンダ１′に相当する）及
び末端シリンダ１８用のこのような装置を示す。
１９，２０はそれぞれ空気流入口及び同排出口を
示し、これらはシリンダ１７，１８の壁及びセラ
ミツク材料製の各内側被覆部材２１，２２を貫通
し、２３は粉炭噴射器を示し、かつ鎖線は流入口
１９から排出口２０への空気流の経路を示す。こ
の排出口の近くに電極２４が配設され、これには
燃焼が行われるとすぐに高電圧が加えられ、これ
によつて燃焼によつて生じた灰に高い静電引力を
与え、この灰は排出口に向けて引きつけられて次
いで空気洗流によつて射出される。好ましくは、
電極２４は次のアースに接続して噴射燃料粉末へ
の静電引力現象を避ける。それはこの現象はシリ
ンダ内での燃焼のため燃料粉末の均等な分布に支
障を与えるからである。

一般に満足な正弦波形状をもたないリニア交流
発電機によつて造られた電流が、第９図に示すよ
うにそのままでは使用できない場合において、こ
の発明による機関によつて作動された発電機２５
によつて整流ユニツト２６に、次いでフライホイ
ール２８に結合された直流モータ２７に供給さ
れ、フライホイールの下流において、発生された
エネルギは直接又は間接的方法で利用され、例え
ば正弦波形電流を供給する交流発電機２９、又は
牽引モータメタダインに給電するのに用いる発電
機メタダイン等に入る。フライホイール２８はま
たシリンダ内の燃焼が不調の場合にもトルクを均
等化する。さらに、フライホイール２８はリニア
交流発電機又は他の部品を冷却するための適切な
フアンを具備することができる。

自由ピストン機関が電気エネルギを発生するた
めにリニア交流発電機を駆動する典型的な場合を
考察してきたが、この発明の機関はまた、機械的
エネルギを直接発生するのに用いられることは明
らかで、特にこのエネルギが例えば圧縮機、ポン
プ等のような往復運動型式の機器に用いられると
きに利用されることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の一部を縦断し
たものの平面図、第２図は第１図のものの一部を
縦断したものの正面図、第３図はこの発明の第２
実施例の一部を縦断したものの平面図、第４図は
第３図のものの一部を縦断した正面図、第５図は
この発明の第３実施例の一部を縦断したものの平
面図、第６図は第５図のものの一部を縦断したも
のの正面図、第７，第８図はこの発明の第４実施
例の中央シリンダ及び端末シリンダの縦断正面
図、第９図はこの発明による機関を用いた電気エ
ネルギ発生装置の概略斜面図である。 １，１′，２，２′……シリンダ、３，３′，４，
４′……ピストン、５，５′……ピストン棒、６，
６′……誘導子、７，７′……リニア交流発電機、
８，８′……タペツト、９……モータ、１１，１
２……カム、１３，１３′，１４，１４′……スラ
イド、１５，１５′，１６，１６′……支持部材、
１７，１８……シリンダ、１９……流入口、２０
……排出口、２１，２２……内側被覆部材、２
３，２４……電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも一対の対向シリンダを含み、その中
   に収容されたピストンが中間位置において発生さ
   れたエネルギを利用する原動機の可動要素に結合
   されたピストン棒によつて互いに結合され、モー
   タによつてピストン棒の移動量と実質的に同期さ
   れるように作動され、かつピストン棒のタペツト
   と係合する少くとも１つのカムを含み、これによ
   つて正常運転中には実質的にエネルギの伝達が生
   じないが、異常運転の場合には、ピストン棒の移
   動距離を制限し、かつ圧縮行程に必要とされるエ
   ネルギをピストン棒に伝達するようになつている
   ことを特徴とする自由ピストン式内燃機関。 ２ 互いに対向する少くとも２つのユニツトを含
   み、各ユニツトが共通のピストン棒によつて互い
   に結合された２つの対向するピストンを含み、モ
   ータによつて作動されるカムが、両方のユニツト
   のピストン棒に配設されたタペツトと係合するよ
   うに配置され、これによつて両方のユニツトを作
   動して相互間に正確な同期作用を生じさせるよう
   になつていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の自由ピストン式内燃機関。 ３ モータを具備するカムが、自由ピストン式機
   関の運動態様を有効に変更するために、定められ
   た時間中にタペツトと協働してサイクルのほとん
   どの部分に沿つて、タペツトの運動に実質的に追
   従するような形状となつていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の自由ピ
   ストン式内燃機関。 ４ カム、タペツト及びモータを含むシステム
   が、さらに自由ピストン式機関の始動に用いられ
   るように配置されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項記載
   の自由ピストン式内燃機関。 ５ カムの正常回転中にカムと滑動係合し、かつ
   タペツトによつてカムに作用された応力が過大の
   場合に、カムに対する支持作用を提供するように
   配置された支持部材を含むことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項記
   載の自由ピストン式内燃機関。 ６ 実質的に水平位置に配置されたピストン棒
   に、支持部材上を滑動可能なスライドが結合さ
   れ、スライドと支持部材とが、磁気反発によつて
   ピストン棒、各ピストン及び原動機の全重量もし
   くはその一部の重量を支持するために、互いに対
   面する同極性の磁極をもつて磁化されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項
   のいずれか１項記載の自由ピストン式内燃機関。 ７ 固形粉末燃料を供給される断熱機関の場合、
   シリンダが排出口の近くに配設された電極をもつ
   セラミツク材料をもつて裏打ちされ、前記電極が
   排出口近くの灰を引き付けるために、燃焼後に高
   い電圧に接続され、固形粉末燃料の噴射中はアー
   スされるように配置されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか１
   項記載の自由ピストン式内燃機関。 ８ 機関の運転の瞬間状態に応じて異つた方法
   で、モータを具備するカムの作用を調整する電子
   式制御装置を含むことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第７項のいずれか１項記載の自由
   ピストン式内燃機関。