KR100883473B1 - 자유 피스톤 엔진 및 자유 피스톤 엔진 작동 방법 - Google Patents

Abstract

자유 피스톤 엔진은 하나이상의 이중 피스톤 조립체를 포함하며, 각각 연속적인 연소에 응답하는 왕복 선형 운동을 위해 연소 실린더내에 각각 장착되는 축상으로 대향된 연소 실린더 한 쌍과 자유롭게 움직이는 연소 피스톤을 가진다. 펌핑 피스톤은 쌍으로 이루어진 연소 실린더사이에 위치한 유압 실린더내에 왕복운동하고 연소 피스톤의 각각으로부터 연장되며 이에 고정된다. 쌍으로 이루어진 연소 실린더는 직렬로 왕복운동하기 위해 케이지에 의해 단단하게 연결된다.

Description

자유 피스톤 엔진 및 자유 피스톤 엔진 작동 방법{FREE-PISTON ENGINE AND METHOD OF OPERATING A FREE-PISTON ENGINE}

본 발명은 유압, 전기 또는 압축공기 에너지로 화학 에너지(연료)를 전환하는 것에 관한 것으로, 출원의 일반 분야는 이동식 및 비 이동식 파워 필요를 위한 유압, 전기 또는 압축공기 힘의 효율적인 발생이다.

유압 힘은 구동 모터, 보통 전기 모터 또는 내연 엔진으로 유압 펌프의 구동 샤프트를 회전시킴으로써 발생된다. 순환하는 샤프트로부터의 힘은 대부분의 효율적인 유압 펌프를 위한 수단으로 기능하는 왕복피스톤을 구동하도록 선형 운동으로 바뀌어야 한다.

왕복 운동하는 피스톤 펌프가 종래의 크랭크샤프트 내연 엔진으로 구동될 때, 엔진 내의 피스톤은 연소 가스의 팽창에 의해 선형으로 구동되고 그 다음 유압 힘을 발생하기 위해 펌핑 피스톤의 선형동작을 이루어야하는 피스톤 펌프의 구동 샤프트에 차례로 연결되는 회전 파워 출력을 발생하하도록 로드에 의해 크랭크 샤프트에 차례로 연결된다.

선형 운동을 회전운동 및 다시 선형운동으로 변환하는 비효율성과 고비용을 피하기 위해 선형 연소 피스톤의 선형운동으로부터 직접 유압 힘을 발생시키도록 유압 피스톤에 엔진 연소 피스톤을 직접 연결하는 착상은 신규한 것이 아니다. 그 러나, 선행 기술 설계와 관련된 여러 가지 시도는 상기와 같은 기초적인 개념의 어떤 상업상의 성공도 차단한다.

연소 피스톤을 유압 피스톤에 연결하는 것은 엔진 크랭크샤프트에 대한 요구를 제거하고, 자유로운 피스톤 조립체를 형성함으로써 달성된다.

피스톤 조립체가 차례로 자유로운 피스톤 조립체의 써노브먼트(thernovement)를 통제하기 위해 사용될 수 있는 기구에 기계적으로 연결되지 않기 때문에, 자유 피스톤 엔진의 기초적인 생각과 관련되는 한 주요한 시도는 압축 행정 동안 연소 피스톤의 상사점(TDC) 위치로 접근함에 따라 조립체 정지의 정확한 위치를 반복적으로 정확하게 제어하는(수백만가지의 경우) 방법이다.

효율적인 연소 엔진을 위해, 압축도(압축비)의 제어는 매우 임계적이고 효율적인 연소공정의 고압 비로인해 연소챔버(대개 엔진 "헤드)의 대향 단부근처(대개 1mm이내)에서 연소 피스톤이 멈출 필요가 생긴다.

팽창 또는 동력 행정 동안 피스톤을 펌핑하는 하사점(BDC) 위치에 접근함에 따라 조립체를 정확한 위치에 멈추도록 제어하는데 관련된 유사한 시도가 있어왔다.

각 행정의 마찰은 변할 수 있고(특히 워밍업 또는 일시적인 동작 동안), 연소를 위한 연료의 양도 변할 수 있으며, 연소율과 연소완료성도 변할 수 있고, 펌프로 공급되는 유압 유체의 압력도 변할 수 있고, 방출되는 유압유체의 압력도 변할 수 있고 각 행정에 영향을 주는 많은 다른 작동 매개 변수도 변할 수 있다.; 따라서, TDC와 BDC 위치의 정확한 제어는 매우 어렵다.

연소 피스톤이 연소 챔버의 대향 단부에 접촉하거나, 펌핑 피스톤이 펌핑 챔버의 대향 단부에 접촉하하는 경우 통제가 부적절하면 실행이 불가능하고 엔진에 유해할 수 있다.

선행 기술의 자유 피스톤 엔진은 조작상 제어의 어려움으로 인해 2 행정 주기(후술하는 한가지 예외와 함께)에 작용한다. 심지어 2 행정 주기와 더불어, 압축 행정 동안의 TDC에서의 정확한 위치에서 연소 피스톤이 정지하는 것은 매우 어렵다. 만일 엔진이 4 행정 주기에 작용하면, 부가적인 TDC 행정은 소비되는 연소 가스를 배출이 필요하게 된다.

압축 행정과 다른 상기 배기 행정에서는 연소 피스톤이 TDC 쪽으로 움직여 압력이 증가하고, 이에 따라 피스톤 조립체를 감속하는 가두어진 가스가 존재하지 않는다. 다른 몇몇 수단이 피스톤 조립체의 충격을 억제하기 위해 필요하다. 추가 수단이 또한 두 추가 행정을 통하여 조립체를 옮기기 위해 필요하다. 선행 기술 설계의 다른 문제 또는 불리는 이들을 본 발명과 비교함으로써 명백해질 것이다.

다음과 같이 유익한 기술적 몇 개의 문헌이 있다. 자동차 엔지니어 협회(SAE) 문헌 번호 921740, 941776, 960032 및 그곳에 열거된 참조는 여러 가지 자유 피스톤 엔진 개념의 분석 및 리뷰를 제공한다. 본 발명에 관계가 있는 것으로 간주될 수 있는 몇몇 미국 자유 피스톤 유압 펌프와 관련된 기술 특허는 다음과 같다.:

미국 특허 제 4,087,205호 하인즈: 자유 피스톤 엔진-펌프 유닛

미국 특허 제 4,369,021호 하인즈: 자유 피스톤 엔진 펌프

미국 특허 제 4,410,304호 버그로프 외: 자유 피스톤 펌프

미국 특허 제 4,435,133호 모이렌디크: 에너지 비율 순응 자유 피스톤 엔진 펌프

미국 특허 제 3,841,707 호 피츠제랄드: 파워 유닛

미국 특허 제 6,152,091호 베일리 외: 자유 피스톤 내연 엔진을 조작하는 방법

미국 특허 제 5,983,638호 에이크턴 외: 유압 전환 밸브 및 이와 함께 형성된 자유 피스톤 엔진

미국 특허 제 5,829,393호 에이크턴 외: 자유 피스톤 엔진

미국 특허 제 4,891,941호 하인즈: 자유 피스톤 엔진-펌프 추진력 시스템

미국 특허 제 4,791,786호 스투이번베르그: 유압 또는 압축공기 에너지 전달식 자유 피스톤 모터

미국 특허 제 4,382,748호 반더란: 대향 피스톤 타입 자유 피스톤 엔진 펌프 유닛

미국 특허 제 6,029,616호 매인 외: 자유 피스톤 엔진

미국 특허 제 5,556,262호 에이크턴 외: 유체의 에너지 유닛을 가지는 자유 피스톤 엔진

미국 특허 제 5,363,651호 나이트: 자유 피스톤 내연 엔진

미국 특허 제 5,261,797호 크리스턴슨: 내연 엔진/유체 펌프 조합

미국 특허 제 4,415,313호 바우서스 외: 자유 피스톤 엔진을 가진 유압 발전 기

미국특허 제 5,611,300호(도 6-8 및 청구범위 11-12항)에 공개된 2 행정 또는 4 행정 사이클중 하나로 작동될 수 있는 자유 피스톤, 유압 펌프 엔진이 있다.

상기 엔진은 4행정 사이클을 위해 압축공기를 흡입하고 소비된 연소가스를 배출하기 위해 종래의 크랭크 샤프트와 연소 피스톤을 이용한다.

선행 기술 설계의 자유 피스톤 엔진은 하나의 피스톤, 대향된 피스톤 또는 이중 피스톤으로서 일반적으로 분류된다. 본 발명은 이중의 피스톤 형상으로 분류될 것이다. 선행 기술의 자유 피스톤 엔진과 같이, 본 발명은 연소 피스톤의 행정을 유압 또는 공기 또는 전기 에너지를 직접 발생하기 위해 이용하나, 본 발명의 본질적인 특징의 기술의 용이를 위해, 단지 유압 에너지 발생만이 서술된다.

다양한 선행 기술의 자유 피스톤 엔진과 관련되는 추가적인 어려움은 다음을 포함한다:

(1) 기계적 균형 달성의 어려움. 자유 피스톤 조립체의 각 행정은 가속 및 감속 힘을 엔진 하우징과 이들 힘이 엔진 내에서 다소 역작용(즉, 균형을 이루는)하지 않는 경우 엔진이 장착된 구조에 전달한다.

대향된 피스톤의 제안자는 주요한 장점으로 균형을 이루기 쉽다는 것을 강조하나 각 자유 피스톤의 움직임을 정확하게 제어하는 것이 곤란함으로써 실제로 실현되기 어렵다.

(2) 타이밍과 연료 도입 양의 정확한 제어. 이전에 논의된 바와 같은 피스톤 조립체의 제어에 관련된 주요 시도는 주로 피스톤 조립체 운동의 제어에 관계가 있 다. 그러나 상기 민감도의 제거는 매우 유익할 것이다.

(3) 2 행정 사이클을 이용하는 작동. 현재 미국에서 시판되는 2 행정 사이클 자동차 엔진은 없다. 이것은 상기 엔진으로부터 대기 오염 배출을 제어하는 것이 상당히 어렵기 때문이다. 이러한 시도는 2 행정 사이클 자유 피스톤 엔진에도 적용될 것이다.

(4) 넓은 범위의 파워 출력을 제공하는데 어려움. 자연 주파수(질량-스프링 댐퍼 시스템과 유사한)가 어떤 타입의 자유 피스톤 엔진을 위해 존재하고 상기 속력을 명확하게 바꾸는 것은 어렵다.

상기 자연 주파수는 피스톤 조립체와 행정 길이의 질량에 가장 영향을 받게 된다. 질량과 행정을 위한 값이 적을 수록 주파수가 증가하나 특히 팽창 또는 동력 행정의 이른 부분 동안 속도는 더욱 크게 증가한다.

상기 영역내의 증가된 속도는 완전한 연소를 방해하고 펌핑 피스톤의 유압효율을 줄인다. 주파수와 이에 따른 특정 힘을 증가시킴에 있어서, 대부분의 선행 기술의 자유 피스톤 엔진은 질량을 최소로 하고, 따라서 연소 및 효율 페널티를 발생시킨다. 파워 출력을 바꾸기 위해 이들은 단속적인 작동을 제안한다. 각 사이클후의 작동이 정지할 수 있음에 따라 중단시간은 평균파워출력을 변화시키게 된다. 그러나, 각 사이클을 위한 시간은 높은 자연 주파수로 고정되고 엔진에는 상술한 효율 페널티가 계속 적용된다.

(5) 고압 레벨의 변화 응답의 어려움. 여기서 자유 피스톤 엔진인 대부분의 유압 시스템은 2000-5000 psi까지의 시스템 고압 레벨에서 넓은 범위를 경험하게 된다.

많은 자유 피스톤 엔진 설계는 고정된 고압으로 작동되고 따라서 적응성이 제한된다. 다른 것은 압력변화에 응답하는 연료 공급 레벨을 바꿀 것을 요구한다.

예를 들면, 5000 psi에서 엔진 연료 소비 레벨(사이클 당)은 최대이고, 더 낮은 압력에 비례하여 낮아진다. 이러한 접근에 관한 한가지 명백한 문제점은 예를들어 최대 힘 출력이 공급될 수 있는 것의 절반인 2500psi세어 압력과 함께 떨어진다라는 것이다.

또한, 만일 시스템 압력이 떨어지면 대가 증가된(증가되지 않은) 파워에 대한 요구가 있게된다. 잘 알려진 펌핑 흐름 "바이패스 시스템"(SAE 문헌 921740호의 Beachley와 Fronczak의), 또는 다른 명칭 " 출력 작동압력을 달성하기 위해 복귀행정동안 적시에 선택된 지점에서 압력챔버를 가진 유압 축적기를 연결"(미국 특허 제 6,152,091호), 또는 다른 명칭 "효과적인 피스톤 행정의 조정"(미국 특허 제 6,814,405호 Octrooiraad Nederland)을 사용할 것이 제안된다.

유압 펌핑 챔버의 크기는 심지어 가장 낮게 예상되는 압력(예를 들면, 2000 psi)에서도, 최대 연소 에너지가 펌핑 피스톤의 완전한 행정 이상으로 유압 흐름으로 전달될 수 없는 크기이다.

더 고압에서, 밸브는 나머지 행정이 전체 연소 에너지를 고압 유압 시스템으로 옮기기 위해 필요한 동력 행정에서 위치에서 밸브를 닫는 낮은 압력 시스템에 최초의 흐름 뒤로 우회한다.

이론적으로, 상기와 같은 접근은 시스템과는 관계없이 최고압수준의 최적상 태로 엔진을 구동하도록 한다.

바이패스 흐름 시스템은 디젤 엔진 연료 분사 펌프 및 특정 가변 배치 "체크밸브" 유압 펌프(예를 들면, Dynex 펌프)와 같은 몇몇 상업적 비 자유 피스톤 엔진 유압시시틈에 사용되어왔다.

예를 들면, 디젤 엔진 연료 분사 펌프에서, 연료 탱크로부터의 저압 디젤 오일과 함께 체크밸브를 통하여 상사점(TDC)에서부터 하사점(BDC)까지 피스톤이 피스톤챔버내에서 움직이는 방법으로 피스톤 챔버가 채워진다(자유 피스톤 엔진의 피스톤 챔버의 방법과 상당히 유사). 그후 피스톤이 하사점으로부터 상사점(TDC)을 향하여 복귀함에 따라 "스필 밸브"는 연료가 고압의 체크 밸브 출구를 우회하여, 인젝터로 가서 탱크로 복귀하도록 한다.

토크 명령(즉 주입에 필요한 연료 양)에 따라, 바이패스 밸브는 인젝터에 고압 수표 밸브를 통하여 필요한 연료를 분배하는 적절한 행정 위치로 닫힌다.

"펌핑 피스톤의 효과적인 행정을 바꾸는" 상기와 같은 시도가 자유 피스톤 엔진에서 상업상 아직 성공하지 못한 이유는 용인할 수 없는 효율 손실을 가져오기 때문이다.

자유 피스톤 엔진을 위해, 바이패스 흐름율은 사이클에서 가장 높은 흐름율이다. 이것은 거의 흐름에 대한 저항이 거의 없고 피스톤의 속도는 연소 가스의 팽창이 최대 속력에서 왕복 운동하는 질량을 가속하기 때문에 최대이다. 바이패스가 닫히고 난 후, 펌핑 작업은 상기 조립체를 감속한다. 상기 높은 흐름율로 "거의 없는 저항"을 제공하기 위해 바이패스 밸브는 매우 커야한다. 만일 밸브가 너무 작으면, 흐름 압력 손실은 잠재적인 유압 힘을 낭비하게되고 효율을 상당히 감소시킨다. 다른 한편으로 큰 바이패스 밸브는 더 큰 상대적인 질량을 가지고 있고, 주어진 닫는 힘을 위해 많이 더 천천히 닫게된다.

폐쇄 기간 동안 높은 흐름 비율로 인해 압력강하가 증가하고, 잠재적 유압 파워가 낭비된다. 기존의 시스템을 이용하면 상기와 같은 손실이 발생한다.

디젤 엔진 연료 분사의 예시를 위해, 디젤 연료 흐름율과 관련되는 파워는 비록 아직은 명확하고 많은 연구의 주제가 되나 몇가지 효율성의 손실이 디젤엔진 효율에 비교적 작은 충격을 가지는(또는 유사한 파워 자유 피스톤 엔진을 위한 흐름율과 관련된 파워에 비해) 디젤엔진의 파워출력에 비해 상대적으로 낮다.

마찬가지로, 가변 이동 체크-밸브 유압 펌프는 유압 펌프에서 변위가 변하는 다른 방법보다 그다지 효율적이 아니나 단순하고 비교적 비용이 적게들기 때문에 상업적으로 유리하다.

성공적으로 바이패스 밸브 접근을 이용하는 자유 피스톤 엔진을 위해, 최소 열린 흐름 손실로 가동되어야 하고, 명령시 정확하고 반복적으로 정밀하게 닫힐 수 있고 상당히 빨라야한다.

선행 기술에 따른 자유 피스톤 엔진의 이중의 피스톤 형상은 내부로 고정되어 상호연결된 한 쌍의 대향된 파워 피스톤을 포함한다. 각 파워(연소)피스톤은 커넥팅 로드를 통하여 축상으로 부착된 유압 펌핑 피스톤을 가지고, 도 1은 선행 기술의 이중 피스톤 형상의 자유 피스톤 조립체를 도시한다. 대향된 연소 피스톤(2, 3)은 연소 실린더(도시되지 않음) 내로 슬라이드된다. 연소 피스톤(2,3)은 펌핑 실 린더(6, 7)내에서 슬라이드되는 내부로 부착된 펌핑 피스톤(4,5)을 각각 가진다.

펌핑 피스톤(4, 5)은 커넥팅 로드(9)에 의해 씰링블록(8)을 통해 내부로 고정 연결된다. 이에따라 연소 피스톤(2, 3)과 펌핑 피스톤(4, 5)및 커넥팅 로드(9)는 유닛으로 왕복 운동한다.

동축으로 따라서 내부로 연결되는 한쌍의 단일 유닛 자유 피스톤은 이중 피스톤 조립체를 이루기 위해 몇가지 문제점을 나타낸다.:

(1) 자유 피스톤 조립체는 다른 경우 씰링 블록(8) 길이 의해 필요한 것 보다 더 길다.

(2) 고압의 유압 유체의 씰(또는 한쌍의 씰)은 전체 효율을 명확히 감소시키는 증가된 마찰이 가해지거나 비용을 발생시키는 씰링 블록(8) 내에 제공되어야 하고 어떤 씰의 누출도 전체 효율을 감소시킨다.

(3) 세 개의 동심이고 동축인 실린더/구경의 두 세트는 타이트한 허용오차를 완화하기가 상당히 어렵다. 또한, 타이트한 허용오차로 두 세트의 세 동심 및 동축 피스톤/로드를 제조하는 것은 매우 어렵다. 또한, 피스톤 조립체가 한 편으로 묶이지 않고 실린더의 네스트 내에서 그리고 다른 한편으로 큰 틈으로 인해 높은 누출 없이 왕복 운동할 때 허용오차의 누적을 최소화하는 것은 상당히 힘들다.

(4) 필요한 피스톤 펌핑 영역을 유지하기 위해 펌핑 피스톤은 커넥팅 로드없이 필요한 것보다 직경이 더 커야 한다. 더 큰 직경의 펌핑 피스톤은 더 높은 마찰과 더 높은 누출을 발생시킨다. 커넥팅 로드의 직경은 펌핑 피스톤 직경의 더 큰 증가로 해석되는 대행된 측면 단일 자유 피스톤 조립체 질량을 가속 및 감속하는데 필요한 힘을 전달해야하기 때문에 비교적 커야한다.

(5) 조립체의 구조는 후술하는 바와 같이 링없는 연소를 허용하도록 충분히 강하지 않다.

(6) 이중 피스톤 조립체는 기계적 균형을 이루지 못한다.

따라서, 본 발명의 목적은 연소 피스톤의 적절한 상사 중심 위치를 제공하는 위치에서 자유 피스톤 엔진내의 연소 피스톤과 펌핑 피스톤의 정지를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 4행정 사이클로 실제적으로 작동될 수 있는 자유 피스톤 엔진을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 균형을 이루는 자유 피스톤 엔진을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 질량균형을 이루는 자유 피스톤 엔진을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 넓은 범위의 유용한 목표 압축비를 위해 작동될 수 있는 자유 피스톤 엔진을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 허용가능한 링없는 연소를 위해 충분히 강한 자유 피스톤 엔진 조립체를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 위해, 본 발명은 한 형태로 축선 방향으로 대향된 연소 실린더 한 쌍과 연소 실린더 내에서 연소에 반응하는 왕복선형 운동을 위해 각 연소 실린더 내에 포함된 자유롭게 움직이는 연소 피스톤을 가지는 하나이상의 이중 피스톤 조립체를 포함하는 자유 피스톤 엔진을 제공한다. 하나이상의 펌핑 피스톤은 각 연소 피스톤으로부터 연장되고 이에 고정되며 각 펌핑 피스톤은 쌍으로 이루어진 연소 실린더사이의 위치에 고정된 유압 실린더 내에 수용된다. 케이지 구조는 연소 피스톤에 단단히 연결되고, 유압 실린더와 펌핑 피스톤을 둘러싼다. 종래의 설계와 같이, 유압 실린더의 각의 포트는 제 1 압력으로 유체를 허용하고 인입구보다 고압으로 유체를 방출한다.

유압 실린더는 단단히 연결될 수 있고 연소 피스톤 중의 하나가 상사점에 있을 때 다른 연소 피스톤이 있는 하사점에 있도록 연소 피스톤이 케이지 구조로 단단히 연결된다.

본 발명의 엔진은 링없는 연소피스톤의 사용을 허용하기 위해 펌핑 피스톤을 가진 연소 피스톤과 연결하고 사이에 삽입된 로드를 안내하고 둘러싸는 부싱을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 엔진은 목표 압축비를 제공하는 TDC 및 BDC에서 이중 피스톤 조립체의 스톱 운동으로 관련된 밸빙을 조절하고 케이지, 속도, 가속 등의 위치를 결정하기 위한 전자 제어유닛(ECU)과 위치 지시기를 판독하기 위한 위치센서, 쌍으로 이루어진 피스톤을 연결하는 각 케이지 상의 위치 지시기등의 설비로 컴퓨터 제어된다.

한 바람직한 실시예에서, 본 발명의 엔진은 둘이상의 이중 피스톤 조립체와 대향된 방향에서 이중 피스톤 조립체의 동기화된 평행운동을 위한 케이지를 동기장 치를 포함한다. 동기장치는 각 케이지상의 랙의 조합과 이들 사이에 위치하고 랙, 채인/스프로켓 조립체 또는 다른 유사한 수단으로 연결된 피니언일 수 있다.

또 다른 형태에서, 본 발명은 상기와 같은 하나이상의 이중 피스톤 조립체를 가지는 자유 피스톤 엔진을 작동하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 BDC부터 TDC까지 펌핑 피스톤이 진행함에 따라 유압 실린더로 저압 유체 흡입 밸브를 통해 저압으로 유체를 끌어들이고 TDC부터 BDC까지 펌핑 피스톤이 진행함에 따라 더 고압에서 유체를 방출하는 것을 포함한다. 피스톤 조립체상의 위치 지시자는 위치 신호를 생성하기 위해 읽히고 그 위치 신호를 기초로 하여, ECU는 목표 압축비를 제공하는 이중 피스톤 조립체를 위한 정지 위치를 결정한다.

ECU는 이중 피스톤 조립체를 단호한 정지 위치에서 멈추고, 이에따라 실시간으로 목표 압축비를 달성하도록 현재 사이클에서 저압 유체의 흡입 밸브를 닫기 위한 명령 신호를 생성한다. 상기 정지 위치는 저압 유체의 흡입 밸브를 유압 실린더의 유체를 채움을 완료함으로써 열린 채로 유지하고, 일반적으로 주로 엔진 로드와 시스템 고압에 따라 유압 실린더의 채워진 부피의 20%와 100%(아이들) 사이에서 저압으로 돌아가는 방출시 저압 유체 밸브를 닫도록 결정한다.

흡입 밸브를 닫는 명령 신호를 결정함에 있어서, ECU는 또한 하나 또는 그 이상의 유압 실린더의 저(인입) 및 고(배출)압을 나타내는 신호를 이용할 수 있다. 흡입 밸브를 닫기 위한 목표 위치를 결정하기 위한 한가지 시도는 이중 피스톤 조립체의 속도와 가속의 기능으로 주어진 사이클에서 단일 연소에 의해 발생되는 에너지의 결정을 포함한다.

바람직하게는, 본 발명의 방법이 저압 유체의 흡입 밸브를 위한 닫는 위치의 범위가 연료 공급 비율과 하나 또는 그 이상의 유압 실린더의 고(배출)압과 같은 엔진작동 매개 변수를 기초로 결정되는 조작하는 엔진과 하나 이상의 유압 실린더의 높은(소매점)압력을 기초로 하여 결정되는 안전장치(failsafe) 특성을 더 포함한다. 상기 바람직한 실시예에서, 탐지된 정지 위치가 정지 위치를 위해 확립된 범위 밖에 있을 때 엔진이 꺼진다.

본 발명의 자유 피스톤은 유압 실린더 중의 하나로 유체의 방출을 제어하기 위해 하나이상의 유체 흡입 밸브를 더 포함한다. .바람직한 실시예에서, 상기 유체 흡입 밸브는 여기서 참고로 제공된 본 출원인의 미국 특허 제 6,170,524호에 나타난 빠른 작동 밸브이다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 유체의 흡입은 주변 씰링 표면과 대향된 오목 및 볼록 표면을 가진 컵형상의 헤드를 가지는 밸브수단과 볼록 표면으로부터 연장되는 일체형 가이드 스템을 더 포함한다.

흡입 밸브의 상기 바람직한 실시예는 밸브 수단의 가이드 스템을 수용하고 여닫는 위치사이에서 그에대해 가이드 수단의 축상왕복운동을 제공하는 축상 보어를 가지는 가이드 수단을 더 포함한다. 스프링은 밸브 시트에 대해 헤드 씰의 씰링 표면이 있는 닫힌 이치를 행햐 밸브 수단을 편향하기 위해 포함된다. 밸브 시트는 유압 실린더 중의 하나와 유체 교통하는 축상으로 연장되는 포트를 둘러싼다. 상호핀은 핀이 열린위치에서 밸브수단을 고정하고 컵형헤드의 오목표면과 접촉하는 연장된 위치와 후퇴된 위치사이의 왕복운동을 위한 포트내에 축상으로 장착된다.

상기 바람직한 밸브 구조는 차례로 가스로 채워진 브래더를 포함할 수 있는 유체 축적기에 선택적으로 연결될 수 있는 배출 포트를 더 포함한다. 유체 커넥터는 가이드 수단의 축상보어를 가진 한 실린더내의 TDC 공간을 연결하여 한 실린더 내의 유체압력이 증가할수록 그내부의 펌핑 피스톤이 상사점에 접근하고 증가된 압력이 닫힌 위치로 밸브수단을 강제하는 가이드스템상에서 작동하도록 한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명의 자유 피스톤 엔진은 이중 피스톤 조립체가 연소 실린더로 움직이는 것을 제한하기 위해 케이지(5)에 설치되는 충격 패드를 더 포함한다.

선택적으로, 이중 피스톤 조립체는 이중 피스톤 조립체의 운동 방향과 반대 방향에서 왕복 운동하기 위한 이중 피스톤 조립체에 연결되고 반대측면상에 장착된 균형수단을 더 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 본 발명의 자유 피스톤 엔진은 연소 실린더 내에서 연속 연소에 반응하는 왕복 선형운동을 위해 내부에 장착된 각각 자유롭게 움직이는 연소피스톤을 가지는 네 평행하게 나란한 연소실린더를 포함한다. 상술한 실시예에서와 같이, 하나이상의 펌핑 피스톤은 각 연소 피스톤으로부터 연장되고 고정되며, 유압 실린더는 펌핑 피스톤을 각각 수용하기 위해 제공된다. 상기 바람직한 실시예에서, 셔틀 실린더는 축상으로 정렬되고, 각 유압 실린더와 유체 교통한다. 셔틀 피스톤은 각 셔틀 실린더내에 내부 왕복운동을 위해 장착된다. 커넥터는 피스톤을 각 펌핑 피스톤에 셔틀 피스톤을 축상으로 단단하게 연결한다.

이송 튜브는 제 1 및 제 2 셔틀 실린더 사이의 유체 교통을 제공하고, 제3 및 제 4 셔틀 실린더 사이에서 유체교통을 제공한다. 가요성 연동장치는 각 이송 튜브내에 배치되고 이를 통해 진행되며 각각 제 1 및 제 2 셔틀 실린더의 셔틀 피스톤 그리고 제 3 및 제 4 셔틀 실린더의 셔틀 피스톤에 연결된다. 연동장치는 관련된 펌핑 피스톤과 연소 피스톤을 따라 직렬로 함께 움직이도록 제 2 및 제 3 셔틀 실린더 내에 셔틀 피스톤을 연결한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 네 개의 이중 피스톤 조립체는 다른 쌍의 이중 피스톤 조립체와 평행한 한 쌍의 이중 피스톤 조립체와 축상으로 쌍을 이룬다. 상기 실시예는 축상으로 쌍을 이루는 이중 피스톤 조립체내의 케이지 중의 하나에 단단하게 연결되는 외부 케이지를 더 포함한다. 상술한 것과 유사한 동기장치는 반대의 방향에서 동기화된 운동을 위한 두 외부 케이지를 연결한다. 다른 실시예와 관련하여 기술되는 동기장치에서와 같이 상기 동기장치는 각 외부 케이지상에 랙과 각 랙에의해 연결되고 이들사이에 배치된 피니언을 포함할 수 있다.

도 1은 종래의 이중 피스톤, 자유 피스톤 엔진을 도시하는 개략도이다

도 2는 본 발명의 자유 피스톤 엔진의 한 실시예의 단일 이중 피스톤 조립체의 개략도이다.

도 3은 이와 관련된 유체 순환 시스템을 도시하는 도 2의 이중 피스톤 조립체의 또 다른 도면이다.

도 4는 도 2의 실시예에 따른 이중 피스톤 조립체의 사시도이다.

도 5는 본 발명의 자유 피스톤 엔진에서 이용되는 흡입 밸브의 p 참조 실시 예의 단면의 개략도이다

도 6은 연합된 유체의 흐름 연결을 가진 고압의 빠른 닫힌 체크밸브와 축적기의 개략도이다

도 7은 본 발명의 엔진의 제 2 실시예의 단일 이중 피스톤 조립체의 단면도이다.

도 8A-8D는 두 조립체의 동기화를 위해 결합된 나란한 두 이중 피스톤 조립체를 가지는 본 발명의 세 번째 실시예이다

도 9는 두 최내부의 이중 피스톤 조립체를 연결하는 단단한 커넥터와 쌍으로 이루어진 이중 피스톤 조립체의 케이지를 연결하는 동기화 연결과 평행하게 배치된 네 개의 이중 이중 피스톤 조립체를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예의 단면도이다.

도 10은 한 연소 피스톤이 두 펌핑 피스톤을 이송하고 다른 조립체의 연소피스톤이 단일 펌핑 피스톤을 이송하는 본 발명의 또 다른 실시예의 단일 피스톤 조립체의 단면도이다.

도 11은 평행하게 배치된 네 연소 실린더와 쌍으로 이루어진 연소 실린더와 관련된 셔플 피스톤을 연결하는 가요성 커넥터를 가진 각 펌핑 피스톤에 고정된 셔틀 피스톤을 가진 본 발명의 엔진의 또 다른 실시예의 개략도이다. .

도 12는 동기화 운동을 위해 연결되고 평행하게 축상으로 배치된 쌍을 가진 네 개의 이중 피스톤 조립체를 가지는 본 발명에 따른 자유 피스톤 엔진의 또 다른 실시예의 개략도이다.

도 13은 평행한 세 이중 피스톤 조립체를 가지는 본 발명에 따른 자유 피스톤 엔진의 또 다른 실시예의 개략도이다.

본 발명은 이중 피스톤(유압 펌프 형상)을 가지는 바람직한 실시예에 관해서 기술될 것이다. 본 발명의 유일한 특징(예를 들면, 작동, 밸브 설계와 축적기 설계의 방법) 중의 대부분은 또한 당업자가 즉시 알 수 있는 것에 따라 단일 피스톤과 대향된 피스톤 형상에 적용 가능하다. 선행 기술의 자유 피스톤 엔진의 설계와 같이, 본 발명은 유압 힘을 직접 발생하기 위해 연소 피스톤의 행정을 이용한다.

바람직한 실시예는 대향된 실린더(여기서 또한 이중 피스톤 조립체로 언급된)내의 두 비축상으로 부착된 단일 피스톤 조립체를 특징으로 한다. 피스톤 중의 하나가 TDC에 있을 때마다 다른 피스톤은 BDC에 있게된다. 두 행정 사이클을 위한 최소한의 것에서 한 연소 피스톤의 압축 행정에 필요한 에너지는 다른 연소 피스톤의 팽창 행정에 의해 제공된다.

단일 이중 피스톤 조립체로 실시될 때 본 발명은 2 행정 사이클로 작동되나, 후술하는 바와 같이 이중 피스톤 조립체의 한 쌍(또는 그이상)과 함께 실시될 때 본 발명은 2 행정 사이클 또는 4 행정 사이클에서 작동될 수 있다. 적용 가능한 연소 시스템은 종래의 2 행정과 4 행정 사이클 엔진의 모든 여러 가지 실시예를 이용할 수 있고 그런 특징은 본 발명이 선행 기술의 자유 피스톤 엔진에서 알려져 있지 않은 특별한 기능을 수행하는 유일한 수단에 제공하거나 그런 기술이 본 발명의 이해를 강화할 수 있는 범위를 제외하고 여기에 기술되지 않는다.

도 2 및 3은 자유 피스톤 엔진 유닛에 포함되는 단일 이중 피스톤 조립체를 이용하는 바람직한 실시예의 단면도(수직인 평면에서)를 도시한다. 실린더(12)는 엔진 구조(더 도시되지 않음)의 일부이다. 점화 장치(120)와 연료 분사기(121)가 도시되나 흡입 및 배출 밸브/포트와 내부의 연소 2 행정 및 4 행정 사이클 엔진의 다른 종래의 특징은 도시되지 않는다. 대향된 연소 피스톤(13, 14)은 실린더(12) 내에서 슬라이드된다. 연소 피스톤(13, 14)은 각각 펌핑 실린더(17, 18)내에서 슬라이드되는 축상 내부로 부착된 펌핑 피스톤(15, 16)을 가진다.

연소 피스톤(13)과 펌핑 피스톤(15)의 단일 자유 피스톤 조립체와 연소 피스톤(14)과 펌핑 피스톤(16)의 단일 자유 피스톤 조립체는 펌핑 피스톤 외부의 단단한 수단에 의해 부착된다.

도 2는 연소 피스톤(13, 14)과 펌핑 피스톤(15, 16)과 케이지(19)를 포함하는 단일 유닛으로써 왕복운동하는 이중 피스톤 조립체를 형성하도록 두 단일 자유 피스톤 조립체를 연결하기 위한 케이지(19)를 도시한다. 자유 피스톤 엔진 유닛은 연합 연소와 유압 실린더에 더하여 한 상기 이중 피스톤 조립체를 포함한다. 이중 피스톤 조립체의 독특한 형상을 형성하도록 두 분리된 단일 자유 피스톤 조립체를 단단하게 부착하는 예를들어 케이지(19)와 같은 펌핑 피스톤외부의 수단을 이용하는 것은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결한다. 도 4는 케이지 구조를 시각화하는 것을 전체적 시야로 지원하기 위해 본 발명의 이중 피스톤 조립체를 나타낸다. 상기 형상에서 케이지(19)는 연소 피스톤(13, 14)의 직경을 넘어 밖으로 확장된다(또는 " 굽혀진다).

케이지(19)는 각 행정과 함께 발생하는 큰 가속 및 감속 힘과 관련된 선행 기술 설계와 함께 발생되는 조립체의 구부러짐을 피하기 위해 단단한 구조로 제공된다. 단단한 구조 및 선택적인 부싱(20)(도 2)은 연소 피스톤(13, 14)의 정밀한 위치설정과 밀접한 틈이 제공되어 낮은 마찰 및 링없는 연소피스톤의 작동이 가능하도록 한다. 모멘트 균형을 이루는 축상 펌핑 피스톤(본 발명과 같이)을 채용하는 자유 피스톤 엔진 설계의 링이 없는 작동을 위한 잠재성은 선행 기술에서 자주 논의된바 있으나 실제로 이루지지는 않았다.

기본적인 설계가 피스톤의 선형 운동을 크랭크샤프트의 회전운동을 변환하는 모든 종래기술의 피스톤/크랭크샤프트 엔진과 관련된 주 연소 피스톤 측면힘을 제거하기 때문에 상기 설계는 상기와 같은 잠재성을 가지리라는 것이 잘 알려져 있다. 그러나, 연소 피스톤상의 어떠한 제 2 측면힘이 링이 없는 연소 피스톤이 연소 실린더(링이 없는 연소 피스톤이 오일 윤활을 채용하지 않음에 따라)에 접촉하는 것을 허락하지 않고 반응되어야한다. 심지어 중력은 측면힘을 피스톤에 적용하기 위해 조립체의 질량에 따라 작용한다. 본 발명은 어떤 제 2의 연소 피스톤 측면힘에 대해 반응하기 위해 부싱(20)을 이용하고 다른 경우 피스톤 측면운동을 허용하는 구조의 구부러짐을 피하기 위해 단단한 구조를 이용함으로써 링 없는 작동이 가능하도록 한다.

케이지(19) 구조는 펌핑 바이패스 흐름 정지시 최적의 유압 펌핑 효율과 감소된 흐름 손실이 달성되도록 이중 피스톤 조립체 피크 속도를 줄이는 추가 질량을 편리하게 제공한다. 유압 힘을 발생하는 효율을 최대로 하는 것이 본 발명의 목적 이기 때문에, 속도 및 주파수를 증카시키기 위해 질량을 감소시키도록 하는 선행 기술과 비교해서 더 큰 질량의 왕복 운동 이중 피스톤 조립체가 바람직하다. 또한, 더 큰 질량은 균일 차지, 압축 점화 연소를 이용하는 실제적이고 효율적인 작동을 용이하게 한다.

도 3은 도 2 조립체의 90도로 회전된 단면도이다. 펌핑 실린더(17, 18)는 각각 독특한 밸브(24a, 24b)(후술함)를 포함하고 저압 유압 유체 자원(도시되지 않음)에 더 연결되는 밸브(32)를 통하여 통로(25)와 더 연결되는 통로(22,23)와 교통한다. 펌핑 실린더(17, 18)도 각각 독특한 일방 체크밸브(28a, 28b)(후술함)를 가지는 통로(26, 27)와 교통하고 고압 유압 유체 수용기(도시되지 않음)와 교통하는 통로(29)(선택 밸브(33)를 통해)와 더 연결된다.

온/오프 밸브(30a, 30b)는 엔진시동을 위해 고압 유체를 펌핑 실린더(17, 18)에 제공하기 위해 사용된다.

도 2 및 3의 단일 이중 피스톤 조립체는 2행정 사이클에 따라 작동한다. 본 발명의 독특한 작동 방법은 이제 기술된다. 엔진을 시동하기 위해, 이중 피스톤 조립체는 도 2 및 3에 나타낸 바와 같이 위치에 있게된다.(밸브 30b는 다른 초기 위치에서 엔진을 시동할 때에 더 많은 유연성을 제공하는 선택적인 밸브이다.) 밸브(30a)는 여는 명령에 따라 고압유체가 통로(26)를 통해 밸브(30a)로 통로(29)로부터의 열린 선택 밸브(33)를 통해 펌핑실린더(17)로 흐르도록 한다. 실린더(17) 내의 고압 유체는 피스톤(15)의 단면영역상에서 이중 피스톤 조립체와 TDC를 향한 연소 피스톤(13)을 가속하는 힘을 발생하도록 작용한다.

위치 감지 장치(31)(도 2)는 케이지(19)상에 위치하는 위치 지시기(도시되지 않음)를 읽는다. 위치 감지 장치(31)로부터 온 신호는 전자 제어 장치(ECU(도시되지 않음)로 보내어지고 거기서 위치, 속도 및 이중 피스톤 조립체의 가속이 결정된다. 속도는 알려진 거리 분리의 위치 지시자 사이의 시간으로부터 결정되고 가속(또는 감속)은 속도의 변화율에 의해 결정된다. 제어 시스템은 이중 피스톤 조립체의 실시간 제어를 제공한다. ECU는 여러 가지 작동 조건 하에서 엔진기능의 특성 맵을 포함하는 메모리를 포함한다.

유압 오일과 엔진구조(도시되지 않음)를 위한 온도센서 및 순간 속도와 위치센서(31)로부터의 이중피스톤 조립체의 각 위치에서의 가속의 입력으로부터, ECU는 피스톤(13)위의 연소가스의 특정 압력비를 달성하도록 밸브(30a)를 차단하는 명령위치를 결정한다. 이와 같이, 본 발명의 제어의 방법은 엔진 시동을 위해 원하는 압축비를 제공할 수 있다.

본 발명의 목적 제 1 행정의 시동 연소를 제공하는 것이기 때문에 초기 압축비가 보통의 작동 압축비(후술하는 바를 기초로 실시간으로 제어된)보다 높도록 선택되어, 연소를 보증하게 된다. 밸브(30a)가 닫히도록 명령된 후에, 이중 피스톤 조립체의 관성은 펌핑 실린더(17)내의 부피를 계속 증가시키게 되고 밸브 (24a)는 통로(25)로부터 열린 밸브(32)를 통해 통로(22)를 따라 저압유체가 흐르도록 하고 피스톤(13)이 TDC에 도달할때까지 실린더(17)로 흐르도록 하는 체크-밸브 방법(또는 명령 )으로 열린다. 시동 행정 동안, 밸브( 24b)는 열리도록(그리고 만일 밸브(30b)가 존재하면 닫히도록) 명령된다. 이것은 실린더(18)내의 유체가 통로(23), 밸브(24b), 밸브(320 및 통로(25)를 통해 변위되도록 하고 시동 압축행정에 대한 저항을 피하도록 한다.

연소시, 피스톤(13)과 이중 피스톤 조립체는 TDC부터 BDC까지 움직임을 시작한다. 밸브(24a)는 열린 채로 있고 이중 피스톤 조립체가 피스톤(13)의 단면 영역에서 연소 가스에 의해 가속됨에 따라 유체는 실린더(17)로부터 통로(22), 밸브(24a), 밸브(32) 및 통로(25)를 통해 흐른다. 시동 행정과 같은 방법으로, 위치 감지 장치(31)는 케이지(19)에 위치한 위치 지시기를 읽는다. 위치 감지 장치(31)으로부터 온 신호는 ECU에 보내어지고 그것이 TDC로부터 BDC를 향해 이동함에 따라 이중 피스톤 조립체의 속도와 가속이 각 위치에서 결정된다.

제어 시스템은 이중 피스톤 조립체의 실시간 제어를 계속 제공한다. 저압 및 고압 라인(도시되지 않음)의 압력 센서로부터의 입력에 더하여 적절한 특성 맵과 상술한 입력 신호로부터, ECU는 선택 밸브(33), 체크 밸브(28a), 및 통로(29)를 통하여 실린더 17으로부터의 압력의 하의 유체흐름을 달성하고 유압 파워출력 및 피스톤(14)위의 연소가스의 특정압력비를 발생하는 위치를 결정한다. 상기 압축비는 통상 15-25 범위 내이다. 실린더(17)로부터의 흐름이 TDC에서 BDC 행정동안 상술한바와 같이 진행되는 한편, 실린더(18)로의 유체의 흐름 또한 발생되어야 한다. 이중 피스톤 조립체가 피스톤(13), TDC로부터 BDC까지 운동을 시작함에 따라, 밸브(24b)는 이중 피스톤 조립체 BDC에서 실린더(18)가 완전히 채워지도록 열린채로 남아 있다. 사이클은 그 후 다음 행정을 위해 피스톤(16)이 유압 힘을 발생하는 같은 방법으로 반복된다.

ECU는 실시간으로 각위치(공급된 연료양 또는 연소의 타이밍 또는 질 어느것이든)에서 이를(가속에 의해 결정된)적용하는 힘과 이중 피스톤 조립체 질량의 속도로부터 각 연소과정으로부터 발생된 이용가능한 에너지를 결정하고, 특성 맵으로부터 마찰에너지 손실을 고려하며, 이중 피스톤 조립체 멈춤 위치를 달성하기 위해 필요한(고압 및 저압으로 유압시스템을 고려하는) 파워 행정을 결정하여 압축 연소피스톤이 다음 연소과정동안 실시간 특정 압력비를 달성하도록 한다. ECU는 그 후 필요한 펌핑 피스톤 파워 행정을 달성하는데 필요한 위치에서 닫히도록 유체 흡입 밸브(적절한 밸브(24a 또는 24b)에 명령한다.

각 파워 행정의 즉각적인 특성을 기초로 한 파워출력을 제어하는 자유 피스톤 엔진의 상술한 독특한 작동방법은(각 연소과정, 대전공기의 증가된 압력, 연소의 시작 및 연소율 그리고 연소완결성을 위해 제공된 연료의 양, 시스템 마찰, 고유압과 저유압을 변화하도록 자동으로 조절하는 것을 포함하여)선행기술 설계의 문제점과 제어문제점을 제거한다.

중요한 특징은 파워 추출 과정이 시작되기 전에 즉 고압으로 유체가 방출을 시작하기 전에 유체의 적당한 양이 저압으로 뒤로 방출되도록 유체의 흡입 밸브(24a와 24b)가 늦은 폐쇄가 정밀하게 이루어지는 것이다. 밸브 24a(또는 24b)의 폐쇄 전에 저압으로 뒤로 방출되는 적절한 양은 주로 엔진 로드와 시스템 고압에 따라 일반적으로 유압 실린더(17 또는 18)의 부피의 20%에서 100%(공전 상태에서)까지가 된다.(유체의 흡입 행정이 완료되고 난 후, 펌핑 바이패스 플로우 제어밸브와 같은 적절한 기능으로서 밸브(24a 또는 24b) 밸브)

엔진을 끄기위해 연소 피스톤(14)의 연소 챔버에서 압축되는 공기로 연료를 공급이 중단되고, 전체 파워 행정이 실린더(17)로부터 제거되며 밸브(24b)는 이중 피스톤 조립체 BDC에서 닫힌다. 연소 피스톤(14)을 위한 공기 흡입 밸브(도시되지 않음)는 또한 더 많은 유압 파워 추출을 허용하도록 상기 행정 동안 열려있게 된다. 이용가능한 경우, 밸브(33)는 BDC에서 조립체를 더 고정하도록 조립체 BDC에서 닫힐 수 있다.

독특한 "실패 모드" 제어 로직이 또한 엔진 작동 방법으로 채용된다.

유체의 흡입 밸브를 임계적으로 늦게 닫는 타이밍, 따라서 기대되는 마찰, 공급된 연료 및 유압 시스템 고압과 같은 중요한 입력 특성의 마찰과 같은 밸브 닫힘 위치의 "열린 루프" 테이블은 위치센서 속도 및 가속 결정된 값에서 부분적으로 비롯된 실시간으로 ECU에 의해 결정된 상기 닫힘 위치와 비교되어 만약 두 닫힘위치가 허용범위를 넘어 다르면 ECU는 연료공급을 차단하여 엔진을 끄고 즉시 흡입 밸브가 연료를 방출하는 것을 닫는다.

또한, 만일 유체 흡입 밸브가 위치 센서에서 다음 읽음에 의해 결정되는 것에 따라 명령으로 닫히지 않으면 다른 흡입 밸브를 닫고 공급 밸브(32)(도 3)를 닫는 명령에 의해 연료부족으로 꺼진다. 선택적인 부가 고압 특면 온/오프 밸브(오리피스를 가진)(33)는 역시 닫히도록 명령될 수 있다. 만일 시스템 유압 고압 강하가 갑자기 일어나면 밸브(33)은 또한 닫히도록 명령된다. 만일 엔진의 전력이 나가면, 연료공급이 중단되고, 유체 흡입 밸브가 닫힘위치로 디폴트로 돌아가고 고유압 온/오프 밸브가 디폴트로 닫힌 위치로 간다. 유압 저압이 규정 범위 아래로 떨어지면, 흡입유체의 캐티배이션(cavitation) 현상이 발생하는 것을 피하기 위해 엔진이 닫히도록 연료 공급이 멈춘다.

본 발명은 다른 선행 기술의 자유 피스톤 엔진과는 다르게 문제점 없는 광범위의 파워 출력을 제공한다. 파워 출력은 낮은 "로드 레벨"(더 낮은 연료율)로 진행 또는 작동 기간 사이의 다양한 시간 기간을 위해 닫힘이는 것 중 하나에 의해 감소될 수 있다. 파워 출력은 고레벨의 흡입 공기 증가 압력에서 엔진을 작동시킴으로써 크게 증가될 수 있다.

총체적인 시스템 효율에 대한 중요성을 고려하여, 늦은 폐쇄 흡입 밸브(도 3의 밸브(24a, 24b))는 최소의 열린 흐름 압력 강하 손실을 가지고 있을 만큼 충분히 커야만 하고, 명령 시 정확하고 반복적으로 꺼질 수 있어야하며 상당히 빠르게 닫혀야 한다. 본 발명의 두가지 독특한 밸브 설계는 선행 기술 설계와는 다르게 상기 요건을 만족시킨다.

도 5는 흡입 밸브(24a, 24b)의 제 1 바람직한 실시예를 도시한다. 밸브 수단(40)은 구형의 양판 형태(중공 구의 세그먼트)를 가진 헤드(4b)와 헤드(40)와 일체인 가이드 포스트(41)를 가진다. 이것은 큰 열린 흐름 영역, 급속한 응답과 높은 작동 압력(예를 들어, 5000psi)를 고려한 최적의 설계이다. 흡입 포트(22)는 저압유체를 포함한다. 스프링( 42)은 밸브(도시되지 않음)를 닫는 것을 돕고, 다른 경우 밸브(24)가 종래의 체크 밸브와 같은 기능을 한다. 포트(43)는 펌핑 실린더(17)(도 5에 도시되지 않음)에 연결된다. 펌핑 피스톤 흡입행정이 시작할 때 펌핑 실린더와 포트(43)내의 압력이 덜어지고 포트(22)내의 더 높은 압력이 밸 브(40)를 열어 유체가 시트(440에서 포트(43)를 지나 포트(220를 통해 흐르도록 한다. 핀(45)은 빠른 열림을 도우는 밸브 수단 (40)에 힘을 적용하도록 명령이 내려지는 제어가능한 작동기(도시되지 않음)에 부착된다. 핀(45)은 하부에서 흡입 흐름 손실을 최소로 하는 완전 열린 위치에서 밸브수단(40)을 고정하는 "밸브(40)와 접촉"위치로 유지된다. 핀(45)은 역시 펌핑 피스톤 배기 행정의 초기 부분동안 완전히 열린(또는 완전 하강") 위치로 유지되고 흐름 손실을 최소화하며 낮은 압력포트(22)로 유체가 방출되도록 한다. 파워 추출이 시작되어야 하는 펌핑 피스톤 위치에서, 핀(45)은 밸브(40)로부터 후퇴되고 스프링 (42) 및 포트(43)내의 더 높은 압력은 밸브(40)를 빠르게 닫는다. 선택적으로, 핀(45)이 후퇴되도록 명령됨에 따라 더 빠른 닫힘시간동안에도 핀(45)은 밸브(40)에 부착될 수 있다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 흡입 밸브(24a, 24b)는 미국특허 제 6,170,524호의 빠른 밸브이며 참조로써 여기에 통합되어 제공된다. 미국특허 제 6,170,524호에서 공개된 밸브는 상당히 빠른 열림 및 닫힘 시간을 제공한다.

본 발명은 역시 각 펌핑에 대한 고압과정의 초기화로 인한 압력 펄스의 완화를 위해 선택적으로 통합된 독특한 유체 축적기를 가닌 독특한 압력 흐릅이 제어된 체크밸브(밸브(28a,28b), 도 3)를 포함한다.

고압 펄스는 효율 손실을 나타내고, 엔진 제어를 복잡하게 하기 때문에 바람직하지 않다.

한 바람직한 실시예에서, 고압 체크 밸브(28a, 28b)는 더 약한 스프링(흐름손실을 감소하는)의 선택 및 어떤 고압유체의 역류가 펌핑 피스톤 BDC에서 발생할 수 있기 전에 상당히 빠르게 체크밸브가 닫히도록 하는 독특한 수단과 함께 도 5의 설계를 가진다. 고압유체의 역류는 중요한 효율 손실이다.

도 6은 축적기와 통합된 빠른 닫힘 체크 밸브(28a, 28b)의 한 바람직한 형상을 도시하며, 펌핑 실린더(17)의 부분 내의 의도하는 BDC 위치에서 펌핑 피스톤(15) 부분을 도시한다. 흐름 수집 매니폴드(50)는 의도하는 BDC 위치의 펌핑 피스톤(15)에서 끝에 도시된다.(흡입 포트는 도시되지 않는다.) 펌핑 피스톤(15)의 파워 발생 행정동안, 펌핑 실린더(17)로부터 흐르는 유체는 매니폴드(50), 매니폴드 배출구(51), 패스트 시트(44), 패스트 밸브 수단(40), 밸브 포스트 가이드(53)내의 홀(도시되지 않음)을 통하여 축적기(54)의 유체부피로 흐른다. 블래더(550내의 가스로 압축된 초기 흐름은 초기 흐름 가속 압력 스파이크를 감소한다.

펌핑 실린더(17)로부터 흐름이 진행됨에 따라, 축적기의 낮은(유체 출구 근처)섹션의 액체는 축적기 출구(56)로부터 고압 유체의 수용기(도시되지 않음)로 흐른다. 펌핑 피스톤(15)이 의도하는 BDC 위치로 접근함에 따라, 피스톤은 매니폴드 출구(51)를 닫기 시작하고 챔버(57)내의 압력은 급격히 상승하여 튜브(58)와 밸브 내의 압력이 상승하고 챔버(59)를 닫는다. 즉, 도 6에 도시된 위치에서 밸브수단(40)을 급속히 닫게하는 챔버(59)내의 고압은 닫는흐름 손실을 줄이고 유체가 역류를 줄인다. 상기 특성은 역시 펌핑 피스톤(150을 위한 유압 브레이크 "백업"과 이중 피스톤 조립체 및 펌핑 피스톤 멈춤제어내의 부정확한 허용오차를 제공한다.

본 발명의 또 다른 중요하고 독특한 실패-모드 보호 특성은 두 단일 피스톤 조립체를 위한 단단한 외부 부착 수단이 예비 멈춤 수단으로 기능한다는 것이다. 도 2에 도시된 충격 패드(35)는 케이지(19)에 부착되어, 이중 피스톤 조립체가 수용가능한 변화(2 또는 3/10 미만)를 위한 마진과 더불어 마지막-행정을 넘는 경우 충격 패드(35)가 실린더 하우징(12)과 접촉하고 이에따라 엔진구조가 피스톤-투-헤드 충격보호를 제공하도록 위치한다.

도 7은 도 1-6의 단일 이중 피스톤 조립체가 독특한 설계의 편입을 통하여 균형을 이루는 실시예를 도시한다. 이중 피스톤 조립체(60)는 기어 톱니(61a, 61b), 기어(62a, 62b)와 함께 도시되고 기어(62a, 62b), 균형 질량(63a, 63b)와 면한다. 균형질량(63a, 63b)은 동일한 질량이고 각각은 이중 이중 피스톤 조립체(60)의 질량의 1.5배이다. 이중 피스톤 조립체(60)가 한 방향으로 움직임에 따라, 균형 질량(63a, 63b)은 기어(62a, 62b)에 의해 반대의 방향의 동일한 속도로 움직이도록 구동된다. 상기 실시예에서, 단일 이중 피스톤 조립체, 자유 피스톤 엔진은 완전한 질량 및 모멘트 균형을 이룬다. 기어 랙과 피니언 수단은 체인/스프로켓, 레버 또는 다른 유사한 동기화 수단과 교체될 수 있다.

도 8A-8D는 "4 실린더" 이중 피스톤, 자유 피스톤엔진의 바람직한 형상을 도시한다. 상기 엔진의 실시예는 각 이중 피스톤 조립체의 작동이 단일 이중 피스톤을 위한 상술한 것과 동일한 2행정 사이클에서 작동될 수 있다. 한 중요한 예외는 도 8의 형상이 도 7의 균형 질량없이 기계적으로 균형을 이룬다는 것이다. 그러나, 역시 모멘트균형을 이루는 도 8의 형상을 위해 부가적인 균형질량이 더해져야 한다.

그러나 도 8A-8D에서 설명되는 것에 따라, 도시된 엔진은 또한 4행정 사이클에서 작동될 수 있다. 도 8A-8D는 4행정의 사이클에서 4 위치 또는 행정을 각각 도시한다. 도 8A 및 도 8B는 2행정 모드에서 작동되는 단일, 이중 피스톤 조립체 엔진을 위해 기술되는 작동의 방법과의 한 중요한 차이를 설명하기 위해 사용된다. 4 행정 사이클 엔진이 파워(또는 팽창)을 발생하는 2행정 사이클 엔진보다 둘이 더 많은 행정(배출과 흡입 행정)을 가지기 때문에, 각 펌핑 실린더는 채움 및 파워 행정에 이르기 전에 부가적인 채움행정을 통해 진행하고 저압 행정으로 돌아가 방출되어야 한다.

도 8A는 소비된 연소 가스(배기 행정)의 배출을 완료하는 연소 피스톤(80)을 도시한다. 상기 배기 행정 동안, 펌핑 피스톤(81)은 펌핑 실린더(82)(행정을 채움)의 채움을 완료한다. 그러나 연소 피스톤(80)의 다음 행정이 공기 차지 공기 흡입 행벙이기 때문에(도 8), 펌핑실린더(82)(도시되지 않음)를 위한 유체 흡입 밸브는 유체가 저압이 되도록 방출하기 위해 완전히 열린채로 있어야 한다. 공기 압축 및 유체의 흡입 행정(도 8C) 및 연소 가스 팽창 및 유체 파워 행정(도 8d)은 상술한 2행정 엔진 형상의 행정과 동일하고 그러므로 이들의 작동은 여기서 다시 서술하지 않는다.

4 행정 작동을 위한 상술한 두 여분의 유체 펌핑 행정은 두 (4중) 펌핑 피스톤 및 펌핑 실린더를 제거함으로써 제거될 수 있다. 예를 들어, 도 8를 참조하면, 만일 펌핑 피스톤(83) 및 펌핑 실린더(84) 및 핌핑 피스톤(85) 및 펌핑 실린더 (86)가 제거되면, 잔여 두 세트의 펌핑 피스톤과 펌핑 실린더는 그 BDC위치에서 각 펌핑 피스톤 행정상의 파워 행정을 가진다. 상기 형상은 또한 2 행정 모드에서 운영될 수 있으나 나머지 펌핑 실린더는 그 BDC 위치에 각 행정을 위한 두 연소 과정의 출력 파워를 전달하도록 흐름 용량이 두배가 되어야(펌핑 피스톤 및 펌핑 챔버를 분절 영역을 통해 두배로 함으로써)한다. 본 발명의 상기 실시예의 주요한 단점은 연소 피스톤이 자신의 축의 펌핑 피스톤이 없이 팽창 행정을 지날 때 부가적인 가스 팽창력이 적절한 펌핑 피스톤으로 기어를 통해 전달되어야 한다는 것이다.

도 9는 질량과 모멘트가 완전히 균형을 이루는 8-실린더 자유 피스톤 엔진의 다른 실시예를 도시한다. 상기 실시예는 2 행정 또는 4행정의 사이클 작동중 하나에서 사용될 수 있으나, 4행정 작동이 특히 바람직하다. 두 센터 이중 피스톤 조립체(90, 91)와 이와 같이 두 외부 이중 피스톤 조립체(93, 94)의 움직임에 동조시키기 위해, 동기화 부착(92)이 사용된다. 이중 피스톤 조립체(90, 91)와 이중 피스톤 조립체(93, 94)는 서로 함께 움직인다. 2 행정 또는 4사이클 엔진을 위해 상술한 모든 다른 작동에 대한 서술이 적용된다. 선택적으로, 두 기어 조립체는 전자적으로 동기화될 수 있으나 제어하기가 복잡하다.

도 10은 본 발명의 이중 피스톤 조립체의 또 다른 실시예이다. 상기 실시예에서 연소 피스톤(70)와 펌핑 피스톤(71)은 역시 펌핑 피스톤(71)과 함께 축상으로 정렬된 펌핑 실린더(73)와 더불어 축상으로 부착된다. 연소 피스톤(74)은 두 펌핑 피스톤(75, 76)이 부착되고 각각은 연소 피스톤상의 균형을 이루는 순 힘을 달성하기 위해 피스톤 외부직경으로부터 동등하게 삽입되고 연소피스톤의 환상의 단면의 중심라인을 따라 중심을 이룬다. 펌핑 피스톤(75, 76)은 펌핑 실린더(77, 78) 내에 서 왕복 운동한다. 펌핑 피스톤(75, 76)의 결합된 단면 영역은 펌핑 피스톤(71)의 단면 영역과 같아야 한다. 2 또는 4사이클 엔진 작동을 위한 작동 특성은 상술한바에 따른다. 더욱 간결한 특성은 나란한 펌핑 피스톤과 함께 달서오디나 부가적인 복잡성을 가진다.

도 11은 유압기계적인 가요성 연동장치에의해 두 단일 피스톤 조립체를 부착하는 선택적인 실시예를 도시한다. 상기 실시예의 주요한 이점은 두 단일 피스톤 조립체가 서로 관련된 다양한 위치에서 더 나은 포장 또는 균형을 이루도록 위치할 수 있다는 것이다. 도 11의 형상은 종래의 인라인 포장 및 기계적 균형을 위한 나란한 위치를 제공한다. 연소 피스톤 및 펌핑 피스톤은 상술한바와 같이 배치될 수 있다.

도 11의 실시예에서, 단일 피스톤 조립체의 축상 펌핑 피스톤(101)은 셔틀 실린더(103)내의 왕복 운동하는 유체 셔틀 피스톤(102)에 축상으로 부착된다. 펌핑 피스톤(101)은 씰링 블록(105)를 통해 왕복 운동하는 중공 커넥팅 로드(104)에 의해 셔틀 피스톤(102)에 부착된다. 커넥팅 로드(104)의 중공 센터(106)는 펌핑 실린더(107)내의 유체와 접촉하는 유체를 가진다. 체크 밸브(108)는 유체의 흐름이 단지 커넥팅 로드(104)를 연결하는 중공 센터에서 셔틀 실린더(103)로만 흐르도록 한다. 셔틀 실린더(103)는 이송 튜브(109)에 의해 실린더(110)에 더 부착되고 여기서 유체 셔틀 피스톤(111)이 왕복 운동한다. 셔틀 실린더(110)와 셔틀 피스톤(11)은 제 2 단일 피스톤 조립체의 일부와 같은 부분이다.

셔틀 피스톤(102)은 체인(112)과 같은 고 긴장력에 저항할 수 있는 가요성 기계적 수단에 의해 셔틀 피스톤(111)에 더 연결된다. 적절한 안내수단은 스프로켓(113,114)과 같은 가요성 기계 수단의 운동을 유도하는데 사용된다. 셔틀 실린더(103), 이송 튜브(109) 및 셔틀 실린더(110)(셔틀 피스톤 102와 111 사이에서) 내의 유체는 보급되(약간의 누출이 필연적으로 나옴에 따라)고, 유체에 의해 체크 밸브(108)를 통하여 펌핑 실린더(107)로부터 압력이 유지된다. 압력 유지된 유체는 체인(112)을 긴장상태로 유지하고 체인(112)은 유체의 부피를 억제한다. 유체 체인 조립체는 도 2의 케이지(19)로 기능하고 가요성, 고정길이 로드로 작용한다.

여기서, 상기 조립체는 가요성 연동장치와 더불어 유압 기계적이과 따라서 연결된 두 단일 피스톤 조립체는 본 발명의 이중 피스톤 조립체으로 기능하고, 단일 이중 피스톤 조립체를 가진 2행정 사이클 및 두(또는 그 이상) 이중 피스톤 조립체를 가진 4해정 사이클을 포함하여 상술한 모든 특징을 가지고 작동할 수 있다.

도 11은 4 행정, 질량 모멘트 균형 작동을 허용하기 위해 두 이중 피스톤 조립체를 함께 연결시키기 위해 사용될 수 있는 기계적 연동장치(115)를 도시한다. 두 이중 피스톤 조립체는 "케이지" 실시예를 위해 상술한 바에 따라 전자적으로 연결될 수 있다.

도 12는 "4 실린더"의 선택적인 실시예를 도시하며 도 8의 이중 피스톤 조립체 엔진은 두 쌍둥이 이중 피스톤 조립체(A,B)를 도시한다. 단일 쌍둥이 이중 피스톤 조립체 A를 참조하면, 상기 엔진은 조립체 A와 함께 상술한 바와 같이 2행정 사이클 또는 4행정 사이클작동으로 운행될 수 있고, 기계적 균형을 이루고(도 8의 실 시예서와 같이), 도 8의 실시예와는 달리 조립체 A는 역시 모멘트 균형을 이룬다. 작동의 2행정 사이클 모드에서, 조립체 A는 역시 조립체 B(두 도 8의 조립체에 부착된 도 9에서와 같이)에 기계적으로 부착될 수 있거나 4행정 연소힘 균형 작동을 허용하도록 서로 연결될 수 있다. 도 12의 실시예의 적용에 있어 단점은 완전한 엔진의 길이가 확실히 증가한다는 것이다.

조립체 A는 즉, 2행정 모드에서 작동하는 모멘트 및 연소 힘의 균형을 이루는 상기 실시예의 독특한 특성(도 8 및 상술한 실시예)을 더 기술하기 위해 사용된다. 연소 피스톤(124, 124A)은 실린더(126, 126A)내에서 각각 왕복 운동하고, 이중 피스톤 조립체(120)를 이루기 위해 함께 고정된다. 연소 피스톤(124, 124A)은 각각 펌핑 피스톤(128, 128A)에 고정되어 이송된다. 마찬가지로, 연소 피스톤(125, 125A)은 실린더(127, 127A) 내에서 각각 왕복 운동하고, 이중 피스톤 조립체 (121)를 이루기 위해 함께 고정된다. 연소 피스톤(125, 125A)은 펌핑 피스톤(129, 128A)에 각각 고정되어 이송된다. 이중 피스톤 조립체(120, 121)는 기어(123)을 통하여 외부 케이지(122)에 의해 동기화된다. 외부 케이지(122)에 더한 조립체(121)는 조립체(120)와 동일한 질량이 되어야 한다. 조립체(120)가 그 외부 TDC 위치부터 그 내부 TDC 위치로 이동함에 따라, 조립체(121)는 그 외부 TDC 위치부터 그 내부 TDC 위치로 이동한다. 내부 TDC 위치에서, 조립체(120)의 내부 연소 피스톤(124)과 조립체(121)의 내부 연소 피스톤(125)이 압축 행정을 완료하면 연소가 시작되고 팽창 행정이 뒤이어 계속된다(상술한 바에 따라). 모든 힘은 엔진 구조 내에서 균형을 이루게 된다.

도 13에 도시된 도 7의 실시예의 수정예는 중심 이중 피스톤 조립체(130)의 연소 피스톤(135a,135b)의 1.5배의 영역(변위 부피의 1.5를 주는)을 가지는 각 연소 피스톤(134a, 134b, 134c, 134d)을 가진 균형질량(63a,63b)(도 7)을 대신하여 이중 피스톤 조립체(113a,133b)를 결합한다.

계속된 기계적 균형에 더하여 도 7의 실시예의 상기 6-실린더 수정예는 도 12의 실시예를 위해 서술된바와 같이 모멘트 연소 힘 균형 옵션을 가지고 2행정 또는 4행정으로 작동될 수 있거나 상술한바와 같이 작동될 수 있다. 도 13은 비용을 줄이는 펌핑 피스톤이 없는 이중 피스톤 조립체(133a, 133b)를 도시한다. 팽창 작업은 적절하게 그리고 상술한바와 같이 펌핑 피스톤(136a 또는 136b)에 의해 추출되고 중심 이중 피스톤 조립체(130)에 적절한 만큼 동기화 수단(132a 또는 132b)을 통하여 이송된다. 이중 피스톤 조립체(133a, 133b)는 펌핑 피스톤(도시되지 않음)을 포함하기 위해 수정될 수 있고, 상술한 바와 같이 동기화 수단(132a, 132b)을 통하여 이송되기 위해 요구되는 힘을 줄이기 위해 작동된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 유체 흡입 밸브(도 3에서 24a 또는 24, 24b)의 늦은 닫힘의 전자 및 기계적 응답을 위한 부가적인 시간을 제공하는 반복적인 연료 및 연소 제어를 위한 방법을 제공한다. 도 2 및 3을 참조로 상술한 작동방법은 다시 도 2 및 3을 참조로 여기서 서술된 것을 제외하고 아직 적용된다. 제어를 위한 선택적인 방법으로 적절한 즉, 충분한 에너지가 적절한 다음 TDC 조립체 위치를 보증하는 반면 이용가능한 에너지를 추출하는 적절한 늦은 흡입 밸브(밸브 24a 또는 24b) 닫힘 위치는 (마찰 및 열 손실과 같은 엔진 작동 특성의 테이블 또는 알 고리즘으로부터) 제공되거나 명령된 연료량, 유압 및 "기대되는" 사이클 효율성을 기초로 각 연소과정을 위해 결정된다.

적절한 늦은 흡입 밸브 닫힘위치의 선택적이 채용 조정은 각 파워 행정을 위한 하나 또는 그 이상의 다음 또는 동일한 합성 조립체 에너지 결정수단을 기초로 제공된다.:

(1) 위치센서로부터 온 신호를 기초로 선택된 위치(실제로 기대되는 것과 비교한)에서 조립체의 속도.

(2) 위치센서(31)로부터 온 신호를 기초로 이중 피스톤 조립체(기대되는 멈춤 위치와 비교된)의 멈춤 위치.

(3) 조립체가 멈추는 근처 또는 거기에서 그러나 실린더 압력 변환기(도시되지 않음)로부터의 신호를기초로 연소의 시작이전의 반대 연소 실린더 압력.

본 발명은 이에 관한 다른 특정의 형태에 사상 또는 본질적인 특징에서 출발하지 않고 실시될 수 있다 본 실시예는 제한되지 않고 예시적이기 때문에 모든 점에서 고려되기 위해 상술한 설명에 의한 것 보다 청구범위와 균등한 의미 범위 내에 본 발명의 변형을 모두 포함한다.

Claims (43)

1. 적어도 하나의 엔진 유닛을 갖는 자유 피스톤 엔진에 있어서,

   상기 엔진 유닛은,

   축선 방향으로 대향하는 한 쌍의 연소 실린더와,

   상기 연소 실린더 내의 연속적인 연소 공정에 따라, 상기 연소 실린더 내에서의 왕복 선형 운동을 위해 각각 상기 연소 실린더 내에 장착되는 한 쌍의 부동성 연소 피스톤과,

   상기 한 쌍의 연소 피스톤 각각에 고정되어 그로부터 연장되는 펌핑 피스톤과,

   상기 한 쌍의 연소 실린더 사이에 배치되고, 각각 상기 연소 실린더 내에서의 왕복 선형 운동을 위해 상기 펌핑 피스톤을 수용하는 축선 방향으로 정렬되는 한 쌍의 유압 실린더와,

   상기 한 쌍의 연소 피스톤과 단단히 연결되고, 상기 유압 실린더 및 펌핑 피스톤을 둘러싸며, 왕복 이중 피스톤 조립체를 제공하는 케이지와,

   제 1 압력에서 유체를 수용하고, 상기 제 1 압력보다 큰 제 2 압력에서 유체를 방출하기 위한 상기 유압 실린더 각각의 포트를 포함하는

   자유 피스톤 엔진.
2. 제 1 항에 있어서,

   연소 피스톤을 펌핑 피스톤에 연결하는 로드를 둘러싸고 안내하는 부싱을 더 포함하며, 상기 연소 피스톤은 링이 없는

   자유 피스톤 엔진.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 케이지 상의 위치 지시기, 상기 위치 지시기 판독용 위치 센서 및 상기 케이지의 위치 결정용 전자 제어 유닛을 더 포함하는

   자유 피스톤 엔진.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 엔진 유닛 중 적어도 2개, 및 상기 이중 피스톤 조립체에 반대 방향으로 동기화된 평행 운동을 제공하도록 상기 이중 피스톤 조립체 중 적어도 2개의 케이지를 연결하기 위한 동기화 수단을 포함하는

   자유 피스톤 엔진.
5. 적어도 하나의 엔진 유닛을 갖는 자유 피스톤 엔진을 작동하는 방법으로서, 상기 엔진 유닛은 축선 방향으로 대향된 한 쌍의 연소 실린더를 포함하고, 상기 한 쌍의 연소 실린더 각각은 그 내부에 부동성 연소 피스톤을 수용하며, 상기 연소 피스톤 각각은, 상기 연소 피스톤에 부착되고 유압 실린더 내에서의 왕복 선형 운동을 위해 상기 유압 실린더 내에 장착되는 적어도 하나의 펌핑 피스톤을 구비하고, 상기 연소 피스톤은 서로 고정되어 이중 피스톤 조립체로서 직렬 왕복 운동하는, 상기 자유 피스톤 엔진 작동 방법에 있어서,

   상기 펌핑 피스톤이 BDC로부터 TDC로 진행함에 따라 저압 유체 흡입 밸브를 통해 상기 유압 실린더로 저압의 유체를 수용하고, 상기 펌핑 피스톤이 TDC로부터 BDC로 진행함에 따라 상기 저압보다 높은 고압의 유체를 방출하는 단계와,

   한 방향으로의 파워 행정을 위한 위치 신호를 발생하도록 상기 이중 피스톤 조립체 상의 위치 지시기를 판독하는 단계와,

   상기 고압 및 저압을 측정하고, 상기 측정된 압력을 나타내는 압력 신호를 발생시키는 단계와,

   상기 위치 신호 및 상기 압력 신호에 기초하여, 동일한 행정에서 상기 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하기 위한 위치를 결정하여, 상기 이중 피스톤 조립체가 지시된 멈춤 위치에 멈추도록 하고, 이에 따라 동일한 행정에서, 유압력을 추출하고, 실시간으로 반대 연소 피스톤의 목표 압축비를 얻는 단계를 포함하는

   자유 피스톤 엔진 작동 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 멈춤 위치는, 상기 저압 유체 흡입 밸브를 통한 상기 유압 실린더의 완전 충전 상태 내내 상기 저압 유체 흡입 밸브가 개방된 상태를 유지하고, 상기 저압 유체 흡입 밸브를 통해 저압으로 복귀하는 방출 동안 상기 유압 실린더의 충전 체적의 20% 내지 100%의 위치에서 상기 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄함으로써 달성되는

   자유 피스톤 엔진 작동 방법.
7. 적어도 하나의 엔진 유닛을 갖는 자유 피스톤 엔진을 작동하는 방법으로서, 상기 엔진 유닛은 축선 방향으로 대향된 한 쌍의 연소 실린더를 포함하고, 상기 한 쌍의 연소 실린더 각각은 그 내부에 부동성 연소 피스톤을 수용하며, 상기 연소 피스톤 각각은, 상기 연소 피스톤에 부착되고 유압 실린더 내에서의 왕복 선형 운동을 위해 상기 유압 실린더 내에 장착되는 적어도 하나의 펌핑 피스톤을 구비하고, 상기 한 쌍의 연소 피스톤은 서로 고정되어 이중 피스톤 조립체로서 직렬 왕복 운동하는, 상기 자유 피스톤 엔진 작동 방법에 있어서,

   상기 펌핑 피스톤이 BDC로부터 TDC로 진행함에 따라 저압 유체 흡입 밸브를 통해 상기 유압 실린더로 저압의 유체를 수용하고, 상기 펌핑 피스톤이 TDC로부터 BDC로 진행함에 따라 상기 저압보다 높은 고압의 유체를 방출하는 단계와,

   위치 신호를 발생하기 위해 소정의 사이클의 파워 행정에서, 상기 이중 피스톤 조립체의 복수 위치의 상기 이중 피스톤 조립체 상에 위치되는, 피스톤 지시기를 판독하는 단계와,

   상기 위치 신호를 기초로, 상기 이중 피스톤 조립체의 속도 및 가속도의 함수로서, 상기 소정의 사이클에서 단일 연소 공정에 의해 생성되는 에너지를 결정하는 단계와,

   상기 고압 및 저압을 측정하고, 상기 측정된 압력을 나타내는 압력 신호를 발생시키는 단계와,

   상기 결정된 에너지 및 상기 압력 신호를 기초로, 상기 소정의 사이클에 후속하는 사이클에서의 압축 행정에 대한 목표 압축비를 달성하기 위해 상기 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하기 위한 위치를 결정하는 단계와,

   상기 소정의 사이클에서, 상기 이중 피스톤 조립체가 상기 요구되는 멈춤 위치에 멈추도록 하고, 이에 따라 실시간으로 상기 목표 압축비를 얻도록 저압으로의 복귀 방출 동안 상기 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는

   자유 피스톤 엔진 작동 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   연료 공급 속도 및 상기 고압을 포함하는 엔진 작동 매개변수 중 적어도 하나를 결정하는 단계와,

   상기 결정된 엔진 작동 매개변수를 기초로, 상기 저압 유체 흡입 밸브의 폐쇄를 위한 멈춤 위치의 범위를 설정하는 단계와,

   검지된 멈춤 위치가 상기 설정된 멈춤 위치 범위 밖에 있는 경우, 상기 엔진을 멈추는 단계를 포함하는

   자유 피스톤 엔진 작동 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 이중 피스톤 조립체의 이동 방향과 반대 방향으로의 왕복 이동을 위해 상기 이중 피스톤 조립체의 상기 양 측면 상에 장착되어 연결되는 균형 부재를 더 포함하는

   자유 피스톤 엔진.
10. 제 1 항에 있어서,

    일렬로 배치된 제 1 내지 제 4의 상기 엔진 유닛을 포함하며,

    상기 엔진 유닛 각각은,

    제 1 내지 제 4 이중 피스톤 조립체와,

    제 1 및 제 2 이중 피스톤 조립체에 반대 방향으로의 동기화된 평행 이동을 제공하도록 상기 제 1 및 제 2 이중 피스톤 조립체의 케이지를 연결하는 제 1 동기화 수단과,

    제 3 및 제 4 이중 피스톤 조립체에 반대 방향으로의 동기화된 평행 이동을 제공하도록 상기 제 3 및 제 4 이중 피스톤 조립체의 케이지를 연결하는 제 2 동기화 수단과,

    직렬 왕복 운동을 위해 상기 제 2 및 제 3 이중 피스톤 조립체의 케이지를 서로 견고하게 연결하는 커넥터를 포함하는

    자유 피스톤 엔진.
11. 적어도 하나의 엔진 유닛을 갖는 자유 피스톤 엔진을 작동하는 방법으로서, 상기 엔진 유닛은 축선 방향으로 대향된 한 쌍의 연소 실린더를 포함하고, 상기 한 쌍의 연소 실린더 각각은 그 내부에 부동성 연소 피스톤을 수용하며, 상기 연소 피스톤 각각은, 상기 연소 피스톤에 부착되고 유압 실린더 내에서의 왕복 선형 운동을 위해 상기 유압 실린더 내에 장착되는 적어도 하나의 펌핑 피스톤을 구비하고, 상기 연소 피스톤은 서로 고정되어 이중 피스톤 조립체로서 직렬 왕복 운동하는, 상기 자유 피스톤 엔진 작동 방법에 있어서,

    상기 펌핑 피스톤이 BDC로부터 TDC로 진행함에 따라 저압 유체 흡입 밸브를 통해 상기 유압 실린더로 저압의 유체를 수용하고, 상기 펌핑 피스톤이 TDC로부터 BDC로 진행함에 따라 상기 저압보다 높은 고압의 유체를 방출하는 단계와,

    한 방향으로의 파워 행정을 위해 명령된 연료 에너지를 결정하는 단계와,

    상기 고압 및 저압을 측정하고, 상기 측정된 압력을 나타내는 압력 신호를 발생시키는 단계와,

    엔진 온도를 측정하고, 상기 측정된 온도를 나타내는 온도 신호를 발생시키는 단계와,

    상기 온도 신호 및 상기 결정된 연료 에너지를 기초로, 표 또는 알고리즘으로부터 예상되는 사이클 효율을 결정하고, 상기 명령된 연료 에너지, 상기 압력 신호 및 상기 예상되는 사이클 효율을 기초로, 동일한 행정에서 상기 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하기 위한 위치를 결정하여 상기 이중 피스톤 조립체가 지시된 멈춤 위치에 멈추도록 하고, 이에 따라 동일한 행정에서, 유압력을 추출하고, 실시간으로 반대 연소 피스톤의 목표 압축비를 얻는 단계를 포함하는

    자유 피스톤 엔진 작동 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하기 위한 위치는 각각의 파워 행정의 결과로 발생하는 상기 측정된 이용 가능한 에너지를 기초로 조절되는

    자유 피스톤 엔진 작동 방법.
13. 적어도 2개의 엔진 유닛을 갖는 자유 피스톤 엔진을 작동하는 방법으로서, 상기 엔진 유닛 각각은 축선 방향으로 대향된 2개의 연소 실린더를 포함하고, 상기 2개의 연소 실린더 각각은 그 내부에 부동성 연소 피스톤을 수용하며, 상기 연소 피스톤 각각은, 상기 연소 피스톤에 부착되고 유압 실린더 내에서의 왕복 선형 운동을 위해 상기 유압 실린더 내에 장착되는 적어도 하나의 펌핑 피스톤을 구비하고, 상기 2개의 연소 피스톤은 서로 고정되어 이중 피스톤 조립체로서 직렬 왕복 운동하며, 제 1 엔진 유닛의 상기 2개의 연소 피스톤은 반대 방향으로의 동기 운동(synchronized movement)을 위해 제 2 엔진 유닛의 상기 2개의 연소 피스톤에 연결되는, 상기 자유 피스톤 엔진 작동 방법에 있어서,

    상기 제 1 펌핑 피스톤에 고정된 제 1 연소 피스톤의 배기 행정 동안 제 1 펌핑 피스톤의 유압 실린더로 저압 유체 흡입 밸브를 통해 저압의 유체를 수용하는 단계와,

    상기 저압 유체 흡입 밸브의 개방을 유지하고, 상기 저압에서 상기 제 1 펌핑 피스톤의 유압 실린더로부터 유체를 방출하는 동안, 상기 제 1 연소 피스톤의 흡입 행정에 의해 상기 제 1 연소 피스톤의 연소 실린더 하우징으로 공기를 수용하는 단계와,

    상기 제 1 펌핑 피스톤의 유압 실린더로 유체가 다시 수용되는 동안, 상기 제 1 연소 피스톤의 압축 행정에 의해 공기를 압축하는 단계와,

    상기 제 1 연소 피스톤이 파워 행정을 실행하는 동안, 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하고 상기 저압보다 높은 고압에서 상기 제 1 펌핑 피스톤의 유압 실린더로부터 유체를 방출하는 단계와,

    한 방향으로 상기 행정 중 하나를 위한 위치 신호를 발생시키도록 상기 제 1 연소 피스톤을 포함하는 이중 피스톤 조립체 상의 위치 지시기를 판독하는 단계와,

    상기 위치 신호를 기초로, 상기 제 1 연소 피스톤과 쌍을 이룬 제 2 연소 피스톤의 압축 행정에서, 유압 파워를 추출하고 실시간으로 목표 압축비를 달성하도록 동일한 사이클에서 상기 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하기 위한 위치를 결정하는 단계를 포함하는

    자유 피스톤 엔진 작동 방법.
14. 적어도 2개의 엔진 유닛을 갖는 자유 피스톤 엔진을 작동하는 방법으로서, 상기 엔진 유닛 각각은 축선 방향으로 대향된 2개의 연소 실린더를 포함하고, 상기 2개의 연소 실린더 각각은 그 내부에 부동성 연소 피스톤을 수용하며, 상기 연소 피스톤 중 적어도 2개는, 상기 연소 피스톤에 부착되고 유압 실린더 내에서의 왕복 선형 운동을 위해 상기 유압 실린더 내에 장착되는 적어도 하나의 펌핑 피스톤을 구비하고, 상기 2개의 연소 피스톤은 서로 고정되어 이중 피스톤 조립체로서 직렬 왕복 운동하며, 제 1 엔진 유닛의 상기 2개의 연소 피스톤은 반대 방향으로의 동기 운동을 위해 제 2 엔진 유닛의 상기 2개의 연소 피스톤에 연결되는, 상기 자유 피스톤 엔진 작동 방법에 있어서,

    상기 제 1 엔진의 상기 제 1 펌핑 피스톤에 고정된 제 1 연소 피스톤의 상사점으로의 제 1 행정 동안 제 1 펌핑 피스톤의 유압 실린더로 저압 유체 흡입 밸브를 통해 저압의 유체를 수용하는 단계와,

    상기 제 1 연소 피스톤이 파워 행정을 실행하는 동안, 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하고 상기 저압보다 높은 고압에서 상기 제 1 펌핑 피스톤의 유압 실린더로부터 유체를 방출하는 단계와,

    상기 제 1 연소 피스톤의 상사점으로의 제 2 행정 동안, 상기 제 1 펌핑 피스톤의 유압 실린더로 저압 유체 흡입 밸브를 통해 저압의 유체를 수용하는 단계와,

    상기 제 2 엔진의 제 2 연소 피스톤이 파워 행정을 실행하는 동안, 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하고 상기 저압보다 높은 고압에서 상기 제 1 펌핑 피스톤의 유압 실린더로부터 유체를 방출하는 단계와,

    한 방향으로의 상기 행정 중 하나를 위한 위치 신호를 발생시키도록 상기 제 1 연소 피스톤을 포함하는 이중 피스톤 조립체 상의 위치 지시기를 판독하는 단계와,

    상기 위치 신호를 기초로, 상기 제 1 연소 피스톤의 압축 행정에서, 유압 파워를 추출하고 실시간으로 목표 압축비를 달성하도록 동일한 사이클에서 상기 저압 유체 흡입 밸브를 폐쇄하기 위한 위치를 결정하는 단계를 포함하는

    자유 피스톤 엔진 작동 방법.
15. 제 1 항에 있어서,

    일렬로 배치된 제 1, 제 2 및 제 3 이중 피스톤 조립체를 갖는 3개의 상기 엔진 유닛을 포함하고,

    상기 제 1 및 제 3 이중 피스톤 조립체를 상기 제 2 이중 피스톤 조립체의 이동 방향과 반대 방향으로 이동시키기 위한 동기화 수단을 더 포함하며,

    상기 제 2 이중 피스톤 조립체는 각각의 제 1 및 제 3 이중 피스톤 조립체의 질량의 2배인 질량을 가지며,

    상기 제 2 이중 피스톤 조립체의 연소 피스톤은 상기 제 1 및 제 3 이중 피스톤 조립체의 연소 피스톤의 단면적의 2배인 단면적을 갖는

    자유 피스톤 엔진.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 3 이중 피스톤 조립체가 펌핑 피스톤을 포함하지 않는

    자유 피스톤 엔진.
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