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▶ ゲタス ゲゼルシャフト フル サーモダイナミシェ アントリーブッシステメ エムベーハーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5768984
(24)【登録日】2015年7月3日
(45)【発行日】2015年8月26日
(54)【発明の名称】軸方向ピストンエンジン
(51)【国際特許分類】
F02B 75/26 20060101AFI20150806BHJP
F02B 33/22 20060101ALI20150806BHJP
F02B 19/14 20060101ALI20150806BHJP
F02D 19/12 20060101ALI20150806BHJP
F01B 3/04 20060101ALI20150806BHJP
F02B 47/02 20060101ALI20150806BHJP
F02M 25/022 20060101ALI20150806BHJP
F01M 1/02 20060101ALI20150806BHJP
F01B 7/16 20060101ALI20150806BHJP
【ＦＩ】
F02B75/26
F02B33/22 Z
F02B19/14 Z
F02D19/12 A
F01B3/04
F02B47/02
F02M25/02 H
F01M1/02 A
F01B7/16
【請求項の数】21
【全頁数】46
(21)【出願番号】特願2012-520908(P2012-520908)
(86)(22)【出願日】2010年7月26日
(65)【公表番号】特表2013-500418(P2013-500418A)
(43)【公表日】2013年1月7日
(86)【国際出願番号】DE2010000878
(87)【国際公開番号】WO2011009455
(87)【国際公開日】20110127
【審査請求日】2013年5月10日
(31)【優先権主張番号】102009034737.2
(32)【優先日】2009年7月24日
(33)【優先権主張国】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】512003973
【氏名又は名称】ゲタス ゲゼルシャフト フル サーモダイナミシェ アントリーブッシステメ エムベーハー
(74)【代理人】
【識別番号】100091683
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】ロース，ウルリヒ
(72)【発明者】
【氏名】フォイグト，ディーター
【審査官】
佐藤 健一
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２００９／０６２４７３（ＷＯ，Ａ２）
【文献】
特開２０００−２６５８４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第０６３０５３３５（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
米国特許第０１５０１３９２（ＵＳ，Ａ）
【文献】
特開２００５−２９９５００（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−１１５０２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００８／１０６００７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０１Ｂ １／００−３１／３６
Ｆ０１Ｍ １／０２
Ｆ０２Ｂ １／００−２３／１０
Ｆ０２Ｂ ３３／２２
Ｆ０２Ｂ ４７／０２
Ｆ０２Ｂ ７５／２６
Ｆ０２Ｄ １９／００−１９／１２
Ｆ０２Ｍ ２５／０２２
Ｆ０３Ｃ １／００− ５／０２
Ｆ０４Ｂ １／００− ７／０６
Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は制御駆動により駆動される少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御ピストンに、前記制御駆動により供給される力に加えて、前記燃焼室圧力と逆向きの相殺力がその前記燃焼室と逆方向の側において付加されることを特徴とする、軸方向ピストンエンジン。
【請求項2】
前記相殺力はばねを介して機械的に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項3】
前記相殺力は油圧を介して油圧的に供給されることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項4】
前記相殺力は圧縮機圧力を介して空気圧により供給されることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項5】
少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は制御駆動により駆動される少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御ピストンは圧力空間内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項6】
少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は制御駆動により駆動される少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御駆動は、前記制御ピストンを駆動し、その一側に圧縮機圧力が付加される軸封と連動する制御軸を含むことを特徴とする、請求項１に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項7】
前記制御ピストンは噴霧冷却されることを特徴とする、請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項8】
前記噴霧冷却はオイルを用いて実行されることを特徴とする、請求項７に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項9】
前記制御ピストンにオイルスクレーパが設けられることを特徴とする、請求項８に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項10】
前記制御ピストンは、前記燃焼室から前記作動シリンダへ前記燃焼媒介が流れる方向である主流れ方向に平行な、前記燃焼媒介の流れを案内する案内面を有することを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項11】
前記制御ピストンは、前記燃焼室から前記作動シリンダへ前記燃焼媒介が流れる方向である主流れ方向に垂直な、前記燃焼媒介の流れを阻止する衝突面を有することを特徴とする、請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項12】
前記制御ピストンは前記制御ピストンの長さ方向の軸に対して鋭角を成す、前記燃焼媒介の流れを案内する案内面を有することを特徴とする、請求項１〜１１のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項13】
前記制御ピストンは前記制御ピストンの長さ方向の軸に対して鋭角を成す、前記燃焼媒介の流れを阻止する衝突面を有することを特徴とする、請求項１〜１２のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項14】
前記制御ピストンは前記燃焼媒介の流れを案内する案内面および／又は前記燃焼媒介の流れを阻止する衝突面を有し、前記案内面および／又は前記衝突面は平面、球状の面、円筒状の面又は円錐形の面からなることを特徴とする、請求項１０〜１３のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項15】
前記制御ピストンは前記燃焼媒介の流れを案内する案内面を有し、前記軸方向ピストンエンジンは前記燃焼室と前記膨張機段との間に案内面シール面を有し、前記案内面シール面は前記案内面と平行に形成され、前記制御ピストンの上死点において前記案内面と連動することを特徴とする、請求項１０〜１４のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項16】
前記案内面シール面は、前記燃焼室から前記作動シリンダへ前記燃焼媒介の流れを導く導管側で前記制御ピストンの長さ方向の軸に垂直な表面に結合されることを特徴とする、請求項１５に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項17】
前記軸方向ピストンエンジンは前記燃焼室と前記膨張機段との間にステムシール面を有し、前記ステムシール面は前記制御ピストンの長さ方向の軸と平行に形成され、前記制御ピストンのステム表面と連動することを特徴とする、請求項１０〜１６のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項18】
前記制御ピストンは前記燃焼媒介の流れを案内する案内面、前記燃焼媒介の流れを阻止する衝突面を有し、前記軸方向ピストンエンジンは案内面シール面、ステムシール面を有し、前記制御ピストンの前記案内面、前記衝突面、前記案内面シール面、前記ステムシール面および／又はステム表面は反射性表面を有することを特徴とする、請求項１０〜１７のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項19】
前記制御ピストンの前記燃焼室側の表面の少なくとも１個は反射性であることを特徴とする、請求項１〜１８のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項20】
前記制御ピストンは相互に異なる開放時間および閉鎖時間を有することを特徴とする、請求項１〜１９のうちいずれか１項に記載の軸方向ピストンエンジン。
【請求項21】
前記制御ピストンは開放時よりも閉鎖時の方がより高速であることを特徴とする、請求項２０に記載の軸方向ピストンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は軸方向ピストンエンジンに関する。本発明はまた、軸方向ピストンエンジンを動作させるための方法および軸方向ピストンエンジンの熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
軸方向ピストンエンジンは少なくとも１個のピストンを用いて機械的回転エネルギを出力側において供給する従来技術から十分に公知のエネルギ変換機であり、ピストンはその方位が回転エネルギの回転軸と略同軸上に配置される線形の往復運動を実行する。
【0003】
例えば圧縮空気のみを用いて動作する軸方向ピストンエンジンに加えて、燃焼媒介が供給される軸方向ピストンエンジンもまた公知である。この燃焼媒介は例えば燃料と空気等複数の部材からなっていてもよく、これらの部材は一緒に又は個別に少なくとも１個の燃焼室に供給される。したがって本発明において用語「燃焼媒介」は、軸方向ピストンエンジンを流れる燃焼に関与する物質、又は燃焼に関与する部材が含む物質を指す。燃焼媒介は少なくとも可燃性物質又は燃料を含み、本文脈において用語「燃料」は化学反応又はその他の反応、詳細には酸化還元反応により発熱する材料を指す。更に、燃焼媒介は燃料又は燃焼媒介が反応するための材料を供給する例えば空気等の部材を含んでいてもよい。
【0004】
詳細には、軸方向ピストンエンジンは燃焼媒介すなわち燃料および空気等が連続して１個又は複数の燃焼室に供給される内部連続燃焼（ＩＣＣ：Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）の原理に基づいて動作するようにしてもよい。
【0005】
更に、軸方向ピストンエンジンは一方で回転ピストンと連動してもよく、したがって回転シリンダが燃焼室を通過する。他方で軸方向ピストンエンジンは固定シリンダを備えていてもよく、これにより作動媒体が任意の充填手順で連続的にシリンダに供給される。
【0006】
例えば、上記のような固定シリンダを有するＩＣＣ軸方向ピストンエンジンは特許文献１および特許文献２により公知であり、特許文献１に開示の軸方向ピストンエンジンは燃焼媒介の供給および排ガスの排出は熱交換により相互に結合される。
【0007】
特許文献１および特許文献２に開示の軸方向ピストンエンジンにおいて、作動シリンダおよび対応する作動ピストンと、圧縮機シリンダおよび対応する圧縮機ピストンとは分離されており、圧縮機シリンダは軸方向ピストンエンジンの作動シリンダとは反対方向の側に設けられる。この点において、上記のような軸方向ピストンエンジンには圧縮機側と作動側が設けられる。
【0008】
用語「作動シリンダ」、「作動ピストン」および「作動側」は、用語「膨張シリンダ」、「膨張ピストン」および「膨張側」又は「膨張機シリンダ」、「膨張機ピストン」および「膨張機側」、および用語「膨張段」又は「膨張機段」と同義語として使われ、この場合「膨張機段」又は「膨張段」は配置される全ての「膨張シリンダ」又は「膨張機シリンダ」全体を指すものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】欧州特許公開第ＥＰ１０３５３１０Ａ２号公報
【特許文献2】国際公開第２００９／０６２４７３Ａ２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の課題は軸方向ピストンエンジンの効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の課題は、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は制御駆動により駆動される少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御駆動により供給される力に加えて、前記燃焼室圧力と逆向きの相殺力がその前記燃焼室と逆方向の側において制御ピストンに付加されることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0012】
好都合には、上記のような更なる圧縮力により前記制御ピストンに対する封止を大幅に向上することができ、この場合、単にオイルのみの擦取りだけで前記燃焼室に対する又は前記燃焼媒介流を誘導する注入管に対する封止を理想的に実行することができ、この点においてこれにより特許文献２から公知の封止を大幅に単純化することができる。
【0013】
なお、ここで、特に前記制御駆動は例えば油圧式、電気的、磁気的又は機械的制御駆動等、多様に構成されてもよい。
【0014】
非常に好都合には前記制御駆動により供給される力は前記相殺力の方向と異なり、本発明によれば、前記燃焼室圧力と逆向きである。
【0015】
一般に、制御駆動全体は基本的に誘導力（ｇｕｉｄｅ ｆｏｒｃｅ）のみ吸収すればよいため、より小型に形成されてもよい。本発明によれば、この誘導力を超えて必要となる力は前記相殺力により供給され、これにより前記制御駆動は前記制御ピストンに対する封止に必要な力による負荷を受けない、又は受けたとしても問題ない程度となる。詳細には、受ける負荷が少なくなるため前記制御ピストンおよび前記制御駆動をより軽量な構造とすることができるため、上述の相殺力により制御時間をより短くできる。
【0016】
上記のような相殺力は構造により多様な方法で供給されてよいものとする。これを目的として、好ましい別の実施の形態によれば、前記軸方向ピストンエンジンにおいて機械的配置は構造的に非常に単純に実施することができるため、前記相殺力は例えばばねを介して機械的に供給される。
【0017】
上記に対して選択的又は追加的に、好都合には、前記相殺力は例えば油圧を介して油圧的に供給される。上記のような油圧はオイルポンプ、また特に分離されるオイルポンプを介して供給される。必要な油圧は、前記軸方向ピストンエンジン内で通常存在する油圧が前記相殺力の生成に十分となり、そのために使用可能となるよう決定されてもよい。しかしながら、分離されるオイルポンプをまた設けてもよい。
【0018】
更なる別の実施の形態に関して、前記相殺力は上記に追加的又は選択的に空気圧により、特に前記圧縮機圧力を介して供給される。この空気式変形例は詳細には、圧力を実際に生成する動作は前記作動ピストン内で既に実行されているため、前記軸方向ピストンエンジンにおいて前記相殺力を生成するための圧力が常に存在し、更に好ましくは前記燃焼室圧力に略対応するという利点を有する。この点において、封止に小さい圧力差のみ必要とする軽度の封止のみが必要となる。上記に補足して、オイルポンプが適切な油膜を生成して、好都合には分離される回路内にオイルを誘導してもよく、この場合このオイルポンプは非常に低い背圧のみを受ける。この点において、前記オイルポンプは、以下に更に詳述するように前記圧縮機圧力に対抗して動作する必要がなくなる。
【0019】
好都合には、空気圧により生成される相殺力は約３０バールの燃焼媒介圧力により生成されてもよい。これを目的として、特に制御空間は気圧又は前記軸方向ピストンエンジンのその他の空間に対して適切に封止される必要があり、これによりオイルの擦取りのみで前記燃焼室又は対応する注入管と制御空間との間の封止が実行できる。必要に応じて、適切には小さい寸法の補助的な更なる封止を設けてもよい。
【0020】
この点において、本課題を更に達成することにより、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は制御駆動により駆動される少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御ピストンは圧力空間内に配置されることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンが得られる。詳細には、前記制御室の制御空間、および前記制御ピストンおよび前記制御駆動のアセンブリの少なくとも一部、好ましくは主要な部分が配置される空間は圧力空間として形成されるため、上記が可能となる。
【0021】
そのため、用語「圧力空間」は、前記軸方向ピストンエンジンの好ましくは少なくとも１０バールの、外界に対して区別できる程度に高い圧力を有する閉鎖された空間を意味する。
【0022】
前記制御ピストンは本質的に圧力空間内に配置されるため、好ましくは複雑な封止は必要なく、これにより前記軸方向ピストンエンジンにおける損失をほとんど受けることなく動作が行われ、これにより前記軸方向ピストンエンジンの効率が同様に向上する。従来技術からは前記燃焼室側を圧力空間内に設けることのみが公知であり、前記制御ピストンについては公知ではない。
【0023】
更に、本発明の課題はまた、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は制御駆動により駆動される少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御駆動は、前記制御ピストンを駆動し、その一側に圧縮機圧力が付加される軸封と連動する制御軸を含むことを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0024】
前記軸封が一側で圧縮機圧力を受ける場合、理想的な場合には更に封止する必要がなく、前記軸方向ピストンエンジンは好ましくはより少ない損失で動作することができる。前記軸封は好ましくは、前記軸方向ピストンエンジンの詳細には圧縮機圧力を有する圧力空間を封止する。
【0025】
しかしながら、軸封を適切に構成することにより、圧縮機圧力より低い大気圧又はその他のエンジン圧力下で動作することが可能である。
【0026】
更に、本発明の課題は、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は制御駆動により駆動される少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御ピストンはオイルにより濡れ状態にされ、前記制御ピストンを濡らす前記オイルは分離されるオイル回路内に誘導されることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0027】
当然のことながら、分離されるオイル回路内の前記制御ピストンを濡らすオイルを誘導するための２個のオイルポンプが必要となる。しかしながら、前記オイルポンプはさまざまな圧力に対抗して動作できる。そのため前記オイルポンプは非常に低い損失で動作可能である。
【0028】
この点について、用語「分離される」は、前記軸方向ピストンエンジンの更なる部材および／又は部材群に対して少なくとも１個の更なるオイル回路が設けられることを意味する。
【0029】
この点において、好ましくは前記軸方向ピストンエンジンは、前記分離されるオイル回路から分離される前記軸方向ピストンエンジンのアセンブリを潤滑化および／又は冷却する主オイル回路を含む。
【0030】
前記２個のオイル回路の前記オイルレベルを無理なく正確に比較又はチェックするため、好都合には前記軸方向ピストンエンジンは前記主オイル回路と前記分離されるオイル回路との間に開閉可能な接続を備えることを特徴とする。
【0031】
本発明の実際の実施例によって、前記分離されるオイル回路および前記圧縮機圧力は、両者が共に前記相殺力の生成のために上述の相殺圧力を供給するよう相互に一致していてもよい。
【0032】
前記軸方向ピストンエンジンは前記制御ピストンが噴霧冷却される場合更により低い損失で動作可能である。これにより前記軸方向ピストンエンジンの効率が更に向上する。
【0033】
前記制御ピストンの冷却は詳細には、前記噴霧冷却がオイルを用いて実行される場合、極めて高い動作温度においてでも非常に良く実行される。
【0034】
前記制御ピストンにおいてオイルによる決定的な損失を防止するため、好ましくはオイルスクレーパが前記制御ピストン上に設けられる。詳細にはこれによりオイルが前記注入管内および前記作動シリンダ内に移動するのを防止できる。
【0035】
更に、本発明の課題を達成するため、選択的又は追加的に、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室と、燃焼室圧力が付加される少なくとも１個の部材と、潤滑化用のオイル回路とを備え、前記オイル回路はエンジンオイル回路および前記エンジンオイル回路とは異なる圧力レベルを有するプレッシャオイル回路を有することを特徴とする、軸方向ピストンエンジンを提案する。これにより、上述した本発明の課題の達成に対応して、異なる圧力レベルを有するオイル回路の各々内において、例えば前記プレッシャオイル回路のプレッシャオイルポンプ等、各回路の前記オイルポンプはオイルの運搬に必要な背圧のみを付加するだけでよいという利点、および当該回路内でその他の理由で必要となる可能性のある、オイルを搬送するための圧力より高い圧力が前記プレッシャオイルポンプにより供給される必要がないという利点が得られる。
【0036】
前記プレッシャオイル回路は前記燃焼室内の燃焼室圧力に対抗して動作する部材を有する場合があるため、好都合には前記プレッシャオイル回路の前記圧力レベルは前記燃焼室圧力に対応する。上記に対して選択的又は追加的に、好都合には前記プレッシャオイル回路の前記圧力レベルは圧縮機圧力に対応する。前記プレッシャオイル回路の圧力レベルが前記燃焼室圧力又は前記圧縮機圧力に対応することにより、燃焼室圧力を受ける部材、例えば制御ピストンに作用するガス力は空気圧により大部分が相殺される。軸方向ピストンエンジンの効率を向上させるという課題は、前記制御ピストンに作用するピストン動作が最小限となる範囲で達成され、したがって前記軸方向ピストンエンジンにおける動作又は出力が可燃性物質の消費は同一のまま最大化される。
【0037】
なお、そのため「圧力に対応する圧力レベル」という表現はまた、圧力が前記圧縮機圧力であろうと前記燃焼室圧力であろうと、圧力レベルおよび圧力間の圧力差を４０％まで許容可能にする。しかしながら好ましくは、「圧力に対応する圧力レベル」という表現は最大で７バールの圧力差を含む。上記のような圧力差は大きい封止効率損失を伴うことなく吸収する可能な範囲であり、また高い温度に対しても耐性を有する。
【0038】
前記軸方向ピストンエンジンの可変出力に関する効率を向上する利点を妨げることのないよう、前記プレッシャオイル回路は前記軸方向ピストンエンジンの全負荷において２０バールより高い圧力レベルを有することを更に提案する。追加的又は選択的に、前記プレッシャオイル回路は前記軸方向ピストンエンジンの部分負荷中に５バールから２０バールの圧力レベルを有することを提案する。これにより圧力比を平衡させることができ、これにより全動作条件の大部分に対して効率が最適となる。上記に対して選択的又は追加的に、前記軸方向ピストンエンジンのアイドリング中および／又は停止中に前記プレッシャオイル回路が５バールより低い圧力レベルを有することを更に提案する。特に上記の動作状態において、これにより封止における負荷を対応して小さくすることができ、詳細にはこれにより時間の経過により悪化する可能性もあるリーク流が実質的な悪影響を誘因しないようにできる。好都合には、詳細には停止／始動装置が前記軸方向ピストンエンジンを一時的に停止させる場合、前記プレッシャオイル回路内の圧力は保持され、この圧力が一時停止中も保持されるため、前記軸方向ピストンエンジンの始動後に前記プレッシャオイル回路内に新たに圧力を供給する必要がなくなる。前記軸方向ピストンエンジンにおける負荷下の動的な動作において、上述の手段により、燃焼室圧力を受ける部材における前記燃焼室圧力の相殺が常に前記軸方向ピストンエンジンの前記燃焼室圧力又は負荷点に対応するという利点を実現できる。必要に応じて、燃焼室圧力を受ける部材において前記燃焼室圧力の相殺に必要なガス力が利用可能なため、多様な動作条件下で効率が最適化される。常に高いガス力は前記燃焼室圧力を過度に相殺してしまう場合があり、これにより前記圧縮機段において相殺圧力を生成するために圧縮機の出力が必要となり、これは効率に対して好ましくない又は不都合である。
【0039】
この場合、「アイドリング」は、規定される前記軸方向ピストンエンジンの出力が前記軸方向ピストンエンジンの摩擦損失と略同一となるような動作状態、すなわち、有効出力がゼロということを意味する。
【0040】
前記オイル回路をエンジンオイル回路およびプレッシャオイル回路に分割することにより軸方向ピストンエンジンの効率を向上させるという本発明の課題は、詳細には前記エンジンオイル回路はエンジンオイル槽およびエンジンオイルポンプを有し、前記プレッシャオイル回路はプレッシャオイル槽およびプレッシャオイルポンプを有することにより、補助的に達成される。これにより、前記エンジンオイルポンプおよび前記プレッシャオイルポンプにより、前記エンジンオイル回路および前記プレッシャオイル回路がそれぞれ異なる体積のオイル流を有することができ、したがって前記エンジンオイルポンプおよび前記プレッシャオイルポンプの出力要求は前記エンジンオイル回路および前記プレッシャオイル回路の要求に対応するという、効率向上効果のある利点が得られる。
【0041】
例えば前記制御ピストンおよび前記制御ピストンと相互作用するその他の部材等の燃焼室圧力を受ける部材を確実に濡らすため、前記プレッシャオイル槽はオイルレベルの記録手段を有することを更に提案する。好都合には前記オイルレベルの記録手段は、前記オイルレベルの記録手段により決定される前記プレッシャオイル槽の前記オイルレベルは最小および／又は最大オイルレベルことを特徴とする。この利点により、不十分な潤滑化が動作上確実に防止されるだけでなく、前記プレッシャオイル回路の過充填、およびその結果の例えばオイルの発泡、前記プレッシャオイル回路からのオイルの噴出又はその他好ましくないリークが防止される。
【0042】
制御室に形成される少なくとも１個の圧力空間が前記プレッシャオイル回路の部材からなることを更に提案する。前記プレッシャオイル回路の前記圧力レベルが前記燃焼室圧力レベルと同一となるため、前記制御ピストンの前記燃焼室と逆方向の側に形成される前記制御室が前記制御ピストンに作用する前記燃焼室圧力を相殺できるという点によってこの配置の利点が得られる。
【0043】
この場合、「制御室」という用語は、１個又は複数の前記制御ピストンの前記燃焼室と逆方向の側に配置される空洞を表す。加えて、前記制御ピストンの運動方向により、前記燃焼室と逆方向の側が規定される。したがって、前記燃焼室と逆方向の側は、前記制御ピストンにおける、ガス圧が供給され、その結果、前記制御ピストンに作用する前記燃焼室圧力に対抗する側に対応する。例えば制御効果を有するカム板又は軸受け装置等、１個又は複数の前記制御ピストンと相互作用する更なるアセンブリを前記制御室内に設けてもよい。この点において、前記オイル回路の前記プレッシャオイル回路はまた１個又は複数の前記制御ピストンの一部を含んでいてもよく、これにより、前記制御ピストンを潤滑化するために循環するオイルが、前記制御ピストンに配置される摩擦対を濡らした後に当該制御室内に流入することができ、また、ここからオイル槽に収容することができる。
【0044】
多様な部材に作用する燃焼室圧力を相殺するという効率最適化のための利点を実現するため、前記プレッシャオイル回路を前記圧縮機段の少なくとも１個のシリンダに充填管路を介して接続することを更に提案する。上記のように充填管路を用いることにより、前記プレッシャオイル回路内で前記燃焼室内と類似な大きさの圧力レベルが必要に応じて動作上安全且つ単純に常に利用可能であるという利点が得られる。好都合且つ好ましくは、圧力の構築は動作点に基づいて上記充填管路を介して制御又は調整できる。
【0045】
前記軸方向ピストンエンジンの負荷点変更の要求に正しく対応するために、充填弁を前記圧縮機段の少なくとも１個のシリンダと前記プレッシャオイル回路との間に配置し、動作点に基づいて圧力構築を制御又は調整できるようにすることを提案する。この充填弁は詳細には上述した前記充填管路内に設けてもよい。
【0046】
前記充填弁がオンオフ可能に構成されていることにより、また特に前記充填弁が前記圧縮機圧力を介してオンオフ可能に構成されていることにより、前記充填弁は好ましくは複雑な調整に正しく対応する。これを目的として、前記充填弁は前記圧縮機段に動作可能に接続されていてもよく、オンオフ手段を有する対応する制御装置を備えていてもよい。
【0047】
適切な一実施の形態において、前記充填弁は例えば電気的又は電子的に、又は空気圧により作動する弁からなっていてもよい。したがって、前記充填弁は、制御機器又は前記制御装置により間接的に、又は前記弁における前記圧縮機圧力により直接的に作動させてもよい。前記圧縮機圧力が所定値を超える場合、例えば前記充填弁を開放して前記圧縮機段を前記プレッシャオイル回路に接続してもよく、これにより前記圧縮機段内の圧縮空気又はその他の媒介を前記プレッシャオイル回路に充填できる。
【0048】
前記軸方向ピストンエンジンの動作中における負荷点に対応して、前記充填弁は好都合には、５バール、好ましくは１０バール、最も好ましくは３０バールの充填圧力でオンオフすることを特徴とする。これにより、部材に作用する燃焼室圧力の相殺に必要な圧力、又はほぼこれに対応する圧力が前記プレッシャオイル回路内で利用可能になるという利点が得られる。更に、前記圧縮機圧力が前記プレッシャオイル回路内の圧力レベルより低いレベルまで降下するため、上述の前記充填弁により前記プレッシャオイル回路からの圧力リークを効率的に防止できる。好都合には、充填弁は空気式圧力制御による多方向弁として構成していてもよく、これにより前記充填弁の能動制御が可能となる。
【0049】
更に、前記充填弁は逆止め弁、特に圧力制御による逆止め弁とすることも考えられる。これにより、前記充填弁を更なる手段を必要とせずに構造的に非常に単純にオンオフすることができる。
【0050】
前記軸方向ピストンエンジンの圧縮機段により供給される圧力を用いる場合、この圧力を付加するために供給される空気又は供給燃焼媒介は通常環境条件から圧縮中の環境条件より高い温度レベルを有するため、例えば弁からなるスロットルポイントの後の圧力降下又は前記充填管路壁の冷却の結果、液体が凝縮する場合がある。したがって、前記プレッシャオイル回路の他の構成として、前記充填弁と前記プレッシャオイル回路との間にオイルトラップを配置することを提案する。
【0051】
このオイルトラップ内に収容されるオイルは既に高い圧力レベルにあり、前記オイルトラップの排水管を前記プレッシャオイル槽に接続することを更に提案する。
【0052】
更に、前記充填弁と前記プレッシャオイル回路との間に排水器を配置することを提案する。これにより、圧縮空気の導入前にその圧縮空気内の水蒸気を効率的に回収することが可能となり、これにより前記プレッシャオイル回路内の水蒸気の凝縮が防止でき、その結果、前記軸方向ピストンエンジンの耐用年数が腐食の発生により制限されることがなくなる。プレッシャオイル管路から前記圧縮機段への回帰流については、ここに提案するように、オイルトラップを用いて前記オイルトラップの排水管が収容されるオイルを前記プレッシャオイル回路を再供給することにより、前記プレッシャオイル回路からのオイル損失を効率的に防止できる。また、前記オイルトラップにより、詳細には前記圧縮機段内でのオイルを含む空気の自己発火が原因の前記軸方向ピストンエンジンの損傷を防止することもできる。
【0053】
効率向上を目的として、前記プレッシャオイル回路内の圧力レベルを前記エンジンオイル回路内より高くすることにより、既存の圧力勾配が原因で前記プレッシャオイル回路から前記エンジンオイル回路内に更に多量のオイルがリークする可能性がある。前記軸方向ピストンエンジンの動作全体の最中において、プレッシャオイル回路の効率を向上させるための利点を連続して維持するため、好ましくは前記プレッシャオイル槽と前記プレッシャオイルポンプとの間、および前記エンジンオイル槽又は前記エンジンオイルポンプと前記プレッシャオイルポンプとの間に均圧弁を配置する。これにより、前記プレッシャオイルポンプは前記プレッシャオイル槽の前記オイルレベルが少なくとも最小レベルを超えて最大レベルに到達するまで前記エンジンオイル槽からオイルを引き込むため、前記プレッシャオイル槽内のオイルレベルが必要最小レベルを超過することが防止できるという利点が得られる。前記オイル回路の効率保持のための構成は更に、前記均圧弁を前記オイルレベルの記録手段に動作可能に接続することによっても実施できる。
【0054】
更に、前記均圧弁を制御装置に動作可能に接続することを提案する。上記のような制御装置は例えば性能特性又はアルゴリズムを備える前記軸方向ピストンエンジンの制御機器からなっていてもよく、これにより、前記プレッシャオイル回路内の前記オイルレベルを均一化するため、同様に前記プレッシャオイル回路は前記エンジンオイル回路に接続される。その結果、前記均圧弁は前記オイルレベルの記録手段に直接、又は制御装置を介して間接的に接続されていてもよい。
【0055】
また、前記制御装置は、例えば前記プレッシャオイル回路内のオイルを交換するため、前記プレッシャオイル回路内の前記オイルレベルに基づいてのみではなく温度、又は例えば緊急稼動信号又はメンテナンス信号等のその他の特性変数に基づいて前記均圧弁を駆動することが考えられる。
【0056】
好ましくは第１の動作状態において前記均圧弁が前記プレッシャオイル槽を前記プレッシャオイルポンプに結合し、第２の動作状態において前記エンジンオイル槽又は前記エンジンオイルポンプを前記プレッシャオイルポンプに結合する場合、エネルギ的に非常に好都合には前記プレッシャオイル回路内の圧力レベルを前記エンジンオイル回路内より高く設定する。これにより前記プレッシャオイル回路を用いることによる効率性が保証され、前記エンジンオイル回路および前記プレッシャオイル回路が上記２個の部分回路間における小さい圧力差のみで接続され、これにより前記プレッシャオイルポンプの消費出力が大きい圧力差を克服するために効率損失が発生することがなくなるという利点が得られる。
【0057】
前記均圧弁を効率保持した状態で構成するため、上記に追加的に、前記第１の動作状態が前記軸方向ピストンエンジンの部分負荷および／又は全負荷に対応し、前記第２の動作状態が前記軸方向ピストンエンジンのアイドリングおよび／又は停止状態に対応することを提案する。前記均圧弁をこのように構成することにより、前記均圧弁が前記エンジンオイル回路および前記プレッシャオイル回路間の小さい圧力差のみで確実にオンオフされ、これにより負の圧力勾配により前記プレッシャオイル回路から前記エンジンオイル回路内へオイルが回帰することを効率的に防止する。前記プレッシャオイル回路が空になると、潤滑化が不十分になり、前記軸方向ピストンエンジンの効率が大幅に損なわれる可能性がある。
【0058】
したがって、選択的又は追加的に、逆止め弁として構成した回帰流弁を前記エンジンオイル槽および前記均圧弁間、又は前記エンジンオイルポンプおよび前記均圧弁間に配置することを更に提案する。好都合にはこの回帰流弁により、前記均圧弁に異常が発生中に前記プレッシャオイル回路が不注意で空になるのを更に防止できる。
【0059】
詳細には、前記回帰流弁は前記エンジンオイル回路から前記プレッシャオイル回路への流れ方向を有することを適宜提案する。
【0060】
前記逆止め弁の安全防護対策機は好ましくはこの構成で実施され、これにより前記プレッシャオイル回路を正の圧力勾配で満たすことが更に可能になり、負の圧力勾配により空になることを抑制する。
【0061】
効率が向上した軸方向ピストンエンジンを実現するため、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室とを備え、燃焼室圧力下における前記燃焼室から前記膨張機段の前記シリンダへの燃焼媒介流は少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記軸方向ピストンエンジンは潤滑化のための少なくとも１個のオイル回路を有し、前記オイル回路はエンジンオイル回路内およびプレッシャオイル回路内へと分割され、前記軸方向ピストンエンジンの燃焼室圧力を受ける部材は前記プレッシャオイル回路により潤滑化されることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンを動作させるための方法を提案する。
【0062】
上記に加えて、前記制御ピストンに作用する前記燃焼室圧力を制御室内の前記燃焼室圧力に対応する圧力レベルにより相殺することを提案する。
【0063】
提案する軸方向ピストンエンジンに関する上記の方法により前記軸方向ピストンエンジンの効率が向上し、一方で前記オイル回路の独立しているものと見なされる前記２個の部分回路の各々が必要最小限の圧力レベルで動作し、これにより前記部分回路内の前記オイルポンプの消費出力が需要に最小限に適合し、したがって効率に関して最適化される。他方で、燃焼室圧力を受ける部材、特に燃焼室圧力を受ける前記制御ピストンの燃焼室圧力を相殺することにより、動作サイクルの効率を促進しないような前記制御ピストン上のピストン動作を防止又は最小限にすることができ、これにより前記軸方向ピストンエンジンの熱力学効率が最大となる。
【0064】
好都合には、前記燃焼室圧力に対応する前記制御室内の前記圧力レベルは前記圧縮機段により供給してもよい。これにより対応する圧力レベルを生成するための更なる集合体又はアセンブリが必要ないという利点が得られ、更にこれにより前記圧縮機段により供給される圧力又は前記圧力レベルが相殺される前記燃焼室圧力に対応するという利点が得られる。
【0065】
好ましくは、プレッシャオイル槽内においてオイルレベルが最小レベル未満まで降下した場合、前記プレッシャオイル回路には前記エンジンオイル回路からオイルが充填される。これにより、前記エンジンオイル回路からのオイルが上昇圧力により前記プレッシャオイル回路からのオイルの代替となるため、燃焼室圧力を受ける部材を潤滑化するためのオイルが常に十分に利用可能であるという利点が得られる。これを目的として、特に前記軸方向ピストンエンジンのアイドリング中および／又は停止中に前記プレッシャオイル回路を前記エンジンオイル回路に接続してもよく、これにより圧力差が相対的に小さくなる。前記プレッシャオイル回路および前記エンジンオイル回路間の克服すべき大きい圧力差は好ましくは上記に提案の方法により回避され、前記エンジンオイル回路からのオイルの排出が詳細には前記エンジンオイル回路および前記プレッシャオイル回路間の圧力差が最小の時に実行され、これによりこの圧力差による前記２個のプレッシャオイルポンプの消費出力が最小となり、その結果前記軸方向ピストンエンジンの全体効率が最大となる。
【0066】
直上に記載の方法に選択的又は補助的に、前記プレッシャオイル回路は前記プレッシャオイル回路および前記エンジンオイル回路間で５バールより小さい圧力差で前記エンジンオイル回路に接続されていてもよい。この工程により、前記エンジンオイル回路および前記プレッシャオイル回路間の圧力差が、前記プレッシャオイル回路を満たすために必要な圧力差を克服するために必要となる前記オイルポンプの消費出力が最小となるような所定の値となった時に、前記軸方向ピストンエンジンの回転速度と独立して前記プレッシャオイル回路に前記エンジンオイル回路からのオイルが充填されるという利点が得られる。したがって、前記プレッシャオイル回路の動作中でも前記プレッシャオイル回路を動作上確実に好ましい効率で充填することができる。
【0067】
本課題はまた、本発明のその他の特性と独立して、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御ピストンは鉄又は鋼鉄から前記燃焼室側に形成されることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0068】
前記制御ピストンは前記軸方向ピストンエンジンの非常に高温な作動媒体又は燃焼媒介に接触するため、好都合には前記制御ピストンの少なくともこれに関連する領域は耐熱に構成される。
【0069】
好都合には前記制御ピストンはまたアルミニウム又はその合金から形成され、これにより前記制御ピストンが非常に軽量となり、これにより極めて短い制御時間が可能となる。
【0070】
上記に選択的に、前記制御ピストンは通常小型であり、したがって低い質量を有するため、前記制御ピストン全体は鉄又は鋼鉄から形成されていてもよい。上記は、詳細には極めて短い制御時間が特に大切ではない場合、又は前記制御ピストンが軽量であるためにいずれにせよ制御時間が極めて短くなる場合に良好な解決手段である。
【0071】
本発明の更なる様態により、上述の課題を達成ため、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を燃焼室を介して前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備える軸方向ピストンエンジンであって、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は制御駆動により駆動される少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御ピストンは前記軸方向ピストンエンジンの動作温度において液状の金属が充填される空洞又は前記軸方向ピストンエンジンの動作温度において液状の金属合金が充填される空洞を有することを特徴とする、軸方向ピストンエンジンを提案する。動作温度において液状の金属合金又は金属を用いることにより前記制御ピストンの集中冷却が可能となり、これにより前記制御ピストンは好都合には高温においても十分な耐用年数および強度で用いられる。
【0072】
上記に追加的に、前記金属又は前記金属合金は少なくともナトリウムを含むことを提案する。燃焼エンジン内で非常に低い融点および良好な可操作性を有するため、ナトリウムは高温な部材内で用いることが可能であるという利点を有する。前記軸方向ピストンエンジンの動作温度より低い融点を有する、周期律のアルカリ族からなる金属を用いてもよいものとする。更に、上記を目的として、同様に水銀、ガリウム、インジウム、錫、鉛又はこれらの合金からなる材料、およびその他の液体金属又は前記軸方向ピストンエンジンの動作温度において液状の金属を用いてもよいものとする。
【0073】
上述の課題はまた、特に特許文献２と対照的に、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室と、前記燃焼室と前記膨張機段との間の少なくとも１個の制御ピストンおよび導管とを備え、前記制御ピストンおよび前記導管は主流れ方向を有し前記制御ピストンの運動により解放される流量断面を有し、前記制御ピストンは前記主流れ方向に平行な案内面および／又は前記主流れ方向に垂直な衝突面を有し、前記制御ピストンおよび前記導管は前記制御ピストンの運動により解放される流量断面を有し、前記制御ピストンの運動は前記制御ピストンの長さ方向の軸に沿って実行され、前記制御ピストンは前記前記制御ピストンの長さ方向の軸に対して鋭角を成す案内面および／又は衝突面を有することを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0074】
通常、体積が付加された燃焼エンジンの２個の部材間でのｃｈａｒｇｅの交換は、スロットルポイントを介して流動損失を伴って結合される 。この場合前記導管および前記制御ピストンにより形成される上記のようなスロットルポイントは、この流動損失により効率を低下させる。したがって、前記導管および／又は前記制御ピストンを流体的に好ましく構成することにより効率を向上できる。
【0075】
したがって、前記制御ピストンの案内面を前記主流れ方向と平行に配置することにより、流動損失を防止して効率を最大にする利点が得られる。詳細には、流れを前記制御ピストンの前記長さ方向の軸と垂直には発生しないよう構成することにより、前記制御ピストンの前記長さ方向の軸に対して鋭角に配置される案内面により、前記案内面をこの案内面上を流れる流れに対して好ましい角度に配置することが可能である。好ましくは、前記案内面又は前記制御ピストンにおける流動損失を最小限にできるため、前記軸方向ピストンエンジンの効率が上記の手段により更に向上する。
【0076】
本発明において「主流れ方向」は、燃焼媒介の層流および乱流について測定および図示可能な、燃焼媒介が前記導管を流れる方向を意味する。したがって「平行」という特性はこの主流れ方向に関して数学的又は幾何学的観点から理解されるべきであり、前記主流れ方向と平行な制御ピストンの案内面は可燃性物質の流れにより運動量を吸収することは全くなく、又は流れの運動量を変化させることも全くない。
【0077】
前記制御ピストンが前記制御ピストンが解放された流量断面を閉鎖する位置に到達すると、前記主流れ方向と垂直に形成される衝突面は好ましくは前記燃焼室に対して最小表面で配置され、これにより前記燃焼室内の燃焼媒介により前記制御ピストン内に伝達される熱流量が最小となる。したがって、このように前記主流れ方向に対する衝突面を最小寸法とすることにより、壁における熱損失を最小にすることが可能であり、これにより同様に前記軸方向ピストンエンジンの熱力学効率を最大にできる。
【0078】
上述の前記案内面と同様に、前記衝突面も鋭角に配置してもよく、また燃焼媒介流において、流れは前記制御ピストン又は前記制御ピストンの前記長さ方向の軸と垂直に発生しないため、前記衝突面が流れに対して最小表面を有するよう配置してもよい。衝突面を最小に構成することにより、同様に、壁における熱損失を軽減でき、また渦が形成されることによる好ましくない流れの偏向を最小限にすることができ、対応して前記軸方向ピストンエンジンの熱力学効率を最大にできるという利点が得られる。
【0079】
前記案内面および／又は前記衝突面は平面、球状の面、筒状の面又は円錐状の面からなっていてもよい。前記案内面および／又は前記衝突面を平面に構成することにより、一方で前記制御ピストンを非常に単純且つコスト効率良く製造でき、他方で前記案内面と連動するシール面を単純な構造で構成することができ、この案内面における封止効果が最大となる。前記案内面および／又は前記衝突面を球状に構成することにより、前記導管もまた円形又は楕円形の断面を有する場合、前記案内面を続く前記導管に幾何学的に非常に良く適応させることができるという更なる利点が得られる。したがって、前記制御ピストン又は前記前記制御ピストンの案内面から前記導管への移行部において、好ましくない離脱流又は乱流は発生しない。同様に、案内面および／又は衝突面を円筒状に形成することにより、前記制御ピストンと前記導管との間の移行部、又は前記制御ピストンと前記燃焼室との間の移行部において離脱流又は乱流の発生が抑制されるという利点が得られる。あるいは、好ましくは前記案内面および／又は前記衝突面を円錐状に形成してもよく、この場合前記制御ピストンに続く前記導管は前記導管の長さに対応して変更可能な断面を有する。前記導管がディフューザ又はノズルとして形成される場合も、前記制御ピストンの円錐形に形成される案内面により、流れにおいて離脱流又は乱流を発生させないようにできる。上述の手段はいずれも、その他の手段とは独立して、それ自体が効率を最大化する効果を有していてもよいものとする。
【0080】
前記軸方向ピストンエンジンは前記燃焼室と前記膨張機段との間に案内面シール面を有していてもよく、この場合前記案内面シール面は前記案内面と平行に形成され、前記制御ピストンの上死点において前記案内面と連動する。前記制御ピストンはまたその上死点において封止効果を有するため、前記案内面シール面は好ましくは前記制御ピストンの上死点において前記案内面と大きい領域で連動するよう形成され、したがって封止効果が得られる。前記案内面シール面の全ての地点が前記案内面に対して同一の距離を有する場合、好ましくは前記案内面に対する距離がゼロの場合、前記案内面シール面の封止効果が最大になる。案内面シール面を前記案内面に対して補完的に形成することにより、前記案内面の形状に関わらず上記の条件を満たすことができる。
【0081】
上記に追加的に、前記案内面シール面を前記制御ピストンの前記長さ方向の軸と垂直な表面において前記導管側に結合することを提案する。非常に単純な構成により、前記案内面シール面の、前記制御ピストンの前記長さ方向の軸と垂直な表面への移行部は鋭角な折曲部を含んでいてもよく、これにより前記案内面シール面を流れる流れはこの鋭角な折曲部又は突出部において離脱し、これにより燃焼媒介流は可能な限り少ない流動損失で前記制御ピストンから続く前記導管内に流れることができる。前記案内面シール面は離脱端を有するため、前記制御ピストンの案内面は必ずしも前記案内面シール面と平行に形成する必要がないものとする。この場合、前記案内面を鋭角な折曲部又は突出部を設けずに形成することも考えられる。
【0082】
上述の特徴に選択的又は追加的に、前記燃焼室と前記膨張機段との間にステムシール面を備え、前記ステムシール面は前記制御ピストンの前記長さ方向の軸と平行に形成され、前記制御ピストンのステムの表面と連動する軸方向ピストンエンジンを提案する。前記制御ピストンがその上死点に到達すると、前記制御ピストンの前記ステムおよび対応するステムシール面の相互作用として、前記制御ピストンは前記燃焼室に対して封止を行うだけでなく、好ましくは前記膨張機段に対しても封止を行う。これにより前記制御ピストンにおけるリークによる損失が更に軽減され、これにより前記軸方向ピストンエンジンの全体効率を同様に最大化することができる。
【0083】
更に、前記制御ピストンの前記ステムの前記案内面、前記衝突面、前記案内面シール面、前記ステムシール面および／又は前記表面を反射性表面を有するよう構成することを提案する。上記の各表面は燃焼媒介と接触してもよいため、上記面の各々を介して壁において熱流が発生し、その結果として効率損失が発生する可能性がある。したがって、反射性表面は熱放射が原因の不必要な損失を防止し、したがって前記軸方向ピストンエンジンの熱力学効率が向上するという利点が得られる。
【0084】
本発明の課題を更に達成するため、選択的又は追加的に、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御ピストンの前記燃焼室側の少なくとも１つの表面は反射性であることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンを提案する。上記のような反射性により、好ましくは各アセンブリの熱負荷を特に熱負荷を伴う放熱を反射することにより軽減することが可能である。
【0085】
上記に対して選択的又は追加的に、本発明の課題は、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの前記燃焼媒介流は少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記燃焼室は反射性金属からなる燃焼室床を有することを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより適宜に達成される。
【0086】
金属表面を反射性にすることにより、燃焼する燃焼媒介および前記金属表面間の大きい温度差が原因で発生する前記壁の熱流を、少なくとも熱放射が原因の前記壁内の熱流について軽減できるという利点が更に得られる。燃焼エンジン内の効率損失は上述の前記壁内の熱流が原因で大きくなるため、提案する本発明の効果により、前記壁内の熱流を軽減することにより前記軸方向ピストンエンジンの熱力学効率を効率的且つ単純に向上できる。
【0087】
一方で、非金属製の表面においても反射性により熱力学効率的利点が得られるものとし、また他方で、この熱力学効率的利点は、燃焼媒介の温度は前記壁の温度より高いため、前記軸方向ピストンエンジンの燃焼媒介と接触する部材の各々を反射性とすることにより追加的又は選択的に達成されるものとする。
【0088】
更に、部材表面の分光反射率を増強できるその他の表面コーティングを用いてもよいものとする。当然のことながら、対流が原因の熱力学的損失を減少させるため、上記に対して選択的又は追加的に部材表面の熱伝達係数を減少させる表面コーティングが更に考えられる。
【0089】
本発明の目的はまた、本発明のその他の特性と独立して、連続動作燃焼室から供給を受ける少なくとも１個の作動シリンダを備え、前記燃焼室は好ましくは２個の流入燃焼空気を有することを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0090】
流入燃焼空気を複数とすることにより、燃焼空気のラムダ比（λ）、すなわち燃料に対する酸素の比率をほとんど問題なく調節することができる。公知の方法においては、全燃料を燃焼するために必要なだけの酸素が利用可能なため、全燃料をλ＝１で完全燃焼させることができる。又は、λ＞１のより希薄な混合燃焼体を余剰の酸素により調節してもよい。しかしながら、２個の流入燃焼空気を設けることにより、λ＜１のより濃厚な混合燃焼体および酸素不足も非常に均一且つ急速に調節することができる。この点において、好都合には、燃焼空気は前記２個の流入燃焼空気を介して２個の異なるレベルで供給される。
【0091】
この場合、前記軸方向ピストンエンジンの本燃焼室の構成は重要ではない。例えば、前記燃焼室は予熱室および主燃焼室を備え、好ましくは二段階の燃焼を実行可能としてもよい。
【0092】
前記２個の流入燃焼空気の調整は好ましくは回転速度に基づいて実行される。しかしながら、選択的に調整は出力に基づいて実行されてもよく、これにより両方の場合において燃焼空気供給の調整をより良く実行することができる。例えば、第２の又は更なる流入燃焼空気は前記軸方向ピストンエンジンの動作状態に対して好ましい場合に実行されてもよい。
【0093】
更に、前記２個の流入燃焼空気が異なる温度の燃焼空気に対して構成されている場合、前記燃焼室内の火炎を容易に温度調節することができ、これにより燃焼をより単純に制御することができる。
【0094】
なお、これらの同一の流入燃焼空気は必ずしも上述のように前記燃焼室に接続されている必要はない。替わりに、好ましくは流入燃焼空気は例えば上流の、燃焼媒介を混合するための混合パイプに接続されていてもよい。
【0095】
前記軸方向ピストンエンジンが少なくとも１個の熱交換器を有する場合、好都合には、第１の流入燃焼空気は熱交換器より前に燃焼空気を供給され、第２の流入燃焼空気は前記熱交換器又はその他の熱交換器の後で燃焼空気を供給される。これにより異なる温度の燃焼空気を構造的に非常に単純な方法で供給することができる。特にこの場合、燃焼空気の利用を効率に基づいて調整することができる。
【0096】
必要に応じて、特に始動工程に対して燃焼空気用の加熱装置を別に設けてもよく、これにより、燃焼空気と接触する燃料が不必要に冷却されない。
【0097】
本発明の課題はまた、連続動作燃焼室による供給を受け、排ガス排出口を有する少なくとも１個の作動シリンダを備え、前記燃焼室内の温度を決定するための燃焼室温度センサを備えることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0098】
上述のような温度センサは、単純な方法において前記軸方向ピストンエンジンの燃焼品質又は稼動安定性に関して有意値を得る。
【0099】
温度センサとして、例えば抵抗温度センサ、熱電対センサ、赤外線センサ等、様々なセンサを用いてもよい。
【0100】
好ましくは前記燃焼室温度センサは前記燃焼室内の火炎温度を計測するよう構成又は配置される。これにより、非常に有意な値を決定することができる。
【0101】
この場合、前記燃焼室温度センサは前記燃焼室内側のほぼ任意の位置に配置してもよい。例えば、燃焼室温度センサは予熱室および／又は主燃焼室領域内に設けられてもよい。
【0102】
前記軸方向ピストンエンジンは詳細には、入力センサとしての前記燃焼室温度センサを含み、前記燃焼室の温度が１，０００℃から１，５００℃の間となるよう前記燃焼室を調整する燃焼室調整装置を含んでいてもよい。これにより、相対的に単純であり、したがって動作上確実且つ非常に高速な調整回路により、前記軸方向ピストンエンジンが生成する汚染物質を極めて少なくできる。詳細には、煤煙が形成される危険性を最小にできる。前記燃焼室の温度は非常に急速に制御することができ、したがって好ましくは２個以上の燃焼空気供給管路が異なる温度の燃焼空気と共に用いられる。
【0103】
更に、上記に追加的又は選択的に、前記軸方向ピストンエンジンは前記排ガス温度を決定するための排ガス温度センサを含んでいてもよい。連続動作燃焼室の動作状態は上記のような排ガス温度センサにより技術的に単純な方法で同様にチェックおよび制御できる。
【0104】
上記のような調整装置により詳細には単純な方法で燃料を適切且つ完全に燃焼させることができ、これにより前記軸方向ピストンエンジンの効率を最適化すると同時に排出する汚染物質を最小にできる。
【0105】
好都合には、前記燃焼室調整装置は入力センサとして前記排ガス温度センサを含んでいてもよい。任意で、前記燃焼室は動作状態、好ましくはアイドリング時の前記排ガス温度が８５０℃から１，２００℃の間となるよう制御される。これは、上述の要件に基づいて、例えば水の温度又は体積、又は熱交換器内の予熱および非予熱空気の比率を制御することにより、例えば適切に水を供給および／又は燃焼媒介、詳細には空気を予熱することにより実現される。上記のような水冷式の調整装置は上述の従来技術には記載が無い。
【0106】
上記のような動作状態は好ましくは前記軸方向ピストンエンジンのアイドリングであり、これにより汚染物質を更に削減できる。
【0107】
本発明において、好ましくは特に予熱室温度も調整できるようにするため、前記燃焼室温度センサは追加的又は選択的に予熱室温度センサを含んでいてもよい。
【0108】
更に、本発明の課題は、連続動作燃焼室から供給を受ける少なくとも１個の作動シリンダを備え、前記燃焼室内への水の供給を含む燃焼室調整装置を備えることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0109】
前記水の供給は、燃焼媒介圧縮機内又は前での水の供給と独立して実行されることにより、更に調整能力が向上する。この場合、水は理想的には冷却を目的として前記燃焼室内に直接供給される。
【0110】
前記水の供給が燃焼媒介圧縮機内又は前での水の供給と独立して実行される場合、これにより、更に多様で好都合な調整および冷却の変形例が可能となる。
【0111】
前記水の供給は前記予熱室内で実行されてもよい。
【0112】
上記に追加的又は選択的に、前記水の供給は好都合には前記主燃焼室内で実行されてもよく、これは非常に好都合である。詳細には前記水の供給は、水が事前に特に燃焼空間に対する冷却水として用いられる実行されてもよい。また、水又は水蒸気は、前記燃焼室の壁に沿って流れるよう燃焼室に注入され、これにより、前記燃焼室壁が可能な限り保護される。
【0113】
前記水の供給が排ガス温度調整に用いられる場合、好都合には特に熱交換器内の燃焼空気への熱伝達を制御してもよい。
【0114】
実際の実施例によって、所定の割合の水を水の化学的又は触媒反応による前記燃焼室内の温度調整および／又は汚染軽減のために補助的に用いてもよい。
【0115】
その他の本発明の様態によって、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、少なくとも１個の熱交換器とを備え、前記熱交換器の吸熱部は前記圧縮機段と前記燃焼室との間に配置され、前記熱交換器の放熱部は前記膨張機段と外界との間に配置され、前記熱交換器の前記吸熱部および／又は放熱部は下流および／又は上流に少なくとも１個の液体を供給する手段を有することを特徴とする軸方向ピストンエンジンを提案する。
【0116】
例えば燃焼媒介流の所定の熱容量を適切な液体の供給により排ガス流の所定の熱容量に調節してもよく、又は排ガス流の所定の熱容量を超えて増加させてもよいため、燃焼媒介流に液体を供給することにより前記熱交換器の伝達容量を増加できる。変更された排ガス流から燃焼媒介流への伝熱は、例えば好都合には前記熱交換器の構造寸法を同一に保持したままより高い熱量を燃焼媒介流および動作サイクルに結合させることができ、これにより熱力学効率が向上する。選択的又は追加的に、排ガス流に液体を供給してもよい。供給される液体はこの場合、例えば理想的には前記熱交換器内で形成される乱流により排ガス流と混合される下りにおける処理後排ガスに不可欠な支援であってもよく、これにより下流の排ガス後処理装置を最大効率で動作させることができる。
【0117】
「下流」はこの場合、前記熱交換器の各液体が排出される側、又は燃焼媒介を輸送する排ガス管路又は配管の前記液体が前記熱交換器から排出された後に流入する部分を指す。
【0118】
同様に、「上流」は前記熱交換器の所定の液体が流入する側、又は燃焼媒介を輸送する排ガス管路又は配管の前記液体が前記熱交換器に流入する部分を指す。
【0119】
この点において、前記液体の供給が前記熱交換器のすぐ近傍の空間で実行されるか、又は空間的距離がより大きい位置で実行されるかは重要ではない。
【0120】
水および／又は可燃性物質は例えば液体として適切に供給されてもよい。これにより、一方で燃焼媒介流の熱容量が水および／又は可燃性物質の供給により所定値まで増加するという上述の利点を有し、他方で前記熱交換器内又は前記予熱室で事前に混合体を準備でき、燃焼が前記燃焼室内で可能な限り最良の局所的均質性を有する燃焼空気比率で実行されるという利点が得られる。詳細には上記はまた、燃焼作用において効率の低下、不完全燃焼がほとんど又は全く見られないという利点を有する。
【0121】
軸方向ピストンエンジンのその他の構成について、排水器を前記熱交換器の前記放熱部内又は前記熱交換器の前記放熱部の下流に配置することを提案する。前記熱交換器における温度の低下により、蒸気質の水が凝結し、続く排ガス管路を腐食して損傷する可能性がある。排ガス管路の損傷は好ましくは上述の手段により軽減される。
【0122】
更に、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室と、少なくとも１個の熱交換器とを備え、前記熱交換器の吸熱部は前記圧縮機段と前記燃焼室との間に配置され、前記熱交換器の放熱部は前記膨張機段と外界との間に配置される軸方向ピストンエンジンを動作させるための方法を提案し、前記方法は前記熱交換器を流れる燃焼媒介流および／又は前記熱交換器を流れる排ガス流に少なくとも１個の液体が供給されることを特徴とする。これにより、上述した通り、外界に誘導される排ガス流からの燃焼媒介流内への効率向上効果のある伝熱を、燃焼媒介流の所定の熱容量を液体の供給により増大させることにより、またしたがって燃焼媒介流への熱流を増大させることにより、向上させることが可能である。この場合、前記軸方向ピストンエンジンの動作サイクルにおけるエネルギ流の再生結合により、工程が適切に実行された場合、同様に効率を向上させることができ、詳細には熱力学効率を向上できる。
【0123】
好ましくは、前記軸方向ピストンエンジンは水および／又は可燃性物質が供給されるよう動作してもよい。その結果、同様に効率、詳細には燃焼工程の効率が前記熱交換器内および前記予熱室での理想的な混合により向上する。
【0124】
可燃性物質は例えば排ガス後処理に好都合であれば同様に排ガス流に供給されてもよく、これにより排ガス温度は前記熱交換器内又は前記熱交換器後において更に上昇する。必要に応じて、好ましい方法で排ガスを後処理し汚染物質を最低限にする後燃焼をこのように実行してもよい。したがって、前記熱交換器の前記放熱部内に放出される熱も燃焼媒介流を更に暖めるために間接的に利用することもでき、これにより前記軸方向ピストンエンジンの効率が不都合な影響を受けることはない。
【0125】
上述の利点を更に実施するため、前記液体を前記熱交換器の下流および／又は上流で供給することを更に提案する。
【0126】
上記に追加的又は選択的に、水を分離した形で燃焼媒介流および／又は排ガス流内に再度供給してもよい。最も好ましくは、これにより外部から更に水を供給する必要のない閉じた水回路が形成される。したがって、この構造からなる軸方向ピストンエンジンを備える車両又は定置装置には水、詳細には蒸留水を補充する必要がないという更なる利点が得られる。
【0127】
好ましくは、水および／又は可燃性物質の供給は前記軸方向ピストンエンジンが停止する前の所定の時点で停止され、前記軸方向ピストンエンジンは停止するまで水および／又は可燃性物質の供給なしで動作する。上述の方法により、排ガス管路を損傷させる可能性のある水が詳細には冷却される際に排ガス管路内に堆積するのを防止する。好都合には、前記軸方向ピストンエンジンが停止する前に前記軸方向ピストンエンジン自体から全ての水が除去され、これにより特に停止動作中の前記軸方向ピストンエンジンの部材に対する水又は水蒸気が原因の損傷が抑制される。
【0128】
上記の課題はまた、熱伝達により相互に結合される燃焼媒介供給装置および排ガス除去装置とを備え、少なくとも２個の熱交換器を備えることを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0129】
２個の熱交換器を設けることにより当初はコストが上がり流動条件もより複雑になるが、２個の熱交換器を用いることにより前記熱交換器への経路を大幅に短くし、前記熱交換器におけるエネルギ配置をより好ましいものにできる。これにより、前記軸方向ピストンエンジンの効率が想像以上に大幅に向上する。
【0130】
上記は詳細には、シリンダを案内する１個の排ガス管路のみを必要とする、シリンダおよびピストンが回転軸の周囲を回転する軸方向ピストンエンジンとは対照的に、各場合においてピストンがその中で動作する固定シリンダを備える軸方向ピストンエンジンについて適用される。
【0131】
好ましくは、前記熱交換器は略軸方向に配置され、この場合本文脈において用語「軸方向に」は前記軸方向ピストンエンジンの主回転軸と平行又は回転エネルギの回転軸と平行な方向を指す。これにより、非常に小型の、したがって省エネルギな構成が可能となる。
【0132】
更に、本発明のその他の特徴と独立して、前記熱交換器は好都合には断熱されていてもよい。
【0133】
前記軸方向ピストンエンジンが少なくとも４個のピストンを有する場合、好都合には少なくとも２個の隣接するピストンからの排ガスは各場合において１個の熱交換器内に誘導される。これにより、ピストンおよび熱交換器間の排ガス経路を最短にすることができ、これにより前記熱交換器により回復できない廃熱という形の損失を最小にすることができる。
【0134】
上記は、３個の隣接するピストンからの排ガスが各場合において１個の共通の熱交換器内に誘導される場合にも達成される。
【0135】
一方、少なくとも２個のピストンを備える軸方向ピストンエンジンも考えられ、この場合各ピストンからの排ガスは各自の熱交換器内に誘導される。この点において、本発明の実際の実施例によって、好都合には各ピストンに対して熱交換器が設けられる。これにより製造コストが上昇することは確かであるが、一方で、前記熱交換器の各々はより小型に構成されていてもよく、したがってより単純な構造が可能となり、これにより前記軸方向ピストンエンジン全体がより小型に形成され、損失がより小さくなる。
【0136】
本発明の更なる様態により、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室とを備え、前記圧縮機段は前記膨張機段とは異なるストローク体積を有することを特徴とする、軸方向ピストンエンジンを提案する。
【0137】
詳細には、上記に追加的に前記圧縮機段の前記ストローク体積を前記膨張機段の前記ストローク体積より小さくすることを提案する。
【0138】
更に、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室とを備える軸方向ピストンエンジンを動作させるための方法であって、燃焼媒介又は排ガスとしての燃焼した燃焼媒介は前記膨張機段内での膨張中に、記圧縮機段内での圧縮中の圧力比より大きい圧力比で膨張させられることを特徴とする、方法を提案する。
【0139】
例えば特許文献２のような上述の従来技術とは対照的に、軸方向ピストンエンジン内で実行される動作サイクルの理論的熱力学的ポテンシャルが長時間の膨張により最大限活用できるため、好都合には前記軸方向ピストンエンジンの熱力学効率は各場合において、特に好都合には上述の手段により最大化することができる。外界から吸気し、同一の外界に排気するエンジンにおいて、外界圧力まで膨張が実行された場合、上述の手段により熱力学効率は最大効率となる。
【0140】
したがって、前記膨張機段内で燃焼媒介を外界圧力近くまで膨張させる軸方向ピストンエンジンを動作させるための方法を更に提案する。
【0141】
「近く」という言葉は、軸方向燃焼エンジンの平均摩擦圧力量により最大となった外圧を意味する。平均摩擦圧力量までの膨張に比べて、外圧そのものまでの膨張には平均摩擦圧力が０バールではない場合の効率に関して実質的な利点はない。平均摩擦圧力量は通常の前記ピストンに対する作用において一定な圧力として解釈してもよく、この場合前記ピストンは、前記ピストンの上部側に作用する前記シリンダ内部の圧力が前記ピストンの底部側に作用する外圧に平均摩擦圧力を足したものと同等である場合、力を受けていないと考えられる。したがって平均摩擦圧力に対応する相対膨張圧力が得られた時点で、燃焼エンジンの全体効率はより好ましいものとなる。
【0142】
好都合には、上記の利点を実現するための軸方向ピストンエンジンは更に、前記圧縮機段の少なくとも１個のシリンダの各ストローク体積が、前記膨張機段の少なくとも１個のシリンダの各ストローク体積より小さくなるよう構成される。詳細には、前記膨張機段および前記圧縮機段のシリンダ数が同一に保持される場合に前記膨張機段の前記シリンダの各ストローク体積を大きくすることにより、表面積対体積率を好ましく変化させることにより熱力学効率を変化させることが考えられ、これにより前記膨張機段の壁における熱損失をより小さくできる。この場合、上述の構成は、本発明のその他の特徴とは別に、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室とを備える軸方向ピストンエンジンおいて好ましいものとする。
【0143】
選択的又は追加的に、前記圧縮機段のシリンダ数を前記膨張機段のシリンダ数と同等又はより小さくすることを提案する。
【0144】
上述の利点に加えて、前記軸方向ピストンエンジンの機械的効率、およびすなわち前記軸方向ピストンエンジンの全体効率はまた、前記膨張機および圧縮機段のシリンダの各ストローク体積を同一に保ったまま適切なシリンダ数を選択する、特にシリンダ数を減らすことにより最大化してもよく、この場合膨張を持続させるため前記圧縮機段の少なくとも１個のシリンダが省略され、したがって当該省略されたシリンダの摩擦損失が発生することもない。ピストン又はシリンダを上記のように非対称に配置することにより発生する可能性のある不均衡は所定の状況において許容可能又は補助的手段により防止可能である。
【0145】
最初に目的とされた課題を達成するため、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室を備える軸方向ピストンエンジンが更に提案されており、前記軸方向ピストンエンジンは軽金属からなる少なくとも１個のガス交換弁を有する少なくとも１個のシリンダを備えることを特徴とする。軽金属は、特に運動部材の使用中にこの軽金属を含む部材の慣性を低減させ、低密度なために、前記軸方向ピストンエンジンの摩擦損失を軽減することができ、前記ガス交換弁の制御駆動がより低い慣性力に対応するよう構成される。同様に、軽金属からなる部材を用いて摩擦損失を軽減することにより、前記軸方向ピストンエンジンにおける総損失がより小さくなり、同時に全体効率が向上する。
【0146】
上記に追加的に、軽金属はアルミニウム又はアルミニウム合金、特にジュラルミンからなることを特徴とする前記軸方向ピストンエンジンを提案する。アルミニウム、ジュラルミンのような特に強度が高い又は強度が非常に高いアルミニウム合金には、材料密度に対応するガス交換弁の重量だけでなく、ガス交換弁の強度も向上又は高レベルに保持されるため、ガス交換弁の構成に対して特別に利点を有する。また当然のことながら、アルミニウム又はアルミニウム合金に替えて、チタン又はマグネシウム又はアルミニウム、チタン、マグネシウムおよび／又はその他の成分の合金からなる材料も考えられる。詳細には、対応して軽量なガス交換弁は、既により大きい慣性を有する重量の重い又は高密度のガス交換弁に比べてより高速で負荷の交換に対応することができる。
【0147】
詳細には、前記ガス交換弁は入口弁からなっていてもよい。前記軸方向ピストンエンジンのこの部分はアルミニウム又はアルミニウム合金の融点に十分余裕のある低温度となるため、軽量なガス交換弁および対応して得られる前記軸方向ピストンエンジンのより低い平均摩擦圧力又はより小さい摩擦損失の利点は、特に軽量な材料からなる入口弁の使用中に実行される。一方、軽金属からなるガス交換弁の利点は好都合には同様に前記圧縮機シリンダ出口弁および前記圧縮機シリンダ入口弁に関して上述した構成に追加的に用いてもよいものとする。
【0148】
本発明の課題はまた、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記燃焼室から前記作動シリンダへの注入管を介した前記燃焼媒介流は、制御駆動により駆動されて前記注入管を開放および閉鎖する少なくとも１個の制御ピストンを介して制御され、前記制御ピストンは相互に異なる開放時間および閉鎖時間を有することを特徴とする、軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0149】
前記開放時間および閉鎖時間は相互に異なるため、本軸方向ピストンエンジンにおいて、異なる動作条件に対する非常に高い適応性が得られる。この点において、上記のような非対称な制御時間が好ましい。
【0150】
この点において好ましい別の実施の形態によれば、好都合には前記制御ピストンは開放よりも高速に閉鎖される。これにより、各シリンダを満たすために動作上確実に適切な時間を使用することができる。しかしながらこの場合、実行されるべき膨張動作を考慮して、上記のような非対称な制御時間により保証されるように、前記燃焼室内への背圧が発生しないよう注意する必要がある。更に、前記作動シリンダが詳細には燃焼媒介が決定的に充填され前記作動ピストンの過負荷を誘因する危険性を軽減する。
【0151】
本発明の課題はまた、予熱室、主燃焼室および排ガス排出口を有する連続動作燃焼室から供給を受ける少なくとも１個の作動シリンダを備え、前記予熱室内の温度を決定する予熱室温度センサを備えることを特徴とする軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0152】
上述のような温度センサは、単純な方法において前記軸方向ピストンエンジンの燃焼品質又は稼動安定性に関して有意値を得る。温度センサとして、例えば抵抗温度センサ、熱電対センサ、赤外線センサ等、様々なセンサを用いてもよい。
【0153】
好ましくは前記予熱室温度センサは前記予熱室内の火炎温度を決定するよう構成又は配置される。これにより、非常に有意な値が可能となる。
【0154】
前記軸方向ピストンエンジンは詳細には、入力センサとしての前記予熱室温度センサを含み、前記予熱室温度が１，０００℃から１，５００℃の間となるよう前記燃焼室を調整する燃焼室調整装置を含んでいてもよい。これにより、相対的に単純であり、したがって動作上確実且つ非常に高速な調整回路により、前記軸方向ピストンエンジンが生成する汚染物質を極めて少なくできる。詳細には、煤煙が形成される危険性を最小にできる。
【0155】
更に、上記に追加的又は選択的に、前記軸方向ピストンエンジンは前記排ガス温度を決定するための排ガス温度センサを含んでいてもよい。
【0156】
上記のような排ガス温度センサにより、技術的に単純な方法で同様に連続動作燃焼室の動作状態をチェックおよび制御することができる。上記のような調整装置により詳細には単純な方法で燃料を適切且つ完全に燃焼させることができ、これにより前記軸方向ピストンエンジンの効率を最適化すると同時に排出する汚染物質を最小にできる。
【0157】
任意で、前記燃焼室は動作状態、好ましくはアイドリング時の前記排ガス温度が８５０℃から１，２００℃の間となるよう制御される。これは、上述の要件に基づいて、例えば水の温度又は体積、又は熱交換器内の予熱および非予熱空気の比率を制御することにより、例えば適切に水を供給および／又は燃焼媒介、詳細には空気を予熱することにより実現される。
【0158】
本発明の課題は、上述の特性に追加的又は選択的に、少なくとも１個の圧縮機シリンダと、少なくとも１個の作動シリンダと、圧縮された燃焼媒介を前記圧縮機シリンダから前記作動シリンダへ誘導する少なくとも１個の圧力管路とを備え、前記圧縮機シリンダ内に配置される圧縮機ピストンの吸気行程中に前記圧縮機シリンダに水又は水蒸気が供給されることを特徴とする軸方向ピストンエンジンにより達成される。
【0159】
これにより、一方で燃焼媒介内で水を確実に最適に分布させることができる。他方で、水の供給により前記軸方向ピストンエンジン全体のエネルギバランスに過度に不都合な影響を与えることなく、水により変更された圧縮エンタルピが非決定的に燃焼媒介内に導入される。詳細には、これにより圧縮工程を等温圧縮に近い状態とすることができ、その場合、圧縮中にエネルギバランスが最適化される。前記燃焼室内の温度を調整するため、および／又は水の化学反応又は触媒反応による汚染を軽減するため、実際の実施例に合わせて、且つ熱交換器に関連して上述した前記水の供給と組合せて、水を補助的に用いてもよい。
【0160】
本発明の実際の実施例によって、水の供給は例えば定量ポンプにより実行可能である。定量ポンプは逆止め弁に替えてもよく、その場合、前記圧縮機ピストンがその吸気行程中に前記逆止め弁を介して水を引き込むことができ、前記逆止め弁は圧縮中は閉鎖される。この実施例において、特に好ましくはエンジン停止中のリークを防止するために水供給管路内に電磁弁等の安全弁が設けられる。
【0161】
異なる位置で前記軸方向ピストンエンジンに水を供給することも可能であるものとする。
【0162】
本発明の更なる様態によれば、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室とを備える軸方向ピストンエンジンが提案されており、この場合、前記軸方向ピストンエンジンは往復運動し流量断面を解放するガス交換弁を含み、前記ガス交換弁は前記ガス交換弁に作用する前記弁スプリングのばね力によりこの流量断面を閉鎖し、前記軸方向ピストンエンジンは衝突スプリングを有する前記ガス交換弁を備えることを特徴とする。圧力差に反応して開放する自律作動型、すなわちカム作動型ではないガス交換弁は圧力差により非常に大きい開放力が発生した場合、強力に加速されて、前記ガス交換弁の前記弁スプリングを完全に圧縮したり、前記弁スプリング板又はその他の部材の同様な固定リングに衝突する可能性がある。上記のような許容を超える好ましくない２個の部材の接触はこれらの部材を非常に速く破損させる可能性がある。したがって前記弁スプリング板の衝突を効率的に防止するため、好都合には前記ガス交換弁の過剰な運動エネルギを放散させ、前記ガス交換弁を停止させる衝突スプリングとして構成される更なるばねが設けられる。
【0163】
詳細には、前記衝突スプリングは前記弁スプリングのばね長より短いばね長を有していてもよい。２個のばねである前記弁スプリングおよび前記衝突スプリングが共通の座面を有するため、前記衝突スプリングは好都合には取付けられた弁スプリングのばね長が常に前記衝突スプリングのばね長より短くなるよう構成され、これにより前記弁スプリングは、前記ガス交換弁を開放する際、最初に前記ガス交換弁を閉鎖するために必要な力のみを付加し、実行された最大弁ストロークに到達すると、前記ガス交換弁が更に開放されることを即座に防止するため前記衝突スプリングが前記ガス交換弁に接触する。
【0164】
上記に追加的に、前記衝突スプリングのばね長は前記ガス交換弁の弁ストロークにより短縮された前記弁スプリングのばね長と同一でもよい。便宜上好ましくは、この場合、前記２個のばねのばね長の差が前記弁ストロークの量と正確に同一であるという状況が利用される。
【0165】
この場合、用語「弁ストローク」は、放前記ガス交換弁により解放される流量断面がそこから略最大になる前記ガス交換弁のストロークを意味する。エンジン構造において一般的に用いられる板弁は通常、少しの開放で線形に増幅し、その後前記弁が更に開放されると一定値で直線形状となる流量断面を有する。通常、前記弁ストロークが内部弁座の直径の２５％に到達すると、開口断面が最大となる。内部弁座の直径は前記弁座における最小の直径である。
【0166】
用語「ばね長」はこの場合、前記衝突スプリング又は取付けられた状態の前記弁スプリングの最大可能長さを意味する。したがって前記衝突スプリングのばね長は非展張状態のばね長と同一であり、前記弁スプリングのばね長は前記ガス交換弁が閉鎖された状態で取付けられた前記弁スプリングが有する長さと同一である。
【0167】
上記に選択的又は追加的に、前記衝突スプリングのばね長を前記衝突スプリングのばね運動により高くなった弁ガイドの高さと同一とすることを更に提案する。これにより、前記衝突スプリングはたわんだとしても接触が発生しない程には圧縮されないため、弁ガイドおよび前記弁制御装置の運動する部材と接触し得るその他の固定部材が、絶対に前記弁制御装置の運動部材と接触しないという利点を有する。
【0168】
用語「ばね運動」はこの場合、ばね長から最大負荷が与えられた状態のばね長を引いたものを意味する。最大負荷は同様に安全係数を考慮して計算された弁駆動の構成により規定される。したがってばね運動は、前記軸方向ピストンエンジンの動作中に発生する最大負荷又は軸方向ピストンエンジンの動作中に実行される最大弁ストロークが異常負荷中に発生する時にばねが圧縮される長さである。この場合、最大弁ストロークは、上述のように規定される前記弁ストロークに、運動部材および固定部材間の接触が発生する前記ガス交換弁のストロークを足したものを意味する。
【0169】
前記弁の運動部分と接触するその他の部材で弁ガイドを代替してもよい。
【0170】
更に、前記衝突スプリングにばね運動が発生すると、前記衝突スプリングは流量断面が解放された時に動作上発生する前記ガス交換弁の最大運動エネルギと同一のポテンシャルエネルギを有する可能性がある。この物理的又は動的条件が正確に満たされると、２個の部材がまだ接触していない場合、好都合には前記ガス交換弁は制動される。上述した通り、動作上発生する最大の運動エネルギは、安全係数を考慮して計算された構成の弁駆動に対して発生する前記ガス交換弁の運動エネルギである。動作上発生する最大の運動エネルギは前記ガス交換弁における最大圧力又は圧力差により発生し、これにより前記ガス交換弁はその質量に基づいて加速され、この加速の減衰後に運動の最大速度が得られる。前記ガス交換弁内に蓄積される過剰な運動エネルギは前記衝突スプリングを介して吸収され、これにより前記衝突スプリングは圧縮されてポテンシャルエネルギを得る。前記衝突スプリングにばね運動が発生すると、又は前記衝突スプリングの圧縮が最大になると、好都合には前記ガス交換弁又は前記弁群の運動エネルギがゼロまで放散され、これにより２個の部材は接触しない。用語「動作上発生する最大の運動エネルギ」はしたがって、例えばバルブキー、弁スプリング板又は弁スプリング等の前記ガス交換弁と共に移動する全ての部材の運動エネルギも含む。
【0171】
最初に述べられた課題はまた、少なくとも１個のシリンダを備える圧縮機段と、少なくとも１個のシリンダを備える膨張機段と、前記圧縮機段と前記膨張機段との間の少なくとも１個の燃焼室とを備え、前記熱交換器の吸熱部は前記圧縮機段と前記燃焼室との間に配置され、前記熱交換器の放熱部は前記膨張機段と外界との間に配置され、前記熱交換器は２個の材料流を分離するため前記放熱部を前記熱交換器の前記吸熱部から分割する少なくとも１個のパイプ壁を含み、製造工程において前記パイプは前記パイプと同一の材料を含む少なくとも１個のマトリクス内に配置され、前記マトリクスに物質的および／又は摩擦的に接続されることを特徴とする軸方向ピストンエンジンの熱交換器の製造方法により達成される。
【0172】
上述した軸方向ピストンエンジン内で熱交換器を用いることにより、一方では前記熱交換器の入力および出力間で、また他方では前記熱交換器の吸熱部および放熱部間で発生する高い温度差により、材料が損傷を受けて耐用年数が制限され、不都合が発生する場合がある。上記により発生する熱応力および損傷が原因で発生する燃焼媒介又は排ガスの損失に適切な構成で対抗するため、上述の提案によれば、熱交換器の限界応力を受ける地点は好ましくはほぼ１個の材料のみで製造されてもよい。それ以外の場合でも、好都合には、材料応力は上述の解決手段により軽減される。
【0173】
前記熱交換器を固定又取付けるためのはんだ付け又はその他の手段は、特に高い熱応力又は高い封止強さが求められる領域が対象ではない場合、異なる材料を含んでいてもよいものとする。
【0174】
同一の熱膨張係数を有する２個の以上の材料を用いることも考えられ、これにより材料において発生する熱応力に類似の方法で対抗できる。
【0175】
前記パイプおよび前記マトリクス間に材料接続および／又は摩擦接続を構築するため、前記パイプおよび前記マトリクス間の材料接続を溶接又ははんだ付けにより実行することを特徴とする熱交換器の製造方法を更提案する。熱交換器の封止強さは単純な方法、特に好ましくは類似の方法により保証される。この場合もまた、溶接又ははんだ付け材料として前記パイプ又は前記マトリクスと同一の材料を用いてもよい。
【0176】
選択的又は上記に追加的に、前記パイプおよび前記マトリクス間の摩擦結合は収縮により構築してもよい。これにより同様に、前記パイプ又は前記マトリクスの材料とは異なる材料を用いて例えば物質的に接着して接続すること避けられるため、前記パイプおよび前記マトリクス間の熱応力が防止できるという利点が得られる。この利点を更に実現するため、前記液体は前記熱交換器の下流および／又は上流で供給されてもよい。
【0177】
多様な軸方向ピストンエンジンおよびそのアセンブリの実施例を図示した以下の添付の図面の記載に基づいて、本発明の更なる利点、目的および特性を説明する。
【図面の簡単な説明】
【0178】
【発明を実施するための形態】
【0180】
前記燃焼室２１０は、前記燃焼室２１０への燃焼空気の供給が多様且つ非常に良く調節された状態で実行されるよう、相互に異なる２個の流入燃焼空気（図示せず）を有する。詳細には、これにより前記軸方向ピストンエンジン２０１に対するラムダ値を極めて良く調節することができ、これにより前記燃焼室２１０内の燃焼を前記軸方向ピストンエンジン２０１のリアルタイム出力要求に対して非常に正確および急速に均一にすることができる。好都合には、異なる温度の燃焼空気を前記２個の流入燃焼空気を介して前記燃焼室２１０内に導入でき、これにより燃焼をより容易に制御できる。
【0181】
前記注入管２１５のうちの１個内における前記燃焼室２１０から前記作動シリンダ２２０の各々への作動媒体流又は燃焼媒介流は、制御駆動（明確には図示せず）により駆動される制御ピストン（明確には図示せず）により制御される。
【0182】
好ましくは前記制御ピストンには、前記制御駆動により付加される力に加えて燃焼室圧力と逆向きの相殺力（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）が更に付加され、これにより前記制御駆動を非常に単純な構造で構成できる。この相殺力は、既存の圧縮機シリンダ圧力に基づいて非常に単純な構造において空気圧により生成される。
【0183】
詳細には、前記制御ピストンの各々における封止は、前記制御ピストンが前記燃焼室２１０内と同様の圧力状況である圧力空間内に配置されると極めて単純に実行される。この場合、オイルのみの擦取りにより理想的な適切な封止強さは既に得られている。
【0184】
これを目的として、前記制御ピストンはまた常にオイルにより濡れ状態となっており、これにより同時に潤滑化および冷却され、この場合前記制御ピストンは好ましくは噴霧冷却される。オイルを擦取るため、前記制御ピストンは分離されたオイル回路にオイルを戻すための細部は図示しないオイルスクレーパを備える。
【0185】
本制御ピストンにおける運動質量を減らすため、前記制御ピストンは少なくともそのピストンステムに関してはアルミニウムからなる。しかしながら、前記制御ピストンはピストン底部においては非常に高い燃焼媒介温度にも耐えるため燃焼室側で鉄合金を含む。
【0186】
選択的に、前記制御ピストンはまた鋼鉄合金からなっていてもよく、これによりアルミニウム合金に比べて、強度および／又は剛性に関する問題および熱に関する問題が発生する可能性がより低くなる。
【0187】
前記作動シリンダ２２０の各々には作動ピストン２３０（数は例示）がそれぞれ配置され、前記作動ピストン２３０の一方は、直線状の連接棒２３５により本実施例において出力軸２４１上に配置される曲線軌道２４０を支持するスペーサ２４２からなる出力に接続され、他方は圧縮機ピストン２５０に接続され、それぞれが以下に詳述する方法で、前記圧縮機シリンダ２６０内で駆動する。
【0188】
作動媒体は、前記作動シリンダ２２０内で作用して前記作動ピストン２３０に負荷を与えた後、排ガス管２２５を介して前記作動シリンダ２２０から排出される。図示しないが、前記排ガス管２２５上には排ガスの温度を計測する温度センサが設けられる。
【0189】
前記排ガス管２２５は各場合において熱交換器２７０内に放出され、続いて公知の方法により適切な排出口２２７から前記軸方向ピストンエンジン２０１を出ていく。前記排出口２２７自体は詳細には図示しない環状水管に接続可能であり、これにより最終的には排ガスによって前記エンジン２０１は１個所又は２個所にのみ配置される。詳細には前記熱交換器２７０の実際の構造によっては、前記熱交換器２７０自体が既に弱音効果を有するため弱音ダンパを備えなくてもよい。
【0190】
前記熱交換器２７０は予熱燃焼媒介の役割を果たし、前記圧縮機シリンダ２６０内で前記圧縮機ピストン２５０により圧縮された後、圧力管路２５５を介して前記燃焼室２１０に導入される。この場合、圧縮は公知の方法で実行され、供給空気が前記圧縮機ピストン２５０により供給管路２５７（数は例示）を介して引き込まれ、前記圧縮機シリンダ２６０内で圧縮される。そのために、適切利用が容易に可能な公知の弁機構が用いられる。
【0191】
図２から明らかなように、前記軸方向ピストンエンジン２０１は２個の熱交換器２７０を有し、前記熱交換器２７０の各々は前記軸方向ピストンエンジン２０１に対して軸方向に配置される。このような配置により、各場合において排ガスが前記排ガス管２２５を介して前記熱交換器２７０まで移動するための経路を従来技術による軸方向ピストンエンジンに比べて大幅に減少させることができる。その結果、最終的には排ガスは前記熱交換器２７０の各々に大幅に高い温度で到達し、これにより最終的には燃焼媒介をより高い温度に対応して予熱することができる。実際には、このような構成により燃料を少なくとも２０％削減できることが確認されている。そのため、最適設計により３０％以上の削減も可能と考えられる。
【0192】
そのため、前記軸方向ピストンエンジン２０１の効率は他の方法で向上させることができることが分かる。例えば、燃焼媒介を公知の方法で前記燃焼室２１０を冷却又は断熱するために用いてもよく、これにより燃焼媒介の温度を、燃焼媒介が前記燃焼室２１０に流入する前に更に上昇させることができる。なお、燃焼空気に関する本実施例の場合と同様に、対応する温度調節は燃焼媒介の成分のみに制限してもよい。また、燃焼空気の圧縮前又は圧縮中に予め水を供給することも考えられるが、これは例えば前記圧力管路２５５内で等、以降においても容易に可能である。
【0193】
特に好ましくは、前記圧縮機シリンダ２６０への水の供給は前記対応する圧縮機ピストン２５０の吸気行程の最中に実行され、これにより等温圧縮、又は限りなく等温圧縮に近い圧縮が可能となる。容易に分かるとおり、前記圧縮機ピストン２５０の各動作サイクルは吸気行程および圧縮行程を有し、吸気行程の最中に前記圧縮機シリンダ２６０に燃焼媒介が流入し、燃焼媒介はその後圧縮、すなわち圧縮行程の最中に圧縮され、前記圧力管路２５５に搬送される。吸気行程の最中に水を供給することにより、動作上単純な方法で水を均一に分布させることができる。
【0194】
同様に燃料を適宜温度調節することも考えられるが、燃焼空気に関して燃料の量は通常相対的に少なく非常に速く高温になるため、必ずしも必要ではない。
【0195】
同様に、本構成において水の供給は前記圧力管路２５５内で実行してもよく、その場合、流れを適切に偏向させることにより水は前記熱交換器内で燃焼媒介と均一に混合される。また、水、又は例えば燃料又は排ガスを後処理する手段等のその他の液体の供給に前記排ガス管２２５を用いてもよく、これにより前記熱交換器２７０内での均一な混合が保証される。例示した熱交換器２７０の構成は更に、前記熱交換器内での排ガスの後処理を可能にし、その際、後処理により放出された熱は前記圧力管路２５５内の燃焼媒介に直接供給される。前記排出口２２７には、排ガスに含まれる凝縮水を新たに供給するために前記軸方向ピストンエンジン２０１に戻す図示しない排水器が配置される。前記排水器は復水器に関連付けて構成してもよい。更に、前記排水器は同様の構造からなる軸方向ピストンエンジンに用いてもよいが、前記排出口２２７内に排水器を備えていなくても、前記軸方向ピストンエンジン２０１又は類似の軸方向ピストンエンジンのその他の利点は有効なままである。
【0196】
図３に記載の軸方向ピストンエンジン３０１は、その構造および機能様式について図１および図２に記載の前記軸方向ピストンエンジン２０１と略同一である。そのため、詳細な説明を省略するが、図３において、同様に動作するアセンブリには１桁目が異なるだけの類似の参照符号が与えられている。前記軸方向ピストンエンジン３０１も中央燃焼室３１０を有し、前記軸方向ピストンエンジン３０１の動作順序に合わせて、作動シリンダ３２０内の作動媒体が注入管３１５（数は例示）を介して前記中央燃焼室３１０から導入される。作動媒体は、動作を終了すると、各場合において排ガス管３２５を介して熱交換器３７０に供給される。
【0197】
この場合、前記軸方向ピストンエンジン２０１とは対照的に、前記軸方向ピストンエンジン３０１は２個の作動シリンダ３２０に対して正確に１個の熱交換器３７０を有し、これにより導管３２５の長さが最小となる。容易に分かるとおり、本実施例において前記熱交換器３７０は前記軸方向ピストンエンジン３０１の筐体３０５に部分的に挿入されており、図１および図２に記載の前記軸方向ピストンエンジン２０１の構造より更に構造を小型化することができる。この場合、前記筐体３０５に対して前記熱交換器３７０をどの程度挿入するかは、例えば前記作動シリンダ２２０用の水冷装置等、その他のアセンブリの配置により制限される。
【0198】
図４に記載の軸方向ピストンエンジン４０１もまた、図１から図３に記載の前記軸方向ピストンエンジン２０１および３０１と略同一である。したがって、同一又は同様に動作アセンブリは１桁目が異なるだけの同様の符号が与えられている。したがって、その他の点について、作動形態の詳細な説明は図１および図２に記載の前記軸方向ピストンエンジン２０１について既に上述しており、本実施例においては省略する。
【0199】
前記軸方向ピストンエンジン４０１はまた筐体４０５を含み、前記筐体４０５上には、２個の流入燃焼空気（図示せず）を備える連続動作燃焼室４１０、６個の作動シリンダ４２０および６個の圧縮機シリンダ４６０が設けられる。この場合、各場合において前記燃焼室４１０は注入管４１５を介して前記作動シリンダ４２０に接続され、これにより前記軸方向ピストンエンジン４０１のタイミングレートに合わせて作動媒体を前記作動シリンダ４２０に供給可能である。
【0200】
前記注入管４１５は更には図示しない制御ピストンにより開放又は閉鎖されてもよい。前記制御ピストンは各制御駆動により駆動および制御され、この場合燃焼室圧力と逆向きの相殺力は更に前記制御ピストンの各々に作用する。更に、前記制御ピストンは圧力空間内に配置され、この場合圧力空間内の燃焼室圧力に略同一の圧力は調節される。これにより前記制御ピストンの各々におけるオイルを擦取る形の非常に単純な封止が可能である。前記制御ピストンの各々は常時オイルにより噴霧冷却されるため、前記制御ピストンにおいてオイルの量は常に適切に保たれる。したがって、前記制御ピストンの各々において、冷却に加えて、良好な潤滑化および封止が常に保証される。前記制御ピストンはアルミニウムからなる軽量な構造に形成され、少なくとも前記燃焼室側においては鉄による燃焼保護を有し、これにより非常に温度安定的に構成される。
【0201】
動作が終了すると、各場合において作動媒体は、図１および図２（詳細には図２参照）に記載の前記軸方向ピストンエンジン２０１の前記熱交換器２７０と同一に配置される、熱交換器４７０に接続する排ガス管４２５を介して前記作動シリンダ４２０から排出される。作動媒体は排出口４２７（数は例示）を介して前記熱交換器４７０から排出される。
【0202】
前記作動シリンダ４２０および前記圧縮機シリンダ４６０内にはそれぞれ作動ピストン４３０および圧縮機ピストン４５０が配置されており、前記作動ピストン４３０および前記圧縮機ピストン４５０は剛体からなる連接棒４３５により相互に接続されている。前記連接棒４３５は、最終的に出力軸４４１を駆動するスペーサ４２４上に設けられる曲線軌道４４０を公知の方法により備える。
【0203】
本実施例においてもまた、燃焼空気は供給管路４５７を介して引き込まれ、前記圧縮機シリンダ４６０内で圧縮されて、圧力管路４５５を介して前記燃焼室４１０内に供給されるが、実際の実施例によっては、上述の実施例について記載した手段を同様に用いてもよい。
【0204】
更に、前記軸方向ピストンエンジン４０１の場合には、前記圧力管路４５５は環状水管４５６を介して相互に接続されており、これにより公知の方法で圧力管路４５５全体の圧力を均一にすることができる。前記環状水管４５６および前記圧力管路４５５の各々間には弁４８５が設けられ、これにより燃焼媒介の供給は前記圧力管路４５５により制御又は設定できる。更に、前記環状水管４５６には燃焼媒介用容器４８０が貯蔵管路４８１を介して接続され、前記貯蔵管路４８１内には弁４８２が同様に配置される。
【0205】
前記弁４８２および４８５は、前記軸方向ピストンエンジン４０１の動作状態に合わせて開放又は閉鎖可能である。したがって、例えば前記軸方向ピストンエンジン４０１が必要とする燃焼媒介が少ない場合に前記弁４８５のうち１個を閉鎖することが考えられる。また、上記のような動作条件下では、全ての弁４８５の一部を閉鎖し、スロットルとして動作させることも考えられる。また、弁４８２が解放状態である時、余剰な燃焼媒介を前記燃焼媒介用容器４８０に供給することができる。これは詳細には、前記軸方向ピストンエンジン４０１が減速下で稼動している場合、すなわち燃焼媒介を全く必要せず前記出力軸４４１により駆動されている場合に可能となる。同様に前記圧縮機ピストン４５０の運動が原因で発生する余剰な燃焼媒介は、上記のような動作条件下では容易に前記燃焼媒介用容器４８０内に貯蔵できる。
【0206】
このように貯蔵される燃焼媒介は必要に応じて、すなわち詳細には走行又は加速条件下、および始動時に前記軸方向ピストンエンジン４０１に補助的に供給されてもよく、これにより前記圧縮機ピストン４５０を更に速い速度で運動させることなく燃焼媒介の余剰が供給できる。
【0207】
上記を保証するため、前記弁４８２および４８５はまた適宜省略してもよい。リークが避けられないため、上述のような圧縮された燃焼媒介を長期貯蔵する弁は適切とは言い難い。
【0208】
前記軸方向ピストンエンジン４０１の別の実施の形態においては前記環状水管４５６を省略してもよく、その場合前記圧縮機シリンダ４６０の前記排出口は、圧力管路４５５の数に対応して例えば環状水管の断面により結合されてもよい。このような構成においては、前記圧力管路４５５のうち１個のみを結合、又は圧力管路４５５の一部を前記燃焼媒介用容器４８０に結合、又は接続不可能として備えることが理に適っているかもしれない。このような構成においては、減速の最中に全ての圧縮機ピストン４５０が前記燃焼媒介用容器４８０を充填することは難しい。一方、十分な燃焼媒介が前記燃焼室４１０に供給されており、これにより更なる調整又は制御装置手段なしに燃焼を継続可能である。同時に、前記燃焼媒介用容器４８０はその他の圧縮機ピストン４５０により充填され、これにより燃焼媒介は適宜備蓄され、詳細には始動、走行又は加速時において即座に利用可能である。
【0209】
前記軸方向ピストンエンジン４０１の具体的には図示しない異なる構成例においては、２個の燃焼媒介用容器４８０を備えていてもよく、この場合また前記２個の燃焼媒介用容器４８０には異なる圧力が付加されていてもよく、これにより前記２個の燃焼媒介用容器４８０を備えることで異なる圧力範囲でリアルタイムに動作することが常に可能となるものとする。この場合、好ましくは圧力調整装置が設けられ、前記圧力調整装置は第１の燃焼媒介用容器４８０に対して第１の圧力下限および第１の圧力上限を設定し、および第２の燃焼媒介用容器（図示せず）に対して第２の圧力下限および第２の圧力上限を設定し、前記上限および下限内で各燃焼媒介用容器４８０に圧力が付加されることになり、前記第１の圧力上限は前記第２の圧力上限より低く、前記第１の圧力下限は前記第２の圧力下限より低い。詳細には、前記第１の圧力上限は前記第２の圧力下限以下に設定してもよい。
【0210】
排ガス又は前記燃焼室内の温度を計測する温度センサは図１〜図４には図示しない。このような温度センサとしては、８００℃から１，１００℃の間の温度を動作上確実に計測できる全ての温度センサが考えられる。詳細には、前記燃焼室が予熱室および主燃焼室を備える場合、前記予熱室の温度も上記のような温度センサにより計測できる。この点において、上述の前記軸方向ピストンエンジン２０１、３０１および４０１の各々は、前記作動シリンダ２２０、３２０、４２０から排出される時の排ガス温度は約９００℃、および、もし備える場合は前記予熱室内の温度は約１，０００℃となるよう前記温度センサにより制御可能である。
【0211】
図５に記載の他の軸方向ピストンエンジン５０１の実施例の場合には、上記のような入力センサとしての温度センサは、燃焼室調整装置（詳細には図示せず）の予熱室温度センサ５９２および２個の排ガス温度センサ５９３として構成されており、その概略図を示す。
【0212】
詳細には、本実施例において、前記他の軸方向ピストンエンジン５０１の予備燃焼器５１７に近接していることから予熱室温度センサ５９２とも言える前記予熱室温度センサ５９２について、燃焼品質、又は前記他の軸方向ピストンエンジン５０１の稼動安定性に関して利点があることが確認された。例えば、前記予備燃焼器５１７内の火炎温度を計測して、燃焼室調整装置により前記他の軸方向ピストンエンジン５０１内の異なる動作状態を調整できるようにしてもよい。
【0213】
前記作動シリンダ５２０の各々の排出口又は排ガス管５２５に配置される前記排ガス温度センサ５９３により、詳細には前記燃焼室５１０の動作状態を追加的にチェックし、必要に応じて制御することができ、これにより燃焼媒介の燃焼を常に最適な状態にできる。
【0214】
その他については、前記他の軸方向ピストンエンジン５０１の構造および動作原理は上述した前記軸方向ピストンエンジンと略同一である。この点において、前記他の軸方向ピストンエンジン５０１は筐体５０５を有し、前記筐体５０５上には連続動作燃焼室５１０、６個の作動シリンダ５２０および６個の圧縮機シリンダ５６０が設けられる。
【0215】
前記燃焼室５１０は細部は図示しない２個の流入燃焼空気を有する。前記２個の流入燃焼空気には、例えば第２の流入燃焼空気に対する第２の燃焼空気ではなく、第１の燃焼空気を排ガスに対する交差流および／又は逆流の形で前記熱交換器を通過させることにより、入力側（明確には図示しない）において適切に接続される熱交換器により異なる温度の燃焼空気が供給されてもよい。
【0216】
前記燃焼室５１０内においては燃焼媒介を点火および燃焼させることができるが、その場合、上述した方法で前記燃焼室５１０に燃焼媒介を充填してもよい。前記他の軸方向ピストンエンジン５０１は二段階燃焼装置と連動しており、そのため前記燃焼室５１０は上述した予備燃焼器５１７および主燃焼器５１８を有しており好都合である。燃焼媒介は前記予備燃焼器５１７内および前記主燃焼器５１８内に注入され、前記軸方向ピストンエンジン５０１の燃焼空気の一部、詳細には本実施例において全燃焼空気の１５％未満が詳細には前記予備燃焼器５１７内に導入される。
【0217】
前記予備燃焼器５１７は前記主燃焼器５１８より小さい直径を有し、前記主燃焼器５１８において前記燃焼室５１０は円錐チャンバ５１３および円筒チャンバ５１４を備える移行部を有する。
【0218】
燃焼媒介および燃焼空気を供給するため、一方では主ノズル５１１が、他方では処理ノズル５１２が前記燃焼室５１０、詳細には対応する前記円錐チャンバ５１３に排出する。前記主ノズル５１１および前記処理ノズル５１２により、燃焼媒介又は可燃性物質が前記燃焼室５１０に注入され、本実施例において、前記処理ノズル５１２により注入される燃焼媒介は既に混合又は燃焼空気と混合されている。
【0219】
前記主ノズル５１１は前記燃焼室５１０の主燃焼方向５０２と略平行に配置される。更に、前記主ノズル５１１は前記燃焼室５１０の対称軸５０３と同軸上に配置され、前記燃焼室５１０において前記対称軸５０３は前記主燃焼方向５０２と平行に配置される。
【0220】
更に、前記処理ノズル５１２は前記主ノズル５１１に対して任意の角度（明確には図示しない）で配置され、これにより前記主ノズル５１１の噴射方向５１６および前記処理ノズル５１２の噴射方向５１９が前記円錐チャンバ５１３でそれぞれの交点で公差する。
【0221】
可燃性物質又は燃料は本実施例においては更なる空気の供給なしで前記主ノズル５１１から前記主燃焼器５１８内に注入されるが、この場合可燃性物質は前記主燃焼器５１８により既に予熱され、理想的には熱分解されている。これを目的として、前記主ノズル５１１を流れる可燃性物質の量に対応する体積を有する燃焼空気が前記予備燃焼器５１７又は前記主燃焼器５１８後方の燃焼空間５２６内に導入され、そのために前記燃焼空間５２６内に排出を行う燃焼空気供給装置５０４が別途設けられる。
【0222】
これを目的として、前記別途設けられる予燃焼空気供給装置５０４は処理空気供給５２１に接続され、前記処理空気供給５２１において更なる燃焼空気供給装置５２２に前記別途設けられる燃焼空気供給５０４から燃焼空気が供給されるが、この場合、有孔リング５２３に燃焼空気が供給される。この場合、前記有孔リング５２３は前記処理ノズル５１２に割当てられる。この点において、前記処理ノズル５１２に注入された処理空気が混合された可燃性物質は前記予備燃焼器５１７又は前記主燃焼器５１８の前記円錐チャンバ５１３内に注入される。
【0223】
更に、前記燃焼室５１０、詳細には前記燃焼空間５２６は、好都合には空冷式のセラミック組立体５０６を含む。この場合、前記セラミック組立体５０６は成形パイプ５０８により周囲を囲まれるセラミック燃焼室壁５０７を含む。前記成形パイプ５０８の周囲には、冷却空気室供給装置５２４により前記処理空気供給装置５２１に接続される冷却空気室５０９が延伸する。
【0224】
各場合において、前記公知の作動シリンダ５２０は対応する作動ピストン５３０を支持し、前記対応する作動ピストン５３０は連接棒５３５により圧縮機ピストン５５０に機械的に接続される。
【0225】
本実施例において前記連接棒５３５は、前記作動ピストン５３０又は前記圧縮機ピストン５５０の移動に伴って曲線軌道５４０に沿って移動する連接棒走行輪５３６を含む。これにより出力軸５４１が回転し、駆動曲線軌道支持体５３７により前記曲線軌道５４０に接続される。前記軸方向ピストンエンジン５０１からの出力は前記出力軸５４１を介して伝動される。
【0226】
公知の方法においては処理空気の圧縮は前記圧縮機ピストン５５０により実行され、また注水も適宜実行されるが、これは必要に応じて更なる冷却のために用いてもよい。対応する前記圧縮機ピストン５５０の吸気行程の最中に水又は水蒸気が供給されると、燃焼媒介の等温圧縮が特に促進される。水の供給を伴う吸気行程により、動作上単純な方法で、燃焼媒介内での水の非常に均一な分布を確実にすることができる。
【0227】
特に図１から図４を参照して説明した実施例において詳細に記述した通り、処理空気を少なくとも１個の熱交換器により余熱した後、前記燃焼室５１０に燃焼媒介として供給する場合、必要に応じて、図示しない少なくとも１個の熱交換器内で排ガスを大幅に、よりしっかりと冷却してもよい。排ガスは前記排ガス管５２５を介して前記少なくとも１個の熱交換器に供給してもよく、前記排ガス管５２５において前記熱交換器は前記他の軸方向ピストンエンジン５０１に対して軸方向に配置される。
【0228】
更に、上述した通り、処理空気は、冷却する必要のある前記軸方向ピストンエンジン５０１の他のアセンブリとの接触により更に余熱又は加熱してもよい。このように圧縮および加熱された処理空気はその後上述した方法で前記燃焼室５１０内に供給され、これにより前記他の軸方向ピストンエンジン５０１の効率を更に向上できる。
【0229】
前記軸方向ピストンエンジン５０１の前記作動シリンダ５２０の各々は注入管５１５を介して前記燃焼室５１０に接続されるため、点火された燃焼媒介混合物および燃料空気混合物からなる混合体は前記燃焼室５１０から前記注入管５１５を介して前記作動シリンダ５２０の各々内に排出され、作動媒体として前記作動ピストン５３０に作用する。
【0230】
この点において、前記燃焼室５１０からの前記作動媒体は、少なくとも１個の注入管５１５を介して、少なくとも２個の作動シリンダ５２０に連続的に供給してもよく、この場合、各作動シリンダ５２０に対して、制御ピストン５３１により開閉可能な１個の注入管５１５が設けられる。好都合には、前記制御ピストン５３１は相互に異なる開放時間および閉鎖時間を有し、この場合前記制御ピストン５３１は理想的には開放に比べてより高速に閉鎖できる。この点において、前記軸方向ピストンエンジン５０１の動作は異なる要求に対して極めて柔軟に適応させることができる。
【0231】
前記他の軸方向ピストンエンジン５０１の前記制御ピストン５３１の数は、前記作動シリンダ５２０の数により決まる。この場合、前記注入管５１５の閉鎖は制御ピストンカバー５３２を備える前記制御ピストン５３１により行われる。前記制御ピストン５３１は制御ピストン曲線軌道５３３を備える制御駆動により駆動され、前記制御ピストン曲線軌道５３３には前記出力軸５４１に対して、断熱の機能も果たすスペーサ５３４が設けられる。前記他の軸方向ピストンエンジン５０１の本実施例において、前記制御ピストン５３１は略軸方向に向けたストローク動作５４３のみ可能である。これを目的として、前記制御ピストン５３１の各々は、前記制御ピストン曲線軌道５３３内で支持される、詳細には説明しない摺動体により案内され、前記摺動体の各々は詳細には説明しない安全カム案内路内で前後に摺動し、前記制御ピストン５３１の回転を防止する。
【0232】
好都合には、前記制御ピストン５３１には、前記制御駆動により付加される力に加えて燃焼室圧力と逆向きの相殺力が更に付加され、これにより前記制御駆動は非常に単純な構造に構成できる。この相殺力は、既存の圧縮機シリンダ圧力に基づいて非常に単純な構造において空気圧により生成される。
【0233】
詳細には、前記制御ピストン５３１の各々における封止は、前記制御ピストン５３１が前記燃焼室５１０内と同様の圧力状況である圧力空間内に配置されると極めて単純に実行される。この場合、オイルのみの擦取りにより理想的な適切な封止強さは既に保証されている。
【0234】
本制御ピストン５３１における運動質量を減らすため、前記制御ピストン５３１は同様に交差支柱を有し、また少なくともそのピストンステムに関してはアルミニウムからなる。しかしながら、前記制御ピストン５３１はピストン底部においては非常に高い燃焼媒介温度にも耐えるため燃焼室側で鉄合金を含む。
【0235】
選択的に、前記制御ピストン５３１はまた鋼鉄合金からなっていてもよく、これによりアルミニウム合金に比べて、強度および／又は剛性に関する問題および熱に関する問題が発生する可能性がより低くなる。
【0236】
前記制御ピストン５３１は前記注入管５１５内で前記燃焼室５１０からの高温な作動媒体に接触するため、前記制御ピストン５３１を水冷するのが効果的である。これを目的として、前記他の軸方向ピストンエンジン５０１は、詳細には前記制御ピストン５３１内に水冷装置５３８を有し、前記水冷装置５３８は内部冷却水管５４５、中央冷却水管５４６および外部冷却水管５４７を含む。これにより十分に冷却された前記制御ピストン５３１は、対応する制御ピストンシリンダ内には動作上確実に移動できる。
【0237】
更に、前記制御ピストン５３１の燃焼媒介と接触する表面は反射性を有するか、又は反射コーティングされており、これにより前記制御ピストン５３１内での熱放射からの入熱を最小限にする。更に、本実施例においては、前記注入管５１５および前記燃焼室５１０の燃焼媒介と接触する表面にも高い分光反射率を有するコーティング（同様に図示しない）がなされている。これは、詳細には燃焼室床（特に参照番号を付さない）、および前記セラミック燃焼室壁５０７も同様である。この燃焼媒介と接触する表面の構成は、軸方向ピストンエンジン内においてその他の構成的特性と独立していてもよいものとする。他の実施の形態においては、更に他のアセンブリを反射性にしてもよく、又は上述の反射構造は少なくとも部分的に省略してもよいものとする。
【0238】
前記他の軸方向ピストンエンジン５０１が注入管リング５３９を有する場合、前記噴射水管注入管５１５および前記制御ピストン５３１は非常に単純な構造を用いて設けることができる。この場合、前記注入管リング５３９は中央に軸を有し、詳細には前記軸の周囲には前記作動シリンダ５２０および前記制御ピストンシリンダの一部が同心円状に配置される。各作動シリンダ５２０および制御ピストンシリンダ間には注入管５１５が設けられ、各注入管５１５が前記燃焼室５１０の燃焼室床５４８の切欠き（特に部材名を与えない）に空間的に接続される。この点において、前記作動媒体は前記燃焼室５１０から前記注入管５１５を介して前記作動シリンダ５２０内に移動し動作でき、これにより前記圧縮機ピストン５５０も運動可能となる。実際の構成によっては、腐食性の燃焼生成物又は過度に高い温度への直接の接触から詳細には前記注入管リング５３９又はその材料を保護するため、コーティングおよびインサートを設けてもよいものとする。同様に、前記燃焼室床５４８の表面にもセラミック又は金属製コーティング、特に反射コーティングを設けてもよく、これにより、一方で反射率を向上させることにより前記燃焼室５１０からの熱放射を軽減し、他方で熱伝導率を低下させることにより熱伝導を軽減する。
【0239】
同様に、図６に記載の実施例内には明確には図示していないが、前記他の軸方向ピストンエンジン５０１は例えば少なくとも１個の燃焼媒介用容器および対応する弁を備えていてもよい。更に、前記他の軸方向ピストンエンジンの場合には、異なる圧力で圧縮された燃焼媒介を収容するため、前記燃焼媒介用容器を２倍設けてもよいものとする。この場合、設けられる２個の前記燃焼媒介用容器は前記燃焼室５１０の対応する圧力管路に接続されていてもよく、その場合、前記燃焼媒介用容器は弁により前記圧力管路に対して流体接続可能または分離されている。詳細には、前記作動シリンダ５２０又は圧縮機シリンダ５６０および前記燃焼媒介用容器の間に、停止弁又はスロットル弁、又は調整又は制御弁を設けてもよい。例えば、上述の弁は、燃焼媒介の余剰が少なくとも限られた時間において前記燃焼室５１０において利用可能となる走行又は加速、又は始動条件の最中に適切に開放又は閉鎖されてもよい。前記燃焼媒介用容器は、好ましくは１個の前記圧縮機シリンダおよび１個の前記熱交換器間において流体的に相互接続される。前記他の軸方向ピストンエンジン５０１により圧力の形で供給されるエネルギを非常に有効に活用するため、前記２個の燃焼媒介用容器は理想的には異なる圧力で動作する。これを目的として、適切な圧力調整装置により設けられる第１の燃焼媒介用容器用の圧力上限および圧力下限は、第２の燃焼媒介用容器用の圧力上限および圧力下限より低くてもよい。この場合、前記燃焼媒介用容器に対する動作は異なる圧力範囲で実行されてもよいものとする。
【0240】
なお最後に、前記軸方向ピストンエンジン５０１の燃焼媒介回路内への水の供給は、例えば本燃焼室５１０内、特に前記燃焼室５１０の予熱室および／又は主燃焼室内等、前記軸方向ピストンエンジン５０１のその他の領域内で実行されてもよいものとする。理想的には、上記のような水の供給は燃焼室調整装置により、例えば排ガス温度がこれにより制御されるような場合に制御される。
【0241】
図６および図７に記載の他の軸方向ピストンエンジンは前記軸方向ピストンエンジン５０１と略同一であり、この点において作用および動作形態についての新たな説明は必要とされない。図６および図７に記載の軸方向ピストンエンジンと前記軸方向ピストンエンジン５０１との大きな違いは前記円筒チャンバ１３１４を介して燃焼媒介が充填された前記燃焼空間１３２６の冷却方法であり、図示の軸方向ピストンエンジンにおいては水を介して補助的に実行される。この水冷方法又は類似の方法は、前記軸方向ピストンエンジン５０１又は本明細書に図示のその他の軸方向ピストンエンジンに設けられてもよいものとする。これを目的として、前記２個の軸方向ピストンエンジンの各々は水室１３０９Ａを有し、前記は前記燃焼空間１３２６の周囲に配置され、供給管路を介して液体水が供給される。これを目的として、各場合において特に参照番号を付さない前記供給管路を介して燃焼室圧力を伴う水が供給される。
【0242】
この水は各場合において鋼管（参照番号は付さない）と接触する環状水管１３０９Ｄに分岐管を介して供給され、この鋼管は前記燃焼空間１３２６の各々の前記成形パイプ１３０８周囲を囲むよう配置され、また、環状の間隙（参照番号は付さない）が各場合において一方では前記成形パイプ１３０８と前記鋼管との間に、また他方では前記鋼管および前記分岐管を収容するハウジング部との間に配置されるよう、且つ、前記２個の環状の間隙が前記鋼管における前記環状水管１３０９Ｄと反対方向の先端を介して相互に接続されるような寸法に設定される。この場合、前記パイプは鋼鉄以外の材料からなっていてもよいものとする。
【0243】
図示した前記軸方向ピストンエンジンには、更なる環状水管１３０９Ｅが前記成形パイプ１３０８上方に設けられ、前記環状水管１３０９Ｅは一方で半径方向に内向きの環状の間隙の各々に接続され、他方で前記燃焼空間１３２６の各々内に接続される環状ノズル（参照番号は付さない）内に導管１３０９Ｆを介して解放されている。この場合、前記環状ノズルは前記燃焼室壁又は前記セラミック燃焼室壁１３０７に対して軸方向に配置され、これにより水は前記燃焼室側においてでも前記セラミック燃焼室壁１３０７から保護される。
【0244】
水は各場合において前記供給管路から前記燃焼室１３２６に向かう途中で気化してもよく、必要に応じて水に更なる添加剤を加えてもよいものとする。また、必要に応じて、水は前記軸方向ピストンエンジンの各々の排ガスから再生および再利用してもよい。
【0245】
その他の点について前記軸方向ピストンエンジンは上述の実施例と略同一であり、燃焼空間１３２６、制御ピストン１３３１、注入管１３１５および作動ピストン１３３０を含む。上述した通り、前記対称軸１３０３周囲の回転対称と共に配置される前記燃焼空間１３２６はセラミック燃焼室壁１３０７および成形鋼管１３０８を有するセラミック組立体１３０６を有する。燃焼媒介が前記注入管１３１５および作動シリンダ１３２０の方向に流れる前記主燃焼方向１３０２は、前記対称軸１３０３に沿って延伸する。前記燃焼空間１３２６は、前記対称軸１３０３と平行に配置される前記制御ピストン１３３１により前記作動シリンダ１３２０から分離される。前記制御ピストン１３３１のその長さ方向の軸１３１５Ｂに沿った往復運動により、制御ピストンが備える注入管１３１５は各場合において前記作動シリンダ１３２０内の前記作動ピストン１３３０がその上死点方向に運動を実行するとすぐ、又は上死点に配置されるとすぐに周期的に開放される。前記注入管１３１５は前記対称軸１３１５Ａを有し、前記前記対称軸１３１５Ａに沿って案内面１３３２Ａが配置される。この対称軸１３１５Ａと平行に配置される前記案内面１３３２Ａはしたがって、前記制御ピストン１３３１がその下死点に配置されるとすぐに前記注入管１３１５の壁と同一平面で重なり、これにより、燃焼媒介が偏向することなく前記作動シリンダ１３２０の方向に流れる。同様に、案内面シール面１３３２Ｅは前記案内面１３３２Ａと平行に配置され、これによりこの案内面シール面１３３２Ｅは、前記制御ピストン１３３１がその上死点に到達するとすぐに前記案内面１３３２Ａを略封止する。前記制御ピストン１３３１の円筒状のジャケット面は更に、ステムシール面１３３２Ｄを封止し、したがって前記燃焼空間１３２６および前記作動シリンダ１３２０間の封止作用を補強する。更に、前記制御ピストン１３３１は、前記注入管の前記対称軸１３１５Ａに対して略直角に配置される衝突面１３３２Ｂを有する。したがって、燃焼媒介の流れる方向が前記燃焼空間１３２６から生じて前記注入管１３１５に流入する場合、燃焼媒介の流れる方向に略垂直に、この配置が得られる。その結果、前記衝突面１３３２Ｂが前記燃焼空間１３２６に対して有する表面は最小となるため、前記制御ピストン１３３１のこの部分の熱流量は最小限となる。
【0246】
前記制御ピストン１３３１は前記制御ピストン曲線軌道１３３３を介して制御される。この制御ピストン曲線軌道１３３３は必ずしも正弦波的に成形された外形を有する必要はない。正弦波形状とは異なる形状の制御ピストン曲線軌道１３３３は前記制御ピストン１３３１を一定時間それぞれ上死点又は下死点に保持可能であり、これにより、一方で前記注入管１３１５が解放状態である間の開口断面を最大に保持し、他方で注入管の開放および閉鎖の最中に燃焼媒介の臨界流量速度から生じる制御ピストン表面の熱応力を最低限に保持し、これにより開放時の可能な最大開放速度を前記制御ピストン曲線軌道１３３３の構成により選択できる。
【0247】
図６に記載の実施例はまた前記制御ピストン１３３１内の制御ピストンオイル空間１３６２を有し、前記制御ピストンオイル空間１３６２は制御ピストンシール１３６３にオイルを供給、又は前記制御ピストンシール１３６３から逆流するオイルを受ける。前記制御ピストンオイル空間１３６２はプレッシャオイル回路１３６１を介して供給を受ける。前記制御ピストン１３３１の底部側は圧力空間として形成される制御室１３６４の方向に向けられる。同時に、前記制御室１３６４は前記制御ピストン１３３１および前記プレッシャオイル回路１３６１からのオイルを回収する。また、前記燃焼空間１３２６の前記底部側を冷却するために、任意で水回路の替わりに前記プレッシャオイル回路１３６１を介して内部冷却水管１３４５にオイルを充填するもよい。
【0248】
図７に記載の本実施例において、放射状の軸封リングとして構成される第１の制御室シール１３６５および第２の制御室シール１３６６が設けられ、前記第１の制御室シール１３６５および前記第２の制御室シール１３６６は前記制御室１３６４を封止するが、この際、ほぼ外圧以下で封止される前記軸方向ピストンエンジンのその他の部分に比べて、より高圧で封止してもよい。前記第１の制御室シール１３６５および第２の制御室シール１３６６はシールスリーブ１３６７を介して前記制御室１３６４を封止する。このシールスリーブ１３６７は、部分的に前記プレッシャオイル回路１３６１を含む前記軸方向ピストンエンジンの回転中心軸上に圧入により設けられる。自明のことながら、前記シールスリーブ１３６７は異なる方法で回転軸に接続してもよい。材料を用いた接続又は前記軸および前記シールスリーブ１３６７間の更なるシール材が考えられる。更に自明のことながら、これらのシール材は相対的に小さい半径上に設けられており、これにより効率損失を最小限にできる。同様に、これらのシール材は前記軸方向ピストンエンジンの相対的に低温な領域に配置されており、従来のシール材を用いることもできる。
【0249】
図７はまた、前記注入管１３１５を封止するための制御ピストン表面の他の構成を示す。ここにおいて、前記衝突面１３３２Ｂは必ずしも平面である必要がなく、球状、円筒状又は円錐状の表面の一部からなっていてもよく、したがって例えば前記対称軸１３０３に対して回転対称形状を有していてもよいことは明らかである。案内面１３３２Ａおよび案内面シール面１３３２Ｅもまた平面形状以外の形状を有していてもよい。この場合、図７は前記案内面１３３２Ａおよび前記案内面シール面１３３２Ｅの構成を示し、これらの面は少なくとも断面について角度を成す線を形成する。
【0250】
本実施の形態において図示した前記制御ピストン１３３１における表面、例えば、前記案内面１３３２Ａ又は前記衝突面１３３２Ｂ、前記シール面、前記案内面シール面１３３２Ｅ又は前記ステムシール面１３３２Ｄ等もまた反射性を有し、これにより熱放射が原因で制御ピストンを介して発生する熱損失を抑制又は最低限にする。更に、これらの表面の反射性はまた前記制御ピストンへの熱伝導率又は熱伝達を低減するセラミックコーティングを含んでいてもよい。前記制御ピストン１３３１の表面と同様に、燃焼室床１３４８（図６に例示）の表面も反射性を有し、これにより壁内の熱損失を最低限にする。更に、任意で水又はオイルにより前記燃焼空間１３２６から熱を除去する内部冷却水管が前記燃焼室床１３４８の底部側に配置される。
【0251】
図７に記載の前記制御ピストン１３３１の冷却室１３３４には、前記軸方向ピストンエンジンの動作温度において液状である金属、本実施例においてはナトリウムが充填され、前記制御ピストンの表面から対流および熱伝導により熱を除去し、プレッシャオイル回路１３６１内のオイルに放出する。
【0252】
図８は、前記制御ピストン１３３１にオイルを供給する前記プレッシャオイル回路１３６１の概略図である。図８は、オイル回路２００１内におけるエンジンオイル回路２００２とプレッシャオイル回路２００３および圧縮機段２０１１との相互接続を示す。充填弁２０１６および均圧弁２０２６を介して閉鎖可能な前記プレッシャオイル回路２００３は原則的にプレッシャオイル槽２０２２を含み、プレッシャオイルポンプ２０２１は前記プレッシャオイル槽２０２２から第２の流入流２０３３および共通流入流２０３４を介してオイルを引き込み、第２の供給管路２０２５を介して制御室２０２３で利用できるようにする。その後、前記オイル回路はオイル回帰流２０３１により閉鎖され、これにより回帰オイルはこのオイル回帰流２０３１を介して前記プレッシャオイル槽２０２２に再度供給される。前記プレッシャオイル回路２００３はその外界に対して閉鎖されているため、前記プレッシャオイルポンプ２０２１はオイルの搬送に最小の出力消費しか必要としない。この場合、前記プレッシャオイル回路２００３内でのオイル循環が原因の流動損失のみ、ポンプ出力を介して付加される。前記制御ピストン１３３１に作用する燃焼室圧力を相殺するのに必要な力は、前記圧縮機段２０１１により供給される圧力により相殺される。これを目的として、前記圧縮機段２０１１は同様に流入流２０３５および圧力管路２０１５および２０３０を介して前記制御室２０２３に接続される。前記充填弁２０１６は、前記プレッシャオイル回路２００３をそれ以上充填する必要がなくなるとすぐに前記プレッシャオイル回路２００３を前記圧縮機段２０１１から分離するため、前記流入流２０３５と前記圧力管路２０１５との間に配置される。この場合、前記充填弁２０１６は多方向弁として構成される。更に、前記充填弁２０１６の作動は、同様に前記流入流２０３５を介して前記圧縮機段２０１１に接続される制御管路２０３６を介して実行される。一実施の形態において、前記充填弁２０１６が、前記圧縮機段により供給される圧縮機圧力が前記制御室２０２３内の圧力と同一又は超える場合に、前記流入流２０３５を前記圧力管路２０１５に結合するよう制御される。前記充填弁２０１６が所定の開放圧力を有する構成もまた可能である。例えば、前記弁は、圧縮機圧力が約３０バールの場合にのみ開放するよう調節されてもよい。また、可能である 前記充填弁２０１６を前記軸方向ピストンエンジンの制御機器が有する性能特性により作動させる、すなわち、回転負荷又は速度に基づいて開放してもよい。この場合、回転負荷又は速度に基づくとは、前記軸方向ピストンエンジンの動作状態を意味する。
【0253】
本実施の形態において、前記プレッシャオイル回路２００３の充填は前記制御管路２０２４を介して前記プレッシャオイル槽２０２２に接続される前記均圧弁２０２６をオンオフすることにより実行され、これにより前記軸方向ピストンエンジンの動作点が許す限り、少なくとも前記プレッシャオイル槽２０２２内の最小オイルレベルにおいて、第１の流入流２０３２を介してエンジンオイル槽２０１２からオイルが前記プレッシャオイル回路２００３に供給される。前記第１の流入流２０３２内に配置される回帰流弁２０２７は、前記プレッシャオイルポンプ２０２１が前記プレッシャオイル回路２００３および前記エンジンオイル回路２００２間に十分な圧力勾配を生成できる場合を除いて、前記エンジンオイル回路２００２内の前記プレッシャオイル回路２００３が不注意で空になるのを防止する。
【0254】
オイルスクレーパ２０２８は同様に前記圧力管路２０１５および２０３０間に接続される。一方でこのオイルスクレーパ２０２８は前記制御室２０２３にオイルを含まない圧縮空気を供給するために機能し、他方で前記充填弁２０１６を介して第２の部分回路の減圧を実行することが可能であり、これによりオイルを含まない空気が前記圧縮機段２０１１に戻される。したがって、前記プレッシャオイル回路２００３から前記圧縮機段２０１１内への逆流が発生した場合に、圧縮中又は圧縮の後にオイルが付加された燃焼媒介が自然発火するのを効率的に防止できる。この場合、回帰流２０２９が前記オイルスクレーパ２０２８を前記プレッシャオイル槽２０２２に結合する。
【0255】
前記プレッシャオイル槽２０２２はオイルレベル決定手段を更に備え、前記オイルレベル決定手段は制御管路２０２４を介して前記均圧弁２０２６に接続される。この場合、前記均圧弁２０２６は、前記エンジンオイル回路２００２を前記プレッシャオイル回路２００３又は前記エンジンオイル回路２００２の前記エンジンオイル槽２０１２に接続する。したがって前記均圧弁２０２６は更に前記プレッシャオイル回路２００３に十分な量のオイルを供給し、これにより前記プレッシャオイルポンプ２０２１は前記第１の流入流２０３２を介して前記エンジンオイル槽２０１２から前記第１の流入流２０３２を介して前記エンジンオイル槽２０１２から不十分なオイルを引き込める。好ましくは、前記均圧弁２０２６を介した前記エンジンオイル回路２００２の前記プレッシャオイル回路２００３への接続は、大きい圧力差により前記プレッシャオイルポンプ２０２１の出力消費が増大するのを防止するため、前記プレッシャオイル回路２００３内の圧力レベルが非常に低い場合にのみ実行される。
【0256】
図９は、軸方向ピストンエンジンの熱交換器に用いるために配置される熱交換器ヘッドプレート３０２０を示す。軸方向ピストンエンジンの出力多岐管への取付けおよび接続を目的として、前記熱交換器ヘッドプレート３０２０は対応する孔３０２２を有するフランジ３０２１を備え、前記孔３０２２は前記熱交換器ヘッドプレート３０２０の半径方向に外側の領域に円状に配置される。前記フランジ３０２１の半径方向に内側の領域は、パイプを収容するためのパイプ座３０２４として構成される多数の孔を有するマトリクス３０２３である。
【0257】
前記熱交換器ヘッドプレート３０２０全体は好ましくは同一の材料からなっており、前記パイプもまた同一の材料からなっており、これにより前記熱交換器全体における熱膨張係数を可能な限り均一にでき、その結果、前記熱交換器内の熱応力が最小限になる。加えて、前記熱交換器のジャケットハウジングも同様に前記熱交換器ヘッドプレート３０２０又は前記パイプと同一の材料からなっていてもよい。前記パイプ座３０２４は例えば、前記パイプ座３０２４内に配置される前記パイプが圧入により挿入されるような嵌合を伴って構成されていてもよい。
【0258】
若しくは、前記パイプ座３０２４はまた、すきま嵌め又は中間嵌めが可能となるよう構成してもよい。これにより、前記パイプ座３０２４へのパイプの配置は摩擦接続ではなく物質的接着による接続により行うことができる。この場合好ましくは材料接続は溶接又ははんだ付けにより実行され、前記熱交換器ヘッドプレート３０２０又はパイプと同一の材料がはんだ用又は溶接用材料として用いられる。これはまた、均一な熱膨張係数により前記パイプ座３０２４内の熱応力が最小限となるという利点を有する。
【0259】
また、このようにパイプを前記パイプ座３０２４内に取付ける場合、圧入により取付け、更にはんだ付け又は溶接してもよい。圧入のみ行われていた場合、１，０００℃を超える非常に高い温度の発生によって、異なる熱膨張係数が原因で所定の状況において圧入し損なう可能性があるため、このような取付け方法によって、パイプと前記熱交換器ヘッドプレート３０２０とで異なる材料が使われている場合でも前記熱交換器の漏止め強さが保証される。
【0260】
図１０は、弁スプリング１４１１および衝突スプリング１４１２を有するガス交換弁１４０１の概略断面図を示す。この場合、前記ガス交換弁１４０１はカム制御なしで自動的に開放弁として構成され、前記シリンダの吸気工程中の前記シリンダ内部の圧力が、対応する前記シリンダが燃焼媒介を吸入するための吸入管内の圧力より低いという条件下で、所定の圧力差において開放する。前記ガス交換弁１４０１は好ましくは圧縮機段において入口弁として用いられる。この場合、前記弁スプリング１４１１は前記ガス交換弁１４０１に閉鎖力を供給し、これにより前記弁スプリング１４１１の構成により開放時間が決定される。この場合、前記ガス交換弁の弁軸１４０４周囲に嵌合する前記弁スプリング１４１１は弁ガイド１４０５内に配置され、弁スプリング板１４１３に固定される。
【0261】
同様に、前記弁スプリング板１４１３は前記ガス交換弁１４０１の前記弁軸１４０４上に少なくとも２個の円錐部材１４１４により確実に固定される。
【0262】
前記ガス交換弁１４０１の開放が小さい圧力差で実行されてしまうように精密に構成されている前記弁スプリング１４１１は、所定の動作条件において、前記ガス交換弁１４０１が弁板１４０２における圧力差により高加速し、前記ガス交換弁１４０１が規定される弁ストロークを超えて過度に開放してしまうことがある。
【0263】
前記ガス交換弁１４０１が開放されると前記弁板１４０２はその弁座１４０３において流量断面を解放するが、この流量断面は所定の弁ストロークから大幅には増加しない。前記弁座１４０３における最大流量断面は通常前記弁板１４０２の直径により規定される。最大流量断面における前記ガス交換弁１４０１のストロークは前記弁板１４０２の直径の内部弁座における約４分の１に相当する。最大流量断面において前記弁ストローク又は計算された弁ストロークが過度に行われると、一方で弁座１４０３および弁板１４０２間の流量断面を流れる空気質量は大幅には増加しないが、他方で前記弁スプリング板１４１３が例えばこの場合前記弁スプリングガイド１４０６からなる、前記シリンダヘッドの固定部材と接触することになり、したがって前記弁スプリング板１４１３又は前記弁スプリングガイド１４０６が破損する可能性がある。
【0264】
このように前記ガス交換弁１４０１が過度に開放するのを防止又は制限するため、前記弁座１４０３は前記衝突スプリング１４１２に対向して上昇し、これにより前記弁スプリング１４１１および前記衝突スプリング１４１２の総ばね力が急激に増大し、前記ガス交換弁１４０１は強力に減速される。本実施例において、前記衝突スプリング１４１２の剛性は、前記ガス交換弁１４０１の最大開放速度において前記ガス交換弁１４０１が前記衝突スプリング１４１２に対向して上昇することで十分強力に減速され、前記弁ユニットの例えば前記弁スプリング板１４１３等の運動する部材と、例えば前記弁スプリングガイド１４０６等の固定される部材とが接触しないよう決定される。
【0265】
更に、本実施の形態においてばね力を２つの段に付加することにより、前記ガス交換弁１４０１を開放および閉鎖する前記弁スプリング１４１１は過度に高いばね力を発生させないよう精密に構成されるため、前記ガス交換弁１４０１の閉鎖工程中に前記ガス交換弁１４０１が逆方向に過度に加速されず、前記弁板１４０２内で過度な速度で前記弁座１４０３に衝突しないという利点が得られる。
【0266】
図１１は弁スプリング１４１１および衝突スプリング１４１２を有するガス交換弁１４０１の別の概略断面図を示し、２個の部材からなる弁スプリング板１４１３が固定リング１４１５と共に用いられている。本実施の形態において、前記分割弁スプリング板１４１３は円錐部材１４１４を使用することなく前記弁軸１４０４と接触し、前記弁スプリング１４１１および前記衝突スプリング１４１２のばね力を確実に吸収する。この場合、前記固定リング１４１５は一方で拘束用の予防手段として機能し、他方で前記弁軸の前記軸から見た半径方向において力を吸収する。留めリング１４１６も同様に前記固定リング１４１５を固定して抜けを防止する。
【0267】
前記ガス交換弁を平滑に開放および閉鎖するため、本実施の形態において、すなわち前記圧縮機段内で自動開放弁として用いるため、ガス交換弁１４０１は軽金属からなる。この場合、軽金属からなる低慣性のガス交換弁１４０１は前記ガス交換弁１４０１の高速な開放および高速で緩やかな閉鎖に有利に働く。また、本実施の形態において前記ガス交換弁１４０１は前記弁座１４０３内へ配置される際に過度に高い運動エネルギを解放しないため、前記弁座１４０３は低慣性でも保持される。図示の前記ガス交換弁１４０１は好ましくは強度の高いアルミニウム合金であるジュラルミンからなり、これにより前記ガス交換弁１４０１は低密度であるにもかかわらず十分な高力価を有する。
【符号の説明】
【0268】
２０１ 軸方向ピストンエンジン２０５ 筐体
２１０ 燃焼室
２１５ 注入管
２２０ 作動シリンダ
２２５ 排ガス管
２２７ 排出口
２３０ 作動ピストン
２３５ 連接棒
２４０ 曲線軌道
２４１ 出力軸
２４２ スペーサ
２５０ 圧縮機ピストン
２５５ 圧力管路
２５７ 供給管路
２６０ 圧縮機シリンダ
２７０ 熱交換器
３０１ 軸方向ピストンエンジン
３０５ 筐体
３１０ 燃焼室
３１５ 注入管
３２０ 作動シリンダ
３２５ 排ガス管
３７０ 熱交換器
４０１ 軸方向ピストンエンジン
４０５ 筐体
４１０ 燃焼室
４１５ 注入管
４２０ 作動シリンダ
４２５ 排ガス管
４２７ 排出口
４３０ 作動ピストン
４３５ 連接棒
４４０ 曲線軌道
４４１ 出力軸
４４２ スペーサ
４５０ 圧縮機ピストン
４５５ 圧力管路
４５６ 環状水管
４５７ 供給管路
４６０ 圧縮機シリンダ
４７０ 熱交換器
４８０ 燃焼媒介用容器
４８１ 貯蔵管路
４８５ 弁
５０１ 軸方向ピストンエンジン
５０２ 主燃焼方向
５０３ 対称軸
５０４ 燃焼空気供給装置
５０５ 筐体
５０６ セラミック組立体
５０７ セラミック燃焼室壁
５０８ 成形パイプ
５０９ 冷却空気室
５１０ 燃焼室
５１１ 主ノズル
５１２ 処理ノズル
５１３ 円錐チャンバ
５１４ 円筒チャンバ
５１５ 注入管
５１６ 第１の噴射方向
５１７ 予備燃焼器
５１８ 主燃焼器
５１９ 別の噴射方向
５２０ 作動シリンダ
５２１ 処理空気供給装置
５２２ 別の燃焼空気供給装置
５２３ 有孔リング
５２４ 冷却空気室供給装置
５２５ 排ガス管
５２６ 燃焼空間
５３０ 作動ピストン
５３１ 制御ピストン
５３２ 制御ピストンカバー
５３３ 制御ピストン曲線軌道
５３４ スペーサ
５３５ 連接棒
５３６ 連接棒走行輪
５３７ 駆動曲線軌道支持体
５３８ 水冷装置
５３９ 注入管リング
５４０ 曲線軌道
５４１ 出力軸
５４３ ストローク動作
５４５ 内部冷却水管
５４６ 中央冷却水管
５４７ 外部冷却水管
５４８ 燃焼室床
５５０ 圧縮機ピストン
５６０ 圧縮機シリンダ
５９２ 予熱室温度センサ
５９３ 排ガス温度センサ
１３０２ 主燃焼方向
１３０３ 対称軸
１３０６ セラミック組立体
１３０７ セラミック燃焼室壁
１３０８ 成形鋼管
１３０９Ａ 水室
１３０９Ｄ 環状水管
１３０９Ｅ 環状水管
１３０９Ｆ 導管
１３１４ 円筒チャンバ
１３１５ 注入管
１３１５Ａ 注入管の対称軸
１３１５Ｂ 制御ピストンの長さ方向の軸
１３２０ 作動シリンダ
１３２６ 燃焼空間
１３３０ 作動ピストン
１３３１ 制御ピストン
１３３２Ａ 案内面
１３３２Ｂ 衝突面
１３３２Ｄ ステムシール面
１３３２Ｅ 案内面シール面
１３３３ 制御ピストン曲線軌道
１３３４ 冷却室
１３４５ 内部冷却水管
１３４８ 燃焼室床
１３６１ プレッシャオイル回路
１３６２ 制御ピストンオイル空間
１３６３ 制御ピストンシール
１３６４ 制御室
１３６５ 第１の制御室シール
１３６６ 第２の制御室シール
１３６７ シールスリーブ
１４０１ ガス交換弁
１４０２ 弁板
１４０３ 弁座
１４０４ 弁軸
１４０５ 弁ガイド
１４０６ 弁スプリングガイド
１４１１ 弁スプリング
１４１２ 衝突スプリング
１４１３ 弁スプリング板
１４１４ 円錐部材
１４１５ 固定リング
１４１５ 留めリング
２００１ オイル回路
２００２ エンジンオイル回路
２００３ プレッシャオイル回路
２０１１ 圧縮機段
２０１２ エンジンオイル槽
２０１５ 圧力管路
２０１６ 充填弁
２０２１ プレッシャオイルポンプ
２０２２ プレッシャオイル槽
２０２３ 制御室
２０２４ オイルレベル制御管路
２０２５ 第２の供給管路
２０２６ 均圧弁
２０２７ 回帰流弁
２０２８ オイルスクレーパ
２０２９ 回帰流
２０３０ 圧力管路
２０３１ オイル回帰流
２０３２ 第１の流入流
２０３３ 第２の流入流
２０３４ 共通流入流
２０３５ 流入流
２０３６ 制御管路
３０２０ 熱交換器ヘッドプレート
３０２１ フランジ
３０２２ 取付け孔
３０２３ マトリクス
３０２４ パイプ座