(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンであって、
第１の閉じた端部と第２の閉じた端部とを有する第１シリンダーと、
上記第１シリンダーの中にスライド可能に配置される第１ピストンと、
上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部に近接して配置される第１ポートと、
上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部に近接して配置される第２ポートと、
第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーから変換する、また、電気的エネルギーへと変換するために、上記第１ピストンとともに動作可能な第１変換器とを備え、
上記第１変換器は、
上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部から離れるように移動し、かつ、第１反応物が上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部の中へと導入される、第１吸気ストロークと、
上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部から離れるように移動し、かつ、第２反応物が上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部の中へと導入される、第２吸気ストロークと、
上記第１反応物が上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部の中で圧縮される、第１圧縮ストロークと、
第２反応物が上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部の中で圧縮される、第２圧縮ストロークとの間に、上記第１ピストンを駆動するように構成され、
上記第１変換器は、
上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部での化学反応に応じて上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部から離れるように移動することにより、上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部における反応生成物を少なくとも部分的に排出する、第１パワー／排出ストロークと、
上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部での化学反応に応じて上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部から離れるように移動することにより、上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部における反応生成物を少なくとも部分的に排出する、第２パワー／排出ストロークとの間に、上記第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように構成されたことを特徴とする、内燃エンジン。
【請求項２】
内燃エンジンであって、
第１の閉じた端部と第２の閉じた端部とを有する第１シリンダーと、
上記第１シリンダーの中にスライド可能に配置される第１ピストンと、
上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部に近接して配置される第１ポートと、
上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部に近接して配置される第２ポートと、
第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーから変換する、また、電気的エネルギーへと変換するために、上記第１ピストンとともに動作可能な第１変換器とを備え、
上記第１変換器は、
上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部から離れるように移動し、第１反応物が上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部の中へと導入され、第２反応物が上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部の中で圧縮される、第１吸気／圧縮ストロークと、
上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部から離れるように移動し、第２反応物が上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部の中へと導入され、第１反応物が上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部の中で圧縮される、第２吸気／圧縮ストロークと、
上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部に向けて移動するこ
とにより、上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部から反応生成物を少なくとも部分的に排出する、第１排出ストロークと、
上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部に向けて移動することにより、上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部から反応生成物を少なくとも部分的に排出する、第２排出ストロークとの間、上記第１ピストンを駆動するように構成され、
上記第１変換器は、
上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部での化学反応に応じて上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部から離れるように移動する、第１パワーストロークと、
上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部での化学反応に応じて上記第１ピストンが上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部から離れるように移動する、第２パワーストロークとの間に、上記第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように構成されたことを特徴とする、内燃エンジン。
【請求項３】
第２シリンダーの中にスライド可能に配置される第２ピストンをさらに備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジン。
【請求項４】
上記エンジンは、化学反応が上記第１ピストンのみを駆動する第１モードと、化学反応が上記第１ピストンおよび上記第２ピストンを駆動する第２モードとで動作するように構成されたことを特徴とする、請求項３に記載のエンジン。
【請求項５】
第１および第２の閉じた端部を有する第１シリンダーの中にスライド可能に配置される第１ピストンと、上記第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーから変換する、また、電気的エネルギーに変換するために、上記第１ピストンとともに動作可能な第１変換器とを備える内燃エンジンを操作する方法であって、
ａ）第１量の反応物を上記第１シリンダーにおける第１の閉じた端部の中へと導入する工程と、
ｂ）上記第１シリンダーの中で上記第１ピストンを第１の閉じた端部に向けてスライドさせるために、電気的エネルギーを上記第１変換器に加える工程と、
ｃ）導入された上記第１量の反応物を反応させることにより、第２の閉じた端部に向けての上記第１ピストンの移動を誘発する工程と、
ｄ）上記第１ピストンが第２の閉じた端部に向けて移動するとき、上記第１ピストンの機械的エネルギーを上記第１変換器を介して電気的エネルギーに変換する工程と、
ｅ）第２量の反応物を上記第１シリンダーにおける第２の閉じた端部の中へと導入する工程と、
ｆ）上記第１シリンダーにおける上記第１ピストンを第２の閉じた端部に向けてスライドさせるために、上記第１変換器に電気的エネルギーを加える工程と、
ｇ）導入された上記第２量の反応物を反応させることにより、第１の閉じた端部に向けての上記第１ピストンの移動を誘発する工程と、
ｈ）上記第１ピストンが第１の閉じた端部に向けて移動するとき、上記第１ピストンの機械的エネルギーを上記第１変換器を介して電気的エネルギーに変換する工程とを含むことを特徴とする、方法。
【請求項６】
工程ｂ）の前に、第２の閉じた端部に向けて上記第１ピストンを移動させるために電気的エネルギーを上記第１変換器に加える工程か、または
工程ｄ）の後、かつ、工程ｆ）の前に、第１の閉じた端部に向けて上記第１ピストンを移動させるために電気的エネルギーを上記第１変換器に加える工程をさらに含んだことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記第１ピストンは、工程ｂ）の間よりも工程ｃ）の間により多くの距離を移動することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
上記第１ピストンは、工程ｆ）の間よりも工程ｇ）の間により多くの距離を移動することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
[概要]
１つの側面では、内燃エンジンは、閉じた端部を有する第１シリンダーに、スライド可能に配置される第１ピストンと、上記第１シリンダーに対して反応物を導入するように構成される第１ポートと、ピストンサイクル内で第１ピストンの機械的エネルギーを、電気的エネルギーから、また、電気的エネルギーへと変換するために、上記第１ピストンとともに操作可能な第１変換器とを有する。第１変換器は、パワーストロークの間に第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーへと変換するように構成されてもよいし、排出ストローク、吸気ストローク、および圧縮ストロークのいずれか、または全部の間に上記第１ピストンを駆動するように構成されてもよい。第１ピストンは、磁石（例えば、永久磁石または電磁石）を有してもよく、第１変換器は、磁石の動きに応じて電流を生成するように、または、コイルを介して電流を駆動することによって磁石を動かすように構成されてもよい。第１変換器は、複数のコイルを有してもよく、この場合、上記複数のうちの第１サブセットは、電気的エネルギーを、第１ピストンの機械的エネルギーに変換するように動作可能であってもよく、第２サブセットは、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように動作可能であってもよい。上記エンジンは、エンジンの全てまたは一部（例えば、冷却システムまたは絶縁材）における熱偏倚を制限するように作用する熱コントローラをさらに有してもよい。第１ピストンは、可変磁気抵抗または可変インダクタンス磁気回路を介して、磁界と相互作用するように構成された電機子を有し得る。
【０００２】
上記エンジンは、第１ピストンと第１シリンダーにおける閉じた端部との間に配置された反応物の、化学反応を開始するように構成される反応トリガ（例えば、スパークプラグ、熱点火器、化学点火器、触媒、自動点火性インジェクター、粒子ビーム点火器、またはプラズマ点火器等の電気点火器）をさらに有する。反応トリガは、第１シリンダーにおける閉じた端部において、第１ピストンに配置され得るか、またはその他の場所に配置され得る。反応トリガは、第１変換器から電力を引いてきてもよく、第１変換器に電気的に連結されてもよく、または、第１変換器に連結されたエネルギーマネージメントシステムから電力を引いてきてもよい。第１ポートは、カムシャフトを介して開閉するように構成され得、次にステッパモータ等の電磁アクチュエータによって回転されるように構成され得るバルブを有してもよく、または、上記バルブは機械的に作動させられてもよい。上記エンジンは、第１シリンダーから反応生成物が逃れる（例えば、第１シリンダーにおいて、または、第１ピストンにおいて）ことを可能にするように構成される第２ポートを有してもよく、この場合、第１ポートは吸気バルブを有し、第２ポートは排出バルブを有してもよい。吸気および排出バルブは、ピストンサイクル（例えば、第１ピストンへの、機械的または電気的な結合による）の間の選択された時間において、開閉するように構成される。吸気および排出バルブは、第１変換器を介して、第１ピストンに電気的に連結される。変換器またはエネルギーマネージメントシステムは、上記吸気バルブおよび上記排出バルブに電力を供給するように構成され得る。第１ポートは、反応生成物が第１シリンダー（例えば、第１シリンダーにおいて、または、第１ピストンにおいて）から逃れることを可能にするように構成され得、この場合、上記エンジンは、第１ポートを、吸気通路との接続から排出通路との接続へと切り替えるように構成されるバルブを有し得る。
【０００３】
上記エンジンは、反応混合物を第１ポートへと届けるように構成されるキャブレターをさらに有する。上記エンジンは、反応物を、第１ポートを介して第１シリンダーへと届けるように構成されるインジェクター（例えば、燃料インジェクターまたは液体反応物インジェクター）を有し得る。第１ポートは、燃料、酸化剤、それらの混合物、または反応混合物を、第１シリンダーへと導入するように構成され得、または、第１および第２反応物（例えば、燃料および酸化剤）は、第１および第２ポートのそれぞれを介して導入されてもよい。第１ピストンは、クランクシャフトに接続されてもよい。上記エンジンは、第２シリンダーにスライド可能に配置される第２ピストンをさらに有してもよく、この場合、第１および第２ピストンは、非同期または同期の往復運動のために構成され得、または、共通または別個のクランクシャフトに連結され得る。上記エンジンは、化学反応が第１ピストンのみを駆動する第１モードと、化学反応が第１ピストンおよび第２ピストンを駆動する第２モードとで動作するように構成され得、この場合、上記エンジンは、実際の、または予想される動作状態に応じて、第１モードと第２モードとの間を選択し得る。上記エンジンはまた、動作状態に応じて、ピストンストロークの速度プロフィール、ピストンストロークの長さ、圧縮比のいずれかを決定するように構成され得る。これらの場合のいずれにおいても、動作状態は、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定を含み得る。上記エンジンは、第１変換器に電気的に連結されるエネルギーマネージメントシステムをさらに有し、上記システムはバッテリー、蓄電器、誘導子、または機械的エネルギー蓄積装置等の、エネルギー蓄積装置を有し得る。上記第１シリンダーは、非円形の断面を有し得、この場合、第１ピストンは、適合する非円形断面を有し得る。第１シリンダーは（ピストンが非直線通路を進むように）曲げられてもよい。上記第１ピストンは、第１シリンダーの中で回転するように（例えば、第１ピストンおよび第１シリンダーの形状によって、ガス圧によって、または磁力によって）構成されてもよい。第１ピストンは、ピストンの進行を回転する動きに変換する機構（例えば、ヘリカルギア）に連結されてもよい。上記機構は、磁石を有してもよく、第１変換器は、磁石の回転を電気的エネルギーに変換するために上記磁石とともに動作する電機子を有してもよい。上記機構は、回転の動きを電気的エネルギーに変換するために、可変磁気抵抗または可変インダクタンスと相互作用する電機子を有し得る。上記機構は、固定位置速度に応じて可変速度にて回転するように構成され得る。上記第１ピストンは、電気的エネルギーを生成するために用いられる力に応答するように構成される活物質素子（例えば、圧電性、磁気ひずみ、電気ひずみ、または形状記憶物質）と動作可能に連結されてもよい。
【０００４】
他の側面では、（第１シリンダーの中にスライド可能に配置される第１ピストンと、上記第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーから、また、電気的エネルギーへと変換するために、第１ピストンと動作可能な第１変換器とを有する）内燃エンジンは、反応物を第１シリンダーにおける閉じた端部に導入する工程と、第１シリンダーの中の第１ピストンを上記閉じた端部に向けてスライドさせるために、電気的エネルギーを第１変換器に加える工程（必要に応じて、導入された反応物を圧縮する工程）と、導入された反応物の化学反応を引き起こす工程と、を含み、これによって、化学ポテンシャルエネルギーを第１ピストンの機械的エネルギーに変化させ、第１ピストンの機械的エネルギーを、第１変換器を介して電気的エネルギーに変換する。反応物を第１シリンダーにおける閉じた端部に導入することは、第１シリンダーの中の第１ピストンを、上記閉じた端部から離れるようにスライドさせるために、電気的エネルギーを第１変換器に加える工程を含む。上記方法は、化学反応を引き起こした後で、第１ピストンを上記閉じた端部に向けてスライドさせるために、電気的エネルギーを第１変換器に加える工程を含む。上記第１ピストンは、反応物を第１シリンダーにおける閉じた端部に導入する間よりも、化学反応を引き起こしたすぐ後の方が、より長い距離を移動し得る。例えば、上記第１ピストンは、化学反応を引き起こしたすぐ後には、シリンダーの内径の２または４倍の距離を移動する。導入された反応物を圧縮する工程は、略断熱的に、または等温的に反応物を圧縮する工程を含み得る。
【０００５】
上記内燃エンジンは、第２シリンダーの中にスライド可能に配置される第２ピストンをさらに有してもよく、この場合、上記方法は、第１シリンダーにおいて化学反応が引き起こされるのと略同時に、第２シリンダーにおいて化学反応を引き起こす工程をさらに含んでもよい。上記方法は、第１シリンダーからの略類似の動作頻度または異なる動作頻度にて、第２シリンダーにおいて化学反応を引き起こす工程を含んでもよい。上記方法はまた、少なくとも部分的に、実際の、または予想される動作状態（例えば、傾斜、温度、電流引き込み、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定）に基づいて、第２シリンダーにおいて化学反応を引き起こすかどうかを決定する。上記方法は、少なくとも部分的に、実際の、または予想される動作状態（例えば、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定）に基づいて、第１シリンダーについての動作頻度または圧縮比を決定することを含んでもよい。第１シリンダーにおける閉じた端部に反応物を導入する工程は、第１ピストンが選択された位置にあるときに反応物を導入する工程を含んでもよいし、または、吸気バルブを開く工程（例えば、カムシャフトを回転することによって、または開くことを電気的に誘発することによって）を含んでもよい。
【０００６】
化学反応を引き起こすことは、例えば、スパーク等のエネルギー放出を発生させることによって、熱点火によって、化学点火によって、触媒に晒すことによって、自動点火性の噴射によって、粒子ビームに晒すことによって、またはプラズマ噴射によって、第１シリンダーが選択された位置にあるときに化学反応を引き起こす工程を含んでもよく、化学反応の間（例えば、変換器を介して第１ピストンに対して力を加えることによって）第１ピストンを略静止状態に維持する工程を含んでもよく、この場合、第１ピストンは、化学反応が略完了したときに解放されてもよい。化学反応は、反応生成物を生み出し得、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することは、略断熱的に反応生成物を拡張する工程を含み得る。導入された反応物は、燃料（例えば、炭化水素燃料）または酸化剤（例えば酸素、空気）を含んでもよく、これらは別々に導入されてもよく、または混合されてもよく、または、分解しつつある反応物を含んでもよい。上記方法は、反応生成物を第１シリンダーから排出する工程をさらに含んでもよい。
【０００７】
第１変換器は、エネルギーマネージメントシステムに接続されてもよく、この場合、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することは、電気的エネルギーをエネルギーマネージメントシステムに伝達することを含んでもよく、または、電気的エネルギーを第１変換器に印加することは、電気的エネルギーをエネルギーマネージメントシステムから引き込むことを含んでもよい。エネルギーマネージメントシステムは、エネルギー蓄積装置（例えば、バッテリー、蓄電器、誘電子、または機械的エネルギー蓄積装置）を含んでもよい。
【０００８】
さらなる側面では、内燃エンジンは、第１および第２の閉じた端部を有する第１シリンダーと、第１シリンダーの中にスライド可能に配置される第１ピストンと、第１および第２の閉じた端部に近接して配置される第１および第２ポートと、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーから、また、電気的エネルギーへと変換するために、第１ピストンとともに動作可能な第１変換器とを有している。第１変換器は、パワーストロークの間、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように構成され得、排出ストローク、吸気ストローク、および圧縮ストロークのいずれか、または全ての間、第１ピストンを駆動するように構成され得る。第１変換器は、第１ピストンが第１シリンダーにおける第１および第２の閉じた端部から離れる、第１および第２吸気ストロークの間、第１ピストンを駆動するように構成され得、第１量の反応物および第２量の反応物が第１および第２の閉じた端部にそれぞれ導入され、第１および第２圧縮ストロークの間、第１および第２反応物は、第１および第２の閉じた端部にてそれぞれ圧縮され、第１ピストンが第１および第２の閉じた端部からそれぞれ離れる、第１および第２パワー／排出ストロークの間、第１および第２の閉じた端部における化学反応に応じて、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するようにさらに構成され、これによって、第２および第１の閉じた端部における反応生成物を少なくとも部分的に排出する。または、第１変換器は、第１ピストンが第１および第２の閉じた端部から離れる、第１および第２吸気／圧縮ストロークの間、第１ピストンを駆動するように構成されてもよく、第１および第２反応物は第１および第２の閉じた端部にそれぞれ導入され、第２および第１反応物は第２および第１の閉じた端部にてそれぞれ圧縮され、第１および第２排出ストロークの間、第１ピストンは、第１および第２の閉じた端部に向かって移動し、第１ピストンが第１および第２の閉じた端部から離れる第１および第２パワーストロークの間、第１および第２の閉じた端部における化学反応に応じて、ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するようさらに構成され得る。
【０００９】
第１ピストンは、磁石（例えば永久磁石または電磁石）を有してもよく、第１変換器は、上記磁石の動きに応じて電流を生成する、または、コイルを介して電流を駆動することによって上記磁石を移動させるように構成される電機子を有してもよい。第１変換器は、複数のコイルを有してもよく、この場合、上記複数のうちの第１サブセットは、電気的エネルギーを第１ピストンの機械的エネルギーに変換するよう動作可能であってもよく、第２サブセットは、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するよう動作可能であってもよい。上記エンジンは、エンジンにおける全て、または一部分（例えば、冷却システムまたは絶縁材）の熱偏倚を限定するように作用する熱コントローラをさらに有してもよい。第１ピストンは、可変磁気抵抗または可変インダクタンス磁気回路を介して、磁界と相互作用するように構成される電機子を有してもよい。
【００１０】
上記エンジンは、第１シリンダーにおける第１および第２の閉じた端部の間に配置された反応物の、化学反応を開始するように構成される反応トリガ（例えば、スパークプラグ、熱点火器、化学点火器、触媒、自動点火性インジェクター、粒子ビーム点火器、またはプラズマインジェクター）をさらに有してもよい。反応トリガは、第１シリンダーにおける第１の閉じた端部において、第１ピストンに配置され得るか、または他の場所に配置され得る。反応トリガは、第１変換器から電力を引き込んでもよく、第１変換器に電気的に連結されてもよく、または、第１変換器に連結されたエネルギーマネージメントシステムから電力を引き込んでもよい。第１ポートは、バルブを有してもよく、カムシャフトを介して開閉されるように構成されてもよく、次にステッパモータ等の電磁アクチュエータによって回転されるように構成されてもよく、または上記バルブは、機械的に作動されてもよい。上記エンジンは、第１シリンダーにおける閉じた端部に近接する第３ポートを有し得、反応生成物が第１シリンダーから逃れることを可能にする（例えば、第１シリンダーにおいて、または、第１ピストンにおいて）ように構成され、この場合、第１ポートは、吸気バルブを有してもよく、第３ポートは排出バルブを有してもよい。吸気および排出バルブはそれぞれ、ピストンサイクルの間（例えば、第１ピストンへの、機械的または電気的な結合によって）選択される時間において開閉するように構成される。吸気および排出バルブは、第１変換器を介して第１ピストンに電気的に連結されてもよい。変換器またはエネルギーマネージメントシステムは、電力を吸気バルブと排出バルブとに供給するように構成され得る。第１ポートは、反応生成物が第１シリンダー（例えば、第１シリンダーにおいて、または、第１ピストンにおいて）から逃れることを可能にするように構成され得、この場合、上記エンジンは、吸気通路との接続から排出通路との接続へと切り替えるように構成されるバルブを有してもよい。
【００１１】
上記エンジンは、反応混合物を第１ポートへと届けるように構成されるキャブレターをさらに有してもよい。エンジンは、反応物を、第１ポートを介して第１シリンダーまで届けるように構成されるインジェクター（例えば、燃料インジェクターまたは液体反応物インジェクター）を有し得る。第１ポートは、燃料、酸化剤、それらの混合物、または反応混合物を、第１シリンダーへと導入するように構成され得、または、第１および第２反応物（例えば、燃料または酸化剤）は、第１および第３ポートをそれぞれ介して導入されてもよい。第１ピストンは、クランクシャフトに接続されてもよい。上記エンジンは、第２シリンダーの中にスライド可能に配置される第２ピストンをさらに有してもよく、この場合、第１および第２ピストンは、非同期または同期の往復運動のために構成され得る。第２シリンダーは、第２シリンダーにおける第１および第２の閉じた端部にそれぞれ近接する、第３および第４燃料吸気ポートを有してもよい。上記エンジンは、化学反応が第１ピストンのみを駆動する第１モードと、化学反応が第１ピストンおよび第２ピストンを駆動する第２モードと、にて動作するように構成されてもよく、この場合、上記エンジンは、実際の、または予測される動作状態に応じて、第１および第２モードの間で選択を行ってもよい。上記エンジンはまた、動作状態に応じて、ピストンストロークの速度プロフィール、ピストンストロークの長さ、圧縮比のいずれかを決定するように構成され得る。これらの場合のいずれにおいても、動作状態は、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定を含み得る。
【００１２】
上記エンジンは、第１変換器に電気的に連結されるエネルギーマネージメントシステムをさらに有し得、それはバッテリー、蓄電器、誘導子、または機械的エネルギー蓄積装置等の、エネルギー蓄積装置を含み得る。第１シリンダーは、非円形断面を有してもよく、この場合、第１ピストンは、適合する非円形断面を有してもよい。第１シリンダーは（ピストンが非直線通路を移動するように）曲げられてもよい。第１ピストンは、第１シリンダーにおいて（例えば、第１ピストンおよび第１シリンダーの形状によって、ガス圧によって、または磁力によって）回転するように構成されてもよい。第１ピストンは、ピストンの移動を回転の動きに変換する機構（例えば、ヘリカルギア）に連結されてもよい。上記機構は磁石を有してもよく、第１変換器は、磁石の回転を電気的エネルギーに変換するために、上記磁石とともに動作する電機子を有してもよい。上記機構は、回転の動きを電気的エネルギーに変換するために、可変磁気抵抗または可変インダクタンス磁気回路と相互作用する電機子を有してもよい。上記機構は、固定されたピストン速度に応じて、可変速度にて回転するように構成され得る。第１ピストンは、電気的エネルギーを生成するために、加えられた力に応答するように構成される活物質要素（例えば、圧電、磁気ひずみ、電気ひずみ、または形状記憶物質）に動作可能に連結され得る。
【００１３】
追加の側面では、（第１および第２の閉じた端部を有する第１シリンダーの中に、スライド可能に配置される第１ピストンと、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーから、また、電気的エネルギーに変換するために、第１ピストンとともに動作可能な第１変換器とを備える）内燃エンジンを操作する方法は、第１量の反応物を第１シリンダーにおける第１の閉じた端部へと導入する工程と、第１シリンダーにおける第１ピストンを第１の閉じた端部へとスライドさせるために、電気的エネルギーを第１変換器に加える工程（必要に応じて、導入された第１量の反応物を圧縮する工程）と、導入された第１量の反応物を反応させ、第１ピストンの動きを第２の閉じた端部に向かって誘発する工程と、第２量の反応物を第１シリンダーにおける第２の閉じた端部へと導入する工程と、第１シリンダーにおける第１ピストンを、第２の閉じた端部に向けてスライドさせるために、電気的エネルギーを第１変換器に加える工程（必要に応じて、導入された第２量の反応物を圧縮する工程）と、導入された第２量の反応物を反応させ、第１の閉じた端部への第１ピストンの動きを誘発する工程と、第１ピストンが第１の閉じた端部に向かって移動するときに第１変換器を介して、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する工程とを含む。第２の閉じた端部への第１ピストンの動きを誘発する工程は、反応生成物を第２の閉じた端部から排出する工程を含んでもよく、または、第１の閉じた端部への第１ピストンの動きを誘発する工程は、第１の閉じた端部から反応生成物を排出する工程を含んでもよい。上記方法は、第１に導入された量の反応物を圧縮する前に、第１ピストンを第２の閉じた端部に向けて移動するために、変換器に電気的エネルギーを加える工程をさらに含んでもよく、または、第１ピストンが第２の閉じた端部に向かって移動するときに第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する後、また、導入された第２量の反応物を圧縮する前に、第１ピストンを第１の閉じた端部に向かって移動させるために、変換器に電気的エネルギーを加える工程をさらに含んでもよい。第１ピストンは、反応物を圧縮する間より、反応物を反応させることによって第１ピストンの動きを誘発する間、より長い距離を移動し得る。第１量または第２量の反応物の圧縮は、略断熱性または略等温性である。
【００１４】
内燃エンジンは、第２シリンダーにスライド可能に配置される第２ピストンをさらに有してもよく、この場合、上記方法は、第１シリンダーにおいて第１量の反応物を反応させるのと略同時に第２シリンダーにおいて第３量の反応物を反応させる工程をさらに含んでもよい。上記方法は、第１シリンダーと略同様の、または、異なる動作頻度において、第２シリンダーを駆動する工程を含んでもよい。上記方法は、少なくとも部分的に、実際の、または、予想される動作状態（例えば、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定）に基づいて、第２シリンダーにおいて第３量の反応物を反応させるかどうかを決定することを含んでもよい。上記方法は、少なくとも部分的に実際の、または、予想される動作状態（例えば、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定）に基づいて、第１シリンダーについての動作頻度または圧縮比を決定することを含んでもよい。第１量の反応物を第１シリンダーへと導入する工程は、第１ピストンが選択された位置にあるときに、上記反応物を導入する工程を含んでもよく、または、吸気バルブを開く工程（例えば、カムシャフトを回転することによって、または、開放を電気的に誘発することによって）を含んでもよい。
【００１５】
第１量の反応物を反応させることは、第１シリンダーが選択された位置にあるときに、例えば、スパーク等の放電を行うことによって、熱点火を行うことによって、化学的点火を行うことによって、触媒に晒すことによって、自動点火性の噴射によって、粒子ビームへ晒すことによって第１量の反応物を反応させる工程を含んでもよく、または、化学反応の間に、（例えば、変換器を介して力を第１ピストンに加えることによって）第１ピストンを略静止した状態に維持する工程を含んでもよく、この場合、第１ピストンは、化学反応が略完了するときに解放される。第１または第２化学反応は、第１または第２反応生成物を生成してもよく、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することは、第１または第２反応生成物を略断熱的に拡大する工程を含んでもよい。導入された第１量の反応物は、個別に導入され得る、または混合され得る燃料（例えば、炭化水素燃料）または酸化剤（例えば酸素、空気）を有してもよく、または、分解反応物を有してもよい。第１および第２量の反応物は、略同じ、または異なる組成を有してもよい。上記方法は、第１シリンダーから反応生成物を排出する工程をさらに含んでもよい。
【００１６】
第１変換器は、エネルギーマネージメントシステムに接続されてもよく、この場合、第１ピストンが第２の閉じた端部へと移動するときに、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することは、電気的エネルギーをエネルギーマネージメントシステムに伝達する工程を含んでもよく、第１シリンダーにおける第１ピストンを第１または第２の閉じた端部に向けてスライドさせるために、第１変換器に電気的エネルギーを加える工程は、電気的エネルギーをエネルギーマネージメントシステムから引き込む工程を含んでもよい。エネルギーマネージメントシステムは、エネルギー蓄積装置（例えば、バッテリー、蓄電器、誘導子、または機械的エネルギー蓄積装置）を有してもよい。
【００１７】
さらに他の側面では、内燃エンジンは、スライド可能に配置される第１ピストンおよび第２ピストンを有する第１シリンダーと、第１および第２ピストンの間の第１シリンダーに対して反応物を導入するように構成される第１ポートと、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するために、第１ピストンとともに動作可能な第１変換器とを有する。第１変換器は、電気的エネルギーを第１ピストンの機械的エネルギーに変換するために第１ピストンとともに動作可能であってもよく、第１ピストンの機械的エネルギーを、ピストンサイクルの間に、電気的エネルギーから、また、電気的エネルギーへと変換するために、第１ピストンとともに動作可能であってもよい。上記エンジンは、第２ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するために、例えば、ピストンサイクル内において電気的エネルギーに、また、電気的エネルギーから変換するために、第２ピストンとともに動作可能な第２変換器をさらに有してもよく、または、第１変換器は、第２ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するために、例えば、ピストンサイクル内において電気的エネルギーに、また、電気的エネルギーから変換するために、第２ピストンとともに動作可能であってもよい。第１ポートは、シリンダーから反応生成物を排出するように構成されていてもよく、また、第１ピストンによる閉鎖によって閉じられるように構成されてもよい。上記エンジンは、シリンダーから反応生成物を排出するように構成される第２ポートをさらに有してもよく、これは、第２ピストンによる閉鎖によって閉じられるように構成されていてもよい。第１および第２ポートはバルブを有していなくてもよく、または、そのうちの１つまたはどちらもがバルブを有してもよい。
【００１８】
第１変換器は、パワーストロークの間に、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように構成されてもよく、排出ストローク、吸気ストローク、および圧縮ストロークのいずれか、または全ての間に第１ピストンを駆動するように構成されてもよく、リセットストロークの間にピストンの位置を制御するようにさらに構成されてもよい。第１ピストンは、磁石（例えば、永久磁石または電磁石）を有してもよく、第１変換器は、磁石の動きに応じて電流を生成するように、または、コイルを介して電流を駆動することによって磁石を移動させるように構成される電機子を有してもよい。第１変換器は、複数のコイルを有してもよく、この場合、上記複数のうちの第１サブセットは、電気的エネルギーを第１ピストンの機械的エネルギーに変換するために動作可能であってもよく、また、第２サブセットは、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するために動作可能であってもよい。上記エンジンは、エンジンの全ての部分または一部分（例えば、冷却システムまたは絶縁部）の熱偏倚を制限するように作用する熱コントローラをさらに有してもよい。第１ピストンは、可変磁気抵抗または可変インダクタンス磁気回路を介して、磁界と相互作用するように構成された電機子を有してもよい。
【００１９】
上記エンジンは、第１および第２ピストンの間に配置された反応物の、化学反応を開始するように構成される反応トリガ（例えば、スパークプラグ、熱点火器、化学点火器、触媒、自動点火性インジェクター、粒子ビーム点火器、またはプラズマ点火器等の電気点火器）をさらに有してもよい。反応トリガは、第１シリンダーの壁に、第１ピストンに、またはその他の場所に設けられてもよい。反応トリガは、第１変換器から電力を引き込んでもよく、電気的に第１変換器と連結されてもよく、または、第１変換器と連結されるエネルギーマネージメントシステムから電力を引き込んでもよい。第１ポートは、カムシャフトを介して開閉するように構成され得るバルブを有してもよく、これは次に、ステッパモータ等の電磁アクチュエータによって回転されるように構成されてもよく、または、上記バルブは機械的に作動されてもよい。
【００２０】
上記エンジンは、反応混合物を第１ポートへと届けるように構成されるキャブレターをさらに有してもよい。上記エンジンは、反応物を、第１ポートを介して第１シリンダーへと届けるように構成されるインジェクター（例えば、燃料インジェクターまたは液体反応物インジェクター）を有してもよい。第１ポートは、燃料、酸化剤、その混合物、または反応混合物を第１シリンダーに導入するように構成されてもよく、または、第１および第２反応物（例えば、燃料および酸化剤）は、第１および第２ポートのそれぞれを介して導入されてもよい。第１ピストンは、クランクシャフトに接続されてもよい。第１ピストンおよび第２ピストンは、機械的に連結されなくてもよい。上記エンジンは、第２シリンダー内でスライド可能に配置される第３ピストンをさらに有してもよく、この場合、第１および第３ピストンは、非同期または同期の往復運動のために構成されてもよく、または、共通または別個のクランクシャフトに連結されてもよい。上記エンジンは、化学反応が第１および第２ピストンのみを駆動する第１モードと、化学反応が第１、第２、および第３ピストンを駆動する第２モードとにおいて動作するように構成されてもよく、この場合、上記エンジンは、実際の、または予想される動作状態に応じて、第１および第２モードの間を選択してもよい。上記エンジンはまた、動作状態に応じて、ピストンストロークの速度プロフィール、ピストンストロークの長さ、圧縮比のいずれかを決定するように構成されてもよい。これらの場合のいずれにおいても、動作状態は、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定を含んでもよい。
【００２１】
上記エンジンは、第１変換器に電気的に連結されるエネルギーマネージメントシステムをさらに有してもよく、これは、バッテリー、蓄電器、または機械的エネルギー蓄積装置を有してもよい。第１シリンダーは、非円形断面を有してもよく、この場合、第１および第２ピストンはそれぞれ、適合する非円形断面を有してもよい。第１シリンダーは、（ピストンが非直線通路を移動するように）曲げられてもよい。上記第１または第２ピストンは、第１シリンダーにおいて（例えば、第１および第２ピストンならびに第１シリンダーの形状によって、ガス圧によって、または磁力によって）回転するように構成されてもよい。第１ピストンは、ピストン移動を回転運動に変換する機構（例えば、ヘリカルギア）に連結されてもよい。上記機構は、磁石を有してもよく、第１変換器は、磁石の回転を電気的エネルギーに変換するために、磁石とともに動作する電機子を有してもよい。上記機構は、回転の動きを電気的エネルギーに変換するために、可変磁気抵抗または可変インダクタンス磁気回路と相互作用する電機子を有してもよい。上記機構は、固定位置速度に応じて、可変速度にて回転するように構成されてもよい。第１ピストンは、電気的エネルギーを生成するために加えられる力に応答するように構成される活物質素子（例えば、圧電、磁石ひずみ、電気ひずみ、または形状記憶物質）に動作可能に連結されてもよい。
【００２２】
さらに他の側面では、（第１シリンダーにスライド可能に配置される第１および第２ピストンと、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに、また、電気的エネルギーから変換するために、第１ピストンとともに動作可能な第１変換器とを有する）内燃エンジンを動作する方法は、第１および第２ピストンの間の第１シリンダーへと反応物を導入する工程と、第１シリンダーにおける第１ピストンを第２ピストンに向けてスライドさせるために、電気的エネルギーを第１変換器に加える工程（必要に応じて、導入された反応物を圧縮する工程）と、反応物を反応させて、化学ポテンシャルエネルギーを第１および第２ピストンの機械的エネルギーに変形する工程と、第１ピストンの機械的エネルギーを、第１変換器を介して電気的エネルギーに変換する工程とを含む。上記方法は、第２ピストンの機械的エネルギーを、第１変換器または第２変換器を介して電気的エネルギーに変換する工程をさらに含んでもよい。第２ピストンは、クランクシャフトと接続されてもよい。上記方法は、例えば第１および第２ピストンを互いに向けて相対的に移動させることによって、反応生成物を第１シリンダーから排出する工程をさらに含んでもよい。反応物を第１シリンダーに導入する工程は、第１および第２ピストンを互いに離れるように相対的に移動させる工程を含む。導入された反応物を圧縮する工程は、反応物を略断熱的に、または、略等温的に圧縮する工程を含んでもよい。
【００２３】
上記エンジンは、第２シリンダーにスライド可能に配置される第３ピストンをさらに有してもよく、この場合、上記方法は、第１シリンダーと略同時に第２シリンダーにおいて化学反応を誘発させる工程、第１シリンダーの動作頻度と略同様の、または異なる動作頻度にて第２シリンダーにおける化学反応を誘発させる工程、または、決定された実際の、または予想される動作状態（例えば、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定）に基づいて、第２シリンダーにおいて化学反応を誘発させるかどうかを決定する工程を含んでもよい。上記方法は、少なくとも部分的に、実際の、または予想される動作状態（例えば、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定）に基づいて、第１シリンダーについての動作頻度または圧縮比を決定することを含んでもよい。反応物を第１シリンダーに導入することは、第１ピストンが選択された場所にあるときに反応物を導入する工程を含んでもよく、または、吸気バルブを開く工程（例えば、カムシャフトを回転させることによって、または、開放を電子的に誘発する工程によって）を含んでもよい。
【００２４】
化学反応を誘発させることは、第１シリンダーが選択された位置にあるときに、例えばスパーク等の放電を行うことによって、熱点火によって、化学点火によって、触媒に晒すことによって、自動点火性の噴射によって、粒子ビームに晒すことによって、またはプラズマ点火器によって化学反応を誘発させる工程を含んでもよく、化学反応の間、（例えば、変換器を介してピストンに力を加えることによって）第１および第２ピストンを略静止状態に維持する工程を含んでもよく、この場合、化学反応が略完了したときにピストンを解放してもよい。化学反応は、反応生成物を生成し得、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することは、略断熱的に反応性生物を膨張することを含んでもよい。導入された反応物は、燃料（例えば、炭化水素燃料）または酸化剤（例えば、酸素、空気）を有してもよく、これは別個にまたは混合されて導入されてもよく、または、分解しつつある反応物を含んでもよい。上記方法は、第１シリンダーから反応生成物を排出する工程をさらに含んでもよい。
【００２５】
第１変換器は、エネルギーマネージメントシステムと接続されてもよく、この場合、第１ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する工程は、電気的エネルギーをエネルギーマネージメントシステムに伝達する工程を含んでもよく、または、電気的エネルギーを第１変換器に加える工程は、電気的エネルギーをエネルギーマネージメントシステムから引き込む工程を含んでもよい。エネルギーマネージメントシステムは、エネルギー蓄積装置（例えば、バッテリー、蓄電器、誘導子、または機械的エネルギー蓄積装置）を有してもよい。
【００２６】
さらに他の側面では、電気的発電について、（共通のクランクシャフトに接続される複数のピストンを有する）内燃エンジンを改良する方法は、少なくとも１つの、また、必要に応じて各ピストンへと、ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに、また、電気的エネルギーから変換するように動作可能な電力変換器を適用する工程を含む。上記方法は、ピストンをクランクシャフトから外すことをさらに含んでもよい。上記方法は、磁石（例えば、電磁石または永久磁石）を各ピストンに適用することを含んでもよく、電力変換器は、ピストンに力を印加するために、磁石とともに動作可能な電機子を有する。上記電機子は、磁石の動きに応じて電流を生成するために、磁石とともに動作可能であってもよい。上記方法は、上記エンジンの全部または一部（例えば、冷却システムまたは絶縁部）における熱偏倚を限定するように作用する熱コントローラを適用する工程をさらに含んでもよい。電力変換器は、エネルギーマネージメントシステムに電気的に連結され、これは、バッテリー、蓄電器、誘導子、または機械的エネルギー蓄積装置等のエネルギー蓄積装置を有してもよい。上記エンジンは、電力を備えた反応トリガを有してもよく、この場合、上記方法は、エネルギーマネージメントシステムを、電力を備えた反応トリガに電気的に連結する工程を含んでもよい。
【００２７】
電力変換器は、制御システムに電気的に連結されてもよく、これは、ピストンを同期的に（クランクシャフトが取り除かれるとともに、ピストンにおける略同一の相対位相関係を制御システムによって維持する構成に含める）または非同期的に駆動するように構成されてもよい。制御システムは、選択されたピストンを駆動するかどうか、ピストンストロークの速度プロフィール、または、圧縮比を、少なくとも部分的に、決定された動作状態（例えば、傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、局所規則、またはエンジン設定）に応じて決定するように構成されてもよい。電力変換器を適用する工程は、ピストン移動を回転の動きに変換する機構（例えば、ヘリカルギア）にピストンを連結する工程を含んでもよい。上記機構は、磁石を有してもよく、第１変換器は、磁石の回転を電気的エネルギーに変換するために、磁石とともに動作する電機子を有してもよい。上記機構は、回転の動きを電気的エネルギーに変換するために、可変磁気抵抗または可変インダクタンス磁気回路と相互作用する電機子を有してもよい。上記機構は、固定されたピストン速度に応じて、可変速度にて回転するように構成されてもよい。電力変換器は、吸気ストロークの間、排出ストロークの間、また圧縮ストロークの間にピストンを駆動するように構成してもよく、また、パワーストロークの間にピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように構成されてもよい。
【００２８】
上記概要は単に例示的なものであって、決して限定的な意図を有するものではない。上記の例示的側面、実施形態、および特徴に加えて、さらなる側面、実施形態、および特徴が、図面と以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなるであろう。
【００２９】
[図面の簡単な説明]
〔図１〕クランクシャフトのないピストンシリンダーアセンブリの概略図である。
【００３０】
〔図２〕クランクシャフトに連結されているピストンシリンダーアセンブリの概略図である。
【００３１】
〔図３〕単極発電機に連結されているピストンシリンダーアセンブリの概略図である。
【００３２】
〔図４〕４ストロークピストンサイクルの間の、シリンダーにおけるピストンの位置を示す図である。
【００３３】
〔図５〕電磁変換器を用いて改良された従来のエンジンの概略図である。
【００３４】
〔図６〕二重端部を有する自由ピストンシリンダーアセンブリの概略図である。
【００３５】
〔図７〕６ストロークピストンサイクルの間の、二重端部を有するシリンダーにおけるピストンの位置を示す図である。
【００３６】
〔図８〕代替６ストロークピストンサイクルの間の、二重端部を有するシリンダーにおけるピストンの位置を示す図である。
【００３７】
〔図９〕４ストロークピストンサイクルの間の、二重端部を有するシリンダーにおける非対称ピストンの位置を示す図である。
【００３８】
〔図１０〕４ストロークピストンサイクルの共通シリンダーにおける２つの相対するピストンの位置を示す図である。
【００３９】
〔図１１〕８ストロークピストンサイクルの共通シリンダーにおける２つの相対するピストンの位置を示す図である。
【００４０】
[詳細な説明]
以下の詳細な説明において、本件の一部を形成する添付の図面を参照する。図面について、特に文脈上言及しなければ、同様の記号は概ね同様の構成要素を示す。詳細な説明、図面、および請求項に記載される例示的実施形態に、限定的な意図はない。他の実施形態が用いられてもよく、本明細書に記載される主題の精神または範囲から逸脱しない範囲で、他の変化が施されてもよい。
【００４１】
本明細書において用いられる“バルブ”という用語は、任意の操作される、流動のコントローラ、または開口部を介して物質を選択的に通過させるために操作される機構を含み、限定するわけではないが、ボールバルブ、プラグバルブ、バタフライバルブ、チョークバルブ、チェックバルブ、ゲートバルブ、リーフバルブ、ピストンバルブ、ポペットバルブ、ロータリーバルブ、スライドバルブ、ソレノイドバルブ、ツーウェイバルブ、またはスリーウェイバルブを含む。バルブは任意の方法で操作され、上記任意の方法は、限定するわけではないが、機械的、電気的、磁気的、カムシャフト駆動、水力、または空気式手段によって操作される。“バルブタイミング”は、互いに相対して、または、エンジンの構成要素と相対して特定された時間的なパターンにおける、バルブの開閉の任意のシステムを意味する。例えば、吸気バルブは、吸気ストロークの、前または間に開くように構成されてもよく、圧縮ストロークの前に閉じるように構成されてもよい。
【００４２】
本明細書において用いられる“ポート”という用語は、１つ以上の方向に塊（固体、液体、気体、またはプラズマ）を導入し得る、任意の“開口部”または開口部のセット（例えば、多孔発泡体）を含む。ポートは、必ずしもそうでなくてもよいが、バルブを介して開閉されてもよい。
【００４３】
本明細書において用いられる“ベアリング”という用語は、ある部分が動き、スライドし、または回転する機械における、他の任意の部分を含み、限定するわけではないが、スライドベアリング、屈曲性ベアリング（flexure bearing）、ボールベアリング、ローラーベアリング、ガスベアリング、または磁気ベアリングを含む。
【００４４】
本明細書において用いられる“永久磁石”という用語は、永続的な磁界を誘発するために極性を付与された、磁化できる物質を含む。“永久”という用語は、永久磁石が意図的に、または偶発的に消磁されないことを必要とするように解釈されるべきではない。
【００４５】
本明細書において用いられる“電機子”という用語は、電機子を（積極的にまたは消極的に）加工するために、可変インダクタンスまたは可変磁気抵抗を介して、磁界と相互作用する任意の構造を含む。
【００４６】
本明細書において用いられる“反応物”という用語は、化学ポテンシャルエネルギーを機械的エネルギーに変化させること、例えば、化学反応を行ってピストンを駆動することを（典型的には、反応時に膨張しているガスを形成することによって）、誘発することができる任意の物質または物質の組み合わせを含む。本明細書において用いられるように、“燃料”は、ピストンを駆動するために酸化剤と反応する、特定の種類の反応物である。燃料は、限定するわけではないが、ガソリン、ディーゼル、バイオディーゼル、灯油、プロパン、およびブタン等の炭化水素燃料、エタノール、メタノール、およびブタノール等のアルコール燃料、および上記のいずれかの組み合わせを含む。他の適切な反応物は、（アンモニアおよび窒素を分解し得る）ヒドラジンまたは（水および酸素を分解し得る）過酸化水素等の分解性反応物を含む。本明細書において用いられる“反応生成物”という用語は、反応後に残る任意の物質を含み、限定するわけではないが、化学的に反応する物質、反応しなかったかまたは部分的にしか反応しなかった過剰な反応物、または反応物と混合し得る任意の不活性な物質を含む。“略完全な”反応は、反応物のうちの少なくとも１つの略全部が消費されてしまった状態のものであり、または、変化する温度または圧力等の他の要因によって略減速された、または停止された状態のものである。
【００４７】
本明細書において用いられる“キャブレター”という用語は、シリンダーに届けられる前に、反応物を混合するための（例えば、燃料および酸化物を混合するための）機構を含む。
【００４８】
本明細書において用いられる“ピストンサイクル”という用語は、略同じ構成におけるピストンを用いて開始し、終了する一連のピストンの動きを含む。４ストロークピストンサイクルにおいては、上記サイクルは、吸気ストローク、圧縮ストローク、パワーストローク、および排出ストロークを含み得る。追加の、または代替のストロークは、本明細書の他の箇所で説明するように、ピストンサイクルの一部を形成し得る。本明細書において用いられる“動作頻度”という用語は、１回のピストンサイクルを完了するために必要とされる時間における相互作用である。
【００４９】
本明細書において用いられる“活物質”という用語は、適用される環境変化によって機械的構成を変更することが誘発され得る物質を含み、限定するわけではないが、圧電、磁石ひずみ、電気ひずみ、または形状記憶物質を含む。
【００５０】
一般的には、本明細書において用いられる用語は、本明細書の説明の観点から、当業者に理解されるような一般の、かつ共通の意味を有するものと解釈されるべきである。
【００５１】
様々なピストンシリンダーアセンブリがここで、内燃エンジンでの使用のために説明されるが、そこでは、ピストンの機械的エネルギー（例えば、ピストンの運動エネルギー）は、電気的エネルギーに変換される。いくつかの実施形態では、これらのアセンブリは、車両に搭載されるには、例えば電気車両に搭載されるには、よく適応し得る。他の実施形態では、これらのアセンブリは、化学的エネルギーを電気的エネルギーに（例えば、燃料を燃やすことによって）変化させる、据付型または携帯型の発電機において用いられるには適したものであり得る。
【００５２】
図１は、ピストンシリンダーアセンブリの一実施形態の概略図である。ピストン１０は、シリンダー１２の中に配置され、シリンダーから伸びる細長シャフト１４を有する。シャフト１４は、変換器コイル１８を介してスライドするように位置する永久磁石１６を有する。図示する実施形態では、ベアリング２０は、ピストン１０の整合を維持するように作用する。（ローラーベアリングを図１に示すが、適切な種類のベアリングが用いられ得る。）吸気バルブ２２は、バルブ２２が開いて、ピストン１０がシリンダー１２の閉じた端部から離れるとき（“吸気ストローク”）、燃料‐酸化剤混合物をチェンバーに入れる。図示する実施形態では、単純なバルブ構造を示すが、他の実施形態は、燃料インジェクターまたは、反応物をシリンダーに導入するための他の装置を含んでもよい。シリンダー１２の閉じた端部から離れるピストン１０の動きは、変換器コイル１８へ電圧を印加することによって駆動され得るが、これは磁石１６における起電力を誘導する。燃料‐酸化剤混合物は、ピストン１０の動きによって圧縮され、ピストン１０は、変換器コイル１８に電圧を印加することによって駆動され得、変換器コイル１８は、ピストン１０をシリンダー１２の閉じた端部に向けて移動させるために、磁石１６上の起電力を誘導する（”圧縮ストローク“）。
【００５３】
圧縮された燃料‐酸化剤は、スパークプラグ２４からのスパークによって点火され、これによって、ピストン１０を、シリンダー１２の閉じた端部から離れるように駆動する。ピストン１０がシリンダー１２の閉じた端部から離れるにつれて、磁石１６は、コイル１８で電圧が誘導されて、変換器コイル１８を通過する（“パワーストローク”）。この電圧は、本明細書の他の箇所で説明するように、バッテリー、蓄電器、または他のエネルギーマネージメントシステムを充電するために用いられ得る。一度パワーストロークが完了すると、例えば電圧を変換器コイル１８に印加することによって、ピストン１０は、シリンダー１２の閉じた端部に向けて動かされ、これによって、磁石１６における起電力を誘導する。ピストン１０がシリンダー１２の閉じた端部に向かって動くにつれて、燃料および酸化剤の反応による反応生成物は、排出バルブ２６を介して排出される（“排出ストローク”）。図示する実施形態では、バルブ２２および２６は、それぞれカム２８および３０によって操作されるが、他のバルブシステムも、本明細書の他の箇所で説明するように用いられてもよい。もし、ある場合、カム２８および３０は、ステッパモータまたはトルクモータ等の電気アクティベータを用いることも含めて、任意の便利な方法で駆動されてもよい。
【００５４】
図示する実施形態では、吸気ストローク、圧縮ストローク、および排出ストロークは全て、変換器によって駆動される。他の実施形態では、これらのストロークのうちの１つ以上は、他の手段、例えば、クランクシャフトおよびフライホイール、スプリング（例えば、機械式スプリングまたはガススプリング）、活物質素子、または対向するシリンダーのパワーストロークによって駆動され得る。ストロークの“間”にピストンを駆動することは、ストロークの間の全移動における、ほんの一部分について駆動することを含む。
【００５５】
図示する実施形態では、変換器１８の操作は、コントローラ１９によって制御され、それはアナログ、デジタル、またはコンピュータに基づくものであってもよい。コントローラ１９は、外部入力、および、ピストン１０、シリンダー１２、バルブ２２および２６、ならびに他のエンジン構成要素のうち１つ以上の、現在および過去の状態に基づいて、変換器１８を介するエネルギー伝達のサインおよび規模を判定する。これらの状態は、例えば、変換器１８におけるコイルまたは活性要素を、介するまたは横切る電流の計測から推測してもよいし、または、他のあり得るパラメータのうち、位置、速度、またはピストン１０の加速、または圧力、温度、密度、質量、またはシリンダー１２における任意の反応物の化学的構造を検出し得る、１つ以上のセンサー（図示せず）によって測定してもよい。これらのセンサーは、電磁気の、電気化学の、光の、電気機械の、または、関連するパラメータを検知する他の手段を用いてもよい。例えば、固定コイルと、変換器から離れたピストン搭載磁石とは、ピストンの位置および速度を検知するために用いてもよく、圧電センサーは、シリンダー内の圧力を検知するために用いられてもよく、光ファイバー連結分光器は、燃料および酸化剤の燃焼状態を検知するために、シリンダー内からの光を検出してもよい。これらのセンサー出力のいずれかは、コントローラ１９に直接または間接的に入力されてもよい。コントローラ１９はまた、本明細書の他の箇所に説明するように、エネルギーマネージメントシステム（図示せず）と干渉してもよい。
【００５６】
図示する実施形態では、燃料‐酸化剤混合物は、シリンダー１２のヘッドに搭載されたスパークプラグ２４を発火させることによって点火される。他の実施形態では、異なる反応物または反応トリガが用いられてもよい。例えば、スパークプラグの代わりに、あらゆる種類の電気的点火器、熱点火器（例えば、グロープラグ）、化学点火器（例えば、スクイーブ）、光点火器（例えば、光化学点火器、光熱点火器、光プラズマ点火器、またはレーザー点火器）、触媒、自動点火性の噴射、粒子ビーム（例えば、電子ビームまたはイオンビーム）、または、プラズマの噴射が化学反応を誘発してもよい。他の実施形態では、反応トリガ機構はなくてもよく、反応は、ピストン１０が圧縮ストロークを通じて移動するにつれて、反応物の圧縮によって誘発され得る。反応トリガはまた、異なる場所に配置され得、例えば、シリンダー１２の壁またはピストン１０上に配置され得る。動力を備えた反応トリガ（例えば、スパークプラグまたはプラズマの噴射）の場合、いくつかの実施形態では、反応トリガのためのパワーは、パワーストロークからパワーを蓄積するエネルギーマネージメントシステムによって供給され得る。
【００５７】
図示する実施形態では、導入された反応物は、燃料‐酸化剤混合物である。他の実施形態では、他の適切な混合物または分解性反応物等の、他の反応物が用いられてもよい。いくつかの実施形態では、反応物は、凝縮された形態（例えば、液体または固体状態）であってもよい。例えば、本明細書で説明されるピストンシリンダーアセンブリは、宇宙での車両（例えば、ムーンバギー）においての使用に好適であり得、または水中車両（例えば、潜水艦または魚雷）においての使用に好適であり得、この場合、凝縮された反応物が好ましい（例えば、液体燃料および液体酸化剤）。いくつかの実施形態では、液体反応物は、反応前に蒸発し得る。反応物が凝縮された形態にあるとき、“圧縮ストローク”はいくつかの実施形態において、反応物の容量を実質的に変えることなく、圧縮力を加えることによって、反応物を圧縮する。他の実施形態では、“圧縮ストローク”は、反応物に実質的に作用することなく、反応チェンバーの容量を単純に減少させ得る。
【００５８】
図２は、ピストンシリンダーアセンブリの他の実施形態の模式図である。ここで示すように、ピストン１０は、シリンダー１２の中でスライド可能に配置され、パワーストロークの間に（例えば、パワーストロークの全部または一部の間）、変換器コイル１８において電圧を誘導するために、変換器コイル１８と相互作用できる磁石１６を有する。図１に示すベアリング２０よりも、シリンダー１２は、ベアリング表面を実現するために、シャフト１４に向かって伸びる。任意のポート３２は、シャフト１４を囲むガスが圧縮されるのを防ぐので、シリンダー１２の閉じた端部から離れるピストン１０の動きを遅らせるのを防ぐ。他の実施例（図示せず）では、ポート３２が省略されてもよく、シャフト１４を囲むガスは、圧縮および排出ストロークをアシストするガススプリングとして作用し得る。図示する実施形態では、シャフト１４は、ジョイント３６を介してクランクシャフト３４に連結される。クランクシャフト３４は、例えば、ピストンタイミングまたはバルブタイミングを制御するように作用し得、吸気、圧縮、または排出ストロークのうちの少なくとも１つに対して、駆動力のいくつかまたは全てを与えるように作用し得、または、パワーストロークのエネルギーの少なくとも一部を機械的エネルギーに（例えばギアを駆動するために）変換し得る。
【００５９】
図３は、ピストンシリンダーアセンブリのさらに他の実施形態の模式図である。図示する実施形態では、図１および図２とは異なり、ピストン１０には磁石１６が欠けている。シャフト１４は、導電性ヘリカルギア４２に連結されるヘリカルスレッド４０を有する。外部磁石４４（永久磁石または電磁石）は、ギア４２に磁界を付与する。パワーストロークの間に、シャフト１４の動きに応じてギア４２が回転するとき、電圧が、シャフト１４と、ギア４２の外側との間に生成される（すなわち、ギアと磁石とが単極発電機を形成する）。変換器４６は、本明細書の他の箇所に説明するように、バッテリー、蓄電器、または他の電力マネージメントシステムを充電するために、この電圧を用いてもよい。吸気、圧縮、および排出ストロークの間、変換器４６は、シャフト１４とギア４２の外側との間に電圧を印加し得、これによって、ギア４２を回転するとともに、ピストン１０を駆動するための起電力を誘導する。ヘリカルスレッド４０は、一定のピッチを有しており（この場合、ギア４２の角速度は、ピストン１０の直線速度に比例する）、または可変のピッチを有しており、そのため、ギア４２の角速度とピストン１０の直線速度との間の関係は、ピストン位置に依存する。図３に示すヘリカルスレッドおよび単極発電機の代わりとなる、直線から回転への変換の他の形態、および他の回転電磁変換器は、当業者であれば理解できるであろう。例えば、ヘリカル特性を有する非円形断面のシリンダーは、シリンダーを介して移動するにつれて回転する非円形ピストンとともに用いられ得、または、上記ピストンは、回転を誘発する傾斜した羽または他の構造を有し得、または、上記ピストンは磁力によって回転され得る。
【００６０】
図示する実施形態はまた、キャブレター４８（模式的に示す）を有し、これは、燃料‐酸化剤混合物を吸気バルブ２２に供給する。図１および図２に示すカムではなく、吸気バルブ２２および排出バルブ２６は、電気的に制御される。いくつかの実施形態では、バルブの制御は、本明細書の他の箇所で説明するエネルギーマネージメントシステムに統合され得、電力は、エネルギーマネージメントシステムによってバルブから供給され得る。
【００６１】
図１〜図３の全ては、燃料‐酸化剤混合物（例えば、燃料‐空気混合物）に点火するスパークプラグ２４を示す。他の点火源は、本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、他の電気的点火器、光点火器、熱点火器、化学点火器、触媒、自動点火性の噴射、粒子ビーム、またはプラズマの噴射等によって置き換えられ得る。他の実施形態では、点火源が必要でない場合もあり、反応を開始させるためには、圧縮で十分である場合もある。さらに、パワーストロークを駆動する化学反応は、燃料‐酸化剤混合物を必ずしも有さなくてもよいが、上記化学反応は、膨張しているガスを生成する任意の反応であってもよく、または、パワーストローク（例えば、エネルギー分解）においてピストン１０を駆動する他の反応生成物であってもよい。
【００６２】
図４は、ピストンエンジンについて４ストロークサイクルを示す。図示するように、吸気ストローク６０の間に、上記ピストンは、相対的に短い距離を、シリンダー端部から離れるように移動し、ここでは、少なくとも１つの反応物をエンジンに導く。いくつかの実施形態では、１つ以上の反応物は、大気圧またはその付近にあり、シリンダーにおけるピストンの動きによって生成される部分的な真空によって、シリンダーの中へと引き込まれ得、一方、他の実施形態では、反応物が注入され得るか、または、圧力下などにおいてピストンの中に導入され得る。反応物は、任意の適切な形態で供給され得、限定するわけではないが、気体または液体として供給される。反応物は、圧縮ストローク６２の間に、シリンダー端部に向けたピストンの動きによって圧縮される。化学反応は、圧縮された反応物において誘発され、これはパワーストローク６４においてピストンを遠ざける駆動を行う。最終的に、ピストンは、排出ストローク６６において元の位置に戻り、シリンダーから、反応性生物のいくらか、または全てを排出する。
【００６３】
図４および他の図面では、ピストンの動きは、急激な速度変化を伴う一定速度の区分として模式的に示される。実際のピストンの動きは、一般的に、より複雑な速度プロフィールを有し、連続変化である速度および限定された加速を示す。サイクルにおける任意のポイントでの速度または加速を最適にするために、例えば、変換器電流を制限するために、振動を制御するために、またはエンジン構造におけるピーク荷重を制限するために、ピストンおよび変換器の間の連結を変化させてもよいことが、本明細書で説明される電磁パワー変換システムのいくつかにおける利点である。
【００６４】
図示する実施形態では、パワーストローク６４は、吸気ストローク６０よりも略長い。長いパワーストロークは、多くのエンジンについて、より熱力学的な効率がよいが、クランクシャフトエンジンにおいては典型的に使用されてこなかった。その少なくとも部分的な理由は、より大きなクランクシャフトアセンブリが必要となるからであり、その寄生重量は、長いパワーストロークにおける向上された効率を上回る。不平等なストロークはまた、例えば、ピストンの動きをシャフトおよびフライホイールに連結するための、カム‐ローラまたは他の機構を用いることによって、機械的に達成され得るが、このようなエンジンは、クランクシャフトエンジンと比較して、重量があり複雑であるということが典型的に見出されている。いくつかの実施形態では、電気機械的にエンジンからパワーを引き出すことは、エンジンがより長いパワーストロークを用いることを可能にし得、または、扱いにくい機械的システムを用いずとも、吸気ストロークとは異なる長さを有するパワーストロークを用いることを可能にし得る。
【００６５】
クランクシャフト等の他の構成要素への接続によって、ストロークの長さが固定されない実施形態では、本明細書で示されるエンジンは、可変圧縮比において容易に操作し得る。吸気ストローク６０および圧縮ストローク６２が電気機械的に駆動されるとき、実質的に、任意の所望の圧縮比、または、適切なストロークの長さを選択することによるピストンの変位であればいつでも、反応は開始され得る。圧縮比またはピストン移動は、例えば、電流または予想されるエンジン荷重、燃料の種類、燃料の濃度、燃料‐酸化剤比率、圧力、または温度等の要因に基づいて、各ピストンサイクルについて動的に制御され得る。本明細書に参照として含まれる米国特許番号４，１０４，９９５；４，１１２，８２６；４，１８２，２８８；４，２７０，４９５；４，５１７，９３１；６，７７９，４９５；および７．１８５，６１５は、ピストン移動または圧縮比を変化させるための様々な機械的手段を説明している。同様の効果は、各ピストンサイクルの間の時間にわたってピストンの位置を電磁的に制御することによって、はるかに単純なシステムにおいて達成され得る。
【００６６】
さらに、反応の間のピストンの動きは、ほとんどのクランクシャフトエンジンには実用的でない程度に細かく制御されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、反応が実質的に完了するまで（定積反応）、シリンダー１２に相対して略静止した状態で、ピストン１０を維持することが好ましい。パワーストローク６４は、発電を最適化する構成においてか、または、特定のエンジン実施形態についての望ましい構成において、制御されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、パワーストローク６４は略等温または略断熱性であり得る。また、排出ストローク６６においてピストン１０を十分駆動することによってシリンダー１２の排出を十分に行うことと、ピストン１０を、その範囲の一部のみを通過して駆動することによって、いくつかの反応生成物を意図的にシリンダー１２内に放置すること（例えば、反応物がパワーストローク６４の間に十分反応せず、それらが消耗される前に、未反応の反応物の一部に“第２チャンス”を与えるときに、シリンダーにおける排出の一部を放置すること）とのいずれかは、容易に実現可能である。ピストンサイクルにおける４つのストロークのそれぞれの、長さおよびタイミングは、速度、荷重、反応物の組成、温度等が変化する状態の下で、エンジン性能を最適化するために、動的および独立して変化し得る。
【００６７】
図５は、電磁変換器とともに用いるために改良された、従来のエンジンの模式図である。改良前において、エンジンは、ブロック７０と、それぞれが関連ロッドまたはシャフト７４を有する４つのピストンヘッド７２と（ピストンヘッド７２とシャフト７４とでピストンを形成する）、４つのスパークプラグ７６と、クランクシャフト７８とを有する（図の単純化のため、図５においては燃料吸気および排出は示していない）。改良するために、クランクシャフト７８を取り除くとともに、各ピストンシャフト７４は、以前にクランクシャフト７８に接続されていた付近であって、シャフトの基部に配置される磁気素子８０を有する。図示する実施形態では、各ピストンシャフト７４に対する２つのピックアップコイル８２および８４は、上方に配置されるとともに、以前におけるクランクシャフト７８の軸に配置される。各ピストンについて、コイル８２および８４は、図４等に関連して説明したように、吸気、圧縮、および排出ストロークの間に、それらと関連するピストンに対して駆動力を与えるために、また、それらと関連するピストンの機械的エネルギーを、パワーストロークの間に電気的エネルギーに変換するために、変換器の少なくとも１つの構成要素として互いに作用する。いくつかの実施形態では、変換器は、エンジンサイクルにおける異なる一部の間に動作すべくコイル８２および８４を切り替えるように動作する切り替え回路と電気的に連結され、一方、他の実施形態では、各変換器はそれぞれ切り替え回路を有してもよい。それぞれの場合において、各変換器からのエネルギーは、それが関連するエネルギーマネージメントシステム（本明細書の他の箇所に記載）に蓄積されてもよく、または、共通のエネルギーマネージメントシステムに貯蔵されてもよい。いくつかの実施形態では、２つのコイル８２および８４の代わりに、単一のコイルが、各ピストンシャフト７４について設けられてもよい。
【００６８】
いくつかの実施形態では、クランクシャフト７８が改良されてもよく、この場合、磁界および変換器コイルが、もしくは、ピストンの機械的エネルギーを電気的エネルギーに、また、電気的エネルギーから変換する他の可変インダクタンスまたは可変磁気抵抗回路が、異なる構成であるのが好ましいが、図５に示される構成が引き続き用いられ得る。クランクシャフト７８が残されると、ピストンの同期的な動作を維持する場合に役立つ。クランクシャフト７８が取り除かれると、ピストンは同期的に、または非同期的に操作され得、ピストンのタイミングは、変換器の操作によって制御され得る。いくつかの実施形態では、ハイブリッドシステムが用いられ得、そこでは、電磁変換器がピストンのサブセットのみに搭載される。このような実施形態では、いくつかの場合、ピストンと同期するためにクランクシャフト７８を残しておくことが好ましく、一方、他の場合では、他の機械的な連結システムであるのが好ましい。クランクシャフト７８、またはその一部は、水ポンプ、オイルポンプ、燃料ポンプ、ファン、またはコンプレッサ等の補助装置を駆動するために残してもよく、または、このような補助装置は、本明細書の他の箇所で説明するように、変換器から、例えばエネルギーマネージメントシステムを介して電力が与えられてもよい。
【００６９】
図６は、自由ピストンエンジンの模式図である。ピストン１１０は、シリンダー１１２の中にスライド可能に配置され、２つの端部チェンバー１１４および１１６を有する。図示する実施形態では、各端部は、吸気バルブ１１８および排出バルブ１２０を有し、これらはそれぞれ、反応物を導入し、反応生成物を放出するように構成されている。ピストン１１０は、磁気素子１２２を有し、これは電磁石、永久磁石、または、鉄心等の、磁気的に敏感な物質であってもよい。ピストン１１０は、ともに変換器１３０を形成する変換器コイル１２４，１２６，および１２８に対して電圧を印加することによって、各方向に駆動され得る。さらに、変換器１３０は、ピストン１１０の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように構成される。このエネルギーは、例えばバッテリー、蓄電器、または他のエネルギーマネージメントシステム（図示せず）に蓄積され得る。図示する実施形態は、スパークプラグ１３２を有するが、本明細書の他の箇所で説明するような他の点火源を用いてもよいし、または、エンジンは、端部チェンバー１１４および１１６において自発的に反応する反応物を用いて、点火源を用いることなく操作されてもよい。
【００７０】
図７には、６ストロークサイクルを用いる、図６に示すような自由ピストンエンジンを操作する方法を示す。変換器１３０は、端部チェンバー１１４から離れるようにピストン１１０を駆動するために作動し、チェンバー１１４についての吸気ストローク１５０として、反応物（例えば、燃料‐酸化剤混合物）を、チェンバー１１４の中に引き込む。そして、変換器１３０は、圧縮ストローク１５２として端部チェンバー１１４に向けてピストン１１０を駆動するために作動し、反応物をチェンバー１１４の中で圧縮する。そして、複数の反応物の間での反応が開始され（例えば、スパークプラグによって）、ピストンをチェンバー１１４から離れるように駆動する。このパワーストローク１５４の間、ピストンは、シリンダー１１２の他の端部へと移動し、端部チェンバー１１６において任意の反応生成物を排出する。変換器１３０は、本明細書の他の箇所で説明するように、エネルギーマネージメントシステムに蓄積され得るパワーを、パワーストローク１５４の間にピストンから引き込む。そして、変換器１３０は、端部チェンバー１１６から離れるようにピストン１１０を駆動し、吸気ストローク１５６として、反応物をチェンバー１１６の中に引き込む（いくつかの実施形態では、このようにチェンバー１１６の中に引き込まれる反応物は、組成、比率、温度、または他の特性において、吸気ストローク１５０の間にチェンバー１１４の中に引き込まれたものとは異なり得るが、一方、他の実施形態では、それらは略同様である）。そして、変換器１３０は、圧縮ストローク１５８として、端部チェンバー１１６に向けてピストンを駆動するために作動し、反応物をチェンバー１１６の中で圧縮する。そして、複数の反応物の間での反応が開始され、パワーストローク１６０としてピストンをチェンバー１１６から離れるように駆動する。変換器１３０は、パワーストローク１６０の間、ピストン１１０の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。さらに、端部チェンバー１１４に残る任意の反応生成物は、パワーストローク１６０によって排出される。そして、６ストロークサイクルが繰り返されてもよい。
【００７１】
図７に示す６ストロークサイクルは、２つの重なる４ストロークサイクルとして示すことができ、そこでは、シリンダーの一方の側におけるパワーストロークが、シリンダーの他方の側における排出ストロークと重なることが分かる。図４を参照して説明したように、エンジンが、相対的に長いストロークを用いることは、熱力学的に好ましい。図７に示される実施形態では、パワーストロークは、吸気または圧縮ストロークよりも略長く、エンジンにおいて、変換器１３０によって駆動されるストロークの間に長いピストン移動を必要とすることなく、パワーストロークの間に長いシリンダーであることの利点を生かすことが可能である。他の実施形態では、全てのストロークが同じ長さであり得る。
【００７２】
図８は、図６に示すような自由ピストンエンジンについての、交互のエンジンサイクルを示す。図示するように、チェンバー１１４の中の反応物は、パワーストローク１７０を駆動すべくピストン１１０がチェンバー１１４から離れるにつれて反応し、変換器１３０は、パワーストローク１７０の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、電気的エネルギーは、エネルギーマネージメントシステムに蓄積され得る。そして、変換器１３０は、排出ストローク１７２においてピストンをチェンバー１１４に向けて駆動し、反応生成物をチェンバー１１４から排出する。変換器１３０は、吸気／圧縮ストローク１７４においてチェンバー１１４から離れるようにピストンを駆動し、これによって反応物をチェンバー１１４の中に引き込み、すでにチェンバー１１６の中にある反応物を圧縮する。チェンバー１１６の中の反応物は、パワーストローク１７６を駆動すべくピストン１１０がチェンバー１１６から離れるにつれて（反応を起こさずに反応物をチェンバー１１４の中で圧縮して）反応し、変換器１３０は、パワーストローク１７６の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、電気的エネルギーは、エネルギーマネージメントシステムに蓄積され得る。そして、変換器１３０は、排出ストローク１７８において、ピストン１１０をチェンバー１１６に向けて駆動し、反応生成物をチェンバー１１６から排出する（そして、パワーストローク１７６の間に偶発的に圧縮された反応物を除圧する）。最後に、変換器１３０は、圧縮／吸気ストローク１８０においてピストン１１０をチェンバー１１４に向けて駆動し、反応物をチェンバー１１４の中で圧縮し、反応物をチェンバー１１６の中に引き込む。そして、このサイクルが繰り返される。当業者であれば、図８に示す６ストロークサイクルが、２つの重なる４ストロークサイクルとして示すことができ、シリンダーの一側部における吸気ストロークと、シリンダーの他方の側部における圧縮ストロークとが重なることを理解するであろう。
【００７３】
図９は、自由ピストンエンジンについてのさらに他のエンジンサイクルを示す。図示するエンジンは物理的に非対称であり、チェンバー１９０はチェンバー１９２より狭い直径を有し、ピストン１９４は直径において対応するステップを有する。図７および図８に関して説明する各サイクルはまた、図９に示されるような物理的に非対称なエンジンとともに用いられてもよく、または、図９に示されるサイクルは、図６に示されるような物理的に対称なエンジンとともに用いられてもよい。図示するように、変換器１３０は、ピストン１９４をチェンバー１９２に向けて駆動し、吸気／排出ストローク２００において、反応物をチェンバー１９０の中に引き込むとともに、反応生成物をチェンバー１９２から排出する。そして、変換器１３０は、ピストン１９４をチェンバー１９０に向けて駆動し、圧縮／吸気ストローク２０２において、反応物をチェンバー１９０の中で圧縮するとともに、反応物をチェンバー１９２の中に引き込む。そして、チェンバー１９０の中の圧縮された反応物は反応させられ、パワー／圧縮ストローク２０４において、ピストン１９４をチェンバー１９０から離れるように駆動するとともに、反応物をチェンバー１９２の中で圧縮する。最後に、チェンバー１９２の中で圧縮された反応物は反応させられ、排出／パワーストローク２０６において、ピストン１９４をチェンバー１９２から離れるように駆動するとともに、反応生成物をチェンバー１９０から排出する。ストローク２０４および２０６の間、変換器１３０は、ピストン１９４の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。この非対称の４ストロークサイクルは、２つの別個のチェンバー１９０および１９２についての、２つの、相殺し重なり合う４ストロークサイクルとして示すことができる。
【００７４】
図１０は、相対するピストンのエンジンと、対応するエンジンサイクルとを示す。図示するエンジンでは、２つの相対するピストン２５０および２５２はスライド可能にシリンダー２５４の中に配置される。ピストンはそれぞれ、対応する変換器コイル２６０および２６２に動作可能に連結される磁石素子２５６および２５８を有する。変換器コイル２６０および２６２は、共通変換器を形成するために電気的に連結されてもよいし、または、これらは２つの独立した変換器のセグメントとして別個に作動されてもよい。図示する実施形態では、コイル２６０および２６２の両方は、共通変換器（図示せず）の一部を形成する。シリンダー２５４は、吸気ポート２６４および排出ポート２６６を有する。図示する実施形態では、これらのポート２６４および２６６は単純な開口部であり、ピストン２５０および２５２のそれぞれの動きによって閉鎖されるときに閉じられ得る。他の実施形態では、ポート２６４および２６６は、バルブを有してもよい。
【００７５】
使用に際して、吸気ストローク２８０において、変換器コイル２６０はまず、吸気ポート２６４が開いた状態でピストン２５０を略固定された位置に維持し、一方、変換器コイル２６２は、ピストン２５２をピストン２５０から引き込むように駆動し、一方、排出ポート２６６の閉鎖を維持し、これによって、反応物を、吸気ポート２６４を介して、シリンダー２５４におけるチェンバー２６８の中に引き込む。そして、圧縮ストローク２８２において、変換器コイル２６０および２６２は、ピストン２５０および２５２をともに移動するように駆動し、両ポート２６４および２６６を閉鎖し、反応物をチェンバー２６８の中で圧縮する。反応トリガ２７０（図示する実施形態においてスパークプラグ）は、圧縮された反応物において反応を誘発し、パワーストローク２８４において、ピストン２５０および２５２を互いに離れるように駆動する。変換器コイル２６０および２６２は、ピストン２５０および２５２の機械的エネルギーをそれぞれ電気的エネルギーに変換し、また、ピストン２５２が移動して排出ポート２６６を開く一方、ピストン２５０が吸気ポート２６４を閉鎖し続けるように、ピストン２５０および２５２の位置を制御する。ピストン２５０が変換器コイル２６０によってピストン２５２に向けて動かされる一方、ピストン２５２は変換器コイル２６２によって略静止した状態で維持され、これによって、排出ストローク２８６において、チェンバー２６８から排出ポート２６６を介して反応生成物を排出する。最後に、両ピストン２５０および２５２は、リセットストローク２８８においてともに移動し、排出ポート２６６を閉鎖し、吸気ポート２６４を開く。このサイクルは繰り返されてもよい。
【００７６】
図１１は、他の相対するピストンのエンジンと、代替のエンジンサイクルとの模式図である。図示する実施形態では、２つの相対するピストン３００および３０２は、スライド可能にシリンダー３０４の中に配置される。ピストン３００は、変換器コイル３０８に動作可能に連結される磁石素子３０６を有する。ピストン３０２は、ジョイント３１２を介してクランクシャフト３１０に機械的に連結される。シリンダーは、それぞれバルブ３１８および３２０に連結される２つのポート３１４および３１６を有する。バルブ３１８および３２０のそれぞれは、２つの位置を有し、対応するバルブ３１８および３２０がポート３１４および３１６を反応物源３２２に接続するとき、ポート３１４および３１６が吸気ポートとして機能することができるようにし、または、対応するバルブ３１８および３２０がポート３１４および３１６を排出路３２４に接続するとき、排出ポートとして機能することができるようにする。反応チェンバー３２６は、ピストン３００とピストン３０２との間で規定される。
【００７７】
図示されるエンジンサイクルでは、バルブ３１８および３２０はまず、ポート３１４が反応物源３２２と接続され、ポート３１６が排出路３２４と接続されるように設定される。エンジンにおける最初の４ストロークは、図１０に示すようにストローク２８０、２８２、２８４、および２８６と対応し、一方、次の４ストロークは、ストローク２８０、２８２、２８４、および２８６の鏡像と対応する。吸気ストローク３５０では、ピストン３００は、ポート３１４を開いたままにする位置において、変換器コイル３０８によって略所定位置に維持され、一方、クランクシャフト３１０は、ピストン３００から離すようにピストン３０２を引き込み、ポート３１６を閉鎖し続けつつ、反応物をポート３１４を通過させてチェンバー３２６の中に引き込む。そして、ピストン３００および３０２は、それぞれ変換器コイル３０８とクランクシャフト３１０とによってともに動かされ、圧縮ストローク３５２において、反応物を圧縮し、ポート３１４および３１６を閉鎖する。反応は、例えばスパークプラグ３２８を放電することによって、複数の反応物の間で開始される。上記反応は、ピストン３００および３０２を別個に駆動し、機械的エネルギーをピストン３０２からクランクシャフト３１０へと伝達するとともに、変換器コイル３０８がパワーストローク３５４においてピストン３００の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することができるようにする。ピストン３００は、ポート３１４を開けることができないが、ピストン３０２は、ポート３１６を空けるには十分遠くまで移動する。そして、変換器コイル３０８は、排出ストローク３５６においてピストン３００をピストン３０２に向けて駆動し、反応生成物がポート３１６を介して排出されることを可能にし、一方、ピストン３０２は略固定された位置に残る。
【００７８】
排出ストローク３５６の後で、ポート３１４が排出路３２４に接続され、ポート３１６が反応物源３２２に接続されるように、バルブ３１８および３２０はリセットされる。ピストン３０２はポート３１６を開いた状態で維持する位置に留まる一方、ピストン３００は、吸気ストローク３５８において、変換器コイル３０８によって引き戻され、ポート３１６を介して反応物をチェンバー３２６の中に引き込む。そして、両ピストン３００および３０２はそれぞれ、変換器コイル３０８およびクランクシャフト３１０によって互いに向けて動かされ、両ポート３１４および３１６を閉鎖し、圧縮ストローク３６０の間、チェンバー３２６の中で反応物を圧縮する。複数の反応物の間での化学反応が誘発され、ピストン３００および３０２を別個に動かし、機械的エネルギーをピストン３０２からクランクシャフト３１０に伝達し、変換器コイル３０８が、パワーストローク３６２においてピストン３００の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換できるようにする。ピストン３０２は、ポート３１６を開くことができないが、ピストン３００は、ポート３１４を開くには十分遠くへ動く。そして、クランクシャフト３１０は、排出ストローク３６４においてピストン３０２をピストン３００に向けて駆動し、一方、ピストン３００は略固定された位置に留まる。排出ストローク３６４の後で、ポート３１４が反応物源３２２に接続され、ポート３１６が排出路３２４に接続されるようにバルブ３１８および３２０はリセットされ、このサイクルは繰り返されてもよい。
【００７９】
クランクシャフトを含む、本明細書に記載の実施形態のうちのいくつかにおいて、付属ピストンは、一定の固定された長さのストロークよりも、より複雑なパターンで動いてもよい。このような動きは、偏心クランクシャフト、方向が反転するか、または速度が変化するクランクシャフト、もしくはピストンとクランクシャフトとの間の活性接続であり、それらの相対位置を変化させる（例えば、活物質素子を用いることによって）もの等の手段によって概ね達成される。または、クランクシャフトは、カム‐トラックまたは斜板機構等の代替の、機械的に連結される装置によって置き換えられ得、上記機構のうちのいくつかは、１つ以上のピストンの動きにおける任意の複雑なパターンを生成することができる。
【００８０】
図面に描かれる実施形態は、略静止状態のコイルを通過して動く磁石と、略静止状態のコイルの外側に動く磁石と、略静止状態の磁界を通過して動く伝導体とを有する。これらの構成のそれぞれは、図面に描かれているような、または本明細書で記載されているような、他のピストン‐シリンダー構成と関連して用いられ得ることが分かるであろう。さらに、当業者であれば、伝導体、磁気物質、および磁界以外の構成についても、エンジンにおいて機械的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーから変換するために用いられ得ることを理解するであろう。例えば、第１種超伝導物質は磁界を放出する（マイスナー効果）ので、移動する第１種超伝導体は、変換器コイルにおける電流を含めて、磁気回路における磁束を変化させることができる。第２種超伝導物質は、磁界を捕捉し、このため、受動的に安定した磁気ベアリングとして機能する等、付加的な独特の特徴を与えつつ、変換器において永久磁石または電磁石の代わりとして用いられ得る。概して、任意の可変磁気抵抗または可変インダクタンス磁気回路によって、エネルギーは、ピストンへ、また、ピストンから伝達され得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、エンジンは永久磁石または電磁石を有する。それぞれの場合、エンジンは熱遮蔽、絶縁、または、選択されたエンジン部品の温度を所望の範囲に維持する機能を有する他の熱制御装置（例えば、冷却システム）を有してもよい。特に、熱制御システムは、磁気物質をそのキューリー温度より低く維持するように作用し得る。
【００８２】
図面は、シリンダーにおける単一または二重のピストンの、いくつかの異なる構成を描く。いくつかの実施形態では、エンジンは、同じであるか、または異なる種類である複数のシリンダーを有してもよい。異なるシリンダーにおけるピストンは、独立して作動し得るか、または作動可能に連結され得る（例えば、共通のクランクシャフトへの接続として機械的に連結される）。特に、エンジンは、決定された実際の、または予測される状態（例えば、エンジンの傾斜、またはエンジンによって動力を与えられる車両の傾斜、温度、電流引き込み、速度、加速、ブレーキ、車両総重量等の荷重、燃料組成、エンジン排気、パワー、排気制限等の局所規則、またはエンジン設定）に応じて、ピストンを操作するかどうか、およびどのピストンを操作するのかを選択する、制御エレクトロニクスを有してもよい。例えば、パワー引き込みが相対的に重いときは、制御エレクトロニクスは、より頻繁にピストンを操作してもよいし、またはより多くのシリンダーを操作してもよい。パワー引き込みが相対的に軽いときは、制御エレクトロニクスは、ピストンを全く操作しないことを含めて、ほとんどピストンを操作しなくてもよい。
【００８３】
相対的位相を維持する（例えば、共通クランクシャフトへの接続を介して）構成において、ピストンが互いに連結されない実施形態において、それらは同期的に、または非同期的に操作されてもよい。ピストンタイミングに関連して本明細書において用いられるように、“非同期的”という用語は、シリンダーとシリンダーとの間で、異なる期間または速度プロフィールを有する少なくとも１つのストロークを用いてシリンダーが操作され、一定の位相関係が略同時のピストンサイクルの間で維持されないことを意味する。非同期ピストン操作の例としては、異なるサイクル頻度において２つのピストンを操作すること、または、１つのピストンを略静止状態に置きながら、１つのピストンを操作することが挙げられる。
【００８４】
図示する実施形態のそれぞれにおいて、変換器（コイルまたは他の可変磁気抵抗または可変インダクタンス回路を含む）は、エネルギーマネージメントシステムに接続される。エネルギーマネージメントシステムは、パワーストロークの間にピストンからパワーを引き込むとともに、他のストロークの間はパワーをピストンに戻す、エネルギーソースおよびシンクとして作動する。長さまたは振幅が可変であるパワーの入力を受け入れることができ、それらを変換して略一定の電圧を供給するパワー変換システムが、例えば本明細書に参照として含まれる米国特許番号４，３９９，４９９に記載されている。このような変換システムは、エンジンからのパワー吸気を調節し、それを他の目的に、例えば車両を走行させる等の目的に、より有効となるようにする。エネルギーマネージメントシステムはまた、他のソースから、例えば回生式ブレーキングシステムから、パワー入力を受け入れてもよい。エネルギーマネージメントシステムは、バッテリーまたは蓄電器（スーパー蓄電器、ウルトラ蓄電器、またはハイパー蓄電器を含む）等のエネルギー蓄積装置にパワーを蓄積してもよい。本明細書に参照として含まれる米国特許番号６，５９０，３６０は、この目的で使用され得るバッテリーおよびモーター／発電機の間の方向にエネルギーを伝達するように設計された切り替え回路が記載されている。いくつかの実施形態では、エネルギーマネージメントシステムはまた、水ポンプ、オイルポンプ、燃料ポンプ、ファン、またはコンプレッサ等の補助装置に動力を与えてもよい。
【００８５】
当業者であれば、一般的に、本明細書で用いられる用語、特に添付の請求項で用いられる用語は、一般的に“広い”用語であると理解されるであろう（例えば、“含む”という用語は、“含むがそれに限定されない”と解釈されるべきであり、“有する”という用語は“少なくとも有する”と解釈されるべきであり、“備える”という用語は“備えるが、それに限定されない”などと解釈されるべきである）。特定の数を示すような請求項の文言が意図して記載される場合、そのような意図は請求項に明示され、このような文言が無い場合、数を特定するという意図も存在しないということが当業者にさらに理解されるであろう。例えば、理解の一助として、以下の添付の請求項は、請求項の文言を記載するにあたって、“少なくとも１つ”または“１つ以上”などの語句の使用を含んでもよい。しかしながら、このような表現の意味合いで、数を特定しない要素を記載すると、このような要素を含む特定の請求項が、上記要素を１つしか含まない発明として限定されると捉えかねないが、そのように解釈してはならない。たとえ、同一の請求項が“１つ以上”または“少なくとも１つの”という語句、および数を限定しない表現（例えば、“シリンダー”は概ね、“少なくとも１つのシリンダー”を意味するものとして解釈されるべきである）を含んでいても、そのように“１つしか含まない”と解釈をしてはならない。これについては請求項の文言に用いられる“上記”と記載されている用語についても当てはまる。さらに、特定数を示すように記載された請求項文言が明確な場合でも、当業者は、このような文言が概ね、少なくとも文言される数を示すものと解釈されるべきであることを認識しているであろう（例えば、他の修飾語を有さない最低限の文言“２つのシリンダー”または“複数のシリンダー”は概ね、少なくとも２つのシリンダーを意味する）。さらに、“Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ”“Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ”または“Ａ、Ｂ、およびＣからなるグループから選択される１つ（のもの）”という表現が用いられる場合、一般的にこのような構成は、当業者が習慣として理解している観点に基づいて意図される（例えば、これらの表現のうちのいずれも、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢとともに、ＡとＣとともに、ＢとＣとともに、および／またはＡ、Ｂ、およびＣ全部を有するシステムを含むがそれに限定されない）。詳細な説明、請求項、または図面においてなど、２つ以上の代替物を示す実質的に任意の選択的用語および／または表現は、用語のうちの１つ、用語のうちのいずれか、用語のうちの両方を含む可能性を考慮するものと理解されるべきであるということを当業者ならさらに理解するであろう。例えば、“ＡまたはＢ”という表現は、“Ａ”または“Ｂ”または“ＡとＢ”の可能性を含むものと理解されるであろう。
【００８６】
本明細書において様々な側面および実施形態を開示してきたが、他の側面および実施形態は当業者にとって明らかであろう。本明細書において開示される様々な側面および実施形態は、解説を目的とするものであって、限定を意図するものではなく、真の範囲および精神は、以下の請求項によって示される。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】クランクシャフトのないピストンシリンダーアセンブリの概略図である。
【図２】クランクシャフトに連結されているピストンシリンダーアセンブリの概略図である。
【図３】単極発電機に連結されているピストンシリンダーアセンブリの概略図である。
【図４】４ストロークピストンサイクルの間の、シリンダーにおけるピストンの位置を示す図である。
【図５】電磁変換器を用いて改良された従来のエンジンの概略図である。
【図６】二重端部を有する自由ピストンシリンダーアセンブリの概略図である。
【図７】６ストロークピストンサイクルの間の、二重端部を有するシリンダーにおけるピストンの位置を示す図である。
【図８】代替６ストロークピストンサイクルの間の、二重端部を有するシリンダーにおけるピストンの位置を示す図である。
【図９】４ストロークピストンサイクルの間の、二重端部を有するシリンダーにおける非対称ピストンの位置を示す図である。
【図１０】４ストロークピストンサイクルの共通シリンダーにおける２つの相対するピストンの位置を示す図である。
【図１１】８ストロークピストンサイクルの共通シリンダーにおける２つの相対するピストンの位置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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