(57)【要約】  膨張空間で膨張する媒体の作用により駆動可能な少なくとも１つのピストンアセンブリが直線変位するように配置された少なくとも１つのピストンチャンバであって、少なくとも１つのピストンアセンブリに返送力を加えるための圧縮性ガスが包含されると共に、フリーピストン装置の作動中に返送力を制御するための制御部材が配置された弾性空間を有する少なくとも１つのピストンチャンバを備えたフリーピストン装置を提供する。フリーピストン装置を作動させるための方法も提案する。
2009541635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張空間（４２）で膨張する媒体の作用により駆動可能な少なくとも１つのピストンアセンブリ（２６）が直線変位するように配置された少なくとも１つのピストンチャンバ（１２）であって、前記少なくとも１つのピストンアセンブリ（２６）に返送力を加えるための圧縮性ガスを包含する弾性空間（９０）を有する少なくとも１つのピストンチャンバ（１２）と、
前記返送力を制御するための少なくとも１つの制御部材（９８）であって、前記弾性空間（９０）に配置された少なくとも１つの制御部材（９８）と、
を有するフリーピストン装置において、
該フリーピストン装置（１０）が作動している間、前記返送力が制御可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つの制御部材（９８）が移動可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項３】
請求項２に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つの制御部材（９８）が、固定可能なように移動可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つの制御部材（９８）が変位可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項５】
請求項４に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つの制御部材（９８）の変位方向が、前記少なくとも１つのピストンアセンブリ（２６）の移動方向に対して平行であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つの制御部材（９８）に、該制御部材の移動のための駆動部（１０８）が関連付けられていることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項７】
請求項６に記載のフリーピストン装置であって、前記駆動部（１０８）が制御可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項８】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン装置であって、前記弾性空間（９０）を画定する壁部（９６）として、少なくとも１つの制御部材（９８）が形成されることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項９】
請求項８に記載のフリーピストン装置であって、前記壁部（９６）が、前記少なくとも１つのピストンチャンバ（１２）の端面（２２）に対向することを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載のフリーピストン装置であって、前記壁部（９６）が、ピストン面（９８）により形成されることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１１】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン装置であって、少なくとも１つの位置センサ（１１０）が設けられ、前記位置センサが前記少なくとも１つの制御部材（９８）と相互作用することを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つのピストンチャンバ（１２）に対する前記少なくとも１つの制御部材（９８）の位置が検出可能となるよう、前記少なくとも１つの位置センサ（１１０）が構成されることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つの制御部材（９８）の移動が検出可能となるよう、前記少なくとも１つの位置センサ（１１０）が構成されることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１４】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン装置であって、制御装置（４８）が設けられ、前記制御装置により前記フリーピストン装置（１０）が制御可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載のフリーピストン装置であって、前記返送力が、前記少なくとも１つの制御部材（９８）により、前記制御装置（４８）を介して制御可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のフリーピストン装置であって、前記返送力が、位置センサ（１１０）の信号に応じて制御可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１７】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン装置であって、少なくとも１つの圧力センサ（１０２）が前記弾性空間（９０）に配置されることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のフリーピストン装置であって、前記弾性空間（９０）の圧力が、前記少なくとも１つの圧力センサ（１０２）により、時間分解されるように測定可能となるよう、該少なくとも１つの圧力センサ（１０２）が構成されることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項１９】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン装置であって、電動式直線駆動部（６８）が設けられることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つのピストンアセンブリ（２６）がアーマチャ（７０）を含むこと、及び、ステータ装置（７２）が前記少なくとも１つのピストンチャンバ（１２）上に配置されていることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載のフリーピストン装置であって、前記少なくとも１つのピストンアセンブリ（２６）の移動の死点（OT、UT）が規定可能となるよう、ピストン行程が前記直線駆動部（６８）を介して可変的に設定可能であることを特徴とするフリーピストン装置。
【請求項２２】
フリーピストン装置の作動方法であって、
少なくとも１つのピストンチャンバ内で直線変位するように案内される少なくとも１つのピストンアセンブリが、膨張空間で膨張する媒体の作用により駆動され、かつ、前記少なくとも１つのピストンチャンバの弾性空間に包含される圧縮性ガスにより、前記少なくとも１つのピストンアセンブリに返送力が加えられるようなフリーピストン装置の作動方法において、
前記弾性空間の前記ガスの少なくとも１つの状態変数の目標値を指定し、前記少なくとも１つの状態変数の実際値を検出し、前記実際値が前記目標値から逸脱しれば、前記実際値を少なくとも前記目標値に近似するように調節することにより、該フリーピストン装置が作動している間、前記返送力が制御されることを特徴とするフリーピストン装置の作動方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、前記弾性空間の圧力が、時間分解されるように測定されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２又は２３に記載の方法であって、少なくとも１つの制御部材が移動することを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、ピストンが変位することを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２４又は２５に記載の方法であって、前記少なくとも１つの制御部材の位置又は前記ピストンの位置が、時間分解されるように測定されることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２２〜２６のいずれか１項に記載の方法であって、前記返送力が、前記弾性空間のガス質量の設定を介して制御されることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２２〜２７のいずれか１項に記載の方法であって、前記返送力が、前記弾性空間のガス量の設定を介して制御されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２７又は２８に記載の方法であって、前記弾性空間にガスが供給されること、又は、前記弾性空間からガスが排出されることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２７〜２９のいずれか１項に記載の方法であって、少なくとも１つのバルブが作動することを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２２〜３０のいずれか１項に記載の方法であって、少なくとも１つの制御部材の位置又はピストンの位置により、及び／又は、少なくとも１つのバルブの位置により、前記弾性空間の圧力が制御されることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項２２〜３１のいずれか１項に記載の方法であって、前記フリーピストン装置が周期的に作動する場合、前記返送力が、１つの作動サイクルよりも大きな時間スケールで制御されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、次のようなフリーピストン装置に関する。即ち、膨張空間で膨張する媒体の作用により駆動可能な少なくとも１つのピストンアセンブリが直線変位するように配置された少なくとも１つのピストンチャンバであって、前記少なくとも１つのピストンアセンブリに返送力を加えるための圧縮性ガスを包含する弾性空間を有する少なくとも１つのピストンチャンバと、前記返送力を制御するための少なくとも１つの制御部材であって、前記弾性空間に配置された少なくとも１つの制御部材とを有するフリーピストン装置に関する。
【０００２】
本発明は、更に、次のようなフリーピストン装置の作動方法に関する。即ち、少なくとも１つのピストンチャンバ内で直線変位するように案内される少なくとも１つのピストンアセンブリが、膨張空間で膨張する媒体の作用により駆動され、かつ、前記少なくとも１つのピストンチャンバの弾性空間に包含される圧縮性ガスにより、前記少なくとも１つのピストンアセンブリに返送力が加えられるようなフリーピストン装置の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
フリーピストン装置を介して、例えば化学エネルギーを、燃焼によってピストン装置の機械エネルギー、つまり運動エネルギーに一部変換することができ、次に、この機械エネルギーを、直線駆動部を介して、少なくとも一部電気エネルギーに変換することができる。ピストンの変位をフリーピストンの変位として構成しているため、クランク軸を設ける必要なく、ピストンの純直線変位性を実現することができる。
【０００４】
対応する装置を、例えば、自動車用のハイブリッド駆動部の一部として、そして特に、直列ハイブリッド構想と合わせて使用することができる。
【０００５】
これらの装置は、電流を発生させるためのコンパクトな電流発生ユニットとして、又は、例えばブロック型の火力発電所等の定置式の用途と合わせて使用することもできる。
【０００６】
フリーピストン装置は、例えば、GB 854,255やDE 22 17 194 C3から知られている。
【０００７】
US 6,199,519 B1、DE 31 03 432 A1、東ドイツ特許第113 593号、DE 43 44 915 A1から、又は、P. Van Blariganによる2000年度DOE水素プログラムレビュー紀要「ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH（最新式内燃機関研究）」から、発電機を備えた燃焼装置も知られている。
【０００８】
DE 102 19 549 B4から、次のようなフリーピストン装置が知られている。即ち、電動式直線駆動部を備えたフリーピストン装置であって、ピストンチャンバ内で少なくとも１つのピストンアセンブリが直線変位するように配置された少なくとも１つのピストンチャンバを含み、ピストンアセンブリが、アーマチャと、ピストンチャンバ上に配置されたステータ装置とを含むフリーピストン装置である。この少なくとも１つのピストンアセンブリは、膨張空間で膨張する媒体の作用により駆動可能であり、ピストン行程は、直線駆動部を介して、ピストンアセンブリの変位の死点が規定可能となるように可変的に調節可能である。
【０００９】
電動式直線駆動部を備えた更なるフリーピストン装置が、WO 01/45977 A2に記載されている。
【００１０】
EP 1 398 863 A1から、媒体がそれに作用する少なくとも１つのピストンアセンブリのピストンが移動可能である第１変位空間と、関連のアーマチャが移動可能である第２変位空間とが別々の空間である、フリーピストン装置が知られている。
【００１１】
DE 197 81 913 T1から、リニア発電機の移動制御方法であって、２つのピストンが軸上で相互に関して整列し相互に対向して配置されている内燃機関により、リニア発電機が駆動される方法が知られている。電流取入れは、発電機の往復運動サイクル中に抵抗力が得られるように制御され、この抵抗力は、少なくとも発電機の移動速度の中心行程移動範囲において、発電機に略比例的に作用する。燃焼チャンバ内には圧力センサが設けられ、一定の圧力に達すると、制御装置が機構をトリガして、燃焼チャンバに供給された混合気が点火される。
【００１２】
DE 10 2004 062 440 B4から、電動式直線駆動部を備えたフリーピストン装置が知られている。このフリーピストン装置は、ガスを包含する弾性空間を含む。弾性空間には少なくとも１つの圧力センサが設けられており、この圧力センサを用いて弾性空間のガスの圧力を測定することにより、ピストンアセンブリの位置及び／又は速度を測定することができる。測定された圧力を介して、フリーピストン装置を、例えば、燃料の膨張空間への噴射と、膨張空間で燃料が点火される時点とに関して、及び／又は、膨張空間に配置されているバルブに関して、制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】GB 854,255
【特許文献２】DE 22 17 194 C3 (US 4,154,200 A)
【特許文献３】US 6,199,519 B1
【特許文献４】DE 31 03 432 A1
【特許文献５】東ドイツ特許第113 593号
【特許文献６】DE 43 44 915 A1
【特許文献７】DE 102 19 549 A1/B4 (US 2005/0081804 A1)
【特許文献８】WO 01/45977 A2
【特許文献９】EP 1 398 863 A1
【特許文献１０】DE 197 81 913 T1 (US 6,181,110 B1)
【特許文献１１】DE 10 2004 062 440 A1/B4
【特許文献１２】WO 97/28362 A
【特許文献１３】WO 2004/025098 A
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH（最新式内燃機関研究）(P. Van Blarigan, Proceedings of the 2000 DOE Hydrogen Program Review《2000年度DOE水素プログラムレビュー紀要》)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、冒頭で言及した種類のフリーピストン装置であって、特に、前記少なくとも１つのピストンチャンバ内での前記少なくとも１つのピストンアセンブリの変位が、簡単な方法で調節可能なフリーピストン装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的は、本発明によれば、一般的な種類のフリーピストン装置において、前記フリーピストン装置が作動している間、前記返送力が制御可能であることにより達成される。
【００１７】
前記弾性空間に包含されている前記ガスは、前記（少なくとも１つの）ピストンアセンブリの機械エネルギーを、このピストンアセンブリで圧縮されることにより、少なくとも部分的に吸収することができる。逆に言えば、前記ガスは、膨張により前記少なくとも１つのピストンアセンブリにエネルギーを伝え、これによって、前記少なくとも１つのピストンアセンブリは、利用可能になった前記返送力を介して戻ることができる。前記少なくとも１つのピストンアセンブリによる前記圧縮及び前記膨張の双方の間、前記弾性空間に包含されている前記ガスは、具体的には前記ガス自身のガス圧力の結果として、前記ピストンアセンブリに力を加える。前記力は、前記ピストンアセンブリによる前記圧縮とは反対に作用する。
【００１８】
従って、前記ガスが中に包含されている前記弾性空間は、弾性特性を有し、及び特に、ガススプリングを形成し、前記返送力が、前記弾性空間の前記弾性特性により決まる。弾性特性は、前記ガスが前記ピストンアセンブリにより圧縮可能である方法によって事実上決まる。
【００１９】
前記制御部材を前記弾性空間に配置すると、前記弾性空間から生じる前記返送力を制御することが可能である。従って、前記制御部材により、前記弾性空間の前記ガスが前記ピストンアセンブリにより圧縮可能である方法に影響を与えることができる。従って、前記弾性空間の前記弾性特性を設定することにより、前記ピストンアセンブリに、その変位について影響を与えることができる。このことにより、前記フリーピストン装置を簡単なやり方で調節することが可能となる。従って、前記フリーピストン装置にとって最適な作動点を固定することが可能であり、ここで例えば、燃料要件及び／又は汚染物質の放出が最小となる。前記フリーピストン装置を様々な燃料に適合させることも考えられる。
【００２０】
前記少なくとも１つの制御部材は、様々な方法で構成することができる。例えば、ピストンアセンブリ、フラップ、制御ピン、又は同様のものが考えられる。
【００２１】
前記制御部材自体は、例えば制御装置により制御することができる。
【００２２】
本発明によれば、前記フリーピストン装置が作動している間、前記返送力は制御可能である。このようにして、前記フリーピストン装置は、作動中に調節可能である。このことにより、前記フリーピストン装置の前記作動点を、その作動を中断することなしに設定することが可能となる。所与の作動表に応じて制御を実行することを実現することができる。このような作動表は、制御装置に保存することができる。前記フリーピストン装置の作動中に、前記フリーピストン装置の瞬間的な作動状態に関係する１つ以上の特徴を記録することも可能であり、前記返送力の制御は、前記特徴に基づいて実行される。
【００２３】
好ましくは、前記少なくとも１つの制御部材は移動可能である。このことにより、前記返送力の制御を、構成上簡単なやり方で実行することが可能となる。例えば、前記少なくとも１つの制御部材が、前記弾性空間に包含されている前記ガスを、その移動により変位させることを実現することができる。
【００２４】
前記少なくとも１つの制御部材が、固定可能なやり方で移動可能であるのが好都合である。というのも、これにより、要件によっては前記返送力の制御が簡素化されるからである。例えば、前記返送力の変化が起きるべきでない場合、前記少なくとも１つの制御部材は固定することができる。このことにより、幾つかのステップでの制御、及び／又は、異なる規模のステップでの制御も可能となる。
【００２５】
好ましくは、前記少なくとも１つの制御部材は変位可能である。
【００２６】
特に、前記少なくとも１つの制御部材の前記変位の方向が、前記少なくとも１つのピストンアセンブリの前記移動方向に対して平行であることを実現することができる。
【００２７】
前記少なくとも１つの制御部材には、前記制御部材の移動のために駆動部が関連しているのが好都合である。このことにより、前記少なくとも１つの制御部材を、前記駆動部により正確に移動させ、位置決めすることが可能となる。前記駆動部は、機械的駆動部、及び／又は、空気圧式駆動部、及び／又は、油圧式駆動部、及び／又は、電動式駆動部とすることができる。
【００２８】
好ましくは、前記駆動部は制御可能である。このことにより、前記駆動部に外部から信号を与え、前記少なくとも１つの制御部材の移動を規定することが可能となる。例えば、前記駆動部を制御するために、制御装置を設けることができる。前記制御装置は、所与の作動計画に応じて、又は、外部から前記制御装置に送られる信号に依存して、前記駆動部を制御することができる。
【００２９】
本発明による前記フリーピストン装置の有利な実施形態において、前記弾性空間を画定する壁部として、少なくとも１つの制御部材が形成される。このことは、制御部材を形成する簡単かつ堅牢なやり方を構成する。画定する前記壁部は、前記ピストンチャンバ上、即ち、例えば前記ピストンチャンバの壁領域上に配置することができる。一方で、特に、画定する前記壁部を、前記少なくとも１つのピストンチャンバの内部に配置することが可能である。
【００３０】
前記壁部は、前記少なくとも１つのピストンチャンバの端面に対向するのが好都合である。これによって、前記返送力を構成上簡単なやり方で設定することができる。
【００３１】
前記壁部がピストン面により形成される実施形態は、まさに特に好適である。このようにして構成された壁部、従って、このようにして構成された制御部材は、特に好ましい特徴を有する。好ましくは、前記ピストン面は、前記ピストンチャンバ内で移動可能となるように、そして特に、変位可能となるように配置されている制御ピストンの表面により形成される。前記ピストンチャンバの前記弾性空間は、前記ピストン面と前記ピストンアセンブリとの間に配置することができる。このことにより、前記弾性空間の前記ガス容量を、（例えば最小ガス容量又は最大ガス容量に関して）前記制御ピストンにより変化させ、このようにして、前記弾性空間の前記弾性特性を、従って、前記返送力を、修正することが可能となる。更に、前記ピストンアセンブリの前記移動方向、及び、前記制御ピストンの前記変位方向は、相互に対して平行に、そして例えば、前記ピストンチャンバの対称軸に対して平行に延びることができる。
【００３２】
少なくとも１つの位置センサを設け、この位置センサが、前記少なくとも１つの制御部材と相互作用するのが好都合である。このようにして、前記少なくとも１つの制御部材の位置に関する情報を得ることができる。前記位置センサが前記ピストンチャンバ上に配置されることを実現することができる。前記位置センサを前記制御部材上に直接配置することも考えられる。例えば、前記位置センサは、光学センサ又は機械センサとして構成することができる。
【００３３】
前記少なくとも１つの位置センサは、好ましくは、前記少なくとも１つの制御部材の、前記少なくとも１つのピストンチャンバに対する位置が検出可能となるように構成される。特に、このことにより、前記制御部材の、前記ピストンチャンバに対する位置の点検が可能となる。前記ピストンチャンバが、前記弾性空間を含むことから、このようにして、前記制御部材の、前記弾性空間に対する位置を点検することも可能である。
【００３４】
同様の理由で、即ち、好ましくは前記制御部材の移動を点検するために、前記少なくとも１つの位置センサを、前記少なくとも１つの制御部材の移動が検出可能となるように構成することが好都合である。
【００３５】
好ましくは、前記フリーピストン装置がそれによって制御可能となる制御装置が設けられる。前記制御装置により、例えば、燃料の、前記膨張空間への噴射、前記膨張空間で燃料が点火される時点、及び、空気の取入れ用又は排気ガスの排出用に前記膨張空間に配置されているバルブを制御することができる。
【００３６】
前記返送力が、前記少なくとも１つの制御部材によって、前記制御装置を介して制御可能であるのが好都合である。例えば、このことにより、前記フリーピストン装置用に制御装置を１つのみ使用することが可能となる。
【００３７】
前記返送力が、位置センサの信号に応じて制御可能であるのが特に好都合である。このことは、前記返送力を制御する単純な形態を構成する。前記位置センサは、例えば、前記フリーピストン装置の前記制御部材の位置及び／又は移動に関する情報を前記制御装置に与えることができる。例えば、このことにより、前記制御部材を移動させるか、又は、目下の移動を停止するために、前記制御装置を介して駆動部を活性化することが可能となる。前記弾性空間の前記弾性特性に、従って、前記返送力にも、これによって影響を与えることができ、特に制御することができる。
【００３８】
好ましくは、前記弾性空間に、少なくとも１つの圧力センサが配置される。このことにより、前記弾性空間の圧力、即ち、前記弾性空間に包含されている前記ガスの圧力を測定することが可能となる。例えば、前記圧力センサは、前記ピストンチャンバの端面、特に端壁に配置することができる。前記弾性空間の前記ガスの圧力と、前記ガスにより前記ピストンアセンブリに及ぼされる前記返送力との間には、関係が存在する。従って、前記返送力については、前記圧力センサの前記測定信号によって表現することもできる。
【００３９】
前記弾性空間の圧力が、前記少なくとも１つの圧力センサにより、時間分解されたやり方で測定可能であるように、前記少なくとも１つの圧力センサを構成するのが好都合である。従って、前記弾性空間の圧力の変化も測定することができる。このようにして、前記返送力の変化を測定することもできる。
【００４０】
電動式直線駆動部を設けるのが有利である。従って、前記フリーピストン装置によって、電気エネルギーを発生させることができる。前記電動式直線駆動部は、明確に参照されているDE 102 19 549 B4に記載されているように、前記ピストンアセンブリの前記移動を制御するのにも使用することができる。
【００４１】
特に、前記少なくとも１つのピストンアセンブリは、好ましくはアーマチャを含み、好ましくは、前記少なくとも１つのピストンチャンバ上にステータ装置が配置されている。前記アーマチャは磁化されている。前記ピストンアセンブリの移動により、前記ステータ装置内に電圧が誘起される。それに応じて、前記ピストンアセンブリには、前記ステータ装置に作用する電流が作用することができる。
【００４２】
特に、前記少なくとも１つのピストンアセンブリの前記移動の前記死点が規定可能となるように、前記ピストン行程が、前記直線駆動部を介して可変的に設定可能であるのが好都合である。このことは、明確に参照されているDE 102 19 549 B4に記載されている。
【００４３】
本発明の更なる目的は、冒頭で言及した前記方法を、前記方法を用いて、前記フリーピストン装置が、特に、前記少なくとも１つのピストンチャンバ内の前記少なくとも１つのピストンアセンブリの前記移動が、作動中に簡単なやり方で調節可能となるように、改良することである。
【００４４】
この目的は、本発明によれば、一般的な方法において、前記フリーピストン装置が作動している間、前記弾性空間の前記ガスの少なくとも１つの状態変数の目標値を指定することにより、及び、前記少なくとも１つの状態変数の実際値を検出し、この実際値が目標値から逸脱している場合、この実際値を少なくとも目標値に近似するように調節することにより、前記返送力が制御されるという点で達成される。
【００４５】
本発明による前記方法は、本発明による前記フリーピストン装置と合わせて既に説明した利点を有する。
【００４６】
特に、前記フリーピストン装置が作動している間、前記返送力は制御される。このようにして、前記フリーピストン装置は、特に、前記（少なくとも１つの）ピストンチャンバ内の前記（少なくとも１つの）ピストンアセンブリの前記移動は、前記フリーピストン装置の作動を中断することなく調節可能である。
【００４７】
本発明による前記フリーピストン装置の説明と合わせて上述したように、前記ガスにより及ぼされる前記返送力と、前記ガスの圧力との間には、或る関係が存在する。前記ガス圧力は、前記ガスの状態変数を表す。前記ガスの更なる好適な状態変数としては、例えば、温度、容量、及び前記ガス中の粒子数があり、この粒子数は、前記ガスの質量に結び付いている。これらの状態変数の各々と、前記ガス圧力との間には、ガスの状態の方程式を介して、或る関係が存在する。従って、前記ガスの温度、容量、及び質量は、例えば、前記ガスにより前記ピストンアセンブリに及ぼされる前記返送力に関連させることもできる。
【００４８】
本発明による前記方法では、少なくとも１つの状態変数の実際値が検出され、前記実際値が、少なくとも１つの状態変数の、指定可能な目標値に少なくとも近似するように調節される。このようにして、少なくとも１つの状態変数の実際値を制御することにより、前記返送力と、前記ガスの少なくとも１つの状態変数との間の前記関係を介して、前記返送力を制御することが可能である。
【００４９】
前記弾性空間の圧力を、時間分解されたやり方で測定するのが特に好都合である。前記弾性空間の前記圧力は、前記弾性空間の前記ガスの圧力に一致している。前記圧力は、その目標値が指定可能な状態変数である。前記圧力を時間分解して測定することにより、前記圧力の前記実際値が目標値から逸脱しているかどうかを判定することが可能である。
【００５０】
少なくとも１つの制御部材を移動させることが可能である。特に、好ましくは、ピストンが変位することを実現することができる。少なくとも１つの制御部材又はピストンの前記移動によって、例えば、その圧力がこれによって修正されるように前記弾性空間のガスを変位させることを可能とすることができる。このようにして、前記返送力も修正可能となる。
【００５１】
前記少なくとも１つの制御部材又は前記ピストンの位置は、好ましくは、時間分解されたやり方で測定される。このことにより、例えば、前記ガスの前記圧力又は圧力の変化を、前記少なくとも１つの制御部材又は前記ピストンの位置又は移動に、定量的に関連させることが可能となる。
【００５２】
好適な方法において、前記返送力は、前記弾性空間のガス質量の設定を介して制御される。これによって、ガス質量を増減させることができる。ガス質量は、前記ガス中の粒子数に明確に結び付いており、粒子数は前記ガスの状態変数である。
【００５３】
前記返送力を、前記弾性空間のガス量の設定を介して制御するのも同じく好都合である。ガス量は、例えば、ガス密度を介して前記ガス質量に関連させることができる。前記ガス質量は、前記ガス中の粒子数に結び付いている。
【００５４】
ガスを前記弾性空間に送り込み、又は、ガスを前記弾性空間から排出するのが特に好都合である。このことにより、前記弾性空間の前記ガス質量、及び／又は前記ガス量を、技術的に単純なやり方で設定することが可能となる。
【００５５】
特に、好ましくは、少なくとも１つのバルブが作動する。前記少なくとも１つのバルブを作動させることにより、例えば、ガスが前記弾性空間に送り込まれ、又はここから排出されるように、ガス線を開放することが可能である。従って、前記ガス質量、及び／又は、前記ガス量、ならびに、これらの変数に結び付いている前記状態変数、つまり、前記ガス中の粒子数を設定することが可能である。
【００５６】
前記弾性空間の前記圧力が、少なくとも１つの制御部材及び／又はピストンの位置によって、及び／又は、少なくとも１つのバルブの位置によって制御されると、まさに特に好適である。このようにして、前記圧力を、技術的に特に単純なやり方で制御することができる。
【００５７】
上で説明したように、例えば、少なくとも１つの制御部材又はピストンを移動又は変位させることが可能であり、前記移動又は変位は、位置センサによって検出可能である。前記移動中又は変位中、前記弾性空間でガスを変位させることができ、これによって、その圧力も変化させることができる。
【００５８】
言及したように、ガスの前記状態変数は、相互と無関係ではなく、前記ガスの状態の方程式により、相互に結び付いている。例えば、ガスの圧力は、前記ガスの前記質量に比例しており、前記ガスの前記量に反比例している。このことにより、前記ガスの前記質量、及び／又は、前記ガスの前記量を、前記ガス圧力で表現することが可能となる。前記弾性空間に配置されたバルブが作動すると、前記ガスの質量、及び／又は、前記弾性空間の前記ガスの前記量、従って、前記弾性空間の前記圧力も可変となる。
【００５９】
上で記載した前記やり方において、前記弾性空間の圧力は、前記バルブの位置によって、及び／又は、少なくとも１つの制御部材又はピストンの位置によって、技術的に単純なやり方で制御可能である。
【００６０】
前記フリーピストン装置が周期的に作動すると、前記返送力は、好ましくは、１つの作動サイクルよりも大きな時間スケールで制御される。このことにより、このような制御を実行するための技術的出費が低減される。前記返送力は、好ましくは、少なくとも３つの作動サイクルにわたって制御される。
【００６１】
本発明の好適な実施形態の以下の記載は、図面と合わせて、本発明を、より詳細に説明するように働く。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明によるフリーピストン装置の実施形態の、一部を部分的に表示している略図。
【図２】本発明による方法を実施するためのフリーピストン装置の略図。
【図３】図１又は図２によるフリーピストン装置の圧縮空間の圧力−時間の略線図。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
本発明によるフリーピストン装置、特にフリーピストン燃焼装置（この装置を図１に示し、そこでは符号１０で表す）の実施形態は、ピストンチャンバ１２として、シリンダケース１４を備えたシリンダを含む。シリンダケース１４はピストンチャンバ１２の第１端面１８を形成する第１端壁１６を有する。第１端壁１６の向かい側では、ピストンチャンバ１２はピストンチャンバ１２の第２端面２２を形成する第２端壁２０により画定されている。
【００６４】
シリンダケース１４の内部２４には、ピストンアセンブリ２６が直線変位するように位置決めされている。ピストンアセンブリ２６は、少なくともその外部設計に関して、シリンダケース１４の軸２８に関して略回転対称である。ピストンアセンブリ２６の移動の方向は、この軸２８に対して平行、又はこの軸２８と同軸である。
【００６５】
ピストンアセンブリ２６は、第１ピストン面３２を備えた第１ピストン３０を含み、第１ピストン面は第１端面１８を向いている。ピストンアセンブリ２６は第１ピストン３０から離間しており、ピストンチャンバ１２の第２端面２２を向く第２ピストン面３６を有する第２ピストン３４を更に含む。第２ピストン３４は基本的に、第１ピストン３０を支持するように働く。２つのピストン３０、３４は、保持構造体３８により、相互にしっかりと、そして特に堅く結合されている。これによって、ピストンアセンブリ２６により１対のピストンが形成される。
【００６６】
保持構造体３８は、例えばピストン棒４０を含む。
【００６７】
ピストンチャンバ１２の第１端面１８と第１ピストン３０との間に、膨張空間４２を備えた膨張チャンバが形成される。特に、膨張チャンバは燃焼チャンバであり、膨張空間は燃焼空間である。
【００６８】
（原則として、熱伝達媒体、例えば蒸気が、ただしこの熱伝達媒体は膨張空間の外で発生したものであるか、又はそのエネルギーが膨張空間の外で供給されたものであるが、膨張空間で膨張することも可能である。対応するフリーピストン装置の一例が、明確に参照されている独国特許出願公告第１０２  １９  ５４９号に開示されている。）
【００６９】
ピストンアセンブリ２６を線形移動にて駆動するために、膨張空間４２で媒体が膨張可能である。燃焼空間の例において、膨張する媒体とは燃焼ガスである。特に、これらの燃焼ガスは、膨張空間４２における燃焼過程により発生する。
【００７０】
膨張空間４２の大きさは、ピストンアセンブリ２６のピストン行程により決まる。即ち、膨張空間４２の容量及び（内側）表面は、第１ピストン３０の位置により決まる。
【００７１】
特に電気的に制御可能な１つ以上の入口バルブ４４と、特に電気的に制御可能な１つ以上の出口バルブ４６とが、膨張空間４２に関連している。（少なくとも１つの）入口バルブ４４と（少なくとも１つの）出口バルブ４６とは、制御装置４８により制御される。空気の取入れ、及び、特に燃焼生成物の排出は、時間に関して、入口バルブ４４及び出口バルブ４６を介して明確に制御することができる。
【００７２】
例えば、膨張空間４２内につながる吸引線５０が、充填器５２に結合される。吸引線５０は、（少なくとも１つの）入口バルブ４４によって開閉することができる。
【００７３】
排気ガス線５４は、出口バルブ４６を介して充填器５２につながっている。充填器５２自体は、特に取入れ空気用の入口５６と、排気ガス用の出口５８とを有する。
【００７４】
充填器５２は、例えば圧縮波充填器とすることができ、そこでは、膨張空間４２からの排気ガスの流れのエネルギーが使用されて給気（吸い込み空気）が圧縮される。このような圧縮波充填器を用いれば、脈動する排気ガスの圧縮波及び吸引波が新鮮空気を吸い込み、これを圧縮する。この圧縮は、排気ガスと直に接触して行われる。
【００７５】
例えば、ピストンアセンブリ２６の、常に振動する変位移動は、フリーピストン装置１０の作動中に行われる。これによって、排出された排気ガスが常に振動することが達成可能であり、ガス交換は充填器５２を介して制御可能である。圧縮波充填器の利点は、ほんの低エネルギー出費しかないということである。
【００７６】
ピストンアセンブリ２６の振動移動が一定周期であるおかげで、膨張空間４２がその周期に関連するピストンアセンブリ２６の充填器５２のシステム全体は、最適な作動点に合わせて正確に構成することができ、充填器５２はその作動点に合わせて構成することができる。
【００７７】
１実施形態において、膨張空間４２に（少なくとも）１つの圧力センサ６０が配置される。この圧力センサは、好ましくは圧電センサである。例えば、圧力センサ６０は第１壁１６に配置され、第１壁１６は、中に圧力センサ６０が置かれる凹部を有することができる。圧力センサ６０は、第１ピストン３０を向くように整列される。特に、能動センサ表面が、第１ピストン面３２を向いている。
【００７８】
膨張空間４２内の圧力は、圧力センサ６０を介して検出することができる。特に、膨張空間４２内の圧力を、圧力センサ６０により、時間分解されたやり方で測定できることを実現することができる。
【００７９】
更に、膨張空間４２に温度センサ６２を設けることができ、この温度センサ６２を用いて、膨張空間４２内の温度を、好ましくは時間分解されたやり方においても測定することができる。
【００８０】
圧力センサ６０と温度センサ６２とは、信号線を介して制御装置４８に結合することができる。従って、これらのセンサは、その信号を制御装置４８に送信することができる。
【００８１】
膨張空間には、噴射装置６４も配置される。この噴射装置６４を介して、膨張空間４２内に燃料を送り込むことができる。この間、例えば、噴射装置６４は制御装置４８により制御可能である。
【００８２】
膨張空間４２には、点火装置６６も配置される。この点火装置６６を用いて、膨張空間４２内に位置する燃料を点火することができる。点火装置６６も、制御装置により制御することができる。
【００８３】
フリーピストン装置１０は、全体を符号６８で表す電動式直線駆動部を含み、この電動式直線駆動部はアーマチャ７０を含む。アーマチャ７０は、ピストンアセンブリ２６上に配置されている。このアーマチャは、ピストンアセンブリ２６と共に移動する。
【００８４】
更に、電動式直線駆動部６８はピストンチャンバ１２上でシリンダケース１４の外に配置されているステータ装置７２を含む。電気エネルギーを発生させるために、ステータ装置７２を介して電圧を誘起することができ、及び／又は、それに応じてピストンアセンブリ２６に影響を与えることができる。
【００８５】
アーマチャ７０は、例えば、ピストン３０、３４間で保持構造体３８上に交互に配置されている磁石素子７４と磁束伝導素子７６とを含む。
【００８６】
保持構造体３８は、例えばその上に磁石素子７４と磁束伝導素子７６とが置かれている、円筒形担体７８を含む。円筒形担体７８は、ピストン棒４０上で保持されており、そして特に、このピストン棒と一体に結合されている。この結合は、半径方向に延びる離間したバー又は円板８０によって行われる。半径方向というのは、軸２８の方向に対して垂直に在る。バー又は円板８０は、軸方向２８で離間している。これによって、隣接するバー又は円板８０間に、中間的な空間８２が形成される。従って、保持構造体３８は中実の材料製ではないので、中実の材料製の製造品と比較して、ピストンアセンブリ２６の質量が低減する。
【００８７】
磁石素子７４は、特に、円板形であり、軸２８の周りで回転対称に形成された永久磁石素子とすることができる。原則として、磁石素子は、特に軸２８の周りで同心円状に配置された巻線を相応に含む電磁石素子とすることもできる。この場合、これらの電磁石素子にエネルギーを伝達できる、対応する装置を設けなければならない。例えば、このことは、誘導的に、又は集電環によって、行うことができる。
【００８８】
磁束伝導素子７６も円板形であり、高透磁率の材料製である。例えば鉄が使用され、又は、透磁性の粉末複合材料が使用される。
【００８９】
特に永久磁石素子である場合の磁石素子７４、及び磁束伝導素子７６は中央孔を有するように構成されており、ピストンアセンブリ２６を製造する際に、これらの素子は、この中央孔を用いて担体７８に押し上げることができる。
【００９０】
磁石素子７４は、隣接する磁石素子７４の磁束線が磁束伝導素子７６へと集中し、これによってシステムの磁力密度が増加するように構成され、そして特に磁化される。特に、磁石素子７４は、隣接する磁石素子７４の同様の磁極が相互を向くように平行に配置される。
【００９１】
アーマチャ７０の外側表面は、軸２８を含む、シリンダ壁を向く内側の断面が歯形となるように構成されることを実現することもできる。このような歯形構造のおかげで、アーマチャ７０は交互する磁気伝導性を有し、この磁気伝導性を介して、ピストンアセンブリ２６に推進力を発生させることができる。
【００９２】
ステータ装置７２はシリンダケース１４の外に、シリンダケースを包囲するように配置される主要の環状巻線８４を含む。磁化されたアーマチャ７０が相対移動すると、これらの主要の環状巻線８４内で電圧が誘起され、電気エネルギーを外部連結することができる。これによって、電流発生装置が設けられる。この電流発生装置は、フリーピストン誘導の原則（ピストンアセンブリ２６の線形移動可能性）に基づいている。
【００９３】
ピストンアセンブリ２６の行程は、制御装置４８により制御可能である。特に、このような制御は、任意の時点で、ピストンアセンブリ２６の場所が固定されるように実行することができる。従って、必要に応じて、第１ピストン３０のピストン移動の反転点を設定し、同様に、膨張空間４２の大きさを設定できるようにすることができる。従って、直線駆動部６８を相応に制御することにより、負荷状態に依存してピストン行程を設定することができる。更に、圧縮を設定することができ、そしてピストンアセンブリ２６の速度を設定することができる。このことにより、負荷状態に依存して、膨張空間４２を（容量及び表面に関して、ならびに、容量の変化及び表面の変化に関して）最適に設定することが可能となる。これによって、特に、膨張空間４２の容量、及び膨張空間４２のそれぞれの表面を、用途に適合させることができる。
【００９４】
時間及び場所（位置、圧縮、速度）に関してピストン行程を設定することにより、使用される燃料への適合も実行することができる。即ち、例えば、ディーゼル油又は植物油等の燃料が自己発火により使用されるかどうか、又は、燃料としてガソリン、天然ガス、又は水素等の燃料が、点火装置による点火により使用されるかどうかに依存して、ピストン行程及び圧縮を設定することができる。
【００９５】
ステータ装置７２内の電流、及び、任意でアーマチャ７０内の電流を明確に指定することにより、即ち、これらの電流を制御することにより、膨張空間４２のために、ピストンアセンブリ２６のピストン移動の反転点の場所を正確に固定することができるように、ピストンアセンブリ２６の直線変位性に影響を与えることができる。
【００９６】
従って、膨張空間で燃焼を行うべき場合、膨張空間４２用に空気の取入れが大量に必要となる際には、例えば完全な負荷の下に、ピストン行程を相応に大きくしたもことを設定することができるのに対して、取入れ容量を低減して部分的に負荷作動するには、行程を低減したもことを設定することができる。
【００９７】
シリンダケース１４の周りに１つ以上の副次的巻線を配置することを実現することもできる。これらの副次的巻線は、ステータ装置７２の主要の環状巻線８４とは電気的に分離している。例えば、副次的巻線は、主要の環状巻線８４の周りに配置される。即ち、主要の環状巻線を包囲する。これらの副次的巻線は、主要の環状巻線８４と一緒に（特に、主要の環状巻線８４の環状巻線軸の軸方向に伸長して）配置することもできる。
【００９８】
例えば、自動車の１２Ｖ／１４Ｖ又は３６Ｖ／４２Ｖの電気系統に動力を供給するために、このような副次的巻線を介して、更なる電流を外部連結することができる。副次的巻線の巻線数は、相応に適合される。整流した電流を発生できるようにするために、好ましくは、このような副次的巻線の後に整流器が続く。
【００９９】
フリーピストン装置１０（直線駆動部６８付き）の能動部品を冷却するために、ステータ装置７２の周りに、冷却ダクト８６を含む冷却装置８８を配置することを実現することもできる。特に、ピストンアセンブリ２６、ピストンチャンバ１２、及び主要の環状巻線８４は、これらの能動部品のうちの１つである。
【０１００】
例えば、対応する冷却装置８８からの熱を外部連結し、この熱を、車両ヒータ用、又はブロック型火力発電所用の熱的用途において使用することを実現することもできる。
【０１０１】
ピストンアセンブリ２６の第２ピストン３４と、ピストンチャンバ１２の第２端面２２との間には、弾性空間９０の形態の圧縮空間が形成される。弾性空間９０は、第２ピストン面３６と第２端壁２０との間で、シリンダケース１４の総容量を占めるわけではない。弾性空間９０は、第２ピストン面３６と、シリンダケース１４の壁領域９２及び９４に沿った壁と、制御ピストン１００のピストン面９８により形成された壁部９６とにより画定されている。
【０１０２】
ピストン面９８は、弾性空間９０の壁部９６全体を含む。この壁部は、フリーピストン装置１０の制御部材を形成する。この制御部材の作動様式を以下で説明する。
【０１０３】
ピストン面９８は、第２ピストン面３６と、ピストンチャンバ１２の第２端壁２０との間に位置決めされる。このピストン面は、第２端面２２の向かい側にあり、そして特に、第２端壁２０に対して平行に配向されている。このようにして、ピストン面９８は、シリンダケース１４の内側のその整列に関して、端部側面にて弾性空間９０を画定する。
【０１０４】
弾性空間９０は、ピストンチャンバ１２内でピストンアセンブリ２６の第２ピストン３４と制御ピストン１００との間に形成されており、ピストンチャンバ１２の長手方向で、第２ピストン３４の第２ピストン面３６と、制御ピストン１００のピストン面９８とにより画定される。
【０１０５】
弾性空間９０には、圧縮可能な流体、特に、例えば空気等のガスが包含されている。
【０１０６】
弾性空間９０のガスは、ピストンアセンブリ２６の膨張サイクル中、直線駆動部６８により外部連結されなかった機械エネルギーを、少なくとも部分的に「弾性的に」吸収することができる。このことは、ピストンアセンブリ２６によりガスを圧縮することによって行われる。
【０１０７】
逆に言えば、弾性空間９０のガスが膨張し、このようにしてピストンアセンブリ２６を押し戻すことができる。従って、膨張空間４２で燃焼が行われ、膨張する媒体が生成される場合、蓄えられたエネルギーを使用して、燃料−空気の混合気を２サイクル作動で圧縮し、又は、排気ガスを４サイクル作動で放出することができる。
【０１０８】
従って、弾性空間９０のガスはガススプリングを形成するが、このガススプリングは、高可逆性によりピストンアセンブリ２６の機械エネルギーを吸収することができ、膨張によって、ピストンアセンブリ２６にエネルギーを解放することができる。
【０１０９】
弾性空間９０には、圧力センサ１０２が配置される。圧力センサ１０２は、制御ピストン１００のピストン面９８上に配置されている。この目的で、ピストン面９８は、例えば、中に圧力センサ１０２が配置される凹部を有する。
【０１１０】
圧力センサ１０２は、特に、能動センサ表面が、第２ピストン３４の第２ピストン面３６を向いている。
【０１１１】
この実施形態の別形において、圧力センサは、例えば、第２ピストン面３６とピストン面９８との間の壁領域９２又は９４のうちの１つに配置することができる。
【０１１２】
圧力センサ１０２を用いて、弾性空間９０の圧力を測定することができる。特に、圧力は、圧力センサ１０２により、時間分解されたやり方で測定することができる。圧力センサ１０２は、好ましくは圧電センサである。
【０１１３】
更に、弾性空間９０には、温度センサ１０４を配置することができる。この温度センサ１０４は、例えば、圧力センサ１０２と同様に、制御ピストン１００のピストン面９８の凹部内に配置することができる。
【０１１４】
弾性空間９０の温度は、温度センサ１０４によって測定可能である。
【０１１５】
圧力センサ１０２及び温度センサ１０４は、その測定信号を、信号線を介して制御装置４８へ送信することができる。
【０１１６】
制御ピストン１００は、ピストンチャンバ１２内で移動可能に装着されており、特に、中で直線変位するように装着されている。このようにして、ピストン面９８は、制御ピストン１００によってシリンダケース１４内で移動可能であり、そして特に線形に変位可能である。変位の方向は、軸２８に対して平行、又はこれと同軸であり、ピストンアセンブリ２６の変位の方向に対して平行である。
【０１１７】
このことにより、弾性空間９０のガス容量を修正して、ガススプリングの返送力を設定することが可能となる。最小及び最大ガス容量を修正することができ、そして特に、規定されたやり方で設定することができる。ガス容量は、ピストンアセンブリ２６がピストン面９８に関してその上死点OTにあるとき最小となり、ピストンアセンブリ２６がピストン面９８に関してその下死点UTにあるとき最大となる。
【０１１８】
駆動装置１０８は、制御ピストン１００に関連している。この目的で、制御ピストン１００は、駆動装置１０８に保持装置１０６を介して結合されている。保持装置１０６は例えばピストン棒１０９を含み、このピストン棒１０９は、ピストンチャンバ１２の第２端壁２０を通過することができる。保持装置１０６は剛質の構成とすることができ、これによって、制御ピストン１００を、駆動装置１０８によりピストンチャンバ１２内で移動させることができ、そして特に線形に変位させることができる。
【０１１９】
駆動装置１０８は、例えば、制御ピストン１００を移動させるための油圧式システムを含む。空気圧式駆動部、及び／又は電動式駆動部も考えられる。
【０１２０】
制御装置４８は、制御線を介して駆動装置１０８に結合されるので、駆動装置は、制御装置４８により活性化可能であり、そして特に制御可能である。このようにして、制御ピストン１００の位置は、例えば、制御装置４８により指定可能である。
【０１２１】
フリーピストン装置１０は位置センサ１１０を含み、この位置センサ１１０を用いて、保持装置１０６の、ピストンチャンバ１２に対する位置が検出可能である。このようにして、位置センサ１１０により、制御ピストン１００の位置及び移動が、従って、ピストン面９８の位置及び移動も、検出可能である。
【０１２２】
位置センサ１１０は、例えば、シリンダケース１４の第２端壁２０に近接して配置されており、能動センサ表面は、保持装置１０６の方向に整列することができる。位置センサ１１０は、その測定信号を、信号線を介して制御装置４８へ送信することができる。
【０１２３】
例えば、位置センサ１１０は、ピストン面９８上で、能動センサ表面が第２ピストン面３６を向くように配置することも考えられる。この場合、位置センサは、例えば、光学センサとして構成することができる。
【０１２４】
例えば、保持装置１０６に機械的に連結された、機械的に作動する位置センサも考えられる。位置センサ１１０は、駆動装置１０８に一体化することもできる。
【０１２５】
弾性空間９０は、気密なやり方で封鎖される。ピストンアセンブリ２６の第２ピストン３４、及び制御ピストン１００は、この目的で、例えばポリマーシールの形態のシール１１２を含む。これらのシールにより、内部のガスが高圧であっても、弾性空間９０の高い気密性が確実になる。
【０１２６】
１実施形態において、制御ピストン１００上にガス線１１４が配置される。このガス線は、例えば、制御ピストン１００の穴に導くことができる。ガス線１１４は、ピストン面９８上に配置された孔１１６を有する。
【０１２７】
ガス線１１４を、図面には示さないバルブにより、規定されたやり方で開閉できることを実現することができる。その場合、弾性空間９０は、例えば、図面には示さないガス貯蔵ユニットと流体作動結合することができる。
【０１２８】
ガス線１１４は、弾性空間９０用の充填線として構成することができる。このことにより、弾性空間９０のガス量を一定に保つことが可能となる。
【０１２９】
従って、更に、フリーピストン装置１０を組み立てる際、弾性空間９０にガスを初めて充填することが可能である。
【０１３０】
フリーピストン装置の更なる例が、独国特許出願公告第１０２  １９  ５４９号及び欧州特許出願公開第１  ３９８  ８６３号に開示されている。これらの刊行物が明確に参照される。
【０１３１】
本発明によるフリーピストン装置１０は、以下のように作動する。
【０１３２】
膨張空間４２の、そして特に燃焼空間の容量及び表面を特定するために、直線駆動部６８を介して、対応する電流作用により、ピストンアセンブリ２６の特定の反転点（上死点OT及び下死点UT）が設定される。更に、ピストンアセンブリ２６の速度が、全体では圧縮状態が決められる。この設定は、負荷（部分的な負荷、又は完全な負荷）、燃料（ガソリン、天然ガス、水素、ディーゼル油、植物油等）、及び更なる任意の外部パラメータに依存して実行される。
【０１３３】
フリーピストン装置１０を開始するために、電気予熱を実行し、冷却装置８８の冷却水をも予熱することを実現することができる。この予熱は、直線駆動部６８を介して、対応する巻線、例えば主要の環状巻線８４を加熱素子として使用することにより、実行することができる。一方で、フリーピストン装置自体に加熱コイルを設けることもできる。
【０１３４】
ピストン３０及び３４を備えた１対のピストンは、ピストンアセンブリ２６に支持を与える。即ち、ピストン３０、３４は、ピストンチャンバ１２内で、ほぼ傾斜のないやり方で線形に案内することができる。ピストン３０、３４は、膨張空間を弾性空間９０から密封するようにも働く。
【０１３５】
ピストンアセンブリ２６の移動の反転点は、場所及び時間に関して、直線駆動部６８により、正確に特定することができる。従って、部分的な負荷作動中、空気取入れ用の絞りバルブの必要性もなくなる。絞りバルブは、さもなくば絞り損失の原因となる。
【０１３６】
空気の取入れ、及び排気ガスの排出は、膨張空間４２用の入口バルブ４４及び出口バルブ４６により、特定のやり方で制御することができる。これによって、システム全体の効率、及び排気ガスの質を改良することができる。ガス交換（入口バルブ４４及び出口バルブ４６を通る流れ）に関して、時点を介した制御回数及び持続時間を正確に設定することにより、個々の時間クリティカルな処理の間で厳密な適合を行うことができる。ピストンアセンブリ２６の速度も制御可能であることから、膨張処理中にも、排気ガスの発生に影響を与えることができる。
【０１３７】
特に、入口バルブ４４は、吸い込み空気、及び結果として生じるガス流が内側シリンダ壁に沿って案内され、ガス交換用に、最適化された迸出処理が得られるように、配置され構成されている。
【０１３８】
充填器５２を介して空気を吸い込んで圧縮し、排気ガスを排出するのが好ましい。
【０１３９】
圧力センサ６０又は１０２のうちの１つの信号に応じて、制御装置４８により、膨張空間４２での媒体の点火を制御できることを実現することができる。
【０１４０】
特に、バルブ４４、４６、噴射装置６４、及び／又は、点火装置６６を制御し調節することができる。この制御は、膨張空間４２で略化学量論的な燃焼が可能となるように実行することができる。このような制御は、例えば、同一出願人の、明確に参照されているDE 10 2004 062 440 B4に開示されている。
【０１４１】
ピストンアセンブリ２６の移動中、アーマチャ７０とステータ装置７２との間で相対移動する理由で、ステータ装置７２内で電圧が誘起されるので、電気エネルギーが発生する。燃焼の結果としては、化学エネルギーの部分的な変換から生じる機械エネルギーが、一部電気エネルギーに変換される。
【０１４２】
燃焼サイクル中、膨張空間４２で燃焼が行われる際に直線駆動部６８により外部連結されないエネルギーは、弾性空間９０により吸収することができる。本発明によれば、弾性空間９０の特性を、時間に関して変動する場合であっても最適な作動点が得られるように設定することが可能となる。これを以下で詳細に説明する。
【０１４３】
ステータ装置７２は、冷却装置８８により冷却される。冷却装置８８は、ピストンチャンバ１２の更なる部品、及び、例えばピストンアセンブリ２６の更なる部品を冷却することもできる。
【０１４４】
ピストン３０、３４は、例えば、単純な跳ね掛け潤滑により潤滑することができるので、油ポンプが不要となる。その場合、ピストン３０、３４は油浴へ移動し、油浴は移動により旋回するので、潤滑油を適切に準備することが確実になる。
【０１４５】
ピストン３０、３４は、シリンダケース１４を向く最小寸法の面を備えて製造することができる。即ち、第１ピストン３０及び第２ピストン３４を備えた１対のピストンにより、相互の支持効果が確実になるので、ピストンスカートは短い構成とすることができる。これによって、ピストンアセンブリ２６の移動中の摩擦損失を最小にすることができる。
【０１４６】
その場合、ピストン３０、３４を、セラミック材料等の非金属材料、又はグラファイト、又は例えばガラス繊維強化炭素材料から製造することも可能である。このようなピストンは、潤滑なしで済ませることができる。
【０１４７】
アーマチャ７０は、磁石素子７４と磁束伝導素子７６とが交互に配置されているおかげで、システムの磁力密度を高くすることが達成可能である。特に、アーマチャ７０内、及びステータ装置７２内の磁極ピッチが異なる際に、高い磁力密度が達成可能である。
【０１４８】
上述のように、弾性空間９０のガスは、ピストンアセンブリ２６により圧縮することによって、ピストンアセンブリ２６から機械エネルギーを吸収することができる。この場合、ピストンアセンブリ２６の第２ピストン３４は、弾性空間９０のガスに力を及ぼし、この力によって、ガスはピストンアセンブリ２６により圧縮可能となる。
【０１４９】
逆に言えば、弾性空間９０のガスは、膨張してピストンアセンブリ２６をピストンチャンバ１２の端面１８の方向に駆動することにより、ピストンアセンブリ２６にエネルギーを解放することができる。この場合も、ガスとピストンアセンブリ２６の第２ピストン３４との間で力が作用する。
【０１５０】
その場合、そのガス圧力ｐの結果として、弾性空間９０のガスは、常にピストンアセンブリ２６に返送力Ｆを及ぼし、この返送力は、ピストンアセンブリ２６により、圧縮とは反対に作用する。
【０１５１】
ガスにより及ぼされる返送力Ｆは、例えば、ガスの圧力ｐに比例する。比例定数は、返送力Ｆが作用する面積Ａである。従って、返送力Ｆは積ｐ・Ａで表すことができる。返送力Ｆとガス圧力ｐとの間にこの関係があるので、ガスにより第２ピストン３４に及ぼされる返送力Ｆを、ガス圧力ｐで表現することができる。その場合、ガス圧力ｐは、弾性空間９０の内圧に一致している。
【０１５２】
上述のように、フリーピストン装置１０は、ピストン面９８により形成される制御部材を含み、この制御部材により返送力Ｆが制御可能となる。ピストン面９８は、弾性空間を画定する壁部９６を形成する。
【０１５３】
上で述べたことによれば、弾性空間９０のガス圧力ｐが制御可能であることにより、例えば、返送力Ｆが制御可能である。
【０１５４】
制御ピストン１００を、従って特にピストン面９８を、ピストンチャンバ１２内で移動及び／又は位置決めすることによって、ガス容量を設定することにより、そして特に、最小及び最大ガス容量を設定することにより、ガス圧力ｐを変化させることができる。
【０１５５】
ガス圧力ｐは、圧力センサ１０２により測定し、制御装置４８と連絡することができる。例えば、フリーピストン装置１０の作動中のピストンアセンブリ２６の振動数は、50Hzオーダーである。圧力センサ１０２として圧電センサを使用すると、ガス圧力ｐを、時間分解されたやり方で充分正確に測定するために必要な応答時間を達成することもできる。
【０１５６】
制御ピストン１００、及びピストン面９８により形成される制御部材は、駆動装置１０８により、移動、そして特に変位させることができる。このようにして、弾性空間９０のガス圧力ｐは修正可能である。
【０１５７】
ガス圧力ｐに依存して、制御装置４８が、駆動装置１０８に制御信号を与えることを実現することができる。その場合、駆動装置１０８は、与えられた信号に依存して、制御ピストン１００を移動させることができる。このようにして、制御ピストンの移動が制御可能であり、従って、弾性空間９０のガス圧力ｐが制御可能である。
【０１５８】
保持装置１０６の位置は、そしてこのように、ピストン面９８の、ピストンチャンバ１２に対する位置及び／又は移動は、位置センサ１１０により検出することができる。位置センサ１１０の測定信号は、制御装置４８と連絡することができる。このことは、制御ピストン１００の位置及び／又は移動に依存してガス圧力ｐが調節される制御ループを構成する可能性を提供する。
【０１５９】
弾性空間９０のガスのガス圧力ｐが制御可能であるので、ガスによりピストンアセンブリ２６に及ぼされる返送力Ｆも必然的に制御可能である。
【０１６０】
特に、本発明によるフリーピストン装置１０により、フリーピストン装置１０が作動している間、返送力Ｆの制御を実行することが可能である。
【０１６１】
図３に、弾性空間９０のガス圧力ｐの圧力−時間の略線図を示す。弾性空間９０のガス圧力ｐは、曲線１１８で概略的に表されている。ガス圧力ｐは、期間Ｔに関して、ピストンアセンブリ２６の振動移動に応じて、最大圧力ｐmaxと最小圧力ｐminとの間で振動する。最大圧力ｐmaxには、ピストンアセンブリ２６の、ピストン面９８に対する上死点OTで達し、最小圧力ｐminには、ピストンアセンブリ２６の、ピストン面９８に対する下死点UTで達する。
【０１６２】
例えば、制御ピストン及びピストン面９８を、時間帯ＺＦ内でのみ変位させることが可能である。この時間帯は、時間的に、下死点UTの領域内に位置する。この場合、ピストンアセンブリ２６はピストン面９８から最も遠く、制御ピストン１００は最小の力の出費で移動可能である。
【０１６３】
弾性空間９０のガスによりピストンアセンブリ２６に及ぼされる返送力Ｆを制御することにより、ピストンアセンブリ２６の移動を調節することができる。このことにより、フリーピストン装置１０の最適な作動点を設定することが可能となる。この最適な作動点では、例えば、燃料要件及び／又は汚染物質の排出を最小にすることができる。
【０１６４】
好都合なことに、ピストンアセンブリ２６の振動移動の幾つかの期間、好ましくは、少なくとも３つの期間Ｔにわたって、ガス圧力ｐの調節が実行される。このことにより、フリーピストン装置１０の部品により満たされるべき技術的要件が低減する。
【０１６５】
この実施形態の別形において、弾性空間９０を画定する壁を、壁全体ではなく移動させることを実現することができる。例えば、弾性空間９０を画定する壁の、特定の壁部のみを移動させて弾性空間９０のガスを変位させることが考えられる。
【０１６６】
フリーピストン装置１０を用いて、本発明による方法を実施することが可能である。この方法では、フリーピストン装置１０が作動している間、返送力Ｆが制御され、弾性空間９０のガスの少なくとも１つの状態変数の目標値が指定可能であり、少なくとも１つの状態変数の実際値が検出され、この実際値は、目標値から逸脱している場合、少なくとも目標値に近似するように調節される。
【０１６７】
この方法の実施は、上のフリーピストン装置１０の作動様式の記載において既に説明した。
【０１６８】
フリーピストン装置１０の特定の作動点が達成可能となるようにその目標値を指定することのできる、弾性空間９０のガス圧力ｐは、ガスの状態変数として使用される。ガス圧力ｐの実際値が目標値から逸脱している場合、制御装置４８は駆動装置１０８を活性化することができ、これによって、上で説明したように、弾性空間９０のガス圧力ｐが制御可能となる。
【０１６９】
ガス圧力ｐの目標値は、例えば、作動中の平均圧力、又は、フリーピストン装置１０の一定作動時点での圧力、例えば、上死点OTでの圧力ｐmax、又は、下死点UTでの圧力ｐmin（図３）として規定することができる。
【０１７０】
図２に、本発明による方法を実施するための更なるフリーピストン装置を、全体として参照符号１５０で表す。原則として、実施形態１０におけるのと同様の部品は同様の参照符号で表す。
【０１７１】
フリーピストン装置１５０において、ピストンアセンブリ２６は、ピストンチャンバ１５２内で変位可能に配置されている。ピストンチャンバ１５２は、シリンダケース１５４により形成される。シリンダケース１５４は、ピストンチャンバ１５２の第１端面１５８を形成する第１端壁１５６を有する。第１端壁１５６の向かい側には、ピストンチャンバ１５２の第２端面１６２を形成する第２端壁１６０がある。
【０１７２】
ピストンアセンブリ２６は、シリンダケース１５４の内部１６４に位置決めされる。
【０１７３】
ピストン３４のピストン面３６と、端壁１６０との間に、弾性空間１６６の形態の圧縮空間が形成される。弾性空間１６６内には、圧縮可能な流体、特に例えば空気等のガスが包含されている。
【０１７４】
ガスは、ピストンアセンブリ２６の移動により圧縮され、これによって、膨張サイクル中、直線駆動部６８により外部連結されなかったエネルギーを、少なくとも部分的に「弾性的に」吸収することができる。弾性空間１６６内のガスは、対応するやり方で、例えば、膨張して、ピストンアセンブリ２６を端壁１５６の方向に駆動することにより、エネルギーを解放することができる。
【０１７５】
圧力センサ１０２は、弾性空間１６６に配置される。例えば、この圧力センサは、第２端壁１６０に配置される。この目的で、第２端壁１６０は、中に圧力センサ１０２が配置される凹部を有することができる。特に、能動センサ表面は、ピストン３４のピストン面３６を向くことができる。
【０１７６】
弾性空間１６６内の圧力は測定可能であり、そして特に、圧力センサ１０２により、時間分解されたやり方で測定可能である。
【０１７７】
弾性空間１６６に温度センサ１０４が配置されることを更に実現することができる。弾性空間１６６内の温度は、温度センサ１０４により検出可能である。
【０１７８】
第２端壁１６０は少なくとも１つの孔を有し、この孔に少なくとも１つのバルブが配置される。特に、端壁１６０は、この端壁に入口バルブ１７０を関連付けている第１孔１６８と、この端壁に出口バルブ１７４を関連付けている第２孔１７２とを有する。
【０１７９】
弾性空間１６６の第１孔１６８は、入口バルブ１７０により開閉することができ、弾性空間１６６の第２孔１７２は、対応するやり方で、出口バルブ１７４により開閉することができる。
【０１８０】
入口バルブ１７０及び出口バルブ１７４は、時間に関して規定されたやり方で、制御装置４８により制御することができる。
【０１８１】
入口バルブ１７０及び出口バルブ１７４は、磁気的に、及び／又は、電気的に、及び／又は、機械的に、作動可能である。特に、これらのバルブは、切換時間の短い、好ましくは切換時間が数ミリ秒までのバルブとすることができる。切換時間が数ミリ秒であるバルブは、例えば、「Lotus Engineering」社により製造されている。
【０１８２】
ガス線、特にフィードライン１７６は、入口バルブ１７０を介して、ガス容器、例えばガス貯蔵ユニット１７８につながっている。従って、入口バルブ１７０が開放しているとき、フィードライン１７６を通して弾性空間１６６とガス貯蔵ユニット１７８との間を流体作動結合することができる。
【０１８３】
フィードライン１７６内に、体積流量センサ１８０の形態のガス量センサが配置される。体積流量センサ１８０を用いて、フィードライン１７６を流通するガス量を検出することが可能である。体積流量センサ１８０は、その測定信号を、信号線を介して制御装置４８に連絡することができる。
【０１８４】
ガス貯蔵ユニット１７８内のガス圧力が弾性空間１６６内のガス圧力ｐよりも大きいことを実現することができる。このようにして、入口バルブ１７０の孔により、特定のガス量を、ガス貯蔵ユニット１７８からフィードライン１７６を通して弾性空間１６６へと流すことができる。このガス流は、弾性空間１６６内のガス圧力ｐとガス貯蔵ユニット１７８内の圧力との間の圧力勾配から生じる。この量は、体積流量センサ１８０により検出し、制御装置４８に連絡することができる。
【０１８５】
ガス線、特に排出線１８２は、弾性空間１６６から出口バルブ１７４を介して、ガス容器、例えばガス貯蔵ユニット１８４につながっている。従って、出口バルブ１７４が開放しているとき、排出線１８２を通して弾性空間１６６とガス貯蔵ユニット１８４との間を流体作動結合することができる。
【０１８６】
体積流量センサ１８６を排出線１８２内に配置することを実現することができ、この体積流量センサ１８６は排出線１８２を流通するガス量を検出できるものである。特に、体積流量センサ１８６は、その測定信号を、信号線を介して制御装置４８に連絡することができる。
【０１８７】
ガス貯蔵ユニット１８４内のガス圧力が、弾性空間１６６内の圧力よりも低いことが可能である。出口バルブ１７４を開放すると、圧力勾配の理由で、特定のガス量が、弾性空間１６６から排出線１８２を通ってガス貯蔵ユニット１８４へ流れる。ガス量は、体積流量センサ１８６により検出し、制御装置４８に連絡することができる。
【０１８８】
従って、入口バルブ１７０又は出口バルブ１７４を開放することにより、弾性空間１６６からガスを排出し、又は、弾性空間１６６にガスを送ることが可能である。このことにより、ガス質量及び／又はガス量を増減することによって、弾性空間１６６内のガス質量及び／又はガス量を設定することが可能となる。
【０１８９】
例えば、弾性空間１６６内のガス質量及びガス量が増加するように、弾性空間１６６に、より多くのガスを送り込むことができる。逆に言えば、弾性空間１６６内のガス質量及びガス量が減少するように、弾性空間１６６からガスを排出することができる。
【０１９０】
フリーピストン装置１５０の別形は、弾性空間１６６に配置された１つのみのバルブを含み、このバルブを開放した後、ガスを弾性空間１６６に送り込むか、又はそこからガスを排出することができる。
【０１９１】
本発明による方法は、フリーピストン装置１５０を用いて、以下のように実行することができる。
【０１９２】
上で説明したように、弾性空間１６６内のガスによりピストンアセンブリ２６に及ぼされる返送力Ｆは、弾性空間１６６内のガス圧力ｐに比例する。返送力Ｆは、この関係を介してガス圧力ｐを用いて表現することができる。
【０１９３】
特に、弾性空間１６６内のガス圧力ｐを制御することにより、ガスによりピストンアセンブリ２６に及ぼされる返送力を制御することが可能である。
【０１９４】
弾性空間１６６内の圧力ｐは、ガスの状態変数である。その目標値は指定可能であり、例えば、フリーピストン装置１５０の、所望する作動点により特定することができる。目標値は平均値とすることができるが、目標値を、フリーピストン装置１５０の作動中の一定時点にて規定される圧力とすることも可能である。
【０１９５】
圧力の実際値は、圧力センサ１０２により測定可能である。本発明による方法は、実際値が、少なくとも目標値に近似するように調節されることを実現する。
【０１９６】
理想気体の状態の方程式によれば、ガス圧力ｐは、ガスのガス質量ｍに比例する。このことにより、弾性空間１６６内のガス質量によって、弾性空間１６６内のガス圧力ｐを（例えばピストンアセンブリ２６の一定の位置に関して）設定することが可能となる。
【０１９７】
例えば、ガス貯蔵ユニット１７８からフィードライン１７６を通り弾性空間１６６へとガスが流れるように入口バルブ１７０を開放することにより、弾性空間１６６内のガス質量ｍを増加することができる。結果として、弾性空間１６６内のガス圧力は増加する。
【０１９８】
弾性空間１６６内のガス質量ｍは、出口バルブ１７４を開放することにより低減することができる。ガスは、弾性空間１６６から排出線１８２を通してガス貯蔵ユニット１８４へと流れる。結果として、弾性空間１６６内のガス圧力ｐは減少する。
【０１９９】
弾性空間１６６内のガス質量ｍを増加及び／又は減少させるために、入口バルブ１７０及び／又は出口バルブ１７４を、規定されたやり方で、制御装置４８により開放及び／又は閉鎖することができることを実現することができる。
【０２００】
ガス圧力ｐは、圧力センサ１０２により、時間分解されたやり方で測定可能であり、測定信号は、制御装置４８に連絡することができる。制御装置４８は、圧力センサ１０２の測定信号に依存して、入口バルブ１７０及び／又は出口バルブ１７４を開放及び／又は閉鎖することができる。このようにして、弾性空間１６６内のガス圧力ｐの実際値が少なくとも目標値に近似するように調節されるまで、弾性空間１６６内のガス質量を増減させることができる。
【０２０１】
このようにして、ガス圧力ｐを、入口バルブ１７０及び／又は出口バルブ１７４の位置によって、制御装置４８を介して制御することが可能である。
【０２０２】
入口バルブ１７０又は出口バルブ１７４を開放すると、ガス質量ｍが弾性空間１６６に供給されるべきであるか、又は、ここから排出されるべきであるかを、制御装置４８が評価することを実現することもできる。
【０２０３】
ガス質量ｍは例えばガス量に比例し、比例定数はガス密度である。供給されるガス量、又は排出されるガス量は、体積流量センサ１８０及び１８６それぞれにより検出し、対応する測定値を制御装置４８に連絡することができる。その場合、この制御装置は、対応するガス質量を計算することができる。
【０２０４】
これによって、弾性空間１６６内のガス圧力ｐと、ガスによりピストンアセンブリ２６に、そして特に第２ピストン３４に及ぼされる返送力Ｆとの間の関係のおかげで、返送力Ｆも制御される。返送力の制御は、フリーピストン装置１５０が作動している間に行われる。
【０２０５】
特に、設定及び／又は制御が、特定の時点でのみ、例えば時間帯ＺＦでのみ行われ、この時間帯ＺＦは、時間的に考慮すると、ピストンアセンブリ２６の、第２端壁１６０に対する下死点UTの周りに位置している（図３）ことを実現することができる。この場合、弾性空間１６６内のガス圧力ｐは、その最小ガス圧力ｐminに近接している。このことにより、特定のガス量を弾性空間１６６に送るのが、又は、そこから特定のガス量を排出するのが、より簡単になる。
【０２０６】
弾性空間１６６内のガスによりピストンアセンブリ２６に及ぼされる、そして特に第２ピストン３４に及ぼされる返送力Ｆを制御することによって、ピストンアセンブリ２６の移動の状態を、規定されたやり方で変化させることが可能である。このことにより、フリーピストン装置１５０の適合を改良し、そして特に、フリーピストン装置１５０の最適な作動点を設定することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2009541635.tif 000008
2009541635.tif 000009
2009541635.tif 000010
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