(57)【要約】本開示の種々の実施形態は、自由ピストン燃焼機関を対象とする。本明細書に説明されるように、方法およびシステムが、自由ピストンアセンブリを変位させ、伝播経路にわたって位置・力軌道を繰り返し判定し、少なくとも部分的に位置・力軌道に基づいて、自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることによって、所望の機関性能を達成するために提供される。二重ピストンアセンブリ自由ピストン機関では、２つのピストンアセンブリの同期化が提供される。
2019513201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関内の自由ピストンアセンブリの変位を制御するためにプログラムされたコンピュータシステムによって実施される方法であって、前記方法は、
ａ）前記自由ピストンアセンブリの現在の位置を判定することと、
ｂ）前記自由ピストンアセンブリの前記現在の位置および前記所望の機関性能に基づいて、以前に判定された位置・力軌道に関係なく、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することと、
ｃ）前記位置・力軌道に基づいて、前記自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることと、
ｄ）前記プログラムされたコンピュータシステムが停止することを判定するまで、ａ）からｃ）を繰り返すことと
を含む、方法。
【請求項２】
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストンアセンブリの速度を計算することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記自由ピストンアセンブリの前記速度に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストン機関の一区画の中で１つまたはそれを上回る圧力測定を実施することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記１つまたはそれを上回る圧力測定に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストン機関の１つまたはそれを上回る個別の区画の中で１つまたはそれを上回る圧力推定値を判定することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記１つまたはそれを上回る圧力推定値に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記位置・力軌道を判定することは、閉形式解を使用して、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記位置・力軌道を判定することは、前記所望の機関性能のタイミングに関係なく、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記所望の機関性能に基づいて、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することは、前記自由ピストンアセンブリが規定速度で所望の標的位置に到達するように、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記規定速度は、ゼロである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記自由ピストンアセンブリは、第１の自由ピストンアセンブリであり、前記位置・力軌道は、第１の位置・力軌道であり、前記自由ピストン機関は、前記第１の自由ピストンアセンブリに対向する第２の自由ピストンアセンブリを備え、要素ａ）はさらに、前記第２の自由ピストンアセンブリの現在の位置を判定することを含み、要素ｂ）はさらに、前記第２の自由ピストンアセンブリの前記現在の位置および前記所望の機関性能に基づいて、以前に判定された第２の位置・力軌道に関係なく、前記第２の自由ピストンアセンブリを変位させるための第２の位置・力軌道を判定することを含み、要素ｃ）はさらに、前記第２の位置・力軌道に基づいて、前記第２の自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
要素ｂ）はさらに、同期化力を計算することを含み、前記同期化力は、それぞれ、前記第１の自由ピストンアセンブリに対するもの、および、前記第２の自由ピストンアセンブリに対するものであり、要素ｃ）はさらに、個別の同期化力に基づいて、前記第１の自由ピストンアセンブリおよび前記第２の自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記プログラムされたコンピュータシステムは、条件が十分に定常であることを検出することに基づいて、ステップｄ）において停止することを判定し、前記方法はさらに、ｅ）前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための反復適応制御技法に切り替えることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関内の自由ピストンアセンブリの変位を制御するためにプログラムされたコンピュータシステムによって実施される方法であって、前記方法は、
前記所望の機関性能に基づいて、以前に判定された軌道からの逸脱に関係なく、かつ前記所望の機関性能のタイミングに関係なく、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することと、
反復毎に、個別の１つまたはそれを上回る力値に基づいて、前記自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることと
を含む、方法。
【請求項１３】
前記１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することは、反復毎に、
個別の反復時の前記自由ピストン機関の状態を示す、１つまたはそれを上回る測定値を測定することと、
個別の１つまたはそれを上回る測定値および前記所望の機関性能に基づいて、前記１つまたはそれを上回る力値を判定することと
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記１つまたはそれを上回る測定値は、自由ピストンアセンブリ位置、自由ピストンアセンブリ速度、自由ピストンアセンブリ加速度、燃焼区画ガス圧力、ガススプリングガス圧力、駆動区画力、ピストンアセンブリ圧縮力、ピストンアセンブリ軸方向偏向、空気流、燃料流、排気酸素濃度、およびそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つを備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することは、反復毎に、
個別の反復時の前記自由ピストン機関の状態を示す、１つまたはそれを上回る推定値を推定することと、
個別の１つまたはそれを上回る推定値および前記所望の機関性能に基づいて、前記１つまたはそれを上回る力値を判定することと
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することは、閉形式解を使用することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記自由ピストンアセンブリは、第１の自由ピストンアセンブリであり、前記自由ピストン機関は、前記第１の自由ピストンアセンブリに対向する第２の自由ピストンアセンブリを備え、前記方法はさらに、前記第１の自由ピストンアセンブリの移動を前記第２の自由ピストンアセンブリの移動と同期させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
条件が十分に定常であることを検出することと、
前記条件が十分に定常であることを検出することに基づいて、前記１つまたはそれを上回る力値を判定することを停止することを判定することと、
前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための反復適応制御技法に切り替えることと
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関内の自由ピストンアセンブリの変位を制御するためにプログラムされたコンピュータシステムによって実施される方法であって、前記方法は、
ａ）前記自由ピストンアセンブリの現在の位置を判定することと、
ｂ）前記自由ピストンアセンブリの前記現在の位置、前記所望の機関性能、および以前に判定された位置・力軌道からの力値に基づいて、以前に判定された軌道からの逸脱に関係なく、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することと、
ｃ）前記位置・力軌道に基づいて、前記自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることと、
ｄ）前記プログラムされたコンピュータシステムが停止することを判定するまで、ａ）からｃ）を繰り返すことと
を含む、方法。
【請求項２０】
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストンアセンブリの速度を計算することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記自由ピストンアセンブリの前記速度に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストン機関の１つまたはそれを上回る個別の区画の中で１つまたはそれを上回る圧力推定値を判定することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記１つまたはそれを上回る圧力推定値に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記位置・力軌道を判定することは、閉形式解を使用して、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記位置・力軌道を判定することは、前記所望の機関性能のタイミングに関係なく、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記所望の機関性能に基づいて、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することは、前記自由ピストンアセンブリが規定速度で所望の標的位置に到達するように、前記位置・力軌道を判定することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することは、平滑化技法を使用することを含み、前記力値は、直前の判定された位置・力軌道からの力値を備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記自由ピストンアセンブリは、第１の自由ピストンアセンブリであり、前記位置・力軌道は、第１の位置・力軌道であり、前記自由ピストン機関は、前記第１の自由ピストンアセンブリに対向する第２の自由ピストンアセンブリを備え、要素ａ）はさらに、前記第２の自由ピストンアセンブリの現在の位置を判定することを含み、要素ｂ）はさらに、前記第２の自由ピストンアセンブリの前記現在の位置、前記所望の機関性能、以前に判定された第２の位置・力軌道からの力値に基づいて、前記第２の自由ピストンアセンブリを変位させるための第２の位置・力軌道を判定することを含み、要素ｃ）はさらに、前記第２の位置・力軌道に基づいて、前記第２の自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
要素ｂ）はさらに、同期化力を計算することを含み、前記同期化力は、それぞれ、前記第１の自由ピストンアセンブリに対するもの、および、前記第２の自由ピストンアセンブリに対するものであり、要素ｃ）はさらに、個別の同期化力に基づいて、前記第１の自由ピストンアセンブリおよび前記第２の自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記プログラムされたコンピュータシステムは、条件が十分に定常であることを検出することに基づいて、ステップｄ）において停止することを判定し、前記方法はさらに、ｅ）前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための反復適応制御技法に切り替えることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関内の自由ピストンアセンブリの変位を制御するためにプログラムされたコンピュータシステムによって実施される方法であって、前記方法は、
前記所望の機関性能に基づいて、以前に判定された軌道からの逸脱に関係なく、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することと、
反復毎に、個別の１つまたはそれを上回る力値に基づいて、前記自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることと、
前記１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定している間に、条件が十分に定常であることを検出することと、
前記条件が十分に定常であるときに、前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための反復適応制御技法に切り替えることと
を含む、方法。
【請求項３０】
前記反復適応制御技法を使用して、前記自由ピストンアセンブリの変位を制御している間に、条件が十分に定常ではないことを検出することと、
前記条件が十分に定常ではないときに、前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための位置・力軌道制御技法に切り替えることと
をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、自由ピストン燃焼機関に関し、より具体的には、本開示は、自由ピストン燃焼機関内のピストン軌道の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
いくつかの自由ピストン機関は、ピストンの所望の位置対時間軌道がピストンの初期位置に基づいて判定される、ピストンの位置対時間制御に依拠する。システムがピストンを移動させると、制御方略は、ピストンが所望の位置対時間軌道から逸脱している程度を測定し、ピストンを所望の位置対時間軌道により近づけるために、任意の逸脱を補償しようとする。いくつかの自由ピストン機関は、ピストンが他の好適な軌道（例えば、位置対速度）から逸脱している程度を測定し、ピストンを所望の軌道により近づけるために、任意の逸脱を補償しようとする、制御方略に依拠する。
【０００３】
これらのアプローチは、典型的には、以前に判定された軌道に基づいてピストンの移動を制御するための開形式解に依拠し、多くの場合、ピストンの移動に影響を及ぼすであろう、機関の中の変化する条件を考慮しない。例えば、所望の軌道が判定された後、機関の中の条件は、所望の軌道がもはや適用可能ではなくなるように、変化し得る。しかしながら、ピストンの移動は、依然として、元の所望の軌道およびそこからの逸脱に基づくであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の種々の実施形態は、自由ピストン線形燃焼機関を制御するステップを対象とする。少なくとも一実施形態では、機関は、（ｉ）燃焼区画を備える、シリンダと、（ｉｉ）燃焼区画と接触する、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、（ｉｉｉ）機関の膨張ストローク中にエネルギーを貯蔵する、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと接触する、少なくとも１つの駆動区画と、（ｉｖ）少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間を直接変換する、少なくとも１つの線形電磁機械（ＬＥＭ）とを備える。しかしながら、さらなる実施形態が、上記に識別される特徴および物理的特性の種々の組み合わせを含み得ることに留意されたい。
【０００５】
本開示は、自由ピストン機関の中のピストンアセンブリのうちの１つまたはそれを上回るもののための軌道の判定および実装のための制御技法に関連する。本明細書で使用されるように、用語「軌道」は、例えば、位置・力軌道（一連の位置・力対）、時間・位置軌道（一連の時間・位置対）、または位置・速度軌道（一連の位置・速度対）等の自由ピストン機関の中のピストンアセンブリの運動を表す一連のデータ対を指す。位置・力軌道は、ピストンアセンブリの１つまたはそれを上回る規定位置におけるピストンアセンブリに作用する力を定義し、時間・位置軌道は、１つまたはそれを上回る規定時間瞬間におけるピストンアセンブリの位置を定義し、位置・速度軌道は、ピストンアセンブリの１つまたはそれを上回る規定位置におけるピストンアセンブリの速度を定義する。軌道のデータ対の中の要素のうちの少なくとも１つは、縦座標である他のデータ要素との関数関係において横座標と見なされ得る。（例えば、共有燃焼区間を伴う対向するピストンとして配列される）１つの機関の中の複数の自由ピストンアセンブリの場合、軌道は、個別のピストンアセンブリ毎にデータ対を含んでもよい。軌道は、概して、一連のデータ対であるものとして表されるが、軌道は、ある条件下では、単一のデータ対（例えば、位置・力軌道の場合、単一の位置・力対）のみを含むことが、理解されるであろう。
【０００６】
本開示によると、自由ピストン機関の処理サブシステムは、少なくとも、１つまたはそれを上回る自由ピストンアセンブリの現在の位置および所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関の中の１つまたはそれを上回るピストンアセンブリのための位置・力軌道を算出する。自由ピストン機関の制御に関して本明細書で使用されるように、用語「所望の機関性能」は、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリが、所望の個別の位置で頂点に達する、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリが、個別の規定速度もしくは加速度で所望の個別の標的位置に到達する、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリが、任意の他の好適なパラメータもしくは条件を伴って所望の個別の標的位置に到達する、またはそれらの任意の組み合わせであるように、機関を動作させることを指す。処理サブシステムは、個別の頂点の間のそれらの個別の伝播経路に沿ったそれらの位置の関数として、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリ上で生じさせられる位置・力軌道に基づいて、特定の力値を判定する。本開示は、ピストンアセンブリ上で生じさせられる力値を判定するという状況で説明されるが、任意の他の好適なパラメータ値は、ピストンアセンブリの移動を生じさせるために計算され得ることが理解されるであろう。例えば、任意の好適なガス圧力値が、例えば、外部圧縮ガス源によって供給されるガス圧力、またはガススプリングの側面を調節することによってガス圧力を生じさせること等に関して、ピストンアセンブリの移動を生じさせるために使用されることができる。本明細書で使用されるように、用語「伝播経路」は、それに沿ってピストンアセンブリが横断する、位置経路を指す。例えば、処理サブシステムは、最初に、少なくとも、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置および所望の機関性能に基づいて、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリのための位置・力軌道を計算し、次いで、続いて、計算された位置・力軌道に基づいて、所望の機関性能を達成するために規定時間もしくは位置間隔にわたって１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに適用する力値を判定してもよい。力値は、例えば、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに電磁力を及ぼすことによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに適用されてもよい。いくつかの実施形態では、処理サブシステムは、自由ピストン機関の動作状態に基づいて、位置・力軌道を計算する。自由ピストン機関の動作状態は、機関の状態（すなわち、その動的システム状態）の計算、測定、または推定値もしくはインジケータ、および機関の動作特性、性能、パラメータ、ならびに環境の任意の他の好適な計算、測定、または推定値もしくはインジケータを指す。例えば、１つまたはそれを上回るセンサが、自由ピストン機関の個別の区画もしくは構成要素における圧力、温度、力、速度、加速度、位置、任意の他の好適なパラメータもしくは条件、またはそれらの任意の組み合わせを測定するために使用され得る。本センサ情報は、位置・力軌道を算出し、所望の機関性能を達成するように、処理サブシステムによって処理されることができる。
【０００７】
１つの好適なアプローチでは、処理サブシステムは、（例えば、特定の事象に応答して、特定の閾値交差、任意の他の好適なトリガ時に、またはそれらの任意の組み合わせにおいて）特定のトリガがアクティブ化されるときに、ピストンアセンブリのための位置・力軌道を計算する。別の好適なアプローチでは、処理サブシステムは、繰り返し機関ストロークまたはサイクルの全体を通して、位置・力軌道を計算する。例えば、計算は、特定の時間間隔（例えば、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ等）で、または特定の離散位置間隔（例えば、１ミリメートル毎、１ミクロン毎等）で実施されてもよい。別の好適なアプローチでは、自由ピストン機関の動作状態が変化すると、処理サブシステムは、新しい位置・力軌道を計算してもよい。
【０００８】
各位置・力軌道の計算は、以前に計算された軌道（位置・力軌道、時間・位置軌道、または任意の他の好適な軌道）からの逸脱に関係なく行われる。位置・力軌道計算は、例えば、ルックアップテーブル、曲線適合、または両方の使用を含む、例えば、１つまたはそれを上回る計算、１つまたはそれを上回る規定、もしくはそれらの任意の組み合わせを使用して、判定されることが理解されるであろう。本側面は、自由ピストン機関の動作状態の変化および変更（高速または低速、意図的または非意図的）が、各新しい位置・力軌道計算で考慮されることを可能にし、それによって、自由ピストン機関の動作状態の障害を除外することが可能である、自由ピストン機関のための制御技法を提供する。各位置・力軌道の計算はまた、所望の機関性能のタイミングに関係なく算出されてもよい。すなわち、各位置・力軌道は、時間成分を伴わずに定義され、所望の機関性能が生じる時間（例えば、ピストンアセンブリが頂点に達する、または別様に標的位置に到達する時間）を規定することなく計算される。ある事例では、機関ガス性質、条件、およびパラメータについての好適な仮定を用いて、位置・力軌道の計算は、閉形式解に依拠し得る。他の事例では、位置・力軌道の計算は、（例えば、解を計算するために解法を使用する）数値的反復解に依拠し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、１つまたはそれを上回る種々の実施形態に従って、以下の図を参照して詳細に説明される。図面は、例証の目的のためだけに提供され、典型的または例示的実施形態を描写するにすぎない。これらの図面は、本明細書に開示される概念の理解を促進するために提供され、これらの概念の範疇、範囲、または適用可能性の限定として見なされないものとする。例証の明確化および容易さのために、これらの図面は、必ずしも縮尺通りに作製されていないことに留意されたい。
【００１０】
【図１】図１は、３つの例証的自由ピストン燃焼機関構成の図である。
【図２】図２は、本開示のいくつかの実施形態による、２ピストン、単一燃焼区画、統合型ガススプリング、かつ分離型の線形電磁機械機関を図示する、断面図である。
【図３】図３は、本開示のいくつかの実施形態による、図２の２ピストン統合型ガススプリング機関の２ストロークピストンサイクルを図示する、図である。
【図４】図４は、本開示のいくつかの実施形態による、代替的な２ピストン、分離型ガススプリング、かつ分離型の線形電磁機械機関を図示する、断面図である。
【図５】図５は、本開示のいくつかの実施形態による、単一ピストン統合型内部ガススプリング機関を図示する、断面図である。
【図６】図６は、本開示のいくつかの実施形態による、ガススプリングロッドの実施形態を図示する、断面図である。
【図７】図７は、本開示のいくつかの実施形態による、２ピストン統合型内部ガススプリング機関を図示する、断面図である。
【図８】図８は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の例示的位置、力、および動力図を図示する。
【図９】図９は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の他の例示的位置、力、および動力図を図示する。
【図１０】図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的ピストン機関システムのブロック図である。
【図１１】図１１は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の例示的位置・速度および位置・力軌道を図示する。
【図１２】図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、伝播経路に沿って自由ピストンアセンブリの移動を引き起こすための例証的ステップのフロー図を示す。
【図１３】図１３は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の他の例示的位置・速度および位置・力軌道を図示する。
【図１４】図１４は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の他の例示的位置・速度および位置・力軌道を図示する。
【図１５】図１５は、本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッド制御技法の例証的状態図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図は、包括的である、または本開示を開示される精密な形態に限定することを意図されない。開示される概念および実施形態は、修正および改変を伴って実践され得、本開示は、請求項およびその均等物によってのみ限定されることを理解されたい。
【００１２】
いくつかの実施形態では、自由ピストン機関の現在の動作パラメータは、前の位置・力軌道の一部として計算された、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに印加される先行する力に基づいて、推定されてもよい。推定された機関動作パラメータは、新しい位置・力軌道を計算するために、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置と併せて使用されてもよい。例えば、判定されるようなものまたはピストンアセンブリに実際に適用されるようなもののいずれかの直前の力値は、例えば、平滑化技法（例えば、ＩＲＲまたはＦＩＲフィルタ）を以前に推定または測定されたガス圧力に適用し、直前の印加された力によって少なくとも部分的に引き起こされるガス圧力の変化を調節することによって、自由ピストン機関の燃焼区画または駆動区画の中の現在のガス圧力の推定値を更新するために、使用され得る。本側面は、自由ピストン機関の中の高価で信頼性のないセンサ（例えば、圧力センサ）の必要性を回避し、それによって、自由ピストン機関のための低コストかつ高信頼性の制御技法を提供することができる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、（例えば、共有燃焼区間を伴う対向するピストンとして配列される）複数のピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関に関して、個別のピストンアセンブリ毎に位置・力軌道を計算する処理サブシステムに加えて、処理サブシステムはまた、複数のピストンアセンブリのための同期化力を計算し、計算に基づいて、ある力を複数のピストンアセンブリに印加させ、所望に応じて複数のピストンアセンブリの移動を同期させてもよい。
【００１４】
いくつかの実施形態では、処理サブシステムは、複数の制御技法を切り替えるハイブリッド制御方略を採用してもよく、制御技法のうちの少なくとも１つは、本明細書に開示されるように位置・力軌道を計算するステップに基づく。処理サブシステムは、例えば、機関の動作状態が非定常である時間の間に（例えば、機関の始動中に）、位置・力軌道制御技法を利用し、機関の動作状態が十分に定常である（例えば、一定の定常動力を送達している）時間の間に、異なるあまりロバストではない制御技法を利用してもよい。処理サブシステムは、例えば、機関の動作状態の非意図的な変化が検出されるときに（例えば、燃焼不発事象、予期されるよりも高い摩擦事象、燃料品質の変化事象、機関の動作状態の任意の他の好適な変化、またはそれらの任意の組み合わせ）、あまりロバストではない制御技法から、よりロバストな位置・力軌道制御技法に切り替わってもよい。ある事例では、あまりロバストではない制御技法は、処理サブシステムが以前に位置・力軌道制御技法を採用していた間に計算された、（例えば、機関ストロークまたはサイクル全体の間に測定されるような）以前に判定された位置・力軌道に基づいて計算される、時間・位置軌道に依拠し得る。ある事例では、あまりロバストではない制御技法は、以前に判定された軌道（位置・力軌道、時間・位置軌道、または任意の他の好適な軌道）からの逸脱に依存し得る。
【００１５】
概して、自由ピストン燃焼機関構成は、３つのカテゴリ、すなわち、１）２つの対向するピストン、単一燃焼チャンバ、２）単一ピストン、二重燃焼チャンバ、および３）単一ピストン、単一燃焼チャンバに分類されることができる。３つの一般的自由ピストン燃焼機関構成の図が、図１に示される。線形自由ピストン燃焼機関のいくつかの例証的実施形態が、本明細書に参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０１４年３月４日に発行され、「Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｌｉｎｅａｒ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅ」と題された、同一出願人による米国特許第８，６６２，０２９号に図示されている。本開示は、線形自由ピストン燃焼機関のある具体的な例証的実施形態との関連で提示されるが、本明細書で議論される概念は、例えば、非線形自由ピストン機関を含む、任意の他の好適な自由ピストン燃焼機関に適用可能であることが理解されるであろう。自由ピストン機関は、概して、ピストンアセンブリの線形運動を回転運動に変換する機械的リンケージ（例えば、スライダクランク機構）がない、またはピストン動力学を直接制御する機械的リンケージ（例えば、係止機構）がない、１つまたはそれを上回る自由ピストンアセンブリを含む。自由ピストン機関は、増加した効率につながる、そのような機械的に連結されたピストン機関に優るいくつかの利益を有する。例えば、機械的に連結されたピストン機関の固有の構造的制限に起因して、自由ピストン機関は、先に参照されて組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるように、より高い機関効率につながる、より高い圧縮比および膨張比を伴って構成されることができる。さらに、自由ピストン機関は、圧縮比が膨張比を上回ることを可能にすること、および膨張比が圧縮比を上回ることを可能にすることを含む、圧縮比ならびに膨張比の増加した変動性を可能にし、これもまた、機関効率を増加させ得る。自由ピストン機関アーキテクチャはまた、機関サイクル毎のベースでの圧縮比の増加した制御を可能にし、これは、可変燃料品質および燃料タイプに起因する調節を可能にする。加えて、機械的リンケージの欠如に起因して、自由ピストン機関は、ピストンアセンブリに対して実質的により低い側荷重をもたらし、これは、オイルレス動作を可能にし、ひいては、摩擦およびそれに起因する損失を低減させる。
【００１６】
本開示は、自由ピストン内部燃焼機関との関連で提示されるが、本明細書で提示される教示および概念は、燃焼が行われない自由ピストン圧縮機または内部燃焼が行われる自由ピストン圧縮機等の他のタイプの自由ピストンデバイスにも適用可能であることが理解されるであろう。燃焼を伴わないそのようなシステムでは、電気エネルギーは、圧縮チャンバまたは圧縮区画の中で流体（液体またはガス状）を圧縮するように、ＬＥＭによって機械エネルギーに変換される。燃焼を伴うそのようなシステムでは、燃料エネルギーは、圧縮チャンバまたは圧縮区画の中で流体を圧縮するように、おそらく電気エネルギーの変換と併せて、機械エネルギーに変換される。加えて、本明細書で提示される教示および概念は、外部熱リソースを電気に変換する自由ピストン熱機関に、または流体を圧縮するように、適用可能である。
【００１７】
図２は、２ピストン、単一燃焼区画、統合型ガススプリング、かつ分離型のＬＥＭ自由ピストン内燃機関１００の一実施形態を図示する、断面図である。本自由ピストン内燃機関１００は、ＬＥＭ２００を介して、燃料中の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。本明細書で使用されるように、用語「燃料」は、酸化剤と反応する物質を指す。そのような燃料は、限定されないが、（ｉ）天然ガス、バイオガス、ガソリン、ディーゼル、およびバイオディーゼル等の炭化水素燃料、（ｉｉ）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、（ｉｉｉ）水素、ならびに（ｉｖ）上記のうちのいずれかの混合物を含む。本明細書に説明される機関は、定常式発電および（例えば、車両で使用するための）移動式発電の両方に好適である。
【００１８】
機関１００は、シリンダ１０５内で移動し、シリンダ１０５の中心における燃焼区画１３０において衝合するように定寸される、２つの対向するピストンアセンブリ１２０を伴うシリンダ１０５を含む。各ピストンアセンブリ１２０は、ピストン１２５と、ピストンロッド１４５とを含んでもよい。ピストンアセンブリ１２０は、シリンダ１０５内で自由に線形に移動する。
【００１９】
図２をさらに参照すると、ピストン１２５の裏側と、ピストンロッド１４５と、シリンダ１０５との間の容積は、本明細書では、駆動区画１６０と称される。本明細書で使用されるように、「駆動区画」は、エネルギーを貯蔵し、エネルギーを提供して、燃焼を使用することなくピストンアセンブリを変位させることが可能な機関シリンダの区画を指す。駆動区画１６０は、いくつかの実施形態では、不燃性流体（すなわち、ガス、液体、または両方）を含有してもよい。図示される実施形態では、駆動区画１６０内の流体は、ガススプリングとして作用するガスである。駆動区画１６０は、ピストンサイクルの膨張ストロークからのエネルギーを貯蔵し、ピストンサイクルの後続ストローク、すなわち、膨張ストローク後に起こるストロークのためのエネルギーを提供する。例えば、ピストンの運動エネルギーは、機関の膨張ストローク中に、駆動区画内のガスの位置エネルギーに変換されてもよい。いくつかの実施形態では、駆動区画の中に貯蔵される位置エネルギーは、例えば、モータ力によって入力されるいかなる付加的正味電気も伴わずに、圧縮ストローク（または排気ストローク、もしくは膨張ストロークに続いて起こる任意の他の好適なストローク）を実施するために十分であり得る。本明細書で使用されるように、用語「ピストンサイクル」は、実質的に同一の構成におけるピストン１２５を用いて開始および終了する任意の一連のピストン移動を指す。１つの一般的実施例は、吸気ストロークと、圧縮ストロークと、膨張ストロークと、排気ストロークとを含む、４ストロークピストンサイクルである。付加的代替ストロークが、本開示の全体を通して説明されるようなピストンサイクルの一部を形成し得る。２ストロークピストンサイクルが、膨張ストロークおよび圧縮ストロークを有するものとして特徴付けられる。本明細書で使用されるように、「膨張ストローク」は、ピストンアセンブリが上死点（「ＴＤＣ」）位置から下死点（「ＢＤＣ」）位置に移動するピストンサイクルのストロークを指し、ＴＤＣは、燃焼区画容積が最小であるときの１つまたは複数のアセンブリの位置を指し、ＢＤＣは、燃焼区画容積が最大であるときの１つまたは複数のアセンブリの位置を指す。上記のように、自由ピストン機関の圧縮比および膨張比が、サイクル毎に変動し得る、または変動され得るため、いくつかの実施形態では、ＴＤＣおよびＢＤＣ位置もまた、サイクル毎に変動し得る、または変動され得る。故に、以下でさらに詳細に説明されるであろうように、膨張ストロークは、吸気ストローク、膨張ストローク、またはその両方を指し得る。いくつかの実施形態では、膨張ストローク中に駆動区画によって貯蔵されるエネルギーの量は、以下でさらに詳細に説明されるであろうように、種々の基準に基づいて判定され、コントローラおよび関連付けられる処理回路によって制御されてもよい。
【００２０】
簡潔化および明確化の目的のために、駆動区画は、主として、ガススプリングとの関連で本明細書に説明され、本明細書では「ガス区画」、「ガススプリング」、または「ガススプリング区画」と称され得る。いくつかの配列では、駆動区画１６０は、ガススプリングに加えて、もしくはその代わりに、１つまたはそれを上回る他の機構を含み得ることが理解されるであろう。例えば、そのような機構は、１つまたはそれを上回る機械的スプリング、磁気スプリング、またはそれらの任意の好適な組み合わせを含むことができる。いくつかの配列では、モータとして動作する、高度に効率的な線形交流機が、含まれてもよく、これは、圧縮仕事を生成するために、スプリング（空気圧式、動圧式、または機械的）の代わりに、またはそれに加えて使用され得る。いくつかの実施形態では、駆動区画の幾何学形状は、損失を最小限にし、駆動区画の効率を最大限にするように選択され得ることが、当業者によって理解されるであろう。例えば、駆動区画の直径および／または死容積は、損失を最小限にし、駆動区画の効率を最大限にするように選択されてもよい。本明細書で使用されるように、用語「死容積」は、ピストンアセンブリがその可能な限り最も遠いＢＤＣ位置にあるとき（すなわち、ピストンアセンブリが物理的停止部に接触する前に燃焼区画の容積が最大であるとき）の駆動区画の容積を指す。いくつかの実施形態では、例えば、駆動区画がガスまたは油圧スプリングである場合、区画の直径は、増加した効率を提供するために、燃焼区画と異なり得る。ガススプリングのある実施形態が、図８−１２を参照して以下でさらに詳細に説明されるであろう。
【００２１】
燃焼点火が、例えば、圧縮点火および／またはスパーク点火を介して達成されることができる。燃料は、燃料噴射器を介して、燃焼チャンバ１３０（「直接噴射」）または吸気ポート１８０（「ポート燃料噴射」）の中へ直接噴射される、および／または吸気に先立って、ならびに／もしくはその間に、空気と混合される（「事前混合噴射」）ことができる。機関１００は、炭化水素、水素、アルコール、または上記に説明されるような任意の他の好適な燃料を含む、液体燃料、ガス状燃料、もしくはその両方を使用して、希薄、化学量論的、またはリッチ燃焼とともに動作することができる。
【００２２】
シリンダ１０５は、物質（固体、液体、ガス、またはプラズマ）を周囲と交換するために、噴射器ポート１７０と、吸気ポート１８０と、排気ポート１８５と、駆動ガス交換ポート１９０とを含んでもよい。本明細書で使用されるように、用語「ポート」は、シリンダ１０５の内側とその周囲との間の物質交換を可能にする、任意の開口部または開口部のセット（例えば、多孔性材料）を含む。図２に示されるポートは、例証的にすぎないことが理解されるであろう。いくつかの配列では、より少ないまたはより多いポートが、使用されてもよい。上記に説明されるポートは、弁を介して開閉される場合もあり、されない場合もある。用語「弁」は、選択的に物質を開口部に通過させるための任意の作動型流量コントローラまたは他の作動型機構を指し得る。弁は、限定されないが、機械的、電気的、磁気的、カムシャフト駆動式、油圧式、または空気圧式手段を含む、任意の手段によって作動されてもよい。ポートならびに弁の数、場所、およびタイプは、機関構成、噴射方略、およびピストンサイクル（例えば、２または４ストロークピストンサイクル）に依存し得る。いくつかの実施形態では、ポートの物質交換は、物質の交換を可能にするために必要に応じてポートを被覆および／または暴露し得る、ピストンアセンブリの移動によって達成されてもよい。
【００２３】
いくつかの実施形態では、駆動区画１６０の動作は、調節可能であり得る。いくつかの実施形態では、駆動ガス交換ポート１９０は、駆動区画の特性を制御するために利用されてもよい。例えば、駆動ガス交換ポート１９０は、駆動区画内のガスの量、温度、圧力、任意の他の好適な特性、および／またはそれらの任意の組み合わせを制御するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、前述の特性のうちのいずれかを調節し、したがって、シリンダ内の質量を調節することは、ガススプリングの効果的なばね定数を変動させ得る。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０の幾何学形状は、望ましい動作を取得するために調節されてもよい。いくつかの実施形態では、シリンダ内の死容積は、ガススプリングのばね定数を変動させるように調節されてもよい。駆動区画１６０およびその中のガスの前述の制御ならびに調節のうちのいずれかが、機関１００の膨張ストローク中に駆動区画１６０によって貯蔵されるエネルギーの量の制御を提供し得ることが、理解されるであろう。また、駆動区画１６０内のガスの特性の前述の制御はまた、機関１００の周波数の変動性を提供することも理解されるであろう。
【００２４】
機関１００は、（例えば、圧縮ストローク中、膨張ストローク中、排気ストローク中、および／または吸気ストローク中に）ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するための一対のＬＥＭ２００の対を含む。各ＬＥＭ２００はまた、電気エネルギーをピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーに直接変換することも可能である。いくつかの実施形態では、ＬＥＭ２００は、機関を始動するために、電気エネルギーをピストンの運動エネルギーに変換してもよいが、いったん機関が開始し、十分な燃料化学エネルギーが、その少なくとも一部が膨張ストローク中に駆動区画１６０の中に貯蔵され得る、ピストンの運動エネルギーに変換されていると、動作中に電気エネルギーを運動エネルギーに変換する必要はない。いくつかの実施形態では、機関の始動は、例えば、貯蔵された圧縮ガスの使用を含む、任意の他の好適な技法によって達成されてもよい。図示されるように、ＬＥＭ２００は、固定子２１０と、変換器２２０とを含む。具体的には、変換器２２０は、ピストンロッド１４５に結合され、定常のままであり得る、固定子２１０内で線形に移動する。加えて、ＬＥＭ２００は、永久磁石機械、誘導機械、スイッチドリラクタンス機械、またはそれらの任意の組み合わせであることができる。固定子２１０および変換器２２０はそれぞれ、磁石、コイル、鉄、またはそれらの任意の好適な組み合わせを含むことができる。ＬＥＭ２００は、ピストンの運動エネルギーを電気エネルギーに、かつその逆に直接変換する（すなわち、いかなる機械的リンケージも存在しない）ため、機械的および摩擦損失は、従来の機関発電機構成と比較して最小である。さらに、ＬＥＭ２００は、ピストンアセンブリの運動エネルギーの一部をピストンサイクルの任意のストローク中に電気エネルギーに変換するように構成され、機関１００は、後続ストローク中に電気エネルギーに変換され得る、膨張ストロークからのエネルギーを貯蔵するように構成される調節可能な駆動区画１６０を含むため、ＬＥＭ２００は、例えば、ピストンサイクルの単一ストローク内（例えば、膨張ストローク内のみ）で全てのエネルギーの変換を要求する、ＬＥＭまたは他のデバイスよりも低い電気容量を有するように構成されてもよい。故に、いくつかの実施形態では、ＬＥＭ２００の関連付けられる線形交流機ならびに電力電子機器は、サイズ、重量、および／または電気容量を低減され得る。これは、当業者によって理解されるであろうように、構成要素の削減されたサイズおよびコスト、増加した効率、増加した信頼性、ならびに増加した利用をもたらし得る。故に、機関の周波数、したがって、動力出力は、いくつかの実施形態では、増加され得る。
【００２５】
各ＬＥＭ２００は、発電機およびモータの両方として動作され得ることが、当業者によって理解されるであろう。例えば、ＬＥＭ２００がピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するとき、それらは、発電機として動作する。発電機として作用するとき、変換器２２０に印加される力は、ピストンアセンブリ１２０の運動の反対方向にある。逆に、ＬＥＭ２００が電気エネルギーをピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーに変換するとき、それらは、モータとして動作する。モータとして作用するとき、変換器２２０に印加される力は、ピストンアセンブリ１２０の運動と同一の方向にある。参照を容易にするために、（噴射器ポート１７０の近傍の）図２および対応する図の中心線は、起点と見なされ得、ピストンアセンブリ毎の正の方向は、中心から外向き方向に離れる。
【００２６】
図２に示される実施形態は、２ストロークピストンサイクルを使用して動作する。図２の２ピストン統合型ガススプリング機関１００の２ストロークピストンサイクル３００を図示する図が、図３に図示される。図３に図示されるように、機関１００は、圧縮ストロークおよび膨張ストロークを含む、２ストロークピストンサイクルを使用して動作してもよく、ピストンは、圧縮ストロークに先立ってＢＤＣに位置し、膨張ストロークに先立って上死点ＴＤＣに位置する。２ピストン実施形態を参照して本明細書で使用されるように、ＢＤＣは、ピストンが相互から最も遠くにある点を指し得る。２ピストン実施形態を参照して本明細書で使用されるように、ＴＤＣは、ピストンが相互と最も近い点を指し得る。ＢＤＣまたはその近傍にあるとき、かつ駆動区画が圧縮仕事を提供するために使用されるものである場合、駆動区画１６０内のガスの圧力は、燃焼区画１３０の圧力を上回り、これは、ピストン１２５をＢＤＣから離れるように、相互に向かって内向きに、すなわち、負の方向に押勢する。駆動区画１６０内のガスは、圧縮ストロークを実施するために要求されるエネルギーの一部または全てを提供するために使用されることができる。上記に説明されるように、いくつかの実施形態では、ピストン１２５は、機械的スプリング、磁気スプリング、または圧縮仕事を提供するために使用され得る任意の他の好適な機構を含む、任意の他の好適な機構によって、ＢＤＣから離れるように押勢されてもよい。ＬＥＭ２００もまた、圧縮ストロークを実施するために要求されるエネルギーの一部を提供し得るが、好ましい実施形態では、十分なエネルギーが燃焼中に産生されているとき、駆動区画１６０の中に貯蔵されたエネルギーが、必須の圧縮仕事を提供するようにピストンに伝達され得るため、ＬＥＭ２００が、いかなる電気エネルギーもピストン１２５の運動エネルギーに変換する必要がないように、十分なエネルギーが、駆動区画１６０の中に貯蔵されてもよい。ＬＥＭ２００はまた、圧縮ストローク中にエネルギーを抽出してもよい。例えば、駆動区画１６０内のガス（または上記に説明されるような他の好適な手段）が、圧縮ストロークを実施するための過剰なエネルギーを提供する場合、ＬＥＭ２００は、ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換してもよい。
【００２７】
圧縮ストロークを実施するために要求されるエネルギーの量は、所望される圧縮比、圧縮ストロークの開始時の燃焼区画１３０の圧力および温度、ピストンアセンブリ１２０の質量、システム損失、ならびに機関の他の性質および動作条件に依拠し得る。上記に説明されるように、駆動区画１６０は、（ＬＥＭ２００または任意の他の源からの）いかなる他のエネルギー入力も必要ではないように、圧縮ストロークのために必要とされるエネルギーの全てを提供してもよい。いくつかの実施形態では、一部のエネルギーは、ＬＥＭ２００から圧縮ストローク中に入力されてもよいが、圧縮ストローク中の正味エネルギーは、依然として正である（例えば、ストロークにわたる入力よりも多くのエネルギーが電気に変換される）。圧縮ストロークは、燃焼が起こるまで継続し、これは、典型的には、ピストン１２５の速度がゼロである、またはそれに近似するときに起こる。燃焼は、燃焼区画１３０内の温度および圧力の上昇を引き起こし、これは、ピストン１２５をＬＥＭ２００に向かって外向きに押進させる。膨張ストローク中に、ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーの一部は、ＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換されてもよく、運動エネルギーの別の部分は、駆動区画１６０内のガス（または他の圧縮機構）に圧縮仕事を行う。代替として、ピストンアセンブリの運動エネルギーの全ては、駆動区画１６０の中に貯蔵されてもよい。膨張ストロークは、ピストン１２５の速度がゼロになるまで継続する。膨張ストロークの後および後続圧縮ストロークの前に、ピストン１２５がＢＤＣまたはその近傍にある状態で、機関は、燃焼生成物を排気し、空気、空気／燃料混合物、または空気／燃料／燃焼生成物混合物を吸気してもよい。本プロセスは、本明細書では「ブリージング」または「ＢＤＣまたはその近傍でのブリージング」と称され得る。ブリージングは、先に参照されて組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるように、単一フローまたはクロスフロー掃気等の任意の好適な様式で達成され得ることが、当業者によって理解されるであろう。また、膨張ストローク後に起こるものとして説明されているが、いくつかの実施形態では、ブリージングは、膨張ストロークの終了および／または圧縮ストロークの開始中に起こり得ることも理解されるであろう。同様に、いくつかの実施形態では、燃焼は、圧縮ストロークの終了および／または膨張ストロークの開始中に起こり得る。
【００２８】
図３は、吸気ポート１８０および排気ポート１８５がＢＤＣの近傍の両方のピストンの前にある、１つの例示的ポート構成３００を図示する。排気ポート１８５および吸気ポート１８０の開閉は、独立して制御されてもよい。排気ポート１８５および吸気ポート１８０の場所は、ある範囲の圧縮比および／または膨張比が可能であるように選定されることができる。排気ポート１８５および吸気ポート１８０がアクティブ化（開閉）されるときのサイクル中の時間は、圧縮比および／または膨張比ならびに／もしくは圧縮ストローク開始時に燃焼区画１３０の中で留保される燃焼生成物の量を変動させるように、サイクル中および／またはサイクルの合間に調節されることができる。燃焼区画１３０の中で燃焼ガスを留保することは、残留ガストラッピング（ＲＧＴ）と呼ばれ、燃焼タイミング、ピーク燃焼温度、ならびに他の燃焼および機関性能特性を生じさせるために利用されることができる。代替として、または加えて、排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、燃焼タイミング、ピーク燃焼温度、ならびに他の燃焼および機関性能特性を生じさせるために、燃焼ガスを再循環させるように使用されることができる。
【００２９】
２ストロークサイクルの動作が、上記に説明されているが、図２の実施形態はまた、吸気ストロークと、圧縮ストロークと、動力（膨張）ストロークと、排気ストロークとを含む、４ストロークピストンサイクルを使用して、動作されてもよい。いくつかの実施形態では、任意の好適な修正が、４ストロークピストンサイクルを使用して動作するために行われてもよい。例えば、先に参照されて組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるように、ポートの場所は、４ストロークピストンサイクルを使用して機関を動作させるために修正されてもよい。
【００３０】
いくつかの実施形態では、４ストロークピストンサイクルでは、ちょうど上記に説明される２ストロークサイクルのように、駆動区画１６０は、圧縮ストロークのために必要な仕事の全てを提供してもよい。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０は、圧縮ストローク中に正味電気エネルギー入力を回避するために十分な仕事を提供してもよい。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０は、圧縮ストローク中に正味電気エネルギー出力を可能にするために十分な仕事を提供してもよい。圧縮ストロークは、燃焼が起こるまで、例えば、ピストン１２５の速度がゼロになる、またはそれに近似するまで継続してもよい。燃焼の後には、動力ストロークが続いてもよく、その間に、ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーは、２ストロークサイクルに関して上記に説明されるように、駆動区画１６０の中に貯蔵され、および／またはＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換されてもよい。動力ストロークＢＤＣまたはその近傍におけるある時点で、排気ポートは、開放されてもよく、排気ストロークは、ピストン１２５の速度がゼロになる、またはそれに近似するまで、起こってもよく、これは、そのサイクルについて排気ストロークＴＤＣをマークする。上記に説明されるように、膨張ストローク中に駆動区画１６０の中に貯蔵されるエネルギーは、排気ストロークを実施するために要求される仕事を提供してもよい。排気ストロークＴＤＣに到達することに先立ったある時点で、燃焼区画１３０が、排気弁を閉鎖する一方で、シリンダの中に依然として排気が存在する。いくつかの実施形態では、この閉じ込められた排気ガスは、後続吸気ストロークを実施するために十分なエネルギーを貯蔵してもよい。膨張ストロークと同様に、ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーは、吸気ストローク中に駆動区画１６０の中に貯蔵され、および／またはＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換されてもよく、これは、ピストン１２５の速度がゼロになるまで起こる。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０は、後続圧縮ストロークを実施するために、吸気ストローク中に十分なエネルギーを貯蔵してもよい。いくつかの実施形態では、後続圧縮ストロークまたは後続排気ストロークのために要求される量を超えて駆動区画の中に貯蔵されるエネルギーの任意の好適な量が、ＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換されてもよい。
【００３１】
図４は、本開示の原理による、代替的な２ピストン、分離型ガススプリング、かつ分離型のＬＥＭ機関を図示する、断面図である。図示される構成は、実施例の目的のためにすぎず、２ピストン、分離型ガススプリング、かつ分離型のＬＥＭ機関の任意の他の好適な構成が、本開示に従って使用され得ることが理解されるであろう。機関４００は、主要シリンダ１０５と、２つの対向するピストンアセンブリ１２０と、主要シリンダ１０５の中心に位置する燃焼区画１３０とを含む。図示される機関４００は、機関１００と比較されると、ある物理的差異を有する。具体的には、機関４００は、付加的ピストン１２５を含有する一対の外側シリンダ４０５を含み、ＬＥＭ２００は、主要シリンダ１０５と外側シリンダ４０５との間に配置される。各外側シリンダ４０５は、ピストン１２５と外側シリンダ４０５の遠位端との間に位置する駆動区画４１０と、ピストン１２５と外側シリンダ４０５の近位端との間に位置する駆動後面区画４２０とを含む。主要シリンダ１０５は、ピストン１２５と主要シリンダ１０５の遠位端との間に配置される、一対の燃焼後面区画４３０を含む。いくつかの実施形態では、駆動後面区画４２０および燃焼後面区画４３０は、大気圧またはその近傍で維持される。いくつかの実施形態では、駆動後面区画４２０および燃焼後面区画４３０は、大気圧またはその近傍で維持されない。図示される構成では、主要シリンダ１０５は、ブローバイガスの除去のためのポート４４０と、噴射器ポート１７０と、吸気ポート１８０と、排気ポート１８５とを有する。駆動ガス交換ポート１９０が、外側シリンダ４０５の中に位置する。各ピストンアセンブリ１２０は、２つのピストン１２５と、ピストンロッド１４５とを含む。ピストンアセンブリは、図４に描写されるように、主要シリンダ１０５と外側シリンダ４０５との間で自由に線形に移動する。図４の実施形態は、例えば、図３に関して上記に記載されるような方法論を使用する２ストロークピストンサイクル、および上記および先に参照されて組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるような４ストロークピストンサイクルを使用して、動作し得ることが理解されるであろう。
【００３２】
図２および３の構成は、示されるように、機関１００と称され、シリンダ１０５、ピストンアセンブリ１２０、およびＬＥＭ２００によって画定される単一のユニットを含む。同様に、図４の構成は、示されるように、機関４００と称され、主要シリンダ１０５、ピストンアセンブリ１２０、外側シリンダ４０５、およびＬＥＭ２００によって画定される単一のユニットを含む。しかしながら、複数のユニットが、並列に設置されることができ、これは、集合的に「機関」と称され得る。機関ユニットが並行して動作する、本タイプのモジュール式配列は、機関のスケールがエンドユーザによって必要に応じて増加されることを可能にするために使用されてもよい。加えて、全てのユニットが、同一サイズである、同一条件（例えば、周波数、化学量論、またはブリージング）下で動作する、または同時に動作する必要はない（例えば、１つまたはいくつかのユニットは、１つまたはいくつかの他のユニットが動作している間に非アクティブ化されてもよい）。ユニットが並行して動作されるとき、限定されないが、ユニットの間のガス交換および／またはユニットの個別のＬＥＭ２００の間のフィードバック等の機関の間の統合の潜在性が存在する。
【００３３】
図５−７は、ガススプリングがピストンアセンブリの内側に統合され、ＬＥＭが燃焼シリンダから分離される、統合型内部ガススプリングを特徴とする、さらなる実施形態を図示する。図５−７に図示されるように、統合型内部ガススプリング（ＩＩＧＳ）アーキテクチャは、図２−３に図示される分離型ＬＥＭアーキテクチャを伴う統合型ガススプリングに長さが類似し得る。しかしながら、ＩＩＧＳアーキテクチャは、完全統合型ガススプリングおよびＬＥＭアーキテクチャでも起こる、ガススプリングに進入する燃焼区画からのブローバイガスに関する問題を排除し得る。
【００３４】
図５は、本開示のいくつかの実施形態による、単一ピストン、統合型内部ガススプリング機関を図示する、断面図である。燃焼区画１３０等の多くの構成要素は、先の実施形態（例えば、図１および２）における構成要素と類似し、それに応じて、標識される。機関５００は、シリンダ１０５の底部端の近傍の燃焼区画１３０内の反応に応答して、シリンダ１０５内で移動するように定寸される、ピストンアセンブリ５２０を伴うシリンダ１０５を備える。ピストンアセンブリ５２０は、ピストン５３０と、ピストンシール５３５と、スプリングロッド５４５とを備える。ピストンアセンブリ５２０は、シリンダ１０５内で自由に線形に移動する。図示される実施形態では、ピストンロッド５４５は、軸受５６０に沿って移動し、シリンダ１０５に固定されるピストンロッドシール５５５によって密閉される。シリンダ１０５は、空気、燃料、排気ガス、空気／燃料混合物、および／または空気／排気ガス／燃料混合物の吸気、燃焼生成物の排気のための排気／噴射器ポート５７０、５８０、ならびに／もしくは噴射器を含む。いくつかの実施形態は、図５に描写されるポートの全てを要求するわけではない。ポートの数およびタイプは、機関構成、噴射方略、ならびにピストンサイクル（例えば、２または４ストロークピストンサイクル）に依存する。
【００３５】
図示される実施形態では、機関５００はさらに、ピストンアセンブリ５２０の運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するためのＬＥＭ５５０（固定子２１０および磁石５２５を含む）を備える。ＬＥＭ５５０は、図２−４に関して上記に説明されるＬＥＭ２００と実質的に同一に動作するように構成され得ることが理解される。
【００３６】
さらに図５を参照すると、ピストン５３０は、中実前面区画（燃焼器側）と、中空後面区画（ガススプリング側）とを備える。ピストン５３０の前面とスプリングロッド５４５との間のピストンアセンブリ５２０の中空区画の内側の面積は、圧縮ストロークを実施するために要求される仕事の少なくとも一部を提供する、ガススプリング１６０としての役割を果たすガスを備える。ピストン５３０は、燃焼器区画１３０およびＬＥＭ５５０の固定子２１０内で線形に移動する。ピストンの運動は、一体軸受、油圧軸受、および／または空気軸受であり得る、軸受５６０、５６５によって誘導される。図示される実施形態では、機関５００は、外部軸受５６０および内部軸受５６５を両方とも含む。特に、外部軸受５６０は、燃焼区画１３０とＬＥＭ５５０との間に位置し、内部軸受５６５は、ピストン５３０の中空区画の内側上に位置する。外部軸受５６０は、外部から固定され、ピストン５３０とともに移動しない。内部軸受５６５は、ピストン５３０に固定され、スプリングロッド５４５に対して、ピストン５３０とともに移動する。
【００３７】
継続して図５を参照すると、スプリングロッド５４５は、ガススプリング１６０のための一面としての役割を果たし、外部から固定される。スプリングロッド５４５は、ガススプリング区画１６０内でガスを保つ目的を果たす、その端部またはその近傍に位置する少なくとも１つのシール５８５を有する。磁石５２５は、ピストンアセンブリ５２０の後面に取り付けられ、ＬＥＭ５５０の固定子２１０内でピストンアセンブリ５２０とともに線形に移動する。ピストンアセンブリ５２０は、個別の区画内でガスを保つシールを有してもよい。図示される実施形態は、（ｉ）ガスが燃焼区画１３０から伝達されないように、その前端またはその近傍でピストン５３０に固定される、前面シール５３５と、（ｉｉ）シリンダ１０５に固定され、吸気ガスおよび／またはブローバイガスが周囲に伝達されないようにする、後面シール５５５とを含む。
【００３８】
図６は、本開示のいくつかの実施形態による、ガススプリングロッドの実施形態を図示する、断面図である。具体的には、スプリングロッド６４５は、ガススプリング区画１６０と周囲と連通するリザーバ区画６２０との間で質量が伝達されることを可能にする、中心管腔６１０を含む。周囲との連通は、弁６３０を通して制御される。ガススプリング６４５内の質量の量は、本開示のいくつかの実施形態によると、ガススプリング６４５内の圧力を制御するように調整されてもよい。
【００３９】
図７は、本開示のいくつかの実施形態による、２ピストン、統合型内部ガススプリング機関を図示する、断面図である。２ピストン実施形態の要素の殆どは、図５の単一ピストン実施形態のものと類似し、同様の要素が、それに応じて、標識される。加えて、単一および２ピストン実施形態の動作特性は、線形交流機、ブリージング、燃焼方略等の全ての側面を含む、先の実施形態に説明されるものと類似する。
【００４０】
図８は、本開示のいくつかの実施形態による、自由ピストン機関の位置、力、および動力を図示する。示されるように、図８は、圧縮ストロークおよび膨張ストロークを含む、２ストロークピストンサイクルを伴う自由ピストン機関に関して、経時的に例示的位置８２０、力８４０、および動力８６０図を図示する。位置図８２０を参照すると、図８で標識されるように、参照目的のために、正の方向は、ＴＤＣからＢＤＣへの方向に対応する。例えば、図２−４の自由ピストンアセンブリでは、中心線は、起点に対応し、中心線から離れる方向は、自由ピストンアセンブリ毎に正の方向であろう。位置図８２０によって分かり得るように、ピストンアセンブリは、ＢＤＣにおいて圧縮ストロークを開始し、ＴＤＣに進行し、その時点で、膨張（または動力）ストロークが始まる。膨張ストローク中に、ピストンアセンブリは、ＢＤＣに戻るように進行する。
【００４１】
力図８４０を参照すると、力は、ＴＤＣからＢＤＣへの方向に印加されたときに正である。例えば、図２−４の自由ピストンアセンブリでは、中心線から離れる方向に印加される力は、正の力であろう。力図８４０において分かり得るように、圧縮ストローク中に、比較的一定の正の力が、ピストンアセンブリに印加されてもよく、膨張ストローク中に、力は、（中心線に向かう方向に）負であり得、ＬＥＭが両方のストローク中にエネルギーを抽出することを可能にする。印加される力は、一定である必要はなく、いくつかの実施形態では、可変力プロファイルが、例えば、比較的一定の動力出力を産生するために印加され得ることが理解されるであろう。また、いくつかの実施形態では、本明細書に描写されるように、力は、ピストンアセンブリ速度が比較的低いとき、そうすることの非効率性に起因して、印加されない場合があることが理解されるであろう。
【００４２】
動力出力は、ピストンアセンブリの力および速度の負の積である。動力図８６０を具体的に参照すると、図示される理想的な場合では、いかなる動力も、ピストンサイクルの圧縮および膨張ストロークを実施するために、本システムに入力される必要はないことが分かり得る。むしろ、上記に説明されるように、理想的な場合では、圧縮ストローク中に本システムへの付加的エネルギー入力を伴わずに後続圧縮ストロークを実施するために、膨張ストローク中に少なくとも１つの駆動区画の中に貯蔵された十分なエネルギーが存在する。
【００４３】
理想的なシナリオでは、図８に関して説明されるような圧縮および膨張ストローク中に、いかなる動力入力も回避することが望ましくあり得るが、いくつかの実施形態では、ある程度の動力入力を提供することが必要または望ましくあり得る。故に、図９は、本開示のいくつかの他の実施形態による、自由ピストン機関の位置、力、および動力を図示する。図８と同様に、図９は、圧縮ストロークおよび膨張ストロークを含む、２ストロークピストンサイクルを伴う自由ピストン機関に関して、経時的に例示的位置９２０、力９４０、および動力９６０図を図示する。位置図９２０は、図８に図示される位置図８２０のものに略類似するが、力図９４０および動力図９６０は、図８に図示されるものと異なり得ることが理解されるであろう。圧縮ストローク中の力図９４０を参照すると、９０２では、力が短い周期にわたって最初に印加された方向と反対方向に印加され得ることが分かり得る。これはまた、同一の短い周期にわたる動力入力を示す負の動力が９０４において見られ得る、動力図９６０でも反映される。本力印加および動力入力は、いくつかの理由から起こり得るが、いくつかの実施形態では、これは、ピストンアセンブリの速度を制御する、または別様に後続の膨張ストロークの前にピストンアセンブリが適切なもしくは所望のＴＤＣ位置に到達することを確実にするために行われてもよい。例えば、力が、ピストンアセンブリの速度を増加させるために印加されてもよい。同様に、膨張ストローク中の力図９４０をさらに参照すると、９０６では、短い周期にわたる残りの膨張ストロークと反対の方向に適用され得ることが分かり得、これは、同一の短い周期にわたる動力入力を示す負の動力が９０８において見られ得る、動力図９６０でも反映される。上記に説明されるように、本印加された力および入力された動力は、いくつかの理由から起こり得るが、いくつかの実施形態では、ピストンアセンブリの速度を制御する、または別様に後続圧縮ストロークの前にピストンアセンブリが適切なもしくは所望のＢＤＣ位置に到達することを確実にするために、力が、このようにして印加され、動力が、入力されてもよい。例えば、力が、上記に説明されるように、ピストンアセンブリの速度を増加させるために印加されてもよい。
【００４４】
図９に関して説明される圧縮ストロークおよび／または膨張ストローク中の入力動力の提供は、必ずしも理想的な動作ではないが、各ストロークにわたる正味電気エネルギー出力は、依然としてゼロを上回る（すなわち、いかなる正味電気エネルギー入力も各ストロークにわたって存在しない）ことを理解されたい。これは、ゼロを下回る曲線の面積によって減算されるゼロを上回る曲線の面積によって表される、各ストロークにわたる積分が、実質的にゼロを上回ることが分かり得る、動力図９６０から明白である。故に、各ストロークにわたって本システムによって出力される電気エネルギーの量は、上記に説明されるように、ピストンアセンブリ位置を制御するために入力される電気エネルギーを上回る。本明細書で使用されるように、「正味電気エネルギー」は、図２−４に関して上記に説明されるもの等のＬＥＭの中および外への電気エネルギー伝達を指す。いくつかの実施形態では、ＬＥＭは、電力電子機器（例えば、ＤＣバス、ＩＧＢＴ、コンデンサ、および／または任意の他の好適な構成要素を含む）、バッテリ、ならびに／もしくはグリッドタイインバータに結合される固定子を含んでもよい。故に、いくつかの実施形態では、一部の電気エネルギーが、ＬＥＭに結合される電力電子機器、バッテリ、および／またはグリッドタイインバータを介して、ＬＥＭに入力されてもよい一方で、上記に説明されるような所与のストロークにわたる正味電気エネルギーは、ＬＥＭから電力電子機器、バッテリ、および／またはグリッドタイインバータに出力されるであろう。
【００４５】
図８および１４は、所与のストロークにわたって正味電気入力がない、自由ピストン機関の動作を図示するが、本開示の原理は、圧縮ストローク中（例えば、始動中）等のストローク中に正味電気入力とともに動作する自由ピストン機関を含む、任意の好適な自由ピストン機関に適用され得ることが理解される。
【００４６】
記載されるように、図２−４に関して上記に説明される実施形態は、２ピストン、単一燃焼区画、２ストローク内燃機関１００を含む。概して、自由ピストン燃焼機関に適用可能な制御システムが、以下に説明され、対応する図に図示される。故に、上記に説明されるように、制御システムは、先に参照されて組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるもの等の他の自由ピストン燃焼機関アーキテクチャにも適用可能である。当業者によって理解されるであろうように、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の修正および代替構成が、利用されてもよく、他の変更が、行われてもよい。例えば、図２−４に関して上記に説明される２ピストンアーキテクチャに加えて、本明細書に説明される制御システムは、例えば、単一ピストンアーキテクチャに適用可能である。同様に、図３に関して上記に説明される２ストローク機関に加えて、本明細書に説明される制御システムはまた、例えば、４ストローク機関にも適用可能である。
【００４７】
図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、ピストン機関１０４０のための制御システム１０１０を有する例証的ピストン機関システム１０００のブロック図である。ピストン機関１０４０は、例えば、図２−７に関して上記に説明されるような任意の好適な自由ピストン機関であってもよい。制御システム１０１０は、ピストン機関１０４０に結合される１つまたはそれを上回るセンサ１０３０と通信してもよい。制御システム１０１０は、ピストン機関１０４０の動作側面または特性を調節するために使用され得る、補助システム１０２０と通信するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、１つを上回るピストン機関が、制御システム１０１０によって制御されてもよい。例えば、制御システム１０１０は、任意の数のピストン機関に対応する補助システムおよびセンサと通信するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、ユーザインターフェースシステム１０５０を介してユーザと相互作用するように構成されてもよい。
【００４８】
制御システム１０１０は、処理機器１０１２、通信インターフェース１０１４、センサインターフェース１０１６、制御インターフェース１０１８、任意の他の好適なコンポーネントもしくはモジュール、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。制御システム１０１０は、少なくとも部分的に、１つまたはそれを上回る集積回路、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ、コンピュータ、端末、制御ステーション、ハンドヘルドデバイス、モジュール、任意の他の好適なデバイス、もしくはそれらの任意の組み合わせで実装されてもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０のコンポーネントは、図１０に示されるように、個々の通信リンクまたは通信バス１０１１を介して、通信可能に結合されてもよい。処理機器１０１２は、センサインターフェース１０１６によってセンサ１０３０から受信されるようなピストン機関１０４０に関する情報を処理するように（例えば、ソフトウェアを使用して、または有線で）構成され得る、１つまたはそれを上回るプロセッサ（例えば、中央処理ユニット）、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、任意の他の好適なハードウェアコンポーネント、もしくはそれらの任意の組み合わせ等の任意の好適な処理回路を含んでもよい。センサインターフェース１０１６は、センサ１０３０、信号調整器、信号プレプロセッサ、任意の他の好適なコンポーネント、またはそれらの任意の組み合わせに電力を供給するための電力供給源を含んでもよい。例えば、センサインターフェース１０１６は、センサ１０３０からの信号を調整ならびに事前処理するためのフィルタ、増幅器、サンプラ、およびアナログ／デジタルコンバータを含んでもよい。センサインターフェース１０１６は、（例えば、ＩＥＥＥ  ８０２．３イーサネット（登録商標）またはユニバーサルシリアルバスインターフェースを使用する）有線接続、（例えば、ＩＥＥＥ  ８０２．１１「Ｗｉ−Ｆｉ」またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を使用する）無線結合、光学結合、誘導結合、任意の他の好適な結合、またはそれらの任意の組み合わせであり得る、通信結合１０１９を介して、センサ１０３０と通信してもよい。制御システム１０１０、より具体的には、処理機器１０１２は、関連時間スケールにわたってピストン機関１０４０の制御を提供するように構成されてもよい。例えば、１つまたはそれを上回る温度の変化は、１つまたはそれを上回る検出された機関動作特性に応答して制御可能であり得、制御は、ピストン機関の動作に関連する時間スケール（例えば、過熱および／またはコンポーネント故障を防止し、以下に説明されるような頂点制御を適正に提供し、診断事象の場合にシャットダウンを可能にするため、ならびに／もしくは適正な負荷追跡のために十分に迅速な応答）で提供されてもよい。
【００４９】
センサ１０３０は、ピストン機関１０４０の任意の好適な性質または側面を感知するように構成され得る、任意の好適なタイプのセンサを含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサは、補助システム１０２０のシステムの側面および／または性質を感知するように構成される、１つもしくはそれを上回るセンサを含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、ピストン機関１０４０の構成要素、ピストン機関１０４０に導入される、もしくはそれから回収される流体、または両方の温度を感知するように構成される、温度センサ（例えば、サーモカップル、抵抗温度検出器、サーミスタ、または光学温度センサ）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、ピストン機関１０４０の区画（例えば、燃焼区画またはガス駆動区画）内の圧力、ピストン機関１０４０に導入される、もしくはそれから回収される流体の圧力、または両方を感知するように構成される、１つまたはそれを上回る圧力センサ（例えば、圧電式圧力トランスデューサ、歪みベースの圧力トランスデューサ、またはガスイオン化センサ）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、（例えば、摩擦力もしくは他の関連力情報、圧力情報、または加速度情報を示し得る）引張力、圧縮力、または剪断力等のピストン機関１０４０内の力を感知するように構成される、１つまたはそれを上回る力センサ（例えば、圧電式力トランスデューサまたは歪みベースの力トランスデューサ）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、電圧、電流、電力出力および／または入力（例えば、電圧で乗算された電流）、ピストン機関１０４０ならびに／もしくは補助システム１０２０の任意の他の好適な電気性質、またはそれらの任意の組み合わせを感知するように構成される、１つまたはそれを上回る電流および／もしくは電圧センサ（例えば、ピストン機関１０４０のＬＥＭに結合される電流計ならびに／または電圧計）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、ピストンアセンブリおよび／または機関の任意の他の構成要素の位置、ピストンアセンブリおよび／または機関の任意の他の構成要素の速度、ピストンアセンブリおよび／または機関の任意の他の構成要素の加速度、流速、酸素もしくは窒素酸化物放出レベル、他の放出レベル、ピストン機関１０４０および／または補助システム１０２０の任意の他の好適な性質、もしくはそれらの任意の組み合わせを感知するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサを含んでもよい。
【００５０】
制御インターフェース１０１８は、補助システム１０２０のうちの１つまたはそれを上回るものと通信するための有線接続、無線結合、光学結合、誘導結合、任意の他の好適な結合、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、制御インターフェース１０１８は、アナログ制御信号を補助システム１０２０のうちのいずれかまたは全てに提供するデジタル／アナログコンバータを含んでもよい。
【００５１】
補助システム１０２０は、冷却システム１０２２、圧力制御システム１０２４、ガス駆動制御システム１０２６、および／または任意の他の好適な制御システム１０２８を含んでもよい。冷却／加熱システム１０２２は、冷却、加熱、または両方をピストン機関１０４０に提供する、ポンプ、流体リザーバ、圧力調整器、バイパス、ラジエータ、流体導管、電力回路（例えば、電気ヒータ用）、任意の他の好適な構成要素、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。圧力制御システム１０２４は、圧力制御された流体をピストン機関１０４０に供給（および随意に受容）する、ポンプ、コンプレッサ、流体リザーバ、圧力調整器、流体導管、任意の他の好適な構成要素、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。ガス駆動制御システム１０２６は、駆動ガスをピストン機関１０４０に供給（および随意に受容）する、コンプレッサ、ガスリザーバ、圧力調整器、流体導管、任意の他の好適な構成要素、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ガス駆動制御システムは、図２−７に関して上記に説明されるガススプリング構成要素のうちのいずれかを制御する任意の好適な構成要素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、他のシステム１０２８は、酸化剤および／または燃料をピストン機関１０４０に供給する、例えば、カム動作型システム、ソレノイドシステム、または任意の他の電子機械デバイスもしくは電気機械等の弁システムを含んでもよい。弁はまた、例えば、単一ピストンアセンブリ配列または二重ピストンアセンブリ配列を有するポートなし機関の中等で、機関からの排気流出を調整するために使用されてもよい。排気弁は、単一フロー掃気を可能にするように、ボイスコイル（例えば、リニアモータ）を用いて制御されてもよい。
【００５２】
ユーザインターフェース１０１５は、ユーザインターフェースシステム１０５０のうちの１つまたはそれを上回るものと通信するための有線接続、無線結合、光学結合、誘導結合、任意の他の好適な結合、もしくはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。ユーザインターフェースシステム１０５０は、ディスプレイ１０５２、入力デバイス１０５４、マウス１０５６、オーディオデバイス１０５８、ウェブサイト、モバイルアプリケーション、もしくは他のインターネットサービスを介してアクセスされる遠隔インターフェース、任意の他の好適なユーザインターフェースデバイス、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、遠隔インターフェースは、機関から遠隔にあるが、機関の現場に近接し得る。他の実施形態では、遠隔インターフェースは、機関および機関の現場の両方から遠隔にあり得る。ディスプレイ１０５２は、例えば、ブラウン管スクリーン、液晶ディスプレイスクリーン、発光ダイオードディスプレイスクリーン、プラズマディスプレイスクリーン、グラフィックス、テキスト、画像、もしくは他の映像をユーザに提供し得る任意の他の好適なディスプレイスクリーン、またはそれらのスクリーンの任意の組み合わせ等のディスプレイスクリーンを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１０５２は、例えば、ディスプレイスクリーン上に１つまたはそれを上回るソフトコマンドを提供することによって、ユーザとの触覚相互作用を提供し得る、タッチスクリーンを含んでもよい。ディスプレイ１０５２は、ピストン機関１０４０に関する任意の好適な情報（例えば、ピストン機関１０４０の性質の時系列）、制御システム１０１０、補助システム１０２０、ユーザインターフェースシステム１０５０、任意の他の好適な情報、またはそれらの任意の組み合わせを表示してもよい。入力デバイス１０５４は、ＱＷＥＲＴＹキーボード、数値キーパッド、ハードコマンドボタンの任意の他の好適な集合、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。マウス１０５６は、ディスプレイスクリーン上に表示されるグラフィカルユーザインターフェース上のカーソルまたはアイコンを制御し得る、任意の好適なポインティングデバイスを含んでもよい。マウス１０５６は、ハンドヘルドデバイス（例えば、２もしくは３次元で移動することが可能）、タッチパッド、任意の他の好適なポインティングデバイス、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。オーディオデバイス１０５８は、マイクロフォン、スピーカ、ヘッドフォン、オーディオ信号を提供および／または受信するための任意の他の好適なデバイス、もしくはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。例えば、オーディオデバイス１０５８は、マイクロフォンを含んでもよく、処理機器１０１２は、ユーザがマイクロフォンに発話することによって引き起こされる、ユーザインターフェース１０１５を介して受信されるオーディオコマンドを処理してもよい。
【００５３】
いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、１つまたはそれを上回るユーザ入力を受信して制御を提供するように構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、センサフィードバックに基づいて制御設定を無効にし、ユーザインターフェースシステム１０５０への１つまたはそれを上回るユーザ入力に応じて補助システム１０２０への制御信号を設定してもよい。さらなる実施例では、ユーザは、１つまたはそれを上回る制御変数（例えば、温度、圧力、流速、仕事入力／出力、または他の変数）の定点値を入力してもよく、制御システム１０１０は、定点値に基づいて制御アルゴリズムを実行してもよい。
【００５４】
いくつかの実施形態では、動作特性（例えば、ピストン機関１０４０または補助システム１０２０の１つもしくはそれを上回る所望の性質）は、製造者、ユーザ、または両方によって事前定義されてもよい。例えば、特定の動作特性が、処理機器１０１２のメモリの中に記憶されてもよく、１つまたはそれを上回る制御信号を提供するようにアクセスされてもよい。いくつかの実施形態では、動作特性のうちの１つまたはそれを上回るものは、ユーザによって変更されてもよい。制御システム１０１０は、それらの動作特性を維持、調節、または別様に管理するために使用されてもよい。例えば、制御システム１０１０は、温度および圧力等の環境条件に基づいて動作を改変するために使用されてもよい。
【００５５】
いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、少なくとも部分的に、所望の機関性能（例えば、所望の頂点、位置）および１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置に基づいて、自由ピストン機関の中の１つまたはそれを上回るピストンアセンブリのための位置・力軌道を算出する。計算された位置・力軌道に基づいて、制御システム１０１０は、規定時間もしくは位置間隔にわたって特定の力を１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに印加することによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの変位を生じさせる。制御システム１０１０による各位置・力軌道の計算は、以前に判定された軌道（位置・力、時間・位置、または任意の他の好適な軌道）からの逸脱に関係なく算出される。制御システム１０１０は、（例えば、特定の事象に応答して）特定のトリガがアクティブ化されるとき、機関ストロークもしくはサイクルにわたって繰り返し、機関の動作状態への変更後に、またはそれらの任意の組み合わせで、位置・力軌道を計算してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０はまた、所望の機関性能のタイミングに関係なく、位置・力軌道を計算してもよい。ある事例では、制御システム１０１０は、機関の動作状態に基づいて、位置・力軌道を計算してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、前の位置・力軌道の一部として計算された先行する力に基づいて、もしくは１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに印加された先行する力に基づいて、機関の現在の動作パラメータを推定してもよい。ある事例では、制御システム１０１０は、閉形式解、数値的反復解、または両方の組み合わせを使用して、位置・力軌道を計算してもよい。複数のピストンアセンブリを用いた実施形態では、制御システム１０１０はまた、個別のピストンアセンブリ毎に位置・力軌道を計算することに加えて、複数のピストンアセンブリのための同期化力を計算し、同期化計算に基づいて、ある力を複数のピストンアセンブリに印加させ、所望に応じて複数のピストンアセンブリの移動を同期させてもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、機関の動作状態に応じて、位置・力軌道制御技法と別の制御技法（例えば、以前に判定された軌道からの逸脱の計算に依拠する制御技法）とを切り替える、ハイブリッド制御方略を採用してもよい。
【００５６】
以下は、上記に説明される概念に従って実装される、いくつかの例証的実施形態の議論である。これらの実施形態は、概して、図２−７に図示され、上記で議論されるもの等の駆動区画を伴う単一および二重ピストン自由ピストン内部燃焼機関に関する。これらの実施形態では、制御システム１０１０は、所望の機関性能に基づいて個別のピストンアセンブリの変位を引き起こすために使用される。これらの具体的実施形態を参照して議論される実装および概念は、概して、他の実施形態にも適用可能であることが理解されるであろう。本議論は、例証の目的のために提供され、開示される実装および概念の適用可能性をこれらの実施形態のみに限定することを意図していない。
【００５７】
図１１は、圧縮ストロークおよび膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の中のピストンアセンブリの例示的位置・速度および位置・力軌道（それぞれ、１１１０ならびに１１２０）を示す。１１２０に示される力値は、制御システム１０１０によって計算され、ＬＥＭを介してピストンアセンブリに電磁力を及ぼすことによってピストンアセンブリに適用される、力値に対応する。図１１に図示されるプロファイルは、例証の明確化および容易性の目的のために、理想化されている、簡略化されている、または両方である。実際のプロファイルは異なり得ることが理解されるであろう。電磁力は、本明細書では、ＬＥＭ力、ＬＥＭ力値、モータ力、モータ力値、力、または力値と称される。図１１および継続する軌道図を参照すると、正の方向は、ＴＤＣからＢＤＣへの方向に対応する（例えば、正の速度は、ＴＤＣからＢＤＣまで移動しているピストンアセンブリに対応し、正の力は、ＢＤＣに向かう方向に印加されている力に対応する）。加えて、図１１および継続する軌道図を参照すると、ゼロ位置点は、対向ピストン自由ピストン機関（例えば、図２−４および図７）のための中心線または単一ピストン自由ピストン機関（例えば、図５）のための燃焼区画端部（すなわち、燃焼区画の先頭）に対応する。図１１に示されるように、ピストンアセンブリが、ＢＤＣとＴＤＣ（その頂点）との間で循環する一方で、ＬＥＭは、ピストンアセンブリの運動の反対方向に力を印加し、それによって、両方のストロークにわたって正味電気エネルギー出力を産生する。両方のストロークにわたって正味電気エネルギー出力を産生することは、膨張ストロークから十分なエネルギーを貯蔵して、後続の圧縮ストロークを実施するために要求される十二分のエネルギーを提供することができるように、駆動区画が定寸されることを要求する。本パラダイムは、概して、以下の議論で仮定されるが、本明細書に開示される制御技法は、正味電気エネルギー入力が圧縮ストローク中に要求されるように、駆動区画が定寸される、自由ピストン機関と、駆動区画がなく、圧縮ストロークを実施するために要求されるエネルギーの全てがＬＥＭによって提供される、自由ピストン機関とに適用されることが理解されるであろう。１１２０に示されるストローク毎の単一モータ力値は、自由ピストン機関が動作し得る方法の理想化された表現である。以下は、制御システム１０１０が、自由ピストン機関の中のピストンアセンブリの変位を制御し、所望の機関性能を達成するために使用され得る、具体的実施形態の議論である。
【００５８】
図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、自由ピストン機関内の伝播経路に沿った１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの変位を制御する制御システム１０１０のための例証的ステップのフローチャート１２００を示す。図示されるように、制御システム１０１０は、最初に、ステップ１２０２において、自由ピストン機関の中の１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置を判定する。次に、制御システム１０１０は、ステップ１２０４において、所望の機関性能および１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置に基づいて、位置・力軌道を計算する。最後に、制御システム１０１０は、ステップ１２０４で計算される１つまたはそれを上回る力値を１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに適用することによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの変位を生じさせる。連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、制御システム１０１０が停止するコマンドを送信するまで繰り返される。停止するコマンドは、例えば、異なる制御技法に切り替えること、機関をオフにすること、機械もしくは電子安全スイッチが始動したことを制御システム１０１０が判定したこと、任意の他の好適な理由、またはそれらの任意の組み合わせを含む、任意の好適な理由により、送信されてもよい。連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、機関ストロークまたはサイクルの全体を通した特定のトリガもしくは反復のアクティブ化に基づいて、繰り返すことができる。例えば、連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、特定の事象に応答して、特定の閾値交差、任意の他の好適なトリガ時に、またはそれらの任意の組み合わせにおいて、繰り返すことができる。別の実施例では、連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、特定の時間間隔（例えば、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ等）で、または特定の離散位置間隔（例えば、１ミリメートル毎、１ミクロン毎等）で繰り返すことができる。フローチャート１２００によって図示される、本特定の制御技法は、本明細書では位置・力軌道制御技法と称される。
【００５９】
制御システム１０１０は、任意の好適なセンサ１０３０を使用して、ステップ１２０２において１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置を判定する。１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの位置を判定するための好適なセンサ１０３０は、磁気エンコーダ、光学エンコーダ、光回折格子エンコーダ、レーザベースのエンコーダ、位置を判定するための任意の他の好適なセンサ、またはそれらの任意の組み合わせを含む。現在の位置は、境界も含んでＢＤＣとＴＤＣとの間の任意の位置であることができる。線形自由ピストン機関の場合、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置は、ピストンアセンブリにつき単一の伝播軸に沿った単一の次元として表されることができるが、本開示の教示は、ピストンアセンブリが１つを上回る次元に移動することができ、現在の位置が多次元的に表されることができる、自由ピストン機関に適用され得ることが理解されるであろう。
【００６０】
ステップ１２０６では、制御システム１０１０は、１つまたはそれを上回るコマンドを自由ピストン機関および／もしくはその補助装置に送信し、ステップ１２０４で計算される１つまたはそれを上回る力値を１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに適用することによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの変位を生じさせる。力は、例えば、ＬＥＭを介して１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに電磁力を及ぼすことによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに印加されてもよい。以下の議論は、ＬＥＭを通して力を印加することを対象とするが、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリへの力の印加は、例えば、駆動区画の性質を調節すること（例えば、駆動区画のばね剛性またはばね定数を調節すること）等による、他の技法を通しても印加され得ることが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、モータ力の印加は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０１４年１月７日に発行された、同一出願人による米国特許第８，６２４，５４２号で説明されるような技法を使用して、実装されることができる。
【００６１】
ステップ１２０６で１つまたはそれを上回るピストンアセンブリ上で生じさせられる力値は、ステップ１２０４で以前に計算された位置・力軌道に基づく。ピストンアセンブリ上で「生じさせられている」力の言及は、制御システム１０１０が、ピストンアセンブリ上に力を付与する機構に、制御システム１０１０によって示されるような力（正の力、負の力、またはゼロの力を含む）を付与させることを指すことが理解されるであろう。ステップ１２０４では、制御システムは、少なくとも部分的に、所望の機関性能（例えば、所望の頂点位置）およびステップ１２０２で判定される１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在のピストンに基づいて、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリのための位置・力軌道を計算する。制御システム１０１０による位置・力軌道の計算は、以前に判定された軌道（位置・力、時間・位置、または任意の他の好適な軌道）からの逸脱に関係なく、算出される。例えば、ストロークの開始時に計算された軌道（すなわち、以前に計算された軌道）を使用し、次いで、伝播の経過中の本以前に計算された軌道からの逸脱を補償する代わりに、連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６が繰り返される度に、完全に新しい軌道が計算される。本タイプの解決策は、自由ピストン機関の動作状態の変化および変更が、各新しい位置・力軌道計算を用いて考慮されることを可能にする。制御システム１０１０は、機関の現在または過去の動作状態にも基づいて、位置・力軌道を計算してもよい。例えば、制御システム１０１０は、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの任意の好適な性質（例えば、速度、加速度、寸法、機械的性質）、燃焼区画ガスの任意の好適な性質（例えば、圧力、温度、密度、比熱、寸法）、駆動区画の任意の好適な性質（例えば、ガススプリングの場合はガス性質、機械的スプリングの場合は機械的性質、寸法）、ＬＥＭの任意の好適な性質（例えば、モータ力定数、モータ力限界、モータ電流限界、モータ抵抗）、機関性能の任意の好適な性質（例えば、効率、動力出力、空気流、燃料流、排気流、燃料組成、排気組成、温度、圧力）、機関の動作特性、性能、パラメータ、および環境の任意の他の好適な計算、測定、または推定値もしくはインジケータ、またはそれらの任意の組み合わせに基づいて、位置・力軌道を計算してもよい。
【００６２】
図１３は、本明細書に開示される位置・力軌道制御技法の一実施形態を図示する、位置・速度軌道および位置・力軌道（それぞれ、１３１０ならびに１３２０）を示す。本実施形態では、（位置・力軌道の計算が基づく）所望の機関条件は、ピストンアセンブリの所望の頂点位置
【化１】
2019513201.tif 000003
である。すなわち、制御目的は、所望のＴＤＣおよびＢＤＣ位置においてゼロ速度を有するように、ピストンアセンブリの変位を生じさせることである。ピストンアセンブリの実際の頂点位置（ｘＴＤＣおよびｘＢＤＣ）が、例証目的のために、ピストンアセンブリの所望の位置と異なるものとして図１３に示されている。しかしながら、ピストンアセンブリの所望の頂点位置と実際の頂点位置との間の差異は、ゼロ、正、負、またはそれらの任意の組み合わせであり得、位置・力軌道制御技法の具体的実装に応じて変動し得ることが理解されるであろう。本実施形態では、新しい位置・力軌道が、位置・力軌道プロット１３２０に示される力値によって図示されるように、固定時間間隔で計算される（すなわち、より高い速度で、力値は、より長い距離にわたってピストンアセンブリに印加され、より低い速度で、力値は、より短い距離にわたってピストンアセンブリに印加される）。すなわち、図１２のフローチャート１２００の中の連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、固定時間間隔（例えば、１、５、１００ｋＨｚ）で繰り返される。位置・力軌道プロット１３２０の中の力値は全て、例証目的のために、ピストンアセンブリの運動の反対方向にあるものとして図１３に示されている（すなわち、ＬＥＭは、常に、ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに変換している）。しかしながら、各力値は、正の力値（すなわち、膨張ストローク中にピストンアセンブリの変位を促し、圧縮ストローク中にピストンアセンブリの変位を抑える）、負の力値（すなわち、圧縮ストローク中にピストンアセンブリの変位を促し、膨張ストローク中にピストンアセンブリの変位を抑える）、またはゼロもしくは中性の力値（すなわち、いかなる力も印加することなく、その現在の運動量を使用して、ピストンアセンブリ変位が継続することを可能にする）を含む、任意の好適な力値であり得ることが理解されるであろう。
【００６３】
本実施形態では、図１３を参照すると、圧縮ストロークの第１の位置・力軌道は、位置・力軌道プロット１３２０の中の力値Ｆ１によって図示されるように、ＢＤＣにおいて計算される。制御システム１０１０は、少なくとも部分的に（ステップ１２０２で判定される）ピストンアセンブリの現在の位置およびピストンアセンブリの所望の頂点位置
【化２】
2019513201.tif 000004
に基づいて、（図１２のフローチャート１２００の位置・力軌道ステップ１２０４において）本第１の力値を計算し、次いで、本実施形態では、規定時間間隔に基づいて起こる、ピストンアセンブリの新しい位置が判定され、新しい位置・力軌道が計算されるまで、（ステップ１２０６において）機関のＬＥＭを介して、本力をピストンアセンブリに印加する。これらの連続ステップは、ピストンアセンブリがＴＤＣ（ｘＴＤＣ）において頂点に達するまで繰り返され、その時点で、制御システム１０１０は、次いで、ＢＤＣにおける新しい所望の頂点位置
【化３】
2019513201.tif 000005
に基づいて、連続ステップを繰り返す。所望の頂点位置は、サイクルを横断して一定のままである、ストローク内で一定のままである、サイクルを横断して変化する、ストローク内で変化する、またはそれらの任意の組み合わせであってもよい。
【００６４】
いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、各ステップ１２０４において位置・力軌道を計算するために熱力学の第１法則（すなわち、エネルギー保存）に依拠し得る。例えば、単一ピストン自由ピストン機関に関して、位置・力軌道は、機関の理想化されたストローク（すなわち、熱伝達、ガスブローバイ、または摩擦からの損失がない）にわたって、ＬＥＭから／への仕事、燃焼区画ガスから／への仕事、ピストンアセンブリの運動エネルギー、および駆動区画から／への仕事が合計でゼロになるはずであることを認識することによって、計算されることができる。これは、例えば、ＷＬＥＭが、ＬＥＭから／への仕事であり、Ｗｃが、燃焼区画ガスから／への仕事であり、ＫＥｐが、ピストンアセンブリの運動エネルギーであり、Ｗｄが、駆動区画から／への仕事である、方程式１で捕捉されることができる。
【数１】
2019513201.tif 000006
ＬＥＭから／への仕事は、ピストンアセンブリの現在の位置（ｘｃ）から、ピストンアセンブリの所望の標的位置（ｘｄ）（例えば、所望の頂点位置）までのピストンアセンブリの位置（ｘ）の変化にわたってモータ力（ＦＬＥＭ）を積分することによって、計算されることができる。新しい力値が計算され、次いで、続いて、適用されるまで、各力値がＬＥＭによってピストンアセンブリに適用されるため、モータ力は、ピストンアセンブリの現在の位置とピストンアセンブリの所望の標的位置との間で一定であるものとしてモデル化されることができる。これは、ＬＥＭから／への仕事の計算を、ｘｄが、ＴＤＣまたはＢＤＣのいずれかの所望の標的位置であることができる、方程式４に示されるような所望の標的位置と現在の位置との間の差異で乗算されるモータ力のみに簡略化する。
【数２】
2019513201.tif 000007
燃焼区画ガスから／への仕事は、ピストンアセンブリの現在の位置における燃焼区画容積
【化４】
2019513201.tif 000008
から、ピストンアセンブリの所望の標的位置における燃焼区画容積
【化５】
2019513201.tif 000009
までの燃焼区画の容積の変化にわたって、燃焼区画ガスの圧力を積分することによって、計算されることができる。本実施例では、所望のＴＤＣおよびＢＤＣ標的位置に関して、燃焼区画から／への仕事は、Ｖｃが、燃焼区画の容積であり、ｐｃが、燃焼区画の容積の関数としての燃焼区画ガス圧力であり、
【化６】
2019513201.tif 000010
が、ＴＤＣまたはＢＤＣのいずれかの所望の標的位置に基づき得る、方程式２に従って、計算されることができる。
【数３】
2019513201.tif 000011
ピストンアセンブリの運動エネルギーは、方程式３に示されるように、ピストンアセンブリの質量（ｍｐ）およびピストンアセンブリの速度の現在の速度
【化７】
2019513201.tif 000012
の二乗の積の２分の１に等しい。
【数４】
2019513201.tif 000013
駆動区画から／への仕事は、駆動区画のタイプに依存する。駆動区画がガススプリングを備える場合には、ガススプリングから／への仕事は、燃焼区画ガスから／への仕事の計算と同様に計算されることができる。駆動区画が機械的スプリングを備える場合には、機械的スプリングから／への仕事は、フックの法則に基づいて計算されてもよい。駆動区画がガススプリングおよび機械的スプリングの両方を備える場合には、駆動区画から／への仕事は、２つのモデルの組み合わせを使用して、計算されることができる。本実施例では、例証目的のために、駆動区画は、ガススプリングを備え、ガススプリング（駆動区画）から／への仕事は、Ｗｓが、ガススプリングから／への仕事であり、Ｖｓが、ガススプリングの体積であり、ｐｓが、ガススプリングの体積の関数としてのガススプリングガス圧力であり、
【化８】
2019513201.tif 000014
が、ピストンアセンブリの現在の位置におけるガススプリングの体積であり、
【化９】
2019513201.tif 000015
が、ＴＤＣまたはＢＤＣのいずれかの所望の標的位置に基づき得る、ピストンアセンブリの所望の標的位置におけるガススプリングの体積である、方程式５を使用して、計算されることができる。
【数５】
2019513201.tif 000016
方程式１で仕事およびエネルギー値を計算するためのモデルを有すると、位置・力軌道のモータ力値は、方程式６に示されるように、方程式２−５を方程式１に代入することによって、計算されることができる。
【数６】
2019513201.tif 000017
方程式６で見られ得るように、位置・力軌道を計算するための本モデルは、ピストンアセンブリアプローチの現在の位置がピストンアセンブリの所望の標的位置に接近する（すなわち、方程式６の中の分母がゼロに接近する）につれて、縮小する水平線を有する。実践的限界が、ゼロによる除算を回避するように、最小水平線（すなわち、ピストンアセンブリの現在の位置とピストンアセンブリの所望の標的位置との間の最小差）に、制御システム１０１０によって設定される、または制御システム１０１０に入力されることができ、これは、いくつかの実施形態では、所望の標的位置の近傍の制御システム１０１０の有効権限を制限し得る。ピストンアセンブリと、燃焼区画ガスと、ガススプリングガスとの間の界面の断面積が、一定であるものとしてモデル化されることができる場合、方程式６の中の燃焼区画ガス仕事およびガススプリングガス仕事は、個別の区画の容積がピストンアセンブリの位置のアフィン関数であるため、現在の位置から所望の標的位置までのピストンアセンブリ位置の変化に基づいて計算されることができる。本代入は、ｐｃ（ｘ）が、ピストンアセンブリの位置の関数としての燃焼区画ガス圧力であり、ｐｓ（ｘ）が、ピストンアセンブリの位置の関数としてのガススプリングガス圧力であり、Ａｃが、ピストンアセンブリと燃焼区画ガスとの間の界面の断面積であり、Ａｓが、ピストンアセンブリとガススプリングガスとの間の界面の断面積である、方程式７に示されている。
【数７】
2019513201.tif 000018
【００６５】
方程式６および７に示されるように、各位置・力軌道は、少なくとも部分的に、ピストンアセンブリの現在の位置およびピストンアセンブリの所望の頂点位置（すなわち、所望の標的位置）に基づいて、以前に判定された軌道からの逸脱に関係なく、新しい位置・力軌道が計算されるであろう時間に関係なく、かつピストンアセンブリが所望の頂点位置に到達する時間に関係なく、計算される。機関サイクルのストロークにわたって、本モデルを使用して位置・力軌道を繰り返し計算することは、自由ピストン機関の動作状態の変化および変更（高速または低速、意図的または非意図的）が、各新しい位置・力軌道計算で考慮されることを可能にし、それによって、自由ピストン機関の動作状態の障害を除外することが可能である、自由ピストン機関のための制御技法を提供する。制御技法は、例えば、燃焼変動性、燃焼不発、燃料エネルギー含有量の変化、ガス温度もしくは圧力の変化、ＬＥＭ相の損失、駆動区画ばね定数の変化もしくは変更、または任意の他の好適な障害、もしくはそれらの任意の組み合わせに起因する、障害を除外することが可能である。方程式６および７は、例えば、熱伝達、ガスブローバイ、または摩擦等からのエネルギー損失が機関内にないことを仮定して、導出された。しかしながら、エネルギー損失は、本明細書に開示される位置・力軌道制御技法に含まれ得ることが理解されるであろう。例えば、機関のガス状区画の中の熱伝達損失は、（位置または体積の関数としてモデル化され得る）ガス温度の関数としてモデル化されることができ、ＬＥＭの中の熱伝達損失は、電流および抵抗の関数としてモデル化されることができ、機関のガス状区画の中のガスブローバイ損失は、（位置または体積の関数としてモデル化され得る）ガス圧力の関数としてモデル化されることができ、摩擦損失は、一定の力、材料性質、位置、および／または速度の関数としてモデル化されることができる。
【００６６】
方程式６を解法することは、本実施例では、燃焼区画ガスおよびガススプリングガスの両方に関して、体積の変化にわたる圧力の積分を要求する。これらの積分は、熱力学的性質モデル、熱伝達モデル、ガスブローバイモデル、摩擦モデル、または任意の他の好適なモデル、もしくはそれらの任意の組み合わせに基づいて、数値的反復解（例えば、常微分方程式解法）を使用して、算出されることができる。これらの積分は、本システムにおける熱伝達、ガスブローバイ、摩擦、および他の損失からの影響を組み込み得る、熱力学的モデルに基づく閉形式解を使用して、算出されることもできる。閉形式解を使用して位置・力軌道を計算することは、数値的反復解と比較して、算出時間を節約する。これは、制御システム１０１０が、機関の動作状態の障害をより良好に考慮し得る、より短い時間間隔で（すなわち、より速い周波数で）新しい位置・力軌道を計算することを可能にすることができる。例えば、燃焼区画およびガススプリングの中のガスの圧縮ならびに膨張は、可逆的であるものとしてモデル化されることができる。ガスの圧縮および膨張のための可逆仕事は、ｐ１が、状態１時のガスの圧力であり、Ｖ１が、状態１時のガスの体積であり、Ｖ２が、状態２時のガスの体積であり、ｋが、比熱の比である、方程式８を使用して、計算されることができる。
【数８】
2019513201.tif 000019
等エントロピーであるものとして燃焼区画ガスおよびガススプリングガスの圧縮ならびに膨張をモデル化することは、ｋｃが、燃焼区画ガスのための比熱の比であり、ｋｓが、ガススプリングガスのための比熱の比である、方程式９に示されるように、位置・力軌道を計算するための閉形式解を生じることができる。
【数９】
2019513201.tif 000020
方程式９に示されるように、比熱の異なる比は、（例えば、組成の差異を考慮するように）燃焼区画ガスおよびガススプリングガスに使用されることができる。比熱の異なる比はまた、（例えば、燃焼区画ガスの組成の変化を考慮するように）圧縮ストロークおよび膨張ストロークに、（例えば、ポートが露出されている間の機関ブリージング中の変化を考慮するように）ストローク内の具体的位置間隔に、（例えば、ガス温度の変化を考慮するように）位置・力軌道の計算毎に、任意の他の好適な目的もしくは理由のために、またはそれらの任意の組み合わせに、使用されることができる。閉形式解はまた、ｎｃが、燃焼区画ガスのためのポリトロープ指数であり、ｎｓが、ガススプリングガスのためのポリトロープ指数である、方程式１０に示されるように、ポリトローププロセスであるものとしてガス圧縮および膨張をモデル化することによって、導出されることもできる。
【数１０】
2019513201.tif 000021
ポリトローププロセスであるものとしてガスの圧縮および膨張をモデル化することは、位置・力軌道を計算するための閉形式解を維持しながら、熱伝達、ガスブローバイ、摩擦、他の損失、またはそれらの任意の組み合わせの影響が考慮されることを可能にする。燃焼区画ガスおよびガススプリングガスのためのポリトロープ指数は、モデル化された、または実験的に判定された機関性能データもしくは情報に基づくことができる。異なるポリトロープ指数が、圧縮ストロークおよび膨張ストロークに、ストローク内の具体的位置間隔に、位置・力軌道の計算毎に、任意の他の好適な目的もしくは理由のために、またはそれらの任意の組み合わせに、使用されることができる。
【００６７】
制御システム１０１０が方程式９または１０を解法するために、燃焼区画およびガススプリングの中のガスの圧力は、ピストンアセンブリの各現在の位置において、測定もしくは推定されなければならない、または両方である。ピストンアセンブリの現在の位置におけるガスの圧力は、圧電式圧力トランスデューサ、歪みベースの圧力トランスデューサ、ガスイオン化センサ、任意の他の好適な圧力センサ、またはそれらの任意の組み合わせ等の任意の好適なセンサ１０３０を使用して、測定されることができる。ピストンアセンブリの現在の位置におけるガスの圧力もまた、推定されることができる。一般に、（圧力の測定とは対照的に）圧力の推定値に依拠することは、高価で、多くの場合、信頼性のない圧力センサの必要性を回避するため、コストを節約し、より高い信頼性の機関動作につながり得る。例えば、ガスの圧縮および膨張は、
【化１０】
2019513201.tif 000022
が、ピストンアセンブリの現在の位置における推定されたガス圧力であり、ｐｐが、ピストンアセンブリの以前に判定された位置における測定または推定されたガス圧力であり、Ｖｐが、ピストンアセンブリの同一の以前に判定された位置におけるガスの測定または推定された体積である、それぞれ、方程式１１または１２を使用して、等エントロピーもしくはポリトロープであるものとしてモデル化されることができる。方程式１１および１２は、燃焼区画および駆動区画を含む、機関の任意の区画の中の現在のガス圧力を推定することに適用可能である。
【数１１】
2019513201.tif 000023
別の実施例では、ガススプリング駆動区画を伴う単一ピストン自由ピストン機関に関して、力平衡モデルが、ガススプリングの測定または推定された現在のガス圧力、以前に適用／計算されたモータ力値、ピストンアセンブリの質量、およびピストンアセンブリの現在の測定または推定された加速度に基づいて、燃焼区画の現在のガス圧力を推定するように、変換器に適用されることができる。本力平衡モデルは、
【化１１】
2019513201.tif 000024
が、ピストンアセンブリの現在の位置における燃焼区画の中の推定されたガス圧力であり、
【化１２】
2019513201.tif 000025
が、ピストンアセンブリの現在の加速度であり、
【化１３】
2019513201.tif 000026
が、以前に適用／計算されたモータ力であり、
【化１４】
2019513201.tif 000027
が、ガススプリングの中の測定または推定された現在のガス圧力である、方程式１３に示される。
【数１２】
2019513201.tif 000028
力平衡モデルはまた、次いで、例えば、方程式１１または１２を通して、燃焼区画の現在のガス圧力を計算するために使用されることができる、以前に測定または推定された他の値に基づいて、燃焼区画の前のガス圧力を推定するために使用されてもよい。本力平衡モデルは、
【化１５】
2019513201.tif 000029
が、ピストンアセンブリの前の位置における燃焼区画の推定されたガス圧力であり、
【化１６】
2019513201.tif 000030
が、ピストンアセンブリの以前に判定された加速度であり、
【化１７】
2019513201.tif 000031
が、ガススプリングの以前に判定されたガス圧力である、方程式１４である。
【数１３】
2019513201.tif 000032
（方程式１３および１４を導出するために使用されるものに類似する）力平衡モデルはまた、例えば、駆動区画等の機関の他の区画の中の現在または前のガス圧力を推定するためにも使用され得ることが理解されるであろう。
【００６８】
いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、自由ピストンアセンブリの固定された前の位置から現在の位置までの機関サイクルのストロークにわたってエネルギー平衡を積分することによって、自由ピストン機関の区画の中の現在のガス圧力を推定してもよく、固定された前の位置は、例えば、頂点位置、ポート開放もしくは閉鎖位置、燃焼事象、任意の他の好適な位置、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。例えば、ガススプリング駆動区画を伴う単一ピストン自由ピストン機関に関して、現在のガス圧力は、
【化１８】
2019513201.tif 000033
が、固定された前の位置から現在の位置までのＬＥＭから／への仕事であり、
【化１９】
2019513201.tif 000034
が、固定された前の位置から現在の位置までの燃焼区画ガスから／への仕事であり、
【化２０】
2019513201.tif 000035
が、固定された前の位置から現在の位置までのガススプリング区画ガスから／への仕事である、固定された前の位置から現在の位置までの自由ピストンアセンブリのエネルギー平衡をモデル化する、方程式１５を使用することによって、推定されることができる。
【数１４】
2019513201.tif 000036
燃焼区画およびガススプリング区画の中のガスの圧縮ならびに膨張は、個別の区画から／への仕事の閉形式解を生じるように、可逆的および／またはポリトロープであるものとしてモデル化されることができる。ポリトロープであるものとして燃焼区画およびガススプリング区画の中のガスの圧縮ならびに膨張をモデル化して、本実施例に関して、固定された前の位置および現在の位置から、燃焼区画から／へ、ならびにガススプリング区画から／への仕事は、
【化２１】
2019513201.tif 000037
が、固定された前の位置における測定または推定された燃焼区画ガス圧力であり、
【化２２】
2019513201.tif 000038
が、固定された前の位置における燃焼区画容積であり、
【化２３】
2019513201.tif 000039
が、固定された前の位置における測定または推定されたガススプリング区画ガス圧力であり、
【化２４】
2019513201.tif 000040
が、固定された前の位置におけるガススプリング区画容積である、それぞれ、方程式１６および１７を使用して、計算されることができる。
【数１５】
2019513201.tif 000041
ＬＥＭから／への仕事は、ｘｉｐが、直前の計算ステップにおけるピストンアセンブリの位置であり、
【化２５】
2019513201.tif 000042
が、直前の計算ステップにおいて判定される（次いで、直前の計算ステップにおけるその位置から、その現在の位置まで、ピストンアセンブリに印加される）ＬＥＭ力であり、
【化２６】
2019513201.tif 000043
が、前の固定された位置から直前の計算ステップにおけるピストンアセンブリの位置までのＬＥＭから／への仕事の量である、各計算ステップを用いてＬＥＭから／への仕事の量を更新する、方程式１８を使用して、計算されることができる。
【数１６】
2019513201.tif 000044
現在の位置におけるピストンアセンブリの運動エネルギーは、方程式３を使用して計算されることができる。方程式１６−１８および３は、閉形式解を使用して、燃焼区画またはガススプリング区画の中の現在のガス圧力を推定するように、方程式１５に代入されることができる。例えば、方程式１９は、燃焼区画ガスの現在の圧力を推定するための閉形式解を示す。
【数１７】
2019513201.tif 000045
方程式６、７、９、および１０、または類似方程式を導出するために（例えば、機関内の損失を含むために）使用される任意の他の好適な第１法則ベースの分析もまた、方程式１１−１４および１９を導出するために使用されるものに類似する技法を使用して（すなわち、現在および以前に判定された圧力、力、体積、位置、速度、ならびに加速度の使用を通して）、自由ピストン機関の区画の中の現在または前のガス圧力を推定するために、別個に、もしくは組み合わせて、使用されてもよい。加えて、方程式１１−１４および１９は、方程式１１−１４および１９を導出するために使用されるものに類似する技法を使用して（すなわち、現在および以前に判定された圧力、力、体積、位置、速度、ならびに加速度の使用を通して）、自由ピストン機関の区画の中の現在または前のガス圧力を推定するために、相互と、および／または他の好適な推定モデルと組み合わせて、使用されてもよい。
【００６９】
以前に計算された値（例えば、力、加速度、圧力、速度、位置）を使用して現在の値（例えば、現在のガス圧力）を推定することは、着目値への好適な係数を用いた無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタもしくは有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ等の平滑化フィルタ、またはルーエンバーガー観測器もしくはカルマンフィルタ等の動的推定器の使用を要求し得る。ピストンアセンブリの現在または前の位置におけるガスの圧力は、熱力学的関係モデル（例えば、方程式１１もしくは１２）、力平衡モデル（例えば、方程式１３もしくは１４）、または第１法則分析（例えば、方程式６、７、９、１０、もしくは１９）、もしくはそれらの組み合わせを使用して、推定されることができる。例えば、ピストンアセンブリの現在または前の位置におけるガスの圧力は、２つのモデルを使用して推定されることができ、モデルのうちの一方は、一次推定値値として使用され、他方のモデルは、カルマンフィルタ、ルーエンバーガー観測器、またはモデル予測推定等の推定技法を使用して、次推定値値を改良するために使用される。別の実施例では、ピストンアセンブリの現在または前の位置におけるガスの圧力は、いずれか２つのモデルからの推定値の間の誤差の最小化に基づいて、推定されることができる。本最小化は、２つのモデルを加重し、例えば、いくつかの位置測定を前提とした加速度推定値、前の圧力測定もしくは推定値からの逸脱、以前のサイクルまたはストロークからの圧力測定もしくは推定値からの逸脱、算出時間、雑音もしくは障害統計についての情報、任意の他の好適なコスト、またはそれらの任意の組み合わせ等の他のコストを含むことができる。いくつかの実施形態では、ピストンアセンブリの現在または前の位置におけるガス圧力の推定は、不十分、雑音が多い、または遅い測定を提供し得る、任意のそうでなければ不適切なセンサからの圧力の測定によって、改良されることができる。
【００７０】
ピストンアセンブリの絶対速度が低く、その絶対加速度が高いとき、ＬＥＭの効率は、低くあり得、ピストンアセンブリの変位を生じさせるＬＥＭの能力は、限定され得る。その効率が低く、制御権限が限定されるときに、ＬＥＭが力をピストンアセンブリに印加することを回避するために、いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、自由ピストン機関の規定動作パラメータに基づいて、ピストンアセンブリに印加される力の規模を低減または排除し得る。規定動作パラメータは、ピストンアセンブリの位置、速度、もしくは加速度、ＬＥＭの固定子もしくは変換器の温度、機関の区画の中のガス圧力、任意の他の好適なパラメータ、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。例えば、制御システム１０１０は、位置・速度軌道１４１０および位置・力軌道１４２０を示す、図１４に示されるように、ピストンアセンブリの位置に基づいて、力をピストンアセンブリに印加するＬＥＭの能力を遮断し得る。本実施例では、制御システム１０１０は、本開示に従って位置・力軌道を計算するが、ピストンアセンブリの位置がカットオフ位置の外側にあるとき、制御システム１０１０は、位置・力軌道計算ステップ１２０４で計算される力値をピストンアセンブリに適用しないことを判定する。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、自由ピストン機関の規定動作条件に基づいて、位置・力軌道計算ステップ１２０４で計算される力値と異なる量の力をピストンアセンブリに印加することを判定してもよい。例えば、制御システム１０１０は、機関の動作状態の急激な変化を回避するために、（例えば、カットオフ位置の外側の）ピストンアセンブリの位置に基づいて、位置・力軌道計算ステップ１２０４で計算される力に力削減関数を適用してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、自由ピストン機関の規定動作条件に基づいて、位置・力軌道を計算しないこと、および力をピストンアセンブリに印加しないことの両方を判定してもよい。
【００７１】
位置・力軌道を計算し、ガス圧力を推定するための種々のモデル（すなわち、方程式１−１９）は、単一ピストン自由ピストン機関を対象としているが、同一のモデルは、拡張され、限定されないが、（例えば、図２−４および図７に図示されるような）個別の駆動区画、個別のＬＥＭ、および共有燃焼区画を伴う対向ピストン自由ピストン機関等の複数のピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関に適用され得ることが理解されるであろう。例えば、方程式１を導出するために使用される同一の第１法則分析は、個別の駆動区画、個別のＬＥＭ、および共有燃焼区画を伴う対向ピストン自由ピストン機関の各ピストンアセンブリに適用されることができる。これは、ＷＬＥＭ，１およびＷＬＥＭ，２、２つのＬＥＭから／への仕事であり、Ｗｃが、燃焼区画ガスから／への仕事であり、ＫＥｐ，１よびＫＥｐ，２が、２つのピストンアセンブリの運動エネルギーであり、Ｗｄ，１およびＷｄ，２が、２つの駆動区画から／への仕事である、エネルギー平衡方程式２０ａおよび２０ｂを生じる。方程式２０ａおよび２０ｂは、方程式６、７、９、および１０を導出するために使用されるものと同一または類似のモデルを使用して、各個別のピストンアセンブリ毎に位置・力軌道を計算するために、制御システム１０１０によって使用されることができる。
【数１８】
2019513201.tif 000046
方程式１が複数のピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関に拡張された（例えば、方程式２０ａおよび２０ｂ）、類似する様式で、方程式１３および１４を導出するために使用される同一の力平衡モデルならびに方程式１５を導出するために使用される同一の第１法則分析は、機関の区画の中のガス圧力を推定するための複数のピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関に拡張され得ることが、容易に明白となるであろう。
【００７２】
対向ピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関の制御において生じる考慮事項は、ピストンアセンブリの同期化である。いくつかの対向ピストン自由ピストン機関では、２つのピストンアセンブリの（ＴＤＣおよびＢＤＣの両方における）頂点が、システム安定性を維持するために少なくとも実質的に同期されることが所望され得る。他の対向ピストン自由ピストン機関では、あるレベルの非同期化が、例えば、機関ブリージング、ガス交換、または任意の他の好適な機関動作条件等の機関性能目的のために所望され得る。対向ピストン自由ピストン機関のいくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、個別のピストンアセンブリの位置の間の差異を調整してもよい。本明細書で使用されるように、用語「調整する」は、例えば、ゼロ等の基準に制御することを指す。制御システム１０１０は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御、最適な制御、ロバストな制御、線形象限レギュレータ制御、モデル予測制御、適応制御、任意の他の好適な技法、またはそれらの任意の組み合わせ等の調整のための任意の好適な制御技法を採用してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、ＰＩＤ制御を使用し、ピストンアセンブリの位置を調整して同期させてもよい。例えば、制御システム１０１０は、ＰＩＤ制御を使用し、制御入力（例えば、個別のＬＥＭによってピストンアセンブリに適用される力値）を判定し、それらの運動の中心に対するピストンアセンブリの間の位置の差異を調整してもよい。対向力が、それぞれを実質的に平等に同期させ、頂点位置での障害を最小限にするように、各ピストンアセンブリに追加されてもよい。これは、実質的に正味力の平衡を保ち、したがって、十分な同期化を維持するように、連続的に行われてもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、ピストンアセンブリのゼロ速度位置において（すなわち、個別の頂点において）規定ポアンカレ図を使用してもよい。例えば、制御システム１０１０は、ストロークを２つの半分に分割し、ストロークの第１の半分の間に１つの方向へ付加的モータ力を印加し、次いで、ストロークの第２の半分の間に反対方向へ付加的モータ力を印加することができる。制御システム１０１０は、膨張ストロークに先立って、（例えば、２つのピストンアセンブリの任意の好適な期待位相整合を使用して、前のストロークのタイミングに基づいて、任意の他の好適な技法に基づいて、またはそれらの任意の組み合わせ）第１のピストンアセンブリがＢＤＣに遅れるであろうことを判定し、運動の方向へ膨張ストロークの第１の半分の間に付加的モータ力を本第１のピストンアセンブリに印加し（すなわち、変位を促し）、次いで、運動の反対方向へ膨張ストロークの第２の半分の間に付加的モータ力を本第１のピストンアセンブリに印加する（すなわち、変位を抑える）ことができる。逆に、第２のピストンアセンブリに関して、制御システム１０１０は、膨張ストロークの第１の半分の間に運動の反対方向へ付加的モータ力を本第２のピストンアセンブリに印加し（すなわち、変位を抑え）、次いで、膨張ストロークの第２の半分の間に運動の方向へ付加的モータ力を本第２のピストンアセンブリに印加する（すなわち、変位を促す）ことができる。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、所望の機関性能の所望のタイミングに基づいて、同期化力を判定してもよい。例えば、制御システム１０１０は、個別のピストンアセンブリの頂点が、十分に小さい時間差内で起こるように、一方または両方のピストンアセンブリに印加される同期化力を判定してもよい。
【００７３】
いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、反復適応制御技法を使用してもよい。反復適応制御は、自由ピストン機関の動作状態、条件、性能、および／またはパラメータが比較的定常であり、サイクル間変動が限定されるときに、有利であり得る。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、前の機関サイクルからの位置・力軌道に基づいて、現在の機関サイクルのための各ステップ１２０４において位置・力軌道を判定する、反復適応制御技法を使用してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、（例えば、より平滑または連続的な力プロファイルを施行するように）既知の望ましい伝播経路に向けて力値を駆動する、反復適応制御技法を使用してもよい。例えば、制御システム１０１０は、最初に、前のサイクルからの情報（例えば、力、値、機関性能等）に基づいて、機関サイクルにわたる一連の離散力値として位置・力軌道を概算してもよい。制御システム１０１０は、次いで、機関サイクルの各ストロークにわたって離散力値をピストンアセンブリに適用させてもよく、各サイクルの終わりに、制御システム１０１０は、機関動作特性、測定、性能、および／または条件に基づいて、離散力値を調節してもよい。制御システム１０１０は、例えば、ピストンアセンブリが、所与のストロークのための所望の標的位置を十分に達成しない場合に、後続のサイクルに先立って、離散力値の全てまたはいくつかを改変してもよい。例えば、ピストンが前のサイクルで所望の標的ＴＤＣの手前で頂点に達する場合、制御システム１０１０は、後続のサイクルで、離散力値のうちのいくつかまたは全ての規模を低減させ得る。共有（または共通）燃焼区画を伴う対向ピストン自由ピストン機関を用いた実施形態では、制御システム１０１０は、後続のサイクル中に、依存して、または独立して、ピストンアセンブリの一方もしくは両方のためのストロークの１つまたはそれを上回る部分の中の離散力値を改変し得る。例えば、現在の機関サイクルで、吸気ピストンアセンブリがＴＤＣにおいてその頂点に到達した後に、排気ピストンアセンブリがＴＤＣにおいてその頂点に到達する場合、制御システム１０１０は、後続のサイクルで、ＴＤＣにおいて十分な同期化を達成するために、排気ピストンアセンブリに適用される離散力値を調節することができ、吸気ピストンアセンブリに適用される離散力値を調節することができない。これは、例えば、制御システム１０１０が、ストロークの第１の半分にわたって排気ピストンアセンブリに適用される離散力値の規模を低減させ、それによって、ピストンの中間点速度が増加することを可能にし、次いで、ストロークの第２の半分にわたって排気ピストンアセンブリに適用される離散力値の規模を増加させ、それによって、ＴＤＣにおいて十分な同期化を達成することによって、達成されることができる。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、以前に判定された軌道（位置・力、位置・速度、時間・位置、または任意の好適な軌道）からの逸脱を計算することに基づく、反復適応制御技法を使用してもよい。
【００７４】
いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、複数の制御技法を切り替えることが可能であるハイブリッド制御技法を使用してもよい。ハイブリッド制御技法は、多種多様な動作条件を横断して自由ピストン機関を制御し、機関動作の十分に速くて大きい障害（例えば、燃焼不発、機械的故障、ガス品質変化、または任意の他の好適な変化）が起こり得るときに、自由ピストン機関を制御し、定常または安定動作条件下で（例えば、定常かつ連続的な動力出力時に）自由ピストン機関を制御するために、有利であり得る。例えば、制御システム１０１０は、機関始動中に位置・力軌道制御技法を採用し、次いで、機関動作が十分に安定または定常になるときに、反復適応制御技法に切り替わることができる。制御システム１０１０は、次いで、十分に大きい障害が検出される場合、または新しい機関動作条件が所望される（例えば、より多いまたは少ない動力出力、機関動作停止）場合に、位置・力軌道制御技法に戻るように切り替わることができる。図１５は、ハイブリッド制御技法の１つの可能性として考えられる実装を図示する。制御システム１０１０は、１５０２において位置・力軌道制御技法を使用する。制御システム１０１０が、任意の好適な基準（例えば、不発の欠如、安定した動力出力、安定した効率、熱平衡、または他の好適な条件）に基づいて、条件が十分に定常になることを判定する場合、制御システム１０１０は、１５０４において反復適応制御技法に切り替わる。制御システム１０１０が、任意の好適な基準に基づいて、動作条件が十分に非定常になった、または非定常になるであろうことを判定する場合、制御システム１０１０は、１５０２において位置・力軌道制御技法に戻るように切り替わる。
【００７５】
参照を容易にするために、図は、同じ参照番号を用いて標識される複数の構成要素を示し得る。これは、必ずしも、同じように標識される複数の構成要素が、相互に同じであることを示すわけではないことが理解されるであろう。例えば、１２５と標識されるピストンは、異なるサイズ、幾何学形状、材料、任意の他の好適な特性、またはそれらの任意の組み合わせを有し得る。
【００７６】
前述は、本開示の原理の例証にすぎず、種々の修正が、本開示の範囲から逸脱することなく当業者によって行われてもよい。上記に説明される実施形態は、限定ではなく、例証の目的のために提示される。本開示はまた、本明細書に明示的に説明されるもの以外の多くの形態をとることができる。故に、本開示は、明示的に開示される方法、システム、および装置に限定されず、以下の請求項の精神内である、それらの変形例および修正を含むことを意図していることが強調される。
【図１】
2019513201.tif 000047
【図２】
2019513201.tif 000048
【図３】
2019513201.tif 000049
【図４】
2019513201.tif 000050
【図５】
2019513201.tif 000051
【図６】
2019513201.tif 000052
【図７】
2019513201.tif 000053
【図８】
2019513201.tif 000054
【図９】
2019513201.tif 000055
【図１０】
2019513201.tif 000056
【図１１】
2019513201.tif 000057
【図１２】
2019513201.tif 000058
【図１３】
2019513201.tif 000059
【図１４】
2019513201.tif 000060
【図１５】
2019513201.tif 000061
【国際調査報告】
2019513201.tif 000062
2019513201.tif 000063
2019513201.tif 000064