(57)【要約】本発明は、少なくとも１つのピストン（２、３）と、少なくとも１つの吸気ポート（１１、１３）及び少なくとも１つの排気ポート（１０、１２）を備える少なくとも１つの燃焼室（６、７）と、吸気弁及び排気弁（１４、１５、１６、１７）であって、その内の少なくとも１つの吸気弁または少なくとも１つの排気弁が制御可能である吸気弁及び排気弁と、燃料及び酸素を含有する媒質を前記燃焼室（６、７）へと供給する手段（１８、１９）とを備える燃焼システム（１）と、前記ピストン（２、３）と電磁的な方法で直接的または間接的に相互作用するよう設けられ、ピストンの動きから電気エネルギーを生成し、かつ電気エネルギーを用いてピストンの動きに影響を与える電気機械（９）と、前記燃焼システム（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置（３０）とを備えるエネルギー変換器に関する。
2005539170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのピストン（２、３）と、少なくとも１つの吸気ポート（１１、１３）及び少なくとも１つの排気ポート（１０、１２）を備える少なくとも１つの燃焼室（６、７）と、吸気弁及び排気弁（１４、１５、１６、１７）であって、その内の少なくとも１つの吸気弁または少なくとも１つの排気弁が制御可能である吸気弁及び排気弁と、燃料及び酸素を含有する媒質を前記燃焼室（６、７）へと供給する手段（１８、１９）とを備える燃焼システム（１）と、
前記ピストン（２、３）と電磁的な方法で直接的または間接的に相互作用するよう設けられ、ピストンの動きから電気エネルギーを生成し、かつ電気エネルギーを用いてピストンの動きに影響を与える電気機械（９）と、
前記燃焼システム（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置（３０）とを備えるエネルギー変換器において、
前記エネルギー変換器が、該エネルギー変換器に必要な負荷に応じてその電力出力を適合させるよう設けられることを特徴とする、エネルギー変換器。
【請求項２】
前記エネルギー変換器が、前記必要な負荷に関する情報を前記制御装置（３０）に提供するよう設けられることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー変換器。
【請求項３】
前記電気機械（９）及び少なくとも１つの前記弁（１４、１５、１６、１７）が、前記燃焼室（６、７）の燃焼サイクルよりも著しく短い時間内に制御可能になるよう設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載のエネルギー変換器。
【請求項４】
前記燃料室（６、７）が少なくとも１つの燃料噴射器（１８、１９）を備えることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項５】
前記燃焼システムが圧縮点火燃焼原理用に設けられることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項６】
前記燃焼室（６、７）が少なくとも１つのスパークプラグを備えることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項７】
前記エネルギー変換器が車両の推進または電力プラントのアプリケーションに用いられることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項８】
前記電力出力を前記必要な負荷に応じて適合させるために、前記制御装置（３０）が、
１ストローク当たりの燃料量、
１ストローク当たりの空気量、
圧縮、または
時間単位当たりのストローク数、つまり運転周波数、
という運転パラメータの少なくとも１つを制御するよう適合されていることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項９】
前記制御装置（３０）が、チャージ圧力を制御することによって前記周波数を制御するよう適合されていることを特徴とする、請求項８に記載のエネルギー変換器。
【請求項１０】
前記燃焼システム（１）がフリーピストンエンジンを有することを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項１１】
エネルギー変換器の運転方法であって、前記エネルギー変換器が、
少なくとも１つのピストン（２、３）と、少なくとも１つの吸気ポート（１１、１３）及び少なくとも１つの排気ポート（１０、１２）を備える少なくとも１つの燃焼室（６、７）と、吸気弁及び排気弁（１４、１５、１６、１７）であって、その内の少なくとも１つの吸気弁または少なくとも１つの排気弁が制御可能である吸気弁及び排気弁と、燃料及び酸素を含有する媒質を前記燃焼室（６、７）へと供給する手段（１８、１９）とを備える燃焼システム（１）と、
前記ピストン（２、３）と電磁的な方法で直接的または間接的に相互作用するよう設けられ、ピストンの動きから電気エネルギーを生成し、かつ電気エネルギーを用いてピストンの動きに影響を与える電気機械（９）と、
前記燃焼システム（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置（３０）と、
前記燃焼システム（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置と、を備える、方法において、
前記エネルギー変換器の電力出力が、該エネルギー変換器に必要な負荷に応じて適合されることを特徴とする、方法。
【請求項１２】
前記電力出力が、１ストローク当たりの燃料量及び／または１ストローク当たりの酸素含有媒質量を変化させることによって制御されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃焼システムがチャージコンプレッサ（２４）を有し、前記電力出力が前記チャージ圧力を変化させることによって制御されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記電力出力が、異なる燃焼モードを選択することによって制御されることを特徴とする、請求項１１〜１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記異なる燃焼モードが、断続モード、好ましくは１サイクル運転、２ストロークモード、４ストロークモード、及び６ストロークモードを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
エネルギー変換器を起動する方法であって、前記エネルギー変換器が、
少なくとも１つのピストン（２、３）と、少なくとも１つの吸気ポート（１１、１３）及び少なくとも１つの排気ポート（１０、１２）を備える少なくとも１つの燃焼室（６、７）と、吸気弁及び排気弁（１４、１５、１６、１７）であって、その内の少なくとも１つの吸気弁または少なくとも１つの排気弁が制御可能である吸気弁及び排気弁と、燃料及び酸素を含有する媒質を前記燃焼室（６、７）へと供給する手段（１８、１９）とを備える燃焼システム（１）と、
前記ピストン（２、３）と電磁的な方法で直接的または間接的に相互作用するよう設けられ、ピストンの動きから電気エネルギーを生成し、かつ電気エネルギーを用いてピストンの動きに影響を与える電気機械（９）と、
前記燃焼システム（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置（３０）と、
前記電気機械（９）と電気的に接続されるコンデンサ（４３）とを備える方法において、
前記方法が、前記エネルギー変換器を前記ピストン（２、３）の１ストローク内に始動可能にする電気エネルギーを前記コンデンサ（４３）内に貯蔵することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に係るエネルギー変換器、請求項１１の前段に係るエネルギー変換器の運転方法、及び請求項１６の前段に係るエネルギー変換器の起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フリーピストンエンジンにはクランクシャフトがないという特徴がある。フリーピストンエンジンは、単一ピストンでも二重ピストンの配置でもよい。二重ピストン配置の場合は、各ピストンごとに別個の燃焼室および燃焼噴射器を備える。ピストンはロッドによって相互に接続されて同時に移動する。フリーピストンエンジンはこの技術分野では周知である。フリーピストンエンジン（ＦＰＥ）からエネルギーを得る一般的な方法は、相互連結ロッドに発電機を取付けることである。
【０００３】
この技術分野では、いわゆるＨＣＣＩ燃焼も周知である。均一な希薄化された（空気または残留ガス率）燃料混合気が自動着火する高温でエンジン内で圧縮されると、該エンジンは予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）で作動すると言われている。
【０００４】
一例として、ＵＳ６１９９５１９には、線形電気オルタネータ／発電機を有する２ストロークのフリーピストンエンジンが開示されている。該エンジンは定周波数の揺動モードで駆動される。燃料及び空気は弁を用いることなく２ストロークサイクルで取り入れられる。該エンジンはＨＣＣＩ（自動着火）モードで作動し、必要のない場合は停止し、作動中は本質的に一定の速度および力で運転される。コイル電流の制御は、燃料配合が変化した場合に圧縮率を変化させるためのピストン速度の制御に用いることもできる。エンジン／発電機は、特にハイブリッド自動車のアプリケーションにおけるバッテリの蓄電を目的としている。該エンジンを始動するために、バッテリを利用してリニアモーターとしての線形オルタネータを作動させる。ピストンはシリンダ内で揺動し、自動着火するのに十分な圧縮がなされるまで各サイクルでより高い圧縮を達成して、十分になった時点で燃料がエンジンに導入され自力での動作が確実となる。
【０００５】
ＷＯ０１／４５９７７には、フリーピストンエンジン、電磁エネルギー変換器、燃焼システム及び制御装置を備える装置が記載されている。燃焼システムは１つまたは２つの能動燃焼室を備え、２ストロークずつ交互に４ストロークで作動する。この装置により、ピストンの瞬間的な位置を判断することができる。電磁エネルギー変換器へ、およびそこからの電力を制御することによって、また制御装置によって制御されるスパークプラグと共に、燃焼がスパークプラグによって開始される際にピストンを所望の位置へと移動させることができると記載されている。また、例えば圧縮を高めてより高い電力出力を得る等、燃焼エンジンの瞬間負荷に応じて圧縮を制御し変化させることも提案されている。ＨＣＣＩについては、可能な燃焼原理であるとは記載されているが、かかる燃焼をどのように制御可能かについては開示されていない。更に、コンデンサ、バッテリ、フライホイール等、燃焼エンジンの少なくとも一部を貯蔵する別の貯蔵装置についても述べられているが、それらの使用方法についてはほとんど記載されていない。
【０００６】
既存のフリーピストンエンジンのエネルギー変換器は、一定の負荷状態で駆動されると確かに化学エネルギーを燃焼により電気エネルギーに変換するが、これらの溶液はバッテリーパック等の大きなエネルギー貯蔵装置を必要とする。このような装置は高価であり、システム効率が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の１つの目的は大型のエネルギー貯蔵装置を必要としないエネルギー変換器を提供することである。この目的は、請求項１に係る装置によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
請求項１に定めるように、本発明は、エネルギー変換器が必要な負荷に応じて自身の電力出力を適合するよう設けられていることを特徴とする。そのため、小さなエネルギー貯蔵装置しか必要としない。これにより、従来の解決策と比べてコストとエネルギー変換器の重量との両方が削減される。更に、本発明は、非常に少ない燃料消費量と非常に少ない排気量で極めて効率的に運転することができる。
【０００９】
本発明の別の目的は、エネルギー変換器を効率的に運転する方法を提供することである。
【００１０】
この目的は請求項１１に定める方法によって達成され、エネルギー変換器の電力出力が該エネルギー変換器に必要な負荷に適合されることを特徴とする。
【００１１】
本発明の別の目的は、エネルギー変換器を有利な方法で始動する方法を提供することである。
【００１２】
この目的は請求項１６に定める方法によって達成され、該方法は、ピストンの１ストロークの間にエネルギー変換器の始動を可能にするために電気エネルギーをコンデンサ内に貯蔵するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ＨＣＣＩ燃焼
均質の希薄化された（空気または残留ガス率）燃料混合気が、自動着火する程度の高温でエンジン内で圧縮されると、該エンジンは予混合圧縮着火で作動すると言われている。
【００１４】
着火点は混合ガスの複数の発熱中心（ＥＴＣ）によって提供される。ＨＣＣＩには火炎伝播がないため、燃焼は動力学的に制御される。複数のＥＴＣを生成するためには、混合ガスの温度及び配合の均質性を制御できることが重要である。火炎伝播がないため、通常の火炎伝播とは反対に、燃焼後に燃焼室内で温度分散が発生してほぼ均一となる。これによりＮＯｘの排出量は数千ｐｐｍから１０ｐｐｍのオーダーに減少する。動力学的に制御される燃焼とは、熱放出が極めて速いことを意味し、理論上は理想的なオットーサイクル（定量燃焼）に近づくことが可能となる。このような方法で燃焼可能なのは過薄または希薄燃料混合気だけであり、燃焼温度が十分に高いことが条件となる。ＨＣＣＩにおける困難な点は、多様な速度及び負荷状態の下で燃焼フェーズが適正になるよう着火遅延を制御することである。ＨＣＣＩ燃焼では燃料混合気がかなり希薄化されている必要があるため、ＨＣＣＩ燃焼用として有効なエンジン作動範囲は負荷部分の一部だけである（自然吸気エンジンを想定する）。高圧縮率が可能な場合、ＨＣＣＩ燃焼には、高濃度のＮＯｘ及び粒子を排出することなく効率の面でディーゼルエンジンを上回る（４０〜４５％）可能性がある。予混合圧縮着火は新しい概念ではない。１９４０年代に、石油で駆動される自転車用補助エンジン（Ｌｏｈｍａｎｎ）がこのタイプの圧縮着火及び多様な圧縮率（ｒｃ．ｅｆｆ．＝８．５−１２．５）で作動された。１９５０年代にはＡｌｐｅｒｓｔｅｉｎ、１９７０年代にはＡＴＡＣ、そして１９８０年代にはＳｍｏｋｅｙ  Ｙｕｎｉｃｋ及びＳｏｕｔｈ  Ｗｅｓｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ＩｎｓｔｉｔｕｔｅもＨＣＣＩエンジンを作動させた。ＨＣＣＩの作動には、燃焼速度を制御するために過薄混合気（等価比、φ、０．５未満）または多量の残留ガス（４０％超）を必要とする。オクタン価が高い燃料を用いる場合も燃焼温度を高くする必要がある。このため、ホンダのような内部ＥＧＲの高い２ストロークエンジンやＬｏｈｍａｎｎのような変動圧縮率のエンジンが製造されている。従来の４ストローク均質チャージエンジンでの試みは、潜在的なＨＣＣＩ速度／負荷範囲内かつ過渡的なエンジン運転中に自動着火プロセスを制御することが困難であるため、失敗に終わっている。１９９０年代に、ＨＣＣＩ燃焼への関心が再び高まった。現在はエンジン制御及び変動エンジンシステムが進歩したため、成功のチャンスは非常に高まっている。
【００１５】
４ストロークＨＣＣＩエンジンを実現するための１つの方法は、大量の残留ガスを閉じ込めることによって２ストロークエンジンのシリンダ内の状態をエミュレートする方法である。これは、Ｋｅｒｋａｕ  ｅｔ  ａｌ．、Ｄｅｎｂｒａｔｔ、Ｗｉｌｌａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．が述べているように、排出弁を早く閉じればよい。これ以外には、Ｓｍｉｔｈ  ｅｔ  ａｌ．、Ａｃｅｖｅｓ  ｅｔ  ａｌ．による、可変する吸気弁のタイミングによって圧縮温度を操作する方法や、Ｄｅｎｂｒａｔｔによる可変圧縮および可変する吸気弁タイミングを組み合わせる方法がある。
【００１６】
図１に、本発明の好適な実施形態によるエネルギー変換器を示す。エネルギー変換器は、各々別のシリンダ４、５及び燃焼室６、７を有する２つのピストン２、３を備えるフリーピストン燃焼システム１から構成される。より詳細には、燃焼システム１は、第１の燃焼室６を有する第１のシリンダ４内に設けられた第１のピストン２と、第２の燃焼室７を有する第２のシリンダ５内に設けられた第２のピストン３とを備える。
【００１７】
ピストンは連結ロッド８によって相互接続される。線形電気機械９はシリンダ４、５の間に位置する。ロッド８と電気機械９は電磁的な相互作用が可能であり、電気機械９は発電機及びモータのいずれとしても作動することができる。各燃焼室６、７は、制御可能な吸気弁及び排気弁１４、１５、１５’、１６、１７、１７’と燃料噴射器１８、１９とを有するポート１０、１１、１２、１３を備える。より詳細には、第１の燃焼室６は、排気弁１４が設けられた第１の排気ポート１０と吸気弁１５が設けられた第１の吸気ポート１１とを備える。更に、第２の燃焼室７は、別の排気弁１６が設けられた第２の排気ポート１２と別の吸気弁１７が設けられた第２の吸気ポート１３とを備える。
【００１８】
第１の燃焼室６が更に吸気弁１５’を備え、第２の燃焼室７が更に吸気弁１７’を備えると好ましい。
【００１９】
更に、エネルギー変換器は、例えばセンサ、アクチュエータ及び制御装置（図示せず）を備えており、これらについては後述する。
【００２０】
第１の排気弁１４は第１の排気弁制御装置２０によって制御され、第１の吸気弁１５は第１の吸気弁制御装置２１によって制御される。更に、第２の排気弁１６は第２の排気弁制御装置２２によって制御され、第２の吸気弁１７は第２の吸気弁制御装置２３によって制御される。
【００２１】
更に吸気弁１５’がある場合、これは、更に別の吸気弁制御装置２１’によって制御される。同様に、更に設けられた吸気弁１７’は更に別の吸気弁制御装置２３’によって制御される。
【００２２】
図１に示す制御装置２０、２１、２１’、２２、２３、２３’は別個のユニットだが、全ての弁１４、１５、１５’、１６、１７、１７’を制御する単一の制御装置（以下に記載する、図２参照）における複数の機能として導入してもよい。
【００２３】
図１に示す実施形態には、全て制御可能な吸気弁及び排気弁１４、１５、１５’、１６、１７、１７’が含まれているが、本発明はかかる実施形態に限定されない。実際、本発明は（第１の燃焼室の）吸気弁１５または排気弁１４のいずれか一方が制御可能なように、または両方が制御可能なように導入することができる。同様に、第２の吸気弁１７または第２の排気弁１６のいずれかが制御可能でも、または両方が制御可能でもよい。全ての弁が制御可能なわけではない場合、本発明の実施形態においては、かかる弁は永久的に開放された弁開口部の形状でもよい。
【００２４】
また、図１は、燃焼室の１つ、この場合は第１の燃焼室６から、およびそこへの、空気及び排気ガスの導入と取扱いのためのフローシステムの例を概略的に示す。第２の燃焼室７にも同様のシステム（図示せず）が設けられる。流入する空気は、第１の電気モータ２５によって駆動される圧縮機２４へと導かれ、第１の冷却装置２６を通って第１の燃焼室６へと入る。排気ガスは、第１の排気弁１４を通って第１の燃焼室６から出て、発電機２８に接続されたタービン２７を介して、周囲の大気へと排出される。ＥＧＲフローといわれる排気ガスの流れの一部は、第２の冷却装置２９を介して圧縮器２４へと戻され、そこで流入する空気と混合される。当然、このフローシステムは当業者にとって自明である様々な方法で設計することができる。
【００２５】
本発明の好適な実施形態によるエネルギー変換器は、コンデンサとバッテリ（図示せず）も備える。
【００２６】
図２は本発明による制御装置３０及び主電力経路の概略を示す。制御装置３０は、燃焼ソフトウェア３１、電気機械ソフトウェア３２、制御ソフトウェア３３等の様々なソフトウェア・モジュールを備える。更に、制御装置３０は、演算手段３４、燃焼センサ３５及びアクチュエータ３６からの情報の授受を行うためのインタフェース、パワーエレクトロニクス３７、及び制御コマンド３８を備える。該インタフェースは、センサインタフェース３９（センサ３５との通信用）、アクチュエータインタフェース４０（アクチュエータ３６及びコンプレッサ２４／２５との通信用）、及びパワーインタフェース４１（パワーエレクトロニクス３７との通信用）を含む。該通信は、図２に細い矢印で示されている。
【００２７】
演算手段３４は、当業者には周知であるマイクロプロセッサ、メモリ、入出力回路／ドライバ、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器等（図示せず）を含む。制御装置３０は、コンピュータバスによって更に別の電子装置（図示せず）に接続することも可能である。パワーエレクトロニクス３７は、制御装置３０内の前述のパワーインタフェース４１と通信するための制御インタフェース４２と、電気機械９、コンデンサ４３、バッテリ４４及び外部負荷４５間に電力を供給するインタフェースとを含む。これらのインタフェースには、負荷インタフェース４６（負荷４５との連携用）、線形電気機械インタフェース４７（電気機械９との連携用）、コンデンサインタフェース４８（コンデンサ４３との連携用）、及びバッテリインタフェース４９（バッテリ４４との連携用）等がある。図２に概略的に示すように、コンデンサ４３とバッテリ４４とが一体となってエネルギー貯蔵装置５０を形成している。
【００２８】
さらに、パワーエレクトロニクス３７内の主電力経路は太い矢印で示されている。電力は、例えばコンプレッサ（図１参照）等の運転用に分配されてもよい。パワーエレクトロニクス３７は更に、例えば制御装置３０と電気機械９（図示せず）との間の通信経路を備える。また、図２は、符号５１で概略的に示されるエネルギー変換部の主な内容、つまりフローシステム等を含む燃焼システム１、線形電気機械９、及び付帯ハードウェア５２を示す。
【００２９】
燃焼システムは、例えば圧力、温度、ノッキング、空気流量、ピストン位置、及びピストン加速を検知するセンサ３５と、例えば燃料噴射、弁及びタービンを制御するアクチュエータとを備える。
【００３０】
センサ３５は制御装置３０の入力部に接続され、アクチュエータ３６は出力部に接続される。例えば、ピストンセンサはロッド８の相対的位置、つまりピストンの位置に対応する信号を与える。別のセンサを通して直接的に、またはデータバスを通して制御装置３０に入力される他のパラメータとしては、エンジン温度、冷却水の温度、車両速度、瞬間電流量等がある。これらのパラメータは、所定の限界値に応じて制御装置により評価され、制御装置が電気機械９を通して電流量を制限する。
【００３１】
制御装置３０内の演算手段３４は、ピストンの動き及び燃焼室内の燃料混合気の圧力と温度の変動をシミュレートして予測するように設けられたソフトウェアを備える。
【００３２】
コンデンサ４３の主な機能は、エンジンストローク間のエネルギーバッファとして作用することである。バッテリ４４の主な機能は、エンジン始動時にコンデンサ４３をチャージすることである。コンデンサ４３の容量は比較的小さく（例えば２００Ｗｓ）、バッテリ４４は一般的な車両起動用バッテリでもよい。当然、様々な種類のコンデンサ及びバッテリを用いることができる。
【００３３】
先行技術によれば、ＦＰＥエネルギー変換器は良好な燃焼状態を提供するよう適合させることができ、一定の周波数及び負荷でエンジンを運転することで高効率かつ低排気が実現される。エネルギーはバッテリパックに保存される。先行技術によるＦＰＥを例えば車両内で使用する場合、該車両に必要な平均電力を供給するよう寸法が決められる。つまり、車両による消費電力が発電機による電力出力よりも何倍も大きくなる場合があることを意味する。従って、この種の車両には大型で重いバッテリパックが必要となる。
【００３４】
しかし、車両へのアプリケーションにおいては、小型で軽量のバッテリが望ましい。これは既知のＦＰＥでは不可能である。大型のバッテリパックが必要となるか、または車両に必要な最大電力を提供できるようＦＰＥの寸法を決めるかの、いずれかである。このようなＦＰＥは効率的な選択ではない。
【００３５】
この問題を解決するためには、フリーピストンエネルギー変換器の出力電力を変動できるよう、これを制御する必要がある。これが本発明の基本概念である。本発明によれば、この電力変動は以下のパラメータを変化させることによって実現される。すなわち、１ストローク当たりの燃料量、１ストローク当たりの空気量、時間単位当たりの圧縮およびストローク数、つまり運転周波数である。本発明によれば、これらのパラメータの少なくとも１つを制御することによって、前記電力変動をもたらすことができる。
【００３６】
本発明は上記のパラメータのみの使用に限定されない。また、電力変動は、以下のパラメータを変化させることによって制御することもできる。すなわち、第２の冷却器２９を介したＥＧＲフロー、（コンプレッサ２４による）吸気圧力、及び（タービン２７による）排気背圧力である。
【００３７】
運転周波数は非常に重要である。燃焼システムの運転周波数は質量―ばねの性質、すなわち揺動質量、ストローク長さ、ばねの硬度（空気／燃焼ガス及び／または機械式または油圧式ばね）によって決定される。従来のクランクシャフトＩＣエンジンにおけるエンジン電力出力を制御するためには、１ストローク当たりの燃料負荷／量の制御、及びエンジン速度／周波数の制御、という２つの方法が一般的に適用される。フリーピストンエンジンの揺動周波数は一般的にその配置によって固定されるとみなされるが、ばねの剛性及びストロークの長さを変えることによって変化させることができる。
【００３８】
しかし、ストローク長さの変動には、閉じ込められた空気量も変化するという、第２の効果がある。周波数及び空気量は電力出力に関して相互に相殺する。従って、周波数を制御する主なものは、ばね（１つまたは複数）の剛性を変化させることである。この剛性は、チャージ圧力、つまり流入する空気の圧力、及び弁のタイミング、つまり閉じ込められたガスの量と燃焼サイクル内の最大シリンダー圧力、と密接に関係する。また、チャージ圧力の変化にも２つの効果がある。ストロークの長さの変化とは違い、同じ方向に向かう、つまりチャージ圧力が高まると周波数及び空気量も増加する、という効果がある。従って、チャージ圧力は電力出力にとって強力な制御パラメータである。１ｂａｒ  ａｂｓ．より小さなチャージ圧力でも、追加の燃料が必要となるが（ポンプ損失）低負荷の制御に利益をもたらす。変動弁により、ポンプ損失を回避することができる。閉じ込められたガスの質量は弁のタイミングで制御することもできる。
【００３９】
これは、燃焼システムを制御する１つの方法であるエネルギー変換器の電力出力は、閉じ込められたガスの質量を制御することによって周波数を制御することによって実現されることを意味する。閉じ込められたガスの質量は圧力と弁のタイミングを変化させることによって制御される。制御装置３０（図２参照）は吸気弁及び排気弁１４、１５、１６、及び１７（図１参照）の開放時間を制御する。更に、制御装置３０は圧力をもたらすコンプレッサ２４も制御する。コンプレッサ２４にはわずかな時間の遅れがあるが、この遅れは弁の開放時間を制御する際に考慮される。
【００４０】
ＨＣＣＩ燃焼は、熱放出が非常に早いという特徴を持つ。フリーピストンの動きは、圧縮の最後と膨張の最初でピストンの速度が速いという特徴を持つ。ピストンは上死点でクランクシャフト機構によって保持されていないため、これらの速度はクランクシャフトエンジンよりもはるかに高速である。高速膨張及び高速熱放出の組み合わせは、非常にうまく適合する。フリーピストンエンジンは、膨張速度に追従するために高速で熱を放出する必要があり、ＨＣＣＩ燃焼は燃焼完了後に早く膨張することにより利点が得られる。
【００４１】
クランクシャフト機構の欠如による別の利点は、ピーク圧力の自動制限である。圧縮ストローク中の比較的早い段階で自己着火が始動すると、ピストンが燃焼圧力によってゆっくりになり、それにより圧縮率が低下し膨張ストロークが早く開始される。自己着火が遅いと逆の効果がある。基本的に、ピストンは継続してガスを圧縮し、自己着火が起こるまでガス温度を上昇させる。そして、燃焼圧力によってピストンは強制的に膨張ストロークに戻される。
【００４２】
ラムダまたはＥＧＲの別のバリエーションは、さらに電力範囲を増加する。直接噴射が用いられる場合（２Ｎ−ストローク（Ｎ＝１、２、３・・・））はスキップファイアの選択肢も可能である。
【００４３】
ディーゼルに比べてガソリンはＨＣＣＩでより高い温度を必要とし、それを許容する。その結果、ピーク圧力がより高くなり高周波数及び高電力密度となる。
【００４４】
フリーピストンエンジンのピストンの「速度範囲」は、クランクシャフトエンジンと比べて比較的小さい。つまり、ピストンの動きはあまり大きく変化しない。これにより、燃焼プロセスを最適化し排気及び消費燃料を最小限に抑える条件が与えられる。低摩擦のフリーピストンエンジンと効率的な発電機があれば、燃料消費をさらに減少させることができる。
【００４５】
負荷を変化させるようエネルギー変換器と燃焼システムを適合するためには、各サイクルにおいてピストンの動きを制御することが望ましく、個々のストローク間及びストローク中の双方で制御するのが好ましい。ＨＣＣＩ燃焼は自己着火に依存しており、自己着火は温度、圧力そして圧縮率に大きく依存する。圧縮率は地理的に決定されるのではなく圧縮の最後のピストン速度に関連する。二重ピストン概念において、ピストン速度は対向するシリンダのその前のストロークからの電力及び電気機械／発電機によって発生される電力量に依存する。発電機によって発生される電力を変化させることにより、事前の燃焼においてサイクルごとの変動を平均化することができ、正確な圧縮率が保証される。それを可能にするために、ピストン速度はサイクルごとに決定し調整しなければならない。そのためには迅速かつ正確な速度決定とモータ／発電機の反応が求められる。最近発明された電気機械の中には、この必要事項を提供するものもある。この内容に適すると思われる線形電気機械の例としては、ＷＯ０１／７８２１８及びＷＯ０１／７８２１９に示されるものがある。
【００４６】
実際の負荷要件は制御装置３０によって分析される。制御装置３０は、例えば必要な電流または電圧を読む負荷インタフェース４６でセンサを介して、または例えば加速器のペダルの位置（の変化）または車両の走行状態（過去、現在、計算された未来）または電圧降下または電流遮断のためのセンサ信号に基づく制御コマンドを受信することによって、負荷要件に関する情報を得る。
【００４７】
上述のように、先行技術のＦＰＥエネルギー変換器はバッテリで電力ピークに対処する。大型のバッテリパックが発電機に接続され、該発電機がバッテリパックに一定のチャージ電流を供給する。重量とコストを抑制するためにはバッテリの量を最小限にするのが望ましい。一方、小型のバッテリパックでは電力ピーク時に必要な電流を供給できない。本発明によれば、実際の負荷に応じてエネルギー変換器を調整することでこの問題が解決される。燃焼システムを負荷に適合させることで、発電機から必要な電流が供給される。本発明によるエネルギー変換器の反応時間が早いため、バッテリパックとして従来の起動用バッテリのみを使用することが可能となる。
【００４８】
本発明のエネルギー変換器の好適な実施形態では、バッテリの代わりにコンデンサまたはスーパーコンデンサを作動用エネルギー貯蔵装置として用いる。（スーパー）コンデンサによって、エネルギーを貯蔵し、バッテリを用いるよりも早く貯蔵したエネルギーを得ることができる。更に、（スーパー）コンデンサは、バッテリに比べて重率因子に対するエネルギーが高く、寿命が長い。ただし、停止時にエンジンを始動させるための小型のバッテリが必要となる。コンデンサの自己放電は、始動用バッテリとして用いるには速すぎて適切ではないと思われる。
【００４９】
本発明の動作
ここで、本発明の動作について図１から１２を参照して説明する。
【００５０】
ＦＰＥの始動行動（冷態始動は特別なケース）は、以下の原理の説明に従って行われるのが好ましい。
【００５１】
１．ピストンは、図１においてできるだけ左に離れた位置から始動する（ｘ＝−ストローク長さの半分）。
【００５２】
２．電気機械９（図１参照）がピストン２、３を右側へ加速し、両シリンダ４、５が開放される（つまり全ての弁１４、１５、１６、１７が開放される）。
【００５３】
３．第２のシリンダ５の吸気弁がｘ位置（ピストン移動）で閉鎖され所望の圧縮を与える。
【００５４】
４．燃料が第２のシリンダ５へ供給される。
【００５５】
５．ピストン２、３が最大のｘ値、つまり図１において最も右側の位置に達すると、第２のシリンダ５内で燃焼が開始される。
【００５６】
６．膨張ストローク中、移動しているピストンのエネルギーの一部が電気機械９によって取り上げられ、コンデンサ４３に貯蔵される。残りのエネルギーはシリンダ６内の圧縮及び運転の継続に使用される。
【００５７】
このように、エンジンは迅速かつ効率的な方法で始動し、半サイクルで作業状態に達することができる。
【００５８】
燃焼システムは、排気ガスを処理するためのＮＯｘトラップと触媒コンバータとを備えると好ましい（図示せず）。エンジンが作動状態まで加熱される前の冷態始動からの排気ガスは、該排気ガスが触媒物質用の着火温度に達するまで、既知の方法でＮＯｘトラップ内に留まっていると好ましい。
【００５９】
この新規な始動行動は非常に迅速で、過度な排気ガスを発生しないため環境に優しい。
【００６０】
電気機械９は、最適なピストン位置で燃焼が開始されるよう瞬時に制御される。弁、燃料射出及びチャージ圧力は、必要な負荷に対して所望の動作が達成されるように制御される。電気機械９は、所望の方向へ所望の力が瞬時に提供されるよう、制御装置３０によって制御される。さらに、制御装置３０は電気機械９の状態に関する情報を瞬時に受信する。電気機械９によって生成される電気エネルギーはコンデンサ４３（及び必要な場合はバッテリ４４）に貯蔵され、かつ／または、例えば車の駆動機構等、負荷４５へと転送される。始動時及び集中制御中は、コンデンサ４３から大きな効果が得られる。
【００６１】
本発明による燃焼システムの継続的な運転は、従来の燃焼エンジンに従って２ストロークまたは４ストロークモードで行われる。４ストロークモードは、一時的か永続的かに関わらず、１つのシリンダーを閉鎖弁を有するガス（空気）ばねとして作用させることによって実現される。
【００６２】
エネルギー変換器の継続運転の一例におけるシミュレーション結果を図３及び４に示す（タイプ：運転、ケース：６３Ｃ、１ｂａｒ）。
【００６３】
これまでのＦＰＥエネルギー変換器は一定の速度及び電力で稼動し、高負荷状態のためのバックアップとしてバッテリ等のエネルギーバッファを必要とする。一方、本発明によるエネルギー変換器は、燃焼システムの運転モードを変化させることによって必要な負荷を提供するよう制御することができる。以下、継続運転中のモード切替えについて更に説明する。本発明によるエネルギー変換器は、新規かつ効率的な方法で変換器を運転させることができる。
【００６４】
少量の電力出力しか必要としない状況においては、本発明のエネルギー変換器は断続モード、つまり燃焼システムのオンとオフが交互に繰り返され燃焼システムがオンの場合は１つまたは２、３の燃焼サイクルのみが実施されるモードで、運転することができる。かかる断続モードにより、非常に小さなエネルギーバッファを使用することができる。コンデンサのチャージが一定値を下回って低下すると、再チャージのために１つまたは２、３の燃焼サイクルが実施される。従って、本発明によるエネルギー変換器は、燃焼システムが断続的に作動するにもかかわらず継続的にエネルギーを供給することができる。２、３の燃焼サイクルよりも長い期間に渡って見てみると、断続運転中の燃焼システムの周波数は継続運転中よりも低い。
【００６５】
１サイクル運転の第１の例である、かかる断続モードによるシミュレーション結果を図５及び６に示す（「タイプ：単一ストローク１、ケース：６３Ｃ、１ｂａｒ」）。この第１の例には以下のステップが含まれる。
【００６６】
１．ピストンは、図１においてできるだけ左に離れた位置から始動する（ｘ＝−ストローク長さの半分）。
【００６７】
２．電気機械９（図１参照）がピストン２、３を右側へ加速し、両シリンダ４、５が開放される（つまり全ての弁１４、１５、１６、１７が開放される）。
【００６８】
３．第２のシリンダ５の弁がｘ位置（ピストン移動）で閉鎖され所望の圧縮を与える。
【００６９】
４．燃料が第２のシリンダ５へ供給される。
【００７０】
５．ピストン２、３が最大のｘ値、つまり図１において最も右側の位置に達すると、第２のシリンダ５内で燃焼が開始される。
【００７１】
６．膨張ストローク中、移動しているピストンのエネルギーが電気機械９によって取り上げられ、コンデンサ４３に貯蔵される。第１のシリンダ４の弁１４、１５は開放されたままである。
【００７２】
７．ピストン２、３はは上記ステップ１に述べる左側の待機位置に留まる。
【００７３】
８．コンデンサ４３内のエネルギーが負荷４５によって使用される。
【００７４】
９．コンデンサ４３を再チャージする時間になったら（ステップ６）ステップ１から８が繰り返される。
【００７５】
つまり、半サイクル内に始動するために、本発明は、シリンダへの射出、空気量を決定する少なくとも１つの制御可能な弁、及び後端部の位置でピストンを位置決めする可能性を含み、更に該サイクル中の瞬時の制御を含む。
【００７６】
１サイクル運転の第２の例によるシミュレーション結果を図７及び８に示す（「タイプ：単一ストローク２、ケース：６３Ｃ、１ｂａｒ」）。第２の例には以下のステップが含まれる。
【００７７】
１．ピストン２、３は、図１においてできるだけ左に離れた位置から始動する（ｘ＝−ストローク長さの半分）。
【００７８】
２．電気機械９がピストン２、３を右側へ加速し、両シリンダ４、５が開放される（つまり全ての弁１４、１５、１６、１７が開放される）。
【００７９】
３．第２のシリンダ５の弁がｘ位置（ピストン移動）で閉鎖され所望の圧縮を与える。
【００８０】
４．燃料が第２のシリンダ５へ供給される。
【００８１】
５．ピストン２、３が最大のｘ値、つまり図１において最も右側の位置に達すると、第２のシリンダ５内で燃焼が開始される。
【００８２】
６．第１のシリンダ４の弁１４、１５が適切な時点で閉鎖される。
【００８３】
７．膨張ストローク中、移動しているピストンのエネルギーが電気機械９及び第１のシリンダ４内に形成されるガスばねによって取り上げられる。エネルギーがコンデンサ４３に貯蔵される。
【００８４】
８．ピストン２、３は、第１のシリンダ内のガスばねに反発して第２のシリンダ５へと移動すると電気機械９によって減速され、電気機械９がピストン２、３エネルギーを取り上げてコンデンサ４３へと移す。
【００８５】
９．ピストン２、３が、左端（上記のとおり）または右端の待機位置へと戻される。
【００８６】
１０．コンデンサ４３内のエネルギーが負荷４５によって使用される。
【００８７】
１１．コンデンサ４３を再チャージする時間になったら（ステップ７及び８）ステップ１から１０が繰り返される。
【００８８】
１サイクル運転の第１の例と比べて、この第２の例はピストン２、３の減速に（少なくとも）２ストロークが使用されるため、より高い燃焼エネルギーが可能となる。
【００８９】
上述した１サイクル運転の第２の例は、継続運転の始動に用いることもできる。かかる始動プロセスにより、非常に短時間の後、出力電力を提供することができる。図７からわかるように、電気機械９は約１７ｍｓ後に電力供給を開始する。エネルギー変換器がしばらく停止している場合、最初にバッテリ４４からコンデンサ４３をチャージする必要が生じ、これには通常約２００ｍｓかかる。しかし、変換器が停止している時間中、バッテリ４４を用いてコンデンサ４３を完全にチャージすればこの遅延を回避することができる。
【００９０】
冷態始動は始動プロセスにおいて特別なケースである。なぜなら、自己着火温度に達するにはかなりの圧縮が必要となるためである。上述した第２の例（「単一ストローク２」）の原則は、冷態始動の状態に適している。かかる冷態始動プロセスのシミュレーション結果を図９及び１０に示す（「タイプ：単一ストローク２、ケース：６３Ｃ、１ｂａｒ」。後の段階で第２のシリンダ５の弁の閉鎖を選択することにより（ステップ３）、少量のガスが第２のシリンダ５内に閉じ込められることになるため、常温ガスでも１ストローク内に電気機械９が圧縮に必要な力を十分に得ることができる。
【００９１】
停止手順も同様な方法で行われる。燃焼システムが停止すると燃料混合気が停止される。同時に、制御ユニット３０は、電気機械９からロッドへの力がロッドの動きと反対方向になるように電気機械９に電流を印加する。ロッド８が例えば中央の位置に達すると電流が放出されてエネルギー変換器が停止する。
【００９２】
別の例に関し、比較的高出力を伴う運転状態でのシミュレーション結果を図１１及び１２を参照して説明する（「タイプ：運転、３９ｋＷ、過給を伴う高出力」）。この状態は一般的に図３及び４に関して説明したものに対応するが、本発明によるエネルギー変換器の非常に高い電力と、非常に高いシリンダ圧力及びシリンダ温度を伴う。
【００９３】
図３〜１２に関する追加説明
図３〜１２は図１に示す本発明の好適な実施形態等のエネルギー変換器の別の運転モードにおける主なシミュレーションの例を示す。ピストン２、３及び電気機械９の可動部は、シリンダ圧力と電気機械９とによって生成される力の合計によって加速される。継続運転モードにおいて、これらの力は（平均として）均衡されてピストン２、３は左右の回帰点の間を揺動する。全ての異なるモードにおいて最初に示されたパラメータ部はこの原理を理解する上で必要ではないので、これ以上説明しない。
【００９４】
各運転モードの（３つの内の）最初の図は、ピストン２、３の中心位置に関するピストン移動（センチメートルで表示）ｘ、ピストン速度（メートル／秒で表示）、及び電気機械によってもたらされる力（Ｅｌ−力）（キロニュートンで表示）を示す。高効率を得るために、電気機械９はピストン速度が速いときのみ作動し、従って「Ｅｌ−力」がこれらの例ではピストンの回帰点付近でゼロであることが好ましい。ピストン速度と「Ｅｌ−力」とが同じ符号の場合、電気機械９はモーターとして機能する。つまり、ピストン２、３は電気機械９によって加速される。一方、ピストン速度と「Ｅｌ−力」とが違う符号の場合、電気機械９は発電機として機能する。つまり、ピストン２、３は電気機械９によって遅延させられる。エネルギー変換器は、電気機械９が発電機として機能する場合に電力を発生させる。各運転モードの二番目の図は、２つのシリンダ内のシリンダ圧力を示す。制御装置３０は、ピストンの回帰点近くで点火させるよう（これらの例はＨＣＣＩ燃焼用）動作が制御されている。各運転モードの三番目の図は２つのシリンダ内のシリンダ（燃焼）温度を示す。
【００９５】
図３は、継続運転モードにおける、ピストン移動、ピストン速度、及び電気機械によって生成される力を示す。
【００９６】
図４は、継続運転モードにおける、シリンダ圧力及びシリンダ温度を示す。
【００９７】
図５は、単一ストロークモード、タイプ１における、ピストン移動、ピストン速度、及び電気機械によって生成される力を示す。ピストン２、３は、まず左側の位置（ｘ最小値）から、シリンダ２で燃焼が開始される右側の回帰点へと電気機械９によって加速される。右側の回帰点からのストロークでは、ピストン２、３は電気機械９によって遅延され停止される。
【００９８】
図６は、単一ストロークモード、タイプ１におけるシリンダ圧力及びシリンダ温度を示す。尚、シリンダ４はこの全サイクルで動作しない（弁が開放）。また、後にシリンダ５の圧縮ストロークで弁が閉鎖される（本特定例においては）。
【００９９】
図７は、単一ストロークモード、タイプ２における、ピストン移動、ピストン速度及び電気機械９によって生成される力を示す。ピストン２、３はまず左側の位置（ｘ最小値）から、第２のシリンダ５内で燃焼が行われる右側の回帰点へと電気機械９によって加速される。右側の回帰点からのストロークにおいて、ピストン２、３は電気機械９によって遅延させられる。この単一ストロークモードにおいて、ピストン２、３は第１のシリンダ４がガスばねとして作用する左側の回帰点を有する。該左側の回帰点からのストロークにおいて、電気機械９は動きの残りの部分を電気エネルギーに変換してピストン２、３が停止する。
【０１００】
図８は、単一ストロークモード、タイプ２におけるシリンダ圧力及びシリンダ温度を示す。第１のシリンダ４は左側の開始位置から右側の回帰点までのストロークでは作動しない（弁は開放）。左側の回帰点では、第１のシリンダ４（ガススプリング）内では燃焼は起こらない。左側の回帰点からのストロークでは、第２のシリンダ５は作動しない（弁は開放）。
【０１０１】
図９は、低温で冷態始動での単一ストロークモード、タイプ２における、ピストン移動、ピストン速度、及び電気機械によって生成される力を示す。ピストン２、３はまず左側の位置（ｘ最小値）から、第２のシリンダ５内で燃焼が行われる右側の回帰点へと電気機械９によって加速される。右側の回帰点からのストロークにおいて、ピストン２、３は電気機械９によって遅延させられる。この単一ストロークモードにおいて、ピストンは第１のシリンダ４がガスばねとして作用する左側の回帰点を有する。該左側の回帰点からのストロークにおいて、電気機械９は動きの残りの部分を電気エネルギーに変換してピストン２、３が停止する。
【０１０２】
図１０は、低温で冷態始動での単一ストロークモード、タイプ２におけるシリンダ圧力及びシリンダ温度を示す。尚、点火温度に達するのに必要な非常に高い圧縮を可能にするために、第２シリンダ５用の弁は後で閉鎖される。第１のシリンダ４は、左側の開始位置から右側の回帰点へのストローク内においては作動しない（弁は開放）。左側の回帰点では、第１のシリンダ４（ガスばね）内で燃焼は起こらない。左側の回帰点からのストロークにおいて第２のシリンダ５は作動しない（弁は開放）。
【０１０３】
図１１は、本発明によるエネルギー変換器の高出力を伴う状況、特にコンプレッサ２４からのより高いチャージ圧力を伴う状況における、ピストン移動、ピストン速度、及び電気機械によって生成される力を示す。図１１による図は概して図３に対応するが、２つのピストン２、３が高速で移動し電気機械９が高出力である。
【０１０４】
図１２は、図１１による運転状態、つまりエネルギー変換器の高出力を伴う運転状態におけるシリンダ圧力及びシリンダ温度を示す。
【０１０５】
先行技術のＦＰＥと異なり、本明細書に述べる燃焼システムの始動プロセスは揺動手順を必要としない。前述のとおり、燃焼システムは冷態始動の状態でも１ストローク内に始動する。その結果、本発明によるエネルギー変換器は非常に短時間で電力を出力することができる。本発明によるエネルギー変換器の非常に迅速かつ簡単な始動及び停止手順により、始動及び停止に関して新規な方法で変換器を運転することが可能となる。これまでのＦＰＥエネルギー変換器は、始動及び停止手順が比較的複雑であり、始動手順に必要な時間のバックアップとしてバッテリ等、大型のエネルギーバッファを必要とする。一方、本発明によるエネルギー変換器は、迅速な始動手順を用いることによって、かかる大型のエネルギーバッファの必要性を排除することができる。
【０１０６】
これは、変換器が断続モードで運転可能な低負荷状態、例えば１サイクル運転、または停止された状態において、特に利点がある。一例として、信号または渋滞等で低負荷状態が発生する都市を走行するハイブリッド車両において変換器を用いる場合がある。かかる場合、バッテリの状態と容量及び照明、無線等にどの程度のエネルギーが必要かによって、エンジンを停止に近い１サイクルモードに切換えてもよい。当然、ストローク間の時間は様々である。別の例としては、保存電力のアプリケーションの場合での変換器の使用がある。本発明は、純周波数の期間（５０Ｈｚで２０ｍｓ）のオーダーの早さで電力を得ることを可能にするため、従来の保存電力プラントにおけるバッテリ／コンデンサの非常に大型のバックアップシステムを劇的に減少させることができる。当然、本発明をかかる緊急時のアプリケーションに用いる場合は、変換器を使用しない期間にコンデンサを十分に充電しておくべきである。
【０１０７】
本発明によるエネルギー変換器の負荷制御は非常に柔軟である。第１に、次のような複数の異なる燃焼モードを選択することができる。
・断続モード（例えば１サイクル運転）
・２ストロークモード
・４ストロークモード、６ストローク、等。
【０１０８】
第２に、燃焼原理を選択することができる。
・圧縮点火燃焼
・スパーク点火燃焼（ただし燃焼システムにスパークプラグが装備されている場合）
第３に、燃料射出及び／またはスパーク点火を取り除くことにより、スキップファイアの有無を選択してもよい。
【０１０９】
一定の運転モード内では以下の従来の燃焼制御方法を選択することもできるため、第４の選択も可能である。
・スパーク点火による点火タイミング
・圧縮点火の点火タイミング
・圧力チャージレベル（圧縮された空気タンクバッファを使用）
・各タイミングごとに１回または複数回の燃料射出を伴う、遅い段階または早い段階での燃料射出、またはその組み合わせ
・遅い段階または早い段階での吸気弁の閉鎖、または
遅い段階または早い段階での排気弁の閉鎖等、異なる弁作動の選択
・例えば正または負の弁の重なり等によるＥＧＲレベル制御
本発明によるエネルギー変換器には１ピストンストローク内にシフト運転モードを用意する能力があるため、以上の選択は全てサイクルごとに変更することができ、これは電気機械の１ストローク内制御能力と、燃料及び弁のアクチュエータとによって実現される。
【０１１０】
燃焼モードの選択は外部要件によって異なる。かかる要件の例としては、
・冷態始動
・温態始動
・瞬時の負荷レベル要件
・他の連動する変換器に関する位相位置要件
・直近の一連のストローク用の負荷レベル要件予測（微分または制御装置記録自己学習機能による）
・瞬時の燃焼システム射出要件
・直近の一連の燃焼ストローク用の射出要件予測
・射出システム状況（例えばＮＯｘトラップ状況、酸素貯蔵状況等）
これらの要件の組み合わせによって、異なる燃焼モードの設定が用いられる。幾つかの異なる燃焼モード設定の内の、運転要求に対して最も適性を持つ１つを、サイクルごとに選択することができる。
【０１１１】
このように、本発明によるエネルギー変換器の静止及び過渡出力トルクの両方について、負荷均衡コンデンサまたはバッテリを追加する必要なく、最低限の消費燃料及び排気レベルに最適化することができる。
【０１１２】
本発明によるエネルギー変換器は次のような幾つかの効果を持つ。すなわち、非常に効率が良く、燃料消費が極めて少量で、排気をほんのわずかしか生成せず、大型のバッテリースタックの必要性を排除または減少する。バッテリシステムに関連してエネルギーロスが発生し、またバッテリは一般的にコストがかかり重いものであるため、後者の効果はエネルギー変換器システムを比較的安価かつ軽量にすることができるため、効率に貢献する。
【０１１３】
本発明は、燃焼室内における失火という従来の悪い結果を回避することができる。通常、未燃燃料は排出パイプを通ってエンジンを離れる。失火を検出するセンサ、適切な対応を取る（弁を閉鎖したままにする等）制御装置、及び別の燃焼室内で後続の圧縮を助ける電気機械を用いることによって、未燃燃料はピストンが次に戻って来るまで燃焼室内に維持される。
【０１１４】
通常、ＦＰＥは均衡を保つ必要がある。そのため、ロッドを有する２つのエネルギー変換装置が前後に一列に設けられることがある。各変換器は図１に概説する一般的な設計でもよい。均衡は、変換器の制御装置間の通信によって制御される逆位相で２本のロッドをトータルに作動させることによって達成される。２本のロッドの各々の位相位置は、ピストンの端部で条件を維持し１ストローク内に効果出力を再配分することによって調整することができる。一列に設けられた２つのエネルギー変換器は、１つのシリンダ、従って１つの燃焼室を共有してもよい。
【０１１５】
複数のエネルギー変換器を備えるシステムは、電気機械から継続的にまたはほぼ継続的に電力が提供されるように、位相をずらして配置されてもよい。かかる配置によりコンデンサの必要性が減少する。
【０１１６】
エネルギー変換器はエンジンブレーキとして用いてもよい。例えばブレーキペダルから制御装置への制御コマンドは、燃焼プロセスが停止し制動エネルギーを用いてロッド／ピストンを移動してシリンダ内の空気のみを圧縮する手順の開始に用いることができる。適切な時点で弁の開閉及び圧縮された空気の放出を行うことにより、エネルギー変換器は制動プロセスを助ける。圧縮された空気は、チャージを補完するために用いられるよう圧力容器内に貯蔵されてもよい。
【０１１７】
既に述べたように、本発明はハイブリッド車両及び保存電力プラントのアプリケーションに適用されると好ましい。他の好適なアプリケーションとしては、海洋車両におけるＡＰＵ（補助電力装置）及びホイールローダ、関節式ハウラー、掘削機等の工作機械における主エンジン及びＡＰＵがある。
【０１１８】
本発明は上記に述べたものに限定されず、特許請求の範囲内で変更を加えることも可能である。
【０１１９】
弁の数及び位置は変更可能であり、また吸気ポートは廃棄ポートとしても使用可能であり、その逆も可能である。
【０１２０】
本発明は二重ピストン配置に関して説明したが、当業者には周知の単一ピストン配置に利用することもできる。
【０１２１】
本明細書内において「瞬時」という表現は燃焼サイクルに比べて短い時間を意味する。
【０１２２】
ＨＣＣＩ燃焼は本発明によるエネルギー変換器に非常に適しているが、従来のスパーク点火が好ましい場合もあり、または別の理由でこれが適用可能な場合もある。かかる例としては、非常に低温でエンジンを始動する場合、ＨＣＣＩの初期条件を創出する場合、または例えばモード移行の場合である。当然、スパーク点火がエネルギー変換器の性能にとって有益な場合は、より長い期間スパーク点火を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
本発明は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。
【図１】図１は、本発明の好適な実施形態に係るエネルギー変換器の概略図である。
【図２】図２は、本発明の好適な実施形態に係る制御装置及び主電力経路の概略図である。
【図３】図３は、  本発明の好適な実施形態の継続運転例のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図４は、図３による、別のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】図５は、本発明の好適な実施形態における１サイクル運転の第１の例のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６は、図５による、別のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図７は、本発明の好適な実施形態における１サイクル運転の第２の例のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図８は、図７による、別のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図９は、本発明の好適な実施形態における冷態始動運転によるシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】図１０は、図９による、別のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明によるエネルギー変換器の高負荷運転に対するシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】図１２は、図１１による、別のシミュレーション結果を示す図である。
【図１】
2005539170.tif 000003
【図２】
2005539170.tif 000004
【図３】
2005539170.tif 000005
【図４】
2005539170.tif 000006
【図５】
2005539170.tif 000007
【図６】
2005539170.tif 000008
【図７】
2005539170.tif 000009
【図８】
2005539170.tif 000010
【図９】
2005539170.tif 000011
【図１０】
2005539170.tif 000012
【図１１】
2005539170.tif 000013
【図１２】
2005539170.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月22日(2004.10.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのピストン（２、３）と、少なくとも１つの吸気ポート（１１、１３）及び少なくとも１つの排気ポート（１０、１２）を備える少なくとも１つの燃焼室（６、７）と、吸気弁及び排気弁（１４、１５、１６、１７）であって、その内の少なくとも１つの吸気弁または少なくとも１つの排気弁が制御可能である吸気弁及び排気弁と、燃料及び酸素を含有する媒質を前記燃焼室（６、７）へと供給する手段（１８、１９）とを備えるフリーピストンエンジン（１）と、
前記ピストン（２、３）と電磁的な方法で直接的または間接的に相互作用するよう設けられ、ピストンの動きから電気エネルギーを生成し、かつ電気エネルギーを用いてピストンの動きに影響を与える電気機械（９）と、
前記フリーピストンエンジン（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置（３０）とを備えるエネルギー変換器において、
前記エネルギー変換器が、その必要な負荷に関する情報を前記制御装置（３０）に提供するよう設けられ、前記エネルギー変換器はまた、該エネルギー変換器に必要な負荷に応じて前記電気機械（９）からの電力出力を適合させるよう設けられることを特徴とする、エネルギー変換器。
【請求項２】
前記制御装置（３０）が、前記電気機械（９）及び少なくとも１つの前記弁（１４、１５、１６、１７）を前記燃焼室（６、７）の燃焼サイクルよりも著しく短い時間内に制御するよう設けられることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー変換器。
【請求項３】
前記燃料室（６、７）が少なくとも１つの燃料噴射器（１８、１９）を備えることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項４】
前記フリーピストンエンジン（１）が圧縮点火燃焼原理用に設けられることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項５】
前記燃焼室（６、７）が少なくとも１つのスパークプラグを備えることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項６】
前記エネルギー変換器が車両の推進または電力プラントのアプリケーションに用いられることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項７】
前記電力出力を前記必要な負荷に応じて適合させるために、前記制御装置（３０）が、
１ストローク当たりの燃料量、
１ストローク当たりの空気量、
圧縮、または
時間単位当たりのストローク数、つまり運転周波数、
という運転パラメータの少なくとも１つを制御するよう適合されていることを特徴とする、前記のいずれかの請求項に記載のエネルギー変換器。
【請求項８】
前記制御装置（３０）が、チャージ圧力を制御することによって前記周波数を制御するよう適合されていることを特徴とする、請求項７に記載のエネルギー変換器。
【請求項９】
エネルギー変換器の運転方法であって、前記エネルギー変換器が、
少なくとも１つのピストン（２、３）と、少なくとも１つの吸気ポート（１１、１３）及び少なくとも１つの排気ポート（１０、１２）を備える少なくとも１つの燃焼室（６、７）と、吸気弁及び排気弁（１４、１５、１６、１７）であって、その内の少なくとも１つの吸気弁または少なくとも１つの排気弁が制御可能である吸気弁及び排気弁と、燃料及び酸素を含有する媒質を前記燃焼室（６、７）へと供給する手段（１８、１９）とを備えるフリーピストンエンジン（１）と、
前記ピストン（２、３）と電磁的な方法で直接的または間接的に相互作用するよう設けられ、ピストンの動きから電気エネルギーを生成し、かつ電気エネルギーを用いてピストンの動きに影響を与える電気機械（９）と、
前記フリーピストンエンジン（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置（３０）と、
前記フリーピストンエンジン（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置とを備える、方法において、
前記制御装置（３０）にその必要な負荷に関する情報を提供することと、
前記電気機械（９）からの電力出力を、該エネルギー変換器に必要な負荷に応じて適合させることを特徴とする、方法。
【請求項１０】
前記電力出力が、１ストローク当たりの燃料量及び／または１ストローク当たりの酸素含有媒質量を変化させることによって制御されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記フリーピストンエンジンがチャージコンプレッサ（２４）を有し、前記電力出力が前記チャージ圧力を変化させることによって制御されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電力出力が、異なる燃焼モードを選択することによって制御されることを特徴とする、請求項９〜１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記異なる燃焼モードが、断続モード、好ましくは１サイクル運転、２ストロークモード、４ストロークモード、及び６ストロークモードを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
エネルギー変換器を起動する方法であって、前記エネルギー変換器が、
少なくとも１つのピストン（２、３）と、少なくとも１つの吸気ポート（１１、１３）及び少なくとも１つの排気ポート（１０、１２）を備える少なくとも１つの燃焼室（６、７）と、吸気弁及び排気弁（１４、１５、１６、１７）であって、その内の少なくとも１つの吸気弁または少なくとも１つの排気弁が制御可能である吸気弁及び排気弁と、燃料及び酸素を含有する媒質を前記燃焼室（６、７）へと供給する手段（１８、１９）とを備えるフリーピストンエンジン（１）と、
前記ピストン（２、３）と電磁的な方法で直接的または間接的に相互作用するよう設けられ、ピストンの動きから電気エネルギーを生成し、かつ電気エネルギーを用いてピストンの動きに影響を与える電気機械（９）と、
前記フリーピストンエンジン（１）及び前記電気機械（９）を制御する制御装置（３０）と、
前記電気機械（９）と電気的に接続されるコンデンサ（４３）とを備える方法において、
前記方法が、前記エネルギー変換器が前記ピストン（２、３）の１ストローク内に始動するのに十分な電力を提供可能にする電気エネルギーを前記コンデンサ（４３）内に貯蔵することを含む、方法。
【国際調査報告】
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