(57)【要約】普遍的に使用可能な、少なくとも１つのピストン装置をピストン受容部内で直線変位するように配したピストン受容部を少なくとも１つ備えた、電気直線駆動部を有するフリーピストン装置であって、前記ピストン装置が走行装置を備え、ステータ装置が前記ピストン受容部の上に配されると共に、少なくとも１つの前記ピストン装置が膨張空間内で膨張する媒体の作用により駆動可能であるものを提供することを目的とする。この目的を達成するために、前記ピストン装置の変位の死点が規定可能であるように、前記直線駆動部を介してピストン行程を可変調節することができること、を提案する。
2005524016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのピストン装置（１８；２０；２０６）をピストン受容部（１２；２０４）内で直線変位するように配したピストン受容部（１２；２０４）を少なくとも１つ備えた、電気直線駆動部（４０）を有するフリーピストン装置であって、
前記ピストン装置（１８；２０；２０６）が走行装置（４６；２１４）を備え、
ステータ装置（４８；２１６）が前記ピストン受容部（１２；２０４）の上に配されると共に、
少なくとも１つの前記ピストン装置（１８；２０；２０６）が膨張空間（３６；３８；２１８；３１２）内で膨張する媒体の作用により駆動可能であるものにおいて、
前記ピストン装置（１８；２０；２０６）の変位の死点が規定可能であるように、前記直線駆動部（４０）を介してピストン行程を可変調節することができること、
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において、上記死点が、上記ピストン受容部（１２；２０４；３０２）に関して空間的に規定可能であることを特徴とするもの。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のフリーピストン装置において、上記ピストン装置（１８；２０；２０６；３０６）の変位に対する死点が、時間に関して規定可能であることを特徴とするもの。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記ピストン装置（１８；２０；２０６；３０６）の場所が任意の時点において規定可能であるように、該ピストン装置（１８；２０；２０６；３０６）の変位を可変調節することができることを特徴とするもの。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記ピストン装置（１８；２０；２０６；３０６）のピストン行程の上死点及び／又は下死点が規定可能であることを特徴とするもの。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記ピストン装置（１８；２０；２０６）が、第１の端部にて膨張空間（３６；３８；２１８；３１２）を画し、反対側の端部にて膨張空間でない空間（５８；２３２；３１８）を画することを特徴とするもの。
【請求項７】
請求項６に記載のフリーピストン装置において、上記直線駆動部（４０）を介して、上記膨張空間（３６；３８；２１８；３１２）における圧縮を調節することができることを特徴とするもの。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のフリーピストン装置において、上記膨張空間（３６；３８；２１８；３１２）を可変調節することができることを特徴とするもの。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記膨張空間（３６；３８；２１８；３１２）の容積及び表面積が調節可能であることを特徴とするもの。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載のフリーピストン装置において、ピストン行程の可変設定が可能であるように上記直線駆動部（４０）を電気的に操作するための制御装置（５６）を設けたことを特徴とするもの。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のフリーピストン装置において、ピストン装置（１８；２０；２０６；３０６）が、第１ピストン（２４ａ：２８ａ；２０８；３０８）と、前記第１ピストン（２４ａ：２８ａ；２０８；３０８）に固定的に接続された反対側にある第２ピストン（２４ｂ：２８ｂ；２１０；３１０）と、を備えることを特徴とするもの。
【請求項１２】
請求項１１に記載のフリーピストン装置において、上記第１ピストン（２４ａ：２８ａ；２０８；３０８）と上記第２ピストン（２４ｂ：２８ｂ；２１０；３１０）との間に、上記走行装置（４６；２１４；３１４）を配したことを特徴とするもの。
【請求項１３】
請求項６〜１２のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記ピストン装置（１８；２０；２０６；３０６）により画された非膨張空間（５８；２３２；３１３）が、該ピストン装置（１８；２０；２０６；３０６）のための弾性空間として形成されることを特徴とするもの。
【請求項１４】
請求項１３に記載のフリーピストン装置において、圧縮性要素及び／又は媒体が、上記弾性空間（５８；２３２；３１３）に収容されることを特徴とするもの。
【請求項１５】
請求項１４に記載のフリーピストン装置において、上記圧縮性要素が、機械的に伸縮する要素であることを特徴とするもの。
【請求項１６】
請求項１４に記載のフリーピストン装置において、上記圧縮性媒体が、圧縮性流体であることを特徴とするもの。
【請求項１７】
請求項１４に記載のフリーピストン装置において、上記弾性空間（５８；２３２；３１３）内の圧力が、調節及び／又は制御可能であることを特徴とするもの。
【請求項１８】
請求項１７に記載のフリーピストン装置において、上記弾性空間（５８；２３２；３１３）内の圧力が、該弾性空間を介してポンプ機能及び／又は圧縮機能及び又は吸入機能を実現することができるように制御可能であることを特徴とするもの。
【請求項１９】
請求項１７又は１８に記載のフリーピストン装置において、上記弾性空間（５８；２３２；３１３）内の圧力が、該弾性空間を介してピストン装置（１８；２０；２０６；３０６）に関するポンプ効果を実現することができるように制御可能であることを特徴とするもの。
【請求項２０】
第１ピストン装置（１８）及び第２ピストン装置（２０）を備えた請求項１〜１９のいずれかに記載のフリーピストン装置において、
前記ピストン装置（１８，２０）が直線変位するように配され、
前記ピストン装置（１８，２０）がそれぞれ走行装置（４６）を備え、
前記走行装置（４６）の各々と関連付けられたステータ装置（４８）が上記ピストン受容部（１２）の上に配されること、
を特徴とするもの。
【請求項２１】
請求項２０に記載のフリーピストン装置において、上記２つのピストン装置（１８，２０）の各々が、該ピストン装置と関連付けられた膨張空間（３６；３８）を有することを特徴とするもの。
【請求項２２】
請求項２１に記載のフリーピストン装置において、上記膨張空間（３６；３８）が、上記各ピストン装置（１８；２０）の他方のピストン装置（２０；１８）から見て外方に向いたピストン（２４ａ；２８ａ）と、該ピストン（２４ａ；２８ａ）に面するピストン収容壁（３２；３４）との間に形成されることを特徴とするもの。
【請求項２３】
請求項２０〜２２のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記２つのピストン装置（１８，２０）が、互いに反対の方向に変位可能であることを特徴とするもの。
【請求項２４】
請求項２０〜２３のいずれかに記載のフリーピストン装置において、追加の膨張空間（１２０）が、上記２つのピストン装置（１０８，１１０）の間に配されることを特徴とするもの。
【請求項２５】
請求項２０〜２３のいずれかに記載のフリーピストン装置において、少なくとも１つの弾性空間（５８）が、上記２つのピストン装置（１８，２０）の間に配されることを特徴とするもの。
【請求項２６】
請求項１〜２５のいずれかに記載のフリーピストン装置において、膨張空間（３６；３８；３１２）におけるガス交換のためのバルブ（６２，６４；３２６，３２８）の少なくとも一が、制御装置（５６）を介して制御可能であることを特徴とするもの。
【請求項２７】
請求項２６に記載のフリーピストン装置において、膨張空間（３６；３８；３１２）におけるガス交換のためのバルブ（６２，６４；３２６，３２８）の少なくとも一が、電気的に制御可能であることを特徴とするもの。
【請求項２８】
請求項１〜２７のいずれかに記載のフリーピストン装置において、膨張空間（３６；３８）のための入口バルブ（６４）及び／又は出口バルブ（６２）が、ガスフローを膨張室の壁にほぼ沿って形成することができるように構成して配されることを特徴とするもの。
【請求項２９】
請求項１〜２８のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記膨張空間（３６，３８）の少なくとも一におけるガス交換を制御するためのチャージャ（７０）を少なくとも１つ設けたことを特徴とするもの。
【請求項３０】
請求項２９に記載のフリーピストン装置において、上記チャージャが、圧縮波チャージャ（７０）であることを特徴とするもの。
【請求項３１】
請求項２９又は３０に記載のフリーピストン装置において、上記チャージャ（７０）が、上記各ピストン装置（１８，２０）のための少なくとも１つの膨張空間（３６；３８）に接続されることを特徴とするもの。
【請求項３２】
請求項１〜３１のいずれかに記載のフリーピストン装置において、ピストン装置（１８；２０；２０６）が、はねかけ注油により潤滑されることを特徴とするもの。
【請求項３３】
請求項１〜３２のいずれかに記載のフリーピストン装置において、予備加熱のための加熱装置を設けたことを特徴とするもの。
【請求項３４】
請求項３３に記載のフリーピストン装置において、上記ステータ装置（４８）の巻線が加熱要素として使用されるとを特徴とするもの。
【請求項３５】
請求項１〜３４のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記走行装置（４６）が、少なくとも１つの磁束誘導要素（５２）が関連付けられた磁石要素（５０）を複数備えることを特徴とするもの。
【請求項３６】
請求項３５に記載のフリーピストン装置において、上記磁石要素（５０）及び上記磁束誘導要素（５２）が、ピストンロッド（２６；３０）の上に着座されることを特徴とするもの。
【請求項３７】
請求項３６に記載のフリーピストン装置において、上記磁石要素（５０）及び上記磁束誘導要素（５２）が、上記ピストンロッド（２６；３０）の軸（２２）に関して回転対称を成すように形成されることを特徴とするもの。
【請求項３８】
請求項３５〜３７のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記磁石要素（５０）及び上記磁束誘導要素（５２）が、交互に配されることを特徴とするもの。
【請求項３９】
請求項３５〜３８のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記磁束誘導要素（５２）が、磁気伝導性材料から作られることを特徴とするもの。
【請求項４０】
請求項３５〜３９のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記磁束誘導要素（５２）が、隣接する上記磁石要素（５０）の磁束線を該磁束誘導要素に集中させることができるように構成されることを特徴とするもの。
【請求項４１】
請求項３５〜４０のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記磁石要素（５０）が、永久磁石であることを特徴とするもの。
【請求項４２】
請求項３５〜４０のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記磁石要素（５０）が、電磁石であることを特徴とするもの。
【請求項４３】
請求項１〜４２のいずれかに記載のフリーピストン装置において、ステータ装置（４８）が、上記ピストン受容部（１２）の周囲を巡るリング状主巻線（５４）を備えることを特徴とするもの。
【請求項４４】
請求項４３に記載のフリーピストン装置において、電気エネルギーを取り出すための追加の２次巻線（８２）を設けたことを特徴とするもの。
【請求項４５】
請求項４４に記載のフリーピストン装置において、２次巻線（８２）の後に整流器を設けたことを特徴とするもの。
【請求項４６】
請求項２０〜４５のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記２つのピストン装置（１８，２０）の変位を同期させるための同期装置を設けたことを特徴とするもの。
【請求項４７】
請求項４６に記載のフリーピストン装置において、上記同期装置が上記ピストン受容部（１２）の上に２次巻線（８２）を備えていて、該２次巻線を通過する電流が個別に制御可能であることを特徴とするもの。
【請求項４８】
請求項４６又は４７に記載のフリーピストン装置において、
上記同期装置が上記ピストン受容部（１２）の上に２次巻線（８２）を備えていて、
前記２次巻線（８２）が上記各ピストン装置（１８，２０）と関連付けられると共に互いに電気的に接続されており、
前記２次巻線（８２）の間に補償電流を流すことができることを特徴とするもの。
【請求項４９】
請求項４８に記載のフリーピストン装置において、電流フローが、電気的に制御可能であることを特徴とするもの。
【請求項５０】
請求項１〜４９のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記ピストン受容部（１２）におけるピストン装置（１８；２０）の位置が、誘導電圧から制御装置（５６）を介して検知されることを特徴とするもの。
【請求項５１】
請求項１〜５０のいずれかに記載のフリーピストン装置において、ピストン装置のための潤滑器が、関連する上記走行装置（４６）を潤滑油で冷却することができるように構成されることを特徴とするもの。
【請求項５２】
請求項１〜５１のいずれかに記載のフリーピストン装置において、冷却ダクト（８４）を上記ステータ装置（４８）の周囲に配したことを特徴とするもの。
【請求項５３】
請求項１〜５２のいずれかに記載のフリーピストン装置において、冷却ダクトを上記ピストン受容部（１２）の周囲に配したことを特徴とするもの。
【請求項５４】
請求項１３〜５３のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記弾性空間（５８）に、上記圧縮性媒体のための制御可能な入口バルブ及び出口バルブを少なくとも１つずつ設けたことを特徴とするもの。
【請求項５５】
請求項１〜５４のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記走行装置（４６）と上記ステータ装置（４８）とが、異なる磁極ピッチを有することを特徴とするもの。
【請求項５６】
請求項１〜５５のいずれかに記載のフリーピストン装置において、膨張空間が、燃焼空間（３６；３８；２１８）として構成されることを特徴とするもの。
【請求項５７】
請求項５６に記載のフリーピストン装置において、燃焼ガスが燃焼空間（３６；３８；２１８）内で膨張することを特徴とするもの。
【請求項５８】
請求項５７に記載のフリーピストン装置において、燃焼ガスが上記燃焼空間（３６；３８；２１８）内で生成されることを特徴とするもの。
【請求項５９】
請求項５７に記載のフリーピストン装置において、燃焼ガスを外部で生成して上記燃焼空間内に取り入れることを特徴とするもの。
【請求項６０】
請求項１〜５５のいずれかに記載のフリーピストン装置において、伝熱媒体が、膨張空間（３１２）内で膨張することを特徴とするもの。
【請求項６１】
請求項６０に記載のフリーピストン装置において、上記伝熱媒体が、蒸気であることを特徴とするもの。
【請求項６２】
請求項６０又は６１に記載のフリーピストン装置において、上記伝熱媒体が上記膨張空間（３１２）の外側で生成される、或いは、上記伝熱媒体にエネルギーが上記膨張空間（３１２）の外側で供給されることを特徴とするもの。
【請求項６３】
請求項６０〜６２のいずれかに記載のフリーピストン装置において、上記膨張空間から排出された媒体のための再冷却装置（３３２）を設けたことを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのピストン装置をピストン受容部内で直線変位するように配したピストン受容部を少なくとも１つ備えた、電気直線駆動部を有するフリーピストン装置に関する。このピストン装置は走行装置を備え、ステータ装置が前記ピストン受容部の上に配されると共に、少なくとも１つの前記ピストン装置が膨張空間内で膨張する媒体の作用により駆動可能である。
【背景技術】
【０００２】
このような装置は、例えば、DE 22 17 194 C3に開示されている。
【０００３】
それによれば、例えば、化学エネルギーの一部を燃焼により機械エネルギー（即ち、ピストン装置の運動エネルギー）に変換することができる。この機械エネルギーの一部は、上記直線駆動部を介して電気エネルギーに変換することができる。このようなピストン変位はフリーピストン変位として構成されるため、クランクシャフトを使用しなくとも、ピストンを純粋に直線変位させることができる。
【０００４】
対応する装置は、例えば自動車用ハイブリッド駆動部の一部として（特に、シリアルハイブリッド概念と併せて）使用することができる。これらは又、小型の電流生成ユニットとして使用したり、ブロック型の熱発電装置等の固定アプリケーションと併せて使用することができる。
【０００５】
又、発電機を有する燃焼装置が、US 6,199,519 B1、DE 31 03 432 A1、東ドイツ特許113 593、DE 43 44 915 A1や、論文「ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH」（P. Van Blarigan、2000年度DOE-Hydrogen Program Review会報）に開示されている。
【特許文献１】DE 22 17 194 C3
【特許文献２】US 6,199,519 B1
【特許文献３】DE 31 03 432 A1
【特許文献４】東ドイツ特許113 593
【特許文献５】DE 43 44 915 A1
【特許文献６】DE 198 13 992 A1
【特許文献７】DE 22 17 194 A
【特許文献８】US 4,924,956
【特許文献９】GB 854,255
【特許文献１０】WO 01/45977 A2
【特許文献１１】US 4,454,426
【特許文献１２】GB 2 334 385 A
【特許文献１３】DE 30 29 287 A1
【特許文献１４】DE 40 24 591 A1
【特許文献１５】US 4,154,200
【非特許文献１】論文「ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH」（P. Van Blarigan、2000年度DOE-Hydrogen Program Review会報）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の基調を成す目的は、そこから進み、フリーピストン装置に冒頭で述べた類の電気直線駆動部を設けることである。この装置は、普遍的に使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、冒頭で述べた装置について、本発明に従い、次のようにすることで達成される。即ち、上記ピストン装置の変位の死点が規定可能であるように、上記直線駆動部を介してピストン行程を可変調節できるようにすることである。
【発明の実施の形態及び効果】
【０００８】
上記直線駆動部に電気的に作用を及ぼすことにより、上記ピストン行程を可変調節することができる。このため、少なくとも１つの上記ピストン装置の移動を、各用途に最適な状態が得られるように調節することができる。
【０００９】
本ピストン装置については、圧縮ピストンの移動の反転地点を特定の点に調節することができる。この場合、ピストン行程を可変にすることにより、圧縮比を変えることができる。従って、本装置は、負荷範囲の全てにおいて最適に作動させることができる
【００１０】
例えば全負荷時には、大量のガスを取り入れなければならない。このため、例えば、燃焼ガスのために、大きな燃焼空間（膨張空間）、従って又大きなピストン行程が必要となる。これに対し、部分負荷稼動時には、吸込量を減らすため、容積を小さくする必要がある。
【００１１】
上記直線駆動部は又、例えば自らを介した初期圧縮の制御より、本装置の起動を助けることができる。
【００１２】
本ピストン装置の変位の所望の形態は、上記直線駆動部の制御を介しつつ、特定の方法で調節することができる。所望の反転地点、速度、及び圧縮比は、それぞれ、次のようになるよう調節することができる。即ち、特に部分負荷稼動時に、スロットルバルブを設けなくとも部分負荷効率を改めることができるよう調節することができる。従って、上記ステータ装置におけるフローを予め特定することにより、本装置の動作点を正確に固定することができる。
【００１３】
このように、燃焼室等の膨張室は、用途に最適に適合させることができる。即ち、特に、膨張室の容積及び表面積は、特定の点に適合させることができる。これにより、制御の可能性がかなり広がる。例えば、様々な燃料や、膨張性且つ不燃性の伝熱媒体（例えば、蒸気）を用いて本装置を作動させることが可能となる。即ち、本装置は、多くの材料を用いて作動させることができる。要求に従い、本装置を交換することはない。即ち、植物油やディーゼル油（ディーゼル方式）、無鉛レギュラーガソリンやプレミアム加鉛ガソリン（オットー方式）、水素や天然ガスといったある特定の燃料に対し、上記ピストン行程を適宜調節することにより（例えば、各ステータ装置に電流を作用させることにより）、「稼働中に」適合させることができる。
【００１４】
本発明の装置によれば、複合オットーディーゼルエンジンを実現することも可能である。
【００１５】
例えば、２サイクル稼働と４サイクル稼働との切り換えも可能である。
【００１６】
ピストン受容部については、内径を一定とすることもできるし、径を可変とすることもできる。又、例えば階段状に構成することもできる。複数のピストン受容部を設けた場合は、パケット状かＶ字形に配することが可能である。
【００１７】
上記膨張空間内で膨張媒体を生成することもできるし、膨張媒体を様々な方法で上記膨張空間内に取り入れることもできる。この膨張空間については、例えば、次のような燃焼空間とすることが可能である。即ち、燃料が燃焼することで膨張する燃焼ガスが生成されるような燃焼空間である。又、上記膨張空間を、燃焼ガスが取り入れられる燃焼空間とすることも可能である。この燃焼ガスは、燃焼空間内で膨張する。更に、上記膨張空間内に蒸気等の伝熱媒体を取り入れることも可能である。この伝熱媒体については、外部で生成されるか、外部でエネルギーが供給される。この伝熱媒体は、上記膨張空間内で膨張し、ピストンを変位させる。
【００１８】
上記ピストン受容部については、特に、本システムの燃焼を設定することができるように、死点が空間的に規定可能であるのが有利である。又、本ピストン装置の変位に対する死点が、時間に関して規定可能であるのが有利である。これにより、少なくとも１つの本ピストン装置の変位（一定の周期を有する）を調節することも可能となる。
【００１９】
この場合、例えば、膨張空間である燃焼空間のために圧縮波チャージャを使用することが可能となる。
【００２０】
特に、本ピストン装置の場所が任意の時点において規定可能であるように、本ピストン装置の変位を可変調節することができると有利である。特別な場合として、特にピストン速度が調節可能である。このように、少なくとも１つの本ピストン装置の変位の形態を上記直線駆動部を介して予め設定することで、本装置の各動作パラメータに対し最適に適合させることができる。特に、使用される燃料、負荷状態、及び追加のパラメータにより、これら動作パラメータは決定される。
【００２１】
更に、最適に適合させるために、本ピストン装置のピストン行程の上死点及び下死点が規定可能であるのが便利である。
【００２２】
ピストン行程を可変設定することができるように、本ピストン装置は、第１の端部にて膨張空間を画し、反対側の端部にて膨張空間でない空間を画する。従って、ピストン行程の制御を介して、本装置を可変調節することができる
【００２３】
特に、本システムを最適なものとするために、上記直線駆動部を介して上記膨張空間の圧縮比を調節することができる。従って、本システムの動作点を可変的に適宜調節することができる。
【００２４】
特に、上記膨張空間はとりわけ容積及び表面積に関して調節可能である。このため、対応して適合させることが可能となる。
【００２５】
制御装置を設けるのが有利である。この制御装置を介して、ピストン行程の可変設定が可能となるように上記直線駆動部を電気的に操作することができる。このピストン行程の設定は、特に、上記ステータ装置における電流フローの制御を介して行う。この意味で、上記直線駆動部は、リニアモータとしても作用する。この直線駆動部を介して、ピストン行程、従ってピストン変位の反転地点（即ち、死点（上死点及び下死点））を調節することができる。複数のピストン装置を用いた場合は、それぞれが自らに関連する制御装置を有することもできるし、このような制御装置の１つが複数のピストン装置を制御することもできる。
【００２６】
特に、ピストン装置が、第１ピストンと、この第１ピストンに固定的に接続された反対側にある第２ピストンと、を備えるのが有利である。上記第１ピストンは、関連する膨張空間を画する。この第１ピストンは、膨張する燃焼ガス等の膨張媒体が作用する圧縮ピストンそのものである。膨張媒体が圧縮ピストンに作用することで、本ピストン装置は移動する。上記第１ピストンは、上記第２ピストンにより支持される。このため、直交方向の力は最小になる。即ち、本ピストン装置が傾くことはない。こうして、高精度の直線運動が規定通りに確保される。更に、上記圧縮ピストンがもう一方のピストンにより支持されることから、摩擦面が小さくなるよう、この対を成すピストンのピストンスカートを短くすることが可能となる。この場合、ピストンとシリンダ内壁との潤滑に係る費用を低く抑えることができる。又、オイルポンプを設ける必要がなく、代わりに、簡単なはねかけ注油等で十分である。加えて、金属製材料は別として、セラミック材料やグラファイト等の他の材料をピストン自体に使用することができる。この場合、ほぼ純粋に圧力負荷をかけるだけで、摩擦損失を最小にした高精度のピストン案内を実現することができる。
【００２７】
本発明の考え方によれば、上記ピストン受容部が少なくとも膨張空間の領域では一体成形可能であるため、シリンダヘッドガスケットの使用を回避することができる。
【００２８】
上記第１ピストンと上記第２ピストンとの間には、次のような走行装置が配される。即ち、例えば、上記ステータ装置に対する相対移動に従い、電圧を誘導する磁場を生成する走行装置である。これにより、本装置に電流を流すことが可能となる。走行装置及びステータ装置は、次のような上記直線駆動部を形成する。即ち、本ピストン装置の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する、或いは逆に、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する直線駆動部である。
【００２９】
ピストン装置のための非膨張空間については、弾性空間として設計するのも有利である。このような弾性空間を介して、燃焼サイクル中に上記直線駆動部により取り出されなかった機械エネルギーを吸収することができる。対応して蓄積されたエネルギーは、例えば、燃料と空気との混合物を圧縮すべく２サイクル稼働において又は排気ガスを排出すべく４サイクル稼働において使用することができる。
【００３０】
圧縮性要素及び／又は媒体が、上記機械エネルギーを適宜吸収してから再び放出する。この圧縮性要素及び／又は媒体は、上記弾性空間に収容される。この圧縮性要素は、機械的な要素（特に、圧縮ばね）である。
【００３１】
もっとも、上記圧縮性要素については、特に、空気等の圧縮性流体であるのが有利である。上記弾性空間内の圧力が調節及び／又は制御可能となっている場合には、この媒体の伸縮性が調節可能である。
【００３２】
更に、上記弾性空間内の圧力を制御することにより、例えば、空気のオーバーフローを制御するために、本ピストン装置についてポンプ効果を実現することができる。吸い込まれた空気は、制御しながら上記燃焼空間内に送り込むことができる。
【００３３】
上記弾性空間を介して予め圧縮することができるように、この弾性空間内の圧力を制御することができるようにしてもよい。このように予め圧縮することが可能である場合には、本システムの出力を上げることできる。
【００３４】
制御可能な弾性空間を介して、ポンプ機能や圧縮機能や吸入機能を実現することができる。これら各機能は、燃焼工程を制御するために使用することができる。もっとも、外部の目的（例えば、本装置を自動車に使用する場合における制動力の補助）のために使用することも可能である。
【００３５】
このような制御を可能にするために、上記弾性空間には、上記圧縮性媒体のための制御可能な入口バルブ及び出口バルブが少なくとも１つずつ設けられる。これらバルブは、上記弾性効果に関して圧縮することができるように切り替える。
【００３６】
更に、直線変位するように配された第１及び第２ピストン装置を設けるのが便利である。これらピストン装置はそれぞれ走行装置を備えており、各走行装置と関連付けられたステータ装置が上記ピストン受容部の上に配される。これらピストン装置は、特に、同一直線上で互いに反対方向に変位可能である。このように、本ピストン装置が移動するに際し質量平衡を保つことが可能なため、本装置の機械的安定性を最適にすることができる。
【００３７】
上記２つのピストン装置の各々が、自らに関連する膨張空間を有するのが便利である。この場合、燃焼ガス等の膨張媒体を介して、両ピストン装置を駆動することが可能となる。
【００３８】
更に、上記燃焼空間については、上記各ピストン装置の他方のピストン装置から見て外方に向いたピストンと、このピストンに面するピストン受容部との間に形成するのが便利である。
【００３９】
以上述べた通り、両ピストン装置については、ピストン行程を可変設定することが可能である。
【００４０】
追加の膨張空間（特に、燃焼空間）を、上記２つのピストン装置の間に配するようにしてもよい。この追加の膨張空間は、特に、外側にある上記２つの膨張空間と同期しつつ作用することが可能である（ここでの同期は、略逆サイクルを意味する）。こうして、出力を上げることができる。
【００４１】
膨張空間におけるガス交換のための上記バルブの少なくとも一が制御可能（特に、制御装置を介して電気的に制御可能）であるのが有利である。これにより、このガス交換の制御時間の全てについて、個別に設定することが可能となる。このガス交換は、例えば、燃焼性にかなり影響する。この制御は、特に、ソフトウェアを予め設定することを介して行うことができる。このような制御により、本装置全体の動作点を様々な用途に対して最適に設定することが可能となる。
【００４２】
膨張空間のための入口バルブ及び／又は出口バルブについては、特に、ガスフロー（入口フロー及び／又は出口フロー）を膨張室の壁にほぼ沿って形成することができるように構成して配するのが有利である。特に２サイクル稼働では、逆方向に掃気することができるため、入口溝及び出口溝を設ける必要がない。こうして、ガスの質を改善し、オイルの損失を最小にすることができる。本発明の考え方によれば、燃料を本システム内に導入する可能性が非常に広がる。電動噴射システム（特に、燃料を上記燃焼空間の少なくとも一に導入するための直接噴射システム）を使用することも可能である。
【００４３】
有利な変形実施例では、上記膨張空間の少なくとも一におけるガス交換を制御するためのチャージャが設けられる。このガス交換は、少ないエネルギー消費で制御することが可能である。
【００４４】
上記チャージャは、特に、圧縮波チャージャ又はコンプレックスチャージャである。このチャージャは、低出力で作動させることができる。こうして、吸気を予め圧縮することができる。本発明の装置は、次のようになるよう、上記ピストン装置の少なくとも一の直線変位を制御する。即ち、可能な全ての動作点において、ピストン変位が一定周期での往復動となるように制御する。この場合、短い一定の周期に従った圧縮波チャージャを使用することが可能である。
【００４５】
上記チャージャは、特に、上記膨張空間に関して対応するガス交換を同時に行うことができるように、上記ピストン装置それぞれのための少なくとも１つの膨張空間に接続される。
【００４６】
簡単な構造の実施例では、上記ピストン装置は、はねかけ注油により潤滑される。
【００４７】
更に、予備加熱のための加熱装置を設けるのが有利である。常温で始動する場合、摩擦損失が起こり、排気ガスの質が悪化し、摩耗の度合いが増す。こういった問題を減らすことができる。
【００４８】
特に、上記ステータ装置の巻線を加熱要素として使用する。このため、更なる設計費用は要しない。
【００４９】
上記走行装置は、特に、複数の磁石要素を備える。この磁石要素には少なくとも１つの磁束誘導要素が関連付けられており、それら磁石要素の間に磁束誘導要素がそれぞれ配される。このようにして、隣接する磁石要素の磁束線を集中させることができる。これにより、上記走行装置のシステムの出力密度を最適にする（即ち、高い値とする）ことが可能となる。この場合、出力密度を高くするためであっても、安価な低残磁性の磁石要素を使用することができる。
【００５０】
上記磁石要素及び上記磁束誘導要素がピストンロッド上に着座される場合、上記走行装置の構造を簡単なものにすることができる。このピストンロッドは、磁束誘導装置の対を成す２個のピストンを接続する。
【００５１】
更に、上記磁石要素及び上記磁束誘導要素については、上記ピストンロッドの軸に関して回転対称を成すように形成するのが便利である。これにより、誘導電圧が規定通りに生成される。
【００５２】
上記磁石要素及び上記磁束誘導要素は、交互に配するのが便利である。これにより、上記走行装置が上記ステータ装置に対して移動する際に高い誘導電圧を生成することが可能となる。
【００５３】
上記磁束誘導要素は、鉄などの磁気伝導性材料又は磁気伝導性の粉体複合材料から作られる。これらにより、隣接する上記磁石要素の磁束線を集中させることができる。こうして、これら磁束誘導要素は、「磁束線集中装置」として作用する。
【００５４】
上記磁石要素は、永久磁石又は電磁石でよい。電磁石を設けた場合、これら要素を作用させるためのエネルギーを上記走行装置に伝えなければならない。これは例えば、誘導的に又はスリップリングにより行うことができる。
【００５５】
上記走行装置に、非同期作用モードのためのシ端絡環を設けることも可能である。この作用モードは、非同期の機械の作用モードである。更に、上記走行装置の上記ステータ装置に対向する面に歯状構造体を設けてもよいし、上記走行装置がこのような歯状構造を有するようにしてもよい。これにより、こうして形成された磁石回路の対応する異なる磁石抵抗（磁気抵抗）を介して、正確に位相をずらしたスイッチ切り替え又は巻線により、上記ステータ装置のコイルに電圧が誘導される。更に、対応する力を強めるために、永久磁石を使用してもよい。
【００５６】
有利な実施例では、上記ステータ装置と上記走行装置とは、異なる磁極ピッチを有する。このため、上記直線駆動部の出力は、上記ステータ装置の電流負荷及び上記走行装置の磁場の基本波に基づいて形成されない。但し、この電流負荷の調和波が、上記走行装置の磁場の基本波と共に、主要な出力効果を生成する。従って、磁気ヨークの断面積は、小さくすることができる。更に、高周波数（例えば、500Hzかそれ以上の程度）で作動させることができるため、本システムの出力密度を大幅に上げることが可能である。
【００５７】
追加の２次巻線を設けるようにしてもよい。この２次巻線により、電気エネルギーを取り出すことができる。これら２次巻線は、所定のエネルギー必要量や電圧レベルに適合させることができる。このような２次巻線を介して、例えば、自動車の電気系統に電流を供給することができる。対応する電流を取り出すために費用はかからない。整流電流を生成するために、２次巻線の後に整流器を設けるのが有利である。
【００５８】
上記直線駆動部は、単相又は多相の構造とすることができる。
【００５９】
誘導電圧を生成するために、ステータ装置は巻線（特に、リング状主巻線）を有する。この巻線は、上記ピストン受容部の周囲を延伸する。リング状主巻線は、特に簡単に巻くことができる。上記ステータ装置と上記走行装置との間の相対移動のために、上記ステータ装置の巻線に電圧が誘導される。上記リング状主巻線により、電気エネルギーの全部ないし大部分を取り出し又は取り入れることができる。
【００６０】
上記２つのピストン装置の運動を同期させるための同期装置を設けるのが便利である。質量平衡を高精度で保つべく、これら２つのピストン装置の反対方向への作動を高精度で設定することが可能となる。
【００６１】
上記同期装置は、特に、上記ピストン受容部の上に２次巻線を有する。これら２次巻線を通過する電流は、個別に制御することが可能である。上記２つのピストン装置の非同期が検出された場合、電流フローを制御することにより、余りに速く動くピストンにはブレーキをかける、及び／又は、余りに遅く動くピストンは加速する。同期して動く場合には、これら２次巻線は、例えば、電気系統のために電気エネルギーを分岐するために使用することが可能である。この２次巻線は、診断目的のために使用することもできる。従って、例えば、少なくとも２つのピストン装置を同期して動かすために、燃料の導入を制御することができる。
【００６２】
上記同期装置が、上記ピストン受容部の上に２次巻線を有するようにしてもよい。この２次巻線は上記ピストン装置それぞれと関連付けられていて、互いに電気的に接続される。これにより、上記２次巻線の間に補償電流を流すことが可能となる。この補償電流を介して、上記２つのピストン装置の同期を自動制御する。これらピストン装置が同期的に移動する場合、電流は一切流れない。これらピストン装置が非同期的に移動する場合、上記補償電流を生成して、余りに速く動くピストン装置にはブレーキをかけ、余りに遅く動くピストン装置は加速する
【００６３】
電流フローは、特に、電気的に制御することができる。これにより、例えば、次のような閾値を設定することが可能となる。即ち、これを上回れば同期処理を行う必要があることを示す閾値である。
【００６４】
上記２つのピストン装置の同期を助けるために、制御装置により、上記シリンダ内のピストン装置の位置を上記ステータ装置に誘導された電圧から検知するようにしてもよい。これにより、補償電流に関係なく、上記ピストン装置それぞれの位置を検知することが可能となる。このため、例えば、これらピストン装置の移動も監視される。
【００６５】
ピストン装置のための潤滑器については、関連する上記走行装置が潤滑油で冷却可能であるように構成するのが有利である。これにより、上記走行装置を冷却する構成に必要な費用が最小になる。
【００６６】
更に、冷却ダクトを上記ステータ装置及び／又は上記ピストン受容部の周囲（特に、膨張空間の領域）に配するのが有利である。本装置の活性化した構成要素は、これら冷却ダクトを備える対応する冷却装置を介して冷却することができる。もっとも、この冷却装置を介して、次のような使用可能な熱を取り出すことも可能である。即ち、熱的用途（例えば、車のヒータ系統やブロック型の熱発電装置）に供給可能な熱である。こうして、本システム全体の効率性を増すことできる  
【００６７】
膨張空間を燃焼空間として構成するようにしてもよい。このような燃焼空間内で、燃焼ガスは膨張する。この燃焼空間において、そこで起こる燃焼工程により燃焼ガス自体を生成することが可能である。或いは又、燃焼ガスを外部で生成してから上記燃焼空間内に取り入れることも可能である。
【００６８】
例えば蒸気のような伝熱媒体が、上記膨張空間内で膨張することも可能である。
【００６９】
この伝熱媒体を上記膨張空間の外側で生成するか、上記膨張空間の外側でこの伝熱媒体にエネルギーを供給するのが好ましい。膨張空間内には、例えば、熱蒸気が取り入れられる。そこで蒸気は膨張し、本ピストン装置の直線変位をもたらす。これにより、電流を得ることができる。発熱及び圧力上昇は、上記膨張空間の外側で起こる。上記伝熱媒体を生成する又は加熱するために、様々な方法を使用することができる。例えば、太陽放射を集中することを介して、加熱することができる。この場合、太陽集熱器を介して太陽輻射を集中させることが可能である。
【００７０】
加熱や伝熱は、固体、液体、又は気体の燃料の燃焼を介して起こる。加熱された上記伝熱媒体は、一時的に圧力容器に蓄えておくことが可能である。従って、本発明によれば、フリーピストン蒸気エンジンを構成することができる。このフリーピストン蒸気エンジンエンジンは、旧来の蒸気エンジンよりも高い電気効率を有する。上記膨張空間内で膨張する媒体として例えば蒸気を使用する場合、本ピストン装置に特に水潤滑を用いた時と同様に、移動するピストン装置に係る潤滑の問題が減少する。
【００７１】
上記膨張空間から排出された媒体のための再冷却装置を設けるのが便利である。これにより、本フリーピストン装置に上記伝熱媒体を供給し、又は、本フリーピストン装置から上記伝熱媒体を排出すべき、この伝熱媒体のための循環路を形成することができる。
【実施例】
【００７２】
好適な実施例に関する以下の既述は、図面を参照しつつ、本発明をより詳しく説明するのに役立つ。なお、図面については後述する。
【００７３】
図１に、本発明に係る電気直線駆動部を有するフリーピストン装置（フリーピストン燃焼装置）の第１実施例を示す。同図では、この装置全体を符号１０で表す。フリーピストン装置１０は、ピストン受容部１２として、シリンダハウジング１４を有するシリンダを備える。シリンダハウジング１４の内部１６では、第１ピストン装置１８と、この第１ピストン装置１８から離間された第２ピストン装置２０とが、直線的に変位可能である。
【００７４】
２つのピストン装置１８，２０は、少なくともその外形上、シリンダ１２の対称軸２２に関して略回転対称を成すように設計される。２つのピストン装置１８，２０の軸は、対称軸２２と一致する。
【００７５】
第１ピストン装置１８は、第１ピストン２４ａと、この第１ピストンから離間して配された第２ピストン２４ｂと、を備える。これら２つのピストン２４ａ，２４ｂは、ピストンロッド２６により、互いに固定的に（特に、剛性的に）接続される。こうして、一対のピストンが形成される。
【００７６】
第２ピストン装置２０は、第１ピストン２８ａと、第２ピストン２８ｂと、これら２つのピストン２８ａ，２８ｂの間に配されたピストンロッド３０と、を備えており、同一の構成を有する。
【００７７】
第１ピストン装置１８の第２ピストン２４ｂは、第２ピストン装置２０の第２ピストン２８ｂに面するように配される。第１ピストン装置１８の第１ピストン２４ａは、シリンダ１２の端壁３２に面するように配される。第２ピストン装置２０の第１ピストン２８ａは、シリンダ１２の端壁３２の反対側に位置する壁３４に面する。
【００７８】
燃焼空間３６，３８を有する燃焼室は、２つのピストン装置１８，２０それぞれの第１ピストン２４ａ，２８ｂと、これら第１ピストンにそれぞれ面するシリンダ壁３２，３４との間に、膨張室として形成される。燃焼ガスは、関連するピストン装置（燃焼空間３６については第１ピストン装置１８、燃焼空間３８については第２ピストン装置２０）を駆動するために、上記燃焼室内で膨張可能である。
【００７９】
燃焼空間３６，３８を有する燃焼室それぞれの大きさは、ピストン装置１８，２０それぞれのピストン行程により決定される。即ち、特に容積及び表面積が、第１ピストン２４ａ，２８ａそれぞれのピストン運動の反転地点により決定される。
【００８０】
本フリーピストン装置は、電気直線駆動部（その全体を符号４０で表す）を備える。この電気直線駆動部は、第１ピストン装置１８に関連する第１部分４２と、第２ピストン装置２０に関連する第２部分４４と、を備える。
【００８１】
電気直線駆動部４０の対応部分４２，４４はそれぞれ、各ピストン装置１８，２０上に配された走行装置４６を備える。この走行装置４６は、ピストン装置１８，２０と共にそれぞれ移動される。ステータ装置４８が、シリンダハウジング１４の外側のシリンダ１２上に配されると共に、第１及び第２ピストン装置１８，２０の走行装置４６とそれぞれ関連付けられる。このようなステータ装置４８を介して、電気エネルギーを発生させるべく電圧を誘導することができる。
【００８２】
走行装置４６は、磁石要素５０と、磁束誘導要素５２と、を備える。磁石要素５０及び磁束誘導要素５２は、関連するピストンロッド２６，３０上にそれぞれ交互に配される。
【００８３】
磁石要素５０は、特に、軸２２の周囲で回転対称を成すディスクの形をした永久磁石要素とすることができる。磁石要素５０は、特に、軸２２の周囲に同心円状に配された対応するコイルを含む電磁石要素とすることもできる。これら電磁石にエネルギーを伝えるように、対応する装置を設ける必要がある。例えば、誘導的に或いはスリップリングを介して、このようにすることができる。
【００８４】
磁束誘導要素５２もディスク状であり、高磁気伝導性の材料から作られる。例えば、鉄や磁気伝導性の粉体複合材料が使用可能である。
【００８５】
磁石要素５０（特に、永久磁石である場合）及び磁束誘導要素５２は、次のように設計するのが好ましい。即ち、ピストン装置１８，２０をそれぞれ製造する際に、関連するピストンロッド２６，３０をそれぞれ押し入れることが可能な孔を中央に有するように設計することである。
【００８６】
磁石要素５０は、次のように作製（特に、磁化）される。即ち、磁束誘導要素５２において、隣接する磁石要素５０の磁束線が本システムの出力密度を上げるべく集中されるように作製（特に、磁化）される。磁石要素５０は、特に、同一の極が対向するよう平行に配される。
【００８７】
各走行装置４６の外面は、次のように作製してもよい。即ち、軸２２を含む断面において、シリンダ壁に面する内面が歯形を成すように作製することである。このような歯状構造のために、走行装置４６は交互に磁気伝導性を有することとなる。このようにして、ピストン装置を進めるための駆動力を生み出すことができる。
【００８８】
ステータ装置４８は、シリンダ１２の外壁の周囲に配されたリング状主巻線５４を備える。磁化された走行装置４６が相対的に移動することで、これらリング状巻線に電圧が誘導され、電気エネルギーの取り出しが可能となる。こうして発電装置を利用することができるようになるが、この装置はフリーピストンを案内する（２つのピストン装置１８，２０が直線移動する）原理を基礎とする。
【００８９】
２つのピストン装置１８，２０の行程は、制御装置５６を介して制御することができる。特に、ピストン装置１８，２０の場所が任意の時点で固定されるように制御することができる。これにより、第１ピストン２４ａ，２８ａそれぞれのピストン運動の反転地点は、各燃焼室３６，３８の大きさを設定することができるよう、要求通りに調節可能となる。直線駆動部４０を対応して制御することにより、ピストン装置１８，２０の負荷状態や圧縮歪みや速度に応じて、ピストン行程を設定することができる。こうして、燃焼室３６，３８はそれぞれ、負荷状態に応じて最適となるように調節される。特に、燃焼空間３６，３８の容積及びこれら燃焼空間３６，３８それぞれの表面積は、用途にも適合させることができる。このようにピストン行程を場所や時間（位置、圧縮比、速度）に関して設定することで、燃料へも適合させることができる。即ち、燃料として使用するのが、例えば、ディーゼル油か植物油か（ディーゼル方式）それともガソリンか、或いは、天然ガスか水素か（オットー方式）、に応じて、ピストン行程長や圧縮比を設定することができる（必要な点火装置は図示しない）。
【００９０】
ステータ装置４８（場合により、走行装置４８も）におけるフローを予め特定することにより、即ち、これらのフローを制御することにより、関連するピストン装置１８，２０それぞれの直線変位可能性に影響を及ぼすことができる。こうして、２つのピストン装置１８，２０のピストン運動の反転地点がその外側に位置する燃焼空間３６，３８において占める位置を正確に固定することが可能となる。
【００９１】
例えば全負荷時には、燃焼空間３６，３８に大量の空気を取り入れる必要がある。この場合、ピストン行程を対応するように大きく設定することができる。一方、吸気量を減らした部分負荷作動に対しては、行程を短くして設定することができる
【００９２】
２つのピストン装置１８，２０は、反対方向に作用するように作製して配される。第２ピストン２４ｂ，２８ｂの間には、伸縮性要素又は圧縮性媒体を収容する弾性空間５８が形成される。
【００９３】
弾性空間５８には、燃焼サイクル中に直線駆動部４０により取り出されなかったエネルギーの少なくとも一部を吸収するために、例えば圧縮ばねを配することができる。この蓄積エネルギーは、２サイクル稼働では燃料と空気との混合物を圧縮するために、４サイクル稼働では排気ガスを排出するために、使用することができる。
【００９４】
特に、圧縮性流体（特には空気のような気体）が上記弾性空間に含まれるようにしてもよい。この流体は、上記エネルギーを吸収して再び放出する。
【００９５】
弾性空間５８内の圧力が少なくとも１つのバルブ６０を介して制御可能であるようにしてもよい。少なくとも１つのバルブ６０は、制御装置５６を介して制御するのが好ましい。このような圧力制御可能な弾性空間５８は、２つのピストン装置１８，２０に関してポンプを形成するために使用することもできる。吸い込まれた空気は、バルブ１００，１０２により、制御しつつ燃焼空間３６，３８内に送り込むことができる（図２参照）。バルブ１００，１０２を時間制御しつつ閉鎖する（即ち、周囲から分離する）ことで、上記弾性機能（エネルギー蓄積機能）を確実にすることができる。この制御は、燃焼空間３６，３８における燃焼サイクルと同時に、制御装置５６を介して行われる（燃焼空間３６’，３８’については図２参照）。
【００９６】
各燃焼空間３６，３８には電気制御可能な出口バルブ６２及び特に電気制御可能な入口バルブ６４が設けられており、対応する制御が制御装置５６を介して行われる。これにより、燃焼空間ガスの取り入れ及び燃焼生成物の排出の時間制御が可能となる。特に、電気的活性化装置６６を介した直線駆動部４０の電気的活性化や弾性空間５８の任意のポンプ機能と連動した制御を例とする、同期制御が可能となる。
【００９７】
燃焼空間３８に入る吸入ライン６８が、チャージャ７０に接続される。この吸入ライン６８は、入口バルブ６４を介して燃焼空間３８と結合される。
【００９８】
排気ガスライン７２が、出口バルブ６２を介してチャージャ７０へと至る。このチャージャ自体が、吸気用の吸込ライン７４と、排気ガス用の排出ライン７６と、を有する。
【００９９】
対応する排気ガスライン７８及び吸入ライン８０が、チャージャ７０からもう１つの燃焼空間３６へと至る。そこでは、もう１つの燃焼空間３８に関して述べたのと同じようにして、連結分離される。
【０１００】
チャージャ７０は、特に、次のような圧縮波チャージャ（コンプレックスチャージャ）である。即ち、燃焼空間３６，３８から流れる排気ガスのエネルギーが給気（吸気）を圧縮するために使用される圧縮波チャージャである。このような圧縮波チャージャを用いて、脈動する排気ガスの圧縮波及び吸入波が外気を吸い込み圧縮する。この圧縮は、排気ガスと直接接触する中で起こる。
【０１０１】
本発明の装置によれば、２つのピストン装置１８，２０は、絶えず往復動しながら変位する（特に、同一直線上で反対方向に変位する）ことが可能である。これにより、排出される排気ガスを絶えず揺り動かすことができるため、チャージャを介してガス交換を制御することが可能となる。コンプレックスチャージャの利点は、消費するエネルギーが本来的に僅かに過ぎないということである。
【０１０２】
これらピストン装置１８，２０が絶えず往復動することから、チャージャ７０と燃焼空間３６，３８をそれぞれ備えた可動ピストン装置１８，２０とを含むシステム全体について、チャージャ７０の設定可能な最適の動作点に対して正確に構成することが可能となる。
【０１０３】
チャージャ７０が存在する場合、弾性空間５８がポンプとして使用される上述の変形例は成立しない。
【０１０４】
更に、２つのピストン装置１８，２０とそれぞれ関連付けられた少なくとも１つの２次巻線８２を上記シリンダの周囲に着座させてもよい。これらは、各ステータ装置４８のリング状主巻線５４から電気的に分離される。２次巻線８２は、例えば、リング状主巻線５４の周囲に配されたり、これらリング状主巻線５４に沿って（リング状主巻き線５４のリング状巻線軸の方向に延伸するように）置かれる
【０１０５】
このような２次巻線８２を介して、更なる電流を取り出すことができる。これにより、例えば、自動車の12V/14Vないし36V/42Vの電気系統に電力が供給される。巻線の数は、これに適合させる。整流電流を生成することができるように、このような２次巻線８２の後に整流器を設けるのが好ましい。
【０１０６】
２次巻線８２（追加の電流を取り出すための２次巻線又はこれら２次巻線から分離して設けられた２次巻線と同じものとすることができる）を介して、２つのピストン装置１８，２０を、シリンダ１２内の直線移動において同期装置により同期させることができる。このような同期装置の少なくとも制御部については、制御装置５６により構成される。
【０１０７】
関連するピストン装置１８，２０の位置に応じて、電流を生成する、或いは、２次巻線８２のスイッチを特定の点で入切させてピストン装置１８，２０それぞれの速度を速くする又は遅くするために、関連するピストン装置１８，２０自体に電流を作用させることができる。特に、余りに速く動くピストン装置にブレーキをかけることにより、２つのピストン装置１８，２０の移動における非同期を補償することができる。
【０１０８】
同期して動いている間は、これら２次巻線８２を電流を生成するために使用することができる。
【０１０９】
特に、２つのピストン装置１８，２０に面する各２次巻線８２は、互いに電気的に接続するようにしてもよい。このことは、図１の参照番号８４で示してある。この場合、２つのピストン装置１８，２０を自動制御で同期させる補償電流は、２次巻線８２それぞれの間を流れることができる。ピストン装置の速度が比較的速ければ遅くし、比較的遅ければ速くする。この補償電流自体の閾値は、例えば、制御装置５６を介して定めることができる。
【０１１０】
直線駆動部１０を有するフリーピストン燃焼装置の活性化した構成要素を冷却するために、冷却ダクト８８を備える冷却装置８６をステータ装置４８の周囲に配するようにしてもよい。特に、ピストン装置１８，２０、シリンダ１２、及びリング状主巻線５４が、これら活性化した構成要素の部類に属する。
【０１１１】
更に、対応する冷却装置８６から熱を取り出して、これを熱的用途（例えば、車のヒータ、ブロック型の熱発電装置）に使用するようにしてもよい。
【０１１２】
本発明の装置は、次のようにして作動する。
【０１１３】
２つのピストン装置１８，２０の所定の反転地点（下死点及び上死点）を、ピストン装置に作用する電流により、直線駆動部４０を介して設定する。これにより、各燃焼空間３６，３８の容積及び表面積が特定される。更に、ピストン装置１８，２０の速度や、とりわけその圧縮比を決める。この設定は、負荷（部分負荷又は全負荷）、燃料（ガソリン、天然ガス、水素、ディーゼル油、植物油等）、及び更なる外部パラメータに従い行われる。
【０１１４】
本装置を起動するために、電気的に予備加熱してもよい。又、冷却装置８６の冷却水も予備加熱してもよい。この予備加熱は、対応する巻線により、直線駆動部４０を介して行うことができる。例えば、リング状主巻線５４が加熱要素として使用される。なお、予備加熱用の加熱コイルを設けることも可能である。
【０１１５】
２つのピストン装置１８，２０の対を成すピストン２４ａ，２４ｂ及びピストン２８ａ，２８ｂが、各ピストン１８，２０を支える。即ち、対を成すピストン２４ａ，２４ｂ及びピストン２８ａ，２８ｂについては、ほぼ傾くこともなく、直線的に案内することができる。
【０１１６】
更に、ピストン２４ｂ，２８ｂは、弾性空間５８を密閉する役割も果たす。上記直線駆動部により、２つのピストン装置１８，２０の移動の反転地点を（場所や時間に関して）正確に定めることができる。このため、部分負荷作動の際に、吸気用スロットルバルブを設ける必要がない。但し、スロットルロスには別の方法で対処する必要がある。
【０１１７】
空気の吸い込み及び排気ガスの排出は、燃焼空間３６，３８それぞれのためのバルブ６２，６４により、特定の方法で制御することができる。これにより、本システム全体の効率性を改善し、排気ガスの質を上げることができる。ガス交換（バルブ６２，６４を通過するフロー）の時点制御時間及び継続時間を正確に設定することにより、時間が重視される個々の処理を正確に一致させることができる。上記ピストン装置の速度も制御可能であるため、膨張処理の間にも排気ガスの改善を促すことができる。
【０１１８】
特に、ガス交換のための置換処理を最適なものとするよう、入口バルブ６４は次のように作製して配される。即ち、吸気により起こるガスフローがシリンダ壁の内側に沿って案内されるように作製して配される（図４参照）。このために、入口バルブ６４は、例えば、シリンダ壁の内側に沿うようなフローを確保するよう設計された案内板を備える。これは、特に２サイクル稼働では、燃焼空間において逆方向に掃気するために必要である。
【０１１９】
圧縮波チャージャ７０を介して、吸気・圧縮・排気を行うのが好ましい。
【０１２０】
ピストン装置１８，２０の移動の間、走行装置４６及びステータ装置４８が相対移動することで、後者に電圧が誘導される。こうして、電気エネルギーが生成される（即ち、機械エネルギーの一部が電気エネルギーに変換される。機械エネルギーは、燃焼による化学エネルギーへの部分変換に由来する）。
【０１２１】
燃焼サイクルの間に直線駆動部４０により取り出されないエネルギーについては、弾性空間５８がこれを吸収することができる。
【０１２２】
ステータ装置４８は、冷却装置８６を介して冷却される。冷却装置８６は又、シリンダ１２の更なる部分（例えば、ピストン装置１８，２０）も冷却する。
【０１２３】
ピストン２４ａ，２４ｂ，２８ａ，２８ｂは、例えば、簡単なはねかけ注油により潤滑される。即ち、オイルポンプは不要である。この場合、潤滑油が確実且つ十分に供給されるように、上記ピストンはオイルバス内を動く（このピストン運動により、オイルバスは回転される）。
【０１２４】
ピストン２４ａ，２４ｂ，２８ａ，２８ｂは、最小側面がシリンダ１２に面するにように作ることができる。即ち、互いに支持し合う一対のピストンが設けられるように、ピストンスカートを短く構成することができる。これにより、２つのピストン装置１８，２０の移動の間の摩擦損失を最小にすることができる。
【０１２５】
ピストン２４ａ，２４ｂ，２８ａ，２８ｂは、非金属製材料（例えば、セラミック材料、グラファイト、ガラスカーボン）から作ることができる。このようなピストンは、潤滑不要である。一対のピストンが互いに支持し合うことから、直交方向の力はほぼ発生しない。このため、このような構成とすることができる。
【０１２６】
本発明の走行装置４６が交互に配した磁石要素５０及び磁束誘導要素５２を有することから、高残磁性の磁石を使用しなくとも、本システムの出力密度を高くすることができる。特に、上記走行装置の磁極ピッチと上記ステータ装置の磁極ピッチとが異なる場合に、高出力密度が可能となる。
【０１２７】
直線駆動部４０自体は、単相、二相、三相、又は多相の構造とすることができる。
【０１２８】
対応するステータ装置４８のリング状主巻線５４については、フィールドが誘導されるように、例えば鉄製パケットに組み込むことができる。
【０１２９】
反対方向に移動可能な２つのピストン装置１８，２０は、同期装置により互いに同期させることができる。特に、補償電流を介した自動制御が可能である。
【０１３０】
更に、制御装置５６が、誘導電圧を介して、２つのピストン装置１８，２０に関する位置情報を評価するようにしてもよい。この評価は、走行装置４６の関連するステータ装置に対する位置の評価である。これらの検出結果は、例えば、２つのピストン装置１８，２０の同期を改善するために使用することができる。ステータ装置４８のための追加の巻線を設けることにより、位置決定の精度を上げるとができる
【０１３１】
本発明のフリーピストン燃焼装置は、例えば、２サイクル稼働又は４サイクル稼働において作用することが可能である。
【０１３２】
図２に示した第２実施例（その全体を符号９０で表す）では、チャージャ７０の代わりに、オーバーフローガイド９２が設けられる。シリンダ１２自体の構成は、既に述べたものと基本的に同じである。そこで、類似の部分は図１と同じ参照番号で表したが、ダッシュ記号を付け加えている。
【０１３３】
対応する弾性空間９４が、対応するバルブ１００，１０２を介して、吸入経路９６，９８と結合される。これを介して、空気を対応する燃焼空間３６’，３８’に吸い込むことができる。弾性空間９４の容積は、吸気を予め圧縮するために、２つの燃焼空間３６’，３８’の容積の合計よりも大きくなっている。
【０１３４】
これ以外の点では、装置９０は上述のものと全く同じように作用する。
【０１３５】
弾性空間９４は、ポンプ機能を有する。弾性空間９４においては、燃焼空間３６’，３８’に送り込む前に、吸気を予め圧縮することが可能である。
【０１３６】
図３に示した第３実施例（その全体を符号１０４で表す）には、同様に、シリンダ１０６が設けられる。シリンダ１０６においては、同様に、２つのピストン装置１０８，１１０が直線変位するように案内される。これらは、上述の通り、一対のピストン１１２ａ，１１２ｂ／１１４ａ，１１４ｂをそれぞれ備えるように構成される。ピストン１１２ａ，１１４ａは、その端面がシリンダ壁１１６，１１８にそれぞれ面するように配される。２つのピストン１１２ｂ，１１２ｂは対向する。
【０１３７】
実施例１０，９０とは異なり、２つのピストン装置１０８，１１０の間にある中間空間は、燃料と空気との混合物が点火可能な燃焼空間１２０として構成される。
【０１３８】
この目的のために、この燃焼空間１２０には、入口バルブ１２２及び出口バルブ１１０が設けられる。外気が入口バルブ１２２を介して燃焼空間１２０に導入され、排気ガスが出口バルブ１２４を介して排出される。
【０１３９】
対応する吸入ライン１２６及び排出ライン１２８が、チャージャ１３０に接続される。第１実施例を参照しつつ既に述べた通り、チャージャ１３０は、吸入ライン１３６及び排気ガスライン１３８それぞれを介して、外側の燃焼空間１３２，１３４に接続される。これ以外の点では、直線ジェネレータを有する本フリーピストン装置は、既に述べた通りに作用する。
【０１４０】
原則として、燃焼空間１４４を間に配したピストン装置１４０，１４２を設けることが可能である（図５）。
【０１４１】
各ピストン装置１４０，１４２は、一対の離間されたピストン１４６ａ，１４６ｂ／１４８ａ，１４８ｂをそれぞれ備える。
【０１４２】
ピストン１４６ａとこれに面するシリンダ壁１５０との間及びピストン１４８ａとこれに面するシリンダ壁１５２との間に、弾性空間１５４，１５６を形成するようにしてもよい。各弾性空間１５４，１５６には、例えば、伸縮性要素１５８（好ましくは、圧縮ばね）が配される。
【０１４３】
このような装置を用いた場合、燃焼サイクル（燃焼空間１４４における燃焼）の間に対応する直線駆動部１６０により吸収されないエネルギーは、各ピストン装置１４０，１４２のために別々に（即ち、それぞれに関連する弾性空間１５４，１５６に）、一時蓄えておくことができる。原則として、直線駆動部１６０は、直線駆動部４０を参照しつつ上述したのと同じように構成される。
【０１４４】
図６に示した直線駆動部を有する本発明のフリーピストン燃焼装置の第５実施例（その全体を符号２０２で表す）には、ピストン受容部２０４が設けられる。ピストン受容部２０４においては、単一のピストン装置２０６が直線変位可能である。例えば、このようなピストン受容部２０４を複数設けて、パケット状に積むか、２つのピストン受容部をＶ字形にそれぞれ配する等することにより、電流を生成するために相互に接続することが可能である。
【０１４５】
ピストン装置２０６は、同様に、第１ピストン２０８と、反対側にある次のような第２ピストン２１０と、を備える。即ち、第１ピストン２０８を支持する役割を本来的に果たす第２ピストン２１０である。２つのピストン２０８，２１０の間には、これら２つのピストン２０８，２１０を互いに接合するピストンロッド２１２が配される。
【０１４６】
既述の通りに構成される走行装置２１４が、これら２つのピストン２０８，２１０の間にあるピストンロッド２１２上に配される。
【０１４７】
ピストン受容部２０４上には、既述の通りに構成されるステータ装置２１６が着座される。
【０１４８】
第１ピストン２０８が、燃焼空間２１８として構成される膨張空間に面していて、その範囲を画する。このため、この第１ピストン２０８は又、燃焼空間２１８にて膨張する燃焼ガスの圧力を直接受ける。この燃焼ガスが、ピストン装置２０６を駆動する。
【０１４９】
燃焼空間２１８を走行装置２１４から断熱するために、断熱要素２２０（例えば、走行装置２１４のセラミックディスク）を第１ピストン２０８に配するようにしてもよい。
【０１５０】
排気ガスライン２２４が、燃焼空間２１８から、制御可能な出口バルブ２２２を介して、チャージャ２２６へと続く。更に、このベアリング２２６から、吸込ライン２２８が燃焼空間２１８へと続く。燃焼空間２１８内に向けて、吸込ライン２２８が制御可能な入口バルブ２３０を介して開放される。
【０１５１】
燃焼空間２１８と結合されたチャージャ２２６は、既述の通りに作用する。
【０１５２】
第２ピストン２１０は、非燃焼空間である空間２３２に面する。これは、特に、次のような弾性空間として構成される。即ち、自動伸縮性要素（図６には示していない）が配されるか、空気等の圧縮性媒体が含まれるよ弾性空間である。この場合、弾性を制御することができるように、この空間２３２内の圧力を制御するための制御可能なバルブ２３４が設けられる。
【０１５３】
本発明の装置２０２は、第１実施例を参照しつつ既に述べた通りに作用する。即ち、制御装置５６を介して、ピストン運動を可変設定することができる。
【０１５４】
最上反転地点（上死点）及び最下反転地点（下死点）については、特に、ピストン受容部２０４の空間及び時間に関して設定可能である。更に、ピストン速度が設定可能であるため、燃焼空間２１８の圧縮比が設定可能である。特に、走行装置２１４及びステータ装置２１６を備える直線駆動部を介して、設定は行われる。第１ピストン２０８の位置は、少なくとも、最上反転地点及び最下反転地点への到達時点に関して設定可能である。なお、第１ピストン２０８のピストン位置は、任意の時点で規定された方法により固定することができるのが好ましい。このようにピストン運動が調節可能であることから、本装置は、異なる動作条件や動作パラメータに対し可変的に適合可能である。
【０１５５】
本発明のフリーピストン装置の実施例として、フリーピストン燃焼装置をこれまで述べてきた。これらは、特に、内燃エンジンとして使用することができる。
【０１５６】
本発明の方法によれば、フリーピストン蒸気エンジンが実現可能である。より詳しくは、以下に述べる。
【０１５７】
図７に示した本発明のフリーピストン装置の第６実施例（その全体を符号３００で表す）では、ピストン受容部３０２が、次のような内部３０４を備える。即ち、ピストン装置３０６が直線移動可能なように配された内部３０４である。ピストン装置３０６は、第１ピストン３０８と、これに接続された反対側の第２ピストン３１０と、を備える。
【０１５８】
第１ピストン３０８は、蒸気のような伝熱媒体が膨張可能な膨張空間３１２の範囲を画する。このような伝熱媒体の膨張を介して、第１ピストン３０８、従ってピストン装置３０６に力が加わる。第２ピストン３１０は、次のような弾性空間３１３の範囲を定める。即ち、ピストン受容部３０２の内部３０４において、膨張空間３１２がある方とは反対側の端部に形成された弾性空間３１３である。
【０１５９】
ピストン装置３０６と共に移動する走行装置３１４が、ピストン装置３０６上に固定される。ステータ装置３１６が、ピストン受容部３０２に関して不動固定される。
【０１６０】
このような駆動装置の動作モードは、原則として、既に述べたものと同じである。
【０１６１】
伝熱媒体（特に、蒸気）は、膨張空間３１２の外側で生成・加熱される。この目的のために、例えば、圧力容器３１８が設けられる。圧力容器３１８は、出口３２０を介して膨張空間３１２と結合される。伝熱媒体のためのライン３２２が、この出口３２０と膨張空間３１２との間に配される。
【０１６２】
圧力容器３１８は、熱源３２４により加熱することができる。この熱源自体、太陽輻射や燃料により加熱することが可能である。
【０１６３】
加熱された伝熱媒体（例えば、熱蒸気）は、圧力容器３１８から膨張空間３１２の中に取り出され、そこで膨張することができる。これにより、ピストン装置３０６にてピストン運動が起こり、エネルギーの生成が可能となる。伝熱媒体を上記膨張空間の中に取り入れるために、機械的又は電気的に操作可能な対応するバルブ３２６がそこに配される。これにより、伝熱媒体の取り入れを対応する方法で制御することが可能となる。
【０１６４】
追加のバルブ３３０を介して、膨張空間３１２からの上記媒体の排出を制御することができる。バルブ３３０は、膨張空間３１２の出口３２８に着座される。この制御は、特に、伝熱媒体の取り入れと相俟って行われる。
【０１６５】
膨張空間３１２から排出された上記媒体は、再冷却装置３３２を介して冷却することができる。出口３２８は、ライン３３０を介して再冷却装置３３２に接続される。再冷却装置３３２に入る上記媒体の圧力は、圧力容器３１８を出て膨張空間３１２に入る媒体の圧力よりも低い。
【０１６６】
圧力容器３１８内の媒体にエネルギーを供給するために（即ち、伝熱媒体を膨張空間３１２のために利用することができるように）、蒸気等の媒体を再冷却装置３３２からライン３３４を介して圧力容器３１８内に案内することが可能である。
【０１６７】
上記媒体を圧力容器３１８内に送るためのポンプ３３６が、ライン３３４に配される。
【０１６８】
圧力容器３１８については、蒸気でこれを満たすのが好ましい。
【０１６９】
膨張空間３１２内に加圧導入された蒸気が膨張することにより、ピストン装置３０６が直線移動される。この直線移動により、電気エネルギーが生成される。ピストン運動及び電気エネルギー生成は、基本的には、既述したのと同様にしてもたらされる。
【０１７０】
このようなフリーピストン蒸気エンジンには、既に述べたようなピストン装置及び膨張空間を複数設けることも可能である。
【０１７１】
フリーピストン燃焼装置については、次のような燃焼ガスを燃焼空間内に導入することも可能である。即ち、外部で生成してから、対応するピストン装置により画された燃焼空間内へと取り出される燃焼ガスである。
【図面の簡単な説明】
【０１７２】
【図１】本発明に係る電気直線駆動部を有するフリーピストン装置の第１実施例の概略図。この実施例の装置は、フリーピストン燃焼装置として構成される。
【図２】本発明に係る装置の第２実施例。
【図３】本発明に係る装置の第３実施例。
【図４】燃焼室の概略図。
【図５】本発明に係る装置の第４実施例。
【図６】本発明に係る装置の第５実施例。
【図７】本発明に係る装置の第６実施例。この実施例の装置は、フリーピストン蒸気エンジンとして構成される。
【図１】
2005524016.tif 000003
【図２】
2005524016.tif 000004
【図３】
2005524016.tif 000005
【図４】
2005524016.tif 000006
【図５】
2005524016.tif 000007
【図６】
2005524016.tif 000008
【図７】
2005524016.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月23日(2005.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
上記磁石要素及び上記磁束誘導要素がピストンロッド上に着座される場合、上記走行装置の構造を簡単なものにすることができる。このピストンロッドは、ピストン装置の対を成す２個のピストンを接続する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
２つのピストン装置１８，２０の行程は、制御装置５６を介して制御することができる。特に、ピストン装置１８，２０の場所が任意の時点で固定されるように制御することができる。これにより、第１ピストン２４ａ，２８ａそれぞれのピストン運動の反転地点は、各燃焼空間３６，３８の大きさを設定することができるよう、要求通りに調節可能となる。直線駆動部４０を対応して制御することにより、ピストン装置１８，２０の負荷状態や圧縮歪みや速度に応じて、ピストン行程を設定することができる。こうして、燃焼空間３６，３８はそれぞれ、負荷状態に応じて最適となるように調節される。特に、燃焼空間３６，３８の容積及びこれら燃焼空間３６，３８それぞれの表面積は、用途にも適合させることができる。このようにピストン行程を場所や時間（位置、圧縮比、速度）に関して設定することで、燃料へも適合させることができる。即ち、燃料として使用するのが、例えば、ディーゼル油か植物油か（ディーゼル方式）それともガソリンか、或いは、天然ガスか水素か（オットー方式）、に応じて、ピストン行程長や圧縮比を設定することができる（必要な点火装置は図示しない）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５０】
排気ガスライン２２４が、燃焼空間２１８から、制御可能な出口バルブ２２２を介して、チャージャ２２６へと続く。更に、このチャージャ２２６から、吸込ライン２２８が燃焼空間２１８へと続く。燃焼空間２１８内に向けて、吸込ライン２２８が制御可能な入口バルブ２３０を介して開放される。
【国際調査報告】
2005524016.tif 000010
2005524016.tif 000011
2005524016.tif 000012
2005524016.tif 000013
2005524016.tif 000014
2005524016.tif 000015