(57)【要約】   本発明は、フリーピストンエネルギー変換器を制御する方法およびシステムに関し、燃焼イベントのような、少なくとも２つのシリンダのうちの少なくとも一方におけるイベントの作用が互いに切り離されるようにする方法において、可動質量のストロークの間に前記変換器の前記可動質量に作用する力を予測し、また前記可動質量が前記ストロークに沿った特定の位置において、所望の基準運動エネルギーのような、所望の基準条件または状態に達するように、前記可動質量に作用する力を発生させる値を、評価または推定する。【選択図】図１
2007532827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリーピストンエネルギー変換器を制御する方法であって、前記可動質量のストロークの間に前記変換器の前記可動質量に作用する力を予測することによって、また前記可動質量が前記ストロークに沿った特定の位置において所望の基準運動エネルギーのような、所望の基準条件または状態に達するよう前記可動質量に作用する力を発生させる値を評価または推定することによって、少なくとも２つのシリンダのうちの少なくとも一方において、燃焼イベントのような、イベントの作用が互いに切り離されるようにする方法。
【請求項２】
前記可動質量に作用する前記力の今後の成長または今後の値を予測するために、前記フリーピストンエネルギー変換器１内の特定の現在の条件および／または状態が、観測および／または推定、そして予測される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変換器の前記可動質量に作用する前記電磁力と、前記変換器に入力される燃料とが制御変数であり、前記変換器の着火時刻と出力電力とが、前記制御変数によって制御される出力値である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記可動質量に作用する前記力が、前記可動質量の物理モデルに基づき、前記フリーピストンエネルギー変換器内の圧力信号および／または位置信号および／または速度信号から評価または推定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記変換器の前記可動質量の位置および／または速度を評価または推定するための前記物理モデルが、加えられた全部の力に対して前記可動質量がどのように動くかに基づく、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記圧力を評価または推定するための前記物理モデルが、前記変換器の少なくとも１つのシリンダの中の圧力センサが発生させる圧力信号のフィルタリングに基づく、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記可動質量に作用する前記力が、
−第１の位置ｘ０における、前記可動質量の運動エネルギー（または速度）の値および前記関連シリンダ内の圧力の値を測定または推定するステップと、
−前記ストロークの終わり近く、または特定位置ｘ３における前記所望の基準運動エネルギーを考量するステップと、
−前記位置ｘ３において前記所望の基準運動エネルギーに達するように、一定の電磁力を、ステップ１で測定または推定された前記値に基づいて予測するステップと、
−ステップ１に戻り、前記可動質量の第２の（次の）位置（ｘ１）について前記手順を繰り返すステップとによって評価される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
請求項１乃至７の少なくとも一項に記載の方法を実施するためにフリーピストンエネルギー変換器を制御するシステム。
【請求項９】
前記変換器（１）の前記可動質量に作用する力を予測することと、前記可動質量が前記ストロークに沿った特定の位置において（所望の基準運動エネルギーのような）所望の基準条件または状態に達するよう前記可動質量に作用する力（Ｆｅｌ）を発生させる値を、評価および／または推定することとを行う速度サーボコントローラ（５０）を備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記可動質量に作用する前記力の今後の成長または今後の値を予測するために前記速度サーボコントローラ（５０）によって評価される、前記フリーピストンエネルギー変換器（１）内の特定の現在の状態および／または条件を観測および／または推定するオブザーバ（６０）を備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記速度サーボコントローラ（５０）が、シリンダ内の推定圧力ｐと、推定（現在）位置ｘにおける前記可動質量の推定運動エネルギーＥｋと、前記ストロークに沿った特定の位置における前記可動質量の所望の基準運動エネルギーＥｋｒｅｆの値とを示す入力信号を受け取る安定化補償器（５２）を備え、前記安定化補償器（５２）が、前記可動質量に作用する電磁力Ｆｅｌの値を出力するために与えられる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記オブザーバ（６０）が、着火時刻推定器（６１）と、ピストン状態推定器（６２）と、出力電力推定器（６３）とを備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ピストン状態推定器（６２）が、前記可動質量の推定位置および推定運動エネルギーを評価するために、前記可動質量によって生じた、ホール効果センサのスイッチング信号（ｘｈａｌｌ）と、前記可動質量に作用する前記電磁力Ｆｅｌの現在の値と、前記シリンダ内の前記圧力Ｐの現在の値とを受け取る、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
着火時刻コントローラ（７０）と出力電力コントローラ（８０）とを備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
請求項８乃至１４の少なくとも一項に記載のシステムを備えるフリーピストンエネルギー変換器。
【請求項１６】
プログラム可能なマイクロコンピュータ上で実行される場合に、請求項１乃至７の少なくとも一項に記載の方法を実施するように適応されているコンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム。
【請求項１７】
インターネットに接続されたコンピュータで実行される場合に、請求項８に記載のシステムまたはその構成要素にダウンロードされるように適応された、請求項１６に記載のコンピュータプログラム。
【請求項１８】
請求項１６に記載のコンピュータプログラムコード手段を含み、コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストンエンジンまたはフリーピストンエネルギー変換器を制御する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
フリーピストンエネルギー変換器は、少なくとも１つのシリンダの中に自由に動くピストンを少なくとも１つ有し、通常、そのピストンにはクランクシャフトもカムシャフトも接続されていない。このことは、非常にコンパクトで効率的なエンジンの設計を可能にするが、ピストン運動の正確な制御、ならびに少なくとも１つのシリンダのインレットポートおよびアウトレットポートを開閉するバルブの作動および運動の正確な制御を必要とする。これらの運動および作動は、電子クランクシャフトおよび電子カムシャフトの機能を実現する制御システムによって制御される。
【０００３】
フリーピストンエネルギー変換器は、通常は、燃焼エネルギーを電気エネルギーまたは機械エネルギーまたは水力エネルギーに変換するために提供される。
【０００４】
そのようなフリーピストンエンジンの利点の１つは、圧縮比をストロークごとに制御できることである。これは、従来の燃焼エンジンでは不可能である。この特性は、フリーピストンエネルギー変換器において予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）を実現する可能性を開くものである。しかしながら、そのようなエンジンの不利点は、外乱に対してロバストな制御システムを与えることが困難なことである。
【０００５】
たとえば１つのシリンダに１つのピストンを含むそのようなフリーピストンエネルギー変換器の信頼性および効率は、外乱に対して非常に敏感である。これは、２つのピストンが互いに強く結合していて、一方のピストンに影響を及ぼすイベントが他方のピストンにも同様に影響を及ぼすためである。
【０００６】
特許文献１では、軸方向に並べて配置され、互いに対向している内部燃焼ピストンのペアを含むリニア発電機の運動を制御する方法が開示されている。その場合は、発電機の往復運動サイクルの間に得られる、発電機に作用する抵抗力が、少なくとも中央のストローク範囲において発電機の運動速度にほぼ比例するように、電流吸収が制御される。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６１８１１１０号明細書
【非特許文献１】Ｌｅｖｉｎｅ，Ｗ．Ｓ「Ｔｈｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ」（ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ、１９９６年）７３４頁
【発明の開示】
【０００８】
本発明の１つの目的は、外乱イベントが少なくとも１つのピストンおよび／またはシリンダに影響を及ぼす場合でもフリーピストンエネルギー変換器のロバストな制御が可能であるような、フリーピストンエネルギー変換器を制御する方法およびシステムを提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、燃焼エネルギーを電気エネルギーおよび／または機械エネルギーまたは他の任意の種類のエネルギーに変換するために、１つのシリンダに１つのピストンを含むフリーピストンエネルギー変換器を制御する方法およびシステムを提供することである。この方法およびシステムによって、２つのシリンダのうちの少なくとも一方におけるピストンおよび／またはプロセスの少なくとも１つに影響を及ぼすあらゆる外乱および／または環境条件に少なくとも実質的には左右されない、フリーピストンエネルギー変換器の効率的な制御が実現される。
【００１０】
これらの目的は、請求項１に記載の方法、および請求項８に記載のシステムによって達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
従属請求項は、本発明による方法およびシステムの有利な実施形態を開示する。
本発明のさらなる詳細、特徴、および利点については、以下の内容を概略的に示す図面と関連させての、後述の本発明の例示的実施形態の説明から明らかになるであろう。
【００１２】
図１は、例示的フリーピストンエネルギー変換器１の断面図である。この変換器１は、第１の燃焼室１２を有する第１のシリンダ１１の中で動く第１のピストン１０と、第２の燃焼室２２を有する第２のシリンダ２１の中で動く第２のピストン２０とを備える。
【００１３】
第１のシリンダ１１は、第１のピストン１０によって開閉される第１および第２の吸気開口部１３と、第１および第２のバルブ１５によってそれぞれ開閉される第１および第２のインレットおよび／またはアウトレット開口部１４とを有する。第２のシリンダ２１は、それに応じて、第２のピストン２０によって開閉される第１および第２の吸気開口部２３と、第１および第２のバルブ２５によってそれぞれ開閉される第１および第２のインレットおよび／またはアウトレット開口部２４とを備える。
【００１４】
第１のピストン１０と第２のピストン２０とは、接続シャフト３０で互いに接続されている。さらに、第１のシリンダ１１と第２のシリンダ１２との間に電気機械が配置される。この電気機械は、実質的に、シャフト３０の周囲に固定された少なくとも１つのコイル４０と、シャフト３０に固定された少なくとも１つの永久磁石４１とを備える。コイル４０および永久磁石４１の寸法および位置は、コイル４０内での永久磁石４１の軸方向の動きがコイル４０内に電流を誘起し、逆に、コイル４０に電流が印加されると永久磁石４１に軸方向の力がかかるよう、それらが互いに電磁的に作用することが可能であるように決定される。結果として、この電気機械は、発電機およびモータの両方の動作が可能である。
【００１５】
さらに、第１および第２のバルブ１５、２５を作動させるアクチュエータ、燃料および／またはガスなどを噴射するインジェクタ、ならびに各種動作状態（温度、圧力、ピストン１０、２０の位置など）を検出するセンサがフリーピストンエネルギー変換器１に設けられるが、図１ではこれらを図示していない。
【００１６】
図２は、本発明による、フリーピストンエネルギー変換器１を制御する例示的システムの主要構成要素および主要構造のブロック図である。このシステムは、実質的に、速度サーボコントローラ５０、オブザーバ６０、着火時刻コントローラ７０、および出力電力コントローラ８０を備える。この制御システムの主な機能は、２つのシリンダ１１、２１における燃焼の作用を切り離すことである。
【００１７】
このシステムの第１の入力は、第１の加算器８１を介して出力電力コントローラ８０に接続される、変換器１の基準出力電力値Ｐｒｅｆを入力するために設けられる。このシステムの第２の入力は、第２の加算器７１を介して着火時刻コントローラ７０に接続される、ピストン１０、２０の上死点（ＴＤＣ）または下死点（ＢＤＣ）を基準とする着火時刻ｔｉｇｎｒｅｆの基準値を入力するために設けられる。
【００１８】
変換器１の好ましい２つの主要制御変数は、変換器１の可動質量（すなわち、ピストン１０、１１、シャフト３０、および永久磁石４１）に作用する電磁力Ｆｅｌ、および変換器１への燃料入力Ｑｃｏｍｂである。これらの変数によって制御される好ましい出力値は、それぞれ、ピストン１０、２０の上死点（ＴＤＣ）または下死点（ＢＤＣ）を基準とする着火時刻と、変換器１の出力電力である。
【００１９】
性能を向上させるために、基準信号Ｐｒｅｆおよびｔｉｇｎｒｅｆから制御コマンドＱｃｏｍｂおよびＦｅｌへのフィードフォワードコントローラを用いることが可能である。明確化のために、図２にはフィードフォワードコントローラを示していない。
【００２０】
使用可能ではあるがここでは特に取り上げない他の制御変数が、バルブを開く時刻、燃料噴射時刻、および所望の電磁力を得るための電気機械の電流制御である。同様に、制御される出力は、たとえば、着火時刻ではなく、特定の環境制約および環境条件の下での変換器１の出力電力および最大効率であろう。
【００２１】
速度サーボコントローラ５０の全般的な機能は、可動質量が、ストロークに沿った特定の位置において（好ましくは関連シリンダ１１、２１の中でのストロークの終わり近くで、特に次の燃焼イベントにおいて）、所望の基準条件または基準状態（好ましくは所望の基準運動エネルギー）に到達するよう、ピストン１０、２０、およびシャフト３０のストロークの間に変換器１の可動質量に作用する力を予測すること、および変換装置（図示せず）によって、コイル４０を流れる適切な電流に変換される電磁力Ｆｅｌを表す値を評価および／または推定することである。そのような速度サーボコントローラ５０を導入することによって、フィードバック制御システムは、プロセス外乱に対して格段にロバストになる。
【００２２】
オブザーバ６０の全般的な機能は、フリーピストンエネルギー変換器１内での特定の最新（現在）の状態および／または条件を観測および推定することであり、観測および推定された状態および／または条件は、特に、速度サーボコントローラ５０が、前述の力の今後の成長または今後の値を予測するために用い、評価する。
【００２３】
この目的のために、オブザーバ６０の入力が変換器１の関連センサ出力に接続され、オブザーバ６０のいくつかの第１の出力が速度サーボコントローラ５０の入力に接続される。
【００２４】
オブザーバ６０の第２の出力が、第２の加算器７１に接続され、これによって、基準着火時刻の値と推定着火時刻の値との差が着火時刻コントローラ７０に入力され、その出力が速度サーボコントローラ５０に接続される。
【００２５】
最後に、オブザーバ６０の第３の出力が第１の加算器８１に接続され、これによって、基準出力電力の値と推定出力電力の値との差が出力電力コントローラ８０に入力され、出力電力コントローラ８０は、その出力において、関連の燃料噴射装置を制御するための、変換器１への燃料入力Ｑｃｏｍｂの値を発生させる。
【００２６】
このシステムにより、変換器１は、出力電力の基準値Ｐｒｅｆおよび着火時刻の基準値ｔｉｇｎｒｅｆを入力し、変換器１の可動質量に作用する電磁力Ｆｅｌと燃料入力Ｑｃｏｍｂとを制御することによって、所望の出力電力Ｐと、ＴＤＣまたはＢＤＣを基準とする所望の着火時刻ｔｉｇｎとが得られるように制御される。
【００２７】
そのようなシステムでフリーピストンエネルギー変換器１を制御するためには、以下の観察結果を考慮しなければならない。まず、変換器１は、そのようなものであることから、不安定なシステムであり、燃焼プロセスは非線形である。さらに、変換器１は、（たとえば燃焼エネルギーの突然の減少のような）プロセス外乱に対して敏感である。最後に、変換器１は、イベントトリガシステムであり、複数の入力および複数の出力（ＭＩＭＯ）を有する。
【００２８】
前述のように、外乱に対して敏感である理由は、２つのシリンダ１１、２１の燃焼特性に強い関連があることである。一方のシリンダ１１（２１）における外乱が他方のシリンダ２１（１１）における燃焼イベントに影響を及ぼし、それが最初のシリンダ１１（２１）における燃焼に影響を及ぼし、これが繰り返される。したがって、外乱に対して一層ロバストであって、複数の入力および複数の出力（ＭＩＭＯ）を有するフリーピストンエネルギー変換器１を制御することが可能な、ロバストなイベントトリガシステムが必要である。
【００２９】
これは、一般に、本発明による方法およびシステムにより、２つのシリンダ１１、２１における燃焼の作用を切り離すことによって達成される。
【００３０】
これらの作用を切り離すために、速度サーボコントローラ５０およびオブザーバ６０に関するシステム設計を以下のように提供する。
【００３１】
速度サーボコントローラ５０の設計は、ある基準値に基づく。基準値は、たとえば、ピストン１０、２０のストロークの特定点（特にストロークの終わり近く）（または、変換器１の別の条件または状態）におけるピストン１０、２０の所望の運動エネルギーである（これは、全ストロークの間の位置または速度軌道に通常は従う先行技術の場合と反対である）。ピストンの所望の基準運動エネルギーは、速度サーボコントローラ５０で電気機械を制御すること、特に、適切な電磁力Ｆｅｌが永久磁石４１に加わるようコイル４０を流れる電流に変換される値を発生することによって達成される。この特徴により、コントローラを設計する場合の自由度が増える。
【００３２】
さらに、速度サーボコントローラ５０の設計は、あるモデルに基づく。すなわち、電気機械を制御する、速度サーボコントローラ５０の出力値（加えられた電磁力を発生させる値）は、ピストン１０、２０、およびシャフト３０の可動質量のモデルに基づき、特に後述の内容に従って、フリーピストンエネルギー変換器１内の圧力信号、位置信号、および速度信号から評価される。
【００３３】
変換器１の可動質量の位置および速度を推定するために、オブザーバ６０は、加えられた全部の力（すなわち、実質的には電磁力とシリンダ内のガス圧）に対して可動質量がどのように動くかという物理モデルに基づく。そのようなオブザーバ６０はさらに、障害検出（たとえば、ホール効果センサ、圧力センサ、電気機械などの故障の検出）に用いることが可能である。圧力を推定するために、圧力信号のモデルベースフィルタリングを追加導入することが可能である。
【００３４】
速度サーボコントローラ５０のさらなる詳細を、図３のブロック図に示す。この図には、フリーピストンエネルギー変換器１およびオブザーバ６０も同様に示してある。サーボコントローラ５０は、実質的に、安定化補償器５２およびサーボ補償器５３（たとえば、ＰＩコントローラ）を備える。これは、ロバストサーボ機構問題を解決する、コントローラの標準的な構成であることが好ましい（たとえば、非特許文献１を参照されたい）。
【００３５】
安定化補償器５２は、シリンダ内の推定圧力ｐと、推定（最新または現在）位置ｘにおける可動質量の推定運動エネルギーＥｋとを示す、オブザーバ６０によって評価された入力信号を受け取る。さらに、安定化補償器５２は、着火時刻コントローラ７０によって設定される、ピストンのストロークの終わり近く（またはピストンの特定位置）における所望の基準運動エネルギーＥｋｒｅｆの値を受け取る。電磁力Ｆｅｌの値は、安定化補償器５２の出力信号であり、受信された入力信号から安定化補償器５２によって計算されたものであるが、その値が第３の加算器５１に送られる。
【００３６】
サーボ補償器５３の第１の入力は、所望の基準運動エネルギーＥｋｒｅｆの値を受け取り、第２の入力は、オブザーバ６０によって推定された運動エネルギーＥｋの値を受け取る。サーボ補償器５３の出力は、第３の加算器５１に接続される。これによって、安定化補償器５２の出力信号とサーボ補償器５３の出力信号との和が、電磁力Ｆｅｌの値として、前述の、変換器１内のコイル４０を流れる適切な電流を発生させる変換装置（図示せず）に送られる。
【００３７】
速度サーボコントローラ５０および特に安定化補償器５２によって実施されるモデルベースのシミュレーションについて、図４を参照して例示的に説明する。この図は、速度サーボコントローラ５０が、ピストンのストロークの間に可動質量に作用する力を予測することによって、電磁力Ｆｅｌの値を与える様子を示している。以下のアルゴリズムが実施される。
１．第１の位置ｘ０における、ピストンの運動エネルギーＥｋ（または速度ｖ）の値および関連シリンダ内の圧力ｐの値を測定または推定する。
２．ストロークの終わり近く、または特定位置ｘ３における所望の基準運動エネルギーＥｋｒｅｆを考量する。
３．位置ｘ３において所望の基準運動エネルギーＥｋｒｅｆに達するように、一定の電磁力Ｆｅｌを、ステップ１で測定または推定された値に基づいて予測する。
４．ステップ１に戻り、ピストンの第２の（次の）位置ｘ１について手順を繰り返す。
【００３８】
図４の曲線Ａは、ピストンの位置ｘｉを表し、曲線Ｂは、ピストンの速度ｖ（運動エネルギーＥｋ）を表し、曲線Ｃは、速度サーボコントローラ５０の出力において要求される電磁力Ｆｅｌの値を表す。各曲線は、横軸の時間ｔに対して表されている。
【００３９】
電磁力Ｆｅｌが完全に予測された場合、この力は、全ストロークにわたって一定になる。しかしながら、図４に示すように、この予測は、外乱やモデルの不完全さのために、正確でないのが普通である。したがって、電磁力は、図４に示すように、ストロークの間に変化する。
【００４０】
電磁力Ｆｅｌは、安定化補償器５２によって以下のように計算される。
【００４１】
１．エネルギーバランス：
電気機械によって力が加えられる距離をｘｒａｎｇｅで表す。電磁力の開始位置と終了位置とを、それぞれ、ｘ１、ｘ２で表す。すなわち、（ｘ１−ｘ２）＝ｘｒａｎｇｅである。これと同じ表記方法を圧力ｐ１およびｐ２と速度ｖ１およびｖ２にも適用する。
ロバストサーボ機構問題は、次のように示される。初期速度ｖ１および初期圧力ｐ１に対し、ロバストな安定化コントローラを次式のように設計する。
【数１】
2007532827.tif 000003
ここで、ｖｒｅｆは、ｘ２における所望の速度を表す。さらに、電磁力Ｆｅｌが、次式のように、ストロークの間は一定であるとする。
【数２】
2007532827.tif 000004
次式のように、実施された仕事は、運動エネルギーの損失に等しい。
【数３】
2007532827.tif 000005
力の合計を、次式のように、電磁力、２つのシリンダからの圧力ｐ（ｔ）による力、およびモデル化されていない作用（摩擦、熱損失など）およびプロセス外乱が原因と考えられる他の力ＦΔの和であるとする。
【数４】
2007532827.tif 000006
電磁力Ｆｅｌが、サーボ補償器の出力Ｆｅｌｓｅｒｖと、安定化補償器の出力Ｆｅｌｓｔａｂとの和であるとする。したがって、（２）〜（４）から次式が成り立つ。
【数５】
2007532827.tif 000007
サーボ補償器の出力が次式で与えられるとする。
【数６】
2007532827.tif 000008
したがって、次式が成り立てば、（５）および（６）からサーボ問題（１）が解決される。
【数７】
2007532827.tif 000009
【００４２】
２．圧力特性の予測：
一方の側のピストンについて考える。シリンダヘッドとピストンとの間の距離をｘで表す。理想的なガスの断熱膨張（または断熱圧縮）においては、次式の関係が維持される。
【数８】
2007532827.tif 000010
κはストローク全体を通して一定であるとする。間隔ｘ∈［ｘａ  ｘｂ］にわたって（８）を積分すると、次式が成り立つ。
【数９】
2007532827.tif 000011
【数１０】
2007532827.tif 000012
したがって、
【数１１】
2007532827.tif 000013
フリーピストンエンジンの圧縮フェーズについて考える。インレットバルブ（またはポート）が開閉する位置をｘｉｖｏで表す。さらに、インレットポートが開いたときのシリンダ内の圧力をｐｉｎで表す。したがって、ｘ∈［ｘ１  ｘ２］にわたってガスがピストン上で実施する仕事Ｗｃｏｍは、次式で与えられる。
【数１２】
2007532827.tif 000014
膨張フェーズの間にピストン上で実施される仕事Ｗｅｘｐについても同じ方法の計算を行うことが可能である。ここで、（７）から、Ｆｅｌｓｔａｂが次式で与えられる。
【数１３】
2007532827.tif 000015
【００４３】
３．ストロークの間の電磁力Ｆｅｌの更新：
セクション１および２では、電磁力Ｆｅｌがストローク全体を通して一定であると仮定してきた。しかしながら、式（１４）から、ストロークの間の任意の位置ｘ1で電磁力Ｆｅｌを更新するのが単純明快である。ストロークの間に力を更新すると、コントローラが所望の基準運動エネルギーＥｋｒｅｆに達する可能性が高くなるので、ロバストネスが向上する。
【００４４】
オブザーバ６０は、フリーピストンエネルギー変換器１の特定の状態および条件を観測および推定する。図５は、オブザーバ６０の主要構成部分を示しており、それらは、着火時刻推定器６１、ピストン状態推定器６２、および出力電力推定器６３である。さらに、推定速度の値を推定運動エネルギーＥｋｉｎの値に変換する変換装置６４が設けられる。
【００４５】
オブザーバ６０は、３つの入力Ａ、Ｂ、Ｃを備える。これらはフリーピストンエネルギー変換器１のセンサ出力をピストン状態推定器６２に接続する。第１の入力Ａは、ピストンの作用を受けるホール効果センサのスイッチング信号ｘｈａｌｌを受け取る。第２の入力Ｂは、ピストンに作用する電磁力Ｆｅｌの最新（現在）の値を受け取る。第２の入力Ｂは、出力電力推定器６３にも接続されている。第３の入力Ｃは、シリンダ内の圧力Ｐの最新（現在）の値を受け取る。
【００４６】
前述のように、可動質量（特にピストン）の位置および速度は、オブザーバ６０が、加えられた力に対して可動質量がどう動くかの物理モデルに基づいて推定する。これは、ピストン状態推定器６２が、受け取った３つの入力信号Ａ、Ｂ、Ｃに基づいて実施する。これについては後で詳述する。
【００４７】
着火時刻は、着火時刻推定器６１が、位置、速度、および圧力に基づいて計算する。位置、速度、および圧力は、ピストン状態推定器６２によって推定され、着火時刻推定器６１の入力に与えられる。この計算は、ピストンのピーク圧力点と、ピストンの上死点（ＴＤＣ）または下死点（ＢＤＣ）との間の時間の測定値に基づいて行われる。これは、当業者から見れば、きわめて単純明快である。しかしながら、いくつかの観測を行うことが可能であり、それらの結果を考慮しなければならない。すなわち、
−推定の質は、コントローラ５０のサンプリング周波数と関係がある。
−シミュレーションによれば、着火がない場合に、現在フィードバックコントローラに問題が発生する可能性がある。これは、始動時や、不着火があった場合にあてはまるであろう。そのような問題を避けるために、着火が起こったかどうかのフラグ表示をセットする着火オブザーバを導入することが好ましい。
【００４８】
オブザーバ６０は、５つの出力Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを備える。第１の出力Ｄと第２の出力Ｅとを介して、ピストンの推定位置ｘと、推定運動エネルギーＥｋとが、それぞれ、安定化補償器５２に与えられる。推定運動エネルギーＥｋは、第２の出力Ｅからサーボ補償器５３にも与えられる。
【００４９】
推定出力電力Ｐは、第３の出力Ｆから第１の加算器８１に与えられる。着火時刻は、オブザーバ６０の第４の出力Ｇから第２の加算器７１に送られる。最後に、推定圧力ｐは、オブザーバ６０の第５の出力Ｈを介して安定化補償器５２に与えられる。
【００５０】
可動質量（特にピストン）の位置および速度をピストン状態推定器６２によって推定することは、本発明の方法およびシステムにとって非常に重要である。このフリーピストンエンジンまたはフリーピストンエネルギー変換器１では、可動質量の位置は、ホール効果センサ（または他のセンサ）によって測定される。これらのセンサは、たとえば可動質量上の磁石がセンサを通過したときに、フラグを立て、信号を発生させる。しかしながら、問題は、可動質量の位置および速度の推定を、ホール効果センサが信号を発生させたときだけでなく、任意の時点で行わなければならないことである。
【００５１】
基本的な考え方は、可動質量に作用する全部の力Ｆｔｏｔａｌを考慮に入れて可動質量の動きを推定するというものである。最も影響のある力は、電磁力と、シリンダ圧力による力である。図６によれば、ピストン状態推定器６２は、可動質量の位置ｘおよび速度ｖを得るために全部の力を積分する二重積分器のモデルに基づいている。制御工学の分野では、この種の推定問題は、カルマンフィルタによって解決されることが多い。このケースでは、ピストンの運動が、加えられた力の線形関数であることから、カルマンフィルタの使用は十分に妥当である。しかしながら、他のフィルタも使用可能である。
【００５２】
ホール効果位置センサを用いる場合の大きな問題は、このセンサが時刻トリガ方式ではなくイベントトリガ方式であることである。すなわち、位置測定値が正確なのはそれらが生成されたときだけであり、それらは同期更新されない。しかしながら、カルマンフィルタの場合は、時刻トリガ信号が必要である。この問題を解決するために、時変カルマンフィルタを用いることが可能である。図７は、可動質量の位置および速度をフィルタが推定するシミュレーション例である。この図では、階段状プロットＡが、ホール効果センサの出力信号を表し、曲線Ｂが、カルマンフィルタによって推定された位置を表す。曲線Ｃは、可動質量の推定速度である。
【００５３】
以下では、時変カルマンフィルタについて詳細に説明する。
離散時間モデルを次式で与える。
【数１４】
2007532827.tif 000016
【数１５】
2007532827.tif 000017
これには次式の、プロセス外乱および測定ノイズの共分散行列が含まれる。
【数１６】
2007532827.tif 000018
カルマンフィルタは次式で与えられる。
【数１７】
2007532827.tif 000019
ここで、利得Ｋ（ｋ）は次式で与えられる。
【数１８】
2007532827.tif 000020
ただし、Ｐ（ｋ）は、次のＲｉｃｃａｔｉの方程式の解である。
【数１９】
2007532827.tif 000021
通常は、カルマンフィルタの定常解が満たされる。すなわち、（１８）は、次の代数方程式として解かれる。
【数２０】
2007532827.tif 000022
しかしながら、カルマンフィルタ（１６）は、次の時変系に対しても有効であることに注目されたい。
【数２１】
2007532827.tif 000023
これには時変共分散行列Ｒ１（ｋ）およびＲ２（ｋ）が含まれる。このような場合、（１８）の定常解は存在しない。
フリーピストンエネルギー変換器エンジンにおいては、可動質量の動力学は次式で与えられる。
【数２２】
2007532827.tif 000024
ただし、ｘは位置を表し、Ｆは、可動質量ｍに加えられた力を表す。問題は、位置の測定値および力の推定値に基づいて速度ｘ＊を推定することである。（２０）が線形なので、カルマンフィルタは、この用途に好適なオブザーバである。
（１５）および（１６）を（２０）の離散時間表現とする。ただし、ｕは、加えられた力であり、ｙは位置測定値である。問題は、位置測定値がサンプルごとには更新されないことである。さらに、位置測定値は同期サンプリングされない。この問題は、次の時変Ｒ２行列を考慮することにより、解決可能である。
【数２３】
2007532827.tif 000025
Ｒ２（ｋ）の変動は次のように解釈できる。Ｒ２＝∇の場合は使用可能な測定値情報がない。これに対し、Ｒ２＝εの場合は、ノイズが無視でき、測定値が非常に正確である。すべてのｋに対してＲ２＝εとし、Ｃ行列を次のように場合分けするのも、それと同じ意味になる。
【数２４】
2007532827.tif 000026
Ｒｉｃｃａｔｉ方程式の解：
次式を与える。
【数２５】
2007532827.tif 000027
ここで、ｈはサンプリングレートを表し、ｃ１２は１／ｍに等しい。したがって、
【数２６】
2007532827.tif 000028
であり、
【数２７】
2007532827.tif 000029
であり、
【数２８】
2007532827.tif 000030
したがって、
【数２９】
2007532827.tif 000031
【００５４】
図５によれば、オブザーバ６０のこの実施形態では、圧力信号はフィルタリングされない。しかしながら、圧力信号の、インテリジェントかつモデルベースのフィルタリングを実現することが有利であると考えられる理由は２つある。１つの理由は、圧力信号が外乱および／または測定ノイズの影響を受けやすいであろうことを実験データが示していることである。もう１つの理由は、制御システム（特にフィードバック）が圧力信号の外乱に敏感であることをシミュレーションが示したことである。この問題を解決する１つの可能性は、ピストン状態推定器６２を用いて、圧力信号のフィルタリングを、可動質量の位置および速度の推定と組み合わせることである。これは、前述の式（７）を用いることにより可能であろう。したがって、このアプローチは、圧力信号の、モデルベースのフィルタリングにつながるであろう。
【００５５】
様々な代替アプローチが可能である：
【００５６】
前述の速度または運動エネルギーの代わりに、シリンダ内のピーク圧力を制御変数として用いることも可能である。これは、よりシンプルな解決法であるという利点があるが、外乱に対するロバストネスは劣る。
【００５７】
可動質量の位置の検出に、ホール効果センサの代わりに他の位置センサを用いることが可能である。
【００５８】
着火サーボコントローラ７０を用いる代わりに、他の好適な制御変数を用いることも可能である。代替として、たとえば、着火時刻コントローラの代わりに、速度サーボに基準値を与えるピーク圧力コントローラを用いることが可能である。
【００５９】
可動質量の位置および速度は、電気機械の端子値と、たとえば、コイル４０における電圧の位相および／またはコイル４０を流れる電流の位相とを解析することによっても推定可能である。可能性のある利点は、ホール効果センサへの依存、および圧力センサへの依存がより少なくてもよいことである。
【００６０】
前述の方法およびシステムは、特に、２つのピストンを有し、２ストローク燃焼を行うフリーピストンエネルギー変換器を対象としたものである。しかしながら、本発明の方法およびシステムは、多くの様々な設計のフリーピストン機械の制御に用いることが可能である。図９〜１２は、そのような例のいくつかを、図８による、前述の、中間に電気機械１００を有する２つの燃焼室１１１および２ストローク燃焼設計と比較したものである。
【００６１】
図９によれば、与えられる変換器は、一方の側に１つの燃焼室１１１を有し、他方の側にフリーピストンをガイドして減衰させるガススプリング１１２を有し、両者の間に電気機械１００を有する。図１０は、２つのピストンを有する１つの燃焼室１１１ａが与えられた実施形態を示している。各ピストンは両側のガススプリング１１２によってガイドされ、各ピストンの側にある電気機械１００によってそれぞれ制御される。図１０の代替として、両側にも、ガススプリングの代わりに燃焼室を与えることが可能である。
【００６２】
図１１は、空気圧フリーピストンエンジンの実施形態を示す。この実施形態は、一方の側に燃焼室１１１を備え、他方の側に、空気、水素、または他の媒体を圧縮する圧縮器１１３を備え、その間に電気機械１００を有する。電気機械の主目的は、これらのケースにおいて、フリーピストンエンジンの制御を可能にすることである。
【００６３】
図１２は、水圧フリーピストンエンジンの実施形態を示している。この実施形態は、一方の側に燃焼室１１１を備え、他方の側に水圧アクチュエータ１１４を備え、その間に電気機械１００を有する。しかしながら、このケースでは、電気機械の代わりに水圧アクティベータを用いることも可能である。出力は水圧エネルギーである。これらのケースでは、制御システムは、電気機械の代わりに水圧アクチュエータを用いることが可能である。代替として、両者の間で、制御目的で小さな電気機械を水圧アクチュエータに追加することが可能である。
【００６４】
本発明の制御システムは、様々な高速ならびに低速の入力（センサなど）および出力（アクチュエータなど）を非常に柔軟に含む。これにより、この制御システムを用いて完全なエンジン制御を行うことが可能である。本発明の制御システムを用いて、様々な燃焼プロセス（２または４ストローク）（ＨＣＣＩ、ディーゼル、電気着火など）および様々な燃料（ガソリン、ディーゼル、天然ガス、水素など）を制御することが可能である。
【００６５】
本発明の方法およびシステムは、非フリーピストン機械または変換器の制御にも用いることが可能である。これらのケースでは、ピストン運動自体を、フリーピストン機械内のものとして制御することは不可能である。しかしながら、燃料噴射タイミング、バルブを開くタイミング、および電気火花（もしあれば）着火タイミングは、高速制御に用いられる可能性の例である。エンジンにＩＳＧ（インテグレーテッドスタータコンバータ）が装備されている場合は、それを制御システムに含めることが可能である。
【００６６】
さらに、圧縮比を変えることが可能な、クランクシャフトエンジンが存在する。通常は非常に低速（数秒）である。
【００６７】
提案される制御システムは、様々な高速ならびに低速の入力（センサ）および出力（アクチュエータ）を非常に柔軟に含む。これにより、この制御システムを用いて完全なエンジン制御を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】フリーピストンエネルギー変換器の断面図である。
【図２】本発明のシステムの主要構成要素のブロック図である。
【図３】図２によるシステムの第１の構成要素のブロック図である。
【図４】本発明のシステムの第１の主要構成要素の特徴を表す、本発明のシミュレーション例の結果である。
【図５】図２によるシステムの第２の構成要素のブロック図である。
【図６】ピストン運動のモデルの概略図である。
【図７】フリーピストンエネルギー変換器における可動質量の推定位置および推定速度の、本発明のシミュレーションの結果である。
【図８】第１のフリーピストンエネルギー変換器の構造の概略図である。
【図９】第２のフリーピストンエネルギー変換器の構造の概略図である。
【図１０】第３のフリーピストンエネルギー変換器の構造の概略図である。
【図１１】第４のフリーピストンエネルギー変換器の構造の概略図である。
【図１２】第５のフリーピストンエネルギー変換器の構造の概略図である。
【図１】
2007532827.tif 000032
【図２】
2007532827.tif 000033
【図３】
2007532827.tif 000034
【図４】
2007532827.tif 000035
【図５】
2007532827.tif 000036
【図６】
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【図７】
2007532827.tif 000038
【図８】
2007532827.tif 000039
【図９】
2007532827.tif 000040
【図１０】
2007532827.tif 000041
【図１１】
2007532827.tif 000042
【図１２】
2007532827.tif 000043
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月24日(2006.7.24)
【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】
フリーピストンエネルギー変換器の可動質量に作用する電磁力を用いて前記変換器を制御する方法であって、少なくとも２つのシリンダのうちの少なくとも一方における外乱イベントの作用が互いに切り離されるようにする方法において、
−前記可動質量のストロークの間に前記変換器の前記可動質量に作用する力を、前記変換器内の特定の現在の状態および／または条件に基づいて予測するステップと、
−前記可動質量が前記ストロークに沿った特定の位置において所望の基準条件または状態に達するよう前記可動質量に作用する電磁力を発生させる値を、前記予測された力に基づいて評価または推定するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記所望の基準条件または状態が、所望の基準運動エネルギーである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変換器の前記可動質量に作用する前記力の今後の成長または今後の値が、前記フリーピストンエネルギー変換器内の観測および／または推定された特定の現在の状態および／または条件の評価に基づいて予測される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記変換器の前記可動質量に作用する前記電磁力と、前記変換器に入力される燃料とが制御変数であり、前記変換器の着火時刻と出力電力とが、前記制御変数によって制御される出力値である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記可動質量に作用する前記電磁力が、前記可動質量の物理モデルに基づき、前記フリーピストンエネルギー変換器内の圧力信号および／または位置信号および／または速度信号から評価または推定される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記変換器の前記可動質量の位置および／または速度を評価または推定するための前記物理モデルが、加えられた全部の力に対して前記可動質量がどのように動くかに基づく、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記圧力を評価または推定するための前記物理モデルが、前記変換器の少なくとも１つのシリンダの中の圧力センサが発生させる圧力信号のフィルタリングに基づく、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記可動質量に作用する前記電磁力が、
（１）第１の位置（ｘ０）における、前記可動質量の運動エネルギー（または速度）の値および前記関連シリンダ内の圧力の値を測定または推定するステップと、
（２）前記ストロークの終わり近く、または特定位置（ｘ３）における前記可動質量の前記所望の基準運動エネルギーを考量するステップと、
（３）前記位置（ｘ３）において前記可動質量の前記所望の基準運動エネルギーに達するように、一定の電磁力を、ステップ（１）で測定または推定された前記値に基づいて予測し、同じ力を前記可動質量に作用させるステップと、
（４）ステップ（１）に戻り、前記可動質量の第２の（次の）位置（ｘ１）について前記手順を繰り返すステップとによって評価される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
請求項１乃至８の少なくとも一項に記載の方法を実施するためにフリーピストンエネルギー変換器を制御するシステム。
【請求項１０】
前記変換器（１）の前記可動質量に作用する力を予測することと、前記可動質量が前記ストロークに沿った特定の位置において（所望の基準運動エネルギーのような）所望の基準条件または状態に達するよう前記可動質量に作用する電磁力（Ｆｅｌ）を発生させる値を、評価および／または推定することとを行う速度サーボコントローラ（５０）を備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記可動質量に作用する前記力の今後の成長または今後の値を予測するために前記速度サーボコントローラ（５０）によって評価される、前記フリーピストンエネルギー変換器（１）内の特定の現在の状態および／または条件を観測および／または推定するオブザーバ（６０）を備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記速度サーボコントローラ（５０）が、シリンダ内の推定圧力（ｐ）と、推定（現在）位置（ｘ）における前記可動質量の推定運動エネルギー（Ｅｋ）と、前記ストロークに沿った特定の位置における前記可動質量の所望の基準運動エネルギー（Ｅｋｒｅｆ）の値とを示す入力信号を受け取る安定化補償器（５２）を備え、前記安定化補償器（５２）が、前記可動質量に作用する電磁力（Ｆｅｌ）の値を出力するために与えられる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記オブザーバ（６０）が、着火時刻推定器（６１）と、ピストン状態推定器（６２）と、出力電力推定器（６３）とを備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ピストン状態推定器（６２）が、前記可動質量の推定位置および推定運動エネルギーを評価するために、前記可動質量によって生じた、ホール効果センサのスイッチング信号（ｘｈａｌｌ）と、前記可動質量に作用する前記電磁力（Ｆｅｌ）の現在の値と、前記シリンダ内の前記圧力（Ｐ）の現在の値とを受け取る、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
着火時刻コントローラ（７０）と出力電力コントローラ（８０）とを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
請求項９乃至１５の少なくとも一項に記載のシステムを備えるフリーピストンエネルギー変換器。
【請求項１７】
プログラム可能なマイクロコンピュータ上で実行される場合に、請求項１乃至８の少なくとも一項に記載の方法を実施するように適応されているか、請求項１乃至８の少なくとも一項に記載の方法において用いられるように適応されているコンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム。
【請求項１８】
インターネットに接続されたコンピュータで実行される場合に、請求項９に記載のシステムまたはその構成要素にダウンロードされるように適応された、請求項１７に記載のコンピュータプログラム。
【請求項１９】
請求項１７に記載のコンピュータプログラムコード手段を含み、コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータプログラム製品。
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月5日(2007.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
変換器１の好ましい２つの主要制御変数は、変換器１の可動質量（すなわち、ピストン１０、２０、シャフト３０、および永久磁石４１）に作用する電磁力Ｆｅｌ、および変換器１への燃料入力Ｑｃｏｍｂである。これらの変数によって制御される好ましい出力値は、それぞれ、ピストン１０、２０の上死点（ＴＤＣ）または下死点（ＢＤＣ）を基準とする着火時刻と、変換器１の出力電力である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
３．ストロークの間の電磁力Ｆｅｌの更新：
セクション１および２では、電磁力Ｆｅｌがストローク全体を通して一定であると仮定してきた。しかしながら、式（１３）から、ストロークの間の任意の位置ｘiで電磁力Ｆｅｌを更新するのが単純明快である。ストロークの間に力を更新すると、コントローラが所望の基準運動エネルギーＥｋｒｅｆに達する可能性が高くなるので、ロバストネスが向上する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
以下では、時変カルマンフィルタについて詳細に説明する。
離散時間モデルを次式で与える。
【数１４】
2007532827.tif 000044
【数１５】
2007532827.tif 000045
これには次式の、プロセス外乱および測定ノイズの共分散行列が含まれる。
【数１６】
2007532827.tif 000046
カルマンフィルタは次式で与えられる。
【数１７】
2007532827.tif 000047
ここで、利得Ｋ（ｋ）は次式で与えられる。
【数１８】
2007532827.tif 000048
ただし、Ｐ（ｋ）は、次のＲｉｃｃａｔｉの方程式の解である。
【数１９】
2007532827.tif 000049
通常は、カルマンフィルタの定常解が満たされる。すなわち、（１８）は、次の代数方程式として解かれる。
【数２０】
2007532827.tif 000050
しかしながら、カルマンフィルタ（１６）は、次の時変系に対しても有効であることに注目されたい。
【数２１】
2007532827.tif 000051
これには時変共分散行列Ｒ１（ｋ）およびＲ２（ｋ）が含まれる。このような場合、（１８）の定常解は存在しない。
フリーピストンエネルギー変換器エンジンにおいては、可動質量の動力学は次式で与えられる。
【数２２】
2007532827.tif 000052
ただし、ｘは位置を表し、Ｆは、可動質量ｍに加えられた力を表す。問題は、位置の測定値および力の推定値に基づいて速度ｘ＊を推定することである。（１９）が線形なので、カルマンフィルタは、この用途に好適なオブザーバである。
（１４）および（１５）を（１９）の離散時間表現とする。ただし、ｕは、加えられた力であり、ｙは位置測定値である。問題は、位置測定値がサンプルごとには更新されないことである。さらに、位置測定値は同期サンプリングされない。この問題は、次の時変Ｒ２行列を考慮することにより、解決可能である。
【数２３】
2007532827.tif 000053
Ｒ２（ｋ）の変動は次のように解釈できる。Ｒ２＝∇の場合は使用可能な測定値情報がない。これに対し、Ｒ２＝εの場合は、ノイズが無視でき、測定値が非常に正確である。すべてのｋに対してＲ２＝εとし、Ｃ行列を次のように場合分けするのも、それと同じ意味になる。
【数２４】
2007532827.tif 000054
Ｒｉｃｃａｔｉ方程式の解：
次式を与える。
【数２５】
2007532827.tif 000055
ここで、ｈはサンプリングレートを表し、ｃ１２は１／ｍに等しい。したがって、
【数２６】
2007532827.tif 000056
であり、
【数２７】
2007532827.tif 000057
であり、
【数２８】
2007532827.tif 000058
したがって、
【数２９】
2007532827.tif 000059
【国際調査報告】
2007532827.tif 000060
2007532827.tif 000061
2007532827.tif 000062