(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（３、３’、３”）内の空間（４、５）を機械的に自由に移動可能なピストン（２、２’、２”）を備えた燃焼機関（１）を含む装置であって、該装置がピストン（２、２’、２”）を押す力を生成するために燃料混合気の燃焼を許すように配置されており、前記装置が、さらに、電磁気エネルギー変換器（２１、２２）と、該エネルギー変換器へ向かう方向またはこれから出て行く方向の電力を交換するために前記エネルギー変換器（２１、２２）に接続された外部電流回路（３０、３４）と、制御ユニット（１２）とを具備した装置において、
前記制御ユニット（１２）が、コンピュータ（４５）と、第１接続点によって前記エネルギー変換器（２１、２２）に接続され、第２接続点によって電流回路（３２）に接続される少なくとも１つの第１変換器（４１、４２、４４）にして、前記コンピュータ（４５）によって制御される第１変換器とを備え、
前記制御ユニット（１２）が電力の大きさを制御するために配置されており、
前記制御ユニット（１２）が、装置の運転時に、前記エネルギー変換器（２１、２２）と前記外部電流回路の間で交換される有効電力（Ｐ、Ｐ’）の方向と大きさを制御するために配置され、無効電力（Ｑ）を前記エネルギー変換器（２１、２２）へフィードバックするように構成されていることを特徴とする、装置。
【請求項２】
電気結線を経由する第１変換器（４１）の第２接続点が第２変換器（４２）の第１接続点に接続され、前記第２変換器（４２）が第２接続点によって電流回路（３２）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第２の変換器（４２）が前記コンピュータ（４５）によって制御されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
制御ユニット（１２）が連続して前記有効電力の大きさを制御するために配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
制御ユニット（１２）が前記燃焼を制御するために配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記装置が、ハウジング（３）内のピストン（２）の位置を感知するように配置された少なくとも１つのセンサ部材（１５）を備え、感知された位置が制御パラメータとして制御ユニット（１２）に伝達されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記コンピュータ（４５）がソフトウェアによって前記装置を再生させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記燃焼によって発生したエネルギーの少なくとも一部を貯蔵できるように配置されるエネルギー貯蔵要素（３１、３４、６１、６７）によって特徴付けられる請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
エネルギー貯蔵要素（３１、３４）が電気エネルギーを貯蔵するために配置され、制御ユニットに接続されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
エネルギー貯蔵要素（３１、３４）が変換器（４４、４２）を介して前記結線に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
エネルギー貯蔵要素（３４）がコンデンサを備えることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
エネルギー貯蔵要素（３４）が電気化学的アキュムレータを備えることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
エネルギー貯蔵要素（３４）がフライホイールを備えることを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
エネルギー貯蔵要素（６１、６７）が前記空間に連結されていることを特徴とする請求項８から請求項１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
エネルギー貯蔵要素（３４）が圧力容器（６１）を備えることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
エネルギー貯蔵要素が、ガスばねのようなばね部材（６１、６７）を備えることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
電磁気エネルギー変換器がピストン（２）に連結された一次変換部材（２１）、およびハウジング（３）に対して静止している二次変換部材（２２）を備え、一次変換部材（２１）がハウジング（３）および二次変換部材（２２）に対して移動することができることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記変換部材（２１、２２）の一方が電磁気素子（２６）を備え、前記変換部材（２１、２２）のもう一方が磁気素子（２３、５１）を備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
電磁気素子（２６）が外部電流回路への結線（３０）を有する少なくとも１つの巻き線を備えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
二次変換部材（２２）が、ピストン（２）の運動方向（ａ）に沿ってハウジング（３）の壁内に互いに並んで設けられた複数の電磁気素子（２６）を備え、電磁気素子（２６）の少なくとも一部が異なる設計になっていることを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
電磁気素子（２６）が第１軟磁性磁気流れキャリヤ（２７）を備え、磁気素子（２３、５１）が第２軟磁性磁気流れキャリヤを備えることを特徴とする請求項１８又は請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
第１軟磁性磁気流れキャリヤ（２７）および第２軟磁性磁気流れキャリヤ（２５、５１）が軟磁性回路を形成することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
磁気素子が、磁場を生成する少なくとも１つの永久磁石（２３）を備え、第１軟磁性磁気流れキャリヤ（２７）が、永久磁石（２３）からの磁気流れを集めて集束させるために前記永久磁石（２３）に接続して設けられ、その結果、集束した磁気流れが前記軟磁性回路を通って巻き線（２６）の周りを流れることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
第２軟磁性磁気流れキャリヤ（５１）がピストン（２）の運動方向（ａ）に垂直で、ピストンの運動方向に沿って変化する磁気抵抗を有することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
車両の推進用に少なくとも１つの電気モータ（３１）と、前記電気モータに対して電力を生成させる請求項１から請求項２４のいずれか一項に記載の装置を少なくとも１つ備える車両。
【請求項２６】
外部消費先向けの電力を出力するコネクション（３５）を備える請求項２５に記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景および先行技術）
本発明は、ハウジング内の空間を機械的に自由に移動可能なピストンを備えた燃焼機関を含む装置であって、該装置がピストンを押す力を生成するために燃料混合気の燃焼を許すように配置されており、前記装置が、さらに、電磁気エネルギー変換器と、該エネルギー変換器へ向かう方向またはこれから出て行く方向の電力を交換するためにエネルギー変換器に接続された外部電流回路とを具備した装置に関連する。本発明はまたこの装置の使用および車両にも関連する。
【０００２】
今日、私用車、バスおよびトラックなどの自動車用駆動源の主流は完全に内部間欠燃焼する燃焼機関になっている。燃焼機関は園芸機械、施工業者機械用など、また電力を発生する、いわゆるディーゼル駆動発電機セット用などの他の状況でも使用される。燃焼機関は通常シリンダ・ハウジング内で相互に移動する１つまたはいくつかのピストンを有する。間欠燃焼によってもたらされるピストンの直線運動は、ピストンおよびクランク・シャフトに機械的に連結するコネクティング・ロッドを介してクランク・シャフトの回転運動に転換される。クランク・シャフトの回転運動は、ギヤ・ボックスおよびクラッチ装置を含む変速機機構経由で車両の駆動輪に伝達される。コネクティング・ロッドおよびクランク・シャフトを用いることによって、モーメントが激しく変化しているのにも係わらず比較的変動のない回転速度を持ったクランク・シャフトの連続回転を得ることができる。しかしながら、コネクティング・ロッドおよびクランク・シャフトは長い配置の軸系統を形成し、機械的共振振動の危険を伴う長さになる可能性もある。さらにまた、クランク・シャフトはフライホイールと連結するのが普通であり、このフライホイールによって共振の問題を低減し、間欠燃焼に伴う動力脈動および間欠燃焼によってピストンに伝えられる衝撃を吸収することができる。
【０００３】
コネクティング・ロッドおよびクランク・シャフトを含む前記配置を経由して車両のピストンから駆動輪へエネルギーを伝達するために、力が一直線上になく、エネルギー損失が大きくなり、さらにその他の必要な各機械的装置の位置決め精度が低下する結果になる。エネルギー損失は、新しい、たとえば、より低摩擦な材料やより耐熱性の材料の使用および燃料噴射制御の改良の可能性などによってある程度減らすことができるが、決して除くことはできない。
【０００４】
ピストンはクランク・シャフトへ連結しているため、シリンダ・ハウジング内のピストンの位置、たとえば、上死点における位置はあらかじめ決められており、その結果、運転中に圧縮を変える可能性も制限されている。
【０００５】
車両のピストンから、たとえば駆動輪へのエネルギー伝達におけるエネルギー損失を低減するために、いわゆるフリーピストン機関が提案されている。本特許出願においては、フリーピストン機関とはシリンダ・ハウジング内で機械的に自由に移動可能なピストンを持つ機関を意味する。したがって、コネクティング・ロッドあるいはクランク・シャフトのような、ピストンからエネルギーを伝達する機械的要素がなく、ピストンの運動エネルギーは直接電気エネルギーに変換される。このようなエネルギー変換はたとえばピストン内の磁気素子とシリンダ・ハウジング壁内の電磁気素子によって実現することができる。
【０００６】
Ｓｐｉｅｒｓに付与された米国特許第５７８８００３号は自動車駆動用のこのようなフリーピストン型燃焼機関を開示している。この機関は一体化した発電機と共同し、そこでは内側の導電性巻き線を有するピストンが、周りを囲んでいる外側巻き線に対して往復運動を行うように配置されている。運転中は外側巻き線が磁場を発生し、その中で内側巻き線内に電力が生じる。機械的整流子によって発生した電力が内側巻き線から得られ、その後この電力は車両を駆動する電気モーターで使用することができる。このような整流子は磨耗を受けやすく寿命が限られている。発電機にはどのような軟磁性磁気流れのキャリヤもなく、このことは得られる効率が比較的低いことを意味している。
【０００７】
Ｖａｒｅｌａに付与された米国特許第Ａ５１７２７８４号は自動車用ハイブリッド駆動システムに関連する。この駆動システムはフリー・ピストンのようなタイプの各ピストンに対し２つの平行シリンダを備えた燃焼機関を具備している。各シリンダは巻き線と一体化した直線発電機および機関のピストン内に設けられた磁気素子を備えている。この磁気素子は、往復運動を行い、かつ高い磁気流れ密度を生み出すためにこの素子のある部分が巻き線内部を移動しまたある部分が巻き線の外側を移動するように設けられている。しかしながら、これらの磁気素子は２つのピストンの動きを同期させるために、同期しているクランク・シャフトを介して互いに機械的に連結されており、このことは各ピストンの相対位置が前もって決まっていることを意味している。またこの発電機には軟磁性磁気流れキャリヤがまったくない。
【０００８】
Ｋｏｎｏｔｃｈｉｃｋに付与された米国特許第５３４７１８６号は、磁石および巻き線に互いに関係した動きを与える直線発電機に関連する。磁場内にある巻き線の相対的な動きが巻き線内に電流を発生し、外部電流回路がこれを使用することができる。この明細書は、かなり昔から知られている磁気誘導の基本的な原理である現象を説明している。新しい物が相対運動の中立位置を保持しようとする構成要素になりそうである。
【０００９】
さらにまた、以下の明細書が言及されるべきである。磁気抵抗の原理によって作動する直線電気機械を開示している国際特許９４／２６０２０、ポンプまたはコンプレッサとして動作することを意図した直線電気モータを開示している米国特許第４９６５８６４号、磁気棒材を囲む３つの電磁石によって直線的に移動することができる、磁気棒材を備えた電磁気操縦要素を開示している米国特許第５０８１３８１号である。欧州特許出願公開公報第６２２８８７号は永久磁石を収容し、周囲の固定子の電磁石によって直線的に移動できる鉄心を有する直線パルス・モータを開示している。欧州特許出願公開公報第２２１２２８号も、永久磁石を収容する直線移動が可能な鉄心を持つ電磁気操縦装置を開示している。この鉄心は、ハウジング内に設けられてコアを囲んでいる電磁石によって移動が可能である。日本特許出願公開公報５９０４４９６２号は、各磁極の間に移動可能な要素の経路を形成する電磁気固定子装置を開示している。
【００１０】
（発明の概要）
本発明の目的は高効率な燃焼機関を提供することにある。さらに、燃焼機関の制御の可能性を改良することを目指している。
【００１１】
この目的は発明の詳細な説明の項の最初に定義し、この装置の運転時にエネルギー変換器と外部電流回路の間で交換される電力の方向を制御するために配置されている制御ユニットを備えることを特徴とする装置によって達成される。このような制御ユニットを使用することによって、ハウジング内のピストンの瞬間的な位置を決定することができる。エネルギー変換器を介して電力をピストンへ戻すことによって、たとえば燃焼を開始するときに、ピストンを所望の位置へ移動させることができる。実際の運転状態によって、この位置は燃焼機関の種々の行程の間で変化する可能性がある。このようにして、制御ユニットはエネルギー変換器と一緒になって長さが調整できるコネクティング・ロッドとして機能することになる。同時にまた圧縮も、たとえば燃焼機関の瞬間的な負荷に応じて、変化させ制御することができる。力の要る加速時には、普段より大きな燃焼機関からの電力出力に対して圧縮度を増加させることができ、通常運転時は、排気ガスを考慮して圧縮度を最適にすることができる。さらに、圧縮度を変えて種々のタイプの燃料に適合させることができる。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、前記電力の大きさを制御するために制御ユニットが配置される。このようにして、ピストンの瞬間的な位置決定に関して制御の可能性はさらに改良される。制御ユニットは連続して前記電力の大きさを制御するために配置されることが好ましい。
【００１３】
本発明のさらに別の実施形態によれば、前記制御によって前記燃焼を制御するために制御ユニットが配置される。このような制御ユニットによって、たとえば、燃焼を開始する時点を制御することができる。有利なことに、制御ユニットによって装置は、ハウジング内のピストンの位置を感知するように配置された少なくとも１つのセンサ部材を備え、感知された位置は制御パラメータとして制御ユニットに伝達される。
【００１４】
本発明のさらに別の実施形態によれば、制御ユニットはソフトウェアによって装置を再生させる少なくとも１つのコンピュータを備える。このようなソフトウェアはコンピュータ内部に格納するか、あるいは内部学習プロセスからまたはなんらかのデータ通信システムを通じて外部ソースから与えたり更新したりすることができる。したがってソフトウェアは装置またはシステムのモデルを提供する。このモデルはシステムの変更に適応できる。このモデルにおいて、装置またはシステムの異なる構成要素は異なるパラメータと機能によって表されている。
【００１５】
本発明のさらに別の実施形態によれば、制御ユニットは、第１接続点によってエネルギー変換器に接続され、電気結線を経由する第２接続点によって第２変換器の第１接続点に接続される第１変換器を備え、第２変換器は第２接続点によって電流回路に接続される。このような変換器はシリコン面積が小さくかつ熱容量が小さいダイオードおよびＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）バルブをベースとするパワー・エレクトロニクスを用いることにより実現できる。有利なことに、第１変換器および第２変換器は前記コンピュータを使用して制御することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の実施形態によれば、前記燃焼によって発生したエネルギーの少なくとも一部を貯蔵できるようにエネルギー貯蔵要素が配置される。有利なことに、このようなエネルギー貯蔵要素によって貯蔵されるエネルギーは、ピストンの位置を決めるのに利用することができる。このエネルギー貯蔵要素は多くの異なったやり方で実施することができ、たとえば車両によってこれを形成することができ、そこでは車両の電気駆動モータで電力を発生するために車両の運動エネルギーが利用され、この電力はエネルギー変換器を経由してピストンに伝えることができる。したがって、エネルギー貯蔵要素を電気エネルギーを貯蔵するために配置し、また制御ユニットに接続する、たとえば、エネルギー貯蔵要素を変換器を介して前記結線に接続することができる。エネルギー貯蔵要素はまたコンデンサ、電気化学的アキュムレータおよび／またはフライホイールを備えることもできる。さらにまた、エネルギー貯蔵要素は前記空間に連結し、圧力容器および／またはガスばねのようなばね部材を備えることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の実施形態によれば、電磁気エネルギー変換器はピストンに連結された一次変換部材、およびハウジングに対して静止している二次変換部材を備え、一次変換部材はハウジングおよび二次変換部材に対して移動することができる。このようにして、機械部品を介した動力伝達をなんら行わずにハウジング内のピストンの運動が直接電力に変換される。これにより、前記変換部材の一方が電磁気素子を備え、前記変換部材のもう一方が磁気素子を備えることができる。有利なことに、電磁気素子は外部電流回路への結線を有する少なくとも１つの巻き線を備える。
【００１８】
本発明のさらに別の実施形態によれば、二次変換部材は、ピストンの運動方向に沿ってハウジングの壁内に互いに並んで設けられた複数の電磁気素子を備え、電磁気素子の少なくとも一部は異なる設計になっている。異なった設計としては、たとえば電磁気素子の大きさ、巻き線密度、巻き数、および電流負荷などに関連するものが可能である。
【００１９】
本発明のさらに別の実施形態によれば、電磁気素子は第１軟磁性磁気流れキャリヤを備え、磁気素子は第２軟磁性磁気流れキャリヤを備えている。これによって、第１軟磁性磁気流れのキャリヤと第２軟磁性磁気流れキャリヤが軟磁性回路を形成することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の実施形態によれば、磁気素子は、磁場を生成する少なくとも１つの永久磁石を備え、第１軟磁性磁気流れキャリヤが、永久磁石からの磁気流れを集めて集束させるために前記永久磁石に接続して設けられ、その結果、集束した磁気流れが前記軟磁性回路を通って巻き線の周りを流れる。
【００２１】
本発明のさらに別の実施形態によれば、第２軟磁性磁気流れキャリヤは、ピストンの運動方向に垂直で、ピストンの運動方向に沿って変化する磁気抵抗を有し、エネルギー変換器はいわゆる磁気抵抗機を形成する。
【００２２】
本発明の有利な実施例によれば、この装置は電気エネルギーを発生するために利用することができる。
【００２３】
別の有利な実施例によれば、本発明は車両の推進用に少なくとも１つの電気モータと、前記少なくとも１つの電気モータに対して電力を生成させる前記請求項のいずれか一項に記載の少なくとも１つの装置とを備える車両に関連する。このような車両は有利なことに外部消費先向けの電力を出力するコネクションを備えることができる。
【００２４】
単に実施例として開示される種々の実施態様について、添付図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【００２５】
（発明の種々の実施形態の詳細な説明）
図１は本発明による装置を開示している。この装置はハウジング３内を機械的に自由に移動可能なピストン２を持つ燃焼機関１を備えている。開示された実施例では、ハウジング３は、ピストン２がａの移動方向にハウジング３内で直線往復移動して動ける円筒形の形をしている。ハウジング３が直線ではなく弓型の延長部を有することもできることは注目すべきである。ピストン２は、ハウジング３内に隙間を有して設置される、すなわち、たとえばコネクティング・ロッドやクランク・シャフトを介して力を伝達するどのような要素にも機械的に連結されていないようにハウジング内で機械的に自由に移動可能になっている。開示された実施例では、ハウジング３及びピストン２を備える燃焼室１が開示されている。しかしながら、本発明の範囲内の燃焼機関もまた複数のハウジングとピストンを具備することができることは注目すべきである。燃焼機関１から利用が可能な電力を増加したい場合または機械的な釣り合いを改良したい場合は、燃焼機関１はそれぞれにピストン２がある任意な数のハウジング３を備えることができる。開示された燃焼機関１はモジュラー方式の構造に適したユニットである。モジュールの数だけが違う考えられる応用例すべてに対して同一の燃焼機関１をモーター・モジュールとして使用することができる。１つの応用で負荷が増加した場合は、作動するモジュール数を順次増加させればよく、電力出力は作動しているモジュール数に比例することになり、その結果、各モジュールは最適効率で運転できる。
【００２６】
燃焼機関１は知られている燃焼機関の原理によって運転することができる。たとえば、燃焼機関１は２サイクルまたは４サイクルで運転するオットー・サイクル機関またはディーゼル機関でよい。燃焼機関は、オットー・サイクル機関とディーゼル機関の間の混合気とみなすことができ、酸化剤と燃料の混合気が燃焼室内に導入され圧縮が高くなった時点で自然着火により着火するいわゆるＨＣＣＩ機関（均一吸気圧縮着火）を具備してもよい。内部燃焼の、すなわちハウジング３内で燃焼する燃焼機関以外では、燃焼機関１は外部燃焼、すなわちスターリング機関を具備してもよい。以下にオットー・サイクル・モーターに関連する実施形態を説明するが、大部分は他の機関タイプにも適用できる。
【００２７】
ハウジング３は内部空間を備えていて、開示されている実施例では２つの燃焼室４および５を形成し、１つの燃焼室４、５がピストン２のそれぞれの側に設けられている。ここで、本発明の範囲内で、ハウジング３を２つのハウジング３’、３”に分割してそれぞれのハウジングが両燃焼室４および５の１つを形成するようにできることは注目すべきである。このような実施形態が図８に概略的に開示されている。ピストン２はこれによって各ハウジングすなわち燃焼室内に１つある２つのピストン部分２’、２”を備え、２つのピストン部分は剛体の棒材を介して互いに連結されることができる。この棒材は両ハウジングの外側に配置することができる。しかしながら、ハウジング３’、３”は中に棒材を設置した共通のケーシングなどを介して互いに連結することができる。各燃焼室４、５内で間欠燃焼の着火および開始のために、たとえば、点火プラグ６をそれぞれの燃焼室に設けることができる。さらにまた実際のケースで、それぞれの燃焼室５は、燃料および酸化剤を供給し燃焼ガスを除去することができる弁部材７またはなんらかの類似部材を備えることができる。弁部材７は従来のどんな設計のものでよく、したがってこの応用例ではこの設計のさらに詳細な説明は行わない。弁部材７が燃料導管９を経由して燃料源へ、また供給導管１１を経由して酸化剤、たとえば空気源１０へ連結されていることは極めて注目すべきである。燃焼機関１の運転中、弁部材７の機能は制御ユニット１２を用いて制御され、この制御ユニット１２はまた、燃焼を開始する場合に点火プラグ６へパルス電圧の供給を開始するためにも配置されている。以下においてさらに詳細に開示する制御ユニット１２は接続ライン１３を通じて点火プラグ６へ接続され、また接続ライン１４を通じて弁部材７へ接続されている。
【００２８】
この装置は、ハウジング３内のピストン２の位置を感知するように配置された概略的に開示されたセンサ部材１５も備えている。このセンサ部材１５は接続ライン１６を介して制御ユニット１２に接続されている。
【００２９】
さらにまた、この装置は、ピストン２に連結された一次変換部材２１、およびハウジング３に対して静止している二次変換部材２２を備える電磁気エネルギー変換器を具備している。したがって一次変換部材２１は二次変換部材２２に対して移動することができる。一次変換部材２１は、たとえばステンレス鋼の非磁性コア２４の上に互いに並べて設けられたいくつかの環状永久磁石２３を備えている。図８による実施形態において、コア２４は２つのハウジング３’、３”の外側の一次変換部材２１を支える前記棒材を形成することができる。隣接する永久磁石２３の間に軟磁性材料で作られた環状円板２５が設けられている。この実施例においては、軟磁性材料とは１より大きい比透磁率を持つ磁性材料を意味する。５０より大きい比透磁率を持つ軟磁性材料を使用することが好ましく、最も実際的な実施形態では、比透磁率は１００以上の程度であるのがよい。軟磁性要素は磁気流れキャリヤとして適しており、したがって磁気流れ伝導要素２５として指定される。永久磁石２３はＮｄＦｅＢまたはＳｍＣｏで製造することができる。したがって永久磁石２３および磁気流れ伝導要素２５は、ピストン２の運動方向に移動可能な円筒形の要素を形成する。
【００３０】
二次変換部材２２は、永久磁石２３を囲むようにハウジング３の壁内に設けられたいくつかの環状電磁石２６を備えている。各電磁石２６は巻き線を備え、断面がおおむねＬ字型の軟磁性磁気流れ伝導要素２７で囲まれている。図１からもわかるように、各電磁石２６はしたがって磁気流れ伝導要素２７によって囲まれることになる。磁気流れ伝導要素２５および磁気流れ伝導要素２７はしたがって、電磁石２６の巻き線の周りに軟磁性回路を形成できるように協力する。この軟磁性回路は永久磁石２３の正極Ｎから延びて１つまたはいくつかの巻き線の周りの磁気流れ伝導要素２７、２５を経由してまたは次の磁気流れ伝導要素２７を経由して当該永久磁石２３の負極Ｓへ戻る。永久磁石２３は隣接する磁気流れ伝導要素２５よりも半径が小さいので、永久磁石２３と電磁石２６の間にエアギャップが形成される。磁気流れ伝導要素２５および２７の間のエアギャップは、磁気流れ伝導要素２４間のより長い、直接的な磁路より磁気抵抗（リラクタンス）が小さい。このようにして磁気流れの主要部分が確実に磁気流れ伝導要素２５および２７間のエアギャップの方に行く。
【００３１】
永久磁石２３の磁極Ｎ、Ｓは一次変換部材２１の運動方向に設けられ、したがって磁気の流れが出力される有効磁極面が比較的広い。永久磁石２３は図１に開示されるように別のやり方で設けられ、そのため互いに並んで位置する各対の永久磁石の極方向が反対、すなわち各負極Ｓが互いに向かい合いまた各正極Ｎが互いに向かい合っている。永久磁石２３のＮ極面に対して設けられた磁気流れ伝導要素２５は、永久磁石２３のこの磁極面からの磁気流れを集め、エアギャップ内および巻き線周りの磁気流れ伝導要素２７内で高い磁気流れ密度が得られるように電磁石２６の１つまたはいくつかの磁気流れ伝導要素２７に向かう方向にこの流れを集束させる。
【００３２】
各電磁石２６の巻き線は、接続ライン３０によって概略的に示される電線を介して外部電流回路に接続されている。この外部電流回路は図３で各接続ライン３２を通じて駆動モータ３１用として開示されている電力消費先を含むことができる。それぞれの駆動モータ３１は図３に概略的に示す車両の各車輪３３を駆動するために配置されている。当然のことながら、車両は４つより多いあるいは少ない駆動モータ３１を備えることができ、また、たとえば、プロペラ・シャフトを介した従来の動力伝達機構を設けることもできる。外部電流回路は、たとえば、コンデンサの形または鉛蓄電池のようなバッテリの形のエネルギー貯蔵要素３４、あるいは照明、工具などの外部消費先へ電力を供給するコネクション３５を備えることも可能である。
【００３３】
この装置の運転時にエネルギー変換器２１、２２と、外部電流回路すなわち開示されている実施例では駆動モータ３１ならびにエネルギー貯蔵要素３４との間で交換される電力を制御するために制御ユニット１２が配置されている。時間やピストン２の動きとともに変化するこの電力の交換が図１に矢印ＰおよびＰ’で示してある。図からわかるように、燃焼機関１は、燃焼機関１の目的に従って、平均して有効電力Ｐ’よりおおむね大きく、ピストン２に影響を与えてその位置を決めるためにエネルギー変換器２１、２２によってフィードバックされる有効電力Ｐを発生する。制御ユニット１２はまた両方向の有効電力Ｐ、Ｐ’の大きさを連続的に制御するためにも配置される。制御ユニット１２が、矢印Ｑで示される無効電力をエネルギー変換器２１、２２へフィードバックするのに必要な大きさになっていることもまた注目すべきである。無効電力Ｑは多かれ少なかれエネルギー変換器２１、２２の磁気の流れをもたらすので、このようにして、エネルギー変換器２１、２２からのピーク電力を増加させることができる。
【００３４】
図２はどのようにすれば制御ユニット１２を設計できるかの実施例を開示している。制御ユニット１２は、第１接続点によって電気結線３０を経由してエネルギー変換器２１、２２に接続され、第２接続点によって電気結線４３を経由して第２変換器４２の第１接続点に接続される第１変換器４１を備える。
【００３５】
第２変換器４２は変換器の第２接続点によって、本明細書で開示される実施例では電気結線３２経由の駆動モータ３１で表される外部電流回路に接続される。第１変換器４１はたとえばＡＣ／ＤＣコンバータが可能であり、第２変換器４２はＤＣ／ＡＣコンバータである。本発明はこれらのタイプの変換器に限定されるものではなく、利用できるどのようなタイプ、すなわち、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣ、ＤＣ／ＤＣまたはＡＣ／ＡＣのものでもよい。さらにまた、制御ユニット１２は、第１接続点によって第１変換器４１の第２接続点に接続され、第２接続点によって本明細書ではエネルギー貯蔵要素３４で表される外部電流回路に接続される第３変換器４４を備える。開示された実施例では、この第３変換器４４はＤＣ／ＤＣコンバータである。当然のことながら、このケースにおいても別のタイプの変換器を使用することができる。変換器４１、４２および４４は、好ましくはダイオードおよびＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）バルブを備えたパワー・エレクトロニクスを含む。変換器４１、４２および４４のうちの２つまたは３つを１つの変換器に一体化して形成することもできることは注目すべきである。
【００３６】
さらに、制御ユニット１２は１つまたはいくつかのマイクロプロセッサを持つコンピュータ４５と、少なくとも１つの記憶ユニットと通信に適した要素とを備える。コンピュータ４５はこの変換器４１、４２および４４を制御するように配置される。さらに開示された実施例では、コンピュータ４５は接続ライン１３および１４を介して点火プラグ６および弁部材７へ接続されている。コンピュータ４５は燃焼機関１や車両の複数の異なったセンサおよび感知部材から信号を受信する。開示された実施例では、これについて位置感知部材１５および接続ライン１６だけを図示している。異なった感知部材からの信号とソフトウェアによって、燃焼機関１とその機能がコンピュータ４５内で再現される。このソフトウェアはコンピュータ４５内部に格納するか、あるいはなんらかのデータ通信システムを通じて外部コンピュータ源から受信することができる。
【００３７】
たとえばスロットルから少なくとも部分的に受信できるその瞬間の望ましい負荷とハウジング３内のピストン２の位置について認識すると、その結果コンピュータ４５によって当該燃焼室４、５へ供給する燃料と空気、および点火プラグ５の点火時期を制御することができる。さらに、本発明によれば、電力要求を満たすために、電力をエネルギー変換器２１、２２の方へ向けたり反対に向けたりしてピストン２を所期の位置にしその結果当該燃焼室４、５内で所望の圧縮度を得ることができる。
【００３８】
図４はエネルギー貯蔵要素３４がない装置を有する車両の別の実施形態を開示している。この実施形態によれば、車両の運動エネルギーをエネルギー貯蔵要素として利用することができる。車両が動いて車輪が回転している場合は、この運動エネルギーが駆動モータ３１を駆動して電力を発生させ、発生した電力はピストン２の位置決めのために制御ユニット１２とエネルギー変換器２１、２２によってピストン２へフィードバックされる。
【００３９】
図５は本発明による燃焼機関１の別の実施形態を開示している。この燃焼機関１は図１の燃焼機関１とエネルギー変換器が異なり、この実施形態では変換器は概略的に開示されたいわゆる磁気抵抗機として設計されている。二次変換部材２２は原則的に図１で開示された実施形態におけるものと同一のやり方で設計される。この場合もまた一次変換部材２１がピストン２内に設けられ、非磁性材料たとえばステンレス鋼のコア５０を備えている。一次変換部材２１は軟磁性材料の磁気流れ伝導要素５１を備える。磁気流れ伝導要素５１が、運動方向ａに垂直な方向に測って磁気抵抗が変化している部分を運動方向ａに沿って有するように磁気流れ伝導要素５１が設計される。開示された実施形態では、磁気流れ伝導要素５１が運動方向ａに対して分離された突出部５２を備えているため、このことが達成された。この突出部５２の間に、二次変換部材２２の磁気流れ伝導要素２７からの磁気の流れに対して比較的高い磁気抵抗を持った中間空間５３が形成されている。これらの中間空間５３は非磁性材料で充たすことができることが好ましい。磁気流れ伝導要素５１はしたがって２つの突出部５２自体およびその間を通る磁気回路の２番目の部分を形成する。ピストン２は前記磁気回路の抵抗が最小になるような位置をとろうとするので、適切な方法で異なる電磁石２６の巻き線を通して電流を供給することによりピストン２の運動を達成することができる。
【００４０】
図６は、電磁石２６の設計が図１の実施形態とは異なる本発明の他の実施形態を開示している。図６で開示された実施例では、２つの最も外側の電磁石２６が残りの電磁石２６より小さい。この電磁石が単に寸法だけでなく他の点でも異なる素子２６’を備えることができることは注目すべきである。たとえば、巻き線密度、巻き数、および電流負荷などに関して違っていてもよい。２つの最も外側の電磁石２６以外のものが異なっていてもよいことは注目すべきである。
【００４１】
エネルギー貯蔵要素３４は、たとえばエネルギーによって迅速に充電でき、そこから非常に迅速にエネルギーが得られるコンデンサを備えることができる。エネルギー貯蔵要素３４はバッテリ、たとえば鉛蓄電池、Ｎｉ−ＭＨ−蓄電池またはＮｉＣｄ−蓄電池などの蓄電池の形のものを備えることも可能である。エネルギー貯蔵要素３４はまた、代替品または追加品として、新規の貯蔵要素、たとえばいわゆるスーパーキャパシタを備えることもできる。さらにまた、エネルギー貯蔵要素３４は機械的にフライホイールに連結された回転軸を有する電気機械を備えることもできる。エネルギー貯蔵要素をハウジング３内の空間と直接結合させることもできる。これにより、図７の実施形態に開示されるようにエネルギー貯蔵要素は、導管６２を経由して燃焼室４の１つに連結される圧力容器６１を備えることができる（ただし、このケースでは燃料／空気供給するまたは排気ガスを除去するどのような機器も含んでいない）。この燃焼室４内では、したがって燃焼が起こらないが、２番目の燃焼室５内では燃焼が起こる。ピストン２が燃焼室４の方向に向かって移動する場合は、燃焼室４内に存在するガスが圧力容器６１の方へ押されることになり、その結果、圧力容器６１内の圧力が増加する。圧力容器６１と燃焼室４の間の流れは、接続ライン６４を経由して制御ユニット１２のコンピュータ４５に連結する三方制御弁６３によって制御することができる。したがって圧力容器６１はピストン２の戻りを確保し、その結果、燃焼室５内の圧縮を確保する一種のガスばねとして機能することができる。
【００４２】
エネルギー貯蔵要素のさらに他の変形によれば、これは、同様に図７に概略的に開示されるばね６７を備えることができる。ばね６７は燃焼室４内に設けられ、ピストン２に作用する元へ戻る力をもたらす。
【００４３】
上で説明した異なったタイプのエネルギー貯蔵部材３１、３４、６１、６７は、図７にも示すように互いの組み合わせを変えて配置することができることは注目に値する。
【００４４】
本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく特許請求の範囲内で変形および変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による装置の実施形態を概略的に開示する図である。
【図２】  この装置の制御ユニットの設計を概略的に開示する図である。
【図３】  本発明による装置を備えた車両を概略的に開示する図である。
【図４】  本発明の別の実施形態装置による装置を備えた車両を概略的に開示する図である。
【図５】  本発明による装置の第２の実施形態を概略的に開示する図である。
【図６】  本発明による装置の第３の実施形態を概略的に開示する図である。
【図７】  本発明による装置の第４の実施形態を概略的に開示する図である。
【図８】  本発明による装置の第５の実施形態を概略的に開示する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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