(57)【要約】本開示の種々の実施形態は、自由ピストン燃焼機関を対象とする。本明細書に説明されるように、駆動区画が、拡張ストローク中にエネルギーを貯蔵するために、自由ピストン燃焼機関内に提供され得る。駆動区画は、後続ストロークを実施するために十分なエネルギーを貯蔵するように構成され得る。いくつかの実施形態では、駆動区画は、機関が、電気エネルギー入力を伴わずに機関サイクルにわたり連続的に動作することを可能にするように十分なエネルギーを貯蔵するように構成され得る。線形電磁機械が、ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために、自由ピストン燃焼機関内に提供され得る。
2018503769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由ピストン燃焼機関システムであって、
燃焼区画を備えているシリンダと、
前記燃焼区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、
前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと接触する少なくとも１つの駆動区画であって、前記少なくとも１つの駆動区画は、ピストンサイクルの拡張ストローク中、前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからのエネルギーを貯蔵するように構成されている、少なくとも１つの駆動区画と、
前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換するための少なくとも１つの線形電磁機械と、
処理回路と
を備え、
前記処理回路は、前記ピストンサイクルの後続ストロークにわたる正味電気エネルギー入力を回避するために、前記少なくとも１つの駆動区画に、前記ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、前記拡張ストローク中、前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させる、
自由ピストン燃焼機関システム。
【請求項２】
前記拡張ストロークは、動力ストロークおよび吸気ストロークのうちの１つである、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項３】
前記後続ストロークは、圧縮ストロークおよび排気ストロークのうちの１つである、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項４】
前記線形電磁機械は、前記駆動区画内に貯蔵されたエネルギーの少なくとも一部を前記ピストンサイクルの後続ストローク中に電気エネルギーに変換するように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項５】
前記ピストンサイクルの後続ストローク中、前記線形電磁機械は、前記拡張ストローク中に前記駆動区画内に貯蔵されたある量のエネルギーと、前記十分な量のエネルギーとの間の差異を電気エネルギーにほぼ変換するように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項６】
前記線形電磁機械は、前記拡張ストローク中に前記後続ストローク中とほぼ同一量の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項７】
前記処理回路は、エンジン効率およびエンジン動力出力のうちの少なくとも１つを最大化するために、前記線形電磁機械による前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項８】
前記処理回路は、前記後続ストローク中に所望される量のエネルギーが前記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換されるように、前記拡張ストローク中の前記線形電磁機械による前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項９】
前記処理回路は、前記拡張ストローク中に前記後続ストローク中とほぼ同一量のエネルギーが電気エネルギーに変換されるように、前記拡張ストロークおよび前記後続ストローク中の前記線形電磁機械による前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの駆動区画は、
ガススプリングと、
受動入口ガスポートおよび制御可能な入口ガスポートのうちの少なくとも１つと
を備えている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの駆動区画は、制御可能な幾何学形状を伴うガススプリングを備えている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１２】
前記処理回路は、エンジン効率およびエンジン動力のうちの少なくとも１つを最大化するために、前記少なくとも１つの駆動区画を制御するように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１３】
前記処理回路は、前記ピストンアセンブリの位置、前記ピストンアセンブリの速度、前記ピストンアセンブリの加速度、前記ピストンアセンブリの温度、前記燃焼区画の圧力、前記燃焼区画の温度、前記燃焼区画の位置エネルギー、前記燃焼区画内の化学的エネルギー、前記燃焼区画の指示される仕事、前記燃焼区画の指示される効率、前記燃焼区画の燃料流量、前記燃焼区画の空気流量、前記駆動区画内の圧力、前記駆動区画の位置エネルギー、前記駆動区画内のガスの温度、前記駆動区画の指示される仕事、前記駆動区画の指示される効率、前記駆動区画の補給空気流量、前記線形電磁機械の温度、電気出力、電気効率、機関効率、機関動力、以前のサイクル性能、環境温度、環境圧力、放出特性、およびそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つに基づいて、前記自由ピストンアセンブリ、前記少なくとも１つの駆動区画、および前記線形電磁機械のうちの少なくとも１つを制御するように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１４】
前記処理回路は、前記駆動区画に関連付けられる力、圧力、および容積のうちの少なくとも１つを制御することによって、前記駆動区画に、前記拡張ストローク中に前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからのエネルギーを貯蔵させるように構成されている、請求項１に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１５】
自由ピストン燃焼機関システムであって、
燃焼区画を備えているシリンダと、
前記燃焼区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、
前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと接触する少なくとも１つの駆動区画であって、前記少なくとも１つの駆動区画は、ピストンサイクルの拡張ストローク中、前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからのエネルギーを貯蔵するように構成されている、少なくとも１つの駆動区画と、
前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換するための少なくとも１つの線形電磁機械と、
処理回路と
を備え、
処理回路は、必然的に、前記少なくとも１つの駆動区画に、前記ピストンサイクルの後続ストロークにわたって正味電気エネルギー入力を伴わずに前記ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、前記拡張ストローク中、前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させる、
自由ピストン燃焼機関システム。
【請求項１６】
前記拡張ストロークは、動力ストロークおよび吸気ストロークのうちの１つであり、前記後続ストロークは、圧縮ストロークおよび排気ストロークのうちの１つである、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１７】
前記線形電磁機械は、前記駆動区画内に貯蔵されたエネルギーの少なくとも一部を前記ピストンサイクルの後続ストローク中に電気エネルギーに変換するように構成されている、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１８】
前記ピストンサイクルの後続ストローク中、前記線形電磁機械は、前記拡張ストローク中に前記駆動区画内に貯蔵されたある量のエネルギーと、前記十分な量のエネルギーとの間の差異を電気エネルギーにほぼ変換するように構成されている、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項１９】
前記線形電磁機械は、前記拡張ストローク中に前記後続ストローク中とほぼ同一量の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項２０】
前記処理回路は、エンジン効率およびエンジン動力出力のうちの少なくとも１つを最大化するために、前記線形電磁機械による前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項２１】
前記処理回路は、前記後続ストローク中に所望される量のエネルギーが前記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換されるように、前記拡張ストローク中の前記線形電磁機械による前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの駆動区画は、
ガススプリングと、
受動入口ガスポートおよび制御可能な入口ガスポートのうちの少なくとも１つと
を備えている、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの駆動区画は、制御可能な幾何学形状を伴うガススプリングを備えている、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項２４】
前記処理回路は、前記ピストンアセンブリの位置、前記ピストンアセンブリの速度、前記ピストンアセンブリの加速度、前記ピストンアセンブリの温度、前記燃焼区画の圧力、前記燃焼区画の温度、前記燃焼区画の位置エネルギー、前記燃焼区画内の化学的エネルギー、前記燃焼区画の指示される仕事、前記燃焼区画の指示される効率、前記燃焼区画の燃料流量、前記燃焼区画の空気流量、前記駆動区画内の圧力、前記駆動区画の位置エネルギー、前記駆動区画内のガスの温度、前記駆動区画の指示される仕事、前記駆動区画の指示される効率、前記駆動区画の補給空気流量、前記線形電磁機械の温度、電気出力、電気効率、機関効率、機関動力、以前のサイクル性能、環境温度、環境圧力、放出特性、およびそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つに基づいて、前記自由ピストンアセンブリ、前記少なくとも１つの駆動区画、および前記線形電磁機械のうちの少なくとも１つを制御するように構成されている、請求項１５に記載の自由ピストン機関システム。
【請求項２５】
自由ピストン燃焼機関を制御する方法であって、前記自由ピストン燃焼機関は、それぞれの少なくとも１つの駆動区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換するための少なくとも１つの線形電磁機械とを備え、前記方法は、
前記自由ピストン燃焼機関の少なくとも１つの動作特性を受信することと、
処理回路を使用して、前記少なくとも１つの動作特性を処理し、前記駆動区画に、ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、前記ピストンサイクルの拡張ストローク中に前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させることと、
前記処理回路を使用して、前記ピストンサイクルの後続ストロークが、前記機関への正味電気エネルギー入力を伴わずに実施されるようにすることと
を含む、方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの動作特性は、前記ピストンアセンブリの位置、前記ピストンアセンブリの速度、前記ピストンアセンブリの加速度、前記ピストンアセンブリの温度、前記燃焼区画の圧力、前記燃焼区画の温度、前記燃焼区画の位置エネルギー、前記燃焼区画内の化学的エネルギー、前記燃焼区画の指示される仕事、前記燃焼区画の指示される効率、前記燃焼区画の燃料流量、前記燃焼区画の空気流量、前記駆動区画内の圧力、前記駆動区画の位置エネルギー、前記駆動区画内のガスの温度、前記駆動区画の指示される仕事、前記駆動区画の指示される効率、前記駆動区画の補給空気流量、前記線形電磁機械の温度、電気出力、電気効率、機関効率、機関動力、以前のサイクル性能、環境温度、環境圧力、および放出特性から成る群から選択される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記処理回路を使用して、前記線形電磁機械に、前記自由ピストンアセンブリのエネルギーの少なくとも一部を前記後続ストローク中に電気エネルギーに変換させることをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
自由ピストン燃焼機関を制御するためのシステムであって、前記自由ピストン燃焼機関は、それぞれの少なくとも１つの駆動区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するための少なくとも１つの線形電磁機械とを備え、前記システムは、
前記自由ピストン燃焼機関に結合されている少なくとも１つのセンサであって、前記少なくとも１つのセンサは、前記機関のそれぞれの少なくとも１つの動作特性を測定し、それぞれの少なくとも１つのセンサ信号を出力する、少なくとも１つのセンサと、
少なくとも１つの制御機構であって、前記少なくとも１つの制御機構は、それぞれの少なくとも１つの制御信号に基づいて、前記自由ピストン燃焼機関のそれぞれの少なくとも１つの動作特性を調節する、少なくとも１つの制御機構と、
入力として前記少なくとも１つのセンサ信号を取得し、前記少なくとも１つの制御信号を出力する処理回路と
を備え、
前記処理回路は、前記制御機構を使用して、前記少なくとも１つのセンサ信号を処理し、前記少なくとも１つの駆動区画に、前記ピストンサイクルの後続ストロークにわたって正味電気エネルギー入力を伴わずに前記ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、前記拡張ストローク中、前記少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させるように構成されている、システム。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのセンサは、位置センサ、速度センサ、加速度計、温度センサ、圧力センサ、流量センサ、電流センサ、電圧センサ、抵抗センサ、インピーダンスセンサ、振動センサ、運動センサ、力センサ、および放出センサから成る群から選択される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記処理回路は、前記制御機構を使用して、前記線形電磁機械に、前記自由ピストンアセンブリのエネルギーの少なくとも一部を前記後続ストローク中に電気エネルギーに変換させるようにさらに構成されている、請求項２８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、自由ピストン燃焼機関に関し、より具体的には、本開示は、自由ピストン燃焼機関におけるエネルギー貯蔵および変換に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
いくつかの実施形態では、燃焼区画を備えているシリンダと、燃焼区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと接触する少なくとも１つの駆動区画と、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換するための少なくとも１つの線形電磁機械と、ピストンサイクルの後続ストロークにわたる正味電気エネルギー入力を回避するために、少なくとも１つの駆動区画に、ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、拡張ストローク中に少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させる処理回路とを備えている自由ピストン燃焼機関システムが、提供される。
【０００３】
いくつかの実施形態では、燃焼区画を備えているシリンダと、燃焼区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと接触する少なくとも１つの駆動区画であって、ピストンサイクルの拡張ストローク中、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからのエネルギーを貯蔵するように構成されている、少なくとも１つの駆動区画と、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換するための少なくとも１つの線形電磁機械と、必然的に、少なくとも１つの駆動区画に、ピストンサイクルの後続ストロークにわたって正味電気エネルギー入力を伴わずにピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、拡張ストローク中に少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させる処理回路とを備えている自由ピストン燃焼機関システムが、提供される。
【０００４】
いくつかの実施形態では、それぞれの少なくとも１つの駆動区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するための少なくとも１つの線形電磁機械とを備えている、自由ピストン燃焼機関を制御するためのシステムであって、システムは、機関のそれぞれの少なくとも１つの動作特性を測定し、それぞれの少なくとも１つのセンサ信号を出力するための、自由ピストン燃焼機関に結合されている少なくとも１つのセンサと、それぞれの少なくとも１つの制御信号に基づいて、自由ピストン燃焼機関のそれぞれの少なくとも１つの動作特性を調節するための少なくとも１つの制御機構と、入力として少なくとも１つのセンサ信号を取得し、少なくとも１つの制御信号を出力する処理回路であって、制御機構を使用して、少なくとも１つの駆動区画に、ピストンサイクルの後続ストロークにわたって正味電気エネルギー入力を伴わずにピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、拡張ストローク中に少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させるために、少なくとも１つのセンサ信号を処理するように構成される、処理回路とを備えている。
【０００５】
いくつかの実施形態では、それぞれの少なくとも１つの駆動区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するための少なくとも１つの線形電磁機械とを備えている自由ピストン燃焼機関を制御する方法が、提供され、方法は、自由ピストン燃焼機関の少なくとも１つの動作特性を受信することと、処理回路を使用して、駆動区画に、ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、ピストンサイクルの拡張ストローク中に少なくとも１つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させるために、少なくとも１つの動作特性を処理することと、処理回路を使用して、ピストンサイクルの後続ストロークが、機関への正味電気エネルギー入力を伴わずに実施されるようにすることとを含む。
【０００６】
他の特徴および側面が、実施例として、種々の実施形態による特徴を例証する、付随の図面と関連して検討される、以下の発明を実施するための形態から明白となるであろう。発明の概要は、本発明の範囲を限定することを意図されず、これは、本明細書に添付される請求項によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明は、１つ以上の種々の実施形態に従って、以下の図を参照して詳細に説明される。図面は、例証のみを目的として提供され、単に、典型的または例示的実施形態を描写する。これらの図面は、本明細書に開示される概念の理解を促進するために提供され、これらの概念の範疇、範囲、または可用性の限定として見なされないものとする。例証の明確化および容易さのために、これらの図面は、必ずしも、縮尺通りに作製されていないことに留意されたい。
【図１】図１は、３つの例証的自由ピストン燃焼機関構成の図である。
【図２】図２は、本開示のいくつかの実施形態による、２ピストン、単一燃焼区画、統合型ガススプリング、分離型の線形電磁機械を例証する断面図である。
【図３】図３は、本開示のいくつかの実施形態による、図２の２ピストン統合型ガススプリング機関の２ストロークピストンサイクルを例証する、図である。
【図４】図４は、本開示のいくつかの実施形態による、代替２ピストン、分離型ガススプリング、分離型の線形電磁機械機関を例証する断面図である。
【図５】図５は、本開示のいくつかの実施形態による、単一ピストン統合型内部ガススプリング機関を例証する断面図である。
【図６】図６は、本開示のいくつかの実施形態による、ガススプリングロッドの実施形態を例証する断面図である。
【図７】図７は、本開示のいくつかの実施形態による、２ピストン統合型内部ガススプリング機関を例証する断面図である。
【図８】図８は、本開示のいくつかの実施形態による、受動入口弁を伴う吸気ポートを伴うガススプリングを例証する断面図である。
【図９】図９は、本開示のいくつかの実施形態による、能動入口ポートを伴う吸気ポートを伴うガススプリングを例証する断面図である。
【図１０】図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、吸気ポートを伴うガススプリングを例証する断面図である。
【図１１】図１１は、本開示のいくつかの実施形態による、調節可能ヘッドを伴うガススプリングを例証する断面図である。
【図１２】図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、調節可能構成要素を伴うガススプリングを例証する断面図である。
【図１３】図１３は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および拡張ストロークにわたる自由ピストン機関の位置、力、および動力プロファイルを例証する、図である。
【図１４】図１４は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および拡張ストロークにわたる自由ピストン機関の位置、力、および動力プロファイルを例証する、図である。
【図１５】図１５は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的ピストン機関システムのブロック図である。
【図１６】図１６は、本開示のいくつかの実施形態による、自由ピストン機関を制御するための例証的ステップのフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図は、包括的であることも、本開示を開示される精密な形態に限定することも意図されない。開示される概念および実施形態は、修正および代替を用いて実践され得、本開示は、請求項およびその均等物によってのみ限定されることを理解されたい。
【０００９】
本開示の種々の実施形態は、高い熱効率によって特徴付けられる自由ピストン線形燃焼機関を対象とする。少なくとも一実施形態では、機関は、（ｉ）燃焼区画を備えているシリンダと、（ｉｉ）燃焼区画と接触する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと、（ｉｉｉ）機関の拡張ストローク中にエネルギーを貯蔵する、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリと接触する少なくとも１つの駆動区画と、（ｉｖ）少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換する少なくとも１つの線形電磁機械（ＬＥＭ）とを備えている。しかしながら、さらなる実施形態が、上で識別された特徴および物理的特性の種々の組み合わせを含み得ることに留意されたい。
【００１０】
概して、自由ピストン燃焼機関構成は、３つのカテゴリに分類されることができる：１）２つの対向するピストン単一燃焼チャンバ、２）単一ピストン二重燃焼チャンバ、および、３）単一ピストン単一燃焼チャンバ。３つの一般的自由ピストン燃焼機関構成の図が、図１に示される。線形自由ピストン燃焼機関のいくつかの代替実施形態が、２０１４年３月４日に発行され、「Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｌｉｎｅａｒ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅ」と題された、米国特許第８，６６２，０２９号（本明細書に参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に例証されている。本開示は、線形自由ピストン燃焼機関のある特定の例証的実施形態の文脈において提示されるが、本明細書に議論される概念は、例えば、非線形自由ピストン機関を含む任意の他の好適な自由ピストン燃焼機関に適用可能であることを理解されたい。自由ピストン機関は、概して、ピストンアセンブリの線形運動を回転運動に変換する機械的リンケージ（例えば、スライダクランク機構）がないか、またはピストン動力を直接制御する機械的リンケージ（例えば、係止機構）がない１つ以上の自由ピストンアセンブリを含む。自由ピストン機関は、そのような機械的に結合されるピストン機関に優るいくつかの利益を有し、それらは、増加させられた効率をもたらす。例えば、機械的に結合されたピストン機関の固有の構造的制限に起因して、自由ピストン機関は、より高い圧縮比および拡張比で構成されることができ、それらは、先に参照され、組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるように、より高い機関効率をもたらす。さらに、自由ピストン機関は、圧縮比が拡張比を上回ることを可能にすること、および拡張比が圧縮比を上回ることを可能にすることを含む、圧縮比および拡張比における増加させられた変動を可能にし、それも、機関効率を増加させ得る。自由ピストン機関アーキテクチャはまた、機関サイクル毎のベースでの圧縮比の増加させられた制御を可能にし、それは、可変燃料品質および燃料タイプに起因する調節を可能にする。加えて、機械的リンケージの欠如に起因して、自由ピストン機関は、ピストンアセンブリに対して実質的により低い横荷重をもたらし、それは、オイルレス動作を可能にし、ひいては、摩擦およびそれからもたらされる損失を低減させる。
【００１１】
図２は、２ピストン、単一燃焼区画、統合型ガススプリング、分離型ＬＥＭの自由ピストン内燃機関１００の一実施形態を例証する断面図である。この自由ピストン内燃機関１００は、ＬＥＭ２００を介して、燃料中の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。本明細書で使用される場合、用語「燃料」は、酸化剤と反応する物質を指す。そのような燃料は、限定ではないが、（ｉ）天然ガス、バイオガス、ガソリン、ディーゼル、およびバイオディーゼル等の炭化水素燃料、（ｉｉ）エタノール、メタノール、およびブタノール等のアルコール燃料、（ｉｉｉ）水素、および、（ｉｖ）上記の任意のものの混合物を含む。本明細書に説明される機関は、固定式発電および移動式発電（例えば、車両において使用するため）の両方に対して好適である。
【００１２】
機関１００は、シリンダ１０５内で移動し、シリンダ１０５の中心における燃焼区画１３０において接触するように寸法決定される、２つの対向するピストンアセンブリ１２０を伴うシリンダ１０５を含む。各ピストンアセンブリ１２０は、ピストン１２５と、ピストンロッド１４５とを含み得る。ピストンアセンブリ１２０は、シリンダ１０５内を自由に線形に移動する。
【００１３】
図２をさらに参照すると、ピストン１２５の裏側と、ピストンロッド１４５と、シリンダ１０５との間の容積は、本明細書では、駆動区画１６０と称される。本明細書で使用される場合、「駆動区画」は、エネルギーを貯蔵し、エネルギーを提供することにより、燃焼の使用を伴うことなくピストンアセンブリを変位させることが可能な機関シリンダの区画を指す。駆動区画１６０は、いくつかの実施形態では、非可燃流体（すなわち、ガス、液体、または両方）を含み得る。例証される実施形態では、駆動区画１６０内の流体は、ガススプリングとしての役割を果たすガスである。駆動区画１６０は、ピストンサイクルの拡張ストロークからのエネルギーを貯蔵し、ピストンサイクルの後続ストローク、すなわち、拡張ストローク後に起こるストロークのためのエネルギーを提供する。例えば、ピストンの運動エネルギーは、機関の拡張ストローク中、駆動区画内のガスの位置エネルギーに変換され得る。本明細書で使用される場合、用語「ピストンサイクル」は、実質的に同一構成におけるピストン１２５で開始および終了する任意の一連のピストン移動を指す。１つの一般的な例は、吸気ストロークと、圧縮ストロークと、動力ストロークと、排気ストロークとを含む４ストロークピストンサイクルである。追加の代替ストロークが、本開示全体を通して説明されるようなピストンサイクルの一部を形成し得る。２ストロークピストンサイクルは、動力ストロークおよび圧縮ストロークを有することとして特徴付けられる。本明細書で使用される場合、「拡張ストローク」は、ピストンアセンブリが上死点（「ＴＤＣ」）位置から下死点（「ＢＤＣ」）位置に移動するピストンサイクルのストロークを指し、ＴＤＣは、燃焼区画容積が最小であるときのピストンアセンブリまたは複数のアセンブリの位置を指し、ＢＤＣは、燃焼区画容積が最大であるときのピストンアセンブリまたは複数のアセンブリの位置を指す。上記に留意されるように、自由ピストン機関の圧縮比および拡張比はサイクル毎に変動または変動させられ得るので、いくつかの実施形態では、ＴＤＣおよびＢＤＣ位置も、サイクル毎に変動または変動させられ得る。故に、以下にさらに詳細に説明されるであろうように、拡張ストロークは、吸気ストローク、動力ストローク、またはその両方を指し得る。いくつかの実施形態では、拡張ストローク中に駆動区画によって貯蔵されるべきエネルギーの量は、以下にさらに詳細に説明されるであろうように、種々の基準に基づいて決定され、コントローラおよび関連付けられる処理回路によって制御され得る。例えば、いくつかの実施形態では、拡張ストローク中に駆動区画によって貯蔵されるべきエネルギーの量は、後続ストローク、すなわち、拡張ストローク後に起こるストロークにおいて要求されるエネルギーに基づいて決定され得る。いくつかの実施形態では、コントローラおよび関連付けられる処理回路は、ピストンサイクルの後続ストロークにわたる正味電気エネルギー入力を回避するために、駆動区画に、後続ストロークを実施するために少なくとも十分な量のエネルギーを拡張ストローク中に自由ピストンアセンブリから貯蔵させ得る。いくつかの実施形態では、コントローラおよび関連付けられる処理回路は、必然的に、駆動区画に、後続ストロークにわたって正味電気エネルギー入力を伴わずに後続ストロークを実施するために、拡張ストローク中に自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させ得る。いくつかの実施形態では、拡張ストローク中に駆動区画によって貯蔵されるエネルギーの量は、後続ストロークのために要求される量を上回り得る。例えば、２ストロークピストンサイクルの場合、駆動区画は、動力ストローク中、後続圧縮ストロークのために要求される量のエネルギーを上回る量のエネルギーを貯蔵し得る。いくつかの実施形態では、例えば、４ストロークピストンサイクルの場合、駆動区画は、動力ストローク中、後続排気ストロークのために要求される量のエネルギーを上回る量のエネルギーを貯蔵し得る。いくつかの実施形態では、例えば、４ストロークピストンサイクルの場合、駆動区画は、吸気ストローク中、後続圧縮ストロークのために要求される量のエネルギーを上回る量のエネルギーを貯蔵し得る。いくつかの実施形態では、後続ストロークのために要求されるものを超えて貯蔵される量のエネルギーが、以下により詳細に説明されるであろうように、ＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換され得る。いくつかの実施形態では、拡張ストローク中に駆動区画によって貯蔵されるエネルギーの量は、機関が、ＬＥＭ２００からの電気エネルギー入力を伴わずに連続したピストンサイクルにわたり連続的に動作することを可能にするように決定され得る。例えば、拡張ストローク中に駆動区画によって貯蔵されるエネルギーの量は、機関が、機関の初期始動のために要求され得るもの以外、外部電気エネルギー入力を伴わずにピストンサイクルにわたり連続的に動作することを可能にするように決定され得る。
【００１４】
簡潔化および明確化を目的として、駆動区画は、主として、ガススプリングの文脈において本明細書に説明され、本明細書では「ガス区画」、「ガススプリング」、または「ガススプリング区画」と称され得る。いくつかの装置では、駆動区画１６０は、ガススプリングに加えて、またはその代わりに、１つ以上の他の機構を含み得ることを理解されたい。例えば、そのような機構は、１つ以上の機械的スプリング、磁気スプリング、またはそれらの任意の好適な組み合わせを含むことができる。いくつかの装置では、モータとして動作する、高効率的な線形交流機が、含まれ得、それは、圧縮仕事を生成するために、スプリング（空気圧式、動圧式、または機械式）の代わりに、またはそれに加えて使用され得る。いくつかの実施形態では、駆動区画の幾何学形状は、損失を最小化し、駆動区画の効率を最大化するように選択され得ることが、当業者によって理解されるであろう。例えば、駆動区画の直径および／または死容積は、損失を最小化し、駆動区画の効率を最大化するように選択され得る。本明細書で使用される場合、「死容積」は、ピストンアセンブリがＢＤＣ位置にあるときの駆動区画の容積を指す。いくつかの実施形態では、例えば、駆動区画がガスまたは油圧スプリングである場合、区画の直径は、増加させられた効率を提供するために、燃焼区画とは異なり得る。ガススプリングのある実施形態が、図８−１２を参照して以下にさらに詳細に説明される。
【００１５】
燃焼点火が、例えば、圧縮点火および／またはスパーク点火を介して達成されることができる。燃料が、燃料噴射器を介して燃焼チャンバ１３０に直接噴射される（「直接噴射」）、ならびに／または吸気に先立って、および／もしくは吸気中に空気と混合される（「事前混合噴射」）ことができる。機関１００は、炭化水素、水素、アルコール、または上で説明されるような任意の他の好適な燃料を含む、液体燃料、ガス状燃料、またはその両方を使用して、希薄、化学量論的、またはリッチ燃焼で動作することができる。
【００１６】
シリンダ１０５は、物質（固体、液体、ガス、またはプラズマ）を周囲と交換するために、噴射器ポート１７０と、吸気ポート１８０と、排気ポート１８５と、駆動ガス交換ポート１９０とを含み得る。本明細書で使用される場合、用語「ポート」は、シリンダ１０５の内側とその周囲との間の物質交換を可能にする、任意の開口部または開口部の組（例えば、多孔性材料）を含む。図２に示されるポートは、単に、例証的であることを理解されたい。いくつかの装置では、より少ないまたはより多いポートが、使用され得る。上で説明されるポートは、弁を介して開閉されることも、されないこともある。用語「弁」は、選択的に物質を開口部に通すための任意の作動型流量コントローラまたは他の作動型機構を指し得る。弁は、限定ではないが、機械的、電気的、磁気的、カムシャフト駆動式、油圧式、または空気圧式手段を含む、任意の手段によって作動させられ得る。ポートおよび弁の数、場所、およびタイプは、機関構成、噴射方策、およびピストンサイクル（例えば、２または４ストロークピストンサイクル）に依存し得る。いくつかの実施形態では、ポートの物質交換は、物質の交換を可能にするために必要に応じてポートを被覆および／または露出し得る、ピストンアセンブリの移動によって達成され得る。
【００１７】
いくつかの実施形態では、駆動区画１６０の動作は、調節可能であり得る。いくつかの実施形態では、駆動ガス交換ポート１９０は、駆動区画の特性を制御するために利用され得る。例えば、駆動ガス交換ポート１９０は、駆動区画内のガスの量、温度、圧力、任意の他の好適な特性、および／またはそれらの任意の組み合わせを制御するために使用され得る。いくつかの実施形態では、前述の特性のいずれかを調節すること、したがって、シリンダ内の質量を調節することは、ガススプリングの効果的なばね定数を変動させ得る。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０の幾何学形状は、望ましい動作を取得するために調節され得る。例えば、駆動区画１６０の容積は、駆動ガス交換ポート１９０およびその中を流動する駆動ガスの特性を制御することによって、増加または減少させられ得る。いくつかの実施形態では、シリンダ内の死容積は、ガススプリングのばね定数を変動させるように調節され得る。駆動区画１６０およびその中のガスの前述の制御および調節のいずれかが、機関１００の拡張ストローク中に駆動区画１６０によって貯蔵されるエネルギーの量の制御を提供し得ることを理解されたい。駆動区画１６０内のガスの特性の前述の制御が、機関１００の周波数の変動を提供することも理解されたい。
【００１８】
機関１００は、（例えば、圧縮ストローク中、拡張ストローク中、排気ストローク中、および／または吸気ストローク中）ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するための、ＬＥＭ２００の対を含み得る。各ＬＥＭ２００は、電気エネルギーをピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーに直接変換することも可能である。いくつかの実施形態では、ＬＥＭ２００は、機関を始動するために、電気エネルギーをピストンの運動エネルギーに変換し得るが、機関が開始し、その少なくとも一部が拡張ストローク中に駆動区画１６０内に貯蔵され得る十分な燃料化学エネルギーがピストンの運動エネルギーに変換されていると、動作中に電気エネルギーを運動エネルギーに変換する必要はない。いくつかの実施形態では、機関の始動は、例えば、貯蔵された圧縮ガスの使用を含む、任意の他の好適な技法によって達成され得る。例証されるように、ＬＥＭ２００は、固定子２１０と、変換器２２０とを含む。具体的には、変換器２２０は、ピストンロッド１４５に結合され、静止したままであり得る固定子２１０内を線形に移動する。加えて、ＬＥＭ２００は、永久磁石機械、誘導機械、スイッチドリラクタンス機械、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。固定子２１０および変換器２２０の各々は、磁石、コイル、鉄、またはそれらの任意の好適な組み合わせを含むことができる。ＬＥＭ２００は、ピストンの運動エネルギーを電気エネルギーに、およびそれから直接変換する（すなわち、いかなる機械的リンケージも存在しない）ので、機械的および摩擦損失は、従来の機関発電機構成と比較して最小である。さらに、ＬＥＭ２００は、ピストンアセンブリの運動エネルギーの一部をピストンサイクルの任意のストローク中に電気エネルギーに変換するように構成され、機関１００は、後続ストローク中に電気エネルギーに変換され得る、拡張ストロークからのエネルギーを貯蔵するように構成される調節可能な駆動区画１６０を含むので、ＬＥＭ２００は、例えば、ピストンサイクルの単一ストローク内（例えば、拡張ストローク内のみ）での全てのエネルギーの変換を要求するＬＥＭまたは他のデバイスより低い電気容量を有するように構成され得る。故に、いくつかの実施形態では、ＬＥＭ２００の関連付けられる線形交流機および電力電子機器は、サイズ、重量、および／または電気容量を低減させられ得る。これは、当業者によって理解されるであろうように、構成要素の減少させられたサイズおよびコスト、増加させられた効率、増加させられた信頼性、ならびに増加させられた利用をもたらし得る。故に、機関の周波数、したがって、動力出力は、いくつかの実施形態では、増加させられ得る。
【００１９】
各ＬＥＭ２００は、発電機およびモータの両方として動作させられ得ることが、当業者によって理解されるであろう。例えば、ＬＥＭ２００がピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するとき、それらは、発電機として動作する。発電機としての役割を果たすとき、変換器２２０に加えられる力は、ピストンアセンブリ１２０の運動の反対方向におけるものである。逆に、ＬＥＭ２００が電気エネルギーをピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーに変換するとき、それらは、モータとして動作する。モータとしての役割を果たすとき、変換器２２０に加えられる力は、ピストンアセンブリ１２０の運動と同一の方向におけるものである。参照を容易にするために、図２および対応する図の中心線（噴射器ポート１７０に近接する）は、起点と見なされ、各ピストンアセンブリに対して、正の方向は、中心から外向き方向に離れ得る。
【００２０】
図２に示される実施形態は、２ストロークピストンサイクルを使用して動作する。図２の２ピストン統合型ガススプリング機関１００の２ストロークピストンサイクル３００を例証する図が、図３に例証される。図３に例証されるように、機関１００は、圧縮ストロークおよび動力ストロークを含む２ストロークピストンサイクルを使用して動作し、ピストンは、圧縮ストロークに先立ってＢＤＣに位置し、動力ストロークに先立って上死点ＴＤＣに位置し得る。２ピストン実施形態を参照して本明細書で使用される場合、ＢＤＣは、ピストンが互いから最も遠い点を指し得る。２ピストン実施形態を参照して本明細書で使用される場合、ＴＤＣは、ピストンが互いに最も近接する点を指し得る。ＢＤＣにあるとき、またはそれに近接するとき、かつ駆動区画が圧縮仕事を提供するために使用されるべきである場合、駆動区画１６０内のガスの圧力は、燃焼区画１３０の圧力を上回り、それは、ピストン１２５をＢＤＣから離れるように、互いに向かって内向きに、すなわち、負の方向に押し進める。駆動区画１６０内のガスは、圧縮ストロークを実施するために要求されるエネルギーの一部または全てを提供するために使用されることができる。上で説明されるように、いくつかの実施形態では、ピストン１２５は、機械的スプリング、磁気スプリング、または圧縮仕事を提供するために使用され得る任意の他の好適な機構を含む、任意の他の好適な機構によって、ＢＤＣから離れるように押し進められ得る。ＬＥＭ２００も、圧縮ストロークを実施するために要求されるエネルギーの一部を提供し得るが、好ましい実施形態では、十分なエネルギーが燃焼中に生産されている場合、十分なエネルギーが、駆動区画１６０内に貯蔵され得、その結果、駆動区画１６０内に貯蔵されたエネルギーがピストンに伝達され、必要圧縮仕事を提供し得るので、ＬＥＭ２００は、いずれの電気エネルギーもピストン１２５の運動エネルギーに変換する必要はない。ＬＥＭ２００はまた、圧縮ストローク中にエネルギーを抽出し得る。例えば、駆動区画１６０内のガス（または上で説明されるような他の好適な手段）が、圧縮ストロークを実施するための過剰なエネルギーを提供する場合、ＬＥＭ２００は、ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換し得る。
【００２１】
圧縮ストロークを実施するために要求されるエネルギーの量は、所望される圧縮比、圧縮ストロークの開始時の燃焼区画１３０の圧力および温度、ならびにピストンアセンブリ１２０の質量に依拠し得る。上で説明されるように、駆動区画１６０は、圧縮ストロークのために必要とされるエネルギーの全てを提供し得、したがって、（ＬＥＭ２００または任意の他の源からの）いかなる他のエネルギー入力も、必要ではない。いくつかの実施形態では、一部のエネルギーが、圧縮ストローク中に入力され得るが、圧縮ストロークの正味エネルギーは、依然として正である。圧縮ストロークは、燃焼が起こるまで継続し、それは、典型的には、ピストン１２５の速度がゼロになるか、またはほぼゼロのときに起こる。燃焼は、燃焼区画１３０内の温度および圧力の増加を引き起こし、それは、ピストン１２５をＬＥＭ２００に向かって外向きに押し進める。動力ストローク中、ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーの一部は、ＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換され得、運動エネルギーの別の部分は、駆動区画１６０内のガス（または他の圧縮機構）に圧縮仕事を行う。代替として、ピストンアセンブリの運動エネルギーの全ては、駆動区画１６０内に貯蔵され得る。動力ストロークは、ピストン１２５の速度がゼロになるまで継続する。動力ストロークの後、後続圧縮ストロークの前に、ピストン１２５は、ＢＤＣにあるか、またはその近くにあり、機関は、燃焼生産物を排気し、空気、空気／燃料混合物、または空気／燃料／燃焼生産物混合物を吸気し得る。このプロセスは、本明細書では「ブリージング」または「ＢＤＣにおける、またはそれ近くのブリージング」と称され得る。ブリージングは、先に参照され、組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるように、単一フローまたはクロスフロー掃気等の任意の好適な様式で達成され得ることが、当業者によって理解されるであろう。動力ストローク後に起こるものとして説明されているが、いくつかの実施形態では、ブリージングは、動力ストロークの終了時および／または圧縮ストロークの開始時に起こり得ることも理解されたい。同様に、いくつかの実施形態では、燃焼は、圧縮ストロークの終了時および／または動力ストロークの開始時に起こり得る。
【００２２】
図３は、吸気ポート１８０および排気ポート１８５がＢＤＣに近接する両方のピストンの前にある、一例示的ポート構成３００を例証する。排気ポート１８５ならびに吸気ポート１８０の開放および閉鎖は、独立して制御され得る。排気ポート１８５および吸気ポート１８０の場所は、ある範囲の圧縮比および／または拡張比が可能であるように選定されることができる。排気ポート１８５および吸気ポート１８０が起動（開放および閉鎖）されるときのサイクル中の時間は、圧縮比および／または拡張比、および／または、圧縮ストローク開始時に燃焼区画１３０内に保持される燃焼生産物の量を変動させるために、サイクル中および／またはサイクル間に調節されることができる。燃焼区画１３０内に燃焼ガスを保持することは、残留ガストラッピング（ＲＧＴ）と呼ばれ、燃焼タイミング、ピーク燃焼温度、ならびに他の燃焼および機関性能特性をもたらすために利用されることができる。
【００２３】
２ストロークサイクルの動作が、上で説明されているが、図２の実施形態はまた、吸気ストロークと、圧縮ストロークと、動力（拡張）ストロークと、排気ストロークとを含む、４ストロークピストンサイクルを使用して動作させられ得る。いくつかの実施形態では、任意の好適な修正が、４ストロークピストンサイクルを使用して動作するために成され得る。例えば、先に参照され、組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるように、ポートの場所が、４ストロークピストンサイクルを使用して機関を動作させるために修正され得る。
【００２４】
いくつかの実施形態では、４ストロークピストンサイクルにおいて、ちょうど上で説明される２ストロークサイクルのように、駆動区画１６０は、圧縮ストロークのために必要な仕事の全てを提供し得る。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０は、圧縮ストローク中の正味電気エネルギー入力を回避するために十分な仕事を提供し得る。圧縮ストロークは、燃焼が起こるまで、例えば、ピストン１２５の速度がゼロになるか、またはほぼゼロになるまで継続し得る。動力ストロークが、燃焼に続き得、ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーは、２ストロークサイクルに関して上で説明されるように、駆動区画１６０内に貯蔵され、および／またはＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換され得る。動力ストロークＢＤＣにおける、またはそれに近いある点で、排気ポートが、開放され得、排気ストロークは、ピストン１２５の速度が、そのサイクルに対する排気ストロークＴＤＣをマーキングするゼロになるまで、またはほぼゼロになるまで起き得る。上で説明されるように、動力ストローク中に駆動区画１６０内に貯蔵されるエネルギーは、排気ストロークを実施するために要求される仕事を提供し得る。排気ストロークＴＤＣに到達することに先立つある点で、燃焼区画１３０は、排気弁を閉鎖する一方、シリンダ内には依然として排気が存在する。いくつかの実施形態では、この閉じ込められた排気ガスは、後続吸気ストロークを実施するために十分なエネルギーを貯蔵し得る。動力ストロークのように、ピストンアセンブリ１２０の運動エネルギーは、吸気ストローク中に駆動区画１６０内に貯蔵され、および／またはＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換され得、それは、ピストン１２５の速度がゼロになるまで起こる。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０は、後続圧縮ストロークを実施するために、吸気ストローク中に十分なエネルギーを貯蔵し得る。いくつかの実施形態では、後続圧縮ストロークまたは後続排気ストロークのために要求される量を超えて駆動区画内に貯蔵されるエネルギーの任意の好適な量が、ＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換され得る。
【００２５】
図４は、本開示の原理による、代替２ピストン、分離型ガススプリング、分離型ＬＥＭの機関を例証する断面図である。例証される構成は、単に、実施例を目的としており、２ピストン、分離型ガススプリング、分離型ＬＥＭの機関の任意の他の好適な構成が、本開示に従って使用され得ることを理解されたい。機関４００は、主要シリンダ１０５と、２つの対向するピストンアセンブリ１２０と、主要シリンダ１０５の中心に位置する燃焼区画１３０とを含む。例証される機関４００は、機関１００と比較されると、ある物理的差異を有する。具体的には、機関４００は、追加のピストン１２５を含む外側シリンダ４０５の対を含み、ＬＥＭ２００は、主要シリンダ１０５と外側シリンダ４０５との間に配置される。各外側シリンダ４０５は、ピストン１２５と外側シリンダ４０５の遠位端との間に位置する駆動区画４１０と、ピストン１２５と外側シリンダ４０５の近位端との間に位置する駆動後面区画４２０とを含む。主要シリンダ１０５は、ピストン１２５と主要シリンダ１０５の遠位端との間に配置される、燃焼後面区画４３０の対を含む。いくつかの実施形態では、駆動後面区画４２０および燃焼後面区画４３０は、大気圧に、またはそれに近く維持される。いくつかの実施形態では、駆動後面区画４２０および燃焼後面区画４３０は、大気圧に、またはそれに近く維持されない。例証される構成では、主要シリンダ１０５は、ブローバイガスの除去のためのポート４４０と、噴射器ポート１７０と、吸気ポート１８０と、排気ポート１８５とを有する。駆動ガス交換ポート１９０が、外側シリンダ４０５に位置する。各ピストンアセンブリ１２０は、２つのピストン１２５と、ピストンロッド１４５とを含む。ピストンアセンブリは、図４に描写されるように、主要シリンダ１０５と外側シリンダ４０５との間を自由に線形に移動する。図４の実施形態は、例えば、図３に関して上記に記載されるような方法論を使用する２ストロークピストンサイクル、ならびに上記および先に参照され、組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるような４ストロークピストンサイクルを使用して動作し得ることを理解されたい。
【００２６】
図２および３の構成は、示されるように、機関１００と称され、シリンダ１０５、ピストンアセンブリ１２０、およびＬＥＭ２００によって画定される単一ユニットを含む。同様に、図４の構成は、示されるように、機関４００と称され、主要シリンダ１０５、ピストンアセンブリ１２０、外側シリンダ４０５、およびＬＥＭ２００によって画定される単一ユニットを含む。しかしながら、複数のユニットが、並列に配置されることができ、それは、集合的に「機関」と称され得る。機関ユニットが並列に動作するこのタイプのモジュール式配置は、機関のスケールがエンドユーザによって必要に応じて増加させられることを可能にするために使用され得る。加えて、全てのユニットが、同一サイズであること、同一条件（例えば、周波数、化学量論、またはブリージング）下で動作すること、または同時に動作することは必要ではない（例えば、１つまたはいくつかのユニットは、１つまたはいくつかの他のユニットが動作する間、無効にされ得る）。ユニットが並列で動作させられるとき、限定ではないが、ユニット間のガス交換、および／またはユニットのそれぞれのＬＥＭ間のフィードバック等、機関間の統合の潜在性が存在する。
【００２７】
図５−７は、ガススプリングがピストンアセンブリの内側に統合され、ＬＥＭが燃焼シリンダから分離された統合型内部ガススプリングを特徴とするさらなる実施形態を例証する。図５−７に例証されるように、統合型内部ガススプリング（ＩＩＧＳ）アーキテクチャは、図２−３に例証される分離型ＬＥＭアーキテクチャを伴う統合型ガススプリングに長さが類似し得る。しかしながら、ＩＩＧＳアーキテクチャは、完全統合型ガススプリングおよびＬＥＭアーキテクチャ内でも起こる、ガススプリングに進入する燃焼区画からのブローバイガスに関する問題を排除し得る。
【００２８】
図５は、本開示のいくつかの実施形態による、単一ピストン、統合型内部ガススプリング機関を例証する断面図である。燃焼区画１３０等の多くの構成要素は、先の実施形態（例えば、図１および２）における構成要素と類似し、適宜、標識化される。機関５００は、シリンダ１０５の底部端に近接する燃焼区画１３０内の反応に応答して、シリンダ１０５内を移動するように寸法決定されるピストンアセンブリ５２０を伴うシリンダ１０５を備えている。ピストンアセンブリ５２０は、ピストン５３０と、ピストンシール５３５と、スプリングロッド５４５とを備えている。ピストンアセンブリ５２０は、シリンダ１０５内を自由に線形に移動する。例証される実施形態では、ピストンロッド５４５は、軸受５６０に沿って移動し、シリンダ１０５に固定されるピストンロッドシール５５５によってシールされる。シリンダ１０５は、空気、燃料、排気ガス、空気／燃料混合物、および／もしくは空気／排気ガス／燃料混合物の吸気、燃焼生産物の排気のための排気／噴射器ポート５７０、５８０、ならびに／または噴射器を含む。いくつかの実施形態は、図５に描写されるポートの全てを要求するわけではない。ポートの数およびタイプは、機関構成、噴射方策、およびピストンサイクル（例えば、２または４ストロークピストンサイクル）に依存する。
【００２９】
例証される実施形態では、機関５００はさらに、ピストンアセンブリ５２０の運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するための、ＬＥＭ５５０（固定子２１０および磁石５２５を含む）を備えている。ＬＥＭ５５０は、図２−４に関して上で説明されるＬＥＭ２００と実質的に同一に動作するように構成され得ることを理解されたい。
【００３０】
さらに図５を参照すると、ピストン５３０は、中実前面区画（燃焼器側）と、中空後面区画（ガススプリング側）とを備えている。ピストン５３０の前面とスプリングロッド５４５との間のピストンアセンブリ５２０の中空区画の内側のエリアは、ガススプリング１６０としての役割を果たし、圧縮ストロークを実施するために要求される仕事の少なくとも一部を提供するガスを備えている。ピストン５３０は、燃焼器区画１３０およびＬＥＭ５５０の固定子２１０内を線形に移動する。ピストンの運動は、一体軸受、油圧軸受、および／または空気軸受であり得る軸受５６０、５６５によって誘導される。例証される実施形態では、機関５００は、外部軸受５６０および内部軸受５６５の両方を含む。特に、外部軸受５６０は、燃焼区画１３０とＬＥＭ５５０との間に位置し、内部軸受５６５は、ピストン５３０の中空区画の内側に位置する。外部軸受５６０は、外部から固定され、ピストン５３０と連動しない。内部軸受５６５は、ピストン５３０に固定され、スプリングロッド５４５に対して、ピストン５３０と連動する。
【００３１】
継続して図５を参照すると、スプリングロッド５４５は、ガススプリング１６０のための１面としての役割を果たし、外部から固定される。スプリングロッド５４５は、ガススプリング区画１６０内にガスを保つ目的を果たす、その端部に、またはその近くに位置する少なくとも１つのシール５８５を有する。磁石５２５は、ピストンアセンブリ５２０の後面に取り付けられ、ＬＥＭ５５０の固定子２１０内でピストンアセンブリ５２０とともに線形に移動する。ピストンアセンブリ５２０は、ガスをそれぞれの区画内に保つためのシールを有し得る。例証される実施形態は、（ｉ）ガスが燃焼区画１３０から伝達しないように、その前端において、またはその近くでピストン５３０に固定される前面シール５３５と、（ｉｉ）シリンダ１０５に固定され、吸気ガスおよび／またはブローバイガスが周囲に伝達しないように保つ後面シール５５５とを含む。
【００３２】
図６は、本開示のいくつかの実施形態による、ガススプリングロッドの実施形態を例証する断面図である。具体的には、スプリングロッド６４５は、中心管腔６１０を含み、中心管腔６１０は、ガススプリング区画１６０と、周囲と連通するリザーバ区画６２０との間で質量が伝達されることを可能にする。周囲との連通は、弁６３０を通して制御される。ガススプリング６４５内の質量は、本開示のいくつかの実施形態による、ガススプリング６４５内の圧力を制御するように調整され得る。
【００３３】
図７は、本開示のいくつかの実施形態による、２ピストン、統合型内部ガススプリング機関を例証する断面図である。２ピストン実施形態の要素の殆どは、図５の単一ピストン実施形態のものと類似し、同様の要素が、適宜、標識化される。加えて、単一および２ピストン実施形態の動作特性は、線形交流機、ブリージング、燃焼方策等の全ての側面を含む、先の実施形態に説明されるものと類似する。
【００３４】
上で説明されるように、駆動区画は、ガススプリングとして実装され得、当業者が理解するであろうような１つ以上の他の機構を含み得る。駆動区画の種々の実装が、図８−１２を参照して以下に説明される。図８−１２に例証される駆動区画および関連付けられる機構のいずれかが、図２−７に説明される自由ピストン機関または駆動区画を伴う任意の他の好適な自由ピストン機関において好適に実装され得ることが、当業者に理解されるであろう。
【００３５】
図８は、本開示のいくつかの実施形態による、受動弁を伴う入口ポート（「受動入口ポート」と称される）を伴うガススプリングを例証する断面図である。図８に描写されるように、ガススプリング８１０は、ピストンアセンブリ８２０と接触する。いくつかの実施形態では、ピストンアセンブリ８２０は、図２−４に関して上で説明されるような燃焼区画と接触する自由ピストンアセンブリであり得ることを理解されたい。図２−４に描写される駆動区画に関して上で説明されるように、ガススプリング８１０は、エネルギーを貯蔵し、エネルギーを提供し、燃焼の使用を伴うことなくピストンアセンブリ８２０を変位させることが可能であり得る。例えば、エネルギーは、拡張ストローク中にピストンアセンブリ８２０によって、その中のガスの圧縮の結果としてガススプリング８１０内に貯蔵され得、貯蔵されたエネルギーは、ピストンアセンブリ８２０を変位させることにより、圧縮ストロークまたは排気ストローク等の後続ストロークを実施するために使用され得る。
【００３６】
いくつかの実施形態では、ガススプリング８１０の動作を調節することが、望ましくあり得る。例えば、いくつかの実施形態では、ガススプリングにガスを追加すること、またはそれからガスを除去することによって、ガススプリングの圧力を調節することが、望ましくあり得る。故に、図８に描写されるように、吸気マニホールド８３０が、入口ポート８４０を介してガススプリング８１０に補給ガス８７５を提供するように構成され得る。吸気マニホールド８３０は、空気コンプレッサ等の任意の好適な加圧ガス源に結合され得、該ガスの圧力は、任意の好適な技法および機構によって制御され得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、入口ポート８４０の開放および閉鎖は、受動弁８５０の動作によって決定づけられ得る。描写されるように、弁８５０は、機械的スプリング８６０に結合され得る。いくつかの実施形態では、弁８５０は、機械的スプリング８６０によって閉位置に付勢され得、ガススプリング８１０内のガスの圧力または吸気マニホールド８３０内のガスの圧力の変化に基づいて開位置に移動し得る。例えば、弁８５０は、弁８５０の後面８５２に加えられる力が、弁８５０の前面８５４に加えられる力を上回ると、開位置に移動し得る。後面８５２に加えられる力は、吸気マニホールド８３０内のガスの圧力、後面８５２の面積、機械的スプリング８６０に関連付けられるばね定数、および弁を閉位置から開位置に移動させるために要求される距離に依存し得、前面８５２に加えられる力は、ガススプリング８１０内のガスの圧力および前面８５４の面積に依存し得る。故に、いくつかの実施形態では、ガススプリング内のガスの圧力が、ある閾値を過ぎて最小まで減ると、機械的スプリング８６０は、「クラック」し、弁８５０を開位置に移動させ、ガススプリング８１０内のガスの圧力が、弁８５０を閉位置に戻るように移動させるために十分になるまで、補給ガス８７５が入口ポート８４０を通って流動することを可能にし得る。当業者が理解するであろうように、前面８５４および後面８５２の面積、機械的スプリング８６０のばね定数、ならびに弁を閉位置から開位置に移動させるために要求される距離は、上で説明されるように弁８５０を開放させ得る関連する「クラッキング圧力」を決定するように選択および／または設計され得る。図８に示される簡略化された機械的スプリングは、例証的であり、いくつかの実施形態では、限定ではないが、１つ以上の圧縮スプリング、引っ張りスプリング、トージョンスプリング、およびそれらの任意の組み合わせを含む任意の好適なスプリングまたは複数のスプリングが、その代わりに、またはそれに加えて使用され得ることを理解されたい。例えば、機械的スプリングは、１つ以上のコイルもしくは螺旋圧縮スプリング、１つ以上のコイルもしくは螺旋引っ張りスプリング、１つ以上のコイルもしくは螺旋トージョンスプリング、１つ以上のリーフスプリング、任意の他の好適なスプリング、およびそれらの任意の好適な組み合わせを含み得る。
【００３７】
図９は、本開示のいくつかの実施形態による、能動弁を伴う入口ポート（「能動入口ポート」と称される）を伴うガススプリングを例証する断面図である。上で説明される図８と同様に、図９は、ピストンアセンブリ９２０と接触するガススプリング９１０を描写する。図８のピストンアセンブリ８２０に関して上で説明されるように、いくつかの実施形態では、ピストンアセンブリ９２０は、図２−４に関して上で説明されるような燃焼区画と接触する自由ピストンアセンブリであり得、ガススプリング９１０は、エネルギーを貯蔵し、エネルギーを提供し、燃焼の使用を伴うことなくピストンアセンブリ９２０を変位させることが可能であり得る。
【００３８】
ガススプリング９１０は、上で説明されるガススプリング８１０と同様に動作し、吸気マニホールド９３０が、入口ポート９４０を介してガススプリング９１０に補給ガス９７５を提供するように構成され得る。いくつかの実施形態では、入口ポート９４０の開放および閉鎖は、能動弁９５０の動作によって指示され得る。図８に描写される弁８５０に反して、弁９５０は、電気的アクチュエータ、機械的アクチュエータ、またはその両方を含む、任意の好適なアクチュエータによって加えられる力によって能動的に作動させられるように構成され得る。例えば、電気的アクチュエータが、コントローラに結合され得、それは、アクチュエータに弁９５０に対して力を加えるための制御信号を生成し、これを閉位置から開位置に、または開位置から閉位置に移動させ得る。いくつかの実施形態では、随意の機械的スプリング９６０が、弁９５０に結合され得、デフォルトで開位置または閉位置になるように弁を付勢し得る。
【００３９】
図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、吸気ポートを伴うガススプリングを例証する断面図である。上で説明される図８および９と同様に、図１０は、ピストンアセンブリ１０２０と接触する駆動区画またはガススプリング１０１０を描写する。図８のピストンアセンブリ８２０に関して上で説明されるように、いくつかの実施形態では、ピストンアセンブリ１０２０は、図２−４に関して上で説明されるような燃焼区画と接触する自由ピストンアセンブリであり得、ガススプリング１０１０は、エネルギーを貯蔵し、エネルギーを提供し、燃焼の使用を伴うことなくピストンアセンブリ１０２０を変位させることが可能であり得る。図１０は、ガスをガススプリング１０１０に提供するために利用され得る入口ポート１０３０を描写する。入口ポート１０３０は、コンプレッサ等の任意の好適な加圧ガス源に結合され得、加圧ガスの圧力は、任意の好適な技法および機構によって制御され得ることを理解されたい。当業者によって理解されるであろうように、ガススプリング１０１０へのガスの流動は、入口ポート１０３０に提供されるガスの圧力を制御することによって制御され得る。例えば、いくつかの実施形態では、入口ポート１０３０に提供されるガスの圧力が、ガススプリング１０１０内のガスの圧力を上回る場合、ガスは、入口ポート１０３０を介してガススプリング１０１０に流入し得る。故に、いくつかの実施形態では、ガススプリング１０１０内のガスの圧力は、任意の好適な圧力センサによって検出され得、入口ポート１０３０を介して提供されるガスの圧力を制御することによって調節され得る。上で説明されるように、いくつかの実施形態では、駆動区画および燃焼区画、順に、入口ポート１０３０は、大気圧に、またはその近くに維持され得る。そのような実施形態では、ガスは、ピストンアセンブリ１０２０と周辺筐体との間の任意のクリアランスを過ぎて漏出する傾向にない可能性が高いであろうため、シール１０４０は、随意であり得ることを理解されたい。しかしながら、いくつかの実施形態では、駆動区画、燃焼区画、および入口ポート１０３０は、大気圧に、またはその近くに維持される必要はない。いくつかの実施形態では、例えば、入口ポートが実質的に大気圧を上回って維持される場合、シール１０４０は、ピストンアセンブリ１０２０と周辺筐体との間の任意のクリアランスを通って、ガスが駆動区画１０１０から離れ浪費されることを避けるために使用され得る。
【００４０】
図１１は、本開示のいくつかの実施形態による、調節可能ヘッドを伴うガススプリングを例証する断面図である。図１０と同様に、図１１は、ピストンアセンブリ１１２０と接触する駆動区画またはガススプリング１１１０、ガスをガススプリング１１１０に提供するために利用され得る入口ポート１１３０、およびガスが逃散することを避けるための随意のシール要素１１６０を描写する。図１１はまた、調節可能ヘッド１１４０および対応するシール要素１１５０を描写する。いくつかの実施形態では、調節可能ヘッド１１４０は、ガススプリング１１１０の幾何学形状を変更するように構成され得る。例えば、調節可能ヘッド１１４０は、ガススプリング１１１０の死容積を増加または減少させるために、矢印によって示される方向に平行移動するか、または別様に延長もしくは後退し得る。調節可能ヘッド１１４０の平行移動、延長、後退、または他の好適な変形は、調節可能ヘッド１１４０に結合されるコントローラによって制御され得る。ガスがシール要素１１５０および／または随意のシール要素１１６０の使用によってガススプリング１１１０内に保たれる限り、死容積を制御することによって、ガススプリング１１１０内のガスの圧力も、制御され得ることを理解されたい。故に、調節可能ヘッド１１４０は、いくつかの実施形態による、ガススプリング１１１０の追加の制御および調節を可能にし得る。上で説明されるようなガススプリングの制御および調節は、ガススプリングの効果的なばね定数の制御を可能にし得ることを理解されたい。
【００４１】
図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、調節可能構成要素を伴うガススプリングを例証する断面図である。図１０および１１と同様に、図１２は、ピストンアセンブリ１２２０と接触するガススプリング１２１０、ガスをガススプリング１２１０に提供するために利用され得る入口ポート１２３０、およびガスが逃散することを避けるための随意のシール要素１２５０を描写する。図１２はまた、調節可能構成要素１２４０を描写する。例証目的のために３つの構成要素として示されているが、任意の好適な数および構成の調節可能構成要素１２４０が、本開示の実施形態に従って使用され得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、調節可能構成要素１２４０は、ガススプリング１２１０の幾何学形状を変更するように構成され得る。例えば、調節可能構成要素１２４０は、ガススプリング１２１０の死容積を増加または減少させるために、矢印によって示される方向に平行移動するか、または別様に延長もしくは後退するように構成される、ねじ、ボルト、つまみ、または他の機械的構造であり得る。調節可能構成要素１２４０の平行移動、延長、後退、または他の好適な変形は、調節可能構成要素１２４０に結合されるコントローラによって制御され得る。死容積を制御することによって、ガススプリング１２１０内のガスの圧力も、制御され得ることを理解されたい。故に、調節可能構成要素１２４０は、いくつかの実施形態による、ガススプリング１２１０の追加の制御および調節を可能にし得る。上記に留意されるように、上で説明されるようなガススプリングの制御および調節は、ガススプリングの効果的なばね定数の制御を可能にし得ることを理解されたい。
【００４２】
図１３は、本開示のいくつかの実施形態による、自由ピストン機関の位置、力、および動力プロファイルを例証する、図である。示されるように、図は、圧縮ストロークおよび動力ストロークを含む２ストロークピストンサイクルを伴う自由ピストン機関に対して、例示的な位置１３２０、力１３４０、および動力１３６０の経時的なプロファイルを例証する。図１３に標識化されるような位置プロファイル１３２０を参照すると、参照を目的として、正の方向は、ＴＤＣからＢＤＣへの方向に対応する。例えば、図２−４の自由ピストンアセンブリでは、中心線は、起点に対応し、中心線から離れる方向は、各自由ピストンアセンブリに対して正の方向であろう。位置プロファイル１３２０によって分かり得るように、ピストンアセンブリは、ＢＤＣにおいて圧縮サイクルを開始し、ＴＤＣに進行し、その点において動力サイクルが、開始する。動力サイクル中、ピストンアセンブリは、ＢＤＣに戻るように進行する。
【００４３】
力プロファイル１３４０を参照すると、力は、ＴＤＣからＢＤＣへの方向に加えられるとき、正である。例えば、図２−４の自由ピストンアセンブリでは、中心線から離れる方向に加えられる力が、正の力であろう。力プロファイル１３４０において分かり得るように、圧縮サイクル中、比較的に一定の正の力が、ピストンアセンブリに加えられ得、動力サイクル中、力は、（中心線に向かう方向において）負であり得る。加えられる力は、一定である必要はなく、いくつかの実施形態では、可変力プロファイルが、例えば、比較的に一定の動力出力を生産するために加えられ得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、本明細書に描写されるように、力は、ピストンアセンブリ速度が比較的に低いとき、そのように行うことの非効率性に起因して、加えられない場合があることも理解されたい。
【００４４】
動力出力は、ピストンアセンブリの力および速度の負の積である。動力プロファイル１３６０を具体的に参照すると、例証される理想的な場合、いかなる動力も、ピストンサイクルの圧縮および動力ストロークを実施するために、システムに入力される必要はないことが分かり得る。むしろ、上で説明されるように、理想的な場合、圧縮ストローク中にシステムへの追加のエネルギー入力を伴わずに後続圧縮ストロークを実施するために、十分なエネルギーが、動力ストローク中に少なくとも１つの駆動区画内に貯蔵される。
【００４５】
理想的なシナリオでは、図１３に関して説明されるように、圧縮および動力ストロークの動作中にどんな動力入力も回避することが望ましくあり得るが、いくつかの実施形態では、ある程度の動力入力を提供することが、必要であるか、または望ましくあり得る。故に、図１４は、本開示のいくつかの実施形態による、自由ピストン機関の位置、力、および動力プロファイルを例証する別の図である。図１３と同様に、図１４は、圧縮ストロークおよび動力ストロークを含む２ストロークピストンサイクルを伴う自由ピストン機関に対して、例示的な位置１４２０、力１４４０、および動力１４６０の経時的なプロファイルを例証する。位置プロファイル１４２０は、概して、図１３に例証される位置プロファイル１３２０のものと類似するが、力プロファイル１４４０および動力プロファイル１４６０は、図１３に例証されるものと異なり得ることを理解されたい。圧縮ストローク中の力プロファイル１４４０を参照すると、１４０２において、力が、短い期間、にわたって、元々加えられたものと反対方向に加えられ得ることが分かり得る。これは、動力プロファイル１４６０においても反映され、同一の短い期間、にわたる動力入力を示す負の動力が、１４０４に見られ得る。この加力および動力入力は、いくつかの理由から起こり得るが、いくつかの実施形態では、これは、ピストンアセンブリの速度を制御するために、または別様に動力ストロークの前にピストンアセンブリが適切なＴＤＣに到達することを確実にするために行われ得る。例えば、力が、ピストンアセンブリの速度を増加させるために加えられ得る。同様に、動力ストローク中の力プロファイル１４４０をさらに参照すると、１４０６において、力が、短い期間、にわたって動力ストロークの残りと反対方向に適用され得ることが分かり得、これは、動力プロファイル１４６０においても反映され、同一の短い期間、にわたる動力入力を示す負の動力が、１４０８に見られ得る。上で説明されるように、この加えられる力および入力される動力は、いくつかの理由から起こり得るが、いくつかの実施形態では、ピストンアセンブリの速度を制御するために、または別様に後続圧縮ストロークの前にピストンアセンブリが適切なＢＤＣ点に到達することを確実にするために、力が、このように加えられ、動力が、入力され得る。例えば、力が、上で説明されるように、ピストンアセンブリの速度を増加させるために加えられ得る。
【００４６】
図１４に関して説明される圧縮および／または動力ストローク中に入力される動力の提供は、必ずしも、理想的な動作ではないが、各ストロークにわたる正味電気エネルギー出力は、依然としてゼロを上回る（すなわち、いかなる正味電気エネルギー入力も各ストロークにわたって存在しない）ことを理解されたい。これは、動力プロファイル１４６０から明白であり、ゼロを下回る曲線の面積を減算されるゼロを上回る曲線の面積によって示される、各ストロークにわたる積分が、実質的にゼロを上回ることが分かり得る。故に、各ストロークにわたってシステムによって出力される電気エネルギーの量は、上で説明されるように、ピストンアセンブリ位置を制御するために入力される電気エネルギーを上回る。本明細書で使用される場合、「正味電気エネルギー」は、図２−４に関して上で説明されるもの等のＬＥＭへの、またはそれからの電気エネルギー伝達を指す。いくつかの実施形態では、ＬＥＭは、電力電子機器（例えば、任意のＤＣバス、ＩＧＢＴ、および／または任意の他の好適な構成要素を含む）および／またはグリッドタイインバータに結合される固定子を含み得る。故に、いくつかの実施形態では、一部の電気エネルギーが、ＬＥＭに結合される電力電子機器および／またはグリッドタイインバータを介してＬＥＭに入力され得るが、上で説明されるような所与のストロークにわたる正味電気エネルギーは、ＬＥＭから電力電子機器および／またはグリッドタイインバータに出力されるであろう。
【００４７】
記載されるように、図２−４に関して上で説明される実施形態は、２ピストン、単一燃焼区画、２ストローク内燃機関１００を含む。概して、自由ピストン燃焼機関に適用可能な制御システムが、以下に説明され、対応する図に例証される。故に、上で説明されるように、制御システムは、先に参照され、組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるもの等の他の自由ピストン燃焼機関アーキテクチャに適用可能である。当業者によって理解されるであろうように、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の修正および代替構成が、利用され得、他の変更が、成され得る。例えば、図２−４に関して上で説明される２ピストンアーキテクチャに加えて、本明細書に説明される制御システムは、例えば、単一ピストンアーキテクチャに適用可能である。同様に、図３に関して上で説明される２ストローク機関に加えて、本明細書に説明される制御システムはまた、例えば、４ストローク機関にも適用可能である。
【００４８】
上記の開示から、駆動区画は、例えば、ＬＥＭからの拡張ストロークに続くストローク中の電気エネルギー入力または正味電気エネルギー入力のいずれの必要性も回避するように（例えば、制御回路として含め）構成され得ることを理解されたい。ある条件下のみに一致してエネルギー入力のためのＬＥＭの使用を回避することと対照的に、いくつかの実施形態では、自由ピストン機関は、拡張ストロークに続いて起こるストローク（例えば、動力ストロークに続く圧縮ストローク）中の正味エネルギー入力を回避することを目的として特に構成され得る。いくつかの実施形態では、自由ピストン機関は、必然的に、拡張ストロークに続くストロークが正味電気エネルギー入力を伴わずに実施されるように特に構成され得る。
【００４９】
図１５は、本開示のいくつかの実施形態による、ピストン機関１５４０のための制御システム１５１０を有する例証的ピストン機関システム１５００のブロック図である。ピストン機関１５４０は、例えば、図２−７に関して上で説明されるような任意の好適な自由ピストン機関であり得る。制御システム１５１０は、ピストン機関１５４０に結合される１つ以上のセンサ１５３０と通信し得る。制御システム１５１０は、ピストン機関１５４０の側面または特性を調節するために使用され得る、補助システム１５２０と通信するように構成され得る。いくつかの実施形態では、２つ以上のピストン機関が、制御システム１５１０によって制御され得る。例えば、制御システム１５１０は、任意の数のピストン機関に対応する補助システムおよびセンサと通信するように構成され得る。いくつかの実施形態では、制御システム１５１０は、ユーザインターフェースシステム１５５０を介してユーザと相互作用するように構成され得る。
【００５０】
制御システム１５１０は、処理機器１５１２、通信インターフェース１５１４、センサインターフェース１５１６、制御インターフェース１５１８、任意の他の好適なコンポーネントもしくはモジュール、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。制御システム１５１０は、少なくとも部分的に、１つ以上の集積回路、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ、コンピュータ、端末、制御ステーション、ハンドヘルドデバイス、モジュール、任意の他の好適なデバイス、またはそれらの任意の組み合わせにおいて実装され得る。いくつかの実施形態では、制御システム１５１０のコンポーネントは、図１５に示されるように、個々の通信リンクまたは通信バス１５１１を介して、通信可能に結合され得る。処理機器１５１２は、センサインターフェース１５１６によってセンサ１５３０から受信されるようなピストン機関１５４０に関する情報を処理するように（例えば、ソフトウェアを使用して、またはハードワイヤードで）構成され得る、１つ以上のプロセッサ（例えば、中央処理ユニット）、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、任意の他の好適なハードウェアコンポーネント、またはそれらの任意の組み合わせ等の任意の好適な処理回路を含み得る。センサインターフェース１５１６は、センサ１５３０に電力を供給するための電力供給源、信号調整器、信号プレプロセッサ、任意の他の好適なコンポーネント、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。例えば、センサインターフェース１５１６は、センサ１５３０からの信号を調整ならびに事前処理するためのフィルタ、増幅器、サンプラ、およびアナログ／デジタルコンバータを含み得る。センサインターフェース１５１６は、（例えば、ＩＥＥＥ  ８０２．３イーサネット（登録商標）またはユニバーサルシリアルバスインターフェースを使用する）有線接続、（例えば、ＩＥＥＥ  ８０２．１１「Ｗｉ−Ｆｉ」またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を使用する）無線結合、光学結合、誘導結合、任意の他の好適な結合、またはそれらの任意の組み合わせであり得る通信結合１５１９を介して、センサ１５３０と通信し得る。制御システム１５１０、より具体的には、処理機器１５１２は、関連する時間スケールにわたってピストン機関１５４０の制御を提供するように構成され得る。例えば、１つ以上の温度の変化は、１つ以上の検出された機関動作特性に応答して制御可能であり得、制御は、ピストン機関の動作に関連する時間スケールで提供され得る（例えば、過熱および／もしくはコンポーネント故障を防止し、以下に説明されるような頂点制御を適正に提供し、診断イベントの場合にシャットダウンを可能にし、ならびに／または適正な負荷追跡のために十分に迅速な応答）。
【００５１】
センサ１５３０は、ピストン機関１５４０の任意の好適な特性または側面を感知するように構成され得る任意の好適なタイプのセンサを含み得る。いくつかの実施形態では、センサは、補助システム１５２０のシステムの側面および／または特性を感知するように構成される１つ以上のセンサを含み得る。いくつかの実施形態では、センサ１５３０は、ピストン機関１５４０の構成要素、ピストン機関１５４０に導入される流体、もしくはそれから回収される流体、またはその両方の温度を感知するように構成される温度センサ（例えば、サーモカップル、抵抗温度検出器、サーミスタ、または光学温度センサ）を含み得る。いくつかの実施形態では、センサ１５３０は、ピストン機関１５４０の区画（例えば、燃焼区画またはガス駆動区画）内、ピストン機関１５４０に導入される、もしくはそれから回収される流体、またはその両方の圧力を感知するように構成される、１つ以上の圧力センサ（例えば、圧電式圧力トランスデューサ、歪みベース圧力トランスデューサ、またはガスイオン化センサ）を含み得る。いくつかの実施形態では、センサ１５３０は、（例えば、摩擦力もしくは他の関連する力情報、圧力情報、または加速度情報を示し得る）引っ張り力、圧縮力、または剪断力等のピストン機関１５４０内の力を感知するように構成される１つ以上の力センサ（例えば、圧電式力トランスデューサまたは歪みベース力トランスデューサ）を含み得る。いくつかの実施形態では、センサ１５３０は、電圧、電流、電力出力および／もしくは入力（例えば、電圧で乗算された電流）、ピストン機関１５４０および／もしくは補助システム１５２０の任意の他の好適な電気特性、またはそれらの任意の組み合わせを感知するように構成される、１つ以上の電流および／もしくは電圧センサ（例えば、ピストン機関１５４０のＬＥＭに結合される電流計および／または電圧計）を含み得る。いくつかの実施形態では、センサ１５３０は、ピストンアセンブリおよび／もしくは機関の任意の他の構成要素の位置、ピストンアセンブリおよび／もしくは機関の任意の他の構成要素の速度、ピストンアセンブリおよび／もしくは機関の任意の他の構成要素の加速度、流量、酸素もしくは窒素酸化物放出レベル、他の放出レベル、ピストン機関１５４０および／もしくは補助システム１５２０の任意の他の好適な特性、またはそれらの任意の組み合わせを感知するように構成される、１つ以上のセンサを含み得る。
【００５２】
制御インターフェース１５１８は、補助システム１５２０のうちの１つ以上のものと通信するための、有線接続、無線結合、光学結合、誘導結合、任意の他の好適な結合、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、制御インターフェース１５１８は、アナログ制御信号を補助システム１５２０のいずれかまたは全てに提供するために、デジタル／アナログコンバータを含み得る。
【００５３】
補助システム１５２０は、冷却システム１５２２、圧力制御システム１５２４、ガス駆動制御システム１５２６、および／または任意の他の好適な制御システム１５２８を含み得る。冷却／加熱システム１５２２は、冷却、加熱、またはその両方をピストン機関１５４０に提供するために、ポンプ、流体リザーバ、圧力調整器、バイパス、ラジエータ、流体導管、電力回路（例えば、電気ヒータ用）、任意の他の好適な構成要素、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。圧力制御システム１５２４は、圧力制御された流体をピストン機関１５４０に供給する（および随意に受け取る）ために、ポンプ、コンプレッサ、流体リザーバ、圧力調整器、流体導管、任意の他の好適な構成要素、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。ガス駆動制御システム１５２６は、駆動ガスをピストン機関１５４０に供給（および随意に受容）するために、コンプレッサ、ガスリザーバ、圧力調整器、流体導管、任意の他の好適な構成要素、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、ガス駆動制御システムは、図５−９に関して上で説明されるガススプリング構成要素のいずれかを制御するために、任意の好適な構成要素を含み得る。いくつかの実施形態では、他のシステム１５２８は、酸化剤および／または燃料をピストン機関１５４０に供給するために、例えば、カム動作システムまたはソレノイドシステム等の弁システムを含み得る。
【００５４】
ユーザインターフェース１５１５は、ユーザインターフェースシステム１５５０のうちの１つ以上のものと通信するための、有線接続、無線結合、光学結合、誘導結合、任意の他の好適な結合、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。ユーザインターフェースシステム１５５０は、ディスプレイ１５５２、入力デバイス１５５４、マウス１５５６、オーディオデバイス１５５８、ウェブサイト、モバイルアプリケーション、もしくは他のインターネットサービスを介してアクセスされる遠隔インターフェース、任意の他の好適なユーザインターフェースデバイス、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、遠隔インターフェースは、機関から遠隔にあるが、機関の現場に近接し得る。他の実施形態では、遠隔インターフェースは、機関および機関の現場の両方から遠隔にあり得る。ディスプレイ１５５２は、例えば、ブラウン管スクリーン、液晶ディスプレイスクリーン、発光ダイオードディスプレイスクリーン、プラズマディスプレイスクリーン、グラフィックス、テキスト、画像、もしくは他の映像をユーザに提供し得る任意の他の好適なディスプレイスクリーン、またはそれらのスクリーンの任意の組み合わせ等のディスプレイスクリーンを含み得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１５５２は、例えば、ディスプレイスクリーン上に１つ以上のソフトコマンドを提供することによって、ユーザとの触覚相互作用を提供し得る、タッチスクリーンを含み得る。ディスプレイ１５５２は、ピストン機関１５４０に関する任意の好適な情報（例えば、ピストン機関１５４０の特性の時系列）、制御システム１５１０、補助システム１５２０、ユーザインターフェースシステム１５５０、任意の他の好適な情報、またはそれらの任意の組み合わせを表示し得る。入力デバイス１５５４は、ＱＷＥＲＴＹキーボード、数値キーパッド、ハードコマンドボタンの任意の他の好適な集合、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。マウス１５５６は、ディスプレイスクリーン上に表示されるグラフィカルユーザインターフェース上のカーソルまたはアイコンを制御し得る、任意の好適なポインティングデバイスを含み得る。マウス１５５６は、ハンドヘルドデバイス（例えば、２または３次元で移動することが可能）、タッチパッド、任意の他の好適なポインティングデバイス、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。オーディオデバイス１５５８は、マイクロフォン、スピーカ、ヘッドフォン、オーディオ信号を提供および／もしくは受信するための任意の他の好適なデバイス、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。例えば、オーディオデバイス１５５８は、マイクロフォンを含み得、処理機器１５１２は、ユーザがマイクロフォンに発話することによって引き起こされる、ユーザインターフェース１５１５を介して受信されるオーディオコマンドを処理し得る。
【００５５】
いくつかの実施形態では、制御システム１５１０は、制御を提供するために、１つ以上のユーザ入力を受信するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、制御システム１５１０は、センサフィードバックに基づいて制御設定を無効にし、ユーザインターフェースシステム１５５０への１つ以上のユーザ入力に応じて補助システム１５２０への制御信号を設定し得る。さらなる実施例では、ユーザは、１つ以上の制御変数（例えば、温度、圧力、流量、仕事入力／出力、または他の変数）に関する定点値を入力し得、制御システム１５１０は、定点値に基づいて制御アルゴリズムを実行し得る。
【００５６】
いくつかの実施形態では、動作特性（例えば、ピストン機関１５４０または補助システム１５２０の１つ以上の所望される特性値）は、製造者、ユーザ、またはその両方によって事前定義され得る。例えば、特定の動作特性が、処理機器１５１２のメモリ内に記憶され得、１つ以上の制御信号を提供するようにアクセスされ得る。いくつかの実施形態では、動作特性のうちの１つ以上のものは、ユーザによって変更され得る。制御システム１５１０は、それらの動作特性を維持、調節、または別様に管理するために使用され得る。
【００５７】
上で説明されるように、いくつかの実装では、駆動区画は、機関の拡張ストローク中に特定の量のエネルギーを貯蔵するように構成され得る。いくつかの実施形態では、上で説明されるように、駆動区画は、後続ストローク、すなわち、拡張ストロークの後に起こるストロークのために要求されるエネルギーを提供するために十分なエネルギーを拡張中に貯蔵するように構成され得る。例えば、２ストロークサイクルを伴う機関では、駆動区画は、後続圧縮ストロークのために要求されるエネルギーを提供するために十分なエネルギーを拡張中に貯蔵するように構成され得る。４ストロークサイクルを伴う機関では、例えば、駆動区画は、後続排気ストロークのために要求されるエネルギーを提供するために十分なエネルギーを拡張ストローク中に貯蔵するように構成され得る。いくつかの実施形態では、駆動区画は、後続ストロークのために要求される量を上回って貯蔵するように構成され得る。いくつかの実施形態では、駆動区画内に貯蔵される過剰な量のエネルギーまたは過剰な量のエネルギーの一部は、１つ以上のＬＥＭによって、後続ストローク中に電気エネルギーに変換され得る。例えば、１つ以上のＬＥＭは、ピストンアセンブリの運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換することによって、自由ピストン燃焼機関の動力ストローク中に仕事を抽出するように構成され得る。いくつかの実施形態では、１つ以上のＬＥＭはさらに、自由ピストン燃焼機関の圧縮ストローク中に駆動区画によって提供される仕事の少なくとも一部を抽出するように構成され得る。つまり、拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵された位置エネルギーは、後続ストローク中にピストンアセンブリの運動エネルギーに変換される。この運動エネルギーの少なくとも一部は、後続ストローク中に１つ以上のＬＥＭによって電気エネルギーに変換され得る。上で説明されるように、ＬＥＭが拡張ストロークおよび後続ストローク中に電気エネルギーを抽出するように構成される場合、それらは、サイズおよび／または重量を低減させられ、それによって、材料重量およびコストを節約し得ることを理解されたい。
【００５８】
いくつかの実装では、駆動区画内に貯蔵されるエネルギーならびにＬＥＭによって抽出されるエネルギーの量および様式は、例えば、制御システム１５１０によって制御され得る。例えば、センサ１５１０は、ピストンアセンブリの位置、ピストンアセンブリの速度、ピストンアセンブリの加速度、燃焼区画内の圧力、燃焼区画の温度、燃焼区画の位置エネルギー、燃焼区画内の化学的エネルギー、駆動区画内の圧力（例えば、駆動ガスの圧力または上で説明されるような駆動区画として使用されるスプリングの圧力）、駆動区画の位置エネルギー（例えば、駆動ガスの位置エネルギーまたは上で説明されるような駆動区画として使用されるスプリングの力）、駆動区画内のガスの温度、電気出力、燃焼器もしくは駆動区画の指示される仕事、電気効率、燃焼器もしくは駆動区画の指示される効率、ＬＥＭ（例えば、固定子または磁石）の温度、燃焼器空気流量、燃焼器燃料流量、駆動区画補給空気流量、ピストンアセンブリの温度、以前のサイクル性能、環境温度および圧力（例えば、機関を囲繞する面積の温度および圧力）、放出特性、任意の他の好適な特性、またはそれらの任意の好適な組み合わせ等、自由ピストン燃焼機関の任意の１つ以上の動作特性を測定するために使用され得る。センサインターフェース１５１６を使用して、制御システム１５１０は、処理機器１５１２に入力されるべき、感知された１つ以上の特性を示す１つ以上の信号を生成し得る。
【００５９】
処理機器１５１２は、少なくとも部分的に、センサ１５３０およびセンサインターフェース１５１６から受信された信号に基づいて、１つ以上の制御信号を生成し得る。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２は、センサ１５３０およびセンサインターフェース１５１６から受信された信号に基づいて、所与のピストンストロークのために要求されるエネルギーの量を決定し得、制御信号は、位置エネルギーとして駆動区画内に貯蔵されるべきピストンアセンブリの運動エネルギーの量を制御するために、処理機器１５１２によって使用され得る。処理機器１５１２はまた、ピストンアセンブリの運動エネルギーをどの程度電気エネルギーに変換するかを決定し、任意の好適な制御機構を使用してその変換を起こさせ得る。本明細書で使用される場合、用語「制御機構」は、前述の動作特性のいずれかおよびそれらの任意の好適な組み合わせを制御し、所望される結果を取得するための任意の好適なソフトウェア、ハードウェア、および技法を指し得る。例えば、１つ以上の制御信号は、処理機器１５１２によって必要であると決定された後続ストロークのための必要エネルギーを駆動区画内に貯蔵するために、機関の動作特性を制御し得る。例えば、１つ以上の制御信号は、ピストンアセンブリの運動エネルギーの所望される量が機関の拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵されるようにし、続けて、ピストンアセンブリの運動エネルギーの所望される量がＬＥＭによって電気エネルギーに変換されるようにするために、機関の動作特性を制御し得る。上で説明されるように、後続ストローク（例えば、圧縮ストロークまたは排気ストロークのいずれか）のために要求されるエネルギーの量は、所望される圧縮比、後続ストロークの開始時の燃焼区画の圧力および温度、ピストンアセンブリの質量、所望される燃焼タイミング、気圧、周囲温度、ならびに他の機関に関して所望されるフェージング特性に依存し得る。電気エネルギーに変換されるべき運動エネルギーの量は、拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵される量と、後続ストロークのために必要とされる量との間の差異に基づいて決定され得、それは、少なくとも部分的に、機関に関連付けられる所望されるパラメータに依存し得る。いくつかの実施形態では、電気エネルギーに変換されるべき運動エネルギーの量は、機関からの所望される動力出力、機関からの所望される放出出力、機関の所望される効率、所望される負荷追跡、任意の他の所望されるパラメータ、またはそれらの任意の好適な組み合わせに基づいて決定され得る。例えば、駆動区画がより非効率的になる場合、動力ストローク中に電気エネルギーに変換される運動エネルギーの量は、増加させられ得、圧縮ストローク中に電気エネルギーに変換される運動エネルギーの量は、減少させられ得る。代替として、例えば、駆動区画がより効率的になる場合、動力ストローク中に電気エネルギーに変換される運動エネルギーの量は、減少させられ得、後続ストローク中に電気エネルギーに変換される運動エネルギーの量は、増加させられ得る。
【００６０】
電気エネルギーに変換するピストンアセンブリの運動エネルギーの量を制御することに加えて、制御信号は、ＬＥＭが運動エネルギーを電気エネルギーに変換する様式を制御するためにも使用され得る。例えば、制御信号は、変換を、一定速度、非一定速度、可変速度、またはそれらの任意の組み合わせにおけるいずれかの方向で起こさせ得る。
【００６１】
いくつかの実装では、自由ピストン燃焼機関の１つ以上のパラメータが、機関の圧縮ストローク中に抽出する仕事の量を決定するために、処理機器１５１２によって使用され得る。いくつかの実施形態では、所望されるパラメータは、ユーザインターフェースシステム１５５０を介してユーザによって入力され得る。例えば、ユーザは、ユーザインターフェースシステム１５５０を介して、自由ピストン燃焼機関に対して所望される動力出力を入力し得る。他の実施形態では、所望されるパラメータが、通信インターフェース１５１４を介して外部デバイスから受信され得る。例えば、所望される動力出力が、履歴動力要件、将来的に予測される動力要件、またはそれらの任意の好適な組み合わせに基づいて、所望される動力出力を示す外部デバイスから受信され得る。
【００６２】
いくつかの実施形態では、処理機器１５１２は、パラメータと１つ以上の動作特性との間の任意の好適な関係に基づいて、所望されるパラメータをもたらす機関の１つ以上の動作特性を決定し得る。例えば、処理機器１５１２は、所望される動力出力および動作特性と所望される動力出力との関係に基づいて、ピストンの速度、加速度、または他の動作特性を決定し得る。処理機器１５１２は、次いで、処理機器１５１２によって決定される動作特性を生成するために要求される圧縮仕事の量を決定し得る。要求される圧縮仕事の量に基づいて、処理機器１５１２は、機関の圧縮ストローク中に好適な量の仕事を抽出するように機関を制御し得、それによって、ピストンに作用する残りの圧縮仕事は、所望される動作特性または複数の特性をもたらし、それは、ひいては、所望される動力出力をもたらすであろう。実施形態は、所望される動力出力の観点から上で説明されているが、上で説明されるように、処理機器は、所望される効率、所望される放出出力、所望される負荷追跡、または機関の任意の他の好適なパラメータに基づいて、機関の動作特性を最適化し得る。
【００６３】
いくつかの実施形態では、前述の仕事抽出、機関パラメータ、および動作特性は、制御システム１５１０によって制御されるいくつかのピストン機関の間で調整され得る。例えば、１つのピストン機関の運動エネルギーが、電気エネルギーに変換され得、結果として生じる電気エネルギーは、所望される機関パラメータ、対応する動作特性、ならびに圧縮および／または排気ストロークのために要求される仕事の量に基づいて、別のピストン機関の運動エネルギーに変換され得る。
【００６４】
実施形態は、自由ピストン燃焼機関の圧縮ストロークまたは排気ストローク中の仕事抽出の観点から上で説明されているが、いくつかの実施形態では、運動エネルギーから電気エネルギーおよび電気エネルギーから運動エネルギーへの変換は、制御システム１５１０によってより一般的に適用され得ることが、当業者によって容易に理解されるであろう。いくつかの実施形態では、ピストンの運動エネルギーは、機関のストロークまたはサイクルに関係なく、機関の動作中に連続的に電気エネルギーに変換され得る。いくつかの実施形態では、ピストンアセンブリの運動エネルギーは、機関のストロークまたはサイクルに関係なく、機関の動作中に連続的に電気エネルギーに変換され得る。他の実施形態では、制御システム１５１０は、任意の所望される機関パラメータまたは動作特性に基づいて、任意の所望または要求される仕事抽出に関係なく、機関の１つ以上のピストンアセンブリに対して恣意的な力を加え得る。例えば、制御システム１５１０は、ピストンを同期させるために、２つのピストンに対して力を加えるように機関の動作特性を制御し得、その結果、それらは、実質的に同時にＴＤＣおよび／またはＢＤＣに到達する。別の実施例として、制御システム１５１０は、別個の機関を段階的に実行するために、ピストンに対して力を加えるように機関の動作特性を制御し得、その結果、それらは、同一の機関サイクルにおいて同時に動作せず、より連続的な動力フローを提供する。別の実施例として、制御システム１５１０は、ピストンの所望される頂点を取得するように機関の動作特性を制御し得る。
【００６５】
図１６は、本開示のいくつかの実施形態による、自由ピストン機関を制御するための例証的ステップのフロー図１６００を示す。前述のステップは、図２−１２に関して上で説明されるような任意の好適な自由ピストン機関および／もしくは自由ピストン機関システムもしくはその構成要素、または任意の他の好適な自由ピストン機関もしくは自由ピストン機関システムを用いて実装され得ることを理解されたい。
【００６６】
ステップ１６０２は、センサから機関動作特性を受信することを含む。いくつかの実施形態では、機関動作特性は、図１５に関して上で説明されるようなセンサインターフェース１２１６を介して、センサ１５３０から処理機器１５１２またはその任意の処理回路によって受信され得る。いくつかの実施形態では、機関動作特性は、上で説明される動作特性のいずれかまたはそれらの任意の好適な組み合わせを含み得る。例えば、処理機器１５１２は、圧縮比、燃焼区画の圧力および温度、ならびにピストンアセンブリの質量を受信し得る。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２は、上で説明されるようなセンサインターフェース１５１６を介して、センサ１５３０から、ピストンアセンブリの運動エネルギーに関する情報を提供する機関動作特性を受信し得る。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２は、上で説明されるようなセンサインターフェース１５１６を介して、センサ１５３０から、駆動区画内に貯蔵され得るエネルギーの量に関する情報を提供する機関動作特性を受信し得る。
【００６７】
ステップ１６０４は、ステップ１６０２において受信された動作特性に基づいて、少なくとも１つの制御信号を生成することを含む。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２またはその任意の処理回路は、ステップ１６０２において受信された動作特性に基づいて、１つ以上の制御信号を生成し得る。例えば、処理機器１５１２は、ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために駆動区画内に必要量のエネルギーを貯蔵するために要求される、図１５に関して上記に議論されるピストン機関１５４０の側面または特性のいずれかを調節するために使用可能な制御信号を生成し得る。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２またはその任意の処理回路は、ピストンサイクルの後続ストロークにわたる正味電気エネルギー入力を回避するために、ピストン機関１５４０の駆動区画に、ピストンサイクルの拡張ストローク中に十分な量のエネルギーを貯蔵させるために、制御信号を生成し得る。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２またはその任意の処理回路は、必然的に、ピストン機関１５４０の駆動区画に、後続ストロークにわたる正味電気エネルギー入力を伴わずにピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、ピストンサイクルの拡張ストローク中に十分な量のエネルギーを貯蔵させる制御信号を生成し得る。いくつかの実施形態では、後続ストロークは、圧縮ストロークを含み得る。いくつかの実施形態では、後続ストロークは、排気ストロークを含み得る。
【００６８】
いくつかの実施形態では、処理機器は、上で説明される動作特性のいずれかを受信し、ステップ１６０２および１６０４において、経時的な動作特性の変化を考慮する様式で制御信号を生成し得る。例えば、処理機器は、経時的にピストンアセンブリの位置、速度、および／または加速度を受信し、制御信号を生成し、適宜、動作特性を調節し得る。いくつかの実施形態では、処理機器は、周期ベースで、上で説明されるようなセンサインターフェース１５１６を介して、センサ１５３０から、ピストンアセンブリの運動エネルギーに関する情報を提供する機関動作特性を受信し、適宜、更新された制御信号を生成し得る。いくつかの実施形態では、処理機器は、周期ベースで、上で説明されるようなセンサインターフェース１５１６を介して、センサ１５３０から、駆動区画内に貯蔵され得るエネルギーの量に関する情報を提供する機関動作特性を受信し、適宜、更新された制御信号を決定し得る。いくつかの実施形態では、関連する動作特性が、受信され得、制御信号が、任意の好適な周波数において生成され得、したがって、経時的な動作特性の変化が、後続ストロークが起こる前に考慮されることができる。例えば、動作特性の受信および分析が、ストロークあたり複数回の動作特性の評価を可能にする周波数（例えば、１００Ｈｚ〜１００ｋｈｚ）において起こり得る。
【００６９】
いくつかの実施形態では、処理機器は、ステップ１６０４において制御信号のいずれかを生成することにおいて、エネルギー貯蔵および変換プロセスにおいて起こることが予期される損失を考慮し得る。例えば、処理機器は、既知または予測可能な摩擦損失、熱損失、もしくはエネルギー貯蔵および／もしくは変換に関連付けられる任意の他の好適な損失に基づいて、後続ストロークのために要求されるエネルギーの量または駆動区画内に貯蔵されるべき量を決定し得る。いくつかの実施形態では、処理機器は、ステップ１６０４において制御信号のいずれかを生成することにおいて、予期せぬ損失を可能にし得る。例えば、プロセッサは、後続ストロークのために要求されるエネルギーの量を決定するとき、後続ストロークの実施中の予期せぬ損失を考慮するために、バッファ量のエネルギーを追加し得る。別の例として、プロセッサは、拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵されるべきエネルギーの量を決定するとき、拡張ストローク中の駆動区画内のエネルギーの貯蔵中の予期せぬ損失を考慮するために、バッファ量のエネルギーを追加し得る。
【００７０】
ステップ１６０６は、ステップ１６０４において生成された制御信号のうちの１つ以上のものに基づいて、ある量のエネルギーが拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵されるようにすることを含む。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２またはその任意の処理回路は、ピストン機関１５４０の側面または特性を調節するために、制御インターフェース１５１８を介して、制御信号を補助システム１５２０のいずれかに通信し得、それによって、必要量のエネルギーが、拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵される。例えば、制御信号は、拡張ストローク中にある量のエネルギーを駆動区画内に貯蔵するために、入口ガスポートを介して駆動区画にガスを追加または除去するようにガス駆動制御システム１５２６に命令することによって、駆動区画の圧力を調節するように作用し得る。いくつかの実施形態では、制御信号は、補助システム１５２０のいずれかの設定を調節することによって、シリンダの死容積を調節するように作用し得る。いくつかの実施形態では、制御信号は、図８−１２に関して上で説明される機構のいずれかを使用して、ガススプリングの任意の好適な特性を調節するように作用し得る。いくつかの実施形態では、ステップ１５０４および１５０６に関して上で説明されるように、処理機器は、制御信号を生成し、任意の好適な周波数でピストン機関および／またはその補助システムと通信し得、それによって、経時的な動作特性の変化が、後続ストロークが起こる前に考慮されることができる。例えば、処理機器は、ストロークあたり複数回、制御信号を生成し、ピストンと通信し、変化する動作特性への応答を確実にし得る。
【００７１】
ステップ１６０８は、ステップ１６０４において生成された制御信号のうちの１つ以上のものに基づいて、ピストンアセンブリのある量の運動エネルギーが電気エネルギーに変換されるようにすることを含む。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２またはその任意の処理回路は、電気エネルギーに変換する少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーの量を決定し得、それに基づいて、少なくとも１つのＬＥＭに、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーのある量を電気エネルギーに変換させ得る。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２は、少なくとも１つのＬＥＭに、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーのある量をピストンサイクルの拡張ストローク中に電気エネルギーに直接変換させ得る。いくつかの実施形態では、処理機器１５１２の１つ以上のプロセッサは、少なくとも１つのＬＥＭに、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーをピストンサイクルの後続ストローク中に電気エネルギーに変換させ得る。例えば、処理機器１５１２は、少なくとも１つのＬＥＭに、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを、拡張ストローク中、圧縮ストローク中、排気ストローク中、吸気ストローク中、またはそれらの任意の組み合わせのいずれかに電気エネルギーに変換させ得る。例えば、処理機器１５１２の１つ以上のプロセッサは、少なくとも１つのＬＥＭに、ピストンサイクルの拡張ストローク中および後続ストローク中の両方に、少なくとも１つの自由ピストンアセンブリの同一量の運動エネルギーを電気エネルギーに変換させ得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＥＭによって電気エネルギーに変換される運動エネルギーの量は、それが自由ピストン機関の合計出力動力の少なくとも事前決定された最小パーセンテージを占めるように決定され得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＥＭによって電気エネルギーに変換される運動エネルギーの量は、機関効率、機関動力出力、および機関放出のうちの少なくとも１つを最大化するために決定され得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＬＥＭによって電気エネルギーに変換される運動エネルギーの量は、ステップ１６０６において貯蔵されるエネルギーの第１の量と、後続ストロークのために要求されるエネルギーの量との間の差異に基づき得る。例えば、ステップ１６０６において貯蔵されるエネルギーの量が、後続ストロークのために要求されるエネルギーの量を超過する場合、少なくとも１つのＬＥＭによって電気エネルギーに変換される運動エネルギーの量は、超過の貯蔵された量と等しいか、または別様にそれに基づき得る。
【００７２】
ステップ１６１０は、拡張ストロークに続く後続ストロークが正味電気エネルギー入力を伴わずに実施されるようにすることを含む。いくつかの実施形態では、拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵されるエネルギーは、後続ストロークのために要求されるエネルギーの少なくとも一部を提供し得る。いくつかの実施形態では、拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵されるエネルギーは、後続ストロークのために要求されるエネルギーの全てを提供し得、それによって、いかなる電気エネルギー入力も、後続ストロークのために必要とされない。いくつかの実施形態では、一部の電気エネルギーが、後続ストローク中に入力され得るが、後続ストロークにわたる正味電気入力に相当するほどではない。例えば、図１４に関して上で説明されるように、エネルギーは、ピストンアセンブリの速度を増加させるために、または別様にピストンアセンブリが所望される位置に到達することを確実にするために入力され得る。いくつかの実施形態では、後続ストロークは、圧縮ストロークであり得る。いくつかの実施形態では、後続ストロークは、排気ストロークであり得る。
【００７３】
図１６に示されるように、ステップ１６０２−１６１０は、各ピストンサイクルに対して繰り返され得る。いくつかの実施形態では、ステップ１６０２−１６１０のいずれかまたは全ては、ピストンサイクルの連続回数にわたって各ピストンサイクルに対して繰り返され得、その結果、機関は、正味電気エネルギー入力を伴わずにピストンサイクルの連続回数にわたり連続的に動作する。例えば、機関の始動のためにＬＥＭから電気入力を受電した後、ステップ１６０２−１６１０は、ピストンサイクルの連続回数にわたって各ピストンサイクルに対して繰り返され、ピストンサイクルの連続回数中にＬＥＭからの任意のさらなる入力を回避するために十分なエネルギーを各拡張ストローク中に駆動区画内に貯蔵し得る。いくつかの実施形態では、ステップ１６０２−１６１０は、動作条件が連続的にチェックされ、貯蔵および／または変換されるべき種々の量のエネルギーが連続的に更新されるように繰り返され、いかなる外部電気エネルギー入力も必要とされないことを確実にし得る。
【００７４】
処理機器は、駆動区画内に貯蔵されるべきエネルギーの量に対応する値を決定することが可能であるが、いくつかの場合、実際に貯蔵される量は、不測の機関損失、許容誤差、環境要因、または任意の他の好適な条件に起因して、必ずしも決定されたものではない場合があることを理解されたい。しかしながら、実際の貯蔵される量は、計算された値に十分に近く、その結果、機関の動作は、あるとしても最小限に影響を受けるのみであろうことが予期される。上で説明されるように、いくつかの実施形態では、処理機器は、貯蔵されるべき種々の量のエネルギーにバッファを含めることによって、これらの未知の損失または他の好適な条件を考慮し得る。
【００７５】
参照を容易にするために、図は、同じ参照番号を用いて標識化される複数の構成要素を示し得る。これは、必ずしも、同じように標識化される複数の構成要素が、互いに同じであることを示すわけではないことを理解されたい。例えば、１２５と標識化されるピストンは、異なるサイズ、幾何学形状、材料、任意の他の好適な特性、またはそれらの任意の組み合わせを有し得る。
【００７６】
前述は、単に、本開示の原理の例証であり、種々の修正が、本開示の範囲から逸脱することなく当業者によって成され得る。上で説明される実施形態は、限定ではなく、例証を目的として提示される。本開示はまた、本明細書に明示的に説明されるもの以外の多くの形態をとることができる。故に、本開示は、明示的に開示される方法、システム、および装置に限定されず、以下の請求項の精神内である、それらの変形例および修正を含むことが意図されることを強調しておきたい。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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