JP2003519328A - マイクロ燃焼エンジン／発電機 - Google Patents

マイクロ燃焼エンジン／発電機

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JP2003519328A
JP2003519328A JP2001549911A JP2001549911A JP2003519328A JP 2003519328 A JP2003519328 A JP 2003519328A JP 2001549911 A JP2001549911 A JP 2001549911A JP 2001549911 A JP2001549911 A JP 2001549911A JP 2003519328 A JP2003519328 A JP 2003519328A
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chamber
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pistons
coil
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ヤン，ウェイ
ジョンソン，バージェス・アール
ボン，ウルリヒ
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ハネウェル・インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】 ３層の微細加工された材料内で構築されたノッキング・ベースのマイクロ燃焼エンジン。２つの外層は、ガスおよび燃料を中間層内の通気路に出入りするように向けるための手段を含む。中間層には、一体の空気ばねを有する、または有することのない２つの直線で自由なピストンと、ガスおよび燃料を燃焼チャンバに出入りするように向けるための通気路とが微細加工されている。高い圧縮比が達成される。エンジンは、電気エネルギーを発生させるための手段と共に構築することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （背景） 本発明は、エネルギーの生成に関する。詳細には、小型デバイスによる少量の
エネルギーの生成に関し、より詳細には、マイクロ燃焼エネルギー生成に関する
。
【０００２】 バッテリは、小型の可搬電源として良好に働く。しかし、バッテリは充電に比
較的長い時間を必要とし、充電式でない場合は、ますます反感の高まる廃棄物処
分問題を引き起こす。さらに、体積または質量エネルギー密度が（液体燃料のも
のに比べて）低い欠点がある。やがて燃料電池が上記の問題を克服する可能性が
あるが、現在のところ燃料電池は燃料不純物に非常に弱く、または非常に高い動
作温度を必要とし、始動を遅らせ、熱サイクル応力のため有効寿命を短縮する。
【０００３】 提案されているマイクロ燃焼エンジン（ＭＣＥ）および／またはマイクロ燃料
発電機（ＭＣＧ）は、充電（必要とするのは１分未満）間で同様な体積のバッテ
リ（たとえば、ブタンのＢｉｃライターと同体積）の３倍長く動作し、交換が必
要なとき処分問題はない。あるいは、好ましいとき、比較可能なバッテリより１
５倍の加熱エネルギーまたは出力機械仕事が得られる。
【０００４】 （発明の概要） 本発明は、一部において、少なくとも２つの自由ピストン（機械的結合のない
ピストン）を有するマイクロ・エンジンのためのピストン同期の電気制御に関す
る。マイクロ・エンジンの寸法は、一般に１ミリメートル（ｍｍ）以下であり、
これは、典型的な燃料での燃焼のための消炎距離（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｌｅｎ
ｇｔｈ）より小さい。したがって、不可能ではないが、従来のスパーク・プラグ
で燃焼を開始させるのは困難である。この困難を克服するために、マイクロ・エ
ンジンはノック・モード（つまり、均質な自己点火）で動作し、燃料は、火花な
しで燃焼を開始するのに十分な高い圧力および温度に圧縮される。２ピストンマ
イクロ・エンジンでは、２つのピストンが出会う各サイクルのとき燃焼が起こる
。好ましくはこれが、効率的に燃料を供給することができ、かつ排気を処理する
ことができるエンジン・シリンダの中央付近である。これは、２つのピストンの
動きを同期させることを必要とする。ピストンが同期されていない場合は、燃焼
のポイントがマイクロ・エンジンの中央から離れて起こり、マイクロ・エンジン
が動作する効率が低下し、あるいは多分まったく動作しなくなる。本発明は、電
気的な方法を使用してピストンを同期させる。従来のエンジンでは、ピストンが
機械的な結合によって同期される。自由ピストン・エンジンでは、これが可能で
ない。ピストンを使用して発電する場合には、発電するための手段を使用して、
同期誤差を検知し、ピストンに力を加えて同期誤差を補正することもできる。発
電に加えて、電磁石を使用してピストンの位置を検知し、ピストンに力を加える
。しかし、圧電型または静電型変換器など他のタイプの機械から電気への変換器
を使用するとき、多数の外部制御回路が適用可能である。
【０００５】 提案されているエンジン／発電機の基本概念は、４２〜５３ＭＪ／ｋｇ（１１
．７〜１４．７ｋＷｈ／ｋｇまたは１８，０００〜２２，０００Ｂｔｕ／ｌｂ）
の範囲にわたる、使用可能な水素燃料の高いエネルギー密度を利用することであ
る。しかし、燃料電池内の活性な／触媒作用の表面の適切な動作に基づくのでな
く、燃焼エンジンの仕事ポテンシャルを、化学エネルギーから電気エネルギーへ
の変換のために動力化する。小型の可搬システムのための主な課題は、１０ワッ
ト以下の出力を効率的に達成する非常に小型の機能するエンジンを獲得すること
である。
【０００６】 本ＭＥＭＳ（すなわち、マイクロ・エレクトロメカニカル・システム）エンジ
ンの特徴は、以下のようなものである。これは、完全な慣性補償を有する直線−
自由ピストン・エンジンである。このエンジンには、ピストン・リングがなく、
吸気または排気バルブがなく、気化器がない。このエンジンは、「ノッキング」
燃焼を利用して、従来の消炎距離より小さい燃焼チャンバ内で壁消炎を克服する
。これは、小型のシリンダおよびピストン幾何形状内で高い断熱圧縮率を実施す
る。
【０００７】 このエンジンの特徴は、３つの領域に由来する。１つは、対向する２重ピスト
ン・エンジンに、有利な排気ガスおよび新しいガス混合物の給掃気ならびに固有
の慣性補償を組み合わせることである。もう１つは、ガスばねを有する自由ピス
トン・エンジン設計である。これは、エンジン−発電機構成で、ディーゼルまた
は火花点火ではなく「ノッキング」を、かつ、埋込み型ピストン内磁石を使用す
る。ピストン・サイズは、０．１〜３ｍｍ（の方形または丸型断面）、長さ５〜
１４ｍｍである。このシステムは、±２．５μｍの許容差帯（ｔｏｌｅｒａｎｃ
ｅ ｂａｎｄ）内で、ＤＲＩＥ（ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）または他のプロセスを介してセラミックまたはシリコン内で作製する
ことができる。上層および下層は、サファイア、パイレックス（登録商標）（Ｐ
ｙｒｅｘ）（登録商標、以下同じ）、シリコンまたは他の適応する材料で構成す
ることができる。シリコン炭化物および金属もまた、エンジンの構造内で使用す
ることができる。
【０００８】 ２重−対向型の自由ピストン・マイクロ燃焼エンジン（ＭＣＥ）発電機は、既
存の電源に優る利点を有する。燃料電池と対照的に、有効寿命が熱サイクルによ
って短縮される（低温および高温）ポリマーおよびＺｒＯ2を主体とする燃料電
池の場合の如く触媒フィルムがＳＯ2またはＣＯなど微量成分によって破壊され
ず、ＺｒＯ2燃料電池のように、動作を開始することができるようになる前に高
温に達することが必要とされない。同時に、その仮定される変換効率２０％のＭ
ＣＥは、燃料電池より効率が低くなる可能性がある。
【０００９】 バッテリのエネルギー密度（≦１ＭＪ／ｋｇ）は、水素燃料の４０〜５０ＭＪ
／ｋｇの１０パーセント未満であり、単３形乾電池と同じ体積の液体ブタンを貯
蔵するＢｉｃライター（容器の壁１ｍｍ厚を見込んで１８ｃｍ3）は、控えめな
エンジン変換効率２０パーセントで０．５８ＭＪの燃焼エネルギーまたは電気エ
ネルギー０．１２ＭＪを詰め込んでいる。これは、１．４Ｖで７．８Ａｈの場合
バッテリの０．０３９ＭＪに匹敵する。本ＭＣＧはまた、単純に燃料を再充填す
ることによって現場で、より簡単により迅速に「充電」され、一方、バッテリは
、充電するために電気の取出し口と時間を必要とする。
【００１０】 同時に、本燃焼エンジンの設計は、いくつかの考慮すべき点によって定められ
た。クランクシャフトを有するエンジンは、「ノッキング」燃焼を受けて短時間
のうちに自己破壊することも、ＭＥＭＳサイズ（１ｍｍ程度のピストン直径）に
縮小したとき圧縮点火に達しないこともあり、したがって、そのようなサイズに
縮小することができないであろう。関連技術のエンジンは、はるかに大きなピス
トン−シリンダ間側壁摩擦、摩耗（より短い有効寿命）、したがって効率の損失
を欠点としている。固定された圧縮幾何形状下で動作させることにより、必要と
される燃料特性の点で、自由ピストン・エンジンよりはるかに柔軟性がなくなる
。
【００１１】 ノッキングは、燃焼チャンバ内で高圧縮された空気−燃料混合物が迅速に、か
つ十分に圧縮されたとき発生する。混合物を十分な速さで圧縮することによって
、この断熱事象から熱が混合物に追加される。圧縮から得られた熱は、自己点火
するのに十分なだけ空気−燃料混合物の温度を上昇させる。
【００１２】 個々のピストン・チャンバを有するエンジンは、その排気および吸気ポートを
１つのピストン・シリンダに取り付けなければならず、共通の燃焼チャンバを共
用する２つの対向ピストン間に配置するのではないため、効果的に排気ガスを排
出して新しい可燃性混合物を給気することができない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ＭＣＥ１０は、図１に示すように、主に３層の材料、それぞれ１２、１４、１
６で構成される。中間層１４は、典型的にはシリコンである。他の２層１２およ
び１４は、サファイアまたはパイレックス（登録商標）（Ｐｙｒｅｘ）とするこ
とができよう。外層１２および１６は同じであり、燃料の燃焼を閉じ込めるよう
に、かつガス交換のためにポート１８および２０を設けるように働く。直線で自
由なピストン２１、２２、ならびにガス交換通気路２４および２６と燃焼チャン
バ２７とは、層１４内に含まれる。また、中間層１４内に領域２８および３０が
あり、燃焼チャンバ２７内で燃料が燃焼した後でピストン位置を復元するように
動作する。領域２８および３０は、それぞれピストン２２および２１に対して空
気ばねとして機能する。
【００１４】 燃料およびガスの混合物は、ピストン２１および２２がほぼ最大に離れている
間に、上部１２および下部１６の層内のポート１８を介し、かつ中間層１４内の
通気路２６を介して燃焼チャンバ２７に入る。この混合物がチャンバ２７に入る
とき、先の燃焼からのガスが中間層１４内の通気路２４を介してチャンバ２７を
離れ、次いで上部１２および下部１６の層内のポート２０を介して出る。この交
換が進行しているとき、中間層１４内の領域２８および３０内で空気が圧縮され
てピストン２２および２１に作用する。これら「空気ばね」が、強制的にピスト
ン２１および２２をそれらの以前の位置に戻し、ガス交換を停止させ、燃焼を再
び発生させる。慎重に調時されたガスの交換は、ピストン２１および２２が燃焼
チャンバ２７から通気路２４および２６を密封したとき完了する。チャンバ２７
内のさらなる圧縮により断熱反応が生まれ、燃料およびガスの混合物を点火させ
、プロセスを再び開始する。
【００１５】 図２ａは、互いに向かって移動するピストン２１および２２によってチャンバ
２７内で圧縮される空気−燃料混合物を示す。混合物３１は、均質な自己点火ま
で圧縮される。点火されたガス３１は膨張し、図２ｂに示すように、シリンダ２
１が排気ポート２０を開き、排気ガス３１を周囲環境に逃がす。
【００１６】 図２ｃは、入力ポート１８を開くピストン２２を示し、新しい空気−燃料混合
物３１がチャンバ２７に入り、残留排気ガス３１を排出する。ピストン２２およ
び２１は、領域２８および３０（図１、３、４には示すが、図２ａ、２ｂ、２ｃ
には図示しない）によってもたらされる空気ばねにより、互いに向かって戻る。
【００１７】 図３は、ピストン２２および２１のそれぞれについて、空気ばねによる戻りを
実現する特殊なピストン３２および３３を有する空気ばね領域２８および３０を
有するＭＣＥ１０を示す。ピストン２１および２２は、チャンバ２７内で空気−
燃料混合物３１を圧縮するシャフトのような端部である。変換器／検出器５６お
よび５８は、ピストン２２および２１それぞれの位置を検出し、ピストンの機械
エネルギーを電気エネルギーに変換し、また、ピストンに力をかけて、それらを
適切に同期させたまま保つ。
【００１８】 ピストン２１および２２の動き、または位置により、電気信号が変換器／検出
器５８および５６によって出力され、複数のピストンを有する自由ピストン・エ
ンジンのピストン同期誤差を検知する。電気変換器５８および５６を使用して、
ピストン２１および２２に力を加え、エンジンを始動し（すなわち、適宜ピスト
ンを共振に逐い込み）、電気を発生し、ピストン同期誤差を補正する（すなわち
、ピストンを同期させる）ことができる。
【００１９】 外部回路（図５および６に示す）が、検出器５８および５６からの電気検知信
号に基づいて補正電気力信号を決定する。電気回路内の電気負荷インピーダンス
５３は、各ピストンにかかる電気力がピストン同期誤差に応じて決まるようにピ
ストン変換器に接続され、それにより、ピストン上で得られる電気力が同期誤差
を減少させる。非線型電気負荷インピーダンスをピストン変換器に接続すること
ができる。そのような負荷インピーダンスは、各ピストンへの電気力フィードバ
ックを最適化するように選択されたＩ−Ｖ特性を有する。
【００２０】 能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）を有する回路は、ピストン同期誤
差を減少させるために、容量性、誘導性または光学センサからの電気出力を使用
し、ピストンの位置または動きを決定し、適切な電気信号をピストン変換器に印
加して、ピストンにかかる電気力を生み出すことができる。ピストン変換器はま
た、ピストン位置検出器として機能することができる。自由ピストン・エンジン
内でピストン位置または速度を検知するためにコイルを実施し、電気変換器とし
て使用することができる。
【００２１】 図４は、それぞれチャンバ２８および３０内で空気を圧縮し、チャンバ２８お
よび３０内で空気を圧縮したとき、チャンバ２７内の空気−燃料混合物３１の燃
焼によって互いに引き離されるピストン２２および２１によって、ばねのような
動作を提供するシャフトのようなピストン３４および３５を有するチャンバ２８
および３０を示す。寸法１３は、約１ミリメートルである。
【００２２】 ２つのピストン間の同期誤差は、エンジンの連続サイクル時にエンジン・シリ
ンダの左側と右側の間で燃焼ポイントを交番させる。したがって、同期誤差は、
あるサイクル時に各ピストンをシリンダの端部に早く、次のサイクル時に遅く到
達させる。その結果、同期誤差を補正するためにピストンに加えられる力は、各
サイクル時にサインを変化させなければならない。ピストンがシリンダの端部に
早く到達するときは、加える力がピストンを遅くするように作用しなければなら
ない。ピストンがシリンダの端部に遅く到達するときは、加える力がピストンを
速くするように作用しなければならない。これらの補正力は、ピストン同期誤差
を減少させる傾向がある。
【００２３】 図５ａ〜５ｄは、ピストン同期誤差が、各エンジン・サイクル時にシリンダ長
手方向の左側と右側の間で燃焼ポイント３１をどのように交番させるかを示す。
図５ａでは、燃焼ポイント３１が、エンジン・シリンダの中央の左に現れる。燃
焼後、ピストン２１および２２は共に同じ速度を得る。それぞれ図５ｂおよび５
ｃでは、ピストン２１がシリンダの左端に達し、次いで、ピストン２２がエンジ
ン・シリンダの右端に達する。図５ｄは、エンジン・シリンダ長手方向の中央の
右に現れるポイント３１で再び出会うピストン２１および２２を示す。
【００２４】 図４はまた、電磁石３６および３７を示す。特殊なシャフトのような空気ばね
ピストン３４および３５もまた永久磁石である。電磁石３６および３７は、磁気
力をピストン２２および２１に加えてマイクロエンジン１０を始動し、ならびに
エンジン１０の機械エネルギーを電気に変換する。また、電磁石３６および３７
は、ピストンの同期を実現する。図では、各ピストン２２および２１は、それぞ
れ永久磁石３４および３５に取り付けられ、電磁石３６および３７の１つを出入
りして振動する。電磁石３６および３７はまた、ピストン２１および２２の動き
を検知し、２つのピストン２２および２１の動きのタイミングまたは同期誤差を
検知し、適切な力を加えてピストン２２および２１を同期させ、それにより、燃
焼が常にエンジン・シリンダまたはチャンバ２７内の適切な場所で起こるように
する。
【００２５】 ピストン２２および２１のそれぞれに取り付けられた永久磁石３４および３５
は、キュリー温度が高く、残留磁束密度が高く、保磁力が高い。これらの要件は
、キュリー温度８２５℃（最大動作温度３００℃）、残留磁束密度１０，５００
ガウス、保磁力９０００エルステッドを有するＳｍＣｏによって満たされる。永
久磁石３４および３５のそれぞれは、エンジン・シリンダの外側にあり、エポキ
シによってそれぞれのピストン２２および２１に連結することができる。各永久
磁石３４および３５は、直径約２ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍであり、約１３ミリグ
ラムの質量となる。電磁石３６および３７のそれぞれで、軟磁性材料のコアを使
用して、コイルの磁界エネルギーを各ピストン磁石３４および３５付近に集中さ
せる。各コイル３８および３９のコアの軟磁性材料は、所与のコイル（３８およ
び３９）について始動中に力を増大させ、より効率的な発電を実現する。軟磁性
材料の飽和磁界は、ピストンに（２２または２１にそれぞれ）取り付けられた高
磁界永久磁石（３４または３５）がある場合の良好な性能にとって特に重要であ
る。純粋なＦｅは、飽和磁界が２２，０００ガウスである。ＮｉＦｅ合金は、電
気めっきプロセスを使用する低応力でクラックのない層の作製に対して純粋なＦ
ｅより従順である。これらの合金は、適切な高い飽和磁界（たとえば、Ｎｉ６５
％、Ｆｅ３１％の場合１３，０００ガウス）を得ることができる。ＮｉＦｅ合金
のキュリー温度もまた一般に高い（たとえば、パーマロイの場合約４００℃）。
エンジンの動作周波数５ｋＨｚでの軟磁性材料のうず電流損失は、薄い絶縁体で
被覆された薄いラミネーションを使用することによって無視できるようにするこ
とができる。
【００２６】 コイル（３８および３９）設計は、ピストン永久磁石（３４および３５）が出
入りする間隙を有するパーマロイ・コアの周囲に巻いた５００ターンの３０番導
線（直径０．２５ｍｍ）からなる。間隙は幅約１ｍｍであり、パーマロイ・コア
の直径は、間隙部で約２ｍｍである。全体的なコイル（３８および３９）寸法は
、約０．５ｃｍ×１ｃｍ×２ｃｍである。各ピストン（それぞれ２２および２１
）について電磁石が１つある。そのような磁石は、約１０Ｖ．ｒｍｓだけ印加す
ることより、ピストン２１および２２の約６振動でマイクロエンジン１０を始動
させるのに十分な力を提供することができる。始動中のコイル電流は、約０．５
Ａ．ｒｍｓとなる。マイクロエンジン１０から発電するために、各コイル（３８
および３９）はコンデンサ（４１および４２）（約１μＦ）に接続され、コイル
（３８および３９）のインダクタンスを有する共振回路を形成する。そのような
回路と共に、各ピストン（２２および２１）は、出力負荷インピーダンス（それ
ぞれ４３および４４）に約４Ｗ．ｒｍｓの電力を供給することができ、０．２５
Ｗ．ｒｍｓだけコイル（３８および３９）内で放散される。これは、ピストン（
２２および２１）の使用可能な機械エネルギーのほぼすべてが電気エネルギーに
変換されることを示す。必要な場合は、出力負荷インピーダンス（４３および４
４）を減少させた場合に、コイル（３８および３９）がピストン（２１および２
２）から４Ｗ．ｒｍｓを超える出力電力を取り出すことができる。これはまた、
コイル内で電力放散の増加を生じる。出力回路は、負荷（４３および４４）をコ
ンデンサと直列に、または並列に接続することによって、負荷に送達される電力
量を変えることなく、高い、または低い出力負荷インピーダンス用として設計す
ることができる。出力負荷インピーダンスは、２０オームと４００オームの間と
なるように選択する。
【００２７】 エンジンを始動し、発電する静電式の方法が代替手法である。静電アクチュエ
ータを、発電用のチャージ・ポンプとして、またはエンジン１０を始動させるた
めのアクチュエータとして使用することができる。マイクロエンジン１０のサイ
ズが縮小されるにつれて、静電式始動および発電は、磁気アクチュエータに比べ
て静電アクチュエータのより好ましいサイズ・スケーリングにより、磁気式の方
法より実際的である可能性がある。
【００２８】 空気ばねは、ピストン２１および２２の安定した燃焼位置を必ずしも確保しな
い。ピストンの位置のドリフトは、エンジン・ストールまたは燃料の損失を招く
可能性がある。したがって、ピストン同期のために安定化機構または制御技法を
設ける。
【００２９】 一手法では、発電機／始動装置電磁石３６および３７をピストンの燃焼位置用
センサとして使用する。電磁石からのＡＣ出力の位相を比較して、燃焼がどこで
発生するかを判定する。燃焼のポイントがマイクロエンジン（すなわち、チャン
バ２７）の中央からドリフトして離れた場合は、エンジン１０の交番サイクル時
に、このポイントがチャンバ２７中央の一方の側から他方の側に振動する。エン
ジンの各サイクル中に、ピストンの一方の永久磁石がその対応するコイルに遅く
到達し、他方のピストンの永久磁石がそのコイルに早く到達する。これにより、
２つの電気出力間に位相差が生じる。この位相差を検知して使用し、それぞれの
電磁石３６および３７のコイルに適切なフィードバック電流を加えてピストンに
補正力を提供する。この回路を図６に示す。検知４７および４８、ならびにフィ
ードバック５１および５２は、比較的単純な変換器回路４５および４６を用いて
行う。回路４５は、コイル３８および３９から検知信号４７および４８を受信し
、得られた信号を回路４６に出力する比較器である。回路４６は、電気負荷４３
および４４を介してコイル３８および３９にフィードバック信号５１および５２
をそれぞれ出力する制御回路である。たとえば、コイル３８および３９が遭遇す
る電気負荷（４３および４４）インピーダンスは、得られるコイル（３８および
３９）電流の変化がピストン磁石３４および３５それぞれにかかる磁気力を変え
るように、動的に制御することができる。別法として、単純に電磁コイル３８お
よび３９を並列に接続することによってピストン２２および２１を「フェーズロ
ック」することができる。この構成では、一方のピストン磁石（３４および３５
）がそのコイル（３８または３９）に早く到達したとき、得られる誘導電磁力が
他方のコイル（それぞれ３９または３８）を介して電流を駆動し、他方のピスト
ン磁石（それぞれ３５または３４）をそのコイル（３９または３８）内に加速す
る引力を引き起こし、したがって、ピストン磁石の到達時間の差をそのコイル部
で減少させる。
【００３０】 いくつかのタイプのフィードバック回路を使用して、各ピストンに加えるのに
適した力を決定することができる。一手法は、図７に示すように、２つのピスト
ン２１および２２について発電機を単純に単一の負荷インピーダンス５３と並列
に接続することである。ピストン２１および２２、ならびにその電磁コイル３９
および３８が同一である場合には、ピストンが同期しているとき、誘導ＥＭＦの
ε1およびε2は等しく、かつ同相であり、２つの電流Ｉ1およびＩ2は等しく、か
つ同相であり、Ｉload＝２Ｉ1＝２Ｉ2である（電流Ｉ1とＩ2が打ち消し合って負
荷インピーダンスで電流を零にしないように注意してコイルを接続しなければな
らない）。
【００３１】 ピストン力に対する図７の回路の好ましい効果は、ピストン２１および２２が
たいていの時間をコイル・コア３７および３６の外側で費やし、それにより、誘
導ＥＭＦのε1およびε2が、コイル・コア３７および３６を出入りするピストン
磁石３５および３４によって引き起こされる一連の電圧パルス５４および５５で
ある場合を考察することによって理解することができる。ＥＭＦは、ピストン磁
石がコイルに入り、次いでコイルを離れるとき、各パルス内でサインを変化させ
る。ピストンに取り付けられた磁石によって誘導されるＥＭＦ（ε1またはε2）
は、ピストンの動きに抵抗するように常にコイルを介して電流を駆動する。ピス
トン２１がコイル３９に到達してからピストン２２がコイル３８に到達する場合
には、電流Ｉ1の一部分が最初にコイル３８を介して駆動され、ピストン２２に
かかる引力を生じる磁界を引き起こし、コイル３８内にその動きを加速する。ま
た、最初にε2がないことによりＩ1が遭遇するインピーダンスが減少し、したが
って、ピストン２１および２２が同期しているときよりＩ1が大きくなる。これ
により、コイルＬ1に入るときピストン２１にかかる反発反動力がより強くなる
。ピストン２１および２２にかかる力のこれらの変化は、進むピストンから追加
エネルギーを取り出し、遅れるピストンから取り出すエネルギーをより少なくす
ることによって同期誤差を補正する傾向がある。
【００３２】 コイルを出入りするピストンの偏位全体にわたるピストン運動エネルギーに対
する図７の回路の効果は、以下の簡単なモデルで計算される。このモデルは、回
路がピストン同期誤差を補正する際に効果的であることを示す。モデルは、以下
の仮定を組み入れる。各ピストンによって生じる誘導ＥＭＦは、取り付けられて
いるピストン磁石が少なくとも部分的にその電磁コイルの内側にあるときは必ず
ピストン速度に比例する。誘導ＥＭＦは、ピストン磁石が完全にコイルの外側に
あるときは必ず零である。ピストン速度は、ピストン磁石がコイルに入るとき一
定の正の値を、ピストンがコイルを離れるとき一定の負の値を有する。この速度
の反転は、エンジン・シリンダの端部で跳ね返るピストンによって生じる可能性
があろう。ピストンの速さは、誘導ＥＭＦおよびコイル電流を決定するために一
定であると仮定する。ピストンがコイルの外側で費やす時間は、ピストン磁石が
コイル内に入る偏位間でコイル電流が零に減衰するように十分長い。
【００３３】 上記の仮定の場合、誘導ＥＭＦのε1およびε2は、図８に示すように、一連の
単一サイクル方形波パルス５４および５５である。ピストン同期誤差は、ε1パ
ルス５４をε2パルス５５と異なる時間に開始させる。図９および１０は、図７
の回路内の計算された電流Ｉ1およびＩ2を示し、ＥＭＦを図８に示す。同期誤差
のない第１、および、ピストン２２が２０マイクロ秒（μｓｅｃ）だけピストン
２１に遅れている第２の２つの場合を提示する。仮定された回路パラメータは、
Ｌ＝９．１×１０-4ヘンリー、Ｒcoil＝２．７オーム、Ｒload＝４０オームであ
る。図８の時間Ｔは４０マイクロ秒（μｓｅｃ）であると仮定する。図７の単純
化された回路にはコンデンサがないことに留意されたい。電磁コイルと共に共振
するように選択された値を有するコンデンサは、ピストン機械エネルギーを電気
エネルギーに変換する際に、電磁石の効率を大きく改善することができる。しか
し、単純にするために、図９および１０の計算から除外している。
【００３４】 ピストンが電磁コイルを出入りして偏位したとき、その運動エネルギーのいく
らかが電気エネルギーに変換される。図９および１０に示す主な結果は、ピスト
ン２２がピストン２１に遅れているとき、そのような偏位中のピストン運動エネ
ルギーの総低下量が、ピストンの同期している場合に対して、進むピストン（ピ
ストン２１）について高められ、遅れるピストン（ピストン２２）について減少
することである。この効果は、同期誤差が減少するような形でピストン速度を変
化させる。
【００３５】 マイクロエンジンの各サイクルでの同期誤差の減少量は、図７の回路内で負荷
インピーダンス５２を変えることによって調整することができる。これはまた、
非線形負荷インピーダンスを使用することによって達成することができる。後者
の手法は、電力出力を劣化させることなく、同期誤差を補正するために回路を最
適化することを可能にすることができる。低電流で高電流より抵抗の低い非線形
負荷インピーダンスを考察する。進んでいるピストンは、比較的大きな初期電流
（したがって、進むピストン磁石にかかる大きな反発力）を生じるであろう。そ
の後、遅れているピストン磁石がその電磁石コイルに入るとき、負荷インピーダ
ンス内に事前に存在する電流のため、コイルは高められた負荷インピーダンスに
遭遇するであろう。したがって、遅れているピストンはより少ない電流を生じる
（したがって、より小さい反発磁気力を感知する）であろう。電力出力は、主と
して平均出力電流で負荷インピーダンスに応じて決まろう。しかし、同期誤差を
補正する際の有効性は、電流に対して出力負荷インピーダンスの派生物に一部応
じて決まろう。したがって、出力電力と同期誤差補正は、出力インピーダンスの
非線形特性を適切に選択することにより、いくらか独立して最適化することがで
きよう。適切な非線形デバイスは、非線形の抵抗器、ダイオード・ネットワーク
またはトランジスタを含む。負荷インピーダンスのＩ−Ｖ特性は、電流の流れの
方向と独立していなければならない。したがって、単一のダイオードは適切でな
い。
【００３６】 図９は、コイル１およびピストン２１について、電磁電流、およびピストン運
動エネルギーの変化を示す。ピストン２１が２０マイクロ秒だけピストン２２よ
り進んでいるとき、ピストン２１は、電気回路へのエネルギーをピストンが同期
しているときより多く失う。これは、ピストン同期を補正する傾向がある。曲線
６１は、ピストンが同期しているときのコイル１内の電流を示す。曲線６２は、
ピストン２２が２０マイクロ秒だけピストン２１に遅れているときのコイル１内
の電流を示す。曲線６３は、ピストンが同期しているときのピストン２１の任意
単位でのエネルギー変化を示す。曲線６４は、ピストン２２が２０マイクロ秒だ
けピストン２１に遅れているときのピストン２１の任意単位でのエネルギー変化
を示す。
【００３７】 図１０は、コイル２およびピストン２２について、電磁コイル電流、およびピ
ストン運動エネルギーの変化を示す。ピストン２２が２０マイクロ秒だけピスト
ン２１に遅れているとき、ピストン２２は、失う電気回路へのエネルギーが、ピ
ストンが同期しているときよりはるかに少ない。これは、ピストン同期を補正す
る傾向がある。曲線６５は、ピストンが同期しているときのコイル２内の電流を
示す。曲線６６は、ピストン２１が２０マイクロ秒だけピストン２２より進んで
いるときのコイル２内の電流を示す。曲線６７は、ピストンが同期しているとき
のピストン２２の任意単位でのエネルギー変化を示す。曲線６８は、ピストン２
１が２０マイクロ秒だけピストン２２より進んでいるときのピストン２２の任意
単位でのエネルギー変化を示す。図のように、ピストン２１がピストン２２より
進んでいる場合、ピストン２２がコイル・コア３６に入るとき反発力がより小さ
く、ピストン２２がコイル・コア３６を離れるとき引力がより小さい。
【００３８】 マイクロエンジンは、ピストンの位置を検知するために追加のコイルを備える
ことができよう。各検知コイルは、高い入力インピーダンスを有する能動回路（
トランジスタ、オペアンプなど）に接続することになろう。したがって、非常に
小さい電流が検知コイル内を流れ、そのため、ピストンに作用する力が非常に小
さくなろう。検知コイル回路は、適切なフィードバック電流を主電磁コイル内に
流し込み、または主コイルの出力インピーダンスを能動的に変えて、同期誤差を
補正することになろう。この制御法の利点は、検知コイルが、フィードバック力
をピストンに加えるために使用されるコイルから分離されていることである。検
知機能とフィードバック機能の分離は、設計柔軟性をより大きくし、したがって
、同期誤差の補正を改善する。しかし、この手法は、上述した単純な受動制御法
より著しく複雑である。
【００３９】 発電と同期誤差の補正のために別個のコイルを有するマイクロエンジンを設け
ることにより、これらの機能を互いに比較的独立させることができる。各ピスト
ンは、エンジンの各サイクル中に２つのコイルから力を感知することになろう。
理想的には、マイクロエンジンから最大の電力出力を得るために、発電機コイル
によって最大の力を働かせることになろう。
【００４０】 図１１ａおよび１１ｂのインダクタンス・ブリッジ回路は、各ピストン磁石に
よって誘導されるＥＭＦを検知し、フィードバック電流を送って同期誤差を補正
するために使用することができよう。図１０ａは、同期誤差補正のためのインダ
クタンス・ブリッジ回路を示す。ピストン２１の移動するピストン磁石３５は、
コイルＬ1内でＥＭＦε1を誘導する。ピストン２２の移動するピストン磁石３４
は、コイルＬ2内でＥＭＦε2を誘導する。この回路はピストン２１のためのもの
であり、ピストン２２用の回路との電気接続を示す。図１０ｂの回路はピストン
２２について示し、ピストン２１用の回路との電気接続を示す。図１０ａでは、
ピストン磁石がコイルＬ1内でＥＭＦε1を誘導する。基準コイルＬR1は、コイル
Ｌ1と同じインダクタンスを有する。オペアンプ回路Ａ１およびＡ２の高い入力
インピーダンスのため、同じ電流Ｉ1が基準コイルＬR1とコイルＬ1とを介して流
れる。したがって、電圧Ｖ１とＶ２の間の差は、オペアンプ回路Ａ１およびＡ２
のゲインＧのちょうどＥＭＦε倍である。オペアンプ回路Ａ４は、ピストン２１
とピストン２２からのＥＭＦを比較する。２つの誘導ＥＭＦが同じでない場合は
、Ａ４の出力が、制御可能な電流源ＩCに適切なフィードバックを送り、コイル
Ｌ1内の電流を変化させることによって同期誤差を補正する。フィードバック電
流は、コイルＬR1にもＬ1にも流れるため、電圧Ｖ１およびＶ２に対して影響を
及ぼさない。
【００４１】 この回路は、マイクロエンジン上に追加のコイルを設けることなく、同期誤差
の明白な尺度が得られる電気信号を提供するという利点を有する。この信号を使
用して、同期誤差を補正するために特に設計された様々な能動回路を使用する電
磁コイルにフィードバックを送ることができる。図１１ａおよび１１ｂの回路は
、あまり単純ではない。しかし、高温の燃焼領域、燃料および排気ポート、他の
コイルと干渉することなく、追加のコイルをマイクロエンジン上に設けることは
、使用可能な空間が小さいため困難である可能性があるのに対して、能動電子構
成部品は小型で低コストである。
【００４２】 透明な壁を有するマイクロエンジン・シリンダの長手方向に沿って配置された
光検出器の直線アレイを使用して、ピストン同期誤差を測定することができよう
。燃焼中に放射される光は、最大の信号が得られる燃焼ポイントに最も近接する
検出器で検出することになろう。別法では、いつピストンの縁部が検出器を通過
するか判断することにより、光検出器がピストン同期を測定することができよう
。これらの測定は、非常に迅速に（数ナノ秒）、非常に高い分解能（数ミクロン
まで測定されるピストン位置）で行うことができよう。これにより、高速制御回
路の実施が可能になろう。ピストンがコイルに入る前に能動回路がコイルに制御
電流を加え、ピストンにかかる磁気力に対する制御を向上させることになるフィ
ードフォワード制御アルゴリズムを使用することができよう。
【００４３】 ピストンの速度もまた、ピストン上に目盛り７１をパターン付けすることによ
り、光学的に測定することができる。固定された光検出器７２は、連続する目盛
り７１とピストン縁部の通過の間の経過時間を測定して、ピストン速度を示すこ
とになろう（図１２）。位置と速度の測定値の組み合わせにより、変換器３６お
よび３７部でのピストンの到達時間の正確な予測が可能になろう。
【００４４】 これら光検出手法は、先に述べた能動回路フィードバックという設計柔軟性の
利点を有する。また、同期誤差の検知と、力を加えてそれを補正することの機能
は、別個の構成部品によって行う。ピストン位置と速度は、ピストンが電磁コイ
ルに入る前に、正確に、迅速に、高い分解能で測定することができる。最後に、
光検出器は、マイクロエンジンに近接して位置付けられるように十分小型にする
ことができる。しかし、この手法は、シリンダ壁が、光検出器によって検知され
るエンジンからの光または放射の波長にとって透過であることを必要とする。
【００４５】 エンジン１０の機械説明に戻ると、ポート２０および１８の場所は、ピストン
が移動する領域の上ではなく、それぞれ通気路２４および２６の上である。通気
路の位置は、エンジン１０の動作にとってクリティカルである。この位置は、エ
ンジンの動作にとって主たる制御パラメータである。単一ピストン・エンジンの
初期分析の結果が下表１にある。
【００４６】 現在使用可能な排気量０．０１５ｉｎ.3の小型の模型飛行機用エンジンから始
めて、１桁を超えて小さい、すなわち０．０００５〜０．００２ｉｎ.3範囲にあ
る排気量の必要性が想像される。
【００４７】 寿命および性能を最大にするために、その低い摩擦および摩耗（クランクシャ
フトによる横推力がない）のため、直線電磁発電機と結合される２重−対向型の
直線自由ピストン・エンジン設計を選択する。そのようなエンジンの実現可能性
および質的性能を決定するために、仮定の発見的集合を作り、導出されたデータ
と共に表１にリストした（アスタリスク「*」を付す）。
【００４８】 そのようなエンジン、単一ピストンを有する第１のものの実現可能性および質
的性能を決定するために、仮定の発見的集合を作り、導出されたデータと共に表
１にリストした（アスタリスクを付す）。２重ピストン・バージョンについて、
表１に続くエンジン関連問題の考察で論じる。
【００４９】
【表１】
【００５０】 いくつかの問題がある。１つは、点火誘導および遅延時間を含む。従来型エン
ジンの通常値１〜２ｍｓは、約１０００分の１に短縮する必要があり、そのよう
な低い値を試験データの外挿から予測することができる。これらはまた、高圧の
火炎（≦１００バール）および衝撃波の中で観察された。
【００５１】 他の問題は、燃焼の壁消炎である。周囲圧力では、消炎距離（ｑ）が約２．５
ｍｍであるが、圧力と温度が上昇するにつれて減少し（ｑ〜１／ｐ）、約Ｔ〜１
６００Ｋ、ｑ≒０である。
【００５２】 表面体積比もまた問題である。マイクロエンジンの小さいサイズは、大きい表
面体積比に伴う損失、すなわちシリンダ壁への損失を上昇させる。３つの側面に
ついて対処し、予備考察を行う。第１は、燃焼前圧縮中のピストン−シリンダ空
間を介した混合物の漏れである。第２は、主に粘性抵抗による可能性があるピス
トンとシリンダの間の摩擦であり、第３は、圧縮中および燃焼後の高温ガスと比
較的低温のシリンダ壁との間で熱伝導を介した急激な熱損失である。
【００５３】 仮定される半径方向５μｍのピストン−シリンダ間隔の場合、損失が燃料＋給
気の１０パーセントより十分低いと推定することができる。平均の相対ピストン
−シリンダ速さ１０ｍ／ｓについて推定される摩擦による電力放散は、〜３０ｍ
Ｗの電力に達し、漏れの流れ（最大６倍のピーク速さを有する）を含むと、摩擦
損失が約１ワットになる。これらの放散は、潤滑および凝縮のない動作に、すな
わち空気ベアリングに基づく。しかし、油膜は、漏れを減少させて摩擦を増加（
約４０倍）させ、やはり１ワット範囲内の放散総量を最終的に生じることになろ
う。
【００５４】 他の問題は、排気および吸気ポートの制限である。マイクロエンジンの速さが
増すにつれて、実際に音速によって制限される排気および吸気の流れの機能を完
了させるのに使用可能な時間が少なくなる。さらに、ガス密度が増すにつれてレ
イノルズ数が増し、排気および掃気流に対する抵抗が増大する。上表１で示すよ
うに、排気のために使用可能な時間は約１５０マイクロ秒（μｓ）であり、これ
は音速流量（２６μｓ）で排出するのに必要とされる時間に比べて長い。狭い吸
気および排気ポート開口（内径１ｍｍ）の後、より大きい断面を選択するのが賢
明であろう。吸気燃料−空気混合物の加圧は、必要とされない、または実際的で
ない可能性がある。
【００５５】 出力電力の調節もまた問題である。吸気混合物の流量および燃料濃度（希薄燃
焼）を制限することにより、エンジン出力を制御することができる。 ガスばね制御に留意するべきである。図１３に示すような予備計算により、周
囲圧力で最低値を設定することによって達成するばね圧力よりバランスのとれた
動作を確保するために、周囲より高い（最低）ばね圧力が有利であることが示さ
れた。図１３に示す計算結果は、最低ばね圧力３バール（４４ｐｓｉａ）および
ストローク４ｍｍで得られた。
【００５６】 慣性補償が重要である。上記で示したエンジン計算は、単一ピストン・エンジ
ンのためのものであった。そのようなシステムは、振動をその支持構造に伝達し
、その有効寿命を損なわないで最小サイズを達成する目標と対立することになろ
う。したがって、より大きなエンジンのために先に提案されているように、２つ
の対向する直列、平面内ピストンからなるエンジンの設計に向かって上記の洞察
を適用することを提案することができる。そのような設計は、排気および吸気の
機能を容易にし（ピストンが上死点から離れるため）、外部振動を解消するが、
厳密に対称な動作を維持する必要がある。周波数を変化させることなく、出力電
力および排出時間を２倍増大させるとすれば、上記のデータは、そのような２重
ピストン・システムを表すように働くことができよう。
【００５７】 エンジン騒音出力は注目に値する。可聴範囲（３５，０００ＲＰＭまたは約５
００Ｈｚで動作する排気量０．０１５ｉｎ.3の模型飛行機用エンジンは、ステル
ス作戦や閑静な近隣には歓迎されない）内の騒音を回避するために、主要周波数
を２０，０００Ｈｚより上に移すことが望ましいであろう。上記設計のストロー
クを２ｍｍに切断することにより（図１４参照）、周波数はおよそ２倍になって
約６，０００Ｈｚになり、ピストン直径を〜１ｍｍに、その質量を４分の１に削
減することにより、２０，０００Ｈｚを超える周波数目標を理論的に達成するこ
とができる。より短い給気および排気時間、ならびに相対摩擦損失の形態の課題
は、直径２ｍｍピストン・エンジンで筆者らのモデルおよびスケーリング法則を
確認することによって対処されよう。
【００５８】 数学的モデル化を介したエンジン性能評価−粘性抵抗について、層流、すなわ
ち半径ｒ、長さＬ、動粘度ηの毛管内の体積流に関するポアズイユ（Ｐｏｉｓｅ
ｕｉｌｌｅ）の法則として知られる式 Ｖ＝πｒ4Δｐ／（８Ｌη） （１） を用いて評価した。
【００５９】 ピストンとシリンダの間の摩擦（電力放散または力×速さ）損失について、粘
度η、厚さｓ、表面積Ａ、速さｖの流体膜上で互いに接して摺動する２つの表面
間の運動量の伝達を定義する式 Ｑ＝Ｆ・ｖ＝ηｖ2Ａ／ｓ （２） を用いて評価した。
【００６０】 この関係の１つの顕著な結果は、所与の時間増分の間に粘性抵抗によって放散
されるピストンの運動エネルギーの割合は、速さの変化に関わらず一定であるこ
とである。というのは、運動エネルギーもＱもｖ2に比例し、残りのピストン速
さの割合は、Ｄ＝ピストン直径、ρ＝ピストン密度として｛１−８η／（ｓＤρ
）｝0.5であるためである。この関係は、その直径をＭＥＭＳサイズに縮小した
とき、完全な膨張ストロークにわたるピストン・エネルギーの放散を示す。図で
は、ピストン密度がＳｉのものから、エンジン周波数の減少にも関連するＦｅの
ものに増したとき粘性損失が減少し、間隙または潤滑膜厚が３μｍから５μｍに
増大し、潤滑流体粘度が液体の水のものから空気のものに減少する（１３００μ
Ｐから３００μＰ）。上記の場合の最悪は第１のもの、すなわち、膜厚３μｍの
潤滑剤として液体の水と共にシリコン・ピストンを用いた動作であるが、その場
合の元でも、エネルギー損失は、直径わずか約０．２ｍｍのピストンについて約
２０％である（図１５参照）。
【００６１】 燃焼前および燃焼後ガスの圧縮状態は、漏れるガスの速度をピストンの速さよ
り高める可能性があり、そのため、これがピストンにかかる有効抵抗をさらに増
すかどうか問う必要がある。細かく調べたところでは、ピーク燃焼前圧力差１５
０バールでも、ガス漏れ率によるピストンの減速は、約３００バールおよび６０
ｍ／ｓを十分超えるピーク漏れ率（非圧縮ガスについて）で開始されるパワー膨
張ストローク中にもたらされる、より大きな加速度より小さいことがわかる。
【００６２】 断熱圧縮による圧力および温度の上昇は、燃焼前ガスも燃焼後ガスもＮ2（３
００℃でＣｐ＝７．１７ｃａｌ／ｍｏｌ Ｋ）８０パーセント、およびＣｐ＝９
．９ｃａｌ／（ｍｏｌ Ｋ）のガス２０パーセントで構成され、燃焼前または燃
焼後、すなわちγ＝１．３４１に関わらず、平均Ｃｐ＝７．８を生み出し、それ
により、圧力および温度は、ｐＶγ＝Ｐ0Ｖ0γおよびＴ／Ｔ0＝（Ｖ0／Ｖ）γ-1 ＝（ｐ／ｐ0）(γ-1)/γに従って圧縮進行中に上昇すると単純化して仮定するこ
とによって計算した。
【００６３】 以上本発明について特定の好ましい実施形態に関して述べたが、本願を読めば
、多数の変形形態および修正形態が当業者には明らかになろう。したがって、添
付の特許請求の範囲は、そのような変形形態および修正形態をすべて含むように
、従来技術に鑑みてできるだけ広く解釈するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マイクロ燃焼エンジンの展開図である。
【図２】 図２ａ、２ｂおよび２ｃは、本エンジンの機能サイクルを示す図である。
【図３】 シャフトのようなピストン、および、より大きいピストンのような空気ばねを
示す本エンジンの横断面図である。
【図４】 ピストン制御および電気エネルギー発生のための特徴を示す本エンジンの横断
面図である。
【図５】 図５ａ〜５ｄは、本エンジン内のピストンの同期誤差を示す図である。
【図６】 マイクロ燃焼エンジン用の制御電子回路の図である。
【図７】 ピストン同期のための負荷抵抗器との２つの電磁石の並列接続を示す図である
。
【図８】 図７の本エンジンの誘導ＥＭＦのタイミング図である。
【図９】 本エンジンの２つのピストンそれぞれについて電磁コイル電流および運動エネ
ルギーをそれぞれ示す図である。
【図１０】 本エンジンの２つのピストンそれぞれについて電磁コイル電流および運動エネ
ルギーをそれぞれ示す図である。
【図１１】 図１１ａおよび１１ｂは、ピストン同期誤差補正のためのインダクタンス・ブ
リッジ回路の概略図である。
【図１２】 本エンジン・ピストンの位置および速度を決定するための光学検出方式を示す
図である。
【図１３】 圧縮比３０：１の損失のない直径２ｍｍ、ストローク４ｍｍを有する直線自由
ピストン・マイクロエンジンの燃焼パラメータのグラフである。
【図１４】 圧縮比３０：１の損失のない直径２ｍｍ、ストローク２ｍｍを有する直線自由
ピストン・マイクロエンジンの燃焼パラメータのグラフである。
【図１５】 示された条件について、１回の完全なパワー・ストローク２ｍｍにわたる粘性
抵抗によって放散されたエネルギーの割合のグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｆ 3/00 Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ボン，ウルリヒ アメリカ合衆国ミネソタ州55343，ホプキ ンズ，シャディ・オウク・ロード 4936

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チャンバと、 前記チャンバ内に位置する第１のピストンと、 前記チャンバ上に位置する第２のピストンと、 前記チャンバ内の少なくとも１つの吸気ポートと、 前記チャンバ内の少なくとも１つの出力ポートと を備えるエンジンであって、 前記第１および第２のピストンが、互いに向かって移動可能であり、それによ
    り、燃料混合物を圧縮および点火し、燃焼状態にして強制的に前記第１および第
    ２のピストンを互いに引き離し、その結果、燃焼した燃料混合物が前記少なくと
    も１つの出力ポートを介して前記チャンバを離れ、他の燃料混合物が前記少なく
    とも１つの吸気ポートを介して前記チャンバに入って前記第１および第２のピス
    トンによって圧縮および点火され、再び強制的に前記第１および第２のピストン
    を互いに引き離すノック燃焼状態になるエンジン。
  2. 【請求項２】 前記第１のピストンに近接する第１の電磁石と、 前記第２のピストンに近接する第２の電磁石とをさらに備え、 前記第１および第２の電磁石が、それぞれ前記第１および第２のピストンから
    の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する、請求項１に記載のエンジン。
  3. 【請求項３】 前記第１および第２の電磁石が、前記ピストンを共振に逐い
    込み、発電し、前記第１および第２のピストンを同期させる、請求項２に記載の
    エンジン。
  4. 【請求項４】 前記チャンバおよび第１および第２のピストンが、シリコン
    、セラミック、サファイア、シリコン炭化物、パイレックス（登録商標）、金属
    からなるグループからの少なくとも１つの材料から微細加工される、請求項３に
    記載のエンジン。
  5. 【請求項５】 チャンバと、 前記チャンバ内に位置する第１のピストンと、 前記チャンバ内に位置する第２のピストンと、 前記第１のピストンに近接する第１の検出器と、 前記第２のピストンに近接する第２の検出器と、 前記第１のピストンに近接する第１の変換器と、 前記第２のピストンに近接する第２の変換器と を備えるエンジン。
  6. 【請求項６】 前記チャンバ、ならびに前記第１および第２のピストンが微
    細加工される、請求項５に記載のエンジン。
  7. 【請求項７】 前記第１および第２のピストンが前記チャンバ内で互いに向
    かって移動し、燃料混合物を圧縮して、燃料混合物の均質な自己点火を引き起こ
    して燃焼状態にすることができる、請求項６に記載のエンジン。
  8. 【請求項８】 前記チャンバ内に位置する入力ポートと、 前記チャンバ内に位置する排気ポートと をさらに備える請求項７に記載のエンジン。
  9. 【請求項９】 前記第１および第２のピストンが、燃焼によって互いに引き
    離され、 燃焼の中身が前記排気ポートを介して前記チャンバを出て、 燃料混合物が前記入力ポートを介して前記チャンバに入る、請求項８に記載の
    エンジン。
  10. 【請求項１０】 前記第１の検知器が前記チャンバ内で前記第１のピストン
    の位置を検知し、 前記第２の検知器が前記チャンバ内で前記第２のピストンの位置を検知し、 前記第１の変換器が臨時に前記第１のピストンに力を働かせ、 前記第２の変換器が臨時に前記第２のピストンに力を働かせ、 前記第１および第２のピストンに働く力が、前記第１および第２のピストンを
    同期させたまま保つ傾向がある、請求項９に記載のエンジン。
  11. 【請求項１１】 前記第１の変換器が前記第１のピストンの運動エネルギー
    を電気エネルギーに変換し、 前記第２の変換器が前記第２のピストンの運動エネルギーを電気エネルギーに
    変換する、請求項１０に記載のエンジン。
  12. 【請求項１２】 前記第１の変換器が電磁石であり、 前記第２の変換器が電磁石である、請求項１１に記載のエンジン。
  13. 【請求項１３】 前記チャンバが材料から微細加工され、 前記第１および第２のピストンが材料から微細加工される、請求項１２に記載
    のエンジン。
  14. 【請求項１４】 材料が、シリコン、セラミック、サファイア、シリコン炭
    化物、パイレックス（登録商標）、金属からなるグループからのものである、請
    求項１３に記載のエンジン。
  15. 【請求項１５】 前記第１および第２のピストンが、互いに面する第１の端
    部と、その第２の端部に取り付けられた永久磁石とを有し、 前記第１および第２の電磁石が、それぞれ前記第１および第２の検出器である
    、請求項１４に記載のエンジン。
  16. 【請求項１６】 チャンバと、 前記チャンバ内に位置し、前記チャンバの長手方向に沿って自由に移動可能な
    第１のピストンと、 前記チャンバ内に位置し、前記チャンバの長手方向に沿って自由に移動可能な
    第２のピストンと、 前記チャンバ内に位置する通気路とを備え、 前記チャンバ、第１のピストン、第２のピストン、通気路が材料から微細加工
    されるエンジン。
  17. 【請求項１７】 前記チャンバの第１の端部に位置する第１の変換器と、 前記チャンバの第２の端部に位置する第２の変換器とをさらに備える、請求項
    １６に記載のエンジン。
  18. 【請求項１８】 前記第１および第２のピストンの位置を検知するための検
    出器をさらに備える、請求項１７に記載のエンジン。
  19. 【請求項１９】 前記第１および第２のピストンが前記チャンバ内で互いに
    向かって移動可能であり、前記通気路を介して前記チャンバに入る燃料混合物を
    圧縮および点火し、燃焼状態にして強制的に前記第１および第２のピストンを互
    いに引き離し、その結果、燃焼した燃料混合物が前記通気路を介して前記チャン
    バを出る、請求項１８に記載のエンジン。
  20. 【請求項２０】 前記第１および第２の変換器が、前記第１および第２のピ
    ストンの動きを電気エネルギーに変換する、請求項１９に記載のエンジン。
  21. 【請求項２１】 前記第１および第２の検出器、および前記第１および第２
    の変換器に接続された回路をさらに備える、請求項２０に記載のエンジン。
  22. 【請求項２２】 前記回路が前記検出器から信号を受信し、前記チャンバ内
    で前記第１および第２のピストンの動きを同期させるように前記ピストンに力を
    加える前記変換器に信号を出力する、請求項２１に記載のエンジン。
  23. 【請求項２３】 前記回路が、負荷または記憶装置に加えるために、前記変
    換器から電気エネルギーを受け取る、請求項２２に記載のエンジン。
  24. 【請求項２４】 前記変換器が電磁石である、請求項２３に記載のエンジン
    。
  25. 【請求項２５】 前記第１および第２の変換器が、前記第１および第２の検
    出器を備える、請求項２４に記載のエンジン。
  26. 【請求項２６】 前記第１のピストンに取り付けられた第１の永久磁石と、 前記第２のピストンに取り付けられた第２の永久磁石とをさらに備え、 前記第１および第２の永久磁石が、それぞれ前記第１および第２の変換器に影
    響を及ぼす、請求項２５に記載のエンジン。
  27. 【請求項２７】 材料が、シリコン、セラミック、サファイア、シリコン炭
    化物、パイレックス（登録商標）、金属からなるグループからのものである、請
    求項２６に記載のエンジン。
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