JP6944948B2

JP6944948B2 - Control of piston trajectory in free piston combustion engine

Info

Publication number: JP6944948B2
Application number: JP2018551167A
Authority: JP
Inventors: マシューロエル，; クリストファーガッダ，
Original assignee: メインスプリングエナジー，インコーポレイテッド
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2021185315A; WO2017171816A1; PT3436680T; EP3436680A1; JP2019513201A; EP3436680B1; DK3436680T3

Description

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内のピストン軌道の制御に関する。 The present disclosure relates to a free piston combustion engine, and more specifically, the present disclosure relates to the control of a piston trajectory in a free piston combustion engine.

いくつかの自由ピストン機関は、ピストンの所望の位置対時間軌道がピストンの初期位置に基づいて判定される、ピストンの位置対時間制御に依拠する。システムがピストンを移動させると、制御方略は、ピストンが所望の位置対時間軌道から逸脱している程度を測定し、ピストンを所望の位置対時間軌道により近づけるために、任意の逸脱を補償しようとする。いくつかの自由ピストン機関は、ピストンが他の好適な軌道（例えば、位置対速度）から逸脱している程度を測定し、ピストンを所望の軌道により近づけるために、任意の逸脱を補償しようとする、制御方略に依拠する。 Some free piston engines rely on piston position-to-time control, where the desired position-to-time trajectory of the piston is determined based on the initial position of the piston. As the system moves the piston, the control strategy measures the extent to which the piston deviates from the desired position-to-time trajectory and attempts to compensate for any deviation in order to bring the piston closer to the desired position-to-time trajectory. do. Some free piston engines measure the extent to which the piston deviates from other suitable trajectories (eg, position vs. velocity) and seek to compensate for any deviation in order to bring the piston closer to the desired trajectory. , Relies on control strategies.

これらのアプローチは、典型的には、以前に判定された軌道に基づいてピストンの移動を制御するための開形式解に依拠し、多くの場合、ピストンの移動に影響を及ぼすであろう、機関の中の変化する条件を考慮しない。例えば、所望の軌道が判定された後、機関の中の条件は、所望の軌道がもはや適用可能ではなくなるように、変化し得る。しかしながら、ピストンの移動は、依然として、元の所望の軌道およびそこからの逸脱に基づくであろう。 These approaches typically rely on open-form solutions to control piston movement based on previously determined trajectories and will often affect piston movement, institutions. Does not consider the changing conditions in. For example, after the desired trajectory has been determined, the conditions within the engine can change such that the desired trajectory is no longer applicable. However, the movement of the piston will still be based on the original desired trajectory and deviations from it.

本開示の種々の実施形態は、自由ピストン線形燃焼機関を制御するステップを対象とする。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）機関の膨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を直接変換する、少なくとも１つの線形電磁機械（ＬＥＭ）とを備える。しかしながら、さらなる実施形態が、上記に識別される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。 The various embodiments of the present disclosure cover the steps of controlling a free piston linear combustion engine. In at least one embodiment, the engine stores energy during the expansion stroke of the cylinder, which comprises (i) combustion compartment, (ii) at least one free piston assembly in contact with the combustion compartment, and (iii) engine. At least one linear electromagnetic machine (LEM) that directly converts between the kinetic energy and the electrical energy of at least one drive compartment and (iv) at least one free piston assembly in contact with at least one free piston assembly. And. However, it should be noted that further embodiments may include various combinations of features and physical properties identified above.

本開示は、自由ピストン機関の中のピストンアセンブリのうちの１つまたはそれを上回るもののための軌道の判定および実装のための制御技法に関連する。本明細書で使用されるように、用語「軌道」は、例えば、位置・力軌道（一連の位置・力対）、時間・位置軌道（一連の時間・位置対）、または位置・速度軌道（一連の位置・速度対）等の自由ピストン機関の中のピストンアセンブリの運動を表す一連のデータ対を指す。位置・力軌道は、ピストンアセンブリの１つまたはそれを上回る規定位置におけるピストンアセンブリに作用する力を定義し、時間・位置軌道は、１つまたはそれを上回る規定時間瞬間におけるピストンアセンブリの位置を定義し、位置・速度軌道は、ピストンアセンブリの１つまたはそれを上回る規定位置におけるピストンアセンブリの速度を定義する。軌道のデータ対の中の要素のうちの少なくとも１つは、縦座標である他のデータ要素との関数関係において横座標と見なされ得る。（例えば、共有燃焼区間を伴う対向するピストンとして配列される）１つの機関の中の複数の自由ピストンアセンブリの場合、軌道は、個別のピストンアセンブリ毎にデータ対を含んでもよい。軌道は、概して、一連のデータ対であるものとして表されるが、軌道は、ある条件下では、単一のデータ対（例えば、位置・力軌道の場合、単一の位置・力対）のみを含むことが、理解されるであろう。 The present disclosure relates to control techniques for trajectory determination and implementation for one or more of the piston assemblies in a free piston engine. As used herein, the term "orbit" refers to, for example, a position / force trajectory (a series of position / force pairs), a time / position trajectory (a series of time / position pairs), or a position / velocity trajectory (a series of time / velocity pairs). A series of data pairs representing the motion of a piston assembly in a free piston engine, such as a series of position / velocity pairs). The position / force trajectory defines the force acting on the piston assembly at one or more specified positions of the piston assembly, and the time / position trajectory defines the position of the piston assembly at one or more specified time moments. The position / velocity trajectory, however, defines the velocity of the piston assembly at a defined position at one or above the piston assembly. At least one of the elements in the orbital data pair can be considered abscissa in a functional relationship with other data elements that are ordinates. For multiple free piston assemblies in one engine (eg, arranged as opposing pistons with shared combustion sections), the trajectories may include data pairs for each individual piston assembly. An orbit is generally represented as a series of data pairs, but an orbit is, under certain conditions, only a single data pair (eg, a single position / force pair in the case of a position / force trajectory). Will be understood to include.

本開示によると、自由ピストン機関の処理サブシステムは、少なくとも、１つまたはそれを上回る自由ピストンアセンブリの現在の位置および所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関の中の１つまたはそれを上回るピストンアセンブリのための位置・力軌道を算出する。自由ピストン機関の制御に関して本明細書で使用されるように、用語「所望の機関性能」は、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリが、所望の個別の位置で頂点に達する、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリが、個別の規定速度もしくは加速度で所望の個別の標的位置に到達する、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリが、任意の他の好適なパラメータもしくは条件を伴って所望の個別の標的位置に到達する、またはそれらの任意の組み合わせであるように、機関を動作させることを指す。処理サブシステムは、個別の頂点の間のそれらの個別の伝播経路に沿ったそれらの位置の関数として、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリ上で生じさせられる位置・力軌道に基づいて、特定の力値を判定する。本開示は、ピストンアセンブリ上で生じさせられる力値を判定するという状況で説明されるが、任意の他の好適なパラメータ値は、ピストンアセンブリの移動を生じさせるために計算され得ることが理解されるであろう。例えば、任意の好適なガス圧力値が、例えば、外部圧縮ガス源によって供給されるガス圧力、またはガススプリングの側面を調節することによってガス圧力を生じさせること等に関して、ピストンアセンブリの移動を生じさせるために使用されることができる。本明細書で使用されるように、用語「伝播経路」は、それに沿ってピストンアセンブリが横断する、位置経路を指す。例えば、処理サブシステムは、最初に、少なくとも、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置および所望の機関性能に基づいて、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリのための位置・力軌道を計算し、次いで、続いて、計算された位置・力軌道に基づいて、所望の機関性能を達成するために規定時間もしくは位置間隔にわたって１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに適用する力値を判定してもよい。力値は、例えば、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに電磁力を及ぼすことによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに適用されてもよい。いくつかの実施形態では、処理サブシステムは、自由ピストン機関の動作状態に基づいて、位置・力軌道を計算する。自由ピストン機関の動作状態は、機関の状態（すなわち、その動的システム状態）の計算、測定、または推定値もしくはインジケータ、および機関の動作特性、性能、パラメータ、ならびに環境の任意の他の好適な計算、測定、または推定値もしくはインジケータを指す。例えば、１つまたはそれを上回るセンサが、自由ピストン機関の個別の区画もしくは構成要素における圧力、温度、力、速度、加速度、位置、任意の他の好適なパラメータもしくは条件、またはそれらの任意の組み合わせを測定するために使用され得る。本センサ情報は、位置・力軌道を算出し、所望の機関性能を達成するように、処理サブシステムによって処理されることができる。 According to the present disclosure, the processing subsystem of a free piston engine is at least one or more of the free piston engines based on the current position of one or more free piston assemblies and the desired engine performance. Calculate the position and force trajectory for the piston assembly. As used herein with respect to the control of a free piston engine, the term "desired engine performance" refers to one or more piston assemblies culminating in desired individual positions. The larger piston assembly reaches the desired individual target position at an individual defined speed or acceleration, and one or more piston assemblies with any other suitable parameter or condition desired individual target position. Refers to operating the engine to reach, or any combination thereof. Processing subsystems are specific based on the position / force trajectories generated on one or more piston assemblies as a function of their position along their individual propagation path between individual vertices. Determine the force value. Although the present disclosure is described in the context of determining the force value generated on the piston assembly, it is understood that any other suitable parameter value can be calculated to cause movement of the piston assembly. Will be. For example, any suitable gas pressure value causes the movement of the piston assembly with respect to, for example, the gas pressure supplied by an external compressed gas source, or the gas pressure generated by adjusting the sides of the gas spring. Can be used for. As used herein, the term "propagation path" refers to the positional path along which the piston assembly traverses. For example, the processing subsystem first calculates the position / force trajectory for one or more piston assemblies based on the current position of at least one or more piston assemblies and the desired engine performance. Then, based on the calculated position / force trajectory, determine the force value to be applied to one or more piston assemblies over a specified time or position interval to achieve the desired engine performance. May be good. The force value may be applied to one or more piston assemblies, for example by exerting electromagnetic force on one or more piston assemblies. In some embodiments, the processing subsystem calculates the position / force trajectory based on the operating state of the free piston engine. The operating state of a free piston engine is a calculation, measurement, or estimate or indicator of the state of the engine (ie, its dynamic system state), and any other suitable of the operating characteristics, performance, parameters, and environment of the engine. Refers to a calculation, measurement, or estimate or indicator. For example, one or more sensors are pressure, temperature, force, velocity, acceleration, position, any other suitable parameter or condition, or any combination thereof in the individual compartments or components of a free piston engine. Can be used to measure. The sensor information can be processed by a processing subsystem to calculate the position / force trajectory and achieve the desired engine performance.

１つの好適なアプローチでは、処理サブシステムは、（例えば、特定の事象に応答して、特定の閾値交差、任意の他の好適なトリガ時に、またはそれらの任意の組み合わせにおいて）特定のトリガがアクティブ化されるときに、ピストンアセンブリのための位置・力軌道を計算する。別の好適なアプローチでは、処理サブシステムは、繰り返し機関ストロークまたはサイクルの全体を通して、位置・力軌道を計算する。例えば、計算は、特定の時間間隔（例えば、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ等）で、または特定の離散位置間隔（例えば、１ミリメートル毎、１ミクロン毎等）で実施されてもよい。別の好適なアプローチでは、自由ピストン機関の動作状態が変化すると、処理サブシステムは、新しい位置・力軌道を計算してもよい。 In one preferred approach, the processing subsystem has a particular trigger active (eg, in response to a particular event, at a particular threshold crossing, at any other suitable trigger, or at any combination thereof). Calculate the position / force trajectory for the piston assembly when it is made. In another preferred approach, the processing subsystem calculates the position / force trajectory throughout the repeating engine stroke or cycle. For example, the calculations may be performed at specific time intervals (eg, 1 kHz, 10 kHz, etc.) or at specific discrete position intervals (eg, every 1 millimeter, every 1 micron, etc.). In another preferred approach, the processing subsystem may calculate a new position / force trajectory as the operating state of the free piston engine changes.

各位置・力軌道の計算は、以前に計算された軌道（位置・力軌道、時間・位置軌道、または任意の他の好適な軌道）からの逸脱に関係なく行われる。位置・力軌道計算は、例えば、ルックアップテーブル、曲線適合、または両方の使用を含む、例えば、１つまたはそれを上回る計算、１つまたはそれを上回る規定、もしくはそれらの任意の組み合わせを使用して、判定されることが理解されるであろう。本側面は、自由ピストン機関の動作状態の変化および変更（高速または低速、意図的または非意図的）が、各新しい位置・力軌道計算で考慮されることを可能にし、それによって、自由ピストン機関の動作状態の障害を除外することが可能である、自由ピストン機関のための制御技法を提供する。各位置・力軌道の計算はまた、所望の機関性能のタイミングに関係なく算出されてもよい。すなわち、各位置・力軌道は、時間成分を伴わずに定義され、所望の機関性能が生じる時間（例えば、ピストンアセンブリが頂点に達する、または別様に標的位置に到達する時間）を規定することなく計算される。ある事例では、機関ガス性質、条件、およびパラメータについての好適な仮定を用いて、位置・力軌道の計算は、閉形式解に依拠し得る。他の事例では、位置・力軌道の計算は、（例えば、解を計算するために解法を使用する）数値的反復解に依拠し得る。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関内の自由ピストンアセンブリの変位を制御するためにプログラムされたコンピュータシステムによって実施される方法であって、前記方法は、
ａ）前記自由ピストンアセンブリの現在の位置を判定することと、
ｂ）前記自由ピストンアセンブリの前記現在の位置および前記所望の機関性能に基づいて、以前に判定された位置・力軌道に関係なく、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することと、
ｃ）前記位置・力軌道に基づいて、前記自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることと、
ｄ）前記プログラムされたコンピュータシステムが停止することを判定するまで、ａ）からｃ）を繰り返すことと
を含む、方法。
（項目２）
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストンアセンブリの速度を計算することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記自由ピストンアセンブリの前記速度に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストン機関の一区画の中で１つまたはそれを上回る圧力測定を実施することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記１つまたはそれを上回る圧力測定に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストン機関の１つまたはそれを上回る個別の区画の中で１つまたはそれを上回る圧力推定値を判定することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記１つまたはそれを上回る圧力推定値に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記位置・力軌道を判定することは、閉形式解を使用して、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記位置・力軌道を判定することは、前記所望の機関性能のタイミングに関係なく、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記所望の機関性能に基づいて、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することは、前記自由ピストンアセンブリが規定速度で所望の標的位置に到達するように、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記規定速度は、ゼロである、項目７に記載の方法。
（項目９）
前記自由ピストンアセンブリは、第１の自由ピストンアセンブリであり、前記位置・力軌道は、第１の位置・力軌道であり、前記自由ピストン機関は、前記第１の自由ピストンアセンブリに対向する第２の自由ピストンアセンブリを備え、要素ａ）はさらに、前記第２の自由ピストンアセンブリの現在の位置を判定することを含み、要素ｂ）はさらに、前記第２の自由ピストンアセンブリの前記現在の位置および前記所望の機関性能に基づいて、以前に判定された第２の位置・力軌道に関係なく、前記第２の自由ピストンアセンブリを変位させるための第２の位置・力軌道を判定することを含み、要素ｃ）はさらに、前記第２の位置・力軌道に基づいて、前記第２の自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることを含む、項目１に記載の方法。
（項目１０）
要素ｂ）はさらに、同期化力を計算することを含み、前記同期化力は、それぞれ、前記第１の自由ピストンアセンブリに対するもの、および、前記第２の自由ピストンアセンブリに対するものであり、要素ｃ）はさらに、個別の同期化力に基づいて、前記第１の自由ピストンアセンブリおよび前記第２の自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることを含む、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記プログラムされたコンピュータシステムは、条件が十分に定常であることを検出することに基づいて、ステップｄ）において停止することを判定し、前記方法はさらに、ｅ）前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための反復適応制御技法に切り替えることを含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関内の自由ピストンアセンブリの変位を制御するためにプログラムされたコンピュータシステムによって実施される方法であって、前記方法は、
前記所望の機関性能に基づいて、以前に判定された軌道からの逸脱に関係なく、かつ前記所望の機関性能のタイミングに関係なく、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することと、
反復毎に、個別の１つまたはそれを上回る力値に基づいて、前記自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることと
を含む、方法。
（項目１３）
前記１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することは、反復毎に、
個別の反復時の前記自由ピストン機関の状態を示す、１つまたはそれを上回る測定値を測定することと、
個別の１つまたはそれを上回る測定値および前記所望の機関性能に基づいて、前記１つまたはそれを上回る力値を判定することと
を含む、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記１つまたはそれを上回る測定値は、自由ピストンアセンブリ位置、自由ピストンアセンブリ速度、自由ピストンアセンブリ加速度、燃焼区画ガス圧力、ガススプリングガス圧力、駆動区画力、ピストンアセンブリ圧縮力、ピストンアセンブリ軸方向偏向、空気流、燃料流、排気酸素濃度、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つを備える、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することは、反復毎に、
個別の反復時の前記自由ピストン機関の状態を示す、１つまたはそれを上回る推定値を推定することと、
個別の１つまたはそれを上回る推定値および前記所望の機関性能に基づいて、前記１つまたはそれを上回る力値を判定することと
を含む、項目１２に記載の方法。
（項目１６）
前記１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することは、閉形式解を使用することを含む、項目１２に記載の方法。
（項目１７）
前記自由ピストンアセンブリは、第１の自由ピストンアセンブリであり、前記自由ピストン機関は、前記第１の自由ピストンアセンブリに対向する第２の自由ピストンアセンブリを備え、前記方法はさらに、前記第１の自由ピストンアセンブリの移動を前記第２の自由ピストンアセンブリの移動と同期させることを含む、項目１２に記載の方法。
（項目１８）
条件が十分に定常であることを検出することと、
前記条件が十分に定常であることを検出することに基づいて、前記１つまたはそれを上回る力値を判定することを停止することを判定することと、
前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための反復適応制御技法に切り替えることと
をさらに含む、項目１２に記載の方法。
（項目１９）
所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関内の自由ピストンアセンブリの変位を制御するためにプログラムされたコンピュータシステムによって実施される方法であって、前記方法は、
ａ）前記自由ピストンアセンブリの現在の位置を判定することと、
ｂ）前記自由ピストンアセンブリの前記現在の位置、前記所望の機関性能、および以前に判定された位置・力軌道からの力値に基づいて、以前に判定された軌道からの逸脱に関係なく、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することと、
ｃ）前記位置・力軌道に基づいて、前記自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることと、
ｄ）前記プログラムされたコンピュータシステムが停止することを判定するまで、ａ）からｃ）を繰り返すことと
を含む、方法。
（項目２０）
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストンアセンブリの速度を計算することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記自由ピストンアセンブリの前記速度に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
要素ｂ）はさらに、前記自由ピストン機関の１つまたはそれを上回る個別の区画の中で１つまたはそれを上回る圧力推定値を判定することを含み、前記位置・力軌道を判定することはさらに、前記１つまたはそれを上回る圧力推定値に基づいて、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２２）
前記位置・力軌道を判定することは、閉形式解を使用して、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２３）
前記位置・力軌道を判定することは、前記所望の機関性能のタイミングに関係なく、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２４）
前記所望の機関性能に基づいて、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することは、前記自由ピストンアセンブリが規定速度で所望の標的位置に到達するように、前記位置・力軌道を判定することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２５）
前記自由ピストンアセンブリを変位させるための位置・力軌道を判定することは、平滑化技法を使用することを含み、前記力値は、直前の判定された位置・力軌道からの力値を備える、項目１９に記載の方法。
（項目２６）
前記自由ピストンアセンブリは、第１の自由ピストンアセンブリであり、前記位置・力軌道は、第１の位置・力軌道であり、前記自由ピストン機関は、前記第１の自由ピストンアセンブリに対向する第２の自由ピストンアセンブリを備え、要素ａ）はさらに、前記第２の自由ピストンアセンブリの現在の位置を判定することを含み、要素ｂ）はさらに、前記第２の自由ピストンアセンブリの前記現在の位置、前記所望の機関性能、以前に判定された第２の位置・力軌道からの力値に基づいて、前記第２の自由ピストンアセンブリを変位させるための第２の位置・力軌道を判定することを含み、要素ｃ）はさらに、前記第２の位置・力軌道に基づいて、前記第２の自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２７）
要素ｂ）はさらに、同期化力を計算することを含み、前記同期化力は、それぞれ、前記第１の自由ピストンアセンブリに対するもの、および、前記第２の自由ピストンアセンブリに対するものであり、要素ｃ）はさらに、個別の同期化力に基づいて、前記第１の自由ピストンアセンブリおよび前記第２の自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることを含む、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
前記プログラムされたコンピュータシステムは、条件が十分に定常であることを検出することに基づいて、ステップｄ）において停止することを判定し、前記方法はさらに、ｅ）前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための反復適応制御技法に切り替えることを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２９）
所望の機関性能に基づいて、自由ピストン機関内の自由ピストンアセンブリの変位を制御するためにプログラムされたコンピュータシステムによって実施される方法であって、前記方法は、
前記所望の機関性能に基づいて、以前に判定された軌道からの逸脱に関係なく、前記自由ピストンアセンブリを変位させるための１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定することと、
反復毎に、個別の１つまたはそれを上回る力値に基づいて、前記自由ピストンアセンブリの変位を生じさせることと、
前記１つまたはそれを上回る力値を繰り返し判定している間に、条件が十分に定常であることを検出することと、
前記条件が十分に定常であるときに、前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための反復適応制御技法に切り替えることと
を含む、方法。
（項目３０）
前記反復適応制御技法を使用して、前記自由ピストンアセンブリの変位を制御している間に、条件が十分に定常ではないことを検出することと、
前記条件が十分に定常ではないときに、前記自由ピストンアセンブリの変位を制御するための位置・力軌道制御技法に切り替えることと
をさらに含む、項目２９に記載の方法。 The calculation of each position / force trajectory is performed regardless of the deviation from the previously calculated trajectory (position / force trajectory, time / position trajectory, or any other suitable trajectory). Position-force trajectory calculations include, for example, the use of look-up tables, curve fits, or both, using, for example, one or more calculations, one or more provisions, or any combination thereof. It will be understood that it will be judged. This aspect allows changes and changes in the operating state of the free piston engine (fast or slow, intentional or unintentional) to be taken into account in each new position / force trajectory calculation, thereby free piston engine. It provides a control technique for a free piston engine that can rule out impaired operating conditions. The calculation of each position / force trajectory may also be calculated regardless of the timing of the desired engine performance. That is, each position / force trajectory is defined without a time component and defines the time during which the desired engine performance occurs (eg, the time the piston assembly reaches the apex or otherwise reaches the target position). Is calculated without. In some cases, the calculation of position-force trajectories may rely on closed-form solutions, using favorable assumptions about engine gas properties, conditions, and parameters. In other cases, the calculation of position / force trajectories may rely on numerical iterative solutions (eg, using the solution method to calculate the solution).
The present specification also provides, for example, the following items.
(Item 1)
A method performed by a computer system programmed to control the displacement of a free piston assembly within a free piston engine based on the desired engine performance, said method.
a) Determining the current position of the free piston assembly
b) Determine the position / force trajectory to displace the free piston assembly based on the current position of the free piston assembly and the desired engine performance, regardless of the previously determined position / force trajectory. That and
c) To cause the displacement of the free piston assembly based on the position / force trajectory,
d) Repeating a) to c) until it is determined that the programmed computer system will be stopped.
Including methods.
(Item 2)
Element b) further includes calculating the velocity of the free piston assembly, and determining the position / force trajectory further determines the position / force trajectory based on the velocity of the free piston assembly. The method according to item 1, including the above.
(Item 3)
Element b) further comprises performing one or more pressure measurements within a compartment of the free piston engine, and determining the position / force trajectory further comprises one or more of the above. The method according to item 1, wherein the position / force trajectory is determined based on the pressure measurement.
(Item 4)
Element b) further includes determining one or more pressure estimates in one or more individual compartments of the free piston engine, further determining the position / force trajectory. The method according to item 1, wherein the position / force trajectory is determined based on the pressure estimate of one or more.
(Item 5)
The method of item 1, wherein determining the position / force trajectory comprises determining the position / force trajectory using a closed form solution.
(Item 6)
The method according to item 1, wherein determining the position / force trajectory includes determining the position / force trajectory regardless of the timing of the desired engine performance.
(Item 7)
Determining the position / force trajectory for displacementing the free piston assembly based on the desired engine performance is such that the position / force causes the free piston assembly to reach a desired target position at a predetermined speed. The method of item 1, comprising determining the trajectory.
(Item 8)
The method according to item 7, wherein the specified speed is zero.
(Item 9)
The free piston assembly is a first free piston assembly, the position / force trajectory is a first position / force trajectory, and the free piston engine is a second free piston assembly facing the first free piston assembly. The free piston assembly of the element a) further comprises determining the current position of the second free piston assembly, and the element b) further comprises the current position of the second free piston assembly and the current position of the second free piston assembly. Including determining a second position / force trajectory for displaced the second free piston assembly based on the desired engine performance, regardless of the previously determined second position / force trajectory. , Element c) further comprises causing the displacement of the second free piston assembly based on the second position / force trajectory, according to item 1.
(Item 10)
Element b) further comprises calculating a synchronization force, wherein the synchronization force is for the first free piston assembly and for the second free piston assembly, respectively, element c. ) Further include causing displacement of the first free piston assembly and the second free piston assembly based on individual synchronization forces, according to item 9.
(Item 11)
The programmed computer system determines to stop in step d) based on detecting that the condition is sufficiently steady, and the method further e) controls the displacement of the free piston assembly. The method of item 1, comprising switching to a repetitive adaptive control technique for doing so.
(Item 12)
A method performed by a computer system programmed to control the displacement of a free piston assembly within a free piston engine based on the desired engine performance, said method.
One or more forces to displace the free piston assembly based on the desired engine performance, regardless of deviations from a previously determined trajectory and regardless of the timing of the desired engine performance. Judging the value repeatedly and
With each iteration, causing displacement of the free piston assembly based on one or more individual force values.
Including methods.
(Item 13)
Repeatedly determining one or more of the above force values is a repetitive determination of each iteration.
Measuring one or more measurements that indicate the state of the free piston engine at individual iterations, and
Determining the one or more force values based on the individual one or more measurements and the desired engine performance.
12. The method of item 12.
(Item 14)
One or more measurements are free piston assembly position, free piston assembly speed, free piston assembly acceleration, combustion compartment gas pressure, gas spring gas pressure, drive compartment force, piston assembly compressive force, piston assembly axial deflection. The method of item 13, comprising at least one of an air flow, a fuel flow, an exhaust oxygen concentration, and any combination thereof.
(Item 15)
Repeatedly determining one or more of the above force values is a repetitive determination of each iteration.
Estimating one or more estimates of the state of the free piston engine at individual iterations, and
Determining the one or more force values based on the individual one or more estimates and the desired engine performance.
12. The method of item 12.
(Item 16)
The method of item 12, wherein repeatedly determining a force value greater than or equal to one of the above comprises using a closed form solution.
(Item 17)
The free piston assembly is a first free piston assembly, the free piston engine comprises a second free piston assembly facing the first free piston assembly, the method further comprising the first free piston assembly. The method of item 12, comprising synchronizing the movement of the piston assembly with the movement of the second free piston assembly.
(Item 18)
Detecting that the conditions are sufficiently steady and
Determining to stop determining a force value of one or more, based on detecting that the condition is sufficiently steady.
Switching to a repetitive adaptive control technique to control the displacement of the free piston assembly
The method of item 12, further comprising.
(Item 19)
A method performed by a computer system programmed to control the displacement of a free piston assembly within a free piston engine based on the desired engine performance, said method.
a) Determining the current position of the free piston assembly
b) Based on the current position of the free piston assembly, the desired engine performance, and the force value from the previously determined position / force trajectory, regardless of the deviation from the previously determined trajectory. Determining the position and force trajectory for displacement of the free piston assembly,
c) To cause the displacement of the free piston assembly based on the position / force trajectory,
d) Repeating a) to c) until it is determined that the programmed computer system will be stopped.
Including methods.
(Item 20)
Element b) further includes calculating the velocity of the free piston assembly, and determining the position / force trajectory further determines the position / force trajectory based on the velocity of the free piston assembly. 19. The method of item 19.
(Item 21)
Element b) further includes determining one or more pressure estimates in one or more individual compartments of the free piston engine, further determining the position / force trajectory. 19. The method of item 19, comprising determining the position / force trajectory based on one or more pressure estimates.
(Item 22)
19. The method of item 19, wherein determining the position / force trajectory comprises determining the position / force trajectory using a closed form solution.
(Item 23)
The method according to item 19, wherein determining the position / force trajectory includes determining the position / force trajectory regardless of the timing of the desired engine performance.
(Item 24)
Determining the position / force trajectory for displacementing the free piston assembly based on the desired engine performance is such that the position / force causes the free piston assembly to reach a desired target position at a predetermined speed. 19. The method of item 19, comprising determining the trajectory.
(Item 25)
Determining the position / force trajectory to displace the free piston assembly involves using a smoothing technique, wherein the force value comprises a force value from the immediately determined position / force trajectory. The method according to item 19.
(Item 26)
The free piston assembly is a first free piston assembly, the position / force trajectory is a first position / force trajectory, and the free piston engine is a second free piston assembly facing the first free piston assembly. The element a) further comprises determining the current position of the second free piston assembly, and the element b) further comprises determining the current position of the second free piston assembly. Determining the second position / force trajectory for displacement of the second free piston assembly based on the desired engine performance and the previously determined force value from the second position / force trajectory. 19. The method of item 19, wherein element c) further comprises causing displacement of the second free piston assembly based on the second position / force trajectory.
(Item 27)
Element b) further comprises calculating a synchronization force, wherein the synchronization force is for the first free piston assembly and for the second free piston assembly, respectively, element c. 26. The method of item 26, further comprising causing displacement of the first free piston assembly and the second free piston assembly based on individual synchronization forces.
(Item 28)
The programmed computer system determines to stop in step d) based on detecting that the condition is sufficiently steady, and the method further e) controls the displacement of the free piston assembly. 19. The method of item 19, comprising switching to a repetitive adaptive control technique for doing so.
(Item 29)
A method performed by a computer system programmed to control the displacement of a free piston assembly within a free piston engine based on the desired engine performance, said method.
Repetitively determining one or more force values to displace the free piston assembly, based on the desired engine performance, regardless of the previously determined deviation from the trajectory.
At each iteration, causing displacement of the free piston assembly based on one or more individual force values.
Detecting that the condition is sufficiently steady while repeatedly determining the force value of one or more of the above, and
Switching to iterative adaptive control techniques to control the displacement of the free piston assembly when the conditions are sufficiently steady.
Including methods.
(Item 30)
Using the iterative adaptive control technique to detect that the condition is not sufficiently steady while controlling the displacement of the free piston assembly,
Switching to a position / force trajectory control technique to control the displacement of the free piston assembly when the conditions are not sufficiently steady.
29. The method of item 29.

本発明は、１つまたはそれを上回る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、例証の目的のためだけに提供され、典型的または例示的実施形態を描写するにすぎない。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、または適用可能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。 The present invention will be described in detail with reference to the following figures according to one or more various embodiments. The drawings are provided for purposes of illustration only and depict typical or exemplary embodiments only. These drawings are provided to facilitate an understanding of the concepts disclosed herein and shall not be considered as a limitation of the scope, scope, or applicability of these concepts. Note that these drawings are not necessarily made to scale for clarity and ease of illustration.

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。FIG. 1 is a diagram of three exemplary free piston combustion engine configurations. 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、かつ分離型の線形電磁機械機関を図示する、断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a two-piston, single combustion compartment, integrated gas spring, and separate linear electromagnetic mechanical engine according to some embodiments of the present disclosure. 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図示する、図である。FIG. 3 illustrates a two-stroke piston cycle of the two-piston integrated gas spring engine of FIG. 2 according to some embodiments of the present disclosure. 図４は、本開示のいくつかの実施形態による、代替的な２ピストン、分離型ガススプリング、かつ分離型の線形電磁機械機関を図示する、断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an alternative two-piston, separate gas spring, and separate linear electromagnetic mechanical engine according to some embodiments of the present disclosure. 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図示する、断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a single piston integrated internal gas spring engine according to some embodiments of the present disclosure. 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図示する、断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a gas spring rod according to some embodiments of the present disclosure. 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図示する、断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a two-piston integrated internal gas spring engine according to some embodiments of the present disclosure. 図８は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の例示的位置、力、および動力図を図示する。FIG. 8 illustrates an exemplary position, force, and power diagram of a free piston engine over compression and expansion strokes according to some embodiments of the present disclosure. 図９は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の他の例示的位置、力、および動力図を図示する。FIG. 9 illustrates other exemplary positions, forces, and power diagrams of a free piston engine over compression and expansion strokes according to some embodiments of the present disclosure. 図１０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。FIG. 10 is a block diagram of an exemplary piston engine system according to some embodiments of the present disclosure. 図１１は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の例示的位置・速度および位置・力軌道を図示する。FIG. 11 illustrates exemplary position / velocity and position / force trajectories of a free piston engine over compression and expansion strokes according to some embodiments of the present disclosure. 図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、伝播経路に沿って自由ピストンアセンブリの移動を引き起こすための例証的ステップのフロー図を示す。FIG. 12 shows a flow diagram of exemplary steps for inducing movement of a free piston assembly along a propagation path, according to some embodiments of the present disclosure. 図１３は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の他の例示的位置・速度および位置・力軌道を図示する。FIG. 13 illustrates other exemplary position / velocity and position / force trajectories of a free piston engine over compression and expansion strokes according to some embodiments of the present disclosure. 図１４は、本開示のいくつかの実施形態による、圧縮および膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の他の例示的位置・速度および位置・力軌道を図示する。FIG. 14 illustrates other exemplary positions / velocities and position / force trajectories of a free piston engine over compression and expansion strokes according to some embodiments of the present disclosure. 図１５は、本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッド制御技法の例証的状態図を示す。FIG. 15 shows an exemplary phase diagram of a hybrid control technique according to some embodiments of the present disclosure.

図は、包括的である、または本開示を開示される精密な形態に限定することを意図されない。開示される概念および実施形態は、修正および改変を伴って実践され得、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。 The figures are not intended to be inclusive or limited to the precise forms disclosed in this disclosure. It should be understood that the concepts and embodiments disclosed may be practiced with modifications and modifications, and the present disclosure is limited only by the claims and their equivalents.

いくつかの実施形態では、自由ピストン機関の現在の動作パラメータは、前の位置・力軌道の一部として計算された、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに印加される先行する力に基づいて、推定されてもよい。推定された機関動作パラメータは、新しい位置・力軌道を計算するために、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置と併せて使用されてもよい。例えば、判定されるようなものまたはピストンアセンブリに実際に適用されるようなもののいずれかの直前の力値は、例えば、平滑化技法（例えば、ＩＲＲまたはＦＩＲフィルタ）を以前に推定または測定されたガス圧力に適用し、直前の印加された力によって少なくとも部分的に引き起こされるガス圧力の変化を調節することによって、自由ピストン機関の燃焼区画または駆動区画の中の現在のガス圧力の推定値を更新するために、使用され得る。本側面は、自由ピストン機関の中の高価で信頼性のないセンサ（例えば、圧力センサ）の必要性を回避し、それによって、自由ピストン機関のための低コストかつ高信頼性の制御技法を提供することができる。 In some embodiments, the current operating parameters of the free piston engine are based on the preceding force applied to one or more piston assemblies calculated as part of the previous position / force trajectory. It may be estimated. The estimated engine operating parameters may be used in conjunction with the current position of one or more piston assemblies to calculate the new position / force trajectory. For example, the force value immediately preceding either what is determined or what is actually applied to the piston assembly has been previously estimated or measured, for example, by a smoothing technique (eg, IRR or FIR filter). Update current gas pressure estimates in the combustion or drive compartment of a free piston engine by applying to the gas pressure and adjusting at least a partial change in gas pressure caused by the last applied force. Can be used to This aspect avoids the need for expensive and unreliable sensors (eg, pressure sensors) in free piston engines, thereby providing low cost and reliable control techniques for free piston engines. can do.

いくつかの実施形態では、（例えば、共有燃焼区間を伴う対向するピストンとして配列される）複数のピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関に関して、個別のピストンアセンブリ毎に位置・力軌道を計算する処理サブシステムに加えて、処理サブシステムはまた、複数のピストンアセンブリのための同期化力を計算し、計算に基づいて、ある力を複数のピストンアセンブリに印加させ、所望に応じて複数のピストンアセンブリの移動を同期させてもよい。 In some embodiments, a processing subsystem that calculates position / force trajectories for each individual piston assembly for a free piston engine with multiple piston assemblies (eg, arranged as opposing pistons with shared combustion sections). In addition, the processing subsystem also calculates the synchronization force for multiple piston assemblies, and based on the calculation, applies a force to the multiple piston assemblies and moves the multiple piston assemblies as desired. May be synchronized.

いくつかの実施形態では、処理サブシステムは、複数の制御技法を切り替えるハイブリッド制御方略を採用してもよく、制御技法のうちの少なくとも１つは、本明細書に開示されるように位置・力軌道を計算するステップに基づく。処理サブシステムは、例えば、機関の動作状態が非定常である時間の間に（例えば、機関の始動中に）、位置・力軌道制御技法を利用し、機関の動作状態が十分に定常である（例えば、一定の定常動力を送達している）時間の間に、異なるあまりロバストではない制御技法を利用してもよい。処理サブシステムは、例えば、機関の動作状態の非意図的な変化が検出されるときに（例えば、燃焼不発事象、予期されるよりも高い摩擦事象、燃料品質の変化事象、機関の動作状態の任意の他の好適な変化、またはそれらの任意の組み合わせ）、あまりロバストではない制御技法から、よりロバストな位置・力軌道制御技法に切り替わってもよい。ある事例では、あまりロバストではない制御技法は、処理サブシステムが以前に位置・力軌道制御技法を採用していた間に計算された、（例えば、機関ストロークまたはサイクル全体の間に測定されるような）以前に判定された位置・力軌道に基づいて計算される、時間・位置軌道に依拠し得る。ある事例では、あまりロバストではない制御技法は、以前に判定された軌道（位置・力軌道、時間・位置軌道、または任意の他の好適な軌道）からの逸脱に依存し得る。 In some embodiments, the processing subsystem may employ a hybrid control strategy that switches between multiple control techniques, at least one of the control techniques being position-force as disclosed herein. Based on the steps to calculate the trajectory. The processing subsystem utilizes position and force trajectory control techniques, for example, during times when the operating state of the engine is non-stationary (eg, during engine startup), and the operating state of the engine is sufficiently steady. During the time (eg, delivering constant steady power), different less robust control techniques may be utilized. The processing subsystem can be used, for example, when an unintentional change in the operating state of the engine is detected (eg, a combustion failure event, a higher than expected friction event, a fuel quality change event, an operating state of the engine). Any other suitable change, or any combination thereof), may switch from a less robust control technique to a more robust position / force trajectory control technique. In some cases, less robust control techniques were calculated while the processing subsystem had previously adopted position-force trajectory control techniques (eg, as measured during an engine stroke or entire cycle). It can rely on the time / position trajectory calculated based on the previously determined position / force trajectory. In some cases, less robust control techniques may rely on deviations from previously determined orbits (position / force orbits, time / position orbits, or any other suitable orbit).

概して、自由ピストン燃焼機関構成は、３つのカテゴリ、すなわち、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、単一燃焼チャンバに分類されることができる。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例証的実施形態が、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、２０１４年３月４日に発行され、「Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｌｉｎｅａｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅ」と題された、同一出願人による米国特許第８，６６２，０２９号に図示されている。本開示は、線形自由ピストン燃焼機関のある具体的な例証的実施形態との関連で提示されるが、本明細書で議論される概念は、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が理解されるであろう。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、またはピストン動力学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つまたはそれを上回る自由ピストンアセンブリを含む。自由ピストン機関は、増加した効率につながる、そのような機械的に連結されたピストン機関に優るいくつかの利益を有する。例えば、機械的に連結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、先に参照されて組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるように、より高い機関効率につながる、より高い圧縮比および膨張比を伴って構成されることができる。さらに、自由ピストン機関は、圧縮比が膨張比を上回ることを可能にすること、および膨張比が圧縮比を上回ることを可能にすることを含む、圧縮比ならびに膨張比の増加した変動性を可能にし、これもまた、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した制御を可能にし、これは、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側荷重をもたらし、これは、オイルレス動作を可能にし、ひいては、摩擦およびそれに起因する損失を低減させる。 In general, free-piston combustion engine configurations consist of three categories: 1) two opposing pistons, a single combustion chamber, 2) a single piston, a double combustion chamber, and 3) a single piston, a single combustion chamber. Can be classified into. A diagram of three common free piston combustion engine configurations is shown in FIG. Some exemplary embodiments of a linear free-piston combustion engine are incorporated herein by reference in their entirety, published March 4, 2014, "High-efficiency linear combustion engine". It is illustrated in US Pat. No. 8,662,029 by the same applicant, entitled. Although the present disclosure is presented in the context of certain exemplary embodiments of linear free piston combustion engines, the concepts discussed herein include, for example, any other non-linear free piston engine. It will be appreciated that it is applicable to suitable free piston combustion engines. Free piston engines generally have no mechanical linkage (eg, slider crank mechanism) that converts the linear motion of the piston assembly into rotational motion, or mechanical linkage (eg, locking mechanism) that directly controls piston kinetics. Does not include one or more free piston assemblies. Free piston engines have some advantages over such mechanically connected piston engines, leading to increased efficiency. For example, due to the inherent structural limitations of mechanically coupled piston engines, free piston engines are described in US Pat. No. 8,662,029, which was previously referenced and incorporated. It can be configured with higher compression and expansion ratios leading to higher engine efficiency. In addition, the free piston engine allows for increased variability of the compression ratio and expansion ratio, including allowing the compression ratio to exceed the expansion ratio and allowing the expansion ratio to exceed the compression ratio. And this can also increase engine efficiency. The free piston engine architecture also allows for increased control of the compression ratio at the base per engine cycle, which allows adjustment due to variable fuel quality and fuel type. In addition, due to the lack of mechanical linkage, the free piston engine provides a substantially lower lateral load on the piston assembly, which allows oilless operation and thus friction and the resulting loss. To reduce.

本開示は、自由ピストン内部燃焼機関との関連で提示されるが、本明細書で提示される教示および概念は、燃焼が行われない自由ピストン圧縮機または内部燃焼が行われる自由ピストン圧縮機等の他のタイプの自由ピストンデバイスにも適用可能であることが理解されるであろう。燃焼を伴わないそのようなシステムでは、電気エネルギーは、圧縮チャンバまたは圧縮区画の中で流体（液体またはガス状）を圧縮するように、ＬＥＭによって機械エネルギーに変換される。燃焼を伴うそのようなシステムでは、燃料エネルギーは、圧縮チャンバまたは圧縮区画の中で流体を圧縮するように、おそらく電気エネルギーの変換と併せて、機械エネルギーに変換される。加えて、本明細書で提示される教示および概念は、外部熱リソースを電気に変換する自由ピストン熱機関に、または流体を圧縮するように、適用可能である。 Although the present disclosure is presented in the context of a free piston internal combustion engine, the teachings and concepts presented herein are free piston compressors without combustion or free piston compressors with internal combustion, etc. It will be appreciated that it is also applicable to other types of free piston devices. In such systems without combustion, electrical energy is converted to mechanical energy by LEM to compress the fluid (liquid or gaseous) in the compression chamber or compartment. In such systems with combustion, fuel energy is converted to mechanical energy, perhaps in conjunction with the conversion of electrical energy, to compress the fluid in a compression chamber or compartment. In addition, the teachings and concepts presented herein are applicable to free piston heat engines that convert external thermal resources into electricity, or to compress fluids.

図２は、２ピストン、単一燃焼区画、統合型ガススプリング、かつ分離型のＬＥＭ自由ピストン内燃機関１００の一実施形態を図示する、断面図である。本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ように、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、限定されないが、（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、ならびに（ｉｖ）上記のうちのいずれかの混合物を含む。本明細書に説明される機関は、定常式発電および（例えば、車両で使用するための）移動式発電の両方に好適である。 FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a two-piston, single combustion compartment, integrated gas spring, and separate LEM free-piston internal combustion engine 100. The free piston internal combustion engine 100 directly converts chemical energy in fuel into electrical energy via LEM200. As used herein, the term "fuel" refers to a substance that reacts with an oxidant. Such fuels are, but are not limited to, (i) hydrocarbon fuels such as natural gas, biogas, gasoline, diesel, and biodiesel, (ii) alcohol fuels such as ethanol, methanol, and butanol, (iii) hydrogen. , And (iv) a mixture of any of the above. The engines described herein are suitable for both stationary power generation and mobile power generation (eg, for use in vehicles).

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において衝合するように定寸される、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とを含んでもよい。ピストンアセンブリ１２０は、シリンダ１０５内で自由に線形に移動する。 The engine 100 includes a cylinder 105 with two opposing piston assemblies 120 that move within the cylinder 105 and are sized to abut in the combustion compartment 130 at the center of the cylinder 105. Each piston assembly 120 may include a piston 125 and a piston rod 145. The piston assembly 120 moves freely and linearly within the cylinder 105.

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ように、「駆動区画」は、エネルギーを貯蔵し、エネルギーを提供して、燃焼を使用する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、不燃性流体（すなわち、ガス、液体、または両方）を含有してもよい。図示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作用するガスである。駆動区画１６０は、ピストンサイクルの膨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、膨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、機関の膨張ストローク中に、駆動区画内のガスの位置エネルギーに変換されてもよい。いくつかの実施形態では、駆動区画の中に貯蔵される位置エネルギーは、例えば、モータ力によって入力されるいかなる付加的正味電気も伴わずに、圧縮ストローク（または排気ストローク、もしくは膨張ストロークに続いて起こる任意の他の好適なストローク）を実施するために十分であり得る。本明細書で使用されるように、用語「ピストンサイクル」は、実質的に同一の構成におけるピストン１２５を用いて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つの一般的実施例は、吸気ストロークと、圧縮ストロークと、膨張ストロークと、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である。付加的代替ストロークが、本開示の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が、膨張ストロークおよび圧縮ストロークを有するものとして特徴付けられる。本明細書で使用されるように、「膨張ストローク」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１つ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１つまたは複数のアセンブリの位置を指す。上記のように、自由ピストン機関の圧縮比および膨張比が、サイクル毎に変動し得る、または変動され得るため、いくつかの実施形態では、ＴＤＣおよびＢＤＣ位置もまた、サイクル毎に変動し得る、または変動され得る。故に、以下でさらに詳細に説明されるであろうように、膨張ストロークは、吸気ストローク、膨張ストローク、またはその両方を指し得る。いくつかの実施形態では、膨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、以下で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判定され、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てもよい。 Further referring to FIG. 2, the volume between the back side of the piston 125, the piston rod 145 and the cylinder 105 is referred to herein as the drive compartment 160. As used herein, "drive compartment" refers to a compartment of an engine cylinder that can store and provide energy to displace the piston assembly without the use of combustion. The drive compartment 160 may, in some embodiments, contain a nonflammable fluid (ie, gas, liquid, or both). In the illustrated embodiment, the fluid in the drive compartment 160 is a gas that acts as a gas spring. The drive compartment 160 stores energy from the expansion stroke of the piston cycle and provides energy for the subsequent stroke of the piston cycle, i.e., the stroke that occurs after the expansion stroke. For example, the kinetic energy of the piston may be converted to the potential energy of the gas in the drive compartment during the expansion stroke of the engine. In some embodiments, the potential energy stored in the drive compartment follows, for example, a compression stroke (or exhaust stroke, or expansion stroke) without any additional net electricity input by motor force. It may be sufficient to carry out any other suitable stroke) that occurs. As used herein, the term "piston cycle" refers to any series of piston movements that start and end with the piston 125 in substantially the same configuration. One general embodiment is a 4-stroke piston cycle that includes an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke. Additional alternative strokes may form part of the piston cycle as described throughout this disclosure. A two-stroke piston cycle is characterized as having an expansion stroke and a compression stroke. As used herein, "expansion stroke" refers to the stroke of the piston cycle in which the piston assembly moves from top dead center ("TDC") position to bottom dead center ("BDC") position, where TDC is. , Refers to the position of one or more assemblies when the combustion compartment volume is minimum, and BDC refers to the position of one or more assemblies when the combustion compartment volume is maximum. In some embodiments, the TDC and BDC positions can also fluctuate from cycle to cycle, as the compression and expansion ratios of the free piston engine can fluctuate or fluctuate from cycle to cycle, as described above. Or it can fluctuate. Therefore, the expansion stroke can refer to an intake stroke, an expansion stroke, or both, as will be described in more detail below. In some embodiments, the amount of energy stored by the drive compartment during the expansion stroke is determined based on various criteria, the controller and associated processing, as will be described in more detail below. It may be controlled by a circuit.

簡潔化および明確化の目的のために、駆動区画は、主として、ガススプリングとの関連で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。いくつかの配列では、駆動区画１６０は、ガススプリングに加えて、もしくはその代わりに、１つまたはそれを上回る他の機構を含み得ることが理解されるであろう。例えば、そのような機構は、１つまたはそれを上回る機械的スプリング、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。いくつかの配列では、モータとして動作する、高度に効率的な線形交流機が、含まれてもよく、これは、圧縮仕事を生成するために、スプリング（空気圧式、動圧式、または機械的）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、損失を最小限にし、駆動区画の効率を最大限に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、損失を最小限にし、駆動区画の効率を最大限にするように選択されてもよい。本明細書で使用されるように、用語「死容積」は、ピストンアセンブリがその可能な限り最も遠いＢＤＣ位置にあるとき（すなわち、ピストンアセンブリが物理的停止部に接触する前に燃焼区画の容積が最大であるとき）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、増加した効率を提供するために、燃焼区画と異なり得る。ガススプリングのある実施形態が、図８−１２を参照して以下でさらに詳細に説明されるであろう。 For the purposes of brevity and clarification, drive compartments are described herein primarily in the context of gas springs, herein as "gas compartments," "gas springs," or "gas spring compartments." Can be called. In some arrangements, it will be appreciated that the drive compartment 160 may include, or instead of, one or more other mechanisms in addition to the gas springs. For example, such a mechanism can include one or more mechanical springs, magnetic springs, or any suitable combination thereof. Some arrays may include a highly efficient linear alternator, which acts as a motor, which springs (pneumatic, dynamic, or mechanical) to generate compressive work. Can be used in place of or in addition to. It will be appreciated by those skilled in the art that in some embodiments, the geometry of the drive compartment may be selected to minimize loss and maximize the efficiency of the drive compartment. For example, the diameter and / or dead volume of the drive compartment may be selected to minimize loss and maximize drive compartment efficiency. As used herein, the term "dead volume" refers to the volume of the combustion compartment when the piston assembly is at its farthest possible BDC position (ie, before the piston assembly contacts the physical stop. Refers to the volume of the drive compartment (when is maximum). In some embodiments, for example, if the drive compartment is a gas or hydraulic spring, the compartment diameter may differ from the combustion compartment to provide increased efficiency. Certain embodiments of gas springs will be described in more detail below with reference to FIGS. 8-12.

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。燃料は、燃料噴射器を介して、燃焼チャンバ１３０（「直接噴射」）または吸気ポート１８０（「ポート燃料噴射」）の中へ直接噴射される、および／または吸気に先立って、ならびに／もしくはその間に、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、または上記に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、もしくはその両方を使用して、希薄、化学量論的、またはリッチ燃焼とともに動作することができる。 Combustion ignition can be achieved, for example, via compression ignition and / or spark ignition. Fuel is injected directly into the combustion chamber 130 (“direct injection”) or intake port 180 (“port fuel injection”) via a fuel injector, and / or prior to and / or during intake. Can be mixed with air (“premixed injection”). Engine 100 uses liquid fuels, gaseous fuels, or both, including hydrocarbons, hydrogen, alcohol, or any other suitable fuel as described above, in a dilute, chemical quantitative manner. , Or can work with rich combustion.

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とを含んでもよい。本明細書で使用されるように、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セット（例えば、多孔性材料）を含む。図２に示されるポートは、例証的にすぎないことが理解されるであろう。いくつかの配列では、より少ないまたはより多いポートが、使用されてもよい。上記に説明されるポートは、弁を介して開閉される場合もあり、されない場合もある。用語「弁」は、選択的に物質を開口部に通過させる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、限定されないが、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れてもよい。ポートならびに弁の数、場所、およびタイプは、機関構成、噴射方略、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／または暴露し得る、ピストンアセンブリの移動によって達成されてもよい。 The cylinder 105 may include an injector port 170, an intake port 180, an exhaust port 185, and a drive gas exchange port 190 for exchanging material (solid, liquid, gas, or plasma) with the surroundings. As used herein, the term "port" is any opening or set of openings (eg, porous material) that allows material exchange between the inside of the cylinder 105 and its surroundings. including. It will be appreciated that the ports shown in FIG. 2 are only exemplary. In some sequences, fewer or more ports may be used. The ports described above may or may not be opened and closed via valves. The term "valve" can refer to any actuated flow controller or other actuated mechanism for selectively passing material through an opening. The valve may be operated by any means, including but not limited to mechanical, electrical, magnetic, camshaft driven, hydraulic, or pneumatic means. The number, location, and type of ports and valves can depend on the engine configuration, injection strategy, and piston cycle (eg, 2 or 4 stroke piston cycle). In some embodiments, material exchange of the port may be accomplished by moving the piston assembly, which may cover and / or expose the port as needed to allow material exchange.

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てもよい。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てもよい。いくつかの実施形態では、前述の特性のうちのいずれかを調節し、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てもよい。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てもよい。駆動区画１６０およびその中のガスの前述の制御ならびに調節のうちのいずれかが、機関１００の膨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が、理解されるであろう。また、駆動区画１６０内のガスの特性の前述の制御はまた、機関１００の周波数の変動性を提供することも理解されるであろう。 In some embodiments, the operation of the drive compartment 160 may be adjustable. In some embodiments, the drive gas exchange port 190 may be utilized to control the characteristics of the drive compartment. For example, the drive gas exchange port 190 may be used to control the amount of gas, temperature, pressure, any other suitable property, and / or any combination thereof in the drive compartment. In some embodiments, adjusting any of the above properties, and thus adjusting the mass in the cylinder, can vary the effective spring constant of the gas spring. In some embodiments, the geometry of the drive compartment 160 may be adjusted to obtain the desired behavior. In some embodiments, the dead volume in the cylinder may be adjusted to vary the spring constant of the gas spring. It is understood that any of the aforementioned controls and adjustments of the drive compartment 160 and the gas therein may provide control of the amount of energy stored by the drive compartment 160 during the expansion stroke of the engine 100. Will. It will also be appreciated that the aforementioned control of the properties of the gas in the drive compartment 160 also provides frequency variability of the engine 100.

機関１００は、（例えば、圧縮ストローク中、膨張ストローク中、排気ストローク中、および／または吸気ストローク中に）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一対のＬＥＭ２００の対を含む。各ＬＥＭ２００はまた、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てもよいが、いったん機関が開始し、十分な燃料化学エネルギーが、その少なくとも一部が膨張ストローク中に駆動区画１６０の中に貯蔵され得る、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てもよい。図示されるように、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、定常のままであり得る、固定子２１０内で線形に移動する。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ることができる。固定子２１０および変換器２２０はそれぞれ、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、かつその逆に直接変換する（すなわち、いかなる機械的リンケージも存在しない）ため、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、膨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を含むため、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、膨張ストローク内のみ）で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も低い電気容量を有するように構成されてもよい。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ならびに電力電子機器は、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、構成要素の削減されたサイズおよびコスト、増加した効率、増加した信頼性、ならびに増加し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、増加され得る。 The engine 100 includes a pair of LEM200 pairs for directly converting the kinetic energy of the piston assembly 120 into electrical energy (eg, during a compression stroke, an expansion stroke, an exhaust stroke, and / or an intake stroke). Each LEM 200 can also directly convert electrical energy into the kinetic energy of the piston assembly 120. In some embodiments, the LEM200 may convert electrical energy into kinetic energy of the piston to start the engine, but once the engine has started, sufficient fuel chemical energy, at least in part. When converted to kinetic energy of the piston, which can be stored in the drive compartment 160 during the expansion stroke, there is no need to convert electrical energy to kinetic energy during operation. In some embodiments, engine initiation may be accomplished by any other suitable technique, including, for example, the use of stored compressed gas. As shown, the LEM 200 includes a stator 210 and a converter 220. Specifically, the transducer 220 is coupled to the piston rod 145 and moves linearly within the stator 210, which can remain stationary. In addition, the LEM200 can be a permanent magnet machine, an induction machine, a switch reluctance machine, or any combination thereof. The stator 210 and the transducer 220, respectively, can include magnets, coils, iron, or any suitable combination thereof. The LEM200 directly converts the kinetic energy of the piston into electrical energy and vice versa (ie, there is no mechanical linkage), so mechanical and friction losses are minimal compared to conventional engine generator configurations. Is. Further, the LEM 200 is configured to convert some of the kinetic energy of the piston assembly into electrical energy during any stroke of the piston cycle, and the engine 100 can be converted into electrical energy during subsequent strokes from the expansion stroke. Because it includes an adjustable drive compartment 160 configured to store the energy of, the LEM200 requires conversion of all energy, for example, within a single stroke of the piston cycle (eg, only within the expansion stroke). It may be configured to have a lower electrical capacity than the LEM or other device. Therefore, in some embodiments, the LEM200's associated linear alternator and power electronics can be reduced in size, weight, and / or capacitance. This can result in reduced size and cost of components, increased efficiency, increased reliability, and increased utilization, as will be appreciated by those skilled in the art. Therefore, the frequency of the engine, and therefore the power output, can be increased in some embodiments.

各ＬＥＭ２００は、発電機およびモータの両方として動作され得ることが、当業者によって理解されるであろう。例えば、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。発電機として作用するとき、変換器２２０に印加される力は、ピストンアセンブリ１２０の運動の反対方向にある。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。モータとして作用するとき、変換器２２０に印加される力は、ピストンアセンブリ１２０の運動と同一の方向にある。参照を容易にするために、（噴射器ポート１７０の近傍の）図２および対応する図の中心線は、起点と見なされ得、ピストンアセンブリ毎の正の方向は、中心から外向き方向に離れる。 It will be appreciated by those skilled in the art that each LEM200 can operate as both a generator and a motor. For example, when the LEM 200 converts the kinetic energy of the piston assembly 120 into electrical energy, they act as generators. When acting as a generator, the force applied to the transducer 220 is in the opposite direction of the motion of the piston assembly 120. Conversely, when the LEM 200 converts electrical energy into kinetic energy for the piston assembly 120, they act as motors. When acting as a motor, the force applied to the transducer 220 is in the same direction as the motion of the piston assembly 120. For ease of reference, the centerline of Figure 2 (near injector port 170) and the corresponding figure can be considered as the starting point, and the positive direction for each piston assembly deviates outward from the center. ..

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を図示する図が、図３に図示される。図３に図示されるように、機関１００は、圧縮ストロークおよび膨張ストロークを含む、２ストロークピストンサイクルを使用して動作してもよく、ピストンは、圧縮ストロークに先立ってＢＤＣに位置し、膨張ストロークに先立って上死点ＴＤＣに位置する。２ピストン実施形態を参照して本明細書で使用されるように、ＢＤＣは、ピストンが相互から最も遠くにある点を指し得る。２ピストン実施形態を参照して本明細書で使用されるように、ＴＤＣは、ピストンが相互と最も近い点を指し得る。ＢＤＣまたはその近傍にあるとき、かつ駆動区画が圧縮仕事を提供するために使用されるものである場合、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、これは、ピストン１２５をＢＤＣから離れるように、相互に向かって内向きに、すなわち、負の方向に押勢する。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。上記に説明されるように、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勢されてもよい。ＬＥＭ２００もまた、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産生されているとき、駆動区画１６０の中に貯蔵されたエネルギーが、必須の圧縮仕事を提供するようにピストンに伝達され得るため、ＬＥＭ２００が、いかなる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がないように、十分なエネルギーが、駆動区画１６０の中に貯蔵されてもよい。ＬＥＭ２００はまた、圧縮ストローク中にエネルギーを抽出してもよい。例えば、駆動区画１６０内のガス（または上記に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てもよい。 The embodiment shown in FIG. 2 operates using a two-stroke piston cycle. A diagram illustrating the two-stroke piston cycle 300 of the two-piston integrated gas spring engine 100 of FIG. 2 is shown in FIG. As illustrated in FIG. 3, the engine 100 may operate using a two-stroke piston cycle that includes a compression stroke and an expansion stroke, the piston being located in the BDC prior to the compression stroke and the expansion stroke. It is located at top dead center TDC prior to. As used herein with reference to a two-piston embodiment, the BDC may point to the point where the pistons are farthest from each other. As used herein with reference to a two-piston embodiment, the TDC may point to the point where the pistons are closest to each other. When in or near the BDC, and when the drive compartment is used to provide compression work, the pressure of the gas in the drive compartment 160 exceeds the pressure in the combustion compartment 130, which is the piston 125. Push inward, i.e., negatively towards each other, away from the BDC. The gas in the drive compartment 160 can be used to provide some or all of the energy required to perform the compression stroke. As described above, in some embodiments, the piston 125 includes any other suitable mechanism, including mechanical springs, magnetic springs, or any other suitable mechanism that can be used to provide compressive work. May be pushed away from the BDC by the preferred mechanism of. The LEM 200 may also provide some of the energy required to perform the compression stroke, but in a preferred embodiment, when sufficient energy is being produced during combustion, it is stored in the drive compartment 160. Sufficient energy is available in the drive compartment 160 so that the LEM200 does not need to convert any electrical energy into the kinetic energy of the piston 125, as the energy can be transferred to the piston to provide the required compression work. It may be stored inside. The LEM200 may also extract energy during the compression stroke. For example, if the gas in the drive compartment 160 (or other suitable means as described above) provides excess energy to perform the compression stroke, the LEM 200 will be of the kinetic energy of the piston assembly 120. Part of it may be converted into electrical energy.

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、ピストンアセンブリ１２０の質量、システム損失、ならびに機関の他の性質および動作条件に依拠し得る。上記に説明されるように、駆動区画１６０は、（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ように、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てもよい。いくつかの実施形態では、一部のエネルギーは、ＬＥＭ２００から圧縮ストローク中に入力されてもよいが、圧縮ストローク中の正味エネルギーは、依然として正である（例えば、ストロークにわたる入力よりも多くのエネルギーが電気に変換される）。圧縮ストロークは、燃焼が起こるまで継続し、これは、典型的には、ピストン１２５の速度がゼロである、またはそれに近似するときに起こる。燃焼は、燃焼区画１３０内の温度および圧力の上昇を引き起こし、これは、ピストン１２５をＬＥＭ２００に向かって外向きに押進させる。膨張ストローク中に、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てもよく、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の中に貯蔵されてもよい。膨張ストロークは、ピストン１２５の速度がゼロになるまで継続する。膨張ストロークの後および後続圧縮ストロークの前に、ピストン１２５がＢＤＣまたはその近傍にある状態で、機関は、燃焼生成物を排気し、空気、空気／燃料混合物、または空気／燃料／燃焼生成物混合物を吸気してもよい。本プロセスは、本明細書では「ブリージング」または「ＢＤＣまたはその近傍でのブリージング」と称され得る。ブリージングは、先に参照されて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。また、膨張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、膨張ストロークの終了および／または圧縮ストロークの開始中に起こり得ることも理解されるであろう。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および／または膨張ストロークの開始中に起こり得る。 The amount of energy required to carry out the compression stroke is the desired compression ratio, the pressure and temperature of the combustion compartment 130 at the start of the compression stroke, the mass of the piston assembly 120, the system loss, and other properties of the engine. And can depend on operating conditions. As described above, drive compartment 160 provides all of the energy required for the compression stroke so that no other energy input (from LEM200 or any other source) is required. You may. In some embodiments, some energy may be input from the LEM 200 during the compression stroke, but the net energy during the compression stroke is still positive (eg, more energy than the input over the stroke). Converted to electricity). The compression stroke continues until combustion occurs, which typically occurs when the speed of piston 125 is zero or close to it. Combustion causes an increase in temperature and pressure within the combustion compartment 130, which pushes the piston 125 outward toward the LEM 200. During the expansion stroke, part of the kinetic energy of the piston assembly 120 may be converted to electrical energy by the LEM200, and another part of the kinetic energy is compressed into gas (or other compression mechanism) in the drive compartment 160. Do the work. Alternatively, all of the kinetic energy of the piston assembly may be stored in the drive compartment 160. The expansion stroke continues until the speed of the piston 125 reaches zero. After the expansion stroke and before the subsequent compression stroke, with the piston 125 at or near the BDC, the engine exhausts the combustion product and air, air / fuel mixture, or air / fuel / combustion product mixture. May be inhaled. The process may be referred to herein as "breathing" or "breathing in or near the BDC." Those skilled in the art can achieve breathing in any suitable manner, such as single-flow or cross-flow scavenging, as described in US Pat. No. 8,662,029, which was previously referenced and incorporated. Will be understood by. It will also be appreciated that, although described as occurring after the expansion stroke, in some embodiments breathing can occur at the end of the expansion stroke and / or during the beginning of the compression stroke. Similarly, in some embodiments, combustion can occur at the end of the compression stroke and / or at the beginning of the expansion stroke.

図３は、吸気ポート１８０および排気ポート１８５がＢＤＣの近傍の両方のピストンの前にある、１つの例示的ポート構成３００を図示する。排気ポート１８５および吸気ポート１８０の開閉は、独立して制御されてもよい。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／または膨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がアクティブ化（開閉）されるときのサイクル中の時間は、圧縮比および／または膨張比ならびに／もしくは圧縮ストローク開始時に燃焼区画１３０の中で留保される燃焼生成物の量を変動させるように、サイクル中および／またはサイクルの合間に調節されることができる。燃焼区画１３０の中で燃焼ガスを留保することは、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生じさせるために利用されることができる。代替として、または加えて、排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、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生じさせるために、燃焼ガスを再循環させるように使用されることができる。 FIG. 3 illustrates one exemplary port configuration 300 in which the intake port 180 and the exhaust port 185 are in front of both pistons in the vicinity of the BDC. The opening and closing of the exhaust port 185 and the intake port 180 may be controlled independently. The locations of the exhaust port 185 and the intake port 180 can be chosen to allow for a range of compression and / or expansion ratios. The time in the cycle when the exhaust port 185 and the intake port 180 are activated (opened and closed) is the compression ratio and / or the expansion ratio and / or the combustion product reserved in the combustion compartment 130 at the start of the compression stroke. It can be adjusted during and / or between cycles to vary the amount. Reserving combustion gas within the combustion compartment 130 is called residual gas trapping (RGT) and can be utilized to produce combustion timing, peak combustion temperature, and other combustion and engine performance characteristics. .. As an alternative, or in addition, exhaust gas recirculation (EGR) can be used to recirculate the combustion gas to produce combustion timing, peak combustion temperature, and other combustion and engine performance characteristics. can.

２ストロークサイクルの動作が、上記に説明されているが、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（膨張）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、動作されてもよい。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行われてもよい。例えば、先に参照されて組み込まれた米国特許第８，６６２，０２９号に説明されるように、ポートの場所は、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てもよい。 Although the operation of the two stroke cycle is described above, the embodiment of FIG. 2 also uses a four stroke piston cycle including an intake stroke, a compression stroke, a power (expansion) stroke and an exhaust stroke. And it may be operated. In some embodiments, any suitable modification may be made to operate using a 4-stroke piston cycle. For example, the location of the port may be modified to operate the engine using a 4-stroke piston cycle, as described in US Pat. No. 8,662,029, which was previously referenced and incorporated. ..

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では、ちょうど上記に説明される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てもよい。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０は、圧縮ストローク中に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てもよい。いくつかの実施形態では、駆動区画１６０は、圧縮ストローク中に正味電気エネルギー出力を可能にするために十分な仕事を提供してもよい。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、またはそれに近似するまで継続してもよい。燃焼の後には、動力ストロークが続いてもよく、その間に、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記に説明されるように、駆動区画１６０の中に貯蔵され、および／またはＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換されてもよい。動力ストロークＢＤＣまたはその近傍におけるある時点で、排気ポートは、開放されてもよく、排気ストロークは、ピストン１２５の速度がゼロになる、またはそれに近似するまで、起こってもよく、これは、そのサイクルについて排気ストロークＴＤＣをマークする。上記に説明されるように、膨張ストローク中に駆動区画１６０の中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てもよい。排気ストロークＴＤＣに到達することに先立ったある時点で、燃焼区画１３０が、排気弁を閉鎖する一方で、シリンダの中に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てもよい。膨張ストロークと同様に、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の中に貯蔵され、および／またはＬＥＭ２００によって電気エネルギーに変換されてもよく、これは、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てもよい。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の中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てもよい。 In some embodiments, in a 4-stroke piston cycle, the drive compartment 160 may provide all of the work required for the compression stroke, just as in the 2-stroke cycle described above. In some embodiments, the drive compartment 160 may provide sufficient work to avoid a net electrical energy input during the compression stroke. In some embodiments, the drive compartment 160 may provide sufficient work to allow net electrical energy output during the compression stroke. The compression stroke may continue until combustion occurs, for example, until the speed of piston 125 reaches zero or is close to it. The combustion may be followed by a power stroke, during which the kinetic energy of the piston assembly 120 is stored in the drive compartment 160 and / or by the LEM 200 as described above for a two-stroke cycle. It may be converted into electrical energy. At some point in or near the power stroke BDC, the exhaust port may be open and the exhaust stroke may occur until the speed of the piston 125 reaches or is close to zero, which is the cycle. Mark the exhaust stroke TDC. As described above, the energy stored in the drive compartment 160 during the expansion stroke may provide the work required to perform the exhaust stroke. At some point prior to reaching the exhaust stroke TDC, the combustion compartment 130 closes the exhaust valve while there is still exhaust in the cylinder. In some embodiments, the confined exhaust may store sufficient energy to carry out subsequent intake strokes. Similar to the expansion stroke, the kinetic energy of the piston assembly 120 may be stored in the drive compartment 160 during the intake stroke and / or converted to electrical energy by the LEM 200, which means that the speed of the piston 125 is zero. It happens until In some embodiments, the drive compartment 160 may store sufficient energy during the intake stroke to perform subsequent compression strokes. In some embodiments, any suitable amount of energy stored in the drive compartment beyond the amount required for the subsequent compression stroke or subsequent exhaust stroke may be converted to electrical energy by the LEM200. good.

図４は、本開示の原理による、代替的な２ピストン、分離型ガススプリング、かつ分離型のＬＥＭ機関を図示する、断面図である。図示される構成は、実施例の目的のためにすぎず、２ピストン、分離型ガススプリング、かつ分離型のＬＥＭ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が理解されるであろう。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。図示される機関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、付加的ピストン１２５を含有する一対の外側シリンダ４０５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、一対の燃焼後面区画４３０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、大気圧またはその近傍で維持される。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、大気圧またはその近傍で維持されない。図示される構成では、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の中に位置する。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との間で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、および上記および先に参照されて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、動作し得ることが理解されるであろう。 FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an alternative two-piston, separate gas spring, and separate LEM engine according to the principles of the present disclosure. It is understood that the configurations illustrated are for the purposes of the examples only, and any other suitable configuration of a two-piston, separable gas spring, and separable LEM engine can be used in accordance with the present disclosure. Will be. The engine 400 includes a main cylinder 105, two opposing piston assemblies 120, and a combustion compartment 130 located in the center of the main cylinder 105. The illustrated engine 400 has certain physical differences when compared to the engine 100. Specifically, the engine 400 includes a pair of outer cylinders 405 containing an additional piston 125, and the LEM 200 is located between the main cylinder 105 and the outer cylinder 405. Each outer cylinder 405 includes a drive compartment 410 located between the piston 125 and the distal end of the outer cylinder 405 and a drive rear compartment 420 located between the piston 125 and the proximal end of the outer cylinder 405. .. The main cylinder 105 includes a pair of combustion rear compartments 430 located between the piston 125 and the distal end of the main cylinder 105. In some embodiments, the drive rear compartment 420 and the combustion rear compartment 430 are maintained at or near atmospheric pressure. In some embodiments, the drive rear compartment 420 and the combustion rear compartment 430 are not maintained at or near atmospheric pressure. In the illustrated configuration, the main cylinder 105 has a port 440 for removing blow-by gas, an injector port 170, an intake port 180, and an exhaust port 185. The drive gas exchange port 190 is located in the outer cylinder 405. Each piston assembly 120 includes two pistons 125 and a piston rod 145. The piston assembly moves freely and linearly between the main cylinder 105 and the outer cylinder 405, as depicted in FIG. The embodiment of FIG. 4 is described, for example, in a two-stroke piston cycle using the methodology as described above with respect to FIG. 3, and US Pat. No. 8,662,029, supra and incorporated previously. It will be appreciated that it can be operated using a 4-stroke piston cycle as such.

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のユニットを含む。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のユニットを含む。しかしながら、複数のユニットが、並列に設置されることができ、これは、集合的に「機関」と称され得る。機関ユニットが並行して動作する、本タイプのモジュール式配列は、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れることを可能にするために使用されてもよい。加えて、全てのユニットが、同一サイズである、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、または同時に動作する必要はない（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している間に非アクティブ化されてもよい）。ユニットが並行して動作されるとき、限定されないが、ユニットの間のガス交換および／またはユニットの個別のＬＥＭ２００の間のフィードバック等の機関の間の統合の潜在性が存在する。 The configurations of FIGS. 2 and 3, as shown, are referred to as the engine 100 and include a single unit defined by a cylinder 105, a piston assembly 120, and a LEM 200. Similarly, the configuration of FIG. 4, as shown, is referred to as the engine 400 and includes a single unit defined by the main cylinder 105, the piston assembly 120, the outer cylinder 405, and the LEM 200. However, multiple units can be installed in parallel, which can be collectively referred to as an "engine". This type of modular array, in which the engine units operate in parallel, may be used to allow the scale of the engine to be increased as needed by the end user. In addition, not all units are of the same size, operate under the same conditions (eg frequency, stoichiometry, or breathing), or need not operate simultaneously (eg, one or several units). It may be deactivated while one or several other units are in operation). When the units are operated in parallel, there is potential for integration between institutions, such as gas exchange between units and / or feedback between individual LEM200s of units.

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る、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図示する。図５−７に図示されるように、統合型内部ガススプリング（ＩＩＧＳ）アーキテクチャは、図２−３に図示される分離型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。 FIG. 5-7 illustrates a further embodiment featuring an integrated internal gas spring in which the gas spring is integrated inside the piston assembly and the LEM is separated from the combustion cylinder. As illustrated in FIG. 5-7, the integrated internal gas spring (IIGS) architecture can be similar in length to the integrated gas spring with the separate LEM architecture illustrated in FIG. 2-3. However, the IIGS architecture can eliminate the problem of blow-by gas from the combustion compartment entering the gas spring, which also occurs with fully integrated gas springs and LEM architectures.

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図示する、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、それに応じて、標識される。機関５００は、シリンダ１０５の底部端の近傍の燃焼区画１３０内の反応に応答して、シリンダ１０５内で移動するように定寸される、ピストンアセンブリ５２０を伴うシリンダ１０５を備える。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とを備える。ピストンアセンブリ５２０は、シリンダ１０５内で自由に線形に移動する。図示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によって密閉される。シリンダ１０５は、空気、燃料、排気ガス、空気／燃料混合物、および／または空気／排気ガス／燃料混合物の吸気、燃焼生成物の排気のための排気／噴射器ポート５７０、５８０、ならびに／もしくは噴射器を含む。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、噴射方略、ならびにピストンサイクル（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。 FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a single piston, integrated internal gas spring engine according to some embodiments of the present disclosure. Many components, such as the combustion compartment 130, are similar to the components in the previous embodiments (eg, FIGS. 1 and 2) and are labeled accordingly. The engine 500 comprises a cylinder 105 with a piston assembly 520 that is sized to move within the cylinder 105 in response to a reaction in the combustion compartment 130 near the bottom end of the cylinder 105. The piston assembly 520 includes a piston 530, a piston seal 535, and a spring rod 545. The piston assembly 520 moves freely and linearly within the cylinder 105. In the illustrated embodiment, the piston rod 545 moves along the bearing 560 and is sealed by a piston rod seal 555 fixed to the cylinder 105. Cylinder 105 is an exhaust / injector port 570, 580, and / or injection for intake of air, fuel, exhaust, air / fuel mixture, and / or air / exhaust / fuel mixture, exhaust of combustion products. Including the vessel. Some embodiments do not require all of the ports depicted in FIG. The number and type of ports depends on the engine configuration, injection strategy, and piston cycle (eg, 2- or 4-stroke piston cycle).

図示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）を備える。ＬＥＭ５５０は、図２−４に関して上記に説明されるＬＥＭ２００と実質的に同一に動作するように構成され得ることが理解される。 In the illustrated embodiment, the engine 500 further comprises a LEM550 (including a stator 210 and a magnet 525) for directly converting the kinetic energy of the piston assembly 520 into electrical energy. It is understood that the LEM550 may be configured to operate substantially identical to the LEM200 described above with respect to FIG. 2-4.

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面積は、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、ガススプリング１６０としての役割を果たすガスを備える。ピストン５３０は、燃焼器区画１３０およびＬＥＭ５５０の固定子２１０内で線形に移動する。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。図示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を両方とも含む。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の中空区画の内側上に位置する。外部軸受５６０は、外部から固定され、ピストン５３０とともに移動しない。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とともに移動する。 Further referring to FIG. 5, the piston 530 includes a solid front compartment (combustor side) and a hollow rear compartment (gas spring side). The area inside the hollow compartment of the piston assembly 520 between the front surface of the piston 530 and the spring rod 545 serves as a gas spring 160, providing at least part of the work required to perform the compression stroke. Equipped with gas to fulfill. The piston 530 moves linearly within the combustor compartment 130 and the stator 210 of the LEM550. The movement of the piston is guided by bearings 560, 565, which can be integral bearings, hydraulic bearings, and / or pneumatic bearings. In the illustrated embodiment, engine 500 includes both external bearings 560 and internal bearings 565. In particular, the external bearing 560 is located between the combustion compartment 130 and the LEM 550, and the internal bearing 565 is located above the inside of the hollow compartment of the piston 530. The external bearing 560 is fixed from the outside and does not move together with the piston 530. The internal bearing 565 is fixed to the piston 530 and moves with respect to the spring rod 545 together with the piston 530.

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のための一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内でガスを保つ目的を果たす、その端部またはその近傍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、個別の区画内でガスを保つシールを有してもよい。図示される実施形態は、（ｉ）ガスが燃焼区画１３０から伝達されないように、その前端またはその近傍でピストン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されないようにする、後面シール５５５とを含む。 Continuing with reference to FIG. 5, the spring rod 545 serves as one surface for the gas spring 160 and is fixed from the outside. The spring rod 545 has at least one seal 585 located at or near its end serving the purpose of retaining gas within the gas spring compartment 160. The magnet 525 is attached to the rear surface of the piston assembly 520 and moves linearly with the piston assembly 520 within the stator 210 of the LEM550. Piston assembly 520 may have seals that retain gas within separate compartments. In the illustrated embodiment, (i) the front seal 535 fixed to the piston 530 at or near its front end so that the gas is not transmitted from the combustion compartment 130, and (ii) the intake gas fixed to the cylinder 105. And / or includes a rear seal 555 that prevents blow-by gas from being transmitted to the surroundings.

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図示する、断面図である。具体的には、スプリングロッド６４５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、中心管腔６１０を含む。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内の質量の量は、本開示のいくつかの実施形態によると、ガススプリング６４５内の圧力を制御するように調整されてもよい。 FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a gas spring rod according to some embodiments of the present disclosure. Specifically, the spring rod 645 includes a central canal 610 that allows mass to be transmitted between the gas spring compartment 160 and the reservoir compartment 620 that communicates with the perimeter. Communication with the surroundings is controlled through valve 630. The amount of mass in the gas spring 645 may be adjusted to control the pressure in the gas spring 645 according to some embodiments of the present disclosure.

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図示する、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、それに応じて、標識される。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、燃焼方略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。 FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a two-piston, integrated internal gas spring engine according to some embodiments of the present disclosure. Most of the elements of the two-piston embodiment are similar to those of the single-piston embodiment of FIG. 5, and similar elements are labeled accordingly. In addition, the operating characteristics of the single and two-piston embodiments are similar to those described in the previous embodiments, including all aspects such as linear alternator, breathing, combustion strategy and the like.

図８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、および動力を図示する。示されるように、図８は、圧縮ストロークおよび膨張ストロークを含む、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関して、経時的に例示的位置８２０、力８４０、および動力８６０図を図示する。位置図８２０を参照すると、図８で標識されるように、参照目的のために、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、自由ピストンアセンブリ毎に正の方向であろう。位置図８２０によって分かり得るように、ピストンアセンブリは、ＢＤＣにおいて圧縮ストロークを開始し、ＴＤＣに進行し、その時点で、膨張（または動力）ストロークが始まる。膨張ストローク中に、ピストンアセンブリは、ＢＤＣに戻るように進行する。 FIG. 8 illustrates the position, force, and power of a free piston engine according to some embodiments of the present disclosure. As shown, FIG. 8 illustrates exemplary position 820, force 840, and power 860 over time for a free piston engine with a two-stroke piston cycle, including compression and expansion strokes. With reference to position FIG. 820, for reference purposes, the positive direction corresponds to the direction from TDC to BDC, as labeled in FIG. For example, in the free piston assembly of FIG. 2-4, the centerline would correspond to the starting point and the direction away from the centerline would be positive for each free piston assembly. As can be seen in position diagram 820, the piston assembly begins a compression stroke at the BDC and proceeds to the TDC, at which point an expansion (or power) stroke begins. During the expansion stroke, the piston assembly proceeds back to the BDC.

力図８４０を参照すると、力は、ＴＤＣからＢＤＣへの方向に印加されたときに正である。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印加される力は、正の力であろう。力図８４０において分かり得るように、圧縮ストローク中に、比較的一定の正の力が、ピストンアセンブリに印加されてもよく、膨張ストローク中に、力は、（中心線に向かう方向に）負であり得、ＬＥＭが両方のストローク中にエネルギーを抽出することを可能にする。印加される力は、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、比較的一定の動力出力を産生するために印加され得ることが理解されるであろう。また、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低いとき、そうすることの非効率性に起因して、印加されない場合があることが理解されるであろう。 Force With reference to Figure 840, the force is positive when applied in the direction from TDC to BDC. For example, in the free piston assembly of FIG. 2-4, the force applied away from the centerline would be a positive force. As can be seen in Force Figure 840, a relatively constant positive force may be applied to the piston assembly during the compression stroke, and during the expansion stroke the force is negative (in the direction towards the centerline). Possible, it allows the LEM to extract energy during both strokes. It will be appreciated that the applied force does not have to be constant and in some embodiments a variable force profile can be applied, for example, to produce a relatively constant power output. Also, in some embodiments, as described herein, the force may not be applied when the piston assembly speed is relatively low due to the inefficiency of doing so. Will be understood.

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。動力図８６０を具体的に参照すると、図示される理想的な場合では、いかなる動力も、ピストンサイクルの圧縮および膨張ストロークを実施するために、本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、上記に説明されるように、理想的な場合では、圧縮ストローク中に本システムへの付加的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、膨張ストローク中に少なくとも１つの駆動区画の中に貯蔵された十分なエネルギーが存在する。 The power output is the negative product of the force and velocity of the piston assembly. Power With reference specifically to Figure 860, it can be seen that in the ideal case shown, no power needs to be input to the system to perform the compression and expansion strokes of the piston cycle. Rather, as described above, in the ideal case, at least one drive compartment during the expansion stroke to perform a subsequent compression stroke without additional energy input to the system during the compression stroke. There is enough energy stored in it.

理想的なシナリオでは、図８に関して説明されるような圧縮および膨張ストローク中に、いかなる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または望ましくあり得る。故に、図９は、本開示のいくつかの他の実施形態による、自由ピストン機関の位置、力、および動力を図示する。図８と同様に、図９は、圧縮ストロークおよび膨張ストロークを含む、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関して、経時的に例示的位置９２０、力９４０、および動力９６０図を図示する。位置図９２０は、図８に図示される位置図８２０のものに略類似するが、力図９４０および動力図９６０は、図８に図示されるものと異なり得ることが理解されるであろう。圧縮ストローク中の力図９４０を参照すると、９０２では、力が短い周期にわたって最初に印加された方向と反対方向に印加され得ることが分かり得る。これはまた、同一の短い周期にわたる動力入力を示す負の動力が９０４において見られ得る、動力図９６０でも反映される。本力印加および動力入力は、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、または別様に後続の膨張ストロークの前にピストンアセンブリが適切なもしくは所望のＴＤＣ位置に到達することを確実にするために行われてもよい。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印加されてもよい。同様に、膨張ストローク中の力図９４０をさらに参照すると、９０６では、短い周期にわたる残りの膨張ストロークと反対の方向に適用され得ることが分かり得、これは、同一の短い周期にわたる動力入力を示す負の動力が９０８において見られ得る、動力図９６０でも反映される。上記に説明されるように、本印加された力および入力された動力は、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、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もしくは所望のＢＤＣ位置に到達することを確実にするために、力が、このようにして印加され、動力が、入力されてもよい。例えば、力が、上記に説明されるように、ピストンアセンブリの速度を増加させるために印加されてもよい。 In an ideal scenario, it may be desirable to avoid any power input during compression and expansion strokes as described with respect to FIG. 8, but in some embodiments it is possible to provide some power input. May be necessary or desirable. Therefore, FIG. 9 illustrates the position, force, and power of a free piston engine according to some other embodiment of the present disclosure. Similar to FIG. 8, FIG. 9 illustrates exemplary position 920, force 940, and power 960 over time for a free piston engine with a two-stroke piston cycle, including compression and expansion strokes. It will be appreciated that the position diagram 920 is substantially similar to that of the position diagram 820 illustrated in FIG. 8, but the force diagram 940 and the power diagram 960 may differ from those illustrated in FIG. With reference to force FIG. 940 during the compression stroke, it can be seen in 902 that the force can be applied in the direction opposite to the originally applied direction over a short period of time. This is also reflected in power diagram 960, where negative power can be seen in 904, indicating power input over the same short period. Force application and power input can occur for several reasons, but in some embodiments this controls the speed of the piston assembly, or otherwise suitable for the piston assembly prior to subsequent expansion strokes. Alternatively, it may be done to ensure that the desired TDC position is reached. For example, a force may be applied to increase the speed of the piston assembly. Similarly, further referring to Force Figure 940 during the expansion stroke, it can be seen that in 906 it can be applied in the opposite direction to the remaining expansion stroke over the short period, which indicates the power input over the same short period. Negative power can also be seen in 908, which is also reflected in power diagram 960. As described above, the applied force and the input power can occur for several reasons, but in some embodiments the speed of the piston assembly is controlled, or otherwise subsequent compression. Forces may be applied in this way and power may be input to ensure that the piston assembly reaches the proper or desired BDC position prior to the stroke. For example, forces may be applied to increase the speed of the piston assembly, as described above.

図９に関して説明される圧縮ストロークおよび／または膨張ストローク中の入力動力の提供は、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、ゼロを下回る曲線の面積によって減算されるゼロを上回る曲線の面積によって表される、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、動力図９６０から明白である。故に、各ストロークにわたって本システムによって出力される電気エネルギーの量は、上記に説明されるように、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ように、「正味電気エネルギー」は、図２−４に関して上記に説明されるもの等のＬＥＭの中および外へ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、ＤＣバス、ＩＧＢＴ、コンデンサ、および／または任意の他の好適な構成要素を含む）、バッテリ、ならびに／もしくはグリッドタイインバータに結合される固定子を含んでもよい。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、バッテリ、および／またはグリッドタイインバータを介して、ＬＥＭに入力されてもよい一方で、上記に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、バッテリ、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。 The provision of input power during the compression and / or expansion strokes described with respect to FIG. 9 is not necessarily ideal operation, but the net electrical energy output over each stroke is still above zero (ie, any net electrical energy). It should be understood that there is no input over each stroke). This is evident from Power Figure 960, where it can be seen that the integral over each stroke, represented by the area of the curve above zero, which is subtracted by the area of the curve below zero, is substantially above zero. Therefore, the amount of electrical energy output by the system over each stroke exceeds the electrical energy input to control the piston assembly position, as described above. As used herein, "net electrical energy" refers to the transfer of electrical energy into and out of a LEM, such as those described above with respect to FIG. 2-4. In some embodiments, the LEM is coupled to a power electronics device (including, for example, a DC bus, an IGBT, a capacitor, and / or any other suitable component), a battery, and / or a grid tie inverter. It may include a stator. Thus, in some embodiments, some electrical energy may be input to the LEM via power electronics, batteries, and / or grid tie inverters coupled to the LEM, while described above. Net electrical energy over a given stroke, as such, will be output from the LEM to power electronics, batteries, and / or grid tie inverters.

図８および１４は、所与のストロークにわたって正味電気入力がない、自由ピストン機関の動作を図示するが、本開示の原理は、圧縮ストローク中（例えば、始動中）等のストローク中に正味電気入力とともに動作する自由ピストン機関を含む、任意の好適な自由ピストン機関に適用され得ることが理解される。 Although FIGS. 8 and 14 illustrate the operation of a free piston engine with no net electrical input over a given stroke, the principles of the present disclosure are that the net electrical input is during a stroke, such as during a compression stroke (eg, during start-up). It is understood that it can be applied to any suitable free piston engine, including free piston engines that operate with.

記載されるように、図２−４に関して上記に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、対応する図に図示される。故に、上記に説明されるように、制御システムは、先に参照されて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も適用可能である。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、利用されてもよく、他の変更が、行われてもよい。例えば、図２−４に関して上記に説明される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に関して上記に説明される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。 As described, the embodiments described above with respect to FIG. 2-4 include a two-piston, single combustion compartment, two-stroke internal combustion engine 100. In general, control systems applicable to free piston combustion engines are described below and illustrated in the corresponding figures. Therefore, as described above, the control system is also applicable to other free piston combustion engine architectures, such as those described in US Pat. No. 8,662,029, which was previously referenced and incorporated. be. As will be appreciated by those skilled in the art, various modifications and alternative configurations may be utilized and other modifications may be made without departing from the scope of the present disclosure. For example, in addition to the two-piston architecture described above with respect to FIG. 2-4, the control system described herein is applicable, for example, to a single-piston architecture. Similarly, in addition to the two-stroke engines described above with respect to FIG. 3, the control systems described herein are also applicable, for example, to four-stroke engines.

図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、ピストン機関１０４０のための制御システム１０１０を有する例証的ピストン機関システム１０００のブロック図である。ピストン機関１０４０は、例えば、図２−７に関して上記に説明されるような任意の好適な自由ピストン機関であってもよい。制御システム１０１０は、ピストン機関１０４０に結合される１つまたはそれを上回るセンサ１０３０と通信してもよい。制御システム１０１０は、ピストン機関１０４０の動作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１０２０と通信するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、１つを上回るピストン機関が、制御システム１０１０によって制御されてもよい。例えば、制御システム１０１０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てもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、ユーザインターフェースシステム１０５０を介してユーザと相互作用するように構成されてもよい。 FIG. 10 is a block diagram of an exemplary piston engine system 1000 having a control system 1010 for the piston engine 1040, according to some embodiments of the present disclosure. The piston engine 1040 may be, for example, any suitable free piston engine as described above with respect to FIG. 2-7. The control system 1010 may communicate with one or more sensors 1030 coupled to the piston engine 1040. The control system 1010 may be configured to communicate with an auxiliary system 1020 that may be used to adjust the operating aspects or characteristics of the piston engine 1040. In some embodiments, more than one piston engine may be controlled by control system 1010. For example, the control system 1010 may be configured to communicate with auxiliary systems and sensors corresponding to any number of piston engines. In some embodiments, the control system 1010 may be configured to interact with the user via the user interface system 1050.

制御システム１０１０は、処理機器１０１２、通信インターフェース１０１４、センサインターフェース１０１６、制御インターフェース１０１８、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んでもよい。制御システム１０１０は、少なくとも部分的に、１つまたはそれを上回る集積回路、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、もしくはそれらの任意の組み合わせで実装されてもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０のコンポーネントは、図１０に示されるように、個々の通信リンクまたは通信バス１０１１を介して、通信可能に結合されてもよい。処理機器１０１２は、センサインターフェース１０１６によってセンサ１０３０から受信されるようなピストン機関１０４０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、または有線で）構成され得る、１つまたはそれを上回るプロセッサ（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）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、任意の他の好適なハードウェアコンポーネント、もしく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んでもよい。センサインターフェース１０１６は、センサ１０３０、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に電力を供給するための電力供給源を含んでもよい。例えば、センサインターフェース１０１６は、センサ１０３０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んでもよい。センサインターフェース１０１６は、（例えば、ＩＥＥＥ８０２．３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、ＩＥＥＥ８０２．１１「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１０１９を介して、センサ１０３０と通信してもよい。制御システム１０１０、より具体的には、処理機器１０１２は、関連時間スケールにわたってピストン機関１０４０の制御を提供するように構成されてもよい。例えば、１つまたはそれを上回る温度の変化は、１つまたはそれを上回る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（例えば、過熱および／また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、診断事象の場合にシャットダウンを可能にするため、ならびに／もしくは適正な負荷追跡のために十分に迅速な応答）で提供されてもよい。 The control system 1010 may include a processing device 1012, a communication interface 1014, a sensor interface 1016, a control interface 1018, any other suitable component or module, or any combination thereof. The control system 1010 is at least partially integrated circuits, ASICs, FPGAs, microcontrollers, DSPs, computers, terminals, control stations, handheld devices, modules, any other suitable device, or any of them. It may be implemented in any combination of. In some embodiments, the components of the control system 1010 may be communicably coupled via individual communication links or communication buses 1011 as shown in FIG. The processing device 1012 may be configured to process information about the piston engine 1040 as received from the sensor 1030 by the sensor interface 1016 (eg, using software or by wire), one or more. Any suitable processing circuit such as a processor (eg, central processing unit), cache, random access memory (RAM), read-only memory (ROM), any other suitable hardware component, or any combination thereof. It may be included. The sensor interface 1016 may include a power source for powering the sensor 1030, a signal regulator, a signal preprocessor, any other suitable component, or any combination thereof. For example, the sensor interface 1016 may include filters, amplifiers, samplers, and analog / digital converters for adjusting and preprocessing the signal from the sensor 1030. The sensor interface 1016 uses a wired connection (eg, using IEEE 802.11 Ethernet® or universal serial bus interface), (eg, IEEE 802.11 “Wi-Fi” or Bluetooth®). ) Communication with the sensor 1030 may be made via communication coupling 1019, which may be wireless coupling, optical coupling, inductive coupling, any other suitable coupling, or any combination thereof. The control system 1010, more specifically the processing equipment 1012, may be configured to provide control of the piston engine 1040 over the relevant time scale. For example, a temperature change of one or more may be controllable in response to one or more detected engine operating characteristics, the control being a time scale associated with the operation of the piston engine (eg, eg). Fast enough to prevent overheating and / or component failure, provide proper vertex control as described below, allow shutdown in case of diagnostic events, and / or for proper load tracking. Response).

センサ１０３０は、ピストン機関１０４０の任意の好適な性質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んでもよい。いくつかの実施形態では、センサは、補助システム１０２０のシステムの側面および／または性質を感知するように構成される、１つもしくはそれを上回るセンサを含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、ピストン機関１０４０の構成要素、ピストン機関１０４０に導入される、もしくはそれから回収される流体、または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）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、ピストン機関１０４０の区画（例えば、燃焼区画またはガス駆動区画）内の圧力、ピストン機関１０４０に導入される、もしくはそれから回収される流体の圧力、または両方を感知するように構成される、１つまたはそれを上回る圧力センサ（例えば、圧電式圧力トランスデューサ、歪みベースの圧力トランスデューサ、またはガスイオン化センサ）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、（例えば、摩擦力もしくは他の関連力情報、圧力情報、または加速度情報を示し得る）引張力、圧縮力、または剪断力等のピストン機関１０４０内の力を感知するように構成される、１つまたはそれを上回る力センサ（例えば、圧電式力トランスデューサまたは歪みベースの力トランスデューサ）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、電圧、電流、電力出力および／または入力（例えば、電圧で乗算された電流）、ピストン機関１０４０ならびに／もしくは補助システム１０２０の任意の他の好適な電気性質、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つまたはそれを上回る電流および／もしくは電圧センサ（例えば、ピストン機関１０４０のＬＥＭに結合される電流計ならびに／または電圧計）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサ１０３０は、ピストンアセンブリおよび／また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／また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／または機関の任意の他の構成要素の加速度、流速、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１０４０および／または補助システム１０２０の任意の他の好適な性質、もしく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つまたはそれを上回るセンサを含んでもよい。 The sensor 1030 may include any suitable type of sensor that may be configured to sense any suitable property or side of the piston engine 1040. In some embodiments, the sensor may include one or more sensors configured to sense aspects and / or properties of the system of the auxiliary system 1020. In some embodiments, the sensor 1030 is a temperature sensor (eg, a temperature sensor) configured to sense the temperature of a component of the piston engine 1040, fluid introduced into or recovered from the piston engine 1040, or both. , Thermocouple, resistance temperature detector, thermistor, or optical temperature sensor). In some embodiments, the sensor 1030 determines the pressure in the compartment of the piston engine 1040 (eg, the combustion compartment or the gas drive compartment), the pressure of the fluid introduced into or recovered from the piston engine 1040, or both. It may include one or more pressure sensors configured to sense (eg, a piezoelectric pressure transducer, a strain-based pressure transducer, or a gas ionization sensor). In some embodiments, the sensor 1030 is a force within the piston engine 1040 such as tensile, compressive, or shearing forces (which may indicate, for example, frictional or other related force information, pressure information, or acceleration information). It may include one or more force sensors configured to sense (eg, piezoelectric force transducers or strain-based force transducers). In some embodiments, the sensor 1030 is a voltage, current, power output and / or input (eg, voltage-multiplied current), piston engine 1040 and / or any other suitable electrical property of the auxiliary system 1020. , Or any combination thereof, including one or more current and / or voltage sensors (eg, a current meter and / or voltage meter coupled to the LEM of the piston engine 1040). It may be. In some embodiments, the sensor 1030 is the position of any other component of the piston assembly and / or engine, the speed of the piston assembly and / or any other component of the engine, the piston assembly and / or the engine. Senses acceleration, velocity, oxygen or nitrogen oxide emission levels of any other component, other emission levels, any other suitable property of the piston engine 1040 and / or auxiliary system 1020, or any combination thereof. It may include one or more sensors configured to do so.

制御インターフェース１０１８は、補助システム１０２０のうちの１つまたはそれを上回る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んでもよい。いくつかの実施形態では、制御インターフェース１０１８は、アナログ制御信号を補助システム１０２０のうちのいずれかまたは全てに提供するデジタル／アナログコンバータを含んでもよい。 The control interface 1018 provides a wired connection, wireless coupling, optical coupling, inductive coupling, any other suitable coupling, or any combination thereof for communicating with one or more of the auxiliary systems 1020. It may be included. In some embodiments, the control interface 1018 may include a digital / analog converter that provides analog control signals to any or all of the auxiliary systems 1020.

補助システム１０２０は、冷却システム１０２２、圧力制御システム１０２４、ガス駆動制御システム１０２６、および／または任意の他の好適な制御システム１０２８を含んでもよい。冷却／加熱システム１０２２は、冷却、加熱、または両方をピストン機関１０４０に提供する、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んでもよい。圧力制御システム１０２４は、圧力制御された流体をピストン機関１０４０に供給（および随意に受容）する、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んでもよい。ガス駆動制御システム１０２６は、駆動ガスをピストン機関１０４０に供給（および随意に受容）する、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んでもよい。いくつかの実施形態では、ガス駆動制御システムは、図２−７に関して上記に説明されるガススプリング構成要素のうちのいずれかを制御する任意の好適な構成要素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、他のシステム１０２８は、酸化剤および／または燃料をピストン機関１０４０に供給する、例えば、カム動作型システム、ソレノイドシステム、または任意の他の電子機械デバイスもしくは電気機械等の弁システムを含んでもよい。弁はまた、例えば、単一ピストンアセンブリ配列または二重ピストンアセンブリ配列を有するポートなし機関の中等で、機関からの排気流出を調整するために使用されてもよい。排気弁は、単一フロー掃気を可能にするように、ボイスコイル（例えば、リニアモータ）を用いて制御されてもよい。 Auxiliary system 1020 may include cooling system 1022, pressure control system 1024, gas drive control system 1026, and / or any other suitable control system 1028. The cooling / heating system 1022 provides cooling, heating, or both to the piston engine 1040, such as pumps, fluid reservoirs, pressure regulators, bypasses, radiators, fluid conduits, power circuits (eg, for electric heaters), and any other. Suitable components of, or any combination thereof. The pressure control system 1024 supplies (and optionally accepts) pressure-controlled fluid to the piston engine 1040, such as pumps, compressors, fluid reservoirs, pressure regulators, fluid conduits, any other suitable component, or them. It may contain any combination of. The gas drive control system 1026 provides a compressor, gas reservoir, pressure regulator, fluid conduit, any other suitable component, or any combination thereof, that supplies (and optionally accepts) drive gas to the piston engine 1040. It may be included. In some embodiments, the gas drive control system may include any suitable component that controls any of the gas spring components described above with respect to FIG. 2-7. In some embodiments, the other system 1028 supplies the oxidant and / or fuel to the piston engine 1040, eg, a cam-operated system, a solenoid system, or any other electromechanical device or electromechanical. A valve system may be included. The valve may also be used to regulate exhaust outflow from the engine, for example in a portless engine with a single piston assembly arrangement or a double piston assembly arrangement. The exhaust valve may be controlled using a voice coil (eg, a linear motor) to allow single flow scavenging.

ユーザインターフェース１０１５は、ユーザインターフェースシステム１０５０のうちの１つまたはそれを上回る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、もしくはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。ユーザインターフェースシステム１０５０は、ディスプレイ１０５２、入力デバイス１０５４、マウス１０５６、オーディオデバイス１０５８、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んでもよい。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１０５２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んでもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１０５２は、例えば、ディスプレイスクリーン上に１つまたはそれを上回る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んでもよい。ディスプレイ１０５２は、ピストン機関１０４０に関する任意の好適な情報（例えば、ピストン機関１０４０の性質の時系列）、制御システム１０１０、補助システム１０２０、ユーザインターフェースシステム１０５０、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てもよい。入力デバイス１０５４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んでもよい。マウス１０５６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んでもよい。マウス１０５６は、ハンドヘルドデバイス（例えば、２もしくは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んでもよい。オーディオデバイス１０５８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／または受信するための任意の他の好適なデバイス、もしくはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。例えば、オーディオデバイス１０５８は、マイクロフォンを含んでもよく、処理機器１０１２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１０１５を介して受信されるオーディオコマンドを処理してもよい。 The user interface 1015 is a wired connection, wireless coupling, optical coupling, inductive coupling, any other suitable coupling, or any combination thereof for communicating with one or more of the user interface systems 1050. May include. The user interface system 1050 is a remote interface accessed via a display 1052, an input device 1054, a mouse 1056, an audio device 1058, a website, a mobile application, or other internet service, any other suitable user interface device. Alternatively, any combination thereof may be included. In some embodiments, the remote interface is remote from the engine but can be close to the site of the engine. In other embodiments, the remote interface can be remote from both the institution and the site of the institution. The display 1052 may be, for example, any other suitable display screen capable of providing the user with, for example, a brown tube screen, a liquid crystal display screen, a light emitting diode display screen, a plasma display screen, graphics, text, an image, or other image, or any of them. Display screens such as any combination of screens may be included. In some embodiments, the display 1052 may include a touch screen that may provide tactile interaction with the user, for example by providing one or more soft commands on the display screen. The display 1052 may include any suitable information about the piston engine 1040 (eg, a timeline of the nature of the piston engine 1040), control system 1010, auxiliary system 1020, user interface system 1050, any other suitable information, or any of them. Any combination may be displayed. The input device 1054 may include a QWERTY keyboard, a numeric keypad, any other suitable set of hard command buttons, or any combination thereof. Mouse 1056 may include any suitable pointing device capable of controlling a cursor or icon on a graphical user interface displayed on the display screen. Mouse 1056 may include a handheld device (eg, capable of moving in two or three dimensions), a touchpad, any other suitable pointing device, or any combination thereof. The audio device 1058 may include a microphone, speakers, headphones, any other suitable device for providing and / or receiving audio signals, or any combination thereof. For example, the audio device 1058 may include a microphone, and the processing device 1012 may process audio commands received via the user interface 1015 that are triggered by the user speaking to the microphone.

いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、１つまたはそれを上回るユーザ入力を受信して制御を提供するように構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、制御システム１０１０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１０５０への１つまたはそれを上回るユーザ入力に応じて補助システム１０２０への制御信号を設定してもよい。さらなる実施例では、ユーザは、１つまたはそれを上回る制御変数（例えば、温度、圧力、流速、仕事入力／出力、または他の変数）の定点値を入力してもよく、制御システム１０１０は、定点値に基づいて制御アルゴリズムを実行してもよい。 In some embodiments, the control system 1010 may be configured to receive one or more user inputs to provide control. For example, in some embodiments, the control system 1010 disables the control settings based on sensor feedback and sends a control signal to the auxiliary system 1020 in response to one or more user inputs to the user interface system 1050. It may be set. In a further embodiment, the user may enter a fixed point value for one or more control variables (eg, temperature, pressure, flow velocity, work input / output, or other variable), and the control system 1010 The control algorithm may be executed based on the fixed point value.

いくつかの実施形態では、動作特性（例えば、ピストン機関１０４０または補助システム１０２０の１つもしくはそれを上回る所望の性質）は、製造者、ユーザ、または両方によって事前定義されてもよい。例えば、特定の動作特性が、処理機器１０１２のメモリの中に記憶されてもよく、１つまたはそれを上回る制御信号を提供するようにアクセスされてもよい。いくつかの実施形態では、動作特性のうちの１つまたはそれを上回るものは、ユーザによって変更されてもよい。制御システム１０１０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てもよい。例えば、制御システム１０１０は、温度および圧力等の環境条件に基づいて動作を改変するために使用されてもよい。 In some embodiments, the operating characteristics (eg, desired properties of one or more of the piston engine 1040 or auxiliary system 1020) may be predefined by the manufacturer, the user, or both. For example, specific operating characteristics may be stored in the memory of processing equipment 1012 and may be accessed to provide one or more control signals. In some embodiments, one or more of the operating characteristics may be modified by the user. Control system 1010 may be used to maintain, regulate, or otherwise manage their operating characteristics. For example, control system 1010 may be used to modify operation based on environmental conditions such as temperature and pressure.

いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、少なくとも部分的に、所望の機関性能（例えば、所望の頂点、位置）および１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置に基づいて、自由ピストン機関の中の１つまたはそれを上回るピストンアセンブリのための位置・力軌道を算出する。計算された位置・力軌道に基づいて、制御システム１０１０は、規定時間もしくは位置間隔にわたって特定の力を１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに印加することによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの変位を生じさせる。制御システム１０１０による各位置・力軌道の計算は、以前に判定された軌道（位置・力、時間・位置、または任意の他の好適な軌道）からの逸脱に関係なく算出される。制御システム１０１０は、（例えば、特定の事象に応答して）特定のトリガがアクティブ化されるとき、機関ストロークもしくはサイクルにわたって繰り返し、機関の動作状態への変更後に、またはそれらの任意の組み合わせで、位置・力軌道を計算してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０はまた、所望の機関性能のタイミングに関係なく、位置・力軌道を計算してもよい。ある事例では、制御システム１０１０は、機関の動作状態に基づいて、位置・力軌道を計算してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、前の位置・力軌道の一部として計算された先行する力に基づいて、もしくは１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに印加された先行する力に基づいて、機関の現在の動作パラメータを推定してもよい。ある事例では、制御システム１０１０は、閉形式解、数値的反復解、または両方の組み合わせを使用して、位置・力軌道を計算してもよい。複数のピストンアセンブリを用いた実施形態では、制御システム１０１０はまた、個別のピストンアセンブリ毎に位置・力軌道を計算することに加えて、複数のピストンアセンブリのための同期化力を計算し、同期化計算に基づいて、ある力を複数のピストンアセンブリに印加させ、所望に応じて複数のピストンアセンブリの移動を同期させてもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、機関の動作状態に応じて、位置・力軌道制御技法と別の制御技法（例えば、以前に判定された軌道からの逸脱の計算に依拠する制御技法）とを切り替える、ハイブリッド制御方略を採用してもよい。 In some embodiments, the control system 1010 is a free piston engine, at least in part, based on the desired engine performance (eg, desired apex, position) and the current position of one or more piston assemblies. Calculate the position / force trajectory for one or more of the piston assemblies. Based on the calculated position / force trajectory, the control system 1010 displaces one or more piston assemblies by applying a specific force to one or more piston assemblies over a specified time or position interval. Causes. The calculation of each position / force trajectory by the control system 1010 is calculated regardless of the deviation from the previously determined trajectory (position / force, time / position, or any other suitable trajectory). The control system 1010 repeats over an engine stroke or cycle when a particular trigger is activated (eg, in response to a particular event), after a change to the operating state of the engine, or in any combination thereof. The position / force trajectory may be calculated. In some embodiments, the control system 1010 may also calculate the position / force trajectory regardless of the timing of the desired engine performance. In some cases, the control system 1010 may calculate the position / force trajectory based on the operating state of the engine. In some embodiments, the control system 1010 is based on the preceding force calculated as part of the previous position / force trajectory, or based on the preceding force applied to one or more piston assemblies. The current operating parameters of the engine may be estimated. In some cases, the control system 1010 may use closed form solutions, numerical iterative solutions, or a combination of both to calculate position / force trajectories. In embodiments with multiple piston assemblies, the control system 1010 also calculates and synchronizes the synchronization forces for the multiple piston assemblies, in addition to calculating the position and force trajectories for each individual piston assembly. A force may be applied to the plurality of piston assemblies based on the calculation, and the movements of the plurality of piston assemblies may be synchronized as desired. In some embodiments, the control system 1010 relies on a position / force trajectory control technique and another control technique (eg, a previously determined deviation from the trajectory) depending on the operating state of the engine. ) And a hybrid control strategy may be adopted.

以下は、上記に説明される概念に従って実装される、いくつかの例証的実施形態の議論である。これらの実施形態は、概して、図２−７に図示され、上記で議論されるもの等の駆動区画を伴う単一および二重ピストン自由ピストン内部燃焼機関に関する。これらの実施形態では、制御システム１０１０は、所望の機関性能に基づいて個別のピストンアセンブリの変位を引き起こすために使用される。これらの具体的実施形態を参照して議論される実装および概念は、概して、他の実施形態にも適用可能であることが理解されるであろう。本議論は、例証の目的のために提供され、開示される実装および概念の適用可能性をこれらの実施形態のみに限定することを意図していない。 The following is a discussion of some exemplary embodiments implemented according to the concepts described above. These embodiments generally relate to single and double piston free piston internal combustion engines with drive compartments such as those illustrated in FIG. 2-7 and discussed above. In these embodiments, the control system 1010 is used to cause displacement of the individual piston assemblies based on the desired engine performance. It will be appreciated that the implementations and concepts discussed with reference to these specific embodiments are generally applicable to other embodiments as well. This discussion is not intended to limit the applicability of the implementations and concepts provided and disclosed for purposes of illustration to these embodiments only.

図１１は、圧縮ストロークおよび膨張ストロークにわたる自由ピストン機関の中のピストンアセンブリの例示的位置・速度および位置・力軌道（それぞれ、１１１０ならびに１１２０）を示す。１１２０に示される力値は、制御システム１０１０によって計算され、ＬＥＭを介してピストンアセンブリに電磁力を及ぼすことによってピストンアセンブリに適用される、力値に対応する。図１１に図示されるプロファイルは、例証の明確化および容易性の目的のために、理想化されている、簡略化されている、または両方である。実際のプロファイルは異なり得ることが理解されるであろう。電磁力は、本明細書では、ＬＥＭ力、ＬＥＭ力値、モータ力、モータ力値、力、または力値と称される。図１１および継続する軌道図を参照すると、正の方向は、ＴＤＣからＢＤＣへの方向に対応する（例えば、正の速度は、ＴＤＣからＢＤＣまで移動しているピストンアセンブリに対応し、正の力は、ＢＤＣに向かう方向に印加されている力に対応する）。加えて、図１１および継続する軌道図を参照すると、ゼロ位置点は、対向ピストン自由ピストン機関（例えば、図２−４および図７）のための中心線または単一ピストン自由ピストン機関（例えば、図５）のための燃焼区画端部（すなわち、燃焼区画の先頭）に対応する。図１１に示されるように、ピストンアセンブリが、ＢＤＣとＴＤＣ（その頂点）との間で循環する一方で、ＬＥＭは、ピストンアセンブリの運動の反対方向に力を印加し、それによって、両方のストロークにわたって正味電気エネルギー出力を産生する。両方のストロークにわたって正味電気エネルギー出力を産生することは、膨張ストロークから十分なエネルギーを貯蔵して、後続の圧縮ストロークを実施するために要求される十二分のエネルギーを提供することができるように、駆動区画が定寸されることを要求する。本パラダイムは、概して、以下の議論で仮定されるが、本明細書に開示される制御技法は、正味電気エネルギー入力が圧縮ストローク中に要求されるように、駆動区画が定寸される、自由ピストン機関と、駆動区画がなく、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全てがＬＥＭによって提供される、自由ピストン機関とに適用されることが理解されるであろう。１１２０に示されるストローク毎の単一モータ力値は、自由ピストン機関が動作し得る方法の理想化された表現である。以下は、制御システム１０１０が、自由ピストン機関の中のピストンアセンブリの変位を制御し、所望の機関性能を達成するために使用され得る、具体的実施形態の議論である。 FIG. 11 shows exemplary position / velocity and position / force trajectories (1110 and 1120, respectively) of a piston assembly in a free piston engine over compression and expansion strokes. The force value shown in 1120 corresponds to the force value calculated by the control system 1010 and applied to the piston assembly by exerting an electromagnetic force on the piston assembly via LEM. The profile illustrated in FIG. 11 is idealized, simplified, or both for the purposes of clarification and ease of illustration. It will be understood that the actual profile can be different. The electromagnetic force is referred to herein as a LEM force, a LEM force value, a motor force, a motor force value, a force, or a force value. With reference to FIG. 11 and the continuing trajectory diagram, the positive direction corresponds to the direction from the TDC to the BDC (eg, the positive velocity corresponds to the piston assembly moving from the TDC to the BDC and the positive force. Corresponds to the force applied in the direction towards the BDC). In addition, with reference to FIG. 11 and the continuing trajectory diagram, the zero position point is the centerline or single piston free piston engine (eg, eg, FIGS. 2-4 and 7) for the opposed piston free piston engine (eg, FIGS. 2-4 and 7). Corresponds to the end of the combustion compartment (ie, the beginning of the combustion compartment) for FIG. 5). As shown in FIG. 11, the piston assembly circulates between the BDC and the TDC (its apex), while the LEM applies a force in the opposite direction of the movement of the piston assembly, thereby both strokes. Produces a net electrical energy output over. Producing a net electrical energy output over both strokes allows sufficient energy to be stored from the expansion stroke to provide more than the energy required to perform subsequent compression strokes. , Require the drive compartment to be sized. This paradigm is generally assumed in the discussion below, but the control techniques disclosed herein are free in that the drive compartment is sized so that a net electrical energy input is required during the compression stroke. It will be appreciated that the piston engine and the free piston engine, which has no drive compartment and all of the energy required to carry out the compression stroke, is provided by the LEM. The single motor force value per stroke shown in 1120 is an idealized representation of how a free piston engine can operate. The following is a discussion of specific embodiments in which the control system 1010 can be used to control the displacement of the piston assembly within a free piston engine and achieve the desired engine performance.

図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、自由ピストン機関内の伝播経路に沿った１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの変位を制御する制御システム１０１０のための例証的ステップのフローチャート１２００を示す。図示されるように、制御システム１０１０は、最初に、ステップ１２０２において、自由ピストン機関の中の１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置を判定する。次に、制御システム１０１０は、ステップ１２０４において、所望の機関性能および１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置に基づいて、位置・力軌道を計算する。最後に、制御システム１０１０は、ステップ１２０４で計算される１つまたはそれを上回る力値を１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに適用することによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの変位を生じさせる。連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、制御システム１０１０が停止するコマンドを送信するまで繰り返される。停止するコマンドは、例えば、異なる制御技法に切り替えること、機関をオフにすること、機械もしくは電子安全スイッチが始動したことを制御システム１０１０が判定したこと、任意の他の好適な理由、またはそれらの任意の組み合わせを含む、任意の好適な理由により、送信されてもよい。連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、機関ストロークまたはサイクルの全体を通した特定のトリガもしくは反復のアクティブ化に基づいて、繰り返すことができる。例えば、連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、特定の事象に応答して、特定の閾値交差、任意の他の好適なトリガ時に、またはそれらの任意の組み合わせにおいて、繰り返すことができる。別の実施例では、連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、特定の時間間隔（例えば、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ等）で、または特定の離散位置間隔（例えば、１ミリメートル毎、１ミクロン毎等）で繰り返すことができる。フローチャート１２００によって図示される、本特定の制御技法は、本明細書では位置・力軌道制御技法と称される。 FIG. 12 illustrates a flowchart 1200 of exemplary steps for a control system 1010 that controls displacement of one or more piston assemblies along a propagation path within a free piston engine, according to some embodiments of the present disclosure. show. As illustrated, the control system 1010 first determines in step 1202 the current position of one or more piston assemblies in the free piston engine. The control system 1010 then calculates the position / force trajectory in step 1204 based on the desired engine performance and the current position of one or more piston assemblies. Finally, control system 1010 causes displacement of one or more piston assemblies by applying one or more force values calculated in step 1204 to one or more piston assemblies. .. Consecutive steps 1202, 1204, and 1206 are repeated until control system 1010 sends a command to stop. The command to stop is, for example, switching to a different control technique, turning off the engine, the control system 1010 determining that a mechanical or electronic safety switch has been started, any other suitable reason, or theirs. It may be transmitted for any suitable reason, including any combination. Continuous steps 1202, 1204, and 1206 can be repeated based on the activation of a particular trigger or iteration throughout the engine stroke or cycle. For example, continuous steps 1202, 1204, and 1206 can be repeated in response to a particular event at a particular threshold crossing, at any other suitable trigger, or at any combination thereof. In another embodiment, continuous steps 1202, 1204, and 1206 are repeated at specific time intervals (eg, 1 kHz, 10 kHz, etc.) or at specific discrete position intervals (eg, every 1 millimeter, every 1 micron, etc.). be able to. The particular control technique illustrated by Flowchart 1200 is referred to herein as a position / force trajectory control technique.

制御システム１０１０は、任意の好適なセンサ１０３０を使用して、ステップ１２０２において１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置を判定する。１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの位置を判定するための好適なセンサ１０３０は、磁気エンコーダ、光学エンコーダ、光回折格子エンコーダ、レーザベースのエンコーダ、位置を判定するための任意の他の好適なセンサ、またはそれらの任意の組み合わせを含む。現在の位置は、境界も含んでＢＤＣとＴＤＣとの間の任意の位置であることができる。線形自由ピストン機関の場合、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在の位置は、ピストンアセンブリにつき単一の伝播軸に沿った単一の次元として表されることができるが、本開示の教示は、ピストンアセンブリが１つを上回る次元に移動することができ、現在の位置が多次元的に表されることができる、自由ピストン機関に適用され得ることが理解されるであろう。 The control system 1010 uses any suitable sensor 1030 to determine the current position of one or more piston assemblies in step 1202. Suitable sensors 1030 for determining the position of one or more piston assemblies include magnetic encoders, optical encoders, optical grating encoders, laser-based encoders, and any other suitable sensor for determining position. , Or any combination thereof. The current position can be any position between the BDC and the TDC, including the boundary. For linear free piston engines, the current position of one or more piston assemblies can be represented as a single dimension along a single propagation axis per piston assembly, but the teachings of the present disclosure are: It will be appreciated that the piston assembly can be moved to more than one dimension and can be applied to free piston engines where the current position can be represented in multiple dimensions.

ステップ１２０６では、制御システム１０１０は、１つまたはそれを上回るコマンドを自由ピストン機関および／もしくはその補助装置に送信し、ステップ１２０４で計算される１つまたはそれを上回る力値を１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに適用することによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの変位を生じさせる。力は、例えば、ＬＥＭを介して１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに電磁力を及ぼすことによって、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリに印加されてもよい。以下の議論は、ＬＥＭを通して力を印加することを対象とするが、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリへの力の印加は、例えば、駆動区画の性質を調節すること（例えば、駆動区画のばね剛性またはばね定数を調節すること）等による、他の技法を通しても印加され得ることが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、モータ力の印加は、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、２０１４年１月７日に発行された、同一出願人による米国特許第８，６２４，５４２号で説明されるような技法を使用して、実装されることができる。 In step 1206, the control system 1010 sends one or more commands to the free piston engine and / or its auxiliary devices and one or more force values calculated in step 1204. By applying to more piston assemblies, it causes displacement of one or more piston assemblies. Forces may be applied to one or more piston assemblies, for example by exerting electromagnetic force on one or more piston assemblies via LEM. The following discussion is intended to apply force through the LEM, but applying force to one or more piston assemblies, for example, to adjust the properties of the drive compartment (eg, springs in the drive compartment). It will be appreciated that it can also be applied through other techniques, such as by adjusting the stiffness or spring constant). In some embodiments, the application of motor force is incorporated herein by reference in its entirety, U.S. Pat. No. 8,624,542 by the same applicant, issued January 7, 2014. It can be implemented using techniques such as those described in the issue.

ステップ１２０６で１つまたはそれを上回るピストンアセンブリ上で生じさせられる力値は、ステップ１２０４で以前に計算された位置・力軌道に基づく。ピストンアセンブリ上で「生じさせられている」力の言及は、制御システム１０１０が、ピストンアセンブリ上に力を付与する機構に、制御システム１０１０によって示されるような力（正の力、負の力、またはゼロの力を含む）を付与させることを指すことが理解されるであろう。ステップ１２０４では、制御システムは、少なくとも部分的に、所望の機関性能（例えば、所望の頂点位置）およびステップ１２０２で判定される１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの現在のピストンに基づいて、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリのための位置・力軌道を計算する。制御システム１０１０による位置・力軌道の計算は、以前に判定された軌道（位置・力、時間・位置、または任意の他の好適な軌道）からの逸脱に関係なく、算出される。例えば、ストロークの開始時に計算された軌道（すなわち、以前に計算された軌道）を使用し、次いで、伝播の経過中の本以前に計算された軌道からの逸脱を補償する代わりに、連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６が繰り返される度に、完全に新しい軌道が計算される。本タイプの解決策は、自由ピストン機関の動作状態の変化および変更が、各新しい位置・力軌道計算を用いて考慮されることを可能にする。制御システム１０１０は、機関の現在または過去の動作状態にも基づいて、位置・力軌道を計算してもよい。例えば、制御システム１０１０は、１つまたはそれを上回るピストンアセンブリの任意の好適な性質（例えば、速度、加速度、寸法、機械的性質）、燃焼区画ガスの任意の好適な性質（例えば、圧力、温度、密度、比熱、寸法）、駆動区画の任意の好適な性質（例えば、ガススプリングの場合はガス性質、機械的スプリングの場合は機械的性質、寸法）、ＬＥＭの任意の好適な性質（例えば、モータ力定数、モータ力限界、モータ電流限界、モータ抵抗）、機関性能の任意の好適な性質（例えば、効率、動力出力、空気流、燃料流、排気流、燃料組成、排気組成、温度、圧力）、機関の動作特性、性能、パラメータ、および環境の任意の他の好適な計算、測定、または推定値もしくはインジケータ、またはそれらの任意の組み合わせに基づいて、位置・力軌道を計算してもよい。 The force values generated on one or more piston assemblies in step 1206 are based on the position / force trajectories previously calculated in step 1204. References to the forces "generated" on the piston assembly are as shown by the control system 1010 to the mechanism by which the control system 1010 applies force onto the piston assembly (positive force, negative force, Or it will be understood to refer to giving (including zero force). In step 1204, the control system is at least partially based on the desired engine performance (eg, desired vertex position) and the current piston of one or more piston assemblies as determined in step 1202. Calculate the position / force trajectory for the piston assembly that exceeds or exceeds it. The calculation of the position / force trajectory by the control system 1010 is calculated regardless of the deviation from the previously determined trajectory (position / force, time / position, or any other suitable trajectory). For example, instead of using the orbit calculated at the beginning of the stroke (ie, the previously calculated orbit) and then compensating for deviations from the previously calculated orbit during the course of propagation, continuous step 1202. A completely new trajectory is calculated each time 1204, and 1206 are repeated. This type of solution allows changes and changes in the operating state of the free piston engine to be considered using each new position / force trajectory calculation. The control system 1010 may calculate the position / force trajectory based on the current or past operating state of the engine. For example, the control system 1010 has any suitable properties of one or more piston assemblies (eg, speed, acceleration, dimensions, mechanical properties), any suitable properties of the combustion compartment gas (eg, pressure, temperature). , Density, specific heat, dimensions), any suitable properties of the drive compartment (eg, gas properties for gas springs, mechanical properties, dimensions for mechanical springs), any suitable properties of LEM (eg, eg) Motor force constant, motor force limit, motor current limit, motor resistance), any suitable properties of engine performance (eg efficiency, power output, airflow, fuel flow, exhaust flow, fuel composition, exhaust composition, temperature, pressure) ), Engine operating characteristics, performance, parameters, and any other suitable calculation, measurement, or estimate or indicator of the environment, or any combination thereof, may be used to calculate the position / force trajectory. ..

図１３は、本明細書に開示される位置・力軌道制御技法の一実施形態を図示する、位置・速度軌道および位置・力軌道（それぞれ、１３１０ならびに１３２０）を示す。本実施形態では、（位置・力軌道の計算が基づく）所望の機関条件は、ピストンアセンブリの所望の頂点位置

である。すなわち、制御目的は、所望のＴＤＣおよびＢＤＣ位置においてゼロ速度を有するように、ピストンアセンブリの変位を生じさせることである。ピストンアセンブリの実際の頂点位置（ｘ_ＴＤＣおよびｘ_ＢＤＣ）が、例証目的のために、ピストンアセンブリの所望の位置と異なるものとして図１３に示されている。しかしながら、ピストンアセンブリの所望の頂点位置と実際の頂点位置との間の差異は、ゼロ、正、負、またはそれらの任意の組み合わせであり得、位置・力軌道制御技法の具体的実装に応じて変動し得ることが理解されるであろう。本実施形態では、新しい位置・力軌道が、位置・力軌道プロット１３２０に示される力値によって図示されるように、固定時間間隔で計算される（すなわち、より高い速度で、力値は、より長い距離にわたってピストンアセンブリに印加され、より低い速度で、力値は、より短い距離にわたってピストンアセンブリに印加される）。すなわち、図１２のフローチャート１２００の中の連続ステップ１２０２、１２０４、および１２０６は、固定時間間隔（例えば、１、５、１００ｋＨｚ）で繰り返される。位置・力軌道プロット１３２０の中の力値は全て、例証目的のために、ピストンアセンブリの運動の反対方向にあるものとして図１３に示されている（すなわち、ＬＥＭは、常に、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している）。しかしながら、各力値は、正の力値（すなわち、膨張ストローク中にピストンアセンブリの変位を促し、圧縮ストローク中にピストンアセンブリの変位を抑える）、負の力値（すなわち、圧縮ストローク中にピストンアセンブリの変位を促し、膨張ストローク中にピストンアセンブリの変位を抑える）、またはゼロもしくは中性の力値（すなわち、いかなる力も印加することなく、その現在の運動量を使用して、ピストンアセンブリ変位が継続することを可能にする）を含む、任意の好適な力値であり得ることが理解されるであろう。 FIG. 13 shows a position / velocity trajectory and a position / force trajectory (1310 and 1320, respectively) illustrating an embodiment of the position / force trajectory control technique disclosed herein. In this embodiment, the desired engine condition (based on the calculation of position / force trajectory) is the desired vertex position of the piston assembly.

Is. That is, the control objective is to cause displacement of the piston assembly so that it has zero velocity at the desired TDC and BDC positions. The actual vertex positions of the piston assembly (x _TDC and x _BDC ) are shown in FIG. 13 as different from the desired position of the piston assembly for illustrative purposes. However, the difference between the desired vertex position of the piston assembly and the actual vertex position can be zero, positive, negative, or any combination thereof, depending on the specific implementation of the position / force trajectory control technique. It will be understood that it can fluctuate. In this embodiment, new position / force trajectories are calculated at fixed time intervals as illustrated by the force values shown in position / force trajectory plot 1320 (ie, at higher velocities, the force values are higher. The force value is applied to the piston assembly over a longer distance and at a lower velocity, the force value is applied to the piston assembly over a shorter distance). That is, the

continuous steps

1202, 1204, and 1206 in the flowchart 1200 of FIG. 12 are repeated at fixed time intervals (eg, 1, 5, 100 kHz). All force values in the position-force trajectory plot 1320 are shown in FIG. 13 as being in the opposite direction of the piston assembly motion for illustration purposes (ie, the LEM is always the piston assembly motion. Converting energy into electrical energy). However, each force value is a positive force value (ie, it promotes displacement of the piston assembly during the expansion stroke and suppresses the displacement of the piston assembly during the compression stroke), and a negative force value (ie, the piston assembly during the compression stroke). The piston assembly displacement continues using its current momentum (ie, without applying any force), or zero or neutral force values (ie, to promote displacement of the piston assembly during the expansion stroke). It will be appreciated that it can be any suitable force value, including).

本実施形態では、図１３を参照すると、圧縮ストロークの第１の位置・力軌道は、位置・力軌道プロット１３２０の中の力値Ｆ_１によって図示されるように、ＢＤＣにおいて計算される。制御システム１０１０は、少なくとも部分的に（ステップ１２０２で判定される）ピストンアセンブリの現在の位置およびピストンアセンブリの所望の頂点位置

に基づいて、（図１２のフローチャート１２００の位置・力軌道ステップ１２０４において）本第１の力値を計算し、次いで、本実施形態では、規定時間間隔に基づいて起こる、ピストンアセンブリの新しい位置が判定され、新しい位置・力軌道が計算されるまで、（ステップ１２０６において）機関のＬＥＭを介して、本力をピストンアセンブリに印加する。これらの連続ステップは、ピストンアセンブリがＴＤＣ（ｘ_ＴＤＣ）において頂点に達するまで繰り返され、その時点で、制御システム１０１０は、次いで、ＢＤＣにおける新しい所望の頂点位置

に基づいて、連続ステップを繰り返す。所望の頂点位置は、サイクルを横断して一定のままである、ストローク内で一定のままである、サイクルを横断して変化する、ストローク内で変化する、またはそれらの任意の組み合わせであってもよい。 In the present embodiment, referring to FIG. 13, the first position and force trajectory of the compression stroke, as illustrated by the force value F ₁ in the position and force trajectory plots 1320, is calculated at BDC. The control system 1010, at least in part, is the current position of the piston assembly (determined in step 1202) and the desired vertex position of the piston assembly.

The first force value is calculated based on (in position / force trajectory step 1204 of the flowchart 1200 in FIG. 12), and then, in the present embodiment, a new position of the piston assembly occurs based on a specified time interval. This force is applied to the piston assembly via the LEM of the engine (in step 1206) until determined and a new position / force trajectory is calculated. These continuous steps are _{repeated until the piston assembly reaches the apex at the TDC (x TDC} ), at which point the control system 1010 then sets the new desired apex position at the BDC.

Based on, the continuous step is repeated. The desired vertex position remains constant across the cycle, remains constant within the stroke, changes across the cycle, changes within the stroke, or any combination thereof. good.

いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、各ステップ１２０４において位置・力軌道を計算するために熱力学の第１法則（すなわち、エネルギー保存）に依拠し得る。例えば、単一ピストン自由ピストン機関に関して、位置・力軌道は、機関の理想化されたストローク（すなわち、熱伝達、ガスブローバイ、または摩擦からの損失がない）にわたって、ＬＥＭから／への仕事、燃焼区画ガスから／への仕事、ピストンアセンブリの運動エネルギー、および駆動区画から／への仕事が合計でゼロになるはずであることを認識することによって、計算されることができる。これは、例えば、Ｗ_ＬＥＭが、ＬＥＭから／への仕事であり、Ｗ_ｃが、燃焼区画ガスから／への仕事であり、ＫＥ_ｐが、ピストンアセンブリの運動エネルギーであり、Ｗ_ｄが、駆動区画から／への仕事である、方程式１で捕捉されることができる。

ＬＥＭから／への仕事は、ピストンアセンブリの現在の位置（ｘ^ｃ）から、ピストンアセンブリの所望の標的位置（ｘ^ｄ）（例えば、所望の頂点位置）までのピストンアセンブリの位置（ｘ）の変化にわたってモータ力（Ｆ_ＬＥＭ）を積分することによって、計算されることができる。新しい力値が計算され、次いで、続いて、適用されるまで、各力値がＬＥＭによってピストンアセンブリに適用されるため、モータ力は、ピストンアセンブリの現在の位置とピストンアセンブリの所望の標的位置との間で一定であるものとしてモデル化されることができる。これは、ＬＥＭから／への仕事の計算を、ｘ^ｄが、ＴＤＣまたはＢＤＣのいずれかの所望の標的位置であることができる、方程式４に示されるような所望の標的位置と現在の位置との間の差異で乗算されるモータ力のみに簡略化する。

燃焼区画ガスから／への仕事は、ピストンアセンブリの現在の位置における燃焼区画容積

から、ピストンアセンブリの所望の標的位置における燃焼区画容積

までの燃焼区画の容積の変化にわたって、燃焼区画ガスの圧力を積分することによって、計算されることができる。本実施例では、所望のＴＤＣおよびＢＤＣ標的位置に関して、燃焼区画から／への仕事は、Ｖ_ｃが、燃焼区画の容積であり、ｐ_ｃが、燃焼区画の容積の関数としての燃焼区画ガス圧力であり、

が、ＴＤＣまたはＢＤＣのいずれかの所望の標的位置に基づき得る、方程式２に従って、計算されることができる。

ピストンアセンブリの運動エネルギーは、方程式３に示されるように、ピストンアセンブリの質量（ｍ_ｐ）およびピストンアセンブリの速度の現在の速度

の二乗の積の２分の１に等しい。

駆動区画から／への仕事は、駆動区画のタイプに依存する。駆動区画がガススプリングを備える場合には、ガススプリングから／への仕事は、燃焼区画ガスから／への仕事の計算と同様に計算されることができる。駆動区画が機械的スプリングを備える場合には、機械的スプリングから／への仕事は、フックの法則に基づいて計算されてもよい。駆動区画がガススプリングおよび機械的スプリングの両方を備える場合には、駆動区画から／への仕事は、２つのモデルの組み合わせを使用して、計算されることができる。本実施例では、例証目的のために、駆動区画は、ガススプリングを備え、ガススプリング（駆動区画）から／への仕事は、Ｗ_ｓが、ガススプリングから／への仕事であり、Ｖ_ｓが、ガススプリングの体積であり、ｐ_ｓが、ガススプリングの体積の関数としてのガススプリングガス圧力であり、

が、ピストンアセンブリの現在の位置におけるガススプリングの体積であり、

が、ＴＤＣまたはＢＤＣのいずれかの所望の標的位置に基づき得る、ピストンアセンブリの所望の標的位置におけるガススプリングの体積である、方程式５を使用して、計算されることができる。

方程式１で仕事およびエネルギー値を計算するためのモデルを有すると、位置・力軌道のモータ力値は、方程式６に示されるように、方程式２−５を方程式１に代入することによって、計算されることができる。

方程式６で見られ得るように、位置・力軌道を計算するための本モデルは、ピストンアセンブリアプローチの現在の位置がピストンアセンブリの所望の標的位置に接近する（すなわち、方程式６の中の分母がゼロに接近する）につれて、縮小する水平線を有する。実践的限界が、ゼロによる除算を回避するように、最小水平線（すなわち、ピストンアセンブリの現在の位置とピストンアセンブリの所望の標的位置との間の最小差）に、制御システム１０１０によって設定される、または制御システム１０１０に入力されることができ、これは、いくつかの実施形態では、所望の標的位置の近傍の制御システム１０１０の有効権限を制限し得る。ピストンアセンブリと、燃焼区画ガスと、ガススプリングガスとの間の界面の断面積が、一定であるものとしてモデル化されることができる場合、方程式６の中の燃焼区画ガス仕事およびガススプリングガス仕事は、個別の区画の容積がピストンアセンブリの位置のアフィン関数であるため、現在の位置から所望の標的位置までのピストンアセンブリ位置の変化に基づいて計算されることができる。本代入は、ｐ_ｃ（ｘ）が、ピストンアセンブリの位置の関数としての燃焼区画ガス圧力であり、ｐ_ｓ（ｘ）が、ピストンアセンブリの位置の関数としてのガススプリングガス圧力であり、Ａ_ｃが、ピストンアセンブリと燃焼区画ガスとの間の界面の断面積であり、Ａ_ｓが、ピストンアセンブリとガススプリングガスとの間の界面の断面積である、方程式７に示されている。

In some embodiments, the control system 1010 may rely on the first law of thermodynamics (ie, energy conservation) to calculate the position / force trajectory at each step 1204. For example, for a single-piston free-piston engine, the position / force trajectory works from LEM to / burns over the engine's idealized stroke (ie, no loss from heat transfer, gas blow-by, or friction). It can be calculated by recognizing that the work from the compartment gas / to, the kinetic energy of the piston assembly, and the work from the drive compartment to / should be zero in total. This is, for example, W _LEM is the work from LEM to /, W _c is the work from the combustion compartment gas to /, KE _p is the kinetic energy of the piston assembly, and W _d is the drive. It can be captured by equation 1, which is the work from partition to /.

The work from LEM to / is to change the position (x ^{) of the piston assembly from the current position (x c} ) of the piston assembly to the desired target position (x ^d ) of the piston assembly (eg, the desired vertex position). It can be calculated by integrating the motor force ( _{FLEM) over.} The motor force is the current position of the piston assembly and the desired target position of the piston assembly, as each force value is applied to the piston assembly by LEM until new force values are calculated and then applied. Can be modeled as being constant between. It calculates the work from LEM to / with the desired target position and current position as shown in Equation 4, where ^{xd can be the desired target position of either TDC or BDC.} Simplify only to the motor force multiplied by the difference between.

The work from the combustion compartment gas to / is the combustion compartment volume at the current position of the piston assembly.

From the combustion compartment volume at the desired target position of the piston assembly

It can be calculated by integrating the pressure of the combustion compartment gas over changes in the volume of the combustion compartment up to. In this embodiment, for the desired TDC and BDC target position, the work from the combustion zone to /, V _c is the volume of the combustion zone, p _c is the combustion zone gas pressure as a function of the volume of the combustion zone And

Can be calculated according to Equation 2, which can be based on the desired target position of either TDC or BDC.

Kinetic energy of the piston assembly, as shown in equation 3, the current rate of speed of the piston assembly mass (m _p) and piston assembly

Is equal to one half of the product of the squares of.

The work from / to the drive compartment depends on the type of drive compartment. If the drive compartment is equipped with a gas spring, the work from / to the gas spring can be calculated in the same way as the calculation of the work from / to the combustion compartment gas. If the drive compartment is equipped with a mechanical spring, the work from / to the mechanical spring may be calculated based on Hooke's law. If the drive compartment is equipped with both gas and mechanical springs, the work from the drive compartment to / can be calculated using a combination of the two models. In this embodiment, for purposes of illustration, the drive compartment is equipped with a gas spring, and the work from / to the gas spring (drive compartment) is W _s , the work from the gas spring to /, and V _s. is the volume of the gas spring, p _s is the gas spring the gas pressure as a function of the volume of the gas spring,

Is the volume of the gas spring at the current position of the piston assembly,

Can be calculated using Equation 5, which is the volume of the gas spring at the desired target position of the piston assembly, which can be based on the desired target position of either the TDC or the BDC.

Having a model for calculating work and energy values in Equation 1, the motor force values for position and force trajectories are calculated by substituting Equation 2-5 into Equation 1 as shown in Equation 6. Can be done.

As can be seen in Equation 6, the model for calculating the position / force trajectory is such that the current position of the piston assembly approach approaches the desired target position of the piston assembly (ie, the denominator in Equation 6 is It has a horizontal line that shrinks as it approaches zero). Practical limits are set by the control system 1010 at the minimum horizon (ie, the minimum difference between the current position of the piston assembly and the desired target position of the piston assembly) so as to avoid division by zero. Alternatively, it can be input to control system 1010, which, in some embodiments, may limit the effective authority of control system 1010 in the vicinity of the desired target location. Combustion compartment gas work and gas spring gas work in Equation 6 where the cross-sectional area of the piston assembly and the interface between the combustion compartment gas and the gas spring gas can be modeled as constant. Can be calculated based on the change in piston assembly position from the current position to the desired target position, since the volume of the individual compartments is an affine function of the piston assembly position. In this substitution, p _c (x) is the combustion compartment gas pressure as a function of the position of the piston assembly, p _s (x) is the gas spring gas pressure as a function of the position of the piston assembly, _Ac. but the cross-sectional area of the interface between the piston assembly and the combustion section gases, a _s is the cross-sectional area of the interface between the piston assembly and the gas spring gas, is shown in equation 7.

方程式６および７に示されるように、各位置・力軌道は、少なくとも部分的に、ピストンアセンブリの現在の位置およびピストンアセンブリの所望の頂点位置（すなわち、所望の標的位置）に基づいて、以前に判定された軌道からの逸脱に関係なく、新しい位置・力軌道が計算されるであろう時間に関係なく、かつピストンアセンブリが所望の頂点位置に到達する時間に関係なく、計算される。機関サイクルのストロークにわたって、本モデルを使用して位置・力軌道を繰り返し計算することは、自由ピストン機関の動作状態の変化および変更（高速または低速、意図的または非意図的）が、各新しい位置・力軌道計算で考慮されることを可能にし、それによって、自由ピストン機関の動作状態の障害を除外することが可能である、自由ピストン機関のための制御技法を提供する。制御技法は、例えば、燃焼変動性、燃焼不発、燃料エネルギー含有量の変化、ガス温度もしくは圧力の変化、ＬＥＭ相の損失、駆動区画ばね定数の変化もしくは変更、または任意の他の好適な障害、もしくはそれらの任意の組み合わせに起因する、障害を除外することが可能である。方程式６および７は、例えば、熱伝達、ガスブローバイ、または摩擦等からのエネルギー損失が機関内にないことを仮定して、導出された。しかしながら、エネルギー損失は、本明細書に開示される位置・力軌道制御技法に含まれ得ることが理解されるであろう。例えば、機関のガス状区画の中の熱伝達損失は、（位置または体積の関数としてモデル化され得る）ガス温度の関数としてモデル化されることができ、ＬＥＭの中の熱伝達損失は、電流および抵抗の関数としてモデル化されることができ、機関のガス状区画の中のガスブローバイ損失は、（位置または体積の関数としてモデル化され得る）ガス圧力の関数としてモデル化されることができ、摩擦損失は、一定の力、材料性質、位置、および／または速度の関数としてモデル化されることができる。 As shown in Equations 6 and 7, each position / force trajectory was previously based, at least in part, on the current position of the piston assembly and the desired vertex position of the piston assembly (ie, the desired target position). It is calculated regardless of the deviation from the determined trajectory, regardless of the time the new position / force trajectory will be calculated, and regardless of the time it takes for the piston assembly to reach the desired vertex position. Iterative calculation of position and force trajectories using this model over the stroke of the engine cycle allows changes and changes in the operating state of the free piston engine (fast or slow, intentional or unintentional) to each new position. -Provides a control technique for a free piston engine that can be taken into account in force trajectory calculations, thereby eliminating obstacles to the operating state of the free piston engine. Control techniques include, for example, combustion variability, combustion misfire, changes in fuel energy content, changes in gas temperature or pressure, loss of LEM phase, changes or changes in drive compartment spring constants, or any other suitable obstacles. Alternatively, it is possible to rule out obstacles caused by any combination of them. Equations 6 and 7 were derived assuming that there is no energy loss in the engine from, for example, heat transfer, gas blow-by, friction, etc. However, it will be understood that energy loss can be included in the position and force trajectory control techniques disclosed herein. For example, the heat transfer loss in the gaseous compartment of the engine can be modeled as a function of the gas temperature (which can be modeled as a function of position or volume), and the heat transfer loss in the LEM is the current. And can be modeled as a function of resistance, gas blow-by loss in the gaseous compartment of the engine can be modeled as a function of gas pressure (which can be modeled as a function of position or volume). , Friction loss can be modeled as a function of constant force, material properties, position, and / or velocity.

方程式６を解法することは、本実施例では、燃焼区画ガスおよびガススプリングガスの両方に関して、体積の変化にわたる圧力の積分を要求する。これらの積分は、熱力学的性質モデル、熱伝達モデル、ガスブローバイモデル、摩擦モデル、または任意の他の好適なモデル、もしくはそれらの任意の組み合わせに基づいて、数値的反復解（例えば、常微分方程式解法）を使用して、算出されることができる。これらの積分は、本システムにおける熱伝達、ガスブローバイ、摩擦、および他の損失からの影響を組み込み得る、熱力学的モデルに基づく閉形式解を使用して、算出されることもできる。閉形式解を使用して位置・力軌道を計算することは、数値的反復解と比較して、算出時間を節約する。これは、制御システム１０１０が、機関の動作状態の障害をより良好に考慮し得る、より短い時間間隔で（すなわち、より速い周波数で）新しい位置・力軌道を計算することを可能にすることができる。例えば、燃焼区画およびガススプリングの中のガスの圧縮ならびに膨張は、可逆的であるものとしてモデル化されることができる。ガスの圧縮および膨張のための可逆仕事は、ｐ_１が、状態１時のガスの圧力であり、Ｖ_１が、状態１時のガスの体積であり、Ｖ_２が、状態２時のガスの体積であり、ｋが、比熱の比である、方程式８を使用して、計算されることができる。

等エントロピーであるものとして燃焼区画ガスおよびガススプリングガスの圧縮ならびに膨張をモデル化することは、ｋ_ｃが、燃焼区画ガスのための比熱の比であり、ｋ_ｓが、ガススプリングガスのための比熱の比である、方程式９に示されるように、位置・力軌道を計算するための閉形式解を生じることができる。

方程式９に示されるように、比熱の異なる比は、（例えば、組成の差異を考慮するように）燃焼区画ガスおよびガススプリングガスに使用されることができる。比熱の異なる比はまた、（例えば、燃焼区画ガスの組成の変化を考慮するように）圧縮ストロークおよび膨張ストロークに、（例えば、ポートが露出されている間の機関ブリージング中の変化を考慮するように）ストローク内の具体的位置間隔に、（例えば、ガス温度の変化を考慮するように）位置・力軌道の計算毎に、任意の他の好適な目的もしくは理由のために、またはそれらの任意の組み合わせに、使用されることができる。閉形式解はまた、ｎ_ｃが、燃焼区画ガスのためのポリトロープ指数であり、ｎ_ｓが、ガススプリングガスのためのポリトロープ指数である、方程式１０に示されるように、ポリトローププロセスであるものとしてガス圧縮および膨張をモデル化することによって、導出されることもできる。

ポリトローププロセスであるものとしてガスの圧縮および膨張をモデル化することは、位置・力軌道を計算するための閉形式解を維持しながら、熱伝達、ガスブローバイ、摩擦、他の損失、またはそれらの任意の組み合わせの影響が考慮されることを可能にする。燃焼区画ガスおよびガススプリングガスのためのポリトロープ指数は、モデル化された、または実験的に判定された機関性能データもしくは情報に基づくことができる。異なるポリトロープ指数が、圧縮ストロークおよび膨張ストロークに、ストローク内の具体的位置間隔に、位置・力軌道の計算毎に、任意の他の好適な目的もしくは理由のために、またはそれらの任意の組み合わせに、使用されることができる。 Solving Equation 6 requires, in this embodiment, the integration of pressure over volume changes for both combustion compartment gas and gas spring gas. These integrals are numerically iterative solutions (eg, ordinary differentials) based on thermodynamic property models, heat transfer models, gas blow-by models, friction models, or any other suitable model, or any combination thereof. It can be calculated using the equation solution method). These integrals can also be calculated using closed form solutions based on thermodynamic models that can incorporate the effects of heat transfer, gas blow-by, friction, and other losses in the system. Calculating position / force trajectories using closed form solutions saves calculation time compared to numerical iterative solutions. This allows the control system 1010 to calculate new position / force trajectories at shorter time intervals (ie, at faster frequencies), which can better consider engine operating condition failures. can. For example, the compression and expansion of gas in combustion compartments and gas springs can be modeled as reversible. The reversible work for gas compression and expansion is that p ₁ is the pressure of the gas in state 1, V ₁ is the volume of gas in state 1, and V ₂ is the volume of gas in state 2. It can be calculated using equation 8, which is the volume, where k is the ratio of specific heat.

Modeling the compression and expansion of the combustion compartment gas and gas spring gas as being isentropic, k _c is the specific heat ratio for the combustion compartment gas and k _s is for the gas spring gas. As shown in Equation 9, which is the ratio of specific heat, a closed-form solution for calculating the position / force trajectory can be generated.

As shown in Equation 9, different ratios of specific heat can be used for combustion compartment gas and gas spring gas (eg, taking into account compositional differences). Different ratios of specific heat should also take into account changes in compression and expansion strokes (eg, taking into account changes in the composition of the combustion compartment gas) during engine breathing (eg, taking into account changes during engine breathing while the port is exposed). For specific position intervals within the stroke, for each calculation of the position / force trajectory (eg, taking into account changes in gas temperature), for any other suitable purpose or reason, or any of them. Can be used in combination with. The closed form solution also assumes that n _c is the polytropic index for the combustion compartment gas and n _s is the polytropic process for the gas spring gas, as shown in Equation 10. It can also be derived by modeling gas compression and expansion.

Modeling gas compression and expansion as a polytropic process maintains a closed form solution for calculating position and force trajectories, while maintaining heat transfer, gas blow-by, friction, other losses, or their loss. Allows the effects of any combination to be considered. The polytropic index for combustion compartment gas and gas spring gas can be based on modeled or experimentally determined engine performance data or information. Different polytropic indices can be applied to compression and expansion strokes, to specific position intervals within the stroke, to each calculation of position / force trajectories, for any other suitable purpose or reason, or in any combination thereof. , Can be used.

制御システム１０１０が方程式９または１０を解法するために、燃焼区画およびガススプリングの中のガスの圧力は、ピストンアセンブリの各現在の位置において、測定もしくは推定されなければならない、または両方である。ピストンアセンブリの現在の位置におけるガスの圧力は、圧電式圧力トランスデューサ、歪みベースの圧力トランスデューサ、ガスイオン化センサ、任意の他の好適な圧力センサ、またはそれらの任意の組み合わせ等の任意の好適なセンサ１０３０を使用して、測定されることができる。ピストンアセンブリの現在の位置におけるガスの圧力もまた、推定されることができる。一般に、（圧力の測定とは対照的に）圧力の推定値に依拠することは、高価で、多くの場合、信頼性のない圧力センサの必要性を回避するため、コストを節約し、より高い信頼性の機関動作につながり得る。例えば、ガスの圧縮および膨張は、

が、ピストンアセンブリの現在の位置における推定されたガス圧力であり、ｐ^ｐが、ピストンアセンブリの以前に判定された位置における測定または推定されたガス圧力であり、Ｖ^ｐが、ピストンアセンブリの同一の以前に判定された位置におけるガスの測定または推定された体積である、それぞれ、方程式１１または１２を使用して、等エントロピーもしくはポリトロープであるものとしてモデル化されることができる。方程式１１および１２は、燃焼区画および駆動区画を含む、機関の任意の区画の中の現在のガス圧力を推定することに適用可能である。

別の実施例では、ガススプリング駆動区画を伴う単一ピストン自由ピストン機関に関して、力平衡モデルが、ガススプリングの測定または推定された現在のガス圧力、以前に適用／計算されたモータ力値、ピストンアセンブリの質量、およびピストンアセンブリの現在の測定または推定された加速度に基づいて、燃焼区画の現在のガス圧力を推定するように、変換器に適用されることができる。本力平衡モデルは、

が、ピストンアセンブリの現在の位置における燃焼区画の中の推定されたガス圧力であり、

が、ピストンアセンブリの現在の加速度であり、

が、以前に適用／計算されたモータ力であり、

が、ガススプリングの中の測定または推定された現在のガス圧力である、方程式１３に示される。

力平衡モデルはまた、次いで、例えば、方程式１１または１２を通して、燃焼区画の現在のガス圧力を計算するために使用されることができる、以前に測定または推定された他の値に基づいて、燃焼区画の前のガス圧力を推定するために使用されてもよい。本力平衡モデルは、

が、ピストンアセンブリの前の位置における燃焼区画の推定されたガス圧力であり、

が、ピストンアセンブリの以前に判定された加速度であり、

が、ガススプリングの以前に判定されたガス圧力である、方程式１４である。

（方程式１３および１４を導出するために使用されるものに類似する）力平衡モデルはまた、例えば、駆動区画等の機関の他の区画の中の現在または前のガス圧力を推定するためにも使用され得ることが理解されるであろう。 In order for the control system 1010 to solve equation 9 or 10, the pressure of the gas in the combustion compartment and the gas spring must be measured or estimated at each current position of the piston assembly, or both. The pressure of the gas at the current position of the piston assembly is any suitable sensor 1030 such as a piezoelectric pressure transducer, strain-based pressure transducer, gas ionization sensor, any other suitable pressure sensor, or any combination thereof. Can be measured using. The pressure of the gas at the current position of the piston assembly can also be estimated. In general, relying on pressure estimates (as opposed to measuring pressure) is expensive and often cost-saving and higher to avoid the need for unreliable pressure sensors. Can lead to reliable engine operation. For example, gas compression and expansion

Is the estimated gas pressure at the current position of ^{the piston assembly, pp} is the measured or estimated gas pressure at the previously determined position of ^{the piston assembly, and V p} is the same of the piston assembly. The measured or estimated volume of gas at a previously determined position can be modeled as isentropic or polytropic using equations 11 or 12, respectively. Equations 11 and 12 are applicable to estimate the current gas pressure in any compartment of the engine, including the combustion compartment and drive compartment.

In another embodiment, for a single-piston free-piston engine with a gas spring drive compartment, a force balance model is used to measure or estimate the current gas pressure of the gas spring, previously applied / calculated motor force values, pistons. It can be applied to the converter to estimate the current gas pressure in the combustion compartment based on the mass of the assembly and the current measurement or estimated acceleration of the piston assembly. The main force equilibrium model is

Is the estimated gas pressure in the combustion compartment at the current position of the piston assembly,

Is the current acceleration of the piston assembly,

Is the previously applied / calculated motor force,

Is the current gas pressure measured or estimated in the gas spring, as shown in Equation 13.

The force equilibrium model can also then be used to calculate the current gas pressure in the combustion compartment, for example through equation 11 or 12, based on other previously measured or estimated values of combustion. It may be used to estimate the gas pressure in front of the compartment. The main force equilibrium model is

Is the estimated gas pressure of the combustion compartment in the position in front of the piston assembly,

Is the previously determined acceleration of the piston assembly,

Is the previously determined gas pressure of the gas spring, equation 14.

The force equilibrium model (similar to that used to derive equations 13 and 14) is also used to estimate current or previous gas pressures in other compartments of the engine, eg, drive compartments. It will be understood that it can be used.

いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、自由ピストンアセンブリの固定された前の位置から現在の位置までの機関サイクルのストロークにわたってエネルギー平衡を積分することによって、自由ピストン機関の区画の中の現在のガス圧力を推定してもよく、固定された前の位置は、例えば、頂点位置、ポート開放もしくは閉鎖位置、燃焼事象、任意の他の好適な位置、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。例えば、ガススプリング駆動区画を伴う単一ピストン自由ピストン機関に関して、現在のガス圧力は、

が、固定された前の位置から現在の位置までのＬＥＭから／への仕事であり、

が、固定された前の位置から現在の位置までの燃焼区画ガスから／への仕事であり、

が、固定された前の位置から現在の位置までのガススプリング区画ガスから／への仕事である、固定された前の位置から現在の位置までの自由ピストンアセンブリのエネルギー平衡をモデル化する、方程式１５を使用することによって、推定されることができる。

燃焼区画およびガススプリング区画の中のガスの圧縮ならびに膨張は、個別の区画から／への仕事の閉形式解を生じるように、可逆的および／またはポリトロープであるものとしてモデル化されることができる。ポリトロープであるものとして燃焼区画およびガススプリング区画の中のガスの圧縮ならびに膨張をモデル化して、本実施例に関して、固定された前の位置および現在の位置から、燃焼区画から／へ、ならびにガススプリング区画から／への仕事は、

が、固定された前の位置における測定または推定された燃焼区画ガス圧力であり、

が、固定された前の位置における燃焼区画容積であり、

が、固定された前の位置における測定または推定されたガススプリング区画ガス圧力であり、

が、固定された前の位置におけるガススプリング区画容積である、それぞれ、方程式１６および１７を使用して、計算されることができる。

ＬＥＭから／への仕事は、ｘ^ｉｐが、直前の計算ステップにおけるピストンアセンブリの位置であり、

が、直前の計算ステップにおいて判定される（次いで、直前の計算ステップにおけるその位置から、その現在の位置まで、ピストンアセンブリに印加される）ＬＥＭ力であり、

が、前の固定された位置から直前の計算ステップにおけるピストンアセンブリの位置までのＬＥＭから／への仕事の量である、各計算ステップを用いてＬＥＭから／への仕事の量を更新する、方程式１８を使用して、計算されることができる。

現在の位置におけるピストンアセンブリの運動エネルギーは、方程式３を使用して計算されることができる。方程式１６−１８および３は、閉形式解を使用して、燃焼区画またはガススプリング区画の中の現在のガス圧力を推定するように、方程式１５に代入されることができる。例えば、方程式１９は、燃焼区画ガスの現在の圧力を推定するための閉形式解を示す。

方程式６、７、９、および１０、または類似方程式を導出するために（例えば、機関内の損失を含むために）使用される任意の他の好適な第１法則ベースの分析もまた、方程式１１−１４および１９を導出するために使用されるものに類似する技法を使用して（すなわち、現在および以前に判定された圧力、力、体積、位置、速度、ならびに加速度の使用を通して）、自由ピストン機関の区画の中の現在または前のガス圧力を推定するために、別個に、もしくは組み合わせて、使用されてもよい。加えて、方程式１１−１４および１９は、方程式１１−１４および１９を導出するために使用されるものに類似する技法を使用して（すなわち、現在および以前に判定された圧力、力、体積、位置、速度、ならびに加速度の使用を通して）、自由ピストン機関の区画の中の現在または前のガス圧力を推定するために、相互と、および／または他の好適な推定モデルと組み合わせて、使用されてもよい。 In some embodiments, the control system 1010 is present in the compartment of the free piston engine by integrating the energy equilibrium over the stroke of the engine cycle from the fixed previous position to the current position of the free piston assembly. The gas pressure may be estimated and the fixed previous position may be, for example, an apex position, a port open or closed position, a combustion event, any other suitable position, or any combination thereof. For example, for a single-piston free-piston engine with a gas spring drive compartment, the current gas pressure is

Is the work from LEM to / from the fixed previous position to the current position,

Is the work from / to the combustion compartment gas from the fixed previous position to the current position,

Is the work from the gas spring compartment gas to / from the fixed previous position to the current position, modeling the energy equilibrium of the free piston assembly from the fixed previous position to the current position, the equation It can be estimated by using 15.

The compression and expansion of the gas in the combustion compartment and the gas spring compartment can be modeled as reversible and / or polytropes so as to result in a closed form solution of work from / to individual compartments. .. Modeling the compression and expansion of the gas in the combustion compartment and the gas spring compartment as being a polytrope, for this embodiment, from the fixed previous and current positions, from the combustion compartment to / to, and the gas spring. Work from parcel to /

Is the measured or estimated combustion compartment gas pressure at the fixed previous position,

Is the combustion compartment volume at the fixed previous position,

Is the measured or estimated gas spring compartment gas pressure at the fixed previous position,

Is the gas spring compartment volume at the fixed previous position, which can be calculated using equations 16 and 17, respectively.

The work from LEM to / is that ^xip is the position of the piston assembly in the previous calculation step.

Is the LEM force determined in the previous calculation step (then applied to the piston assembly from that position in the previous calculation step to its current position).

Is the amount of work from LEM to / from the position of the piston assembly in the previous calculation step from the previous fixed position, the equation to update the amount of work from LEM to / using each calculation step. 18 can be used to calculate.

The kinetic energy of the piston assembly at the current position can be calculated using Equation 3. Equations 16-18 and 3 can be substituted into Equation 15 to estimate the current gas pressure in the combustion compartment or gas spring compartment using a closed form solution. For example, Equation 19 presents a closed form solution for estimating the current pressure of the combustion compartment gas.

Equations 6, 7, 9, and 10, or any other suitable first law-based analysis used to derive similar equations (eg, to include losses in the engine) are also equations 11. Free pistons using techniques similar to those used to derive -14 and 19 (ie, through the use of current and previously determined pressures, forces, volumes, positions, velocities, and accelerations). It may be used separately or in combination to estimate the current or previous gas pressure in the engine compartment. In addition, equations 11-14 and 19 use techniques similar to those used to derive equations 11-14 and 19 (ie, current and previously determined pressures, forces, volumes, Used with each other and / or in combination with other suitable estimation models to estimate current or previous gas pressure in a compartment of a free piston engine (through the use of position, velocity, and acceleration). May be good.

以前に計算された値（例えば、力、加速度、圧力、速度、位置）を使用して現在の値（例えば、現在のガス圧力）を推定することは、着目値への好適な係数を用いた無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタもしくは有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ等の平滑化フィルタ、またはルーエンバーガー観測器もしくはカルマンフィルタ等の動的推定器の使用を要求し得る。ピストンアセンブリの現在または前の位置におけるガスの圧力は、熱力学的関係モデル（例えば、方程式１１もしくは１２）、力平衡モデル（例えば、方程式１３もしくは１４）、または第１法則分析（例えば、方程式６、７、９、１０、もしくは１９）、もしくはそれらの組み合わせを使用して、推定されることができる。例えば、ピストンアセンブリの現在または前の位置におけるガスの圧力は、２つのモデルを使用して推定されることができ、モデルのうちの一方は、一次推定値値として使用され、他方のモデルは、カルマンフィルタ、ルーエンバーガー観測器、またはモデル予測推定等の推定技法を使用して、次推定値値を改良するために使用される。別の実施例では、ピストンアセンブリの現在または前の位置におけるガスの圧力は、いずれか２つのモデルからの推定値の間の誤差の最小化に基づいて、推定されることができる。本最小化は、２つのモデルを加重し、例えば、いくつかの位置測定を前提とした加速度推定値、前の圧力測定もしくは推定値からの逸脱、以前のサイクルまたはストロークからの圧力測定もしくは推定値からの逸脱、算出時間、雑音もしくは障害統計についての情報、任意の他の好適なコスト、またはそれらの任意の組み合わせ等の他のコストを含むことができる。いくつかの実施形態では、ピストンアセンブリの現在または前の位置におけるガス圧力の推定は、不十分、雑音が多い、または遅い測定を提供し得る、任意のそうでなければ不適切なセンサからの圧力の測定によって、改良されることができる。 Estimating the current value (eg, the current gas pressure) using previously calculated values (eg, force, acceleration, pressure, velocity, position) used a suitable coefficient for the value of interest. The use of smoothing filters such as infinite impulse response (IIR) filters or finite impulse response (FIR) filters, or dynamic estimators such as Ruenberger observers or Kalman filters may be required. The pressure of the gas at the current or previous position of the piston assembly can be a thermodynamic relational model (eg, equation 11 or 12), a force equilibrium model (eg, equation 13 or 14), or a first law analysis (eg, equation 6). , 7, 9, 10, or 19), or a combination thereof, can be estimated. For example, the pressure of the gas at the current or previous position of the piston assembly can be estimated using two models, one of which is used as the primary estimate and the other model. It is used to improve the next estimated value using estimation techniques such as Kalman filter, Ruenberger observer, or model predictive estimation. In another embodiment, the gas pressure at the current or previous position of the piston assembly can be estimated based on the minimization of the error between the estimates from either two models. This minimization weights the two models, for example, acceleration estimates assuming some position measurements, deviations from previous pressure measurements or estimates, pressure measurements or estimates from previous cycles or strokes. It can include information about deviations from, calculation time, noise or fault statistics, any other suitable cost, or any combination thereof. In some embodiments, the estimation of the gas pressure at the current or previous position of the piston assembly can provide inadequate, noisy, or slow measurements, pressure from any otherwise inappropriate sensor. Can be improved by the measurement of.

ピストンアセンブリの絶対速度が低く、その絶対加速度が高いとき、ＬＥＭの効率は、低くあり得、ピストンアセンブリの変位を生じさせるＬＥＭの能力は、限定され得る。その効率が低く、制御権限が限定されるときに、ＬＥＭが力をピストンアセンブリに印加することを回避するために、いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、自由ピストン機関の規定動作パラメータに基づいて、ピストンアセンブリに印加される力の規模を低減または排除し得る。規定動作パラメータは、ピストンアセンブリの位置、速度、もしくは加速度、ＬＥＭの固定子もしくは変換器の温度、機関の区画の中のガス圧力、任意の他の好適なパラメータ、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。例えば、制御システム１０１０は、位置・速度軌道１４１０および位置・力軌道１４２０を示す、図１４に示されるように、ピストンアセンブリの位置に基づいて、力をピストンアセンブリに印加するＬＥＭの能力を遮断し得る。本実施例では、制御システム１０１０は、本開示に従って位置・力軌道を計算するが、ピストンアセンブリの位置がカットオフ位置の外側にあるとき、制御システム１０１０は、位置・力軌道計算ステップ１２０４で計算される力値をピストンアセンブリに適用しないことを判定する。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、自由ピストン機関の規定動作条件に基づいて、位置・力軌道計算ステップ１２０４で計算される力値と異なる量の力をピストンアセンブリに印加することを判定してもよい。例えば、制御システム１０１０は、機関の動作状態の急激な変化を回避するために、（例えば、カットオフ位置の外側の）ピストンアセンブリの位置に基づいて、位置・力軌道計算ステップ１２０４で計算される力に力削減関数を適用してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、自由ピストン機関の規定動作条件に基づいて、位置・力軌道を計算しないこと、および力をピストンアセンブリに印加しないことの両方を判定してもよい。 When the absolute velocity of the piston assembly is low and its absolute acceleration is high, the efficiency of the LEM can be low and the ability of the LEM to cause displacement of the piston assembly can be limited. In some embodiments, the control system 1010 is set to the specified operating parameters of the free piston engine in order to avoid the LEM applying force to the piston assembly when its efficiency is low and control authority is limited. Based on this, the magnitude of the force applied to the piston assembly can be reduced or eliminated. The specified operating parameters may include the position, velocity or acceleration of the piston assembly, the temperature of the stator or converter of the LEM, the gas pressure in the compartment of the engine, any other suitable parameters, or a combination thereof. .. For example, the control system 1010 blocks the ability of the LEM to apply force to the piston assembly based on the position of the piston assembly, as shown in FIG. 14, which shows the position / velocity trajectory 1410 and the position / force trajectory 1420. obtain. In this embodiment, the control system 1010 calculates the position / force trajectory according to the present disclosure, but when the position of the piston assembly is outside the cutoff position, the control system 1010 calculates in the position / force trajectory calculation step 1204. Determine not to apply the force value to be applied to the piston assembly. In some embodiments, the control system 1010 determines that a force different from the force value calculated in position / force trajectory calculation step 1204 is applied to the piston assembly based on the defined operating conditions of the free piston engine. You may. For example, the control system 1010 is calculated in position / force trajectory calculation step 1204 based on the position of the piston assembly (eg, outside the cutoff position) to avoid sudden changes in the operating state of the engine. A force reduction function may be applied to the force. In some embodiments, the control system 1010 may determine that the position / force trajectory is not calculated and that no force is applied to the piston assembly, based on the defined operating conditions of the free piston engine.

位置・力軌道を計算し、ガス圧力を推定するための種々のモデル（すなわち、方程式１−１９）は、単一ピストン自由ピストン機関を対象としているが、同一のモデルは、拡張され、限定されないが、（例えば、図２−４および図７に図示されるような）個別の駆動区画、個別のＬＥＭ、および共有燃焼区画を伴う対向ピストン自由ピストン機関等の複数のピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関に適用され得ることが理解されるであろう。例えば、方程式１を導出するために使用される同一の第１法則分析は、個別の駆動区画、個別のＬＥＭ、および共有燃焼区画を伴う対向ピストン自由ピストン機関の各ピストンアセンブリに適用されることができる。これは、Ｗ_{ＬＥＭ，１}およびＷ_{ＬＥＭ，２}、２つのＬＥＭから／への仕事であり、Ｗ_ｃが、燃焼区画ガスから／への仕事であり、ＫＥ_ｐ，１よびＫＥ_ｐ，２が、２つのピストンアセンブリの運動エネルギーであり、Ｗ_ｄ，１およびＷ_ｄ，２が、２つの駆動区画から／への仕事である、エネルギー平衡方程式２０ａおよび２０ｂを生じる。方程式２０ａおよび２０ｂは、方程式６、７、９、および１０を導出するために使用されるものと同一または類似のモデルを使用して、各個別のピストンアセンブリ毎に位置・力軌道を計算するために、制御システム１０１０によって使用されることができる。

方程式１が複数のピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関に拡張された（例えば、方程式２０ａおよび２０ｂ）、類似する様式で、方程式１３および１４を導出するために使用される同一の力平衡モデルならびに方程式１５を導出するために使用される同一の第１法則分析は、機関の区画の中のガス圧力を推定するための複数のピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関に拡張され得ることが、容易に明白となるであろう。 Various models for calculating position / force trajectories and estimating gas pressure (ie, Equations 1-19) are intended for single-piston free-piston engines, but the same model is extended and not limited. A free piston engine with multiple piston assemblies such as separate drive compartments (as illustrated in FIGS. 2-4 and 7), separate LEMs, and opposed piston free piston engines with shared combustion compartments. It will be understood that it can be applied to. For example, the same first-law analysis used to derive Equation 1 may be applied to each piston assembly of an opposed-piston free-piston engine with separate drive compartments, separate LEMs, and shared combustion compartments. can. This is the work from W _{LEM, 1} and W _{LEM, 2} , 2 LEMs to /, W _c is the work from the combustion compartment gas to /, and KE _{p, 1} and KE _{p, 2} are The kinetic energies of the two piston assemblies, W _{d, 1} and W _{d, 2} , give rise to the energy equilibrium equations 20a and 20b, which are the work from the two drive compartments to /. Equations 20a and 20b are used to calculate position and force trajectories for each individual piston assembly using the same or similar models used to derive equations 6, 7, 9, and 10. Can be used by the control system 1010.

Equation 1 has been extended to a free piston engine with multiple piston assemblies (eg, equations 20a and 20b), the same force equilibrium model and equation 15 used to derive equations 13 and 14 in a similar fashion. It is readily apparent that the same first-law analysis used to derive can be extended to a free piston engine with multiple piston assemblies for estimating gas pressure within the engine compartment. Will.

対向ピストンアセンブリを伴う自由ピストン機関の制御において生じる考慮事項は、ピストンアセンブリの同期化である。いくつかの対向ピストン自由ピストン機関では、２つのピストンアセンブリの（ＴＤＣおよびＢＤＣの両方における）頂点が、システム安定性を維持するために少なくとも実質的に同期されることが所望され得る。他の対向ピストン自由ピストン機関では、あるレベルの非同期化が、例えば、機関ブリージング、ガス交換、または任意の他の好適な機関動作条件等の機関性能目的のために所望され得る。対向ピストン自由ピストン機関のいくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、個別のピストンアセンブリの位置の間の差異を調整してもよい。本明細書で使用されるように、用語「調整する」は、例えば、ゼロ等の基準に制御することを指す。制御システム１０１０は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御、最適な制御、ロバストな制御、線形象限レギュレータ制御、モデル予測制御、適応制御、任意の他の好適な技法、またはそれらの任意の組み合わせ等の調整のための任意の好適な制御技法を採用してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、ＰＩＤ制御を使用し、ピストンアセンブリの位置を調整して同期させてもよい。例えば、制御システム１０１０は、ＰＩＤ制御を使用し、制御入力（例えば、個別のＬＥＭによってピストンアセンブリに適用される力値）を判定し、それらの運動の中心に対するピストンアセンブリの間の位置の差異を調整してもよい。対向力が、それぞれを実質的に平等に同期させ、頂点位置での障害を最小限にするように、各ピストンアセンブリに追加されてもよい。これは、実質的に正味力の平衡を保ち、したがって、十分な同期化を維持するように、連続的に行われてもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、ピストンアセンブリのゼロ速度位置において（すなわち、個別の頂点において）規定ポアンカレ図を使用してもよい。例えば、制御システム１０１０は、ストロークを２つの半分に分割し、ストロークの第１の半分の間に１つの方向へ付加的モータ力を印加し、次いで、ストロークの第２の半分の間に反対方向へ付加的モータ力を印加することができる。制御システム１０１０は、膨張ストロークに先立って、（例えば、２つのピストンアセンブリの任意の好適な期待位相整合を使用して、前のストロークのタイミングに基づいて、任意の他の好適な技法に基づいて、またはそれらの任意の組み合わせ）第１のピストンアセンブリがＢＤＣに遅れるであろうことを判定し、運動の方向へ膨張ストロークの第１の半分の間に付加的モータ力を本第１のピストンアセンブリに印加し（すなわち、変位を促し）、次いで、運動の反対方向へ膨張ストロークの第２の半分の間に付加的モータ力を本第１のピストンアセンブリに印加する（すなわち、変位を抑える）ことができる。逆に、第２のピストンアセンブリに関して、制御システム１０１０は、膨張ストロークの第１の半分の間に運動の反対方向へ付加的モータ力を本第２のピストンアセンブリに印加し（すなわち、変位を抑え）、次いで、膨張ストロークの第２の半分の間に運動の方向へ付加的モータ力を本第２のピストンアセンブリに印加する（すなわち、変位を促す）ことができる。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、所望の機関性能の所望のタイミングに基づいて、同期化力を判定してもよい。例えば、制御システム１０１０は、個別のピストンアセンブリの頂点が、十分に小さい時間差内で起こるように、一方または両方のピストンアセンブリに印加される同期化力を判定してもよい。 A consideration that arises in the control of free piston engines with opposed piston assemblies is the synchronization of piston assemblies. In some opposed-piston free-piston engines, it may be desired that the vertices (in both TDC and BDC) of the two piston assemblies be at least substantially synchronized to maintain system stability. For other opposed-piston free-piston engines, some level of desynchronization may be desired for engine performance purposes such as, for example, engine breathing, gas exchange, or any other suitable engine operating conditions. In some embodiments of the opposed piston free piston engine, the control system 1010 may adjust for differences between the positions of the individual piston assemblies. As used herein, the term "adjust" refers to controlling to a criterion such as zero. The control system 1010 includes proportional / integral / differential (PID) control, optimal control, robust control, linear quadrant regulator control, model predictive control, adaptive control, any other suitable technique, or any combination thereof. Any suitable control technique for such adjustments may be employed. In some embodiments, the control system 1010 may use PID control to adjust and synchronize the position of the piston assembly. For example, the control system 1010 uses PID control to determine control inputs (eg, force values applied to the piston assembly by individual LEMs) and to determine the difference in position between the piston assemblies with respect to the center of their motion. You may adjust. Opposing forces may be added to each piston assembly to synchronize each with substantially equality and minimize obstacles at the apex position. This may be done continuously so as to substantially balance the net forces and thus maintain sufficient synchronization. In some embodiments, the control system 1010 may use a defined Poincare diagram at the zero speed position of the piston assembly (ie, at individual vertices). For example, the control system 1010 divides the stroke into two halves, applying additional motor force in one direction during the first half of the stroke, and then in opposite directions during the second half of the stroke. Additional motor force can be applied to. The control system 1010 precedes the expansion stroke (eg, using any suitable expected phase matching of the two piston assemblies, based on the timing of the previous stroke, and based on any other suitable technique. , Or any combination thereof) Determine that the first piston assembly will lag behind the BDC and apply additional motor force during the first half of the expansion stroke in the direction of motion to this first piston assembly. Applying (ie, promoting displacement) to, and then applying additional motor force to the first piston assembly (ie, suppressing displacement) during the second half of the expansion stroke in the opposite direction of motion. Can be done. Conversely, with respect to the second piston assembly, the control system 1010 applies additional motor force to the second piston assembly in the opposite direction of motion during the first half of the expansion stroke (ie, suppresses displacement). ), Then an additional motor force in the direction of motion can be applied (ie, promotes displacement) to the second piston assembly during the second half of the expansion stroke. In some embodiments, the control system 1010 may determine the synchronization force based on the desired timing of the desired engine performance. For example, the control system 1010 may determine the synchronization force applied to one or both piston assemblies so that the vertices of the individual piston assemblies occur within a sufficiently small time lag.

いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、反復適応制御技法を使用してもよい。反復適応制御は、自由ピストン機関の動作状態、条件、性能、および／またはパラメータが比較的定常であり、サイクル間変動が限定されるときに、有利であり得る。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、前の機関サイクルからの位置・力軌道に基づいて、現在の機関サイクルのための各ステップ１２０４において位置・力軌道を判定する、反復適応制御技法を使用してもよい。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、（例えば、より平滑または連続的な力プロファイルを施行するように）既知の望ましい伝播経路に向けて力値を駆動する、反復適応制御技法を使用してもよい。例えば、制御システム１０１０は、最初に、前のサイクルからの情報（例えば、力、値、機関性能等）に基づいて、機関サイクルにわたる一連の離散力値として位置・力軌道を概算してもよい。制御システム１０１０は、次いで、機関サイクルの各ストロークにわたって離散力値をピストンアセンブリに適用させてもよく、各サイクルの終わりに、制御システム１０１０は、機関動作特性、測定、性能、および／または条件に基づいて、離散力値を調節してもよい。制御システム１０１０は、例えば、ピストンアセンブリが、所与のストロークのための所望の標的位置を十分に達成しない場合に、後続のサイクルに先立って、離散力値の全てまたはいくつかを改変してもよい。例えば、ピストンが前のサイクルで所望の標的ＴＤＣの手前で頂点に達する場合、制御システム１０１０は、後続のサイクルで、離散力値のうちのいくつかまたは全ての規模を低減させ得る。共有（または共通）燃焼区画を伴う対向ピストン自由ピストン機関を用いた実施形態では、制御システム１０１０は、後続のサイクル中に、依存して、または独立して、ピストンアセンブリの一方もしくは両方のためのストロークの１つまたはそれを上回る部分の中の離散力値を改変し得る。例えば、現在の機関サイクルで、吸気ピストンアセンブリがＴＤＣにおいてその頂点に到達した後に、排気ピストンアセンブリがＴＤＣにおいてその頂点に到達する場合、制御システム１０１０は、後続のサイクルで、ＴＤＣにおいて十分な同期化を達成するために、排気ピストンアセンブリに適用される離散力値を調節することができ、吸気ピストンアセンブリに適用される離散力値を調節することができない。これは、例えば、制御システム１０１０が、ストロークの第１の半分にわたって排気ピストンアセンブリに適用される離散力値の規模を低減させ、それによって、ピストンの中間点速度が増加することを可能にし、次いで、ストロークの第２の半分にわたって排気ピストンアセンブリに適用される離散力値の規模を増加させ、それによって、ＴＤＣにおいて十分な同期化を達成することによって、達成されることができる。いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、以前に判定された軌道（位置・力、位置・速度、時間・位置、または任意の好適な軌道）からの逸脱を計算することに基づく、反復適応制御技法を使用してもよい。 In some embodiments, the control system 1010 may use iterative adaptive control techniques. Iterative adaptive control can be advantageous when the operating state, conditions, performance, and / or parameters of the free piston engine are relatively steady and inter-cycle variability is limited. In some embodiments, the control system 1010 provides a repetitive adaptive control technique that determines the position / force trajectory at each step 1204 for the current engine cycle based on the position / force trajectory from the previous engine cycle. You may use it. In some embodiments, the control system 1010 uses a repetitive adaptive control technique that drives the force value towards a known desired propagation path (eg, to enforce a smoother or more continuous force profile). You may. For example, the control system 1010 may first estimate the position / force trajectory as a series of discrete force values over the engine cycle based on information from the previous cycle (eg, force, value, engine performance, etc.). .. The control system 1010 may then apply discrete force values to the piston assembly over each stroke of the engine cycle, and at the end of each cycle the control system 1010 will be subjected to engine operating characteristics, measurements, performance, and / or conditions. Based on this, the discrete force value may be adjusted. The control system 1010 may modify all or some of the discrete force values prior to subsequent cycles, for example, if the piston assembly does not adequately achieve the desired target position for a given stroke. good. For example, if the piston reaches its apex just before the desired target TDC in the previous cycle, the control system 1010 may reduce the magnitude of some or all of the discrete force values in subsequent cycles. In an embodiment using an opposed-piston free-piston engine with a shared (or common) combustion compartment, the control system 1010 depends on or independently for one or both of the piston assemblies during subsequent cycles. The discrete force value in one or more parts of the stroke can be modified. For example, in the current engine cycle, if the intake piston assembly reaches its peak in the TDC and then the exhaust piston assembly reaches its peak in the TDC, the control system 1010 will be fully synchronized in the TDC in subsequent cycles. The discrete force value applied to the exhaust piston assembly can be adjusted and the discrete force value applied to the intake piston assembly cannot be adjusted. This allows, for example, the control system 1010 to reduce the magnitude of the discrete force values applied to the exhaust piston assembly over the first half of the stroke, thereby increasing the midpoint velocity of the piston, and then It can be achieved by increasing the magnitude of the discrete force values applied to the exhaust piston assembly over the second half of the stroke, thereby achieving sufficient synchronization in the TDC. In some embodiments, the control system 1010 is iteratively adapted based on calculating deviations from a previously determined trajectory (position / force, position / velocity, time / position, or any suitable trajectory). Control techniques may be used.

いくつかの実施形態では、制御システム１０１０は、複数の制御技法を切り替えることが可能であるハイブリッド制御技法を使用してもよい。ハイブリッド制御技法は、多種多様な動作条件を横断して自由ピストン機関を制御し、機関動作の十分に速くて大きい障害（例えば、燃焼不発、機械的故障、ガス品質変化、または任意の他の好適な変化）が起こり得るときに、自由ピストン機関を制御し、定常または安定動作条件下で（例えば、定常かつ連続的な動力出力時に）自由ピストン機関を制御するために、有利であり得る。例えば、制御システム１０１０は、機関始動中に位置・力軌道制御技法を採用し、次いで、機関動作が十分に安定または定常になるときに、反復適応制御技法に切り替わることができる。制御システム１０１０は、次いで、十分に大きい障害が検出される場合、または新しい機関動作条件が所望される（例えば、より多いまたは少ない動力出力、機関動作停止）場合に、位置・力軌道制御技法に戻るように切り替わることができる。図１５は、ハイブリッド制御技法の１つの可能性として考えられる実装を図示する。制御システム１０１０は、１５０２において位置・力軌道制御技法を使用する。制御システム１０１０が、任意の好適な基準（例えば、不発の欠如、安定した動力出力、安定した効率、熱平衡、または他の好適な条件）に基づいて、条件が十分に定常になることを判定する場合、制御システム１０１０は、１５０４において反復適応制御技法に切り替わる。制御システム１０１０が、任意の好適な基準に基づいて、動作条件が十分に非定常になった、または非定常になるであろうことを判定する場合、制御システム１０１０は、１５０２において位置・力軌道制御技法に戻るように切り替わる。 In some embodiments, the control system 1010 may use a hybrid control technique that allows switching between multiple control techniques. Hybrid control techniques control a free piston engine across a wide variety of operating conditions, and the engine operation is fast enough and large obstacles (eg, combustion failure, mechanical failure, gas quality changes, or any other suitable. It can be advantageous to control the free piston engine when any change is possible and to control the free piston engine under steady or stable operating conditions (eg, during steady and continuous power output). For example, the control system 1010 can employ position / force trajectory control techniques during engine start and then switch to repetitive adaptive control techniques when engine operation is sufficiently stable or steady. The control system 1010 then becomes a position / force trajectory control technique when a sufficiently large failure is detected or when new engine operating conditions are desired (eg, more or less power output, engine outage). You can switch back. FIG. 15 illustrates a possible implementation of one possible hybrid control technique. The control system 1010 uses the position / force trajectory control technique at 1502. The control system 1010 determines that the conditions are sufficiently steady based on any suitable criteria (eg, lack of misfire, stable power output, stable efficiency, thermal equilibrium, or other suitable conditions). If so, the control system 1010 switches to the iterative adaptive control technique at 1504. If the control system 1010 determines that the operating conditions have become sufficiently non-stationary or will be non-stationary based on any suitable criteria, the control system 1010 will have a position / force trajectory at 1502. Switch back to the control technique.

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、同じように標識される複数の構成要素が、相互に同じであることを示すわけではないことが理解されるであろう。例えば、１２５と標識されるピストンは、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。 For ease of reference, the figure may show multiple components labeled with the same reference number. It will be understood that this does not necessarily indicate that multiple components labeled in the same way are the same as each other. For example, the piston labeled 125 may have different sizes, geometries, materials, any other suitable properties, or any combination thereof.

前述は、本開示の原理の例証にすぎず、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行われてもよい。上記に説明される実施形態は、限定ではなく、例証の目的のために提示される。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を意図していることが強調される。 The above is merely an illustration of the principles of the present disclosure, and various modifications may be made by one of ordinary skill in the art without departing from the scope of the present disclosure. The embodiments described above are presented for purposes of illustration, but not limitation. The disclosure may also take many forms other than those expressly described herein. Therefore, it is emphasized that this disclosure is not limited to the methods, systems, and devices explicitly disclosed, but is intended to include modifications and modifications thereof, which are within the spirit of the following claims. Will be done.

Claims

A method performed by a computer system programmed to control the displacement of a free piston assembly within a free piston engine based on the desired engine performance, said method.
a) Determining the current position of the free piston assembly
b) A previously determined position / force based on the current position of the free piston assembly and a value indicating the amount of work performed by the free piston assembly to achieve the desired engine performance. It is to determine the position / force trajectory for displacementing the free piston assembly regardless of the trajectory, and the amount of work is at least partially based on the target apex position .
c) To cause the displacement of the free piston assembly based on the position / force trajectory,
d) A method comprising repeating a) to c) until the programmed computer system is determined to be down.

Element b) further includes calculating the velocity of the free piston assembly, and determining the position / force trajectory further determines the position / force trajectory based on the velocity of the free piston assembly. The method according to claim 1, wherein the method includes the above.

Element b) further comprises performing one or more pressure measurements within a compartment of the free piston engine, and determining the position / force trajectory further comprises one or more of the above. The method according to claim 1, wherein the position / force trajectory is determined based on the pressure measurement.

Element b) further includes determining one or more pressure estimates in one or more individual compartments of the free piston engine, further determining the position / force trajectory. The method according to claim 1, further comprising determining the position / force trajectory based on the pressure estimate of one or more.

The method according to claim 1, wherein determining the position / force trajectory includes determining the position / force trajectory using a closed form solution.

The method according to claim 1, wherein determining the position / force trajectory includes determining the position / force trajectory regardless of the timing of the desired engine performance.

Determining the position / force trajectory for displacementing the free piston assembly based on the desired engine performance is such that the position / force causes the free piston assembly to reach a desired target position at a predetermined speed. The method of claim 1, comprising determining the trajectory.

The method of claim 7, wherein the defined speed is zero.

The free piston assembly is a first free piston assembly, the position / force trajectory is a first position / force trajectory, and the free piston engine is a second free piston assembly facing the first free piston assembly. The free piston assembly of the element a) further comprises determining the current position of the second free piston assembly, and the element b) further comprises the current position of the second free piston assembly and the current position of the second free piston assembly. Including determining a second position / force trajectory for displaced the second free piston assembly based on the desired engine performance, regardless of the previously determined second position / force trajectory. , Element c) further comprises causing the displacement of the second free piston assembly based on the second position / force trajectory, according to claim 1.

Element b) further comprises calculating a synchronization force, wherein the synchronization force is for the first free piston assembly and for the second free piston assembly, respectively, element c. ) Further, the method of claim 9, comprising causing displacement of the first free piston assembly and the second free piston assembly based on individual synchronization forces.

The programmed computer system determines to stop in step d) based on detecting that the condition is sufficiently steady, and the method further e) controls the displacement of the free piston assembly. The method of claim 1, comprising switching to a repetitive adaptive control technique for the purpose of

A method performed by a computer system programmed to control the displacement of a free piston assembly within a free piston engine based on the target apex position, said method.
Based on the target apex position, one or more force values to displace the free piston assembly, regardless of deviations from a previously determined trajectory and regardless of the timing of the target apex position. Repeated judgment and
A method comprising causing a displacement of the free piston assembly on the basis of one or more individual force values at each iteration.

Repeatedly determining one or more of the above force values is a repetitive determination of each iteration.
Measuring one or more measurements that indicate the state of the free piston engine at individual iterations, and
12. The method of claim 12, comprising determining a force value of one or more of the individual based on one or more measurements and the position of the target apex.

One or more measurements are free piston assembly position, free piston assembly speed, free piston assembly acceleration, combustion compartment gas pressure, gas spring gas pressure, drive compartment force, piston assembly compressive force, piston assembly axial deflection. 13. The method of claim 13, comprising at least one of an air flow, a fuel flow, an exhaust oxygen concentration, and any combination thereof.

Repeatedly determining one or more of the above force values is a repetitive determination of each iteration.
Estimating one or more estimates of the state of the free piston engine at individual iterations, and
12. The method of claim 12, comprising determining a force value of one or more of the individual based on an estimated value of one or more of the individual and the position of the target apex.

12. The method of claim 12, wherein repeatedly determining one or more of the titer values comprises using a closed form solution.

The free piston assembly is a first free piston assembly, the free piston engine comprises a second free piston assembly facing the first free piston assembly, the method further comprising the first free piston assembly. 12. The method of claim 12, comprising synchronizing the movement of the piston assembly with the movement of the second free piston assembly.

Detecting that the conditions are sufficiently steady and
Determining to stop determining a force value of one or more, based on detecting that the condition is sufficiently steady.
12. The method of claim 12, further comprising switching to a repetitive adaptive control technique for controlling displacement of the free piston assembly.

A method performed by a computer system programmed to control the displacement of a free piston assembly within a free piston engine based on the desired engine performance, said method.
a) Determining the current position of the free piston assembly
b) From the current position of the free piston assembly, a value indicating the amount of work performed by the free piston assembly to achieve the desired engine performance, and a previously determined position / force trajectory. based on the force values, irrespective of the deviation from the determined trajectory previously be to determine the position and force trajectory for displacing said free piston assembly, the amount of the work, at least partially Based on the target apex position ,
c) To cause the displacement of the free piston assembly based on the position / force trajectory,
d) A method comprising repeating a) to c) until the programmed computer system is determined to be down.

Element b) further includes calculating the velocity of the free piston assembly, and determining the position / force trajectory further determines the position / force trajectory based on the velocity of the free piston assembly. 19. The method of claim 19.

Element b) further includes determining one or more pressure estimates in one or more individual compartments of the free piston engine, further determining the position / force trajectory. 19. The method of claim 19, comprising determining the position / force trajectory based on one or more pressure estimates.

19. The method of claim 19, wherein determining the position / force trajectory comprises determining the position / force trajectory using a closed form solution.

The method according to claim 19, wherein determining the position / force trajectory includes determining the position / force trajectory regardless of the timing of the desired engine performance.

Determining the position / force trajectory for displacementing the free piston assembly based on the desired engine performance is such that the position / force causes the free piston assembly to reach a desired target position at a predetermined speed. 19. The method of claim 19, comprising determining the trajectory.

Determining the position / force trajectory to displace the free piston assembly involves using a smoothing technique, wherein the force value comprises a force value from the immediately determined position / force trajectory. The method according to claim 19.

The free piston assembly is a first free piston assembly, the position / force trajectory is a first position / force trajectory, and the free piston engine is a second free piston assembly facing the first free piston assembly. The element a) further comprises determining the current position of the second free piston assembly, and the element b) further comprises determining the current position of the second free piston assembly. Determining the second position / force trajectory for displacement of the second free piston assembly based on the desired engine performance and the previously determined force value from the second position / force trajectory. 19. The method of claim 19, wherein element c) further comprises causing displacement of the second free piston assembly based on the second position / force trajectory.

Element b) further comprises calculating a synchronization force, wherein the synchronization force is for the first free piston assembly and for the second free piston assembly, respectively, element c. 26. The method of claim 26, further comprising causing displacement of the first free piston assembly and the second free piston assembly based on individual synchronization forces.

The programmed computer system determines to stop in step d) based on detecting that the condition is sufficiently steady, and the method further e) controls the displacement of the free piston assembly. 19. The method of claim 19, comprising switching to a repetitive adaptive control technique for doing so.

A method performed by a computer system programmed to control the displacement of a free piston assembly within a free piston engine based on the desired engine performance, said method.
To displace the free piston assembly, regardless of deviations from a previously determined trajectory, based on a value indicating the amount of work performed by the free piston assembly to achieve the desired engine performance. Iteratively determining one or more force values, the amount of work being at least partially based on the target apex position .
At each iteration, causing displacement of the free piston assembly based on one or more individual force values.
Detecting that the condition is sufficiently steady while repeatedly determining the force value of one or more of the above, and
A method comprising switching to an iterative adaptive control technique for controlling displacement of the free piston assembly when the conditions are sufficiently steady.

Using the iterative adaptive control technique to detect that the condition is not sufficiently steady while controlling the displacement of the free piston assembly,
29. The method of claim 29, further comprising switching to a position / force trajectory control technique for controlling displacement of the free piston assembly when the conditions are not sufficiently steady.