JP7341299B2 - 線形発電機におけるエネルギー貯蔵および変換 - Google Patents
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Description
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
自由ピストン燃焼機関システムであって、
燃焼区画を備えているシリンダと、
前記燃焼区画と接触する少なくとも1つの自由ピストンアセンブリと、
前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリと接触する少なくとも1つの駆動区画であって、前記少なくとも1つの駆動区画は、ピストンサイクルの拡張ストローク中、前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリからのエネルギーを貯蔵するように構成されている、少なくとも1つの駆動区画と、
前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換するための少なくとも1つの線形電磁機械と、
処理回路と
を備え、
前記処理回路は、前記ピストンサイクルの後続ストロークにわたる正味電気エネルギー入力を回避するために、前記少なくとも1つの駆動区画に、前記ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、前記拡張ストローク中、前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させる、
自由ピストン燃焼機関システム。
(項目2)
前記拡張ストロークは、動力ストロークおよび吸気ストロークのうちの1つである、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目3)
前記後続ストロークは、圧縮ストロークおよび排気ストロークのうちの1つである、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目4)
前記線形電磁機械は、前記駆動区画内に貯蔵されたエネルギーの少なくとも一部を前記ピストンサイクルの後続ストローク中に電気エネルギーに変換するように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目5)
前記ピストンサイクルの後続ストローク中、前記線形電磁機械は、前記拡張ストローク中に前記駆動区画内に貯蔵されたある量のエネルギーと、前記十分な量のエネルギーとの間の差異を電気エネルギーにほぼ変換するように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目6)
前記線形電磁機械は、前記拡張ストローク中に前記後続ストローク中とほぼ同一量の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目7)
前記処理回路は、エンジン効率およびエンジン動力出力のうちの少なくとも1つを最大化するために、前記線形電磁機械による前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目8)
前記処理回路は、前記後続ストローク中に所望される量のエネルギーが前記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換されるように、前記拡張ストローク中の前記線形電磁機械による前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目9)
前記処理回路は、前記拡張ストローク中に前記後続ストローク中とほぼ同一量のエネルギーが電気エネルギーに変換されるように、前記拡張ストロークおよび前記後続ストローク中の前記線形電磁機械による前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目10)
前記少なくとも1つの駆動区画は、
ガススプリングと、
受動入口ガスポートおよび制御可能な入口ガスポートのうちの少なくとも1つと
を備えている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目11)
前記少なくとも1つの駆動区画は、制御可能な幾何学形状を伴うガススプリングを備えている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目12)
前記処理回路は、エンジン効率およびエンジン動力のうちの少なくとも1つを最大化するために、前記少なくとも1つの駆動区画を制御するように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目13)
前記処理回路は、前記ピストンアセンブリの位置、前記ピストンアセンブリの速度、前記ピストンアセンブリの加速度、前記ピストンアセンブリの温度、前記燃焼区画の圧力、前記燃焼区画の温度、前記燃焼区画の位置エネルギー、前記燃焼区画内の化学的エネルギー、前記燃焼区画の指示される仕事、前記燃焼区画の指示される効率、前記燃焼区画の燃料流量、前記燃焼区画の空気流量、前記駆動区画内の圧力、前記駆動区画の位置エネルギー、前記駆動区画内のガスの温度、前記駆動区画の指示される仕事、前記駆動区画の指示される効率、前記駆動区画の補給空気流量、前記線形電磁機械の温度、電気出力、電気効率、機関効率、機関動力、以前のサイクル性能、環境温度、環境圧力、放出特性、およびそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも1つに基づいて、前記自由ピストンアセンブリ、前記少なくとも1つの駆動区画、および前記線形電磁機械のうちの少なくとも1つを制御するように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目14)
前記処理回路は、前記駆動区画に関連付けられる力、圧力、および容積のうちの少なくとも1つを制御することによって、前記駆動区画に、前記拡張ストローク中に前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリからのエネルギーを貯蔵させるように構成されている、項目1に記載の自由ピストン機関システム。
(項目15)
自由ピストン燃焼機関システムであって、
燃焼区画を備えているシリンダと、
前記燃焼区画と接触する少なくとも1つの自由ピストンアセンブリと、
前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリと接触する少なくとも1つの駆動区画であって、前記少なくとも1つの駆動区画は、ピストンサイクルの拡張ストローク中、前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリからのエネルギーを貯蔵するように構成されている、少なくとも1つの駆動区画と、
前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換するための少なくとも1つの線形電磁機械と、
処理回路と
を備え、
処理回路は、必然的に、前記少なくとも1つの駆動区画に、前記ピストンサイクルの後続ストロークにわたって正味電気エネルギー入力を伴わずに前記ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、前記拡張ストローク中、前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させる、
自由ピストン燃焼機関システム。
(項目16)
前記拡張ストロークは、動力ストロークおよび吸気ストロークのうちの1つであり、前記後続ストロークは、圧縮ストロークおよび排気ストロークのうちの1つである、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目17)
前記線形電磁機械は、前記駆動区画内に貯蔵されたエネルギーの少なくとも一部を前記ピストンサイクルの後続ストローク中に電気エネルギーに変換するように構成されている、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目18)
前記ピストンサイクルの後続ストローク中、前記線形電磁機械は、前記拡張ストローク中に前記駆動区画内に貯蔵されたある量のエネルギーと、前記十分な量のエネルギーとの間の差異を電気エネルギーにほぼ変換するように構成されている、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目19)
前記線形電磁機械は、前記拡張ストローク中に前記後続ストローク中とほぼ同一量の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されている、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目20)
前記処理回路は、エンジン効率およびエンジン動力出力のうちの少なくとも1つを最大化するために、前記線形電磁機械による前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目21)
前記処理回路は、前記後続ストローク中に所望される量のエネルギーが前記線形電磁機械によって電気エネルギーに変換されるように、前記拡張ストローク中の前記線形電磁機械による前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を制御するように構成されている、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目22)
前記少なくとも1つの駆動区画は、
ガススプリングと、
受動入口ガスポートおよび制御可能な入口ガスポートのうちの少なくとも1つと
を備えている、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目23)
前記少なくとも1つの駆動区画は、制御可能な幾何学形状を伴うガススプリングを備えている、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目24)
前記処理回路は、前記ピストンアセンブリの位置、前記ピストンアセンブリの速度、前記ピストンアセンブリの加速度、前記ピストンアセンブリの温度、前記燃焼区画の圧力、前記燃焼区画の温度、前記燃焼区画の位置エネルギー、前記燃焼区画内の化学的エネルギー、前記燃焼区画の指示される仕事、前記燃焼区画の指示される効率、前記燃焼区画の燃料流量、前記燃焼区画の空気流量、前記駆動区画内の圧力、前記駆動区画の位置エネルギー、前記駆動区画内のガスの温度、前記駆動区画の指示される仕事、前記駆動区画の指示される効率、前記駆動区画の補給空気流量、前記線形電磁機械の温度、電気出力、電気効率、機関効率、機関動力、以前のサイクル性能、環境温度、環境圧力、放出特性、およびそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも1つに基づいて、前記自由ピストンアセンブリ、前記少なくとも1つの駆動区画、および前記線形電磁機械のうちの少なくとも1つを制御するように構成されている、項目15に記載の自由ピストン機関システム。
(項目25)
自由ピストン燃焼機関を制御する方法であって、前記自由ピストン燃焼機関は、それぞれの少なくとも1つの駆動区画と接触する少なくとも1つの自由ピストンアセンブリと、前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーと電気エネルギーとの間で直接変換するための少なくとも1つの線形電磁機械とを備え、前記方法は、
前記自由ピストン燃焼機関の少なくとも1つの動作特性を受信することと、
処理回路を使用して、前記少なくとも1つの動作特性を処理し、前記駆動区画に、ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、前記ピストンサイクルの拡張ストローク中に前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させることと、
前記処理回路を使用して、前記ピストンサイクルの後続ストロークが、前記機関への正味電気エネルギー入力を伴わずに実施されるようにすることと
を含む、方法。
(項目26)
前記少なくとも1つの動作特性は、前記ピストンアセンブリの位置、前記ピストンアセンブリの速度、前記ピストンアセンブリの加速度、前記ピストンアセンブリの温度、前記燃焼区画の圧力、前記燃焼区画の温度、前記燃焼区画の位置エネルギー、前記燃焼区画内の化学的エネルギー、前記燃焼区画の指示される仕事、前記燃焼区画の指示される効率、前記燃焼区画の燃料流量、前記燃焼区画の空気流量、前記駆動区画内の圧力、前記駆動区画の位置エネルギー、前記駆動区画内のガスの温度、前記駆動区画の指示される仕事、前記駆動区画の指示される効率、前記駆動区画の補給空気流量、前記線形電磁機械の温度、電気出力、電気効率、機関効率、機関動力、以前のサイクル性能、環境温度、環境圧力、および放出特性から成る群から選択される、項目25に記載の方法。
(項目27)
前記処理回路を使用して、前記線形電磁機械に、前記自由ピストンアセンブリのエネルギーの少なくとも一部を前記後続ストローク中に電気エネルギーに変換させることをさらに含む、項目25に記載の方法。
(項目28)
自由ピストン燃焼機関を制御するためのシステムであって、前記自由ピストン燃焼機関は、それぞれの少なくとも1つの駆動区画と接触する少なくとも1つの自由ピストンアセンブリと、前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換するための少なくとも1つの線形電磁機械とを備え、前記システムは、
前記自由ピストン燃焼機関に結合されている少なくとも1つのセンサであって、前記少なくとも1つのセンサは、前記機関のそれぞれの少なくとも1つの動作特性を測定し、それぞれの少なくとも1つのセンサ信号を出力する、少なくとも1つのセンサと、
少なくとも1つの制御機構であって、前記少なくとも1つの制御機構は、それぞれの少なくとも1つの制御信号に基づいて、前記自由ピストン燃焼機関のそれぞれの少なくとも1つの動作特性を調節する、少なくとも1つの制御機構と、
入力として前記少なくとも1つのセンサ信号を取得し、前記少なくとも1つの制御信号を出力する処理回路と
を備え、
前記処理回路は、前記制御機構を使用して、前記少なくとも1つのセンサ信号を処理し、前記少なくとも1つの駆動区画に、前記ピストンサイクルの後続ストロークにわたって正味電気エネルギー入力を伴わずに前記ピストンサイクルの後続ストロークを実施するために、前記拡張ストローク中、前記少なくとも1つの自由ピストンアセンブリからの少なくとも十分な量のエネルギーを貯蔵させるように構成されている、システム。
(項目29)
前記少なくとも1つのセンサは、位置センサ、速度センサ、加速度計、温度センサ、圧力センサ、流量センサ、電流センサ、電圧センサ、抵抗センサ、インピーダンスセンサ、振動センサ、運動センサ、力センサ、および放出センサから成る群から選択される、項目28に記載のシステム。
(項目30)
前記処理回路は、前記制御機構を使用して、前記線形電磁機械に、前記自由ピストンアセンブリのエネルギーの少なくとも一部を前記後続ストローク中に電気エネルギーに変換させるようにさらに構成されている、項目28に記載のシステム。
Claims (20)
- 少なくとも圧縮ストロークおよび拡張ストロークを備えるサイクル中に往復式デバイスにおいて自由ピストンアセンブリを制御する方法であって、前記方法は、
処理回路を使用して、前記サイクルの前記圧縮ストロークのために要求される量のエネルギーを決定することと、
前記処理回路を使用して、駆動区画に、前記量のエネルギーに基づいて前記拡張ストローク中に前記自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを貯蔵されたエネルギーに変換させることと、
前記処理回路を使用して、前記拡張ストローク中および前記圧縮ストローク中に前記自由ピストンアセンブリの前記運動エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換させることと
を含む、方法。 - 前記量のエネルギーを決定することは、損失を考慮するためのバッファ量のエネルギーに基づいて、前記量のエネルギーを決定することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記量のエネルギーは、摩擦損失、熱損失、または予期せぬ損失のうちの少なくとも1つに基づく、請求項2に記載の方法。
- 前記自由ピストンアセンブリの前記運動エネルギーの前記少なくとも一部を電気エネルギーに変換させることは、
前記貯蔵されたエネルギーと、前記圧縮ストロークのために要求される前記量のエネルギーとの差異を示す情報を受信することと、
前記差異に基づいて、前記圧縮ストロークのために要求される前記量のエネルギーが前記貯蔵されたエネルギーよりも大きいことを決定することと、
前記情報に基づいて、前記運動エネルギーの一部を変換されたエネルギーに変換することにより前記変換されたエネルギーおよび前記貯蔵されたエネルギーの間の合計の量のエネルギーが前記圧縮ストロークのために要求される前記量のエネルギーと少なくともマッチするようにするための命令を備える制御信号を生成することと、
前記処理回路を使用して、前記駆動区画に貯蔵されたエネルギーに影響を及ぼすために前記制御信号を送信することと
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記自由ピストンアセンブリの前記運動エネルギーの前記少なくとも一部を電気エネルギーに変換させることは、前記往復式デバイスの所望される動力出力に基づく、請求項1に記載の方法。
- 前記圧縮ストロークのために要求される前記量のエネルギーは、貯蔵される第1の量のエネルギーを含み、第2の量のエネルギーは、前記運動エネルギーの少なくとも一部が電気エネルギーに変換された後の前記運動エネルギーの残りの部分を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記拡張ストロークは、第1の上死点位置から下死点位置への前記自由ピストンアセンブリの第1のストロークを備え、前記圧縮ストロークは、前記下死点位置から第2の上死点位置への前記自由ピストンアセンブリの第2のストロークを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記駆動区画に前記自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを貯蔵されたエネルギーに変換させることは、前記自由ピストンアセンブリの位置を制御することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記位置は、上死点位置または下死点位置のうちの少なくとも1つに対応する頂点を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記処理回路を使用して、前記往復式デバイスの少なくとも1つの動作パラメータを監視することをさらに含み、前記少なくとも1つの動作パラメータは、前記自由ピストンアセンブリの位置、前記自由ピストンアセンブリの速度、前記自由ピストンアセンブリの加速度、前記自由ピストンアセンブリの温度、反応区画の圧力、前記反応区画の温度、前記反応区画の位置エネルギー、前記反応区画内の化学的エネルギー、前記反応区画の指示される仕事、前記反応区画の指示される効率、前記反応区画の燃料流量、前記反応区画の空気流量、前記駆動区画内の圧力、前記駆動区画の位置エネルギー、前記駆動区画内のガスの温度、前記駆動区画の指示される仕事、前記駆動区画の指示される効率、前記駆動区画の補給空気流量、前記自由ピストンアセンブリを備える線形電磁機械の温度、電気出力、電気効率、前記線形電磁機械の効率、前記線形電磁機械の動力出力、以前のサイクル性能、環境温度、環境圧力、または放出特性のうちの少なくとも1つである、請求項1に記載の方法。
- 正味電気入力を伴わずに前記圧縮ストロークを実施することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 往復式デバイスであって、
自由ピストンアセンブリおよび固定子を備える線形電磁機械と、
前記自由ピストンアセンブリからのエネルギーを貯蔵するように構成された駆動区画と
を備え、前記線形電磁機械は、処理回路に作用可能に結合され、
前記処理回路は、
サイクルの圧縮ストロークのために要求される量のエネルギーを決定することと、
前記自由ピストンアセンブリの位置を制御することにより、前記駆動区画に、前記量のエネルギーに基づいて拡張ストローク中に前記自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを貯蔵されたエネルギーに変換させることと、
前記拡張ストローク中および前記圧縮ストローク中に前記自由ピストンアセンブリの前記運動エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換させることと
を行うように構成されている、往復式デバイス。 - 処理回路を備えるシステムであって、
前記処理回路は、
自由ピストンアセンブリのサイクルの圧縮ストロークのために要求される量のエネルギーを決定することと、
駆動区画に、前記量のエネルギーに基づいて前記自由ピストンアセンブリの拡張ストローク中に前記自由ピストンアセンブリの運動エネルギーを貯蔵されたエネルギーに変換させることと、
前記拡張ストローク中および前記圧縮ストローク中に前記自由ピストンアセンブリの前記運動エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換させることと
を行うように構成されている、システム。 - 前記運動エネルギーの少なくとも一部を前記変換させることは、正味電気入力を伴わずに前記圧縮ストロークを実施させながら、起こる、請求項12に記載のデバイスまたは請求項13に記載のシステム。
- 前記処理回路は、損失を考慮するためのバッファ量のエネルギーに基づいて、前記量のエネルギーを決定するようにさらに構成されている、請求項12に記載のデバイスまたは請求項13に記載のシステム。
- 前記自由ピストンアセンブリの前記運動エネルギーの前記少なくとも一部を電気エネルギーに変換させるように構成されている前記処理回路は、
前記貯蔵されたエネルギーと、前記圧縮ストロークのために要求される前記量のエネルギーとの差異を示す情報を受信することと、
前記差異に基づいて、前記圧縮ストロークのために要求される前記量のエネルギーが前記貯蔵されたエネルギーよりも大きいことを決定することと、
前記情報に基づいて、前記運動エネルギーの一部を変換されたエネルギーに変換することにより前記変換されたエネルギーおよび前記貯蔵されたエネルギーの間の合計の量のエネルギーが前記圧縮ストロークのために要求される前記量のエネルギーと少なくともマッチするようにするための命令を備える制御信号を生成することと、
前記処理回路を使用して、前記駆動区画に貯蔵されたエネルギーに影響を及ぼすために前記制御信号を送信することと
を実行するようにさらに構成されている、請求項12に記載のデバイスまたは請求項13に記載のシステム。 - 前記処理回路は、前記自由ピストンアセンブリの所望される動力出力に基づいて、前記運動エネルギーの前記少なくとも一部を変換させるようにさらに構成されている、請求項12に記載のデバイスまたは請求項13に記載のシステム。
- 前記貯蔵されたエネルギーが前記圧縮ストロークを完了させるために使用された後に電気エネルギーに変換される量のエネルギーを示す情報を決定するようにさらに構成されている、請求項12に記載のデバイスまたは請求項13に記載のシステム。
- 前記拡張ストロークは、少なくとも、第1の上死点位置から下死点位置への前記自由ピストンアセンブリの第1のストロークを備え、前記圧縮ストロークは、少なくとも、前記下死点位置から第2の上死点位置への前記自由ピストンアセンブリの第2のストロークを備える、請求項12に記載のデバイスまたは請求項13に記載のシステム。
- 前記処理回路は、前記自由ピストンアセンブリの位置を制御するようにさらに構成されている、請求項12に記載のデバイスまたは請求項13に記載のシステム。
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