KR20100071087A

KR20100071087A - 전자기 엔진

Info

Publication number: KR20100071087A
Application number: KR1020107009264A
Authority: KR
Inventors: 로데릭 에이 하이드; 윌리엄 3세 게이츠; 뮤리엘 와이 이시카와; 조딘 티 카레; 나탄 피 마이어볼트; 클라렌스 티 테그리니; 토마스 에이 위버; 찰스 위트머; 로웰 엘 주니어 우드; 빅토리아 와이 에이치 우드
Original assignee: 시리트 엘엘씨
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2010-06-28
Also published as: JP2010540838A; CN101883912A; EP2201219B1; EP2952677A1; JP2013079649A; CN101883912B; EP2679768A1; JP5309146B2; EP2299054A1; JP5604733B2; JP5589236B2; EP2201219A1; EP2679768B1; WO2009045521A1; JP2013079650A; EP2201219A4

Abstract

본 발명에 따른 내연기관은 폐쇄 단부를 갖는 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 피스톤, 및 피스톤과 함께 작동 가능하고 소정의 피스톤 사이클 내에서 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하는 변환기를 포함한다.

Description

전자기 엔진{ELECTROMAGNETIC ENGINE}

본 발명은, 내연기관, 내연기관 작동 방법 및 내연기관 개장 방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은, 폐쇄 단부를 갖는 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 피스톤, 및 피스톤과 함께 작동 가능하고 소정의 피스톤 사이클 내에서 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하는 변환기를 포함하는 내연기관을 제공하는 것이다.

일 양태에서, 내연기관은 폐쇄 단부를 구비한 제1 실린더에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤, 제1 실린더로 반응물을 도입하도록 구성되는 제1 포트, 및 소정의 피스톤 사이클 내에서 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동 가능한 제1 변환기를 포함한다. 제1 변환기는 팽창 행정(power stroke) 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 배기 행정(exhaust stroke), 흡기 행정(intake stroke), 및 압축 행정(compression stroke) 중 임의의 행정 또는 모든 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성될 수 있다. 제1 피스톤은 자석(예컨대, 영구 자석 또는 전자석)을 포함할 수 있고, 제1 변환기는 자석의 움직임에 응답하여 전류를 생성하거나 코일을 통해 전류를 구동함으로써 자석을 움직이도록 구성되는 전기자(armature)를 포함할 수 있다. 제1 변환기는 다수의 코일을 포함할 수 있고, 이 다수의 코일 중 제1 서브셋이 전기적 에너지를 제1 피스톤의 기계적 에너지로 변환하고, 제2 서브셋이 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 동작할 수 있다. 내연기관은 내연기관의 전부 또는 일부의 열적 이탈(thermal excursions)을 제한하도록 기능하는 열 제어기(예컨대, 냉각 시스템 또는 단열재)를 더 포함한다. 제1 피스톤은 가변 자기 저항(reluctance) 또는 가변 인덕턴스(inductance) 자기 회로를 통하여 자기장과 상호 작용하도록 구성되는 전기자를 포함할 수 있다.

내연기관은 제1 피스톤과 제1 실린더의 폐쇄 단부 사이에 배치된 반응물에 화학적 반응을 개시하도록 구성된 반응 트리거(reaction trigger)(예컨대, 스파크 플러그와 같은 전기적 점화기, 열적 점화기, 화학적 점화기, 촉매, 자동점화 분사기, 입자 빔 점화기, 또는 플라즈마 분사기)를 더 포함할 수 있다. 반응 트리거는 제1 실린더의 폐쇄 단부에, 제1 피스톤 상에, 또는 기타 위치에 배치될 수 있다. 반응 트리거는 제1 변환기로부터 전력을 도출할 수 있거나, 제1 변환기에 전기적으로 결합될 수 있거나, 또는 제1 변환기에 결합된 에너지 관리 시스템으로부터 전력을 도출할 수 있다. 제1 포트는 캠샤프트를 통해 개폐되도록 구성될 수 있고, 이어서 스텝 모터(stepper motor)와 같은 전자기 작동기에 의해 회전하도록 구성될 수 있는 밸브를 포함할 수 있고, 또는 밸브는 기계적으로 작동될 수 있다. 내연기관은 반응 생성물이 제1 실린더로부터 (예컨대, 제1 피스톤 상에서 또는 제1 실린더 상에서) 탈출하는 것을 허용하도록 구성된 제2 포트를 포함할 수 있고, 이 경우 제1 포트는 흡기 밸브를 포함할 수 있고, 제2 포트는 배기 밸브를 포함할 수 있다. 흡기 밸브 및 배기 밸브 각각은 피스톤 사이클 중에 (예컨대, 제1 피스톤에 대한 기계적 또는 전기적 결합에 의해) 선택된 시기에 개폐되도록 구성될 수 있다. 흡기 밸브 및 배기 밸브는 제1 변환기를 통해 제1 피스톤에 전기적으로 결합될 수 있다. 변환기 또는 에너지 관리 시스템은 흡기 밸브 및 배기 밸브로 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 제1 포트는 반응 생성물이 제1 실린더로부터 (예컨대, 제1 피스톤 상에서 또는 제1 실린더 상에서) 탈출하는 것을 허용하도록 구성될 수 있고, 이 경우 내연기관은 제1 포트를 흡기 경로와의 연결에서 배기 경로와의 연결로 전환시키도록 구성되는 밸브를 포함할 수 있다.

내연기관은 반응물 혼합물을 제1 포트로 전달하도록 구성된 기화기(carburetor)를 더 포함할 수 있다. 내연기관은 제1 포트를 통해 제1 실린더로 반응물을 전달하도록 구성된 분사기(예컨대, 연료 분사기 또는 액체 반응물 분사기)를 포함할 수 있다. 제1 포트는 연료, 산화제, 그 혼합물, 또는 반응물 혼합물을 제1 실린더로 도입하도록 구성될 수 있고, 또는 제1 및 제2 반응물(예컨대, 연료 및 산화제)이 제1 및 제2 포트 각각을 통해 도입될 수 있다. 제1 피스톤은 크랭크샤프트에 연결될 수 있다. 내연기관은 제2 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제2 피스톤을 더 포함할 수 있고, 이 경우에 제1 및 제2 피스톤은 비동기식 또는 동기식 왕복 운동용으로 구성될 수 있고, 또한 제1 및 제2 피스톤은 공통 샤프트 또는 개별 샤프트에 결합될 수 있다. 내연기관은 화학적 반응이 제1 피스톤만을 구동하는 제1 모드에서 그리고 화학적 반응이 제1 피스톤 및 제2 피스톤을 구동하는 제2 모드에서 동작하도록 구성될 수 있고, 이 경우에 내연기관은 실제 또는 예측 운전 조건에 응답하여 제1 및 제2 모드 사이에서 선택할 수 있다. 내연기관은 또한 운전 조건에 응답하여 피스톤 행정의 속도 프로파일이나 길이 또는 압축비를 결정하도록 구성될 수 있다. 이들 중 임의의 경우에, 운전 조건은 경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정을 포함할 수 있다. 내연기관은 제1 변환기에 전기적으로 결합된 에너지 관리 시스템을 더 포함할 수 있고, 에너지 관리 시스템은 배터리, 축전기, 인덕터 또는 기계적 에너지 저장 장치와 같은 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 제1 실린더는 비원형 단면을 가질 수 있으며, 이 경우에 제1 피스톤은 부합하는 비원형 단면을 가질 수 있다. 제1 실린더는 곡선형일 수 있다(따라서, 피스톤이 비선형 경로로 이동한다). 제1 피스톤은 (예컨대, 제1 피스톤과 제1 실린더의 형상에 의해, 가스 압력에 의해, 또는 자기력에 의해) 제1 실린더 내에서 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 피스톤은 피스톤 이동을 회전 움직임으로 변환하는 기구(예컨대, 헬리컬 기어)에 결합될 수 있다. 이 기구는 자석을 포함할 수 있고, 제1 변환기는 자석의 회전을 전기적 에너지로 변환하기 위해 자석과 함께 작동하는 전기자를 포함할 수 있다. 이 기구는 회전 움직임을 전기적 에너지로 변환하기 위해 가변 자기 저항 또는 가변 인덕턴스 자기 회로와 상호 작용하는 전기자를 포함할 수 있다. 이 기구는 고정된 피스톤 속도에 응답하여 가변 속도로 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 피스톤은 작용력에 응답하여 전기적 에너지를 생성하도록 구성된 활성 재료 요소(예컨대, 압전 재료, 자기 변형 재료, 전기 변형 재료, 또는 형상 기억 재료)에 작동 가능하게 결합될 수 있다.

다른 양태에서, (제1 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤과, 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하는 제1 변환기를 포함하는) 내연기관을 작동하는 방법은 제1 실린더의 폐쇄 단부 안으로 반응물을 도입하는 것과, 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 실린더 내에서 제1 피스톤을 폐쇄 단부를 향해 활주시키는 것과, (선택적으로 도입된 반응물을 압축하는 것과) 도입된 반응물의 화학적 반응을 일으키고 그에 따라 화학적 포텐셜 에너지를 제1 피스톤의 기계적 에너지로 변형하는 것과, 그리고 제1 변환기를 통해 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것을 포함한다. 제1 실린더의 폐쇄 단부 안으로 반응물을 도입하는 것은 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 실린더 내에서 제1 피스톤을 폐쇄 단부로부터 멀어지는 방향으로 활주시키는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 제1 변환기에 전기적 에너지를 인가하여 화학적 반응을 일으킨 이후에 제1 피스톤을 폐쇄 단부를 향해 활주시키는 것을 포함할 수 있다. 제1 피스톤은 제1 실린더의 폐쇄 단부 안으로 반응물의 도입 중보다 화학 반응을 일으킨 직후에 더 긴 거리를 이동할 수 있다. 예를 들면, 제1 피스톤은 화학적 반응을 일으킨 직후에 내부 실린더 직경의 2배 또는 4배 이동할 수 있다. 도입된 반응물을 압축하는 것은 반응물을 실질적인 단열 또는 실질적인 등온으로 압축하는 것을 포함할 수 있다.

내연기관은 제2 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 제2 피스톤을 더 포함할 수 있고, 이 경우에 이 방법은 제1 실린더 내에서 화학적 반응을 일으킴과 실질적으로 동시에 제2 실린더 내에서 화학적 반응을 일으키는 것을 더 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 실린더와 실질적으로 유사하거나 다른 작동 주파수(operating frequency)에서 제2 실린더 내 화학적 반응을 일으키는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 실제 또는 예측 운전 조건[경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정]에 적어도 부분적으로 기초하여 제2 실린더 내에서 화학적 반응을 일으키는지 여부를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 실제 또는 예측 운전 조건[경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정]에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 실린더에 관한 작동 주파수 또는 압축비를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 제1 실린더의 폐쇄 단부 안으로 반응물을 도입하는 것은 제1피스톤이 선택된 위치에 있는 때에 반응물을 도입하는 것을 포함할 수 있고, 또는 (예컨대, 캠샤프트를 회전시키거나 전기적으로 개방을 일으킴에 의해) 흡기 밸브를 개방하는 것을 포함할 수 있다.

화학적 반응을 일으키는 것은 제1 실린더가 선택된 위치에 있는 때 예를 들면, 스파크와 같은 에너지 방출을 생성함을 통해, 열적 점화를 통해, 화학적 점화를 통해, 촉매에 대한 노출을 통해, 자동점화 분사에 의해, 입자 빔에 대한 노출을 통해, 또는 플라즈마 분사를 통해 화학적 반응을 일으키는 것을 포함할 수 있고, 또는 화학적 반응 중에 (예컨대, 변환기를 통해 제1 피스톤으로 힘을 인가함으로써) 제1 피스톤을 실질적으로 정지한 채로 유지하는 것을 포함할 수 있고, 이 경우에 제1 피스톤은 화학적 반응이 실질적으로 종료할 때 해방될 수 있다. 화학적 반응은 반응 생성물을 생성할 수 있고, 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것은 실질적으로 반응 생성물을 실질적인 단열로 팽창하는 것을 포함할 수 있다. 도입된 반응물은 연료(예컨대, 탄화수소 연료) 또는 산화제(예컨대, 산소, 공기)를 포함할 수 있고, 이는 개별적으로 또는 혼합되어 도입될 수 있으며, 도입된 반응물은 분해 반응물을 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 실린더로부터 반응 생성물을 배기하는 것을 더 포함할 수 있다.

제1 변환기는 에너지 관리 시스템에 연결될 수 있고, 이 경우 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것은 전기적 에너지를 에너지 관리 시스템으로 전달하는 것을 포함할 수 있고, 또는 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하는 것은 에너지 관리 시스템으로부터 전기적 에너지를 도출하는 것을 포함할 수 있다. 에너지 관리 시스템은 에너지 저장 장치(예컨대, 배터리, 축전기, 인덕터, 또는 기계적 에너지 저장 장치)를 포함할 수 있다.

또 다른 양태에서, 내연기관은 제1 및 제2 폐쇄 단부를 갖는 제1 실린더, 제1 실린더 내에서 활주 가능하게 배치되는 제1 피스톤, 제1 및 제2 폐쇄 단부에 각각 가장 가깝게 배치되는 제1 및 제2 포트, 및 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하는 제1 변환기를 포함한다. 제1 변환기는 팽창 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 배기 행정, 흡기 행정, 및 압축 행정 중 임의의 행정 또는 모든 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성될 수 있다. 제1 변환기는 제1 피스톤이 제1 실린더의 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각에서 멀어지도록 움직여 제1 및 제2 양의 반응물이 각각 제1 및 제2 폐쇄 단부 안으로 도입되는 제1 및 제2 흡기 행정 중에, 그리고 제1 및 제2 반응물이 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각에서 압축되는 제1 및 제2 압축 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성될 수 있고, 또한 제1 피스톤이 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각의 화학적 반응에 반응하여 제1 및 제2 단부 각각에서 멀어지도록 움직여 그에 따라 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각에서 반응 생성물을 적어도 부분적으로 배기하는 제1 및 제2 팽창/배기 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 제1 변환기는 제1 피스톤이 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각에서 멀어지도록 움직이고, 제1 및 제2 반응물이 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각의 안으로 도입되며, 제2 및 제1 반응물이 제2 및 제1 폐쇄 단부 각각에서 압축되는 제1 및 제2 흡기/압축 행정 중에, 그리고 제1 피스톤이 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각을 향하여 움직이고 그에 따라 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각으로부터 반응 생성물을 적어도 부분적으로 배기하는 제1 및 제2 배기 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성될 수 있고, 또한 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각의 화학적 반응에 응답하여 제1 피스톤을 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각에서 멀어지도록 움직이는 제1 및 제2 팽창 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다.

제1 피스톤은 자석(예컨대, 영구 자석 또는 전자석)을 포함할 수 있고, 제1 변환기는 자석의 움직임에 반응하여 전류를 생성하거나 코일을 통해 전류를 구동함으로써 자석을 움직이도록 구성된 전기자를 포함할 수 있다. 제1 변환기는 다수의 코일을 포함할 수 있고, 이 다수의 코일 중 제1 서브셋이 전기적 에너지를 제1 피스톤의 기계적 에너지로 변환하고, 제2 서브셋이 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 동작할 수 있다. 내연기관은 내연기관의 전부 또는 일부의 열적 이탈(thermal excursions)을 제한하도록 기능하는 열 제어기(예컨대, 냉각 시스템 또는 단열재)를 더 포함한다. 제1 피스톤은 가변 자기 저항(reluctance) 또는 가변 인덕턴스(inductance) 자기 회로를 통하여 자기장과 상호 작용하도록 구성되는 전기자를 포함할 수 있다.

내연기관은 제1 피스톤과 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부 사이에 배치된 반응물에 화학적 반응을 개시하도록 구성된 반응 트리거(reaction trigger)(예컨대, 스파크 플러그와 같은 전기적 점화기, 열적 점화기, 화학적 점화기, 촉매, 자동점화 분사기, 입자 빔 점화기, 또는 플라즈마 분사기)를 더 포함할 수 있다. 반응 트리거는 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부에, 제1 피스톤 상에, 또는 기타 위치에 배치될 수 있다. 반응 트리거는 제1 변환기로부터 전력을 도출할 수 있거나, 제1 변환기에 전기적으로 결합될 수 있거나, 또는 제1 변환기에 결합된 에너지 관리 시스템으로부터 전력을 도출할 수 있다. 제1 포트는 캠샤프트를 통해 개폐될 수 있고, 이어서 스텝 모터(stepper motor)와 같은 전자기 작동기에 의해 회전하도록 구성될 수 있는 밸브를 포함할 수 있고, 또는 밸브는 기계적으로 작동될 수 있다. 내연기관은 제1 실린더의 폐쇄 단부의 가장 가까이에 배치되고 반응 생성물이 제1 실린더로부터 (예컨대, 제1 피스톤 상에서 또는 제1 실린더 상에서) 탈출하는 것을 허용하도록 구성되는 제3 포트를 포함할 수 있고, 이 경우 제1 포트는 흡입 밸브를 포함할 수 있고, 제3 포트는 배기 밸브를 포함할 수 있다. 흡기 밸브 및 배기 밸브는 각각 피스톤 사이클 중에 (예컨대, 제1 피스톤에 대한 기계적 또는 전기적 결합에 의해) 선택된 시기에 개폐되도록 구성될 수 있다. 흡기 밸브 및 배기 밸브는 제1 변환기를 통해 제1 피스톤에 전기적으로 결합될 수 있다. 변환기 또는 에너지 관리 시스템은 흡기 밸브 및 배기 밸브로 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 제1 포트는 반응 생성물이 제1 실린더로부터 (예컨대, 제1 피스톤 상에서 또는 제1 실린더 상에서) 탈출하는 것을 허용하도록 구성될 수 있고, 이 경우 내연기관은 제1 포트를 흡기 경로와의 연결에서 배기 경로와의 연결로 전환시키도록 구성되는 밸브를 포함할 수 있다.

내연기관은 반응물 혼합물을 제1 포트로 전달하도록 구성된 기화기(carburetor)를 더 포함할 수 있다. 내연기관은 제1 포트를 통해 제1 실린더로 반응물을 전달하도록 구성된 분사기(예컨대, 연료 분사기 또는 액체 반응물 분사기)를 포함할 수 있다. 제1 포트는 연료, 산화제, 그 혼합물, 또는 반응물 혼합물을 제1 실린더로 유입하도록 구성될 수 있고, 또는 제1 및 제2 반응물(예컨대, 연료 및 산화제)이 제1 및 제3 포트 각각을 통해 도입될 수 있다. 제1 피스톤은 크랭크샤프트에 연결될 수 있다. 내연기관은 제2 실린더 내에 활주식으로 배치된 제2 피스톤을 더 포함할 수 있고, 이 경우에 제1 및 제2 피스톤은 비동기식 또는 동기식 왕복 운동용으로 구성될 수 있다. 제2 실린더는 제2 실린더의 제1 및 제2 폐쇄 단부 각각에 근접하여 제3 및 제4 연료 흡기 포트를 포함할 수 있다. 내연기관은 화학적 반응이 제1 피스톤만을 구동하는 제1 모드에서 그리고 화학적 반응이 제1 피스톤 및 제2 피스톤을 구동하는 제2 모드에서 동작하도록 구성될 수 있고, 이 경우에 내연기관은 실제 또는 예측 운전 조건에 응답하여 제1 및 제2 모드 사이에서 선택할 수 있다. 내연기관은 또한 운전 조건에 반응하여 피스톤 행정의 속도 프로파일이나 길이 또는 압축비를 결정하도록 구성될 수 있다. 이들 중 임의의 경우에, 운전 조건은 경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정을 포함할 수 있다.

내연기관은 제1 변환기에 전기적으로 결합된 에너지 관리 시스템을 더 포함할 수 있고, 에너지 관리 시스템은 배터리, 축전기, 인덕터 또는 기계적 에너지 저장 장치와 같은 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 제1 실린더는 비원형 단면을 가질 수 있으며, 이 경우에 제1 피스톤은 부합하는 비원형 단면을 가질 수 있다. 제1 실린더는 곡선형일 수 있다(따라서, 피스톤이 비선형 경로로 이동한다). 제1 피스톤은 (예컨대, 제1 피스톤과 제1 실린더의 형상에 의해, 가스 압력에 의해, 또는 자기력에 의해) 제1 실린더 내에서 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 피스톤은 피스톤 이동을 회전 움직임으로 변환하는 기구(예컨대, 헬리컬 기어)에 결합될 수 있다. 이 기구는 자석을 포함할 수 있고, 제1 변환기는 자석의 회전을 전기적 에너지로 변환하기 위해 자석과 함께 작동하는 전기자를 포함할 수 있다. 이 기구는 회전 움직임을 전기적 에너지로 변환하기 위해 가변 자기 저항 또는 가변 인덕턴스 자기 회로와 상호 작용하는 전기자를 포함할 수 있다. 이 기구는 고정된 피스톤 속도에 반응하여 가변 속도로 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 피스톤은 작용력에 반응하여 전기적 에너지를 생성하도록 구성된 활성 재료 요소(예컨대, 압전 재료, 자기 변형 재료, 전기 변형 재료, 또는 형상 기억 재료)에 작동 가능하게 결합될 수 있다.

추가의 양태에서, 다른 양태에서, (제1 및 제2 폐쇄 단부를 갖는 제1 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤과, 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하는 제1 변환기를 포함하는) 내연기관을 작동하는 방법은 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부 안으로 반응물을 도입하는 것과, 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 폐쇄 단부를 향해 제1 실린더 내에서 제1 피스톤을 활주시키는 것과, (선택적으로 도입된 제1 양의 반응물을 압축하는 것과) 도입된 제1 양의 반응물을 반응시켜 그에 따라 제1 피스톤을 제2 폐쇄 단부를 향해 움직이도록 유도하는 것과, 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부 안으로 제2 양의 반응물을 도입하는 것과, 제1 변환기에 전기적 에너지를 인가하여 제2 폐쇄 단부를 향해 제1 실린더 내에서 제1 피스톤을 활주시키는 것과 (선택적으로 도입된 제2 양의 반응물을 압축하는 것과), 도입된 제2 양의 반응물을 반응시켜 그에 따라 제1 피스톤을 제1 폐쇄 단부를 향해 움직이도록 유도하는 것과, 제1 피스톤이 제1 폐쇄 단부를 향해 움직일 때 제1 변환기를 통해 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것을 포함한다. 제1 피스톤을 제2 폐쇄 단부를 향해 움직이도록 유도하는 것은 제2 폐쇄 단부로부터 반응 생성물을 배기하는 것을 포함할 수 있고, 또는 제1 피스톤을 제1 폐쇄 단부를 향해 움직이도록 유도하는 것은 제1 폐쇄 단부로부터 반응 생성물을 배기하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 도입된 제1 양의 반응물을 압축하기 이전에 제1 변환기에 전기적 에너지를 인가하여 제2 폐쇄 단부를 향해 제1 피스톤을 움직이는 것과, 또는 제1 피스톤이 제2 폐쇄 단부를 향해 움직일 때 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환한 이후에 그리고 도입된 제2 양의 반응물을 압축하기 이전에 제1 변환기에 전기적 에너지를 인가하여 제1 폐쇄 단부를 향해 제1 피스톤을 움직이는 것을 더 포함할 수 있다. 제1 피스톤은 반응물을 압축하는 중보다 반응물을 반응시킴으로써 제1 피스톤의 움직임을 유도하는 중에 더 긴 거리로 이동할 수 있다. 제1 및 제2 양의 반응물의 압축은 실질적으로 단열 또는 실질적으로 등온이 될 수 있다.

내연기관은 제2 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 제2 피스톤을 더 포함할 수 있고, 이 경우에 이 방법은 제1 실린더 내에서 제1 양의 반응물을 반응시킴과 실질적으로 동시에 제2 실린더 내에서 제3 양의 반응물을 반응시키는 것을 더 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 실린더와 실질적으로 유사하거나 다른 작동 주파수(operating frequency)에서 제2 실린더를 구동하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 실제 또는 예측 운전 조건[경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정]에 적어도 부분적으로 기초하여 제2 실린더 내 제3양의 반응물을 반응시키는지 여부를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 실제 또는 예측 운전 조건[경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정]에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 실린더에 관한 작동 주파수 또는 압축비를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 제1 실린더의 폐쇄 단부 안으로 제1 양의 반응물을 도입하는 것은 제1피스톤이 선택된 위치에 있는 때에 반응물을 도입하는 것을 포함할 수 있고, 또는 (예컨대, 캠샤프트를 회전시키거나 전기적으로 개방을 일으킴에 의해) 흡기 밸브를 개방하는 것을 포함할 수 있다.

제1 양의 반응물을 반응시키는 것은 제1 실린더가 선택된 위치에 있는 때 예를 들면, 스파크와 같은 에너지 배출을 생성함을 통해, 열적 점화를 통해, 화학적 점화를 통해, 촉매에 대한 노출을 통해, 자동점화 분사에 의해, 입자 빔에 대한 노출을 통해, 또는 플라즈마 분사를 통해 제1 양의 반응물을 반응시키는 것을 포함할 수 있고, 또는 화학적 반응 중에 (예컨대, 변환기를 통해 제1 피스톤으로 힘을 인가함으로써) 제1 피스톤을 실질적으로 정지한 채로 유지하는 것을 포함할 수 있고, 이 경우에 제1 피스톤은 화학적 반응이 실질적으로 종료할 때 해방될 수 있다. 제1 및 제2 화학적 반응은 제1 및 제2 반응 생성물을 생성할 수 있고, 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것은 실질적으로 제1 및 제2 반응 생성물을 실질적인 단열로 팽창하는 것을 포함할 수 있다. 도입된 제1 양의 반응물은 연료(예컨대, 탄화수소 연료) 또는 산화제(예컨대, 산소, 공기)를 포함할 수 있고, 이는 개별적으로 또는 혼합되어 도입될 수 있으며, 또한 분해 반응물을 포함할 수 있다. 제1 양 및 제2 양의 반응물은 실질적으로 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있다. 이 방법은 제1 실린더로부터 반응 생성물을 배기하는 것을 더 포함할 수 있다.

제1 변환기는 에너지 관리 시스템에 연결될 수 있고, 이 경우 제1 피스톤이 제1 또는 제2 폐쇄 단부를 향해 움직일 때 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것은 전기적 에너지를 에너지 관리 시스템으로 전달하는 것을 포함할 수 있고, 또는 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 실린더 내의 제1 피스톤을 제1 또는 제2 폐쇄 단부를 향해 활주 시키는 것은 에너지 관리 시스템으로부터 전기적 에너지를 도출하는 것을 포함할 수 있다 에너지 관리 시스템은 에너지 저장 장치(예컨대, 배터리, 축전기, 인덕터, 또는 기계적 에너지 저장 장치)를 포함할 수 있다.

또 다른 양태에서, 내연기관은 그 내부에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤 및 제2 피스톤을 갖는 제1 실린더, 제1 및 제2 피스톤 사이에서 제1 실린더 안으로 반응물을 도입하도록 구성되는 제1 포트, 및 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동 가능한 제1 변환기를 포함한다. 제1 변환기는 전기적 에너지를 제1 피스톤의 기계적 에너지로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동할 수 있고, 또한 한 피스톤 사이클 내에서 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 작동할 수 있다. 내연기관은 제2 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해, 예를 들면, 소정의 피스톤 사이클 내에서 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제2 피스톤과 함께 작동하는 제2 변환기를 더 포함할 수 있고, 또한 제1 변환기는 제2 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해, 예를 들면, 소정의 피스톤 사이클 내에서 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제2 피스톤과 작동할 수 있다. 제1 포트는 실린더로부터 반응 생성물을 배기하도록 구성될 수 있고, 제1 피스톤에 의한 폐색에 의해 폐쇄되도록 구성될 수 있다. 내연기관은 실린더로부터 반응 생성물을 배기하도록 구성되는 제2 포트를 더 포함할 수 있고, 제2 포트는 제2 피스톤에 의한 폐색에 의해 폐쇄되도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 포트는 밸브가 없는 구성일 수 있으며, 또는 하나 또는 모두는 밸브를 포함할 수도 있다.

제1 변환기는 팽창 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 배기 행정, 흡기 행정, 및 압축 행정 중 임의의 행정 또는 모든 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성될 수 있고, 또한 리셋 행정 중에 피스톤의 위치를 제어하도록 구성될 수 있다. 제1 피스톤은 자석(예컨대, 영구 자석 또는 전자석)을 포함할 수 있고, 제1 변환기는 자석의 움직임에 응답하여 전류를 생성하거나 코일을 통해 전류를 구동함으로써 자석을 움직이도록 구성된 전기자를 포함할 수 있다. 제1 변환기는 다수의 코일을 포함할 수 있고, 이 다수의 코일 중 제1 서브셋이 전기적 에너지를 제1 피스톤의 기계적 에너지로 변환하고, 제2 서브셋이 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 동작할 수 있다. 내연기관은 내연기관의 전부 또는 일부의 열적 이탈(thermal excursions)을 제한하도록 기능하는 열 제어기(예컨대, 냉각 시스템 또는 단열재)를 더 포함한다. 제1 피스톤은 가변 자기 저항(reluctance) 또는 가변 인덕턴스(inductance) 자기 회로를 통하여 자기장과 상호 작용하도록 구성되는 전기자를 포함할 수 있다.

내연기관은 제1 및 제2 피스톤 사이에 배치된 반응물에 화학적 반응을 개시하도록 구성된 반응 트리거(예컨대, 스파크 플러그와 같은 전기적 점화기, 열적 점화기, 화학적 점화기, 촉매, 자동점화 분사기, 입자 빔 점화기, 또는 플라즈마 분사기)를 더 포함할 수 있다. 반응 트리거는 제1 실린더의 벽 상에, 제1 피스톤 상에, 또는 기타 위치에 배치될 수 있다. 반응 트리거는 제1 변환기로부터 전력을 도출할 수 있거나, 제1 변환기에 전기적으로 결합될 수 있거나, 또는 제1 변환기에 결합된 에너지 관리 시스템으로부터 전력을 도출할 수 있다. 제1 포트는 캠샤프트를 통해 개폐될 수 있고, 이어서 스텝 모터(stepper motor)와 같은 전자기 작동기에 의해 회전하도록 구성될 수 있는 밸브를 포함할 수 있고, 또는 밸브는 기계적으로 작동될 수 있다.

내연기관은 반응물 혼합물을 제1 포트로 전달하도록 구성된 기화기(carburetor)를 더 포함할 수 있다. 내연기관은 제1 포트를 통해 제1 실린더로 반응물을 전달하도록 구성된 분사기(예컨대, 연료 분사기 또는 액체 반응물 분사기)를 포함할 수 있다. 제1 포트는 연료, 산화제, 그 혼합물, 또는 반응물 혼합물을 제1 실린더로 도입하도록 구성될 수 있고, 또는 제1 및 제2 반응물(예컨대, 연료 및 산화제)이 제1 및 제2 포트 각각을 통해 도입될 수 있다. 제1 피스톤은 크랭크샤프트에 연결될 수 있다. 제1 및 제2 피스톤은 기계적으로 결합되지 않을 수도 있다. 내연기관은 제2 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제3 피스톤을 더 포함할 수 있고, 이 경우에 제1 및 제3 피스톤은 비동기식 또는 동기식 왕복 운동용으로 구성될 수 있고, 또는 제1 및 제3 피스톤은 공통 샤프트 또는 개별 샤프트에 결합될 수 있다. 내연기관은 화학적 반응이 제1 및 제2 피스톤만을 구동하는 제1 모드에서 그리고 화학적 반응이 제1, 제2 및 제3 피스톤을 구동하는 제2 모드에서 동작하도록 구성될 수 있고, 이 경우에 내연기관은 실제 또는 예측 운전 조건에 응답하여 제1 및 제2 모드 사이에서 선택할 수 있다. 내연기관은 또한 운전 조건에 응답하여 피스톤 행정의 속도 프로파일이나 길이 또는 압축비를 결정하도록 구성될 수 있다. 이들 중 임의의 경우에, 운전 조건은 경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정을 포함할 수 있다.

내연기관은 제1 변환기에 전기적으로 결합된 에너지 관리 시스템을 더 포함할 수 있고, 이는 배터리, 축전기, 인덕터 또는 기계적 에너지 저장 장치와 같은 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 제1 실린더는 비원형 단면을 가질 수 있으며, 이 경우에 제1 및 제2 피스톤은 각각 부합하는 비원형 단면을 가질 수 있다. 제1 실린더는 곡선형일 수 있다(따라서, 피스톤이 비선형 경로로 이동한다). 제1 및 제2 피스톤은 (예컨대, 제1 및 제2 피스톤과 제1 실린더의 형상에 의해, 가스 압력에 의해, 또는 자기력에 의해) 제1 실린더 내에서 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 피스톤은 피스톤 이동을 회전 움직임으로 변환하는 기구(예컨대, 헬리컬 기어)에 결합될 수 있다. 이 기구는 자석을 포함할 수 있고, 제1 변환기는 자석의 회전을 전기적 에너지로 변환하기 위해 자석과 함께 작동하는 전기자를 포함할 수 있다. 이 기구는 회전 움직임을 전기적 에너지로 변환하기 위해 가변 자기 저항 또는 가변 인덕턴스 자기 회로와 상호 작용하는 전기자를 포함할 수 있다. 이 기구는 고정된 피스톤 속도에 응답하여 가변 속도로 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 피스톤은 작용력에 응답하여 전기적 에너지를 생성하도록 구성된 활성 재료 요소(예컨대, 압전 재료, 자기 변형 재료, 전기 변형 재료, 또는 형상 기억 재료)에 작동 가능하게 결합될 수 있다.

또 다른 양태에서, (제1 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제1 및 제2 피스톤과, 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하는 제1 변환기를 포함하는) 내연기관을 작동하는 방법은 제1 및 제2 피스톤 사이의 제1 실린더 안으로 반응물을 도입하는 것과, 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제2 피스톤을 향해 제1 실린더 내에서 제1 피스톤을 활주시키는 것과, (선택적으로 도입된 반응물을 압축하는 것과) 반응물의 화학 반응을 일으키고 그에 따라 화학적 포텐셜 에너지를 제1 및 제2 피스톤의 기계적 에너지로 변형하는 것과, 그리고 제1 변환기를 통해 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것을 포함한다. 이 방법은 또한 제1 변환기 또는 제2 변환기를 통해 제2 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것을 더 포함할 수 있다. 제2 피스톤은 크랭크샤프트에 연결될 수 있다. 이 방법은 또한 예컨대 제1 및 제2 피스톤을 서로를 향해 상대적으로 움직임으로써 제1 실린더로부터 반응 생성물을 배기하는 것을 더 포함할 수 있다. 제1 실린더 안으로 반응물을 도입하는 것은 제1 및 제2 피스톤을 서로에 대해 멀어지도록 상대적으로 움직이는 것을 포함한다. 도입된 반응물을 압축하는 것은 반응물을 실질적인 단열 또는 실질적인 등온으로 압축하는 것을 포함할 수 있다.

내연기관은 제2 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 제3 피스톤을 더 포함할 수 있고, 이 경우에 이 방법은 제1 실린더와 동시에 제2 실린더 내에서 화학적 반응을 일으키는 것과, 제1 실린더의 작동 주파수(operating frequency)와 실질적으로 유사하거나 다른 작동 주파수에서 제2 실린더 내 화학적 반응을 일으키는 것, 또는 결정된 실제 또는 예측 운전 조건[경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정]에 기초하여 제2 실린더 내 화학적 반응을 일으키는지 여부를 결정하는 것을 더 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 실제 또는 예측 운전 조건[경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정]에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 실린더에 관한 작동 주파수 또는 압축비를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 제1 실린더 안으로 반응물을 도입하는 것은 제1피스톤이 선택된 위치에 있는 때에 반응물을 도입하는 것을 포함할 수 있고, 또는 (예컨대, 캠샤프트를 회전시키거나 전기적으로 개방을 일으킴에 의해) 흡기 밸브를 개방하는 것을 포함할 수 있다.

화학적 반응을 일으키는 것은 제1 실린더가 선택된 위치에 있는 때 예를 들면, 스파크와 같은 에너지 배출을 생성함을 통해, 열적 점화를 통해, 화학적 점화를 통해, 촉매에 대한 노출을 통해, 자동점화 분사에 의해, 입자 빔에 대한 노출을 통해, 또는 플라즈마 분사를 통해 화학적 반응을 일으키는 것을 포함할 수 있고, 또는 화학적 반응 중에 (예컨대, 변환기를 통해 피스톤들로 힘을 인가함으로써) 제1 및 제2 피스톤을 실질적으로 정지한 채로 유지하는 것을 포함할 수 있고, 이 경우에 피스톤들은 화학적 반응이 실질적으로 종료할 때 해방될 수 있다. 화학적 반응은 반응 생성물을 생성할 수 있고, 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것은 실질적으로 반응 생성물을 실질적인 단열로 팽창하는 것을 포함할 수 있다. 도입된 반응물은 연료(예컨대, 탄화수소 연료) 또는 산화제(예컨대, 산소, 공기)를 포함할 수 있고, 이는 개별적으로 또는 혼합되어 도입될 수 있으며, 도입된 반응물은 분해 반응물을 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 실린더로부터 반응 생성물을 배기하는 것을 더 포함할 수 있다.

또 다른 추가의 양태에서, 전력 생성을 위해 (공통 크랭크샤프트에 연결된 다수의 피스톤을 포함하는) 내연기관을 개장(retrofitting)하는 방법은 적어도 하나 그리고 선택적으로는 각 피스톤으로 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 작동 가능한 전력 변환기를 적용하는 것을 포함한다. 이 방법은 크랭크샤프트로부터 피스톤을 해제하는 것을 더 포함할 수 있다. 이 방법은 각 피스톤으로 자석(예컨대, 전자석 또는 영구 자석)을 적용하는 것을 포함하며, 전력 변환기는 피스톤으로 힘을 인가하기 위해 자석과 함께 작동 가능한 전기자를 포함한다. 전기자는 자석의 움직임에 반응하여 전류를 생성하도록 자석과 함께 작동 가능할 수 있다. 이 방법은 또한 내연기관의 전부 또는 일부의 열적 이탈(thermal excursions)을 제한하도록 기능하는 열 제어기(예컨대, 냉각 시스템 또는 단열재)를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 전력 변환기는 에너지 관리 시스템에 전기적으로 결합될 수 있고, 에너지 관리 시스템은 배터리, 축전기, 인덕터 또는 기계적 에너지 저장 장치와 같은 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 내연기관은 전동식 반응 트리거를 포함할 수 있고, 이 경우에 이 방법은 에너지 관리 시스템을 전동식 반응 트리거에 전기적으로 결합하는 것을 포함할 수 있다.

전력 변환기는 제어 시스템에 전기적으로 결합될 수 있고, 제어 시스템은 피스톤을 동기식으로(크랭크샤프트가 제거되고 실질적으로 동일한 피스톤들의 상대 위상 관계가 제어 시스템에 의해 유지되는 구성을 포함하여) 또는 비동기식으로 구동하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템은 결정된 운전 조건[경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정]에 적어도 부분적으로 응답하여 선택된 피스톤을 구동할 지 여부, 피스톤 행정의 속도 프로파일, 또는 압축비를 결정하도록 구성될 수 있다. 전력 변환기를 적용하는 것은 피스톤을 피스톤 이동을 회전 움직임으로 변환하는 기구(예컨대, 헬리컬 기어)에 결합하는 것을 포함할 수 있다. 이 기구는 자석을 포함할 수 있고, 제1 변환기는 자석의 회전을 전기적 에너지로 변환하기 위해 자석과 함께 작동하는 전기자를 포함할 수 있다. 이 기구는 회전 움직임을 전기적 에너지로 변환하기 위해 가변 자기 저항 또는 가변 인덕턴스 자기 회로와 상호 작용하는 전기자를 포함할 수 있다. 이 기구는 고정된 피스톤 속도에 응답하여 가변 속도로 회전하도록 구성될 수 있다. 전력 변환기는 흡기 행정, 배기 행정, 및 압축 행정 중에 피스톤을 구동하도록 구성될 수 있고, 그리고 팽창 행정 중에 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다.

전술한 요약은 단순히 도시된 것이며 어떠한 방법으로도 제한의 목적으로 의도되지 않는다. 설명된 양태, 실시형태 및 전술한 특징에 덧붙여, 추가의 양태, 실시형태 및 특징이 도면 및 뒤따르는 상세한 설명을 참조하여 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 폐쇄 단부를 갖는 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 피스톤, 및 피스톤과 함께 작동 가능하고 소정의 피스톤 사이클 내에서 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하는 변환기를 포함하는 내연기관을 제공할 수 있다.

도 1은 크랭크샤프트가 생략된 피스톤-실린더 조립체의 개략도이다.
도 2는 크랭크샤프트에 결합된 피스톤-실린더 조립체의 개략도이다.
도 3은 단극발전기(homopolar generator)에 결합된 피스톤-실린더 조립체의 개략도이다.
도 4는 4행정 피스톤 사이클 중의 실린더 내 피스톤의 위치를 도시한다.
도 5는 전자기 변환기를 구비하여 개장된 통상의 내연기관의 개략도이다.
도 6은 이중 단부 자유 피스톤-실린더 조립체의 개략도이다.
도 7은 6행정 피스톤 사이클 중의 이중 단부 실린더 내 피스톤의 위치를 도시한다.
도 8은 대안의 6행정 피스톤 사이클 중의 이중 단부 실린더 내 피스톤의 위치를 도시한다.
도 9는 4행정 피스톤 사이클 중의 이중 단부 실린더 내 비대칭 피스톤의 위치를 도시한다.
도 10은 4행정 피스톤 사이클의 공통 실린더 내 2개의 대향 피스톤의 위치를 도시한다.
도 11은 8행정 피스톤 사이클의 공통 실린더 내 2개의 대향 피스톤의 위치를 도시한다.

다음의 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면에서, 문맥이 그렇지 않음을 지시하지 않는 한, 유사한 부호는 통상적으로 유사한 구성요소를 확인한다. 상세한 설명, 도면 및 특허청구범위에서 기술된 도시된 실시형태는 한정으로서 의도되지 않는다. 본 명세서에 표현된 주제의 사상 또는 범위로부터 벗어남 없이, 다른 실시형태가 활용될 수 있고, 다른 변경이 이루어질 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 용어 “밸브”는 개구를 통해 선택적으로 물질(matter)을 통과시키는 작동 유량계(actuated flow controller) 또는 기타 작동 기구(actuated mechanism)를 포함하며, 이로 한정되지 않지만 볼 밸브, 플러그 밸브, 버터플라이 밸브, 초크 밸브, 체크 밸브, 게이트 밸브, 판 밸브(leaf valve), 피스톤 밸브, 포핏 밸브, 회전 밸브(rotary valve), 슬라이드 밸브, 솔레노이드 밸브, 양방향 밸브, 또는 삼방 밸브를 포함한다. 밸브는 이로 한정되지 않지만 기계 수단, 전기 수단, 자기 수단, 캠샤프트-구동 수단, 유압 수단 또는 공기압 수단을 포함하는 임의의 방법에 의해 작동될 수 있다. “밸브 타이밍”은 서로에 대해 또는 내연기관 구성요소에 대한 상대적인 특정 시간 패턴에서 밸브를 개폐하는 임의의 체계를 지칭한다. 예를 들면, 흡기 밸브는 흡기 행정 중에 또는 흡기 행정 이전에 개방되도록, 그리고 압축 행정 이전에 폐쇄되도록 구성될 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어 “포트”는 물질(고체, 액체, 가스, 또는 플라즈마)을 하나 이상의 방향으로 유입하는 것을 허용할 수 있는 임의의 개구 또는 개구의 세트(예컨대, 다공성 폼)을 포함한다. 포트는 반드시 그러할 필요는 없지만, 밸브를 통해 개폐될 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어 “베어링”은 다른 부품이 그 위에서 움직이고, 활주하고, 또는 회전하는 장치의 임의의 부품을 포함하고, 이로 한정되지 않지만 미끄럼 베어링(slide bearing), 탄성 베어링(flexure bearing), 볼 베어링, 롤러 베어링, 가스 베어링, 또는 자기 베어링을 포함한다.

본 명세서에 사용된 용어 “영구 자석”은 영속적인 자기장을 유도하도록 극성을 띠는 자성 재료(magnetizable material)를 포함한다. 용어 “영구”는 영구 자석이 의도적이거나 우연히 자성을 잃게 되지 않아야 함을 요구하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에 사용된 용어 “전기자”는 가변 인덕턴스 또는 가변 자기 저항을 통해 자기장과 상호 작용하여 전기자 상에 일(양 또는 음)을 하는 임의의 구조체를 포함한다.

본 명세서에 사용된 용어 “반응물”은 화학적 포텐셜 에너지를 기계적 에너지로 변형하도록, 예를 들면 화학적으로 반응하여 피스톤을 구동하도록(통상적으로 반응에 의해 팽창 가스를 형성함으로써) 유도할 수 있는 임의의 재료 또는 재료의 조합을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, “연료”는 피스톤을 구동하기 위해 산화제와 반응하는 특정 유형의 반응물이다. 연료는 이로 한정되지는 않지만, 가솔린, 디젤, 바이오디젤, 등유(kerosene), 프로판, 및 부탄과 같은 탄화수소 연료, 에탄올, 메탄올 및 부탄올과 같은 알코올 연료, 및 상술한 바의 임의의 혼합물을 포함한다. 기타 적절한 반응물은 (암모니아 및 질소로 분해할 수 있는) 히드라진(hydrazine) 또는 (물과 산소로 분해할 수 있는) 과산화수소(hydrogen peroxide)와 같은 분해 반응물을 포함한다. 본 명세서에 사용된 용어 “반응 생성물”은 반응 이후에 남겨지는 임의의 물질을 포함하며, 이로 한정되지 않지만, 화학적 반응 물질, 반응하지 않거나 단지 부분적으로 반응하는 잉여 반응물, 또는 반응물과 혼합될 수 있는 임의의 비활성 물질을 포함한다. “실질적으로 종료한” 반응은 반응물들 중 적어도 하나의 실질적인 전부가 소비된 반응이며, 또는 온도나 압력을 변경함과 같은 다른 요인에 의해 실질적으로 느려지거나 정지되는 반응이다.

본 명세서에 사용된 용어 “기화기”는 반응물이 실린더로 전달되기 이전에 반응물을 혼합하는(예컨대, 연료와 산화제를 혼합하는) 기구를 포함한다.

본 명세서에 사용된 용어 “피스톤 사이클”은 피스톤이 실질적으로 동일한 구성에서 시작하고 종료하는 피스톤의 임의의 일련의 움직임을 포함한다. 4행정 피스톤 사이클에서, 사이클은 흡기 행정, 압축 행정, 팽창 행정, 및 배기 행정을 포함할 수 있다. 추가의 또는 대안의 행정이 본 명세서의 다른 곳에 기술된 것과 같은 피스톤 사이클의 부분을 형성할 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어 “작동 주파수”는 단일 피스톤 사이클을 완성하기 위해 요구되는 시간의 역수이다. 용어 “주파수”는 피스톤 작동을 일정한 간격으로 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에 사용된 용어 “활성 재료”는 인가된 환경 변화에 의해 기계적 구성을 변경하도록 유도될 수 있는 재료를 포함하며, 이로 한정되지는 않지만, 압전 재료, 자기 변형 재료, 전기 변형 재료, 또는 형상 기억 재료를 포함한다.

일반적으로 본 명세서에 사용된 용어는 본 명세서에서 제공된 설명을 고려하여 관련 기술에 숙련된 자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이 보통의 공통적인 의미를 갖는 것으로 판독되어야 한다.

다양한 피스톤-실린더 조립체가 피스톤의 기계적 에너지(예컨대, 피스톤의 운동 에너지)가 전기적 에너지로 변환되는 내연기관에서의 사용에 대해 본 명세서에 설명된다. 일부 실시형태에서, 이들 조립체는 차량, 예컨대 전기 자동차에 설치되기에 매우 적합할 수 있다. 다른 실시형태에서, 이들 조립체는 (예컨대, 연료의 연소에 의해) 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변형하는, 고정형 또는 휴대형 발전기에서 사용되기에 적합할 수 있다.

도 1은 피스톤-실린더 조립체의 일 실시형태의 개략도이다. 피스톤(10)은 실린더(12) 내에 배치되고, 실린더 외부로 연장되는 긴 샤프트(14)를 갖는다. 샤프트(14)는 영구 자석(16)을 포함하고, 영구 자석은 변환기 코일(18)을 통해 활주하도록 배치된다. 도시된 실시형태에서, 베어링(20)은 피스톤(10)의 정렬을 유지하기 위해 기능한다(도 1에서 구름 베어링이 도시되어 있지만, 임의의 적절한 유형의 베어링이 사용될 수 있다). 흡기 밸브(22)는 밸브가 개방되고 피스톤(10)이 실린더(12)의 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직일 때(“흡기 행정”), 연료-산화제 혼합물이 챔버로 진입하도록 허용한다. 도시된 실시형태에서, 단순한 밸브 구조가 도시되어 있지만, 다른 실시형태는 연료 분사기 또는 반응물을 실린더 안으로 도입하기 위한 기타 장치를 포함할 수도 있다. 실린더(12)의 폐쇄 단부로부터 멀어지는 피스톤(10)의 움직임은 자석(16) 상에 기전력을 유도하는 변환기 코일(18)에 전압을 인가함으로써 구동될 수 있다. 연료-산화제 혼합물은, 변환기 코일(18)로 전압을 인가하여 자석(16) 상에 기전력을 유도하여 피스톤(10)을 실린더(12)의 폐쇄 단부를 향해 강제함으로써 구동될 수 있는 피스톤(10)의 움직임에 의해 압축된다(“압축 행정”).

압축된 연료-산화제는 스파크 플러그(24)의 스파크에 의해 점화되고, 그에 따라 피스톤(10)을 실린더(12)의 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 구동한다. 피스톤(10)이 실린더(12)의 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직일 때, 자석(16)은 변환기 코일(18)을 통해 움직이며, 코일(18)에 전압을 유도한다(“팽창 행정”). 이 전압은 배터리, 축전기, 또는 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같은 기타 에너지 관리 시스템을 충전하기 위해 사용될 수 있다. 일단 팽창 행정이 완료되면, 피스톤(10)은 예컨대 변환기 코일(18)로 전압을 인가하고 그에 따라 자석(16) 상에 기전력을 유도함으로써 실린더(12)의 폐쇄 단부를 향해 움직인다. 피스톤(10)이 실린더(12)의 폐쇄 단부를 향해 움직일 때, 연료 및 산화제의 반응으로부터 나온 반응 생성물이 배기 밸브(26)를 통해 배기된다(“배기 행정”). 도시된 실시형태에서, 밸브(22 및 26)는 캠(28 및 30)에 의해 각각 작동되지만, 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같은 기타 밸브 시스템이 또한 사용될 수 있다. 만일 존재한다면, 캠(28 및 30)이 스텝 모터나 토크 모터와 같은 전기 액티베이터(electric activator)에 의한 것을 포함하는 임의의 편리한 방법으로 구동될 수 있다.

도시된 실시형태에서, 흡기 행정, 압축 행정, 및 배기 행정은 모두 변환기에 의해 구동된다. 다른 실시형태에서, 이들 행정 중 하나 이상은 다른 수단, 예컨대 크랭크샤프트 및 플라이휠, 스프링(예컨대, 기계 스프링 또는 가스 스프링), 활성 재료 요소, 또는 대향 실린더의 팽창 행정에 의해 구동될 수 있다. 행정 “중에” 피스톤을 구동하는 것은 행정 중 전체 이동거리의 단지 일부분에 대해 피스톤을 구동하는 것을 포함한다.

도시된 실시형태에서, 변환기(18)의 작동은 아날로그, 디지털, 또는 컴퓨터 기반일 수 있는 제어기(19)에 의해 제어된다. 제어기(19)는 외부 입력에 기초하여, 그리고 피스톤(10), 실린더(12), 밸브(22 및 26) 및 기타 내연기관 구성요소 중 하나 이상의 현재 및 과거 상태에 기초하여 변환기(18)를 통한 에너지 전달의 부호 및 크기를 결정한다. 이들 상태는 예컨대 코일 또는 변환기(18)의 활성 재료에 걸쳐진 전압 또는 그를 통한 전류의 측정값으로부터 추론될 수 있고, 또는 기타 가능한 파라미터 중에서 피스톤(10)의 위치, 속도, 또는 가속도, 또는 실린더(12) 내 임의의 반응물을 압력, 온도, 밀도, 질량, 또는 화학적 특징(chemical makeup)을 검출할 수 있는 하나 이상의 센서(도시되지 않음)에 의해 측정될 수 있다. 이들 센서는 전자기 수단, 전기화학 수단, 광학 수단, 전자기계 수단, 또는 관련 파라미터를 감지하는 다른 수단을 사용할 수 있다. 예를 들면, 고정형 코일 및 변환기로부터 분리된 피스톤 장착 자석은 피스톤의 위치 및 속도를 감지하기 위해 사용될 수 있고, 압전 센서는 실린더 내 압력을 감지하기 위해 사용될 수 있고, 그리고 광섬유 결합 분광기(fiber-optically coupled spectrometer)는 실린더 내측으로부터 광을 검출하여 연료 및 산화제의 연소 상태를 감지할 수 있다. 이들 센서 출력 중 임의의 것이 제어기(19)로 직접 또는 간접으로 공급될 수 있다. 제어기(19)는 또한 본 명세서의 다른 곳에서 설명한 바와 같은 에너지 관리 시스템(도시되지 않음)과 상호작용할 수 있다.

도시된 실시형태에서, 연료-산화제 혼합물은 실린더(12)의 헤드에 장착된 스파크 플러그(24)를 점화함으로써 점화된다. 다른 실시형태에서, 다양한 반응물 또는 반응 트리거가 사용될 수 있다. 예를 들면, 스파크 플러그를 대신하여, 다른 유형의 전기 점화기, 열적 점화기[예컨대, 예열 플러그(glow plug)], 화학적 점화기[예컨대, 스퀴브(squib)], 광점화기[예컨대, 광화학 점화기(photochemical igniter), 광열 점화기(photothermal igniter), 광플라즈마(photoplasmic igniter) 점화기, 또는 레이저 점화기], 촉매, 자동점화 분사기, 입자 빔(예컨대, 전자 빔 또는 이온 빔), 또는 플라즈마 분사기가 화학적 반응을 일으킬 수 있다. 다른 실시형태에서, 반응 트리거 기구가 없을 수 있으며, 반응은 피스톤(10)이 압축 행정을 통해 이동할 때 반응물의 압축에 의해 일어날 수도 있다. 반응 트리거는 또한 다양한 위치, 예컨대, 실린더(12)의 벽 상에 또는 피스톤(10) 상에 배치될 수 있다. 전력 반응 트리거(예컨대, 스파크 플러그 또는 플라즈마 분사)의 경우에, 일부 실시형태에서 반응 트리거용 전력은 팽창 행정으로부터 전력을 저장하는 에너지 관리 시스템에 의해 제공될 수도 있다.

도시된 실시형태에서, 도입된 반응물은 연료-산화제 혼합물이다. 다른 실시형태에서, 다른 적절한 혼합물 또는 분해 반응물과 같은 다른 반응물이 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 반응물(들)은 농축된 형태(예컨대, 액체 또는 고체 형태)일 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 기술된 피스톤-실린더 조립체는 우주 차량[예컨대, 월면차(moon buggy)] 또는 심해 차량[예컨대, 잠수함(submarine) 또는 어뢰(torpedo)]에서 사용하기에 매우 적합할 수 있고, 이 경우에 농축 반응물(예컨대, 액체 연료 및 액체 산화제)이 바람직할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 액체 반응물(들)이 반응 이전에 기화될 수 있다. 반응물(들)이 농축된 형태인 때에, 일부 실시형태에서 “압축 행정”은 실질적으로 반응물의 부피를 변경함 없이 압축력을 인가함으로써 반응물(들)을 압축한다. 다른 실시형태에서, “압축 행정”은 실질적으로 반응물 내에 영향을 주지 않고, 단순히 반응 챔버의 부피를 줄일 수 있다.

도 2는 피스톤-실린더 조립체의 다른 실시형태의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 피스톤(10)은 실린더(12) 내에 활주 가능하게 배치되고, 팽창 행정 중에 변환기 코일(18)에 전압을 유도하도록 변환기 코일(18)과 상호작동 가능한 자석(16)을 포함한다. 도 1에 도시된 베어링(20)이 아니라, 실린더(12)가 샤프트(14)를 향해 연장되어 지지면을 제공한다. 선택적인 포트(32)는 샤프트(14)를 둘러싸는 가스가 압축되는 것을 방지하고 그에 따라 실린더(12)의 폐쇄 단부로부터 멀어지는 피스톤(10)의 움직임을 저지한다. 다른 실시형태에서(도시되지 않음), 포트(32)는 생략될 수 있고, 샤프트(14)를 둘러싸는 가스는 압축 행정 및 배기 행정을 보조하는 가스 스프링으로서 기능할 수 있다. 도시된 실시형태에서, 샤프트(14)는 조인트(36)를 통해 크랭크샤프트(34)에 결합된다. 크랭크샤프트(34)는 예컨대, 피스톤 타이밍 또는 밸브 타이밍을 제어하도록 기능할 수 있고, 흡기, 압축, 또는 배기 행정 중 적어도 하나의 행정을 위한 구동력의 전부 또는 일부를 제공하도록 기능할 수 있고, 또는 팽창 행정의 에너지의 적어도 일 부분을 (예컨대, 기어를 구동하기 위한) 기계적 에너지로 변환할 수 있다.

도 3은 피스톤-실린더 조립체의 다른 실시형태의 개략도이다. 도시된 실시형태에서, 피스톤(10)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 자석(16)을 갖지 않는다. 샤프트(14)는 도전성 헬리컬 기어(42)에 결합되는 헬리컬 나사산(40)을 포함한다. (영구 자석 또는 전자석일 수 있는) 외부 자석(44)이 기어(42) 상에 자기장을 부과한다. 팽창 행정 중에 샤프트(14)의 움직임에 반응하여 기어(42)가 회전할 때, 샤프트(14) 및 기어(42)의 외측 사이에 전압이 생성된다(즉, 기어 및 자석이 단극발전기를 형성한다). 변환기(46)는 이 전압을 배터리, 축전기, 또는 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같은 기타 에너지 관리 시스템을 충전하기 위해 사용할 수 있다. 흡기 행정, 압축 행정, 및 배기 행정 중에, 변환기(46)는 샤프트(14) 및 기어(42)의 외측 사이에 전압을 인가할 수 있고 그에 따라 기어(42)를 회전시켜 피스톤(10)을 구동하기 위한 기전력을 유도할 수 있다. 헬리컬 나사산(40)은 일정한 피치로 이루어질 수 있고[이 경우에 기어(42)의 각속도는 피스톤(10)의 선속도에 비례할 것이다], 또는 기어(42)의 각속도 및 피스톤(10)의 선속도가 피스톤의 위치에 좌우될 수 있도록 가변 피치로 이루어질 수 있다. 관련 기술에 숙련된 자는 다른 형태의 선형-회전 변환 및 다른 회전식 전자기 변환기가 도 3에 도시된 헬리컬 나사산 및 단극 변환기를 대체할 수 있다는 점을 알아낼 수 있을 것이다. 예를 들면, 헬리컬 프로파일을 구비한 비원형 단면의 실린더가 피스톤이 이 실린더를 통해 이동할 때 회전하는 비원형 피스톤과 함께 사용될 수 있고, 또는 피스톤은 경사 베인 또는 회전을 유도할 수 있는 기타 구조를 포함할 수 있고, 또는 피스톤은 자기력에 의해 회전할 수 있다.

도시된 실시형태는 또한 흡기 밸브(22)로 연료-산화제 혼합물을 공급하는 기화기(48)(개략적으로 도시됨)를 포함한다. 도 1 및 도 2에 도시된 캠이 아니라, 흡기 밸브(22) 및 배기 밸브(26)가 전기적으로 제어된다. 일부 실시형태에서, 밸브의 제어는 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 에너지 관리 시스템과 통합될 수 있고, 전력이 에너지 관리 시스템에 의해 밸브로 공급될 수 있다.

도 1 내지 도 3 모두는 연료-산화제 혼합물(예컨대, 연료-공기 혼합물)을 점화하는 스파크 플러그(24)를 보여준다. 전기 점화기, 광점화기, 열적 점화기, 화학적 점화기, 촉매, 자동점화 분사, 입자 빔, 또는 플라즈마 분사와 같은 다른 점화 소스가 본 명세서에 기술된 임의의 실시형태에서 대체될 수 있다. 다른 실시형태에서, 어떠한 점화 소스도 요구되지 않을 수 있으며 압축이 반응을 일으키기에 충분할 수 있다. 게다가, 팽창 행정을 구동하는 화학적 반응은 연료-산화제 반응을 수반할 필요가 없지만, 팽창 행정에서 피스톤(10)을 구동하게 될 팽창 가스 또는 다른 반응 생성물을 생성하는 임의의 반응(예컨대, 에너지 분해)이 될 수 있다.

도 4는 피스톤 내연기관용 4행정 사이클을 도시한다. 도시된 바와 같이, 피스톤은 흡기 행정(60) 중에 상대적으로 짧은 거리로 실린더 단부로부터 멀어지도록 이동하며, 적어도 하나의 반응물이 내연기관으로 전달된다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 반응물은 대기압 또는 그 부근의 압력일 수 있으며, 실린더 내 피스톤의 움직임에 의해 생성된 부분적인 진공에 의해 실린더 안으로 도입될 수 있는 한편, 다른 실시형태에서, 반응물은 예컨대 압력 하에서 피스톤 안으로 분사되거나 달리 도입될 수 있다. 반응물은 이로 한정되지 않지만 가스 또는 액체를 포함하는 임의의 적절한 형태로 공급될 수 있다. 반응물(들)은 그 후에 압축 행정(62) 중에 실린더의 단부를 향한 피스톤의 움직임에 의해 압축된다. 압축된 반응물(들)에서 화학적 반응이 일어나고, 이는 피스톤을 팽창 행정(64)에서 멀리 구동한다. 마지막으로, 피스톤은 배기 행정(66)에서 그 원위치로 복귀하고, 실린더로부터 임의의 반응 생성물의 일부 또는 전부를 배기한다.

본 명세서의 도 4및 다른 도면에서, 피스톤의 움직임은 급격한 속도 변화를 갖는 등속 구간으로서 개략적으로 표현되어 있다. 실제 피스톤의 움직임은 지속적으로 변화하는 속도 및 유한 가속도를 나타내는, 대체로 매우 복잡한 속도 프로파일을 포함할 것이다. 본 명세서에 기술된 전자기 전력 변환 시스템의 몇몇의 이점은 피스톤 및 변환기 사이의 결합을 변경하여 사이클의 임의의 지점에서 예컨대, 진동을 제어하기 위해 변환기 전류를 제한하거나 내연기관 구조 상에 최대 하중을 제한하기 위해 속도 및 가속도를 최적화할 수 있다는 점이다.

도시된 실시형태에서, 팽창 행정(64)은 실질적으로 흡기 행정(60)보다 길다. 긴 팽창 행정은 많은 수의 내연기관에 대해서 열역학적으로 효율이 좋을 수 있지만, 통상적으로 크랭크샤프트 내연기관에서 사용되지 않으며, 왜냐하면 적어도 부분적으로 그 기생 중량이 긴 팽창 행정의 증가한 효율성을 벗어나는 보다 긴 크랭크샤프트 조립체를 요구할 수 있기 때문이다. 균등하지 않은 행정이 또한 예컨대, 캠-및-롤러 또는 피스톤의 움직임을 샤프트 및 플라이휠로 결합하는 다른 기구를 사용함으로써 기계적으로 달성될 수 있지만, 그러한 내연기관은 통상적으로 크랭크샤프트 내연기관보다 무겁고 복잡한 것으로 알려져 있다. 일부 실시형태에서, 내연기관으로부터 전력을 전자기계적으로 도출하는 것은 부담이 되는 기계적 시스템에 의지하지 않고서 내연기관이 보다 긴 팽창 행정, 또는 흡기 행정과 상이한 길이를 갖는 팽창 행정을 사용하도록 허용할 수 있다.

크랭크샤프트와 같은 다른 구성요소에 연결됨으로써 행정 길이가 고정되지 않은 실시형태에서, 본 명세서에 도시된 내연기관은 가변 압축비에서 용이하게 작동될 수 있다. 흡기 행정(60) 및 압축 행정(62)은 전자기계적으로 구동되고, 반응은 적절한 행정 길이를 선택함으로써 실질적이고 임의의 바람직한 압축비 또는 피스톤 변위에서 개시될 수 있다. 압축비 또는 피스톤 변위는 각 피스톤 사이클에 대해 예컨대, 현재의 또는 예측된 내연기관 하중, 연료 종류, 연료 농도, 연료-산화제 비율, 압력, 또는 온도와 같은 요인에 기초하여 동적으로 제어될 수 있다. 참조로써 본 명세서에 모두 통합되는 미국 특허 제4,104,995호, 제4,112,826호, 제4,182,288호, 제4,270,495호, 제4,517,931호, 제6,779,495호, 및 제7,185,615호는 피스톤 변위 및 압축비를 변경하는 다양한 기계적 수단을 기술하고 있다. 유사한 효과가 각 피스톤 사이클 중에 시간에 대해 피스톤의 위치를 전자기계적으로 제어함으로써 더욱 단순한 시스템에서 달성될 수 있다.

게다가, 반응 중의 피스톤의 움직임은 대부분의 크랭크샤프트 내연기관에 대해 실용적이지 않는 정도로 정밀하게 제어될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 반응이 실질적으로 종료될 때까지 실린더(12)에 대해 상대적으로 피스톤(10)을 실질적인 고정 상태로 유지하는 것이 바람직할 수 있다(등시성 반응). 팽창 행정(64)은 이후에, 전력 생성을 최적화하거나 달리 특정 내연기관 실시형태용으로 바람직한 구성으로 제어될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 팽창 행정(64)은 실질적으로 등온이거나 실질적으로 단열일 수 있다. 덧붙여, 배기 행정(66)에서 그 최대 한도까지 피스톤(10)을 구동함으로써 실린더(12)를 완전히 배기하는 것이나, 또는 피스톤(10)을 단지 그 범위의 일 부분을 통해 구동함으로써 실린더(12) 내에 일부 반응 생성물을 의도적으로 남기는 것(예컨대, 반응물이 팽창 행정(64) 중에 완전히 반응하지 않은 경우에 실린더 내에 배기가스의 일부를 남겨, 배기되기 이전에 미반응 반응물의 일부에 “두번째 기회”를 허용하는 것) 중 어느 것이 용이하게 실행될 수 있다. 피스톤 사이클의 4행정 각각의 길이 및 시간은 속도, 하중, 반응물 조성, 온도 등의 조건을 변경함으로써 내연기관 성능을 최적화하기 위해 동적으로 그리고 독립적으로 변경될 수 있다.

도 5는 전자기 변환기와 함께 사용하기 위해 개장된 통상의 내연기관의 개략도이다. 개장 이전에, 내연기관은 블록(70), 각각 관련 로드 또는 샤프트(74)를 갖는 4개의 피스톤 헤드(72)[피스톤 헤드(72) 및 샤프트(74)가 함께 피스톤을 형성한다], 4개의 스파크 플러그(76), 및 크랭크샤프트(78)를 포함한다(도시를 간단히 하기 위해, 도 5에서 연료 흡기 및 배기는 도시되지 않는다). 개장을 위해, 크랭크샤프트(78)가 제거되고, 각 피스톤의 샤프트(74)는 이전 크랭크샤프트(78)로의 연결부 부근에서 샤프트의 베이스에 배치된 자기 요소(80)를 갖는다. 도시된 실시형태에서, 각 피스톤의 샤프트(74)에 대해 2개의 픽업 코일(82, 84)이 이전 크랭크샤프트(78)의 축선 상에 그리고 축선 위에 배치된다. 각 피스톤에 대해서, 코일(82, 84)은 본 명세서의 도 4 및 다른 곳과 관련하여 기술된 것처럼, 흡기 행정, 압축 행정 및 배기 행정 중에 관련 피스톤으로 구동력을 인가하기 위해, 그리고 팽창 행정 중에 관련 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해 변환기의 적어도 한 구성요소로서 함께 기능한다. 일부 실시형태에서, 변환기는 내연기관 사이클의 다양한 부분 중에 작동을 위해 코일(82 및 84)을 전환하도록 작동하는 스위칭 회로에 전기적으로 결합될 수 있는 한편, 다른 실시형태에서, 각 변환기는 그 자신의 스위칭 회로를 가질 수도 있다. 어느 경우라도, 각 변환기로부터 에너지는 그 자신의 관련 에너지 관리 시스템(본 명세서의 다른 곳에서 기술됨)에 저장될 수 있거나, 공통 에너지 관리 시스템에 모일 수 있다. 일부 실시형태에서, 2개의 코일(82, 84)을 대신하여, 단일 코일이 각 피스톤의 샤프트(74)에 대해 제공될 수 있다.

일부 실시형태에서, 크랭크샤프트(78)는 존속될 수 있고, 그 경우에 도 5에 도시된 구성이 여전히 사용될 수 있음에도 불구하고, 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하는, 다양한 구성의 자기장 및 변환기 코일 또는 기타 가변 인덕턴스 또는 가변 자기저항 회로가 바람직할 수 있다. 만일 크랭크샤프트(78)가 존속된다면, 크랭크샤프트는 피스톤들의 동기식 작동을 유지하도록 기능한다. 만일 크랭크샤프트(78)가 제거된다면, 피스톤은 동기식이나 비동기식으로 작동할 수 있고, 피스톤 타이밍은 변환기(들)의 작동에 의해 제어될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 전자기 변환기가 단지 피스톤의 한 서브셋 상에 설치되는 복합 시스템이 사용될 수도 있다. 그러한 실시형태에서, 몇몇 경우에 피스톤을 동기화하기 위해 크랭크샤프트(78)를 존속시키는 것이 바람직할 수 있는 한편, 다른 경우에 다른 기계적 결합 시스템이 바람직할 수도 있다. 크랭크샤프트(78), 또는 그 일 부분은 워터 펌프, 오일 펌프, 연료 펌프, 팬, 또는 압축기와 같은 보조 장치를 구동하기 위해 존속될 수 있으며, 또한 그러한 보조 장치는 예컨대 본 명세서의 다른 곳에서 기술한 바와 같은 에너지 관리 시스템을 통해 변환기로부터 전력을 공급 받을 수도 있다.

도 6은 자유 피스톤 내연기관의 개략도이다. 피스톤(110)은 2개의 단부 챔버(114 및 116)를 갖는 실린더(112) 내에서 활주 가능하게 배치된다. 도시된 실시형태에서, 각 단부는 각각 반응물을 유입시키고 반응 생성물을 배출하도록 구성된 흡기 밸브(118) 및 배기 밸브(120)를 포함한다. 피스톤(110)은 전자석, 영구 자석, 또는 철심 코어와 같이 자기적으로 민감한 재료일 수 있는 자기 요소(122)를 포함한다. 피스톤(110)은 함께 변환기(130)를 형성하는 변환기 코일(124, 126 및 128)로 전압을 인가함으로써 어느 한 방향으로 구동될 수 있다. 게다가, 변환기(130)는 피스톤(110)의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 구성된다. 이러한 에너지는 예를 들면, 배터리, 축전기, 기타 에너지 관리 시스템(도시되지 않음)에 저장될 수 있다. 도시된 실시형태는 스파크 플러그(132)를 포함하지만, 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 바와 같은 다른 점화 소스가 사용될 수도 있고, 또한, 내연기관은 단부 챔버(114 및 116)에서 지속적으로 반응하는 반응물을 사용하여 점화 소스 없이 작동할 수도 있다.

도 7은 6행정 사이클을 사용하는 도 6에 도시된 바와 같은 자유 피스톤 내연기관을 작동하는 방법을 설명한다. 변환기(130)는 챔버(114)에 대한 흡기 행정(150)으로서, 단부 챔버(114)로부터 멀어지도록 피스톤(110)을 구동하여, 챔버(114) 안으로 반응물(예컨대, 연료-산화제 혼합물)을 도입하도록 작동한다. 변환기(130)는 이후에 압축 행정(152)으로서 피스톤(110)을 단부 챔버(114)를 향해 구동하여 챔버(114) 내 반응물을 압축한다. 그 후에 반응물 사이의 반응이 개시되고(예컨대, 스파크 플러그에 의해), 피스톤을 챔버(114)로부터 멀어지는 방향으로 구동한다. 팽창 행정(154) 중에, 피스톤은 실린더(112)의 타 단부로 이동하고, 단부 챔버(116) 내 임의의 반응 생성물을 배기한다. 변환기(130)는 팽창 행정(154) 중에 피스톤으로부터 전력을 도출하고, 이는 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 바와 같은 에너지 관리 시스템에 저장될 수 있다. 이후에, 변환기(130)는 흡기 행정(156)으로서 피스톤(110)을 단부 챔버(116)로부터 멀어지도록 구동하고, 챔버(116) 안으로 반응물을 끌어들인다. [일부 실시형태에서, 흡기 행정(150) 중에 챔버(116) 안으로 그렇게 도입된 반응물은 조성, 비율, 온도, 또는 기타 속성에서 챔버(114) 안으로 도입된 것과 다를 수 있으며, 한편 다른 실시형태에서, 이들은 실질적으로 유사할 수도 있다] 변환기(130)는 이후에 압축 행정(158)으로서 단부 챔버(116)를 향해 피스톤(110)을 구동하여 챔버(116) 내 반응물을 압축한다. 이후에, 반응물 사이에서 반응이 개시되고, 팽창 행정(160)으로서 피스톤을 챔버(116)로부터 멀어지도록 구동한다. 변환기(130)는 팽창 행정(160) 중에 피스톤(110)의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환한다. 게다가, 단부 챔버(114) 내에 남아 있는 임의의 반응 생성물이 팽창 행정(160)에 의해 배기된다. 이 6행정 사이클이 이후에 반복될 수 있다.

도 7에 도시된 6행정 사이클은 2번 중첩되는 4행정 사이클로 표현될 수 있으며, 이는 실린더의 한 측면에서의 팽창 행정이 실린더의 타 측면에서의 배기 행정과 중첩되는 것임을 알 수 있다. 도 4와 관련하여 상술한 바와 같이, 상대적으로 긴 팽창 행정을 사용하는 것이 내연기관에 대해 열역학적으로 바람직할 수 있다. 도 7에 도시된 실시형태에서, 팽창 행정은 실질적으로 흡기 행정 또는 압축 행정보다 길고, 변환기(130)에 의해 구동되는 행정 중의 긴 피스톤의 이동거리를 요구함 없이, 내연기관이 팽창 행정 중에 긴 실린더를 이용하도록 허용한다. 다른 실시형태에서, 모든 행정은 유사한 길이를 가질 수 있다.

도 8은 도 6에 도시된 것과 같은 자유 피스톤 내연기관용 대안적인 내연기관 사이클을 나타낸다. 도시된 것처럼, 챔버(114) 내의 반응물이 반응하여 피스톤(110)을 챔버(114)로부터 멀어지도록 움직이는 팽창 행정(170)을 구동하고, 변환기(130)는 팽창 행정(170)의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 이는 에너지 관리 시스템에 저장될 수 있다. 이후에, 변환기(130)는 배기 행정(172)에서 챔버(114)를 향해 피스톤을 구동하고, 챔버(114)로부터 반응 생성물을 배기한다.

변환기(130)는 흡기/압축 행정(174)에서 피스톤을 챔버(114)로부터 멀어지도록 구동하고, 이는 챔버(114) 안으로 반응물을 도입하고 챔버(116)에 이미 존재하는 반응물을 압축한다. 챔버(116) 내의 반응물이 반응하여 피스톤(110)을 챔버(116)로부터 멀어지도록 움직이는 팽창 행정(176)을 구동하고 [반응 없이 챔버(114) 내 반응물을 압축한다], 변환기(130)는 팽창 행정(176)의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 이는 에너지 관리 시스템에 저장될 수 있다. 이후에 변환기(130)는 배기 행정(178)에서 피스톤(110)을 챔버(116)를 향해 구동하고, 챔버(116)로부터 반응 생성물을 배기한다 [그리고 팽창 행정(176) 중에 부수적으로 압축된 반응물을 압축한다]. 마지막으로, 변환기(130)는 압축/흡기 행정(180)에서 피스톤(110)을 챔버(114)를 향해 구동하고, 챔버(114) 내의 반응물을 압축하고 챔버(116) 안으로 반응물을 도입한다. 이후에 이 사이클이 반복될 수 있다. 도 8에 도시된 6행정 사이클은 2번 중첩되는 4행정 사이클로 표현될 수 있으며, 이는 실린더의 한 측면에서의 흡기 행정이 실린더의 타 측면에서의 압축 행정과 중첩되는 것임을 당업자라면 알 수 있다.

도 9는 자유 피스톤 내연기관용 또 다른 내연기관 사이클을 도시한다. 도시된 내연기관은 물리적으로 비대칭이며, 챔버(190)는 챔버(192)보다 좁은 직경을 갖고, 피스톤(194)은 직경에 대응하는 단차를 갖는다. 도 7 및 도 8과 관련하여 기술된 어느 하나의 사이클이 도 9에 도시된 것과 같은 물리적 비대칭 내연기관과 함께 사용될 수도 있고, 또는 도 9에 도시된 사이클이 도 6에 도시된 것과 같은 물리적 대칭 내연기관과 함께 사용될 수도 있다. 도시된 것처럼, 변환기(130)는 흡기/배기 행정(200)에서 피스톤(194)을 챔버(192)를 향해 구동하여, 챔버(190) 안으로 반응물을 도입하고 챔버(192)로부터 반응 생성물을 배기한다. 이후에, 변환기(130)는 압축/흡기 행정(202)에서 피스톤(194)을 챔버(190)를 향해 구동하고, 챔버(190) 내의 반응물을 압축하고 챔버(192) 안으로 반응물을 도입한다. 이후에 팽창/압축 행정(204)에서 챔버(190) 내에 압축된 반응물이 반응하고, 피스톤(194)을 챔버(190)로부터 멀어지도록 구동시켜 챔버(192) 내 반응물을 압축한다. 마지막으로, 배기/팽창 행정(206)에서 챔버(192) 내에 압축된 반응물이 반응하고, 피스톤(194)을 챔버(192)로부터 멀어지도록 구동시켜 챔버(190)로부터 반응 생성물을 배기한다. 행정(204 및 206) 중에, 변환기(130)는 피스톤(194)의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환한다. 이러한 비대칭 4행정 사이클은 2개의 분리된 챔버(190 및 192)에 대한 4행정 사이클을 2번 오프셋 중첩한 것과 같이 표현될 수 있다.

도 10은 대향 피스톤 내연기관 및 대응하는 내연기관 사이클을 도시한다. 묘사된 내연기관에서, 2개의 대향 피스톤(250 및 252)은 실린더(254) 내에 활주 가능하게 배치된다. 피스톤들은 자석 요소(256 및 258)를 포함하며, 이는 대응하는 변환기 코일(260 및 262)에 각각 작동 가능하게 결합된다. 변환기 코일(260 및 262)은 공통 변환기를 형성하도록 전기적으로 결합될 수 있고, 또는 이들은 2개의 독립된 변환기의 부분으로서 독립적으로 작동될 수도 있다. 도시된 실시형태에서, 코일(260 및 262) 모두는 공통 변환기(도시되지 않음)의 부분을 형성한다. 실린더(254)는 흡기 포트(264) 및 배기 포트(266)를 포함한다. 도시된 실시형태에서, 이들 포트(264 및 266)는 단순한 개구이며, 이는 피스톤(250 및 252) 각각의 움직임에 의해 폐색될 때 폐쇄될 수 있다. 다른 실시형태에서, 포트(264 및 266)는 밸브를 포함할 수 있다.

사용 중에, 흡기 행정(280)에서, 변환기 코일(260)은 먼저 흡기 포트(264)를 개방한 상태에서 피스톤(250)을 실질적인 고정 위치로 보유하고, 한편 변환기 코일(262)은 배기 포트(266)의 폐색을 유지한 상태에서 피스톤(252)을 피스톤(250)으로부터 멀어지도록 구동하며, 그에 따라 실린더(254)의 챔버(268) 안으로 흡기 포트(264)를 통해 반응물을 도입한다. 압축 행정(282)에서, 변환기 코일(260 및 262)은 이후 피스톤(250 및 252)을 함께 움직여 포트들(264 및 266)을 모두 폐색하고 챔버(268) 내의 반응물을 압축한다. 팽창 행정(284)에서 반응 트리거(270; 도시된 실시형태에서 스파크 플러그)는 압축된 반응물에 반응을 일으키고, 피스톤(250 및 252)을 서로로부터 멀어지도록 구동한다. 변환기 코일(260 및 262)은 피스톤(250 및 252) 각각의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 또한 피스톤(250)이 계속하여 흡기 포트(264)를 폐색하는 한편 피스톤(252)이 배기 포트(266)를 개방하기 위해 움직이도록 피스톤(250 및 252)의 위치를 제어한다. 이후에, 배기 행정(286)에서, 피스톤(252)은 실질적으로 변환기 코일(262)에 의해 정지된 상태로 보유되는 한편, 피스톤(250)은 변환기 코일(260)에 의해 피스톤(252)을 향해 움직이며, 그에 따라 배기 포트(266)를 통해 챔버(268)로부터 반응 생성물을 배기한다. 마지막으로, 리셋 행정(288)에서, 피스톤(250 및 252) 모두는 함께 움직여 배기 포트(266)를 폐색하고 흡기 포트(264)를 개방한다. 이후에 이 사이클이 반복될 수 있다.

도 11은 다른 대향 피스톤 내연기관 및 대안적인 내연기관 사이클의 개략도이다. 도시된 실시형태에서, 2개의 대향 피스톤(300 및 302)은 실린더(304) 내에 활주 가능하게 배치된다. 피스톤(300)은 자석 요소(306)을 포함하며, 이는 변환기 코일(308)에 작동 가능하게 결합된다. 피스톤(302)은 조인트(312)를 통해 크랭크샤프트(310)에 기계적으로 결합된다. 실린더는 2개의 포트(314 및 316)를 포함하며, 이는 각각 밸브(318 및 320)에 결합된다. 밸브(318 및 320)는, 대응하는 밸브(318 및 320)가 반응물 소스(322)에 연결될 때 흡기 포트로서, 또는 대응하는 밸브(318 및 320)가 배기 경로(324)에 연결될 때 배기 포트로서 포트들(314 및 316)을 기능하도록 허용하는 2개의 위치를 각각 갖는다. 반응 챔버(326)가 피스톤(300) 및 피스톤(302) 사이에 형성된다.

도시된 내연기관 사이클에서, 밸브(318 및 320)는 먼저 포트(314)가 반응물 소스(322)에 연결되고 포트(316)가 배기 경로(324)에 연결되도록 설정된다. 내연기관의 처음 4개 행정은 도 10에 도시된 바와 같은 행정들(280, 282, 284 및 286)에 대응하는 한편, 다음의 4개 행정은 행정들(280, 282, 284 및 286)의 거울상에 대응한다. 흡기 행정(350)에서, 피스톤(300)은 변환기 코일(308)에 의해 포트(314)를 개방한 채로 유지하는 제 위치에 실질적으로 유지되고, 한편 크랭크 샤프트(310)는 피스톤(302)을 피스톤(300)으로부터 멀어지도록 도출하며, 포트(316)의 폐색이 유지되는 상태에서 챔버(326) 안으로 포트(314)를 통해 반응물을 도입한다. 이어서, 압축 행정(352)에서, 피스톤(300 및 302)은 변환기 코일(308) 및 크랭크 샤프트(310) 각각에 의해 함께 움직여, 반응물을 압축하고 포트(314 및 316)를 폐색한다. 예컨대, 스파크 플러그(328)를 방전함으로써, 반응물 사이에서 반응이 개시된다. 팽창 행정(354)에서, 반응이 피스톤(300 및 302)을 떨어지도록 구동하고, 피스톤(302)의 기계적 에너지를 크랭크샤프트(310)로 전달하여 변환기 코일(308)이 피스톤(300)의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 허용한다. 피스톤(300)은 포트(314)를 개방하도록 허용되지 않으며, 한편 피스톤(302)은 포트(316)를 개방하도록 충분히 멀리 움직인다. 이어서, 배기 행정(356)에서, 변환기 코일(308)은 피스톤(300)을 피스톤(302)을 향해 구동하여 반응 생성물이 포트(316)를 통해 배기되도록 허용하고, 한편 피스톤(302)은 실질적으로 고정 위치에서 유지된다.

배기 행정(356) 이후에, 밸브(318 및 320)는 포트(314)가 배기 경로(324)에 연결되고 포트(316)가 반응물 소스(322)에 연결되도록 재설정된다. 흡기 행정(358)에서, 피스톤(302)가 포트(316)를 개방한 상태로 유지하는 위치에 유지되는 한편, 피스톤(300)은 변환기 코일(308)에 의해 다시 당겨져 포트(316)를 통해 챔버(326) 안으로 반응물을 도입한다. 이어서, 압축 행정(360)에서, 피스톤(300 및 302)은 변환기 코일(308) 및 크랭크 샤프트(310) 각각에 의해 서로를 향해 함께 움직여, 챔버(326) 내의 반응물을 압축하고 포트(314 및 316) 모두를 폐색한다. 팽창 행정(362)에서, 반응물 사이에서 화학적 반응이 일어나 피스톤(300 및 302)을 떨어지도록 구동하고, 피스톤(302)의 기계적 에너지를 크랭크샤프트(310)로 전달하여 변환기 코일(308)이 피스톤(300)의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 허용한다. 피스톤(302)은 포트(316)를 개방하도록 허용되지 않으며, 한편 피스톤(300)은 포트(314)를 개방하도록 충분히 멀리 움직인다. 이어서, 배기 행정(364)에서, 크랭크샤프트(310)는 피스톤(302)을 피스톤(300)을 향해 구동하여 반응 생성물이 포트(314)를 통해 배기되도록 허용하고, 한편 피스톤(300)은 실질적으로 고정 위치에서 유지된다. 배기 행정(364) 이후에, 밸브(318 및 320)는 포트(314)가 반응물 소스(322)에 연결되고 포트(316)가 배기 경로(324)에 연결되도록 재설정되며, 이 사이클이 반복될 수 있다.

크랭크샤프트를 포함하는, 본 명세서에 기술된 실시형태들 중 일부에서, 부착된 피스톤이 일정한 고정-길이의 행정보다 더욱 복잡한 패턴으로 움직일 수도 있다. 그러한 움직임은 일반적으로 편심 크랭크샤프트, 방향 또는 변경 속도를 전환하는 크랭크샤프트, 또는 (예컨대, 활성 재료 요소를 사용함으로써) 상대 위치를 변경하는 피스톤과 크랭크샤프트 사이의 활성 연결부와 같은 수단을 통해 달성될 수 있다. 대안적으로, 크랭크샤프트는 캠-트랙(cam-and-track) 기구 또는 스와시플레이트(swashplate) 기구와 같은 대안의 기계적 결합 장치로 대체될 수도 있고, 이들 중 일부는 하나 이상의 피스톤에서 임의로의 복잡한 움직임 패턴을 생성할 수 있다.

도면으로 묘사된 실시형태들은 실질적으로 고정형 코일을 통해 움직이는 자석, 실질적으로 고정형 코일 외측으로 움직이는 자석, 및 실질적으로 고정형 자기장을 통해 움직이는 도전체를 포함한다. 이러한 구성의 각각은 본문과 도면에서 묘사되고 기술된 바와 같은 피스톤-실린더 장치와 함께 결부되어 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 덧붙여, 당업자라면, 도전체, 자기 재료, 및 자기장의 다른 구성이 내연기관에서 기계적 에너지를 전기적 에너지로 또는 그 역으로 변환하기 위해 사용될 수 있다는 점을 알 수 있다. 예를 들면, Type I 초전도체(Type I superconducting materials)는 자기장을 방출하고(마이스너 효과), 따라서 Type I 초전도체를 움직이는 것이 변환기 코일 내 전류를 포함하는 자기 회로 내 플럭스를 변화시킬 수 있다. Type II 초전도체는 자기장을 포획(trap)하고, 따라서 변환기 내 영구자석 또는 전자석을 대신하여 사용될 수 있고, 예컨대 수동 안정(passively-stable) 자기 베어링으로서 기능하는 추가의 고유한 특성을 제공한다. 일반적으로, 에너지는 임의의 가변 자기 저항 또는 자기 인덕턴스 자기 회로에 의해 피스톤으로부터 그리고 피스톤으로 전달될 수 있다.

일부 실시형태에서, 내연기관은 영구 자석 또는 전자석을 포함한다. 어느 경우에도, 내연기관은 선택된 내연기관의 구성요소의 온도를 소망의 범위 내로 유지하도록 기능하는, 열 차단재, 절연재, 또는 다른 열 제어 장치(예컨대, 냉각 시스템)를 포함할 수 있다. 특히, 열 제어 시스템은 그 큐리 온도(Curie temperature) 이하로 자기 재료를 유지하도록 기능할 수 있다.

도면은 실린더 내 단일 또는 이중 피스톤의 수 개의 다양한 구성을 묘사한다. 일부 실시형태에서, 내연기관은 다수의 실린더를 포함할 수 있고, 이는 동일하거나 상이한 종류일 수 있다. 다양한 실린더 내의 피스톤이 독립적으로 작동할 수 있고, 또는 작동 가능하게 결합될 수 있다(예컨대, 공통 크랭크샤프트에 연결을 통해 기계적으로 결합됨). 특히, 내연기관은 결정된 실제 또는 예측 운전 조건[예컨대, 내연기관의 경사 또는 내연기관에 의해 구동되는 차량의 경사, 온도, 전류량(current draw), 속도, 가속도, 제동, 총 차량 중량과 같은 하중, 연료 조성, 내연기관 배출가스, 전력, 배출가스 제한과 같은 로컬 룰(local rules), 또는 내연기관 설정]에 응답하여, 피스톤을 작동시킬 지 여부, 및 어느 피스톤을 작동시킬 지 선택하는 제어 전자장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전력 도출량(power draw)이 상대적으로 무거울 때, 제어 전자장치는 피스톤을 보다 빈번하게 작동시키거나 더 많은 실린더를 작동시킬 수 있다. 전력 도출량이 상대적으로 가벼울 때, 제어 전자장치는 피스톤을 전혀 작동시키지 않는 것을 포함하여 보다 적은 수의 피스톤을 작동시킬 수 있다.

피스톤이 서로에 대해 결합되지 않는 실시형태에서, 그 상대적 위상을 유지하는 구성에서(예컨대, 공통 크랭크샤프트로 연결을 통해), 피스톤들은 동기식으로 또는 비동기식으로 작동될 수 있다. 피스톤 타이밍과 결부되어 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “비동기식”은 실린더가 실린더별로 상이한 구간 또는 속도 프로파일을 갖는 적어도 하나의 행정을 갖고 작동하고, 따라서 항구적인 위상 관계가 실질적으로 동시에 일어나는 피스톤 사이클 사이에서 유지되지 않는다는 점을 의미한다. 비동기식 피스톤 작동의 예시는 상이한 사이클 주파수에서 2개의 피스톤을 작동하는 것 또는 다른 것을 실질적으로 고정된 상태로 남겨놓은 상태에서 하나의 피스톤을 작동하는 것을 포함한다.

도시된 실시형태의 각각에서, 변환기(코일 또는 다른 가변 자기 저항 또는 가변 인덕턴스 회로를 포함할 수 있다)는 에너지 관리 시스템으로 연결된다. 에너지 관리 시스템은 에너지원(energy source) 및 에너지 싱크(energy sink)로서 작동하며, 팽창 행정 중에 피스톤으로부터 전력을 이끌어내고 다른 행정 중에 피스톤으로 전력을 복귀시킨다. 참조로써 본 발명에 포함되는, 예컨대, 미국 특허 제4,399,499호에는 가변 길이 또는 진폭의 전력 입력을 받아들이고 이를 변환하여 실질적으로 정전압(constant voltage)으로 공급할 수 있는 전력 변환 시스템이 기술되어 있다. 그러한 변환 시스템은 내연기관으로부터의 전력 입력을 개량하여 차량을 구동함과 같은 다른 용도를 위해 보다 유용하게 하도록 사용될 수 있다. 에너지 관리 시스템은 또한 기타 소스로부터, 예컨대 재생 제동 시스템으로부터의 전력 입력을 받아들 수 있다. 에너지 관리 시스템은 배터리 또는 [슈퍼 축전기(supercapacitor), 울트라 축전기(ultracapacitor), 또는 하이퍼 축전기(hypercapacitor)를 포함하는] 축전기와 같은 에너지 저장 장치에 전력을 저장할 수 있다. 참조로써 본 발명에 포함되는, 미국 특허 제6,590,360호는 배터리와 모터/발전기 사이에서 양방향으로 에너지를 전달하도록 구성되고 이러한 목적으로 사용될 수 있는 스위칭 회로를 기술한다. 일부 실시형태에서, 에너지 관리 시스템은 또한 워터 펌프, 오일 펌프, 연료 펌프, 팬, 또는 압축기와 같은 보조 장치에 전력을 공급할 수 있다.

일반적으로 본 명세서에서 사용된 그리고 특히 첨부된 특허청구범위에서 사용된 용어는 대체로 “열린” 용어로서 의도되는 것으로 관련 기술에 속한 자에게 이해될 것이다[예컨대, 용어 “포함하는”은 “포함하지만 이로 한정되지는 않는”으로서 해석되어야 하고, 용어 “갖는”은 “적어도 갖는”으로서 해석되어야 하고, 용어 “포함한다”는 “포함하지만 이로 한정되지 않는다”로서 해석되어야 하는 등과 같다]. 당업자라면, 만일 도입된 청구항 기재의 특정 번호가 의도된다면, 그러한 의도는 청구항 내에서 명백하게 기재되고, 그러한 기재의 부재시 그러한 의도는 존재하지 않는다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 이해를 위한 목적으로, 다음의 첨부된 특허청구범위는 청구항 기술을 도입하기 위해 “적어도 하나” 또는 “하나 이상의”와 같은 삽입어구의 활용을 포함할 수 있다. 그러나, 동일 청구항이 삽입 어구 “하나 이상의” 또는 “적어도 하나의” 및 “a” 또는 “an”과 같은 부정관사를 포함하는 경우라도, 그러한 어구의 사용은 부정관사 “a” 또는 “an”에 의한 청구항 기재의 도입이 그러한 도입된 청구항 기재가 포함된 임의의 특정 청구항이 단지 그러한 기재의 하나만을 한정하는 것을 의미하는 것으로 이해되어서는 안 된다(예컨대, “실린더”는 “적어도 하나의 실린더”를 의미하는 것으로 통상 해석되어야 한다); 동일한 것이 청구항 기재를 도입하기 위한 정관사(“the”)의 사용에 대해 참이 된다. 덧붙여, 도입된 청구항 기재의 특정 개수가 명백히 기재되어 있더라도, 당업자라면 그러한 기재가 통상적으로 적어도 기재된 개수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다(예컨대, 구체적인 기술 “2개의 실린더” 또는 다른 수식어 없는 “다수의 실린더”는 통상 적어도 2개의 실린더를 의미한다)는 점을 이해할 것이다. 덧붙여, “적어도 하나의 A, B, 및 C”, “적어도 하나의 A, B, 또는 C”, 또는 “A, B, 및 C로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나”와 같은 어구가 사용되는 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 관례적으로 이해하는 의미로 이해된다(예컨대, 이들 어구 중 임의의 것은 ‘A 단독’, ‘B 단독’, ‘C 단독’, ‘A와 B의 합’, ‘A와 C의 합’, ‘B와 C의 합’, 및/또는 ‘A, B, 및 C의 합’을 포함하고, 이로 한정되지 않는다). 발명의 상세한 설명, 특허청구범위, 또는 도면 중 어느 것에서 2개 이상의 대안적인 용어를 표현하는 실제로 임의의 분리된 단어 및/또는 어구는 용어들 중 하나, 용어들 중 어느 하나, 또는 모든 용어를 포함하는 가능성을 기대하는 것으로 이해되어야 한다는 점이 당업자에게 더 이해될 것이다. 예를 들면, 어구 “A 또는 B”는 “A” 또는 “B” 또는 “A 및 B”의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

본 명세서에서 다양한 양태 및 실시형태가 기술되어 있지만, 기타 양태 및 실시형태가 관련 기술에 숙련된 자에게 명백할 것이다. 본 명세서에 기술된 다양한 양태 및 실시형태는 다음의 특허청구범위에 의해 지시되는 참된 범위 및 사상을 설명하기 위한 목적이며, 이를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

10 피스톤 12 실린더
14, 74 샤프트 16 영구 자석
18 코일, 변환기 19 제어기
20 베어링 22 흡기 밸브
24 스파크 플러그 26 배기 밸브
32 포트 34, 78 크랭크샤프트
36 조인트 40 헬리컬 나사산
42 헬리컬 기어 44 외부 자석
46 변환기 48 기화기
60 흡기 행정 62 압축 행정
64 팽창 행정 66 배기 행정
70 블록 72 피스톤 헤드
76 스파크 플러그 80 자기 요소
82, 84 픽업 코일
110 피스톤 112 실린더
114, 116 단부 챔버 118 흡기 밸브
120 배기 밸브 122 자기 요소
124, 126, 128 변환기 코일 130 변환기
150, 156 흡기 행정
154, 170, 160, 176 팽창 행정
158 압축 행정
172, 178 배기 행정
174 흡기/압축 행정
180 압축/흡기 행정
190, 192 챔버 194 피스톤
200 흡기/배기 행정
202 압축/흡기 행정
204 팽창/압축 행정
206 배기/팽창 행정
250, 252, 300, 302 대향 피스톤
254, 304 실린더
256, 258, 306 자석 요소
260, 262, 308 변환기 코일
264 흡기 포트 266 배기 포트
268 챔버 270 반응 트리거
280 흡기 행정 282 압축 행정
284 팽창 행정 286 배기 행정
288 리셋 행정
310 크랭크샤프트 312 조인트
314, 316 포트 318, 320 밸브
322 반응물 소스 324 배기 경로
328 스파크 플러그 326 반응 챔버
350, 358 흡기 행정
352, 360 압축 행정
354, 362 팽창 행정
356, 364 배기 행정

Claims

내연기관으로서,
폐쇄 단부를 갖는 제1 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 제1 피스톤;
제1 실린더로 반응물을 도입하도록 구성된 제1 포트; 및
소정의 피스톤 사이클 내에서 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하는 제1 변환기
를 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 변환기는 팽창 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 또한 배기 행정, 흡기 행정, 및 압축 행정으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성되는 것인 내연기관.
제2항에 있어서, 제1 변환기는 배기 행정, 흡기 행정, 및 압축 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 상기 내연기관의 적어도 일 부분의 열적 이탈(thermal excursion)을 제한하도록 기능하는 열 제어기를 더 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 피스톤은 가변 자기 저항(reluctance) 회로를 통하여 자기장과 상호 작용하도록 구성되는 전기자를 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 피스톤은 가변 인덕턴스 자기 회로를 통하여 자기장과 상호 작용하도록 구성되는 전기자를 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 피스톤과 제1 실린더의 폐쇄 단부 사이에 배치된 반응물에서 화학적 반응을 개시하도록 구성되는 반응 트리거를 더 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 포트는 적어도 하나의 밸브를 포함하는 것인 내연기관.
제8항에 있어서, 회전에 의해 적어도 하나의 밸브를 개폐하도록 구성되는 캠샤프트를 더 포함하는 것인 내연기관.
제8항에 있어서, 밸브는 전자기적으로 작동되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 실린더로부터 반응 생성물이 탈출하는 것을 허용하도록 구성되는 제2 포트를 더 포함하는 것인 내연기관.
제11항에 있어서, 제1 포트는 흡기 밸브를 포함하고, 제2 포트는 배기 밸브를 포함하는 것인 내연기관.
제12항에 있어서, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 각각 소정의 피스톤 사이클 중에 선택된 시기에 개폐되도록 구성되는 것인 내연기관.
제13항에 있어서, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 밸브 타이밍을 제어하기 위해 제1 피스톤에 기계적으로 결합되는 것인 내연기관.
제13항에 있어서, 흡기 밸브 및 배기 밸브는 밸브 타이밍을 제어하기 위해 제1 피스톤에 전자적으로 결합되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 포트는 제1 실린더로부터 반응 생성물이 탈출하는 것을 허용하도록 구성되는 것인 내연기관.
제16항에 있어서, 제1 포트를 흡기 경로와의 연결에서 배기 경로와의 연결로 전환하도록 구성되는 밸브를 더 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 반응물 혼합물을 제1 포트로 전달하도록 구성되는 기화기(carburetor)를 더 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 반응물을 제1 포트를 통해 제1 실린더로 전달하도록 구성되는 분사기(injector)를 더 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 포트는 제1 실린더로 연료가 도입되도록 구성되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 포트는 제1 실린더로 산화제가 도입되도록 구성되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 실린더로 반응물이 도입되도록 구성되는 제2 포트를 더 포함하고, 제1 포트는 제1 반응물을 도입하도록 구성되고, 제2 포트는 제2 반응물을 도입하도록 구성되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 피스톤은 크랭크샤프트에 연결되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제2 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 제2 피스톤을 더 포함하는 것인 내연기관.
제24항에 있어서, 제1 피스톤 및 제2 피스톤은 비동기식 왕복 운동용으로 구성되는 것인 내연기관.
제24항에 있어서, 제1 피스톤 및 제2 피스톤은 공통 크랭크샤프트에 연결되는 것인 내연기관.
제24항에 있어서, 제1 피스톤은 제1 크랭크샤프트에 연결되고 제2 피스톤은 제2 크랭크샤프트에 연결되는 것인 내연기관.
제24항에 있어서, 화학적 반응이 단지 제1 피스톤만을 구동하는 제1 모드와 화학적 반응이 제1 피스톤 및 제2 피스톤을 구동하는 제2 모드에서 작동하도록 구성되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 실제 또는 예측 운전 조건에 응답하여 피스톤 행정의 속도 프로파일을 결정하도록 구성되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 실제 또는 예측 운전 조건에 응답하여 피스톤 행정의 길이를 결정하도록 구성되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 실제 또는 예측 운전 조건에 응답하여 압축비를 결정하도록 구성되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 변환기에 전기적으로 결합되는 에너지 관리 시스템을 더 포함하는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 피스톤이 피스톤의 이동을 회전 움직임으로 변환하는 기구에 결합되는 것인 내연기관.
제1항에 있어서, 제1 피스톤이 작용력에 응답하여 전기적 에너지를 생성하도록 구성된 활성 재료 요소에 작동 가능하게 연결되는 것인 내연기관.
제1 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤과, 제1피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하도록 구성된 제1 변환기를 포함하는 내연기관을 작동하는 방법으로서,
제1 실린더의 폐쇄 단부 안으로 반응물을 도입하는 것과;
제1 변환기에 전기적 에너지를 인가하여 폐쇄 단부를 향해 제1 실린더 내에서 제1 피스톤을 활주시키는 것과;
도입된 반응물의 화학적 반응을 일으키고 그에 따라 화학적 포텐셜 에너지를 제1 피스톤의 기계적 에너지로 변형하는 것과; 그리고
제1 변환기를 통해 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것
을 포함하는 것인 내연기관 작동 방법.
내연기관으로서,
제1 폐쇄 단부 및 제2 폐쇄 단부를 갖는 제1 실린더;
제1 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤;
제1 실린더의 제1 폐쇄 단부 가까이에 배치된 제1 포트;
제1 실린더의 제2 폐쇄 단부 가까이에 배치된 제2 포트; 및
제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하는 제1 변환기
를 포함하는 것인 내연기관.
제36항에 있어서, 제1 변환기는 팽창 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 또한 배기 행정, 흡기 행정, 및 압축 행정으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성되는 것인 내연기관.
제36항에 있어서, 제1 변환기는 다음의 행정들:
제1 피스톤이 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직이고 제1 반응물이 제1 실린더의 제1폐쇄 단부 안으로 도입되는 제1 흡기 행정;
제1 피스톤이 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직이고 제2 반응물이 제1 실린더의 제2폐쇄 단부 안으로 도입되는 제2 흡기 행정;
제1 반응물이 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부에서 압축되는 제1 압축 행정: 및
제2 반응물이 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부에서 압축되는 제2 압축 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성되고,
그리고 제1 변환기는 다음의 행정들:
제1 실린더의 제1 폐쇄 단부의 화학적 반응에 응답하여 제1 피스톤이 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직이고, 그에 따라 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부 내 반응 생성물이 적어도 부분적으로 배기되는 제1 팽창/배기 행정; 및
제1 실린더의 제2 폐쇄 단부의 화학적 반응에 응답하여 제1 피스톤이 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직이고, 그에 따라 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부 내 반응 생성물이 적어도 부분적으로 배기되는 제2 팽창/배기 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 구성되는 것인 내연기관.
제36항에 있어서, 제1 변환기는 다음의 행정들:
제1 피스톤이 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직이고 제1 반응물이 제1 실린더의 제1폐쇄 단부 안으로 도입되며, 그리고 제2 반응물이 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부에서 압축되는 제1 흡기/압축 행정;
제1 피스톤이 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직이고 제2 반응물이 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부 안으로 도입되며, 그리고 제1 반응물이 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부에서 압축되는 제2 흡기/압축 행정;
제1 피스톤이 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부를 향해 움직이고 그에 따라 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부 내 반응 생성물을 적어도 부분적으로 배기하는 제1 배기 행정; 및
제1 피스톤이 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부를 향해 움직이고 그에 따라 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부 내 반응 생성물을 적어도 부분적으로 배기하는 제2 배기 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성되고,
그리고 제1 변환기는 다음의 행정들:
제1 실린더의 제1 폐쇄 단부 내 화학적 반응에 응답하여 제1 피스톤이 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직이는 제1 팽창 행정; 및
제1 실린더의 제2 폐쇄 단부 내 화학적 반응에 응답하여 제1 피스톤이 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부로부터 멀어지도록 움직이는 제2 팽창 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하도록 구성되는 것인 내연기관.
제36항에 있어서, 제2 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 제2 피스톤을 더 포함하는 것인 내연기관.
제40항에 있어서, 내연기관은 화학적 반응이 단지 제1 피스톤만을 구동하는 제1 모드와 화학적 반응이 제1 피스톤 및 제2 피스톤을 구동하는 제2 모드에서 작동하도록 구성되는 것인 내연기관.
제1 폐쇄 단부 및 제2 폐쇄 단부를 갖는 제1 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤과,
제1피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하도록 구성된 제1 변환기
를 포함하는 내연기관을 작동하는 방법으로서,
a) 제1 실린더의 제1 폐쇄 단부 안으로 제1 양의 반응물을 도입하는 것과;
b) 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 실린더 내 제1 피스톤을 제1 폐쇄 단부를 향해 활주 시키는 것과;
c) 도입된 제1 양의 반응물을 반응시켜, 그에 따라 제2 폐쇄 단부를 향한 제1 피스톤의 움직임을 유도하는 것과;
d) 제1 피스톤이 제2 폐쇄 단부를 향해 움직일 때 제1 변환기를 통해 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것과;
e) 제1 실린더의 제2 폐쇄 단부 안으로 제2 양의 반응물을 도입하는 것과;
f) 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 실린더 내 제1 피스톤을 제2 폐쇄 단부를 향해 활주시키는 것과;
g) 도입된 제2 양의 반응물을 반응시켜, 그에 따라 제1 폐쇄 단부를 향한 제1 피스톤의 움직임을 유도하는 것과; 그리고
h) 제1 피스톤이 제1 폐쇄 단부를 향해 움직일 때 제1 변환기를 통해 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것
을 포함하는 것인 내연기관 작동 방법.
제42항에 있어서,
단계 b) 이전에 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 피스톤을 제2 폐쇄 단부를 향해 움직이는 것; 또는
단계 d) 이후 그리고 단계 f) 이전에 제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 피스톤을 제1 폐쇄 단부를 향해 움직이는 것을 더 포함하는 것인 내연기관 작동 방법.
제42항에 있어서, 제1 피스톤은 단계 b) 중보다 단계 c) 중에 더 긴 거리를 이동하는 것인 내연기관 작동 방법.
제42항에 있어서, 제1 피스톤은 단계 f) 중보다 단계 g) 중에 더 긴 거리를 이동하는 것인 내연기관 작동 방법.
내연기관으로서,
그 내부에 제1 피스톤 및 제2 피스톤이 활주 가능하게 배치되는 제1 실린더;
제1 피스톤 및 제2 피스톤 사이의 제1 실린더 안으로 반응물을 도입하도록 구성되는 제1 포트; 및
제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하는 제1 변환기를 포함하는 것인 내연기관.
제46항에 있어서, 제2피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해 제2 피스톤과 함께 작동하는 제2 변환기를 더 포함하는 것인 내연기관.
제46항에 있어서, 제1 변환기는 제2피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위해 제2 피스톤과 함께 작동하는 것인 내연기관.
제46항에 있어서, 제1 실린더로부터 반응 생성물을 배기하도록 구성되는 제2 포트를 더 포함하는 것인 내연기관.
제49항에 있어서, 제1 포트 및 제2포트는 밸브가 없는 것인 내연기관.
제46항에 있어서, 제1 변환기는 팽창 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 또한 배기 행정, 흡기 행정, 및 압축 행정으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 행정 중에 제1 피스톤을 구동하도록 구성되는 것인 내연기관.
제46항에 있어서, 제1 변환기는 팽창 행정 중에 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고, 그리고 제1 변환기는 흡기 행정, 압축 행정, 및 배기 행정 중에 제1 피스톤의 위치를 제어하도록 구성되는 것인 내연기관.
제46항에 있어서, 제2 실린더 내에 활주 가능하게 배치되는 제3 피스톤을 더 포함하는 것인 내연기관.
제1 실린더 내에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤 및 제2 피스톤과, 제1피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하기 위해 제1 피스톤과 함께 작동하도록 구성된 제1 변환기를 포함하는 내연기관을 작동하는 방법으로서,
제1 피스톤 및 제2 피스톤 사이의 제1 실린더 안으로 반응물을 도입하는 것과;
제1 변환기로 전기적 에너지를 인가하여 제1 실린더 내 제1 피스톤을 제2 피스톤을 향해 활주 시키는 것과;
반응물을 반응시켜, 그에 따라 화학적 포텐셜 에너지를 제1 피스톤 및 제2 피스톤의 기계적 에너지로 변형하는 것과; 그리고
제1 변환기를 통해 제1 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것을 포함하는 것인 내연기관 작동 방법.
제54항에 있어서, 제1 실린더로부터 반응 생성물을 배기하는 것을 더 포함하는 것인 내연기관 작동 방법.
제55항에 있어서, 반응물을 배기하는 것은 제1 피스톤 및 제2피스톤을 서로를 향해 상대 운동시키는 것을 포함하는 것인 내연기관 작동 방법.
제54항에 있어서, 제1 실린더 안으로 반응물을 도입하는 것은 제1 피스톤 및 제2 피스톤을 서로에 대해 멀어지도록 상대 운동시키는 것을 포함하는 것인 내연기관 작동 방법.
공통 크랭크샤프트에 연결된 다수의 피스톤을 갖는, 전력 생성용 내연기관을 개장하는 방법으로서,
소정의 피스톤으로 전력 변환기를 적용하는 것을 포함하고, 이때 전력 변환기는 피스톤의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 그리고 그 역으로 변환하도록 작동 가능한 것인 내연기관 개장 방법.