CN111727311B - 自适应的任意燃料的无凸轮往复式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种自适应的任意燃料往复式发动机使用高速光学传感器与实时控制回路的传感器反馈集成，来在发动机负荷和燃料的范围内自适应地管理电子驱动方案。发动机使用一个或多个光学传感器来经由光谱技术收集特定类型的气体特性数据，以自适应地控制发动机内的各种部件。

Description

自适应的任意燃料的无凸轮往复式发动机
【相关申请的交叉引用】
本申请要求2018年2月3日提交的美国临时专利申请编号62/625986的优先权和权益，此处以引用的方式将该申请全文并入。
【关于政府赞助的研究或开发的声明】
不适用
【受版权保护的材料注意事项】
根据美国和其他国家的版权法，本专利文献中的部分材料可能受版权保护。版权所有人不反对任何人传真复制专利文献或专利公开，就如在美国专利商标局公开可用的文件或记录中出现的那样，但无论怎样都在其他方面保留所有版权。因此，版权所有人不放弃其任何使该专利文献保持保密的权利，包括但不限于其依据37 C.F.R.§1.14的权利。
【技术领域】
本公开的技术总体涉及往复式发动机，更具体地涉及使用传感器反馈的自适应的任意燃料发动机(any-fuel engine)。
【背景技术】
传统的往复式发动机通常将固定的参数用于发动机功能，诸如各种发动机部件的正时、持续时间以及相位。这些固定参数导致高低发动机负荷之间的最佳进气和排气正时的折衷。
无凸轮发动机的特征是去除机械凸轮轴，从而通过控制进气和排气的提升阀(poppet valve)的电磁或液压驱动来实现可变气门正时(VVT)。由于凸轮轴通常每个气门仅具有一个凸角(lobe)，因此常规的气门驱动涉及固定的持续时间、升程以及总的轮廓循环。常规无凸轮发动机的电动气门使用燃料运行，并且几乎没有能力适应新燃料。虽然可以调节它们，但它们在没有实时反馈的情况下通常不能自适应。
【发明内容】
本说明书的一个方面是一种自适应的任意燃料往复式发动机，该往复式发动机使用高速光学传感器与实时控制回路的传感器反馈集成，来在发动机负荷和燃料的范围内自适应地管理电子驱动方案。
在一个实施方式中，利用一个或多个激光器来在微秒至毫秒内经由光谱技术(例如，吸收)收集特定类型的气体特性数据(例如，燃烧期间的温度、种类浓度等)，并且在微秒至毫秒内将信息发送至自适应控制器。自适应控制器使用该信息来在微秒至毫秒内控制(例如，修改)用于特定电子控制机械装置(例如，进气门、排气门、火花塞、燃料喷射器、用于活塞压缩的齿轮箱等)的操作的正时、相位以及持续时间。自适应控制器还使用该信息来在微秒至毫秒内控制(例如，修改)这些装置的时间特性(例如，正时、持续时间、排序、深度)。激光光谱传感器然后可以读取该修改的影响，并且向自适应控制器提供快速反馈，以连续地适应发动机输出、燃料输入、排放以及发动机负荷变化。
在另一个实施方式中，在无凸轮发动机中实施使用高速光学传感器的闭合控制反馈回路，该无凸轮发动机“自适应”于“任意燃料”，如本文所述。
在说明书的以下部分中将公布此处描述的技术的另外方面，其中，详细描述是为了完全公开本技术的优选实施方式而不对其施加限制的目的。
【附图说明】
此处描述的技术将参考仅用于例示性目的的附图来更充分地理解：
图1示出了根据本技术的实施方式的具有所识别的传感器和关键控制回路的无凸轮发动机的单缸横截面的示意图。
图2是用于操作图1的发动机的控制过程的示意流程图。
图3是示出脉冲爆震期间的温度、CO、CO2以及H2O的时间分辨(～10kHz)激光吸收测量的图。
图4是根据燃料/空气当量比和火焰温度表示的碳烟和NOx形成状况的图，其与由表示喷射/压缩循环的路径或域的线指示的普通燃烧策略重叠。
【具体实施方式】
图1详细示出了本说明书的一个实施方式，该实施方式包括自适应的任意燃料的无凸轮往复式发动机10。发动机10通常包括容纳往复式活塞32的气缸62，并且结合有为一个或多个阀22/28形式的电子可控驱动器、火花点火设备24(例如，火花塞)以及燃料喷射设备26，它们管理一个或多个功能，包括进气/排气门正时、压缩比、火花点火以及燃料喷射。在各种发动机位置，例如，气缸62内(LAS2)、进气口40上游(LAS1)和/或气缸62的排气口42下游(LAS3)，设置一个或多个传感器(例如，光学传感器，诸如激光吸收光谱(LAS)传感器34、36以及38)，以测量流体/燃料特性(例如，温度、种类)。经由控制器12提供数字或模拟控制回路，该控制器利用传感器输入数据(例如，从进气口40和LAS1接收的燃料成分和能量含量数据52、来自排气口42和LAS3的NOx、CO、UHC、H2O数据54、或来自气缸62和LAS2的温度、CO、H2O、UHC、CO2数据56)来主动地管理(例如，进气口、排气口、火花塞、燃料喷射器)的快速驱动。这种特征组合允许发动机10针对一定范围的发动机负荷和燃料或燃料混合物而实时优化。
在图1所例示的实施方式中，优选地利用一个或多个激光器(LAS1、LAS2或LAS3)来经由光谱技术(例如，吸收)收集特定类型的气体特性数据(例如，燃烧期间的温度、种类浓度等)，并且将该信息发送到自适应控制器12。该信息用于修改和传递一个或多个功能50，诸如用于特定电子控制机械装置(例如，进气阀22、排气阀28、火花塞24以及燃料喷射器26)的操作的正时、相位以及持续时间。另外，各种控制参数58可以用于控制齿轮箱以进行活塞压缩(例如，经由可变压缩机构30)。控制参数可以包括这些装置的一个或多个时间特性(例如，正时、持续时间、排序或深度)。
最后，激光光谱传感器LAS1、LAS2以及LAS3随后可以读取该修改的影响，并向控制器12提供快速反馈，以连续地适应发动机输出、燃料输入、排放以及发动机负荷变化。整个过程可以在微秒至毫秒内完成。
激光光谱传感器LAS1、LAS2以及LAS3特别实施为在恶劣的燃烧环境中执行测量，并且解决化学过程的时间尺度(毫秒至微秒)和其它流场动力学(参见图3)。这些LAS光学测量通过布置在发动机的壁中的小窗口60(优选地与传感器位置的内壁齐平安装)在现场进行，以便不干扰发动机10的燃烧力学。
在优选实施方式中，LAS1、LAS2以及LAS3包括中红外波长区域中的半导体激光器，以提供降低的成本和尺寸，从而实现可部署的模态。应当理解，图1所示的传感器LAS1、LAS2以及LAS3的特定位置仅用于例示的目的，并且可以采用任意数量的位置、传感器以及传感器类型。这些光学传感器的三个一般或优选的目标发动机位置如下定位，以提供用于控制和驱动的信息：1)上游，用于燃料成分；2)缸内，用于温度和主要种类；以及3)下游，用于排气，以便进行微量排放感测。在上游测量(例如，用LAS1)的燃料成分可以用于在燃烧之前优化燃料-空气比，以防止过富或过贫燃料的条件。缸内(例如，利用LAS2)温度和种类测量可以用于优化压缩比和排气再循环，以便防止NOx形成。排气流测量(例如，利用LAS3)可以用于识别主要的排放物，诸如一氧化碳、未燃烧的碳氢化合物以及NOx，它们可以被用于在飞行中微调其它阀正时。
控制器12优选地包括应用软件18，该应用软件存储在存储器16中并且可在处理器14上执行，用于操作和获取来自传感器的输入数据52、54以及56，处理/分析数据，然后生成一个或多个命令50、58。
虽然图1所例示的实施方式涉及无凸轮发动机构造，但是应当理解，也可以在凸轮轴发动机内的各个位置处实施一个或多个LAS传感器，以提供反馈和对一个或多个驱动器的控制(例如，火花点火、燃料喷射可变压缩等)。
图2示出了用于获取并分析传感器数据以便控制发动机10的一个或多个部件的控制方法100的示意流程图。控制方法100可以作为应用程序或软件18中的一个或多个模块内的指令或代码来实施。在步骤102处，从一个或多个传感器(例如，为吸收光谱形式的LAS1、LAS2以及LAS3)获取数据。在步骤104处，分析所获取的数据，以计算关于传感器位置处的气体特性的一个或多个参数，例如，温度、压力、燃料成分、能量含量等。这些计算可以用于通过使用数据库112中的存储值和诸如波长调制光谱或红外分子光谱的一种或多种光谱技术来识别感测位置内的种类，如以下详述。在步骤106处，将所计算的值与关于传感器位置处的一个或多个参数的目标值或阈值进行比较。如果在步骤108不满足阈值或目标，则控制器在步骤110处生成一个或多个命令信号给发动机的一个或多个部件。例如，可以将与正时、持续时间、相位等有关的命令发送到气门22/28、喷射器26或火花塞24。也可以向可变压缩机构30发送命令(例如，深度持续时间58)。在命令步骤100之后，或者如果在步骤108处满足阈值，则例程返回到感测/获取步骤102，以便验证一个或多个参数是否已经满足阈值或目标或是否已经朝向阈值或目标偏移。
通过采用上述方法，可以去除或显著改变往复式发动机的传统机械控制。诸如喷射/吸入、压缩以及点火的重复功能成为自由参数，这些自由参数可以针对不同组的化学燃料进行主动优化，这些化学燃料包括不可再生的燃料(例如，天然气、柴油、汽油)和基于可再生的燃料(例如，生物燃料、基于可再生的氨、基于可再生的甲烷)。通过采用如方法100中提供的实时反馈，可以克服显著的限制，特别是在无凸轮发动机中具有可靠的电子控制和燃料灵活性的情况下。通过集成光学感测方法，可以实施一个或多个数字控制算法(下面详述)，以在宽范围的负荷上以最大效率运行，同时基于快速反馈和实时调节使污染物形成最小化。
应当理解，图1所例示的技术显著不同于传统的往复式发动机，传统往复式发动机的特征在于由凸轮轴的物理几何形状锁定的不灵活的循环正时，这导致在操作条件/负荷的范围内的性能和排放的折衷，并且其中，存在控制火花塞正时和持续时间以及燃料喷射器正时和持续时间的有限能力。传统发动机中的机械控制的刻板和循环正时也限制了发动机可以适应涉及不同化学反应速率、能量密度以及点火阈值的不同燃料或燃料混合物的程度。相比之下，以上在图1和图2中描述的自适应数字发动机控制技术直接解决并消除了这些限制，由此，提供了一种新的媒介，通过该媒介，可再生能源转变可以通过稳定的分布式发电架构进展。利用这种独特的发动机架构，可以以实时方式优化以下操作参数中的一个或多个：可变气门正时、可变压缩比、自适应点火等。
对于具有变成自由参数的电子气门驱动、气门持续时间、升程以及定相的无凸轮架构，然后可以利用快速现场传感器反馈在所有发动机负荷上优化这些自由参数。已知几种类型的可变气门正时方案有益于发动机性能。这些方案包括根据发动机速度提前或延迟关闭进气门22和排气门28以减少泵送损失、更好地控制缸内温度(即，防止NOx形成)以及可变压缩比(VCR)。
可变压缩比(VCR)通过允许在低发动机负荷期间增大压缩比来提高燃料经济性/发动机效率(参见图3)，其中不太关注爆震。VCR可以通过气门正时和可变齿轮传动或曲轴的去除(例如，自由活塞发动机)来实现。最后，自适应点火(Al)策略允许自适应地使用火花点火和/或基于直接喷射的点火(例如，柴油)来稳定向新燃料的转变。这些驱动策略可以容易地用实时感测来优化。
对于往复式发动机，6000rpm(100Hz)的循环时间通常涉及至少几kHz的测量，以解析气缸内的流体特性瞬变。在上述驱动策略的背景下，时间分辨的缸内温度和种类数据对于快速优化是极有用的，这有助于平衡对于效率和排放减轻的竞争需要。然而，由于速度要求和恶劣的热力学环境，常规传感器不能提供这种缸内信息。因此，任意优化都将涉及发动机特征化/开发期间的反复试验基础。允许燃料成分的可变性进一步使优化的挑战复杂化，因为这种可变性引入了扩展的自由参数组，包括确定燃烧动力学的点火延迟时间和反应速率常数。
本公开的自适应的、任意燃料发动机架构的一个示例性使用情况是效率和NOx排放的微妙平衡。图4示出了氮氧化物空气污染物(以及碳烟)的形成的图。认识到温度与效率正相关，该图示出了期望压缩到峰值燃烧温度高但不能高到超过NOx形成变得显著的温度(～2200K)的程度。发动机制造商通常在初始开发阶段花费相当大的努力来设置固定参数，这些固定参数允许温度在操作期间有一些裕度，以便达到这些竞争需求(高效对低排放)的良好平衡(或优化)。不幸的是，即使在大量NOx形成的温度相当恒定时，给定燃料或燃料混合物产生固定峰值温度所需的压缩程度也不恒定。
对应地，在控制器12(例如，在步骤102处，图2)处(例如，经由LAS2)获取的缸内温度的测量可以用作结构化命令信号110(图2)中的反馈，以调节压缩比或气门正时中的一个或多个，以抑制峰值温度(即，排气再循环)。这允许适应不同的燃料和更严格的温度裕度来实现最大效率(即，燃料经济性)。
图4还突出显示了由表示喷射/压缩循环的路径或域的线指示的多个其它常见燃烧策略。因此，利用实时闭合控制环路方法100的自适应任意燃料发动机10测量一个或多个基本参数，诸如温度，以提供成功地完成这些策略的手段(例如，图2中的比较/阈值步骤106)，并且根据燃料、局部排放调节以及功率需求改变或修改策略。
用于提供温度(和种类)测量的基于激光的传感器(LAS1、LAS2以及LAS3)已经在如图4所示的恶劣、瞬态燃烧环境中演示。
详述的基于激光的诊断系统和方法优选地结合了吸收光谱法(例如，在步骤104处(图2)，借此，采用物质对电磁辐射的吸收的波长依赖性来推断在给定气体条件下特定目标种类的存在和数量。该波长依赖性是各个分子种类的量化的和唯一的内部能量状态的结果。各个分子种类具有独特的吸收光谱，该光谱可以用作识别和区分各个分子种类的唯一指纹。
比尔-郎伯-布格(Beer-Lambert-Bouguer)定律描述了分子的吸收光谱，该定律陈述了吸收信号的强度与电磁辐射和分子相互作用的路径长度成比例。比尔定律可以表述为：
Figure BDA0002613531230000081
其中，入射和透射光强度的测量量(I0和It)定义了在波长v处的光谱吸收率αv，该吸收率进一步与光谱线参数(Sj，φv)、气压(P)、光程长度(L)以及吸收种类的浓度(Xabs)的乘积有关。温度的非线性和可变波长依赖性还允许通过测量两个或更多个波长来确定温度。
红外分子光谱
在优选实施方式中，将红外分子光谱用于图2的控制方法100中的计算和比较/阈值化步骤104/106。如上所述，每个分子种类具有由分子的量化且唯一的内部能量状态产生的独特的吸收光谱。吸收光谱由与离散能量状态之间的转变对应的各个吸收线组成。光谱红外区中的吸收对应于振转能量转变。这些量化的能量状态从原子成分及其在分子内的几何排列显现出来。由此，通过确切的原因，可以区分分子本身(原子成分和几何形状)，因此可以区分它们各自的吸收光谱。两种不同分子种类的分子结构的相似性可以导致具有重叠吸收线的吸收光谱的区域。这种来自重叠线的干扰的可能性需要明智地选择用于诊断功用的吸收线。
来自数百个分子种类的吸收光谱已经在若干标准化数据库中编目，这些数据库包括：HITRAN、HITEMP、PNNL西北红外以及NIST定量红外数据库。这些数据库被用于模拟感兴趣种类的吸收光谱和潜在干扰种类的综合集合。以编程方式搜索所得的组合光谱，以寻找可用激光传感器获得的靶分子种类的强的、良好分离的吸收线。然后在实验室测试中使用合成气体混合物在受控的温度、压力和摩尔分数下实验地验证所选的线和预期的干扰。在这些受控条件下，表征线形参数(即，线位置、线强度以及光谱展宽)并将其与编目值进行比较。因此，吸收光谱传感器LAS1、LAS2以及LAS3的硬件构造的特性是所选线的特性的函数。
波长调制光谱
波长调制光谱(WMS)是另一种激光吸收技术，该技术可以用于从由传感器LAS1、LAS2以及LAS3中的一个或多个获取的数据计算一个或多个参数(在步骤104处，图2)。WMS采用调制载波和锁相放大的模拟信号处理概念，来进一步提高吸收光谱的灵敏度和噪声特性。WMS基于以下前提：主要的吸收光谱噪声源往往发生在低频，并且通过将基带吸收光谱信号移位到更高的通带频率，可以避免这些噪声源中的许多。这通过调制激光器(LAS1、LAS2以及LAS3)输出的波长和强度来实现。激光信号的调制将吸收信号的信息内容移动到调制频率的谐波。然后可以采用锁定放大器(未示出)来创建关于感兴趣的特定谐波的带通滤波器，以提取期望的信号。使用窄通带锁定放大器可以基本上抑制宽带噪声，并且通过适当地选择调制频率，可以完全避免主要的噪声频带。
这些噪声抑制特性进一步降低吸收光谱传感器的可能检测极限。信号调制所提供的额外益处是通过采用频分复用来同时共同传播多个激光器的发射的机会。该技术允许在单个气体样品内同时检测多个不同的分子种类。
还将理解，如上详述的自适应任意燃料往复式发动机10具有广泛使用的机会。例如，一些政府机构已经为电力部门设置了积极的可再生能源目标。这导致与太阳能和风力发电关联的间歇供电的增长。同时，优化电网的目标已经趋向于分布式发电，以更高效且可靠地满足局部化需求，消除传输成本并增强安全性。电力部门中的这些变化的组合已经导致了补偿处于本地电平的间歇供电的重大挑战。集中式发电(与分布式发电相反)电平的间歇性已越来越多地由可变负荷燃气涡轮机或调峰涡轮机解决。然而，与在低负荷下的运行燃气涡轮机关联的高排放以及与按比例缩小燃气涡轮机和辅助技术关联的一般困难从成本优势来看使得该技术在局部分布式发电的背景下较不具吸引力，在局部分布式发电中，灵活性(尺寸、燃料)、小规模下的低成本以及快速负荷斜升是重要的。
已经部署了多年来在电网衰落时提供本地备用电力的可靠解决方案是往复式发动机。用于备用电力的往复式发动机历史上是与不期望的排放曲线和很少的燃料灵活性关联的柴油循环。
如本文所述的自适应的任意燃料的无凸轮往复式发动机提出了一种使用往复式发动机来发电的新方法，该方法利用了其固有的强度来在局部水平下管理电网稳定性，并且提供朝向满足宏伟的可再生能源目标的途径。下面进一步详述用于发电的商业优势和潜在应用/客户。
1.自适应的任意燃料往复式发动机可以允许在低发动机负荷下提高热效率，这减少燃料消耗，由此降低发电的净成本。
2.即时激光信息数字输出和自适应控制的使用提高了发动机的可靠性，并且允许更高效且有效的预防性系统维护。
3.自适应的任意燃料往复式发动机允许恒定、快速地监测发动机排放，这提供了新的减轻策略和通过捕获所有负荷条件下的排放动态来建立新的规定排放阈值的能力。
4.连续激光信息数字输出的使用减少了与强制执行发射规定有关的监管负担。
5.自适应的任意燃料往复式发动机允许同一发动机将多种气体燃料和/或多种液体燃料用于包括基本负荷功率、备用功率和/或峰值功率的发电功能的全部范围。
6.自适应的任意燃料往复式发动机可以同时附接到一个或多个气体燃料源和一个或多个液体燃料源，这允许发动机系统在发电功能(例如基本负荷、后备/备用以及峰值)之间快速切换。
7.自适应的任意燃料往复式发动机可以针对以下目标市场定制：
(a)备用发电机
(i)目前，附接到设施的电气系统的现有备用发电机组主要使用压缩喷射点火发动机(即，柴油)。这些后备/备用发电机通常在存在来自公用电网的电力损失时使用。
(ii)自适应的任意燃料往复式发动机可以允许安装有备用发电系统的任意设施用本说明书的任意燃料往复式发动机改装和/或换出其现有的压缩发动机，并且允许新发动机生成至设施的基本负荷电力和至公用电网的峰值功率，同时仍起到向设施提供后备/备用电力的作用。
(iii)将现有发电机组的功能扩展到基本负荷和峰值功率具有以下潜力：降低设施的基本负荷功率的成本(在使用发电机组自发电的成本小于从电网购买的电力的成本的情况下)，而且当公用设施需要其电网的额外电力供应来满足需求时，通过在高峰时段期间向公用设施出售电力来为设施生成收入。
(iv)备用发电的市场是巨大的、全球的和多样的。它包括以下部门：商业、工业和零售企业、医院、采矿和能量提取活动、数据中心。
(b)基本负荷生成市场
自适应的任意燃料往复式发动机特别适合于工业、商业和机构部门，其中，自发电与从电网购买的电力的成本相比可以降低电力的成本和/或降低与当日时间电网定价关联的电力成本的不确定性。
(c)公用设施
采用本说明书的自适应的任意燃料往复式发动机的发电机组的成功扩散具有创建区域分布式发电基础设施的潜力，这可以向公用设施提供多个益处，包括：减少电网上的应力，从而增加公用电网寿命；从DG位置向具有高需求的本地电网提供本地电力，从而通过减少传输线损耗来提高发电效率；激励可再生气体或液体燃料的使用，这允许公用设施满足可再生能源组合需求。
(d)移动发动机市场
自适应的任意燃料的无凸轮往复式发动机在发电机组市场中的成功扩散可以容易地转移到用于运输应用(包括轿车、卡车、公共汽车、轮船、直升机、飞机等)和越野车辆(包括拖拉机、推土机、起重机等)的移动发动机市场。
(e)政策制定者
(i)任意燃料往复式发动机具有以下能力：降低工业、商业以及机构用户的电力成本，从而降低这种用户将他们的设施移动到电力成本较低的位置的机会。
(ii)任意燃料往复式发动机具有以下能力：通过在任意燃料往复式发动机发电机组中使用可再生燃料和/或稳定区域的电网，来增加满足可再生能源任务的可能性，这允许对来自诸如风、太阳能、水力、地热以及潮汐的间歇电源的总电力供应的更大份额。
(iii)任意燃料的无凸轮往复式发动机具有减少用于固定动力和移动应用的排放的能力。
此处可以参考根据本技术的实施方式的方法和系统的流程图图示和/或也可以被实施为计算机程序产品的规程、算法、步骤、运算、公式或其他计算描述来描述本技术的实施方式。在这点上，流程图的各个方框或步骤和流程图中的方框(和/或步骤)的组合、以及任何规程、算法、步骤、运算、公式或计算描述，都可以通过各种装置来实施，诸如包括以计算机可读程序代码具体实施的一个或多个计算机程序指令的硬件、固件和/或软件。如将理解的，任何这种计算机程序指令可以由一个或多个计算机处理器执行，包括但不限于通用计算机或专用计算机或产生机器的其他可编程处理设备，使得在计算机处理器或其他可编程处理设备上执行的计算机程序指令创建用于实施指定功能的装置。
因此，此处描述的流程图的方框、以及规程、算法、步骤、运算、公式或计算描述支持用于执行指定功能的装置的组合、用于执行指定功能的步骤的组合以及用于执行指定功能的计算机程序指令(诸如具体实施在计算机可读程序代码逻辑装置中)。还将理解，流程图图示的各个方框以及此处描述的任何规程、算法、步骤、运算、公式或计算描述及其组合，可以通过执行指定功能或步骤的基于专用硬件的计算机系统、或专用硬件和计算机可读程序代码的组合来实施。
此外，这些计算机程序指令(诸如具体实施在计算机可读程序代码中)还可以被存储在一个或多个计算机可读存储器或存储装置中，该存储器或存储装置可以引导计算机处理器或其他可编程处理设备以特定方式来起作用，使得在计算机可读存储器或存储装置中存储的指令产生制品，该制品包括实施在流程图的方框中指定的功能的指令装置。计算机程序指令还可以由计算机处理器或其他可编程处理设备来执行，以使得在计算机处理器或其他可编程处理设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实施的处理，使得在计算机处理器或其他可编程处理设备上执行的指令提供用于实施在流程图的方框、规程、算法、步骤、运算、公式或计算描述中指定的功能的步骤。
还将理解，如此处使用的术语“编程”或“可执行程序”是指可以由一个或多个计算机处理器执行来执行如此处描述的一个或多个功能的一个或多个指令。指令可以在软件、固件或软件和固件的组合中来具体实施。指令可以存储在永久介质中的装置本地，或者可以远程存储，诸如存储在服务器上，或者全部或部分指令可以本地和远程存储。远程存储的指令可以通过用户发起或基于一个或多个因素自动下载(推送)到装置。
还将理解，如此处使用的，术语处理器、硬件处理器、计算机处理器、中央处理单元(CPU)以及计算机被同义地用来表示能够执行指令并与输入/输出接口和/或外围装置进行通信的装置，并且术语处理器、硬件处理器、计算机处理器、CPU以及计算机旨在包含单个或多个装置、单核和多核装置及其变体。
根据此处的描述，将理解，本公开包含多个实施方式，这些实施方式包括但不限于以下实施方式：
1.一种自适应的无凸轮往复式发动机，发动机包括：气缸，该气缸容纳往复式活塞；气门，该气门联接到气缸；至少一个电子可控驱动器，该驱动器联接到气门，驱动器被配置为控制气门的操作；一个或多个光学传感器，所述光学传感器布置在气缸处或附近，并且被配置为获取气缸内的或气缸上游或下游的位置处的光学数据；以及控制器，该控制器在闭合控制回路中联接到一个或多个光学传感器和电子可控驱动器；其中，控制器被配置为从一个或多个光学传感器接收数据并且处理所述数据，以根据从所获取的光学数据计算的一个或多个参数来主动管理电子可控驱动器的驱动。
2.根据任意前述或下述实施方式的发动机，还包括：多个电子可控驱动器，这些电子可控驱动器联接到控制器和一个或多个对应的发动机部件；其中，发动机部件选自由进气门、排气门、火花塞、燃料喷射器以及可变压缩机构构成的组；并且其中，控制器被配置为管理选自由气缸进气门/排气门正时、压缩比、火花点火以及燃料喷射构成的组的一个或多个参数。
3.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，一个或多个光学传感器布置在用于测量包括气缸、气缸的进气口或气缸的排气口中的一个或多个的腔内的流体特性的位置处。
4.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述流体特性包括腔内的温度或种类识别中的一个或多个。
5.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述流体特性包括腔内的燃料消耗、燃料能量含量、排气成分、气缸燃烧温度或气缸燃烧成分中的一个或多个。
6.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，控制器被配置为管理用于驱动一个或多个部件的正时、持续时间或相位参数中的一个或多个。
7.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述光学传感器包括激光吸收光谱传感器。
8.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述控制器还被配置为管理选自由发动机输出、燃料输入、排放以及发动机负荷变化构成的组的参数。
9.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，一个或多个光学传感器包括：第一光学传感器，该第一光学传感器定位在气缸的进气口内的位置处，以测量进气口内的一个或多个流体参数；第二光学传感器，该第二光学传感器被定位为测量气缸内的位置处的一个或多个流体参数；以及第三光学传感器，该第三光学传感器定位在气缸的排气口内的位置处，以测量排气口内的一个或多个流体参数。
10.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，控制器被配置为计算包括燃料成分或燃料能量含量的进气口内的一个或多个流体参数、包括温度、CO、CO2、H2O或UHC的气缸内的一个或多个流体参数、以及包括NOx、CO、UHC或CO2的排气口内的一个或多个流体参数。
11.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，至少一个电子可控驱动器包括一对电子可控驱动器，该对电子可控驱动器被配置为分别控制进气门和排气门。
12.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，发动机适于多种不同的燃料类型。
13.一种自适应的无凸轮往复式发动机，发动机包括：(a)气缸，该气缸容纳往复式活塞；(b)气门，该气门联接到气缸；(c)至少一个电子可控驱动器，该驱动器联接到气门，驱动器被配置为控制气门的操作；(d)一个或多个光学传感器，这些光学传感器布置在气缸处或附近，并且被配置为获取气缸内的或气缸上游或下游的位置处的光学数据；(e)处理器，该处理器联接到一个或多个光学传感器和电子可控驱动器；以及(f)非暂时性存储器，该存储器存储可由处理器执行的指令；(g)其中，所述指令在由处理器执行时，执行一个或多个步骤，这些步骤包括：(i)从一个或多个光学传感器接收数据；(ii)计算一个或多个参数；以及(ii)发送一个或多个控制信号，以根据一个或多个计算的参数主动管理电子可控驱动器的驱动。
14.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述指令在由处理器执行时，还执行一个或多个步骤，这些步骤包括：将所计算的参数与阈值进行比较；以及基于所计算的参数与阈值的比较来生成一个或多个命令；其中，从光学传感器连续地接收数据，以在处理器、一个或多个光学传感器以及电子可控驱动器之间形成反馈回路。
15.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，一个或多个参数使用包括红外分子光谱或波长调制光谱的一种或多种技术来计算。
16.根据任意前述或下述实施方式的发动机，还包括：多个电子可控驱动器，这些驱动器联接到控制器和一个或多个对应的发动机部件，部件选自由进气门、排气门、火花塞、燃料喷射器以及可变压缩机构构成的组；其中，控制器被配置为管理选自由气缸进气门/排气门正时、压缩比、火花点火以及燃料喷射构成的组的一个或多个参数。
17.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，一个或多个光学传感器布置在定位为测量包括气缸、气缸的进气口或气缸的排气口中的一个或多个的腔内的流体特性的位置处。
18.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述流体特性包括腔内的温度或种类识别中的一个或多个。
19.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述流体特性包括腔内的燃料消耗、燃料能量含量、排气成分、气缸燃烧温度或气缸燃烧成分中的一个或多个。
20.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述指令在由处理器执行时，还执行一个或多个步骤，这些步骤包括：管理用于驱动一个或多个部件的正时、持续时间或相位参数中的一个或多个。
21.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述光学传感器包括激光吸收光谱传感器。
22.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述指令在由处理器执行时，还执行一个或多个步骤，这些步骤包括：计算选自由发动机输出、燃料输入、排放以及发动机负荷变化构成的组的参数。
23.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，一个或多个光学传感器包括：第一光学传感器，该第一光学传感器定位在气缸的进气口内的位置处，以测量进气口内的一个或多个流体参数；第二光学传感器，该第二光学传感器被定位为测量气缸内的位置处的一个或多个流体参数；以及第三光学传感器，该第三光学传感器定位在气缸的排气口内的位置处，以测量排气口内的一个或多个流体参数。
24.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，所述指令在由处理器执行时，还执行一个或多个步骤，这些步骤包括：计算包括燃料成分或燃料能量含量的进气口内的一个或多个流体参数、包括温度、CO、CO2、H2O或UHC的气缸内的一个或多个流体参数、以及包括NOx、CO、UHC或CO2的排气口内的一个或多个流体参数。
25.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，至少一个电子可控驱动器包括一对电子可控驱动器，该对电子可控驱动器被配置为分别控制进气阀和排气阀。
26.根据任意前述或下述实施方式的发动机，其中，发动机适于多种不同的燃料类型。
27.在一种无凸轮往复式发动机中，改进包括：(a)多个电子可控驱动器，这些驱动器被配置为管理选自由气缸进气门/排气门正时、压缩比、火花点火以及燃料喷射构成的组的一个或多个参数；(b)多个光学传感器，其中，一个所述传感器定位在气缸内，一个所述传感器定位在气缸的上游(进气口)，并且一个所述传感器定位在气缸的下游(排气口)，并且其中，所述传感器测量流体特性；以及(c)数字或模拟控制器电路，该控制器电路被配置在闭合控制回路中，其中，控制器电路从光学传感器接收数据并处理所述数据，以主动管理发动机部件的驱动，这些发动机部件选自由进气门、排气门、火花塞、燃料喷射器以及可变压缩机构构成的组。
28.根据任意前述或下述实施方式的改进发动机，其中，所述流体特性选自由燃料消耗、燃料能量含量、排气成分、气缸燃烧温度以及气缸燃烧成分构成的特性组。
29.根据任意前述或下述实施方式的改进发动机，其中，所述控制器电路管理用于驱动进气门、排气门、火花以及燃料喷射的正时、持续时间以及相位参数。
30.根据任意前述或下述实施方式的改进发动机，其中，所述光学传感器是激光器。
31.根据任意前述或下述实施方式的改进发动机，其中，所述控制器适应于选自由发动机输出、燃料输入、排放以及发动机负荷变化构成的组的参数。
32.根据任意前述或下述实施方式的改进发动机：(a)其中，定位在进气口中的所述传感器测量选自由燃料成分和燃料能含量构成的组的一个或多个流体参数；(b)其中，定位在气缸内的所述传感器测量选自由温度、CO、CO2、H2O以及UHC构成的组的一个或多个流体参数；以及(c)其中，定位在排气口中的所述传感器测量选自由NOx、CO、UHC以及CO2构成的组的一个或多个流体参数。
33.一种包括图1所示架构的任意燃料的自适应无凸轮往复式发动机构造。
如此处使用的，单数形式“一”、“一个”可以包括复数参考，除非上下文另外清楚指示。对单数形式的对象的参考不旨在意指“一个且仅一个”，除非明确地这样陈述，相反意指“一个或多个”。
如此处使用的，术语“集合”是指一个或多个对象的集合。由此，例如，对象的集合可以包括单个对象或多个对象。
如此处使用的，术语“大致”和“大约”用于描述和说明小变化。当与事件或情况结合使用时，这些术语可以指事件或情况精确发生的情况以及事件或情况非常接近的发生的情况。当与数值结合使用时，这些术语可以指小于或等于该数值的±10％的变化范围，诸如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或小于或等于±0.05％。例如，“大致”对齐可以指小于或等于±10°的角度变化范围，诸如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或小于或等于0.05°。
另外，数量、比率以及其他数值在此处有时可以以范围格式呈现。应理解，这种范围格式是为了方便和简洁而使用，并且应该灵活地理解为包括明确指定为范围限制的数值，但也包括该范围内包含的所有单独数值或子范围，就好像每个数值和子范围被明确指定。例如，在大约1到大约200范围内的比率应被理解为包括明确列举的大约1和大约200的极限，但也包括单独的比率(诸如大约2、大约3以及大约4)以及子范围(诸如大约10到大约50、大约20大约100等)。
虽然此处的描述包含许多细节，但这些细节不应被解释为限制本公开的范围，而仅仅是提供一些当前优选实施方式的图示。因此，将理解，本公开的范围完全包含对于本领域技术人员可以变得明显的其他实施方式。
为本领域普通技术人员所知的所公开实施方式的元件的所有结构和功能等同物在此处以引证的方式明确并入且旨在由当前权利要求包含。此外，不管本公开中的元件、部件或方法步骤是否在权利要求中明确列举，该元件、部件或方法步骤都不旨在专用于公众。此处没有权利要求的元素要被解释为“装置加功能”元素，除非元素使用短于“用于……的装置”来明确列举。此处没有权利要求的元素要被解释为“步骤加功能”元素，除非元素使用短于“用于……的步骤”来明确列举。

Claims (28)

1.一种自适应的无凸轮往复式发动机，所述发动机包括：
气缸，该气缸容纳往复式活塞；
气门，该气门联接到所述气缸；
至少一个电子可控驱动器，所述驱动器联接到所述气门，所述驱动器被配置为控制所述气门的操作；
多个光学传感器，所述光学传感器布置在所述气缸处或附近，并且被配置为获取所述气缸内的或所述气缸上游或下游的位置处的光学数据；
其中，所述光学传感器包括：
第一光学传感器，所述第一光学传感器定位在所述气缸的进气口内的位置处，以测量所述进气口内的一个或多个流体参数；
第二光学传感器，所述第二光学传感器被定位为测量所述气缸内的位置处的一个或多个流体参数；以及
第三光学传感器，所述第三光学传感器定位在所述气缸的排气口内的位置处，以测量所述排气口内的一个或多个流体参数；以及
控制器，该控制器在闭合控制回路中联接到所述一个或多个光学传感器和电子可控驱动器；
其中，所述控制器被配置为从所述一个或多个光学传感器接收数据并且处理所述数据，以根据从所获取的所述光学数据计算的一个或多个参数来主动管理所述电子可控驱动器的驱动；以及
其中，所述控制器被配置为计算包括燃料成分或燃料能量含量的所述进气口内的一个或多个流体参数、包括温度、CO、CO2、H2O或UHC的所述气缸内的一个或多个流体参数、以及包括NOx、CO、UHC或CO2的所述排气口内的一个或多个流体参数。
2.根据权利要求1所述的发动机，还包括：
多个电子可控驱动器，所述多个电子可控驱动器联接到所述控制器和一个或多个对应的发动机部件；
其中，所述发动机部件选自由进气门、排气门、火花塞、燃料喷射器以及可变压缩机构构成的组；并且
其中，所述控制器被配置为管理选自由气缸进气门/排气门正时、压缩比、火花点火以及燃料喷射构成的组的一个或多个参数。
3.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述一个或多个光学传感器布置在用于测量包括所述气缸、所述气缸的进气口或所述气缸的排气口中的一个或多个的腔内的流体特性的位置处。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述流体特性包括所述腔内的温度或种类识别中的一个或多个。
5.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述流体特性包括所述腔内的燃料成分、燃料能量含量、排气成分、气缸燃烧温度或气缸燃烧成分中的一个或多个。
6.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述控制器被配置为管理用于驱动所述一个或多个部件的正时、持续时间或相位参数中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述多个光学传感器包括激光吸收光谱传感器。
8.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述控制器还被配置为管理选自由发动机输出、燃料输入、排放以及发动机负荷变化构成的组的参数。
9.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述至少一个电子可控驱动器包括一对电子可控驱动器，该对电子可控驱动器被配置为分别控制进气门和排气门。
10.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述发动机适于多种不同的燃料类型。
11.一种自适应的无凸轮往复式发动机，所述发动机包括：
（a）气缸，该气缸容纳往复式活塞；
（b）气门，该气门联接到所述气缸；
（c）至少一个电子可控驱动器，该至少一个电子可控驱动器联接到所述气门，所述驱动器被配置为控制所述气门的操作；
（d）多个光学传感器，所述光学传感器布置在所述气缸处或附近，并且被配置为获取所述气缸内的或所述气缸上游或下游的位置处的光学数据；
（e）其中，所述光学传感器包括：
第一光学传感器，所述第一光学传感器定位在所述气缸的进气口内的位置处，以测量所述进气口内的一个或多个流体参数；
第二光学传感器，所述第二光学传感器被定位为测量所述气缸内的位置处的一个或多个流体参数；以及
第三光学传感器，所述第三光学传感器定位在所述气缸的排气口内的位置处，以测量所述排气口内的一个或多个流体参数；
（f）处理器，该处理器联接到所述光学传感器和所述至少一个电子可控驱动器；以及
（g）非暂时性存储器，该存储器存储可由所述处理器执行的指令；
（h）其中，所述指令在由所述处理器执行时，执行一个或多个步骤，这些步骤包括：
（i）从所述一个或多个光学传感器接收数据；
（ii）计算一个或多个参数；以及
（iii）发送一个或多个控制信号，以根据所述一个或多个计算的参数主动管理所述至少一个电子可控驱动器的驱动；以及
（iv）计算包括燃料成分或燃料能量含量的所述进气口内的一个或多个流体参数、包括温度、CO、CO2、H2O或UHC的所述气缸内的一个或多个流体参数、以及包括NOx、CO、UHC或CO2的所述排气口内的一个或多个流体参数。
12.根据权利要求11所述的发动机，其中，所述指令在由所述处理器执行时，执行一个或多个步骤，这些步骤包括：
将所述计算的参数与阈值进行比较；以及
基于所述计算的参数与所述阈值的比较来生成一个或多个命令；
其中，从所述光学传感器连续地接收数据，以在所述处理器、一个或多个光学传感器以及电子可控驱动器之间形成反馈回路。
13.根据权利要求12所述的发动机，其中，所述一个或多个参数使用包括红外分子光谱或波长调制光谱的一种或多种技术来计算。
14.根据权利要求11所述的发动机，还包括：
多个电子可控驱动器，所述驱动器联接到所述处理器和一个或多个对应的发动机部件，所述部件选自由进气门、排气门、火花塞、燃料喷射器以及可变压缩机构构成的组；
其中，所述处理器被配置为管理选自由气缸进气门/排气门正时、压缩比、火花点火以及燃料喷射构成的组的一个或多个参数。
15.根据权利要求11所述的发动机，其中，所述一个或多个光学传感器布置在定位为测量包括所述气缸、所述气缸的进气口或所述气缸的排气口中的一个或多个的腔内的流体特性的位置处。
16.根据权利要求15所述的发动机，其中，所述流体特性包括所述腔内的温度或种类识别中的一个或多个。
17.根据权利要求15所述的发动机，其中，所述流体特性包括所述腔内的燃料成分、燃料能量含量、排气成分、气缸燃烧温度或气缸燃烧成分中的一个或多个。
18.根据权利要求14所述的发动机，其中，所述指令在由所述处理器执行时，执行一个或多个步骤，这些步骤包括：
管理用于驱动所述一个或多个部件的正时、持续时间或相位参数中的一个或多个。
19.根据权利要求11所述的发动机，其中，所述多个光学传感器包括激光吸收光谱传感器。
20.根据权利要求11所述的发动机，其中，所述指令在由所述处理器执行时，执行一个或多个步骤，这些步骤包括：
计算选自由发动机输出、燃料输入、排放以及发动机负荷变化构成的组的参数。
21.根据权利要求11所述的发动机，其中，所述至少一个电子可控驱动器包括一对电子可控驱动器，该对电子可控驱动器被配置为分别控制进气阀和排气阀。
22.根据权利要求11所述的发动机，其中，所述发动机适于多种不同的燃料类型。
23.一种无凸轮往复式发动机，包括：
（a）多个电子可控驱动器，这些驱动器被配置为管理选自由气缸进气门/排气门正时、压缩比、火花点火以及燃料喷射构成的组的一个或多个参数；
（b）多个光学传感器，其中，所述多个光学传感器中的一个所述传感器定位在气缸内，所述多个光学传感器中的一个所述传感器定位在所述气缸的上游，并且所述多个光学传感器中的一个所述传感器定位在所述气缸的下游，并且其中，所述多个光学传感器测量流体特性；以及
（c）数字或模拟控制器电路，该控制器电路被配置在闭合控制回路中，其中，所述控制器电路从所述光学传感器接收数据并处理所述数据，以主动管理发动机部件的驱动，这些发动机部件选自由进气门、排气门、火花塞、燃料喷射器以及可变压缩机构构成的组；
（d）其中，定位在所述气缸的进气口中的所述传感器测量选自由燃料成分和燃料能含量构成的组的一个或多个流体参数；
（e）其中，定位在气缸内的所述传感器测量选自由温度、CO、CO2、H2O以及UHC构成的组的一个或多个流体参数；以及
（f）其中，定位在所述气缸的排气口中的所述传感器测量选自由NOx、CO、UHC以及CO2构成的组的一个或多个流体参数。
24.根据权利要求23所述的无凸轮往复式发动机，其中，所述流体特性选自由燃料成分、燃料能量含量、排气成分、气缸燃烧温度以及气缸燃烧成分构成的特性组。
25.根据权利要求23所述的无凸轮往复式发动机，其中，所述控制器电路管理用于驱动进气门、排气门、火花以及燃料喷射的正时、持续时间以及相位参数。
26.根据权利要求23所述的无凸轮往复式发动机，其中，所述多个光学传感器是激光器。
27.根据权利要求23所述的无凸轮往复式发动机，其中，所述控制器适应于选自由发动机输出、燃料输入、排放以及发动机负荷变化构成的组的参数。
28.一种产生能量的方法，所述方法包括：
（a）提供一种自适应的无凸轮往复式发动机，所述发动机包括：
（i）气缸，该气缸容纳往复式活塞；
（ii）气门，该气门联接到所述气缸；
（iii）至少一个电子可控驱动器，所述驱动器联接到所述气门，所述驱动器被配置为控制所述气门的操作；
（iv）多个光学传感器，所述光学传感器布置在所述气缸处或附近，并且被配置为获取所述气缸内的或所述气缸上游或下游的位置处的光学数据；
其中，所述光学传感器包括：
第一光学传感器，所述第一光学传感器定位在所述气缸的进气口内的位置处，以测量所述进气口内的一个或多个流体参数；
第二光学传感器，所述第二光学传感器被定位为测量所述气缸内的位置处的一个或多个流体参数；以及
第三光学传感器，所述第三光学传感器定位在所述气缸的排气口内的位置处，以测量所述排气口内的一个或多个流体参数；以及
（v）控制器，该控制器在闭合控制回路中联接到所述一个或多个光学传感器和电子可控驱动器；
（vi）其中，所述控制器被配置为从所述一个或多个光学传感器接收数据并且处理所述数据，以根据从所获取的所述光学数据计算的一个或多个参数来主动管理所述电子可控驱动器的驱动；以及
其中，所述控制器被配置为计算包括燃料成分或燃料能量含量的所述进气口内的一个或多个流体参数、包括温度、CO、CO2、H2O或UHC的所述气缸内的一个或多个流体参数、以及包括NOx、CO、UHC或CO2的所述排气口内的一个或多个流体参数；
（b）运行所述发动机；和
（c）利用运行所述发动机产生的能量来发电。
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