CN114430791A - 自由活塞发动机控制 - Google Patents

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Abstract

一种系统确定发动机(10)的气缸(12)中的参考点处的活塞(50)的位置、速度或移动方向。可以基于此来控制该系统。发动机(10)是线性往复式发动机，例如对置活塞发动机。该系统包括设置在连接到发动机(10)的基座(30)上的第一传感器(130)。第一传感器(130)响应于联接到活塞(50)的部件处于第一传感器(130)的区域中而产生信号。第二传感器(140)响应于联接到活塞(50)的部件与第二传感器(140)的相互作用而产生信号。该系统包括能量转换器(20),该能量转换器被配置成将发动机的运动转换成电力。

Description

自由活塞发动机控制
技术领域
本公开涉及内燃机领域，并且可以更具体地涉及具有在线性路径中往复运动的自由活塞的内燃机领域。
背景技术
内燃机是众所周知的。例如，一些发动机构造包括单缸或多缸活塞发动机、对置活塞发动机和旋转发动机。最常见类型的活塞式发动机是二冲程发动机和四冲程发动机。这些类型的发动机包括相对大量的部件，并且需要大量的辅助系统，例如润滑系统、冷却系统、进气和排气阀控制系统等，以便正常运行。
可以基于发动机的操作状态来控制发动机，例如发动机在冲程中有多远。控制发动机可以包括在包括发动机的系统中定位活塞或其他部件。发动机可以设置有传感器，该传感器被构造成确定与操作状态相关的各种参数。从传感器获得的信息可用于识别操作状态，然后控制发动机。例如，当确定活塞处于特定位置时，可以触发发动机气缸中的点火。还可以响应于传感器输出执行其他操作，例如调整辅助系统的操作参数。
自由活塞发动机可以用作动力生成源，因为它不受曲轴的限制，并且可以简化设计的某些方面。自由活塞发动机还可以允许增强点火正时的灵活性，并且可以非常适合于通过联接到能量转换装置来产生电力。
然而，因为自由活塞发动机不受曲轴的约束，所以活塞在给正时间在气缸内的位置可能难以确定。例如，自由活塞发动机可能缺少曲柄角传感器。合适的点火正时可能难以确定，因为活塞的位置是未知的，因此，进气、压缩、燃烧或排气的阶段可能不是精确已知的。由于复杂性、高成本和包装限制，被构造为通过例如光学观察连接到活塞的活塞杆的位置来确定活塞位置的传感器可能面临限制。此外，被构造为使用磁性来确定物体位置的传感器可能需要强磁体来产生大磁场，并且其精度可能受到外部磁场或电场的影响。用于确定运动系统参数的光学或磁性编码器可能是已知的，然而，这种编码器具有缺点，例如当应用于发动机时的上述缺点。
此外，在某些情况下，随着活塞改变方向，发动机振荡质量块的能量可能被浪费。例如，在自由活塞发动机中，在活塞能够消耗其在冲程期间沿一个方向行进的所有动能之前，燃烧可能在气缸中发生。在运动的活塞改变方向之前捕获它的所有动能将是有利的。期望对用于控制发动机的系统和方法进行各种改进。
发明内容
一些实施例可涉及内燃机，例如线性往复式发动机或对置活塞发动机。一种用于确定活塞在发动机中的位置的系统可以包括：传感器，该传感器被构造为确定活塞是在气缸的第一区域中还是在气缸的第二区域中；以及控制器，该控制器被构造为基于传感器输出的变化来确定活塞在发动机中的移动方向。该系统可基于传感器输出的变化确定将燃料喷射到气缸的第一区域中或气缸的第二区域中。
在一些实施例中，可以提供一种用于控制发动机(例如线性往复式发动机或对置活塞发动机)的方法。该方法可以包括确定发动机中的活塞是在气缸的第一区域中还是在气缸的第二区域中。该方法可以包括基于活塞处于气缸的第一区域和气缸的第二区域之间的变化来确定活塞的移动方向。该方法可以使用第一传感器，该第一传感器被构造成确定活塞是在气缸的第一半部还是第二半部。控制发动机可以包括将活塞移动到气缸中的特定位置，或者喷射燃料。
从以下结合附图的描述中，本发明的示例性优点和效果将变得显而易见，在附图中，通过说明和示例的方式阐述了某些实施例。这里描述的示例只是本公开的几个示例性方面。应该理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和解释性的，而不是对本发明的限制。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的发电系统的透视图；
图2是根据本公开的实施例的发电系统的示意图；
图3是根据本公开的实施例的自由活塞发动机的透视图；
图4是根据本公开的实施例的图3的发动机的透视局部截面图，其中活塞位于气缸右侧的第一终点；
图5是根据本公开的实施例的发动机的另一实施例的透视局部截面图；
图6是根据本公开的实施例的图1的发电系统的透视局部截面图；
图7A和图7B是根据本公开的实施例的图1的发电系统的基座的详细视图；
图7C-E是根据本公开的实施例的传感器的示例性结构的视图；
图8A-8C是根据本公开的实施例的图1的发电系统的示意性剖视图，其中活塞处于气缸中的不同位置；
图9是表示根据本公开的实施例的发电系统在第一操作模式下的运行状况的图表；
图10A和图10B是根据本公开的实施例的在第一操作模式下操作的发电系统的齿条的示意图；
图10C是表示根据本公开的实施例的发电系统在第一操作模式下的操作方面的表格；
图10D是表示根据本公开的实施例的第一操作模式的流程图；
图10E是表示根据本公开的实施例的第一操作模式的流程图；
图11是表示根据本公开的实施例的发电系统在第二操作模式下的运行状况的图表；
图12A-12D是根据本公开的实施例的在第二操作模式下操作的发电系统的示意图；
图12E是表示根据本公开的实施例的发电系统在第二操作模式下的操作方面的表格；
图12F是表示根据本公开的实施例的第二操作模式的流程图；
图13是表示根据本公开的实施例的发电系统在第三操作模式下的运行状况的图表；
图14A-14D是根据本公开的实施例的在第三操作模式下操作的发电系统的示意图；
图14E是表示根据本公开的实施例的发电系统在第三操作模式下的操作方面的表格；
图14F是表示根据本公开的实施例的第一操作模式的流程图；
图15是根据本公开的实施例的使用可变阻力的发电系统的示意图；
图16是表示根据本公开的实施例的发电系统的传感器的信息处理的视图；
图17是根据本公开的实施例的发电系统的局部剖面图，示出了可用于自燃操作模式的气缸容积的一部分；
图18是示出根据本公开的实施例的致动器的替代构造的视图；
图19是根据本公开的实施例的致动器的详细视图；
图20是根据本公开的实施例的包括发动机的发电系统的另一实施例的视图；
图21是根据本公开的实施例的图20的发动机的视图，具有管及其内容物的剖视图；和
图22是示出根据本公开的实施例的图21的管及其内容物的详细视图。
具体实施方式
现在将详细参考示例性实施例，其示例在附图中示出。以下描述涉及附图，其中不同附图中的相同数字可以表示相同或相似的元件，除非另有表示。示例性实施例的以下描述中阐述的实施方式并不代表与本发明一致的所有实施方式。相反，它们仅仅是与可以在权利要求中所述的本发明相关方面一致的系统、设备和方法的示例。为了清楚起见，图中元件的相对尺寸可能被放大。
发动机的运行可能涉及各种操作，例如吸入空气、添加燃料、燃烧空气/燃料混合物以及排出燃烧的燃烧产物。发动机性能可以通过控制操作参数来调节，例如何时喷射燃料、何时触发点火等。作为控制发动机某些操作的先决条件，确定发动机的状态可能是有益的。例如，触发点火的最佳点可能与发动机中活塞的位置有关。进入哪个燃烧室，以及喷射燃料的最佳点可能与活塞的位置有关。喷射到燃烧室中的最佳燃料量可能与在某一点测量的活塞速度有关。各种操作可能取决于发动机的状态，该状态可能与活塞位置、速度或其他参数相关，因此在任何给正时间确定活塞的位置可能对控制发动机有用。
发动机可以具有连接到能量转换器的往复质量块，以将来自发动机的运动转换成有用的功。能量转换器可以包括被构造成将发动机产生的能量转换成功的任何装置。能量转换器可以包括发电机。能量转换器可以包括压缩机。发电机可以被构造成将往复质量块的机械运动的功率转换成电功率，例如特定电压下的电流输出。发电机可以被构造为给空气泵提供电力。在一种构造中，活塞可以经由活塞杆在一端连接到致动器。电力可以由活塞和活塞杆的前后运动产生。发电机可以被构造成通过抵抗活塞的来回运动来提取能量，并将其转换成电力。
可以提供传感器来监控发动机或发电机的各个方面。传感器可以检测部件的物理状态，例如它们相对于其他部件的位置。因为发动机中的活塞可能被封闭在气缸中，所以可能存在不能实时精确地确定活塞在气缸中的位置的担忧。确定发动机的期望运行参数可以取决于活塞位置。可以提供传感器来帮助确定活塞位置。基于传感器输出，发动机可以例如通过将活塞移动到气缸中的特定位置来控制。
可以提供被构造成输出特定输出状态的传感器。输出状态可能对应于特定的发动机状态。在第一输出状态下，活塞可以处于气缸的第一区域中。在第二输出状态下，活塞可以处于气缸的第二区域中。发动机的各方面可以基于输出状态之间的变化来确定。例如，可以基于从第一输出状态到第二输出状态或者从第二输出状态到第一输出状态的变化来确定活塞的移动方向。基于该移动方向，可以确定发动机操作参数，例如将燃料喷射在哪个燃烧室中。传感器可以被构造成检测发动机的部件，并且该部件可以被布置成使得当活塞处于气缸的第一区域时，传感器的输出是第一输出状态，并且当活塞处于气缸的第二区域时，传感器的输出是第二输出状态。输出状态改变的位置可以对应于参考点。当活塞到达参考点时，可以触发燃料喷射。
可以提供控制器，该控制器可以收集和分析数据，例如传感器输出。控制器可用于控制发动机的操作。控制器还可以控制连接到发动机的发电机的操作。控制器可以被构造成在操作模式下操作发动机或发电机，该操作模式可以是多种不同操作模式下的一种。例如，控制器可以包括电子控制单元，并且可以被编程以实现用于起动发动机的控制例程(例如，“起动机”模式)。
操作模式可包括以下示例性模式。第一模式可以涉及识别。第一模式可以识别包括发动机和发电机的系统中活塞的位置。第一模式可用于基于传感器输出来确定活塞位置、活塞速度或其他参数。当发动机系统开启时，第一模式可以一直在发动机系统中运行，并且可以用作其他操作模式的基础。例如，如下所讨论的，第二模式可以基于从第一模式收集的信息。
第一模式也可能涉及定位。第一模式可以使用发电机作为电源，并且可以使活塞移动以定位在气缸中的期望位置。定位活塞可能有助于更精确地确定活塞的位置。例如，可以使活塞在朝向气缸相对侧的方向上行进。当越过某一点时，例如气缸的中点，可以使活塞进一步行进预定的距离。在这个阶段之后，可以知道活塞相对于气缸中点的位置。
第二模式可能涉及起动发动机。发电机可用作电源，并可使活塞开始压缩冲程。发电机可以将活塞移向气缸的相对侧。当到达某一点时，例如气缸的中点，燃料可以被喷射到气缸的燃烧室中。空气也可以供应到燃烧室。发电机可以移动活塞，从而在燃烧室中产生压缩。一旦到达冲程终点，例如被确定为发电机可达到的最大压缩点的位置，就可以触发点火。例如，控制器可以触发火花。在燃烧室中点火时，活塞可能会在气缸中沿相反方向移动。第二模式可以重复使用，每次重复活塞移动得更快。可以使活塞随着每个冲程移动更远的距离，并且可以允许气缸中更大的压缩。在第二模式下，发电机可以在点火后立即关闭，这样它就不会抵抗由气缸内燃烧引起的运动而工作。在某些情况下，发电机可以关闭，使得活塞在进一步冲程中的运动仅由燃烧引起。
第三模式会涉及运行发电机，以抵抗发动机的机械运动。发电机可以通过活塞的运动来发电。第三模式可以增量执行。例如，发电机可以被构造成以设定的阻力抵抗活塞的运动。如果活塞继续增加速度或加速度，发电机可能会递增阻力。如果活塞开始减速，发电机可能会递减阻力。递增/递减可以在逐冲程的基础上发生，或者以其他粒度(granularity)级别发生。可以提供反馈回路来根据活塞速度、加速度或其他参数调节阻力。可以从传感器确定参数，例如上面关于第一模式讨论的那些。这些参数可以包括与振荡质量块的能量相关的量。
在第三模式下，也可以采用调整发动机的运行参数。例如，如果活塞开始减速，可能会喷射额外的燃料。在一些实施例中，可以修改压缩量。
第一至第三模式可以混合或变化。第一至第三模式的变化可以包括辅助模式、可变阻力操作模式或自燃模式。例如，在辅助模式下，如果确定活塞缺乏足够的能量来达到最佳压缩点(例如，活塞在越过气缸中点时具有小于预定量的动量)，则可以提前点火正时，使得发动机继续运行而不会遇到失火或一些其他异常操作。点火正时可以被调节以对应于确定活塞将达到零速度的活塞位置，而不管这样的点对于动力提取是否是最佳的。
在自燃模式下，可以使用均质充气压缩点火(HCCI)等。自燃模式可允许活塞自行引起燃烧，而点火可设置为仅作为备用触发。进入自燃模式可能依赖于来自其他传感器(例如温度传感器)的输入。例如，在冷启动情况下，可能会禁止进入自燃模式。
自燃模式可能是有用的，因为自由活塞发动机可能非常适合于适应气缸中的燃烧点。最佳燃烧点可以根据例如活塞能量、喷射燃料量、进气量和空气质量块等因冲程而异。此外，提供具有可变燃烧点的发动机对于能够使用各种燃料的发动机而不需要昂贵的传感器可能是有用的。燃料可以在到达参考点(例如，第一传感器可以位于的气缸的中点)时被喷射，并且当适当的条件出现时(例如，当燃烧室中的容积减小使得燃料-空气混合物的压力达到临界点时)，燃料可以通过自燃燃烧。在一些实施例中，一旦压缩阶段在气缸的燃烧室中开始，就可以喷射燃料。
一些模式可以一起使用。例如，可变阻力运行可以与辅助模式一起使用。可以优先考虑发动机平稳运行而不是发电。某些模式可能使用能量转换器作为启动器或发电机。例如，在一模式下，能量转换器可以被构造成根据活塞速度调节阻力，可以去除阻力，或者可以改变对辅助力的阻力。上面提到的模式和其他模式将在下面进一步详细讨论。
通过提供与附接到发动机的致动器相互作用的相对简单的传感器，可以实现包括布置成监控发动机状态的传感器的发电系统，并且可以允许经济的构造。此外，可以实现高带宽。传感器输出可以基于基本信号，并且传感器可以构造有例如单比特通道输出。传感器可以被构造成检测活塞是在气缸的北部区域还是南部区域。传感器可以被构造成响应于事件来设置标志。事件可以对应于部件在传感器的感测范围内。该标志可以是数字输出值。例如，当活塞位于气缸的第一侧(例如，北侧)时，传感器可以输出1，否则输出0。输出值0可以对应于活塞处于气缸的第二侧(例如，南侧)的时候。输出值1可以对应于部件在传感器附近的情况。输出值0可以对应于部件与传感器间隔开的情况。一些确定可以基于0和1之间的变化。事件也可以对应于经过传感器的部件。例如，当确定诸如触发器盘的轮的齿经过传感器时，传感器可以输出1。传感器可以连接到计数电路，该计数电路在检测到事件时递增计数器。电路可以计算触发器盘的齿数。活塞已经行进的距离可以基于计数的齿数来确定。活塞速度可以基于一段时间内计数的齿数来确定。
可以实现高精度，因为传感器可以测量直接机械联接到发动机的部件。例如，齿条可以附接到与发动机中的活塞一起运动的活塞杆上，并且齿条可以与齿轮和包括触发器盘在内的其他部件相互作用。第一传感器可以通过检测齿条是否与第一传感器重叠来确定活塞的北/南位置。一些确定可以仅基于第一传感器的输出做出。例如，当第一传感器的输出改变时，可以喷射燃料，并且可以基于第一传感器输出来确定将燃料喷射到气缸的哪个区域。第二传感器可以通过检测触发器盘的齿数来确定活塞已经移动的距离，该齿数可以对应于预定距离。可以实现具有高可靠性和耐久性的发电系统。该系统可以是鲁棒性的、紧凑的、经济的，并且耐热和抗污染。
本公开涉及内燃机。虽然本公开提供了自由活塞发动机的示例，但是应当注意，本公开的各方面在其最广泛的意义上不限于自由活塞发动机。相反，可以设想，本文讨论的原理也可以应用于其他内燃机或其他发电系统。例如，动力系统(power system)可以与相对的活塞布置一起使用。动力系统也可以与单侧活塞布置一起使用。
如本文所用，除非另有明确说明，否则术语“或”涵盖所有可能的组合，除非不可行。例如，如果声明一部件包括A或B，那么，除非特别声明或者不可行，该部件可以包括A，或者B，或者A和B。作为第二示例，如果表述一部件包括A，B，或者C，那么，除非特别声明或者不可行，该部件可以包括A，或者B，或者C，或者A和C，或者B和C，或者A和B和C。
根据本公开的内燃发动机可以包括发动机缸体(block)。也与术语“气缸缸体”同义使用的术语“发动机缸体”可包括集成结构，该集成结构包括至少一个容纳活塞的气缸。在自由活塞发动机缸体的情况下，发动机缸体可以包括单个气缸。气缸可以是双面的，因为可以有两个燃烧室，在活塞的任一侧上各一个。在一些实施例中，发动机缸体可以包括多个气缸。在一些实施例中，例如，两个相对的燃烧室可以设置有设置在它们之间的公共动子。
根据本公开，气缸可在发动机缸体中限定至少一个燃烧室。在根据本公开的一些内燃机中，燃烧室可以位于发动机气缸体内气缸的单侧。在根据本公开的一些内燃机中，内燃机可以包括两个燃烧室，在发动机气缸体内的气缸的每一侧各有一个燃烧室。
本公开的实施例可以进一步包括气缸中的活塞。根据在自由活塞发动机中使用的本公开的一些实施例，活塞可以包括相对侧上的两个面。在一些实施例中，活塞可以被认为是“可滑动地安装”在气缸中。这指的是活塞可以从气缸的一侧滑动通过气缸中的多个位置到达另一侧。虽然本公开描述了一些活塞示例，但是本发明在其最广泛的意义上不限于特定的活塞构造或结构。
图1示出了动力系统1。动力系统1可包括发动机10、能量转换器20和基座30。发动机10可以是自由活塞发动机，其包括被构造为在线性方向上往复运动的振荡质量块。发动机10可以联接到基座30。基座30可以包括致动器，该致动器被构造为将发动机10产生的机械运动输入到能量转换器20中，反之亦然。能量转换器20可以包括发电机，并且可以连接到能量存储装置，例如电池。能量转换器20可以包括第一组(bank)20A和第二组20B。第一组20A和第二组20B可以布置在发动机10的侧面，并且每个都可以包括发电机。第一组20A和第二组20B中的每一个可以包括用于散热的冷却片。
图2是动力系统1的示意图。动力系统1可以包括控制器90。尽管在图1中未示出，但是应当理解，控制器90可以是形成发动机10、能量转换器20和基座30的动力系统1的结构的一部分。在图2中，如实线所示，发动机10、基座30和能量转换器20可以通过彼此机械联接的方式连接。如虚线所示，可以向其他部件提供电连接。动力系统1可以包括传感器。例如，图2示出了多个传感器，包括传感器110、传感器120、传感器130、传感器140和传感器150。
控制器90可以包括计算机、电子控制单元(ECU)等。例如，控制器90可以包括构造为基于CPU的微处理器的ECU，并且可以包括用于存储处理程序的ROM、其中可以临时存储数据的RAM、以及通信端口，例如输入和输出端口。控制器90可以包括单独的ECU，每个ECU可以被提供为用于各种系统部件的专用控制单元。例如，发动机ECU可以与电力管理ECU分开设置。在一些实施例中，控制器90可以是结合了控制各种系统部件的功能的单个ECU。控制器90可以例如通过输入端口从诸如传感器110到150的部件接收输入。控制器90可以向诸如发动机10或能量转换器20的部件输出指令。控制器90可以向燃料喷射器发出指令以将燃料喷射到发动机10的气缸区域中。控制器90可以向火花塞发出指令以使发动机10中产生火花。控制器90可以调节进气。例如，控制器90可以控制节气门开度。
传感器110可以包括温度传感器，该温度传感器可以被构造成确定发动机10的温度。例如，传感器110可以连接到发动机10的冷却剂系统。传感器110可以确定在发动机10的气缸周围的冷却套中流动的冷却剂的温度。例如，冷却剂可以流过流体端口5(见图3)。传感器120可包括流量传感器，例如歧管绝对压力(MAP)传感器或质量块空气流量(MAF)传感器等。传感器120可以确定流入发动机10的气体量。传感器120可以连接到发动机10的进气系统，该进气系统可以连接到例如入口室32。
传感器130可以包括第一位置传感器。传感器140可以包括第二位置传感器。第一和第二位置传感器可以布置在基座30上，并且可以被构造成确定联接到发动机10的部件的位置。传感器130和传感器140可用于直接或间接导出发动机部件的位置信息。传感器130和传感器140可以被构造成以不同的粒度确定位置信息。例如，传感器130可以被构造成将发动机10中的活塞位置确定为气缸的第一区域或第二区域之一。第一和第二区域可以分别是气缸的两半部。传感器130的输出的转变点可以对应于气缸的中点。同时，传感器140可以被构造成以相对更高的精度确定活塞的位置，例如通过确定活塞运动的单位距离。传感器140可以对活塞已经移动的增量进行计数。每个增量可以对应于预定距离。预定距离可以小于气缸长度的一半。因此，传感器140的粒度可以比传感器130的粒度更细。传感器140可以基于传感器130的输出来确定活塞已经移动经过已知位置，例如气缸的中点，多少单位距离。例如，传感器140可以对由活塞运动引起的齿轮的齿数进行计数。可以确定活塞在一时间间隔内移动的精确距离，该距离可以对应于在该时间间隔内计数的齿数。传感器130和传感器140可以各自包括接近传感器。
传感器150可以被构造成监控能量转换器20的操作条件。传感器150可以包括电流表或电压表。也可以提供其他传感器来监控发电机的其他参数，例如阻力水平。能量转换器20可以设置有温度传感器。
动力系统1可能包括其他传感器。例如，燃油油位传感器、燃油压力传感器、冷却液压力传感器等也可以被提供。可以提供传感器来分析废气流。
传感器可以连接到控制器90。控制器90可以无线或通过有线连接联接到部件。
图3示出了根据本公开的发动机10的示例性实施例。发动机10可以是自由活塞发动机，其是内燃机的一个示例。发动机10包括发动机缸体8。限定至少一个燃烧室的气缸12可以包括在发动机缸体8中，并且可以具有中心纵向轴线A。如图4所示，示出了发动机10的内部，发动机10包括安装在气缸12中的双面活塞50。活塞50可以被构造成沿着轴线A滑动。活塞50可以被构造成在第一行程中从气缸的第一端行进到气缸的相对的第二端，并且在第二行程中从气缸的第二端返回到气缸的第一端。图4是示出图3的发动机的透视局部截面图的剖视图。活塞50附接到活塞杆40，活塞杆40可包括第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43。活塞杆部分42和43可以围绕活塞50的径向中心居中，并且可以与轴线A对准。活塞套件56可以包括活塞50和活塞杆40。空气可以通过入口室32的入口开口29供应到发动机10，并且可以通过活塞杆40中的通道连通到气缸12中的燃烧室中。空气可以与发动机10第一侧的区域65和发动机10第二侧的区域67连通。区域65和67中的每一个可以包括前庭。活塞杆40可以充当滑动动作阀。废气可以通过排气开口18从气缸12排出。自由活塞发动机示例的更多细节可在美国专利申请号16/207,479中找到，其全部内容通过引用结合于此。在一些实施例中，节气门可以附接到入口室32。
图5示出了与本公开一致的自由活塞发动机的另一实施例的透视剖视图。如图5所示，发动机10A可以包括进气歧管35。进气歧管35可以通过各自的侧开口33连接到发动机10A的独立前庭。与图4所示的侧开口33可以被密封的发动机10相比，图5所示的发动机10A可以被打开以通过侧开口33与进气歧管35连通。发动机10A可以在一端关闭。例如，代替如图4所示的入口室32，发动机10A可以具有封闭发动机10A一侧上的活塞杆部分42的室(图5中未示出)。
图6是示出根据本公开的实施例的基座30内部的局部剖面图。图6的视图可以对应于在平面A-A截取的横截面，如图1所示。如图6所示，基座30可以包括致动器300。
致动器300可以将来自发动机10的往复线性运动转换成输入到能量转换器20的机械运动。致动器300还可以将从来自能量转换器20的电能产生的运动转换成输入到发动机10的机械运动。致动器300可以包括包含齿条和齿轮的能量传递机构。致动器300可以反向联接到发动机10的主体的移动方向，并将其直接联接到能量转换器20的发电机。
致动器300包括齿条310。齿条310联接到活塞杆40的活塞杆部分43。齿条310可以经由堵塞活塞杆40一端的塞子连接到活塞杆部分43。基座30可以以气密方式与发动机10密封隔离，使得来自发动机10的气体不会进入基座30。齿条310联接到齿轮321和322。齿条310可以是具有布置在相对侧的齿的双面齿条。齿轮321和322可以位于齿条310的任一侧上。致动器300可以关于平行于发动机10的轴线A的平面具有二维反射对称性。例如，致动器300的对称平面可以与轴线A对准。致动器300可以使基座30平衡。
在致动器300的一侧上，齿轮321连接到齿条331。齿条331经由杆351联接到能量转换器20的第一组20A。齿条331也联接到齿轮341，齿轮341可以随着齿条331的运动一起旋转。在一些实施例中，齿轮341可以与触发器轮联接。齿轮341可以形成被构造为由传感器140感测的部件的一部分。
致动器300的部件可用于感测。例如，传感器130(图6中未示出)可以被提供为附接到基座30，并且传感器130可以被构造为通过基座30中提供的孔131感测齿条310的接近度。传感器130可以被构造为当齿条310与传感器130重叠时输出第一信号，并且当齿条310不与传感器130重叠时输出第二信号。在一些实施例中，传感器130可以被构造成响应于变化的磁场而输出信号，变化的磁场可以在传感器130中感应电流。在一些实施例中，传感器130可以包括具有电磁线圈的圆柱形感应传感器。传感器130可以装配到孔131中，并且可以具有被构造为面向齿条310的传感器面。当诸如齿条310的金属物体移动到传感器表面附近时，可以在传感器中产生输出信号。传感器130可以被布置成使得当齿条310处于重叠位置时，在传感器130的传感器面和齿条310之间提供间隙。在一些实施例中，间隙可以是1毫米或更小。
传感器130可以被构造成感测对应于特定发动机状态的不同状态。例如，传感器130的输出可以对应于活塞50处于发动机10中的特定区域。传感器130可以被构造成使得第一输出状态对应于活塞50处于第一区域，第二输出状态对应于活塞50处于第二区域。第一和第二区域可以是发动机10中气缸的相应半部。当传感器130感测到部件(例如，齿条331)与其重叠时，第一输出状态可以是“1”，而当传感器130没有感测到该部件与其重叠时，第二输出状态可以是“0”。在重叠状态下，部件的至少一部分可以保持在传感器130附近，并且活塞50可以保持在第一区域中。即使活塞50的具体位置可以在例如气缸中点和燃烧点之间的范围内变化，也可以确定活塞50处于第一区域。在非重叠状态下，部件的任何部分都不会保持在传感器130附近，并且活塞50可以保持在第二区域中。
如图6所示，杆351可以与能量转换器20的第一组20A的纵向中心轴线对准。杆351通过第一组20A的滑动运动可以产生电能。能量转换器20可以包括定子线圈。包括第一组20A的能量转换器20可以包括发电设备的磁极性阵列。在美国专利号9,995,212中给出了能量转换器的示例，该专利通过引用整体并入本文。
与上述类似，在致动器300的另一侧上，齿轮322连接到齿条332。齿条332经由杆352联接到能量转换器20的第二组20B。齿条332也联接到齿轮342，齿轮342可以随着齿条332的运动一起旋转。在一些实施例中，齿轮342可以与触发器轮联接。齿轮342可以形成被构造为由传感器140感测的部件的一部分。
因为致动器300可以包括左侧和右侧，并且可以具有镜像对称，所以动力系统1可以相对于轴线A关于左侧和右侧平衡。能量转换器20可以包括第一组20A和第二组20B，因此可以进一步平衡。通过致动器300作用的横向力可以被抵消。此外，活塞50可以具有与轴线A对准的活塞杆40，并且可以避免侧向力施加到活塞50上，例如当活塞被旋转的曲轴约束时可能发生的情况。
基座30可以附接到其他结构，例如支撑固定装置360。动力系统1可以经由例如固定装置360安装到其他部件上。在一些实施例中，动力系统1的整个整体结构，包括发动机10、能量转换器20和基座30，可以由外壳包含。部件10、20和30可以封装在一起作为发电机单元。
图7A是局部剖面图，示出了处于不同于图6所示位置的横向位置的本公开的实施例的基座30的内部。图7A的视图可以对应于在平面B-B截取的横截面，如图1所示。图7A示出了支架(bracket)350的部分透明视图和基座30内部的更详细视图。
传感器140可以设置成附接到基座30，并且传感器140可以被构造成感测致动器300的部件的接近度。在图7A的视图中可以看到传感器140的触发器盘145。触发器盘145联接到致动器300的齿轮341(也参见图6)，并且触发器盘145可以与齿轮341一起旋转。触发器盘145可以通过轴144联接到齿轮341。在一些实施例中，触发器盘145可以与齿轮341成一体。例如，触发器盘145可以包括阶梯结构，其中触发器盘145的第一阶梯部分与齿条331啮合，并且触发器盘145的第二阶梯部分包括被构造为由传感器140感测的齿。传感器140可以被构造成通过设置在基座30中的孔141感测触发器盘145。传感器140可以被构造成当触发器盘145的齿邻近传感器140时输出第一信号，并且当触发器盘145没有齿邻近传感器140时输出第二信号。在一些实施例中，传感器140可以包括感应传感器。在一些实施例中，传感器140可以包括霍尔效应传感器。传感器140可以装配到孔141中，并且可以具有被构造为面向触发器盘145的传感器面。当金属物体，例如触发器盘145的齿，移动到传感器面附近时，可以在传感器中产生输出信号。
传感器130可以附接到基座30，并且传感器130可以被构造成感测致动器300的部件的接近度。图7C示出了传感器130的结构的示例。传感器130可以包括主体132。主体132可以是细长的圆柱形构件。主体132可以被构造成与紧固构件相互作用，并且例如可以包括螺纹，使得螺母可以附接到螺纹上。传感器130可以装配在基座30的孔131中。主体132可以插入孔131中，并且夹住基座30的壁的螺母可以被拧紧，从而将传感器130固定到基座30。传感器130可以包括线圈134。线圈134可以包括在主体132内部。传感器130可以具有传感器面133，其被构造为面向物体200。物体200可以是可能影响包括在传感器130中的电路的金属物体。传感器130和传感器140可以包括磁电换能器。在磁电换能器中，电动势可以根据检测到的磁场水平而变化。磁电换能器可以是定向的。
如图7D所示，电路可以包括在传感器130中。该电路可以包括各种电部件，例如振荡器136、电压调节器137等。传感器130可以包括触发器138和输出器139。例如，输出器139可以连接到外部负载。可以操作传感器130，使得从传感器130产生场135。场135可以是电磁场。传感器130可以被构造成使得物体200与场135相互作用，并且可以使包括在传感器130中的电路产生输出信号。物体200可以由金属制成。物体200在传感器面133的区域中的运动可以影响传感器130中的电感。图7C和图7D所示的传感器可以代表感应传感器的一示例。
输出器139可以被构造成当物体200在传感器面133的区域中时输出对应于“1”的信号。否则，输出器139可以输出对应于“0”的信号在一些实施例中，可以提供用于输出对应于“1”和“0”信号之间的变化的信号的电路。例如，可以输出指示已经发生变化的信号。该信号可以包括其他信息，例如改变之前的状态，或者紧接改变之后的状态。该信号可以用于确定例如发动机中的活塞已经到达参考点，并且活塞现在处于发动机的特定区域中。可以基于这样的信号确定喷射燃料。例如，可以确定燃料喷射的正时，以及燃料应该喷射到哪个室中。燃料可以响应于信号(例如，在活塞到达参考点之后的时刻)，或者在预定点(例如，活塞到达参考点之后的某个时间或距离)直接喷射。可以进行其他确定，例如确定在特定方向上移动活塞。例如，动力系统可以被构造成在发电机模式下运行，并且可以移动活塞以使其到达期望的位置。
现在参考图7E，其示出了霍尔效应传感器的示例性构造。传感器可以包括永磁体151、感测元件152和输出端口153。可以提供轮155，并且轮155可以被构造成旋转。感测元件152可以被构造成与轮155相互作用。轮155可以包括齿156和谷部157。传感器可以被构造成使得当齿156中的一个接近感测元件152时，产生输出信号。传感器可以被构造成使得当齿邻近感测元件152时产生第一输出信号，并且当谷部邻近感测元件152时产生第二输出信号。输出信号可以经由输出端口153传输。传感器可以被构造成使得在感测元件152的表面和齿156之间存在最小间隙G。传感器140可以包括霍尔效应传感器，其结构类似于或相同于图7E所示的传感器。
传感器130和140可以作为相同或不同类型的传感器提供。在一些实施例中，传感器130可以包括感应传感器。在一些实施例中，传感器130可以包括霍尔效应传感器。返回参考图7A，传感器130可以装配到孔131中，以便面向齿条310。传感器130可以包括感应传感器，其被构造为响应磁场的变化。感应传感器可以被构造为当齿条310和传感器130的重叠状态改变时输出信号。例如，感应传感器可以被构造为当齿条310从不与传感器130重叠过渡为与传感器130重叠时输出信号。当齿条310也从与传感器130重叠过渡到不与传感器130重叠时，感应传感器可以输出信号。霍尔效应传感器可以检测静态磁场。因此，在一些实施例中，霍尔效应传感器可用于检测齿条310在给正时间是否与传感器130重叠。在一些实施例中，为了增强封装，传感器130可以包括电感传感器，而传感器140可以包括霍尔效应传感器。提供传感器130作为感应传感器可以增强响应性。
图7B是本公开的实施例的更详细视图，其示出了传感器140的结构。在图7B的视图中，支架350不可见。传感器140可以通过基座30中的孔141与触发器盘145联接。传感器140可以包括霍尔效应传感器。传感器140可以被构造成当触发器盘145移动经过其传感器面时检测触发器盘145的齿的接近度。当齿146邻近霍尔效应传感器时，传感器140的输出可以是1。当谷部147邻近霍尔效应传感器时，传感器140的输出可以是0。
在一些实施例中，传感器140的表面和触发器盘145的齿之间的最小间隙可以设置为例如1毫米或更小。
传感器140可以被构造成测量联接到发动机10的齿轮的角运动。齿轮341(图7B中未示出)的角运动可以对应于触发器盘145的角运动。触发器盘145可以大于齿轮341，从而可以增加齿的计数。例如，当相对较大的物体(例如，触发器轮的齿)被构造为被感测时，霍尔效应传感器的信噪比(SNR)可以被提高。
也可以使用使用触发器盘的霍尔效应传感器的替代物。例如，角度位置传感器可以用于传感器140。
电路可以连接到或包括在传感器130或传感器140中。该电路可以包括信号调节电子器件。该电路可以被构造成处理传感器130或传感器140的输出。该电路可以被构造成基于来自传感器130或传感器140的输出来确定发动机位置输出信号。
在一些实施例中，可以提供被构造成处理传感器130或传感器140的输出的控制器。例如，图2中标识的控制器90可以被构造成基于传感器130或传感器140的输出来确定发动机10的活塞的位置。控制器90可以被构造成以预定的采样频率对传感器130或传感器140进行采样。预定采样频率可以是例如100MHz或更高。当传感器140的输出从1变为0，或者从0变为1时，可以确定活塞50，如图4所示，已经移动了至少一定的量。该一定的量可以通过实验预先确定。在一些实施例中，可以基于发动机10和致动器300的部件的物理特性(例如，尺寸)来确定该特定量。控制器90可以被构造成在数据点之间进行插值。可能存在与一颗齿相关联的预定移动距离。控制器90可以被构造成确定活塞50已经移动了小于预定移动距离的距离，例如半齿长度。
如图7B所示，传感器140可以包括圆柱形部分142，并且可以具有被构造为面向触发器盘145的面143。圆柱形部分142可以装配在基座30的孔141中。面143可以构成传感器140的传感器面。触发器盘145的齿可以不同于齿轮(例如渐开线齿轮)的齿。触发器盘145的齿可以相对较宽并具有基本平坦的端面，而不是例如被构造成与另一齿轮啮合的尖齿。触发器盘145的齿可以被构造成使得传感器140可以容易地检测触发器盘145的齿何时邻近面143。
现在参考图8A-8C，其示出了处于不同阶段的发动机10、致动器300和能量转换器20的运动部件。图8A是示出当活塞50处于第一位置时动力系统1的位置的视图。在图8A所示的点处，发动机10可以处于第一燃烧点。该点可以对应于发动机10的第一冲程的起始点。在第一冲程中，活塞50可以沿第一方向行进，该第一方向可以对应于图8A视图中的向下方向。在第一冲程的开始处，能量转换器20可以处于第一发电冲程的开始。能量转换器20的发电冲程可以对应于动子211通过定子212的运动。第一发电冲程的开始可对应于动子211在定子212一端的位置，第一发电冲程的结束可对应于动子211在定子212相对端的位置。
图8B是示出当活塞50处于第二位置时动力系统1的位置的视图。此时，活塞50可以处于气缸中点。图8B所示的点可以对应于发动机10的第一冲程的中点。该点也可以对应于第一发电冲程的中点。
图8C是示出当活塞50处于第三位置时动力系统1的位置的视图。此时，发动机10可能处于第二燃烧点。图8C所示的点可以对应于发动机10的第一冲程的终点，该终点也可以对应于发动机10的第二冲程的起点。该点也可以对应于第一发电冲程的终点和第二发电冲程的起点。
到达图8C所示的位置后，发动机10可以沿相反方向往复运动。在发动机10的第二冲程中，活塞50可以沿第二方向行进，该第二方向可以对应于图8A-8C视图中的向上方向。在第二冲程中，发动机10、致动器300和能量转换器20的运动部件可以以与图8A-8C相反的顺序运动。动力系统1可以在发动机10往复运动的情况下操作。在一些实施例中，电能可以随着每个冲程在能量转换器20中产生。来自燃料的化学能可以在发动机10中转化为机械能。在一些实施例中，能量转换器20可以用作电源，并且可以使致动器300和发动机10移动。
在致动器300中，齿轮321和322可以被构造成仅在预定范围内旋转。因此，齿可以仅部分地围绕齿轮321或齿轮322的圆周设置。预定范围可以对应于发动机10的气缸12内的最大活塞行程的终点。终点可以考虑发动机头部和活塞50的近端面之间的间隙容积来确定。在一些实施例中，齿轮321和322可以包括围绕其整个圆周设置的齿。仅部分围绕齿轮圆周提供齿可能有利于包装。例如，当齿没有完全围绕齿轮321和322设置时，齿条310和活塞杆部分43的部件可以定位得更靠近在一起。
动力系统1可以被构造成以多种操作模式操作。如这里所使用的，术语“第一模式”可以包括或涵盖“第一操作模式”或“第一操作的模式”。
现在参考图9，图9是示出第一模式的系统运行条件的表格。第一模式可以是运行动力系统1的操作模式。第一模式可以对应于发动机位置识别模式。图9可以指示第一模式的参数。参数可以指动力系统1的各个方面。诸如“喷射”的参数可以指提供给发动机10的燃料喷射。“点火”可以指在发动机10的气缸中引起点火，例如引起发动机10的火花塞点火。当动力系统1以第一模式运行时，可以设置其他参数。在第一模式下，喷射和点火参数的设置可以设置为关闭状态，如图9中的X标记所示。关闭状态可以指示在第一操作模式下不允许喷射或点火。也就是说，可以禁止发动机10喷射燃料或引起火花塞点火。此外，能量转换器20可以被设置为“能量供应”模式。在能量供应模式下，能量转换器20可以被构造成将电能转换成机械运动。例如，能量转换器20可以被构造为作为马达运行。能量转换器20可以被构造为原动机。
当动力系统1处于操作模式时，发动机10和能量转换器20可以被构造成以某种方式操作。诸如控制器90的控制设备可以被构造为向发动机10或能量转换器20发送指令。控制器90可以接收指示发动机10状态的信息。例如，控制器90可以接收来自传感器130和140的输出。控制器90可以确定发动机10中活塞50的位置。动力系统1可以被构造成响应于满足预定条件来执行某些功能。条件可能与活塞50的位置有关。条件可以基于传感器130或140的输出。动力系统1可以被构造成在接收到来自传感器130或140的特定输出时操作能量转换器20以某种方式移动动力系统1的部件。如此处所使用的，诸如“来自传感器130的输出”、“来自传感器140的输出”或“传感器输出”的术语可以对应于相应传感器或与其连接的电路的电信号输出。
图10A是在第一操作模式下操作动力系统1的示意图，其中发动机10最初处于第一位置，例如“A”位置。A-位置可以对应于致动器300的齿条310不与传感器130重叠的情况。在这种情况下，传感器130的输出可以是0。
动力系统1可以被构造为响应于在第一操作模式下满足第一条件而执行动作。第一条件可以基于第一传感器(例如传感器130)的输出。第一条件可以是齿条310和传感器130不重叠。因此，第一条件可以是传感器130的输出为0。该动作可以是移动致动器300以使齿条310在第一方向上移动。由于致动器300的作用，活塞50朝向气缸12的相对侧移动。例如，活塞50可以位于气缸12的北侧，能量转换器20可以在预定方向上向致动器300输入功率。预定方向可以是倾向于使齿条310向下移动的方向，如图10A所示。来自能量转换器20的输入，并可导致活塞50在气缸12中朝南侧向下移动。如这里所使用的，“北侧”可以对应于图中所示的顶侧。“南侧”可以对应于图中的底侧。“第一方向”可以对应于活塞从北侧到南侧的运动。“第二方向”可以对应于活塞从南侧到北侧的运动。第一方向可以是从上到下。第二方向可以是自下而上。如图10A所示，响应于满足第一条件，齿条310可以经历向下运动1010。
图10B是在发动机10最初处于第二位置例如“B-位置”的状态下，在第一操作模式下操作动力系统1的示意图。B-位置可以对应于致动器300的齿条310与传感器130重叠的条件。在这种条件下，传感器130的输出可以是1。
动力系统1可以被构造为响应于在第一操作模式下满足第二条件而执行动作。第二条件可以是齿条310和传感器130重叠。因此，第二条件可以是传感器130的输出为1。该动作可以是移动致动器300以使齿条310在第二方向上移动。由于致动器300的动作，活塞50朝向气缸12的相对侧移动。例如，活塞50可以在气缸12的南侧，能量转换器20可以在预定方向上向致动器300输入功率。如图10B所示，预定方向可以是倾向于使齿条310向上移动的方向。来自能量转换器20的输入，并可导致活塞50在气缸12中朝向北侧向上移动。如图10B所示，响应于满足第二条件，齿条310可以经历向上运动1011。
图10C是示出根据第一操作模式的动力系统1的操作的图表。图10C的图表可以表示控制器90被编程为执行的控制例程。如图10C所示，能量转换器的状态“1”可以对应于将能量转换器设置为电源模式。0的喷射状态可以指示燃料喷射被禁止(例如，不允许燃料喷射器操作来喷射燃料)。点火状态为0可能表示禁止点火(例如，不允许火花塞点火)。在一些实施例中，能量转换器的状态“2”可以对应于将能量转换器设置为发电机模式(例如，通过提取机械能产生电能)。在一些实施例中，能量转换器的状态“0”可以对应于将能量转换器设置为关闭状态，在关闭状态下既不执行供电也不执行发电。
动力系统1可以被构造为响应于条件被满足而执行动作。如图10C所示，可能存在对应于发动机10的初始A-位置的第一条件。可能存在对应于发动机10初始B-位置的第二条件。第一和第二条件可以基于第一传感器(例如传感器130)的输出。当满足第一条件时(例如，传感器130输出为0)，可以发出指令以将活塞50从传感器130输出为0的点移动到传感器130输出为1的点。例如，能量转换器20可以向致动器300输入功率，使得齿条310经历运动1010，如以上关于图10A所讨论的。
在一些实施例中，动力系统1可以被构造成发出指令，以将活塞50从传感器130输出为0的位置移动到传感器130输出为1加上预定的进一步距离的位置。预定的进一步距离可以被设置为例如“X”个增量。X增量可以对应于触发器盘145的齿数。例如，在第一操作模式下，控制器90可以被构造为将活塞50从气缸12的一侧移动到传感器130的输出改变的位置(例如，气缸12的中点)加上对应于触发器盘145的四(4)个齿的距离。可以基于传感器140的输出确定活塞50已经移动了预定的进一步距离。控制器90可以被构造成致动能量转换器20以向致动器300输入功率，直到满足另一个条件。能量转换器20可以继续移动致动器300，从而移动活塞50，直到满足进一步的条件。进一步的条件可以是检测到触发器盘145的X增量。当传感器140检测到X增量时，可以确定活塞50处于已知位置，并且能量转换器20可以停止向致动器300输入功率。作为执行与图10C一致的处理的结果，可以精确地识别发动机内的活塞位置。
图10D是示出与第一操作模式一致的控制例程的流程图。图10D可以是根据第一操作模式的动力系统1的操作的另一种表示。控制例程可以连续执行。在结束图10D的控制例程的处理之后，可以执行后续处理。在一些实施例中，该过程可以返回开始并重复。
在图10D中，控制例程在步骤S101开始。在步骤S102，可以基于第一传感器输出进行确定。第一传感器输出可以指第一位置传感器(例如，原始检测信号)或其相关电路(例如，事件标志检测信号)的输出。第一位置传感器可以包括传感器130。当在步骤S102处确定第一传感器输出为0时，例程可以前进到步骤S103。第一传感器输出0可以对应于不与传感器130重叠的齿条310。另一方面，当在步骤S102处确定第一传感器输出为1时，例程可以前进到步骤S104。第一传感器输出1可以对应于与传感器130重叠的齿条310。
在步骤S103处，动力系统可以被致动，使得活塞在第一方向上移动。步骤S103可以包括使能量转换器20移动致动器300，使得活塞50在第一方向上移动。在例如图8A-8C的视图中，第一方向可以对应于向下的方向。在步骤S104处，动力系统可被致动，使得活塞在第二方向上移动。第二方向可以与第一方向相反。第二方向可以对应于例如图8A-8C的视图中的向上方向。在步骤S103或步骤S104之后，例程可以前进到步骤S105，在步骤S105处，过程可以结束。
图10E是示出与第一操作模式一致的控制例程的另一流程图。图10E的控制例程可以类似于图10D的控制例程，但是可以通过包括附加的确定步骤来修改。在图10E的控制例程中，该过程可以等待，直到活塞50在停止由能量转换器20启动的移动之前已经移动了至少对应于第二传感器(例如，传感器140)的X增量的距离。如图10E的控制例程所示，该过程可以在相应的循环中继续返回到“移动活塞”步骤，其中能量转换器20可以通过充当电源将能量输入到致动器300中。在一些实施例中，只有在满足活塞50在越过气缸中点之后已经移动了对应于传感器140的X增量的距离的条件之后，该过程才可以结束。能量转换器20可以被构造成增量地移动活塞。能量转换器20可以一点一点地输入小能量脉冲，使得动力系统1可以继续检查传感器状态，直到活塞50处于期望的位置。
在图10E中，控制例程在步骤S201处开始。在步骤S202处，可以基于第一传感器输出进行确定。基于在步骤S202处进行的确定，例程可以前进到步骤S203或步骤S206。
在步骤S203处，动力系统可被致动，使得活塞沿第一方向移动。步骤S203可以包括使能量转换器20移动致动器300，使得活塞50在第一方向上移动。在例如图8A-8C的视图中，第一方向可以对应于向下的方向。另一方面，在步骤S206处，动力系统可被致动，使得活塞沿第二方向移动。第二方向可以对应于例如图8A-8C的视图中的向上方向。
从步骤S203继续，在步骤S204处，可以基于第一传感器输出进行确定。可以确定第一传感器输出是否仍然是0，如果是，例程可以返回并重复步骤S203。也可以在步骤S204确定第一传感器输出为1。在步骤S204，可以确定第一传感器输出例如从0改变为1。第一传感器的输出信号的变换可以对应于活塞50到达气缸12中的预定点。预定点可以是气缸12的中点。在步骤S204中确定第一传感器输出为1之后，例程可以前进到步骤S205。
在步骤S205处，可以基于第二传感器输出进行确定。第二传感器输出可以直接指第二位置传感器(例如，原始检测信号)或其相关电路(例如，由计数电路确定的计数)的输出。第二位置传感器可以包括传感器140。当在步骤S205处确定第二传感器输出小于值X时，例程可以返回并重复步骤S203。小于X的第二传感器输出可以对应于活塞50还没有移动至少对应于触发器盘145的X个齿的距离。另一方面，当在步骤S202处确定第二传感器输出大于或等于X时，例程可以前进到步骤S209。X或更多的第二传感器输出可以对应于活塞50，从而齿条310移动至少已知的量。
步骤S206至S208可以类似于步骤S203至S205，除了移动方向不同之外，并且传感器输出可以相应地反向。第二传感器输出可以基于运动的绝对值。例如，传感器140可以被构造为计数增量的数量，例如移动经过传感器140的触发器盘145的齿的数量，而不管移动的方向如何。
在步骤S205或步骤S208之后，例程可以前进到步骤S209，在步骤S209处，过程可以结束。
现在参考图11，图11是示出第二模式的系统运行条件的表格。第二模式可以是运行动力系统1的操作模式。第二模式可以对应于发动机启动模式。图11可以指示第二模式的参数。在第二模式下，可以设置参数，使得能够向发动机10喷射燃料，如复选标记所示。可以设置参数，使得通过允许发动机10的火花塞点火来启动点火。能量转换器20的设置可以被设置为“能量供应”模式。例如，能量转换器20可以被构造为作为马达运行。能量转换器20可以被构造为原动机。
图12A是在第二操作模式下操作动力系统1的示意图。类似于第一操作模式，发动机最初可处于第一位置或第二位置。在第二操作模式下，图12A所示的位置可以是A-位置。第二操作模式下的A-位置可以对应于致动器300的齿条310与传感器130重叠的条件。在这种条件下，传感器130的输出可以是1。
在第二操作模式下，动力系统1可以被构造为响应于满足第一条件而执行动作。第一条件可以是齿条310和传感器130重叠。因此，第一条件可以是传感器130的输出为1。该动作可以是移动致动器300以使齿条310在第二方向上移动。如上所述，第二方向可以对应于图中所示的向上方向。由于致动器300的动作，活塞50朝向气缸12的相对侧移动。例如，活塞50可以在气缸12的南侧，能量转换器20可以在预定方向上向致动器300输入功率。如图12A所示，预定方向可以是倾向于使齿条310向上移动的方向。来自能量转换器20的输入可使活塞50在气缸12中朝向北侧向上移动。
第一燃烧室71可以形成在气缸12的北侧。燃烧室71可具有的容积由活塞50的位置决定。随着活塞50在气缸12中向上移动，燃烧室71的容积会减小。燃烧室可以对应于可变区域，该可变区域包括活塞50两侧的扫掠容积，并且当活塞从气缸的一端移动到气缸的相对端时，该可变区域可以被压缩。扫掠容积可以定义为活塞50在其在气缸12中往复运动的至少一部分期间移位的容积。气缸的总容积可以等于扫掠容积加上间隙容积。
第二操作模式可以包括起动发动机10的过程。根据第二操作模式启动发动机10可以包括启动发动机10中的压缩和点火阶段。动力系统1可构造成将活塞50移动到气缸12的相对侧，以使进气阶段能够进行。在活塞50位于气缸12的南侧的至少一部分时间内，活塞杆部分42中的开口44可暴露于燃烧室71。通过入口开口29供应到发动机10的空气可以与燃烧室71连通。空气可以从入口开口29穿过活塞杆部分42中的开口45行进。空气可以通过活塞杆部分42中的通道行进到开口44。空气可以从开口44供应到燃烧室71中。当空气被供应到发动机10时，空气可以在活塞50的冲程的不同阶段与区域65和67(见图4)连通。
在第二操作模式开始时，例如在图12A中，可以确定活塞50处于气缸12的区域中。活塞50可被确定在气缸12的一半，例如，北侧或南侧。响应于条件被满足，例如活塞50在气缸12的一侧，第二操作模式可以开始，并且可以触发动作以朝向气缸12的相对侧移动活塞50。由于活塞50以及活塞杆40的运动，可以确保至少一些空气被吸入气缸12。阀可以被构造成使得只有当活塞50位于气缸中点的一侧或另一侧时，空气才被传送到发动机10的相应燃烧室中。发动机10可以包括滑动动作阀。滑动动作阀可以由活塞50、活塞杆40和限定气缸12的发动机气缸盖构成。在一些实施例中，当活塞50位于气缸12的南侧时，空气流入第一燃烧室。当活塞50位于气缸12的北侧时，空气流入第二燃烧室。随着至少一些进气已经发生并且一些空气在燃烧室中，压缩可能随后发生。
当活塞50移动到覆盖排气开口18的位置时，压缩阶段可以开始。当燃烧室变得对外部密封时，压缩可以开始，因此当活塞50移动以减小燃烧室的容积时，燃烧室中的气体可以被压缩。
图12B是在燃烧室71中的压缩阶段可能开始的状态下在第二操作模式下操作动力系统1的示意图。活塞50可以位于气缸12的中点，并且排气开口18可以被活塞50完全覆盖。线1200可以代表气缸12的中点。活塞50可以与线1200对准，使得活塞50的轴向中心与线1200重合。在该位置，活塞杆部分42的开口44可以在气缸12的外部。图12B所示的位置可以对应于致动器300的齿条310从与传感器130重叠过渡到不与传感器130重叠的状态。在这种条件下，传感器130的输出可以从1变为0。
如上所述，动力系统1可以被构造为响应于在第二操作模式下满足第一条件而执行动作，第一条件是齿条310和传感器130重叠。动作可以是移动致动器300以使齿条310向上移动。由于向上移动齿条310以及活塞50的动作，压缩阶段可以在燃烧室71中开始。接下来，响应于满足其他条件，可以执行进一步的动作。
动力系统1可以被构造为响应于在第二操作模式下满足第二条件而执行动作。第二条件可以基于第一传感器的输出。第二条件可以是齿条310和传感器130从重叠变为不重叠，或者从不重叠变为重叠。第二条件可以是传感器130的输出发生变化。传感器130的输出可以从1变为0或者从0变为1，以指示活塞50已经到达气缸12中的预定位置，该预定位置可以是气缸中点。响应于满足第二条件的动作可以是致动器300继续移动，以使齿条310保持在第二方向上移动。该动作可以是继续操作能量转换器20以向致动器300供电。在一些实施例中，动作可以是允许活塞50继续移动。活塞50可具有来自先前运动的动量，例如来自能量转换器20的外部供应能量或内部产生的燃烧。允许活塞50继续移动可以包括降低能量转换器20中的阻力水平。
动力系统1可以被构造为响应于在第二操作模式下满足第三条件而执行动作。第三条件可以基于第二传感器(例如传感器140)的输出。第三条件可以是活塞50已经移动超过齿条310和传感器130从重叠变为不重叠的位置一定距离，例如超过气缸中点一定距离。活塞50已经移动的距离可以对应于距离“d”，如图12C所示。距离d可以是从线1200到活塞50的轴向中心测量的。
图12C是在第二操作模式下继续操作动力系统1的示意图。在图12C所示的点，活塞50已经从线1200移动了距离d。在第二操作模式下，当d变得等于预定值时，可以进行燃料喷射。预定值可以对应于触发器盘145的预定齿数。触发器盘145的预定齿数可以对应于可以预先设置的值Y1。如图12C所示，燃料1210可以被喷射到燃烧室71中的气缸12中。控制器90可以使燃料喷射器34之一(见图3)喷射预定量的燃料。燃料量可基于流入气缸12的空气量和压缩比来确定，压缩比可基于例如来自传感器的输出来确定。
第三条件可以基于第一传感器和第二传感器的输出。第三条件可以是在传感器130的输出改变的点之后，传感器140的输出被确定为至少Y1。例如，第三条件可以是，在传感器130的输出从1转变为0之后，传感器140检测到触发器盘145的Y1增量，这可以对应于活塞50已经移动了一定距离，指示活塞50已经越过气缸12的中点。
可以确定活塞50已经移动了足够的距离，使得包含在燃烧室71中的空气已经被压缩，以允许燃料被添加到燃烧室71中。燃料可以在允许最佳混合以产生燃料-空气混合物的点添加到燃烧室71。
在一些实施例中，第三条件可以基于传感器输出或持续时间。动力系统1可以被构造成确定燃料喷射的正时。燃料喷射的正时可以相对于参考点。例如，动力系统1可构造成在活塞50到达传感器130的输出从1变为0的点之后的预定时间将燃料喷射到气缸12中的燃烧室71中。燃料喷射的正时可以基于其他因素，例如活塞速度、发动机速度(例如振荡质量块的往复速率，例如rpm或Hz)等。
图12D是在第二操作模式下继续操作动力系统1的示意图。在图12D所示的点，与图12C相比，活塞50已经进一步移动越过线1200。活塞50可以继续移动，直到燃烧室71中的燃烧阶段可以开始的燃烧点。当距离d变得大于或等于预定值，例如Y2时，可能发生点火。Y2可以大于Y1。当距离d变得大于或等于Y2时，火花1220可在燃烧室71中的气缸12中被启动。控制器90可以使火花塞38之一(见图3)点火。因此，膨胀阶段(也称为燃烧阶段)可以开始。在进入膨胀阶段时，活塞50的移动方向可以改变。活塞50的移动方向可以反向。图12D所示的位置可以对应于燃烧室71中压缩阶段的结束。
在一些实施例中，确定在气缸12中启动火花可以基于传感器输出或持续时间。动力系统1可以被构造成确定点火正时。点火正时可以相对于参考点。动力系统1可以被构造成在活塞50到达传感器130的输出从1变为0的点之后的预定时间在燃烧室71中引起点火。点火正时可能晚于燃料喷射正时。
应当理解，第二操作模式下的操作可以发生在不同于上述取向的取向上，包括与上述取向相反的取向。例如，代替活塞50在冲程中从气缸12的南侧行进到北侧，活塞50可以从北侧行进到南侧。第二模式下的“A-位置”可以指活塞50的初始位置在气缸12的南侧的情况，例如如图12A所示。A-位置可以对应于1的传感器130的传感器输出(例如，齿条310与传感器130重叠)。第二模式下的“B-位置”可以指活塞50的初始位置在气缸12的北侧的情况。B-位置可以对应于0的传感器130的传感器输出(例如，齿条310不与传感器130重叠)。操作参数可以基于活塞50的初始位置来确定。例如，不同的值可用于确定何时开始喷射或燃烧。当活塞50开始处于A-位置时，用于确定喷射的距离d的值可以是值Y1。此外，用于确定燃烧的距离d的值可以是值Y2。当活塞50开始处于B-位置时，用于确定喷射的距离d的值可以是值Y3。此外，用于确定燃烧的距离d的值可以是值Y4。在一些实施例中，气缸12可以相对于线1200是对称的。例如，从线1200到界定气缸12一侧的第一发动机气缸盖的距离可以等于从线1200到界定气缸12另一侧的相对发动机气缸盖的距离。例如，如图2和图3所示，发动机10可以包括类似的部件，例如气缸12两侧的燃料喷射器34和火花塞38。传感器输出的绝对值可用于确定。因此，在一些实施例中，Y1和Y3可以是相等的，Y2和Y4可以是相等的。
还应当理解，与图12A-12D相比，当动力系统1的运动反向时，进气可通过发动机10的不同部件发生。如，动力系统1可构造成将活塞50从气缸12的北侧移动到气缸12的相对侧(例如，南侧)，以使得进气阶段能够进行。在活塞50位于气缸12的北侧的至少一部分时间内，活塞杆部分43中的开口48可暴露于第二燃烧室73(见图12C)。通过入口开口29供应到发动机10的空气可以与燃烧室73连通。空气可以从入口开口29穿过活塞杆部分42中的开口45。空气可以穿过活塞杆部分42中的通道，该通道延伸穿过活塞50并穿过活塞杆部分43到达开口48。空气可以从开口48供应到燃烧室73中。
动力系统1可以被构造为响应于在第二操作模式下满足第四条件而执行动作。第四条件可以基于第二传感器的输出。该动作可以是在燃烧室如燃烧室71中启动点火。第四条件可以基于满足第三条件之后的一段时间。第四条件可以基于第二传感器相对于满足第三条件的点的输出。在一些实施例中，第四条件可以基于第一传感器和第二传感器的输出。
在图12D所示的点，活塞50从线1200移动的距离d大于图12C中的距离。在第二操作模式下，当d变得等于预定值时，可以发生点火。预定值可以对应于触发器盘145的预定齿数。触发器盘145的预定齿数可以对应于可以预先设置的值Y2。在一些实施例中，可以在满足第三条件或第二条件之后基于预定时间间隔触发点火。如图12D所示，火花1220可以在燃烧室71中的气缸12中开始。控制器90可以使火花塞28(见图3)点火。
第四条件可以基于第一传感器和第二传感器的输出。第四条件可以是传感器140的输出被确定为在传感器130的输出改变的点之后至少是Y2。例如，第四条件可以是，在传感器130的输出从1转变为0之后，传感器140检测到触发器盘145的Y2增量，这可以对应于活塞50已经移动了一定距离，指示活塞50已经越过气缸12的中点。
可以确定活塞50已经移动到使得燃烧室71中的压缩比适合燃烧的点。该点可以考虑起动发动机10的最佳条件来确定。可以考虑最佳起动条件来确定第三条件和第四条件。例如，可以设定条件使得发动机10以浓空气-燃料混合物运行，以便于起动。
图12E是示出根据第二操作模式的动力系统1的操作的图表。图12E的图表可以表示控制器90被编程为执行的控制例程。如图12E所示，能量转换器的状态“1”可以对应于将能量转换器设置为供电模式。喷射状态1可以指示允许燃料喷射(例如，允许燃料喷射器操作来喷射燃料)。点火状态为1可能表示允许点火(例如，允许火花塞点火)。
动力系统1可以被构造为响应于在第二模式下满足的条件来执行动作。如图12E所示，可能存在对应于发动机10的初始A-位置的第一状态。可能存在对应于发动机10的初始B-位置的第二条件。第一和第二条件可以基于第一传感器的输出，第一传感器可以是传感器130。当满足第一条件时(例如，传感器130输出为0)，可以发出指令以将活塞50从传感器130输出为0的点移动到传感器130输出为1的点。例如，能量转换器20可以将功率输入到致动器300中，使得齿条310经历趋向于使活塞50从气缸12的南侧移动到北侧的运动。
动力系统1可被构造成基于第二传感器的输出执行诸如喷射和点火的动作。第二传感器的输出可以确定为“Y”，如图12E所示。如上所讨论的，当Y达到某些值，例如Y1、Y2、Y3、Y4时，可以执行某些动作。作为执行与图12E一致的处理的结果，发动机可以从静止状态启动，并且燃烧可以进行。与图12E一致的处理可以在与图10C一致的处理之后执行。
在一些实施例中，可以使用能量转换器的“0”状态，这可以对应于将能量转换器设置为关闭状态。在状态0下，能量转换器可以停止向致动器300提供能量输入。可以使活塞50仅由于燃烧而移动。
图12F是示出与第二操作模式一致的控制例程的流程图。图12F可以是根据第二操作模式的动力系统1的操作的另一种表示。控制例程可以连续执行。在结束图12F的控制例程的处理之后，可以执行后续处理。在一些实施例中，该过程可以返回开始并重复。
在图12F中，控制例程在步骤S301处开始。在步骤S302处，可以基于第一传感器输出进行确定。第一传感器输出可以指第一位置传感器或其相关电路的输出。第一位置传感器可以包括传感器130。当在步骤S302处确定第一传感器输出为0时，例程可以前进到步骤S303。第一传感器输出0可以对应于齿条310不与传感器130重叠。另一方面，当在步骤S302处确定第一传感器输出为1时，例程可以前进到步骤S310。第一传感器输出1可以对应于齿条310与传感器130重叠。
在步骤S303处，动力系统可被致动，使得活塞沿第一方向移动。步骤S303可以包括使能量转换器20移动致动器300，使得活塞50在第一方向上移动。在例如图12A-12D的视图中，第一方向可以对应于向下的方向。在步骤S310处，动力系统可被致动，使得活塞沿第二方向移动。第二方向可以与第一方向相反。第二方向可以对应于例如图12A-12D的视图中的向上方向。在步骤S303或步骤S310之后，例程可以前进到处理的相应分支。
从步骤S303继续，在步骤S304处，可以基于第一传感器输出进行确定。可以确定第一传感器输出是否仍然是0，如果是，例程可以返回并重复步骤S303。也可以在步骤S304处确定第一传感器输出为1。在步骤S304处，可以确定第一传感器输出例如从0改变为1。第一传感器的输出信号的改变可以对应于活塞50到达气缸12中的预定点。预定点可以是气缸12的中点。在步骤S304中确定第一传感器输出为1之后，例程可以前进到步骤S305。
在步骤S305处，可以基于第二传感器输出进行确定。第二传感器输出可以指第二位置传感器或其相关电路的输出。第二位置传感器可以包括传感器140。当在步骤S305处确定例如第二传感器输出小于值Y1时，例程可以返回并重复步骤S303。小于Y1的第二传感器输出可以对应于活塞50没有移动至少对应于触发器盘145的Y1齿的距离。另一方面，当确定在步骤S305处第二传感器输出大于或等于Y1时，例程可以前进到步骤S306。Y1或更大的第二传感器输出可以对应于活塞50从而齿条310移动至少已知的量。活塞50的移动量可以对应于减小燃烧室的容积，并压缩包含在燃烧室中的空气。
在步骤S306处，动力系统可以执行喷射。步骤S306可以包括动力系统1向燃料喷射器(例如燃烧室71中的燃料喷射器34)发出指令，以喷射一定量的燃料。燃料量可以基于传感器输出来确定，或者可以是预定量，例如用于冷发动机起动例程的量。在步骤S306之后，例程可以前进到步骤S307。
在步骤S307，可以基于第二传感器输出进行确定。步骤S307中用于确定的值可以与步骤S305中使用的值相同或不同。例如，可以使用大于Y1的值Y2。当确定在步骤S307处第二传感器输出小于值Y2时，例程可以前进到步骤S308并在第一方向上移动活塞。步骤S308可以类似于步骤S303。步骤S308可以包括移动活塞小于步骤S303中的量。在步骤S308之后，例程可以返回到步骤S307。当确定在步骤S307处第二传感器输出大于或等于Y2时，例程可以前进到步骤S309。Y2或更大的第二传感器输出可以对应于活塞50并因此齿条310移动至少已知的量。活塞50的移动量可以对应于减小燃烧室的容积，并将包含在燃烧室中的空气进一步压缩到能够燃烧的点。
在步骤S309处，动力系统可以执行点火。步骤S309可以包括动力系统1向点火器(例如燃烧室71中的火花塞28)发出点火指令。步骤S309可以包括关闭能量转换器20，使得它不会在燃烧之后抵抗活塞50的运动。在步骤S309之后，例程可以前进到步骤S320，在步骤S320，处理可以结束。
在步骤S303、S308、S310和S315中，动力系统1可以被构造为使用能量转换器20驱动活塞50。能量转换器20的输出可能受到限制，因此，在第二模式下燃烧室中可实现的压缩量可能被限制在一定量。然而，仍然可以实现足以能够燃烧的一些压缩。值Y2或Y4可以基于能量转换器20可实现的最大压缩量来确定。
步骤S310至S316可以类似于步骤S303至S309，除了移动方向不同，并且传感器输出可以相应地反向。第二传感器输出可以基于运动的绝对值。例如，传感器140可以被构造为计数增量的数量，例如移动经过传感器140的触发器盘145的齿的数量，而不管移动的方向如何。值Y1或Y2可以分别等于Y3或Y4。
在步骤S309或步骤S316之后，例程可以前进到步骤S320，在步骤S320，过程可以结束。在步骤S320之后，例程可以在步骤S301重新开始。
重复图12F的例程可能有利于在活塞50中建立速度，并能够增强发动机起动。从静止条件，能量转换器20可能只能在气缸12中产生相对少量的压缩。然而，每次重复该例程时，活塞50可产生动量，并可实现更大的压缩量，从而实现更强的燃烧。例如，在第一循环之后，活塞50可能由于燃烧而改变(例如，反向)方向。动力系统1可以继续以第二操作模式操作。在下一个循环中，能量转换器20可以使用电能再次移动活塞50。因为活塞50可能已经由于燃烧而移动，所以能量转换器20工作来辅助活塞50的运动。随着每个冲程，随着活塞速度的增加，可以实现更大的压缩。随着活塞速度的越大，效率也可能提高。在某一点上，发动机10可能能够仅使用燃烧而不使用电辅助来自我充分运行。
对于活塞50的每个冲程，不同的Y值可用于确定步骤。当活塞速度较高时，可以使用较大的Y值，使得活塞50在气缸12中行进更大的距离并实现更高的压缩。
与图12F的流程图同时，例程可以在第二传感器(例如传感器140)不断输出数据的后台运行。控制器90可以分析来自第二传感器的数据。控制器90可以被构造为连续更新用于确定步骤的Y值。控制器90还可以被构造成确定活塞速度的最新测大小。活塞速度可以通过对第二传感器在一时间段内检测到的增量的数量进行计数来确定。该时间段可以是预定的持续时间。当活塞50到达参考点时，可以确定活塞速度。此时可以存储确定的活塞速度。在一些实施例中，该时间段可以在活塞50到达参考点时开始。在一些实施例中，该时间段可以在活塞50到达参考点时结束。参考点可以与传感器130的位置一致。活塞速度的确定可以发生在检测到第一传感器输出已经改变的时候。例如，响应于传感器130的输出从1转变为0，或者从0转变为1，控制器90可以被构造成基于传感器140的输出来确定活塞速度。在一些实施例中，当活塞50到达参考点时，可以确定活塞速度或其他值(例如运动参数，如下所述)，并且参考点可以是可变的。控制器90可以被构造成确定参考点。例如，控制器90可以被构造为确定参考点将在传感器130的输出转变之后的预定时间处于某个位置，或者处于从传感器130的位置移位的位置，或者某个任意位置。控制器90可以被构造成在传感器130的输出转变之后的时间延迟之后确定活塞速度。时间延迟可以是预定的持续时间，或者可以根据例如先前存储的活塞速度而变化。控制器90还可以被构造成在传感器130的输出转变之后，在传感器140检测到多个增量之后确定活塞速度。控制器90可以在其他处理(例如图12F的处理)正在进行时更新Y的值。
现在参考图13，图13是示出第三模式的系统运行条件的表格。第三模式可以是运行动力系统1的操作模式。第三模式可以对应于发动机操作模式。图13可以指示第三模式的参数。在第三模式下，可以设置参数，使得能够向发动机10喷射燃料。可以设置参数，使得通过允许发动机10的火花塞点火来启动点火。能量转换器20的设置可以被设置为“发电机”模式。例如，能量转换器20可以被构造成从发动机10的机械运动中提取能量并产生电能。
图14A是在第三操作模式下操作动力系统1的示意图。类似于第一和第二操作模式，发动机最初可处于第一位置或第二位置。图14A中所示的位置可以是第三操作模式下的B-位置。第三操作模式下的B-位置可以对应于致动器300的齿条310不与传感器130重叠的情况。在这种条件下，传感器130的输出可以是0。
在第三操作模式下，动力系统1可能已经在运动。例如，活塞50可能由于直接来自图12A-12D的过程而运动。因为活塞50已经在运动，所以动力系统1可以开始从发动机10提取能量。能量转换器20可以被构造成通过抵抗活塞50通过致动器300的运动来从发动机10获取能量。能量转换器20可以被构造为带负载操作。如图14A所示，能量转换器20可以施加抵抗活塞50运动的阻力1450。例如，在气缸12的北侧发生的燃烧1401可促使活塞50沿第一方向(例如，在图14A中向下)行进。阻力1450可以沿与第一方向相反的方向作用。阻力1450可以根据发动机操作条件而变化。例如，阻力1450可以基于活塞50的测量速度来确定。测量的速度可以在参考点确定。在一些实施例中，阻力1450可以为零，以便不妨碍活塞50的运动。例如，可以确定发动机10中活塞50的速度应该增加，因此，对活塞50往复运动的阻力应该最小化。
在第三操作模式下，动力系统1可以被构造为响应于满足第一条件而执行动作。第一条件可以是齿条310和传感器130不重叠。因此，第一条件可以是传感器130的输出为0。该动作可以是移动致动器300以使齿条310在第一方向上移动。在一些实施例中，动作可以是允许致动器300继续移动。如上所讨论的，由于例如气缸12中发生的燃烧1401，活塞50可能已经在运动。燃烧室71中的燃烧1401可以对应于活塞50的一个冲程的结束和相反方向的另一个冲程的开始。可以使活塞50朝着气缸12的南侧向下移动。当满足第一条件时，例如传感器130和齿条310不重叠，动力系统1可以允许活塞50继续向下移动。
在第三操作模式下，动力系统1还可以被构造为对活塞50的运动施加阻力。动力系统1可以被构造成抵抗振荡质量块的运动。振荡质量块可包括活塞50、活塞杆40和致动器300的运动部件。因为振荡质量块可以在发动机10的动力下运动，所以能量转换器20可以用于从发动机10的机械运动中产生电能。
当活塞50在气缸12中移动时，可以执行将空气吸入发动机10。动力系统1可构造成将活塞50移动到气缸12的相对侧，以使进气阶段能够进行。如图14A所示，在活塞50位于气缸12的北侧的至少一部分时间内，活塞杆部分43中的开口48可以暴露于燃烧室73。通过入口开口29供应到发动机10的空气可以与燃烧室73连通。空气可以从入口开口29穿过活塞杆部分42中的开口45。空气可以穿过活塞杆部分42中的通道，该通道延伸穿过活塞50并穿过活塞杆部分43到达开口48。空气可以从开口48供应到燃烧室73中。
空气可以被供应到燃烧室73中，直到开口48不再暴露于气缸12的内部的点。同时，在活塞50的相对侧，燃烧室71的膨胀阶段可以进行，直到活塞50到达排气开口18开始暴露于燃烧室71的点。如图14B所示，活塞50可以到达线1200，该线1200可以对应于气缸12的中点，并且排气开口18可以被覆盖。此后，活塞50可以继续移动，并且排气端口可以暴露。然后，排气阶段可以在燃烧室71中开始。排气阶段可以与动量阶段一致。动量阶段可以指操作发动机10的阶段，其中活塞50进一步行进超过气缸12中的预定点。预定点可以指示膨胀阶段的终点。预定点可以是活塞50的一个面移动经过排气开口18的位置，从而将排气路径的至少一部分朝向气缸12的外部暴露。例如，燃烧室71中燃料的燃烧可导致活塞50在膨胀阶段沿第一方向(图14B中向下)移动。活塞50可以具有足够的能量，即使当膨胀阶段结束时(例如，即使在到达预定点之后)，活塞50也可以继续行进超过排气开口18。活塞50超过膨胀阶段结束的进一步行程可指活塞50的“过冲”。活塞过冲可能是有用的，因为在膨胀阶段结束后，发动机10可以利用额外的功。在膨胀阶段结束(和动量阶段开始)的同时，或者在排气阶段开始前不久，压缩阶段可以在燃烧室73中开始。活塞50在动量阶段的动量可用于压缩活塞50相对侧的燃烧室73中的气体。
图14B是在燃烧室73中的压缩阶段可能开始的状态下以第三操作模式继续操作动力系统1的示意图。此时，活塞50可以位于气缸12的中点。活塞50的位置可以通过传感器130的输出从0变为1来确定。阻力1450可以继续以与第一方向相反的方向作用，并抵抗活塞50的运动。在图14B所示的阶段，阻力1450可以是与图14A中的相同大小。
动力系统1可以被构造为响应于在第三操作模式下满足第二条件而执行动作。第二条件可以基于传感器130或传感器140的输出。该动作可以是由能量转换器20施加阻力1450。第二条件可以是活塞50被确定为处于运动中。第二条件可以基于来自先前循环的传感器数据。在一些实施例中，第二条件可以基于实时分析的传感器输出。例如，动力系统1可以被构造成使得传感器130或传感器140不断地输出由控制器90分析的数据。例如，控制器90可以确定发动机10已经在第二操作模式下成功启动。在一些实施例中，当来自传感器130或传感器140的传感器输出指示活塞50正以至少某一速度运动时，控制器90可以确定发动机10已经成功起动。由于活塞50的运动，压缩阶段可以在燃烧室中进行。接下来，响应于满足其他条件，可以执行进一步的动作。
在一些实施例中，活塞50的移动方向可以基于传感器130的先前输出来确定。移动方向的确定也可以基于传感器130的电流输出。例如，当传感器130的当前输出为1并且传感器130的先前输出为0时，可以确定活塞50在第一方向上移动。当传感器130的当前输出为0并且传感器130的先前输出为1时，可以确定活塞50正在第二方向移动。
图14C是在第三操作模式下继续操作动力系统1的示意图。随着活塞50继续在第一方向上(图14C中向下)移动，活塞50的第一侧(例如，在燃烧室71处)上的动量阶段可以继续，并且活塞50的第二侧(例如，活塞50的相对侧，其可以对应于燃烧室73处的位置)上的压缩阶段可以继续。
在图14C所示的点处，活塞50已经从线1200移动了距离d。类似于第二操作模式，在第三操作模式下，当d变得等于预定值时，可以发生燃料喷射。预定值可以对应于触发器盘145的预定齿数。触发器盘145的预定齿数可以对应于值Y1，该值可以与上面关于第二操作模式讨论的值相同或不同。如图14C所示，燃料1410可以被喷射到燃烧室73中的气缸12中。控制器90可以使燃料喷射器34之一(见图3)喷射预定量的燃料。燃料量可基于流入气缸12的空气量和压缩比来确定，压缩比可基于例如传感器的输出来确定。可以基于来自其他传感器(例如，传感器130或传感器140)的输出来修改燃料量。例如，可以基于活塞50的确定参数来调节燃料量。阻力1450可以继续以与第一方向相反的方向作用，并抵抗活塞50的运动。在图14C所示的阶段，阻力1450可以与图14A中的大小相同，或者与图14B中的大小相同。
动力系统1可以被构造为响应于在第三操作模式下满足第三条件而执行动作。第三条件可以基于第二传感器(例如传感器140)的输出。第三条件可以是活塞50已经移动超过齿条310和传感器130从重叠变为不重叠的位置一定距离，例如超过气缸中点一定距离。在一些实施例中，第三条件可以基于第一传感器和第二传感器的输出。第三条件可以是在传感器130的输出改变的点之后，传感器140的输出被确定为至少Y1。例如，第三条件可以是，在传感器130的输出从1转变为0之后，传感器140检测到触发器盘145的Y1增量，这可以对应于活塞50已经移动了一定距离，指示活塞50已经越过气缸12的中点。
可以确定活塞50已经移动了足够的距离，使得包含在燃烧室73中的空气已经被压缩，以允许燃料被添加到燃烧室73中。燃料可以在允许最佳混合以产生燃料-空气混合物的点添加到燃烧室73。值Y1可以被确定为基于发动机运行条件的最佳混合点。值Y1可以基于地图来确定。
图14D是在第三操作模式下继续操作动力系统1的示意图。在图14D所示的点，与图14C相比，活塞50已经进一步移动越过线1200。活塞50可以继续移动，直到燃烧室73中的燃烧阶段可以开始的燃烧点。当距离d变得大于或等于预定值，例如Y2时，可能发生点火。Y2可以大于Y1。当距离d变得大于或等于Y2时，火花1420可以在燃烧室73中的气缸12中启动。控制器90可以使火花塞38之一(见图3)点火。因此，膨胀阶段可以在燃烧室73中开始。在进入膨胀阶段时，活塞50的移动方向可以改变。活塞50的移动方向可以反向。图14D所示的位置可以对应于燃烧室73中压缩阶段的结束。随着施加火花1420，阻力1450可以被关闭。同时，可以开始施加与阻力1450方向相反的阻力1460。
应当理解，第三操作模式下的操作可以发生在不同于上述方向的方向上，包括与上述方向相反的方向。例如，代替活塞50在冲程中从气缸12的北侧移动到南侧，活塞50可以从南侧移动到北侧。第三模式下的“A-位置”可以指活塞50的初始位置在气缸12的南侧的情况，例如如图14D所示。A-位置可以对应于1的传感器130的传感器输出(例如，齿条310与传感器130重叠)。第三模式下的“B-位置”可以指活塞50的初始位置在气缸12的北侧的情况，例如如图14A所示。B-位置可以对应于0的传感器130的传感器输出(例如，齿条310不与传感器130重叠)。操作参数可以基于活塞50的初始位置来确定。例如，不同的值可用于确定何时开始喷射或燃烧。当活塞50开始处于A-位置时，用于确定喷射的距离d的值可以是值Y1。此外，用于确定燃烧的距离d的值可以是值Y2。当活塞50开始处于B-位置时，用于确定喷射的距离d的值可以是值Y3。此外，用于确定燃烧的距离d的值可以是值Y4。在一些实施例中，气缸12可以相对于线1200是对称的。传感器输出的绝对值可用于确定。因此，在一些实施例中，Y1和Y3可以是相等的，Y2和Y4可以是相等的。
还应当理解，与图14A-14D相比，当动力系统1的运动反向时，进气可以通过发动机10的不同部件进行。
动力系统1可以被构造为响应于在第三操作模式下满足第四条件而执行动作，类似于第二操作模式。第四条件可以基于第二传感器的输出，例如距离d变得等于预定值。该动作可以是在燃烧室如燃烧室73中启动点火。
在第三操作模式下，可以确定活塞50已经移动到使得燃烧室71中的压缩比适于燃烧的点。可以考虑发动机10稳定运行的最佳条件来确定该点。可以考虑最佳运行条件来确定第三条件和第四条件。例如，可以设定条件使得发动机10根据地图操作以最大化发电。在一些实施例中，可以使用持续、长时间运行的地图。
图14E是示出根据第三操作模式的动力系统1的操作的图表。图14E的图表可以表示控制器90被编程为执行的控制例程。如图14E所示，能量转换器的状态“2”可以对应于将能量转换器设置为发电机模式(例如，通过提取机械能产生电能)。喷射状态1可以指示允许燃料喷射(例如，允许燃料喷射器操作来喷射燃料)。点火状态1可能表示允许点火(例如，允许火花塞点火)。
动力系统1可以被构造为响应于在第三模式下满足的条件而执行动作。如图14E所示，可能存在第一条件对应于发动机10的初始A-位置。可能存在第二条件对应于发动机10的初始B-位置。第一和第二条件可以基于第一传感器的输出，第一传感器可以是传感器130。当满足第一条件时(例如，传感器130输出为0)，可以发出指令以将活塞50从传感器130输出为0的点移动到传感器130输出为1的点。当活塞50已经移动时，该指令可以被忽略。在一些实施例中，动力系统1可以简单地允许发动机10继续其当前的运动状态。例如，操作条件不会发生变化。
可能存在基于第一或第二传感器输出的进一步的条件。该进一步的条件可以表明活塞50已经在移动。当满足进一步的条件时(例如，传感器140在一时间段内检测到至少一定数量的增量)，可以确定活塞50正以足够的速度移动，并且能量转换器20可以被激活以通过施加抵抗活塞50运动的阻力来产生电能。
动力系统1可被构造成基于第二传感器的输出执行诸如喷射和点火的动作。第二传感器的输出可以确定为“Y”，如图14E所示。如上所讨论的，当Y达到某些值，例如Y1、Y2、Y3、Y4时，可以执行某些动作。对发动机10的操作的进一步控制，例如确定要喷射的燃料量或要施加到能量转换器20的负载量(例如，影响阻力1450)，可以基于在参考点发生的确定。作为执行与图14E一致的处理的结果，可以在产生电能的同时运行发动机。与图14E一致的处理可以在与图12E一致的处理之后执行。
图14F是示出与第三操作模式一致的控制例程的流程图。图14F可以是根据第三操作模式的动力系统1的操作的另一种表示。控制例程可以连续执行。在结束图14F的控制例程的处理之后，可以执行后续处理。在一些实施例中，该过程可以返回开始并重复。
在图14F中，控制例程在步骤S401处开始。开始图14F的控制例程可能取决于发动机振荡质量块的一个部件以至少一个预定速度运动的条件。例如，响应于可以基于传感器140的输出做出活塞50正在以至少某一速度移动的确定，控制例程可以进入步骤S401。接下来，在步骤S402处，可以基于第一传感器输出进行确定。第一传感器输出可以指第一位置传感器或其相关电路的输出。第一位置传感器可以包括传感器130。当在步骤S402处确定第一传感器输出为0时，例程可以前进到步骤S403。第一传感器输出0可以对应于齿条310不与传感器130重叠。另一方面，当在步骤S402处确定第一传感器输出为1时，例程可以前进到步骤S412。第一传感器输出1可以对应于齿条310与传感器130重叠。
在步骤S403处，动力系统可被致动，使得活塞沿第一方向移动。在一些实施例中，步骤S403可以包括允许已经在运动的活塞50继续在第一方向上运动。在例如图14A-14D的视图中，第一方向可以对应于向下的方向。在步骤S412处，动力系统可被致动，使得活塞沿第二方向移动。第二方向可以与第一方向相反。第二方向可以对应于例如图14A-14D的视图中的向上方向。在步骤S403或步骤S412之后，例程可以前进到相应的处理分支。
从步骤S403继续，在步骤S404处，可以在第二方向上施加阻力。步骤S404可以包括由能量转换器20施加阻力1450。步骤S404可以包括基于运动参数，例如测量的活塞速度，确定阻力1450的大小。测量的活塞速度可以在参考点确定。
接下来，在步骤S405处，可以基于第一传感器输出进行确定。可以确定第一传感器输出是否仍然是0，如果是，例程可以返回并重复步骤S405。该例程可以在预定时间段之后重复步骤S405。也可以在步骤S405处确定第一传感器输出为1。在步骤S405处，可以确定第一传感器输出例如从0改变为1。第一传感器的输出信号的改变可以对应于活塞50到达气缸12中的预定点。预定点可以是气缸12的中点。在步骤S405中确定第一传感器输出为1之后，例程可以前进到步骤S406。
在步骤S406处，可以基于第二传感器输出进行确定。第二传感器输出可以指第二位置传感器或其相关电路的输出。第二位置传感器可以包括传感器140。当在步骤S406处确定例如第二传感器输出小于值Y1时，例程可以返回并重复步骤S405。该例程可以在预定时间段之后重复步骤S405。小于Y1的第二传感器输出可以对应于活塞50没有移动至少对应于触发器盘145的Y1齿的距离。另一方面，当在步骤S406处确定第二传感器输出大于或等于Y1时，例程可以前进到步骤S407。Y1或更大的第二传感器输出可以对应于活塞50从而齿条310移动至少已知的量。活塞50的移动量可以对应于减小燃烧室的容积，并压缩包含在燃烧室中的空气。
在步骤S407处，动力系统可以执行喷射。步骤S407可以包括动力系统1向燃料喷射器(例如燃烧室71中的燃料喷射器34)发出指令，以喷射一定量的燃料。燃料量可以基于传感器输出来确定，或者可以是预定量，例如用于冷发动机起动例程的量。在步骤S407之后，例程可以前进到步骤S408。
在步骤S408处，可以基于第二传感器输出进行确定。在步骤S408中用于确定的值可以与在步骤S406中使用的值相同或不同。例如，可以使用大于Y1的值Y2。当在步骤S408确定第二传感器输出小于值Y2时，例程可以前进到步骤S409，并且活塞可以继续在第一方向上移动。步骤S409可以类似于步骤S403。在步骤S409之后，例程可以返回到步骤S408。当在步骤S408确定第二传感器输出大于或等于Y2时，例程可以前进到步骤S410。Y2或更大的第二传感器输出可以对应于活塞50从而齿条310移动至少已知的量。活塞50的移动量可以对应于减小燃烧室的容积，并将包含在燃烧室中的空气进一步压缩到能够燃烧的点。
在步骤S410处，动力系统可以执行点火。步骤S410可以包括动力系统1向点火器(例如燃烧室73中的火花塞28)发出点火指令。在步骤S411处，动力系统可以停止抵抗活塞运动的阻力。步骤S411可以包括去除阻力1450。步骤411可以包括反向阻力作用的方向。例如，可以去除阻力1450，并且可以施加阻力1460。
步骤S412至S420可以类似于步骤S403至S411，除了移动方向不同，并且传感器输出可以相应地反向。第二传感器输出可以基于运动的绝对值。例如，传感器140可以被构造为计数增量的数量，例如移动经过传感器140的触发器盘145的齿的数量，而不管移动的方向如何。值Y1或Y2可以分别等于Y3或Y4。
在步骤S411或步骤S420之后，例程可以前进到步骤S421，在步骤S421，处理可以结束。
一方法可以包括图10D、图10E、图12F或图14F的流程图的元素，具有或不具有各种修改。在一些实施例中，操作发动机的方法可以包括实现图10E、图12F和图14F的流程图。在一些实施例中，可以执行多个活塞运动步骤。例如，可以实施第一方法来识别活塞的位置，然后活塞可以由电源通过例如触发器盘145的一定数量的齿来移动，如在第一操作模式下那样。接下来，可以实施第二方法来喷射燃料并继续移动活塞。当活塞已经移动了进一步的量时，例如，当距离d达到最佳压缩点时，或者基于操作条件活塞可以移动的最远距离时，可以触发点火。
能量转换器20可以被构造成实现各种功能。例如，如在第一模式下，能量转换器20可以将发动机部件例如活塞50从一个位置移动到另一个位置。能量转换器20可以使发动机减速或加速，例如如上文关于第二模式所讨论的。能量转换器也可以通过抵抗发动机来发电，例如如上面关于第三模式所讨论的。
在一些实施例中，能量转换器可以施加可变阻力。经由致动器300施加到发动机10的阻力可以基于发动机10或其他部件的操作条件而变化。
现在参考图15，图15示出了以可变阻力(resistance)运行的动力系统1的构造。基于传感器输出，从能量转换器20施加到致动器300的阻力水平可以是可变的。例如，可以从被构造成监控触发器盘450的传感器140获得信息。控制器90可以确定活塞50的速度。活塞50的速度可以实时确定。
控制器90可以被构造为不断地监控来自传感器140的输出，并计算通过能量转换器20施加的阻力水平。控制器90可以被构造成基于活塞速度的最新确定来更新阻力值。例如，阻力的更新可以在预定延迟之后立即发生，或者在下一个冲程发生。活塞速度可以通过对第二传感器在一时间段内检测到的增量的数量进行计数来确定。活塞速度的确定可以发生在检测到第一传感器输出已经改变的时候。例如，响应于传感器130的输出从1转变为0，或者从0转变为1，控制器90可以被构造为基于传感器140的输出来确定活塞速度，并且可以基于所确定的活塞速度来确定阻力水平。控制器90可以被构造成在传感器130的输出转变之后的预定时间延迟之后确定活塞速度。
控制器90被构造成确定活塞速度的点可以是可变的。在一些实施例中，控制器90可以被构造成当确定活塞50已经到达传感器130的输出转变的点时确定活塞速度。在一些实施例中，控制器90可以被构造成当活塞50处于气缸12的中点时确定活塞速度。在一些实施例中，控制器90可以被构造成当活塞50到达超出气缸12的中点一定距离的点时，例如传感器140的预定数量的增量时，确定活塞速度。考虑到热力学效应，可以选择确定活塞速度的点。例如，确定燃烧阶段结束后某一点的活塞速度可能是有益的，因为它可以更准确地表示活塞50的动能。
燃烧可能是一内在包含随机性的过程。可能存在与发动机气缸中燃料燃烧相关的随机行为。例如，在一些冲程中，当燃烧阶段结束时，未燃烧的燃料可能保留在燃烧室中，而在一些冲程中，燃料可能被完全消耗。消耗的燃料量可能影响传递到活塞的能量。因此，燃烧的效果可能因冲程而异。在本公开的一些实施例中，可以在每个冲程确定活塞速度，并且可以相应地调整动力系统1的操作参数。例如，可以优化每个冲程，使得能量转换器20施加最大的阻力量，以从活塞50中提取由燃烧产生的适量能量。例如，在一个最佳点，活塞50可以被来自能量转换器20的阻力减慢，从而到达没有动能剩余的冲程终点(例如，“零速度”点)。在冲程的终点，点火可以被触发，以便开始下一个冲程，其中活塞可以沿相反的方向行进。
使用与活塞速度相关的信息，控制器90可以计算发动机10的振荡质量块的动量。组成振动质量块的部件的特性可以预先知道。活塞位置可如本文所讨论的进行确定。因此，可以计算出可以从活塞中提取的剩余功量。由能量转换器20施加的负载可以基于能够从活塞提取的剩余功量来确定。如图15所示，齿条310可以运动，例如向下运动。传感器140可以输出指示在齿条310开始与传感器130重叠之后计数的触发器盘145的齿数的数据。因此，可以确定活塞的位置。此外，可以确定活塞速度。实时地，信息可以被馈送到控制器90中，并用于设置阻力1450的水平。控制器90可以被构造成当活塞越过中点时确定活塞速度并计算阻力。控制器90可以预定的时间间隔计算阻力。控制器90可以不断地更新阻力。即使在一个冲程期间，阻力水平也可能改变。如图15所示，能量转换器20和传感器140可以通信地联接到控制器90(如实线所示)。控制器90可以输出指令以使能量转换器20调节阻力1450的水平(如虚线所示)。
控制器90可以被构造成确定参考点处的振荡质量块的运动参数，该参考点可以是预定点。例如，控制器90可以确定振荡质量块在第一点的动量。第一点可以是已知的位置。第一点可以与诸如传感器130的传感器的位置一致。第一点可以是线性往复式发动机气缸的中点。第一点可以是传感器输出转变的点。例如，第一点可以是传感器130的输出改变值的点。控制器90可以被构造成响应于传感器130的输出改变值来确定运动参数。在一些实施例中，预定点可以是第二点。第二点可以离第一点预定距离。运动参数可以基于多个传感器的输出来确定。例如，控制器90可以被构造成响应于在传感器130的输出已经改变值之后传感器140已经检测到预定数量的增量的确定来确定运动参数。因此，第二点可以移位超过第一点预定距离。在一些实施例中，运动参数可以基于活塞在第一点或第二点的速度来确定。响应于确定运动参数，可以调节能量转换器20的阻力水平。能量转换器20的负载可以基于运动参数。
在一些实施例中，参考点本身可以基于与发动机操作相关的信息来确定。控制器90可以被构造成实时确定在发动机10运行时的参考点的位置。例如，活塞50行进越快，参考点可以离第一点越远。在一些实施例中，活塞50行进越慢，参考点可以离第一点越远。
动力系统1可以混合模式操作。混合模式可以包括第一至第三模式或其他模式的方面。在混合模式下，动力系统1可以使用能量转换器20来移动活塞50(例如，作为起动器)和抵抗活塞(例如，作为发电机)。动力系统1可以被构造成在辅助模式下操作。例如，除了调节阻力1450之外，控制器90可以被构造成响应于满足某些条件来控制其他操作。在一些实施例中，控制器90可以完全去除阻力。控制器90可以提前点火正时。控制器90可构造成在活塞达到最佳压缩点之前使火花塞点火，以保持发动机运行。辅助模式可用于保持发动机运行，以避免遇到缺火或其他异常情况。
例如，基于其当前位置和速度，可以确定活塞50没有足够的能量来达到燃烧计划发生的最佳压缩点。控制器90可以去除阻力1450，并且可以将能量转换器20的操作模式改变为电源模式。然后，能量转换器20可以输入能量，以使活塞50能够达到最佳压缩点，或者可以发生燃烧的某个其他点。动力系统1可以被构造成使得活塞50继续往复运动而没有损失冲程。
如上所讨论的，能量转换器可以被构造为设置负载。负载可以是阻力。例如，负载可以对抗活塞50的运动。负载可以包括阻力1450。在一些实施例中，负载可以是辅助力。能量转换器20可以被构造成辅助活塞50的运动。负载可以对应于能量转换器20产生输出，从而移动活塞50。
在混合模式下，能量转换器20可以被构造为从辅助活塞50的运动改变为抵抗活塞50的运动，反之亦然。能量转换器20可以被构造成在活塞50的一个冲程内从辅助或抵抗改变。活塞50的冲程可从气缸12一侧的燃烧点前进，并可在气缸12相对侧的另一燃烧点结束。可以确定在冲程中期，活塞50的参数使得能量转换器20应该从抵抗或辅助活塞50的运动改变。例如，能量转换器20可以被构造为从活塞50提取能量，但是当活塞50的速度下降到活塞50将没有足够的能量在当前冲程结束时到达下一个燃烧点的水平时，能量转换器20可以被改变为起动器，并且可以辅助活塞50的运动，使得其到达下一个燃烧点。
图16是表示传感器的输出信息处理的示意图。来自传感器130或传感器140的输出可用于确定参数，例如运动参数。传感器140可以向计数器输出数据。计数器可以被构造为对传感器140检测到的增量的数量进行计数。例如，事件检测器可以被构造成确定多个事件，每个事件可以对应于经过传感器140的面143的触发器盘145的齿。计数器可以包括时钟。计数器可以被构造为用时间戳标记每个事件。时间戳也可以与其他事件，例如传感器130的输出转变的点，相关联。在一些实施例中，传感器130或140可以时钟速率采样。
如图16所示，计数器的输出可以输入到各种其他单元。例如，可以提供使用来自计数器和传感器130的输入的位置确定器。位置确定器可以被构造成确定活塞50在气缸12中的位置。位置确定器可以基于可以指示活塞已经到达已知位置的传感器130的输出，并且基于可以指示活塞已经进一步移动一定距离的传感器140的输出(例如，经由计数器)，来确定活塞50的位置。位置确定器可以确定活塞50在气缸12的第一侧或第二侧。确定活塞50在第一侧或第二侧可以基于传感器130的电流输出。在一些实施例中，确定活塞50在第一侧或第二侧可以基于先前的数据。
像位置确定器一样，各种其他量可以由其他单元确定。例如，可以提供距离确定器。距离确定器可以被构造成确定活塞50在一时间段内已经移动的距离。可以提供速度确定器，其被构造成确定活塞50的速度。可以提供加速度确定器，其被构造成确定活塞50的加速度。加速度确定器可以包括微分器。加速度确定器可以被构造成确定由速度确定器确定的速度的导数。在一些实施例中，速度确定器可以被构造成确定由距离确定器确定的距离的导数。
在一些实施例中，动力系统可以被构造成以自燃模式运行。图17示出了在自燃模式下运行的动力系统1的实例的示例。在自燃模式下，点火可能被禁用，除非作为备用。在自燃模式下，可以在进气冲程期间喷射燃料，然而，代替使用放电(例如，来自火花塞的火花)来点燃燃料-空气混合物，可以允许活塞50继续在气缸12中行进，增加燃料-空气混合物的密度和温度，直到混合物自发反应。
在比较示例中，燃料可以在发动机的燃烧室中与空气一起喷射，并且燃烧室的至少一部分容积可以包含燃料。当点火由例如火花点火触发时，燃烧可以在燃烧室中靠近火花的位置开始发生。燃烧可以在燃料和空气充分混合的区域开始，并且可以扩散到燃烧室中的其他位置。在压缩阶段开始之前，让燃油和空气充分混合可能很重要。
与比较示例相比，发动机可以如下自燃操作。燃料可以被喷射，空气可以被供应到燃烧室，例如燃烧室71。活塞50可以向气缸12的北侧移动，导致燃烧室71中的气体被压缩。可以允许活塞50继续越来越靠近气缸12的气缸盖行进。包含在燃烧室71中的空气和燃料通过扩散或其他现象继续混合。最终，活塞50可到达燃烧室71中的燃料-空气混合物可由于热量和密度升高而通过自动点火反应的位置。如图17所示，线1701可以指示燃烧室71中可能发生自燃的点。燃烧室71的容积可以减小到满足自燃条件的值。燃烧室71中的燃料-空气混合物在这一点上可以很好地混合。在自燃中，燃烧可以均匀地发生在燃烧室71中，因此可以改善排放。例如，在一些实施例中，当燃烧室71中发生自燃时，可能没有火焰锋。均质充量压缩点火(HCCI)可以是在自燃模式下操作动力系统1的一个示例。
例如，使用HCCI，可以在燃烧室中实现相对较高的压缩。在一些实施例中，燃烧可以在200巴或以上开始，而不是例如65巴，这在常规点火中是典型的。在比较示例中，火花可以在活塞消耗掉之前燃烧所产生的全部动能之前产生。因此，当活塞还剩下能量时，可能会使它过早地改变方向。如果火花点火被禁用，活塞将倾向于继续在压缩冲程中行进。在本公开的一些实施例中，可以使用HCCI，并且在最佳点，活塞中的所有动能可以用于压缩燃烧室中的气体。在一些实施例中，活塞的任何多余能量可以被提取作为发电机的功输入。
如图17所示，可以允许活塞50在到达燃烧点之后行进更远的距离，例如在上述第二或第三操作模式下使用的燃烧点。线1701可以表示当火花点火通常用于第二或第三操作模式时活塞通常不会越过的平面。图17示出了活塞50可以位于气缸12中的某个位置，在该位置，在发动机气缸盖(head)和活塞的近端面之间仍保持一定距离Z。这可以称为间隙容积。因此，气体仍有一定的容积可以进一步压缩。增加压缩可以允许更强的燃烧。动力系统1可以通过允许活塞50进一步行进超过预定的正常燃烧点直到自燃发生来利用该距离。
图18示出了致动器的另一种构造。图18示出了连接到致动器300A的发动机10。致动器300A包括齿条310A、轮321A和轮322A。
图19是与本公开的实施例一致的致动器300A的一部分的放大视图。齿条310A包括凹口311。传感器130可以被构造成检测凹口311何时与传感器130重叠。传感器130和凹口311可用于粗略确定，例如，活塞50位于气缸12的北半部或南半部。在与凹口311相对的一侧，齿条310A可以包括齿状部分312，该齿状部分312可以用于更精确的确定。传感器140可以被构造成检测齿状部分312的单个齿。
为了传递动力，轮321A可以包括与齿条310A中的凹槽319接合的销329。轮321A和轮322A可以联接到旋转操作的能量转换器。轮321A和322A旋转的机械运动可以用于动力传递。致动器300A可用于将发动机10的线性往复运动转换成旋转能量。
图20示出了动力系统1的另一种变型。发动机10可以连接到管2000。管2000可以包括开口2010。图21是示出管2000内部的部分透明视图。活塞杆部分43可以连接到质量块310B。活塞杆部分43可以通过阶梯杆部分43a连接到质量块310。
传感器130可以被构造成监控通过开口2010连接到活塞50的结构。在一些实施例中，与杆43相比，阶梯杆部分可以具有显著减小的直径。例如，如图22所示，可以提供杆部分43b。传感器130可以被构造成观察活塞杆部分43的不连续性。传感器130可以检测过渡部分43t何时越过传感器130的位置。
根据本公开的示例性实施例的发电系统可以产生各种优点。例如，相对简单和经济的传感器可用于获得发动机中活塞位置的信息。传感器输出可以是简单的，并且可以被快速传送到处理系统，例如控制器。控制器可以调节发电系统的操作条件，该操作条件可以允许从发动机中增强的能量提取。也可以实现快速处理和高带宽。
根据本公开的示例性实施例的发动机可以产生进一步的益处。例如，发动机可以促进从气缸中几乎连续地清除热废气，同时连续地供应新鲜空气用于燃烧。几乎连续引入的新鲜预压缩空气可以降低气缸内的温度，提高发动机效率和使用寿命。
在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对所公开的示例性实施例进行各种改变和修改。例如，发动机10产生的燃烧气体可用于驱动涡轮增压器。引入气缸的压缩空气可以由外部压缩机加压，该外部压缩机由从气缸的相对端延伸的往复活塞杆部分驱动。其它变型可以包括通过改变入口端口或出口端口的角度，使引入气缸的气体产生涡流效应，从而气体不会被径向导入或导出气缸。
也可以使用一种发动机，该发动机包括在每一端由发动机气缸盖界定的双面气缸、位于每一端的排气单元和在气缸内自由滑动的活塞。两个活塞杆可以与发动机的纵向轴线对准，每个活塞杆连接在活塞的不同侧。每个活塞杆可以具有延伸到排气端口的空腔。排气端口可以构成排气阀，该排气阀是活塞杆的整体部分。活塞杆可以构成滑阀。美国专利号9,995,212中讨论了这种发动机的一示例。
虽然已经讨论了诸如传感器130和传感器140的第一和第二传感器的示例，但是动力系统可以仅包括一个或多个可以实现类似功能的传感器。在一些实施例中，传感器130和140可以组合。可以提供多个传感器，这些传感器可以对应于多个运动部件，例如多个活塞或活塞杆。
附图中的框图可以示出根据本公开的各种示例性实施例的系统、方法和计算机硬件/软件产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，示意图中的每个框可以表示某些算术或逻辑运算处理，其可以使用诸如电子电路的硬件来实现。这些框还可以表示模块、代码段或代码部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。应当理解，在一些替代实施方式中，框中指示的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框可以基本上同时执行或实现，或者两个框有时可以以相反的顺序执行。一些框也可以省略。例如，图14F的步骤S410和S411可以同时执行。还应当理解，框图的每个框以及框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统来实现，或者由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
为了加快本公开的前述部分，一起描述元件的各种组合。应当理解，本公开的各方面在其最广义上不限于先前描述的特定组合。相反，本发明的实施例，与本公开一致，并且如附图中的示例所示，可以包括以下列出的一个或多个特征，单独或与任何一个或多个以下其他列出的特征组合，或与前面描述的功能结合使用。
例如，可以提供一种包括发动机的系统。发动机可包括具有第一燃烧室和第二燃烧室的气缸；以及可滑动地安装在气缸内的活塞。还可以提供以下元件：
·第一传感器，其设置在构造为连接到发动机的基座上。
·第二传感器，其设置在基座上。
·其中，第一传感器被构造为响应于联接到活塞的部件处于第一传感器的区域中而产生信号。
·其中，第二传感器被构造为响应于联接到活塞的部件处于第二传感器的区域中而产生信号。
·其中，基座包括能量转换器，该能量转换器被构造为将发动机的运动转换成功。
·其中能量转换器被构造为将发动机的运动转换成电力。
·其中发动机是线性往复式发动机。
·其中能量转换器被构造为将线性往复式发动机的线性往复运动转换成电力。
·其中气缸具有可形成第一燃烧室的第一端，以及可形成第二燃烧室的第二端，第一端与第二端相对。
·第一气缸盖，其位于第一燃烧室的端部；第二气缸盖，其位于第二燃烧室的端部。
·活塞杆，包括延伸穿过第一燃烧室和第二燃烧室的至少一个活塞杆部分，所述至少一个活塞杆部分具有位于活塞的第一侧上的至少一个第一端口和位于活塞的第二侧上、与活塞的第一侧相对的至少一个第二端口。
·其中发动机是对置活塞发动机。
此外，例如，可以提供一种包括气缸的线性往复式发动机，该气缸具有位于气缸的第一端的第一燃烧室和位于气缸的相对的第二端的第二燃烧室；第一气缸盖，其位于第一燃烧室的端部；第二气缸盖，其位于第二燃烧室的端部；可滑动地安装在气缸内的活塞；活塞杆，其包括延伸穿过第一燃烧室的第一活塞杆部分和延伸穿过第二燃烧室的第二活塞杆部分，第一活塞杆部分具有位于活塞的第一侧上的第一端口，第二活塞杆部分具有位于与活塞第一侧相对的活塞的第二侧上的第二端口。还可以提供以下元件：
·能量转换器，其被构造为将机械运动转换为电能。
·基座，其包括构造成将线性往复式发动机的机械运动传递到能量转换器的致动器。
·控制器，其被构造为以多模式之一操作线性往复式发动机或能量转换器。
·其中致动器包括联接到线性往复式发动机的第一齿条、齿轮以及联接到能量转换器的第二齿条。
·其中致动器包括联接到线性往复式发动机的齿条和联接到能量转换器的轮。
此外，例如，可以提供一种用于操作线性往复式发动机的方法，该线性往复式发动机包括在其第一端具有第一燃烧室和在其相对的第二端具有第二燃烧室的气缸；第一气缸盖，其位于第一燃烧室的端部；第二气缸盖，其位于第二燃烧室的端部；可滑动地安装在气缸内的活塞；以及活塞杆，其包括至少一个活塞杆部分，该活塞杆部分延伸穿过第一燃烧室和第二燃烧室，所述至少一个活塞杆部分具有位于活塞的第一侧上的至少一个第一端口和位于与活塞的第一侧相对的活塞的第二侧上的至少一个第二端口。还可以提供以下元素：
·通过第一传感器确定线性往复式发动机的活塞是在气缸的第一半部还是气缸的第二半部。
·基于第二传感器检测到的增量的数量确定由活塞行进的距离。
·基于在一时间段内检测到的增量的数量来确定活塞的速度。
·基于活塞的速度来确定连接到活塞的摆动质量块的能量。
·基于所确定的摆动质量块的能量来确定能量转换器的负载，该能量转换器被构造为将线性往复式发动机的线性往复运动转换为电能。
此外，例如，可以提供一种确定内燃机中活塞的位置的方法，该内燃机包括在其第一端具有第一燃烧室和在其相对的第二端具有第二燃烧室的气缸；可滑动地安装在气缸内的活塞；以及活塞杆，其从活塞延伸穿过燃烧室并进入气缸外部的区域。还可以提供以下元素：
·通过第一传感器确定线性往复式发动机的活塞是在气缸的第一区域还是在气缸的第二区域。
·基于第二传感器检测到的增量的数量来确定活塞行进的距离。
·确定摆动质量块在第一点或第二点的运动参数。
·其中，第一点对应于第一传感器的输出转变的点。
·其中，第二点对应于距第一点预定距离的点。
·其中确定运动参数包括基于由第二传感器在间隔中检测到的增量的数量来确定活塞的速度。
·其中，运动参数基于在第一点确定的活塞速度。
·确定基于运动参数转换的能量的负载。
·其中负载被构造为抵抗活塞的运动。
·其中负载被构造为辅助活塞的运动。
此外，例如，可以提供包括发动机的系统。发动机可包括具有第一燃烧室和第二燃烧室的气缸；以及可滑动地安装在气缸内的活塞。还可以提供以下元件：
·第一传感器，该第一传感器设置在构造为连接到发动机的基座上。
·其中第一传感器被构造为响应于联接到活塞的部件处于第一传感器的区域中而产生第一信号。
·其中，第一传感器被构造为产生第二信号。
·其中，当第一传感器不输出第一信号时产生第二信号。
·其中，第一传感器被构造为当联接到活塞的部件不在第一传感器的区域中时产生第二信号。
·进一步包括控制器。
·其中控制器被构造为基于第一传感器的输出来确定发动机的操作。
·其中控制器被构造为基于第一信号和第二信号之间的变化来确定活塞的移动方向。
·其中控制器被构造为基于第一信号和第二信号之间的变化将燃料喷射到第一燃烧室或第二燃烧室中。
·其中，第一传感器布置在发动机中的参考点处。
·其中发动机是线性往复式发动机。

Claims (32)

1.一种用于确定活塞在发动机中的位置的系统，该系统包括：
传感器，该传感器被构造为确定活塞是在气缸的第一区域中还是在气缸的第二区域中；
控制器，该控制器被构造为基于来自传感器的输出来确定发动机的参数，
其中所述控制器被构造为基于所述传感器的输出的变化来确定所述活塞的移动方向。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述参数包括活塞的位置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，所述控制器被构造为基于所述参数来控制所述系统的操作。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述操作包括燃料喷射，并且所述控制器被构造为基于所述传感器的输出的变化来确定将燃料喷射到所述气缸的第一区域中或所述气缸的第二区域中。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，还包括联接到发动机的部件，其中传感器被构造为当部件在传感器的区域中时确定第一输出，以及当部件不在传感器的区域中时确定第二输出。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述部件包括附接到活塞杆的齿条。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述齿条沿所述活塞的长度延伸，使得所述传感器被构造成在所述活塞处于第一区域中时确定第一输出，并且在所述活塞处于第二区域中时确定第二输出。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，所述操作包括确定燃料喷射正时。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其中，所述传感器布置在对应于参考点的位置，并且所述控制器被构造成在所述活塞到达所述参考点时确定所述参数。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的系统，其中，所述传感器被构造为使得输出的变化发生在所述气缸的中点。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器被构造成确定距参考点预定时间或距离的燃料喷射点。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的系统，其中，所述控制器被构造为将所述活塞的位置确定为所述气缸的第一区域或所述气缸的第二区域。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的系统，其中，所述发动机包括线性往复式发动机。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的系统，其中，所述控制器被构造为在所述活塞到达所述气缸的中点时喷射燃料。
15.根据权利要求1-16中任一项所述的系统，其中，所述发动机被构造为使得喷射的燃料在所述气缸中通过自燃点燃。
16.一种用于确定发动机的状态的系统，该系统包括：
第一传感器，该第一传感器被构造成以第一粒度确定与发动机的状态相关的参数；
电子控制单元，该电子控制单元被构造为确定发动机的状态，
其中所述电子控制单元被构造成：
当第一传感器的输出是第一值时，确定发动机的活塞处于发动机的第一区域，以及当第一传感器的输出是第二值时，确定活塞处于发动机的第二区域，和
基于第一值和第二值之间的变化来确定活塞的移动方向。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括：
第二传感器，该第二传感器构造成以第二粒度确定与发动机的状态相关的参数，其中第二粒度比第一粒度更细，
其中移动方向仅基于第一传感器的输出来确定。
18.一种用于确定活塞在线性往复式发动机中的位置的系统，该系统包括：
设置在基座上的第一传感器，所述基座被构造成连接到所述线性往复式发动机，第一传感器被构造成响应于联接到所述活塞的部件处于所述第一传感器的区域中而产生信号，所述信号包括对应于所述活塞处于所述气缸的第一半部中的第一信号或对应于所述活塞处于所述气缸的第二半部中的第二信号；
包括在基座中的能量转换器，该能量转换器被构造成将线性往复式发动机的线性往复运动转换成有用功；和
控制器，该控制器被构造为基于第一传感器的输出来确定活塞的位置，其中
控制器被构造为基于第一传感器的输出的变化来确定将燃料喷射到气缸的第一半部中或气缸的第二半部中。
19.根据权利要求18所述的系统，其中
第一传感器被构造成响应于联接到活塞的齿条的位置与第一传感器的位置重叠而产生第一输出。
20.根据权利要求19所述的系统，还包括：
第二传感器，该第二传感器被构造为响应于联接到活塞的部件处于第二传感器的区域中而产生信号，
其中第二传感器被构造成响应于由所述齿条旋转的轮的齿经过所述第二传感器的区域而递增计数器。
21.根据权利要求18-20中任一项所述的系统，其中，所述能量转换器被构造成将所述线性往复式发动机的线性往复运动转换成电力。
22.根据权利要求18-21中任一项所述的系统，其中
所述能量转换器被构造为基于第一传感器的输出的变化而产生输出以移动线性往复式发动机。
23.根据权利要求19所述的系统，其中
齿条包括在第一侧上的凹口和在第二侧上的齿状部分。
24.一种用于控制线性往复式发动机的方法，该方法包括：
由传感器确定第一输出或第二输出，第一输出对应于线性往复式发动机的活塞处于气缸的第一半部中，第二输出对应于活塞处于气缸的第二半部中；
基于传感器的第一输出和第二输出之间的变化来确定活塞的移动方向；和
基于传感器的第一输出和第二输出之间的变化，将燃料喷射到气缸的第一半部或气缸的第二半部中。
25.一种用于控制发动机的方法，该方法包括：
确定发动机中的活塞是在气缸的第一区域中还是在气缸的第二区域中；
基于活塞处于气缸的第一区域和气缸的第二区域之间的变化来确定活塞的移动方向。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：
基于所述变化来确定将燃料喷射到气缸的第一区域或气缸的第二区域中。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，当活塞到达将气缸分成第一区域和第二区域的位置时，喷射燃料。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，将气缸分成第一区域和第二区域的位置是气缸的中点。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，在相对于参考点的预定点喷射燃料。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述参考点对应于传感器的位置，所述传感器被构造为确定所述发动机中的活塞是在气缸的第一区域中还是在气缸的第二区域中。
31.根据权利要求25-30中任一项所述的方法，还包括：
基于移动方向来确定在预定方向上移动所述活塞。
32.根据权利要求25-31中任一项所述的方法，其中，所述移动方向仅基于单个传感器的输出来确定，所述单个传感器确定所述发动机中的活塞是在气缸的第一区域还是在气缸的第二区域中。
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