KR102423149B1 - 엔진 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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샤울 야코비
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아쿠아리우스 엔진스 센트랄 유럽 에스피. 제트 오. 오.
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Abstract

엔진의 피스톤과 관련된 파라미터를 결정하는 데 시스템이 사용될 수 있다. 파라미터는 실린더의 기준점에서 결정될 수 있는 피스톤 위치, 속도 등이 될 수 있다. 결정된 파라미터를 기반으로 시스템을 제어할 수 있다. 엔진은 선형 왕복 운동 엔진, 대향 피스톤 엔진 등일 수 있다. 상기 시스템은 상기 엔진과 연결되는 베이스에 제공된 제1 센서와 상기 베이스에 제공된 제2 센서를 포함할 수 있다. 제1 센서는 제1 센서의 영역에 있는 피스톤에 결합된 구성요소에 응답하여 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 제2 센서는 제2 센서와 상호작용하는 피스톤에 결합된 구성요소에 응답하여 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 시스템은 엔진의 운동을 전력으로 변환하도록 구성된 에너지 변환기를 포함할 수 있다.

Description

엔진 제어 시스템 및 방법
본 발명은 내연 기관 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선형 경로에서 왕복 운동하는 자유 피스톤을 갖는 내연 기관 분야에 관한 것이다.
내연 기관은 공지되어 있다. 일부 엔진 구성에는, 예를 들면 단기통 또는 다기통 피스톤 엔진, 대향 피스톤 엔진 및 회전 엔진이 포함된다. 피스톤 엔진의 가장 일반적인 유형은 2행정 엔진과 4행정 엔진이다. 이러한 유형의 엔진은 비교적 많은 수의 부품을 포함하고, 적절한 기능을 위해 윤활 시스템, 냉각 시스템, 흡기 및 배기 밸브 제어 시스템 등과 같은 수 많은 보조 시스템을 필요로 한다.
엔진은 행정에서 엔진을 따라 얼마나 멀리 있는 지와 같은 엔진의 작동 상태를 기반으로 제어될 수 있다. 엔진을 제어하는 것은 엔진을 포함하는 시스템에서 피스톤 또는 다른 구성요소를 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 엔진에는 작동 상태와 관련된 다양한 파라미터를 결정하도록 구성된 센서가 제공될 수 있다. 센서로부터 유래된 정보는 작동 상태를 식별한 다음 엔진을 제어하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 피스톤이 특정 위치에 있다고 결정되면, 엔진 실린더의 점화가 작동될 수 있다. 센서 출력에 응답하여, 보조 시스템의 작동 파라미터를 조정하는 것과 같은 다른 조작도 수행될 수 있다.
자유 피스톤 엔진은 크랭크 샤프트에 의해 구속되지 않고 설계의 일부 양태를 단순화할 수 있기 때문에 발전원(power generation source)으로 유용할 수 있다. 자유 피스톤 엔진은 또한 점화 시기의 유연성을 향상시킬 수 있으며 에너지 변환 장치에 결합하여 전력을 생성하는 데 적합할 수 있다.
그러나, 자유 피스톤 엔진은 크랭크 샤프트에 의해 구속되지 않기 때문에, 주어진 시간에 실린더 내 피스톤의 위치를 결정하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 자유 피스톤 엔진에는 크랭크 각도 센서가 없을 수 있다. 피스톤의 위치를 알 수 없기 때문에, 적절한 점화 시기를 결정하기 어려울 수 있으며, 따라서 흡기, 압축, 연소 또는 배기의 단계를 정확히 알 수 없다. 예를 들어, 피스톤에 연결된 피스톤 로드의 위치를 광학적으로 관찰하여 피스톤의 위치를 결정하도록 구성된 센서는 복잡성, 고 비용 및 패키징 제약으로 인해 한계에 직면할 수 있다. 또한, 자기를 이용하여 물체의 위치를 결정하도록 구성된 센서는 큰 자기장을 발생시키기 위해 강한 자석이 필요하고, 외부 자기장이나 전기장의 영향으로 정확도가 떨어질 수 있다. 이동 시스템의 파라미터를 결정하기 위한 광학 또는 자기 인코더가 알려져 있을 수 있지만, 이러한 인코더는 엔진에 적용될 때 위에서 언급한 것과 같은 단점이 있다.
더욱이, 일부 상황에서, 피스톤이 방향을 변경함에 따라 엔진의 진동 질량체(mass)의 에너지가 낭비될 수 있다. 예를 들어, 자유 피스톤 엔진에서, 피스톤이 행정 중에 한 방향으로 이동하는 모든 운동 에너지를 소비할 수 있기 전에 실린더에서 연소가 발생할 수 있다. 방향을 변경하기 전에 움직이는 피스톤의 모든 운동 에너지를 포착하는 것이 유리할 것이다. 엔진을 제어하기 위한 시스템 및 방법의 다양한 개선이 요망된다.
발명의 개요
일부 실시형태는 선형 왕복 운동 엔진 또는 대향 피스톤 엔진과 같은 내연 기관에 관한 것일 수 있다. 엔진에서 피스톤의 위치를 결정하기 위한 시스템은 피스톤이 실린더의 제1 영역에 있는 지 또는 실린더의 제2 영역에 있는 지를 결정하도록 구성된 센서, 검출된 증분(increment)의 수를 기반으로 피스톤에 의해 이동된 거리를 결정하도록 구성된 센서, 및 피스톤이 실린더의 기준점에 도달할 때 센서 출력을 기반으로 엔진에서 피스톤의 위치를 결정하도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다. 시스템은 기준점의 위치를 결정할 수 있다. 기준점은 실린더의 중간 지점이거나 실시간으로 결정될 수 있는 다른 위치일 수 있다.
일부 실시형태에서, 선형 왕복 운동 엔진 또는 대향 피스톤 엔진과 같은 엔진을 제어하기 위한 방법이 제공될 수 있다. 이 방법은 선형 왕복 운동 엔진의 피스톤이 실린더의 제1 절반부 또는 실린더의 제2 절반부에 있는 지 여부를 제1 센서에 의해 결정하는 단계, 제2 센서에 의해 검출된 증분의 수를 기반으로 피스톤에 의해 이동된 거리를 결정하는 단계, 그리고 일정 기간 동안 검출된 증분의 수를 기반으로 피스톤의 속도를 결정하는 단계를 포함한다. 엔진을 제어하는 것은 피스톤을 실린더의 특정 위치로 이동시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 장점 및 효과는 특정 실시형태가 예시 및 예로서 설명되는 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 명세서에 기재된 예는 본 개시내용의 단지 몇 가지 예시적인 양태이다. 전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적인 것이며, 본 발명을 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태들에 따른 동력 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태들에 따른 동력 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태들에 따른 자유 피스톤 엔진의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태들에 따른, 실린더의 우측 상의 제1 단부 지점에 피스톤이 있는 도 3의 엔진의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태들에 따른, 엔진의 다른 실시형태의 부분 사시 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태들에 따른, 도 1의 동력 시스템의 부분 사시 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시형태들에 따른, 도 1의 동력 시스템의 베이스의 상세도이다.
도 7c-e는 본 발명의 실시형태들에 따른 예시적인 센서 구조의 도면이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시형태들에 따라, 실린더 내의 상이한 위치에 있는 피스톤을 갖는 도 1의 동력 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 제1 운전 모드에서 동력 시스템의 운전 조건을 나타내는 차트이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제1 운전 모드에서 작동하는 동력 시스템의 랙의 개략도이다.
도 10c는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제1 작동 모드에서 동력 시스템의 작동 양태들을 나타내는 표이다.
도 10d는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제1 작동 모드를 나타내는 흐름도이다.
도 10e는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제1 작동 모드를 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태들에 따른, 제2 작동 모드에서 동력 시스템의 운전 조건을 나타내는 차트이다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제2 작동 모드에서 작동하는 동력 시스템의 개략도이다.
도 12e는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제2 작동 모드에서 동력 시스템의 작동 양태들을 나타내는 테이블이다.
도 12f는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제2 작동 모드를 나타내는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태들에 따른, 제3 작동 모드에서 동력 시스템의 운전 조건을 나타내는 차트이다.
도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제3 작동 모드에서 작동하는 동력 시스템의 개략도이다.
도 14e는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제3 작동 모드에서 동력 시스템의 작동 양태들을 나타내는 표이다.
도 14f는 본 발명의 실시형태들에 따른, 제1 작동 모드를 나타내는 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태들에 따른 가변 저항을 이용한 동력 시스템의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 실시형태들에 따른 동력 시스템의 센서의 정보 처리를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시형태들에 따른, 자연 연소 작동 모드에서 사용될 수 있는 실린더 체적의 일부를 도시하는 동력 시스템의 부분 단면도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시형태들에 따른 액추에이터의 대안적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시형태들에 따른 액추에이터의 상세도이다.
도 20은 본 발명의 실시형태들에 따른, 엔진을 포함하는 동력 시스템의 또 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시형태들에 따른, 튜브 및 그 내용물의 절단도를 갖는 도 20의 엔진의 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시형태들에 따른, 도 21의 튜브 및 그 구성부품을 나타내는 상세도이다.
예시적인 실시형태들을 상세히 참조할 것이며, 그 예는 첨부 도면에 도시되어 있다. 다음 설명은 첨부 도면을 참조하며, 다른 도면에서 동일한 번호가 달리 표시되지 않는 한 동일하거나 유사한 요소를 나타낼 수 있다. 예시적인 실시형태들의 다음 설명에서 설명된 구현은 본 발명과 일치하는 모든 구현을 나타내는 것은 아니다. 그 대신, 그것들은 청구범위에 인용될 수 있는, 본 발명과 관련된 양태와 일치하는 시스템, 장치 및 방법의 예일 뿐이다. 도면에서 요소의 상대적 치수는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
엔진의 운전은 공기 흡입, 연료 추가, 공기/연료 혼합물 연소, 연소 생성물 배출과 같은 다양한 작동을 포함할 수 있다. 엔진 성능은 연료 분사 시기, 점화 개시 시기 등과 같은 작동 파라미터를 제어함으로써 조정될 수 있다. 엔진의 일부 작동을 제어하기 위한 전제 조건으로서, 엔진의 상태를 확인하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 점화를 유발하는 최적의 지점은 엔진에서 피스톤의 위치와 관련될 수 있다. 연소실에 주입할 최적의 연료량은 특정 지점에서 측정된 피스톤의 속도와 관련이 있다. 다양한 작동은 피스톤 위치, 속도 또는 기타 파라미터와 관련될 수 있는 엔진의 상태에 따라 달라질 수 있으며, 따라서 주어진 시간에 피스톤의 위치를 확인하는 것은 엔진을 제어하는 데 유용할 수 있다.
엔진은 에너지 변환기에 연결되어 엔진의 운동을 유용한 일로 변환하는 왕복 운동 질량체를 가질 수 있다. 에너지 변환기는 엔진에 의해 생성된 에너지를 일로 변환하도록 구성된 임의의 장치를 포함할 수 있다. 에너지 변환기는 발전기를 포함할 수 있다. 에너지 변환기는 압축기를 포함할 수 있다. 발전기는 왕복 운동 질량체의 기계적 운동력을 특정 전압에서 출력되는 전류와 같은 전력으로 변환하도록 구성될 수 있다. 발전기는 공기 펌프에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 일 구성에서, 피스톤은 피스톤 로드를 통해 일단에서 액추에이터에 연결될 수 있다. 피스톤과 피스톤 로드의 전후 운동(back-and-forth movement)으로부터 전력이 발생할 수 있다. 발전기는 피스톤의 전후 운동에 저항하여 에너지를 추출하고 이를 전기 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다.
엔진 또는 발전기의 다양한 양태를 모니터링하기 위해 센서가 제공될 수 있다. 센서는 다른 구성 요소에 대한 상대적인 위치와 같은 구성 요소의 물리적 상태를 감지할 수 있다. 엔진의 피스톤은 실린더 안에 포함될 수 있기 때문에 실린더 내 피스톤의 위치를 실시간으로 정확하게 결정할 수 없다는 우려가 있을 수 있다. 엔진의 원하는 작동 파라미터를 결정하는 것은 피스톤 위치에 따라 달라질 수 있다. 피스톤 위치를 결정하는 데 도움이 되는 센서가 제공될 수 있다. 센서 출력을 기반으로 엔진은 예를 들어 피스톤을 실린더의 특정 위치로 이동함으로써 제어할 수 있다.
센서 출력과 같은 데이터를 수집하고 분석할 수 있는 제어기가 제공될 수 있다. 제어기는 엔진의 작동을 제어하는 데 사용될 수 있다. 제어기는 또한 엔진에 연결된 발전기의 작동을 제어할 수 있다. 제어기는 복수의 상이한 작동 모드들 중 하나일 수 있는 작동 모드에서 엔진 또는 발전기를 작동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 전자 제어 유닛을 포함할 수 있고 엔진을 시동하기 위한 제어 루틴(예를 들어, "스타터" 모드)을 실행하도록 프로그램될 수 있다.
작동 모드는 다음과 같은 예시적인 모드를 포함할 수 있다. 제1 모드는 식별을 포함할 수 있다. 제1 모드는 엔진 및 발전기를 포함하는 시스템에서 피스톤의 위치를 식별할 수 있다. 제1 모드는 센서 출력을 기반으로 피스톤 위치, 피스톤 속도 또는 기타 파라미터를 결정하는 데 유용할 수 있다. 제1 모드는 시스템이 켜져 있는 동안 엔진 시스템에서 항상 실행될 수 있으며 다른 작동 모드의 기초로 이용될 수 있다. 예를 들어, 아래에서 논의되는 바와 같이, 제2 모드는 제1 모드로부터 수집된 정보에 기초할 수 있다.
제1 모드는 또한 위치 지정을 수반할 수 있다. 제1 모드는 발전기를 전원 공급장치로 사용할 수 있으며, 피스톤이 실린더의 원하는 위치에 위치하도록 이동할 수 있다. 피스톤의 위치를 지정하면 피스톤의 위치를 보다 정확하게 결정하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 피스톤은 실린더의 반대 방향으로 이동하게 될 수 있다. 실린더의 중간 지점과 같은 특정 지점을 가로지르면, 피스톤이 미리 정해진 거리만큼 더 이동하게 될 수 있다. 이 단계 후에, 피스톤이 실린더의 중간 지점에 대해 어디에 있는 지를 알 수 있다.
제2 모드는 엔진 시동을 수반할 수 있다. 발전기는 전원 공급 장치로 사용될 수 있으며, 피스톤이 압축 행정을 시작하게 할 수 있다. 발전기는 피스톤을 실린더의 반대쪽으로 움직일 수 있다. 실린더의 중간 지점과 같은 특정 지점에 도달하면, 연료가 실린더의 연소실로 분사될 수 있다. 공기는 연소실로 공급될 수도 있다. 발전기는 피스톤을 움직여 연소실에 압축을 일으킬 수 있다. 발전기가 도달할 수 있는 최대 압축 지점으로 결정된 위치와 같은 행정 끝 지점에 도달하면 점화가 촉발될 수 있다. 예를 들어, 제어기에 의해 스파크가 촉발될 수 있다. 연소실에서 점화되면 피스톤이 실린더에서 반대 방향으로 이동할 수 있다. 제2 모드는 반복적으로 이용될 수 있으며, 피스톤은 반복할 때마다 더 빠르게 운동한다. 피스톤은 각 행정마다 더 먼 거리를 움직이게 할 수 있으며, 실린더에서 더 큰 압축을 가능하게 할 수 있다. 제2 모드에서, 발전기는 점화 즉시 꺼질 수 있으므로 실린더에서 연소로 인한 운동에 대해 작동하지 않는다. 어떤 경우에는 발전기가 꺼져 추가 행정에서 피스톤의 운동이 연소에 의해서만 유발될 수 있다.
제3 모드는 엔진의 기계적 운동에 저항하도록 발전기를 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 발전기는 피스톤의 운동을 통해 전력을 얻을 수 있다. 제3 모드는 증분으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 발전기는 설정된 저항으로 피스톤의 운동에 저항하도록 구성될 수 있다. 피스톤이 속도나 가속도가 계속 증가하면, 발전기가 저항을 증가시킬 수 있다. 피스톤이 느려지기 시작하면, 발전기가 저항을 감소시킬 수 있다. 증가/감소는 행정 단위로 또는 다른 수준의 조밀도(granularity)를 이용하여 발생할 수 있다. 피스톤 속도, 가속도 또는 기타 파라미터에 따라 저항을 조정하기 위해 피드백 루프(feedback loop)가 제공될 수 있다. 파라미터는 제1 모드와 관련하여 위에서 논의된 것과 같은 센서로부터 결정될 수 있다. 파라미터는 진동하는 질량체의 에너지와 관련된 양을 포함할 수 있다.
제3 모드에서, 엔진의 작동 파라미터에 대한 조정이 또한 이용될 수 있다. 예를 들어 피스톤이 느려지기 시작하면, 추가 연료가 분사될 수 있다. 일부 실시형태에서, 압축의 양이 변경될 수 있다.
제1 내지 제3 모드는 혼합되거나 변경될 수 있다. 제1 내지 제3 모드의 변경은 보조 모드, 가변 저항 운전 모드 또는 자연 연소 모드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 모드에서 피스톤이 최적의 압축 지점에 도달하기에 충분한 에너지가 부족하다고 결정되면(예를 들어, 피스톤이 실린더 중간 지점을 교차할 때 미리 결정된 운동량보다 작음), 스파크 타이밍이 앞당겨 저서 엔진이 실화 또는 기타 비정상적인 작동을 일으키지 않고 계속 작동하도록 한다. 스파크 타이밍은, 그와 같은 점이 전력 추출에 최적인지 여부에 관계없이, 피스톤이 0 속도에 도달한다고 결정되는 피스톤 위치에 대응하도록 조정될 수 있다.
자연 연소 모드에서, 균일 충전 압축 점화(HCCI) 등이 이용될 수 있다. 자연 연소 모드에서는 피스톤이 자체적으로 연소를 일으킬 수 있는 반면, 점화는 백업으로만 촉발되도록 설정될 수 있다. 자연 연소 모드로 들어가는 것은 온도 센서와 같은 다른 센서의 입력에 의존할 수 있다. 예를 들어, 콜드 스타트(cold start) 상황에서는 자연 연소 모드로 들어가는 것이 금지될 수 있다.
자연 연소 모드는 자유 피스톤 엔진이 실린더의 연소점을 조정하는 데 적합할 수 있기 때문에 유용할 수 있다. 최적의 연소점은 예를 들어 피스톤 에너지, 분사 연료량, 공기 흡입량 및 공기 품질 등에 따라 행정마다 다를 수 있다. 또한, 엔진에 가변 연소점을 제공하는 것은 값비싼 센서를 필요로 하지 않고 다양한 종류의 연료와 함께 엔진의 사용을 가능하게 하는 데 유용할 수 있다.
일부 모드는 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 가변 저항 운전은 보조 모드와 함께 사용될 수 있다. 발전보다 원활한 엔진 운전이 우선될 수 있다. 일부 모드는 에너지 변환기를 스타터 또는 발전기로 사용할 수 있다. 예를 들어, 한 모드에서 에너지 변환기는 피스톤 속도에 따라 저항을 조정하도록 구성될 수 있고, 저항을 차단하거나, 보조력에 대한 저항을 변경할 수 있다. 위에서 언급한 모드와 다른 모드에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명한다.
엔진의 상태를 모니터링 하도록 배열된 센서를 포함하는 동력 시스템은 엔진에 부착된 액추에이터와 상호작용하는 비교적 간단한 센서를 제공함으로써 가능해질 수 있고 경제적인 구성을 가능하게 할 수 있다. 또한, 높은 대역폭이 달성될 수 있다. 센서 출력은 기본 신호를 기반으로 할 수 있으며, 센서는 예를 들어 단일 비트 채널 출력으로 구성될 수 있다. 센서는 피스톤이 실린더의 북쪽 또는 남쪽 영역에 있는 지 여부를 감지하도록 구성될 수 있다. 센서는 이벤트(event)에 응답하여 플래그(flag)를 설정하도록 구성될 수 있다. 이벤트는 센서의 감지 범위 내에 있는 구성 요소에 해당할 수 있다. 플래그는 숫자 출력 값일 수 있다. 센서는 예를 들어 피스톤이 실린더의 제1 측면(예를 들어, 북쪽)에 있을 때 1을 출력하고, 그렇지 않으면 0을 출력할 수 있다. 출력 값 0은 피스톤이 실린더의 제2 측(예를 들어, 남쪽)에 있는 경우에 해당할 수 있다. 1의 출력 값은 구성 요소가 센서에 근접한 상황에 해당할 수 있다. 0의 출력 값은 구성 요소가 센서와 이격된 상황에 해당할 수 있다. 이벤트는 센서를 통과하는 구성 요소에 해당할 수도 있다. 예를 들어, 트리거 디스크와 같은 바퀴의 톱니가 센서를 통과하는 것으로 결정되면 센서는 1을 출력할 수 있다. 센서는 이벤트 검출 시 카운터를 증가시키는 카운팅 회로에 연결될 수 있다. 회로는 트리거 디스크의 톱니 수를 계산할 수 있다. 피스톤이 이동한 거리는 카운트된 톱니의 수에 따라 결정될 수 있다. 피스톤 속도는 간격에 걸쳐 카운트된 톱니의 수를 기반으로 결정될 수 있다.
센서가 엔진에 기계적으로 직접 결합되는 구성요소를 측정할 수 있기 때문에 높은 정밀도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 랙은 엔진의 피스톤과 함께 움직이는 피스톤 로드에 부착될 수 있으며, 랙은 트리거 디스크를 비롯한 기어 및 기타 구성 요소와 상호 작용할 수 있다. 제1 센서는 랙이 제1 센서와 중첩되는지 여부를 검출하여 피스톤의 남북 위치를 결정할 수 있다. 제2 센서는 미리 결정된 거리에 해당할 수 있는 트리거 디스크의 톱니의 수를 감지함으로써 피스톤이 이동한 거리를 결정할 수 있다. 신뢰성과 내구성이 높은 동력 시스템을 달성할 수 있다. 시스템은 견고하고 컴팩트하며 경제적이고 열과 오염에 강할 수 있다.
본 발명은 내연 기관에 관한 것이다. 본 발명이 자유 피스톤 엔진의 예를 제공하지만, 가장 넓은 의미에서 본 발명의 양태들은 자유 피스톤 엔진으로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 오히려, 본 명세서에서 설명된 원리는 다른 내연 기관, 또는 다른 동력 시스템에도 적용될 수 있음을 고려해야 한다. 예를 들어, 동력 시스템은 대향 피스톤 배열과 함께 사용될 수 있다. 동력 시스템은 단면 피스톤 배열과 함께 사용할 수도 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 용어 "또는"은 실행 불가능한 경우를 제외하고 모든 가능한 조합을 포함한다. 예를 들어, 구성요소가 A 또는 B를 포함한다고 명시되어 있는 경우, 달리 명시되거나 실행 불가능한 경우를 제외하고, 구성요소는 A 또는 B, 또는 A 및 B를 포함할 수 있다. 제2 예로서, 구성요소가 A, B 또는 C를 포함한다고 기재되어 있는 경우, 달리 구체적으로 기재되거나 실행 불가능한 경우를 제외하고, 구성요소는 A, 또는 B, 또는 C, 또는 A 및 B, 또는 A 및 C, B와 C, 또는 A와 B와 C를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 내연 기관은 엔진 블록을 포함할 수 있다. "실린더 블록"이라는 용어와 동의어로도 사용되는 "엔진 블록"이라는 용어는 피스톤을 수용하는 적어도 하나의 실린더를 포함하는 통합 구조를 포함할 수 있다. 자유 피스톤 엔진 블록의 경우, 엔진 블록은 단일 실린더를 포함할 수 있다. 실린더는 피스톤의 양쪽에 하나씩 두 개의 연소실이 있을 수 있다는 점에서 양면일 수 있다. 일부 실시형태에서, 엔진 블록은 다중 실린더를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 2개의 대향하는 연소실에는 예를 들어 이들 사이에 제공되는 공통 이동자(mover)가 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 실린더는 엔진 블록에서 적어도 하나의 연소실을 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 일부 내연기관에서, 연소실은 엔진 블록 내의 실린더의 일 측에 위치될 수 있다. 본 발명에 따른 일부 내연 기관에서, 내연 기관은 엔진 블록 내의 실린더의 각 측면에 하나씩 2개의 연소실을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태는 실린더에 피스톤을 더 포함할 수 있다. 자유 피스톤 엔진에 사용된 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 피스톤은 대향 측면에 2개의 면을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 피스톤은 실린더에 "슬라이딩 가능하게 장착된" 것으로 간주될 수 있다. 이것은 피스톤이 실린더의 한 쪽에서 다른 쪽으로 실린더의 여러 위치를 통해 슬라이딩할 수 있다는 사실을 나타낸다. 본 발명은 일부 피스톤 예를 설명하지만, 가장 넓은 의미에서 본 발명은 특정 피스톤 구성 또는 구조로 제한되지 않는다.
도 1은 동력 시스템(1)을 도시한다. 동력 시스템(1)은 엔진(10), 에너지 변환기(20) 및 베이스(30)를 포함할 수 있다. 엔진(10)은 선형 방향으로 왕복 운동하도록 구성된 진동 질량체를 포함하는 자유 피스톤 엔진일 수 있다. 엔진(10)은 베이스(30)에 결합될 수 있다. 베이스(30)는 엔진(10)에 의해 생성된 기계적 운동을 에너지 변환기(20)에 입력하거나 그 역으로 입력하도록 구성되는 액추에이터를 포함할 수 있다. 에너지 변환기(20)는 발전기를 포함할 수 있으며, 배터리와 같은 에너지 저장 장치에 연결될 수 있다. 에너지 변환기(20)는 제1 뱅크(20A) 및 제2 뱅크(20B)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 뱅크(20A,20B)는 엔진(10)의 측면에 배치될 수 있고 각각 발전기를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 뱅크(20A,20B) 각각은 방열을 위해 사용될 수 있는 냉각 핀을 포함할 수 있다.
도 2는 동력 시스템(1)을 나타내는 개략도이다. 동력 시스템(1)은 제어기(90)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시되지는 않았지만, 제어기(90)는 엔진(10), 에너지 변환기(20), 및 베이스(30)를 형성하는 동력 시스템(1)의 구조의 일부일 수 있다는 것이 이해된다. 도 2에서 실선으로 표시된 바와 같이 엔진(10), 베이스(30) 및 에너지 변환기(20)는 서로 기계적으로 결합되어 연결될 수 있다. 점선으로 표시된 것처럼 다른 구성 요소에 전기 연결이 제공될 수 있다. 동력 시스템(1)은 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 센서(110), 센서(120), 센서(130), 센서(140), 및 센서(150)를 포함하는 복수의 센서를 도시한다.
제어기(90)는 컴퓨터, 전자 제어 유닛(ECU) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(90)는 CPU 기반의 마이크로프로세서로 구성된 ECU를 포함할 수 있고, 처리 프로그램을 저장하기 위한 ROM, 데이터가 임시로 저장될 수 있는 RAM, 및 입출력 포트와 같은 통신 포트를 포함할 수 있다. 제어기(90)는 개별 ECU를 포함할 수 있고, 각각에는 다양한 시스템 구성요소를 위한 전용 제어 유닛으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 엔진 ECU는 전력 관리 ECU와 별도로 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(90)는 다양한 시스템 구성요소를 제어하는 기능을 결합하는 단일 ECU일 수 있다. 제어기(90)는 예를 들어 입력 포트에 의해 센서(110 내지 150)와 같은 구성요소로부터 입력을 수신할 수 있다. 제어기(90)는 엔진(10) 또는 에너지 변환기(20)와 같은 구성요소에 명령을 출력할 수 있다. 제어기(90)는 엔진(10)에서 스파크가 생성되도록 하기 위해 점화 플러그에 명령을 송신할 수 있다. 제어기(90)는 공기 흡입을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어기(90)는 스로틀 개방도(opening degree)를 제어할 수 있다.
센서(110)는 엔진(10)의 온도를 결정하도록 구성될 수 있는 온도 센서를 포함할 수 있다. 센서(110)는 예를 들어 엔진(10)의 냉각 시스템에 연결될 수 있다. 센서(110)는 엔진(10)의 실린더 주위의 냉각 재킷에 흐르는 냉각액의 온도를 결정할 수 있다. 냉각액은 예를 들어 유체 포트(5)를 통해 흐를 수 있다(도 3 참조). 센서(120)는 매니폴드 절대 압력(MAP:manifold absolute pressure) 센서 또는 매스 에어플로우(MAF:mass air flow) 센서 등과 같은 유량 센서를 포함할 수 있다. 센서(120)는 엔진(10)으로 흐르는 가스의 양을 결정할 수 있다. 센서(120)는 예를 들어 입구 챔버(32)에 연결될 수 있는 엔진(10)의 공기 흡입 시스템에 연결될 수 있다.
센서(130)는 제1 위치 센서를 포함할 수 있다. 센서(140)는 제2 위치 센서를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 위치 센서는 베이스(30) 상에 배열될 수 있고, 엔진(10)에 결합된 구성요소의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 센서(130) 및 센서(140)는 엔진 구성요소의 위치 정보를 직접적으로 또는 간접적으로 도출하기 위해 사용될 수 있다. 센서(130) 및 센서(140)는 상이한 조밀도를 갖는 위치 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 센서(130)는 엔진(10) 내의 피스톤의 위치를 실린더의 제1 영역 또는 제2 영역 중 하나로 결정하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 영역은 각각 실린더의 절반일 수 있다. 센서(130) 출력의 전환점은 실린더의 중간 지점에 해당할 수 있다. 한편, 센서(140)는 피스톤 이동의 단위 거리를 결정하는 것과 같이 상대적으로 더 정밀하게 피스톤의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 센서(140)는 피스톤이 이동한 증분의 수를 카운트할 수 있다. 각각의 증분은 미리 결정된 거리에 해당할 수 있다. 미리 결정된 거리는 실린더 길이의 절반보다 작을 수 있다. 따라서, 센서(140)의 조밀도는 센서(130)의 입도보다 더 미세할 수 있다. 센서(140)는 센서(130)의 출력을 기반으로 실린더의 중간 지점과 같은 알려진 위치를 지나 피스톤이 얼마나 많은 단위 거리를 이동했는지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 센서(140)는 피스톤의 운동에 의해 움직이게 되는 기어의 톱니의 수를 카운트할 수 있다. 피스톤이 시간 간격으로 이동한 정확한 거리가 결정될 수 있으며, 이는 해당 시간 간격에서 카운트된 톱니의 수에 해당할 수 있다. 센서(130) 및 센서(140)는 각각 근접 센서를 포함할 수 있다.
센서(150)는 에너지 변환기(20)의 작동 조건을 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 센서(150)는 전류계 또는 전압계를 포함할 수 있다. 저항 수준과 같은 발전기의 다른 파라미터를 모니터링하기 위해 다른 센서가 제공될 수도 있다. 에너지 변환기(20)에는 온도 센서가 제공될 수 있다.
동력 시스템(1)은 다른 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 레벨 센서, 연료 압력 센서, 냉각액 압력 센서 등이 또한 제공될 수 있다. 배기 흐름을 분석하기 위해 센서가 제공될 수 있다.
센서는 제어기(90)에 연결될 수 있다. 제어기(90)는 무선으로 또는 유선 연결에 의해 구성요소에 결합될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 엔진(10)의 예시적인 실시형태를 도시한다. 엔진(10)은 내연 기관의 일례인 자유 피스톤 엔진일 수 있다. 엔진(10)은 엔진 블록(8)을 포함한다. 적어도 하나의 연소실을 형성하는 실린더(12)는 엔진 블록(8)에 포함될 수 있고 중심의 종축(A)을 가질 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 내부를 도시하는 엔진(10)은 실린더(12)에 장착된 양면(double-faced) 피스톤(50)을 포함한다. 피스톤(50)은 축(A)을 따라 슬라이딩 하도록 구성될 수 있다. 피스톤(50)은 실린더의 제1 단부로부터 실린더의 반대쪽 제2 단부까지 제1 행정으로, 그리고 실린더의 제2 단부로부터 실린더의 제1 단부까지 다시 제2 행정으로 이동하도록 구성될 수 있다. 도 4는 도 3의 엔진의 사시 부분 단면도를 나타내는 절개도이다. 피스톤(50)은 제1 피스톤 로드 부분(42) 및 제2 피스톤 로드 부분(43)을 포함할 수 있는 피스톤 로드(40)에 부착된다. 피스톤 로드 부분(42,43)은 피스톤(50)의 반경방향 중심 주위에 중심을 둘 수 있고 축(A)와 정렬될 수 있다. 피스톤 키트(56)는 피스톤(50) 및 피스톤 로드(40)를 포함할 수 있다. 공기는 입구 챔버(32)의 입구 개구(변환기)를 통해 엔진(10)에 공급될 수 있고 피스톤 로드(40)의 통로를 통해 실린더(12)의 연소실 내로 전달될 수 있다. 공기는 엔진(10)의 제1 측면 상의 영역(65) 및 엔진(10)의 제2 측면 상의 영역(67)과 연통할 수 있다. 각각의 영역(65,67)은 연결통로(vestibule)를 포함할 수 있다. 피스톤 로드(40)는 슬라이딩 작용 밸브로서 작용할 수 있다. 배기가스는 배기 포트(18)를 통해 실린더(12)로부터 배기될 수 있다. 자유 피스톤 엔진의 예에 대한 자세한 내용은 미국 특허출원 16/207,479에 기술되어 있으며, 이는 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된다. 일부 실시형태에서, 스로틀이 입구 챔버(32)에 부착될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 자유 피스톤 엔진의 다른 실시형태의 절단 사시도를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진(10A)은 흡기 매니폴드(35)를 포함할 수 있다. 흡기 매니폴드(35)는 각각의 측면 개구(33)를 통해 엔진(10A)의 개별 연결통로에 연결될 수 있다. 측면 개구(33)가 밀봉될 수 있는 도 4에 도시된 엔진(10)과 대조적으로, 도 5에 도시된 엔진(10A)은 측면 개구(33)를 통해 흡기 매니폴드(35)와 연통하도록 개방될 수 있다. 엔진(10A)은 일측 단부에서 폐쇄될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서와 같이, 입구 챔버(32)를 갖는 대신에, 엔진(10A)은 엔진(10A)(도 5에 도시되지 않음)의 일측 상에서 피스톤 로드 부분(42)을 둘러싸는 챔버를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 베이스(30)의 내부를 도시하는 부분 절개도이다. 도 6은 도 1에 도시된 바와 같이 평면 A-A를 따라 자른 단면에 해당할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 베이스(30)는 액추에이터(300)를 포함할 수 있다.
액추에이터(300)는 엔진(10)으로부터의 왕복 선형 운동을 에너지 변환기(20)에 입력되는 기계적 운동으로 변환할 수 있다. 액추에이터(300)는 또한 에너지 변환기(20)로부터의 전기 에너지로부터 생성된 운동을 엔진(10)에 입력되는 기계적 운동으로 변환할 수 있다. 액추에이터(300)는 랙 및 기어를 포함하는 에너지 전달 메커니즘을 포함할 수 있다. 액추에이터(300)는 엔진(10)에 결합된 몸체의 이동 방향을 반전시킬 수 있고, 이를 에너지 변환기(20)의 발전기에 직접 결합할 수 있다.
액추에이터(300)는 랙(310)을 포함한다. 랙(310)은 피스톤 로드(40)의 피스톤 로드 부분(43)에 연결된다. 랙(310)은 피스톤 로드(40)의 일단을 막는 플러그를 통해 피스톤 로드 부분(43)에 연결될 수 있다. 베이스(30)는 엔진(10)으로부터의 가스가 베이스(30)로 들어가지 않도록 기밀 방식으로 엔진(10)으로부터 밀봉될 수 있다. 랙(310)은 기어(321,322)에 결합된다. 랙(310)은 대향 측면에 배열된 톱니를 갖는 양면 랙일 수 있다. 기어(321,322)는 랙(310)의 양쪽에 위치할 수 있다. 액추에이터(300)는 엔진(10)의 축(A)에 평행한 평면에 대해 2차원 반사 대칭을 가질 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(300)의 대칭 평면은 축(A)과 정렬될 수 있다. 액추에이터(300)는 베이스(30)가 균형을 이룰 수 있게 할 수 있다.
액추에이터(300)의 일 측에서, 기어(321)는 랙(331)에 연결된다. 랙(331)은 로드(351)를 통해 에너지 변환기(20)의 제1 뱅크(20A)에 연결된다. 랙(331)은 또한 랙(331)의 이동과 함께 회전할 수 있는 기어(341)에 연결된다. 일부 실시형태에서, 기어(341)는 트리거 휠과 결합될 수 있다. 기어(341)는 센서(140)에 의해 감지되도록 구성된 구성요소의 일부를 형성할 수 있다.
액추에이터(300)의 구성요소는 감지를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서(130)(도 6에 도시되지 않음)는 베이스(30)에 부착되어 제공될 수 있고, 센서(130)는 베이스(30)에 제공된 구멍(131)을 통해 랙(310)의 근접성을 감지하도록 구성될 수 있다. 센서(130)는 랙(310)이 센서(130)와 중첩될 때 제1 신호를 출력하고, 랙(310)이 센서(130)와 중첩되지 않을 때 제2 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(130)는 변화하는 자기장에 응답하여 신호를 출력하도록 구성될 수 있으며, 이는 센서(130)에 전류를 유도할 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(130)는 전자기 코일을 갖는 원통형 유도 센서를 포함할 수 있다. 센서(130)는 구멍(131)에 끼워질 수 있고, 랙(310)을 향하도록 구성된 센서 면을 가질 수 있다. 랙(310)과 같은 금속 물체가 센서 면에 근접하게 이동될 때, 출력 신호가 센서에서 생성될 수 있다. 센서(130)는 랙(310)이 중첩 위치에 있을 때 센서(130)의 센서 면과 랙(310) 사이에 갭이 제공되도록 배열될 수 있다. 일부 실시형태에서, 갭은 1mm 이하일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 로드(351)는 에너지 변환기(20)의 제1 뱅크(20A)의 길이방향 중심축과 정렬될 수 있다. 제1 뱅크(20A)를 통한 로드(351)의 슬라이딩 운동은 전기 에너지가 생성되는 것을 가능하게 할 수 있다. 에너지 변환기(20)는 고정자 코일을 포함할 수 있다. 제1 뱅크(20A)를 포함하는 에너지 변환기(20)는 전기 생산 장치의 자기 극성 어레이를 포함할 수 있다. 에너지 변환기의 예는 미국 특허 제9,995,212호에 제공되며, 이는 그 전체 내용이 참고로 본 명세서에 포함된다.
상기와 유사하게, 액추에이터(300)의 다른 측면에서, 기어(322)는 랙(332)에 연결된다. 랙(332)은 로드(352)를 통해 에너지 변환기(20)의 제2 뱅크(20B)에 결합된다. 랙(332)은 또한 랙(332)의 이동과 함께 회전할 수 있는 기어(342)에 결합된다. 일부 실시형태에서, 기어(342)는 트리거 휠과 결합될 수 있다. 기어(342)는 센서(140)에 의해 감지되도록 구성된 구성요소의 일부를 형성할 수 있다.
액추에이터(300)가 좌우측을 포함할 수 있고 거울 대칭을 가질 수 있기 때문에, 동력 시스템(1)은 축(A)에 대해 좌측 및 우측에 대해 균형을 이룰 수 있다. 에너지 변환기(20)는 제1 뱅크(20A) 및 제2 뱅크(20B)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 더 균형을 이룰 수 있다. 액추에이터(300)를 통해 작용하는 횡력(lateral forces)은 상쇄될 수 있다. 더욱이, 피스톤(50)은 축(A)과 정렬된 피스톤 로드(40)를 가질 수 있고, 예를 들어 피스톤이 회전하는 크랭크 샤프트에 의해 구속될 때 발생할 수 있는 것과 같이 피스톤(50)에 가해지는 측력을 회피할 수 있다.
베이스(30)는 지지 고정구(360)와 같은 다른 구조물에 부착될 수 있다. 동력 시스템(1)은 예를 들어 고정구(360)를 통해 다른 구성요소에 장착될 수 있다. 일부 실시형태에서, 엔진(10), 에너지 변환기(20), 및 베이스(30)를 포함하는 동력 시스템(1)의 전반적인 전체 구조는 인클로저에 포함될 수 있다. 구성요소(10,20,30)는 발전기 유닛으로서 함께 패키지화될 수 있다.
도 7a는 도 6에 도시된 위치와 다른 횡방향 위치에서 본 발명에 따른 실시형태의 베이스(30)의 내부를 도시하는 부분 절개도이다. 도 7a의 도면은 도 1에 도시된 바와 같이 평면 B-B에서 자른 단면도에 해당할 수 있다. 도 7a는 지지대(350)의 부분적으로 투명한 도면 및 베이스(30) 내부의 보다 상세한 도면을 도시한다.
센서(140)는 베이스(30)에 부착되어 제공될 수 있고, 센서(140)는 액추에이터(300)의 구성요소의 근접성을 감지하도록 구성될 수 있다. 센서(140)의 트리거 디스크(145)는 도 7a의 도면에서 볼 수 있다. 트리거 디스크(145)는 액추에이터(300)의 기어(341)(도 6 참조)에 연결되고, 트리거 디스크(145)는 기어(341)와 함께 회전할 수 있다. 트리거 디스크(145)는 축(144)에 의해 기어(341)에 결합될 수 있다. 일부 실시형태에서, 트리거 디스크(145)는 기어(341)와 통합될 수 있다. 예를 들어, 트리거 디스크(145)는 트리거 디스크(145)의 제1 단계 부분이 랙(331)과 맞물리고 트리거 디스크(145)의 제2 단계 부분이 센서(140)에 의해 감지되도록 구성된 톱니를 포함하는 계단식 구조를 포함할 수 있다. 센서(140)는 베이스(30)에 제공된 구멍(141)을 통해 트리거 디스크(145)를 감지하도록 구성될 수 있다. 센서(140)는, 트리거 디스크(145)의 톱니가 센서(140)에 인접할 때, 제1 신호를 출력하고, 트리거 디스크(145)의 톱니가 센서(140)에 인접하지 않을 때 제2 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(140)는 유도성 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(140)는 홀(Hall) 효과 센서를 포함할 수 있다. 센서(140)는 구멍(141)에 끼워질 수 있고, 트리거 디스크(145)를 향하도록 구성된 센서 면을 가질 수 있다. 트리거 디스크(145)의 톱니와 같은 금속 물체가 센서 면에 근접하게 이동할 때, 센서에서 출력 신호가 생성될 수 있다.
센서(130)는 베이스(30)에 부착되어 제공될 수 있고, 센서(130)는 액추에이터(300)의 구성요소의 근접성을 감지하도록 구성될 수 있다. 도 7c는 센서(130)의 구조의 예를 도시한다. 센서(130)는 몸체(132)를 포함할 수 있다. 몸체(132)는 가늘고 긴(세장형) 원통형 부재일 수 있다. 몸체(132)는 체결 부재와 상호 작용하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, 너트가 나사산에 부착될 수 있도록 나사산을 포함할 수 있다. 센서(130)는 베이스(30)의 구멍(131)에 끼워질 수 있다. 몸체(132)는 구멍(131)에 삽입될 수 있고, 베이스(30)의 벽을 끼고 있는 너트가 조여질 수 있고, 그에 의해 센서(130)를 베이스(30)에 고정할 수 있다. 센서(130)는 코일(134)을 포함할 수 있다. 코일(134)은 몸체(132) 내부에 포함될 수 있다. 센서(130)는 물체(200)를 향하도록 구성된 센서 면(133)을 가질 수 있다. 물체(200)는 센서(130)에 포함된 전기 회로에 영향을 미칠 수 있는 금속 물체일 수 있다. 센서(130) 및 센서(140)는 자기전기(magnetoelectric) 변환기를 포함할 수 있다. 자기전 변환기에서, 검출된 자기장의 크기에 따라 기전력이 변할 수 있다. 자기전기 변환기는 방향성이 있다.
도 7d에 도시된 바와 같이, 전기 회로가 센서(130)에 포함될 수 있다. 회로는 발진기(136), 전압 조정기(137) 등과 같은 다양한 전기 부품을 포함할 수 있다. 센서(130)는 트리거(138) 및 출력기(139)를 포함할 수 있다. 출력기(139)는 예를 들어 외부 부하에 연결될 수 있다. 센서(130)는 센서(130)로부터 필드(135)가 생성되도록 작동될 수 있다. 필드(135)는 전자기장일 수 있다. 센서(130)는 물체(200)가 필드(135)와 상호작용하도록 구성될 수 있고, 센서(130)에 포함된 회로가 출력 신호를 생성하게 할 수 있다. 물체(200)는 금속으로 제조될 수 있다. 센서 면(133)의 영역에서 물체(200)의 운동은 센서(130)의 인덕턴스에 영향을 미칠 수 있다. 도 7c 및 도 7d에 예시된 센서는 유도성 센서의 예를 나타낼 수 있다.
홀 효과 센서의 예시적인 구성을 도시하는 도 7e를 참조한다. 센서는 영구자석(151), 감지 소자(152) 및 출력 포트(153)를 포함할 수 있다. 휠(155)이 제공될 수 있고, 휠(155)은 회전하도록 구성될 수 있다. 감지 요소(152)는 휠(155)과 상호작용하도록 구성될 수 있다. 휠(155)은 톱니(156) 및 골(valley)(157)을 포함할 수 있다. 센서는 톱니(156) 중 하나가 감지 요소(152)에 접근할 때 출력 신호가 생성되도록 구성될 수 있다. 센서는 톱니가 감지 요소(152)에 인접할 때 제1 출력 신호가 생성되고, 골이 감지 요소(152)에 인접할 때 제2 출력 신호가 생성되도록 구성될 수 있다. 출력 신호는 출력 포트(153)를 통해 전송될 수 있다. 센서는 감지 요소(152)의 면과 톱니(156) 사이에 최소 갭(G)이 존재하도록 구성될 수 있다. 센서(140)는 도 7e에 도시된 센서와 유사하거나 동일한 구성을 갖는 홀 효과 센서를 포함할 수 있다.
센서(130,140)는 동일하거나 상이한 유형의 센서로서 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(130)는 유도성 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(130)는 홀 효과 센서를 포함할 수 있다. 다시 도 7a를 참조하면, 센서(130)는 랙(310)을 향하도록 구멍(131)에 끼워질 수 있다. 센서(130)는 자기장의 변화에 응답하도록 구성된 유도성 센서를 포함할 수 있다. 유도형 센서는 랙(310)과 센서(130)의 중첩 상태가 변경될 때 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유도성 센서는 랙(310)이 센서(130)와 중첩되지 않는 상태로부터 센서(130)와 중첩되는 상태로 전환할 때 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 유도성 센서는 랙(310)이 또한 센서(130)와 중첩되는 상태로부터 센서(130)와 중첩되지 않는 상태로 전환할 때 신호를 출력할 수 있다. 홀 효과 센서는 정적 자기장을 검출할 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에서 홀 효과 센서는 주어진 시간에 랙(310)이 센서(130)와 중첩되는지 여부를 검출하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 패키징을 향상시키기 위해, 센서(130)는 유도성 센서를 포함할 수 있는 반면, 센서(140)는 홀 효과 센서를 포함할 수 있다. 유도성 센서로서 센서(130)를 제공하면 응답성을 향상시킬 수 있다.
도 7b는 센서(140)의 구조를 보여주는 본 발명의 실시형태의 더 상세한 도면이다. 도 7b의 도면에서, 브레이스(350)는 보이지 않는다. 센서(140)는 베이스(30)의 구멍(141)을 통해 트리거 디스크(145)와 결합될 수 있다. 센서(140)는 홀 효과 센서를 포함할 수 있다. 센서(140)는 트리거 디스크(145)가 센서 면을 지나 이동할 때 트리거 디스크(145)의 톱니의 근접성을 검출하도록 구성될 수 있다. 톱니(146)가 홀 효과 센서에 인접할 때, 센서(140)의 출력은 1일 수 있다. 골(147)이 홀 효과 센서에 인접할 때, 센서(140)의 출력은 0일 수 있다.
일부 실시형태에서, 센서(140)의 면과 트리거 디스크(145)의 톱니 사이의 최소 갭은 예를 들어 1mm 이하로 설정될 수 있다.
센서(140)는 엔진(10)에 결합된 기어의 각(angular) 운동을 측정하도록 구성될 수 있다. 기어(341)(도 7b에 도시되지 않음)의 각 운동은 트리거 디스크(145)의 각 운동에 해당할 수 있다. 트리거 디스크(145)는 톱니의 카운팅(counting)이 향상될 수 있도록 기어(341)보다 클 수 있다. 예를 들어, 홀 효과 센서의 신호 대 노이즈 비(SNR)는 상대적으로 더 큰 물체(예를 들어, 트리거 휠의 톱니)가 감지되도록 구성될 때 향상될 수 있다.
트리거 디스크를 사용하는 홀 효과 센서에 대한 대안이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 각도 위치 센서가 센서(140)에 사용될 수 있다.
회로는 센서(130) 또는 센서(140)에 연결되거나 포함될 수 있다. 회로는 신호 조절 전자장치를 포함할 수 있다. 회로는 센서(130) 또는 센서(140)의 출력을 처리하도록 구성될 수 있다. 회로는 센서(130) 또는 센서(140)로부터의 출력을 기반으로 엔진 위치 출력 신호를 결정하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 센서(130) 또는 센서(140)의 출력을 처리하도록 구성된 제어기가 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 나타낸 제어기(90)는 센서(130) 또는 센서(140)의 출력을 기반으로 엔진(10)의 피스톤의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)는 미리 결정된 샘플링 주파수에서 센서(130) 또는 센서(140)를 샘플링 하도록 구성될 수 있다. 미리 정해진 샘플링 주파수는 예를 들어 100 MHz 이상일 수 있다. 센서(140)의 출력이 1에서 0으로, 또는 0에서 1로 변할 때, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤(50)은 적어도 특정 양만큼 이동되었다고 결정될 수 있다. 일정량은 사전에 실험에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 특정 양은 엔진(10) 및 액추에이터(300)의 구성요소의 물리적 특성(예를 들어, 치수)을 기반으로 결정론적으로 결정될 수 있다. 제어기(90)는 데이터 포인트들 사이를 보간 하도록 구성될 수 있다. 하나의 톱니와 관련하여 미리 결정된 이동 거리가 있을 수 있다. 제어기(90)는 피스톤(50)이 반치(half-tooth) 길이와 같은 미리 결정된 이동 거리보다 작은 거리를 이동했다고 결정하도록 구성될 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 센서(140)는 원통형 부분(142)을 포함할 수 있고, 트리거 디스크(145)를 향하도록 구성된 면(143)을 가질 수 있다. 원통형 부분(142)은 베이스(30)의 구멍(141)에 끼워질 수 있다. 면(143)은 센서(140)의 센서 면을 구성할 수 있다. 트리거 디스크(145)의 톱니는 인벌류트(involute) 기어와 같은 기어의 톱니와 다를 수 있다. 예를 들어, 다른 기어와 맞물리도록 구성된 뾰족한 톱니 대신에, 트리거 디스크(145)의 톱니는 비교적 넓고 실질적으로 평평한 단면을 가질 수 있다. 트리거 디스크(145)의 톱니는 센서(140)가 트리거 디스크(145)의 톱니가 면(143)에 인접할 때 쉽게 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.
엔진(10), 액추에이터(300) 및 에너지 변환기(20)의 가동 부분을 상이한 단계에서 도시하는 도 8a 내지 도 8c를 참조한다. 도 8a는 피스톤(50)이 제1 위치에 있을 때 동력 시스템(1)의 위치를 도시하는 도면이다. 도 8a에 도시된 지점에서, 엔진(10)은 제1 연소점에 있을 수 있다. 이 지점은 엔진(10)의 제1 행정의 시작점에 해당할 수 있다. 제1 행정에서, 피스톤(50)은 도 8a의 도면에서 하향 방향에 해당할 수 있는 제1 방향으로 이동할 수 있다. 제1 행정의 시작에서, 에너지 변환기(20)는 제1 발전 행정의 시작에 있을 수 있다. 에너지 변환기(20)의 발전 행정은 고정자(212)를 통한 이동자(211)의 운동에 해당할 수 있다. 제1 발전 행정의 시작은 고정자(212)의 일단에서 이동자(211)의 위치에 해당할 수 있고, 제1 발전 행정의 끝은 고정자(212)의 반대쪽 단부에서 이동자(211)의 위치에 해당할 수 있다.
도 8b는 피스톤(50)이 제2 위치에 있을 때 동력 시스템(1)의 위치를 도시하는 도면이다. 이 시점에서, 피스톤(50)은 실린더 중간 지점에 있을 수 있다. 도 8b에 도시된 점은 엔진(10)의 제1 행정의 중간 지점에 해당할 수 있다. 이 점은 또한 제1 발전 행정의 중간 지점에 해당할 수 있다.
도 8c는 피스톤(50)이 제3 위치에 있을 때 동력 시스템(1)의 위치를 도시하는 도면이다. 이 시점에서, 엔진(10)은 제2 연소점에 있을 수 있다. 도 8c에 도시된 지점은 엔진(10)의 제1 행정의 종점에 해당할 수 있고, 이는 또한 엔진(10)의 제2 행정의 시작점에 해당할 수 있다. 이 지점은 또한 제1 전력 생성 행정의 종점 및 제2 전력 생성 행정의 시작점에 해당할 수 있다.
도 8c에 도시된 위치에 도달한 후, 엔진(10)은 반대 방향으로 왕복 운동할 수 있다. 엔진(10)의 제2 행정에서, 피스톤(50)은 제2 방향으로 이동할 수 있으며, 이는 도 8a 내지 8c에서 상향 방향에 해당할 수 있다. 제2 행정에서, 엔진(10), 액추에이터(300) 및 에너지 변환기(20)의 이동 부분은 도 8a 내지 8c의 역순으로 이동할 수 있다. 동력 시스템(1)은 앞뒤로 왕복 운동하는 엔진(10)으로 작동할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기 에너지는 각 행정과 함께 에너지 변환기(20)에서 생성될 수 있다. 연료로부터의 화학 에너지는 엔진(10)에서 기계적 에너지로 변환될 수 있다. 일부 실시형태에서, 에너지 변환기(20)는 전력 공급장치로 사용될 수 있고, 액추에이터(300) 및 엔진(10)이 움직이게 할 수 있다.
액추에이터(300)에서, 기어(321,322)는 미리 결정된 범위에서만 회전하도록 구성될 수 있다. 따라서 톱니는 기어(321) 또는 기어(322)의 원주 둘레에 부분적으로만 제공될 수 있다. 미리 정해진 범위는 엔진(10)의 실린더(12) 내 최대 피스톤 이동의 종점에 해당할 수 있다. 종점은 엔진 헤드와 피스톤(50)의 근위 면 사이의 클리어런스 체적을 고려하여 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 기어(321,322)는 전체 둘레에 제공되는 톱니를 포함할 수 있다. 기어의 원주 둘레에 부분적으로만 톱니를 제공하면 포장에 유리할 수 있다. 예를 들어, 톱니가 기어(321,322) 주위에 완전히 제공되지 않을 때, 랙(310)과 피스톤 로드 부분(43)의 구성요소가 함께 더 가깝게 위치될 수 있다.
동력 시스템(1)은 복수의 작동 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "제1 모드"라는 용어는 "제1 작동 모드" 또는 "제1 작동 모드"를 포함하거나 커버할 수 있다.
제1 모드에 대한 시스템 운전 조건을 나타내는 표를 나타낸 도 9를 참조한다. 제1 모드는 동력 시스템(1)을 운전하는 작동 모드일 수 있다. 제1 모드는 엔진 위치 식별 모드일 수 있다. 도 9는 제1 모드에 대한 파라미터를 나타낼 수 있다. 파라미터는 동력 시스템(1)의 다양한 양태를 참조할 수 있다. "분사"와 같은 파라미터는 엔진(10)에 제공되는 연료 분사를 참조할 수 있다. "점화"는 엔진(10)의 점화 플러그가 점화되도록 하는 것과 같이 엔진(10)의 실린더에서 점화를 일으키는 것을 의미할 수 있다. 다른 파라미터는 동력 시스템(1)이 제1 모드에서 작동할 때 설정될 수 있다. 제1 모드에서, 분사 및 점화 파라미터의 설정은 도 9에서 X-마크로 표시된 바와 같이, 오프 상태로 설정될 수 있다. 오프 상태는 제1 작동 모드에서 분사 또는 점화가 가능하지 않음을 나타낼 수 있다. 즉, 엔진(10)은 연료를 분사하거나 점화 플러그를 점화시키는 것이 금지될 수 있다. 또한, 에너지 변환기(20)는 "에너지 공급" 모드로 설정될 수 있다. 에너지 공급 모드에서, 에너지 변환기(20)는 전기 에너지를 기계적 운동으로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 에너지 변환기(20)는 모터로서 작동하도록 구성될 수 있다. 에너지 변환기(20)는 원동기(prime mover)로 구성될 수 있다.
동력 시스템(1)이 작동 모드에 있을 때, 엔진(10) 및 에너지 변환기(20)는 특정 방식으로 작동하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)와 같은 제어 장치는 명령을 엔진(10) 또는 에너지 변환기(20)에 전송하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)는 엔진(10)의 상태를 나타내는 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어기(90)는 센서(130,140)로부터 출력을 수신할 수 있다. 제어기(90)는 엔진(10)에서 피스톤(50)의 위치를 결정할 수 있다. 동력 시스템(1)은 미리 결정된 조건이 충족되면 특정 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 조건은 피스톤(50)의 위치와 관련될 수 있다. 조건은 센서(130 또는 140)의 출력에 기초할 수 있다. 동력 시스템(1)은 센서(130 또는 140)로부터 특정 출력을 수신할 때 특정 방식으로 동력 시스템(1)의 구성요소를 이동시키도록 에너지 변환기(20)를 작동시키도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 "센서(130)로부터의 출력", "센서(140)로부터의 출력" 또는 "센서 출력"과 같은 용어는 각 센서 또는 이에 연결된 회로의 전기적 신호의 출력에 해당할 수 있다.
도 10a는 엔진(10)이 초기에 제1 위치, 예를 들어 "A-위치"에 있는 상태에서 제1 작동 모드에서 동력 시스템(1)의 작동을 나타내는 개략도이다. A-위치는 액추에이터(300)의 랙(310)이 센서(130)와 중첩되지 않는 조건에 해당할 수 있다. 이러한 조건에서, 센서(130)의 출력은 0일 수 있다.
동력 시스템(1)은 제1 작동 모드에서 충족되는 제1 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제1 조건은 센서(130)와 같은 제1 센서의 출력에 기초할 수 있다. 제1 조건은 랙(310)과 센서(130)가 중첩되지 않는 것일 수 있다. 따라서, 제1 조건은 센서(130)의 출력이 0일 수 있다. 작동은 액추에이터(300)가 이동되어 랙(310)이 제1 방향으로 이동하도록 하는 것일 수 있다. 액추에이터(300)의 작용으로 인해 피스톤(50)은 실린더(12)의 반대쪽으로 이동된다. 예를 들어, 피스톤(50)은 실린더(12)의 북쪽에 있을 수 있고, 에너지 변환기(20)는 미리 결정된 방향으로 액추에이터(300)에 전력을 입력할 수 있다. 미리 결정된 방향은 도 10a에 도시된 바와 같이 랙(310)이 하방으로 이동하는 경향이 있는 방향일 수 있다. 에너지 변환기(20)로부터의 입력은 피스톤(50)이 실린더(12)에서 남쪽을 향해 아래쪽으로 이동하게 할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "북쪽"은 도면에 도시된 바와 같이 상면에 해당할 수 있다. "남쪽"은 도면에서 바닥면에 해당할 수 있다. "제1 방향"은 북쪽에서 남쪽으로의 피스톤 이동에 해당할 수 있다. "제2 방향"은 남쪽에서 북쪽으로의 피스톤 이동에 해당할 수 있다. 제1 방향은 위에서 아래로의 방향일 수 있다. 제2 방향은 아래에서 위로 될 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 랙(310)은 충족되는 제1 조건에 응답하여 아래쪽으로 이동(1010)을 할 수 있다.
도 10b는 엔진(10)이 초기에 제2 위치, 예를 들어 "B-위치"에 있는 상태에서 제1 작동 모드의 동력 시스템(1)의 작동을 나타내는 개략도이다. B-위치는 액추에이터(300)의 랙(310)이 센서(130)와 중첩되는 조건에 해당할 수 있다. 이러한 조건에서, 센서(130)의 출력은 1일 수 있다.
동력 시스템(1)은 제1 작동 모드에서 충족되는 제2 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제2 조건은 랙(310)과 센서(130)가 중첩되는 것일 수 있다. 따라서, 제2 조건은 센서(130)의 출력이 1일 수 있다. 작동은 액추에이터(300)가 이동되어 랙(310)이 제2 방향으로 이동하게 하는 것일 수 있다. 액추에이터(300)의 작용으로 인해 피스톤(50)은 실린더(12)의 반대쪽으로 이동된다. 예를 들어, 피스톤(50)은 실린더(12)의 남쪽에 있을 수 있고 에너지 변환기(20)는 미리 결정된 방향으로 액추에이터(300)에 전력을 입력할 수 있다. 미리 결정된 방향은 도 10b에 도시된 바와 같이 랙(310)이 위로 이동하도록 하는 경향이 있는 방향일 수 있다. 에너지 변환기(20)로부터의 입력은 피스톤(50)이 실린더(12)에서 북쪽을 향해 위쪽으로 이동하게 할 수 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 랙(310)은 제2 조건이 충족되는 것에 응답하여 위쪽으로 이동(1011)이 이루어질 수 있다.
도 10c는 제1 작동 모드에 따른 동력 시스템(1)의 작동을 도시하는 차트이다. 도 10c의 차트는 제어기(90)가 실행하도록 프로그램된 제어 루틴을 나타낼 수 있다. 도 10c에 도시된 바와 같이, 에너지 변환기의 상태가 "1"인 것은 에너지 변환기를 전력 공급 모드로 설정하는 것에 해당할 수 있다. 분사 상태가 0이면 연료 분사가 금지됨을 나타낼 수 있다(예를 들어, 연료 분사기가 연료 분사를 위해 작동할 수 없음). 점화 상태가 0이면 점화가 금지되어 있음을 나타낼 수 있다(예를 들어, 점화 플러그는 점화할 수 없음). 일부 실시형태에서, 에너지 변환기의 상태 "2"는 에너지 변환기를 발전기 모드(예를 들어, 기계적 에너지의 추출에 의한 전력 생성)로 설정하는 것에 해당할 수 있다. 일부 실시형태에서, 에너지 변환기의 상태가 "0"인 것은 전력 공급도 전기 생성도 수행되지 않는 오프 상태로 에너지 변환기를 설정하는 것에 해당할 수 있다.
동력 시스템(1)은 충족되는 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 도 10c에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 초기 A-위치에 대응하는 제1 조건일 수 있다. 엔진(10)의 초기 B-위치에 대응하는 제2 조건이 있을 수 있다. 제1 및 제2 조건은 센서(130)와 같은 제1 센서의 출력에 기초할 수 있다. 제1 조건이 충족되면(예를 들어, 센서(130) 출력이 0임), 피스톤(50)을 센서(130) 출력이 0인 지점으로부터 센서(130) 출력이 1인 지점으로 이동하라는 명령이 발생될 수 있다. 예를 들어, 에너지 변환기(20)는 도 10a와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 랙(310)이 이동(1010)을 하도록 액추에이터(300)에 전력을 입력할 수 있다.
일부 실시형태에서, 동력 시스템(1)은 센서(130) 출력이 0인 위치로부터 센서(130) 출력이 1에 미리 결정된 추가 거리를 더한 위치로 피스톤(50)을 이동하라는 명령을 발생시키도록 구성될 수 있다. 미리결정된 소정의 추가 거리는 예를 들어 "X" 증분으로 설정될 수 있다. X 증분은 트리거 디스크(145)의 톱니 수에 해당할 수 있다. 예를 들어, 제1 작동 모드에서, 제어기(90)는 피스톤(50)을 실린더(12)의 일측으로부터 센서(130)의 출력이 변하는 위치(예를 들어, 실린더(12)의 중간 지점)에 트리거 디스크(145)의 4개의 톱니에 해당하는 거리로 이동시키도록 구성될 수 있다. 피스톤(50)이 센서(140)의 출력을 기반으로 미리 결정된 추가 거리를 이동시켰다고 결정될 수 있다. 제어기(90)는 추가 조건이 충족될 때까지 에너지 변환기(20)를 작동시켜 액추에이터(300)에 전력을 입력하도록 구성될 수 있다. 에너지 변환기(20)는 추가 조건이 충족될 때까지 액추에이터(300) 및 이에 따라 피스톤(50)을 계속 이동할 수 있다. 추가 조건은 트리거 디스크(145)의 X 증분이 검출되는 것일 수 있다. X 증분이 센서(140)에 의해 검출되면, 피스톤(50)이 알려진 위치에 있고, 에너지 변환기(20)가 액추에이터(300)에 전력 입력을 중단할 수 있다고 결정될 수 있다. 도 10c와 일치하는 처리를 수행한 결과, 엔진 내의 피스톤 위치를 정확하게 식별할 수 있다.
도 10d는 제1 작동 모드에 따른 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다. 도 10d는 제1 작동 모드에 따른 동력 시스템(1)의 작동을 달리 나타내는 도면이다. 제어 루틴은 연속적으로 실행될 수 있다. 도 10d의 제어 루틴의 처리를 종료한 후, 후속 처리가 실행될 수 있다. 일부 실시형태에서 프로세스는 시작점으로 돌아가 반복될 수 있다.
도 10d에서, 제어 루틴은 단계(S101)에서 시작된다. 단계(S102)에서, 제1 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제1 센서 출력은 제1 위치 센서(예를 들어, 원시 검출 신호) 또는 그 관련 회로(예를 들어, 이벤트 플래그 검출 신호)의 출력을 지칭할 수 있다. 제1 위치 센서는 센서(130)를 포함할 수 있다. 단계(S102)에서 제1 센서 출력이 0인 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S103)로 진행할 수 있다. 제1 센서 출력 0은 센서(130)와 중첩되지 않은 랙(310)에 해당할 수 있다. 한편, 단계(S102)에서 제1 센서 출력이 1인 것으로 판단되면, 루틴은 단계(S104)로 진행할 수 있다. 제1 센서 출력 1은 센서(130)와 중첩되는 랙(310)에 해당할 수 있다.
단계(S103)에서, 피스톤이 제1 방향으로 이동하도록 동력 시스템이 작동될 수 있다. 단계(S103)은 피스톤(50)이 제1 방향으로 이동하도록 에너지 변환기(20)가 액추에이터(300)를 이동하게 하는 것을 포함할 수 있다. 제1 방향은 예를 들어, 도 8a 내지 도 8c의 도면에서 하향 방향에 해당할 수 있다. 단계(S104)에서, 피스톤이 제2 방향으로 이동하도록 동력 시스템이 작동될 수 있다. 제2 방향은 제1 방향과 반대일 수 있다. 제2 방향은 예를 들어, 도 8a 내지 도 8c의 도면에서 위쪽 방향에 해당할 수 있다. 단계(S103) 또는 단계(S104) 이후에, 루틴은 프로세스가 종료될 수 있는 단계(S105)로 진행할 수 있다.
도 10e는 제1 작동 모드에 따른 제어 루틴을 나타내는 다른 흐름도이다. 도 10e의 제어 루틴은 도 10d의 제어 루틴과 유사할 수 있지만 추가 결정 단계를 포함함으로써 수정될 수 있다. 도 10e의 제어 루틴에서, 프로세스는 피스톤(50)이 에너지 변환기(20)에 의해 개시되는 운동을 중지하기 전에 적어도 제2 센서(예를 들어, 센서(140))의 X 증분에 대응하는 거리만큼 이동할 때까지 기다릴 수 있다. 도 10e의 제어 루틴에 도시된 바와 같이, 프로세스는 각각의 루프에서 "피스톤 이동" 단계로 계속 복귀할 수 있으며, 여기서 에너지 변환기(20)는 전력 공급장치로 작용함으로써 액추에이터(300)에 에너지를 입력할 수 있다. 일부 실시형태에서, 실린더 중간 지점을 교차한 후 피스톤(50)이 센서(140)의 X 증분에 해당하는 거리를 이동했다는 조건을 충족한 후에만 프로세스가 종료될 수 있다. 에너지 변환기(20)는 피스톤을 점진적으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 에너지 변환기(20)는 작은 펄스의 에너지를 조금씩 입력하여 동력 시스템(1)은, 피스톤(50)이 원하는 위치에 있을 때까지 센서 상태를 계속 확인할 수 있다.
도 10e에서, 제어 루틴은 단계(S201)에서 시작된다. 단계(S202)에서, 제1 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 루틴은 단계(S202)에서 이루어진 결정을 기반으로 단계(S203) 또는 단계(S206)으로 진행할 수 있다.
단계(S203)에서, 피스톤이 제1 방향으로 이동하도록 동력 시스템이 작동될 수 있다. 단계(S203)은 피스톤(50)이 제1 방향으로 이동하도록 에너지 변환기(20)가 액추에이터(300)를 이동하게 하는 것을 포함할 수 있다. 제1 방향은 예를 들어, 도 8a 내지 도 8c의 도면에서 하향 방향에 해당할 수 있다. 한편, 단계(S206)에서, 피스톤이 제2 방향으로 이동하도록 동력 시스템이 작동될 수 있다. 제2 방향은 예를 들어, 도 8a 내지 도 8c의 도면에서 상향 방향에 해당할 수 있다.
단계(S203)로부터 계속해서, 단계(S204)에서, 제1 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제1 센서 출력이 여전히 0인지 여부가 결정될 수 있고, 그러한 경우 루틴은 복귀하여 단계(S203)을 반복할 수 있다. 또한, 단계(S204)에서 제1 센서 출력이 1인 것으로 결정될 수 있다. 단계(S204)에서, 제1 센서 출력이 예를 들어, 0에서 1로 변경된 것으로 결정될 수 있다. 제1 센서의 출력 신호의 전환은 실린더(12)의 미리 결정된 지점에 도달하는 피스톤(50)에 대응할 수 있다. 미리 결정된 지점은 실린더(12)의 중간 지점일 수 있다. 단계(S204)에서 제1 센서 출력이 1이라고 결정한 후, 루틴은 단계(S205)로 진행할 수 있다.
단계(S205)에서, 제2 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제2 센서 출력은 제2 위치 센서의 직접 출력(예를 들어, 원시 검출 신호) 또는 관련 회로(예를 들어, 카운팅 회로에 의해 결정된 카운트)를 지칭할 수 있다. 제2 위치 센서는 센서(140)를 포함할 수 있다. 단계(S205)에서 제2 센서 출력이 값 X보다 작다고 결정되면, 루틴은 단계(S203)으로 복귀하여 반복할 수 있다. X보다 작은 제2 센서 출력은 적어도 트리거 디스크(145)의 X 톱니에 해당하는 거리를 이동하지 않은 피스톤(50)에 대응할 수 있다. 한편, 단계(S202)에서 제2 센서 출력이 X 이상으로 결정되면, 루틴은 단계(S209)로 진행할 수 있다. X 이상의 제2 센서 출력은 피스톤(50)에 대응할 수 있고. 따라서 적어도 알려진 양만큼 이동하는 랙(310)에 대응할 수 있다.
단계(S206 내지 S208)는 이동 방향이 다르고, 그에 따라 센서 출력이 반전될 수 있다는 점을 제외하고는, 단계(S203 내지 S205)와 유사할 수 있다. 제2 센서 출력은 운동의 절대값을 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 센서(140)는 이동 방향에 관계없이 센서(140)를 지나 이동하는 트리거 디스크(145)의 톱니 수와 같은 증분 수를 카운트하도록 구성될 수 있다.
단계(S205) 또는 단계(S208) 이후에, 루틴은 프로세스가 종료될 수 있는 단계(S209)로 진행할 수 있다.
제2 모드에 대한 시스템 작동 조건을 나타내는 표인 도 11을 참조한다. 제2 모드는 동력 시스템(1)을 실행하는 작동 모드일 수 있다. 제2 모드는 엔진 시동 모드에 해당할 수 있다. 도 11은 제2 모드에 대한 파라미터를 나타낼 수 있다. 제2 모드에서, 체크 마크로 표시된 바와 같이 엔진(10)으로의 연료 분사가 가능하도록 파라미터가 설정될 수 있다. 엔진(10)의 점화 플러그가 점화되도록 함으로써 점화가 가능하도록 파라미터가 설정될 수 있다. 에너지 변환기(20)의 설정은 "에너지 공급" 모드로 설정될 수 있다. 예를 들어, 에너지 변환기(20)는 모터로서 작동하도록 구성될 수 있다. 에너지 변환기(20)는 원동기로 구성될 수 있다.
도 12a는 제2 작동 모드에서 동력 시스템(1)을 나타내는 개략도이다. 제1 작동 모드와 유사하게, 엔진은 초기에 제1 위치 또는 제2 위치에 있을 수 있다. 도 12a에 도시된 위치는 제2 작동 모드에서 A-위치일 수 있다. 제2 작동 모드에서 A-위치는 액추에이터(300)의 랙(310)이 센서(130)와 중첩되는 조건일 수 있다. 이러한 조건에서, 센서(130)의 출력은 1일 수 있다.
제2 작동 모드에서, 동력 시스템(1)은 충족되는 제1 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제1 조건은 랙(310)과 센서(130)가 중첩되는 것일 수 있다. 따라서, 제1 조건은 센서(130)의 출력이 1일 수 있다. 작동은 액추에이터(300)가 이동되어 랙(310)이 제2 방향으로 이동하게 하는 것일 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 제2 방향은 도면에 도시된 바와 같이 상향 방향에 해당할 수 있다. 액추에이터(300)의 작용으로 인해 피스톤(50)은 실린더(12)의 반대쪽으로 이동된다. 예를 들어, 피스톤(50)은 실린더(12)의 남쪽에 있을 수 있고, 에너지 변환기(20)는 미리 결정된 방향으로 액추에이터(300)에 전력을 입력할 수 있다. 미리 결정된 방향은 도 12a에 도시된 바와 같이 랙(310)이 위로 이동하도록 하는 방향일 수 있다. 에너지 변환기(20)로부터의 입력은 피스톤(50)이 실린더(12)에서 북쪽을 향해 위쪽으로 이동하게 할 수 있다.
제1 연소실(71)은 실린더(12)의 북쪽에 형성될 수 있다. 연소실(71)은 피스톤(50)의 위치에 의해 결정되는 체적을 가질 수 있다. 피스톤(50)이 실린더(12)에서 위로 이동함에 따라, 연소실(71)의 체적이 감소할 수 있다. 연소실은 피스톤(50)의 양 측면에 스위프(swept) 체적을 포함하는 가변 영역에 해당할 수 있으며, 이는 피스톤이 실린더의 한쪽 단부로부터 실린더의 반대쪽 단부로 이동할 때 압축될 수 있다. 스위프 체적은 실린더(12)에서 왕복 운동의 적어도 일부 동안 피스톤(50)에 의해 변위된 체적으로 규정될 수 있다. 실린더의 총 체적은 스위프 체적 + 클리어런스 체적과 같을 수 있다.
제2 작동 모드는 엔진(10)을 시동하는 프로세스를 포함할 수 있다. 제2 작동 모드에 따라 엔진(10)을 시동하는 것은 엔진(10)에서 압축 및 점화 단계를 개시하는 것을 포함할 수 있다. 동력 시스템(1)은 피스톤(50)을 실린더(12)의 반대쪽으로 이동시켜, 흡기 단계를 진행시키도록 구성할 수 있다. 피스톤(50)이 실린더(12)의 남쪽에 있는 시간의 적어도 일부 동안, 피스톤 로드 부분(42)의 개구(44)는 연소실(71)에 노출될 수 있다. 입구 개구(29)를 통해 엔진(10)에 공급된 공기는 연소실(71)과 연통될 수 있다. 공기는 입구 개구(29)로부터 피스톤 로드 부분(42)의 개구(45)를 통해 이동할 수 있다. 공기는 피스톤 로드 부분(42)의 통로를 통해 개구(44)로 이동할 수 있다. 공기는 개구(44)로부터 연소실(71) 내로 공급될 수 있다. 공기가 엔진(10)에 공급될 때, 공기는 피스톤(50) 행정의 다른 단계에서 영역(65,67)(도 4 참조)과 연통될 수 있다.
제2 작동 모드의 시작에서, 예를 들어 도 12a에서, 피스톤(50)이 실린더(12)의 영역에 있다고 결정될 수 있다. 피스톤(50)은 실린더(12)의 절반, 예를 들어 북쪽 또는 남쪽에 있는 것으로 결정될 수 있다. 피스톤(50)이 실린더(12)의 일 측에 있는 것과 같은 조건이 충족되면, 제2 작동 모드가 시작될 수 있고, 피스톤(50)을 실린더(12)의 반대쪽으로 이동시키는 작동이 촉발될 수 있다. 피스톤(50) 및 이에 따른 피스톤 로드(40)의 운동으로 인해, 적어도 일부의 공기가 실린더(12) 내로 흡입되는 것이 보장될 수 있다. 밸브는 피스톤(50)이 실린더 중간 지점의 한쪽 또는 다른 한쪽에 있을 때에만 공기가 엔진(10)의 각 연소실로 전달되도록 구성될 수 있다. 엔진(10)은 슬라이딩 작용 밸브를 포함할 수 있다. 슬라이딩 작용 밸브는 피스톤(50), 피스톤 로드(40), 및 실린더(12)를 묶는 엔진 헤드로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 피스톤(50)이 실린더(12)의 남쪽에 있을 때, 공기는 제1 연소실로 흐른다. 피스톤(50)이 실린더(12)의 북쪽에 있을 때, 공기는 제2 연소실로 흐른다. 적어도 약간의 공기 흡입이 발생하고, 약간의 공기가 연소실에 있으면 압축이 발생할 수 있다.
압축 단계는 피스톤(50)이 배기 개구(18)가 덮이도록 하는 위치로 이동할 때 시작될 수 있다. 연소실이 외부로 밀봉될 때 압축이 시작될 수 있고, 따라서 연소실 내의 가스는 피스톤(50)이 이동하여 연소실의 체적을 감소시킬 때 압축될 수 있다.
도 12b는 연소실(71)의 압축 단계가 시작될 수 있는 상태에서 제2 작동 모드의 동력 시스템(1)의 작동을 나타내는 개략도이다. 피스톤(50)은 실린더(12)의 중간 지점에 있을 수 있고, 배기 개구(18)는 피스톤(50)에 의해 완전히 덮일 수 있다. 라인(1200)은 실린더(12)의 중간 지점을 나타낼 수 있다. 피스톤(50)은 피스톤(50)의 축 중심이 라인(1200)과 일치하도록 라인(1200)과 정렬될 수 있다. 이 위치에서, 피스톤 로드 부분(42)의 개구(44)는 실린더(12) 외부에 있을 수 있다. 도 12b에 도시된 위치는 액추에이터(300)의 랙(310)이 센서(130)와 중첩되는 것으로부터 센서(130)와 중첩되지 않는 것으로 전환하는 조건에 대응할 수 있다. 이러한 조건에서, 센서(130)의 출력은 1에서 0으로 변할 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 동력 시스템(1)은 랙(310)과 센서(130)가 중첩되는 제1 조건이 제2 작동 모드에서 충족되는 것에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 작동은 액추에이터(300)가 이동되어 랙(310)이 위쪽으로 이동하도록 하는 것일 수 있다. 랙(310) 및 피스톤(50)을 위쪽으로 이동시키는 작용으로 인해, 연소실(71)에서 압축 단계가 시작될 수 있다. 그 다음, 다른 조건이 충족되면 추가 작동이 수행될 수 있다.
동력 시스템(1)은 제2 작동 모드에서 충족되는 제2 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제2 조건은 제1 센서의 출력에 기초할 수 있다. 제2 조건은 랙(310) 및 센서(130)가 중첩으로부터 중첩되지 않는 것으로 변경되거나 중첩되지 않는 것에서 중첩으로 변경될 수 있다. 제2 조건은 센서(130)의 출력이 변하는 것일 수 있다. 센서(130)의 출력은 피스톤(50)이 실린더 중간 지점일 수 있는 실린더(12)의 미리 결정된 위치에 도달했음을 나타내기 위해 1에서 0으로 또는 0에서 1로 변할 수 있다. 제2 조건이 충족되는 것에 응답하는 작동은 액추에이터(300)가 계속 이동되어 랙(310)이 제2 방향으로 계속 이동하도록 하는 것일 수 있다. 작동은 액추에이터(300)에 전력을 공급하기 위해 에너지 변환기(20)를 계속 작동시키는 것일 수 있다. 일부 실시형태에서, 작동은 피스톤(50)이 계속 이동 가능하게 하는 것일 수 있다. 피스톤(50)은 에너지 변환기(20)로부터의 외부 공급 에너지 또는 내부 생성 연소와 같은 이전 운동으로부터의 운동량을 가질 수 있다. 피스톤(50)이 계속 움직이는 것을 허용하는 것은 에너지 변환기(20)의 저항 수준을 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
동력 시스템(1)은 제2 작동 모드에서 충족되는 제3 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제3 조건은 센서(140)와 같은 제2 센서의 출력에 기초할 수 있다. 제3 조건은 피스톤(50)이 랙(310)과 센서(130)가 중첩에서 중첩되지 않는 것으로 변하는 위치를 넘어 특정 거리, 예를 들어 실린더 중간 지점을 넘어 특정 거리만큼 이동한 것일 수 있다. 피스톤(50)이 이동한 거리는 도 12c에 도시된 바와 같이 거리 "d"에 해당할 수 있다. 거리(d)는 라인(1200)으로부터 피스톤(50)의 축 중심까지 측정될 수 있다.
도 12c는 제2 작동 모드에서 동력 시스템(1)을 계속 작동시키는 것을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 12c에 도시된 지점에서, 피스톤(50)은 라인(1200)으로부터 거리(d)만큼 이동하였다. 제2 작동 모드에서, d가 미리 결정된 값과 같아지면, 연료 분사가 일어날 수 있다. 미리 결정된 값은 트리거 디스크(145)의 미리 결정된 톱니 수에 대응할 수 있다. 트리거 디스크(145)의 미리 결정된 톱니 수는 미리 설정될 수 있는 Y1 값에 대응할 수 있다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 연료(1210)는 연소실(71)의 실린더(12) 내로 분사될 수 있다. 제어기(90)는 연료 분사기(34)(도 3 참조) 중 하나가 미리 결정된 양의 연료를 분사하게 할 수 있다. 연료량은 실린더(12)로 유입되는 공기량 및 압축 비를 기반으로 결정될 수 있으며, 이는 예를 들어 센서로부터의 출력을 기반으로 결정될 수 있다.
제3 조건은 제1 센서 및 제2 센서로부터의 출력 모두에 기초할 수 있다. 제3 조건은 센서(130)의 출력이 변하는 지점 이후에 센서(140)의 출력이 적어도 Y1으로 결정되는 것일 수 있다. 예를 들어, 제3 조건은 센서(130)의 출력이 1에서 0으로 전환된 후, 피스톤(50)이 특정 거리를 이동한 것에 대응할 수 있는 트리거 디스크(145)의 Y1 증분을 센서(140)가 검출하여 피스톤(50)이 실린더(12)의 중간 지점을 넘었다는 것을 나타내는 것일 수 있다.
피스톤(50)은. 연소실(71)에 포함된 공기가 압축되어 연료가 연소실(71)에 추가될 수 있도록 충분한 거리를 이동했다고 결정할 수 있다. 연료-공기 혼합물을 생성하기 위한 최적의 혼합을 가능하게 하는 지점에서 연료가 연소실(71)에 추가될 수 있다.
일부 실시형태에서, 제3 조건은 센서 출력 또는 지속 시간에 기초할 수 있다. 동력 시스템(1)은 연료 분사의 타이밍을 결정하도록 구성될 수 있다. 연료 분사 시점은 기준점을 기준으로 할 수 있다. 예를 들어, 동력 시스템(1)은 피스톤(50)이 센서(130)의 출력이 1에서 0으로 변하는 지점에 도달한 후, 미리 결정된 시간에 실린더(12)의 연소실(71)에 연료를 분사하도록 구성될 수 있다. 연료 분사 타이밍은 피스톤 속도, 엔진 속도(예를 들어, rpm 또는 Hz와 같은 진동 질량체의 왕복 속도) 등과 같은 다른 요인을 기반으로 할 수 있다.
도 12d는 제2 작동 모드에서 동력 시스템(1)을 계속 작동시키는 개략도이다. 도 12d에 도시된 지점에서, 피스톤(50)은 도 12c와 비교하여 라인(1200)을 더 지나서 이동하였다. 피스톤(50)은 연소실(71)의 연소 단계가 시작될 수 있는 연소점까지 계속 이동할 수 있다. 거리(d)가 Y2와 같이 미리 결정된 값 이상이 되면, 점화가 일어날 수 있다. Y2는 Y1보다 클 수 있다. 거리(d)가 Y2보다 크거나 같게 되면, 연소실(71)의 실린더(12)에서 스파크(1220)가 시작될 수 있다. 제어기(90)는 점화 플러그(38)(도 3 참조) 중 하나가 점화되도록 할 수 있다. 따라서 팽창 단계(연소 단계라고도 함)가 시작될 수 있다. 팽창 단계에 들어가면, 피스톤(50)의 이동 방향이 변경될 수 있다. 피스톤(50)의 이동 방향은 반전될 수 있다. 도 12d에 도시된 위치는 연소실(71)에서 압축 단계의 종점에 해당할 수 있다.
일부 실시형태에서, 실린더(12)에서 스파크를 개시하기로 결정하는 것은 센서 출력 또는 지속 시간에 기초할 수 있다. 동력 시스템(1)은 점화 타이밍을 결정하도록 구성될 수 있다. 점화 시기는 기준점을 기준으로 할 수 있다. 동력 시스템(1)은, 피스톤(50)이 센서(130)의 출력이 1에서 0으로 변하는 지점에 도달한 후, 미리 결정된 시간에 연소실(71)에서 점화를 일으키도록 구성될 수 있다. 점화 시기는 연료 분사 시기보다 늦을 수 있다.
제2 작동 모드에서의 작동은 상기와 반대 상태를 포함하여 다른 방향으로 발생할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 피스톤(50)이 실린더(12)의 남쪽에서 북쪽으로 행정 이동하는 대신에, 피스톤(50)은 북쪽에서 남쪽으로 이동할 수 있다. 제2 모드에서 "A-위치"는 피스톤(50)의 초기 위치가 예를 들어 도 12a에 도시된 바와 같이 실린더(12)의 남쪽에 있는 상황을 나타낼 수 있다. A-위치는 1의 센서(130)의 센서 출력(예를 들어, 센서(130)와 중첩되는 랙(310))에 대응할 수 있다. 제2 모드에서 "B-위치"는 피스톤(50)의 초기 위치가 실린더(12)의 북쪽에 있는 상황을 나타낼 수 있다. B-위치는 0의 센서(130)의 센서 출력에 대응할 수 있다(예를 들어, 랙(310)이 센서(130)와 중첩되지 않음). 작동 파라미터는 피스톤(50)의 초기 위치를 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 분사 또는 연소를 개시할 시기를 결정하기 위해 상이한 값이 사용될 수 있다. 피스톤(50)이 A-위치에서 시작될 때, 분사 결정에 사용되는 거리(d)의 값은 Y1 값일 수 있다. 또한, 연소 결정에 사용되는 거리(d)의 값은 Y2 값일 수 있다. 피스톤(50)이 B-위치에서 시작될 때, 분사 결정에 사용되는 거리(d)의 값은 Y3 값일 수 있다. 또한, 연소 결정에 사용되는 거리(d)의 값은 Y4 값일 수 있다. 일부 실시형태에서, 실린더(12)는 라인(1200)에 대해 대칭일 수 있다. 예를 들어, 라인(1200)으로부터 실린더(12)의 한 측면을 경계 짓는 제1 엔진 헤드까지의 거리는 라인(1200)으로부터 실린더(12)의 다른 측면을 경계 짓는 반대쪽 엔진 헤드까지의 거리와 동일할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 엔진(10)은 실린더(12)의 양측에 있는 연료 분사기(34) 및 점화 플러그(38)와 같은 유사한 구성요소를 포함할 수 있다. 센서 출력의 절대값은 결정에 사용될 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에서, Y1 및 Y3은 동일할 수 있고, Y2 및 Y4는 동일할 수 있다.
또한, 도 12a 내지 도 12d와 비교하여 동력 시스템(1)의 운동이 반전될 때, 엔진(10)의 상이한 구성요소들을 통해 공기 흡입이 발생할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 동력 시스템(1)은 흡입 단계가 진행될 수 있도록 실린더(12)의 북쪽으로부터 실린더(12)의 반대 측(예를 들어, 남쪽)으로 피스톤(50)을 이동시키도록 구성될 수 있다. 피스톤(50)이 실린더(12)의 북쪽에 있는 시간의 적어도 일부 동안, 피스톤 로드 부분(43)의 개구(48)는 제2 연소실(73)에 노출될 수 있다(도 12c 참조). 입구 개구(29)를 통해 엔진(10)에 공급된 공기는 연소실(73)과 연통될 수 있다. 공기는 입구 개구(29)로부터 피스톤 로드 부분(42)의 개구(45)를 통해 이동할 수 있다. 공기는 피스톤(50)을 통해 그리고 피스톤 로드 부분(43)을 통해 개구(48)로 연장되는 피스톤 로드 부분(42)의 통로를 통해 이동할 수 있다. 공기는 개구(48)로부터 연소실(73) 내로 공급될 수 있다.
동력 시스템(1)은 제2 작동 모드에서 충족되는 제4 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제4 조건은 제2 센서의 출력에 기초할 수 있다. 작동은 연소실(71)과 같은 연소실에서 점화를 시작하는 것일 수 있다. 제4 조건은 제3 조건이 충족된 후의 기간에 기초할 수 있다. 제4 조건은 제3 조건이 충족된 후 지점에 대한 제2 센서의 출력에 기초할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제4 조건은 제1 센서 및 제2 센서로부터의 출력 모두에 기초할 수 있다.
도 12d에 예시된 지점에서, 피스톤(50)이 라인(1200)으로부터 이동한 거리(d)는 도 12c의 것보다 더 크다. 제2 작동 모드에서 d가 일정 값이 되면 점화가 일어날 수 있다. 미리 결정된 값은 트리거 디스크(145)의 미리 결정된 톱니 수에 대응할 수 있다. 미리 결정된 트리거 디스크(145)의 톱니 수는 미리 설정될 수 있는 Y2 값에 대응할 수 있다. 일부 실시형태에서, 점화는 제3 조건 또는 제2 조건이 충족된 후 미리 결정된 시간 간격을 기반으로 촉발될 수 있다. 도 12d에 도시된 바와 같이, 스파크(1220)는 연소실(71)의 실린더(12)에서 개시될 수 있다. 제어기(90)는 점화 플러그(28)(도 3 참조)가 점화되도록 할 수 있다.
제4 조건은 제1 센서 및 제2 센서로부터의 출력 모두에 기초할 수 있다. 제4 조건은 센서(130)의 출력이 변화하는 지점 이후에 센서(140)의 출력이 적어도 Y2로 결정되는 것일 수 있다. 예를 들어, 제4 조건은, 센서(130)의 출력이 1에서 0으로 전환된 후, 피스톤(50)이 특정 거리를 이동한 것에 대응할 수 있는 트리거 디스크(145)의 Y2 증분을 센서(140)가 검출하는 것일 수 있으며, 이는 피스톤(50)이 실린더(12)의 중간 지점을 넘었다는 것을 나타낸다.
피스톤(50)이 연소실(71)의 압축 비가 연소에 적합하도록 하는 지점으로 이동했다고 결정될 수 있다. 지점은 엔진(10)의 최적 시동 조건을 고려하여 결정될 수 있다. 제3 조건 및 제4 조건은 최적 시동 조건을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 엔진(10)이 시동을 용이하게 하기 위해 농후한 공기-연료 혼합물로 작동하도록 조건이 설정될 수 있다.
도 12e는 제2 작동 모드에 따른 동력 시스템(1)의 작동을 나타내는 차트이다. 도 12e의 차트는 제어기(90)가 실행하도록 프로그래밍된 제어 루틴을 나타낼 수 있다. 도 12e에 도시된 바와 같이, 에너지 변환기의 상태 "1"은 에너지 변환기를 전력 공급장치 모드로 설정하는 것에 해당할 수 있다. 분사 상태 1은 연료 분사가 허용됨을 나타낼 수 있다(예를 들어, 연료 분사기가 연료 분사를 위해 작동하도록 허용됨). 점화 상태 1은 연료 점화가 허용되었음을 나타낼 수 있다(예를 들어, 점화 플러그가 점화되도록 허용됨).
동력 시스템(1)은 제2 모드에서 충족되는 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 도 12e에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 초기 A-위치에 대응하는 제1 조건이 있을 수 있다. 엔진(10)의 초기 B-위치에 대응하는 제2 조건이 있을 수 있다. 제1 및 제2 조건은 센서(130)일 수 있는 제1 센서의 출력에 기초할 수 있다. 제1 조건이 충족되면(예를 들어, 센서(130) 출력이 0임), 피스톤(50)을 센서(130) 출력이 0인 지점으로부터 센서(130) 출력이 1인 지점으로 이동하라는 명령이 발행될 수 있다. 예를 들어, 에너지 변환기(20)는, 랙(310)이 피스톤(50)으로 하여금 실린더(12)의 남쪽에서 북쪽으로 이동하도록 하는 경향이 있는 운동을 하도록 액추에이터(300)에 전력을 입력할 수 있다.
동력 시스템(1)은 제2 센서로부터의 출력을 기반으로 분사 및 점화와 같은 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제2 센서의 출력은 도 12e에 도시된 바와 같이 "Y"로 결정될 수 있다. Y가 Y1, Y2, Y3, Y4와 같은 특정 값에 도달하면 위에서 설명한 대로 특정 작업이 수행될 수 있다. 도 12e와 일치하는 처리를 수행한 결과, 엔진은 정지 상태에서 시동될 수 있고 연소가 진행될 수 있다. 도 12e와 일치하는 처리는 도 10c와 일치하는 처리 후에 수행될 수 있다.
일부 실시형태에서, 에너지 변환기의 "0" 상태가 사용될 수 있으며, 이는 에너지 변환기를 오프 상태로 설정하는 것에 해당할 수 있다. 0의 상태에서, 에너지 변환기는 액추에이터(300)에 에너지 입력을 제공하는 것을 중단할 수 있다. 피스톤(50)은 연소만으로 인해 움직이게 될 수 있다.
도 12f는 제2 작동 모드와 일치하는 제어 루틴을 예시하는 흐름도이다. 도 12f는 제2 작동 모드에 따른 동력 시스템(1)의 작동의 다른 표현일 수 있다. 제어 루틴은 연속적으로 실행될 수 있다. 도 12f의 제어 루틴의 처리를 종료한 후, 후속 처리가 실행될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세스는 시작점으로 돌아가 반복될 수 있다.
도 12f에서, 제어 루틴은 단계(S301)에서 시작된다. 단계(S302)에서, 제1 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제1 센서 출력은 제1 위치 센서 또는 관련 회로의 출력을 지칭할 수 있다. 제1 위치 센서는 센서(130)를 포함할 수 있다. 단계(S302)에서 제1 센서 출력이 0인 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S303)으로 진행할 수 있다. 제1 센서 출력 0은 센서(130)와 중첩되지 않는 랙(310)에 해당할 수 있다. 한편, 단계(S302)에서 제1 센서 출력이 1인 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S310)으로 진행할 수 있다. 제1 센서 출력 1은 센서(130)와 중첩되는 랙(310)에 해당할 수 있다.
단계(S303)에서, 피스톤이 제1 방향으로 이동하도록 동력 시스템이 작동될 수 있다. 단계(S303)는 피스톤(50)이 제1 방향으로 이동하도록 에너지 변환기(20)가 액추에이터(300)를 이동하게 하는 것을 포함할 수 있다. 제1 방향은 예를 들어, 도 12a 내지 도 12d의 도면에서 하향 방향에 대응할 수 있다. 단계(S310)에서, 피스톤이 제2 방향으로 이동하도록 동력 시스템이 작동될 수 있다. 제2 방향은 제1 방향과 반대일 수 있다. 제2 방향은, 예를 들어 도 12a 내지 도 12d의 도면에서 상향 방향에 해당할 수 있다. 단계(S303) 또는 단계(S310) 후에, 루틴은 각각의 처리 분기(branch)로 진행할 수 있다.
단계(S303)로부터 계속해서, 단계(S304)에서, 제1 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제1 센서 출력이 여전히 0인지 여부가 결정될 수 있고, 그렇다면 루틴은 복귀하여 단계(S303)을 반복할 수 있다. 또한, 단계(S304)에서 제1 센서 출력이 1인 것으로 결정될 수 있다. 단계(S304)에서, 제1 센서 출력이 예를 들어, 0에서 1로 변경된 것으로 결정될 수 있다. 제1 센서의 출력 신호 전환은 실린더(12)의 미리 결정된 지점에 도달하는 피스톤(50)에 대응할 수 있다. 미리 결정된 지점은 실린더(12)의 중간 지점일 수 있다. 단계(S304)에서 제1 센서 출력이 1이라고 결정한 후, 루틴은 단계(S305)로 진행할 수 있다.
단계(S305)에서, 제2 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제2 센서 출력은 제2 위치 센서 또는 그 관련 회로의 출력을 지칭할 수 있다. 제2 위치 센서는 센서(140)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계(S305)에서 제2 센서 출력이 값 Y1 미만인 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S303)으로 돌아가서 반복할 수 있다. Y1 미만의 제2 센서 출력은 적어도 트리거 디스크(145)의 Y1 톱니에 대응하는 거리를 이동하지 않은 피스톤(50)에 대응할 수 있다. 한편, 단계(S305)에서 제2 센서 출력이 Y1 이상으로 결정되면, 루틴은 단계(S306)로 진행할 수 있다. Y1 이상의 제2 센서 출력은 피스톤(50)에 대응할 수 있으며, 따라서 랙(310)은 적어도 알려진 양만큼 이동한다. 피스톤(50)의 이동량은 연소실의 부피를 감소시키고 연소실 내에 포함된 공기를 압축하는 것에 대응할 수 있다.
단계(S306)에서, 동력 시스템은 주입을 수행할 수 있다. 단계(S306)은 연료량을 분사하기 위해 연소실(71)의 연료 분사기(34)와 같은 연료 분사기에 명령을 내리는 동력 시스템(1)을 포함할 수 있다. 연료의 양은 센서 출력을 기반으로 결정될 수 있거나 미리 결정된 양, 예를 들어 냉간 엔진 시동 루틴에 사용되는 양일 수 있다. 단계(S306) 이후에, 루틴은 단계(S307)로 진행할 수 있다.
단계(S307)에서, 제2 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 단계(S307)에서 결정에 사용된 값은 단계(S305)에서 사용된 값과 같거나 다를 수 있다. 예를 들어, Y1보다 큰 값 Y2가 사용될 수 있다. 단계(S307)에서 제2 센서 출력이 Y2 값보다 작은 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S308)로 진행하여 피스톤을 제1 방향으로 이동할 수 있다. 단계(S308)은 단계(S303)과 유사할 수 있다. 단계(S308)은 단계(S303)에서보다 적은 양으로 피스톤을 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 단계(S308) 이후에, 루틴은 단계(S307)로 되돌아갈 수 있다. 단계(S307)에서 제2 센서 출력이 Y2 이상인 경우, 루틴은 단계(S309)로 진행할 수 있다. Y2 이상의 제2 센서 출력은 피스톤(50)에 대응할 수 있고, 따라서 랙(310)은 적어도 알려진 양만큼 이동한다. 피스톤(50)의 이동량은 연소실의 체적을 감소시키고, 연소실 내에 포함된 공기를 연소가 가능한 지점까지 더 압축하는 것에 대응할 수 있다.
단계(S309)에서, 동력 시스템은 점화를 수행할 수 있다. 단계(S309)는 연소실(71)의 점화 플러그(28)와 같은 점화기에 점화 명령을 내리는 전원 시스템(1)을 포함할 수 있다. 단계(S309)는 연소 후 피스톤(50)의 운동에 대해 작동하지 않도록 에너지 변환기(20)를 끄는 것을 포함할 수 있다. 단계(S309) 이후에, 루틴은 단계(S320)로 진행하여 처리가 종료될 수 있다.
단계(S303,S308,S310,S315)에서, 동력 시스템(1)은 에너지 변환기(20)를 사용하여 피스톤(50)을 구동하도록 구성될 수 있다. 에너지 변환기(20)의 출력은 제한될 수 있으며, 이에 따라 제2 모드에서 연소실에서 달성 가능한 압축량은 일정량으로 제한될 수 있다. 그럼에도 불구하고 연소를 가능하게 하기에 충분한 압축은 여전히 달성할 수 있다. 값 Y2 또는 Y4는 에너지 변환기(20)에 의해 달성 가능한 최대 압축량을 기반으로 결정될 수 있다.
단계(S310 내지 S316)은 이동 방향이 다르고, 센서 출력이 대응하여 반전될 수 있다는 점을 제외하고, 단계(S303 내지 S309)와 유사할 수 있다. 제2 센서 출력은 이동의 절대값을 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 센서(140)는 이동 방향에 관계없이 센서(140)를 지나 이동하는 트리거 디스크(145)의 톱니 수와 같은 증분 수를 카운트하도록 구성될 수 있다. 값 Y1 또는 Y2는 각각 Y3 또는 Y4와 같을 수 있다.
단계(S309) 또는 단계(S316) 후에, 루틴은 프로세스가 종료될 수 있는 단계(S320)으로 진행할 수 있다. 단계(S320)에 이어, 루틴은 단계(S301)에서 다시 시작할 수 있다.
도 12f의 루틴의 반복은 피스톤(50)의 속도를 높이고 향상된 엔진 시동을 가능하게 하는 데 유리할 수 있다. 정지 상태로부터, 에너지 변환기(20)는 실린더(12)에서 비교적 적은 양의 압축만 생성할 수 있다. 그러나 루틴이 반복될 때마다, 피스톤(50)이 추진력을 형성할 수 있고 더 많은 양의 압축이 달성될 수 있으므로 더 강한 연소가 가능하다. 예를 들어, 제1 사이클 후, 피스톤(50)은 연소로 인해 방향을 변경할 수 있다(예를 들어, 역방향). 동력 시스템(1)은 제2 작동 모드에서 계속 작동될 수 있다. 다음 사이클에서, 에너지 변환기(20)는 전기 에너지를 사용하여 피스톤(50)을 다시 움직일 수 있다. 피스톤(50)은 연소로 인해 이미 움직일 수 있기 때문에 에너지 변환기(20)는 피스톤(50)의 운동을 보조하도록 작동한다. 각 행정에서, 피스톤 속도가 증가함에 따라 더 큰 압축이 달성될 수 있다. 피스톤 속도가 빨라지면 효율성도 향상될 수 있다. 어느 지점에서, 엔진(10)은 전기 보조 없이 연소만을 사용하여 자급자족적으로 작동할 수 있다.
피스톤(50)의 각 행정에 대해, Y의 다른 값이 결정 단계에 사용될 수 있다. 피스톤 속도가 더 빠를 때, 피스톤(50)이 실린더(12)에서 더 먼 거리를 이동하고 더 높은 압축을 달성하도록 큰 값의 Y가 사용될 수 있다.
도 12f의 흐름도와 동시에, 센서(140)와 같은 제2 센서가 지속적으로 데이터를 출력하고 있는 백그라운드에서 루틴이 실행될 수 있다. 제어기(90)는 제2 센서로부터의 데이터를 분석할 수 있다. 제어기(90)는 결정 단계에 사용된 Y 값을 연속적으로 업데이트하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)는 또한 피스톤 속도의 가장 최근 측정을 결정하도록 구성될 수 있다. 피스톤 속도는 일정 기간 동안 제2 센서에 의해 검출된 증분 수를 계산하여 결정할 수 있다. 기간은 미리 결정된 기간일 수 있다. 피스톤 속도의 결정은 피스톤(50)이 기준점에 도달할 때 발생할 수 있다. 이때 결정된 피스톤 속도가 저장될 수 있다. 일부 실시형태에서, 기간은 피스톤(50)이 기준점에 도달할 때 시작될 수 있다. 일부 실시형태에서, 기간은 피스톤(50)이 기준점에 도달할 때 종료될 수 있다. 기준점은 센서(130)의 위치와 일치할 수 있다. 피스톤 속도의 결정은 제1 센서 출력이 변경된 것으로 검출되는 시점에 발생할 수 있다. 예를 들어, 1에서 0으로, 또는 0에서 1로 전환하는 센서(130)의 출력에 응답하여, 제어기(90)는 센서(140)의 출력을 기반으로 피스톤 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 피스톤 속도, 또는 다른 값(예를 들어, 이하에서 논의될 운동 파라미터)은 피스톤(50)이 기준점에 도달할 때 결정될 수 있고, 기준점은 가변적일 수 있다. 제어기(90)는 기준점을 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(90)는 기준 점이 센서(130)의 출력이 전환된 후 미리 결정된 시간에 위치, 또는 센서(130)의 위치로부터 변위된 위치, 또는 임의의 위치에 있을 것이라고 결정하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)는 센서(130) 출력의 전환 후 시간 지연 후에 피스톤 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 시간 지연은 미리 결정된 기간일 수 있거나, 예를 들어 이전에 저장된 피스톤 속도에 따라 가변적일 수 있다. 제어기(90)는 또한 센서(130)의 출력이 전환된 후에 센서(140)에 의해 다수의 증분이 검출된 후에 피스톤 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)는 도 12f의 처리와 같은 다른 처리가 진행되는 동안 Y의 값을 업데이트할 수 있다.
제3 모드에 대한 시스템 운전 조건을 나타내는 표인 도 13을 참조한다. 제3 모드는 동력 시스템(1)을 가동하는 작동 모드일 수 있다. 제3 모드는 엔진 운전 모드일 수 있다. 도 13은 제3 모드에 대한 파라미터를 나타낼 수 있다. 제3 모드에서, 엔진(10)으로의 연료 분사가 가능하도록 파라미터가 설정될 수 있다. 엔진(10)의 점화 플러그가 점화되도록 함으로써 점화가 가능하도록 파라미터가 설정될 수 있다. 에너지 변환기(20)의 설정은 "발전기" 모드로 설정될 수 있다. 예를 들어, 에너지 변환기(20)는 엔진(10)의 기계적 운동으로부터 전력을 추출하고 전기 에너지를 생성하도록 구성될 수 있다.
도 14a는 제3 작동 모드에서 동력 시스템(1)의 작동을 나타내는 개략도이다. 제1 및 제2 작동 모드와 유사하게, 엔진은 초기에 제1 위치 또는 제2 위치에 있을 수 있다. 도 14a에 도시된 위치는 제3 작동 모드에서 B-위치일 수 있다. 제3 작동 모드에서 B-위치는 액추에이터(300)의 랙(310)이 센서(130)와 중첩되지 않는 조건에 해당할 수 있다. 이러한 조건에서, 센서(130)의 출력은 0일 수 있다.
제3 작동 모드에서, 동력 시스템(1)은 이미 가동 중일 수 있다. 예를 들어, 피스톤(50)은 도 12a 내지 도 12d의 프로세스로부터 직접 오기 때문에 이동할 수 있다. 피스톤(50)이 이미 이동하고 있기 때문에, 동력 시스템(1)은 엔진(10)으로부터 에너지를 추출하기 시작할 수 있다. 에너지 변환기(20)는 액추에이터(300)를 통한 피스톤(50)의 움직임에 저항함으로써 엔진(10)으로부터 에너지를 수집하도록 구성될 수 있다. 에너지 변환기(20)는 부하와 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 에너지 변환기(20)는 피스톤(50)의 운동에 대해 작용하는 저항력(1450)을 작용할 수 있다. 예를 들어, 피스톤(50)은 실린더(12)의 북쪽에서 발생하는 연소(1401)에 의해 제1 방향(예를 들어, 도 14a에서 아래로)으로 이동하도록 압박될 수 있다. 저항력(1450)은 제1 방향과 반대 방향으로 작용할 수 있다. 저항력(1450)은 엔진 작동 조건에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 저항력(1450)은 피스톤(50)의 측정된 속도를 기반으로 결정될 수 있다. 측정된 속도는 기준점에서 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 저항력(1450)은 피스톤(50)의 운동을 방해하지 않도록 0일 수 있다. 예를 들어, 엔진(10)에서 피스톤(50)의 속도가 증가되어야 하고, 따라서 피스톤(50)의 왕복 운동에 대한 저항이 최소화되어야 한다고 결정될 수 있다.
제3 작동 모드에서, 동력 시스템(1)은 만족되는 제1 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제1 조건은 랙(310)과 센서(130)가 중첩되지 않는 것일 수 있다. 따라서, 제1 조건은 센서(130)의 출력이 0일 수 있다. 작동은 액추에이터(300)가 이동되어 랙(310)이 제1 방향으로 이동하게 하는 것일 수 있다. 일부 실시형태에서, 작동은 액추에이터(300)가 계속 이동 가능하게 하는 것일 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 피스톤(50)은 예를 들어 실린더(12)에서 발생하는 연소(1401)로 인해 이미 움직일 수 있다. 연소실(71)의 연소(1401)는 피스톤(50)의 한 행정의 끝과 반대 방향의 다른 행정의 시작에 대응할 수 있다. 피스톤(50)은 실린더(12)의 남쪽을 향해 아래쪽으로 이동하게 될 수 있다. 예를 들어, 센서(130)와 랙(310)이 중첩되지 않는 제1 조건이 충족될 때, 동력 시스템(1)은 피스톤(50)이 계속해서 아래로 이동 가능하게 할할 수 있다.
제3 작동 모드에서, 동력 시스템(1)은 피스톤(50)의 운동에 저항력을 가하도록 구성될 수도 있다. 동력 시스템(1)은 진동하는 질량체의 운동에 저항하도록 구성될 수 있다. 진동 잘량체는 피스톤(50), 피스톤 로드(40), 및 액추에이터(300)의 이동 부분을 포함할 수 있다. 진동하는 질량체는 엔진(10)으로부터의 동력 하에 움직일 수 있기 때문에, 에너지 변환기(20)는 엔진(10)의 기계적 운동으로부터 전력을 생성하도록 작용할 수 있다.
피스톤(50)이 실린더(12) 내에서 이동함에 따라, 엔진(10)으로의 공기 흡입이 수행될 수 있다. 동력 시스템(1)은 흡입 단계가 진행될 수 있도록 피스톤(50)을 실린더(12)의 반대쪽으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 피스톤(50)이 실린더(12)의 북쪽에 있는 시간의 적어도 일부 동안, 피스톤 로드 부분(43)의 개구(48)는 연소실(73)에 노출될 수 있다. 입구 개구(29)를 통해 엔진(10)에 공급된 공기는 연소실(73)과 연통될 수 있다. 공기는 입구 개구(29)로부터 피스톤 로드 부분(42)의 개구(45)를 통해 이동할 수 있다. 공기는 피스톤(50)을 통해 그리고 피스톤 로드 부분(43)을 통해 개구(48)로 연장되는 피스톤 로드 부분(42)의 통로를 통해 이동할 수 있다. 공기는 개구(48)로부터 연소실(73) 내로 공급될 수 있다.
공기는 개구(48)가 실린더(12)의 내부에 더 이상 노출되지 않는 지점까지 연소실(73) 내로 공급될 수 있다. 한편, 피스톤(50)의 반대쪽에서, 연소실(71)의 팽창 단계는, 피스톤(50)이 배기 포트(18)가 연소실(71)에 노출되기 시작하는 지점에 도달할 때까지 진행될 수 있다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 피스톤(50)은 실린더(12)의 중간 지점에 대응할 수 있는 라인(1200)에 도달할 수 있고, 배기 포트(18)는 덮일 수 있다. 그 후, 피스톤(50)은 계속 움직일 수 있고 배기 포트가 노출될 수 있다. 그 다음, 연소실(71)에서 배기 단계가 시작될 수 있다. 배기 단계는 운동량 단계와 일치할 수 있다. 운동량 단계는 피스톤(50)이 실린더(12)의 미리 결정된 지점을 넘어 더 이동하는 작동 엔진(10)의 단계를 지칭할 수 있다. 미리 결정된 지점은 확장 단계의 종점을 나타낼 수 있다. 미리 결정된 지점은 피스톤(50)의 면이 배기 포트(18)를 지나 이동하여 실린더(12)의 외부를 향해 배기 경로의 적어도 일부를 노출시키는 위치일 수 있다. 예를 들어, 연소실(71)에서 연료의 연소는 피스톤(50)이 팽창 단계에서 제1 방향(도 14b에서 아래로)으로 이동하게 할 수 있다. 피스톤(50)은 팽창 단계가 종료될 때에도(예를 들어, 미리 결정된 지점에 도달한 후에도) 배기 포트(18)를 넘어 계속 이동하기에 충분한 에너지를 가질 수 있다. 팽창 단계의 종료를 넘어서는 피스톤(50)의 추가 이동은 피스톤(50)의 "오버슈트"를 지칭할 수 있다. 피스톤 오버슈트는 팽창 단계의 종료 후에 엔진(10)에서 추가 작업을 이용할 수 있기 때문에 유용할 수 있다. 팽창 단계의 종점(및 운동량 단계의 시작)과 동시에 또는 배기 단계가 시작되기 직전에 연소실(73)에서 압축 단계가 시작될 수 있다. 운동량 단계에서 피스톤(50)의 운동량은 피스톤(50)의 반대쪽에 있는 연소실(73)에서 가스를 압축하는 데 유용할 수 있다.
도 14b는 연소실(73)의 압축 단계가 시작될 수 있는 상태에서 제3 작동 모드에서 동력 시스템(1)을 계속 작동시키는 것을 개략적으로 나타낸 것이다. 이 지점에서, 피스톤(50)은 실린더(12)의 중간 지점에 있을 수 있다. 피스톤(50)의 위치는 0에서 1로 변하는 센서(130)의 출력에 의해 결정될 수 있다. 저항력(1450)은 제1 방향과 반대 방향으로 계속 작용하여 피스톤(50)의 운동에 저항할 수 있다. 도 14b에 도시된 단계에서, 저항력(1450)은 도 14a에서와 동일한 크기일 수 있다.
동력 시스템(1)은 제3 작동 모드에서 충족되는 제2 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제2 조건은 센서(130) 또는 센서(140)의 출력에 기초할 수 있다. 작용은 저항력(1450)이 에너지 변환기(20)에 의해 가해지는 것일 수 있다. 제2 조건은 피스톤(50)이 움직이는 것으로 결정되는 것일 수 있다. 제2 조건은 이전 주기로부터의 센서 데이터를 기반으로 할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제2 조건은 실시간으로 분석된 센서 출력에 기초할 수 있다. 예를 들어, 동력 시스템(1)은 센서(130) 또는 센서(140)가 제어기(90)에 의해 분석되는 데이터를 지속적으로 출력하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)는 예를 들어 엔진(10)이 제2 작동 모드 하에서 성공적으로 시동되었음을 결정할 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(130) 또는 센서(140)로부터의 센서 출력이 피스톤(50)이 적어도 특정 속도로 움직이고 있음을 나타낼 때, 제어기(90)는 엔진(10)이 성공적으로 시동되었음을 결정할 수 있다. 피스톤(50)의 이동으로 인해. 연소실에서 압축 단계가 진행될 수 있다. 그 다음, 다른 조건이 충족되면 추가 작업이 수행될 수 있다.
일부 실시형태에서, 피스톤(50)의 이동 방향은 센서(130)의 이전 출력을 기반으로 결정될 수 있다. 이동 방향의 결정은 또한 센서(130)의 현재 출력을 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 센서(130)의 현재 출력이 1이고 센서(130)의 이전 출력이 0일 때, 피스톤(50)이 제1 방향으로 움직이는 것으로 결정될 수 있다. 센서(130)의 현재 출력이 0이고 센서(130)의 이전 출력이 1일 때, 피스톤(50)이 제2 방향으로 움직이는 것으로 결정될 수 있다.
도 14c는 제3 작동 모드에서 동력 시스템(1)을 계속 작동시키는 것을 나타내는 개략도이다. 피스톤(50)이 제1 방향(도 14c에서 아래로)으로 계속 이동함에 따라, 피스톤(50)의 제1 측(예를 들어, 연소실(71)에서)의 운동량 단계가 계속될 수 있고, 피스톤(50)의 제2 측(예를 들어, 연소실(73)에서의 위치에 대응할 수 있는 피스톤(50)의 반대 측) 상의 압축 단계가 계속될 수 있다.
도 14c에 도시된 지점에서, 피스톤(50)은 라인(1200)으로부터 거리(d)만큼 이동하였다. 제2 작동 모드와 유사하게, 제3 작동 모드에서, d가 미리 결정된 값과 같게 되면, 연료 분사가 발생할 수 있다. 미리 결정된 값은 트리거 디스크(145)의 미리 결정된 톱니 수에 대응할 수 있다. 트리거 디스크(145)의 미리 결정된 톱니의 수는 Y1 값에 대응할 수 있으며, 이는 제2 작동 모드와 관련하여 위에서 설명된 것과 동일하거나 상이할 수 있다. 도 14c에 도시된 바와 같이, 연료(1410)는 연소실(73)의 실린더(12) 내로 분사될 수 있다. 제어기(90)는 연료 분사기(34)(도 3 참조) 중 하나가 미리 결정된 양의 연료를 분사하게 할 수 있다. 연료량은 실린더(12)로 유입되는 공기량 및 압축 비를 기반으로 결정될 수 있으며, 이는 예를 들어 센서로부터의 출력을 기반으로 결정될 수 있다. 연료의 양은 다른 센서(예를 들어, 센서(130) 또는 센서(140))로부터의 출력을 기반으로 수정될 수 있다. 예를 들어, 연료의 양은 피스톤(50)의 결정된 파라미터를 기반으로 조정될 수 있다. 저항력(1450)은 제1 방향과 반대 방향으로 계속 작용하여 피스톤(50)의 운동에 저항할 수 있다. 도 14c에 도시된 단계에서, 저항력(1450)은 도 14a의 것과 동일한 크기 또는 도 14b의 것과 동일한 크기일 수 있다.
동력 시스템(1)은 제3 작동 모드에서 충족되는 제3 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제3 조건은 센서(140)와 같은 제2 센서의 출력에 기초할 수 있다. 제3 조건은 피스톤(50)이 랙(310)과 센서(130)가 중첩되는 것에서 중첩되지 않는 것으로 변하는 위치를 넘어 특정 거리, 예를 들어 실린더 중간 지점을 넘어 특정 거리만큼 이동한 것일 수 있다. 일부 실시형태에서, 제3 조건은 제1 센서 및 제2 센서로부터의 출력 모두에 기초할 수 있다. 제3 조건은 센서(130)의 출력이 변하는 지점 이후에 센서(140)의 출력이 적어도 Y1으로 결정되는 것일 수 있다. 예를 들어, 제3 조건은, 센서(130)의 출력이 1에서 0으로 전환된 후, 피스톤(50)이 특정 거리를 이동한 것에 대응할 수 있는 트리거 디스크(145)의 Y1 증분을 센서(140)가 검출하여 피스톤(50)이 실린더(12)의 중간 지점을 넘었다는 것을 나타내는 것일 수 있다.
피스톤(50)이 연소실(73)에 포함된 공기가 압축되어 연료가 연소실(73)에 추가될 수 있도록 충분한 거리를 이동했다고 결정될 수 있다. 연료-공기 혼합물을 생성하기 위한 최적의 혼합을 가능하게 하는 지점에서 연료가 연소실(73)에 추가될 수 있다. Y1 값은 엔진 작동 조건에 기초할 수 있는 최적 혼합을 위한 지점으로 결정될 수 있다. Y1 값은 맵을 기반으로 결정될 수 있다.
도 14d는 제3 작동 모드에서 동력 시스템(1)을 계속 작동시키는 것을 나타내는 개략도이다. 도 14d에 도시된 지점에서, 피스톤(50)은 도 14c와 비교하여 라인(1200)을 더 지나서 이동하였다. 피스톤(50)은 연소실(73)의 연소 단계가 시작될 수 있는 연소점까지 계속 이동할 수 있다. 거리(d)가 Y2와 같이 미리 정해진 값 이상이 되면, 점화가 일어날 수 있다. Y2는 Y1보다 클 수 있다. 거리(d)가 Y2보다 크거나 같을 때, 스파크(1420)는 연소실(73)의 실린더(12)에서 시작될 수 있다. 제어기(90)는 점화 플러그(38)(도 3 참조) 중 하나가 점화되도록 할 수 있다. 따라서, 팽창 단계는 연소실(73)에서 시작될 수 있다. 팽창 단계에 들어갈 때, 피스톤(50)의 이동 방향은 변경될 수 있다. 피스톤(50)의 이동 방향은 반대일 수 있다. 도 14d에 도시된 위치는 연소실(73)에서 압축 단계의 끝 부분에 해당할 수 있다. 스파크(1420)를 적용하는 것과 함께, 저항력(1450)이 없어질 수 있다. 동시에, 저항력(1460)은 저항력(1450)의 방향과 반대 방향으로 적용되기 시작할 수 있다.
제3 작동 모드에서의 작동은 위의 것과 반대되는 것을 포함하여 다른 방향으로 발생할 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 피스톤(50)이 실린더(12)의 북쪽에서 남쪽으로 행정 이동하는 대신에, 피스톤(50)은 남쪽에서 북쪽으로 이동할 수 있다. 제3 모드에서 "A-위치"는 피스톤(50)의 초기 위치가 예를 들어 도 14d에 도시된 바와 같이 실린더(12)의 남쪽에 있는 상황을 지칭할 수 있다. A-위치는 센서(130)의 센서 출력 1에 대응할 수 있다(예를 들어, 센서(130)와 중첩되는 랙(310)). 제3 모드에서 "B-위치"는 피스톤(50)의 초기 위치가 예를 들어 도 14a에 도시된 바와 같이 실린더(12)의 북쪽에 있는 상황을 지칭할 수 있다. B-위치는 센서(130)의 센서 출력 0에 대응할 수 있다(예를 들어, 랙(310)이 센서(130)와 중첩되지 않음). 작동 파라미터는 피스톤(50)의 초기 위치를 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 분사 또는 연소를 시작할 시기를 결정하기 위해 다른 값이 사용될 수 있다. 피스톤(50)이 A-위치에서 시작될 때, 분사 결정에 사용되는 거리(d)의 값은 Y1 값일 수 있다. 또한, 연소 결정에 사용되는 거리(d)의 값은 Y2 값일 수 있다. 피스톤(50)이 B-위치에서 시작될 때, 분사 결정에 사용되는 거리(d)의 값은 Y3 값일 수 있다. 또한, 연소 결정에 사용되는 거리(d)의 값은 Y4 값일 수 있다. 일부 실시형태에서, 실린더(12)는 라인(1200)에 대해 대칭일 수 있다. 센서 출력의 절대값은 결정에 사용될 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에서, Y1 및 Y3은 동일할 수 있고, Y2 및 Y4는 동일할 수 있다.
또한 동력 시스템(1)의 운동이 도 14a-14d와 비교하여 반전될 때, 공기 흡입이 엔진(10)의 다른 구성요소를 통해 발생할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
동력 시스템(1)은 제2 작동 모드와 유사하게 제3 작동 모드에서 충족되는 제4 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제4 조건은 거리(d)가 미리 결정된 값과 같아지는 것과 같은 제2 센서의 출력에 기초할 수 있다. 작동은 연소실(73)과 같은 연소실에서 점화를 시작하는 것일 수 있다.
제3 작동 모드에서, 피스톤(50)이 연소실(71)의 압축 비가 연소에 적절한 지점으로 이동한 것으로 결정될 수 있다. 상기 지점은 엔진(10)의 안정적인 운전을 위한 최적의 조건을 고려하여 결정될 수 있다. 상기 제3 조건 및 제4 조건은 최적의 운전 조건을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 엔진(10)이 발전을 최대화하기 위해 맵에 따라 작동하도록 조건이 설정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 장기간 지속되는 운전을 위한 지도가 사용될 수 있다.
도 14e는 제3 작동 모드에 따른 동력 시스템(1)의 작동을 보여주는 차트이다. 도 14e의 차트는 제어기(90)가 실행하도록 프로그램된 제어 루틴을 나타낼 수 있다. 도 14e에 도시된 바와 같이, 에너지 변환기의 상태 "2"는 에너지 변환기를 발전기 모드(예를 들어, 기계적 에너지 추출에 의한 전력 생성)로 설정하는 것으로 해당할 수 있다. 분사 상태 1은 연료 분사가 허용됨을 나타낼 수 있다(예를 들어, 연료 분사기가 연료 분사를 위해 작동하도록 허용됨). 점화 상태 1은 점화가 허용됨을 나타낼 수 있다(예를 들어, 점화 플러그가 점화되도록 허용됨).
동력 시스템(1)은 제3 모드에서 충족되는 조건에 응답하여 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 도 14e에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 초기 A-위치에 대응하는 제1 조건이 있을 수 있다. 엔진(10)의 초기 B-위치에 대응하는 제2 조건이 있을 수 있다. 제1 및 제2 조건은 센서(130)일 수 있는 제1 센서의 출력에 기초할 수 있다. 제1 조건이 충족되면(예를 들어, 센서(130) 출력이 0임), 피스톤(50)을 센서(130) 출력이 0인 지점으로부터 센서(130) 출력이 1인 지점으로 이동하라는 명령이 발행될 수 있다. 피스톤(50)이 이미 움직이고 있을 때 명령은 무시될 수 있다. 일부 실시형태에서, 동력 시스템(1)은 단순히 엔진(10)이 현재 움직임 상태를 계속하도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 작동 조건이 변경되지 않을 수 있다.
제1 또는 제2 센서의 출력에 기초할 수 있는 추가 조건이 있을 수 있다. 추가 조건은 피스톤(50)이 이미 움직이고 있음을 나타낼 수 있다. 추가 조건이 충족되면(예를 들어, 센서(140)가 일정 기간에 걸쳐 적어도 특정 수의 증분을 검출함), 피스톤(50)이 충분한 속도로 움직이는 것으로 결정될 수 있고, 에너지 변환기(20)는 피스톤(50)의 운동에 저항력을 가함으로써 전기 에너지를 생성하도록 활성화될 수 있다.
동력 시스템(1)은 제2 센서로부터의 출력을 기반으로 분사 및 점화와 같은 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 제2 센서의 출력은, 도 14e에 도시된 바와 같이, "Y"로 결정될 수 있다. Y가 Y1, Y2, Y3, Y4와 같은 특정 값에 도달하면, 위에서 설명한 대로 특정 작동이 수행될 수 있다. 분사할 연료의 양 또는 에너지 변환기(20)에 적용할 부하의 양(예를 들어, 저항력(1450)에 영향을 미침)을 결정하는 것과 같은 엔진(10)의 작동에 대한 추가 제어는 기준점에서 발생하는 결정에 기초할 수 있다. 도 14e와 일치하는 처리를 수행한 결과, 전기 에너지가 생성될 수 있는 동안 엔진이 운전될 수 있다. 도 14e와 일치하는 처리는 도 12e와 일치하는 처리 후에 수행될 수 있다.
도 14f는 제3 작동 모드와 일치하는 제어 루틴을 예시하는 흐름도이다. 도 14f는 제3 작동 모드에 따른 동력 시스템(1)의 작동의 다른 표현일 수 있다. 제어 루틴은 연속적으로 실행될 수 있다. 도 14f의 제어 루틴의 처리를 종료한 후, 후속 처리가 실행될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세스는 시작점으로 돌아가 반복될 수 있다.
도 14f에서, 제어 루틴은 단계(S401)에서 시작된다. 도 14f의 제어 루틴을 시작하는 것은 엔진의 진동 질량체의 구성요소가 적어도 미리 결정된 속도로 움직이고 있다는 조건에 의존할 수 있다. 예를 들어, 센서(140)의 출력에 기초할 수 있는 결정을 내리는 것에 응답하여, 피스톤(50)이 적어도 특정 속도로 움직이고 있다는 결정에 응답하여, 제어 루틴은 단계(S401)에 들어갈 수 있다. 그 다음, 단계(S402)에서, 제1 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제1 센서 출력은 제1 위치 센서 또는 그 관련 회로의 출력을 지칭할 수 있다. 제1 위치 센서는 센서(130)를 포함할 수 있다. 단계(S402)에서 제1 센서 출력이 0인 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S403)으로 진행할 수 있다. 제1 센서 출력 0은 센서(130)와 중첩되지 않은 랙(310)에 해당할 수 있다. 한편, 단계(S402)에서 제1 센서 출력이 1인 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S412)로 진행할 수 있다. 제1 센서 출력 1은 센서(130)와 중첩되는 랙(310)에 해당할 수 있다.
단계(S403)에서, 피스톤이 제1 방향으로 이동하도록 동력 시스템이 작동될 수 있다. 일부 실시형태에서, 단계(S403)는 이미 이동하고 있는 피스톤(50)이 제1 방향으로 계속 이동하도록 하는 것을 포함할 수 있다. 제1 방향은 예를 들어 도 14a 내지 도 14d의 도면에서 하향 방향에 해당할 수 있다. 단계(S412)에서, 피스톤이 제2 방향으로 이동하도록 동력 시스템이 작동될 수 있다. 제2 방향은 제1 방향과 반대일 수 있다. 제2 방향은 예를 들어 도 14a 내지 도 14d의 도면에서 상향 방향에 해당할 수 있다. 단계(S403) 또는 단계(S412) 후에, 루틴은 각각의 처리 분기로 진행할 수 있다.
단계(S403)에 이어서, 단계(S404)에서, 저항력이 제2 방향으로 가해질 수 있다. 단계(S404)는 에너지 변환기(20)에 의해 저항력(1450)을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 단계(S404)는 측정된 피스톤 속도와 같은 운동 파라미터를 기반으로 저항력의 크기(1450)를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 측정된 피스톤 속도는 기준점에서 결정될 수 있다.
그 다음, 단계(S405)에서, 제1 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제1 센서 출력이 여전히 0인지 여부가 결정될 수 있고, 그러한 경우 루틴은 복귀하여 단계(S405)를 반복할 수 있다. 루틴은 미리 정해진 시간 후에 단계(S405)를 반복할 수 있다. 또한, 단계(S405에서 제1 센서 출력이 1인 것으로 결정될 수 있다. 단계(S405)에서, 제1 센서 출력이 예를 들어, 0에서 1로 변경된 것으로 결정될 수 있다. 제1 센서의 출력 신호의 전환은 실린더(12)의 미리 결정된 지점에 도달하는 피스톤(50)에 대응할 수 있다. 미리 결정된 지점은 실린더(12)의 중간 지점일 수 있다. 단계(S405)에서 제1 센서 출력이 1이라고 결정한 후, 루틴은 단계(S406)으로 진행할 수 있다.
단계(S406)에서, 제2 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 제2 센서 출력은 제2 위치 센서 또는 그 관련 회로의 출력을 지칭할 수 있다. 제2 위치 센서는 센서(140)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계(S406)에서 제2 센서 출력이 Y1 값보다 작은 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S405)로 돌아가서 반복할 수 있다. 루틴은 미리 정해진 시간 후에 단계(S405)를 반복할 수 있다. Y1 미만의 제2 센서 출력은 적어도 트리거 디스크(145)의 Y1 톱니에 대응하는 거리를 이동하지 않은 피스톤(50)에 대응할 수 있다. 한편, 단계(S406)에서 제2 센서 출력이 Y1 이상으로 결정되면, 루틴은 단계(S407)로 진행할 수 있다. Y1 이상의 제2 센서 출력은 피스톤(50)에 대응할 수 있고, 따라서 랙(310)은 적어도 알려진 양만큼 이동한다. 피스톤(50)의 이동량은 연소실의 부피를 감소시키고 연소실 내에 포함된 공기를 압축하는 것에 대응할 수 있다.
단계(S407)에서, 동력 시스템은 주입을 수행할 수 있다. 단계(S407)은 연료량을 분사하기 위해 연소실(71)의 연료 분사기(34)와 같은 연료 분사기에 명령을 발하는 동력 시스템(1)을 포함할 수 있다. 연료의 양은 센서 출력을 기반으로 결정될 수 있거나, 또는 미리 결정된 양, 예를 들어 냉간 엔진 시동 루틴에 사용되는 양일 수 있다. 단계(S407) 이후에, 루틴은 단계(S408)로 진행할 수 있다.
단계(S408)에서, 제2 센서 출력을 기반으로 결정이 이루어질 수 있다. 단계(S408)서 결정에 사용된 값은 단계(S406)에서 사용된 값과 같거나 다를 수 있다. 예를 들어, Y1보다 큰 값 Y2가 사용될 수 있다. 단계(S408)에서 제2 센서 출력이 Y2 값보다 작은 것으로 결정되면, 루틴은 단계(S409)로 진행하여 피스톤을 계속해서 제1 방향으로 이동할 수 있다. 단계(S409)는 단계(S403)과 유사할 수 있다. 단계(S409) 이후, 루틴은 단계(S408)로 돌아갈 수 있다. 단계(S408)에서 제2 센서 출력이 Y2 이상인 것이 결정되면, 루틴은 단계(S410)로 진행할 수 있다. Y2 이상의 제2 센서 출력은 피스톤(50)에 대응할 수 있고, 따라서 랙(310)은 적어도 알려진 양만큼 이동할 수 있다. 피스톤(50)의 이동량은 연소실의 체적을 감소시키고 연소실 내에 포함된 공기를 연소가 가능한 지점까지 더 압축하는 것에 대응할 수 있다.
단계(S410)에서, 동력 시스템은 점화를 수행할 수 있다. 단계(S410)은 연소실(73)의 점화 플러그(28)와 같은 점화기에 점화 명령을 발하는 전원 시스템(1)을 포함할 수 있다. 단계(S411)에서, 동력 시스템은 피스톤의 운동에 작용하는 저항력을 멈출 수 있다. 단계(S411)은 저항력(1450)을 차단하는 것을 포함할 수 있다. 단계(411)는 저항력이 작용하는 방향을 반전시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항력(1450)이 제거될 수 있고 저항력(1460)이 적용될 수 있다.
단계(S412 내지 S420)은 이동 방향이 다르고 센서 출력이 대응하여 반전될 수 있다는 점을 제외하고는 단계(S403 내지 S411)과 유사할 수 있다. 제2 센서 출력은 운동의 절대값을 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 센서(140)는 이동 방향에 관계없이 센서(140)를 지나 이동하는 트리거 디스크(145)의 톱니 수와 같은 증분 수를 카운트하도록 구성될 수 있다. 값 Y1 또는 Y2는 각각 Y3 또는 Y4와 같을 수 있다.
단계(S411) 또는 단계(S420) 후에, 루틴은 프로세스가 종료될 수 있는 단계(S421)로 진행할 수 있다.
방법은 다양한 수정이 있거나 없는 도 10d, 도 10e, 도 12f 또는 도 14f의 순서도의 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 엔진을 작동시키는 방법은 도 10e, 도 12f 및 도 14f의 흐름도를 구현하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 다수의 피스톤 이동 단계가 수행될 수 있다. 예를 들어, 피스톤의 위치를 식별하기 위해 제1 방법이 구현될 수 있고, 그 다음 제1 작동 모드에서와 같이, 예를 들어 트리거 디스크(145)의 특정 수의 톱니에 의해 피스톤이 전력 공급에 의해 이동될 수 있다. 그 다음, 연료를 분사하고 피스톤을 계속 이동시키는 제2 방법이 구현될 수 있다. 피스톤이 더 많이 이동하였을 때, 예를 들어, 거리(d)가 최적 압축 지점에 도달하거나 작동 조건을 기반으로 이동될 수 있는 가장 먼 거리일 때, 점화가 촉발될 수 있다.
에너지 변환기(20)는 다양한 기능을 달성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 에너지 변환기(20)는 제1 모드에서와 같이 피스톤(50)과 같은 엔진 구성요소를 위치 별로 이동할 수 있다. 에너지 변환기(20)는 예를 들어 제2 모드와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 엔진을 감속시키거나 가속시킬 수 있다. 에너지 변환기는 또한 예를 들어 제3 모드와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 엔진에 저항함으로써 전기를 생성할 수 있다.
일부 실시형태에서, 에너지 변환기는 가변 저항을 적용할 수 있다. 액추에이터(300)를 통해 엔진(10)에 가해지는 저항은 엔진(10) 또는 다른 구성요소의 작동 조건을 기반으로 변할 수 있다.
가변 저항으로 작동하는 동력 시스템(1)의 구성을 예시하는 도 15를 이제 참조한다. 센서 출력을 기반으로, 에너지 변환기(20)로부터 액추에이터(300)로 가해지는 저항의 레벨은 가변적일 수 있다. 예를 들어, 정보는 트리거 디스크(450)를 모니터링 하도록 구성된 센서(140)로부터 유래될 수 있다. 제어기(90)는 피스톤(50)의 속도를 결정할 수 있다. 피스톤(50)의 속도는 실시간으로 결정될 수 있다.
제어기(90)는 센서(140)로부터의 출력을 지속적으로 모니터링하고 에너지 변환기(20)를 통해 적용할 저항 레벨을 계산하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)는 피스톤 속도의 가장 최근 결정을 기반으로 저항값을 업데이트하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 저항 업데이트는 미리 결정된 지연 후 즉시 또는 다음 행정에서 발생할 수 있다. 피스톤 속도는 일정 기간 동안 제2 센서에 의해 감지된 증분 수를 계산하여 결정할 수 있다. 피스톤 속도의 결정은 제1 센서 출력이 변경된 것으로 감지되는 시점에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 1에서 0으로, 또는 0에서 1로 전환하는 센서(130)의 출력에 응답하여, 제어기(90)는 센서(140)의 출력을 기반으로 피스톤 속도를 결정하도록 구성될 수 있고, 결정된 피스톤 속도를 기반으로 저항의 레벨을 결정할 수 있다. 제어기(90)는 센서(130)의 출력의 전환 이후에 미리 결정된 시간 지연 후에 피스톤 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
제어기(90)가 피스톤 속도를 결정하도록 구성되는 지점은 가변적일 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(90)는 피스톤(50)이 센서(130)의 출력이 전환하는 지점에 도달했다고 결정될 때 피스톤 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(90)는 피스톤(50)이 실린더(12)의 중간 지점에 있을 때 피스톤 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(90)는 피스톤(50)이 센서(140)의 미리 결정된 수의 증분과 같이 실린더(12)의 중간 지점을 넘어 약간의 거리의 지점에 도달할 때 피스톤 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 피스톤 속도가 결정되는 지점은 열역학적 영향을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 피스톤(50)의 운동 에너지를 더 정확하게 나타낼 수 있기 때문에 연소 단계가 종료된 후의 지점에서 피스톤 속도를 결정하는 것이 유리할 수 있다.
연소는 본질적으로 무작위성을 포함하는 프로세스일 수 있다. 엔진 실린더의 연료 연소와 관련된 확률적 거동이 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 행정에서는, 연소 단계가 끝날 때 미연소 연료가 연소실에 남아 있을 수 있지만, 일부 행정에서는 연료가 완전히 소비될 수 있다. 소비된 연료의 양은 피스톤에 전달되는 에너지에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 연소 효과는 행정마다 다를 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 피스톤 속도는 매 행정마다 결정될 수 있고, 동력 시스템(1)의 작동 파라미터는 그에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 연소에 의해 부여된 피스톤(50)으로부터 적절한 양의 에너지를 추출하기 위해 에너지 변환기(20)에 의해 최대 저항력이 적용되도록 각 행정이 최적화될 수 있다. 하나의 최적 지점에서, 예를 들어, 피스톤(50)은 운동 에너지가 남지 않는 행정의 끝 지점(예를 들어, "제로 속도" 지점)에 도달하도록 에너지 변환기(20)로부터의 저항에 의해 느려질 수 있다. 행정의 끝 지점에서 점화가 촉발되어 피스톤이 반대 방향으로 이동할 수 있는 다음 행정을 시작할 수 있다.
피스톤 속도에 관한 정보를 이용하여, 제어기(90)는 엔진(10)의 진동 질량체의 운동량을 계산할 수 있다. 진동 질량체를 구성하는 구성 요소의 속성은 미리 알 수 있다. 피스톤 위치는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 결정될 수 있다. 따라서 피스톤으로부터 추출할 수 있는 남은 일량을 계산할 수 있다. 에너지 변환기(20)에 의해 가해지는 부하는 피스톤으로부터 추출될 수 있는 잔여 일량을 기반으로 결정될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 랙(310)은 이동 중일 수 있으며, 예를 들어 아래로 이동 중일 수 있다. 센서(140)는 랙(310)이 센서(130)와 중첩되기 시작한 후에 카운트된 트리거 디스크(145)의 톱니 수를 나타내는 데이터를 출력할 수 있다. 따라서 피스톤의 위치를 결정할 수 있다. 또한 피스톤 속도를 결정할 수 있다. 실시간으로, 정보는 제어기(90)에 공급되고 저항(1450)의 레벨을 설정하기 위해 사용될 수 있다. 제어기(90)는 피스톤 속도를 결정하고 피스톤이 중간 지점을 횡단할 때 저항을 계산하도록 구성될 수 있다. 제어기(90)는 소정의 간격으로 저항을 계산할 수 있다. 제어기(90)는 저항을 지속적으로 업데이트할 수 있다. 한 번의 행정 중에도 저항 레벨이 변경될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 에너지 변환기(20) 및 센서(140)는, 실선으로 도시된 바와 같이, 제어기(90)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 제어기(90)는 에너지 변환기(20)가 저항(1450)의 레벨을 조정하게 하는 명령을 출력할 수 있다(점선으로 도시됨).
제어기(90)는 미리 결정된 지점일 수 있는 기준 점에서 진동하는 질량체의 운동 파라미터를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(90)는 제1 지점에서 진동하는 질량체의 운동량의 양을 결정할 수 있다. 제1 지점은 알려진 위치일 수 있다. 제1 지점은 센서(130)와 같은 센서의 위치와 일치할 수 있다. 제1 지점은 선형 왕복 운동 엔진의 실린더의 중간 지점일 수 있다. 제1 지점은 센서 출력이 전환되는 지점일 수 있다. 예를 들어, 제1 지점은 센서(130)의 출력 값이 변하는 지점일 수 있다. 제어기(90)는 값을 변경하는 센서(130)의 출력에 응답하여 운동 파라미터를 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 미리 결정된 지점은 제2 지점일 수 있다. 제2 지점은 제1 지점으로부터 소정의 거리만큼 떨어져 있을 수 있다. 운동 파라미터는 여러 센서의 출력을 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 제어기(90)는 센서(130)의 출력이 값을 변경한 후에 센서(140)가 미리 결정된 수의 증분을 검출했다는 결정에 응답하여 운동 파라미터를 결정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제2 지점은 제1 지점을 지나 미리 정해진 거리만큼 변위될 수 있다. 일부 실시형태에서, 운동 파라미터는 제1 지점에서 또는 제2 지점에서 피스톤의 속도를 기반으로 결정될 수 있다. 운동 파라미터를 결정하는 것에 응답하여, 에너지 변환기(20)의 저항 레벨이 조정될 수 있다. 에너지 변환기(20)의 부하는 운동 파라미터에 기초할 수 있다.
일부 실시형태에서, 기준점 자체는 엔진의 작동과 관련된 정보를 기반으로 결정될 수 있다. 제어기(90)는 엔진(10)이 작동 중일 때 실시간으로 기준점의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 기준점은 더 빠른 피스톤(50)이 이동하는 제1 지점으로부터 더 멀리 떨어져 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 기준점은 저속 피스톤(50)이 이동하는 제1 지점으로부터 더 멀리 떨어져 있을 수 있다.
동력 시스템(1)은 혼합 모드에서 작동할 수 있다. 혼합 모드는 제1 내지 제3 모드 또는 다른 모드의 양태를 포함할 수 있다. 혼합 모드에서, 동력 시스템(1)은 피스톤(50)을 이동시키고(예를 들어, 시동기로서) 피스톤에 저항하기 위해(예를 들어, 발전기로서) 에너지 변환기(20)를 사용할 수 있다. 동력 시스템(1)은 보조 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 저항(1450)을 조정하는 것 외에, 제어기(90)는 충족되는 특정 조건에 응답하여 다른 작동을 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(90)는 저항을 완전히 끌 수 있다. 제어기(90)는 점화 타이밍을 앞당길 수 있다. 제어기(90)는 엔진을 계속 작동시키기 위해 피스톤이 최적 압축 지점에 도달하기 전에 점화 플러그가 점화되도록 구성될 수 있다. 보조 모드는 실화(misfiring) 또는 기타 이상이 발생하지 않도록 엔진 작동을 유지하는 데 사용할 수 있다.
예를 들어, 피스톤(50)은 연소가 발생하도록 계획된 최적 압축 지점에 도달하기 위해 현재 위치 및 속도를 기반으로 충분한 에너지를 갖지 않는 것으로 결정될 수 있다. 제어기(90)는 저항(1450)을 차단할 수 있고 에너지 변환기(20)의 작동 모드를 전원 모드로 변경할 수 있다. 그 다음, 에너지 변환기(20)는 피스톤(50)이 연소가 발생할 수 있는 최적 압축 지점 또는 일부 다른 지점에 도달하게 하도록 에너지를 입력할 수 있다. 동력 시스템(1)은 피스톤(50)이 행정 손실 없이 계속 왕복 운동하도록 구성될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 에너지 변환기는 부하를 설정하도록 구성될 수 있다. 부하는 저항력일 수 있다. 예를 들어, 부하는 피스톤(50)의 운동에 대해 작용할 수 있다. 부하는 저항(1450)을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 부하는 보조력일 수 있다. 에너지 변환기(20)는 피스톤(50)의 운동을 보조하도록 구성될 수 있다. 부하는 피스톤(50)을 이동시키기 위한 출력을 생성하는 에너지 변환기(20)에 대응할 수 있다.
혼합 모드에서, 에너지 변환기(20)는 피스톤(50)의 운동을 보조하는 것으로부터 피스톤(50)의 운동에 저항하는 것으로 또는 그 반대로 변경하도록 구성될 수 있다. 에너지 변환기(20)는 피스톤(50)의 1 행정 내에서 보조 또는 저항으로부터 변경하도록 구성될 수 있다. 피스톤(50)의 행정은 실린더(12)의 한쪽에 있는 연소점으로부터 진행될 수 있고, 실린더(12)의 반대쪽에 있는 다른 연소점에서 끝날 수 있다. 피스톤(50)의 파라미터는 에너지 변환기(20)가 피스톤(50)의 운동을 저항하거나 보조하는 것으로부터 변경되어야 하는 것과 같은 것으로 중간 행정이 결정될 수 있다. 예를 들어, 에너지 변환기(20)는 피스톤(50)으로부터 에너지를 추출하도록 구성될 수 있지만, 피스톤(50)이 현재 행정의 끝에서 다음 연소점에 도달하기에 충분한 에너지를 갖지 않을 정도로 피스톤(50)의 속도가 떨어질 때, 에너지 변환기(20)는 시동기로 변경될 수 있고, 피스톤(50)이 다음 연소점에 도달하도록 운동을 보조할 수 있다.
도 16은 센서 출력의 정보 처리를 나타내는 도면이다. 센서(130) 또는 센서(140)로부터의 출력은 운동 파라미터와 같은 파라미터를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 센서(140)는 카운터에 데이터를 출력할 수 있다. 카운터는 센서(140)에 의해 검출된 증분의 수를 카운트하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이벤트 검출기는 이벤트의 수를 결정하도록 구성될 수 있으며, 이벤트 각각은 센서(140)의 면(143)을 지나가는 트리거 디스크(145)의 톱니에 대응할 수 있다. 카운터는 클록을 포함할 수 있다. 카운터는 각 이벤트에 타임 스탬프로 레이블을 지정하도록 구성될 수 있다. 타임 스탬프는 또한 센서(130)의 출력이 전환하는 지점과 같은 다른 이벤트와 연관될 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(130 또는 140)는 클록 속도로 샘플링될 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 카운터의 출력은 다양한 다른 유닛에 입력될 수 있다. 예를 들어, 카운터 및 센서(130)로부터의 입력을 사용하는 위치 결정기가 제공될 수 있다. 위치 결정기는 실린더(12)에서 피스톤(50)의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 위치 결정기는 피스톤이 알려진 위치에 도달했음을 표시할 수 있는 센서(130)의 출력을 기반으로, 그리고 피스톤이 특정 거리를 더 이동했음을 나타낼 수 있는 센서(140)의 출력(예를 들어, 카운터를 통해)을 기반으로 피스톤(50)의 위치를 결정할 수 있다. 위치 결정기는 피스톤(50)이 실린더(12)의 제1 측면 또는 제2 측면에 있다고 결정할 수 있다. 피스톤(50)이 제1 또는 제2 측면에 있다는 결정은 센서(130)의 현재 출력에 기초할 수 있다. 일부 실시형태에서, 피스톤(50)이 제1 또는 제2 측에 있다는 결정은 이전 데이터에 기초할 수 있다.
위치 결정기(determiner)처럼, 다양한 다른 양이 다른 유닛에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 거리 결정기가 제공될 수 있다. 거리 결정기는 피스톤(50)이 일정 기간 동안 이동한 거리를 결정하도록 구성될 수 있다. 피스톤(50)의 속도를 결정하도록 구성된 속도 결정기가 제공될 수 있다. 피스톤(50)의 가속도를 결정하도록 구성된 가속도 결정기가 제공될 수 있다. 가속도 결정기는 미분기를 포함할 수 있다. 가속도 결정기는 속도 결정기에 의해 결정된 속도의 미분을 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 속도 결정기는 거리 결정기에 의해 결정된 거리의 도함수를 결정하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 동력 시스템은 자연 연소 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다. 도 17은 자연 연소 모드에서 작동하는 동력 시스템(1)의 예를 도시한다. 자연 연소 모드에서는 백업을 제외하고 점화가 비활성화될 수 있다. 자연 연소 모드에서, 연료는 흡기 행정 동안 분사될 수 있지만, 연료-공기 혼합물을 점화하기 위해 전기 방전(예를 들어 점화 플러그의 스파크)을 사용하는 대신, 피스톤(50)은 실린더(12) 내에서 계속 이동하도록 허용될 수 있고, 혼합물이 자발적으로 반응할 때까지 연료-공기 혼합물의 밀도 및 온도를 증가시킨다.
비교예에서, 연료는 엔진의 연소실에서 공기와 함께 분사될 수 있고, 연소실 체적의 적어도 일부는 연료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스파크 점화에 의해 점화가 촉발되면, 스파크 근처의 연소실에서 연소가 시작될 수 있다. 연소는 연료와 공기가 잘 혼합된 영역에서 시작될 수 있으며, 연소실의 다른 위치로 확산될 수 있다. 압축 단계가 시작되기 전에 연료와 공기를 완전히 혼합하는 것이 중요할 수 있다.
비교예와 대조적으로, 엔진은 다음과 같이 자연 연소로 작동할 수 있다. 연료가 분사될 수 있고, 공기가 연소실(71)과 같은 연소실로 공급될 수 있다. 피스톤(50)은 실린더(12)의 북쪽을 향해 이동할 수 있으며, 이는 연소실(71) 내의 가스가 압축되게 한다. 피스톤(50)은 실린더(12)의 헤드를 향해 점점 더 가깝게 계속 이동 가능하게 할 수 있다. 연소실(71)에 포함된 공기와 연료는 확산 또는 기타 현상에 의해 계속 혼합된다. 결국, 피스톤(50)은 연소실(71) 내의 연료-공기 혼합물이 상승된 열 및 밀도로 인한 자가 점화에 의해 반응할 수 있는 위치에 도달할 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 라인(1701)은 연소실(71)에서 자연 연소가 발생할 수 있는 지점을 나타낼 수 있다. 연소실(71)의 체적은 자연 연소 조건을 만족하는 값으로 감소될 수 있다. 연소실(71)의 연료-공기 혼합물은 이 지점에서 잘 혼합될 수 있다. 자연 연소의 경우 연소실(71)에서 연소가 균일하게 일어나 배기가스가 개선될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 연소실(71)에서 자연 연소가 발생할 때 화염 면(flame front)이 없을 수 있다. 균질 충전 압축 점화(HCCI)는 자연 연소 모드에서 동력 시스템(1)을 작동시키는 한 예일 수 있다.
예를 들어, HCCI를 사용하면 연소실에서 상대적으로 더 높은 압축이 달성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 연소는 통상적인 점화에서 전형적일 수 있는, 예를 들어 65 bar보다는 오히려 200 bar 이상에서 개시될 수 있다. 비교예에서, 피스톤이 이전 연소에 의해 부여된 모든 운동 에너지를 소모하기 전에 스파크가 개시될 수 있다. 따라서 피스톤은 아직 에너지가 남아 있는 동안 방향을 너무 일찍 변경하게 될 수 있다. 스파크 점화가 비활성화되면 피스톤은 압축 행정으로 계속 이동하는 경향이 있다. 본 발명의 일부 실시형태에서, HCCI가 사용될 수 있고, 최적의 지점에서 피스톤의 모든 운동 에너지가 연소실 내의 가스를 압축하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 피스톤의 임의의 초과 에너지는 발전기에 대한 일 입력(work input)으로서 추출될 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 피스톤(50)은 위에서 설명된 제2 또는 제3 작동 모드에서 사용되는 것과 같은 연소점에 도달한 후 더 많은 거리를 이동하는 것을 가능하게 할 수 있다. 라인(1701)은 스파크 점화가 일반적으로 제2 또는 제3 작동 모드에서 사용될 때 피스톤이 일반적으로 교차하지 않는 평면을 나타낼 수 있다. 도 17은 피스톤(50)이 엔진 헤드와 피스톤의 근위 면 사이에 약간의 거리(Z)가 여전히 남아 있는 실린더(12)의 위치에 있을 수 있음을 보여준다. 이것은 클리어런스 체적이라고 할 수 있다. 따라서 가스를 추가로 압축할 수 있는 약간의 부피가 있다. 압축이 증가하면 더 강한 연소가 가능하다. 동력 시스템(1)은 자연 연소가 발생할 때까지 피스톤(50)이 미리 결정된 정상 연소점을 넘어 더 이동하도록 함으로써 이 거리를 이용할 수 있다.
도 18은 액추에이터의 대안적인 구성을 예시한다. 도 18은 액추에이터(300A)에 연결된 엔진(10)을 도시한다. 액추에이터(300A)는 랙(310A), 휠(321A), 및 휠(322A)을 포함한다
도 19는 본 발명의 실시형태들과 일치하는, 액추에이터(300A)의 부분 확대도이다. 랙(310A)은 노치(311)를 포함한다. 센서(130)는 노치(311)가 센서(130)와 중첩할 때를 검출하도록 구성될 수 있다. 센서(130) 및 노치(311)는 예를 들어 피스톤(50)이 실린더(12)의 북쪽 또는 남쪽 절반에 있다는 대략적인 결정을 위해 사용될 수 있다. 노치(311) 반대편에서, 랙(310A)은 보다 정확한 결정을 위해 사용될 수 있는 톱니형 섹션(312)을 포함할 수 있다. 센서(140)는 톱니형 섹션(312)의 개별 톱니를 검출하도록 구성될 수 있다.
동력 전달을 위해, 휠(321A)은 랙(310A)의 홈(319)과 결합하는 핀(329)을 포함할 수 있다. 휠(321A) 및 휠(322A)은 회전식으로 작동하는 에너지 변환기에 결합될 수 있다. 휠(321A,322A)의 기계적 회전 운동은 동력 전달을 위해 사용될 수 있다. 액추에이터(300A)는 엔진(10)의 선형 왕복 운동을 회전 에너지로 변환하는 데 유용할 수 있다.
도 20은 동력 시스템(1)의 다른 변형을 보여준다. 엔진(10)은 튜브(2000)에 연결될 수 있다. 튜브(2000)는 개구(2010)를 포함할 수 있다. 도 21은 튜브(2000)의 내부를 도시하는 부분적으로 투명한 도면이다. 피스톤 로드 부분(43)은 질량체(310B)에 연결될 수 있다. 피스톤 로드 부분(43)은 계단형 로드 부분(43a)을 통해 질량체(310)에 연결될 수 있다.
센서(130)는 개구(2010)를 통해 피스톤(50)에 연결된 구조를 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 계단형 로드 부분은 로드(43)에 비해 상당히 감소된 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이, 로드 부분(43b)이 제공될 수 있다. 센서(130)는 피스톤 로드 부분(43)의 불연속성을 관찰하도록 구성될 수 있다. 센서(130)는 전환 부분(43t)이 센서(130)의 위치를 가로지를 때를 검출할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 동력 시스템은 다양한 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 비교적 간단하고 경제적인 센서를 사용하여 엔진의 피스톤 위치에 대한 정보를 얻을 수 있다. 센서 출력은 간단할 수 있고 제어기와 같은 처리 시스템에 신속하게 전달될 수 있다. 제어기는 엔진으로부터 향상된 에너지 추출을 가능하게 하는 동력 시스템의 작동 조건을 조정할 수 있다. 빠른 처리와 높은 대역폭도 달성할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태들에 따른 엔진은 추가 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 엔진은 연소를 위해 신선한 공기를 지속적으로 공급하면서 실린더로부터 뜨거운 배기가스를 거의 연속적으로 소거하는 것을 용이하게 할 수 있다. 거의 지속적으로 도입된 신선한 사전 압축 공기는 실린더 내부의 온도를 낮추고 엔진 효율과 엔진 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 개시된 예시적인 실시형태들에 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 엔진(10)에 의해 생성된 연소 가스는 터보 과급기(turbo charger)를 구동하는데 사용될 수 있다. 실린더로 유입되는 압축 공기는 실린더의 양단으로부터 연장되는 왕복 운동 피스톤 로드 부분에 의해 구동되는 외부 압축기에 의해 가압될 수 있다. 다른 변형은 가스가 실린더 내부 또는 외부로 방사상으로 지향되지 않도록 입구 포트 또는 출구 포트의 각도를 변경함으로써 실린더에 도입된 가스에 소용돌이 효과를 부여하는 것을 포함할 수 있다.
각 단부에서 엔진 헤드에 의해 경계가 정해진 양면 실린더, 각 단부에 위치하는 배기 장치, 실린더 내에서 자유롭게 슬라이딩하는 피스톤을 포함하는 엔진도 사용될 수 있다. 두 개의 피스톤 로드는 엔진의 세로 축과 정렬될 수 있으며, 각 피스톤 로드는 피스톤의 다른 쪽에 연결된다. 각각의 피스톤 로드는 배기 개구까지 연장되는 공동을 가질 수 있다. 배기 개구는 피스톤 로드의 일체형 부분인 배기 밸브를 구성할 수 있다. 피스톤 로드는 슬라이딩 밸브를 구성할 수 있다. 그러한 엔진의 예는 미국 특허 제9,995,212호에 설명되어 있다.
센서(130) 및 센서(140)와 같은 제1 및 제2 센서의 예가 설명되었지만, 동력 시스템은 유사한 기능을 달성할 수 있는 단 하나 또는 복수의 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 센서(130,140)는 조합될 수 있다. 다중 피스톤 또는 피스톤 로드와 같은 다중 이동 부품에 대응할 수 있는 다중 센서가 제공될 수 있다.
도면의 블록도는 본 발명의 다양한 예시적인 실시형태에 따른 시스템, 방법, 및 컴퓨터 하드웨어/소프트웨어 제품의 가능한 구현의 아키텍처, 기능, 및 작동을 예시할 수 있다. 이와 관련하여, 개략도의 각 블록은 전자 회로와 같은 하드웨어를 사용하여 구현될 수 있는 특정 산술 또는 논리 연산 처리를 나타낼 수 있다. 블록은 또한 지정된 논리 기능을 구현하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 명령어를 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드 부분을 나타낼 수 있다. 일부 대안적인 구현에서, 블록에 표시된 기능은 도면에 표시된 순서와 다르게 발생할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 연속적으로 도시된 2개의 블록은 실질적으로 동시에 실행되거나 구현될 수 있거나, 관련된 기능에 따라 2개의 블록이 때때로 역순으로 실행될 수 있다. 일부 블록은 생략될 수도 있다. 예를 들어, 도 14f의 단계(S410,S411)은 동시에 실행될 수 있다. 또한 블록 다이어그램의 각 블록 및 블록의 조합은 지정된 기능 또는 작동을 수행하는 특수 목적 하드웨어 기반 시스템 또는 특수 목적 하드웨어와 컴퓨터 명령의 조합에 의해 구현될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 전술한 부분을 신속히 처리하기 위해, 요소들의 다양한 조합이 함께 설명된다. 가장 넓은 의미에서 본 발명의 양태는 이전에 기재된 특정 조합으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 본 기술 내용과 일치하고 도면에 예시로서 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시형태들은 단독으로 또는 하기의 다른 열거된 특징들 중 임의의 하나 이상과 조합하여, 또는 이전에 기재된 특징들과 조합하여 하기 열거된 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 엔진을 포함하는 시스템이 제공될 수 있다. 엔진은 제1 연소실 및 제2 연소실을 갖는 실린더; 및 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 장착된 피스톤을 포함한다. 다음 요소가 제공될 수도 있다:
- 엔진에 연결되도록 구성된 베이스에 제공된 제1 센서.
- 베이스에 제공된 제2 센서.
- 여기서 제1 센서는, 제1 센서의 영역에 있는 피스톤에 결합된 구성요소에 응답하여 신호를 생성하도록 구성됨.
- 여기서 제2 센서는, 제2 센서의 영역에 있는 피스톤에 결합된 구성요소에 응답하여 신호를 생성하도록 구성됨.
- 여기서 베이스는 엔진의 운동을 일로 변환하도록 구성된 에너지 변환기를 포함함.
- 여기서 에너지 변환기는 엔진의 운동을 전기로 변환하도록 구성됨.
- 여기서 엔진은 선형 왕복 운동 엔진임.
- 여기서 에너지 변환기는 선형 왕복 운동 엔진의 선형 왕복 운동을 전력으로 변환하도록 구성됨.
- 실린더는 제1 연소실이 형성될 수 있는 제1 단부, 및 제2 연소실이 형성될 수 있는 제2 단부를 가지며, 제1 단부는 제2 단부와 대향됨.
- 제1 연소실의 끝에 위치한 제1 실린더 헤드; 및 상기 제2 연소실의 단부에 위치하는 제2 실린더 헤드.
- 제1 연소실 및 제2 연소실을 통해 연장되는 적어도 하나의 피스톤 로드 부분, 피스톤의 제1 측에 위치한 적어도 하나의 제1 포트, 및 피스톤의 제1 측 반대편 피스톤의 제2 측에 위치한 적어도 하나의 제2 포트를 포함하는 피스톤 로드.
- 여기서 엔진은 대향 피스톤 엔진임.
또한, 예를 들어, 실린더의 제1 단부에 제1 연소실 및 실린더의 대향하는 제2 단부에 제2 연소실을 갖는 실린더; 제1 연소실의 단부에 위치하는 제1 실린더 헤드; 제2 연소실의 단부에 위치하는 제2 실린더 헤드; 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 장착된 피스톤; 및 제1 연소실을 통해 연장되는 제1 피스톤 로드 부분 및 제2 연소실을 통해 연장되는 제2 피스톤 로드 부분을 포함하는 피스톤 로드를 포함하고, 제1 피스톤 로드 부분은 피스톤의 제1 측에 위치한 제1 포트를 갖고, 제2 피스톤 로드 부분은 피스톤의 제1 측과 반대되는 피스톤의 제2 측 상에 위치된 제2 포트를 갖는, 선형 왕복 운동 엔진이 제공될 수 있다. 또한, 다음 요소가 제공될 수도 있다:
- 기계적 운동을 전력으로 변환하도록 구성된 에너지 변환기.
- 선형 왕복 운동 엔진의 기계적 운동을 에너지 변환기로 전달하도록 구성된 액추에이터를 포함하는 베이스.
- 선형 왕복 운동 엔진 또는 에너지 변환기를 복수의 모드 중 하나로 작동하도록 구성된 제어기.
- 여기서 액추에이터는 선형 왕복 운동 엔진에 결합된 제1 랙, 기어, 및 에너지 변환기에 결합된 제2 랙을 포함함.
- 여기서 액추에이터는 선형 왕복 운동 엔진에 결합된 랙 및 에너지 변환기에 결합된 휠을 포함함.
또한, 예를 들어 제1 연소실이 제1 단부에 있고 제2 연소실이 대향하는 제2 단부에 있는 실린더; 제1 연소실의 단부에 위치하는 제1 실린더 헤드; 제2 연소실의 단부에 위치하는 제2 실린더 헤드; 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 장착된 피스톤; 및 제1 연소실 및 제2 연소실을 통해 연장되는 적어도 하나의 피스톤 로드 부분을 포함하고, 적어도 하나의 피스톤 로드 부분은 피스톤의 제1 측에 위치한 적어도 하나의 제1 포트 및 피스톤의 제1 측과 반대되는 피스톤의 제2 측에 위치한 적어도 하나의 제2 포트를 갖는, 선형 왕복 운동 엔진을 작동하는 방법을 제공한다. 다음 단계가 제공될 수도 있다:
- 선형 왕복 운동 엔진의 피스톤이 실린더의 제1 절반부 또는 실린더의 제2 절반부에 있는 지 여부를 제1 센서에 의해 결정하는 단계.
- 제2 센서에 의해 검출된 증분 수를 기반으로 피스톤이 이동한 거리를 결정하는 단계.
- 일정 기간 동안 검출된 증분 수를 기반으로 피스톤 속도를 결정하는 단계.
- 피스톤의 속도를 기반으로 피스톤에 결합된 진동 질량체의 에너지를 결정하는 단계.
- 진동 질량체의 결정된 에너지를 기반으로 선형 왕복 운동 엔진의 선형 왕복 운동을 전력으로 변환하도록 구성된 에너지 변환기의 부하를 결정하는 단계.
또한, 예를 들어, 제1 단부에 제1 연소실이 있고 대향하는 제2 단부에 제2 연소실이 있는 실린더; 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 장착된 피스톤; 및 피스톤으로부터 연소실을 통해 실린더 외부 영역으로 연장되는 피스톤 로드를 포함하는 내연 기관에서 피스톤의 위치를 결정하는 방법이 제공될 수 있다. 다음 요소가 제공될 수도 있다:
- 선형 왕복 운동 엔진의 피스톤이 실린더의 제1 영역에 있는 지 또는 실린더의 제2 영역에 있는 지를 제1 센서에 의해 결정하는 단계;
- 제2 센서에 의해 감지된 증분 수를 기반으로 피스톤이 이동한 거리를 결정하는 단계;
- 제1 지점 또는 제2 지점에서 진동하는 질량체의 운동 파라미터를 결정하는 단계.
- 여기서 제1 지점은 제1 센서의 출력이 전환하는 지점에 해당함.
- 여기서 제2 지점은 제1 지점으로부터 미리 결정된 거리에 있는 지점에 대응함.
- 여기서 운동 파라미터를 결정하는 단계는 간격에서 제2 센서에 의해 검출된 증분 수를 기반으로 피스톤의 속도를 결정하는 단계를 포함함.
- 여기서 운동 파라미터는 제1 지점에서 결정된 피스톤의 속도를 기반으로 함.
- 운동 파라미터를 기반으로 변환된 에너지의 부하를 결정하는 단계.
- 여기서 하중은 피스톤의 운동에 저항하도록 구성됨.
- 여기서 부하는 피스톤의 운동을 돕도록 구성됨.
10,10A : 엔진 12: 실린더
18: 배기 개구 20: 변환기
20A: 제1 뱅크 20B: 제2 뱅크
29: 입구 개구 30: 베이스
32: 입구 챔버 33: 측면 개구
34: 연료 분사기 35: 매니폴드
38: 점화 플러그 40: 피스톤 로드
42,43: 피스톤 로드 부분 43t: 전환 부분
44,45,48: 개구 50: 피스톤
56: 피스톤 키트 65,67: 영역
71: 연소실 90: 제어기
110,120,130,140,150: 센서 131,141: 구멍
132: 몸체 133: 센서 면
134: 코일 135: 전자기장
144: 축 145: 트리거 디스크
147,157: 골 151: 영구자석
152: 감지 소자 153: 출력 포트
155: 휠 156: 톱니
200: 물체 211: 이동자
212: 고정자 300: 액추에이터
310,31A,312,331,332: 랙 310B: 질량체
311: 노치 319: 홈
321,322,341,342: 기어 329: 핀
350: 브레이스 351,352: 로드
360: 고정구

Claims (40)

  1. 제1 출력 또는 제2 출력을 결정하도록 구성된 제1 센서로서, 피스톤에 대응하는 상기 제1 출력이 실린더의 제1 영역에 있고, 상기 피스톤에 대응하는 상기 제2 출력은 상기 실린더의 제2 영역에 있는 상기 제1 센서;
    제2 센서; 및
    상기 피스톤이 상기 실린더의 기준점에 도달하면 엔진의 파라미터를 결정하도록 구성된 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 엔진의 이전 작동을 기반으로 기준점을 조정하고,
    일정 기간 동안 상기 제2 센서에 의해 검출된 증분 수를 기반으로 상기 피스톤의 속도를 결정하고,
    상기 피스톤의 속도를 기반으로 상기 피스톤에 연결된 진동 질량체의 에너지를 결정하고, 및
    상기 진동 질량체의 에너지를 기반으로 상기 엔진의 선형 왕복 운동을 전력으로 변환하도록 구성된 에너지 변환기의 부하를 결정하도록 구성되는, 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 피스톤의 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 센서는 상기 제2 센서에 의해 검출된 하나 이상의 증분을 기반으로 상기 피스톤에 의해 이동된 거리를 결정하도록 구성되고, 상기 파라미터는 상기 피스톤의 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 파라미터를 기반으로 상기 시스템의 작동을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시스템의 작동은 상기 에너지 변환기에 가해지는 상기 부하를 포함하고, 상기 에너지 변환기는 상기 시스템에 포함되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 시스템의 작동은 연료 분사 타이밍을 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 기준점을 상기 실린더 내의 위치로 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 피스톤이 제1 지점에 도달한 후 미리 결정된 시간 동안 상기 피스톤이 이동한 지점으로 상기 기준점을 결정하도록 구성되고, 상기 제1 센서가 상기 제1 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 기준점을 제1 지점으로부터 미리 결정된 거리만큼 떨어진 위치로 결정하고, 상기 제1 센서는 상기 제1 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서는, 상기 엔진의 구성요소가 상기 엔진의 제1 고정 위치에 도달할 때 제1 조밀도를 갖는 상기 파라미터와 관련된 정보를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 센서는 제2 조밀도를 갖는 상기 파라미터와 관련된 정보를 결정하도록 구성되며, 상기 제2 조밀도는 상기 제1 조밀도보다 더 미세한 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 피스톤이 기준점에 도달할 때, 상기 제2 센서의 출력을 기반으로 상기 파라미터를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 제1 센서의 상기 제1 출력과 상기 제2 출력 사이의 변경을 기반으로 상기 피스톤의 이동 방향을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 시스템이 상기 제1 센서의 상기 제1 출력과 상기 제2 출력 사이의 변경을 기반으로 상기 실린더의 제1 영역 또는 상기 실린더의 제2 영역으로 연료를 분사하게 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 실린더 내에서 자연 연소가 일어나는 위치에서 상기 피스톤이 감속 정지하는 값으로 부하를 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서는 홀 효과 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 센서의 상기 제1 출력과 상기 제2 출력 사이의 변경을 기반으로 상기 피스톤이 상기 실린더의 중간 지점에 도달했다고 결정하도록 구성되고, 연료는 상기 피스톤이 중간 지점에 도달하면 상기 실린더의 제1 영역 또는 상기 실린더의 제2 영역으로 분사되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제2 센서는 상기 제2 센서의 영역을 통과하는 랙에 의해 회전된 휠의 톱니에 응답하여 증분을 검출하도록 구성되고,
    상기 제어기는 상기 제2 센서에 의해 검출된 하나 이상의 증분을 기반으로 상기 피스톤에 의해 이동된 거리 또는 상기 피스톤의 속도를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 엔진 시동 모드에서,
    에너지 변환기로부터 출력을 생성하여 상기 제1 센서의 출력을 기반으로 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 하나와 반대 방향으로 상기 피스톤을 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제2 센서는 상기 제2 센서의 영역을 통과하는 상기 엔진의 구성요소에 응답하여 증분을 검출하도록 구성되고,
    상기 제어기는,
    엔진 시동 모드에서, 상기 피스톤의 속도와 공기 유입량을 기반으로 상기 피스톤이 최대 압축량을 생성할 상기 실린더 내의 위치를 결정하고; 그리고 상기 피스톤이 상기 제2 센서로부터의 출력을 기반으로 하는 위치에 도달했다는 결정에 응답하여 상기 실린더에 스파크를 일으키도록 신호를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제2 센서는 상기 제2 센서의 영역을 통과하는 상기 엔진의 구성요소에 응답하여 증분을 검출하도록 구성되고,
    상기 제어기는 상기 제2 센서에 의해 검출된 하나 이상의 증분을 기반으로 상기 피스톤에 의해 이동된 거리 또는 상기 피스톤의 속도를 결정하고, 생성 모드에서 상기 제2 센서의 출력을 기반으로 에너지 변환기에서 가변 저항을 증가시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제2 센서는 상기 제2 센서의 영역을 통과하는 상기 엔진의 구성요소에 응답하여 증분을 검출하도록 구성되고,
    상기 제어기는 일정 기간 동안 상기 제2 센서에 의해 검출된 하나 이상의 증분을 기반으로 상기 피스톤의 속도를 결정하고, 그리고 상기 속도를 기반으로 상기 실린더의 제1 영역 또는 상기 실린더의 제2 영역으로 분사할 연료의 양을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  23. 제1 출력 또는 제2 출력을 결정하도록 구성된 제1 센서로서, 피스톤에 대응하는 상기 제1 출력은 실린더의 제1 영역에 있고, 상기 피스톤에 대응하는 상기 제2 출력은 상기 실린더의 제2 영역에 있는 상기 제1 센서;
    제2 센서의 영역을 통과하는 엔진의 구성요소에 응답하여 증분을 결정하도록 구성된 상기 제2 센서; 및
    상기 피스톤이 상기 실린더의 기준점에 도달하면 상기 엔진의 파라미터를 결정하도록 구성된 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 엔진의 이전 작동을 기반으로 상기 기준점을 조정하고;
    일정 기간 동안 상기 제2 센서에 의해 검출된 하나 이상의 증분을 기반으로 상기 피스톤의 속도를 결정하고; 및
    상기 피스톤의 속도가 상기 실린더의 단부에서 미리 결정된 위치에 도달하기에 불충분하다는 결정에 응답하여 상기 실린더에 스파크를 일으키도록 신호를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.
  24. 제1 출력 또는 제2 출력을 결정하도록 구성된 제1 센서로서, 피스톤에 대응하는 상기 제1 출력은 실린더의 제1 영역에 있고, 상기 피스톤에 대응하는 상기 제2 출력은 상기 실린더의 제2 영역에 있는 상기 제1 센서;
    제2 센서의 영역을 통과하는 엔진의 구성요소에 응답하여 증분을 검출하도록 구성된 상기 제2 센서; 및
    상기 피스톤이 상기 실린더의 기준점에 도달하면 상기 엔진의 파라미터를 결정하도록 구성된 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    엔진의 이전 작동을 기반으로 기준점을 조정하고;
    상기 제2 센서에 의해 검출된 하나 이상의 증분을 기반으로 상기 피스톤에 의해 이동된 거리 또는 상기 피스톤의 속도를 결정하고, 그리고 생성 모드에서 상기 제2 센서의 출력을 기반으로 에너지 변환기의 가변 저항을 증가하고; 및
    상기 생성 모드에서, 상기 피스톤의 속도가 실린더에서 자연 연소가 발생하는 위치에 도달하기에 불충분하다는 결정에 응답하여 가변 저항을 감소하도록 구성되는, 엔진 내 피스톤의 위치 결정 시스템.

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