(57)【要約】  高速光学センサとリアルタイム制御ループとのセンサフィードバック統合を使用して、一連のエンジン負荷と燃料とにわたって電子作動方式を適応的に管理する、適応型任意燃料レシプロエンジン。エンジンは、１つ以上の光学センサを使用して、分光技術により特定のタイプのガス特性データを収集し、エンジン内の様々な構成要素を適応的に制御する。
2021512252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復ピストンを収容するシリンダと、
前記シリンダに結合されるバルブと、
前記バルブに結合される少なくとも１つの電子制御可能なアクチュエータであって、前記バルブの動作を制御するように構成される、アクチュエータと、
前記シリンダ又はその近傍に配置されるとともに、前記シリンダ内で或いは前記シリンダの上流側又は下流側の位置で光学データを取得するように構成される１つ以上の光学センサと、
前記１つ以上の光学センサと前記電子制御可能なアクチュエータとに閉制御ループ状態で結合されるコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記１つ以上の光学センサからデータを受信するとともに、前記データを処理して、前記取得された光学データから計算される１つ以上のパラメータにしたがって前記電子制御可能なアクチュエータの作動を能動的に管理するように構成される、
適応型カムレスレシプロエンジン。
【請求項２】
前記コントローラ及び１つ以上の対応するエンジン構成要素に結合される複数の電子制御可能なアクチュエータを更に備え、
前記エンジン構成要素は、吸気バルブ、排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器、及び、可変圧縮機構から成るグループから選択され、
前記コントローラは、シリンダ吸気／排気バルブタイミング、圧縮比、火花点火、及び、燃料噴射から成るグループから選択される１つ以上のパラメータを管理するように構成される、
請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記１つ以上の光学センサは、前記シリンダ、前記シリンダへの吸気口、又は、前記シリンダの排気口のうちの１つ以上を備えるキャビティ内の流体特性の測定のための位置に配置される、請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記流体特性は、前記キャビティ内の温度又は種特定のうちの１つ以上を含む、請求項３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記流体特性は、燃料消費、燃料エネルギー含量、排ガス成分、シリンダ燃焼温度、又は、前記キャビティ内のシリンダ燃焼成分のうちの１つ以上を含む、請求項３に記載のエンジン。
【請求項６】
前記コントローラは、前記１つ以上の構成要素の作動のためのタイミング、持続時間、又は、位相パラメータのうちの１つ以上を管理するように構成される、請求項２に記載のエンジン。
【請求項７】
前記光学センサがレーザ吸収分光センサを備える、請求項１に記載のエンジン。
【請求項８】
前記コントローラは、エンジン出力、燃料入力、排出量、及び、エンジン負荷変化から成るグループから選択されるパラメータを管理するように更に構成される、請求項２に記載のエンジン。
【請求項９】
前記１つ以上の光学センサは、
前記シリンダの吸気中の場所に位置されて前記吸気中の１つ以上の流体パラメータを測定するための第１の光学センサと、
前記シリンダ内の位置で１つ以上の流体パラメータを測定するように位置される第２の光学センサと、
前記シリンダの排気中の場所に位置されて前記排気中の１つ以上の流体パラメータを測定するための第３の光学センサと、
を備える請求項１に記載のエンジン。
【請求項１０】
前記コントローラは、燃料組成又は燃料エネルギー含量を含む前記吸気中の１つ以上の流体パラメータ、温度、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、又は、ＵＨＣを含む前記シリンダ内の１つ以上の流体パラメータ、及びＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、又は、ＣＯ２を含む前記排気中の１つ以上の流体パラメータを計算するように構成される、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの電子制御可能なアクチュエータは、吸気バルブ及び排気バルブをそれぞれ制御するように構成される一対の電子制御可能なアクチュエータを備える、請求項１に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記エンジンは、複数の異なる燃料タイプに適応可能である、請求項１に記載のエンジン。
【請求項１３】
（ａ）往復ピストンを収容するシリンダと、
（ｂ）前記シリンダに結合されるバルブと、
（ｃ）前記バルブに結合される少なくとも１つの電子制御可能なアクチュエータであって、前記バルブの動作を制御するように構成される、アクチュエータと、
（ｄ）前記シリンダ又はその近傍に配置されるとともに、前記シリンダ内で或いは前記シリンダの上流側又は下流側の位置で光学データを取得するように構成される１つ以上の光学センサと、
（ｅ）前記１つ以上の光学センサ及び前記電子制御可能なアクチュエータに結合されるプロセッサと、
（ｆ）前記プロセッサによって実行可能な命令を記憶する持続性メモリと、
を備え、
（ｇ）前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
（ｉ）前記１つ以上の光学センサからデータを受信すること、
（ｉｉ）１つ以上のパラメータを計算すること、及び、
（ｉｉ）１つ以上の制御信号を送信して、１つ以上の計算された前記パラメータにしたがって前記電子制御可能なアクチュエータの作動を能動的に管理すること、
を含む１つ以上のステップを実行する、
適応型カムレスレシプロエンジン。
【請求項１４】
前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
計算された前記パラメータと閾値とを比較すること、及び、
前記計算されたパラメータと前記閾値との前記比較に基づいて１つ以上のコマンドを生成すること、
を含む１つ以上のステップを更に実行し、
データは、前記プロセッサ、１つ以上の光学センサ、及び、電子制御可能なアクチュエータの間でフィードバックループを形成するために前記光学センサから継続的に受信される、請求項１３に記載のエンジン。
【請求項１５】
前記１つ以上のパラメータは、赤外線分子分光法又は波長変調分光法を含む１つ以上の技術を使用して計算される、請求項１４に記載のエンジン。
【請求項１６】
前記コントローラ及び１つ以上の対応するエンジン構成要素に結合される複数の電子制御可能なアクチュエータを更に備え、前記構成要素は、吸気バルブ、排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器、及び、可変圧縮機構から成るグループから選択され、
前記コントローラは、シリンダ吸気／排気バルブタイミング、圧縮比、火花点火、及び、燃料噴射から成るグループから選択される１つ以上のパラメータを管理するように構成される、
請求項１３に記載のエンジン。
【請求項１７】
前記１つ以上の光学センサは、前記シリンダ、前記シリンダへの吸気口、又は、前記シリンダの排気口のうちの１つ以上を備えるキャビティ内の流体特性を測定するように位置される場所に配置される、請求項１３に記載のエンジン。
【請求項１８】
前記流体特性は、前記キャビティ内の温度又は種特定のうちの１つ以上を含む、請求項１７に記載のエンジン。
【請求項１９】
前記流体特性は、燃料消費、燃料エネルギー含量、排ガス成分、シリンダ燃焼温度、又は、前記キャビティ内のシリンダ燃焼成分のうちの１つ以上を含む、請求項１７に記載のエンジン。
【請求項２０】
前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
前記１つ以上の構成要素の作動のためのタイミング、持続時間、又は、位相パラメータのうちの１つ以上を管理すること、
を含む１つ以上のステップを更に実行する、請求項１６に記載のエンジン。
【請求項２１】
前記光学センサがレーザ吸収分光センサを備える、請求項１３に記載のエンジン。
【請求項２２】
前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
エンジン出力、燃料入力、排出量、及び、エンジン負荷変化から成るグループから選択されるパラメータを計算すること、
を含む１つ以上のステップを更に実行する、請求項１３に記載のエンジン。
【請求項２３】
前記１つ以上の光学センサは、
前記シリンダの吸気中の場所に位置されて前記吸気中の１つ以上の流体パラメータを測定するための第１の光学センサと、
前記シリンダ内の位置で１つ以上の流体パラメータを測定するように位置される第２の光学センサと、
前記シリンダの排気中の場所に位置されて前記排気中の１つ以上の流体パラメータを測定するための第３の光学センサと、
を備える請求項１３に記載のエンジン。
【請求項２４】
前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
燃料組成又は燃料エネルギー含量を含む前記吸気中の１つ以上の流体パラメータ、温度、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、又は、ＵＨＣを含む前記シリンダ内の１つ以上の流体パラメータ、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、又は、ＣＯ２を含む前記排気中の１つ以上の流体パラメータを計算すること、
を含む１つ以上のステップを更に実行する、請求項２３に記載のエンジン。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの電子制御可能なアクチュエータは、吸気バルブ及び排気バルブをそれぞれ制御するように構成される一対の電子制御可能なアクチュエータを備える、請求項１３に記載のエンジン。
【請求項２６】
前記エンジンは、複数の異なる燃料タイプに適応可能である、請求項１３に記載のエンジン。
【請求項２７】
カムレスレシプロエンジンにおいて、改良は、
（ａ）シリンダ吸気／排気バルブタイミング、圧縮比、火花点火、及び、燃料噴射から成るグループから選択される１つ以上のパラメータを管理するように構成される複数の電子制御可能なアクチュエータ、
（ｂ）複数の光学センサであって、前記センサがシリンダ内に位置され、前記センサが前記シリンダの上流側に位置され（吸気）、かつ、前記センサが前記シリンダの下流側に位置され（排気）、前記センサが流体特性を測定する、複数の光学センサ、及び、
（ｃ）閉制御ループ状態に構成されるデジタル又はアナログ制御回路であって、前記制御回路が、前記光学センサからデータを受信するとともに、前記データを処理して、吸気バルブ、排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器、及び、可変圧縮機構から成るグループから選択されるエンジン構成要素の作動を能動的に管理する、デジタル又はアナログ制御回路、
を含む、改良されたエンジン。
【請求項２８】
前記流体特性は、燃料消費、燃料エネルギー含量、排ガス成分、シリンダ燃焼温度、及び、シリンダ燃焼成分から成る特性のグループから選択される、請求項２７に記載の改良されたエンジン。
【請求項２９】
前記制御回路は、吸気バルブ、排気バルブ、火花、及び、燃料噴射の作動のためのタイミング、持続時間、及び、位相パラメータを管理する、請求項２７に記載の改良されたエンジン。
【請求項３０】
前記光学センサがレーザである、請求項２７に記載の改良されたエンジン。
【請求項３１】
前記コントローラは、エンジン出力、燃料入力、排出量、及び、エンジン負荷変化から成るグループから選択されるパラメータに適合する、請求項２７に記載の改良されたエンジン。
【請求項３２】
（ａ）吸気中に位置される前記センサは、燃料組成及び燃料エネルギー含量から成るグループから選択される１つ以上の流体パラメータを測定し、
（ｂ）シリンダ内に位置される前記センサは、温度、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及び、ＵＨＣから成るグループから選択される１つ以上の流体パラメータを測定し、かつ、
（ｃ）排気中に位置される前記センサは、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、及び、ＣＯ２から成るグループから選択される１つ以上の流体パラメータを測定する、
請求項２７に記載の改良されたエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１８年２月３日に提出された米国仮特許出願第６２／６２５，９８６号の優先権及び利益を主張し、その全体が参照により本願に組み入れられる。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究又は開発に関する声明
適用不可
【０００３】
著作権保護の対象となる素材の通知
この特許文書中の素材の一部は、米国及び他の国の著作権法に基づく著作権保護の対象となる場合がある。著作権の所有者は、米国特許商標庁に公開されているファイル又は記録において明らかなように、特許文書又は特許開示のいずれかによるファクシミリ複製に異議はないが、それ以外では何であれ全ての著作権を留保する。これにより、著作権所有者は、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．１４に基づくその権利を含むがこれに限定されない、この特許文書を秘密に保持するそのいかなる権利をも放棄しない。
【０００４】
この開示の技術は、一般にレシプロエンジンに関し、より詳細には、センサフィードバックを使用する適応型任意燃料エンジンに関する。
【背景技術】
【０００５】
従来のレシプロエンジンは、一般に、様々なエンジン構成部品のタイミング、持続時間、及び、位相などのエンジン機能に関して所定のパラメータを使用する。これらの所定のパラメータは、高エンジン負荷と低エンジン負荷との間の最適な吸気及び排気のタイミングの兼ね合いをもたらす。
【０００６】
カムレスエンジンの特徴は、機械的なカムシャフトの除去であり、これにより、吸気及び排気を制御するポペットバルブの電磁作動又は油圧作動によって可変バルブタイミング（ＶＶＴ）が可能になる。カムシャフトは一般にバルブごとに１つのローブしか有さないため、従来のバルブ作動は、所定の持続時間、リフト、及び、サイクル間全プロファイルを伴う。従来のカムレスエンジンの電気バルブは、新たな燃料に適合できる能力を伴うがわずかしか伴うことなく作動するか、新たな燃料に適合できる能力が皆無である。これらの電気バルブは、調整可能であるが、一般に、リアルタイムフィードバックを伴うことなく適応できない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書本文の一態様は、高速光学センサとリアルタイム制御ループとのセンサフィードバック統合を使用して一連のエンジン負荷と燃料とにわたって電子作動方式を適応的に管理する適応型任意燃料レシプロエンジンである。
【０００８】
１つの実施形態では、１つ以上のレーザを利用して、分光技術（例えば、吸収）により特定のタイプのガス特性データ（例えば、燃焼中の温度、種濃度など）をマイクロ秒〜ミリ秒で収集し、また、情報が適応型コントローラへマイクロ秒〜ミリ秒で送信される。適応型コントローラは、この情報を使用して、特定の電子的に制御される機械的なデバイス（例えば、吸気バルブ、排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器、ピストン圧縮用ギアボックスなど）に関して動作のタイミング、位相、及び、持続時間をマイクロ秒〜ミリ秒で制御する（例えば修正する）。適応型コントローラは、これらの情報を使用して、これらのデバイスの時間特性（例えば、タイミング、持続時間、シーケンス、深度）をマイクロ秒〜ミリ秒で制御する（例えば修正する）ことも行なう。そしてレーザ分光センサは、この修正の影響を読み取り、適応型コントローラに対して迅速なフィードバックを与えて、エンジン出力、燃料入力、排出量、及び、エンジン負荷の変化に継続的に適応できる。
【０００９】
他の実施形態では、本明細書中に記載されるような「任意の燃料」に「適応」するカムレスエンジンにおいて高速光学センサを使用する閉制御フィードバックループが実施される。
【００１０】
本明細書中に記載される技術の更なる態様は、明細書の以下の部分で明らかにされ、詳細な説明は、本技術の好ましい実施形態を限定することなく完全に開示することを目的とする。
【００１１】
本明細書中に記載される技術は、例示のみを目的とする以下の図面を参照することによってより完全に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本技術の一実施形態にしたがって特定されるセンサ及び主要な制御ループを伴うカムレスエンジンの一気筒断面の概略図を示す。
【図２】図１のエンジンを動作させるための制御プロセスの概略フロー図である。
【図３】パルスデトネーション中の温度、ＣＯ、ＣＯ２、及び、Ｈ２Ｏの時間分解（〜１０ｋＨｚ）レーザ吸収測定値を示すプロットである。
【図４】噴射／圧縮サイクルの経路又は領域を表わす線によって示される一般的な燃焼方策が重ね合わされた、燃料／空気当量比及び火炎温度に関して表わされた煤及びＮＯｘ形成の形態のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、適応型の任意燃料カムレスレシプロエンジン１０を備える本明細書本文の１つの実施形態を詳細に示す。エンジン１０は一般にシリンダ６２を備え、該シリンダ６２は、往復ピストン３２を収容するとともに、１つ以上のバルブ２２／２８の形態を成す電子制御可能なアクチュエータ、火花点火装置２４（例えば、点火プラグ）、及び、吸気／排気バルブタイミング、圧縮比、火花点火、及び、燃料噴射を含む１つ以上の機能を管理する燃料噴射装置２６を組み込む。様々なエンジン位置、例えば、シリンダ６２内（ＬＡＳ２）、シリンダ６２の吸気４０の上流側（ＬＡＳ１）、及び／又は、排気４２の下流側（ＬＡＳ３）には、流体／燃料特性（例えば、温度、種）を測定するために、１つ以上のセンサ（例えば、レーザ吸収分光（ＬＡＳ）センサ３４、３６、３８などの光学センサ）が設けられる。センサ入力データ（例えば、吸気４０及びＬＡＳ１から受けられる燃料組成及びエネルギー含量データ５２、排気４２及びＬＡＳ３からのＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、ＣＯ２データ５４、又は、シリンダ６２及びＬＡＳ２からの温度、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＵＨＣ、ＣＯ２データ５６）を利用して（例えば、吸気、排気、点火プラグ、燃料噴射器）の迅速な作動を能動的に管理するコントローラ１２を介してデジタル又はアナログ制御ループがもたらされる。この特徴の組み合わせにより、一連のエンジン負荷及び燃料又は燃料混合物に関してエンジン１０をリアルタイムで最適化できる。
【００１４】
図１に示される実施形態では、分光技術（例えば、吸収）によって特定のタイプのガス特性データ（例えば、燃焼中の温度、種濃度など）を収集してその情報を適応型コントローラ１２に送るために１つ以上のレーザ（ＬＡＳ１、ＬＡＳ２、又は、ＬＡＳ３）が利用されるのが好ましい。この情報は、特定の電子的に制御される機械的なデバイス（例えば、吸気バルブ２２、排気バルブ２８、点火プラグ２４、及び、燃料噴射器２６）に関して動作のタイミング、位相、及び、持続時間などの１つ以上の機能５０を修正して供給するために使用される。更に、（例えば、可変圧縮機構３０を介した）ピストン圧縮用ギアボックスを制御するために様々な制御パラメータ５８が使用されてもよい。制御パラメータは、これらのデバイスの１つ以上の時間特性（例えば、タイミング、持続時間、シーケンス、又は、深度）を含んでもよい。
【００１５】
最後に、レーザ分光センサＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３は、その後、この修正の影響を読み取るとともに、迅速なフィードバックをコントローラ１２に与えて、エンジン出力、燃料入力、排出量、及び、エンジン負荷の変化に継続的に適応できる。プロセス全体をマイクロ秒〜ミリ秒で行なうことができる。
【００１６】
レーザ分光センサＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３は、特に、過酷な燃焼環境で測定を実行して化学反応の時間スケール（ミリ秒〜マイクロ秒）と他の流れ場動態（図３参照）とを解決するために実装される。これらのＬＡＳ光学測定は、エンジン１０の燃焼力学に対して立ち入らないように（好ましくは、センサ位置の内壁と面一に装着される）エンジンの壁に配置される小さい窓６０を通じて原位置で行なわれる。
【００１７】
好ましい実施形態において、ＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３は、コスト及びサイズを低減し、それにより、展開可能なモダリティを可能にするべく、中赤外波長領域に半導体レーザ１０を備える。センサＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３のために又は例示目的のためだけに特定の位置が図１に示され、また、任意の数の位置、センサ、及び、センサタイプが使用されてもよいことが理解される。これらの光学センサのための３つの一般的な又は好ましい目標エンジン位置は、制御及び作動に関する情報を与えるために、以下のように、すなわち、１）燃料組成に関して上流側；２）温度及び主要な種に関してシリンダ内；及び３）微量排出検知のために排気に関して下流側に位置される。（例えばＬＡＳ１を用いて）上流側で測定される燃料組成は、燃焼前の空燃比を最適化して過度に豊富な又は希薄な状態を防止するべく使用されてもよい。シリンダ内（例えばＬＡＳ２を用いた）温度及び種の測定値は、ＮＯｘ形成を防ぐために圧縮比と排ガス再循環とを最適化するべく使用され得る。排気流測定値（例えばＬＡＳ３を用いる）は、一酸化炭素、未燃炭化水素などの主要な放出物を特定するために使用されてもよく、また、ＮＯｘを利用して他のバルブタイミングをオンザフライで微調整できる。
【００１８】
コントローラ１２は、好ましくは、センサからの入力データ５２，５４，５６の動作及び取得、データの処理／解析、及び、その後の１つ以上のコマンド５０，５８の生成のためにメモリ１６に記憶されてプロセッサ１４で実行可能なアプリケーションソフトウェア１８を含む。
【００１９】
図１に示される実施形態はカムレスエンジン形態を対象としているが、１つ以上のアクチュエータのフィードバック及び制御（例えば、火花点火、燃料噴射可変圧縮など）を行なうためにカムシャフトエンジン内の様々な位置に１つ以上のＬＡＳセンサが実装されてもよいことが理解される。
【００２０】
図２は、エンジン１０の構成要素のうちの１つ以上の制御のためのセンサデータを取得して解析するための制御方法１００の概略フロー図を示す。制御方法１００は、アプリケーションプログラミング又はソフトウェア１８における１つ以上のモジュール内の命令又はコードとして実装されてもよい。ステップ１０２では、１つ以上のセンサ（例えば、吸収スペクトルの形態を成すＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３）からデータが取得される。ステップ１０４では、センサ位置でのガス特性、例えば温度、圧力、燃料組成、エネルギー含量などに関する１つ以上のパラメータを計算するために取得されたデータが解析される。これらの計算は、以下に詳述するように、データベース１１２に記憶された値と波長変調分光法又は赤外線分子分光法などの１つ以上の分光技術とを用いて感知場所内の種を特定するために使用されてもよい。ステップ１０６において、計算された値は、センサ位置での１つ以上のパラメータに関する目標値又は閾値と比較される。ステップ１０８において閾値又は目標が満たされなければ、コントローラは、ステップ１１０において、エンジンの１つ以上の構成要素に対する１つ以上のコマンド信号を生成する。例えば、タイミング、持続時間、位相などに関するコマンドは、バルブ２２／２８、噴射器２６、又は、点火プラグ２４に送られてもよい。また、コマンド（例えば、深度持続時間５８）が可変圧縮機構３０に送られてもよい。コマンドステップ１００の後、又は、ステップ１０８において閾値が満たされれば、ルーチンは、１つ以上のパラメータが閾値又は目標を満たしたか或いは閾値又は目標へ移行したかどうかの検証のために感知／取得ステップ１０２に戻る。
【００２１】
前述の方法論を採用することにより、レシプロエンジンの従来の機械的な制御が除去され又は大幅に変更されてもよい。噴射／吸気、圧縮、点火などの繰り返し機能は、再生不可能な燃料（例えば、天然ガス、ディーゼル、ガソリン）及び再生可能ベースの燃料（例えば、バイオ燃料、再生可能ベースのアンモニア、再生可能ベースのメタン）を含む様々な組の化学燃料に関して能動的に最適化され得る自由パラメータとなる。方法１００において与えられるようなリアルタイムフィードバックを使用することにより、特にカムレスエンジンにおける信頼できる電子制御及び燃料柔軟性により、重大な制限を克服できる。光感知方法の統合により、迅速なフィードバックとリアルタイムな調整とに基づいて汚染物質の形成を最小限に抑えながら幅広い負荷にわたって最大効率で実行されるように１つ以上のデジタル制御アルゴリズム（以下で詳述する）が実装されてもよい。
【００２２】
図１に示される技術が、カムシャフトの物理的形状によってロックされた柔軟性のないサイクルタイミングにより特徴付けられる従来のレシプロエンジンから大きく逸脱し、それにより、一連の動作条件／負荷にわたって、並びに、点火プラグのタイミング及び持続時間と燃料噴射器のタイミング及び持続時間とを制御できる能力が限られる場合に、性能及び排出量の兼ね合いをもたらすことが理解される。従来のエンジンにおける機械的な制御及びサイクルタイミングの硬直性も、異なる化学反応率、エネルギー密度、及び、点火閾値を伴う異なる燃料又は燃料混合物をエンジンが受け入れることができる程度を制限する。これに対し、先の図１及び図２に記載される適応型デジタルエンジン制御技術は、これらの制限を直接に扱って除去し、したがって、安定した分散型発電フレームワークを通じて再生可能電力移行が進行し得る新たな媒体を提供する。この独自のエンジンフレームワークを使用すると、以下の動作パラメータ、すなわち、可変バルブタイミング、可変圧縮比、適応点火などのうちの１つ以上をリアルタイムで最適化できる。
【００２３】
電子バルブ作動を伴うカムレス構造の場合、バルブ持続時間、リフト、及び、位相整合が自由パラメータになり、これは、その結果、迅速な原位置センサフィードバックにより全てのエンジン負荷にわたって最適化され得る。幾つかのタイプの可変バルブタイミング方式が、エンジン性能に利益をもたらすことで知られている。これらは、ポンプ損失を減らすためのエンジン速度に応じた吸気バルブ２２及び排気バルブ２８の早期又は後期の閉鎖、より良いシリンダ内温度制御（すなわち、ＮＯｘ形成を防止する）、及び、可変圧縮比（ＶＣＲ）を含む。
【００２４】
可変圧縮比（ＶＣＲ）は、ノックの心配が少ない低エンジン負荷（図３参照）中に圧縮比が増大できるようにすることによって燃費／エンジン効率を向上させる。ＶＣＲは、バルブタイミングと、可変ギアリング又はクランクシャフト（例えば、フリーピストンエンジン）の除去とによって達成されてもよい。最後に、適応点火（ＡＩ）方策により、火花点火及び／又は直接噴射ベースの点火（例えばディーゼル）の適応的な使用が新たな燃料への移行を安定化させ得る。これらの作動方策は、リアルタイムな感知により容易に最適化され得る。
【００２５】
レシプロエンジンの場合、６０００ｒｐｍ（１００Ｈｚ）のサイクル時間は、一般に、シリンダ内の流体特性の過渡現象を解決するために少なくとも数ｋＨｚの測定値を伴う。前述の作動方策との関連で、時間分解されたシリンダ内の温度及び種データは、迅速な最適化に非常に貴重であり、そのため、効率及び排出量削減に関する競合するニーズを釣り合わせるのに役立つ。しかしながら、速度要件と過酷な熱力学的環境とに起因して、従来のセンサは、そのようなシリンダ内情報を与えない。したがって、いかなる最適化も、エンジン特性評価／開発中に試行錯誤を伴う。燃料組成の変動を許容すると、最適化の課題が更に複雑になる。これは、そのような変動により、着火遅延時間と燃焼動力学を決定する反応速度定数とを含む自由パラメータの拡張セットが導入されるからである。
【００２６】
本開示の適応型任意燃料エンジン構造に関する１つの典型的な使用ケースは、効率及びＮＯｘ排出量の微妙なバランスである。図４は、窒素酸化物大気汚染物質（及び煤）の形成のプロットを示す。温度が効率と正の相関があることを認識して、このプロットは、ピーク燃焼温度が高いがＮＯｘ形成が顕著になる温度（〜２２００Ｋ）を超えるほど高くない程度に圧縮することが望ましいことを示している。エンジンメーカーは、一般に、これらの競合する要求（高効率対低排出量）の良好なバランス（又は最適化）に突き当たるために、動作中の温度にある程度のマージンを与える所定のパラメータを設定するべく初期開発段階でかなりの労力を費やす。残念ながら、実質的なＮＯｘ形成が生じる温度がかなり一定である状態でさえ、所定の燃料又は燃料混合物が所定のピーク温度をもたらすのに必要な圧縮の程度は一定ではない。
【００２７】
これに対応して、（例えば、図２のステップ１０２において）コントローラ１２で取得された（例えば、ＬＡＳ２を介した）シリンダ内温度の測定値は、圧縮比又はバルブタイミングのうちの１つ以上を調整してピーク温度（すなわち、排ガス再循環）を抑制するためにコマンド信号１１０（図２）を構造化する際にフィードバックとして使用されてもよい。これにより、異なる燃料への適応性及びより厳しい温度マージンが最大効率（すなわち、燃費）を達成できる。
【００２８】
また、図４は、噴射／圧縮サイクルの経路又は領域を表わす線によって示される他の幾つかの一般的な燃焼方策も強調する。したがって、リアルタイム閉制御ループ方法１００を利用する適応型任意燃料エンジン１０は、温度などの１つ以上の基本的なパラメータを測定して、これらの方策（例えば、図２における比較／閾値ステップ１０６）を首尾良く達成する手段を与えるとともに、燃料、局所的な排出量規制、及び、電力需要に応じて方策を変更又は修正する。
【００２９】
温度（及び種）の測定値を与えるために使用されるレーザベースのセンサ（ＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３）は、図４に示されるような過酷な過渡燃焼環境で実証されてきた。
【００３０】
詳述されたレーザベースの診断システム及び方法は、吸収分光法を組み入れることが好ましく（例えば、ステップ１０４（図２）、これにより、物質による電磁放射の吸収の波長依存性を使用して、所定のガス状態で特定の標的種の存在及び量を推測する。この波長依存性は、個々の分子種の量子化された固有の内部エネルギー状態の結果である。各分子種は、個々の分子種を特定して区別するための固有のフィンガープリントとして利用できる明確な吸収スペクトルを有する。
【００３１】
分子の吸収スペクトルは、電磁放射と分子とが相互作用する経路長に吸収信号の強度が比例することを唱えるランベルト・ベールの法則によって表わされる。ベールの法則は以下のように表わすことができる。
【数１】
2021512252.tif 000003
ここで、測定された入射光度量及び透過光度量（Ｉ０及びＩｔ）は、分光線パラメータ（Ｓｊ、φｖ）、ガス圧（Ｐ）、光路長（Ｌ）、及び、吸収種の濃度（ｘａｂｓ）の積に更に関連付けられる波長ｖでのスペクトル吸収率αｖを規定する。温度の非線形かつ可変の波長依存性は、２つ以上の波長の測定によって温度の決定を更に可能にする。
【００３２】
赤外線分子分光法
【００３３】
好ましい実施形態では、赤外線分子分光法が、図２の制御方法１００における計算及び比較／閾値ステップ１０４／１０６のために使用される。前述のように、全ての分子種は、分子の量子化された固有の内部エネルギー状態によりもたらされる明確な吸収スペクトルを有する。吸収スペクトルは、別個のエネルギー状態間での移行に対応する個々の吸収線から構成される。スペクトルの赤外領域での吸収は、回転振動エネルギー遷移に対応する。これらの量子化されたエネルギー状態は、分子内の原子構成要素とそれらの幾何学的配置とから現れる。したがって、正確な理由により、分子自体を区別でき（原子構成要素及び幾何学的形態）、したがって、それらのそれぞれの吸収スペクトルを区別できる。２つの別個の分子種の分子構造の類似性は、吸収線が重なり合う吸収スペクトルの領域をもたらす場合がある。重なり合う線からの干渉におけるこの可能性は、診断ユーティリティのために吸収線の賢明な選択を必要とする。
【００３４】
数百の分子種からの吸収スペクトルは、ＨＩＴＲＡＮ、ＨＩＴＥＭＰ、ＰＮＮＬ  Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ、及び、ＮＩＳＴ  Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｄａｔａｂａｓｅを含む幾つかの標準化されたデータベースにおいてカタログ化されてきた。これらのデータベースは、対象となる種及び潜在的な干渉種の包括的なセットの吸収スペクトルをシミュレートするために使用される。結果として得られる組み合わされたスペクトルは、レーザセンサでアクセス可能な目標分子種の強力で十分に分離された吸収線に関してプログラムで検索される。選択された線及び予期される干渉が、その後、制御された温度、圧力、及び、モル分率で合成ガス混合物を使用して実験室試験において実験的に検証される。これらの制御された条件では、線形状パラメータ（すなわち、線位置、線強度、及び、スペクトルの広がり）が特徴付けられてカタログ値と比較される。したがって、吸収分光センサＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３に関するハードウェア形態の特性は、選択した線の特性の関数である。
【００３５】
波長変調分光法
【００３６】
波長変調分光法（ＷＭＳ）は、センサＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３のうちの１つ以上によって取得されたデータから１つ以上のパラメータを計算する（図２のステップ１０４において）ために使用されてもよい他のレーザ吸収技術である。ＷＭＳは、変調された搬送波とロックイン増幅とのアナログ信号処理概念を適合させて、吸収分光法の感度とノイズ特性とを更に向上させる。ＷＭＳは、主な吸収分光ノイズ源が低周波数で発生する傾向があり、また、ベースバンド吸収分光信号をより高い通過帯域周波数にシフトすることによってこれらのノイズ源の多くを回避できるという前提に基づく。これは、レーザ（ＬＡＳ１、ＬＡＳ２、ＬＡＳ３）出力の波長及び強度を変調することによって達成される。レーザ信号の変調は、吸収信号の情報内容を変調周波数の高調波にシフトする。その後、対象となる特定の高調波の周りに通過帯域フィルタを形成して所望の信号を抽出するためにロックイン増幅器（図示せず）が使用されてもよい。狭通過帯域ロックイン増幅器を使用すると、広帯域ノイズを大幅に抑制でき、また、変調周波数を適切に選択することにより、支配的なノイズ帯域を完全に回避できる。
【００３７】
これらのノイズ除去特性は、吸収分光センサを用いて可能な検出限界を更に低下させる。信号変調によってもたらされる更なる利点は、周波数分割多重化を使用することにより複数のレーザの放出を同時に共伝播する機会である。この技術は、単一のガスサンプル内で複数の別個の分子種を同時に検出できるようにする。
【００３８】
更に、先に詳述したような適応型任意燃料レシプロエンジン１０が広範な使用機会を有することが理解される。例えば、幾つかの行政体は、電力部門のための積極的な再生可能エネルギー目標を設定してきた。これは、太陽光発電及び風力発電と関連付けられる断続的な供給の増大をもたらしてきた。同時に、電力網を最適化する目標は、局所的な需要をより効率的かつ確実に満たし、伝送コストを削減し、セキュリティを強化するべく分散型発電の方へ傾いてきている。電力部門におけるこれらの変化の組み合わせは、局所レベルで断続的な供給を補償するべく大きな課題をもたらしてきた。（分散型発電とは対照的に）集中型発電レベルでの間欠性は、可変負荷ガスタービン又はピーカータービンによって益々対処されてきた。しかしながら、低負荷でのガスタービンの実行に関連する高い排出量、及び、ガスタービン及び補助技術の縮小に伴う一般的な問題は、コストの観点から、柔軟性（サイズ、燃料）、小規模での低コスト、及び、迅速なロードランピングが重要である局所的な分散型発電との関連で、この技術をあまり魅力的なものにしない。
【００３９】
電力網が行き詰まったときにローカルバックアップ電源を与えるために長年導入されてきた信頼できる解決策がレシプロエンジンである。バックアップ電源用のレシプロエンジンは、歴史的に、望ましくない排出量プロファイルと燃料の柔軟性の低さとに関連付けられるディーゼルサイクルであった。
【００４０】
ここで説明されるような適応型任意燃料カムレスレシプロエンジンは、局所レベルで電力網の安定性を管理するためのその固有の強みを活用するとともに意欲的な再生可能エネルギー目標を満たすための道筋をもたらす発電のためにレシプロエンジンを使用する新しい手法を与える。発電に関する商業上の利点及び潜在的な用途／顧客について以下で更に詳しく説明する。
【００４１】
１．適応型任意燃料レシプロエンジンは、低エンジン負荷での熱効率の向上を可能にし、それにより、燃料消費を削減し、したがって、発電の正味コストを下げる。
【００４２】
２．瞬時レーザ情報デジタル出力及び適応制御の使用は、エンジンの信頼性を向上させるとともに、より効率的で効果的な予防システムのメンテナンスを可能にする。
【００４３】
３．適応型任意燃料レシプロエンジンは、エンジン排出量を常に迅速に監視できるようにし、それにより、新しい緩和方策と、全ての負荷条件にわたって排出量動態を捕捉することによって新しい規制排出量の閾値を確立できる能力とをもたらす。
【００４４】
４．連続レーザ情報デジタル出力の使用は、排出量規制の施行に関する規制の負担を軽減する。
【００４５】
５．適応型任意燃料レシプロエンジンは、ベースロード電力、バックアップ電力、及び／又は、ピーク電力を含む発電機能の全範囲にわたって同じエンジンが複数のガス燃料及び／又は複数の液体燃料を使用できるようにする。
【００４６】
６．適応型任意燃料レシプロエンジンは、１つ以上のガス燃料源と１つ以上の液体燃料源とに同時に取り付け可能であり、それにより、エンジンシステムは、発電機能−例えばベースロード、スタンバイ／バックアップ、及び、ピーキング間を素早く切り換えることができる。
【００４７】
７．適応型任意燃料レシプロエンジンは、以下の目標市場向けに調整できる。
【００４８】
（ａ）バックアップ発電機
【００４９】
（ｉ）現在、施設の電気システムに取り付けられる既存のバックアップ発電機セットは、主に、圧縮噴射点火エンジン（すなわち、ディーゼル）を使用する。これらのスタンバイ／バックアップ発電機は、一般に、電力系統からの電気の損失があるときに使用される。
【００５０】
（ｉｉ）適応型任意燃料レシプロエンジンにより、バックアップ発電システムが組み込まれた任意の施設は、それらの既存の圧縮エンジンをこの説明の任意燃料レシプロエンジンに改造及び／又は交換でき、また、新しいエンジンは、施設にバックアップ／スタンバイ電力を供給するように依然として機能しつつ、施設に対するベースロード電力と、電力系統に対するピーク電力とを生成できる。
【００５１】
（ｉｉｉ）既存の発電機セットの機能をベースロード及びピーク電力に拡張すると、施設へのベースロード電力のコストを削減できる可能性-発電機セットを使用した自己発電のコストが電力網から購入した電力のコストよりも低い場合、並びに、電力会社が需要を満たすために電力網の電気の追加供給を必要とするピーク期間中に電気を電力会社に販売することによって施設の収益を生み出す可能性がある。
【００５２】
（ｉｖ）バックアップ発電のための市場は、大きく、グローバルで、多様である。市場としては、以下の部門、すなわち、商業、工業、及び、小売業、病院、鉱業、並びに、エネルギー抽出活動、データセンタが挙げられる。
【００５３】
（ｂ）ベースロード生成市場
【００５４】
適応型任意燃料レシプロエンジンは、自己発電が電力網から購入した電力のコストと比較して電力のコストを削減でき、かつ／又は時間帯別電力網価格設定と関連付けられる電力コストの不確実性を減らす産業、商業、及び、企業部門に特に適している。
【００５５】
（ｃ）電力会社
【００５６】
この説明の適応型任意燃料レシプロエンジンを使用する発電機セットの成功した普及は、地域の分散型発電インフラを形成する可能性を有し、これは、電力網に対するストレスを減らすことにより電力会社の電力網寿命を延ばすこと、高い需要を伴ってＤＧ位置から局所電力網に局所的な電気を供給することにより送電線の損失を減らすことで発電効率を高めること、電力会社が再生可能エネルギーポートフォリオ要件を満たすことができるようにする再生可能バス又は液体燃料の使用を奨励することを含む多くの利点を電力会社に提供できる。
【００５７】
（ｄ）モバイルエンジン市場
【００５８】
発電機セット市場での普及に成功した適応型任意燃料カムレスレシプロエンジンは、輸送用途（自動車、トラック、バス、船、ヘリコプター、飛行機などを含む）及びオフロード車両（トラクター、ブルドーザー、クレーンなどを含む）の両方のためのモバイルエンジン市場に容易に移行され得る。
【００５９】
（ｅ）政策立案者
【００６０】
（ｉ）任意燃料レシプロエンジンは、工業、商業、及び、企業のユーザに対する電気のコストを削減できる能力を有し、それにより、ユーザが電気のコストが少ない場所にユーザの施設を移動する機会が減る。
【００６１】
（ｉｉ）任意燃料レシプロエンジンは、任意燃料レシプロエンジンの発電機セットで再生可能燃料を使用すること及び／又は地域の電力網を安定化させることにより再生可能エネルギー要件を満たす可能性を高め、それにより、風力、太陽光、水力、地熱、潮力などの間欠的な電源からの全体の電力供給に対するシェアを拡大できる能力を有する。
【００６２】
（ｉｉｉ）任意燃料カムレスレシプロエンジンは、固定電力及びモバイル用途のために排出量を削減できる能力を有する。
【００６３】
本技術の実施形態は、本技術の実施形態による方法およびシステムのフローチャート図、および／またはコンピュータプログラム製品としても実施することができる手順、アルゴリズム、ステップ、演算、式、または他の計算記述を参照して本明細書で説明することができる。これに関して、ハードウェア、ファームウェア、および／またはコンピュータ可読プログラムコードで具現化された１つまたは複数のコンピュータプログラム命令を含むソフトウェアなどの様々な手段によって、フローチャートの各ブロックまたはステップ、およびフローチャート内のブロック（および／またはステップ）の組み合わせ、ならびに任意の手順、アルゴリズム、ステップ、演算、式、または計算記述を実施することができる。理解されるように、任意のそのようなコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータまたは特殊用途コンピュータ、あるいは機械を製造するための他のプログラム可能な処理装置を含むがこれらに限定されない、１つまたは複数のコンピュータプロセッサによって実行することができ、そのようにして、コンピュータプロセッサまたは他のプログラム可能な処理装置上で実行されるコンピュータプログラム命令は、指定された機能を実施するための手段を作成する。
【００６４】
したがって、フローチャートのブロック、ならびに本明細書に記載の手順、アルゴリズム、ステップ、演算、式、または計算記述は、指定された機能を実行するための手段の組み合わせ、指定された機能を実行するためのステップの組み合わせ、および指定された機能を実行するための、コンピュータ可読プログラムコード論理手段において具現化されるものなどのコンピュータプログラム命令をサポートする。また、フローチャートの各ブロック、ならびに本明細書に記載されている任意の手順、アルゴリズム、ステップ、演算、式、または計算記述、ならびにそれらの組み合わせは、特定の機能またはステップを実行する専用ハードウェアベースのコンピュータシステム、または専用ハードウェアとコンピュータ可読プログラムコードの組み合わせによって実現することができることも理解されよう。
【００６５】
さらに、コンピュータ可読プログラムコードで実施されるような、これらのコンピュータプログラム命令は、特定の方法で機能するようにコンピュータプロセッサまたは他のプログラム可能な処理装置に指示することができる１つまたは複数のコンピュータ可読メモリもしくはメモリデバイスに格納することもでき、そのようにして、コンピュータ可読メモリまたはメモリデバイスに格納された命令は、フローチャートのブロックに指定された機能を実装する命令手段を含む製品を製造する。コンピュータプログラム命令は、コンピュータプロセッサまたは他のプログラム可能処理装置によって実行されて、コンピュータプロセッサまたは他のプログラム可能処理装置上で一連の動作ステップを実行させて、コンピュータ実施プロセスを生成させることもでき、コンピュータプロセッサまたは他のプログラム可能な処理装置上で実行される命令がフローチャートのブロック、手順、アルゴリズム、ステップ、演算、式、または計算記述で指定された機能を実施するためのステップを提供する。
【００６６】
本明細書で使用される「プログラミング」または「プログラム実行可能」という用語は、本明細書で説明されるような１つまたは複数の機能を実行するために１つまたは複数のコンピュータプロセッサによって実行できる１つまたは複数の命令を指すことがさらに理解されよう。命令は、ソフトウェアで、ファームウェアで、またはソフトウェアとファームウェアの組み合わせで具現化することができる。命令は、非一時的媒体内のデバイスに対してローカルに格納することができ、あるいはサーバ上などリモートに格納することができ、あるいは命令の全部または一部をローカルおよびリモートに格納することができる。リモートに保存された命令は、ユーザーの開始によって、あるいは１つまたは複数の要因に基づいて自動的にデバイスにダウンロード（プッシュ）される。
【００６７】
本明細書で用いられるように、プロセッサ、ハードウェアプロセッサ、コンピュータプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、およびコンピュータという用語は、命令を実行し、入出力インターフェースおよび／または周辺デバイスと通信することができるデバイスを意味するために同義語として使用され、そして、プロセッサ、ハードウェアプロセッサ、コンピュータプロセッサ、ＣＰＵ、およびコンピュータという用語は、単一または複数のデバイス、単一のコアおよびマルチコアデバイス、ならびにそれらの変形を包含することを意図していることがさらに理解されよう。
【００６８】
本明細書の説明から、本開示は以下を含むがこれに限定されない複数の実施形態を含むことが理解されよう。
【００６９】
１．往復ピストンを収容するシリンダと、
前記シリンダに結合されるバルブと、
前記バルブに結合される少なくとも１つの電子制御可能なアクチュエータであって、前記バルブの動作を制御するように構成される、アクチュエータと、
前記シリンダ又はその近傍に配置されるとともに、前記シリンダ内で或いは前記シリンダの上流側又は下流側の位置で光学データを取得するように構成される１つ以上の光学センサと、
前記１つ以上の光学センサと前記電子制御可能なアクチュエータとに閉制御ループ状態で結合されるコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記１つ以上の光学センサからデータを受信するとともに、前記データを処理して、前記取得された光学データから計算される１つ以上のパラメータにしたがって前記電子制御可能なアクチュエータの作動を能動的に管理するように構成される、
適応型カムレスレシプロエンジン。
【００７０】
２．前記コントローラ及び１つ以上の対応するエンジン構成要素に結合される複数の電子制御可能なアクチュエータを更に備え、
前記エンジン構成要素は、吸気バルブ、排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器、及び、可変圧縮機構から成るグループから選択され、
前記コントローラは、シリンダ吸気／排気バルブタイミング、圧縮比、火花点火、及び、燃料噴射から成るグループから選択される１つ以上のパラメータを管理するように構成される、
あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７１】
３．前記１つ以上の光学センサは、前記シリンダ、前記シリンダへの吸気口、又は、前記シリンダの排気口のうちの１つ以上を備えるキャビティ内の流体特性の測定のための位置に配置される、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７２】
４．前記流体特性は、前記キャビティ内の温度又は種特定のうちの１つ以上を含む、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７３】
５．前記流体特性は、燃料消費、燃料エネルギー含量、排ガス成分、シリンダ燃焼温度、又は、前記キャビティ内のシリンダ燃焼成分のうちの１つ以上を含む、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７４】
６．前記コントローラは、前記１つ以上の構成要素の作動のためのタイミング、持続時間、又は、位相パラメータのうちの１つ以上を管理するように構成される、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７５】
７．前記光学センサがレーザ吸収分光センサを備える、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７６】
８．前記コントローラは、エンジン出力、燃料入力、排出量、及び、エンジン負荷変化から成るグループから選択されるパラメータを管理するように更に構成される、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７７】
９．前記１つ以上の光学センサは、
前記シリンダの吸気中の場所に位置されて前記吸気中の１つ以上の流体パラメータを測定するための第１の光学センサと、
前記シリンダ内の位置で１つ以上の流体パラメータを測定するように位置される第２の光学センサと、
前記シリンダの排気中の場所に位置されて前記排気中の１つ以上の流体パラメータを測定するための第３の光学センサと、
を備えるあらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７８】
１０．前記コントローラは、燃料組成又は燃料エネルギー含量を含む前記吸気中の１つ以上の流体パラメータ、温度、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、又は、ＵＨＣを含む前記シリンダ内の１つ以上の流体パラメータ、及びＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、又は、ＣＯ２を含む前記排気中の１つ以上の流体パラメータを計算するように構成される、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００７９】
１１．前記少なくとも１つの電子制御可能なアクチュエータは、吸気バルブ及び排気バルブをそれぞれ制御するように構成される一対の電子制御可能なアクチュエータを備える、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８０】
１２．前記エンジンは、複数の異なる燃料タイプに適応可能である、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８１】
１３．（ａ）往復ピストンを収容するシリンダと、
（ｂ）前記シリンダに結合されるバルブと、
（ｃ）前記バルブに結合される少なくとも１つの電子制御可能なアクチュエータであって、前記バルブの動作を制御するように構成される、アクチュエータと、
（ｄ）前記シリンダ又はその近傍に配置されるとともに、前記シリンダ内で或いは前記シリンダの上流側又は下流側の位置で光学データを取得するように構成される１つ以上の光学センサと、
（ｅ）前記１つ以上の光学センサ及び前記電子制御可能なアクチュエータに結合されるプロセッサと、
（ｆ）前記プロセッサによって実行可能な命令を記憶する持続性メモリと、
を備え、
（ｇ）前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
（ｉ）前記１つ以上の光学センサからデータを受信すること、
（ｉｉ）１つ以上のパラメータを計算すること、及び、
（ｉｉ）１つ以上の制御信号を送信して、１つ以上の計算された前記パラメータにしたがって前記電子制御可能なアクチュエータの作動を能動的に管理すること、
を含む１つ以上のステップを実行する、
適応型カムレスレシプロエンジン。
【００８２】
１４．前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
計算された前記パラメータと閾値とを比較すること、及び、
前記計算されたパラメータと前記閾値との前記比較に基づいて１つ以上のコマンドを生成すること、
を含む１つ以上のステップを更に実行し、
データは、前記プロセッサ、１つ以上の光学センサ、及び、電子制御可能なアクチュエータの間でフィードバックループを形成するために前記光学センサから継続的に受信される、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８３】
１５．前記１つ以上のパラメータは、赤外線分子分光法又は波長変調分光法を含む１つ以上の技術を使用して計算される、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８４】
１６．前記コントローラ及び１つ以上の対応するエンジン構成要素に結合される複数の電子制御可能なアクチュエータを更に備え、前記構成要素は、吸気バルブ、排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器、及び、可変圧縮機構から成るグループから選択され、
前記コントローラは、シリンダ吸気／排気バルブタイミング、圧縮比、火花点火、及び、燃料噴射から成るグループから選択される１つ以上のパラメータを管理するように構成される、
あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８５】
１７．前記１つ以上の光学センサは、前記シリンダ、前記シリンダへの吸気口、又は、前記シリンダの排気口のうちの１つ以上を備えるキャビティ内の流体特性を測定するように位置される場所に配置される、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８６】
１８．前記流体特性は、前記キャビティ内の温度又は種特定のうちの１つ以上を含む、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８７】
１９．前記流体特性は、燃料消費、燃料エネルギー含量、排ガス成分、シリンダ燃焼温度、又は、前記キャビティ内のシリンダ燃焼成分のうちの１つ以上を含む、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８８】
２０．前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
前記１つ以上の構成要素の作動のためのタイミング、持続時間、又は、位相パラメータのうちの１つ以上を管理すること、
を含む１つ以上のステップを更に実行する、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００８９】
２１．前記光学センサがレーザ吸収分光センサを備える、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００９０】
２２．前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
エンジン出力、燃料入力、排出量、及び、エンジン負荷変化から成るグループから選択されるパラメータを計算すること、
を含む１つ以上のステップを更に実行する、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００９１】
２３．前記１つ以上の光学センサは、
前記シリンダの吸気中の場所に位置されて前記吸気中の１つ以上の流体パラメータを測定するための第１の光学センサと、
前記シリンダ内の位置で１つ以上の流体パラメータを測定するように位置される第２の光学センサと、
前記シリンダの排気中の場所に位置されて前記排気中の１つ以上の流体パラメータを測定するための第３の光学センサと、
を備えるあらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００９２】
２４．前記命令は、前記プロセッサによって実行されるときに、
燃料組成又は燃料エネルギー含量を含む前記吸気中の１つ以上の流体パラメータ、温度、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、又は、ＵＨＣを含む前記シリンダ内の１つ以上の流体パラメータ、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、又は、ＣＯ２を含む前記排気中の１つ以上の流体パラメータを計算すること、
を含む１つ以上のステップを更に実行する、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００９３】
２５．前記少なくとも１つの電子制御可能なアクチュエータは、吸気バルブ及び排気バルブをそれぞれ制御するように構成される一対の電子制御可能なアクチュエータを備える、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００９４】
２６．前記エンジンは、複数の異なる燃料タイプに適応可能である、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載のエンジン。
【００９５】
２７．カムレスレシプロエンジンにおいて、改良は、
（ａ）シリンダ吸気／排気バルブタイミング、圧縮比、火花点火、及び、燃料噴射から成るグループから選択される１つ以上のパラメータを管理するように構成される複数の電子制御可能なアクチュエータ、
（ｂ）複数の光学センサであって、前記センサがシリンダ内に位置され、前記センサが前記シリンダの上流側に位置され（吸気）、かつ、前記センサが前記シリンダの下流側に位置され（排気）、前記センサが流体特性を測定する、複数の光学センサ、及び、
（ｃ）閉制御ループ状態に構成されるデジタル又はアナログ制御回路であって、前記制御回路が、前記光学センサからデータを受信するとともに、前記データを処理して、吸気バルブ、排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器、及び、可変圧縮機構から成るグループから選択されるエンジン構成要素の作動を能動的に管理する、デジタル又はアナログ制御回路、
を含む、改良されたエンジン。
【００９６】
２８．前記流体特性は、燃料消費、燃料エネルギー含量、排ガス成分、シリンダ燃焼温度、及び、シリンダ燃焼成分から成る特性のグループから選択される、あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載の改良されたエンジン。
【００９７】
２９．前記制御回路は、吸気バルブ、排気バルブ、火花、及び、燃料噴射の作動のためのタイミング、持続時間、及び、位相パラメータを管理する、あらゆる手続きまたは後述する実施形態に記載の改良されたエンジン。
【００９８】
３０．前記光学センサがレーザである、あらゆる手続きまたは後述する実施形態に記載の改良されたエンジン。
【００９９】
３１．前記コントローラは、エンジン出力、燃料入力、排出量、及び、エンジン負荷変化から成るグループから選択されるパラメータに適合する、あらゆる手続きまたは後述する実施形態に記載の改良されたエンジン。
【０１００】
３２．（ａ）吸気中に位置される前記センサは、燃料組成及び燃料エネルギー含量から成るグループから選択される１つ以上の流体パラメータを測定し、
（ｂ）シリンダ内に位置される前記センサは、温度、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及び、ＵＨＣ
から成るグループから選択される１つ以上の流体パラメータを測定し、かつ、
（ｃ）排気中に位置される前記センサは、ＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、及び、ＣＯ２から成るグループから選択される１つ以上の流体パラメータを測定する、
あらゆる前述したまたは後述する実施形態に記載の改良されたエンジン。
【０１０１】
３３．図１に示される構造を備える任意燃料適応型カムレスレシプロエンジン形態。
【０１０２】
本明細書で使用されるとき、単数形の用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、複数の指示対象を含むことができる。単数形の対象物への言及は、明示的に述べられていない限り、「１つだけ」を意味することを意図しておらず、むしろ「１つまたは複数」を意味する。
【０１０３】
本明細書で使用されているように、「セット」という用語は、１つまたは複数の対象物の集合を指す。したがって、例えば、対象物のセットは単一の対象物または複数の対象物を含むことができる。
【０１０４】
本明細書で使用されているように、「実質的に」および「約」という用語は、小さな変動を記述し、説明するために使用されている。事象または状況と併せて使用される場合、その用語は、その事象または状況が厳密に発生する場合だけでなく、その事象または状況が緊密な近似で発生する場合も指すことができる。数値と共に使用される場合、その用語は、その数値の±１０％以下、例えば±５％以下、±４％以下、±３％以下、±２％以下、±１％以下、±０．５％以下、±０．１％以下、または±０．０５％以下などの変動の範囲を指すことができる。例えば、「実質的に」整列されたとは、±１０°以下、例えば±５°以下、±４°以下、±３°以下、±２°以下、±１°以下、±０．５°以下、±０．１°以下、または±０．０５°以下などの範囲の角度変動を指すことができる。
【０１０５】
さらに、量、比率、および他の数値は、本明細書では時には範囲の形式で提示することができる。そのような範囲の形式は便宜上および簡潔さのために使用され、範囲の限界として明示的に特定された数値を含むように柔軟に理解されるべきであるが、しかし、あたかも各数値および部分範囲が明示的に特定されているかのように、その範囲内に包含されるすべての個々の数値または部分範囲も含む。例えば、約１から約２００の範囲の比は、明示的に列挙された約１から約２００の範囲を含むが、約２、約３、および約４などの個々の比、ならびに約１０から約５０、約２０から約１００などの部分範囲も含むと理解すべきである。
【０１０６】
本明細書の記載には多くの詳細が含まれるが、これらは、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきものではなく、現時点で好ましい実施形態のいくつかの例を提供したものにすぎない。したがって、本開示の範囲は、当業者に明らかになりうる他の実施形態をすべて包含することを認識されたい。
当業者に知られている開示された実施形態の要素と構造的および機能的に等価のものはすべて、本明細書に参照により明確に援用されたものとされ、本特許請求の範囲に包含されるものとする。さらに、本開示にない要素、構成部品または方法ステップは、その要素、構成部品または方法ステップが特許請求の範囲に明確に記載されているか否かにかかわらず、公にされるためのものであることが意図される。本願の請求項の要素は、「〜するための手段」という表現を用いて明確に要素を記載していない限り、「ミーンズ・プラス・ファンクション」として解釈されるべきではない。本願の請求項の要素は、「〜するためのステップ」という表現を用いて明確に要素を記載していない限り、「ステップ・プラス・ファンクション」として解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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