[0001] 本发明涉及自由活塞内燃机，特别涉及允许类似四冲程循环动作的自由活塞内燃机。

[0002] 自由活塞内燃机为直线发动机，其内排除了对曲轴系统的需求并且该动力活塞(或活塞们)以及关联的组件进行纯粹的直线运动。图1绘示现有技术中已知的双活塞自由活塞发动机系统的配置。该发动机包括两相对的燃烧汽缸，各自相似于常规的两冲程循环曲轴发动机中已知的那些汽缸。该两燃烧汽缸活塞为刚性连接并且形成活塞总成，其为仅有的有效运动组件。该活塞总成能够直线移动，该运动的外部界限由该燃烧汽缸限制。各汽缸中的两冲程循环动作维持该活塞总成的往复运动。动力冲程由该两活塞中的每一个交替执行，因此一个汽缸内的动力冲程驱动另一个汽缸内的压缩冲程。这排除了对使用于单活塞自由活塞发动机中用于储存动力冲程中产生的能量以压缩下一个汽缸充量的回弹装置的需求。包含入该系统的为直线电机，具有固定至该活塞总成的转换器(通常包括永久磁铁)以及固定至该发动机外壳的定子(包括线圈)，允许转换额外的剩余能量为电能。

[0003] 与常规的，曲轴发动机相比，自由活塞发动机系统的潜在优势众多。与常规发动机相比对发动机的简化以及减少零件的数量降低了摩擦损失和耗损，还有发动机体积，重量和制造成本。缺少承载高负载的轴承，例如发现于常规发动机的曲柄系统中的那些，允许具有高汽缸内压力的动作，有益于燃料效率。而且，自由活塞发动机内的压缩比为可变的，对于不同的操作条件(例如负载水平)，以及不同的燃料，允许广泛的操作优化。

[0004] 描述自由活塞发动机系统的出版物的例子包括美国专利US2900592，美国专利US4924956，美国专利US5002020，美国专利US6199519，以及美国专利US6541875。这一技术的概述由米卡尔森(Mikalsen)和罗斯基利(Roskilly)在实用热力工程(Applied Thermal Engineering)2007年27：2339-2352中提出。

[0005] 有两个主要挑战与现有技术自由活塞发动机系统相关联阻止了它们的商业成功。

[0006] 首先，该自由活塞发动机在其标准配置中受限制于两冲程操作原理，因为每个往复循环需要动力冲程以维持发动机动作。在常规曲轴发动机内，储存于曲柄系统和飞轮内的能量能够在四冲程循环的气体交换冲程期间驱动该活塞，给予发动机设计者在两冲程和四冲程操作之间的选择。在该自由活塞发动机内，没有这样的能量储存存在。众所周知，与四冲程发动机相比，小至中体积两冲程循环发动机遭受差的燃料效率和高废气排放，并且因此其当前仅应用于有限数量的应用中。该较差表现的主要原因是该两冲程发动机中的无效率的气体交换过程。该汽缸排除废气是通过当该活塞处于该汽缸较低部分时(下死点附近)同时打开进口和排气口实现。实现有效的排除废气以使所有燃烧产物被新鲜充量替代非常有挑战性，并且一般仅能替换来自早先循环的燃烧产物的60-80％。而且，由于该进口和排气口(或阀)必须要同时打开，会有一些进口充量直接流至该排气系统(被称为短路)。这对燃料效率和废气排放水平两者都具有显著的不利影响。

[0007] 一些供选择的配置已经提出在自由活塞型发动机中允许四冲程动作。美国专利US7258086中描述了一个例子，其使用了四汽缸配置，其中一个汽缸在任何时候执行动力冲程。然后使用机械联动装置驱动其它汽缸内的非动力冲程。然而，在这些系统中附加的复杂性除去了自由活塞发动机概念的几个关键优点，包括紧密度，低数量的运动组件，以及没有负载承载轴承或联动装置。

[0008] 与该自由活塞发动机概念关联的第二基础挑战是该活塞运动的控制。在常规曲轴发动机中，该曲柄系统和飞轮的高惯性使发动机运行稳定，特别是在快速负载改变或燃烧过程中的循环变动期间。在该自由活塞发动机中，这些将对发动机运行具有显著较大的影响。由于自由活塞发动机内的活塞运动不是由曲轴限制，该活塞总成的充分高的动能诸如由于快速负载减少可能导致在该活塞和汽缸盖之间的机械接触，对该发动机来说是灾难性的。相反的，动能降低，例如由于快速负载增加，可能导致不能达到有效压缩汽缸内充量以及发动机熄火。

[0054] 参见图2，根据本发明的自由活塞内燃机的第一实施例包括具有压缩活塞23在其内往复运动的第一压缩室29a，以及具有第一动力活塞11a在其内往复运动的第一动力室18a。压缩充量通道28形式的导管装置使压缩充量能够从该第一压缩室29a转移至该第一动力室18a。吸入阀26a，放出阀27a，进口阀16a以及排气阀13a形式的阀装置控制流体流入和流出该第一压缩室29a和该第一动力室18a。该压缩活塞23和该第一动力活塞11a通过杆19刚性连接以沿由该杆19限定的公共轴线一致往复运动。在该压缩活塞23和该第一动力活塞11a的每个往复运动循环期间，该压缩活塞23在该第一压缩室29a内执行四冲程发动机循环的一个吸入冲程和一个压缩冲程，并且该第一动力活塞11a执行该四冲程发动机循环的一个动力冲程和一个排气冲程。

[0055] 该第一实施例的自由活塞内燃机进一步包括具有第二动力活塞11b在其内往复运动的第二动力室18b，以及该压缩活塞23也在其内往复运动的第二压缩室29b。该压缩充量通道28还允许压缩充量从第二压缩室29b转移至第一和第二动力室18a，18b，以及从第一压缩室29a转移至第二动力室18b。吸入阀26b，放出阀27b，进口阀16b以及排气阀13b形式的阀装置控制流体流入和流出该第二压缩室29b和该第二动力室18b。该第二动力活塞11b还通过该杆19刚性连接该压缩活塞23。该第一动力活塞11a，压缩活塞23，第二动力活塞11b及杆19形成活塞总成。在该活塞总成的每个往复运动循环期间，该压缩活塞23在该第二压缩室29b内执行四冲程发动机循环的一个压缩冲程和一个吸入冲程，并且该第二动力活塞11b执行该四冲程发动机循环的一个排气冲程和一个动力冲程。

[0056] 该第一动力室18a设于燃烧汽缸10a内。燃烧汽缸10a还包括通向排气通道12a的排气口，排气阀13a，火花塞15a，通向该压缩充量通道28的进口，以及进口阀16a。熟知本领域的技术人员可以认识到这一汽缸设计与广泛使用于市场上可买到的内燃机系统中的相当。排气阀13a和进口阀16a依靠阀驱动系统14a和17a分别驱动。该阀驱动系统允许电子控制该阀打开和关闭。优选的，使用电磁致动器，不管怎样，其它类型诸如电动液压致动器也适合。

[0057] 相似的，该第二动力室18b设于燃烧汽缸10b内，包括所有其它涉及燃烧汽缸10a所描述的组件，用字母b跟随相同的数字来标示。燃烧汽缸10a和10b设计上相等同，上面所描述的所有关联的组件设计上也相等同。

[0058] 在这一实施例中，该第一和第二压缩室29a，29b设于位于燃烧汽缸10a和10b之间的单独的压缩汽缸22内。不管怎样，压缩室29a，29b可以设于分开的汽缸内。该杆19由具有适当密封的衬套24a和24b支承延伸穿过压缩汽缸22的端部。该压缩活塞23为双动活塞并且将压缩汽缸22的内部分成第一和第二压缩室29a和29b。在每个室29a和29b内，吸入阀26a，26b允许流体从吸入通道25流入各自的压缩室29a，29b。吸入阀26a和26b为单向阀(也称为逆止阀或止回阀)，仅当吸入通道25内的压力高于各自压缩室29a，29b内的压力时允许流动。类似的，在每个压缩室29a和29b内，单向放出阀27a，27b允许从各自的压缩室29a，29b流动至压缩充量通道28。熟知本领域的技术人员可以认识到，该压缩机汽缸的工作原理与常规的往复泵相似。

[0059] 通过提供该压缩充量通道28以充分高容积和流体存储能力，该压缩充量通道28可以适合于暂时存储从该第一和/或第二压缩室排出的压缩流体。这样，从压缩室29a和29b排出期间该压缩充量通道28内的压力变化将最小化。因此，由进口阀16a和16b观察的压力将大体上不变，有益于压缩流体流动穿过这些阀并进入动力室18a和18b。虽然如图2和3所绘示，压缩室29a，29b优选供给压缩流体至公共的压缩充量通道28，但是可以提供各种直接供给通道的配置以从该第一和/或第二压缩室传递流体至该第一和/或动力室
18a，18b。

[0060] 该第一实施例的自由活塞发动机还包括常规配置的直线电机，包括转换器20和定子21。该转换器20包括均匀间隔并且由间隔材料分开的永久磁铁，并且固定至该杆19。该定子21包括电绕组(线圈)并且关于转换器20和杆19定位。

[0061] 图3绘示根据本发明自由活塞内燃机的供选择的实施例，其中第一和第二压缩室29a，29b各自合并入第一和第二燃烧汽缸10a，10b。各燃烧汽缸10a，10b的非燃烧端延伸形成封闭的压缩室29a，29b。类似于上面所描述实施单向吸入阀26a，26b和放出阀27a，及
27b。该杆19由衬套24a和24b支承延伸穿过汽缸10a和10b的压缩端。

[0062] 虽然上面所描述的实施例利用火花塞点燃，熟知本领域的技术人员可以理解本发明的发动机同样适合于压缩点火操作，包括常规的柴油发动机操作和同种类的充量压缩点火。

[0063] 发动机运行

[0064] 标准的四冲程燃烧发动机循环包括四个步骤：吸入冲程，其中燃料空气混合物进入该汽缸；压缩冲程，其中该燃料空气混合物压缩，一般压缩到体积小于压缩开始体积的十分之一；动力膨胀冲程，其中该压缩燃料空气混合物点燃，发生快速燃烧，并且结果的高压燃烧产物膨胀至大约该燃料空气混合物压缩开始体积；以及排气冲程，其中该膨胀的燃烧产物从该汽缸排出。在常规内燃机中，这些步骤使用需要两个完整发动机转数或四冲程的一个发动机循环在各个汽缸内相继执行。

[0065] 参见图2，根据本发明第一实施例的自由活塞内燃机的动作可以如下所描述。该活塞总成由动力活塞11a和11b，转换器20，杆19，以及压缩活塞23组成。该活塞总成自由的直线往复运动，它的运动由作用在它上的力的瞬时总和决定，也就是，作用在动力活塞11a和11b上的气体压力，作用在转换器20上的电磁力，以及作用在压缩活塞23上的气体压力。该活塞总成运动的外部机械限制(终点)由该燃烧汽缸10a和10b以及该压缩汽缸
22限定。

[0066] 考虑该活塞总成朝向左手边终点移动。在右至左运动期间，该第一动力室18a执行排气冲程，其中排气阀13a打开并且来自动力室18a的燃烧产物由活塞11a排出至排气通道12a。压缩汽缸22内的该第一压缩室29a执行压缩冲程，其中先前从吸入通道25接受的燃烧性混合物被压缩。这一冲程期间，该第一压缩室29a内的压力增加直至它超过压缩充量通道28的压力，从而使放出阀27a打开并且该混合物排出进入压缩充量通道28。同时，该第二压缩室29b执行吸入冲程：当该压缩活塞23向左行进时，该第二压缩室29b内的压力下降到吸入通道25内的压力以下，使得吸入阀26b打开并且燃烧性混合物从吸入通道25流进该第二压缩室29b。该第二动力室18b执行动力膨胀冲程，其中燃烧性混合物已经点燃并且高压燃烧产物在该封闭的汽缸内膨胀同时该第二动力活塞11b朝向左手边行进。

[0067] 当该活塞总成接近它的左手边终点时，燃烧汽缸10a内的排气冲程结束并且排气阀13a关闭。当该活塞总成邻近它的左手边终点时，进口阀16a随后短时间打开。进口阀16a的短时间打开允许加压的燃烧性混合物从压缩充量通道28快速流入该第一动力室18a，使得燃烧汽缸10a立即准备好执行动力膨胀冲程。随后的点火和该第一动力室18a内的接下来的快速压力增加使该活塞总成加速朝向右手边，并且在作为结果的左至右冲程期间该第一动力室18a执行动力膨胀冲程。

[0068] 在左至右运动期间，混合物通过吸入阀26a从吸入通道25接受进入该第一压缩室29a，类似于上面所描述。先前接受进入该第二压缩室29b的混合物被压缩并且随后通过放出阀27b排出进入该压缩充量通道28。随着排气阀13b打开动力室18b内的排气冲程抛弃来自先前的动力冲程的燃烧产物进入排球通道12b。当该活塞总成接近它的右手边终点时，排气阀13b关闭并且短时间打开进口阀16b以用压缩的燃烧性混合物填充该第二动力室18b。该混合物的点火开始该第二动力室18b内的动力膨胀冲程，其驱动该活塞总成朝向左手边返回，类似于上面所描述。这样完成了一整个发动机循环。

[0069] 在该活塞总成往复运动期间，由转换器20的磁铁产生的磁场引起定子21的线圈内的电压。来自该发动机循环的净功输出因此运用电能。

[0070] 设计依据

[0071] 与常规四冲程发动机技术已知的那些汽缸相比，该燃烧汽缸10a，10b及关联的组件仅需要较小的设计修改，对于熟知本领域的技术人员来说是众所周知的。主要的设计变量，例如汽缸内径，冲程长度，压缩比，以及动力室设计对发动机性能具有与本领域已知影响相似的影响。有利的是，进口阀16a和16b的设计适合于在短时期适应有效率的吸入压缩的流体。

[0072] 优选的，该压缩汽缸22和活塞23由轻重量材料制成并且注意最小化经由吸入阀26a，26b和放出阀27a，27b的摩擦损失以及气流损失。当前设计超过常规发动机的主要优点在于该压缩汽缸能够设计为独立于该燃烧汽缸之外，其中该燃烧汽缸还动力冲程和压缩冲程两者都执行。由此该压缩汽缸能够根据它的用途特别设计。因为相较于动力活塞11a，
11b，该压缩活塞23工作于较低压力水平，密封需求稍微放松，减少了摩擦损失。而且，该压缩汽缸22内的气体温度显著低于燃烧汽缸10a，10b内的气体温度，能够允许使用固体膜润滑。

[0073] 该压缩汽缸22关于动力汽缸10a，10b的大小在该发动机系统内是重要的设计变量。通过改变这些汽缸之间的比例，该发动机的运行特征能够调整并且对于规定的应用优化设计。与常规的发动机相比这是主要的优点，其中这一比例为固定的，因为所有四个发动机冲程是由一个室执行。使用具有与动力汽缸10a，10b大约相同活塞排量的压缩机汽缸22，提供了可与常规内燃机中获得的热力学循环相比较的热力学循环。通过设计该压缩机汽缸22所具有活塞排量大于动力汽缸10a，10b的活塞排量，获得了增压效果。相反的，使用低于动力汽缸10a，10b活塞排量的压缩机汽缸22活塞排量，提供了过膨胀循环，也就是膨胀比例高于该压缩比例。这被称为米勒或阿特金森循环，并且广为人知用于改进循环效率。因此，本发明的自由活塞内燃机在发动机设计中提供了重要的自由度，例如，允许它适应于特定应用以及对运行于特定燃料进行优化。

[0074] 在上面所描述的实施例中，使用了永久磁铁电机。然而，取决于应用，其它类型的电机形态可能更加适合，例如动圈设计。其它类型的直线作用能量转换装置同样可以使用，例如液压或气动压缩机。

[0075] 运行控制

[0076] 如上面所描述，发动机控制问题已经作为对于自由活塞发动机的广泛应用的主要挑战来报道。因为该活塞运动不是由曲轴限制，每个循环中的左手边和右手边终点取决于该活塞总成的动能。每个冲程期间，能量由动力冲程增加并且由压缩冲程及驱动该电机来消耗。快速负载改变影响该活塞总成的动能并且如果足够大的话将导致偏离名义上的终点位置。

[0077] 进口阀16a和16b的打开和关闭决定每个循环内接受吸入混合物进入动力室18a和18b的总额。通过减少进口阀16a，16b的打开时间，减少接受新鲜充量至动力室18a，18b的总额，导致在接着的动力冲程内较低的能量产生。如果需要较高能量输出，该吸入步骤可以在动力活塞11a，11b到达它的终点之前实施，从而允许接受较大体积的新鲜充量进入动力室18a，18b。

[0078] 发动机负载和/或该活塞总成的动能的改变可以使用传感器测量诸如电负载输出或活塞总成位置，速度或加速度来识别。优点是，通过识别负载改变，进口阀16a，16b的正时能够这样调节以快速调节该动力膨胀冲程的功输出，从而帮助维持稳定的发动机运行。与现有技术发动机相比这是主要的优点，在负载改变产生和采取改正措施之间具有有效的时间延迟。

[0079] 而且，在很大负载减少的情况下，该活塞总成可以获得显著高于所要求的动能。这可能产生自名义上的活塞总成终点的大偏离，并且可能冒该活塞和汽缸盖之间的机械接触的风险。如果识别到这样的风险，可以提前关闭排气阀13a，13b并且延迟打开进口阀16a，16b，从而在相应的动力室18a，18b内产生封闭的充气的反弹室。这样有效充当气体弹簧，确保避免动力活塞11a，11b和汽缸盖之间的机械接触。当该活塞总成的动能达到非关键值时，可以接受吸入混合物进入动力室18a，18b并且恢复正常运行。

[0080] 熟知本领域的技术人员可以理解，上述实施例仅用于举例说明，并不作出任何限制，在不偏离所附权利要求所界定的发明范围的情况下可以作出各种变换和修饰。