专利名称：对置活塞对置气缸自由活塞发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及自由活塞发动机，特别涉及具有对置活塞对置气缸结构的自由活塞发动机。
背景技术：
照惯例，内燃机随着机械固定的活塞的运动而运行。例如，传统的机动车的内燃机包括机械地确定每个活塞在其各自的气缸内的运动的曲轴与连接杆总成。这种类型的发动机之所以比较理想是因为对于发动机周期中的任何给定点，每个活塞的位置都是已知的，其简化了发动机的时机和运行。虽然上述传统类型的发动机近年来在效率上具有值得注意的重要进步，但是由于发动机的性质，其效率仍然受限制。特别是由于活塞机械地固定的运动固定了压缩率，故动力密度受限制。此外，所有引导活塞移动的移动部件(以及凸轮轴和发动机阀)产生大量要用从发动机自身得到能量来克服的摩擦。最终得到的低动力密度意味着发动机要比需要的大且重。另外，因为必须制造的所有机械连接，发动机设计和包装的灵活性受到限制。
因而，由于环境和其他原因，需要具有比上述传统发动机的动力密度高的发动机。轻的相对重量，更小的包装尺寸和提加的燃料效率等优点可能是车辆和固定动力生产应用的重要的优点。
另一种类型的内燃机是自由活塞发动机。这是一种气缸内活塞的移动不是机械固定的发动机。该移动由在任何给定时刻作用于每个活塞上的力的平衡控制。由于动作不固定，发动机能够具有可变的压缩率，其在发动机运行参数的设计中允许更大的灵活性。另外，由于没有导致活塞侧力的传统的曲轴和装在曲轴上的杆，在发动机运行时产生的摩擦一般来说较少。然而，上述类型的发动机还没有普遍应用，因为如采用自由活塞，而发动机运行的复杂性显著加大。
在对付自由活塞发动机的复杂运行的尝试中，有人将线性发电机与自由活塞发动机连接起来。这样的安排允许发电机产生可存储的电力，同时用发电机帮助控制自由活塞上力的平衡。然而，线性发电机在产生动力上不是显著地有效——特别是与传统的转子发电机相比。
因此，需要一种内燃机，其能克服现有技术的发动机的缺点，提供一种低重量，高动力密度的发动机，可用于有效地产生用于许多不同的应用的能量。
发明内容
在其实施例中，本发明构思的发动机包括流体泵总成，具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，内流体泵室和外流体泵室，可选择地与内流体泵室和外流体泵室流体连通的、容纳相对低压的流体的容器，以及可选择地与内流体泵室和外流体泵室流体连通的、容纳相对高压的流体的的容器。在该发动机中，第一燃烧气缸总成位于邻近流体泵总成的第一侧，包括确定以运动轴线为中心的第一发动机气缸的第一气缸套，第二燃烧气缸总成位于邻近流体泵总成的第二侧，包括确定以运动轴线为中心的第二发动机气缸的第二气缸套。该发动机还包括内活塞总成，具有带第一内活塞头的第一内活塞和带第二内活塞头的第二内活塞，上述第一内活塞装配于第一发动机气缸，使得第一内活塞头背对第一侧，并在第一发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，第二内活塞装配于第二发动机气缸使得第二内活塞头背对第二侧，并在第二发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，内活塞总成进一步包括推杆，其具有固定于第一内活塞的第一端部，固定于第二内活塞的第二端部和穿过流体泵总成的内流体泵室延伸的中间部分。发动机包括外活塞总成，其具有带有第一外活塞头的第一外活塞和带有第二外活塞头的第二外活塞，上述第一外活塞装配于第一发动机气缸，使得第一外活塞头朝向第一内活塞头，第二外活塞装配于第二发动机气缸，使得第二外活塞头朝向第二内活塞头，，内活塞总成进一步包括第一拉杆，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿过流体泵总成内的外流体泵室延伸的中间部分。
本发明一本发明的实施例还构思一种操作发动机的方法，包括以下步骤提供流体泵总成，其具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，内流体泵室和外流体泵室，可选择地与内流体泵室和外流体泵室流体连通的、容纳相对低压的流体的第一容器，以及可选择地与内流体泵室和外流体泵室流体连通的、容纳相对高压的流体的第二容器；提供邻近流体泵总成的第一侧的第一燃烧气缸总成，包括确定以运动轴线为中心的第一发动机气缸的第一气缸套；提供邻近流体泵总成的第二侧的第二燃烧气缸总成，包括确定以运动轴线为中心的第二发动机气缸的第二气缸套；提供内活塞总成，其具有带第一内活塞头的第一内活塞和带第二内活塞头的第二内活塞，上述第一内活塞装配于第一发动机气缸，使得第一内活塞头背对第一侧，并在第一发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，第二内活塞装配于第二发动机气缸使得第二内活塞头背对第二侧，并在第二发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，内活塞总成进一步包括推杆，其具有固定于第一内活塞的第一端部，固定于第二内活塞的第二端部和穿过流体泵总成内的内流体泵室延伸的中间部分；提供外活塞总成，具有带有第一外活塞头的第一外活塞和带有第二外活塞头的第二外活塞，上述第一外活塞装配于第一发动机气缸，使得第一外活塞头朝向第一内活塞头，并在第一发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，第二外活塞装配于第二发动机气缸使得第二外活塞头朝向第二内活塞头，并在第二发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，内活塞总成进一步包括第一拉杆，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿过流体泵总成内的外流体泵室延伸的中间部分；将燃料和空气送进第一发动机气缸；以及使第一内活塞和第一外活塞互相朝相方反向移动，直至在第一气缸内发生燃料和空气的自燃。
本发明一实施例的优点在于自由活塞发动机的对置活塞、对置气缸(opposed piston，oposed cylinde，以下简称OPOC)的结构比自由活塞发动机的其他可能的结构有更好的固有平衡。
本发明一实施例的另一优点在于本发明的点火气缸的燃烧能用于直接压缩下一个气缸的充量以点火。
本发明一实施例的另一优点在于本发明是OPOC结构的自由活塞发动机，具有较少的主要移动部件，在发动机运行中，要克服的全部摩擦一般来说要比曲轴发动机少。
本发明一实施例的另一优点在于从发动机中输出的能量不仅作为加压流体存储，而且在运行中该流体可用于开启或控制发动机的平衡。存储于流体中的能量可用于给其他部件，例如，比如车辆的驱动轮，或者流体发电机提供能量。此外，可以并行使用多个OPOC自由活塞发动机，每一个都向能量存储装置提供加压流体。
本发明一实施例的其他优点在于可变的压缩率不仅对于均质充量燃烧点火(homogeneous charge，combustion ignition，以下简称HCCI)发动机运行更加有益，而且其也使得发动机控制策略适合于用于燃烧的大范围的不同燃料。OPOC自由活塞发动机能够达到HCCI燃烧需要的压缩能量，而比曲轴发动机更容易除去早期点火产生的负周期工作。采用HCCI燃烧能够制成比传统的火花塞点火类型的发动机动力密度更高的发动机。
本发明一实施例还有一个优点在于由于其迅速改变方向的能力，OPOC发动机有效地产生液压能量使零速度和输出的时间极小化。此外，在每个周期的活塞总行程的运行速度的一半时，其产生液压能量，因为每个泵室仅系于燃烧室活塞总成中的一个，因此仅通过发动机总行程的一半运行。当发动机的动力密度被允许的最大抽吸速度限制时，在发动机行程的的一半进行抽吸的能力是十分关键的。
图1是根据本发明的带液压控制和输出的对置活塞、对置气缸、自由活塞发动机的透视图。
图2是图1所示的发动机的端视图。
图3A和3B是图1所示的发动机的俯视平面图。
图4A和4B是图1所示的发动机的侧视图。
图5A是发动机沿图3A中的线5A-5A的剖面图。
图5B是发动机沿图3B中的线5B-5B的剖面图。
图6A是发动机沿图4A中的线6A-6A的剖面图。
图6B是发动机沿图4B中的线6B-6B的剖面图。
图7是图1所示的发动机的部分透视图，更确切地，是液压泵体总成和内活塞总成的顶端透视图。
图8是与图7类似的透视图，但表示液压泵体总成和内活塞总成的底部。
图9是图1所示发动机的气缸套的透视图。
图10是图1所示发动机的液压回路的示意图。
图11是图1所示发动机所使用的一些电路的示意图。
图12是图1所示发动机的一部分的透视图，但表示另一实施例。
图13是图1所示发动机的一部分的剖面图，但表示第二个可选实施例。
具体实施例方式
图1-11表示对置活塞、对置气缸、液压自由活塞发动机10。该发动机10包括液压泵体总成12，以及从该处延伸的第一活塞/气缸总成14和从液压泵体总成12反向延伸的第二活塞/气缸总成16，这样它们成排成一行。第一活塞/气缸总成14的时机与第二活塞/气缸总成16相反。因此，当一个在上止点时，另一个在下止点。此外，该运动是沿着或平行于单一的运动轴线。自由活塞发动机的上述结构能使发动机的固有平衡更好。
另外，以下的说明揭示了一种发动机，其不仅存储由发动机以加压流体的形式产生的能量，而且使用一些上述加压流体以开启，且有时帮助控制发动机的运行和维持发动机的平衡。
第一活塞/气缸总成14包括装配到液压泵体总成12的第一缸套18。第一缸套18具有位置接近于液压泵体总成12的第一排气叶轮20。第一排气叶轮20的内部确定了绕第一缸套18圆周延伸且朝第一排气套24径向向外的内排气通道22。上述排气套24用于连接排气系统(图中未示)以在发动机运行时向外排气。只要足以处理且向带走废气，上述排气系统可以是任何需要的形式。其可以包括例如排气管，消声器，催化剂转化器，涡轮增压器，或者是上述组件和可能的其他组件的结合。
第一缸套18还具有冷却剂入口26，其位置接近于液压泵体总成12，并延伸至基本上圆周延伸的冷却剂通道28。冷却剂入口26连接冷却剂冷却系统(图中未示)，其可以包括从发动机冷却剂中除去热量的例如散热器的加热交换器，通过冷却系统抽吸冷却剂的水泵，维持冷却剂在需要的温度范围的温度传感器和流动控制阀，或者在上述总成之间延伸的冷却管线，或在上述组件和其他可能的组件的结合。只要从发动机中消散合适量的热量，冷却系统可以是任何形式的发动机冷却系统。
圆周延伸的进气环面30在第一缸套18与排气叶轮20的相对端，其内部确定了入口沟道31。第一缸套18在邻近进气环面30形成喷油嘴套32，其中装配了第一喷油嘴34。第一喷油嘴34电连接至为确定喷油嘴开放的时机和持续时间提供信号的电子控制器35。第一喷油嘴34还连接从燃料系统39(仅在示意图中示出)中提供燃料的喷油嘴油轨37。燃料系统39可以包括例如燃料箱，燃料泵或通向分油管的燃料管线，或上述组件和其他可能的组件的结合。任何可以在需要的压力下向喷油嘴34提供足够量的燃料的燃料系统总的说来都可接受。喷油嘴油轨37最好还包括电连接至控制器35的燃料压力传感器41。控制器35最好由带有电池(图中未示)、发电机或交流发电机的电气系统提供电力，发电机或交流发电机最好由发动机10输出的能量或其他一些足够的电力供应源提供动力。同时，虽然控制器35在此被单独地提到，但是如果需要的话，其可以包括多个互相连接的电子处理器。
在第一排气叶轮20和进气环面30的中间，第一缸套18形成压力传感器装配套36，其中装配有第一气缸压力传感器38。第一气缸压力传感器38最好电连接控制器35。第一气缸压力传感器38是可选择的，所以如果不在发动机中使用，也可以取消压力传感器装配套36。喷油嘴套32和传感器装配套36穿过第一缸套18延伸至延伸第一缸套18的长度的主孔40。冷却剂通道28，内排气通道22和进气环面30也都在主孔40内开口。
第一活塞/气缸总成14还包括第一气缸套42，其穿过第一缸套18的主孔40延伸并最好是合适地压接于其内部。第一气缸套42包括穿过其延伸以确定第一发动机气缸44的柱状主孔。第一发动机气缸的中心轴线最好是沿着运动轴线。第一气缸套42还包括一系列的圆周间隔的排气口46，其在第一缸套18的第一发动机气缸44和内排气通道22之间延伸并连接它们。
在邻近排气口46处，第一气缸套42邻接第一缸套18内的冷却剂通道28。上述冷却剂通道28连接一系列间隔的螺旋肋48，其从第一气缸套42径向向外延伸并且邻接第一缸套18的主孔40，形成一系列气缸冷却剂通道50。在上述肋48中，气缸压力塞套52从第一发动机气缸44延伸至第一缸套18上的传感器装配套36。这使得第一气缸压力传感器38暴露于第一发动机气缸44，却将传感器38封闭，不接触发动机冷却剂。
喷油嘴孔54与喷油嘴套32成一行，且穿过肋48延伸至第一发动机气缸44。这使得第一喷油嘴34能直接将燃料喷入第一发动机气缸44。
第一气缸套还有一系列圆周间隔的进气口56，其与第一缸套18的进气环面30成一行，并且在第一气缸44内部开口。邻近进气口56的是一系列间隔的绕第一气缸套42圆周分布的油雾孔58。
第一活塞/气缸总成14还包括第一气带60。上述气带60装配在第一气缸套42附近，在进气环面30处邻接第一缸套18。燃料进口管62从第一气带60凸出并穿过其延伸，连接至油雾环面64。油雾环面64在燃料薄雾孔58的位置邻接第一气缸套42并绕其圆周延伸。为了向油雾环面64提供燃油，燃料供应系统(图中未示)连接进油管62。燃油供应系统可以包括例如油箱，燃油泵，燃油过滤器，燃油冷却器或者穿过系统运送燃油的燃油管线，或上述组件和其他可能的组件的结合。该燃油供应系统可以是任何这样的可以与发动机总成配合以在发动机运行时充分地为其提供润滑油的系统。
冷却剂环面66还邻接第一气缸套42并绕其圆周延伸。冷却剂环面66连接气缸冷却剂通道50和从第一气带60延伸的冷却剂出口68。上述冷却剂出口68连接前面讨论的冷却剂冷却系统(图中未示)。第一气带60还具有与第一缸套18的进气环面30连接的一对拉杆通道70和一个进气通道72。
第一活塞/气缸总成14还具有第一扫气泵74。扫气泵74包括在第一气带60且绕第一气缸套42端部装配的扫气泵外壳76。扫气泵外壳76具有主泵室78，通往入口室82的进口80，和通往出口室86的出口84。主泵室78的形状是横截面基本上为椭圆的圆柱。
装配于入口室82的是进口簧片阀总成88和扫气泵进口盖90。进口盖90包括最好是连接进气系统(图中未示)的进气口92。进气系统可以包括例如最好从某些种类的涡轮增压器或机械增压器接收空气的入口歧管，节流阀，空气流量传感器，周围气温传感器，或空气过滤器，或者是上述组件和可能的其他组件的结合。，进气系统可以是任何能根据具体的发动机运行情况，在所需的压力下向进气口92提供所需体积的空气的系统。
入口簧片阀总成88中簧片阀94的方向使得空气能从入口盖90流入入口室82而防止空气以相反方向流动。出口簧片阀总成89和扫气泵出口盖91装配于出口室86。出口盖91包括进气通道93，其通过第一气带60中的进气通道72从出口簧片阀总成89通向第一缸套18的进气沟道31。出口簧片阀总成89中簧片阀95的方向使得空气从出口室86流出至进气通道93而防止空气以相反方向流动。
第二活塞/气缸总成114包括装配于液压泵体总成12的第二缸套118。第二缸套118包括位置邻近于液压泵体总成12的第二排气叶轮120。第二排气叶轮120的内部确定了绕第二缸套118圆周延伸且在第二排气套124径向向外延伸的内排气通道122。上述排气套124用于连接上面已简要讨论的排气系统(图中未示)。第二缸套118还有邻近液压泵体总成12并延伸入基本上圆周延伸的冷却剂通道128的冷却剂入口126。冷却剂入口126连接冷却剂冷却系统(图中未示)。
在第二缸套118与排气叶轮120的相对端是圆周延伸的进气环面130，其内部确定了入口沟道131。第二缸套118在邻近进气环面130形成喷油嘴套132，其中装配了第二喷油嘴134。第二喷油嘴134电连接至为确定喷油嘴开放的时机和持续时间提供信号的电子控制器35。第二喷油嘴134还连接从燃料系统39中提供燃料的喷油嘴油轨37。燃料系统39可以包括例如燃料箱，燃料泵，通向燃料轨的燃料管线。喷油嘴油轨37最好还包括电连接至控制器35的燃料压力传感器141。
在第二排气叶轮120和进气环面130的中间，第二缸套118形成压力传感器装配套136，其中装配有第二气缸压力传感器138。第二气缸压力传感器138是可选择的。喷油嘴套132和传感器装配套136穿过第二缸套118延伸至延伸第二缸套118的长度的主孔140。冷却剂通道128，内排气通道122和进气环面130也都在主孔140内打开。
第二活塞/气缸总成114还包括第二气缸套142，其穿过第二缸套118的主孔140延伸并最好是合适地压接于其内部。第二气缸套142包括穿过确定了第二发动机气缸144延伸的柱状主孔。第二发动机气缸144的中心轴线最好是沿着运动轴线。第二气缸套142还包括一系列的间隔的圆周排气口46，其在第二发动机气缸144和第二缸套18的内排气通道122之间延伸并连接它们。
在邻近排气口146处，第二气缸套142邻接第二缸套118内的冷却剂通道128。上述冷却剂通道128连接一系列间隔的螺旋肋148，其从第二气缸套142轴向向外延伸并且邻接第二缸套118的主孔140，形成一系列气缸冷却通道150。在上述肋148中，气缸压力塞套152从第二发动机气缸144延伸至第二缸套118上的传感器装配套136。这使得第二气缸压力传感器138暴露于第二发动机气缸144，却将传感器138封闭，不接触发动机冷却剂。
喷油嘴孔与喷油嘴套132对准成一行，且穿过肋148延伸至第二发动机气缸144。这使得第二喷油嘴134穿过并朝向第二发动机气缸144和其喷油嘴延伸。
第二气缸套142还有一系列圆周间隔的进气口156，其与第二缸套118的进气环面130对准成一行，并且在第二发动机气缸144内部开口。邻近进气口156的是一系列间隔的绕第二气缸套142圆周分布的油雾孔158。
第二活塞/气缸总成114还包括第二气带160。上述气带160装配在第二气缸套142附近，在进气环面130处邻接第二缸套118。进油管162从第二气带160凸出并穿过其延伸，连接至油雾环面164。油雾环面164在油雾孔158的位置邻接第二气缸套142并绕其圆周延伸。为了向油雾环面164提供燃油，燃料供应系统(图中未示)连接进油管162。
冷却剂环面166还邻接第二气缸套142并绕其圆周延伸。冷却剂环面166连接气缸冷却剂通道150和从第二气带160延伸的冷却剂出口168。上述冷却剂出口168连接前面讨论的冷却剂冷却系统(图中未示)。第二气带160还具有与第二缸套118的空气进入环面130连接的一对拉杆通道170和进气通道172。
第二活塞/气缸总成114还具有第二扫气泵174。扫气泵174包括在第二气带160且绕第二气缸套142端部装配的扫气泵外壳176。扫气泵外壳176具有主泵室178，通往入口室182的进口180，和通往出口室186的出口184。主泵室178的形状是横截面基本为椭圆的圆柱。装配于入口室182的是进口簧片阀总成188和扫气泵入口盖190。入口盖190包括最好是连接进气系统(图中未示)的进气口192，进气系统最好从某些种类的涡轮增压器或机械增压器(图中未示)接收空气。入口簧片阀总成188中簧片阀194的方向使得空气从入口盖190流入入口室182而防止空气以相反方向流动。
出口簧片阀总成189和扫气泵出口盖191装配于出口室186。出口盖191包括进气通道193，其通过第二气带160中的进气通道172从出口簧片阀总成189通向第二缸套118的进气沟道131。出口簧片阀总成189中簧片阀195的方向使得空气从出口室186流至进气通道193而防止空气以相反方向流动。
包含于两个活塞/气缸总成14和16的是两个活塞总成——一个内活塞总成200和一个外活塞总成250。内活塞总成200有装配于第一发动机气缸44的第一内活塞202，第一内活塞202的头210背对液压泵体总成12，其底侧211面向液压泵体总成12。第一内活塞202在第一发动机气缸44内部装配，其外径与第一发动机气缸44的壁之间有小的余隙。因此，第一内活塞202最好还包括其外围的三个环状凹槽，其第一凹槽接收第一压缩环204，第二凹槽接收第二压缩环206，第三凹槽接收燃油控制环208。所有上述三个环204，206和208的大小都能够封闭第一发动机气缸44的壁。
第一内活塞202最好还包括一系列基本径向延伸的孔212——从活塞202的底端211朝向活塞头210。每个孔212最好部分填充钠化合物且有封闭孔212内的钠化合物的帽盖214。
内活塞总成200进一步包括装配于第二发动机气缸144的第二内活塞220，第二内活塞220的活塞头222背对液压泵体总成12，其底端223面向液压泵体总成12。第二内活塞220在第二发动机气缸144内部装配，其外圆周与第二发动机气缸144的壁之间有小的余隙。因此，第二内活塞220最好还包括其外围的三个环状凹槽，其第一凹槽接收第一压缩环224，第二凹槽接收第二压缩环226，第三凹槽接收燃油控制环228。所有上述三个环224，226和228的大小能够封闭第二发动机气缸144的壁。
第二内活塞220最好还包括一系列基本上径向延伸的孔230——从内活塞220的底端223朝向活塞头222。每个孔230最好部分填充钠化合物且有封闭孔230内的钠化合物的帽盖232。
第一内活塞202包括位于中央、并穿过中央径向延伸的孔216，以接收紧固件218，而第二内活塞220也包括位于中央、并穿过中央径向延伸的孔234，以接收紧固件236。紧固件218和236分别螺固于推杆240的各个端点，该推杆穿过液压泵体总成12延伸。固定于每个内活塞202和220的推杆240使得两个活塞202和220最好沿运动轴线一起运动。推杆240还包括形成内柱塞242的扩大的直径区域。内柱塞242位于两个活塞202和220中间。内柱塞242的用途将随下面的液压泵体总成12讨论。
内泵体总成200最好还包括第一引导杆244和第二引导杆245，其中每个都穿过液压泵体总成12延伸以在第一和第二内活塞202和220的底端表面211和223之间连接。引导杆244和245在发动机运行时保持内活塞总成200不旋转。最好的是至少一个，更好是两个引导杆244和245包括可以用以确定发动机运行时内活塞总成200的轴向位置的位置传感器指标。上述指标可以通过绕第一引导杆244固定的第一组铜环246的形获得。第二导引杆245最好也包括指标，例如第二组铜环247。那么第二引导杆245可以用作位置校准传感器的一部分以保证第一引导杆244的位置传感器正确读取内活塞总成200的径向位置。
外活塞总成250有装配于第一发动机气缸44内的第一外活塞252，第一外活塞252的活塞头254面向第一内活塞202，其底端256面向第一扫气泵主要室78。第一外活塞252在第一发动机气缸44内部装配，其外圆周与第一发动机气缸44的壁之间有小的余隙。因此，第一外活塞252最好还包括其外围的三个环状凹槽，其第一凹槽接收第一压缩环258，第二凹槽接收第二压缩环260，第三凹槽接收燃油控制环262。所有上述三个环258，260和262的大小能够封闭第一发动机气缸44的壁。
第一活塞桥264装配于第一外活塞252的底部256。第一活塞桥264与第一外活塞252一起运动且实质上形成为其的一部分。第一活塞桥264包括外部基本椭圆部分266，其滑行接触并封闭第一扫气泵74的主泵室78的壁。椭圆部分266的小径最好稍小于第一外活塞252的活塞头254的直径，而椭圆部分266的大径最好比活塞头254的直径大许多。第一拉杆套268和第二拉杆套269的位置是沿椭圆部分266的大径的，朝第一外活塞252的外部直径径向向外。
引导柱套270位于第一活塞桥264的中心。第一引导柱271固定于第一扫气泵外壳76并从该处延伸。第一引导柱271还在引导柱套270内伸缩滑动。在发动机运行时，引导柱套270在引导柱271上滑动，当第一外活塞252在第一发动机气缸44内滑动时维持其适当的方位。
外活塞总成250还有装配在第二发动机气缸144内的第二外活塞275，其中第二外活塞275的活塞头276面向第二内活塞的活塞头222，其底部277面向第二扫气泵主室178。第二外活塞275在第二发动机气缸144内部装配，其外圆周与第二发动机气缸144的壁之间有小的余隙。因此，第二外活塞275最好还包括其外围的三个环状凹槽，其第一凹槽接收第一压缩环278，第二凹槽接收第二压缩环279，第三凹槽接收燃油控制环280。所有上述三个环278，279和280的大小能够封闭第二发动机气缸144的壁。
第二活塞桥282装配于第二外活塞275的底部277。第二活塞桥282包括外部基本椭圆部分283，其滑行接触第二扫气泵174的主泵室178的壁并封闭它。椭圆部分283的小径最好稍小于第二外活塞275的活塞头276的直径，而椭圆部分283的大径最好比头276的直径大许多。第一拉杆套284和第二拉杆套285的位置是沿椭圆部分283的大径的，朝第二外活塞275的外部直径径向向外。
引导柱套286位于第二活塞桥282的中心。第二引导柱287固定于第二扫气泵外壳176并从该处延伸。第二引导柱287还在引导柱套286内伸缩滑动。在发动机运行时，引导柱套286在引导柱287上滑动，当第二外活塞275在第二发动机气缸144内滑动时维持其适当的方位。
第二引导柱套287还形成部分位置传感器总成288。位置传感器总成288包括具有至少一个指标位置290的传感器杆289，固定于第二外活塞275并可随其滑动。传感器291装配于传感器杆289并穿过第二扫气泵外壳176延伸，其中电连接器292将传感器291连接至电子控制器35。控制器35可以利用从传感器291中的输出来决定外活塞总成250的位置和速度。
外活塞总成250还包括第一拉杆293和第二拉杆294。第一拉杆293连接第一活塞桥264上的第一拉杆套268和第二活塞桥282上的第一拉杆套284。由于桥264和282都是椭圆的，第一拉杆293可以连接它们并使其平行于运动轴线的方向移动而不会防碍发动机气缸的运行。
第一拉杆293包括形成第一外部柱塞295的扩大的直径区域。第一外部柱塞295位于液压泵体总成12的第一活塞桥264和第二活塞桥282中间。第一拉杆套管272在液压泵体总成12和第一缸套18之间的第一拉杆293周围延伸，第二拉杆套管273在液压泵体总成12和第二缸套118之间的第一拉杆293周围延伸。拉杆套管272和273确定第一拉杆293被发动机组件完全封装，因此防止污染物接触和防碍第一拉杆293的运行。
第二拉杆294连接第一活塞桥264的第二拉杆套269和第二活塞桥282的第二拉杆套285。第二拉杆294包括形成第二外部柱塞296的扩大的直径区域。第二外部柱塞296位于液压泵体总成12的第一活塞桥264和第二活塞桥282中间。第三拉杆套管274在液压泵体总成12和第一缸套18之间的第二拉杆294周围延伸，最好是位置感应拉杆套管281在液压泵体总成12和第二缸套118之间的第二拉杆294周围延伸。拉杆套管274和281确定第二拉杆294被发动机组件完全封装，因此防止污染物接触和防碍第二拉杆294的运行另外，第二拉杆294最好包括装配于其上并位于位置感应拉杆套管281中的间隔铜环298。位置感应拉杆套管281最好包括位置紧密地接近铜环298的传感器总成297。然后，传感器总成297连接控制器35并检测铜环的位置。于是，控制器35可以利用传感器总成29的输出来校准其他传感器291，从而确保对外活塞总成250的位置和速度的正确测量。
为了确保最佳运行特性，发动机10最好是平衡的。为了让发动机平衡，外活塞总成250的总数—即所有随外活塞252和275运转的部分——必须等于内活塞总成200的总数——即所有随内活塞202和220运转的的部分。对于平衡的发动机，推杆240的内柱塞242的液压区域最好还等于拉杆292和294的外柱塞295和296的液压区域之和——其中第一外柱塞295的液压区域等于第二外柱塞296的液压区域。因此，选择活塞总成200和250的不同组件的材料以确保足够的热量和力量特性，但是还要平衡总成的质量。例如内活塞202和220，以及推杆240可以由铸铁制造，拉杆293和294也由铸铁制造，但是外活塞253和275由铝制造，椭圆桥264和282由钢制造。然而，如果需要的话，也可以使用其他合适的材料。
如上面所讨论的，液压泵体总成12装配于第一活塞/气缸总成14和第二活塞/气缸总成16之间。其包括泵体302，最好由钢制造，其中形成有多种液压口和通道，冷却剂通道和润滑油箱和通道。
泵体302包括推杆240，推杆孔304穿过其延伸。内柱塞242圆周封闭推杆孔304。中间的孔304的两端也由推杆240封闭——一个端部使用封闭塞子309来造成封闭。上述封闭在内柱塞242的一端形成内泵室306，而在内柱塞242的另一端形成内连接泵室308。
泵体302还包括第一拉杆孔310，第一拉杆293穿过其延伸，第二拉杆294穿过第二拉杆孔312延伸。第一外柱塞295圆周密封第一拉杆孔310，且第二外柱塞296圆周密封第二推杆孔312。第一拉杆孔310的形状是在每一端都封闭第一拉杆293，其中一个密封端使用封闭塞311。连接第一拉杆293的拉杆孔310在第一外柱塞295的一侧形成第一外泵室314，在第一外柱塞295的另一侧形成第一外连接泵室316。第二拉杆孔312的形状是在每一端都封闭第二拉杆294，其中一个封闭端又使用封闭塞313。连接第二拉杆294的第二拉杆孔312在第二外柱塞296的一侧形成第二外泵室318，在第二外柱塞296的另一侧形成第二外连接泵室320。
内连接泵室308和第一外连接泵室316都与第一交叉连接通道322连接。另外，内连接泵室308和第二外连接室320都与第二交叉连接通道323连接。从而，三个连接泵室308，316和320都总是互相开放流体连接。
低压通道324和节流器326从第二交叉连接通道323通向第一连接调节阀328。第一连接调节阀328连接至液压系统329的低压油箱330侧。允许流体从第二交叉连接通道323流向低压油箱330的位置和阻塞上述流体流动的位置之间可以互相转换。高压通道332和节流器334从第一交叉连接通道322通向第二连接调节阀336。第二连接调节阀336连接至液压系统329的高压油箱338侧。允许流体从第一交叉连接通道322流向高压油箱338的位置和阻塞上述流体流动的位置之间可以互相转换。第一和第二连接调节阀328和336电连接至电子控制器35并由其操作。
共鸣器通道340在第二交叉连接通道323和装配于泵体302的赫姆霍茨共鸣器342。调节赫姆霍茨共鸣器342以抑制震动，其在流体穿过交叉连接通道322和323在连接泵室308、316和320之间来回流动时发生。如果需要的话，赫姆霍茨共鸣器342可以从发动机10中取消。
上述交叉连接通道322和323，以及连接它们的液压组件形成液压回路，其液压连接内活塞总成200随外活塞总成250的运转。因为随着连接调节阀328和336的关闭，连接泵室308，316和320，以及交叉连接通道322和323的容积充满基本不可压缩的液体(例如液压油)，上述容积将保持不变。如上面指出的，推杆240的内柱塞242的大小可以移置流体体积(每次线性移动的量)的两倍，分别如同推杆293和294的外柱塞295和296。因而，如果内活塞总成200向右移动1毫米，从内连接泵室308移置流体，而为了接收大量流体进入两个外连接泵室316和320，外活塞总成250必须向左移动1毫米。这确保了尽管内活塞总成200和外活塞总成250的运动都不是机械确定的，但是事实上它们互相精确的反向运转。因而，同时到达两个活塞总成200和250上止点和下止点位置。
第一和第二连接调节阀328和336使得一旦任何封闭发生泄漏，保持于连接器中的流体体积发生变化时，可以在连接器中增加或移除一些流体。虽然说明的是为连接活塞总成200和250的该液压系统，但是如果需要的话，可使用其他机械以确保活塞总成200和250朝另一个的反向运转。
液压泵体总成12还包括一对穿过泵体302朝向位于泵体302下方的油槽346延伸的燃料入口344和345。油槽346向泵体总成12的多种运转组件开放，其目的是允许在运转组件——特别是气缸壁44和144中第一和第二内活塞202和220沿其滑动的部分飞溅润滑油。油槽346还包括燃料返回出口348。燃料入口344和345，以及燃料返回出口348连接至燃料供应系统(图中未示)。在发动机运行时，油槽346也允许在内活塞202和220互换时，空气在内活塞202和220后面来回运转。
两个冷却剂入口350装配于泵体302的底部。冷却剂入口350连接至一系列的穿过泵体302延伸的冷却剂通道32，然后其连接至两个装配于泵体302的顶部的冷却剂出口354。冷却剂入口350和冷却剂出口354连接至冷却剂系统(图中未示)。冷却剂穿过泵体302流动以确保运转部件在发动机运行时不会过热。
液压泵体总成12还包括装配在泵体302顶部的低压轨356，其包括穿过液压管线连接至低压油箱330的低压轨口358。低压轨356朝三组单向低压止回阀，即内组360，第一外组362和第二外组363开放。内止回阀组360穿过通道364连接至内泵室306，其中阀组360只允许流体从低压轨356朝向内泵室306流动。第一外部检查组阀362穿过通道365连接至第一外泵室314，其中阀组362只允许流体从低压轨356朝向第一外泵室314流动。第二外止回阀组363同样穿过通道366连接至第二外泵室318，其中阀组363只允许流体从低压轨356向第二外泵室318流动。虽然内止回阀组360包括四个独立阀，每个外止回阀组362和363包括两个阀，如果需要的话可以使用不同数量的独立阀。但是由于内柱塞242有如同外柱塞295和296的任一个两倍大的抽吸容量，内组360最好提供如同每个外阀组362和363两倍大的阀开放区域。
高压轨368装配于泵体302的底部，并包括穿过液压线连接至高压油箱338的高压轨口369。高压轨368向三个单向高压止回阀，内止回阀370，第一外止回阀371和第二外止回阀372开放。内止回阀370通过流体通道373连接至内泵室306，而止回阀370仅允许流体从内泵室306向高压轨368流动。第一外止回阀371通过流体通道374连接至第一外泵室314，而止回阀371仅允许流体从第一外泵室314向高压轨368流动。第二外止回阀372通过流体通道375连接至第二外泵室318，而止回阀372仅允许流体从第二外泵室318向高压轨368流动。此外，内止回阀370最好具有两倍于每个外止回阀371和372的开放区域。
低压轨356最好包括在装配于该处的测量低压轨356内的流体压力的压力传感器376。同样，高压轨368最好包括在装配于该处的测量高压轨368内的流体压力的压力传感器377。压力传感器376和377电连接至接收和处理压力信号的电子控制器35。
液压开启和控制阀379装配于泵体302顶部，邻近低压轨356。上述液压开启和控制阀379仅在此示意性地表示，但是最好液压阀，例如由纽约东奥罗拉的Moog公司制造的型号为35-196-4000-I-4PC-2-VIT的Moog液压控制阀零件。控制阀379进入泵体302的四个口，高压口380，低压口381，内泵室口382和外泵室口383。高压口380穿过流体通道连接至高压轨368，低压口381穿过流体通道连接至低压轨356。内泵室口382穿过第一开启/泄漏流体通道384连接至内泵室306，而外泵室口383穿过第二开启/泄漏流体通道385连接至两个外泵室314和318。
控制阀379可以液压连接高压口380和内泵室口382，而同时连接低压口381和外泵室口383。控制阀379还可以液压连接低压口381和内泵室口382，同时连接高压口380和外泵室口383。在第三种运行情况下，控制阀379将阻止液压流体在高和低压口380和381以及内和外泵室口382和383的流动。电子控制器最好控制控制阀379所在的运行状态。
液压泵体总成12还可以包括在活塞的每个行进端设置最大距离的活塞挡圈。由于活塞运动是由力的平衡确定，所以对于自由活塞发动机来说，需要的可能是上述挡圈而不是通路。内活塞总成200的活塞挡圈最好包括间隔推杆240的内柱塞242的任一侧径向阶梯部分388，而匹配挡圈389位于泵体302和密封塞309的中心孔304的每一个端部。阶梯部分388的挡圈389的位置将在任一方向确定内活塞总成200的最大行程。如果阶梯部分388与挡圈389接合，在其方向的活塞运动将停止。
外活塞总成250的活塞挡圈最好包括分别在第一和第二拉杆293和294的外柱塞295和296的任一侧部间隔的径向阶梯部分390和391。泵体302和封闭塞311和313，与内活塞总成200相似，将包括分别位于第一和第二拉杆孔310和312的相反端部的匹配挡圈392和393。
或者也可以取消活塞挡圈。采用上述结构，撞击第一外活塞252的活塞头254的第一内活塞202的活塞头210将作为一个方向的挡圈，而撞击第而外活塞275的活塞头276的第二内活塞220的活塞头222将作为另一个方向的挡圈。虽然这样初看似乎不太好，但是活塞头具有相对大的接触表面区域，并且以活塞作为挡圈的气缸内的压力将在碰撞之前上升很高，从而降低撞击时的速度。
液压泵体总成12最好还包括一对活塞传感器。第一位置传感器395装配于围绕包括第一组铜环246的部分第一引导杆244的泵体302。第二位置传感器396最好是装配于围绕包括第二组铜环247的部分第二引导杆245的泵体302。位置传感器395和396电连接至电子控制器35并向其提供位置信号。由于第一位置传感器395的传感器信息，电子控制器35可以确定内活塞总成200的位置和速度。第二位置传感器396的信息最好用于校准第一位置传感器395。
现在对发动机10的运行进行说明。因为上述发动机10是自由活塞发动机，故由作用于活塞总成200和250的力的平衡(均衡)确定活塞运动。例如，主要力基本是对置发动机气缸44和144的气缸内压力，各移动部分的摩擦力，气体清除，移动的活塞总成200和250的惰性，以及柱塞242、295与296产生的充量。其结果是，为了引起持续的交互的活塞移动，活塞总成200和250的每一个都必须以合适的时间和量接收输入力。上述交互的运动必须足以获得燃烧过程所需的气缸内44和144的压缩。通过使用输入可以控制活塞总成200和250，特别是在每次行程的接近进程末端，活塞上止点位置，从而控制压缩率。而且，由于引起燃烧所需的压缩率可以基于发动机运行情况改变，因此改变压缩率的能力使得HCCI燃烧更加可行。因为必须精确地同步和控制力的平衡，电子控制器35监控并开动发动机组件，其对有效的和持续不变的发动机运转很重要。
发动机开启之前，液压系统329的高压油箱338在相对高压下保留液压流体，其可以是例如5000和6000磅每平方英寸。液压系统329的低压油箱330在相对低压下保留液压流体，其可以是例如50和60磅每平方英寸。
在发动机开启过程的开始，电子控制器35给开启和控制阀379上电，在向内泵体室口382开口的高压口380和在向外泵体室口383开口的低压口381的第一阀位置，以及在向外泵体室口383开口的高压口380和在向内泵体室口382开口的低压口381的第二阀位置之间交互。
在控制阀379的第一个阀的位置，高压油箱338的流体将被推入内泵室306，因而其导致内柱塞242的推杆240和全部的内活塞总成200开始向右运动(如多个图中所示)。这将导致内连接泵室308内的流体被推进以穿过第一和第二交叉连接通道322和323，以及第一和第二外连接泵室316和320。这将依次导致第一和第二拉杆293和294的第一和第二外柱塞295和296，以及全部的内活塞总成250开始向左移动(如多个图中所示)。当外活塞总成250向左移动时，从第一和第二外泵室314和318将穿过控制阀379被推入低压油箱330。
两个活塞总成200和250的相对运动将导致第一外活塞252和第一内活塞202同时朝向它们在第一发动机气缸44内的下止点位置分离移动，而第二外活塞275和第二内活塞220将与另一个同时朝向它们在第二发动机气缸144内的上止点移动。活塞总成200和250沿一个单一的线性运动轴线来回移动。单一的运动轴线穿过两个发动机气缸44和144的中心延伸，其由显示于图10和图11的发动机气缸44和144的两个箭头表示。
在控制阀379的第二个阀的位置，高压油箱338的流体将被推入第一和第二外泵室314和318，导致第一和第二拉杆293和294的第一和第二外柱塞295和296，以及全部外活塞总成250分别开始向右移动。这将导致第一和第二外连接泵室316和320的流体将穿过第一和第二交叉连接通道322和323被推入内连接泵室308。这将依次导致推杆240的内柱塞242，以及全部内活塞总成200将开始向左移动。当内活塞总成200向左移动时，内泵室306的流体将穿过控制阀379被推入低压油箱330。
两个活塞总成200和250的相对移动将导致第一外活塞252和第一内活塞202同时朝向它们在第一发动机气缸44内的上止点位置运动，而第二外活塞275和第二内活塞220将与另一个同时朝向它们在第二发动机气缸144内的上止点分离移动。
通过在上述开启和控制阀379的三个阀位置之间精确和迅速地转换，可以使得活塞总成200和250用以导致第一发动机气缸44的压缩和导致第二发动机气缸144的压缩之间的交替地转换。电子控制器35通过检测位置传感器288和395来确定活塞总成200和250的位置和速度。然后为了引起发动机气缸44和144所需要的压缩率的量，控制器35使用位置和速度信息来确定开启和控制阀379转换的合适时机。从上述讨论中可以看出，上述开启和控制阀379在发动机开启时控制活塞总成200和250的移动，其将引起发动机总成200和250以发动机运转所需的方式移动。
发动机10作为两个行程发动机运行，而不需任何单独的阀系统以开放和关闭发动机气缸44和144的进气和排气口。因此，燃料/空气混合物的压缩，燃烧(包括点火)，膨胀和气体交换(包括进气和排气)越过活塞的两次行程完成。上述安排使得移动部分最小化，也使得发动机10的全部包装尺寸最小化。
内活塞总成200的移动导致内活塞202和220可选择地阻塞并分别开放排气口46和146朝向发动机气缸44和144。外活塞总成250的移动导致外活塞252和275可选择地阻塞并分别开放进气口56和156朝向发动机气缸44和144，也导致活塞桥264和282装满进入的空气。外活塞总成250的移动还导致外活塞252和275可选择地阻塞并分别暴露喷油嘴34和134朝向发动机气缸44和144。因而，由开启和控制阀379引起的内、外活塞总成200和250的运动提供了发动机气缸44和144内充量空气所需要的移动，允许供应燃料进入气缸以混合充量空气，并提供足以产生燃烧的压缩。
在正常运行情况下的燃烧过程最好是均匀的充量，压缩点火(HCCI)类型，其充分利用上述发动机10可变的压缩率性能实现燃烧的高效率。该HCCI过程使用均匀的空气/燃料充量混合物，其由于高压缩率而自动点火；即每个混合的燃料/空气充量都是加热到自动点火(也称为自燃)点的压缩。随着由HCCI过程导致的自动点火，遍及燃料/空气混合物的无数点火点确保迅速燃烧，因为不需火焰传播，故其考虑到使用低等同比(实际燃料—空气比与计量比的比)。上述结果增加热量效率而减少最高的气缸温度，相对于更加传统的类型的内燃机，氮氧化物的形成显著地减少。
下面对在正常的HCCI发动机运行中，第一发动机气缸44(同样应用于第二发动机气缸144)的进气，压缩，燃烧和排气事件进行更加具体的说明。第一外活塞252的移动充入空气，并确定进气口56和第一喷油嘴34向第一发动机气缸44开启的时机和持续时间。当第一外活塞252朝向其上止点位置移动时，第一扫气泵74的主泵室78的体积增加，导致空气被穿过入口簧片阀94吸入。
在上止点中心之后——典型的在燃烧事件之后——第一外活塞252的移动减少了主泵室78的体积，导致空气穿过出口簧片阀95被压缩并通过出口簧片阀78推出，进入进气通道93和72以及进气沟道31。当第一外活塞继续朝其下止点位置移动时，其将暴露进气口56，允许压缩空气从进气沟道31流入第一发动机气缸44。此时，第一喷油嘴34也暴露于第一发动机气缸44。控制器35将激活第一喷油嘴34，导致燃料被喷入引入空气充量。为了确定喷油嘴激活的时机和持续时间，控制器35使用外活塞位置传感器291，以及燃料压力传感器41。
在到达下止点之后，第一外活塞252又朝上止点位置移动。在上述移动中，第一外活塞252将关闭第一发动机气缸44的进气口56和喷油嘴孔54。当第一外活塞252继续朝上止点位置移动时压缩空气/燃料充量。应当知道第一喷油嘴34直接喷入第一发动机气缸44，但是由于当活塞252在或临近上止点时被第一外活塞252封闭，其不直接暴露燃烧。
第一内活塞202的移动确定排气口46朝第一发动机气缸44开放的时机和持续时间。当第一内活塞202远离上止点移动时——典型的在燃烧事件发生后——活塞202将移动越过排气口46，允许废气流过排气口46。废气将流过第一排气叶轮20并穿过其余排气系统(图中未示)流出。在下止点之后，第一内活塞202朝上止点移动，且该行程穿过路径的一部分将封闭排气口46，有效地关闭它们。任何在此时流过排气口46的废气将再下一个燃烧期间作为内部废气再循环(EGR)保持在气缸44中。当第一内活塞202继续朝上止点移动时，压缩空气/燃料充量。
因为第二发动机气缸144的运行与第一发动机气缸相反，第一发动机气缸44的燃烧时间将导致第一内、外活塞202和252被推动分离，而第二发动机气缸144将导致第一内、外活塞202和252朝向另一个移动(导致第一气缸44内的压缩)，因而继续使发动机运行循环持续。然后，发动机10的自主持续运行由每个燃烧时间之前，考虑发动机10当时的各种运行情况，控制喷油嘴来维持。喷油嘴控制可用于控制活塞行程的长度，其必须足以获得燃烧所需的压缩率，而避免活塞挡圈的碰撞。当然，为了允许瞬时情况，偶然不燃烧时间，系统不平衡和其他因素，有时可以使用开启和控制阀379，以结合燃料控制来纠正活塞运动。为了避免浪费的燃烧能量改变活塞总成200和250的运动方向，其包括不仅确保为达到给定的发动机运行情况的合适的压缩率，也确保在上止点或之后发生自动点火。
在正常发动机运行中，当燃烧事件导致活塞总成200和250互换时，推杆240和拉杆293和294将在柱塞242，295和296各自的孔304，310和312被来回驱动。当内活塞总成200向右(如图中所示)移动时，内柱塞的移动将导致低压止回阀360的内组开放，允许流体从低压轨356被汲取入内泵室306。从低压油箱330中补充离开低压轨356的流体。维持在低压轨356内的流体数量和低压油箱330重新填充低压轨356的能力必须足以保持流体流过低压止回阀组。否则可能发生气穴现象的问题。
同时，外活塞总成250向左移动，外柱塞295和296导致在第一和第二外泵室314和318中的流体穿过第一和第二外高压止回阀371和372被抽入高压轨368。其将流体置换入高压油箱338。然后，在高压油箱338的压力下的流体也可用作发动机，以及其他组件和系统运行的储备能源。因为可用的液压流体能量是液压流体流动的压力水平和数量的函数，因此，在初始时确定了发动机大小时，可以在判定活塞行程，活塞频率和/或液压流体柱塞的大小时使用所需的能量输出。对于活塞频率，一般来说，移动活塞总成的质量越大，发动机的最佳运行频率越低。
在导致内活塞总成200朝右移动的活塞行程中，内柱塞242从内连接泵室306中将流体抽入两个外交换泵室316和320。如上面讨论的，这使得上述两个活塞总成200和250维持与对方反向的运动。如果位置传感器288和39探测到两个活塞总成200和250漂移出中心，则可以激活一个交换调节阀328和336以改正偏移量。
在随后的发动机行程中，内活塞总成200向左移动，由内柱塞242产生的液压将开放内高压止回阀370，促使流体向高压轨368和高压油箱338流动。外活塞总成250同时向右移动，外柱塞295和296导致将流体从低压轨356汲取出第一和第二外低压止回阀组362和363。在该发动机行程中，外柱塞295和296还将流体从外连接泵室316和320抽入内连接泵室306。
因而，由于内活塞总成200和外活塞总成250总是朝对方反向移动——因此内柱塞242总是朝两个外柱塞295和296反向移动——每个发动机的行程仅提供给任一内柱塞242或外柱塞295和296以将流体抽吸入高压油箱338。每种情形的反向行程方向将在交换系统周围抽吸流体。另一方面，如果要得到使内和外柱塞242，295和296从两个方向高压油箱的抽吸动作，应该使用不同类型的连接系统。
除了发动机内部子系统的运行，当然，由于需要维持发动机10的运行，外部系统还将在发动机运行时起作用。因此，为了确保发动机组件不会过热，冷却系统将穿过需要的冷却剂通道28，50，66，128，150，166和352吸入冷却剂。燃料系统39还将在所需的压力下存储和向喷油嘴34和134提供燃料。电力系统将为控制器35，传感器和其他要求电力来运行的组件提供电力。油料供应系统将向发动机提供需要的润滑油，来为确定组件的提供润滑。而且，进气系统将在发动机运行时向其他进气口92和192提供需要的空气。
图12表示本发明另一实施例。在该实施例中，除了缸套410包括将火花塞414装配于其中的火花塞装配套412之外，发动机408与第一实施例基本相同。气缸套(图中未示)包括与火花塞装配套412排成一行的沟道，因此允许火花塞414突出进入气缸。火花塞414最好位于活塞和从压力传感器38圆周间隔之间的气缸中部。火花塞414的突出端部连接电子点火系统(图中未示)，其最好由控制器35控制(图中未示)。对于该实施例，两个对置气缸包括上述火花塞排列。
发动机408以与第一实施例的发动机相似的方运行。虽然增加了火花塞414在一定程度上增加了发动机的成本和复杂性，但是其允许在开启和运行发动机408时增加一些灵活性。在发动机开启时，如果气缸内的压缩率不足以使HCCI燃烧，则为了导致燃烧事件发生，火花塞414可以在或接近每个气缸的上止点激活。然后，发动机正常运行时，发动机408可以随着HCCI燃烧而运行。此外，如果在正常HCCI发动机运行时不发生燃烧事件，则为了避免气缸内未燃燃料的内建和未燃燃料被推入排气系统的，可以使用火花触发后燃烧事件。或者，如果该发动机的运行不需要HCCI燃烧，发动机408可以在正常的运行状态下让所有燃烧事件火花点火运行。
图13表示本发明第二个可选择的实施例。该实施例是发动机418，其与图12所示的另一实施例类似，但是表示了使用预热塞420(示意性表示)而非火花塞。缸套422包括将预热塞420装配于其中的预热塞装配套424。预热塞420穿过气缸套的孔426延伸，使其暴露于发动机气缸430。此外，其最好位于活塞之间的气缸中部，并从压力传感器38圆周间隔，而预热塞420的突出端部连接最好是由控制器35控制的电子点火系统(图中未示)。该运行与图12有关的描述类似，故不在此进一步讨论。
尽管披露了为能量存储媒质和控制阀使用的流体是液压油，如果需要的话，其他合适的流体也可以使用。例如，该流体可以是气体，加上油箱用的风能存储系统。该流体可以是液态或气态的制冷剂。在上述实施例中，因为流体不再是液体(一般来说不可压缩)，所以确保两个活塞总成的相对运动所用的连接系统也要改变。然而，OPOC自由活塞发动机，特别是使用HCCI燃烧的结构的这类发动机，仍然可以用于产生存储于流体能量存储系统的能量。
前面已详细描述了本发明的一些实施例，本发明所属技术领域的技术人员将知道实施如权利要求所限定的本发明的多种可选择的设计和实施例。
权利要求
1.一种发动机，其特征是包括流体泵总成，具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，内流体泵室和外流体泵室，可选择地与内流体泵室和外流体泵室流体连通的、容纳相对低压的流体的第一容器，以及可选择地与内流体泵室和外流体泵室流体连通的、容纳相对高压的流体的第二容器；邻近流体泵总成的第一侧的第一燃烧气缸总成，包括确定以运动轴线为中心的第一发动机气缸的第一气缸套；邻近流体泵总成的第二侧的第二燃烧气缸总成，包括确定以运动轴线为中心的第二发动机气缸的第二气缸套；内活塞总成具有带第一内活塞头的第一内活塞和带第二内活塞头的第二内活塞，上述第一内活塞装配于第一发动机气缸使得第一内活塞头背对第一侧，并在第一发动机气缸内沿运动轴线可伸缩的滑动，第二内活塞装配于第二发动机气缸使得第二内活塞头背对第二侧，并在第二发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，内活塞总成进一步包括推杆，其具有固定于第一内活塞的第一端部，固定于第二内活塞的第二端部和穿过流体泵总成内的内流体泵室延伸的中间部分；以及外活塞总成，具有带有第一外活塞头的第一外活塞和带有第二外活塞头的第二外活塞，上述第一外活塞装配于第一发动机气缸使得第一外活塞头朝向第一内活塞头，并在第一发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，第二外活塞装配于第二发动机气缸使得第二外活塞头朝向第二内活塞头，并在第二发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，内活塞总成进一步包括第一拉杆，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿过流体泵总成内的外流体泵室延伸的中间部分。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征是流体泵总成进一步包括可选择地连接上述第一容器和上述第二容器的第二外流体泵室，其中外活塞总成进一步包括与第一拉杆间隔的第二拉杆，并具有固定于第一外活塞的第一端部和固定于第二外活塞的第二端部，以及穿过第二外流体泵室延伸的中间部分。
3.根据权利要求2所述的发动机，其特征是内活塞总成具有确定的质量，外活塞总成具有等于内活塞总成质量的确定质量。
4.根据权利要求3所述的发动机，其特征是推杆中间部分形成了内柱塞，其容纳于内流体泵室并在其中可伸缩移动并导致内泵室中流体的抽吸动作，拉杆的中间部分形成第一外柱塞，其容纳于外流体泵室并在其中可伸缩移动以导致外泵室中流体的抽吸动作，以及第二拉杆的中间部分形成第一外柱塞，其容纳于第二外流体泵室并在其中可伸缩移动以导致外泵室中流体的抽吸动作。
5.根据权利要求4所述的发动机，其特征是流体泵总成进一步包括装配于第一容器和内流体泵室之间的内低压单向阀，其使得流体能够仅选择从第一容器流向内流体泵室，装配于第一容器和外流体泵室之间的外低压单向阀，其使得流体能够仅选择从第一容器流向外流体泵室，以及装配于第一容器和第二外流体泵室之间的第二外低压单向阀，其使得流体能够仅选择从第一容器流向第二外流体泵室。
6.根据权利要求5所述的发动机，其特征是流体泵总成进一步包括装配于第二容器和内流体泵室之间的内高压单向阀，其使得流体能够仅选择从内流体泵室流向第二容器，装配于第二容器和外流体泵室之间的第一外高压单向阀，其使得流体能够仅选择从外流体泵室流向第二容器，以及装配于第二容器和第二外流体泵室之间的第二外高压单向阀，其使得流体能够仅选择从第二外流体泵室流向第二容器。
7.根据权利要求6所述的发动机，其特征是内柱塞可与第一内流体泵室接合以产生内流体抽吸能力，第一外柱塞可与外流体泵室结合以产生第一外流体抽吸能力，以及第二外柱塞可与第二外流体泵室接合以产生第二外流体抽吸能力，其中，第一外流体抽吸能力和第二外流体抽吸能力的总和与内流体抽吸能力基本相等。
8.根据权利要求2所述的发动机，其特征是推杆中间部分可与第一内流体泵室接合以产生内流体抽吸能力，第一拉杆中间部分可与外流体泵室接合以产生第一外流体抽吸能力，以及第二拉杆可与第二外流体泵室接合以产生第二外流体抽吸能力，其中，第一外流体抽吸能力和第二外流体抽吸能力的总和与内流体抽吸能力基本相等。
9.根据权利要求2所述的发动机，其特征是进一步包括流体控制阀，其具有与第一容器流体连接的第一端口，与第二容器流体连接的第二端口，与内流体泵室流体连接的第三端口，和与外流体泵室和第二外流体泵室流体连接的第四端口，其中流体控制阀用来选择将第一端口与第三端口和第四端口中的一个连接，而将第二端口与第三端口和第四端口剩下的一个连接，并选择将第一端口和第二端口从第三端口和第四端口分离。
10.根据权利要求1所述的发动机，其特征是流体是液体。
11.根据权利要求10所述的发动机，其特征是液体是液压油。
12.根据权利要求10所述的发动机，其特征是进一步包括流体控制阀，其具有与第一容器流体连接的第一端口，与第二容器流体连接的第二端口，与内流体泵室流体连接的第三端口，和与外流体泵室和第二外流体泵室流体连接的第四端口，其中流体控制阀用来选择将第一端口与第三端口和第四端口中的一个连接，而将第二端口与第三端口和第四端口剩下的一个连接，并选择将第一端口和第二端口从第三端口和第四端口分离。
13.根据权利要求1所述的发动机，其特征是进一步包括从第一气缸套延伸入第一发动机气缸的第一火花塞和从第二气缸套延伸入第二发动机气缸的第二火花塞。
14.根据权利要求1所述的发动机，其特征是进一步包括从第一气缸套延伸入第一发动机气缸的第一预热塞和从第二气缸套延伸入第二发动机气缸的第二预热塞。
15.根据权利要求1所述的发动机，其特征是流体泵总成进一步包括装配于第一容器和内流体泵室之间的内低压单向阀，其使得流体能够仅选择从第一容器流向内流体泵室，装配于第二容器和内流体泵室之间的内高压单向阀，其使得流体能够仅选择从内流体泵室流向第二容器，其中推杆的中间部分形成内柱塞，其包含于内流体泵室并在其中可伸缩移动，以导致在内泵室的抽吸流体动作。
16.根据权利要求15所述的发动机，其特征是流体泵总成进一步包括装配于第一容器和外流体泵室之间的外低压单向阀，其使得流体能够仅选择从第一容器流向外流体泵室，装配于第二容器和外流体泵室之间的外高压单向阀，其使得流体能够仅选择从外流体泵室流向第二容器，其中推杆的中间部分形成内柱塞，其包含于外流体泵室并在其中可伸缩移动，以导致在内泵室的抽吸流体动作。
17.根据权利要求1所述的发动机，其特征是第一容器包括流体连接低压轨的低压油箱，第二容器包括流体连接高压轨的高压油箱。
18.一种发动机，其特征是包括液压液体泵总成，具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，内液体泵室和外液体泵室，和第二外液体泵室，可选择地与内流体泵室、外流体泵室和第二外部流体泵室流体连通的、容纳相对低压的流体的第一容器，以及可选择地与内流体泵室、外部液体泵室和第二外部液体泵室流体连通的、容纳相对高压的流体的第二容器；第一燃烧气缸总成邻近液压液体泵总成的第一侧，包括确定以运动轴线为中心的第一发动机气缸的第一气缸套；第二燃烧气缸总成邻近液压液体泵总成的第二侧，包括确定以运动轴线为中心的第二发动机气缸的第二气缸套；内活塞总成具有第一内活塞和第二内活塞，上述第一内活塞装配于第一发动机气缸并在第一发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，第二内活塞装配于第二发动机气缸并在第二发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，内活塞总成进一步包括推杆，其具有固定于第一内活塞的第一端部，固定于第二内活塞的第二端部和穿过液压液体抽吸总成内的内液体泵室延伸的中间部分；以及外活塞总成具有第一外活塞和第二外活塞，上述第一外活塞装配于第一发动机气缸并在第一发动机气缸内可伸缩的滑动，第二外活塞装配于第二发动机气缸并在第二发动机气缸内可伸缩地滑动，外活塞总成进一步包括第一拉杆，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿过液压液体抽吸总成内的外液体泵室延伸的中间部分，以及与第一拉杆间隔的第二拉杆，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿过第二外液体泵室延伸的中间部分。
19.根据权利要求18所述的发动机，其特征是进一步包括液压液体控制阀，其具有与第一容器流体连接的第一端口，与第二容器流体连接的第二端口，与内液体泵室流体连接的第三端口，和与外液体泵室和第二外液体泵室流体连接的第四端口，其中可运行液压液体控制阀来选择将第一端口与第三端口和第四端口中的一个连接，而将第二端口与第三端口和第四端口中剩下的一个连接，并选择将第一端口和第二端口从第三端口和第四端口分离。
20.一种运行发动机的方法，包括以下步骤提供流体泵总成，其具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，内流体泵室和外流体泵室，可选择地与内流体泵室和外流体泵室流体连通的、容纳相对低压的流体的第一容器，以及可选择地与内流体泵室和外流体泵室流体连通的、容纳相对高压的流体的第二容器；提供邻近流体泵总成的第一侧的第一燃烧气缸总成，包括确定以运动轴线为中心的第一发动机气缸的第一气缸套；提供邻近流体泵总成的第二侧的第二燃烧气缸总成，包括确定以运动轴线为中心的第二发动机气缸的第二气缸套；提供内活塞总成，其具有带第一内活塞头的第一内活塞和带第二内活塞头的第二内活塞，上述第一内活塞装配于第一发动机气缸使得第一内活塞头背对第一侧，并在第一发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，第二内活塞装配于第二发动机气缸使得第二内活塞头背对第二侧，并在第二发动机气缸内沿运动轴线可伸缩地滑动，内活塞总成进一步包括推杆，其具有固定于第一内活塞的第一端部，固定于第二内活塞的第二端部和穿过流体泵总成内的内流体泵室延伸的中间部分；提供外活塞总成，具有带有第一外活塞头的第一外活塞和带有第二外活塞头的第二外活塞，上述第一外活塞装配于第一发动机气缸使得第一外活塞头朝向第一内活塞头，并在第一发动机气缸内沿运动轴线可伸缩的滑动，第二外活塞装配于第二发动机气缸使得第二外活塞头朝向第二内活塞头，并在第二发动机气缸内沿运动轴线可伸缩的滑动，内活塞总成进一步包括第一拉杆，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿过流体泵总成内的外流体泵室延伸的中间部分；将燃料和空气移入第一发动机气缸；以及将第一内活塞和第一外活塞背向对方移动，直至在第一气缸内发生燃料和空气的自燃。
全文摘要
自由活塞由一对位于流体泵总成相对侧的对置发动机气缸构成。内活塞总成包括一对内活塞，分别可操作地位于各自的发动机气缸内，由推杆在内活塞之间连接。推杆穿过流体泵总成的内泵室延伸，并在该室中形成流体柱塞。外活塞总成包括一对外活塞，分别可操作地位于各自的发动机气缸内，由至少一个拉杆在外活塞之间连接。拉杆穿过流体泵总成的外泵室延伸，并在该室中形成流体柱塞。
文档编号B60K1/00GK1957179SQ200580016250
公开日2007年5月2日 申请日期2005年5月19日 优先权日2004年5月25日
发明者彼得·霍夫鲍尔 申请人:福特全球技术公司