专利名称：自由活塞式发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种自由活塞式发动机，特别地，涉及ー种具有发电系统的自由活塞式发动机。
背景技术：
使用内燃机发电是已知的。而且，存在许多使用联接到自由活塞式发动机的线性发电机的发电系统，其中往复活塞通过ー个或更多电圈的线性移动产生磁通变化，例如US-A-7318506。然而，这种发电系统的效率非常依赖驱动其的自由活塞式发动机的效率，由此具有高效率的自由活塞式发动机是非常期望的。
以前，自由活塞式发动机在紧邻汽缸的端部的每个燃烧室内提供有进气装置和排气阀，例如US-A-6199519。由于进气装置位于发动机的燃烧室内的排气阀附近，燃烧室内部的扫气通常通过回流换气实现。这导致不完全的扫气，而且另外ー些充气混合物可能夹带有排气，从而提供差的碳氢化合物排放特性。以前，用于小型车辆应用的两冲程发动机实施例获得基本等于膨胀比的压缩比，以实现每单位发动机质量的最高充气和输出功率。这种布置的结果是膨胀冲程在气体完全膨胀之前并且膨胀的燃烧室和排气歧管之间仍存在显著压力差时由于排气阀打开而被终止。这导致发动机效率损失，并且也造成显著的噪音发出。
发明内容
在本发明中，膨胀比大约为压缩比的两倍。在10:1和16:1之间的压缩比，这提供10%-20%的效率改迸。通常伴随这种类型的过度膨胀循环的特定功率损失通过使用细长的汽缸孔而被減少。使活塞继续在ー个室内过度膨胀所需要的汽缸孔的部分也用作相対的室的起始膨胀所需的汽缸的部分。以这种方式，在很小的质量增加并且不牺牲充气体积的情况下获得过度膨胀循环。根据本发明，提供ー种包括发动机汽缸和单个活塞构件的自由活塞式发动机，该单个活塞构件包括被配置用于在所述汽缸内移动的双头活塞，其中所述活塞构件将所述汽缸分隔成两个独立的燃烧室，所述燃烧室中的每ー个被提供有来自ー个或更多进气装置的可压缩工作流体，所述活塞被布置用于在每个冲程期间让位于并经过所述进气装置，以使所述活塞压缩保持在另ー个燃烧室内的流体时，在一个燃烧室内补充流体。通过允许所述活塞让位于并经过所述进气装置，在不需要显著增加汽缸尺寸或重量的情况下实现燃烧室气体的过度膨胀，这是由干与相対的燃烧室共享用于过度膨胀运动的汽缸孔。相似地，两个燃烧室共用所述进气装置，以用低成本提供有效和紧凑的发动机。 优选地，所述进气装置位于沿所述汽缸的中部位置，这通过允许由所述活塞在所述汽缸内的位置控制进气进入每个燃烧室而简化所述发动机的布置。而且，通过将所述进气装置定位在远离所述排气阀的位置，所述燃烧室内的扫气可被极大地改进，这反过来导致改进的效率和改进的排放。优选地，所述进气装置包括空气进入装置和燃料喷射装置，从而在充气空气进入期间发生进入到燃烧室的燃料喷射。在进气装置中同时提供所述空气进入装置和燃料喷射装置允许这两个部件共享通用的滑动ロ阀，每ー个均凹入该滑动ロ阀后的空隙内。这导致更简单并且由此更便宜的结构。优选地，所述空气进入装置包括串联布置的滑动ロ阀和电磁提升阀。所述提升阀可以在滑动ロ阀不被活塞遮盖的任何时间允许空气进入室，这允许响应燃烧事件良好控制膨胀比，与所述活塞在由所述滑动ロ阀的打开和关闭位置限定的范围内的位置无关。优选地，所述燃料喷射装置包括分别布置在所述空气进入提升阀的每ー侧上的两个喷射器，以允许燃料被直接喷射进相应的室，而与进气提升阀是否打开或关闭无关。喷射器优选为压カ喷射器，以提供精确、低成本的电气致动和燃料喷射控制。
优选地，所述燃料喷射装置被配置用于在滑动阀即将关闭之前喷射燃料，以确保所喷射的燃料不会在所述排气阀关闭之前通过扫除充气而被带到或带出排气ロ，从而減少碳氢化合物(HC)排放物。优选地，在每个室中提供火花点火装置，以产生火花启动所喷射的空气-燃料混合物的燃烧。火花点火燃料的使用以及它们相关的操作循环固有地产生比压缩点火燃料和循环更少的颗粒排放物。优选地，排气装置被提供在每个燃烧室，以允许燃烧气体在燃烧后从所述室排出。优选地，所述排气装置为提供在每个燃烧室的电磁提升阀，所述阀与汽缸同轴，以使排气流中的极限面积可以达到所述汽缸孔截面积的40%，从而在排气和扫气期间减少排气背压。优选地，所述汽缸具有的长度至少为其直径的十倍，由于在上止点时活塞位移误差产生的压缩比的低的变化速率，这在每个循环中提供减少的压缩比变化。优选地，所述活塞被配置为细长的，并且发动机汽缸具有孔，该孔的尺寸被设定为可实现10:1和16:1之间的压缩比。由于爆炸(爆震)，这高于可在传统火花点火发动机中实现的压缩比。优选地，所述发动机为用汽油、无水こ醇和含水こ醇的任意混合物操作的“灵活燃料”(flex-fuel)发动机。可根据所使用的特定こ醇/汽油/水的混合物通过发动机管理系统优化压缩比。同样，可以获得两倍压缩比的膨胀比。长的膨胀冲程允许更多燃烧能被传递到所述活塞，而且还允许更多用于控制的时间(即对测量的活塞速度变化作出反应)。优选地，所述进气装置被定位在离排气阀合适的距离，以确保可以实现10:1和16:1之间的压缩比。根据本发明，还提供具有如上所述的自由活塞式发动机的车辆。根据本发明，还提供横向磁通线性开关磁阻机形式的发动机驱动型发电机，其包括如上所述的发动机，并进一歩包括沿所述汽缸的长度的至少一部分定位的多个线圈和定子元件，其中所述活塞在所述汽缸内穿过所述线圈的移动与所述定子元件内的开关磁通量相互作用，以产生可用于有用功或被储存以备后用的电力。横向磁通线性开关磁阻机特别有利于通过如上所述的感应磁通量而发电。可被使用的替代类型的发电机为横向磁通线性开关磁通机，其中DC线圈或永磁体有助于每个磁路中的磁通量。根据本发明，还提供具有如上所述的发动机驱动型发电机的车辆。本发明的发动机可被用于具有至少ー个汽缸的内燃机的燃烧管理系统，所述汽缸具有包括串联布置并与汽缸端部隔开一段距离提供的滑动ロ阀和进气电磁提升阀的进气装置以及提供在所述汽缸端部中的每ー个处的排气电磁提升阀。这种燃烧管理系统的实例包括阀控制装置，用于独立于在所述汽缸内移动的活塞的位置控制所述进气电磁提升阀和所述排气电磁提升阀，以控制压缩比和膨 胀比，其中所述活塞在每个冲程期间让位于并经过所述进气装置。通过控制所述进气阀的打开定时和所述排气阀的关闭定时，压缩比和膨胀比可被控制以优化所述发动机的效率。优选地，当所述活塞构件位于其在气缸内移动的末端吋，活塞端部与提供在所述汽缸的端部的汽缸盖之间的间隙大于活塞直径的一半，以提供在上止点时具有低表面积体积比的燃烧室形成，这导致在上止点时热损失的減少，提供具有最小排气热损耗的近似绝热的循环。另外，所述燃烧室的尺寸有效地起到空气弹簧的作用，以在不损坏发动机的情况下吸收接近活塞的能量变化。这种变化可能是由相対的燃烧室内的燃烧变化和其它变化源引起的。这些变化的结果是压缩比高于或低于由压缩比控制装置所定的指标。优选地，火花点火定时控制装置被提供以调节火花定时，以使压缩比变化对发动机排放物和效率的不利影响被减少。优选地，所述阀控制装置被配置用于独立控制所述进气阀和排气阀的打开，以允许控制废气再循环(EGR)、充气和压缩比。优选地，所述进气阀被独立控制，以在压缩冲程的終点打开规定的时间，同时滑动ロ阀仍然打开，以允许用于下ー燃烧事件的所需量充气的进入。以这种方式控制充气避免了对于单独节流阀的需要，并由此通过减少节流损失而增加发动机的效率。优选地，燃料传感器被提供以确定待用在发动机中的燃料类型。优选地，气流传感器和废气传感器被提供，以根据所添加的空气量和所使用的燃料类型确定喷射进每个室的燃料量。优选地，所述燃料喷射控制装置被配置用于控制所述燃料喷射装置，以在所述滑动ロ阀即将关闭前将燃料喷射进燃烧室，以在扫气期间减少碳氢化合物(HC)排放物。优选地，爆震传感器也被提供用于向所述压缩比控制装置输出燃烧爆炸声和自动点火读数，以确保通过排气阀定时的闭环控制实现所使用的燃料类型的最优压缩比。优选地，所述系统还包括沿所述汽缸定位的多个线圈和定子元件，其中所述活塞在所述汽缸内通过线圈的移动与所述定子元件内的开关磁通相互作用，以产生可被用于有用功或被储存以备后用的电カ。优选地，所述活塞在所述汽缸内的位置可根据所述线圈的电输出确定。优选地，所述压缩比控制装置可以控制所述线圈，以通过调整施加到所述活塞的磁力限制所述活塞的移动范围，并由此大约在所述排放阀关闭的时间并在所述活塞到达上止点位置期间调节所述活塞的动能，以实现所需压缩比。
优选地，多个温度传感器被提供在所述线圈、电子器件和其它对高温敏感的元件附近，用于向所述温度控制装置提供温度读数。优选地，所述温度控制装置起到响应增加的温度而增加冷却装置中的冷却气体的流动。优选地，所述温度控制装置还向所述阀控制装置提供输入，从而使得，在持续的高温被记录时減少所述发动机的功率输出，以避免发动机损坏。本发明具有许多应用。例如，它可被整合到引入瞬态电源存储和适于作为小型客车中的汽车电源的ー个或更多驱动马达的串联混合电动车辆传动系，其中由所述自由活塞式发动机产生的电カ被蓄积在所述车辆上的电能存储设备中，以在要求时被传递到车辆的驱动马达。作为小型客车的电源，本发明优选操作在具有火花点火和以平面结构被布置的四个汽缸的两冲程发动机循环中，使得发动机可被横向安装在所述车辆的前或后座下方，与 传统的内燃机相比，为乘客和存储空间的布局提供明显更多的设计灵活性。每个汽缸包括自由活塞，其移动在布置在每个汽缸周围的线性发电机中感应电力，而且其移动可通过包括阀和点火事件定时的各种方法、并通过在每个冲程调整从所述活塞获得或供给到所述活塞的功率而被控制。活塞的移动是同步的，以使所述发动机完全平衡。而且，每个汽缸通过进气装置被充满，该进气装置在远离所述汽缸的每个端部的位置将流体引入所述汽缸。进气机构包括串联的提升阀和滑动ロ阀，使得进气流动事件的定时可以独立于所述活塞相对于所述汽缸的位置而被控制。废气从位于每个汽缸的端部处的排气阀机构离开所述汽缸。所述汽缸的几何形状与进气机构和排气机构的布置使得，排气扫气在进入流体和排放流体之间有限混合的情况下被完成。所述燃烧室的几何形状提供低的表面积体积比，而且低的传导材料被用在所述活塞顶和汽缸盖中，从而最小热量从所述发动机排出。所述汽缸和活塞的几何形状提供至少为两倍压缩比的膨胀比。然而，所使用的汽缸的布置和数量取决于应用，而且对于不同的应用，发动机操作循环也可被改变，例如火花点火内燃烧；均质充气压缩点火内燃烧；以及异质充气压缩点火。本发明的一些特征也可体现在诸如斯特灵循环(Stirling cycle)的外燃烧循环。在这种类型的发动机中，来自外燃烧源的热在上止点被供给到包含压缩工作流体的室。膨胀后，废气在通过闭合回路中的进气装置重新进入室前被排到封闭冷却室。在各种不同的替代实施例中，燃料可能为含水こ醇、无水こ醇-汽油混合物或汽油。本发明还可被实施为使用柴油、生物柴油、甲烷(CNG、LNG或生物气体)或其它气态或液态燃料。在外燃烧实施例中，可使用宽范围的可燃燃料。相应地，与提供峰值瞬态电カ输出需求的能量存储系统结合，本发明为小型客车汽车应用和例如用于分布式发电的静态发电机的低成本和高效率为主要设计考虑的许多其它应用提供低成本、高效率的电カ供给。
现在将參照附图描述本发明的实例，其中
图I示出具有根据本发明实例的活塞的汽缸的纵剖面；图2为活塞的纵剖面，示出平面元件的构造；图3为活塞的垂直剖面，示出轴和平面元件的同心布置；图4为图3中的汽缸的剖视图，例示在开关定子元件中由根据本发明的活塞的移动引起的磁通；图5a为汽缸的垂直剖面，示出由第一活塞中的可滲透元件形成的线性发电机定子和磁路；图5b为用于两个相邻汽缸的可替代线性发电机定子布置的垂直剖面，其中线性
发电机定子和磁路由第一活塞中的可滲透元件形成；图6为例示汽缸结构的汽缸的局部剖视图；图7为在充气位移扫气阶段期间进气提升阀、进气ロ阀和燃料喷射器的布置的更详细的纵剖面；图8为在排气阶段期间包括排气提升阀和致动器的排气装置的更详细的纵剖面；图9为示出在完整的发动机循环期间汽缸内的变化的活塞位置和在该期间发动机循环事件定时的时间-位移图；图9a为示出在典型发动机循环中可用于控制压缩比的不同压缩比控制装置的表格；图9b为示出示例性压缩比控制顺序的流程图；图10为示出在完整的发动机循环期间典型的汽缸压力图的压力-体积图；图11为在压缩阶段終点并大约在第一室内燃烧事件的火花点火和起始时在上止点的汽缸示意纵剖面；图12为第一室的膨胀阶段中途的汽缸的示意纵剖面；图13为在膨胀阶段终点并在进气提升阀已打开之前的汽缸的示意纵剖面；图14为在进气提升阀打开以充满室I后的汽缸的示意纵剖面，允许充气流体压カ等于第一室中的低汽缸压力；图15为在排气提升阀打开并且同时进气提升阀仍然打开以对第一室扫气后的汽缸的示意纵剖面；图16为在进气提升阀已关闭后在燃料喷射到第一室期间的汽缸的示意纵剖面；图17为在润滑剂喷射到活塞外表面上期间的汽缸的示意纵剖面；图18为排气提升阀打开并且进气提升阀和滑动ロ阀关闭后以使通过活塞位移实现从第一室继续排出废气的汽缸的示意纵剖面；图19为第一室中的压缩阶段中途的汽缸的示意纵剖面；图20为贯穿包括充电(electrical charge)压缩机的进气装置的四缸发动机结构的示意垂直剖面；图21为贯穿发电机装置的四缸发动机结构的示意垂直剖面；以及图22为贯穿排气装置的四缸发动机结构的示意垂直剖视。
具体实施例方式图I示出包括中空线性汽缸I的本发明的实例。活塞2被提供在汽缸I内，活塞2具有被配置为稍微小于汽缸I的内径的恒定直径，但是仅在活塞2沿汽缸I的长度自由移动的范围。另外，活塞2被约束为与汽缸I同轴对准，因此将汽缸I有效地分隔成第一燃烧室3和第二燃烧室4，每个室均具有取决于活塞2在汽缸I内的位置的可变体积。活塞2的任何部分都不延伸到汽缸I为。以第一室3作为实例，室3、4中的每ー个均具有可变高度3a和固定直径3b。汽缸I优选地围绕其轴线旋转对称并相对于垂直于其轴线的中心平面对称。尽管其它几何形状可能被用于实施本发明，例如具有正方形或矩形截面的活塞，但是具有圆形截面的活塞的布置是优选的。汽缸I具有沿其长度并与远离端部提供、优选在中部位置的一系列孔la、lb。通过活塞2的运动,孔la、Ib形成滑动ロ进气阀6a,其被布置为结合围绕汽缸I的至少一部分提供的进气ロ 6b操作，如下面详细的描述的那样。图2示出具有外表面2a并包括中心轴2c的活塞2,—系列圆柱形元件被安装到中心轴2c上。这些圆柱形元件可包括在中心轴2c的姆一端处的活塞顶2d,姆ー个活塞顶2d优选由诸如陶瓷的耐高温和绝缘材料构成。活塞顶端面2b优选为微凹的,减少在上止点时 第一室3和第二室4的表面积体积比并因此減少热损失。当然，如果汽缸具有不同的几何形状，那么这些元件的结构将被相应地调整。 活塞顶2d可包括控油部件2e以在发动机操作期间控制汽缸I的润滑润湿程度。这些控油部件可包括如同通常用于传统内燃机的槽和控油环。叠片铁芯元件2f也被安装在活塞轴2c上。每个铁芯元件2f由诸如铁素体的导磁材料的叠片构成，以在发动机操作期间减少涡流损失。隔离元件2g也被安装在活塞轴2c上。每个隔离元件2g理想上具有低磁导率并优选由诸如铝合金的轻质材料构成，并且具有形成在其内的空隙2h，以进ー步减少其重量并由此減少施加在使用隔离元件的发动机的机械力。隔离元件2g被包括以固定每个铁芯元件2f的相对位置，而且还用于限制通过活塞壁与汽缸壁之间的间隙流出每个室3、4的窜气(“blow_by”gases)的损失，同时使活塞2组件的总质量保持最小。支承元件2i也被安装到活塞轴2c上，位于活塞2的长度的大约25%和75%处，以减少活塞2的轴的热感应变形而使其锁在汽缸I中或以另外方式损坏汽缸I的隐患。每个支承元件2i的特征是有减重空隙2j并具有极微大于铁芯元件2f和隔离元件2g的直径。支承元件2i还具有成型外表面2k，用干支承活塞2的重量和存在的任何其它侧向载荷，同时使摩擦损失和磨损保持最小。支承元件2i优选由诸如陶瓷或碳的坚硬耐磨材料构成，而且成型外表面2k可被涂覆低摩擦材料。支承元件2i还可包括控油部件，以在发动机操作期间控制汽缸I的润滑润湿角。这些部件可包括如同通常用于传统内燃机的槽和控油环。活塞的总长度优选至少是其直径的五倍，而且不管怎样，其至少足够长以完全关闭滑动ロ阀，使得滑动ロ阀决不允许燃烧室3和4连通。图3为活塞2的剖视图，示出活塞轴2c通过铁芯元件2f。活塞轴端21被机械变形或用另外方式被固定到活塞顶2d，以使被安装到活塞轴2c的元件2f、2g、2i在活塞轴2c中所保持的张カ的作用下被牢固地保持。铁芯元件2f和隔离件2g的交替布置将铁芯叠片2f定位在的正确的节距，以如同例如包括移动活塞2和沿例如活塞在其内往复移动的汽缸的长度分隔的多个线圈的线性发电机装置的线性开关磁阻发电机的一部分那样高效操作。图4示出围绕汽缸I的外侧并沿其长度的至少一部分提供的用于促进活塞2和电输出装置9e之间的能量传递的线性发电机装置9的实例。线性发电机装置9包括沿着线性发电机装置9的长度交替的多个线圈9a和多个定子9c。线性发电机装置9可为多个不同的发电机类型，例如线性开关磁阻发电机。在所不的布直中，线圈9a通过开关设备9b被开关，以在定子9c和活塞铁芯置片2e内感应磁场。在开关线圈9a的作用下在定子9c和活塞铁芯叠片2f内产生的横向磁通也被标示在图4中。线性发电机装置9起到线性开关磁阻设备或起到线性开关磁通设备的作用。随着在定子9c中建立并在活塞铁芯叠片2f中感应的磁通电路(flux circuit)通过活塞 2的运动而被切割，在电输出装置9e处产生电力。这在不使用永磁体的情况下使高效发电装置成为可能，永磁体可能在内燃机内的高温条件下消磁，并且由于永磁体使用昂贵的稀土金属而可能以另外方式显著增加发动机的成本。另外，可使用包括若干不同的控制装置的控制模块9d，如下所述的那样。不同的控制装置被提供以实现活塞2和电输出装置9e之间的期望的能量传递率，以便输送最大的电输出，同时满足活塞2的期望的运动特征，包括压缩率和压缩比、膨胀率和膨胀比以及在每个室3、4的上止点的活塞停留时间。阀控制装置可用于控制进气阀6c和排气阀7b。通过控制排气阀7b的关闭，阀控制装置能够控制压缩阶段的启动。以相似的方式，阀控制装置也可以用于控制废气再循环(EGR)、充气和压缩比。适于发电机类型的压缩比控制装置也可被使用。例如，就开关磁阻机而言，压缩比控制通过改变施加到开关线圈9a的相、频率和电流而被部分实现。这改变感应横向磁通被活塞2的运动切割的速率，而且因此改变施加到活塞2的力。相应地，线圈9a可被用于不仅在排气阀7b关闭的时刻，而且在活塞2随后减速期间控制活塞2的动能。火花点火定时控制装置也可被用于响应压缩比的任何残留的周期到周期(cycle-to-cycle)的变化，以确保该残余变化对发动机排放物和效率的不利影响被减至最低，如下所述。通常，在每个压缩阶段的終点的预期压缩比为目标压缩比加上与系统变化相关的误差，诸如发生在相対的燃烧室3，4内的燃烧事件以及控制系统特征。火花点火定时控制装置可响应接近的活塞2的实测速度和加速度来调整火花点火事件的定时，从而对每个压缩阶段的終点的预期压缩比优化燃烧事件。目标压缩比通常为取决于所使用的燃料5a的常数。然而，压缩比误差可源于燃烧室高度3a的土 20%的变化。因此，如果目标压缩比为12:1，则实际压缩比可在10:1到15:1的范围内。因此，通过火花点火定时控制装置促进或延迟火花点火事件将减少有害排放物和该误差的效率影响。另外，燃料喷射装置可用于控制燃料5a的喷射定吋，使其在滑动ロ阀6a即将关闭之前被喷射进燃烧室3，4，以在扫气阶段减少HC排放物。而且，温度控制装置可被提供，其包括定位在线圈9a、电子器件和其它对高温敏感的元件附近的一个或更多温度传感器，以响应检测的温度变化控制系统内冷却气体经由压缩机6e的流动。温度控制装置可与阀控制装置通信，以在检测到持续的高温读数时限制发动机功率输出，以避免发动机损坏。
可由控制模块9d使用的另外的传感器优选包括废气(入)传感器和气流传感器，以对于给定的燃料类型根据添加的空气的量确定要注入室内的燃料5a的量。相应地，燃料传感器可用于确定所使用的燃料的类型。图5a示出通过定子元件9c中任ー个的垂直剖面，示出线圈9a和定子9c相对于彼此的布置。在图5b中示出可替代实施例，其中单个定子和线圈被用于在两个相邻的活塞2中感应磁通。与图5a中所示的结构相比，这种结构由于所需的线圈9a的数量的减少而具有成本优势。图6为优选由诸如招合金的低磁导率材料构成的汽缸I的剖视图。汽缸I的内表 面Ic具有坚硬耐磨材料涂层le，诸如镍碳化硅、反应结合氮化硅、镀铬或者其它金属的、陶瓷的或其它的化学涂层。在外表面Id上涂覆有诸如氧化锆或其它充分热绝缘陶瓷的绝缘涂层If。整个汽缸具有与靠近汽缸端部Ig的汽缸部分的该剖视图相同的结构，这对技术人员来说将是明显的。图7示出围绕汽缸I提供的进气装置6，进气装置6包括孔6a以及进气ロ 6b，孔6a与提供在汽缸I中的孔la、Ib尺寸对应并对齐。进气装置6中的孔6a通过安置进气提升阀6c的通道6h而被连接。通道6h体积最小，或者具有短的长度、小的横截面面积或两者的结合，以使在膨胀阶段期间通道6h内的不受控制的膨胀损失最小。进气提升阀6c将通道6h与作为进气ロ 6b —部分邻近汽缸I提供的进气歧管6f密封分开。进气提升阀6c由提升阀致动器6d操作，提升阀致动器6d可为电控电磁装置或其它适合的电气或机械装置。当滑动ロ进气阀6a和进气提升阀6c两者相对于第一或第二室3、4中的一个都为打开时，进气歧管6f经由通道6h与那个室流体连通。优选为进气装置6提供有凹部6g，凹部6g被布置为承接完全打开的进气提升阀6c，以确保流体可以自由地流动通过通道6h。进气ロ 6b还包括充气压缩机6e，其可被电动地、机械地或在源于进气ロ 6b的压カ波作用下操作。充气压缩机6e还可在源于提供在汽缸I的每个端部处的排气装置7的压力波作用下被操作，如下面描述的那样。充气压缩机6e可为体积式设备、离心设备、轴流式设备、压カ波设备或任何适合的压缩设备。充气压缩机6e提高进气歧管6f内的压力，以使当进气ロ 6b打开时，进气歧管6f内的压カ高于连接到进气歧管6f的室3、4内的压力，因此允许充气流体的流动。在进气装置6中还提供燃料喷射装置5，诸如电磁喷射器或压カ喷射器5。尽管中部定位的单个燃料喷射器5可能是足够的，优选的是燃料喷射器5提供在进气提升阀6c的任ー侧并布置在紧邻滑动ロ阀6a的末端。燃料喷射器5优选被凹入到进气装置6内，以使活塞2可以在没有障碍的情况下经过并通过滑动ロ进气阀6a和进气ロ 6b。燃料喷射器5被配置用于将燃料通过滑动ロ进气阀6a中的每ー个喷射进各个室3、4。润滑装置10也被提供，优选凹入到进气装置6内并被布置为使得活塞2可以在没有障碍的情况下经过并通过进气装置6，由此活塞可以被润滑。图8示出提供在汽缸I的每个端部处的排气装置7。排气装置7包括通过螺丝装置或类似物可移动地附接到汽缸I的端部的汽缸盖7a。与汽缸I的轴线同轴对齐的排气提升阀7b位于每个汽缸盖7a内。排气提升阀7b通过排气提升阀致动器7c操作，排气提升阀致动器7c可为电控电磁装置或其它电气或机械装置。相应地，当第一或第二室3、4内的进气提升阀6c和排气提升阀7b都被关闭时，那个室被有效地密封，并且包含在其内的工作流体可被压缩或被允许膨胀。排气装置7还包括提供在汽缸盖内的排气歧管通道7d，当排气提升阀7d打开时，在邻近的第一或第二室3、4与排气歧管通道7d内的流体之间压カ差的作用下，废气可流入到排气歧管通道7d。可在图20中例示的汽缸的布置中较好地看到废气的流动，其示出了废气流动的方向为基本垂直于汽缸I的轴线。诸如火花塞的点火装置8也被提供在汽缸I的每个端部，点火装置8位于汽缸盖7a内并优选是凹入的，以使活塞2在发动机的正常操作周期期间没有障碍。排气提升阀7b与汽缸I的轴线的优选同轴布置使排气提升阀7b的直径比在传统的内燃机中相对于室3、4的直径大得多。
每个汽缸盖7a是由诸如陶瓷的耐磨的和良好的绝缘材料构成，以使热损耗最小 并避免需要単独的阀座部件。图9示出适于用于本发明的发动机的时间位移图，例示活塞2在完整的发动机循环过程的移动。尽管在此參照第一室3描述发动机的操作，技术人员应该理解，第二室4的操作和事件的顺序与第一室3完全相同，但是相位相差180度。换句话说，活塞2到达第一室3中的上止点的同时其到达第二室4中的下止点。图9a为示出可用于响应从可在发动机循环期间影响压缩比的多个不同变量接收的信号的变化以控制压缩比的多个不同压缩比控制装置的表格。图％为对应于图9a的流程图并且例示示例性压缩比控制顺序。压缩比控制装置可包括前面讨论的控制模块9d的一部分。表格和流程图都例示可在发动机循环的不同阶段(A到F)影响压缩比的主变量，诸如图9中所示的ー个阶段。这些变量包括用户的功率需求、所使用的燃料的类型、先前发动机循环的压缩比和爆震情况、活塞位置和活塞的动能。表格和流程图例示为控制压缩比而发生的不同过程，以及不同的变量如何在整个发动机循环中影响这些过程，而且还例示可能在整个发动机循环内影响多于一个控制过程的每个过程的随后影响。可以看出，在顺序的最后一歩，一旦预期压缩比已被确定，则通过火花点火定时控制装置调整火花事件的定时实现最佳的点火定时。在整个发动机循环强调的事件A到F对应于图10中例示的事件A到F，图10示出燃烧室3、4在相同的发动机循环过程中的典型的压力-体积图。在图11到19的以下讨论中參考图9到10中突出的事件。现在考虑完整的发动机循环，在发动机循环开始时，第一室3包含主要由预混的燃料和空气构成的压缩混合物，和少部分从先前循环保留的残余废气。众所周知，可控量的废气的存在对于发动机的有效操作是有利的，这是由于这可以减少或消除对于作为发动机功率调节装置的充气节流阀的需要，充气节流阀是传统火花点火发动机中主要的损失源。另外，由于峰值燃烧温度和压カ小于没有废气保留的发动机，则氧化亚氮污染气体的形成被減少。这是废气部分没有促进燃烧反应的结果，而且是由于保留气体中的ニ氧化碳和水的高热容量。图11示出活塞相对于汽缸I的位置，限定在上止点(A)的第一室3的几何形状。这也在燃烧阶段AB的开始点附近。活塞2b的顶部与第一室3的端部之间的距离至少为第一室3的直径的一半，从而与传统内燃机中的燃烧室相比提供更低的表面积体积比，并且減少燃烧过程中第一室3的热损失。点火装置8被凹入到汽缸盖7a内，以使在活塞2以不可控的方式接近上止点的情况下，点火装置8和活塞顶2d之间不可能有接触。相反，压缩将会继续，直到活塞2的运动被第一室3中由于近似的绝热压缩引起的继续增加的压カ阻止。參照图10，燃烧膨胀阶段AB由点火事件(A)开始。图12示出在膨胀阶段(AB和BC)的中途的活塞2相对于线性发电机装置9的位置。第一室3随着活塞2在第一室3和第二室4之间的压力差的作用下移动而膨胀。第二室4内的压カ在这一点上大约等于进气歧管6f内的压力。第一室3的膨胀由于可被调整以实现期望的压缩率的线性发电机装置9的作用而被阻止，以满足发动机性能、效率和排放目标。图13示出活塞2在下止点相对于第一室3的位置。在膨胀阶段的終点(C)，活塞2的运动在线性发电机装置9以及第一室3和第二室4之间的压力差的作用下被阻止。第、ニ室4中的压カ在这一点上大约等于在第一室3的上止点位置(A)的第一室3内的高压。优选地，膨胀比至少为压缩比的两倍，其中压缩比在10:1到16:1的范围内。与膨胀比与压缩比相似的传统内燃机相比，这提供了改进的热效率。图14示出活塞2和进气装置6的布置以及在进气均衡阶段(⑶)期间在下止点的时候进入气体的初始流动。这种布置也可在图7中看到。在这一点上，由于活塞2滑动通过并经过沿汽缸I的内壁Ic提供的孔la、lb，滑动ロ进气阀6a是打开的。由于过度膨胀降低第一室3中的流体压力，并且由于进气压缩机6e提高进气歧管6e中的压力，则第一室3中的压カ低于进气歧管6f内的压力。大约在这时，进气提升阀6c被进气提升阀致动器6d打开，以允许充气进入汽缸I内的第一室3，第一室3的压カ接近等于进气歧管6f处的压力。进气提升阀6c打开后的短时间内，排气提升阀7b也被打开，以允许废气在第一室3和排气歧管通道7d之间的压力差的作用下离开第一室3，排气歧管通道7d仍然接近环境大气压力。图15示出在充气位移扫气阶段(DE)期间活塞2的位置。废气扫气通过第一室3内的废气持续移位进入排气歧管通道7d同时在第一室3的活塞端部的引入新鮮充气而被实现。一旦指定量的充气进入第一室3，则进气提升阀6c被关闭并且废气通过活塞2的移动继续排出，如图17所示，如同下面解释的那样。图16示出在燃料喷射时刻(E)活塞2和进气装置6的布置。燃料5a被直接引入到接近的活塞顶2d上，其具有使迅速汽化燃料、冷却活塞顶2d和使作为汽缸I的内壁Ic上的湿膜的未燃烧燃料的损失和排放最小化的效果，其还可能在膨胀阶段在第二室4内汽化。图17示出润滑(E)期间活塞2的位置，在此少量的润滑剂通过润滑装置10在其通过进气滑动ロ阀6a时被周期性地直接引入到活塞外表面2a。这种布置使与润湿汽缸内壁的润滑剂相关的碳氢化合物排放物最少，而且还可減少燃料在汽缸内壁油膜内的溶解程度。控油环部件2e被包括在活塞顶2d和/或支承元件2i中，以进ー步减少第一和第二室
3、4内润滑剂壁润湿的程度。图18示出在活塞位移扫气阶段EF活塞2的位置。进气提升阀6c被关闭，并且废气通过活塞2的移动继续排出。这时，由于第二室4内的燃烧事件，活塞2正朝向排气装置7移动，并减少第一室3的体积。由于排气提升阀相对较大的直径，如上讨论的那样，通过阀杆的废气流的极限面积可接近汽缸孔截面积的40%，导致不仅在充气位移扫气阶段(DE)而且在活塞位移扫气阶段(EF)期间低的排气背压损失。图19示出在压缩阶段(FA)中途活塞2相对于汽缸I的位置的纵剖面。当已实现充足的废气排出时，使得第一室3内的流体中的废气比例接近指定水平，则排气提升发7b被关闭，压缩阶段(FA)开始。随着活塞2在第一室3和第二室4之间的压力差的作用下加速和減速，压缩以可变速率继续。在膨胀阶段(AB和BC)期间通过线性发电机装置9的作用，第二室4内的压カ在这一点上正在下降。线性发电机的力可被调整，以实现期望的压缩率，进而满足发动机性能、效率和排放目标。第一室3内的压缩率基本上等于室4内的膨胀率并与之相反。图20、图21和图22示出包括四个自由活塞式发动机的示例性发动机装置的结构， 四个自由活塞式发动机被配置用于在循环中同步操作以产生完全平衡的发动机。在这种结构中，以大约50%的热效率发电50kw的发动机的总长度大约为1400mm。图20特别地示出汽缸I如何同轴位于提供结构支撑和冷却装置12的汽缸壳体11内。汽缸壳体11可稍微短于汽缸1，而且汽缸盖7a可通过螺丝固定或其它适合的装置被附接到汽缸壳体11，以在每个汽缸盖7a和每个汽缸端部Id的表面之间保持压缩。汽缸壳体11通过螺丝固定或任何其它适合的装置被附接到结构壳体13，结构壳体13为将发动机机械附接到车辆或从电输出装置9e获得电力的其它设备提供根据。罩14为发动机、歧管和控制系统提供物理屏障。在罩14上为进气和排气流、燃料和润滑剂的进入、热损耗、用于启动和控制的电カ输出以及电カ输入提供接ロ。图22示出装置的端视图，其中汽缸盖7a容纳四个发动机，废气经由排气提升阀7b离开发动机的燃烧室3、4并基本垂直于汽缸I的轴线流动。有利地，根据本发明，第一室3的窄孔几何形状以及位于第一室3的相对端部处的进气装置6和排气装置7的相对位置使高效和有效的扫气过程成为可能，扫气过程中充气和废气之间几乎没有混合。与传统的两冲程发动机或自由活塞式两冲程发动机中的扫气相比，该方案提供若干优点。首先，可以通过排气阀关闭的定时准确地控制废气的排出，作为ー种发动机功率控制的方法在不需要节流设备和相关的发动机泵送损失的情况下提供可变内部废气再循环。其次，由于新鲜充气内的燃烧火焰前缘不会被混合有易燃燃料/空气的混合物的少许不可燃废气中断，因而残留的废气和充气之间的有限混合可改进燃烧完全度。再次，在滑动进气ロ阀6a即将关闭前通过燃料喷射器装置5引入燃料5a，还有在大约这个时间通过润滑装置10引入润滑剂，不可能导致废气中的燃料或润滑剂夹带以及引起尾管碳氢化合物排放物。而且，室3、4的几何形状使得，在上止点，活塞的顶部2b与室3、4的端部之间的距离至少为室3、4的直径的一半。因此，活塞位移到上止点时压缩比的变化速率小于具有相似直径但室3、4的深度小的传统自由活塞式发动机。結果，由第二室4内的燃烧变化、控制系统公差或其它变化性来源引起的第一室3在上止点的深度的较小变化的影响被极大降低。发动机操作循环稳定性和控制由于该特征而被极大地改进。通过在上止点(A)阻止活塞2的运动，可实现期望的压缩比。目标压缩比可在10:1到16:1的范围内，而且更高的压缩比通常将能够实现更高的热效率。对不同的燃料可设定不同的压缩比目标，以在使用中利用特定燃料或燃料混合物的辛烷值特征。来自爆震传感器、活塞运动、废气成分和其它发动机操作特征的反馈信号的任意组合可用作控制模块9d的输入，以实现期望的压缩率和压缩比。与其它内燃机相比，本实施例另外的益处是，噪音水平由于过度膨胀循环以及尤其导致的即将打开之前的排气阀中低的压カ差而被降低。结果，在传统内燃机或自由活塞式发动机中通过排气系统传播并引起排气噪音的冲击波被基本避免。如果适于用于本发明的自由式 活塞发动机被并入到具有串联混合传动系统结构的低成本的客车中，则与现有的内燃机设计相比，对车辆使用者而言作为用于汽车发电的装置的成本被降低。这种成本的降低是多个因素的结果，包括由于高热效率产生的每单元电カ的燃料的低成本。其它因素包括由于所需的相对少量的高公差尺寸引起的部件制造的低成本以及此后的部件装配的低成本。而且，由于所需的少量独立部件和移动零件，因而维修成本较低。而且，由于减少的零件量和具有要求使用诸如永磁体或专用铝或钢合金的功能设计约束条件的部件的数量少，复杂辅助系统的避免、包括传统内燃机的高应力水力滑动轴承特征的复杂カ传输路径的消除以及发动机材料的低成本，都是利于使成本降低的因素。与现有的内燃机设计相比，热效率也被改进。除了已经讨论的因素之外，改进的效率也是良好的热交换的結果，将废气、发动机和发电机的热损失的一部分传递到充气中，由于在汽缸压カ载荷转变成机轴扭矩期间消除了汽缸壁载荷引起的摩擦损失的減少、以及通过在完全进气增压时的可变充气流的持续时间和可变内部废气再循环而不是通过如同传统火花点火发动机的节流进入空气流而实现的发动机功率调整造成的节流损失的消除。另外，与其它已知的自由活塞式发动机设计相比，尾管排放物(包括NOx、碳氢化合物和颗粒排放物)被減少。这种尾管排放物的减少是由多个因素的造成的，包括由细长的发电机几何形状引成的每个循环中压缩比的改进控制，其导致在压缩冲程期间对活塞移动的高电气控制权，并由此导致在上止点时低的活塞位移误差；以及用于减少决定NOx的形成的峰值燃烧温度和压カ的压缩充气的可变残余废气的成分。
权利要求
1.ー种包括发动机汽缸和单个活塞构件的自由活塞式发动机，该单个活塞构件包括被配置用于在所述汽缸内移动的双头活塞，其中所述活塞构件将所述汽缸分隔成两个独立的燃烧室，所述燃烧室中的每ー个被提供有来自一个或更多进气装置的可压缩工作流体，所述活塞被布置用于在每个冲程期间让位于并经过所述进气装置，以使所述活塞压缩保持在另ー个燃烧室内的流体时，在一个燃烧室内补充流体。
2.根据权利要求I所述的发动机，其中所述进气装置位于沿所述汽缸的中部位置。
3.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中所述进气装置包括空气进入装置和燃料喷射装置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中所述空气进入装置包括滑动ロ阀和电磁提升阀。
5.根据权利要求3或4所述的发动机，其中所述燃料喷射装置包括布置分别在所述空气吸入装置的每ー侧上的两个燃料喷射器。
6.根据权利要求4或5所述的发动机，其中所述燃料喷射装置被配置用于在所述滑动ロ阀即将关闭之前喷射燃料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，进ー步包括被配置用于在所述燃烧室中的每ー个中产生火花的火花点火装置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，进ー步包括提供在每个燃烧室中的排气装置。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中所述排气装置为提供在每个燃烧室中的电磁提升阀，所述阀与所述汽缸同轴。
10.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中 所述活塞被配置为细长的；以及 所述发动机汽缸具有孔，该孔的尺寸被设定为使得获得大约15:1的压缩比和两倍所述压缩比的膨胀比。
11.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中所述汽缸具有的长度至少为所述汽缸的直径的十倍。
12.—种具有根据前述权利要求中任一项所述的发动机的车辆。
13.一种发电机，包括根据前述权利要求中任一项所述的发动机，并进一歩包括沿所述发动机的所述汽缸定位的多个线圈，其中所述活塞在所述汽缸内的移动在所述线圈中感应磁通量。
14.ー种具有根据权利要求中13所述的发电机的车辆。
全文摘要
一种包括发动机汽缸和单个活塞构件的自由活塞式发动机，该单个活塞构件包括被配置用于在所述汽缸内移动的双头活塞，其中所述活塞构件将所述汽缸分隔成两个独立的燃烧室，所述燃烧室中的每一个被提供有来自一个或更多进气装置的可压缩工作流体，所述活塞被布置用于在每个冲程期间让位于并经过所述进气装置，以使所述活塞压缩保持在另一个燃烧室内的流体时，在一个燃烧室内补充流体。
文档编号F01B11/00GK102667060SQ201080058788
公开日2012年9月12日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月24日
发明者萨姆·科克里尔 申请人:自由活塞式发动机有限公司