专利名称：一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及自由活塞式发动机，具体来说是涉及一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统。
背景技术：
一般来说，内燃机的活塞运动方式是机械固定的。例如，传统的车用内燃机包含有一个曲轴和数个连杆组件，这样的结构决定了每个活塞在各自气缸内的机械运作方式。此类发动机的活塞运动是所期望达到的运动方式，因为活塞在发动机循环的每个节点的位置都是确定的，这样就简化了发动机的定时和运作。近年来，尽管这种传统类型的发动机效率有了很大的提高，但受限于发动机本身固有的特性，其效率仍受到了限制。具体说，就是因为固定的机械结构固定了活塞运动方式，从而固定了压缩比。另外，所有与活塞运动直接相关的运动件(也包括凸轮轴和气门)产生了很大的摩擦，这需要消耗发动机本身发出的能量去克服这些摩擦。因此，导致发动机的功率密度较低，也即意味着发动机比设想的要更大、更重。同时，因为必须采用机械连接，也限制了发动机设计和布置的灵活性。一些含有曲轴类型的发动机为了提高发动机效率运用了两冲程的结构设计。发动机效率是通过高进气压力来提高的，因此也提高了每个气缸的进气量。在这种传统两冲程发动机中，活塞的背面朝向曲轴箱，有时也作为扫气泵使用。然而进气压力的显著提高，同样伴随着非均匀气门正时、复杂结构、和/或扫气效率和捕集效率损失的产生(例如，从排气门流失的新鲜空气)。出于环保和其它各方面的原因，期望设计一个比传统发动机拥有更高能量密度的发动机。更轻的重量、更小的体积和更好的燃油效率在车辆和固定电站的应用中都会优势明显。另一种内燃机是一种自由活塞发动机。这种发动机活塞在气缸内的运动并不是机械固定不变的。活塞的运动是通过每个时间点作用在其上力的平衡来进行控制的。既然活塞的运动不是固定的，那么发动机的压缩比就是可变的，这也就使得在发动机运转参数的设计上有了更大的灵活性。同时，既然发动机内没有传统意义上的曲轴和连杆，就不会产生活塞侧向力，那么在发动机运转时产生的摩擦力自然就会更小。因为其固有的平衡性的运转和结构紧凑等特点，自由活塞式发动机的对置活塞对置气缸布置更显优势。这种发动机更适用于两冲程燃烧循环一特别是均质混合气压燃(HCCI)类型的燃烧，HCCI燃烧可以充分利用其可变压缩比带来的优势，同时也提高了发动机的能量密度、降低了排放和油耗。但是因为比传统发动机更高的空燃比就需要发动机的每个冲程更大的最大进气量。此外为了避免新鲜空气和燃料从排气口流失还需要达到较高的捕集效率。这种高进气量能力是可取的，同时在保持较高扫气效率、捕集效率和功率密度的情况下发动机结构会相对更紧凑重量也更轻。中国专利CN102182589A公开了一种发动机进气系统。该发动机进气系统包括涡轮增压器、发动机进气口，还包括空气放大器，所述空气放大器的低压进气口与所述涡轮增压器的压气机的出气口连通，所述空气放大器的出气口与所述发动机进气口连通；所述空气放大器的高压进气口与高压气源连通。在发动机启动或车辆加速时，该发动机进气系统具有较快的进气速度。本发明也运用到了涡轮增压器来改善发动机进气，但与本申请的发动机进气结构存在较大的区别，与本申请用于自由活塞式发动机的运用领域也不同。中国专利CN1696480A公开了一种V型发动机的进气系统。该系统有一个稳压罐，当进气系统连接到V型发动机，其内部空间分为一个顶部和一个底部，多个进气管连通稳压罐和V型发动机的进气口时，稳压罐布置在比V型发动机的气缸盖要高的位置，其中，与V型发动机的一个气缸列连通的进气管连接到稳压罐的顶部，与另一个气缸列连通的进气管连接到稳压罐的底部，这样形成稳压罐，使得当进气系统装配到安装在车辆上的V型发动机时，顶部的前端与底部的前端相比较而言更靠近车辆的后侧，从而能够有效地降低发动机罩的高度。此专利属于主要用于V型发动机领域，与本申请运用的自由活塞式发动机领域存在差别，其所要解决的技术问题与本申请所要解决的技术问题也存在较大的差别。
发明内容
针对现有的自由活塞式发动机存在的上述问题，本发明提供一种能有效改善发动机进气的对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统。本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，包括由液压泵体组件、第一气缸总成、第二气缸总成组成的自由活塞式发动机，所述第一气缸总成连接于所述液压泵体组件的一侧，所述第二气缸总成连接于所述液压泵体组件的另一侧；所述第一气缸总成包括第一发动机气缸，所述第二气缸总成包括第二发动机气缸；所述第一发动机气缸连接有第一扫气泵，所述第一扫气泵包括第一进气口、第一出气口和第一泵室，所述第一泵室可选择地连接所述第一进气口和所述第一出气口 ；所述第二发动机气缸连接有第二扫气泵，所述第二扫气泵包括第二进气口、第二出气口和第二泵室，所述第二泵室可选择地连接所述第二进气口和所述第二出气口；—个内活塞组件，包括分别设于所述第一发动机气缸和所述第二发动机气缸内的第一内活塞和第二内活塞，所述第一内活塞与所述第二内活塞通过连接于所述液压泵体组件上的推杆固定，所述第一内活塞与所述第二内活塞的顶部朝向远离所述液压泵体组件的方向；—个外活塞组件，包括分别设于所述第一发动机气缸和所述第二发动机气缸内的第一外活塞和第二外活塞且分别与所述第一内活塞与所述第二内活塞对置设置，所述第一外活塞和所述第二外活塞的顶部分别朝向所述第一内活塞和所述第二内活塞，所述第一外活塞的尾部连接第一活塞销，所述第二外活塞的尾部连接第二活塞销；所述进气系统还包括一个涡轮增压器，所述涡轮增压器包括一个涡轮机，所述涡轮增压器通过排气增压泵连入所述进气系统，一个压缩机通过所述涡轮机驱动而从所述进气系统进气，所述压缩机的排气口导入第一扫气泵和第二扫气泵。上述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其中，第一拉杆连接所述第一活塞销以驱动所述第一外活塞，第二拉杆连接所述第二活塞销以驱动所述第二外活塞。上述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其中，所述第一气缸总成设有第一进气道和与其相连的第一进气门，所述第一活塞销上包含一对闭合区域，每个所述闭合区域都有一边与所述第一进气道相连。上述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其中，还包括一个中间冷却换热器，所述中间冷却换热器设有一个与所述第一扫气泵的排气口相连的进气口，以及一个与所述第一发动机气缸的进气口相连的排气口。上述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其中，还包括一个外部排气装置，所述外部排气装置的进气口连接所述第一发动机气缸的排气口，所述外部排气装置的排气口连接所述第一扫气泵的进气口。上述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其中，还包括一个连接所述涡轮增压器的进排气门的排泄阀，所述排泄阀连接一个支管，所述支管用以将从所述涡轮增压器排气口排出的气体导入所述排泄阀。上述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其中，所述第一发动机气缸的多个排气口到所述第一内活塞下止点的距离等同于所述第一发动机气缸的多个进气口到所述第一外活塞下止点的距离。上述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其中，所述第二发动机气缸的多个排气口到所述第二内活塞下止点的距离等同于所述第二发动机气缸的多个进气口到所述第二外活塞下止点的距离。由于采用了上述技术，上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是:1.对置活塞对置气缸结构的自由活塞式发动机，因其故有的特性使其平衡性更佳。同时，对置活塞对置气缸结构的自由活塞发动机的运动件相对较少，与传统曲轴式发动机相比，其在运转期间克服摩擦的功率损失也较小；2.可变压缩比不仅有利于均质燃烧的充气效率，同时还使得这种发动机的控制策略适合于范围特性更为宽广的不同燃料的燃烧。对置活塞对置气缸自由活塞式发动机可以为均质燃烧提供足够的压缩能量，同时比曲轴式发动机更容易避免点火前期产生负功。集成式扫气泵显著增加了每个冲程的进气量，从而使得均质燃烧更加可行；3.发动机的输出可以以增压气流或电能的方式储存起来；
4.即使当使用均质燃烧时排气温度比传统燃烧过程更低也能通过高效的进气增压来保证进气压力。因此，即使当利用一个高效率的废气再循环来增加均质压燃幅度，压入每个冲程气缸内的新鲜空气也显著增加；5.可以保持较高的捕集效率，且降低排气门空气的损失，并保持所需内部废气再循环总量；6.用于保证较高扫气效率所需的均匀排气门入口，且不需要非均匀气门正时和相关的复杂结构。
图1是本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的应用在对置活塞对置气缸式自由活塞式发动机上的示意图；图2是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的端部视图；图3是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的第二气缸总成的俯视图；图4是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的第一气缸总成的俯视图；图5是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的第二气缸总成的侧视图；图6是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的第一气缸总成的侧视图；图7是图3中5A-5A部分的剖视图；图8是图4中5B-5B部分的剖视图；图9是图5中6A-6A部分的剖视图；图10是图6中6B-6B部分的剖视图；图11是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的液压泵体组件和内活塞组件的顶部示意图；图12是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的液压泵体组件和内活塞组件的底部示意图；图13是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的气缸套示意图；图14是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的液压油路示意图；图15是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的自由活塞式发动机的电路示意图；图16是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的第二实施例的局部透视图；图17是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的第三实施例的局部透视图；图18是图1中本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的进气增压系统图解；图19是本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的第四实施例的进气增压系统图解；图20是本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的第五实施例的进气增压系统图解。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。如图1-18所示本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，包括由液压泵体组件12、第一气缸总成14、第二气缸总成16组成的自由活塞式发动机10,第一气缸总成14连接于液压泵体组件12的一侧，第二气缸总成16连接于液压泵体组件12的另一侧；第一气缸总成14包括第一发动机气缸，第二气缸总成16包括第二发动机气缸；第一发动机气缸连接有第一扫气泵74，第一扫气泵74包括第一进气口、第一出气口和第一泵室，第一泵室可选择地连接第一进气口和第一出气口 ；第二发动机气缸连接有第二扫气泵174，第二扫气泵174包括第二进气口、第二出气口和第二泵室，第二泵室可选择地连接第二进气口和第二出气口 ；一个内活塞组件200,包括分别设于第一发动机气缸和第二发动机气缸内的第一内活塞202和第二内活塞220，第一内活塞202与第二内活塞220通过连接于液压泵体组件12上的推杆固定，第一内活塞202与第二内活塞220的顶部朝远离液压泵体组件12的方向；一个外活塞组件250,包括分别设于第一发动机气缸和第二发动机气缸内的第一外活塞252和第二外活塞275且分别与第一内活塞202与第二内活塞220对置设置，第一外活塞252和第二外活塞275的顶部分别朝向第一内活塞202和第二内活塞220，第一外活塞252的尾部连接第一活塞销264，第二外活塞275的尾部连接第二活塞销282 ；进气系统还包括一个涡轮增压器27，涡轮增压器27包括一个涡轮机25，涡轮增压器27通过排气增压泵连入进气系统，一个压缩机97通过涡轮机25驱动而从进气系统进气，压缩机97的排气口导入第一扫气泵74和第二扫气泵174。进一步的，第一气缸总成14包含了一个第一气缸水套18，安装在所述的液压泵体组件12上。第一气缸水套18上面有一个靠近液压泵体组件12的第一废气螺旋出口 20。第一废气螺旋出口 20内部有一个环绕第一气缸水套18的内部排气通道22，内部排气通道22沿径向向外延伸到第一排气法兰24。排气法兰24与排气系统(未显不)连接，发动机运转期间可以输出废气。涡轮增压器排气口与一个排气系统29 (在图中简单表示)以支持发动机的排气过程。只要适合排气的处理排气系统29可以是任何类型，只要它能充分的处理和带走废气。例如，它可以包含一个排气歧管，一个消音器，一个催化转换器，一个增压器，或者这些零件和其他可能组件的组合。此外，废气门21和支管23是被使用的，如果涡轮25不需要支管，那么他们可以去除。进一步的，第一气缸水套18上面有一个靠近液压泵体组件12的冷却液入口 26，并延伸到一个环形延伸的冷却通道28。冷却液入口 26连接到一个冷却液冷却系统(未显示)上，该冷却系统可以包含例如一个热交换器，从发动机冷却液上转移热量的散热器，一个通过冷却系统泵送冷却液的水泵，一个使冷却液维持在一个希望的温度范围内的温度传感器和流量调节阀，零部件之间的冷却管路延伸，或者这些零件和其他可能组件的组合。该冷却系统可以是想要的任何类型的发动机冷却系统，只要能从发动机上带走适当的热量。进一步的，从第一废气螺旋出口 20—侧来看，第一气缸水套18的另一端是一个环形延伸的进气环30，它的内部是进气道31。靠近进气环30，第一气缸水套18上有一个喷油器凸台32，里面安装有第一喷油器34。第一喷油器34与一个控制器35连接，由控制器35提供一个信号来决定喷油时刻和喷油持续时间。第一喷油器34还与油轨37连接，油轨37向第一喷油器34供应从燃油系统39 (仅显示示意图)来的燃油。燃油系统39可以包含，例如燃油箱，燃油泵，通往油轨37的燃油管路，或者这些和其他可能组件的组合。任何类型的燃油系统39，只要能在预定的压力下向第一喷油器34提供足够的燃油都可以接受。油轨37最好有一个燃油压力传感器41，并与控制器35连接。控制器35最好由含电池(未显示)的电气系统供电，发电机或交流发电机最好由发动机输出的能量驱动，或其他可靠的电源供给。进一步的，在第一废气螺旋出口 20和进气环30之间，第一气缸水套18上有一个压力传感器安装凸台36，里面安装有第一缸体压力传感器38。第一缸体压力传感器38与控制器35连接。喷油器凸台32和压力传感器安装凸台36穿过第一气缸水套18延伸到主孔40，这样增加第一气缸水套18的长度。冷却液通道28、内部排气通道22及进气环30都与主孔40相通。进一步的，第一气缸总成14也包含了第一缸套42，它被压装并穿过第一气缸水套18的主孔40。第一缸套42有一个圆柱形的主孔定义为第一缸缸孔44。第一缸缸孔44的中心轴线沿着轴线运动的方向。第一缸套42还包含一系列成环形排列的排气口 46，它们处于第一缸缸孔44和第一气缸水套18的内部排气通道22之间，并连通两者。进一步的，靠近排气口 46，第一气缸水套18上面有一个靠近第一缸套42的冷却通道28。该冷却通道28与一系列被间隔开、螺旋形的筋48连接,筋48从第一缸套42的外表面沿径向向外延伸，并紧靠第一气缸水套18的主孔40，形成了一系列缸体冷却通道50。在这些筋48里面，有一个从第一缸缸孔44延伸到第一气缸水套18上面传感器安装凸台36的缸体测压孔52。使压力传感器38能进入第一缸缸孔44内，但压力传感器38需要密封，防止发动机冷却液进入。一个喷油器孔54和喷油器凸台32对齐，穿过筋48进入第一缸缸孔44。使第一喷油器34能直接喷射燃油进入第一缸缸孔44内。进一步的，第一缸套42还有一系列沿周向被隔开的进气口 56，与第一气缸水套18上的进气环30对齐，并通往第一缸缸孔44。靠近进气口 56，有一系列环形围绕第一缸套42被隔开的油雾孔58。进一步的，第一气缸总成14还包含一个第一空气腔60。第一空气腔60安装在第一缸套42上，靠近第一气缸水套18上的进气环30。一个进油管62穿过第一空气腔60与环形油雾腔64相通。环形油雾腔64环绕着第一缸套42上的油雾孔58。进油管62与一个油雾产生器(未显示)相通，油雾产生器与机油源相通，向环形油雾腔64提供油气混合物。机油源可以是机油供应系统(未显示)的一部分。机油供应系统可以包含例如机油泵、机油滤清器、机油冷却器、油底壳、用于传输机油的输油管路、或者这些零件和其他可能组件的组合。在发动机运转时，机油供应系统能与其他零部件一起，充分过滤机油，并向发动机供应足够的润滑油。进一步的，靠近并环绕第一缸套42的还有一个冷却环66。冷却环66与缸体冷却通道50相通，并与穿过第一空气腔60的冷却液出口管68相通。冷却液出口管68与上面提到的冷却系统(未显示)相通。第一空气腔60内有一对拉杆通道70和一个进气通道72，它们与第一气缸水套18上的进气环30相通。进一步的，第一气缸总成14还集成了第一扫气泵74。第一扫气泵74有一个安装在第一空气腔60上的扫气泵壳体76，位于第一缸套42的末端。扫气泵壳体76有一个主泵室78，通过它上面的进气口 80与进气室82相通，通过出气口 84与出气室86相通。主泵室78是圆柱形的，具有大致椭圆形的横截面。进一步的，一个进气簧片阀总成88和一个扫气泵进气盖90安装在进气室82上。进气盖90上有一个与进气系统(未显示)相通的进气口 92。进一步的，进气簧片阀总成88上的簧片阀94能够使进气盖90内的气流进入进气室82，但阻止气流向反方向流动。一个出气簧片阀总成89和扫气泵出气盖91安装在出气室86上。出气盖91内有一个进气通道93，使出气簧片阀总成89排出的空气通过第一空气腔60内的进气通道72进入进气环31内。出气簧片阀总成89内的簧片阀95能够使出气室86内的气流进入进气通道93内，但阻止气流向反方向流动。进一步的，第二气缸总成16有一个安装在液压泵体组件12上的第二气缸水套118。第二气缸水套118有一个靠近液压泵体组件12的第二废气螺旋出口 120。第二废气螺旋出口 120内部是环绕第二气缸水套118的内部排气通道122，内部排气通道122沿径向向外延伸到第二排气法兰124。第二排气法兰124与所述的排气系统(未显示)相通。第二气缸水套118上有一个靠近液压泵体组件12的冷却液入口 126，冷却液入口 126与环形延伸的冷却通道128相通。冷却液入口 126与冷却系统相通(未显不)。进一步的，从第二废气螺旋出口 120—侧来看，第二气缸水套118的另一端是一个环形延伸的进气环130，它内部是进气道131。靠近进气环130，第二气缸水套118上有一个喷油器凸台132，里面安装有第二喷油器134。第二喷油器134与控制器35连接，由控制器35提供一个信号来决定喷油时刻和喷油持续时间。第二喷油器134还与油轨37连接，油轨37向第二喷油器134供应从燃油系统39来的燃油。燃油系统39可以包含，例如燃油箱，燃油泵，通往油轨37的燃油管路。油轨37最好有一个与控制器35连接燃油压力传感器 141。进一步的，第二废气螺旋出口 120和进气环130之间，第二气缸水套118上有一个压力传感器安装凸台136，里面安装有第二缸体压力传感器138。喷油器凸台132和压力传感器安装凸台136穿过第二气缸水套118延伸到主孔140，这样增加了第二气缸水套118的长度。冷却通道128、内部排气通道122及进气环130都与主孔140相通。进一步的，第二气缸总成16也包含了第二缸套142，它被压装并穿过第二气缸水套118的主孔140。第二缸套142有一个圆柱形的主孔定义为第二缸缸孔144。第二缸缸孔144的中心轴线沿着轴线运动的方向。第二缸套142还包含一系列成环形排列的排气口146，它们处于第二缸缸孔144和第二气缸水套118的内部排气通道122之间，并连通两者。进一步的，靠近排气口 146，第二气缸水套118上面有一个靠近第二缸套142的冷却通道128。该冷却通道128与一系列被间隔开、螺旋形的筋148连接,筋148从第二缸套142的外表面沿径向向外延伸，并紧靠第二气缸水套118的主孔140，形成了一系列缸体冷却通道150。在这些筋148里面，有一个从第二缸缸孔144延伸到第二气缸水套118上面传感器安装凸台136的缸体测压孔152。使第二缸压传感器138能进入第二缸缸孔144内，但第二缸压传感器138需要密封，防止发动机冷却液进入。一个喷油器孔和喷油器凸台132对齐，穿过筋148进入第二缸缸孔144。使第二喷油器134能直接喷射燃油进入第二缸缸孔144 内。进一步的，第二缸套142还有一系列沿周向被隔开的进气口 156，与第二气缸水套118上的进气环130对齐，并通往第二缸缸孔144。靠近进气口 156，有一系列环形围绕第二缸套142被隔开的油雾孔158。进一步的，第二气缸总成16还包含一个第二空气腔160。第二空气腔160安装在第二缸套142上，靠近第二气缸水套118上的进气环130。一个进油管162穿过第二空气腔160与环形油雾腔164相通。环形油雾腔164环绕着第二缸套142上的油雾孔158。进油管162与一个油雾产生器(未显示)相通，向环形油雾腔164提供油气混合物。进一步的，靠近并环绕第二缸套142的还有一个冷却环166。冷却环166与缸体冷却通道150相通，并与穿过第二空气腔160的冷却液出口管168相通。冷却液出口管168与上面提到的冷却系统(未显示)相通。第二空气腔160内有一对拉杆通道170和一个进气通道172，它们与第二气缸水套118上的进气环130相通。进一步的，第二气缸总成16还集成了第二扫气泵174。第二扫气泵174有一个安装在第二空气腔160上的扫气泵壳体176，位于第二缸套142的末端。扫气泵壳体176有一个主泵室178，通过它上面的进气口 180与进气室182相通，通过出气口 184与出气室186相通。主泵室178是圆柱形的，具有大致椭圆形的横截面。一个进气簧片阀总成188和一个扫气泵进气盖190安装在进气室182上。进气盖190上有一个与进气歧管(未显示)相通的进气口 192。进气歧管接收从涡轮增压器或机械增压器过来的空气。进气簧片阀总成188上的簧片阀194能够使进气盖190内的气流进入进气室182，但阻止气流向反方向流动。进一步的，一个出气簧片阀总成189和扫气泵出气盖191安装在出气室186上。出气盖191内有一个进气通道193，使出气簧片阀总成189排出的空气通过第二空气腔160内的进气通道172进入进气环131内。出气簧片阀总成189内的簧片阀195能够使出气室186内的气流进入进气通道193内，但阻止气流向反方向流动。进一步的，在两个气缸总成内部有两个活塞组件，即内活塞组件200和外活塞组件250。内活塞组件200有一个安装在第一缸缸孔44内的第一内活塞202，第一内活塞202的活塞顶210朝远离液压泵体组件12的方向，后端211朝靠近液压泵体组件12的方向。第一内活塞202的尺寸是固定的，使其在下止点位置头部不会覆盖任何排气口 46，使排气口46对第一发动机气缸44完全开启；在上止点位置，尾部超出排气口 46，使其保持完全关闭。对于第二发动机气缸144内的第二内活塞也是一样。由此，第一内活塞202的外表面有三道活塞环槽，第一道环槽里面安装有气环204，第二道环槽里面安装有气环206，第三道环槽里面安装有油环208。所有的三道环设计成一定的尺寸，使其外表面贴紧第一缸缸孔44内壁，起到密封的作用。进一步的，第一内活塞202还有一系列沿轴向延伸的孔212，这些孔从第一内活塞202的后端211向活塞顶210延伸。每个孔212内装有一定量的钠化合物，孔212的端部有堵头214，用于密封钠化合物。进一步的，内活塞组件200有一个安装在第二缸缸孔144内的第二内活塞220，第二内活塞220的活塞顶222朝远离液压泵体组件12的方向，后端223朝靠近液压泵体组件12的方向。第二内活塞220的外表面与第二缸缸孔144之间有一个很小的间隙。由此,第二内活塞220的外表面有三道活塞环槽，第一道环槽里面安装有气环224，第二道环槽里面安装有气环226，第三道环槽里面安装有油环228。所有的三道环设计成一定的尺寸，使其外表面贴紧第二缸缸孔144内壁，起到密封的作用。进一步的，第二内活塞220还有一系列沿轴向延伸的孔230，这些孔从第二内活塞220的后端223向活塞顶222延伸。每个孔230内装有一定量的钠化合物，孔230的端部有堵头232,用于密封钠化合物。进一步的，第一内活塞202的中央位置有一个轴向延伸的孔216，里面有紧固螺栓218，第二内活塞220的中央位置有一个轴向延伸的孔234，里面有紧固螺栓226。螺栓218和236通过螺纹连接在推杆240的两端上，推杆240穿过液压泵体组件12。推杆240两端分别固定在第一内活塞202和第二内活塞220上，使第一内活塞202和第二内活塞220沿轴线方向同步运动。推杆240上有一处直径增大的区域，形成了一个内柱塞242。内柱塞242位于第一内活塞202和第二内活塞220的中间位置。进一步的，内活塞组件200还含有第一导杆244和第二导杆245，两个导杆都穿过液压泵体组件12，把第一内活塞202和第二内活塞220的后端211和223连接在一起。在发动机运转期间，第一导杆244和第二导杆245起到防止内活塞组件200旋转的作用。第一导杆244和第二导杆245上面有至少一个位置传感器，当发动机运转时，能确定内活塞组件200的轴向位置。传感器感应的方式可以采用在第一导杆244上安装第一组铜环246的形式。第二导杆245上面有第二组铜环247。第一导杆244上的位置传感器在读取数据时，第二导杆245可以作为位置校准传感器的一部分，以确保准确的读取内活塞组件200的轴向位置。进一步的，外活塞组件250上有一个位于第一缸缸孔44内的第一外活塞252，第一外活塞252的活塞顶254朝向第一内活塞202的活塞顶210,后端256朝向第一扫气泵的主泵室78。第一外活塞252的外表面与第一缸缸孔44之间有一个很小的间隙。由此，第一外活塞252的外表面有三道活塞环槽，第一道环槽里面安装有气环258，第二道环槽里面安装有气环260，第三道环槽里面安装有油环262。所有的三道环设计成一定的尺寸，使其外表面贴紧第一缸缸孔44内壁，起到密封的作用。进一步的，第一活塞销264安装在第一外活塞252的后端256上。第一活塞销264和第一外活塞252 —起运动,成为第一外活塞252的一部分。第一活塞销264上有一个椭圆部分266，它与第一扫气泵74的主泵室78内壁滑动接触并密封。椭圆部分266的小径稍微比第一外活塞252的活塞顶254直径小，但椭圆部分266的大径明显比第一外活塞252的活塞顶254直径大。第一拉杆头部268和第二拉杆头部269的沿着椭圆部分266的大径方向，位于第一外活塞252外部的径向向外的位置。进一步的，导杆凸台270位于第一活塞销264的中心位置，此中心位置处于第一外活塞252运动的轴线上。第三导杆271固定在第一扫气泵壳体76上，并从那里延伸出来。第三导杆271的外表面是圆柱形，它处于缸孔的中心位置，且轴线与运动轴线平行。第三导杆271的外表面套在导杆凸台270内部，使导杆凸台270能沿着第三导杆271滑动。由于第三导杆271是固定的，所以它相对于第一缸缸孔44的位置可以准确定位。因此，第三导杆271可以使第一活塞销264的位置、第一外活塞252相对于第一缸缸孔44的位置都可以准确的定位。进一步的，发动机运转期间，导杆凸台270在第三导杆271上滑动，使第一外活塞252在第一缸缸孔44内往复运动期间保持正确的方向，使只有气环258、气环260和油环262与第一缸缸孔44接触。由于运动的时候只有气环258、气环260和油环262及导杆凸台270与其他零件表面滑动接触，而第一外活塞252外表面未与第一缸缸孔44接触，所以产生的摩擦力非常小。进一步的，第一活塞销264的网状部分在导杆凸台270附近是打开的，但在第一拉杆头部268和第二拉杆头部269附近是闭合的。网状部分的开放区域为第一外活塞252内侧和主泵室78之间创造了空间，因此有效地增加了主泵室78的容积。网状部分的闭合区域位于第一外活塞252的外径，径向外侧。闭合区域使得第二次泵送运动变为可能，当第一活塞销264朝上止点运动时，通过上拉杆通道70和进气通道31泵气。进一步的，外活塞组件250上有一个位于第二缸缸孔144内的第二外活塞275，第二外活塞275的活塞顶276朝向第二内活塞220的活塞顶222，后端277朝向第二扫气泵的主泵室178。第二外活塞275的外表面与第二缸缸孔144之间有一个很小的间隙。由此,第二外活塞275的外表面有三道活塞环槽，第一道环槽里面安装有气环278，第二道环槽里面安装有气环279，第三道环槽里面安装有油环280。所有的三道环设计成一定的尺寸，使其外表面贴紧第二缸缸孔144内壁，起到密封的作用。进一步的，第二活塞销282安装在第二外活塞275的后端277上。第二活塞销282上有一个外部是椭圆部分283，它与第二扫气泵174的主泵室178内壁滑动接触并密封。椭圆部分283的小径稍微比第二外活塞275的活塞顶276的直径小，但椭圆部分283的大径明显比第二外活塞275的活塞顶276的直径大。第三拉杆头部284和第四拉杆头部285沿着椭圆部分283的大径方向，位于第一外活塞275外部的径向向外的位置。进一步的，导杆凸台286位于第二活塞销282的中心位置，第四导杆287固定在第二扫气泵壳体176上，并从那里延伸出来。第四导杆287的外表面是圆柱形，它处于缸孔的中心位置，且轴线与运动轴线平行。导杆凸台286能沿着第四导杆287滑动。由于第四导杆287相对于第二缸缸孔144是固定的，因此，第四导杆287可以使第二活塞销282的位置、第二外活塞275相对于第二缸缸孔144的位置都可以准确的定位。发动机运转期间，导杆凸台286在第四导杆287上滑动，使第二外活塞275在第二缸缸孔144内往复运动期间保持正确的方向，使仅有气环278、气环279和油环280与第二缸缸孔144接触。这样就使得摩擦力最小化，同时对活塞有适当的导向作用。进一步的，第四导杆287上也形成了位置传感器总成288的一部分，位置传感器总成288包含一个传感器杆289，传感器杆289上面至少有一个位置索引290，固定在第二外活塞275上并随之移动。传感器291安装在传感器杆289附近，并穿过第二扫气泵壳体176，通过电子接插件292，传感器291和控制器35连接。控制器35能利用传感器291输出的信号来判定外活塞组件250的位置和速度。进一步的，第二活塞销282包括一个网状部分，此部分在导杆凸台286周围是开放状态，在第三拉杆头部284和第四拉杆头部285附近是闭合状态。网状部分的开放区域在第二外活塞275套筒内侧创造了开放空间。闭合区域使得第二次泵送运动变为可能，当第二活塞销282朝上止点运动时，通过上拉杆通道170和进气通道131泵气。进一步的，外活塞组件250也含有第一拉杆293和第二拉杆294。第一拉杆293连接第一活塞销264上的第一拉杆头部268和第二活塞销282上的第三拉杆头部284。由于第一活塞销264和第二活塞销282是椭圆形的，第一拉杆293能使它们结合在一起平行于轴线运动，而不影响发动机气缸的工作。进一步的，第一拉杆293有一端直径较大的区域，形成了第一外柱塞295。第一外柱塞295位于液压泵体组件12上，处于第一活塞销264和第二活塞销282的中间位置。第一拉杆套筒272套在第一拉杆293外面，处于液压泵体组件12和第一气缸水套18之间，第二拉杆套筒274套在第一拉杆293上，处于液压泵体组件12和第二气缸水套118之间。第一拉杆套筒272和第二拉杆套筒274确保第一拉杆293被完全的封闭在发动机部件里面，阻止污染物接触和干涉第一拉杆293的运转。进一步的，第二拉杆294连接第一活塞销264上的第二拉杆头部269和第二活塞销282上的第四拉杆头部285。第二拉杆294有一段直径较大的区域，形成了第二外柱塞296。第二外柱塞296位于液压泵体组件12上,处于第一活塞销264和第二活塞销282的中间位置。第三拉杆套筒273套在第二拉杆294外面，处于液压泵体组件12和第一气缸水套18之间，一个带位置传感器的第四拉杆套筒281套在第二拉杆294上，处于液压泵体组件12和第二气缸水套118之间。第三拉杆套筒273和第四拉杆套筒281确保第二拉杆294被完全的封闭在发动机部件里面，阻止污染物接触和干涉第二拉杆294的运转。进一步的，第二拉杆294上面还安装在它上面的、被间隔开的铜环298，并位于用于位置探测的第四拉杆套筒281里面。第四拉杆套筒281里面包含一个靠近铜环298的传感器总成297。传感器总成297与控制器35连接，用于探测铜环298的位置。控制器35利用传感器总成297输出的信号来校正另一个传感器291，因此能确保精确探测外活塞组件250的位置和速度。进一步的，为了确保最佳的运转特性，发动机需要保持平衡。为了使发动机保持平衡，外活塞组件250的总质量，即与第一外活塞252和第二外活塞275 —起运动的所有零件的总质量，必须等同于内活塞组件200的总质量，即与第一内活塞202和第二内活塞220 —起运动的所有零件的总质量。另外，为了平衡发动机，推杆240的内柱塞242的液压面积与第一拉杆293和第二拉杆294的第一外柱塞295和第二外柱塞296的总液压面积相等且第一外柱塞295的液压面积还要与第二外柱塞296的液压面积相等。因而，内活塞组件200和外活塞组件250上不同零件可以选择适当的材料来确保耐热性及强度特性，同时确保总成的质量平衡。例如，第一内活塞202、第二内活塞220和推杆240可以用铸铁制造,第一拉杆293和第二拉杆294也可以用铸铁制造，第一外活塞252和第二外活塞275可以用铝合金制造，椭圆形状的第一活塞销264和第二活塞销282可以用钢制造。如果需要，其它合适的材料也可以应用。进一步的，液压泵体组件12位于第一气缸总成14和第二气缸总成16之间，它包含一个用钢质的泵体302，泵体302上面形成了很多液压端口和通道如冷却液通道、润滑油油槽和通道等。进一步的，泵体302上有一个推杆240穿过的推杆孔304。内柱塞242的密封件环形围绕推杆孔304。推杆孔304的两端也对推杆240进行密封且一端采用密封堵头309来密封。这些密封件使内柱塞242的一侧形成了一个内泵送室306，另一侧形成了一个内耦合泵送室308。进一步的，泵体302上还有一个第一拉杆293穿过的第一拉杆孔310，及第二拉杆294穿过的第二拉杆孔312。第一外柱塞295的密封件周向围绕第一拉杆孔310，第二外柱塞296的密封件周向围绕第二拉杆孔312。第一拉杆孔310的各端都设计成便于密封的形状，第一拉杆293的一端利用密封堵头311来密封。第一拉杆孔310和第一拉杆293 —起在第一外柱塞295的一侧形成了第一外泵室314，在另一侧形成了第一外耦合泵室316。第二拉杆孔312的各端都设计成便于密封的形状，第二拉杆294的一端利用密封堵头313来密封。第二拉杆孔312和第二拉杆294 —起在第二外柱塞296的一侧形成了第二外泵室318，在另一侧形成了第二外耦合泵室320。进一步的，内耦合泵送室308和第一外耦合泵室316通过第一交叉连接通道322连通。另外，内耦合泵送室308和第二外耦合泵室320通过第二交叉连接通道323连通，故内率禹合泵送室308、第一外稱合泵室316和第二外稱合泵室320处于相互连通的状态。
进一步的，低压通道324和一个节流器326，使第二交叉连接通道323与第一耦合调节阀328连通。第一耦合调节阀328与液压系统329 —侧的低压储油池330连通。第一耦合调节阀328可以切换位置，使流体从第二交叉连接通道323进入低压储油池330，还可以切换一个位置，阻止流体通过。高压通道332和一个节流器334，使第一交叉连接通道322与第二耦合调节阀336连通。第二耦合调节阀336与液压系统329 —侧的高压储油池338连通。第二耦合调节阀336可以切换位置，使流体从高压储油池338进入第一交叉连接通道322，还可以切换一个位置，阻止流体通过。第一耦合调节阀328和第二耦合调节阀336与控制器35连接，并由其控制。进一步的，泵体302上的共振器通道340连接了第二交叉连接通道323和亥姆霍兹共振器342。亥姆霍兹共振器342是设定好的，用来阻尼流体通过第一交叉连接通道322和第二交叉连接通道323在内耦合泵送室308、第一外耦合泵室316和第二外耦合泵室320内来回流动时产生脉动。如果需要，亥姆霍兹共振器342可以从发动机上移除。进一步的，第一交叉连接通道322和第二交叉连接通道323，以及与它们连接的液压元件，形成了一个液压回路，液压使内活塞组件200的运动与外活塞组件250同步。因为，当第一耦合调节阀328和第二耦合调节阀336关闭时，内耦合泵送室308、第一外耦合泵室316和第二外耦合泵室320及第一交叉连接通道322和第二交叉连接通道323的内部充满了被压缩的流体(例如液压油)，这个体积保持不变。每直线移动一定距离，推杆240的内柱塞242内的流体体积变化量是第一拉杆293和第二拉杆294的第一外柱塞295和第二外柱塞296内各自流体体积变化量的2倍。因此，如果内活塞组件200向右移动1mm，从内耦合泵送室308里面流出的流体使外活塞组件250向左移动1mm，以便第一外耦合泵室316和第二外耦合泵室320接收这些流体。这可以确保，即使没有机械地固定内活塞组件200和的外活塞组件250的运动，它们也会精确的进行相对运动。因此，内活塞组件200和的外活塞组件250能同时到达上止点和下止点。进一步的，如果密封件泄露使耦合器内流体的体积改变，根据需要，第一耦合调节阀328和第二耦合调节阀336可以增加或减少耦合器里面的流体体积。虽然上面描述的是使内活塞组件200和的外活塞组件250联动的液压系统，其他机械装置如果可以确保内活塞组件200和的外活塞组件250相对运动，也可以应用。进一步的，液压泵体组件12上有一对位于泵体302底部，穿过泵体302与油底壳346相通的进油管344和345。液压泵体组件12上很多运动件都在油底壳346上部，以便于能够飞溅润滑运动件，特别是第一内活塞202、第二内活塞220沿第一缸缸孔44和第二缸缸孔144滑动的部分。油底壳346上还有一个回油出口 348。进油管344和345和回油出口 348都与供油系统(未显示)相通。当第一内活塞202和第二内活塞220往复运动时，油底壳346也能够使活塞后端的空气能够来回的移动。进一步的，冷却液入口 350位于泵体302的底部，与一系列分布在泵体302各处的冷却通道352相通，再与安装在泵体302顶部的两个冷却液出口 354相通。冷却液入口 350和冷却液出口 354与冷却系统(未显示)相通。冷却液在泵体302内部流动，以确保发动机运转期间运动件不过热。进一步的，液压泵体组件12还包含一个安装在泵体302顶部的低压油轨356，低压油轨356上的低压油轨端口 358通过液压管路与低压储油池330相通。低压油轨356与三组低压单向阀，即内部单向阀360、第一外部单向阀362、第二外部单向阀363相通。内部单向阀360通过一个通道364与内部泵室306相通，内部单向阀360只允许流体从低压油轨356流向内部泵室306。第一外部单向阀362通过通道365与第一外部泵室314相通,第一外部单向阀362只允许流体从低压油轨356流向第一外部泵室314。第二外部单向阀363通过通道366与第二外部泵室318相通，第二外部单向阀363只允许流体从低压油轨356流向第二外部泵室318。内部单向阀360含有四个单独的阀门，第一外部单向阀362和第二外部单向阀363各有两个阀门，如果需要，可以采用不同数量的阀门。但是内部单向阀360的流通面积必须是第一外部单向阀362和第二外部单向阀363各自流通面积的2倍，因为内柱塞242的泵送能力必须是第一外柱塞295和第二外柱塞296各自泵送能力的2倍。进一步的，泵体302底部安装有高压油轨368，高压油轨368上的高压油轨端口369通过液压管路与高压储油池338相通。高压油轨368与三组高压单向阀，即内部单向阀370、第一外部单向阀371、第二外部单向阀372相通。内部单向阀370通过一个通道373与内部泵室306相通，内部单向阀370只允许流体从内部泵室306流向高压油轨368。第一外部单向阀371通过通道374与第一外部泵室314相通，第一外部单向阀371只允许流体从第一外部泵室314流向高压油轨368。第二外部单向阀372通过通道375与第二外部泵室318相通，第二外部单向阀372只允许流体从第二外部泵室318流向高压油轨368。同样，内部单向阀370的流通面积必须是第一外部单向阀371和第二外部单向阀372各自流通面积的2倍。进一步的，低压油轨356上安装有压力传感器376，用于检测低压油轨356内流体的压力。同样，高压油轨368上安装有压力传感器377，用于检测高压油轨368内流体的压力。压力传感器376和377都与控制器35连接，用于接收和处理压力信号。进一步的，一个液压起动控制阀379安装在泵体302上，并靠近低压油轨356的地方。这里的液压起动控制阀379只是示意性的表示出来。液压起动控制阀379通过泵体302上的四个端口与泵体302连接，四个端口分别是高压端口 380、低压端口 381、内部泵室端口 382、外部泵室端口 383。高压端口 380通过一个流体通道与高压油轨368相通，低压端口 381通过一个流体通道与低压油轨356相通。内部泵室端口 382通过第一开启及溢流通道384与内部泵室306相通，外部泵室端口 383通过第二开启及溢流通道385与第一外部泵室314和第二外部泵室318相通。进一步的，液压起动控制阀379可以使高压端口 380与内部泵室端口 382连通，同时低压端口 381与外部泵室端口 383连通。液压起动控制阀379还可以使低压端口 381与内部泵室端口 382连通，同时高压端口 380与外部泵室端口 383连通。第三种状态下，液压起动控制阀379堵塞高压端口 380、低压端口 381与内部泵室端口 382、外部泵室端口 383的之间通道。控制器35可以控制液压起动控制阀379的工作状态。进一步的，液压泵体组件12上可能也含有活塞挡圈，它在活塞行程的各个末端设置了一个最大距离。这些挡圈起到作用是由于自由活塞式发动机活塞的运动是由平衡力决定，而不是固定的机械途径。内活塞组件200的活塞挡圈包含位于推杆240上内柱塞242各端的第一径向台阶388，它与泵体302及密封堵头309上中心孔304各端的第一径向台阶部分389配合。第一径向台阶388与第一径向台阶部分389的相对位置决定着内活塞组件200在各方向上的最大行程。如果第一径向台阶388与第一径向台阶部分389相接触，活塞在这个方向的运动将会停止。进一步的，外活塞组件250上的活塞挡圈包含径向台阶390和391，它们各位于第一拉杆293和第二拉杆294的第一外柱塞295和第二外柱塞296的各端,且被隔开。泵体302和密封堵头311和313与内活塞组件200上的有着相同的结构，包含径向台阶部分392和393,各位于第一拉杆孔310和第二拉杆孔312的另一端。进一步的，另一个替代方案是去掉活塞挡圈。这样，第一内活塞202的活塞顶部210会撞击第一外活塞252的活塞顶部254，在一个方向上会起到挡圈的作用，而第二内活塞220的活塞顶部222会撞击第二外活塞275的活塞顶部276，在另一个方向上会起到挡圈的作用。由于活塞顶有较大的面积用来碰撞，而且当活塞碰撞前，缸内的压力会急剧上升，会减缓碰撞的速度。进一步的，液压泵体组件12也包含一对位置传感器。第一位置传感器395安装在泵体302上，位于第一导杆244上第一组铜环246部分的附近。第二位置传感器396安装在泵体302上，位于第二导杆245上第二组铜环247部分的附近。第一位置传感器395、第二位置传感器396与控制器35连接，并向其提供位置信号。控制器35从第一位置传感器395得到信号，从而能得知内活塞组件200的位置和速度。第二位置传感器396提供的信号用于校正第一位置传感器395的信号。进一步的，发动机的工作原理，由于发动机是自由活塞式发动机10，活塞的运动是由作用在内活塞组件200和外活塞组件250上的力的平衡来决定的。主要的作用力有:对置气缸第一缸缸孔44和第二缸缸孔144内的缸内压力，各运动件产生的摩擦力，扫气，内活塞组件200和外活塞组件250运动时的惯性力，柱塞242、第一外柱塞295和第二外柱塞296产生的任何负载。因此，为了维持活塞的往复运动，内活塞组件200和外活塞组件250必须在正确的时间接收大小合适的输入力。在第一缸缸孔44和第二缸缸孔144内的燃烧过程中，活塞的往复运动必须足够实现所需的压缩。通过输入力来控制内活塞组件200和外活塞组件250的运动，特别是接近行程的末端活塞的上止点位置的运动，因此能控制压缩比。而且，压缩比的变化使均质燃烧更容易实现，因为压缩比需要根据发动机运行工况使燃烧室做出改变。由于平衡力必须精确的定时和受控，对于发动机效率和维持发动机运转来说，控制器35监视和驱动发动机部件是很关键的。进一步的，发动机起动前，液压系统329的高压储油池338里面的流体处于相对高压状态，例如，有35000KPa 42000KPa。液压系统329的低压储油池330里面的流体处于相对低压状态，例如，有350KPa 420KPa。进一步的，发动机起动后，控制器35给液压起动控制阀门379通电，根据发动机的运转情况，液压起动控制阀门379在第一阀门位置和第二阀门位置间交替变化。第一阀门位置状态是高压端口 380与内部泵室端口 382相通，低压端口 381与外部泵室端口 383相通；第二阀门位置状态是高压端口 380与外部泵室端口 383相通，低压端口 381与内部泵室端口 382相通。进一步的，在液压起动控制阀379处于第一阀门位置时，高压储油池338内的流体会被压入内泵室306内，推动240上的内柱塞242向右移动，因此使整个内活塞组件200开始向右移动。这将使内部耦合泵室308内的流体通过第一交叉连接通道322和第二交叉连接通道323被压入第一外部耦合泵室316和第二外部耦合泵室320内。这将使第一拉杆293和第二拉杆294上的第一外柱塞295和第二外柱塞296各自向左移动，因此使整个外活塞组件250开始向左移动。当外活塞组件250向左移动时，第一外泵室314和第二外泵室318内的流体将会通过液压起动控制阀379被压入低压储油池330内。进一步的，内活塞组件200和外活塞组件250的相对运动会使第一缸缸孔44内的第一外活塞252和第一内活塞202同时朝它们各自的下止点位置移动，同时，第二缸缸孔144内的第二外活塞275和第二内活塞220会同时朝它们各自上止点运动。内活塞组件200和外活塞组件250都沿着一个单一的、直线的运动轴线来回运动。这个唯一的运动轴线延伸穿过两个气缸的中心，如图10、11中第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上双箭头所示。进一步的，在液压起动控制阀379处于第二阀门位置时，高压储油池338内的流体会被压入第一外泵室314和第二外泵室318内，使第一拉杆293和第二拉杆294上的第一外柱塞295和第二外柱塞296各自向右移动，因此使整个外活塞组件250开始向右移动。使第一外部耦合泵室316和第二外部耦合泵室320内的流体通过第一交叉连接通道322和第二交叉连接通道323被压入内部耦合泵室308内。这将使推动推杆240上的内柱塞242向左移动，因此使整个内活塞组件200开始向左移动。当内活塞组件200向左移动时，内泵室306内的流体会通过液压起动控制阀379被压入低压储油池330内。进一步的，内活塞组件200和外活塞组件250的相对运动会使第一缸缸孔44内的第一外活塞252和第一内活塞202同时朝它们各自的上止点位置移动，同时，第二缸缸孔144内的第二外活塞275和第二内活塞220会同时朝它们各自下止点运动。进一步的，通过精确、快速的转换液压起动控制阀379的三个阀门位置，内活塞组件200和外活塞组件250可以实现在第一缸缸孔44和第二缸缸孔144内交替进行压缩。控制器35通过监控位置传感器288和395，得到内活塞组件200和外活塞组件250的位置和速度信息。控制器35应用这些信息来在适当的时候转换液压起动控制阀379的阀门，使第一缸缸孔44和第二缸缸孔144内实现需要的压缩比。通过以上可以得知，在发动机起动阶段，液压起动控制阀379控制着内活塞组件200和外活塞组件250的运动，这可以使内活塞组件200和外活塞组件250根据发动机运转需要进行运动。进一步的，发动机像二冲程发动机一样运转，没有任何单独的阀门机构来打开和关闭第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上的进气口和排气口。因此,压缩、燃烧(包含点燃)、膨胀、燃油和空气混合物的换气(包含进气和排气)都在活塞的两个冲程内完成。这样的布置使运动件数量最少化，同时使发动机10的整体尺寸最小化。为了使该发动机有效运转，然而，排气压力的不同是肯定-及，比排气背压更高的进气压力-需要的。上述进气系统可以提供此进气压力。进一步的，内活塞组件200的运动使第一内活塞202和第二内活塞220有选择的打开和关闭第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上的排气口 46和146。外活塞组件250的运动使第一外活塞252和第二外活塞275有选择的打开和关闭第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上的进气口 56和156，同时第一活塞销164和第二活塞销282为进气增压。外活塞组件250的运动使第一外活塞252和第二外活塞275有选择的打开和关闭第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上的喷油器34和134。因此，液压起动控制阀379控制内活塞组件200和外活塞组件250的运动，使增压空气进入第一缸缸孔44和第二缸缸孔144内，使燃油进入气缸内与增压空气混合，并充分地压缩使燃烧发生。虽然，最初的燃烧设备，并没有利用排气驱动的涡轮增压器27。但这些都能通过改变压缩比，喷油，或者其他参数知道排气能驱动涡轮25。进一步的，通常燃烧过程在正常工作状态，即均质压燃下进行的，利用发动机可变压缩比的优点使发动机进行高效率的燃烧。由于有较高的压缩比，均质压燃过程中，均匀的油气混合物可以自动点燃；也就是说，预混合的油气混合物被压缩加热到自动点火的温度。由于均质压燃过程中混合气是自燃的，所以油气混合物内部就形成了很多个燃点，可以确保快速燃烧，由于不再需要火焰传播，这使得可以采用低的当量比(实际空燃比与理论空燃比的比值)。提高热效率同时降低气缸最高温度的优点是，与传统类型内燃机相比，显著降低了氮氧化合物的形成。如果需要，各气缸上可以安装火花塞，发动机可以像火花点燃的内燃机一样运转。进一步的，在均质压燃过程中，发动机正常运转期间，第一外活塞252的运动不仅使第一缸缸孔44能够进气，而且决定了进气口 56和第一喷油器34开启的时刻和持续时间。当第一外活塞252朝它的上止点运动时，第一扫气泵74的主泵室78的体积在变大，使空气通过进气簧片阀94进入主泵室78内。同时，第一活塞销264网状区域的闭合区域压缩空气通过拉杆通道70，进气道31和进气门56，并进入第一外活塞252完全覆盖进气门56。虽然进气道31因为主扫气泵的作用已经包含了进气增压气体，网状区域将有助于通过第二次泵送将其送到第一缸缸孔44内。所以，第一扫气泵74为进气压力提供了重要的推进，增加了进气密度。进一步的，第一外活塞252到达上止点后，特别是在燃烧后的运动，使主泵室78的体积在变小，里面的空气被压缩和挤出，并通过出气簧片阀95进入进气通道93和72及进气环31内。当第一外活塞252继续向它的下止点位置运动，将会打开进气口 56，使进气环31内的压缩空气流入第一缸缸孔44内。同时,第一喷油器34也会暴露在第一缸缸孔44内。控制器35将会激活第一喷油器34,使燃油被喷入气缸内。控制器35利用位置传感器291和燃油压力传感器41来决定喷油的时刻和喷油持续时间。进一步的，第一外活塞252到达下止点后，再次向它的上止点运动。在运动过程中，第一外活塞252将关闭第一缸缸孔44内的进气口 56和喷油孔54。第一外活塞252继续向上止点运动时，油气混合物会被压缩。应当注意，第一喷油器34直接把燃油喷入第一缸缸孔44内，但它没有直接暴露在燃烧中，因为当第一外活塞252在接近上止点位置时，第一喷油器34会被第一外活塞252遮挡住。进一步的，由于第二缸缸孔144的运转情况与第一缸缸孔44相反，第一缸缸孔44内的燃烧使第一内活塞202和第二内活塞252向彼此远离的方向运动，而第二缸缸孔144内的燃烧使第一内活塞202和第二内活塞252向彼此靠近的方向运动(导致第一缸缸孔44内的压缩)，因此使发动机的工作循环得以持续。考虑到发动机运转时的各种工况，通过燃烧前控制燃油的喷射来维持发动机的运转。控制燃油喷射可以用来控制活塞行程的长度，活塞的行程必需足够以获取燃烧所需的压缩比，但要避免与活塞挡圈碰撞。当然有会有偶然情况发生，如偶尔未燃、系统不平衡或其它情况，这时，液压起动控制阀门379起作用，与燃油控制措施一起来纠正活塞的运动。这不仅包含在给定运转工况下提供适当的压缩比，还包含在上止点或上止点后发生自燃以避免浪费燃烧能量使内活塞组件200和外活塞组件250的运动方向改变。
进一步的，发动机正常运转期间，当燃烧使内活塞组件200和外活塞组件250往复运动时，推杆240和第一拉杆293、第二拉杆294使柱塞242、第一外柱塞295和第二外柱塞296在它们各自孔304、310和312内往复运动。当内活塞组件200向右移动，内柱塞242的运动使内部低压单向阀360打开，使流体从低压油轨356进入内部泵室306内。低压储油池330会补充从低压油轨356内流出的流体。低压油轨356内储存的流体及低压储油池330补充低压油轨356的能力必须足够以维持流体通过低压单向阀360，否则，会出现气穴现象。进一步的，外活塞组件250向左运动的同时，第一外柱塞295和第二外柱塞296使在第一外部泵室314和第二外部泵室318内的流体通过第一外部高压单向阀371和第二外部高压单向阀372进入高压油轨368内，高压油轨368内等量的流体再进入高压储油池338内。高压储油池338内的高压流体可以作为发动机运转的能量储存源，也可以驱动其他部件和系统。由于液压油可用能量是液压油压力和流量的函数，在最初设计发动机相关尺寸时，可以利用所需的输出能量来决定活塞的行程、活塞的频率或液压泵柱塞的尺寸。一般来说，运动的活塞总成质量越大，发动机最佳的运转频率越低。进一步的，在发动机运转期间内活塞组件200向右运动时，内柱塞242泵出内部耦合泵室306内的流体并进入第一外部耦合泵室316和第二外部耦合泵室320内。就如上述，这使内活塞组件200和外活塞组件250维持一种相对运动状态。如果位置传感器288和395探测到内活塞组件200和外活塞组件250没有在缸孔居中位置，那么第一耦合调节阀门328和第一耦合调节阀门336中的一个会被激活来调整活塞的偏移。进一步的，在发动机下一个冲程期间，当内活塞组件200向左移动时，内柱塞242产生的压力流体会打开内部高压单向阀370，使流体进入高压油轨368，进而进入高压储油池338。同时，外部活塞总成250向右移动，第一外柱塞295和第二外柱塞296使低压油轨356内的流体通过第一外部低压单向阀362和第二外部低压单向阀363。在发动机这个冲程期间，第一外柱塞295和第二外柱塞296会把第一外部稱合泵室316和第二外部稱合泵室320内的流体泵入内部耦合泵室306内。进一步的，由于内活塞组件200和外活塞组件250运动方向总是相反的，内柱塞242与第一外柱塞295、第二外柱塞296的运动方向也总是相反的，因此在发动机每个冲程中，只有内柱塞242或第一外柱塞295、第二外柱塞296中一个向高压储油池338泵油。在每种情况下，都会向I禹合系统泵油。另一方面，如果想使内柱塞242、第一外柱塞295和第二外柱塞296在两个方向都向高压储油池338泵油，需要应用不同的耦合系统。进一步的，发动机运转期间，除了发动机内部的子系统工作外，发动机外部系统也会按需要来工作以维持发动机的运转。因此，冷却系统按需要泵送冷却液通过冷却通道28、50、128、150、352和冷却环66、166以确保发动机元件不过热。另外，燃油系统39将会储存燃油并为第一喷油器34和第二喷油器134提供所需压力的燃油。电气系统将会为控制器35、传感器和其他部件提供电源以使其工作。润滑系统会为发动机提供所需润滑油以润滑某些零部件。发动机运转期间，进气系统会为进气口 92和192提供所需的清洁空气。进一步的，虽然这里详细讨论的对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的实施例利用一个液压流体作为能量储存和控制介质，但是对置活塞对置气缸自由活塞式发动机可利用直流发电机来控制发动机和产生电能。液压泵壳体组件12将由直流发电机组件代替，推杆和拉杆形成发电机的一部分或者驱动发电机部件。上述气缸总成将运转产生热量来驱动直流发电机。所以，均质燃烧过程中，在空气充足的情况下，也可以应用直流发电机。如图16所示本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的第二实施例的局部透视图。在此是实例中，第二发动机408本质上与第一实施例相同，除了气缸罩410包含了一个火花塞凸台412，火花塞414安装在凸台上。气缸套(图中未示)包含一个与火花塞凸台412相通的通道，这样火花塞414就能伸入缸内。火花塞414位于气缸内活塞之间，与压力传感器38分开。火花塞414的末端与一个电控喷油系统(图中未不)相连，通过控制器35控制(图中未示)。本实施例中的对置的两个气缸都含有上述结构的火花塞布置。进一步的，第二发动机408的结构与第一实施例中的发动机10相似。由于增加了火花塞414所以第二发动机408的结构变得更加复杂消耗也更大，同时也增加了第二发动机408在运作和启动时的灵活性和适应性。在第二发动机408启动过程中，如果气缸压缩比未达到均质压燃燃烧所需，这时火花塞414就能够在或在临近每个气缸上止点的时候点火。这样就可能会相对一般发动机提前运作，当涡轮增压器没有满负荷运作的时候。在这种情况下，进气压力能比二冲程均质压燃燃烧模式需要的要少。进一步的，在一般发动机运行过程中，第二发动机408可能在火花塞141点火和均质压燃燃烧之间进行交换。在这个转换过程中，空燃比和压缩比可以适应发动机不同模式的运作。此外，如果，在一般均质压燃的发动机运行过程中，一个燃烧过程并未完成，火花就能点燃并促进后一个燃烧过程以此避免气缸内的燃油堆积和避免燃油进入排气系统。或者，如果均质压燃燃烧并不是此发动机需要的，第二发动机408也可以在一般运作模式下利用火花塞414点火。不论哪一个，涡轮增压器和扫气泵进气增压系统都能为其提供所需进气增压。进一步的，虽然液压油用作储存能量的介质并且关闭控制阀，可根据需要选择其它合适的流体。例如，流体可能是气体，有一个空气储能系统。流体也可能是一个冷却剂，可以是液态的或者气态的。上述两个例子，因为流体不再是流体(不可压缩的)，通过耦合系统保证两个活塞组件对置运动的进行。然而，对置活塞对置气缸自由活塞式发动机，由其是有均质压燃燃烧的，依旧能够利用流体介质来储存能量。进一步的，上述关于对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的实施例，有一个涡轮增压器27和扫气泵74和174，用作给对置活塞对置气缸自由活塞式发动机进气增压，通过直流电机控制发动机并为其供电。液压泵塞逐渐将取代一个直流电机组件，有拉和推杆。活塞/气缸左键一包括扫气泵一将燃烧过程产生的能量驱动直流电机。所以，均质压燃燃烧，有高质量增压空气，依旧与对置活塞对置气缸自由活塞式发动机耦合直流电机一起运作，并未给发动机提供最大功率。如图19所示本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的第四实施例的进气增压系统，在此实施例中进气系统同样包括一个涡轮增压器27，有一涡轮机25，涡轮增压器27通过排气增压泵与进气系统29相连，一个压缩机97通过涡轮机25驱动并从进气系统87进气。压缩机97的排气口导入第一扫气泵74和第二扫气泵174。第一扫气泵74和第二扫气泵174将气体扫出单向阀95和195，当增压气体在进气门打开时进入第一缸缸孔44和第二缸缸孔144时。对置活塞对置气缸自由活塞发动机10的结构和细节与第一实施例相同。进一步的，在第一实施例中大多数排气还是被导入涡轮机25，在此实施例中一部分则被导入废气再循环系统装置中。第一废气再循环组件502包括有一个可变热交换器504，用于冷却排气，并有一个可变阀506，用于控制排气气流。第一废气再循环组件502将排气导入进气流。第一废气再循环组件502在涡轮增压器27和第一扫气泵74之间，这样就能避免经过废气再循环处理后的气体流入旋转压缩机。第二废气再循环组件508包括一个第二可变热交换器510和第二可变阀512，与第一废气再循环组件502相同，但是将废气再循环处理后气体导入第二扫气泵174。可变热交换器504和第二可变热交换器510，可变阀506和第二可变阀508都通过电控原件35控制(图中未示)。进一步的，这第四个实施例在第一缸缸孔44和第二缸缸孔144中提供的对废气再循环气体进行冷却的能力以及控制进入气缸内的燃烧过程的能力在管理的发动机的运转条件下废气再循环气体的量时允许的更大的灵活性。虽然第一实施例的具有大致固定的进入的废气再循环气体量没有进入的废气冷却，但是，它提供了 一个不太复杂的，成本更低的废气再循环气体系统。另外，外部废气再循环气体系统可应用与本发明的第二和第三实施例。如图20所示本发明一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统的第四实施例的进气增压系统，对置活塞对置气缸自由活塞发动机10的细节在图中未示，其结构和细节与第一实施例相同。此实施例与第四实施例相似，涡轮增压器27包含一个涡轮机25，通过排气驱动并进入排气系统29。涡轮机25驱动压缩机97，将从进气系统87进入的气体增压。此实施例还有第一废气再循环组件502和第二废气再循环组件508来完成排气的冷却和再循环。本实施例中结合成一体的两个自由活塞发动机的排气和进气系统。进一步的，从各个气缸排除的废气被导回进入涡轮增压器27。如第四实施例中所示，一部分排气通过第一废气再循环组件502和第二废气再循环组件508并重新回到进气系统中。进一步的，具体说来，压缩器97的排气不仅被导入第一扫气泵74和第二扫气泵174，还被导入第三扫气泵602和第四扫气泵604。第一扫气泵74将增压气体打入第一中冷器606，它可以位于如图所示单向阀上面，也可能位于该阀的下面。第一中冷器606在增压气体进入第一缸缸孔44之前对其进行冷却，因此提高了缸内压力密度。第一中冷器606也可以是可变的，当其被控制器35控制的时候(图中未示)。第二扫气泵174将增压气体导入第二中冷器608内，第二中冷器608中冷器将在增压气体通过单向阀195进入第二缸缸孔144之前对其进行冷却。进一步的，第三扫气泵602将增压气体导入第三中冷器610内，气体进入第三缸缸孔614前通过单向阀612，它也是第二自由活塞式发动机的一部分。第四扫气泵604将增压气体导入第四中冷器616内，气体进入第四缸缸孔620之前通过单向阀618，它同样也是第二自由活塞式发动机的一部分从四个气缸，第一缸缸孔44、第二缸缸孔144、第三缸缸孔614和第四缸缸孔620排除的废气被导回进入涡轮增压器涡轮。如第四实施例中所示，一部分排气通过排气再循环左键502和508并重新回到进气中。同时，如果有需要，此实施例中的第一中冷器606和第二中冷器608也可以用作第四实施例的进气增压系统。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其特征在于，包括由液压泵体组件、第一气缸总成、第二气缸总成组成的自由活塞式发动机，所述第一气缸总成连接于所述液压泵体组件的一侧，所述第二气缸总成连接于所述液压泵体组件的另一侧；所述第一气缸总成包括第一发动机气缸，所述第二气缸总成包括第二发动机气缸；所述第一发动机气缸连接有第一扫气泵，所述第一扫气泵包括第一进气口、第一出气口和第一泵室，所述第一泵室可选择地连接所述第一进气口和所述第一出气口 ；所述第二发动机气缸连接有第二扫气泵，所述第二扫气泵包括第二进气口、第二出气口和第二泵室，所述第二泵室可选择地连接所述第二进气口和所述第二出气口； 一个内活塞组件，包括分别设于所述第一发动机气缸和所述第二发动机气缸内的第一内活塞和第二内活塞，所述第一内活塞与所述第二内活塞通过连接于所述液压泵体组件上的推杆固定，所述第一内活塞与所述第二内活塞的顶部朝向远离所述液压泵体组件的方向； 一个外活塞组件，包括分别设于所述第一发动机气缸和所述第二发动机气缸内的第一外活塞和第二外活塞，且分别与所述第一内活塞与所述第二内活塞对置设置，所述第一外活塞和所述第二外活塞的顶部分别朝向所述第一内活塞和所述第二内活塞，所述第一外活塞的尾部连接第一活塞销， 所述第二外活塞的尾部连接第二活塞销； 所述进气系统还包括一个涡轮增压器，所述涡轮增压器包括一个涡轮机，所述涡轮增压器通过排气增压泵连入所述进气系统，一个压缩机通过所述涡轮机驱动而从所述进气系统进气，所述压缩机的排气口导入第一扫气泵和第二扫气泵。
2.如权利要求1所述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其特征在于，第一拉杆连接所述第一活塞销以驱动所述第一外活塞，第二拉杆连接所述第二活塞销以驱动所述第二外活塞。
3.如权利要求1所述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其特征在于，所述第一气缸总成设有第一进气道和与其相连的第一进气门，所述第一活塞销上包含一对闭合区域，每个所述闭合区域都有一边与所述第一进气道相连。
4.如权利要求1所述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其特征在于，还包括一个中间冷却换热器，所述中间冷却换热器设有一个与所述第一扫气泵的排气口相连的进气口，以及一个与所述第一发动机气缸的进气口相连的排气口。
5.如权利要求1所述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其特征在于，还包括一个外部排气装置，所述外部排气装置的进气口连接所述第一发动机气缸的排气口，所述外部排气装置的排气口连接所述第一扫气泵的进气口。
6.如权利要求1所述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其特征在于，还包括一个连接所述涡轮增压器的进排气门的排泄阀，所述排泄阀连接一个支管，所述支管用以将从所述涡轮增压器排气口排出的气体导入所述排泄阀。
7.如权利要求1所述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其特征在于，所述第一发动机气缸的多个排气口到所述第一内活塞下止点的距离等同于所述第一发动机气缸的多个进气口到所述第一外活塞下止点的距离。
8.如权利要求1所述对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，其特征在于，所述第二发动机气缸的多个排气口到所述第二内活塞下止点的距离等同于所述第二发动机气缸的多个进气口 到所述第二外活塞下止点的距离。
全文摘要
本发明公开了一种对置活塞对置气缸自由活塞式发动机的进气系统，包括由液压泵体组件、第一气缸总成、第二气缸总成组成的自由活塞式发动机；进气系统还包括一个涡轮增压器，一个压缩机通过涡轮增压机的涡轮机驱动而从进气系统进气，压缩机的排气口导入第一扫气泵和第二扫气泵。本发明的有益效果是1.可变压缩比不仅有利于均质燃烧的充气效率，同时还使得这种发动机的控制策略适合于范围特性更为宽广的不同燃料的燃烧；2.可以保持较高的捕集效率，且降低排气门空气的损失，并保持所需内部废气再循环总量；3.用于保证较高扫气效率所需的均匀排气门入口，且不需要非均匀气门正时和相关的复杂结构。
文档编号F02B75/24GK103206304SQ20131010608
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月28日 优先权日2013年3月28日
发明者陈新, 左朝凤, 李传友, 陈立新, 张永刚 申请人:优华劳斯汽车系统(上海)有限公司