全控制的自由活塞式发动机的制作方法

专利名称：全控制的自由活塞式发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及把化学能(燃料)转换成液、电或气动能量。本发明的总的应用领域是有效地产生液、电或气压动力以供移动或非移动的动力的需要。
背景技术：
目前，液压动力是由一驱动马达、通常是通过一电动机或一内燃发动机使液压泵的驱动轴旋转而产生的。从旋转轴产生的动力必须转换成直线或线性运动以驱动作为最有效的液压泵的泵送装置的往复式活塞。当一往复式活塞泵被一传统的曲轴式内燃发动机所驱动时，在内燃发动机内的活塞被燃烧气体的膨胀所驱动而作线性运动，而活塞又通过杆而连到一曲轴上以产生旋转的动力输出。此旋转的动力输出再被连接到一活塞泵的驱动轴上，由此产生泵送活塞的线性运动从而产生液压动力。
一种把发动机燃烧活塞直接(通常是轴向)耦合到液压活塞以从燃烧活塞的线性运动直接产生液压动力以避免把线性运动转换成旋转运动然后再把旋转运动转回成线性运动的设想人们早已提了出来，然而对已有技术设计进行改进的种种困难都没有使这种基本设想在商业上获得成功。
把燃烧活塞连接到液压活塞可以不必使用发动机曲轴，并且在这样做时形成了自由式活塞组件。因为此活塞组件不与装置机械相连，该装置因而可用于控制自由活塞组件的运动，所以实现这种自由活塞式发动机的设想的一个主要困难在于当在压缩冲程中自由活塞接近燃烧活塞的上止点(TDC)位置时，如何准确地千百万次可重复地控制组件的停止位置。要使燃烧发动机成高效率的，控制压缩程度(即压缩比)是非常关键的，并且有效燃烧过程的高压缩比需要把燃烧活塞停止在非常接近燃烧室(通常是发动机“头”)的相对端的位置而这种非常接近往往是在1毫米以内。另一个类似的难点是在膨胀或工作冲程中当组件接近下止点(BDC)位置时，如何控制组件停止在准确位置。尤其是在升温(预热)或瞬间操作时，每一冲程的摩擦都可能是不相同的。此外，为每次燃烧作用所提供的燃料数量、燃烧过程的开始、燃烧率以及它的结束，提供给泵的工作液、被排出的工作液压力，以及许多其他可以影响每一冲程的操作参数可能都是不相同的；因此准确控制TDC及BDC位置是非常困难的。控制不足的后果可能达到性能不能接受的程度，并且如果燃烧活塞接触燃烧室的相对端或者如果泵送活塞接触泵送室的相对端，则结果对发动机将是具有破坏性的。
由于操作控制的困难，已有技术的自由泵发动机是工作于两冲程循环的(有一个例外将在下面叙述)。即使采用两冲程循环，在压缩冲程中，在TDC时燃烧活塞要停止在正确的位置仍然是非常困难的。如果发动机工作于四冲程循环，就需要另外一个TDC冲程以排出已燃烧过的气体。和压缩冲程不一样，在此排气冲程中，当燃烧冲程移向TDC时，没有被截留的气体来增加压力，从而使活塞组件的速度变慢，为了使活塞组件不碰撞或冲击，要使用其他的办法。
要使组件移动通过两个另加的冲程，还需要其他的装置。与本发明相比较，已有技术在设计上的问题和缺点将会一清二楚。
有几份信息性的技术论文，号码为921740，941776，960032的汽车工程师协会(SAE)论文以及其中列出的参考文献，这些论文和文献提供了对种种自由活塞式发动机概念的综述及分析。还有几个可以认为与本发明有关的美国的自由活塞液压泵以及与之相关的技术专利一一列举如下U.S.4,087,205 Heintz自由活塞式发动机泵单元。
U.S.4,369,021 Heintz自由活塞式发动机泵。
U.S.4,410,304 Bergloff等人自由活塞泵。
U.S.4,435,133 Meulendyk具有平滑能量率的自由活塞发动机泵。
U.S.3,841,707 Fitzgerald动力单元。
U.S.6,152,091 Bailey等人操纵自由活塞内燃机发动机的方法。
U.S.6,983,638 Achten等人液压开关阀及其中的自由活塞式发动机。
U.S.5,829,393 Achten等人自由活塞式发动机。
U.S.4,891,941 Heintz自由活塞式发动机-泵推进系统。
U.S.4,791,786 Stuyvenberg具有液压或气压能量传动的自由活塞式发动机。
U.S.4,382,748 Vanderlaan相对置的活塞型自由活塞式发动机泵单元。
U.S.6,029,216 Mayne等人自由活塞式发动机。
U.S.5,556,262 Achten等人具有流体能量单元的自由活塞式发动机。
U.S.5,261,797 Christenson内燃发动机/流体泵的结合。
U.S.4,415,313 Bouthors等人具有自由活塞式发动机的水轮发电机。
还有一个揭示在美国专利5,611,300(图6～图8及权项11～12)中的自由活塞液压-泵发动机，它可以工作在两冲程或四冲程循环。此发动机在四冲程循环中，它使用一传统的曲轴和燃烧活塞以吸入和压缩空气以及排出燃烧过的气体。
已有技术设计的自由活塞式发动机一般分为单活塞、对置活塞或双活塞两类。本发明属于双活塞结构。和已有技术自由活塞式发动机一样，本发明使用燃烧活塞的冲程以直接提供液压、气压或电能。然而，为了便于叙述本发明的基本特点起见，下面只描述液压能量的产生。
各种已有技术自由活塞式发动机设计所遇到的其他困难包括(1)难于实现机械平衡。自由活塞组件的每一个冲程(行程)都发送一个加速及一个减速力给发动机壳体并且给发动机安装于其上的结构，除非加速和减速力在发动机内能彼此平衡掉。对置活塞发动机设计的支持者通常强调此系统有好的平衡的可能性而把它看作一个主要的优点。但由于正确地控制每一自由活塞的运动非常困难，因为使这种可能性在实际工作中很难实现。
(2)正确控制燃料引入的时间和数量。这一困难主要与上述控制活塞组件的运动有关，但如果能消除这一敏感性困扰那将是大大有利的。
(3)它使用两冲程循环。目前，在美国市场上没有两冲程循环汽车发动机出售。这是因为非常难以控制从这种两冲程汽车发动机发出的污染空气的排放物。此困难也是两冲程循环自由活塞式发动机的困难。
(4)难以提供范围较宽的功率输出。任何类型的自由活塞式发动机都存在一固定频率(类似于质量-弹簧阻尼器)并且难以变化此速度。此固有频率主要受活塞组件的重量及冲程长度的影响。重量值较小及冲程较短能使固有频率增加，但大大增加速度，特别是在膨胀或工作冲程的早期部分。在此区域内的增加了的速度使燃烧不能完全进行，降低了泵送活塞的液压效率。为了增加频率从而增加功率系数，大多数已有技术的自由活塞式发动机致力于使重量最小化从而带来了燃烧和效率的降低或恶化。为了改变功率输出，已有技术教导人们使用间歇或断续运行。在每一循环以后运行可以暂停，因此改变暂停时间可以改变平均功率的输出。然而，每一循环的时间是由高的固有频率所固定的，因此发动机仍遇到前述的效率的降低。
(5)难以响应变化的高压级。其中自由活塞式发动机有可能在大多数液压系统的高压级，例如从2000-5000psi的一个宽的范围时是受欢迎的。而许多自由活塞式发动机运行在一固定的高压上，因此应用受到限制。有些需要改变燃料供给级或量来响应变化的压力。例如在5000psi发动机燃料消耗水平(每一循环)将是最大的，而在较低压力时燃料将比例降低。这种方法的一个明显的问题是液压的功率输出随着压力而下降，例如在2500psi时，可能只供应最大功率的一半。此外，如果系统压力下降，通常需要增加(不是降低)功率。有人建议使用众所周知的泵送流“旁通系统”(见Beachley及Fronczak在SAE上的论文921740)或者采用另一个名称“在所属返回行程，在一时间选定的点，把一个液压储蓄器与所属压力室相连接以达到所述输出工作压力”(美国专利6,152,091)或者采用另外的一个名称“调节有效活塞冲程”(美国专利6,814,405，OctrooiraadNederland)。液压泵送室的大小选择得即使在预期最低压力(例如2000psi)下，当液压流通过不大于泵送活塞的全行程时仍可以送出最大的燃烧能量。在较高压力时，一个阀将把初始流旁路回到低压系统，在需要余下(剩余)的冲程将满燃烧能量传送给高压液压系统时在工作冲程的一个位置关闭此阀。理论上说，不管系统高压大小如何，这种方法可以让发动机工作在最佳状态。旁路流动系统还用在几个商业性的非自由活塞式发动机液压系统，例如柴油发动机燃料注入泵及某些可变位移“止回阀”液压泵(例如，Dynex泵)中。例如，在柴油发动机燃料注入泵中，当活塞在活塞室中从TDC移动到BDC时，一活塞室从燃料箱通过一止回阀注入低压柴油(非常像自由活塞式发动机活塞室所用的方法)。然后，当活塞从BDC向TDC返回时，一“溢流阀”可以让燃料旁路该高压止回阀出口到注入器并返回到燃料箱中。根据转矩的要求(即，注射所需要的燃料量)，旁流阀将在适当的冲程位置关闭以把所需的燃料通过高压止回阀送至注入器。在自由活塞式发动机中这种改变泵送活塞的有效冲程的方法在商业上未获成功的原因是因为它产生了令人不能接受的效率的损失。对于自由活塞式发动机，旁路流率是循环中的最高流率。这是因为燃烧气体的膨胀把往复物质或重量加速到了最高的速度，对流动的阻力很小，活塞的速度处于最大。在旁路关闭后，泵送工作使组件减速。为了使这个高流率提供很小的阻力，旁路阀必须很大。如果旁流阀太小，液流压力的损失会浪费掉可用的或潜在的液压功率从而大大地降低效率。另一方面，大的旁路阀的重量较重，对于一个给定的关闭力来说，它将关闭得很慢，在关闭期间，高流量率受到一逐渐上升的压力降，从而浪费了有用的液压功率。采用此方法的现行系统就遭受到这种损失。对于柴油发动机燃料注入的例子来说，具有此柴油燃料流率的功率相对于柴油发动机的功率输出(或相对与同样功率的自由活塞式发动机应该的、流率的功率)是如此之低，以致某些效率损失对柴油发动机的效率来说只有较小的影响。尽管如此，但还有许多研究工作要做。类似地，可变位移止回阀液压泵比其他改变液压泵中位移的方法效率要低得多，但是因为它们比较简单，并且成本相对较低，它们还是在商业上获得了一些成功。对为了使自由活塞式发动机在使用旁流阀方法中获得成功，它必须在运行中具有最小的开流或敞流损失，能够根据指令精确地并且可反复地关闭，并且最重要的是，必须非常快速。
已有技术自由活塞式发动机的双活塞结构包含一对对置的动力或作功活塞，它们是固定并在内部相互连接的。每一动力活塞有一个通过一连接杆轴向连接的液压泵送活塞。图1示出了已有技术双活塞结构的自由活塞组件。对置的燃烧活塞2及3在燃烧缸(图中未画出)中滑动。燃烧活塞2及3各自具有向内设置的泵送活塞4及5，它们在泵送缸体6及7内滑动。该泵送活塞4及5由连接杆9通过密封块8而固定地内部连接在一起。从而燃烧活塞2及3、泵送活塞4及5以及连接杆9作为一个单元在一起作往复运动。同轴地并因此内部地把一对单个单元自由活塞组件连接起来以形成一双活塞组件会引起或出现几个问题(1)由于采用了具有一定长度的密封块8，自由活塞组件必须较长。
(2)在密封块8内必须设置高压工作液密封(或成对密封件)，这不但增加了成本，而且增加了摩擦，大大降低了总的效率。任何密封的泄漏也会降低总效率。
(3)两组三个同心及同轴汽缸/气缸是难以制造得要精密公差的，同样，要把两组三个同心及同轴活塞/连接件制造得有精密公差也是十分困难的。此外，一方面要在活塞组件能在缸体套中往复运动而不发生咬合现象，另一方面要求大的间隙(公隙)而不产生高的泄漏的情况下，要使容差的累计达到最小是极端困难的。
(4)泵送活塞的直径必须大于没有连接件时的直径以维持一必需的活塞泵送面积。较大直径的泵送活塞产生较大的摩擦及泄漏。而连接件的直径必须较大，因为它必须传送加速及减速相对侧的单个自由活塞重量所必需的力，而这就是说在泵送活塞直径上还要相对再增大些。
(5)组件的结构不足以刚性地进行可接受的无环燃烧，这将在下文中加以叙述。
(6)双活塞组件在机械结构上不平衡。

发明内容
因此，本发明的一个目的是为自由活塞式发动机中的燃烧活塞及泵送活塞提供诸停止位置，这些位置能为燃烧活塞提供合适的上止点(TDC)位置。
本发明的另一个目的是提供一在机械上平衡的自由活塞式发动机。
本发明的又一个目的是提供一重量平衡(重平衡)的自由活塞式发动机。
本发明的另一个目的是提供一可以在宽的目标压缩比范围内运行的自由活塞式发动机。
本发明的又一个目的是提供一足够牢固、可以允许可接受的无环燃烧的自由活塞式发动机组件。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供一自由活塞式发动机，它包括至少一双活塞组件，此双活塞组件具有一对轴向相对设置的燃烧缸，在每一燃烧缸内含有一自由浮动的燃烧活塞，它响应燃烧缸内的燃烧作往复的线性(直线)运动。每一燃烧活塞上至少有一个泵送活塞从该燃烧活塞上延伸并固定在每一燃烧活塞上。每一泵送活塞置于其位置固定在该成对的燃烧缸之间的液压缸内。一笼形结构牢固地把燃烧活塞连接在一起并且围绕液压缸及泵送活塞。和现有技术传统设计一样，每一液压缸中的入口(孔)可以进入第一压力的液流体和可以排出压力高于入口的流体。
该液压缸可以被牢固地连接起来，而燃烧活塞可以牢固地通过笼形结构连接，当燃烧活塞之一处于上止点(TDC)时，另一燃烧活塞则处于下止点(BDC)。
本发明的发动机还包括一围绕和引导一放入燃烧活塞及泵送活塞之间的连接件的套管并把一燃烧活塞与一泵送活塞相连以允许使用无环燃烧活塞。
本发明的发动机是用计算机控制的，其中在连接成对设置的活塞的每一笼形结构上提供了位置指示器，用于读出位置指示器的位置检测器和测定笼形结构的位置、速度、加速度等以及控制阀的动作以在提供目标压缩比的TDC及BDC位停止双活塞组件的运动的电子控制单元(ECU)。
在本发明的一个较佳实施例中，发动机包括了至少两个双活塞组件以及一用于使所述双活塞组件在相对方向进行同步平行运动的、连接笼形结构的同步器。该同步器可以是每一笼形结构上的齿条和在位于齿条之间的、被齿条啮合的齿轮的组合，一链/链轮组件或其他类似的装置。
在另一方面，本发明提供了一种操纵如上所述的具有至少一个双活塞组件的自由活塞式发动机的方法。该方法涉及当泵送活塞从TDC向BDC运动时通过一低压吸入阀把低压流体吸入液压缸并在泵送活塞从TDC到BDC运动时以排出高压流体。在活塞组件上的位置指示器被读出以产生位置信号，并且，在此位置信号的基础上，ECU决定提供一目标压缩比的双活塞组件的停止位置。该ECU产生一指令信号关闭在循环中的低压流体吸入阀以使该双活塞组件停止在决定的停止位置从而实时地实现目标压缩比。
决定停止位置时允许低压流体吸入阀保持打开一直到完成液压缸的流体注入结束为止，并且在把液压缸中的注入容积的20％～100％(不工作)之间排放回到底压期间关闭低压流体阀，具有的百分比值主要决定于发动机的负荷及系统的高压。在决定关闭吸入阀的指令信号时，ECU也可以利用代表液压缸的一个或一个以上的低(入口)及高(出口)的信号。决定关闭吸入阀的目标为止的一个方法涉及到决定在一给定循环中一次燃烧作用作为一双活塞组件的速度及加速度的函数所产生的能量。
较佳的是，本发明的方法还包括一确保安全的特点，即在发动机工作参数诸如燃料供应率及一个或一个以上液压汽缸的高(输出)压力的基础上决定低压流体吸入阀的关闭位置的一个范围。在此较佳实施例中，当被检测到的停止位置在该规定范围以外时发动机才被关闭。
本发明的自由活塞还包括至少一个流体吸入阀以控制流体进入(注射入)液压缸中的一个。在一较佳实施例中，该流体吸入阀是一个快速动作阀，此作用或工作阀揭示在本发明申请人的已有技术U.S.专利6,170,524中。此专利援引在此供参考。在另一个较佳实施例中，流体吸入包括一阀件，该阀件具有一周边密封表面及相对的凹凸表面的杯状头及一从凸形表面延伸出来的引导杆。此吸入阀的较佳实施例还包括一引导件，此引导件具有一轴向孔以容纳阀件的引导杆及提供相对于它的、在开闭位置之间的引导件的轴向往复运动。还包括一弹簧以将此阀件向关闭位置偏置，在此位置，此杯状头的密封表面抵着(密封着)一阀座。该阀座围绕着与液压缸之一流体连通的轴向延伸的口部。-往复销同轴地安装在该口内以在缩进(退进)位置和延伸位置之间作往复运动，其中该销与杯状头的凹进表面相接触并保持阀件于打开位置。这个较佳的阀结构还包括一个可以连接到一个流体蓄积器的出口，该蓄积器则可以包括一充气体的囊。一流连接器把一个缸内的TDC空间与引导件的轴向孔相连，以便当在其中的泵送活塞接近TDC而该一个缸内的流体压力增加时，所述增加的压力可以作用在引导杆上以迫使该阀件进入它的关闭位置。
在另一个实施例中，本发明的自由活塞式发动机还包括安装在笼形件(5)上的碰撞垫片，用以限制双活塞组件进入燃烧缸的移动。
或者，该双活塞组件还可以进一步包括平衡件。该平衡件安装于双活塞组件的相对两侧并适于双活塞组件在相对于双活塞组件的运动方向进行往复运动。
在本发明的又一个实施例中，自由活塞式发动机包括四个并排平行的燃烧缸，每一燃烧缸中有一自由浮动燃烧活塞装在其中以响应于在燃烧缸内相继或逐次燃烧而作线性往复运动。和前述诸实施例一样，至少有一泵送活塞从每一燃烧活塞延伸并固定于每一燃烧活塞，并且提供一液压缸以容纳每一泵送活塞。在此较佳实施例中，一往复缸与每一液压缸对齐并与之流体连通。一往复活塞安装在每一往复缸内以在其中作往复运动。连接器牢固地并轴向地把一往复活塞连接到每一泵送活塞上。诸传送管在第一、第二往复缸及在第三、第四往复缸之间提供流体连通。诸挠性的连接件安排在传送管内并通过各自的传送管并且连接到第一和第二往复缸的往复活塞及第三、第四往复缸的往复活塞。一连接件把第二、第三往复缸中的往复活塞相连以与相关泵送活塞及燃烧活塞一起一前一后地运动。
在本发明的另一个较佳实施例中，四个双活塞组件轴向成对，一对双活塞组件与另一对双活塞组件相平行。此实施例还包括一外笼形件，后者牢固地固定在轴向成对的双活塞组件中的一个笼形件上。一与上述相似的同步器，连接两个外笼形件以在相对方向作同步运动。与其他实施例有关的描述的同步器一样，此同步器也可以包括在每一外笼形件上的齿条以及安排在齿条间并被每一齿条啮合的齿轮。


图1是已有技术双活塞自由活塞式发动机的示意图。
图2是本发明的自由活塞式发动机的一个实施例中的一个单个双活塞组件的示意图。
图3是图2双活塞组件的另一个视图，其中进一步示出了它的流体循环系统。
图4是图2实施例的双活塞组件的立体图。
图5是用于本发明的自由活塞式发动机的进气阀的一较佳实施例的截面图。
图6是具有流体流连接部分和储蓄器(蓄积器)的高压、快速关闭止回阀的示意图。
图7是本发明发动机的第二实施例的单个双活塞组件的截面图。
图8A-图8D是本发明的第三个实施例，它具有两个并排排列的双活塞组件并有使这两个组件同步的装置。
图9是本发明的又一个实施例的截面图，其中包括平行设置的4个双活塞组件，其中的同步装置连接着成对的双活塞组件的笼形构件并且具有一牢固地连接两个最里面的双活塞组件的连接器。
图10是本发明又一个实施例的单个双活塞组件的截面图，其中一个燃烧活塞具有两个泵送活塞，另一个组件的燃烧活塞具有一个单个的泵送活塞。
图11是本发明的发动机的又一个实施例的示意图，其中四个燃烧缸并排设置，一往复活塞固定于每一泵送活塞并具有柔性(挠性的)连接器连接着成对燃烧缸的诸往复活塞。
图12是本发明的自由或呆又一实施例的示意图，其中有轴向成对的四个双活塞组件，成对的活塞组件平行设置并连接成可以同步运行。
图13是本发明的自由活塞的又一个实施例的示意图，其中具有三个平行的双活塞组件。
具体实施例方式
本发明将联系具有一双活塞的液压泵结构的较佳实施例进行叙述。本发明的许多独特的特点(例如运行方法，阀的设计以及储蓄器的设计)也可以应用于单个活塞及对置活塞结构上，这是本技术领域中的人士很容易看出的。
像已有技术的自由活塞式发动机设计那样，本发明使用燃烧活塞的冲程以直接产生液压功率。
本发明的较佳实施例的特征是具有在相互对置的缸体中的两个非轴向设置的单个活塞组件(在这里也称作一双活塞组件)。
每当一个活塞处于TDC位置时，另一个活塞处于BDC位置。一个燃烧活塞的压缩冲程所需的能量由另一个燃烧活塞的膨胀冲程提供，至少对于两冲程循环是如此。
当用一个单一的双活塞组件实施时，本发明工作于两冲程循环。然后，当用一对(或多对)双活塞组件时，本发明既可以工作于两冲程循环也可以工作于四冲程循环，这将在稍后加以叙述。该燃烧系统可以使用传统两冲程及四冲程循环发动机的所有种种实施例，并且这样的一些特征在本文中将不予以描述，除非本发明能为已有技术自由活塞式发动机提供一种已有技术的未知的某种独特的功能或手段时才加以叙述或者这种叙述能增进对本发明的理解时才加以叙述。
图2及图3示出了一个较佳实施例的在垂直平面中的截面视图，其中使用了在一自由活塞式发动机单元中的一单个的双活塞组件。
图中的汽缸12是发动机结构的一部分(未作进一步图示)。其中示出了一点燃器120以及一燃料注入器121，但是吸气和排气阀出入口及其他内燃机两冲程及四冲程循环发动机的常规特征没有示出。相互对置的活塞13及14在缸体12内滑动。燃烧活塞13及14各自具有轴向向内连接的泵送活塞15及16，它们各自在泵送缸体17及18内滑动。燃烧活塞13及泵送活塞15的单个自由活塞以及燃烧活塞14及泵送活塞16的单个自由活塞组件由一在泵送活塞外部的结实的装置连结在一起。
图2示出了一笼形结构19，该笼形结构19把两个单个自由活塞组件连在一起以形成一包括燃烧活塞13及14、泵送活塞15及16以及笼形结构19在内的作为一个单元的双活塞组件而作往复运动。一个自由活塞式发动机单元包括一个这样的双活塞组件加上燃烧及液压缸。在泵送活塞的外部用一个装置例如笼形结构把两个分开的单个自由活塞组件连结在一起而形成一个双活塞组件的独特的构形，避免了前述已有技术双活塞组件的问题。图4示出了本发明双活塞组件的结构的立体图以有助于看清笼形结构的情况。在此结构中，笼形结构19延伸(弓伸)得超出燃烧活塞13及14的直径。
笼形结构19提供了一个牢固结构以避免组件的弯曲，这种弯曲在已有技术的设计中由于每一冲程中发生的大的加速和减速力而时有发生。一个牢固的结构及一可任选的套管20(图2)提供了燃烧活塞13及14以及缸体12的精确的定位及不大间隙从而使低摩擦、无环燃烧活塞的运行得以实施。在使用力矩平衡的轴向泵送活塞的自由活塞式发动机设计中使用无环运行(就象本发明中那样)的可能性在已有技术中常常被讨论着，但在实际中没有获得实现。大家都知道这样的设计是具有这种无环燃烧的可能性的，因为基本设计消除了与把活塞的线性运动转换成曲轴的旋转运动的所有已有技术的活塞/曲轴发动机有关的主燃烧活塞的侧向力。然而，任何加在燃烧室活塞上的二次侧力在反应时不允许无环燃烧活塞接触燃烧缸(因为无环燃烧活塞不使用油滑油)。甚至重力也作用在组件上而把侧力加到活塞上。本发明实现了无环操作，本发明的措施是利用套管20抵制任何二次燃烧活塞侧力并且利用一结实的结构以避免结构的弯曲，因为结构弯曲将允许活塞作侧向运动。
笼形结构19还提供了减少双活塞组件峰值速度的附加重量，从而可以获得最佳液压泵送效率以及在泵送旁路流停止过程中降低了流量损失。因为本发明的目的在于使产生液压功率的效率最大化，所以需要较大重量的往复双活塞组件，而已有技术致力于降低重量以提高速度和频率(这是已有技术提高功率系数的一种方法)。此外，较大的重量通过利用均匀的加料的压缩-点火燃烧而有利于切实可行的、有效的运行。
图3是图2组件旋转了90°的截面视图。泵送缸17和18分别与通道22及23相连通。通道22、23中具有独特的阀24a及24b(将在下面详细叙述)。通道22及23进一步通过阀32与通道25相连接。通道25则再连接到低压工作液源(图中未示出)。泵送缸17及18还与通道26及27相连通。通道26及27中具有独特的单向止回阀28a及28b(将在下面加以详细叙述)。通道26及27进一步与通道29相连(可以通过阀33)以与高压工作液接收器(图中未示出)相连通。图中的开/关阀30a及30b用于将高压流体提供给泵送缸体17及18以启动发动机。
图2及图3的单个双活塞组件按两冲程循环运行。下面将叙述本发明的独特的运行方法。为了启动发动机，双活塞组件将处于图2及图3所示的位置。
(阀30b是可供选用的阀，用以在从不同的起始位置启动发动机时具有较大的挠性性)，阀30a被命令打开，高压流体从通道29通过打开的阀33、阀30a，通道26而进入泵送缸17。在缸体17中的高压流体作用在泵送活塞15的截面面积上，产生加速双活塞组件及把燃烧活塞13加速向TDC的力。一位置探测器31(图2)读出位于笼形结构19上的位置指示器(图中未示出)所指示的位置。位置检测器31发出的信号被送到一电子控制单元(ECU，图中未示出)。在该电子控制单元中，双活塞组件的位置、速度及加速度被测定。速度是从距离已知的位置指示器之间的时间测定的，加速度(或减加速度)是由速度改变的速率测定的。该控制系统提供对双活塞组件的实时控制。该ECU包括一存储器，存储器中存储着在种种运行条件下发动机的功能的特征图。从液压油的温度及发动机结构(图中未示出)的输入以及从位置检测器31得到的双活塞组件的每一个位置的瞬时速度及加速度，该ECU决定它命令阀30a关闭的位置以实现规定的活塞13上的压缩比。这样，本发明的控制方法就能够提供发动机启动的所希望的压缩比。因为在第一冲程提供起动燃烧是本发明的一个目的，起始压缩比将被选择得高于正常工作的压缩比(也在实时基础上被控制，这将在下面进行叙述)，以确保燃烧的成功发生。在阀30a被命令关闭后，双活塞组件的惯性将继续，泵送缸17内的容积，阀24a将以止回阀方式打开(或按命令)，允许低压流体从通道25通过阀24a流过打开的阀32，通过通道22而进入泵送缸17，一直到活塞13到达TDC及燃烧发生。在启动冲程，阀24b被命令打开(阀30b，如果有的话，被命令关闭)。这允许泵送缸18中的流体流过通道23，阀24b，阀32及通道25，避免对启动压缩冲程的阻力。
在燃烧发生后，活塞13及双活塞组件将开始它的从TDC到BDC的运动。阀24a将保持打开，流体将从缸体17流过通道22，阀24a阀32及通道25，此时双活塞组件被燃烧气体作用在活塞13的截面面积上的力所加速。与启动冲程的方式相似，位置检测器31读出位于笼形结构上的位置指示器指示的位置。从位置指示器发出的信号被送到ECU上，并且当双活塞组件从TDC向BDC移动时，双活塞组件每一位置的速度及加速度都被测定。该控制系统继续提供双活塞组件的实时控制。从适当的特征图，以及前面叙述过的输入信号，加上来自在低压及高压路线中的压力检测器(图中未示出)的输入，ECU决定它命令阀24a关闭的位置以实现(1)流体在压力下从缸体17流经止回阀28a，阀33流到通道29，从而产生液压功率输出；(2)实现活塞14上方燃烧气体的规定的压缩比，此压缩比通常在15～25的范围之内。当流体从缸体17在TDC向BDC冲程期间前进(如上所述)时，液流流进缸体18的过程必须同时发生。当双活塞组件开始它的从活塞13的TDC到BDC的运动时，阀24b保持打开，允许在双活塞组件BDC位置处缸体18完全充满。然后这种循环以类似的方式在下一个冲程重复由泵送活塞16产生液压功率。
ECU从双活塞组件的重量(负载)的速度及仍加在其上的力(从加速度测定)实时地测定每一位置从每一燃烧产生的、可以使用(得到)的能量(不管燃料的供应量，时间或燃烧的质量如何)，从特征图考虑摩擦的能量消耗并决定实现一双活塞组件停止位置所需要的泵送活塞的工作冲程(考虑液压系统的高低压力)，以使压缩燃烧活塞能为下一步的燃烧过程实时地实现所固定的压缩比。ECU然后指令流体进入阀(阀24a或24b，视合适而定)在该位置关闭以完成所需的泵送活塞工作冲程。
本发明控制自由活塞式发动机运行中功率输出的独特的运行方法，即根据每一工作冲程的瞬时特性(包括自动调节以改变高低液压、系统摩擦、为每一次燃烧作用提供的燃料量、进入空气的增压，燃烧的开始和速率以及燃烧的结束)的方法，消除了已有技术设计的控制困难及问题。关键的特点是正确地延迟关闭流体进入阀(24a及24b)，以便在动力抽出或排除过程开始以前(也就是说，在流体开始排放到高压以前)，把适当的流体量送回(开放)到低压。在关闭进入阀24a(或24b)之前排放回到低压的适当数量一般可是液压缸17(或18)的容积的20％～100％，具体百分比主要视发动机的负荷及系统的高压而定，(在流体吸入冲程结束之后，进入阀24a或24b用作泵送旁路流量控制阀)。
在关闭发动机时，向在燃烧活塞14的燃烧室中的被压缩空气的燃料供给被停止，一全工作冲程从缸体17除去，阀24b在双活塞组件BDC处关闭。燃烧活塞14的空气吸入阀(图中未示出)在此冲程期间可以继续保持打开以允许更多的液力抽出。如果有用的话，阀33可以在组件BDC处被关闭以进一步把组件固定在BDC。
在发动机运行方法中，还使用了独特的“故障(事故)模式”控制逻辑。流体吸入阀的延迟关闭的时间是关键性的，所以阀关闭位置的“开环”表作为重要输入特征的函数例如预计的摩擦、供应的燃料及液压系统的高压被与由ECU部分基于位置检测器速度及加速度测定值所实时测定的那些关闭位置相比较，如果两个关闭位置的差别超出一可接受的范围，ECU将通过中断燃料供应并立刻关闭正在排出流体的吸入阀，将发动机加以关闭。此外，如果流体吸入阀不按照通过下一个从位置检测器读出的位置信息的决定的指令关闭，则ECU将指令另一个吸入阀关闭并指令开/关阀32(图3)关闭从而使发动机因没有燃料供应而关闭。另一个供任意选用高压侧开/关阀(具有流孔的)33也可以被指令关闭。
如果系统高的液压突然下降，阀33也可以通过指令被关闭。如果发动机失去电功率，燃料供应停止，流体吸入阀不履行它们的关闭位置，高流体压力开/关阀不履行其关闭位置。
如果液压低压跌落到规定范围以下，燃料供应停止而关闭发动机以避免吸入流体发生空穴现象的可能性。
和已有技术的自由活塞式发动机不同，本发明可以毫无困难地提供一宽范围的功率输出。功率输出可以通过在较低“负荷水平”(较低燃料率)情况下运行以降低功率输出，也可以通过关闭以改变运行之间的时间长短来降低功率输出。通过使发动机工作于高水平或高位的吸入空气增压压力，则可以大大增加功率输出。
考虑到对系统总的效率的重要性，延迟吸入阀(图3中的阀24a及24b)必须足够大以使敞流压力降损失达到最小，能够按照指令正确及可重复地进行关闭并且在关闭时要非常迅速。本发明的两个独特的阀的设计不同于已有技术设计，能满足这些要求。
图5示出了一吸入阀24a及24b的第一个较佳实施例。阀件40有一个球状、菌形形状的头部46(中空球的一段)及一和头部46连在一起的引导柱41。这是考虑到大的敞流面积、快速响应及高工作压力(例如5000Psi)的目的最佳设计。一吸入口22中含有低压流体。弹簧42的力协助关闭阀(如图所示)并且允许阀24用作传统的止回阀。口部43与泵送缸17相连接(图5中未示出)。当泵送活塞吸入冲程开始时，泵送缸及口部43中的压力下降，吸入口22中的较高压力打开阀件40以允许流体流过吸入口22，流过阀座44到口部43。销45连接在一个可控的驱动器(图中未示出)上，后者可以接受命令把力施加到阀件40上以有助于快速打开阀件40。销45则保持在向下“与阀40接触”的位置以将阀件40保持在完全打开的位置从而使吸入流体的损失达到最小。销45在泵送活塞排出冲程的起始部分期间也维持在全打开(或“全向下”)位置，以使流体流动的损失达到最小并允许把流体排放回到低压口22。在动力抽出必须开始的泵送活塞位置处，销45从阀件40缩回，弹簧42及口43中的较高压力快速地关闭阀40。另一种可选用的办法是，销45装在阀40上以便在命令销45后退时，使阀件40甚至可以更快地关闭(具有更快的关闭时间)。
在另一个较佳实施例中，吸入阀24a及24b是美国专利6,170,524中所描述的那种快速阀，此专利援引在此供参考。揭示在美国专利6,170,524中的阀可以具有非常快速地开启或停止时间。
本发明还拥有独特的高压流量“控制的”止回阀(图3中的阀28a及28b)，它具有可选用的独特的流体储蓄(累积)器以阻尼由于每一个开始泵送到高压过程时产生的压力脉动。高压脉动是人们所不希望产生的，因为它们是一种效率的损失并且使发动机的控制变得比较复杂。在一个较佳实施例中，高压止回阀28a及28b具有图5中所示的设计，它们具有一较弱的弹簧(用以降低流体的流量损失)及一独特的装置以使止回阀极快速地关闭并且是在泵送活塞BDC处高压流体发生任何回流之前。高压流体的回流是一相当大的效率损失。
图6示出了与一储蓄器结合在一起的快速关闭止回阀28a、28b的较佳结构。图6所示是在泵送缸17一部分内处于它的预定的BDC位置的泵送活塞15的一部分。一流体收集歧管50在泵送活塞15预定BDC位置的末端(吸入口在图中未示出)。在泵送活塞15的产生工作冲程期间，流体从泵送缸17通过收集歧管50、收集歧管出口51、阀座44、阀件40、阀柱引导53中的孔(图中未示出)而进入储蓄器54的流体容积之中。起始流体压缩在球囊55中的气体从而减少起始流体加速压力的峰值。当从泵送缸体17出来的流体前进时，储蓄器下部中(接近流体出口)的流体流出储蓄器出口56到高压流体接收器中(图中未示出)。当泵送活塞15接近其预定的BDC位置时，该活塞开始关闭流体收集歧管出口51，室57中的压力迅速上升，使在管58及阀关闭室59中的压力上升。室59中的高压使阀件40速度关闭(即在图6中所示的位置)，使关闭流体的损失及流体返回流量达到最小。此结构也为泵送活塞15及双活塞组件提供一液压制动器的“后备”作用以及为在泵送活塞停止控制的不准确容差提供了“后备”作用。
本发明的另一个重要的故障模式保护特点是为两个单个活塞组件提供了一个结实的外部装置以作为后备的停止装置。图2中的碰撞垫35装在笼形结构19上并且其位置安排得如果双活塞组件超出了它的终端冲程，(它具有一可接受的变化裕度(余量)，此变化裕度(余量)低于一毫米的1/5或3/10)，碰撞衬垫将接触缸体外壳12，从而接触发动机结构，因而提供了活塞与头的碰撞保护。
图7示出了一个实施例，其中图1～6中的单个双活塞组件通过采用一独特的设计而得到了平衡。图中示出了该双活塞组件60具有齿轮61a及61b，齿轮61a及61b与齿轮62a及62b相接合，齿轮62a及62b又与平衡重块63a及63b相接合。平衡重块63a及63b的重量相等，各自具有双活塞组件60重量的一半。当双活塞组件60在一个方向移动时，平衡重量63a及63b被齿轮62a及62b所驱动以相同的速度在相对方向移动。在此实施例中，自由活塞式发动机的单个双活塞组件的重量和力矩都是良好地平衡的，其中的齿条及齿轮装置也可以用链条/链轮、杆或其他的类似同步装置代替。
图8A-图8D示出“四缸的”双活塞，自由活塞式发动机。此发动机实施例可以在一两冲程循环中运行，其中除一显著差别之外，每一个双活塞组件的运行都与上述单个双活塞组件的运行相同。此除外的一差别是图8的结构是用机械平衡而不是用图7中的平衡重量进行平衡的。
然而，为了使图8中的结构的力矩也得到平衡，必须另外加上平衡用的重量。
然而，如图8A-8D所示，图中的发动机也可以以四冲程循环运行。图8A-图8D分别示出了在四冲程中的四个位置或冲程。图8A-图8D将被用来解释与两冲程模式的单个双活塞组件发动机的运行方法的一个重要的区别。因为四冲程循环发动机比两冲程循环发动机多了两个冲程(排出和吸入冲程)以产生一工作(或膨胀)冲程，每一泵送缸在经历一填充及工作冲程之前，必须经过一增加的填充冲程及一排放回到低压的冲程。图8A示出了刚刚结束它的排放燃烧过的气体(排放冲程)的燃烧活塞80。在此排出冲程期间，泵送活塞81刚刚完成泵送缸82的填充(冲程填充)。但是因为下一个燃烧活塞80的冲程是一个加进空气的空气吸入冲程(图8B)，泵送缸82的流体吸入阀(图中未示出)必须保持充分打开以允许流体排放回到低压。至于空气压缩、流体吸入冲程(图8C)、燃烧气体膨胀以及流体工作冲程(图8D)与前述两冲程发动机结构的类似冲程是一样的，因此在此不再赘述。
四冲程运行的上述两个加出来的流体泵送冲程可以通过从四个泵送活塞去掉两个泵送活塞和泵送缸而省去。例如，请参阅图8，如果泵送活塞83及泵送缸84以及泵送活塞85及泵送缸86被取消，留下的两组泵送活塞及泵送缸将在每一泵送活塞冲程到它的BDC位置时有一个动力(作功)冲程。此结构也可以运行于一两冲程模式，但是留下的泵送缸的流量容量必须加倍(通过加倍泵送活塞及泵送室的截面面积)以为每一至其BDC位置的冲程发送出两次燃烧作用的输出功率。本发明此实施例的主要缺点是当在经过它们的膨胀冲程没有它自己的轴向泵送活塞的燃烧活塞时，增加的气体膨胀力将通过齿轮传送到合适的泵送活塞上。
图9示出了另一个重量及力矩良好的平衡的8缸自由活塞式发动机的实施例。虽然此实施例可以用于两冲程或四冲程运行模式，但作四冲程运行是特别有吸引力的。为了使两中心的双活塞组件90及91及两外部的双活塞组件93及94的运行可以同步，使用了一个同步装置92。双活塞组件90及91以及双活塞组件93及94一起往复运动。所有其他操作与前面为两冲程或四冲程叙述的相同。
或者，两个用齿轮连接在一起的组件可以用电子方法同步，但控制起来比较复杂些。
图10示出了本发明的双活塞组件的另一个实施例。在此实施例中，燃烧活塞70及泵送活塞71是轴向安排的。泵送缸73也与泵送活塞71对齐。燃烧活塞74装上了两个泵送活塞75及76，每一个沿着燃烧活塞的圆形截面的中心线性居中并且从活塞外直径相等地插入以在燃烧活塞上实现一平衡的净力。泵送活塞75及76在泵送缸77及78内往复移动。泵送活塞75及76的总截面积必须等于泵送活塞71的截面积。
两冲程或四冲程的运行特征如前所述，采用并列泵送活塞可以使结构比较紧凑，但增加了一些复杂性。
图11是另一个实施例，其中采用了一液压-机械式柔性的连接装置把两个单活塞组件连在一起。此实施例的主要优点是两个单活塞组件可以置于彼此相对的各个不同的位置上以允许较好的组装或平衡。图11的结构为传统的直列组装及机械平衡提供了一并排的位置。而燃烧活塞及泵送活塞可以如前所述地布置。
在图11的实施例中，一单个活塞组件的轴向泵送活塞101轴向地安装在一在往复缸103中往复运动的流体往复式活塞102上。泵送活塞101通过中空连接件104安装到往复式活塞102上。此中空连接件104往复通过密封块105。连接件104的中空中心106与泵送缸107中的流体作流体接触。一止回阀108只允许流体从连接件104的中空中心流到往复缸103中。该往复缸103还通过一传送管109安装到其中流体往复活塞111作往复运动的往复缸110上。往复缸110及往复活塞111是与第二单个活塞组件的相类似的部件。往复活塞102还由一柔性的机械装置连接到往复活塞111上，该机械装置可以耐高的张力，例如链112。
用适当的引导装置以引导挠性的机械装置的运动，例如链轮113及114。往复缸103、传送管109及往复缸10(在往复式活塞102及111之间的)内的流体是经过补给的(因为有些泄漏是无法避免的)，并且是用从泵送缸107经止回阀108的流体保持增压的。增压的流体使链112保持张力或拉紧，而链112则限制流体容积。该流体链组件作为一挠性的固定长度杆并起图2中的笼形结构19的作用。因此，此组件是具有挠性连接件的液压-机械组件，于是连接在一起的两个单个活塞组件其功能象本发明的双活塞组件一样，可以运行并具有前述的所有特点，其中包括单个双活塞组件的两冲程循环和具有两个或多个双活塞组件的四冲程循环。
图11还示出了一机械连接件115，它可以用于把两个双活塞组件连接在一起以允许四冲程、重量和力矩都平衡的运行。此两个双活塞组件也可以用电子方法连接起来，就象在“笼形结构”实施例中所叙述的那样。
图12示出了图8的4缸“双活塞”组件发动机的又一个实施例。图12示出了两个孪生或成双的的双活塞组件A及B。请先参阅其中一个孪生的双活塞组件A。该发动机以两冲程循环或四冲程循环运行如前所述。组件A是用机械方式平衡的(和图8的实施例一样)，但是与图8的实施例有所不同。组件A同时也是力矩平衡的。在两冲程循环作业模式中，组件A又是“燃烧力平衡的”。组件A还可以一机械方式与组件B相连(和图9一样，连接两个图8的组件)或者用齿轮连在一起(如图所示)以允许四冲程、燃烧力平衡地操作。图12的实施例在有些应用中的缺点是发动机的长度明显增加了。
组件A将被用来进一步描述此实施例的独特的特点(比图8及前面实施例的进一步的特点)，即工作于两冲程模式时，力矩及燃烧力的平衡。燃烧活塞124，124A在缸体126，126A中往复运动，并且固定在一起以形成一双活塞组件120。燃烧活塞124，124A带有固定在它们上面的泵送活塞128，128A。
同样，燃烧活塞125，125A在缸体127，127A内往复移动，并固定在一起以形成一双活塞组件121。燃烧活塞125，125A带有固定在其上面的泵送活塞129，129A。双活塞组件120及121由外笼形结构122和通过齿轮12作同步运动。组件121加上外笼形结构122的重量必须和组件120的重量相同。当组件120从它的外TDC位置向内TDC位置移动时，组件121从它的外TDC位置移向它的内TDC位置。在此内TDC位置上，组件120的内燃烧活塞124及组件121的内燃烧活塞125结束了压缩冲程，燃烧开始并且接着进行膨胀冲程(如前所述)。在此发动机结构中，所有的力都是平衡的。
图13中示出了图7实施例的一个改型。其中采用了双活塞组件133a及133b以代替平衡重量63a及63b(图7的)。每一燃烧活塞134a，134b，134c及134d具有中心双活塞组件130的燃烧活塞135a及135b的一半面积(以给出一半工作容积)。除了可以连续机械平衡以外，此图7的六缸改型的实施例可以运行于两冲程或四冲程模式，其力矩及燃烧力平衡措施可以选用在图12中所描述的方式并如前所述方式运行。图13示出的双活塞组件133a及133b没有传送活塞以降低成本。燃烧活塞134a、134b、134c及134d的膨胀功通过同步装置132a或132b传送到中心双活塞组件130并由泵送活塞136a或136b抽取，如前所述。双活塞组件133a及133b可以加以改变以包括泵送活塞(图中未示出)并且可以如前所述那样工作(运行)以减少要通过同步装置132a及132b才能传送的力。
在又一个实施例中，本发明提供了一种操作方法，用它可以进行可重复的燃料及燃烧控制。此方法对较迟关闭流体吸入阀(阀24a或24b，图3)的响应提供了供电子机械响应的额外的时间。上述针对图2和图3所述的方法在此仍是适用的，只是略有不同。仍请参阅图2及图3。在采用此控制方法时，适用的较迟吸入阀(阀24a或24b中合适的一个)的关闭位置，即适于抽取可以得到的能量但同时又留下足够的能量以确保合适的下一个TDC组件位置是根据供应/指令的燃料量，液压，及期望的循环效率(从表格或发动机运行特性算法例如摩擦及损失得出)，为每一燃烧过程决定的。还为每一工作冲程根据下列一个或多个组件能量决定手段提供可选择使用的、“决定”较迟吸入阀关闭位置的自适应学习调节，每一工作冲程的调节是(1)根据从位置检测器31所提供的信号获得的在所选择的位置处的组件的速度(把实际与所期望的相比较)；(2)根据从位置检测器31所得到的信号的双活塞组件的停止位置(与所期望的停止位置相比较)；(3)根据从一缸压传感器(图中未示出)所获得的信号的、在组件停止处或停止处附近、但在燃烧开始前的相对燃烧缸压力。
在本发明的精神或基本特点的范围内，本发明还完全可以以多种其他形式来实施，因此无论从哪一方面来说，本发明的实施例只是起说明本发明之用而本发明绝不限于所述实施例。本发明的范围应如权利要求书所述而不是由以上的描述来决定。因此所有在与权利要求中权项等价的范围和意义之内的所有变化均拟落入本发明的被保护的范围之内。
权利要求
1.一种操纵至少具有一个发动机单元的自由活塞式发动机，其特征在于，该发动机单元包括一对轴向地相对设置的燃烧缸，该汽缸内各自容纳着自由浮动的燃烧活塞，其中，每个燃烧活塞具有至少一个泵送活塞，后者固定于燃烧活塞上并安装在液压缸中以在其内作往复的线性运动，并且其中，燃烧活塞被固定在一起并作为双活塞组件一前一后地往复运动，所述方法包括当泵送活塞从BDC向TDC移动时通过一低压流体吸入阀把低压流体吸入液压缸，并且当泵送活塞从上止点向下止点移动时，排放高于低压的高压流体；读出在双活塞组件上的位置指示器以为在一个方向的一工作冲程产生位置信号；测量所述高压和所述低压，并产生代表测得的压力的压力信号，在所述位置信号及所述压力信号的基础上，决定关闭在该冲程中的低压流体吸入阀以使双活塞组件停止在指令的停止位置，从而抽出液压功率并且实时地实现相对燃烧活塞在该冲程中的目标压缩比。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，停止位置是这样实现的允许低压流体吸入阀继续打开直到通过它完成一液压缸的流体的充入并在液压缸的充入容积的20％～100％通过它排放返回低压时的一个位置处关闭该低压流体阀。
3.一种操纵至少具有一个发动机单元的自由活塞式发动机的方法，该发动机单元包括一对轴向相对设置的燃烧缸，每一燃烧缸各自在其中设置着自由浮动的燃烧活塞，其中，每一燃烧活塞具有至少一个泵送活塞，后者固定于其上并安装在液压缸中以在其中作往复的线性运动，并且其中，该成对的燃烧活塞被固定在一起并以一先一后的方式作为一双活塞组件作往复运动，其特征在于，所述方法包括当泵送活塞从BDC向TDC移动时，通过一低压流体吸入阀把低压的流体吸入液压缸，并且当泵送活塞从TDC向BDC移动时，排放高于该低压的高压流体；在一给定循环的工作冲程中，读取在双活塞组件的多个位置处、位于双活塞组件上的位置指示器以产生位置信号；在位置信号的基础上作为双活塞组件的速度和加速度的函数，测定一次燃烧作用在所述给定循环中所产生的能量；测量所述高压和低压，并产生代表测得的压力的压力信号；在测得的能量及压力信号的基础上，决定一关闭低压流体吸入阀的位置，以在所述给定循环的下一个循环中，使一压缩冲程达到目标压缩比；并且在所述给定循环中，在排放回到低压时，关闭所述低压流体吸入阀以使该双活塞组件停止在所需的位置从而实时地实现目标压缩比。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，目的压缩比为每一循环提供目的压缩比指令，而低压流体吸入阀在排放回到低压时被关闭以实现目标压缩比。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括测定至少一个发动机工作参数，该发动机工作参数包括燃料供应速率及高压；在测得的发动机工作参数的基础上，建立一个关闭低压流体阀的停止位置的范围，当一测得的停止位置超过停止位置的范围时，把发动机加以关闭。
6.一种操纵至少具有一个发动机单元自由活塞式发动机的方法，该发动机单元包括一对轴向相对设置的燃烧缸，缸内分别容纳有自由浮动的燃烧活塞，其中每一燃烧活塞具有至少一个固定于其上并安装于液压缸内的泵送活塞，用以在其内作往复的线性运动，并且其中，燃烧活塞固定在一起并作为一双活塞组件一前一后作往复运动，其特征在于，所述方法包括，当泵送活塞从BDC向TDC移动时，通过一低压流体吸入阀把低压的流体吸入液压缸，并且当泵送活塞从TDC向BDC移动时，把高于低压的高压液体排放出去；测定作为在一个方向的一工作冲程指令提供的燃料能量；测量所述高压和低压并产生代表所测得的压力的压力信号；测量发动机的温度及产生代表所测得的温度的温度信号；在温度信号以及在其测定的所指令或控制的燃料能量的基础上，从表格或算法测定所预期的循环效率；在控制的燃料能量，所述压力信号以及预期的循环效率的基础上决定在该冲程中关闭低压流体吸入阀的位置，以使双活塞组件停止在所控制的位置，从而抽取液压功率以及在该冲程中相对燃烧活塞的目标压缩比。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，关闭所述低压流体吸入阀的位置是根据从每一工作冲程的可测定的有效能量的基础上加以调节的。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测定的有效能量是在读取双活塞组件上的位置指示器的读数以产生该工作冲程的位置信号以及从计算该组件的速度的基础上确定的。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测定的有效能量是在读取双活塞组件上的位置指示器的读数以产生该工作冲程的位置信号以及从测得的该组件的停止位置的基础上确定的。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测定的有效能量是在读取在双活塞组件上位置指示器以产生该工作冲程的位置信号以及在所述组件停止处或停止处附近、但在燃烧开始之前测得的相对燃烧缸压力的基础上确定的。
11.一种操纵至少具有两个发动机单元的自由活塞式发动机的方法，每一发动机单元具有两个轴向相对设置的燃烧缸，后者分别在其中容纳着自由浮动燃烧活塞，其中，每一燃烧活塞具有至少一固定于其上的泵送活塞并安装于一液压缸内以在其内作往复线性运动，其中，两燃烧活塞固定在一起并作为一双活塞组件而一先一后地往复运动，并且其中一第一发动机单元的两燃烧活塞连接到一第二发动机单元的两燃烧活塞上以在相反方向上作同步运动，其特征在于，所述方法包括在一固定于所述第一泵送活塞的第一燃烧活塞的排出冲程期间，通过一低压流体吸入阀，把一低压流体吸入一第一泵送活塞的液压缸内；通过所述第一燃烧活塞的吸入冲程把空气吸入第一燃烧活塞的燃烧缸壳体中，与此同时，保持所述低压流体吸入阀打开；并从所述第一泵送活塞的气压缸排放低压流体；通过所述第一燃烧活塞的压缩冲程压缩进入的空气，同时把流体吸回到第一泵送活塞的液压缸中；当第一燃烧活塞经过一工作冲程时关闭低压流体吸入阀，从第一泵送活塞的液压缸排放高于低压的高压流体；读取在包括所述第一燃烧活塞的双活塞组件上的位置指示器以产生作为在一个方向中的所述冲程之一的位置信号，以及在位置信号的基础上决定在该循环中的关闭低压流体吸入阀的位置以在与第一燃烧活塞成对的一第二燃烧活塞的压缩冲程中，抽出液压功率并实时地实现目的压缩比。
12.一种操纵至少具有两发动机单元的自由活塞式发动机的方法，每一发动机单元具有两个轴向相对设置的燃烧缸，所述燃烧缸分别含有自由浮动燃烧活塞，其中，至少两个燃烧活塞具有至少一个泵送活塞，后者固定于燃烧活塞上并安装在一液压汽缸中以在一其中作往复的线性运动，其中，该两个燃烧活塞固定在一起并作为一双活塞组件进行一先一后地往复运动，并且其中，第一发动机单元的两个燃烧活塞与一第二发动机单元的两个燃烧活塞相连以在相反方向作同步运动，其特征在于，所述方法包括通过一低压流体吸入阀在第一冲程向固定于所述第一泵送活塞的第一燃烧活塞的上止点移动期间，把一低压流体吸入第一泵送活塞的液压缸中；关闭所述低压流体吸入阀，并当第一燃烧活塞经过一工作冲程时，从第一泵送活塞的液压缸排出高于低压的高压流体；通过一低压流体吸入阀，在第二冲程向第一燃烧活塞的上止点移动期间，把低压流体吸入第一泵送活塞的液压缸中；关闭该低压流体吸入阀，并在一双活塞组件中固定于所述第一燃烧活塞的第二燃烧活塞经过-工作冲程时，从所述第一泵送活塞的液压缸中排放高于低压的高压流体；读出含有该第一燃烧活塞的一双活塞组件上的位置指示器以产生冲程之一的在一个方向的位置信号；在位置信号的基础上，决定在上述循环中关闭该低压流体吸入阀的位置，以抽出液压功率并在所述第二燃烧活塞的压缩冲程中实时地实现目标压缩比。
全文摘要
一自由活塞式发动机包括至少一双活塞组件，每一双活塞组件具有一对轴向相对设置的燃烧缸(12)和自由浮动的燃烧活塞(13，14)，后者分别安装在燃烧缸中以响应逐次发生的燃烧而作往复性运动。一泵送活塞(15，16)从每一燃烧活塞延伸并固定于每一燃烧活塞，该泵送活塞(15，16)在位于该成对的燃烧缸之间的液压缸(17，18)内作往复运动。该成对的燃烧缸由一笼形结构(19)牢固地连接以作一先一后地往复运动。
文档编号F04B17/05GK1975128SQ200610162460
公开日2007年6月6日 申请日期2002年8月13日 优先权日2001年9月6日
发明者查尔斯L·小格雷 申请人:美国环境保护署