自由活塞式直线发电机的制作方法

本发明属于发电及储能技术领域，特别涉及一种自由活塞式直线发电机。

背景技术：

现有的发动机，无论两冲程还是四冲程的，都是采用曲轴连杆机构带动飞轮储能，将做功冲程的能量传递到其他冲程，进而带动活塞完成整个工作循环。曲轴连杆机构解决了两个大问题：1.用飞轮的转动惯性储能；2.飞轮接近匀速转动，引导活塞以接近简谐振动的往复运动平稳运行。然而，曲轴连杆机构也存在两大无法解决的问题：1.活塞被严格约束在固定的行程内，行程不可改变。因此当燃烧条件等不能满足时，就会出现熄火、爆震等问题；2.存在很大的侧向力，使活塞和汽缸间必须采用滑动摩擦，带来能量损耗和磨损。

相对的，自由活塞式发动机，指的是没有曲轴和飞轮，由活塞直接推动发动机或其他往复设备。然而，经历了几十年，目前仍然处于探索阶段。究其原因，为了替代飞轮的惯性储能实现压缩冲程，现有的依靠气弹簧、对置活塞等的办法，活塞依然被严格限制在特定的时刻和位置，使得现有的自由活塞式发动机，以及将自由活塞式发动机作为发电机，会发生运行不平稳、噪声大、控制困难、容易熄火等问题，一直没有形成大范围的商业应用。

技术实现要素：

本发明提供一种自由活塞式发动机及发电储能系统，是一种新型的内燃式发电储能系统，用以解决现有自由活塞式发电机笨重、效率低的问题。

本发明实施例之一，一种自由活塞式发动机，包括内燃式的气缸、直线电机的定子和动子。

所述气缸设有进气阀和排气阀，气缸内至少设有一个可往复运动的活塞，活塞与进气阀、排气阀之间的气缸空间形成气室。与活塞固接的推杆在气缸的另一侧与直线电机的动子固定连接，动子在直线电机的定子形成的电磁场内往复直线运动。

本发明实施例之一，一种自由活塞式直线发电机，包括内燃式的气缸，

该气缸一侧的缸盖设有进气阀和排气阀，气缸内设有可往复运动的第一级活塞和第二级活塞，第一级活塞与进气阀、排气阀之间的气缸空间形成第一气室，第二级活塞与气缸壁和/或第一级活塞之间的空间形成第二气室。

与第一活塞固接的第一推杆在气缸的另一侧与直线电机的第一动子固定连接，与第二活塞固接的第二推杆与直线电机的第二动子固定连接，第一动子和第二动子在直线电机的定子形成的电磁场内往复直线运动，第一推杆与第二推杆可以保持相对直线移动。

所述自由活塞式内燃直线发电机还包括电储能单元和控制单元，直线电机的定子输出端与电储能单元连接，电储能单元与控制单元连接。

本发明实施例之一，一种直线电机，该直线电机具有多个动子，将动子往复直线运动方向设为轴向，所述直线电子的定子按照轴向呈左右对称设置，动子的直线推杆相互间沿着轴向套装，多个动子按照设定顺序在定子形成的电磁场内沿着轴向往复直线运动。定子上设有多个齿槽，也呈现为左右对称两部分设置，齿槽上绕有线圈，左定子上的每个齿槽上的线圈与右定子上的对称位置的齿槽上的线圈串联。

本发明通过以电储能取代飞轮储能，将工作于发电机和电动机两种模式的直线电机直接与活塞相连。发动机的每一个工作环节，完全由电力控制，不需要依赖前一次循环。本方法中，工作循环的各个细节均得到良好的控制。不仅均质压燃、陶瓷发动机等已有先进的方法均可以实现，还做到了废气的常压低温无噪声排放。而机械方面，活塞和气缸是非接触密封的，完全没有摩擦损耗。显然，这个一个高效低排放的全新概念发动机。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1本发明实施例中自由活塞式内燃直线发电机结构组成示意图。

图2本发明实施例中直线电机示功图。

图3本发明实施例中直线电机驱动电路示意图。

图4本发明实施例中电储能单元的电压分段式储能电路示意图。

图5本发明实施例中气缸采用一种多级活塞的示意图。

图6本发明实施例中气缸采用一种多级活塞的示意图。

图7本发明实施例中气缸采用一种多级活塞的示意图。

图8本发明实施例中采用二级活塞的内燃直线发电机结构组成示意图。

图9本发明实施例中采用二级活塞实现气缸四冲程工作循环示意图。

图10本发明实施例中二级活塞工作时序图。

图11本发明实施例中气缸多级活塞多气阀的示意图。

图12本发明实施例中气缸多气阀优化工作时序图。

图13本发明实施例中活塞密封局部示意图。

图14本发明实施例中气缸进气增压结构示意图。

图15本发明实施例中气缸进气增压工作时序图。

图16本发明实施例中三级活塞发动机所配直线电机结构示意图。

1——气缸，

2——活塞，201——第一级活塞，202——第二级活塞，203——第三级活塞，

3——进气阀，301——第一进气阀，302——第二进气阀，303——第三进气阀，

4——排气阀，401——第一排气阀，402——第二排气阀，403——第三排气阀，

5——气室，500——气体通道关闭处，501——第一气室，502——第二气室，503——第三气室，504——压缩气室，

6——推杆，601——第一推杆，602——第二推杆，

7——直线电机铁芯，

8——直线电机线圈，

9——动子，901——第一动子，902——第二动子，

10——控制单元ecu，11——电储能单元，12——用电设备。

13——压缩气罐，14——进气口

具体实施方式

根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种自由活塞式内燃直线发电机，包括内燃机的气缸、直线电机的定子和动子。在图1中，气缸、直线电机的定子和动子是以剖面示意的方式展示。气缸一侧的端盖设有进气阀和排气阀，气缸内设有可往复运动的活塞，活塞与进气阀、排气阀之间的气缸空间形成气室。与活塞固接的推杆在气缸的另一侧与直线电机的动子固定连接，动子在直线电机的定子形成的电磁场内往复直线运动。直线电机与电储能单元连接，电储能单元与控制单元连接。其中，除了在气缸的顶部端盖出设置进气阀和排气阀，为了适应不同的燃料和燃烧要求，可能还会配置高压喷油嘴、火花塞等。另外，为了实时监测需要，还可以设置缸内压力、温度传感器。电储能单元还可以连接各种使用电力驱动或者工作的用电设备。

这里，自由活塞式内燃直线发电机其实也是一种电储能自由活塞发动机，技术实现方法是将直线电机的动子直接固定连接到活塞上，形成运动单元；用电储能元件(如电容、蓄电池等)与直线电机连接成储能电路。将直线电机设置为发电机和电动机两种工作模式，不断进行2种工作模式切换，循环往复，实现电能和机械能的双向转换，实现对电储能元件的电能输出储存，可以作为内燃机方式的发电机或者充电器来使用。可见，电储能自由活塞发动机按功能可以划分为燃烧做功单元、直线电机、控制单元、电储能单元、和其他配合系统等部分。控制单元控制驱动直线电机，使得直线电机工作在不断切换的发电机和电动机状态，实现了活塞的往复直线运动，完成电能的输出。简言之，本实施例的有益效果包括：

1.抛弃了飞轮储能，内燃机在燃烧膨胀过程中把能量转化为电能储存，而在其他过程中把电能释放出来，转化为机械能推动活塞运动；

2.用电控制的方法，控制活塞以接近简谐振动的方式平稳运行；

3.放开对活塞的约束，使活塞不受固定行程限制，在结构允许范围内，可以按不同的行程自由运动；

4.去除活塞和气缸间的滑动摩擦，以非接触的方式运行，使机械损耗接近0；

5.利用自由活塞的有利条件，深度优化工作循环，大幅提高效率，降低有害物质排放。

本实施例采用电储能替代飞轮储能，利用电子控制系统的高度可控性，控制活塞平稳运动。

根据一个或者多个实施例，如图1所示，直线电机由定子和动子构成，动子通过推杆固定连接到活塞上而成为一体，和活塞一起做高速往复运动。该动子简单牢固、质量小，且没有电缆连接到动子上。直线电机可以采用永磁同步电机，动子采用永磁体(也就是直线电机的次级)，定子为铁芯和线圈(也就是初级)，采用的是长初级、短次级的方式。其中，直线电机的计算选用要考虑满足三大要求，分别是最大推力、最高速度及对应推力、效率。参考图2所示。当活塞作近似简谐振动，可以按简谐振动原理确定电机的这三大要求。在往复运动的中点处速度最高，所受合力为0，故有：

最高速度＝π*行程*频率(1)

直线电机的推力＝活塞的压力＝活塞面积*pmid(2)

因为在上止点和下止点，速度为0，受力最大，故有：

pmax-最大推力＝最大推力–pmin，(3)

即：最大推力＝(pmax+pmin)/2(4)

在这里，上止点是往复运动的最高点，下止点是往复运动的最低点。

为了实现储能，直线电机要经历机械能和电能的双向转换，其总效率是电机单向效率的平方。电机的效率一般可以达到95％甚至更高，然而这个最高效率是在特定的速度、推力和工作电压下才能达到的，其他情况下，效率就会大幅下降。由于在每一个工作循环中，电机的速度和推力都要经历从0到最大值的全部变化过程，使用常规的办法是无法达到高效率要求的。对不同的速度和推力组合，如果通过调速电路(比如脉宽调制技术)，提供与之匹配的工作电压和电流，也可以有效地提高电机的效率。但是，大范围调整工作状态，却增加了调速电路自身的能耗，也不是完全可行的。

由于长初级直线电机的定子铁芯要比动子长，线圈要多于永磁体，所以总有一些线圈是“空转”的。对直线电机采用独立控制，断开“空转”的线圈，不仅提高效率，还可以通过不断切换接入的线圈，跟踪动子的移动。

将动子往复直线运动方向设为轴向，定子按照轴向呈左右对称设置，动子的直线推杆相互间沿着轴向套装，一个或者多个动子按照设定顺序在定子形成的电磁场内沿着轴向往复直线运动。定子上设有多个齿槽，也呈现为左右对称两部分设置，齿槽上绕有线圈，左定子上的每个齿槽上的线圈与右定子上的对称位置的齿槽上的线圈串联。

在每对左右齿槽上的串联线圈对，在控制电路中看作一个独立的逻辑线圈。控制电路中，每个这样的线圈的两端，各通过三个电子开关分别连接到地线、储能电路的正极、与该线圈相邻的线圈的一端。通过控制这些电子开关的通断，可以控制与储能电路的连接方式。可以完全断开、可以单独接入、也可以和相邻线圈串联后接入，还可以几组线圈分别串联后在并联接入。每一种连接方式，都可以正接或反接。电子开关可以是igbt、场效应管等任何具有开关作用的半导体元件，按控制单元ecu的指令动作。

如图3所示，设直线电机是三相工作，图3给出了a相的示意图，b相和c相电路是与此类似的。定子上每个线圈的两端，都接有上臂开关ku和下臂开关kd，形成典型的全桥驱动。同时，又可以通过ks开关与相邻线圈串联。线圈的任一端，都有悬空、接上臂、接下臂、串联相邻线圈四种选择。当开关ksa1接通时线圈a1和a2就形成了串联。a1、a2线圈通过开关kua1、kda’2形成正向回路，而通过kda1、kua’2形成反向回路。

当ksa1断开时，a1和a2就独立工作。a1通过kua1、kda’1正向工作，通过kda1、kua’1反向工作。a2则通过kua2、kda’2正向工作，通过kda2、kua’2反向工作。当a1和a2同时接通时，两线圈就处于并联工作状态。可见a1和a2线圈，既可以并联工作，也可以串联工作。

如此类推可知，所有线圈的串并联接发是可以连续转换的。以6个线圈为例，依次可以形成：单线圈6个并联、2串3并、3串2并、4串(另2线圈断开)、5串、6串，就可以有6级串联电压。在电机运动时，每个线圈的感应电压是和速度成正比的。通过控制线圈在串联和并联的转换，再配合电储能单元的电压分段措施，就可以很好地跟踪速度变化，使直线电机持续工作在最高效率状态。

简言之，在本实施例中，对于直线电机采用的驱动方法，抛弃了传统电机各线圈要么串联、要么并联的方法，采用每个线圈分别独立控制。通过电路设计，可实现各线圈串联数和并联数的组合转换。

根据一个或者多个实施例，由于活塞在行程的两端，即速度为0的地方，受力最大。这就要求线圈中能有非常大的电流通过线圈，以产生足够的抵抗力来控制活塞的运动。而直线电机作为发电机时，线圈上产生的电压，是和动子的运动速度成正比的。速度很低时，直线电机的发电电压就非常小，即便串联也达不到电池电压，就无法进入发电模式，也就无法形成反向推力。为此在电储能单元的储能电路中，本例采取了电压分段的方法，通过连接更低电压的储能电容，匹配发电机低压大电流工作时的要求。

如图4所示，储能电容cl、cm、ch分别通过开关连到电机供电端。三个电容分别工作在不同的电压，低压vl、中压vm和高压vh。当活塞刚开始运动时，线圈工作在串联状态，kl接通，电机发电，向cl充电。随着速度加快，线圈逐步转为并联，继续向cl充电。当单个线圈上的感应电压超过vl后，kl断开，km接通，而线圈又改为串联，电机改为向cm充电，速度继续提高，线圈由串联逐级转为并联，继续充电。直到单一线圈的电压超过vm后，km断开，kh接通，线圈再次变回串联，重复前述过程，电机向ch和电池组充电。减速过程则刚好相反。上述处于不同工作电压的储能电容的负极均接地，正极分别通过电子开关连接到储能电路的正极。通过控制电子开关的通断，按工作电压的顺序，逐个切换接入储能电容，以匹配直线电机的电压变化。电子开关可以是igbt、场效应管等任何具有开关作用的半导体元件。

显然，随着直线电机的运行，储能电容cl和cm的电压会逐步提高。为了保持cl、cm电压的稳定，需要在进入进气、排气、压缩阶段的低速期间，优先使用cl和cm向电机放电，推动电机加速。到一定速度后，进入正常工作模式。控制单元持续监控各段电压，通过控制放电时间，维持vl、vm的稳定，实现低压中压所储存能量的再利用。

不难发现，vl、vm、vh的关系，是和串联数ns相关的，即

vm＝vh/ns，vl＝vm/ns。

通过串并联转换和分段储能两个措施，对于单个线圈而言，其工作电压已经细分到串联数ns的3次方，(即串联接vl和并联接vh时单个线圈的电压之比)。也就是说，活塞的速度达到最高速的1/ns^3，电机就开始发电了，就可以产生反向推力，抵抗燃料被压燃、膨胀瞬间形成的巨大压力，使活塞的运动从一开始就被牢牢控制住，沿着最佳过程行进。

其中，电压的分段数还和工作电压密切相关。在工作电压很高时，可以采用3段甚至更多分段。工作电压较低的情形，就要减少分段数，因为低压过低就无法推动电机运动，会造成低压电容的能量无法利用。在特殊情况下，也可以采用另行增加放电电路的方法，比如增加电容泵回路。

根据一个或者多个实施例，对于本发明的自由活塞式直线发电机，如果采用单级活塞，会发生活塞以及动子受到冲击力很大的问题，本实施例中采用多级活塞的方案解决该问题。如图5、6、7所示，分别是3种二级活塞的结构示意图。多级活塞的设计思路是，在气室高压区域用小活塞，气室低压区域用大活塞，化解爆燃的冲击。多级活塞的设计特征包括：

1.采用面积从小到大的多个活塞，每个活塞具有与之对应的气室；

2.相邻两级气室之间有气体通道，在对应大活塞的上止点或小活塞的下止点区域，气体通道可以通过活塞的移动开启或关闭。

对于大功率直线发电机而言，可以采用三级或三级以上的多级活塞方案，获得更加均衡的推力。而较小的机器，可以采用两级级活塞方法，简化结构，降低成本。其中图7所示的气缸呈现为“凸”字形状，具有结构简洁紧凑、温度分布合理、衔接平顺、气体泄漏少等优点。从本例涉及的附图中可以看出，并不需要在每级活塞对应的气室设置排气阀或者进气阀即可实现工作循环的目的。

本实施例中的内燃气缸二级活塞实现了四冲程的工作循环。这四个冲程如图9所示，分别是：

压缩冲程：第一级活塞处于下止点不动，气缸处于连通状态，直线电机处于电动机模式。第二级活塞向上运动，不断压缩气体，运动到上止点后停止。第一级活塞向上运动，气缸被分隔为两部分，第一级活塞继续向上运动，压缩气体。缸内气体温度持续升高，压燃燃料(或喷射燃料)，燃烧膨胀，进入做功冲程；

做功冲程：直线电机进入发电机模式，第一级活塞向下运动至下止点后停止，气缸连通，推动第二级活塞继续向下运动，直至因压力减小而停止；

排气冲程：直线电机进入电动机模式，第一级活塞不动，第二级活塞向上运动，排气阀打开，第二级活塞到上止点停止。第一级活塞向上运动至上止点，排气阀关闭，完成排气过程；

进气冲程：直线电机处于电动机模式，第二级活塞不动，进气阀打开，第一级活塞向下运动至下止点停止，气缸连通。第二级活塞向下运动，根据油门确定进气量，完成进气过程。

图9中，箭头1和箭头2表示动作顺序，箭头1表示第一步动作，箭头2表示第二步动作。通过图10可以清晰地了解二级活塞工作时序图。

根据一个或者多个实施例，如图8所示，采用二级活塞的内燃直线发电机结构。包括内燃机的气缸，该气缸一侧的端盖设有第一进气阀和第一排气阀，气缸内设有可往复运动的第一级活塞和第二级活塞，第一级活塞与第一进气阀、第一排气阀之间的气缸空间形成第一气室，第二级活塞与气缸壁和第一级活塞之间的空间形成第二气室，在第二气室的缸壁上设有第二进气阀和第二排气阀。

与第一活塞固接的第一推杆在气缸的另一侧与直线电机的第一动子固定连接，与第二活塞固接的第二推杆与直线电机的第二动子固定连接，第一动子和第二动子在直线电机的定子形成的电磁场内往复直线运动，第一推杆与第二推杆可以保持相对直线移动。

直线电机的定子输出端与电储能单元连接，电储能单元与控制单元连接。

优选的，气缸外形呈现为“凸”字形状。第一进气阀和第一排气阀，设置在气缸“凸”字头部端盖，第二进气阀和第二排气阀设置在气缸“凸”字两侧台阶顶部。

优选的，第一推杆可以套入第二推杆内，直线电机的定子可以沿着第一推杆和第二推杆的轴向对称布置。

在本实施例中，电储能自由活塞发动机，或者说自由活塞直线发电机按功能可以划分为燃烧做功单元、直线电机、电子控制单元、储能单元、其他配合系统等部分。直线电机在电子控制单元控制下引导活塞运动，在其他配合系统的支持下，实施进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程，完成工作循环。

根据一个或者多个实施例，如图7～图11，采用多级活塞，优化由气缸、活塞、排气阀和进气阀组成的燃烧做功单元的工作过程，通过对工作过程的分段细分控制，可以实现各个环节的优化改进，具体实施的技术手段包括：

1.气缸采用较大的气缸容量，形成超高的压缩比(可以超过100倍)，使燃烧的高温气体充分膨胀至正常大气压以后，活塞依靠惯性继续下行，工质在负压(真空)下继续膨胀。通过负压膨胀，使能量充分传输到发电机，同时有效降低废气温度。然后靠负压的回弹力，活塞转为上行，达到常压后排气阀打开，废气以接近大气压排出，实现节能降噪。实现气室的负压膨胀和废气的常压排放；

2.由于电力推动，活塞的行程可以高度自由。燃烧膨胀过程，采用长行程充分转换能量。而吸气过程则采用短行程，根据油门大小，吸入适量气体，保证合理的空燃比。活塞运动的行程、速度变化等所有参数都是完全可控的，在电子控制单元的控制下，按不同工况的最优化路径执行，实现活塞的变行程控制。

3.当采用多级活塞时，例如二级活塞将四冲程的每个冲程拆分成了两个活塞的分步过程，显然会影响运行速度。本实施例中采用了多气阀设计，在各级气室中分别设置进气阀和排气阀，这样对于某些冲程，各活塞可以同时并发动作，提高运动速度。同时还会带来很多好处，包括可以降低进气温度、优化进排气效率、改善气缸温度分布等，并可以通过控制单元改进行程，实现二次燃烧、二次膨胀等优化措施。由于采用了多气阀设计，使得活塞的并发动作优化的燃烧做功单元的工作参数。

以图8中的二级活塞结构为例，换气过程是可以两级活塞同时进行的。在做功冲程后，第二级活塞换气，而第一级活塞不等待，同时换气。两活塞用各自对应气室的气阀换气。这样一来，原来的4冲程8个活塞动作时间，缩短为6个。

采用多气阀后，从第二进气阀进入的是空气，而从第一进气阀进入的气体，在缸内直喷模式也是空气，均质压燃模式中则是油气混合物。

燃料燃烧后，会产生一氧化碳。采用二次燃烧，可以减少一氧化碳排放。具体实现方法是，在压缩冲程中，第二级活塞向上运动，在还没有到达上止点时就停下，而第一级活塞开始向上运动，气缸被分隔为两个气室。第二气室中仍然有一定量的气体。

接下来，燃料被压燃膨胀以后，第一级活塞首先向下运动，做功发电，到下止点时，气缸连通，高温气体进入第二气室，就会引发二次燃烧，燃烧掉大部分一氧化碳，降低有害气体排放。同时，高温气体与第二气室中的工质混合，产生二次膨胀，提高第二级活塞做功，同时也降低了废气的温度，提高了能量的利用率。

因此采用多级活塞，可以根据每级气室的温度范围，选择合适的气室，实施二次燃烧和二次膨胀，以较好地降低一氧化碳排放，同时兼顾二次膨胀的效果。

进一步的，考虑利用燃烧做功的废气再循环。废气再循环可以降低燃烧温度进而降低氮氧化物的生成。对于均质压燃而言，可以通过控制空燃比，进行稀薄燃烧来降低燃烧温度，因此不需要废气再循环。而对于柴油等采用燃料直喷方式的，就可以采用废气再循环来改善废气排放了。

在做功末端，缸内压力进入真空，第一气室的废气也随之减少，当达到合适的量时，第一级活塞略微向上运动，隔开第一气室中的废气。第二级活塞正常排气吸气，然后在第二级活塞开始压缩冲程。向上运动时，第一级活塞回到下止点，使气缸连通，然后继续完成正常的压缩冲程。这样就使少量被隔离在第一气室的废气就再循环到了下一个工作周期。可以发现，第一活塞并没有进行排气和吸气动作，有效提高了运行效率。

由于废气温度已经较低并隔离在第一气室，不会影响新空气吸入第二气室。因此，并不需要像传统的发动机那样，冷却用于再循环的废气。实际运行中，需要在数个工作周期后插入一个正常的工作循环，排净第一气室的废气并吸入新空气，用来降低气缸的温度，并保持气缸的清洁。如图12是反映本例中气缸多气阀和废气再循环优化工作时序图，通过变行程、并发动作、负压膨胀、二次膨胀和二次燃烧、废气再循环等环节优化以后，工作循环所用时间也进一步缩短，排气和进气已经压缩为换气过程。工作循环实际上表现为做功、换气、压缩三个过程。

简言之，本实施例的多级活塞多气阀设计具有的技术效果包括：

1.多级进气排气——在各级设置进气\排气阀，实现多级活塞的同时运动，提高效率；

2.负压膨胀——膨胀过程一直持续到负压(真空)；

3.二次膨胀——高温气体进入到下级时，与下级隔离的冷空气混合，形成二次膨胀；

4.二次燃烧——二次膨胀同时，残余燃料和一氧化碳等与新混合的空气发生二次燃烧；

5.废气再循环——一定量的废气保留到下一个工作循环，有利于降低氮氧化物的生成。

无需增加其他装置，就可以实施二次燃烧、废气再循环，大大降低有害物的排放。采用多级活塞方法以后，实现了对工作过程的分段细分控制，还可以进一步形成各种多样化的优化组合，推进各方面持续改进。而经过二次膨胀和负压膨胀，可以做到废气的常压低温排放，也就是燃烧产生的热能几乎全都成功地转换为了电能，这是又一个质的飞跃。在传统发动机中，排出的高温废气是最大的能量损失原因，近一半的能量是被废气带走的。也正因为此，内燃机的效率很难超过50％。而这一全新的电储能式自由活塞发动机，已经迈向了高效内燃机的新高度。

根据一个或者多个实施例，在多级活塞工作过程中，气缸的温度分布会从上到下呈逐级下降趋势，各级气缸的温度变化范围显著减小。由于采用直线电机取代了曲柄飞轮，活塞只受到轴向力，没有侧向的冲击。泄漏的气体，可以在下级气室中通过二次燃烧处理掉，而最后一级压力比较低，泄漏量比较少。因此，对活塞气密性要求已经更加宽松。基于这些有利条件，得以彻底抛弃传统的活塞环，采用非接触的迷宫式密封来解决气缸与活塞、活塞杆与下一级活塞间的密封问题，如图13所示。采用非接触密封，好处不言而喻，不仅机械耗能几乎为零，还大大提高了机器的寿命。

根据一个或者多个实施例，对于燃烧做功单元可以采用进气增压的方式，类似涡轮增压。一种自由活塞式发动机，如图14所示，包括压缩气室和两个单向气阀。该发动机的气缸一侧的第一端盖设有第一进气阀和第一排气阀，第一级活塞与第一进气阀、第一排气阀之间的气缸空间形成第一气室，在第二气室的缸壁上设有第二进气阀和第二排气阀，第二级活塞与气缸壁和第一级活塞之间的空间形成第二气室。

气缸外形呈现为“凸”字形状，第一进气阀和第一排气阀，设置在气缸“凸”字头部端盖，第二进气阀和第二排气阀设置在气缸“凸”字两侧台阶顶部。

第一推杆与第一级活塞固接，第二推杆与第二级活塞固接，第一推杆套入第二推杆内，第一推杆和第二推杆的运动方向为轴向，直线电机的定子沿着第一推杆和第二推杆的轴向对称布置。

所述气缸在第一推杆和第二推杆侧用第二端盖封闭，第二端盖上设有进气口，第二端盖与第二级活塞形成压缩气室，压缩气室的进气口、第二进气阀、第一进气阀均与压缩气罐连通。

由于实现了低温排放，压缩气室的温度并不高，因此可以用来进行进气压缩。压缩冲程时，第二级活塞上行，空气从进气口被吸入压缩气室。做功冲程中，第二级活塞下移，压缩气室气体通过单向气阀进入压缩气罐保存。换气过程时，进气阀和排气均打开，压缩气体凭自身压力压入第一气室和第二气室。在扫气作用下，废气有排气阀排出，完成进气扫气。

有了压气机以后，可以进一步优化工作循环，实现两冲程运行，进一步提高输出功率。方法是，在做功过程结束后，第一级活塞上行，开始排气，上行一小段后即折返向下。同时第一进气阀打开，开始进气扫气，把第一气室剩余的废气扫排掉，以及活塞回到下止点，第一进气阀和第一排气阀关闭，准备压缩过程。与此同时，第二级活塞上行排气，上行一小段后，第二进气阀打开，开始第二气室开始进气扫气，将第二气室的残余废气排出，关闭第二进气阀和第二排气阀，第二级活塞继续上行，开始压缩过程。换气过程在压缩冲程的开始阶段进行，这样就实现了两冲程运行。如果采用非接触密封，无需润滑油，对于缸内直喷而言，扫气使用的是空气，不存在燃料泄漏问题。由于有个压气机，就可以进行两冲程循环，可以看做变循环过程，也同样是节能环保的。扫气换气是两冲程所具有的，该过程的时序也是两冲程的时序，具体工作时序图可参照图15。

根据一个或者多个实施例，由于现有的圆筒型直线电机散热比较困难，制造难度也较大，可以采用平面型直线电机。为了保证活塞的平稳运行，发动机的运动部件按照轴对称平衡布局，只能受沿轴方向的推力作用，而垂直于轴方向上，必须保持侧向力始终为0。在本实施例中，采用了两台完全相同的平面直线电机对称排列的方法，如图8所示。

直线电机在运动中，由于机械、电磁或电流的扰动原因，会产生各齿槽受力不均的情况。对于对称的两个电机而言，局部的侧向受力就无法相互抵消。这种侧向力会影响活塞的平衡运动，增加横向抖动。为解决此问题，进一步的，采用将电机对应线圈分别串联的方法，来确保流过对应两线圈的电流永远相等，以此确保两电机任何位置上都处于力平衡状态。这样连接以后，两台电机其实已经融合到了一起，逻辑上相当于一台电机。如图16，三级活塞发动机所配电机的示意图，线圈a1和a’1串联在一起，共同成为一个线圈a1，其他各线圈也都采用了同样的方法。

另外从图16中可以看到，多个动子共享同一套定子。这一结构设计，既节约了空间，又增加了一致性。多个动子共轴排列，容易保证机械制造精度。每个动子的规格完全相同，可以使电子控制部分精简计算模型，有利于减低软件设计复杂度，降低错误概率。同时，可以共用定子上的传感器和线圈，降低成本。

根据一个或者多个实施例，为了控制活塞的运动，必须时刻测得活塞的位置数据。为此，在动子永磁体磁轭的边缘开出小齿，使之产生少量漏磁。霍尔元件和软磁体固定在定子上，与永磁体背面的磁轭保持很小的间隙。由于相邻的永磁体极性相反，磁轭齿缝的漏磁被软磁体引导到霍尔元件。当动子上下运动时，磁轭上的小齿间断地阻挡磁路。用霍尔器件检测漏磁，每一个小齿经过时产生一个脉冲，通过对脉冲的计数和处理，就可以确定活塞的位置。对应每个动子的运动区域，设置3个传感器，传感器间隔为定子齿槽间距的整数倍。和传统电机类似，电机驱动电路也利用该位置信号控制定子线圈换向。在开机上电过程中，需要驱动电机各动子到达上止点后再回到下止点，使位置计数器归0。从原理可知，位置传感器的定位精度是由磁轭上的小齿间距决定的。可以定位到小齿间距的1/6(脉冲的上升沿和下降沿均可用于定位)。如果采用模拟量输出的霍尔传感器，可以进一步细分，获得更高的定位精度。

由于直线电机是多个动子套轴往复运动的，活塞推杆采用轴承支承，实现动子在定子内的往复直线运动。其他需要的配合系统包括，需要在第一级气室安装温度和压力传感器；气阀、喷油等均需要采用全电控。而冷却、润滑和排放方面，已经大为简化，均可以采用现有发动机的技术实现。而控制单元部分，由于需要大量的实时控制，仅使用微处理器已经很难满足实时响应的需要，因此在电子控制系统中可以增加fpga芯片，专门来解决高速控制信号的处理。而微处理器则负责燃烧模型等各类运行参数的调控。

在发动机启动方面，可以依靠蓄电池的能量，活塞在直线电机的推动下，即可随时完成换气、压缩等过程，实现压燃点火、膨胀做功。机器的运转，不需要依赖前一次工作循环，因此，不需要专门的启动装置，其实也没有启动和熄火的概念。即发动机是随时可以开，随时可以停的。

对于在寒冷的环境，长时间停止的机器，由于气缸的温度过低，可能会造成压缩冲程以后，达不到压燃温度。这时，控制单元会检测到这种情况，并再执行一次压缩冲程来烘热气缸，发动机即可开始工作。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。