专利名称：自由活塞式内燃发动机的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及内燃发动机，更具体地说，涉及自由活塞式内燃发动机的改进。本发明使内燃发动机摆脱已有内燃发动机那种刻板的结构限制的束缚。这是通过将自由活塞的特点、计算机控制和阀门及阀门执行机构的时间控制巧妙地结合起来，使发动机在很宽负载范围内按具体负载的最佳状况运行。体现本发明精神的发动机对各部件和发动机操作参数的控制有很大自由，因此发动机以当前发生的功率要求的最佳工况或接近最佳工况运行。
背景技术：
以液态石油产品为燃料的内燃发动机长期以来是向各种汽车和固定机构提供机械功率的支柱。这种发动机燃料转换效率的改进已经有不少进展。虽然，今天工业上生产和应用的大部分内燃发动机使用往复活塞，它们的运动受曲轴和连杆的限制，因此已经出现了自由活塞式内燃发动机。例如，在美国专利4,873,822；5,123,245；5,363,651；4,530,317；4,415,313及4,205,528中示出了自由活塞式内燃发动机。不过这些发动机大部分以一个选定的功率输出负荷条件设计和运行而具有高效率，因此有少量发动机只在一种负荷条件下使用、运行。大多数内燃发动机提供的功率必须在从小功率到大功率一个很大范围内变化。
对内燃发动机的效率和功率都很重要的三个参数是冲程，即位移，膨胀比和压缩比。传统的曲柄式内燃发动机不允许对这三个参数中的任何一个做有控制的调节。内燃发动机的效率还是压缩比与膨胀比之比的函数。在传统的内燃发动机中没有一个参数是可变的。内燃发动机的功率与空气的质量流量成正比，空气通过燃烧室与燃料适当地混合，因此功率也是活塞排气量的函数。但在曲柄式发动机中活塞排气量是不可变的。
本发明的特征和目的是提供一种自由活塞式内燃发动机，不仅其四个参数全都可以控制和改变，而且膨胀比和压缩比也可互相独立地调整。这就使发动机可在压缩比与膨胀比不同的情况下工作，还能使发动机的位移或冲程受到控制。因此，在功率要求低时，本发明的发动机能以较其压缩比大得多的膨胀比工作，因此它能在接近完全膨胀的情况下运行，从而其燃烧热能有较大一部分被转换成机械输出功率。功率要求较高时，发动机的位移及膨胀比都可改变，以便获得已知功率要求下的最大效率。
发明的简要说明本发明是一种经过改进的自由活塞式内燃发动机，它有至少一个活塞在气缸中做可调整但保持密封的往复运动，最好有两个对动活塞在汽缸中沿相反方向做往复运动。每个活塞具有一可限制和确定中央燃烧室的端面。发动机还有一与活塞相连的驱动器，用于推动活塞通过其压缩冲程。驱动器最好是一根弹簧，它作用于各活塞上且在活塞的膨胀冲程中贮存能量以便起到飞轮作用。本发动机还包括喷油嘴，还可以包括引燃用的电火花点火器。
本发明改进之处包括至少一个，最好是两个燃烧室阀门。每个阀门位于伸展在燃烧室和地面大气之间的通道上，用于控制燃烧室和地面大气间的气道。阀门关闭执行机构与至少一个燃烧室阀门相连。活塞位置传感器与阀门关闭执行机构相连且根据活塞在汽缸中的可调节和改变的选定位置相应地关闭阀门，接收活塞位置信号的阀门开启执行机构也与燃烧室阀门相连。两燃烧室阀门的开闭基本上同步。最好有一增压器或其它空气推进器与通道相连，以便在燃烧室阀门开启时对燃烧室驱气并向燃烧室供应空气以维持燃烧。
运行时，在膨胀冲程理论端点附近阀门打开使燃烧室排气。阀门开启使燃烧生成气体的膨胀结束，开始排出和驱除燃烧产物，并用一台功率足够的增压器将燃烧室增压。当活塞处在可调节和改变的位置时，关闭阀门，结束换气和驱气，于是排气结束，压缩开始。
在可变负载状况下，发动机调节不仅包括改变喷入燃烧室的燃油量，而且包括改变阀门开启和关闭时的活塞位置，以满足发动机的运转要求，使发动机以相应状态的最大效率提供所需功率。
附图简要说明
图1是说明本发明基本原理的方块图；图2是说明本发明一个实施例的示意图；图3是说明本发明一备选实施例的示意图；图4示出本发明又一实施例；图5、图5A示出本发明再一个备选实施例；图6、图7、图8是p/v(压力/容积)图，示出本发明实施例在低、中、高功率时的运行状况；
图9示出本发明另一实施例；图10示出本发明另一实施例；图11是本发明的多发动机实施例的方块图。
在说明附图所示的本发明优选实施例时，为了清楚起见需要借助于专用词汇。但是本发明不仅局限于使用选用的专门词汇，同时应理解，每个专用词汇包括一切以同样方式起作用达到同一目的的技术同义词。例如，经常使用关联字或相类似的术语。它们并不局限于直接连接而是包括那种被业内人士认为功能相当的通过其它电路元件的连接。此外，示出的电路是一种对电子信号能完成众所周知操作的电路。业内人士认识到有许多，而且将来还要增加，备选电路是有同样作用的，因为它们对信号可提供相同的操作。
详细说明本发明的基本原理示于图1。图1所示自由活塞式内燃发动机有一对活塞10和12，它们在气缸14中可以滑动但能保持密封，且可做往复的反向运动。活塞10的端面16与活塞12的端面18可限制和确定燃烧室20。
一驱动器22与活塞10相连，一同样的驱动器24与活塞12相连，它们推进各自的活塞通过其压缩冲程。这种驱动器为业内人士所熟知且它们最好包括一蓄能器，用于贮存作功产生的膨胀冲程发生的能量并在压缩冲程中将此贮能归还给活塞，起到飞轮作用。推荐的驱动器是螺旋弹簧、气压弹簧、平板弹簧或其它在发动机选定的工作频率下其弹簧常数能使活塞发生谐振的弹簧。另一方面，驱动器还可以是气动、液压、机械惯量或电气的系统，用于以技术上已知的方法蓄能和返回能量。例如可用一部分输出功率驱动液压马达，维持液压油容器的高压力以驱动液压缸或其它用做驱动器22或24的液压执行机构。
发动机还有一喷油嘴26，用于喷射高压油，其结构是现有技术中常见的。发动机最好有一点火系统28，如普通的火花塞，尽管点火可以靠对燃油的充分压缩实现，就象在柴油机中常见的那样。但是最好还是用高能放电装置来点燃挥发性低的燃料，这样发动机可以用各种燃料工作，如煤油、天然气、柴油、汽油和氢气。
活塞10上有一燃烧室阀门30，同样，活塞12上也有一燃烧室阀门32。各燃烧室阀门分别与通道34、36相连接，因此，各燃烧室阀门控制着燃烧室20和地面大气之间的气体通路。燃烧室阀门30与一阀门执行机构38相连，燃烧室阀门32与一阀门执行机构40相连。虽然每个阀门执行机构通常既能关闭也能打开相应的阀门，但可看出在本发明有些实施例中还可以将其中一个阀门，如阀门32，选用单向阀，而另一个阀门则用阀门执行机构关闭并靠气体压力打开。近年来，现有技术已开发出各种电空阀，它们动作迅速，也象本发明的燃烧室阀门一样能很好工作。
至少其中一个活塞，即在图1中的活塞10装有活塞位置传感器42，提供表示活塞位置的信号。业内人士熟悉各种这样的活塞位置传感器。它们包括粘贴到螺旋弹簧上的应变片，线性可变差接变压器，或任何示于下列美国专利中的位置传感器，其申请号为5,342,176；4,926,123；4,912,409；4,866,378及4,864,322，特此作为参考文献列于此。活塞位置传感器42与信号处理电路44相连。信号处理电路44中包括模拟和数字转换器，再接到数字计算机46上。所有传动和控制功能元件均由计算机控制，这时新式的、惯用的内燃发动机中这些功能元部件按传统方法控制。
位置传感器42、信号处理电路44和计算机46如同在本发明简单实施例中与阀门执行机构38和40相连的活塞位置传感器一样起作用。在选定的活塞位置时，它们一起发信号给阀门执行机构38和40，以关闭阀门30和32。通常它们还可发出不同的信号给阀门执行机构38和40以打开这些阀门。还可向计算机46提供一控制输入信号47，去控制发动机，如调节其功率输出或冲程或其它一个或几个参数。控制输入信号47也可输入反馈控制系统。
虽然当活塞位置传感器探测到选定的活塞位置时可用阀门执行机构直接打开燃烧室阀门30和32，但单向阀或其它压力响应阀则根据其两侧的压差开启与关闭。在燃烧室内的压力是活塞位置的函数，这种压力响应阀在本发明中对活塞位置是敏感的。
工作时燃烧室阀门30和32几乎同时开和关，尽管由于惯性及气动效应未必严格同时发生。最好有一增压器48，在燃烧室阀门30和32开启时吹除燃烧室中的各种燃烧后的气体，并且充入空气以维持燃烧。增压器48迫使压缩空气流经通路36、阀门32、燃烧室20、阀门32及通路34。增压器48也可在高于大气压力下运转进行驱气，它也可以是压气机，这样不仅能驱气，也能增加燃烧室中空气质量。
活塞10和12通过连杆50和52接到各自代表有用功率输出的负载54和56。合适的负载是技术上熟知的，包括液压泵、气压泵、发电机。负载中部分功率可用于推动发动机的辅助系统，如点火及电子处理系统、空气增压器及阀门执行机构。产生的液压动力、气动功率和电力也可贮存，通过技术上已知的蓄能器在起动时应用。
本发明的运转可用图7的p/v图加以说明。活塞10和12在其往复运动途径的最远端，即末端位置相当于图7中的A点。阀门30和32在A点时打开，这时驱动器22和24将活塞10和12往里推向它们的中间位置。当活塞沿压缩/驱气冲程上的初始驱气段从A点往里移动到B点时不发生压缩，而增压器迫使燃烧产物离开燃烧室并以新鲜空气重新加入燃烧室。当活塞位置传感器测得活塞位置在B点时，该传感器促使阀门执行机构38和40关闭阀门30和32，这时压缩开始。当活塞从B点向C点移动时，压缩继续。C点一过，立即喷油、点火，至少继续进行到接近D点。燃烧产生的热能不断使燃烧室中的气体膨胀，因而推动活塞10和12沿膨胀冲程分开，到达A点时重新开始循环。
因此，在本发明中当活塞位置接近膨胀冲程终点时燃烧室排气，燃烧生成气体停止进一步膨胀并开始排空燃烧产物和重新充气到燃烧室。在可调节和变化的活塞位置B点上，阀门关闭，排气结束，废气排尽，压缩开始。本发明允许至少一个活塞，最好是两个活塞，在阀门开关时的位置可以改变，以便按希望发生的输出功率和/或效率的变化而开始和中止排气。由于膨胀比是燃烧室阀门开启时的活塞位置的函数，而压缩比是燃烧室阀门关闭时的活塞位置的函数。因此膨胀比和压缩比都可以单独调整。因为活塞冲程是阀门开始和关闭时活塞位置及燃油量的函数，因此本发明不仅可以对压缩开始时的活塞位置和膨胀结束时的活塞位置做独立的直接控制，而且也可控制发动机冲程的位移或长度，即排气量。
图2示出的备选实施例中包括各种可替换部件，它们可置换到本发明其它实施例中。图2中的发动机有一对在气缸114中做往复运动的活塞110和112。每个活塞与抽气装置做成一体。活塞110与活塞112相同，因此只需描述一个。辅助活塞116呈环状形成在主活塞110上且在泵缸118内做往复运动。该泵在结构上很平常，是双作用式的，泵上装有进气单向阀120、122和排气单向阀124、126。该空气泵用于将环境空气送到高压贮气器128，此贮气器成为在操纵阀门执行机构的气动系统中应用的储压器。在膨胀冲程中蓄能并在压缩/换气冲程中往里推动活塞的驱动器是一对作用螺旋弹簧130，其弹簧常数可使活塞110以发动机的设计工作频率或接近此频率发生谐振。
燃烧室阀门132的开闭是靠从高压贮气器128放出并作用于活塞134上的气压的进入和排放实现的。施压与泄压由角阀136控制，角阀136本身的动作又靠电磁线圈138在两种状态之间的切换。活塞位置传感器140检测到活塞的瞬时位置并将信号输送到计算机和信号处理电路142，其检测方式可配合图1说明。高压气体经角阀136送到缸壁上形成的环形槽144。此环形槽144与和气动活塞134连通的进气口146重合。环形槽144的轴向尺寸必须足够宽以致在活塞110的冲程中与进气口146保持连通。电磁线圈到它的第一状态并转动角阀136将贮气器128中的压力送到阀门执行机构的活塞134时，阀门132打开。当电磁线圈转换到其第二状态并转动角阀136将高压气体从环形槽144中放出，于是螺旋弹簧150迫使阀门132关阀，因此，活塞134、弹簧150、阀门136、电磁线圈138及高压贮气器128共同构成阀门执行机构，该执行机构应答流体压力源128给予的压力并由介于其间的控制阀136控制。
活塞112中的燃烧室第二阀门152是一单向阀，它不需要单独的阀门执行机构并可在本发明的实施例中选用。单向阀152是在膨胀冲程结束时由增压器160及相连的吹除空气瓶162施予压力后才开启的。燃烧室阀门132开启后单向阀152两侧的压差使增压气流经进气通道164进入燃烧室115，但在压缩、燃烧和膨胀过程中阻止沿反向流动。
图2还示出以传统方式点火的普通火花塞电极偶166。
图3示出本发明一备选实施例，它与图2中的相同，但其供活塞210应用的阀门执行机构中的弹簧212将燃烧室阀门214压向开启位置，在图2中却是压向关闭位置。在图3的实施例中，高压贮气器216的高压气体的作用是关闭燃烧室阀门214，而在图2中是打开燃烧室阀门132，但其作用方式相同。但当活塞210沿其膨胀冲程移动足够的距离以致燃烧室中压力下降到低于选定压力时，燃烧室阀门214打开。准确地说，当弹簧压力超过燃烧室阀门214净压差的作用力时，阀门214开启。也可采用技术上熟悉的多种其它的阀门执行机构，包括凸轮与液压阀致动系统及用电磁线圈直接驱动阀门。
图4示出又一备选实施例，其备选的部件可用于本发明许多实施例。图4示出的发动机有一对活塞310和312，它们在气缸314中做往复运动但保持密封。在图4的实施例中，燃烧室阀门316和318固定在燃烧室322的缸壁上且位于两个活塞310和312之间的凸盘320中。活塞位置传感器324可与活塞连杆326的外伸部分相连，外伸部分还与功率输出设备328相连。虽然阀门316和318都由阀门执行机构按前述方法打开和关闭，但图4中示出的燃烧室进气阀316是一单向阀，将连同图2及图3一起说明。另一燃烧室阀门318由其相关的阀门执行机构330随活塞位置传感器324及其信号处理和计算机电路332(它们共同构成活塞位置传感器)开启和关闭。
图4还示出从燃烧室322排出的废气可通过涡轮334得到利用。涡轮的转轴与产生电力的发电机336相连，以便从燃烧产物的膨胀中提取额外能量并将其转换成电能供辅助系统使用。另一方面，如果活塞杆的动力被用来泵送流体，流体又推动涡轮，则其排气可补充到此流体中，推动同一台涡轮。
例如，图10示出的优选实施例包括在气缸614中的自由活塞610和612。该实施例与其它图上的实施例大致相同。但其燃烧室阀门616有一与信号处理和计算机电路620相连的电磁执行机构618。此外，涡轮622、交流发电机624、增压器626相连在同一转轴628上。做往复运动的自由活塞610和612产生的输出功率提供给高压气泵630和632。这两气泵630和632的输出气体，以及燃烧过程产生的通过通道的废气都通向并驱动涡轮622。涡轮再经过相连的公共转轴628带动发电机624和排气增压器622。本实施例中最后输出的动力是发电机624的电力。另一方面，吹扫空气可来自高压气泵630和632排出的一部分高压气体。
发电机可以这样设计，在起动时由蓄电池供电起电动机作用，从而带动排气增压器，向气缸614进行初期充气。这时建议在起动时用超速离合器使发电机与涡轮脱离。另一种方法是增压器由其自身专用马达驱动。
虽然为了清楚起见，在图10上增压器作为单独部件画在发动机以外处，但它可很好地与做好的活塞相接，成为自由活塞610和612端部的侧缘，其形状示于图3中。图11示出一多级发动机，它由多台单独的发动机710、712、714组成。每台单独的发动机即如图1至图10所示的本发明的一个实施例，已述于上。多级发动机可采用的这种单独发动机的数量是任意的，尽管图上只示出3台。各台单独发动机中的活塞通过传统的连杆机构将输出功率送到同一负载，如电力负载716。例如，活塞可以连接发电机720～730，再接至电力负载716。也可以是任何一种上述合适的备选功率输出系统，如气动液压系统。各台发动机710～714都以上述方式与唯一的一台控制计算机732相连并受其控制。但各台单独发动机由计算机选择启用或停用，以便使选用的单独发动机同步工作，可以选用一部分单独发动机。这样使图11中的多级发动机可只以满足现时负载要求所必须的那几台单独发动机工作。该负载要求由计算机从负载要求探测器检测，负载要求探测器与负载716相连并与计算机在输入端733相连，提供负载要求信号。例如，如果负载716是电力负载，则在小负载时，电流、电压或功率检测器能起动一台发动机，而负载增加，则增加发动机的台数。同样，如果负载是一辆由多级发动机驱动的汽车，则怠速时只需发动一台单独发动机，高加速度时开动全部发动机，市内巡回驾驶则用部分发动机工作。
单独发动机停用的方法是关闭其燃烧室阀门，使之保持在关闭位置。如在其它图上所示，这样可防止增压器向燃烧室供应助燃空气。还关掉与喷油嘴连通的阀门740、742和744，防止燃油喷入停用的燃烧室。显然还可用其它控制方法，如停止点火。阀门也可装在增压器通道内。
图6至图8示出体现本发明精神的发动机的功率和效率的控制方法，包括改变在燃烧室阀门开启或关闭时至少一个活塞的位置，最好是两个活塞的位置，并控制喷入燃烧室的燃油量。图6至图8上的垂直轴的位置代表发动机的对称中心，活塞离开该中心的位移由水平轴上的距离表示。图6所示发动机在相对低的功率下工作，活塞在位置A时燃烧室阀门开启，活塞在位置B时燃烧室阀门关闭，将A点在图上向左移则活塞冲程减少，一般说供油也减少。
图6和图7示出很大比例燃烧室中的膨胀能用于推动活塞，从观察可知，在A点时燃烧室阀门开启，这时燃烧室压力已基本上跌到增压器入口充液压力。
当有大功率需要时，燃烧室阀门开启位置A和关闭位置B可分别迅速向右移并增加喷油量。图8所示A点位置已接近其极限，B点位置向右移很远，以致D点到A点的膨胀冲程与B点到C点的压缩/排气冲程可以几乎相等以提供大功率输出，其中从D点到A点时，从膨胀气体中抽取燃烧热能，从B点到C点发生压缩。A点以后，压力下降快，因此已燃气体的膨胀能有些损失。不完全膨胀带来的损失通常很少，仅当发动机工作状态接近最大功率时才明显。如果装上废气涡轮，在通过涡轮膨胀时这种不完全膨胀能量甚至还可部分得到回收。虽然功率损失几乎没有传统内燃发动机中那么明显，但实际尺寸的大功率发动机中这种损失是不可避免的。
图5示出本发明又一实施例，虽然它不是最佳的但至少也是备选的。它靠柱形阀或滑阀的滑动构件来控制燃烧室阀门410的关闭。图5中，活塞412装在气缸414内。有一对滑环416、418与气缸同中心，但有足够间隙，因此它们能沿轴向滑动到选定位置。高压源420通到穿过滑环418的孔422。阀门驱动活塞424可在活塞412内的一个相应驱动气缸426中密封地做往复运动。阀门驱动活塞424用连杆428与阀门410相连。在活塞412的移动过程中，通道432与孔422重合时气缸426中的燃烧室430通过活塞通道432与高压源420连通。这样，气源420的压力迫使活塞424克服弹簧434的作用力打开燃烧室阀门410。同样，当活塞通道436与滑环416中的孔438相重合时，通道436与滑环416中的孔438连通，从而高压源420施予燃烧室430的压力被排放，因而弹簧434可迫使燃烧室阀门410关闭。
因此，滑环416和418的轴向位置决定燃烧室阀门410开关的活塞位置。
图5A示出图5上的实施例的p/v图。理想地，阀门在图5A中所示行程A的某处关闭，在行程B的某处打开，具体位置由发动机状况决定。
图9示出燃烧室阀门510打开位置的又一备选的控制方法。阀门510经连杆520与凸轮随动件522相连并被弹簧524压向关闭位置。轴向可滑动的辅助指状构件526穿过活塞530上的孔532伸进到活塞530中间的腔528内。
当图9中的活塞530充分向左移时，指状构件526与凸轮随动件522啮合，再往左运动便会迫使燃烧室阀门510打开。因此，图9示出，燃烧室阀门这种纯机械动作可以交替地进行。尽管图9中的实施例有很大缺点，即在活塞做往复运动时阀门在同一位置开和闭，但原先熟悉该项技术的人士可借此应用构思其它相似的传动机构，使燃烧室阀门510仍可使用这种结构在不同地点开和关。
价廉但功能强的计算机的出现使发动机燃烧及效率控制技术发生巨大变化。发动机控制已远远超出不久前靠简单机械装置所能达到的程度。例如，对油气的混合应用计算机控制喷射系统周而复始地进行调节，使燃烧效率达到最佳值。本发明发动机对于进气和排气阀的运动的控制有同样深刻的进步，获得从前不可能达到的方法。一个重要的例子是用阀门关闭时间来控制通过热力循环的质量流量，从而消除在目前常规火花点火发动机中浪费能源的节流过程。这些控制规律的技术细节及效果可见美国汽车工程师协会会刊上发表的论文。
本发明中任何一种已知的位置传感器，如线性可变差动变压器，或在活塞锥形部分上工作的近感传感器，或能给出与活塞位置成正比的电压的许多其它方法，都可向控制计算机提供活塞位置的信息。此外，计算机接收自检测未燃燃料、一氧化碳、自由氧的传感器发来的信息，和设计者希望获取的其它信息，以便使燃料效率最高且污染减少。控制计算机因而可使功率符合发动机工况，以便使功率、效率和其它特性，如对功率变化的反应能力达到最佳值。
体现本发明发动机的起动需要有辅助电源，如普通蓄电池。活塞最好静止在其内部最接近的位置，虽然它们也可以位于主动弹簧放松状态下的中间位置。
为了起动，控制器检测到起动指令，将少量燃油喷入燃烧室，并在其中电火花点火，使活塞向外侧极限位置移动。燃烧室在发动机停机时最后一个循环中已经事先将废气清除。控制器打开排气阀，将气体排尽并从现有贮存的气源或在抽气时活塞的向外运动，或从由电动或液压马达或废气涡轮提供动力的专用增压器产生吹除动作。活塞下一个循环便是上述的稳态操作，正常地提供功率输出。但阀门定时可先提供相对较短的冲程，然后阀门开关时的活基位置可随冲程的增加而改变以达到稳态操作这一点是特殊的。
正常运作时如果操作者需要加大功率，则使控制器喷入更多燃油，与此同时提早关闭燃烧室阀门，让较多空气通过热循环。如果需要大功率，控制器在膨胀过程中提早将阀门打开，给予循环以较高的平均有效压力，在废气中留下一些剩余膨胀能量，将它或在废气涡轮中回收或正如传统发动机所做的那样放入大气。
如果要求降低功率，则控制器减少喷油量并且通过在吹除过程中推迟关闭燃烧室阀门使循环的空气质量减少。由于推迟打开排气口，控制器可采用与其它要求相适应的最大膨胀比。
如果功率需要低，控制器可切断一对或几对气缸，只让一对工作，使之在最佳效率下满足需要。这样，在市区行车时有三对活塞的汽车可以只用一对工作；使用一部分功率。当要求最大功率时，控制器起动空载的那两对，三对活塞同时以满载工作。这种操作方法使本发动机比传统发动机有更高机械效率，在传统发动机中所有机构均需工作，即使需要功率只占发动机总功率的一小部分。
燃油吸射速率不仅受功率控制，也受感测到的未燃烧料(表明喷入的燃油过剩或空气不足)，和一氧化碳(也表明空气不足)的控制。上述一切是众所周知的，但本发明的自由活塞式发动机的灵活性能做到充分利用，是最佳方案，因为传统的位置固定和阀门定时固定使发动机固定化而不可能做到上述操作。
虽然两反向活塞是可取的，但本发明的原理也可用于单活塞的发动机，其冲程在所示发动机对称点处结束。这样的发动机可以有一个燃烧室阀门，虽然用两个阀门更实用。若有两个阀门，则发动机按上述方式工作。两个阀门都可位于发动机盖内，也可位于活塞中，即前述附图中所示的每个阀与通道相通的情况。如果采用单阀则不能完成排气和增压。在这样的实施例中发动机必须以四冲程工作，而不能按上述的二冲程。因为在二冲程中，一个冲程完成燃烧和膨胀，而排气、吸气、压缩都要在第二个冲程中完成。在四冲程方式工作时，燃烧和膨胀发生在一个冲程中，排气在第二冲程，吸气在第三冲程，压缩在第四冲程。这样对相同的冲程长度可有较高压缩比，但需要较多贮能用于推动活塞通过排气、吸气、压缩冲程。
现在可见，本发明有许多优点。本发明提供的阀门定时可变性使膨胀比和压缩比都可单独调节，因此可使膨胀比大于压缩比，且两者比值也可控制。这使功率输出可以改变，同时在各种功率水平下保持高的燃料效率。燃烧后气体的充分膨胀或接近充分膨胀是可以做到的。充分膨胀使发动机相当安静，因为在燃烧室中压力较低时打开阀门，见图6和图7。为了在低功率下运行，阀门定时在高效模式，包括怠速时也如此。阀门被定时在可提供的膨胀比高于压缩比，并提供较短冲程。因此，本发动机是一低功率时的高效低位移的发动机。膨胀远大于压缩，使膨胀的能量得到回收，而不象在传统内燃发动机中在噪音和压力急降状态下被排出。这样也能消除常规内燃发动机固有的节流损失，因为在常规内燃发动机中冲程或活塞排量始终不变。
对于大功率下运行而言，可提供压缩比和膨胀比，且压缩比几乎与膨胀比相等，就如常规内燃发动机那样。随着压缩比及膨胀比和喷油量的增加，发动机就象具有大活塞排量和大位置的发动机那样工作。压缩比不可能完全和膨胀比一样大，因为总有部分压缩/排气冲程必须用来排气或增压。
由于这些定时的改变可以用简单的电子方法迅速改变燃烧室阀门打开位置来完成，因此可实现快速和大功率加速。虽然在大功率运行时效率比小功率时低，这是因为此时膨胀阀门工作在较高的循环压力下且阀门在压力降至大气压前就被打开，但是定时的控制提供的运行比目前可做到的更为有效。
实用、高效的自由活塞式内燃发动机还有其它优点，它可应用空气轴承，尤其用在活塞和气缸之间可以不用油类润滑剂。空气轴承之所以可以应用是因为发动机没有侧向力，如曲柄机构引起的侧向力。空气轴承提供基本上不接触的运动，不需轴承环，因此磨损极少，寿命最长。取消油类润滑剂等于消除气缸故障和排气污染的一个重要来源。发动机无油运行和无侧向力，因此可在高温下运转而无需传统的冷却夹套， 因而降低成本，提高效率，因为这时膨胀时的热损失降到最低。
不同燃料需要不同的控制规则系统，包括燃烧室阀门开闭时活塞位置的不同，燃料吸射及开始点火的时间也不同。
为了以天然气作为燃料，最好在图6至图8上的B点过后燃烧室阀门关闭时随即喷射燃料，这样气体喷射在低压下进行，燃料和空气在点火前就混合良好。
按本发明制造的发动机结构简单、重量轻、成本低、寿命相对较长，特别可用做电动车辆的附属动力源。本发明的自由活塞式内燃发动机，其进排气阀的定时可充分改变，喷油与点火的定时，活塞的排量也能充分改变，多缸发动机具有只用部分活塞工作而其余不工作的能力。一台内燃发动机的功率正比于燃烧室内通过热力循环的空气质量流率。因此在本发明的诸实施例中，功率与燃烧室阀门关闭、压缩开始时的气缸内的气体容积成正比。该容积在本发明诸实施中是可变且可控的。自由活塞的纯线性运动消除了活塞上的侧向力，因此可使用气体轴承，不需要润滑油。同时，由于表面无油，可应用适当的高温材料(陶瓷)作为缸壁，实现绝热(无冷却)运行。
虽然本发明的某些优选实施例已做详细披露，但应理解，各种修改而仍脱离不了本发明的范围。
权利要求
1.一个包含至少一个在气缸中滑动并做往复运动的活塞，且活塞端面限制和确定该气缸的燃烧室部分的自由活塞式内燃发动机，它还包括一与该活塞相连且可推动活塞通过其压缩冲程的驱动器，和一伸向燃烧室的喷油嘴，其改进之处包括(a)一燃烧室阀门位于伸展在燃烧室和地面大气之间的通道中，用于控制燃烧室与地面大气之间的气流通道；(b)一与燃烧室阀门相连的阀门关闭执行机构；(c)一与阀门关闭执行机构相连的活塞位置传感器，且根据气缸中的选定的活塞第一位置相应地关闭阀门；(d)一与燃烧室阀门相连的活塞位置响应阀门开启执行机构；其中，阀门的开闭操作可随活塞位置而相应改变，从而改变输出功率。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中阀门开启执行机构包括一朝阀门开启位置方向加压的弹簧，用于根据燃烧室压力降到低于选定压力时由于弹簧作用力超过阀门的净压差而打开阀门。
3.根据权利要求1所述的发动机，其中所述的执行机构包括一液压油缸，它响应液压源施于该液压油缸的压力且受置于其间的控制阀的控制，该控制阀与活塞位置传感器相连并受其操纵。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中活塞位置传感器既检测所述选定的活塞第一位置，又检测活塞第二位置并操纵控制阀根据检测到的活塞第二位置将燃烧室阀门打开。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的发动机，其进一步包括一第二燃烧室阀门，位于燃烧室和地面大气之间的第二通道内，用于控制燃烧室和地面大气之间的气流通路，所述的第二燃烧室阀门能胜任在所述第一燃烧室阀门打开时开启，在所述第一燃烧室阀门关闭时关闭。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中空气增压器与通道连通，用于迫使空气在所述燃烧室阀门打开时通过气缸。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中所述的第二燃烧室阀门是一单向阀，其指向可使流体流入燃烧室。
8.一多级发动机包括许多单独发动机，每台单独发动机符合权利要求6，其中所述多级发动机中的诸活塞保持联系以便将输出功率供给同一负载，且其中各单独发动机能独立地运转，以便使选定的单独发动机能同步运转，包括部分单独发动机同步运转。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中单独发动机的阀门执行机构与计算机相连并受其控制，该计算机可依据负载需要有选择地使选定的单独发动机运行。
10.根据权利要求1或2或3或4中所述的发动机，其中第二对动活塞可在气缸中滑动地做往复运动且其具有一可限制和确定燃烧室的端面。
11.根据权利要求10所述的发动机，其进一步包括一第二燃烧室阀门置于燃烧室和地面大气之间的第二通道内，用于控制燃烧室和地面大气之间的气流通路，所述的第二燃烧室阀门能胜任在所述的第一燃烧室阀门打开时开启，在所述的第一燃烧室阀门关闭时关闭。
12.根据权利要求9所述的发动机，其进一步包括一空气增压器，它安装在发动机上并与所述燃烧室阀门之一的通道连通且当燃烧室阀门打开时驱使大气进入燃烧室，用于吹除燃烧废气并向燃烧室注入空气。
13.一种多级发动机包括许多台单独发动机，每台单独发动机符合权利要求10的要求，其中所述多级发动机中的诸活塞保持联系以便将输出功率供向同一负载，且其中各单独发动机能独立运转，以便使选定的单独发动机同步运转，包括部分单独发动机同时运转。
14.根据权利要求13所述的多级发动机，其中各单独发动机的阀门执行机械与一计算机相连并受其控制，该计算机可选择性地使选定的单独发动机按负载需要运转。
15.根据权利要求12所述的发动机，其中所述的第二燃烧室阀门是一单向阀，其指向使流体可流入燃烧室。
16.根据权利要求12所述的发动机，其中所述的燃烧室阀门之一被固定在所述每个活塞的所述端面上。
17.根据权利要求12所述的发动机，其还包括燃烧室中的电极，它形成一火花间隙并与引燃的放电电路相连。
18.根据权利要求12所述的发动机，其中所述的执行机构包括液压执行机构，它响应液压源供向液压执行机构的压力并由介于其间的控制阀控制，该控制阀与活塞位置传感器相连并受其操纵。
19.根据权利要求18所述的发动机，其中液压源是一用泵注入压缩气体的蓄压器，至少与一个活塞相连并驱动它。
20.根据权利要求19所述的发动机，其中由液压控制的阀门执行机构包括一与阀门相连的阀门传动活塞，它在该活塞所在的气缸内做往复运动。
21.根据权利要求5所述的发动机，其中所述的执行机构包括电磁线圈，各线圈至少有两种状态，其一是打开相关的燃烧室阀门，其二是关闭相关的燃烧室阀门。
22.一种操作自由活塞式内燃发动机的方法，该内燃发动机包括至少一个活塞，该活塞具有一端面用于限制和确定气缸中燃烧室部分，该活塞可在燃烧室的最大和最小容积之间滑动地做往复运动，该发动机还包括一与活塞相连的驱动器，用于推动活塞通过其压缩冲程，该发动机还包括一与燃烧室连通的喷油嘴，所述的方法包括(a)在活塞位置靠近膨胀冲程末端时将燃烧室放空，以结束燃烧生成气体的膨胀并开始排空燃烧产物；(b)在活塞处于某一位置时停止放空，结束排气，开始压缩；及(c)根据需要的输出功率的变化，改变至少一个所述阀门相对于活塞位置的开闭作用。
23.根据权利要求22所述的方法，其中发动机的运转包括当输出功率降低时，至少改变选定的两个活塞位置中的一个，以增加膨胀位移与压缩位移之比。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括(a)当活塞处于第一膨胀冲程结束位置时进行检测；及(b)当活塞处于上述第一位置时打开与燃烧室和地面大气连通的阀门。
25.一种包括多台单独发动机的多级发动机，各单独发动机符合权利要求22或23或24所述的发动机，其中所述的多级发动机的各活塞保持联系以便将输出功率供给同一负载，且其中单独发动机可单独运行，以便使选定的单独发动机同步工作，包括部分单独发动机同步工作。
26.根据权利要求25所述的多级发动机，其中各单独发动机的阀门执行机构与计算机相连并受其控制，该计算机可有选择地使选定的单独发动机随负载要求运行。
全文摘要
一种自由活塞式内燃发动机具有改进的阀门定时系统。一对反向布置的燃烧室通道34,36伸展在燃烧室20和地球大气之间,每个通道上有燃烧室阀门30,32,用于控制经过通道34,36的气体流通。燃烧室阀门30,32基本上同步打开与关闭,以便单独改变和控制发动机的压缩比、膨胀比和冲程。当阀门30,32打开时,燃烧室20排气或以助燃空气增压;当阀门关闭时开始压缩。阀门打开和关闭时的活塞16,18位置的可变与控制可使发动机在功率输出负荷大范围中高效地工作。
文档编号F02D13/02GK1261944SQ98806738
公开日2000年8月2日 申请日期1998年6月10日 优先权日1997年7月1日
发明者威廉·T·比尔 申请人:圣波尔股份有限公司