[发明专利]自由活塞内燃机

说明书

技术领域

本发明涉及自由活塞内燃机，特别涉及允许类似四冲程循环动作的自由活塞内燃机。

背景技术

自由活塞内燃机为直线发动机，其内排除了对曲轴系统的需求并且该动力活塞(或活塞们)以及关联的组件进行纯粹的直线运动。图1绘示现有技术中已知的双活塞自由活塞发动机系统的配置。该发动机包括两相对的燃烧汽缸，各自相似于常规的两冲程循环曲轴发动机中已知的那些汽缸。该两燃烧汽缸活塞为刚性连接并且形成活塞总成，其为仅有的有效运动组件。该活塞总成能够直线移动，该运动的外部界限由该燃烧汽缸限制。各汽缸中的两冲程循环动作维持该活塞总成的往复运动。动力冲程由该两活塞中的每一个交替执行，因此一个汽缸内的动力冲程驱动另一个汽缸内的压缩冲程。这排除了对使用于单活塞自由活塞发动机中用于储存动力冲程中产生的能量以压缩下一个汽缸充量的回弹装置的需求。包含入该系统的为直线电机，具有固定至该活塞总成的转换器(通常包括永久磁铁)以及固定至该发动机外壳的定子(包括线圈)，允许转换额外的剩余能量为电能。

与常规的，曲轴发动机相比，自由活塞发动机系统的潜在优势众多。与常规发动机相比对发动机的简化以及减少零件的数量降低了摩擦损失和耗损，还有发动机体积，重量和制造成本。缺少承载高负载的轴承，例如发现于常规发动机的曲柄系统中的那些，允许具有高汽缸内压力的动作，有益于燃料效率。而且，自由活塞发动机内的压缩比为可变的，对于不同的操作条件(例如负载水平)，以及不同的燃料，允许广泛的操作优化。

描述自由活塞发动机系统的出版物的例子包括美国专利US2900592，美国专利US4924956，美国专利US5002020，美国专利US6199519，以及美国专利US6541875。这一技术的概述由米卡尔森(Mikalsen)和罗斯基利(Roskilly)在实用热力工程(Applied Thermal Engineering)2007年27：2339-2352中提出。

有两个主要挑战与现有技术自由活塞发动机系统相关联阻止了它们的商业成功。

首先，该自由活塞发动机在其标准配置中受限制于两冲程操作原理，因为每个往复循环需要动力冲程以维持发动机动作。在常规曲轴发动机内，储存于曲柄系统和飞轮内的能量能够在四冲程循环的气体交换冲程期间驱动该活塞，给予发动机设计者在两冲程和四冲程操作之间的选择。在该自由活塞发动机内，没有这样的能量储存存在。众所周知，与四冲程发动机相比，小至中体积两冲程循环发动机遭受差的燃料效率和高废气排放，并且因此其当前仅应用于有限数量的应用中。该较差表现的主要原因是该两冲程发动机中的无效率的气体交换过程。该汽缸排除废气是通过当该活塞处于该汽缸较低部分时(下死点附近)同时打开进口和排气口实现。实现有效的排除废气以使所有燃烧产物被新鲜充量替代非常有挑战性，并且一般仅能替换来自早先循环的燃烧产物的60-80％。而且，由于该进口和排气口(或阀)必须要同时打开，会有一些进口充量直接流至该排气系统(被称为短路)。这对燃料效率和废气排放水平两者都具有显著的不利影响。

一些供选择的配置已经提出在自由活塞型发动机中允许四冲程动作。美国专利US7258086中描述了一个例子，其使用了四汽缸配置，其中一个汽缸在任何时候执行动力冲程。然后使用机械联动装置驱动其它汽缸内的非动力冲程。然而，在这些系统中附加的复杂性除去了自由活塞发动机概念的几个关键优点，包括紧密度，低数量的运动组件，以及没有负载承载轴承或联动装置。

与该自由活塞发动机概念关联的第二基础挑战是该活塞运动的控制。在常规曲轴发动机中，该曲柄系统和飞轮的高惯性使发动机运行稳定，特别是在快速负载改变或燃烧过程中的循环变动期间。在该自由活塞发动机中，这些将对发动机运行具有显著较大的影响。由于自由活塞发动机内的活塞运动不是由曲轴限制，该活塞总成的充分高的动能诸如由于快速负载减少可能导致在该活塞和汽缸盖之间的机械接触，对该发动机来说是灾难性的。相反的，动能降低，例如由于快速负载增加，可能导致不能达到有效压缩汽缸内充量以及发动机熄火。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种自由活塞内燃机，包括：

第一压缩室；

可往复运动于该第一压缩室内的第一压缩活塞；

第一动力室；

可往复运动于该第一动力室内的第一动力活塞；

用于从该第一压缩室至该第一动力室传输流体的导管装置；以及

用于控制流体流入和流出该第一压缩室和该第一动力室的阀装置；

其中该第一压缩活塞和该第一动力活塞为刚性连接以一致往复运动；