專利名稱：一種自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自由活塞式發(fā)動機，具體來說是涉及一種自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器。
背景技術：
通常，內燃機依靠被機械限制的活塞的運動來運轉。例如，傳統(tǒng)的汽車內燃機包含一個曲軸和連桿組件，這些機械結構決定了相應氣缸中活塞的運動方式。這種發(fā)動機是合適的，因為每個活塞的位置在發(fā)動機循環(huán)中任意給定的點都是確定的，這簡化了正時和發(fā)動機的運行。雖然最近這些年傳統(tǒng)的發(fā)動機在效率上有了很大的提高，但是由于發(fā)動機結構的限制導致其效率仍然有限。特別是發(fā)動機的比功率被限制了，因為被機械限制了運動的活塞形成了固定的壓縮比。此外，跟活塞一起運動的所有運動件(包括凸輪軸和氣門)會產(chǎn)生大量的摩擦損失，而這些損失的能量都需要犧牲發(fā)動機自身的功率來抵消。產(chǎn)生低的比功率的結果意味著發(fā)動機將比理想的設計狀態(tài)尺寸更大、質量更重。另外，因為所有這些必要的機械連接限制了發(fā)動機設計和整機布置的靈活性。有些曲軸式發(fā)動機使用直噴技術將燃油注入氣缸。雖然使用燃油直噴對進一步提高發(fā)動機功率是有益的，但是燃油噴射器和噴射系統(tǒng)通常很昂貴。特別是，燃油直噴需要很高的燃油壓力，這就需要一個很昂貴的系統(tǒng)來產(chǎn)生和控制這個高壓燃油。另外，每個燃油噴射器的噴嘴直接暴露在其所在氣缸中整個燃燒過程產(chǎn)生的極高溫度和極高壓力下，因此需要一個相對昂貴的燃油噴射器設計以使其能在這些惡劣的環(huán)境條件下工作。因此，從環(huán)境和其它因素考慮，就值得我們開發(fā)一款比傳統(tǒng)發(fā)動機比功率更高的發(fā)動機。其應該擁有更輕的重量，更小的整機尺寸和更高的燃油效率；這些將在汽車和固定式發(fā)電機的應用上具有巨大的優(yōu)勢。自由活塞式發(fā)動機就是這種形式的內燃機，這種發(fā)動機氣缸中活塞的運動并不會被機械結構限制?；钊倪\動是由每個活塞在任一給定時刻的平衡力來控制的。由于運動是非限制式的，所以發(fā)動機具有可變的壓縮比，這就允許在設計發(fā)動機的運行參數(shù)時有更多的靈活性。而且，由于沒有傳統(tǒng)的曲軸連桿結構，所以減小了活塞的側向力，因此在發(fā)動機運轉過程中減少了摩擦力損失。此外，對置活塞對置氣缸自由活塞式發(fā)動機令人滿意是由于其自身固有的平衡運轉特性以及其緊湊的布置結構。還有一個顯著的優(yōu)勢就是它是一個二沖程燃燒循環(huán)的發(fā)動機；還有一個更大的優(yōu)勢是使用均質混合壓燃(HCCI)技術，這種技術能最好的利用發(fā)動機的可變壓縮比，以進一步提高發(fā)動機的比功率。然而，有一個問題，就是如何在這樣一個布置里設計燃料噴射，使其在保持燃油效率的同時將成本最小化、發(fā)動機結構最簡化。中國專利CN1904346公開了一種燃油噴射器，噴孔板上分布多個噴孔，分為多組，在工作狀態(tài)下，每一組噴孔對應一個進氣閥供油，噴孔的偏離角度及分離角度保證每一組噴孔噴出的油霧在對應的進氣閥口部的散開面積處于對應進氣閥口部的截面內。通過對噴孔的分離角度、偏離角度和噴射霧錐角度進行針對性的設計，采用多孔分區(qū)噴射供油方法，使燃油分別噴向對應進氣閥口部，大大降低了濕壁效應，使燃油霧化更精良，燃氣混合更均勻，發(fā)動機的燃燒效率大大提高，發(fā)動機的運行效率提高、油耗降低。另外，由于油氣的混合更均勻，使其燃燒更充分，減少了尾氣的排放，更為環(huán)保。此專利與本申請所要達到改善發(fā)動機結構平衡性以及均衡發(fā)動機的壓縮和燃燒行程的技術效果不同，兩者的所述領域也不同，本發(fā)明主要用于自由活塞式發(fā)動機。中國專利CN201517457U公開了一種燃油噴射器，包括燃油噴嘴、旋流體、油嘴接體，燃油噴嘴和油嘴接體連接成一體，旋流體布置在燃油噴嘴內部，其特征在于:還包括布置在噴射器內部的導流體及彈簧，旋流體依次通過導流體、彈簧壓緊固定，彈簧一端抵靠在油嘴接體內孔的臺肩上，另一端抵靠在導流體的凸肩上，由此將旋流體壓緊固定在燃油噴嘴上；上述的噴油器，結構簡單，裝配方便，可靠性高，不易結碳，十分適合斯特林發(fā)動機、燃油鍋爐等中小流量的燃油噴射應用場合。此專利的燃油噴射器具體結構與本申請的具體結構存在較大區(qū)別，所述技術領域也不同。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有的自由活塞式發(fā)動機存在的上述問題，本發(fā)明提供一種平衡的自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是:一種自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，包括由液壓泵體組件、第一氣缸總成、第二氣缸總成組成的自由活塞式發(fā)動機，所述第一氣缸總成連接于所述液壓泵體組件的一側，所述第二氣缸總成連接于所述液壓泵體組件的另一側；所述第一氣缸總成包括第一發(fā)動機氣缸，所述第一發(fā)動機氣缸延伸方向平行于運動軸線，所述第二氣缸總成包括第二發(fā)動機氣缸，所述第二發(fā)動機氣缸延伸方向平行于運動軸線，所述第一發(fā)動機氣缸和所述第二發(fā)動機氣缸內分別設有內活塞組件和外活塞組件；所述第一氣缸總成的缸壁延伸面上設有第一進氣口、第一排氣口以及靠近所述第一進氣口的第一燃油噴射口，第一燃油噴射器安裝于發(fā)動機上且其第一噴嘴位于所述第一燃油噴射口中，使得在燃燒的初始部分所述第一噴嘴不會暴露在極端的溫度和壓力中；所述第二氣缸總成的缸壁延伸面上設有第二進氣口、第二排氣口以及靠近所述第二進氣口的第二燃油噴射口，第二燃油噴射器安裝于發(fā)動機上且其第二噴嘴位于所述第二燃油噴射口中，使得在燃燒的初始部分所述第二噴嘴不會暴露在極端的溫度和壓力中。上述自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其中，所述內活塞組件包括設于所述第一氣缸總成氣缸內的第一內活塞和設于所述第二氣缸總成氣缸內的第二內活塞，所述第一內活塞和所述第二內活塞通過內連桿與所述液壓泵體組件連接，所述第一內活塞的頂面和所述第二內活塞的頂面在遠離所述液壓泵體組件的位置；所述外活塞組件包括設于所述第一氣缸總成氣缸內的第一外活塞和設于所述第二氣缸總成氣缸內的第二外活塞，所述第一外活塞和所述第二外活塞通過外連桿與所述液壓泵體組件連接，所述第一內活塞和所述第一外活塞對置布置且兩活塞頂面之間形成第一燃燒室，所述第二內活塞和所述第二外活塞對置布置且兩活塞頂面之間形成第二燃燒室。上述自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其中，所述第一進氣口和所述第二進氣口分別至少布置一個，且所述第一進氣口和所述第二進氣口由呈環(huán)狀的小進氣口組成。
上述自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其中，所述第一燃油噴射器和所述第二燃油噴射器均約有90度的噴射角，且所述第一燃油噴射器和所述第二燃油噴射器分別朝向至少一個進氣口。上述自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其中，還包括一個位置傳感器，所述位置傳感器實時地向控制器傳遞所述內活塞組件和所述外活塞組件的信息以控制所述第一燃油噴射口和所述第二燃油噴射口的關閉時間點。由于采用了上述技術，上述技術方案與現(xiàn)有技術相比具有的積極效果是:1.噴油器總成將燃油直噴入發(fā)動機氣缸，在燃燒的初始部分噴油嘴不會暴露在極端的溫度和壓力中。因此，比起噴油嘴暴露于全部的燃燒沖程中的直噴系統(tǒng)就可以使用成本更低廉的噴油器；2.燃油直噴入一個二沖程發(fā)動機的氣缸中，并不使用進排氣閥。然而，通過在排氣口關閉之前稍遲的時間噴入燃油，使發(fā)動機未燃的燃油最小化溢出排氣口，因此在關閉排氣口之前，時間上不允許燃油到達排氣口 ；3.在利用細霧化、低滲透噴射器可以允許燃油在氣缸中心形成油霧，避免燃油接觸到氣缸壁。從而促使油氣充分的混合，尤其是結合進氣口引導空氣渦旋運動會產(chǎn)生更好的效果；4.可以讓油氣進入氣缸中有一個相當長的混合時間，從而確保比其它類型的直噴發(fā)動機具有更均勻的混合油氣。此外，相比于傳統(tǒng)的直噴發(fā)動機，燃油通常是在較低壓力環(huán)境下被注入氣缸中的。


圖1是本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的應用在對置活塞對置氣缸式自由活塞式發(fā)動機上的示意圖；圖2是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的端部視圖；圖3是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的第二氣缸總成的俯視圖；圖4是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的第一氣缸總成的俯視圖；圖5是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的第二氣缸總成的側視圖；圖6是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的第一氣缸總成的側視圖；圖7是圖3中5A-5A部分的剖視圖；圖8是圖4中5B-5B部分的剖視圖；圖9是圖5中6A-6A部分的剖視圖；圖10是圖6中6B-6B部分的剖視圖；圖11是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的液壓泵體組件和內活塞組件的頂部示意圖；圖12是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的液壓泵體組件和內活塞組件的底部示意圖；圖13是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的氣缸套示意圖；圖14是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的液壓油路示意圖；圖15是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的活塞擋圈的自由活塞式發(fā)動機的電路不意圖；圖16是圖1中本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器噴射燃油到發(fā)動機中的過程狀態(tài)圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。如圖1-16所示本發(fā)明一種自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，包括由液壓泵體組件12、第一氣缸總成14、第二氣缸總成16組成的自由活塞式發(fā)動機10,自由活塞式發(fā)動機10不僅存儲發(fā)動機產(chǎn)生的壓力流體形式的能量，而且可以用部分壓力流體來起動，有時可以幫助控制發(fā)動機的運轉和維持發(fā)動機的平衡，第一氣缸總成14連接于液壓泵體組件12的一側，第二氣缸總成16連接于液壓泵體組件12的另一側；第一氣缸總成14包括第一發(fā)動機氣缸，第一發(fā)動機氣缸延伸方向平行于運動軸線，第二氣缸總成16包括第二發(fā)動機氣缸，第二發(fā)動機氣缸延伸方向平行于運動軸線，第一發(fā)動機氣缸和第二發(fā)動機氣缸內分別設有內活塞組件200和外活塞組件250 ;內活塞組件200包括固定于穿過液壓泵體組件12的推桿240上的內活塞，內活塞的頂部遠離液壓泵體組件12，外活塞組件250包括活塞銷、拉桿和外活塞，外活塞通過活塞銷和拉桿連接，外活塞的頂部分別朝向內活塞。進一步的，第一氣缸總成14包含了一個第一氣缸水套18，安裝在所述的液壓泵體組件12上。第一氣缸水套18上面有一個靠近液壓泵體組件12的第一廢氣螺旋出口 20。第一廢氣螺旋出口 20內部有一個環(huán)繞第一氣缸水套18的內部排氣通道22，內部排氣通道22沿徑向向外延伸到第一排氣法蘭24。排氣法蘭24與排氣系統(tǒng)(未顯不)連接，發(fā)動機運轉期間可以輸出廢氣。排氣系統(tǒng)可以是任何希望的類型，只要它能充分的處理和帶走廢氣。例如，它可以包含一個排氣歧管，一個消音器，一個催化轉換器，一個增壓器，或者這些零件和其他可能組件的組合。進一步的，第一氣缸水套18上面有一個靠近液壓泵體組件12的冷卻液入口 26，并延伸到一個環(huán)形延伸的冷卻通道28。冷卻液入口 26連接到一個冷卻液冷卻系統(tǒng)(未顯示)上，該冷卻系統(tǒng)可以包含例如一個熱交換器，從發(fā)動機冷卻液上轉移熱量的散熱器，一個通過冷卻系統(tǒng)泵送冷卻液的水泵，一個使冷卻液維持在一個希望的溫度范圍內的溫度傳感器和流量調節(jié)閥，零部件之間的冷卻管路延伸，或者這些零件和其他可能組件的組合。該冷卻系統(tǒng)可以是想要的任何類型的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，只要能從發(fā)動機上帶走適當?shù)臒崃?。進一步的，從第一廢氣螺旋出口 20—側來看，第一氣缸水套18的另一端是一個環(huán)形延伸的進氣環(huán)30，它的內部是進氣道31?？拷M氣環(huán)30，第一氣缸水套18上有一個噴油器凸臺32，里面安裝有第一噴油器34。第一噴油器34與一個控制器35連接，由控制器35提供一個信號來決定噴油時刻和噴油持續(xù)時間。第一噴油器34還與油軌37連接，油軌37向第一噴油器34供應從燃油系統(tǒng)39 (僅顯示示意圖)來的燃油。燃油系統(tǒng)39可以包含，例如燃油箱，燃油泵，通往油軌37的燃油管路，或者這些和其他可能組件的組合。任何類型的燃油系統(tǒng)39，只要能在預定的壓力下向第一噴油器34提供足夠的燃油都可以接受。油軌37最好有一個燃油壓力傳感器,并與控制器35連接。控制器35最好由含電池(未顯示)的電氣系統(tǒng)供電，發(fā)電機或交流發(fā)電機最好由發(fā)動機輸出的能量驅動，或其他可靠的電源供給。當控制器35是單個的時候，根據(jù)需要，它可以包含多個彼此通訊的電子處理器。進一步的，在第一廢氣螺旋出口 20和進氣環(huán)30之間，第一氣缸水套18上有一個壓力傳感器安裝凸臺36，里面安裝有第一缸體壓力傳感器38。第一缸體壓力傳感器38與控制器35連接。噴油器凸臺32和壓力傳感器安裝凸臺36穿過第一氣缸水套18延伸到主孔40，這樣增加第一氣缸水套18的長度。冷卻液通道28、內部排氣通道22及進氣環(huán)30都與主孔40相通。進一步的，第一氣缸總成14也包含了第一缸套42，它被壓裝并穿過第一氣缸水套18的主孔40。第一缸套42有一個圓柱形的主孔定義為第一缸缸孔44。第一缸缸孔44的中心軸線沿著軸線運動的方向。第一缸套42還包含一系列成環(huán)形排列的排氣口 46，它們處于第一缸缸孔44和第一氣缸水套18的內部排氣通道22之間，并連通兩者。進一步的，靠近排氣口 46，第一氣缸水套18上面有一個靠近第一缸套42的冷卻通道28。該冷卻通道28與一系列被間隔開、螺旋形的筋48連接,筋48從第一缸套42的外表面沿徑向向外延伸，并緊靠第一氣缸水套18的主孔40，形成了一系列缸體冷卻通道50。進一步的，在這些筋48里面，有一個從第一缸缸孔44延伸到第一氣缸水套18上面?zhèn)鞲衅靼惭b凸臺36的缸體測壓孔52。使第一缸壓傳感器38能進入第一缸缸孔44內，但第一缸壓傳感器38需要密封，防止發(fā)動機冷卻液進入。一個噴油器孔54和噴油器凸臺32對齊，穿過筋48進入第一缸缸孔44。使第一噴油器34能直接噴射燃油進入第一缸缸孔44內。進一步的，第一缸套42還有一系列沿周向被隔開的進氣口 56，與第一氣缸水套18上的進氣環(huán)30對齊，并通往第一缸缸孔44。進氣口 56靠近噴油器孔54，比起噴油器孔54，排氣孔46間隔的更遠。噴油器孔54是有角度的，那么噴油嘴55就將燃油57噴霧到進氣口 56的方向上。另外相鄰的進氣口 56，是一系列間隔分布圍繞第一缸套42的油霧孔58。進一步的，第一氣缸總成14還包含一個第一空氣腔60。第一空氣腔60安裝在第一缸套42上，靠近第一氣缸水套18上的進氣環(huán)30。一個進油管62穿過第一空氣腔60與環(huán)形油霧腔64相通。環(huán)形油霧腔64環(huán)繞著第一缸套42上的油霧孔58。進油管62與一個油霧產(chǎn)生器(未顯示)相通，油霧產(chǎn)生器與機油源相通，向環(huán)形油霧腔64提供油氣混合物。機油源可以是機油供應系統(tǒng)(未顯示)的一部分。機油供應系統(tǒng)可以包含例如機油泵、機油濾清器、機油冷卻器、油底殼、用于傳輸機油的輸油管路、或者這些零件和其他可能組件的組合。在發(fā)動機運轉時，機油供應系統(tǒng)能與其他零部件一起，充分過濾機油，并向發(fā)動機供應足夠的潤滑油。進一步的，靠近并環(huán)繞第一缸套42的還有一個冷卻環(huán)66。冷卻環(huán)66與缸體冷卻通道50相通，并與穿過第一空氣腔60的冷卻液出口管68相通。冷卻液出口管68與上面提到的冷卻系統(tǒng)(未顯示)相通。第一空氣腔60內有一對拉桿通道70和一個進氣通道72，它們與第一氣缸水套18上的進氣環(huán)30相通。進一步的，第一氣缸總成14還集成了第一掃氣泵74。第一掃氣泵74有一個安裝在第一空氣腔60上的掃氣泵殼體76，位于第一缸套42的末端。掃氣泵殼體76有一個主泵室78，通過它上面的進氣口 80與進氣室82相通，通過出氣口 84與出氣室86相通。主泵室78是圓柱形的，具有大致橢圓形的橫截面。進一步的，一個進氣簧片閥總成88和一個掃氣泵進氣蓋90安裝在進氣室82上。進氣蓋90上有一個與進氣系統(tǒng)(未顯示)相通的進氣口 92。進氣系統(tǒng)可以包含例如與渦輪增壓器或機械增壓器相通的進氣歧管、空氣節(jié)流閥、空氣流量傳感器、空氣溫度傳感器、空氣濾清器，或者這些零件和其他可能組件的組合。進氣系統(tǒng)可以是任何類型的系統(tǒng)，只要在一定工況下，在所需的壓力下能供應所需數(shù)量的空氣到進氣口 92。進一步的，進氣簧片閥總成88上的簧片閥94能夠使進氣蓋90內的氣流進入進氣室82，但阻止氣流向反方向流動。一個出氣簧片閥總成89和掃氣泵出氣蓋91安裝在出氣室86上。出氣蓋91內有一個進氣通道93，使出氣簧片閥總成89排出的空氣通過第一空氣腔60內的進氣通道72進入進氣環(huán)31內。出氣簧片閥總成89內的簧片閥95能夠使出氣室86內的氣流進入進氣通道93內，但阻止氣流向反方向流動。進一步的，第二氣缸總成16有一個安裝在液壓泵體組件12上的第二氣缸水套118。第二氣缸水套118有一個靠近液壓泵體組件12的第二廢氣螺旋出口 120。第二廢氣螺旋出口 120內部是環(huán)繞第二氣缸水套118的內部排氣通道122，內部排氣通道122沿徑向向外延伸到第二排氣法蘭124。第二排氣法蘭124與所述的排氣系統(tǒng)(未顯示)相通。第二氣缸水套118上有一個靠近液壓泵體組件12的冷卻液入口 126，冷卻液入口 126與環(huán)形延伸的冷卻通道128相通。冷卻液入口 126與冷卻系統(tǒng)相通(未顯不)。進一步的，從第二廢氣螺旋出口 120—側來看，第二氣缸水套118的另一端是一個環(huán)形延伸的進氣環(huán)130，它內部是進氣道131。靠近進氣環(huán)130，第二氣缸水套118上有一個噴油器凸臺132，里面安裝有第二噴油器134。第二噴油器134與控制器35連接，由控制器35提供一個信號來決定噴油時刻和噴油持續(xù)時間。第二噴油器134還與油軌37連接，油軌37向第二噴油器134供應從燃油系統(tǒng)39來的燃油。燃油系統(tǒng)39可以包含，例如燃油箱，燃油泵，通往油軌37的燃油管路。油軌37最好有一個與控制器35連接燃油壓力傳感器 141。進一步的，第二廢氣螺旋出口 120和進氣環(huán)130之間，第二氣缸水套118上有一個壓力傳感器安裝凸臺136，里面安裝有第二缸體壓力傳感器138。噴油器凸臺132和壓力傳感器安裝凸臺136穿過第二氣缸水套118延伸到主孔140，這樣增加了第二氣缸水套118的長度。冷卻通道128、內部排氣通道122及進氣環(huán)130都與主孔140相通。進一步的，第二氣缸總成16也包含了第二缸套142，它被壓裝并穿過第二氣缸水套118的主孔140。第二缸套142有一個圓柱形的主孔定義為第二缸缸孔144。第二缸缸孔144的中心軸線沿著軸線運動的方向。第二缸套142還包含一系列成環(huán)形排列的排氣口146，它們處于第二缸缸孔144和第二氣缸水套118的內部排氣通道122之間，并連通兩者。進一步的，靠近排氣口 146，第二氣缸水套118上面有一個靠近第二缸套142的冷卻通道128。該冷卻通道128與一系列被間隔開、螺旋形的筋148連接,筋148從第二缸套142的外表面沿徑向向外延伸，并緊靠第二氣缸水套118的主孔140，形成了一系列缸體冷卻通道150。在這些筋148里面，有一個從第二缸缸孔144延伸到第二氣缸水套118上面?zhèn)鞲衅靼惭b凸臺136的缸體測壓孔152。使第二缸壓傳感器138能進入第二缸缸孔144內，但第二缸壓傳感器138需要密封，防止發(fā)動機冷卻液進入。一個噴油器孔和噴油器凸臺132對齊，穿過筋148進入第二缸缸孔144。使第二噴油器134能直接噴射燃油進入第二缸缸孔144 內。進一步的，第二缸套142還有一系列沿周向被隔開的進氣口 156，與第二氣缸水套118上的進氣環(huán)130對齊，并通往第二缸缸孔144。靠近進氣口 156，有一系列環(huán)形圍繞第二缸套142被隔開的油霧孔158。進一步的，第二氣缸總成16還包含一個第二空氣腔160。第二空氣腔160安裝在第二缸套142上，靠近第二氣缸水套118上的進氣環(huán)130。一個進油管162穿過第二空氣腔160與環(huán)形油霧腔164相通。環(huán)形油霧腔164環(huán)繞著第二缸套142上的油霧孔158。進油管162與一個油霧產(chǎn)生器(未顯示)相通，向環(huán)形油霧腔164提供油氣混合物。進一步的，靠近并環(huán)繞第二缸套142的還有一個冷卻環(huán)166。冷卻環(huán)166與缸體冷卻通道150相通，并與穿過第二空氣腔160的冷卻液出口管168相通。冷卻液出口管168與上面提到的冷卻系統(tǒng)(未顯示)相通。第二空氣腔160內有一對拉桿通道170和一個進氣通道172，它們與第二氣缸水套118上的進氣環(huán)130相通。進一步的，第二氣缸總成16還集成了第二掃氣泵174。第二掃氣泵174有一個安裝在第二空氣腔160上的掃氣泵殼體176，位于第二缸套142的末端。掃氣泵殼體176有一個主泵室178，通過它上面的進氣口 180與進氣室182相通，通過出氣口 184與出氣室186相通。主泵室178是圓柱形的，具有大致橢圓形的橫截面。一個進氣簧片閥總成188和一個掃氣泵進氣蓋190安裝在進氣室182上。進氣蓋190上有一個與進氣歧管(未顯示)相通的進氣口 192。進氣歧管接收從渦輪增壓器或機械增壓器過來的空氣。進氣簧片閥總成188上的簧片閥194能夠使進氣蓋190內的氣流進入進氣室182，但阻止氣流向反方向流動。進一步的，一個出氣簧片閥總成189和掃氣泵出氣蓋191安裝在出氣室186上。出氣蓋191內有一個進氣通道193，使出氣簧片閥總成189排出的空氣通過第二空氣腔160內的進氣通道172進入進氣環(huán)131內。出氣簧片閥總成189內的簧片閥195能夠使出氣室186內的氣流進入進氣通道193內，但阻止氣流向反方向流動。進一步的，在兩個氣缸總成內部有兩個活塞組件，即內活塞組件200和外活塞組件250。內活塞組件200有一個安裝在第一缸缸孔44內的第一內活塞202，第一內活塞202的活塞頂210朝遠離液壓泵體組件12的方向，后端211朝靠近液壓泵體組件12的方向。第一內活塞202的外表面與第一缸缸孔44之間有一個很小的間隙。由此,第一內活塞202的外表面有三道活塞環(huán)槽，第一道環(huán)槽里面安裝有氣環(huán)204，第二道環(huán)槽里面安裝有氣環(huán)206，第三道環(huán)槽里面安裝有油環(huán)208。所有的三道環(huán)設計成一定的尺寸，使其外表面貼緊第一缸缸孔44內壁，起到密封的作用。進一步的，第一內活塞202還有一系列沿軸向延伸的孔212，這些孔從第一內活塞202的后端211向活塞頂210延伸。每個孔212內裝有一定量的鈉化合物，孔212的端部有堵頭214，用于密封鈉化合物。進一步的，內活塞組件200有一個安裝在第二缸缸孔144內的第二內活塞220，第二內活塞220的活塞頂222朝遠離液壓泵體組件12的方向，后端223朝靠近液壓泵體組件12的方向。第二內活塞220的外表面與第二缸缸孔144之間有一個很小的間隙。由此,第二內活塞220的外表面有三道活塞環(huán)槽，第一道環(huán)槽里面安裝有氣環(huán)224，第二道環(huán)槽里面安裝有氣環(huán)226，第三道環(huán)槽里面安裝有油環(huán)228。所有的三道環(huán)設計成一定的尺寸，使其外表面貼緊第二缸缸孔144內壁，起到密封的作用。進一步的，第二內活塞220還有一系列沿軸向延伸的孔230，這些孔從第二內活塞220的后端223向活塞頂222延伸。每個孔230內裝有一定量的鈉化合物，孔230的端部有堵頭232,用于密封鈉化合物。進一步的，第一內活塞202的中央位置有一個軸向延伸的孔216，里面有緊固螺栓218，第二內活塞220的中央位置有一個軸向延伸的孔234，里面有緊固螺栓226。螺栓218和236通過螺紋連接在推桿240的兩端上，推桿240穿過液壓泵體組件12。推桿240兩端分別固定在第一內活塞202和第二內活塞220上，使第一內活塞202和第二內活塞220沿軸線方向同步運動。推桿240上有一處直徑增大的區(qū)域，形成了一個內柱塞242。內柱塞242位于第一內活塞202和第二內活塞220的中間位置。進一步的，內活塞組件200還含有第一導桿244和第二導桿245，兩個導桿都穿過液壓泵體組件12，把第一內活塞202和第二內活塞220的后端211和223連接在一起。在發(fā)動機運轉期間，第一導桿244和第二導桿245起到防止內活塞組件200旋轉的作用。第一導桿244和第二導桿245上面有至少一個位置傳感器，當發(fā)動機運轉時，能確定內活塞組件200的軸向位置。傳感器感應的方式可以采用在第一導桿244上安裝第一組銅環(huán)246的形式。第二導桿245上面有第二組銅環(huán)247。第一導桿244上的位置傳感器在讀取數(shù)據(jù)時，第二導桿245可以作為位置校準傳感器的一部分，以確保準確的讀取內活塞組件200的軸向位置。進一步的，外活塞組件250上有一個位于第一缸缸孔44內的第一外活塞252，第一外活塞252的活塞頂254朝向第一內活塞202的活塞頂210,后端256朝向第一掃氣泵的主泵室78。第一外活塞252的外表面與第一缸缸孔44之間有一個很小的間隙。由此，第一外活塞252的外表面有三道活塞環(huán)槽，第一道環(huán)槽里面安裝有氣環(huán)258，第二道環(huán)槽里面安裝有氣環(huán)260，第三道環(huán)槽里面安裝有油環(huán)262。所有的三道環(huán)設計成一定的尺寸，使其外表面貼緊第一缸缸孔44內壁，起到密封的作用。進一步的,第一活塞銷264安裝在第一外活塞252的后端256上。第一活塞銷264和第一外活塞252 —起運動,成為第一外活塞252的一部分。第一活塞銷264上有一個橢圓部分266，它與第一掃氣泵74的主泵室78內壁滑動接觸并密封。橢圓部分266的小徑稍微比第一外活塞252的活塞頂254直徑小，但橢圓部分266的大徑明顯比第一外活塞252的活塞頂254直徑大。第一拉桿頭部268和第二拉桿頭部269的沿著橢圓部分266的大徑方向，位于第一外活塞252外部的徑向向外的位置。進一步的，導桿凸臺270位于第一活塞銷264的中心位置，此中心位置處于第一外活塞252運動的軸線上。第三導桿271固定在第一掃氣泵殼體76上，并從那里延伸出來。第三導桿271的外表面是圓柱形，它處于缸孔的中心位置，且軸線與運動軸線平行。第三導桿271的外表面套在導桿凸臺270內部，使導桿凸臺270能沿著第三導桿271滑動。由于第三導桿271是固定的，所以它相對于第一缸缸孔44的位置可以準確定位。因此，第三導桿271可以使第一活塞銷264的位置、第一外活塞252相對于第一缸缸孔44的位置都可以準確的定位。進一步的，發(fā)動機運轉期間，導桿凸臺270在第三導桿271上滑動，使第一外活塞252在第一缸缸孔44內往復運動期間保持正確的方向，使只有氣環(huán)258、氣環(huán)260和油環(huán)262與第一缸缸孔44接觸。由于運動的時候只有氣環(huán)258、氣環(huán)260和油環(huán)262及導桿凸臺270與其他零件表面滑動接觸，而第一外活塞252外表面未與第一缸缸孔44接觸，所以產(chǎn)生的摩擦力非常小。進一步的，外活塞組件250上有一個位于第二缸缸孔144內的第二外活塞275，第二外活塞275的活塞頂276朝向第二內活塞220的活塞頂222，后端277朝向第二掃氣泵的主泵室178。第二外活塞275的外表面與第二缸缸孔144之間有一個很小的間隙。由此,第二外活塞275的外表面有三道活塞環(huán)槽，第一道環(huán)槽里面安裝有氣環(huán)278，第二道環(huán)槽里面安裝有氣環(huán)279，第三道環(huán)槽里面安裝有油環(huán)280。所有的三道環(huán)設計成一定的尺寸，使其外表面貼緊第二缸缸孔144內壁，起到密封的作用。進一步的，第二活塞銷282安裝在第二外活塞275的后端277上。第二活塞銷282上有一個外部是橢圓部分283，它與第二掃氣泵174的主泵室178內壁滑動接觸并密封。橢圓部分283的小徑稍微比第二外活塞275的活塞頂276的直徑小，但橢圓部分283的大徑明顯比第二外活塞275的活塞頂276的直徑大。第三拉桿頭部284和第四拉桿頭部285沿著橢圓部分283的大徑方向，位于第一外活塞275外部的徑向向外的位置。進一步的，導桿凸臺286位于第二活塞銷282的中心位置，第四導桿287固定在第二掃氣泵殼體176上，并從那里延伸出來。第四導桿287的外表面是圓柱形，它處于缸孔的中心位置，且軸線與運動軸線平行。導桿凸臺286能沿著第四導桿287滑動。由于第四導桿287相對于第二缸缸孔144是固定的，因此，第四導桿287可以使第二活塞銷282的位置、第二外活塞275相對于第二缸缸孔144的位置都可以準確的定位。發(fā)動機運轉期間，導桿凸臺286在第四導桿287上滑動，使第二外活塞275在第二缸缸孔144內往復運動期間保持正確的方向，使僅有氣環(huán)278、氣環(huán)279和油環(huán)280與第二缸缸孔144接觸。這樣就使得摩擦力最小化，同時對活塞有適當?shù)膶蜃饔谩＿M一步的，第四導桿287上也形成了位置傳感器總成288的一部分，位置傳感器總成288包含一個傳感器桿289，傳感器桿289上面至少有一個位置索引290，固定在第二外活塞275上并隨之移動。傳感器291安裝在傳感器桿289附近，并穿過第二掃氣泵殼體176，通過電子接插件292，傳感器291和控制器35連接。控制器35能利用傳感器291輸出的信號來判定外活塞組件250的位置和速度。進一步的，外活塞組件250也含有第一拉桿293和第二拉桿294。第一拉桿293連接第一活塞銷264上的第一拉桿頭部268和第二活塞銷282上的第三拉桿頭部284。由于第一活塞銷264和第二活塞銷282是橢圓形的，第一拉桿293能使它們結合在一起平行于軸線運動，而不影響發(fā)動機氣缸的工作。進一步的，第一拉桿293有一端直徑較大的區(qū)域，形成了第一外柱塞295。第一外柱塞295位于液壓泵體組件12上，處于第一活塞銷264和第二活塞銷282的中間位置。第一拉桿套筒272套在第一拉桿293外面，處于液壓泵體組件12和第一氣缸水套18之間，第二拉桿套筒274套在第一拉桿293上，處于液壓泵體組件12和第二氣缸水套118之間。第一拉桿套筒272和第二拉桿套筒274確保第一拉桿293被完全的封閉在發(fā)動機部件里面，阻止污染物接觸和干涉第一拉桿293的運轉。進一步的，第二拉桿294連接第一活塞銷264上的第二拉桿頭部269和第二活塞銷282上的第四拉桿頭部285。第二拉桿294有一段直徑較大的區(qū)域，形成了第二外柱塞296。第二外柱塞296位于液壓泵體組件12上,處于第一活塞銷264和第二活塞銷282的中間位置。第三拉桿套筒273套在第二拉桿294外面，處于液壓泵體組件12和第一氣缸水套18之間，一個帶位置傳感器的第四拉桿套筒281套在第二拉桿294上，處于液壓泵體組件12和第二氣缸水套118之間。第三拉桿套筒273和第四拉桿套筒281確保第二拉桿294被完全的封閉在發(fā)動機部件里面，阻止污染物接觸和干涉第二拉桿294的運轉。進一步的，第二拉桿294上面還安裝在它上面的、被間隔開的銅環(huán)298，并位于用于位置探測的第四拉桿套筒281里面。第四拉桿套筒281里面包含一個靠近銅環(huán)298的傳感器總成297。傳感器總成297與控制器35連接，用于探測銅環(huán)298的位置?？刂破?5利用傳感器總成297輸出的信號來校正另一個傳感器291，因此能確保精確探測外活塞組件250的位置和速度。進一步的，為了確保發(fā)動機10最佳的運轉特性，發(fā)動機需要保持平衡。為了使發(fā)動機保持平衡，外活塞組件250的總質量，即與第一外活塞252和第二外活塞275 —起運動的所有零件的總質量，必須等同于內活塞組件200的總質量，即與第一內活塞202和第二內活塞220 —起運動的所有零件的總質量。另外，為了平衡發(fā)動機，推桿240的內柱塞242的液壓面積與第一拉桿293和第二拉桿294的第一外柱塞295和第二外柱塞296的總液壓面積相等且第一外柱塞295的液壓面積還要與第二外柱塞296的液壓面積相等。因而，內活塞組件200和外活塞組件250上不同零件可以選擇適當?shù)牟牧蟻泶_保耐熱性及強度特性，同時確?？偝傻馁|量平衡。例如，第一內活塞202、第二內活塞220和推桿240可以用鑄鐵制造，第一拉桿293和第二拉桿294也可以用鑄鐵制造，第一外活塞252和第二外活塞275可以用鋁合金制造，橢圓形狀的第一活塞銷264和第二活塞銷282可以用鋼制造。如果需要，其它合適的材料也可以應用。進一步的，液壓泵體組件12位于第一氣缸總成14和第二氣缸總成16之間，它包含一個用鋼質的泵體302，泵體302上面形成了很多液壓端口和通道如冷卻液通道、潤滑油油槽和通道等。進一步的，泵體302上有一個推桿240穿過的推桿孔304。內柱塞242的密封件環(huán)形圍繞推桿孔304。推桿孔304的兩端也對推桿240進行密封且一端采用密封堵頭309來密封。這些密封件使內柱塞242的一側形成了一個內泵送室306，另一側形成了一個內耦合泵送室308。進一步的，泵體302上還有一個第一拉桿293穿過的第一拉桿孔310，及第二拉桿294穿過的第二拉桿孔312。第一外柱塞295的密封件周向圍繞第一拉桿孔310，第二外柱塞296的密封件周向圍繞第二拉桿孔312。第一拉桿孔310的各端都設計成便于密封的形狀，第一拉桿293的一端利用密封堵頭311來密封。第一拉桿孔310和第一拉桿293 —起在第一外柱塞295的一側形成了第一外泵室314，在另一側形成了第一外耦合泵室316。第二拉桿孔312的各端都設計成便于密封的形狀，第二拉桿294的一端利用密封堵頭313來密封。第二拉桿孔312和第二拉桿294 —起在第二外柱塞296的一側形成了第二外泵室318，在另一側形成了第二外耦合泵室320。進一步的，內耦合泵送室308和第一外耦合泵室316通過第一交叉連接通道322連通。另外，內耦合泵送室308和第二外耦合泵室320通過第二交叉連接通道323連通，故內率禹合泵送室308、第一外稱合泵室316和第二外稱合泵室320處于相互連通的狀態(tài)。
進一步的，低壓通道324和一個節(jié)流器326，使第二交叉連接通道323與第一耦合調節(jié)閥328連通。第一耦合調節(jié)閥328與液壓系統(tǒng)329 —側的低壓儲油池330連通。第一耦合調節(jié)閥328可以切換位置，使流體從第二交叉連接通道323進入低壓儲油池330，還可以切換一個位置，阻止流體通過。高壓通道332和一個節(jié)流器334，使第一交叉連接通道322與第二耦合調節(jié)閥336連通。第二耦合調節(jié)閥336與液壓系統(tǒng)329 —側的高壓儲油池338連通。第二耦合調節(jié)閥336可以切換位置，使流體從高壓儲油池338進入第一交叉連接通道322，還可以切換一個位置，阻止流體通過。第一耦合調節(jié)閥328和第二耦合調節(jié)閥336與控制器35連接，并由其控制。進一步的，泵體302上的共振器通道340連接了第二交叉連接通道323和亥姆霍茲共振器342。亥姆霍茲共振器342是設定好的，用來阻尼流體通過第一交叉連接通道322和第二交叉連接通道323在內耦合泵送室308、第一外耦合泵室316和第二外耦合泵室320內來回流動時產(chǎn)生脈動。如果需要，亥姆霍茲共振器342可以從發(fā)動機10上移除。進一步的，第一交叉連接通道322和第二交叉連接通道323，以及與它們連接的液壓元件，形成了一個液壓回路，液壓使內活塞組件200的運動與外活塞組件250同步。因為，當?shù)谝获詈险{節(jié)閥328和第二耦合調節(jié)閥336關閉時，內耦合泵送室308、第一外耦合泵室316和第二外耦合泵室320及第一交叉連接通道322和第二交叉連接通道323的內部充滿了被壓縮的流體(例如液壓油)，這個體積保持不變。每直線移動一定距離，推桿240的內柱塞242內的流體體積變化量是第一拉桿293和第二拉桿294的第一外柱塞295和第二外柱塞296內各自流體體積變化量的2倍。因此，如果內活塞組件200向右移動1mm，從內耦合泵送室308里面流出的流體使外活塞組件250向左移動1mm，以便第一外耦合泵室316和第二外耦合泵室320接收這些流體。這可以確保，即使沒有機械地固定內活塞組件200和的外活塞組件250的運動，它們也會精確的進行相對運動。因此，內活塞組件200和的外活塞組件250能同時到達上止點和下止點。進一步的，如果密封件泄露使耦合器內流體的體積改變，根據(jù)需要，第一耦合調節(jié)閥328和第二耦合調節(jié)閥336可以增加或減少耦合器里面的流體體積。雖然上面描述的是使內活塞組件200和的外活塞組件250聯(lián)動的液壓系統(tǒng)，其他機械裝置如果可以確保內活塞組件200和的外活塞組件250相對運動，也可以應用。進一步的，液壓泵體組件12上有一對位于泵體302底部，穿過泵體302與油底殼346相通的進油管344和345。液壓泵體組件12上很多運動件都在油底殼346上部，以便于能夠飛濺潤滑運動件，特別是第一內活塞202、第二內活塞220沿第一缸缸孔44和第二缸缸孔144滑動的部分。油底殼346上還有一個回油出口 348。進油管344和345和回油出口 348都與供油系統(tǒng)(未顯示)相通。當?shù)谝粌然钊?02和第二內活塞220往復運動時，油底殼346也能夠使活塞后端的空氣能夠來回的移動。進一步的，冷卻液入口 350位于泵體302的底部，與一系列分布在泵體302各處的冷卻通道352相通，再與安裝在泵體302頂部的兩個冷卻液出口 354相通。冷卻液入口 350和冷卻液出口 354與冷卻系統(tǒng)(未顯示)相通。冷卻液在泵體302內部流動，以確保發(fā)動機運轉期間運動件不過熱。進一步的，液壓泵體組件12還包含一個安裝在泵體302頂部的低壓油軌356，低壓油軌356上的低壓油軌端口 358通過液壓管路與低壓儲油池330相通。低壓油軌356與三組低壓單向閥，即內部單向閥360、第一外部單向閥362、第二外部單向閥363相通。內部單向閥360通過一個通道364與內部泵室306相通，內部單向閥360只允許流體從低壓油軌356流向內部泵室306。第一外部單向閥362通過通道365與第一外部泵室314相通,第一外部單向閥362只允許流體從低壓油軌356流向第一外部泵室314。第二外部單向閥363通過通道366與第二外部泵室318相通，第二外部單向閥363只允許流體從低壓油軌356流向第二外部泵室318。內部單向閥360含有四個單獨的閥門，第一外部單向閥362和第二外部單向閥363各有兩個閥門，如果需要，可以采用不同數(shù)量的閥門。但是內部單向閥360的流通面積必須是第一外部單向閥362和第二外部單向閥363各自流通面積的2倍，因為內柱塞242的泵送能力必須是第一外柱塞295和第二外柱塞296各自泵送能力的2倍。進一步的，泵體302底部安裝有高壓油軌368，高壓油軌368上的高壓油軌端口369通過液壓管路與高壓儲油池338相通。高壓油軌368與三組高壓單向閥，即內部單向閥370、第一外部單向閥371、第二外部單向閥372相通。內部單向閥370通過一個通道373與內部泵室306相通，內部單向閥370只允許流體從內部泵室306流向高壓油軌368。第一外部單向閥371通過通道374與第一外部泵室314相通，第一外部單向閥371只允許流體從第一外部泵室314流向高壓油軌368。第二外部單向閥372通過通道375與第二外部泵室318相通，第二外部單向閥372只允許流體從第二外部泵室318流向高壓油軌368。同樣，內部單向閥370的流通面積必須是第一外部單向閥371和第二外部單向閥372各自流通面積的2倍。進一步的，低壓油軌356上安裝有壓力傳感器376，用于檢測低壓油軌356內流體的壓力。同樣，高壓油軌368上安裝有壓力傳感器377，用于檢測高壓油軌368內流體的壓力。壓力傳感器376和377都與控制器35連接，用于接收和處理壓力信號。進一步的，一個液壓起動控制閥379安裝在泵體302上，并靠近低壓油軌356的地方。這里的液壓起動控制閥379只是示意性的表示出來。液壓起動控制閥379通過泵體302上的四個端口與泵體302連接，四個端口分別是高壓端口 380、低壓端口 381、內部泵室端口 382、外部泵室端口 383。高壓端口 380通過一個流體通道與高壓油軌368相通，低壓端口 381通過一個流體通道與低壓油軌356相通。內部泵室端口 382通過第一開啟及溢流通道384與內部泵室306相通，外部泵室端口 383通過第二開啟及溢流通道385與第一外部泵室314和第二外部泵室318相通。進一步的，液壓起動控制閥379可以使高壓端口 380與內部泵室端口 382連通，同時低壓端口 381與外部泵室端口 383連通。液壓起動控制閥379還可以使低壓端口 381與內部泵室端口 382連通，同時高壓端口 380與外部泵室端口 383連通。第三種狀態(tài)下，液壓起動控制閥379堵塞高壓端口 380、低壓端口 381與內部泵室端口 382、外部泵室端口 383的之間通道?？刂破?5可以控制液壓起動控制閥379的工作狀態(tài)。進一步的，液壓泵體組件12還可以包括活塞擋圈，它固定在活塞每個行進端最大距離處。由于活塞運動是由力的平衡決定的，所以對于自由活塞發(fā)動機來說需要的可能是上述擋圈而不是通路。內活塞組件200的活塞擋圈最好包括間隔推桿240的內柱塞242的任一側第一徑向臺階388，而匹配第一徑向臺階部分389位于泵體302和密封堵頭309的推桿孔304的每一個端部。第一徑向臺階388的第一徑向臺階部分389的位置將在任一方向決定內活塞組件200的最大行程。如果第一徑向臺階388位于第一徑向臺階部分389處，活塞在這個方向上將停止運動。進一步的，外活塞組件250的活塞擋圈最好還包含在第一拉桿293和第二拉桿294的第一外柱塞295和第二外柱塞296上任一側分別間隔的徑向臺階390和391。與內活塞組件200相似的泵體302和密封堵頭311和313，將包含匹配徑向臺階部分392和393，他們各自位于第一拉桿孔310和第二拉桿孔312的另一端。進一步的，或者也可以取消活塞擋圈。采用這個結構，撞擊第一外活塞252的活塞頭254的第一內活塞202的活塞頭210將作為一個方向的擋圈，而撞擊第二外活塞275的活塞頭276的第二內活塞220的活塞頭222將作為另一個方向的擋圈。雖然初看可能不是太好，但是活塞頭部具有相對大的接觸表面面積，并且以活塞作為擋圈的氣缸內的壓力將會在碰撞之前上升很高，從而降低撞擊時的速度。進一步的，液壓泵體組件12也包含一對位置傳感器。第一位置傳感器395安裝在泵體302上，位于第一導桿244上第一組銅環(huán)246部分的附近。第二位置傳感器396安裝在泵體302上，位于第二導桿245上第二組銅環(huán)247部分的附近。第一位置傳感器395、第二位置傳感器396與控制器35連接，并向其提供位置信號?？刂破?5從第一位置傳感器395得到信號，從而能得知內活塞組件200的位置和速度。第二位置傳感器396提供的信號用于校正第一位置傳感器395的信號。進一步的，發(fā)動機的工作原理，由于發(fā)動機是自由活塞式發(fā)動機10，活塞的運動是由作用在內活塞組件200和外活塞組件250上的力的平衡來決定的。主要的作用力有:對置氣缸第一缸缸孔44和第二缸缸孔144內的缸內壓力，各運動件產(chǎn)生的摩擦力，掃氣，內活塞組件200和外活塞組件250運動時的慣性力，柱塞242、第一外柱塞295和第二外柱塞296產(chǎn)生的任何負載。因此，為了維持活塞的往復運動，內活塞組件200和外活塞組件250必須在正確的時間接收大小合適的輸入力。在第一缸缸孔44和第二缸缸孔144內的燃燒過程中，活塞的往復運動必須足夠實現(xiàn)所需的壓縮。通過輸入力來控制內活塞組件200和外活塞組件250的運動，特別是接近行程的末端活塞的上止點位置的運動，因此能控制壓縮比。而且，壓縮比的變化使均質燃燒更容易實現(xiàn)，因為壓縮比需要根據(jù)發(fā)動機運行工況使燃燒室做出改變。由于平衡力必須精確的定時和受控，對于發(fā)動機效率和維持發(fā)動機運轉來說，控制器35監(jiān)視和驅動發(fā)動機部件是很關鍵的。進一步的，發(fā)動機起動前，液壓系統(tǒng)329的高壓儲油池338里面的流體處于相對高壓狀態(tài)，例如，有5000 6000磅/平方英尺。液壓系統(tǒng)329的低壓儲油池330里面的流體處于相對低壓狀態(tài)，例如，有50 60磅/平方英尺。進一步的，發(fā)動機起動后，控制器35給液壓起動控制閥門379通電，根據(jù)發(fā)動機的運轉情況，液壓起動控制閥門379在第一閥門位置和第二閥門位置間交替變化。第一閥門位置狀態(tài)是高壓端口 380與內部泵室端口 382相通，低壓端口 381與外部泵室端口 383相通；第二閥門位置狀態(tài)是高壓端口 380與外部泵室端口 383相通，低壓端口 381與內部泵室端口 382相通。進一步的，在液壓起動控制閥379處于第一閥門位置時，高壓儲油池338內的流體會被壓入內泵室306內，推動240上的內柱塞242向右移動，因此使整個內活塞組件200開始向右移動。這將使內部耦合泵室308內的流體通過第一交叉連接通道322和第二交叉連接通道323被壓入第一外部耦合泵室316和第二外部耦合泵室320內。這將使第一拉桿293和第二拉桿294上的第一外柱塞295和第二外柱塞296各自向左移動，因此使整個外活塞組件250開始向左移動。當外活塞組件250向左移動時，第一外泵室314和第二外泵室318內的流體將會通過液壓起動控制閥379被壓入低壓儲油池330內。進一步的，內活塞組件200和外活塞組件250的相對運動會使第一缸缸孔44內的第一外活塞252和第一內活塞202同時朝它們各自的下止點位置移動，同時，第二缸缸孔144內的第二外活塞275和第二內活塞220會同時朝它們各自上止點運動。內活塞組件200和外活塞組件250都沿著一個單一的、直線的運動軸線來回運動。這個唯一的運動軸線延伸穿過兩個氣缸的中心，如圖10、11中第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上雙箭頭所示。進一步的，在液壓起動控制閥379處于第二閥門位置時，高壓儲油池338內的流體會被壓入第一外泵室314和第二外泵室318內，使第一拉桿293和第二拉桿294上的第一外柱塞295和第二外柱塞296各自向右移動，因此使整個外活塞組件250開始向右移動。使第一外部耦合泵室316和第二外部耦合泵室320內的流體通過第一交叉連接通道322和第二交叉連接通道323被壓入內部耦合泵室308內。這將使推動推桿240上的內柱塞242向左移動，因此使整個內活塞組件200開始向左移動。當內活塞組件200向左移動時，內泵室306內的流體會通過液壓起動控制閥379被壓入低壓儲油池330內。進一步的，內活塞組件200和外活塞組件250的相對運動會使第一缸缸孔44內的第一外活塞252和第一內活塞202同時朝它們各自的上止點位置移動，同時，第二缸缸孔144內的第二外活塞275和第二內活塞220會同時朝它們各自下止點運動。進一步的，通過精確、快速的轉換液壓起動控制閥379的三個閥門位置，內活塞組件200和外活塞組件250可以實現(xiàn)在第一缸缸孔44和第二缸缸孔144內交替進行壓縮。控制器35通過監(jiān)控位置傳感器288和395，得到內活塞組件200和外活塞組件250的位置和速度信息。控制器35應用這些信息來在適當?shù)臅r候轉換液壓起動控制閥379的閥門，使第一缸缸孔44和第二缸缸孔144內實現(xiàn)需要的壓縮比。通過以上可以得知，在發(fā)動機起動階段，液壓起動控制閥379控制著內活塞組件200和外活塞組件250的運動，這可以使內活塞組件200和外活塞組件250根據(jù)發(fā)動機運轉需要進行運動。進一步的，發(fā)動機10像二沖程發(fā)動機一樣運轉，沒有任何單獨的閥門機構來打開和關閉第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上的進氣口和排氣口。因此，壓縮、燃燒(包含點燃)、膨脹、燃油和空氣混合物的換氣(包含進氣和排氣)都在活塞的兩個沖程內完成。這樣的布置使運動件數(shù)量最少化，同時使發(fā)動機的整體尺寸最小化。進一步的，內活塞組件200的運動使第一內活塞202和第二內活塞220有選擇的打開和關閉第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上的排氣口 46和146。外活塞組件250的運動使第一外活塞252和第二外活塞275有選擇的打開和關閉第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上的進氣口 56和156，同時第一活塞銷164和第二活塞銷282為進氣增壓。外活塞組件250的運動使第一外活塞252和第二外活塞275有選擇的打開和關閉第一缸缸孔44和第二缸缸孔144上的噴油器34和134。因此，液壓起動控制閥379控制內活塞組件200和外活塞組件250的運動，使增壓空氣進入第一缸缸孔44和第二缸缸孔144內，使燃油進入氣缸內與增壓空氣混合，并充分地壓縮使燃燒發(fā)生。進一步的，通常燃燒過程在正常工作狀態(tài)，即均質壓燃下進行的，利用發(fā)動機10可變壓縮比的優(yōu)點使發(fā)動機進行高效率的燃燒。由于有較高的壓縮比，均質壓燃過程中，均勻的油氣混合物可以自動點燃；也就是說，預混合的油氣混合物被壓縮加熱到自動點火的溫度。由于均質壓燃過程中混合氣是自燃的，所以油氣混合物內部就形成了很多個燃點，可以確保快速燃燒，由于不再需要火焰?zhèn)鞑?，這使得可以采用低的當量比(實際空燃比與理論空燃比的比值)。提高熱效率同時降低氣缸最高溫度的優(yōu)點是，與傳統(tǒng)類型內燃機相比，顯著降低了氮氧化合物的形成。如果需要，各氣缸上可以安裝火花塞，發(fā)動機可以像火花點燃的內燃機一樣運轉。進一步的，在均質壓燃過程中，發(fā)動機正常運轉期間，第一外活塞252的運動不僅使第一缸缸孔44能夠進氣，而且決定了進氣口 56和第一噴油器34開啟的時刻和持續(xù)時間。當?shù)谝煌饣钊?52朝它的上止點運動時，第一掃氣泵74的主泵室78的體積在變大，使空氣通過進氣簧片閥94進入主泵室78內。進一步的，在上止點之后，完成燃燒沖程，第一外活塞252的移動減少了主泵室78中的體積，導致氣體穿過簧片閥95被壓縮進入進氣管93和72以及進氣環(huán)31。當?shù)谝煌饣钊?52繼續(xù)朝其下止點位置移動時，電子控制器35將從位置傳感器288傳來的信號確定第一外活塞252已經(jīng)運動到能夠暴露第一噴油器34的足夠遠處。電子控制器35將激活噴油器34 —段時間，基于發(fā)動機和液壓系統(tǒng)運行的條件以及通過燃油壓力傳感器41測出的燃油壓力。當?shù)谝煌饣钊?52繼續(xù)向它的下止點位置運動時，它將暴露進氣口 56，這可以讓壓縮空氣從進氣環(huán)31流入第一缸缸孔44。進氣將被吸入并與燃油混合經(jīng)霧化后進入進氣道。燃油噴射器和排氣打開的正時會給予油氣充分的混合時間以保證更均勻的混合。均勻的油氣混合對于均質壓燃是必須的。更優(yōu)的是，噴射器34用于產(chǎn)生非常好的油滴為了在氣缸中獲得一個短時間的燃油滲透。這有助于避免噴到第一噴油器34對面的壁上。此外，最好是噴油嘴55有一個廣泛的噴射角——甚至接近于90度。這會幫助混合油氣通過分布于發(fā)動機氣缸44圓周上的進氣口 56。還有，進氣口 56會以一定角度布置以創(chuàng)造渦流的效果，這還將進一步的增加油氣混合程度。由于第一發(fā)動機氣缸44和第一外活塞252的結構，還有噴油孔54的位置，這個位置的壓力可能不高，所以可以使用一個低壓力噴射器。這種噴射器比起燃油直噴系統(tǒng)中必須要用的高壓噴射器成本更低。進一步的，在到達下止點之后，第一外活塞252再次向上止點位置運動。在這個過程中，第一外活塞252將會關閉進氣口 56和噴油孔54。雖然在活塞沖程的時候噴油孔54是由第一外活塞252控制的，但是這個噴油系統(tǒng)是需要在噴油孔54暴露在第一缸缸孔44中的時候注入所需要的燃油。增壓油氣混合現(xiàn)在被第一外活塞252繼續(xù)壓縮到上止點位置。應當知道第一噴油器34直噴到第一缸缸孔44，但是由于第一外活塞252到達或快到達上止點的時候噴油嘴55被封閉，其并沒有直接暴露在燃燒沖程。這是一個優(yōu)勢，因為在早期燃燒沖程的時候噴油嘴55處在第一缸缸孔44中并沒有暴露在極端的溫度和壓力條件下。因此，在每個燃燒沖程更低的溫度和更小的壓力條件下就可以使用更為廉價的噴油器。進一步的,第一內活塞202的運動決定了排氣口 46在第一缸缸孔44內開啟時刻和持續(xù)時間。當?shù)谝粌然钊?02離開上止點，特別是燃燒后，第一內活塞202會經(jīng)過排氣口46，使廢氣通過排氣口 46排出。廢氣通過第一廢氣螺旋出口 20及剩余的排氣系統(tǒng)(未顯示)排出。第一內活塞202到達下止點后，再次向上止點運動，運動過程中會有效地關閉排氣口46。此刻，沒有排出的廢氣會被留在第一缸缸孔44內，在下一次燃燒時作為內部廢氣再循環(huán)使用。當?shù)谝粌然钊?02繼續(xù)向上止點運動，油氣混合物會被壓縮。
進一步的，由于第二缸缸孔144的運轉情況與第一缸缸孔44相反，第一缸缸孔44內的燃燒使第一內活塞202和第二內活塞252向彼此遠離的方向運動，而第二缸缸孔144內的燃燒使第一內活塞202和第二內活塞252向彼此靠近的方向運動(導致第一缸缸孔44內的壓縮)，因此使發(fā)動機的工作循環(huán)得以持續(xù)?？紤]到發(fā)動機運轉時的各種工況，通過燃燒前控制燃油的噴射來維持發(fā)動機的運轉?？刂迫加蛧娚淇梢杂脕砜刂苹钊谐痰拈L度，活塞的行程必需足夠以獲取燃燒所需的壓縮比，但要避免與活塞擋圈碰撞。當然有會有偶然情況發(fā)生，如偶爾未燃、系統(tǒng)不平衡或其它情況，這時，液壓起動控制閥門379起作用，與燃油控制措施一起來糾正活塞的運動。這不僅包含在給定運轉工況下提供適當?shù)膲嚎s比，還包含在上止點或上止點后發(fā)生自燃以避免浪費燃燒能量使內活塞組件200和外活塞組件250的運動方向改變。如果太多的動能傳遞給內活塞組件200和外活塞組件250，那時活塞擋圈里面的流體能吸收部分或全部的能量，必要時活塞和擋圈會發(fā)生碰撞。進一步的，發(fā)動機正常運轉期間，當燃燒使內活塞組件200和外活塞組件250往復運動時，推桿240和第一拉桿293、第二拉桿294使柱塞242、第一外柱塞295和第二外柱塞296在它們各自孔304、310和312內往復運動。當內活塞組件200向右移動，內柱塞242的運動使內部低壓單向閥360打開，使流體從低壓油軌356進入內部泵室306內。低壓儲油池330會補充從低壓油軌356內流出的流體。低壓油軌356內儲存的流體及低壓儲油池330補充低壓油軌356的能力必須足夠以維持流體通過低壓單向閥360，否則，會出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。進一步的，外活塞組件250向左運動的同時，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內的流體通過第一外部高壓單向閥371和第二外部高壓單向閥372進入高壓油軌368內，高壓油軌368內等量的流體再進入高壓儲油池338內。高壓儲油池338內的高壓流體可以作為發(fā)動機運轉的能量儲存源，也可以驅動其他部件和系統(tǒng)。由于液壓油可用能量是液壓油壓力和流量的函數(shù)，在最初設計發(fā)動機相關尺寸時，可以利用所需的輸出能量來決定活塞的行程、活塞的頻率或液壓泵柱塞的尺寸。一般來說，運動的活塞總成質量越大，發(fā)動機最佳的運轉頻率越低。進一步的，在發(fā)動機運轉期間內活塞組件200向右運動時，內柱塞242泵出內部耦合泵室306內的流體并進入第一外部耦合泵室316和第二外部耦合泵室320內。就如上述，這使內活塞組件200和外活塞組件250維持一種相對運動狀態(tài)。如果位置傳感器288和395探測到內活塞組件200和外活塞組件250沒有在缸孔居中位置，那么第一耦合調節(jié)閥門328和第一耦合調節(jié)閥門336中的一個會被激活來調整活塞的偏移。進一步的，在發(fā)動機下一個沖程期間，當內活塞組件200向左移動時，內柱塞242產(chǎn)生的壓力流體會打開內部高壓單向閥370，使流體進入高壓油軌368，進而進入高壓儲油池338。同時，外部活塞總成250向右移動，第一外柱塞295和第二外柱塞296使低壓油軌356內的流體通過第一外部低壓單向閥362和第二外部低壓單向閥363。在發(fā)動機這個沖程期間，第一外柱塞295和第二外柱塞296會把第一外部稱合泵室316和第二外部稱合泵室320內的流體泵入內部耦合泵室306內。進一步的，由于內活塞組件200和外活塞組件250運動方向總是相反的，內柱塞242與第一外柱塞295、第二外柱塞296的運動方向也總是相反的，因此在發(fā)動機每個沖程中，只有內柱塞242或第一外柱塞295、第二外柱塞296中一個向高壓儲油池338泵油。在每種情況下，都會向I禹合系統(tǒng)泵油。另一方面，如果想使內柱塞242、第一外柱塞295和第二外柱塞296在兩個方向都向高壓儲油池338泵油，需要應用不同的耦合系統(tǒng)。進一步的，發(fā)動機運轉期間，除了發(fā)動機內部的子系統(tǒng)工作外，發(fā)動機外部系統(tǒng)也會按需要來工作以維持發(fā)動機10的運轉。因此，冷卻系統(tǒng)按需要泵送冷卻液通過冷卻通道28、50、66、128、150、166和冷卻環(huán)352以確保發(fā)動機元件不過熱。另外，燃油系統(tǒng)39將會儲存燃油并為第一噴油器34和第二噴油器134提供所需壓力的燃油。電氣系統(tǒng)將會為控制器35、傳感器和其他部件提供電源以使其工作。潤滑系統(tǒng)會為發(fā)動機提供所需潤滑油以潤滑某些零部件。發(fā)動機運轉期間，進氣系統(tǒng)會為進氣口 92和192提供所需的清潔空氣。進一步的，雖然公開的實施例中，作為能量儲存介質和控制閥門的流體是液壓油，但是如果需要，其他合適的流體也可以應用。例如，所述流體可以是氣體，儲油池可以是一個氣動能量儲存系統(tǒng)。流體也可是以液體或氣態(tài)存在的制冷劑。在這兩個例子中，由于流體不再是液體(通常不可壓縮)，用于使2個活塞組件對置運動的耦合系統(tǒng)必須改變。然而，對置活塞對置氣缸式自由活塞式發(fā)動機，特別是應用均質壓燃燃燒的發(fā)動機，仍然可以被用來產(chǎn)生能量并儲存在流體能量儲存介質里面。進一步的，此外，實例中的對置活塞對置氣缸自由活塞發(fā)動機使用了液壓油作為能量儲存和控制介質，對置活塞對置氣缸自由活塞發(fā)動機也可使用線性交流發(fā)電機作為發(fā)動機控制對象和產(chǎn)生電能。液壓泵組件也可以被線性交流發(fā)電機組件替換，同拉桿和推桿形成一個驅動線性交流發(fā)電機組件的一部分?；钊?氣缸組件包含的掃氣泵也使用燃燒沖程中驅動線性交流發(fā)電機產(chǎn)生的能量來運轉。所以，均質壓燃燃燒所需的高數(shù)量的增壓空氣可以使用自由活塞發(fā)動機連接的發(fā)電機來驅動，這可以使發(fā)動機的比功率最大化。以上所述僅為本發(fā)明較佳的實施例，并非因此限制本發(fā)明的申請專利范圍，所以凡運用本發(fā)明說明書及圖示內容所做出的等效結構變化，均包含在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其特征在于，包括由液壓泵體組件、第一氣缸總成、第二氣缸總成組成的自由活塞式發(fā)動機，所述第一氣缸總成連接于所述液壓泵體組件的一側，所述第二氣缸總成連接于所述液壓泵體組件的另一側；所述第一氣缸總成包括第一發(fā)動機氣缸，所述第一發(fā)動機氣缸延伸方向平行于運動軸線，所述第二氣缸總成包括第二發(fā)動機氣缸，所述第二發(fā)動機氣缸延伸方向平行于運動軸線，所述第一發(fā)動機氣缸和所述第二發(fā)動機氣缸內分別設有內活塞組件和外活塞組件；所述第一氣缸總成的缸壁延伸面上設有第一進氣口、第一排氣口以及靠近所述第一進氣口的第一燃油噴射口，第一燃油噴射器安裝于發(fā)動機上且其第一噴嘴位于所述第一燃油噴射口中，使得在燃燒的初始部分所述第一噴嘴不會暴露在極端的溫度和壓力中；所述第二氣缸總成的缸壁延伸面上設有第二進氣口、第二排氣口以及靠近所述第二進氣口的第二燃油噴射口，第二燃油噴射器安裝于發(fā)動機上且其第二噴嘴位于所述第二燃油噴射口中，使得在燃燒的初始部分所述第二噴嘴不會暴露在極端的溫度和壓力中。
2.如權利要求1所述自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其特征在于，所述內活塞組件包括設于所述第一氣缸總成氣缸內的第一內活塞和設于所述第二氣缸總成氣缸內的第二內活塞，所述第一內活塞和所述第二內活塞通過內連桿與所述液壓泵體組件連接，所述第一內活塞的頂面和所述第二內 活塞的頂面在遠離所述液壓泵體組件的位置；所述外活塞組件包括設于所述第一氣缸總成氣缸內的第一外活塞和設于所述第二氣缸總成氣缸內的第二外活塞，所述第一外活塞和所述第二外活塞通過外連桿與所述液壓泵體組件連接，所述第一內活塞和所述第一外活塞對置布置且兩活塞頂面之間形成第一燃燒室，所述第二內活塞和所述第二外活塞對置布置 且兩活塞頂面之間形成第二燃燒室。
3.如權利要求1所述自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其特征在于，所述第一進氣口和所述第二進氣口分別至少布置一個，且所述第一進氣口和所述第二進氣口由呈環(huán)狀的小進氣口組成。
4.如權利要求1所述自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其特征在于，所述第一燃油噴射器和所述第二燃油噴射器均約有90度的噴射角，且所述第一燃油噴射器和所述第二燃油噴射器分別朝向至少一個進氣口。
5.如權利要求1所述自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，其特征在于，還包括一個位置傳感器，所述位置傳感器實時地向控制器傳遞所述內活塞組件和所述外活塞組件的信息以控制所述第一燃油噴射口和所述第二燃油噴射口的關閉時間點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自由活塞式發(fā)動機的燃油噴射器，包括液壓泵體組件、第一氣缸總成、第二氣缸總成，第一氣缸總成的缸壁延伸面上設有第一進氣口、第一排氣口以及靠近第一進氣口的第一燃油噴射口，第一燃油噴射器的第一噴嘴位于第一燃油噴射口中；第二氣缸總成的缸壁延伸面上設有第二進氣口、第二排氣口以及靠近第二進氣口的第二燃油噴射口，第二燃油噴射器的第二噴嘴位于第二燃油噴射口中。本發(fā)明的有益效果是可以使用成本更低廉的噴油器；避免燃油接觸到氣缸壁；確保更均勻的混合油氣；燃油噴射器位于靠近進氣口的附近，這樣可以將燃油直接噴射到氣缸；同時可以讓燃油噴射器離開燃燒范圍，避免燃油噴射器暴露在惡劣的燃燒環(huán)境中。
文檔編號F02B71/00GK103195563SQ201310076949
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權日2013年3月11日
發(fā)明者李傳友, 左朝鳳, 夏迎松, 陳新, 張永剛 申請人:安徽中鼎動力有限公司