CN102536453B - 涡轮复合自由活塞式线性交流发电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涡轮复合自由活塞式线性交流发电机。具体地，一种自由活塞式交流发电机，包括一对活塞，每个活塞轴向上彼此相对且当在汽缸内线性移动时产生电流，设置在所述活塞之间的燃烧室，返回机构，其被配置来在燃烧之后将所述活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置；和排气系统，其流体联接到所述燃烧室并包括将废气流压力转换为机械输出的动力涡轮机。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年11月4日申请的、申请号为61/410342的美国临时专利申请的利益，通过引用的方式并入本文。
技术领域
本文涉及利用自由相对活塞和动力涡轮装置的线性交流发电机，动力涡轮将废气流压力转换为机械力。
背景技术
本部分的叙述仅仅提供关于本发明的背景技术信息。因此，这样的说明不意味着对现有技术的认可。
交流发电机将机械输入转换为电流。例如，已知的是利用皮带驱动的轴来为交流发电机提供输入。交流发电机利用感应原理来产生电力。例如，已知的是利用永磁体和由导电线构成的绕组(也即是线圈)之间的相对运动来产生电流。利用不同数量的永磁体和绕组的配置来对所产生的电流产生不同的影响。
典型的线性交流发电机是包括固定汽缸和汽缸内的移动活塞的装置。在汽缸和活塞的一个壁上放置一个或多个磁体，而在汽缸和活塞的另一壁上设置绕组，活塞的线性移动产生感应，并在绕组中形成电流。
相对活塞发动机包括设置在两个活塞之间的燃烧室。当在燃烧室内发生燃烧时，活塞被向外部驱动。活塞随后向装置的中心返回，为下一次燃烧做准备。典型的相对活塞发动机的实施例包括不具有附属于活塞的曲柄轴的自由活塞发动机。
发明内容
一种包括一对活塞的自由活塞式交流发电机，每个活塞轴向上彼此相对且当活塞在汽缸内线性移动时产生电流，设置在所述活塞之间的燃烧室，返回机构，其被配置为在燃烧之后将所述活塞分别从各自的第二位置返回到各自的第一位置；和排气系统，其流体联接到所述燃烧室并包括将废气流压力转换为机械输出的动力涡轮机。
本发明还提供以下的解决方案：
1、一种自由活塞式线性交流发电机，包括：
一对活塞，每个活塞轴向上彼此相对且当活塞在汽缸内线性移动时产生电流；
设置在所述活塞之间的燃烧室；
返回机构，其被配置为在燃烧之后将所述活塞分别从各自的第二位置返回到各自的第一位置；和
排气系统，其流体联接到所述燃烧室并包括将废气流压力转换为机械输出的动力涡轮机。
2、如方案1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述返回机构包括一对弹力室，每个弹力室设置在各自的活塞和汽缸的各个外端之间，每个弹力室包括被配置为将各个活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置的基本上被束缚的空气。
3、如方案2所述的自由活塞式线性交流发电机，其中当相应的活塞从各自的第一位置向各自的第二位置移动时，所述各个弹力室内的基本上被束缚的空气被压缩，并且所述压缩的基本上被束缚的空气向对应的活塞施加回复力，以将对应的活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置。
4、如方案2所述的自由活塞式线性交流发电机，还包括：
每个活塞具有各自的头部和各自的滑动部分，所述燃烧室设置在活塞的各个滑动部分的各个近端之间；以及
一对扫气室，每个扫气室分别设置在汽缸外壁、各个活塞的各自的滑动部分的各自的外壁和各个活塞的各自的头部的各自的近端之间，各个活塞的头部具有靠近各个扫气室的各个近端，靠近各个弹力室的各个远端，从而在各个扫气室和各个弹力室之间形成座。
5、如方案4所述的自由活塞式线性交流发电机，其中当相应的活塞从各自的第一位置移动到各自的第二位置时各个扫气室通过至少一个相应的扫气入口吸入进气流，当相应的活塞从各自的第二位置移动到各自的第一位置时各个扫气室通过至少一个相应的扫气出口将吸入的进气流输送至储气室，当活塞处于各自的第二位置时，储气室内的被输送的进气流在扫气阶段被吸入燃烧室。
6、如方案1所述的自由活塞式线性交流发电机，还包括：
一对外室，每个外室设置在各个活塞和汽缸的各个外端之间；以及
所述返回机构包括一对返回部件，每个返回部件设置在各个外室的内部，每个返回部件被配置为在燃烧之后将各个活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置。
7、如方案6所述的自由活塞式线性交流发电机，其中当相应的活塞从各自的第二位置向各自的第一位置移动时，每个外室通过各个入口吸入进气流，并且其中在相应的活塞从各自的第一位置移动到各自的第二位置时各个外室通过各自的出口将吸入的进气流排出。
8、如方案1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述燃烧发生在两个冲程循环中，并且各个活塞的所述线性移动包括由所述燃烧驱动的各个活塞从各自的第一位置到各自的第二位置的第一冲程以及各个活塞从各自的第二位置到各自的第一位置的第二冲程。
9、如方案1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中每个活塞包括与位于汽缸的壁上的线性交流发电机的相应的第二元件相互作用的线性交流发电机的相应的第一元件，其中各个活塞在相应的第一位置和相应的第二位置之间的移动产生电流。
10、如方案9所述的自由活塞式线性交流发电机，其中第一元件包括永磁体和绕组中的一个，第二元件包括永磁体和绕组中的另一个。
11、如方案1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述动力涡轮机包括几何形状可变式涡轮机。
12、如方案1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述动力涡轮机将废气流的压力转换为包括为发电机供能的机械输出在内的机械输出。
13、如方案12所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述发电机包括电力发电机。
14、如方案12所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述发电机包括转矩发电机。
15、如方案1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述的机械输出为涡轮增压机和增压器中的一个提供动力，涡轮增压机和增压器被配置来对进气系统内的进气流加压，以增加进气流的压力。
16、一种用来控制自由活塞式线性交流发电机的方法，所述自由活塞式线性交流发电机具有一对相对活塞和设置在相对活塞之间的燃烧室，所述方法包 括：
响应于燃烧事件，将各个活塞从各自的内止点位置向各自的外止点位置向外驱动；
将各个活塞从各自的外止点位置向内返回至各自的内止点位置，为随后的燃烧事件做准备；
将来自燃烧室的废气流排入排气系统；
利用动力涡轮机，将排气系统内的废气流的压力转换为机械输出；和
当各个活塞在各自的内止点位置和各自的外止点位置之间移动时产生电流，各个活塞包括永磁体和绕组中的一个，该各个活塞包括永磁体和绕组中的一个与位于汽缸壁上的永磁体和绕组中的另一个相互作用。
17、如方案16所述的方法，其中所述的机械输出为转矩发电机提供动力。
18、如方案16所述的方法，其中所述的机械输出为电力发电机提供动力。
19、如方案16所述的方法，其中所述的机械输出为涡轮增压机和增压器中的一个提供动力，涡轮增压机和增压器被配置来对进气系统内的进气流加压，以增加进气流的压力。
20、一种自由活塞式线性交流发电机，包括：
一对活塞和设置在活塞之间的燃烧室，所述活塞在轴向上彼此相对，并且当各个活塞线性移动时产生电流；
被配置为在燃烧之后将所述活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置的返回机构，该返回机构包括以下构件之一：
一对弹力室，每个弹力室分别设置在各个活塞和汽缸的各个外端之间，每个弹力室包括被配置为将各个活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置的基本上被束缚的空气，和
一对返回部件，每个返回部件设置在各个外室内部，每个外室分别设置在各个活塞和汽缸的各个外端之间，各个返回部件被配置为在燃烧之后分别将各个活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置；和
排气系统，其流体联接到所述燃烧室，并包括将废气流压力转换为机械输出的动力涡轮机装置，所述机械输出为转矩发电机、电力发电机中的一个和涡轮增压机和增压器中的一个提供动力，涡轮增压机和增压器被配置为对进气系统中的进气流加压以为燃烧室内最终的燃烧增加进气流的压力。
附图说明
现在将参照附图，通过实例说明一个或者多个实施例，其中：
图1示出了通过根据本发明的典型的自由活塞式线性交流发电机设备得到的部分截面图，其利用了带返回部件的相对活塞和动力涡轮设备，动力涡轮设备将废气流压力转换为机械力。
图2说明了根据本发明的图1中的自由活塞式线性交流发电机在由燃烧事件驱动的活塞从第一位置到第二位置的第一冲程期间的情形；
图3说明了根据本发明的图1中的自由活塞式线性交流发电机的由各个返回部件提供的偏置力从第二位置到第一位置将活塞返回的第二冲程期间的情形；
图4说明了通过根据本发明的典型的自由活塞式线性交流发电机设备得到的部分截面图，其利用了带弹力室的相对活塞和动力涡轮设备，动力涡轮设备将废气流的压力转换为机械力；
图5说明了根据本发明的图4中的自由活塞式线性交流发电机在由燃烧事件驱动的活塞从第一位置到第二位置的第一冲程期间的情形；和
图6说明了根据本发明的图4中的自由活塞式线性交流发电机的由各个弹力室内的压缩提供的回复力从第二位置到第一位置将活塞返回的第二冲程期间的情形。
具体实施方式
现在参照附图，其中所示的内容仅仅是为了示例说明某些典型实施例，而不是为了限制本发明，图1说明了典型的包括汽缸20的自由活塞线性交流发电机(FPLA)10的部分截面图，其中的汽缸20分别包括第一和第二外室12，14，第一和第二相对活塞30、32，设置在相对活塞30、32之间的燃烧室16。各个外室12、14分别设置在活塞30、32中的一个和汽缸20的外端50、52中的一个之间。活塞30，32轴向上彼此相对，并被配置为在各个活塞30，32线性移动时产生电流。第一和第二返回部件40，42分别被设置在各个外室12，14的内部。返回部件40，42每个被配置用来在燃烧室16内的燃烧事件之后将各个活塞从第二位置(例如外止点)返回到第一位置(例如，内止点)。返回部件40，42可共同被称作返回机构。
返回部件40，42可为机械弹簧、气动弹簧或者液压弹簧。然而，返回部件 40，42并不局限于机械的、气动的或者液压式弹簧，并可包括任何一些其它的类似于弹簧的部件，这些部件能被配置来在受压时储存能量、并利用所储存的能量在燃烧室内的燃烧事件之后返回和迫使各个活塞从第二位置(例如，外止点)到第一位置(例如，内止点)。
参照图2，其中说明了在根据本发明的典型实施例中的第一冲程期间各个活塞30，32向第二位置移动的情形。由燃烧事件所驱动的活塞30，32向第二位置移动。各个活塞被产生于或者响应于燃烧事件的燃烧驱动力200驱动。各个活塞30，32的第二位置对应于外止点位置。在第一冲程期间，由于各自被驱动的活塞压缩各自的返回部件40，42，各个返回部件40，42储存能量。换句话说，当各个活塞30，32被所述的燃烧所驱动，从第一位置移动到第二位置时，各个返回部件40，42通过压缩储存能量。
参照图3，其中说明了在根据本发明的典型实施例中，在第二冲程期间各个活塞30，32向第一位置移动的情形。第二冲程期间活塞从第二位置到第一位置的移动或者返回是借助由各个返回部件40，42提供的偏置力300实现的。各个活塞30，32可为自由活塞，因此，每个活塞没有被连接到曲柄轴。各个活塞30，32的第一位置可对应于内止点位置(也就是第一位置)，其中内止点位置是没有力量施加在返回部件40，42上时的自然静止位置。在第二冲程期间，各个返回部件40，42利用所存储的能量将偏置力300施加到各个活塞30，32上，因而迫使和将活塞30，32从第二位置返回至第一位置。
如图1中所示，各个外室12，14包括至少一个各自的入口13，15，用来接进气流并将进气流分别引入各外室12，14。各个入口可包括被配置为允许进气流进入各个外室的止回阀2。具体地讲，当活塞在第二冲程期间向内移动时，为了燃烧室16内最终的燃烧，外室12，14通过各个入口13，15吸入进气流。由此，参照图3，在第二冲程期间当各个活塞从第二位置移向第一位置时，外室12，14通过各自的入口接收吸入的进气流302。进气流可被诸如涡轮增压机或者增压器的压力感应设备175加压，以增加进气流的压力并为发动机提供增加的压力，从而增加FPLA 10能够产生的输出。被加压的进气流可由中冷器冷却以增加空气的密度。压力感应设备175将参照排气系统171在下文详细说明。
活塞30，32可被配置为在第一冲程期间在其被燃烧驱动力200向外驱动时，压缩各个外室12，14内的进气流，并且因此作为增压器装置。参照图1，从这 时起，当各个活塞30，32在第二冲程期间从第一位置向第二位置移动时，为了燃烧室16内的最终燃烧，各个外室12，14将吸入的空气引导穿过各个出口17，19。压缩的进气流通过各个外室12，14的各个出口17，19被引导或者抽送进入在随后的燃烧循环期间使用的共用进气歧管54。具体地说，当各个活塞30，32从第一位置移动到第二位置时，各个外室通过各个出口17，19将进气流压缩进入共用进气歧管54，共用进气歧管54将各个出口17，19耦合至燃烧室16的入口56。共用进气歧管54内的压缩进气流的压力高于各个外室12，14内的进气流的压力。
图1中所示的燃烧室16由汽缸20的壁22和各个相对活塞30，32限定。具体地说，在各个活塞30，32上的各个栓塞头35，37将燃烧室16同各个外室12，14隔离开来。换句话说，格尔栓塞头35，37是作为用于燃烧室16内的燃烧事件的密封面。在活塞30，32的第一冲程期间(也就是，图2)，进气流(例如，增压空气)被从共用进气歧管54内吸入燃烧室16。在典型的实施例中，燃料被注射进入燃烧室16中。可选择地，燃烧可在入口56处或者在共用进气歧管54内的位置处被注入。接下来，加压的燃料空气被由各返回部件40，42的偏置力300提供的活塞30，32的回程所压缩(也就是图3)。FPLA 10被配置为使得在加压的燃料空气被压缩时发生燃烧。在本发明的典型实施例中，来自任一栓塞头35，37的泄露可被分别清扫进入各个外室12，14之中，并随后被吸入燃烧室16中。
在典型的实施例中，在燃烧发生后，排气系统171接收来自燃烧室16的至少一个排气口58的废气流。因此，排气系统171被流体联接到燃烧室16。换句话说，分别由各个返回部件40，42提供的活塞30，32的向内返回将燃烧室16内的废气流推送进入排气系统171中。废气流的特性有废气流温度、废气流气压和废气流质量流量比。在典型的实施例中，排气系统171包括动力涡轮机设备170和后处理设备179，或者通过废气歧管流体联接的可被用来处理废气流中的成分的设备，成分包括NOx，CO和微量烃。在另一实施例中，排气系统171不包括后处理设备179，其中废气流可从排气系统直接被排出到大气中。
动力涡轮机设备170能将废气流压力转换为机械输出172，例如，通过涡轮机输出旋转轴。换句话说，利用动力涡轮机设备170，排气系统171内的废气流的压力被转换为机械输出172。在典型的实施例中，动力涡轮机设备170可包括 几何形状可变式涡轮机(VGT)。机械输出172可为负载275提供能量。在一个实施例中，负载275包括发动机设备。在一个实施例中，发动机设备可包括转矩发电机装置，例如为车辆附件提供动力的滑轮或者传动带，如虚线176所示。在另一实施例中，发动机设备可包括被配置为将机械输出转换为电能量的电力发电机，如虚线176所示。
在典型的实施例中，动力涡轮机设备170将废气流压力转换为机械输出172，机械输出172包括为压力感应设备(即负载175)提供动力的机械输出，例如涡轮增压机和增压器中的一个，被配置来为进气系统177中的进气流加压以为燃烧室16内的最终的燃烧增加进气流的压力。流体联接到进气口13，15的进气系统177以虚线的方式示出。在典型的实施例中，进气系统177分别被流体联接到各个外室12，14的各个入口13，15的至少一个。
图4示出了包括汽缸120的典型的自由活塞线性交流发电机(FPLA)100的部分截面图，汽缸120分别包括第一和第二弹力室(bounce chamber)400，402、第一和第二扫气室201，202、第一和第二相对活塞301，302、以及设置在相对活塞301，302之间的燃烧室160。活塞301，302轴向上彼此相对，并被配置为在各个活塞301，302线性移动时产生电流。各个弹力室401，402分别被设置在各个活塞301，302和汽缸120的各个外端333，323之间。每个弹力室400，402包括基本上被束缚住的空气，弹力室内的空气被配置为在燃烧室160内发生燃烧之后，将活塞301，302中的一个从第二位置(例如，外止点)返回到第一位置(例如，内止点)。弹力室400，402在此还可被称作气体弹簧。弹力室400，402还可共同被称作返回机构。
参照图5，示出了根据本发明的典型实施例的在第一冲程期间各个活塞301，302朝第二位置移动的情形。由燃烧事件驱动的活塞301，302向第二位置移动。各个活塞301，302由源自于燃烧事件的燃烧驱动力401驱动。各个活塞301，302的第二位置对应于外止点位置。在第一冲程期间，当各个活塞被所述燃烧事件驱动从第一位置移动到第二位置时，各个弹力室400，402内的基本上被束缚的空气被压缩。
参照图6，说明了根据本发明的典型实施例的在第二冲程期间的各个活塞301，302朝第一位置移动的情形。第二冲程期间活塞从第二位置向第一位置的移动或者返回是借助由各个弹力室400，402内的压缩提供的回复力305实现的。 换句话说，各个弹力室400，402内的受压缩的基本上被束缚的空气被用来分别向各个活塞301，302施加回复力305，以将各个活塞301，302从第二位置返回到第一位置。活塞301，302可为自由活塞，因此，每个活塞都没有连接到曲柄轴。各个活塞301，302的第一位置可对应于内止点位置(即，第一位置)，内止点位置是在各个弹力室400，402内的基本上被束缚的空气未被压缩时的自然静止位置。
如图4中所示，相对活塞对301，302中的每个都具有各自的头部310，320和各自的滑动部分309，319。燃烧室被设置在各个滑动部分309，319的近端311，313之间。第一扫气室201设置在汽缸外壁122、第一活塞301的滑动部分309的外壁315和第一活塞301的头部310的近端331之间。具有接近第一扫气室201的近端331的第一活塞301的头部310与接近第一弹力室400的远端150可由此形成第一扫气室201和第一弹力室400之间的座。类似地，第二扫气室202设置在汽缸外壁122、第二活塞302的滑动部分319的外壁317和第二活塞302的头部320的近端321之间。具有接近第二扫气室202的近端321的第二活塞302的头部320和接近第二弹力室402的远端152可由此形成第二扫气室202和第二弹力室402之间的座。因此，各个扫气室201，202被设置在汽缸壁122、各个活塞301，302的滑动部分309，319的各外壁315，317和各个活塞301，302的头部310，320的各个近端331，321之间。具有靠近各个扫气室201，202的各个近端331，321的各个活塞301，302的头部310，320和靠近各个弹力室400，402的各个远端150，152由此形成各个扫气室201，201和弹力室400，402之间的座。
各个扫气室201，202包括至少一个入口130，131，150，151，用来接收和指引进气流进入各个扫气室201，202。各个扫气室201，202包括至少一个出口140，141，161，163，用来输送用于燃烧室160内的最终的燃烧的进气流。入口和出口的每个可包括止回阀4，被配置来允许进气流进入各个扫气室201，202，并被配置为将进气流输送出各个扫气室201，202。
参照图4和5，在第一冲程期间当第一活塞301从第一位置移动到第二位置时，第一扫气室201通过至少一个扫气入口130和/或131吸入进气流602。类似地，在第一冲程期间当第二活塞302从第一位置移动到第二位置时，第二扫气室202通过至少一个扫气入口150和/或151吸入进气流602。在一个实施例 中，被吸入第一和第二扫气室210，202的进气流602可为自然吸入的大气。在另一实施例中，进气流602可被涡轮增压机或者增压器加压来增加进气流的压力，向发动机提供增压，从而增加FPLA 100能够达到的输出。在另一实施例中，进气流可被例如涡轮增压机或者增压器的压力感应设备875加压来增加进气流的压力，向发动机提供增压，从而增加FPLA 100能够达到的输出。被增压的进气流可由中冷器冷却，以增加空气的密度。压力感应设备875将在下文中参照排气系统871详细说明。
参照图4和6，在第二冲程期间当第一活塞301从第二位置向第一位置移动时，第一扫气室201通过至少一个扫气出口140，141为燃烧室160内的最终的燃烧输送进气流(例如，被输送的进气流604)。类似地，在第二冲程期间当第二活塞302从第二位置向第一位置移动时，第二扫气室202通过至少一个扫气出口163，161为燃烧室160内的最终的燃烧输送进气流(例如，被输送的进气流604)。
在参照图4-6的典型实施例中，当各个活塞从第二位置移动到第一位置时，各个扫气室201，202通过至少一个扫气出口140，141，163，161将吸入的进气流输送或者抽出到储气室540。储气室540将各个扫气室201，202流体联接到燃烧室160的至少一个燃烧室入口560。当活塞位于第二位置时，储气室540内被输送的进气流604可被吸入燃烧室160作为扫气阶段的增压气体。当活塞301，302位于第二位置时，扫气阶段将来自各个扫气室201，202的加压气体通过储气室540提供给燃烧室160。本发明并不局限于包括单个的储气室540，并可包括多个储气室。在可选的实施例中，将各个扫气室201，202流体联接到燃烧室160的进气歧管可被用来替代储气室540。
图4所示的燃烧室160由汽缸120的内壁124和各个活塞301，303的滑动部分309，319的各个近端311，313限定。各个滑动部分309，319可包括位于各个近端311，313上的各个栓塞头，其将燃烧室160同汽缸120内的余下空间隔离开来。换句话说，各个栓塞头作为用于燃烧室160内部的燃烧事件的密封面。当活塞301，302位于第二位置时，在扫气期间进气流(例如，加压空气)被从储气室540吸入燃烧室160。在典型的实施例中，燃料被注入燃烧室160内。可选择地，燃料可于燃烧室入口560处或者于储气室540内的位置处被注入。随后，加压的燃料空气被活塞310，302的回程所压缩，活塞的回程由各个 弹力室400，402(即，图4)内的被压缩的基本上束缚的空气所施加的回复力305产生。FPLA100被配置为当加压的燃料空气被压缩时，燃烧放生。在本发明的典型实施例中，来自任一滑动部分309，319的泄露可被清扫进入各个扫气室201，202，或者储气室540，并且最后被吸入燃烧室160。
在典型的实施例中，在燃烧事件之后，排气系统871接收来自燃烧室160的至少一个排气口580的废气流。换句话说，在活塞位于第二位置时进行的燃烧室扫气阶段将燃烧室160的废气排入排气系统871。因此，排气系统871被流通地耦合到燃烧室160。废气流的特征在于废气流温度、废气流压力以及废气流质量流量比。在典型的实施例中，排气系统871包括动力涡轮机设备870和后处理设备879，或者通过废气歧管实现流体流通的可被用来处理废气流中的成分的设备，成分包括NOx，CO和微量烃。在另一实施例中，排气系统871不包括后处理设备879，其中废气流可从排气系统直接被排除到大气中。
动力涡轮机870可将废气流压力转换为机械输出872，例如，通过涡轮输出旋转轴。换句话说，利用动力涡轮机870排气系统871内的废气流的压力被转换为机械输出872。在典型的实施例中，动力涡轮机870可包括几何形状可变式涡轮机(VGT)。机械输出872可为负载975提供能量。在一个实施例中，负载875包括发动机。在一个实施例中，发动机可包括转矩发电机，例如为车辆附件提供动力的滑轮或者传动带，如虚线876所示。在另一实施例中，发动机设备可包括被配置来将机械输出872转换为电能量的电力发电机，如虚线876所示。
在另一典型的实施例中，动力涡轮机870将废气流压力转换为机械输出872，机械输出872包括为压力感应设备(即负载875)提供动力的机械输出，例如涡轮增压机或者增压器中的一个，其被配置来为进气系统877中的进气流加压以为燃烧室160内的最终的燃烧增加进气流的压力。进气系统877由虚线示出。在典型的实施例中，进气系统877被流体联接到各个扫气室201，202的至少一个入口131，151。
参照图1和4，燃烧室16或者160内的燃烧在两个冲程循环中发生，各个活塞30，32或者301，302的所述的线性移动包括由所述燃烧驱动的各个活塞30，32或者301，302从第一位置到第二位置的第一冲程，和为之后的燃烧事件做准备的各个活塞30，32或者301，302从第二位置到第一位置的第二冲程。在一个实施例中，参照图1和3，第二冲程利用存储在返回部件40，42内的能 量来分别迫使和将各个活塞30，32从第二位置返回到第一位置。在另一实施例中，参照图4和6，第二冲程利用各个弹力室400，402内被压缩的基本上被束缚的空气来向各个活塞301，302施加回复力305，以使各个活塞从第二位置返回到第一位置。
FPLA 10或者100包括一个或者更多个燃料注射器60或者600。在被配置为通过直接注入来工作的发动机中，燃料注射器60或者600通过燃料分配管或者其他设备被提供高压燃料。在直接输入式发动机中，燃料直接被喷射进入燃烧室16或者160。其它的配置是已知的，其中燃料可被注入一个入口或者多个入口，并和进气流被吸入燃烧室16或者160。例如，燃料可在燃烧室入口56或者560处被注入，或者在共用进气歧管54或者储气室540内部的某个位置被注入。燃料注射器被配置来喷射燃料或者将燃料汽化以有利于燃烧室16或者160内的燃料的有效混合和燃烧。
正如在之前提到的，燃烧室16或者160分别包括一个或者多个入口56或者560。燃烧室16或者160还分别包括一个或者更多个排气口58或者580。一般地，通过移动活塞来加压和压缩各个外室12，14或者扫气室201，202内的进风流，进气口将加压气体(例如，进风流)分别引入燃烧室16或者160。排气口接收燃烧之后的来自燃烧室16或者160的废气，并将废气分别引入排气系统171或者871。
在本领域中已知多种燃烧模式，FPLA 10或者100被设想为利用任何数量的燃烧模式。FPLA可被配置为采用柴油作为燃烧燃料。柴油燃料的燃烧可通过压缩点火来控制，其中加压的燃料-空气被压缩至其中进料无火花地燃烧的水平。已知这种配置还包括预热塞，以辅助其中温度或者可能导致失火或者可能的进料的不完全燃烧的其它因素的情形。另外，已知柴油机利用预混合压燃(PCCI)模式，其包括很高的增压空气-燃料比或者能够增加发动机的燃油经济性的精益运行。或者，可以利用包括汽油和乙醇混合燃料的其它燃料和发动机配置。如图1和4中所描述的，这种配置可包括火花塞62或者620，以在特定的时刻提供火花来点燃进料。另外，已知的燃烧模式包括分层充气火花点燃模式和均质压燃(HCCI)模式。分层充气火花点燃模式可利用燃烧室16或者160的特定位置的燃料的集中度和火花塞的同步火花来提供有效的燃烧并为活塞提供动力。HCCI模式包括以高数值的进料空气-燃料比工作，或者可增加发动机的燃 料经济性的精益运行。多种燃料和燃烧模式可被用在发动机内。本文并不是要局限于在此提供的特定的典型实施例。
如之前提到的，每对相对活塞30，32和301，302在各个第一和第二冲程期间产生电流。FPLA 10的活塞30，32包括与位于汽缸20的壁22上的第二元件3相互作用的第一元件1，其中各个活塞在第一位置和第二位置之间的移动产生所述电流。类似地，第一元件7分别位于活塞301，302的各自的头部310，320上，第二元件9位于汽缸120的汽缸外壁122上，其中各个活塞在第一和第二位置之间的移动产生所述电流。应当理解的是，各个活塞在第一和第二位置之间的移动也包括产生电流的第二位置和第一位置之间的移动。在本发明的典型实施例中，第一元件包括永磁体，第二元件包括绕组。绕组包括从绕组中散出的导线，以将电流输送给相关的整流器70或者700。整流器70或者700分别电连接到用来存储所产生的电流的电池80或者800。通过在活塞30，32或者301，302上放置永磁体，导线就不必连接到移动活塞。可选的实施例包括包含绕组的第一元件1或者7，和包含永磁体的第二元件3或者9。换句话说，FPLA10或者100的第一元件包括永磁体和绕组中的一个，第二元件包括永磁体和绕组中的另外一个。
在燃烧室16或者160内产生热量。高温可对永磁体产生不利影响。因此，有利的是配置活塞使得永磁体(也就是第一元件1或者7)不被暴露于高温环境。这种配置可采取多种实施方式。例如，如图1中所示，活塞30，32位于同正被吸入FPLA 10的外室12，14的进风流的大量气流相互作用并压缩该大量气流的位置。在另外的示例中，如图4中所示，活塞301，302位于同正被吸入FPLA 100的扫气室201，202的进风流的空气流量相互作用并压缩该空气流量的位置。图1和4中所示的这种扫气配置可利用分别进入外室12，14或者扫气室201，202的大量气流来冷却各自的活塞30，32或者301，302，永磁体(即第一元件)被分别通过外室12，14或者扫气室201，202的大量气流冷却。关于活塞的特征可被选择为使得从活塞传递至进气流的热量最大化。在本发明的典型实施例中，各个活塞30，32的、或者各个活塞301，302的头部310，320的各自的壁31，33或者316，318被变薄，以将来自第一元件1或者7的热传送最大化。在另外的典型实施例中，各个活塞30，32或者301，302基本上是空的，以最大化来自第一元件1或者7的热传递，并减少各个活塞的容量。在另一典型实施例中， 利用分别耦接至活塞30，32的各自的外端38，39的一系列散热片，同各个外室12，14内吸入的进气流相互作用，可最大化或者有利于通过各个活塞30，32的热传递。而且，发动机冷却液或者其它的液体可被用于夹套在FPLA 10或者100周围的热交换器中，用于额外的远离FPLA 10或者100的热转移。另外，活塞的材料可被选择来影响各个活塞30，32或者301，302的热转移特性。在典型的实施例中，可利用钢材料。在可选的实施例中，可利用铝。在另一替代的实施例中，可采用能减少从燃烧室16或者160到第一元件1或者7的传递热量的量的陶瓷材料。将会理解的是，可采用多种不同的材料，本文并不是要限制为在此公开的特定的典型实施例。
自由活塞发动机不包括燃烧室16或者160内的如当活塞被连接到曲柄轴时那样的大数值(high magnitude)侧向力。结果，可利用活塞设计的某些实施方式，其中不需要活塞30，32或者301，302和汽缸壁22(或者汽缸外壁122或者汽缸内壁124)之间的密封圈或者活塞环。这样的实施例额外地减少FPLA内部产生的热，并可降低永磁体周围的温度。
活塞质量能影响图1-3所示的FPLA 10的运行。例如，活塞质量会影响驱动各个活塞30，32所需要的燃烧力200以及活塞30，32内的振荡频率。同样地，活塞质量会影响将各个活塞返回到内止点(例如，第一位置)所需要的偏置力300。类似地，参照图4-6所示的FPLA 100，驱动各个活塞301，302所需的燃烧力401和活塞301，302内的振荡频率受活塞质量的影响。同样，将各个活塞返回到内止点(例如，第一位置)所需的返回力305受活塞质量的影响。
如之前所提到的，FPLA内产生的电流形成在绕组(即，第二元件3或者9)内部。导线将电流传送至整流器70或者700。所产生的电流为交流电流。整流器70或者700可被用来将电流从交流电转换为直流电，从而作为能量分别存储在电池80或者800内。
参照图1-3，当燃烧将各个活塞30，32驱动至外止点位置(即第二位置)时，返回部件40，42分别在各个外端38，39和汽缸20的各个外端50，52之间被压缩。在本发明的典型实施例中，各个返回部件40，42分别可机械地耦接到各个活塞30，32的各个外端38，39。在本发明的另一典型实施例中，各个返回部件40，42可机械地耦接到汽缸20的外端50，52。由此，各个返回部件40，42可机械地耦接到各个活塞30，32的各个外端38，39和汽缸的外端50，52 中的一个。在本发明的替代性实施例中，各个返回部件40，42可分别被自由地设置于各个外室12，14之内，因而不被机械地耦接到汽缸内的任何特征。
参照图1-3，为本发明的典型实施例，通过调节由返回部件40，42所提供的偏置力300，可影响燃烧室16内的压缩比。在本发明的典型实施例中，返回部件40，42提供的偏置力300可通过调整至少一个返回部件40，42中的的弹簧常数来调节。在另一典型实施例中，可通过延长和缩短从燃烧室16的中心到汽缸20的外端50，52的距离中的一个来调节偏置力300。采用包括液压驱动、气压驱动和电气驱动在内的多种方法的一种方法，可通过在轴向上调整汽缸的外端50，52来实现该距离的延长和缩短中的一个，但是并不局限于这些方法。
参照图4-6，在本发明的典型实施例中，通过调整由弹力室400，402内的基本上被束缚的压缩空气提供的回复力305，可影响燃烧室160内的压缩比。在一个典型实施例中，可通过改变至少一个弹力室400，402中的大量被束缚的空气(即被束缚的空气的量)来调整或者调节回复力305。在一个实施例中，调节至少一个弹力室400，402中的被束缚的空气量可包括向各个弹力室400，402增加空气。在另一实施例中，调节至少一个弹力室400，402中的被束缚的空气量可包括从各个弹力室400，402中释放部分基本上被束缚的空气。
在另一典型实施例中，可以根据影响燃烧室160内的压缩比来调整活塞301，302中的至少一个的线性移动的时段(phasing)，通过改变至少一个弹力室400，402内的被束缚的空气的量来调节回复力305，从而调节燃烧室160内的压缩比。
参照图1和4，控制模块5和500被用来控制FPLA的各个部分。控制模块5和500可分别控制进入燃烧室16和160的燃料流速，从而影响FPLA的输出。控制模块5和500可增加或者减少施加给电路的电阻，从而影响从FPLA中获取的电流量。这种从PFLA中获取的电流的调节可影响分配给整流器70和700的电功率。而且，从PFLA中获取的电流的调节可调整通过感应所产生的施加在活塞30，32和301，302上的力，从而影响活塞30，32和301，302的循环以及燃烧室16和160内的燃烧。
控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器和类似的术语的含义是指下列部件中的任何一个或者它们的各种组合：特殊用途集成电路(ASIC)、电子电路、中央控制单元(最好是微处理器)和相关的执行一个或者多个软件 或者固件程序或例行程序的内存和存储器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和器件、适当的信号处理和缓冲电路以及其它的能提供所描述的功能的部件。软件、固件、程序、指令、例行程序、代码、算法和类似的术语的含义是指包括校准表和查询表在内可执行指令集的任何控制器。控制模块具有一组控制程序，其可被执行来提供期望的功能。例如，程序可通过中央处理单元来执行，并可运行来监控来自感测设备以及其它网络连接的控制模块的输入，还可运行来执行控制和诊断程序以控制致动器的运行。可有规律间隔来执行程序，例如在前进的发动机和车辆运行期间，每3.125，6，25，12.5，25和100毫秒执行一次。或者，响应于事件的发生来执行程序。
在本发明的典型实施例中，可独立地使用本文所说明的FPLA 10，100。在替代的实施例中，可以成对或者成组地使用FPLA。可有选择性地启动或者停用独个的FPLA或者成组的FPLA，取决于整个配置结构的总体需求。由于具有以等量且相对的方式移动的相对活塞，每个FPLA可独立地保持平衡，因此，可采用无需保持FPLA成对运行的配置结构。
相对于其他已知的发动机配置结构，FPLA 10和100包括更少的移动部件。而且，如本文所述，可采用无需活塞环的配置结构。更少移动部件和取消活塞环的结果是FPLA中所产生的热量可被减少，而发动机效率可被提高。
本文已经说明了某些优选的实施例及其修正方式。一旦阅读和理解了本说明书，可想到进一步的修正和变形。因此，目的是将本发明不局限于公开的作为执行本发明的最佳模式的特定的实施例，而是本发明将包括将落入所附的权利要求的范围内的所有的实施例。
Claims (20)
1.一种自由活塞式线性交流发电机，包括：
一对活塞，在一个汽缸内每个活塞轴向上彼此相对，其中每个活塞包括各自的第一元件，所述第一元件构造为当活塞在汽缸内线性移动时与位于汽缸的壁上的相应的第二元件相互作用以产生电流，所述电流作为能量存储在电池中；
设置在所述活塞之间的燃烧室；
返回机构，其被配置为在燃烧之后将所述活塞分别从各自的第二位置返回到各自的第一位置；
进气系统，其流体联接到燃烧室，用于为燃烧室内的最终燃烧提供进入空气；
为燃烧室提供燃料的一个或更多个燃料注射器；
排气系统，其流体联接到所述燃烧室并包括将废气流压力转换为机械输出的动力涡轮机；以及
所述机械输出为强制进气设备提供动力，所述强制进气设备被配置来对进气系统内的进入空气加压，以在进入空气被接收在燃烧室之前增加进入空气的压力。
2.如权利要求1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述返回机构包括一对弹力室，每个弹力室设置在各自的活塞和汽缸的各个外端之间，每个弹力室包括被配置为将各个活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置的基本上被束缚的空气。
3.如权利要求2所述的自由活塞式线性交流发电机，其中当相应的活塞从各自的第一位置向各自的第二位置移动时，所述各个弹力室内的基本上被束缚的空气被压缩，并且所述压缩的基本上被束缚的空气向对应的活塞施加回复力，以将对应的活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置。
4.如权利要求2所述的自由活塞式线性交流发电机，还包括：
每个活塞具有各自的头部和各自的滑动部分，所述燃烧室设置在活塞的各个滑动部分的各个近端之间；以及
一对扫气室，每个扫气室分别设置在汽缸外壁、各个活塞的各自的滑动部分的各自的外壁和各个活塞的各自的头部的各自的近端之间，各个活塞的头部具有靠近各个扫气室的各个近端，靠近各个弹力室的各个远端，从而在各个扫气室和各个弹力室之间形成座。
5.如权利要求4所述的自由活塞式线性交流发电机，其中当相应的活塞从各自的第一位置移动到各自的第二位置时各个扫气室通过至少一个相应的扫气入口吸入进气流，当相应的活塞从各自的第二位置移动到各自的第一位置时各个扫气室通过至少一个相应的扫气出口将吸入的进气流输送至储气室，当活塞处于各自的第二位置时，储气室内的被输送的进气流在扫气阶段被吸入燃烧室。
6.如权利要求1所述的自由活塞式线性交流发电机，还包括：
一对外室，每个外室设置在各个活塞和汽缸的各个外端之间；以及
所述返回机构包括一对返回部件，每个返回部件设置在各个外室的内部，每个返回部件被配置为在燃烧之后将各个活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置。
7.如权利要求6所述的自由活塞式线性交流发电机，其中当相应的活塞从各自的第二位置向各自的第一位置移动时，每个外室通过各个入口吸入进气流，并且其中在相应的活塞从各自的第一位置移动到各自的第二位置时各个外室通过各自的出口将吸入的进气流排出。
8.如权利要求1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述燃烧发生在两个冲程循环中，并且各个活塞的所述线性移动包括由所述燃烧驱动的各个活塞从各自的第一位置到各自的第二位置的第一冲程以及各个活塞从各自的第二位置到各自的第一位置的第二冲程。
9.如权利要求1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中每个活塞包括与位于汽缸的壁上的线性交流发电机的相应的第二元件相互作用的线性交流发电机的相应的第一元件，其中各个活塞在相应的第一位置和相应的第二位置之间的移动产生电流。
10.如权利要求9所述的自由活塞式线性交流发电机，其中第一元件包括永磁体和绕组中的一个，第二元件包括永磁体和绕组中的另一个。
11.如权利要求1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述动力涡轮机包括几何形状可变式涡轮机。
12.如权利要求1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述动力涡轮机将废气流的压力转换为包括为发电机供能的机械输出在内的机械输出。
13.如权利要求12所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述发电机包括电力发电机。
14.如权利要求12所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述发电机包括转矩发电机。
15.如权利要求1所述的自由活塞式线性交流发电机，其中所述强制进气设备包括涡轮增压机和增压器中的一个。
16.一种用来控制自由活塞式线性交流发电机的方法，所述自由活塞式线性交流发电机具有一对相对活塞和设置在相对活塞之间的燃烧室，所述方法包括：
响应于燃烧事件，将各个活塞从各自的内止点位置向各自的外止点位置向外驱动；
将各个活塞从各自的外止点位置向内返回至各自的内止点位置，为随后的燃烧事件做准备；
从流体联接到燃烧室的进气系统，提供用于在燃烧室内的最终燃烧的进入空气；
通过燃料注射器为燃烧室提供燃料；
将来自燃烧室的废气流排入排气系统；
利用动力涡轮机，将排气系统内的废气流的压力转换为机械输出；
所述机械输出为强制进气设备提供动力，所述强制进气设备被配置来对进气系统内的进入空气加压，以在进入空气被接收在燃烧室之前增加进入空气的压力；和
当各个活塞在汽缸内在各自的内止点位置和各自的外止点位置之间移动时产生电流，各个活塞包括永磁体和绕组中的一个，该各个活塞包括永磁体和绕组中的一个与位于汽缸壁上的永磁体和绕组中的另一个相互作用。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述的机械输出为转矩发电机提供动力。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述的机械输出为电力发电机提供动力。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述强制进气设备包括涡轮增压机和增压器中的一个。
20.一种自由活塞式线性交流发电机，包括：
一对活塞和设置在活塞之间的燃烧室，所述活塞在汽缸内在轴向上彼此相对，每个活塞包括各自的第一元件，所述第一元件构造为当活塞在汽缸内线性移动时与位于汽缸的壁上的相应的第二元件相互作用以产生电流，所述电流作为能量存储在电池中；
被配置为在燃烧之后将所述活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置的返回机构，该返回机构包括以下构件之一：
一对弹力室，每个弹力室分别设置在各个活塞和汽缸的各个外端之间，每个弹力室包括被配置为将各个活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置的基本上被束缚的空气，和
一对返回部件，每个返回部件设置在各个外室内部，每个外室分别设置在各个活塞和汽缸的各个外端之间，各个返回部件被配置为在燃烧之后分别将各个活塞从各自的第二位置返回到各自的第一位置；
进气系统，其流体联接到燃烧室，用于为燃烧室内的最终燃烧提供进入空气；
为燃烧室提供燃料的一个或更多个燃料注射器；和
排气系统，其流体联接到所述燃烧室，并包括将废气流压力转换为机械输出的动力涡轮机装置，所述机械输出为转矩发电机、电力发电机中的一个和涡轮增压机和增压器中的一个提供动力，涡轮增压机和增压器被配置为对进气系统中的进入空气流加压以在进入空气流被接收在燃烧室之前增加进入空气流的压力。
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