CN103827465B - 活塞和在该活塞上施加力的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞，包括沿活塞轴同轴布置的一个或更多元件，其中所述活塞的长度至少为其最大直径的五倍，其中所述元件中的至少一个由导磁复合材料形成，该导磁材料具有比电工钢的各向同性电阻率的两倍大的各向同性电阻率，这种布置提供改进的自由活塞位置控制、更一致的燃烧和改进的电转换效率。

Description

活塞和在该活塞上施加力的方法

技术领域

本发明涉及一种活塞，特别地，涉及一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞。

背景技术

在常规的内燃机中，活塞由于被连接至曲轴而被机械地限制在其汽缸中，曲轴由于活塞在汽缸中的往复线性移动而被旋转性地驱动。然而，在自由活塞式发动机中，活塞不与曲轴连接，尽管活塞可以被提供在具有例如在US-A-7383796中教导的外部机械联接的这种类型的发电机中。

进一步地，已知可通过在自由活塞式发动机中的往复活塞通过一个或更多电线圈的移动产生磁通变化来发电，例如US-A-7318506。在这种布置中，活塞携带第一线圈且随着其在汽缸中的往复运动其在环绕该汽缸的第二线圈中产生电流。然而，活塞由可渗透磁通的固体材料制成，且必须相对于汽缸的长度非常短，以使其在穿过第二线圈时可以感应磁通变化。

在现有的自由活塞式发动机中，活塞的长度通常小于燃烧室的汽缸孔的直径的五倍。自由活塞式发动机中的电机的输出功率由气隙的面积决定，为了实现由直径和工作容积确定的用于给定燃烧室的几何形状的足够的气隙面积，电机的直径通常大于燃烧室的直径。这种直径的变化需要复杂和昂贵的机械方法来密封每个燃烧室，并确保它们彼此同轴对准，且与中间的电机的轴同轴对准。

自由活塞式发动机驱动型发电机的三个主要的设计挑战为：

第一，要实现尺寸适于发动机的燃烧功率输出的电机的高电机效率；

第二，要实现活塞运动控制和燃烧室设计的良好度，以使能够确保燃烧过程效率和完全性；

第三，以尽可能最低的成本解决以上两种挑战。

发明内容

本发明提供一种与活塞、燃烧室和电机的设计有关的部件的有利组合，这些部件共同提供一种高效率的燃烧过程，允许燃烧功率输出的高效率的电功率转换，提供作用于低活塞质量的高电机控制力用于更一致的燃烧过程控制，并且避免在活塞中使用昂贵的稀土磁性材料和发动机中燃烧机构和发电机构之间复杂的设计接口。因此，本发明处理了每个指明的设计挑战。

根据本发明，提供一种用于发动机驱动型发电机的活塞，包括一个或更多导磁元件，该一个或更多导磁元件具有各向同性的导磁率和电阻率，沿活塞轴布置并通过夹紧装置或其它装置固定，以使相邻元件之间保持接触，其中该活塞的长度至少为其最大直径的五倍。

活塞长度与活塞直径的比率提供燃烧室的功率输出和具有与细长活塞的圆柱形表面相同的面积的气隙的功率容量之间更好的匹配。因此，气隙直径和燃烧室直径可以相等，且位于活塞的相对端部的燃烧室之间不需要直径的变化，因此，这种活塞使得自由活塞式发动机能够以比现有类型的自由活塞式发动机更低的成本构造。

进一步地，本发明提供一种活塞，该活塞在发动机驱动型发电机中特别有效，具有沿活塞在其中往复移动的汽缸隔开的多个线圈，其线圈提供轴向磁通电机结构，其中环形磁通回路与活塞的行进方向同轴。活塞元件的各向同性的磁导率和电阻率允许此轴向磁通结构具有在活塞中的最小涡流损耗，提供比其它自由活塞式发动机电机构思更高的效率和控制力。进一步地，在该轴向磁通构造中的移动活塞质量低于在等效横向磁通构造中的可能的移动活塞质量，改进了由线圈施加的电磁力的控制权，并允许与横向磁通构造相比改进的活塞运动控制。

优选地，活塞顶被提供在活塞的每个端部，以保护铁芯和隔离元件免受燃烧的影响。可替代地，每个活塞可具有面向燃烧室的单个活塞顶，活塞的相对端面向用作在每个动力冲程结束时反转活塞的方向的缓冲室。可替代地，每个活塞可具有面向两个对置的活塞之间的中心燃烧室的单个活塞顶，该两个对置的活塞以彼此相反的相位移动以实现充分平衡的发电机单元。

优选地，活塞顶由诸如陶瓷或钛的轻质、耐高温和绝缘的材料制成，和/或具有凹面以减少在上止点时的热损失。优选地，活塞顶涂覆氧化催化剂材料或由氧化催化剂材料制成，该氧化催化剂材料提高燃烧室中的燃烧的一致性和完全性。优选地，活塞顶的暴露的表面面积至少为活塞的截面面积的两倍，从而提高燃烧催化剂的效力。

优选地，活塞轴为中空的，以减小活塞质量，并且同轴布置在活塞轴上的一个或更多导磁元件形成为具有相同外径的环形圈。优选地，汽缸的圆周表面的一部分涂覆减阻和耐磨材料。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的示例，其中：

图1示出具有根据本发明示例的活塞的自由活塞式发动机驱动型发电机的汽缸的纵剖面，该活塞在两个端部均具有活塞顶；

图2为图1中的活塞的纵剖面，示出同轴布置在中空活塞轴上的元件的构造；

图3为活塞的垂直剖面，示出轴和环形元件的同心布置；

图4为活塞的替代实施例的纵剖面，其只在一个端部具有活塞顶；

图5为图1中的活塞和汽缸的剖视图，例示由线圈和根据本发明的活塞的移动在开关定子元件中引起的磁通；

图6为活塞和汽缸的垂直剖面，示出极为接近地布置在活塞中的线性发电机定子和导磁元件；

图7为在充气位移扫气阶段期间进气阀、进气滑动口阀开口和燃料喷射器的布置的更详细的纵剖面；

图8为在排气阶段期间包括排气阀和致动器的排气装置的更详细的纵剖面；

图9为示出在完整的发动机循环期间汽缸内的变化的活塞位置和在该期间发动机循环事件定时的时间-位移图；

图10为示出在完整的发动机循环期间典型的汽缸压力图的压力-容积图；

图11为在压缩阶段终点并大约在第一室内燃烧事件的火花点火和启动时在上止点的汽缸的示意纵剖面；

图12为第一室的膨胀阶段中途的汽缸的示意纵剖面；

图13为在膨胀阶段终点并在进气和排气阀打开之前的汽缸的示意纵剖面；

图14为在进气阀打开以充满室1后的汽缸的示意纵剖面，允许充气流体压力等于第一室中的较低汽缸压力；

图15为在排气阀打开并且同时进气阀仍然打开以对第一室扫气后的汽缸的示意纵剖面；

图16为在进气阀已关闭后在燃料喷射到第一室期间的汽缸的示意纵剖面；

图17为在润滑剂和/或冷却剂喷射到活塞外表面上期间的汽缸的示意纵剖面；

图18为排气阀打开并且进气阀和滑动口阀关闭后以使通过活塞位移实现从第一室继续排出废气的汽缸的示意纵剖面；

图19为第一室中的压缩阶段中途的汽缸的示意纵剖面；

在这些附图和说明书中，使用以下标记：

1-汽缸

1a-第一进气口开口

1b-第二进气口开口

2-活塞

2a-活塞外表面

2b-活塞端面

2c-活塞轴

2d-活塞顶

2e-润滑控制部件

2f-导磁活塞磁心元件

2g-非导磁活塞隔离元件

2h-活塞轴端部

2i-活塞轴盖

3-第一燃烧室

3a-第一燃烧室高度

3b-第一燃烧室直径

4-第二燃烧室

5-燃料喷射装置

5a-燃料

6-进气装置

6a-进气滑动口阀开口

6b-进气口

6c-进气阀

6d-进气阀致动器

6e-充气压缩机

6f-进气歧管

6g-进气阀凹部

6h-进气通道

7-排气装置

7a-汽缸盖

7b-排气阀

7c-排气阀致动器

7d-排气歧管通道

8-点火装置

9-线性发电机装置

9a-线圈

9b-开关装置

9c-导磁定子元件

9d-控制模块

9e-电输出装置

10-润滑剂和冷却剂施加装置

T1、T2、T3和T4-定子和活塞元件中的环形磁通路线

具体实施方式

图1示出提供在自由活塞式发动机驱动型发电系统中的本发明的示例。可见活塞2沿汽缸1的长度自由移动，活塞被约束为与汽缸1同轴对准，从而将汽缸1有效地分隔成第一燃烧室3和第二燃烧室4，每个室根据活塞2在汽缸1内的位置而具有可变容积。活塞2的任何部分都不伸出汽缸1。使用第一室3作为示例，室3、4中的每个均具有可变高度3a和固定直径3b。

优选地，汽缸1围绕其轴线旋转对称，并相对于垂直于其轴线的中心平面对称。尽管其它几何形状可能被用于实施本发明，例如具有正方形或矩形截面的活塞，但是具有圆形截面活塞的布置是优选的。汽缸1具有沿其长度并远离端部提供的、优选在中心位置的一连串开口1a、1b。通过活塞2的运动，与对应的开口6a对准的开口1a、1b形成滑动口进气阀，滑动口进气阀被布置为结合围绕汽缸1的至少一部分提供的进气口6b操作，如下面详细描述的那样。

图2示出具有外表面2a并包括中心轴2c的活塞2，一连串柱形元件被安装在中心轴2c上。这些柱形元件可包括在中心轴2c的每个端部处的活塞顶2d，每个活塞顶2d优选由诸如陶瓷的耐高温和绝缘的材料构成。活塞顶端面2b优选为微凹的，以减小在上止点时第一室3和第二室4的表面积与容积的比，从而减少热损失。可替代地，活塞顶2d可由用作氧化催化剂的材料制成或涂覆该材料，以确保燃烧的完全性，在这种情况下，优选的是活塞顶2b的暴露端面的面积基本上大于活塞的截面面积，从而作用于燃烧室容积内容物上的催化剂表面效应被提高。当然，如果汽缸具有不同的几何形状，那么这些元件的构造将被相应地调整。

活塞外表面2a的一部分可涂覆减阻和耐磨材料。活塞顶2d可包括润滑控制部件2e，以在发动机操作期间控制汽缸1的润滑润湿程度。这些润滑控制部件可包括传统内燃机中常用的槽和控油环。

一个或更多导磁铁芯元件2f被安装在活塞轴2c上。每个铁芯元件2f由具有各向同性磁导率和各向同性电阻率的导磁材料构成，以减少发动机操作期间的涡流损失。

隔离元件2g也被安装在活塞轴2c上。每个隔离元件2g理想上具有低磁导率并优选由诸如铝合金的轻质材料构成。

优选地，导磁铁芯元件由诸如软磁复合材料(SMC)的电渗透(electricallypermeable)复合材料形成，该电渗透复合材料在所有方向上均具有比电工钢的各向同性电阻率的两倍大且大于5.0×10^-6Ω·m的各向同性电阻率。这种各向同性的特性允许使用诸如图5中所示并在下面描述的非平面磁通回路，这些回路不会引起由于感应涡流而产生的高铁损。这种涡流将引起非常大的电损耗，使用传统的钢叠片来施加这种非平面磁回路结构，因为叠片平面中的电阻率通常非常低。

导磁铁芯元件2f和非导磁隔离元件2g的设计使铁芯元件2f以正确的节距定位，以如同例如线性开关磁阻或开关磁通发电机的一部分那样高效操作，该开关磁阻或开关磁通发电机包括移动活塞2和例如沿活塞在其中往复运动的汽缸的长度隔开的多个线圈的线性发电机装置。

活塞的总长度优选是其直径的至少五倍，并且在任何情况下至少足够长以完全关闭滑动口阀，从而进气通道6h决不允许燃烧室3和4连通。

活塞轴端部2h被机械变形或用另外的方式固定到活塞顶2d，从而安装至活塞轴2c的元件2f和2g在活塞轴2c中所保持的张力的作用下被牢固地保持。

图3为活塞2的剖视图，示出活塞轴2c穿过铁芯元件2f。

图4示出了本发明的替代实施例，其中活塞2只在一个端部具有活塞顶2d，另一端用轻质活塞轴盖元件2i密封。此实施例适于使用在对置活塞自由活塞式发动机中，或者适于使用在这样的自由活塞式发动机中：在该自由活塞式发动机中，每个汽缸在其一个端部具有单个燃烧室，另一端具有用作在每个动力冲程结束时反转活塞的方向的缓冲室。

图5示出围绕汽缸1的外侧并沿其长度的至少一部分提供的便于活塞2与电输出装置9e之间的能量传递以及用于施加控制活塞的位置和移动的力的线性发电机装置9的示例。线性发电机装置9包括沿着线性发电机装置9的长度的多个线圈9a和多个定子9c。

线性发电机装置9可为多个不同的电机类型，例如线性开关磁阻发电机或线性开关磁通发电机。在所示的布置中，线圈9a通过开关设备9b被开关，以在可定子9c和活塞铁芯元件2f内感应磁场。在此实施例中，开关设备9b以至少100Hz的频率改变线圈9a中的电流。该开关相对于活塞的移动被精确定时，从而活塞的移动切割由线圈中的电流产生的磁通，在活塞上施加力且将来自活塞的动能转化为线圈中的电力。

在图5所示的布置中，环形磁通回路T1-T4在线圈9a中的开关电流的作用下产生在定子9c和活塞铁芯元件2f中。线性发电机装置9用作线性开关磁阻设备或线性开关磁通设备。由于磁通回路T1-T4被活塞2的运动切割并由此在线圈9a中感应电流，从而在电输出装置9e处产生电力。磁通回路的环形结构提供异常高的磁通密度和每单位质量导磁元件2f的磁通切割率，从而增加作用在每单位质量活塞上的控制力，并提高电机对于活塞的位置和移动的控制权。另外，这种布置在活塞中不使用永磁体的情况下使高效发电装置成为可能，永磁体可能在内燃机内的高温条件下消磁，并且由于昂贵的稀土金属的使用而可能以另外方式显著增加成本。

另外，可使用包括如下所述的若干不同的控制装置的控制模块9d。不同的控制装置被提供以实现活塞2和电输出装置9e之间的期望的能量传递率，以便输送最大的电输出，同时满足活塞2的期望的运动特性，包括压缩率和压缩比、膨胀率和膨胀比以及在每个室3、4的上止点的活塞停留时间。

阀控制装置可用于控制进气阀6c和排气阀7b。通过控制排气阀7b的关闭，阀控制装置能够控制压缩阶段的启动。以类似的方式，阀控制装置也可以用于控制废气再循环(EGR)、充气和压缩比。

适于电机类型的压缩比控制装置也可被使用。例如，就开关磁阻机而言，压缩比控制通过改变施加到开关线圈9a的相位、频率和电流而被部分实现。这改变感应横向磁通被活塞2的运动切割的速率，并因此改变施加到活塞2的力。相应地，线圈9a在排气阀7b关闭时和在活塞2随后减速期间均可被用于控制活塞2的动能。

随后，火花点火定时控制装置可被用于响应压缩比的任何残余的循环到循环的变化(cycle-to-cycle variability)，以确保该残余变化对发动机排放物和效率的不利影响被减至最低，如下那样。通常，在每个压缩阶段结束时的预期压缩比为目标压缩比加上与系统变化相关的误差，诸如发生在相对的燃烧室3、4内的燃烧事件以及控制系统特性。火花点火定时控制装置可响应接近的活塞2的实测速度和加速度来调整火花点火事件的定时，从而优化燃烧事件以在每个压缩阶段结束时获得预期压缩比。

通常，目标压缩比将为取决于所使用的燃料5a的常数。然而，压缩比误差可源于在上止点时燃烧室高度3a的任何变化。因此，如果±20％的室高度变化出现，且目标压缩比为12:1，则实际压缩比可在10:1到15:1的范围内。因此，通过火花点火定时控制装置来提前或延迟火花点火事件将减少有害排放物和该误差的效率影响。

另外，燃料喷射装置可用于控制燃料5a的喷射定时，以使其在滑动口阀开口6a即将关闭之前被喷射进燃烧室3、4，以减少扫气期间碳氢化合物(HC)排放物。

进一步地，温度控制装置可被提供，其包括定位在线圈9a、电子器件和对高温敏感的其它元件附近的一个或更多温度传感器，以响应检测的温度变化来控制由冷却剂施加装置10施加的冷却液的流动和由压缩机6e提供的冷却空气的流动。温度控制装置可与阀控制装置通信，以在检测到持续的高温读数时限制发动机功率输出，以避免发动机损坏。

可由控制模块9d使用的另外的传感器优选包括废气(λ)传感器和气流传感器，以对于给定的燃料类型根据添加的空气的量确定要喷射到室内的燃料5a的量。相应地，燃料传感器还可用于确定所使用的燃料的类型。

图6示出一个定子元件9c的垂直剖面，示出了由汽缸1的壁厚隔开的定子元件9c和导磁活塞元件2f的极为接近。另外，图6示出导磁元件2f与中空的活塞轴2c的同轴布置。

图7示出围绕汽缸1提供的进气装置6，进气装置6包括滑动口阀开口6a以及进气口6b，滑动口阀开口6a与提供在汽缸1中的开口1a、1b尺寸对应并对准。进气装置6中的开口6a通过通道6h而被连接，进气阀6c位于通道6h中。通道6h容积最小，或者具有短的长度、小的横截面面积或两者的结合，以使在膨胀阶段期间通道6h内的不受控制的膨胀损失最小。

进气阀6c将通道6h与作为进气口6b一部分的邻近汽缸1提供的进气歧管6f密封分开。进气阀6c通过进气阀致动器6d操作，进气阀致动器6d可为电控电磁装置或其它适合的电气或机械装置。

当滑动口进气阀开口6a和进气阀6c均相对于第一室3或第二室4中之一打开时，进气歧管6f经由通道6h与该室流体连通。进气装置6优选被提供有凹部6g，凹部6g被布置为在进气阀6c完全打开时容纳进气阀6c，以确保流体可以自由地流动通过通道6h。

进气口6b还包括充气压缩机6e，其可被电动地、机械地或在源于进气口6b的压力波的作用下操作。充气压缩机6e还可在源于提供在汽缸1的每个端部处的排气装置7的压力或压力波作用下被操作，如下面描述的那样。充气压缩机6e可为容积式设备、离心设备、轴流式设备、压力波设备或任何适合的压缩设备。充气压缩机6e提高进气歧管6f内的压力，以使当进气口6b打开时，进气歧管6f内的压力高于连接到进气歧管6f的室3、4内的压力，从而允许充气流体的流动。

在进气装置6中还提供燃料喷射装置5，诸如电磁喷射器或压电喷射器5。尽管中部定位的单个燃料喷射器5可能是足够的，但是优选将燃料喷射器5提供在进气阀6c的任一侧并布置在紧邻滑动口阀开口6a的端部。燃料喷射器5优选被凹入到进气装置6内，从而活塞2可以在没有障碍的情况下经过并通过滑动口进气阀开口6a和进气口6b。燃料喷射器5被构造为通过滑动口进气阀开口6a中的每个将燃料喷射到对应的室3、4中。

润滑剂和冷却剂施加装置10被提供，优选凹入到进气装置6内并被布置为使得活塞2可以在没有障碍的情况下经过并通过进气装置6，由此活塞可以通过一种或更多流体的施加而被润滑和冷却。施加的流体可包括传统的润滑油。另外，该液体可包括水或具有高蒸发热的挥发性液体。随着这种冷却剂流体的蒸发，活塞中的热量转移至流体中和产生的气体中，且随着活塞的行进而排放在燃烧室中，或者在燃烧室膨胀时阻止燃烧窜气的泄漏。排出的冷却气体增加膨胀的燃烧室中的气量，从而逐渐地增加燃烧室的压力。通过这种方式，由于变化的磁通引起的涡流和来自燃烧室的传导而在活塞中积聚的热可作为由膨胀的燃烧室容积施加至活塞的有用功被收回(recuperate)。另外，排出的气体可作为气体轴承，从而减小对活塞2a的外表面的摩擦和磨损。

图8示出提供在汽缸1的每个端部处的排气装置7。排气装置7包括通过螺钉装置或类似物而被能移除地附接到汽缸1的端部的汽缸盖7a。与汽缸1的轴线同轴对准的排气阀7b位于每个汽缸盖7a内。排气阀7b通过排气阀致动器7c操作，排气阀致动器7c可为电控电磁装置或其它电气或机械装置。相应地，当第一燃烧室3或第二燃烧室4内的进气阀6c和排气阀7b均被关闭时，该室被有效地密封，并且包含在其内的工作流体可被压缩或被允许膨胀。

排气装置7还包括提供在汽缸盖内的排气歧管通道7d，当排气阀7b打开时，在邻近的第一室3或第二室4与排气歧管通道7d内的流体之间的压力差的作用下，废气可流入排气歧管通道7d中。

诸如火花塞的点火装置8也被提供在汽缸1的每个端部，点火装置8位于汽缸盖7a内并优选是凹入的，以使活塞2在发动机的正常操作周期期间没有障碍。

排气阀7b与汽缸1的轴线的优选同轴布置允许排气阀7b的直径比在传统的内燃机中相对于室3、4的直径大得多。

每个汽缸盖7a是由诸如陶瓷的硬质耐磨的和良好绝缘的材料构成，以使热损耗最小并避免对单独的阀座部件的需要。

图9示出根据本发明的发动机的时间位移图，例示活塞2在完整的发动机循环过程的移动。尽管这里参照第一室3描述发动机的操作，但是技术人员将认识到，第二室4的操作和事件的顺序与第一室3完全相同，不过相位相差180度。换言之，活塞2在其到达在第二室4中的下止点的同时到达第一室3中的上止点。

在整个发动机循环中强调的事件A到F对应于图10中例示的事件A到F，图10示出燃烧室3、4在相同的发动机循环过程中的典型的压力-容积图。在图11至19的以下讨论中参考图9到10中突出的事件。

现在考虑完整的发动机循环，在发动机循环开始时，第一室3包含主要由预混合燃料和空气构成的压缩混合物，以及少部分从先前循环保留的残余废气。众所周知，可控量的废气的存在对于发动机的有效操作是有利的，由于这可以减少或消除对于作为发动机功率调节装置的充气节流阀的需要，充气节流阀是常规火花点火发动机中主要的损失源。另外，由于峰值燃烧温度和压力小于没有废气保留的发动机，所以减少氧化亚氮污染气体的形成。这是废气部分没有促进燃烧反应的结果，而且是由于保留气体中的二氧化碳和水的高热容量。

图11示出活塞相对于汽缸1的位置，限定在上止点(A)时第一室3的几何形状。这也在燃烧阶段AB的开始点附近。活塞的顶部2b与第一室3的端部之间的距离至少为第一室3的直径的一半，从而与常规内燃机中的燃烧室相比提供更低的表面积容积比，并且减少燃烧过程中第一室3的热损失。点火装置8被凹入到汽缸盖7a内，从而在活塞2以不可控的方式接近上止点的情况下，点火装置8和活塞顶2d之间不可能有接触。而是，压缩将会继续，直到活塞2的运动被第一室3中由于近似的绝热压缩引起的继续增加的压力阻止。参照图10，燃烧膨胀阶段AB开始于点火事件(A)。

图12示出活塞2在膨胀阶段(AB和BC)的中途相对于线性发电机装置9的位置。第一室3随着活塞2在第一室3与第二室4之间的压力差的作用下移动而膨胀。第二室4内的压力此时大约等于进气歧管6f内的压力。第一室3的膨胀通过线性发电机装置9的作用而被阻止，这可被调整以实现期望的膨胀率，从而满足发动机性能、效率和排放目标。

图13示出在下止点时活塞2相对于第一室3的位置。在膨胀阶段的终点(C)，活塞2的运动在线性发电机装置9以及第一室3和第二室4之间的压力差的作用下被阻止。第二室4中的压力此时大约等于在第一室3的上止点位置(A)的第一室3内的高压。优选地，膨胀比至少为压缩比的两倍，其中压缩比在10:1到16:1的范围内。相比于膨胀比与压缩比相似的常规内燃机，这提供了改进的热效率。

图14示出活塞2和进气装置6的布置以及在进气均衡阶段(CD)期间在下止点时进气的初始流动。这种布置也可在图7中看到。此时，由于活塞2滑动通过并经过沿汽缸1的内壁1c提供的开口1a、1b，故滑动口进气阀6a是打开的。由于过度膨胀降低第一室3中的流体压力，并且由于进气压缩机6e提高进气歧管6h中的压力，所以第一室3中的压力低于进气歧管6f内的压力。大约在此时，进气阀6c被进气阀致动器6d打开，以允许充气进入汽缸1内的第一室3，第一室3内的压力与进气歧管6f处的压力达到均衡。进气阀6c打开后的短时间内，排气阀7b也被打开，以允许废气在第一室3和排气歧管通道7d之间的压力差的作用下离开第一室3，排气歧管通道7d内的压力仍然接近环境大气压力。

图15示出在充气位移扫气阶段(DE)期间活塞2的位置。废气扫气通过第一室3内的废气持续移位进入排气歧管通道7d同时在第一室3的活塞端部的引入新鲜充气而被实现。一旦指定量的充气已进入第一室3，则进气阀6c被关闭并且废气通过活塞2的移动继续排出，如图17所示，如同下面解释的那样。

图16示出在燃料喷射时刻(E)活塞2和进气装置6的布置。如果使用液体燃料，这种燃料5a可被直接引入到接近的活塞顶2d上，其具有迅速汽化燃料、冷却活塞顶2d和使如汽缸1的内壁1c上的湿膜那样的未燃烧燃料的损失和排放最小化的效果，未燃烧燃料还可能在膨胀阶段在第二室4内汽化。

图17示出润滑(E)期间活塞2的位置，少量的润滑剂和/或冷却剂通过润滑剂和冷却剂施加装置10在活塞外表面2a通过进气滑动口阀6a时被周期性地直接引入到活塞外表面2a。这种布置使与润湿汽缸内壁的润滑剂关联的碳氢化合物排放物最少，而且还可减少燃料在汽缸内壁油膜内的溶解程度。润滑控制环部件2e被包括在活塞顶2d中，以进一步减少第一和第二室3、4内润滑剂壁润湿的程度。

图18示出在活塞位移扫气阶段EF期间活塞2的位置。进气阀6c被关闭，并且废气通过活塞2的移动继续排出。此时，由于第二室4内的燃烧事件，活塞2正朝向排气装置7移动，并减少第一室3的容积。

由于排气阀相对于燃烧室直径3b较大的直径，通过阀杆的排气流的极限面积可接近汽缸孔截面积的40％，在充气位移扫气阶段(DE)以及在活塞位移扫气阶段(EF)期间均导致低的排气背压损失。

图19示出在压缩阶段(FA)中途活塞2相对于汽缸1的位置的纵剖面。当已实现使第一室3内的流体中的废气比例接近指定水平的充足的废气排出时，排气阀7b被关闭，压缩阶段(FA)开始。随着活塞2在第一室3和第二室4之间的压力差的作用下以及线性发电机装置9的作用下加速和减速，压缩以可变速率继续。在膨胀阶段(AB和BC)期间，第二室4内的压力此时正在下降。线性发电机的力可被调整，从而实现期望的压缩率，以满足发动机性能、效率和排放目标。第一室3内的容积压缩率基本上等于室4内的容积膨胀率并与之相反。

Claims (14)

1.一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机的活塞，包括沿活塞轴同轴布置的一个或更多元件，其中

所述元件中的至少一个由导磁且电渗透的复合材料形成，

其特征在于：

所述导磁且电渗透的复合材料在所有方向上均具有大于5.0×10^-6Ω·m的各向同性电阻率，

所述活塞的长度至少为其最大直径的五倍，

所述活塞被布置在用于感应与所述活塞的轴线同轴的多个环形磁通回路的磁通产生装置中，并且

所述磁通产生装置包括多个同轴线圈和定子元件，该多个同轴线圈和定子元件被布置为极为接近所述活塞，以使所述活塞的移动切割所述环形磁通回路并由此引起由所述磁通产生装置施加的磁通的变化。

2.根据权利要求1所述的活塞，还具有开关装置，所述磁通能通过该开关装置以至少100Hz的频率变化。

3.根据权利要求1所述的活塞，被布置在具有润滑剂和冷却剂施加装置的自由活塞式发动机中，该润滑剂和冷却剂施加装置允许冷却剂和/或润滑液直接喷射到所述活塞的表面上。

4.根据权利要求1所述的活塞，其中所述元件中的至少一个由非磁性材料形成，并且每个元件被固定为使得相邻元件之间保持接触。

5.根据权利要求1所述的活塞，进一步包括提供在所述活塞的一个或两个端部的活塞顶。

6.根据权利要求5所述的活塞，其中所述活塞顶为陶瓷的。

7.根据权利要求5所述的活塞，其中所述活塞顶为凹形的。

8.根据权利要求5所述的活塞，其中所述活塞顶的暴露的表面面积至少为所述活塞的截面面积的两倍，并且所述活塞顶的暴露的表面材料用作促进燃烧室内容物氧化的催化剂。

9.根据权利要求5所述的活塞，其中所述活塞轴为中空的。

10.根据权利要求1所述的活塞，其中同轴布置在所述活塞轴上的所述元件被形成为具有相同外径的环形圈。

11.根据权利要求1所述的活塞，其中所述活塞被布置在汽缸中，并且其中所述汽缸的圆周表面的一部分被涂覆有减阻和耐磨材料。

12.一种在根据权利要求1所述的活塞上施加力的方法，该方法通过使用磁通产生装置感应与所述活塞的轴线同轴的多个环形磁通回路而在移动的活塞上施加力，以使所述活塞中的峰值磁通密度大于在没有外部产生的环形磁通回路时存在的最大剩余磁通密度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述环形磁通通过以至少100Hz的频率开关所述磁通产生装置而被控制。

14.根据权利要求12所述的方法，其中液体被喷射到所述活塞上，以使由于变化的磁通和燃烧过程在活塞中产生的热随着该液体蒸发而被收回，从而提供用于所述活塞的气体轴承并提高所述发动机的效率。