空氣或者空氣/燃料混合物或者空氣/燃料/燃燒產(chǎn)物混合物 (通過(guò)進(jìn)氣端口 180)。運(yùn)一過(guò)程在本文中可被稱作"呼吸"或者"在BDC處或附近呼吸"。本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到，在不背離本發(fā)明范圍的情況下也能具有很多其它類(lèi)型的端口 和呼吸構(gòu)造。當(dāng)處于BDC處或其附近時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)器段要被用于提供壓縮功，驅(qū)動(dòng)器段160 內(nèi)的氣壓大于燃燒段130的壓力，運(yùn)使得活塞125朝向?qū)Ψ较騼?nèi)推動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器段160中的 氣體能被用于提供實(shí)施壓縮行程所需能量的至少一些。LEM200也可提供實(shí)施壓縮行程所需 能量的一些。
[0052] 實(shí)施壓縮行程所需能量的數(shù)量取決于期望的壓縮比、壓縮行程開(kāi)始時(shí)燃燒段130 的壓力、W及活塞組件120的質(zhì)量。壓縮行程持續(xù)至燃燒開(kāi)始，其發(fā)生在活塞125的速度為 零或者接近零的時(shí)刻。活塞125的速度為零的點(diǎn)標(biāo)明它們有關(guān)該循環(huán)的TDC位置。燃燒導(dǎo) 致燃燒段130內(nèi)的溫度和壓力升高，運(yùn)使得活塞125朝向LEM200而向外。在膨脹行程期間， 活塞組件120的動(dòng)能的一部分通過(guò)LEM200轉(zhuǎn)換成電能，動(dòng)能的另一部分對(duì)驅(qū)動(dòng)器段160中 的氣體作壓縮功。膨脹行程持續(xù)至活塞125的速度為零，其標(biāo)明它們有關(guān)該循環(huán)的BDC位 置。
[005引圖7示出了一種用于呼吸的端口構(gòu)造，其中進(jìn)氣端口 180在抓C附近位于兩個(gè)活 塞的前方，排氣端口 170在TDC附近。存在各種可能的替換性的端口構(gòu)造，諸如但不限于在 BDC附近將排氣端口 170設(shè)在一個(gè)活塞125前方，W及在抓C附近將進(jìn)氣端口 180設(shè)在另 一活塞125前方一從而實(shí)現(xiàn)所謂單向流動(dòng)的（uni-flow)掃氣或者單向流動(dòng)的呼吸。排氣 端口 170和進(jìn)氣端口 180的打開(kāi)和關(guān)閉均獨(dú)立進(jìn)行控制。排氣端口 170和進(jìn)氣端口 180的 位置能被選擇成使得壓縮比和/或膨脹比的范圍成為可能。循環(huán)中排氣端口 170和進(jìn)氣端 口 180被致動(dòng)（打開(kāi)和關(guān)閉）的時(shí)期能在循環(huán)期間和/或循環(huán)之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，W改變壓縮 比和/或膨脹比和/或壓縮行程開(kāi)始時(shí)留在燃燒段130中的燃燒產(chǎn)物的數(shù)量。將燃燒氣體 保留在燃燒段130中被稱作殘余氣體收集（RGT)，且能被用于緩和燃燒的定時(shí)及峰值溫度。 [0054] 在活塞循環(huán)期間，氣體可能會(huì)轉(zhuǎn)移通過(guò)燃燒段130和驅(qū)動(dòng)器段160之間的活塞密 封件135。運(yùn)種氣體轉(zhuǎn)移被稱作"滲漏"。滲漏的氣體可能含有空氣和/或燃料和/或燃燒 產(chǎn)物。發(fā)動(dòng)機(jī)100被設(shè)計(jì)成通過(guò)在每個(gè)驅(qū)動(dòng)器段160中具有至少兩個(gè)端口來(lái)管理滲透氣 體一一個(gè)端口 185用于去除驅(qū)動(dòng)器氣體，另一個(gè)端口 190用于提供補(bǔ)充的驅(qū)動(dòng)器氣體。驅(qū) 動(dòng)器氣體的去除和補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)器氣體的吸入獨(dú)立進(jìn)行控制，并且使得損耗最少，效率最高。 陽(yáng)化5] 圖7示出了一種用于交換驅(qū)動(dòng)器氣體的策略，其中驅(qū)動(dòng)器氣體的移除發(fā)生在膨脹 行程期間某一點(diǎn)上，補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)器氣體的吸入發(fā)生在壓縮行程期間某一點(diǎn)上。驅(qū)動(dòng)器氣體的 移除和吸入也能按照相反的行程順序或者在同一行程期間發(fā)生。移除的驅(qū)動(dòng)器氣體能被用 作當(dāng)前進(jìn)行的燃燒循環(huán)期間有關(guān)燃燒段130的進(jìn)氣的一部分。驅(qū)動(dòng)器段160中的氣體數(shù)量 能進(jìn)行調(diào)節(jié)W改變壓縮比和/或膨脹比。膨脹比被定義為膨脹行程之后當(dāng)活塞125具有零 速度時(shí)燃燒段130的體積與壓縮行程之后當(dāng)活塞125具有零速度時(shí)燃燒段130的體積之 比。壓縮比被定義為當(dāng)燃燒段130內(nèi)的壓力因活塞125的向內(nèi)運(yùn)動(dòng)而開(kāi)始增大時(shí)燃燒段 130的體積與壓縮行程之后當(dāng)活塞125具有零速度時(shí)燃燒段130的體積之比。
[0056] 通過(guò)在燃燒之前緩和（例如冷卻）燃燒段130內(nèi)氣體的溫度對(duì)燃燒進(jìn)行優(yōu)化控 審IJ。能通過(guò)預(yù)先冷卻燃燒段的進(jìn)氣和/或在壓縮行程期間冷卻燃燒段130內(nèi)的氣體來(lái)實(shí)現(xiàn) 溫度控制。當(dāng)燃燒段130達(dá)到使發(fā)動(dòng)機(jī)100的熱效率最大的體積時(shí)，達(dá)到最佳燃燒。運(yùn)種 體積被稱作最佳體積，且它能出現(xiàn)在TDC之前或之后。根據(jù)燃燒策略（點(diǎn)火和注入策略）， 燃燒段的進(jìn)氣能是空氣、空氣/燃料混合物、或者空氣/燃料/燃燒產(chǎn)物混合物（其中燃燒 產(chǎn)物來(lái)自EGR和/或循環(huán)的驅(qū)動(dòng)器氣體），燃燒段130內(nèi)的氣體能是空氣、空氣/燃料混合 物、或者空氣/燃料/燃燒產(chǎn)物混合物（其中燃燒產(chǎn)物來(lái)自EGR和/或RGT和/或循環(huán)的 驅(qū)動(dòng)器氣體）。
[0057] 當(dāng)壓縮點(diǎn)火為期望的點(diǎn)火策略時(shí)，通過(guò)緩和燃燒段130內(nèi)的氣體溫度使得它在最 佳體積處達(dá)到自動(dòng)點(diǎn)火溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳燃燒。當(dāng)火花點(diǎn)火為期望的點(diǎn)火策略時(shí)，通過(guò)緩和 燃燒段130內(nèi)的氣體溫度使得它在火花在最佳體積處點(diǎn)火之前保持低于其自動(dòng)點(diǎn)火溫度 來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳燃燒。從外部將火花控制成在最佳體積處點(diǎn)火。能通過(guò)制冷循環(huán)對(duì)燃燒段的進(jìn) 氣進(jìn)行預(yù)先降溫。能通過(guò)將液體注入燃燒段130 (所述液體隨后蒸發(fā)）在壓縮行程期間對(duì) 燃燒段130內(nèi)的氣體進(jìn)行冷卻。該液體能是水和/或其它液體，諸如但不限于燃料或制冷 劑。該液體能在注入燃燒段130之前進(jìn)行冷卻。
[0058] 對(duì)于給定的發(fā)動(dòng)機(jī)幾何形狀和排氣及進(jìn)氣端口位置，能通過(guò)在燃燒之前改變空氣 /燃料比和/或燃燒段130中燃燒產(chǎn)物的數(shù)量和/或壓縮比和/或膨脹比使得來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī) 100的功率輸出在不同循環(huán)之間發(fā)生變化。在循環(huán)中空氣/燃料比給定的情況下，能通過(guò)在 燃燒之前改變?nèi)紵螝怏w中存在的來(lái)自上一循環(huán)的燃燒產(chǎn)物的數(shù)量來(lái)控制峰值燃燒溫度。 燃燒之前的燃燒段氣體中的燃燒產(chǎn)物能來(lái)自EGR和/或RGT和/或再循環(huán)的驅(qū)動(dòng)器氣體。 通過(guò)利用有關(guān)活塞位置、活塞速度、燃燒段組分和汽缸壓力的信息來(lái)調(diào)節(jié)LEMs和驅(qū)動(dòng)器段 的操作特性的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞同步。
[0059] 圖6和7的構(gòu)造包括稱作發(fā)動(dòng)機(jī)100且由汽缸105定義的單個(gè)單元、活塞組件120 和LEMS200。然而，很多單元能并行放置，其可統(tǒng)稱為"發(fā)動(dòng)機(jī)"。本發(fā)明的一些實(shí)施例是 模塊化的，因此它們能被設(shè)置成并行操作W使得能夠根據(jù)終端用戶的需要增大發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī) 模。此外，并非所有單元都需要為同一尺寸或者在相同條件（例如頻率、化學(xué)計(jì)量、或呼吸） 下工作。當(dāng)運(yùn)些單元并行工作時(shí)，存在在運(yùn)些發(fā)動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行一體化的可能，諸如但不限于 單元之間的氣體交換和/或單元的LEM200之間的反饋。
[0060] 自由活塞結(jié)構(gòu)允許較大且可變的壓縮和膨脹比，同時(shí)在TDC處維持足夠大的體積 W使熱傳遞最小化和實(shí)現(xiàn)充足的燃燒。此外，與活塞與曲柄軸機(jī)械聯(lián)接時(shí)相比，活塞在TDC 處或附近花費(fèi)的時(shí)間更少些。運(yùn)有助于最小化熱傳遞（和使效率最大化），因?yàn)樵谧罡邷囟?處花費(fèi)較少時(shí)間。此外，由于自由活塞結(jié)構(gòu)不具有機(jī)械連桿，機(jī)械和摩擦損耗與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī) 相比最小。大且可變的壓縮和膨脹比、TDC處足夠大的體積、通過(guò)LEM200將動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換 成電能、在TDC處和附近花費(fèi)固有短的時(shí)間、化及控制燃燒的能力共同使得發(fā)動(dòng)機(jī)100能夠 實(shí)現(xiàn)大于50%的熱效率。
[0061] 在操作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)100內(nèi)的損耗包括：燃燒損耗、熱傳遞損耗、電轉(zhuǎn)換損耗、摩 擦損耗、和泄漏損耗。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，通過(guò)在高內(nèi)能狀態(tài)下實(shí)施燃燒使燃燒損耗 最小化，運(yùn)通過(guò)具有在緩和燃燒段溫度的同時(shí)達(dá)到高壓縮比的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在燃燒發(fā) 生時(shí)和附近具有足夠大的體積使得熱邊界層占體積的一小部分來(lái)使熱傳遞損耗最小化。通 過(guò)采用自由活塞曲線（profile)而非曲柄滑塊曲線在高溫下花費(fèi)較少時(shí)間也使熱傳遞損 耗最小化。由于沒(méi)有機(jī)械連桿，使得摩擦損耗最小化。通過(guò)具有設(shè)計(jì)良好的活塞密封件和 使用含有未燃燒的燃料作為下一燃燒循環(huán)的進(jìn)氣的一部分的驅(qū)動(dòng)器氣體使得泄漏損耗最 小化。
[0062] 如所提及的那樣，上面關(guān)于圖6和7描述的實(shí)施例包括雙活塞、單燃燒段、雙行程 內(nèi)燃機(jī)100。下面描述和在相應(yīng)附圖中示出的是幾個(gè)替換實(shí)施例。運(yùn)些實(shí)施例不期望形成 限制。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可采用各種改進(jìn)和替換構(gòu)造并且可進(jìn)行其它改變，而 不背離本發(fā)明的范圍。除非W其它方式說(shuō)明，下面描述的實(shí)施例的物理和操作特性與圖6 和7的實(shí)施例中描述的類(lèi)似，且相似的元件已作了相應(yīng)標(biāo)記。此外，所有實(shí)施例均能如上述 那樣進(jìn)行并行配置（即配置成多單元構(gòu)造W按比例增加）。
[0063] 圖8示出了本發(fā)明的四行程實(shí)施例，其包括雙活塞、四行程、一體的氣彈黃的發(fā)動(dòng) 機(jī)300。圖8的四行程發(fā)動(dòng)機(jī)300與圖6的雙行程發(fā)動(dòng)機(jī)100之間的主要物理差異設(shè)及端 口的位置。具體地，在四行程發(fā)動(dòng)機(jī)300中，排氣、注入器和進(jìn)氣端口 370設(shè)在介于兩個(gè)活 塞125之間的汽缸105的中間點(diǎn)處和/或附近。
[0064] 圖9示出了有關(guān)圖8的雙活塞、一體的氣彈黃的發(fā)動(dòng)機(jī)300的四行程活塞循環(huán) 400。四行程活塞循環(huán)的特征在于具有膨脹（功率）行程、排氣行程、進(jìn)氣行程和壓縮行程。 膨脹行程在燃燒（其在最佳體積下進(jìn)行）之后開(kāi)始，并且持續(xù)至活塞125的速度為零，其標(biāo) 明它們有關(guān)該循環(huán)的膨脹行程BDC位置。 陽(yáng)0化]在膨脹行程期間，活塞組件120的動(dòng)能的一部分通過(guò)LEM200轉(zhuǎn)換成電能，動(dòng)能的 另一部分對(duì)驅(qū)動(dòng)器段160中的氣體作壓縮功。當(dāng)處于膨脹行程抓C和其附近時(shí)，如果驅(qū)動(dòng) 器段要提供壓縮功的至少一些，驅(qū)動(dòng)器段160中的氣壓大于燃燒段130中的氣壓，其將活塞 125朝內(nèi)推向汽缸105的中間點(diǎn)。在所示實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器段160中的氣體能被用于提供實(shí) 施排氣行程所需要的能量的至少一些。在一些情況下，LEM200也可提供實(shí)施排氣行程所需 要的能量的一些。排氣端口 370在膨脹行程抓C處或附近的某一點(diǎn)上打開(kāi)，運(yùn)能在排氣行 程開(kāi)始之前或之后。排氣行程持續(xù)至活塞125的速度為零，其標(biāo)明它們有關(guān)該循環(huán)的排氣 行程TDC位置。在活塞125達(dá)到它們的排氣行程TDC位置之前，排氣端口 370在某一點(diǎn)上 關(guān)閉。因此，至少一些燃燒產(chǎn)物保留在燃燒段130中。運(yùn)一過(guò)程被稱作殘余氣體收集。 [0066] 進(jìn)一步參見(jiàn)圖9,在排氣行程TDC處和附近，燃燒段130的壓力大于驅(qū)動(dòng)器段160 的壓力，運(yùn)迫使活塞125向外。收集的殘余氣體用作氣彈黃W提供實(shí)施進(jìn)氣行程所需要的 能量的至少一些。LEM200也可提供實(shí)施進(jìn)氣行程所需要的能量的一些。在燃燒段130內(nèi) 的壓力低于進(jìn)氣壓力之后，進(jìn)氣端口 370在進(jìn)氣行程期間在某一點(diǎn)處打開(kāi)。進(jìn)氣行程持續(xù) 至活塞125的速度為零，其標(biāo)明它們有關(guān)該循環(huán)的進(jìn)氣行程抓C位置。有關(guān)給定循環(huán)的進(jìn) 氣行程BDC位置不一定要與膨脹行程BDC位置相同。進(jìn)氣端口 370在進(jìn)氣行程BDC處或附 近的某一點(diǎn)上關(guān)閉。壓縮行程持續(xù)至燃燒發(fā)生，運(yùn)是活塞125的速度為零或接近零的時(shí)刻。 活塞125的速度為零時(shí)所處的位置標(biāo)明它們有關(guān)該循環(huán)的壓縮行程TDC位置。在壓縮行程 TDC處和附近，驅(qū)動(dòng)器段160中的氣壓大于燃燒段130中的氣壓，運(yùn)向內(nèi)推動(dòng)活塞125。驅(qū) 動(dòng)器段160中的氣體被用于提供實(shí)施壓縮行程所需要的能量的至少一些。LEM200也能提供 實(shí)施壓縮行程所需要的能量的一些。
[0067] 圖9示出了一種用于交換驅(qū)動(dòng)器氣體的策略，其中驅(qū)動(dòng)器氣體的移除發(fā)生在膨脹 行程期間某一點(diǎn)上，