预混合充量压缩点火(PCCI)发动机以及相关的均匀充量压缩点火(HCCI)内燃往复式发动机的发展已经在企业、大学和美国国家实验室以及很多外国机构中进行了很多年。它们是：
企业：
卡特彼勒公司(Caterpillar Inc.)；
康明斯公司(Cummins Inc.)；
通用汽车公司(General Motors Corporation)；
瓦克夏发动机公司(Waukesha Engine)；
大学：
赫尔辛基理工大学，芬兰，赫尔辛基；
北海道大学，日本，札幌；
隆德理工学院，瑞典，隆德；
麻省理工学院，马萨诸塞州，波士顿；
挪威科技大学，挪威，特隆赫姆；
加利福尼亚大学，加利福尼亚州，伯克利城(Berkley)；
密歇根大学，密歇根州，安娜堡(Ann Arbor)；
明尼苏达大学，明尼苏达州，明尼阿波利斯；
威斯康星大学，威斯康星州，麦迪逊；
实验室：
阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)；
劳伦斯利物莫国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)
国家能源技术实验室(National Energy Technology Laboratory)；
橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)；
桑地亚国家实验室(Sandia National Laboratories)。
PCCI/HCCI发动机提供了较高效率、较低排放以及多种燃料运行的潜能。该技术可从瓦特升级至兆瓦特。PCCI/HCCI发动机的双循环和四循环版都得到了发展。该领域中的显著成果包括：产生美国专利申请2004/00103860的康明斯公司的四循环PCCI发动机；与美国专利6,199,519B1一致的桑地亚国家实验室的Van Blarigan的双循环、自由活塞、HCCI“热力燃料电池(Thermodynamic Fuel Cell)”；以及在美国专利6,463,895B2中公开的卡特彼勒公司的利用液压输出的双循环自由活塞发动机。然而，这些努力还没有产生切实可行的PCCI/HCCI发动机。在由例如康明斯的传统发动机衍生的四循环PCCI/HCCI发动机中，活塞的固定冲程导致了限制充量燃烧的固定压缩比。因此，至今，该PCCI/HCCI四循环发动机的运行主要是基于对现有四循环发动机的修改，着重于对充量参数的控制。这些修改关注于对适当确定充量点火所需要的单个汽缸充量构成和温度的复杂控制，以便在汽缸之间获得可接受的燃烧均匀性。随之产生的四缸发动机非常复杂，并且对于环境条件和燃料质量极其敏感。敏感性使得之前提及的康明斯公司美国专利申请关注于利用双燃料来改进充量的自动点火性质。尽管有这些当前的困难，由一个产品和技术发展公司TAXI和一个工业预测公司Global Insight研究的题为“The Future of Heavy-DutyPowertrains”预测“到2020年HCCI发动机将为接近40％的重型车辆提供动力——开始，HCCI将仅仅能够向低速运行的轻型负载提供动力，所以当对发动机提出更多要求时，早期发动机还可以包括传统的柴油机内的燃料燃烧以提供更多的动力。”，该项研究还预言“一种完整模式HCCI发动机将最终取代开始的混合模式的HCCI/柴油机技术”(″a full modeHCCI engine will eventually supersede the initial mixed mode HCCI/dieseltechnology″)。”
为了避开前述提及的被改进的传统发动机的复杂性，研究人员已经研究了PCCI/HCCI的其他发动机结构。自由活塞发动机本来就具有可变冲程，因而避免了传统曲轴发动机(crankshaft engine)中遇到的局限。几十年来，已经进行了大量的工作，以试图发展切实可行的自由活塞发动机。然而，成功到此为止，受到了限制。之前的努力大部分集中在双循环柴油机变化上，很少有工作注意火花点火发动机。由INNAS Free Piston B.V.进行的工作产生了具有水力动力输出的自由活塞单缸发动机是努力产生切实可行的双循环柴油机自由活塞发动机的实例，参见美国6,279,517 B1。同样，如在美国专利5,775,273和6,035,637中公开的，Sunpower公司提出了一种具有可变阀门驱动的火花点火自由活塞发动机设计，并且其中，膨胀冲程大于压缩冲程(对于增加的效率)。澳大利亚的Pembek System Pty有限公司提出了一种用于混合电动车辆的“自由活塞发动机组(The FreePiston Power Pack)”，利用具有积分线性发电机并自排废气的多个单元的双对置线性活塞、双循环、自由活塞发动机(柴油机或火花点火)，参见美国专利6,651,599 B2。然而，到目前为止，前述中的任何一种都没有在双循环自由活塞发动机性能上表现出实质性改进，该实质性改进将向对PCCI/HCCI改进的传统发动机提供改良的技术提供PCCI/HCCI修改。最近的分析成果已经将PCCI/HCCI循环用在自由活塞引擎中了，并且巩固了该结论，例如，桑地亚的Van Blarigan。与类似的四循环PCCI/HCCI发动机相比，桑地亚开发的双循环PCCI/HCCI发动机更加受限于速度范围和油门调节、产生了更高的排放物、具有更低的能量密度(主要归因于线性交流发电机)和更多的燃料消耗(主要归因于双循环发动机中固有的充量净化(charge scavenging)限制)。Lotus Engineering有限公司联合英国的谢菲尔德(Sheffield)大学和拉夫堡(Loughborough)大学正在研究具有积分线性交流发电机的双缸四循环自由线性发动机(几何形状上类似于桑地亚的双循环单元)，其中，交流发电机输出将在动力/排气冲程(power/exhaust stroke)期间作为电能进行存储(在外部存储设备中)，并且接着用于运行作为马达的交流发电机以在进气/压缩冲程(intake/compression stroke)和排气冲程期间驱动活塞(参见http://www.shef.ac.uk/fabian/stewart_ws5.ppt，发表在Fuel Cell and BatteryVehicle Industry Academic Network(FANIAN)中的“Four Stroke Free PistonEnergy Converter”，英国谢菲尔德大学2005年4月的MIRA会议)。它们的初步工作表明该发动机对双循环自由活塞发动机提供了很多改进，包括PCCI/HCCI燃烧的使用。然而，所给出的发动机是复杂的，要求具有复杂和昂贵的能量转换电路和外部能量存储的线性交流发电机/马达。进一步地，发动机和组合的支撑设备的能量密度将是低的。
还值得注意的是Kvaerner ASA最近致力于开发一种具有动力涡轮输出的柴油双循环自由活塞气体发生器(参见挪威特隆海姆的(Trondheim)挪威科技大学工程控制论系Johansen等人的“Dynamics and Control of aFree piston Diesel Engine”，以及挪威利萨克(Lysaker)的Kvaerner ASATechnology Development)，可在http://citeseer.csail.mit.edu/601185.html获得)。该成果利用由Pescara原始所有的技术，其分别于1925、1935以及1941年在美国专利1,657,64l、2,162,967以及2,581,60中公开，并且接着由GM、Ford、Junkers和其他人从20世纪30年代至20世纪60年进一步发展。还涉及在授权给Benaroya(1989)的题为“Energy ProducingInstallation with Internal Combustion Engine and Turbine”美国专利中公开的主题内容。Kaverner努力的目的在于产生具有8MW定额的发动机，其具有低重量和紧密度的气体涡轮机，并且对于海上推动应用具有低燃料消耗(50％效率)的柴油发动机。由单缸试验台发动机产生的最初结果是有希望的。
之前引用的发动机的复杂性和局限性可以由本文中公开的四缸、四循环、自由活塞、PCCI/HCCI发动机克服，其提供了一种四缸、四循环、(freepiston floating stroke)(FPFS)、PCCI/HCCI内燃、往复式活塞发动机。在下文中，本发明将由下列术语中的一个或更多个确定：FPFS发动机、本发明以及本FPFS发动机。
本文中公开的FPFS发动机还包括气体发生器/动力涡轮机结构，如图16-22所示，其将保持以上提及的Kvaerner动力涡轮机双循环自由活塞发动机的优势，但是具有四循环PCCI/HCCI发动机的更低的排放量和更低的燃料消耗。
当解决与曲轴PCCI/HCCI发动机有关的充量燃烧定时问题时，自由活塞发动机不提供直接产生转动动力输出的装置。本文中公开的FPFS发动机通过使用各种机构来直接地利用自由活塞发动机的线性运动或者间接地将其转换为转动运动而解决前述问题。
FPFS PCCI/HCCI发动机的四循环结构很大程度地获益于可变阀门驱动(VVA)，到一定程度，VVA变为实际需要。几种可变阀门几何形状当前由其他机构进行开发，主要在于：Sturman Industries公司的授权给Grill的美国专利6,820,856(2004)；麻省理工学院电子和电磁系统电磁阀门驱动系统实验室(参见发表在2004年第35次Annual IEEE PowerElectronics Specialists Conference上的MIT论文“Design and ExperimentalEvaluation of An Electromechanical Engine Valve Drive”，可在http://www.mit.edu/～diperrea/Publications/Conference％20papers/cpPESC04p4838.pdf中获得)；以及Johnson Controls(参见2004年10月13日在英格兰谢菲尔德的谢菲尔德大学的MIRA会议上发表的“ElectromechanicalValve Actuation”，可在http://www.shef.ac.uk/Fabian/mareky_ws4pdf.pdf获得)。但是，在本文中公开的是VVA机构，如图11A、B、C以及D所示，其提供了与前述正在开发的机构类似的性能，具有比那些源结构更低成本性能的前景。
做了很多改进现有发动机技术的努力以降低排放量和提高效率，例如，ARES、ARICE、Freedom Car、Advanced Heavy Hybrid、21st Century TruckProgram等。进一步地，还有通过增加最大压力来增加柴油发动机效率的长期努力。在由TEKES ProMOTOR支持的在芬兰赫尔辛基大学进行的研究中，对终极引擎运行参数(extreme engine operating parameter)进行了研究，包括高运行压力(参见“Extreme values of the piston engine-FinalReport”，由TUKEVA的芬兰研究机构TEKES ProMOTOR于2003年9月30日提供，可在http://www.icel.tkk.fi/eve/ICEL_Final_report.pdf.pdf.)。容易理解，发动机中的气体动力循环(gas power cycle)的效率主要与发动机平均有效压力有关(压力越高，产生的效率越高)，其反过来又受到发动机部件设计的限制，接着受到可用材料的限制，其中的关键因素在于曲轴。它们在前述研究中进行引证，作为在这些极限条件下对发动机进一步发展的限制因素中的一个，曲轴无力从该高压运行中承载增加的负载。这种负载所要求的曲轴尺寸显著增加，并且曲轴尺寸最终依然是进一步增加发动机运行压力的限制因素。通过利用发动机设计，诸如由Kaeverner开发的发动机，或者本文中公开的利用诸如动力涡轮机的间接动力提取方法的发动机，避开了曲轴的限制。注意：在本文公开的设计中，如图16-22所示，活塞连接组件1、24、25、26、45以及46未承载输出负载，但是接着在压缩冲程中(以及排气冲程中的抽吸负载)承载了汽缸的压力所要求的低的多的负载。当可以更容易地获得较高的运行压力时，这就表现出提高发动机效率的显著优势。

本发明的一般目的在于在四循环发动机中提供两循环、线性、自由活塞、预混合充量压缩点火、(PCCI/HCCI)发动机的可变或“浮动”冲程能力(以及因此的可变压缩比)。如之前所提及的，关于两循环线性自由活塞PCCI/HCCI发动机，在运行速度范围上存在固有的局限，并且节流调节受到限制。当在四循环发动机中使用浮动冲程时，这些局限性降低了，并且产生了较低的排放(与两循环发动机相比)。但是，发展到迄今为止，四循环PCCI发动机需要高度复杂的控制，这些控制由与用在这些发动机中的典型曲柄轴结构有关的固定压缩比所支配。本发明的FPFS发动机公开了一种机构，如在图2、3、4、6、7、8、9、10、18和19中所示，以替代四循环PCCI发动机中通常使用的传统转动曲轴，具有以某种方式连接活塞的其他装置以获得浮动冲程。
本发明的FPFS发动机的可变冲程特征最好利用可变阀门驱动(VVA)实现，因为本发明FPFS发动机的不确定的冲程长度使得其难于使用传统发动机中通常使用的固定阀门定时。电-液操作的阀门是实现VVA的优选装置，因为每个阀门都具有独立的驱动器。然而，本发明公开了VVA的一种备选装置，如图11A、B、C和D中所示，其对每个汽缸使用一个电动机驱动的凸轮轴。
本发明的FPFS发动机运行的一个重要的因素在于排气阀门开启的适当定时。如果在汽缸中的膨胀循环充分地将另一汽缸中的压缩循环驱动到充量的着火点之前排气阀门被打开，那么发动机的持续运行就有可能失败。为了帮助获得期望的阀门定时，如图2中所示，本发明公开了在每个汽缸中的点火检测传感器22A、B、C和D的使用。优选地，压电压力传感器、离子传感器、快速热电偶或者快速UV火焰传感器。如图12所示，当点火发生时，点火传感器向发动机控制器发送信号。该信号的定时与传统发动机传感器中的数据一起被一控制算法结合使用以打开汽缸中的排气阀门。此外，本发明公开了一种自适应控制器的概念，如图13中所示，其利用点火传感器22A、B、C和D的信息(以及传统传感器数据，例如，活塞位置11)来确定在充量着火点的实际压缩比。控制器使用该信息来修改阀门运行参数(开启定时、开启时间、开启高度等)以恒定地获得最高的发动机性能。预期，为了最优地使用该自适应控制器，需要将所使用的燃料的特性存入控制器存储器中，并且基于微处理器的控制器是优选的(在现有发动机中其是普通的)。
本发明的FPFS四循环发动机被有效地限制到四个汽缸，这是因为由冲程的可变长度以及驱动下一压缩循环的一个膨胀循环的要求所施加的局限性。例如，在八个汽缸的FPFS发动机的情况中，将会有两个汽缸同时处于压缩冲程。不可能两个同时地实现自动点火，因此一个将不点火并显著地降低了输出，增加了燃料消耗和排放。本发明的FPFS发动机的汽缸布置可以为用于传统发动机中的成行(in-line)、平面、V形等(未示出)布置，但由于相较于转动曲轴的自由活塞线性振荡或者枢轴转动的轴的运动的较大的灵活性，还可以使用其他较不普通的结构，例如，出现在本文附图中的，如图16-20中所示的四方形汽缸布置。注意，可以将例如来自液压泵或者发电机的多个四缸发动机的输出连接在一起以提供更高的容量输出，这样与通过单个较大四循环发动机而获得的情况相反。该多个发动机结构的优势在于：在较低负载下，通过关闭发动机组中的一个或更多个发动机而使发动机组节流的能力，这提供了优于使单个较大发动机节流的改进的效率。同样，在多个发动机的组中，可以追踪每个发动机的累积的运行时间和/或产生的功率，并且发动机组中的每个发动机循环一段时间长度以使每个发动机的运行时间或者产生的总Kw相均衡，从而使磨损均匀分配。进一步地，多个发动机的组中的出现了问题但仍能使用的发动机可以单独地限制于功率产生。
具有过长推动连杆(connecting rod)的传统曲轴型结构可以制造用于自由活塞浮动冲程四循环发动机中，但不是必须的并且是次优的解决方案。
用于从FPFS发动机中直接提取能量的优选的浮动冲程机构可以为如图10A和图10B所示的线性振荡轴或者如图1-8所示的用于连接活塞连杆的具有摇杆的枢轴转动的轴。在FPFS的前一个结构中，两个振荡活塞对的并发的线性运动可以用于直接驱动可变位移活塞泵或者压缩机或者线性交流发电机。或者，在后一个结构中，活塞对的线性振荡可被转化至枢轴转动(或摇动)的轴的输出。这个枢轴不旋转，而是顺时针接着逆时针地振荡，随着每个发动机循环进行部分旋转。具有两组摇杆的枢轴转动的轴用于使两个活塞对彼此连接，使得一个活塞对的运动与另一活塞对的运动相反(与之前布置中的并发运动的活塞对相反)。摇杆自枢轴的长度被制造地充分长，以便活塞的冲程不受摇杆推动的限制。注意：在四缸FPFS发动机中(如在传统四缸发动机中)，在给定时间，压缩、膨胀、排气和进气循环中的每一个出现在一个汽缸或其他的汽缸中。一个汽缸的膨胀循环驱动另一个汽缸的压缩循环。因此，活塞的行程长度总是受到压缩循环的压力的限制。其他活塞的冲程长度，例如，在排气循环中，由接着处于压缩冲程中的汽缸中的点火事件决定。压缩点火是一系列发动机和冲量参数的函数，其会在不同的循环中发生一定程度的变化。因此，任何给定循环的冲程长度一直到充量点火发生都是不确定的。每个活塞的压缩冲程长度独立于其他的，并且活塞运动完全不受机械冲程长度的限制。本发明公开的机构允许冲程长度根据对每个压缩循环的充量进行点火所要求的压缩比而变化或者“浮动”，完全独立于任何其他汽缸的压缩冲程。如果不受压缩循环(通常之后为充量点火)的充量压力的限制，活塞最终将碰撞汽缸盖而停止。
如同已经由现有的自由活塞PCCI发动机所证明的，还可以获得非常高的压缩比，这提高了发动机效率并可以适应多种不同燃料的特性。能够利用非常低含量的燃料混合物，产生低的排放。这也是本发明的FPFS发动机的情况。可以在本发明的FPFS发动机中实现真正的预混合充量压缩点火，类似于通过线性活塞发动机或者在实验室试验中利用快速压缩-膨胀机所实现的。在很多应用中，振荡轴可以有效地用于从发动机中提取动力，如本文中所公开的。然而，我们注意到，通过利用旋转运动，可以更好地满足一些应用的要求。从本发明的FPFS发动机中获得旋转运动的优选方式是将其作为气体发生器用于动力涡轮机中。之前已经产生了将涡轮机用于从发动机中提取动力的奥图(Otto)循环和迪塞尔(Diesel)循环的自由活塞发动机，如在本文的发明背景部分所提及的。但是，具有动力涡轮机动力提取的本发明的FPFS PCCI/HCCI发动机是独特的。作为本FPFS发明的一部分，在本文中公开了直接从如图14和15所示的振荡轴和/或枢轴转动的轴中以及从如图16-20所示的动力涡轮机中提取动力的装置。
如一段时间以来在传统发动机中所做的，涡轮增压和增压可以有效地应用至FPFS发动机，如图16-19所示。如图20-22所示，任何一种都可以利用或者不用中间冷却。
如一段时间以来在传统发动机中所做的，来自FPFS发动机的废热可以以各种方式进行回收。这个回收的能量可以以热能形式直接使用或者通过二次处理转换为其他形式。这些可选的能量形式中的最普通的一种为电。通常，由发动机废热产生的电能使用组合循环，通常为驱动发电机的朗肯或者有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)。其他方法，包括热-电也是可能的。利用本发明的FPFS发动机的两者都是可能的。利用硅氧烷流体的ORC的独特形式将提供与该发动机的动力涡轮机变化的温度输出特性的优良匹配，如图22中所示。

图1A是本发明的最优选实施例的正视图，其包括具有可变(浮动)活塞冲程的四缸、四循环、预混合充量压缩点火、自由活塞、内燃机核心(没有空气和燃料引入器件(induction component))，其中，发动机组装置(engine block arrangement)包括每个汽缸中的具有两个背靠背(back-to-back)活塞的两个平行汽缸；
图1B为图1A中所示的本发明发动机的最优选实施例的俯视图；
图1C为图1A中所示的本发明发动机的最优选实施例的右视图；
图2为本发明的最优选实施例的部分截面图；经由图1B中的发动机的垂直平面观察A-A，其中，上活塞对和下活塞对通过连杆连接至固定到枢轴的摇杆，其中所有四个活塞都被显示为处于完整冲程中，并且其中，可变阀门定时(variable valve timing)与自适应电子控制和电-液阀门操纵器(electro-hydraulic valve operator)一起使用；
图3是本发明的最优选实施例的部分截面图；经由图1C中的发动机的垂直平面观察B-B，其中所有四个活塞都处于中间冲程；
图4为本发明的最优选实施例的横截面图；经由图1A中的上活塞对的中心线观察C-C，其中，可见的活塞处于完整冲程；
图5为本发明的最优选实施例的侧视图；经由图1A的垂直平面观察E-E，位于左侧汽缸盖(cylinder head)的表面；
图6A为本发明的最优选实施例的横截面图；经由图1B的垂直平面观察F-F，示出了将起动电动机连接至发动机的齿轮传动装置；
图6B为本发明的最优选实施例的垂直截面图，经由图1A的中心线D-D，朝向左汽缸组观察；
图7A为在图7B中所示的本发明的第二优选实施例的双销摇杆的详图；
图7B为以与图3相同的方式利用备选的连杆连接方法的本发明的第二优选实施例的横截面图，其使用双销摇杆，并且所示的四个活塞都位于中间冲程；
图7C为如图7B中所示的本发明的第二优选实施例的相同视图，但是其中四个活塞都处于完整冲程；
图8A为与图3相同的方式的本发明的第三优选实施例的横截面图，但是具有备选的连杆连接方式，其在连杆和摇杆之间使用止转棒轭(Scotch-Yoke)机构，其中，所示的所有四个活塞都处于完整冲程；
图8B为如图8A所示的本发明的第三优选实施例的相同视图，但是其中所示的四个活塞都处于中间冲程；
图9A为与图3相同方式的本发明的第四优选实施例的横截面图，但是具有连接汽缸对的备选方法，包括齿条齿轮机构，而不是摇杆枢轴，其中，所示的全部四个活塞都处于中间冲程；
图9B为类似于图9A中所示的结构的本发明的第五优选实施例的横截面图，但是具有由刚性连杆连接的活塞对；
图10A为以与图3中所示的相同方式的本发明的第六优选实施例的横截面图，其中，连接汽缸对包括用于互相连接活塞对的两个液压活塞，并且所示的全部四个活塞都处于中间冲程；
图10B为以与图3中所示的相同方式的本发明的第七优选实施例的横截面图，其中，活塞对通过固体拉杆(solid tie-bar)互相连接；
图10C是由固体拉杆互相连接的本发明的第七优选实施例的活塞对的放大图；
图10D为本发明的第七优选实施例的横截面图，图10C中的A-A部分，其中，两个活塞对通过固体拉杆互相连接；
图11A为水平截面图，图11B中的A-A，通过下汽缸的中心线，本发明的第八优选实施例中的汽缸盖具有备选的阀门运行装置，其将单个凸轮轴用于由步进马达驱动的每个汽缸；
图11B为本发明的第八优选实施例中的汽缸盖的俯视图，其中，除去了它的阀门盖；
图11C为本发明的第八优选实施例的汽缸盖的左侧视图；
图11D为本发明的第八优选实施例的汽缸盖的右侧视图；
图12为本发明发动机的最优选实施例的控制部件的框图；
图13为本发明中自适应发动机控制器的最优选实施例的方块图；
图14A为利用摇杆和枢轴机构的压缩机的横截面，其适于由图1-10中的本发明发动机的优选实施例的枢轴直接驱动，其中，所示的活塞处于左完整冲程；
图14B与图14A相同，但是其中所示的活塞处于右完整冲程；
图15A为线性交流发电机的横截面，其适于由图1-10中所示的本发明发动机的优选实施例的枢轴直接驱动，其中，摇杆相对于驱动头(driverhead)成一斜角；
图15B为线性交流发电机的横截面，其适于由图1-10中所示的本发明发动机的优选实施例的枢轴直接驱动，其中，摇杆基本上平行于驱动头；
图16A为包括图1中发动机的变形的本发明发动机的第九优选实施例的俯视图，其不从发动机轴中提取动力，而是从由发动机排气装置驱动的动力涡轮机中提取，并且其具有插入在发动机和动力涡轮机之间的涡轮增压器，使得在该装置中，活塞发动机起到高压气体发生器的作用，其中，对于每个活塞对，利用分离的摇杆以四方形形式布置活塞对；
图16B为图16A中所示的第九优选实施例的侧视图；
图17A为图16A中所示的第九优选实施例的左侧视图；
图17B为图16A中所示的第九优选实施例的右侧视图；
图18A类似于图17A中所示的第九优选实施例的左侧视图，但是其中除去了阀门盖；
图18B为第九优选实施例的俯视图，类似于图16A，但是具有经由发动机的上活塞对的中心线截取的水平横截面；
图19A为第九优选实施例的侧视图，类似于图16B，但是具有经由活塞对的中心线截取的垂直横截面；
图19B为第九优选实施例的右端视图，类似于图17B，但是其中除去了曲轴箱盖；
图20为本发明发动机的第十优选实施例的俯视图，但是具有增压器(supercharger)而不是图16-19中所示的涡轮增压器，并且中间冷却器与增压器结合使用；
图21A为图20中所示的第十优选实施例的左端视图；
图21B为图20中所示的第十优选实施例的侧视图；
图22为图20中所示的第十优选实施例的示意性组合循环方案，并且有机朗肯循环用于从发动机冷却套管(cooling jacket)和排气中重新获得能量。
实施本发明的最佳方式
对于本发明来说，推动预混合充量压缩点火在内燃往复式活塞发动机中的发展，以及提高发动机效率和降低排放，同时避免现有PCCI/HCCI设计的复杂性、敏感性以及不利结果的目标，是利用四循环、四缸、自由活塞发动机结构的准则。PCCI/HCCI对于四循环、四缸、自由活塞发动机的应用是独特的。如本文中将要公开的，存在多个发动机几何结构，其可以达到之前引用的目的，并且提供本发明的多个实施例。因此，图1-10以及图16-20示出了具有各种活塞装置和动力提取策略的本发明的多个优选实施例。图1-7示出了“平面”四缸汽缸体2，其中活塞23经由各种类型的连杆25连接至枢轴1，其提供直接动力提取。图16-19示出了四缸“四方形”汽缸体1601，其中它的活塞23经由连杆25连接，但是是间接动力提取。图8示出了利用“止转棒轭”82和83、与连接杆(connecting link)81连接的活塞23类型以及每个摇杆84的平面汽缸体几何形状(在图1中，由数字2示出)。图9示出了将活塞23连接成对的齿条92以及与活塞对相互连接的齿轮91。图10A示出了通过拉杆1001与活塞23相互连接以形成活塞对的液压活塞1003。在图10B和10C中，活塞23经由拉杆1010连接成对，并且活塞对通过牢固的系杆(solid tie-bar)1011互相连接。重要的是要注意，本文中所示的方案并不是无遗漏的方法，通过这些方法，活塞23以及活塞对可以进行连接或互相连接以提供并发或相反的往复，但是仅仅用于示出符合提供浮动“冲程”要求的可能的机构的多样性。
直接动力提取可以从1011的线性振荡中获得，例如，如图10中所示(当可变冲程长度对于驱动输出设备是可接受的时)，或者从图1-9中所示的枢轴1中获得。图14和15分别示出了可变冲程活塞类型的压缩机和可变冲程线性交流发电机。线性液压泵和线性交流发电机是从线性自由活塞发动机中提取动力的公知装置。直接动力提取的各种机械装置也是可能的，例如，单向离合器或超越离合器(overrunning clutch)和齿轮传动。
如图16-22所示，间接动力提取通过在发动机排气装置上使用动力涡轮机而最好地实现。当产生较高的发动机压力时，与直接动力提取相比，间接动力提取方法具有显著的优势。通过消除由曲轴以及传统发动机的连杆产生的局限性，可以承受更高的最大压力。同样，动力涡轮机的效率随着更高的压力而增加。此外，动力涡轮机比单独的活塞能重新获得更高的能量百分比(因此，涡轮增压的普通用途和更近的涡轮复合)。图11公开了一种用于每个汽缸的利用步进电动机或扭矩电动机驱动的凸轮轴的可变阀门驱动机构。图12和13公开了一种用于优化阀门定时的自适应发动机控制器。
如图1A-正视图、1B-俯视图以及1C-右端视图中所示，发动机动力输出来自于枢轴1，其提供振荡运动-和传统的往复式活塞发动机的回转运动不同。发动机由以下组成：汽缸体左2A、汽缸体右2B、汽缸盖左3A、汽缸盖右3B、阀门盖左4A以及阀门盖右4B。四个汽缸中的每一个都具有空气/燃料充量进气口和排气口。汽缸1进气口表示为5A，汽缸2进气口表示为5B，汽缸3进气口为5C，以及汽缸4进气口为5D。汽缸1排气口为6A，汽缸2排气口为6B，汽缸3排气口为6C，以及汽缸4排气口为6D。用于前轴承和枢轴密封的外罩7具有定位在其中的前轴密封护圈(front shaft seal retainer)12。发动机油盘/贮槽8包括在汽缸体2A和2B中的每一个的下部部分。油泵9位于油盘/贮槽的外部，并且由电动机驱动。发动机起动电动机10还可以起到交流发电机的作用。枢轴1的位置通过角度传感器11测量。发动机冷却液通过汽缸体2A和2B以及汽缸盖3A和3B循环，接着通过进气口/排气口13进入外部热量交换器。
图2为正视图，如图1A的横截面部分A-A所示。这是通过汽缸的垂直平面但沿着活塞的边界周围的发动机汽缸体的视图-见图1C所示的剖面A-A。注意：汽缸盖是显示为去除了阀门盖的，以示出阀门驱动装置和点火传感器，但不是横截面。使用传统风格的活塞和汽缸，类似于现有的四循环柴油发动机中使用的活塞和汽缸。用于汽缸1、2、3和4的活塞分别标注为23A、23B、23C和23D。位于杆25A和25B相对端的活塞23A和23B标注为活塞对，并且位于杆26A和26B相对端的活塞23C和23D标注为第二活塞对。分别表述为26A和26C(不可见)的汽缸1和2的前摇杆和后摇杆连接至枢轴1，直接地相对于分别用于汽缸3和4的前摇杆和后摇杆26B和26D(在图2中不可见，参见图3)。连杆25A、25B、25C和25D通过销27A和27B连接至各自的摇杆，并通过销24A、24B、24C和24D连接至各自的活塞。这样的连接使两个活塞对彼此连接，使得一个活塞对的运动与另一个活塞对的运动相对。从枢轴的摇杆长度足够长，使得活塞的冲程不受摇杆行程的影响。注意：在四循环中，四汽缸发动机压缩、膨胀、排气和进气循环中的每一个都在任何给定时间出现在一个汽缸或者其他的汽缸中。一个汽缸的膨胀循环驱动另一个汽缸的压缩循环。因此，在FPFS发动机中，活塞行程的长度一直受到压缩循环的反作用压力的限制。排气循环中活塞的冲程长度由汽缸中的点火事件接着由压缩冲程决定。压缩点火是一系列空气/燃料参数的函数，其会从一个循环至另一循环发生某种程度的变化。任何给定循环的冲程长度是不确定的，直到充量点火发生为止。每个活塞压缩冲程长度是独立于其他活塞的，并且活塞运动完全不受机械冲程长度的限制。根据对每个压缩循环的充量进行点火所要求的压缩比，这样的机制允许冲程长度变化，或者“浮动”，完全地独立于任何其他汽缸压缩冲程。如果不受压缩循环的充量压力的限制，活塞将会最终停止碰撞汽缸盖。有了自由活塞浮动冲程，可以获得非常高的压缩比(并因此而获得自动点火温度)，从而提高发动机的效率并对各种不同燃料特性提供适应性。然而，自由活塞PCCI/HCCI发动机的更高的潜在效率不是发动机压缩比本身的结果。相反，该类型发动机的潜在地更多的效率是归因于作为在该发动机中发生的等容燃烧(constantvolume combustion)的结果而应用的膨胀比(与其他类型的内燃往复式活塞发动机所经历的变容燃烧(variable volume combustion)相反)。等容燃烧的发生是因为以下事实：在PCCI/HCCI发动机中，压缩点火爆燃发生地非常快以至于在爆燃发生期间活塞没有时间来运动(这会增加容积)。注意：本质上，PCCI/HCCI发动机具有多燃料能力，这是因为PCCI/HCCI发动机不受传统发动机中诸如火花点燃或燃料喷射时间等问题的限制。
可以在FPFS发动机中获得真正的预混合充量压缩点火，类似于通过线性活塞发动机所获得的或者在实验室试验中利用快速压缩-膨胀机所获得的。这使得能够利用非常贫的燃料混合物，产生非常低的排放和高效率。
两循环线性自由活塞发动机已经示出受到速度范围和动力调节(power turn down)的限制。另一方面，四循环PCCI/HCCI转轴发动机对于燃料性质和周围条件变化极其敏感，这是因为具有混合冲程。必须进行精确的充量条件监测和控制以使得这些发动机起作用。本文中引入的FPFS发动机不受前述限制和局限，并且能够在宽的速度和动力范围内运行。
然而，FPFS发动机的可变冲程特性很大程度地获益于使用了阀门可变几何形状。同样，施加在发动机上的负载必须适应变化的冲程，或者必须以间接方式从发动机中提取动力。
图2示出了例如由Sturman公司提供的电-液可变阀门结构。每个阀门都具有独立的驱动器。汽缸1、2、3和4排气阀门分别由21A、21B、21C和21D表示。汽缸1、2、3和4进气阀门驱动器分别由20A、20B、20C以及20D表示(未在该视图中示出)。每个汽缸都具有点火检测传感器，优选地为压电压力传感器或者UV传感器。汽缸1、2、3和4的点火传感器分别由22A、22B、22C和22D表示。阀门运行的重要因素是排气阀门开口的适当定时。如果一个汽缸中的膨胀循环充分地驱动另一汽缸中的压缩循环以在点火充量部分之前打开排气阀门，那么发动机的持续运行就很可能失败。为了获得期望的阀门定时，当点火发生时，点火传感器发送控制信号。与传统发动机传感器中的数据一起，该信号的定时通过打开汽缸中的排气阀门的控制而使用。随后将更加详细地说明整组的控制功能。
图3为图1A的横截面B-B，其示出了后摇杆26B和26D。还示出了当活塞从图2中所示的完整冲程运动至图3中所示的中间冲程时，活塞、连杆、摇杆和枢轴之间的相对运动。注意：连杆相应于活塞的横向/侧向运动显著地少于具有转动曲轴和连杆的传统往复式发动机所经历的运动。这种减少的横向/侧向运动降低了活塞上的侧向压力以及连杆相对于活塞和摇杆销的相对运动，从而减少了这些器件部件上的磨损(与传统发动机相比)。
图4为图1A的水平横截面C-C，其通过上汽缸的中心线而进行截取。汽缸被显示为处于完整冲程。注意连杆25A和25B是如何与26A和26B以及销27A装配在一起的。25A的这一端被分开，而25B的配对端则安装在25A的两侧之间。这些端被支承在分别通过轴承46A和46B固定的销27A上。连杆25A和25B的相对端支撑在分别通过轴承45A和45B固定的活塞销24A和24B上。在该视图中，可以随同后轴承和密封外罩固定板42看到前轴承和密封外罩7以及后轴承和密封外罩41。起动扇形齿轮43和起动扇形齿轮固定板44也是可见的。尽管在该视图中看不到，但是用于下汽缸的连杆、摇杆轴和活塞也是类似地连接并由轴承45C、45D、46C和46D支撑。
图5为在汽缸盖3A和汽缸体2A的连接处截取的图1A的横截面E-E。其示出了阀门20A、20C、21A和21C相对于彼此的相对位置以及点火传感器22A和22C的相对位置。
图6A为通过起动齿轮外罩截取的图1A的垂直横截面F-F。扇形齿轮43装配在枢轴1的末端，并且由起动电动机链齿68驱动。角度传感器11测量枢轴角度并且不断地向发动机控制器发送信号。当扇形齿轮43接近行程的末端时，并且因此活塞处于最大冲程时，控制器转换起动电动机的方向。本文中描述的起动机是具有电动机和链轮之间的行星齿轮减速器的高速永磁体或者开关型磁阻电动机。当发动机启动时，链齿可通过传统机构脱离啮合。
图6B为在汽缸2A和2B之间的线处截取的图1A的垂直横截面D-D，朝向汽缸体2A的左侧观察。该视图示出了前轴密封62A和后轴密封62B、前轴承63A和后轴承63B、分别位于前轴承和密封外罩7以及后轴承和密封外罩41中的前止推垫圈(front thrust washer)64A和后止推垫圈64B，以及分别的前密封固定板12和后密封固定板42的位置。此外，摇杆隔套(spacer)65和摇杆定位销66示出了将摇杆连接至枢轴1的若干种可能方法中的一种。润滑油通过油泵9经由过滤器61进入，并利用回转式往复动机中使用的传统方法通过枢轴、摇杆、销以及连杆中的通道进行分配。可以清楚地看到固定螺丝67固定板44以将起动扇形齿轮43保持在枢轴1上。
图7A示出了备选的双摇杆(duplex rocker arm)结构71A、71B(上)以及71C、71D(下)，各自的前后部-分别代替图2和图3中所示的26A、26C以及26B、26D。在该设置中，每个连杆25A、25B、25C以及25D都分别设置有独立的连接销72A、72B、72C和72D。这消除了如图4中所示的对于分叉连杆的需要。
图7B类似于图3的横截面B-B，示出了处于中间冲程的活塞，但是使用的是双摇杆71B/D。
图7C类似于图7B，但是示出了处于完整冲程的活塞(如图2中所示)。
图8A为以与图3中相同的方式截取的横截面，具有备选的连杆连接方法，其利用连杆和摇杆之间的止转棒轭类型的机构。活塞被显示为处于完整冲程。分别位于活塞23A/23B和23C/23D之间的连接杆81A(汽缸1和2)以及81B(汽缸3和4)为分别具有垂直固定于杆的连杆销(link pin)82A(汽缸1和2)和82B(汽缸3和4)的刚性构件。连杆销82A和82B分别与滑块(slide)83A和83B配合。滑块83A(汽缸1和2)和83B(汽缸3和4)分别在切割在摇杆84B和84D内的轨道中运动。这就示出摇杆和枢轴机构可容易地适用于止转棒轭装置，当在具体应用中时，期望进一步降低活塞上的侧向力。
图8B与8A相同，但是其中活塞位于中间冲程。注意：与图8A相比，滑块83A和83B沿着摇杆26B和26D向内运动。
图9A为与图3相同方式的横截面，但是具有连接汽缸对的备选方法。齿条和齿轮机构用于代替摇杆和枢轴。在该结构中，小齿轮91固定在枢轴1上，并与连接杆92A和92B中的两个齿条啮合。连接杆92A和92B分别连接上活塞23A和23B以及下活塞23C和23D。上活塞组的运动将会导致小齿轮23A的转动，这反过来又通过下活塞组转化为相反方向的直接地均衡运动(proportionate motion)。根据对每个压缩循环的充量进行点火所要求的压缩比，这样的机构使得冲程长度能够变化或者“浮动”，完全独立于任何其他汽缸压缩冲程-以与摇杆和枢轴设计相同的方式。凸轮随动件类型的辊轴承在93A、93B、93C以及93D中示出，用于承载通过小齿轮91施加给杆92A和92B的推力载荷。这样的结构产生了比之前示出的摇杆和枢轴装置更加紧凑的单元。然而，必须仔细地选择齿条和小齿轮的材料以及齿轮的尺寸，以便充分承载高峰值力。
除了杆94A和94B刚性固定于活塞之外，图9B与图9A相同。这去除了活塞销24A、24B、24C以及24D。活塞对的刚性连接减少了活塞侧隙和相关的磨损。然而，与前述相比，活塞和汽缸的公差将会更紧并且制备该装置的部件成本将更高昂。
图10A为与图3相同方式的横截面，其具有连接汽缸对的备选方法。活塞被显示为处于中间冲程。对开外罩(split housing)1004A和1004B包括两个液压汽缸。分别通过活塞拉杆1001A和1001B，液压活塞1003A连接至每个上活塞24A和24B。同样，分别通过活塞拉杆1001C和1001D，液压活塞1003B连接至每个下活塞24C和24D。液压汽缸交叉口(cross-port)1005A和1005B使液压汽缸在每个汽缸的末端互相连接，并且用于使活塞对互相连接。一对转动截至阀1002A和1002B设置在该口中以在发动机启动期间切断汽缸之间的流体流动。阀1002A和1002B被在外部驱动。同样，位于交叉口1005A和1005B中的是通道1006A、1006B、1006C和1006D，其产生一对外部方向控制阀，一个用于每个液压汽缸。在启动期间，使方向控制阀循环以在相反方向驱动液压汽缸中的每一个。一旦发动机启动，方向控制阀就被设置在空档(neutral)中，终止所有的外部液压流体流动。内部交叉口阀1002A和1002B完全打开，并且在每个活塞对中，燃烧膨胀循环在相反方向上驱动活塞。根据对每个压缩循环的充量进行点火所要求的压缩比，这样的机构允许冲程长度变化或者“浮动”，完全地独立于任何其他汽缸压缩冲程-与摇杆和枢轴设计以及齿条和齿轮设计相同。密封件1007A、B、C和D将拉杆密封至发动机曲轴箱。密封件1008A、B、C和D将液压活塞密封在液压汽缸中。
图10B为与图10A相同方式的横截面，但是具有通过分别用固体拉杆1010A和1010B使活塞23A和23B、23C和23D连接而形成的活塞对。拉杆和活塞可以是由各种传统装置连接而成的单独的零件(separatepiece)，或者可以由如本文中所示的单个零件构建而成。两个活塞对通过利用定位销1013A、1013B、1013C和1013D的系杆1011A(上)和1011B(下)进行连接，而定位销使用紧固件1012A和1012B(在这样的情况中为螺母和螺栓，但是其他类型也是可行的)。这样的结构产生了两个活塞对的刚性组件，作为结果，其在相同的方向上并行运动。图10C示出了活塞对的该整体组件(solid assembly)-在所示的曲轴箱结构的情况中其可在设置进汽缸之前进行预先安装。注意：可产生等价于组装的活塞对的单体零件，虽然与单独组装的零件相比，具有更大的困难和更高的成本。可替换地，可通过分离的活塞对方法提供单体零件曲轴箱结构，首先装配单独的活塞对，接着，通过经由曲轴箱的入口连接活塞对。(由前述任一方法)如此连接的活塞对以线性往复运动运行，可通过之前公开的诸如可以各种公知方式连接至拉杆的线性液压泵和压缩机或者线性交流发电机等装置直接从该线性往复运动提取动力。还可间接地通过例如由废气驱动的涡轮机提取动力。发动机的启动还可通过将各种产生线性反复运动的起动机构连接至拉杆来实现，例如，由液压泵驱动和控制阀循环的液压活塞。图10D示出了图10C的横截面，并且示出了一种形成拉杆1010A和1010B的方法，例如以提供用于系杆1011A和1011B的方便的连接方式。注意拉杆金属薄片(tie-rod web)的交叉结构。对于某些应用，期望利用在图10B中所示的导承(guide)1009来减少活塞对上的侧向负载(例如，通常与较大发动机上的十字头机构一起进行)。
图11包括利用用于每个汽缸的单独的凸轮轴并且有可变阀门操作的汽缸盖的四幅视图。每个曲轴通过专用的换档装置(indexing device)或者步进电机运行。其他的阀门组系部件和机构基于传统的顶置式阀门(overhead valve)设计。其包括：进气阀门(I)1107CI和排气阀门(E)1107AE、阀门弹簧1105AI、1105AE、1105CI、1105CE、阀门导承和密封件1105CI、1106CE、凸轮轴轴承1104CI、1104CE以及轴承体11103AI、1103AE、103CI、1103CE。
图11A为通过汽缸3的凸轮轴1101C的中心线的图11B的横截面A-A。凸轮轴1101C运转汽缸3中的阀门。凸轮轴装配在汽缸盖3A上。凸轮1102CE和1102CI分别运转汽缸3的排气阀门和进气阀门。图11B为汽缸盖和凸轮轴的俯视图。图11C和图11D分别为图11B的左侧视图和右侧视图。注意，在图11B中，这些凸轮在凸轮轴的方向上图示为180度。凸轮轴1101C图示在使得进气阀门和排气阀门均闭合的位置上。凸轮轴1101A图示在使得排气阀门1107AE处于完全打开而进气阀门1107AI完全处于闭合的位置上。可以看出，在图11B中，凸轮轴1101A和1101C彼此成90度。这表明，通过使凸轮轴转动90度的增量，阀门可同步闭合，或者进气阀门或者排气阀门可处于打开或者闭合位置-彼此相互排斥。也就是说，进气阀门和排气阀门不能够一起打开。注意：凸轮轮廓可以进气阀门和排气阀门可能发生交叠的形式变化。步进电机1108A和1108C分别转动凸轮轴1101A和1108C。根据所期望的阀门开启的量，转动可以为90度增量或少些。可以单独地控制阀门开启和阀门闭合的定时。因此，该设计提供了完全可变的阀门运转和控制。步进电机1108A和1108C，每个都从发动机控制器中接收独立的输入。因此，每个汽缸阀门的运行都彼此完全独立。
图12为发动机的控制部件的示意图，其示出了自适应电子控制和可变阀门定时的应用。电子控制器1201具有一连串用于收集充量条件和发动机参数的实时数据的传感器输入。所示传感器为：轴角11、点火传感器22A、B、C和D、发动机温度1202、燃料流1203、空气温度1207、空气压力1208、空气流1209、废气1210和负载(发动机上的)1213。存在更多或者更少的以及各种类型的传感器。例如，可以用单个质量空气流传感器(mass airflow sensor)替代三个空气传感器。
在控制器中，分析来自传感器的数据，并且利用存储在存储器中的关于发动机和充量参数的信息进行计算。如果需要，这些计算决定发动机控制设备调整多大程度，以便维持设定的发动机运行条件或者改变那个设定条件。
如图12中所示，控制器1201利用电子电路向发动机控制设备提供输出。然而，可以单独使用气动回路和/或液压回路，或者使用气动回路和/或液压回路与电子电路的组合。所示的控制部件为：进气阀门驱动器20A、B、C和D、排气阀门驱动器21A、B、C和D、节流位置驱动器1204、连接至燃料喷射器1206的燃料流动阀门1205、废气再循环阀门1211以及负载控制设备1212。注意，废气再循环是传统四冲程循环发动机，尤其是汽车发动机中用于降低排放的普通技术。本质上，HCCI发动机在排放方面比四冲程循环发动机低，但是在某些负载条件下，可获益于EGR。可具有更多或更少的各种类型的设备。例如，在涡轮增压发动机或者增压发动机中，可除去节流位置驱动器，并且，对发动机节流的控制可由对涡轮压缩机输出或增压压缩机输出的控制提供(参见图16和图20)。除点火传感器22以及阀门驱动器20和21之外，所示的其他部件、传感器和驱动器是用于现有大规模生产发动机(mass production engine)的普通部件。点火传感器22来源于现有的工业传感器，压力传感、温度传感或者紫外线光检测。阀门驱动器20和21是可以自商业中获取的部件-但是具有一定的限制基础。这个控制器示意图使用通常在现有汽车发动机中使用的微处理器。然而，还可以使用个人计算机或工业控制微处理器。
图13为用在FPFS发动机上的自适应发动机控制器的功能结构图。微处理器和相关的存储器设备包括在自适应控制模块1301中。传感器信号被发送到这部分的输入中。来自该部分的输出转至连接至发动机控制驱动器设备的提供适当调节和驱动电路的各种模块。所示的控制模块为：阀门驱动器1302、燃料控制器1303、空气控制器1304、废气再循环1305、中间冷却风扇1306以及负载控制器1307。在1301中，决定发动机充量质量流和空气/燃料比。自此时，可提供用于空气控制器1304、EGR阀门控制器1305以及中间冷却风扇控制器1306的设定点命令(set pointcommand)。此外，将空气特性数据和燃料特性数据提供给该部分的第二部分。该数据通过计算来源于存储在该部分中的存储器中的空气和燃料特性性质，以及来源于实际空气和燃料参数的传感器测量。在1301的第二部分中，通过基于期望的发动机性能的算法传送空气和燃料数据，该期望的发动机性能包括引起压缩循环期间的点火所需的压缩压力和相应的冲程。从点火传感器和轴角传感器(或者活塞位置传感器)，确定实际的点火压力。将实际点火压力与计算的点火压力比较，并且开发出阀门运行定时的计算。这些计算结果接着被转化成发送给阀门驱动模块1302的阀门开启和阀门闭合命令。因此，控制器适能应实际的发动机运行特性，而不是仅仅依赖于存储于存储器中的性能特性。
本文中出现的控制器基本上不同于其他自适应控制装置。由于使用点火传感器数据来判断何时发生充量点火并接着使用该数据来控制可变阀门驱动(尤其是汽缸的排气阀门开启的定时，以及接着在循环的膨胀部分)，该控制是独特的。注意，如果该排气阀门在汽缸之前被充分打开，那么在压缩循环中，获得充分的压缩压力以对充量进行点火、持续的发动机运行将很可能失败。
发动机起动循环顺序是一种控制功能。通过传感器11监控枢轴角(位置活塞位置)，并且，当靠近发动机的完整冲程时，使起动机运动反向。该行为一直重复，直到点火传感器22发出发动机已经起动的信号-在此时，起动循环终止。
利用来自负载传感器1213的数据的负载控制被提供至控制模块1307，其为单独的控制功能。来自负载控制的输出为发动机设定点命令的初级控制。当负载直接连接至发动机轴时，这种类型的负载控制是有益的。
图14A和14B为经由中心线的线性活塞往复式压缩机的横截面，其可直接利用图1至图8的摇杆和枢轴设计或者图9的齿条和齿轮设计的振荡运动以及图16的摇杆和枢轴设计的振荡运动。图14A的压缩机由枢轴1401、将活塞1404A和1404B连接至摇杆1402的连杆1403A和1403B。簧片阀门(reed style valve)1405A和1405B分别控制活塞1404A和1404B的进气。簧片阀门1406A和1406B分别控制活塞1404A和1404B的排气。图14A示出了处于完整冲程的活塞1404A和处于最小冲程的活塞1404B。图14B示出了相反的。假定：发动机冲程和枢轴角可以变化，那么压缩机轴角以及随后的位移将根据发动机的变化而变化。不管冲程长度是多少，压缩机簧片阀门都会积极地跟随活塞压力和吸气循环。这样的压缩机可以用于任何气体，例如空气或者冷却剂。类似于前述的设计还可以用在液体泵上，其中，由检验阀代替簧片阀门。因此，对于该发动机设计的很多类型的潜在应用，并不需要将发动机轴的振荡运动转换为转动运动。此外，该设计的压缩机或者泵可以直接连接至发动机枢轴。同样，该设计的压缩机或泵可以是单个汽缸或者是任何数量的多个汽缸。
图15A为由摇杆和枢轴驱动的线性交流发电机的横截面。交流发电机电枢被显示为处于完整冲程并且摇杆处于最大化枢轴角。在图15B中，交流发电机电枢被示出处于最小冲程，而摇杆位于中间枢轴角。随着枢轴臂顺时针移动至完整冲程，交流发电机电枢将再次移至完整冲程。因此，对于枢轴臂的每个循环，交流发电机电枢完成两个循环。枢轴1501具有彼此成180度角连接的两组摇杆1502。每个摇杆轴都具有在末端固定的轴承1503。轴承1503移动驱动头1510，以压缩复位弹簧1509，并使得磁环1504在内叠片(lamination)1507和外叠片1505之间振荡。外叠片1505包括形成发电机定子电极的线圈1506，其通过当磁环1504移动通过时的变化的磁场而得到激励，磁环1504的移动通过在线圈中产生交流电压。电枢导承1508使得电枢与定子电极处于适当的同心。所示交流发电机的几何形状类似于商业上可获得的通常应用于线性自由活塞斯特林发动机(Sterling engine)的线性交流发电机。在商业上存在有若干种可获得的也可以与摇杆和枢轴结构一起使用的其他线性交流发电机。然而，本文中出现的摇杆和枢轴设计在倍频方面是唯一的。通过以原动机的频率的两倍频率运行，交流发电机可以被设计成具有较小的线圈和叠片，从而提高元件的单位功率(Kw/lb)并降低元件的成本。但是，与相比较的转动交流发电机相比，通常，线性交流发电机承受着低效率、低单位功率以及高成本。当考虑到目前商业上可获得的微涡轮机上的高速交流发电机时，尤其是这样。这些高速交流发电机通常利用永磁体转子，类似于线性交流发电机，但是对于相同的功率输出，要求相当少量的永磁体材料。更高频率的运转还导致了更小的线圈和叠片。与线性交流发电机(或者传统转动交流发电机)相比，这些方面允许构建更少和更多成本效率的设计。因此，利用具有FPFS发动机的高速发电机将是有利的。
图16-19为四循环、四缸、预混合充量压缩点火、自由活塞、浮动冲程、内燃发动机的轮廓图，与图1所示类似，但是其中：1)汽缸设置在四方形发动机汽缸体中，2)增加了涡轮增压器，3)增加了驱动高速交流发电机的动力涡轮机。在该结构中，自由活塞发动机起到用于涡轮机的气体发生器或者发动机“核心”1601的作用。发动机动力自动力涡轮机中提取。自由活塞发动机枢轴并不用于动力提取。其主要功能在于支撑和连接摇杆，其次在于推动发动机的起动。随着涡轮增压器产生在一般为2∶1至5∶1范围内的充量压力比，单位功率与空气质量流量成比例地增加。该发动机的特征在于高效率、低排放、高单位功率以及宽的动力调节范围(其通过改变增压压力和空气/燃料比而获得)。对于获得相同的功率定额，涡轮增压的成本小于增加自由活塞发动机位移的成本。然而，动力涡轮机的成本比从枢轴中提取动力的成本高。将涡轮增压或者增压和动力涡轮机特征结合起来能产生优越性能的成本效率发动机。
图16A为发动机的俯视图。在自由活塞发动机核心160中，充量进气开始在空气入口1605，接着进入燃料入口160和空气流传感器1608，进入涡轮增压压缩机1602A，然后进入入口集管1609。废气从发动机核心1601转至集管1610，接着进入涡轮机1602B，然后进入动力涡轮机1603，并从排气管1606中排出。动力涡轮机直接驱动高速发电机1604。注意，动力涡轮机可直接或通过传动装置机械地连接至负载，这在气体涡轮机上是普通的。通过静液压传动装置提供发动机起动，其由液压活塞泵1612以及向液压活塞1613提供液压和湍流的电动驱动马达1611组成。
图16B为发动机的正视图。连接至活塞泵1612的液压活塞1613在发动机起动期间驱动枢轴。电供能的油泵1615将油从油盘/贮槽1614中吸出并对发动机中的油道(oil line)进行加压以润滑轴承、阀门以及活塞。发动机冷却剂流进并流出孔1616A和1616B。发动机具有单个汽缸盖1617和阀门盖1618。发电机1604是当前使用在微涡轮机上的一种设计类型，取决于引擎的尺寸，将会以每分钟25000至150000转每分钟的速度旋转(发动机越小，运行速度越高)。与通过减速器连接至涡轮机的传统发电机相比，高速发电机的优势在于包括：1)高的多的单位功率(Kw/lb)，2)较高频率的交流电，其能够利用较小的电子电路器件(例如，变压器)，以及3)更灵活的发动机运行。通常，该类型发电机的电输出被发送至固态功率变流器以改善与电子负载的匹配。功率变流器的成本和负载性基本上抵消了前述首先提及的两个优势，但是相当大程度地增加了电功率的灵活性。具有永磁体转子的高速发电机在商业上是可以获得的。与永磁体设计相比，提供更低成本(但是还稍微有些低效率)的开关型磁阻发电机正可以逐渐获得。此外，还可以使用高速感应发电机。
图17A和17B分别提供了图16的发动机的左侧视图和右侧视图。
图18A为图16A发动机的左端视图，其中去除了阀门盖1618。进气阀门驱动器20A、B、C和D、排气阀门驱动器21A、B、C和D以及点火传感器22A、B、C和D的布置示出了四个汽缸的“四方形”排列。
图18B为经由自由活塞发动机核心1601的上部汽缸对(汽缸1和汽缸2)的中心线截取的图18A的横截面A-A。在四方形结构中，汽缸1和汽缸2彼此临近(相对于图1发动机中的“一前一后”)。汽缸3和汽缸4彼此临近，并且分别直接位于汽缸2和1之下且与汽缸2和1对齐。图1的部件术语用在图18A和18B中，尽管几何形状稍微有些不同。存在四个摇杆，标记为26A、B、C和D。摇杆26A和26B组成一组，而摇杆26C和26D组成第二组。连杆25A、B、C和D单独地连接至摇杆组的每个末端。具有相应活塞的一对连杆在一组摇杆的相对端彼此连接。所示的活塞处于完整冲程。
图19A为经由汽缸2和汽缸3的中心线的图19B的横截面B-B。活塞23C和23D经由装配在活塞末端的销24C和24D以及摇杆末端的销27C和27D上的连杆25C和25D连接至摇杆26C和26D。
图19B为除去曲轴箱盖的发动机的右端视图。示出了两组摇杆对，该摇杆对由固定至枢轴1的26A、B、C和D组成，并用销27A、B、C和D固定连杆25A、B、C和D。注意，这两组摇杆对可以容易地提供利用结合了对开轴承盖(split-bearing cap)的连杆设计的装置，在传统发动机设计中这是普通的。和图1发动机的情况一样，摇杆使两个活塞对彼此连接，使得一个活塞对的运动与其他活塞对的运动相反。摇杆从枢轴开始的长度被做的足够长，使得活塞的冲程不受摇杆几何形状的影响。以类似于图1发动机的方式，在这个四循环、四汽缸的结构中，在任何给定的时间，压缩、膨胀、排气和吸气循环中的一个出现在一个汽缸或其他的汽缸中。一个汽缸的膨胀循环驱动另一个汽缸的压缩循环。因此，活塞行程的长度总是受到压缩循环压力的限制。排气循环中的冲程长度由汽缸中的点火事件决定，接着在压缩冲程中。压缩点火是一系列空气/燃料参数的函数，其随着不同循环会在一定的程度内变化。任何给定循环的冲程长度是不定的，直到充量点火发生。每个活塞压缩冲程都独立于其他的，并且活塞运动完全不受机械冲程长度的限制。与图1所示的发动机的情况相同，这种机构允许冲程长度根据对每个压缩循环的充量进行点火所需的压缩比来变化，或者“浮动”，完全独立于任何其他汽缸的压缩冲程。与图1中利用枢轴1从发动机中提取能量的发动机结构不同，该发动机利用动力涡轮机提取动力。因此，与图1中的发动机相比，来自发动机排放口1601的废气处于较高压力、温度和能量水平下。结果，更加要求阀门冷却和密封，但是可以利用现有商业设计获得。排气集管1610也处于可以通过利用也可容易获得的较厚壁管和较高温度率金属合金而提供的较高温度和压力下。该设计的单个发动机汽缸体、汽缸盖和阀门盖增强了发动机的刚性。此外，因为单片汽缸体和单片气缸盖，该设计的组装和密封方便，提高了该发动机的可制造性，尤其是如果使用了利用对开轴承罩的连杆。
图20和图21是类似于图16的发动机的视图，但是用增压器代替了涡轮增压器，并且增加了中间冷却器。还示出了发动机冷却回路。
图20为增压发动机的俯视图。空气通过空气进口1605进入发动机。通过传感器1608测量空气流。由电动机2002驱动的压缩机1602压缩空气，并将其排放到中间冷却器2003的内部通道中。压缩机电动机2002处于图12和图13的自适应发动机控制器的变量的控制下。在该控制情况中，除了在图12和图13中所示的所有组件外，压缩机的空气流是通过改变主驱动电动机2002的速度以设定发动机充量的期望质量流来改变的，并且因此改变发动机的功率输出。中间冷却器是一种降低压缩空气的温度的换热器，从而增加空气的密度(并且又增加空气/燃料充量的密度)。示出了由电动机驱动的风扇2004提供的对外部表面施加空气的空气对空气中间冷却器2003，但是可以使用其他的换热器类型(空气对水)。压缩和冷却的空气从中间冷却器2003排放到用作涡轮机的气体发生器的自由活塞发动机2001的发动机入口集管中。入口集管包括温度传感器2005和燃料喷嘴1206。通过改变中间冷却器风扇电动机2004的速度，图12和图13的自适应发动机控制器利用温度传感器2005的输入口来控制压缩空气的温度。图12和图13中的自适应发动机控制器决定喷射到压缩空气中的适当量的燃料，以获得期望空气/燃料比。热的压缩气体流从自由活塞发动机气体发生器的排气装置流进排气集管1610，接着流入动力涡轮机1603。动力涡轮机1603直接驱动高速发电机1604。注意，在该情况中，高速发电机即充分地向增压驱动电动机2002提供动力，又产生发动机输出功率。气体从动力涡轮机排放到排气管2009。排气管中的废气流过排气传感器1210。
示出了自由活塞发动机2001、由换热器(散热器)2006、散热器风扇2008以及冷却剂泵和电动机2007组成的冷却剂回路，然而，很多变更是可能的(例如，冷却剂-水换热器)。图20的增压发动机提供了一种改进的控制发动机功率输出和排放水平的装置，同时与图16中提出的涡轮增压形式相比，提供了更加快速的节流响应。然而，增压发动机的改进特性源于使用了更高昂成本的器件(高速电驱动电动机和电力驱动对涡轮增压器的气体涡轮机和更高容量的动力-涡轮机和高速发电机以及电功率调节模块)。增压发动机以及涡轮增压发动机的优越性能和高成本之间的权衡折衷使得对两种结构的选择具体为对各种潜在应用的要求。
图21A为图20的增压发动机的左端视图。
图21B为图20的增压发动机的侧视图。
图22为图20和21的增压发动机，其中增加了的热回收系统和朗肯循环涡轮机(Rankine cycle turbine)，一起起到了组合循环系统的作用。图20的冷却剂散热器2006已经由换热器2201所代替，其从发动机冷却剂中回收热量，并将其在蒸发阶段中转移给朗肯循环。朗肯循环流体从冷却剂换热器2201移至起到过热器作用的废气热交换器2202。高温高压的朗肯流体蒸汽接着流入膨胀机设备2203，该膨胀机设备2203将朗肯循环蒸汽中的能量转换为机械能。在所示的装置中，膨胀机2203直接连接至高速发电机2204。较低压力较低温度的朗肯流体从膨胀机2203流至起到朗肯循环的冷凝器作用的换热器2205。风扇2206使通过换热器2205的周围空气循环。进给泵2207从冷凝换热器2205增加朗肯循环的压力并将朗肯流体抽吸到冷却剂换热器2201的输入端中，从而完成朗肯循环回路。给定发动机冷却剂和发动机废气的运行温度，预期有机朗肯循环将提供最大的能量回收效率。展示出用于发动机冷却剂和废气温度的良好性质的一族有机流体是硅氧烷流体，其能够作为单个流体或在双重组合中使用。
除了前述组合循环结构，能量回收系统的其他各种变更，例如，组合的动力和热量，可以与一族FPFS自由活塞、浮动冲程发动机一起使用。
工业应用
本发明涉及发动机领域，更具体地，涉及具有可变活塞冲程的四循环、四缸、自由活塞、预混合充量压缩点火、内燃往复式活塞发动机，其提供了增强效率、低排放以及多种燃料运行的可能。应用包括但不限于与汽车、发动机驱动的泵、发动机驱动的压缩机、小飞机、海上交通工具以及动力工具一起使用。固定冲程四循环PCCI发动机和线性自由活塞PCCI发动机的有益特征结合在本文公开的FPFS发动机中。这些特征包括：
更高的运行效率；
低排放；
固有的多燃料能力；
高功率密度；
大范围的发动机尺寸；
优良的节流调节；
成本竞争力。
本文公开的FPFS发动机的电功率产生变化特别适用于很多新兴技术以及传统应用。例如，历来还没有广泛地使用分布式发电，其可能提高FPFS发动机的效率。汽车车辆(包括混合型)也基本上能从本发明的FPFS发动机获益。同样，很多一般应用，包括发动机驱动的泵和压缩机可以依赖于较低燃料消耗、低排放和燃料适应性而从FPFS中获益。
小飞机推进器能从FPFS发动机中获益，因为当前正致力于用向发动机提供动力的柴油或喷气燃料替换现有火花点火往复式发动机中使用的高辛烷燃料。FPFS发动机的多燃料能量以及其较低的燃料消耗使其能够有效地竞争大范围的各种推进器应用。还可能，如果围绕本发明的FPFS发动机进行设计，一些现有气体涡轮机应用运行起来更加经济，例如，小涡轮螺桨发动机或者旋翼式飞机。飞机应用中的FPFS发动机的动力涡轮机变化是本发明的最优选实施例。
很多船用应用也可以从本发明公开的FPFS发动机特征中获益。甚至可以预想FPFS发动机的船外引擎和船尾驱动形式(从本发明的FPFS发动机的液压输出至驱动螺桨的轴向活塞液压马达)。
小发动机供能工具，例如，小型机器锯以及割草机是本发明的FPFS发动机的可用后备。该应用的一个关键因素在于低成本电子控制。但是，对于这样的高容积引擎，期望控制可以降低至经济的单个微型芯片。
可以预想本发明的FPFS发动机的微型发动机形式。本发明的FPFS发动机的自由活塞和浮动冲程特征应该服从于经开发以产生微型发动机的处理。同样，本发明的FPFS的运行特征很好的适用于微型发动机的很多期望的应用。
正如已经在传统发动机上进行了一段时间那样，FPFS发动机的废热可以以各种方式进行回收。这样回收的能量可以以热能形式进行直接使用，或者通过二次处理转化为其他形式。