專利名稱：電磁發動機的制作方法
電磁發動機概述一方面，內燃發動機包括第一活塞，其可滑動地設置在具有封閉端的第一氣缸 中；第一口(port)，其配置成允許反應物通入第一氣缸；和第一轉換器(converter)，其可 與第一活塞操作來在活塞循環中將第一活塞的機械能轉換成電能。第一轉換器被配置成在 動力沖程內將第一活塞的機械能轉換成電能，并在排氣沖程、進氣沖程，和壓縮沖程中的任 意一個或者所有內驅動第一活塞。第一活塞包括磁體(例如，永磁體或電磁體)，并且第一 轉換器包括電樞，該電樞配置成響應于磁體的運動而產生電流或者通過驅動電流通過線圈 而移動磁體。第一轉換器包括多個線圈，在這種情況下，多個線圈中的第一子組可操作來將 電能轉換成第一活塞的機械能，并且第二子組可操作來將第一活塞的機械能轉換成電能。 發動機還包括熱控制器，熱控制器作用以限制發動機的所有或者一部分(例如，冷卻系統 或者絕緣體)的熱偏移。第一活塞包括配置成通過可變磁阻或者可變電感磁路與磁場相作 用的電樞。發動機還包括配置成引發被配置在第一活塞和第一氣缸的封閉端之間的反應物 間的化學反應的反應觸發器(reaction trigger)(例如，電點火器(electrical igniter), 如，火花塞；熱點火器(thermal igniter)；化學點火器(chemical igniter)；催化劑；自 燃注射器(hypergolic injector)；粒子束點火器(particle beam igniter)，或等離子體 注射器(Plasma injector))0反應觸發器被設置在第一氣缸的封閉端上，設置在第一活塞 上，或者設置在其他地方。反應觸發器能從第一轉換器抽運功率，能電耦合到第一轉換器， 或者能從耦合到第一轉換器的能量管理系統抽運功率。第一口包括閥，閥能被配置成通過 凸輪軸打開和關閉，而凸輪軸又被配置成借助電磁執行器而旋轉，電磁執行器例如是步進 電機，或者閥能被機械驅動。發動機包括第二 口，第二口被配置成允許反應產物排出第一氣 缸(例如，在第一氣缸或者第一活塞上)，在此情況下，第一口包括進氣閥，并且第二口包括 排氣閥。進氣閥和排氣閥各自被配置成在活塞循環中的選定的時間上打開和關閉(例如， 通過機械或電耦合到第一活塞)。進氣閥和排氣閥通過第一轉換器電耦合到第一活塞。轉 換器或能量管理系統被配置成給進氣閥和排氣閥提供動力。第一口被配置成允許反應產物 排出第一氣缸(例如，在第一氣缸上或在第一活塞上)，在此情況下，發動機包括配置成將 第一口從與進氣路徑的連接轉換到與排氣路徑的連接的閥。發動機還包括配置成將反應混合物運送到第一 口的汽化器。發動機包括配置成通 過第一口將反應物運送到第一氣缸的注射器(例如，燃料注射器或液體反應物注射器)。第 一口被配置成允許燃料、氧化劑、它們的混合物，或反應物混合物通入第一氣缸，或者第一 反應物和第二反應物(例如，燃料和氧化劑)可分別通過第一口和第二口進入。第一活塞 被連接到曲軸。發動機還包括可滑動地設置在第二氣缸內的第二活塞，在此情況下，第一活 塞和第二活塞能被配置成異步地或者同步地往復運動，或者能被耦合到共同的或不同的曲 軸。發動機被配置成在第一模式下和第二模式下運行，在第一模式下，化學反應只驅動第一 活塞，在第二模式下，化學反應驅動第一活塞和第二活塞，在此情況下，發動機能根據實際 的或者預測的操作條件在第一模式和第二模式之間進行選擇。發動機還被配置成能響應于操作條件來確定速度曲線或者活塞沖程的長度或者壓縮比。在任意這些情況下，操作條件 包括斜度(incline)、溫度、電流消耗(current draw)、速度、加速度、制動、負載、燃料成分、 發動機排放、電源、本地條例，或者發動機設置。發動機還包括電耦合到第一轉換器的包括 能量儲存設備，例如，電池、電容、電感或者機械能量儲存設備的能量管理系統。第一氣缸具 有非圓形橫截面，在此情況下，第一活塞具有相匹配的非圓形橫截面。第一氣缸能是彎曲的 (因此活塞在非直線路徑上移動)。第一活塞被配置成在第一氣缸內旋轉(例如，通過第一 活塞和第一氣缸的形狀，通過氣體壓力，或通過磁力)。第一活塞被耦合到將活塞行程轉換 成旋轉運動(例如，斜齒輪)的機構上。機構包括磁體，并且第一轉換器包括與磁體一起操 作來將磁體的旋轉轉換成電能的電樞。機構包括與可變磁阻或可變電感磁路相作用以將旋 轉運動轉換成電能的電樞。機構被配置成響應于固定的活塞速度而以可變速度旋轉。第一 活塞可操作地連接到配置成響應于作用力來產生電能的活性材料元件(例如，壓電、磁致 伸縮、電致伸縮或形狀記憶材料)。另一方面，操作內燃發動機(包括可滑動地設置在第一氣缸內的第一活塞和可與 第一活塞操作來將第一活塞的機械能來回轉換成電能的第一轉換器)的方法包括將反應 物引進第一氣缸的封閉端；施加電能給第一轉換器，以在第一氣缸內將第一活塞滑向封閉 端(可選擇地，壓縮引進的反應物)；觸發引進的反應物的化學反應，從而將化學勢能轉換 成第一活塞的機械能；以及通過第一轉換器將第一活塞的機械能轉換成電能。將反應物引 進第一氣缸的封閉端的步驟包括施加電能給第一轉換器，以在第一氣缸內滑動第一活塞 離開封閉端。該方法還包括施加電能給第一轉換器，以在觸發化學反應之后將第一活塞滑 向封閉端。與在將反應物引進第一氣缸的封閉端期間相比，第一活塞可在緊接著觸發化學 反應之后移動較大的距離。例如，第一活塞在緊接著觸發化學反應之后能移動兩倍或四倍 的內部氣缸直徑。壓縮引進的反應物的步驟包括實質上絕熱地或等溫地壓縮反應物。內燃發動機還包括可滑動地設置在第二氣缸內的第二活塞，在此情況下，該方法 還包括實質上在觸發第一氣缸內的化學反應的同時，觸發第二氣缸內的化學反應。該方法 包括以與第一氣缸實質相似或者不同的操作頻率觸發第二氣缸內的化學反應。該方法還 包括至少部分地基于實際的或預測的操作條件(例如，斜度、溫度、電流消耗、速度、加速 度、制動、負載、燃料成分、發動機排放、電源、本地條例，或者發動機設置)來決定是否觸發 第二氣缸內的化學反應。該方法包括至少部分地基于實際的或預測的操作條件(例如，斜 度、溫度、電流消耗、速度、加速度、制動、負載、燃料成分、發動機排放、電源、本地條例，或者 發動機設置)來確定第一氣缸的操作頻率或壓縮比。將反應物引進第一氣缸的封閉端的步 驟包括在第一活塞處于選定位置上時，引進反應物，或者包括打開進氣閥(例如，通過旋 轉凸輪軸或者電子觸發打開)。觸發化學反應的步驟包括當第一氣缸處于選定位置上時，觸發化學反應，例如， 通過產生能量釋放例如火花，通過熱點火器，通過化學點火器，通過暴露到催化劑中，通過 自燃注射，暴露在粒子束中，或通過等離子體注射，或包括在化學反應期間保持第一活塞 實質不動(例如，借助于經過轉換器施加力給第一活塞)，在此情況下，在化學反應實質上 完成時，釋放第一活塞。化學反應產生反應產物，并且將第一活塞的機械能轉換成電能的步 驟包括實質上絕熱地膨脹反應產物。引進的反應物包括燃料(例如，碳氫燃料)或氧化劑 (例如，氧氣、空氣)，燃料或氧化劑能被分開引進或者混合引進，或者能包括分解反應物。該方法還包括將反應產物排出第一氣缸。第一轉換器被連接到能量管理系統，在此情況下，將第一活塞的機械能轉換成電 能的步驟包括將電能轉移到能量管理系統，或者施加電能給第一轉換器的步驟包括從 能量管理系統引出電能。能量管理系統包括能量儲存設備(例如，電池、電容、電感，或者機 械能量儲存設備)。另一方面，內燃發動機包括具有第一封閉端和第二封閉端的第一氣缸、可滑動地 設置在第一氣缸內的第一活塞、設置成分別接近第一封閉端和第二封閉端的第一口和第二 口，和可與第一活塞操作來將第一活塞的機械能來回轉換成電能的第一轉換器。第一轉換 器被配置成在動力沖程內將第一活塞的機械能轉換成電能，并且在排氣沖程、進氣沖程和 壓縮沖程中任意一個或者所有內驅動第一活塞。第一轉換器被配置成在第一進氣沖程和第 二進氣沖程內，以及在第一壓縮沖程和第二壓縮沖程內驅動第一活塞，在第一進氣沖程和 第二進氣沖程內，第一活塞分別移動離開第一氣缸的第一封閉端和第二封閉端，并且分別 將第一數量的反應物和第二數量的反應物引進第一封閉端和第二封閉端，在第一壓縮沖程 和第二壓縮沖程內，分別在第一封閉端和第二封閉端內壓縮第一反應物和第二反應物，并 且第一轉換器還被配置成在第一動力/排氣沖程和第二動力/排氣沖程內將第一活塞的機 械能轉換成電能，在第一動力/排氣沖程和第二動力/排氣沖程內，第一活塞分別響應于第 一封閉端和第二封閉端內的化學反應而分別移動離開第一封閉端和第二封閉端，從而至少 部分地分別排出第二封閉端和第一封閉端內的反應產物。可選地，第一轉換器能被配置成 在第一進氣/壓縮沖程和第二進氣/壓縮沖程內，以及在第一排氣沖程和第二排氣沖程內 驅動第一活塞，在第一進氣/壓縮沖程和第二進氣/壓縮沖程內，第一活塞分別移動離開第 一封閉端和第二封閉端，分別將第一反應物和第二反應物引進第一封閉端和第二封閉端， 并且分別在第二封閉端和第一封閉端內壓縮第二反應物和第一反應物，在第一排氣沖程和 第二排氣沖程內，第一活塞分別移向第一封閉端和第二封閉端，從而至少部分地將反應產 物分別排出第一封閉端和第二封閉端，并且第一轉換器還被配置成在第一動力沖程和第二 動力沖程內將活塞的機械能轉換成電能，在第一動力沖程和第二動力沖程內，第一活塞分 別響應于第一封閉端和第二封閉端內的化學反應而分別移動離開第一封閉端和第二封閉 端。第一活塞包括磁體(例如，永磁體或電磁體)，并且第一轉換器包括電樞，該電樞 配置成響應于磁體運動而產生電流或者通過驅動電流通過線圈而移動磁體。第一轉換器包 括多個線圈，在此情況下，多個線圈中的第一子組可操作來將電能轉換成第一活塞的機械 能，并且第二子組可操作來將第一活塞的機械能轉換成電能。發動機還包括熱控制器，熱控 制器作用以限制發動機的所有或一部分(例如，冷卻系統或絕緣系統)的熱偏移。第一活 塞包括配置成通過可變磁阻或者可變電感磁路與磁場相作用的電樞。發動機還包括配置成引發配置在第一活塞和第一氣缸的第一封閉端之間的反應 物中的化學反應的反應觸發器(例如，電點火器，如，火花塞；熱點火器；化學點火器；催化 劑；自燃注射器；粒子束點火器，或等離子體注射器)。反應觸發器被設置在第一氣缸的第 一封閉端上，在第一活塞上，或者其他地方。反應觸發器能從第一轉換器抽運功率，能電耦 合到第一轉換器，或者從耦合到第一轉換器的能量管理系統抽運功率。第一口包括閥，閥被 配置成通過凸輪軸打開和關閉，凸輪軸又被配置成通過電磁執行器而旋轉，電磁執行器例如是步進電機，或者閥被機械驅動。發動機包括靠近第一氣缸的封閉端并被配置成允許反 應產物排出第一氣缸的第三口(例如，在第一氣缸上或者第一活塞上)，在此情況下，第一 口包括進氣閥，并且第三口包括排氣閥。進氣閥和排氣閥各自被配置成在活塞循環中的選 定時間上打開和關閉(例如，通過機械或電耦合到第一活塞)。進氣閥和排氣閥通過第一轉 換器電耦合到第一活塞。轉換器或能量管理系統被配置成給進氣閥和排氣閥提供動力。第 一口被配置成允許反應物排出第一氣缸(例如，在第一氣缸上或在第一活塞上)，在此情況 下，發動機包括配置成將第一口從與進氣路徑的連接轉換到與排氣路徑的連接的閥。發動機還包括配置成將反應混合物運送到第一 口的汽化器。發動機包括配置成通 過第一口將反應物運送到第一氣缸的注射器(例如，燃料注射器或液體反應物注射器)。第 一口被配置成允許燃料、氧化劑、它們的混合物，或反應物混合物通入第一氣缸，或者分別 通過第一 口和第三口接收第一反應物和第二反應物(例如，燃料和氧化劑)。第一活塞被連 接到曲軸。發動機還包括可滑動地設置在第二氣缸內的第二活塞，在此情況下，第一活塞和 第二活塞被配置成異步地或同步地往復運動。第二氣缸包括分別靠近第二氣缸的第一封閉 端和第二封閉端的第三燃料進口和第四燃料進口。發動機被配置成在第一模式下和第二模 式下運行，在第一模式下，化學反應只驅動第一活塞，在第二模式下，化學反應驅動第一活 塞和第二活塞，在此情況下，發動機響應于實際的或者預測的操作條件而在第一模式和第 二模式之間進行選擇。發動機還被配置成響應于操作條件來確定速度曲線或者活塞沖程的 長度或者壓縮比。在任意這些情況下，操作條件包括斜度、溫度、電流消耗、速度、加速度、制 動、負載、燃料成分、發動機排放、電源、本地條例，或者發動機設置。發動機還包括電耦合到第一轉換器的能量管理系統，該能量管理系統包括能量儲 存設備，例如，電池、電容、電感或者機械能量儲存設備。第一氣缸具有非圓形橫截面，在此 情況下，第一活塞具有相匹配的非圓形橫截面。第一氣缸能是彎曲的(因此活塞在非直線 路徑上移動)。第一活塞被配置成在第一氣缸內旋轉(例如，通過第一活塞和第一氣缸的 形狀，通過氣體壓力，或通過磁力)。第一活塞被耦合到將活塞行程轉換成旋轉運動的機構 (例如，斜齒輪)。機構包括磁體，并且第一轉換器包括與磁體一起操作來將磁體的旋轉轉 換成電能的電樞。機構包括與可變磁阻或可變電感磁路相作用以將旋轉運動轉換成電能的 電樞。機構被配置成響應于固定的活塞速度以可變速度旋轉。第一活塞可操作地連接到配 置成響應于作用力以產生電能的活性材料元件(例如，壓電、磁致伸縮、電致伸縮或形狀記 憶材料)。另一方面，操作內燃發動機(包括可滑動地設置在具有第一封閉端和第二封閉端 的第一氣缸內的第一活塞，和可與第一活塞操作來將第一活塞的機械能來回轉換成電能的 第一轉換器)的方法包括將第一數量的反應物引進第一氣缸的第一封閉端；施加電能給 第一轉換器，以在第一氣缸內將第一活塞滑向第一封閉端(可選擇地，壓縮引進的第一數 量的反應物)；使引進的第一數量的反應物起反應，從而引發第一活塞朝向第二封閉端的 運動；將第二數量的反應物引進第一氣缸的第二封閉端；施加電能給第一轉換器，以在第 一氣缸內將第一活塞滑向第二封閉端(可選擇地，壓縮引進的第二數量的反應物)；使引進 的第二數量的反應物起反應，從而引發第一活塞朝向第一封閉端的運動；以及隨著第一活 塞移向第一封閉端，通過第一轉換器將第一活塞的機械能轉換成電能。引發第一活塞朝向 第二封閉端的運動的步驟包括將反應產物排出第二封閉端，或者引發第一活塞朝向第一封閉端的運動的步驟包括將反應產物排出第一封閉端。該方法還包括在壓縮引進的第 一數量的反應物之前，施加電能給轉換器以將第一活塞移向第二封閉端，或者在將第一活 塞的機械能轉換成電能之后，施加電能給轉換器以將第一活塞移向第一封閉端，同樣第一 活塞移向第二封閉端，且在壓縮引進的第二數量的反應物之前。與壓縮反應物期間相比，第 一活塞在通過使反應物起反應來引發第一活塞的運動期間移動較大的距離。第一數量的反 應物或第二數量的反應物的壓縮是實質上絕熱的或者實質上等溫的。內燃發動機還包括可滑動地設置在第二氣缸內的第二活塞，在此情況下，該方法 還包括在實質上與第一氣缸內使第一數量的反應物起反應的同時，在第二氣缸內使第三 數量的反應物起反應。該方法包括以與第一氣缸實質上相似或者不同的操作頻率驅動第 二氣缸。方法還包括至少部分地根據實際的或預測的操作條件(例如，斜度、溫度、電流消 耗、速度、加速度、制動、負載、燃料成分、發動機排放、電源、本地條例，或者發動機設置)來 決定是否在第二氣缸內使第三數量的反應物起反應。該方法還包括至少部分地根據實際 的或預測的操作條件(例如，斜度、溫度、電流消耗、速度、加速度、制動、負載、燃料成分、發 動機排放、電源、本地條例，或者發動機設置)來決定第一氣缸的操作頻率或壓縮比。將第 一數量的反應物引進第一氣缸的封閉端的步驟包括當第一活塞處于選定的位置時引進反 應物，或者包括打開進氣閥(例如，通過旋轉凸輪軸，或者電子觸發打開)。使第一數量的反應物起反應的步驟包括當第一氣缸處于選定的位置時，諸如通 過產生能量釋放，如火花，通過熱點火器，通過化學點火器，通過暴露在催化劑中，通過自燃 注射，暴露在粒子束中，或通過等離子體注射來使第一數量的反應物起反應，或包括在化 學反應中保持第一活塞實質不動(例如，通過轉換器施加力給第一活塞)，在此情況下，在 化學反應實質完成時釋放第一活塞。第一化學反應或第二化學反應產生第一反應產物和第 二反應產物，并且將第一活塞的機械能轉換成電能的步驟包括實質上絕熱地膨脹第一反 應產物或第二反應產物。引進的第一數量的反應物包括能被分開引進或者混合引進的燃料 (例如，碳氫燃料)或者氧化劑(例如，氧氣、空氣)，或者包括分解反應物。第一數量的反 應物和第二數量的反應物具有實質上相同或者不同的成分。該方法還包括將反應產物排 出第一氣缸。第一轉換器被連接到能量管理系統，在此情況下，隨著第一活塞移向第一封閉端 或第二封閉端而將第一活塞的機械能轉換成電能的步驟包括將電能轉移到能量管理系 統，或者施加電能給第一轉換器以在第一氣缸內將第一活塞滑向第一封閉端或者第二封閉 端的步驟包括從能量管理系統引出電能。能量管理系統包括能量儲存設備(例如，電池、 電容、電感，或者機械能量儲存設備)。另一方面，內燃發動機包括具有可滑動地設置于其中的第一活塞和第二活塞的第 一氣缸、設置成允許在第一活塞和第二活塞之間將反應物通入第一氣缸的第一口，和可與 第一活塞操作來將第一活塞的機械能轉換成電能的第一轉換器。第一轉換器可與第一活塞 操作來將電能轉換成第一活塞的機械能，并進一步可與第一活塞操作來在活塞循環中將第 一活塞的機械能來回轉換成電能。發動機還包括可與第二活塞操作來將第二活塞的機械能 轉換成電能的第二轉換器，例如在活塞循環中來回轉換成電能，或者第一轉換器可與第二 活塞操作來將第二活塞的機械能轉換到電能，例如在活塞循環中來回轉換成電能。第一口 被配置成將反應產物排出氣缸，并可被配置成通過第一活塞的閉塞而被關閉。發動機還包括配置成將反應產物排出氣缸的第二 口，該第二口可通過第二活塞的閉塞而被關閉。第一 口和第二口能是無閥的，或者一個或兩個能包括閥。第一轉換器被配置成在動力沖程內將第一活塞的機械能轉換成電能，并且在排氣 沖程、進氣沖程和壓縮沖程任意一個中或者所有中驅動第一活塞，并且還被配置成在復位 沖程中控制活塞的位置。第一活塞包括磁體(例如，永磁體或電磁體)，并且第一轉換器包 括配置成響應于磁體的運動而產生電流或者通過驅動電流通過線圈而移動磁體的電樞。第 一轉換器包括多個線圈，在此情況下，多個線圈中的第一子組可操作來將電能轉換成第一 活塞的機械能，并且第二子組可操作來將第一活塞的機械能轉換成電能。發動機還包括熱 控制器，熱控制器作用以限制發動機所有的或者一部分的熱偏移(例如，冷卻系統或絕緣 系統)。第一活塞包括配置成通過可變磁阻或者可變電感磁路與磁場相作用的電樞。發動機還包括配置成引發配置在第一活塞和第二活塞之間的反應物中的化學反 應的反應觸發器(例如，電點火器，如，火花塞；熱點火器，化學點火器；催化劑；自燃注射 器；粒子束點火器，或等離子體注射器)。反應觸發器被設置在第一氣缸的壁上，在第一活 塞上，或者其他地方。反應觸發器能從第一轉換器上抽運功率，能電耦合到第一轉換器，或 者從耦合到第一轉換器的能量管理系統抽運功率。第一 口包括配置成通過凸輪軸打開和關 閉的閥，閥又被配置成通過諸如步進電機的電磁執行器而旋轉，或者閥能被機械地驅動。發動機還包括配置成將反應混合物運送到第一 口的汽化器。發動機包括配置成通 過第一口將反應物運送到第一氣缸的注射器(例如，燃料注射器或液體反應物注射器)。第 一口被配置成允許將燃料、氧化劑、它們的混合物，或反應物混合物通入第一氣缸，或者分 別通過第一 口和第二口接收第一反應物和第二反應物(例如，燃料和氧化劑)。第一活塞被 連接到曲軸。第一活塞和第二活塞可不被機械耦合。發動機還包括可滑動地設置在第二氣 缸內的第三活塞，在此情況下，第一活塞和第三活塞能被配置成異步地或者同步地往復運 動，或者能被耦合到共同的或者分開的曲軸。發動機被配置成在第一模式下和第二模式下 運行，在第一模式下，化學反應只驅動第一活塞和第二活塞，在第二模式下，化學反應驅動 第一活塞、第二活塞和第三活塞，在此情況下，發動機能響應于實際的或者預測的操作條件 而在第一模式和第二模式之間進行選擇。發動機還被配置成響應于操作條件來確定速度曲 線或者活塞沖程的長度或者壓縮比。在任意這些情況下，操作條件包括斜度、溫度、電流消 耗、速度、加速度、制動、負載、燃料成分、發動機排放、電源、本地條例，或者發動機設置。發動機還包括電耦合到第一轉換器的能量管理系統，該能量管理系統包括諸如電 池、電容、電感或者機械能量儲存設備的能量儲存設備。第一氣缸具有非圓形橫截面，在此 情況下，第一活塞和第二活塞各自具有相匹配的非圓形橫截面。第一氣缸能是彎曲的(因 此活塞在非直線路徑上移動)。第一活塞和第二活塞被配置成在第一氣缸內旋轉(例如，通 過第一活塞和第二活塞以及第一氣缸的形狀，通過氣體壓力，或通過磁力)。第一活塞被耦 合到將活塞行程轉換成旋轉運動的機構(例如，斜齒輪)。機構包括磁體，并且第一轉換器 包括與磁體一起操作來將磁體的旋轉轉換成電能的電樞。機構包括與可變磁阻或可變電感 磁路相作用以將旋轉運動轉換成電能的電樞。機構被配置成響應于固定的活塞速度而以變 化的速度旋轉。第一活塞可操作地連接到配置成響應于作用力以產生電能的活性材料元件 (例如，壓電、磁致伸縮、電致伸縮或形狀記憶材料)。另一方面，操作內燃發動機(包括可滑動地設置在第一氣缸內的第一活塞和第二活塞，以及可與第一活塞操作來將第一活塞的機械能來回轉換成電能的第一轉換器)的方 法包括將反應物引進介于第一活塞和第二活塞之間的第一氣缸內；施加電能給第一轉換 器，以在第一氣缸內將第一活塞滑向第二活塞(可選擇地，壓縮引進的反應物)；使反應物 起反應，從而將化學勢能轉換成第一活塞和第二活塞的機械能；以及通過第一轉換器將第 一活塞的機械能轉換成電能。該方法還包括通過第一轉換器或者第二轉換器將第二活塞 的機械能轉換成電能。第二活塞被連接到曲軸。該方法還包括例如，通過使第一活塞和第 二活塞相對于彼此移動而將反應產物排出第一氣缸。將反應物引進第一氣缸的步驟包括 使第一活塞和第二活塞相對地遠離彼此移動。壓縮引進的反應物的步驟包括實質上絕熱 地或者實質上等溫地壓縮反應物。發動機還包括可滑動地設置在第二氣缸內的第三活塞，在此情況下，該方法還包 括實質上與第一氣缸同時，在第二氣缸內引發化學反應，以與第一氣缸的操作頻率實質上 相似或者不同的操作頻率在第二氣缸內引發化學反應，或者根據確定的實際的或預測的操 作條件(例如，斜度、溫度、電流消耗、速度、加速度、制動、負載、燃料成分、發動機排放、電 源、本地條例，或者發動機設置)來決定是否在第二氣缸內引發化學反應。該方法包括至 少部分地根據實際的或預測的操作條件(例如，斜度、溫度、電流消耗、速度、加速度、制動、 負載、燃料成分、發動機排放、電源、本地條例，或者發動機設置)來決定第一氣缸的操作頻 率或者壓縮比。將反應物引進第一氣缸的步驟包括當第一活塞處于選定的位置時引進反 應物，或者包括打開進氣閥(例如，通過旋轉凸輪軸，或者電子觸發打開)。觸發化學反應的步驟包括當第一氣缸處于選定位置時，例如通過產生能量釋放 例如火花，通過熱點火，通過化學點火，通過暴露在催化劑中，通過自燃注射，暴露在粒子束 中，或通過等離子體注射來觸發化學反應，或者包括在化學反應中保持第一活塞和第二活 塞實質不動(例如，通過轉換器施加力給活塞)，在此情況下，在化學反應實質完成時釋放 第一活塞。化學反應產生反應產物，并且將第一活塞的機械能轉換成電能的步驟包括實質 上絕熱地膨脹反應產物。引進的反應物包括能被分開引進或者混合引進的燃料(例如，碳 氫燃料)或氧化劑(例如，氧氣、空氣)，或者包括分解反應物。該方法還包括將反應產物 排出第一氣缸。第一轉換器被連接到能量管理系統，在此情況下，將第一活塞的機械能轉換成電 能的步驟包括將電能轉移到能量管理系統，或者施加電能給第一轉換器的步驟包括從 能量管理系統引出電能。能量管理系統包括能量儲存設備(例如，電池、電容、電感，或者機 械能量儲存設備)。另一方面，改進用于發電的內燃發動機(包括連接到同一曲軸的多個活塞)的方 法包括將可操作來將活塞的機械能來回轉換成電能的能量轉換器應用到至少一個活塞和 可選擇地應用到每個活塞。該方法還包括從凸輪軸斷開活塞。該方法包括將磁體(例 如，電磁體或者永磁體)應用到每個活塞，其中，能量轉換器包括可與磁體操作來施加力給 活塞的電樞。電樞可與磁體操作來響應于磁體的運動而產生電流。該方法還包括應用熱 控制器，熱控制器作用以限制發動機的所有或者一部分(例如，冷卻系統或者絕緣體)的熱 偏移。能量轉換器電耦合到包括諸如電池、電容、電感或者機械能量儲存設備的能量儲存設 備的能量管理系統。發動機包括電動反應觸發器，在這種情況下，該方法包括將能量管理 系統電耦合到電動反應觸發器。
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能量轉換器被電耦合到配置成同步地(包括在移除曲軸，并且通過控制系統維持 活塞的實質上相同的相對相位關系的配置中)或者異步地驅動活塞的控制系統。控制系統 被配置成至少部分地響應于確定的操作條件(例如，斜度、溫度、電流消耗、速度、加速度、 制動、負載、燃料成分、發動機排放、電源、本地條例，或者發動機設置)來決定是否驅動選 定的活塞、活塞沖程的速度曲線，或者壓縮比。應用能量轉換器的步驟包括將活塞耦合到 將活塞行程轉換成旋轉運動的機構(例如，斜齒輪)。機構包括磁體，并且第一轉換器包括 與磁體操作來將磁體的旋轉轉換成電能的電樞。機構包括與可變磁阻或可變電感磁路相作 用以將旋轉運動轉換成電能的電樞。機構被配置成響應于固定的活塞速度而以可變速度旋 轉。能量轉換器被配置成在進氣沖程、排氣沖程，和壓縮沖程內驅動活塞，并且在動力沖程 內將活塞的機械能轉換成電能。上述概述只是說明性的，并不旨在成為任意限制的方式。除了以上描述的說明方 面、實施方式和特征，通過參照附圖和以下的詳細描述，進一步的方面、實施方式和特征將 變得明顯。附圖簡述

圖1是無曲軸的活塞_氣缸組件的示意圖。圖2是耦合到曲軸的活塞_氣缸組件的示意圖。圖3是耦合到單極發電機的活塞_氣缸組件的示意圖。圖4示出了在四-沖程活塞循環中活塞在氣缸內的位置。圖5是具有電磁轉換器的改進的常規發動機的示意圖。圖6是雙-端自由活塞-氣缸組件的示意圖。圖7示出了在六-沖程活塞循環中活塞在雙_端氣缸內的位置。圖8示出了在交替的六_沖程活塞循環中活塞在雙_端氣缸內的位置。圖9示出了在四-沖程活塞循環中非對稱活塞在雙-端氣缸內的位置。圖10示出了在四_沖程活塞循環中兩個相對活塞在同一氣缸內的位置。圖11示出了在八-沖程活塞循環中兩個相對活塞在同一氣缸內的位置。詳細描述在以下詳細的描述中，參照構成于此一部分的附圖。在圖中，相似的符號典型地指 定相似的構件，除非上下文指示相反。在詳細描述中描述的說明性實施方式、附圖和權利要 求并不意味是限制。可使用其他實施方式，并且能做出其他改變，而不偏離于此提出的主題 的精神或者范圍。于此使用的術語“閥”，包括用于選擇性地將物質通過開口的任意驅動流量控制器 或者其他驅動機構，包括但不限于球閥、旋塞閥、蝶閥、節流閥、止回閥、閘閥、簧片閥、活塞 閥、提升閥、旋轉閥、滑閥、電磁閥、兩通閥，或者三通閥。閥能以任意方式驅動，包括但不限 于機械的、電氣的、電磁的、凸輪軸驅動的、液壓的，或者氣動的方式。“閥定時”是指相對于 彼此或者發動機構件在指定的暫時模式下打開或者關閉閥的任意系統。例如，進氣閥被配 置成在進氣沖程之前或者在進氣沖程中打開，而在壓縮沖程之前關閉。于此使用的術語“口 ”，包括能允許物質(固體、液體、氣體或者等離子體)從一個 或者多個方向進入的任意開口或者一組開口(例如，多孔泡沫)。口能，但不是必須，通過閥 被打開或者關閉。
于此使用的術語“軸承”，包括另一部件在其上移動、滑動或者旋轉的機械的任意 部件，包括但不限于滑動軸承、彎曲軸承、球軸承、滾子軸承、氣體軸承，或者磁力軸承。于此使用的術語“永久磁體”，包括被極化以感應永久磁場的磁性材料。術語“永 久的”不能被解釋成要求永久磁體不能被或故意地或偶然地消磁。于此使用的術語“電樞”，包括通過可變電感或者可變磁阻與磁場相作用以對電樞 做功(正的或者負的)的任意結構。于此使用的術語“反應物”，包括能被引發將化學勢能轉換成機械能的任意材料或 者材料的組合，例如被引發化學反應并驅動活塞(典型地通過在反應后形成膨脹的氣體)。 如于此使用的，“燃料”是與氧化劑反應以驅動活塞的特殊類型的反應物。燃料包括，但不限 于，諸如汽油、柴油、生物柴油、煤油、丙烷，和丁烷的碳氫燃料，諸如乙醇、甲醇，和丁醇的酒 精燃料，和任意以上的混合物。其他適合的反應物包括諸如聯氨(能分解成氨和氮)或者 過氧化氫(能分解成水和氧氣)的分解反應物。于此使用的術語“反應產物”，包括反應后 剩余的任意材料，包括但不限于化學反應的材料、還未反應的或者只是部分反應的過量的 反應物，或者與反應物混合的任意惰性材料。“實質完全的”反應是實質上所有的至少一種 反應物被消耗完的反應，或者由于諸如改變溫度或者壓強的其他因素而實質上被減緩或者 停止的反應。于此使用的術語“汽化器”，包括用于在反應物被運送到氣缸之前混合反應物的機 構(例如，用于混合燃料和氧化劑)。于此使用的“活塞循環”，包括在實質上相同的配置下，開始并終止于活塞的任意 連續的活塞運動。在四-沖程活塞循環中，循環包括進氣沖程、壓縮沖程、動力沖程，和排氣 沖程。另外的或者可選的沖程能形成如于此其他地方所描述的活塞循環的一部分。于此使 用的術語“操作頻率”，是完成一個活塞循環所需時間的倒數。術語“頻率”不應該被解釋成 將活塞操作限制在規則的時間間隔。于此使用的術語“活性材料”，包括通過應用的環境變化而被誘使改變它們的機械 構造的材料，包括但并不限于壓電的、磁致伸縮的、電致伸縮的或者形狀-記憶的材料。一般，如本領域普通技術人員鑒于于此提供的描述所理解的，于此使用的術語應 該被讀取成它們通常的或者普遍的意思。用于內燃發動機使用的多種活塞-氣缸組件被描述于此，其中活塞的機械能(例 如，活塞的動能)被轉換成電能。在一些實施方式中，這些組件能很好的適合于安裝在交通 工具中，例如安裝在電動交通工具中。在其他實施方式中，這些組件能適合在將化學能轉換 成電能(例如，通過燃燒燃料)的固定式或移動式發電機中使用。圖1是活塞-氣缸組件的一個實施方式的示意圖。活塞10被設置在氣缸12內， 并且具有延伸出氣缸的加長軸14。軸14包括安置成滑動穿過轉換器線圈18的永久磁體 16。在所示實施方式中，軸承20作用以保持活塞20的對齊。(盡管圖1示出滾子軸承，但 是能使用任意合適類型的軸承。)當閥22被打開，并且活塞10移動離開氣缸12的封閉端 (“進氣沖程”)時，進氣閥22允許燃料-氧化劑混合物進入室。在所示實施方式中，示出 了簡單的閥結構，但是其他實施方式可包括用于將反應物引進氣缸的燃料注射器或者其他 裝置。活塞10離開氣缸12封閉端的運動通過給轉換器線圈18施加電壓以使得在磁體16 上感應出電動勢而被驅動。通過活塞10的運動壓縮燃料-氧化劑混合物，活塞10通過給轉換器線圈18施加電壓使得在磁體16上感應出電動勢以將活塞10推向氣缸12的封閉端 (“壓縮沖程”)來驅動。壓縮的燃料-氧化劑通過來自火花塞24的火花被點燃，從而驅動活塞10離開氣 缸12的封閉端。當活塞10移動離開氣缸12的封閉端時，磁體16移動通過轉換器線圈18， 使得在線圈18中感應出電壓(“動力沖程”)。電壓被用于給電池、電容，或如于此所描述的 其他能量管理系統充電。一旦動力沖程完成，例如通過給轉換器線圈18施加電壓，從而在 磁體16上感應出電動勢而使得活塞10移向氣缸12的封閉端。當活塞10移向氣缸12的 封閉端時，來自燃料和氧化劑反應的反應產物通過排氣閥26被排出(“排氣沖程”)。在所 示實施方式中，分別通過凸輪28和30來操作閥22和26，但是，如于此其他地方所描述的， 也能使用其他裝設閥的系統(valving system)。如果存在，能通過任意方便的方式驅動凸 輪28和30，包括通過諸如步進電機或力矩馬達的電激勵器。在所示實施方式中，進氣沖程、壓縮沖程，和排氣沖程都由轉換器驅動。在其他實 施方式中，這些沖程的一個或者多個能由其他方式驅動，例如，通過曲軸和飛輪、彈簧(例 如，機械彈簧或者氣體彈簧)、活性材料構件，或者相對氣缸的動力沖程。“在”沖程內驅動 活塞包括為在沖程中的總行程的一部分而驅動活塞。在所示的實施方式中，通過可以是模擬的、數字的，或者基于計算機的控制器19 來控制轉換器18的操作。控制器19根據外部輸入和活塞10、氣缸12、閥22和26，和其 他發動機構件中的一個或多個的當前和過去的狀態來決定通過轉換器18的能量轉移的符 號和數量。這些狀態能通過，例如，對轉換器18的線圈或者活性材料元件中的電流或者其 端電壓的測量而被推測出，或者通過能檢測，除了其他可能的參數以外，活塞10的位置、速 度，或加速度，或者氣缸12中的壓強、溫度、密度、質量，或者組成任意反應物的化學成分的 一個或多個傳感器(未顯示)被測量出。這些傳感器能使用電磁的、電化學的、光學的、機 電的，或者其他能感應相關參數的方式。例如，能使用獨立于轉換器的固定線圈和活塞安裝 的磁體來檢測活塞的位置和速度，能使用壓電傳感器來檢測氣缸內的壓強，并且光纖耦合 的光譜儀能檢測來自氣缸內部的光以檢測燃料和氧化劑的燃燒狀態。任何這些傳感器輸出 能直接或者間接傳到控制器19。如于此其他地方所描述的，控制器19同樣與能量管理系統 (未顯示)接口。在所示的實施方式中，燃料_氧化劑混合物通過觸發安裝在氣缸12頂部的火花 塞而被點燃。在其他實施方式中，能使用不同的反應物或者反應觸發器。例如，代替火花 塞，另一類型的電點火器、熱點火器(例如，電熱塞)、化學點火器(例如，爆竹)、光點火 器(photoigniter)(例如，光化點火器、光熱點火器、光原生質的點火器(a photoplasmic igniter)，或者激光點火器)、催化劑、自燃注射、粒子束(例如，電子束或離子束)，或等離 子體注射能觸發化學反應。在其他實施方式中，反應觸發器機構可以不存在，并且反應是當 活塞10移動經過壓縮沖程時通過壓縮反應物而被觸發的。反應觸發器也能被設置在不同 的位置上，例如，在氣缸12的壁上或者在活塞10上。在動力反應觸發器(例如，火花塞或 者等離子注射)的情況下，在一些實施方式中，反應觸發器的動力由儲存來自動力沖程的 能量的能量管理系統提供。在所示的實施方式中，引進的反應物是燃料_氧化劑混合物。在其他的實施方式 中，可使用其他反應物，例如其他合適的混合物或者分解反應物。在一些實施方式中，反應物能是濃縮的形態(例如，液體形態或者固體形態)。例如，于此描述的活塞-氣缸組件適 合于在地球外的交通工具(例如，月球車)或者水下的交通工具(例如，潛水艇或者魚雷) 中使用，在這種情況下，優選濃縮的反應物(例如，液態燃料和液態氧化劑)。在一些實施 方式中，液體反應物能在反應之前蒸發。當反應物是濃縮的形態時，在一些實施方式中，“反 應沖程”能通過施加壓縮力而不實質地改變反應物的體積來壓縮反應物。在其他實施方式 中，“壓縮沖程”能單純地減少反應室的體積，而不實質地影響其中的反應物。圖2是活塞-氣缸組件的另一實施方式的示意圖。如圖所示，活塞10可滑動地設 置在氣缸12內，并且包括與轉換器線圈18能在動力沖程中(例如，在所有的或者一部分的 動力沖程中)彼此協作以感應轉換器線圈18中電壓的磁體16。除了圖1所示的軸承20，氣 缸12朝向軸14延伸以提供軸承表面。可選的口 32阻止圍繞在軸14周圍的氣體被壓縮， 且因此阻止活塞10離開氣缸12封閉端的運動。在其他實施方式(未顯示)中，口 32能被 忽略，并且圍繞在軸14周圍的氣體能作為氣體彈簧來輔助壓縮和排氣沖程。在所示的實施 方式中，軸14通過接頭36耦合到曲軸34。曲軸34，例如，能作用以控制活塞定時或者閥定 時，能作用來為進氣、壓縮，或者排氣沖程中的至少一個提供一些或者所有的驅動力，或者 能將動力沖程的至少一部分能量轉換成機械能(例如，以驅動齒輪)。圖3是活塞-氣缸組件的又一實施方式的示意圖。在所示實施方式中，活塞10缺 少如圖1和圖2所示的磁體16。軸14包括耦合到傳導斜齒輪42的螺旋螺紋40。外部磁 體44 (可以是永久磁體或者電磁體)在齒輪42上強加磁場。當齒輪42在動力沖程中響應 于軸14的運動而轉動時，使得在軸14和齒輪42外部之間產生電壓(即，齒輪和磁體形成 單級發電機)。轉換器46能使用這個電壓給電池、電容，或者其他如于此其他地方所公開 的能量管理系統充電。在進氣、壓縮，和排氣沖程中，轉換器46能在軸14和齒輪42的外部 之間施加電壓，從而感應電動勢以旋轉齒輪42且驅動活塞10。螺旋螺紋40能是等螺距的 (在這種情況下，齒輪42的角速度將與活塞10的線速度成比例)，或者能是變螺距的，因此 齒輪42的角速度和活塞10的線速度之間的關系將取決于活塞位置。本領域的技術人員將 認識到其他形式的直線-旋轉的轉變，且其他的旋轉電磁轉換器能被如圖3所示的螺旋螺 紋和同級轉換器所替換。例如，具有螺旋輪廓的非_圓形橫截面的氣缸能和在氣缸內移動 時旋轉的非_圓形的活塞一起使用，或者活塞能包括傾斜的葉片或者能導致它轉動的其他 結構，或者活塞能通過電磁力旋轉。所示的實施方式還包括為進氣閥22提供燃料_氧化劑混合物的汽化器48 (示意 性地示出)。除了如圖1和圖2所示的凸輪，進氣閥和排氣閥22和26被電子控制。在一些 實施方式中，閥的控制能與于此其他地方描述的能量管理系統相結合，并且通過能量管理 系統給閥提供動力。圖1-圖3全部示出了點燃燃料_氧化劑混合物(例如，燃料_空氣混合物)的火 花塞。其他點火源能被于此描述的任意實施方式所替代，例如其他電點火器、光點火器、熱 點火器、化學點火器、催化劑、自燃注射、粒子束，或等離子體注射。在其他實施方式中，能不 需要點火源，并且壓縮足以發起反應。另外，驅動動力沖程的化學反應不必包括燃料-氧化 劑反應，但可以是產生在動力沖程內驅動活塞10的膨脹氣體或者其他反應產物的任意反 應(例如，能量分解)。圖4示出活塞發動機的四-沖程循環。如圖所示，活塞在進氣沖程60內離開氣缸端部相對短的距離，在進氣沖程60中，至少一種反應物進入發動機。在一些實施方式中，一 種或者多種反應物處于或者臨近環境壓力，并且能通過氣缸內活塞運動產生的部分真空被 吸進氣缸，而在其他實施方式中，反應物能被注射或者以其他方式被引進活塞，例如，在壓 力下。反應物能以任意合適的形式提供，包括但不限于作為氣體或者液體。然后反應物通 過活塞在壓縮沖程62中朝向氣缸端部的運動而被壓縮。在壓縮的反應物中觸發化學反應， 使得在動力沖程64中驅動活塞。最終，活塞返回到它在排氣沖程66中的初始位置，使得一 些或者所有的任意反應產物排出氣缸。在圖4和于此的其他圖中，活塞運動示意地表示成具有突然速度變化的恒定-速 度部分。實際的活塞運動一般包括顯示了連續-變化的速度和限定的加速度的更為復雜的 速度曲線。于此描述的一些電磁的能量轉換系統的優點是能改變活塞和轉換器之間的耦 合，以優化循環中任意點上的速度或者加速度，例如，以限制轉換器的電流，以控制振動，或 者以限制發動機結構上的最大負荷。在所示的實施方式中，動力沖程64實質上長于進氣沖程60。長的動力沖程對許多 發動機更熱力有效，但是不能被典型地用于曲軸發動機中，至少部分因為它需要較長的曲 軸組件，而較長的曲軸組件的附加重量超過了長動力沖程的增加的效率。不同的沖程也能 機械實現，例如通過使用凸輪_滾軸或者其他機構以將活塞運動耦合到軸和飛輪，但是當 與曲軸發動機相比時，發現此類發動機是重且復雜的。在一些實施方式中，機電地從發動機 抽運能量可允許發動機不求助于笨重的機械系統而使用較長的動力沖程，或者具有不同于 進氣沖程長度的動力沖程。在沖程長度沒有通過與諸如曲軸的其他構件連接而被固定的實施方式中，能以可 變的壓縮比輕易地操縱于此所示的發動機。當進氣沖程60和壓縮沖程62被電磁驅動時， 能以任意實際地任何所需的壓縮比或者根據選擇合適沖程長度的活塞位移來開始反應。對 于每個活塞循環，可動力地控制壓縮比或者活塞位移，例如，基于諸如電流或者預測的發動 機負載、燃料類型、燃料濃度、燃料-氧化劑比、壓力，或者溫度的因素。通過引用而被全部 合并于此的專利號為 4，104，995,4, 112，826,4, 182，288,4, 270，495,4, 517，931,6, 779，495 和7，185，615的美國專利，描述了多種多樣的用于改變活塞位移或者壓縮比的機械裝置。 在每個活塞循環中，隨著時間的推移，通過電磁控制活塞位置使得能在一個更為簡單的系 統中實現相似的效果。另外，反應中的活塞運動能被持續地控制到一個不是對大部分曲軸發動機切實可 行的程度。例如，在一些實施方式中，需要保持活塞10相對于氣缸12實質靜止，直到反應 實質完成(等容反應)。動力沖程64于是被控制在能優化能量產生或者換句話說需要用 于特殊的發動機實施方式的配置中。例如，在一些實施方式中，動力沖程64可以是實質上 等溫的或者實質上絕熱的。另外，易于可行的是，通過驅動活塞10到達它在排氣沖程66中 的最大的程度來完全排盡氣缸12，或者通過驅動活塞10完成僅僅它的一部分范圍(例如， 當反應物在動力沖程64內沒有完全反應時，將一部分的排氣留在氣缸內，使得留給一部分 未反應的反應物在它們被排出之前的“第二機會”)而有意地將一些反應產物留在氣缸12 中。活塞循環的四個沖程中的每個的長度和定時能動態地和獨立地變化，以在變化的速度、 負載、反應物成分、溫度等的條件下優化發動機性能。圖5是被改進以和電磁轉換器一起使用的常規發動機的示意圖。在改進前，發動機包括塊70、四個分別具有相關的桿或軸74 (活塞頭72和軸74 —起形成活塞)的活塞頭 72、四個火花塞76，和曲軸78。(為了說明的簡單性，燃料進氣和排氣未在圖5中顯示。)為 了改進，曲軸78被移除，并且每個活塞軸74具有放置在軸底部并靠近與曲軸78的前連接 (formerconnection)的磁性元件80。在所示的實施方式中，用于每根活塞軸74的兩個耦 合的線圈82和84被放置在曲軸78的前軸(former axis)之上和曲軸78的前軸處。對于 每個活塞，線圈82和84 —起作為轉換器的至少一個組件以在進氣、壓縮，和排氣沖程中給 它們相關的活塞施加驅動力，并且在它們的動力沖程中將它們的相關活塞的機械能轉換成 電能，如結合圖4和于此其他地方所述。在一些實施方式中，轉換器能電耦合到開關電路， 開關電路操作來轉換線圈82和84用于發動機循環的不同部分中的操作，而在其他實施方 式中，每個轉換器能具有它自己的開關電路。在兩種情況中，來自于每個轉換器的能量能被 儲存在它自己的相關的能量管理系統(于此其他地方所描述的)中，或能被匯集在共同的 能量管理系統中。在一些實施方式中，代替兩個線圈82和84，單一線圈被提供給每個活塞 軸74。在一些實施方式中，保留了曲軸78，在這種情況下，盡管圖5所示的布置仍被使 用，但是優選磁場與能將活塞的機械能來回轉換成電能的轉換器線圈或者其他可變電感或 者可變磁阻電路的不同的布置。如果保留曲軸78，則它用來維持活塞的同步操作。如果去 除曲軸78，則活塞能被同步或異步地操作，并且活塞定時能通過操作轉換器來控制。在一些 實施方式中，能使用混合的系統，其中，電磁轉換器被安裝在唯一的子組活塞上。在此類實 施方式中，在一些情況下，能優選保持曲軸78與活塞同步，而在其他情況下，優選其他的機 械耦合系統。曲軸78，或者其中的一部分，能被保留以驅動輔助設備，例如，水泵、油泵、燃料 泵、風扇，或者壓縮機，或者此類輔助設備能從轉換器得到能量，例如，通過如此處其他地方 所描述的能量管理系統。圖6是無活塞發動機的示意圖。活塞110可滑動地設置在具有兩個端室114和116 的氣缸112內。在所示的實施方式中，每個端包括被分別配置成接收反應物和排出反應產 物的進氣閥118和排氣閥120。活塞110包括磁性元件122，磁性元件122可為電磁體、永 磁體，或者易帶磁性的材料，例如鐵芯。通過給轉換器線圈124、126和128(這些線圈一起 組成了轉換器130)施加電壓，可在各個方向上驅動活塞110。另外，轉換器130能被配置成 將活塞110的機械能轉換成電能。能量被儲存在，例如，電池、電容，或者其他能量管理系統 (未顯示)中。所示的實施方式包括火花塞132，但是可使用其他諸如此處其他地方描述的 那些點火源，或者不用點火源而利用反應物自發在端室114和116中反應來操作發動機。圖7示出了操作如圖6所示的使用六_沖程循環的無活塞發動機的方法。轉換器 130操作來驅動活塞110離開端室114，將反應物(例如，燃料-氧化劑混合物)吸進室114 中，作為室114的進氣沖程150。然后轉換器130操作來朝向端室114驅動活塞110，作為 壓縮沖程152，使得在室114中壓縮反應物。于是引發反應物之間的反應(例如，通過火花 塞)，使得驅動活塞離開室114。在動力沖程154中，活塞移到氣缸112的另一端，使得排除 在端室116中的任意反應產物。轉換器130在動力沖程154中從活塞抽運能量，并能儲存在 如此處其他地方所描述的能量管理系統中。然后，轉換器130驅動活塞110離開端室116， 將反應物吸進室116中，作為進氣沖程156。(在一些實施方式中，在進氣沖程150中被吸進 室116的反應物可能在成分、比例、溫度，或者其他特性上不同于那些被吸進室114的反應物，而在其他實施方式中，它們能實質上相似。)然后操作轉換器130以朝向端室116驅動 活塞110，作為壓縮沖程158，使得在室116中壓縮反應物。然后發起反應物之間的反應，使 得驅動活塞離開室116，作為動力沖程160。轉換器130在動力沖程160中將活塞110的機 械能轉換成電能。另外，在端室114中的剩余的任何反應產物通過動力沖程160排出。然 后六-沖程循環被重復。可看到，圖7所示的六-沖程循環可以看作兩個重疊的四-沖程循環，其中氣缸一 側的動力沖程與氣缸另一側的排氣沖程相重疊。如結合圖4以上所討論的，對發動機使用 相對長的動力沖程是熱力有利的。在圖7所示的實施方式中，動力沖程實質上比進氣沖程 或者壓縮沖程長，使得允許發動機在動力沖程中利用長氣缸的優勢，而在由轉換器130驅 動的沖程中不需要長的活塞移動。在其他實施方式中，所有沖程可以是相似的長度。圖8示出如圖6所示的無活塞發動機的可選發動機循環。如圖所示，隨著活塞110 移動離開室114，室114中的反應物發生反應，以驅動動力沖程170，并且轉換器130將動力 沖程170的機械能轉換成能被儲存在能量管理系統中的電能。然后，轉換器130在排氣沖 程172中朝向室114驅動活塞，使得將反應產物排出室114。在進氣/壓縮沖程174中，轉 換器130驅動活塞離開室114，這將反應物吸到室114中，并壓縮已經在室116中的反應物。 隨著活塞110移動離開室116 (在室114中壓縮反應物而不起反應)，室116中的反應物反 應以驅動動力沖程176，并且轉換器130將動力沖程176的機械能轉換成能被儲存在能量管 理系統中的電能。然后轉換器130在排氣沖程178中朝向室116驅動活塞110，使得將反應 產物排出室116 (并且分解在動力沖程176中偶然被壓縮的反應物)。最后，在壓縮/進氣 沖程180中，轉換器130朝向室114驅動活塞110，使得在室114中壓縮反應物，并且將反 應物吸到室116中。然后循環被重復。那些本領域的普通技術人員將意識到，圖8所示的 六_沖程循環可被看作兩個重疊的四_沖程循環，其中氣缸一側的進氣沖程與氣缸另一側 的壓縮沖程相重疊圖9示出無活塞發動機的另一發動機循環。所示發動機是實際不對稱的，其中室 190具有比室192窄的直徑，并且，活塞194在直徑上具有相應的臺階。結合圖7和圖8所 描述的循環中的任何一個可與實際上不對稱的發動機，例如圖9中所示的一個，一起使用， 或者圖9所示的循環可與實際上對稱的發動機，例如圖6中所示的一個，一起使用。如圖 所示，轉換器130朝向室192驅動活塞194，使得在進氣/排氣沖程200中將反應物吸到室 190中并將反應產物排出室192。然后轉換器130朝向室190驅動活塞194，使得在壓縮/ 進氣沖程202中在室190中壓縮反應物并將反應物吸到室192中。然后使室190中的壓縮 的反應物起反應，使得在動力/壓縮沖程204中驅動活塞194離開室190并且在室192中 壓縮反應物。最終，使室192中的壓縮的反應物起反應，使得在排氣/動力沖程206中驅動 活塞194離開室192并且將將反應產物排出室190。在沖程204和206中，轉換器130將活 塞194的機械能轉換成電能。對于兩個獨立的室190和192來說，這個不對稱的四-沖程 循環可被看作兩個偏移重疊的四-沖程循環。圖10示出了相對-活塞發動機和相應的發動機循環。在所描述的發動機中，兩個 相對的活塞250和252可滑動地設置在氣缸254中。活塞包括分別可操作地連接到相應的 轉換器線圈260和262的磁性元件256和258。轉換器線圈260和262可被電耦合來形成 共同的轉換器，或者它們可作為兩個獨立轉換器的部分被獨立地操作。在所示實施方式中，
20線圈260和262都形成共同轉換器的一部分(未顯示)。氣缸254包括進氣口 264和排氣 口 266。在所示的實施方式中，這些口 264和266是簡單的開口，當它們分別通過活塞250 和252的運動而被封閉時，它們能被關閉。在其他實施方式中，口 264和266可包括閥。使用中，在進氣沖程280中，轉換器線圈260首先將活塞250保持在實質上固定的 位置，伴隨進氣口 264打開，而轉換器線圈262被驅動以拉動活塞252離開活塞250，同時 保持排氣口 266封閉，因此，使得通過進氣口 264將反應物吸到氣缸254中的室268中。然 后，在壓縮沖程282中，轉換器線圈260和262被驅動以一起移動活塞250和252，使得封閉 兩個口 264和266，并且在室268中壓縮反應物。在動力沖程284中，反應觸發器270 (在所 示的實施方式中，火花塞)在壓縮反應物中觸發反應，使得驅動活塞250和252離開彼此。 轉換器線圈260和262分別地將活塞250和252的機械能轉換成電能，并且還控制活塞250 和252的位置，以便在活塞252移動以打開排氣口 266時活塞250繼續封閉進氣口 264。在 排氣沖程286中，當活塞250通過轉換器線圈260移向活塞252時，活塞252于是通過轉換 器線圈262被保持實質上靜止，因此使得通過排氣口 266將反應產物排出室268。最后，在 復位沖程288中，兩個活塞250和252被一起移動以封閉排氣口 266并打開進氣口 264。然 后循環被重復。圖11是另一個相對_活塞的發動機和可選的發動機循環的示意圖。在所示實施 方式中，兩個相對的活塞300和302可滑動地設置在氣缸304中。活塞300包括被可操作 地連接到轉換器線圈308的磁性元件306。活塞302通過接頭312被機械耦合到曲軸310。 氣缸包括分別被耦合到閥318和320的兩個口 314和316。閥318和320各自具有兩個位 置，使得允許口 314和316在它們相應的閥318和320將它們連接到反應物源322時起到 進氣口的作用，或在它們相應的閥318和320將它們連接到排氣路徑324時起到排氣口的 作用。反應室326被限定在活塞300和活塞302之間。在所示的發動機循環中，閥318和320被首先設置，以便口 314被連接到反應物源 322，并且口 316被連接到排氣路徑324。發動機首先的四沖程相當于如圖10所示的沖程 280、282、284和286，而下一個四沖程相當于沖程280、282、284和286的鏡像。在進氣沖程 350中，活塞300通過轉換器線圈308被實質上適當地保持在使口 314處于打開的位置，而 曲軸310拉動活塞302離開活塞300，使得通過口 314將反應物吸到室326中，同時繼續封 閉口 316。在壓縮沖程352中，活塞300和302于是分別通過轉換器線圈308和曲軸310被 一起移動，使得壓縮反應物并且封閉口 314和316。引發反應物之間的反應，例如，通過釋 放火花塞328。在動力沖程354中，反應驅動活塞300和302彼此分開，使得將機械能從活 塞302轉移到曲軸310，并且使得允許轉換器線圈308將活塞300的機械能轉換成電能。當 活塞302移動足夠遠以打開口 316時，不允許活塞300打開口 314。在排氣沖程356中，轉 換器線圈308于是朝向活塞302驅動活塞300，使得允許通過口 316排出反應產物，而活塞 302保持在實質上固定的位置。在排氣沖程356之后，閥318和320被復位，以便將口 314連接到排氣路徑324，并 且將口 316連接到反應物源322。在進氣沖程358中，當活塞302保持在使口 316處于打開 的位置上時，活塞300通過轉換器線圈308被拉回，以通過口 316將反應物吸進室326中。 對于壓縮沖程360來說，兩個活塞300和302于是分別通過轉換器線圈308和曲軸310被朝 向彼此移動，使得封閉兩個口 314和316，并且在室326中壓縮反應物。在動力沖程362中，觸發反應物之間的反應，使得將活塞300和302移開，將機械能從活塞302轉移到曲軸310， 并且允許轉換器線圈308將活塞300的機械能轉換成電能。當活塞300移動足夠遠以打開 口 314時，不允許活塞302打開口 316。在排氣沖程364中，曲軸310于是朝向活塞300驅 動活塞302，使得允許通過口 314排出反應產物，而活塞300保持在實質上固定的位置。在 排氣沖程364之后，閥318和320被復位，以便將口 314連接到反應物源322，并且將口 316 連接到排氣路徑324，并且循環被重復。在于此描述的包括曲軸的一些實施方式中，附屬的活塞能以比常規的固定長度的 沖程來說更為復雜的模式來運動。此類運動一般能通過諸如偏心曲軸、能逆轉反向或者改 變速度的曲軸或者能改變它們相對位置的介于活塞和曲軸之間的活性連接(例如，通過使 用活性材料元件)來實現。可選地，曲軸能被可選的機械耦合設備諸如凸輪-導軌或者旋 轉斜盤機構所替換，其中的一些能在一個或者多個活塞上產生任意復雜的運動模式。圖中所描述的實施方式包括通過實質上固定的線圈的磁體、在實質上固定的線圈 外移動的磁體，和通過實質上固定的磁場移動的導體。應該理解到，這些配置中的每個能與 諸如那些在圖中所描述的或者在正文中所描述的其他活塞-氣缸裝置一起使用。另外，那 些本領域的普通技術人員能意識到，導體、磁性材料，和磁場的布置能用于在發動機中將機 械能來回轉換成電能。例如，類型I的超導材料發射磁場(邁斯納效應)，以便移動的類型 I的超導體能改變磁路中的磁通，使得在轉換器線圈中感應電流。當類型II的超導材料設 置有附加的單一特性時，例如，起被動-穩定的磁力軸承的作用，類型II的超導材料捕捉磁 場，并因此被使用來代替轉換器中的永磁體或者電磁體。一般，能通過任意可變磁阻或者可 變電感磁路將能量轉到和轉出活塞。在一些實施方式中，發動機包括永久磁體或者電磁體。在任一情況下，發動機能包 括熱保護層、絕緣，或起到將選定的發動機構件的溫度保持在期望范圍內的作用的其他熱 控制裝置(例如，冷卻系統)。尤其是，熱控制系統能作用以將磁性材料保持在它的居里溫 度以下。附圖描述了在氣缸中的幾種不同的單一或者雙活塞的配置。在一些實施方式中， 發動機能包括相同類型或者不同類型的多個氣缸。不同氣缸內的活塞能獨立地操作，或者 能可操作地耦合(例如，如通過連接到共同的曲軸的機械耦合)。尤其是，發動機包括響應 于確定的實際的或者預定的操作條件(例如，發動機或者由發動機提供動力的交通工具的 斜度、溫度、電流消耗、速度、加速度、制動、諸如總交通工具重量的負載、燃料成分、發動機 排放、電源，諸如排放限制的本地條例，或者發動機設置)來選擇是否操作活塞，以及操作 哪個活塞的控制電子設備。例如，當能量汲取相對重時，控制電子設備能更頻繁地運行活塞 或者運行更多的氣缸。當能量汲取相對輕時，控制電子設備能運行較少的活塞，包括根本不 運行活塞。在活塞以保持它們相對相位的配置(例如，通過連接到共同的曲軸)而未相互 耦合的實施方式中，它們能被同步地或者異步地操作。如于此結合活塞定時所使用的，術 語“異步”意思是氣缸利用具有從氣缸到氣缸不同的持續時間或者速度曲線的至少一個沖 程來操作，以致于在實質上同步的活塞循環之間不能保持恒定的相位關系。異步活塞操作 的實施例包括在不同的循環頻率下操作兩個活塞，或者操作一個活塞而使另一個實質上靜 止。
在所示實施方式的每個中，轉換器(其可包括線圈或者別的可變磁阻或者可變電 感磁路)被連接到能量管理系統。能量管理系統起能量源或者接收器(sink)的作用，使得 在動力沖程中從活塞抽運能量并且在其他沖程中將能量歸還給活塞。能接收可變長度或 者幅值的能量輸入并能轉換它們以提供實質上恒定的電壓的能量轉換系統被描述，例如在 專利號為4，399，499的美國專利中，該專利通過引用被合并于此。此轉換系統能被用到支 配來自于發動機的能量輸入以使它更有用地用于其他目的，例如用于驅動交通工具。能量 管理系統還能接收來自于其他源的能量輸入，例如，來自于再生制動系統。能量管理系統能 在諸如電池或者電容(包括超級電容(supercapacitor)、超電容(ultracapacitor)，或者 高級電容(hypercapacitor))的能量儲存設備中儲存能量。通過引用合并于此的專利號 6，590，360的美國專利描述了設計成在電池和可用于此目的的電動機/發電機之間的兩個 方向上轉移能量的開關電路。在一些實施方式中，能量管理系統也可以是諸如水泵、油泵、 燃料泵、風扇，或者壓縮機的能量輔助設備。本領域的那些技術人員應該理解到，一般，此處使用的術語，并且特別是在附加的 權利要求中使用的術語一般意指成“開放的”術語(例如，術語“包括”應該解釋成“包括但 是不限于，”，術語“具有”應該解釋成“具有至少，”，術語“包括”應該解釋成“包括但不局限 于，”等等)。本領域的那些技術人員還應該理解到，如果意圖引出權利要求詳述的指定數 字，此意圖將在權利要求中詳細地敘述，而缺乏此詳述就不能呈現此意圖。例如，作為理解 的輔助，以下附加的權利要求包括諸如“至少一個”或者“一個或多個”的引導性用語的使用 以引導權利要求敘述。但是，此類用語的使用不應該被解釋以暗示成由非限定冠詞“一個” 引導的權利要求敘述將包括此類引導權利要求敘述的任意特定的權利要求限制到只包括 一個此類敘述的發明，甚至當同樣的權利要求包括引導性用語“一個或多個”或者“至少一 個”和諸如“一個”的非限定冠詞(例如，“氣缸”應該典型地解釋成意味“至少一個氣缸”)； 對于用于引導權利要求的限定性冠詞，同樣適用。另外，即使引導權利要求敘述的指定數字 被詳細地敘述，本領域的那些技術人員將意識到此類敘述應該典型地被解釋成意味至少列 舉出的數字(例如，沒有其他修飾的裸敘述“兩個氣缸，，，或者“多個氣缸，”，典型地意味至 少兩個氣缸)。另外，在使用諸如“至少一個A、B和C，” “至少一個A、B、或者C，”或者“從 包含A、B和C的組中選擇一個[項]”的用語的那些實例中，在本領域的技術人員能理解這 個慣例(例如，這些用語的任何一個包括但不限于具有僅A，僅B，僅C，A和B —起，A和C 一起，B和C 一起，和/或A，B和C 一起)的意義上，一般希望此類結構。本領域的那些技 術人員還應該理解到，實際上任何分離的詞匯和/或代表兩個或者多個可選術語的用語， 不管在描述中，權利要求，或者圖中，應該理解要考慮包括術語的一個，術語中的任意一個， 或者兩個術語的可能性。例如，用語“A或B”能理解包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。當各種方面和實施方式被公開于此時，對于本領域技術人員來說其他方面和實施 方式是明顯的。此處公開的各種方面和實施方式只用于示意的目的并不意指限制，屬于由 所附權利要求所示的真實范圍和精神。
權利要求
一種內燃發動機，包括第一活塞，其可滑動地設置在第一氣缸內，所述第一氣缸具有封閉端；第一口，其配置成允許反應物通入所述第一氣缸；以及第一轉換器，其可與所述第一活塞操作來在活塞循環中將所述第一活塞的機械能來回轉換成電能。
2.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一轉換器被配置成在動力沖程中將所述 第一活塞的機械能轉換成電能，并且進一步被配置成在從由排氣沖程、進氣沖程，和壓縮沖 程組成的組中選定的至少一個沖程中驅動所述第一活塞。
3.如權利要求2所述的發動機，其中，所述第一轉換器被配置成在排氣沖程、進氣沖 程，和壓縮沖程中驅動所述第一活塞。
4.如權利要求1所述的發動機，還包括熱控制器，所述熱控制器作用以限制所述發動 機的至少一部分的熱偏移。
5.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一活塞包括配置成通過可變磁阻磁路與 磁場相作用的電樞。
6.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一活塞包括配置成通過可變電感磁路與 磁場相作用的電樞。
7.如權利要求1所述的發動機，還包括反應觸發器，所述反應觸發器被配置成在配置 在所述第一活塞和所述第一氣缸的所述封閉端之間的反應物中引發化學反應。
8.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一口包括至少一個閥。
9.如權利要求8所述的發動機，還包括凸輪軸，所述凸輪軸被配置成通過所述凸輪軸 的旋轉來打開或者關閉所述至少一個閥。
10.如權利要求8所述的發動機，其中，所述閥是電磁驅動的。
11.如權利要求1所述的發動機，還包括配置成允許反應產物從所述第一氣缸排出的 第二口。
12.如權利要求11所述的發動機，其中，所述第一口包括進氣閥，且其中，所述第二口 包括排氣閥。
13.如權利要求12所述的發動機，其中，所述進氣閥和所述排氣閥各自被配置成在活 塞循環中在選定的時間打開和關閉。
14.如權利要求13所述的發動機，其中，所述進氣閥和所述排氣閥機械耦合到所述第 一活塞以控制閥定時。
15.如權利要求13所述的發動機，其中，所述進氣閥和所述排氣閥電耦合到所述第一 活塞以控制閥定時。
16.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一口被配置成允許反應產物排出所述第一氣缸。
17.如權利要求16所述的發動機，還包括配置成將所述第一口從與進氣路徑的連接轉 換到與排氣路徑的連接的閥。
18.如權利要求1所述的發動機，還包括配置成將反應混合物運送到所述第一口的汽ο
19.如權利要求1所述的發動機，還包括配置成通過所述第一口將反應物運送到所述第一氣缸的注射器。
20.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一口被配置成允許燃料通入所述第一氣缸。
21.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一口被配置成允許氧化劑通入所述第一 氣缸。
22.如權利要求1所述的發動機，還包括配置成允許反應物通入所述第一氣缸的第二 口，其中，所述第一口被配置成接納第一反應物，并且所述第二口被配置成接納第二反應 物。
23.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一活塞被連接到曲軸。
24.如權利要求1所述的發動機，還包括可滑動地設置在第二氣缸內的第二活塞。
25.如權利要求24所述的發動機，其中，所述第一活塞和所述第二活塞被配置成異步往復運動。
26.如權利要求24所述的發動機，其中，所述第一活塞和所述第二活塞被耦合到同一rfft JElTJ閲W ο
27.如權利要求24所述的發動機，其中，所述第一活塞被耦合到第一曲軸，并且所述第 二活塞被耦合到第二曲軸。
28.如權利要求24所述的發動機，其中，所述發動機被配置成在第一模式下和第二模 式下運行，在第一模式下，化學反應只驅動所述第一活塞，并且在第二模式下，化學反應驅 動所述第一活塞和所述第二活塞。
29.如權利要求1所述的發動機，其中，所述發動機被配置成響應于實際的或預測的操 作條件來確定活塞沖程的速度曲線。
30.如權利要求1所述的發動機，其中，所述發動機被配置成響應于實際的或預測的操 作條件來確定活塞沖程的長度。
31.如權利要求1所述的發動機，其中，所述發動機被配置成響應于實際的或預測的操 作條件來確定壓縮比。
32.如權利要求1所述的發動機，還包括電耦合到所述第一轉換器的能量管理系統。
33.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一活塞被耦合到將活塞行程轉換成旋轉 運動的機構。
34.如權利要求1所述的發動機，其中，所述第一活塞可操作地連接到配置成響應于作 用力以產生電能的活性材料元件。
35.一種操作內燃發動機的方法，所述內燃發動機包括可滑動地設置在第一氣缸內的 第一活塞和可與所述第一活塞操作來將所述第一活塞的機械能來回轉換成電能的第一轉 換器，所述方法包括將反應物引進所述第一氣缸的封閉端；施加電能給所述第一轉換器，以在所述第一氣缸內將所述第一活塞滑向所述封閉端； 觸發引進反應物的化學反應，從而將化學勢能轉換成所述第一活塞的機械能；以及 通過所述第一轉換器將所述第一活塞的機械能轉換成電能。
36.一種內燃發動機，包括第一氣缸，其具有第一封閉端和第二封閉端；第一活塞，其可滑動地設置在所述第一氣缸內； 第一口，其設置成接近所述第一氣缸的所述第一封閉端； 第二口，其設置成接近所述氣缸的所述第二封閉端；以及第一轉換器，其可與所述第一活塞操作來將所述第一活塞的機械能來回轉換成電能。
37.如權利要求36所述的發動機，其中，所述第一轉換器被配置成在動力沖程中將所 述第一活塞的機械能轉換成電能，并且進一步被配置成在從由排氣沖程、進氣沖程，和壓縮 沖程組成的組中選定的至少一個沖程中驅動所述第一活塞。
38.如權利要求36所述的發動機，其中，所述第一轉換器被配置成在以下過程中驅動 所述第一活塞第一進氣沖程，在其中，所述第一活塞移動離開所述第一氣缸的所述第一封閉端，并且 第一反應物被引進所述第一氣缸的所述第一封閉端；第二進氣沖程，在其中，所述第一活塞移動離開所述第一氣缸的所述第二封閉端，并且 第二反應物被引進所述第一氣缸的所述第二封閉端；第一壓縮沖程，在其中，所述第一反應物在所述第一氣缸的所述第一封閉端內被壓縮；以及第二壓縮沖程，在其中，第二反應物在所述第一氣缸的所述第二封閉端內被壓縮， 且其中，所述第一轉換器被配置成在以下過程中將所述第一活塞的機械能轉換成電能第一動力/排氣沖程，在其中，所述第一活塞響應于所述第一氣缸的所述第一封閉端 內的化學反應而移動離開所述第一氣缸的所述第一封閉端，因而至少部分地將所述第一氣 缸的所述第二封閉端內的反應產物排出；以及第二動力/排氣沖程，在其中，所述第一活塞響應于所述第一氣缸的所述第二封閉端 內的化學反應而移動離開所述第一氣缸的所述第二封閉端，因而至少部分地將所述第一氣 缸的所述第一封閉端內的反應產物排出。
39.如權利要求36所述的發動機，其中，所述第一轉換器被配置成在以下過程中驅動 所述第一活塞第一進氣/壓縮沖程，在其中，所述第一活塞移動離開所述第一氣缸的所述第一封閉 端，將第一反應物引進所述第一氣缸的所述第一封閉端，并且在所述第一氣缸的所述第二 封閉端壓縮第二反應物；以及第二進氣/壓縮沖程，在其中，所述第一活塞移動離開所述第一氣缸的所述第二封閉 端，將第二反應物引進所述第一氣缸的所述第二封閉端，并且在所述第一氣缸的所述第一 封閉端壓縮第一反應物；第一排氣沖程，在其中，所述第一活塞移向所述第一氣缸的所述第一封閉端，從而至少 部分地將反應產物從所述第一氣缸的所述第一封閉端排出；第二排氣沖程，在其中，所述第一活塞移向所述第一氣缸的所述第二封閉端，從而至少 部分地將反應產物從所述第一氣缸的所述第二封閉端排出；且其中，所述第一轉換器被配置成在以下過程中將所述第一活塞的機械能轉換成電能第一動力沖程，在其中，所述第一活塞響應于所述第一氣缸的所述第一封閉端內的化學反應而移動離開所述第一氣缸的所述第一封閉端；以及第二動力沖程，在其中，所述第一活塞響應于所述第一氣缸的所述第二封閉端內的化 學反應而移動離開所述第一氣缸的所述第二封閉端。
40.如權利要求36所述的發動機，還包括可滑動地設置在第二氣缸中的第二活塞。
41.如權利要求40所述的發動機，其中，所述發動機被配置成在第一模式下和第二模 式下運行，在第一模式下，化學反應只驅動所述第一活塞，并且在第二模式下，化學反應驅 動所述第一活塞和所述第二活塞。
42.一種操作內燃發動機的方法，所述內燃發動機包括第一活塞，其可滑動地設置在具有第一封閉端和第二封閉端的第一氣缸中；以及第一轉換器，其可與所述第一活塞操作來將所述第一活塞的機械能來回轉換成電能，所述方法包括a)將第一數量的反應物引進所述第一氣缸的所述第一封閉端；b)施加電能給所述第一轉換器，以在所述第一氣缸內將所述第一活塞滑向所述第一封 閉端；c)使引進的所述第一數量的反應物起反應，從而引發所述第一活塞朝向所述第二封閉 端的運動；d)當所述第一活塞移向所述第二封閉端時，通過所述轉換器將所述第一活塞的機械能 轉換成電能；e)將第二數量的反應物引進所述第一氣缸的所述第二封閉端；f)施加電能給所述第一轉換器，以在所述第一氣缸內將所述第一活塞滑向所述第二封 閉端；g)使引進的所述第二數量的反應物起反應，從而引發所述第一活塞朝向所述第一封閉 端的運動；以及h)當所述第一活塞移向所述第一封閉端時，通過所述第一轉換器將所述第一活塞的機 械能轉換成電能。
43.如權利要求42所述的方法，還包括在步驟b)之前，施加電能給所述轉換器，以將所述第一活塞移向所述第二封閉端；或在步驟d)之后且在步驟f)之前，施加電能給所述轉換器，以將所述第一活塞移向所述 第一封閉端。
44.如權利要求42所述的方法，其中，所述第一活塞在步驟c)中比在步驟b)中移動較 長的距離。
45.如權利要求42所述的方法，其中，所述第一活塞在步驟g)中比在步驟f)中移動較 長的距離。
46.一種內燃發動機，包括第一氣缸，其具有可滑動地設置于其中的第一活塞和第二活塞；第一 口，其配置成允許反應物在所述第一活塞和所述第二活塞之間通入所述第一氣缸 內；以及第一轉換器，其可與所述第一活塞操作來將所述第一活塞的機械能轉換成電能。
47.如權利要求46所述的發動機，還包括可與所述第二活塞操作來將所述第二活塞的機械能轉換成電能的第二轉換器。
48.如權利要求46所述的發動機，其中，所述第一轉換器可與所述第二活塞操作來將 所述第二活塞的機械能轉換成電能。
49.如權利要求46所述的發動機，還包括配置成將反應產物排出所述氣缸的第二口。
50.如權利要求49所述的發動機，其中，所述第一口和所述第二 口是無閥的。
51.如權利要求46所述的發動機，其中，所述第一轉換器被配置成在動力沖程內將所 述第一活塞的機械能轉換成電能，并且還被配置成在從由排氣沖程、進氣沖程，和壓縮沖程 組成的組中選定的至少一個沖程中驅動所述第一活塞。
52.如權利要求46所述的發動機，其中，所述第一轉換器被配置成在動力沖程中將所 述第一活塞的機械能轉換成電能，且其中，第一轉換器被配置成在進氣沖程、壓縮沖程，和 排氣沖程中控制所述第一活塞的位置。
53.如權利要求46所述的發動機，還包括可滑動地設置在第二氣缸中的第三活塞。
54.一種操作內燃發動機的方法，所述內燃發動機包括可滑動地設置在第一氣缸中的 第一活塞和第二活塞，以及可與所述第一活塞操作來將所述第一活塞的機械能來回轉換成 電能的第一轉換器，所述方法包括在所述第一活塞和所述第二活塞之間，將反應物引進所述第一氣缸中；施加電能給所述第一轉換器，以在所述第一氣缸內將所述第一活塞滑向所述第二活塞；使所述反應物起反應，從而將化學勢能轉換成所述第一活塞和所述第二活塞的機械 能；以及通過所述第一轉換器將所述第一活塞的機械能轉換成電能。
55.如權利要求54所述的方法，還包括將反應產物排出所述第一氣缸。
56.如權利要求55所述的方法，其中，將反應產物排出的步驟包括使所述第一活塞和 所述第二活塞朝向彼此相對地移動。
57.如權利要求54所述的方法，其中，將反應物引進所述第一氣缸中的步驟包括使所 述第一活塞和所述第二活塞相對地移動離開彼此。
58.一種改進用于發電的內燃發動機的方法，所述內燃發動機具有連接到同一曲軸的 多個活塞，所述方法包括將能量轉換器應用到活塞，其中，所述能量轉換器可操作來將所述活塞的機械能來回 轉換成電能。
全文摘要
一種發動機包括可滑動地設置在具有封閉端的氣缸中的活塞和可與活塞操作來在活塞循環中將第一活塞的機械能來回轉換到電能的轉換器。
文檔編號F01B7/00GK101883912SQ200880118954
公開日2010年11月10日 申請日期2008年10月3日 優先權日2007年10月4日
發明者喬丁·T·卡勒, 克拉倫斯·T·特格林, 內森·P·米佛德, 威廉·蓋茨三世, 小洛厄爾·L·伍德, 托馬斯·A·韋弗, 查爾斯·惠特默, 穆里爾·Y·伊什克瓦, 維多利亞·Y·H·伍德, 羅德里克·A·海德 申請人:希爾萊特有限責任公司