自由活塞燃烧发动机中的能量储存和转换

摘要

本公开的各个实施例涉及自由活塞燃烧发动机。如在此所述的那样，驱动段可以设置在自由活塞燃烧发动机中，用于在膨胀冲程期间储存能量。驱动段可以构造成储存足够的能量以执行后续冲程。在一些实施例中，驱动段可以构造成储存足够的能量，以便使得发动机在没有电能输入的情况下能够贯穿多个发动机循环连续地操作。线性电磁机可以设置在自由活塞燃烧发动机中，用于将活塞组件的动能转换成电能。

权利要求

1.一种自由活塞燃烧发动机系统，包括：

气缸，所述气缸包括燃烧段；

与所述燃烧段接触的至少一个自由活塞组件；

与所述至少一个自由活塞组件接触的至少一个驱动段，其中，所述至少一个驱动段构造成在活塞循环的膨胀冲程期间储存来自所述至少一个自由活塞组件的能量；

至少一个线性电磁机，所述至少一个线性电磁机用于在所述至少一个自由活塞组件的动能与电能之间进行直接转换；和处理电路，为了避免在所述活塞循环的后续冲程期间净电能输入，所述处理电路致使所述至少一个驱动段在所述膨胀冲程期间储存来自所述至少一个自由活塞组件的至少足够量的能量，以执行所述活塞循环的所述后续冲程。

2.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述膨胀冲程是做功冲程和进气冲程之一。

3.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述后续冲程是压缩冲程和排气冲程之一。

4.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述线性电磁机构造成在所述活塞循环的所述后续冲程期间将储存在所述驱动段中的能量中的至少一些转换成电能。

5.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，在所述活塞循环的所述后续冲程期间，所述线性电磁机构造成大致将在所述膨胀冲程期间储存在所述驱动段中的能量的量与所述足够量的能量之差转换成电能。

6.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述线性电磁机构造成在所述膨胀冲程期间将与在所述后续冲程期间大致相同量的动能转换成电能。

7.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述处理电路构造成控制由所述线性电磁机进行的所述至少一个自由活塞组件的动能与电能之间的转换，以便实现最大化发动机效率和最大化发动机功率输出中的至少一者。

8.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述处理电路构造成在所述膨胀冲程期间控制由所述线性电磁机进行的所述至少一个自由活塞组件的动能与电能之间的转换，使得在所述后续冲程期间由所述线性电磁机将所期望的量的能量转换成电能。

9.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述处理电路构造成在所述膨胀冲程和所述后续冲程期间控制由所述线性电磁机进行的所述至少一个自由活塞组件的动能与电能之间的转换，使得在所述膨胀冲程期间与在所述后续冲程期间转换成电能的能量的量大致相同。

10.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述至少一个驱动段包括：

气体弹簧；和

被动进气口和可控进气口中的至少一者。

11.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述至少一个驱动段包括具有可控几何结构的气体弹簧。

12.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述处理电路构造成控制所述至少一个驱动段，以便最大化发动机效率和发动机功率中的至少一者。

13.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述处理电路构造成基于下列至少之一控制所述自由活塞组件、所述至少一个驱动段和所述线性电磁机中的至少一者：所述自由活塞组件的位置、所述自由活塞组件的速度、所述自由活塞组件的加速度、所述自由活塞组件的温度、所述燃烧段的压力、所述燃烧段的温度、所述燃烧段的势能、所述燃烧段中的化学能、所述燃烧段的指示功、所述燃烧段的指示效率、所述燃烧段的燃料流率、所述燃烧段的空气流率、所述驱动段中的压力、所述驱动段的势能、所述驱动段中气体的温度、所述驱动段的指示功、所述驱动段的指示效率、所述驱动段的补充空气流率、所述线性电磁机的温度、电输出、电效率、发动机效率、发动机功率、先前循环性能、环境温度、环境压力、排放特性和它们的任何组合。

14.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述处理电路构造成通过控制与所述驱动段相关联的力、压力和体积中的至少一者致使所述驱动段在所述膨胀冲程期间储存来自所述至少一个自由活塞组件的能量。

15.根据权利要求1所述的自由活塞燃烧发动机系统，其中，所述膨胀冲程是做功冲程和进气冲程之一，并且其中，所述后续冲程是压缩冲程和排气冲程之一。

16.一种控制自由活塞燃烧发动机的方法，所述自由活塞燃烧发动机包括与相应至少一个驱动段接触的至少一个自由活塞组件和至少一个线性电磁机，所述至少一个线性电磁机用于在所述至少一个自由活塞组件的动能与电能之间进行直接转换，所述方法包括：接收所述自由活塞燃烧发动机的至少一种操作特性；

使用处理电路处理所述至少一种操作特性，以致使所述驱动段在活塞循环的膨胀冲程期间储存来自所述至少一个自由活塞组件的至少足够量的能量，以执行所述活塞循环的后续冲程；和使用所述处理电路致使在没有净电能输入到所述自由活塞燃烧发动机的情况下执行所述活塞循环的所述后续冲程。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一种操作特性选自下列构成的组：所述自由活塞组件的位置、所述自由活塞组件的速度、所述自由活塞组件的加速度、所述自由活塞组件的温度、所述燃烧段的压力、所述燃烧段的温度、所述燃烧段的势能、所述燃烧段中的化学能、所述燃烧段的指示功、所述燃烧段的指示效率、所述燃烧段的燃料流率、所述燃烧段的空气流率、所述驱动段中的压力、所述驱动段的势能、所述驱动段中气体的温度、所述驱动段的指示功、所述驱动段的指示效率、所述驱动段的补充空气流率、所述线性电磁机的温度、电输出、电效率、发动机效率、发动机功率、先前循环性能、环境温度、环境压力和排放特性。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括：使用所述处理电路致使所述线性电磁机在所述后续冲程期间将所述自由活塞组件的能量中的至少一些转换成电能。

19.一种用于控制自由活塞燃烧发动机的系统，所述自由活塞燃烧发动机包括与相应至少一个驱动段接触的至少一个自由活塞组件和至少一个线性电磁机，所述至少一个线性电磁机用于将所述至少一个自由活塞组件的动能直接转换成电能，所述系统包括：至少一个传感器，所述至少一个传感器联接到所述自由活塞燃烧发动机，用于测量所述自由活塞燃烧发动机的相应至少一种操作特性以及用于输出相应至少一个传感器信号；

至少一个控制机构，用于基于相应至少一个控制信号调节所述自由活塞燃烧发动机的相应至少一种操作特性；和处理电路，所述处理电路把所述至少一个传感器信号作为输入并且输出所述至少一个控制信号，所述处理电路构造成：处理所述至少一个传感器信号，以使用所述控制机构致使所述至少一个驱动段在活塞循环的膨胀冲程期间储存来自所述至少一个自由活塞组件的至少足够量的能量，以在所述活塞循环的后续冲程中没有净电能输入的情况下执行所述活塞循环的所述后续冲程。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述至少一个传感器选自下列构成的组：位置传感器、速度传感器、加速度计、温度传感器、压力传感器、流率传感器、电流传感器、电压传感器、电阻传感器、阻抗传感器、振动传感器、运动传感器、力传感器和排放传感器。

21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述处理电路还构造成使用所述控制机构致使所述线性电磁机在所述后续冲程期间将所述自由活塞组件的能量中的至少一些转换成电能。

说明书

自由活塞燃烧发动机中的能量储存和转换

技术领域

[0001] 本公开涉及一种自由活塞燃烧发动机，更特别地，本公开涉及自由活塞燃烧发动机中的能量储存和转换。

发明内容

[0002] 在一些实施例中，提供了一种自由活塞燃烧发动机系统，其包括：气缸，所述气缸包括燃烧段；至少一个自由活塞组件，所述自由活塞组件与燃烧段接触；至少一个驱动段，所述至少一个驱动段与所述至少一个自由活塞组件接触；至少一个线性电磁机，其用于在所述至少一个自由活塞组件的动能和电能之间进行直接转换；和处理电路，为了避免在活塞循环的后续冲程中净电能输入，所述处理电路致使所述至少一个驱动段在膨胀冲程期间从所述至少一个自由活塞组件储存至少足够量的能量，以执行活塞循环的后续冲程。

[0003] 在一些实施例中，提供了一种自由活塞燃烧发动机系统，其包括：气缸，所述气缸包括燃烧段；至少一个自由活塞组件，其与燃烧段接触；至少一个驱动段，其与所述至少一个自由活塞组件接触，其中，所述至少一个驱动段构造成在活塞循环的膨胀冲程期间从所述至少一个自由活塞组件储存能量；至少一个线性电磁机，用于在所述至少一个自由活塞组件的动能和电能之间进行直接转换；和处理电路，所述处理电路需要致使所述至少一个驱动段在膨胀冲程期间从所述至少一个自由活塞组件储存至少足够量的能量，以在活塞循环的后续冲程中没有净电能输入的情况下执行活塞循环的后续冲程。

[0004] 在一些实施例中，提供了一种用于控制自由活塞燃烧发动机的系统，所述自由活塞燃烧发动机包括：至少一个自由活塞组件，其与相应至少一个驱动段接触；和至少一个线性电磁机，其用于将所述至少一个自由活塞组件的动能直接转换成电能，所述系统包括：至少一个传感器，所述至少一个传感器联接到自由活塞燃烧发动机，用于测量发动机的相应至少一个操作特性以及用于输出相应至少一个传感器信号；至少一个控制机构，用于基于相应至少一个控制信号调节自由活塞燃烧发动机的相应至少一个操作特性；和处理电路，所述处理电路把至少一个传感器信号作为输入并且输出所述至少一个控制信号，所述处理电路构造成：处理所述至少一个传感器信号，以便使用控制机构致使所述至少一个驱动段在膨胀冲程期间从所述至少一个自由活塞组件储存足够量的能量，以在活塞循环的后续冲程中没有净输入电能的情况下执行活塞循环的后续冲程。

[0005] 在一些实施例中，提供了一种控制自由活塞燃烧发动机的方法，所述自由活塞燃烧发动机包括：至少一个自由活塞组件，其与相应至少一个驱动段接触；和至少一个线性电磁机，其用于将所述至少一个自由活塞组件的动能直接转换成电能，所述方法包括：接收自由活塞燃烧发动机的至少一个操作特性；使用处理电路处理所述至少一个操作特性，以便致使所述驱动段在活塞循环的膨胀冲程期间从所述至少一个自由活塞组件储存至少足够量的能量，以执行活塞循环的后续冲程；和使用处理电路致使在没有净电能输入到发动机的情况下执行活塞循环的后续冲程。

[0006] 结合附图，从以下详细描述其它特征和方面将变得显而易见，所述附图以示例的方式示出了根据各个实施例的特征。该发明内容并不旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由附属权利要求限定。

附图说明

[0007] 参照下面的图详细描述了根据一个或者多个不同实施例的本公开。附图的提供仅为了说明性目的，附图仅仅描绘了典型或者示例性实施例。这些附图的提供有助于理解在此公开的构思并且不应视为限制这些构思的广度、范围或者适用性。应当注意的是，为了清楚和易于说明，这些附图不必要按照比例绘制。

[0008] 图1是说明性自由活塞燃烧发动机构造的简图；

[0009] 图2是示出了根据本公开的一些实施例的双活塞、单燃烧段、集成气体弹簧和分离的线性电磁机发动机的横截面图；

[0010] 图3是示出了根据本公开的一些实施例的图2的双活塞、集成气体弹簧发动机的双冲程活塞循环的简图；

[0011] 图4是示出了根据本公开的一些实施例的替换的双活塞、分离的气体弹簧和分离的线性电磁机发动机的横截面图；

[0012] 图5是示出了根据本公开的一些实施例的单活塞、集成内部气体弹簧发动机的横截面图；

[0013] 图6是示出了根据本公开的一些实施例的气体弹簧杆的实施例的横截面图；

[0014] 图7是示出了根据本公开的一些实施例的双活塞、集成内部气体弹簧发动机的横截面图；

[0015] 图8是示出了根据本公开的一些实施例的具有进气口的气体弹簧的横截面图，所述进气口具有被动进气阀；

[0016] 图9是示出了根据本公开的一些实施例的具有进气口的气体弹簧的横截面图，所述进气口具有主动进气口；

[0017] 图10是示出了根据本公开的一些实施例的具有进气口的气体弹簧的横截面图；

[0018] 图11是示出了根据本公开的一些实施例的具有可调节头部的气体弹簧的横截面图；

[0019] 图12是示出了根据本公开的一些实施例的具有可调节部件的气体弹簧的横截面图；

[0020] 图13是示出了根据本公开的一些实施例的自由活塞发动机在压缩冲程和膨胀冲程中的位置、力和功率曲线图；

[0021] 图14是示出了根据本公开的一些实施例的自由活塞发动机在压缩和膨胀冲程中的位置、力和功率曲线图；

[0022] 图15是根据本公开的一些实施例的说明性活塞发动机系统的框图；

[0023] 图16示出了根据本公开的一些实施例的用于控制自由活塞发动机的说明性步骤的流程图。

[0024] 这些图不意欲具有排外性或者不意欲将本公开限制为所公开的精确形式。应当理解，可以修改地和替代地实践所公开的构思和实施例，并且本公开仅由权利要求及其等同限制。

具体实施方式

[0025] 本公开的各个实施例涉及一种自由活塞、线性燃烧发动机，其特征在于高热效率。在至少一个实施例中，发动机包括：(i)气缸，所述气缸包括燃烧段；(ii)至少一个自由活塞组件，其与燃烧段接触；(iii)至少一个驱动段，所述至少一个驱动段与所述至少一个自由活塞组件接触，所述至少一个驱动段在发动机膨胀冲程期间储存能量；和(iv)至少一个线性电磁机(LEM)，所述至少一个线性电磁机在所述至少一个自由活塞组件的动能和电能之间进行直接转换。然而，应当注意的是，另外的实施例可以包括上述特征和物理特性的各种组合。

[0026] 通常，自由活塞燃烧发动机构造可以分成三类：1)两个相对活塞、单个燃烧室；2)单个活塞、两个燃烧室；和3)单个活塞、单个燃烧室。在图1中示出了三个常见自由活塞燃烧发动机构造的简图。在2014年3月4日提交的题目为“High-efficiency linear combustion engine”的美国专利号8,662,029中示出了线性自由活塞燃烧发动机的若干说明性实施例，该专利的全部内容在此以引用的方式并入本公开。应当理解的是，尽管本公开是在线性自由活塞燃烧发动机的某些说明性实施例的上下文中给出的，但是在此公开的构思能够应用于任何其它适合的自由活塞燃烧发动机，包括例如非线性自由活塞发动机。自由活塞发动机通常包括一个或者多个自由活塞组件，所述一个或者多个自由活塞组件没有将活塞组件的线性运动转换成旋转运动的机械联动装置(例如，曲柄滑块机构)或者没有直接控制活塞动力学的机械联动装置(例如，锁定机构)。自由活塞发动机相比这种机械联动的活塞发动机具有若干优势，这导致效率增加。例如，由于机械联动的活塞发动机的固有架构限制，自由活塞发动机可以构造成具有更高的压缩比和膨胀比，这导致更高的发动机效率，如前面引用和并入的美国专利号8,662,029中描述的那样。而且，自由活塞发动机允许压缩比和膨胀比的可变性增加，包括允许压缩比大于膨胀比以及允许膨胀比大于压缩比，这也可以增加发动机效率。自由活塞发动机架构还允许基于发动机不同循环增强对压缩比的控制，这允许由于可变的燃料量和燃料类型而进行调节。另外，由于缺少机械联动装置，自由活塞发动机导致作用在活塞组件上的侧负荷明显更小，这允许无油操作，并且继而减少由此产生的摩擦和损耗。

[0027] 图2是示出了双活塞、单燃烧段、集成气体弹簧和分离的LEM自由活塞内燃机100的一个实施例的横截面图。该自由活塞内燃机100将燃料中的化学能经由LEM 200直接转换成电能。在此使用的术语“燃料”指的是与氧化剂反应的物质。这种燃料包括但不限于：(i)诸如天然气、沼气、汽油、柴油和生物柴油的碳氢燃料；(ii)诸如乙醇、甲醇和丁醇的乙醇燃料；(iii)氢；和(iv)上述中的任意的组合。在此描述的发动机既适用于固定发电又适用于移动发电(例如，用于车辆)。

[0028] 发动机100包括气缸105，所述气缸具有两个相对的活塞组件120，所述两个相对的活塞组件成适合的尺寸，以在气缸105内移动并且在气缸105的中心中的燃烧段130处会合。每个活塞组件120可以包括活塞125和活塞杆145。活塞组件120在气缸105内自由线性移动。

[0029] 还参照图2，活塞125的背侧、活塞杆145和气缸105之间的体积在此称作驱动段160。在此使用的“驱动段”指的是发动机气缸的能够储存能量和提供能量以使得活塞组件位移但不需要使用燃烧的部段。驱动段160在一些实施例中可以包含非可燃流体(即，气体、液体、或者气体和液体两者)。在示出的实施例中，驱动段160中的流体是用作气体弹簧的气体。驱动段160从活塞循环的膨胀冲程储存能量并且向活塞循环的后续冲程、即在膨胀冲程之后发生的冲程提供能量。例如，活塞的动能可以在发动机的膨胀冲程期间在驱动段中转换成气体的势能。在此使用的术语“活塞循环”指的是任何系列活塞运动，所述活塞运动以基本相同构造中的活塞125开始和结束。一个常见示例是四冲程活塞循环，其包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。另外的替换冲程可以形成活塞循环的一部分，如贯穿本公开通篇描述的那样。双冲程活塞循环的特征在于具有做功冲程和压缩冲程。在此使用的“膨胀冲程”指的是活塞循环的一冲程，在该冲程期间活塞组件从上止点(“TDC”)位置移动到下止点(“BDC”)位置，其中，TDC指的是当燃烧段体积最小时活塞组件或者多个活塞组件的位置，而BDC指的是当燃烧段体积最大时活塞组件或者多个活塞组件的位置。如上所述，因为自由活塞发动机的压缩比和膨胀比能够变化或者能够随着不同周期变化，所以在一些实施例中TDC和BDC位置也能够变化或者随着不同周期变化。因此，如在下文将更加详细描述的那样，膨胀冲程可以指进气冲程、做功冲程、或者进气冲程和做功冲程两者。在一些实施例中，膨胀冲程期间由驱动段储存的能量的量可以基于各种标准确定并且由控制器和相关联的处理电路控制，如将在下文更加详细描述的那样。例如，在一些实施例中，可以基于在后续冲程、即在膨胀冲程之后发生的冲程期间所需的能量确定膨胀冲程期间由驱动段储存的能量的量。在一些实施例中，控制器和相关联的处理电路可以为了避免在活塞循环的后续冲程期间净电能输入而致使驱动段在膨胀冲程期间从自由活塞组件储存至少足够量的能量以执行后续冲程。在一些实施例中，控制器和相关联的处理电路可能需要致使驱动段在膨胀冲程期间从自由活塞组件储存至少足够量的能量以在后续冲程期间没有净电能输入的情况下执行后续冲程。在一些实施例中，在膨胀冲程期间由驱动段储存的能量的量可以大于后续冲程所需的量。例如，在双冲程活塞循环的情况中，驱动段可以在做功冲程期间储存比后续压缩冲程所需的能量的量大的能量的量。在一些实施例中，例如，在四冲程活塞循环的情况中，驱动段可以在做功冲程期间储存比后续排气冲程所需的能量的量大的能量的量。在一些实施例中，例如，在四冲程活塞循环的情况中，驱动段可以在进气冲程期间储存比后续压缩冲程所需的能量的量大的能量的量。在一些实施例中，超过后续冲程所需的量的被储存的能量的量可以由LEM 200转换成电能，如将在下文更加详细描述的那样。在一些实施例中，可以确定在膨胀冲程期间由驱动段储存的能量的量，以便使得发动机能够贯穿(across)连续的多个活塞循环连续地操作而不需要从LEM 200输入电能。例如，可以确定在膨胀冲程期间由驱动段储存的能量的量，以便使得发动机能够贯穿多个活塞循环连续地操作而除了初始启动发动机可能所需的外部电能输入之外不需要其它外部电能输入。

[0030] 为了简单明了，在此将主要在气体弹簧的背景中描述驱动段并且在此可以称作“气体段”、“气体弹簧”或者“气体弹簧段”。应当理解的是，在一些配置中，除了气体弹簧之外或者替代气体弹簧，驱动段160可以包括一个或者多个其它机构。例如，这种机构可以包括一个或者多个机械弹簧、磁性弹簧或者其任何适合的组合。在一些配置中，可以包括高效线性交流发电机，所述高效线性交流发电机作为马达操作，可以作为弹簧(气动、液动或者机械)的替代或者附加使用所述马达，用于产生压缩功。本领域技术人员应当理解，在一些实施例中，可以选择驱动段的几何结构，以最小化损耗和最大化驱动段的效率。例如，可以选择驱动段的直径和/或死体积，以最小化损耗和最大化驱动段的效率。在此使用的术语“死体积”指的是在活塞组件处于BDC位置中时驱动段的体积。在一些实施例中，例如，如果驱动段是气体弹簧或者液压弹簧，则驱动段的直径可以与燃烧段不同，以便提供增加的效率。下面将参照图8至图12更加详细地描述气体弹簧的某些实施例。

[0031] 可以经由例如压缩点火和/或火花点火实现燃烧点火。可以经由燃料喷射器将燃料直接喷入到燃烧室130中(“直接喷射”)和/或在进气之前和/或进气期间与空气混合(“预混喷射”)。发动机100可以使用液体燃料、气体燃料、或者液体燃料和气体燃料两者以贫油燃烧、化学计量燃烧或者富油燃烧操作，包括碳氢化合物、氢气、乙醇或如上所述的任何其它适合的燃料。

[0032] 气缸105可以包括喷射口170、进气口180、排气口185以及驱动气体交换口190，用于与周围环境交换物质(固体、液体、气体或者等离子体)。在此使用的术语“口”包括任何开口或者一组开口(例如，多孔材料)，其允许气缸105的内部与其周围环境之间进行物质交换。应当理解，图2中示出的口仅仅为说明性的。在一些配置中，可以使用更少或者更多的口。上述口可以经由阀打开和闭合，或者可以不经由阀打开和闭合。术语“阀”可以指任何被致动的流动控制器或者用于使物质选择性地流过开口的其它被致动的机构。阀可以由任何装置致动，包括但不限于：机械装置、电气装置、磁装置、曲柄轴驱动装置、液压装置或者气动装置。口和阀的数量、位置和类型可以取决于发动机构造、喷射策略以及活塞循环(例如，双冲程活塞循环或者四冲程活塞循环)。在一些实施例中，口的物质交换可以通过活塞组件的运动来实现，所述活塞组件可以根据需要覆盖和/或不覆盖口，以允许进行物质交换。

[0033] 在一些实施例中，驱动段160的操作可以是可调的。在一些实施例中，可以利用驱动气体交换口190控制驱动段的特性。例如，驱动气体交换口190可以用于控制驱动段中的气体的量、温度、压力、任何其它适合的特性和/或它们的任何组合。在一些实施例中，调节上述特性中的任何特性并且因此调节气缸中物质的量，可以改变气体弹簧的有效弹簧常数。在一些实施例中，可以调节驱动段160的几何结构，以获得所期望的操作。例如，可以通过控制驱动气体交换口190和其中流动的驱动气体的特性使得驱动段160的体积增大或者减小。在一些实施例中，可以调节气缸内的死体积以改变气体弹簧的弹簧常数。应当理解，驱动段160和其中的气体的上述任何控制和调节可以用于控制在发动机100的膨胀冲程期间由驱动段160储存的能量的量。还应当理解的是，驱动段160中的气体的特性的上述控制还提供了发动机100的频率的可变性。

[0034] 发动机100可以包括一对LEM 200，以便将活塞组件120的动能直接转换成电能(例如，在压缩冲程期间、在膨胀冲程期间、在排气冲程期间和/或在进气冲程期间)。每个LEM 200还能够将电能直接转换成活塞组件120的动能。在一些实施例中，LEM 200可以将电能转换成活塞的动能，以便启动发动机，但是，一旦已经启动发动机并且有足够的燃料化学能正被转换成活塞的动能，则在操作期间就不需要将电能转换成动能了，在膨胀冲程期间，活塞的动能中的至少一部分可以储存在驱动段160中。在一些实施例中，可以通过任何其它适当技术来实现发动机的启动，包括例如使用储存的压缩气体。如图所示，LEM 200包括定子210和平移器220。特别地，平移器220联接到活塞杆145并且在定子210内线性移动，所述定子可以保持静止。另外，LEM 200可以是永磁机、感应机、开关磁阻机或者其任意组合。定子210和平移器220均可以包括磁体、线圈、铁或者其任意适当组合。因为LEM 200将活塞的动能直接转换成电能以及由电能直接转换成活塞的动能(即，不存在机械联动装置)，所以较之传统发动机-发电机构造最小化了机械损耗和摩擦损耗。此外，因为LEM 200构造成在活塞循环的任何冲程期间将活塞组件的动能的一部分转换成电能，并且发动机100包括构造成从膨胀冲程储存能量的可调节驱动段160，所储存的能量在后续冲程期间可以转换成电能，所以LEM 200可以构造成其电容低于例如LEM或者其它装置的电容，所述LEM或者其它装置需要在活塞循环的单个冲程内(例如，仅在膨胀冲程内)转换所有能量。因此，在一些实施例中，LEM 200的相关联的线性交流发电机和电力电子装置可以减小尺寸、重量和/或电容。这可以导致减小部件的尺寸和成本、增加效率、增加可靠性以及增加利用率，如本领域普通技术人员理解的那样。因此，在一些实施例中，可以增加发动机的频率并因此增加其功率输出。

[0035] 本领域普通技术人员应当理解，每个LEM 200既可以作为发电机操作，又可以作为马达操作。例如，当LEM 200将活塞组件120的动能转换成电能时，它们作为发电机操作。当作为发电机操作时，施加于平移器220的力的方向与活塞组件120的运动方向相反。相反，当LEM 200将电能转换成活塞组件120的动能时，它们作为马达操作。当作为马达操作时，施加于平移器220的力的方向与活塞组件120的运动方向相同。为了便于参照，图2和对应的图中的中心线(喷射口170附近)可以被认为是原点，其中，对于每个活塞组件的正方向沿着向外方向远离中心。

[0036] 图2中示出的实施例使用双冲程活塞循环操作。图3中示出了图2的双活塞、集成气体弹簧发动机100的双冲程活塞循环300的简图。如图3所示，发动机100可以使用双冲程活塞循环操作，所述双冲程活塞循环包括压缩冲程和做功冲程，其中，活塞在压缩冲程之前位于BDC处，而在做功冲程之前位于上止点TDC处。参照双活塞实施例，在此使用的BDC可以指活塞彼此距离最远的位置。参照双活塞实施例，在此使用的TDC可以指活塞彼此距离最近的位置。当处于BDC处或者位于BDC附近时并且如果驱动段即将用于提供压缩功，则驱动段160内的气体的压力大于燃烧段130的压力，这推动活塞125远离BDC并且向内朝向彼此，即，沿着负方向。驱动段160中的气体可以用于提供执行压缩冲程所需的能量中的一些或者全部。如上所述，在一些实施例中，活塞125可以由任何其它适合机构推动离开BDC，包括机械弹簧、磁性弹簧或者可以用于提供压缩功的任何其它适合机构。虽然LEM 200也可以提供执行压缩冲程所需的能量中的一些，但是在优选实施例中，当在燃烧期间产生足够的能量时，可以在驱动段160中储存足够的能量，使得LEM 200不需要将任何电能转换成活塞125的动能，原因在于储存在驱动段160中的能量可以传递给活塞以提供必需的压缩功。LEM 200还可以在压缩冲程期间抽取能量。例如，如果驱动段160中的气体(或者如上所述的其它适合装置)提供了用于执行压缩冲程的过多能量，则LEM 200可以将活塞组件120的动能的一部分转换成电能。

[0037] 执行压缩冲程所需的能量的量可以取决于所需的压缩比、压缩冲程开始时燃烧段130的压力和温度以及活塞组件120的质量。如上所述，驱动段160可以提供压缩冲程所需的全部能量，使得不需要其它能量输入(从LEM 200或者任何其它源)。在一些实施例中，在压缩冲程期间可以输入一些能量，但是压缩冲程期间的净能量仍然为正。压缩冲程继续直到发生燃烧，所述燃烧典型发生在活塞125的速度为零或者接近零时。燃烧致使燃烧段130内的温度和压力升高，这朝向LEM 200向外推动活塞125。在做功冲程期间，可以由LEM 200将活塞组件120的动能的一部分转换成电能并且动能的另一部分将压缩功作用在驱动段160中的气体上(或者其它压缩机构上)。可替代地，活塞组件的全部动能可以储存在驱动段160中。做功冲程继续直到活塞125的速度为零。在做功冲程之后且在后续压缩冲程之前，在活塞125位于BDC处或者BDC附近的情况下，发动机可以排放燃烧产物并且吸入空气、空气/燃料混合物或者空气/燃料/燃烧产物混合物。这种处理可以在此称作“换气”或“在BDC处或者附近换气”。本领域普通技术人员应当理解，可以以任何适合方式实现换气，例如单向流或者交叉流扫气，如前面引用和并入的美国专利号8,662,029中描述的那样。还应当理解，尽管描述为在做功冲程之后发生，但是在一些实施例中，可以在做功冲程结束期间和/或在压缩冲程开始期间发生换气。类似地，在一些实施例中，可以在压缩冲程结束期间和/或在做功冲程开始期间发生燃烧。

[0038] 图3示出了一个示例性口构造300，其中，进气口180和排气口185位于BDC附近、两个活塞的前面。可以独立地控制排气口185和进气口180的打开和闭合。可以选择排气口185和进气口180的位置，使得压缩比和/或膨胀比的范围是可行的。可以在循环期间和/或循环与循环之间调节激活(打开和闭合)排气口185和进气口180时的循环次数，以改变压缩比和/或膨胀比和/或在压缩冲程开始时存留在燃烧段130中的燃烧产物的量。存留在燃烧段130中的燃烧气体被称作残余气体捕捉(RGT)并且能够用于影响燃烧定时、峰值燃烧温度以及其它燃烧和发动机性能特征。

[0039] 尽管上文描述了双冲程循环的操作，但是图2的实施例还可以使用四冲程活塞循环操作，所述四冲程活塞循环包括进气冲程、压缩冲程、做功(膨胀)冲程和排气冲程。在一些实施例中，可以进行任何适当修改以使用四冲程活塞循环操作。例如，如前面引用和并入的美国专利号8,662,029中描述的那样，可以修改口的位置以使用四冲程活塞循环操作发动机。

[0040] 在一些实施例中，在四冲程活塞循环中，正如上述在双冲程循环中那样，驱动段160可以提供压缩冲程所需的全部功。在一些实施例中，驱动段160可以提供足够的功，以避免在压缩冲程期间净电能输入。压缩冲程可以继续直到发生燃烧，例如，在活塞125的速度为零或者接近零时。燃烧可以跟在做功冲程之后，在做功冲程期间，活塞组件120的动能可以储存在驱动段160中和/或由上文关于双冲程循环所述的LEM 200转换成电能。在做功冲程BDC处或者附近的某一点，可以打开排气口，并且可以发生排气冲程直到活塞125的速度为零或者接近零，这标记为针对这个循环的排气冲程TDC。如上所述，在做功冲程期间储存在驱动段160中的能量可以提供执行排气冲程所需的功。在抵达排气冲程TDC之前的某一点处，燃烧段130闭合排气阀，而在气缸中仍然存在废气。在一些实施例中，这种被捕获的废气可以储存足够的能量以执行后续进气冲程。如做功冲程一样，活塞组件120的动能可以储存在驱动段160中和/或在进气冲程期间由LEM 200转换成电能，这发生直到活塞125的速度为零为止。在一些实施例中，驱动段160可以在进气冲程期间储存足够的能量以执行后续压缩冲程。在一些实施例中，超过后续压缩冲程或者后续排气冲程所需的量的储存在驱动段中的任何适合量的能量可以由LEM 200转换成电能。

[0041] 图4是示出了根据本公开的原理的替换双活塞、分离的气体弹簧和分离的LEM发动机的横截面图。应当理解，示出的构造仅仅是示例目的，并且可以根据本公开使用双活塞、分离的气体弹簧和分离的LEM发动机的任何其它适合构造。发动机400包括主气缸105、两个相对的活塞组件120以及位于主气缸105的中心处的燃烧段130。与发动机100相比，示出的发动机400具有某些物理差异。特别地，发动机400包括一对外气缸405，所述外气缸包含附加活塞125，并且LEM 200布置在主气缸105和外气缸405之间。每个外气缸405包括：驱动段410，所述驱动段位于活塞125和外气缸405的远端之间；和驱动后段420，所述驱动后段位于活塞125和外气缸405的近端之间。主气缸105包括一对燃烧后段430，所述一对燃烧后段布置在活塞125和主气缸105的远端之间。在一些实施例中，驱动后段420和燃烧后段430维持在大气压力下或者接近大气压力。在一些实施例中，驱动后段420和燃烧后段430不维持在大气压力下或接近大气压力。在示出的构造中，主气缸105具有用于移除漏气的口440、喷射口170、进气口180和排气口185。驱动气体交换口190位于外气缸405中。每个活塞组件120包括两个活塞125和活塞杆145。活塞组件在主气缸105和外气缸405之间自由地线性移动，如图4所示。应当理解，图4的实施例可以利用例如上文参照图3所述的方法使用双冲程活塞循环操作以及如上所述且如前面引用和并入的美国专利号8,662,029所述的四冲程活塞循环操作。

[0042] 图2和图3的构造如图所示包括称作发动机100并且由气缸105、活塞组件120和LEM 200限定的单个单元。类似地，图4的构造如图所示包括称作发动机400并且由主气缸105、活塞组件120、外气缸405和LEM 200限定的单个单元。然而，多个单元可以并行放置，所述多个单元可以共同称作“发动机”。其中发动机单元并行操作的这种类型的模块化配置可以用于使得能够根据终端用户的需要增加发动机的规模。另外，不是所有单元必须具有相同尺寸、在相同条件(例如，频率、化学计量比、或者换气)下操作或者同时操作(例如，可以使一个或者若干个单元停止操作，而一个或者多个个其它单元操作)。在单元并行操作时，发动机之间存在集成的可能性，例如但不限于单元之间的气体交换和/或单元的相应LEM 200之间的反馈。

[0043] 图5至图7示出了以集成内部气体弹簧为特征的另外的实施例，其中，气体弹簧集成在活塞组件内部并且LEM与燃烧器气缸分离。如图5至图7所示，集成内部气体弹簧(IIGS)架构的长度可以与如图2至图3所示的带有分离的LEM架构的集成气体弹簧的长度类似。然而，IIGS架构可以消除与从燃烧段进入到气体弹簧中的漏气有关的问题，这也发生在完全集成气体弹簧和LEM架构中。

[0044] 图5是示出了根据本公开的一些实施例的单活塞、集成内部气体弹簧发动机的横截面图。诸如燃烧段130的多个部件与前面实施例中的部件类似(例如，图1和图2)，并且相应地进行标记。发动机500包括气缸105，活塞组件520成适合的尺寸以响应于在气缸105的底端附近燃烧段130内的反应而在气缸105内移动。活塞组件520包括活塞530、活塞密封件535和弹簧杆545。活塞组件520在气缸105内线性移动。在示出的实施例中，活塞杆545沿着轴承560移动并且由活塞杆密封件555密封，所述活塞杆密封件固定到气缸105。气缸105包括排气/喷射口570、580，以便吸入空气、燃料、废气、空气/燃料混合物、和/或空气/废气/燃料混合物，排放燃烧产物，和/或喷射物。一些实施例不需要具有图5中示出的所有口。口的数量和类型取决于发动机构造、喷射策略和活塞循环(例如，双冲程或者四冲程活塞循环)。

[0045] 在示出的实施例中，发动机500还包括LEM 550(包括定子210和磁体525)，用于将活塞组件520的动能直接转换成电能。应当理解，LEM 550可以构造成以与上文参照图2至图4所述的LEM 200基本相同的方式操作。

[0046] 继续参照图5，活塞530包括实心前段(燃烧器侧)和中空后段(气体弹簧侧)。活塞组件520的中空段内部的位于活塞530的前面与弹簧杆545之间的区域包括作为气体弹簧160的气体，所述气体弹簧提供了执行压缩冲程所需的功中的至少一些。活塞530在燃烧段
130内和在LEM550的定子210内线性移动。活塞的运动由轴承560、565引导，所述轴承可以是固体轴承、液压轴承和/或空气轴承。在示出的实施例中，发动机500包括外部轴承560和内部轴承565两者。特别地，外部轴承560位于燃烧段130和LEM 550之间，内部轴承565位于活塞530的中空段的内部上。外部轴承560在外部固定并且不与活塞530一起移动。内部轴承
565固定到活塞530并且与活塞530一起抵抗弹簧杆545移动。

[0047] 继续参照图5，弹簧杆545作为用于气体弹簧160的一个面并且在外部固定。弹簧杆545具有至少一个密封件585，所述密封件位于弹簧杆的端部处或者端部附近，所述密封件用于将气体保持在气体弹簧段160内。磁体525附接至活塞组件520的后部并且在LEM 550的定子210内与活塞组件520一起线性移动。活塞组件520可以具有密封件以将气体保持在相应段中。示出的实施例包括：(i)前密封件535，所述前密封件固定至活塞530的前端处或者前端附近，以防止气体从燃烧段130转移；和(ii)后密封件555，所述后密封件固定至气缸
105并且防止吸入气体和/或漏气转移到周围环境中。

[0048] 图6是示出了根据本公开的一些实施例的气体弹簧杆的实施例的横截面图。特别地，弹簧杆645包括中央管腔610，所述中央管腔610允许物质在气体弹簧段160至储器段620之间转移，所述储器段与周围环境连通。通过阀630控制与周围环境的连通。可以调节气体弹簧646中物质的量，以根据本公开的一些实施例控制气体弹簧645内的压力。

[0049] 图7是示出了根据本公开的一些实施例的双活塞、集成内部气体弹簧发动机的横截面图。双活塞实施例的部件的大部分均与图5的单活塞实施例中的那些类似，并且同样的元件进行相应地标记。另外，单活塞和双活塞实施例的操作特性与在前面实施例中描述的操作特性类似，包括线性交流发电机、换气、燃烧策略等等的所有方面。

[0050] 如上所述，驱动段可以实施为气体弹簧并且可以包括本领域普通技术人员将理解的一个或者多个其它机构。下面将参照图8至图12描述驱动段的各种实施方案。本领域普通技术人员应当理解，图8至图12中示出的任何驱动段及相关联的机构可以适合在图2至图7中描述的自由活塞发动机中实施或者在具有驱动段的任何其它适合的自由活塞发动机中实施。

[0051] 图8是示出了根据本公开的一些实施例的具有带被动阀的进气口(被称作“被动进气口”)的气体弹簧的横截面图。如图8所示，气体弹簧810与活塞组件820接触。应当理解，在一些实施例中，活塞组件820可以是如上文参照图2至图4所述的与燃烧段接触的自由活塞组件。如上文参照图2至图4中示出的驱动段所述的那样，气体弹簧810能够储存能量并且提供能量，以使得活塞组件820在不使用燃烧的情况下位移。例如，由于膨胀冲程期间活塞组件820对气体弹簧810中的气体的压缩，而可以将能量储存在气体弹簧中，并且该储存的能量可以用于使活塞组件820位移以执行后续冲程，诸如压缩冲程或者排气冲程。

[0052] 在一些实施例中，可能期望的是调节气体弹簧810的操作。例如，在一些实施例中，可能期望的是通过将气体添加到气体弹簧或者从气体弹簧移除气体来调节气体弹簧的压力。因此，如图8所示，进气歧管830可以构造成经由进气口840向气体弹簧810提供补充气体875。应当理解的是进气歧管830可以联接至诸如空气压缩机的任何适合的增压气体源，并且所述气体的压力可以由任何适合的技术和机构控制。在一些实施例中，可以通过被动阀
850的操作命令进气口840的打开和闭合。如图所示，阀850可以联接到机械弹簧860。在一些实施例中，阀850可以被机械弹簧860偏压到闭合位置，并且可以基于气体弹簧810中的气体压力变化或者进气歧管830中的气体压力变化而移动到打开位置。例如，在施加于阀850的后表面852的力大于施加于阀850的前表面854的力时，阀850可以移动到打开位置。应当理解，施加于后表面852的力可以取决于进气歧管830中的气体压力、后表面852的面积、与机械弹簧860相关的弹簧常数、以及使阀从闭合位置移动到打开位置所需的距离，施加于前表面852的力可以取决于气体弹簧810中的气体压力和前表面854的面积。因此，在一些实施例中，当气体弹簧中的气体压力减小到一定最小阈值时，机械弹簧860可能“启开(crack)”，致使阀850移动到打开位置，从而允许补充气体875流动通过进气口840，直到气体弹簧810中的气体压力足以致使阀850移动返回到闭合位置。正如本领域普通技术人员应当理解的，可以选择和/或设计前表面854和后表面852的面积、机械弹簧860的弹簧常数以及使阀从闭合位置移动到打开位置所需的距离，以确定相关的“启开压力”，所述启开压力可以致使阀850如上所述那样打开。应当理解，图8中示出的简化机械弹簧是说明性的，并且在一些实施例中，作为其替代或者附加，可以使用任何适合的弹簧或者多个弹簧，包括但不限于一个或多个压缩弹簧、张紧弹簧、扭力弹簧和它们的任何组合。例如，机械弹簧可以包括一个或者多个压缩卷簧或者螺旋压缩弹簧、一个或多个张紧卷簧或者螺旋张紧弹簧、一个或者多个扭力卷簧或者螺旋扭力弹簧、一个或者多个片簧、任何其它适合的弹簧及其任何适合的组合。

[0053] 图9是示出了根据本公开的一些实施例的具有带主动阀的进气口(被称作“主动进气口”)的气体弹簧的横截面图。与上述图8类似，图9示出了与活塞组件920接触的气体弹簧910。如上文参照图8的活塞组件820所述的那样，在一些实施例中，活塞组件920可以是如上文参照图2至图4所述的与燃烧段接触的自由活塞组件，并且气体弹簧910能够储存能量并且提供能量，以使活塞组件920在不使用燃烧的情况下位移。

[0054] 气体弹簧910可以以类似于上述气体弹簧810的方式操作，其进气歧管930构造成经由进气口940向气体弹簧910提供补充气体975。在一些实施例中，可以通过主动阀950的操作命令进气口940的打开和闭合。与图8中示出的阀850相反，阀950可以构造成由任何适合的致动器施加的力主动地致动，所述任何适合的致动器包括电致动器、机械致动器或者电致动器和机械致动器两者。例如，电致动器可以联接到控制器，所述控制器可以产生控制信号以致使致动器将力施加于阀950，以使其从闭合位置移动到打开位置或者从打开位置移动到闭合位置。在一些实施例中，可选的机械弹簧960可以联接到阀950并且以默认方式将阀偏压在打开位置或者闭合位置中。

[0055] 图10是示出了根据本公开的一些实施例的具有进气口的气体弹簧的横截面图。与上述图8和图9类似，图10示出了与活塞组件1020接触的驱动段或者气体弹簧1010。如上文参照图8的活塞组件820所述的那样，在一些实施例中，活塞组件1020可以是如上文参照图2至图4所述的与燃烧段接触的自由活塞组件，气体弹簧1010能够储存能量和提供能量，以使活塞组件1020在不使用燃烧的情况下位移。图10示出了进气口1030，所述进气口可以用于向气体弹簧1010提供气体。应当理解，进气口1030可以联接到诸如压缩机的任何适合的增压气体源，并且增压气体的压力可以由任何适合的技术和机构控制。如本领域普通技术人员理解的那样，到气体弹簧1010中的气体的流动可以通过控制在进气口1030处提供的气体的压力控制。例如，在一些实施例中，如果在进气口1030处提供的气体的压力大于气体弹簧1010中的气体压力，则气体可以经由进气口1030流入到气体弹簧1010中。因此，在一些实施例中，气体弹簧1010中的气体压力可以由任何适合的压力传感器来检测并且通过控制经由进气口1030提供的气体压力调节。如上所述，在一些实施例中，驱动段和燃烧段并且继而进气口1030可以维持在大气压力下或者接近大气压力。在这种实施例中，应当理解，密封件
1040是可选的，原因在于气体将不大可能趋向于泄漏通过活塞组件1020与周围壳体之间的任何间隙。然而，在一些实施例中，驱动段、燃烧段和进气口1030不需要维持在大气压力下或者接近大气压力。在一些实施例中，例如，如果进气口维持明显高于大气压力，则密封件
1040可以用于防止气体从驱动段1010通过活塞组件1020与周围壳体之间的任何间隙浪费掉。

[0056] 图11是示出了根据本公开的一些实施例的具有可调节头部的气体弹簧的横截面图。与图10类似，图11示出了与活塞组件1120接触的驱动段或者气体弹簧1110、可以用于向气体弹簧1110提供气体的进气口1130和可选的用以防止气体逃逸的密封元件1160。图11还示出了可调节头部1140和对应的密封元件1150。在一些实施例中，可调节头部1140可以构造成改变气体弹簧1110的几何结构。例如，可调节头部1140可以沿着由箭头示出的方向平移或者以其它方式延伸或缩回，以增大或者减小气体弹簧1110的死体积。可调节头部1140的平移、延伸、缩回或者其它适合的转换可以由联接至可调节头部1140的控制器控制。应当理解，假设通过使用密封元件1150和/或可选的密封元件1160保持在气体弹簧1110中的气体，则通过控制死体积，还可以控制气体弹簧1110中的气体压力。因此，可调节头部1140可以允许根据一些实施例额外控制和调节气体弹簧1110。应当理解，气体弹簧的上述控制和调节可以允许控制气体弹簧的有效弹簧常数。

[0057] 图12是示出了根据本公开的一些实施例的具有可调节部件的气体弹簧的横截面图。与图10和图11类似，图12示出了与活塞组件1220接触的气体弹簧1210、可以用于向气体弹簧1210提供气体的进气口1230和可选的用以防止气体逃逸的密封元件1250。图12还示出了可调节部件1240。尽管为了解释的目的示出了三个部件，但是应当理解的是可以根据本公开的实施例使用任何适合数量和构造的可调节部件1240。在一些实施例中，可调节部件1240可以构造成改变气体弹簧1210的几何结构。例如，可调节部件1240可以是螺钉、螺栓、凸耳或其它机械机构，其构造成沿着由箭头表示的方向平移或者以其它方式延伸或缩回，以增大或者减小气体弹簧1210的死体积。可调节部件1240的平移、延伸、缩回或者其它适合的转换可以由联接至可调节部件1240的控制器控制。应当理解的是，通过控制死体积，还可以控制气体弹簧1210中的气体压力。因此，根据一些实施例，可调节部件1240可以允许额外控制和调节气体弹簧1210。如上所述，应当理解，气体弹簧的上述控制和调节可以允许控制气体弹簧的有效弹簧常数。

[0058] 图13示出了根据本公开的一些实施例的自由活塞发动机的位置、力和功率曲线图。如图所示，该图示出了具有双冲程活塞循环的自由活塞发动机的随着时间变化的示例性位置曲线1320、力曲线1340和功率曲线1360，所述双冲程活塞循环包括压缩冲程和做功冲程。参照位置曲线1320，如图13中所标记的，为了参照目的，正方向对应于从TDC至BDC的方向。例如，在图2至图4的自由活塞组件中，针对每个自由活塞组件而言，中心线将对应于原点，远离中心线的方向将是正方向。通过位置曲线1320可见，活塞组件在BDC处启动压缩循环并且行进到TDC，在此位置，做功循环开始。在做功循环期间，活塞组件行进返回到BDC。

[0059] 参照力曲线1340，当沿着从TDC至BDC的方向施加力时，力为正。例如，在图2至图4的自由活塞组件中，沿着远离中心线的方向施加的力将是正力。如力曲线1340中可见，在压缩循环期间，可以将相对恒定正力施加于活塞组件，并且在做功循环期间，力可以为负(沿着朝向中心线的方向)。应当理解，所施加的力不需要是恒定的，并且在一些实施例中可以施加可变的力曲线，例如，用以产生相对恒定的功率输出。还应当理解，在一些实施例中并且如在此所述的，当活塞组件的速度较低时可以不施加力，因这样作是无效的。

[0060] 功率输出是活塞组件的力和速度的负乘积。特别参照功率曲线1360，可见，在示出的理想情况中，为了执行活塞循环的压缩冲程和做功冲程，不需要给系统输入功率。相反，如上所述，在理想情况中，在做功冲程期间，在至少一个驱动段中储存了足够的能量以执行后续压缩冲程，而不用在压缩冲程期间将额外能量输入到系统中。

[0061] 尽管在理想情形中可能期望的是参照图13所述在压缩冲程和做功冲程的操作期间避免任何功率输入，但是在一些实施例中，可能需要或者期望的是提供一些功率输入。因此，图14是示出了根据本公开的一些实施例的自由活塞发动机的位置、力和功率曲线图。与图13类似，图14示出了具有双冲程活塞循环的自由活塞发动机的随着时间变化的示例性位置曲线1420、力曲线1440和功率曲线1460，所述双冲程活塞循环包括压缩冲程和做功冲程。尽管位置曲线1420大体与图13中示出的位置曲线1320类似，但是应当理解，力曲线1440和功率曲线1460可以与图13中示出的力曲线和功率曲线不同。参照压缩冲程期间的力曲线
1440，在1402处可见，可以沿着与原来施加方向相反的方向施加力一短暂时间。这还在功率曲线1460中得以反映，其中，在1404处可见一负功率，示出了功率输入相同的短暂时间。尽管该力施加和功率输入可以因若干原因发生，但是在一些实施例中，可以这样做以便控制活塞组件的速度或者以其它方式确保活塞组件在做功冲程之前抵达适合的TDC。例如，可以施加力，以增加活塞组件的速度。类似地，进一步参照做功冲程期间的力曲线1440，在1406处可见，可以沿着与做功冲程的其余部分相反的方向施加力一短暂时间，这还在功率曲线
1460中得以反映，其中，在1408处可见一负功率，示出了功率输入相同的短暂时间。如上所述，可以因若干原因发生这种外力和输入功率，但是在一些实施例中，可以以这种方式施加力和功率输入，以便控制活塞组件的速度或者以其它方式确保活塞组件在后续压缩冲程之前抵达适合的BDC位置。例如，可以施加力，以如上所述增加活塞组件的速度。

[0062] 尽管在参照图14描述的压缩和做功冲程期间提供输入功率不必是理想操作，但是应当理解，每个冲程的净电能输入仍然大于零(即，每个冲程不存在净电能输入)。这从功率曲线1460是显而易见的，其中可见，由零上方的曲线面积减去零下方的曲线面积表示的每个冲程的积分明显大于零。因此，每个冲程的由系统输出的电能的量大于如上所述用以控制活塞组件的位置的电能输入。在此使用的“净电能”指的是转移到LEM中或者从LEM转移出的电能传递，例如如上文参照图2至图4描述的那样。在一些实施例中，LEM可以包括联接至电力电子装置(包括，例如，任何DC总线、LGBT和/或任何其它适合部件)和/或并网逆变器的定子。因此，在一些实施例中，尽管可以将一些电能经由联接到LEM的电力电子装置和/或并网逆变器输入到LEM中，但是如上所述给定冲程的净电能将从LEM输出到电力电子装置和/或并网逆变器。

[0063] 如所述的，上文参照图2至图4描述的实施例包括双活塞、单燃烧段、双冲程内燃机100。下文描述并且在对应附图中示出的是控制系统，所述控制系统大体能够应用于自由活塞燃烧发动机。因此，如上所述，控制系统能够应用于其它自由活塞燃烧发动机架构，例如在前面引用和并入的美国专利号8,662,029中描述的自由活塞燃烧发动机架构。如本领域普通技术人员将理解的那样，在不背离本公开的范围的情况下可以利用各种修改和替代构造，并且可以作出其它变化。例如，作为上文参照图2至图4描述的双活塞架构的附加，在此描述的控制系统能够应用于例如单活塞架构。类似地，作为上文参照图3描述的双冲程发动机的附加，在此描述的控制系统还能够应用于例如四冲程发动机。

[0064] 从上述公开内容应当理解，驱动段可以构造(例如，包括通过控制电路的方式)成避免在膨胀冲程之后的冲程期间从例如LEM输入输入电能或者输入净电能的任何需要。与避免仅在某些条件下偶尔使用LEM进行能量输入相反，在一些实施例中，自由活塞发动机可以为了避免在膨胀冲程之后发生的冲程(例如，在做功冲程之后的压缩冲程)期间净能量输入而特别地构造。在一些实施例中，自由活塞发动机可以特别地构造成必须致使在没有净电能输入的情况下执行膨胀冲程之后的冲程。

[0065] 图15是根据本发明的一些实施例的具有用于活塞发动机1540的控制系统1510的说明性活塞发动机系统1500的框图。活塞发动机1540可以例如为任何适合的自由活塞发动机，如上文参照图2至图7所述。控制系统1510可以与联接至活塞发动机1540的一个或者多个传感器1530通讯。控制系统1510可以构造成与辅助系统1520通讯，所述辅助系统可以用于调节活塞发动机1540的方面或者性能。在一些实施例中，可以由控制系统1510控制多于一个的活塞发动机。例如，控制系统1510可以构造成与对应于任何数量的活塞发动机的传感器和辅助系统通讯。在一些实施例中，控制系统1510可以构造成经由用户界面系统1550与用户交互作用。

[0066] 控制系统1510可以包括处理设备1512、通讯界面1514、传感器界面1516、控制界面1518、任何其它适合的部件或模块、或者其任何组合。控制系统1510可以在一个或者多个集成电路、ASIC、FPGA、微控制器、DSP、计算机、终端、控制站、手持装置、模块、任何其它适合的装置、或者其任何组合中至少部分地实施。在一些实施例中，控制系统1510的部件可以经由通讯总线1511或者各个独立通讯链路通讯联接，如图15所示。处理设备1512可以包括任何适合的处理电路，例如，一个或者多个处理器(例如，中央处理单元)、缓存、随机存取储存器(RAM)、只读储存器(ROM)、任何其它适合的硬件部件、或者其任何组合，所述处理电路可以构造成(例如，使用软件、或者硬连线)处理由传感器界面1516从传感器(多个传感器)1530接收的关于活塞发动机1540的信息。传感器界面1516可以包括用于将电力供应到传感器(多个传感器)1530、信号调整器、信号预处理器、任何其它适合部件、或者其任何组合的电源。例如，传感器界面1516可以包括滤波器、放大器、采样器和模数转换器，以便调整和预处理来自传感器(多个传感器)1530的信号。传感器界面1516可以经由通讯联接件1519与传感器(多个传感器)1530通讯，所述通讯联接件可以是有线连接(例如，使用IEEE 802.3以太网或者通用串行总线接口)、无线耦合(例如，使用IEEE 802.11“Wi-Fi”或者蓝牙)、光耦合、感应耦合、任何其它适合的耦合、或者其任何组合。控制系统1510，和更特别地，处理设备
1512，可以构造成在相关时间尺度上控制活塞发动机1540。例如，可以响应于一个或者多个检测到的发动机操作特性控制一个或者多个温度的变化，并且可以在有关活塞发动机操作的时间尺度上提供控制(例如，足够快的响应，以防止过热和/或部件故障，以充分地提供如下所述的顶点控制，以允许在诊断事件的情况中停机和/或允许充分的负荷跟踪)。

[0067] 传感器(多个传感器)1530可以包括任何适合类型的传感器，所述传感器可以构造成感测活塞发动机1540的任何适合性能或者方面。在一些实施例中，传感器(多个传感器)可以包括一个或者多个传感器，其构造成感测辅助系统1520中的系统的方面和/或性能。在一些实施例中，传感器(多个传感器)1530可以包括温度传感器(例如，热电偶、电阻温度检测器、热敏电阻或者光学温度传感器)，其构造成感测活塞发动机1540的部件的温度、引入至活塞发动机1540或者从活塞发动机回收的流体的温度、或者两者的温度。在一些实施例中，传感器(多个传感器)1530可以包括一个或者多个压力传感器(例如，压电压力变送器、基于应变的压力变送器、或者气体电离传感器)，所述压力传感器构造成感测活塞发动机1540的部段(例如，燃烧段或者气体驱动段)中的压力、引入至活塞发动机1540或者从活塞发动机回收的流体的压力、或者两者的压力。在一些实施例中，传感器(多个传感器)1530可以包括一个或者多个力传感器(例如，压电测力变送器、基于应变的测力变送器)，其构造成感测活塞发动机1540内的力，例如张力、压缩力或者剪切力(例如，其可以表示摩擦力或其它相关力信息、压力信息或者加速度信息)。在一些实施例中，传感器(多个传感器)1530可以包括一个或者多个电流和/或电压传感器(例如，联接至活塞发动机1540的LEM的电流表和/或电压表)，所述电流和/或电压传感器构造成感测电压、电流、功率输出和/或输入(例如，电流乘以电压)、活塞发动机1540和/或辅助系统1520的任何其它适合的电气性能、或者其任何组合。在一些实施例中，传感器(多个)传感器1530可以包括一个或者多个传感器，其构造成感测活塞组件的位置和/或发动机的任何其它部件的位置、活塞组件的速度和/或发动机的任何其它部件的速度、活塞组件的加速度和/或发动机的任何其它部件的加速度、流率、氧或氮氧化物排放水平、其它排放水平、活塞发动机1540和/或辅助系统1520的任何其它适合的性能、或者其任何组合。

[0068] 控制界面1518可以包括有线连接、无线耦合、光耦合、感应耦合、任何其它适合的耦合、或者其任何组合，以便与辅助系统1520中的一个或者多个通讯。在一些实施例中，控制界面1518可以包括数模转换器，以向辅助系统1520中的任意系统或者所有系统提供模拟控制信号。

[0069] 辅助系统1520可以包括冷却系统1522、压力控制系统1524、气体驱动控制系统1526和/或任何其它适合的控制系统1528。冷却/加热系统1522可以包括泵、流体储器、压力调节器、旁通、散热器、流体导管、电力电路(例如，用于电加热器)、任何其它适合的部件、或者其任何组合，以向活塞发动机1540提供冷却、加热、或者冷却和加热两者。压力控制系统
1524可以包括泵、压缩机、流体储器、压力调节器、流体导管、任何其它适合的部件、或者其任何组合，以将压力控制流体供应(和可选地接收)给活塞发动机1540。气体驱动控制系统
1526可以包括压缩机、气体储器、压力调节器、流体导管、任何其它适合的部件、或者其任何组合，以将驱动气体供应(和可选地接收)给活塞发动机1540。在一些实施例中，气体驱动控制系统可以包括任何适合的部件，以控制上文参照图5至图9描述的气体弹簧部件中的任何气体弹簧部件。在一些实施例中，其它系统1528可以包括阀门系统，例如，凸轮操作系统或者螺线管系统，以将氧化剂和/或燃料供应给活塞发动机1540。

[0070] 用户界面1515可以包括有线连接、无线耦合、光耦合、感应耦合、任何其它适合的耦合或者其任何组合，以便与用户界面系统1550中的一个或者多个系统通讯。用户界面系统1550可以包括显示器1552、输入装置1554、鼠标1556、音频装置1558、经由网站接入的远程界面、移动设备、或其它因特网服务、任何其它适合的用户界面装置、或者其任何组合。在一些实施例中，远程界面可以远离发动机，但位于发动机场所附近。在其它实施例中，远程界面可以远离发动机和发动机场所两者。显示器1552可以包括显示屏，例如阴极射线管荧光屏，液晶显示屏，发光二极管显示屏，等离子显示屏，可以向用户提供图形、文本、图像或者其它视觉效果的任何其它适合的显示屏，或者其任何组合。在一些实施例中，显示器1552可以包括触摸屏，所述触摸屏可以通过例如在显示屏上提供一个或者多个软件命令而提供与用户的触觉交互作用。显示器1552可以显示关于活塞发动机1540(例如，活塞发动机1540性能的时间序列)、控制系统1510、辅助系统1520、用户界面系统1550的任何适合的信息、任何其它适合的信息、或者其任何组合。输入装置1554可以包括QWERTY键盘、数字键盘、任何其它适合的硬件命令按钮集合、或者其任何组合。鼠标1556可以包括任何适合的指点装置，所述指点装置可以控制显示在显示屏上的图形用户界面上的光标或者图标。鼠标1556可以包括手持装置(例如，能够沿着两个或者三个维度移动)、触摸板、任何其它适合的指点装置、或者其任何组合。音频装置1558可以包括麦克风、扬声器、耳机、用于提供和/或接收音频信号的任何其它适合装置、或者其任何组合。例如，音频装置1558可以包括麦克风，处理设备1512可以处理由用户语音输入到麦克风中引起的由用户界面1515接收的音频命令。

[0071] 在一些实施例中，控制系统1510可以构造成接收一个或者多个用户输入，以提供控制。例如，在一些实施例中，控制系统1510可以基于传感器反馈覆写(override)控制设定，并且使得给辅助系统1520的控制信号以输入到用户界面系统1550的一个或者多个用户输入为基础。在另外的示例中，用户可以输入一个或者多个控制变量的设定点值(例如，温度、压力、流率、功输入/输出、或者其它变量)，控制系统1510可以基于该设定点值执行控制算法。

[0072] 在一些实施例中，可以由制造商、用户、或者制造商和用户两者预先限定操作特性(例如，活塞发动机1540或者辅助系统1520的一个或者多个期望性能值)。例如，特定操作特性可以储存在处理设备1512的存储器中并且可以被访问以提供一个或者多个控制信号。在一些实施例中，可以由用户改变操作特性中的一个或者多个。控制系统1510可以用于保持、调节或者以其它方式管理那些操作特性。

[0073] 如上所述，在一些实施方案中，驱动段可以构造成在发动机膨胀冲程期间储存特定量的能量。在一些实施例中，如上所述，驱动段可以构造成在膨胀期间储存足够能量，以提供后续冲程所需的能量，即，以提供在膨胀冲程之后发生的冲程所需的能量。例如，在具有双冲程循环的发动机中，驱动段可以构造成在膨胀期间储存足够的能量，以提供后续压缩冲程所需的能量。在具有四冲程循环的发动机中，例如，驱动段可以构造成在膨胀冲程期间储存足够的能量，以提供后续排气冲程所需的能量。在一些实施例中，驱动段可以构造成储存比后续冲程所需的量多的能量。在一些实施例中，储存在驱动段中的过多能量或者过多能量的一部分可以在后续冲程期间由一个或者多个LEM转换成电能。例如，一个或者多个LEM可以构造成在自由活塞燃烧发动机的做功冲程期间通过将活塞组件的动能的一部分转换成电能而提取功。在一些实施例中，一个或者多个LEM还可以构造成在自由活塞燃烧发动机的压缩冲程期间提取由驱动段提供的功的至少一些。即，在膨胀冲程期间储存在驱动段中的势能在后续冲程期间被转换成活塞组件的动能。该动能的至少一些可以在后续冲程期间由一个或者多个LEM转换成电能。应当理解，如上所述，当LEM构造成在膨胀冲程和后续冲程期间提取电能时，可以缩小它们的尺寸和/或减轻它们的重量，从而减轻材料重量和成本。

[0074] 在一些实施方案中，可以例如由控制系统1510控制储存在驱动段中的能量以及由LEM提取的能量的量和方式。例如，传感器1530可以用于测量自由活塞燃烧发动机的任何一种或者多种操作特性，例如，活塞组件的位置、活塞组件的速度、活塞组件的加速度、燃烧段中的压力、燃烧段中的温度、燃烧段的势能、燃烧段中的化学能、驱动段中的压力(例如，用作上述驱动段的弹簧的压力或者驱动气体的压力)、驱动段的势能(例如，用作上述驱动段的弹簧的力或者驱动气体的势能)、驱动段中气体的温度、电输出、燃烧器或者驱动段的指示功、电效率、燃烧器或者驱动段的指示效率、LEM(例如，定子或磁体)的温度、燃烧器空气流率、燃烧器燃料流率、驱动段补充空气流率、活塞组件的温度、先前循环性能、环境温度和压力(例如，发动机周围区域的温度和压力)、排放特性、任何其它适合特性、或者其任何适合组合。通过使用传感器界面1516，控制系统1510可以生成表示输入到处理设备1512中的所感测的一种或者多种特性的一个或多个信号。

[0075] 处理设备1512可以至少部分地基于从传感器1530和传感器界面1516接收的信号生成一个或者多个控制信号。在一些实施例中，处理设备1512可以基于从传感器1530和传感器界面1516接收的信号确定给定活塞冲程所需的能量的量，并且可以由处理设备1512使用控制信号以控制作为势能储存在驱动段中的活塞组件的动能的量。处理设备1512还可以确定活塞组件的动能有多少转换成电能，并且致使使用任何适合的控制机构发生这种转换。在此使用的术语“控制机构”可以指的是任何适合的用于控制上述操作特性中的任何操作特性的软件、硬件和技术及其任何适合组合，以获得所需的结果。例如，一个或者多个控制信号可以控制发动机的操作特性，以便在驱动段中储存后续冲程所需的能量，该所需的能量已由处理设备151确定是需要的。例如，一个或者多个控制信号可以控制发动机的操作特性，以便致使在发动机的膨胀冲程期间将所需量的活塞组件的动能储存在驱动段中并且随后致使该所需量的活塞组件的动能由LEM转换成电能。如上所述，后续冲程(例如，压缩或者排气冲程)所需的能量可以取决于所期望的压缩比、燃烧段在后续冲程开始时的压力和温度、活塞组件的质量、所期望的燃烧定时、大气压、环境温度和关于其它发动机的所期望的相位特性。可以基于膨胀冲程期间储存在驱动段中的量与后续冲程所需的量之差确定待转换成电能的动能的量，这可以至少部分地取决于与发动机有关的所期望的参数。在一些实施例中，可以基于从发动机输出的所期望的功率输出、从发动机输出的所期望的排放输出、发动机的所期望的效率、所期望的负荷跟踪、任何其它所期望的参数、或者其任何适合的组合确定待转换成电能的动能的量。例如，如果驱动段变得低效，则可以增加做功冲程期间转换成电能的动能的量，并且可以减小压缩冲程期间转换成电能的动能的量。可替代地，例如，如果驱动段变得更有效，则可以减小做功冲程期间转换成电能的动能的量，并且可以增加后续冲程期间转换成电能的动能的量。

[0076] 作为控制转换成电能的活塞组件的动能的量的附加，可以使用控制信号控制LEM将动能转换成电能的方式。例如，控制信号可以致使转换以恒定速率、非恒定速率、可变速率或者其任何组合在任一方向上发生。

[0077] 在一些实施方案中，处理设备1512可以使用自由活塞燃烧发动机的一个或者多个参数来确定在发动机的压缩冲程期间提取的功的量。在一些实施例中，可以由用户经由用户界面系统1550输入所期望的参数。例如，用户可以经由用户界面系统1550输入自由活塞燃烧发动机的所期望的功率输出。在其它实施例中，可以经由通讯界面1514从外部装置接收所期望的参数。例如，可以从外部装置接收所期望的功率输出，所述功率输出表示基于历史功率需求、未来预测的功率需求或者其任何适合组合的所期望的功率输出。

[0078] 在一些实施例中，处理设备1512可以确定发动机的一个或者多个操作特性，所述一个或者多个操作特性基于参数和一个或者多个操作特性之间的任何适合关系产生所期望的参数。例如，处理设备1512可以基于所期望的功率输出以及操作特性与所期望的功率输出的关系确定活塞(多个活塞)的速度、加速度或者其它操作特性。处理设备1512然后可以确定产生由处理设备1512确定的操作特性所需的压缩功的量。基于所需量的压缩功，处理设备1512可以控制发动机在发动机压缩冲程期间提取适合量的功，使得作用在活塞上的其余压缩功将产生所期望的操作特性或者多个操作特性，而该所期望的操作特性或者多个操作特性将继而产生所期望的功率输出。尽管上文实施例是在所期望的功率输出方面进行描述的，但是如上所述，处理设备可以基于发动机的所期望的效率、所期望的排放输出、所期望的负荷跟踪或者任何其它适合参数优化发动机的操作特性。

[0079] 在一些实施例中，上述功提取、发动机参数和操作特性可以在由控制系统1510控制的若干活塞发动机之间协调。例如，可以将一个活塞发动机的动能转换成电能并且可以基于所期望的发动机参数、对应操作特性以及压缩和/或排气冲程所需的功的大小将所形成的电能转换成另一个活塞发动机的动能。

[0080] 尽管上文实施例是在自由活塞燃烧发动机的压缩冲程或者排气冲程期间的功提取方面进行描述的，但是本领域技术人员将易于理解的是，在一些实施例中，可以由控制系统1510更普遍地应用动能至电能以及电能至动能的转换。在一些实施例中，不管发动机冲程或者循环如何，活塞的动能在发动机操作期间可以连续地转换成电能。在一些实施例中，不管发动机的冲程或者循环如何，活塞组件的动能在发动机操作期间可以连续地转换成电能。在其它实施例中，不管任何期望的或者所需的功提取如何，控制系统1510可以基于任何所期望的发动机参数或者操作特性将任意力施加于发动机的一个或者多个活塞组件。例如，控制系统1510可以控制发动机的操作特性以将力施加于两个活塞，以便使这两个活塞同步，这样它们基本同时地到达TDC和/或BDC。作为另一个示例，控制系统1510可以控制发动机的操作特性以将力施加于活塞，以便相位分离发动机，这样它们不在同一发动机循环同时操作，以便提供更加连续的功率流。作为另一个示例，控制系统1510可以控制发动机的操作特性以获得活塞的所期望的顶点。

[0081] 图16示出了根据本公开的一些实施例的用于控制自由活塞发动机的说明性步骤的流程图1600。应当理解的是，前述步骤可以利用上文有关图2至图12所述的任何适合自由活塞发动机和/或自由活塞发动机系统或其部件或者任何其它适合的自由活塞发动机或自由活塞发动机系统。

[0082] 步骤1602包括从传感器接收发动机操作特性。在一些实施例中，可以由处理设备1512或者其任何处理电路经由如上文有关图15所述的传感器界面1216从传感器1530接收发动机操作特性。在一些实施例中，发动机操作特性可以包括上述操作特性或其任何适合组合中的任意操作特性。例如，处理设备1512可以接收压缩比、燃烧段的压力和温度以及活塞组件的质量。在一些实施例中，处理设备1512可以接收发动机操作特性，所述发动机操作特性经由上述传感器界面1516从传感器1530提供关于活塞组件的动能的信息。在一些实施例中，处理设备1512可以接收发动机操作特性，所述发动机操作特性经由上述传感器界面
1516从传感器1530提供关于可以储存在驱动段中的能量的量的信息。

[0083] 步骤1604包括基于步骤1602中接收的操作特性生成至少一个控制信号。在一些实施例中，处理设备1512或者其任何处理电路可以基于步骤1602中接收的操作特性生成一个或者多个控制信号。例如，处理设备1512可以生成控制信号，所述控制信号能够用以调节上文参照图15所述的活塞发动机1540的所需方面或者性能中的任意方面或者性能，以便在驱动段中储存所需量的能量来执行活塞循环的后续冲程。在一些实施例中，处理设备1512或者其任何处理电路均可以生成控制信号，以致使活塞发动机1540的驱动段在活塞循环的膨胀冲程期间储存足够量的能量，以为了避免在活塞循环的后续冲程中净电能输入。在一些实施例中，处理设备1512或者其任何处理电路可以生成控制信号，所述控制信号需要致使活塞发动机1540的驱动段在活塞循环的膨胀冲程期间储存足够量的能量，以在后续冲程中没有净电能输入的情况下执行活塞循环的后续冲程。在一些实施例中，后续冲程可以包括压缩冲程。在一些实施例中，后续冲程可以包括排气冲程。

[0084] 在一些实施例中，处理设备可以以考虑操作特性随时间而变化的方式在步骤1602和1604中接收上述操作特性中的任意操作特性并且生成控制信号。例如，处理设备可以接收活塞组件随着时间的位置、速度和/或加速度，并且生成控制信号以相应调节操作特性。在一些实施例中，处理设备可以接收发动机操作特性，所述发动机操作特性定期经由上述传感器界面1516提供来自传感器1530的有关活塞组件的动能的信息并且因此生成更新的控制信号。在一些实施例中，处理设备可以接收发动机操作特性，所述发动机操作特性定期经由上述传感器界面1516从传感器1530提供有关可以储存在驱动段中的能量的量的信息并且因此确定更新的控制信号。在一些实施例中，可以接收相关操作特性并且可以以任何适合频率生成控制信号，使得在后续冲程之前可以考虑操作特性随时间的变化。例如，可以以允许在每个冲程多次评估操作特性的频率接收和分析操作特性(例如，100Hz至100khz)。

[0085] 在一些实施例中，处理设备可以考虑在步骤1604中生成任何控制信号时在能量储存和转换处理中预期发生的损耗。例如，处理设备可以基于已知或者可预测的摩擦损耗、热量损失或者与能量储存和/或转换有关的任何其它适当损耗确定后续冲程所需的能量的量或者储存在驱动段中的能量的量。在一些实施例中，处理设备可以允许在步骤1604中生成任何控制信号时存在意外损耗。例如，在确定后续冲程所需的能量的量时，处理器可以添加缓冲量的能量，以考虑在执行后续冲程期间发生的意外损耗。作为另一个示例，在确定膨胀冲程期间储存在驱动段中的能量的量时，处理器可以添加缓冲量的能量，以考虑在膨胀冲程期间将能量储存在驱动段中的过程中的意外损耗。

[0086] 步骤1606包括基于在步骤1604中生成的控制信号中的一个或者多个，致使膨胀冲程期间在驱动段中储存一定量的能量。在一些实施例中，处理设备1512或者其任何处理电路可以经由控制界面1518向辅助系统1520中的任意辅助系统传送控制信号，以便调节活塞发动机1540的方面或者性能，使得在膨胀冲程期间所需量的能量储存在驱动段中。例如，控制信号可以起作用，用以通过命令气体驱动控制系统1526经由进气口将气体添加到驱动段或者从驱动段移除气体而调节驱动段的压力，以便在膨胀冲程期间在驱动段中储存一定量的能量。在一些实施例中，控制信号可以起作用，用以通过调节辅助系统1520中的任意辅助系统的设定而调节气缸的死体积。在一些实施例中，控制信号可以起作用，用以使用上文关于图8至图12所述的任意机构调节气体弹簧的任何适合性能。在一些实施例中，如上文参照步骤1504和1506所述的那样，处理设备可以生成控制信号并且以任何适合频率与活塞发动机和/或其辅助系统通讯，使得在后续冲程发生之前能够考虑操作特性随时间的变化。例如，处理设备可以生成控制信号并且在每个冲程多次与活塞通讯，以确保对变化的操作特性作出响应。

[0087] 步骤1608包括基于在步骤1604中生成的控制信号中的一个或者多个，致使将一定量的活塞组件的动能转换成电能。在一些实施例中，处理设备1512或者其任何处理电路可以确定转换成电能的所述至少一个自由活塞组件的动能的量，并且可以基于该量，致使至少一个LEM将自由活塞组件的一定量的动能转换成电能。在一些实施例中，处理设备1512可以致使至少一个LEM在活塞循环的膨胀冲程期间将所述至少一个自由活塞组件的一定量的动能直接转换成电能。在一些实施例中，处理设备1512的一个或者多个处理器可以致使至少一个LEM在活塞循环的后续冲程期间将所述至少一个自由活塞组件的动能转换成电能。例如，处理设备1512可以致使至少一个LEM在膨胀冲程、压缩冲程、排气冲程、进气冲程或者其任何组合中的任意冲程期间将所述至少一个自由活塞组件的动能转换成电能。例如，处理设备1512的一个或者多个处理器可以致使至少一个LEM在活塞循环的膨胀冲程和后续冲程期间将所述至少一个自由活塞组件的相同量的动能转换成电能。在一些实施例中，可以确定通过所述至少一个LEM被转换成电能的动能的量，使得考虑自由活塞发动机的总输出功率的至少预定最小百分比。在一些实施例中，可以确定通过所述至少一个LEM被转换成电能的动能的量，以便最大化发动机效率、发动机功率输出和发动机排放中的至少一者。在一些实施例中，通过所述至少一个LEM被转换成电能的动能的量可以取决于在步骤1606中储存的能量的第一量与后续冲程所需的能量的量之差。例如，如果在步骤1606中储存的能量的量超过后续冲程所需的能量的量，则通过所述至少一个LEM被转换成电能的动能的量可以等于过多的储存量，或者以其它方式取决于该过多的储存量。

[0088] 步骤1610包括致使在没有净电能输入的情况下执行膨胀冲程之后的后续冲程。在一些实施例中，在膨胀冲程期间储存在驱动段中的能量可以提供后续冲程所需的能量中的至少一些。在一些实施例中，在膨胀冲程期间储存在驱动段中的能量可以提供后续冲程所需的全部能量，使得对于后续冲程不需要电能输入。在一些实施例中，可以在后续冲程期间输入一些电能，但不是如后续冲程中的净电能输入的量那么多。例如，如上文关于图14描述的那样，可以输入能量，以便增加活塞组件的速度或者以其它方式确保活塞组件抵达所期望的位置。在一些实施例中，后续冲程可以是压缩冲程。在一些实施例中，后续冲程可以是排气冲程。

[0089] 如图16所示，可以针对每个活塞循环重复步骤1602至1610。在一些实施例中，可以在连续若干个活塞循环中针对每个活塞循环重复步骤1602至1610中的任意步骤或者全部步骤，使得在没有净电能输入的情况下发动机贯穿该连续若干个活塞循环连续地操作。例如，在从LEM接收电输入用于启动发动机之后，可以在连续若干个活塞循环中针对每个活塞循环重复步骤1602至1610，以在每个膨胀冲程期间在驱动段中储存足够的能量，从而在该连续若干个活塞循环期间避免来自LEM的任何进一步的输入。在一些实施例中，可以重复步骤1602至1610，使得连续地检查操作条件并且连续地更新待储存和/或转换的能量的不同量，以确保不需要外部电能输入。

[0090] 应当理解，尽管处理设备能够确定对应于待储存在驱动段中的能量的量的值，但是在一些情况中，实际储存的量由于不可预见的发动机损耗、公差、环境因数或者任何其它适合条件而可能不能准确地确定。然而，可以预期的是，实际储存的量将充分接近计算值，使得即使有的话，也将仅最小化地影响发动机的操作。如上所述，在一些实施例中，处理设备可以通过包括待储存的不同量的能量中的缓冲而考虑这些未知损耗或者其它适合的条件。

[0091] 为了便于参照，附图可以示出用相同参照数字标记的多个部件。应当理解，这不必表示相同标记的多个部件彼此相同。例如，标记为125的活塞可以具有不同的尺寸、几何机构、材料、任何其它适合的特征、或者其任何组合。

[0092] 前述内容仅仅是本公开的原理的说明，在不背离本公开的范围的情况下本领域技术人员可以进行各种修改。上述实施例的提供是为了说明性目的而非限制。本公开还可以采取除了在此明确描述的形式之外的多种形式。因此，应当强调，本公开并不局限于明确公开的方法、系统和设备，而是意欲包括在以下权利要求的精神之内的其变形和修改。