一种自由活塞式发动机.pdf

本发明公开一种自由活塞式发动机，其中，包括：一液压泵壳体组件；一第一气缸组件，所述第一气缸组件从所述液压泵壳体组件一侧延伸；一第二气缸组件，所述第二气缸组件从所述液压泵壳体组件的另一侧延伸；一内活塞组件和一外活塞组件安装在所述第一气缸组件和所述第二气缸组件中。使用本发明，由于自由活塞式发动机故有的特性使其对置活塞对置气缸配置更具可变性，以实现运转平衡性更佳的自由活塞发动机设计。同时也有利于采用HCCI燃烧方式的发动机运转，与曲轴式发动机相比，需要克服的摩擦力较小。而且利用内部EGR来得到理想的废气和空燃混合气的比率将产生理想的燃烧。

权利要求书
1.  一种自由活塞式发动机，其特征在于，包括：
一液压泵壳体组件（12）；
一第一气缸组件（14），所述第一气缸组件（14）从所述液压泵壳体组件（12）一侧延伸；所述第一气缸组件（14）包括一第一气缸罩（18）、一第一气缸套（42）、一第一空气带（60）和一第一回油泵（74）；所述第一气缸罩（18）安装在所述液压泵壳体组件（14）上，所述第一气缸罩（18）包括一第一排气孔（20），并且所述第一排气孔（20）的对面延伸一进气环（30）；所述第一气缸套（42）贯穿压入所述第一气缸罩（18）的主孔（40）中，形成第一发动机气缸（44）；所述第一空气带（60）安装在所述第一气缸套（42）上，并在所述进气环（30）处靠近所述第一气缸罩（18）；所述第一回油泵（74）包括一回油泵壳体（76），所述回油泵壳体（76）安装在所述第一空气带（60）上，并且所述回油泵壳体（76）围绕所述第一气缸套（42）的端部；
一第二气缸组件（114），所述第二气缸组件（114）从所述液压泵壳体组件（12）的另一侧延伸；所述第二气缸组件（114）包括一第二气缸罩（118）、一第二气缸套（142）、一第二空气带（160）和一第二回油泵（174）；所述第二气缸罩（118）安装在所述液压泵壳体组件（12）上，所述第二气缸罩（12）包括一第二排气孔（120），并且所述第二排气孔（120）的对面延伸一进气环（130）；所述第二气缸套（142）贯穿压入所述第二气缸罩（118）的主孔（140）中，形成第二发动机气缸（144）；所述第二空气带（160）安装在所述第二气缸套（142）上，并在所述进气环（130）处靠近所述第二气缸罩（118）；所述第二回油泵（174）包括一回油泵壳体（176），所述回油泵壳体（176）安装在所述第二空气带（160）上，并且所述回油泵壳体（176）围绕所述第二气缸套（142）的端部；
一内活塞组件（200）和一外活塞组件（250）安装在所述第一气缸组件（14）和所述第二气缸组件（114）中；
所述内活塞组件（200）包括一第一内活塞（202）、一第二内活塞（220）、 一第一导杆（244）和一第二导杆（245）；所述第一内活塞（202）安装在所述第一发动机气缸（44）中；所述第二内活塞（220）安装在所述第二发动机气缸（144）中；所述第一导杆（244）和所述第二导杆（245）贯穿所述液压泵壳体组件（12），并且所述第一导杆（244）和所述第二导杆（245）分别连接所述第一内活塞（202）和所述第二内活塞（220）的尾部（211）、（223）；
所述外活塞组件（250）包括一第一外活塞（252）、一第二外活塞（275）、一第一拉杆（293）和一第二拉杆（294）；所述第一外活塞（252）安装在所述第一发动机气缸（44）中，一第一活塞桥（264）安装在所述第一外活塞（252）的尾部（256）；所述第二外活塞（275）安装在所述第二发动机气缸（144）中，一第二活塞桥（282）安装在所述第二外活塞（275）的尾部（277）；所述第一拉杆（293）连接所述第一活塞桥（264）的第一拉杆凸台（268）和所述第二活塞桥（282）的第一拉杆凸台（284）；所述第二拉杆（294）连接所述第一活塞桥（264）的第二拉杆凸台（269）和所述第二活塞桥（282）的第二拉杆凸台（285）；
所述液压泵壳体组件（12）包括一泵座（302）、一对进油口（344）、（345）、一低压道（356）、一高压道（368）和一对位置传感器（395）、（396）；所述泵座（302）用于安装液压管路、冷却剂通道和油底壳；所述进油口（344）、（345）从所述泵座（302）延伸至所述油底壳（346）；所述低压道（356）安装在所述泵座（302）顶部；所述高压道（368）安装在所述泵座（302）底部；两所述位置传感器（395）、（396）安装在所述泵座（302）上。

2.  根据权利要求1所述自由活塞式发动机，其特征在于，
所述第一排气孔（20）内部具有一内排气通道（22），所述内排气通道（22）围绕所述第一气缸罩（18）延伸，并向外延伸至一第一排气法兰（24），所述第一排气法兰（24）连接一排气系统；
所述第一气缸罩（18）具有一冷却剂进口（26），所述冷却剂进口（26）连接一冷却系统；
所述第一气缸罩（18）靠近所述进气环（30）处具有一第一喷油器（34），所述第一喷油器（34）连接一电子控制器（34），以提供一个信号决定所述第一喷油器（34）的正时和持续时间；
所述第一气缸罩（18）上具有一第一气缸压力传感器（38），所述第一气缸压力传感器（38）连接所述电气控制器（35）；
所述第二排气孔（120）内部具有一内排气通道（122），所述内排气通道（122）围绕所述第二气缸罩（118）延伸，并向外延伸至一第二排气法兰（124），所述第二排气法兰（124）连接所述排气系统；
所述第二气缸罩（118）具有一冷却剂入口（126），所述冷却剂入口（126）连接所述冷却系统；
所述第二气缸罩（118）靠近所述进气环（130）处具有一第二喷油器（134），所述第二喷油器（134）连接所述电子控制器（35），以提供一个信号决定所述第二喷油器（134）的正时和持续时间；
所述第二气缸罩（118）上具有一第二气缸压力传感器（138），所述第二气缸压力传感器（138）连接所述电气控制器（35）。

3.  根据权利要求2所述自由活塞式发动机，其特征在于，
所述第一气缸套（42）包括若干排气口（46），所述排气口（46）在所述第一发动机气缸（44）和所述第一气缸罩（18）的内排气通道（22）间延伸连接；靠近所述排气口（46），所述第一气缸套（42）毗连所述第一气缸罩（18）的冷却剂通道（28）；
所述第一气缸套（42）还包括若干进气口（56），所述进气口（56）匹配所述进气环（30）通向所述第一发动机气缸（44）；
所述第二气缸套（142）包括若干排气口（146），所述排气口（146）在所述第二发动机气缸（144）和所述第二气缸罩（118）的内排气通道（122）间延伸连接；靠近所述排气口（146），所述第二气缸套（142）毗连所述第二气缸罩（118）的冷却剂通道（128）；
所述第二气缸套（142）还包括若干进气口（156），所述进气口（156）匹配所述进气环（130）通向所述第二发动机气缸（144）。

4.  根据权利要求3所述自由活塞式发动机，其特征在于，
一进油管（62）从所述第一空气带（60）伸出贯穿连接一油雾环（64），所述油雾环（64）在油雾孔（58）处连接所述第一气缸套（42），一进油管（62）连接一油装置，所述进油管（62）进口连接一油源，以提供空燃混合气到所述油雾环（64）；
所述回油泵壳体（76）具有一主泵室（78），进口（80）连接一进气室（82），出口（84）连接一排气室（86）；
进簧阀组件（88）和回油泵进口盖（90）安装在所述进气室（82），所述进口盖（90）包括一进气口（92），所述进气口（92）连接一进气系统；
出口阀组件（89）和回油泵出口盖（91）安装在所述排气室（86）；
一进油管（162）从所述第二空气带（160）伸出贯穿连接一油雾环（164），所述油雾环（164）在油雾孔（158）处连接所述第二气缸套（142），一进油管（162）连接一油装置，以提供空燃混合气到所述油雾环（164）；
所述回油泵壳体（176）具有一主泵室（178），进（180）连接一进气室（182），出口（184）连接一排气室（186）；
进簧阀组件（188）和回油泵进口盖（190）安装在所述进气室（182），所述进口盖（190）包括一进气口（192），所述进气口（192）连接一个进气系统；
出口阀组件（189）和回油泵出口盖（191）安装在所述排气室（186）。

5.  根据权利要求1所述自由活塞式发动机，其特征在于，
所述第一外活塞（252）头部（254）正对所述第一内活塞（202）的头部（210），所述第一外活塞（252）尾部（256）正对所述主泵室（78）；
所述第二外活塞（275）头部（276）正对所述第二内活塞（220）的头部（222），所述第二外活塞（275）尾部（277）正对所述主泵室（178）。

6.  根据权利要求5所述自由活塞式发动机，其特征在于，
所述第一拉杆（293）与泵室形成一第一外柱塞（295），所述第一外柱塞（295）位于所述第一活塞桥（264）和所述第二活塞桥（282）之间的所述液压泵壳体组件（12）的中间部分；
所述第二拉杆（294）与泵室形成一第二外柱塞（296），所述第二外柱塞（296）位于所述第一活塞桥（264）和所述第二活塞桥（282）之间的所述液压泵壳体组件（12）的中间部分。

7.  根据权利要求1所述自由活塞式发动机，其特征在于，
所述泵座（302）包括一推杆孔（304），一内柱塞（242）环形密封所述推杆孔（304），使得所述内柱塞（242）的一端形成一内泵室（306），另一端形成一内耦合泵室（308）；
所述泵座（302）包括一第一拉杆孔（310）和一第二拉杆孔（312），所述第一外柱塞（295）环形密封所述第一拉杆孔（310），所述第二外柱塞（296）环形密封所述第二拉杆孔（312），使得所述第一外柱塞（295）的一端形成一第一外泵室（314），另一端形成一第一外耦合泵室（316），所述第二外柱塞（296）的一端形成一第二外泵室（318），另一端形成一第二外耦合泵室（320）；
所述内耦合泵室（308）和所述第一外耦合泵室（316）通过一第一交叉连接通道（322）连接，所述内耦合泵室（308）和所述第二外耦合泵室（320）通过一第二交叉连接通道（323）连接。

8.  根据权利要求7所述自由活塞式发动机，其特征在于，
一低压通道（324）和一限制器（326）从所述第二交叉连接通道（323）通向一第一耦合调节阀（328），所述第一耦合调节阀（328）连接液压系统的低压腔（330）；
一高压通道（322）和一限制器（334）从所述第一交叉连接通道（322）通向一第二耦合调节阀（336），所述第二耦合调节阀（336）连接液压系统的高压腔（338）。
一谐振电路通道（340）在所述第二交叉连接通道（323）和一亥姆霍兹谐振器（342）之间延伸，并且所述谐振电路通道（340）安装在泵座（302）上。

9.  根据权利要求8所述自由活塞式发动机，其特征在于，
所述低压道（356）包括一低压口（358），所述低压口（358）通过一液压管路连接至所述低压腔（330）；
所述高压道（368）包括一高压口（369），所述高压口（369）通过一液压管路连接至所述高压腔（338）；
所述低压道（356）包括一压力传感器（376），以测量所述低压道（356）中的流体的压力；
所述高压道（368）包括一压力传感器（377），以测量所述高压道（368）中的流体的压力，同时，两所述压力传感器（376）、（377）和所述电子控制器（35）连接，用来接收和处理压力信息。

10.  根据权利要求9所述自由活塞式发动机，其特征在于，
一液压启动和控制阀（379）安装在所述泵座（302）的顶部，并且靠近所述低压道（356）；
所述控制阀（379）液压连接高压（380）和内泵室（382），同时，所述低压（381）和外泵室（383）连接。

说明书一种自由活塞式发动机
技术领域
本发明涉及一种发动机的技术领域，尤其涉及一种自由活塞式发动机。背景技术
传统的内燃机靠机械式固定活塞的运动运转。例如，一个传统车辆的内燃机包含一个曲轴和数个连杆组件，这种机械式结构决定了每个活塞在各自气缸内的运动。这种类型的发动机的每个活塞在发动机冲程的任何给定点的位置都是可以知道的，简化了发动机的正时和运转。虽然这些传统发动机在近些年在效率方面已经有了很大的提高，但是因为发动机自身的特征，这些提高还是受限的。尤其是，因为活塞的机械固定运动固定了压缩比，导致其比功率受限。更进一步地，所有随着活塞移动的部件都产生很大的摩擦，这需要发动机自身的能量来克服。低功率密度意味着发动机将更大、更重。另外，因为必须采用机械式连接，发动机设计和空间安装方面的灵活性也受到了局限。例如，这些机械连接一般包含一个凸轮轴，和相应的进、排气阀用来控制空气流的进入和排出气缸。
因此，由于环境和其他因素，有必要提供一种更高功率密度和更少机械复杂性的发动机。具有更轻重量，更小尺寸和改善的燃油效率的发动机在车辆和发电领域的应用将更具优势。
另一类型的内燃机是自由活塞式发动机。这种内燃机气缸内活塞的运动不是机械固定的。这种运动由作用于活塞的力的平衡来控制。因为运动不是固定的，所以发动机可以有不同的压缩比，这允许设计发动机的运转参数时具有更多的灵活性。另外，因为没有传统的曲轴和连杆机构带来的较大的活塞侧向力，在发动机运转中产生的摩擦力相对更小。更进一步地，因为其固有的平衡性的运转和紧凑的布置等特点，自由活塞式发动机的对置活塞对置气缸布置更显优势。这种发动机更适用于两冲程燃烧循环—特别是均质混 合气燃烧点火（HCCI）类型的燃烧，HCCI燃烧可以充分利用一个可变压缩比带来的优势。
然而，对于上述发动机也会产生一个关切，即如何在其气缸内保持一定量的废气，以优化发动机的运转特别是，在没有排气阀组件和不允许未燃燃料流出气缸的情况下，也要在气缸内保持一定量的废气。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自由活塞式发动机，以解决传统内燃机因为活塞的机械固定运动固定了压缩比，导致其比功率受限。而且由于所有随着活塞移动的部件都产生很大的摩擦，需要发动机自身的能量来克服等的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种自由活塞式发动机，其中，包括：
一液压泵壳体组件；
一第一气缸组件，所述第一气缸组件从所述液压泵壳体组件一侧延伸；所述第一气缸组件包括一第一气缸罩、一第一气缸套、一第一空气带和一第一回油泵；所述第一气缸罩安装在所述液压泵壳体组件上，所述第一气缸罩包括一第一排气孔，并且所述第一排气孔的对面延伸一进气环；所述第一气缸套贯穿压入所述第一气缸罩的主孔中，形成第一发动机气缸；所述第一空气带安装在所述第一气缸套上，并在所述进气环处靠近所述第一气缸罩；所述第一回油泵包括一回油泵壳体，所述回油泵壳体安装在所述第一空气带上，并且所述回油泵壳体围绕所述第一气缸套的端部；
一第二气缸组件，所述第二气缸组件从所述液压泵壳体组件的另一侧延伸；所述第二气缸组件包括一第二气缸罩、一第二气缸套、一第二空气带和一第二回油泵；所述第二气缸罩安装在所述液压泵壳体组件上，所述第二气缸罩包括一第二排气孔，并且所述第二排气孔的对面延伸一进气环；所述第二气缸套贯穿压入所述第二气缸罩的主孔中，形成第二发动机气缸；所述第二空气带安装在所述第二气缸套上，并在所述进气环处靠近所述第二气缸罩；所述第二回油泵包括一回油泵壳体，所述回油泵壳体安装在所述第二空气带上，并且所述回油泵壳体围绕所述第二气缸套的端部；
一内活塞组件和一外活塞组件安装在所述第一气缸组件和所述第二气缸 组件中；
所述内活塞组件包括一第一内活塞、一第二内活塞、一第一导杆和一第二导杆；所述第一内活塞安装在所述第一发动机气缸中；所述第二内活塞安装在所述第二发动机气缸中；所述第一导杆和所述第二导杆贯穿所述液压泵壳体组件，并且所述第一导杆和所述第二导杆分别连接所述第一内活塞和所述第二内活塞的尾部；
所述外活塞组件包括一第一外活塞、一第二外活塞、一第一拉杆和一第二拉杆；所述第一外活塞安装在所述第一发动机气缸中，一第一活塞桥安装在所述第一外活塞的尾部；所述第二外活塞安装在所述第二发动机气缸中，一第二活塞桥安装在所述第二外活塞的尾部；所述第一拉杆连接所述第一活塞桥的第一拉杆凸台和所述第二活塞桥的第一拉杆凸台；所述第二拉杆连接所述第一活塞桥的第二拉杆凸台和所述第二活塞桥的第二拉杆凸台；
所述液压泵壳体组件包括一泵座、一对进油口、一低压道、一高压道和一对位置传感器；所述泵座用于安装液压管路、冷却剂通道和油底壳；所述进油口从所述泵座延伸至所述油底壳；所述低压道安装在所述泵座顶部；所述高压道安装在所述泵座底部；两所述位置传感器安装在所述泵座上。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
所述第一排气孔内部具有一内排气通道，所述内排气通道围绕所述第一气缸罩延伸，并向外延伸至一第一排气法兰，所述第一排气法兰连接一排气系统；
所述第一气缸罩具有一冷却剂进口，所述冷却剂进口连接一冷却系统；
所述第一气缸罩靠近所述进气环处具有一第一喷油器，所述第一喷油器连接一电子控制器，以提供一个信号决定所述第一喷油器的正时和持续时间；
所述第一气缸罩上具有一第一气缸压力传感器，所述第一气缸压力传感器连接所述电气控制器；
所述第二排气孔内部具有一内排气通道，所述内排气通道围绕所述第二气缸罩延伸，并向外延伸至一第二排气法兰，所述第二排气法兰连接所述排气系统；
所述第二气缸罩具有一冷却剂入口，所述冷却剂入口连接所述冷却系统；
所述第二气缸罩靠近所述进气环处具有一第二喷油器，所述第二喷油器 连接所述电子控制器，以提供一个信号决定所述第二喷油器的正时和持续时间；
所述第二气缸罩上具有一第二气缸压力传感器，所述第二气缸压力传感器连接所述电气控制器。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
所述第一气缸套包括若干排气口，所述排气口在所述第一发动机气缸和所述第一气缸罩的内排气通道间延伸连接；靠近所述排气口，所述第一气缸套毗连所述第一气缸罩的冷却剂通道；
所述第一气缸套还包括若干进气口，所述进气口匹配所述进气环通向所述第一发动机气缸；
所述第二气缸套包括若干排气口，所述排气口在所述第二发动机气缸和所述第二气缸罩的内排气通道间延伸连接；靠近所述排气口，所述第二气缸套毗连所述第二气缸罩的冷却剂通道；
所述第二气缸套还包括若干进气口，所述进气口匹配所述进气环通向所述第二发动机气缸。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
一进油管从所述第一空气带伸出贯穿连接一油雾环，所述油雾环在油雾孔处连接所述第一气缸套，一进油管连接一油装置，所述进油管进口连接一油源，以提供空燃混合气到所述油雾环；
所述回油泵壳体具有一主泵室，进口连接一进气室，出口连接一排气室；
进簧阀组件和回油泵进口盖安装在所述进气室，所述进口盖包括一进气口，所述进气口连接一进气系统；
出口阀组件和回油泵出口盖安装在所述排气室；
一进油管从所述第二空气带伸出贯穿连接一油雾环，所述油雾环在油雾孔处连接所述第二气缸套，一进油管连接一油装置，以提供空燃混合气到所述油雾环；
所述回油泵壳体具有一主泵室，进口连接一进气室，出口连接一排气室；
进簧阀组件和回油泵进口盖安装在所述进气室，所述进口盖包括一进气口，所述进气口连接一个进气系统；
出口阀组件和回油泵出口盖安装在所述排气室。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
所述第一外活塞头部正对所述第一内活塞的头部，所述第一外活塞尾部正对所述主泵室；
所述第二外活塞头部正对所述第二内活塞的头部，所述第二外活塞尾部正对所述主泵室。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
所述第一拉杆与泵室形成一第一外柱塞，所述第一外柱塞位于所述第一活塞桥和所述第二活塞桥之间的所述液压泵壳体组件的中间部分；
所述第二拉杆与泵室形成一第二外柱塞，所述第二外柱塞位于所述第一活塞桥和所述第二活塞桥之间的所述液压泵壳体组件的中间部分。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
所述泵座包括一推杆孔，一内柱塞环形密封所述推杆孔，使得所述内柱塞的一端形成一内泵室，另一端形成一内耦合泵室；
所述泵座包括一第一拉杆孔和一第二拉杆孔，所述第一外柱塞环形密封所述第一拉杆孔，所述第二外柱塞环形密封所述第二拉杆孔，使得所述第一外柱塞的一端形成一第一外泵室，另一端形成一第一外耦合泵室，所述第二外柱塞的一端形成一第二外泵室，另一端形成一第二外耦合泵室；
所述内耦合泵室和所述第一外耦合泵室通过一第一交叉连接通道连接，所述内耦合泵室和所述第二外耦合泵室通过一第二交叉连接通道连接。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
一低压通道和一限制器从所述第二交叉连接通道通向一第一耦合调节阀，所述第一耦合调节阀连接液压系统的低压腔；
一高压通道和一限制器从所述第一交叉连接通道通向一第二耦合调节阀，所述第二耦合调节阀连接液压系统的高压腔。
一谐振电路通道在所述第二交叉连接通道和一亥姆霍兹谐振器之间延伸，并且所述谐振电路通道安装在泵座上。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
所述低压道包括一低压口，所述低压口通过一液压管路连接至所述低压腔；
所述高压道包括一高压口，所述高压口通过一液压管路连接至所述高压 腔；
所述低压道包括一压力传感器，以测量所述低压道中的流体的压力；
所述高压道包括一压力传感器，以测量所述高压道中的流体的压力，同时，两所述压力传感器和所述电子控制器连接，用来接收和处理压力信息。
上述的一种自由活塞式发动机，其中，
一液压启动和控制阀安装在所述泵座的顶部，并且靠近所述低压道；
所述控制阀液压连接高压口和内泵室口，同时，所述低压口和外泵室口连接。
本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
（1）自由活塞式发动机故有的特性使其对置活塞对置气缸配置更具可变性，以实现运转平衡性更佳的自由活塞发动机设计。同时也有利于采用HCCI燃烧方式的发动机运转，与曲轴式发动机相比，需要克服的摩擦力较小。
（2）利用内部EGR来得到理想的废气和空燃混合气的比率，这将产生理想的燃烧。对于一个HCCI燃烧过程而言，废气的热量和自由基可以允许采用优化的压缩比。
（3）气缸内理想的EGR是在没有排气阀系统的情况下获得的。这相比传统发动机减少了零部件的数量和发动机的机械复杂性。
（4）利用一个外部EGR系统来辅助补充内部EGR，外部EGR可以冷却部分废气并重新将其引入进气空气，从而可以延迟HCCI燃烧的开始。
附图说明
图1是本发明的一种自由活塞式发动机的示意图；
图2是图1所示发动机的一个端视图；
图3和图4是图1所示发动机的一个俯视图；
图5和图6是图1所示发动机的一个侧视图；
图7是图3中5A-5A处的一个剖视图；
图8是图4中5B-5B处的一个剖视图；
图9是图5中6A-6A处的一个剖视图；
图10是图6中6B-6B处的一个剖视图；
图11是图1中液压泵壳体组件和内活塞组件的轴测图；
图12是图1中是液压泵壳体组件和内活塞组件的底部视图；
图13是图1所示发动机的气缸套的轴测图；
图14是图1所示发动机的液压电路的原理图；
图15是图1所示发动机的部分电子电路的原理图；
图16是本发明的另一个实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
图1至图15描述了一个对置气缸自由活塞式发动机10。发动机10包含一个液压泵壳体组件12，一个第一气缸组件14从其一侧延伸，一个第二气缸组件16从液压泵壳体组件12的另一侧延伸，所以它们在同一条直线上。第一气缸组件14的正时和第二气缸组件16的正时是相反的。这样，当一个在上止点位置时，另一个在下止点位置。进一步地，沿轴线方向移动。自由活塞式发动机的这种配置使得发动机运转平衡。
进一步地，发动机10不仅以受压流体的形式储存发动机产生的能量，也利用这些流体来启动，有时帮助控制发动机的运转，和保持发动机的平衡。
第一气缸组件14包含一个第一气缸罩18，安装在液压泵壳体组件12上。第一气缸罩18包含一个第一排气孔20，靠近液压泵壳体组件12布置。第一排气孔20的内部定义了一个内排气通道22，围绕第一气缸罩18延伸，并且向外延伸至一个第一排气法兰24。第一排气法兰24用来连接一个排气系统（图中未显示）以排出废气。排气系统可以是任何形式，只要能处理和带走废气。例如，它可能包含一个排气歧管，一个消音器，一个催化转化器，一个涡轮增压器，或者上述这些和其他可能的部件的组合。
第一气缸罩18还有一个冷却剂进口26，靠近液压泵壳体组件12布置，延伸到一个圆形冷却剂通道28。冷却剂进口26连接一个冷却系统（图中未显示）。可能包含一个热交换器用来驱除冷却剂的热量，例如一个散热器，一个水泵用来泵入冷却剂，一个温度传感器和流体控制阀来保持冷却剂在一个理想的温度范围，冷却剂管路连接这些部件，或者上述这些和其他可能的部件的组合。冷却系统可以是任何形式，只要它能驱走发动机产生的适当的 热量。
在第一气缸罩18的另一端，第一排气孔20的对面是一个延伸的进气环30，其内部定义了一个进气通道31。靠近进气环30处，第一气缸罩18形成了一个喷油凸台32，其内部是一个第一喷油器34。第一喷油器34电动连接到一个电子控制器35，提供一个信号用来决定喷油器开启的正时和持续时间。第一喷油器34还连接一个喷油通道37，从一个喷油系统39（图中未显示）提供燃油。喷油系统39可能包含一个燃油箱，燃油泵，通向燃油通道的燃油管路，或者上述这些和其他可能的部件的组合。任何形式的燃油系统都是可以的，只要在合适的压力下能提供适当量的燃油到第一喷油器34。喷油通道37还包含一个燃油压力传感器41，电动连接到电子控制器35。电子控制器35由一个电池电力系统驱动（图中未显示），是一个发电机或者交流发电机，由发动机10的输出的能量驱动，或者其他电力。另外，虽然这里讨论的电子控制器35是单独的，但是其可能包含多个相互作用的电子处理器。
在第一排气孔20和进气环30的中间位置，第一气缸罩18上有个压力传感器安装凸台36，其内是一个第一气缸压力传感器38。第一气缸压力传感器38电动连接到电子控制器35。喷油凸台32和压力传感器安装凸台36从第一气缸罩18延伸到一个主孔40，主孔40在第一气缸罩18的长度方向延伸。冷却剂通道28、内排气通道22和进气环30都向主孔40开启。
第一气缸组件14还包含一个第一气缸套42，贯穿压入第一气缸罩18的主孔40。第一气缸套42包含一个圆形的主孔，定义了第一发动机气缸44。第一气缸套42还包含一系列圆形的排气口46，在第一发动机气缸44和第一气缸罩18的内排气通道22之间延伸并连接。因为没有排气阀来控制排气流，所以排气口的位置、尺寸和形状决定了通过排气口46的正时，持续时间和流量。因此，内部EGR量也由这些排气口46决定。对于下面讨论的第二发动机气缸也同样适用。
靠近排气口46处，第一气缸套42毗连第一气缸罩18上的冷却剂通道28。这个冷却剂通道28连接一系列间隔螺旋肋片48，从第一气缸套42处向外延伸并毗连第一气缸罩18上的主孔40，形成一系列气缸冷却剂通道50。在这些肋片48内，一个气缸压力塞子凸台52从第一发动机气缸44延伸到传感器安装凸台36。这允许第一气缸压力传感器38暴露于第一发动机气缸44， 而对发动机冷却剂密封。
一个喷油器孔54配合喷油器凸台32，并贯穿肋片48延伸到第一发动机气缸44。这允许第一喷油器34向第一发动机气缸44内直接注入燃油。
第一气缸套42还有一系列圆形的进气口56，配合进气环30，通向第一发动机气缸44。靠近进气口56处，是一系列间隔油雾孔58，围绕第一气缸套42。
第一气缸组件14还包含一个第一空气带60。第一空气带60安装在第一气缸套42上，在进气环30处毗连第一气缸罩18。一个进油管62从第一空气带60伸出并贯穿其中，连接一个油雾环64。油雾环64在油雾孔58处毗连第一气缸套42。进油管62连接一个油装置（图中未显示），其进口连接一个油源，提供空燃混合气到油雾环64。油源可能是一个供油系统（图中未显示）的一部分。燃油供给系统可能包含一个油泵，一个燃油滤清器，一个油冷器，或者上述这些和其他可能的部件的组合。燃油供给系统可以是任何形式，只要在发动机运转时能配合发动机部件来适时的过滤和提供润滑油到发动机。
冷却环66也毗连并围绕第一气缸套42延伸。冷却环66连接气缸冷却剂通道50和冷却剂出口68。冷却剂出口68连接上述冷却系统（图中未显示）。第一空气带60还有一对拉杆通道70和一个进气通道72，和进气环30相互接通。
第一气缸组件14还包含一个第一回油泵74。第一回油泵74包含一个回油泵壳体76，安装到第一空气带60，围绕第一气缸套42的端部。回油泵壳体76有一个主泵室78，进口80通向一个进气室82，出口84通向一个排气室86。主泵室78是圆柱形的，有一个椭圆截面。
进簧阀组件88和回油泵进口盖90安装到进气室82。进口盖90包含一个进气口92，连接一个进气系统（图中未显示）。进气系统可能包含，例如一个进气歧管，接收来自涡轮增压器或者机械增压器的空气，一个空气调节阀，一个空气流传感器，一个空气温度传感器，一个空气滤清器，或者上述这些和其他可能的部件的结合。进气系统可以是任何形式，只要提供一定压力下一定量的空气到进气口92。
进簧阀组件88内的簧片阀94是定向的，以允许空气流进入进气室82， 同时阻止反方向的空气流。出口阀组件89和回油泵出口盖91安装到排气室86。出口盖91包含一个进气通道93，从出口阀组件89通向第一气缸罩18的进气通道31，通过第一空气带60中的进气通道72。出口阀组件89内的簧片阀95是定向的，以允许空气流排出排气室86，同时阻止反方向的空气流。
第二气缸组件114包含一个第二气缸罩118，安装到液压泵壳体组件12。第二气缸罩118包含一个第二排气孔120，靠近液压泵壳体组件12布置。第二排气孔120的内部定义了一个内排气通道122，围绕第二气缸罩118延伸，并且向外延伸至一个第二排气法兰124。第二排气法兰124用来连接一个排气系统（图中未显示），如上所述。第二气缸罩118还有一个冷却剂入口126，靠近液压泵壳体组件12布置，延伸到冷却剂通道128。冷却剂入口126连接上述冷却系统（图中未显示）。
在第二气缸罩118的另一端，第二排气孔120的对面是一个延伸的进气环130，其内部定义了一个进气通道131。靠近进气环130处，第二气缸罩118形成了一个喷油凸台132，其内部是一个第二喷油器134。第二喷油器134电动连接到一个电子控制器35，提供一个信号用来决定喷油器开启的正时和持续时间。第二喷油器134还连接一个喷油通道37，从一个喷油系统39提供燃油。喷油系统39可能包含一个燃油箱，燃油泵，通向燃油通道的燃油管路。喷油通道37还包含一个燃油压力传感器41，电动连接到电子控制器35。
在第二排气孔120和进气环130的中间位置，第二气缸罩118上有个压力传感器安装凸台136，其内是一个第二气缸压力传感器138。喷油凸台132和压力传感器安装凸台136从第二气缸罩118延伸到一个主孔140，主孔140在第二气缸罩118的长度方向延伸。冷却剂通道128，内排气通道122和进气环130都向主孔140开启。
第二气缸组件114还包含一个第二气缸套142，贯穿压入第二气缸罩118的主孔140。第二气缸套142包含一个圆形的主孔，定义了第二发动机气缸144。第二发动机气缸144的中心为运动的轴线方向。第二气缸套142还包含一系列圆形的排气口146，在第二发动机气缸144和第二气缸罩118的内排气通道122之间延伸并连接。
靠近排气口146处，第二气缸套142毗连第二气缸罩118上的冷却剂通道128。这个冷却剂通道128连接一系列间隔螺旋肋片148，从第二气缸套 142处向外延伸并毗连第二气缸罩118上的主孔140，形成一系列气缸冷却剂通道150。在这些肋片148内，一个气缸压力塞子凸台152从第二发动机气缸144延伸到传感器安装凸台136。这允许第二气缸压力传感器138暴露于第二发动机气缸144，而对发动机冷却剂密封。
一个喷油器孔配合喷油器凸台132，并贯穿肋片148延伸到第二发动机气缸144。这允许第二喷油器134向第二发动机气缸144内直接注入燃油。
第二气缸套142还有一系列圆形的进气口156，配合进气环130，通向第二发动机气缸144。靠近进气口156处，是一系列间隔油雾孔158，围绕第二气缸套142。
第二气缸组件114还包含一个第二空气带160。第二空气带160关于第二气缸套142安装，在进气环130处毗连第二气缸罩118。一个进油管162从第二空气带160伸出并贯穿其中，连接一个油雾环164。油雾环164在油雾孔158处毗连第二气缸套142。进油管162连接一个油装置（图中未显示），提供空燃混合气到油雾环164。
冷却环166也毗连并围绕第二气缸套142延伸。冷却环166连接气缸冷却剂通道150和冷却剂出口168。冷却剂出口168连接上述冷却系统（图中未显示）。第二空气带160还有一对拉杆通道170和一个进气通道172，和第二气缸罩118的进气环130相互接通。
第二气缸组件114还包含一个第二回油泵174。第二回油泵174包含一个回油泵壳体176，安装到第二空气带160，围绕第二气缸套142的端部。回油泵壳体176有一个主泵室178，进口180通向一个进气室182，出口184通向一个排气室186。主泵室178是圆柱形的，有一个椭圆截面。进簧阀组件188和回油泵进口盖190安装到进气室182。进口盖190包含一个进气口192，连接一个进气系统（图中未显示），接收来自涡轮增压器或者机械增压器的空气。进簧阀组件188内的簧片阀194是定向的，以允许空气流进入进气室182，同时阻止反方向的空气流。
出口阀组件189和回油泵出口盖191安装到排气室186。出口盖191包含一个进气通道193，从出口阀组件189通向第二气缸罩118的进气通道131，通过第二空气带160中的进气通道172。出口阀组件189内的簧片阀195是定向的，以允许空气流排出排气室186，同时阻止反方向的空气流。
两活塞组件安装在两活塞/气缸组件14和114中——一个内活塞组件200和一个外活塞组件250。内活塞组件200有一个第一内活塞202，安装在第一发动机气缸44中，其头部210背对液压泵壳体组件12，尾部211面向液压泵壳体组件12。第一内活塞202的尺寸是固定的，使其在下止点位置头部不会覆盖任何排气口46，使排气口46对第一发动机气缸44完全开启；在上止点位置，尾部超出排气口46，使其保持完全关闭。对于第二发动机气缸144内的第二内活塞（下述）也是一样的。
第一内活塞202安装在第一发动机气缸44中，其外径和第一发动机气缸44壁之间有一个间隙。因此，第一内活塞202还包含外围的三个环槽，第一环槽安装一个第一压缩环204，第二环槽安装一个第二压缩环206，第三环槽安装一个油环208。三个环204、206和208都具有一定尺寸，使其对第一发动机气缸44壁密封。
第一内活塞202还包含一系列轴向延伸的孔212——从活塞202的尾部211延伸到头部210。每个孔212充满钠化合物，并且有一个盖214用来密封孔212中的钠化合物。
内活塞组件200还包含一个第二内活塞220，安装在第二发动机气缸144中，其头部222背对液压泵壳体组件12，尾部223面向液压泵壳体组件12。第二内活塞220安装在第二发动机气缸144中，其外径和第二发动机气缸144壁之间有一个间隙。因此，第二内活塞220还包含外围的三个环槽，第一环槽安装一个第一压缩环224，第二环槽安装一个第二压缩环226，第三环槽安装一个油环228。三个环224、226和228都具有一定尺寸，使其对第二发动机气缸144壁密封。
第二内活塞220还包含一系列轴向延伸的孔230——从活塞220的尾部223延伸到头部222。每个孔230充满钠化合物，并且有一个盖232用来密封孔230中的钠化合物。
第一内活塞202包含一个中央布置，轴向延伸的孔216，安装一个紧固件218，第二内活塞220还包含一个中央布置，轴向延伸的孔234，安装一个紧固件236。紧固件218和236螺纹连接一个推杆240的两端，推杆240贯穿液压泵壳体组件12。推杆240连接内活塞202和220，使两活塞202和220同时轴向移动。推杆240还包含一个增大的区域，形成一个内柱塞242。内 柱塞242位于两活塞202和220的中间。将在下文中描述内柱塞242的作用。
内活塞组件200还包含一个第一导杆244和一个第二导杆245，贯穿液压泵壳体组件12，连接第一和第二内活塞202和220的尾部211和223。在发动机运转过程中导杆244和245阻止内活塞组件200旋转。另外，导杆244和245都包含位置传感器装置，用来决定发动机运转过程中内活塞组件200的轴向位置。这种装置可能是一组安装在第一导杆244周围的铜环246。第二导杆245也包含一个装置，可能是一组铜环247。第二导杆245可能作为一个位置校准传感器的一部分，用来确保第一导杆244上的位置传感器能准确读取内活塞组件200的轴向位置。
外活塞组件250有一个第一外活塞252，安装在第一发动机气缸44中，其头部254面向第一内活塞202的头部210，尾部256面向第一回油泵主泵室78。第一外活塞252安装在第一发动机气缸44中，其外径和第一发动机气缸44壁之间有一个间隙。因此，第一外活塞252还包含外围的三个环槽，第一环槽安装一个第一压缩环258，第二环槽安装一个第二压缩环260，第三环槽安装一个油环262。三个环258、260和262都具有一定尺寸，使其对第一发动机气缸44壁密封。
第一活塞桥264安装在第一外活塞252的尾部256。第一活塞桥264随着第一外活塞252移动，并成为第一外活塞252的一部分。第一活塞桥264包含一个外椭圆截面266，与第一回油泵74的主泵室78滑动连接，并相对其密封。椭圆截面266的小径部分比第一外活塞252的头部254的直径稍微小点，而椭圆截面266的大径部分比头部254的直径稍微大点。第一拉杆凸台268和一个第二拉杆凸台269沿着椭圆截面266的大径布置，并向外延伸。
一个导柱凸台270位于第一活塞桥264的中间部分。一个第一导柱271固定于第一回油泵壳体76并向外延伸。第一导柱271有一个圆形的外表面。这个外表面仅在导柱凸台270内滑动，为了使导柱凸台270沿着第一导柱271滑动。因为第一导柱271是固定的，它的位置可以相对于第一发动机气缸44准确定位。第一导柱271将使第一活塞桥264和第一外活塞252相对于第一发动机气缸44准确定位。
在发动机运转过程中，导柱凸台270将在导柱271上滑动，保持第一外活塞252的准确定位，当其在第一发动机气缸44内往复运动时，因此，仅活 塞环258、260和262和第一发动机气缸44壁接触。这只产生相对小的摩擦，因为仅活塞环258、260和262和导柱凸台270和其他表面滑动接触，而第一外活塞252的外表面将不接触第一发动机气缸44壁。
外活塞组件250还有一个第二外活塞275，安装在第二发动机气缸144中，头部276面向第二内活塞的头部222，尾部277面向第二回油泵主泵室178。第二外活塞275的外径和第二发动机气缸144壁之间有一个间隙。因此，第二外活塞275还包含外围的三个环槽，第一环槽安装一个第一压缩环278，第二环槽安装一个第二压缩环279，第三环槽安装一个油环280。三个环278、279和280都具有一定尺寸，使其对第二发动机气缸144壁密封。
第二活塞桥282安装在第二外活塞275的尾部277上。第二活塞桥282包含一个外椭圆截面283，与第二回油泵174的主泵室178滑动连接，并相对其密封。椭圆截面283的小径部分比第二外活塞275的头部276的直径稍微小点，而椭圆截面283的大径部分比头部276的直径稍微大点。第一拉杆凸台284和一个第二拉杆凸台285沿着椭圆截面283的大径布置，并向外延伸。
一个导柱凸台286位于第二活塞桥282的中间部分。一个第二导柱287固定于第二回油泵壳体176并向外延伸。第二导柱287有一个圆形的外表面。这个外表面仅在导柱凸台286内滑动。因为第二导柱287相对于第二发动机气缸144是固定的，第二导柱287将使第二活塞桥282和第二外活塞275相对于第二发动机气缸144准确定位。在发动机运转过程中，导柱凸台286将在导柱287上滑动，保持第二外活塞275的准确定位，当其在第二发动机气缸144内往复运动时，因此，仅活塞环278、279和280和第二发动机气缸144壁接触。这只产生相对小的摩擦。
第二导柱287也成为位置传感器组件288的一部分。位置传感器组件288包含一个传感器杆289，其至少有一个索引位置290，和第二外活塞275滑动连接。一个传感器291相对于传感器杆安装，并贯穿第二回油泵壳体176，一个电子接头将使传感器291连接到电子控制器35。电子控制器35可以利用传感器291的输出来决定外活塞组件250的位置和速度。
第二外活塞组件250还包含一个第一拉杆293和一个第二拉杆294。第一拉杆293连接第一活塞桥264上的第一拉杆凸台268和第二活塞桥282上 的第一拉杆凸台284。因为活塞桥264和282是椭圆形的，第一拉杆293可以使他们耦合在一起，同时平行于轴向方向移动。
第一拉杆293包含一个增大的区域，与泵室形成一个第一外柱塞295。第一外柱塞295位于第一活塞桥264和第二活塞桥282之间的液压泵壳体组件12的中间部分。一个第一拉杆套272关于液压泵壳体组件12和第一气缸罩18之间的第一拉杆293延伸，第二拉杆套273关于液压泵壳体组件12和第二气缸罩118之间的第一拉杆293延伸。拉杆套272和273确保第一拉杆293被发动机部件全部包围，这样阻止杂质扰乱第一拉杆293的运转。
第二拉杆294连接第一活塞桥264上的第二拉杆凸台269和第二活塞桥282上的第二拉杆凸台285。第二拉杆294包含一个增大的区域，与泵室形成一个第二外柱塞296。第二外柱塞296位于第一活塞桥264和第二活塞桥282之间的液压泵壳体组件12的中间部分。一个第三拉杆套274关于液压泵壳体组件12和第一气缸罩18之间的第二拉杆294延伸，一个位置传感拉杆套281关于液压泵壳体组件12和第二气缸罩118之间的第二拉杆294延伸。拉杆套274和281确保第二拉杆294被发动机部件全部包围，这样阻止杂质扰乱第二拉杆294的运转。
进一步地，第二拉杆294包含间隔分布的铜环298，位于位置传感拉杆套281的内部。位置传感拉杆套281包含一个传感器组件297，靠近铜环298。传感器组件297连接到控制器35，将探测铜环298的位置。控制器35可以利用传感器组件297的输出来校准其他传感器291，这样确保外活塞组件250的位置和速度的准确测量。
发动机10是平衡的，为了确保最佳的运转特性。因为发动机10是平衡的，所以外活塞组件250的总质量——即，所有和外活塞252和275一起运动的零部件——必须和内活塞组件200的总质量相等——所有和内活塞202和220一起运动的零部件。对于一个平衡发动机，推杆240的内柱塞242的液压面积和拉杆292和294的外柱塞295和296的液压面积是相等的——第一外柱塞295的液压面积和第二外柱塞296的液压面积是相等的。因此，活塞组件200和250的不同部件的材料的选取要确保热特性和强度特性，同时也平衡组件的质量。例如，内活塞202和220，推杆240可能由铸铁制成，拉杆293和294也由铸铁制成，而外活塞252和275由铝制成，活塞桥264 和282的材料是铁。如果可以，其他合适的材料也可以利用。
如上所述，液压泵壳体组件12安装在第一气缸组件14和第二气缸组件16的中间。它包含一个泵座302，由铁制成，各种液压管路、冷却剂通道和油底壳和管路从中通过。
泵座302包含一个推杆孔304，推杆240贯穿其中。内柱塞242环形密封推杆孔304。推杆孔304的两端也相对推杆240密封——每一端利用一个密封塞309来密封。这些密封在内柱塞242的一端形成了一个内泵室306，另一端形成了一个内耦合泵室308。
泵座302还包含一个第一拉杆孔310，第一拉杆293贯穿其中；一个第二拉杆孔312，第二拉杆294贯穿其中。第一外柱塞295环形密封第一拉杆孔310，第二外柱塞296环形密封第二拉杆孔312。第一拉杆孔310的两端相对第一拉杆293密封，每一端利用一个密封塞311来密封。第一拉杆孔310连同第一拉杆293，在第一外柱塞295的一端形成了一个第一外泵室314，在另一端形成了一个第一外耦合泵室316。第二拉杆孔312的两端相对第二拉杆294密封，每一端利用一个密封塞313来密封。第二拉杆孔312连同第二拉杆294，在第二外柱塞296的一端形成了一个第二外泵室318，在另一端形成了一个第二外耦合泵室320。
内耦合泵室308和第一外耦合泵室316用一个第一交叉连接通道322连接。另外，内耦合泵室308和第二外耦合泵室320用一个第二交叉连接通道323连接。因此，三耦合泵室308、316和320之间总是相互连通的。
一个低压通道324和一个限制器326从第二交叉连接通道323通向一个第一耦合调节阀328。第一耦合调节阀328连接到液压系统329的低压腔330。可以在两个位置间转换，一个位置允许流体从第二交叉连接通道323流向低压腔330，另一个位置阻断流体的流动。一个高压通道322和一个限制器334，从第一交叉连接通道322通向一个第二耦合调节阀336。第二耦合调节阀336连接到液压系统329的高压腔338。可以在两个位置间转换，一个位置允许流体从高压腔338流向第一交叉连接通道322，另一位置阻断流体的流动。第一和第二耦合调节阀328和336电动连接到电子控制器35，并由控制器35控制。
一个谐振电路通道340在第二交叉连接通道323和一个亥姆霍兹谐振器 342之间的延伸，安装在泵座302上。亥姆霍兹谐振器342当流体在耦合泵室308、316和320之间通过交叉连接通道322和323来回流动时产生弱脉动。如果可以，亥姆霍兹谐振器342也可以省略。
这些交叉连接通道322和323，和连接到它们的液压组件，形成一个液压电路来耦合内活塞组件200和外活塞组件250的运动。耦合调节阀328和336关闭时，耦合泵室308、316和320，和交叉连接通道322和323内充满不可压缩的液体（例如液压油），这种容积将保持一个恒量。如上所述，推杆240的内柱塞242内的液体容积是拉杆293和294的每个外柱塞295和296内容积的两倍。因此，如果内活塞组件200向右移动1m，置换出内耦合泵室308中的流体，然后外活塞组件250必须向左移动1m，为了接收两个外耦合泵室316和320中的流体。这保证了，即使内外活塞组件200和250的移动不是机械固定的，实际上它们也将作确切的对置运动。因此，两活塞组件200和250到达上止点和下止点位置是同时的。
第一第二耦合调节阀328和336考虑了流体的增加和减少。虽然用于耦合活塞组件200和250的液压系统已经讨论过，但是任何可以确保活塞组件200和250对置运动的机制都是可以的。
液压泵壳体组件12还包含一对进油口344和345，从泵座302延伸到油底壳346，油底壳346位于泵座302的底部。油底壳346对液压泵壳体组件12内的各种移动部件都是开启的，为了移动部件的飞溅润滑——尤其是气缸壁44和144部分，第一和第二内活塞202和220沿着气缸壁滑动。油底壳346还包含一个回油口348。进油口344和345和回油口348连接燃油供给系统（图中未显示）。油底壳346还允许空气来回运动。
两个冷却剂进口350布置在泵座302的底部。冷却剂进口350连接一系列贯穿泵座的冷却剂通道352，然后连接两个冷却剂出口354，安装在泵座302的顶部。冷却剂进口350和出口354连接冷却系统（图中未显示）。流经泵座302的冷却剂将确保移动部件在发动机运转过程中不会过热。
液压泵壳体组件12还包含一个低压道356，安装在泵座302的顶部，包含一个低压口358，通过一根液压管路连接到低压腔330。低压道356向三组单向低压止回阀开启，一个内止回阀360，一个第一外止回阀362和一个第二外止回阀363。内止回阀360通过一个管路364和内泵室306连接，只允 许流体从低压道356流向内泵室306中。第一外止回阀362通过一个通道365和第一外泵室314连接，只允许流体从低压道356流向第一外泵室314中。第二外止回阀363通过一个通道366和第二外泵室318连接，只允许流体从低压道356流向第二外泵室318中。虽然内止回阀360包含四个单独的阀，每个外止回阀362和363包含两个单独的阀，但是也可以用不同数量的单独的阀。但是，内止回阀360的阀开启面积是外止回阀362和363的两倍，因为内柱塞242的增压能力是外柱塞295和296的两倍。
高压道368安装在泵座302的底部，包含一个高压口369，通过一根液压管路连接到高压腔338。高压道368向三组单向高压止回阀开启，一个内止回阀370，一个第一外止回阀371和一个第二外止回阀372。内止回阀370通过一个管路373和内泵室306连接，只允许流体从低压道356内泵室306流向高压道368中。第一外止回阀371通过一个通道374和第一外泵室314连接，只允许流体从第一外泵室314流向高压道368中。第二外止回阀372通过一个通道375和第二外泵室318连接，只允许流体从第二外泵室318流向高压道368中。同样的，内止回阀360的阀开启面积是外止回阀362和363的两倍。
低压道356还包含一个压力传感器376用来测量低压道356中的流体的压力。高压道368同样包含一个压力传感器377用来测量高压道368中的流体的压力。两个压力传感器376和377和控制器35电动连接，用来接收和处理压力信息。
液压启动和控制阀379安装在泵座302的顶部，靠近低压道356。控制阀379耦合泵座302上的四个口，一个高压口380、一个低压口381，一个内泵室口382和一个外泵室口383。高压口380通过一个管路和高压道368连接，低压口381通过一个管路和低压道356连接。内泵室口382通过一个第一通道384和内泵室306连接，而外泵室口383通过一个第二管路385和第二外泵室314和318连接。
控制阀379可液压连接高压口380和内泵室口382，与此同时，低压口381和外泵室口383连接。控制阀379也可以使低压口381和内泵室口382连接，高压口380和外泵室口383连接。在第三种状态下，控制阀379将阻止高低压口380和381和内外泵室口382和383之间的液压流体的流动。电 子控制器35控制控制阀379的状态。
液压泵壳体组件12也可能包括活塞阻块，设置活塞冲程的最大距离。可能需要这些阻块是因为对于自由活塞式发动机来说活塞运动是由力的平衡决定的——而不是一个固定的机械路径。用于内活塞组件200的活塞阻块包含安装在推杆240的内柱塞242两端的径向阶梯部分388，匹配阻块389位于中心孔304的两端——在泵坐302和密封塞309上。阶梯部分388关于阻块389的相对位置将决定内活塞组件在两个方向上的最大行程。如果阶梯部分388和阻块389耦合，活塞在那个方向上将停止运动。
外活塞组件250的活塞阻块包含安装在拉杆293和294的外柱塞295和296两端的径向阶梯部分390和391。泵座302和密封塞311和313，和内活塞组件200一样，将包含位于第一和第二拉杆孔310和312两端的匹配阻块392和393。
另一实施例中，活塞阻块可以省略。在这种配置状态下，第一内活塞202的头部210撞击第一外活塞252的头部254将作为一个方向上的停止，而第二内活塞220的头部222撞击第二外活塞275的头部276将作为另一个方向上的停止。虽然这咋看上去不好，但是活塞头部有相当大的接触面积，在内外活塞碰撞之前气缸内的压力将急剧增加，这样减缓了撞击的速度。
液压泵壳体组件12还包含一对位置传感器。第一位置传感器395安装在泵座302上，围绕第一导杆244，包含第一组铜环246。第二位置传感器396安装在泵座302上，围绕第二导杆245，包含第二组铜环247。位置传感器395和396电动连接，并提供位置信息给电子控制器35。有了第一位置传感器395的监测信息，电子控制器35可以决定内活塞组件200的位置和速度。第二位置传感器396的监测信息用于第一位置传感器395的校准。
现在讨论发动机10的运作过程。因为本发明的发动机是一个自由活塞式发动机，活塞的运动由作用在活塞组件200和250上的力的平衡决定。例如，主要的力是对置气缸44和144的气缸压力，各种移动部件产生的摩擦，空气净化，移动活塞组件200和250的惯性和柱塞242、295和296引起的任何载荷。因此，活塞组件200和250必须在合适的时间接收合适量的输入力以使活塞作持续往复运动。这种往复运动必须足够来获得燃烧冲程所需的压力。通过利用输出来控制活塞组件200和250的运动，尤其是每一冲程末端附件， 活塞上止点位置和压缩比可得到控制。进一步地，改变压缩比的能力使得HCCI燃烧更便利，因为燃烧需要的压缩比可以根据发动机运转状态改变。因为力的平衡必须正确的定时和控制，所以电子控制器35监测和驱动发动机关键部件。
在发动机启动之前，液压系统329的高压腔338使液压流体保持在高压状态，可能是5000~6000PSI。液压系统329的低压腔330使液压流体保持在低压状态，可能是50~60PSI。
在发动机启动过程的开始，电子控制器35激励启动和控制阀379，在第一阀位置和第二阀位置间转换。第一阀位置：高压口380接通内泵室口382，低压口381接通外泵室口383，第二阀位置：高压口380接通外泵室口383，低压口381接通内泵室口382。
在控制阀379的第一阀位置，高压腔338中的流体被注入内泵室306中，使推杆240的内柱塞242和整个内活塞组件200开始向右移动。这将使得内耦合泵室308中的流体通过第一第二交叉连接通道322和323注入第一第二外耦合泵室316和320中。反过来，这将使第一第二拉杆293和294的第一第二外柱塞295和296和整个外活塞组件开始向左移动。当外活塞组件250向左移动时，第一第二外泵室314和318中的流体通过控制阀379注入低压腔330。
两活塞组件200和250的这种对置运动将使第一外活塞252和第一内活塞202在第一气缸44中同时移向它们的上止点位置，而第二外活塞275和第二内活塞220将在第二气缸144中同时移向它们的下止点位置。两活塞组件200和250都在轴线方向作往复运动。轴向方向上述两发动机气缸44和144的中心，如图10和11所示的发动机44和144中的双向箭头所示。
在控制阀379的第二阀位置，来自高压腔338的流体将被注入第一和第二外泵室314和318中，使得第一第二拉杆293和294的第一第二外柱塞295和295和整个外活塞组件250向右移动。这将使得第一第二外耦合泵室316和320中的流体通过第一第二交叉连接通道322和323注入内耦合泵室308中。反过来，这将使得推杆240的内柱塞242和整个内活塞组件200开始向左移动，内泵室306中的流体将被通过控制阀379流入低压腔330中。
两活塞组件200和250的这种对置运动将引起第一气缸中的第一外活塞 252和第一内活塞202同时移向它们的上止点位置，而第二外活塞275和第二内活塞220将同时背离移动到它们的下止点位置。
通过正确迅速地转变启动和控制阀379的三个阀位置，活塞组件200和250可以选择性的引起第一发动机气缸44的压缩或者引起第二发动机气缸144的压缩。电子控制器35，通过监测位置传感器288和395，决定活塞组件200和250的位置和速度。电子控制器35然后利用位置和速度信息决定启动和控制阀379开关转换的合适时间以在发动机气缸44和144中产生需要的压缩比。从上述讨论可以看出，启动和控制阀379在发动机启动时控制活塞组件200和250的移动。
本发明介绍的是一个二冲程发动机，没有任何独立的阀系统来打开和关闭发动机气缸44和144的进气口和排气口。这样，在两个冲程期间完成压缩、燃烧（包括点火）、膨胀和混合气体的交换（包括进排气）。这种布置缩小了发动机10的整体尺寸。
内活塞组件200的移动使得内活塞202和220交替地关闭和开启排气口46和146。外活塞组件250的移动使得外活塞252和275交替地关闭和开启进气口56和156，同时也使得活塞桥264和282收取进气。外活塞组件250的移动也使得外活塞252和275交替地关闭和开启喷油器34和134。因此，由启动和控制阀379引起的内外活塞组件200和250的运动使得空气进入气缸44和144中，允许燃油注入气缸和空气混合，并提供足够的压缩使得空燃混合器燃烧。
进一步地，在正常运转情况下的燃烧过程是一个均质混合气压缩点火类型的燃烧（HCCI），利用可变的压缩比产生高效的燃烧。HCCI过程利用均质空燃混合气，混合气由于高压缩比发生自燃；即，预混合的空燃混合气被压缩至自燃点（也叫自燃）。由HCCI过程引起的自燃，有很多点火点来确保迅速的燃烧，这考虑了低当量比（实际空燃比和化学计量比的比值），因为不需要火焰的传播。这在降低气缸峰值温度的同时也提高了效率，重要的是减少了氮氧化物的形成。如果发动机作为一个火花塞点火式发动机，也可以利用火花塞。
更进一步地，描述第一发动机气缸44的进气、压缩、燃烧和排气冲程（同样适用于第二发动机气缸144）。第一外活塞252的移动管理进气同时决定 进气口56和喷油器34对第一发动机气缸44开启的时间和持续时间。当第一外活塞252移动至它的上止点位置时，第一回油泵74的泵室78中的容积增大，通过进口蝶阀94空气被注入泵室中。
上止点位置之后——通常燃烧冲程之后——第一外活塞252的移动减少泵室78中的容积，通过出口蝶阀95空气被挤压进入进气通道93、72和31中。当第一外活塞252持续移动至下止点位置时，进气口56将开启，允许进气通道31中的压缩空气进入第一发动机气缸44中。此时，喷油器34也对第一发动机气缸44开启。控制器35将驱动第一喷油器34，将燃油雾化喷入空气流中。控制器35利用外活塞位置传感器291和燃油压力传感器41来决定喷油器驱动的时间的持续时间。
到达下止点之后，第一外活塞252再次向上止点位置移动。在这一移动期间，第一外活塞252将关闭第一发动机气缸44的进气口56和喷油器口54。当第一外活塞252持续向上止点位置移动时空燃混合气被压缩。要注意的是，第一喷油器34直接向第一气缸44喷油，而不是在燃烧冲程时，因为当活塞252在上止点位置附近时喷油口被覆盖。
第一内活塞202的移动决定了排气口46对第一发动机气缸44开启的时间和持续时间。当第一内活塞202离开上止点位置时——通常在燃烧冲程之后——第一内活塞202的头部210将越过排气口46，使废气通过排气口46排出。废气然后将流经第一废气通道20进入排气系统（图中未显示）。当第一内活塞202到达下止点位置时，排气口将完全对第一发动机气缸44开启。下止点位置之后，第一内活塞202向上止点移动，关闭排气口46。这个时候没有排出的废气将留在发动机气缸44中在下一燃烧冲程作为内EGR。当第一内活塞202继续向上止点移动时，空燃混合气和剩余的废气被压缩。剩余废气将提供热量和自由基给混合气，帮助混合气在一个低压缩比时产生自燃。对于发动机10的HCCI燃烧，最好是有20%~55%的内EGR，或者更多的30%~40%。这样，最好在靠近内活塞202的下止点位置有相应的短端口（轴向）。例如，如果整个冲程是100m，那么排气口的轴向长度可能大约是10m（一个冲程的十分之一）。传统的排气口开启一般是一个冲程的35%~40%，对于活塞移植发动机最小是25%。
因为第二发动机气缸144和第一发动机气缸44是对置运动，第一发动机 气缸44内的燃烧将引起第一内外活塞202和252分开，而第二发动机气缸144中的燃烧将使第一内外活塞202和252靠近运动（引起第一发动机气缸44内的压缩），因此，发动机持续不断地运转。发动机10的这种自我维持的运转通过控制喷油进行保持。喷油控制可以控制活塞冲程的长度，这必须足够维持燃烧所需的压缩比并避免活塞的碰撞。当然，考虑到瞬时工况，偶尔的非燃烧事件，系统不平衡，和其他因素，可以适时的应用启动和控制阀379，并结合燃油控制来更正活塞运动。这不仅确保合适的压缩比用于给定的发动机运转状态，还确保自动点火发生在上止点位置之后以避免浪费燃烧能量，该能量改变活塞组件200和250的运动方向。
在正常的发动机运转过程中，因为燃烧使活塞组件200和250作往复运动，所以推杆240和拉杆293和294将驱动柱塞242、295和296在各自的孔304、310和312中往复运动。因为内活塞组件200向右移动（如图所示），内柱塞的移动将使低压止回阀开启，使流体从低压道356进入内泵室306中。低压道356中流出的流体从低压腔330补充。低压道356中的流体容量和低压腔330重新填满低压道356的能力必须足够以保持流体流过低压止回阀。否则，将发生涡凹问题。
同时，外活塞组件250向左移动，外柱塞295和296使得第一和第二外泵室314和318中的流体通过第一和第二外高压止回阀371和372泵入高压道368中。这使流体进入高压腔338中。高压腔338中的流体然后作为发动机运转的一个能量源，同时驱动其他部件和系统。因为液压能源是一部分压力等级和液压流，所以在决定活塞冲程时可以利用能量输出，利用活塞频率和/或者液压油柱塞的尺寸布置发动机的尺寸。因为活塞频率，移动活塞组件的质量越重，发动机的最大运转频率越低。
在内活塞组件200向右运动时，内柱塞242将内耦合泵室306的流体泵入两个外耦合泵室316和320中。如上述所述，这使得两活塞组件200和250作对置运动。如果活塞传感器288和395检测到发动机气缸中的两活塞组件200和250不在中心，那么耦合调节阀328和336其中之一将被激活来校正偏移。
在接下来的冲程中，内活塞组件200向左移动，内柱塞242产生的流体压力将打开内高压止回阀370，使流体流向高压道368和高压腔338中。外 活塞组件250同时向右移动，外柱塞295和296通过第一和第二外低压止回阀362和363从低压道356中提取流体。在此发动机冲程期间，外柱塞295和296也将流体从外耦合泵室316和320中泵入内耦合泵室306中。
进一步地，因为内外活塞组件200和250总是对置运动——也因此内柱塞242和两外柱塞295和296总是对置运动——所以发动机的每一冲程只提供内柱塞242或者外柱塞295和296其中之一将流体泵入高压腔338中。每一实施例的相反的行程方向将流体泵入耦合系统。另一方面，如果希望在两个方向上内外柱塞242、295和296都将流体泵入高压腔中，那么就需要提供一个不同类型的耦合系统。
除了发动机内部子系统的运转，在发动机运转过程中外部系统也将起作用。这样，冷却系统将通过冷却通道28、50、66、128、150、166和352泵入冷却剂来保证发动机部件不会过热。另外，燃油系统39将储存和提供所需的压力油到喷油器34和134中。电力系统将提供电力到控制器35，传感器和其他需要电力带动的部件。燃油供给系统将提供润滑油到发动机用于某些组件的润滑。进气系统将提供发动机运转所需的气体到进气口92和192。
图16是本发明的另一个实施例。在该实施例中，外部废气再循环系统EGR连接内部EGR。本实施例包含上述发动机气缸44和144，分别位于一个液压泵壳体组件12的两侧，液压泵壳体组件12包含推杆孔304和拉杆孔310和312。内活塞202和220用一个推杆240连接，推杆贯穿推杆孔304，外活塞252和275用拉杆293和294连接，拉杆分别贯穿拉杆孔310和312。进簧阀组件88和188控制空气流进入回油泵74和174。出口蝶阀组件89和189控制回油泵74和174中空气的排出，分别通过进气口56和156进入发动机气缸44和144。第二实施例的上述讨论和第一实施例是一样的。
第二实施例还揭露了从发动机气缸44和144排出的废气通过涡轮增压器527的一个涡轮525。涡轮525的出口连接一个排气系统529。涡轮525通过一个涡轮轴594驱动一个压缩机597，压缩机的进口连接一个进气系统587，出口连接进簧阀组件88和188。上述涡轮增压系统也可应用于本发明的第一实施例。
第二实施例和第一实施例的区别在于：一个外部EGR系统安装在排气口和进气口之间。排气连接在排气口546和547和涡轮525之间，进气连接在 压缩机597和回油泵74和174之间。一个第一热交换器598冷却来自第一发动机气缸44的部分废气并重新将其引入第一发动机气缸44的进气流。第二热交换器599冷却来自第二发动机气缸144的部分废气并重新将其引入第二发动机气缸144的进气流。因为一部分EGR气体来自外部EGR系统，所以排气口546和547的尺寸和位置的设定将减少内部EGR量。
热交换器598和599的流量是可变的，为了适应外部EGR量。另外，另一实施例，一部分废气可能被送入一个单独的热交换器，冷却之后重新引入发动机气缸44和144的进气流中。
第二实施例的发动机的运转基本和第一实施例相同，除了一些废气被送入热交换器598和599，再重新引入气缸44和144中。通过冷却一些EGR，燃烧过程减慢。即，废气的冷却温度将延迟燃烧的开始，避免了活塞到达上止点位置之前燃烧发生。这样，燃烧产生的热量不会浪费，使活塞停止并反向运动。
虽然两个实施例中用于能量储存介质和控制阀的流体已经省略，如液压油，但是如果可行也可以应用其他适合的流体。例如，流体可能是汽油，加上一个气动能量储存系统作为储存器。流体可能是一个制冷剂，可以是液态或者气态。在上述例子中，因为流体不再是液态（通常是不能压缩的），所以确保两活塞组件对置运动的耦合系统也将改变。然而，OPOC自由活塞式发动机结构，尤其是HCCI燃烧的发动机，还可以用来产生能量储存介质中能量。
更进一步地，虽然这里详细讨论的OPOC自由活塞式发动机的实施例利用一个液压流体作为能量储存和控制介质，但是OPOC自由活塞式发动机可能利用直流发电机来控制发动机和产生电能。液压泵壳体组件将由直流发电机组件代替，拉杆和推杆形成发电机的一部分或者驱动发电机部件。上述活塞/气缸组件——包括回油泵——将运转产生热量来驱动直流发电机。所以，HCCI燃烧，在空气充足的情况下，也可以应用直流发电机。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。