本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，更具體地涉及具有自由端活塞的內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機(jī)是已知的。最常見的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)類型是二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。這些類型的發(fā)動(dòng)機(jī)包括相對(duì)大量的部件，并且需要大量的輔助系統(tǒng)，例如上油、冷卻等，以用于正常運(yùn)行。

GB2183726(A)公開了一種雙作用二沖程內(nèi)燃機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置有排氣閥，該排氣閥相對(duì)于活塞桿移動(dòng)并且不形成其整體部分。排氣閥由彈簧向后張緊，并且當(dāng)活塞移動(dòng)到另一側(cè)時(shí)通過榫舌打開。當(dāng)活塞到達(dá)另一側(cè)時(shí)發(fā)生排氣，并且一旦活塞開始移動(dòng)到另一側(cè)，排氣閥就關(guān)閉。

'726的缺點(diǎn)是：需要制造與活塞桿滑動(dòng)配合的排氣閥，需要為閥提供彈簧和機(jī)械打開機(jī)構(gòu)，以及低效的氣體交換過程。

US5676097(A)公開了一種設(shè)置有與輔助進(jìn)料入口單元協(xié)作的雙作用活塞的高效內(nèi)燃機(jī)。排氣口位于氣缸的中心，并且入口開口位于氣缸的邊緣并使用閥(19)。

US2012280513(A1)公開了一種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)很長(zhǎng)。位于發(fā)動(dòng)機(jī)每一側(cè)的活塞通過內(nèi)部桿連接到另一活塞。發(fā)動(dòng)機(jī)在其中包含液體，并且排氣通過位于發(fā)動(dòng)機(jī)每側(cè)的機(jī)械閥進(jìn)行。機(jī)械功率未接受在發(fā)動(dòng)機(jī)外部而是在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。

'513申請(qǐng)的缺點(diǎn)是它需要專用的排氣閥和用于其操作的機(jī)構(gòu)。

US4831972(A)公開了一種具有位于其中心的火花塞的內(nèi)燃機(jī)。由發(fā)動(dòng)機(jī)接收的機(jī)械功率保持在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。

US6722322(B2)公開了一種包括形成一種發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的兩個(gè)活塞的內(nèi)燃機(jī)。外部彈簧用于保持內(nèi)部柱塞。

DE102008004879(A1)公開了一種例如用于挖掘機(jī)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有帶有自由活塞的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、由熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的用于產(chǎn)生電能的線性發(fā)電機(jī)、以及由熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的用于產(chǎn)生液壓和/或氣動(dòng)能的泵組件。

US6199519(B1)公開了一種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其在不需要火花塞的情況下自燃。沒有動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)流出，并且進(jìn)氣口和排氣口設(shè)置在氣缸側(cè)的兩側(cè)。

US4385597(A)公開了一種具有三個(gè)活塞的二沖程內(nèi)燃機(jī)；一個(gè)中心活塞和相對(duì)于中心活塞移動(dòng)的兩個(gè)側(cè)活塞。

US4414927(A)公開了一種具有三個(gè)活塞的二沖程振蕩活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。兩個(gè)活塞桿都不用作排氣閥。

JPS63192916(A)公開了具有三個(gè)活塞的線性發(fā)動(dòng)機(jī)。

GB2353562(A)公開了一種具有剛性活塞/連桿單元和兩個(gè)燃燒室的內(nèi)燃機(jī)，還具有熱絕緣和噴射到燃燒室中的水。'562的發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是其需要在發(fā)動(dòng)機(jī)的每一側(cè)的入口閥和排氣閥。

本發(fā)明的目的是提供一種顯著減少或克服上述缺點(diǎn)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

本發(fā)明的主要目的是提供一種在內(nèi)燃機(jī)中的氣體交換的新方法。

本發(fā)明的另一個(gè)主要目的是提供一種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其使得預(yù)充的新鮮空氣能夠恒定地流入和通過氣缸并通過活塞桿，而不管活塞的位置，并且通過排氣系統(tǒng)，而與在給定時(shí)間采取的燃燒動(dòng)作無(wú)關(guān)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種內(nèi)燃機(jī)中的新循環(huán)過程，其不同于自動(dòng)(Auto)循環(huán)、阿特金森(Atkinson)循環(huán)或兩沖程循環(huán)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種多功能活塞。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用作入口閥的活塞、以及用作排氣管和排氣閥的活塞桿。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種包括直接低壓燃料噴射的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有橫向無(wú)應(yīng)力作用活塞的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其通過將氣流轉(zhuǎn)向更長(zhǎng)的路徑并減少氣體朝向發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋與活塞桿之間的間隙的會(huì)聚而防止壓縮氣體泄漏。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有活塞旋轉(zhuǎn)防止機(jī)構(gòu)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有開口密封環(huán)旋轉(zhuǎn)防止系統(tǒng)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在其周邊具有發(fā)電機(jī)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種低成本的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種有效的、具有少量部件、具有高功率重量比并且顯著減少空氣污染和燃料消耗的新型內(nèi)燃機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

已知的自動(dòng)循環(huán)過程包括以下步驟：進(jìn)氣-壓縮-做功-排氣。已知的兩沖程循環(huán)過程包括以下步驟：做功和壓縮-排氣和進(jìn)氣，沿著活塞從氣缸的頂點(diǎn)移動(dòng)到氣缸的底點(diǎn)并再次向上(完整循環(huán))。

本發(fā)明的循環(huán)過程(可被稱為“水瓶座(Aquarius)循環(huán)”)，包括以下步驟：做功-排氣-掃氣-氣體增壓-壓縮-做功。本發(fā)明提出了這種新的循環(huán)，并且本設(shè)計(jì)允許其在氣缸的兩側(cè)上的氣缸內(nèi)對(duì)稱地且同時(shí)地發(fā)生(即當(dāng)氣缸的給定第一側(cè)在循環(huán)的給定步驟下時(shí)，氣缸的相對(duì)側(cè)也在循環(huán)的步驟下，然而在與在氣缸的第一側(cè)處發(fā)生的步驟相比所不同的步驟下)。每當(dāng)活塞從氣缸的一端到另一端同時(shí)完成其行程時(shí)，整個(gè)循環(huán)發(fā)生在氣缸內(nèi)部。

通過氣缸的預(yù)充氣的連續(xù)流除了用于燃燒之外還用于燃燒氣體清掃，用于冷卻氣缸壁和活塞，以及用于富集排氣室的燃燒氣體。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于產(chǎn)生輸出軸沿縱向軸線的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括：

雙側(cè)氣缸，所述氣缸在其每一側(cè)由發(fā)動(dòng)機(jī)頭部限定；

排氣單元，其定位在所述氣缸的每一側(cè)；

活塞，其定位在氣缸內(nèi)部空間內(nèi)并且沿著所述縱向軸線相對(duì)于所述氣缸自由滑動(dòng)；

與所述縱向軸線對(duì)準(zhǔn)的兩個(gè)活塞桿，每個(gè)活塞桿連接在所述活塞的不同側(cè)，其中：

每個(gè)活塞桿包括排氣開口。

優(yōu)選地，所述排氣開口包括以下組中的至少一個(gè)：孔、縱向槽和凹槽。

通常，每個(gè)活塞桿設(shè)置有至少?gòu)乃龌钊麠U的遠(yuǎn)離活塞的開口端延伸到最靠近活塞的排氣開口的腔。

有利地，所述排氣開口構(gòu)成形成活塞桿的整體部分的排氣閥。

更有利地，每個(gè)活塞桿構(gòu)成滑閥。

還有利地，活塞構(gòu)成入口閥和排出閥。

通常，活塞相對(duì)于其中間平面對(duì)稱。

創(chuàng)新地，發(fā)動(dòng)機(jī)通過Aquarius循環(huán)操作，Aquarius循環(huán)包括以下步驟：

(a)做功，(b)排氣，(c)掃氣，(d)氣體增壓，(e)壓縮。

優(yōu)選地，排氣口布置成至少一組。

通常，排氣開口布置成多個(gè)組。

如果需要的話，氣缸包括在其中心部分處的入口開口。

實(shí)際上，氣缸包括通過其的預(yù)充空氣的連續(xù)流。

有利地，所述氣缸包括在其內(nèi)部的氣缸壁，并且空氣的連續(xù)流從氣缸清掃燃燒氣體，冷卻氣缸壁和活塞，并且富集燃燒氣體，而不依賴于活塞的位置。

創(chuàng)新地，燃燒氣體通過活塞桿排出氣缸。

有利地，燃燒氣體在有效做功沖程結(jié)束時(shí)離開氣缸。

通常，活塞構(gòu)成多功能活塞。

有利地，活塞構(gòu)成橫向無(wú)應(yīng)力作用活塞。

如果需要的話，發(fā)動(dòng)機(jī)包括連接到排氣歧管的暫時(shí)室，用于防止燃燒氣體泄漏。

通常，發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于在活塞桿與發(fā)動(dòng)機(jī)頭部之間以及在活塞桿與排氣單元之間密封的密封環(huán)，并且其中：

密封環(huán)是靜止的，并且活塞桿在其中并相對(duì)于其滑動(dòng)。

此外通常，密封環(huán)包括趨于相對(duì)于活塞桿向內(nèi)閉合的開口環(huán)。

在一些實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)包括進(jìn)氣開口，排氣開口在進(jìn)氣開口附近。

如果需要的話，發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于防止活塞圍繞縱向軸線旋轉(zhuǎn)的對(duì)準(zhǔn)器系統(tǒng)。

實(shí)際上，對(duì)準(zhǔn)器系統(tǒng)包括對(duì)準(zhǔn)器桿，其平行于縱向軸線定向并通過連接臂連接到活塞桿。

有利地，對(duì)準(zhǔn)器桿包括線圈繞組，并且

所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括通過定子線圈產(chǎn)生電力的電動(dòng)機(jī)，定子線圈由對(duì)準(zhǔn)器桿通過其的線性前后運(yùn)動(dòng)而通電。

通常，發(fā)動(dòng)機(jī)包括圍繞縱向軸線并遠(yuǎn)離縱向軸線的假想周邊包絡(luò)線；并且

電動(dòng)機(jī)的定子線圈定位在周邊包絡(luò)線周圍并且與縱向軸線隔開。

更有利地，發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。

在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括：

由連接到第一對(duì)準(zhǔn)器桿的第一齒條旋轉(zhuǎn)的第一小齒輪，所述第一小齒輪旋轉(zhuǎn)到單個(gè)方向；

由連接到與所述第一對(duì)準(zhǔn)桿相鄰的第二對(duì)準(zhǔn)器桿的第二齒條旋轉(zhuǎn)的第二小齒輪，所述第二小齒輪旋轉(zhuǎn)到與所述第一小齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相同的單個(gè)方向；以及

第一小齒輪和第二小齒輪對(duì)準(zhǔn)并且圍繞輸出軸線旋轉(zhuǎn)。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明并示出如何在實(shí)踐中實(shí)施本發(fā)明，下面將參考附圖，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的透視圖；

圖2是根據(jù)第一實(shí)施例的圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)剖視圖；

圖3是圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的透視分解圖；

圖4是圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸的透視圖；

圖5是圖4的氣缸的頂部透視圖；

圖6是圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞和活塞桿的透視圖；

圖7是圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣單元的透視圖；

圖8是當(dāng)使用閥時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的修改版本的透視圖；

圖9是圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管的上部的透視圖；

圖10是圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管的下部的透視圖；

圖11是根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的另一實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖12是圖11的發(fā)動(dòng)機(jī)的透視分解圖；

圖13是圖11的發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸的透視圖；

圖14是圖11的發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的透視圖；

圖15是圖11的發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞和活塞桿的透視圖；

圖16是圖11的發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的透視圖；

圖17是根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的另一實(shí)施例的透視圖，示出了發(fā)電單元與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接；

圖18是根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的另一實(shí)施例的透視圖，其配備有用于將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)；

圖19是根據(jù)本發(fā)明的活塞桿的另一實(shí)施例的透視圖；

圖20是根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在Aquarius循環(huán)的第一步驟期間的示意性橫截面圖；

圖21是根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在Aquarius循環(huán)的第二步驟期間的示意性橫截面圖；

圖22是根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在Aquarius循環(huán)的第三步驟期間的示意性橫截面圖；以及

圖23是根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在Aquarius循環(huán)的第四步驟期間的示意性橫截面圖。

具體實(shí)施方式

首先參照?qǐng)D1至圖10，示出了根據(jù)本發(fā)明的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)10。具有縱向軸線A的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)10是內(nèi)燃機(jī)。為了簡(jiǎn)單起見，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)10在下文中將被稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)”。

發(fā)動(dòng)機(jī)10包括雙側(cè)氣缸12，其在氣缸12的中心部分16中具有多個(gè)周邊分布的進(jìn)氣開口14。通常，進(jìn)氣開口14圍繞氣缸12的周邊均勻分布。進(jìn)氣開口14在周邊由進(jìn)氣歧管18限定。進(jìn)氣歧管18包括進(jìn)氣歧管上部20，進(jìn)氣歧管上部20連接到進(jìn)氣歧管下部22。進(jìn)氣歧管上部20在其上部包括進(jìn)氣口24，預(yù)充的新鮮空氣通過該進(jìn)氣口進(jìn)入氣缸12。氣缸12的每一側(cè)由發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26關(guān)閉，并且設(shè)置有多個(gè)間隔開的盤狀冷卻翅片28。在一些情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，發(fā)動(dòng)機(jī)10可以通過使用本領(lǐng)域已知類型的冷卻劑來(lái)冷卻。

應(yīng)當(dāng)指出的是，出現(xiàn)在整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中的方向性術(shù)語(yǔ)，例如使用“前”、“后”、“上”、“下”等術(shù)語(yǔ)來(lái)方便地區(qū)分各種表面相對(duì)于彼此的位置。這些術(shù)語(yǔ)是參考附圖定義的，然而它們僅用于說明目的，并不旨在限制所附權(quán)利要求的范圍。

活塞30位于氣缸12的氣缸內(nèi)部空間32內(nèi)，并且可以沿著氣缸內(nèi)部空間32在縱向軸線A的方向上自由地前后滑動(dòng)?；钊?0是雙側(cè)的、實(shí)心的且相對(duì)于其中間平面P是對(duì)稱的。

活塞桿34在其中心處相對(duì)于縱向軸線A對(duì)稱地連接到活塞30的每一側(cè)。兩個(gè)活塞桿34中的每一個(gè)是中空的，即包括縱向延伸的腔36，其沿著活塞桿34的整個(gè)長(zhǎng)度延伸。由于活塞30是實(shí)心的，如上所述，應(yīng)該清楚的是，給定活塞桿34的腔36不連接到另一活塞桿34的腔36，并且沒有氣體可以從活塞30的一側(cè)穿過活塞30流到活塞30的另一側(cè)。

每個(gè)活塞桿34包括“滑閥”(將在稍后描述)的整體部分和多功能活塞的整體部分，該活塞桿設(shè)置有多個(gè)排氣開口38。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，每個(gè)活塞桿34的排氣口38布置成三組，即最靠近活塞30的向內(nèi)組40、離活塞30最遠(yuǎn)的向外組42和位于向內(nèi)組40與向外組42之間的中心組44。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定排氣開口組之間的距離及其相對(duì)于活塞的位置，或者如果需要的話確定組的數(shù)量。每組即向內(nèi)組40、向外組42和中心組44設(shè)置有多個(gè)排氣開口38。每組的排氣開口38與活塞30等距離。此外，根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，給定組的排氣開口38圍繞活塞桿34均等地周向分布。

從排氣開口38的最近點(diǎn)到活塞30測(cè)量的向內(nèi)組40的排氣開口38與活塞30的距離確定發(fā)動(dòng)機(jī)10的壓縮比。

每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26包括用于在其中分配火花塞和燃料霧化器45的區(qū)域?？商娲兀剂响F化器45可以應(yīng)用在氣缸的中心部分16或者在氣缸壁33。

每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26的遠(yuǎn)端由排氣單元48關(guān)閉。排氣單元48連接到每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26，或者可以與每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26組合或者作為其組成部分。每個(gè)排氣單元48包括在其內(nèi)部的排氣室50、以及在其外部的排氣冷卻翅片52。每個(gè)排氣口48的上部包括排氣出口54。

現(xiàn)在將描述發(fā)動(dòng)機(jī)操作的一般描述。當(dāng)活塞30在氣缸內(nèi)部空間32內(nèi)滑動(dòng)時(shí)，其關(guān)閉并相應(yīng)地暴露入口開口14，通過該入口開口14進(jìn)入整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)操作所需的預(yù)充氣，即燃燒、冷卻、掃氣、和燃燒氣體的氧化。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，進(jìn)入氣缸的空氣被預(yù)充(通過未示出的系統(tǒng))。當(dāng)活塞桿34移動(dòng)時(shí)，它們相應(yīng)地暴露和關(guān)閉到排氣室50。在該位置，排氣可以從排氣室50流出到排氣出口54。如果需要的話，排氣可以進(jìn)一步流入渦輪增壓系統(tǒng)(未示出)。

當(dāng)活塞30從氣缸12的中心部分16朝向發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26移動(dòng)時(shí)，入口開口14和排氣開口38關(guān)閉，并且壓縮沖程發(fā)生(參見圖23，當(dāng)活塞移動(dòng)到右側(cè)時(shí))。燃料通過霧化器45(參見圖11)噴射到氣缸內(nèi)部空間32中，并且通過火花塞46(參見圖20)點(diǎn)燃。燃料和空氣混合物的點(diǎn)火產(chǎn)生稱為動(dòng)力沖程或做功沖程的燃燒(參見圖21)。

應(yīng)當(dāng)指出的是，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)使用單個(gè)中心霧化器，而不是在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的若干個(gè)霧化器?？商娲?，發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用兩個(gè)霧化器，在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部上或靠近氣缸壁33的頂端。

此外，在壓縮沖程開始時(shí)通過霧化器噴射燃料，其中通常在現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，僅在壓縮沖程結(jié)束時(shí)將燃料噴射到燃燒室中。該特征使得本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠執(zhí)行“直接低壓噴射”，即能夠?qū)⑷剂蠂娚涞桨s3巴的空氣的室中，而不是將燃料噴射到包括約100巴或更高的空氣的室中。與常用的高壓噴射相反，這種直接低壓噴射遇到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的各種優(yōu)點(diǎn)。例如，(1)安全性-使用低壓顯著降低了泄漏的可能性，(2)由于需要在較低壓力下噴射燃料而節(jié)能，(3)更好地霧化空氣和燃料，導(dǎo)致更好的燃燒和更低的燃料消耗，從而減少空氣污染。

下面在做功行程期間，活塞30朝向氣缸12的相對(duì)側(cè)移動(dòng)并與活塞桿34一起移動(dòng)。在活塞桿34的運(yùn)動(dòng)期間(至如圖21所示的右側(cè))，排氣開口38(其在活塞后面，即在活塞左側(cè)的排氣開口)暴露于氣缸內(nèi)部空間32，并且使得燃燒氣體能夠通過活塞桿34朝向排氣室50流動(dòng)并且至排氣出口54(參見從圖21到圖22的變化)。

這種獨(dú)特且特殊的動(dòng)作允許在結(jié)束有效做功沖程之后立即排出燃燒氣體。有效做功行程被定義為燃燒后的高壓之間的差，導(dǎo)致有效行程(活塞的運(yùn)動(dòng))且然后增加氣缸的自由空間，導(dǎo)致在該空間處的壓力減小，在該點(diǎn)處，氣體壓力不再有效，但已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)活塞的動(dòng)力。因此，由于燃燒氣體在氣缸12內(nèi)存在的時(shí)間相對(duì)短，所以氣缸保持相對(duì)冷且排氣單元48保持相對(duì)熱。

在活塞30的運(yùn)動(dòng)繼續(xù)期間，入口開口14暴露，并且預(yù)充的新鮮空氣通過進(jìn)氣口24到達(dá)剛剛經(jīng)過做功沖程(參見圖23)的氣缸內(nèi)部空間32。預(yù)充入的空氣清除氣缸內(nèi)部空間32的燃燒氣體的任何殘余物，從內(nèi)部冷卻氣缸并且在排氣單元用新鮮空氣富集燃燒氣體，使得未燃燒的燃料的任何殘余物燃燒。另一個(gè)重要的問題是，隨著活塞30保持朝向氣缸12的另一端移動(dòng)，預(yù)充入的空氣填充氣缸的自由空間的增長(zhǎng)尺寸，因此消除了燃燒氣體被吸回氣缸。

同時(shí)，在活塞30的相對(duì)側(cè)中的空氣首先被增壓，直到排氣閥開口關(guān)閉，然后被壓縮，從而在另一側(cè)開始另一壓縮沖程。間歇地打開到氣缸內(nèi)部空間32和排氣室50并且還允許燃燒氣體從氣缸內(nèi)部空間32流動(dòng)到排氣室50的排氣開口的動(dòng)作可被定義為“滑閥”動(dòng)作。

應(yīng)當(dāng)指出的是，當(dāng)活塞30在氣缸內(nèi)部空間32內(nèi)達(dá)到其向左側(cè)(參見圖2)的最大行程時(shí)，左活塞桿34的所有排氣開口38，即向內(nèi)組40、中心組44和向外組42的排氣開口位于左排氣室50內(nèi)，并且在任何情況下向外組42的排氣開口38都不暴露于大氣。在該位置中，另一活塞桿34即右活塞桿34的向外組42的排氣開口38位于右排氣室50內(nèi)，而右活塞桿34的向內(nèi)組40和中心組44的排氣開口38定位在氣缸內(nèi)部空間32內(nèi)。

下面注意本發(fā)明的另一實(shí)施例，如圖11-12、15-16所示。如圖所示，代替圓形排氣開口，活塞桿34設(shè)置有縱向延伸的排氣槽56。在所示的實(shí)施例中，活塞桿34在活塞30的每一側(cè)設(shè)置有四組58排氣槽56。在每組58排氣槽56中，每個(gè)排氣槽56相對(duì)于縱向軸線A且相對(duì)于在中間平面P的另一側(cè)的排氣槽56對(duì)稱地布置。

根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例(圖中未示出)，通過使用沿著其長(zhǎng)度具有不同直徑的活塞桿，可以實(shí)現(xiàn)用于廢氣的“滑閥”的類似動(dòng)作。因此，活塞桿具有鄰近活塞并在排氣單元外端的全尺寸直徑、以及在其間的較小直徑。利用這種結(jié)構(gòu)，隨著活塞從一端滑動(dòng)到另一端，廢氣可以從氣缸內(nèi)部空間32自由地流到排氣室50。

此外，活塞桿34連接到對(duì)準(zhǔn)器系統(tǒng)60(參見圖16)，用于防止活塞桿34圍繞縱向軸線A旋轉(zhuǎn)，因此具有“對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)活塞”的特征。每個(gè)活塞桿34在其遠(yuǎn)離活塞30的自由端62連接到連接臂64。連接臂64與活塞桿34的連接使得連接臂64不能相對(duì)于活塞桿34圍繞縱向軸線A旋轉(zhuǎn)。這是例如通過在活塞桿34和連接臂64之間螺紋接合或者通過將活塞桿34的自由端62形成為具有非圓形的突起(form)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且在其上組裝具有相應(yīng)的非圓形凹部的連接臂64。固定螺栓66將連接臂64牢固地附接到相應(yīng)的活塞桿34。

具有圓柱形狀和對(duì)準(zhǔn)器桿軸線B的對(duì)準(zhǔn)器桿68垂直地連接在連接臂64的每個(gè)端部。對(duì)準(zhǔn)器桿68相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)10向內(nèi)連接，并且被定向成使得對(duì)準(zhǔn)器桿軸線B平行于縱向軸線A。

如圖11所示，每個(gè)排氣單元48在其排氣室50的外部設(shè)置有對(duì)準(zhǔn)孔69，該對(duì)準(zhǔn)孔69在尺寸和位置上對(duì)應(yīng)于對(duì)準(zhǔn)器桿68。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)10被組裝并且每個(gè)對(duì)準(zhǔn)桿68在其相應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)孔69內(nèi)自由滑動(dòng)時(shí)，保證活塞30與活塞桿34一起僅沿著縱向軸線A來(lái)回移動(dòng)，同時(shí)成功地防止活塞30和活塞桿34圍繞縱向軸線A的旋轉(zhuǎn)。

為了防止氣體通過活塞桿34和排氣單元外端之間到大氣以及密封防止氣體在活塞桿34和發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26之間泄漏并且還防止氣體從活塞30在氣缸內(nèi)部空間32內(nèi)的一側(cè)通過到活塞30在氣缸內(nèi)部空間32內(nèi)的另一側(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)30設(shè)置有密封環(huán)70。

在排氣單元48的兩端的密封環(huán)70具有類似的結(jié)構(gòu)。位于形成在排氣單元48中的密封環(huán)殼體72內(nèi)的每個(gè)密封環(huán)70包括兩個(gè)排氣環(huán)74，其間具有環(huán)形間隔件76。排氣環(huán)74是開口環(huán)，并且形成為使得它們傾向于向內(nèi)擠壓，以便密封排氣環(huán)74和活塞桿34之間的間隙。密封環(huán)70是靜止的，其中活塞桿34在其中滑動(dòng)。

連接到排氣蓋80的固定銷78被引導(dǎo)到在開口環(huán)的兩個(gè)邊緣之間形成的間隙，從而防止開口環(huán)即排氣環(huán)74圍繞縱向軸線A相對(duì)于活塞桿34旋轉(zhuǎn)。排氣環(huán)74可以如上所述位于發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26的端部，并且沒有必要被安裝在排氣室50。

因此，通過對(duì)準(zhǔn)器系統(tǒng)60和固定銷78，確保防止活塞桿34和開口環(huán)(即排氣環(huán)74)之間的任何相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而確?；钊麠U34相對(duì)于密封環(huán)70的無(wú)限自由滑動(dòng)，而沒有活塞桿34的排氣槽56可能碰到開口環(huán)之間的間隙的任何風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)組裝該系統(tǒng)時(shí)，必須注意確保密封環(huán)70是靜止的，并且活塞桿34可以自由地滑過密封環(huán)70。

活塞30的密封環(huán)具有與上述相似的結(jié)構(gòu)，不同之處在于，開口環(huán)傾向于向外延伸，與上述相反，因此確保密封環(huán)強(qiáng)制地壓靠著氣缸壁33，從而確保活塞30相對(duì)于氣缸壁33的適當(dāng)密封。

為了確保在從發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26的出口孔處活塞桿34與發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26之間的更好密封，應(yīng)用了特殊的設(shè)計(jì)。根據(jù)該設(shè)計(jì)，壓縮氣體被迫返回到氣缸內(nèi)部空間32中，而不是擠入活塞桿34和發(fā)動(dòng)機(jī)頭部26之間的間隙中。該特殊設(shè)計(jì)將頭部端口與活塞桿34之間的間隙從在發(fā)動(dòng)機(jī)頭部燃燒室的拋物線的頂點(diǎn)移動(dòng)到更靠近氣缸頂端的下點(diǎn)。在壓縮沖程，氣體被迫向后改變方向，并且不被擠入頭部端口與活塞桿34之間的間隙中并且泄漏。

圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)10的另一實(shí)施例。如圖17所示，每個(gè)連接臂64具有X形，因此具有四個(gè)連接臂邊緣82。根據(jù)一些實(shí)施例，四個(gè)連接臂邊緣82在它們之間連接，從而形成圍繞X形連接臂的大致方形形狀。對(duì)準(zhǔn)器桿68沿發(fā)動(dòng)機(jī)10的整個(gè)長(zhǎng)度延伸，并且在其兩端處連接到連接臂邊緣82。

每個(gè)對(duì)準(zhǔn)器桿68設(shè)置有轉(zhuǎn)子組件和線圈繞組84，線圈繞組84實(shí)際上形成電動(dòng)機(jī)88的轉(zhuǎn)子86。這種轉(zhuǎn)子86與連接臂64一起以線性運(yùn)動(dòng)來(lái)回移動(dòng)，連接臂64連接到類似于本領(lǐng)域中已知的線性電動(dòng)機(jī)的活塞桿34。

連接到沿著發(fā)動(dòng)機(jī)10并圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)10定位的定子支撐托架92的定子線圈90形成在每個(gè)轉(zhuǎn)子86周圍。如圖所示，電動(dòng)機(jī)88圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)10形成，從而形成有效且緊湊的結(jié)構(gòu)。此外，定子線圈90以形成發(fā)電裝置的新的且獨(dú)特的“磁極性陣列”的方式布置。

根據(jù)上述，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)是通過將存儲(chǔ)在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成有用的機(jī)械能而用作發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力的線性的自由活塞內(nèi)燃機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)可以應(yīng)用于電力推進(jìn)、蓄電池和其他耗電應(yīng)用，或者可以用于壓縮空氣或推進(jìn)螺旋槳。

為了顯示根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較。

此外，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)省略了存在于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的以下部件列表：

曲軸、曲軸軸承、曲軸油保持器、用于連桿軸承的油保持器殼體、連桿軸承、油泵、潤(rùn)滑系統(tǒng)、油底殼、水泵、凸輪軸、定時(shí)系統(tǒng)、閥門、閥門導(dǎo)向器、閥門密封件、搖臂、閥門蓋、中間軸、上部油保持器和密封件。

從上述列表和表格可以看出，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如部件數(shù)量減少、重量減輕、空氣污染減少、動(dòng)力與重量比的改善、維護(hù)簡(jiǎn)單、提高機(jī)械可靠性、減小體積，并且不需要內(nèi)部上油系統(tǒng)。

此外，由于根據(jù)本發(fā)明的活塞包括多功能性或者是“多維活塞”：(a)處理燃燒和動(dòng)力沖程，(b)用作入口閥，(c)用于排氣過程，活塞可被認(rèn)為是“3D”活塞。

另外，由于活塞30沿著縱向軸線A線性移動(dòng)，并且由于由活塞桿34施加在活塞30上的壓力沿著相同的線路連續(xù)地指向，所以沒有像在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中那樣有側(cè)向力作用在活塞上，其中活塞桿的基部繞曲軸旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)活塞施加交替的側(cè)向力，因此根據(jù)本發(fā)明的活塞可被認(rèn)為是“橫向無(wú)應(yīng)力作用活塞”。因此，由于缺乏側(cè)向機(jī)械應(yīng)力，避免了上油系統(tǒng)的需要。該特征還可以減少此過程期間的累積熱量，并且可以減少提供冷卻的需要。

因此，隨著沿單個(gè)線性線路作用并且具有用作在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的排氣閥的活塞桿(即內(nèi)部排氣閥或“滑閥”)，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)可被認(rèn)為是“內(nèi)燃機(jī)，具有線性3D活塞、自掃氣和冷卻、直接低壓燃料噴射系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)的活塞運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)行的滑閥。

盡管本發(fā)明已經(jīng)被描述為具有一定程度的特殊性，但應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離如下文所要求保護(hù)的本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變和修改。

例如，發(fā)動(dòng)機(jī)不限于僅具有一個(gè)氣缸，并且其可以具有兩個(gè)或更多個(gè)氣缸。

排氣開口不必圍繞活塞桿均等地周向分布，并且它們根據(jù)設(shè)計(jì)需要布置在不同的陣列中。

活塞桿的腔不必沿著活塞桿的整個(gè)長(zhǎng)度延伸。優(yōu)選地，腔至少?gòu)幕钊麠U的遠(yuǎn)離活塞的開口端延伸到最靠近活塞的排氣開口。

活塞桿中的排氣開口不必如所述地形成。根據(jù)一些實(shí)施例，活塞桿不形成有排氣開口或具有沿著活塞桿的長(zhǎng)度通過的腔?？商娲兀鐖D19所示，活塞桿34是實(shí)心桿并且在其表面上設(shè)置有縱向延伸的凹槽91。由于活塞30與活塞桿34一起沿著氣缸內(nèi)部空間縱向移動(dòng)，所以縱向延伸的凹槽91露出，根據(jù)需要暴露到氣缸內(nèi)部空間或排氣室，從而執(zhí)行排氣動(dòng)作。

冷卻翅片不必如圖所示構(gòu)造，即具有盤狀形狀或方形形狀，并且可根據(jù)構(gòu)造和設(shè)計(jì)需要選擇任何其它形狀的冷卻翅片。

如上所述，活塞可以是實(shí)心的，沒有通孔，其中每個(gè)活塞桿獨(dú)立地或以其它方式連接到活塞的側(cè)面?？商娲?，活塞可以設(shè)置有通孔，以便通過每個(gè)活塞桿彼此連接。然而，應(yīng)該清楚的是，沒有氣體可以通過活塞桿從活塞的一側(cè)流到活塞的另一側(cè)。

使用預(yù)充的新鮮空氣填充氣缸的中央空氣進(jìn)給裝置的獨(dú)特設(shè)計(jì)允許在氣缸頭部的每一側(cè)上應(yīng)用傳統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)閥。閥由彈簧關(guān)閉，并且由機(jī)械機(jī)構(gòu)打開?？商娲兀鼈兛梢允请姴僮鞯?。閥可以在做功行程結(jié)束其有效移動(dòng)并且保持打開之后立即打開，直到活塞移動(dòng)到相對(duì)端并返回到壓縮行程的方向。同時(shí)，隨著活塞向相反方向移動(dòng)，進(jìn)入氣缸的空氣填充氣缸的增加的體積。使用傳統(tǒng)的閥或端口需要在發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的端部處應(yīng)用小排氣單元，以收集和防止任何泄漏的氣體逸出到大氣中。

小排氣室是獨(dú)立的單元或發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的一部分。熱氣體被捕獲在排氣室中并且被引導(dǎo)到排氣歧管用于后處理。

圖8示出了當(dāng)使用閥時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部93的修改版本。

根據(jù)一些實(shí)施例(參見圖18)，兩個(gè)相鄰的對(duì)準(zhǔn)器桿68(例如上對(duì)準(zhǔn)器桿94和下對(duì)準(zhǔn)器桿96)的線性移動(dòng)(以及因此發(fā)動(dòng)機(jī)10的線性移動(dòng))用于產(chǎn)生圍繞輸出軸線C的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)R。上對(duì)準(zhǔn)器桿94在其中心部分設(shè)置有上齒條98，且下對(duì)準(zhǔn)器桿96在其中心部分設(shè)置有下齒條100。上齒條98面向下齒條100，并且它們中的每一個(gè)與不同的小齒輪嚙合。上齒條98與第一小齒輪102嚙合，下齒條100與平行于第一小齒輪102并與其分離的第二小齒輪104嚙合。

第一小齒輪102和第二小齒輪104組裝在共同的軸線上，即輸出軸線C。每個(gè)小齒輪設(shè)置有作為機(jī)械或電氣軸承的單向軸承。在所示的實(shí)施例中，當(dāng)上對(duì)準(zhǔn)器桿94移動(dòng)到左側(cè)時(shí)，第一小齒輪102逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)上對(duì)準(zhǔn)器桿94移動(dòng)到右側(cè)時(shí)，第一小齒輪102保持空轉(zhuǎn)。同樣，當(dāng)下對(duì)準(zhǔn)器桿96移動(dòng)到右側(cè)時(shí)，第二小齒輪104逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)下對(duì)準(zhǔn)器桿96移動(dòng)到左側(cè)時(shí)，第二小齒輪104保持空轉(zhuǎn)。

因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)10的活塞與對(duì)準(zhǔn)桿68一起朝向給定方向線性移動(dòng)時(shí)，僅一個(gè)小齒輪旋轉(zhuǎn)，而另一個(gè)小齒輪保持空轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)10的活塞與對(duì)準(zhǔn)桿68一起朝向相反方向線性移動(dòng)時(shí)，另一個(gè)小齒輪旋轉(zhuǎn)。因此，通過對(duì)準(zhǔn)桿器交替地旋轉(zhuǎn)，每個(gè)小齒輪通過對(duì)準(zhǔn)器桿的不同方向，小齒輪僅在單個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)相互的輸出軸線C(逆時(shí)針，如圖17中任意所示，或者在相反方向即順時(shí)針)。因此，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)可用于產(chǎn)生任何已知的機(jī)械應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，例如飛行器的螺旋槳106、發(fā)電發(fā)電機(jī)等。此外，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)可以用于壓縮液體或氣體。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)R基本上圍繞輸出軸線C建立，輸出軸線C垂直于發(fā)動(dòng)機(jī)10的縱向軸線A。

發(fā)動(dòng)機(jī)不限于使用通過火花塞點(diǎn)燃的燃料，并且如果需要的話，發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用柴油自燃燃料。在這種情況下，火花塞從發(fā)動(dòng)機(jī)中省略。

在一些實(shí)施例中，為了防止燃燒氣體泄漏，發(fā)動(dòng)機(jī)包括連接到排氣歧管的暫時(shí)室。

在一些實(shí)施例中，排氣開口在入口開口附近。