[0001] 本发明涉及内燃机领域，更具体地涉及具有自由端活塞的内燃机领域。

[0002] 内燃机是已知的。最常见的活塞发动机类型是二冲程发动机和四冲程发动机。这些类型的发动机包括相对大量的部件，并且需要大量的辅助系统，例如上油、冷却等，以用于正常运行。

[0003] GB2183726(A)公开了一种双作用二冲程内燃机。发动机设置有排气阀，该排气阀相对于活塞杆移动并且不形成其整体部分。排气阀由弹簧向后张紧，并且当活塞移动到另一侧时通过榫舌打开。当活塞到达另一侧时发生排气，并且一旦活塞开始移动到另一侧，排气阀就关闭。

[0004] '726的缺点是：需要制造与活塞杆滑动配合的排气阀，需要为阀提供弹簧和机械打开机构，以及低效的气体交换过程。

[0005] US5676097(A)公开了一种设置有与辅助进料入口单元协作的双作用活塞的高效内燃机。排气口位于气缸的中心，并且入口开口位于气缸的边缘并使用阀(19)。

[0006] US2012280513(A1)公开了一种自由活塞发动机。发动机很长。位于发动机每一侧的活塞通过内部杆连接到另一活塞。发动机在其中包含液体，并且排气通过位于发动机每侧的机械阀进行。机械功率未接受在发动机外部而是在发动机内。

[0007] '513申请的缺点是它需要专用的排气阀和用于其操作的机构。

[0008] US4831972(A)公开了一种具有位于其中心的火花塞的内燃机。由发动机接收的机械功率保持在发动机内。

[0009] US6722322(B2)公开了一种包括形成一种发动机头部的两个活塞的内燃机。外部弹簧用于保持内部柱塞。

[0010] DE102008004879(A1)公开了一种例如用于挖掘机的自由活塞发动机，其具有带有自由活塞的热力发动机、由热力发动机驱动的用于产生电能的线性发电机、以及由热力发动机驱动的用于产生液压和/或气动能的泵组件。

[0011] US6199519(B1)公开了一种自由活塞发动机，其在不需要火花塞的情况下自燃。没有动力从发动机流出，并且进气口和排气口设置在气缸侧的两侧。

[0012] US4385597(A)公开了一种具有三个活塞的二冲程内燃机；一个中心活塞和相对于中心活塞移动的两个侧活塞。

[0013] US4414927(A)公开了一种具有三个活塞的二冲程振荡活塞发动机。两个活塞杆都不用作排气阀。

[0014] JPS63192916(A)公开了具有三个活塞的线性发动机。

[0015] GB2353562(A)公开了一种具有刚性活塞/连杆单元和两个燃烧室的内燃机，还具有热绝缘和喷射到燃烧室中的水。'562的发动机的缺点是其需要在发动机的每一侧的入口阀和排气阀。

[0016] 本发明的目的是提供一种显著减少或克服上述缺点的自由活塞发动机。

[0017] 本发明的主要目的是提供一种在内燃机中的气体交换的新方法。

[0018] 本发明的另一个主要目的是提供一种自由活塞发动机，其使得预充的新鲜空气能够恒定地流入和通过气缸并通过活塞杆，而不管活塞的位置，并且通过排气系统，而与在给定时间采取的燃烧动作无关。

[0019] 本发明的另一个目的是提供一种内燃机中的新循环过程，其不同于自动(Auto)循环、阿特金森(Atkinson)循环或两冲程循环。

[0020] 本发明的另一个目的是提供一种多功能活塞。

[0021] 本发明的另一个目的是提供一种用作入口阀的活塞、以及用作排气管和排气阀的活塞杆。

[0022] 本发明的另一个目的是提供一种包括直接低压燃料喷射的自由活塞发动机。

[0023] 本发明的另一个目的是提供一种具有横向无应力作用活塞的自由活塞发动机。

[0024] 本发明的另一个目的是提供一种自由活塞发动机，其通过将气流转向更长的路径并减少气体朝向发动机缸盖与活塞杆之间的间隙的会聚而防止压缩气体泄漏。

[0025] 本发明的另一个目的是提供一种具有活塞旋转防止机构的自由活塞发动机。

[0026] 本发明的另一个目的是提供一种具有开口密封环旋转防止系统的自由活塞发动机。

[0027] 本发明的另一个目的是提供一种在其周边具有发电机的自由活塞发动机。

[0028] 本发明的另一个目的是提供一种将线性运动转换成旋转运动的自由活塞发动机。

[0029] 本发明的另一个目的是提供一种低成本的自由活塞发动机。

[0030] 本发明的另一个目的是提供一种有效的、具有少量部件、具有高功率重量比并且显著减少空气污染和燃料消耗的新型内燃机。

[0097] 首先参照图1至图10，示出了根据本发明的自由活塞发动机10。具有纵向轴线A的自由活塞发动机10是内燃机。为了简单起见，自由活塞发动机10在下文中将被称为“发动机”。

[0098] 发动机10包括双侧气缸12，其在气缸12的中心部分16中具有多个周边分布的进气开口14。通常，进气开口14围绕气缸12的周边均匀分布。进气开口14在周边由进气歧管18限定。进气歧管18包括进气歧管上部20，进气歧管上部20连接到进气歧管下部22。进气歧管上部20在其上部包括进气口24，预充的新鲜空气通过该进气口进入气缸12。气缸12的每一侧由发动机头部26关闭，并且设置有多个间隔开的盘状冷却翅片28。在一些情况下，根据设计需要，发动机10可以通过使用本领域已知类型的冷却剂来冷却。

[0099] 应当指出的是，出现在整个说明书和权利要求书中的方向性术语，例如使用“前”、“后”、“上”、“下”等术语来方便地区分各种表面相对于彼此的位置。这些术语是参考附图定义的，然而它们仅用于说明目的，并不旨在限制所附权利要求的范围。

[0100] 活塞30位于气缸12的气缸内部空间32内，并且可以沿着气缸内部空间32在纵向轴线A的方向上自由地前后滑动。活塞30是双侧的、实心的且相对于其中间平面P是对称的。

[0101] 活塞杆34在其中心处相对于纵向轴线A对称地连接到活塞30的每一侧。两个活塞杆34中的每一个是中空的，即包括纵向延伸的腔36，其沿着活塞杆34的整个长度延伸。由于活塞30是实心的，如上所述，应该清楚的是，给定活塞杆34的腔36不连接到另一活塞杆34的腔36，并且没有气体可以从活塞30的一侧穿过活塞30流到活塞30的另一侧。

[0102] 每个活塞杆34包括“滑阀”(将在稍后描述)的整体部分和多功能活塞的整体部分，该活塞杆设置有多个排气开口38。根据本发明的具体实施例，每个活塞杆34的排气口38布置成三组，即最靠近活塞30的向内组40、离活塞30最远的向外组42和位于向内组40与向外组42之间的中心组44。

[0103] 根据设计需要确定排气开口组之间的距离及其相对于活塞的位置，或者如果需要的话确定组的数量。每组即向内组40、向外组42和中心组44设置有多个排气开口38。每组的排气开口38与活塞30等距离。此外，根据本发明的具体实施例，给定组的排气开口38围绕活塞杆34均等地周向分布。

[0104] 从排气开口38的最近点到活塞30测量的向内组40的排气开口38与活塞30的距离确定发动机10的压缩比。

[0105] 每个发动机头部26包括用于在其中分配火花塞和燃料雾化器45的区域。可替代地，燃料雾化器45可以应用在气缸的中心部分16或者在气缸壁33。

[0106] 每个发动机头部26的远端由排气单元48关闭。排气单元48连接到每个发动机头部26，或者可以与每个发动机头部26组合或者作为其组成部分。每个排气单元48包括在其内部的排气室50、以及在其外部的排气冷却翅片52。每个排气口48的上部包括排气出口54。

[0107] 现在将描述发动机操作的一般描述。当活塞30在气缸内部空间32内滑动时，其关闭并相应地暴露入口开口14，通过该入口开口14进入整个发动机操作所需的预充气，即燃烧、冷却、扫气、和燃烧气体的氧化。根据本发明的优选实施例，进入气缸的空气被预充(通过未示出的系统)。当活塞杆34移动时，它们相应地暴露和关闭到排气室50。在该位置，排气可以从排气室50流出到排气出口54。如果需要的话，排气可以进一步流入涡轮增压系统(未示出)。

[0108] 当活塞30从气缸12的中心部分16朝向发动机头部26移动时，入口开口14和排气开口38关闭，并且压缩冲程发生(参见图23，当活塞移动到右侧时)。燃料通过雾化器45(参见图11)喷射到气缸内部空间32中，并且通过火花塞46(参见图20)点燃。燃料和空气混合物的点火产生称为动力冲程或做功冲程的燃烧(参见图21)。

[0109] 应当指出的是，本发明的发动机使用单个中心雾化器，而不是在常规发动机中使用的若干个雾化器。可替代地，发动机可以使用两个雾化器，在每个发动机头部上或靠近气缸壁33的顶端。

[0110] 此外，在压缩冲程开始时通过雾化器喷射燃料，其中通常在现有技术的发动机中，仅在压缩冲程结束时将燃料喷射到燃烧室中。该特征使得本发明的发动机能够执行“直接低压喷射”，即能够将燃料喷射到包括约3巴的空气的室中，而不是将燃料喷射到包括约100巴或更高的空气的室中。与常用的高压喷射相反，这种直接低压喷射遇到本领域技术人员可以理解的各种优点。例如，(1)安全性-使用低压显著降低了泄漏的可能性，(2)由于需要在较低压力下喷射燃料而节能，(3)更好地雾化空气和燃料，导致更好的燃烧和更低的燃料消耗，从而减少空气污染。

[0111] 下面在做功行程期间，活塞30朝向气缸12的相对侧移动并与活塞杆34一起移动。在活塞杆34的运动期间(至如图21所示的右侧)，排气开口38(其在活塞后面，即在活塞左侧的排气开口)暴露于气缸内部空间32，并且使得燃烧气体能够通过活塞杆34朝向排气室50流动并且至排气出口54(参见从图21到图22的变化)。

[0112] 这种独特且特殊的动作允许在结束有效做功冲程之后立即排出燃烧气体。有效做功行程被定义为燃烧后的高压之间的差，导致有效行程(活塞的运动)且然后增加气缸的自由空间，导致在该空间处的压力减小，在该点处，气体压力不再有效，但已经转变为移动活塞的动力。因此，由于燃烧气体在气缸12内存在的时间相对短，所以气缸保持相对冷且排气单元48保持相对热。

[0113] 在活塞30的运动继续期间，入口开口14暴露，并且预充的新鲜空气通过进气口24到达刚刚经过做功冲程(参见图23)的气缸内部空间32。预充入的空气清除气缸内部空间32的燃烧气体的任何残余物，从内部冷却气缸并且在排气单元用新鲜空气富集燃烧气体，使得未燃烧的燃料的任何残余物燃烧。另一个重要的问题是，随着活塞30保持朝向气缸12的另一端移动，预充入的空气填充气缸的自由空间的增长尺寸，因此消除了燃烧气体被吸回气缸。

[0114] 同时，在活塞30的相对侧中的空气首先被增压，直到排气阀开口关闭，然后被压缩，从而在另一侧开始另一压缩冲程。间歇地打开到气缸内部空间32和排气室50并且还允许燃烧气体从气缸内部空间32流动到排气室50的排气开口的动作可被定义为“滑阀”动作。

[0115] 应当指出的是，当活塞30在气缸内部空间32内达到其向左侧(参见图2)的最大行程时，左活塞杆34的所有排气开口38，即向内组40、中心组44和向外组42的排气开口位于左排气室50内，并且在任何情况下向外组42的排气开口38都不暴露于大气。在该位置中，另一活塞杆34即右活塞杆34的向外组42的排气开口38位于右排气室50内，而右活塞杆34的向内组40和中心组44的排气开口38定位在气缸内部空间32内。

[0116] 下面注意本发明的另一实施例，如图11-12、15-16所示。如图所示，代替圆形排气开口，活塞杆34设置有纵向延伸的排气槽56。在所示的实施例中，活塞杆34在活塞30的每一侧设置有四组58排气槽56。在每组58排气槽56中，每个排气槽56相对于纵向轴线A且相对于在中间平面P的另一侧的排气槽56对称地布置。

[0117] 根据本发明的其它实施例(图中未示出)，通过使用沿着其长度具有不同直径的活塞杆，可以实现用于废气的“滑阀”的类似动作。因此，活塞杆具有邻近活塞并在排气单元外端的全尺寸直径、以及在其间的较小直径。利用这种结构，随着活塞从一端滑动到另一端，废气可以从气缸内部空间32自由地流到排气室50。

[0118] 此外，活塞杆34连接到对准器系统60(参见图16)，用于防止活塞杆34围绕纵向轴线A旋转，因此具有“对准运动活塞”的特征。每个活塞杆34在其远离活塞30的自由端62连接到连接臂64。连接臂64与活塞杆34的连接使得连接臂64不能相对于活塞杆34围绕纵向轴线A旋转。这是例如通过在活塞杆34和连接臂64之间螺纹接合或者通过将活塞杆34的自由端62形成为具有非圆形的突起(form)来实现的，并且在其上组装具有相应的非圆形凹部的连接臂64。固定螺栓66将连接臂64牢固地附接到相应的活塞杆34。

[0119] 具有圆柱形状和对准器杆轴线B的对准器杆68垂直地连接在连接臂64的每个端部。对准器杆68相对于发动机10向内连接，并且被定向成使得对准器杆轴线B平行于纵向轴线A。

[0120] 如图11所示，每个排气单元48在其排气室50的外部设置有对准孔69，该对准孔69在尺寸和位置上对应于对准器杆68。因此，当发动机10被组装并且每个对准杆68在其相应的对准孔69内自由滑动时，保证活塞30与活塞杆34一起仅沿着纵向轴线A来回移动，同时成功地防止活塞30和活塞杆34围绕纵向轴线A的旋转。

[0121] 为了防止气体通过活塞杆34和排气单元外端之间到大气以及密封防止气体在活塞杆34和发动机头部26之间泄漏并且还防止气体从活塞30在气缸内部空间32内的一侧通过到活塞30在气缸内部空间32内的另一侧，发动机30设置有密封环70。

[0122] 在排气单元48的两端的密封环70具有类似的结构。位于形成在排气单元48中的密封环壳体72内的每个密封环70包括两个排气环74，其间具有环形间隔件76。排气环74是开口环，并且形成为使得它们倾向于向内挤压，以便密封排气环74和活塞杆34之间的间隙。密封环70是静止的，其中活塞杆34在其中滑动。

[0123] 连接到排气盖80的固定销78被引导到在开口环的两个边缘之间形成的间隙，从而防止开口环即排气环74围绕纵向轴线A相对于活塞杆34旋转。排气环74可以如上所述位于发动机头部26的端部，并且没有必要被安装在排气室50。

[0124] 因此，通过对准器系统60和固定销78，确保防止活塞杆34和开口环(即排气环74)之间的任何相对旋转运动，从而确保活塞杆34相对于密封环70的无限自由滑动，而没有活塞杆34的排气槽56可能碰到开口环之间的间隙的任何风险。当组装该系统时，必须注意确保密封环70是静止的，并且活塞杆34可以自由地滑过密封环70。

[0125] 活塞30的密封环具有与上述相似的结构，不同之处在于，开口环倾向于向外延伸，与上述相反，因此确保密封环强制地压靠着气缸壁33，从而确保活塞30相对于气缸壁33的适当密封。

[0126] 为了确保在从发动机头部26的出口孔处活塞杆34与发动机头部26之间的更好密封，应用了特殊的设计。根据该设计，压缩气体被迫返回到气缸内部空间32中，而不是挤入活塞杆34和发动机头部26之间的间隙中。该特殊设计将头部端口与活塞杆34之间的间隙从在发动机头部燃烧室的抛物线的顶点移动到更靠近气缸顶端的下点。在压缩冲程，气体被迫向后改变方向，并且不被挤入头部端口与活塞杆34之间的间隙中并且泄漏。

[0127] 图17示出了根据本发明的发动机10的另一实施例。如图17所示，每个连接臂64具有X形，因此具有四个连接臂边缘82。根据一些实施例，四个连接臂边缘82在它们之间连接，从而形成围绕X形连接臂的大致方形形状。对准器杆68沿发动机10的整个长度延伸，并且在其两端处连接到连接臂边缘82。

[0128] 每个对准器杆68设置有转子组件和线圈绕组84，线圈绕组84实际上形成电动机88的转子86。这种转子86与连接臂64一起以线性运动来回移动，连接臂64连接到类似于本领域中已知的线性电动机的活塞杆34。

[0129] 连接到沿着发动机10并围绕发动机10定位的定子支撑托架92的定子线圈90形成在每个转子86周围。如图所示，电动机88围绕发动机10形成，从而形成有效且紧凑的结构。此外，定子线圈90以形成发电装置的新的且独特的“磁极性阵列”的方式布置。

[0130] 根据上述，根据本发明的发动机是通过将存储在燃料中的化学能转换成有用的机械能而用作发电机的驱动力的线性的自由活塞内燃机。该发动机可以应用于电力推进、蓄电池和其他耗电应用，或者可以用于压缩空气或推进螺旋桨。

[0131] 为了显示根据本发明的发动机的优点，相对于传统的四缸发动机进行比较。

[0132]

[0133]

[0134] 此外，根据本发明的发动机省略了存在于常规发动机中的以下部件列表：

[0135] 曲轴、曲轴轴承、曲轴油保持器、用于连杆轴承的油保持器壳体、连杆轴承、油泵、润滑系统、油底壳、水泵、凸轮轴、定时系统、阀门、阀门导向器、阀门密封件、摇臂、阀门盖、中间轴、上部油保持器和密封件。

[0136] 从上述列表和表格可以看出，本发明的发动机相对于现有技术发动机提供了显著的优点，例如部件数量减少、重量减轻、空气污染减少、动力与重量比的改善、维护简单、提高机械可靠性、减小体积，并且不需要内部上油系统。

[0137] 此外，由于根据本发明的活塞包括多功能性或者是“多维活塞”：(a)处理燃烧和动力冲程，(b)用作入口阀，(c)用于排气过程，活塞可被认为是“3D”活塞。

[0138] 另外，由于活塞30沿着纵向轴线A线性移动，并且由于由活塞杆34施加在活塞30上的压力沿着相同的线路连续地指向，所以没有像在常规发动机中那样有侧向力作用在活塞上，其中活塞杆的基部绕曲轴旋转，从而对活塞施加交替的侧向力，因此根据本发明的活塞可被认为是“横向无应力作用活塞”。因此，由于缺乏侧向机械应力，避免了上油系统的需要。该特征还可以减少此过程期间的累积热量，并且可以减少提供冷却的需要。

[0139] 因此，随着沿单个线性线路作用并且具有用作在发动机内部运行的排气阀的活塞杆(即内部排气阀或“滑阀”)，根据本发明的发动机可被认为是“内燃机，具有线性3D活塞、自扫气和冷却、直接低压燃料喷射系统、对准的活塞运动以及运行的滑阀。

[0140] 尽管本发明已经被描述为具有一定程度的特殊性，但应当理解的是，在不脱离如下文所要求保护的本发明的精神或范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

[0141] 例如，发动机不限于仅具有一个气缸，并且其可以具有两个或更多个气缸。

[0142] 排气开口不必围绕活塞杆均等地周向分布，并且它们根据设计需要布置在不同的阵列中。

[0143] 活塞杆的腔不必沿着活塞杆的整个长度延伸。优选地，腔至少从活塞杆的远离活塞的开口端延伸到最靠近活塞的排气开口。

[0144] 活塞杆中的排气开口不必如所述地形成。根据一些实施例，活塞杆不形成有排气开口或具有沿着活塞杆的长度通过的腔。可替代地，如图19所示，活塞杆34是实心杆并且在其表面上设置有纵向延伸的凹槽91。由于活塞30与活塞杆34一起沿着气缸内部空间纵向移动，所以纵向延伸的凹槽91露出，根据需要暴露到气缸内部空间或排气室，从而执行排气动作。

[0145] 冷却翅片不必如图所示构造，即具有盘状形状或方形形状，并且可根据构造和设计需要选择任何其它形状的冷却翅片。

[0146] 如上所述，活塞可以是实心的，没有通孔，其中每个活塞杆独立地或以其它方式连接到活塞的侧面。可替代地，活塞可以设置有通孔，以便通过每个活塞杆彼此连接。然而，应该清楚的是，没有气体可以通过活塞杆从活塞的一侧流到活塞的另一侧。

[0147] 使用预充的新鲜空气填充气缸的中央空气进给装置的独特设计允许在气缸头部的每一侧上应用传统的一个或多个阀。阀由弹簧关闭，并且由机械机构打开。可替代地，它们可以是电操作的。阀可以在做功行程结束其有效移动并且保持打开之后立即打开，直到活塞移动到相对端并返回到压缩行程的方向。同时，随着活塞向相反方向移动，进入气缸的空气填充气缸的增加的体积。使用传统的阀或端口需要在发动机头部的端部处应用小排气单元，以收集和防止任何泄漏的气体逸出到大气中。

[0148] 小排气室是独立的单元或发动机头部的一部分。热气体被捕获在排气室中并且被引导到排气歧管用于后处理。

[0149] 图8示出了当使用阀时发动机头部93的修改版本。

[0150] 根据一些实施例(参见图18)，两个相邻的对准器杆68(例如上对准器杆94和下对准器杆96)的线性移动(以及因此发动机10的线性移动)用于产生围绕输出轴线C的旋转运动R。上对准器杆94在其中心部分设置有上齿条98，且下对准器杆96在其中心部分设置有下齿条100。上齿条98面向下齿条100，并且它们中的每一个与不同的小齿轮啮合。上齿条98与第一小齿轮102啮合，下齿条100与平行于第一小齿轮102并与其分离的第二小齿轮104啮合。

[0151] 第一小齿轮102和第二小齿轮104组装在共同的轴线上，即输出轴线C。每个小齿轮设置有作为机械或电气轴承的单向轴承。在所示的实施例中，当上对准器杆94移动到左侧时，第一小齿轮102逆时针旋转，并且当上对准器杆94移动到右侧时，第一小齿轮102保持空转。同样，当下对准器杆96移动到右侧时，第二小齿轮104逆时针旋转，并且当下对准器杆96移动到左侧时，第二小齿轮104保持空转。

[0152] 因此，当发动机10的活塞与对准杆68一起朝向给定方向线性移动时，仅一个小齿轮旋转，而另一个小齿轮保持空转。当发动机10的活塞与对准杆68一起朝向相反方向线性移动时，另一个小齿轮旋转。因此，通过对准杆器交替地旋转，每个小齿轮通过对准器杆的不同方向，小齿轮仅在单个方向上旋转相互的输出轴线C(逆时针，如图17中任意所示，或者在相反方向即顺时针)。因此，本发明的发动机可用于产生任何已知的机械应用的旋转运动，例如飞行器的螺旋桨106、发电发电机等。此外，本发明的发动机可以用于压缩液体或气体。

[0153] 旋转运动R基本上围绕输出轴线C建立，输出轴线C垂直于发动机10的纵向轴线A。

[0154] 发动机不限于使用通过火花塞点燃的燃料，并且如果需要的话，发动机可以使用柴油自燃燃料。在这种情况下，火花塞从发动机中省略。

[0155] 在一些实施例中，为了防止燃烧气体泄漏，发动机包括连接到排气歧管的暂时室。

[0156] 在一些实施例中，排气开口在入口开口附近。