CN113646507B - 活塞杆和自由活塞发动机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机，包括发动机缸体、限定至少一个燃烧室的气缸以及在气缸中的活塞。活塞在第一冲程中从气缸的一端行进到相对端，并且其尺寸相对于气缸设计成当活塞在气体膨胀压力下行进时，能够实现第一冲程的膨胀冲程部分，以及在膨胀冲程部分之后的第一冲程的剩余部分中的动量冲程部分。在活塞杆中形成通道，当活塞处于第一位置时连通第一燃烧室和气缸外部的区域之间的气流，以及当活塞处于第二位置时连通第二燃烧室和气缸外部的区域之间的气流。

Description

活塞杆和自由活塞发动机
技术领域
本发明涉及内燃发动机领域，具体涉及具有自由活塞的内燃发动机领域。
背景技术
内燃发动机是已知的。最常见类型的活塞发动机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，并且需要许多辅助系统，例如润滑系统、冷却系统、进气和排气阀控制系统等，以便正常运行。
发明内容
一些实施例会涉及直线往复式发动机。直线往复式发动机可以包括内燃发动机。内燃发动机可以包括气缸，该气缸具有在其第一端的第一燃烧室，在其相对的第二端的第二燃烧室，可滑动地安装在气缸内的活塞，以及具有穿过活塞延伸到两个燃烧室中的通道的活塞杆。可以在活塞杆的第一侧设置至少一个第一开口，该第一开口被构造为移入和移出第一燃烧室以选择性地将气体连通到第一燃烧室，并且，在活塞杆的第二侧设置至少一个第二开口，该第二开口被构造为移入和移出第二燃烧室以选择性地将气体连通到第二燃烧室。活塞可以在第一位置和第二位置之间滑动，在第一位置，第一开口在第一燃烧室的外部，第二开口在第二燃烧室的内部，在第二位置，第一开口在第一燃烧室的内部，第二开口在第二燃烧室的外部。
根据一些实施例，可以提供一种发动机，其使得气体能够在分开的时间被输送到两个燃烧室中的每一个。气体可以被持续供应以流过活塞杆中的通道，而气体仅在第一开口和第二开口中的开口与气缸连通时才被允许进入气缸。第一开口可以包括一个或多个开口，第二开口可以包括一个或多个开口。在发动机的冲程的不同阶段，气体可以通过活塞杆行进以适当地供应两个燃烧室。
从以下结合附图的描述中，本发明的示例性优点和效果将变得显而易见，在附图中，通过说明和示例的方式阐述了某些实施例。这里描述的示例只是本公开的几个示例性方面。应该理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和解释性的，而不是对本发明的限制。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的自由活塞发动机的透视图；
图2是根据本公开的实施例的图1的发动机的局部透视截面图，其中活塞位于气缸的右侧的上止点处；
图3是根据本公开的实施例的图1的发动机的透视截面图；
图4A-4C是根据本公开的实施例的活塞套件的视图；
图5是根据本公开的实施例的图1的发动机的截面图，其中活塞位于气缸的右侧的上止点处；
图6是根据本公开的实施例的图1的发动机的截面图，其中活塞处于从气缸的右侧到气缸的左侧的冲程的膨胀部分；
图7是根据本公开的实施例的图1的发动机的截面图，其中活塞处于从气缸的右侧到气缸的左侧的行程的膨胀部分的端部处；
图8是根据本公开的实施例的图1发动机的截面图，其中在气缸的左侧的压缩气体的早期阶段，活塞处于冲程的动量部分；
图9是根据本公开的实施例的当压缩在气缸的左侧继续超过图8所示的压缩时的图1的发动机的截面图；
图10是根据本公开的实施例的图1的发动机的截面图，其中活塞位于气缸的左侧的上止点处；
图11是根据本公开的实施例的图1的发动机的截面图，其中活塞处于从气缸的左侧到气缸的右侧的冲程的膨胀部分；
图12是根据本公开的实施例的图1的发动机的截面图，其中活塞处于从气缸的左侧到气缸的右侧的行程的膨胀部分的端部；
图13是根据本公开的实施例的在气缸的右侧的压缩气体的早期阶段、处于冲程的动量部分中的图1的发动机的截面图；
图14是根据本公开的实施例的当压缩在气缸的右侧继续超过图13所示的压缩时的图1的发动机的截面图；
图15是根据本公开的实施例的发动机的截面图，其中活塞位于气缸的左侧的上止点。
具体实施方式
本公开涉及内燃发动机。虽然本公开提供了自由活塞发动机的示例，但应当注意，本公开的各方面在其最广泛的意义上不限于自由活塞发动机。相反，预期前述原理也可应用于其他内燃发动机。
如本文所用，除非另外具体说明，否则术语“或”涵盖所有可能的组合，除非不可行。例如，如果声明一部件包括A或B，则除非另有明确说明或不可行，否则该组件可以包括A、或B、或A和B。作为第二示例，如果声明一部件包括A、B或C，则除非另有明确说明或不可行，否则该部件可以包括A、或B、或C、或A和B、或A和C、或B和C、或A和B和C。
根据本公开的内燃发动机可包括发动机缸体。术语“发动机缸体”也与术语“气缸体”同义使用，其可以包括集成结构，该集成结构包括至少一个容纳活塞的气缸。在自由活塞发动机缸体的情况下，发动机缸体可以包括单个气缸，或者它可以包括多个气缸。
根据本公开，气缸可以在发动机缸体中限定至少一个燃烧室。在根据本公开的一些内燃发动机中，燃烧室可位于发动机缸体内的气缸的单侧。在根据本公开的一些内燃发动机中，内燃发动机可包括两个燃烧室，在发动机缸体内的气缸的每一侧各一个。
本公开的实施例还可包括在气缸中的活塞。根据在自由活塞发动机中使用的本公开的一些实施例，活塞可以包括在相对侧上的两个头盖。在一些实施例中，活塞可以被认为是“可滑动地安装”在气缸中。这是指活塞可以从气缸的一侧滑过气缸中的多个位置到另一侧。虽然本公开描述了活塞的示例，但本发明在其最广泛的意义上并不限于特定的活塞构造或结构。
图1示出了根据本公开的自由活塞发动机10的示例性实施例。自由活塞发动机10，在本文中有时简称为发动机，是内燃发动机的一个示例。自由活塞发动机10包括发动机缸体8。限定至少一个燃烧室的气缸12可以包括在发动机缸体8中并且可以具有中心纵向轴线A，以及如图2所示，双面活塞50安装在气缸12中。活塞50可以构造成在第一冲程中从气缸的第一端行进到气缸的相对的第二端，并在第二冲程中从气缸的第二端返回到气缸的第一端。图2示出了剖面图，其示出了图1的发动机的透视局部截面图。图3示出了透视截面图，包括活塞50的截面图。图5-10示出了从气缸的第一端到气缸的第二端的活塞50的示例性运动。至少一个活塞杆部分可以连接到活塞杆并且可以从至少一个燃烧室内的位置延伸到气缸外部的区域。如本文所用，术语“活塞杆部分”包括从活塞延伸的杆或轴的任何部分。在一些实施例中，活塞杆部分可以是构成活塞以及其他部件的整体结构的一部分。在一些实施例中，活塞杆部分可以是仅从活塞的一个面延伸的活塞杆的一部分。
作为示例，如图2和图3所示，活塞杆40可以包括第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43。第一活塞杆部分42可以从活塞50的一个面延伸。第一活塞杆部分42可以从至少一个燃烧室内的位置延伸到气缸外部的区域65。类似地，第二活塞杆部分43可以从活塞50的相对面延伸到气缸12外部的另一区域67。活塞套件可以包括第一活塞杆部分42、第二活塞杆部分43和活塞50。活塞杆部分42和43可以是彼此一体的，或者可以是完全分离的结构，每个从活塞50的相对侧或面延伸。例如，活塞套件56可以由单件材料形成。活塞杆40可以与活塞50为一体的。在一些实施例中，第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43可以彼此为一体的，同时与活塞50分开。
气缸12可包括第一燃烧室71和第二燃烧室73(见图7)。活塞50可构造成沿轴线A滑动。在气缸12内的各个位置，可存在将第一燃烧室71与空气源连接或将第二燃烧室73与空气源连接的流体连通路径。
现在参考图5，其示出了发动机10的侧截面图。气缸12外部的区域(例如，区域65和67)可以包括在气缸的每个端部处的前庭(vestibule)，该前庭可以是一空间，其构造为用于将气体，例如空气，从气缸外部的一个或多个气体源供应到气缸的相对端的每个燃烧室。例如，图5示出了第一前庭30和第二前庭31。第一前庭30在气缸12的外部，因此在第一燃烧室71的外部，而第二前庭31在气缸12的外部，因此在第二燃烧室73的外部。前庭可以由形成发动机缸体8的结构的一部分包含，或者可以由连接到发动机缸体8的单独结构形成。前庭可以连接到供应气体的入口歧管(未示出)。可以是活塞杆40的一部分的通道46可以被构造为将气体从第一前庭30输送到气缸12，包括第一燃烧室71。在一些实施例中，通道46可以被构造为将气体从第二前庭31输送到气缸12，包括第二燃烧室73。
气缸12可以包括外周气缸壁13和在外周气缸壁13中的排气端口18。在一些实施例中，排气端口18可以由单个端口组成。排气端口18可以连接到排气歧管，该排气歧管构造成用于接收来自燃烧室的排气或其他气体并且引导气体离开气缸用于排气后处理。以上述方式，例如，活塞杆的通道可被构造为将气体从气缸外部的位置引入燃烧室。此外，气体可以通过排气端口，例如排气端口18，离开气缸。在一实施例中，气缸12外部的区域65和67可以简单地指气缸盖14、15的与气缸12相背的一侧的任何区域，无论该区域是否与气缸盖直接接触。在一些实施例中，可以提供其他端口以从位于气缸旁边而不是在气缸的端部处的歧管或其他源引入气体。因此，在一般意义上，气缸外部的位置例如可以是气缸的端部、气缸的旁边或两者的组合。
根据本公开的实施例，活塞杆可以包括通道，该通道被构造为在至少一个燃烧室和气缸外部的区域之间连通气流。如本文所用，术语“通道”可由能够连通气流的任何结构或空隙来定义。它可以包括例如完全或部分包含在活塞杆部分的至少一部分内的通道或导管。
例如，在根据本公开的发动机的一些示例性实施例中，活塞杆中的通道可以使活塞杆40，包括活塞杆部分42和43，至少部分地是中空的。在一些实施例中，通道可以完全延伸穿过活塞50。开口可以形成在一个或每个活塞杆部分中，该开口可以与活塞杆的通道流体连通，从而允许流体通过开口进入或离开通道。应当理解，“流体”可以包括气体，例如空气。如图2所示，第一活塞杆部分42可以包括开口45。开口45可以布置在第一活塞杆部分42的与活塞50相背的端部处，该端部可以是开口端。活塞杆部分43还可包括开口47(见图3)。在一些实施例中，开口47可以被阻塞。例如，活塞杆部分43可以包括塞子49，该塞子可以拧入活塞杆部分43的与活塞50相背的开口端中。
图4A示出了活塞套件56的截面图。活塞套件56可以包括一个活塞，例如活塞50，以及活塞杆40，活塞杆40可以包括两个活塞杆部分，例如第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43。活塞套件56可以包括通过延伸穿过活塞50进入燃烧室71和73中的通道46。也就是说，活塞套件56可以包括一通道，该通道延伸穿过活塞50并且进一步延伸超出活塞50的第一面并且延伸超出活塞50的与第一面相背的第二面。此外，活塞套件56可以包括塞子49。塞子49可以被构造成阻塞活塞杆40的一端。例如，图4A示出了塞子49拧入第二活塞杆部分43中的螺纹中以阻塞开口47。塞子49可以以气密方式密封开口47。因此，通过开口45引入活塞杆40的空气可以被强制作用而通过第一开口44或第二开口48离开活塞杆40。第一开口44、第二开口48和开口45可以通过通道46流体连通。
图4B示出了活塞套件56的另一视图。活塞套件56的部件可以以固定方式彼此紧固。活塞50和活塞杆40可以彼此分开形成并且可以通过紧固件紧固。例如，可以设置将第一活塞杆部分42、活塞50和第二活塞杆部分43彼此紧固的螺钉59。此外，在一些实施例中，第一开口44和第二开口48均可以包括在活塞杆40的轴向位置对准的一组孔。例如，如图4B所示，第二活塞杆43上的第二开口48b可以包括一排孔，其与垂直于轴线A的平面XY对准。孔可以完全延伸穿过第二活塞杆43的壁，使得气体可以在通道46和活塞杆40外部的区域之间连通。
图4C是在平面XY处截取的第二活塞杆部分43的截面图。根据一些实施例，孔可与活塞杆40的径向方向形成角度。例如，第二开口48b的孔的轴线可与活塞杆40的径向方向形成角度θ。孔的侧壁可以在平行于轴线的方向上延伸，该轴线与活塞杆40的径向方向成一定角度。第二开口48b的孔中的其他孔的轴线可以与活塞杆40的径向方向形成相同或不同的角度。在一些实施例中，角度θ可以小于或等于45度。在一些实施例中，角度θ可以在5到25度的范围内。具有倾斜侧壁的开口可用于在流过活塞杆40和第二开口48b的气流上施加或促进涡流。在一些实施例中，可以在活塞杆40内设置涡流叶片。除了圆形孔之外，对于第二开口48b可以采用各种其他形状。
作为示例，参考图3，每个活塞杆部分42和43可以分别包括空间53、55(例如，活塞杆部分42和43的内部中空部分)，形成被构造为在气缸12的内部和气缸12的外部区域(例如区域65或67)之间连通气流的导管的至少一部分。活塞50还可以包括空间54，该空间形成被构造为在气缸12的内部和外部区域之间连通气流的导管的一部分。例如，中空区域可以是穿过活塞杆部分或活塞的芯部的钻孔。空间53、54和55可以是连续的。通道46可包括空间53、54和55。
如图5所示，第一燃烧室71可以由活塞50的面向第一缸盖14的侧面和气缸12的第一缸盖14之间的区域限定。同时，第二燃烧室73可以由活塞50的面向第二缸盖15的相对侧与气缸12的第二缸盖15之间的区域限定。同样地，如图10所示，此时的第二燃烧室73可以由活塞50的面向第二缸盖15的侧面和气缸12的第二缸盖15之间的区域限定。同时，第一燃烧室71可以由活塞50的面向第一缸盖14的侧面和气缸12的第一缸盖14之间的区域限定。例如，在气缸12的相应端的上止点位置，此时的燃烧室可以被定义为间隙容积。类似地，气缸另一侧的燃烧室可定义为气缸12中剩余的开放容积。当然，应当理解，每个燃烧室是可变区域，其包括在活塞的每侧的扫掠容积，并且当活塞从气缸的一端移动到气缸的相对端时，该容积被压缩。扫掠容积可以定义为由活塞50在气缸12中往复运动的至少一部分期间排出的容积。气缸的总容积可以等于扫掠容积加上间隙容积。
活塞杆40可以包括至少一个第一开口，例如活塞杆40的第一侧的第一开口44，以及至少一个第二开口，例如活塞杆40的第二侧的第二开口48，第二侧与第一侧相对。在一个示例性实施例中，例如，如图5所示，第一开口44可以包括活塞杆40中的一个或多个端口。第一开口44可以构造为用作将气体经由通道46输送到气缸12中的入口。尽管图5所示的示例性实施例示出了包括多个圆孔的第一开口44，但是可以使用多种形状和布置。例如，第一开口44可以包括细长槽、凹槽、具有倾斜侧壁的开口等。如上所述，图4C是图4B中所示的示例性第二活塞杆部分43的截面图，示出了包括具有倾斜侧壁的多个孔的第二开口48b。在倾斜侧壁的情况下，开口的轴线可以相对于活塞杆40的径向方向成角度。例如，如图4C所示，第二开口48b的孔的轴线可以相对于第二活塞杆部分43的径向法线方向形成大于0°的角度。包括倾斜侧壁的开口可用于将涡流施加到进入气缸12的流体流上并且可影响流动特性。可以类似地形成第一开口44和第二开口48。
活塞杆40的壁厚可以沿轴线A变化。例如，如图5所示，活塞杆40在第一开口44或第二开口48的区域中可以具有更厚的侧壁。与活塞杆40的其他部分相比，开口的区域中更厚的侧壁可以有利于减轻开口处或开口附近的应力集中。此外，较厚的侧壁可以提高活塞杆40的疲劳强度而不会显著增加重量。
活塞杆40与活塞50一起可以被构造为在气缸12中以直线往复运动的方式移动。活塞50可以被构造为在气缸12内滑动经过多个位置。由于活塞杆40的前后运动，第一开口44和第二开口48可以选择性地将流体流从气缸12外部连通到气缸12内部。第一开口44可以布置在活塞杆40上，使得第一开口44被构造为移入和移出第一燃烧室71以选择性地将气体连通到第一燃烧室71。类似地，第二开口48可以布置在活塞杆40上，使得第二开口48构造成移入和移出第二燃烧室73以选择性地将气体连通到第二燃烧室73。
根据本公开的一些实施例，活塞的滑动动作可以使气体能够被引入气缸12，同时可以防止活塞50的相对侧的气体彼此交换。例如，环绕活塞50的活塞环可以防止压缩气体通过活塞50泄漏。
在一些实施例中，发动机缸体的每一侧的气缸盖可包括(例如，连接到或与其一体形成)入口歧管(未示出)。在一些实施例中，仅一个气缸盖可包括入口歧管。通道46可以被构造为当活塞50处于第一位置时在第一燃烧室71和气缸12的第一端处的入口歧管之间连通气流。此外，通道46可以被构造为当活塞50处于第二位置时连通第二燃烧室73和入口歧管之间的气流。因此，例如，参考图5，当第二开口48越过气缸盖15时，来自区域67的气体可以进入气缸12。参考图10，当第一开口44越过气缸盖14时，来自区域65的气体可以进入气缸12。
根据本公开的实施例的气缸可以在两端封闭。例如，发动机10的气缸12可以在其两端被气缸盖14和15封闭，气缸盖14和15可以通过多个紧固件连接到气缸12。如本文所用，术语“封闭”不需要完全封闭。例如，尽管气缸盖中可具有活塞杆40穿过的开口，但是气缸盖在本公开的含义内仍被认为是“封闭的”。
在一些实施例中，气缸12的外周部分可设置有冷却翅片(未示出)。发动机10的替代构造可包括有助于气缸的冷却的其他外部或内部特征，例如在气缸壁内部形成的水通道或包覆至少部分气缸壁的水通道用于水冷却，以及沿气缸外周壁的外部定位以促进气缸的流体冷却的其他冷却翅片构造或其他传导或对流热传递增强特征。发动机缸体8可包括流体通道21，该流体通道21可用于将冷却水循环到气缸12的外周侧壁。流体通道21可与流体端口5连通(参见图1)。发动机缸体8还可包括流体通道22，其可用于将冷却水循环至气缸盖14和15。流体通道22可与流体端口6连通。流体通道22中的冷却水的温度可高于流体通路21的温度。
根据本公开的示例性实施例，气缸12的外周壁13可以包括至少一个位于气缸12的端部之间的排气端口。仅通过示例，气缸12可以包括位于气缸12的外周侧壁中在第一气缸盖14和第二气缸盖15之间的排气端口18，第一和第二气缸盖14、15定位在气缸的端部处。在图5-14所示的示例性实施例中，多个分布的排气端口18可以在气缸的相对端部之间的气缸12的中点处或大约附近，并围绕气缸12的圆周间隔开。排气端口18可以具有任何合适的尺寸、形状和分布，以便实现从气缸中排气的功能。一个或多个排气端口可以例如位于气缸外周壁的轴向中心区域中，如图所示。尽管图中所示的示例性实施例是对称构造的，其中排气端口18位于气缸12的相对端之间的中间，但替代实施例可以将排气端口定位在与气缸外周壁在一些位置处相交的一个或多个径向平面上，而不是气缸盖14和15之间的严格中间点。
根据本公开的一些示例性实施例，一个或多个排气端口18可以被构造为当活塞50在所述一个或多个排气端口18的第二燃烧室侧时，连通第一燃烧室和气缸外部之间的气流，并且可以构造成当活塞位于所述一个或多个排气端口18的第一燃烧室侧时，在第二燃烧室和气缸外部之间连通气流。仅通过示例，这可以发生在如图8所示活塞50位于一个或多个排气端口18的左侧，从而能够将气流从燃烧室穿过一个或多个排气端口18输送到活塞50的右侧。一个或多个排气端口18使气体能够流到燃烧室“外部”的位置。该外部位置可以在如图所示的气缸的一侧，或者与发动机相关联的导管19可以将气体输送到其他位置。在一些实施例中，导管19可以连接到排气歧管(未示出)。
参考图5，入口歧管，其可包括用于连通气体(例如空气)的前庭，可在气缸12的相对端处连接到气缸盖14、15中的每个或与气缸盖14、15中的每个一体形成。例如，第一前庭30可以形成在气缸12一侧的第一端，第二前庭31可以形成在气缸12的相对侧的第二端。前庭30和31中的每个可以包括活塞杆开口，例如与轴线A轴向对准的开口28以及侧开口33，或其他开口。如所示的，侧开口33可以位于入口歧管的远端处，或者位于沿入口歧管外周的任何位置。如图5所示，侧开口33可以被密封。此外，第一前庭30和第二前庭31可以各自包括衬套41。衬套41可以被提供用于对准、支撑、引导和密封(例如，通过专用密封件)第一和第二活塞杆部分42、43的端部，同时允许第一和第二活塞杆部分42、43滑入和滑出相应的开口28。在一些实施例中，侧开口33可以打开以允许入口空气进入。
在一些实施例中，可提供入口室32以允许输入空气进入发动机10。例如，如图5所示，入口室32可布置为邻近第一前庭30。通道46可构造为将气体从入口室32输送到气缸12。在活塞50的第一位置，气体可以从入口室32输送到第二燃烧室73，如图5所示，在活塞50的第二位置，气体可以从入口室32输送到第一燃烧室71，如图10所示。入口室32可以包括入口开口29。入口开口29可以构造成将诸如空气的输入气体沿轴线A的方向引导到入口歧管中。入口开口29可以构造成将气体基本上通过第一活塞杆部分42中的开口45引导到通道46中。尽管图5中所示的示例性实施例的入口歧管被图示为具有基本上圆柱形的构造，但是替代实施例可以提供一个或多个具有其他形状轮廓或横截面的入口歧管，或者可以将入口歧管至少部分地结合在气缸盖14、15内，作为在气缸12的每一端处的每个气缸盖内限定的一个或多个内部通道。入口开口29可以包括沿轴线A连接到入口室32的基本上圆柱形的构件，以及其他构造。
通过入口室32从发动机10的一端供应空气可以提供许多好处。例如，空气可被引导以基本上沿平行于轴线A的方向流入发动机10，该方向可沿发动机10的纵向方向。活塞杆40可包括开口45和通道46，其布置成基本上沿轴线A延伸，因此，空气可以以较少的湍流流过活塞杆40，这可以减少压力损失。此外，可以最小化停滞区域。例如，与通过侧开口33进入的空气相比，设置入口室32可导致改进的流动特性。
空气可以通过第一前庭30和第二前庭31之中的前庭被引入发动机10。空气可以被构造为从区域65或区域67(气缸12的外部)流到气缸12的内部，包括第一燃烧室71或第二燃烧室73。空气可以经由第一前庭30和第二前庭31之中的前庭穿过入口室32引入发动机10中。例如，当活塞50处于第一位置时，空气可以行进穿过入口开口29，然后空气可以与区域65、通道46和第二燃烧室73连通，如图5所示。另外，当活塞50处于第二位置时，空气可以行进穿过入口开口29，然后空气可以与区域67、第一燃烧室71、通道46和区域67连通。
发动机10可包括位于气缸12的一侧的第一隔离区域和位于气缸12的相对侧的第二隔离区域。第一隔离区域可包括区域65，而第二隔离区域可包括区域67。第一和第二隔离区域可以被构造为在交替的气缸充气期间隔离非有效活塞杆部件。例如，当活塞50处于第一位置时，空气可以从入口29行进穿过通道46并进入第二燃烧室73，如图5所示。在图5所示位置，来自入口29的空气可以不与区域67连通。因此，区域67可以隔离活塞杆40的一部分。活塞杆40的非有效部分可以指气体不通过其行进到达燃烧室的部分。
空气可通过单个空气源供应到发动机10。空气源可以流动连接到活塞杆40中的通道46，使得当活塞50处于第一位置时气流在第一燃烧室71和空气源之间连通。此外，通道46可以被构造为当活塞50处于第二位置时连通第二燃烧室73和空气源之间的气流。应当理解，空气可以通过入口开口29以外的开口引入发动机10。例如，空气可以经由一个或多个侧开口33引入。空气可以通过第一前庭30中的侧开口33引入，而其他开口(如入口29)被密封。因此，气体可以从第一前庭30输送到气缸12。或者，空气可以通过第二前庭31中的侧开口33引入，同时其他开口被密封。侧开口33可以被构造成使得空气被引导以基本上在垂直于轴线A的方向上流入发动机10。侧开口33可以被构造来引导气体基本上通过第一开口44或通过第二开口48进入通道46中。考虑到封装限制，构造开口以通过例如入口开口29或侧开口33将空气引入发动机10可以允许设计灵活性。例如，在一些实施例中，当空气通过入口开口29被引入时，发动机10可以被封装到一个狭长的空间中。在其他实施例中，当空气通过侧开口33被引入时，发动机10可以被封装到一个短而紧凑的空间中。
在一些实施例中，第一前庭30和第二前庭31都可以被构造为向发动机10供应空气。例如，设置在第一前庭30上的侧开口33和设置在第二前庭31上的侧开口33，二者均可以打开。单个空气源可以向第一前庭30和第二前庭31两者供应空气。
气缸盖14、15中的每个还可包括喷射器34(参见图1)，该喷射器34通向环形或环面形的凹部36，该凹部36形成在每个气缸盖的防火板的火焰面中或与其相邻，与气缸12的每个端部处的燃烧室成面对关系(见图3)。凹部36可以是环面的并且可以向喷射器34喷射的燃料气体施加涡流以促进气体在燃烧室内更完全的燃烧。气缸盖14、15中的每个还可以包括用于容纳和安装火花塞38的腔。气缸盖14、15中的每个还可以包括用于容纳和安装衬套41的腔，用于对准、支撑、引导和密封(例如，通过专用密封件)活塞杆部分42、43中的相应一个，其由气缸12的相对端部处的气缸盖14、15中的每个支撑并穿过该气缸盖14、15中的每个。这是活塞杆部分如何可以从双面活塞的面延伸穿过燃烧室的一个示例。不管活塞杆在气缸的端部延伸穿过的任何孔口的具体细节如何，延伸到气缸的至少一端的活塞杆在本公开的含义内被称为延伸穿过燃烧室。
与本公开的实施例一致的双面活塞可以被构造为在第一冲程中从气缸的第一端行进到气缸的相对的第二端，并且在第二冲程中从气缸的第二端返回到第一端。该行进长度以示例的方式在图5-14中示出，其中图5表示第一冲程的开始，图10表示第一冲程的结束，其也可以是第二冲程的开始，图6-9表示示例性的中间位置。图10可以代表第二冲程的开始，图14可以代表第二冲程的结束，而图10-12可以代表一些示例性的中间位置。
活塞50可以是在贯穿气缸12的多个位置之间可滑动的。例如，活塞50可以在第一位置和第二位置之间是可滑动的。第一位置可以是第一开口44在气缸12外部并且第二开口48在气缸12内部的位置。在第一位置处，第二开口48可以在气缸12的第二燃烧室内部。第二位置可以是第一开口44在气缸12内部且第二开口48在气缸12外部的位置。在第二位置，第一开口44可以在气缸12的第一燃烧室内部。第一位置可以对应于发动机的第一冲程的开始，并且第二位置可以对应于第一冲程的结束。
根据本公开的各种示例性实施例，活塞的尺寸可以相对于气缸确定以实现活塞在气体膨胀压力下行进的每个冲程的膨胀冲程部分，以及对应膨胀冲程部分之后的剩余行程的每个冲程的动量冲程部分。活塞的第一和第二冲程中的每个的膨胀冲程部分是当活塞在燃烧膨胀压力下直接移动时的行进部分。例如，一冲程的膨胀部分可被定义为从气缸的每个端处的活塞的燃烧位置到废气可在刚刚发生的燃烧气体(包括空气和燃料)点燃的燃烧室和气缸外部的区域之间交换的点的部分。在一些实施例中，膨胀冲程部分的终止可与活塞开始暴露排气端口的位置重合。
在每个冲程期间活塞的燃烧位置处，在活塞的每个相对面与被气缸盖14、15封闭的气缸的相应端部之间可保持间隙容积。在活塞到达燃烧位置之前被引入燃烧室的燃烧气体可以被压缩到活塞面和气缸盖的防火板之间的活塞那一侧的剩余间隙容积中。间隙容积中的压缩气体可被压缩成至一小容积，使得气压防止活塞50接触气缸盖14、15中的相应一个。在一些实施例中可包括燃料/空气混合物的压缩气体可由火花或至少部分由燃烧气体的压缩产生的自燃而点燃。
燃烧位置可以是沿轴线A对应于气缸12中燃烧事件开始的点。燃烧位置可以是达到燃烧室中气体的预定压缩比的点。例如，燃烧位置可以是燃烧室的压缩比达到10:1的点。燃烧可以通过激活火花塞38在燃烧位置处开始。燃烧位置可以是活塞50改变方向的点。燃烧位置可以是活塞50的零速度位置。在一些实施例中，发动机10可以被构造为使得活塞50在燃烧开始的时刻减速到零速度。燃烧位置可以对应于上述第一位置，其可以对应于发动机10的第一冲程的开始。在一些实施例中，燃烧位置可以是固定位置。然而，应当理解，燃烧位置可以是可变位置，其可以例如通过火花塞38何时被激活或者自动点火被配置为何时发生来确定。
每个冲程的膨胀冲程部分发生在压缩燃烧气体点火之后，因为来自每个燃烧室中的燃烧的化学能被转换成活塞的动能(例如，机械功)。在活塞一侧的每个冲程的膨胀冲程部分的同时，对于膨胀冲程部分的至少一部分气体流动可发生，其是在活塞的相对侧的燃烧室和气缸的相对端的入口歧管之间，以及通过排气端口。
在一些实施例中，可以通过例如将活塞杆40的一端机械地联接到输出端来从发动机10提取有用功。第二活塞杆部分43可以在与活塞50相背的端部处连接到一装置，该装置可以被构造为将往复直线运动转换为有用功。例如，线性致动器可以在开口47处联接到第二活塞杆部分43(参见例如图5)。塞子49可以与构造成将线性运动转换为功的致动器是一体的。例如，这种致动器可以包括发电机。
回到图5，在活塞50从气缸12的右端移动到左端的冲程的膨胀冲程部分开始处，活塞50可以处于第一位置。从该第一位置开始，在活塞50的左侧的燃烧室和入口室32之间可能发生气流，入口室32可能在气缸12的右侧。同样从该第一位置，气流也可能发生在活塞50的左侧的燃烧室和通过一个或多个排气端口18通向气缸12的外部的导管19之间。活塞50的左侧的燃烧室和导管19之间的气体连通可维持，直到活塞50的左侧已经移动经过一个或多个排气端口18，活塞充当排气阀并且关闭左侧燃烧室和一个或多个排气端口18之间的连通。此外，在活塞50已经关闭一个或多个排气端口18之前，最靠近活塞的左面的第二开口48可能已经移出左燃烧室，从而关闭了入口室32和左燃烧室之间的气体通过活塞杆40的通道46的连通。因此，活塞杆40可以构造成使得气缸12的燃烧室中的进气阶段在排气阶段之前结束。从活塞50的近端面到第二开口48的近端的长度可以设定为使得第二开口48和气缸12内部之间的流体连通在排气端口18和气缸12内部之间的流体连通之前停止。例如，从活塞50的左面到第二开口48的右端的长度可以设定为大于活塞在膨胀阶段行进的长度。从活塞50的左面到第二开口48的右端的长度可以比膨胀阶段中活塞行程的长度大活塞50的长度的至少四分之一。长度可以被设定为控制，例如，通道46中的压力累积，这将在后面讨论。
如图6所示，活塞50可以移动到更远的位置。在图6所示的位置处，第二开口48不再位于气缸12内部，因此，活塞杆40的通道46与气缸12内部之间经由第二开口48的流体连通停止。
根据一些实施例，活塞50的长度(沿轴向A)、气缸12的长度、排气端口18的位置以及第一和第二活塞杆部分42、43中的第一和第二开口44、48的位置可以布置成使得当活塞50在第一燃烧室中处于燃烧阶段时，活塞50阻止排气端口18与第一燃烧室连通并且第一活塞杆部分42中的第一开口44在第一燃烧室的外部，同时排气端口18与第二燃烧室流体连通，并且第二活塞杆部分43中的第二开口48在第二燃烧室内。这可以通过各种替代结构来实现。仅作为参考附图的示例，活塞50的长度、气缸12的长度、排气端口18的位置以及从活塞50的相对面延伸的第一和第二活塞杆部分42、43中的每个中的开口44和48的位置可以布置成使得当活塞50在活塞50的一侧的第一燃烧室中处于燃烧阶段时，活塞50阻止排气端口18与第一燃烧室连通。活塞50一侧的第一开口44保持在第一燃烧室的外部，从而防止活塞50的一侧的入口室32与第一燃烧室之间的气体连通。
同时，排气端口18与活塞50的相对侧的第二燃烧室流体连通，并且第二活塞杆部分43中的第二开口48可位于第二燃烧室内。类似地，当活塞50处于相反侧的第二燃烧室中的另一燃烧阶段时，活塞50阻止排气端口18与第二燃烧室连通。活塞50的第二侧的第二开口48保持在第二燃烧室的外部，从而防止活塞50的第二侧的入口室32和第二燃烧室之间的气体连通。同时，排气端口18与活塞50的第一侧的第一燃烧室流体连通，并且第一活塞杆部分42中的第一开口44可以位于第一燃烧室内。
根据一些实施例，活塞50的长度、气缸12的长度、排气端口18的位置以及第一和第二活塞杆部分42、43中的第一和第二开口44、48的位置可以是布置成使得当活塞50继续移动通过第一冲程时，在第一开口44进入气缸12之前燃烧阶段结束(与排气阶段开始同时)。图7示出了活塞50的右侧的燃烧可以结束而同时排气阶段可开始。燃烧结束和排气在活塞50的右侧开始的精确位置可以对应于活塞50的右面到达排气端口18的右边缘的位置。在该位置，第一开口44在气缸12的外部。
在膨胀冲程部分(也称为燃烧阶段)之后，活塞50可以在冲程的剩余部分继续在动量冲程部分中移动。每个冲程的动量冲程部分包括在膨胀冲程部分之后冲程的剩余部分。根据本公开的实施例，活塞50的第二燃烧室侧的第二冲程的基本上整个动量冲程部分可以与第一燃烧室中的气体压缩重合。即，在一个燃烧室中冲程的膨胀部分之后的动量可用于压缩另一燃烧室中的气体。这可以通过这样的发动机结构来实现：其中一个燃烧室中的膨胀的端部可以对应于与相对燃烧室中的燃烧位置不同的位置。这样的发动机设计可以在冲程的膨胀部分之后实现进一步的活塞行程。在一些实施例中，在冲程的动量部分期间进一步的活塞行程可以是至少活塞的宽度。活塞的“宽度”可以与活塞在轴线A的方向上的长度同义。在一些实施例中，进一步的活塞行程可以是活塞宽度的数倍。在其他实施例中，进一步的活塞行程可以是活塞宽度的一部分，例如活塞宽度的至少一半。在其他实施例中，进一步的行程可以是活塞宽度的至少四分之一。活塞50超过排气端口18中的至少一个的进一步行程可被称为活塞过冲。
在每个冲程的动量冲程部分期间，气体可以在刚刚发生燃烧气体点火的燃烧室和气缸12外部的区域之间交换。气体交换可以通过形成在气缸12的外周壁13中的排气端口发生。气体交换可以通过将空气通过活塞杆部分中的通道引入气缸12来辅助，该通道连接到活塞并从至少一个燃烧室内的位置延伸到气缸外部的区域。通过参考图5-10的一个示例，活塞50和活塞杆部分42、43的位置示出为在从活塞50在气缸12中的最右侧位置(如图5所示)到活塞50在气缸12中的最左侧位置(如图10所示)的第一冲程期间。图10-14示出了活塞50和活塞杆部分42、43在从如图10所示的活塞50在气缸12中的最左侧位置到如图14所示的活塞50在气缸12中的最右侧位置的第二冲程期间的位置。活塞50在气缸12中的最左和最右位置可以被称为燃烧气体已经被压缩并且在燃烧阶段的开始时的气体点火正在发生的冲程的燃烧位置。如图5所示，当活塞50处于最右位置，并且已经被压缩到活塞50的右面和气缸12右端的气缸盖14之间的间隙容积中的燃烧气体正在点火时，活塞50处于从气缸12的右端到左端的冲程的燃烧位置，如图5-10所示。类似地，当活塞50处于图10的最左侧位置并且已经被压缩到活塞50的左面和气缸12的左端处的气缸盖15之间的间隙容积中的燃烧气体正在点火时，活塞50处于从气缸12的左端到右端的冲程的燃烧位置，如图10-14所示。
图5示出了活塞套件56处于第一冲程的起点的位置，该第一冲程可以被定义为从气缸12的右端到气缸12的左端的冲程。活塞套件56的部件，包括第一活塞杆部分42、活塞50和第二活塞杆部分43可以连接在一起，使得活塞套件56作为一个单元行进。在图5所示的位置，燃烧阶段可以在活塞50右侧的第一燃烧室71中开始。同时，在活塞50的相对侧，气体可以通过包括在活塞杆40中的通道46的流动路径被引入气缸12。例如，可以经由入口开口29将气体引入到入口室32中。气体可以是空气。气体可以相对于环境大气压加压。第一活塞杆部分42包括开口45，因此，来自入口室32的气体与活塞杆40的通道46流体连通。此外，因为第二活塞杆部分43中的开口47可能被塞子49封堵(或通过例如第二前庭31以气密方式被密封)，气体经由第二开口48被迫进入气缸12中。在该位置，活塞50左侧的气缸12可以开始充满气体。因为排气端口18是打开的，所以一些气体可能逸出。
随着燃烧开始，活塞50将向左移动。如图6所示，活塞50在从气缸12的右端到气缸12的左端的冲程中继续从燃烧位置移动。图6示出了第二活塞杆部分43的第二开口48到达气缸盖15的位置。因此，气体停止引入气缸12。
图7示出了活塞50右侧的第一燃烧室71中的燃烧阶段可以结束并且活塞50左侧的第二燃烧室73中的压缩阶段可以开始的位置。燃烧阶段可以在当活塞50开始暴露活塞50右侧的排气端口18时结束。同时，活塞50右侧的排气阶段可以开始。因此，排气阶段可在第一燃烧室71打开时开始。压缩阶段可以在当活塞50完全覆盖活塞50左侧的排气端口18时开始。因此，压缩阶段可以在第二燃烧室73变为密封时开始。活塞50的宽度可以等于排气端口18的宽度。虽然在一些实施例中，活塞50右侧的燃烧的结束可以与活塞50左侧的压缩的开始基本同时发生，但是本公开不限于此。一些实施例可以允许活塞50的相背侧的燃烧和压缩阶段在不同时间开始。例如，活塞50的宽度可以大于排气端口18的宽度，因此，压缩可以在活塞50的相对侧的燃烧阶段仍在发生的同时开始。类似地，活塞50的宽度可以小于排气端口18的宽度，因此，燃烧阶段可以在压缩阶段在活塞50的相对侧开始之前结束。
随着活塞50继续向左移动，活塞50可以到达活塞50刚刚通过位于中心的排气端口18的位置，如图8所示。此时，排气端口18完全暴露在活塞50的右侧。因此，活塞50右侧的第一燃烧室71与排气端口18流体连通并且来自燃烧的废气离开燃烧室。因此，行进的膨胀冲程部分已经结束，并且由于在膨胀冲程部分结束后剩余的惯性，活塞在动量行程部分继续向气缸12的左端行进。
如图8和图9所示，活塞50、位于活塞50右侧的第一活塞杆部分42和排气端口18可被构造为使得当活塞在第一活塞杆部分42中的第一开口44进入活塞50右侧的第一燃烧室71之前从气缸12的右端向气缸12的左端移动时，活塞50经过全部的排气端口18。如图9所示，当右活塞杆部分42中的第一开口44开始进入活塞50右侧的第一燃烧室71时，活塞50已经完全移动到排气端口18的左侧，以允许气体在第一燃烧室71和第一开口44之间流动。各种部件的相对尺寸和间隔的这种设置可以允许第一燃烧室71中产生的废气在新鲜的预压缩空气或其他气体通过活塞50右侧的第一活塞杆部分42被引入第一燃烧室71之前开始从排气端口18排出。在各种替代实施例中，通过活塞杆部分42、43的开口相对于活塞50的相对面的精确位置可以改变，使得在活塞的面已通过排气端口的近边缘后不久，最靠近活塞的每个面的入口端口进入活塞同一侧的相应燃烧室，从而允许废气在引入新鲜的预压缩空气或其他气体之前的短时间内开始离开相应的燃烧室(参见例如图9和14)。
在从气缸12的右端到气缸12的左端的冲程的动量冲程部分期间，在活塞50已通过排气端口18后不久，如图9所示，第一活塞杆部分42中最靠近活塞50的右面的第一开口44的边缘开始进入活塞50右侧的第一燃烧室71。此时，由于气体，例如新鲜空气，通过第一活塞杆部分42的第一开口44被引入第一燃烧室71，因此扫气阶段可能发生在活塞50的右侧。扫气可以指将包括燃烧产物的废气推出气缸12并针对下一个循环吸入新鲜空气的过程。一定量的扫气可能是期望的，以使得下一个循环不会以不是基本清洁的空气的混合废气开始。第一开口44可以构造成使得当活塞50处于从气缸12的右端到左端的第一冲程的动量冲程部分时，气流可以在第一燃烧室71和气缸12外部的区域之间连续连通。在图10所示的示例性实施例中，新鲜的、预压缩的空气可以从位于气缸盖14对面或与气缸12右端的气缸盖14成一体的入口室32引入第一燃烧室71。同时，废气可借助于进入的预压缩空气或其他气体从第一燃烧室71扫出并通过排气端口18排出。
本公开的一些方面可以涉及气缸12和活塞50的尺寸被设定成使得当活塞50从气缸12的第一端移动到气缸12的第二端时，活塞50的第一侧的第一冲程的膨胀冲程部分与活塞50的第二侧的扫气阶段和气体增压阶段中的至少一个重合。类似的重合可以与第二冲程相关地发生。通过参考附图的非限制性示例，当活塞50继续向气缸的左端移动时，如图9和10所示，气流可以在第一燃烧室71和气缸12外部的区域之间连续连通。从入口室32引入第一燃烧室71的预压缩空气或其他气体的连续流动可有助于气缸12的冷却以及从第一燃烧室71中扫出废气并提高第一燃烧室71中的气体压力。对于图13和14中的第二冲程，示出了类似的重合。在一些实施例中，气缸12一侧的压缩与气缸12另一侧的扫气和气体增压的重合可以精确对应。在其他实施例中，气缸12一侧的压缩可以与气缸12另一侧的扫气和气体增压基本重叠。
本公开的一些方面可涉及气缸12和活塞50的尺寸设计成使得当活塞50从气缸12的第一端移动到气缸12的第二端时，活塞50的第一侧的第一冲程的动量冲程部分与活塞50的第二侧的燃烧室中的压缩阶段重合。通过非限制性示例，与从气缸12的右端到气缸12的左端的第一冲程的动量冲程部分同时地，在活塞50已经朝向气缸12的左端移动经过排气端口18之后，活塞50左侧的气体在活塞50左侧的压缩阶段期间被压缩。当活塞50一直向左时，如图10所示，活塞50左侧的燃烧气体将已经被压缩到第二燃烧室73的剩余间隙容积中，并且点火可以发生以开始第二冲程。
通过图5-14中的非限制性示例可以最好地看出，气缸12和活塞50的尺寸被设计成使得活塞50在第一冲程期间从气缸12的右端行进到气缸12的左端的总距离，或者在第二冲程期间从气缸12的左端行进到气缸12的右端的总距离，可以显著大于活塞50在任一冲程的膨胀冲程部分期间行进的距离。在一些示例性实施例中，气缸12和活塞50的尺寸可以设置成使得活塞50在每个冲程期间从气缸12的一端行进到气缸12的相对端的总距离可以比活塞50在冲程的膨胀冲程部分期间行进的距离超出至少活塞50从一个面到相对面的长度。在其他示例性实施例中，气缸12和活塞50的尺寸可以设置成使得活塞50在每个冲程中行进的总距离比活塞50在活塞50一侧的压缩气体期间行进的距离超出至少活塞50的长度。在图中所示的示例性实施例中，活塞50从一个面到相对面的长度可以小于从气缸盖14、15中的至少一个到位于中心的排气端口18的距离的1/2。活塞和气缸的这种构造和相对尺寸可以允许活塞在每个方向上的总冲程长度明显更长，在此期间，新鲜的预压缩空气或其他气体可以被引入气缸，以便在气缸的相对端发生每次燃烧之后扫出废气并冷却气缸。
在从气缸12的左端到右端的冲程的膨胀冲程部分的开始处，如图10所示，气流可以发生在活塞50右侧的第一燃烧室71和气缸12右侧的入口室32之间，以及活塞50右侧的第一燃烧室71和排气端口18之间。第一燃烧室71和排气端口18之间的气体连通可以维持，直到活塞50的右面已经移动经过排气端口18，起到排气阀的作用并切断第一燃烧室71和排气端口18之间的连通。另外，在活塞50已经关闭排气端口18之前，第一活塞杆部分42的第一开口44可能已经移动到第一燃烧室71的外部，从而关闭入口室32和第一燃烧室71之间通过活塞杆40的气体连通。
活塞50的长度、气缸12的长度、排气端口18的位置以及从活塞50的相对面延伸的第一和第二活塞杆部分42、43中的每个中的开口44、48的位置可以布置成使得当活塞50在活塞50左侧的第二燃烧室73中处于燃烧阶段时，活塞50阻止排气端口18与第二燃烧室73连通。同时，活塞50左侧的第二开口48保持在第二燃烧室73的外部，从而防止入口室32和第二燃烧室73之间的气体连通。同时，排气端口18在活塞50的右侧与第一燃烧室71流体连通，并且第一活塞杆部分42中的第一开口44位于第一燃烧室71内。
每个冲程的动量冲程部分可以包括膨胀冲程部分之后的冲程的剩余部分。在每个冲程的动量冲程部分期间，气体可以在刚刚已发生燃烧气体点火的燃烧室和气缸外部的区域之间交换。气体交换可以通过形成在气缸的外周壁上的排气端口进行。图10-14示出了在从图10中活塞的最左侧位置到图14中活塞的最右侧位置的第二冲程期间活塞50和活塞杆部分42、43的位置。如上所述，气缸12中活塞50的最左和最右位置可被称为各个冲程的燃烧位置，其中燃烧气体已经被压缩，并且在燃烧阶段开始时可能发生气体点燃。当活塞50处于如图10所示的最左侧位置并且已经被压缩到活塞50的左面和气缸12左端处的气缸盖15之间的间隙容积中的燃烧气体正在发生点火时，活塞50处于从气缸12左端到右端的冲程的燃烧位置，如图10-14所看到的。
当燃烧在第二冲程开始时，活塞50将向右移动。如图11所示，活塞50继续从该冲程的燃烧位置开始，从气缸12的左端到气缸12的右端移动。图11示出了第一活塞杆部分42中的第一开口44到达气缸盖14的位置。因此，停止气体引入气缸12。
图12示出了活塞50左侧的第二燃烧室73中的燃烧阶段可以结束并且活塞50右侧的第一燃烧室71中的压缩阶段可以开始的位置。燃烧阶段可以在当活塞50开始暴露活塞50左侧的排气端口时结束。同时，活塞50左侧的排气阶段可以开始。因此，排气阶段可以在第二燃烧室73打开时开始。压缩阶段可以在当活塞50完全覆盖活塞50右侧的排气端口18时开始。因此，压缩阶段可以在第一燃烧室71变为密封时开始。根据活塞50的宽度与排气端口18的宽度的比率，可以调节活塞50左侧的燃烧阶段结束和活塞50右侧的压缩开始的定时。
随着活塞继续向右移动，活塞50可以到达活塞50经过位于中心的排气端口18的位置，如图13所示。此时，排气端口18已经完全暴露在活塞50的左侧。因此，活塞50左侧的第二燃烧室73与排气端口18流体连通，并且在第二冲程的膨胀冲程部分期间发生在活塞50左侧的燃烧产生的废气可以离开第二燃烧室73。因此，第二冲程的膨胀冲程部分已经结束，并且由于膨胀冲程部分结束后剩余的惯性，活塞在动量冲程部分中继续朝着气缸12的右端行进。
如图13所示，活塞50、活塞50左侧的第二活塞杆部分43和排气端口18可以被构造成使得当活塞在第二活塞杆部分43中的第二开口48进入活塞50左侧的第二燃烧室73之前从气缸12的左端向气缸12的右端移动时，活塞50经过全部的排气端口18。如图13所示，当左侧活塞杆部分42中的第二开口48开始进入活塞50左侧的第二燃烧室73时，活塞50已经完全移动到排气端口18的右侧，以允许气体在第二燃烧室73和第二开口48之间流动。各种部件的这种相对尺寸和间隔可以允许，在新鲜的预压缩空气或其他气体通过活塞50左侧的第二活塞杆部分43被引入第二燃烧室73之前，在第二燃烧室73中产生的废气开始从排气端口18排出。在各种替代实施例中，穿过活塞杆部分42、43的开口相对于活塞50的相对面的精确位置可以变化，使得在活塞的面已经通过排气端口的近边缘之后不久，最靠近活塞的每个面的入口端口进入活塞同一侧的相应燃烧室，从而允许废气在引入新鲜预压缩空气或其他气体之前的短时间内开始离开相应燃烧室。
如图13所示，在从气缸12的左端到气缸12的右端的冲程的动量冲程部分期间，在活塞50已通过排气端口18后不久，第二活塞杆部分43中最靠近活塞50的左面的第二开口48的边缘开始进入第二燃烧室73。此时，由于诸如新鲜空气的气体通过第二活塞杆部分43的第二开口48被引入第二燃烧室73，因此扫气阶段可以发生在活塞50的左侧。第二开口48可以被构造成使得当活塞50处于从气缸12的左端到右端的第二冲程的动量冲程部分时，气流可以在第二燃烧室73和气缸12外部的区域之间连续连通。在图14所示的示例性实施例中，新鲜的、预压缩空气可以从入口室32引入第二燃烧室73。同时，废气可借助于进入的预压缩空气或其他气体从第二燃烧室73中扫出，并通过排气端口18排出。
如图13和14所示，随着活塞继续向气缸的右端移动，气流可以在第二燃烧室73和气缸外部的区域之间持续连通。从入口室32引入第二燃烧室73的预压缩空气或其他气体的连续流动可有助于气缸12的冷却以及从第二燃烧室73扫出废气，并提高第二燃烧室73中的气体压力。与从气缸的左端到气缸的右端的第二冲程的动量冲程部分同时地，在活塞50已经朝向气缸12的右端移动经过排气端口18之后，活塞50右侧的气体在活塞50右侧的压缩阶段期间被压缩。当活塞一直向右时，如图14所示，活塞右侧的燃烧气体将已经被压缩到第一燃烧室71的剩余间隙容积中，并且将发生点火以开始从气缸的右端到气缸的左端的另一个冲程。此后，进一步的冲程可以以这种方式继续。
根据本公开的一些实施例，不管发动机中的其他特定结构如何，气缸和双面活塞的尺寸可以被设计成使得活塞在第一冲程期间行进的总距离显著大于活塞在第一冲程的膨胀冲程部分期间行进的距离。通过参照图5-10的示例，活塞行程的总距离可以从例如图5所示的气缸12右侧的燃烧位置到例如图10所示的气缸12左侧的燃烧位置进行测量。该行进的总距离明显大于当在图5-10的进程中活塞50到达至少一个排气端口18时发生的冲程的膨胀部分。在一些实施例中，膨胀冲程的结束可以由其他事件来标记，例如机械阀的打开，或者以某一其他方式停止膨胀。不管膨胀冲程部分如何结束，这样的实施例被认为在本公开的范围内，只要总行进距离明显大于单独的膨胀部分。通过非限制性的示例，如果冲程的膨胀部分和冲程的非膨胀部分之间的差是活塞宽度的数倍、活塞宽度、大于活塞宽度的四分之三、大于活塞宽度的一半或大于活塞宽度的四分之一，则总距离可以被认为显著更大。因此，例如，双面活塞可以具有从活塞的一个面到活塞的相背面的轴向长度，该轴向长度小于或等于从第一气缸盖和第二气缸盖中的至少一个到排气端口的距离的1/2。
在一些实施例中，气缸和活塞的尺寸可以设计成使得活塞在每个冲程期间从气缸的一端到气缸的相对端行进的总距离可以比活塞在冲程的膨胀冲程部分期间行进的距离至少超出活塞从一个面到相背面的长度。在其他示例性实施例中，气缸和活塞的尺寸可以被设计成使得活塞在每个冲程中行进的总距离至少超出活塞长度，超出活塞在活塞一侧的压缩气体期间行进的距离。在图中所示的示例性实施例中，活塞50从一个面到相背面的长度可以小于气缸盖14、15中的至少一个到排气端口18的距离的1/2。活塞和气缸的这种构造和相对尺寸可以允许活塞在每个方向上的总冲程长度明显更长，在此期间，新鲜的预压缩空气或其他气体可以被引入气缸，以便在气缸的相对端发生每次燃烧之后扫出废气并冷却气缸。
在一些实施例中，气缸和活塞可以被构造为使得在膨胀阶段结束之后活塞的过冲量可以显著大于压缩容积的长度。压缩容积可对应于如上所述的气缸12中的间隙容积。例如，活塞50和气缸12的尺寸可以被设计成使得活塞50在动量冲程部分中行进的长度显著大于在燃烧位置处活塞50的一侧和最靠近的气缸盖14、15之间的间隙容积的长度。在一些实施例中，过冲量至少是活塞50的长度的四分之一。以这种方式将过冲量设定为例如活塞50的长度的至少四分之一，可用于确保在气缸12中发生扫气的足够的持续时间。
根据本公开的一些实施例，内燃发动机可包括由分开的部件的组件形成的活塞套件，包括一对活塞杆部分和包括盘的活塞。通过示例，如图4B所示，根据本公开的发动机的各种实施例可包括双面活塞，例如活塞50，以及一个或多个活塞杆，例如第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43。活塞杆部分可以从活塞的中心延伸。例如，第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43中的每个可以从活塞50的径向中心延伸。活塞50、第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43因此可以是同轴的。因为活塞50沿着轴线A线性地移动，并且因为机械载荷可以通过可以连接到致动器的第二活塞杆部分43传递，所以载荷可以沿着相同的轴线A传递。因此，作用在活塞50上的基本上所有的力都可以作用在平行于轴线A的方向上。此外，没有作用在活塞50上的侧向力，即作用在垂直于轴线A方向上的力。与活塞连接到曲轴且活塞经受侧向力的传统发动机相比，活塞50可以避免作用在与活塞的主要运动方向不同的方向上的侧向力。由于没有经受横向力，因此活塞50可以经受减小的应力和减少的累积热量，因此可以减少对冷却的需要。在一些实施例中，活塞50可被视为无横向应力作用活塞。此外，活塞套件56可以关于轴线A是基本旋转对称的。此外，在一些实施例中，活塞套件56可以关于中间平面也是对称的。中间平面可以是垂直于轴线A的活塞50的轴向中心处的平面。
发动机10可以设置有单个空气源。单个空气源可以连接到入口室。例如，在图5-14所示的实施例中，入口室32包括入口开口29，该入口开口29可以连接到供应空气的源。供应空气的源可以是发动机10中设置的唯一空气源。应当理解，入口室32也可以设置在发动机10的左侧。例如，图5-14中所示的发动机10的构造可以是镜像的。可以以高于大气环境压力的压力向入口室32供应空气。当以这种方式供应空气时，可以实现紧凑的设计。此外，这种设计可能不如需要单独空气源的设计复杂。
当设置单个空气源时，入口室32可以被构造为允许新鲜空气流入第一燃烧室71和第二燃烧室73。此外，在一些实施例中，第一前庭30和第二前庭31可以构造为隔离区域。隔离区域可以是气缸12外部的区域，其被构造为在交替的气缸充气期间隔离非有效的活塞杆部件。例如，第一前庭30可以作为气缸12一侧的第一隔离区域，而第二前庭31可以作为气缸12另一侧的第二隔离区域。
在一些实施例中，可以设置多个空气源。例如，不是提供入口室32，发动机10可以包括两个空气源，每个空气源被构造为向第一前庭30或第二前庭31之一供应空气。发动机10可以包括与第一前庭30连通的第一空气源和与第二前庭31连通的第二空气源，每个空气源都通过各自的侧开口33。两个空气源可以连接在侧开口33的上游。因此，单个空气源可以分叉以形成多个空气源。在该实施例中，第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43中的一个或两个可以包括阻塞端部。在这种情况下，可以在第一活塞杆部分42和第二活塞杆部分43中设置额外的开口。例如，另一组开口可以设置在第一活塞杆部分42上，其与第一开口44间隔开。另一组开口可以被构造成当第一开口在气缸12内时连通来自第一前庭30的气体。另一组开口可以被构造为当第一开口44位于气缸12内部时位于气缸12的外部。另一组开口的结构可以类似于第一开口44的结构。这样的另一组开口可以类似地设置在第二活塞杆部分43中。
活塞套件56内的气体流动可能发生在不同的方向。在一些实施例中，活塞组件中的通道可被构造成沿第一方向将气流从活塞的第一侧输送到活塞的第二侧，并沿第二方向将气流从活塞的第二侧输送到活塞的第一侧。例如，通道46可以设置在活塞杆40中，其中通道46构造成允许气体沿第一方向从活塞50一侧的区域67通过第二开口48流到气缸12的内部。当通过第二开口48向气缸12供应气体时，活塞50可以处于第一位置，例如处于气缸12右侧的燃烧位置。通道46还可被构造成允许气体沿第二方向从活塞50相对侧的区域65通过第一开口44流动到气缸12的内部。当通过第一开口44向气缸12供应气体时，活塞50可以处于第二位置，例如处于气缸12左侧的燃烧位置。
在一些实施例中，活塞套件56内的气流可以在相同的方向上。例如，当设置入口室32时，气体可以从入口开口29通过通道46并经由第二开口48流入气缸12(见图5)。在活塞50的另一位置，气体可以从入口开口29流过通道46，并经由第一开口44进入气缸12(见图10)。
图15示出了包括室39的发动机10的实施例。图15的实施例可以类似于图5的实施例，除了阻塞可以通过室39实现之外。第二活塞杆部分43可以设置成没有塞子49。室39可以是附接到第二前庭31或与第二前庭31成一体的结构。室39可以气密方式密封。当活塞50处于第二位置时，如图15所示，空气可以从入口开口29引入。因为发动机10的左侧被阻塞，进入活塞杆40的空气可以通过通道46行进到区域67，但是不会逃逸到发动机10外部的区域。相反，空气可以通过第一开口44被压入气缸12。因此，发动机10可以以类似于图5所示的方式运行。
活塞杆可被构造成使得活塞组件在活塞杆开口被阻挡的位置和活塞杆开口中的至少一个被打开的位置之间是可滑动的。在活塞50的整个行进范围内的一些位置，可能存在第一开口44或第二开口48都不与气缸12流体连通的位置。例如，图6、7、8、9、11、12和13示出了第一开口44和第二开口48尚未进入气缸12的情况。压力累积期可以发生在例如图6的位置和图9的位置之间。在第一压力累积位置，如图6所示的位置，从入口开口29引入的气体可以与通道46流体连通，但是气体不能从发动机10排出。因此，在与入口室32流体连通的区域，例如区域65、区域67和通道46内，压力开始建立。当到达第二压力累积位置时，如图9所示的位置，与入口室32流体连通的区域中的内部压力可上升到预定水平。此后，当第一开口44暴露于气缸12的内部时，压力被释放，高压空气可以被输送到气缸12的内部。将高压空气输送到气缸12中可以增加发动机10可以输出的功的量。例如，如图9的实施例所示，引入气缸12的高压空气可用于进一步将活塞50推向气缸12的左侧。
根据本公开的示例性实施例的发动机可以产生进一步的益处。例如，发动机可以促进从气缸中几乎连续地扫出热废气，同时连续地供应新鲜空气用于燃烧。几乎连续引入的新鲜预压缩空气可以降低气缸内的温度，并提高发动机效率和使用寿命。
在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对所公开的示例性实施例进行各种改变和修改。例如，发动机10产生的燃烧气体可用于驱动涡轮增压器。引入气缸的压缩空气可以由外部压缩机加压，该外部压缩机由从气缸的相对端延伸的往复活塞杆部分驱动。其它变型可以包括通过改变入口端口和出口端口的角度，使引入气缸的气体产生涡流效应，从而气体不会被径向导入或导出气缸。
为了扩展本公开的前述部分，一起描述了元件的各种组合。应当理解，本公开的各个方面在其最广泛的意义上不限于前述的特定组合。相反，本发明的实施例，与本公开一致，并且如通过附图中的示例所示的，可以包括一个或多个以下列出的特征，或者单独或者与任何一个或多个以下列出的特征相结合，或者与前述特征相结合。
例如，可以提供直线往复式发动机。发动机可以包括气缸，该气缸在其第一端具有第一燃烧室，在其相对的第二端具有第二燃烧室；位于第一燃烧室的一端处的第一气缸盖；位于第二燃烧室的一端处的第二气缸盖；可滑动地安装在气缸内的活塞；以及活塞杆，其包括延伸穿过第一燃烧室和第二燃烧室的至少一个活塞杆部分，该至少一个活塞杆部分具有位于活塞的第一侧的至少一个第一端口和位于与活塞的第一侧相反的活塞的第二侧的至少一个第二端口。还可以提供以下要素:
·其中至少一个活塞杆部分包括延伸穿过活塞的通道，该通道构造成连通穿过其中的气流。
·其中活塞杆可滑动到第一位置，在该第一位置，至少一个第一端口和至少一个第二端口被阻挡以能够在通道中建立压力。
·其中活塞杆可滑动到第二位置，在该第二位置，至少一个第二端口打开以将加压空气释放到第二燃烧室中。
·其中活塞杆可滑动到第三位置，在该第三位置，至少一个第一端口打开以将加压空气释放到第一燃烧室中。
此外，例如，可以提供一种直线往复式发动机，包括气缸，该气缸在其第一端具有第一燃烧室并且在其相对的第二端具有第二燃烧室的气缸；位于靠近第一端的第一燃烧室外部的前庭；可滑动地安装在气缸内的活塞；从活塞延伸穿过第一燃烧室并进入前庭的第一活塞杆部分，该第一活塞杆部分包括中空管部分，该中空管部分具有入口端口和其中的至少一个第一侧壁开口；以及从活塞延伸穿过第二燃烧室的第二活塞杆部分，该第二活塞杆部分具有中空管部分和至少一个在其中的第二侧壁开口。还可以提供以下要素：
·其中第一活塞杆部分与第二活塞杆部分流动连接。
·其中至少一个第一侧壁开口和至少一个第二侧壁开口定位成使得在第一冲程部分期间，至少一个入口端口位于前庭中以给第一燃烧室供应来自前庭的空气。
·其中在第二行程部分期间，至少一个入口端口位于前庭中以给第二燃烧室供应来自前庭的空气。
·其中发动机还包括连接到单一空气入口的新鲜空气泵。
·其中发动机还包括用于向前庭供应加压空气的泵。
·其中发动机包括两个燃烧室。
·其中单个空气入口和活塞杆被构造为允许新鲜空气流入两个燃烧室。
此外，例如，可以提供一种直线往复式发动机，其包括气缸，该气缸在其第一端具有第一燃烧室和在其相对的第二端具有第二燃烧室的气缸；位于靠近第一端的第一燃烧室的外部的第一前庭；位于靠近第二端的第二燃烧室外部的第二前庭；可滑动地安装在气缸内的活塞；从活塞延伸穿过第一燃烧室并进入第一前庭的第一活塞杆部分，第一活塞杆部分具有穿过其中的第一细长通道部分和其中的至少一个第一端口；以及从活塞延伸穿过第二燃烧室并进入第二前庭的第二活塞杆部分，该第二活塞杆部分具有穿过其中的第二细长通道部分和其中的至少一个第二端口。还可以提供以下要素：
·其中第一通道部分流动连接到第二通道部分。
·其中当至少一个第一端口位于第一前庭中时，至少一个第二端口位于第二燃烧室中，从而允许第一前庭和第二燃烧室之间的流动连通。
·其中当至少一个第二端口位于第二前庭中时，至少一个第一端口位于第一燃烧室中，从而允许第二前庭和第一燃烧室之间的流动连通。
此外，例如，可以提供一种内燃发动机，其包括在其第一端具有第一燃烧室并且在其相对的第二端具有第二燃烧室的气缸；燃烧室外部的前庭；可滑动地安装在气缸内的活塞；以及从活塞延伸穿过燃烧室并进入前庭的活塞杆。还可以提供以下要素：
·其中活塞杆包括延伸至活塞的从中穿过的开口和其中的至少一个端口。
·前庭中的端口，用于向前庭供应加压空气，从而在活塞的燃烧冲程期间使加压空气能够移动通过活塞杆并冷却活塞。
此外，例如，可以提供一种直线往复式发动机，其包括气缸，该气缸在其第一端具有第一燃烧室且在其相对的第二端具有第二燃烧室，该气缸中具有一个或多个侧端口；位于第一燃烧室的一端处的第一气缸盖；位于第二燃烧室的一端的第二气缸盖；可滑动地安装在气缸内的双面活塞；从活塞延伸穿过第一燃烧室并进入第一可加压前庭的第一活塞杆部分，该第一活塞杆部分具有穿过其中的第一细长通道部分和其中的至少一个第一端口；从活塞延伸穿过第二燃烧室并进入第二可加压前庭的第二活塞杆部分，该第二活塞杆部分具有穿过其中的第二细长通道部分，第二细长通道部分与第一细长通道和其中的至少一个第二端口流动连接。还可以提供以下要素:
·其中所述至少一个第一端口和至少一个第二端口分别布置成使得当双面活塞位于燃烧室中的中心位置并且第一前庭和第二前庭被加压时，在第一活塞杆部分和第二活塞杆部分中存在静态气流状态。

Claims (20)

1.一种直线往复式发动机，包括：
气缸，具有在气缸的第一端的第一燃烧室以及在气缸的相对的第二端的第二燃烧室；
活塞，可滑动地安装在气缸内；
活塞杆，具有穿过活塞延伸到第一和第二燃烧室中的通道；
在活塞杆的第一侧的至少一个第一开口，其构造为移入和移出第一燃烧室以将气体选择性地连通到第一燃烧室；和
在活塞杆的第二侧的至少一个第二开口，其构造为移入和移出第二燃烧室以将气体选择性地连通到第二燃烧室，
其中，活塞在第一位置和第二位置之间是可滑动的，在第一位置，第一开口在第一燃烧室的外部且第二开口在第二燃烧室的内部，在第二位置，第一开口在第一燃烧室的内部且第二开口在第二燃烧室的外部。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中
所述通道被构造成连通沿第一方向从活塞的第一侧穿过通道并穿过至少一个第二开口到活塞的相对侧的第二燃烧室的气流，并且连通沿与第一方向相反的第二方向从活塞的第二侧穿过通道并穿过至少一个第一开口到活塞的第一侧的第一燃烧室的气流。
3.根据权利要求1所述的发动机，其中，
所述通道被构造成在第一位置时连通沿第一方向从活塞的第一侧穿过通道并穿过至少一个第二开口到活塞的相对侧的第二燃烧室的气流，并且在第二位置时连通沿第一方向穿过通道并穿过至少一个第一开口到第一燃烧室的气流。
4.根据权利要求1所述的发动机，还包括：
第一燃烧室的外部的第一前庭，和
第二燃烧室的外部的第二前庭，
其中，所述通道被构造成将气体从第一前庭输送到第二燃烧室，并将气体从第二前庭输送到第一燃烧室。
5.根据权利要求1所述的发动机，还包括：
第一燃烧室的外部的第一前庭；
第二燃烧室的外部的第二前庭；和
邻近第一前庭的入口室，
其中，所述通道被构造成在第一位置时将气体从入口室输送到第二燃烧室，并且在第二位置时将气体从入口室输送到第一燃烧室。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述气缸具有外周气缸壁和在所述外周气缸壁中的至少一个端口。
7.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述活塞杆包括第一活塞杆部分和第二活塞杆部分。
8.根据权利要求4所述的发动机，其中，所述活塞杆的至少一个活塞杆部分从第一前庭穿过气缸延伸到第二前庭。
9.根据权利要求1所述的发动机，其中，至少一个第一开口和至少一个第二开口包括孔，每个孔具有与所述活塞杆的径向方向形成角度的轴线。
10.根据权利要求1所述的发动机，其中，
活塞可滑动到第三位置，在该第三位置，至少一个第一开口和至少一个第二开口都被阻挡，以使得压力能够在通道中累积，并且，
累积的压力在第一位置或第二位置释放到气缸中。
11.根据权利要求1所述的发动机，其中，至少一个第一开口包括延伸穿过所述活塞杆的侧壁的多个孔。
12.根据权利要求1所述的发动机，还包括被构造成阻塞活塞杆的一端的塞子。
13.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述通道使得活塞杆至少部分中空。
14.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述活塞是双面活塞，并且其中所述活塞杆包括一对活塞杆部分，每个活塞杆部分从双面活塞的相对面延伸。
15.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述活塞和所述活塞杆一体地形成。
16.根据权利要求1所述的发动机，其中，
活塞和活塞杆分开地形成，并且，
活塞和活塞杆由紧固件紧固。
17.根据权利要求1所述的发动机，还包括入口室，其中，
所述活塞杆包括开口端，并且，
所述通道被构造成输送气体从入口室穿过开口端和至少一个第一开口到第一燃烧室，并输送气体从入口室穿过开口端和至少一个第二开口输送到第二燃烧室。
18.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述第一燃烧室限定在所述活塞的第一端和所述气缸的第一端之间，并且所述第二燃烧室限定在所述活塞的第二端和所述气缸的第二端之间。
19.根据权利要求1所述的发动机，还包括单个空气入口，其中，
所述单个空气入口和所述活塞杆被配置为允许新鲜空气流入第一燃烧室和第二燃烧室。
20.根据权利要求19所述的发动机，其中，所述发动机还包括位于所述气缸的一侧的第一隔离区域和位于所述气缸的相对侧的第二隔离区域，所述第一和第二隔离区域被构造为在交替气缸充气期间隔离非有效活塞杆部件。
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