因此，本发明的目的是提供端部有端口的活动气缸的密封装置的方法，该 活动气缸通常由固定的壳体或框架包围。
本发明的另一个目的是提供一种冷却活动气缸装置的方法，该装置已根据 本发明密封。
本发明的另一个目的是提供一种旋转本发明的气缸/密封装置之一的气缸 的方法，以减少磨损。
本发明的另一个目的是提供用于内燃机的气缸/密封装置。
本发明的另一个目的是提供用于内燃机的气缸/密封装置，其实现了在装 置之间更有效的流动的转移。
本发明的这些和其他目的在下面公开的优选实施例中实现，提供形成容纳 和接合活塞的腔室的气缸，活塞直接连接于一个或多个曲柄轴。气缸适合往复 振动或与活塞往复滑动运动，气缸具有至少一个开口。壳体包围气缸，并具有 至少一个端口，以间歇地与气缸开口连通，并且密封设置在壳体内并邻近于气 缸，以将泄露减少到最低限度。
根据本发明的一个优选实施例，活动气缸和固定壳体之间的密封接口是圆 柱形的。
根据本发明的一个优选实施例，活动气缸和固定壳体之间的密封接口是平 面的。
还是根据本发明的另一个优选实施例，密封接口是球面的。
还是根据本发明的另一个优选实施例，对于由通常的固定壳体包围的活动 气缸，密封接口利用弹性外套或表层实现。
还是根据本发明的另一个优选实施例，对于包围活动气缸的壳体或框架， 利用弹性内层或表层实现密封。
还是根据本发明的另一个优选实施例，密封接口通过壳体或框架上的活动 气缸的端部上的机械密封实现。
还是根据本发明的另一个优选实施例，密封通过压在气缸上的壳体或框架 内的机械密封实现，壳体或框架包围气缸。
还是根据本发明的另一个优选实施例，密封通过压在活动气缸端部上的另 一个机械密封上的壳体或框架内的机械密封实现，壳体或框架包围气缸。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的利用弹性容纳层密封的气缸装置的示 意图；
图2A是根据本发明的与弹性内层或外套一起使用的气缸的立体图；
图2B是从曲柄梢观看的图2A的气缸的主视图；
图2C是根据本发明的位于外壳内的槽内的活塞杆的视图；
图3A为图1中的气缸装置的外壳端口的左侧视图；
图3B为图1中的气缸装置的外壳端口的右侧视图；
图4为根据本发明的活塞杆密封装置的剖视图；
图5A-B为本发明的一个实施例的匹配的气缸和活塞的立体图；
图6A-B为本发明的另一个实施例的匹配的气缸和活塞的立体图；
图7A为本发明的另一个实施例的具有弹性容纳内层的气缸装置的剖视 图；
图7B为图7A的气缸装置的气缸的俯视图；
图7C为图7A的气缸的侧视图；
图7D为图7A的气缸的俯视图；
图7E为图7A的气缸的仰视图；
图8为本发明的另一个实施例的在气缸端部和包围的外壳内具有机械密 封的气缸装置的剖视图；
图9A为本发明的波状型弹簧圈的立体图；
图9B为本发明的具有V型截面形状的弹簧圈的剖视图；
图10A-B为表示图8的气缸装置的固定的外壳端口的壳体密封的面和位 置的前视图；
图11A-B为图10A-B的壳体密封的后视图；
图12A为本发明的用来带给圈的后面高的压力的圈槽的槽口的侧视立体 图；
图12B为在高压缝隙中的槽口和凸块的剖视图；
图13为本发明的另一个实施例的具有机械密封的气缸装置的剖视图；
图14A-B为图13的气缸装置的没有曲柄和有曲柄的气缸端部密封的外观 视图；
图15A-B为图13的气缸装置的没有曲柄和有曲柄的壳体密封的外观视 图；
图16A-B为图13的气缸装置的没有曲柄和有曲柄的壳体密封的后面的立 体图；
图17为图13的气缸装置的另一个剖视图；
图18A为本发明的另一个实施例的无曲柄的气缸端部密封的外观视图；
图18B为与图18A的气缸端部密封一起使用的无曲柄壳体密封的外面视 图；
图19A为本发明的另一个实施例的图13的机械密封的剖视图，该机械密 封适用于滑动气缸装置，具有表示在极限的右“死点”位置的曲柄；
图19B为图19A的气缸装置的另一个剖视图，表示了位于上中心运动位 置的曲柄；
图19C还是图19A的气缸装置的另一个剖视图，表示了位于极限的左“死 点”位置的曲柄；
图19D还是图19A的气缸装置的另一个剖视图，表示了位于下中心运动 位置的曲柄；
图20为图19A的气缸装置的两个曲柄的协调的运动方式的示意图；
图21A-B为图19A的气缸装置的气缸端部和壳体密封的外观视图；
图21C为图21A的气缸端部密封的上部视图；
图21D为用于图21C中的活塞杆密封装置中的塞的俯视图；
图21E为用于图21C中的活塞杆密封装置中的塞的仰视图；
图21F为穿过一个侧槽的图21C-E的塞的放大剖视图；其使高压作用在 密封圈的后面；
图22为转动图19A的滑动气缸装置的气缸的装置的剖视图；
图23为本发明的另一实施例的共同运行在内燃机中的一对气缸装置的示 意图；
图24A为本发明另一实施例的以直列的图23的内燃机装置的示意图；
图24B为本发明另一实施例的以“V”形排列的图23的内燃机装置的示 意图；
图25A为本发明的另一实施例的内燃机装置的示意图，具有以直线偏移 设置的反向转动的曲柄；和
图25B为图25A的装置的示意图，具有以“X”形偏移设置的反向转动 的曲柄。

如图1所示的是本发明的结合显式密封的气缸装置，并且一般以附图标记 10表示。气缸装置10包括包围着的壳体12内的端部有端口的气缸11，壳体 12还起到密封容器的作用。在本申请的通篇使用的术语“气缸”通常指具有 腔室的滑动物体，活塞在该腔室内滑动，并且并不意图限制到任何特定形状。
壳体12优选形成两个进入端口13、14和两个排出端口15、16以及如图 2C所示的槽23，连接于曲柄18的活塞杆17插入该槽，容许活塞杆17的振 动运动。
气缸装置10具有显式密封21，该显式密封包括跨接在气缸11和其包围 的壳体12之间的非密封缝隙上的弹性内层。密封21的内层可以完全充满缝隙， 或者其只位于泄露可能发生的那部分内。图1表示密封内层21使用在装置端 口13、14、1 5和16以及气缸11的开口端的附近。密封内层21优选是足够弹 性的，以保持适于装置10所需的温度变化和压差的有效的密封。内层21与活 动气缸之间还应具有足够低的摩擦力，以使装置10的运行不会被不适当地阻 止。对于许多申请，可以使用聚四氟乙烯为基础的内层。聚四氟乙烯为基础的 内层可以与非常光滑并磨光的气缸一起使用。
具有结合于或固定于包围气缸11的壳体12的静密封内层21的有关可选 方案，可以具有结合于或固定于气缸11外面的外套或表层。当具有内层时， 外套可以完全或只足够密封气缸端部和壳体端口13、14、15和16，以密封气 缸11的所有位置。在本例中，外套压在其上的壳体12的里面可以是光滑且磨 光的。这种可选方案通常不是最优选的，因为其会给装置10的移动部分增加 质量。
最简单的装置10的气缸11立体地表示在图2A中，并在图2B中从曲柄 18的方向观看。气缸11在其两端开口，除了图2B中所示的曲柄侧端部的调 整带19，以用于活塞杆17穿过该调整带滑动。带19在活塞杆17与曲柄18 一起运动时保持气缸11的筒与活塞杆17在一条直线上，并且其用作密封壳体 12内的槽23，如图2C所示，活塞杆17必须移动穿过该槽。图2A和2B示出 了具有作为支撑物的耳轴24的气缸11。当曲柄18转动时，气缸11可选地顺 时针方向转动或逆时针方向转动，以顺次地将气缸11的腔室朝向新月形的进 入端口和排出端口13、14、15和16。该装置10的运行利用这样的原理：活 塞行程的各方向与曲柄梢位于曲柄中心之上或之下相符。这使气缸11的转动 与整体的活塞头31和活塞杆17的运动结合，以至气缸11本身以恰当的次数 打开和关闭恰当的端口13、14、15、16。
图3B和3A从气缸11的筒的方向观看，分别表示曲柄侧端口13、15和 相对侧端口14、16，当活塞头31位于离曲柄18最近和最远程度时，其与活 塞17的方向反转点一致。图3A和3B中，在这些活塞位置的气缸11的筒的 轮廓部分地以虚线表示。曲柄侧的端口13、15在调整带19的周围表示为分段 的。如图2B所示，围绕活塞杆孔30的调整带19的部分为了强度可以扩大， 并能提供活塞杆17周围的密封。装置10中的活塞杆17周围的密封可以与用 在传统的蒸汽机中的活塞杆周围的密封相似。
图4表示本发明的活塞杆密封装置。活塞杆孔30经过塞35和调整带19， 塞35和调整带19优选利用螺纹39固定在一起，以在活塞杆17周围形成密封 圈41可放置于其中的凹处。密封圈41可以由弹性材料制成，或其可以与传统 活塞式圈相似，只是其被制成这样以便向内压。优选地，提供图4中虚线表示 的通道38，以使来自气缸11的高压到达圈41的后面，以便压力升高时，其 能以更大的力与杆17接合。
塞35可以由更能防止与杆17卡在一起的材料制成，并在杆17周围具有 更紧密的间隙，从而更有效地将振动运动传递到气缸11。
如图5A和5B所示，调整带19′的部分或全部可以在气缸11′的外球面 的外面。在那种情况下，调整带19′安装在壳体的容纳槽内。将杆孔30′周 围的带19′的任何扩大部分保持在气缸11′的球面内的益处在于，带19′的 外部就可以制成一致的宽度，以使一体地并紧密地安装进壳体容纳槽内。远离 杆孔30′的方向，带19不需特别宽，虽然其应足够宽以密封壳体内的槽，活 塞杆17′穿过该槽移动。更窄的带19为曲柄侧的端口提供更多空间。
图6A和6B表示气缸11和配合的活塞头31的立体图，其中调整带19完 全在气缸球面11内。不管调整带19的构造怎样，在气缸球面11内的调整带 19的部分可以被安装进活塞头31的曲柄侧的容纳槽32内，如图6B所示。安 装在活塞杆孔30周围的带19的内侧的塞35的圆顶可以安装入凹处33内。通 过将曲柄侧活塞头31的形状与气缸球面11内的带19的任一部分匹配，活塞 行程端部的死区会最大程度地消除。
具有弹性内层密封61的可选的气缸装置50表示在图7A至7E中。气缸 装置50包括在包围的壳体52内的气缸51。气缸51的端部是封闭的，除了基 本矩形开口57、58，开口57、58交替地分别与壳体内的两对基本相似形状的 端口53、54和55、56对齐。在图7A中，为了清楚，活塞头71未以截面的 方式示出而突出了其形状。在图7A中，气缸51的端部的开口57、58的位置 以虚线表示。在更大比例的情况下，装置50会更容易制造和引燃。简单的装 置会要求气缸51由一部分以上制成。
在更大的压力差的情况下，简单的弹力内层或外套可以就是减少了效力的 密封。为抑制高压的泄露，通过内层抵在气缸上或由外套作用于壳体的足够的 压力，在一些位置上可能会开始不适当地阻止气缸的运动。装置的特征不特别 适合于在接触的小区域上提供高的密封压力的密封。那是因为气缸端部必须保 持密封，而且端口，特别是最高压的端口也必须保持密封。在那里，必须保持 极高的压力，利用更多的力与更高压力配合的密封装置可能是更成功的。那么 高的密封压力对于装置10的运行不会是连续的拨进，而只在最需要的时候产 生支撑。即使在高压连续保持的地方，如对于蒸汽机，使密封成为压力触发装 置，其密封力取决于压力并且不会受到制造中由于磨损或由于装置的部件内的 温度变化而造成的轻微的间隙变化的影响。
图8表示另一个可选的装置100，其中图2-6的装置10已修改以包括分别 在壳体112内和气缸111上的压力触动的机械(非弹性)密封81、91。围绕 高压端口113、114并包括在中性点覆盖气缸筒端部的所有壳体面积的壳体112 的部分制成可拆卸的，以便能紧密地压在气缸111上；在该中性点的位置，端 口113、114、115和116都不是起作用的。使高压进入壳体112的可拆卸部分 和固定部分之间的裂隙，以便将可拆卸部分、壳体密封压在111上。对气缸 111的接触通过弹簧82保持，即使当压力低时。如图8所示，曲柄侧壳体密 封81可以包括波形圈弹簧82。这种波形弹簧圈82的立体图表示在图9A中。 可选地，可以使用如表示在图9B中的“V”形截面的弹簧圈86。
如图8所示，卷簧82将调整销83推压在非曲柄侧壳体密封81的后面上。 销83设置在壳体112的孔96内，并用来保持该密封的侧面与壳体112内的匹 配的侧面对准。其也用来防止密封81转动，该转动使密封81的端口95不与 壳体112内的端口114对准。穿过密封81和壳体112的端口95的位置用虚线 表示。利用一个或多个活塞型圈84防止高压漏出密封81的侧面进入气缸111 和壳体112之间的缝隙；圈84安入密封81的侧面内的一个或多个凹槽内并将 凹处的侧面压入固定的壳体112内，密封81安装在该凹处内。对于装置100 的曲柄端部上的壳体密封81，密封81具有一个或多个附加的圈84，其围绕在 密封81的管状的延长部85上以防止密封81周围漏气进入曲柄118的空间。 通过活塞杆117的向后和向前运动以及两个圈或多个圈84不共有同一中心， 来防止曲柄端部壳体密封81在壳体112内的其凹处内转动。曲柄端部壳体密 封81具有用于活塞杆117通过的槽80。
从装置100的中心观看的密封的视图表示在图10A和10B中，分别为无 曲柄侧和曲柄侧。高压端口95经过密封81，而低压端口115、116位于壳体 112的固定部分内。低压端口115、116和处于“上死点”和“下死点”的气 缸11的筒的位置在图10A和10B中以虚线表示。这些密封81的背面的视图 表示在图11A和11B中。
除了壳体密封81之外的是用来保持密封力的气缸端部密封91，气缸111 内的压力应达到或超过壳体密封81之后的空腔内的压力。如果装置100用于 压缩气体，那么可能会发生后一种情况。这些气缸端密封91通过开向气缸111 的筒的裂隙空间而与气缸111分离。另一组活塞式圈84将这些裂隙空间与气 缸-壳体缝隙分开。气缸111内的高压能迫使气缸端部密封91压在壳体密封81 上。当气缸100内的压力低时，两类密封之间的接触可以由图9A所示类型的 附加的波形弹簧圈82来部分地保持。
曲柄端气缸密封91特别复杂。其必须结合图8所示的调整带119，该调 整带119装入活塞头131底侧上的凹槽内。调整带119的顶部必须装入活塞杆 密封141和塞135。因为调整带119必须密封活塞杆117的槽180，所以气缸 端部密封91必须不转动。那可以通过气缸111上的销93装入曲柄端气缸密封 91内的孔来实现，如图8所示。
如图12A和12B所示，容纳活塞式圈84的壳体密封81的侧面内的凹槽 88可具有刻在高压侧上的均匀间隔设置的凹口187，以用于使高压作用于圈 84的后面，以便增加将圈84推压在固定壳体112上的推力。壳体112也可在 其上具有恰当设置的凸块89，以防止密封81完全封闭裂隙空间。该凸块89 在图12B中用虚线表示。气缸111也可具有使压力作用于圈84的后面的凹口 87和确保气缸111与气缸端部密封91之间的裂隙空间开放的凸起89。在裂隙 空间内自由地使用凸块89可以用于将裂隙空间99的容积减少到最小程度，同 时仍然保持其对流体的开放并且高压推压的表面面积不会有太大的损失。
金属密封可以具有压在硬表面上的由例如碳、石墨或陶瓷纤维等合成物制 成的面。由于该装置100具有相互面对的金属密封，优选地，一个密封面包括 一些这种合成物，而另一个面包括适合的硬材料。应注意的是，虽然本申请的 发明包括机械密封，但根据特定装置的使用要求，密封的适当的材料可以改变。
还是值得注意的是，虽然图8-12的气缸/机械密封装置100保持了图1-6 所示的装置10的简单的整体形状，但是个别的部分是十分复杂的，特别如上 所述的曲柄端气缸密封91。另一个缺陷是只有部分气缸111和气缸端部密封 91间的裂隙空间是这样的，以至其将那些密封推压在壳体密封81上。那些裂 隙空间的剩余容积“浪费”了。进一步的缺点是，一旦高压被允许进入气缸腔 室111a并由此作用在壳体密封81的两侧，在壳体密封81后面的高压的作用 就会部分地失败。如上所述，这将更具有气缸腔室111a内如通过压缩产生高 压的位置的问题。高压作用在壳体密封81的两侧的情况下，只有比暴露于气 缸腔室111a里面的表面面积大的密封81的后面的表面面积才能以所需的方向 提供一个纯的推力。
更类似于图7中装置的具有机械密封的装置通常是优选的。该装置截面地 表示在图13中，通常用附图标记150表示。此处，气缸端部是机械密封161a、 161b。从气缸151的腔室151a经过端部密封161a、161b的泄露，通过单一或 多个活塞式圈184装入气缸筒151的外面上的凹槽内并压在密封161a、161b 的边缘内气缸表面上来防止。这些气缸端部密封161a、161b压在壳体密封 181a、181b上，以将其装入壳体152的凹处内。通过气缸筒151上的销183 来防止气缸端部密封161a、161b绕气缸筒151转动，该销183安装在气缸端 部密封161a、161b的外边缘上的匹配的凹口内。这是防止密封161a、161b转 动的一种装置。
不管使用的装置怎样，可以这样设计间隙，以至通过该装置将振动运动从 密封161b传送到气缸151，而不是使活塞式圈184执行该功能。壳体密封181a、 181b也可使其在其壳体凹处内的左右运动由相似的装置限制，而不是通过活 塞式圈184限制。
气缸筒151和气缸端部密封161a、161b之间是将端部密封161a、161b推 压在壳体密封181a、181b上的波状弹簧182。密封161a、161b中的端口162、 163的位置和壳体152内的端口153、154的位置在图13中以虚线表示。为了 不至于遮盖密封181b的形状和曲柄端壳体密封181b内的端口153、154的位 置，活塞杆157滑动于其中的槽180未表示在图13中。槽180的位置表示在 图15B和16B中。两个壳体密封181a、181b表示了两组活塞式圈184。一组 圈184密封由气缸151和壳体152之间的间隔形成的裂隙空间。另一组圈184 密封由低压端口或歧管形成或在曲柄端由曲柄轴箱或曲柄区域形成的裂隙空 间。低压曲柄端端口155可以通过曲柄轴箱或如图17所示的由直接的附加的 具有附加的密封的“管路”提供。
气缸端部密封161a、161b的外观的视图表示在图14A和14B中。压在气 缸端部密封161a、161b上的壳体密封181a、181b的外观的视图表示在图15A 和15B中。壳体密封181a、181b的后面的立体图表示在图16A和16B中。支 撑活塞式圈184的凹槽的位置用附图标记188表示。图15A-B和图16A-B中 的箭头表示穿过容器的壳体密封181a、181b的端口153-156的流动方向，在 那里高压从外面进入气缸/密封装置150，与传统的蒸汽机一样。如果装置150 使用在压缩机中，流动方向是相反的。高压流从壳体密封181a、181b的管状 延长部的外面186进入气缸151。低压流通过管状延长部的内部185排出气缸 151。通过活塞杆157在该壳体密封181b内的其槽180内的左右运动防止壳体 密封181b曲柄端壳体密封181b转动。通过图17所示的销183和凹口防止无 曲柄端密封181a转动。图13中未表示用于壳体密封181a、181b的弹簧，但 是，必要时可增加弹簧。当曲柄158转动时，气缸端部密封161a内的端口163 和气缸端部密封161b内的端口162交替暴露于壳体密封181a、181b内的高压 端口153、154和低压端口155、156。气缸端部密封161a、161b的外观在图 14A和14B表示为圆的，但是，它们可以是任何合适的形状。例如，在它们 的来回运动的方向可以是更宽的，以提供在壳体密封181a、181b内的端口 153-156周围的更大的密封面积。壳体密封181a、181b的外观表示在图15A 和15B中，但是，只要使用活塞式圈184围绕其外周密封，它们就应是圆形 的。
当高压存在于气缸151的内部时，其以最大面积并以所需的方向直接压在 气缸端部密封161a、161b上，几乎没有浪费的裂隙空间。此外，在壳体152 和壳体密封181a、181b之间的裂隙空间内的高压力略低于作用于181a、181b 的另一侧上的密封气缸腔室151a内的高压。
不像图8中的装置100，该装置150在壳体152和气缸151之间的空间内 没有运转的气流。同样，容易将该空间用于另一目的。图13表示该空间用于 有效地冷却气缸筒151。示出的冷风机173附加在气缸筒151的侧面。气缸筒 151的转振将使风机173将风或其它冷却剂向外扇出，如利用传统的手持扇一 样。壳体152上的开口172允许气体的向外流动。使冷的补充气体通过更靠近 装置150的枢轴点和耳轴164的开口174而进入。这种补充开口174的位置在 图13中以虚线表示。在更高的RPM应用中，更短的冷风机173会是优选的。 要注意的，这种冷却装置也可用于图7中的装置50。也可以使用液体冷却剂。 虽然是优选的，但是因为将带给气缸151的来回转动的阻力，所以气缸151 不浸入液体冷却剂中。冷却剂可以滴在或喷在耳轴164附近，然后在由于“离 心”力被气缸151甩掉后，再一次冷却。这种冷却装置也可使用同样的喷上的 冷却剂作为密封界面、气缸耳轴164周围的轴承165和曲柄158的润滑剂。在 这种情况下，来自曲柄轴箱的润滑剂会通过活塞杆157和活塞头内的通道向外 至两个活塞圈184之间而带给气缸筒151a。图13和17只表示了围绕活塞头 的单个活塞圈184。
图17表示图13的装置150，沿活塞杆157的轴线转动了90度。表示了 具有曲柄158的活塞157，曲柄158从图13中的位置转动了180度。该位置 有助于说明在与曲柄轴箱或曲柄区域分开的曲柄端部上设置低压端口的可能 性。
图17表示经过曲柄端壳体密封181b的后面的端口，但其没有妨碍活塞杆 157必须移动通过的槽180。表示出通过波形弹簧182将‘D’形密封圈191 由壳体152压在壳体密封181b上。此处，波形弹簧182也可具有“D”形。 壳体密封181a上的‘D’形表面表示在图16B的壳体密封的立体视图上，这 些‘D’形圈压于该‘D’形表面上。‘D’形密封圈191是刚性的或具有分体 或整体刚性的支架，以至密封191能均匀地压在壳体密封181b的表面上。作 为波形弹簧182的替换物，如图9B所示，可以使用‘V’形截面的‘D’形 弹簧。
图17表示离气缸装置150最近的曲柄158，以说明在那一端间隙的要求。 图17中的间隙表示为最小量。与图13的装置150的端口一致的曲柄位置实际 上具有比图17中所示的更大的间隙。气缸151更大的旋转运动并因此更大的 可能的端口，要求曲柄158将更接近于气缸装置150。更小和更简单的装置可 以制作所有直接穿过曲柄轴箱或曲柄区域的低压端口。
该装置150的无曲柄端的可选端口方案表示在图18A和18B中。此处， 壳体密封181a的管状延长部相对于主体是偏心的，通过该管状延长部，补入 低压气流。端口154、156基本是新月形的。起作用的端口154、156之间的壳 体密封181a的部分与气缸端部密封161a的端口163匹配。图18B表示扩大的 超过可能起作用的部分的低压端口154，以消除密封181a的一部分，该部分 会增加质量而降低强度。如在另一个端口方案中，气缸端部密封161a的来回 运动交替地将气缸端部密封端口暴露于壳体密封181a的高压端口154和低压 端口156。这个方案使高压端口将被制作得稍微更接近于气缸装置150的中心。 这在某些应用中是有好处的，特别在内燃机中，在其中，压缩气体从一个气缸 装置传送至另一个气缸装置。
值得注意的是，当压力高时，气缸装置150的机械密封161a、161b利用 压力将密封面更有力地压在一起。另一个力，通俗地称为离心力，间歇地作用 以将密封压在一起。气缸端部密封161a、161b绕装置150的中心枢轴点来回 转动。转动时，气缸端部密封161a、161b被‘甩’在壳体密封181a、181b。 转动的最大速度发生在相反方向之间的中点处。当活塞杆157位于其最小程度 和最大程度并在反转方向时，出现这些中点。当气缸端部密封161a、161b位 于关闭壳体密封181a、181b中的一个端口和打开另一个端口之间的刀刃位置 时，也会出现相同的这些点。在高RPM应用中，在密封161a、161b、181a、 181b内，该额外的密封力会要求使用改善的磨损材料。
在一些应用中，壳体密封181a、181b或气缸端部密封161a、161b可以省 去。例如，如果装置150应用于压缩机或泵中，那么壳体密封181a、181b可 以省去。在压缩或泵冲程的过程中气缸端端密封161a、161b可以利用力压在 壳体152的里面，而气体或液体被迫穿过壳体152的固定排出端口。一旦该冲 程完成，排出端口中的止回阀抑制从该端口的泄露，同时在进气冲程过程中气 缸内的压力下降。对于蒸汽机或其它外燃机，可以省去气缸端端密封161a、 161b，如图7所示，为具有带实心端的气缸。当密封之一被省去时，气缸151 和壳体152之间的空间可能不会同样有效地被密封以防止进气或排气。其可防 止利用该空间如图13所示地冷却气缸151。
如图13-17所示的装置150的气缸151比较轻。那有助于将必须用于通过 其速度和方向改变来加速气缸151的能量减到最小程度。虽然，对于系统，所 用的能量不是必须消耗的。有可能的装置，用于储存该能量并再利用。可能最 简单的是利用类似于传统的机械表的平衡弹簧，以有助于保持气缸151的转 振。如果装置用于限定的RPM范围，那么弹簧可能被‘调谐’以提供最好的 转动动量的储存和恢复。更复杂的可变速率的弹性装置可以用于具有更宽 RPM范围的装置。储存和恢复该能量的气动装置，以至电磁装置也是可能的。 通过这种装置，当与具有传统气阀机构的装置相比时，本发明的气缸装置能用 于实现显著的能源节省。
图13-18所示的密封161a、161b、181a、181b可适合用于图19A-D所示 的线性滑动气缸装置200中。气缸装置200具有活塞头231和连接于两个一起 转动的曲柄218、218′的活塞杆217。如图20所示，通过与连接在两个曲柄 218、218′上的另外的两个齿轮208、209啮合的齿轮207使曲柄218、218′ 一起转动。与图13类似的图19A表示用于这样的装置的密封261b、261b′、 281b、281b’。活塞杆217从气缸201的两端延伸至接触到两个曲柄218、218′。 两个气缸端部的壳体密封281b、281b’具有供活塞杆217在其中往复滑动的 槽，如图16B所示。除了这点，用于该装置200的密封与图13-18所示的密封 之间的区别在于，密封力是平面的而不是球面的。活塞杆槽230未表示在图 19A中以便不遮挡端口。
图20表示了两个曲柄218、218′如何连接于单个齿轮207，并以相反的 方向转动。该齿轮207是自然力分接点。图20表示了该接力齿轮(take-off)207 与两个曲柄218、218′共有相同的转动速度。可选地，其可以被调整成具有 较高或较低的速度。图19A表示具有曲柄218、218′的气缸装置200，该曲 柄218、218′位于其极限右‘死点’(或过渡)位置。图19B装置200，具有 在其顶部‘运动’中心位置的曲柄218、218′。图19C表示装置200，具有 在其极限左‘死点’位置的曲柄218、218′。图19D表示装置200，具有在 其底部‘运动’中心位置的曲柄218、218′。图21A表示一个气缸端部密封 261b的外观图。在气缸端部密封261b的外表面上的端口262优选是矩形的。 当气缸201往复滑动时，这些端口262将与如图21B所示的壳体密封281b的 外表面的上部和下部的矩形端口255、253对准。另一个气缸端部密封261b′ 外表面的端口是类似的，并以相同的方式与另一个壳体密封281b′的端口 253′、255′一起起作用。
除了围绕管状延长部的密封281b、281b′的后面是平面的以外，壳体密 封281b、281b′的后面与图16B所示的类似。图21A表示气缸端部密封261b 的端口262具有在从气缸侧面到壳体密封281a的通道中的轮廓269。气缸侧 面的端口262紧邻气缸筒201、围绕杆密封圈241和塞235处为弯曲的，以便 最大程度地扩大这些端口262的面积。围绕杆密封装置的表示为269的弯曲部 分用虚线表示。图21A也表示在用作防止气缸端部密封261b转动的杆227上 往复滑动的气缸密封261b。通过活塞杆217在槽230中的上下运动可以防止 壳体密封281b、281b′以任何此类方式转动。图21C表示图21A的气缸端部 密封261b的俯视图。图21D和21E分别表示围绕活塞杆圈密封241的塞235 的俯视图和仰视图。表示在图21C-F中的塞235的边缘处和容纳圈241的空腔 的底部上的槽口236能使高压到达圈241的后面。图21F表示通过侧边槽口 236之一的图21C-E的塞235的放大剖视图。
图19A-D所示的装置特别适于额外的改进。线性滑动气缸201可以进行 转动，同时通过使气缸外面的齿211啮合齿条222上的齿221而使其滑动，如 图22所示。当活塞头231到达其行程的端部并且当其转向时瞬间停留时，利 用所得到的金属对金属的接触，这可防止液压润滑的损失。仅当活塞头231 停止和改变方向时，这个特征将使气缸201以最大速度转动。当活塞头231 以最大速度移动穿过气缸201时，气缸会停止转动并改变转动方向。这提供了 改善磨损的发动机。
参照图23来进行本发明的气缸装置如何能使用于内燃机的说明。图23 表示装置250，其包括一对气缸151、151′，其中一个气缸151用于执行进气 和压缩，而另一个气缸151′用于利用曲柄轴的顺时针运动来执行做功和排 放。第一气缸151表示为处于向下冲程的中间，向下冲程在活塞头171的上侧 执行进气并且在下侧执行压缩。第二气缸151′表示为上侧处于做功冲程的中 间和下侧处于排气冲程。四冲程发动机的所有四个冲程发生在所示的位置。对 于四缸发动机是一样的，其中四个冲程的每个在不同的气缸内完成。在两个气 缸151、151′内这是可能的，因为活塞头171、171′两侧的容积是工作容积， 如在老式蒸汽机中一样。
在曲柄轴连续转动下，活塞157、157′将转换方向。当活塞157、157′ 向上运动时，那么第一气缸151将在活塞头171的上侧执行压缩，并且在下侧 执行进气。第二气缸151′将在活塞头171′的上侧进行排气并在下侧执行做 功。
在第一气缸151中的活塞头171的各侧完成进气冲程后，气缸端部密封 161a、161b的转动将关闭适当的壳体密封181a、181b内的进气端口155、156， 并将气缸端口162、163开向适当的壳体密封181a、181b内的压缩排出口153、 154。例如，在下侧压缩冲程过程中，压缩气体被推入通道174，从第一气缸 151到达点火室194′，点火室194′包括第二气缸151′的适当的壳体密封 181b′的高压端口153′。当该情况发生时，由于相关容积进行排气，将高压 端口153′密封于第二气缸151′。当第一气缸151内下侧压缩冲程完成时， 由于气缸端部密封161b的转动，压缩排放口153关闭。只有当第一气缸151 内的该端口153关闭时，第二气缸151′的端部密封端口162′才暴露于点火 室194′。该暴露开始了第二气缸151′内的下侧做功阶段。在做功冲程的结 尾，第二气缸的端部密封端口162′关闭于点火室194′，然后开向低压端口 155′以进行排气冲程。燃烧通过火花或将燃料注入高压气体中而开始于点火 室194′内的点196′。对于上侧点火室195′，类似的点燃表示为附图标记 197′。
气缸151、151′的下侧的进气和排气可以具有分开的端口和附加的密封， 如图17所示。或者，进气和排气可以通过曲柄轴箱进行。在那种情况下，曲 柄轴箱将必须具有两个相互密封的分开的两个腔室。
图23表示了通过通道174、175连接的气缸151、151′；通道174、175 分别导向位于第二气缸的壳体密封的高压端口153′、154′的点火室194′、 195′。一种可选的设置是使通道174和点火室194′成为一体，通道175和 点火室195′同样也成为一体。当通道174从第一气缸151向第二气缸151′ 横越时，其截面增大并成为角状。此处，在得到的火焰前移穿过腔室朝向并最 终进入第二气缸的情况下，点燃可以更靠近第一气缸151。这种设置在足够的 规模以及也可能是陶瓷外壳或套的情况下是优选的，能有效地防止角形腔室中 的火焰熄灭。
陶瓷外壳在装置250的其它地方可是优选的。在第二气缸中的气缸端部密 封161a′、161b′的两侧的陶瓷外壳有助于防止这些密封161a′、161b′由 于暴露于燃烧的高温下而发生的变形。这些密封161a′、161b′的变形可能 会危害第二气缸151′的密封表面的有效性。压在壳体密封181a′、181b′上 的端部密封表面的任一外壳也必须基本免除损坏以保持相同的有效性。在点火 室194′、195′内和第二气缸151′的端部密封161a′、161b′上以及可能 还在第二气缸151′的活塞头171′和活塞杆密封塞上使用陶瓷外壳，可以用 来提高发动机的热效应。优选地，在做功冲程完成后第二气缸151′的温度降 低归因于工作的执行，而不根据为防止装置250的部件的过热而简单施加的冷 却。比第一气缸151内的压缩容积更大的第二气缸151′内的膨胀容积也适合 于热效率发动机。
具有在活塞头171的两侧进行进气和压缩的第一气缸151和在活塞头171′ 的两侧进行做功和排气的第二气缸的这种发动机设计是十分灵活的。第二气缸 151′可以制造得大于第一气缸151，以达到比压缩容积更大的膨胀容积。此 外，第一气缸151可以稍早于第二气缸151′达到上死点和下死点。通过这样 做，在压缩冲程结束之前没有点燃燃烧而给燃烧额外的时间。气缸151、151′ 可以对于曲柄轴设置成‘V’的关系，其能使在两端的两个气缸151、151′之 间的通道174、175更短，并使气缸151、151′在不相互干涉的情况下更靠近。
后一可能性表示在图24A和24B中。图24A表示从曲柄轴158的中心线 的方向观看的直列的气缸装置位置，一个气缸151在前，另一个气缸151′在 后。装置的位置仅用轮廓线表示，对于该位置其位于上死点和下死点。第一气 缸151表示为实线，而第二气缸表示为虚线。更远的气缸151′的曲柄轴中心 线表示为稍微向右偏移一点，以便能容易观察单独的气缸151、151′。如图 23所示，从第一气缸151向第二气缸的通道174、175从第一气缸的右侧并进 入第二气缸的左侧。相对于中心线从右向左横越的通道174、175在图24A中 用箭头线表示。图24B表示对于曲柄轴158为‘V’关系的气缸151、151′。 箭头线还表示从第一气缸151向第二气缸151′通道流动的方向。此外，将通 道174、175制成与曲柄轴158成直线并因此变短。无曲柄端通道175具有相 对于曲柄轴158左向右的流动。
图23表示了一个实施例，其中在活塞头171、171′的两侧，进气和压缩 在第一气缸151内执行，做功和排气在第二气缸151′内执行。可选的设置是 在使第一气缸151在活塞171的上侧执行进气和压缩，在活塞171的下侧执行 做功和排气。那么，第二气缸151′在上侧执行功率和排气而在下侧执行进气 和压缩。可惜的是，这种设置不具有图23所示的装置250的灵活性。在活塞 头171、171′的两侧，膨胀容积没能制得比压缩容积大。而且，由于使一个 气缸151到达上死点而另一个气缸151′到达下死点，就不能为燃烧在两侧上 提供更多时间。此外，由于具有对于曲柄轴158的‘V’关系，就不能使两个 气缸151、151′之间的位于上侧和下侧的通道174、175变短。不过，对于更 小型和更简单的发动机应用，这种装置可以优选的，而2冲程发动机现在是经 常使用的。这类小型发动机经常利用混合油的燃料润滑。这些壁从不与不可燃 的气体/燃料/润滑剂混合物发生接触。各气缸151、151′在活塞头171、171′ 的一侧执行进气和压缩的设置将确保两个气缸151、151′的壁的足够的润滑。
虽然‘V’关系不会起作用，但有一种减短气缸151、151′之间通道的方 法。图25A表示了一种设置，其中两个气缸151、151′与不同的以相反方向 转动的曲柄158、158′一起运行。通过具有不同的曲柄方向，高压端口进入 或离开的位置是相反的。除了两个曲柄158、158′的偏移量，使两个气缸151、 151′间的通道174、175成直线。从第一气缸151向第二气缸151′的通道 175在上部以实线箭头表示。从第二气缸151′向第一气缸151的通道174在 下部以虚线箭头表示。由于一个曲柄158和气缸151、151′必须成直线，通 道174、175会更长，如图24A所示。
图25B表示了通过使两个气缸151、151′相对于两个曲柄158、158′形 成‘X’关系，通道174、175可以进一步变短，从而使整个两缸发动机装置 250更紧凑。而且，从第一气缸151向第二气缸151′的通道在上部以实线表 示，而从第二气缸151′向第一气缸151的通道在下部以虚线表示。如果如图 25B所示，两个气缸151、151′共有相同的枢轴点，那么两个气缸151、151′ 之间的耳轴能够以一个在另一个里面的方式与轴承一起安装。这样使气缸 151、151′将因此更接近。
本申请的图中未表示当活塞位于其“冲程”端部时的死区。通常，需要一 些间隙，特别是在更高的RPM应用中。
此处所示的气缸装置的大多数具有球形的密封接口，这是优选的形状。本 发明的可选实施例，包括气缸装置，气缸装置具有与线性滑动气缸和两个曲柄 一起使用的平面密封面。虽然后一实施例在寿命方面具有一些优势，但是，其 有较大的尺寸和重量的缺陷。在必要的改变的情况下，可以使气缸接口工作。 对于气缸接口，如果使用圆形活塞式圈密封这些密封的边缘，那么壳体密封和 气缸端部密封是较大的。而且，如果活塞头制成最大程度降低活塞行程端部的 死区的形状，那么活塞头将更大和更重。同样，这不是优选的。
上面公开了涉及具有外密封的活动气缸装置及使用该装置的方法。在不脱 离本发明的范围内，可以改变本发明的各细节。更进一步，本发明的优选实施 例和实施本发明的最佳方式的前面的描述是仅为说明的目的提供的，而不是用 于限定的目的，本发明由权利要求限定。
技术领域和背景技术
本申请要求2004年9月16日提交的美国临时申请No.60/610,362的优先 权，在此通过引用将其并入。