本发明是关于一种内燃机，该机能在每一回转内完成每个引擎的循环，在每一气缸内有一种异动活塞机构，包括内外活塞两部份，内外活塞两部份以不同行程操作。尤其有关一种特别机构能操作内活塞的异动行程中的周期或长度。

传统式的内燃机至少有一个气缸，其内有一个活塞带动曲轴。大部份这种传统式的内燃机是曲轴每两转完成该机每循环中的四个行程。这种循环是第一次冲程朝外，为了进气，第一次朝内，为了压缩，第二次朝外（在点火后）为了爆发及动力及第二次朝内为了排气。在排气及吸进燃料这两个冲程中，所须要的动力很小，而且活塞所受的压力很低，但须要花费整整一个曲轴的回转来带动。

如果每一曲轴回转内就能完成每一个引擎循环中的四冲程的话，能使每部引擎发挥更大的动力。传统式的二行程是把燃烧、出气、进气、及压缩的四个工作全部挤入活塞的二个冲程中，在曲轴一转内完成。这二行程引擎一般来说是较四行程引擎轻些，但效率较差。所以只限于特别用处，如园艺用的小引擎。

有一种方法可以综合活塞的四冲程，并可使曲轴每一转就可以完成一个循环，该方法就是把活塞切成内、外两件，内件用于密封燃烧室一端，外件与曲轴相连，同时附加能在进出气时独立运作内件的机构。如此，内件可以在曲轴一转内完成四个冲程。类似设计有申请人为莫瑞（Morey，Jr.）的美国专利857，410号所述用四分之一的齿轮来运转两个活塞部份的设计。这种设计有很多问题，例如齿轮接齿时咬齿，及用很复杂的齿轮系统来完成四比一相等的冲程长度及周期。

申请为人瑞德（Reed）的美国专利1，413，541号描述了另一个两个活塞的引擎，内活塞是四冲程，外活塞是二冲程（在曲轴一转内）。该内活塞的周期是90度，是外活塞的180度的一半，该机械的另一个限制是活塞的冲程的长度是完全一样的。

申请人为马克法连（McFarland）的美国专利1，582，890有两个活塞密封两个燃烧室。不是四行程原理，该引擎用一个凸轮的运作机构来带动内活塞在该两个燃烧室间及在冲程的尾端两组气门中活动。内活塞用来压缩外燃烧室，此种设计需要很大的动力及很强的结构。同时有了气门，使内活塞的冲程受了必须是相等长度及相称周期的限制。

四行程内燃机的每一冲程需曲轴转动半圈（180度），所以是相等的长度及周期。同样的上述的前面两个专利的活塞必须以四个相等的冲程运作，每冲程在四分之一转（90度）内完成。马克法连的专利很明显地表明气门的结构使内活塞在燃烧时及最后压缩时必须是相等长度及曲轴的转动。

本发明是一种用于内燃机的异动活塞机构，其中有一个活塞在燃烧室内，该活塞有内外两件，内件关闭及密封该燃烧室，外件用于内件的承载并与引擎轴相连，轴最好是曲轴。内件与外件具有不同的循环，如内件行四冲程外件行二冲程。本发明增设异动行程机构以控制内件冲程的长度及周期。

根据本发明的一个实施例，活塞内件有四个异动冲程，外件以连杆与曲轴连接。活塞内件在压缩及动力冲程的压力最大时联合压在连杆上。在进出气时，压力很小，外件独立地作一个向内，及一个向外的运动以出气及进气。外件一直与连杆相连。

本发明有很多的好处，如异动冲程，可增加很多引擎设计的自由度，增加效率，更完好的完成燃烧循环及降低污染。在本发明的一个设计中有一种非相称的凸轮，以用于异动机构，以改变活塞内件的冲程的时间及长度，在一转内完成。因为凸轮设计不能在引擎运作时改变，这个设计叫做异动冲程。通过凸轮的设计可使活塞内件及其运作机构轻些，简单，技术上及商业上比以前设计更可行。

本发明的一个实施例设计是提供一种可变循环的异动冲程引擎，是以一个可变循环的装置，来替代凸轮的作用，如此活塞内件可在引擎运转中改变冲程的长度及周期。可变循环的装置可以是电动式、气压式或液压式并由像今日气车内的电子控制装备。

本发明另外的特性及优点还包括一种配合机构以完成完善的定位及给予活塞及连杆间重力的传递。该配合机构使很强的零件可装入很小闭塞的空间内，以减少异动活塞的应力及磨损，以增加引擎的可靠性。

一种杠杆制置，最好是一个四连杆机构，用于连接活塞内件及其带动机构，尤其在与活塞外件分开时，该连接的杠杆可以把很小的带动运动转变为活塞内件很大的线性运动。同时可以把带动机构放在活塞外。这使带动机构的选择及设计范围扩大并方便的多了，这些带动杠杆的机构可用电动、水压及机械等方式实现。

另一种特别是一种机械摇动机构以带动活塞内件，由曲轴直接带动，自动地与引擎同步。这种机构可以直接加在平衡配重上，并可利用已有内燃机中的装置进行工作。

另一特征是连杆机构，可以接纳活塞茎，交接机构及杠杆机构，使强大的力可在气缸及轴之间传递。另一特点是轴上单一的凸轮可以同时运作进出两活门。

本发明描写的活塞是与曲轴连接，但也可用其他轴类，如与震颤轴等连接。本发明也可用于柴油及火花塞的引擎中。

本发明的目的及优点用以下的图示及说明解释之。

图1A：是本发明的垂直剖视图，包括异动行程活塞中央切面，显示活塞内件在冲程的上死点。

图1B：是本发明异动冲程引擎装置的透视示意图，图示活塞内外两件分开时的情况。

图2：示出图1A的一部份构造，此时异动活塞在最低位置且其内外件处于结合状态。

图3：为图1A沿3-3线部份的俯视剖视图，图中连杆已移走。

图4：为图1A所示引擎局部的正面示意图，此图中活塞内外两件处于结合状态。

图5：图1A所示本发明活塞外件的俯视示意图。

图6：为本发明活塞内外件的分解图，该图中同时示出了活塞销及连杆。

图7：为图6中装置的局部侧视示意图，示出了包括活塞茎、销、连杆及内塞件的鞍座，但仅示出了部分支杆。

图8：是图7中连杆的下面示意图。

图9：是图8中连杆的俯视示意图。

图10：是图1A内活塞茎联结杠杆的正面示意图。

图11：是图1A的摇动器的正面示意图。

图12：是图11摇动器的俯视示意图。

图13：是图11及12摇动器的透视图。

图14：是摇动器的正面图，该摇动器由活塞举杆及在平衡配重上的凸轮运作。

图15：是图14的摇动器部份侧面图。

图16A-16D：是本发明引擎四个异动冲程的示意图。

图17A-17D：是图16A-16D引擎四异动冲程摇动器的操作过程示意图。

图18A：图解法表示本发明的一个延长的动力冲程循环。

图18B：图解法表示图18运作中进气及出气活门的动作。

图19：图解法表示一延长的动力冲程循环时的理想压力及体积的关系。

以图1A、1B，2及3说明引擎10，气缸壁12内有一个异动冲程活塞14，在上面的气缸盖16及下面转动中的曲轴18（看图1A）。充气及排气由进出气门17a及17b来控制。燃烧由在气缸盖16上的火花塞20（柴油不用）点燃。引擎10每一转就完成一个燃烧循环。

异动活塞14有一内件14a，用于密封燃烧室，还有一个外件14b，该外件以连杆22连接曲轴18并在循环的部份时期内充当内件的支撑。

这里所描述的实施例中，活塞内件14a以每循环四冲程及外件以二冲程来运作。在出气及进气时，活塞内件14a及外件14b分离，此时，内件14a由一组连接机构所启动并驱动，在此该连接机构一般可看作一个杠杆装置，包含有杠杆26并由该标号标示出，杠杆26经销28可转动地与固定在内件14a上的茎30连接，如此内件14a可给于杠杆加载。同时外件14b此时在运作上是空转，由曲轴臂24及连杆22带动继续运动。

图4及6中，内塞件14a有一个用以密封燃烧室的密封冠32及滑行于气缸壁12上时以保持压力的活塞环34。冠32可包括靠在气缸壁12上的罐形裙部36，及尖端向外的锥面38a，该锥面由裙部36延伸到茎30。锥面38a可以是无孔，如图示，也可以是中断的由筋及环形结构组成，以与下面将要描述的外件14b的支杆44结合。茎30基本上与气缸壁12的中心轴线及阳锥面38a同心。

注：茎30有个最佳位置，就是在气缸壁的磨擦力及活塞内件的惯力的合力作用线上。如内件是对称的，此作用线是在轴心上。否则会有一点小偏心。有些活塞有燃烧碗而导致偏心。

图4、5及6中，活塞外件14b有空心的罐形裙部40在气缸壁12滑动，还具有毂形的鞍42，一组由鞍42延伸到裙部40的支杆44，及圆形的活塞销46。鞍座42（上表面）及支杆44组成阴锥面38b，可与活塞内件的阳锥面38a结合。锥面38a及38b的角度，优选值为小于连杆相对于活塞销46摇动角度的一半。如此可以把气体的压力及气缸壁的反力的合力疏导到鞍42上。

活塞销46与曲轴18平行装置在外件14b内，并跨在位于裙部40壁的两相对端的孔41a及41b内。鞍42中心具有可使茎30插入的销孔45。鞍42有个半圆阴面的底面43a，用于与活塞销46中间的上面密切吻合。

如此配合可以通过在打钻活塞销46的裙部孔41a及41b时氢鞍底面43a一起磨出而实现。连杆22的上端是整体的，并具有承轴钻孔，该孔在鞍底43a的对面跨在活塞销46上，如此可当曲轴臂24转动时使连杆在活塞销上转动。

活塞销46及茎30的中心轴线直角相交。活塞销46的直径比茎30大了很多，并有一个孔47使茎30可穿过。活塞销46在旁支撑着茎30但不妨碍茎30在活塞内外件14a及14b相对运动时的上下运动。茎30经鞍42及其鞍裙部43的孔45进进出出，（同时穿过活塞销46），因此可完全滑动地穿出活塞外件14b及其活塞销。

连杆22，最好是一整件，但下端的半圆帽22a是用螺栓（没图示）在下端栓套在曲轴臂25的轴支承23上的。连杆22的上下端轴支承是用两只脚50a及50b连接，中间有长形空间52给茎30及连接的杠杆26在引擎运转时运动用。连杆22的上端轴支承27的下面壁上有通孔48b，用于连接轴支承孔27a及长形空间52，使茎30可经过活塞销46后伸入长形空间52，并使连杆22可在曲轴臂24转动时在活塞销46上左右摆动。合适的轴支承材料（没图示）也可以安在轴支承及连杆中以及活塞销46及曲轴臂间。

图6到9中，整体连杆22的上端有轴支承27及其轴支承孔27a，并通过活塞销46可转动地连接到活塞外件14b。活塞销46直穿裙部40相对的孔41a、41b及轴支承孔27a。其上端轴支承27有切口48a，该切口由上面中央切开直到轴支承孔27a。如此活塞外件14b的鞍裙部43可以直接经连杆22的顶面与活塞销46配合。活塞内件14a上的燃烧压力可递到外件14b（经锥形面），再到活塞销46（主力由在活塞销46上的鞍座43，其他小部份由裙部两端孔41a及41b），再由活塞销46传到连杆22的上端轴支承27（由销46在轴承孔27a），再由下端轴承23到曲轴臂25。在压缩时此压力经相反方向传递。

图10中，杠杆26的一端由栓71栓在支棒70上，并以此为支点。支棒70栓在摇动器轴64上。带动连杆66由栓68栓到杠杆26上，并连到一个带动机构上（图10没示），杠杆26的作用力是传经栓67的。带动机构在栓67上推拉时，茎30就上下穿动，因为销46只允许茎30作沿轴运动，及支杆70给予杠杆26的移动支点。带动机构可以用电子式、液压式、及机械式，与曲轴转动同步。

最好用机械式来带动杠杆26，即由曲轴18配重块上的凸轴，经摇动器62带动，如图1A，1B、2及3示。图11，12及13中，摇动器62包括摇杆60，该杆60经栓67栓在带动连杆66上，还包括一个排气臂78及进气臂80。摇动器62最好是一整件构造，并框销在摇动器轴64上。摇杆60，带动连杆66，支杆70及杠杆26组成一组四连杆。摇动器62的摇动使活塞内件14a做上下运动，茎30没左右移动，杠杆26很少向旁施压。四连杆需要很小的空间（如图1A，1B，2及3示）并把摇杆60很小的摇动变成一个茎30的很大的上下运动。

图1B，14及15中，一对配重72a及72b在曲轴18上间隔设置并从曲轴臂24延伸。一对排气及进气凸轴轨74及76最好是一体的附在相对应的配重72a及72b的外周上。每个凸轮轨前一部份上升段是主动的，最好约60度，升到最高点后，就是在后的从动的下降段。排气及进气凸轮轨74及76的前部份段分别以顺时及反时针方向带动摇动器62。凸轮轨的高度设计可使活塞内件14a在排气时达到最内位置，并在进气冲程完成时与外件14b结合。由于摇动器62的摇动，排进气臂78及80的外端分前后依次压在一对排、进气举杆82及84上，这些举杆的内端接触排进气凸轮轨74及76，如图14示。排气及进气活塞举杆82及84可有弹簧（没图示），自动将其压在向内位置以准备与排、进气凸轮轨74及76当凸轮机随曲轴18转动时相接触。

排、进气凸轮轨74及76的后段疏导活塞举杆82及84回到其向内位置。示意图16A到D及图1到15中，可说明本发明的四个异动冲程。与配重72b一体并在其外围的为活门凸轮轨58，最好是约60度长，是在进气凸轮轨76（置于内圈）的外边。一对进、排气阀举杆56a及56b与一对进、排气推杆54a及54b，经进、排气揺臂19a及19b，可开关进、排气活门17a及17b。进、排气举杆56a及56b位于活门凸轮轨58的转动平面上相距60度左右并位于气缸轴的两边。当曲轴18转动时，活门凸轮轨58先后地与举杆56b与56a接触，以开关排、进气活门17b及17a，同时一种活塞带动机构59，与曲轴18的旋转同步，结合杠杆26以使活塞内件14a作排气（图16B）及进气（图16C）两冲程。在活塞内外件14a及14b作压缩（图16D）及燃烧（图16A）冲程时，活塞带动机构59与杠杆26分离，活门凸轮轨58与相应配合部件亦脱离接触。活塞带动机构59可用机械操作，如上述的非对称凸轮机构，或电动式，液压式或气压式等。

另一个实施例是一种变动循环的异动冲程引擎，是利用一个变动循环的控制机构加在带动机构59上（以取代或共用于凸轮带动机构以带动活塞内件）。带动机关59的变动循环的控制机构可在引擎旋转时每转变动冲程的长度及周期。这种变动循环机构可以是电动的，气压式的，及液压式的，且带动机构59最好是像新式气车内用的数位式电子控制器。

回到非对称凸轮带动的机械设计，如示意图17A到D，（与图1到16同零件号）在曲轴旋转约三分之一时是循环中的燃烧部份，活门凸轮轨58打开排气门17b（上述）同时排气凸轮轨74与排气举杆82结合，以推动排气臂78及摇动器62以顺时针方向旋转，如图17B示。如此杠杆26推举茎30及活塞内件14a向内运动以排出燃烧室废气如图16B示。当内件14a完成向内运动靠近气缸盖，且约在曲轴二分之一转时，活门凸轮轨58关闭排气门17b并打开进气门17a（上述），进气凸轮轨76的前段与进气活塞举杆84结合以反时方向转动摇动器62，如图17C示，使杠杆26把茎30及活塞内件14a向外拉以吸进燃气混合物到燃烧室，如图16C示。循环的进气部份完成后，约在曲轴旋转到三分之二，排气凸轮轨76的前段与活塞举杆84分开，如图17D示，同时活塞内件14a与向上运动中的外件14b再结合如图16D示。同时进气活门凸轮轨58与进气举杆56a分离，如此使进气活门17a关闭。在燃烧室内的燃气混合物开始被压缩，这是循环中的压缩部份如图16D示。在压缩过程中进排气凸轮轨76及74的前段与进、排气活塞举杆82及84已分离。如此杠杆26及茎30可自由地随着活塞内件14a及外件14b运动，外件14b与连杆22被曲轴臂24带动如图17A所示。

如使用连续不中断的凸轮轨58，76及74以操作液压式进排气活门举杆56a、56b及进排气活塞举杆82和84，则可得到更平稳的及肃静的操作。如此凸轮轨是包括整个曲轴18周缘，高高低低的变化以完成活塞内件14a及进、排气活门17a及17b的运作。

这两个进、排气凸轮轨76及74可以用一个活塞凸轮轨来代替，其构造是用该单一轨对摇动器62在一个方向进行控制，但用弹簧或其他返回机构使其转回另一个方向（上下运动）。

上述的循环，用图16A到16D及17A到17D示把活塞内件14a的四个冲程分成O，1/3，1/2，及2/3的曲轴旋转，及没有活门时间的调节。如此，二个1/3的转动给予压缩及燃烧冲程，其余1/3给予呼吸冲程平均分配的给进，排气冲程。冲程的距离是相等的。这是本发明的基本引擎，叫做基本循环。

引擎10的循环可以在很大的范围内根据基本循环变化，只要变更零件的尺寸及凸轮轨的设计。譬如图18A示一种延长的动力冲程，可使活塞完成动力冲程的距离长于压缩冲程的距离。图18A图解这种延长的动力冲程循环，其中直轴表示活塞内件14a（上线）及外件14b（下线）在图1A及1B所示的气缸12内的位置，水平轴表示曲轴由0到360度的一转。

零度代表循环的起点，是时，曲轴臂24，连杆22及活塞及外件14a及14b都在最向内的位置。图18A示意排、进气活门EV及IV的升程L。上述基本循环用虚线示明在图18A及18B中以为参考。

在循环的开始，活塞内外件14a及14b结合在一起如图18A示在90，是时，进、排气活门17a及17b是关着的如图18B示。在循环的开始，火星塞20点火，或燃料射入（柴油机）以开始燃烧。示意图18A中示，活塞外件14b在上下死点（TDC及BDC）之间做一个向外F及一个回内R的冲程，其运作的曲线很近似于正弦线如下面一条线示之，这是因为连杆及曲轴的作用。同时活塞内件14a作一个动力（P）冲程，排气（E），进气（I）及压缩（C）冲程，其长度及曲轴转度是不相等的。内件14a追随外件14b的路线只在循环的开始及最后两部份，如图中在动力（P）及压缩（C）有阴影线的曲线部份。在动力冲程时内件14a用很大的力量压在外件14b上，但在压缩冲程时外件14b也用相当的力量推动内件14a。

图18A示，活塞内件14a在超过曲轴旋转1/3很久以后，才离开外件14b以完成动力冲程，并在曲轴旋转2/3以后一会才与外件14b再结合来开始压缩冲程。如此动力冲程的距离比压缩冲程的长的多了。凸轮轨58比基本循环的60度要长些，并布置在能使排气门EV在约1/3曲轴旋转时能打开，这就是在动力冲程结束以前如图18在92位置。这使气缸内的压力泄掉以后，活塞才开始排气冲程。

排气凸轮轨74的前段比基本的60度短些，并稍微没达到基本的高度，并且布置在使曲轴旋转1/3很久以后才与举杆82接触，来移动活塞内件14a由图18A的92到93的位置，这是排气冲程E。凸轮轨58及进气举杆56a的位置使进气活门IV在约曲轴旋轴1/2时打开，并在进气冲程的开始以前及排气活门EV关闭以前，如图18B示。活门的重叠，以98及97间的距离来表示是用来加强进气的运作。比基本60度长的凸轮轨58在曲轴旋转1/2以后关闭排气门EV示于97的位置。当循环的这一部份完成以后，稍在曲轴旋转1/2后，进气凸轮轨76从排气凸轮轨74运作把茎30拉出以完成循环中的进气部份，如图18A从93到94位置所示。

同时外件14b开始回到向内运动，由旋转的下死点BDC开始。约旋转2/3，排气凸轮轨74重新控制，很短地带动活塞内件14a回到向内运动的动作，如图18A由94到95位置，使它与活塞外件14b结合后，以相同的速度运作。活门凸轮58稍微慢一点把进气门IV关闭，在99的位置，使混合气可继续充入气缸，直到活塞14开始进行向内入冲程。此后，在动力冲程中，活门凸轮轨58及排，进气凸轮轨74及76分别与排进气活门17a及17b和杠杆26分离，如此茎30及杠杆26能被动地追随活塞内外件14a及14b在循环中的动力及压缩部份的运作。

如图18A示活塞内件14a可以把排气停止的位置低于压缩停止的位置。这个位置的变化可以如传统的引擎没有，也可以短些以减少内件14a与活门相碰的机会，尤其在高速时位置的变化也可以用于协调进、排气管道以使引擎的进、排气效率最好。

延长动力冲程的引擎能在同样的燃料中比传统的等冲程引擎输出更多的能力，如果其他条件都是一样的话。图19示压力与容积的关系线，这是一种理想延长的动力冲程的Otto（奥突）循环。在循环开始时，进气活门开着，排气门关着，活塞内件14a以比大气压Pa稍低的压力作进气冲程，吸进燃料，由105到106位置示之。进气冲程完成时进气门关闭示于106位置。活塞内外件作一个压缩C冲程以压缩燃料，使压力增加由106到100的位置。在压缩冲程的最后位置100，火花塞引燃燃料，使压力突然增加由100到101的位置。压力使曲轴旋转，同时活塞内外件作一种动力冲程Pr由101到102的位置。活塞最外的位置102比开始压缩冲程的106位置外些，这就是延长的动力冲程。动力冲程完毕时在102位置，排气门打开，压力降低。活塞内件14a以大气稍高的压力作一个排气冲程由103到104位置。此后，排气门关着，进气门打开以继续下一个循环。

在理想的热力循环中，吸进气缸的燃料量是105到106位置的容积，而其能力输出量是W的面积。图19示面积W包括阴影线部份W+这多出来的能力，该W+是在活塞内外件在动力冲程Pr中超出压缩冲程C的起点后所得到的。如动力冲程停止于压缩冲程的起点时（如传统的引擎）在阴影面积的能力就因排气吹出而遗失。柴油引擎中这也是事实。

图18及19的循环是一种延长的动力冲程，因为可以发挥引擎的燃料效率。本发明可用无数的冲程的长度及周期的组合，如增长进气冲程的长度及时间，以发挥引擎在高速的能力潜力。

虽然本发明的最好实用方式已上述及图解，本发明更可用于以下权利要求部分所述的范畴。