单缸自由式发动机活塞及发动机的制作方法

本发明涉及发动机技术领域，尤其是涉及一种单缸自由式发动机活塞及包括该单缸自由式发动机活塞的发动机。

背景技术：

现有的发动机是通过活塞连杆组件将燃烧气体的压力传给曲轴，曲轴旋转从而输出动力，然而这种结构燃油消耗大，热效率低，且不适用于自由活塞式发动机，无法控制活塞沿固定方向往复方向。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种单缸自由式发动机活塞及包括该单缸自由式发动机活塞的发动机，以解决现有技术中活塞连杆组件不适用于的自由活塞式发动机，且无法控制活塞沿固定方向往复方向的技术问题。

本申请提供了一种单缸自由式发动机活塞，包括活塞主体和导向轴；

所述活塞主体为阶梯轴状结构，其一端为头部，另一端为尾部；所述头部能够伸入发动机缸体内；

所述活塞主体内沿其轴向设置有内孔，所述内孔贯穿所述活塞主体的尾部；

所述导向轴通过所述活塞主体的尾部伸入所述内孔内，所述活塞主体能够沿所述导向轴的轴向方向往复运动。

进一步地，所述导向轴的截面为桃形凸轮状结构，所述活塞主体的内孔与所述导向轴相适配。

进一步地，所述活塞主体的头部设置有楔形结构，用于使所述发动机缸体内的气体产生涡流。

进一步地，所述活塞主体上开设有通气孔，所述通气孔与所述内孔相连通。

进一步地，所述导向轴靠近所述活塞主体尾部的位置设置有传感器，所述活塞主体上设置有信号齿。

进一步地，所述信号齿包括上止点信号齿和下止点信号齿，所述上止点信号齿设置于所述活塞主体的头部处，所述下止点信号齿设置于所述活塞主体的头部与尾部之间。

进一步地，所述下止点信号齿的数量为两个，所述上止点信号齿和两个所述下止点信号齿位置的连线平行于所述活塞主体的轴线。

进一步地，所述活塞主体为三级阶梯轴状结构，包括顺次相连接且截面尺寸顺次增大的第一阶梯部、第二阶梯部和第三阶梯部；所述第一阶梯部远离所述第二阶梯部的一端为尾部，所述第三阶梯部远离所述第二阶梯部的一端为头部。

进一步地，所述活塞主体的尾部设置有螺纹，用于与发动机内的永磁体座相连接。

本申请还提供了一种发动机，包括上述任一技术方案所述的单缸自由式发动机活塞。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本申请提供的单缸自由式发动机活塞包括活塞主体和导向轴，活塞主体能够沿导向轴的轴线方向往复运动，且活塞主体与永磁体固定连接，因此活塞能够带动永磁体沿导向轴的轴线方向往复运动并切割发动机内的线圈，从而实现发电过程。

具体地，活塞主体为阶梯轴状结构，其一端为头部，一端为尾部，其头部朝向发动机缸体，且头部能够伸入发动机缸体内；活塞主体的尾部背对发动机缸体，且活塞主体的轴向与发动机缸体的通道方向一致，活塞主体能够伸入缸体内，再在缸体内燃烧烟气的作用下远离缸体实现往复运动。

永磁体套设在活塞主体靠近尾部的一端外与活塞主体固定连接，且永磁体与活塞主体的阶梯处相抵靠，从而限制了永磁体的安装边界。

所述活塞主体内沿其轴向设置有内孔，所述内孔贯穿所述活塞主体的尾部；而所述导向轴的一端与发动机壳体相固定，导向轴的另一端通过所述活塞主体的尾部伸入所述内孔内，导向轴的轴线方向与活塞主体的轴线方向在同一直线上，导向轴能够对活塞主体的运动起到导向作用，使所述活塞主体能够沿固定所述导向轴的轴向方向往复运动。

本申请还提供了一种发动机，其包括单缸自由式发动机活塞，因此其内的活塞主体也能够沿导向轴的轴线方向往复运动，并带动永磁体沿导向轴的轴线方向往复运动并切割发动机内的线圈，从而实现发电过程，且动力总成体积小、节能、热效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的单缸自由活塞式发动机的活塞和导向轴的位置关系和结构示意图；

图2为本申请实施例提供的单缸自由活塞式发动机的活塞在第一视角下的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的单缸自由活塞式发动机的活塞在第二视角下的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的单缸自由活塞式发动机的导向轴的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的单缸自由活塞式发动机的活塞在第三视角下的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的发动机的整体结构示意图；

图7为本申请实施例提供的发动机在工作时的内部结构示意图(活塞位于第一位置时的结构示意图)；

图8为本申请实施例提供的发动机在工作时的内部结构示意图(活塞位于第一位置和第二位置时的结构示意图)；

图9为本申请实施例提供的发动机在工作时的内部结构示意图(活塞位于第二位置时的结构示意图)。

附图标记：

1-活塞主体，101-活塞主体的头部，102-活塞主体的尾部，103-内孔，104-楔形结构，105-通气孔，106-上止点信号齿，107-下止点信号齿，108-第一阶梯部，109-第二阶梯部，110-第三阶梯部，2-导向轴，201-传感器，3-永磁体，4-弹簧，5-线圈，6-发动机壳体，7-底座，701-进气阀，8-缸体。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参照图1至图9描述根据本发明一些实施例的单缸自由式发动机活塞包括该单缸自由式发动机活塞的发动机。

参见图1至图5所示，本申请提供了一种单缸自由式发动机活塞，包括活塞主体1和导向轴2；

活塞主体1为阶梯轴状结构，其一端为头部，另一端为尾部；头部能够伸入缸体8内；

活塞主体1内沿其轴向设置有内孔103，内孔103贯穿活塞主体的尾部102；

导向轴2通过活塞主体的尾部102伸入内孔103内，活塞主体1能够沿导向轴2的轴向方向往复运动。

本申请实施例提供的单缸自由式发动机活塞包括活塞主体1和导向轴2，活塞主体1能够沿导向轴2的轴线方向往复运动，且活塞主体1与永磁体3固定连接，因此活塞能够带动永磁体3沿导向轴2的轴线方向往复运动并切割发动机内的线圈5，从而实现发电过程。

具体地，活塞主体1为阶梯轴状结构，其一端为头部，一端为尾部，其头部朝向发动机的缸体8，且头部能够伸入缸体8内；活塞主体的尾部102背对缸体8，且活塞主体1的轴向与缸体8的通道方向一致，活塞主体1能够伸入缸体8内，再在缸体8内燃烧烟气的作用下远离缸体8实现往复运动。

永磁体3套设在活塞主体1靠近尾部的一端外与活塞主体1固定连接，且永磁体3与活塞主体1的阶梯处相抵靠，从而限制了永磁体3的安装边界。

活塞主体1内沿其轴向设置有内孔103，内孔103贯穿活塞主体的尾部102；而导向轴2的一端与发动机壳体6相固定，导向轴2的另一端通过活塞主体的尾部102伸入内孔103内，导向轴2的轴线方向与活塞主体1的轴线方向在同一直线上，导向轴2能够对活塞主体1的运动起到导向作用，使活塞主体1能够沿固定导向轴2的轴向方向往复运动。

具体地，本申请的单缸自由式发动机活塞的运动过程为：参见图7至图9所示，发动机通过进气阀7进气，气体通过永磁体3与线圈5之间的通道进入缸体8内，同时缸体8内喷油，油气混合并被点火器点燃，尤其点燃后产生的烟气和热量的作用下推动活塞主体1和永磁体3沿导向轴2向远离缸体8的方向运动，永磁体3运动的同时会切割线圈5的磁感线发电，此时进气阀7停止进气、喷油孔停止喷油。永磁体3靠近活塞主体1尾端的一侧连接有弹簧4，弹簧4位于永磁体3和发动机壳体6之间，且弹簧4的轴线方向与活塞主体1的轴线方向相平行。烟气推动活塞主体1和永磁体3运动的过程中弹簧4持续被压缩，当活塞主体1和永磁体3运动至一定位置时，弹簧4会推动活塞主体1和永磁体3向靠近气缸的方向运动，直至活塞主体的头部101再次到达缸体8内。进气阀7再次进气、缸体8内喷油孔喷油，活塞主体1和永磁体3进行再一次的运动；重复上述过程，实现活塞主体1和永磁体3的往复运动，从而实现持续的发电过程。

在本申请的一个实施例中，优选地，参见图3和图4所示，导向轴2的截面为桃形凸轮状结构，活塞主体1的内孔103与导向轴2相适配。

在该实施例中，为避免活塞主体1在往复运动的过程中绕导向轴2发生旋转运动，本申请的活塞主体1的内孔103沿垂直于内孔103轴线的截面呈桃形凸轮状；导向轴2沿垂直于其轴线的截面为桃形凸轮状结构，活塞主体1的内孔103与导向轴2的形状和尺寸相适配。由于桃形凸轮状结构的心中到边沿的直径不同，因此活塞主体1在往复运动的过程中不会发生转动，从而能够更稳定地带动永磁体3切割磁感线发电。

在本申请的一个实施例中，优选地，参见图2和图5所示，活塞主体的头部101设置有楔形结构104，用于使缸体8内的气体产生涡流。

在该实施例中，活塞主体的头部101设置有楔形结构104，由于活塞主体1的往复运动过程中，其头部能够伸入缸体8内，因此当活塞主体1头部伸入缸体8内时，其端部的楔形结构104能够对进入气缸内的气体起到导向作用并使其在缸体8内产生涡流，从而提高缸体8内尤其混合的速度，满足油气混合速度要求，进而提高燃烧效率。

在本申请的一个实施例中，优选地，参见图1至图3所示，活塞主体1上开设有通气孔105，通气孔105与内孔103相连通。

在该实施例中，活塞主体1上开设有通气孔105，通气孔105与活塞主体1的内孔103相连通，用于平衡活塞主体1内外的气压，避免在活塞主体1往复运动过程中活塞主体1内产生柱塞效应而增加不必要的油耗，从而提高发动机的热效率。

优选地，活塞主体1上开设有多个通气孔105，多个通气孔105沿活塞主体1的周向均匀排布，平衡活塞主体1内外气压效果更好。

更进一步优选地，通气孔105的数量为8个，8个通气孔105位于活塞主体1的中部位置。

在本申请的一个实施例中，优选地，参见图7至图9所示，导向轴2靠近活塞主体1尾部的位置设置有传感器201，活塞主体1上设置有信号齿。

在该实施例中，为明确地判断活塞主体1在运动过程中的位置从而更好地控制喷油和点火时间，本申请的单缸自由式发动机活塞在导向轴2上嵌设有传感器201，传感器201的位置位于导向轴2远离发动机壳体6的一端，也就是当活塞主体的头部101伸入缸体8内时导向轴2靠近活塞主体1尾部的一端的位置。而活塞主体1上对应设置有信号齿，在活塞主体1沿导向轴2往复运动的过程中，信号齿能够为活塞传感器201提供位置信号，而在获知了位置信号后，能够更准确地控制发动机的进气时间、喷油时间和点火时间。

具体体，传感器201为位置传感器201，且传感器201嵌设于导向轴2上，无需螺栓安装，简化了结构，且获得信号的稳定性更好、使用寿命更长，适用于自由活塞式内燃机。

优选地，信号齿为矩形孔，即在活塞主体1上开设矩形通孔，活塞运动过程中传感器201检测矩形孔的位置，从而判断活塞主体1的位置，为喷油和点火提供依据。

在本申请的一个实施例中，优选地，参见图2及图7至图9所示，信号齿包括上止点信号齿106和下止点信号齿107，上止点信号齿106设置于活塞主体的头部101处，下止点信号齿107设置于活塞主体的头部101与尾部之间。

在该实施例中，根据活塞主体1往复运动运动轨迹，在活塞主体1上设置有上止点信号齿106和下止点信号齿107；上止点信号齿106即第一矩形孔，其对应位于活塞主体的尾部102处，当传感器201在上止点检测到一个脉冲信号，即获知活塞主体1的位置为第一位置，此时活塞主体的头部101伸入缸体8内，活塞主体的尾部102与导向轴2的传感器201处相对应，此时传感器201识别点火。

参见图2所示，下止点信号齿107为第二矩形孔，第二矩形孔的数量为至少两个，其对应位于活塞主体1的中部处，当传感器201在下止点检测到对应第二矩形孔数量个数的脉冲信号时，获知活塞主体1的位置为第二位置，此时活塞主体的头部101伸出缸体8，活塞主体的尾部102靠近发动机的壳体，弹簧4被压缩，此时传感器201识别活塞主体1做工终了。

当活塞主体1在弹簧4的作用下反向向靠近缸体8处运动时，传感器201再次接收多个脉冲信号，此时传感器201识别喷油信号，延时喷油。

活塞主体1继续运动，直至传感器201在上止点再检测到一个脉冲信号，即获知活塞主体1的位置为第一位置，识别点火；重复上述过程，完成传感器201持续的检测、识别过程。

综上，本申请的单缸自由式发动机活塞通过设置位置传感器201能够精确确定点火时刻。常规内燃机点火是依据曲轴位置传感器201和凸轮轴位置传感器201来确认点火时刻，而自由式活塞发动机由于没有曲轴旋转机构，没有配气机构，无法采用常规的曲轴位置传感器201布置方案进行点火，如果不能精确确认点火时刻，单缸活塞会撞击缸盖。而本申请通过在导向轴2内嵌设传感器201，并在活塞主体1上对应开设矩形孔，传感器201可以有效识别活塞上止点位置，为喷油点火提供依据。

在本申请的一个实施例中，优选地，下止点信号齿107的数量为两个，上止点信号齿106和两个下止点信号齿107位置的连线平行于活塞主体1的轴线。

在该实施例中，下止点信号齿107的数量为两个，在活塞主体1下止点处传感器201能够检测到连续两个脉冲信号，从而识别做工终了；在活塞主体1反向运转时，传感器201能够再次检测连续两个脉冲信号，识别喷油信号。通过在下止点信号齿107处设置两个矩形孔，与上止点信号区别开，从而更准确地确定活塞主体1的位置信息并控制点火。

此外，上止点信号齿106和两个下止点信号齿107位置的连线平行于活塞主体1的轴线，即活塞长轴上的各个矩形孔的长宽高尺寸一致，只是布置位置不同，由于活塞主体1在往复运动的过程中不发生转动，因此能够保证传感器201信号检测的准确性。

在本申请的一个实施例中，优选地，参见图3所示，活塞主体1为三级阶梯轴状结构，包括顺次相连接且截面尺寸顺次增大的第一阶梯部108、第二阶梯部109和第三阶梯部110；第一阶梯部108远离第二阶梯部109的一端为尾部，第三阶梯部110远离第二阶梯部109的一端为头部。

在该实施例中，活塞主体1为三级阶梯轴状结构，即活塞主体1包括三级阶梯部，分别为第一阶梯部108、第二阶梯部109和第三阶梯部110，第一阶梯部108、第二阶梯部109和第三阶梯部110顺次相连接且截面尺寸顺次增大，第一阶梯部108远离第二阶梯部109的一端为尾部，第三阶梯部110远离第二阶梯部109的一端为头部，即第一阶梯部108靠近发动机壳体6，第三阶梯部110靠近发动机缸体8。

优选地，永磁体3套设在第一阶梯部108外，且与第一阶梯部108和第二阶梯部109的连接处相抵靠。

优选地，通气孔105开设在第二阶梯部109上。

优选地，上止点信号齿106位于第一阶梯部108上且远离第二阶梯部109的一端；下止点信号齿107位于第二阶梯部109上且靠近第一阶梯部108的一端。

在本申请的一个实施例中，优选地，活塞主体的尾部102设置有螺纹，用于与发动机内的永磁体3座相连接。

在该实施例中，活塞主体的尾部102设置有螺纹，发动机内的永磁体3座上对应设置有螺纹座，活塞主体的尾部102与永磁体3座螺纹连接，从而使得活塞主体1与永磁体3连接为一体，活塞的往复运动能够带动永磁体3跟随其共同运动。

本申请还提供了一种发动机，包括上述实施例的单缸自由式发动机活塞。由于发动机包括单缸自由式发动机活塞，因而具有单缸自由式发动机活塞的全部有益效果，在此不再一一赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。