CN101349165B - 悬浮活塞连杆系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有降低机械动力装置摩擦功损耗，提高能源利用效率的往复活塞式动力机械技术领域，尤其是涉及一种悬浮活塞连杆系统。其包括有汽缸体(1)，其内设有活塞(2)，活塞销(3)与连杆(4)的小端相连接，连杆(4)的大端与曲柄(5)固连，其特点在于：在所述的活塞(2)的上内表面设有连杆架(27)，连杆架(27)上设有活塞销孔(27-1)，连杆架(27)上设有活塞主油腔(26)和活塞辅助油腔(24)；活塞(2)的上部沿径向设有活塞分油通道(9)，活塞(2)的外壁上设有出油口(9-1)，活塞分油通道(9)的入口通过活塞主油孔(12)与活塞主油腔(26)连通。其在减少能源消费、资源综合利用、环保等多领域都具有很好的应用前景。

Description

悬浮活塞连杆系统

技术领域：

本发明涉及一种具有降低机械动力装置摩擦功损耗，提高能源利用效率的机械结构，尤其是涉及往复活塞式动力机械技术领域的一种悬浮活塞连杆系统。

背景技术：

目前，往复活塞式动力机械的密封是由活塞及其上的活塞环组以其强大的弹性涨力绷紧缸体来实现的，在这种垂直于缸体的正压力作用下，曲轴在带动活塞上、下往复运动时将产生巨大的运转阻力，从而存在燃料消耗量大、污染物排放高、使用寿命短等缺陷。据科学测定，内燃发动机中活塞、活塞环与缸体的摩擦功损耗约占内燃发动机总摩擦功损耗的70％以上。

发电机输出功率的大小与发电机运转时切割磁力线所产生的磁阻力是成正比的，依据能量转化守恒定律——混合动力机动车的运行，其内燃发动机所消耗的能量必然要克服空气阻力、轮胎与地面的滚动阻力和发电机为蓄电池(载荷)充电时强大的磁阻力等，换句话说：“混合动力机动车在转换为蓄电池驱动的行驶过程中，燃料能源已经消耗在为蓄电池补充电能的过程中”。为驱动车辆行驶所配备的蓄电池自身重量也为机动车的运行增加了额外的负担。燃煤取电是二次能源——电力能源的主要来源，煤炭与石油均为不可再生的一次能源。从城市局部来看，纯电动车的运行确是清洁排放。但为巨量电动车充电所需的电力能源将燃烧掉巨量的煤炭资源和排放到大气环境的以百万吨计量的二氧化碳、氮氧化物和硫化物等，有害物质的排放已构成严重的地球温室效应，威胁到地球物种的生存。因此，靠推行电力行驶的机动车来降低能耗和环保，其实并不划算。对于代用燃料而言，只能说是更换了廉价的燃料而已，其动力性能并不出色，它的燃料消耗量、污染物排放量等指标也未得到有效改善。因此，研究降低往复活塞式动力机械的摩擦功损耗才是节约能源、提高做功效率、改善生存环境的一条有效途径和延长使用寿命的最主要手段。

发明内容：

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种悬浮活塞连杆系统。其设计思想是以去掉套在活塞上的活塞环组来实现活塞与汽缸体零摩擦功耗运行。活塞沿缸体做上、下往复运行是依靠曲轴上的偏心部件连杆轴颈带动连杆做半径R＝e(e-偏心距)的圆周运动，连杆上部通过活塞销孔与活塞连接，拖动活塞沿缸体做往复直线运动。连杆以活塞销孔为轴线以缸体轴线为对称中心线，做上、下往复运动及偏心距e为半径的摆幅，连杆在达到最大摆幅角度α时，活塞在缸体的中部。在连杆的小端设置凸轮，以连杆摆动为基础条件，推动一种柱塞泵形成压力油的密封状态，活塞在压力油的包裹作用下悬浮于缸体运行，工作运行阻力极低，有效解决了现有技术中存在的问题。

本发明可以通过采用以下技术方案来实现：所述的悬浮活塞连杆系统，包括有汽缸体(1)，其内设有活塞(2)，活塞销(3)与连杆(4)的小端相连接，连杆(4)的大端与曲柄(5)固连，其特点在于：在所述的活塞(2)的上内表面设有连杆架(27)，连杆架(27)上设有活塞销孔(27-1)，活塞销孔(27-1)位于活塞(2)的中部，从而使活塞受热更均匀，消除了热应力集中于传统活塞销孔处导致的热膨胀变形不匀等弊端。连杆架(27)上设有活塞主油腔(26)和活塞辅助油腔(24)；在所述活塞(2)的上部沿径向设有活塞分油通道(9)，活塞分油通道(9)为1～6个，活塞(2)的外壁上设有出油口(9-1)，活塞分油通道(9)的入口通过活塞主油孔(12)与活塞主油腔(26)连通。所述的活塞(2)上设有变径柱塞卡簧(22)，在所述的变径柱塞(15)上设有变径柱塞底盖卡簧(21)。

在所述的活塞(2)的活塞主油腔(26)、活塞辅助油腔(24)内设有变径柱塞(15)，在活塞主油腔(26)与变径柱塞(15)之间设有主油腔弹簧(14)；变径柱塞(15)上设有与活塞主油腔(26)下部的锥形面相配合的锥形面；在变径柱塞(15)内设有减压阀(17)，变径柱塞(15)下部设有变径柱塞底盖(20)，减压阀弹簧(18)设在减压阀(17)与变径柱塞底盖(20)之间。在所述的变径柱塞(15)上端的表面沿轴向设有1～3个变径柱塞导油槽(15-1)，减压阀(17)的阀芯表面设有1～3个减压阀导油槽(17-1)，所述的变径柱塞(15)与减压阀(17)为锥形配合密封。

在所述的连杆(4)的小端设有连杆凸轮(13)，连杆凸轮(13)上方的变径柱塞底盖(20)上设有凸轮润滑油孔(19)。利用连杆的摆动形成油腔开关，使活塞上行时加压布油、下行时自动回收缸壁过量润滑油起到杜绝润滑油进入燃烧室，实现低能耗运行，高清洁排放。所述的变径柱塞(15)内设有减压油腔(25)和凸轮润滑油腔(23)，减压油腔(25)与变径柱塞(15)上的减压孔(16)相连。所述的活塞(2)的外壁上设有活塞环形密封油道(7)和连通活塞环形密封油道(7)的活塞轴向连通油道(8)，活塞环形密封油道(7)与活塞分油通道(9)的出油口(9-1)相连通，在活塞(2)的外壁上形成的压力油膜代替了常规的活塞环，活塞分油通道(9)与活塞(2)的上表面夹角为0～30°。所述的活塞环形密封油道(7)为1～5个，所述的活塞轴向连通油道(8)为1～6个。所述的活塞(2)的外壁上还设有活塞储油孔(10)和活塞通油孔(11)，活塞(2)与汽缸体(1)之间的环状间隙小于0.05mm。所述的汽缸体(1)、活塞(2)、连杆(4)的材料为有色金属、黑色金属或非金属。

所述的悬浮活塞连杆系统，其有益效果是：

1、所述的悬浮活塞连杆系统，其汽缸体和活塞材料可选用同种材料或热膨胀系数接近的材料，使得在较高工作温度下滑动配合间隙的一致性与稳定性。活塞是在压力供油状态下悬浮工作于缸体中，得以实现缸体材料的多样化，而不用担心缸体被钢制活塞环刮损，真正实现发动机轻量化。

2、所述的悬浮活塞连杆系统，其活塞采用正圆柱体设计，活塞销是从活塞体上内表面居中引出，大大缩短了活塞的裙部结构，改善了柱面滑动摩擦的运转阻力也减小了往复运动的惯性冲击力，润滑、冷却和清洁效果更好。

3、所述的悬浮活塞连杆系统，解决了传统活塞热应力聚于活塞销孔的弊端。现代技术为解决此弊端采用了椭圆型面的加工方式，在活塞销孔处预留了较大的热膨胀间隙。随之而来的问题是，活塞在装入缸体后会形成不等距的环状间隙，运行时靠自然飞溅润滑，油膜容易被挤出向压力低的活塞销孔处移动，形成了推力面贫油状态下的局部金属接触运行。本发明的活塞销孔居中引出，采用正圆柱体结构，消除了应力集中于活塞销孔的弊端，形成均匀一致的环状间隙，采用压力油润滑使活塞悬浮在缸体内运行，避免了活塞与缸体的擦伤、拉损。

4、所述的悬浮活塞连杆系统，其重要技术创新在于，缸体、活塞这一对摩擦副实现了压力供油模式。从而得以实现往复活塞式内燃机中所有的具有相对运动属性的零部件在压力油作用下的悬浮运转，实现了人们长久以来对低能源消耗和长寿命运转的期盼。

5、往复活塞式内燃机实现无活塞环运转的一个最大技术难点在于控制润滑油的消耗量。所述的悬浮活塞连杆系统，利用连杆的摆动形成油腔开关，在活塞下行时活塞主、辅油腔形成真空负压状态，自动将缸壁残余润滑油回收进活塞主、辅油腔内，杜绝润滑油进入燃烧室。

6、所述的悬浮活塞连杆系统，均匀的环状间隙内充满着粘性的润滑油，呈环状的油膜密封与活塞的高度相当。以链性结构附着在金属表面的润滑油分子以强大的表面张力阻挡着高温、高压气体的泄漏。消除了传统活塞环开口间隙导致的燃油混合气泄漏、润滑油早期变质以及活塞环涨力而消耗的额外能源。

所述的悬浮活塞连杆系统，对军舰、坦克等大、中型以汽油、柴油为能源的内燃发动机和以汽车、摩托车、农用三轮车、舷外机、内燃动力工具等中、小型以汽油、柴油、天然气、乙醇等为能源的往复活塞式内燃发动机和使用二次能源，如电力、蒸汽拖动的往复活塞式空气压缩机、往复式活塞输送泵等均具有广泛的适用性。往复活塞式动力设备核心件、关键件摩擦磨损技术难题的解决，在石油和电力消费中节能数量巨大，在能源产业链中减少对煤的消费和对大气的污染。悬浮活塞连杆系统在减少能源消费、资源综合利用、环保等多领域都具有很好的应用前景。

附图说明：

图1为发明实施例的总体结构示意图；

图2为发明实施例的活塞2上行时处于缸体1下止点示意图；

图3为发明实施例的活塞2上行时处于缸体1的中部示意图；

图4为发明实施例的活塞2下行时处于缸体1上止点示意图；

图5为发明实施例的活塞2下行时处于缸体1的中部示意图；

图6为发明附图2中的I处局部放大结构示意图；

图7为发明实施例的活塞2的主视图；

图8为发明实施例的活塞2的左视图；

图9为发明附图7中A-A剖视图。

图中：1-汽缸体，2-活塞，3-活塞销，4-连杆，5-曲柄，6-连杆紧固螺钉，7-活塞环形密封油道，8-活塞轴向连通油道，9-活塞分油通道，9-1-出油口，10-活塞储油孔，11-活塞通油孔，12-活塞主油孔，13-连杆凸轮，14-主油腔弹簧，15-变径柱塞，16-减压孔，17-减压阀，17-1-减压阀导油槽，18-减压阀弹簧，19-凸轮润滑油孔，20-变径柱塞底盖，21-变径柱塞底盖卡簧，22-变径柱塞卡簧，23-凸轮润滑油腔，24-活塞辅助油腔，25-减压油腔，26-活塞主油腔，27-连杆架，27-1-活塞销孔。

具体实施方式：

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：

实施例1，见图1、2、3、4、5、6、7、8、9，所述的悬浮活塞连杆系统，包括有汽缸体1，其内设有活塞2，活塞销3与连杆4的小端相连接，连杆4的大端通过连杆紧固螺钉6与曲柄5固连，其特点在于：在所述的活塞2的上内表面设有连杆架27，连杆架27上设有活塞销孔27-1，活塞销孔27-1位于活塞2的中部，从而使活塞受热更均匀，消除了热应力集中于传统活塞销孔处导致的热膨胀变形不匀等弊端。连杆架27上设有活塞主油腔26和活塞辅助油腔24；在所述活塞2的上部沿径向设有活塞分油通道9，活塞分油通道9为3个，活塞2的外壁上设有出油口9-1，活塞分油通道9的入口通过活塞主油孔12与活塞主油腔26连通。在所述的活塞2上设有变径柱塞卡簧22，在变径柱塞15上设有变径柱塞底盖卡簧21。

在所述的活塞2的活塞主油腔26、活塞辅助油腔24内设有变径柱塞15，在活塞主油腔26与变径柱塞15之间设有主油腔弹簧14；变径柱塞15上设有与活塞主油腔26下部的锥形面相配合的锥形面；在变径柱塞15内设有减压阀17，变径柱塞15下部设有变径柱塞底盖20，减压阀弹簧18设在减压阀17与变径柱塞底盖20之间。在所述的变径柱塞15上端的表面沿轴向设有3个变径柱塞导油槽15-1，减压阀17的阀芯表面设有3个减压阀导油槽17-1，所述的变径柱塞15与减压阀17为锥形配合密封。

在所述的连杆4的小端设有连杆凸轮13，连杆凸轮13上方的变径柱塞底盖20上设有凸轮润滑油孔19。利用连杆的摆动形成油腔开关，使活塞上行时加压布油、下行时自动回收缸壁过量润滑油起到杜绝润滑油进入燃烧室，实现低能耗运行，高清洁排放。所述的变径柱塞15内设有减压油腔25和凸轮润滑油腔23，减压油腔25与变径柱塞15上的减压孔16相连。所述的活塞2的外壁上设有活塞环形密封油道7和连通活塞环形密封油道7的活塞轴向连通油道8，活塞环形密封油道7与活塞分油通道9的出油口9-1相连通，在活塞2的外壁上形成的压力油膜代替了常规的活塞环，活塞分油通道9与活塞2的上表面夹角为0°。所述的活塞环形密封油道7为2个，所述的活塞轴向连通油道8为6个。所述的活塞2的外壁上还设有活塞储油孔10和活塞通油孔11。活塞2与汽缸体1之间的环状间隙小于0.05mm，所述的汽缸体1、活塞2的材料为铝合金。

本发明工作时，见图2，活塞2在缸体1的下止点处，偏转角α＝0°，向上运动时，连杆4随曲柄5的旋转带动活塞开始向上执行压缩行程，此时连杆4的中心线与缸体1的中心线重合。连杆4及其上的连杆凸轮13此时的升程与连杆凸轮13的基圆等高，对活塞2及其上的变径柱塞底盖20不产生向上的推动，主油腔弹簧14复位，减压阀17在减压阀弹簧18的作用下关闭，活塞主油腔26，活塞辅助油腔24充满着上一循环从缸壁回收的润滑油液体。

见图3，曲柄5旋转通过连杆4带动活塞2向缸体1上止点处运行，连杆4及其上的连杆凸轮13以连杆销孔的中心线为摆动的轴线开始向右侧摆动，推顶变径柱塞底盖20使变径柱塞15向上移动。变径柱塞15向上的初始移动将压缩活塞辅助油腔24内的润滑油通过变径柱塞15及其上的变径柱塞导油槽15-1给活塞主油腔26内补充润滑油。连杆4随曲轴5旋转做向上以及偏转角为α的摆动，连杆4及其上的连杆凸轮13继续向高点运动，封闭变径柱塞15及其上的变径柱塞导油槽15-1。此时，活塞辅助油腔24内的多余润滑油通过减压孔16进入减压油腔25克服减压弹簧18的弹性力，推动减压阀17将辅助油腔24内的多余润滑油排泄进入凸轮润滑油腔23。凸轮润滑油腔23内的润滑油将会通过凸轮润滑油孔19不断地便连杆凸轮13得到强制的润滑以延长其使用寿命。同时，随着曲柄5的继续旋转连杆4逐步达到最大的摆幅角度α，连杆凸轮13达到最大的高程，推动变径柱塞15向上快速移动压缩主油腔弹簧14使活塞主油腔26内的润滑油通过活塞主油孔12，活塞分油通道9，活塞轴向连通油道8将活塞主油腔26内的润滑油快速加压分布于活塞环形密封油道7，形成压力强制流体润滑。润滑油的布敷是在活塞2上行途中，润滑油的流动相对于活塞2的运动是滞后的，在活塞2上行时，润滑油是不会进入燃烧室的，当连杆摆动到最大角α处时，活塞2正好运行于缸体1的中部，变径柱塞15达到最大的运行行程。足量的润滑油加压分布于活塞2与汽缸体1之间，使活塞2悬浮于汽缸体1做相对运动。活塞储油孔10内的润滑油用于动力设备长时间停止运行的初次启动，保障活塞与缸体的绝对流体润滑状态。充满在活塞2与汽缸体1均匀而狭小缝隙中的润滑油在强大的油膜表面张力的作用下阻挡着高温高压气体的冲击与泄漏，解决了活塞环缺口产生气体泄漏的缺陷，燃料利用率更高，更环保。活塞通油孔11的作用是依靠曲柄5旋转甩起的润滑油来补充调节活塞主油腔26和活塞辅助油腔24内的润滑油量并使汽缸体1与活塞2之间的过量润滑油及时回流曲轴箱。

见图4，随着曲柄5的旋转，连杆4将向α减小的方向摆动，推动活塞2向上止点处运行。连杆凸轮13也由高点向基圆方向摆动，在主油腔弹簧14的作用下变径柱塞15向下移动。活塞主油腔26的容积由小变大，逐渐减少供油量并回收多余的润滑油以防止过量润滑油进入燃烧室参与燃烧从而起到传统活塞刮油环的作用，而消除了传统活塞环强大张力导致的摩擦功损耗的弊端。

见图5，当曲柄5继续旋转，连杆4将向-α增大的方向摆动，变径柱塞15及其上的变径柱塞底盖20始终在连杆4及其上的连杆凸轮13的基圆部滑动。变径柱塞15及其上变径柱塞导油槽15-1将连通活塞主油腔26、活塞辅助油腔24，减压阀17在减压阀弹簧18的作用下关闭。活塞主油腔26、活塞辅助油腔24快速膨胀所形成的负压会持续将活塞下行时缸壁的过量润滑油回收进活塞主油腔26和活塞辅助油腔24内，杜绝润滑油进入燃烧室，周而复始。

实施例2，与实施例1不同的是活塞2的材料为黑色金属。

实施例3，与实施例1不同的是汽缸体1、活塞2的材料为陶瓷。

实施例4，与实施例1不同的活塞分油通道9为6个，变径柱塞15上端的表面沿轴向设有2个变径柱塞导油槽15-1，减压阀17的阀芯表面设有2个减压阀导油槽17-1，活塞环形密封油道7为3个，活塞轴向连通油道8为3个。活塞分油通道9与活塞2的上表面夹角为15°。

Claims (9)

1.一种悬浮活塞连杆系统，包括有汽缸体(1)，其内设有活塞(2)，活塞销(3)与连杆(4)的小端相连接，连杆(4)的大端与曲柄(5)固连，其特征在于：在所述的活塞(2)的上内表面设有连杆架(27)，连杆架(27)上设有活塞销孔(27-1)，连杆架(27)上设有活塞主油腔(26)和活塞辅助油腔(24)；在所述活塞(2)的上部沿径向设有活塞分油通道(9)，活塞分油通道(9)为1～6个，活塞(2)的外壁上设有出油口(9-1)，活塞分油通道(9)的入口通过活塞主油孔(12)与活塞主油腔(26)连通；

在所述活塞(2)的活塞主油腔(26)、活塞辅助油腔(24)内设有变径柱塞(15)，在活塞主油腔(26)与变径柱塞(15)之间设有主油腔弹簧(14)；变径柱塞(15)上设有与活塞主油腔(26)下部的锥形面相配合的锥形面；在变径柱塞(15)内设有减压阀(17)，变径柱塞(15)下部设有变径柱塞底盖(20)，减压阀弹簧(18)设在减压阀(17)与变径柱塞底盖(20)之间。

2.如权利要求1所述的悬浮活塞连杆系统，其特征在于：在所述的变径柱塞(15)上端的表面沿轴向设有1～3个变径柱塞导油槽(15-1)，减压阀(17)的阀芯表面设有1～3个减压阀导油槽(17-1)，所述的变径柱塞(15)与减压阀(17)为锥形配合密封。

3.如权利要求1所述的悬浮活塞连杆系统，其特征在于：所述的活塞(2)上设有变径柱塞卡簧(22)，在所述的变径柱塞(15)上设有变径柱塞底盖卡簧(21)。

4.如权利要求1所述的悬浮活塞连杆系统，其特征在于：在所述的连杆(4)的小端设有连杆凸轮(13)，连杆凸轮(13)上方的变径柱塞底盖(20)上设有凸轮润滑油孔(19)。

5.如权利要求1所述的悬浮活塞连杆系统，其特征在于：在所述的变径柱塞(15)内设有减压油腔(25)和凸轮润滑油腔(23)，减压油腔(25)与变径柱塞(15)上的减压孔(16)相连。

6.如权利要求1所述的悬浮活塞连杆系统，其特征在于：在所述的活塞(2)的外壁上设有活塞环形密封油道(7)和连通活塞环形密封油道(7)的活塞轴向连通油道(8)，活塞环形密封油道(7)与活塞分油通道(9)的出油口(9-1)相连通，活塞分油通道(9)与活塞(2)的上表面夹角为0～30°。

7.如权利要求6所述的悬浮活塞连杆系统，其特征在于：在所述的活塞环形密封油道(7)为1～5个，所述的活塞轴向连通油道(8)为1～6个。

8.如权利要求1所述的悬浮活塞连杆系统，其特征在于：在所述的活塞(2)的外壁上还设有活塞储油孔(10)和活塞通油孔(11)，活塞(2)与汽缸体(1)之间的环状间隙小于0.05mm。

9.如权利要求1所述的悬浮活塞连杆系统，其特征在于：所述的汽缸体(1)、活塞(2)、连杆(4)的材料为有色金属、黑色金属或非金属。

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