CN101603462A - 正时气体占位悬浮活塞发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正时气体占位悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，其特征在于：所述活塞全部或部分设置在所述气缸内，所述活塞在所述气缸的上止点和下止点间的全部行程范围内或部分行程范围内与所述气缸非接触悬浮设置，在所述气缸的侧壁上设有一个或多个缸体气体通道，所述缸体气体通道直接或间接经正时控制装置与有压气体源连通。本发明能够实现发动机活塞和气缸在高温状态下既密封又不磨损，在减少氮氧化物的同时，提高热效率，减少燃料的消耗，从而提高发动机效率，节能环保。

Description

正时气体占位悬浮活塞发动机
技术领域
本发明涉及发动机领域。
背景技术
自从发动机诞生以来，发动机燃烧室的高效密封一直是发动机的研发者和制造商所追求的重中之重，现代发动机活塞与气缸套之间通过机油润滑活塞环的设置，使活塞与气缸套之间滑动密封，这种结构确实大幅度提高了发动机的密封性，但是由于气缸套和活塞以及活塞环之间存在滑动摩擦，对于活塞、活塞环尤其是气缸套的材料要求具有相当高的耐磨性能，为了维持发动机的密封性、密封的持续性以及发动机寿命就必须采用高耐磨材料制成的气缸套，并采用机油进行润滑，这样就决定了发动机气缸套和活塞的工作温度必须保持在较低水平(现代发动机在400～500℃之间)。在传统发动机的结构中这个温度无法再提高，否则就可能出现机油变质、气缸套熔化、活塞热损等问题。然而，众所周知，为了维持活塞和气缸套之间这一较低温度，就要对发动机进行强制冷却以致燃料30％左右的能量将通过缸套、活塞和缸盖流出，形成利用价值不大的低品质余热。为此，本申请人申请了“悬浮活塞发动机”(申请号为：200910143760.7和200920157318.5)，解决了发动机活塞和气缸套间的在高温状态能够既密封又不会严重磨损的问题。但是，为了防止新鲜空气进入发动机活塞的外表面和气缸内表面形成的空隙而在高温高压下产生过多的氮氧化物的问题，需要发明一种新型的发动机来解决这一难题。
发明内容
为了克服传统发动机的上述缺陷，本发明公开了一种正时气体占位悬浮活塞发动机。本发明的目的是这样实现的：
一种正时气体占位悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，所述活塞全部或部分设置在所述气缸内，所述活塞在所述气缸的上止点和下止点间的全部行程范围内或部分行程范围内与所述气缸非接触悬浮设置，在所述气缸的侧壁上设有一个或多个缸体气体通道，所述缸体气体通道直接或间接经正时控制装置与有压气体源连通。
本发明所述的非接触悬浮设置是指气缸与活塞之间既不发生接触又维持相当小的间隙，从而实现既密封又不磨损的目的。本发明中所谓的有压气源可以是有压氮气源、有压水蒸气源或发动机产生的有压废气源。本发明中所谓的正时气体占位是指缸体进气通道受正时控制装置控制，在发动机压缩冲程开始至作功冲程结束向发动机活塞的外表面和气缸的内表面形成的空隙内充入有压气体，使有压气体占据该空隙，而使新鲜空气无法进入上述空隙，减少有害气体(如氮氧化物)的产生。其次，有压气体在从缸体气体通道进入到发动机活塞的外表面和气缸的内表面形成的空隙的过程中，可以把缸体气体通道附近的气缸和活塞的热量重新泵到气缸和活塞的上部以及燃烧室内，在对气缸和活塞密封滑动导向部位起到冷却作用的同时，提高了热量的利用效率，而不像传统发动机那样，为了冷却相互运动的部件将多余的热量强制散发到大气中而白白浪费能源；再者，因为有压气体的占位作用，新鲜空气不会被挤压入上述空隙，燃烧室的体积不会受上述空隙的大小影响而相对保持不变，同时由于有压气体充入上述空隙内，起到了增加燃烧室气体质量的作用，不但不会影响发动机的作功能力，发动机的作功能力反而更强；最后，在进气和排气冲程的过程中，缸体气体通道处于断开状态，与传统发动机相比，有压气体对进排气没有影响。
在所述活塞的外表面设活塞隔热结构，和/或在所述活塞的活塞内顶壁上和/或活塞内侧壁上设所述活塞隔热结构，所述活塞隔热结构设为活塞隔热夹层或活塞隔热层或所述活塞隔热夹层和所述活塞隔热层的组合；和/或所述气缸的气缸内侧壁和气缸外侧壁同时或单独设气缸隔热结构，所述气缸隔热结构设为气缸隔热夹层或气缸隔热层或所述气缸隔热夹层和所述气缸隔热层的组合。活塞隔热结构设置的目的是为了减少热量损失，同理，气缸隔热结构的设置也是为了减少热量损失。所谓的隔热夹层是指设置在气缸或活塞内部的真空结构，用来减少热量的损失。
在所述气缸的侧壁上设有多个缸体气体通道的结构中，在所述缸体气体通道的外侧设有连通气体通道结构体，每个所述缸体气体通道与所述连通气体通道结构体连通，所述连通气体通道结构体经正时控制装置与所述有压气体源连通。
所述正时控制装置设为电磁阀式正时控制装置，或所述正时控制装置设为由正时切换结构体和正时驱动机构构成的机械式正时控制装置，所述正时切换结构体设置在所述气缸的外侧，并与所述气缸的外侧壁密封滑动接触，所述正时切换结构体上设有结构体气体通道和正时驱动结构，所述结构体气体通道经所述正时驱动结构受所述正时驱动机构控制与所述缸体气体通道连通和断开，在所述正时切换结构体的外侧壁处设有密封气体通道，所述密封气体通道与所述正时切换结构体密封滑动接触，所述密封气体通道与所述有压气体源连通。
所谓正时驱动结构是指设置在正时切换结构体上的，受正时驱动机构驱动的结构，如齿轮，齿条等。所谓正时驱动机构是指可按发动机正时关系运动的驱动机构，可以是电脑(CPU)控制的电机，也可以是与发动机曲轴连动的机械驱动装置。
所述正时控制装置设为电磁阀式正时控制装置，或所述正时控制装置设为由正时切换结构体和正时驱动机构构成的机械式正时控制装置，所述正时切换结构体设置在所述气缸外侧，并与所述气缸的外侧壁密封转动接触，所述正时切换结构体上设有结构体气体通道和正时驱动结构，所述结构体气体通道经所述正时驱动结构受所述正时驱动机构控制与所述缸体气体通道连通和断开，在所述正时切换结构体的外侧壁处设有密封气体通道，所述密封气体通道与所述正时切换结构体密封转动接触，所述密封气体通道与所述有压气体源连通。
所述活塞和所述气缸在下止点以外的部分密封滑动接触。
在所述气缸的下部设有冷却水套。本发明中在气缸下部设置冷却水套的目的是为了保证活塞和气缸在下止点以外部分的可靠密封滑动接触，维持温度的均匀性以减少冷热形变，保持活塞与气缸的高度密封性。
本发明有以下积极有益的效果：
1、本发明结构简单，便于机械加工，成本低；
2、本发明能够实现发动机活塞和气缸套在高温状态下能够既密封又不磨损，可大幅提高热效率。
3、由于有压气体的占位作用--即占有了气缸内壁与活塞外壁形成的空隙，即使在高温高压下，该空隙内也不产生氮氧化物，环保性能好。
4、有压气体在从缸体气体通道进入到发动机活塞的外表面和气缸的内表面形成的空隙的过程中，可以把缸体气体通道附近气缸和活塞的热量重新泵到气缸和活塞的上部以及燃烧室内，在对气缸和活塞密封滑动导向部位起到冷却作用的同时，提高了热量的利用效率。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图；
图2是本发明气缸和活塞设有隔热层的结构示意图；
图3是本发明气缸和活塞设有隔热夹层的结构示意图；
图4是本发明设有气体通道的结构示意图；
图5是图4的A-A向剖视图；
图6是本发明设有正时切换结构体的结构示意图；
图7是图6的B-B向剖视图。
附图编号
1.气缸    2.活塞  21.上止点          22.下止点
3.活塞隔热结构    31.活塞隔热夹层    32.活塞隔热层
4.气缸隔热结构    41.气缸隔热夹层    32.气缸隔热层
5.正时控制装置    6.有压气体源       7.缸体气体通道
7 1.连通气体通道结构体       72.密封气体通道
8.冷却水套        9.  正时切换结构体 901.机械式正时控制装置
91.结构体气体通道 10.正时驱动结构    11.正时驱动机构
具体实施方式
如图1所示的正时气体占位悬浮活塞发动机，所述活塞2全部或部分设置在所述气缸1内，所述活塞2在所述气缸1的上止点21和下止点22间的全部行程范围内或部分行程范围内与所述气缸1非接触悬浮设置，在所述气缸1的侧壁上设有一个或多个缸体气体通道7，所述缸体气体通道7直接或间接经正时控制装置5与有压气体源6连通。
实施时，有压气体源可以是有压氮气源、有压水蒸气源或有压发动机废气源。
如图2和图3所示的正时气体占位悬浮活塞发动机，在所述活塞2的外表面设活塞隔热结构3，和/或在所述活塞2的活塞内顶壁上和/或活塞内侧壁上设所述活塞隔热结构3，所述活塞隔热结构3设为活塞隔热夹层31或活塞隔热层32或所述活塞隔热夹层31和所述活塞隔热层32的组合；和/或所述气缸1的气缸内侧壁和气缸外侧壁同时或单独设气缸隔热结构4，所述气缸隔热结构4设为气缸隔热夹层41或气缸隔热层42或所述气缸隔热夹层41和所述气缸隔热层42的组合。
如图4和图5所示的正时气体占位悬浮活塞发动机，在所述气缸1的侧壁上设有多个缸体气体通道7的结构中，在所述缸体气体通道7的外侧设有连通气体通道结构体71，每个所述缸体气体通道7与所述连通气体通道结构体71连通，所述连通气体通道结构体71经正时控制装置5与所述有压气体源6连通。
如图6和图7所示的正时气体占位悬浮活塞发动机，所述正时控制装置5设为电磁阀式正时控制装置，或所述正时控制装置5设为由正时切换结构体9和正时驱动机构11构成的机械式正时控制装置901，所述正时切换结构体9设置在所述气缸1的外侧，并与所述气缸1的外侧壁密封转动接触，所述正时切换结构体9上设有结构体气体通道91和正时驱动结构10，所述结构体气体通道91经所述正时驱动结构10受所述正时驱动机构11控制与所述缸体气体通道7连通和断开，在所述正时切换结构体9的外侧壁处设有密封气体通道72，所述密封气体通道72与所述正时切换结构体9密封转动接触，所述密封气体通道72与所述有压气体源6连通。
具体实施时，正时切换结构体9也可设为与气缸外壁和密封气体通道72滑动密封接触。所述正时驱动机构可是机械式、电磁式或液压式。
如图1、图2、图3、图4或图6所示的正时气体占位悬浮活塞发动机，所述活塞2和所述气缸1在下止点22以外的部分密封滑动接触。
如图1、图2、图3、图4或图6所示的正时气体占位悬浮活塞发动机，在所述气缸1的下部设有冷却水套8。

Claims (7)

1、一种正时气体占位悬浮活塞发动机，包括气缸(1)和活塞(2)，其特征在于：所述活塞(2)全部或部分设置在所述气缸(1)内，所述活塞(2)在所述气缸(1)的上止点(21)和下止点(22)间的全部行程范围内或部分行程范围内与所述气缸(1)非接触悬浮设置，在所述气缸(1)的侧壁上设有一个或多个缸体气体通道(7)，所述缸体气体通道(7)直接或间接经正时控制装置(5)与有压气体源(6)连通。
2、如权利要求1所述的正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述活塞(2)的外表面设活塞隔热结构(3)，和/或在所述活塞(2)的活塞内顶壁上和/或活塞内侧壁上设所述活塞隔热结构(3)，所述活塞隔热结构(3)设为活塞隔热夹层(31)或活塞隔热层(32)或所述活塞隔热夹层(31)和所述活塞隔热层(32)的组合；和/或所述气缸(1)的气缸内侧壁和气缸外侧壁同时或单独设气缸隔热结构(4)，所述气缸隔热结构(4)设为气缸隔热夹层(41)或气缸隔热层(42)或所述气缸隔热夹层(41)和所述气缸隔热层(42)的组合。
3、如权利要求1所述的正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述气缸(1)的侧壁上设有多个缸体气体通道(7)的结构中，在所述缸体气体通道(7)的外侧设有连通气体通道结构体(71)，每个所述缸体气体通道(7)与所述连通气体通道结构体(71)连通，所述连通气体通道结构体(71)经正时控制装置(5)与所述有压气体源(6)连通。
4、如权利要求1所述的正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述正时控制装置(5)设为电磁阀式正时控制装置，或所述正时控制装置(5)设为由正时切换结构体(9)和正时驱动机构(11)构成的机械式正时控制装置(901)，所述正时切换结构体(9)设置在所述气缸(1)的外侧，并与所述气缸(1)的外侧壁密封滑动接触，所述正时切换结构体(9)上设有结构体气体通道(91)和正时驱动结构(10)，所述结构体气体通道(91)经所述正时驱动结构(10)受所述正时驱动机构(11)控制与所述缸体气体通道(7)连通和断开，在所述正时切换结构体(9)的外侧壁处设有密封气体通道(72)，所述密封气体通道(72)与所述正时切换结构体(9)密封滑动接触，所述密封气体通道(72)与所述有压气体源(6)连通。
5、如权利要求1所述的正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述正时控制装置(5)设为电磁阀式正时控制装置，或所述正时控制装置(5)设为由正时切换结构体(9)和正时驱动机构(11)构成的机械式正时控制装置(901)，所述正时切换结构体(9)设置在所述气缸(1)的外侧，并与所述气缸(1)的外侧壁密封转动接触，所述正时切换结构体(9)上设有结构体气体通道(91)和正时驱动结构(10)，所述结构体气体通道(91)经所述正时驱动结构(10)受所述正时驱动机构(11)控制与所述缸体气体通道(7)连通和断开，在所述正时切换结构体(9)的外侧壁处设有密封气体通道(72)，所述密封气体通道(72)与所述正时切换结构体(9)密封转动接触，所述密封气体通道(72)与所述有压气体源(6)连通。
6、如权利要求1所述的正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述活塞(2)和所述气缸(1)在下止点(22)以外的部分密封滑动接触。
7.如权利要求1所述的正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述气缸(1)的下部设有冷却水套(8)。
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