CN101649779B - 悬浮活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，所述活塞全部或部分设置在所述气缸内，在与所述活塞的活塞上止点对应的所述气缸上的上止点和与所述活塞的活塞下止点对应的所述气缸上的下止点之间的全部行程范围内或部分行程范围内所述活塞与所述气缸非接触悬浮设置或准悬浮设置。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，从而提高发动机效率。

Description

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。如果我们能够避免或减少流出缸套、活塞和气缸盖的热量，我们就可以大幅度提高发动机的效率。这一问题如果得到解决，发动机的效率几乎可以成倍提高，解决这一问题的关键就必须使燃烧室包络界面（即气缸包络界面，在传统发动机中为气缸、活塞和气缸盖）的耐热性大幅度提高。为了实现这一目的，必须解决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，因此需要发明一种新型发动机能够使气缸缸套和活塞在高温下正常工作。

发明内容

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。所谓准悬浮设置是指活塞和气缸之间处于接触与非接触的临界状态，这样就可以进一步提高密封性，又可避免磨损。活塞隔热层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。气缸流体通道和活塞流体通道的设置是为了适当冷却并通过流入流体通道中的流体介质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。为了进一步提高发动机的效率，减少传统气缸盖的热量损失，本发明中的一个实施例公开了一种悬浮活塞对置设置滑动缸配气发动机，这种结构的发动机中没有气缸盖，两个缸套端部对置设置，在两个气缸对置设置的端部接口处设置进气道和排气道，配气是通过气缸滑动实现的。在排气冲程开始时，一个或两个气缸同时开始滑动，在端部与另一个气缸脱离，从而将两个气缸同时打开，并同时与进气道、排气道连通，在这种结构中，如果将进排气流场组织好，或在进气道上设置压气涡轮，在排气道上设动力涡轮，并将两涡轮同轴，这样就可以使排气流向排气道，使新鲜空气被压气机压入气缸内，在这种结构中，发动机火花塞和/或发动机燃油喷射器可设置在气缸壁侧面并在火花塞和/或燃油喷射器与气缸侧壁接触处设局部冷却通道。为了使活塞能够更好的悬浮在气缸内，本发明还公开了一种磁悬浮和一种气/汽悬浮结构，其目的在于使活塞能够在磁力或气体压力下悬浮在气缸内，只按气缸轴向方向做往复运动而不与气缸侧壁接触。

为了克服传统发动机的上述缺陷，本发明公开了一种悬浮活塞发动机。本发明的目的是这样实现的：一种悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，所述活塞全部或部分设置在所述气缸内，在与所述活塞的活塞上止点对应的所述气缸上的上止点和与所述活塞的活塞下止点对应的所述气缸上的下止点之间的全部行程范围内或部分行程范围内所述活塞与所述气缸非接触悬浮设置或准悬浮设置。

所述活塞由活塞悬浮段、活塞密封段和活塞动力段构成，所述活塞悬浮段与所述活塞密封段连接，所述活塞密封段与所述活塞动力段连接，所述活塞悬浮段的长度大于或等于所述上止点和所述下止点之间的距离，所述活塞经其所述活塞密封段与所述下止点以外的所述气缸设为直接滑动密封连接，所述活塞密封段与所述气缸的滑动密封环面的直径小于所述上止点与所述下止点之间的所述气缸的直径；或设为径向弹性滑动密封连接，所述活塞密封段与所述气缸的滑动密封环面的直径小于所述上止点与所述下止点之间的所述气缸的直径；或设为轴向弹性密封连接；或设为非弹性密封伸展连接；或设为这些连接方式中的两种或两种以上连接方式的组合连接形式。

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和/或活塞隔热层；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和/或气缸隔热层；发动机火花塞和/或发动机燃油喷射器设在燃烧室的外壁上，所述燃烧室的外壁设为气缸侧壁、活塞顶或气缸盖，在所述发动机火花塞与所述燃烧室的外壁接触处和/或所述发动机燃油喷射器与所述燃烧室的外壁接触处设局部冷却通道。

在所述气缸整体外侧或部分外侧设气缸流体通道，所述气缸流体通道设为与冷却系统连通或设为与控温系统连通；和/或在所述活塞内部设活塞流体通道，所述活塞流体通道设为与所述冷却系统连通或设为与所述控温系统连通。

所述活塞由活塞悬浮段、活塞密封段和活塞动力段构成，所述活塞悬浮段与所述活塞密封段连接，所述活塞密封段与所述活塞动力段连接，在所述气缸内，所述活塞悬浮段非接触悬浮设置或准悬浮设置，所述活塞悬浮段与所述活塞密封段设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。所谓径向滑动连接是指气缸浮动段跟随气缸密封段上下运动但在径向方向上不受限定，可在径向任何方向上发生微小位移，以补偿因加工误差或热变形的影响；定点万向连接是指活塞悬浮段按其与活塞密封段连接方向上断面中心点可在各个方向上与气缸中心轴线产生偏角，非定向万向连接是指活塞悬浮段不但可在径向发生滑动同时其轴线可以与气缸中心轴线产生偏角。

在所述气缸的气缸侧壁上设一个或多个气/汽悬浮孔或（和）在所述活塞上设一个或多个所述气/汽悬浮孔，所述气/汽悬浮孔与高压气源或高压水蒸汽源连通，以实现所述活塞在所述气缸中气/汽力非接触悬浮设置；或在所述活塞的全部或局部上设活塞电磁结构或活塞永磁结构，在所述气缸侧壁上或所述气缸侧壁外设气缸电磁结构或气缸永磁结构，以实现所述活塞在所述气缸中磁力非接触悬浮设置。所谓气/汽力非接触悬浮设置是利用高压气体或高压水蒸汽的压力从各个方向上向活塞或活塞悬浮段的侧面施加气体压力使其在气缸内得到非接触悬浮设置；所谓磁力非接触悬浮设置是利用永久磁场或利用电磁场的磁力从各个方向上对活塞或活塞悬浮段的侧面施加电磁作用力，此电磁作用力应设为电磁排斥力，使活塞或活塞悬浮段在气缸内得到非接触悬浮设置。

所述活塞经连杆对外输出动力，或所述活塞动力段单独直接对外输出动力，或在多缸悬浮活塞发动机中多个所述活塞动力段相互联接后对外输出动力。

在所述活塞上设活塞转动驱动结构，所述活塞转动驱动结构设为内置气动式活塞转动驱动结构或设为外置机械式活塞转动驱动结构，在设有所述外置机械式活塞转动驱动结构的结构中，所述活塞受机械动力、流体动力或电磁动力驱动按所述气缸的中心轴线转动，在设所述内置气动式活塞转动驱动结构的结构中，所述活塞经所述内置气动式活塞转动驱动结构受所述气缸内的气压作用按所述气缸的中心轴线转动，以减少或消除热变形的不均匀性。

两个所述气缸对置设置构成对置气缸，在每个所述气缸中设置一个所述活塞，此两个所述活塞相互对置设置，两个所述气缸单独或共同设为可按中心轴线方向滑动的滑动式气缸，所述滑动式气缸作为所述对置气缸的一个构成段可与所述对置气缸的另一个构成段相互密封对接或分离打开，在两个所述气缸对置设置对顶接触的分界面处设进气道和排气道，所述进气道和所述排气道构成连通式配气道，所述连通式配气道与所述滑动式气缸滑动密封接触，所述滑动式气缸受发动机配气正时机构控制向所述对置气缸配气。

所述活塞悬浮段设为由两个以上活塞悬浮分段组成的分段式活塞悬浮段，所述活塞悬浮分段间设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。活塞悬浮分段设置的目的是为了使活塞悬浮段内产生一定轴向弯曲以补偿热变形。

本发明有以下积极有益的效果：

1、本发明结构简单、体积小、成体低廉；

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，从而提高发动机效率。

3、本发明所公开的发动机的气缸、活塞以及其它燃烧室界面的工作温度可以达到相当高的温度，甚至在材料允许的情况下达到燃烧室火焰温度，因此可以大幅度提高发动机热效率。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图

图2为本发明活塞设有悬浮段、密封段和动力段的结构示意图

图3为本发明气缸与活塞弹性密封连接的结构示意图

图4为本发明设有隔热结构的结构示意图

图5为本发明设有隔热夹层的结构示意图

图6为本发明设有流体通道的结构示意图

图7为本发明活塞密封段与活塞悬浮段径向滑动密封连接的结构示意图

图8为本发明活塞密封段与活塞悬浮段定点万向连接的结构示意图

图9为本发明活塞密封段与活塞悬浮段非定点万向连接的结构示意图

图10为本发明在气缸侧壁上设有气/汽悬浮孔的结构示意图

图11为本发明设有磁力非接触悬浮设置的结构示意图

图12为本发明经连杆输出动力的结构示意图

图13为本发明多个动力输出段相互连接输出动力的结构示意图

图14为本发明活塞上设内置气动式活塞转动驱动结构的结构示意图

图15为本发明多缸非对置直线连接的结构示意图

图16为本发明活塞上设外置机械式活塞转动驱动结构的结构示意图

图17为本发明设有滑动式气缸的结构示意图

图18为本发明设有两个以上活塞悬浮段的结构示意图

图19为本发明在活塞上设有气/汽悬浮孔的结构示意图

附图编号

1.气缸  2.活塞  121.气缸的上止点  122.下止点  201.活塞悬浮段

202.活塞密封段  203.活塞动力段  3.活塞隔热结构  21.活塞内顶壁

22.活塞内侧壁  31.活塞隔热夹层  32.活塞隔热层  11.气缸内侧壁

12.气缸外侧壁  4.气缸隔热结构  41.气缸隔热夹层  42.气缸隔热层

5.发动机火花塞  6.发动机燃油喷射器  7.燃烧室  1112.气缸侧壁

23.活塞顶  70.气缸盖  100.气缸流体通道  8.冷却系统

9.控温系统  200.活塞流体通道  101.气/汽悬浮孔  60.高压气源  61.高压水蒸汽源  2001.活塞电磁结构  2002.活塞永磁结构

1001.气缸电磁结构  1002.气缸永磁结构  13.连杆

2003.活塞转动驱动结构  2004.内置气动式活塞转动驱动结构

2005.外置机械式活塞转动驱动结构  10.对置气缸  2000.滑动式气缸

14.进气道  15.排气道  1415.连通式配气道  2011.活塞悬浮分段

1000.发动机配气正时机构  2012.分段式活塞悬浮段

具体实施方式

如图1所示的悬浮活塞发动机，包括气缸1和活塞2，所述活塞2全部或部分设置在所述气缸1内，在与所述活塞2的活塞上止点对应的所述气缸1上的上止点121和与所述活塞2的活塞下止点对应的所述气缸1上的下止点122之间的全部行程范围内或部分行程范围内所述活塞2与所述气缸1非接触悬浮设置或准悬浮设置。

如图2和图3所示的悬浮活塞发动机，所述活塞2由活塞悬浮段201、活塞密封段202和活塞动力段203构成，所述活塞悬浮段201与所述活塞密封段202连接，所述活塞密封段202与所述活塞动力段203连接，所述活塞悬浮段201的长度大于或等于所述上止点121和所述下止点122之间的距离，所述活塞2经其所述活塞密封段202与所述下止点122以外的所述气缸1设为直接滑动密封连接，或设为径向弹性滑动密封连接，或设为轴向弹性密封连接，或设为非弹性密封伸展连接；或设为这些连接方式中的两种或两种以上连接方式的组合连接形式。

如图4和图5所示的悬浮活塞发动机，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21上和/或活塞内侧壁22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和/或活塞隔热层32；和/或所述气缸1的气缸内侧壁11和气缸外侧壁12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和/或气缸隔热层42；发动机火花塞5和/或发动机燃油喷射器6设在燃烧室7的外壁上，所述燃烧室7的外壁设为气缸侧壁1112、活塞顶23或气缸盖70，在所述发动机火花塞5与所述燃烧室7的外壁接触处和/或所述发动机燃油喷射器6与所述燃烧室7的外壁接触处设局部冷却通道。

如图6所示的悬浮活塞发动机，在所述气缸1整体外侧或部分外侧设气缸流体通道100，所述气缸流体通道100设为与冷却系统8连通或设为与控温系统9连通；和/或在所述活塞2内部设活塞流体通道200，所述活塞流体通道200设为与所述冷却系统8连通或设为与所述控温系统9连通。

如图7、图8和图9所示的悬浮活塞发动机，所述活塞2由活塞悬浮段201、活塞密封段202和活塞动力段203构成，所述活塞悬浮段201与所述活塞密封段202连接，所述活塞密封段202与所述活塞动力段203连接，在所述气缸1内，所述活塞悬浮段201非接触悬浮设置或准悬浮设置，所述活塞悬浮段201与所述活塞密封段202设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。

如图10、图11和图19所示的悬浮活塞发动机，在所述气缸1的气缸侧壁1112上设一个或多个气/汽悬浮孔101或（和）在所述活塞2上设一个或多个所述气/汽悬浮孔101，所述气/汽悬浮孔101与高压气源60或高压水蒸汽源61连通，以实现所述活塞2在所述气缸1中气/汽力非接触悬浮设置；或在所述活塞2的全部或局部上设活塞电磁结构2001或活塞永磁结构2002，在所述气缸侧壁1112上或所述气缸侧壁1112外设气缸电磁结构1001或气缸永磁结构1002，以实现所述活塞2在所述气缸1中磁力非接触悬浮设置。

如图12、图13和图15所示的悬浮活塞发动机，所述活塞2经连杆13对外输出动力；或所述活塞动力段203单独直接对外输出动力，或在多缸悬浮活塞发动机中多个所述活塞动力段203相互联接后对外输出动力。

如图14和图16所示的悬浮活塞发动机，在所述活塞2上设活塞转动驱动结构2003，所述活塞转动驱动结构2003设为内置气动式活塞转动驱动结构2004或设为外置机械式活塞转动驱动结构2005，在设有所述外置机械式活塞转动驱动结构2005的结构中，所述活塞2受机械动力、流体动力或电磁动力驱动按所述气缸1的中心轴线转动，在设所述内置气动式活塞转动驱动结构2004的结构中，所述活塞2经所述内置气动式活塞转动驱动结构2004受所述气缸1内的气压作用按所述气缸1的中心轴线转动，以减少或消除热变形的不均匀性。

如图17所示的悬浮活塞发动机，两个所述气缸1对置设置构成对置气缸10，在每个所述气缸1中设置一个所述活塞2，此两个所述活塞2相互对置设置，两个所述气缸1单独或共同设为可按中心轴线方向滑动的滑动式气缸2000，所述滑动式气缸2000作为所述对置气缸10的一个构成段可与所述对置气缸10的另一个构成段相互密封对接或分离打开，在两个所述气缸1对置设置对顶接触的分界面处设进气道14和排气道15，所述进气道14和所述排气道15构成连通式配气道1415，所述连通式配气道1415与所述滑动式气缸2000滑动密封接触，所述滑动式气缸2000受发动机配气正时机构1000控制向所述对置气缸10配气。

如图18所示的悬浮活塞发动机，所述活塞悬浮段201设为由两个以上活塞悬浮分段2011组成的分段式活塞悬浮段2012，所述活塞悬浮分段2011间设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。

Claims (9)

1.一种悬浮活塞发动机，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，在与所述活塞(2)的活塞上止点对应的所述气缸(1)上的上止点(121)和与所述活塞(2)的活塞下止点对应的所述气缸(1)上的下止点(122)之间的全部行程范围内所述活塞(2)与所述气缸(1)非接触悬浮设置，所述活塞(2)由活塞悬浮段(201)、活塞密封段(202)和活塞动力段(203)构成，所述活塞悬浮段(201)与所述活塞密封段(202)连接，所述活塞密封段(202)与所述活塞动力段(203)连接，所述活塞悬浮段(201)的长度大于或等于所述上止点(121)和所述下止点(122)之间的距离，所述活塞(2)经其所述活塞密封段(202)与所述下止点(122)以外的所述气缸(1)设为直接滑动密封连接，所述活塞密封段(202)与所述气缸(1)的滑动密封环面(111)的直径小于所述上止点(121)与所述下止点(122)之间的所述气缸(1)的直径；或设为径向弹性滑动密封连接，所述活塞密封段(202)与所述气缸(1)的滑动密封环面(111)的直径小于所述上止点(121)与所述下止点(122)之间的所述气缸(1)的直径；或设为轴向弹性密封连接；或设为非弹性密封伸展连接；或设为这些连接方式中的两种以上连接方式的组合连接形式。

2.如权利要求1所述悬浮活塞发动机，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(21)上和/或活塞内侧壁(22)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)和/或活塞隔热层(32)；和/或所述气缸(1)的气缸内侧壁(11)和气缸外侧壁(12)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)和/或气缸隔热层(42)；发动机火花塞(5)和/或发动机燃油喷射器(6)设在燃烧室(7)的外壁上，所述燃烧室(7)的外壁设为气缸侧壁(1112)、活塞顶(23)或气缸盖(70)，在所述发动机火花塞(5)与所述燃烧室(7)的外壁接触处和/或所述发动机燃油喷射器(6)与所述燃烧室(7)的外壁接触处设局部冷却通道。

3.如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述气缸(1)整体外侧或部分外侧设气缸流体通道(100)，所述气缸流体通道(100)设为与冷却系统(8)连通或设为与控温系统(9)连通；和/或在所述活塞(2)内部设活塞流体通道(200)，所述活塞流体通道(200)设为与所述冷却系统(8)连通或设为与所述控温系统(9)连通。

4.如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于：所述活塞(2)由活塞悬浮段(201)、活塞密封段(202)和活塞动力段(203)构成，所述活塞悬浮段(201)与所述活塞密封段(202)连接，所述活塞密封段(202)与所述活塞动力段(203)连接，在所述气缸(1)内，所述活塞悬浮段(201)非接触悬浮设置，所述活塞悬浮段(201)与所述活塞密封段(202)设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。

5.如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述气缸(1)的气缸侧壁(1112)上设一个或多个气/汽悬浮孔(101)或/和在所述活塞(2)上设一个或多个所述气/汽悬浮孔(101)，所述气/汽悬浮孔(101)与高压气源(60)或高压水蒸汽源(61)连通，以实现所述活塞(2)在所述气缸(1)中气/汽力非接触悬浮设置；或在所述活塞(2)的全部或局部上设活塞电磁结构(2001)或活塞永磁结构(2002)，在所述气缸侧壁(1112)上或所述气缸侧壁(1112)外设气缸电磁结构(1001)或气缸永磁结构(1002)，以实现所述活塞(2)在所述气缸(1)中磁力非接触悬浮设置。

6.如权利要求1或2所述悬浮活塞发动机，其特征在于：所述活塞(2)经连杆(13)对外输出动力；或所述活塞动力段(203)单独直接对外输出动力，或在多缸悬浮活塞发动机中多个所述活塞动力段(203)相互联接后对外输出动力。

7.如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述活塞(2)上设活塞转动驱动结构(2003)，所述活塞转动驱动结构(2003)设为内置气动式活塞转动驱动结构(2004)或设为外置机械式活塞转动驱动结构(2005)，在设有所述外置机械式活塞转动驱动结构(2005)的结构中，所述活塞(2)受机械动力、流体动力或电磁动力驱动按所述气缸(1)的中心轴线转动，在设所述内置气动式活塞转动驱动结构(2004)的结构中，所述活塞(2)经所述内置气动式活塞转动驱动结构(2004)受所述气缸(1)内的气压作用按所述气缸(1)的中心轴线转动，以减少或消除热变形的不均匀性。

8.如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于：两个所述气缸(1)对置设置构成对置气缸(10)，在每个所述气缸(1)中设置一个所述活塞(2)，此两个所述活塞(2)相互对置设置，两个所述气缸(1)单独或共同设为可按中心轴线方向滑动的滑动式气缸(2000)，所述滑动式气缸(2000)作为所述对置气缸(10)的一个构成段可与所述对置气缸(10)的另一个构成段相互密封对接或分离打开，在两个所述气缸(1)对置设置对顶接触的分界面处设进气道(14)和排气道(15)，所述进气道(14)和所述排气道(15)构成连通式配气道(1415)，所述连通式配气道(1415)与所述滑动式气缸(2000)滑动密封接触，所述滑动式气缸(2000)受发动机配气正时机构(1000)控制向所述对置气缸(10)配气。

9.如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于：所述活塞悬浮段(201)设为由两个以上活塞悬浮分段(2011)组成的分段式活塞悬浮段(2012)，所述活塞悬浮分段(2011)间设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。