CN101782148B - 气体承压活塞及其充气方法和使用该活塞的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体承压活塞及其充气方法和使用该活塞的发动机。气体承压活塞包括头部1和连接部2，在头部1的内部设有高压气体承压腔4，在高压气体承压腔4内密封有高压气体。本发明由于气体承压活塞的设置，减少了活塞的质量，进而减少活塞本身的惯性力，改善了曲轴的受力情况，提高了曲轴的寿命，改善了发动机本身的性能，提高了发动机运行的平稳性，降低了发动机工作时产生的噪声。

Description

气体承压活塞及其充气方法和使用该活塞的发动机

技术领域

本发明涉及一种活塞，尤其是一种气体承压活塞及加工该活塞的方法和使用该活塞的发动机。

背景技术

活塞广泛地应用于发动机、压缩机等设备中。在传统发动机的活塞连杆机构中，由于活塞要承受极大的压力，即使活塞内部具有空腔，腔壁也必须做得很厚，造成活塞的质量仍然很大，相应的连杆组本身的质量也很大，活塞和连杆组产生的惯性力就很大，对发动机曲轴和曲轴轴瓦产生很大的冲击力，同时产生很大的噪声，在很大程度上影响发动机曲轴和曲轴轴瓦的寿命和性能，进而影响发动机的寿命和性能的提高。为此，急需发明一种新型的既能承受极大的压力同时又质量较轻的活塞，来解决上述存在的问题。

发明内容

本发明的目的是，针对上述缺陷，提供一种新型的既能承受极大的压强同时又质量较轻的活塞，同时提供一种加工该活塞的方法和使用该活塞的发动机。

为了实现本发明的目的采用的技术方案如下：

一种气体承压活塞，包括头部1和连接部2，在所述头部1的内部设有高压气体承压腔4，在所述高压气体承压腔4内密封有高压气体。

所述高压气体的压强大于等于或者小于所述气体承压活塞工作时，活塞顶部气压的最高压强。

所述高压气体为不活泼气体。

所述高压气体承压腔4为一个或多个。

所述高压气体承压腔4为圆柱型、球型或椭球型。

一种为气体承压活塞填充高压气体的方法，包括如下步骤：

第一步，在加工好的头部1上设有空腔的活塞上打孔，使所述空腔与外界连通；或者在加工头部1设有空腔的活塞时，预留有连通所述空腔和外界的孔；

第二步，将所述活塞投入高压气体容器中，使高压气体充满所述空腔；

第三步，在所述高压气体容器内，将所述孔密封；

第四步，将所述活塞取出所述高压气体容器。

在所述高压气体容器内，将所述孔焊接密封。

一种使用气体承压活塞的发动机，包括气缸5和气体承压活塞，所述气体承压活塞部分或全部设置在所述气缸5内，所述高压气体承压腔4内高压气体的压强大于等于或者小于所述气缸5工作时内部的最大爆炸压强。

所述气体承压活塞为悬浮式活塞。

所述的发动机，还包括连杆(5)，所述连杆(5)与所述气体承压活塞相连，其特征在于：所述连杆(5)为普通连杆或者失稳连杆。

不活泼气体是指不容易发生化学反应的气体，在本发明中尤其是指不容易跟高压气体承压腔4的内壁材料发生反应的气体，如氮气等。

悬浮式活塞是指气缸与活塞的全部或者一部分圆周外壁之间，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，具体可参见本发明人的专利“自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机”，申请号为200910162557.4。

失稳连杆是指不能承担压力，只能承担拉力的连杆，如传统的二连杆、多连杆、锁链、链条和绳索。

本发明有以下积极有益的效果：

1、本发明由于气体承压活塞的设置，减少了活塞的质量，进而减少活塞本身的惯性力，改善了曲轴的受力情况，提高了曲轴的寿命，改善了发动机本身的性能，提高了发动机运行的平稳性，降低了发动机工作时产生的噪声。

2、本发明结构简单，加工制造容易，成本低；

附图说明

图1是现有技术中头部设有常压空腔的活塞的结构示意图；

图2是本发明中气体承压活塞的结构示意图；

图3是本发明中使用气体承压活塞的发动机的活塞气缸部分的结构示意图；

图4是本发明中使用悬浮式气体承压活塞的发动机的活塞气缸部分的结构示意图；

图5是本发明中使用气体承压活塞和失稳连杆的发动机的活塞气缸部分的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，现有技术中的常规中空活塞包括头部1、连接部2和在头部1的内部设有的空腔3，头部1的横截面积为S，空腔3内的横截面积为s1，空腔3内的气体为常压或低压，活塞顶部气压的最高压强为P2。当活塞顶部气压为常压或低压时，由于空腔3内的气体也为常压或低压，则空腔3的外侧壁在纵向不受力或受到很小的拉应力或压应力，在此可以忽略不计。当活塞顶部气压为最高压强P2时，由于空腔3内的气体为常压或低压，其在头部1的横截面上产生的压强，在此可以忽略不计，则空腔3的外侧壁在纵向受到大小为S*P2的压应力。则当活塞顶部气压的压强在常压或低压到最高压强P2之间变化时，空腔3的外侧壁受到的最大拉应力可以非常小，在此可以忽略不计；空腔3的外侧壁纵向受到的最大压应力S*P2。

如图2所示，本发明中的气体承压活塞，包括头部1、连接部2和在头部1的内部设有的高压气体承压腔4，头部1的横截面积为S，高压气体承压腔4内的横截面积为s2，高压气体承压腔4内的高压气体的压强为P1，顶部气压的最高压强P2。当活塞顶部气压为常压或低压时，其在头部1的横截面上产生的压力，在此可以忽略不计，由于高压气体承压腔4内的高压气体的压强为P1，则高压气体承压腔4的外侧壁在纵向受到的拉应力为s2*P1。当活塞顶部气压为最高压强P2时，由于高压气体承压腔4内的高压气体的压强为P1，则高压气体承压腔4的外侧壁在纵向受到大小为(S*P2-s2*P1)的压应力。则当顶部气压的压强在常压或低压到最高压强P2之间变化时，高压气体承压腔4的外侧壁受到的最大拉应力为s2*P1。；高压气体承压腔4的外侧壁受到的最大压应力(S*P2-s2*P1)。

当S略大于s2，P1大于等于或略小于P2时，本发明中高压气体承压腔4的外侧壁受到的最大压应力(S*P2-s2*P1)远小于现有技术中空腔3的外侧壁受到的最大压应力S*P2，也远小于本发明中高压气体承压腔4的外侧壁受到的最大拉应力为s2*P1，甚至当P1相对于P2足够大时，高压气体承压腔4的外侧壁受到的最大压应力(S*P2-s2*P1)为零值或负值。

可见，现有技术中的空腔3的外侧壁纵向受到的最大力为压应力S*P2，本发明中高压气体承压腔4的外侧壁纵向受到的最大力为拉应力s2*P1。当S略大于s2，P1略大于、等于或略小于P2时，S*P2和s2*P1相等或相差不大。

由于大部分材料的抗拉能力远大于抗压能力；另外，材料受压时还要考虑失稳问题，必须要额外的加大受力面积，而受拉时不存在失稳问题。因此，在同等条件下，本发明中的气体承压活塞高压气体承压腔4的外侧壁与现有技术中的常规中空活塞的空腔3外侧壁相比就可以做的更薄，即高压气体承压腔4就可以比现有技术中的常规中空活塞的空腔3做的更大，从而大大降低活塞的质量。

实施例2

为本发明气体承压活塞填充高压气体的方法，包括如下步骤：

第一步，在加工好的头部上设有空腔的活塞上打孔，使所述空腔与外界连通；或者在加工头部设有空腔的活塞时，预留有连通所述空腔和外界的孔；

第二步，将所述活塞投入高压气体容器中，使高压气体充满所述空腔；

第三步，在所述高压气体容器内，将所述孔焊接密封；

第四步，将所述活塞取出所述高压气体容器。

实施例3

如图3所示，一种使用气体承压活塞的发动机，包括气缸5和气体承压活塞，气体承压活塞部分或全部设置在所述气缸5内，高压气体承压腔4内高压气体的压强P1大于等于或者小于所述气缸5工作时内部的最大爆炸压强。气体承压活塞的连接部2通过连杆6与曲轴7相连。当发动机工作时，在排气和吸气冲程中，气缸内即气体承压活塞顶部气压的压强达到最低，为常压或低压；在压气和做功冲程中，气缸内即气体承压活塞顶部气压的压强达到最高，为在排气和吸气冲程中，气缸内即气体承压活塞顶部气压的最低压强为常压或低压。

当气体承压活塞顶部气压压强最低，为常压或低压时，其在头部1的横截面上产生的压力，在此可以忽略不计，由于高压气体承压腔4内的高压气体的压强为P1，则高压气体承压腔4的外侧壁在纵向受到的拉应力为s2*P1。当活塞顶部气压压强最高，为最高压强P2时，由于高压气体承压腔4内的高压气体的压强为P1，则高压气体承压腔4的外侧壁在纵向受到大小为(S*P2-s2*P1)的压应力。则当发动机工作时，高压气体承压腔4的外侧壁受到的最大拉应力为s2*P1，最大压应力(S*P2-s2*P1)。当S略大于s2，P1相对于P2足够大时，高压气体承压腔4的外侧壁受到的最大压应力(S*P2-s2*P1)为零值或负值。

可见，本发明中高压气体承压腔4的外侧壁纵向受到的最大力为拉应力s2*P1。而使用现有技术中的常规中空活塞时，空腔3的外侧壁纵向受到的最大力为压应力S*P2，P2为气缸5工作时内部的最大爆炸压强。当S略大于s2，P1略大于、等于或略小于P2时，S*P2和s2*P1相等或相差不大。

由于大部分材料的抗拉能力远大于抗压能力；另外，材料受压时还要考虑失稳问题，必须要额外的加大受力面积，而受拉时不存在失稳问题。因此，在同等条件下，本发明中的气体承压活塞高压气体承压腔4的外侧壁与现有技术中的常规中空活塞的空腔3外侧壁相比就可以做的更薄，即高压气体承压腔4就可以比现有技术中的常规中空活塞的空腔3做的更大，从而大大降低活塞的质量。

实施例4

如图4所示，一种使用悬浮式气体承压活塞的发动机，其与实施例3的区别是，气体承压活塞为悬浮式活塞。悬浮式气体承压活塞的上部圆周外壁与气缸5之间不发生接触又维持相当小的间隙，上部圆周外壁与气缸5之间接触，从而实现既密封又减少摩擦磨损的目的。由于悬浮式气体承压活塞的头部1的纵截面为近似梯形，为了保证悬浮式气体承压活塞的安全性，在头部1的小端和大端，分别设有两个高压气体承压腔4。

同理，在同等条件下，本发明中的气体承压活塞高压气体承压腔4的外侧壁与现有技术中的常规中空活塞的空腔3外侧壁相比就可以做的更薄，即高压气体承压腔4就可以比现有技术中的常规中空活塞的空腔3做的更大，从而大大降低活塞的质量。

实施例5

如图5所示，一种使用气体承压活塞的失稳连杆发动机，还包括连杆6，连杆(5)与气体承压活塞的连接部2相连，其与实施例3的区别是，连杆6为失稳连杆。气体承压活塞经弹性体8与机体9连接或接触，气体承压活塞经所述失稳连杆6与所述曲轴7连接。

同理，在同等条件下，本发明中的气体承压活塞高压气体承压腔4的外侧壁与现有技术中的常规中空活塞的空腔3外侧壁相比就可以做的更薄，即高压气体承压腔4就可以比现有技术中的常规中空活塞的空腔3做的更大，从而大大降低活塞的质量。

Claims (9)

1.一种气体承压活塞，包括头部(1)和连接部(2)，其特征在于：在所述头部(1)的内部设有高压气体承压腔(4)，在所述高压气体承压腔(4)内密封有高压气体；所述高压气体的压强大于等于或者小于所述气体承压活塞工作时活塞顶部气压的最高压强。

2.根据权利要求1所述的气体承压活塞，其特征在于：所述高压气体为不活泼气体。

3.根据权利要求1所述的气体承压活塞，其特征在于：所述高压气体承压腔(4)为一个或多个。

4.根据权利要求1所述的气体承压活塞，其特征在于：所述高压气体承压腔(4)为圆柱型、球型或椭球型。

5.一种为权利要求1至4任意之一所述的气体承压活塞填充高压气体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，在加工好的头部(1)上设有空腔的活塞上打孔，使所述空腔与外界连通；或者在加工头部(1)设有空腔的活塞时，预留有连通所述空腔和外界的孔；

第二步，将所述活塞投入高压气体容器中，使高压气体充满所述空腔；

第三步，在所述高压气体容器内，将所述孔密封；

第四步，将所述活塞取出所述高压气体容器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在所述高压气体容器内，将所述孔焊接密封。

7.一种使用权利要求1至4任意之一所述的气体承压活塞的发动机，包括气缸(5)和气体承压活塞，所述气体承压活塞部分或全部设置在所述气缸(5)内，其特征在于：所述高压气体承压腔(4)内高压气体的压强大于等于或者小于所述气缸(5)工作时内部活塞顶部的最高压强。

8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于：所述气体承压活塞为悬浮式活塞。

9.根据权利要求7所述的发动机，还包括连杆(6)，所述连杆(6)与所述气体承压活塞相连，其特征在于：所述连杆(6)为普通连杆或者失稳连杆。