CN102966462A - 液体占位悬浮活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体占位悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，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，在与所述活塞的活塞上止点对应的所述气缸上的上止点以下的所述活塞的悬浮段所对应的气缸侧壁上和/或在所述活塞的活塞悬浮段侧壁上设有液体通道，所述液体通道经高压液体泵与液体源连通。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

液体占位悬浮活塞发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种悬浮活塞发动机。

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，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，本发明公开了一种液体占位悬浮活塞发动机。

本发明提出的技术方案如下：

一种液体占位悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，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，在与所述活塞的活塞上止点对应的所述气缸上的上止点以下的所述活塞的悬浮段所对应的气缸侧壁上和/或在所述活塞的活塞悬浮段侧壁上设有液体通道，所述液体通道经高压液体泵与液体源连通。

所述液体通道设置在所述气缸侧壁上的所述上止点和所述下止点之间，并且所述液体通道靠近所述下止点设置。

所述液体源经所述液体占位悬浮活塞发动机的冷却系统与所述高压液体泵连通。

所述高压液体泵经所述液体占位悬浮活塞发动机的冷却系统与所述液体通道连通。

在所述液体通道与所述液体源之间设正时控制装置。

所述液体通道为多个，在所述液体通道的外侧设有连通液体通道结构体，每个所述液体通道与所述连通液体通道结构体连通，所述连通液体通道结构体经所述正时控制装置与所述液体源连通。

所述正时控制装置设为电磁阀式正时控制装置。

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转动接触，所述正时切换结构体上设有结构体液体通道和正时驱动结构，所述正时驱动结构受所述正时驱动机构控制实现所述结构体液体通道与所述液体通道之间的连通和断开，在所述正时切换结构体的外侧壁处设有密封液体通道，所述密封液体通道与所述正时切换结构体密封转动接触，所述密封液体通道与所述液体源连通。

所述正时切换结构体与所述气缸的外侧壁密封滑动接触，所述密封液体通道与所述正时切换结构体密封转动接触。

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。

本发明中，可以在所有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，所有所述气缸隔热结构均可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。

本发明中，所有所述活塞和所述气缸在所述下止点以下的部分均可密封滑动接触。

本发明中，所有所述液体源中的液体选自水、酒精、气体液化物中的一种或几种。

本发明中，所谓的“非接触悬浮设置”是指所述气缸与所述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“所谓的液体占位”是指所述缸体进气通道受所述正时控制装置控制，在所述发动机压缩冲程开始至做功冲程结束向所述发动机活塞的外表面和所述气缸的内表面形成的空隙内充入有压液体，使所述有压液体占据该空隙，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，所述有压液体在从所述液体通道进入到所述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，可以把所述液体通道附近的气缸和活塞的热量重新泵到所述气缸和所述活塞的上部以及所述燃烧室内，在对所述气缸和所述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，因为所述有压液体的占位作用，新鲜空气不会被挤压入上述空隙，所述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，同时由于所述有压液体充入上述空隙内，起到了增加所述燃烧室液体质量的作用，不但不会影响发动机的做功能力，发动机的做功能力反而更强；最后，在进气和排气冲程的过程中，所述液体通道处于断开状态，与传统发动机相比，所述有压液体对进排气没有影响。

所谓的“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。

所谓的“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。

本发明中在所述气缸下部设置冷却水套的目的是为了保证所述活塞和所述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，保持所述活塞与所述气缸的高度密封性。

本发明中，所述液体占位悬浮活塞发动机可以是二冲程或四冲程的对置活塞发动机。

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、本发明采用液体占位来使得发动机的活塞悬浮，能够实现发动机活塞和气缸套在高温状态下能够既密封配合又不磨损，可大幅提高热效率。

3、由于液体的占位作用--即液体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；另外，液体受热蒸发后形成的气体进入燃烧室可形成工质，从而进一步增强了发动机的做功能力。

4、有压液体在从所述液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，可以把所述液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。

5、当液体源中的液体经发动机的冷却系统再进入缸体时，可进行有效热交换，从而增强冷却系统的冷却能力。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图；

图4是本发明实施例4的结构示意图；

图5是本发明实施例5的结构示意图；

图6是本发明实施例6的结构示意图；

图7是图6的B-B视图；

图8是本发明实施例7的结构示意图，

图中：

1气缸、2活塞、5电磁阀式正时控制装置、6液体源、7液体通道、9、正时切换结构体、10正时驱动结构、11正时驱动机构、12正时控制阀、20冷却系统、21上止点、22下止点、30高压液体泵、31活塞隔热夹层、32活塞隔热层、33间隙、41气缸隔热夹层、42气缸隔热层、71连通液体通道结构体、72密封液体通道、91结构体液体通道、201气缸侧壁、202活塞悬浮段侧壁。

具体实施方式

 实施例1

如图1所示的液体占位悬浮活塞发动机，包括气缸1和活塞2，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21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22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，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21以下的所述活塞2的悬浮段所对应的气缸侧壁201上设有液体通道7，所述液体通道7经高压液体泵30与液体源6连通，其中，所述液体源6中的液体为水。

在活塞2运动的每一个行程中，通过实验或/和理论计算，调节所述活塞2与所述气缸1非接触悬浮设置的间隙 33大小、所述液体通道7的个数和直径大小、所述液体源6的水压这几个数据，可以使得一方面在所述活塞2运动的每一个行程中都有所述液体源6内的水源源不断的进入所述间隙 33，即在所述活塞2运动的每一个行程中都有所述液体源6内的水源源不断的充满所述间隙 33，从而防止所述间隙 33中产生氮氧化物；另一方面经由所述间隙 33进入所述气缸1的水的量足够的少，以至于其对所述气缸内的爆炸燃烧产生的影响非常的小，可以忽略不计。

所述液体通道7设置在当所述活塞2处于上止点时所述悬浮段所对应的气缸侧壁201上。本实施例中，所述液体通道7设置在所述下止点22以下的所述悬浮段所对应的气缸侧壁201上。

本实施例的工作过程为：所述液体源6中的液体经所述高压液体泵30泵入所述间隙33中，在所述间隙33中的液体起到密封和润滑的作用，当所述液体占位悬浮活塞发动机发生燃烧爆炸时，产生高温高压气体推动所述活塞2下行，由于所述液体的存在，则使得所述活塞2与所述气缸1的摩擦力大大减少，且所述液体在受热后汽化，可增加所述气缸1内的压力，从而使做功能力增强，汽化后的液体随着所述发动机的排气冲程排出气缸。

选择性地，所述液体通道7还可以设置在上止点21和下止点22之间，更近一步地，所述液体通道7可以靠近下止点22设置；所述液体通道7还可设置在当所述活塞2处于上止点时所述悬浮段所对应的活塞悬浮段侧壁202上；所述液体源6中的液体可以选自水、酒精、气体液化物（如液氧、液氮、液体二氧化碳等）中的一种或几种。另外，也可以是在与所述活塞2的活塞上止点对应的所述气缸1上的上止点21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22之间的部分行程范围内，所述活塞2与所述气缸1非接触悬浮设置，所述液体通道7设置在所述上止点21和所述下止点22之间的活塞悬浮段所对应的气缸侧壁201上。

    实施例2

如图2所示的液体占位悬浮活塞发动机，其与实施例1的区别在于：所述液体源6经所述液体占位悬浮活塞发动机的冷却系统20与所述高压液体泵30连通，在所述液体源6与所述液体通道7之间设正时控制装置。

所述液体源6中的液体先经过所述冷却系统20对所述液体占位悬浮活塞发动机进行冷却后，再由所述高压液体泵30泵入所述间隙33中。

本实施例中，所述正时控制装置设为电磁阀正时控制装置5，所述电磁阀式正时控制装置5设置在所述液体通道7与所述高压液体泵30之间。

选择性地，所述冷却系统20也可位于所述高压液体泵30和所述液体通道7之间；所述正时控制装置也可设置在所述高压液体泵30和所述冷却系统20之间，或所述冷却系统20和所述液体源6之间。

实施例3

如图3所示的液体占位悬浮活塞发动机，其与实施例2的区别在于：所述活塞2的外表面固定连接有活塞隔热层32，所述活塞2的内顶壁上和内侧壁上设有活塞隔热夹层31；所述气缸1的气缸内侧壁固定连接有气缸隔热层42，外侧壁设有气缸隔热夹层41。

活塞隔热结构设置的目的是为了减少热量损失，同理，所述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所述气缸或所述活塞内部的真空结构，也是用来减少热量的损失。

选择性地，也可以只在所述活塞2的外表面固定连接活塞隔热层32，或在所述活塞2的外侧壁上设置活塞隔热夹层31，或它们的组合；或只在所述活塞2的内顶壁上和侧壁上设活塞隔热层32或活塞隔热夹层31或其组合；或只在所述气缸1的内侧壁和外侧壁上同时或单独设气缸隔热夹层41或气缸隔热层42或其组合。

实施例4

如图4所示的液体占位悬浮活塞发动机，其与实施例1的区别在于：所述活塞2和所述气缸1在下止点以下的部分密封滑动接触，所述液体通道7设在所述上止点21和所述下止点22之间的所述气缸侧壁201上，所述液体源6中的液体为液态二氧化碳。

实施例5

如图5所示的液体占位悬浮活塞发动机，其与实施例1的区别在于：在所述气缸1上设置两个所述液体通道7，所述液体通道7在同一水平线上，在所述液体通道7的外侧设有连通液体通道结构体71，两个所述液体通道7都与所述连通液体通道结构体71连通，所述连通液体通道结构体71经正时控制阀12与所述液体源6连通。

所述连通液体通道结构体71可以实现同时将所述液体喷入所述间隙 33中。

选择性地，所述液体通道7可以在同一水平线上设置多个，也可以在当所述活塞2处于上止点时的所述悬浮段所对应的气缸侧壁201上设置多个所述液体通道7。

实施例6

如图6和图7所示的液体占位悬浮活塞发动机，其与实施例1的区别在于：所述活塞2的外表面固定连接有活塞隔热层32，所述气缸1的内侧壁上固定连接有气缸隔热层42；所述液体通道7为两个，所述液体通道7经包括正时切换结构体9和正时驱动机构11单元的机械式正时控制装置与所述液体源6连通，其中，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上设有结构体液体通道91和正时驱动结构10，所述正时驱动结构10受所述正时驱动机构11控制实现所述结构体液体通道91与所述液体通道7之间的连通和断开，在所述正时切换结构体9的外侧壁处设有密封液体通道72，所述密封液体通道72与所述正时切换结构体9密封转动接触，所述密封液体通道72与所述液体源6连通。

本实施例中，所述液体通道7为两个，分布在同一水平面上的气缸1的两侧，所述结构体液体通道91设置为4个，分布在同一水平面上的所述正时切换结构体9上，所述液体先经所述高压液体泵30泵入所述密封液体通道72中，当所述结构体液体通道91转动到所述液体通道7处时，所述液体经所述结构体液体通道91和所述液体通道7进入所述气缸1内。

选择性地，所述液体通道7还可以设为多于两个；所述正时切换结构体9还可以与所述气缸1的外侧壁密封滑动接触，所述密封液体通道72与所述正时切换结构体9密封转动接触；所述正时驱动机构10可是机械式、电磁式或液压式等。

实施例7

如图8所示的液体占位悬浮活塞发动机，其与实施例1的区别在于：所述液体通道7设在所述活塞2的活塞悬浮段侧壁202上。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液体占位悬浮活塞发动机，包括气缸（1）和活塞（2），其特征在于：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（21）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（22）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，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（21）以下的所述活塞（2）的悬浮段所对应的气缸侧壁（201）上和/或在所述活塞（2）的活塞悬浮段侧壁（202）上设有液体通道（7），所述液体通道（7）经高压液体泵（30）与液体源（6）连通。

2.如权利要求1所述液体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述液体通道（7）设置在所述气缸侧壁（201）上的所述上止点（21）和所述下止点（22）之间，并且所述液体通道（7）靠近所述下止点（22）设置。

3.如权利要求1或2所述液体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述液体源（6）经所述液体占位悬浮活塞发动机的冷却系统（20）与所述高压液体泵（30）连通。

4.如权利要求1或2所述液体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述高压液体泵（30）经所述液体占位悬浮活塞发动机的冷却系统（20）与所述液体通道（7）连通。

5.如权利要求1或2所述液体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述液体通道（7）与所述液体源（6）之间设正时控制装置。

6.如权利要求5所述液体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述液体通道（7）为多个，在所述液体通道（7）的外侧设有连通液体通道结构体（71），每个所述液体通道（7）与所述连通液体通道结构体（71）连通，所述连通液体通道结构体（71）经所述正时控制装置与所述液体源（6）连通。

7.如权利要求5所述液体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述正时控制装置设为电磁阀式正时控制装置（5）。

8.如权利要求5所述液体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述正时控制装置设为包括正时切换结构体（9）和正时驱动机构（11）单元的机械式正时控制装置，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）上设有结构体液体通道（91）和正时驱动结构（10），所述正时驱动结构（10）受所述正时驱动机构（11）控制实现所述结构体液体通道（91）所述液体通道（7）之间的连通和断开，在所述正时切换结构体（9）的外侧壁处设有密封液体通道（72），所述密封液体通道（72）与所述正时切换结构体（9）密封转动接触，所述密封液体通道（72）与所述液体源（6）连通。

9.如权利要求8所述液体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述正时切换结构体（9）与所述气缸（1）的外侧壁密封滑动接触，所述密封液体通道（72）与所述正时切换结构体（9）密封转动接触。

10.如权利要求1或2所述液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，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，所述活塞隔热结构设为活塞隔热夹层（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。

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