CN201502436U - 自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，所述气缸设为由小截面气缸段和大截面气缸段构成，所述活塞设为由小截面活塞段和大截面活塞段构成，所述小截面活塞段非接触悬浮设置在所述小截面气缸段内，所述大截面活塞段密封滑动设置在所述大截面气缸段内，所述大截面活塞段与连杆或与发动机动力输出机构连接。本实用新型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。

Description

自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机

技术领域

本实用新型涉及发动机领域。

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。但是由于气缸套与活塞以及与活塞环之间存在高温滑动摩擦，所以活塞、活塞环尤其是气缸套的材料需要具有相当高的耐热耐磨性能。为了维持发动机燃烧室的密封性、密封的持续性、发动机寿命以及发动机气缸与活塞间的低摩擦性，气缸、活塞与活塞环就必须采用高耐磨材料制成，并采用机油进行润滑。机油的存在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失去润滑作用、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、活塞和缸盖低品质化流出做功体系进入环境，形成利用价值不大的低品质余热。为了高效利用这部分相当可观的能量，需要发明一种新型的发动机来解决这一难题。

发明内容

为了克服上述缺陷，本实用新型公开了一种自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机。本实用新型的目的是这样实现的：

一种自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，所述气缸设为由小截面气缸段和大截面气缸段构成，所述活塞设为由小截面活塞段和大截面活塞段构成，所述小截面活塞段非接触悬浮设置在所述小截面气缸段内，所述大截面活塞段密封滑动设置在所述大截面气缸段内，所述大截面活塞段与连杆或与发动机动力输出机构连接。

在所述小截面气缸段和所述大截面气缸段的分界处、所述小截面气缸段上或所述大截面气缸段上设缸体气体通道，所述缸体气体通道经正时气体控制阀直接或间接与气体导入管连通。

所述气体导入管与占位气体源连通。

所述占位气体源设为氮气源、水蒸气源或贫氧气体源。

所述缸体气体通道经正时气体控制阀与压力平衡罐连通，所述压力平衡罐与所述气体导入管连通。

所述气体导入管与发动机的排气道连通。

所述正时气体控制阀在所述发动机排气冲程开始时打开，并保持开启状态，直至进气冲程结束时关闭。

在所述大截面气缸段上设冷却水套。

所述正时气体控制阀设为电磁式、机械式或液压式。

在所述大截面活塞段上设活塞密封环，和/或在所述大截面气缸段上设气缸密封环。

通过改变小截面气缸段和小截面活塞段之间的间隙、大截面气缸段的剩余容积(这里的剩余容积是指活塞位于上止点时，大截面气缸段和大截面活塞段之间的气室空间)、以及小截面活塞段和大截面活塞段之间的断面差，可以调整发动机废气在小截面活塞段的外表面和小截面气缸段的内表面之间存在的量，以达到减少发动机在做功冲程中在上述间隙内所形成的氮氧化物的量的目的。

在设有缸体气体通道的结构中，可以通过调整占位气体进入气缸的量，从而调整对于小截面活塞段和小截面气缸段的冷却强度，以及通过调整小截面活塞段的外表面和小截面气缸段的内表面之间占位气体存在的量，可以使发动机达到最佳工作状态。

由于小截面气缸段和小截面活塞段之间没有接触，所以可以将小截面气缸段和小截面活塞段设为由耐高温材料制作而成的气缸和活塞，从而使小截面气缸段和小截面活塞段在相当高的温度下工作，减少发动机做功工质的热量损失，提高发动机效率。不仅如此，在本实用新型所公开的结构中，活塞和气缸间密封滑动接触段处于非高温环境，所以活塞的线速度可以大幅度提高，即可以提高发动机的转速，从而提高发动机的升功率和效率。

本实用新型中大截面气缸段和大截面活塞段之间滑动密封接触，不仅起密封作用，也起定位作用，确保小截面气缸段和小截面活塞段之间不接触、不碰撞。

本实用新型中所公开的发动机不仅可以用于二冲程发动机、四冲程发动机、米勒循环发动机，还可以用于“热力学米勒循环发动机”。所谓“热力学米勒循环发动机”是指通过调整新鲜空气和留在气缸内的废气的比例，而实现在等冲程发动机内做功容积大于进气容积。所谓等冲程是指吸气、压缩、做功和排气四个冲程的过程中，活塞运动距离均相等。

本实用新型所述的非接触悬浮设置是指气缸与活塞之间的非接触悬浮设置的部位既不发生接触又维持相当小的间隙。

本实用新型中的占位气体源指无氧气体源或贫氧气体源。无氧气体源可以是氮气源或水蒸气源，其中，水蒸气源指外置水蒸气源(如锅炉等产生的水蒸气)，也可以是利用发动机余热产生的水蒸气源。贫氧气体源可以是发动机产生的废气源。占位气体源可以为无压占位气体源或有压占位气体源。

本实用新型中，所述小截面气缸段和所述大截面气缸段的分界处与小截面活塞段和所述大截面活塞段的分界处之间存在气室，在发动机的进气冲程，正时气体控制阀一直打开，气室的体积随着活塞的下移不断增大，占位气体经缸体气体通道进入气室；在发动机的压缩冲程，正时气体控制阀一直关闭，气室的体积随着活塞的上移不断减小，气室中的占位气体被压缩后占据发动机活塞的外表面和气缸的内表面间的空隙，使新鲜空气无法进入上述空隙；在发动机的做功冲程，由于发动机活塞的外表面和气缸的内表面间的空隙被占位气体占据，从而减少有害气体(如氮氧化物)的产生。

另外，占位气体在从缸体气体通道进入到小截面活塞段的外表面和小截面气缸段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燃烧室内，冷却的热量保持在做功体系内，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。而且，因为占位气体的占位作用，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，同时由于占位气体充入上述空隙内，起到了增加燃烧室气体质量的作用，不但不会降低发动机的做功能力，反而会增强发动机的做功能力。

本实用新型有以下积极有益的效果：

1、本实用新型结构简单，便于机械加工，成本低。

2、本实用新型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、由于占位气体的占位作用——即占位气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。

4、占位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，冷却的热量保持在做功体系内，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是本实用新型提供的一种自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机的结构示意图；

图2是图1的基础上增加了缸体气体通道的结构示意图；

图3是图2中活塞位于上止点和下止点间的结构示意图；

图4是在图2的基础上增加了压力平衡罐的结构示意图；

图5是在图4的基础上气体导入管与发动机的排气道连通的结构示意图；

图6是在图5的基础上增加了压力平衡罐控制阀的结构示意图。

附图编号

1.气缸    101.小截面气缸段    102.大截面气缸段

2.活塞    201.小截面活塞段    202.大截面活塞段

3.发动机的排气道    4.连杆          5.正时气体控制阀

6.压力平衡罐        7.缸体气体通道  8.冷却水套

10.压力平衡罐控制阀 11.气体导入管   12.活塞密封环

13.气缸密封环

具体实施方式

如图1和图2所示的自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，包括气缸1和活塞2，所述气缸1设为由小截面气缸段101和大截面气缸段102构成，所述活塞2设为由小截面活塞段201和大截面活塞段202构成，所述小截面活塞段201非接触悬浮设置在所述小截面气缸段101内，所述大截面活塞段202密封滑动设置在所述大截面气缸段102内，所述大截面活塞段202与连杆4或与发动机动力输出机构连接，在所述大截面气缸段102上设冷却水套8，所述冷却水套8用于对大截面气缸段102进行强制冷却，在所述大截面活塞段202上设活塞密封环12，在所述大截面气缸段102上设气缸密封环13。

如图3所示的自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，是在图1所示的发动机的基础上，在所述小截面气缸段101和所述大截面气缸段102的分界处、所述小截面气缸段101上或所述大截面气缸段102上设缸体气体通道7，所述缸体气体通道7经正时气体控制阀5直接或间接与气体导入管11连通。所述正时气体控制阀5在所述发动机排气冲程开始时打开，并保持开启状态，直至进气冲程结束时关闭。所述正时气体控制阀5可以设为电磁式、机械式或液压式。另外，缸体气体通道7也可以设置在所述小截面气缸段101上、或所述大截面气缸段102上。

如图4所示的自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，是在图3所示的发动机的基础上，增加了压力平衡罐6，所述缸体气体通道7经正时气体控制阀5与压力平衡罐6连通，所述压力平衡罐6与所述气体导入管11连通。

如图5所示的自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，是在图4所示的发动机的基础上，所述气体导入管11与发动机的排气道3连通。

如图6所示的自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，是在图5所示的发动机的基础上，在气体导入管11上增加了压力平衡罐控制阀10，所述压力平衡罐控制阀10可以在发动机的排气冲程开始时打开，在排气冲程结束时关闭，这样可以避免压力平衡罐6中存储的废气又经由发动机的排气道3排出。

Claims (9)

1.一种自压缩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：所述气缸(1)设为由小截面气缸段(101)和大截面气缸段(102)构成，所述活塞(2)设为由小截面活塞段(201)和大截面活塞段(202)构成，所述小截面活塞段(201)非接触悬浮设置在所述小截面气缸段(101)内，所述大截面活塞段(202)密封滑动设置在所述大截面气缸段(102)内，所述大截面活塞段(202)与连杆(4)或与发动机动力输出机构连接。

2.如权利要求1所述自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述小截面气缸段(101)和所述大截面气缸段(102)的分界处、所述小截面气缸段(101)上或所述大截面气缸段(102)上设缸体气体通道(7)，所述缸体气体通道(7)经正时气体控制阀(5)直接或间接与气体导入管(11)连通。

3.如权利要求2所述自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述气体导入管(11)与占位气体源连通。

4.如权利要求3所述自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述占位气体源设为氮气源、水蒸气源或贫氧气体源。

5.如权利要求2所述自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述缸体气体通道(7)经正时气体控制阀(5)与压力平衡罐(6)连通，所述压力平衡罐(6)与所述气体导入管(11)连通。

6.如权利要求2所述自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述气体导入管(11)与发动机的排气道(3)连通。

7.如权利要求2所述自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：所述正时气体控制阀(5)设为电磁式、机械式或液压式。

8.如权利要求1所述自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述大截面气缸段(102)上设冷却水套(8)。

9.如权利要求1所述自压缩正时气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述大截面活塞段(202)上设活塞密封环(12)，和/或在所述大截面气缸段(102)上设气缸密封环(13)。

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