CN201891500U - 气体占位悬浮活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气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气缸的气缸侧壁上和/或在所述活塞的活塞悬浮段侧壁上设有缸体气体通道；所述缸体气体通道与有压气体源连通；或设置气体振荡储气囊，所述缸体气体通道与所述气体振荡储气囊连通。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，从而提高发动机效率，节能环保。

Description

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，特别是一种气体占位悬浮活塞发动机。

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，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，本实用新型公开了一种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：

一种气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气缸的气缸侧壁上和/或在所述活塞的活塞悬浮段侧壁上设有缸体气体通道；

所述缸体气体通道与有压气体源连通；或设置气体振荡储气囊，所述缸体气体通道与所述气体振荡储气囊连通。

当所述缸体气体通道设置在所述气缸侧壁上时，所述缸体气体通道设置在所述上止点和所述下止点之间，并且所述缸体气体通道靠近所述下止点设置。

当所述缸体气体通道设置在所述活塞悬浮段侧壁上时，所述气体振荡储气囊设置在所述活塞的内部。

在所述缸体气体通道与所述有压气体源之间或者在所述缸体气体通道与所述气体振荡储气囊之间设有正时控制装置。

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。

当所述缸体气体通道为多个时，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，所述密封气体通道与所述正时切换结构体密封转动接触。

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。

本实用新型所谓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。本实用新型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。本实用新型所谓的气体振荡储气囊是指具有振荡功能的腔体容器，可以是圆形、矩形等。

本实用新型中所谓的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。

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。

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。

本实用新型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。

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。

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是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型实施例3的结构示意图；

图4是本实用新型实施例4的结构示意图；

图5和图6是本实用新型实施例5的结构示意图；

图7和图8是本实用新型实施例6的结构示意图；

图9和图10是本实用新型实施例7的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的气体占位悬浮活塞发动机，包括气缸1和活塞2，在与活塞2的活塞上止点对应的气缸1上的上止点21和与活塞2的活塞下止点对应的气缸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活塞2与气缸1非接触悬浮设置，在与活塞2的活塞上止点对应的气缸1上的上止点21以下的气缸1的气缸侧壁201上设有一个或多个缸体气体通道7，缸体气体通道7直接与有压气体源6连通。

实施时，有压气体源为有压氮气源。在活塞2运动的每一个行程中有压气体源6中的氮气源源不断的经由缸体气体通道7和间隙33进入气缸1，通过实验或/和理论计算，调节活塞2与气缸1之间的间隙33大小、缸体气体通道7的个数和直径大小、有压气体源6的氮气压强这几个数据，可以使得一方面在活塞2运动的每一个行程中都有有压气体源6内的氮气源源不断的由间隙33进入气缸1，即在活塞2运动的每一个行程中都有有压气体源6内的氮气源源不断的充满间隙33，从而防止间隙33中产生氮氧化物；另一方面经由间隙33进入气缸1的氮气的量足够的少，以至于其对气缸内的爆炸燃烧产生的影响非常的小，可以忽略不计。

此外，当缸体气体通道7设置在气缸侧壁201上时，缸体气体通道7可以设置在上止点21和下止点22之间，并且缸体气体通道7靠近下止点22设置。

实施例2

如图2所示的气体占位悬浮活塞发动机，活塞2全部或部分设置在气缸1内，活塞2在气缸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气缸1非接触悬浮设置，在气缸1的侧壁上设有一个或多个缸体气体通道7，在缸体气体通道7的外部设有气体振荡储气囊110，缸体气体通道7与气体振荡储气囊110连通。

众所周知，如果在一个封闭容器A的壁上设有小孔C，此小孔C将该封闭容器的内腔与气体外界B联通，此时如果气体外界B的压强发生波动，封闭容器A内的压强也会波动，但是封闭容器A内的压强的波动相对于气体外界B的压强波动存在滞后，这种滞后关系会导致气体外界B中的气体流进流出小孔C的方向和量的变化，这样，好比气体在封闭容器A和气体外界B之间振荡一样。

在本实用新型中，利用了这种原理，将缸体气体通道7与气体振荡储气囊110连通。在爆炸作功冲程开始时气缸1内的压力迅速升高，气缸1内的高压迫使爆炸燃烧后产生的废气先后通过间隙33和缸体气体通道7进入气体振荡储气囊110，并且一定量的废气储存在气体振荡储气囊110中。在爆炸作功冲程的末期、排气冲程、吸气冲程和压缩冲程中，气缸1内的压力降低，储存在气体振荡储气囊110中的部分气体又反向通过缸体气体通道7和间隙33回流到气缸1内，如此循环反复。通过实验或/和理论计算，调节间隙33大小、缸体气体通道7的个数和直径大小、气体振荡储气囊110的体积这几个数据，可以使得一方面在整个吸气和压缩冲程中，气体振荡储气囊110内废气的压强依然大于气缸1内的压强，即保证在整个吸气和压缩冲程中活塞2与气缸1之间的间隙33中始终充满气体振荡储气囊110中流出的废气，从而防止新鲜空气进入间隙33，降低间隙33中产生氮氧化物的机率；另一方面使得气体振荡储气囊110通过缸体气体通道7和间隙33流入气缸1废气的量足够的少，以至于其对发动机的吸气量、燃烧状况和发动机效率的影响足够小以至于可以忽略不计。本设计的优势还在于，起到平衡气缸1内压力的作用，使得发动机的工作更加的平稳。

实施例3

如图3所示的气体占位悬浮活塞发动机，其与实施例2的区别在于：缸体气体通道7设置在活塞悬浮段侧壁202上，气体振荡储气囊110设置在活塞2的内部。

实施例4

如图4所示的气体占位悬浮活塞发动机，活塞2全部或部分设置在气缸1内，活塞2在气缸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气缸1非接触悬浮设置，在气缸1的侧壁上设有一个或多个缸体气体通道7，缸体气体通道7直接或间接与有压气体源6连通。在缸体气体通道7与有压气体源6之间设有正时控制装置5。实施时，有压气体源为有压水蒸气源。正时控制装置5控制缸体气体通道7只在吸气和压缩冲程打开，从而防止该两个冲程中新鲜空气进入间隙33中，从而降低间隙33中产生氮氧化物的机率。

实施例5

如图5和图6所示的气体占位悬浮活塞发动机，在活塞2的外表面设活塞隔热结构3，和/或在活塞2的活塞内顶壁上和/或活塞内侧壁上设活塞隔热结构3，活塞隔热结构3设为活塞隔热夹层31或活塞隔热层32或活塞隔热夹层31和活塞隔热层32的组合；和/或气缸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，气缸隔热结构4设为气缸隔热夹层41或气缸隔热层42或气缸隔热夹层41和气缸隔热层42的组合。

实施例6

如图7和图8所示的气体占位悬浮活塞发动机，在气缸1的侧壁上设有多个缸体气体通道7的结构中，在缸体气体通道7的外侧设有连通气体通道结构体71，每个缸体气体通道7与连通气体通道结构体71连通，连通气体通道结构体71经正时控制装置5与有压气体源6连通。

实施例7

如图9和图10所示的气体占位悬浮活塞发动机，正时控制装置5设为电磁阀式正时控制装置，或正时控制装置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，正时切换结构体9设置在气缸1的外侧，并与气缸1的外侧壁密封转动接触，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，结构体气体通道91经正时驱动结构10受正时驱动机构11控制与缸体气体通道7连通和断开，在正时切换结构体9的外侧壁处设有密封气体通道72，密封气体通道72与正时切换结构体9密封转动接触，密封气体通道72与有压气体源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。正时驱动机构可是机械式、电磁式或液压式。

如图1、2、3、4、5、6、7或9所示的气体占位悬浮活塞发动机，活塞2和气缸1在下止点22以外的部分密封滑动接触。

如图1、2、3、4、5、6、7或9所示的气体占位悬浮活塞发动机，在气缸1的下部设有冷却水套8。

Claims (10)

1.一种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：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)以下的所述气缸(1)的气缸侧壁(201)上和/或在所述活塞(2)的活塞悬浮段侧壁(202)上设有缸体气体通道(7)；

所述缸体气体通道(7)与有压气体源(6)连通；或设置气体振荡储气囊(110)，所述缸体气体通道(7)与所述气体振荡储气囊(110)连通。

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

3.如权利要求1所述气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：当所述缸体气体通道(7)设置在所述活塞悬浮段侧壁(202)上时，所述气体振荡储气囊(110)设置在所述活塞(2)的内部。

4.如权利要求1或2或3所述气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：在所述缸体气体通道(7)与所述有压气体源(6)之间或者在所述缸体气体通道(7)与所述气体振荡储气囊(110)之间设有正时控制装置(5)。

5.如权利要求4所述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。

6.如权利要求4所述气体占位悬浮活塞发动机，其特征在于：当所述缸体气体通道(7)为多个时，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。

7.如权利要求4所述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。

8.如权利要求7所述气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，所述密封气体通道(72)与所述正时切换结构体(9)密封转动接触。

9.如权利要求4所述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。

10.如权利要求4所述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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