CN202900410U - 塞控同缸u流活塞热动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构、控制气缸和控制活塞，所述控制气缸与所述活塞气缸机构的工作气缸连通，所述控制活塞设在所述控制气缸内，所述控制活塞受活塞后上止点非正弦控制机构控制，所述控制气缸的直径小于所述工作气缸的直径，在工质包络上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门，在所述排气口处设排气门。本实用新型所公开的塞控同缸U流活塞热动力系统扭矩大、效率高、环保性好，而且振动小，适合于在潜艇上使用。

Description

塞控同缸U流活塞热动力系统

技术领域

本实用新型涉及热能与动力领域，尤其是一种热动力系统。 

背景技术

传统内燃机，当活塞处于压缩冲程的上止点时，活塞上方留有燃烧室容积，在这种结构下，燃烧室内压力最高点时活塞对曲轴的扭矩很小，甚至为零，这大大影响了发动机的效率和扭矩。因此，需要发明一种缸内气体处于最高压力时活塞处于对曲轴具有较大扭矩的位置的热动力系统。 

发明内容

本实用新型要解决的问题在于提供一种塞控同缸U流活塞热动力系统，该热动力系统扭矩大、效率高、环保性好，而且振动小，适合于在潜艇上使用。 

本实用新型要解决的另一个问题在于提供一种提高所述塞控同缸U流活塞热动力系统效率的方法。 

为了解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案： 

一种塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构、控制气缸和控制活塞，所述控制气缸与所述活塞气缸机构的工作气缸连通，所述控制活塞设在所述控制气缸内，所述控制活塞受活塞后上止点非正弦控制机构控制，所述控制气缸的直径小于所述工作气缸的直径，在工质包络上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门，在所述排气口处设排气门。 

所述控制气缸和所述工作气缸之间设过渡通道。 

在所述工作气缸上和/或在所述控制气缸上设燃料入口。 

在所述工作气缸上，和/或在所述过渡通道上，和/或在所述工作气缸与所述过渡通道的连接处设燃料入口。 

在所述工作气缸上和/或在所述控制气缸上设点火装置。 

在所述工作气缸上，和/或在所述过渡通道上，和/或在所述工作气缸与所 述过渡通道的连接处设点火装置。 

所述控制气缸设为滑动控制气缸，所述滑动控制气缸经所述进气口或所述排气口与所述工作气缸连通，连通所述进气口的进气道或连通所述排气口的排气道与所述滑动控制气缸密封滑动配合，所述滑动控制气缸受气缸非正弦控制机构控制，控制所述进气道或所述排气道与所述工作气缸连通或断开。 

所述工作气缸设为滑动工作气缸，所述滑动工作气缸受气缸非正弦控制机构控制，控制连通所述进气口的进气道或连通所述排气口的排气道与所述滑动工作气缸的内部空间连通或断开。 

所述控制气缸的气缸排出量大于或等于在同一时间段内所述工质气缸内设置的工作活塞下行时所述工作气缸的体积变化量。 

一种塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构、控制气缸和控制活塞，所述控制气缸与所述活塞气缸机构的工作气缸连通，所述控制活塞设在所述控制气缸内，所述控制活塞受控制活塞正弦控制机构控制，所述控制气缸的直径小于所述工作气缸的直径，所述控制活塞正弦控制机构的转速大于或小于所述活塞气缸机构的工作活塞正弦控制机构的转速，在工质包络上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门，在所述排气口处设排气门。 

一种塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构控制气缸和控制活塞，所述控制气缸与所述活塞气缸机构的工作气缸连通，所述控制活塞设在所述控制气缸内，所述控制活塞受控制活塞正弦控制机构控制，所述控制气缸的直径等于所述活塞气缸机构的工作气缸的直径，在工质包络上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门，在所述排气口处设排气门；所述控制活塞的行程小于所述活塞气缸机构的工作活塞的行程，所述控制活塞正弦控制机构的转速大于或小于所述活塞气缸机构的工作活塞正弦控制机构的转速。 

所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的上方容积与所述工作活塞的截面积之比小于5mm。 

所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的上方容积与所述工作活塞的截面积和直径的乘积之比小于5:100。 

所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照吸气冲程-压送冲程-回流燃烧做功 冲程-排气冲程的四冲程工作模式工作，或所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照吸气冲程-压送冲程-燃烧回流做功冲程-排气冲程的四冲程工作模式工作。 

所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气压送冲程-回流燃烧做功冲程的二冲程工作模式工作，或所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气压送冲程-燃烧回流做功冲程的二冲程工作模式工作。 

所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气短压程压送冲程-回流燃烧做功冲程的二冲程工作模式工作，或所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气短压程压送冲程-燃烧回流做功冲程的二冲程工作模式工作。 

一种提高所述塞控同缸U流活塞热动力系统的效率的方法，调整即将开始做功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始做功的气体工质的压力到15MPa以上，使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。 

本实用新型中，当所述工作活塞处于上止点时，所述工作活塞的上方容积（不包括所述控制气缸内的容积）较小，是利用所述控制气缸来容纳在所述工作气缸内被压缩的气体工质；所谓的控制气缸是指用来存储在所述工作活塞处于压缩冲程上止点时由所述工作气缸导出的工质的气缸；所谓控制活塞是指设置在所述控制气缸内，用来控制工质导入导出所述控制气缸的活塞。 

本实用新型中，所述进气门、排气门以及燃料入口的控制，可根据发动机领域的公知技术进行正时控制。 

本实用新型所公开的所述塞控同缸U流活塞热动力系统可以按照二冲程工作模式工作，也可以按照四冲程工作模式工作，还可以按照其他冲程工作模式工作，具体情况下应根据公知技术调整所述活塞后上止点非正弦控制机构或所述气缸非正弦控制机构的控制方式。 

本实用新型中，所谓的工质包络是指由活塞和与所述活塞相配合的腔体所构成的容纳气体工质的空间的壁，例如由活塞、气缸和气缸盖构成的容纳气体工质的空间的壁，再例如由相互对置设置的两个活塞和气缸构成的容纳气体工质的空间的壁，还例如由两个以上相互对置设置的活塞、与每个活塞相配合的 气缸以及连通这些所述气缸的气缸连通腔体构成的容纳气体工质的空间的壁。 

本实用新型中，所谓的压送冲程是指所述工作活塞对所述工作气缸内的气体工质进行压缩并将被压缩的气体工质部分或全部压送到所述控制气缸内的过程； 

所谓的回流燃烧做功冲程是指所述工作活塞完成压送冲程后开始离开上止点时所述控制活塞将所述控制气缸内的气体工质回流到所述工作气缸内并发生燃烧爆炸做功的过程。 

所谓的燃烧回流做功冲程是指所述工作活塞完成压送冲程后开始离开上止点时在所述控制气缸内发生燃烧化学反应后所述控制活塞将所述控制气缸内的气体工质回流到所述工作气缸内并膨胀做功的过程。 

本实用新型中，在进气为有压气体的前提下（例如经涡轮增压系统压缩后的气体以及经所述活塞背部压缩的气体（如同二冲程进气模式）），当所述工作活塞处于下止点时，所述排气门和所述进气门都打开，利用进入所述工作气缸的有压气体将原存在于所述工作气缸内的废气经所述排气门以扫气的形式排出后，所述排气门关闭，所述进气门也关闭，所述工作活塞上行对所述工作气缸内的气体进行压缩，直至所述工作活塞运行至上止点时，所述工作活塞将被压缩的气体部分或全部压送到所述控制气缸内，这一过程称为进气扫气压气供气冲程。 

本实用新型中，所公开的塞控同缸U流活塞热动力系统是设在所述工作气缸内的工作活塞处于上止点时，所述工作活塞的上方容积（不包括相应的控制气缸的容积）可忽略不计或远远小于同一排量的传统发动机燃烧室容积，并所述控制活塞受所谓的后上止点非正弦控制机构控制的热动力系统。所谓的后上止点非正弦控制机构是指在所述工作气缸内的工作活塞处于上止点后时将控制气缸内的气体导入所述工作气缸内的控制机构。 

本实用新型中，所谓的活塞后上止点非正弦控制机构是指当所述工作气缸内的工作活塞处于压缩冲程上止点时使所述控制活塞处于下止点，而所述工作活塞在做功冲程中下行时使所述控制活塞由下止点移动到上止点将所述控制气缸内的工质导入所述工作气缸内的控制机构；本实用新型中，所述活塞后上 止点非正弦控制机构可以是机械控制系统（如凸轮控制机构）、液压控制系统、电磁控制系统和电子控制系统，或者它们的各种组合控制系统。 

本实用新型中，所谓的气缸非正弦控制机构是指能够使所述工作气缸（和所述控制气缸）沿其轴线按正时配气关系的要求发生滑动的控制机构，例如机械控制系统（如凸轮控制机构）、液压控制系统、电磁控制系统、电子控制系统，或者它们的各种组合控制系统。 

本实用新型中，所述塞控同缸U流活塞热动力系统的燃料入口可以设置在所述控制气缸上，也可以设置在所述工作气缸上，还可以同时设置在所述工作气缸和所述控制气缸上，而且可以设置在所述过渡通道上。 

本实用新型中，所述塞控同缸U流活塞热动力系统的所述进气门可以设置在所述活塞气缸机构的气缸盖上，也可以设置在所述活塞气缸机构的所述工作气缸的侧壁上；所述排气门可以设置在所述活塞气缸机构的气缸盖上，也可以设置在所述活塞气缸机构的所述工作气缸的侧壁上。 

本实用新型中，所谓的进气门是指由进气通道和启闭结构体构成的能够完成进气控制功能的机构，所谓的进气通道是指连通所述工作气缸内外的通道，所谓启闭结构体是指具有一定形状的，能够将所述进气通道打开或关闭的结构体，例如传统发动机的进气座口和进气门。在进气门设置在所述工作气缸侧壁的结构中，所述进气通道设置在所述工作气缸的侧壁上，所述启闭结构体可以设为活塞。 

本实用新型所公开的塞控同缸U流活塞热动力系统可以采用后上止点燃烧的方式，所谓的后上止点燃烧是指所述工作活塞处于上止点时的上方容积（不包括所述控制气缸内的容积）很小，而当所述工作活塞离开上止点一定距离后所形成的上方容积（此时，所述控制活塞处于上止点，即所述控制气缸内与所述工作气缸连通的容积为零或可忽略不计）作为燃烧室。 

本实用新型中，所公开的塞控同缸U流活塞热动力系统工作在二冲程模式时，要在所述塞控同缸U流活塞热动力系统的进气道上设置增压装置，以达到进气扫气的目的。 

本实用新型中，所谓的短压程是指所述活塞气缸机构的所述工作气缸中的 所述工作活塞的压缩冲程的长度小于其膨胀做功冲程的长度，从而构成米勒循环；为了实现这一工作状态，可以使所述进气门和/或所述排气门滞后关闭，也可以使所述进气门在排气冲程进行到一定程度时打开进行进气扫气后关闭。 

本实用新型中，为了实现短压程工作模式，可以将所述进气门设置在所述活塞气缸机构的气缸盖上，也可以将所述进气门设在所述工作气缸的侧壁的下部（位于所述工作活塞的下止点的上方）用所述工作活塞代替所述进气门的启闭结构体，还可以将所述进气门设在所述工作气缸的侧壁的中间部位。 

本实用新型中，所述塞控同缸U流活塞热动力系统工作在本实用新型所公开的二冲程模式或四冲程模式时，是在传统的配气控制机构（如凸轮控制机构、液压控制机构等）和本实用新型所公开的控制机构（包括活塞后上止点非正弦控制机构、气缸非正弦控制机构、控制活塞正弦控制机构、工作活塞正弦控制机构）共同控制下完成的；也可以使本实用新型所公开的控制机构同时具有控制所述进气门、所述排气门和燃料供给系统的功能。 

本实用新型中，可以在所述塞控同缸U流活塞热动力系统的压缩过程中进行冷却，和/或在所述控制气缸上设置冷却装置对压缩完了后的气体进行冷却，进而提高系统的效率。 

本实用新型中，所述控制气缸和所述控制活塞设置的目的是为了使所述工作活塞离开上止点一定距离时（即曲轴转角达到一定程度时），也就是所述工作活塞处于对曲轴有一定的力臂时，所述工作活塞的上方容积（含所述控制气缸内的容积）达到设定的要求，而且此时所述工作活塞上方的气体的压力处于最大或接近最大的状态，以达到提高发动机的效率和扭矩的作用。 

本实用新型中，所谓的正弦控制机构是指曲柄连杆机构。 

本实用新型中，通过对所述活塞后上止点非正弦控制机构进行调整，实现所述控制活塞的行程的改变，达到改变所述工作活塞处于上止点时的所述工作活塞上方容积（包括所述控制气缸内的容积），最终实现改变所述活塞气缸机构的压缩比。 

本实用新型中，所谓的过渡通道是指连通所述控制气缸和所述工作气缸的通道。 

本实用新型中，所谓的滑动控制气缸是指可以沿自身轴线方向往复滑动的控制气缸，当所述滑动控制气缸向远离所述工作气缸的方向滑动时，在所述滑动控制气缸和所述工作气缸之间形成气体可以进入或排出的通道，此通道作为所述工作气缸的配气通道（即相当于进气道或排气道），而当所述滑动控制气缸向趋近所述工作气缸的方向滑动并最终与所述工作气缸密封连通时，上述配气通道被关闭，换句话说，所述滑动控制气缸相当于一个配气门，所述滑动控制气缸配气通道与本段中上述配气通道连通。 

本实用新型中，所谓的滑动工作气缸是指可以沿自身轴线方向往复滑动的工作气缸，当所述滑动工作气缸向远离所述控制气缸的方向滑动时，在所述滑动工作气缸和所述控制气缸之间形成气体可以进入或排出的通道，此通道作为所述工作气缸的配气通道（即相当于进气道或排气道），而当所述滑动工作气缸向趋近所述控制气缸的方向滑动并最终与所述控制气缸密封连通时，上述配气通道被关闭，换句话说，所述滑动工作气缸相当于一个配气门，所述滑动工作气缸配气通道与此段上述配气通道连通。 

本实用新型中，“所述控制活塞正弦控制机构的转速大于或小于所述活塞气缸机构的工作活塞正弦控制机构的转速”是指为了实现不仅能够对缸内气体进行压缩，而且能够实现当所述工作活塞远离上止点对曲轴有一定力臂时所述工作活塞上方容积达到要求，并且所述工作活塞上方容积内的气体压力达到要求。 

本实用新型中，“所述控制气缸的气缸排出量大于或等于在同一时间段内所述工作活塞下行时所述工作气缸的体积变化量”是为了实现所述活塞气缸机构内的气体在发生燃烧化学反应之前气体体积不发生膨胀，而只是气体的平移过程，或在回送过程中发生压缩。 

本实用新型的原理是：在所述工作气缸内对缸内气体进行压缩并将压缩程度达到要求的气体移送到所述控制气缸内（即当所述工作活塞达到上止点状态时，所述工作气缸内的气体全部或接近全部被移送到所述控制气缸内），随着所述工作活塞离开上止点下行，再将存储于所述控制气缸内的气体移送到所述工作气缸内，以维持此时所述工作活塞上方容积内的压力；从燃烧化学反应发 生的空间位置来说，燃烧化学反应可以发生在所述工作气缸内、所述控制气缸内、和/或所述过渡通道内；从燃烧化学反应的时间相位来说，燃烧化学反应可以在所述工作活塞处于上止点前、上止点和/或上止点后的任意时间内发生。 

本实用新型中，所述滑动控制气缸与所述活塞气缸机构的密封配合处可以设置在所述气缸盖上，可以设置在所述滑动控制气缸与所述过渡通道的连接处，可以设置在所述过渡通道上，也可以设置在所述过渡通道与所述气缸盖的连接处；所述密封配合处可以采用锥形密封结构。 

本实用新型中，所述控制气缸和所述控制活塞的作用是实现配气控制功能。 

本实用新型中，所述滑动工作气缸与所述气缸盖的密封配合处可以采用锥形密封结构。 

本实用新型中，所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的上方容积与所述工作活塞的截面积之比小于4.8mm、4.6mm、4.4mm、4.2mm、4mm、3.8mm、3.6mm、3.4mm、3.2mm、3mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.4mm、1.2mm、1mm、0.8mm、0.6mm、0.4mm或小于0.2mm。 

本实用新型中，所谓的“所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的上方容积与所述工作活塞的截面积之比小于5mm”是指所述工作活塞处于上止点时，所述工作活塞上表面、缸盖下表面和所述工作气缸内表面所形成的空间的容积（V）与所述活塞的截面积（S）的比值小于5mm，即V/S<5mm。 

本实用新型中，所谓的“所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的上方容积与所述工作活塞的截面积和直径的乘积之比小于5:100”是指所述工作活塞处于上止点时，所述工作活塞上表面、缸盖下表面和所述工作气缸内表面所形成的空间的容积（V）与所述活塞的截面积（S）和直径（D）的乘积之比小于5:100，即V/（S×D）<5:100。 

本实用新型中，所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的上方容积与所述工作活塞的截面积和直径的乘积之比小于 4.8:100、4.6:100、4.4:100、4.2:100、4:100、3.8:100、3.6:100、3.4:100、3.2:100、3:100、2.8:100、2.6:100、2.4:100、2.2:100、2:100、1.8:100、1.6:100、1.4:100、1.2:100、1:100、0.8:100、0.6:100、0.4:100或小于0.2:100。 

本实用新型中，在所述活塞气缸机构处于压缩冲程时，可以在压缩过程中向所述气缸内喷入膨胀剂，用来实现压缩过程中的冷却，实现近似恒温压缩，进而提高系统的效率。 

本实用新型中，所谓的膨胀剂是指不参与燃烧化学反应起冷却和调整做功工质摩尔数并膨胀做功的工质，可以是气体或液体，如水蒸气、二氧化碳、氦气、氮气、水和气体液化物等。所谓的气体液化物是指被液化的气体，如液化空气、液体二氧化碳、液氦、液氮等。 

本实用新型中，在一个热动力系统中，可以设置两个或多个所述活塞气缸机构构成多缸发动机。 

本实用新型中，所谓活塞气缸机构是指内部设有活塞的气缸机构。 

本实用新型中，所谓的气缸排量是指活塞在气缸内从上止点运动到下止点的过程中所引起的气缸内的容积变化量。 

本实用新型中，图12是气体工质分别通过几个特殊状态点的温度T和压力P的绝热关系曲线对比图，O-A-H所示曲线是通过状态参数为298K和0.1MPa的O点的气体工质绝热关系曲线；B点为气体工质的实际状态点，E-B-D所示曲线是通过B点的气体工质绝热关系曲线，A点和B点的压力相同；F-G所示曲线是通过2800K和10MPa（即目前内燃机中即将开始做功的气体工质的状态）状态点的工质绝热关系曲线。本实用新型中，图12中的

中的K是气体工质绝热指数，P是气体工质的压力，T是气体工质的温度，C是常数。 

本实用新型中，所谓的类绝热关系包括下列三种情况：1.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线上，即气体工质的状态参数点在图12中O-A-H所示曲线上；2.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线左侧，即气体工质的状态参数点在图12中O-A-H所示曲线的左侧；3.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线右侧，即气体工质的状态参数点在图12中OA-H所 示曲线的右侧，并且气体工质的温度不高于由此气体工质的压力按绝热关系计算所得温度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加110K的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高于加20K的和，即如图12所示，所述气体工质的实际状态点为B点，A点是压力与B点相同的绝热关系曲线上的点，A点和B点之间的温差应小于1000K、950K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、120K、110K、100K、90K、80K、70K、60K、50K、40K、30K或小于20K。 

本实用新型中，所谓类绝热关系可以是上述三种情况中的任何一种，也就是指：即将开始做功的气体工质的状态参数（即气体工质的温度和压力）点在如图12所示的通过B点的绝热过程曲线E-B-D的左侧区域内。 

本实用新型中，所谓的即将开始做功的气体工质是指即将膨胀做功的气体工质。 

本实用新型中，将即将开始做功的气体工质的状态参数（即气体工质的温度和压力）符合类绝热关系的发动机系统（即热动力系统）定义为低熵发动机。 

本实用新型中，调整向所述工作气缸导入燃料的量以及所述压送冲程后的气体工质的温度和压力，进而调整即将开始做功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始做功的气体工质的压力到15MPa以上，使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。 

本实用新型中，所谓的燃料是指一切化学燃烧意义上能和氧发生剧烈的氧化还原反应的物质，可以是气体、液体或固体，在这里主要包括汽油、柴油、天然气、甲烷、丙烷、酒精、氢气、液化燃料和煤气等碳氢化合物或碳氢氧化合物。所谓的液化燃料是指被液化的在常温常压状态下为气态的燃料。 

本实用新型中，所述燃料可以是热摩可调燃料，所谓热摩可调燃料是指燃料和膨胀剂的混合物，通过调节燃料在混合物中所占的比例来调整所述热摩可调燃料的热值和摩尔数，它可以是醇类的水溶液（如乙醇水溶液、甲醇水溶液等），也可以是醇类、碳氢化合物和水的混合溶液（如乙醇、水和柴油的混合溶液，乙醇、水和汽油的混合溶液等），它还可以是几种不同的醇类、碳氢化合物和膨胀剂的混合物，如乙醇、甲醇、柴油、汽油和水的混合物；不仅如此，热摩可调燃料中的燃料可以由多种燃料构成，膨胀剂也可以由多种膨胀剂构成。所述热摩可调燃料的作用是为了减少系统储罐的数量，并可使以水为膨胀剂的系统防冻、防腐，而且使结构简单，减少系统的体积和造价。 

本实用新型中，所谓的燃料入口是指可导入燃料的接口，可以与燃料喷嘴或其它一切可供送燃料的装置或系统连通。 

本实用新型中，应根据公知技术在必要的地方设必要的部件、单元和系统，例如在所述工作气缸的燃烧室上设有进气道、排气道、进气门、排气门以及其相匹配的配气控制机构等。 

本实用新型的有益效果如下: 

本实用新型所公开的塞控同缸U流活塞热动力系统扭矩大、效率高、环保性好，而且振动小，适合于在潜艇上使用。 

附图说明

图1所示的是本实用新型实施例1的结构示意图； 

图2所示的是本实用新型实施例2的结构示意图； 

图3所示的是本实用新型实施例3的结构示意图； 

图4所示的是本实用新型实施例4的结构示意图； 

图5所示的是本实用新型实施例5的结构示意图； 

图6所示的是本实用新型实施例6的结构示意图； 

图7所示的是本实用新型实施例7的结构示意图； 

图8所示的是本实用新型实施例8的结构示意图； 

图9所示的是本实用新型实施例9的结构示意图； 

图10所示的是本实用新型实施例10的结构示意图； 

图11所示的是本实用新型实施例11的结构示意图； 

图12是气体工质的温度T和压力P的三条绝热关系曲线比较图， 

图中： 

1活塞气缸机构、2控制气缸、3气缸盖、4控制活塞、5活塞后上止点非正弦控制机构、6工作气缸、7过渡通道、8燃料入口、9排气道、10气缸非正弦控制机构、12工作活塞、13点火装置、14控制活塞正弦控制机构、15工作活塞正弦控制机构、18进气门、19排气门、21滑动控制气缸、31进气道、33增压装置、61滑动工作气缸、62内部空间。 

具体实施方式

实施例1 

如图1所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构1、控制气缸2和控制活塞4，所述活塞气缸机构1包括工作气缸6和工作活塞12，所述控制气缸2与所述工作气缸6连通，所述工作活塞12设在所述工作气缸6内，所述控制活塞4设在所述控制气缸2内，所述控制活塞4受活塞后上止点非正弦控制机构5控制，所述控制气缸2的直径小于所述工作气缸6的直径，在工质包络上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门18，在所述排气口处设排气门19。 

本实施例中，所述控制气缸2与所述工作气缸6的气缸盖3连通，所述进气口和所述排气口设在所述工作气缸6的气缸盖3上。 

由于所述控制气缸2与工所述作气缸6连通，所述工作活塞12处于其上止点A时，所述控制活塞4处于其下止点D，此时，所述工作活塞12的上方容积很小(不包括所述控制气缸2内的容积)，可忽略不计，所述工作气缸6内几乎没有气体工质；当所述工作活塞12向下运动离开上止点A时，所述控制活塞4将所述控制气缸2内的工质移送至所述工作气缸6内，此时，所述燃料入口8和所述点火装置13进行喷油点火，产生的高温高压工质，推动工作活塞12对外做功后，经排气口排出工作气缸6。 

其具体工作过程如下： 

吸气冲程：所述工作活塞12从其上止点A运动至下止点B。所述控制活塞4处于其上止点C不动，只有所述进气门18可开启。 

压送冲程：所述工作活塞12从其下止点B运动至上止点A。所述工作活塞12上行，所述控制活塞4从上止点C向下止点D运动，当所述控制活塞4到达下止点D时，所述工作活塞12运动到上止点A，从而将所述工作气缸6内的气体全部或接近全部被压送到所述控制气缸2内。 

回流燃烧做功冲程：所述工作活塞12从其上止点A运动至下止点B。在所述活塞后上止点非正弦控制机构5的控制下，所述控制活塞4从其下止点D向其上止点C运动，所述工作活塞12下行，此时，所述控制气缸2的气缸排出量大于或等于在同一时间段内所述工作活塞12下行时所述工作气缸6的体积变化量，以保证气体不膨胀，即始终处于压缩传送或压力不变的平移传送状态，直至所述控制活塞4到达上止点C，将所述控制气缸2内的气体导入所述工作气缸6内，在此过程中所述工作活塞12越过上止点A到达形成所述燃烧室的位置时，喷油点火燃烧膨胀做功，此时，所述活塞气缸机构1的曲柄与工作气缸中心线的夹角大于0°，活塞对曲轴的扭矩大，效率高，从而改变传统发动机工作气缸在上止点时燃烧爆炸做功时扭矩小、效率低的问题。当所述工作活塞12运动至下止点B时，回流燃烧做功冲程结束。优选的，曲柄与工作气缸中心线的夹角为5～45°时，效率较高。 

排气冲程：所述控制活塞4处于上止点C不动，所述进气门18关闭，所述排气门19开启，所述工作活塞12上行运动至上止点A，将所述工作气缸6内的气体排出，排气完成，所述排气门19关闭。 

本实施例的热动力系统按照上述吸气冲程-压送冲程-回流燃烧做功冲程-排气冲程的四冲程工作模式循环工作。 

所述控制活塞4处于下止点D时处于上止点C时的所述活塞气缸机构1的工作活塞12的上方容积与所述工作活塞12的截面积之比小于5mm，并且所述控制活塞4处于下止点D时处于上止点C时的所述活塞气缸机构1的工作活塞12的上方容积与所述工作活塞12的截面积和直径的乘积之比小于5:100。 

为了提高所述塞控同缸U流活塞热动力系统的效率，调整向所述工作气缸 导入燃料的量以及所述压送冲程后的气体工质的温度和压力，进而调整即将开始做功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始做功的气体工质的压力到15MPa以上，使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。 

所谓的活塞后上止点非正弦控制机构5是指当所述工作气缸内的工作活塞处于压缩冲程上止点时使所述控制活塞处于下止点，而所述工作活塞在做功冲程中下行时使所述控制活塞由下止点移动到上止点将所述控制气缸内的工质导入所述工作气缸内的控制机构，本实施例中，采用凸轮控制机构。 

具体实施时，所述活塞后上止点非正弦控制机构5还可以是液压控制系统、电磁控制系统和电子控制系统，或者它们的各种组合控制系统；所述进气口和排气口设置在所述工作活塞4上，或设置在所述控制活塞4上，或设置在所述控制气缸2上；可选择地，所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的截面积之比还可以是小于4.8mm、4.6mm、4.4mm、4.2mm、4mm、3.8mm、3.6mm、3.4mm、3.2mm、3mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.4mm、1.2mm、1mm、0.8mm、0.6mm、0.4mm或小于0.2mm；可选择地，所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的截面积和直径的乘积之比还可以是小于4.8:100、4.6:100、4.4:100、4.2:100、4:100、3.8:100、3.6:100、3.4:100、3.2:100、3:100、2.8:100、2.6:100、2.4:100、2.2:100、2:100、1.8:100、1.6:100、1.4:100、1.2:100、1:100、0.8:100、0.6:100、0.4:100或小于0.2:100。 

实施例2 

如图2所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述控制气缸2和所述工作气缸6之间设过渡通道7，所述过渡通道7的直径小于所述控制气缸2的直径。 

可选择地，在所述工作气缸6上，和/或在所述过渡通道7上，和/或在所述工作气缸6与所述过渡通道7的连接处设燃料入口8；在所述工作气缸6上，和/或在所述过渡通道7上，和/或在所述工作气缸6与所述过渡通道7的连接处设点火装置13。 

实施例3 

如图3所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，其与实施例1的区别在于：在所述活塞气缸机构1的气缸盖3上设燃料入口8和点火装置13，气体工质在所述工作气缸6内发生燃烧化学反应。 

可选择地，所述燃烧化学反应可以在所述工作气缸内、所述控制气缸内、和/或所述过渡通道内发生；燃烧化学反应可以在所述工作活塞处于上止点前、上止点和/或上止点后的任意时间内发生。 

实施例4 

如图4所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，其与实施例2的区别在于：所述过渡通道7上设燃料入口8和点火装置13，本实施例按照吸气冲程-压送冲程-回流燃烧做功冲程-排气冲程的四冲程工作模式工作：与实施例1的工作模式不同之处在于，在压送冲程完成后，所述工作活塞12从其上止点A运动向下止点B运动，当所述活塞气缸机构1的曲柄与工作气缸中心线的夹角大于0°时，气体工质在所述过渡通道7内通过所述点火装置13点燃发生燃烧化学反应，产生的高温高压工质推动所述工作活塞12做功。 

具体实施时，所述燃料入口8和所述点火装置13还可以设置在所述活塞气缸机构1的气缸盖3上，和/或在所述过渡通道7上，和/或在所述气缸盖3与所述过渡通道7的连接处，用以实现燃料的预燃或分级燃烧。 

实施例5 

如图5所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述控制气缸2设为滑动控制气缸21，所述滑动控制气缸21经所述排气口与所述工作气缸6连通，与所述排气口连通的排气道9与所述滑动控制气缸21密封滑动配合，所述滑动控制气缸21受气缸非正弦控制机构10控制，控制所述排气道9与所述工作气缸6连通或断开。 

本实施例中，采用所述滑动控制气缸21与所述排气道9密封滑动配合，起到开关排气口的所述排气门19作用；在所述活塞气缸机构1的进气道上设增压装置33，所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气压送冲程-回流燃烧做功冲程的二冲程工作模式工作，具体工作如下： 

在所述进气扫气排气压送冲程中，所述工作活塞12从下止点B运动到上 止点A，进行排气、进气、扫气、压气和供气的过程，在此过程中，首先所述滑动控制气缸21的上行，所述排气道9开启进行排气，开启一段时间后所述进气门18开启进行扫气，扫气之后控制所述滑动控制气缸21使所述排气道9关闭，进气，进气完毕后所述进气门18关闭进行压气，将所述工作气缸6内的气体压送到所述滑动控制气缸21内，当所述工作活塞12到达上止点A，所述控制活塞4从上止点C向下止点D运动，当所述控制活塞4到达下止点D时，所述工作气缸6内的气体全部或接近全部被压送到所述滑动控制气缸21内，压送完成。 

在所述回流燃烧做功冲程中，所述工作活塞12从上止点A运动到下止点B，只有所述进气门18开启一段时间后关闭，在所述气体进气门18开启的这段时间内，在所述滑动控制气缸21内形成的高温高压气体的一部分充入所述工作气缸6后，在所述工作气缸6内膨胀推动所述工作活塞12下行做功。 

所述控制活塞正弦控制机构的转速大于或小于所述活塞气缸机构的工作活塞正弦控制机构的转速。 

可选择地，所述滑动控制气缸21经所述进气口与所述工作气缸6连通，所述进气门18的作用是通过所述滑动控制气缸21与所述进气道密封滑动配合来完成。 

实施例6 

如图6所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述工作气缸设为滑动工作气缸61，所述滑动工作气缸61受气缸非正弦控制机构10控制，控制所述进气道31与所述滑动工作气缸61的内部空间62连通或断开。 

本实施例中，所述进气道31与所述工作气缸6的进气口连通，所述气缸非正弦控制机构10控制所述滑动工作气缸61的气缸套的滑动及与所述进气道31和所述气缸盖3的密封配合，替代了所述进气门18的作用。所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气短压程压送冲程-燃烧回流做功冲程的二冲程工作模式工作：与实施例1的工作模式不同之处在于，在所述进气道31上设增压装置33，为所述滑动工作气缸61输入高压气体，由此，所述工作活 塞12的压缩冲程的长度小于其膨胀做功冲程的长度，从而构成米勒循环；为了实现这一工作状态，可以使所述进气门和/或所述排气门19滞后关闭，也可以使所述进气门在排气冲程进行到一定程度时打开进行进气扫气后关闭，从而实现短压程压送。 

在所述控制气缸2上设燃料入口8和点火装置13，同实施例4，在压送完成时，气体工质在控制气缸2内燃烧后，从控制气缸2回流到滑动工作气缸61内并膨胀做功，实现燃烧回流做功。 

可选择地，采用所述滑动工作气缸61的滑动来控制排气道9与所述工作气缸6连通或断开。 

实施例7 

如图7所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构1、控制气缸2和控制活塞4，所述控制气缸2经所述活塞气缸机构1的气缸盖3上通孔与所述活塞气缸机构1的工作气缸6连通，所述控制活塞4设在所述控制气缸2内，所述控制活塞4受控制活塞正弦控制机构14控制，所述控制气缸2的直径小于所述工作气缸6的直径，所述控制活塞正弦控制机构14的转速大于或小于所述活塞气缸机构1的工作活塞正弦控制机构15的转速。所述活塞正弦控制机构14设为曲柄连杆机构，在所述活塞气缸机构1的气缸盖3上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门18，在所述排气口处设排气门19。 

可选择地，所述进气口和排气口设置在所述工作活塞12上，或设置在所述控制活塞4上，或设置在所述控制气缸2上。 

为了提高所述塞控同缸U流活塞热动力系统的效率，调整向所述工作气缸导入燃料的量以及所述压送冲程后的气体工质的温度和压力，进而调整即将开始做功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始做功的气体工质的压力到15MPa以上，使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。 

具体实施时，可选择地，所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的截面积之比还可以是小于4.8mm、4.6mm、4.4mm、4.2mm、4mm、3.8mm、3.6mm、3.4mm、3.2mm、3mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.4mm、1.2mm、1mm、0.8mm、0.6mm、0.4mm或小于0.2mm； 可选择地，所述控制活塞处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构的工作活塞的截面积和直径的乘积之比还可以是小于4.8:100、4.6:100、4.4:100、4.2:100、4:100、3.8:100、3.6:100、3.4:100、3.2:100、3:100、2.8:100、2.6:100、2.4:100、2.2:100、2:100、1.8:100、1.6:100、1.4:100、1.2:100、1:100、0.8:100、0.6:100、0.4:100或小于0.2:100。 

实施例8 

如图8所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构1、控制气缸2和控制活塞4，所述控制气缸2与所述活塞气缸机构1的工作气缸6连通，所述控制活塞4设在所述控制气缸2内，所述控制活塞4受控制活塞正弦控制机构14控制，所述控制气缸2的直径等于所述活塞气缸机构1的工作气缸6的直径，所述控制活塞4的行程小于所述活塞气缸机构1的工作活塞12的行程，所述控制活塞正弦控制机构14的转速大于或小于所述活塞气缸机构1的工作活塞正弦控制机构15的转速。所述活塞正弦控制机构14设为曲柄连杆机构，在所述活塞气缸机构1的气缸侧壁上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门18，在所述排气口处设排气门19。 

可选择地，所述进气口和排气口设置在所述工作活塞4上，或设置在所述控制活塞4上，或设置在所述控制气缸2上。 

为了提高所述塞控同缸U流活塞热动力系统的效率，调整向所述工作气缸导入燃料的量以及所述压送冲程后的气体工质的温度和压力，进而调整即将开始做功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始做功的气体工质的压力到15MPa以上，使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。 

实施例9 

如图9所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述控制气缸2设置在所述气缸盖3和所述工作气缸6的相交处。 

实施例10 

如图10所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，其与实施例1的区别在于：在所述控制气缸2上设燃料入口8和点火装置13，所述进气门18设置在所述工作气缸的侧壁下部，在所述进气道上设增压装置33，所述塞控同缸U流活塞 热动力系统按照进气扫气排气压送冲程-燃烧回流做功冲程的二冲程工作模式工作。 

实施例11 

如图11所示的塞控同缸U流活塞热动力系统，其与实施例1的区别在于：在所述气缸盖3上设燃料入口8，所述进气门18设置在所述工作气缸的侧壁中部，在所述进气道上设增压装置33，所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气短压程压送冲程-回流燃烧做功冲程的二冲程工作模式工作。 

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

Claims (16)

1.一种塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构（1）、控制气缸（2）和控制活塞（4），其特征在于：所述控制气缸（2）与所述活塞气缸机构（1）的工作气缸（6）连通，所述控制活塞（4）设在所述控制气缸（2）内，所述控制活塞（4）受活塞后上止点非正弦控制机构（5）控制，所述控制气缸（2）的直径小于所述工作气缸（6）的直径，在工质包络上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门（18），在所述排气口处设排气门（19）。 

2.如权利要求1所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述控制气缸（2）和所述工作气缸（6）之间设过渡通道（7）。 

3.如权利要求1所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：在所述工作气缸（6）上和/或在所述控制气缸（2）上设燃料入口（8）。 

4.如权利要求2所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：在所述工作气缸（6）上，和/或在所述过渡通道（7）上，和/或在所述工作气缸（6）与所述过渡通道（7）的连接处设燃料入口（8）。 

5.如权利要求1所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：在所述工作气缸（6）上和/或在所述控制气缸（2）上设点火装置（13）。 

6.如权利要求2所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：在所述工作气缸（6）上，和/或在所述过渡通道（7）上，和/或在所述工作气缸（6）与所述过渡通道（7）的连接处设点火装置（13）。 

7.如权利要求1至6任一项所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述控制气缸（2）设为滑动控制气缸（21），所述滑动控制气缸（21）经所述进气口或所述排气口与所述工作气缸（6）连通，连通所述进气口的进气道或连通所述排气口的排气道与所述滑动控制气缸（21）密封滑动配合，所述滑动控制气缸（21）受气缸非正弦控制机构（10）控制，控制所述进气道或所述排气道与所述工作气缸（6）连通或断开。 

8.如权利要求1至6任一项所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述工作气缸（6）设为滑动工作气缸（61），所述滑动工作气缸（61）受气缸非正弦控制机构（10）控制，控制连通所述进气口的进气道或连通所述 排气口的排气道与所述滑动工作气缸（61）的内部空间（62）连通或断开。 

9.如权利要求1至6任一项所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述控制气缸（2）的气缸排出量大于或等于在同一时间段内所述工作气缸（6）内设置的工作活塞（12）下行时所述工作气缸（6）的体积变化量。 

10.一种塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构（1）、控制气缸（2）和控制活塞（4），其特征在于：所述控制气缸（2）与所述活塞气缸机构（1）的工作气缸（6）连通，所述控制活塞（4）设在所述控制气缸（2）内，所述控制活塞（4）受控制活塞正弦控制机构（14）控制，所述控制气缸（2）的直径小于所述工作气缸（6）的直径，所述控制活塞正弦控制机构（14）的转速大于或小于所述活塞气缸机构（1）的工作活塞正弦控制机构（15）的转速，在工质包络上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门（18），在所述排气口处设排气门（19）。 

11.一种塞控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构（1）、控制气缸（2）和控制活塞（4），其特征在于：所述控制气缸（2）与所述活塞气缸机构（1）的工作气缸（6）连通，所述控制活塞（4）设在所述控制气缸（2）内，所述控制活塞（4）受控制活塞正弦控制机构（14）控制，所述控制气缸（2）的直径等于所述活塞气缸机构（1）的工作气缸（6）的直径，在工质包络上设进气口和排气口，在所述进气口处设进气门（18），在所述排气口处设排气门（19）；所述控制活塞（4）的行程小于所述活塞气缸机构（1）的工作活塞（12）的行程，所述控制活塞正弦控制机构（14）的转速大于或小于所述活塞气缸机构（1）的工作活塞正弦控制机构（15）的转速。 

12.如权利要求1、2、3、4、5、6、10或11所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述控制活塞（4）处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构（1）的工作活塞（12）的上方容积与所述工作活塞（12）的截面积之比小于5mm。 

13.如权利要求1、2、3、4、5、6、10或11所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述控制活塞（4）处于下止点时处于上止点时的所述活塞气缸机构（1）的工作活塞（12）的上方容积与所述工作活塞（12）的截 面积和直径的乘积之比小于5:100。 

14.如权利要求1、2、3、4、5、6、10或11所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照吸气冲程-压送冲程-回流燃烧做功冲程-排气冲程的四冲程工作模式工作，或所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照吸气冲程-压送冲程-燃烧回流做功冲程-排气冲程的四冲程工作模式工作。 

15.如权利要求1、2、3、4、5、6、10或11所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气压送冲程-回流燃烧做功冲程的二冲程工作模式工作，或所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气压送冲程-燃烧回流做功冲程的二冲程工作模式工作。 

16.如权利要求1、2、3、4、5、6、10或11所述塞控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气短压程压送冲程-回流燃烧做功冲程的二冲程工作模式工作，或所述塞控同缸U流活塞热动力系统按照进气扫气排气短压程压送冲程-燃烧回流做功冲程的二冲程工作模式工作。 

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