專利名稱：自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及發(fā)動機領域。
背景技術：
自從發(fā)動機誕生以來，發(fā)動機燃燒室的高效密封一直是發(fā)動機的研發(fā)者和制造商 所追求的重中之重?，F(xiàn)代發(fā)動機活塞與氣缸套之間通過機油潤滑活塞環(huán)的設置，使活塞與 氣缸套之間滑動密封，這種結(jié)構(gòu)確實大幅度提高了發(fā)動機的密封性。但是由于氣缸套與活 塞以及與活塞環(huán)之間存在高溫滑動摩擦，所以活塞、活塞環(huán)尤其是氣缸套的材料需要具有 相當高的耐熱耐磨性能。為了維持發(fā)動機燃燒室的密封性、密封的持續(xù)性、發(fā)動機壽命以及 發(fā)動機氣缸與活塞間的低摩擦性，氣缸、活塞與活塞環(huán)就必須采用高耐磨材料制成，并采用 機油進行潤滑。機油的存在決定了發(fā)動機氣缸套和活塞的工作溫度必須保持在較低水平 (現(xiàn)代發(fā)動機在400 50(TC之間)。在傳統(tǒng)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)中這個溫度無法再提高，否則就 可能出現(xiàn)機油變質(zhì)失去潤滑作用、氣缸套熔化、活塞熱損等問題。然而，眾所周知，為了維持 活塞和氣缸套之間這一較低溫度，就要對發(fā)動機進行強制冷卻，以致燃料30%左右的能量 將通過缸套、活塞和缸蓋低品質(zhì)化流出做功體系進入環(huán)境，形成利用價值不大的低品質(zhì)余 熱。為了高效利用這部分相當可觀的能量，需要發(fā)明一種新型的發(fā)動機來解決這一難題。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述缺陷，本實用新型公開了一種自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動 機。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的 —種自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，包括氣缸和活塞，所述氣缸設為由小
截面氣缸段和大截面氣缸段構(gòu)成，所述活塞設為由小截面活塞段和大截面活塞段構(gòu)成，所
述小截面活塞段非接觸懸浮設置在所述小截面氣缸段內(nèi)，所述大截面活塞段密封滑動設置
在所述大截面氣缸段內(nèi)，所述大截面活塞段與連桿或與發(fā)動機動力輸出機構(gòu)連接。 在所述小截面氣缸段和所述大截面氣缸段的分界處、所述小截面氣缸段上或所述
大截面氣缸段上設缸體氣體通道，所述缸體氣體通道經(jīng)正時氣體控制閥直接或間接與氣體
導入管連通。 所述氣體導入管與占位氣體源連通。 所述占位氣體源設為氮氣源、水蒸氣源或貧氧氣體源。 所述缸體氣體通道經(jīng)正時氣體控制閥與壓力平衡罐連通，所述壓力平衡罐與所述 氣體導入管連通。 所述氣體導入管與發(fā)動機的排氣道連通。 所述正時氣體控制閥在所述發(fā)動機排氣沖程開始時打開，并保持開啟狀態(tài)，直至 進氣沖程結(jié)束時關閉。 在所述大截面氣缸段上設冷卻水套。 所述正時氣體控制閥設為電磁式、機械式或液壓式。[0013] 在所述大截面活塞段上設活塞密封環(huán)，和/或在所述大截面氣缸段上設氣缸密封 環(huán)。 通過改變小截面氣缸段和小截面活塞段之間的間隙、大截面氣缸段的剩余容積 (這里的剩余容積是指活塞位于上止點時，大截面氣缸段和大截面活塞段之間的氣室空 間)、以及小截面活塞段和大截面活塞段之間的斷面差，可以調(diào)整發(fā)動機廢氣在小截面活塞 段的外表面和小截面氣缸段的內(nèi)表面之間存在的量，以達到減少發(fā)動機在做功沖程中在上 述間隙內(nèi)所形成的氮氧化物的量的目的。 在設有缸體氣體通道的結(jié)構(gòu)中，可以通過調(diào)整占位氣體進入氣缸的量，從而調(diào)整
對于小截面活塞段和小截面氣缸段的冷卻強度，以及通過調(diào)整小截面活塞段的外表面和小
截面氣缸段的內(nèi)表面之間占位氣體存在的量，可以使發(fā)動機達到最佳工作狀態(tài)。 由于小截面氣缸段和小截面活塞段之間沒有接觸，所以可以將小截面氣缸段和小
截面活塞段設為由耐高溫材料制作而成的氣缸和活塞，從而使小截面氣缸段和小截面活塞
段在相當高的溫度下工作，減少發(fā)動機做功工質(zhì)的熱量損失，提高發(fā)動機效率。不僅如此，
在本實用新型所公開的結(jié)構(gòu)中，活塞和氣缸間密封滑動接觸段處于非高溫環(huán)境，所以活塞
的線速度可以大幅度提高，即可以提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，從而提高發(fā)動機的升功率和效率。 本實用新型中大截面氣缸段和大截面活塞段之間滑動密封接觸，不僅起密封作
用，也起定位作用，確保小截面氣缸段和小截面活塞段之間不接觸、不碰撞。 本實用新型中所公開的發(fā)動機不僅可以用于二沖程發(fā)動機、四沖程發(fā)動機、米勒
循環(huán)發(fā)動機，還可以用于"熱力學米勒循環(huán)發(fā)動機"。所謂"熱力學米勒循環(huán)發(fā)動機"是指通
過調(diào)整新鮮空氣和留在氣缸內(nèi)的廢氣的比例，而實現(xiàn)在等沖程發(fā)動機內(nèi)做功容積大于進氣
容積。所謂等沖程是指吸氣、壓縮、做功和排氣四個沖程的過程中，活塞運動距離均相等。 本實用新型所述的非接觸懸浮設置是指氣缸與活塞之間的非接觸懸浮設置的部
位既不發(fā)生接觸又維持相當小的間隙。 本實用新型中的占位氣體源指無氧氣體源或貧氧氣體源。無氧氣體源可以是氮氣 源或水蒸氣源，其中，水蒸氣源指外置水蒸氣源(如鍋爐等產(chǎn)生的水蒸氣)，也可以是利用 發(fā)動機余熱產(chǎn)生的水蒸氣源。貧氧氣體源可以是發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣源。占位氣體源可以為 無壓占位氣體源或有壓占位氣體源。 本實用新型中，所述小截面氣缸段和所述大截面氣缸段的分界處與小截面活塞段 和所述大截面活塞段的分界處之間存在氣室，在發(fā)動機的進氣沖程，正時氣體控制閥一直 打開，氣室的體積隨著活塞的下移不斷增大，占位氣體經(jīng)缸體氣體通道進入氣室；在發(fā)動機 的壓縮沖程，正時氣體控制閥一直關閉，氣室的體積隨著活塞的上移不斷減小，氣室中的占 位氣體被壓縮后占據(jù)發(fā)動機活塞的外表面和氣缸的內(nèi)表面間的空隙，使新鮮空氣無法進入 上述空隙；在發(fā)動機的做功沖程，由于發(fā)動機活塞的外表面和氣缸的內(nèi)表面間的空隙被占 位氣體占據(jù)，從而減少有害氣體(如氮氧化物)的產(chǎn)生。 另外，占位氣體在從缸體氣體通道進入到小截面活塞段的外表面和小截面氣缸段 的內(nèi)表面形成的空隙的過程中，可以把缸體氣體通道附近的氣缸和活塞的熱量重新泵到燃 燒室內(nèi)，冷卻的熱量保持在做功體系內(nèi)，提高了熱量的利用效率，而不像傳統(tǒng)發(fā)動機那樣， 為了冷卻相互運動的部件將多余的熱量強制散發(fā)到大氣中而白白浪費能源。而且，因為占 位氣體的占位作用，新鮮空氣不會被擠壓入上述空隙，燃燒室的體積不會受上述空隙的大小影響而相對保持不變，同時由于占位氣體充入上述空隙內(nèi)，起到了增加燃燒室氣體質(zhì)量
的作用，不但不會降低發(fā)動機的做功能力，反而會增強發(fā)動機的做功能力。 本實用新型有以下積極有益的效果 1、本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，便于機械加工，成本低。 2、本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機活塞和氣缸套在高溫狀態(tài)下能夠既密封又不磨損， 可大幅提高熱效率。 3、由于占位氣體的占位作用——即占位氣體占有了氣缸內(nèi)壁與活塞外壁形成的 空隙，即使在高溫高壓下，該空隙內(nèi)也不產(chǎn)生氮氧化物，環(huán)保性能好。 4、占位氣體在從缸體氣體通道進入到發(fā)動機活塞的外表面和氣缸的內(nèi)表面形成 的空隙的過程中，可以把缸體氣體通道附近氣缸和活塞的熱量重新泵到氣缸和活塞的上部 以及燃燒室內(nèi)，冷卻的熱量保持在做功體系內(nèi)，在對氣缸和活塞密封滑動導向部位起到冷 卻作用的同時，提高了熱量的利用效率。
圖1是本實用新型提供的一種自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖2是圖1的基礎上增加了缸體氣體通道的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖2中活塞位于上止點和下止點間的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是在圖2的基礎上增加了壓力平衡罐的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是在圖4的基礎上氣體導入管與發(fā)動機的排氣道連通的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是在圖5的基礎上增加了壓力平衡罐控制閥的結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖編號 1.氣缸 101.小截面氣缸段 102.大截面氣缸段 2.活塞 201.小截面活塞段 202.大截面活塞段 3.發(fā)動機的排氣道 4.連桿 5.正時氣體控制閥 6.壓力平衡罐 7.缸體氣體通道8.冷卻水套 10.壓力平衡罐控制閥11.氣體導入管 12.活塞密封環(huán) 13.氣缸密封環(huán)
具體實施方式如圖1和圖2所示的自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，包括氣缸1和活塞2， 所述氣缸1設為由小截面氣缸段101和大截面氣缸段102構(gòu)成，所述活塞2設為由小截面活 塞段201和大截面活塞段202構(gòu)成，所述小截面活塞段201非接觸懸浮設置在所述小截面 氣缸段101內(nèi)，所述大截面活塞段202密封滑動設置在所述大截面氣缸段102內(nèi)，所述大截 面活塞段202與連桿4或與發(fā)動機動力輸出機構(gòu)連接，在所述大截面氣缸段102上設冷卻 水套8，所述冷卻水套8用于對大截面氣缸段102進行強制冷卻，在所述大截面活塞段202 上設活塞密封環(huán)12，在所述大截面氣缸段102上設氣缸密封環(huán)13。 如圖3所示的自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，是在圖1所示的發(fā)動機的基 礎上，在所述小截面氣缸段101和所述大截面氣缸段102的分界處、所述小截面氣缸段101上或所述大截面氣缸段102上設缸體氣體通道7，所述缸體氣體通道7經(jīng)正時氣體控制閥5 直接或間接與氣體導入管11連通。所述正時氣體控制閥5在所述發(fā)動機排氣沖程開始時打 開，并保持開啟狀態(tài)，直至進氣沖程結(jié)束時關閉。所述正時氣體控制閥5可以設為電磁式、 機械式或液壓式。另外，缸體氣體通道7也可以設置在所述小截面氣缸段101上、或所述大 截面氣缸段102上。 如圖4所示的自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，是在圖3所示的發(fā)動機的基 礎上，增加了壓力平衡罐6，所述缸體氣體通道7經(jīng)正時氣體控制閥5與壓力平衡罐6連通， 所述壓力平衡罐6與所述氣體導入管11連通。 如圖5所示的自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，是在圖4所示的發(fā)動機的基 礎上，所述氣體導入管11與發(fā)動機的排氣道3連通。 如圖6所示的自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，是在圖5所示的發(fā)動機的基 礎上，在氣體導入管11上增加了壓力平衡罐控制閥10，所述壓力平衡罐控制閥10可以在發(fā) 動機的排氣沖程開始時打開，在排氣沖程結(jié)束時關閉，這樣可以避免壓力平衡罐6中存儲 的廢氣又經(jīng)由發(fā)動機的排氣道3排出。
權利要求一種自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，包括氣缸(1)和活塞(2)，其特征在于所述氣缸(1)設為由小截面氣缸段(101)和大截面氣缸段(102)構(gòu)成，所述活塞(2)設為由小截面活塞段(201)和大截面活塞段(202)構(gòu)成，所述小截面活塞段(201)非接觸懸浮設置在所述小截面氣缸段(101)內(nèi)，所述大截面活塞段(202)密封滑動設置在所述大截面氣缸段(102)內(nèi)，所述大截面活塞段(202)與連桿(4)或與發(fā)動機動力輸出機構(gòu)連接。
2. 如權利要求1所述自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，其特征在于在所述小截面氣缸段(101)和所述大截面氣缸段(102)的分界處、所述小截面氣缸段(101)上或所述大截面氣缸段(102)上設缸體氣體通道(7)，所述缸體氣體通道(7)經(jīng)正時氣體控制閥(5)直接或間接與氣體導入管(11)連通。
3. 如權利要求2所述自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，其特征在于所述氣體導入管(11)與占位氣體源連通。
4. 如權利要求3所述自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，其特征在于所述占位氣體源設為氮氣源、水蒸氣源或貧氧氣體源。
5. 如權利要求2所述自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，其特征在于所述缸體氣體通道(7)經(jīng)正時氣體控制閥(5)與壓力平衡罐(6)連通，所述壓力平衡罐(6)與所述氣體導入管(11)連通。
6. 如權利要求2所述自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，其特征在于所述氣體導入管(11)與發(fā)動機的排氣道(3)連通。
7. 如權利要求2所述自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，其特征在于所述正時氣體控制閥(5)設為電磁式、機械式或液壓式。
8. 如權利要求1所述自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，其特征在于在所述大截面氣缸段(102)上設冷卻水套(8)。
9. 如權利要求1所述自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，其特征在于在所述大截面活塞段(202)上設活塞密封環(huán)(12)，和/或在所述大截面氣缸段(102)上設氣缸密封環(huán)(13)。
專利摘要本實用新型公開了一種自壓縮正時氣體占位懸浮活塞發(fā)動機，包括氣缸和活塞，所述氣缸設為由小截面氣缸段和大截面氣缸段構(gòu)成，所述活塞設為由小截面活塞段和大截面活塞段構(gòu)成，所述小截面活塞段非接觸懸浮設置在所述小截面氣缸段內(nèi)，所述大截面活塞段密封滑動設置在所述大截面氣缸段內(nèi)，所述大截面活塞段與連桿或與發(fā)動機動力輸出機構(gòu)連接。本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機活塞和氣缸在高溫狀態(tài)下既密封又不磨損，在減少氮氧化物的同時，提高熱效率，減少燃料的消耗。
文檔編號F01L1/00GK201502436SQ20092016791
公開日2010年6月9日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權日2009年8月3日
發(fā)明者靳北彪 申請人:靳北彪