专利名称：悬浮活塞发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机领域。
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，并釆 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(现代发动才几在400 ~ 500。C之间)。在传统发动才几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i"介值不大 的低品质余热。如果我们能够避免或减少流出缸套、活塞和气缸盖的热量，我 们就可以大幅度提高发动机的效率。这一问题如果得到解决，发动机的效率几 乎可以成倍提高，解决这一问题的关键就必须使燃烧室包络界面(即气缸包络 界面，在传统发动机中为气缸、活塞和气缸盖)的耐热性大幅度提高。为了实 现这一目的，必须解决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，因此需要发明一种新型发动机能够使气缸缸套和活塞在高温 下正常工作。
发明内容
本发明所述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。所谓准悬浮设置是指活塞和气 缸之间处于接触与非接触的临界状态，这样就可以进一步提高密封性，又可避 免磨损。活塞隔热层结构设置的目的是为了减少热量损失，同理，气缸隔热结
5构的设置也是为了减少热量损失。气缸流体通道和活塞流体通道的设置是为了 适当冷却并通过流入流体通道中的流体介质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。为了进一步提高发动机的效率，减少传统 气缸盖的热量损失，本发明中的一个实施例公开了 一种悬浮活塞对置设置滑动 缸配气发动机，这种结构的发动机中没有气缸盖，两个缸套端部对置设置，在 两个气缸对置设置的端部接口处设置进气道和排气道，配气是通过气缸滑动实 现的。在排气冲程开始时， 一个或两个气缸同时开始滑动，在端部与另一个气 缸脱离，从而将两个气缸同时打开，并同时与进气道、排气道连通，在这种结 构中，如果将进排气流场组织好，或在进气道上设置压气涡轮，在排气道上设 动力涡轮，并将两涡轮同轴，这样就可以使排气流向排气道，使新鲜空气被压 气机压入气缸内，在这种结构中，发动机火花塞和/或发动机燃油喷射器可设置 在气缸壁侧面并在火花塞和/或燃油喷射器与气缸侧壁接触处设局部冷却通道。
为了使活塞能够更好的悬浮在气缸内，本发明还公开了 一种磁悬浮和 一种气
(汽)悬浮结构，其目的在于使活塞能够在磁力或气体压力下悬浮在气缸内， 只按气缸轴向方向做往复运动而不与气缸侧壁接触。
为了克服传统发动机的上述缺陷，本发明公开了一种悬浮活塞发动机。本
发明的目的是这样实现的 一种悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，所述活塞
全部或部分设置在所述气缸内，在与所述活塞的活塞上止点对应的所述气釭上 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或准悬浮设 置。
所述活塞由活塞悬浮段、活塞密封段和活塞动力段构成，所述活塞悬浮段 与所述活塞密封段连接，所述活塞密封段与所述活塞动力段连接，所述活塞悬 浮段的长度大于或等于所述上止点和所述下止点之间的距离，所述活塞经其所 述活塞密封段与所述下止点以外的所述气缸设为直接滑动密封连接，或设为径
向弹性滑动密封连接，或设为轴向弹性密封连接，或设为非弹性密封伸展连接； 或设为这些连接方式中的两种或两种以上连接方式的组合连接形式。
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:没为活塞隔热夹层和/ 或活塞隔热层；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和/或气缸隔热层；发动机火花塞 和/或发动机燃油喷射器设在燃烧室的外壁上，所述燃烧室的外壁设为气缸侧壁、 活塞顶或气缸盖，在所述发动机火花塞与所述燃烧室的外壁接触处和/或所述发 动机燃油喷射器与所述燃烧室的外壁接触处设局部冷却通道。
在所述气缸整体外侧或部分外侧设气缸流体通道，所述气缸流体通道设为 与冷却系统连通或设为与控温系统连通；和/或在所述活塞内部设活塞流体通道， 所述活塞流体通道设为与所述冷却系统连通或设为与所述控温系统连通。
所述活塞由活塞悬浮段、活塞密封段和活塞动力段构成，所述活塞悬浮段 与所述活塞密封段连接，所述活塞密封段与所述活塞动力段连接，在所述气缸 内，所述活塞悬浮段非接触悬浮设置或准悬浮设置，所述活塞悬浮段与所述活 塞密封段设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。所 谓径向滑动连接是指气缸浮动段跟随气缸密封段上下运动但在径向方向上不受 限定，可在径向任何方向上发生微小位移，以补偿因加工误差或热变形的影响； 定点万向连接是指活塞悬浮段按其与活塞密封段连接方向上断面中心点可在各 个方向上与气缸中心轴线产生偏角，非定向万向连接是指活塞悬浮段不但可在 径向发生滑动同时其轴线可以与气缸中心轴线产生偏角。
在所述气缸的气缸侧壁上设一个或多个气(汽)悬浮孔或(和)在所述活 塞上设一个或多个所述气(汽)悬浮孔，所述气(汽)悬浮孔与高压气源或高 压水蒸汽源连通，以实现所述活塞在所述气缸中气(汽)力非接触悬浮设置； 或在所述活塞的全部或局部上设活塞电》兹结构或活塞永/磁结构，在所述气缸侧 壁上或所述气缸侧壁外设气缸电》兹结构或气缸永石兹结构，以实现所述活塞在所 述气缸中磁力非接触悬浮设置。所谓气(汽)力非接触悬浮设置是利用高压气 体或高压水蒸汽的压力从各个方向上向活塞或活塞悬浮段的侧面施加气体压力 使其在气缸内得到非接触悬浮设置；所谓磁力非接触悬浮设置是利用永久磁场 或利用电；兹场的》兹力/人各个方向上对活塞或活塞悬浮l殳的侧面施加电；兹作用 力，此电磁作用力应设为电磁排斥力，使活塞或活塞悬浮段在气缸内得到非接触悬浮设置。
所述活塞经连杆对外输出动力，或所述活塞动力段单独直接对外输出动力， 或在多缸悬浮活塞发动才几中多个所述活塞动力^殳相互联^妻后对外输出动力。
在所述活塞上设活塞转动驱动结构，所述活塞转动驱动结构设为内置气动 式活塞转动驱动结构或设为外置机械式活塞转动驱动结构，在设有所述外置机 械式活塞转动驱动结构的结构中，所述活塞受机械动力、流体动力或电i兹动力 驱动按所述气缸的中心轴线转动，在设所述内置气动式活塞转动驱动结构的结 构中,所述活塞经所述内置气动式活塞转动驱动结构受所述气缸内的气压作用 按所述气缸的中心轴线转动，以减少或消除热变形的不均匀性。
两个所述气缸对置设置构成对置气缸，在每个所述气缸中设置一个所述活 塞，此两个所述活塞相互对置设置，两个所述气缸单独或共同设为可按中心轴 线方向滑动的滑动式气缸，所述滑动式气缸作为所述对置气缸的一个构成段可
与所述对置气缸的另 一个构成^a相互密封对接或分离打开，在两个所述气缸对
置设置对顶接触的分界面处设进气道和排气道，所述进气道和所述排气道构成 连通式配气道，所述连通式配气道与所述滑动式气缸滑动密封接触，所述滑动 式气缸受发动机配气正时机构控制向所述对置气缸配气。
所述活塞悬浮段设为由两个以上活塞悬浮分段組成的分段式活塞悬浮段， 所述活塞悬浮分段间设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万 向连接。活塞悬浮分段设置的目的是为了使活塞悬浮段内产生一定轴向弯曲以 补偿热变形。
本发明有以下积极有益的效果
1、 本发明结构简单、体积小、成体低廉；
2、 本发明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，乂人而提高发动机效率。
3、 本发明所公开的发动机的气缸、活塞以及其它燃烧室界面的工作温度可 以达到相当高的温度，甚至在材料允许的情况下达到燃烧室火焰温度，因此可 以大幅度4是高发动才几热效率。
图1为本发明一实施例的结构示意图
图2为本发明活塞设有悬浮段、密封段和动力段的结构示意图
图3为本发明气缸与活塞弹性密封连接的结构示意图 图4为本发明设有隔热结构的结构示意图 图5为本发明设有隔热夹层的结构示意图 图6为本发明设有流体通道的结构示意图
图7为本发明活塞密封段与活塞悬浮段径向滑动密封连接的结构示意图 图8为本发明活塞密封段与活塞悬浮段定点万向连接的结构示意图 图9为本发明活塞密封段与活塞悬浮段非定点万向连接的结构示意图 图IO为本发明在气缸侧壁上设有气(汽)悬浮孔的结构示意图 图11为本发明设有磁力非接触悬浮设置的结构示意图 图12为本发明经连杆输出动力的结构示意图 图13为本发明多个动力输出段相互连接输出动力的结构示意图 图14为本发明活塞上设内置气动式活塞转动驱动结构的结构示意图 图15为本发明多缸非对置直线连接的结构示意图 图16为本发明活塞上设外置机械式活塞转动驱动结构的结构示意图 图17为本发明设有滑动式气缸的结构示意图 图18为本发明设有两个以上活塞悬浮段的结构示意图 图19为本发明在活塞上设有气(汽)悬浮孔的结构示意图 附图编号
l.气缸 2.活塞 121.气缸的上止点 122.下止点 201.活塞悬浮段 202.活塞密封段 203.活塞动力段3.活塞隔热结构 21.活塞内顶壁
22. 活塞内侧壁 31.活塞隔热夹层32.活塞隔热层 11.气缸内侧壁 12.气缸外侧壁4.气缸隔热结构41.气缸隔热夹层42.气缸隔热层 5.发动机火花塞6.发动机燃油喷射器7.燃烧室 1112.气缸侧壁
23. 活塞顶 70.气缸盖 100.气缸流体通道8.冷却系统
9.控温系统200.活塞流体通道 101.气(汽)悬浮孔60.高压气源61.高压水蒸汽源2001.活塞电^兹结构 2002.活塞永f兹结构
1001.气缸电;兹结构 1002.气缸永》兹结构13.连杆
2003.活塞转动驱动结构 2004.内置气动式活塞转动驱动结构
2005.外置机械式活塞转动驱动结构 10.对置气缸 2000.滑动式气缸
14.进气道 15.排气道 1415.连通式配气道 2011.活塞悬浮分4爻
1000.发动机配气正时机构2012.分段式活塞悬浮段
具体实施例方式
如图l所示的悬浮活塞发动机，包括气缸1和活塞2，所述活塞2全部或部 分设置在所述气缸1内，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121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122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 置或准悬浮设置。
如图2和图3所示的悬浮活塞发动机，所述活塞2由活塞悬浮段201、活塞 密封段202和活塞动力段203构成，所述活塞悬浮段201与所述活塞密封段202 连接，所述活塞密封段202与所述活塞动力段203连接，所述活塞悬浮段201 的长度大于或等于所述上止点121和所述下止点122之间的距离，所述活塞2 经其所述活塞密封段202与所述下止点122以外的所述气缸1设为直接滑动密 封连接，或设为径向弹性滑动密封连接，或设为轴向弹性密封连接，或设为非
连接形式。
如图4和图5所示的悬浮活塞发动机，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21上和/或活塞内侧壁22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和/或活塞隔热层32; 和/或所述气缸1的气缸内侧壁11和气缸外侧壁12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和/或气缸隔热层42;发动机火花 塞5和/或发动机燃油喷射器6设在燃烧室7的外壁上，所述燃烧室7的外壁设 为气缸侧壁1112、活塞顶23或气缸盖70，在所述发动机火花塞5与所述燃烧室7的外壁接触处和/或所述发动机燃油喷射器6与所述燃烧室7的外壁接触处设局部冷却通道。
如图6所示的悬浮活塞发动机，在所述气缸1整体外侧或部分外侧设气缸流体通道100,所述气缸流体通道100设为与冷却系统8连通或设为与控温系统9连通；和/或在所述活塞2内部设活塞流体通道200，所述活塞流体通道20(H文为与所述冷却系统8连通或设为与所述控温系统9连通。
如图7、图8和图9所示的悬浮活塞发动机，所述活塞2由活塞悬浮段201、活塞密封段202和活塞动力段203构成，所述活塞悬浮段201与所述活塞密封段202连接，所述活塞密封段202与所述活塞动力段203连接，在所述气缸1内，所述活塞悬浮段201非接触悬浮设置或准悬浮设置，所述活塞悬浮段201与所述活塞密封段202设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。
如图10、图11和图19所示的悬浮活塞发动机，在所述气缸1的气缸侧壁1112上设一个或多个气(汽)悬浮孔101或(和)在所述活塞2上设一个或多个所述气(汽)悬浮孔IOI，所述气(汽)悬浮孔101与高压气源60或高压水蒸汽源61连通，以实现所述活塞2在所述气缸1中气(汽)力非接触悬浮设置；或在所述活塞2的全部或局部上设活塞电^兹结构2001或活塞永》兹结构2002，在所述气缸侧壁1112上或所述气釭侧壁1112外设气缸电磁结构1001或气缸永磁结构1002，以实现所述活塞2在所述气缸1中磁力非接触悬浮设置。
如图12、图13和图15所示的悬浮活塞发动机，所述活塞2经连杆13对外输出动力；或所述活塞动力段203单独直接对外输出动力，或在多缸悬浮活塞发动机中多个所述活塞动力段203相互联接后对外输出动力。
如图14和图16所示的悬浮活塞发动机，在所述活塞2上设活塞转动驱动结构2003,所述活塞转动驱动结构2003-没为内置气动式活塞转动驱动结构2004或设为外置机械式活塞转动驱动结构2005,在设有所述外置机械式活塞转动驱动结构2005的结构中，所述活塞2受机械动力、流体动力或电磁动力驱动按所述气缸1的中心轴线转动，在设所述内置气动式活塞转动驱动结构2004的结构中，所述活塞2经所述内置气动式活塞转动驱动结构2004受所述气缸1内的气压作用按所述气缸1的中心轴线转动，以减少或消除热变形的不均匀性。
如图17所示的悬浮活塞发动机，两个所述气缸1对置设置构成对置气缸10,
11在每个所述气缸l中"&置一个所述活塞2，此两个所述活塞2相互对置设置，两 个所述气缸1单独或共同设为可按中心轴线方向滑动的滑动式气缸2000,所述 滑动式气缸2000作为所述对置气缸10的一个构成段可与所述对置气缸10的另 一个构成l殳相互密封对接或分离打开，在两个所述气缸1对置设置对顶接触的 分界面处设进气道14和排气道15，所述进气道14和所述排气道15构成连通式 配气道1415,所述连通式配气道1415与所述滑动式气缸2000滑动密封接触， 所述滑动式气缸2000受发动机配气正时机构IOOO控制向所述对置气缸IO配气。 如图18所示的悬浮活塞发动机，所述活塞悬浮段201设为由两个以上活塞 悬浮分段2011组成的分段式活塞悬浮段2012,所述活塞悬浮分段2011间设为 固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。
权利要求
1、一种悬浮活塞发动机，包括气缸(1)和活塞(2)，其特征在于所述活塞(2)全部或部分设置在所述气缸(1)内，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(121)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(122)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)非接触悬浮设置或准悬浮设置。
2、 如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于所述活塞(2)由活 塞悬浮段(201)、活塞密封段(202)和活塞动力段(203)构成，所述活塞悬 浮段(201)与所述活塞密封段(202)连接，所述活塞密封段(202)与所述活 塞动力段(203)连接，所述活塞悬浮段(201)的长度大于或等于所述上止点(121 )和所述下止点(122 )之间的距离，所述活塞(2 )经其所述活塞密封段 (202)与所述下止点(122)以外的所述气缸(1 )设为直接滑动密封连接，或 设为径向弹性滑动密封连接，或设为轴向弹性密封连接，或设为非弹性密封伸
3、 如权利要求1所述悬浮活塞发动机，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(21)上和/或活 塞内侧壁(22)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 )和/或活塞隔热层(32 );和/或所述气缸(1)的气缸内侧壁(11) 和气缸外侧壁(12)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)和/或气釭隔热层(42);发动机火花塞(5)和/或发动 机燃油喷射器(6)设在燃烧室(7)的外壁上，所述燃烧室(7)的外壁设为气 缸侧壁(1112)、活塞顶(23)或气缸盖(70)，在所述发动机火花塞(5)与所 述燃烧室(7 )的外壁接触处和/或所述发动机燃油喷射器(6 )与所述燃烧室(7 ) 的外壁接触处设局部冷却通道。
4、 如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于在所述气缸(1 )整 体外侧或部分外侧设气缸流体通道(100)，所述气缸流体通道(100)设为与冷 却系统(8)连通或设为与控温系统(9)连通；和/或在所述活塞(2)内部设活 塞流体通道(200)，所述活塞流体通道(200)设为与所述冷却系统(8)连通 或设为与所述控温系统(9)连通。
5、 如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于所述活塞(2)由活 塞悬浮段(201)、活塞密封段(202)和活塞动力段(203)构成，所述活塞悬 浮段(201)与所述活塞密封段(202)连接，所述活塞密封段(202)与所述活 塞动力段(203)连接，在所述气缸(1)内，所述活塞悬浮段(201)非接触悬 浮设置或准悬浮设置，所述活塞悬浮段(201)与所述活塞密封段(202)设为 固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定点万向连接。
6、 如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于在所述气缸(1)的 气缸侧壁(1112)上设一个或多个气(汽)悬浮孔(101)或(和)在所述活塞(2 )上设一个或多个所述气(汽)悬浮孔(101 )，所述气(汽)悬浮孔(101 ) 与高压气源(60)或高压水蒸汽源(61)连通，以实现所述活塞(2)在所述气 缸(1)中气(汽)力非接触悬浮设置；或在所述活塞(2)的全部或局部上设 活塞电石兹结构(2001 )或活塞永石兹结构(2002)，在所述气缸侧壁(1112)上或 所述气缸侧壁(1112)外i殳气缸电f兹结构(1001 )或气缸永,兹结构(1002)，以 实现所述活塞(2)在所述气缸(1)中磁力非接触悬浮设置。
7、 如权利要求1或2所述悬浮活塞发动机，其特征在于所述活塞(2) 经连杆(13 )对外输出动力；或所述活塞动力段(203 )单独直接对外输出动力， 或在多缸悬浮活塞发动机中多个所述活塞动力段(203)相互联接后对外输出动 力。
8、 如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于在所述活塞(2)上 设活塞转动驱动结构(2003 )，所述活塞转动驱动结构(2003 )设为内置气动式 活塞转动驱动结构(2004)或设为外置机械式活塞转动驱动结构(2005 )，在设 有所述外置机械式活塞转动驱动结构(2005)的结构中，所述活塞(2)受机械动 力、流体动力或电磁动力驱动按所述气缸(1)的中心轴线转动，在设所述内置气动式活塞转动驱动结构(2004)的结构中，所述活塞(2)经所述内置气动式 活塞转动驱动结构(2004)受所述气缸(1)内的气压作用按所述气缸(1)的 中心轴线转动，以减少或消除热变形的不均匀性。
9、 如权利要求1所述悬浮活塞发动机，其特征在于两个所述气缸(1 ) 对置设置构成对置气缸(10)，在每个所述气缸(1)中设置一个所述活塞(2)，此两个所述活塞(2)相互对置设置，两个所述气缸(1 )单独或共同设为可按 中心轴线方向滑动的滑动式气缸(2000),所述滑动式气缸(2000)作为所述对 置气缸(10)的一个构成段可与所述对置气缸(10)的另一个构成段相互密封 对接或分离打开，在两个所述气缸(1 )对置设置对顶接触的分界面处设进气道 (14 )和排气道(15 )，所述进气道(14 )和所述排气道(15 )构成连通式配气 道(1415)，所述连通式配气道(1415)与所述滑动式气缸(2000)滑动密封接 触，所述滑动式气缸(2000)受发动机配气正时机构(1000)控制向所述对置 气缸(10)配气。
10、如权利要求2所述悬浮活塞发动机，其特征在于所述活塞悬浮段(201 ) 设为由两个以上活塞悬浮分段(2011)组成的分段式活塞悬浮段(2012)，所述 活塞悬浮分段(2011)间设为固定连接、径向滑动连接、定点万向连接或非定 点万向连才妄。
全文摘要
本发明公开了一种悬浮活塞发动机，包括气缸和活塞，所述活塞全部或部分设置在所述气缸内，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或准悬浮设置。本发明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，从而提高发动机效率。
文档编号F02B75/00GK101649779SQ200910176960
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年5月19日
发明者靳北彪 申请人:靳北彪