CN106150753B - 发动机隔断油膜装置 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种具有隔断油膜装置的发动机，其特征在于，包括：发动机机体(10)；储油腔(2)，用于存储活塞杆冷却油；过渡腔(16)，耦合到所述储油腔，在所述过渡腔中安置了隔断油膜装置，以确保油分子薄膜在此被完全去除；绝油腔(11)，耦合到所述过渡腔(16)，用于安置气体工质；活塞杆(1)，被***并贯通所述储油腔、所述过渡腔以及所述绝油腔，并进行往复的前后运动；所述隔断油膜装置包括：油膜隔断圈(17)，在所述过渡腔中，套在所述活塞杆的上并与所述活塞杆形成过盈配合。

Description

发动机隔断油膜装置

技术领域

本公开一般地涉及发动机领域，特别涉及用于外燃式发动机的不同腔室之间的密封性隔断装置。

背景技术

目前，随着全球的化石能源储量不断降低，对燃料的利用效率的研究也在不断进行。其中一个方向就是外燃机。

众所周知，内燃机是燃料在发动机内部燃烧获得动力。而外燃机则是燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

斯特林发动机(Stirling Engine)是一种类型的外燃机，其通过气体工质的受热膨胀、遇冷压缩而产生动力。斯特林发动机内包括热腔和冷腔，气体工质在低温的冷腔中收缩，然后流到高温的热腔中迅速加热，发生膨胀做功，推动活塞，活塞的移动带动其上连接的活塞杆进行往复运动，产生动力。

斯特林发动机的使用前景良好，因为其实际上的效率几乎可以等于理论最大效率；并且只要热腔达到工作温度，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。同时，出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于各种使用情况，例如：高海拔地区、负海拔地区(例如水下、潜艇、等)。

但是目前，斯特林发动机的使用过程中仍然存在不少技术困难，其中一个比较有代表性且难以解决的就是：为了提高工作效率，需要对往复运动的活塞杆进行降温，这通常通过在冷腔侧注入冷却油来实现；但冷却油会随之附着在活塞杆上。由于活塞杆的往复运动会进入热腔，部分附着在其上的油分子也会随即进入热腔；但是，热腔中由于存在气体工质，需要对工质的纯度提出很高的要求，进入的油分子扩散在工质中，会极大地降低工质的纯度，进而降低发动机的工作效率，并对长期高温工作的发动机带来安全隐患。

为了解决此类问题，业界已经提出了不少方式。例如，在冷腔和热腔之间增加一个电刷装置，驱动刷毛对活塞杆上的油分子进行扫除操作。或者，提高冷腔和活塞杆之间的密封程度，减少油分子的排出。

但以上这些方式效果都不甚理想，尤其无法解决小体积油分子的附着问题。在实际使用过程中，仍然会有少量的油分子薄膜附着在活塞杆的杆壁上。大尺寸的刷毛无法彻底将其清除。同时，由于高温蒸发的油分子气体也无法用物理性的电刷进行去除。此外，增加的电刷装置和密封装置也增加了发动机的制造复杂度和制造成本。

因此，目前极需一种能有效解决上述进一步的需要、结构简单、生产成本低，且对油分子薄膜去除效率高的发动机隔断油膜装置。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷，本公开的目的至少在于提供一种发动机隔断油膜装置，其通过增加一个O型圈与活塞杆过盈配合，几乎完全杜绝了油膜由于惯性滑动而随活塞杆窜入绝油腔；并配以在绝油腔中施加高压，在过渡腔中施加低压以杜绝油气进入绝油腔；此外在过渡腔中增加出油孔，使积存于过渡腔的油气和油膜排出发动机。该发动机隔断油膜装置结构简单，安装调试方便，密封性能好，能完全杜绝油气和油膜进入绝油腔，装拆维修方便。

根据本公开的第一方面，提出了一种发动机，其特征在于，包括：发动机机体(10)；储油腔(2)，用于存储活塞杆冷却油；过渡腔(16)，耦合到所述储油腔，在所述过渡腔中安置了隔断油膜装置，以确保油分子薄膜在此被完全去除；绝油腔(11)，耦合到所述过渡腔(16)，用于安置气体工质；活塞杆(1)，被***并贯通所述储油腔、所述过渡腔以及所述绝油腔，并进行往复的前后运动；所述隔断油膜装置包括：油膜隔断圈(17)，在所述过渡腔中，套在所述活塞杆的上并与所述活塞杆形成过盈配合。

根据本公开的第二方面，还包括：杆密封壳凸起部(4)，杆密封壳凹部(5)，两者互相配合，套在所述活塞杆之上，用于将密封件组合紧压在所述活塞杆的行进通路上。

根据本公开的第三方面，所述密封件组合包括：第一组密封件，位于所述过渡腔靠近所述储油腔的附近，并包括：第一活塞密封圈(3)、杆密封挡片(13)、孔用挡圈密封垫(14)，先将所述活塞杆套入所述杆密封壳凸起部，然后依次将所述第一活塞密封圈、所述杆密封挡片)、和所述孔用挡圈密封垫)穿在所述活塞杆之上，然后再将所述油膜隔断圈装在所述活塞杆上；第二组密封件,位于所述过渡腔靠近所述绝油腔的附近，并包括：杆密封挡环(7)、孔用挡圈(8)、第二活塞密封圈(19)，在以上第一组密封件和所述油膜隔断圈装在所述活塞杆上之后，将所述杆密封挡环、所述孔用挡圈、所述第二活塞密封圈依次套在所述活塞杆之上；所述油膜隔断圈位于所述第一组密封件和所述第二组密封件之间，且所述活塞杆的往复运动不会使得所述油膜隔断圈触碰所述第一组密封件和所述第二组密封件。

根据本公开的第四方面，所述隔断油膜装置还包括：大密封圈(15)，是将所述第一活塞密封圈、所述杆密封挡片)、和所述孔用挡圈密封垫)穿在所述活塞杆上之后，所述大密封圈被套装在所述杆密封壳凸起部上，用于固定所述杆密封壳凸起部，随后再将所述油膜隔断圈装在所述活塞杆上；小密封圈(6)，是在将所述杆密封挡环、所述孔用挡圈、所述第二活塞密封圈依次套在所述活塞杆上之后，所述小密封圈被套装在所述杆密封壳凹部上，并用于固定所述杆密封壳凹部。

根据本公开的第五方面，所述发动机机体上还开设有：高压进气口(9)、活塞杆冷却进油口(12)，以及低压进气口(18)；其中，在发动机工作期间，加热后的气体工质从所述高压进气口进入所述绝油腔进行做功。低温的冷却油从所述活塞杆冷却进油口进入所述储油腔，用于对所述活塞杆进行冷却。

根据本公开的第六方面，其特征在于，所述第一活塞密封圈和所述第二活塞密封圈19的材质可以是橡胶或其他密封材料，用于套在所述活塞杆上，与所述活塞杆紧密配合，以初步隔断油气和油膜，但不阻碍所述活塞杆的往复运动；所述孔用挡圈密封垫用于封盖并限位所述杆密封挡片，以进一步与所述第一活塞密封圈配合，提高密封效果；所述孔用挡圈用于封盖并限位所述密封挡环，以进一步与所述第二活塞密封圈配合，提高密封效果。

根据本公开的第七方面，通过与所述活塞杆过盈配合的所述油膜隔断圈，可以隔断所述活塞杆上附着的油膜向所述绝油腔的进一步运动，使所述活塞杆上附着的油膜堆积在所述活塞杆上与所述油膜隔断圈相接触的位置，进而由于油膜自身重力原因而滴落在所述过渡腔中。

根据本公开的第八方面，在所述绝油腔中施加高压，在所述过渡腔中施加低压，可以在所述绝油腔和所述过渡腔之间形成一个逆向的压力差，杜绝油气进入所述绝油腔。

根据本公开的第九方面，所述油膜隔断圈呈0形，是橡胶材质，且直径为16mm，圈厚度为2.4mm。

根据本公开的第十方面，一种用于外燃式发动机的不同腔室之间油膜隔断装置，其特征在于，包括：油膜隔断圈(17)，在所述外燃式发动机的储油腔(2)和绝油腔(11)之间的过渡腔(16)中，套在所述外燃式发动机的活塞杆(1)的上并与所述活塞杆形成过盈配合；其中所述油膜隔断圈是密封材料，且直径为14mm至18mm中的一个值，圈厚度为2mm至4mm中的一个。

在本文中，术语“连接”或“耦合”被定义为两个主体之间的连接，不过不一定是直接的连接，也可包括通过其他中间节点或设备而实现的间接连接关系。

本文中所使用的术语“包括”、“具有”、“包含”、以及“含有”是开放式的连接动词。因此，一种方法或装置“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或一个以上步骤或组件指的是：该方法或装置具有那些一个或一个以上步骤或组件，但并不是仅仅具有那些一个或一个以上步骤或组件，也可包括其他的本文中未提及的一个或一个以上步骤或组件。

应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本公开提供进一步的解释。

附图简述

包括附图是为提供对本公开进一步的理解，它们被收录并构成本公开的一部分，附图示出了本公开的实施例，并与本说明书一起起到解释本公开原理的作用。在结合附图并阅读了下面的对特定的非限制性本公开的实施例之后，本公开的其他特征以及优点将变得显而易见。其中：

图1示出了根据本公开的一个方面的应用了发动机隔断油膜装置的改进型斯特林发动机的剖面图。

图2示出了根据本公开的一个方面的O型油膜隔断圈紧贴在活塞杆上的示意图。

具体实施方式

参考在附图中示出和在以下描述中详述的非限制性实施例，更完整地说明本公开的多个技术特征和有利细节。并且，以下描述忽略了对公知的原始材料、处理技术、组件以及设备的描述，以免不必要地混淆本公开的技术要点。然而，本领域技术人员会理解到，在下文中描述本公开的实施例时，描述和特定示例仅作为说明而非限制的方式来给出。

在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是公开人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

图1示出了根据本公开的一个方面的应用了发动机隔断油膜装置的改进型斯特林发动机的剖面图。可以认识到，图1并没有示出所有的发动机部件，而仅仅示出了与本公开的目的相关联的那些部件。

图1中的附图标记10示出了发动机的机体剖面，其中包括：储油腔2、存储活塞杆冷却油；过渡腔16，在此中安置了隔断油膜装置，以确保油分子薄膜在此被完全去除；绝油腔11，用于安置气体工质，此处不允许油分子进入。

活塞杆1被***并贯通以上三个腔室，并可以按照箭头A所示的方向进行往复的前后运动。

隔断油膜装置包括与活塞杆1配合的一系列部件的组合。具体而言，在实际安装过程中，先将活塞杆1套入杆密封壳凸起部4，随后依次穿过第一活塞密封圈(例如，具有弹簧蓄能效果)3、杆密封挡片13、孔用挡圈密封垫14，然后再将大密封圈(例如，具有弹簧蓄能效果)15套装在杆密封壳凸起部4上。此后，将O型油膜隔断圈17装在活塞杆1上，并位于过渡腔16中。O型油膜隔断圈17与活塞杆1形成过盈配合，使得O型油膜隔断圈17紧贴在活塞杆1上，两者之间不存在物理性间隙。

所述以上装好的部件被装入杆密封壳凹部5，随后依次穿过杆密封挡环7、孔用挡圈8、第二活塞密封圈(例如，具有弹簧蓄能效果)19，进行密封，再将小密封圈(例如，具有弹簧蓄能效果)6套装在杆密封壳凹部5上。

最后，将上述装配好的部件集合装入发动机机体10。

此外，发动机机体10上还开设有高压进气口9、活塞杆冷却进油口12，以及低压进气口(出油口)18。

具体而言，杆密封壳凸起部4和杆密封壳凹部5是一对互相配合的组合件，用于将密封件组合紧压在活塞杆1的行进通路上。密封件组合由前后(依照活塞杆1的行进路线来定义)两组的密封件。第一组密封件包括：第一活塞密封圈3、杆密封挡片13、孔用挡圈密封垫14。第二组件密封件包括：杆密封挡环7、孔用挡圈8、第二活塞密封圈19。具体而言，第一组密封件位于过渡腔16靠近储油腔2的附近，第二组密封件位于过渡腔16靠近绝油腔11的附近。而O型油膜隔断圈17在位于过渡腔16内，即，在第一组密封件和第二组密封件之间。活塞杆1的往复运动不会使得O型油膜隔断圈17触碰第一组密封件和第二组密封件。

第一活塞密封圈3和第二活塞密封圈19的材质可以是橡胶或其他密封材料，用于套在活塞杆1上，与活塞杆1紧密配合，这是为了初步隔断油气和油膜，但不阻碍活塞杆1的运动。

大密封圈15用于固定杆密封壳凸起部4，小密封圈6用于固定杆密封壳凹部5，大密封圈15和小密封圈6的材质可以是高压静密封圈。

孔用挡圈密封垫14用于封盖并限位杆密封挡片13，以进一步与第一活塞密封圈19配合，提高密封效果。

孔用挡圈8用于封盖并限位密封挡环7，以进一步与第二活塞密封圈3配合，提高密封效果。

在发动机工作期间，加热后的气体工质从高压进气口9进入绝油腔11，进行做功。低温的冷却油从活塞杆冷却进油口12进入储油腔2，用于对活塞杆1进行冷却。

在活塞杆1的往复运动期间，高温和运动会使一部分的冷却油气化并在活塞杆表面附着并形成一层致密的油膜。经由密封件组合(第一活塞密封圈3、杆密封挡片13、孔用挡圈密封垫14，大密封圈15、杆密封挡环7、孔用挡圈8、第二活塞密封圈19、小密封圈6)，可以杜绝绝大部分的油气和油分子进入过渡腔16。但公开人发现，极少量的油气会逐渐扩散至过渡腔16中，同时活塞杆1上附着的油膜则会随着活塞杆运动而惯性移动到过渡腔16中。

此时，通过与活塞杆1过盈配合的O型油膜隔断圈17可以隔断油膜向绝油腔11的进一步运动，使油膜依托O型油膜隔断圈17逐渐在活塞杆1上堆积，进而由于自身重力原因滴落在过渡腔16中。在过渡腔16中堆积并滴落的油体则由出油口18逐渐排出发动机机体10。

同时，在绝油腔11中施加高压，在过渡腔16中施加低压，可以在绝油腔11和过渡腔16之间形成一个逆向的压力差，完全杜绝油气进入绝油腔11。

通过上述两个方式，保证了绝油腔无油工作空间。

图2示出了根据本公开的一个方面的O型油膜隔断圈17紧贴在活塞杆1上的示意图。为了便于本领域技术人员的清楚理解，图2是实际使用情况的45度斜视图，可能存在一定的形变和要素简化，但这些均不影响本公开的实质内容。本领域技术人员可以在图2的基础上获得充分的揭示，使用现有的部件加以实现。

如图2所示的，O型油膜隔断圈17被装在活塞杆1上，并与活塞杆1形成过盈配合，使得O型油膜隔断圈17可以紧贴在活塞杆1上，两者之间不存在物理性间隙。

由于活塞杆1上会附着有极少量的油膜(从储油腔2渗入的)，当活塞杆1按照箭头A的方向进行前后往复运动时，其上的油膜也会因惯性移动而从沿着储油腔2->过渡腔16->绝油腔11的方向作进一步运动的可能性。

为了杜绝这种可能性，通过与活塞杆1过盈配合的O型油膜隔断圈17，可以使活塞杆1上附着的油膜堆积在b点(即，活塞杆1上与隔断圈17相接触的位置)处，b处由此随着发动机的工作而逐渐积累一定的油量，进而累积的油由于自身重力原因发生滑落，并沿着垂直的重力方向B而滴落在过渡腔16中，滴落在过渡腔16中堆积并滴落的油体则由出油口18逐渐排出发动机机体10(没有示出在图2中)。由此，O型油膜隔断圈17起到了有效隔断油膜的作用，并且结构简单，不需要电刷或筛子的额外配置，减少了制造成本、降低了安装难度、也免去了后期维护、维修的潜在问题。

在一个实施方式中，O型油膜隔断圈17的是密封材料，材质可以是橡胶或其他具有紧缩密封性的材料，尺寸是可以根据活塞杆1的直径不同而进行调整的。例如，在普遍的实施例中，随着活塞杆1的直径变化，O型油膜隔断圈17的直径可以取14mm-18mm中的一个值，圈厚度可以取2mm-4mm中的一个值。在另一个实施例中，O型油膜隔断圈17的直径可以是16mm，圈厚度可以是2.4mm。在其他实施例中，O型油膜隔断圈17的直径可以是14.5mm、15.5mm、17.5mm中的一个值，圈厚度可以是2mm、2.2mm、2.6mm、2.8mm、3mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm中的一个值。

根据本公开的以上诸个实施例所提供的发动机隔断油膜装置具有如下优点：

一、安装调试、装拆维修方便，减少了制造成本、降低了安装难度、也免去了后期维护、维修的潜在问题。

二、密封性能好，能完全杜绝油气和油膜进入绝油腔，经过测试，可以实现20000小时以上的连续密封工作。

根据以上所提出的隔断油膜装置，不仅仅可用于斯特林发动机，也同样可以用于其他外燃机。

鉴于本公开内容，可在不进行过渡实验的情况下执行本公开中公开和要求保护的所有方法。虽然已经按照优选实施例来描述了本公开的装置和方法，但本领域普通技术人员可显而易见，可对本公开中描述的方法和方法的步骤或步骤顺序应用多种变型，而不背离本公开的概念、精神和范围。此外，可对所公开的装置做出修改，且可从本公开描述的组件中排除或替代多个组件，并实现相同或相似的结果。对本领域普通技术人员显而易见的所有这些相似的替代和修改被视为在由所附权利要求所限定的本公开的精神、范围以及概念以内。

Claims (8)

1.一种发动机，包括 ：

发动机机体(10)；

储油腔(2)，用于存储活塞杆冷却油；

过渡腔(16)，耦合到所述储油腔，在所述过渡腔中安置了隔断油膜装置，以确保油分子薄膜在此被完全去除；

绝油腔(11)，耦合到所述过渡腔(16)，用于安置气体工质；

活塞杆(1)，被***并贯通所述储油腔、所述过渡腔以及所述绝油腔，并进行往复的前后运动；

所述隔断油膜装置包括：

油膜隔断圈(17)，在所述过渡腔中，套在所述活塞杆上并与所述活塞杆形成过盈配合；

在所述绝油腔中施加高压，在所述过渡腔中施加低压，以在所述绝油腔和所述过渡腔之间形成一个逆向的压力差，杜绝油气进入所述绝油腔；所述油膜隔断圈呈0形。

2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，还包括：杆密封壳凸起部(4)，杆密封壳凹部 (5)，两者互相配合，套在所述活塞杆之上，用于将密封件组合紧压在所述活塞杆的行进通路上。

3.如权利要求 2 所述的发动机，其特征在于，所述密封件组合包括：

第一组密封件，位于所述过渡腔靠近所述储油腔的附近，并包括：第一活塞密封圈(3)、杆密封挡片 (13)、孔用挡圈密封垫 (14)，先将所述活塞杆套入所述杆密封壳凸起部，然后依次将所述第一活塞密封圈、所述杆密封挡片和所述孔用挡圈密封垫穿在所述活塞杆之上，然后再将所述油膜隔断圈装在所述活塞杆上；

第二组密封件，位于所述过渡腔靠近所述绝油腔的附近，并包括：杆密封挡环(7)、孔用挡圈(8)、第二活塞密封圈(19)，在以上第一组密封件和所述油膜隔断圈装在所述活塞杆上之后，将所述杆密封挡环、所述孔用挡圈、所述第二活塞密封圈依次套在所述活塞杆之上；

所述油膜隔断圈位于所述第一组密封件和所述第二组密封件之间，且所述活塞杆的往复运动不会使得所述油膜隔断圈触碰所述第一组密封件和所述第二组密封件。

4.如权利要求3 所述的发动机，其特征在于，所述隔断油膜装置还包括 ：

大密封圈(15)，是将所述第一活塞密封圈、所述杆密封挡片和所述孔用挡圈密封垫穿在所述活塞杆上之后，所述大密封圈被套装在所述杆密封壳凸起部上，用于固定所述杆密封壳凸起部，随后再将所述油膜隔断圈装在所述活塞杆上 ；

小密封圈 (6)，是在将所述杆密封挡环、所述孔用挡圈、所述第二活塞密封圈依次套在所述活塞杆上之后，所述小密封圈被套装在所述杆密封壳凹部上，并用于固定所述杆密封壳凹部。

5.如权利要求 4 所述的发动机，其特征在于，所述发动机机体上还开设有：高压进气口(9)、活塞杆冷却进油口 (12)，以及低压进气口(18)；

其中，在发动机工作期间，加热后的气体工质从所述高压进气口进入所述绝油腔进行做功；低温的冷却油从所述活塞杆冷却进油口进入所述储油腔，用于对所述活塞杆进行冷却。

6.如权利要求 3 所述的发动机，其特征在于，所述第一活塞密封圈和所述第二活塞密封圈的材质是橡胶或其他密封材料，用于套在所述活塞杆上，与所述活塞杆紧密配合，以初步隔断油气和油膜，但不阻碍所述活塞杆的往复运动；

所述孔用挡圈密封垫用于封盖并限位所述杆密封挡片，以进一步与所述第一活塞密封圈配合，提高密封效果；

所述孔用挡圈用于封盖并限位所述杆密封挡环，以进一步与所述第二活塞密封圈配合，提高密封效果。

7.如权利要求1-6 中任意一项所述的发动机，其特征在于，通过与所述活塞杆过盈配合的所述油膜隔断圈，可以隔断所述活塞杆上附着的油膜向所述绝油腔的进一步运动，使所述活塞杆上附着的油膜堆积在所述活塞杆上与所述油膜隔断圈相接触的位置，进而由于油膜自身重力原因而滴落在所述过渡腔中。

8.如权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述油膜隔断圈是橡胶材质，且直径为16mm，油膜隔断圈的圈厚度为 2.4mm。