活塞式发动机提升热效率的最大难点之一

传统往复活塞式发动机结构从发明至今已经超过一百多年的历史，经过这么多年的不断优化，热效率的提升也越来越困难，说明往复活塞式结构的发动机热效率提升空间已经接近结构性潜力极限。

柴油机热效率普遍比汽油机高，压缩比起决定性作用，大多数柴油机的压缩比高于汽油机，汽油在过高的压缩气体中着火会瞬间燃烧，燃烧压力集中爆发出来，产生一个非常高的尖峰压力，可以称之为爆燃，燃烧压力瞬间冲击活塞，当发动机负载大时，使活塞侧推力非常大，造成活塞活塞环和汽缸壁之间摩擦力加大，温度升高，磨损加速，迅速缩短发动机寿命，这也是汽油机压缩比不能太高的原因。哪怕是柴油，在过高的空气压力下着火也会出现爆燃，现在的柴油机压缩比已经接近了柴油爆燃的红线，所以常见的小型柴油机或是汽油机，带负载时，在燃料爆燃的情况下会造成活塞侧推力加大，活塞活塞环和汽缸壁磨损严重，温度升高，缩短发动机寿命，即使应用如汽缸壁金属涂层等大量先进技术，也只是治标不治本，无法消除活塞侧推力，就不能采用更大的压缩比，发动机就无法稳定的输出更大的扭矩，这也是明知道加大压缩比能大幅提高热效率，却让发动机厂商望而却步的重要原因之一。然而一些大型船舶发动机厂商却另辟蹊径，如芬兰瓦锡兰生产的大型船舶发动机，给活塞装上导轨，这样基本上消除了活塞侧推力，从而设计更大的压缩比和更大的燃烧压力，大幅提高发动机热效率，使柴油机超过50%的热效率，但也相应的增加了重量，不适合陆地交通使用。

通过以上几个发动机类型的论述，我们知道，发动机采用更高的压缩比能提高热效率，但在提高压缩比的同时发动机燃烧室的燃烧压力也会增大，最大扭矩也会增加，造成活塞侧推力大幅增加，活塞和汽缸壁的摩擦系数变大，温度剧烈升高，磨损严重，发动机寿命大幅缩短，汽缸壁金属涂层能降低摩擦系数，却不能消除活塞侧推力，活塞侧推力是阻碍发动机提高压缩比的最大难点之一，也是阻碍热效率提升的最大难点之一。

既然知道了活塞式发动机热效率提升的最大难点之一，根据这个难点提出解决方案：从新设计一款即轻量化，能消除活塞侧推力，又能稳定承受燃料在高压缩比下出现的爆燃压力的发动机。

以下是两款热效率超过50%的发动机结构，没有了传统发动机的汽缸盖，消除了传统发动机活塞侧推力的结构性缺陷，能设计更高的压缩比，承受更大的爆燃压力，大幅提升发动机热效率，与传统活塞式发动机相比，相同排量时扭矩大一倍以上。

解决方案一(专利号201711487787.9)

一种往复导轨双口汽缸发动机，包括导轨支架、导轨双口汽缸、柱塞、曲轴和机壳；所述导轨支架固定在机壳上，所述导轨双口汽缸为中间封闭两端开口，导轨双口汽缸开口的两端各套接一个柱塞；所述柱塞的一端设有密封环，设有密封环的一端与导轨双口汽缸的开口端套接，设有密封环的一端顶部设有进气门、排气门和喷油嘴，柱塞的另一端设有进气管道、排气管道和冷却管路；所述曲轴安装在机壳下部，并通过连杆与导轨双口汽缸连接，所述导轨双口汽缸的缸体外侧设有直线导轨脊，导轨支架内侧有直线导轨槽，所述导轨槽与导轨双口汽缸的导轨脊相配合组成直线导轨，每个导轨双口汽缸和导轨支架分别设计2-4条的直线导轨脊和直线导轨槽，且导轨脊和导轨槽的数量相同。直线导轨引导导轨双口汽缸按给定的方向做往复直线运动，限制导轨双口汽缸向其它方向运动，消除了类似往复活塞式发动机的活塞侧推力，减少了发动机的耗损，提高工作效率。

工作原理为：

每个导轨双口汽缸配套两个柱塞，每个导轨双口汽缸与两个柱塞组合形成两个燃烧室，靠近曲轴的为下燃烧室，另一燃烧室为上燃烧室，每个燃烧室都有吸气、压缩、做功、排气四个冲程循环，曲轴旋转半圈，两个燃烧室分别完成一个冲程，一个导轨双口汽缸能同时进行两个冲程。

下燃烧室四冲程工作循环：

1、吸气冲程

当发动机处于工作状态时，下端柱塞的进气门打开，导轨双口汽缸向上运动，空气进入导轨双口汽缸，当导轨双口汽缸运动至最高时，下端柱塞的进气门关闭。

2、压缩冲程

当吸气冲程结束时，下端柱塞的进气门与排气门都关闭着，导轨双口汽缸向下运动，空气被压缩，当导轨双口汽缸运动至最底部时，压缩冲程结束，将机械能转化为内能。

3、做功冲程

当压缩冲程接近终点时，在高压油泵作用下将液体燃料通过喷油器喷入导轨双口汽缸，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧，汽缸内气体的压力急速上升，急剧膨胀，推动导轨双口汽缸上行，导轨双口汽缸通过连杆拉动曲轴旋转，将内能转化为机械能。

4、排气冲程

当内能转化为机械能后，下端柱塞的排气门打开，导轨双口汽缸向下运动，将燃烧后的废气排出，当导轨双口汽缸运动至最底部时，排气门关闭，完成一个工作循环。

上燃烧室四冲程工作循环：

1、吸气冲程

当发动机处于工作状态时，上端柱塞的进气门打开，导轨双口汽缸向下运动，空气进入导轨双口汽缸，当导轨双口汽缸运动至最底部时，上端柱塞的进气门关闭。

2、压缩冲程

当吸气冲程结束时，上端柱塞的进气门与排气门都关闭着，导轨双口汽缸向上运动，空气被压缩，当导轨双口汽缸运动至最顶部时，压缩冲程结束，将机械能转化为内能。

3、做功冲程

当压缩冲程接近终点时，在高压油泵作用下将液体燃料通过喷油器喷入导轨双口汽缸，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧，燃烧室内气体的压力急速上升，急剧膨胀，推动导轨双口汽缸下行，导轨双口汽缸通过连杆推动曲轴旋转，将内能转化为机械能。

4、排气冲程

当内能转化为机械能后，上端柱塞的排气门打开，导轨双口汽缸向上运动，将燃烧后的废气排出，当导轨双口汽缸运动至最顶部时，上端柱塞的排气门关闭，完成一个工作循环。

方案二(专利号201711352110.4)

一种往复导轨汽缸式发动机，包括导轨汽缸、导轨支架、柱塞、曲轴和机壳；所述导轨支架固定在机壳上，所述导轨汽缸的上端为封闭式，下端为开口；所述柱塞位于曲轴和导轨汽缸之间，柱塞一端固定安装在机壳内，另一端设有密封环，柱塞设有密封环的一端套接在导轨汽缸开口的一端，设有密封环的一端顶部设有进气门、排气门和喷油嘴，另一端设有进气管道、排气管道和冷却管路；所述曲轴安装在机壳内，并通过连杆将导轨汽缸与曲轴连接；所述导轨汽缸的缸体外侧设有直线导轨脊，导轨支架内侧设有导轨槽，所述导轨槽与导轨汽缸的导轨脊相配合组成直线导轨。直线导轨引导导轨汽缸按给定的方向做往复做直线运动，限制导轨汽缸向其它方向运动，消除了类似往复活塞式发动机的敲缸现象，减少了发动机的耗损，提高工作效率。

1.导轨气缸(这气缸是往复运动的，有导轨) 2.导轨支架 3.柱塞(相当于活塞，区别在于这柱塞是固定安装的，柱塞顶面设置有气门和喷油嘴) 4.连杆 5.曲轴

其工作原理为：

1、吸气冲程

当发动机处于工作状态时，发动机的进气门打开，导轨汽缸向上运动，空气进入导轨汽缸，当导轨汽缸运动至最高时，进气门关闭。

2、压缩冲程

当吸气冲程结束时，进气门与排气门都关闭着，导轨汽缸向下运动，空气被压缩，当导轨汽缸运动至最底部时，压缩冲程结束，将机械能转化为内能。

3、做功冲程

当压缩冲程接近终点时，在高压油泵作用下将液体燃料通过喷油器喷入导轨汽缸，在高压油泵作用下将液体燃料通过喷油器喷入导轨汽缸，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧，汽缸内气体的压力急速上升，急剧膨胀，推动导轨汽缸上行，导轨汽缸通过连杆拉动曲轴旋转，将内能转化为机械能。

4、排气冲程

当内能转化为机械能后，发动机的排气门打开，导轨汽缸向下运动，将燃烧后的废气排出，当导轨汽缸运动至最底部时，排气门关闭，完成一个工作循环。