CN101614278A - 一种碳素材料与金属材料组合式活塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳素材料与金属材料组合式活塞。包括由碳素材料制成的活塞头部和由金属材料制成的活塞裙部，活塞头部和活塞裙部固定连接。活塞头部的顶面设计有燃烧室，外圆面设计有活塞环槽；活塞头部与活塞裙部的连接可以是螺纹连接、螺栓连接、冶金连接或者化学粘结的其中一种。活塞头部的碳素材料为碳基体材料或者碳纤维材料的其中一种。本发明采用的碳基材料具有重量轻、热强度高、摩擦系数及膨胀系数低、污染程度低和可再生性等众多优点，使活塞的使用寿命以及发动机的系统稳定性都得到了很大提高。

Description

一种碳素材料与金属材料组合式活塞

技术领域

本发明涉及一种活塞，特别是一种活塞式内燃机中所使用的组合式活塞。

背景技术

活塞是内燃机中最为关键的零件之一，俗称内燃机的“心脏”，它将燃油在高压空气中燃烧产生的高爆发力转化成动力，传递给曲轴而做功。

目前市场上的活塞多为整体式结构。活塞一般分为头部和裙部，头部通常设计有燃料燃烧的燃烧室，安装活塞环的环槽；裙部通常设计有活塞销孔、挡圈槽、泄油孔、与连杆配副的内腔、与汽缸孔配合的外圆面等基本结构。还有一种由中国专利200580022478.3公开的组合式活塞，由头部和裙部构成，它们之间通过一个内六角螺钉相互连接，通过螺钉上两部分螺纹之间的升角，来获得相对较大的螺纹连接强度。

活塞的工作条件相当恶劣，一是承受高温，头部工作温度达350℃～380℃，正常工作时活塞会发生较大的体积膨胀；二是承受高压，汽油机、气体机燃气最大爆发压力高达4～7Mpa，柴油机燃气最大爆发压力高达14～18Mpa，三是高速往复运动，活塞运动速度达12～16m/s，需要活塞具有良好耐磨性能和润滑条件，所以对活塞的机械、物理和化学性能都要有严格的要求。整体结构的活塞通常是采用铝硅合金、球磨铸铁、合金钢制造，组合式结构的活塞通常采用合金钢的头部与铝硅合金裙部、球磨铸铁头与铝硅合金裙等组合式材料制造。由于这些金属材料的密度大，使得活塞重量也较大，导致发动机工作时运动往复惯性力很大，给发动机的整机带来了较大的破坏力。活塞在工作状态和非工作状态的温差很大，因此就不可避免的产生体积膨胀，目前采用这些金属材料的活塞的热膨胀系数大，因此在设计过程中必须考虑正常运转时活塞与缸套内壁之间的间隙，也必须正确设计刚刚启动时活塞与缸套内壁之间的间隙。由于必须保证内燃机的正常运行，所以，在非工作状态或者说是内燃机停止时、温度为大气环境温度的情况下，活塞与缸套内壁之间都存在很大的间隙，造成启动的初期内燃机无力，有效功率低，并且燃油消耗和润滑油消耗高，浪费大量的能源，损坏内燃机；必须经过一段时间的预热后才能正常工作；在到达正常工作温度后，活塞的体积膨胀，又增加了活塞与缸套之间的摩擦损耗，而且由于一般材料抗热负荷疲劳能力不强，较易造成热疲劳失效破坏。因此目前的活塞的动力性、经济性、节能环保性能及其寿命都存在着很大不足。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种组合式活塞，减小活塞与汽缸之间的初始间隙，实现降低油耗、节约能源、减少污染、提高功率的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种碳素材料与金属材料组合式活塞，包括活塞裙部和活塞头部两部分，活塞头部的顶面设计有燃烧室、外圆面设计有活塞环槽，裙部设计有活塞销孔、挡圈槽、泄油孔、与连杆配副的内腔、与汽缸孔配合的外圆面等。活塞头部由碳素材料制成，活塞裙部由金属材料制成，活塞头部与活塞裙部固定连接为一体。

本发明的进一步改进在于：活塞头部与活塞裙部的连接是螺纹连接、螺栓连接、冶金连接或者化学粘结的其中一种。

上述技术方案的进一步改进在于：活塞头部与活塞裙部的螺纹连接是在活塞头部与活塞裙部对应位置处设置有连接用的内外螺纹，在对应内外螺纹的活塞头部与活塞裙部之间设置有定位销。

本发明的进一步改进在于：活塞头部的碳素材料为碳基体材料或者碳纤维材料，活塞裙部采用铝硅合金或镁铝合金等轻合金金属材料。

上述技术方案的进一步限定为：活塞头部的碳基体材料为石墨-轻金属的互渗体。即在以石墨为基体的材料中渗入铝、钙等金属元素。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的技术进步在于：

本发明的活塞，由头部的碳素材料与裙部金属材料组合而成，由于碳素材料的耐高温性能好，热膨胀系数低，热膨胀系数与铝合金活塞相比可降低三分之二，因此活塞和缸套之间的间隙可以做的更小，在全热工作过程中尤其是内燃机工作的初始阶段，可以大大减少活塞和缸套之间的漏气量，降低油耗、节约能源、减少污染，并提高压缩比及有效功率的输出，进而提高发动机的稳定性，减少咬缸机率。使内燃机能够很快的进入正常工作状态，减少磨合时间和预热时间。通过优化可大大减少活塞、活塞环和衬套之间的摩擦，从而提高发动机寿命和系统稳定性，降低工作噪声。

碳基体材料和碳纤维材料具有优良的摩擦特性，由于碳材料的特殊性，活塞在工作时，会自动产生一层耐磨的微小颗粒，可进一步提高其耐磨强度，减少了工作时活塞吸收的热量以及活塞的磨损，延长使用寿命，降低发动机油耗，其中燃油消耗量可下降10％、润滑油的消耗量可减少40％。还可以减少废气的排放量，其中CO释放量可减少50％。而且最重要的是用石墨原料所制的活塞，不需要再耗费铝的原料--铝土矿，铝土矿是不可再生资源，而碳材料却是可再生资源，可对其进行循环利用，进而达到节能环保和可持续发展的目的，适应了节能减排、可持续发展以及环保政策的要求。

活塞头部与活塞裙部不同的连接方式可以适用于各种不同的工艺条件。而活塞头部与活塞裙部的螺纹连接是比较稳定且容易加工的连接方式，定位销可以保证活塞头部与活塞裙部的组合方向位置准确。

在活塞头部选用碳素材料的同时，活塞裙部采用铝硅合金或镁铝合金等轻质材料，大大减轻活塞的重量，使发动机工作时，往复运动的惯性力大大减小，从而节约能源，减轻对发动机的整机的破坏力，再配以石墨基活塞环和汽缸套，可以进一步减轻发动机的重量，节约能源。本发明与传统铝合金活塞相比，可以减轻活塞自身重量的20％，从而大大降低了活塞的往复惯性力，减少能源消耗。由于活塞的高速往复运动，使活塞裙部在承受高温作用的同时还同时承受往复交变载荷，因此要求活塞裙部要有较大的强度，活塞裙部采用铝硅合金或镁铝合金等轻合金金属材料除其重量较轻外，还具有了较大的强度，可以适应与活塞杆之间的互相作用。活塞头部选用石墨-轻金属的互渗体制成的碳素材料，其重量轻、强度高，耐磨、抗磨性能好，可以发挥活塞的最大功效。

附图说明

图1为一种碳素材料与金属材料组合式活塞的正面剖视图。

其中：1.活塞头部，2.活塞裙部，3.定位销，4.活塞环槽，5.燃烧室，6.细牙螺纹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

图1为本发明的一种实施例。本实施例的组合式活塞由活塞头部1及活塞裙部2构成，活塞头部1采用由石墨-铝互渗体制成的碳基材料，活塞头部1的顶部设计有燃烧室5，其内圆面设计有细牙螺纹6，外圆面上设计有三道活塞环槽4；活塞裙部2采用铝硅合金制成，裙部设计有活塞销孔、挡圈槽、泄油孔、与连杆配副的内腔等，活塞裙部2的上部的外圆面上有与细牙螺纹6相配合的螺纹；在活塞头部1的第三道活塞环槽处和活塞裙部2的上端的螺纹处均设置有与定位销3对应的销孔，活塞头部1与活塞裙部2通过螺纹进行紧密连接后，用定位销3进行准确定位并紧固。

本发明适用于所有高速活塞式内燃机，包括汽油机、柴油机、气体机等。

本发明的活塞头部1的材料还可以选用碳纤维材料，或者选用石墨和其它轻金属的互渗体，甚至选用石墨和铜的互渗体，或者石墨与多种轻金属的多元互渗体；活塞裙部2的材料还可以选用镁铝合金等其它轻合金金属材料。

Claims (5)

1、一种碳素材料与金属材料组合式活塞，其特征在于：活塞包括活塞裙部和活塞头部两部分，活塞头部由碳素材料制成，活塞裙部由金属材料制成，活塞头部与活塞裙部固定连接为一体。

2、根据权利要求1所述的一种碳素材料与金属材料组合式活塞，其特征在于：活塞头部与活塞裙部的连接是螺纹连接、螺栓连接、冶金连接或者化学粘结的其中一种。

3、根据权利要求2所述的一种碳素材料与金属材料组合式活塞，其特征在于：所述活塞头部与活塞裙部的螺纹连接是在活塞头部与活塞裙部对应位置处设置有连接用的内外螺纹，在对应内外螺纹的活塞头部与活塞裙部之间设置有定位销。

4、根据权利要求1所述的一种碳素材料与金属材料组合式活塞，其特征在于：所述活塞头部的碳素材料为碳基体材料或者碳纤维材料，活塞裙部采用铝硅合金或镁铝合金。

5、根据权利要求4所述的一种碳素材料与金属材料组合式活塞，其特征在于：所述碳基体材料为石墨-轻金属的互渗体。

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