CN102803681A - 隔热燃烧室 - Google Patents

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格雷戈里·H·彼得斯
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乔斯·T·班佐
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Abstract

一种隔热活塞或活塞帽在活塞或活塞帽朝向发动机的曲轴箱的轴向方向上建立高度阻热性路径。一种隔热汽缸配置成置于该隔热活塞周围并邻近隔热汽缸盖，并且在汽缸的轴向方向上提供阻热性（thermal resistance）。隔热的汽缸盖配置成阻挡轴向方向的热流远离曲轴箱。包围这些结构的高温隔热层配置成阻挡热量流出发动机的燃烧室。这些隔热组件一起形成完全隔热的燃烧室。

Description

隔热燃烧室
相关申请的引用
本申请要求名称为“高运行温度、完全隔热的、回热式发动机（HOTFIRE）汽缸组件（High Operating Temperature,Fully Insulated,Regenerative Engine(HOTFIRE)Cylinder Assembly）”且在2010年1月20日提交的美国临时专利申请号61/296,594以及名称为“隔热燃烧室（Insulated Combustion Chamber）”且在2011年1月20日提交的美国专利申请号13/010,444的优先权的权益，特别地通过引用将所有它们披露的和教导的内容合并入本文中。
背景技术
在内燃机的汽缸内发生的燃料空气或其他燃料氧化剂燃烧产生极大量的热，其典型地通过汽缸壁和通过活塞散失。据估计，可以由内燃机产生的可用机械功的约百分之五十作为热散失。通常，为了防止由放热的燃料氧化剂燃烧反应产生的高温引起的对发动机的损坏，需要用空气或水冷却汽缸壁。这种发动机冷却产生从可燃气体中散热的机制，其减少了可以从这些气体中提取的机械功的量。因此，散热很大程度地降低了发动机的效率。例如，在汽车中，据估计，来自发动机中燃料氧化剂燃烧的大约25%可用的化学能通过散热器散失。这与转换成传输至发动机曲轴的有用机械功的总可用功的百分数相当。能源的其余部分通常通过排气系统损失（虽然通过在排气中合并涡轮增压器或类似装置可以产生局部回收）。
尽管许多陶瓷的和其他看似隔热的涂层已经应用于活塞面、汽缸盖表面和汽缸壁，试图使热损失最小化，但是这种相对薄的涂层的耐热性相比于在此处应用的隔热层的厚度是可忽略的。已经研究了陶瓷发动机，然而典型地采用必须至少部分降温以抵抗燃料空气燃烧中遇到的火焰温度的材料。
发明内容
本公开的技术通过提供低排热活塞组件提高内燃机的效率。在一个实施方式中，隔热活塞建立（产生，create）从燃烧室通过活塞的高度阻热性路径。隔热汽缸包围隔热活塞，并提供从燃烧室通过隔热汽缸的高度阻热性路径。隔热汽缸盖（head）覆盖在隔热汽缸的顶部，并提供从燃烧室通过隔热汽缸盖的高度阻热性路径。结合在一起的隔热活塞、隔热汽缸和隔热汽缸盖为内燃机建立隔热燃烧室。
在另一个实施方式中，将隔热活塞帽（或盖，cap）附着在常规活塞的顶部，并建立从燃烧室通过隔热活塞帽的高度阻热性路径。隔热的上部汽缸包围隔热活塞，位于常规汽缸和隔热汽缸盖之间，并且提供从燃烧室通过隔热的上部汽缸的高度阻热性路径。隔热的汽缸盖覆盖在隔热汽缸的顶部，并提供从燃烧室通过隔热汽缸盖的高度阻热性路径。结合在一起的隔热活塞帽、隔热汽缸和隔热汽缸盖为内燃机建立隔热的燃烧室。
在本文中详细描述的隔热燃烧室在相对较高的温度和/或压力下运行用于产生有用功。因此，独特材料和/或制造技术可以用于构建将燃烧室隔热的各种部件，以便这些部件承受运行温度和/或压力。
附图说明
图1是用于往复式内燃机的示例性隔热活塞。
图2是用于往复式内燃机的活塞上的示例性隔热活塞帽。
图3A是在上止点定位中的示例性隔热活塞组件。
图3B是在下止点定位中的图3A的隔热活塞组件。
图4A是在上止点定位中的另一个示例性隔热活塞组件。
图4B是在下止点定位中的图4A的示例性隔热活塞组件。
图5示出了制造用于往复式内燃机的隔热活塞组件的示例性操作。
具体实施方式
内燃机是一种发动机，其中，在燃烧室中产生燃料（例如矿物燃料）与氧化剂（例如空气）的燃烧。在内燃机中，燃烧产生的高温和高压气体的膨胀将直接的力施加于发动机的某部件（某些部件），如一个或多个活塞、涡轮叶片或喷嘴。这种力使部件（多个部件）在一定距离上移动，产生有用的机械能。典型地，燃烧是间歇的，例如，如四冲程和二冲程的活塞式发动机，和变化方案，如汪克尔转子发动机。其他内燃机包括火花点火、压缩点火、五冲程、六冲程、阿特金森循环。本公开的技术可以应用于任何内燃机。
燃料可以包括例如汽油、柴油、液化石油气（autogas）、压缩天然气、喷射式燃料、航空燃料、燃油、各种醇类（例如乙醇、甲醇和丁醇）、废花生油/植物油和各种生物燃料（例如生物丁醇、生物乙醇、生物甲醇、生物柴油、沼气）以及氢中的一种或多种。而且，氧化剂可以包括例如空气、氧、硝基甲烷、一氧化二氮、过氧化氢、氯和氟中的一种或多种。在双组元推进系统（或二元推进剂系统）中，燃料和氧化剂保持分离直至燃点，在这种情况下混合燃料和氧化剂用于在燃烧室中燃烧。在单组元推进系统（或单元推进剂系统）中，可以将任意一种或多种燃料与任意一种或多种氧化剂预混合。然后可以将单元推进剂移动至燃点（或着火点）用于在燃烧室中燃烧。本公开的技术可以应用于二元推进剂和单元推进剂内燃机中任意燃料和氧化剂的结合。
而且，本公开的技术可以应用于往复式内燃机，也常常被称为活塞式发动机，其使用一个或多个往复活塞将压力转变为旋转运动。本公开的技术也可以应用于一些非往复式内燃机，如汪克尔发动机。而且，本公开的技术也可以应用于一些非内燃发动机，如斯特林发动机。
本公开的技术使内燃机的燃烧室隔热，致使标准内燃机通过例如其活塞、汽缸和汽缸盖抵抗低于5%的热损失。而且，通过本公开的隔热活塞、汽缸和汽缸盖，总的热能损失低于总的可用化学能的5%。在一些实施方式中，热能损失的降低减少或消除了对隔热内燃机的液体冷却系统或油冷却器的需求。在一个实施方式中，隔热的燃烧室的平均热能损失是100W/m2，在隔热内燃机的燃烧室和隔热部件外部之间具有平均3000K的温度梯度。
图1是往复式内燃机（未显示）的示例性隔热活塞100。将活塞100在汽缸（未显示）内配置成往复式，以便在内燃机（未显示）中产生功率，正如在本文中描述的。活塞100包括由低孔隙率密封结构104（例如碳纤维加强的碳、热解石墨、低孔隙率碳化硅、各种耐火金属、钽、铌、钨、铼、钼、堇青石和矾土氧化锆）包围的大量高孔隙率隔热材料102（例如碳泡沫材料、高孔隙率碳化硅泡沫材料）。活塞100也可以包括低反应性涂层110（例如耐氧化的耐火金属、铱或铱/铼共晶混合物、碳化铪、金属氧化物的化学蒸汽、和/或碳化硅。涂层110也可以包括一种或多种上述材料的两层或多层。其他材料可以用于隔热材料102、密封结构104、和/或涂层110，这些材料拥有隔热材料102、密封结构104、和/或涂层110所期望的结构性、隔热性、渗透性和反应性。
密封结构104包括一个或多个凹槽（例如凹槽106），配置成容纳在活塞100和汽缸之间的界面内提供压缩密封和/或油控制的活塞环。凹槽可以位于远离燃烧室以防止由燃烧室内强热引起的对活塞环的损害。而且，如果在a-b面中，在预期的温度范围内活塞100没有经历显著的热膨胀，那么活塞100可以不需要活塞环。因此，活塞100可以不具有用于活塞环的凹槽，而是依靠（ride on）气体边界薄层。而且，活塞100包括穿过隔热材料102的孔108，其适于容纳附着在相应曲轴（未显示）上的连接杆（未显示）。曲轴将活塞100的往复式线性运动转变为曲轴的转动。孔108也可以包括加强环或轴承环112以降低隔热材料102的磨损。
活塞100在其从燃烧室至活塞100的底部的长度上可以经历大的温度降低（差，drop）。在一些实施方式中，活塞100可以包括拔模角度（出模斜度，draft angle）（未显示）。例如，与完全隔热的、长的热组件的活塞100的底部相比，拔模角度可以是1至2度，以便补偿活塞100顶部的热膨胀。拔模角度将协助防止活塞100在汽缸内卡住（seize），该卡住是由于相对于活塞100的底部，活塞100的显著更热的顶部的热膨胀。活塞100也可以包括圆顶（未显示）以改变燃烧室的压缩比。
隔热材料102是高度隔热的并且能够在高的运行温度（例如高于1500°C）下存在而不降解的材料。在其他实施中，隔热材料102是高度隔热的并且能够在甚至更高的运行温度（例如高于2000°C或2200°C）下存在而不降解的材料。在一些高性能燃料/氧化剂应用中，这些温度可以高于2500°C。该高温是利用本公开的技术的内燃机的说明性运行温度。而且，隔热材料102也能够抵抗大的温度变动（例如-40°C至2200°C）。大的温度变动表示在非常冷的环境温度下静止的内燃机，在运行期间被提升至运行温度，然后在冷的周围温度中被回归至静止状态。在内燃机的生命周期内隔热材料102可以快速和多次地遭受这些温度变化。在本文中指定的温度仅是实例，并且不用来限制本公开的技术。
在隔热材料102是碳泡沫材料的实施方式中，碳泡沫材料包括一系列孔以辅助隔热。尽管真空典型地是非常隔热的，但是在非常高的温度下孔可以通过碳泡沫材料传递大量的辐射热。为了补救这种（情况），可以将用于通过碳泡沫材料对辐射热传递进行额外热阻的碳气凝胶填充孔。碳气凝胶对传导性、对流性和辐射性热传递是高度隔离的。在一个实施方式中，碳气凝胶可以经由化学气相沉积而沉淀。
在一些实施方式中，在没有分离燃料、氧化剂和/或它们燃烧的产物与隔热材料102的结构的情况下，燃料、氧化剂和/或燃料和氧化剂燃烧的产物可能能够渗入隔热材料102。燃料、氧化剂和/或它们燃烧的产物渗入隔热材料102可以降低其隔热性和/或降低耐温性和/或隔热材料102的结构强度。因此，密封结构104密封隔热材料102防止来自燃烧室的污染物，并且在没有降解的情况下，能够抵抗上述高运行温度和大的温度变动。
密封结构104可以包括粘合剂和高温糊剂的结合，其可以填充和密封隔热材料102的外部孔，该隔热材料与可以应用于隔热材料102外部的合成纤维结合。密封结构104可以具有类似于隔热材料102的热膨胀系数，以便可以防止由温度改变引起的密封结构104与隔热材料102的界面之间的开裂和其他结构破损。
密封结构104也可以具有诸如导热率的各向异性热性质。可以定向密封结构104，以便其最低导热率方向与活塞100的长度平行（例如在c-方向）。因此，密封结构104能够辅助活塞100的隔热性。而且，热能可以通过密封结构104沿着活塞100壁从燃烧室向下传递（例如在负c-方向）。因此，密封结构104的厚度可以减小至密封隔热材料外部的孔所必需的最小，并且提供通过密封结构104沿着活塞100壁的最小热路径。
在一个实施方式中，密封结构104可以由热解石墨构成。热解石墨典型地具有低透气性和在a-b面上大约300W/mK，而在c-方向上仅约1至4W/mK的导热率。即使c-方向的导热率与a-b面的导热率相比是相对低的，但是相对于根据本公开技术的内燃机的需求，1至4W/mK是高的导热率。相应地，活塞100壁的厚度可以最小化，以提供垂直于热流的最小横截面积，同时还能够抵抗内燃机的燃烧压力。在a-b面上相对高的导热率使得热能够在a-b面上容易地流动，但是这种热流包含在使用隔热材料102的燃烧区的紧密邻近处。
拥有足够的结构、热和/或渗透性的耐火金属（例如铌和钽）或碳化物（例如碳化硅）也可以用于构建密封结构104和/或隔热材料102。例如，由低横截面积的柱隔开的耐火金属堆叠层可以用于隔开辐射性、对流性和/或传导性的热传递。耐火金属典型地比热解石墨不易碎，同时耐火金属也典型地具有比石墨更高的导热率（至少在c-方向）。因此，耐火金属非常薄的层（例如一英寸的千分之1-2的一层或多层）可以用于降低耐火金属密封结构104的导热率。
在一些实施方式中，密封结构104对燃料、氧化剂、和/或燃料和氧化剂的燃烧产物是反应性的。例如，在氧存在下密封结构104可以氧化。低反应性涂层110涂覆在暴露于燃烧室的密封结构104的表面。这些表面可以仅包括活塞100的顶部（正如在图1中描绘的）或活塞100的顶部和侧面。涂层110防止密封结构104由于燃料、氧化剂、和/或燃料和氧化剂的燃烧产物反应的老化。
活塞100的相对高的速度和在往复期间运动方向的快速变化、以及燃烧室内爆炸力和压力结合成为活塞100上的巨大压力和拉力。在一个实施方式中，在具有2.0的安全系数的内燃机的最大转速（RPM）下，设计活塞100在2000psia的压力和500psia的拉力下运行。高孔隙率隔热材料104和低孔隙率密封结构104结合能够抵抗施加于在内燃机内往复的活塞100上重复的压力、拉力、和爆炸力。
在一个实施方式中，隔热材料102对活塞100上的压力和拉力提供主要的结构耐性，而密封结构104仅密封隔热材料102防止来自燃烧室的污染物。例如，可以使用高强度碳泡沫材料。在另一次实施中，密封结构104对活塞100上的压力和拉力提供主要的结构耐性，而隔热材料102仅提供活塞100的隔热性。还有其他的实施方式中，隔热材料102和密封结构104都对活塞100上的压力和拉力提供巨大的结构耐性。
图2是用于往复式内燃机（未显示）的活塞200上的示例性隔热活塞帽214。活塞帽214是圆柱形的并以类似于常规活塞的方式安装至汽缸（未显示）中。隔热活塞帽214包括用于将隔热活塞帽214附着在活塞200上的紧固件（例如紧固件216）。活塞帽214包括由低孔隙率密封结构204（例如碳纤维加强的碳、热解石墨、低孔隙率碳化硅、各种耐火金属，钽、铌、钨、铼、钼、堇青石和矾土氧化锆）包围的高孔隙率隔热材料202块（例如碳泡沫材料、高孔隙率碳化硅泡沫材料）。活塞帽214也可以包括低反应性涂层210（例如耐氧化的耐火金属、铱或铱/铼共晶混合物、碳化铪、金属氧化物的化学蒸气、和/或碳化硅）。涂层110也可以包括一种或多种上述材料的两层或多层。其他材料可以用于隔热材料202、密封结构204和/或涂层210，这些材料拥有隔热材料202、密封结构204和/或涂层210期望的结构性、隔热性、渗透性和反应性。高孔隙率隔热材料202和低孔隙率密封结构204配置成抵抗燃烧的温度和压力，同时提供远离内燃机的燃烧室的高度耐热性路径。
活塞200包括一个或多个凹槽（例如凹槽206），其配置成容纳在活塞200和汽缸之间的界面内提供压缩密封和/或油控制的活塞环。如果在a-b面中，在预期的温度范围内活塞200没经历剧烈的热膨胀，那么活塞200可以不需要活塞环。因此，活塞100可以不具有用于活塞环的凹槽，而是安放气体边界薄层。而且，活塞200包括穿过活塞200的孔208，该孔适于容纳附着在相应曲轴（未显示）上的连接杆（未显示）。曲轴将活塞200的往复式线性运动转变为曲轴的转动。
活塞200和/或活塞帽214在从燃烧室至活塞200的底部的长度上将经历大的温度落差。在一些实施方式中，活塞200和活塞帽214可以包括拔模角度（未显示）。例如，与活塞200的底部相比，拔模角度可以是1至2度，以便补偿活塞帽214顶部的热膨胀。拔模角度将协助防止活塞200和/或活塞帽214在汽缸内卡住，该卡住是由于相对于活塞200的底部，活塞帽214的显著更热的顶部的热膨胀。活塞帽214也可以包括圆顶（未显示）以改变燃烧室的压缩比。
在一个实施方式中，活塞帽214附着在活塞200的顶部，并且充当曲轴箱的热屏蔽，其保持燃烧区中的燃烧热并远离曲轴箱润滑剂。可以使用在其中的一个或多个贝勒维尔垫圈或其他弹簧（例如垫圈218）对活塞200压缩活塞帽214。在活塞帽214的热膨胀期间，通过弹簧垫圈218调节密封结构204和隔热材料202之间的热膨胀差。通过将存在于活塞帽214周围、活塞帽214和汽缸之间的间隙中的经燃烧的气体缓解(或减轻)间隙损耗（gap loss）。而且，这些经燃烧的气体阻碍未经燃烧的气体占据该间隙。
隔热材料202是高度隔热的并且能够在上述高的运行温度和大的温度变动下存在而不降解的材料。在本文中指定的温度仅是实例，并且不意图限制本披露的技术。在隔热材料202是碳泡沫材料的实施中，碳泡沫材料包括一系列孔以辅助隔热。尽管真空典型地是非常隔热的，但是在非常高的温度下孔可以通过碳泡沫材料传递大量的辐射热。为了补救这种（情况），可以将孔填充用于通过碳泡沫材料辐射热传递的额外热阻的碳气凝胶。碳气凝胶对传导性、对流性和辐射性热传递是高度隔离的。在一个实施方式中，碳气凝胶可以经由化学气相沉积积淀。
在一些实施方式中，在没有分离燃料、氧化剂和/或它们燃烧的产物与隔热材料202的结构的情况下，燃料、氧化剂和/或燃料和氧化剂燃烧的产物可能能够渗入隔热材料202。燃料、氧化剂和/或它们燃烧的产物渗入隔热材料202可以降低其隔热性和/或降低耐温性和/或隔热材料202的结构强度。因此，密封结构204密封隔热材料202防止来自燃烧室的污染物，并且能够抵抗上述高运行温度和大的温度变动而没有降解（或老化，degradation）。
密封结构204可以包括粘合剂和高温糊剂的结合，其可以填充和密封隔热材料202的外部孔，该隔热材料与可以应用于隔热材料202外部的合成纤维结合。密封结构204可以具有类似于隔热材料202的热膨胀系数，以便可以防止由温度改变引起的密封结构204与隔热材料202的界面之间的开裂和其他结构损坏。
密封结构204也可以具有诸如导热率的各向异性热性质。可以定向密封结构204，以便其最低导热率方向与活塞帽214的长度平行（例如在c-方向）。因此，密封结构204能够辅助活塞200的隔热性。而且，热能可以通过密封结构204沿着活塞帽214壁从燃烧室向下传递（例如在负c-方向）。因此，密封结构204的厚度可以减小至密封隔热材料外部的孔所必需的最小值，并且提供通过密封结构204沿着活塞帽214壁的最小热路径。
在一个实施方式中，密封结构204可以由热解石墨构成。热解石墨典型地具有低透气性和在a-b面上大约300W/mK，而在c-方向上仅约1至4W/mK的导热率。即使c-方向的导热率与a-b面的导热率相比是相对低的，但是相对于根据本公开技术的内燃机的需求，1至4W/mK是高导热率。相应地，活塞帽214壁的厚度可以最小化，以提供垂直于热流的最小横截面积，同时还能够抵抗内燃机的燃烧压力。在a-b面上相对高的导热率使得热能够在a-b面上容易地流动，但是这种热流包含在使用隔热材料102的燃烧区的紧密邻近处。
拥有足够的结构、热和/或渗透性的耐火金属（例如铌和钽）或碳化物（例如碳化硅）也可以用于构建密封结构204和/或隔热材料202。例如，由低横截面积的柱隔开的耐火金属堆叠层可以用于隔开辐射性、对流性和/或传导性的热传递。耐火金属典型地比热解石墨不易碎，同时耐火金属也典型地具有比石墨更高的导热率（至少在c-方向）。因此，耐火金属非常薄的层（例如一英寸的千分之1-2的一层或多层）可以用于降低耐火金属密封结构204的导热率。
在一些实施方式中，密封结构204对燃料、氧化剂、和/或燃料和氧化剂的燃烧产物是反应性的。例如，在氧存在下密封结构204可以氧化。低反应性涂层210涂覆在暴露于燃烧室的密封结构204的表面。这些表面可以包括仅活塞帽214的顶部（正如在图1中描绘的）或活塞帽214的顶部和侧面。涂层210防止密封结构204由于与燃料、氧化剂、和/或燃料和氧化剂的燃烧产物的反应而老化（或降解）。
活塞200和活塞帽214相对高的速度和在往复期间的运动方向的快速变化、以及燃烧室内爆炸力和压力结合成为活塞200和活塞帽214上的巨大压力和拉力，正如在上文中详细讨论的。高孔隙率隔热材料204和低孔隙率密封结构204组合能够抵抗施加在内燃机内往复的活塞帽214上重复的压力、拉力、和爆炸力。
在一个实施方式中，隔热材料202对活塞帽214上的压力和拉力提供主要的结构耐性，而密封结构204仅密封隔热材料202防止来自燃烧室的污染物。例如，可以使用高强度碳泡沫材料。在另一个实施方式中，密封结构204对活塞帽214上的压力和拉力提供主要的结构耐性，而隔热材料202仅提供活塞帽214的隔热性。还有其他的实施方式中，隔热材料202和密封结构204都对活塞帽214上的压力和拉力提供巨大的结构耐性（structural resistance）。
图3A是位于上止点定位上的示例性隔热活塞组件320。活塞组件320包括隔热活塞300、隔热汽缸324和隔热汽缸盖326。将形成相关的燃烧室328底部的隔热活塞300配置成隔热汽缸324内在c-方向上往复，隔热汽缸324形成燃烧室328的侧面。在图3A中，隔热活塞300绘制在隔热汽缸324内的上止点，其意味着隔热活塞300已经移动至在正c-方向其允许到达的最远处，并且燃烧室328小至其允许的值。在4冲程发动机中，上止点位置相当于压缩冲程和排气冲程的末端。例如，隔热汽缸盖326可以包括阀、排气口（或端口，ports）、燃料喷射、和/或用于燃烧室328的点火系统，并形成燃烧室328的顶部。
类似于隔热活塞300向来自燃烧室328在负c-方向传递的热流（未显示）提供热阻的方式，隔热汽缸324主要在a-b面中提供热阻，而隔热汽缸盖326主要在正c-方向中提供热阻。然而，隔热汽缸324和隔热汽缸盖326两者也在它们的系方向（corollary direction）中使热流最小化（即对于隔热汽缸324的c-方向，对于隔热汽缸盖326的a-b面）。内燃机的各种应用可以利用一个或多个隔热活塞300、隔热汽缸324和隔热汽缸盖326。在利用所有隔热活塞300、隔热汽缸324和隔热汽缸盖326的实施方式中，燃烧室328在所有方向是隔热的，允许燃烧室328达到非常高的运行温度，正如在本文中讨论的。
如同关于图1和2所描述的，隔热活塞300具有结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。隔热汽缸324包括低孔隙率密封结构332的圆柱形套管，其侧面包围着大量（a mass of）高孔隙率隔热材料330。隔热汽缸324也可以在低孔隙率密封结构332的圆柱形套管内部包括低反应性涂层（未显示）。
，隔热材料330、密封结构332和隔热汽缸324的涂层可以具有与以上在图1和2中描述的隔热材料102、202，密封结构104、204以及活塞100和活塞帽214的涂层110、210类似的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。
隔热汽缸盖326包括大量高孔隙率隔热材料334和邻近燃烧室328的低孔隙率密封结构336。隔热汽缸盖326也可以在直接邻近燃烧室328的密封结构336的内部包括低反应性涂层（未显示）。隔热材料334、密封结构336和隔热汽缸326的涂层可以具有与在如上所述的图1和2中绘制的隔热材料102、202，密封结构104、204以及活塞100和活塞帽214的涂层110、210类似的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。
诸如用于密封结构332、336的热解石墨可以具有低的拉伸强度和更高的压缩强度。在一些实施方式中，这些材料可以是用如螺栓的结构预压的，以确保在燃烧期间活塞组件320产生的最大拉力低于在活塞组件320的密封结构332、336中使用的材料的最大承受拉力。
使用贯穿汽缸盖326和汽缸324中带螺纹的螺栓孔的螺栓孔（例如螺栓孔338）可以将汽缸盖326附着在汽缸324上。汽缸324和汽缸盖326之间的界面可以有介于其间的垫圈（未显示）。可以设计垫圈以抵抗燃烧室328的高运行温度条件。一个这样的示例性垫圈是预压的（例如在4000psia下）热解碳盖隔热层。在另一个实施方式中，可以使用低温垫圈，由于接触燃烧室328的垫圈相对低的表面积，该垫圈以最小的总热损失原位冷却。在本文中考虑了安全地将汽缸盖326附着在汽缸324上的其他方法。
图3B是图3A的位于下止点定位的示例性隔热活塞组件320。活塞组件320包括隔热活塞300、隔热汽缸324和隔热汽缸盖326。将形成相关燃烧室328底部的隔热活塞300配置成在隔热汽缸324内在c-方向上往复，隔热汽缸324形成燃烧室328的侧面。在图3B中，隔热活塞300绘制在隔热汽缸324内的下止点，其意味着隔热活塞300已经移动至在负c-方向其允许到达的最远处，并且燃烧室328大至其允许的值。在4冲程发动机中，下止点位置相当于吸气冲程（intake stroke）和做功冲程（powerstroke）的末端。例如，隔热汽缸盖326可以包括阀、排气口（或端口）、燃料喷射、和/或用于燃烧室328的点火系统，并形成燃烧室328的顶部。
将隔热汽缸324和隔热汽缸盖326设计成处理施加在它们上结构应力。与隔热活塞300不同，这些静态结构抵抗主要与燃烧室328中的气压有关的应力。通过密封结构332、336；通过用于334、330的高强度密封结构；和/或这两者的结合可以调节结构负荷。由于气压在上止点是最高的，并且典型地随着活塞300在负c-方向移动而快速降低，可以设计汽缸壁332以在上止点位置附近具有额外的结构。
隔热活塞300具有如以上关于图1和2所描述的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。隔热汽缸324包括低孔隙率密封结构332的圆柱形套管，其侧面包围着大量高孔隙率隔热材料330。隔热汽缸324也可以在低孔隙度密封结构332的圆柱形套管内部包括低反应性涂层（未显示）。
隔热材料330、密封结构332和隔热汽缸324的涂层可以具有与以上关于在图1和2中绘制的隔热材料102、202，密封结构104、204以及活塞100和活塞帽214的涂层110、210所描述的类似的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。而且，由于随着活塞300向下止点膨胀，汽缸压力快速降低，隔热汽缸324的结构部分可以在负c-方向变薄。通过降低可用于热流动的横截面积，减少密封结构332的厚度可以进一步减少来自燃烧室328穿过汽缸324的热量在负c-方向的热传递。
隔热汽缸盖326包括大量高孔隙率隔热材料334和邻近燃烧室328的低孔隙率密封结构336。隔热汽缸盖326也可以在直接邻近燃烧室328的密封结构336的内部包括低反应性涂层（未显示）。隔热材料334、密封结构336和隔热汽缸326的涂层可以具有与以上关于在图1和2中绘制的隔热材料102、202，密封结构104、204以及活塞100和活塞帽214的涂层110、210描述的类似的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。
图4A是位于上止点定位的另一个示例性隔热活塞组件420。活塞组件420包括具有隔热活塞帽414的常规活塞400、隔热上部汽缸424、常规下部汽缸440、和隔热汽缸盖426。将形成相关的燃烧室428底部的隔热活塞帽414配置成在隔热汽缸424内在c-方向上与活塞400一起往复，隔热汽缸424形成燃烧室428的侧面。活塞400进一步在下层汽缸440内往复，下层汽缸440可以安装上常规汽缸衬里442以便耐磨损和密封的目的。
在图4A中，活塞400绘制在隔热汽缸424内的上止点，其意味着活塞400已经移动至在正c-方向其允许到达的最远处，并且燃烧室428小至其允许的程度。在4冲程发动机中，上止点位置相当于压缩冲程和排气冲程的末端。例如，隔热汽缸盖426可以包括阀、排气口（或端口）、燃料喷射、和/或用于燃烧室428的点火系统，并形成燃烧室428的顶部。
类似于隔热活塞帽414向来自燃烧室428在负c-方向传递的热流（未显示）提供热阻的方式，隔热汽缸424主要在a-b面中提供热阻，而隔热汽缸盖426主要在正c-方向中提供热阻。然而，隔热汽缸324和隔热汽缸盖326两者也在它们的系方向中（即对于隔热汽缸324的c-方向，对于隔热汽缸盖326的a-b面）使热流最小化。内燃机的各种应用可以利用一个或多个隔热活塞帽414、隔热汽缸424和隔热汽缸盖426。在利用所有隔热活塞帽414、隔热汽缸424和隔热汽缸盖426的实施方式中，燃烧室428在所有方向是隔热的，允许燃烧室428达到非常高的运行温度，正如在本文中讨论的。
隔热的活塞帽414具有如以上关于图1和2描述的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。隔热汽缸424包括低孔隙率密封结构432的圆柱形套管，其侧面包围着大量高孔隙率隔热材料430。隔热汽缸424也可以在低孔隙度密封结构432的圆柱形套管内部包括低反应性涂层（未显示）。
隔热材料430、密封结构432和隔热汽缸424的涂层可以具有与如上关于图1和2中绘制的隔热材料102、202，密封结构104、204以及活塞100和活塞帽214的涂层110、210描述的类似的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。
隔热汽缸盖426包括大量高孔隙率隔热材料434和邻近燃烧室428的低孔隙率密封结构436。隔热汽缸盖426也可以在直接邻近燃烧室428的密封结构436的内部包括低反应性涂层（未显示）。隔热材料434、密封结构436和隔热汽缸426的涂层可以具有与如上关于图1和2中绘制的隔热材料102、202，密封结构104、204以及活塞100和活塞帽214的涂层110、210描述的类似的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。
诸如用于密封结构432、436的热解石墨的材料可以具有低的拉伸强度和更高的压缩强度。在一些实施方式中，这些材料可以是用如螺栓的结构预压的，以确保在燃烧期间活塞组件420产生的最大拉力低于在活塞组件420的密封结构432、436中使用的材料的最大承受拉力。
使用贯穿汽缸盖426和上部汽缸424的螺栓孔（例如螺栓孔438）以及下部汽缸440中带螺纹的螺栓孔可以将汽缸盖426附着在下部汽缸440上。在图4A和4B的实施中，螺栓孔延伸贯穿汽缸盖密封结构436。这与图3A和3B的实施方式形成对比，在图3A和3B中，螺栓孔不延伸贯穿汽缸盖密封结构336。取决于汽缸盖326、426的主要结构部件是密封结构336、436还是隔热材料334、434，改变这些实施方式。下部汽缸440、上部汽缸424中的两个或多个与汽缸盖426之间的界面可以具有介于其间的垫圈（未显示）。可以设计垫圈以抵抗燃烧室428的高运行温度条件。一个这样的示例性垫圈是预压的（例如在4000psia下）热解碳盖隔热层。在另一个实施方式中，可以使用低温垫圈，由于接触燃烧室428的垫圈相对低的表面积，该垫圈以最小的总热损失原位冷却。在本文中考虑了安全地将汽缸盖426附着在汽缸424上的其他方法。
图4B是位于下止点定位的图4A的示例性隔热活塞组件420。活塞组件420包括具有隔热活塞帽414的常规活塞400、隔热上部汽缸424、常规下部汽缸440、和隔热汽缸盖426。将形成相关的燃烧室428底部的隔热活塞帽414配置成在隔热汽缸424内在c-方向上与活塞400一起往复，隔热汽缸424形成燃烧室428的侧面。活塞400进一步在下层汽缸440内往复，下层汽缸440可以安装上常规汽缸衬里442以便耐磨损和密封的目的。
在图4B中，活塞400绘制在隔热汽缸424内的下止点，其意味着活塞400已经移动至在负c-方向其允许到达的最远处，并且燃烧室428大至其允许的值。在4冲程发动机中，上止点位置相当于吸气冲程和做功冲程的末端。例如，隔热汽缸盖426可以包括阀、排气口、燃料喷射、和/或用于燃烧室428的点火系统，并形成燃烧室428的顶部。
隔热的活塞帽414具有如关于图1和2描述的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。隔热汽缸424包括低孔隙率密封结构432的圆柱形套管，其侧面包围着大量高孔隙率隔热材料430。隔热汽缸424也可以在低孔隙度密封结构432的圆柱形套管内部包括低反应性涂层（未显示）。而且，由于随着活塞400向下止点膨胀，汽缸压力快速降低，隔热汽缸424的结构部分可以在负c-方向变薄。通过降低可用于热流动的横截面积，减少密封结构432的厚度可以进一步减少来自燃烧室428穿过汽缸424的热量在负c-方向的热传递。
隔热汽缸424和隔热汽缸盖426设计成处理施加在它们上的结构应力。与隔热的活塞帽414不同，这些静态结构抵抗主要与燃烧室428中的气压有关的应力。通过密封结构432、436；通过用于434、430的高强度密封材料；和/或这两者的结合可以调节结构负荷。由于气压在上止点（可能应为下止点）是最高的，并且典型地随着活塞帽414在负c-方向（可能应为正c-方向）移动而快速降低，可以设计汽缸壁432以在上止点位置附近具有额外的结构。
隔热材料430、密封结构432和隔热汽缸424的涂层可以具有与以上关于图1和2中绘制的隔热材料102、202，密封结构104、204以及活塞100和活塞帽214的涂层110、210所描述的类似的结构的、热的、渗透性和反应性的性质。
隔热汽缸盖426包括大量高孔隙率隔热材料434和邻近燃烧室428的低孔隙率密封结构436。隔热汽缸盖426也可以在直接邻近燃烧室428的密封结构436的内部包括低反应性涂层（未显示）。隔热材料434、密封结构436和隔热汽缸426的涂层可以具有与以上关于图1和2中绘制的隔热材料102、202，密封结构104、204以及活塞100和活塞帽214的涂层110、210所描述的类似的结构性质、热性质、渗透性性质和反应性性质。
图5示出了用于为往复式内燃机制造隔热活塞组件的示例性操作500。制造操作505制造用于往复式内燃机的高孔隙率、隔热活塞结构。活塞结构能够抵抗非常高的温度和宽的温度波动，并且也可以拥有意图允许活塞结构抵抗巨大压力和拉力的结构特性。密封操作510用活塞密封结构密封高孔隙率、隔热活塞结构。活塞密封结构也能够抵抗非常高的温度和宽的温度波动，并且能够密封活塞结构的外部孔防止污染物。活塞密封结构也可以拥有用来允许活塞结构抵抗巨大压力和拉力的结构特性。保护操作515用低反应性活塞涂层结构保护活塞密封结构。由于活塞密封结构对燃料、氧化剂、和/或燃烧产物可以是反应性的，涂层结构涂覆活塞密封结构并且在往复式内燃机运行期间防止活塞密封结构老化。老化可以包括，例如，活塞密封结构的氧化或由往复式内燃机的燃烧室中的污染物对汽缸盖密封结构的磨损。
在可选的实施方式中，首先产生高强度、低孔隙率的密封结构。然后将用高温隔热结构包围这个结构。
制造操作520制造用于往复式内燃机的高孔隙率、隔热汽缸结构。汽缸结构能够抵抗非常高的温度和宽的温度波动，并且也可以拥有意图允许活塞结构抵抗巨大压力和拉力的结构特性。密封操作525用汽缸密封结构密封高孔隙率、隔热汽缸结构。汽缸密封结构也能够抵抗非常高的温度和宽的温度波动，并且能够密封汽缸结构中的外部孔防止污染物。汽缸密封结构也可以拥有意图允许活塞结构抵抗显著压力和拉力的结构特性。保护操作530用低反应性汽缸涂层结构保护汽缸密封结构。由于汽缸密封结构对燃料、氧化剂、和/或燃烧产物可以是反应性的，涂层结构涂覆在活塞密封结构上并且在往复式内燃机运行期间防止活塞密封结构老化。老化可以包括，例如，活塞密封结构的氧化或由往复式内燃机的燃烧室中的污染物对汽缸盖密封结构的磨损。
制造操作535制造用于往复式内燃机的高孔隙率、隔热汽缸盖结构。汽缸盖结构能够抵抗非常高的温度和宽的温度波动，并且也可以拥有用来允许汽缸盖结构抵抗显著压力和拉力的结构特性。密封操作540用汽缸盖密封结构密封高孔隙率、隔热汽缸盖结构。汽缸盖密封结构也能够抵抗非常高的温度和宽的温度波动，并且能够密封汽缸盖结构中的外部孔防止污染物。汽缸盖密封结构也可以拥有用来允许汽缸盖结构抵抗显著压力和拉力的结构性质。保护操作545用低反应性汽缸盖涂层结构保护汽缸盖密封结构。由于汽缸盖密封结构对燃料、氧化剂、和/或燃烧产物可以是反应性的，涂层结构涂覆在汽缸盖密封结构上并且在往复式内燃机运行期间防止汽缸盖密封结构老化。老化可以包括，例如，汽缸盖密封结构的氧化或由往复式内燃机的燃烧室中的污染物对汽缸盖密封结构的磨损。
组装操作550组装活塞结构、汽缸结构和汽缸盖结构，以便形成用于往复式内燃机的完全隔热的燃烧室。完全隔热的燃烧室能够在显著高于标准内燃机的温度下操作，并且能够比标准内燃机达到更大的效率，因为较少的由燃烧产生的能源作为废热通过隔热的活塞结构、隔热的汽缸结构和隔热的汽缸盖结构损失。
尽管已经在上文中描述了本公开的技术的各种实施方式，应当理解活塞组件和部件可以由不同的材料或相同的材料构成，取决于应用的燃烧温度和压力。以某种程度的特定性或参照一个或多个独立的实施方式，已经在上文中描述了本公开的技术的各种实施方式，本领域的那些技术人员能够在不背离本公开的技术的精神和范围的情况下对本公开的实施方式做出很多改变。用来包含在上文描述中或在附图中显示的所有事物应当视为仅示例性的而不是限制性的。在没有背离本公开的技术的基本要素的情况下，可以对细节或结构进行改变。

Claims (29)

1.一种往复式内燃活塞组件，包括：
高孔隙率活塞结构，配置成使相邻的燃烧室与较低运行温度的活塞和发动机部件隔热，并且抵抗在运行期间施加在所述活塞组件上的压力和拉力；以及
低孔隙率活塞密封结构，配置成密封所述高孔隙率活塞结构防止来自所述燃烧室的污染物。
2.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，其中，所述高孔隙率活塞结构包括碳泡沫材料。
3.根据权利要求2所述的往复式内燃活塞组件，其中，在所述碳泡沫材料中的孔用碳气凝胶进行填充。
4.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，其中，所述高孔隙率活塞结构包括碳化硅泡沫材料。
5.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，其中，所述低孔隙率活塞密封结构包括碳-碳复合材料。
6.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，进一步包括：
低反应性活塞涂层结构，配置成密封所述低孔隙率活塞密封结构防止由于暴露于所述燃烧室的老化。
7.根据权利要求6所述的往复式内燃活塞组件，其中，所述低反应性活塞涂层结构包括铱-铼、碳化铪和碳化硅中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的往复式内燃活塞组件，其中，所述老化包括碳氧化。
9.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，进一步包括：
活塞，其中将所述高孔隙率活塞结构和所述低孔隙率活塞密封结构定向作为所述活塞上的帽。
10.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，其中，所述高孔隙率活塞结构和所述低孔隙率活塞密封结构一起限定在所述往复式内燃活塞组件中的活塞。
11.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，其中，进一步包括：
高孔隙率汽缸壁结构，配置成使相邻的燃烧室隔热；以及
低孔隙率汽缸密封结构，配置成密封所述高孔隙率汽缸壁结构防止来自所述燃烧室的污染物，并且抵抗在运行期间施加在所述活塞组件上的压力和拉力。
12.根据权利要求11所述的往复式内燃活塞组件，其中，当所述往复式内燃活塞组件在均匀温度下时，所述低孔隙率活塞密封结构和所述低孔隙率汽缸密封结构之间的间隙与所述燃烧室的距离减小。
13.根据权利要求12所述的往复式内燃活塞组件，其中，当所述往复式内燃活塞组件在运行温度分布时，所述低孔隙率活塞密封结构和所述低孔隙率汽缸密封结构之间的间隙与所述燃烧室的距离是恒定的。
14.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，进一步包括：
高孔隙率汽缸盖结构，配置成将相邻的燃烧室隔热，并且抵抗
在运行期间施加在所述活塞组件上的压力和张力；以及
低孔隙率汽缸盖密封结构，配置成密封所述高孔隙率汽缸盖结构防止来自所述燃烧室的污染物。
15.根据权利要求1所述的往复式内燃活塞组件，其中，朝向所述燃烧室的所述高孔隙率活塞结构的表面是圆顶形的。
16.一种制造往复式内燃机的方法，包括：
制造高孔隙率活塞结构，配置成使相邻的燃烧室隔热、并且抵抗在运行期间施加在所述活塞组件上的压力和拉力；以及
用低孔隙率活塞密封结构密封所述高孔隙率活塞结构，所述低孔隙率活塞密封结构配置成密封所述高孔隙率活塞结构防止来自所述燃烧室的污染物。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：使用低反应性活塞涂层结构保护所述低孔隙率活塞密封结构以免老化。
18.一种往复式内燃机，带有一个或多个能够在高于约1500°C的温度下操作的隔热燃烧室。
19.根据权利要求18所述的往复式内燃机，其中，一个或多个所述隔热燃烧室能够在高于约2000°C的温度下操作。
20.根据权利要求18所述的往复式内燃机，其中，一个或多个所述隔热燃烧室能够在高于约2200°C的温度下操作。
21.根据权利要求18所述的往复式内燃机，其中，一个或多个所述隔热燃烧室能够在高于约2500°C的温度下操作。
22.一种往复式内燃机，包括：
高孔隙率活塞结构，配置成使相邻的燃烧室隔热、并且抵抗在运行期间施加在所述活塞结构上的压力和拉力；
低孔隙率活塞密封结构，配置成密封所述高孔隙率活塞结构防止来自所述燃烧室的污染物；
高孔隙率汽缸壁结构，配置成使所述燃烧室隔热；
低孔隙率汽缸密封结构，配置成密封所述高孔隙率汽缸壁结构防止来自所述燃烧室的污染物、并且抵抗在运行期间施加在所述汽缸壁结构上的压力和拉力；
高孔隙率汽缸盖结构，配置成使所述燃烧室隔热、并且抵抗在运行期间施加在所述汽缸盖结构上的压力和拉力；以及
低孔隙率汽缸盖密封结构，配置成密封所述高孔隙率汽缸盖结构防止来自所述燃烧室的污染物，其中所述高孔隙率活塞结构、高孔隙率汽缸壁结构和高孔隙率汽缸盖结构配置成限定所述燃烧室。
23.一种用于往复式内燃机的燃烧室，包括：
具有隔热结构的室壁，配置成使所述燃烧室隔热、并且抵抗在所述发动机的运行期间在所述室壁上施加的压力和拉力，以及密封结构，配置成密封所述隔热结构防止来自燃烧室的污染物。
24.根据权利要求23所述的燃烧室，其中，所述隔热结构包括碳泡沫材料。
25.根据权利要求23所述的燃烧室，其中，所述密封结构包括碳-碳复合材料。
26.根据权利要求23所述的燃烧室，其中，所述隔热结构是高孔隙率活塞结构，并且所述密封结构是低孔隙率活塞密封结构。
27.根据权利要求23所述的燃烧室，其中，所述隔热结构是高孔隙率汽缸壁结构，并且所述密封结构是低孔隙率汽缸密封结构。
28.根据权利要求23所述的燃烧室，其中，所述隔热结构是高孔隙率汽缸盖结构，并且所述密封结构是低孔隙率汽缸盖密封结构。
29.一种往复式内燃活塞组件，包括：
高孔隙率活塞结构，配置成使相邻的燃烧室与较低工作温度的活塞和发动机部件隔热；以及
低孔隙率活塞密封结构，配置成密封所述高孔隙率活塞结构防止来自所述燃烧室的污染物、并且抵抗在运行期间施加在所述活塞组件上的压力和拉力。
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PB01 Publication
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
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