CN103228897A

CN103228897A - 在内燃机中使用的改进的活塞头

Info

Publication number: CN103228897A
Application number: CN2011800572397A
Authority: CN
Inventors: 海因茨-古斯塔夫·赖塞尔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2013-07-31
Also published as: EP2627885A1; WO2012051187A1; US20140290619A1; US20120085313A1

Abstract

通过本发明提供了一种在内燃机中使用的活塞组件。该活塞组件包括活塞主体，该活塞主体具有：延伸的活塞架、活塞面、内腔、和活塞销支撑件。两个挡油密封件；所述挡油密封件围绕所述延伸的活塞架、在远端附近同心地设置，每个挡油密封件具有内凹槽且由聚合物材料形成。两个压缩夹布置在两个挡油密封件的内凹槽内且适于帮助挡油密封件与内燃机的汽缸中的腔的内壁形成接触。活塞主体由工程复合材料形成。

Description

在内燃机中使用的改进的活塞头

相关申请的交叉引用

本发明要求2010年10月12日提交的名称为“用于内燃机的活塞头的设计”的未决的美国专利申请系列号12/902,381的权益。上述申请的全文通过参考在次被并入。

技术领域

本发明涉及在蒸气机或内燃机（包括旋转式发动机）中使用的活塞组件的设计和结构。

背景技术

这部分中的说明只提供涉及本发明的背景信息且不会构成现有技术。在传统的内燃机中，界定燃烧室的壁是圆柱形的且在一端用汽缸盖封闭。活塞被可运动地引导经过另一端、进入汽缸内。内燃机具有四个基本步骤：（1）进气；（2）压缩；（3）燃烧和膨胀；和（4）排气。在进气步骤中，可燃混合物被注入燃烧室内。借助进入汽缸的活塞的压缩该混合物处于压力作用下。然后该混合物被点燃并燃烧。热的燃烧产物最终膨胀；使活塞沿相反方向运动并将能量传递至被联接或连接到活塞的机械构件，例如曲轴。冷却的燃烧产物最后被排出并且燃烧循环再次开始。这些传统的内燃机通常具有以下缺点：效率低、尺寸大、重量大、和需要使用且连续地补充外部的液体润滑剂。

最近几年旋转式内燃机组件的引入提供了有关发动机效率提高和发动机尺寸减小的改进。但是，为了提供涉及发动机重量减小和减小对外部润滑剂的需求的改进，新型材料的发展和使用是有益的。对先进的发动机构件和新型材料的设计的持续提升是内燃机领域中一直所期望的。

发明内容

本发明提供了在蒸汽机或内燃机中使用的活塞组件，该活塞组件改进了发动机效率、减小了重量、尺寸和在发动机中使用的外部润滑剂的量、减小了内燃机的燃烧室的来自这些润滑剂的污染、并简化了制造这种活塞组件的能力。该活塞组件可在任何类型的发动机中使用，发动机包括但不限于传统的往复式发动机、旋转式发动机、星形发动机等。因而，所涉及的如在此被说明的特定类型的发动机将不解释为对本发明的范围的限制。

在本发明的一个形式中，在内燃机中使用的活塞组件被提供为包括活塞主体，该活塞主体具有：具有近端和远端的延伸的活塞架、布置在所述延伸的活塞架的远端处的活塞面、内腔、布置在所述延伸的活塞架的近端处的活塞销支撑件。两个挡油密封件围绕所述延伸的活塞架、在远端附近同心地设置，每个挡油密封件具有内凹槽且由聚合物材料形成。两个压缩夹布置在两个挡油密封件的内凹槽内。活塞主体由工程复合材料形成，且压缩夹适于帮助挡油密封件与内燃机的汽缸中的腔的内壁形成接触。

根据本发明的另一形式，内燃机提供成包括多个活塞头元件。每个活塞组件包括活塞主体，活塞主体具有：具有近端和远端的延伸的活塞架、布置在所述延伸的活塞架的远端处的活塞面、内腔、布置在所述延伸的活塞架的近端处的活塞销支撑件。两个挡油密封件围绕所述延伸的活塞架、在远端附近同心地设置，每个挡油密封件具有内凹槽且由聚合物材料形成。两个压缩夹布置在两个挡油密封件的内凹槽内。活塞主体由工程复合材料形成，且压缩夹适于帮助挡油密封件与内燃机的汽缸中的腔的内壁形成接触。

根据本发明的再一方面提供了与内燃机的活塞一起使用的挡油组件。挡油组件包括：挡油密封件，其具有内凹槽且由聚合物材料形成，和压缩夹，其布置在挡油密封件的内凹槽内。压缩夹适于帮助挡油密封件与内燃机的汽缸中的腔的内壁形成接触。

根据在此提供的说明，其他区域的应用将变得明显。应该理解，说明书和特定的实例只用于说明目的且不用于对本发明的范围进行限制。

附图说明

这里描述的附图只用于图示的目的且绝不打算对本发明的范围进行限制。应该理解，遍及说明书和附图，相应的附图标记表示相同或相应的部分和特征部分。

图1A是突出使用了根据本发明的教导而构造的活塞组件的示例性旋转式内燃机的透视图；

图1B是突出使用了根据本发明的教导而构造的另一形式的活塞组件的示例性往复式V型内燃机的剖视图；

图2A是在图1B的往复式内燃机中使用的且根据本发明的教导构造的活塞组件的透视侧视图；

图2B是根据本发明的教导的图2A的活塞组件的侧视图；

图2C是根据本发明的教导的图2A的活塞组件的底视图；

图2D是根据本发明的教导的图2A的活塞组件的顶视图；

图3是与根据本发明的教导的活塞组件协作使用的挡油密封件的透视图；

图4是与根据本发明的教导的图3的挡油密封件协作使用的压缩夹的透视图；

图5A是在图1A的旋转式发动机中使用的且根据本发明的教导而构造的活塞组件的透视图；

图5B是根据本发明的教导的图5A的活塞组件的侧视图；

图5C是根据本发明的教导的图5A的活塞组件的底视图；

图5D是根据本发明的教导的图5A的活塞组件的顶视图。

具体实施方式

下面的说明实际上只是示例性的，意图绝不是限制本发明或其应用或使用。本发明通常提供能驱动车辆或其附属设备的蒸汽机或内燃机中使用的活塞组件的改进的设计。改进的活塞组件设计提供很多益处，即，使用了减小活塞重量、简化制造活塞的能力、减少使用外部润滑剂的陶瓷或碳复合物，和降低了燃烧室可能被外部润滑剂污染的机会。

参考图1A，示出了旋转式内燃机组件1的实例，其中发动机5包括以环形几何形状布置的多个燃烧室10。每个燃烧室10由定位在不同的主元件25（其沿相反方向运动）上的两个活塞组件15和位于汽缸衬套30内的腔的壁界定。多个曲轴35定位在主元件25的环形路径的直径内。内燃机组件1还可包括适于将燃料喷入燃烧室中的一个内的多个喷射器40和强制填充空气系统，该系统包括排气管道45、涡轮增压器50、和/或增压器55。增压器55和涡轮增压器50提供空气以保持恒定压力，由此，一旦活塞组件15被分开且空气流能通过气缸衬套30中的开口进入燃烧室10，就允许在内燃机组件1中的每个燃烧室10吸取（例如，抽取）空气。为内燃机组件1填充的新鲜空气可在其被抽取或吸取进入燃烧室10之前通过或经过冷却系统60。旋转式蒸气机和/或内燃机（本发明的活塞组件可在其中被使用）能在2010年8月3日提交的美国申请系列号12/849,406（其是2008年8月25日提交的申请系列号12/97,522的部分继续申请，而该部分继续申请又是2005年12月16日提交的申请系列号11/304,608的部分继续申请）、现在的美国专利号7,415,962中被发现，以上全部内容在此通过参考被并入。

如在图1B中示出的，传统的往复式发动机70的一部分被示出，其中也使用了要求保护的活塞设计。活塞组件15示出为在各气缸72中并且被通过各连接杆76被连接至曲轴74。（由于图1B是剖视图，活塞组件15的在右手侧的一部分只部分地示出）。传统的V型往复式内燃机的工作在本领域中是已知的，因而出于简化的目的不在此更详细地说明。示例性的V型往复式内燃机在美国专利号4,936,265中被更详细地说明，其全文通过参考在此被并入。

现在参考图2A-2D，活塞组件15包括活塞主体89、活塞销支撑件90、延伸的活塞架100、内腔110、活塞面120、两个挡油密封件130（在图2B中仅示出一个）、和两个相应的压缩夹140（在图4中示出）。活塞销支撑件90和内腔110被用于将活塞组件15联接到内燃机的连接杆。挡油密封件130防止油的任何喷溅（可出现在汽缸衬套的内壁上）通过与活塞面120和延伸的活塞架100相接触而被传送入燃烧室。

通过使用工程复合材料，例如碳或陶瓷复合物，活塞能被机加工具有较大的整体直径（保持实际的汽缸孔径不变），由此减小或消除需要与传统的活塞组件一起使用的压缩环。而且，本领域技术人懂得，本发明的活塞组件15被设计成且被制造成整个活塞主体89的外径可设置成更接近汽缸孔中的腔的内壁。因此，在汽缸衬套中的腔的内壁和活塞主体89之间存在的同心间隙能大大小于与通常的发动机应用中的活塞一起使用的间隙。消除该同心间隙就消除了对压缩环的需要并且提供了额外的益处，即，减少发生任何“振动”或在发动机工作寿命期间发生的发动机的过度磨损。

本发明的活塞组件15不需要压缩环的存在来获得汽缸中的活塞的高压缩比。另外，本发明的活塞组件15被证明在由本领域技术人员通常进行的压缩泄漏测试中优于具有压缩环的传统活塞。

在本发明的一个形式中，具有与每个活塞头15协作地使用的两个挡油密封件130。根据本发明的教导设计的挡油密封件130的实例在图3中被提出。挡油密封件130的整个高度和深度取决于活塞15的基本几何形状（例如，直径）。这些密封件130被放置在特征部分或凹槽129内，凹槽129沿着活塞架100的表面被同心地模制或机加工。

挡油密封件130可由任何类型的与油相容且能在内燃机工作期间具有热稳定性的聚合物制成。优选地，挡油密封件130的聚合物将由尺寸稳定且具有显著刚性或高度刚性的聚合物，例如或任何其他等效的PTFE（聚四氟乙烯）构成，从而增加由密封件施加到汽缸衬套的壁上的压力。刚性增加了以下方面的整体效率，即，任何类型的内燃机正常工作期间挡油密封件的“刮擦”能力或阻挡溅到汽缸衬套上的油的能力，从而防止外部润滑剂（油）进入燃烧室。可用作挡油密封件的聚合物材料的实例包括聚氯丁二烯、碳氟化合物（FKM）、弹性体、硅树脂（VQM）、氟硅橡胶（FVQM）、腈（NBR）橡胶、聚丙烯酸（ACM）聚合物、聚氨酯橡胶、乙烯丙烯酸（AEM）聚合物、聚酯弹性体、氯磺化聚乙烯、以及聚四氯乙烯（PTFE）等。还参考图3，挡油密封件130具有椭圆形状（例如，凹形）且适于与气缸衬套的内壁相互作用的接触面。

再次参考图2A和2B，压缩夹140可定位成邻近每个挡油密封件130。压缩夹140的实例在图4中被提供。压缩夹140使挡油密封件130被扩展开，从而提供较大量的表面压力，以与气缸衬套的内壁相互作用。通过被装配入特征部分或凹槽139，压缩夹140能使挡油密封件130扩展开，该凹槽139在挡油密封件130内被模制成或被切割出，如图3中所示。切割部或凹槽139可能是相对于密封件的圆周的半圆形，以便圆钢压缩夹140可用于牢固地安装成抵靠密封件130。

压缩夹可由本领域技术人员已知的任何金属或金属合金制成，包括但不限于软钢、铜、铜镍合金（即，Special Metals公司的

）、镍、不锈钢和镍铬（即，Special Metals公司的

）等。压缩夹可表现为实心环或具有中空内芯的环。压缩夹可包括固体内芯形式的金属合金和围绕内芯的外镀层或涂层的结合。

在发动机工作期间，使压缩夹140插入挡油密封件130的中央和使密封件130的与汽缸衬套的内壁接触表面成凹形导致了密封件130弯曲成两个至三个同心的接触区域可形成在密封件130和汽缸衬套的壁之间。同心的接触区域能用作刮油器并且防止任何油的喷溅进入燃烧室10。

本领域技术人员将理解在确定挡油密封件130和与其相关的凹槽或切割部139的尺寸方面涉及很多因素。这些因素可包括但不限于弯曲模量、热膨胀系数和与压缩夹140相关的热膨胀系数的相互作用。

每个活塞主体89可包括碳复合物或陶瓷复合物等。碳和陶瓷的复合物的实例可包括碳化硅、氮化硅和石墨等。另外，复合物结构可包括不连续的纤维增强型的碳或陶瓷，其中纤维通过实例可包括玻璃、碳或石墨。当活塞主体89由石墨复合物制成时，源自活塞主体89与内燃机的其他构件之间的接触的摩擦力的大小将是小的。因此，使用碳复合物例如石墨的一个优点是，用于减小内燃机组件1中的运动部件或构件之间的一定量的摩擦而使用油或其他外部润滑剂的需要被减少或完全消除。

活塞主体89可能是完全实心的或部分中空的，这取决于所期望的应用的重量要求。碳和陶瓷的复合物的强度可通过使用纤维加强来提高。

现在参考图5A-5D，另一形式的活塞组件15’被示出，活塞组件15’与图1A的旋转式内燃机一起使用。如之前的活塞组件15，该旋转式发动机的活塞组件15’包括活塞主体89’、主元件支撑件90’、延伸的活塞架100’、内腔110’、活塞面120’、设置在凹槽129’内的两个挡油密封件130（在图3中示出）、和两个相应的压缩夹140（在图4中示出）。主元件支撑件90’和内腔110’被用于将活塞组件15’联接到内燃机的连接杆25。挡油密封件130防止任何油的喷溅（可出现在汽缸衬套的内壁上）通过与活塞面120’和延伸的活塞架100’相接触而被传送入燃烧室。该活塞组件15’的工程材料和工作与有关传统V型内燃机的上述材料和工作相同，因此为了简明在次不再重复。因此，应该理解，根据本发明的活塞组件可用在任何类型的发动机中，且仍处于要求保护的本发明的范围内。

本发明的各种实施例的前述说明出于图示和说明的目的已经被提出。不期望这是绝对的或将本发明限于准确描述的实施例。根据以上的教导，各种改变或变型是可能的。所讨论的实施例被选择和描述成提供对本发明的原理和其实践应用的最好说明，由此使本领域的技术人员能利用各种实施例形式的且具有（如适于所构思的特定用途的）各种改变的本发明。当根据被公平、合法且合理地赋予的权利的宽度进行解释时，所有这些修改和变型都处于所附权利要求确定的本发明的范围内。

Claims

1.一种在内燃机中使用的活塞组件，包括：

活塞主体，其包括：

具有近端和远端的延伸的活塞架；

布置在所述延伸的活塞架的远端处的活塞面；

内腔；和

布置在所述延伸的活塞架的近端处的活塞销支撑件；

两个挡油密封件，所述挡油密封件围绕所述延伸的活塞架、在远端附近同心地设置，每个挡油密封件具有内凹槽且由聚合物材料形成；和

两个压缩夹，所述压缩夹布置在两个挡油密封件的内凹槽内，

其中，活塞主体由工程复合材料形成，且压缩夹适于帮助挡油密封件与内燃机的汽缸中的腔的内壁形成接触。

2.根据权利要求1所述的活塞组件，其中工程复合材料选自这样的组，该组由碳复合材料和陶瓷复合材料组成。

3.根据权利要求2所述的活塞组件，其中所述碳复合材料是强化纤维。

4.根据权利要求2所述的活塞组件，其中所述碳复合材料是石墨。

5.根据权利要求1所述的活塞组件，其中挡油密封件的所述聚合物材料是聚四氟乙烯。

6.根据权利要求1所述的活塞组件，其中聚合物材料选自这样的组中，该组由聚氯丁二烯、碳氟化合物、硅树脂、氟硅树脂、腈橡胶、聚丙烯酸聚合物、聚氨酯、乙烯丙烯酸（AEM）聚合物、聚酯弹性体、氯磺化聚乙烯、以及聚四氯乙烯组成。

7.根据权利要求1所述的活塞组件，其中挡油密封件具有椭圆形的接触表面。

8.根据权利要求1所述的活塞组件，其中压缩夹由金属或金属合金制成。

9.根据权利要求8所述的活塞组件，其中压缩夹选自这样的组中，该组由软钢、铜、铜镍合金、镍、不锈钢和镍铬合金组成。

10.根据权利要求1所述的活塞组件，其中压缩夹使挡油密封件与汽缸中的腔的内壁在至少两个同心区域中接触。

11.一种内燃机，包括：

多个活塞头组件，每个活塞组件包括：

活塞主体，其包括：

具有近端和远端的延伸的活塞架；

布置在所述延伸的活塞架的远端处的活塞面；

内腔；和

布置在所述延伸的活塞架的近端处的活塞销支撑件；

12.根据权利要求11所述的内燃机，其中内燃机是往复式发动机。

13.根据权利要求11所述的内燃机，其中内燃机是星形发动机。

14.根据权利要求11所述的内燃机，其中内燃机是旋转式发动机。

15.一种与内燃机的活塞一起使用的挡油组件，所述挡油组件包括：

挡油密封件，其具有内凹槽且由聚合物材料形成；和

压缩夹，其布置在挡油密封件的内凹槽内，

其中，压缩夹适于帮助挡油密封件与内燃机的汽缸中的腔的内壁形成接触。

16.根据权利要求15所述的挡油组件，其中挡油密封件的聚合物材料具有高的刚性。

17.根据权利要求15所述的活塞组件，其中聚合物材料选自这样的组中，该组由聚氯丁二烯、碳氟化合物、硅树脂、氟硅树脂、腈橡胶、聚丙烯酸聚合物、聚氨酯、乙烯丙烯酸聚合物、聚酯弹性体、氯磺化聚乙烯、以及聚四氯乙烯组成。

18.根据权利要求15所述的挡油组件，其中挡油密封件具有椭圆形状的接触表面。

19.根据权利要求15所述的挡油组件，其中压缩夹由金属或金属合金制成。

20.根据权利要求19所述的挡油组件，其中压缩夹选自这样的组中，该组由软钢、铜、铜镍合金、镍、不锈钢和镍铬合金组成。

21.根据权利要求15所述的挡油组件，其中压缩夹使挡油密封件与汽缸中的腔的内壁在至少两个同心区域中接触。