CN104838124A - 活塞 - Google Patents

Abstract

一种活塞(1)，包括一对泪滴形弹簧(6)，这对泪滴形弹簧在使用中在该活塞的顶(2)与相连的连杆(4)之间作用以使所述连杆偏置远离该活塞顶(2)。这些弹簧(6)由支撑构件(7和8)支撑，这些弹簧大致位于活塞顶(2)的区域中。支架(5)位于该活塞(1)内，该支架可滑动地安装在该活塞内用于相对于该活塞轴向运动，并且与连杆(4)以使得这些弹簧(6)允许支架(5)相对于活塞顶(2)轴向运动的方式连接。这些弹簧(6)由β钛合金例如橡胶金属制成。

Description

活塞

本发明涉及一种用于内燃机的活塞。

常规的内燃机采用曲轴将活塞的往复运动转换成输出扭矩以推动车辆或作用在任何其他的负载上。曲轴在将得自燃料燃烧的功率转换成可用的输出扭矩的能力方面是低效的。这是因为根据引擎速度和负载，燃料/气体混合物在活塞的上止点(TDC)位置之前很大的角度进行燃烧。当活塞在TDC之前亦或处于TDC处时，点燃的燃料/气体压力无法产生输出扭矩，因为连杆和曲轴销在TDC之前产生反向扭矩并且在TDC处时实际上成直线，使得没有分力与曲柄圆相切。这导致大部分可用的能量以热量形式损失。如果过早点火，产生的大部分压力浪费在尽力使引擎停止上(因为该压力在压缩冲程期间尽力在与活塞行进的方向相反的方向上推动活塞)；并且如果等到太晚点火，由于当活塞开始下降以进行做功冲程时活塞上方的空间增加，因此压力减小。不同引擎的最佳的最大压力点不同，但是平均都在上止点后大约12°。

我的英国专利2 318 151的说明书涉及一种用于内燃机的活塞和连杆组件。该组件包括活塞、连杆和弹簧，连杆具有与活塞有效连接以用于一起运动的第一端，以及与旋转输出轴可连接上的第二端。弹簧作用在活塞与连杆之间以使得连杆偏向远离活塞的顶。该活塞可朝着连杆的第二(小)端运动与汽缸余隙容积高度大致相等的距离。使用弹簧的一个结果是该组件具有共振频率，其优点记载于我的国际专利申请WO 00/77367的说明书中。在整个说明书中，该组件将被称为储能活塞。

在使用中，通过常规的定时装置对点火进行定时以便在TDC之前的预定时间发生，使得通过点火燃烧形成的膨胀气体迫使活塞在做功冲程期间在汽缸内迅速向下。然而，在到达TDC之前，汽缸中的压力会形成很高的值，并且迫使活塞逼近曲柄销，对抗弹簧的力。这压缩弹簧，并且增大活塞上方的体积，从而导致汽缸中的压力和温度降低。随着压力在汽缸余隙容积与弹簧之间均摊，降低的温度减小了辐射损失以及损失到冷却水和随后的排气中的热量。当活塞经过TDC时，存储在弹簧中的能量释放，并且导致产生增大的输出扭矩。这是由于在TDC之后弹簧压力立即与汽缸压力结合而实现的。由于必须在TDC之前点燃燃料/气体混合物的事实，这是因为为了实现最优性能要求点燃的燃料/空气在TDC之后约12°达到最大压力，否则一大部分的该存储的能量就已经以热量形式丧失。

在以上提及的专利说明书中公开的这种类型的储能活塞的一个问题是连杆小端与活塞顶之间必须具有相对运动，以使得在这两个部分之间安装的弹簧结构中存储能量。这个问题表现在弹簧结构和/或相邻的部分的磨损上，这种磨损是由于组件无法维持活动部分之间严格的轴向对准。这种未对准会造成严重的磨损，并且有时候会导致相邻部分之间咬死，特别是当活塞处于满负荷状态时。

我的欧洲专利申请1274927的说明书描述了一种具有改进的对准性能的储能活塞。该活塞包含与该活塞形成一体的弹簧，并且被配置为波纹管弹簧，并且是由钛制成的。

这种波纹管弹簧活塞的缺点是难以制造，并且如果过载则会受到过大压力。因此，如果通过机加工内部和外部狭槽由钛环块制造波纹管弹簧，那么这些在没有计算机数控机床(CNC)的情况下无法完成，并且用起来很昂贵，因为这需要相当多的时间投入来产生正确的波纹管的横截面以获得功能活塞。此外，机加工狭槽导致昂贵的钛的相当大的消耗，并且必须为给定的活塞及其应用专门设计每个弹簧。此外，因为波纹管弹簧弯曲的内部和外部以及要求相邻的多个弹簧片的相对的面必须为波状外形以便分散应力集中，相邻的弹簧片之间的间隙较大-大约3mm-并且这在过载时会导致过大的应力问题。因此，生产了每单位长度具有较少片的波纹管弹簧，并且这些片必须承载活塞在使用中承受的大的应力。因此，每个片的应力较高，并且这会导致弹簧过早失效。这种类型的波纹管弹簧的额外缺点是，为了尝试获得所需应力和挠度图，其占用较大空间，从而使活塞设计困难。因此，其他活塞零件所需的空间不得不与波纹管弹簧占用的空间竞争。在整个说明书中，术语“片”应当意味着波纹管弹簧上形成弹簧的波纹的这些部分。

可替代地，如果弹簧的各个片是通过冲压形成的，并且这些片扩散结合在一起以形成波纹管弹簧，就可以生产出更具有成本效益的波纹管弹簧，但是这仍然遇到过大应力的问题，因为具有弯曲的内端部和外端部的波纹管弹簧中固有的片与非平行的片壁之间的间隙较大。同样由于上述的相同原因而产生空间问题。

我的英国专利申请0216830.0的说明书描述了一种包含弹簧的储能活塞，该弹簧在使用中在活塞与相连的连杆之间作用以使得连杆偏置远离活塞顶。该弹簧被配置为波纹管弹簧，该波纹管弹簧具有限定波纹管弹簧的波纹的多个大致平行的片。连接这些片的弹簧的内端部和外端部为矩形结构，并且相邻片之间的间隙由大致平行的表面限定。

这种弹簧的优点是比更早类型的波纹管弹簧更容易制造，并且其不会在相同程度上受到过大应力。然而，其仍然占用活塞内的大量空间，这给活塞设计造成困难。

我的英国专利申请0218893.6的说明书描述了一种包括弹簧装置的活塞，该弹簧装置在使用中在活塞与相连的连杆之间作用以使得连杆偏置远离活塞的顶。该弹簧装置被配置为大致环形的衬垫弹簧，该弹簧大致位于活塞顶的区域中并且大致在活塞的整个横截面上延伸，该弹簧装置以允许活塞顶相对于连杆轴向运动的方式加以设置。

这种衬垫弹簧的缺点在于它需要从边缘必须结合在一起的两个相同构件制成。电子束焊接是优选的结合方法，但是这种方法导致焊缝区域中的材料达到其β转变温度以上，这导致材料变脆，从而缩短其使用工作寿命。

我的欧洲专利申请1616090的说明书描述了一种在活塞内包含两个盘簧的活塞，这些盘簧在使用中在活塞与连接的连杆之间作用。这些盘簧的周围边缘部分由大致环形的支撑构件支撑并分离，这些弹簧大致位于活塞顶的区域中并且大致在活塞的整个横截面上延伸。这些弹簧允许活塞的顶相对于连杆轴向运动。支撑构件由固定在这些盘簧的周围边缘部分上的相应的环，以及形成有用于与环滚动啮合的弯曲支撑表面的环形带构成。

这些活塞的盘簧由钛10-2-3制成。该材料的缺点是其需要至少两个盘来获得所需的挠度，且尽管那样，满载应力也接近疲劳极限。这导致弹簧较短的工作寿命。

我的英国专利申请2431451的说明书描述了一种包含盘簧的活塞，该盘簧由超弹性材料例如镍钛诺制成。该弹簧比矩形波纹管弹簧小得多，因此其可以安装到活塞顶与支架顶部之间的空间中。此外，由于更小，其使用相当少的金属，并且因此获得具有降低成本的活塞。此外，该弹簧能够完全被置于活塞的顶端，并且因此允许支架由铝而非钛制成，这就是改进的矩形波纹管弹簧设计的情形，从而导致进一步降低材料成本。

该弹簧也比矩形波纹管活塞轻得多；并且，由于简化其设计，其制造方法更加经济、迅速和简单。此外另一个优点是现有的活塞设计能够容易进行修改以容纳这种类型的弹簧，从而允许现有的内燃机经过修改以利用储能活塞提高的效率和燃料转换性能。

不幸的是，镍钛诺弹簧在内燃机中的测试表明其在工作期间内部升温从而导致其过早失效。

本发明是基于被称为橡胶金属(也称为TNTZ)的β钛合金的发现，这种合金是高弹性、韧性和屈服强度的唯一合金，最初由54.3％钛、23％铌、0.7％钽、21％锆和1％氧的成分研制成，并且能够以一系列还包括钒和铪的成分存在。橡胶金属比一般的金属材料的弹性变形表现出高一个量级的超弹性属性(2.5％)，具有高强度的超低弹性模量，具有超塑性属性，从而允许在室温下在没有加工硬化的情况下冷塑性加工到99％或更大，通过进行热处理具有大于2000MPa的超高强度，并且在宽的温度范围内具有近乎零的线性膨胀系数(Invar特性)和恒定的弹性模量(Elinvar特性)。

本发明提供了一种包含弹簧装置的活塞，该弹簧装置在使用中在该活塞与相连的连杆之间作用以使得连杆偏置远离活塞顶，该弹簧装置大致位于活塞顶的区域中，该弹簧装置以允许活塞的顶相对于连杆轴向运动的方式加以设置，其中该该弹簧装置是由具有75GPa或更小的杨氏模量，以及700MPa或更大的拉伸弹性极限强度的材料制成的。

优选地，该弹簧材料是β钛合金，更优选地，β钛合金是橡胶金属。

在优选的实施例中，该弹簧装置由两个泪滴形环形弹簧构成，每个弹簧具有外部大致半球形边缘部分，该边缘部分通过平表面朝着内部大致半球形边缘部分渐狭。

优选地，这两个弹簧的外部大致半球形边缘部分彼此滚动啮合，并且其内部大致半球形边缘部分分别与设置在活塞顶内的第一和第二支撑构件滚动啮合。

该活塞还可以包括位于活塞内的支架，该支架可滑动地安装在活塞内用于相对于活塞轴向运动，并且与连杆以使得该弹簧装置允许支架相对于活塞顶轴向运动的方式连接。

有利地，第一支撑构件压配到活塞的顶上，并且第二支撑构件形成该支架的一部分。

有利地，该支架由铝制成，优选地涂有减小摩擦的材料例如等离子放电氧化镀膜。

方便的是，该支架可滑动地安装在活塞的圆柱形壁内大致占其整个长度。

该弹簧材料是用于将其保持在工作条件温度范围内的材料。该预定温度范围可以是大致从-25℃到至少300℃。这确保弹簧材料不会变得太软或太硬。

优选地，β钛合金大致是钛、铌、钽、锆和氧的混合物。

在优选的实施例中，活塞还包括形成在支架的外周部分的一对垂直间隔的油室，每个油室由该支架的一部分和活塞的内圆柱形壁限定，这些油室通过形成在该支架中的多个孔互连，这些油室之一在这些弹簧被压缩时具有最大体积并且在这些弹簧解压缩时具有最小体积，并且另一个油室在这些弹簧被压缩时具有最小体积并且在这些弹簧解压缩时具有最大体积，由此油随着支架相对于活塞顶上下运动而在这些油室之间泵送以润滑活塞内部。

优选地，各弹簧通过以下方式形成：

(a)将β钛合金转换成粉末；

(b)将粉末形式的β钛合金倒入泪滴状模具中；

(c)将该粉末状钛合金热等静压成所需形状；并且

(d)冷加工该压缩的β钛合金；并且

(e)机加工成所需形状。

各弹簧可以在冷加工后进行热处理。

本发明还提供了一种包含弹簧装置的活塞，该弹簧装置在使用中在该活塞与相连的连杆之间作用以使得该连杆偏置远离所述活塞的活塞顶，该弹簧装置大致位于活塞顶的区域中，且该弹簧装置以允许活塞顶相对于连杆轴向运动的方式加以设置，其中该弹簧装置由两个泪滴状环形弹簧构成，这两个弹簧由β钛合金制成。

本发明还提供了一种制造用于上述活塞的弹簧的方法，该方法包括以下步骤：

(a)将β钛合金转换成粉末；

(b)将粉末形式的β钛合金倒入泪滴状模具中；

(c)将该粉末状钛合金热等静压成所需形状；并且

(d)冷加工该压缩的β钛合金；并且

(e)机加工成所需的形状。

该方法还可以包括对冷加工后的各弹簧进行热处理的步骤。

在本申请的范围内明显地设想到，在前述段落中、在权利要求书和/或以下描述和附图中，以及特别是其各个特征中记载的各个方面、实施例、实例和替代方案，可以单独地或通过任何组合实施。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非这些特征不兼容。

现在将参照附图通过举例的方式来更详细地描述本发明，其中：

图1是根据本发明构造的储能活塞的剖视图；并且示出了第一工作条件下的活塞；

图2是图1的储能活塞的另一个剖视图，并且示出了第一工作条件下的活塞；

图3是与图1类似的剖视图，并且示出了第二工作条件下的活塞；

图4是图1至图3的活塞与常规活塞的压力、扭矩等的比较图。

参见附图，图1示出了内燃机的空心活塞1，活塞在汽缸(未示出)中可往复式运动，汽缸用铸铁、钢或任何其他合适材料以常规方式形成内衬。活塞1由铝制成，并且具有活塞顶2，该活塞顶2具有向下延伸的环形套筒2a，该环形套筒2a限定该活塞的外周圆柱面。在使用中，活塞1通过活塞销3、连杆4和曲柄销(未示出)使曲轴(未示出)转动，活塞销、连杆和曲柄销都能够由钛、铝、钢、镁合金、塑料或任何其他合适的材料制成。活塞销3安装在圆柱孔5a内，该圆柱孔5a形成在圆柱支架5内，该圆柱支架5由铝制成并且涂有等离子体放电氧化镀膜(keronite)或任何其他合适的减小摩擦的材料。活塞销3通过安装在其端部的每一端防旋转栓3b，或者通过其他任何合适的装置轴向地保持在位。这防止支架5内的活塞销3侧向运动。支架5通过活塞销3保持在位。

参见图2，连杆4穿过形成在支架5内的大致矩形孔5b，并且与活塞销3连接上。矩形孔5b与圆柱孔5a成直角。一对环形弹簧6位于活塞1内，在压配在与活塞顶2相邻的活塞1内的朝向下的钢支撑环7与形成支架5的一部分的朝向上的支撑环8之间。可替代地，支撑环8可以是由钢制成的并且压配在支架5内。

各弹簧6是由橡胶金属制成的环形盘簧，且具有泪滴形截面，也就是说，其具有外部大致半球形边缘部分6a，该边缘部分通过平表面6c朝着内部大致半球形边缘部分6b渐狭。这些弹簧6的内部边缘部分6b与分别形成在环7和8的下表面和上表面上的弯曲部分7a和8a滚动啮合。弹簧6的外部边缘部分6a彼此滚动啮合。橡胶金属具有75GPa或更小的杨氏模量，以及700MPa或更大的拉伸弹性极限强度。在实施过程中，杨氏模量可以在室温约75GPa与活塞1的工作温度(通常200℃)约35GPa之间变化。类似地，拉伸弹性极限强度可以在室温700MPa与活塞1的工作温度1200MPa之间变化。

为了制造各个弹簧6，橡胶金属转换成粉末，以粉末形式倒入泪滴形状的模具中，然后热等静压成所需形状。然后对各个弹簧6进行冷加工以减小其弹性模量而记录的剪切模量低至20GPa。冷加工还使各个弹簧6的屈服强度增大。如果需要更大的屈服强度，能够对弹簧6在冷加工之后进行热处理，尽管接着会牺牲一些弹性。以此方式，能够获得变化范围高达2GPa的屈服强度，这与一些最强的钢相媲美。热加工和冷加工的结合为超弹性弹簧赋予其所需的特性。

支架5的下端通过活塞销3固定在连杆4上，并且活塞1相对于支架可轴向活动，并且因此可相对于活塞销3和曲柄销活动。该结构使得活塞顶2能朝着曲柄销运动与汽缸余隙容积高度(活塞顶2的平均高度与燃烧室顶部的平均高度之间的距离)大致相等的最大距离。弹簧6因此使活塞销3偏置远离活塞顶2。

在使用时，通过常规的定时装置(未示出)对点火进行定时，以使得点火在TDC之前的预定时间发生，从而通过点火燃烧形成的膨胀气体迫使活塞1在做功冲程期间在汽缸内迅速向下。然而，在到达TDC之前，汽缸中的压力会形成很高的值，并且迫使活塞1朝着曲柄销，相对于支架5对抗弹簧6的力。这压缩这些弹簧6，并且增大活塞1上方的体积，从而导致汽缸中的压力和温度降低。

活塞设计有一对弹簧6，以使得余隙容积高度是标准活塞应该具有的余隙容积高度的一半，即，压缩比翻倍。(标准引擎的压缩比翻倍会对引擎的性能有损害或不利的影响)。然而，当点火发生时，膨胀的气体使活塞顶2向下运动，使得恢复原始的压缩比。这给弹簧6加载以使气压恢复到尚未安装弹簧时应该具有的压力。这导致弹簧力和气体的力的总和作用在活塞顶2上。显然，这导致活塞顶2上可用的大约两倍的力，从而导致两倍的功率可用。因此，节气门必须设置成大约原始开口的一半以获得合理的“空转”速度。

进一步而言，弹簧6存储点燃的气体能量的一半，并且这些能量仅能在TDC之后释放，此时活塞充当压力调节器，直到存储在这些弹簧中的能量完全释放。因为其在TDC之后发生，该动作以及这些弹簧6释放其能量所用的时间，确保弹簧活塞引擎中的扭矩比常规引擎中的扭矩大得多。

由于在燃烧期间施加压力，这些弹簧6的边缘部分6b随着边缘部分6a在彼此上滚动而朝着彼此运动(从图1和图2所示的位置)，直到这些弹簧的相邻平表面接触(参照图3)。这些弹簧6的位移允许活塞顶2相对于连杆4和支架5下降，以使得活塞1上方的汽缸体积在最大压力时翻倍，从而在这些弹簧6中存储否则可能通过汽缸壁以热量形式丧失的能量。然后该存储的能量在曲柄处于更有利的角度时释放以产生额外的扭矩。

这些弹簧6和环7和8被配置成使得，在燃烧的最大压力时，这些弹簧6被完全压缩(参照图3)，以使得它们相邻的平表面6c接触，从而防止这些弹簧受到过大压力，并且因此防止可能的过早失效。最大压缩取决于延迟点火压力以及曲柄轴运动，并且这些弹簧6大致被配置成在过大压力产生之前达到所需的最大挠度。

当这些弹簧6受压时，由于其刚度其反抗施加于其上的力，该刚度以牛顿/米位移来测量。随着压力在汽缸余隙容积与这些弹簧之间均摊，由于这些弹簧6受压所导致的降低的温度减小了辐射损失以及损失到冷却水和随后的排气中的热量。当活塞1经过TDC时，存储在这些弹簧6中的能量释放，并且导致产生增大的输出扭矩。这在这些弹簧6释放能量时实现，并且当曲柄臂处于更有利的角度时在TDC之后与汽缸压力结合以产生扭矩。由于必须在上止点之前点燃燃料/气体混合物，这是因为要求点燃的燃料/空气在TDC之后约12°达到最大压力以实现最佳性能，否则一大部分该存储的能量就已经以热量形式丧失。由于其机械性能以及超弹性性能，橡胶金属(最好按照上述方式进行处理)是用于制备这些弹簧6的优选材料。

这种结构的作用意味着，当正常点燃引擎时，将有活塞1在每个做功冲程中相对于连杆4(并且因此相对于曲柄销)运动。该引擎的点火定时大约设置在TDC之前10°与40°之间进行点火，视引擎的负载和速度而定。

橡胶金属的多功能性使本发明成为可能。此外，该弹簧设计的独特之处在于两个泪滴形弹簧6被设计成随着它们的内径受到支撑环7和8的作用，在它们的外径处接触在一起。这些弹簧6在它们外部边缘部分6a处的滚动作用消除了摩擦，并且该摩擦只限于在它们内部边缘部分6b处的有限摩擦。此外，弹簧6以在平表面6c上均匀地分散最大应力的方式来加以设计。弹簧6被设计成在满载时使余隙容积高度翻倍，以使得这些弹簧的活动在满载时经过余隙容积高度的一半。这意味着活塞1上的力翻倍，从而为了上述类似的结果允许节气门位置减半。最近对装有活塞1的摩托车进行的滚动道路试验的结果表明，在试验期间减小了25％至40％的燃料流量。

提供这些储能弹簧6的主要效果是在不减小其功率输出的情况下大大地减小引擎燃料消耗。不仅提高了引擎的效率，而且减小了废气排放物。极大地减小了一氧化二氮排放物，并且通过增大引擎的效率，也减少了未燃烧的烃类排放物。

在标准的内燃机中，排气阀通常在相连的活塞到达下止点(BDC)之前打开以允许继续膨胀的气体从排气装置涌出，从而在阀门重叠期间(也就是说，当入口和出口阀门都打开时)帮助新鲜充入的燃料和空气到汽缸中，以使得从燃烧室有效地扫除废气。早点打开排气阀的行为促进排出未燃烧的烃类，并且防止连续膨胀的气体使曲柄轴发生机械旋转，因为这些气体被排放到大气中。

使用这些弹簧6允许更高效地使用燃料/空气混合物。此外，通过使用增大的压缩比，这些弹簧允许使用凸轮轴，该凸轮轴被设计成使得排气阀保持关闭直至几乎到达BDC，从而通过早点打开排气阀而在不需要释放汽缸中的压力的情况下从燃烧室清除大部分排气。这种晚点打开排气阀的凸轮设计能够有利地应用于采用这些弹簧6的任何引擎。

这些弹簧6的使用，结合引擎飞轮的质量，赋予整个组件共振时的频率(rpm)。当在被设计成在恒定速度运行的引擎中使用时，这将是有利的，因为现在大多数引擎都是这样设计的。

增大引擎效率并且减少废气排放的原理记载于我的英国专利2318151的说明书中，并且上述活塞1因此具有该活塞的所有优点。

上述活塞1具有在我的欧洲专利申请1274927的说明书中描述的活塞的所有优点。该活塞在与我的英国专利申请0216830.0的说明书中描述的改进型矩形波纹管弹簧比较时也具有诸多优点。具体地讲，这些弹簧6比矩形波纹管弹簧小很多，以使得它们能够安装到活塞顶2与支架5顶部之间的空间中。此外，由于更小，它们使用相当少的金属，并且因此导致活塞具有降低的成本。此外，使用完全位于活塞的顶的这些弹簧6使得支架5由铝而非钛制成，这就是改进型矩形波纹管弹簧设计的情形，从而导致进一步的材料成本降低。

这些弹簧6也比矩形波纹管活塞轻更多；并且由于其设计被简化，其制造过程更加经济、迅速和简单。此外另一个优点是现有的活塞设计能够容易进行修改以容纳这些弹簧6，从而允许现有的内燃机经过修改以利用储能活塞改进的效率和燃料转换性能。

活塞1内的支架5的润滑由一对室9和10内的油提供，室9(参照图3)形成在支架5的底座上，并且室10(参照图2)形成在支架上端上。两个室9和10通过支架5上钻出的12个孔11(参照图1)互连。室10通过12个通道12与汽缸内部存在的油流体连通，每个通道与对应的孔11相连。室9通过12个通道13与活塞1的内部连接上，每个通道与对应的孔11相连。随着弹簧6被压缩，支架5相对于活塞顶2向上运动，从而油经由12个孔11和12个通道13从室10泵送到活塞1内部，这部分油经由通道12从汽缸内部供应。这减轻油压并防止活塞1内的支架5液压锁紧。随着这些弹簧6解压缩，支架5相对于活塞顶2向下运动，从而油从室9泵送到室10然后向上以润滑这些弹簧6。当这些弹簧6解压缩并且支架5处于最低位置时，室9的体积最小，于是室10的体积处于最大值。当这些弹簧6被压缩并且支架5处于其最高位置时，室9的体积最大，于是室10的体积最小。在活塞1运动期间，支架5总是被带到图1和图2所示的“放松”位置，但是为了避免当支架5抵靠时因金属与金属接触而发出噪声，设置氟橡胶或全氟醚橡胶环14以吸收噪声。并且充当缓冲器。全氟醚橡胶是优选材料，因为氟橡胶在燃烧时释放有毒气体，这对健康有害。

上述活塞1的进一步的优点在于支架5在活塞1主体内牢固地保持轴向对齐，因为支架将经受大量侧向挤压。因此，当由于连杆4离开而在支架5上施加非轴向载荷时，支架5在活塞主体内牢固地保持轴向对齐。因此，支架5具有显著提高的耐磨损性并且能够涂有合适的材料以防止擦伤。整个支架5和氟橡胶/全氟醚橡胶环17保持在活塞1中，它们被锁定环15牢固地锁定在位。

上述活塞的本质在于这些弹簧6允许渐进式弹簧刚度，从而按比例地允许更轻负载具有更多挠度。因此，与常规汽车的内燃机的活塞上的正常负载更加兼容，从而经济优势在较低负载和中等负载而非在高负载时更加显著。可替代地，如有需要，这些弹簧6可以设计成有助于重载应用。

与弹簧6接触的支撑环7的另一个优点在于活塞1的主体内可使用更多垂直空间，从而在不牺牲强度或可靠性的情况下高效地容纳所有必须的组件。

使用β钛合金例如橡胶金属来制备这些弹簧6的额外优点在于这些弹簧：

1) 耐腐蚀；

2) 具有低的杨氏模量；

3) 具有高的屈服强度；

4) 具有超弹性性能；并且

5) 具有约4％的最大应变。

所有上述因素使这种材料理想地适合用作储能活塞中的弹簧元件，从而允许更多空间来提高其挠曲质量，以使得活塞可以高效运转。

在活塞1的当前设计中，压缩比翻倍。压缩比翻倍的效果是使汽缸内的压力翻倍。这就其本身而言会导致燃料剧烈爆炸并且可能损坏活塞1。然而，当这些弹簧被压缩到峰值一半而弹簧力增加另一半时，这些弹簧6的内容物允许压力下降。这就其本身而言需要节气门关闭50％，但是维持引擎的空转转速，关闭50％是新的节气门停止并且因此空转的位置。此外，这些弹簧6充当压力调节器，从而释放其能量以保持活塞上方的压力实质上恒定直到活塞由于转向臂上升而行进到曲柄位置以便极大地增加扭矩。这使所得的扭矩达到比常规引擎更高的数值。

曲线图(图4)所示的标为A至F的曲线示出了上述活塞1和常规活塞中的压力和扭矩。曲线C和F是活塞1的曲线，并且曲线A、B和E是常规活塞的曲线。这些曲线是：

A.常规活塞的压力曲线，但是具有两倍的正常压缩比。增大的压缩比正是所需要的，因为其增大了施加在活塞上的压力，并且因此增大了扭矩和功率输出。在实施过程中，翻倍的压缩比并不可行，因为其导致“轻微爆震”。然而，示出该曲线以提供与压缩曲线C的比较。

B.常规活塞的压缩曲线，该常规活塞具有正常的压缩比并且节气门处于一半打开位置。

C.活塞1的压力曲线，该活塞1具有弹簧调节的压缩比并且节气门处于一半打开位置。

D.曲柄转向臂。

E.示出了具有正常压缩比的常规活塞在节气门处于一半打开位置的扭矩的曲线。

F.示出了具有弹簧调节压缩比的活塞1在节气门处于一半打开位置的扭矩的曲线。

通过比较曲线B和曲线C，可以看出活塞1在TDC后约40°具有增大的压力，并且因此导致实质上更大的扭矩。这是因为曲柄臂处于更有利的(即)更大角度以产生更多扭矩。此外，通过比较曲线E和曲线F，可以看出活塞1确实比常规活塞产生更大的扭矩。

从该曲线图还可以看出，通过能够在节气门处于一半打开位置时运行活塞1能够节省大量燃料，这在开始时必须通过“节气门关闭”螺钉或ECU调节来设置。

尽管上述储能活塞形成内燃机的一部分，但是这将是显而易见的：在其他装置例如用于冰箱或泵的压缩机中能够有利地使用上述储能活塞。往复式压缩机的动作是这样的，压缩冲程是工作冲程，并且通常通过电动机来输入能量。例如，在空气压缩机中，最大做功在TDC前大约80°至100°处完成，即，在曲柄臂相对于连杆大致垂直时。在这个位置，压缩气体的压力相对较低(低于最大值的50％)，因为压缩室的体积仍然较高。然而，当活塞靠近TDC时，其做功的能力大大降低，但是压力和温度都处于最大值。压缩机的输出阀门会在TDC之前打开，但是能量在此时会以热量形式散发到汽缸壁。

然而，如果具有上述类型弹簧的合理设计的储能活塞安装在该压缩机中，能量会在TDC前大约80°至100°存储在弹簧中，从而降低气体的温度和压力，并且因此减少以热量形式散发到汽缸壁和贮存器的能量损失。当曲柄臂的压缩运动最小时，弹簧会通过在TDC前后推动气体到贮存器中而释放其能量。

此外，可以看出，与(飞轮、曲柄等的)旋转惯性质量结合做功的这些弹簧将具有它们共振的转速。通过使驱动电动机的转速与共振转速匹配，，组件将以比标准压缩机的最高效率高至少30％的最高效率运行。

显而易见，可以对活塞1进行修改。例如，使用橡胶金属并不是必需的，因为可以使用具有所需杨氏模量和拉伸弹性极限强度的任何其他合适的β钛合金。还可行的是，活塞顶处的空间允许使用两对或更多对弹簧6。还可以通过任何合适的方法来制造弹簧6。

Claims (23)

1.一种包含弹簧装置的活塞，所述弹簧装置在使用中在所述活塞与相连的连杆之间作用以使所述连杆偏置远离所述活塞的活塞顶，所述弹簧装置大致位于所述活塞顶的区域中，所述弹簧装置以允许所述活塞的活塞顶相对于所述连杆轴向运动的方式加以设置，其中所述弹簧装置是由具有75GPa或更小的杨氏模量，以及700MPa或更大的拉伸弹性极限强度的材料制成的。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述弹簧材料是β钛合金。

3.根据权利要求2所述的活塞，其中所述β钛合金是橡胶金属。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的活塞，其中所述弹簧装置由两个泪滴状环形弹簧构成，所述泪滴状环形弹簧由超弹性材料制成。

5.根据权利要求4所述的活塞，其中各所述弹簧具有外部大致半球形边缘部分，所述边缘部分通过平表面朝着内部大致半球形边缘部分渐狭。

6.根据权利要求5所述的活塞，其中所述两个弹簧的所述外部大致半球形边缘部分彼此滚动啮合，并且所述内部大致半球形边缘部分分别与设置在所述活塞的活塞顶内的第一和第二支撑构件滚动啮合。

7.根据权利要求1至6的任一项所述的活塞，进一步包括位于所述活塞内的支架，所述支架可滑动地安装在所述活塞内用于相对于所述活塞轴向运动，并且与所述连杆以使得所述弹簧装置允许所述支架相对于所述活塞的活塞顶轴向运动的方式连接。

8.根据从属于权利要求6的权利要求7所述的活塞，其中所述第一支撑构件压配到所述活塞的活塞顶上，并且所述第二支撑构件形成所述支架的一部分。

9.根据权利要求7或8所述的活塞，其中所述支架由铝制成。

10.根据权利要求9所述的活塞，其中所述支架涂有减小摩擦的材料。

11.根据权利要求10所述的活塞，其中所述减小摩擦的材料是等离子体放电氧化镀膜。

12.根据权利要求7至11的任一项所述的活塞，其中所述支架可滑动地安装在所述活塞的圆柱形壁的大致整个长度内。

13.根据权利要求1至12的任一项所述的活塞，其中所述弹簧材料是用于将其保持在预定的工作条件温度范围内的材料。

14.根据权利要求13所述的活塞，其中所述预定温度范围是大致从-25℃到至少300℃。

15.根据权利要求2，或者从属于权利要求2的权利要求3至14的任一项所述的活塞，其中所述β钛合金大致是钛、铌、钽、锆和氧的混合物。

16.根据权利要求7，或者从属于权利要求7的权利要求8至15的任一项所述的活塞，进一步包括形成在所述支架的外周部分的一对垂直间隔的油室，各油室由所述支架的一部分和所述活塞的内圆柱形壁限定，所述油室通过形成在所述支架中的多个孔互连，所述油室之一在所述弹簧被压缩时具有最大体积并且当所述弹簧解压缩时具有最小体积，并且另一个油室在所述弹簧被压缩时具有最小体积并且在所述弹簧解压缩时具有最大体积，由此油随着所述支架相对于所述活塞顶上下运动而在所述油室之间泵送以润滑所述活塞的内部。

17.根据权利要求2，或者从属于权利要求2的权利要求3至16的任一项所述的活塞，其中各所述弹簧通过以下方式形成：

(a)将所述β钛合金转换成粉末；

(b)将粉末形式的所述β钛合金倒入泪滴状模具中；

(c)将所述粉末状钛合金热等静压成所需形状；

(d)冷加工所述压缩的β钛合金；并且

(e)机加工成所需形状。

18.根据权利要求17所述的活塞，进一步包括对冷加工后的各所述弹簧进行热处理。

19.一种包含弹簧装置的活塞，所述弹簧装置在使用中在所述活塞与相连的连杆之间作用以使得所述连杆偏置远离所述活塞的顶，所述弹簧装置大致位于所述活塞顶的区域中，且所述弹簧装置以允许所述活塞的活塞顶相对于所述连杆轴向运动的方式加以设置，其中所述弹簧装置由两个泪滴状环形弹簧构成，所述两个弹簧由β钛合金制成。

20.一种参考所述附图大致如上所述的，且由所述附图表示的活塞。

21.一种具有多个活塞的内燃机，各所述活塞根据权利要求1至20的任一项所述。

22.一种制造用于权利要求2，或者从属于权利要求2的权利要求3至20的任一项所述的活塞的弹簧的方法，包括以下步骤：

(a)将所述β钛合金转换成粉末；

(b)将粉末形式的所述β钛合金倒入泪滴状模具中；

(c)将所述粉末状钛合金热等静压成所需形状；

(d)冷加工所述压缩的β钛合金；并且

(e)机加工成所需形状。

23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括对冷加工后的所述弹簧进行热处理的步骤。