TWI564494B - 往復式內燃機及活塞汽缸連桿總成 - Google Patents

Description

往復式內燃機及活塞汽缸連桿總成

本發明是有關一種往復式內燃機及活塞汽缸連桿總成，特別是用於連接活塞與曲軸的連桿，以及汽缸中的活塞之密封件。

往復式內燃機是透過連桿及活塞的組成，將直線運動轉換為旋轉運動。請參照第1圖，係為一習知的組成，其包含連桿140連接活塞110。連桿140具有小端142及大端144，其中小端142可連接活塞110而大端144可連接曲軸(未示)。活塞銷(未示)設於活塞銷孔148內使連桿140的小端142連接至活塞110的活塞裙114。曲軸銷(未示)設於曲軸銷孔149中使連桿140的大端144連接至曲軸。

在實際機械構件的狀況下，連桿的厚度遠小於活塞的直徑。事實上，連桿並不需要透過一長形的活塞銷以連接活塞。然而，由於在組裝引擎時曲軸發生錯位的問題，或者是引擎在運作時所發生偏位的問題，連桿需要承受龐大的扭力。為了盡可能釋放此扭力，活塞銷與小端之間具有間隙，使小端可以前後滑動。

一般來說，連桿的特性是高剛性，高密度及重量大。原因是連桿會被活塞透過燃料燃燒所產生的爆炸而推動，並藉由曲軸銷於曲 軸產生旋轉運動。同時，在引擎之燃燒階段，連桿必需持續承受上述之扭力。因此，連桿通常被鍛製成高密度的結構以具有最高的強度。

當小端進行高速往復運動時，小端就如同一槌子以高頻率的方式敲打活塞裙，導致在活塞上下運動時，活塞頭會磨擦汽缸壁。以上情況之後遺症就是內燃機會產生極大的噪音及震動，並且造成燃料的浪費。

請參照第2A圖，係為內燃機的理想使用狀態。此圖係特別繪示活塞連桿總成的前視圖及側視圖。其中，A點代表活塞銷的中心，而活塞銷在汽缸中上下運動。B點代表曲軸銷的中心，其中曲軸銷相對C點旋轉，而C點則代表曲軸的中心並且位置不變。在理想的引擎運作狀態下，A、B及C點位於同一平面，並且如圖中之側視圖所示，A、B及C點相互對齊。在此情境下，引擎會順暢的運作。A與B點之間的長度則為連桿所在的位置，並且在上述的情況中，連桿不會受本身往復運動所產生的扭力而損耗。

然而，一種常遇見的實際狀況是由於許多不可避免的因素，C點不處於A點的正下方並超出可偏移的範圍。其中，第2B圖係繪示此情形。由於偏位的問題，當A點上下運動與B點旋轉運動時，位於A至B點的連桿承受極大的扭力。另外，A與B點之間的偏位角度永遠在變化。當曲軸的中心不在正確位置時，活塞銷的功用是連接小端至活塞，導致當曲軸旋轉時，允許大端向左及向右擺動，並且使小端前後往復移動已釋放扭力。

在組合引擎的過程中，完美無瑕的對位並非容易，尤其在 複數個汽缸的情況下。要確保每一個曲軸的中心是精準的設於對應汽缸之中心的下方幾乎是不可能的事。因此，連桿需要以熱間鍛造的方式使其具有最高的強度以產生最高的密度。另外，活塞銷的相反兩端必需有間隙，使小端可位移以釋放偏位問題所造成的扭力。如此強壯的連桿對引擎來說產生了很大的慣性。也因為如此，對引擎來講的一大缺點是必需消耗油料以克服此慣性。

一般來說，活塞上有一個或多個活塞環，如第4A及4B圖所示。然而，活塞環801只能密封汽缸壁而非活塞802本身。在實際的燃料燃燒循環中，所有活塞汽缸總成均有從活塞環洩漏油氣的問題。這個問題是影響引擎效率及排放有毒氣體的主要原因。以下會提供更進一步的說明。

在循環燃燒的進氣過程中，當活塞下行時，由汽缸壁及活塞頂所界定之空間為燃燒室並吸入空氣。在初始階段，燃燒室內的氣壓相對來說是低的。然而，曲軸在運作時溫度會上升，導致曲軸箱內或附近的潤滑油被蒸發。由於燃燒室內的氣壓較低，潤滑油被蒸發後的氣體會經由活塞與活塞環之間的間隙而被吸入燃燒室，造成對燃燒室的汙染。

在壓縮過程中，當活塞回升時，活塞會壓縮燃燒室內的空氣。由於活塞與活塞環之間有間隙，當燃燒室的氣壓上升時會有漏氣的問題。因此，燃燒室無法維持有效燃燒所需要的最高壓力。

在做功過程中，當燃燒室內的燃料被點燃時，燃燒室內的壓力立即提高為初始壓力的60至80倍。以汽油機為例，燃料液滴經由火 花點點燃而爆炸。柴油機中的燃料則是在燃燒室的中心被引燃，因為此處有最高的溫度。然而，當燃燒室的壓力上升時，在那瞬間，圍繞活塞頂的細小燃料液滴尚未燃燒，因為屬於金屬材質之活塞頂的溫度相較於燃燒室中心來的低。因此，瞬間產生的高壓力會將這些細小的燃料液滴經由活塞與活塞環之間的間隙擠入曲軸箱。離開熱點後，這些燃料液滴不會被點燃，並且將以氣態的方式停留在曲軸箱內。這些竄到曲軸箱的燃料必須回收到燃燒室，以避免曲軸箱爆炸。

最後，在排氣過程中，活塞再次上移並透過排氣歧管將廢氣推出燃燒室。然而，一些廢氣會經由活塞的週圍滲入曲軸箱。

如同以上所述，由於活塞環四週的滲漏，曲軸箱永遠存有不同的氣體，例如潤滑油蒸氣、未燃燒的燃料及廢氣。這些氣體又稱為“吹漏氣”並且需回收至燃燒室與燃料一起燃燒。然而，潤滑油蒸氣與廢氣屬於非燃燒性氣體並只會汙染燃燒室中的純淨燃料，導致在做功過程中產生次等的燃燒及有毒的煙霧。

活塞環的另一個議題是汽缸壁侵蝕的問題。為了確保汽缸壁被完整的密封，活塞環的外徑通常會比汽缸的內徑稍為大一些。活塞環一般也採用很堅硬的合金材質，以避免活塞在運作時遇到侵蝕的問題。另外，活塞環需先壓縮後才可裝入汽缸內。之後，活塞環會向外伸張，與汽缸壁保持密接緊壓。在燃燒循環階段，活塞會以非常快速的方式在汽缸中移動，而堅硬的活塞環會以高速的方式磨擦汽缸壁並產生侵蝕的狀況。當活塞向外擴張的同時，活塞環會向外擴張更多，以和受侵蝕的汽缸壁維持接觸。然而，這也代表活塞與活塞環之間的間隙會增 加，導致漏油/氣的問題隨著時間的增長變得更加嚴重。

除了在做功過程中在燃燒室內燃料爆炸所產生的極大熱量，活塞環與汽缸壁之間的磨擦所產生的熱量更為棘手，因為這是一個持續性的過程。燃料爆炸後，廢氣會被排出，而新空氣會被引入汽缸內對引擎進行冷卻，並且為下一次的點燃做預備。然而，在燃燒的循環過程中汽缸的磨擦是持續性的。透過汽缸壁的摩擦而產生的噪音及熱量會不必要的消耗額外的燃料。實際道路測試指出當摩擦的問題受到改善時，可以節省出超過20%的燃料。

有鑑於此，本領域需要有一種更好的方法或機制，使活塞在汽缸中做密封以減少漏油/氣及汽缸壁的摩擦。本領域亦需要一種設計，在不需要連桿具有高慣性的情形下，可使連桿或活塞連桿總成承受由偏位所造成的扭力。

本發明之一特徵為提供一種連桿，在本身不產生高慣性的情況下，可承受由活塞銷中心、曲軸銷中心及曲軸中心之偏位問題所造成的扭力。連桿本身具有小端及大端，其中小端可連接活塞而大端可連接曲軸。連桿又可與活塞做整合以形成活塞連桿總成，已轉換直線運動為旋轉運動。內燃機又可透過連桿或活塞連桿總成而具以實現。

連桿的小端具有活塞銷孔及上活塞銷孔，其中上活塞銷孔位於活塞銷孔的上方。活塞銷孔具有第一軸線。當活塞銷插入活塞銷孔時是沿著第一軸線而設置。類似的，上活塞銷孔具有第二軸線。當上活 塞銷插入上活塞銷孔時是沿著第二軸線而設置。第一軸線與第二軸線處於彼此垂直的方向。

連桿的大端更包含曲軸銷軸承及曲軸銷軸承接頭，其中曲軸銷軸承接頭位於曲軸銷軸承的上方。曲軸銷軸承具有曲軸銷孔，其具有第三軸線。當曲軸銷插入曲軸銷孔時，曲軸銷是沿著第三軸線而設置。曲軸銷軸承接頭連接曲軸銷軸承及曲軸銷軸承以上的連桿部位，並且使軸承可繞著第四軸線旋轉。第三軸線與第四軸線處於彼此垂直的方向。

較佳的，曲軸銷軸承接頭更包括受容器、軸承接頭銷孔及軸承接頭銷。受容器連接至曲軸銷軸承，而軸承接頭銷孔沿著第四軸線設置。軸承接頭銷穿過軸承接頭銷孔及受容器，使曲軸銷軸承連接至曲軸銷軸承以上的連桿部位並可繞著第四軸線旋轉。

較佳的是連桿更包括活塞銷軸承及延伸件，其中活塞銷軸承收容於活塞銷孔中，而延伸件具有上活塞銷孔。延伸件連接至活塞銷軸承並位於活塞銷軸承的上方。

活塞連桿總成的活塞包括活塞裙及活塞冠。另外，活塞連桿總成更包括活塞銷及上活塞銷。其中，活塞銷位於活塞銷孔中並且連接活塞裙的相反兩側，而上活塞銷位於上活塞銷孔中並且連接活塞冠。

本發明的另一特徵為以彈簧式密封件取代活塞環。在一實施例中，彈簧式密封件包含三層各別的彈簧圈相互連接，以提供不同的功能。其中，活塞密封層設於彈簧式密封件之一端，並具有一個或多個彈簧圈，其內徑稍小於要與彈簧式密封件結合之活塞部份的外徑。進一 步的說，彈簧式密封件的活塞密封層圍繞與彈簧式密封件結合之活塞部份，以永久地密封活塞。汽缸密封層位於彈簧式密封件的另一端，並具有一個或多個彈簧圈，其外徑稍大於汽缸的內徑。在安裝彈簧式密封件後，汽缸內的活塞會促使彈簧式密封件的汽缸密封層從所有的方向推擠汽缸壁，無論何時地密封汽缸壁。另外，彈簧式密封件的中間部位，也就是位於活塞密封層與汽缸密封層之間的部位，為吸收層。吸收層包含一個或多個彈簧圈，其外徑小於汽缸的內徑。因此，吸收層不會碰觸汽缸壁。而且，吸收層的一個或多個彈簧圈的內徑大於要與彈簧式密封件結合之活塞部份的外徑。因此，吸收層亦不會碰觸活塞。

由於吸收層的彈簧圈可橫向搖擺移動，因此當引擎在高速做工的狀況下，吸收層可吸收由活塞與汽缸之偏位問題所造成的震動及橫向運動。也就是說，對於活塞汽缸總成的偏位問題，吸收層的存在提供了更多的容忍度。另外，彈簧式密封件的吸收層亦減少由活塞銷中心、曲軸銷中心及曲軸中心相互偏移所產生的多餘扭力。

彈簧式密封件的各密封層與其對應活塞及汽缸部位的直徑差異小。雖然施加於密封接觸面的橫向力是持續性的，但是因為屬於趨緩的性質，其所在密封接觸面所產生的摩擦力是可被忽略的。因此，汽缸壁受侵蝕的機率會減少。

彈簧式密封件通常具有螺旋狀的結構，就如同平常所見的一般彈簧。若彈簧式密封件以橫向的方式加寬，位於密封件兩端的金屬帶條(metal strap)將被縮短，用以彌補螺旋結構的直徑改變。相反的，假如彈簧式密封件橫向變窄，兩端的金屬帶條將被加長。這樣的設計提 供了高彈性(high flexibility)並使施加於密封表面的橫向力減到最小。再者，潤滑油的使用可使彈簧式密封件在汽缸內順暢的移動，進而使汽缸壁的磨損減至最小。

在一實施例中，彈簧式密封件的材質為銅、磷銅或其他具有高導熱性的合金。如此，密封建會將燃燒室中由燃料爆炸所產生的極高熱能導入引擎主體，有助於活塞降溫冷卻。

另外，當彈簧式密封件的各密封層包含複數個彈簧圈時，密封件提供了完整的密封功效。舉例來說，在活塞的表面，密封層的每一個彈簧圈以360度環繞的方式密封活塞的密封面。當漏油漏氣發生時，緊鄰密封面的彈簧圈能阻止洩漏。倘若仍然有洩漏的問題，第二個彈簧圈能進一步地阻止洩漏，並且以此類推。如此，以上的方式可解決使用活塞環所產生之滲漏的問題。一個完全密封的活塞汽缸總成可完整的將燃料與潤滑油做分隔，所以不會有任何潤滑油滲入燃燒室，以防止潤滑油對純淨燃料的汙染。另外，未燃燒的燃料及廢氣亦不會滲漏至曲軸箱，如此可避免處理“吹漏氣”的問題及有毒煙霧的產生。透過本發明所得到的結果是一個更乾淨及更有效率的引擎。

本發明的其他特徵在以下不同實施例中有揭露。

110‧‧‧活塞

114‧‧‧活塞裙

115‧‧‧活塞冠

116‧‧‧活塞環

117‧‧‧空間

118‧‧‧活塞帽

140‧‧‧連桿

142‧‧‧小端

144‧‧‧大端

146‧‧‧曲軸銷軸承

148‧‧‧活塞銷孔

149‧‧‧曲軸銷孔

302‧‧‧垂直方向

303‧‧‧中央線

310‧‧‧活塞

314‧‧‧活塞裙

315‧‧‧活塞冠

318‧‧‧活塞帽

340‧‧‧連桿

342‧‧‧小端

344‧‧‧大端

346‧‧‧軸承

348‧‧‧活塞銷孔

349‧‧‧曲軸銷孔

420‧‧‧上活塞銷孔

430‧‧‧活塞銷軸承

431‧‧‧空間

435‧‧‧延伸件

440‧‧‧上活塞銷

445‧‧‧端帽

450‧‧‧軸承接頭

460‧‧‧軸承接頭銷孔

470‧‧‧受容器

475‧‧‧受容器孔

480‧‧‧軸承接頭銷

485‧‧‧軸承接頭銷軸承

510‧‧‧連接件

551‧‧‧第一軸線

552‧‧‧第二軸線

553‧‧‧第三軸線

554‧‧‧第四軸線

630‧‧‧活塞銷

640‧‧‧曲軸銷

801‧‧‧活塞環

802‧‧‧活塞

1001‧‧‧螺旋狀結構

1002‧‧‧部份彈簧圈

1003‧‧‧楔形接頭

1011‧‧‧彈簧式密封件

1012‧‧‧活塞密封層

1013‧‧‧吸收層

1014‧‧‧汽缸密封層

1015‧‧‧活塞密封層內徑

1016‧‧‧吸收層外徑

1017‧‧‧吸收層內徑

1018‧‧‧汽缸密封層外徑

1021‧‧‧彈簧式密封件

1022‧‧‧活塞冠本體

1023‧‧‧活塞帽

1024‧‧‧凹部

1031‧‧‧彈簧式密封件

1032‧‧‧活塞冠本體

1033‧‧‧活塞帽

1034‧‧‧凹部

1035‧‧‧突部

[第1圖]係一習知連桿連接活塞之示意圖。

[第2A圖]係內燃機在理想運作狀況時之示意圖，其中活塞銷中 心、曲軸銷中心及曲軸中心相互對齊並位於同一平面。

[第2B圖]係內燃機在實際被使用時常預見情況的示意圖，其中以上所述之中心沒有位於同一平面。

[第3A-3C圖]係根據本發明之連桿之一實施例的活塞連桿總成示意圖，其中第3A圖、第3B圖及第3C圖分別為總成的前示圖、側示圖及爆炸圖。

[第4A圖]係一習知活塞與活塞環之立體圖(未安裝狀態)。

[第4B圖]係習知活塞與活塞環彼此安裝後之立體圖。

[第5A圖]係本發明之彈簧式密封件之一實施例的立體圖。

[第5B圖]係根據第5A圖本發明之彈簧式密封件之活塞密封層、吸收層及汽缸密封層的立體圖。

[第6A-6B圖]係本發明一實施例之活塞及彈簧式密封件之立體圖，其中第6A圖為兩者分離狀態，而第6B圖為兩者組合後的狀態。

[第7A-7C圖]係本發明一實施例之活塞彈簧式密封件組成之剖視圖，其中第7A圖為活塞與彈簧式密封件之組合的狀態、第7B圖為活塞與活塞帽之組合的狀態(無彈簧式密封件)及第7C圖為活塞與活塞帽分離的狀態。

以下的說明是有關於在反復式內燃機中，將活塞連接至曲軸及密封活塞汽缸總成的方法及構件，透過以較佳實施例的方式加以描 述。並且，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許更動與潤飾(包括添加及/或減少)，皆應涵蓋於本發明的範疇內。為了要清楚地揭露本發明，某些細節於描述時可能被省略。然而，以下之說明可使熟悉此技藝者不需過度的實驗即可據以實施所教示的內容。

本發明的第一個特徵為提供連接活塞至曲軸的方法及構件。在內燃機中，一般會將活塞銷設於活塞冠的下方並連接活塞裙的相反側。有些內燃機的設計會利用活塞頭的全程直徑。為了將燃燒室內的空間最小化以獲得最佳燃料壓縮比，活塞環必需儘可能的安裝於活塞頸的最高處。因此，活塞銷被設限於活塞裙的下方部位，因為活塞銷所在的位置至少要在活塞環的下方。

為了克服因為曲軸中心與活塞銷中心及曲軸銷中心之相互偏位所產生的扭力問題，一種不需使連桿具有大慣性的作法是在連桿的兩端有效地吸收掉扭力。為了實現以上的作法，連桿的兩端可各設置一接頭。更具體的說，一個接頭設置於連桿小端的頂部，而另一個接頭設置於連桿的下方部位並緊位於曲軸銷軸承蓋的上方。以設置於連桿小端的接頭來講，位於連桿小端的活塞銷可透過在活塞銷孔中移動其位置，進而吸收由上述偏位所造成的單向線性力(一維)。然而，由偏位所導致的多餘扭力為旋轉性質(二維)。因此，於連桿小端所加設的接頭可吸收垂直於活塞銷所吸收線性力之方向的另一線性力。同樣的概念亦應用於加設在連桿下方部位的接頭。

請參照第1圖，其繪示於連桿140可加設接頭的位置。首先，在活塞110之活塞冠115內及位於活塞銷孔148中活塞銷的上方具有 空間117。然而，空間117不能被使用因為周圍設有複數個活塞環116。其中，活塞銷只能被設置於空間117的下方。雖未示，接頭(又稱上活塞銷)被設於空間117中並緊靠活塞帽118的下方部位。其中，上活塞銷位於活塞銷的上方並沿著垂直於活塞銷的方向設置。接下來再看連桿140的大端。雖未示，另一接頭(又稱曲軸銷軸承接頭)設於曲軸銷軸承146的正上方。曲軸銷軸承接頭與上活塞銷相互平行但與收容於活塞銷孔149內之活塞銷相互垂直。

不管曲軸中心是向左或向右偏移，藉由添加上述之接頭，連桿會因此而具有向前或向後彎折的可容忍性，用以克服曲軸中心偏位的問題，並且不會對連桿之上的活塞之角度產生影響。換句話說，連桿可以曲軸的中心朝相反偏移的方向彎折以提供一種彌補的作用。此功能亦代表連桿小端不需沿著活塞銷軸線前後搖擺，進而消除在活塞冠下方及活塞裙內的鎚擺效應。

當具有上述兩個接頭的連桿透過本身彎折的方式而化解多餘扭力的同時，相較於以往的設計，連桿所施加於活塞銷的扭力亦減少。因此，活塞銷的尺寸可以變小。另外，活塞銷的兩端也不再需要保留間隙。由於活塞銷不再需要承受來自連桿的強大扭力，活塞銷也因此不需由過高強度的材料組成，亦不需要接觸活塞裙。

請注意的是，本發明總共使用兩個活塞銷，也就是一個傳統的活塞銷以及一個上活塞銷。然而，兩個活塞銷的總重量小於傳統設計中的一個活塞銷。重量的減少有利於慣性力的降低。

根據以上所述，連桿小端不再需要承受極大的扭力及鎚 力。另外，與活塞銷所搭配的活塞銷軸承之厚度亦可減少。因此，對於用以推著曲軸銷之連桿部位來說，在不影響其原始長度下，活塞銷之中心可移至一個較低的位置。換句話說，對於連桿本身而言，用以推著曲軸銷所需要的總長度可縮短。在轉換直線力至旋轉力時，最有效率的轉換就是當直線力的方向與旋轉半徑形成一直角。例如說，在第2A圖的前視圖中，角度ABC是90度。當連桿的實際長度縮短時，其推動曲軸銷的角度較接近達到最高效率的角度(也就是90度)，進而可獲得更好的應力效率。在相同的燃料銷耗情況下，相較於使用傳統連桿的引擎，使用本發明所揭露之連桿的引擎提供了更高的功率輸出。

根據以上之描述，本發明之詳細內容如下。

在使連桿不產生大慣性的情況下，本發明之一特徵是提供一種連桿，其可承受由活塞銷中心、曲軸銷中心及曲軸中心相互偏移所產生的大扭力。本說明書所揭露的連桿可與活塞做整合以形成一總成。第3A、3B及3C圖分別為本發明之一實施例之活塞連桿總成之前視圖、側視圖及爆炸圖。另外，本說明書及所附之申請專利範圍中之用語如“上方”、“下方”、“上面”、“下面”、“最上面”、“最下面”、“在上面”及其他描述位置的形容詞是以第3A至3C圖中的垂直方向302為基準。

本發明包括用以連接活塞310及曲軸之連桿340，其具有可連接活塞310的小端342及可連接曲軸的大端344。雖然本領域習知技藝者可輕易的辨別連桿的小端與大端，但為了清楚起見，請依據以下之定義：假如連桿以主軸線(如第3A圖中連桿340的中央線303)被分為兩半(等長)，連桿的小端為連桿的上半部；依據前述之兩半，連桿的大端為 連桿的下半部。

連桿340之小端342具有活塞銷孔348及上活塞銷孔420，其中上活塞銷孔420位於活塞銷孔348的上方。活塞銷孔348具有第一軸線551。當活塞銷630插入活塞銷孔348時是沿著第一軸線551而設置。類似的，上活塞銷孔420具有第二軸線552。當上活塞銷440插入上活塞銷孔420時是沿著第二軸線552而設置。第一軸線551與第二軸線552處於彼此垂直的方向。

連桿340的大端344更包含曲軸銷軸承346及曲軸銷軸承接頭450，其中曲軸銷軸承接頭450位於曲軸銷軸承346的上方。曲軸銷軸承346具有曲軸銷孔349，其具有第三軸線553。當曲軸銷640插入曲軸銷孔349時，曲軸銷640是沿著第三軸線553而設置。曲軸銷軸承接頭450連接曲軸銷軸承346及曲軸銷軸承346以上的連桿部位，並且使曲軸銷軸承346可繞著第四軸線554旋轉。第三軸線553與第四軸線554處於彼此垂直的方向。

較佳的，曲軸銷軸承接頭450更包括受容器470、軸承接頭銷孔460及軸承接頭銷480。受容器470連接至曲軸銷軸承346，而軸承接頭銷孔460沿著第四軸線554設置。軸承接頭銷480穿過軸承接頭銷孔460及受容器470，使曲軸銷軸承346連接至曲軸銷軸承346以上的連桿部位並可繞著第四軸線554旋轉。在一實施例中，受容器470具有一個或多個受容器孔475，使軸承接頭銷480穿入受容器孔475以將曲軸銷軸承346及上述之剩餘的連桿部位做連接。在一實施例中，軸承接頭銷孔460容納軸承接頭銷軸承485以包覆軸承接頭銷480。

較佳地，連桿340更包括活塞銷軸承430及延伸件435，其中活塞銷軸承430收容於活塞銷孔348中，而延伸件435具有上活塞銷孔420。延伸件435連接至活塞銷軸承430並位於活塞銷軸承430的上方。因此，延伸件435整合於連桿340並提供上活塞銷孔420。活塞銷孔348內的活塞銷軸承430減少了容納活塞銷630的空間431。

在內燃機中用以轉換直線運動為旋轉運動的總成可由上述所揭露的連桿340及與其連接的活塞310組成。活塞310包括活塞裙314及活塞冠315。另外，活塞連桿總成更包括活塞銷630及上活塞銷440。其中，活塞銷630位於活塞銷孔348中並且連接活塞裙314的相反兩側，而上活塞銷440位於上活塞銷孔420中並且連接活塞冠315。在一實施例中，上活塞銷440的各端連接至對應的端帽445。其中，各端帽445透過連接件510連接至活塞310的活塞帽318。

相較於習知的連桿，雖然上述所揭露的連桿賦有上活塞銷孔及曲軸銷軸承接頭，但在一實施例中，本發明所揭露之連桿也可只包括上活塞銷孔與曲軸銷軸承接頭之一，而非同時需要兩者。當只有上活塞銷孔或曲軸銷軸承接頭時，活塞連桿總成亦可承受偏位所產生的大扭力，但其效果可能不及同時具有上活塞銷孔與曲軸銷軸承接頭來的有效。

本發明的第二特徵是使用彈簧式密封件密封活塞連桿總成的方法及構件。請參考第5A圖，彈簧式密封件一般具有如同彈簧的螺旋狀結構1001。在一實施例中，此螺旋狀結構是透過以連續性的方式連接C形之部份彈簧圈1002所組成的。此些部份彈簧圈1002可透過將薄板 材進行沖壓或輪廓裁剪的方式(如雷射或線切割)而取得。每個部份彈簧圈1002具有楔形接頭1003(一個公接頭及一個母接頭)用以連接其他C形部份彈簧圈1002而獲得彈簧卷。螺旋狀結構1001之橫向內表面及外表面更可進行研磨處理以取得理想的內徑與外徑。

請參照第5B圖。在一實施例中，彈簧式密封件1011包含三層各別的彈簧圈相互連接，以提供不同的功能。其中，活塞密封層1012設於彈簧式密封件1011之一端，並具有一個或多個彈簧圈，其內徑1015稍小於要與彈簧式密封件1011結合之活塞部份的外徑。進一步的說，彈簧式密封件1011的活塞密封層1012圍繞與彈簧式密封件1011結合之活塞部份，以永久地密封活塞。汽缸密封層1014位於彈簧式密封件1011的另一端，並具有一個或多個彈簧圈，其外徑1018稍大於汽缸的內徑。

在安裝彈簧式密封件1011後，汽缸內的活塞會促使彈簧式密封件1011的汽缸密封層1014從所有的方向推擠汽缸壁，無論何時地密封汽缸壁。另外，彈簧式密封件1011的中間部位，也就是位於活塞密封層1012與汽缸密封層1014之間的部位，為吸收層1013。吸收層1013包含一個或多個彈簧圈，其外徑1016小於汽缸的內徑。因此，吸收層1013不會碰觸汽缸壁。而且，吸收層的一個或多個彈簧圈的內徑1017大於要與彈簧式密封件1011結合之活塞部份的外徑。因此，吸收層1013亦不會碰觸活塞。

由於吸收層1013的彈簧圈可橫向搖擺移動，因此當引擎在高速做功的狀況下，吸收層1013可吸收由活塞與汽缸之偏位問題所造成的震動及橫向運動。也就是說，對於活塞汽缸總成的偏位問題，吸收層 1013的存在提供了更多的容忍度。另外，彈簧式密封件1011的吸收層1013亦減少由活塞銷中心、曲軸銷中心及曲軸中心相互偏移所產生的多餘扭力。

彈簧式密封件1011的各密封層與其對應活塞及汽缸部位的直徑差異小。雖然施加於密封接觸面的橫向力是持續性的，但是因為屬於趨緩的性質，其所在密封接觸面所產生的摩擦力是可被忽略的。因此，汽缸壁受侵蝕的機率會減少。

若彈簧式密封件以橫向的方式加寬，位於密封件兩端的帶條(strap)將被縮短，用以彌補螺旋結構的直徑改變。相反的，假如彈簧式密封件橫向變窄，兩端的帶條將被加長。這樣的設計提供了高彈性(high flexibility)並使施加於密封表面的橫向力減到最小。再者，潤滑油的使用可使彈簧式密封件在汽缸內順暢的移動，進而使汽缸壁的磨損減至最小。

在一實施例中，彈簧式密封件的材質為銅、磷銅或其他具有高導熱性的合金。如此，密封件會將燃燒室中由燃料爆炸所產生的極高熱能導入引擎主體，有助於活塞降溫冷卻。

另外，當彈簧式密封件的各密封層包含複數個彈簧圈時，密封件提供了完整的密封功效。舉例來說，在活塞的表面，密封層的每一個彈簧圈以360度環繞的方式密封活塞的密封面。當漏油漏氣發生時，緊鄰密封面的彈簧圈能阻止洩漏。倘若仍然有洩漏的問題，第二個彈簧圈能進一步地阻止洩漏，並且以此類推。如此，以上的方式可解決使用活塞環所產生之滲漏的問題。一個完全密封的活塞汽缸總成可完整 的將燃料與潤滑油做分隔，所以不會有任何潤滑油滲入燃燒室，以防止潤滑油對純淨燃料的汙染。另外，未燃燒的燃料及廢氣亦不會滲漏至曲軸箱，如此可避免處理“吹漏氣”的問題及有毒煙霧的產生。透過本發明所得到的結果是一個更乾淨及更有效率的引擎。

請參照第6A及6B圖。在一實施例中，彈簧式密封件1021以類似活塞環的方式設置於活塞。活塞通常包含活塞冠，其包含本體1022及活塞帽1023。在本體連接活塞帽1023的一端具有凹部1024，其中凹部1024的直徑小於本體1022。彈簧式密封件1021完全地套設於凹部1024，其中活塞密封層的彈簧圈緊緊圍繞著凹部1024的表面。當彈簧式密封件1021已安裝好後，活塞帽1023再以螺絲鎖固的方式固設於本體1022，進而將彈簧式密封件1021固設於凹部1024的周圍，如第6B圖所示。其他連接活塞帽1023至活塞冠本體1022的方式包括使用螺旋式活塞帽，其中活塞帽1023及活塞冠本體1022均設有紋路。由於活塞帽1023直接暴露於燃燒室，所以活塞帽1023通常為強韌的合金例如鈦合金。

請參照第7A至7C圖。在另一實施例中，活塞帽1033為一固定環，其只覆蓋活塞冠本體1032的凹部1034(被彈簧式密封件1031套設)。更具體的說，活塞帽1033套設於活塞冠本體1032之突部1035，其中突部1035的直徑小於凹部1034。為了將活塞帽1033固設於突部1035的周圍，做法之一是採用螺旋式的手段，也就是透過活塞帽1033之內側壁及突部1035之側壁各具有相互對應的螺紋來達成。其他連接的方式包括焊接或螺絲鎖固的作法。

透過包含上述之連桿、彈簧式密封件、活塞汽缸連桿總成或任何以上之組合，一內燃機是可實現的。

本發明之以上描述是為了舉例說明而提供的，並且不是為了限制本發明之確切型式。對於熟悉此技藝者來說，許多的變更及修飾是顯而易見的。

以上實施例的提供是用以說明本發明的原理及其應用方式，進而使熟悉此技藝者可了解本發明各種的實施例及其適用於所應用方面的變化。本發明之範圍為根據所附之申請專利範圍及其同等之描述。

302‧‧‧垂直方向

303‧‧‧中央線

310‧‧‧活塞

314‧‧‧活塞裙

315‧‧‧活塞冠

318‧‧‧活塞帽

340‧‧‧連桿

342‧‧‧小端

344‧‧‧大端

346‧‧‧曲軸銷軸承

349‧‧‧曲軸銷孔

430‧‧‧活塞銷軸承

431‧‧‧空間

435‧‧‧延伸件

440‧‧‧上活塞銷

445‧‧‧端帽

450‧‧‧曲軸銷軸承接頭

510‧‧‧連接件

552‧‧‧第二軸線

554‧‧‧第四軸線

Claims (7)

1. 一種活塞汽缸總成，包括：一活塞，包括一活塞裙、一活塞冠以及一活塞帽，活塞冠位於該活塞的活塞裙頂部，且該活塞帽可拆卸地組設於該活塞冠；一汽缸；一彈簧式密封件用以密封該活塞及該汽缸；該彈簧式密封件包含複數個彈簧圈，每個該彈簧圈連接另一個該彈簧圈以形成一螺旋狀結構；該螺旋狀結構更具有四個不同直徑的圓圈體，兩個該圓圈體為內圓圈體，另外兩個該圓圈體為外圓圈體；該四個圓圈體組成一活塞密封層於該彈簧式密封件的一第一端、一汽缸密封層於該彈簧式密封件的一第二端及一吸收層於該活塞密封層與該汽缸密封層之間；且該彈簧式密封件圍繞套設於活塞冠一端；一連桿，用以連接活塞及一曲軸，該連桿具有一小端及一大端，該小端連接至該活塞，該大端連接至該曲軸，該連桿包括：一位於該小端的活塞銷孔，該活塞銷孔具有一第一軸線，當一活塞銷設置於該活塞銷孔時，該活塞銷是沿著該第一軸線設置；一延伸件，具有一上活塞銷孔，該上活塞銷孔位於該活塞銷孔的上方，該延伸件連接至該活塞的該活塞帽；該上活塞銷孔具有一第二軸線，當一上活塞銷設置於該上活塞銷孔時，該上活塞銷是沿著該第二軸線設置，其中該第一軸線及該第二軸線處於彼此垂直的方向，且該活塞銷連接活塞裙的相反兩側； 一曲軸銷軸承位於該大端，該曲軸銷軸承具有一曲軸銷孔，該曲軸銷孔具有一第三軸線，當一曲軸銷插入該曲軸銷孔時，該曲軸銷是沿著該第三軸線而設置；以及一曲軸銷軸承接頭位於該大端並位於該曲軸銷軸承的上方，該曲軸銷軸承接頭連接該曲軸銷軸承及該曲軸銷軸承以上的該連桿之部位，並且使該曲軸銷軸承可繞著一第四軸線旋轉，其中該第三軸線與該第四軸線處於彼此垂直的方向。
2. 如請求項1所述之活塞汽缸總成，其中該活塞密封層具有一個或多個彈簧圈，其內徑稍小於要與該彈簧式密封件結合之該活塞部份的外徑，使該活塞密封層之彈簧圈緊緊地圍繞與該彈簧式密封件結合之該活塞部份，以永久地密封該活塞；其中該汽缸密封層具有一個或多個彈簧圈，其外徑稍大於該汽缸的內徑，在安裝該彈簧式密封件後，該汽缸內的該活塞促使該汽缸密封層從所有的方向推擠汽缸壁，無論何時地密封該汽缸壁；及該吸收層包含一個或多個彈簧圈，其外徑小於該汽缸的內徑，因此該吸收層不會碰觸該汽缸壁，該吸收層的該一個或多個彈簧圈的內徑大於與該彈簧式密封件結合之該活塞部份的外徑，因此該吸收層亦不會碰觸該活塞。
3. 如請求項1所述之活塞汽缸總成，其中，該曲軸銷軸承接頭包括：一受容器連接至該曲軸銷軸承；一軸承接頭銷孔沿著該第四軸線設置；及 一軸承接頭銷穿過該軸承接頭銷孔及該受容器，使該曲軸銷軸承連接至該曲軸銷軸承以上該連桿之部位並可繞著該第四軸線旋轉。
4. 一種活塞汽缸總成，包括：一活塞，包括一活塞裙、一活塞冠以及一活塞帽，活塞冠位於該活塞的活塞裙頂部，且該活塞帽可拆卸地組設於該活塞冠；一汽缸；一彈簧式密封件用以密封該活塞及該汽缸；該彈簧式密封件包含複數個彈簧圈，每個該彈簧圈連接另一個該彈簧圈以形成一螺旋狀結構；該螺旋狀結構更具有四個不同直徑的圓圈體，兩個該圓圈體為內圓圈體，另外兩個該圓圈體為外圓圈體；該四個圓圈體組成一活塞密封層於該彈簧式密封件的一第一端、一汽缸密封層於該彈簧式密封件的一第二端及一吸收層於該活塞密封層與該汽缸密封層之間；且該彈簧式密封件圍繞套設於活塞冠一端；一連桿，用以連接該活塞及一曲軸，該連桿具有一小端及一大端，該小端連接至活塞，該大端連接至該曲軸，該連桿包括：一位於該小端的一活塞銷孔，該活塞銷孔具有一第一軸線，當一活塞銷設置於該活塞銷孔時，該活塞銷是沿著該第一軸線設置；以及一延伸件，具有一上活塞銷孔，該上活塞銷孔位於該活塞銷孔的上方，該延伸件連接至該活塞的該活塞帽；該上活塞銷孔具有一第二軸線，當一上活塞銷設置於該上活塞銷孔時，該上活塞銷是沿著該第二軸線設置，其中該第一軸線及該第二軸線處於彼此垂直的方向，且該活塞銷連接活塞裙的相反兩側。
5. 如請求項4所述之活塞汽缸總成，其中該活塞密封層具有一個或多個彈簧圈，其內徑稍小於要與該彈簧式密封件結合之該活塞部份的外徑，使該活塞密封層之彈簧圈緊緊地圍繞與該彈簧式密封件結合之該活塞部份，以永久地密封該活塞；其中該汽缸密封層具有一個或多個彈簧圈，其外徑稍大於該汽缸的內徑，在安裝該彈簧式密封件後，該汽缸內的該活塞促使該汽缸密封層從所有的方向推擠汽缸壁，無論何時地密封該汽缸壁；及該吸收層包含一個或多個彈簧圈，其外徑小於該汽缸的內徑，因此該吸收層不會碰觸該汽缸壁，該吸收層的該一個或多個彈簧圈的內徑大於與該彈簧式密封件結合之該活塞部份的外徑，因此該吸收層亦不會碰觸該活塞。
6. 一種包含請求項1之活塞汽缸總成的內燃機。
7. 一種包含請求項4之活塞汽缸總成的內燃機。