專利名稱：在內(nèi)燃機中使用的改進的活塞頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在蒸氣機或內(nèi)燃機(包括旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機)中使用的活塞組件的設計和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
這部分中的說明只提供涉及本發(fā)明的背景信息且不會構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機中，界定燃燒室的壁是圓柱形的且在一端用汽缸蓋封閉?；钊豢蛇\動地引導經(jīng)過另一端、進入汽缸內(nèi)。內(nèi)燃機具有四個基本步驟:(I)進氣；(2 )壓縮；(3 )燃燒和膨脹；和(4 )排氣。在進氣步驟中，可燃混合物被注入燃燒室內(nèi)。借助進入汽缸的活塞的壓縮該混合物處于壓力作用下。然后該混合物被點燃并燃燒。熱的燃燒產(chǎn)物最終膨脹；使活塞沿相反方向運動并將能量傳遞至 被聯(lián)接或連接到活塞的機械構(gòu)件，例如曲軸。冷卻的燃燒產(chǎn)物最后被排出并且燃燒循環(huán)再次開始。這些傳統(tǒng)的內(nèi)燃機通常具有以下缺點:效率低、尺寸大、重量大、和需要使用且連續(xù)地補充外部的液體潤滑劑。最近幾年旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機組件的引入提供了有關(guān)發(fā)動機效率提高和發(fā)動機尺寸減小的改進。但是，為了提供涉及發(fā)動機重量減小和減小對外部潤滑劑的需求的改進，新型材料的發(fā)展和使用是有益的。對先進的發(fā)動機構(gòu)件和新型材料的設計的持續(xù)提升是內(nèi)燃機領(lǐng)域中一直所期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了在蒸汽機或內(nèi)燃機中使用的活塞組件，該活塞組件改進了發(fā)動機效率、減小了重量、尺寸和在發(fā)動機中使用的外部潤滑劑的量、減小了內(nèi)燃機的燃燒室的來自這些潤滑劑的污染、并簡化了制造這種活塞組件的能力。該活塞組件可在任何類型的發(fā)動機中使用，發(fā)動機包括但不限于傳統(tǒng)的往復式發(fā)動機、旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機、星形發(fā)動機等。因而，所涉及的如在此被說明的特定類型的發(fā)動機將不解釋為對本發(fā)明的范圍的限制。在本發(fā)明的一個形式中，在內(nèi)燃機中使用的活塞組件被提供為包括活塞主體，該活塞主體具有:具有近端和遠端的延伸的活塞架、布置在所述延伸的活塞架的遠端處的活塞面、內(nèi)腔、布置在所述延伸的活塞架的近端處的活塞銷支撐件。兩個擋油密封件圍繞所述延伸的活塞架、在遠端附近同心地設置，每個擋油密封件具有內(nèi)凹槽且由聚合物材料形成。兩個壓縮夾布置在兩個擋油密封件的內(nèi)凹槽內(nèi)。活塞主體由工程復合材料形成，且壓縮夾適于幫助擋油密封件與內(nèi)燃機的汽缸中的腔的內(nèi)壁形成接觸。根據(jù)本發(fā)明的另一形式，內(nèi)燃機提供成包括多個活塞頭元件。每個活塞組件包括活塞主體，活塞主體具有:具有近端和遠端的延伸的活塞架、布置在所述延伸的活塞架的遠端處的活塞面、內(nèi)腔、布置在所述延伸的活塞架的近端處的活塞銷支撐件。兩個擋油密封件圍繞所述延伸的活塞架、在遠端附近同心地設置，每個擋油密封件具有內(nèi)凹槽且由聚合物材料形成。兩個壓縮夾布置在兩個擋油密封件的內(nèi)凹槽內(nèi)。活塞主體由工程復合材料形成，且壓縮夾適于幫助擋油密封件與內(nèi)燃機的汽缸中的腔的內(nèi)壁形成接觸。根據(jù)本發(fā)明的再一方面提供了與內(nèi)燃機的活塞一起使用的擋油組件。擋油組件包括:擋油密封件，其具有內(nèi)凹槽且由聚合物材料形成，和壓縮夾，其布置在擋油密封件的內(nèi)凹槽內(nèi)。壓縮夾適于幫助擋油密封件與內(nèi)燃機的汽缸中的腔的內(nèi)壁形成接觸。根據(jù)在此提供的說明，其他區(qū)域的應用將變得明顯。應該理解，說明書和特定的實例只用于說明目的且不用于對本發(fā)明的范圍進行限制。


這里描述的附圖只用于圖示的目的且絕不打算對本發(fā)明的范圍進行限制。應該理解，遍及說明書和附圖，相應的附圖標記表示相同或相應的部分和特征部分。圖1A是突出使用了根據(jù)本發(fā)明的教導而構(gòu)造的活塞組件的示例性旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機的透視圖；圖1B是突出使用了根據(jù)本發(fā)明的教導而構(gòu)造的另一形式的活塞組件的示例性往復式V型內(nèi)燃機的剖視圖；圖2A是在圖1B的往復式內(nèi)燃機中使用的且根據(jù)本發(fā)明的教導構(gòu)造的活塞組件的透視側(cè)視圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明的教導的圖2A的活塞組件的側(cè)視圖；圖2C是根據(jù)本發(fā)明的教導的圖2A的活塞組件的底視圖；圖2D是根據(jù)本發(fā)明 的教導的圖2A的活塞組件的頂視圖；圖3是與根據(jù)本發(fā)明的教導的活塞組件協(xié)作使用的擋油密封件的透視圖；圖4是與根據(jù)本發(fā)明的教導的圖3的擋油密封件協(xié)作使用的壓縮夾的透視圖；圖5A是在圖1A的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機中使用的且根據(jù)本發(fā)明的教導而構(gòu)造的活塞組件的透視圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明的教導的圖5A的活塞組件的側(cè)視圖；圖5C是根據(jù)本發(fā)明的教導的圖5A的活塞組件的底視圖；圖是根據(jù)本發(fā)明的教導的圖5A的活塞組件的頂視圖。
具體實施例方式下面的說明實際上只是示例性的，意圖絕不是限制本發(fā)明或其應用或使用。本發(fā)明通常提供能驅(qū)動車輛或其附屬設備的蒸汽機或內(nèi)燃機中使用的活塞組件的改進的設計。改進的活塞組件設計提供很多益處，即，使用了減小活塞重量、簡化制造活塞的能力、減少使用外部潤滑劑的陶瓷或碳復合物，和降低了燃燒室可能被外部潤滑劑污染的機會。參考圖1A，示出了旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機組件I的實例，其中發(fā)動機5包括以環(huán)形幾何形狀布置的多個燃燒室10。每個燃燒室10由定位在不同的主元件25 (其沿相反方向運動)上的兩個活塞組件15和位于汽缸襯套30內(nèi)的腔的壁界定。多個曲軸35定位在主元件25的環(huán)形路徑的直徑內(nèi)。內(nèi)燃機組件I還可包括適于將燃料噴入燃燒室中的一個內(nèi)的多個噴射器40和強制填充空氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括排氣管道45、渦輪增壓器50、和/或增壓器55。增壓器55和渦輪增壓器50提供空氣以保持恒定壓力，由此，一旦活塞組件15被分開且空氣流能通過氣缸襯套30中的開口進入燃燒室10，就允許在內(nèi)燃機組件I中的每個燃燒室10吸取(例如，抽取)空氣。為內(nèi)燃機組件I填充的新鮮空氣可在其被抽取或吸取進入燃燒室10之前通過或經(jīng)過冷卻系統(tǒng)60。旋轉(zhuǎn)式蒸氣機和/或內(nèi)燃機(本發(fā)明的活塞組件可在其中被使用)能在2010年8月3日提交的美國申請系列號12/849，406 (其是2008年8月25日提交的申請系列號12/97，522的部分繼續(xù)申請，而該部分繼續(xù)申請又是2005年12月16日提交的申請系列號11/304，608的部分繼續(xù)申請)、現(xiàn)在的美國專利號7，415，962中被發(fā)現(xiàn)，以上全部內(nèi)容在此通過參考被并入。如在圖1B中示出的，傳統(tǒng)的往復式發(fā)動機70的一部分被示出，其中也使用了要求保護的活塞設計?；钊M件15示出為在各氣缸72中并且被通過各連接桿76被連接至曲軸74。(由于圖1B是剖視圖，活塞組件15的在右手側(cè)的一部分只部分地示出)。傳統(tǒng)的V型往復式內(nèi)燃機的工作在本領(lǐng)域中是已知的，因而出于簡化的目的不在此更詳細地說明。示例性的V型往復式內(nèi)燃機在美國專利號4，936，265中被更詳細地說明，其全文通過參考在此被并入。 現(xiàn)在參考圖2A-2D，活塞組件15包括活塞主體89、活塞銷支撐件90、延伸的活塞架100、內(nèi)腔110、活塞面120、兩個擋油密封件130 (在圖2B中僅示出一個)、和兩個相應的壓縮夾140 (在圖4中示出)?；钊N支撐件90和內(nèi)腔110被用于將活塞組件15聯(lián)接到內(nèi)燃機的連接桿。擋油密封件130防止油的任何噴濺(可出現(xiàn)在汽缸襯套的內(nèi)壁上)通過與活塞面120和延伸的活塞架100相接觸而被傳送入燃燒室。通過使用工程復合材料，例如碳或陶瓷復合物，活塞能被機加工具有較大的整體直徑(保持實際的汽缸孔徑不變)，由此減小或消除需要與傳統(tǒng)的活塞組件一起使用的壓縮環(huán)。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人懂得，本發(fā)明的活塞組件15被設計成且被制造成整個活塞主體89的外徑可設置成更接近汽缸孔中的腔的內(nèi)壁。因此，在汽缸襯套中的腔的內(nèi)壁和活塞主體89之間存在的同心間隙能大大小于與通常的發(fā)動機應用中的活塞一起使用的間隙。消除該同心間隙就消除了對壓縮環(huán)的需要并且提供了額外的益處，即，減少發(fā)生任何“振動”或在發(fā)動機工作壽命期間發(fā)生的發(fā)動機的過度磨損。本發(fā)明的活塞組件15不需要壓縮環(huán)的存在來獲得汽缸中的活塞的高壓縮比。另夕卜，本發(fā)明的活塞組件15被證明在由本領(lǐng)域技術(shù)人員通常進行的壓縮泄漏測試中優(yōu)于具有壓縮環(huán)的傳統(tǒng)活塞。在本發(fā)明的一個形式中，具有與每個活塞頭15協(xié)作地使用的兩個擋油密封件130。根據(jù)本發(fā)明的教導設計的擋油密封件130的實例在圖3中被提出。擋油密封件130的整個高度和深度取決于活塞15的基本幾何形狀(例如，直徑)。這些密封件130被放置在特征部分或凹槽129內(nèi)，凹槽129沿著活塞架100的表面被同心地模制或機加工。擋油密封件130可由任何類型的與油相容且能在內(nèi)燃機工作期間具有熱穩(wěn)定性的聚合物制成。優(yōu)選地，擋油密封件130的聚合物將由尺寸穩(wěn)定且具有顯著剛性或高度剛性的聚合物，例如Fluorosint .或任何其他等效的ptfe (聚四氟乙烯)構(gòu)成，從而增加由密封件施加到汽缸襯套的壁上的壓力。剛性增加了以下方面的整體效率，即，任何類型的內(nèi)燃機正常工作期間擋油密封件的“刮擦”能力或阻擋濺到汽缸襯套上的油的能力，從而防止外部潤滑劑(油)進入燃燒室?？捎米鲹跤兔芊饧木酆衔锊牧系膶嵗ň勐榷《⑻挤衔?FKM)、彈性體、硅樹脂(VQM)、氟硅橡膠(FVQM)、腈(NBR)橡膠、聚丙烯酸(ACM)聚合物、聚氨酯橡膠、乙烯丙烯酸(AEM)聚合物、聚酯彈性體、氯磺化聚乙烯、以及聚四氯乙烯(PTFE)等。還參考圖3，擋油密封件130具有橢圓形狀(例如，凹形)且適于與氣缸襯套的內(nèi)壁相互作用的接觸面。再次參考圖2A和2B，壓縮夾140可定位成鄰近每個擋油密封件130。壓縮夾140的實例在圖4中被提供。壓縮夾140使擋油密封件130被擴展開，從而提供較大量的表面壓力，以與氣缸襯套的內(nèi)壁相互作用。通過被裝配入特征部分或凹槽139，壓縮夾140能使擋油密封件130擴展開，該凹槽139在擋油密封件130內(nèi)被模制成或被切割出，如圖3中所示。切割部或凹槽139可能是相對于密封件的圓周的半圓形，以便圓鋼壓縮夾140可用于牢固地安裝成抵靠密封件130。壓縮夾可由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何金屬或金屬合金制成，包括但不限于軟鋼、銅、銅鎳合金(即，Special Metals公司的Mfoliel )、鎳、不銹鋼和鎳鉻(即，SpecialMetals公司的等。壓縮夾可表現(xiàn)為實心環(huán)或具有中空內(nèi)芯的環(huán)。壓縮夾可包括固體內(nèi)芯形式的金屬合金和圍繞內(nèi)芯的外鍍層或涂層的結(jié)合。在發(fā)動機工作期間，使壓縮夾140插入擋油密封件130的中央和使密封件130的與汽缸襯套的內(nèi)壁接觸表面成凹形導致了密封件130彎曲成兩個至三個同心的接觸區(qū)域可形成在密封件130和汽缸襯套的壁之間。同心的接觸區(qū)域能用作刮油器并且防止任何油的噴濺進入燃燒室10。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解在確定擋油密封件130和與其相關(guān)的凹槽或切割部139的尺寸方面涉及很多因素。這些因素可包括但不限于彎曲模量、熱膨脹系數(shù)和與壓縮夾140相關(guān)的熱膨脹系數(shù)的相互作用。每個活塞主體89可包括碳復合物或陶瓷復合物等。碳和陶瓷的復合物的實例可包括碳化硅、氮化硅和石墨等。另外，復合物結(jié)構(gòu)可包括不連續(xù)的纖維增強型的碳或陶瓷，其中纖維通過實例可包括玻璃、碳或石墨。當活塞主體89由石墨復合物制成時，源自活塞主體89與內(nèi)燃機的其他構(gòu)件之間的接觸的摩擦力的大小將是小的。因此，使用碳復合物例如石墨的一個優(yōu)點是，用于減小內(nèi)燃機組件I中的運動部件或構(gòu)件之間的一定量的摩擦而使用油或其他外部潤滑劑的需要被減少或完全消除?；钊黧w89可能是完全實心的或部分中空的，這取決于所期望的應用的重量要求。碳和陶瓷的復合物的強度可通過使用纖維加強來提高?，F(xiàn)在參考圖5A-5D，另一形式的活塞組件15’被示出，活塞組件15’與圖1A的旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機一起使用。如之前的活塞組件15,該旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的活塞組件15’包括活塞主體89’、主元件支撐件90’、延伸的活塞架100’、內(nèi)腔110’、活塞面120’、設置在凹槽129’內(nèi)的兩個擋油密封件130 (在圖3中示出)、和兩個相應的壓縮夾140 (在圖4中示出)。主元件支撐件90’和內(nèi)腔110’被用于將活塞組件15’聯(lián)接到內(nèi)燃機的連接桿25。擋油密封件130防止任何油的噴濺(可出現(xiàn)在汽缸襯套的內(nèi)壁上)通過與活塞面120’和延伸的活塞架100’相接觸而被傳送入燃燒室。該活塞組件15’的 工程材料和工作與有關(guān)傳統(tǒng)V型內(nèi)燃機的上述材料和工作相同，因此為了簡明在次不再重復。因此，應該理解，根據(jù)本發(fā)明的活塞組件可用在任何類型的發(fā)動機中，且仍處于要求保護的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的各種實施例的前述說明出于圖示和說明的目的已經(jīng)被提出。不期望這是絕對的或?qū)⒈景l(fā)明限于準確描述的實施例。根據(jù)以上的教導，各種改變或變型是可能的。所討論的實施例被選擇和描述成提供對本發(fā)明的原理和其實踐應用的最好說明，由此使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能利用各種實施例形式的且具有(如適于所構(gòu)思的特定用途的)各種改變的本發(fā)明。當根據(jù)被公平、合法且合理地賦予的權(quán)利的寬度進行解釋時，所有這些修改和變型都處于所附權(quán)利要求確 定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在內(nèi)燃機中使用的活塞組件，包括: 活塞主體，其包括: 具有近端和遠端的延伸的活塞架； 布置在所述延伸的活塞架的遠端處的活塞面； 內(nèi)腔；和 布置在所述延伸的活塞架的近端處的活塞銷支撐件； 兩個擋油密封件，所述擋油密封件圍繞所述延伸的活塞架、在遠端附近同心地設置，每個擋油密封件具有內(nèi)凹槽且由聚合物材料形成；和 兩個壓縮夾，所述壓縮夾布置在兩個擋油密封件的內(nèi)凹槽內(nèi)， 其中，活塞主體由工程復合材料形成，且壓縮夾適于幫助擋油密封件與內(nèi)燃機的汽缸中的腔的內(nèi)壁形成接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞組件，其中工程復合材料選自這樣的組，該組由碳復合材料和陶瓷復合材料組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的活塞組件，其中所述碳復合材料是強化纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的活塞組件，其中所述碳復合材料是石墨。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞組件，其中擋油密封件的所述聚合物材料是聚四氟乙烯。`
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞組件，其中聚合物材料選自這樣的組中，該組由聚氯丁二烯、碳氟化合物、硅樹脂、氟硅樹脂、腈橡膠、聚丙烯酸聚合物、聚氨酯、乙烯丙烯酸(ABO聚合物、聚酯彈性體、氯磺化聚乙烯、以及聚四氯乙烯組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞組件，其中擋油密封件具有橢圓形的接觸表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞組件，其中壓縮夾由金屬或金屬合金制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞組件，其中壓縮夾選自這樣的組中，該組由軟鋼、銅、銅鎳合金、鎳、不銹鋼和鎳鉻合金組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞組件，其中壓縮夾使擋油密封件與汽缸中的腔的內(nèi)壁在至少兩個同心區(qū)域中接觸。
11.一種內(nèi)燃機，包括: 多個活塞頭組件，每個活塞組件包括: 活塞主體，其包括: 具有近端和遠端的延伸的活塞架； 布置在所述延伸的活塞架的遠端處的活塞面； 內(nèi)腔；和 布置在所述延伸的活塞架的近端處的活塞銷支撐件； 兩個擋油密封件，所述擋油密封件圍繞所述延伸的活塞架、在遠端附近同心地設置，每個擋油密封件具有內(nèi)凹槽且由聚合物材料形成；和 兩個壓縮夾，所述壓縮夾布置在兩個擋油密封件的內(nèi)凹槽內(nèi)， 其中，活塞主體由工程復合材料形成，且壓縮夾適于幫助擋油密封件與內(nèi)燃機的汽缸中的腔的內(nèi)壁形成接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的內(nèi)燃機,其中內(nèi)燃機是往復式發(fā)動機。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的內(nèi)燃機，其中內(nèi)燃機是星形發(fā)動機。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的內(nèi)燃機，其中內(nèi)燃機是旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機。
15.一種與內(nèi)燃機的活塞一起使用的擋油組件，所述擋油組件包括: 擋油密封件，其具有內(nèi)凹槽且由聚合物材料形成；和 壓縮夾，其布置在擋油密封件的內(nèi)凹槽內(nèi)， 其中，壓縮夾適于幫助擋油密封件與內(nèi)燃機的汽缸中的腔的內(nèi)壁形成接觸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的擋油組件，其中擋油密封件的聚合物材料具有高的剛性。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的活塞組件，其中聚合物材料選自這樣的組中，該組由聚氯丁二烯、碳氟化合物、硅樹脂、氟硅樹脂、腈橡膠、聚丙烯酸聚合物、聚氨酯、乙烯丙烯酸聚合物、聚酯彈性體、氯磺化聚乙烯、以及聚四氯乙烯組成。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的擋油組件，其中擋油密封件具有橢圓形狀的接觸表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的擋油組件，其中壓縮夾由金屬或金屬合金制成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的擋油組件，其中壓縮夾選自這樣的組中，該組由軟鋼、銅、銅鎳合金、鎳、不銹鋼和鎳鉻合金組成。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的擋油組件，其中壓縮夾使擋油密封件與汽缸中的腔的內(nèi)壁在至少兩個同心區(qū)域中接觸。
全文摘要
通過本發(fā)明提供了一種在內(nèi)燃機中使用的活塞組件。該活塞組件包括活塞主體，該活塞主體具有延伸的活塞架、活塞面、內(nèi)腔、和活塞銷支撐件。兩個擋油密封件；所述擋油密封件圍繞所述延伸的活塞架、在遠端附近同心地設置，每個擋油密封件具有內(nèi)凹槽且由聚合物材料形成。兩個壓縮夾布置在兩個擋油密封件的內(nèi)凹槽內(nèi)且適于幫助擋油密封件與內(nèi)燃機的汽缸中的腔的內(nèi)壁形成接觸?；钊黧w由工程復合材料形成。
文檔編號F02F3/00GK103228897SQ201180057239
公開日2013年7月31日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者海因茨-古斯塔夫·賴塞爾 申請人:海因茨-古斯塔夫·賴塞爾