专利名称：具有带非金属支承面的活塞头的自由活塞内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及自由活塞内燃机，特别涉及在这种内燃机里的活塞和汽缸结构。
背景技术：
自由活塞内燃机包括一个或几个活塞，它们可往复运动地设置在相应的燃烧缸里。各活塞通常刚性固定于一柱塞杆，而柱塞杆提供所需的工作输出。例如，柱塞杆可通过产生电流用来提供电能输出，或提供流体功率输出、诸如气动或液压功率输出。
自由活塞内燃机里使用的活塞通常包括一活塞头，该活塞头完全由金属材料、诸如铝或钢制造。诸如铝和钢的金属具有相当高的热膨胀系数。这样，在自由活塞内燃机工作过程中，金属活塞头非常显著地沿径向方向朝燃烧缸的内表面膨胀。因此，自由活塞内燃机里使用的活塞头形成的外径与燃烧缸的内表面之间具有显著的径向间隙，以便在操作过程中容纳相当大的径向膨胀。为了在操作过程中防止燃烧物通过活塞头渗漏，活塞头的外周表面形成有一个或几个活塞环凹槽，以便接纳相应的活塞环。活塞环允许活塞头的径向热膨胀和收缩，同时有效地防止燃烧物通过活塞头渗漏。
虽然活塞环能提供如上所述的有用功能，但最好不使用活塞环，以降低制造和组装成本。
此外，为了防止活塞环和燃烧缸内表面之间的过度磨损，必须用适当的润滑剂润滑活塞环。用来润滑活塞环的润滑系统可能需要额外的部分和/或其它的结构，以便实现适当的润滑，这样将增加内燃机的尺寸和复杂性。此外，润滑油可能增加来自内燃机的、并不需要的散发。
使用具有金属燃烧缸和带活塞环的金属活塞头的传统的活塞和缸体结构的另一个问题是，必须在燃烧缸里提供适当的流体冷却槽，以便适当地冷却燃烧缸和活塞头。这些流体冷却槽又增加了内燃机的尺寸和复杂性。
本发明用来克服上述的一个或几个问题。
本发明的简要说明本发明提供一种自由活塞内燃机，它具有一活塞头，该活塞头具有非金属径向外侧支承面，并具有低摩擦、低膨胀系数和耐高温性能。
按照本发明的一个方面，一自由活塞内燃机包括一燃烧缸，该燃烧缸具有基本圆柱形的内表面。一活塞可往复运动地设置在燃烧缸里。活塞包括一活塞头和固定在活塞头上的一柱塞杆。活塞头具有基本圆柱形的外表面，它与燃烧缸的内表面非常靠近并相对该内表面形成一支承面。该支承面实质上是非金属材料形成的。
本发明的一个优点是，该自由活塞内燃机不需要润滑油和冷却液体，由此不会增加的实际尺寸和减少与此结构有关的效率损失。
另一个优点是，在活塞头和汽缸内表面之间的径向间隙被显著减少或消除，由此消除了在活塞头上设置活塞环凹槽和活塞环的需要。
还有一个优点是，形成支承面的活塞头的部分是由具有低摩擦、低热膨胀和耐高温性能的材料制造的。
附图的简要说明本发明的上述的和其它的特征和优点、以及实现它们的方式通过结合附图的本发明的较佳实施例的详细说明将变得更加清楚，其中
图1是一自由活塞内燃机的一部分的简化的侧剖视图，它带有安装在其中的本发明的一活塞的一实施例；图2是图1所示的活塞的侧剖视图；图3是本发明的活塞的另一实施例的侧剖视图；图4是本发明的一活塞头的另一实施例的侧剖视图；图5是图4中的活塞头的后视图；图6是一柱塞的一实施例的立体图，它可用于图4和5中的活塞头；以及图7是本发明的一活塞的又一实施例的侧视剖视图。
在所有的附图中相同的标号表示相同的零件。这里提供的范例只是以一种方式说明本发明的一个较佳实施例，该范例在任何情况下不应认为是限制本发明的范围。
本发明的详细说明现在参看附图、特别是图1，它是自由活塞内燃机10的一部分的一个实施例的简化的侧视剖视图，它包括图2详细显示的本发明的一活塞12的一个实施例。
自由活塞内燃机10包括一燃烧缸14，它具有一燃烧空气进口16和一排气口18。当活塞12在下死点(BDC)位置处或附近时，燃烧空气通过燃烧空气进口16和换气槽20进入燃烧室22。当活塞12向上死点(TDC)位置移动时，利用用标号24示意表示的、可控制的燃料喷射系统将适当的燃料、诸如选定等级的柴油喷射入燃烧室22。活塞12在BDC位置和TDC位置之间的冲程长度(S)可是固定的或可改变的。
现在参看图2，它详细地显示了活塞12。活塞12可往复移动的设置在燃烧缸14里，它通常包括一活塞头26，活塞头26通过安装凸缘30固定于一柱塞杆28。
活塞头26包括连接在一金属裙部34上的一非金属盖子32。盖子32具有一基本上是圆柱形的外表面36，其外径大于裙部34的外径。外表面36非常靠近燃烧缸14的内表面38(图1)，并相对该内表面38形成一支承面。在所示的实施例里，盖子32的外表面36和燃烧缸14的内表面38之间具有约在0.000和0.002英寸之间、较佳的是约在0.000和0.001英寸之间、更佳的约是0.000英寸的径向操作间隙。这里使用的术语“径向操作间隙”表示当自由活塞内燃机10在操作状态下时，盖子32的外表面36和燃烧缸14的内表面38之间的径向间隙。即，当活塞12和燃烧缸14处于操作温度时，径向操作间隙被设定在此范围内。
如图2所示，盖子32的外表面36不包括任何活塞环凹槽，当然也没有任何活塞环。为了在活塞12的返回冲程中防止废气的过度渗漏、以及防止盖子32的外表面36和燃烧缸14的内表面的过度磨损，盖子32用具有选定的物理性能的材料制造。具体地说，盖子32是用具有相当低热膨胀系数、低摩擦系数和耐高温的非金属材料制造。已经发现的适当的这种非金属材料的例子包括复合材料和陶瓷材料。在所示的实施例里，盖子32是用在碳基体里具有碳增强纤维的碳-碳复合材料制造的。碳基体可包括在一种适当树脂里的碳粉。碳增强纤维可是任意取向的切短纤维，也可以是任意取向的或沿一个或几个方向取向的较长的纤维。
构成盖子32的非金属材料较佳的是具有在约0.5和10ppm/℃之间的热膨胀系数。在所示的实施例里，构成盖子32的碳-碳复合材料具有在约1和2ppm/℃之间的热膨胀系数。此外，构成盖子32的非金属材料较佳的是具有在0.01和0.15之间的摩擦系数。在所示的实施例里，构成盖子32的碳-碳复合材料具有约0.10的摩擦系数。还有，构成盖子32的非金属材料较佳的是具有在约400℃和2500℃之间的耐温性。在所示的实施例里，构成盖子32的碳一碳复合材料具有约500℃的耐温性。耐温性可通过在盖子32靠近燃烧室22的表面施加涂层来提高。
裙部34是用适当的材料、诸如铝或钢制成的。在所示实施例里，裙部34是用铝制成的。由于金属裙部34的热膨胀系数大于盖子32的热膨胀系数，在非操作温度时，裙部34的外径足够小，从而在操作温度时裙部34的外径不会超过外表面36的外径。即，不打算让裙部34相对燃烧缸14的内表面38成为主要支承面。当然，在裙部34的外表面和内表面38之间可能发生某些间歇的接触；然而，裙部34不打算作为主要支承面。
盖子32和裙部34连接在一起，且盖子32可相对裙部34沿径向方向移动一有限的距离。具体地说，盖子32包括一阶梯形内表面40，该内表面40具有比裙部34的台肩42的外径大的直径。在所示的实施例里，在内表面40和台肩42之间形成约在0.001和0.003英寸之间、较佳的是约0.002英寸的径向间隙。许多径向延伸的孔44(在所示的实施例里有四个)接纳螺钉46，而螺钉46与台肩42螺纹啮合。各孔44的内径大于对应的螺钉46的外径，这样，螺钉46将盖子32保持于裙部34，同时在它们之间允许相对运动。柱塞杆28可由一对沿其纵向长度的轴承支承，由于制造公差等原因，该纵向长度不完全与燃烧缸14的纵向轴线对齐。通过允许盖子32相对裙部34径向移动，在自由活塞内燃机10里的往复运动过程中、作用在柱塞杆28上的横向负载被减少或消除。
在所示的实施例里，燃烧缸14包括一衬圈52，它形成内表面38。衬圈52是由非金属材料制造的，该非金属材料具有与上面所述的、形成盖子32的非金属材料相似的物理性能。在所示的实施例里，衬圈52也可由碳-碳复合材料制造，而该碳-碳复合材料具有与形成盖子32的碳-碳复合材料基本相同的物理性能。由于构成外表面36和内表面38的碳-碳复合材料具有相当低的摩擦系数，因此外表面36和内表面38之间的磨损降到最低程度。此外，由于构成外表面36和内表面38的碳-碳复合材料具有相当低的热膨胀系数，因此它们之间的径向操作间隙可维持在最小距离(例如，0.000英寸)，由此防止在操作过程中燃烧物渗漏。
为了组装活塞12，使螺栓48穿过安装凸缘30并螺纹连接在柱塞杆28的一端。然后，将安装凸缘30放置在金属裙部34里，利用许多螺栓50将安装凸缘30固定于裙部34。然后，将盖子32放置在裙部34的端部上，许多螺钉46穿过在盖子32中的对应孔44并与裙部34的台肩42螺纹连接。然后可以将活塞12安装在自由活塞内燃机10里。
现在参看图3，它显示了本发明的活塞56的另一个实施例的侧剖视图，该活塞56包括一活塞头58和柱塞杆60。活塞头58完全由具有碳增强纤维62的碳-碳复合材料制造的，碳增强纤维62在活塞头58里的取向通常如图所示，以便在活塞头58经受由柱塞杆60提供的任一方向的轴向负载时给活塞头58提供强度。活塞头58包括一毂64，它具有一孔66，而孔66具有比柱塞杆60的外径大的内径，从而在它们之间提供所需的径向操作间隙。一开口环68将毂64固定于柱塞杆60，同时，允许它们之间的相对径向移动。
现在参看图4-6，它们显示了一活塞的又一实施例，该活塞包括一活塞头72(图4和5)，它与一柱塞杆74固定在一起(图6)。在所示的实施例里，活塞头72完全由碳-碳复合材料制成。一对锁定凸缘76从裙部78的相对两侧径向向内突出。固定在柱塞杆74上的毂80面对活塞头72的后表面82设置。转动柱塞杆74，使从毂80径向向外突出的耳状物84置于锁定凸缘76和后表面82之间。一止动螺钉或螺栓86穿过毂80中的孔88，与在活塞头72后表面82上的孔90螺纹连接。孔88的内径与螺栓86的轴之间的径向间隙、以及耳状物84和裙部78的内径之间的径向操作间隙允许柱塞杆74和活塞头72在操作过程中相对径向移动。
现在参看图7，它显示了本发明的一活塞94的另一实施例的侧剖视图，该活塞包括一活塞头96和一柱塞杆98。活塞头96是用具有上述物理性能的碳-碳复合材料制成的。金属柱塞杆98利用螺栓102固定在金属安装毂100上。许多径向延伸通过活塞头96的裙部106的螺栓或销钉104使活塞头96与柱塞杆98互相连接，同时根据具体用途允许它们之间在所需范围内的相对移动。
在上面描述的和附图所示的实施例里，活塞头26、58、72和96在面向燃烧室22的一侧均是平表面。然而，可以理解；面向燃烧室22的表面的形状可以根据实际用途改变。
工业应用使用时，将一选定的活塞12、56、72和74或94可往复运动地设置在燃烧缸14里。该选定的活塞在压缩冲程中在-BDC位置和-TDC位置之间移动，而在返回冲程中在-TDC位置和-BDC位置之间移动。燃烧空气通过燃烧空气进口16和换气槽20进入燃烧室22。燃料通过燃料喷射系统24可控制地喷射入燃烧室22。由活塞头的外侧支承面和燃烧缸14的内表面38形成的碳-碳支承面允许这种活塞用于燃烧缸22里而不需要使用活塞环凹槽或活塞环。
通过研究附图、说明书和附后的权利要求书可知道本发明的其它方面、目的和优点。
权利要求
1.一种自由活塞内燃机(10)，包括一燃烧缸(14)，它具有一圆柱形内表面(38)；以及一活塞(12，56，72和74，94)，它可往复运动地设置在所述燃烧缸(14)里，所述活塞(12，56，72和74，94)包括一活塞头(26，58，72，96)和固定在所述活塞头(26，58，72，96)上的一柱塞杆(28，60，74，98)，所述活塞头(26，58，72，96)具有一圆柱形外表面(36)，该外表面(36)非常靠近所述燃烧缸(14)的所述内表面(38)，并相对所述内表面(38)形成一支承面(36)，所述支承面(36)由非金属材料制成。
2.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述非金属材料选自由复合材料和陶瓷材料组成的集合。
3.如权利要求2所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述非金属材料是由碳-碳复合材料组成的，而碳-碳复合材料包含在碳基体里的碳增强纤维(62)。
4.如权利要求3所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述碳增强纤维(62)在所述活塞头里沿至少一个方向取向。
5.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述非金属材料具有在0.5和10ppm/℃之间的热膨胀系数。
6.如权利要求5所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述非金属材料具有在1和2ppm/℃之间的热膨胀系数。
7.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述非金属材料具有在0.01和0.15之间的摩擦系数。
8.如权利要求7所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述非金属材料具有0.10的摩擦系数。
9.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述非金属材料具有最高在400℃和2500℃之间的耐温性。
10.如权利要求9所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述非金属材料具有最高500℃的耐温性。
11.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述活塞头的所述外表面(36)和所述燃烧缸(14)的所述内表面(38)之间具有在0.000和0.002英寸之间的径向操作间隙。
12.如权利要求11所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述活塞头的所述外表面(36)和所述燃烧缸(14)的所述内表面(38)之间具有0.000英寸的径向操作间隙。
13.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述燃烧缸(14)具有形成所述内表面(38)的一衬圈(52)，所述衬圈(52)由非金属材料制成。
14.如权利要求13所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述衬圈(52)的所述非金属材料选自由复合材料和陶瓷材料组成的集合。
15.如权利要求14所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述衬圈(52)的所述非金属材料由一种碳-碳复合材料制成，而该碳-碳复合材料具有在一碳基体里的碳增强纤维(62)。
16.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述活塞头(58，72，96)由所述非金属材料制成。
17.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述活塞头(26)包括一盖子(32)，所述盖子(32)由所述非金属材料制成并形成所述支承面(36)，所述活塞头(26)还包括固定在所述盖子(32)上的一金属裙部(34)，且所述盖子(32)与所述柱塞杆(28)互相连接。
18.如权利要求1所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述活塞头(26，58，72，96)的所述外表面(36)不设活塞环凹槽和活塞环。
19.一种自由活塞内燃机(10)，包括一燃烧缸(14)，它具有带内表面(38)的一衬圈(52)，所述衬圈(52)由非金属材料制成；以及一活塞(12，56，72和74，94)，它可往复运动地设置在所述燃烧缸(14)里，所述活塞(12，56，72和74，94)包括一活塞头(26，58，72，96)和固定于所述活塞头(26，58，72，96)的柱塞杆(28，60，74，98)，所述活塞头具有非常靠近所述燃烧缸(14)的所述内表面(38)、并相对该内表面形成一支承面(36)的圆柱形外表面(36)，所述支承面(36)由非金属材料制成。
20.如权利要求19所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述活塞头(26，58，72，96)由碳-碳复合材料制成，所述碳-碳复合材料具有在-碳基体里的碳增强纤维(62)。
21.如权利要求20所述的自由活塞内燃机，其特征在于，所述衬圈(52)由碳-碳复合材料制成，所述碳-碳复合材料具有在-碳基体里的碳增强纤维。
全文摘要
一种自由活塞内燃机包括一具有基本圆柱形内表面的燃烧缸(14)。一活塞(12,56,72和74,94)可往复运动地设置在燃烧缸(14)里。活塞(12,56,72和74,94)包括一活塞头(26,58,72,96)和固定于活塞头(26,58,72,96)的柱塞杆(28,60,74,98)。活塞头(26,58,72,96)具有基本圆柱形的外表面(36),该外表面非常靠近燃烧缸(14)的内表面并形成一支承面(36)。该支承面(36)实质上由非金属材料制成。
文档编号F16J1/08GK1341194SQ00804032
公开日2002年3月20日 申请日期2000年1月6日 优先权日1999年2月22日
发明者B·M·贝利 申请人:履带拖拉机股份有限公司