[发明专利]具有带非金属支承面的活塞头的自由活塞内燃机

说明书

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。

技术背景

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。