[其他]自密封活塞及方法

说明书

本申请是1985年8月19日拉尔夫·G·摩加杜提交的，题为“内燃机用自密封活塞”的767，140号申请的续篇。

本发明涉及用于诸如泵、压缩机和发动机等变容积往复式机械的活塞和连杆。

在应用往复活塞的发动机或泵上，标准活塞的主要缺点是其重量。往复运动使活塞经常并突然改变方向，它向连杆、轴承和气缸壁施加极大的负荷。连杆上的惯性力以及在其整个循环中用于活塞加速和减速的能量藉活塞重量之降低而直接降低。

其次，连杆承受了最大范围的往复应力，包括因活塞改变方向而生的压缩负荷和惯性力。这些应力每秒数倍地变化。有些应力与活塞连杆的重量以及速度的变率成正比。降低了连杆和活塞的重量，改变方向所需之力便直接降低。而且，一般的连杆短是因为要连接于活塞环下面的活塞下部。当活塞在气缸内作往复运动时，连杆摆动并在气缸壁上产生侧向力。

标准活塞的另一个主要缺点是需用活塞环以密封活塞与气缸壁之间的空间。活塞环具有内在的设计和功能问题，包括活塞改变方向时环在其槽内的运动。当活塞沿气缸运动时，会造成环的瞬间失封。

而且，活塞环具有在活塞上装配以及保持张力顶住缸壁实现密封所必须的缝。气体产生的压力借助活塞上面的压力迫使气体通过这些缝，因此降低了效率并在发动机内增加了污染物的排出。

而且，活塞为装环而进行的机械加工、环的制造以及装环或换环所需的劳力均增加了一般往复活塞机械的成本。

标准活塞通过活塞销连接连杆，它显著地增加了组件的重量，并在活塞的裙部或侧壁需要活塞销凸台。这些凸台又增加了重量并促使连杆的应力增加。

标准活塞通过活塞环和润滑油将其大量的热传输给气缸壁。通过活塞裙部传输给气缸壁的热非常小。由于近活塞销凸台处需较多材料而离凸台处材料较少，标准活塞裙部通过昂贵的机械加工制成非圆形以适应不均匀的膨胀。

而且，活塞在气缸壁上滑动产生的阻力引起摩擦发热和功率损失。活塞的其他设计虽有公开，但限制严格，且涉及气缸壁、曲柄销、球窝接合、密封、复杂的加工和装配要求及其他方面的改进。（例如可见美国专利1，467，066;2，023，466;2，136，416;2，284，645;2，329，480;2，710，137;2，985，358;3，078，033;3，082，935;3，523，001;3，695，150;3，716，310;4，142，500;4，178，899;4，246，833;英国专利529，885;和法国专利1，133，388。

根据本发明提出的一种活塞更轻，自密封，较易更换，价廉，冲程和孔径相同时容积效率可比一般活塞大。而且本发明的活塞可做得更短并装于较小、价廉、较轻和工作速度较高的机械而不会损坏。活塞具有一个截断的球面或椭圆面，它刚性连接连杆以在缸内作摆动滑动往复运动。当活塞摆动和滑动时，在活塞和气缸之间保持一个连续周边接触的平面。

图1    是一般发动机的侧视剖面图，活塞在冲程的中间;

图2    是根据本发明一个实施例的活塞和连杆的局部四开断面侧视图;

图3    是图2活塞和连杆拆开后的局部透视图;

图4    是图2活塞和连杆拆开后的二开断面侧视图;

图5    是本发明活塞的一个实施例的详细二开断面侧视图;

图6    是图5中活塞的透视顶视图;

图7    是本发明活塞的一个实施例的透视底视图，根据本发明，活塞具有用作传热机构的腹板;

图8    是根据本发明一个实施例的活塞的剖面透视图，活塞具有使其保持柔性的同心槽;

图9    是根据本发明一个实施例的活塞的剖面透视图，活塞沿其下边具有一加强梗;

图10，11，12和13是活塞在气缸中运动时，本发明一个实施例的四个顺序的侧视图;

图14是本发明一个实施例的侧视剖面图，它用于内燃机;

图15是根据最佳实施例的活塞的剖面透视图;

图16是图15中活塞的底视平面图;

图17是根据本发明另一实施例的椭圆形活塞的底视平面图;

图18是根据本发明的另一种椭圆形活塞的底视平面图;

图19是图18中活塞的简化透视图;

图20是描述椭圆形缸孔成形方案的简化顶视图;

图21是椭圆形缸孔成形装置的简化顶视图。