根据一项提议,内燃机将由轻质碳/碳复合材料制成的气缸和无环活塞构成。这一提议是对之前研究的逻辑延伸。之前的研究表明,在传统金属气缸中运行传统金属活塞环的碳/碳活塞发动机比使用传统铝合金活塞的发动机性能更好。观察到的性能改善(在高性能运行期间活塞寿命的增加)主要归因于碳碳复合材料的低热膨胀。碳碳活塞可以在热负荷下继续工作,由于过度的热增长和热变形,导致铝活塞抓住或承受磨损损伤。

除了具有极低的热膨胀系数,碳-碳比铝轻约30%,这提供了减少往复质量的好处(低的往复质量可以潜在地减少振动力和增加r/min。能力)。碳碳复合材料与铝相比还有一个优点,即在高温下完全保持室温强度和刚度。此外,碳碳复合材料的强度、热膨胀率和导热系数可以通过碳纤维的取向以及纤维类型、基体类型和加工方法的选择来定制。

在该单活塞发动机(或多活塞发动机中的碳/碳层/碳层压缸体)中的碳/碳层压缸筒将容纳无粗炭/碳活塞。

在铝活塞上需要环以密封必须存在于活塞和圆柱壁之间必须存在的间隙,以适应活塞和圆柱材料的差动热膨胀(常规,铝块中的铸铁套管)。尽管通过代替碳 - 碳活塞可以稍微降低冷冻,但仍然需要环以获得有效的密封。在四冲程发动机中可能在四冲程发动机中实现的优点是因为更紧密的活塞配合减小了所谓的“缝隙体积”或顶环上方的活塞和汽缸壁之间的间隙。进入该间隙的燃料混合物不燃烧,并且被耗尽,为未燃烧的烃。如果将金属块配有碳 - 碳套筒,则可以进一步降低冷敷,但是可能难以实现最小的间隙,因为套筒形状可能受到周围金属块中的热诱导的畸变(那里也是套筒如何包含在块中的问题。另一方面,如果将金属缸体和套筒用完全由碳 - 碳制成的气缸块替换,则实际上将消除活塞和汽缸材料之间的热膨胀差异,这是热失真的潜力两个组成部分。然后可以将间隙减少到绝对最小值。没有环的操作,这将消除动力抢劫摩擦源,现在可以被视为有趣的可能性。 Rings may ultimately be required in the four-stroke application to minimize combustion-gas blow-by and/or control oil consumption; however, the crevice volume, which is a major cause of hydrocarbon emissions, would be eliminated over the engine's entire operating temperature range and ring performance could potentially be improved because of less piston rocking in the bore. Ringless operation would appear to be particularly attractive for high-r/min two-stroke engines where oil-wiper rings are not required and relatively more blow-by may be tolerable.

为了简单起见,该图展示了一个单缸、风冷、二冲程内燃机,它可以根据这个概念制造(多缸和四冲程发动机也可以)。气缸筒将由碳碳复合材料制成,夹在一个风冷金属头部和一个金属曲轴箱之间。该组装将通过长头螺栓连接在一起,这将通过头部和通过(或旁边)碳/碳缸筒进入曲轴箱螺纹孔。碳/碳缸筒可以密封到曲轴箱与o形圈和头部与头部垫圈。

气缸体可以用一种或多种在碳/碳材料中的许多可能的纤维构造制造。最简单和最经济的配置将是一堆层,其中所有纤维垂直于气缸孔的轴线对齐。由于头螺栓施加的夹紧力将在层压板中否定夹紧力,所固有的碳/碳块的间隔强度不是主要的关注。原则上,可能选择这种配置以保持紧密容忍活塞/圆柱间隙,因为它将利用在本申请中非常有吸引力的碳纤维的两个特征:高纵向的导热性(对于一些纤维,大于铜的纤维)纵向热膨胀几乎零零。这种配置将最小化气缸孔的热膨胀,同时通过汽缸筒来最大化热量的向外传导到环境空气。在实践中,还需要一些圆周定向的纤维来为箍应力提供增强,但是这种纤维的比例应最小化。

制造气缸筒可以开始堆叠层在一个模具,可以包括一个内模模具大致大小的气缸孔。或者,缸体内径可以在碳化之前被加工成略小的尺寸。无论哪种情况,钻孔的初始形成都会使所有层的内边缘暴露在浸渍材料中,这些材料将在致密化过程中使用。最后,气缸内径将被加工到接近最终直径,然后气缸内表面将进行密封和涂覆处理,以减少摩擦和防止氧化。然后将圆柱体打磨至其最终直径。

这项工作是由Philip O. Ransone完成的兰利研究中心.没有进一步的文档可用。

本发明由美国国家航空航天局拥有,并提出了专利申请。关于其商业发展非纯粹或独家许可的查询应解决

专利律师,
兰利研究中心;
(757)864-3521。

指的守护神- 15094。


NASA技yabovip16.com术简报杂志

本文首先出现在2002年8月期刊上NASA技yabovip16.com术简介杂志。

阅读更多来自档案馆的文章在这里