[其他]使用壓縮氣態流體的往復機活塞和裝有這種活塞的機器

無效

• 申請號: 87105668
• 申請日: 1987-08-17
• 公開（公告）號: CN87105668A
• 公開（公告）日: 1988-03-02
• 發明（設計）人: 簡·弗里德里克·麥爾奇奧爾
• 申請（專利權）人: 簡·弗里德里克·麥爾奇奧爾
• 主分類號: F02F3/02
• 分類號: F02F3/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 馬江立

本發明涉及使用壓縮氣態流體的往復機活塞，如內燃機，或外燃機與壓縮機的活塞，也就是工作氣體是在高溫和高壓下的機器的活塞。

這些發動機，尤其是內燃機，可以分為若干類型，如壓燃式發動機或可控點燃式發動機;雙沖程發動機（尤其是通過閥門實現排氣），四沖程或其它沖程發動機;具有自由活塞的發動機或活塞連接到曲軸或其它機構上的發動機;具有加壓或不加壓曲軸箱的發動機;在活塞被連接的情況下，活塞可以直接或間接地（通過一個十字接頭）樞軸式地被連接到連桿，樞軸連接裝置例如可以是圓柱形的（采用一個活塞銷，該銷可在活塞銷座中或不在活塞銷座中轉動），或球形的。

在這些機器中，在工作燃燒室和位于活塞另一側（例如曲軸箱一側）的腔室之間的密封通常是用金屬活塞環來實現的，該活塞環的外表面緊密地同發動機汽缸的內壁配合，從而形成潤滑接觸，由此避免卡死和限制磨損。

這種方法的困難在于：

1.在汽缸的內壁、活塞環和活塞之間，達到幾十攝氏度的瞬時溫差是不可避免的，這種溫差導致膨脹相差十分之幾毫米，遠遠超過了以微米計量的油膜厚度。除開由于熱膨脹不同而產生直徑差別而外，當汽缸裝有襯套時，相當薄的汽缸襯套在工作氣體壓力的作用下也產生直徑的差別。這就是眾所周知的為什么必須使活塞環分裂開（在FR-A-707660專利中敘述的特例是例外，下文將討論這一特例）並使活塞環能在活塞的槽中自由運動，而且活塞的外徑總是小于汽缸內徑的原因。

2.在工作燃燒室中，在壓力和溫度達到最大的上死點（內燃機時的燃燒上死點）附近，活塞環的速度和油膜的液力支承性能降低。因此活塞環靠在汽缸的內壁上，殘留潤滑油被擠到上面（慣常認為工作燃燒室位于活塞的上面），尤其是被向下擠，以致形成金屬-金屬接觸，這種接觸引起汽缸上端和活塞環的磨損。防止油膜消失的最好方法是增加活塞環的高度，從而對同樣的擠出截面增加聚集潤滑油的量。然而由于活塞沿其同連桿相連的連接軸產生周期性的傾斜，要實現這點很困難的，因為這種傾斜導致需要將活塞環作成凸的彎曲形狀，以便同汽缸的內壁保持圓環形接觸和將活塞環牢固支承在活塞槽的下邊。這種解決辦法的缺點是，考慮到活塞環的壓力密封操作，它將導致特殊的接觸壓力，這種壓力可能達到幾百巴。因此人們不得不在油性潤滑多少受到限制的工作條件下使其通過上死點，在汽缸的內壁上，潤滑油保持在溝槽中，這些溝槽通常是螺旋形的，它是通過現代稱為“珩磨”的加工法而加工的。

另外，活塞環的裂開使得燃燒的熱氣能沿活塞通過（稱為“竄氣”現象），導致潤滑油受污染和活塞-汽缸界面的加熱。還有，由于油膜的消失以及磨下的粒子，它還多多少少地加速了汽缸頂部的磨損。另外還必須加以說明，為了使活塞環在其槽中不受約束，活塞環在工作周期的某一瞬間要跳動，即活塞環要從壓在槽的下邊跳到靠在槽的上邊。它因此形成了通向槽內端的氣體通道，當活塞環之間的壓力高于該燃燒室的壓力時，此氣體通道便將潤滑油帶入到燃燒室，這增加了油的消耗。

眾所周知，活塞執行不同的作用：

a）對于內燃機，將由氣體的沖力而產生的力傳送到連桿上，該氣體或者單獨作用在活塞的上側，或者也作用在其下側（雙作用活塞或具有加壓式曲軸箱發動機的活塞）;或者對于壓縮機，在相反方向進行力的傳送。

b）在汽缸中（或在汽缸的襯套中）進行活塞的導向，在汽缸中，活塞進行準直線的往復運動，並承受汽缸（或襯套）的側向反作用。

c）在位于活塞兩側的腔室之間起密封作用，在兩個腔室當然有著不同的壓力。

d）限制潤滑油從活塞的一側流向另一側。

由于活塞在汽缸中滑動而產生機械的磨擦和由于在壓縮或燃燒期間氣體的發熱而產生的氣體和汽缸壁之間的熱傳遞以及由于汽缸的經常性強冷卻作用，在活塞和襯套之間發生了溫度差△T。

此溫度差△T根據所考慮的點的位置而變化，也根據發動機的工作條件而變化。點的位置有：活塞頂部、活塞底部以及相對于活塞銷座的位置;發動機的工作條件有：停機、冷的狀態或熱的狀態以及發動機的速度或負載。

因此，為了避免或限制由于不同的熱膨脹而發生的活塞被卡緊在汽缸中的現象，通常在活塞和汽缸之間提供了工作間隙。

在冷的狀態下，將活塞作成復雜的形狀：桶形輪廓的活塞，橢圓形截面活塞，由此法可以以實際上均勻的方式得到此工作間隙，但此法增加了活塞的復雜性和成本，並妨礙了活塞和汽缸之間的緊密接觸（並由此產生了不希望有的接觸壓力集中）。