[其他]使用压缩气态流体的往复机活塞和装有这种活塞的机器

说明书

本发明涉及使用压缩气态流体的往复机活塞，如内燃机，或外燃机与压缩机的活塞，也就是工作气体是在高温和高压下的机器的活塞。

这些发动机，尤其是内燃机，可以分为若干类型，如压燃式发动机或可控点燃式发动机;双冲程发动机（尤其是通过阀门实现排气），四冲程或其它冲程发动机;具有自由活塞的发动机或活塞连接到曲轴或其它机构上的发动机;具有加压或不加压曲轴箱的发动机;在活塞被连接的情况下，活塞可以直接或间接地（通过一个十字接头）枢轴式地被连接到连杆，枢轴连接装置例如可以是圆柱形的（采用一个活塞销，该销可在活塞销座中或不在活塞销座中转动），或球形的。

在这些机器中，在工作燃烧室和位于活塞另一侧（例如曲轴箱一侧）的腔室之间的密封通常是用金属活塞环来实现的，该活塞环的外表面紧密地同发动机汽缸的内壁配合，从而形成润滑接触，由此避免卡死和限制磨损。

这种方法的困难在于：

1.在汽缸的内壁、活塞环和活塞之间，达到几十摄氏度的瞬时温差是不可避免的，这种温差导致膨胀相差十分之几毫米，远远超过了以微米计量的油膜厚度。除开由于热膨胀不同而产生直径差别而外，当汽缸装有衬套时，相当薄的汽缸衬套在工作气体压力的作用下也产生直径的差别。这就是众所周知的为什么必须使活塞环分裂开（在FR-A-707660专利中叙述的特例是例外，下文将讨论这一特例）並使活塞环能在活塞的槽中自由运动，而且活塞的外径总是小于汽缸内径的原因。

2.在工作燃烧室中，在压力和温度达到最大的上死点（内燃机时的燃烧上死点）附近，活塞环的速度和油膜的液力支承性能降低。因此活塞环靠在汽缸的内壁上，残留润滑油被挤到上面（惯常认为工作燃烧室位于活塞的上面），尤其是被向下挤，以致形成金属-金属接触，这种接触引起汽缸上端和活塞环的磨损。防止油膜消失的最好方法是增加活塞环的高度，从而对同样的挤出截面增加聚集润滑油的量。然而由于活塞沿其同连杆相连的连接轴产生周期性的倾斜，要实现这点很困难的，因为这种倾斜导致需要将活塞环作成凸的弯曲形状，以便同汽缸的内壁保持圆环形接触和将活塞环牢固支承在活塞槽的下边。这种解决办法的缺点是，考虑到活塞环的压力密封操作，它将导致特殊的接触压力，这种压力可能达到几百巴。因此人们不得不在油性润滑多少受到限制的工作条件下使其通过上死点，在汽缸的内壁上，润滑油保持在沟槽中，这些沟槽通常是螺旋形的，它是通过现代称为“珩磨”的加工法而加工的。

另外，活塞环的裂开使得燃烧的热气能沿活塞通过（称为“窜气”现象），导致润滑油受污染和活塞-汽缸界面的加热。还有，由于油膜的消失以及磨下的粒子，它还多多少少地加速了汽缸顶部的磨损。另外还必须加以说明，为了使活塞环在其槽中不受约束，活塞环在工作周期的某一瞬间要跳动，即活塞环要从压在槽的下边跳到靠在槽的上边。它因此形成了通向槽内端的气体通道，当活塞环之间的压力高于该燃烧室的压力时，此气体通道便将润滑油带入到燃烧室，这增加了油的消耗。

众所周知，活塞执行不同的作用：

a）对于内燃机，将由气体的冲力而产生的力传送到连杆上，该气体或者单独作用在活塞的上侧，或者也作用在其下侧（双作用活塞或具有加压式曲轴箱发动机的活塞）;或者对于压缩机，在相反方向进行力的传送。

b）在汽缸中（或在汽缸的衬套中）进行活塞的导向，在汽缸中，活塞进行准直线的往复运动，並承受汽缸（或衬套）的侧向反作用。

c）在位于活塞两侧的腔室之间起密封作用，在两个腔室当然有着不同的压力。

d）限制润滑油从活塞的一侧流向另一侧。

由于活塞在汽缸中滑动而产生机械的磨擦和由于在压缩或燃烧期间气体的发热而产生的气体和汽缸壁之间的热传递以及由于汽缸的经常性强冷却作用，在活塞和衬套之间发生了温度差△T。

此温度差△T根据所考虑的点的位置而变化，也根据发动机的工作条件而变化。点的位置有：活塞顶部、活塞底部以及相对于活塞销座的位置;发动机的工作条件有：停机、冷的状态或热的状态以及发动机的速度或负载。

因此，为了避免或限制由于不同的热膨胀而发生的活塞被卡紧在汽缸中的现象，通常在活塞和汽缸之间提供了工作间隙。

在冷的状态下，将活塞作成复杂的形状：桶形轮廓的活塞，椭圆形截面活塞，由此法可以以实际上均匀的方式得到此工作间隙，但此法增加了活塞的复杂性和成本，並妨碍了活塞和汽缸之间的紧密接触（並由此产生了不希望有的接触压力集中）。