КОМПРЕССОР С УСИЛЕННЫМ КАНАЛОМ ПОРШНЯ
COMPRESSOR WITH STRENGTHENED PISTON PIPE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству для получения сжатой текучей среды. Более конкретно, изобретение относится к компрессору, который ограничивает деформацию и чрезмерное нагревание каналов поршня.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как хорошо известно, в различных частях некоторых транспортных средств для работы требуется использование сжатой текучей среды, например сжатого воздуха. Например, в тормозных системах грузовых автомобилей и других больших транспортных средствах часто используется сжатый воздух для смещения различных механизмов торможения, таких как пружинные исполнительные механизмы, в положения торможения и неторможения.
Соответственно, поршневые компрессоры являются в целом известными в области техники получения такой сжатой текучей среды. В этих компрессорах обычно используется блок цилиндров с множеством каналов поршня. Множество поршней устанавливается с возможностью скольжения в поршневых каналах и соединяется с любым механизмом, таким как коленчатый вал, для обеспечения возвратно-поступательных перемещений назад и вперед внутри каналов поршня, таким образом, попеременно создавая рабочие ходы всасывания и сжатия. Поскольку поршни перемещаются возвратно-поступательно внутри каналов поршня блока цилиндра, они попеременно втягивают подлежащую сжатию текучую среду в каналы и затем сжимают и выпускают эту текучую среду.
Чтобы регулировать впуск и выпуск текучей среды в поршневые каналы и из них, такие компрессоры также обычно включают головку компрессора с впускным и выпускным отверстиями, а также каналы впуска и выпуска, соединяющие отверстия с каналами поршня. Дополнительно, головки компрессора часто включают клапаны, или отдельные пластины клапана могут быть расположены между головкой компрессора и блоком цилиндров, имеющим такие клапаны, которые регулируют впуск и выпуск текучей среды. Эти клапаны обеспечивают сообщение с каналами впуска и выпуска и, в конечном счете, с впускным и выпускным отверстиями в головке компрессора.
Однако одна проблема с этими компрессорами заключается в том, что стенки каналов поршня иногда деформируются в процессе сборки компрессора. Как ранее отмечено, головка цилиндров обычно устанавливается на блок цилиндров посредством набора крепежных средств, обычно, путем вставки ряда болтов через головку цилиндров и в резьбовые отверстия в блоке цилиндров. Поскольку головка и блок зажимаются вместе путем стягивания болтов, сила зажима будет часто деформировать стенки смежных с ними каналов поршня. Неравномерное приложение стягивающих сил к различным болтам, установленным вокруг блока, может дополнительно усиливать эту деформацию. Кроме того, стенка канала, с которой поршень вступает в контакт по мере того, как он скользит вдоль канала, часто является гильзой, помещенной внутри расточки цилиндра, которая является обычно даже более подверженной деформации.
Деформация стенок канала поршня является серьезной проблемой, поскольку она воздействует на уплотнение между поршнем и стенкой канала. Например, часто поршни включают в состав набор компрессионных колец, соединенных с головкой поршня, кольцевая форма которой охватывает цилиндрическую форму канала поршня и таким образом препятствует проходу масла из компрессора в камеру сжатия текучей среды выше головки поршня. Если стенка канала становится деформированной, и, таким образом, стенка канала более не является цилиндрической, сцепление между компрессионными кольцами и стенками канала является менее цельным. Эта потеря сплошного уплотнения будет приводить к утечке масла в камеру сжатия выше цилиндра, что может загрязнять сжатую текучую среду и может воздействовать на компоненты нисходящего потока компрессора. Например, часто вместе с компрессором используется воздухоосушитель, чтобы удалять влагу в подаваемом компрессором воздухе прежде, чем он подается на соответствующие части транспортного средства. Если масло утекает в камеру сжатия выше головки поршня, это масло будет загрязнять систему воздухоосушителя, когда сжатый воздух будет взаимодействовать с ним. В качестве другого примера, если масло будет проходить на регулирующие пневмоклапаны, это может препятствовать их работе должным образом.
Подобным образом головки поршня в компрессорах этих типов также обычно снабжаются маслосъемными кольцами, которые контактируют со стенками каналов поршня. После того как масло осело на стенках канала из-за подвергания этих стенок маслу в течение ходов сжатия поршней, маслосъемные кольца используются для снятия масла со стенок в течение ходов всасывания поршней, таким образом, обеспечивая, чтобы это масло, в конечном счете, не оставалось в камерах сжатия выше головок поршня. Однако, когда стенки канала поршня стали деформированными, маслосъемные кольца, очень похожие на компрессионные кольца, становятся фактически приподнятыми с поверхности стенки канала, таким образом, снижая их способность счищать с них масло.
Связанная проблема, которая возникает с такими типами компрессоров, состоит в том, что если поршни скользят внутри каналов поршня, непрерывный скользящий контакт, создаваемый между частью поршня и стенкой канала, обеспечивает нагревание стенки канала. Это повышение температуры обеспечивает в большей степени деформирование стенок канала в результате дополнительных напряжений, наложенных на стенки канала усилием зажима болтов.
Другая проблема, которая возникает с такими типами компрессоров, состоит в том, что, даже если тепло, являющееся результатом трения между поршнем и стенкой канала, не деформирует стенку канала, оно приводит к нагреву воздуха, который будет сжиматься на верхней части канала поршня, что может привести к многочисленным проблемам. Например, как ранее было упомянуто, воздухоосушитель часто используется вместе с компрессором, чтобы удалять влагу в воздухе, подаваемом компрессором на соответствующие части транспортного средства. Поскольку воздух является более горячим, он способен удерживать большее количество водяного пара, и, следовательно, воздухоосушитель должен работать больше, чтобы удалять влагу. Другая проблема, создаваемая этим дополнительным теплом, состоит в том, что масло будет более подвержено "коксованию" - сгоранию и отложению нагара после сгорания. Еще одна очередная проблема, вызванная чрезмерными количествами очень горячего воздуха, состоит в том, что элементы компрессора, и ниже по потоку от компрессора, будут иметь более короткий срок службы, частично вследствие сужения и расширения этих элементов из-за ненужных уровней нагрева и охлаждения.
Следовательно, желательным является создание поршневого компрессора, в котором стенки каналов поршня не становятся легкодеформируемыми. Также желательным является создание поршневого компрессора, в котором стенки каналов поршня не становятся чрезмерно горячими.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить поршневой компрессор, в котором процесс прикрепления головки цилиндра к блоку цилиндров не создает деформирования каналов поршня.
Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить поршневой компрессор, который включает структурное постоянство вдоль длины канала поршня.
Следующая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить поршневой компрессор, который препятствует (нейтрализует) эффекту нагрева от трения по длине создающей трение поверхности.
Чтобы устранить недостатки предшествующего уровня техники и осуществить, по меньшей мере, некоторые из приведенных задач и преимуществ, изобретение относится к компрессору, включающему блок цилиндров, головку цилиндров, примыкающую к блоку цилиндров, болт установки головки цилиндра, примыкающей к блоку цилиндров, канал поршня, выполненный в блоке цилиндров, причем канал поршня имеет стенку, выполненную за одно целое с блоком цилиндров, и камеру охлаждения, выполненную в блоке цилиндров примыкающей к каналу поршня для размещения текучей среды, и поршень, установленный с возможностью скольжения в канале поршня, при этом поршень имеет контактную часть для контакта со стенкой канала поршня, если поршень скользит из наивысшего положения в низшее положение, при этом болт и камера охлаждения проходят, по меньшей мере, из точки контакта между контактной частью поршня и стенкой канала поршня, когда поршень находится в наивысшем положении, по меньшей мере, к точке контакта между контактной частью поршня и стенкой канала поршня, когда поршень находится в низшем положении.
В другом варианте осуществления изобретение относится к компрессору, включающему блок цилиндров, головку цилиндров, примыкающую к блоку цилиндров, болт установки головки цилиндра, примыкающей к блоку цилиндров, канал поршня, выполненный в блоке цилиндров, причем канал поршня имеет выполненную за одно целое с блоком цилиндров стенку, и камеру охлаждения, выполненную в блоке цилиндров примыкающей к каналу поршня для размещения текучей среды, картер, выполненный за одно целое с блоком цилиндров, коленчатый вал, по меньшей мере, частично расположенный в картере, и поршень, соединенный с коленчатым валом и установленный с возможностью скольжения в канале поршня, при этом поршень имеет контактную часть для контакта со стенкой канала поршня, если поршень скользит из наивысшего положения в низшее положение, при этом и болт, и камера охлаждения проходят, по меньшей мере, из точки контакта между контактной частью поршня и стенкой канала поршня, когда поршень находится в наивысшем положении, по меньшей мере, к точке контакта между контактной частью поршня и стенкой канала поршня, когда поршень находится в низшем положении.
В еще другом варианте осуществления изобретение относится к компрессору, включающему корпус, причем корпус имеет выемку для болта, канал поршня выполнен в корпусе, причем канал поршня имеет выполненную за одно целое с корпусом стенку, камеру охлаждения в корпусе, примыкающую к каналу поршня для размещения текучей среды, поршень, установленный с возможностью скольжения в канале поршня, при этом поршень имеет контактную часть для контакта со стенкой канала поршня, когда поршень скользит из наивысшего положения в низшее положение, и болт, расположенный в выемке для болта в корпусе, при этом болт и камера охлаждения проходят, по меньшей мере, из точки контакта между контактной частью поршня и стенкой канала поршня, когда поршень находится в наивысшем положении, по меньшей мере, к точке контакта между контактной частью поршня и стенкой канала поршня, когда поршень находится в низшем положении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - вид сзади поперечного сечения компрессора с усиленным каналом поршня в соответствии с изобретением.
Фиг.2 - вид спереди поперечного сечения компрессора на Фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
Основные элементы одного варианта осуществления компрессора 10 в соответствии с изобретением проиллюстрированы на Фиг.1. Как используется в описании, термины "верхняя часть", "нижняя часть", "выше", "ниже", "над", "под", "ниже", "внизу", "на верхней части", "снизу", "вверх", "вниз", "верхний", "нижний", "передний", "задний", "назад", "вперед" и "обратно" относятся к объектам, на которые ссылаются в ориентации, проиллюстрированной на чертежах, которая не является необходимой для достижения задач изобретения.
Компрессор 10 включает головку 12 цилиндра, установленную на блоке 14 цилиндров. В некоторых преимущественных вариантах осуществления картер 16 выполнен как единое целое с блоком 14 цилиндров. Коленчатый вал 18 расположен в картере 16. Блок 14 цилиндров имеет, по меньшей мере, один канал 20 поршня, выполненный в нем, и часто, как показано на Фиг.2, имеет множество каналов 20 поршня. Поршень 22 расположен в каждом канале 20 поршня и соединен с коленчатым валом 18, который, если он вращается, обеспечивает поршни 22 совершать возвратно-поступательные перемещения назад и вперед внутри каналов 20.
Поршни 22 являются возвратно-поступательно движущимися внутри каналов 20 для того, чтобы обеспечивать (рабочие) ходы сжатия и всасывания. Пространство в каналах 20 выше поршней 22 находится в сообщении по текучей среде с системой воздушного охлаждения, требующей сжатой текучей среды. В течение хода поршня 22 вниз воздух втягивается в канал 20. В течение последующего хода поршня 22 вверх этот воздух сжимается и затем выпускается из канала 20. Чтобы регулировать впуск и выпуск этого воздуха из пространства сжатия выше поршней 22, головка 12 цилиндра, которая обычно включает впускное и выпускное отверстия, каналы и клапаны, установленные примыкающими к блоку 14 цилиндров.
Каждый поршень 22 имеет головку 24 поршня, которая контактирует со стенкой 26 канала 20 поршня. Обычно, стенка 26 канала является цилиндрической, и головка 24 поршня контактирует со стенкой 26 канала через кольцевой элемент 30, соединенный с головкой 24 поршня. В некоторых преимущественных вариантах осуществления кольцевой элемент 30 является компрессионным кольцом. В некоторых вариантах осуществления несколько компрессионных колец 30 соединены с головкой 24 поршня.
Компрессионные кольца 30 непосредственно входят в контакт со стенкой 26 канала, которая выполнена за одно целое с блоком 14 цилиндров. Это может быть создано любым из возможных путей, но часто выполняется, начиная со сплошной части, такой как стальной блок, и сверления или выдавливания в нем каналов поршня. В качестве альтернативы, блок цилиндров, имеющий цилиндрические каналы, может быть просто отлит формованием, имеющим такую конфигурацию. Поскольку эта встроенная стенка используется в качестве стенки 26 канала поршня, имеется гораздо меньшая вероятность, что конфигурация канала 20 поршня, который соответствует конфигурации компрессионного кольца 30, будет становиться деформированной, чем если бы отдельная гильза или кожух были помещены в отверстие.
Головка 12 цилиндров устанавливается на блоке 14 цилиндров, по меньшей мере, посредством одного болта 40. Болты 40 выступают, по меньшей мере, из самой высокой точки контакта между компрессионными кольцами 30 и стенкой 26 канала (то есть позиция кольца 30, когда поршень 22 находится в наивысшем положении его хода вверх) к самой низкой точке контакта между кольцом 30 и стенкой 26 (то есть положение кольца 30, когда поршень 22 находится в низшем положении его хода вниз). Таким образом, структурная целостность блока 14, примыкающего к каналу 20, остается постоянной вдоль всей траектории перемещения кольца 30, и окончательное стягивание, происходящее в нижней части болтов 40, не происходит вдоль этой траектории.
Камера 50 охлаждения, которая является обычно кожухом водяного охлаждения, выполнена в блоке 14 цилиндров. Как в случае каналов 20 поршня, камера 50 охлаждения может быть создана любым из различных способов, включающих сверление, выдавливание и литье. Камера 50 охлаждения устанавливается смежной с каналом 20 поршня, и, в некоторых преимущественных вариантах осуществления, камера 50 охватывает по окружности канал 20. Соответственно, камера может быть заполнена текучей средой, как вода, чтобы помогать охлаждению канала 20, поскольку стенка 26 нагревается из-за трения между стенкой 26 и компрессионными кольцами 30, если поршень 22 совершает возвратно-поступательные движения назад и вперед внутри канала 20 поршня.
В некоторых вариантах осуществления камера охлаждения расположена между болтом 40 и каналом 20. Соответственно, камера 50 находится ближе и, следовательно, лучше способна охлаждать канал 20. Кроме того, болт находится дальше от канала 20, и, следовательно, менее вероятно, что окажет чрезмерное усилие на него. Наконец, камера 50 охлаждения способна поглощать любое напряжение, оказываемое в направлении канала 20 в результате стягивания болтов 40 прежде, чем оно воздействует на канал 20. Чтобы доводить до максимума охлаждающее действие на стенку 26 и изолирующее действие от усилия зажима болта 40, камера 50 охлаждения, подобно болтам 40, проходит, по меньшей мере, из самой высокой точки контакта между компрессионными кольцами 30 и стенкой 26 канала 20 до самой низкой точки контакта между кольцом 30 и стенкой 26. Таким образом, полная траектория перемещения кольца 30 может эффективно охлаждаться посредством текучей среды в камере 50.
В некоторых преимущественных вариантах осуществления, по меньшей мере, одно маслосъемное кольцо 32 соединено с головкой 24 поршня. Когда поршень 22 скользит вверх в канале 20 в течение рабочего хода сжатия, часть стенки 26 становится открытой для масла, находящегося в картере 16, которое осаждается на ней. Соответственно, при перемещении поршня 22 вниз в течение рабочего хода всасывания маслосъемное кольцо 32 соскабливает любое масло, остающееся на стенке 26 для направления его в картер 16, прежде чем компрессионные кольца 30 начнут контактировать с маслом.
Хотя изобретение было показано в связи с совершающим возвратно-поступательное движение компрессором, в других вариантах осуществления изобретение касается других типов компрессоров, таких как компрессоры с наклонным диском. В этих вариантах осуществления вместо коленчатого вала, к которому присоединены штоки поршня, приводной вал является соосным с компрессором и позиционирован в его центре. Поршни соединены с наклонным диском, который установлен на приводном валу, таким образом преобразуя вращательное движение вала в осевое движение поршней так, как в конструктивном решении, раскрытом в патенте США №6439857, выданном Koelzer и переданном правопреемнику настоящей заявки. Как показано в нем, имеются некоторые варианты осуществления, в которых наклонный диск включает вращающуюся часть (установленную на валу), соединенную с невращающейся частью (соединенной с поршнями) через опору, и предусматривается исполнительный механизм для контакта с наклонным диском, так что, когда исполнительный механизм находится в первом положении, он оказывает на наклонный диск усилие, подходящее для сохранения наклонного диска в положении перпендикулярно к валу, так что поршень остается бездействующим, а во втором положении оказывает усилие на наклонный диск, подходящее для поворота наклонного диска, таким образом вызывая возвратно-поступательное движение поршня внутри канала поршня.
Подобным образом, хотя изобретение было показано вместе с обычным, совершающим возвратно-поступательное движение компрессором, в других вариантах осуществления изобретение используется вместе с компрессорами, которые имеют отдельные поршни и каналы поршней, расположенные на противоположных сторонах коленчатого вала, и, таким образом, принимают и выпускают текучую среду с обоих концов компрессора.
Следует понимать, что предшествующее описание является иллюстративным, а не ограничивающим, и что специалистами в данной области техники могут быть выполнены очевидные модификации без выхода за рамки объема изобретения. Соответственно, для определения объема изобретения ссылка предпочтительно должна, прежде всего, делаться на прилагаемую формулу изобретения, чем на предшествующее описание.