BR102015032852A2

BR102015032852A2 - sistema de cilindro de potência para um motor oscilante

Info

Publication number: BR102015032852A2
Application number: BR102015032852A
Authority: BR
Inventors: Daniel David Zimmerman; Richard John Donahue
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2016-10-04
Also published as: EP3043090B1; BR102015032852B1; US9845765B2; US20160201597A1; JP2016130515A; CN105781778A; ES2868776T3; EP3043090A1; KR20160086769A

Abstract

sistema de cilindro de potência para um motor oscilante. trata-se de um sistema de cilindro de potência para um motor oscilante que inclui um pistão de aço configurado para se mover dentro de um cilindro do motor oscilante. o sistema inclui, ainda, uma ranhura que se estende circunferencialmente em volta do pistão sob um cheio superior do pistão e configurada para sustentar um anel que tem uma face circunferencial interna. um ou mais canais são formados no cheio superior e são configurados para facilitar a transferência de gases de combustão para um espaço entre uma porção da ranhura e a face circunferencial interna do anel.

Description

“SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA PARA UM MOTOR OSCILANTE” Antecedentes [001] A matéria revelada no presente documento refere-se, de modo geral, a motores oscilantes e, mais particularmente, a um conjunto de pistão para um motor oscilante.

[002] Um motor oscilante (por exemplo, um motor de combustão interna oscilante) queima combustível com um oxidante (por exemplo, ar) para gerar gases de combustão quentes, o que por sua vez aciona um pistão (por exemplo, um pistão oscilante) dentro de um cilindro. Em particular, os gases de combustão quentes se expandem e exercem uma pressão contra o pistão que move linearmente o pistão de uma porção superior a uma porção inferior do cilindro durante um curso de expansão. O pistão converte a pressão exercida pelos gases de combustão e o movimento linear do pistão em um movimento de rotação (por exemplo, através de uma barra de conexão e um virabrequim acoplados ao pistão) que aciona uma ou mais cargas, por exemplo, um gerador elétrico. A construção do pistão e estruturas associadas (por exemplo, um conjunto de pistão) pode impactar de maneira significativa as emissões de exaustão (por exemplo, hidrocarbonetos não queimados) e a eficiência do motor, bem como o consumo de lubrificante (por exemplo, óleo). Ademais, a construção do conjunto de pistão pode afetar de maneira significativa a vida operacional do motor oscilante. Portanto, seria desejável aprimorar a construção do conjunto de pistão.

Breve Descrição [003] Determinadas realizações equivalentes, em escopo, à invenção originalmente reivindicada estão resumidas abaixo. Essas realizações não são destinadas a limitar o escopo da invenção reivindicada; essas realizações são destinadas apenas a fornecer uma breve descrição resumida de formas possíveis da invenção. De fato, a invenção pode englobar uma variedade de formas que podem ser semelhantes às realizações apresentadas abaixo ou diferentes das mesmas.

[004] Em uma realização, um sistema de cilindro de potência para um motor oscilante inclui um pistão de aço configurado para se mover dentro de um cilindro do motor oscilante. O sistema inclui, ainda, uma ranhura que se estende circunferencialmente em volta do pistão sob um cheio superior do pistão e configurada para sustentar um anel que tem uma face circunferencial interna. Um ou mais canais são formados no cheio superior e são configurados para facilitar a transferência de gases de combustão para um espaço entre uma porção da ranhura e a face circunferencial interna do anel.

[005] Em uma realização, um sistema de cilindro de potência para um motor oscilante inclui um pistão configurado para se mover dentro de um cilindro do motor oscilante. O sistema inclui, ainda, uma ranhura que se estende circunferencialmente em volta do pistão sob um cheio superior do pistão, e um inserto de anel protetor disposto dentro da ranhura é configurado para sustentar um anel que tem uma face circunferencial interna. Um ou mais canais são formados no inserto de anel protetor são configurados para facilitar a transferência de gases de combustão para um espaço entre uma porção da ranhura e a face circunferencial interna do anel.

[006] Em uma realização, um sistema de cilindro de potência para um motor oscilante inclui um pistão configurado para se mover dentro de um cilindro do motor oscilante com uma velocidade de pistão média máxima menor que aproximadamente treze metros por segundo. O sistema inclui, ainda, uma ranhura que se estende circunferencialmente em volta do pistão sob um cheio superior do pistão e um anel disposto dentro da ranhura. Um ou mais canais são formados em uma superfície axialmente superior da ranhura ou em uma face superior do anel, e os um ou mais canais são configurados para facilitar a transferência de gases de combustão para um espaço entre uma porção da ranhura e uma face circunferencial interna do anel.

Breve Descrição das Figuras [007] Essas e outras funções, aspectos e vantagens da presente invenção serão compreendidas melhor quando a seguinte descrição detalhada for lida em referência às figuras anexas nas quais caracteres semelhantes representam partes semelhantes ao longo das figuras, em que: - A Figura 1 é um diagrama de blocos esquemático de uma realização de uma porção de um sistema de motor oscilante; - A Figura 2 é uma vista lateral em corte transversal de uma realização de um conjunto de pistão/cilindro que tem um pistão posicionado dentro de um cilindro; - A Figura 3 é uma vista lateral de uma porção de uma realização de um pistão que tem canais radiais formados em um cheio superior do pistão; - A Figura 4 é uma vista lateral em corte transversal de uma porção de uma realização de um pistão que tem canais radiais formados em um cheio superior do pistão; e - A Figura 5 é uma vista lateral em corte transversal de uma porção de uma realização de um pistão que tem canais radiais formados em um anel de pistão superior.

Descrição Detalhada [008] Uma ou mais realizações específicas da presente invenção serão descritas abaixo. Em um esforço para fornecer uma descrição concisa dessas realizações, nem todas as funções de uma implantação real podem estar descritas no relatório descritivo. Deve-se observar que no desenvolvimento de tal implantação real, assim como em qualquer projeto de engenharia ou desenho, várias decisões específicas para implantação precisam ser tomadas para alcançar os objetivos específicos do revelador, tais como observância das restrições relacionadas ao sistema e ao negócio, as quais podem variar de uma implantação à outra. Ademais, deve-se observar que tal esforço de desenvolvimento pode ser complexo e consumir tempo, mas seria, não obstante, uma tarefa rotineira de desenho, fabricação e manufatura para aqueles com habilidade comum que têm o benefício desta revelação.

[009] Durante a apresentação de elementos de várias realizações da presente invenção, os termos "um(a)", "o", "a", "dito" e "dita” são destinados a significar que há um ou mais dos elementos. Os termos “que compreende(m)”, “que inclui/incluem" e "que tem/têm" são destinados a serem inclusivos e significam que pode haver elementos adicionais além daqueles elementos listados.

[010] Os sistemas de cilindro de potência para motores oscilantes (por exemplo, motores de combustão interna oscilantes) de acordo com a presente revelação podem incluir um ou mais pistões, cada um configurado para se mover linearmente dentro de um cilindro (por exemplo, um forro) para converter a pressão exercida pelos gases de combustão e pelo movimento linear do pistão em um movimento de rotação para acionar uma ou mais cargas. Cada pistão pode ter uma ranhura anular superior (por exemplo, uma ranhura de anel superior ou uma ranhura de anel de altura máxima) que se estende circunferencialmente em volta do pistão sob um cheio superior de um pistão. Um anel superior (por exemplo, um anel de pistão superior ou um anel de altura máxima) pode ser disposto dentro da ranhura superior. O anel superior pode ser geralmente configurado para bloquear o escape de combustível e ar, ou de uma mistura de combustível/ar, a partir da câmara de combustão e/ou para facilitar a manutenção de uma pressão adequada para permitir que a expansão de gases de combustão quentes cause o movimento oscilante do pistão. Em algumas realizações, uma ou mais ranhuras anulares adicionais (por exemplo, ranhuras de anel adicionais ou ranhuras de anel de compressão adicionais) podem se estender circunferencialmente em volta do pistão, e um ou mais anéis adicionais (por exemplo, anéis adicionais ou anéis de compressão adicionais) podem ser dispostos dentro das uma ou mais ranhuras de anel adicionais. Em tais casos, o anel superior e/ou os anéis adicionais formam um conjunto de anel e podem geralmente controlar o fluxo de gases de combustão e/ou lubrificante (por exemplo, óleo) dentro do motor.

[011] Durante a operação do motor oscilante, o combustível e o ar queimam em uma câmara de combustão, fazendo com que o pistão se mova dentro do cilindro. Os gases de combustão também exercem uma pressão contra uma face circunferencial externa do anel superior, conduzindo o anel superior radialmente para dentro, afastado da parede interna do cilindro. As realizações reveladas podem incluir um ou mais canais (por exemplo, canais radiais) configurados para transferir os gases de combustão para um espaço adjacente a uma face circunferencial interna do anel superior, de modo que os gases de combustão exerçam uma força direcionada radialmente para fora na face circunferencial interna do anel superior. Vantajosamente, os um ou mais canais podem, ainda, facilitar o controle de óleo dentro do cilindro, o que pode ser particularmente útil no contexto de grandes motores oscilantes industriais. Por exemplo, sem os um ou mais canais, o óleo pode acumular na ranhura superior entre uma superfície axial da ranhura superior e uma superfície superior do anel superior e pode bloquear (por exemplo, por meio da adesão do óleo à ranhura superior) o fluxo dos gases de combustão para o espaço. Nas realizações reveladas, os um ou mais canais podem permitir que o óleo escape da ranhura superior (por exemplo, para o interior da câmara de combustão ou ao longo da parede interna do cilindro), facilitando-se, desse modo, o fluxo óleo para fora da ranhura superior e/ou reduzindo-se o tempo de permanência do óleo dentro da ranhura superior. Além disso, facilitando-se o fluxo de óleo para fora da ranhura superior é possível permitir uma transferência confiável dos gases de combustão para o espaço adjacente à face circunferencial interna do anel superior, o que pode geralmente reduzir o consumo de óleo e derivação dentro do motor. A título de outro exemplo, os um ou mais canais podem permitir que o anel superior mantenha contato com a parede interna do cilindro e, portanto, pode permitir que o anel superior raspe o óleo ao longo da parede interna do cilindro. Assim, as realizações reveladas podem bloquear o colapso do anel radial (por exemplo, o movimento do anel superior para longe da parede interna do cilindro), reduzir o consumo de óleo, reduzir a derivação de hidrocarbonetos não queimados, reduzir as emissões e/ou reduzir o desgaste dos componentes do motor, por exemplo.

[012] Voltando-se às figuras, a Figura 1 ilustra um diagrama de blocos de uma realização de uma porção de um sistema de geração de potência acionado por motor 8. Conforme descrito em detalhes abaixo, o sistema 8 inclui um motor 10 (por exemplo, um motor de combustão interna oscilante) que tem uma ou mais câmaras de combustão 12 (por exemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 ou mais câmaras de combustão 12). Um suprimento de ar 14 é configurado para fornecer um oxidante pressurizado 16, tal como ar, oxigênio, ar enriquecido com oxigênio, ar com redução de oxigênio ou qualquer combinação dos mesmos, para cada câmara de combustão 14. A câmara de combustão 14 é configurada, ainda, para receber um combustível 18 (por exemplo, um combustível líquido e/ou gasoso) a partir de um suprimento de combustível 19, e uma mistura de combustível/ar sofre ignição e queima dentro de cada câmara de combustão 14. Os gases de combustão quentes pressurizados fazem com que um pistão 20 adjacente a cada câmara de combustão 14 se mova linearmente dentro de um cilindro 26 e converta a pressão exercida pelos gases em um movimento de rotação, o que faz com que uma haste 22 gire. Além disso, a haste 22 pode ser acoplada a uma carga 24, a qual é energizada através da rotação da haste 22. Por exemplo, a carga 24 pode ser qualquer dispositivo adequado que pode gerar potência através da saída rotacional do sistema 10, tal como um gerador elétrico. Além disso, embora a discussão a seguir se refira ar como o oxidante 16, qualquer oxidante adequado pode ser usado com as realizações reveladas. De maneira semelhante, o combustível 18 pode ser qualquer combustível líquido adequado, tal como diesel ou gasolina, ou qualquer combustível gasoso, tal como gás natural, associado a gás de petróleo, propano, biogás, gás de esgoto, gás de aterro sanitário, gás de mina de carvão, por exemplo.

[013] O sistema 8 revelado no presente documento pode ser adaptado para uso em aplicações estacionárias (por exemplo, em motores de geração de potência industriais) ou em aplicações móveis (por exemplo, em carros ou aeronaves), embora o sistema 8 possa ser particularmente útil para o controle do fluxo de gases de combustão e óleo em motores de geração de potência industrial grandes. O motor 10 pode ser um motor de dois tempos, motor de três tempos, motor de quatro tempos, motor de cinco tempos um ou motor de seis tempos. O motor 10 pode incluir, ainda, qualquer número de câmaras de combustão 12, pistões 20 e cilindros associados (por exemplo, 1 a 24). Por exemplo, em determinadas realizações, o sistema 8 pode incluir um motor oscilante industrial de larga escala que tem 4, 6, 8, 10, 16, 24 ou mais pistões 20 que oscilam em cilindros. Em alguns casos similares, os cilindros e/ou os pistões 20 podem ter um diâmetro entre aproximadamente 13,5 a 34 centímetros (cm). Em algumas realizações, os cilindros e/ou os pistões 20 podem ter um diâmetro entre aproximadamente 10 a 50 cm, 15 a 30 cm ou 15 a 20 cm. Em algumas realizações, os cilindros e/ou os pistões 20 podem ter um diâmetro maior que aproximadamente 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, 35 cm ou 40 cm. O sistema 8 pode gerar potência que varia de 10 quilowatts (kW) a 10 Megawatts (MW). Em algumas realizações, o motor 10 pode ser configurado para operar em revoluções por minuto máximas (RPM) de aproximadamente 1.800 RPM. Em algumas realizações, o motor 10 pode ser configurado para operar em um valor máximo de aproximadamente 2.000 RPM, 1.900 RPM, 1.700 RPM, 1.600 RPM, 1.500 RPM, 1.400 RPM, 1.300 RPM, 1.200 RPM, 1.000 RPM, 900 RPM ou 750 RPM. Em algumas realizações, o motor 10 pode operar entre aproximadamente 750 a 2.000 RPM, 900 a 1.800 RPM ou 1.000 a 1.600 RPM. Ademais, em algumas realizações o pistão 20 pode ter uma velocidade de pistão média máxima geralmente baixa (por exemplo, em relação a motores de automóvel ou similares). Por exemplo, o pistão 20 pode ter uma velocidade de pistão média máxima menor que 25 metros por segundo (m/s), 20 m/s, 19 m/s, 18 m/s, 17 m/s, 16 m/s, 15 m/s, 14 m/s, 13 m/s, 12 m/s, 11 m/s, 10 m/s, 9 m/s, 8 m/s, 7 m/s, 6 m/s ou 5 m/s. Em algumas realizações, o pistão 20 pode ter uma velocidade de pistão média máxima entre aproximadamente 1 a 25 m/s, 5 a 20 m/s, 10 a 20 m/s, 10 a 16 m/s, 13 a 15 m/s ou 11 a 12 m/s. Em algumas realizações, o pistão 20 pode ter uma velocidade de pistão média máxima de aproximadamente 12 m/s. A velocidade média de pistão é uma velocidade média do pistão 20 no motor 10 e é uma função entre curso e RPM. Por exemplo, a velocidade média de pistão (MPS) pode ser igual a (2 x S) x (RPM/60), em que S é o curso (por exemplo, um comprimento do curso) e RPM representa as revoluções por minuto em que o motor 10 opera. Na equação acima, o curso é multiplicado por um fator de 2 para considerar o fato de que dois cursos ocorrem por uma revolução de manivela, e a RPM pode ser dividida por um fator de 60 para converter minutos em segundos. Os motores exemplificativos 10 podem incluir os Motores Jenbacher da General Electric Company (por exemplo, Jenbacher Tipo 2, Tipo 3, Tipo 4, Tipo 6 ou J920 FleXtra) ou Motores Waukesha (por exemplo, Waukesha VGF, VHP, APG, 275GL), por exemplo. Conforme discutido em mais detalhes abaixo, o pistão 20 pode ser um pistão de aço ou um pistão de alumínio. Em determinadas realizações, o pistão 20 pode incluir um inserto de anel protetor (por exemplo, um inserto de anel resistente a Ni) em uma ranhura de anel do pistão 20. Ademais, o pistão 20 pode incluir um ou mais canais radiais formados na ranhura de anel e/ou no inserto de anel protetor, por exemplo.

[014] A Figura 2 é uma vista em corte transversal lateral de uma realização de um conjunto de pistão 25 que tem o pistão 20 disposto dentro do cilindro 26 (por exemplo, cilindro de motor) do motor oscilante 10. O cilindro 26 tem uma parede anular interna 28 que define uma cavidade cilíndrica 30 (por exemplo, furo). O pistão 20 pode ser definido por uma direção ou eixo geométrico axial 34, uma direção ou eixo geométrico radial 36 e uma direção ou eixo geométrico circunferencial 38. O pistão 20 inclui uma porção superior 40 (por exemplo, um cheio superior) e uma ranhura anular superior 42 (por exemplo, uma ranhura superior ou uma ranhura de altura máxima) que se estende circunferencialmente (por exemplo, na direção circunferencial 38) em volta do pistão 20. Um anel superior 44 (por exemplo, um anel de pistão superior) pode ser posicionado na ranhura superior 42.

[015] O anel superior 44 é configurado para se projetar radialmente para fora da ranhura superior 42 para entrar em contato com a parede anular interna 28 do cilindro 26. O anel superior 44 geralmente bloqueia escape do o combustível 18 e do ar 16, ou de uma mistura de combustível/ar 82, a partir da câmara de combustão 12 e/ou facilita a manutenção de uma pressão adequada para permitir que os gases de combustão quentes em expansão causem o movimento oscilante do pistão 20. Ademais, o anel superior 44 das presentes realizações podem ser configurados para facilitar a raspagem do óleo, o qual reveste a parede anular interna 28 e controla o calor e/ou atrito dentro do motor 10, por exemplo.

[016] Em determinadas realizações, o pistão 20 é um pistão de aço (por exemplo, aço ou qualquer uma dentre uma variedade de ligas de aço, tais como 42CrMo4V ou 38MnVS6). Em algumas realizações, o pistão 20 é um pistão de alumínio (por exemplo, alumínio ou qualquer uma dentre uma variedade de ligas de alumínio, tai como SAE332 ou AISi12CuMgNi). Em determinadas realizações, a ranhura superior 42 inclui um inserto de anel protetor ou um inserto de sustentação de anel (por exemplo, um material de inserto de anel de ferro fundido resistente a Ni, tal como ASTM A436, Tipo 1) configurado para sustentar o anel superior 44. O inserto de anel protetor pode ser formado a partir de um material de inserto que é mais resistente a desgaste, resistente a calor e/ou resistente a pressão do que o material a partir do qual o pistão 20 e/ou o anel superior 44 é formado. A título de outro exemplo, o material de inserto pode ser configurado para resistir a temperaturas e/ou pressões que são 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300 por cento, ou mais, superior àquelas resistidas pelo material a partir do qual o pistão 20 e/ou o anel superior 44 é formado. Em determinadas realizações, o inserto de anel protetor pode ser formado a partir de um material de inserto que tem uma dureza que é maior (por exemplo, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300 por cento, ou mais, superior) ao material a partir do qual o pistão 20 e/ou o anel superior 44 é formado. Por exemplo, em algumas realizações o pistão 20 pode ter uma dureza entre aproximadamente 50 a 150, 60 a 140 ou 70 a 130 HB, enquanto o inserto de anel protetor pode ter uma dureza entre aproximadamente 80 a 220, 90 a 210 ou 100 a 200 HB. A título de outro exemplo, em algumas realizações o pistão 20 pode ter uma dureza entre aproximadamente 90 a 120 HB, enquanto o inserto de anel protetor pode ter uma dureza entre aproximadamente 120 a 190 HB. Em algumas realizações, o inserto de anel protetor pode ser um inserto de anel resistente a Ni que inclui uma liga de níquel (por exemplo, qualquer uma dentre uma variedade de ligas de níquel, tais como ASTM A436, Tipo 1). Geralmente, o material de inserto pode permitir que o conjunto de pistão 25 resista a pressões altas e/ou temperaturas altas em motores industriais grandes durante a vida operacional longa de tais motores.

[017] Em algumas realizações, uma ou mais ranhuras anulares adicionais 50 (por exemplo, ranhuras de anel adicionais) podem ser estender circunferencialmente em volta do pistão 20 axialmente sob a ranhura superior 42. Em algumas realizações, um ou mais anéis adicionais 52 (por exemplo, anéis adicionais) podem ser dispostos dentro de cada uma das uma ou mais ranhuras de anel adicionais 50. Os anéis adicionais 52 podem ser configurados para bloquear derivação e/ou para raspar o óleo da parede anular interna 28 do cilindro 26.

[018] Conforme mostrado, o pistão 20 é fixado a um virabrequim 54 através de uma barra de conexão 56 e um pino 58. O virabrequim 54 traduz o movimento linear oscilante do pistão 24 em um movimento de rotação. À medida que o pistão 20 se move, o virabrequim 54 gira para energizar a carga 24 (mostrado na Figura 1), conforme discutido acima. Conforme mostrado, a câmara de combustão 14 é posicionada de modo adjacente ao cheio superior 40 do pistão 24. Um injetor de combustível 60 fornece o combustível 18 à câmara de combustão 14, e uma válvula 62 controla a entrega do ar 16 à câmara de combustão 14. Uma válvula de exaustão 64 controla a descarga de exaustão do motor 10. Entretanto, deve-se entender que quaisquer elementos e/ou conjuntos de procedimentos adequados para fornecer o combustível 18 e o ar 16 á câmara de combustão 14 e/ou para descarregar a exaustão podem ser utilizados. Em operação, a combustão do combustível 18 com o ar 16 na câmara de combustão 14 faz com que o pistão 20 se mova de uma maneira oscilante (por exemplo, para trás e para frente) na direção axial 34 dentro da cavidade 30 do cilindro 26.

[019] Uma folga 78 (por exemplo, uma folga radial que define um espaço anular) é fornecida entre a parede anular interna 28 do cilindro 26 e uma superfície externa 80 (por exemplo, uma superfície anular) do pistão 20. Conforme discutido acima, é desejável manter o contato entre o anel superior 44 e a parede anular interna 28 do cilindro 26 para bloquear derivação bem como para permitir que o anel superior 44 raspe o óleo da parede anular interna 28, por exemplo. Entretanto, durante a operação do motor 10, os gases de combustão a partir da câmara de combustão 12 entram em contato como uma face externa 90 (por exemplo, uma face radialmente externa ou uma face circunferencial externa) do anel superior 44 e exerce uma força que conduz o anel superior 44 radialmente para dentro (por exemplo, ao longo do eixo geométrico radial 36) para longe da parede interna 28 do cilindro 26. Consequentemente, as presentes realizações incluem um ou mais canais (por exemplo, passagens, cavas, ranhuras ou similares), tais como um ou mais canais radiais 94, configurados para transferir os gases de combustão para um espaço (mostrado na Figura 5) adjacente a uma superfície circunferencial interna (mostrada na Figura 5) do anel superior 44. Além disso, os um ou mais canais radiais 94 facilitam o fluxo de óleo para fora da ranhura superior 42 e/ou bloqueiam o acúmulo de óleo dentro da ranhura superior 42. Tal configuração permite que os um ou mais canais radiais 94 equilibrem de maneira confiável o gradiente de pressão através do anel superior 44 (por exemplo, estabilizem o anel superior 44) e/ou permite que o anel superior 44 mantenha contato com a parede anular interna 28 do cilindro 26.

[020] A Figura 3 é uma vista lateral de uma porção de uma realização do pistão 20 que tem canais radiais 94 formados no cheio superior 40 do pistão 20. Conforme mostrado, os canais radiais 94 são formados em localizações discretas em volta do pistão 20 (por exemplo, localizações discretas que são afastadas circunferencialmente em volta do pistão 20). Na realização ilustrada, os canais radiais 94 têm um corte transversal curvo (por exemplo, tem uma parede curva 98) e um raio de canal radial 100. Os canais radiais 94 são formados no interior ou ao longo de uma superfície voltada para a porção axial 102 (por exemplo, uma superfície anular), que corresponde tanto a uma superfície inferior do cheio superior 40 quanto a uma superfície superior (por exemplo, superfície superior ou uma perímetro superior) da ranhura superior 42. Os canais radiais 94 podem se estender radialmente para dentro (por exemplo, na direção radial 36) a partir da superfície externa 80 (por exemplo, uma superfície anular externa) do cheio superior 40 do pistão 20. Conforme mostrado, os canais radiais 94 são abertos em direção à ranhura superior 42, e uma distância axial 104 entre o anel superior 44 e a superfície voltada para a porção axial 102 é aumentada ao longo dos canais radiais 94 (por exemplo, conforme mostrado por uma segunda distância axial 103 que é maior que a distância axial 104 e coincidente com os canais radiais 94). Assim, a distância axial entre o anel superior 44 e a superfície voltada para a porção axial 102 varia circunferencialmente em volta do anel superior 44. Conforme discutido em mais detalhes abaixo, tal configuração facilita o fluxo de óleo para fora da ranhura superior 42 (por exemplo, bloqueia o acúmulo de óleo dentro da ranhura superior 42), permitindo-se, desse modo, uma transferência confiável dos gases de combustão a partir da cavidade 30 ao longo dos canais radiais 94 a um espaço (mostrado na Figura 5), em que os gases de combustão exercem uma força radialmente externa (por exemplo, uma força de inclinação induzida por pressão force) contra uma face interna (mostrada na Figura 5) do anel superior 44. Consequentemente, os canais radiais 94 controlam de maneira confiável o gradiente de pressão através do anel superior 44 e permite a manutenção de contato entre o anel superior 44 e a parede anular interna 28 do cilindro 26. Os canais radiais 94 podem ajudar a equalizar as pressões axialmente acima de um ponto de vedação 107, ao mesmo tempo em que gera uma pressão positiva diferencial axialmente abaixo do ponto de vedação 107 para força o anel superior 44 radialmente para fora contra a parede anular interna 28 do cilindro 26.

[021] Em alguns casos, o raio de canal radial 100 pode ser maior que aproximadamente 2 milímetros (mm). Em alguns casos, o raio de canal radial 100 pode ser maior que aproximadamente 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2,5 mm ou 3 mm, por exemplo. Além disso, o raio de canal radial 100 pode ser menor que 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 ou 90 por cento da distância axial 103. O raio de canal radial 100 pode ser entre 10 a 90, 20 a 80, 30 a 70 ou 40 a 60 por cento da distância axial 103. Em algumas realizações que têm o inserto de anel protetor, o raio de canal radial 100 pode ser menor que 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 ou 90 por cento de uma altura axial do inserto de anel protetor. O raio de canal radial 100 pode ser entre 10 a 90, 20 a 80, 30 a 70 ou 40 a 60 por cento da altura axial do inserto de anel protetor. Embora os canais radiais 94 sejam mostrados como tendo um corte transversal curvo, deve-se entender que os canais radiais 94 podem ter qualquer corte transversal adequado (por exemplo, retangular, triangular, curvo com curvatura variável ou similares) ou uma configuração que facilita a transferência dos gases de combustão da maneira revelada no presente documento. Ademais, embora múltiplos canais radiais 94 sejam ilustrados, deve-se entender que qualquer número adequado de canais radiais 94 pode ser fornecido, tais como 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou mais. Além disso, os canais radiais 94 podem ser distribuídos em qualquer maneira adequada, incluindo-se com um espaçamento circunferencial uniforme em volta do pistão 20.

[022] A Figura 4 é uma vista em corte transversal lateral de uma porção de uma realização do pistão 20 que tem o anel superior 44 e um canal radial 94 formado no cheio superior 40 do pistão 20. Nas realizações ilustradas, o canal radial 94 é formado na superfície voltada para a porção axial 102. Os canais radiais 94 se estendem radialmente para dentro (por exemplo, ao longo do radial eixo geométrico 36) a partir da superfície externa 80 do cheio superior 40. Durante a operação do motor 10, os gases de combustão exercem uma pressão na face externa 90 do anel superior 44 e geram uma força radialmente interna 108 que conduz o anel superior 44 para longe da parede anular interna 28 do cilindro 26.

[023] Embora um intervalo 120 (por exemplo, uma folga de ranhura superior) seja fornecido entre uma face superior 121 (por exemplo, uma face axialmente superior) do anel superior 44 e a superfície voltada para a porção axial 102 do pistão 20 para permitir que alguns gases de combustão fluam dentro da ranhura superior 42, a primeira distância axial 102 através do intervalo 120 é desejavelmente configurada para minimizar a elevação e a agitação do anel. Assim, sem as realizações reveladas o óleo pode acumular no intervalo relativamente pequeno 120 e bloquear o fluxo de gases de combustão através da ranhura superior 42, e o intervalo 120 pode não permitir uma transferência confiável e eficiente dos gases de combustão para uma face interna 124 (por exemplo, uma face radialmente interna ou uma face circunferencial interna) do anel superior 44, se o intervalo 120 for bloqueado com óleo. Consequentemente, sem os canais radiais 94 revelados, o óleo pode acumular na ranhura superior 42 e um diferencial de pressão grande pode existir através do anel superior 44 (por exemplo, entre a face externa 90 e a face interna 124), se o intervalo 120 for bloqueado com óleo. Por exemplo, sem os canais radiais 94 revelados, o óleo pode aderir à ranhura superior 42 e bloquear o fluxo de gases de combustão e, assim, a pressão adjacente à face externa 90 pode ser maior que a pressão adjacente à face interna 124. Em tais casos, o anel superior 44 pode ser suscetível a um colapso de anel radial, o que por sua vez resulta em um consumo de óleo e derivação aumentados, por exemplo.

[024] Nas presentes realizações, os canais radiais 94 podem ser configurados para facilitar transferência dos gases de combustão para um espaço 130 (por exemplo, um espaço) adjacente à face interna 124 do anel superior 44 e uma parede interna 131 (por exemplo, uma parede anular interna) da ranhura superior 42, o que pode fornecer uma estabilidade aumentada do anel superior 44. Os gases de combustão no espaço 130 podem exercer uma força radialmente externa 134 para equilibrar ou contrariar a força radialmente interna 108, e a pressão através do anel superior 44 pode ser substancialmente igual ou de outra maneira controlada para bloquear o colapso do anel radial e para manter o contato entre o anel superior 44 e a parede anular interna 28 do cilindro 26, por exemplo.

[025] Além disso, conforme mostrado, a superfície externa 90 do anel superior 44 é configurada para entrar em contato com a parede anular interna 28 para formar o ponto de vedação 107. Tal configuração pode permitir vantajosamente que o anel superior 44 raspe o óleo da parede anular interna 28 do cilindro 26 durante a operação do motor 10. Além disso, o óleo é geralmente um líquido viscoso e adesivo que pode aderir ao pistão 20, incluindo a ranhura superior 42, em determinadas circunstâncias. Os canais radiais 94 fornecem a maior distância axial 103 e o maior volume de fenda geral entre um anel superior 44 e a superfície voltada para a porção axial 102, bem como a relação entre a área de superfície inferior e o volume. Tal configuração pode reduzir a adesão e geralmente facilita o fluxo do óleo para fora da ranhura superior 42 (por exemplo, para o interior da câmara de combustão 12 ou ao longo da parede anular interna 28 do cilindro 26) e, portanto, pode aprimorar o controle do óleo e reduzir o consumo de óleo dentro do motor 10.

[026] Conforme observado acima, em algumas realizações o pistão 20 é um pistão de aço. Em determinadas realizações, o pistão 20 é um pistão de alumínio. O pistão 20 pode opcionalmente incluir um inserto de anel protetor ou um inserto de sustentação de anel 150 (por exemplo, um inserto de anel resistente a Ni) que circunda a ranhura superior 42 (por exemplo, que reveste a ranhura superior 42 e que se estende circunferencialmente em volta do pistão 20). O inserto de anel protetor 150 pode se estender ao longo de toda a ranhura de anel superior 42 ou parte dela (por exemplo, a superfície voltada para a porção axial 102, a parede interna 131 e/ou uma superfície inferior voltada para a porção axial 112). Por exemplo, no corte transversal ilustrado, o inserto de anel protetor 150 tem um formato geralmente de C ou de U.

[027] Conforme observado acima, o inserto de anel protetor 150 pode ser formado a partir de um material de inserto que tem maior resistência a degaste, resistência a calor e/ou resistência a pressão do que o material a partir do qual o pistão 20 é formado. Por exemplo, o material de inserto pode ser configurado para resistir a temperaturas e/ou pressões que são 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300 ou por cento, ou mais, superior àquelas resistidas pelo material a partir do qual o pistão 20 e/ou o anel superior 44 é formado. Em determinadas realizações, o inserto de anel protetor 150 pode ser formado a partir de um material de inserto que tem uma dureza que é maior (por exemplo, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, ou por cento superior, ou mais) que o material a partir do qual o pistão 20 e/ou o anel superior 44 é formado. Conforme discutido em mais detalhes abaixo, em algumas realizações o inserto de anel protetor 150 pode ser um inserto de anel resistente a Ni que inclui uma liga de níquel (por exemplo, qualquer uma dentre uma variedade de ligas de níquel, tal como ASTM A436, Tipo 1). Geralmente, o material de inserto pode permitir que o pistão 20 resista a pressões altas e/ou temperaturas altas em motores industriais grandes durante a vida operacional longa de tais motores.

[028] O inserto de anel protetor 150 pode ser fundido no interior da ranhura de anel superior 42 e pode ser configurado para sustentar o anel superior 44. Em outras realizações, o inserto de anel protetor 150 pode ser instalado em segmentos e unido na ranhura de anel superior 42 (por exemplo, através de soldagem, brasagem ou similares). Em outras realizações, o inserto de anel protetor 150 pode ser instalado através da aplicação de um revestimento (por exemplo, um revestimento de pulverização) ou qualquer outro conjunto de procedimentos adequado. Em algumas realizações, o inserto de anel protetor 150 pode compreender uma liga de níquel (por exemplo, qualquer uma dentre uma variedade de ligas de níquel) e pode ser configurado para resistir a pressões altas e/ou temperaturas altas dentro do motor 10.

[029] Em realizações que têm o inserto de anel protetor 150, os canais radiais 94 podem ser formados dentro do inserto de anel protetor 150 (por exemplo, uma superfície voltada para a porção axial do inserto de anel protetor 150), conforme mostrado. Conforme observado acima, em determinadas realizações que têm o inserto de anel protetor 150, o raio de canal radial 100 pode ser menor que 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 ou 90 por cento de uma altura axial 151 do inserto de anel protetor. O raio de canal radial 100 pode ser entre 10 a 90, 20 a 80, 30 a 70 ou 40 a 60 por cento da altura axial 151 do inserto de anel protetor. Em algumas realizações, os canais radiais 94 no inserto de anel protetor 150 pode permitir vantajosamente a instalação dos canais radiais 94 no interior de uma ranhura anular simples em vez de através da formação dos canais radiais 94 diretamente no próprio pistão 20. Além disso, vários insertos de anel protetor 150 (por exemplo, que têm várias configurações, números e/ou tamanhos de canais radiais 94) podem ser inseridos em qualquer um dentre uma variedade de pistões que têm uma ranhura correspondente configurada para receber tais insertos de anel protetor 150. Assim, o inserto de anel protetor 150 pode ser utilizado para adaptar a ranhura (por exemplo, a ranhura de anel superior 42) para ter uma configuração, número e/ou tamanho canais radiais adequado 94 (por exemplo, uma família de diferentes insertos de anel protetor 150 pode ser utilizada seletivamente com o pistão 20).

[030] A Figura 5 ilustra uma vista de corte transversal lateral de uma porção de uma realização do pistão 20 que tem um canal radial 94 formado no anel superior 44. Em determinadas realizações, os canais radiais 94 podem ser formados ao longo da face superior 121 do anel superior 44. Tais canais podem ser fornecidos além dos canais radiais 94 formados no cheio superior 40 do pistão 20, ou como uma alternativa aos mesmos, conforme mostrado nas Figuras 2 a 4, por exemplo.

[031] Conforme mostrado, os canais radiais 94 formados no anel superior 44 podem se estender radialmente para dentro (por exemplo, na direção radial 36) da face externa 90 à face interna 124 do anel superior 44. Os canais radiais 94 podem aumentar a distância axial 104 entre a face superior 121 do anel superior 44 e a superfície voltada para a porção axial 102 da ranhura superior 42 ao longo do raio 100 que coincide com o canal radial 94. Assim, o canal radial 94 pode facilitar o fluxo de óleo para fora da ranhura superior 42, permitindo-se, desse modo, um fluxo confiável dos gases de combustão a partir da cavidade 30 para o espaço 130 adjacente à face interna 124, conforme mostrado pela seta 172. Conforme discutido acima, a transferência de gases para o espaço 130 pode controlar o diferencial de pressão entre a face externa anular 90 e a face interna 124 do anel superior 44, e permitir, assim, que o anel superior 44 mantenha contato com a parede interna 28 do cilindro 26.

[032] Conforme apresentado acima, os canais radiais 94 podem ajudar a equalizar as pressões ou criar um diferencial de pressão entre a face interna 124 do anel superior 44 e a face externa 90 do anel superior 44, ajudando, desse modo, a inclinar o anel superior 44 radialmente para fora contra o cilindro 26 para bloquear o colapso do anel radial e/ou derivação, por exemplo. Além disso, o anel superior 44 e/ou os canais radiais 94 podem ser construídos para bloquear o colapso do anel radial e derivação, ao mesmo tempo em que também fornece um controle de óleo dentro do motor 10. Conforme observado acima, em algumas realizações o pistão 20 é um pistão de aço. Em determinadas realizações, o pistão 20 é um pistão de alumínio. O pistão 20 pode opcionalmente incluir o inserto de sustentação de anel protetor 150 que tem qualquer uma das funções apresentadas acima.

[033] Os efeitos técnicos das realizações reveladas incluem fornecer sistemas para controlar o fluxo de óleo e/ou a distribuição de gases de combustão dentro do motor 10 através de canais, tais como os canais radiais 94. Por exemplo, os gases de combustão podem exercer uma pressão contra a face externa 90 do anel superior 44 do conjunto de pistão. Os canais radiais 94 formados no cheio superior 40 ou no anel superior 44 podem transferir os gases de combustão para o espaço 130 adjacente á superfície interna 124 do anel superior 44, controlando-se, assim, um gradiente de pressão entre a face externa 90 e a face interna 124 e permitindo-se que o anel superior 44 mantenha contato com a parede interna 28 do cilindro 26. Tais configurações podem, ainda, limitar vantajosamente o óleo na proximidade dos canais radiais 94, fornecendo-se, assim, uma transferência durável de gases de combustão através dos canais radiais 94. As realizações reveladas podem reduzir vantajosamente o consumo de óleo, emissões, derivação, colapso do anel radial e/ou atrito dentro do motor 10, por exemplo.

[034] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer indivíduo versado na técnica pratique a invenção, incluindo a criação e uso de quaisquer dispositivos ou sistemas e a realização de quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a serem abrangidos pelo escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmo incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais em relação às linguagem literais das reivindicações.

Reivindicações

Claims

1. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA PARA UM MOTOR OSCILANTE, caracterizado pelo fato de que compreende: - um pistão de aço configurado para se mover dentro de um cilindro do motor oscilante; - uma ranhura que se estende circunferencialmente em volta do pistão sob um cheio superior do pistão e configurada para sustentar um anel que tem uma face circunferencial interna; e - um ou mais canais formados no cheio superior e configurados para facilitar a transferência de gases de combustão para um espaço entre uma porção da ranhura e a face circunferencial interna do anel.

2. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pistão de aço é configurado para ter uma velocidade de pistão média máxima menor que dezoito metros por segundo.

3. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os um ou mais canais compreendem um raio maior que aproximadamente um milímetro.

4. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pistão de aço compreende um diâmetro maior que aproximadamente dez centímetros.

5. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os um ou mais canais se estendem radialmente em uma superfície superior voltada para a porção axial da ranhura.

6. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende o anel, em que o anel é configurado para raspar o óleo de uma parede interna do cilindro.

7. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA PARA UM MOTOR OSCILANTE, caracterizado pelo fato de que compreende: - um pistão configurado para se mover dentro de um cilindro do motor oscilante: - uma ranhura que se estende circunferencialmente em volta do pistão sob um cheio superior do pistão; - um inserto de anel protetor disposto dentro da ranhura e configurado para sustentar um anel que tem uma face circunferencial interna; e - um ou mais canais formados no inserto de anel protetor e configurados para facilitar a transferência de gases de combustão para um espaço entre uma porção da ranhura e a face circunferencial interna do anel.

8. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o pistão é configurado para ter uma velocidade de pistão média máxima menor que dezoito metros por segundo.

9. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os um ou mais canais compreendem um raio maior que aproximadamente um milímetro.

10. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o pistão compreende um diâmetro maior que aproximadamente dez centímetros.

11. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o pistão compreende alumínio.

12. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o inserto de anel protetor compreende um inserto de anel resistente a Ni.

13. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os um ou mais canais se estendem radialmente no inserto de anel protetor.

14. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA PARA UM MOTOR OSCILANTE, caracterizado pelo fato de que compreende: - um pistão configurado para se mover dentro de um cilindro do motor oscilante com uma velocidade de pistão média máxima menor que aproximadamente dezoito metros por segundo; - uma ranhura que se estende circunferencialmente em volta do pistão sob um cheio superior do pistão; - um anel disposto dentro da ranhura; e - um ou mais canais formados em uma superfície axialmente superior da ranhura ou uma face superior do anel, em que os um ou mais canais são configurados para facilitar a transferência de gases de combustão para um espaço entre uma porção da ranhura e uma face circunferencial interna do anel.

15. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o pistão é um pistão de aço.

16. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o pistão é um pistão de alumínio e a ranhura compreende um inserto de anel protetor configurado para sustentar o anel.

17. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o inserto de anel protetor compreende um inserto de anel resistente a Ni.

18. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que os um ou mais canais são formados dentro do inserto de anel protetor da ranhura.

19. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o pistão compreende um diâmetro maior que aproximadamente dez centímetros.

20. SISTEMA DE CILINDRO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os um ou mais canais compreendem um raio maior que aproximadamente um milímetro.