CN105134402B - 用于往复式发动机的活塞组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于往复式发动机的活塞组件。用于往复式发动机的动力缸体系统包括活塞，活塞构造成设置在缸体内，并且在缸体内以往复方式运动。活塞还包括最上部凹槽和环，最上部凹槽围绕活塞在活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸，环设置在最上部凹槽内。单个通道形成于顶部槽脊或环中，并且单个通道从活塞的外周边延伸到最上部凹槽的内表面和环的内部面之间的空间。

Description

用于往复式发动机的活塞组件
技术领域
本文公开的主题大体涉及往复式发动机，并且更特别地，涉及用于往复式发动机的活塞组件。
背景技术
往复式发动机(例如，往复式内燃机)燃烧燃料与氧化剂(例如，空气)，产生热的燃烧气体，热的燃烧气体又驱动缸体内的活塞(例如，往复式活塞)。特别地，热的燃烧气体膨胀，并且对活塞施加压力，在膨胀冲程期间，压力使活塞从顶部部分线性地运动到缸体的底部部分。活塞将燃烧气体施加的压力和活塞的线性运动转换成旋转运动(例如，通过连接杆和联接到活塞上的曲柄轴)，旋转运动驱动一个或多个负载，例如发电机。活塞和相关联的结构(例如，活塞组件)的构造可显著地影响排放(例如，未燃烧的烃)和发动机效率，以及润滑剂(例如，油)消耗。此外，活塞组件的构造可显著地影响往复式发动机的工作寿命。因此，改进活塞组件的构造将是合乎需要的。
发明内容
在下面概述在范围上与原来声明的发明相当的某些实施例。这些实施例不意于限制声明的发明的范围，这些实施例而是仅意于提供本发明的可行形式的简单概述。事实上，本发明可包括可能与下面阐述的实施例相似或不同的多种形式。
在一个实施例中，一种用于往复式发动机的动力缸体系统包括活塞，活塞构造成设置在缸体内，并且在缸体内以往复方式运动。活塞还包括最上部凹槽和环，最上部凹槽围绕活塞在活塞的顶部槽脊(land)下方沿周向延伸，环设置在最上部凹槽内。单个通道形成于顶部槽脊或环中，并且单个通道从活塞的外周边延伸到最上部凹槽的内表面和环的内部面之间的空间。
在一个实施例中，一种用于往复式发动机的动力缸体系统包括活塞，活塞构造成设置在缸体内，并且在缸体内以往复方式运动。活塞组件包括最上部凹槽和环，最上部凹槽围绕活塞在活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸，环定位在最上部凹槽中。通道形成于顶部槽脊或环中，并且构造成使得燃烧气体能够从燃烧室流到最上部凹槽的内表面和环的内部面之间的空间，并且通道具有介于活塞的直径的大约百分之一和百分之五之间的宽度。
在一个实施例中，一种用于往复式发动机的动力缸体系统包括缸体，缸体具有内壁，并且限定腔体。系统包括：活塞，其设置在缸体内，并且构造成在缸体内以往复方式运动；最上部凹槽，其围绕活塞在活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸；以及定位在最上部凹槽内的环。相对于活塞的其它区域而言，径向通道在顶部槽脊或环中形成于低沉积区域中，并且径向通道从活塞的外周边延伸向形成于最上部凹槽的内表面和环的内部面之间的空间。
技术方案1. 一种用于往复式发动机的动力缸体系统，包括：
活塞，其构造成设置在缸体内，并且在所述缸体内以往复方式运动；
最上部凹槽，其围绕所述活塞在所述活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸；
设置在所述最上部凹槽内的环；以及
形成于所述顶部槽脊或所述环中的单个通道，其中，所述单个通道从所述活塞的外周边延伸到所述最上部凹槽的内表面和所述环的内部面之间的空间。
技术方案2. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述单个通道延伸到所述最上部凹槽的轴向上表面中。
技术方案3. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述单个通道沿着所述最上部凹槽的轴向上表面沿径向延伸。
技术方案4. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述单个通道沿轴向延伸通过所述活塞的顶部槽脊到达所述空间。
技术方案5. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述单个通道定位在V型发动机的中心区域处。
技术方案6. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述活塞具有直径，并且所述单个通道具有是所述直径的至少大约2%的宽度。
技术方案7. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，相对于所述活塞的其它较高温度的区域而言，所述单个通道定位在所述活塞的低温区域中。
技术方案8. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述环包括设置成与径向内部面相对的径向外部面，并且所述径向外部面包括不对称轮廓。
技术方案9. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述系统包括所述缸体。
技术方案10. 一种用于往复式发动机系统的动力缸体系统，包括：
活塞，其构造成设置在缸体内，并且在所述缸体内以往复方式运动；
最上部凹槽，其围绕所述活塞在所述活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸；
定位在所述最上部凹槽中的环；以及
通道，其形成于所述顶部槽脊或所述环中，并且构造成使得燃烧气体能够从燃烧室流到所述最上部凹槽的内表面和所述环的内部面之间的空间，其中，所述通道具有介于所述活塞的直径的大约百分之一和百分之三之间的宽度。
技术方案11. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，仅单个通道形成于所述顶部槽脊或所述环中。
技术方案12. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述通道延伸到所述最上部凹槽的周边中。
技术方案13. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述通道沿径向方向延伸。
技术方案14. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述通道定位在V型发动机的中心区域处。
技术方案15. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，相对于所述活塞的其它较高温度的区域而言，所述通道定位在所述活塞的低温区域中。
技术方案16. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述通道沿轴向延伸通过所述活塞的顶部槽脊到达所述空间。
技术方案17. 一种用于往复式发动机的动力缸体系统，包括：
缸体，其具有内壁，并且限定腔体；
活塞，其设置在所述缸体内，并且构造成在所述缸体内以往复方式运动；
最上部凹槽，其围绕所述活塞在所述活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸；
定位在所述最上部凹槽内的环；以及
径向通道，相对于所述活塞的其它区域而言，其在所述顶部槽脊或所述环中形成于所述活塞的低沉积区域中，其中，所述径向通道从所述活塞的外周边延伸向形成于所述最上部凹槽的内表面和所述环的内部面之间的空间。
技术方案18. 根据技术方案17所述的系统，其特征在于，在所述往复式发动机在额定温度下运行的期间，所述低沉积区域经受温度，所述温度比所述活塞的其它区域处的温度平均低至少百分之五。
技术方案19. 根据技术方案17所述的系统，其特征在于，在所述往复式发动机在额定温度下运行的期间，所述低沉积区域支承一定体积的油，所述油的体积比所述活塞的其它区域处的油的体积平均小至少百分之五。
技术方案20. 根据技术方案17所述的系统，其特征在于，仅单个径向通道形成于所述顶部槽脊中。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在图中，相同符号表示相同部件，其中：
图1是往复式发动机系统的一部分的实施例的示意性框图；
图2是定位在缸体内的活塞的实施例的横截面图；
图3是活塞的实施例的一部分的侧视图，其具有形成于活塞的顶部槽脊中的径向通道；
图4是活塞的实施例的一部分的侧视横截面图，其具有形成于活塞的顶部槽脊中的径向通道；
图5是活塞的实施例的一部分的侧视横截面图，其具有形成于顶部活塞环中的径向通道；
图6是活塞的实施例的一部分的侧视横截面图，其具有形成于活塞的顶部槽脊中的轴向通道；以及
图7是V型发动机的实施例的一部分的侧视横截面图，其具有定位在V型发动机的中心区域附近的径向通道。
具体实施方式
下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据不同的实现彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。
当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。
根据本公开的用于往复式发动机(例如，往复式内燃机)的动力缸体系统可包括一个或多个活塞，活塞各自构造成在缸体(例如，衬套)内线性地运动，以将燃烧气体施加的压力和活塞的线性运动转换成旋转运动，以对一个或多个负载提供功率。活塞可具有顶部环形凹槽(例如，顶部环凹槽)，顶部环形凹槽围绕活塞在活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸。顶部环(例如，顶部活塞环)可设置在顶部凹槽内。在没有公开的实施例的情况下，顶部环上的某些压力梯度(例如，在顶部环的外部面和内部面之间)例如可导致径向环坍缩(例如，顶部环运动远离缸体的内壁)，增加油消耗，使未燃烧的烃的渗漏增加，增加排放，以及/或者增加发动机的构件的磨损。
因而，本公开的实施例包括至少一个通道(例如，径向通道、轴向通道或它们两者)，以将高压燃烧气体传送到顶部环的内部面(例如，内部周向面)附近的空间，这会减小顶部环上的压力梯度，而且使得气体能够对顶部环的内部面施加沿径向向外的力。因为碳沉积物可由于未燃烧的燃料和/或润滑油的碳化而在发动机的各种位置上形成，所以示例性实施例包括单个通道(例如，仅一个通道)，其具有降低碳沉积物将干扰或阻碍燃烧气体传送通过一个通道的可能性的形状和/或尺寸(例如，宽度、直径、横截面流域或容积)。因而，目前的实施例使得燃烧气体能够持久可靠地传送通过至少一个通道。
另外，一个通道的尺寸可大得足以使得燃烧气体能够可靠地传送，但也可小得足以使得活塞的顶部槽脊和顶部环之间的总缝隙容积限制在缝隙容积内的未燃烧的燃料流。例如，虽然具有使得燃烧气体能够可靠地传送的尺寸的多个通道可有效地减小顶部环上的压差，但这种构造也会增加总缝隙容积，而且使得较大体积的未燃烧的燃料能够流到缝隙容积中。因而，可使用于使顶部环可靠稳定的一个通道的尺寸与总缝隙容积得到平衡，以限制例如不合乎需要的发动机效率变化。
考虑到前述内容，目前公开的实施例包括与发动机的各个活塞相关联的单个通道(例如，仅一个通道)，以有利于燃烧气体传送到顶部环的内部面附近的空间，以减小顶部环上的压力梯度。一个通道可具有使得能够可靠地传送合适体积的燃烧气体的尺寸，以使顶部环稳定，以及/或者限制流到缝隙容积中的未燃烧的燃料。另外，一个通道可定位在发动机的温度较低的区域和/或少油区域，以阻止碳沉积物的形成。有利地，具有本文公开的特征的活塞可有效且高效地稳定顶部环，同时限制碳沉积物的形成，以及/或者限制未燃烧的燃料流到缝隙容积中。进而，这些特征例如可减少径向环坍缩，以及减少泄漏、油消耗和/或排放。
应当理解，虽然在下面详细公开了具有一个通道的实施例，但可对各个活塞使用两个或更多个通道(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10个或更多个)，以使得能够可靠地传送燃烧气体和限制缝隙容积，特别是在两个或更多个通道定位在发动机的低温和/或低油区域中时。例如，在某些实施例中，各个活塞可包括数量有限的通道(例如，一个、两个、三个、四个或更多个通道)，从而在将总缝隙容积区域限定在某个阈值内，以限制发动机效率的改变，其中，各个通道具有大于某个最小阈值的宽度和/或横截面积，以降低碳沉积物将干扰或阻止燃烧气体传送通过各个通道的可能性，如下面更详细地论述的那样。
转到附图，图1示出发动机驱动式功率发生系统8的一部分的实施例的框图。如下面详细描述的那样，系统8包括发动机10(例如，往复式内燃机)，发动机10具有一个或多个燃烧室12(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、10、12、14、16、18、20个或更多个燃烧室12)。空气供应14构造成对各个燃烧室14提供加压氧化剂16，诸如空气、氧、富氧空气、少氧空气，或者它们的任何组合。燃烧室14还构造成接收来自燃料供应19的燃料18(例如，液体和/或气态燃料)，并且燃料-空气混合物在各个燃烧室14内点燃和燃烧。热的加压燃烧气体使各个燃烧室14附近的活塞20在缸体26内线性地运动，并且将气体施加的压力转换成旋转运动，旋转运动使轴22旋转。活塞20和缸体26可共同形成用于发动机10的动力缸体系统。另外，轴22可联接到负载24上，通过轴22的旋转对负载24提供功率。例如，负载24可为可通过系统10的旋转输出来产生功率的任何适当的装置，诸如发电机。另外，虽然以下论述将空气称作氧化剂16，但任何适当的氧化剂可用于公开的实施例。类似地，燃料18可为任何适当的气态燃料，诸如例如天然气、相关联的石油气、丙烷、生物气、沼气、填埋气体、煤矿气体。
本文公开的系统8可适于在固定应用(例如，工业功率发生发动机)或移动应用(例如，汽车或航空器)中使用。发动机10可为两冲程发动机、三冲程发动机、四冲程发动机、五冲程发动机或六冲程发动机。发动机10还可包括任何数量的燃烧室12、活塞20和相关联的缸体(例如，1-24个)。例如，在某些实施例中，系统8可包括大规模工业往复式发动机，其具有在缸体中往复的4、6、8、10、16、24个或更多个活塞20。在一些这样的情况下，缸体和/或活塞20可具有介于大约13.5-34厘米(cm)之间的直径。在一些实施例中，缸体和/或活塞20可具有介于大约10-40 cm之间、15-25 cm之间或者为大约15 cm的直径。在某些实施例中，活塞20可为钢活塞或铝活塞，其在活塞20的顶部环凹槽内有镍耐蚀环。系统8可产生范围为10kW至10 MW的功率。在一些实施例中，发动机10可在不到大约1800转每分钟(RPM)下运行。在一些实施例中，发动机10可在不到大约2000 RPM、1900 RPM、1700 RPM、1600 RPM、1500RPM、1400 RPM、1300 RPM、1200 RPM、1000 RPM或900 RPM下运行。在一些实施例中，发动机10可在大约800-2000 RPM之间、900-1800 RPM之间或1000-1600 RPM之间运行。在一些实施例中，发动机10可在大约1800 RPM、1500 RPM、1200 RPM、1000 RPM或900 RPM下运行。示例性发动机10例如可包括通用电气公司的Jenbacher发动机(例如，Jenbacher类型2、类型3、类型4、类型6或J920 FleXtra)或Waukesha发动机(例如，Waukesha VGF、VHP、APG、275GL)。
图2是活塞组件25的实施例的侧视横截面图，活塞组件25具有设置在往复式发动机10的缸体26(例如发动机缸体)内的活塞20。缸体26具有限定圆柱形腔体30(例如，膛孔)的内部环形壁28。活塞20可由轴向轴线或方向34、径向轴线或方向36和周向轴线或方向38限定。活塞20包括顶部部分40(例如，顶部槽脊)和围绕活塞20沿周向(例如，沿周向方向38)延伸的第一环形凹槽42(例如，顶部凹槽或顶部环凹槽)。第一环44(例如，顶部环或顶部活塞环)可定位在顶部凹槽42中。顶部环44可构造成响应于顶部环44在发动机10的运行期间经受的高温和高压气体而膨胀和收缩。如显示的那样，活塞20包括多个额外的环形凹槽46(例如，额外的环凹槽)，额外的环形凹槽46围绕活塞20沿周向延伸，并且沿着轴向轴线34与顶部凹槽42间隔开且彼此间隔开。额外的活塞环48定位在各个额外的环形凹槽46中。本文关于顶部凹槽42和顶部环44公开各种特征。但是，应当理解，多个额外的凹槽46和对应的额外的活塞环48可具有任何多种构造。例如，额外的凹槽46和/或对应的额外的环48中的一个或多个多个可包括下面公开的一些或全部特征，或者例如可具有不同的构造、形状、大小和/或功能。
如显示的那样，活塞20通过连接杆52和销54附连到曲柄轴50上。曲柄轴50将活塞24的往复线性运动转换成旋转运动。燃烧室14定位在活塞24的顶部槽脊40附近。燃料喷射器56对燃烧室14提供燃料18，并且阀58控制空气16对燃烧室14的输送。排气阀60控制排气从发动机10的排出。但是，应当理解，可利用用于对燃烧室14提供燃料18和空气16和/或用于排出排气的任何适当的元件和/或技术。
在运行中，燃料18与空气16在燃烧室14中燃烧使活塞20以往复方式(例如，前后)沿轴向方向34在缸体26的腔体30内运动。随着活塞20运动，曲柄轴50旋转，对负载24(在图1中显示)提供功率，如上面论述的那样。在缸体26的内部环形壁28和活塞20的外表面80(例如，环形表面)之间提供间隙78(例如，限定环形空间的径向间隙)。顶部环44构造成从顶部凹槽42沿径向向外突出到间隙78中，并且接触缸体26的内部环形壁28。顶部环44大体阻止燃料18和空气16或燃料-空气混合物82从燃烧室14泄漏，以及/或者有利于保持适当的压力，以使得膨胀的热燃烧气体能够使活塞20进行往复运动。此外，顶部环44大体有利于刮掉润滑剂(例如，油)，润滑剂涂覆在内部环形壁28上，并且控制例如发动机10内的热和/或摩擦。因而，保持顶部环44和内部环形壁28之间的接触是合乎需要的。但是，如下面更详细地论述的那样，来自燃烧室14的燃烧气体接触顶部环44的外部面90(例如，外部周向面)，并且施加驱动顶部环44沿径向向内(例如，沿着径向轴线36)远离缸体26的内壁28的力。因此，可提供径向通道100(例如，通路、沟槽、凹槽等)，以使顶部环44稳定，以及/或者使得顶部环44能够保持与缸体26的内部环形壁28接触，如下面更详细地论述的那样。
图3是活塞20的实施例的一部分的侧视图，其具有形成于活塞20的顶部槽脊40中的径向通道100。如显示的那样，径向通道100形成到朝轴向表面101(例如，环形表面)中，或者沿着它形成，朝轴向表面101对应于顶部槽脊40的底表面和顶部凹槽42的上表面(例如，顶表面或顶部周边)两者。径向通道100可从活塞20的顶部槽脊40的外表面80沿径向向内(例如，沿径向方向36)延伸。如显示的那样，径向通道100朝顶部凹槽42开口，而且顶部环44和朝轴向表面101之间的轴向距离102可围绕顶部环44沿周向(例如，沿着周向轴线38)改变(例如，如由第一轴向距离102和第二轴向距离103显示的那样，第二轴向距离103大于第一轴向距离102，并且与径向通道100一致)。理想的是，朝轴向表面101和顶部环44之间的第一轴向距离102可构造成使得顶部环44由于发动机10的运行期间的高温和高压而能够有一些程度的膨胀和收缩，同时阻止环过多地提升或摆动。因而，径向通道100有利于来自腔体30(在图2中显示)的燃烧气体沿着径向通道100传送，以降低顶部环44上的压力梯度(例如，基本使压力梯度平衡)，而且还可使得能够最大程度地减小第一轴向距离102，以限制环提升。
如上面提到的那样，在发动机10中使用的润滑油和某些燃料可产生碳沉积物。这样的碳沉积物可粘附到发动机10的各种部件上。但是，径向通道100可具有使得气体能够可靠地传送通过径向通道100(例如，径向通道100未被碳沉积物阻塞)的形状和/或尺寸(例如，宽度、直径、横截面积和/或容积)。特别地，径向通道100可具有任何适当的横截面形状。如显示的那样，径向通道100具有弯曲横截面(例如，径向通道100是径向槽口，其具有弯曲壁104，诸如半圆形弯曲壁104)。在一些实施例中，这种弯曲和/或在弯曲壁104中缺少尖的角或拐角可最大程度地减少油粘附在径向通道100内，以及/或者有利于油从径向通道100中流出。
另外，径向通道100可具有任何适当的尺寸。如显示的那样，径向通道100具有宽度105(例如，直径)。以示例的方式，径向通道100的宽度105可为大约1-10毫米(mm)、2-8 mm或3-5 mm。在一些实施例中，径向通道100的宽度105可小于大约10 mm、8 mm、6 mm、4 mm或2mm。以另一个示例的方式，径向通道100的宽度105可为膛孔直径的大约2%(在图4中显示)。在某些实施例中，径向通道100的宽度105可为膛孔直径的大约0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%或更多(在图4中显示)。
在某些实施例中，径向通道100的宽度105可为膛孔直径的0.5-5%、1-4%或2-3%(在图4中显示)。在某些实施例中，径向通道100的宽度105可为活塞直径106的大约2%。在某些实施例中，径向通道100的宽度105可为活塞直径106的大约0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%或更多。在某些实施例中，径向通道100的宽度105可为活塞直径106的0.5-5%、1-4%或2-3%。这样的尺寸可最大程度地减小径向通道100和润滑油之间的粘附，从而使得油能够从径向通道100中流出，以及/或者阻止碳沉积物在径向通道100内形成。另外或备选地，这样的尺寸可使得燃烧气体能够在存在一些量的碳沉积物的情况下可靠地传送。另外，发动机10内的高温和高压状况可有利于未完全燃烧的燃料和/或油碳化。因而，径向通道100可定位在发动机10的较低温的区域中，以限制碳沉积物在径向通道100内形成，如下面更详细地论述的那样。
考虑到前述内容，图4是活塞组件25的实施例的一部分的侧视横截面图，其有定位在活塞20的顶部凹槽42内的顶部环44。顶部环44在向下冲程期间沿着缸体26的内部环形壁28刮掉油。外表面90构造成接触内壁28，以形成密封点114(例如，环形密封件)。燃烧气体流向顶部环44的外部面90，如箭头116显示的那样，并且因而，产生沿径向向内(例如，沿径向方向36)驱动顶部环44的径向向内力118。在顶部环44的顶面110和顶部凹槽42的朝轴向表面101之间提供的环形间隙120可使得顶部环44在顶部凹槽42内能够有一些膨胀(例如，热膨胀)。但是，间隙120无法使得燃烧气体能够高效地传送到顶部环44的径向内部面124(例如，内部周向面)，因为大体合乎需要的是最大程度地减小顶部环44的顶面110和朝轴向表面101之间的第一轴向距离102(例如，环形间隙)，例如为了控制环摆动和/或环提升，以及保持环稳定性。
如上面论述的那样，公开的实施例包括一个径向通道100，径向通道100构造成有利于燃烧气体传送到顶部环44的内部面124附近的空间130。空间130可定位在顶部环44的内部面124和顶部凹槽42的内表面131(例如，内部环形壁)附近，或者由它们限定。在这样的情况下，朝轴向表面101和顶部环44围绕顶部环44的周边的大部分分开第一距离102，因而控制环摆动和/或环提升，同时容许燃烧气体从腔体30中流出，以及沿着径向通道100流到空间130中，如箭头132显示的那样。因而，顶部环44上的压力梯度可减小(例如，环形外部面90和内部面124之间的压力梯度)，并且燃烧气体可施加径向向外力134，径向向外力134沿径向向外(例如，沿着径向轴线36) 驱动顶部环44，以对抗对顶部环44的外部面90施加的径向向内力118。
虽然可围绕顶部环44的周边在离散位置处提供多个径向通道100，以将燃烧气体传送到空间130，但这种构造可增加缝隙容积136(例如，顶部环44和顶部槽脊40之间的空间的总容积)，而且使得增加的未燃烧的燃料流能够通过缝隙容积136。增加的未燃烧的燃料流通过缝隙容积136又可降低发动机10的效率和/或增加排放。另外，随着径向通道100的宽度105减小，径向通道100被碳沉积物阻塞的可能性大体提高，以及/或者径向通道100将燃烧气体传送到空间130的可靠性大体降低。以示例的方式，宽度105小的一个或多个径向通道100不可提供耐久可靠的燃烧气体传送。以额外的示例的方式，用于可靠地传送燃烧气体的宽度105较大的多个径向通道100可增加缝隙容积136，并且降低发动机效率。因此，目前的实施例包括具有使得能够可靠地传送燃烧气体，以稳定顶部环44和/或限制流过缝隙容积136的未燃烧的燃料的尺寸的一个径向通道100。如上面提到的那样，在示例性实施例中，径向通道100的宽度105为膛孔直径138的大约2%或活塞直径106的大约2%。在某些实施例中，直径105可为膛孔直径138或活塞直径106的大约0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%或更多。在某些实施例中，直径105可为膛孔直径138或活塞直径106的0.5-5%、1-4%或2-3%。如上面提到的那样，在某些实施例中，可提供不止一个径向通道100，它们各自具有最小阈值宽度(例如，径向通道100的宽度105可为大约1-10毫米(mm)、2-8 mm或3-5 mm)，以最大程度地减少碳沉积物在各个径向通道100内形成，并且可限制径向通道100的数量和尺寸，以使得总缝隙容积136(例如低于)在预定阈值之内，例如为了限制发动机效率的改变。
图5是活塞组件25的实施例的一部分的侧视横截面图，其具有形成于顶部环44中的径向通道100。如显示的那样，径向通道100形成于顶部环44的顶面110中。形成于顶部环44中的径向通道100可沿径向向内(例如，沿径向方向36)从外部面90延伸到顶部环44的内部面124。顶部环44和朝轴向表面101之间的轴向距离102可围绕顶部环44沿周向(例如，沿着周向轴线38)改变(例如，如第一轴向距离102和第二轴向距离103显示的那样，第二轴向距离103大于第一轴向距离102，并且与径向通道100一致)。因而，径向通道100可有利于燃烧气体从腔体30流到内部面124附近的空间130，如箭头142显示的那样。如上面论述的那样，燃烧气体传送到空间130可控制顶部环44的外部面90和内部面124之间的压差，并且因而使得顶部环44能够在发动机10的运行期间保持与缸体26的内壁28接触。形成于顶部环44中的径向通道100还可具有使得燃烧气体能够可靠地传送，以稳定顶部环44和/或限制流过缝隙容积136的未燃烧的燃料的形状和/或尺寸(例如，宽度105、横截面积和/或容积)。如上面提到的那样，在示例性实施例中，径向通道100的宽度105为膛孔直径138或活塞直径106的大约2%。在某些实施例中，直径105可为膛孔直径138或活塞直径106的大约0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%或更多。在某些实施例中，直径105可为膛孔直径138或活塞直径106的0.5-5%、1-4%或2-3%。
图6是活塞20的实施例的一部分的侧视横截面图，其具有通过活塞20的顶部槽脊40的一个轴向通道160。一个轴向通道160沿轴向方向34从活塞20的顶部表面161延伸通过顶部槽脊40到达空间130。因而，轴向通道160可有利于燃烧气体从燃烧室14流到内部面124附近的空间130，如箭头166显示的那样。如上面论述的那样，气体传送到空间130可控制顶部环44的外部面90和内部面124之间的压差，并且因而使得顶部环44能够保持与缸体26的内壁28接触。轴向通道160还可具有使得燃烧气体能够传送，以稳定顶部环44和/或限制流到缝隙容积136中和/或流过缝隙容积136的未燃烧的燃料的尺寸(例如，直径164、横截面积和/或容积)。
另外，如图6中显示的那样，顶部环44可关于径向轴线166具有不对称轮廓(例如，不对称横截面)，诸如渐缩轮廓或部分地渐缩的轮廓(例如，锥形或弯曲的环形轮廓)，不对称轮廓构造成在活塞的向下冲程(例如，膨胀冲程)期间有效且高效地从缸体的内壁上刮掉油。如显示的那样，顶部环44在顶部环44的高度167上渐缩。顶部环44的半径168(并且因而直径)在顶部环44的顶面110和底面112之间增大。顶部环44的最小半径168与顶面110一致，而顶部环44的最大半径168则与底面112一致。在这种构造中，外表面90构造成接触内部环形壁28，以在顶部环44的底面112处或其附近形成密封点114(例如，环形密封件)。在示出的实施例中，外部面90具有线性轮廓，但轮廓可为梯级式或弯曲的(例如，凸形或凹形)。虽然渐缩轮廓或部分地渐缩的轮廓可在顶部环44上产生压力梯度，但径向通道100或轴向通道160可构造成将燃烧气体传送到空间130，以用上面阐述的方式控制顶部环44上的压力和稳定顶部环44。
发动机10内的高温和高压状况可有利于使未完全燃烧的燃料和/或油碳化，而且碳沉积物可在发动机10的某些区域中形成。因此，将一个径向通道100和/或一个轴向通道160定位在发动机10的低温区域和/或少油区域中，以限制或阻止碳沉积物在径向通道100和/或一个轴向通道160内形成可为合乎需要的。低温区域可由于发动机类型和/或发动机规格而改变，而且可大体包括活塞组件25的一部分(例如，活塞20、顶部槽脊40、顶部凹槽42、顶部环44等的一部分)，在发动机10在例如额定温度下运行期间，该部分展现比活塞组件25或活塞组件25的部分的平均总温度更冷至少大约2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、15%、20%或更多的平均温度。另外，少油区域可由于发动机类型和/或发动机规格而改变，并且可大体包括活塞组件25的一部分(例如，活塞20、顶部槽脊40、顶部凹槽42、顶部环44等的一部分)，在发动机10在例如额定温度下运行期间，该部分支承比由活塞组件25的其它部分支承的油的平均量少大约1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、15%、20%或更多的油。
因此，图7是V型(或V型)发动机170的侧视横截面图，V型发动机170具有形成于V类发动机170的各个活塞174的顶部槽脊172中的一个径向通道100。虽然显示了一个径向通道形成于顶部槽脊172中，但应当理解的是，一个径向通道100可形成于顶部环44中(如图5中显示的那样)，或一个轴向通道160(如图6中显示的那样)可形成于V类发动机170的各个活塞174的顶部槽脊172中，如上面阐述的那样。一个径向通道100设置在V型发动机170的中心区域176中，中心区域176大体为油较少的区域。在V型发动机170的运行期间，较大量的油易于积聚在第一环形侧180(例如，下侧)上，而较少量的油则可积聚在第二环形侧182(例如，上侧)上。因而，碳沉积物不可在定位在中心区域176中的径向通道100中形成，而且径向通道100可如上面阐述的那样可靠地传送燃烧气体。
公开的实施例的技术效果包括提供用于控制燃烧气体通过通道(诸如径向通道100和/或轴向通道160)在发动机10内的分配的系统。例如，燃烧气体可对活塞组件25的顶部环44的外部面90施加压力。径向通道100或轴向通道160可将燃烧气体传送到顶部环44的内表面124附近的空间130，因而控制外部面90和内部面124之间的压力梯度。径向通道100或轴向通道160可具有使得燃烧气体能够传送，以稳定顶部环44，同时还限制缝隙容积136的尺寸。这种构造可有利地减少油消耗、排放、渗漏、径向环坍缩和/或发动机10的构件的磨损。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (18)

1.一种用于往复式发动机的动力缸体系统，包括：
活塞，其构造成设置在缸体内，并且在所述缸体内以往复方式运动；
最上部凹槽，其围绕所述活塞在所述活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸；
设置在所述最上部凹槽内的环；以及
形成于所述顶部槽脊或所述环中的单个通道，其中，所述单个通道从所述活塞的外周边延伸到所述最上部凹槽的内表面和所述环的内部面之间的空间；
相对于所述活塞的其它较高温度的区域而言，所述单个通道定位在所述活塞的低温区域中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单个通道延伸到所述最上部凹槽的轴向上表面中。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单个通道沿着所述最上部凹槽的轴向上表面沿径向延伸。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单个通道沿轴向延伸通过所述活塞的顶部槽脊到达所述空间。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单个通道定位在V型发动机的中心区域处。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述活塞具有直径，并且所述单个通道具有是所述直径的至少2%的宽度。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环包括设置成与径向内部面相对的径向外部面，并且所述径向外部面包括不对称轮廓。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括所述缸体。
9.一种用于往复式发动机系统的动力缸体系统，包括：
活塞，其构造成设置在缸体内，并且在所述缸体内以往复方式运动；
最上部凹槽，其围绕所述活塞在所述活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸；
定位在所述最上部凹槽中的环；以及
通道，其形成于所述顶部槽脊或所述环中，并且构造成使得燃烧气体能够从燃烧室流到所述最上部凹槽的内表面和所述环的内部面之间的空间，其中，所述通道具有介于所述活塞的直径的百分之一和百分之三之间的宽度；
相对于所述活塞的其它较高温度的区域而言，所述通道定位在所述活塞的低温区域中。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，仅单个通道形成于所述顶部槽脊或所述环中。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述通道延伸到所述最上部凹槽的周边中。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述通道沿径向方向延伸。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述通道定位在V型发动机的中心区域处。
14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述通道沿轴向延伸通过所述活塞的顶部槽脊到达所述空间。
15.一种用于往复式发动机的动力缸体系统，包括：
缸体，其具有内壁，并且限定腔体；
活塞，其设置在所述缸体内，并且构造成在所述缸体内以往复方式运动；
最上部凹槽，其围绕所述活塞在所述活塞的顶部槽脊下方沿周向延伸；
定位在所述最上部凹槽内的环；以及
径向通道，相对于所述活塞的其它区域而言，其在所述顶部槽脊或所述环中形成于所述活塞的低沉积区域中，其中，所述径向通道从所述活塞的外周边延伸向形成于所述最上部凹槽的内表面和所述环的内部面之间的空间；
相对于所述活塞的其它较高温度的区域而言，所述径向通道定位在所述活塞的低温区域中。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，在所述往复式发动机在额定温度下运行的期间，所述低沉积区域经受温度，所述温度比所述活塞的其它区域处的温度平均低至少百分之五。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，在所述往复式发动机在额定温度下运行的期间，所述低沉积区域支承一定体积的油，所述油的体积比所述活塞的其它区域处的油的体积平均小至少百分之五。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，仅单个径向通道形成于所述顶部槽脊中。
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