CN105332815A - 用于往复式发动机的活塞组件 - Google Patents

Abstract

一种用于往复式发动机的功率缸系统包括构造成在缸内移动的活塞。系统包括最顶部凹槽，其在活塞的端环槽脊之下绕活塞周向地延伸，并且构造成支承具有内圆周面的顶环。当顶环定位在最顶部凹槽内时，在最顶部凹槽的一部分和顶环的内圆周面之间限定空间，并且在端环槽脊中形成的一个或更多个通道构造成允许燃烧气体至空间的传递。系统还包括最底部凹槽，其绕活塞周向地延伸并且沿着活塞的轴向轴线与最顶部凹槽间隔开，并且底部凹槽构造成支承底环并且缺乏泄油口。

Description

用于往复式发动机的活塞组件

技术领域

本文中公开的主题大体上涉及往复式发动机，并且更具体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)来生成热燃烧气体，其继而驱动缸内的活塞(例如，往复式活塞)。具体而言，热燃烧气体膨胀并且抵靠活塞施加压力，使活塞在膨胀冲程期间从缸的顶部线性地移动至底部。活塞将由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，经由连接杆和联接于活塞的曲轴)，其驱动一个或更多个负载，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气排放物(例如，未燃烃)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构件之间的摩擦和往复式发动机的操作寿命。因此，将合乎需要的是改进活塞组件的构造。

发明内容

在下面概括在范围上与最初要求权利的本发明相称的某些实施例。这些实施例不意图限制要求权利的本发明的范围，而是相反地，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与在下面提出的实施例相似或不同的各种形式。

在一个实施例中，一种用于往复式发动机的功率缸系统包括构造成在缸内移动的活塞。系统包括最顶部凹槽，其在活塞的端环槽脊之下绕活塞周向地延伸，并且构造成支承具有内圆周面的顶环。当顶环定位在最顶部凹槽内时，在最顶部凹槽的一部分和顶环的内圆周面之间限定空间，并且在端环槽脊中形成的一个或更多个通道构造成允许燃烧气体至空间的传递。系统还包括最底部凹槽，其绕活塞周向地延伸并且沿着活塞的轴向轴线与最顶部凹槽间隔开，并且底部凹槽构造成支承底环并且缺乏泄油口。

在一个实施例中，一种用于往复式发动机的功率缸系统包括构造成在缸内移动的活塞。系统包括最顶部凹槽和最底部凹槽，它们均绕活塞周向地延伸，其中，最顶部凹槽定位在端环槽脊之下。系统包括：顶环，其设置在最顶部凹槽中；和一个或更多个通道，其延伸到最顶部凹槽的轴向面对上表面或顶环的上表面中来将燃烧气体引导至在顶环的内圆周面和最顶部凹槽的一部分之间的空间。一个或更多个通道中的每一个具有第一半径。系统包括底环，其定位在最底部凹槽中；并且沿着最底部凹槽延伸的泄油口中的每一个的第二半径小于一个或更多个径向通道中的每一个的第一半径。

在一个实施例中，一种用于往复式发动机的功率缸系统包括：缸，其具有内壁并且围绕空腔；和活塞，其定位在缸内并且构造成在缸内以往复式方式移动。系统包括：顶环，其设置在活塞的最顶部凹槽内，并且向最顶部凹槽开放的一个或更多个通道构造成通过一个或更多个径向通道的第一总流动区域将燃烧气体传递至顶环的内圆周面，以在活塞在缸内移动时朝缸的内壁径向向外驱动顶环。系统包括底环，其设置在活塞的最底部凹槽内，其中，向底部凹槽开放的泄油口的第二总流动区域小于第一总流动区域。

技术方案1.一种用于往复式发动机的功率缸系统，包括：

活塞，其构造成在所述往复式发动机的缸内移动；

最顶部凹槽，其在所述活塞的端环槽脊之下绕所述活塞周向地延伸并且构造成支承具有内圆周面的顶环，其中，在所述最顶部凹槽的一部分和所述顶环的内圆周面之间限定空间，同时所述顶环定位在最顶部凹槽内；

最底部凹槽，其绕所述活塞周向地延伸并且沿着所述活塞的轴向轴线与所述最顶部凹槽间隔开，其中，所述最底部凹槽构造成支承底环并且缺乏泄油口；以及

一个或更多个通道，其在所述端环槽脊中形成并且构造成允许至在所述最顶部凹槽的所述部分和所述顶环的所述内圆周面之间的所述空间的燃烧气体的传递。

技术方案2.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述一个或更多个通道中的至少一些在所述端环槽脊的轴向面对表面中径向地延伸。

技术方案3.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，包括所述顶环，其中，一个或更多个环通道在一个或更多个不连续位置处在所述顶环的上表面中径向地延伸，并且所述一个或更多个环通道构造成允许至在所述最顶部凹槽的所述部分和所述顶环的所述内圆周面之间的所述空间的燃烧气体的传递。

技术方案4.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述最顶部凹槽和所述最底部凹槽为绕所述活塞周向地延伸的唯一的环支承凹槽。

技术方案5.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述底环是具有弹簧的油环，所述弹簧构造成促使所述油环径向向外地朝向所述缸的内圆周壁。

技术方案6.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，包括在所述最顶部凹槽和所述最底部凹槽之间绕所述活塞周向地延伸的中间凹槽，其中，第三环布置在所述中间凹槽内。

技术方案7.一种用于往复式发动机的功率缸系统，包括：

活塞，其构造成在缸内以所述往复式方式移动；

最顶部凹槽和最底部凹槽，它们均绕所述活塞周向地延伸，其中，所述最顶部凹槽定位在端环槽脊之下；

顶环，其设置在所述最顶部凹槽中，其中，通道延伸到所述最顶部凹槽的轴向面对上表面或所述顶环的上表面中，所述通道构造成将燃烧气体引导至在所述顶环的内圆周面和所述最顶部凹槽的一部分之间的空间，并且所述通道具有第一半径；以及

底环，其定位在所述最底部凹槽中，其中，所述最底部凹槽的泄油口的第二半径小于所述第一半径。

技术方案8.根据技术方案7所述的系统，其特征在于，所述通道在所述顶环的所述上表面或所述最顶部凹槽的所述轴向面对上表面中径向地延伸。

技术方案9.根据技术方案7所述的系统，其特征在于，所述第一半径小于大约2毫米。

技术方案10.根据技术方案7所述的系统，其特征在于，所述第二半径与所述第一半径的比率在大约0.1和0.9之间。

技术方案11.根据技术方案7所述的系统，其特征在于，包括：多个通道，其具有第一总截面面积；和一个或更多个泄油口，其具有第二总截面面积，其中，所述第一总截面面积大于所述第二总截面面积。

技术方案12.根据技术方案7所述的系统，其特征在于，包括：多个通道，它们均具有所述第一半径；和一个或更多个泄油口，其均具有所述第二半径，其中，所述一个或更多个通道的第一数量大于所述一个或更多个泄油口的第二数量。

技术方案13.一种用于往复式发动机的功率缸系统，包括：

缸，其具有围绕空腔的内壁；

活塞，其设置在所述缸内并且构造成在所述缸内以往复式方式移动；

顶环，其设置在所述活塞的最顶部凹槽内，其中，向所述最顶部凹槽开放的一个或更多个凹槽具有第一总截面面积并且构造成将燃烧气体传递至所述顶环的内圆周面，以在所述活塞在所述缸内移动时朝向所述缸的所述内壁径向向外驱动所述顶环；以及

底环，其设置在所述活塞的最底部凹槽中，其中，向所述底部凹槽开放的泄油口的第二总截面面积小于所述第一总截面面积。

技术方案14.根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述一个或更多个通道中的至少一个的第一半径大于所述泄油口中的至少一个的第二半径。

技术方案15.根据技术方案14所述的系统，其特征在于，所述第一半径小于大约2毫米。

技术方案16.根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述第二总截面面积与所述第一总截面面积的比率在大约0.1和0.9之间。

技术方案17.根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述系统缺乏向所述底部凹槽开放的泄油口。

技术方案18.根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述一个或更多个通道的第一数量大于所述泄油口的第二数量。

技术方案19.根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述底环是具有不对称轮廓的压缩环。

技术方案20.根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述底环通过一个或更多个弹簧抵靠所述缸的所述内壁径向向外偏置。

附图说明

当参考附图阅读下列详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面和优点，其中，同样的标记在所有附图中表示同样的部件，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是定位在缸内的活塞的实施例的截面图；

图3是具有在活塞的端环槽脊中形成的径向通道和在活塞的底部凹槽中形成的泄油口的活塞的实施例的一部分的侧视图；

图4是具有在活塞的端环槽脊中形成的径向通道的活塞的实施例的一部分的侧视图，并且活塞缺乏泄油口；

图5是具有三个活塞环、在活塞的端环槽脊中形成的径向通道、以及在活塞的底部凹槽中形成的泄油口的活塞的实施例的一部分的侧视截面图；

图6是具有两个活塞环、在活塞的端环槽脊中形成的径向通道、以及在活塞的底部凹槽中形成的泄油口的活塞的实施例的一部分的侧视截面图；以及

图7是具有三个活塞环、在顶部活塞环中形成的径向通道、以及在活塞的底部凹槽中形成的泄油口的活塞的实施例的一部分的侧视截面图。

具体实施方式

将在下面描述本申请的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可不在说明书中描述实际实施的所有特征。应当认识到，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多特定实施决定以实现开发者的特定目的，诸如符合系统相关且商业相关的约束，这可从一个实施变化到另一个实施。此外，应当认识到，这种开发努力可为复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的技术人员而言，仍将是设计、制作和制造的日常工作。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在元件中的一个或更多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包含的，并且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。

根据本公开的用于往复式发动机(例如，往复式内燃机)的功率缸系统可包括一个或更多个活塞，其均构造成在缸(例如，衬套)内线性地移动来将由燃烧气体施加的压力和活塞的线性运动转换成旋转运动来向一个或更多个负载供能。各个活塞可具有绕活塞周向地延伸的顶部环形凹槽(例如，顶环凹槽、最顶部环凹槽、或压缩环凹槽)，并且顶环(例如，顶部活塞环或顶部压缩环)可设置在顶部凹槽内。顶环大体可构造成阻塞燃料和空气，或燃料空气混合物免于从燃烧室逸出和/或便于适当的压力的维持，来允许膨胀的热燃烧气体引起活塞的往复式运动。各个活塞还可具有绕活塞周向地延伸的底部环形凹槽(例如，底环凹槽、最底部环凹槽、或油环凹槽)，并且底环(例如，底部活塞环或油环)可设置在底部凹槽内。油环大体可构造成刮擦衬于缸的内壁(例如，内圆周壁)的润滑油(例如，油)。在一些实施例中，一个或更多个附加环形凹槽(例如，附加环凹槽或附加压缩环凹槽)可绕活塞周向地延伸，并且一个或更多个附加环(例如，附加环或附加压缩环)可设置在一个或更多个附加环凹槽内。顶环、油环、和/或附加环一起形成环组，并且大体可控制在发动机内的燃烧气体和/或润滑油(例如，油)的流动。

在往复式发动机的操作期间，燃料和空气在燃烧室中燃烧，从而引起活塞在缸内移动。燃烧气体还抵靠顶环的外圆周面施加压力，从而远离缸的内壁径向向内驱动顶环。公开的实施例可包括一个或更多个通道(例如，径向通道)，其构造成将燃烧气体传递至顶环的内圆周面附近的空间，使得燃烧气体在顶环的内圆周面上施加径向向外指向的力。有利地，一个或更多个通道还可便于在缸内的油控制。例如，一个或更多个通道可允许顶环保持与缸的内壁接触，并且因而，可允许顶环沿着缸的内壁刮擦油。经由另一实例，在没有一个或更多个通道的情况下，油可在顶部凹槽中积聚并且可阻塞燃烧气体至空间的流动。在公开的实施例中，一个或更多个通道可允许油从顶部凹槽逸出(例如，到燃烧室中或沿着缸的内壁)。因而，一个或更多个通道可(例如，通过减少油至顶部凹槽的粘附)便于离开顶部凹槽的油的流动，并且/或者减少在顶部凹槽内的油的滞留时间，这大体可改进在缸内的油消耗和泄漏。

如在下面更详细地讨论的，本实施例可缺乏泄油口或者可具有相对小的泄油口(例如，一个或更多个通道的第一半径大于泄油口的第二半径)。此类构造可允许一个或更多个通道的可靠、持久操作。在一些发动机中，大泄油口可设置在底部凹槽的底部表面上来将来自环组的油(例如，从缸的内壁刮擦的油)排泄到活塞下的贮槽中。但是，在包括带有湿贮槽的发动机的某些发动机中，此类大泄油口还可允许油从贮槽行进到环组中(例如，油的逆流)，并且提供用于泄漏的渗漏路径。来自贮槽的油的逆流可行进至顶部凹槽，其中，油可阻止穿过一个或更多个通道的气体的传递，并且限制关于一个或更多个通道使顶环稳定的可靠性和效力。另外，在一些情况下，在一个或更多个通道内的油积聚可导致阻塞穿过一个或更多个通道的气体的传递的碳沉积。因此，根据在下面详细讨论的某些实施例，缺乏泄油口或带有相对小的泄油口的活塞组件可有助于阻塞或减少从贮槽到环组中的油的逆流，并且因而可允许一个或更多个通道的可靠、有效的操作。具有在本文中公开的特征的活塞组件可有效且高效地控制油，同时阻塞径向环塌缩，并且减少未燃烧的烃的泄漏、油消耗、排放物、和/或构件之间的摩擦，这可导致例如较少的磨损和刮伤。

转至附图，图1示出了发动机驱动功率生成系统8的一部分的实施例的框图。如在下面详细描述的，系统8包括发动机10(例如，往复式内燃机)，其具有一个或更多个燃烧室12(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、10、12、14、16、18、20或更多个燃烧室12)。空气供应源14构造成向各个燃烧室14提供加压氧化剂16，如，空气、氧气、富氧空气、贫氧空气、或它们的任何组合。燃烧室14还构造成从燃料供应源19接收燃料18(例如，液态和/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。热加压燃烧气体引起在各个燃烧室14附近的活塞20在缸26内线性地移动，并且将由气体施加的压力转换成引起轴22旋转的旋转运动。此外，轴22可联接于经由轴22的旋转供能的负载24。例如，负载24可为可经由系统10的旋转输出生成功率的任何适当的装置，如发电机。此外，尽管下列讨论意指空气作为氧化剂16，但是任何适当的氧化剂可与公开的实施例一起使用。相似地，燃料18可为任何适当的气态燃料，如例如天然气、相关联的石油气、丙烷、生物气、沼气、垃圾气体、煤矿气体。

在本文中公开的系统8可适于在固定应用中(例如，在工业功率生成发动机中)或在移动应用中(例如，在汽车或飞行器中)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以及相关联的缸(例如，1至24个)。例如，在某些实施例中，系统8可包括具有4、6、8、10、16、24或更多个在缸中往复的活塞20的大型工业往复式发动机。在一些此类情况下，缸和/或活塞20可具有在大约13.5至34厘米(cm)之间的直径。在一些实施例中，缸和/或活塞20可具有在大约10至40cm、15至25cm之间、或大约15cm的直径。在某些实施例中，活塞20可为钢活塞或铝活塞，其中，镍抗环插入在活塞20的顶环凹槽中。系统8可生成范围从10KW至10MW的功率。在一些实施例中，发动机10可在少于大约1800转每分钟(RPM)下操作。在一些实施例中，发动机10可在少于大约2000RPM、1900RPM、1700RPM、1600RPM、1500RPM、1400RPM、1300RPM、1200RPM、1000RPM、900RPM、或750RPM下操作。在一些实施例中，发动机10可在大约750至2000RPM、900至1800RPM、或1000至1600RPM之间操作。在一些实施例中，发动机10可在大约1800RPM、1500RPM、1200RPM、1000RPM、或900RPM下操作。示范发动机10可包括例如，通用电气公司的Jenbacher发动机(例如，Jenbacher型2、型3、型4、型6或J920FleXtra)或Waukesha发动机(例如，WaukeshaVGF、VHP、APG、275GL)。

图2是具有布置在往复式发动机10的缸26(例如，发动机缸)内的活塞20的活塞组件25的实施例的侧视截面图。缸26具有限定圆柱形空腔30(例如，孔口)的内环形壁28。活塞20可由轴向轴线或方向34、径向轴线或方向36、以及周向轴线或方向38限定。活塞20包括顶部部分40(例如，端环槽脊)和顶部环形凹槽42(例如，顶部凹槽、最顶部凹槽、或顶部压缩环凹槽)，顶部环形凹槽42绕活塞20周向地(例如，在周向方向38上)延伸。顶环44(例如，顶部活塞环或顶部压缩环)可定位在顶部凹槽42中。

顶环44构造成从顶部凹槽42径向向外突出，来接触缸26的内环形壁28。顶环44大体上阻塞燃料18和空气16，或燃料空气混合物82免于从燃烧室12逸出和/或便于适当的压力的维持，来允许膨胀的热燃烧气体引起活塞20的往复式运动。此外，本实施例的顶环44可构造成便于油的刮擦，该油涂覆内环形壁28并且控制例如在发动机10内的热和/或摩擦。

如显示的，活塞20包括绕活塞20周向地延伸的底部环形凹槽46(例如，底部环凹槽、最底部凹槽、或油环凹槽)。底环48(例如，底部活塞环或油环)设置在底部凹槽46内。油环48可从底部凹槽46径向向外突出，来接触缸26的内壁28。油环48大体上构造成刮擦衬于缸26的内壁28的油，并且控制在缸26内的油流动。

在一些实施例中，一个或更多个附加环形凹槽50(例如，附加环凹槽或附加压缩环凹槽)可在从顶部凹槽42和底部凹槽46之间绕活塞20周向地延伸。在一些实施例中，一个或更多个附加环52(例如，附加环或附加压缩环)可设置在一个或更多个附加环凹槽50中的每一个内。附加环52可构造成阻塞泄漏和/或刮擦来自缸26的内环形壁28的油。

如显示的，活塞20经由连接杆56和销58附接于曲轴54。曲轴54将活塞24的往复式线性运动转变为旋转运动。如在上面所讨论，在活塞20移动时，曲轴54旋转来向负载24(在图1中显示)供能。贮槽59设置在曲轴54之下或绕曲轴54设置。在某些实施例中，贮槽59是具有储油器的湿贮槽。如显示的，燃烧室14定位成邻近活塞24的端环槽脊40。燃料喷射器60向燃烧室14提供燃料18，并且阀62控制至燃烧室14的空气16的输送。排气阀64控制从发动机10的废气的排出。但是，应当理解的是，可利用用于向燃烧室14提供燃料18和空气16和/或排出废气的任何适当的元件和/或技术。在操作中，在燃烧室14中燃料18与空气16的燃烧引起活塞20在缸26的空腔30内在轴向方向34上以往复式方式(例如，前后)移动。

间隙78(例如，限定环形空间的径向间隙)被提供于缸26的内环形壁28和活塞20的外表面80(例如，环形表面)之间。如在上面所讨论，合乎需要的是保持在顶环44和缸26的内环形壁28之间的接触，来阻塞泄漏并且允许顶环44从例如内环形壁28刮擦油。但是，在发动机10的操作期间，来自燃烧室12的燃烧气体接触顶环44的外面90(例如，径向外面或外圆周面)并且施加驱动顶环44径向向内(例如，沿着径向轴线36)远离缸26的内壁28的力。因此，本实施例包括一个或更多个通道(例如，通路、槽、凹槽等)，如一个或更多个径向通道94，其构造成向邻近顶环44的内圆周表面(在图5中显示)的空间(在图5中显示)传递燃烧气体。此类构造允许一个或更多个径向通道94平衡横跨顶环44的压力梯度(例如，使顶环44稳定)和/或允许顶环44保持与缸26的内环形壁28接触。如在下面更详细所讨论，在活塞组件25中，相对小的泄油口96、或泄油口的完全消除可允许穿过一个或更多个径向通道94的燃烧气体的可靠、有效传递。

图3是具有在活塞20的端环槽脊40中形成的径向通道94的活塞20的实施例的一部分的侧视图。如显示的，径向通道94形成在绕活塞20的不连续位置(例如，绕活塞20周向地间隔开的不连续位置)处。在示出的实施例中，径向通道94具有弯曲截面(例如，具有弯曲壁98)和径向通道半径100。径向通道94形成到轴向面对的表面102(例如，环形表面)中或沿着其形成，轴向面对的表面102对应于端环槽脊40的底部表面和顶部凹槽42的上表面(例如，顶部表面或顶部周界)两者。径向通道94可从活塞20的端环槽脊40的外表面80(例如，外环形表面)径向向内(例如，在径向方向36上)延伸。如显示的，径向通道94朝向顶部凹槽42开放，并且在顶环44和轴向面对表面102之间的轴向距离104沿着径向通道94增加(例如，如通过比轴向距离104大且与径向通道94一致的第二轴向距离103所显示)。因而，在顶环44和轴向面对的表面102之间的轴向距离绕顶环44周向地改变。如在下面更详细所讨论，此类构造便于从空腔30沿着径向通道94至空间(在图5中显示)的燃烧气体的传递，其中，燃烧气体抵靠顶环44的内面(在图5中显示)施加径向向外的力(例如，压力诱导的偏置力)。因而，径向通道94可便于横跨顶环44的压力梯度的控制，并且可允许顶环44保持与缸26的内环形壁28接触。例如，径向通道94可有助于使在密封点107轴向上方的压力相等，同时生成在密封点107轴向下方的正压力差，来促使顶环44径向向外抵靠缸26的内环形壁28。

在示出的实施例中，油环48设置在底部凹槽46中。如显示的，活塞组件25包括泄油口96，其形成在绕活塞20的不连续位置(例如，绕活塞20周向地间隔开的不连续位置)处。泄油口96可如显示地与径向通道94周向地对准，或者泄油口96和径向通道94可例如周向地交错或彼此偏移。在示出的实施例中，泄油口96具有弯曲截面(例如，具有弯曲壁105)，并且形成到底部凹槽46的轴向面对的底部表面106(例如，环形表面)中或沿着其形成。泄油口96可从活塞20的外表面80(例如，外环形表面)径向向内(例如，在径向方向36上)延伸。如显示的，泄油口96朝向底部凹槽46开放。

在一些实施例中，所有的泄油口96的总截面面积(例如，在活塞组件25中的各个泄油口96的截面面积的和)可比所有的径向通道94的总截面面积(例如，在活塞组件25中的各个径向通道94的截面面积的和)小。例如，在某些实施例中，所有的泄油口96的总截面面积与所有的径向通道94的总截面面积的比率可为大约0.1至0.9、0.2至0.8、0.3至0.7、或0.4至0.5。各个泄油口96的截面面积基于泄油口半径109，同时各个径向通道94的截面面积基于径向通道半径100。更特别地，所有的泄油口96的总截面面积基于各个泄油口96的泄油口半径109和泄油口96的总数量，同时所有的径向通道94的总截面面积基于各个径向通道94的径向通道半径100和径向通道94的总数量。此类构造可限制穿过泄油口96朝向径向通道94的油的逆流，同时还提供用于从缸28的内壁26刮擦的油排泄到贮槽59中的路径。

另外或备选地，在某些实施例中，泄油口96中的各个的泄油口半径109可比各个径向通道94的径向通道半径100小。在一些此类情况下，泄油口半径109可小于大约2毫米(mm)，并且径向通道半径100可大于大约2mm。在一些此类情况下，泄油口半径109可小于大约0.5mm、1mm、1.5mm、2.5mm、或3mm，而径向通道半径100可大于例如大约0.5mm、1mm、1.5mm、2.5mm、或3mm。在某些实施例中，泄油口半径109与径向通道半径100的比率可为大约0.1至0.9、0.2至0.8、0.3至0.7、或0.4至0.5。

另外或备选地，泄油口96可具有基于泄油口半径109的产物的第一总流动体积、泄油口长度(在图5中显示)，和提供在活塞20中的一定数量的泄油口96(例如，在图3中显示了两个泄油口96)。另外，径向通道94具有基于径向通道半径100的产物的第二总流动体积、径向通道长度(在图5中显示)、以及提供在活塞20中的一定数量的径向通道94(例如，在图3中显示了两个径向通道94)。在某些实施例中，泄油口96的第一总流动体积比径向通道94的第二总流动体积小。例如，在某些实施例中，泄油口96的第一总流动体积与径向通道94的第二总流动体积的比率可为大约0.1至0.9、0.2至0.8、0.3至0.7、或0.4至0.5。

经由另一实例，此外或备选地，在一些实施例中，泄油口96的总数量可比在活塞组件25中的径向通道94的总数量小。在一些此类情况下，泄油口半径96的数量可小于大约10、9、8、7、6、5、4、3、或2，并且径向通道94的数量可大于大约10、9、8、7、6、5、4、3、或2。在某些实施例中，泄油口96的数量与径向通道94的数量的比率可为大约0.1至0.9、0.2至0.8、0.3至0.7、或0.4至0.5。如在上面提到的，相对小尺寸或大小，如泄油口96的较小半径或总截面面积可允许径向通道94使顶环44可靠、有效地稳定。

如在图3中所显示，活塞20可包括附加凹槽50，其绕活塞20周向地延伸并且定位在顶部凹槽42和底部凹槽46之间。附加环52可设置在附加凹槽50内。附加环52可具有多种构造和功能中的任一种。例如，在一些实施例中，附加环52是压缩环，其构造成接触缸26的内环形壁28，来阻塞泄露和/或从缸26的内环形壁28刮擦油。如在下面更详细地所讨论，在一些实施例中，不提供附加凹槽50和附加环52，并且顶部凹槽42和底部凹槽46是绕活塞20周向地延伸且构造成支承环(例如，顶环44和油环48)的唯一的凹槽。在一些此类情况下，顶环44和低张力油环48可一起在没有附加环52的情况下有效地控制油和/或充分地阻塞泄露。

尽管径向通道94和泄油口96显示为具有弯曲截面，但是应当理解的是，径向通道94或泄油口96可具有以在本文中公开的方式便于燃烧气体的传递的任何适当的截面(例如，矩形、三角形、以变化的曲率弯曲等)或构造。此外，尽管示出了多个径向通道94和多个泄油口96，但是应当理解的是，可提供任何适当数量的径向通道94和/或泄油口96，如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个。另外，径向通道94和泄油口96可以以包括以绕活塞20的均匀周向间隔的任何适当的方式分布。

图4是具有在活塞20的端环槽脊40中形成的径向通道94的活塞20的实施例的一部分的侧视图。如显示的，活塞组件25缺乏泄油口96(在图3中显示)。在示出的实施例中，底部凹槽46的轴向面对的底部表面106绕活塞20的圆周大体均匀(例如，平坦的)。在此类情况下，底部凹槽46的轴向面对的底部表面106接触绕活塞20的圆周的油环48的底部表面110。因而，径向向内的凹槽(例如，通路或通道)或流路不提供在底部凹槽46的轴向面对的底部表面106、油环48的底部表面110等中。在示出的实施例中，不存在从活塞20的外表面80径向向内延伸和轴向地延伸穿过活塞20来允许至或从贮槽59的油的传递的流路。泄油口96的缺少可限制从贮槽59至径向通道94的油的逆流，并且因而可允许径向通道94使顶环44可靠、有效地稳定。泄油口96的缺少还可减少泄漏。

图5是具有三个活塞环(例如，顶环44、油环48、以及附加环52)、在活塞20的端环槽脊40中形成的一个径向通道94、以及在底部凹槽46的轴向面对的底部表面106中形成的一个泄油口96的活塞20的实施例的一部分的侧视截面图。在示出的实施例中，径向通道94形成于轴向面对表面102中。径向通道94从端环槽脊40的外表面80径向向内(例如，沿着径向轴线36)延伸。在发动机10的操作期间，燃烧气体在顶环44的外面90上施加压力，并且生成驱动顶环44远离缸26的内环形壁28的径向向内力108。

尽管缝隙120(例如，顶部凹槽间隙)提供在顶环44的顶部面121(例如，轴向上面)和活塞20的轴向面对表面102之间，来允许一些燃烧气体在顶部凹槽42内流动，但是横跨缝隙120的第一轴向距离102合乎需要地构造成使环升起和颤动最小化。因而，如果缝隙120被油阻塞，则油可在相对小的缝隙120中积聚并且阻塞穿过顶部凹槽42的燃烧气体的流动，并且缝隙120可不允许燃烧气体至顶环44的内面124(例如，径向内面或内圆周面)的有效、可靠的传递。因此，在没有公开的径向通道94的情况下，如果缝隙120被油阻塞，则油可在顶部凹槽42中积聚，并且大压力差异可横跨顶环44(例如，在外面90和内面124之间)存在。例如，在没有公开的径向通道94的情况下，油可粘附于顶部凹槽42并且阻塞燃烧气体的流动，并且因而邻近外面90的压力可大于邻近内面124的压力。在此类情况下，顶环44可易发生径向环塌缩，这继而导致例如增加的油消耗和泄漏。

在本实施例中，径向通道94可构造成便于至空间130(例如，环形空间)的燃烧气体的传递，空间130邻近顶环42的内面124和顶部凹槽42的内壁131(例如，内环形壁)，这可提供顶环44的增加的稳定性。在空间130中的燃烧气体可施加径向向外力134，来平衡或抵抗径向向内力108，并且横跨顶环44的压力可大致相等或否则被控制来阻塞径向环塌缩和保持在例如顶环44和缸26的内环形壁28之间的接触。

另外，如显示的，顶环44的外表面90构造成接触内环形壁28来形成密封点107。此类构造可在发动机10的操作期间，有利地允许顶环44从缸26的内环形壁28刮擦油。另外，油通常是可粘附于在某些情况下包括顶部凹槽42的活塞20的有粘性且附着的液体。径向通道94提供在顶环44和轴向面对表面102之间的更大的轴向距离103和整体更大裂缝体积，以及更小的表面面积与体积比。此类构造可减少粘附并大体便于离开顶部凹槽42(例如，到燃烧室12中或沿着缸26的内环形壁28)的油的流动，并且因而，可改进油控制并减少在发动机10内的油消耗。

为了限制在径向通道94中的油并且允许穿过径向通道94的燃烧气体的可靠传递，泄油口96可充分小(或不存在，如在图4中所显示)，来限制或阻塞从贮槽59朝向顶环44的油的反向传递。例如，如在上面所讨论，泄油口96的总截面面积可小于径向通道94的总截面面积。另外或备选，如在上面所讨论，泄油口半径109、总流动体积、或泄油口96的数量中的一个或更多个可小于径向通道94的对应特征。在示出的实施例中，泄油口96在底部凹槽46的轴向面对底部表面106中形成。但是，泄油口96可在任何适当的表面中形成，例如，油环48的底部表面。泄油口96从活塞20的外表面80径向向内(例如，沿着径向轴线36)延伸。在发动机10的操作期间，油环48从缸26的内壁28刮擦油，并且泄油口96大体可便于如由箭头148所示的刮擦的油到贮槽59中的传递。

油环48可具有任何适当的形状或构造。如显示的，油环48是具有本体150和弹簧152的两件式油环。本体150包括外面154(例如，径向外面和外圆周面)。在示出的实施例中，油环48具有U形截面，其具有构造成接合缸26的内环形壁28且从其刮擦油的第一环形突起156(例如，第一轨道)和第二环形突起158(例如，第二轨道)。第一环形突起156具有第一宽度160(例如，构造成接触缸26的内环形壁28的宽度)，并且第二环形突起158具有第二宽度162(例如，构造成接触缸26的内环形壁28的宽度)。第一宽度160和第二宽度162可大体彼此相同或可彼此不同。弹簧152联接于油环48的本体150，并且构造成促使本体150径向向外地朝向缸26的内环形壁208和/或轴向向外地抵靠底部凹槽46。油环48可构造成接触底部凹槽46的轴向面对底部表面106和/或底部凹槽46的轴向面对上表面164。

如显示的，活塞组件25包括一个附加环52。附加环25定位于在顶部凹槽42和底部凹槽46之间的附加凹槽50中。附加环52可具有任何适当的形状或构造。如显示的，附加环52包括渐缩外面140(例如，径向外面或外圆周面)。附加环52可大体构造成阻塞泄漏、从缸26的内环形壁28刮擦油、和/或控制到达顶部环44的油的量。另外，在具有三个环的一些实施例中，底部凹槽48可不支承油环48(例如，具有本体150和弹簧152)，而是，可支承在形式上与顶环44或附加环52相似的第二压缩环。如在下面所讨论，在根据本公开的一些实施例中，附加环52可不被提供。而是，在没有附加环52的情况下，顶环44和油环48可一起提供充分的油控制。

图6示出了具有两个活塞凹槽(例如，顶部凹槽42和底部凹槽46)、在活塞20的端环槽脊40中形成的一个径向通道94、以及在底部凹槽46的轴向面对底部表面106中形成的一个泄油口96的活塞20的实施例的一部分。如显示的，泄油口96被提供于底部凹槽46的轴向面对底部表面106中。不提供附加凹槽50和附加环52，并且顶部凹槽42和底部凹槽46是绕活塞20周向地延伸且构造成支承环(例如，顶环44和油环48)的唯一的凹槽。在此类情况下，顶环44和油环48可一起从内环形壁28有效地刮擦油和/或在没有附加环52的情况下充分地阻塞泄漏。

在具有仅两个凹槽的实施例中，顶部凹槽42和底部凹槽46可分离任何适当的距离。另外，在具有仅两个凹槽的一些实施例中，底部凹槽48可不支承油环48(例如，具有本体150和弹簧152)，而是，可支承在形式上与顶环44或附加环52(在图5中显示)相似的第二压缩环。此外，在具有仅两个凹槽的实施例中，可特别合乎需要的是活塞组件25缺乏泄油口96(在图4中显示)来减少泄漏。如在上面详细所讨论，在具有仅两个凹槽的其它实施例中，活塞组件25可具有泄油口96，其具有比径向通道94更小的大小。具有仅两个凹槽的实施例可具有在上面阐述、或在下面关于图7阐述的特征中的任一个。

图7示出具有在顶环44中形成的一个径向通道94和在底部凹槽46中形成的一个泄油口96的活塞20的实施例的一部分的侧视截面图。在某些实施例中，径向通道94可沿着顶环44的顶部面121形成。例如，除如在图2-6中所示的在活塞20的端环槽脊40中形成的径向通道94外或作为其备选，可提供此类通道。

如显示的，在顶环44中形成的径向通道94可从顶环44的外面90到内面124径向向内(例如，在径向方向36上)延伸。径向通道94可沿着与径向通道94一致的半径100增加在顶环44的顶部面121和顶部凹槽42的轴向面对表面102之间的轴向距离102。因而，径向通道94可便于如由箭头172所示的从空腔30到邻近内面124的空间130的燃烧气体的流动。如在上面所讨论，至空间130的气体的传递可控制在环形外面90和顶环44的内面124之间的压力差异，并且因而允许顶环44保持与缸26的内壁28接触。

如在上面所阐述，径向通道94可有助于使压力相等或在顶环44的内面124和顶环44的外面90之间产生压力差，因而有助于抵靠缸26径向向外偏置顶环44，来阻塞例如径向环塌缩和/或泄漏。另外，顶环44和/或径向通道94可构造成阻塞径向环塌缩和泄漏，同时还提供在发动机10内的油控制。此类构造可受益于相对小的泄油口96(例如，如在上面所讨论，小于径向通道94)、或泄油口96的缺少，这例如有利地减少了在发动机10的操作期间从贮槽59朝向径向通道94的油的逆流并且/或者减少泄漏。

另外，在具有定位在顶环44中的径向通道94的一些实施例中，不提供附加凹槽50和附加环52(如在图6中显示)。因而，如在图6中所显示，顶部凹槽42和底部凹槽46是绕活塞20周向地延伸且构造成支承环(例如，顶环44和油环48)的唯一的凹槽。在此类情况下，顶环44和油环48可一起从内环形壁28有效地刮擦油和/或在没有附加环52的情况下充分地阻塞泄漏。仅具有定位在顶环44中的径向通道94的实施例可具有在上面阐述、或在下面阐述的特征中的任一个。

另外，如在图5-7中所显示，顶环44可具有绕径向轴线181的不对称轮廓(例如，不对称的截面)，如，在某些实施例中为桶形轮廓、锥形轮廓、或部分地锥形的轮廓(例如，圆锥轮廓)。在此类情况下，在活塞的下冲程(例如，膨胀冲程)期间，顶环44的外面90可构造成从缸的内壁有效且高效地刮擦油。尽管在图5-7中的每一个中不同地显示，但是应当理解的是，顶环44可具有包括在图5-7中显示的轮廓中的任一个的任何适当的轮廓。例如，如在图5中所显示，顶环44具有不对称桶形(例如，弯曲)外面90。经由附加实例，如在图6中所显示，顶环44横跨顶环44的高度183线性地渐缩。因而，顶环44的半径184(和因而直径)在顶环44的顶部面121和底部面112之间增加。顶环44的最小半径184与顶部面121一致，同时顶环44的最大半径184与底部面112一致。在此类构造中，外表面90构造成接触内环形壁28来在顶环44的底部面112处或附近形成密封点107。如在图7中所显示，顶环44具有部分渐缩的外面90，其中，顶环的半径184在顶部面121和形成环形密封部107的中间区域186之间增加。尽管抵靠桶形轮廓、线性地渐缩的轮廓、或部分地渐缩的轮廓的压力可促使顶环44径向向内，但是在顶部凹槽42的轴向面对表面102中的径向通道94和/或在顶环44中的径向通道94可构造成将燃烧气体传递至空间130，来控制横跨顶环44的压力，来以在上面阐述的方式使顶环44稳定，和/或控制油。例如，径向通道100可有助于使在密封点114轴向上方的压力相等，同时生成在密封点114轴向下方的正压力差，来促使顶环44径向向外抵靠缸26的内环形壁28。

公开的实施例的技术效果包括提供用于经由通道(如，径向通道94)控制在发动机10内的燃烧气体的分布的系统。例如，燃烧气体可抵靠活塞组件的顶环44的外面90施加压力。在端环槽脊40或在顶环44中形成的径向通道94可将燃烧气体传递至邻近顶环44的内表面124的空间130，因而控制在外面90和内面124之间的压力梯度并且允许顶环44保持与缸26的内壁28接触。公开的实施例还通过使用相对小的泄油口96(例如，比径向通道94小)或缺乏泄油口96而控制在发动机10内的油。此类构造可有利地限制接近径向通道94的油，因而提供穿过径向通道94的燃烧气体的可靠、持久传递。公开的实施例可有利地减少例如在发动机10内的油消耗、排放物、泄漏、径向环塌缩、和/或摩擦。

该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域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并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利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实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于往复式发动机的功率缸系统，包括：

活塞，其构造成在所述往复式发动机的缸内移动；

最顶部凹槽，其在所述活塞的端环槽脊之下绕所述活塞周向地延伸并且构造成支承具有内圆周面的顶环，其中，在所述最顶部凹槽的一部分和所述顶环的内圆周面之间限定空间，同时所述顶环定位在最顶部凹槽内；

最底部凹槽，其绕所述活塞周向地延伸并且沿着所述活塞的轴向轴线与所述最顶部凹槽间隔开，其中，所述最底部凹槽构造成支承底环并且缺乏泄油口；以及

一个或更多个通道，其在所述端环槽脊中形成并且构造成允许至在所述最顶部凹槽的所述部分和所述顶环的所述内圆周面之间的所述空间的燃烧气体的传递。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或更多个通道中的至少一些在所述端环槽脊的轴向面对表面中径向地延伸。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括所述顶环，其中，一个或更多个环通道在一个或更多个不连续位置处在所述顶环的上表面中径向地延伸，并且所述一个或更多个环通道构造成允许至在所述最顶部凹槽的所述部分和所述顶环的所述内圆周面之间的所述空间的燃烧气体的传递。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述最顶部凹槽和所述最底部凹槽为绕所述活塞周向地延伸的唯一的环支承凹槽。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述底环是具有弹簧的油环，所述弹簧构造成促使所述油环径向向外地朝向所述缸的内圆周壁。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括在所述最顶部凹槽和所述最底部凹槽之间绕所述活塞周向地延伸的中间凹槽，其中，第三环布置在所述中间凹槽内。

7.一种用于往复式发动机的功率缸系统，包括：

活塞，其构造成在缸内以所述往复式方式移动；

最顶部凹槽和最底部凹槽，它们均绕所述活塞周向地延伸，其中，所述最顶部凹槽定位在端环槽脊之下；

顶环，其设置在所述最顶部凹槽中，其中，通道延伸到所述最顶部凹槽的轴向面对上表面或所述顶环的上表面中，所述通道构造成将燃烧气体引导至在所述顶环的内圆周面和所述最顶部凹槽的一部分之间的空间，并且所述通道具有第一半径；以及

底环，其定位在所述最底部凹槽中，其中，所述最底部凹槽的泄油口的第二半径小于所述第一半径。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述通道在所述顶环的所述上表面或所述最顶部凹槽的所述轴向面对上表面中径向地延伸。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一半径小于大约2毫米。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二半径与所述第一半径的比率在大约0.1和0.9之间。