CN105781778A - 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。具体而言，一种用于往复式发动机的动力气缸系统包括构造成在往复式发动机的气缸内移动的钢活塞。该系统还包括在活塞的顶部槽脊下方在活塞周围沿周向延伸且构造成支撑具有内圆周面的环的凹槽。一个或多个通道形成在顶部槽脊中且构造成促进燃烧气体到位于凹槽的一部分与环的内圆周面之间的空间的转移。

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，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)以产生热的燃烧气体，热的燃烧气体继而驱动气缸内的活塞(例如，往复式活塞)。特别地，热的燃烧气体膨胀且对活塞施加压力，在膨胀冲程期间，压力使活塞从气缸的顶部部分线性地移动到底部部分。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，经由连接杆和联接到活塞的曲轴)，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气排放(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操作寿命。因此，改进活塞组件的构造将是合乎需要的。
发明内容
下面概述了与原来声明的发明在范围上相当的某些实施例。这些实施例不意图限制声明的发明的范围，这些实施例而是仅意图提供本发明的可能形式的简单概述。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，用于往复式发动机的动力气缸系统包括构造成在往复式发动机的气缸内移动的钢活塞。该系统还包括在活塞的顶部槽脊(topland)下方在活塞周围沿周向延伸且构造成支撑具有内圆周面的环的凹槽。一个或多个通道形成在顶部槽脊中且构造成促进燃烧气体到位于凹槽的一部分与环的内圆周面之间的空间的转移。
在一个实施例中，用于往复式发动机的动力气缸系统包括构造成在往复式发动机的气缸内移动的活塞。该系统还包括在活塞的顶部槽脊下方在活塞周围沿周向延伸的凹槽，且布置在凹槽内的保护环插件构造成支撑具有内圆周面的环。一个或多个通道形成在保护环插件中，其构造成促进燃烧气体到位于凹槽的一部分与环的内圆周面之间的空间的转移。
在一个实施例中，用于往复式发动机的动力气缸系统包括活塞，其构造成以小于大约十三米每秒的最大平均活塞速度在往复式发动机的气缸内移动。该系统还包括在活塞的顶部槽脊下方在活塞周围沿周向延伸的凹槽和布置在凹槽内的环。一个或多个通道形成在凹槽的轴向上表面或环的上部面中，且该一个或多个通道构造成促进燃烧气体到位于凹槽的一部分与环的内圆周面之间的空间的转移。
技术方案1.一种用于往复式发动机的动力气缸系统，包括：
钢活塞，其构造成在所述往复式发动机的气缸内移动；
凹槽，其在所述活塞的顶部槽脊下方在所述活塞周围沿周向延伸且构造成支撑具有内圆周面的环；以及
一个或多个通道，其形成在所述顶部槽脊中且构造成促进燃烧气体到位于所述凹槽的一部分与所述环的内圆周面之间的空间的转移。
技术方案2.根据技术方案1所述的动力气缸系统，其中，所述钢活塞构造成具有小于十八米每秒的最大平均活塞速度。
技术方案3.根据技术方案1所述的动力气缸系统，其中，所述一个或多个通道包括大于大约一毫米的半径。
技术方案4.根据技术方案1所述的动力气缸系统，其中，所述钢活塞包括大于大约十厘米的直径。
技术方案5.根据技术方案1所述的动力气缸系统，其中，所述一个或多个通道在所述凹槽的面朝轴向的上表面中沿径向延伸。
技术方案6.根据技术方案1所述的动力气缸系统，所述动力气缸系统包括所述环，其中，所述环构造成刮掉来自所述气缸的内壁的油。
技术方案7.一种用于往复式发动机的动力气缸系统，包括：
活塞，其构造成在所述往复式发动机的气缸内移动；
凹槽，其在所述活塞的顶部槽脊下方在所述活塞周围沿周向延伸；
保护环插件，其布置在所述凹槽内且构造成支撑具有内圆周面的环；以及
一个或多个通道，其形成在所述保护环插件中且构造成促进燃烧气体到位于所述凹槽的一部分与所述环的内圆周面之间的空间的转移。
技术方案8.根据技术方案7所述的动力气缸系统，其中，所述活塞构造成具有小于十八米每秒的最大平均活塞速度。
技术方案9.根据技术方案7所述的动力气缸系统，其中，所述一个或多个通道包括大于大约一毫米的半径。
技术方案10.根据技术方案7所述的动力气缸系统，其中，所述活塞包括大于大约十厘米的直径。
技术方案11.根据技术方案7所述的动力气缸系统，其中，所述活塞包括铝。
技术方案12.根据技术方案7所述的动力气缸系统，其中，所述保护环插件包括耐蚀镍合金环插件。
技术方案13.根据技术方案7所述的动力气缸系统，其中，所述一个或多个通道在所述保护环插件中沿径向延伸。
技术方案14.一种用于往复式发动机的动力气缸系统，包括：
活塞，其构造成以小于大约十八米每秒的最大平均活塞速度在所述往复式发动机的气缸内移动；
凹槽，其在所述活塞的顶部槽脊下方在所述活塞周围沿周向延伸；
环，其布置在所述凹槽内；以及
一个或多个通道，其形成在所述凹槽的轴向上表面或所述环的上部面中，其中，所述一个或多个通道构造成促进燃烧气体到位于所述凹槽的一部分与所述环的内圆周面之间的空间的转移。
技术方案15.根据技术方案14所述的动力气缸系统，其中，所述活塞是钢活塞。
技术方案16.根据技术方案14所述的动力气缸系统，其中，所述活塞是铝活塞，且所述凹槽包括构造成支撑所述环的保护环插件。
技术方案17.根据技术方案16所述的动力气缸系统，其中，所述保护环插件包括耐蚀镍合金环插件。
技术方案18.根据技术方案16所述的动力气缸系统，其中，所述一个或多个通道形成在所述凹槽的所述保护环插件内。
技术方案19.根据技术方案14所述的动力气缸系统，其中，所述活塞包括大于大约十厘米的直径。
技术方案20.根据技术方案14所述的动力气缸系统，其中，所述一个或多个通道包括大于大约一毫米的半径。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好地理解，在图中，类似标记表示类似的部分，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是具有定位在气缸内的活塞的活塞-气缸组件的实施例的截面侧视图；
图3是具有形成在活塞的顶部槽脊中的径向通道的活塞的实施例的一部分的侧视图；
图4是具有形成在活塞的顶部槽脊中的径向通道的活塞的实施例的一部分的截面侧视图；以及
图5是具有形成在顶部活塞环中的径向通道的活塞的实施例的一部分的截面侧视图。
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，诸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)的动力气缸系统可包括一个或多个活塞，其各自构造成在气缸(例如，缸套)内线性地移动，以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以对一个或多个负载提供动力。每个活塞可具有在活塞的顶部槽脊下方在活塞周围沿周向延伸的顶部环形凹槽(例如，顶部环凹槽或最顶部环凹槽)。顶部环(例如，顶部活塞环或最顶部环)可布置在顶部凹槽内。顶部环可大体构造成阻止燃料和空气或燃料-空气混合物从燃烧室逃逸，和/或构造成促进维持合适的压力以使得膨胀的热的燃烧气体能够引起活塞的往复式运动。在一些实施例中，一个或多个额外的环形凹槽(例如，额外的环凹槽或额外的压缩环凹槽)可在活塞周围沿周向延伸，且一个或多个额外的环(例如，额外的环或额外的压缩环)可布置在该一个或多个额外的环凹槽内。在这种情形中，顶部环和/或额外的环形成环组且可大体控制燃烧气体和/或润滑剂(例如，油)在发动机内的流动。
在往复式发动机的操作期间，燃料和空气在燃烧室中燃烧，从而引起活塞在气缸内移动。燃烧气体还对顶部环的外圆周面施加压力，从而驱动顶部环径向朝内远离气缸的内壁。公开的实施例可包括一个或多个通道(例如，径向通道)，其构造成将燃烧气体转移到邻近顶部环的内圆周面的空间，使得燃烧气体在顶部环的内圆周面上施加径向朝外定向的力。有利地，该一个或多个通道还可促进气缸内的油控制，其在大型工业往复式发动机的背景中可尤其有用。例如，在没有该一个或多个通道的情况下，油可积聚在顶部凹槽的轴向表面与顶部环的顶部表面之间的顶部凹槽中，且可阻止(例如，借助于油到顶部凹槽的粘附)燃烧气体到空间的流动。在公开的实施例中，该一个或多个通道可使油能够从顶部凹槽逃逸(例如，到燃烧室内或沿着气缸的内壁)，从而促进油从顶部凹槽向外流动和/或减少油在顶部凹槽内的驻留时间。另外，促进油从顶部凹槽向外流动可实现燃烧气体到邻近顶部环的内圆周面的空间的可靠转移，这可大体减少发动机内的油消耗和窜漏。作为另一示例，该一个或多个通道可使顶部环能够维持与气缸的内壁的接触，以及因此，可使顶部环能够刮掉沿着气缸的内壁的油。因此，例如，所公开的实施例可阻止径向环破坏(collapse)(例如，顶部环远离气缸的内壁的移动)，减少油消耗，减少未燃烧的烃的窜漏，减少排放物，和/或减少发动机的构件上的磨损。
转到附图，图1示出发动机驱动的动力发生系统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)，其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、稀氧空气或其任何组合。燃烧室14还构造成从燃料供应19接收燃料18(例如，液态和/或气态燃料)，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在气缸26内线性移动，且将由气体施加的压力转换成旋转运动，旋转运动使轴22旋转。此外，轴22可联接到负载24，经由轴22的旋转对负载24提供动力。例如，负载24可为经由系统10的旋转输出产生动力的任何合适的装置，诸如发电机。另外，虽然以下论述将空气称作氧化剂16，但是任何合适的氧化剂可用于公开的实施例。类似地，例如，燃料18可为任何合适的液态燃料，诸如柴油或汽油，或者任何合适的气态燃料，诸如天然气、相关联的石油气、丙烷、生物气、沼气、填埋气、煤矿气体。
本文公开的系统8可适于在固定应用中(例如，在工业动力发生发动机中)或者在移动应用中(例如，在汽车或飞行器中)使用，但是系统8可尤其用于在大型工业动力发生发动机中控制燃烧气体和油的流动。发动机10可为两冲程发动机、三冲程发动机、四冲程发动机、五冲程发动机或者六冲程发动机。发动机10还可包括任何数目的燃烧室12、活塞20和相关联的气缸(例如，1-24个)。例如，在某些实施例中，系统8可包括大型工业往复式发动机，其具有在气缸中往复的4、6、8、10、16、24个或更多个活塞20。在一些这样的情形中，气缸和/或活塞20可具有在13.5-34厘米(cm)之间的直径。在一些实施例中，气缸和/或活塞20可具有在大约10-50cm、15-30cm或15-20cm之间的直径。在一些实施例中，气缸和/或活塞20可具有大于大约10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm或40cm的直径。系统8可产生范围为10千瓦(kW)到10兆瓦(MW)的功率。在一些实施例中，发动机10可构造成在不到大约1800转每分钟(RPM)下操作。在一些实施例中，发动机10可构造成在不到大约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750-2000RPM、900-1800RPM或1000-1600RPM之间操作。此外，在一些实施例中，活塞20可具有大体低的最大平均活塞速度(例如，相对于汽车发动机等)。例如，活塞20可具有小于25米每秒(m/s)、20m/s、19m/s、18m/s、17m/s、16m/s、15m/s、14m/s、13m/s、12m/s、11m/s、10m/s、9m/s、8m/s、7m/s、6m/s或5m/s的最大平均活塞速度。在一些实施例中，活塞20可具有在大约1到25m/s、5到20m/s、10到20m/s、10到16m/s、13到15m/s或11到12m/s之间的最大平均活塞速度。在一些实施例中，活塞20可具有大约12m/s的最大平均活塞速度。平均活塞速度是发动机10中的活塞20的平均速度，且与冲程和RPM有关。例如，平均活塞速度(MPS)可等于(2xS)x(RPM/60)，其中，S是冲程(例如，冲程的长度)，且RPM是发动机10操作所处的每分钟转数。在上述公式中，冲程乘以因子2以考虑每一个曲柄旋转产生两个冲程的事实，且RPM可除以因子60以分钟转换成秒。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J920FleXtra)或Waukesha发动机(例如，WaukeshaVGF、VHP、APG、275GL)。如下面更详细论述的那样，活塞20可为钢活塞或铝活塞。在某些实施例中，活塞20可包括在活塞20的环凹槽中的保护环插件(例如，耐蚀镍合金环插件)。此外，活塞20例如可包括形成在环凹槽中和/或保护环插件中的一个或多个径向通道。
图2是活塞组件25的实施例的侧视截面图，活塞组件25具有布置在往复式发动机10的气缸26(例如，发动机气缸)内的活塞20。气缸26具有限定柱形腔30(例如，孔)的内环形壁28。活塞20可通过轴向轴线或方向34、径向轴线或方向36以及周向轴线或方向38限定。活塞20包括在活塞20周围沿周向(例如，沿周向方向38)延伸的顶部环形凹槽42(例如，顶部凹槽或最顶部凹槽)和顶部部分40(例如，顶部槽脊)。顶部环44(例如，顶部活塞环)可定位在顶部凹槽42中。
顶部环44构造成从顶部凹槽42沿径向朝外伸出以接触气缸26的内环形壁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12逃逸和/或便于维持合适的压力以使得膨胀的热燃烧气体能够引起活塞20的往复运动。此外，本实施例的顶部环44可构造成促进油的刮除，油例如涂覆内环形壁28且控制发动机10内的热和/或摩擦。
在某些实施例中，活塞20是钢(例如，钢或多种钢合金中的任一种，诸如42CrMo4V或38MnVS6)活塞。在一些实施例中，活塞20是铝(例如，铝或多种铝合金中的任一种，诸如SAE332或AlSi12CuMgNi)活塞。在某些实施例中，顶部凹槽42包括构造成支撑顶部环44的保护环插件或环支撑插件(例如，耐蚀镍合金铸铁环插件材料，诸如ASTMA436,类型1)。保护环插件可由比形成活塞20和/或顶部环44的材料更耐磨损、更耐热和/或更耐压的插件材料形成。借助于另一示例，插件材料可构造成经受比形成活塞20和/或顶部环44的材料所经受的温度和/或压力大了百分之5、10、15、20、25、30、35、40、60、70、80、90、100、150、200、250、300或更多百分数的温度和/或压力。在某些实施例中，保护环插件可由具有比形成活塞20和/或顶部环44的材料更大(例如，大百分之5、10、15、20、25、30、35、40、60、70、80、90、100、150、200、250、300或者更多百分数)的硬度的插件材料形成。例如，在一些实施例中，活塞20可具有在大约50-150、60-140或70-130HB之间的硬度，而保护环插件可具有在大约80-220、90-210或100-200HB之间的硬度。作为另一示例，在一些实施例中，活塞20可具有在大约90-120HB之间的硬度，而保护环插件可具有在大约120-190HB之间的硬度。在一些实施例中，保护环插件可为耐蚀镍合金环插件，其包括镍合金(例如，多种镍合金中的任一种，诸如ASTMA436,类型1)。大体上，插件材料可使活塞组件25能够在大型工业发动机的长操作寿命期间经受这种发动机中的高压和/或高温。
在一些实施例中，一个或多个额外的环形凹槽50(例如，额外的环凹槽)可轴向地在顶部凹槽42下方在活塞20周围沿周向延伸。在一些实施例中，一个或多个额外环52(例如，多个额外环)可布置在该一个或多个额外的环凹槽50的每一个内。额外环52可构造成阻止窜漏和/或构造成将油从气缸26的内环形壁28刮掉。
如图所示，活塞20经由连接杆56和销58附连到曲轴54。曲轴54将活塞24的往复线性运动转换成旋转运动。如上文所论述的那样，随着活塞20移动，曲轴54旋转以对负载24提供动力(在图1中示出)。如图所示，燃烧室14邻近活塞24的顶部槽脊40定位。燃料喷射器60将燃料18提供到燃烧室14，且阀62控制空气16到燃烧室14的输送。排气阀64控制排气从发动机10的排出。然而，应当理解，用于提供燃料18和空气16到燃烧室14和/或用于排放排气的任何合适的元件和/或技术都可利用。在操作中，燃料18与空气16在燃烧室14中的燃烧引起活塞20在气缸26的腔30内沿轴向方向34以往复方式(例如，来回地)移动。
间隙78(例如，限定环形空间的径向间隙)设置在气缸26的内环形壁28与活塞20的外表面80(例如，环形表面)之间。如上面所论述的那样，期望维持气缸26的内环形壁28与顶部环44之间的接触以阻止窜漏以及使顶部环44能够刮掉例如来自内环形壁28的油。然而，在发动机10的操作期间，来自燃烧室12的燃烧气体接触顶部环44的外部面90(例如，径向外部面或外圆周面)，且施加力，该力驱动顶部环44沿径向朝内(例如，沿着径向轴线36)远离气缸26的内壁28。相应地，本实施例包括一个或多个通道(诸如，通路、槽、凹槽等)，诸如一个或多个径向通道94，其构造成将燃烧气体转移到邻近顶部环44的内圆周表面(在图5中示出)的空间(在图5中示出)。另外，该一个或多个径向通道94促进油从顶部凹槽42向外流动和/或阻止油在顶部凹槽42内的积聚。这种配置使该一个或多个径向通道94能够可靠地平衡越过顶部环44的压力梯度(例如，稳定顶部环44)和/或使顶部环44能够维持与气缸26的内环形壁28的接触。
图3是活塞20的实施例的一部分的侧视图，该活塞20具有形成在活塞20的顶部槽脊40中的径向通道94。如图所示，径向通道94在活塞20周围的不连续位置(例如，在活塞20周围沿周向间隔开的不连续位置)处形成。在所示实施例中，径向通道94具有弧形截面(例如，具有弧形壁98)和径向通道半径100。径向通道94形成到面朝轴向的表面102(例如，环形表面)中或沿着其形成，该表面102对应于顶部槽脊40的底表面和顶部凹槽42的上表面(例如，顶部表面或顶部周边)。径向通道94可从活塞20的顶部槽脊40的外表面80(例如，外部环形表面)沿径向朝内延伸(例如，沿着径向方向36)。如图所示，径向通道94朝顶部凹槽42开放，且顶部环44与面朝轴向的表面102之间的轴向距离104沿着径向通道94增大(例如，如通过第二轴向距离103所示，第二轴向距离103大于轴向距离104且与径向通道94一致)。因此，顶部环44与面朝轴向的表面102之间的轴向距离在顶部环44周围沿周向变化。如下文更详细论述的那样，这种配置便于油从顶部凹槽42向外流动(例如，阻止油在顶部凹槽42内积聚)，从而允许燃烧气体从腔30沿着径向通道94到空间(在图5中示出)的可靠转移，在该空间处，燃烧气体对顶部环44的内部面(在图5中示出)施加径向朝外的力(例如，压力引起的偏置力)。相应地，径向通道94可靠地控制越过顶部环44的压力梯度且能够维持气缸26的内环形壁28与顶部环44之间的接触。径向通道94可帮助在密封点107上方轴向地平衡压力，同时在密封点107下方轴向地产生正压力差，以相对于气缸26的内环形壁28沿径向朝外推动顶部环44。
在一些情形中，径向通道半径100可大于大约2毫米(mm)。在一些情形中，径向通道半径100例如可大于大约0.5毫米、1毫米、1.5毫米、2.5毫米或3毫米。另外，径向通道半径100可小于轴向距离103的百分之10、20、30、40、50、60、70、80或90。径向通道半径100可在轴向距离103的百分之10-90、20-80、30-70或40-60之间。在具有保护环插件的一些实施例中，径向通道半径100可小于保护环插件的轴向高度的百分之10、20、30、40、50、60、70、80或90。径向通道半径100可在保护环插件的轴向高度的百分之10-90、20-80、30-70或40-60之间。虽然径向通道94示出为具有弧形截面，但是应当理解径向通道94可具有任何合适的截面(例如，矩形、三角形、带有变化的曲率的弧形等)或者便于燃烧气体以本文公开的方式转移的配置。此外，虽然图示了多个径向通道94，但是应当理解可提供任何合适数目的径向通道94，诸如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10个或更多个。另外，径向通道94可以以任何合适的方式分布，包括在活塞20周围带有均匀的轴向间隔。
图4是活塞20的实施例的一部分的侧视截面图，该活塞20具有顶部环44和形成在活塞20的顶部槽脊40中的一个径向通道94。在所示实施例中，径向通道94形成在面朝轴向的表面102中。径向通道94从顶部槽脊40的外表面80沿径向朝内延伸(例如，沿着径向轴线36)。在发动机10的操作期间，燃烧气体在顶部环44的外部面90上施加压力，且产生径向朝内的力108，其驱动顶部环44远离气缸26的内环形壁28。
虽然间隙120(例如，顶部凹槽间隙)设置在顶部环44的顶部面121(例如，轴向上部面)与活塞20的面朝轴向的表面102之间，以使一些燃烧气体能够在顶部凹槽42内流动，但是期望使越过间隙120的第一轴向距离102构造成最小化环升高(lift)和摆动。因此，在没有所公开的实施例的情况下，油可积聚在相对小的间隙120中，且阻止燃烧气体通过顶部凹槽42的流动，且如果间隙120被油阻塞，则间隙120可能不能够实现燃烧气体到顶部环44的内部面124(例如，径向内部面或内圆周面)的高效、可靠的转移。相应地，在没有所公开的径向通道94的情况下，油可积聚在顶部凹槽42中，且如果间隙120被油阻塞，则可能越过顶部环44(例如，在外部面90与内部面124之间)存在大的压力差。例如，在没有所公开的径向通道94的情况下，油可粘附到顶部凹槽42且阻止燃烧气体的流动，以及因此，邻近外部面90的压力可大于邻近内部面124的压力。在这种情形中，顶部环44可容易产生径向环破坏，这继而导致例如增大的油消耗和窜漏。
在本实施例中，径向通道94可构造成促进燃烧气体到空间130(例如，环形空间)的转移，该空间邻近顶部环44的内部面124和顶部凹槽42的内壁131(例如，内环形壁)，这可提供顶部环44的增大的稳定性。空间130中的燃烧气体可施加径向朝外的力134以平衡或抵消径向朝内的力108，且越过顶部环44的压力可大致平衡或者另外受控以阻止径向环破坏且例如维持在气缸26的内环形壁28与顶部环44之间的接触。
另外，如图所示，顶部环44的外表面90构造成接触内环形壁28以形成密封点107。这种配置可有利地使顶部环44能够在发动机10的操作期间刮掉来自气缸26的内环形壁28的油。另外，油是大体有粘性且粘附的液体，其可粘附到活塞20(在某些情况中，包括顶部凹槽42)。径向通道94在顶部环44与面朝轴向的表面102之间提供总体更大的裂缝体积和较大的轴向距离103，以及较低的表面面积对体积比。这种配置可减少粘附且大体促进油从顶部凹槽42向外(例如，到燃烧室12内或沿着气缸26的内环形壁28)的流动，且因此，可改善油控制以及减少发动机10内的油消耗。
如上文所述，在一些实施例中，活塞20是钢活塞。在某些实施例中，活塞20是铝活塞。活塞20可以可选地包括环绕顶部凹槽42(例如，在活塞20周围沿周向延伸且内衬顶部凹槽42)的保护环插件或环支撑插件150(例如，耐蚀镍合金环插件)。保护环插件150可沿着顶部环凹槽42的全部或部分延伸(例如，面朝轴向的表面102、内壁131和/或底部面朝轴向的表面112)。例如，在所示截面中，保护环插件150具有大体C形或U形的形状。
如上所述,保护环插件150可由比形成活塞20的材料更耐磨损、更耐热和/或更耐压的插件材料形成。例如，插件材料可构造成经受比形成活塞20和/或顶部环44的材料所经受的温度和/或压力大百分之5、10、15、20、25、30、35、40、60、70、80、90、100、150、200、250、300或更多百分数的温度和/或压力。在某些实施例中，保护环插件150可由具有比形成活塞20和/或顶部环44的材料更大(例如，大百分之5、10、15、20、25、30、35、40、60、70、80、90、100、150、200、250、300或者更多百分数)的硬度的插件材料形成。如下面更详细论述的那样，在一些实施例中，保护环插件150可为耐蚀镍合金环插件，其包括镍合金(例如，多种镍合金中的任一种，诸如ASTMA436,类型1)。大体上，插件材料可使活塞20能够在大型工业发动机的长操作寿命期间经受这种发动机中的高压和/或高温。
保护环插件150可铸造到顶部环凹槽42中且可构造成支撑顶部环44。在其他实施例中，保护环插件150可安装在节段中且在顶部环凹槽42中联结在一起(例如，经由焊接、硬焊等)。在其他实施例中，保护环插件150可经由应用覆层(例如，喷雾涂覆)或任何其他合适的技术安装。在一些实施例中，保护环插件150可包括镍合金(例如，多种镍合金中的任一种)且可构造成经受发动机10内的高压和/或高温。
在具有保护环插件150的实施例中，如图所示，径向通道94可在保护环插件150内形成(例如，保护环插件150的面朝轴向的表面)。如上所述，在具有保护环插件150的某些实施例中，径向通道半径100可比保护环插件的轴向高度151小百分之10、20、30、40、50、60、70、80或90。径向通道半径100可在保护环插件的轴向高度151的百分之10-90、20-80、30-70或40-60之间。在一些实施例中，保护环插件150中的径向通道94可有利地使径向通道94能够安装到简单的环形凹槽中，而不是经由直接在活塞20本身中形成径向通道94。另外，各个保护环插件150(例如，具有径向通道94的各种构造、数目和/或尺寸)可插入到具有构造成接受这种保护环插件150的对应凹槽的多个活塞的任一个内。因此，保护环插件150可用于定制凹槽(例如，顶部环凹槽42)以具有合适的径向通道94的配置、数目和/或大小(例如，一族不同的保护环插件150可选择性地与活塞20一起使用)。
图5示出活塞20的实施例的一部分的侧视截面图，该活塞20具有形成在顶部环44中的一个径向通道94。在某些实施例中，径向通道94可沿着顶部环44的顶部面121形成。除了在活塞20的顶部槽脊40中形成的径向通道94或者作为该径向通道94的备选，可提供这种通道，例如在图2-图4中所示。
如图所示，形成在顶部环44中的径向通道94可从外部面90沿径向朝内延伸(例如，沿着径向方向36)到顶部环44的内部面124。径向通道94可沿着与径向通道94一致的半径100增加顶部环44的顶部面121与顶部凹槽42的面朝轴向的表面102之间的轴向距离104。因此，径向通道94可促进油从顶部凹槽42向外流动，从而允许燃烧气体从腔30到邻近内部面124的空间130的可靠流动，如通过箭头172所示。如上文所论述，气体到空间130的转移可控制顶部环44的内部面124与环形外部面90之间的压力差，以及因此，使顶部环44能够维持与气缸26的内壁28的接触。
如上文所述，径向通道94可帮助在顶部环44的内部面124与顶部环44的外部面90之间平衡压力或创造压力差，从而帮助使顶部环44相对于气缸26径向朝外偏置，以阻止例如径向环破坏和/或窜漏。另外，顶部环44和/或径向通道94可构造成阻止径向环破坏和窜漏，同时还提供发动机10内的油控制。如上文所述，在一些实施例中，活塞20是钢活塞。在某些实施例中，活塞20是铝活塞。活塞20可以可选地包括具有上文所述特征的任一项的保护环支撑插件150。
公开的实施例的技术效果包括提供用于经由通道(诸如径向通道94)控制发动机10内的油的流动和/或燃烧气体的分布的系统。例如，燃烧气体可对活塞组件的顶部环44的外部面90施加压力。形成在顶部槽脊40中或顶部环44中的径向通道94可将燃烧气体转移到邻近顶部环44的内部表面124的空间130，从而控制外部面90与内部面124之间的压力梯度以及使顶部环44能够维持与气缸26的内壁28的接触。这种构造还可有利地限制接近径向通道94的油，从而提供燃烧气体通过径向通道94的可靠的、持久的转移。公开的实施例可例如有利地减少发动机10内的油消耗、排放、窜漏、径向环破坏和/或摩擦。
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。本发明可申请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同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，则意图使这些其它示例处于权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于往复式发动机的动力气缸系统，包括：
钢活塞，其构造成在所述往复式发动机的气缸内移动；
凹槽，其在所述活塞的顶部槽脊下方在所述活塞周围沿周向延伸且构造成支撑具有内圆周面的环；以及
一个或多个通道，其形成在所述顶部槽脊中且构造成促进燃烧气体到位于所述凹槽的一部分与所述环的内圆周面之间的空间的转移。
2.根据权利要求1所述的动力气缸系统，其特征在于，所述钢活塞构造成具有小于十八米每秒的最大平均活塞速度。
3.根据权利要求1所述的动力气缸系统，其特征在于，所述一个或多个通道包括大于大约一毫米的半径。
4.根据权利要求1所述的动力气缸系统，其特征在于，所述钢活塞包括大于大约十厘米的直径。
5.根据权利要求1所述的动力气缸系统，其特征在于，所述一个或多个通道在所述凹槽的面朝轴向的上表面中沿径向延伸。
6.根据权利要求1所述的动力气缸系统，所述动力气缸系统包括所述环，其特征在于，所述环构造成刮掉来自所述气缸的内壁的油。
7.一种用于往复式发动机的动力气缸系统，包括：
活塞，其构造成在所述往复式发动机的气缸内移动；
凹槽，其在所述活塞的顶部槽脊下方在所述活塞周围沿周向延伸；
保护环插件，其布置在所述凹槽内且构造成支撑具有内圆周面的环；以及
一个或多个通道，其形成在所述保护环插件中且构造成促进燃烧气体到位于所述凹槽的一部分与所述环的内圆周面之间的空间的转移。
8.根据权利要求7所述的动力气缸系统，其特征在于，所述活塞构造成具有小于十八米每秒的最大平均活塞速度。
9.根据权利要求7所述的动力气缸系统，其特征在于，所述一个或多个通道包括大于大约一毫米的半径。
10.根据权利要求7所述的动力气缸系统，其特征在于，所述活塞包括大于大约十厘米的直径。
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