CN118043576A - 抗摩擦密封环 - Google Patents

Abstract

提供了系统和方法，其被提供用于密封元件，所述密封元件布置在活塞组件的环槽中，以在第一界面处密封所述环槽，并在第二界面处密封其中布置有活塞组件的气缸的孔。密封元件的特征部布置在第一界面处，以用于减小密封元件和环槽之间的摩擦。第二界面在操作期间没有液体润滑剂或油。

Description

抗摩擦密封环

本公开涉及用于减少密封环和活塞之间摩擦的特征部，并且更具体地，涉及密封环和/或活塞环岸上的图案化凹槽，以减少界面摩擦，从而允许密封环移动(例如径向移动)以保持密封。

相关申请的交叉参考

本申请要求2021年7月30日提交的美国临时专利申请No.63/227,775的权益，其公开内容全文由此以引用方式并入本文。

发明内容

在线性发电机(例如，或任何其他合适的活塞-气缸装置，该装置使用气体作为其工作流体)中，活塞环可能需要与活塞、气缸壁、其他环形段或其组合保持牢固接触(例如，最小间隙)或以其他方式与活塞、气缸壁、其他环形段或其组合形成密封。气缸中的气体(例如，密封前面的高压区域)和环境或接近环境的条件(例如，密封后面的低压区域)之间的压力差可以提供足够的力来在密封界面处保持足够的接触压力。应当理解，“前面”是指轴向上更靠近高压区域的位置或相对位置，“后面”是指轴向上更远离高压区域的位置或相对位置。环形段可能还需要相对于活塞、气缸和其他环形段自由移动，以便除了适应沿气缸孔轮廓的变化之外，还适应轴向和偏心活塞运动。在任何密封界面处不能自由滑动(例如，由于界面处的接触力可能产生的摩擦力)可能导致部件之间的高接触力以及在其他密封界面处的开放间隙。这些高接触力可能导致任何密封界面处的密封失效。许多活塞-气缸装置的跨密封界面的压差(例如，高压区域(由来自反应部分的加压流体填充)和低压区域之间的压差)有利于保持密封。压差产生的摩擦力阻碍两个界面的相对运动。这些摩擦力导致活塞环表面磨损，不能适应孔的变化，或者以其他方式偏离预期的密封界面性能。

在某些情况下(例如，极端情况下)，该摩擦力可以足够大，以将环形段锁定到位。例如，如果环和活塞之间的界面(例如接触界面)处的摩擦力相对于驱动环径向向外的气体压力所施加的力较大，则气缸壁直径的膨胀(例如，由于热膨胀，其可能沿孔是不均匀的)可能导致环-气缸接触开口(例如，形成间隙和较少的密封)。然后，气体可能通过环的外表面(例如在外径(OD)处)泄漏。流过外径的气体的压力进一步减小了驱动环径向向外的净力，并可能导致环保持在原位而密封失效。

在某些情况下(例如，不太极端情况下)，驱动力足以克服摩擦并产生环形段的运动/位移。然而，环表面的摩擦也会对环形段本身施加剪切载荷。如果摩擦的大小或方向不连续(例如，在滑动界面的边缘处)，则摩擦载荷可能使环断裂。因此，有利的是将在密封界面处作用在环形段上的摩擦最小化。

本公开涉及一种活塞组件。活塞组件包括活塞和密封元件，活塞包括环槽，密封元件布置在环槽中以在第一界面处密封环槽并在第二界面处密封气缸的孔，其中在第一界面处布置有用于减小密封元件和环槽之间的摩擦的特征部。此外，第一界面和第二界面在操作期间没有液体润滑剂或油。

在一些实施例中，环槽或密封元件中的一者包括特征部。

在一些实施例中，所述特征部包括一组通道，其布置成接收来自高压区域的气体，以减小密封元件和活塞之间的接触力。

在一些实施例中，所述特征部减小了密封元件和活塞之间的接触力，从而减小了密封元件和活塞之间在径向和方位角方向二者上的摩擦力。

在一些实施例中，本公开涉及一种密封环组件，其包括至少一个环形段。密封环组件配置成密封气缸的孔、磨损孔并密封活塞的环槽，其中布置在密封环组件和环槽之间的界面处的特征部配置成减小摩擦力。

在一些实施例中，密封气缸孔并磨损气缸孔的密封环组件包括第一段、第二段以及

布置在第一段和第二段之间的界面处的特征部，该特征部减小摩擦力。

在一些实施例中，本公开涉及一种密封环组件，其包括第一密封元件和第二密封元件，第一密封元件包括至少一个第一段，第二密封元件包括至少一个第二段，其中第二密封元件在轴向上设置在第一密封元件的后方。此外，所述至少一个第一段和所述至少一个第二段之间的界面处设置特征部，用于减小第一密封元件和第二密封元件之间的界面处的摩擦力。

在一些实施例中，特征部包括一组通道，其布置成接收来自高压区域的气体，以减小界面处的接触力。

在一些实施例中，特征部减小界面处的接触力，从而减小密封元件在径向和方位角方向上的摩擦力。

在一些实施例中，本公开涉及一种线性发电机，其包括气缸和平移器，气缸包括孔，平移器包括相对于气缸布置的活塞，以在没有液体润滑剂或油的情况下沿孔移动，其中活塞包括环槽。线性发电机还包括：定子，定子配置成与平移器电磁相互作用；密封元件，密封元件布置在环槽中，以在第一界面处密封环槽，并在第二界面处密封气缸的孔；以及

特征部，其布置在第一界面处，其减小密封元件和环槽之间的摩擦。

本公开涉及一种线性发电机，其包括气缸和平移器，气缸包括孔，平移器包括活塞，所述活塞相对于气缸被布置成在没有液体润滑剂或油的情况下沿孔移动，其中活塞包括环槽。线性发电机还包括定子和密封元件，定子配置成与平移器电磁相互作用，密封元件布置在环槽中并包括第一段和第二段，其中密封组件在第一界面处密封环槽。第一段和第二段在第二界面处彼此密封。此外，特征部布置在第二界面处，其减少第一段和第二段之间的摩擦。

在一些实施例中，密封元件限定了低压区域和高压区域，活塞经历连续冲程，在每个冲程的至少一部分中，气体从高压区域流向特征部，并且在每个冲程的至少一部分中，气体从第一界面流向低压区域。

在一些实施例中，特征部包括一组通道，所述通道布置成接收来自气缸的高压区域的气体，以减小密封上的接触力。

在一些实施例中，特征部减小密封元件上的接触力，从而减小密封元件在径向和方位角方向上的摩擦力。

在一些实施例中，本公开涉及一种在活塞和气缸之间进行密封的方法。所述方法包括在没有液体润滑剂或油的情况下在密封元件和气缸的孔之间形成密封，在密封元件和活塞的环槽之间形成密封，以及允许来自高压区域的气体占据密封元件的第一段和第二段之间的界面中的至少一部分界面以减小摩擦力。

在一些实施例中，本公开涉及一种在活塞和气缸之间进行密封的方法，该方法包括在没有液体润滑剂或油的情况下在密封元件和气缸的孔之间形成密封，在密封元件和活塞的环槽之间形成密封，以及允许来自高压区域的气体占据密封元件和活塞之间的界面中的至少一部分界面以减小摩擦力。

在一些实施例中，该方法还包括径向向外移动密封元件，以在循环过程中以及在密封元件磨损时保持与孔的密封。

在一些实施例中，该方法还包括在活塞冲程的至少一部分期间将气体排放至低压区域。

附图说明

根据一个或多个各种实施例，参考以下附图详细地描述了本公开。附图仅出于说明目的而提供，并且仅仅描绘了典型或示例性实施例。提供这些附图以便理解本文公开的概念，并且不应将这些附图视为对这些概念的广度、范围或适用性的限制。应注意，为了清楚和易于说明，附图不一定按比例绘制。

图1示出了根据本公开一些实施例的示例性活塞和气缸组件的横截面视图；

图2示出了根据本公开一些实施例的由于摩擦锁定导致的示例性环密封失效；

图3示出了根据本公开一些实施例的具有低纵横比和高纵横比的环径向运动的示例；

图4示出了根据本公开一些实施例的使用气穴的环径向运动的示例；

图5示出了根据本公开一些实施例的用于减小分段环组中的摩擦力的气穴的示例；

图6示出了根据本公开一些实施例的在线性发电机循环中的峰值压力点处的表面接触部的微凸体之间的模拟气体压力；

图7示出了根据本公开一些实施例的具有不同填充密度的通孔进料图案的两个示例；

图8示出了根据本公开一些实施例的应用于环-活塞密封界面的特征部的示例；

图9A和图9B示出了根据本公开一些实施例的在两个环之间的界面处应用的特征部的示例；

图10示出了根据本公开一些实施例的示例性发动机的横截面视图，其包括两个活塞组件，每个活塞组件包括密封环组件；

图11是根据本公开一些实施例的用于密封活塞-缸装置的说明性技术的流程图；

图12示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件的透视图；

图13示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件的横截面视图，其包括用于压力锁定的特征部；

图14示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件的横截面视图，其包括用于压力锁定的特征部和用于平衡径向力的特征部；

图15示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件的一部分的透视图，所述密封环组件包括用于平衡径向力的特征部；

图16示出了根据本公开一些实施例的图13所示示例性密封环组件的一部分的透视图，其包括用于平衡径向力的特征部；

图17示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件的横截面视图，其包括用于压力锁定的特征部；

图18示出了根据本公开一些实施例的图17所示示例性密封环组件的横截面视图，其示出了后环间隙；以及

图19示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件的后表面的视图。

具体实施方式

本公开适用于减少活塞-环摩擦的特征部。

本文所用术语“密封”是指高压区域和低压区域的形成、维持或形成和维持。例如，密封可以包括密封环组件，其配置成通过限制密封的高压边界和低压边界之间的流动来减小气体从高压区域到低压区域的泄漏率。因此，密封可以根据其对泄漏率的限制来定义。应当理解，如本文所述的密封，诸如密封环组件，可以具有任何合适的相应泄漏率。例如，在一些情况下，相对较差的密封可以允许更多的泄漏，但基于一个或多个相关的性能标准，这可能是可接受的。在另一个示例中，配置用于活塞和气缸装置的高效操作的密封环组件可以具有相对低的泄漏率(例如，其是更有效的密封)。

如本文所用的，“环形段”应指延伸方位角大于零度的密封元件，其具有径向外表面，并配置成至少沿径向外表面的一部分密封孔。如果围绕整个孔在方位角上不是连续的，则环形段可以包括端面。

如本文所用的，“环”应指包括至少一个环形段的密封元件，该环形段可以但不必须沿孔在方位角上连续。例如，环可以包括一个环形段，在这种情况下，这些术语会有重叠。在又一个示例中，环可以包括四个环形段，在这种情况下，环指的是四个环形段的集合。环可以包括但不必须包括一个或多个环形段之间的一个或多个界面。“环”还应指包括至少一个环形段的密封元件，所述环形段配置成密封活塞的环岸。

如本文所用的，“间隙盖元件”应指一种密封元件，所述密封元件配置成在界面处密封一个或多个环形段，并在所述一个或多个环形段磨损期间密封孔的至少一部分。尽管当环磨损时，间隙盖元件可以用作环形段，但是为了本公开中讨论的目的，为了清楚起见，间隙盖元件不被认为是环形段。

如本文所用的，“密封环组件”应指一个或多个环的组件，并且有时也指一个或多个间隙盖元件的组件，配置成与活塞接合，并配置成在气缸的高压区域和低压区域之间进行密封。例如，单个环形段可以是环和密封环组件。在另一个示例中，几个环形段和相应的间隙盖可以是密封环组件。

图1示出了根据本公开一些实施例的示例性活塞和气缸组件100的横截面视图。气缸160可以包括孔162，所述孔是活塞组件110在其中行进的内圆柱面。活塞组件110可以包括活塞126，所述活塞包括密封环槽122，密封环组件120配置成骑在所述密封环槽中。当活塞组件110沿着轴线180所示的轴向方向平移时(例如，在发动机循环期间)，在气缸160中，高压区域150中的气体压力可以改变(高压区域150可以用气缸盖或相对的活塞封闭)。例如，随着活塞组件110在与轴线180的方向相反地移动(即，向图1中的左侧移动)，高压区域150中的压力可以增加。位于密封环组件120后部的低压区域170在活塞和气缸组件100的活塞冲程或循环的至少一部分中(如果不是大部分的话)可以处于低于高压区域150的压力的气压下。高压区域150和低压区域170中的压力范围可以是任何合适的范围(例如，从低于大气压到远超过250巴)，并且可以取决于压缩比、呼吸细节(例如，增压压力、压力波、端口定时)、损耗、气体的热化学性质及其反应。因此，本文所述的密封环组件可以用于密封具有任何合适压力范围的任何合适的高压区域和低压区域。应当理解，密封环组件120的“前部”指的是在轴向上最靠近高压区域150的面，以及密封环组件120的“后部”指的是在轴向上最靠近低压区域170的面。

应当理解，除非另有说明，否则本文所指的所有压力都是绝对单位(例如，不是表压或相对单位)。

应当理解，高压和低压可以指活塞和气缸装置的瞬态压力状态。例如，参考发动机循环，在发动机循环的大部分时间内(例如，除了可能在循环的呼吸或接近呼吸部分期间)，密封环组件的高压侧可以具有高于密封环组件的低压侧的压力。因此，高压和低压是相对的，并取决于被密封气体的条件。

密封环组件可以用于密封高压区域和低压区域，每个区域均在任何合适的压力范围内运行。还将理解的是，密封环组件可以在循环中在不同位置处进行不同的密封。还应当理解，对于活塞和气缸组件的活塞冲程或循环的一部分中，低压区域可以包括比高压区域的压力更大的压力。例如，密封环组件可以总是将高压区域与低压区域密封开。在另一个示例中，只要高压区域中的压力大于低压区域中的压力，密封环组件就可以将高压区域与低压区域密封开。在又一个示例中，只要高压区域中的压力大于低压区域中的压力，密封环组件就可以将高压区域与低压区域密封开，并且相反，只要低压区域中的压力大于高压区域中的压力，密封环组件就可以将低压区域与高压区域密封开。

在一些实施例中，密封环组件120可以在气缸160的孔162上沉积材料(例如，包括自润滑材料)。沉积的材料可以润滑孔162和密封环组件120之间的孔-密封环组件界面(例如，提供干润滑剂)。因此，在一些实施例中，活塞和气缸组件100可以在没有用于润滑的液体(例如油)的情况下运行。

在一些实施例中，活塞126可以是敞口活塞。例如，活塞126可以包括从高压区域150到环槽122的开口、切口或其他流体路径。因此，在采用敞口活塞的一些实施例中，密封环组件120的径向内表面(例如，图1中在径向方向上的参考轴线182)可以暴露于高压区域150的气体压力。

润滑和材料选择

根据本公开的一些实施例，图2描绘了其中环202受到足够摩擦的场景200，其中环202抵靠并锁定活塞206的表面204。场景200可以包括影响用于本公开的各种部件和特征部的润滑率以及材料选择的环境。场景200可以包括比图2所示的元件更多或更少的元件；例如，环202可以由弹簧径向向外朝向气缸212偏压。参考图2描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1和图3至图19的任何或所有图中。

环200描绘为被卡住或以其它方式不能相对于活塞206的表面204自由移动(例如滑动)。摩擦力208由平行于表面204延伸的箭头示出。环202和表面204之间的界面(例如，接触界面)处的摩擦力208相对于由气体压力210施加的力较大，所述气体压力朝向气缸壁212径向向外驱动环202。气缸壁212可以沿着径向方向244膨胀，使得对应于气缸壁212的直径超过环202的膨胀直径。气缸壁212的膨胀可以由热膨胀引起，所述热膨胀沿着孔可以是不均匀的。气缸壁212的膨胀产生了环-气缸接触开口218(例如，形成间隙和较小的密封)。然后，允许气体遵循气体泄漏轨迹216经过环202的外表面220(例如，在环202的外径或OD处)。流过OD的气体的压力进一步减小了径向向外驱动环的净力，并确保了环保持在适当位置，且密封完全失效。

用于减少密封界面处(例如，环202和表面204之间)摩擦的一种方法是减小针对给定接触力的摩擦量或摩擦系数。例如，这可以通过在界面处(例如，沿着表面204)施加液体润滑剂来实现。这种技术集中于通过改变润滑剂的性质来减小由润滑剂传递的力，或者集中于增加分开两个表面的润滑剂膜的厚度。

在没有润滑剂的情况下，交界表面的材料可以被选择成具有固有的低摩擦系数。表面本身也可以被涂覆、抛光或以其他方式制备以减小摩擦系数。

纵横比

根据本公开的一些实施例，图3描绘了对应于低纵横比的场景300A，其中环302A包括平行于活塞206的表面204布置的低径向表面区域304B，以及对应于高纵横比的场景300B，其中环302B包括平行于活塞206的表面204布置的高径向表面区域304C。场景300A和300B中的每一个都可以包括影响用于本公开的各种部件和特征部的润滑率以及材料选择的环境。场景300A和300B中的每一个都可以包括比图3所示的元件更多或更少的元件。参考图3描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1、图2和图4至图19的任何或所有图中。

如场景300A所示，气缸压力(例如，高径向表面区域304A后面的高压区域)需要克服摩擦力208以沿所需的环轨迹306径向向外移动环202。如图所示，摩擦力208沿着活塞206的表面204将环302A保持在原位。摩擦力208的大小基于环302A的径向厚度或径向区域(例如，对应于低径向表面区域304B)相对于环302A的轴向厚度或轴向区域(例如，对应于高径向表面区域304A)的减小而减小。因此，接触表面204的环302A的压力暴露区域减小，而径向向外驱动环302A的压力暴露区域保持不变或增大(例如，高压表面区域304A大于低压表面区域304B)。

相反，标为环302B的高压表面区域304C的压力暴露区域布置成与活塞206的表面204平行。这种布置减小了环302B在低压暴露区域304D上的表面面积，从而增加了摩擦力210，同时减小了将环302B压向气缸壁212的力。可以通过增加垂直于所需环轨迹的压力暴露区域来减小摩擦力，从而更普遍地应用这个原理。在某些情况下，可能难以将此概念应用于更复杂的几何形状(例如，其中一个表面是非线性的)。此外，由使环302A和302B朝向气缸212径向向外膨胀的气缸压力以外的方式驱动的环302A和302B的运动可能降低这种效果的有效性。

气穴

根据本公开的一些实施例，图4描绘了场景400，其中环402包括活塞206的表面204上的气穴404(例如，减小摩擦特征部)。场景400可以包括影响用于本公开的各种部件和特征部的润滑率以及材料选择的环境。场景400可以包括比图4所示的元件更多或更少的元件。参考图4描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1至图3和图5至图19的任何或所有图中。

在某些情况下，不期望改变环纵横比。例如，可能需要径向更厚的环来获得足够的刚度。在一些这种情况下，如图4所示，可以通过去除环402和活塞206的表面204之间的接触表面区域的一部分来减小接触压力。这就形成了气穴404，所述气穴配置成由气缸气体填充(例如，从与环402和气缸壁212之间的接触表面相对的表面上的环402的高压区域)。大的环纵横比(例如，其中环402和表面204之间的接触表面积超过环402暴露于高压区域的表面积)可以通过用在与轴向压力相反的方向上作用的气穴404中的气体压力抵消轴向压力来克服，从而使环402抵靠气缸壁212形成密封。如场景400所示，根据本公开的一些实施例，通过使用气穴404能够实现期望的环轨迹306。

此外，通过减小垂直于接触部(例如，并且平行于期望的活塞轨迹306的方向)的净压力暴露区域，用填充有气体的气穴(例如，一个或多个气穴404)代替密封表面区域可以具有与改变环纵横比相同的影响。只要在所有气穴和环境压力气体之间保持足够的密封长度(例如，环402接触表面204的表面积)，就可以应用这个概念。此外，为了实现期望的效果，相对于相反方向上的任何力(例如，垂直于表面204的其他表面处的加速度或摩擦中的至少一者)，保持垂直于接触部的足够大的净力。

图5示出了根据本公开的一些实施例的组件500，其包括第一环形段502，第一环形段形成对第二环形段504的密封。组件500可以经受影响用于本公开的各种部件和特征部的润滑率以及材料选择的环境。组件500可以包括比图5所示的元件更多或更少的元件。参考图5描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1至图4和图6至图19的任何或所有图中。

组件500示出为具有第二环形段504，第二环形段包括图4中的气穴404。根据本公开的一些实施例，气穴404配置成减小接触表面506和活塞206之间的摩擦力。第二环形段504形成对活塞206的密封。在一些实施例中，第三环形段(未示出)可以布置在第二环形段504的顶部。第一环形段502配置和设置成朝向活塞206的外表面向外滑动，并且还配置成朝向段504滑动以保持段之间的密封。在一些情况下，段504可沿着活塞206锁定就位，这可导致段504和段502之间的气体泄漏。增加气穴404通过减小第二环形段504和活塞206之间以及第二环形段504和第三环形段(未示出)之间的摩擦力而允许第二段504更自由地移动，所述第三环形段可以布置在第二环形段504的顶部上以形成对段504的表面的密封，从而防止或消除泄漏。

对材料、纵横比和气穴的考虑

在某些高温应用中(例如，在氧化环境中)，大多数液体润滑剂在化学上不稳定，并且大多数低摩擦材料和涂层不能保持用于或用作结构元件的足够的强度。自润滑材料，诸如石墨和某些聚合物，可以用于构造环，以消除擦划和磨损失效并减少摩擦。然而，在高压应用中，摩擦力仍然可能大到足以阻碍运动、使环断裂或两者兼有。此外，一些自润滑材料可能以相对较大的速率磨损，并且一些自润滑材料易碎。因此，可能期望设计具有大纵横比的环，以便获得足够的刚度、强度和耐磨性。密封表面上增加的气穴可以减少摩擦。下面讨论对于实现气穴的一些考虑。

第一个考虑涉及气穴通过将净压力暴露面积和接触面积减少相同量来减小接触力。因此，气穴可能不会减小剩余密封表面处的局部接触压力。虽然这减少了作用在整个环上的摩擦力，但与表面相切作用的局部摩擦应力仍然很高，这仍然可能在零件中产生高应力并导致失效。

另一个考虑因素产生于密封的接触面积，所述密封在密封不再起作用之前只能减少这么多。因此，可以添加到密封上的压力穴的尺寸(例如，凹槽的量)存在实际的限制。

又一个考虑与诸如线性发电机的装置相关联，其中装置的气缸可以填充空气和燃料的均匀混合物，所述混合物可以反应以产生有用功。引入到组件中的气穴(例如，经由包括本公开特征部的环组件)可以构成缝隙体积。当反应试图通过小空间，例如(例如，环表面和活塞表面之间的)密封表面中的穴传播时，热气体传出到周围表面中的热传递速率会超过反应放热速率，这可能导致反应淬熄。这种缝隙体积降低了系统效率，并且是烃的排放源。系统压力越高，这些体积中的气体密度越大，它们的影响也就越大。不需要包括气穴，或者在某些情况下可以较少程度地包括气穴，因为尽管它们减少了摩擦，但它们也增加了缝隙体积。

抗摩擦特征部

在一些实施例中，本公开涉及一种形成跨密封表面的窄气体供给以将气体分配到密封表面的接触界面中并减少由接触产生的摩擦的方法。

图6描绘了气体从高压区域流入两个接触面之间的空间中。例如，高压区域可以在环的前面，并且所述空间在环和活塞或气缸之间，或者高压区域可以在第一接触表面的一个面中的气体供给部或窄通道内，同时气体在第一接触表面和第二接触表面之间的所述供给部附近流动，如下面进一步描述的。根据本公开的一些实施例，曲线图600示出了竖向轴上的归一化气体压力602(即，微凸体压力与气缸压力的比率)与在水平轴上沿密封界面606距供给部的距离604之间的关系，包括描绘环表面轮廓610和活塞表面轮廓612的聚焦视图608。参考图6描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1至图5和图7至图19的任何或所有图中。

举例来说，在微观层面上，所有密封表面均包括一系列不均匀的峰或微凸体和谷之间的接触部(例如，如聚焦视图608内的环表面轮廓610和活塞表面轮廓612两者所示)。例如，即使对于光滑度为100nm Ra的密封表面，也可能小于10％的表面积实际处于接触。剩余的表面积可以包括接触的微凸体之间的谷。流体(例如，来自高压区域的气体)能够流过该空隙空间，尽管流动受到通道小尺寸的限制。根据本公开的一些实施例，曲线图600示出了线性发电机循环中峰值压力点处表面接触部的微凸体之间的模拟气体压力(例如，由归一化气体压力602表示)。曲线图600示出了流过密封接触部(例如，沿着密封界面606)中的微凸体的二维模型的结果。在曲线图600中线性发电机循环中的峰值压力时刻的气体压力被绘制为距密封表面的高压边缘的法向距离的函数。在建模几何体的说明性示例中，总密封长度(例如，对应于距供给部的距离604的高压至低压长度)是3.5mm。进一步的建模和相关研究表明，从密封的高压边缘614(例如，朝向低压边缘616)的穿透距离是表面粗糙度和上游压力(和时间)的函数，而不是可用密封长度(例如，对应于距供给部的距离604)的函数。此外，如果从多个方向向表面供给加压气体，压力穿透长度保持相同，直到供给部变得比穿透长度更靠近在一起。因此，该穿透长度可以被视为系统压力曲线和密封表面粗糙度的特征长度。应当理解，虽然曲线图600的横坐标范围为0-3.5mm，但是根据本公开可以使用任何合适的几何尺寸(例如，密封长度可以小于或大于3.5mm，其中3.5mm仅是示例性的)。此外，可以以任何合适的方式定义密封长度，并且不需要对应于为0的微凸体压力(例如，在图6的情况下，可以定义对应于大约2mm的密封公制)。

进入到接触微凸体之间的间隙中的压力穿透会局部降低微凸体本身之间的接触压力。表面仍然保持接触，但是在表面接触和气体压力之间局部地分担驱动环进入密封接触部的力(例如，气体压力在任一表面上的任一方向上施加远离界面的向外的力)。因此，在一些实施例中，在保持的同时摩擦减小。

在一些实施例中，本公开涉及具有跨密封表面的通道的阵列，该密封表面用作用于使气体(例如，来自高压区域的气体)流入界面中的歧管。给定垂直于任何通道的压力穿透的已知的恒定特征长度，供给部之间的间距决定了由加压气体填充表面界面的比例。这又决定了该表面(例如界面)处的接触压力和摩擦力。只要孔或通道与气缸的高压气体连通，气体可以通过任何合适横截面的通道或穿透密封表面的孔供给。通道可以平行排列、以栅格排列或以任何其他合适的排列方式排列，并且孔可以以控制连续孔之间距离的任何式样排列。密封表面的给定区域中的通道密度决定了局部接触压力，并因此决定了抵抗环形段运动的局部摩擦力。通道或孔可以密集地填充以最小化摩擦，或者更分开地放置通道或孔以允许更大的摩擦力(例如，摩擦力的减小可以与界面处的特征部密度成比例或以其他方式取决于界面处的特征部密度)。

图7描绘了根据本公开的一些实施例的孔阵列702A(例如，布置中的多个孔)的侧视图700，孔阵列702A对应于微凸体压力图704A，其图示了通过一行孔的压力分布，而孔阵列702B以类似方式对应于微凸体压力图704B。侧视图700可以暴露于影响用于本公开的各种部件和特征部的润滑率、磨损率以及材料选择的环境中。侧视图700可以包括比图7中所示的元件更多或更少的元件。参考图7描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1至图6和图8至图19的任何或所有图中。

图7示出了具有不同图案密度的孔阵列的两个示例；例如，孔阵列702A对应于密集的图案，以及孔阵列702B对应于更分散的图案。根据本公开的一些实施例，通孔供给图案对应于不同的填充密度。在循环中的峰值压力点处，每个图案的压力曲线也示出在微凸体压力图704A和微凸体压力图704B中的每一个中，证明了通过增加供给部密度来调整接触压力的能力。

侧视图700示出了其中高压供给部706向低压排放部708供给气体的示例性下游环境。可以以两种方式建立供给部之间的低压。在一些情况下，流710可以在一个方向上从高压供给部706向低压排放部708行进。在此种情况下，最靠近高压供给部706的微凸体将总是处于或接近气缸压力(例如，高压区域的压力)，并且最靠近低压排放部708的微凸体将总是处于环境压力(例如，或以其他方式处于或接近低压区域的压力)。在其他情况下，跟随所述流710的气体可以填充两个加压供给部(例如，一对高压供给部706)之间的微凸体，而无需对任一供给部使用低压排放部708。举例来说，在峰值压力点处，微凸体压力图704A和微凸体压力图704B中的每一个图的压力曲线可以类似于图7中所示的压力曲线，其中在供给部的中心位置(例如，在供给部之间)具有较低的压力，并且从两个方向向内流动(例如，从供给部/特征部到接触界面的其余部分)。在循环结束时的一些操作条件下，高压区域中的气体的压力可能已经下降到环境压力或更低的压力，并且仍然在微凸体中的任何加压气体能够流出(例如，由于压差)。举例来说，微凸体气体压力的初始条件因此在高压区域的下一次压缩之前下降到环境压力或其他低压。本公开的一个方面是，根据定义，任何密封界面必须具有上游和下游环境(例如，上游压力和下游压力可以不同或相同，并且可以随时间变化)。在一些实施例中，抗摩擦图案或特征部包括至少一个低压排放部(例如，基于低压区域中的下游环境)。例如，低压区域可以延伸至或接近密封环(或其特征部)。因此，在循环内和/或循环间的时间段内(例如，在活塞循环的冲程期间，随着时间推移在峰值压力或最小压力发生变化时、压缩/膨胀发生变化时或任何其他合适的操作参数发生变化时)，跨接触界面的气体的压差可以随时间变化。

在说明性示例中，通道712的横截面积仅需大到足以使其不会比密封接触部本身更多地限制气流即可(例如，密封是流动的主要限制)。例如，可以根据给定密封界面的预期磨损(例如磨损率)定制通道的深度。例如，通道可以相对较窄和较浅，这可能会带来若干好处。

例如，第一个好处可以导致，接触表面面积被最小程度地减少，同时仍然由被供给到接触部的压力支撑。在一些实施例中，本公开的特征部保留了大部分接触表面区域，并且用气体压力膜支撑它。这既降低了表面的平均接触压力，也降低了表面上高压供给部大约一个特征长度内的任意点处的局部接触压力。相比之下，大的气穴通过成比例地减少接触面积来降低整个表面的平均接触压力，并且不会改变其余接触界面的局部接触压力。

在另一个示例中，另一个好处导致，本公开的供给部具有最小或较小的气体体积，并因此在气缸气体包括预混合燃料和空气的应用中对缝隙体积的影响很小。

图8描绘了根据本公开的一些实施例的组件800，其中特征部802沿着环形段810的环形表面804布置，所述环形表面垂直于气缸壁212。组件800可以暴露于影响用于本公开的各种部件和特征部的润滑率以及材料选择的环境中。组件800可以包括比图8中所示的元件更多或更少的元件。参考图8描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1至图7和图9至图19的任何或所有图中。

特征部802沿环表面804排列，环表面与活塞表面(例如活塞环岸，图8中未示出)接触，以形成环-活塞密封界面。表面接触部804的端部对应于环-活塞密封界面的端部或边缘(例如，活塞的环槽的环岸)。如图所示，特征部802的图案相对均匀，并且降低了活塞表面上的摩擦力，以允许包括特征部802的环形段810朝向气缸壁212自由地径向向外移动。向环表面804的右侧布置的是曲线图806，其描绘了当操作包括气缸壁212的气缸中的活塞时暴露于加压气体时，特征部802中的每一个特征部的微凸体压力曲线图(例如，以类似于图7中描绘的曲线图的方式)。

图9A和图9B描绘了根据本公开一些实施例的密封组件900。密封组件900可以暴露于影响用于本公开的各种部件和特征部的润滑率以及材料选择的环境中。密封组件900可以包括比图9中所示的元件更多或更少的元件。参考图9描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1至图8、图10和图19的任何或所有图中。

如图9A所示，密封组件900包括环形段904，该环形段配置成与环形段908的楔块906相接。环形段904布置在环形段908下方。环形段904具有抗摩擦特征部905的图案，所述抗摩擦特征部用于减少环形段904和活塞(未示出)之间的摩擦。密封界面902对应于在环形段904中的每一个环形段和环形段908的底表面之间产生的各种密封，如图9B所示，其示出了图9A的仰视图，但是其中环形段904被移除，使得由图9B中的虚线示出环形段908的底表面和环形段904的轮廓。可以使用特征部(例如，图8的特征部802)的网格来定制供给密度。环形段904和908的表面之间的摩擦(其中每个段(例如，沿着接触表面902)彼此接触)对应于其中摩擦会导致相应段断裂的位置。因此，段908和段904之间的接触表面的大部分由供给气体充满(例如，与环形段908前面的高压区域连通)，并注意在段908的左右末端处用气体几乎完全抵消接触压力。这避免了在相应段上出现不连续的剪切应力。此外，特征部802配置成将气体从高压区域引向低压排放部。例如，排放部912与暴露于低压气体的环组件900的后部流体连通，并且如此，其配置成沿着低压边缘616在接触表面902之间连通加压流体(例如，加压气体)。

图10示出了根据本公开一些实施例的说明性装置1000的横截面视图，该装置包括两个自由活塞组件1010和1020，自由活塞组件包括相应的密封环组件1012和1022。在一些实施例中，装置1000可以包括线性电磁机器1050和1055，以在相应的自由活塞组件1010和1020的动能和电能之间转换。在一些实施例中，装置1000可以包括气体区域1060和1062，其可以例如在循环(例如，发动机循环或空气压缩循环)的至少一部分(如果不是大部分)中处于比气体区域1070(例如，高压区域)相对较低的压力。例如，气体区域1060和1062(例如，低压区域)可以向相应的呼吸管道(例如，进气歧管、进气系统、排气歧管、排气系统)开放。举例来说，呼吸端口1034和1035配置成向气缸1030的孔1032提供反应物并从其移除废气。在另一个示例中，气体区域1060和1062可以通向大气(例如，处于大约1.01巴的绝对压力下)。在一些实施例中，装置1000可以包括气压弹簧1080和1085，气压弹簧可以用于在循环期间以压缩气体(例如，驱动器部分)的形式存储和释放能量。例如，自由活塞组件1010和1020可以均包括相应的活塞1082和1087，活塞具有用于相应的密封环组件1081和1086的凹槽，以将相应的气体区域1083和1088(例如高压区域)与相应的气体区域1084和1089(例如低压区域)密封开。

气缸1030可以包括以轴线1072为中心的孔1032。在一些实施例中，自由活塞组件1010和1020可以在孔1032内沿着轴线1072平移，从而允许气体区域1070压缩和膨胀。例如，对于自由活塞组件1010和1020的冲程的至少一部分(例如，其可以在相对的活塞同步中沿轴线1072平移)，与气体区域1060相比，气体区域1070可以处于相对高的压力下。密封环组件1012和1022可以将气体区域1070与孔1032内的相应气体区域1060和1062密封开。在一些实施例中，自由活塞组件1010和1020可以包括相应的活塞1014和1024以及相应的密封环组件1012和1022，密封环组件可以布置在活塞1014和1024的相应的对应凹槽中。应当理解，当自由活塞组件1010和1020沿着轴线1072移动或以其他方式定位在不同位置时，气体区域1060和1062以及气体区域1070可以改变体积。相应的密封环组件1012和1022的最靠近气体区域1070的部分均称为前部，密封环组件1012和1022的最靠近相应气体区域1060和1062的部分均称为后部。密封环组件1012和1022可以均包括高压边界，其可以均取决于气体区域1070中的压力。例如，密封环组件1012的高压边界可以向气体区域1070开放(例如，通过一个或多个孔口或其他开口联接)，并且具有与气体区域1070的压力相同(例如，如果来自气体区域1070的气体在密封环组件中未节流)或小于气体区域1070的压力(例如，如果来自气体区域1070的气体在密封环组件中节流)的相应压力。密封环组件1012和1022可以均包括低压边界，其可以取决于相应气体区域1060和1062中的气体压力。例如，密封环组件1012的低压边界可以向气体区域1060开放，并且具有与气体区域1060的压力大约相同的相应压力。在一些实施例中，当密封环组件1012和1022在轴向上经过相应的端口1035和1034(例如，并且经过相应的端口桥接件，尽管未示出)时，它们可能会受到来自孔1032的不均匀或减小的向内的力。

在一些实施例中，活塞1014和1024可以均包括一个或多个凹槽，一个或多个相应的密封环组件可以布置在所述凹槽中。例如，如图10所示，活塞1014和1024可以均包括一个凹槽，密封环组件1012和密封环组件1022可以分别安装到所述凹槽中。在另一个示例中，尽管图10中未示出，活塞1014可以包括两个凹槽，两个相应的密封环组件可以安装在所述凹槽中。在又一个示例中，活塞1014可以包括两个凹槽，第一密封环组件1012，和第二密封环组件(未示出)，其布置在密封环组件1012的后部，但其前部更靠近气体区域1060，从而将气体区域1060中的压力密封到两个密封环组件之间的压力(例如，该压力可以小于气体区域1070中的压力)。因此，密封环组件可以用于将任何合适的高压区域和低压区域彼此密封。

在一些实施例中，自由活塞组件1010和1020可以包括相应的磁体部分1051和1056，它们与相应的定子1052和1057相互作用，以形成相应的线性电磁机器1050和1055。例如，当自由活塞组件1010沿着轴线1072平移时(例如，在发动机循环的冲程期间)，磁体部分1051可以在定子1052的绕组中感应电流。此外，电流可以供应到定子1052的相应相绕组，以在自由活塞组件1010上产生电磁力(例如，实现自由活塞组件1010的运动)。

在一些实施例中，活塞1014和1024、密封环组件1012和1022以及气缸1030可以视为活塞和气缸组件。在一些实施例中，装置1000可以是发动机、空气压缩机、具有活塞和气缸组件的任何其他合适的装置，或其任意组合。在一些实施例中，装置1000不需要包括两个自由活塞组件。例如，气缸1030可以是封闭的(例如，带有气缸盖)，并且自由活塞组件1010可以单独沿着轴线1072平移。

图11描绘了根据本公开的一些实施例用于在线性发电机运行期间在1112处形成高压区域和低压区域的密封方法1100的框图。密封方法1100可以在影响用于本公开的各种部件和特征部的润滑率以及材料选择的环境下使用。密封方法1100可以包括比图11中所示的元件更多或更少的元件。参考图11描绘或描述的部件、特征部和元件中的任何或所有部件、特征部和元件可以被结合到图1至图10和图12至图19的任何或所有图中。

密封方法1100包括在没有液体润滑剂的情况下(例如，用于无油操作)在1102处在密封元件(例如，活塞环)和气缸孔之间形成密封。例如，密封元件可以包括自润滑材料，诸如陶瓷(例如石墨)，聚合物，任何其他合适的材料，具有任何合适的添加剂或骨料，具有任何合适的增强物(例如金属或其他相对不那么脆弱的材料)，或其任何组合。

在一些实施例中，在1104处，该技术包括在密封元件和活塞的环槽之间形成密封。例如，活塞可以包括周向凹槽，所述周向凹槽具有一个或多个环岸(例如，后环岸)，密封元件可以抵靠其形成密封。

在一些实施例中，在1106处，该技术包括在密封元件磨损时径向向外移动密封元件的至少一段(例如，抵靠孔)。举例来说，密封元件可以经受来自高压区域的气体、弹簧元件或其组合的径向向外的力，以保持对孔的密封。在一些实施例中，其中密封元件由自润滑材料形成，密封元件可能磨损孔，因此随着时间的推移，密封元件的形状、尺寸或位置发生改变。

在一些实施例中，在1108处，该技术包括允许来自高压区域的气体占据密封元件段(例如，多个段)或密封元件部分(例如，单个段)之间的界面的至少一部分。例如，密封元件的段或部分中的任一者或两者中的特征部可以允许气体流动并对界面加压(例如，通过占据其微凸体)。

在一些实施例中，在1110处，该技术包括允许来自高压区域的气体占据密封元件和活塞的环槽之间的界面的至少一部分。例如，密封元件或环槽中的任一者或两者中的特征部可以允许气体流动并对界面加压(例如，通过占据其微凸体)。

压力补偿特征部

出于经济原因，希望活塞-气缸组件的密封件在需要更换之前尽可能长时间发挥作用。例如，通常目标值是运行数百或数千小时。在这些运行时间内，密封件会径向磨损，并且密封件的各部分之间可能会形成间隙。所产生的间隙打开的总圆周弧长为2*π*密封件的径向磨损。对于其中磨损率相对较高的自润滑材料，间隙打开导致不可接受的泄漏流的量，从而影响密封件的有效工作寿命。

在一些实施例中，本公开涉及一种密封环组件，所述密封环组件包括第一环和第二环。第一环包括轴向向后延伸的延伸部，并且延伸部包括径向向外的表面。第二环包括径向内表面，该径向内表面配置成与延伸部的径向外表面相接合。密封环组件还包括沿着延伸部的径向外表面和第二环的径向内表面中的至少一者周向延伸的凹槽。

凹槽配置成通向密封环组件的低压边界。第二环包括在第二环的最外侧径向表面中在方位角上延伸的穴。穴配置成接收来自密封环组件的高压边界的气体。在一些实施例中，第二环包括孔口，孔口配置成允许气体从高压边界流向所述穴。

在一些实施例中，密封环组件配置成安装在活塞的环槽中。活塞包括防旋转凸起，并且密封环组件包括防旋转突出部，该防旋转突出部与防旋转凸起接合以防止密封环组件明显的方位角上的运动。第一环包括最外侧径向表面，延伸部的径向外表面在最外侧径向表面的径向内侧。第一环和第二环中的至少一者包括自润滑材料。例如，在一些实施例中，第一环、第二环或两者都由石墨制成。在一些实施例中，密封环组件配置成在没有液体润滑剂的情况下运行。例如，在一些实施例中，密封环组件配置用于无油操作。

在一些实施例中，第一环包括至少两个第一环形段。所述至少两个第一环形段布置成使得所述至少两个第一环形段的相应端部在彼此之间形成至少一个界面。第二环也可以包括至少两个第二环形段。所述至少两个第二环形段布置成使得所述至少两个第二环形段的相应端部在彼此之间形成至少一个界面。

图12示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件1200的透视图。密封环组件1200包括第一环形段1222和1224以及第二环形段1232和1234。第二环形段1232和1234布置在相应的第一环形段1222和1224的延伸部1228和1229的径向外侧。间隙1250和1251位于第二环形段1232和1234之间。例如，随着密封环组件1200磨损，间隙1250和1251可以变宽。

图13示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件1300的横截面图，其包括用于压力锁定的特征部(即，凹槽1380)。密封环组件1300配置成布置在活塞1310的环槽中。

用于压力锁定的特征部(即，图13示例性所示的凹槽1380)可以有助于在操作期间将密封环组件1300保持在预期配置中，其在本文称为压力锁定。在操作期间(例如，在包括活塞和气缸组件的装置中)，凹槽1380可以配置成包括压力接近密封环组件1300的低压边界的压力的气体。例如，在操作期间，凹槽1380可以达到或几乎达到密封环组件1300后部的低压区域(例如低压区域1311)的压力。

举例来说，在没有凹槽1380的情况下，随着“双环”(例如，密封环组件1300)磨损，后环1330(例如，第二环)的磨损速度可能趋向于快于前环1320(例如，第一环)。这是由于压力沿着密封环组件1300的轴向长度在轴向上降低(例如，如指向下方的顶部箭头1390所示，从左向右降低)。因此，后环外侧的压力低于峰值压力。如果压力到达前环1320和后环1330之间(例如，并因此将后段暴露于高压区域的压力)，则后环1330将倾向于比前环1320更强烈地被径向向外偏压。随着后环1330以更快的速度磨损，后环形段之间的间隙将打开。来自高压区域的气体则更容易到达两段之间，增加向外的力，从而可能出现失控情况。此外，可以将从高压区域1313进入间隙的气流表征为泄漏经过密封。

在一些实施例中，在前环1320和后环1330之间的径向界面处，在这些环的一个环中形成(例如切出)凹槽(例如凹槽1380)。如图13所示，凹槽1380形成在前环1320中，尽管它也可以在两个环的界面处形成在任一环或两个环中。凹槽1380可以在前环1320的外表面、后环1330的内表面或前环1320的外表面和后环1330的内表面中包括在界面中。在一些实施例中，凹槽1380以后环1330中的裂缝为中心并通向该裂缝。凹槽1380的端部在到达前环1320的裂缝之前是封闭的。当密封环组件工作时(例如，在活塞-气缸装置中)，后环1330中的裂缝处于低压，因为它向密封环组件1300的后部敞开并且相对于密封环组件1300的前部封闭。例如，这由图12的第二环形段1232和1234之间的间隙1250和1251示出，所述间隙将凹槽联接到低压区域。因此，两个环之间的凹槽1380也处于低压，从而确保前段和后段之间的低压，这有助于它们保持径向锁定在一起。

在工作时，示例性的径向压力场1390(即，径向向内作用)和1392(即，径向向外作用)可以作用在密封环组件1300上。径向压力场1392径向向外，并且由作用在密封环组件1300的径向内表面上的来自高压区域的气体产生。径向压力场1390径向向内，并且由密封环组件1300和气缸的相应孔之间的间隙中的气体产生。沿着轴向方向的压力场的形状仅用于说明目的，并且可以根据密封环组件和气缸孔之间的接触特性而变化。合力1340径向向外，以径向向外推密封环组件1300。合力1340的大小可能影响密封环组件1300的磨损率。例如，较大的合力可能导致密封环组件抵靠孔的较大法向力，这在密封环组件运动期间可能导致摩擦力增大。因此，增加的摩擦功可能导致密封环组件的磨损增加。

图14示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件1400的横截面视图，该密封环组件包括用于压力锁定的特征部(即，凹槽1480，如图14示例性所示)和用于平衡径向力的特征部(即，凹槽1460，如图14示例性所示，根据密封环组件的视图和结构，凹槽也可以构造成穴)。为了清楚起见，在图14中设置了坐标轴1470(即径向的)和1472(即轴向的)。密封环组件1400包括前环1420和后环1430。密封环组件1400配置成布置在活塞1410的环槽中。

用于压力锁定的特征部(即，图14示例性所示的凹槽1480)可以有助于在操作期间将密封环组件1400保持在预期配置中，其在本文称为压力锁定。在操作期间(例如，在包括活塞和气缸组件的装置中)，凹槽1480可以配置成包括压力接近密封环组件1400的低压边界的压力的气体。例如，在工作时，凹槽1480可以达到或几乎达到密封环组件1400后部(例如，图14中的右侧)的低压区域的压力。

在工作时，示例性径向压力场1490(即，径向向内作用)和1492(即，径向向外作用)可以作用在密封环组件1400上。径向压力场1492径向向外，并且由作用在密封环组件1400的径向内表面上的来自高压区域的气体产生。径向压力场1490径向向内，并且由密封环组件1400和气缸的相应孔之间的间隙中的气体产生。沿着轴向方向的压力场的形状仅用于说明目的，并且可以根据密封环组件和气缸孔之间的接触特性而变化。在类似的条件下，径向压力场1490相对大于径向压力场1390(例如，如图13所示)，这是由于凹槽1460允许高压气体流动并影响了径向压力场1490。合力1440径向向外，以径向向外推密封环组件1400。合力1440的大小大于合力1340(例如，如图13所示)。这是因为，例如，径向压力场1392和1492基本相似，但是来自径向压力场1390的向内的力小于来自径向压力场1490的向内的力(例如，当各径向压力场在表面上整合时)。

在一些实施例中，凹槽1460的定位越靠近密封环组件1400的后部(轴向)，合力1440就越多，因此磨损可以降低。然而，对于凹槽1460可以定位成多靠近密封环组件1400的后部(轴向上)存在实际限制。这可能是由于环的强度、泄漏增加或两者都有。在一些实施例中，凹槽1460可以在轴向上位于密封环组件1400的后半部。例如，在一些实施例中，凹槽1460的中心可以位于密封环组件1400距正面(例如，面1439)的轴向长度的50％和80％之间。应当理解，穴位置可以位于任何合适的轴向位置(例如，以任何合适的轴向位置为中心)。

在一些实施例中，为了帮助减少磨损，凹槽1460可以尽可能多地覆盖密封环组件1400的圆周范围。然而，在一些实施例中，凹槽1460不与密封环组件中的裂缝相交(例如，这可能导致气体泄漏增加和密封变差)。例如，在一些实施例中，凹槽1460可以围绕密封环组件1400延伸大部分，而不是全部。在一些实施例中，进入密封环组件和气缸壁之间的接触表面的气体可以相对于高压区域中的压力上升和下降速率缓慢地增加压力。在这种情况下，多个穴可以轴向排列(或者对于沿轴向轴线延伸的穴，沿周向排列)，以减小气体必须沿表面流动的距离，并增加图案抵消径向向外的合力的效果。

在一些实施例中，凹槽1460可以加压至或接近高压区域的压力。在一些实施例中，孔或其他通道(例如，通道1461)可以轴向穿过密封环组件1400形成(例如，钻出)，从而将凹槽1460连接到密封环组件1400的轴向前面。

图15示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件1500的一部分的透视图，其包括用于平衡径向力的特征部1560。密封环组件1500包括第一环1520和第二环1530。第二环1530包括穴1560，该穴在第二环的径向外表面中周向延伸。在一些实施例中，穴1560配置成接收高压气体(例如，来自活塞气缸装置的高压区域)。在一些实施例中，第二环1530可以包括孔口1562，孔口可以允许气体从密封环组件1500的高压边界流向穴1560。第一环1520可以包括凹部1564或其他特征部，以允许孔口1562在操作期间接收高压气体。孔口1562可以包括孔、通道或允许合适气流的其他开口。

图16示出了根据本公开一些实施例的图15所示的示例性密封环组件1500的部分1550的透视图。在方向1572上观察时，由图15的截面1570示出部分1550。第一环1520中的凹部1564允许高压气体进入孔口1562的相对开放的流动路径。因此，在一些情况下，密封环组件1500可以配置成在高压区域和低压区域之间密封，并且由于用于径向压力平衡的穴1560(例如，类似于图11的密封环组件1100)，呈现相对较低的磨损(例如，与图13的密封环组件1300相比)。在一些情况下，当密封环组件1500磨损时，第一环1520和第二环1530可以相对于彼此在方位角上移动。因此，凹部1564可以包括狭槽(例如，如图13所示)而不是圆孔，使得加压路径在环磨损时保持打开。

压力锁定特征部

在一些实施例中，本公开涉及一种密封环组件。密封环组件包括具有第一配合表面的第一密封元件。密封环组件还包括具有第二配合表面的第二密封元件。密封环组件还包括跨第一密封元件的至少一部分和跨第二密封元件的至少一部分延伸的高压边界。密封环组件还包括跨第一密封元件的至少一部分和跨第二密封元件的至少一部分延伸的低压边界。第一配合表面和第二配合表面中的至少一者包括向低压边界敞开且不向高压边界敞开的凹部，使得第一配合表面通过作用在第一密封元件上的第一力和作用在第二密封元件上的第二力抵靠第二配合表面密封。在一些实施例中，作用在第一密封元件上的第一力与作用在第二密封元件上的第二力方向相反。

在一些实施例中，凹部配置成使得第一力和第二力保持第一密封元件和第二密封元件的相对位置。第一配合表面在径向、轴向和方位角方向中的至少一个方向上抵靠第二配合表面密封。例如，第一表面和第二表面可以是平面、斜面、弧面、复合面或其组合，并且可以在界面的全部或一部分的一个或多个方向上相互密封。密封环组件包括后轴向面，该后轴向面配置成密封活塞的环岸。在一些实施例中，密封环组件包括径向外表面，该径向外表面配置成密封高压边界和低压边界之间的气缸孔。

在一些实施例中，凹部包括凹槽。凹部可以是第一配合表面的第一凹部，并且其中第二配合表面包括配置成与第一凹部接合的第二凹部。第一密封元件包括第一环形段，第二密封元件包括第二环形段。在一些实施例中，第一密封元件包括环形段，第二密封元件包括间隙盖元件。第一密封元件和第二密封元件中的至少一者包括径向压力平衡特征部，其配置成产生径向向内的力。例如，在一些实施例中，径向向内的力减少了密封环组件的磨损。在一些实施例中，第一配合表面和第二配合表面相互密封以防止凹部向高压边界敞开。

在一些实施例中，本公开涉及一种活塞组件，其包括活塞和密封环组件。活塞包括周向凹槽，并且活塞配置成在气缸的孔内轴向移动。密封环组件布置在周向凹槽中，并配置成密封孔。密封环组件包括具有第一配合表面的第一密封元件和具有第二配合表面的第二密封元件。密封环组件还包括跨第一密封元件的至少一部分和跨第二密封元件的至少一部分延伸的高压边界，以及跨第一密封元件的至少一部分和跨第二密封元件的至少一部分延伸的低压边界。第一配合表面和第二配合表面中的至少一者包括向低压边界敞开且不向高压边界敞开的凹部，使得第一配合表面通过作用在第一密封元件上的第一力和作用在第二密封元件上的第二力抵靠第二配合表面密封。

在一些实施例中，本公开涉及一种包括气缸、活塞和密封环组件的装置。气缸包括具有高压区域和低压区域的孔。活塞包括周向凹槽，并且活塞配置成在孔内轴向移动。密封环组件布置在周向凹槽中，并配置成密封孔，以限定高压区域和低压区域。密封环组件包括具有第一配合表面的第一密封元件和具有第二配合表面的第二密封元件。第一配合表面和第二配合表面中的至少一者包括向低压区域敞开且不向高压区域敞开的凹部，使得第一配合表面通过作用在第一密封元件上的第一力和作用在第二密封元件上的第二力抵靠第二配合表面密封。

在一些实施例中，周向凹槽包括轴向后环岸，密封环组件配置成抵靠轴向后环岸密封。作用在第一密封元件上的第一力与作用在第二密封元件上的第二力方向相反。凹部配置成使得第一和第二力保持第一密封元件和第二密封元件的相对位置。密封环组件包括径向外表面，其配置成密封孔。

在一些实施例中，密封环组件包括第一边界，该第一边界跨第一密封元件的至少一部分和跨第二密封元件的至少一部分延伸，并向高压区域敞开。在一些实施例中，密封环组件还包括第二边界，该第二边界跨第一密封元件的至少一部分和跨第二密封元件的至少一部分延伸，并且向低压区域敞开，其中凹部向第一边界敞开而不向第二边界敞开。

在一些实施例中，本公开涉及一种密封环组件，其包括第一环和第二环。第一环包括轴向向后延伸的延伸部，所述延伸部包括径向向外的表面。第二环包括径向内表面，所述径向内表面配置成与径向向外表面接合。密封环组件还包括沿着延伸部的径向外表面和第二环的径向内表面中的至少一者周向延伸的凹槽。例如，凹槽可以包括在第一环和第二环中的任一者或两者中。在一些实施例中，凹槽配置成向密封环组件的低压边界敞开。

在一些实施例中，第二环包括穴，所述穴在第二环的最外侧径向表面中周向地延伸，并且其中穴被配置成接收高压气体。例如，最外侧径向表面配置成密封气缸的孔。第二环包括孔口，孔口配置成允许气体从高压边界流向穴。例如，在一些实施例中，第二环包括孔口、狭槽或其他贯通特征部。密封环组件配置成布置在活塞的环槽中。密封环组件包括防旋转特征部，以防止密封环组件的明显方位角上的运动。

在一些实施例中，第一环包括最外侧径向表面，并且其中延伸部的径向外表面位于径向外表面的径向内侧。例如，最外侧径向表面配置成密封气缸的孔。在一些实施例中，第一环和第二环中的至少一者包括自润滑材料。例如，第一环、第二环或两者可以包括石墨或其他陶瓷、聚合物或其组合。在一些实施例中，密封环组件配置成在没有液体润滑剂的情况下运行。例如，在一些实施例中，密封环组件配置用于无油操作。第一环包括至少两个第一环形段，它们布置成使得所述至少两个第一环形段的相应端部在彼此之间形成至少一个界面。第二环包括至少两个第二环形段，它们布置成使得所述至少两个第二环形段的相应端部在彼此之间形成至少一个界面。

在一些实施例中，本公开涉及一种活塞组件，其包括活塞和密封环组件。活塞包括环槽。密封环组件布置在环槽中，并且包括第一环和第二环。第一环包括轴向向后延伸的延伸部，所述延伸部包括径向向外表面。第二环包括径向内表面，所述径向内表面配置成与延伸部的径向外表面接合。密封环组件还包括沿着延伸部的径向外表面和第二环的径向内表面中的至少一者在方位角上延伸的凹槽。在一些实施例中，活塞是敞口活塞。

在一些实施例中，本公开涉及一种包括气缸、活塞和密封环组件的装置。气缸包括孔。活塞包括环槽，并配置成在孔内沿着孔的轴线行进。密封环组件布置在环槽中，并且包括第一环和第二环。第一环包括轴向向后延伸的延伸部，所述延伸部包括径向向外表面。第二环包括径向内表面，所述径向内表面配置成与径向向外表面接合。密封环组件还包括沿着延伸部的径向外表面和第二环的径向内表面中的至少一者在方位角上延伸的凹槽。在一些实施例中，密封环组件配置成在孔和活塞之间密封。例如，密封环组件配置成将孔中的高压区域与孔中的低压区域密封开。

图17示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件1700的横截面视图，其包括用于压力锁定的特征部。为了清楚起见，在图17中设置了坐标轴1770(即径向的)和1772(即轴向的)。密封环组件1700配置成布置在活塞1710的环槽中。

用于压力锁定的特征部(即，图17示例性所示的凹槽1780)可以有助于在操作期间将密封环组件1700保持在预期配置中，其在本文称为压力锁定。在操作期间(例如，在包括活塞和气缸组件的装置中)，凹槽1780可以配置成包括压力接近密封环组件1700的低压边界的压力的气体。例如，在操作期间，凹槽1780可以达到或几乎达到密封环组件1700后部的低压区域(例如低压区域1711)的压力。尽管凹槽1780图示为与前环1720成一体，但是凹槽1780也可以包括在后环1730中，或者包括在前环1720和后环1730两者中。此外，凹槽1780可以由配置成向密封环组件的合适面施加压力的任何合适的凹部代替。例如，根据本公开，凹部可以包括任何合适的形状，具有任何合适的几何特性。

举例来说，在没有凹槽1780的情况下，随着“双环”(例如密封环组件1700)的磨损，后环1730的磨损速度可能趋向于快于前环1720。这是由于压力沿着密封环组件1700的轴向长度在轴向上降低(例如，如指向下方的顶部箭头1790所示，从左向右降低)。因此，后环外侧的压力低于峰值压力(例如，在高压区域1713中)。如果高压气体到达前环1720和后环1730之间(例如，并因此将环1730的后段暴露于高压区域1713的压力)，则后环1730将倾向于比前环1720更强烈地被径向向外偏压。随着后环1730以更快的速度磨损，后环形段之间的间隙将打开。来自高压区域的气体则更容易到达段之间，增加向外的力，从而可能出现失控情况。此外，从高压区域1713进入间隙的气流可以被表征为泄露经过密封件。

在一些实施例中，在前环1720和后环1730之间的径向界面处，在这些环的一个环中形成(例如切出)凹槽(例如凹槽1780)。凹槽可以包括在前环1720的外表面处、后环1730的内表面处或前环1720的外表面和后环1730的内表面处的界面中。在一些实施例中，凹槽以后环1730中的裂缝为中心并通向该裂缝。凹槽1780的端部在到达前环1720的裂缝之前是封闭的。当密封环组件1700工作时(例如，在活塞-气缸装置中)，后环1730中的裂缝处于低压，因为它向密封环组件1700的后部敞开并且相对于密封环组件1700的前部封闭。因此，两个环之间的凹槽1780也处于低压，确保前段和后段之间的低压，这有助于它们保持径向锁定在一起。

在工作时，示例性的径向压力场1790(即，径向向内作用)和1792(即，径向向外作用)可以作用在密封环组件1700上。径向压力场1792径向向外，并且由作用在密封环组件1700的径向内表面上的来自高压区域的气体产生。径向压力场1790径向向内，并且由密封环组件1700和气缸的相应孔之间的间隙中的气体产生。

图18示出了根据本公开一些实施例的图17所示的示例性密封环组件1700的横截面视图，其示出了后环间隙1830。图18由图17的截面1799示出(即，沿径向向内的方向观察，与轴线1770的方向相反)。凹槽1780向低压区域1711敞开，并通过前环1720与高压区域1713密封开。

图19示出了根据本公开一些实施例的示例性密封环组件1900的后表面视图。密封环组件1900包括环形段1932、1934、1936和1938以及间隙盖元件1942、1944、1946和1948。

环形段1932和1938之间界面的面1937(例如，间隙盖元件1946在轴向上的前方且在轴向上面向后方)名义上是垂直于环的轴线的平面。如图19所示，环形段1936和1938之间的界面的侧面1935关于穿过环中径向裂缝中心的平面对称。间隙盖元件1942、1944、1946和1948的侧面不需要是对称的，但为了清楚起见示出为对称。这些侧面一起形成夹角(例如，图19中的夹角1939由间隙盖元件1936形成)，该夹角在环的径向内表面处最宽，并在径向外表面处最窄。间隙盖元件1946与环形段1936和1938之间的配合表面可以包括至少一个凹部，该凹部配置成向低压区域敞开并且不向高压区域敞开(例如，与高压区域密封)。例如，凹部可以包括在侧面1935、前面、间隙盖元件1946的相应配合表面或其任意组合中。类似地，凹部可以包括在任何示例性环形段1932、1934、1936和1938与合适的间隙盖元件1942、1944、1946和1948之间的任何合适的密封表面中。

一些方面

在一些实施例中，本公开的特征部配置成在不依赖润滑剂的情况下减少干密封中的摩擦，并且与接触表面的成分无关。这些特征部基本上不依赖于可以用于减少摩擦的大的气穴。相反，供给部起到歧管的作用，用于将气体分配到表面接触微凸体中。附加地或可选地，这些特征部依赖于接触界面中的气体流动来抵消表面之间的接触压力，而不是气体供给到非接触表面中，并且提供了基于通过接触微凸体的流动的物理特性来作用的结构，并且可以基于该流动来定制给定密封界面处的接触压力。

在说明性示例中，本公开特征部的某些方面不需要润滑剂。本文描述的特征部可以与材料或表面接触无关。本公开的特征部的结合可以导致密封接触表面面积的最小或以其他方式有限地减少。这些特征部还允许定制局部接触压力以及平均接触压力，并且还允许添加到环组(例如，密封环组件)的气体体积最小或以其他方式减少。可以将本公开的特征部的附加或替代的特征部添加到活塞环岸上代替环或作为环的补充。

应理解的是，本公开不限于本文所述的实施例，并且可以在任何合适的系统环境中实施。在一些实施例中，本公开适用于线性发电机。在一些实施例中，本公开适用于往复式发动机和压缩机。在一些实施例中，本公开适用于自由活塞发动机和压缩机。在一些实施例中，本公开适用于燃烧和反应装置，诸如往复式发动机和自由活塞发动机。在一些实施例中，本公开适用于非燃烧和非反应装置，诸如往复式压缩机、自由活塞热力发动机和自由活塞压缩机。在一些实施例中，本公开适用于气压弹簧，例如在相对较高压力区域和相对较低压力区域之间具有密封。在一些实施例中，本公开适用于无油往复式和自由活塞发动机和压缩机。在一些实施例中，本公开适用于具有内部或外部燃烧或反应的无油自由活塞发动机。在一些实施例中，本公开适用于以压缩点火、化学点火(例如，暴露于催化表面、自燃点火)、等离子点火(例如，火花点火)、热点火、用任何其他合适的能源点火或其任意组合运行的无油自由活塞发动机。在一些实施例中，本公开适用于使用气体燃料、液体燃料或两者运行的无油自由活塞发动机。在一些实施例中，本公开适用于线性自由活塞发动机。在一些实施例中，本公开适用于发动机，所述发动机可以是具有内部燃烧/反应的燃机或具有外部热量添加(例如，来自诸如废热的热源或诸如燃烧的外部反应)的任何类型的热力发动机。

前述内容仅仅是对本公开的原理的说明，并且在不脱离本公开范围的情况下，本领域技术人员可以进行各种修改。上述实施例是为了说明的目的而非限制的目的给出的。除了本文明确描述的形式之外，本公开还可以采取许多形式。因此，要强调的是，本公开不限于明确公开的方法、系统和设备，而是旨在包括其变化和修改。附随编号的段落描述了本公开的一些方面。

Claims (30)

1.一种密封环组件，所述密封环组件配置成密封气缸的孔，所述密封环组件包括：

环形段，所述环形段包括第一表面，所述第一表面配置成与所述孔形成密封界面；以及

特征部，所述特征部配置成接收与高压区域连通的流体，其中所述特征部布置在所述环形段的第二表面上，所述第二表面至少部分地向所述环形段的第三表面敞开。

2.根据权利要求1所述的密封环组件，其中所述第二表面垂直于所述第一表面。

3.根据权利要求1所述的密封环组件，其中所述第三表面与所述第一表面相对。

4.根据权利要求1所述的密封环组件，其中所述特征部包括至少一个通道。

5.根据权利要求1所述的密封环组件，其中所述特征部配置成减小所述第二表面和被布置成接触所述第二表面的活塞表面之间的摩擦力。

6.根据权利要求1所述的密封环组件，其中所述环形段是第一环形段，所述密封环组件还包括：

第二环形段，所述第二环形段布置成与所述第一环形段的第四表面接合；以及

穴特征部，所述穴特征部位于所述第二环形段的表面上，其中所述第二环形段的表面形成与所述第一环形段接触的接触界面。

7.根据权利要求6所述的密封环组件，其中所述穴特征部配置成减小所述第一环形段和所述第二环形段之间的摩擦力。

8.根据权利要求1所述的密封环组件，其中所述环形段是第一密封元件，所述密封环组件包括：

第二密封元件，所述第二密封元件在轴向上布置在所述第一密封元件的前面；以及

减小摩擦特征部，所述减小摩擦特征部配置成减小摩擦力，设置在所述第一密封元件和所述第二密封元件之间的界面处，其中所述减小摩擦特征部配置成接收来自所述高压区域的流体。

9.根据权利要求1所述的密封环组件，其中所述特征部包括位于所述第二表面和被布置成接触所述第二表面的活塞表面之间的通道。

10.根据权利要求1所述的密封环组件，其中所述特征部响应于从所述高压区域接收流体而减小轴向方向上的接触力。

11.根据权利要求1所述的密封环组件，其中当至少部分填充有来自所述高压区域的流体时，所述特征部减小所述第二表面和活塞表面之间的接触力。

12.一种沿气缸的孔平移的活塞组件的密封环组件，所述密封环组件包括：

密封元件，所述密封元件与所述活塞组件的第一表面接触，其中所述密封元件的第二表面形成对所述孔的密封，其中：

减小摩擦特征部位于所述第一表面上；并且

所述第二表面在操作期间没有液体润滑剂或油。

13.根据权利要求12所述的密封环组件，其中所述活塞组件包括环槽，并且其中所述密封环组件布置在所述环槽中。

14.根据权利要求13所述的密封环组件，其中所述活塞组件的所述第一表面包括所述环槽。

15.根据权利要求12所述的密封环组件，其中所述第二表面大致垂直于所述第一表面。

16.根据权利要求12所述的密封环组件，其中所述减小摩擦特征部包括穴。

17.根据权利要求12所述的密封环组件，其中所述减小摩擦特征部包括一组通道，所述通道设置成接收来自高压区域的流体，以减小所述密封元件和所述活塞组件之间的接触力。

18.根据权利要求12所述的密封环组件，其中所述密封元件是第一密封元件，所述密封环组件还包括：

第二密封元件，所述第二密封元件布置成在所述第一密封元件的第三表面处与所述第一密封元件接合；以及

位于所述第二密封元件的表面上的减小摩擦特征部。

19.根据权利要求18所述的密封环组件，其中位于所述第二密封元件的表面上的所述减小摩擦特征部配置成接收来自高压区域的流体。

20.根据权利要求18所述的密封环组件，其中位于所述第二密封元件的表面上的所述减小摩擦特征部配置成减小所述第一密封元件和所述第二密封元件之间的摩擦力。

21.根据权利要求12所述的密封环组件，其中所述减小摩擦特征部包括凹部，所述凹部配置成减小所述第一表面和所述密封元件之间的接触面积。

22.根据权利要求12所述的密封环组件，其中所述减小摩擦特征部响应于从高压区域接收流体而减小径向方向上的接触力。

23.根据权利要求12所述的密封环组件，其中当至少部分地填充有与高压区域连通的流体时，所述减小摩擦特征部减小所述第一表面和所述密封元件的表面之间的接触力。

24.一种装置，包括：

气缸，所述气缸包括孔；

平移器，所述平移器包括活塞，所述活塞布置成在没有液体润滑剂或油的情况下沿着所述孔移动，其中所述活塞包括环槽；

密封元件，所述密封元件布置在所述环槽中，以在第一界面处密封所述环槽，并在第二界面处密封所述气缸的所述孔；以及

特征部，所述特征部布置在所述第一界面处，所述特征部减小所述密封元件和所述环槽之间的摩擦。

25.根据权利要求24所述的装置，其中：

密封组件包括在第三界面处彼此密封的第一段和第二段；

所述特征部是第一特征部；并且

第二特征部布置在所述第二界面处，所述第二特征部减小所述第一段和所述第二段之间的摩擦。

26.根据权利要求24所述的装置，其中：

所述密封元件限定低压区域和高压区域；

所述活塞沿着所述孔经历连续的冲程；

在每个连续的冲程的至少一部分期间，流体从所述高压区域流向所述特征部；

在每个连续的冲程的至少一部分期间，流体从所述特征部流向所述第一界面；以及

在每个连续的冲程的至少一部分期间，流体从所述第一界面流向所述低压区域。

27.根据权利要求24所述的装置，其中所述特征部包括一组通道，所述通道设置成接收来自所述气缸的高压区域的流体，以减小所述密封元件上的接触力。

28.根据权利要求24所述的装置，其中所述特征部减小所述密封元件上的接触力，从而减小所述密封元件上的摩擦力。

29.根据权利要求24所述的装置，其中所述特征部包括配置成接收与高压区域连通的流体的穴。

30.根据权利要求24所述的装置，其中所述密封元件包括至少一个减小摩擦特征部、至少一个压力补偿特征部和至少一个压力锁定特征部。