ES2868776T3 - Conjunto de pistón para un motor alternativo - Google Patents

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Richard John Donahue
Daniel David Zimmerman
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Abstract

Un sistema (10) de cilindro de potencia para un motor alternativo, que comprende: un pistón 20 configurado para moverse dentro de un cilindro (26) del motor alternativo; una ranura (42) que se extiende circunferencialmente alrededor del pistón por debajo de una superficie superior del pistón, caracterizado por que además comprende un inserto (150) de anillo protector dispuesto dentro de la ranura y configurado para soportar un anillo que tiene una cara circunferencial interior; y uno o más canales formados en el inserto del anillo protector y configurados para facilitar la transferencia de gases de combustión a un espacio entre una parte de la ranura y la cara circunferencial interior del anillo.

Description

DESCRIPCIÓN
Conjunto de pistón para un motor alternativo
La materia descrita en la presente memoria se refiere en general a motores alternativos y, más particularmente, a un conjunto de pistón para un motor alternativo.
Un motor alternativo (por ejemplo, un motor alternativo de combustión interna) quema combustible con un oxidante (por ejemplo, aire) para generar gases de combustión calientes, que a su vez accionan un pistón (por ejemplo, un pistón alternativo) dentro de un cilindro. En particular, los gases de combustión calientes se expanden y ejercen una presión contra el pistón que mueve linealmente el pistón desde una parte superior a una parte inferior del cilindro durante una carrera de expansión. El pistón convierte la presión ejercida por los gases de combustión y el movimiento lineal del pistón en un movimiento giratorio (por ejemplo, a través de una biela y un cigüeñal acoplado al pistón) que impulsa una o más cargas, por ejemplo, un generador eléctrico. La construcción del pistón y las estructuras asociadas (por ejemplo, un conjunto de pistón) puede afectar significativamente las emisiones de escape (por ejemplo, hidrocarburos no quemados) y la eficiencia del motor, así como el consumo de lubricante (por ejemplo, aceite). Además, la construcción del conjunto de pistón puede afectar significativamente la vida útil del motor alternativo. Por tanto, sería deseable mejorar la construcción del conjunto de pistón. Tal pistón se muestra en el documento. US 5083 536.
Ciertas realizaciones acordes en alcance con la invención reivindicada originalmente se resumen a continuación. Estas realizaciones no pretenden limitar el alcance de la invención reivindicada, sino que más bien estas realizaciones están destinadas únicamente a proporcionar un breve resumen de las posibles formas de la invención. De hecho, la invención puede abarcar una variedad de formas que pueden ser similares o diferentes a las realizaciones expuestas a continuación.
En la realización, un sistema de cilindro de potencia para un motor alternativo incluye un pistón configurado para moverse dentro de un cilindro del motor alternativo. El sistema también incluye una ranura que se extiende circunferencialmente alrededor del pistón por debajo de una superficie superior del pistón, y un inserto de anillo protector dispuesto dentro de la ranura está configurado para soportar un anillo que tiene una cara circunferencial interior. Se forman uno o más canales en el inserto del anillo protector y están configurados para facilitar la transferencia de los gases de combustión a un espacio entre una parte de la ranura y la cara circunferencial interior del anillo.
El sistema de cilindro de potencia para un motor alternativo incluye un pistón configurado para moverse dentro de un cilindro del motor alternativo con una velocidad media máxima del pistón de menos de aproximadamente trece metros por segundo. El sistema también incluye una ranura que se extiende circunferencialmente alrededor del pistón por debajo de una superficie superior del pistón y un anillo dispuesto dentro de la ranura. Se forman uno o más canales en una superficie axialmente superior de la ranura o una cara superior del anillo, y el uno o más canales están configurados para facilitar la transferencia de gases de combustión a un espacio entre una porción de la ranura y una cara circunferencial interior del anillo.
Varias características, aspectos y ventajas de la presente invención se comprenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos en los que caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en donde:
La figura 1 es un diagrama de bloques esquemático de una realización de una parte de un sistema de motor alternativo;
la figura 2 es una vista lateral en sección transversal de una realización de un conjunto pistón-cilindro que tiene un pistón colocado dentro de un cilindro;
la figura 3 es una vista lateral de una porción de un ejemplo de un pistón que tiene canales radiales formados en una superficie superior del pistón;
la figura 4 es una vista lateral en sección transversal de una porción de una realización de un pistón que tiene canales radiales formados en una superficie superior del pistón; y
la figura 5 es una vista lateral en sección transversal de una porción de un ejemplo de un pistón que tiene canales radiales formados en un anillo de pistón superior.
A continuación se describirán una o más realizaciones específicas de la presente invención. En un esfuerzo por proporcionar una descripción concisa de estas realizaciones, es posible que no se describan en la memoria descriptiva todas las características de una implementación real. Debería apreciarse que en el desarrollo de cualquier implementación real, como en cualquier proyecto de ingeniería o diseño, se deben tomar numerosas decisiones específicas de implementación para lograr los objetivos específicos de los desarrolladores, como el cumplimiento de las restricciones relacionadas con el sistema y relacionadas con el negocio, que puede variar de una implementación a otra. Además, debe apreciarse que dicho esfuerzo de desarrollo podría ser complejo y consumir mucho tiempo, pero no obstante sería una tarea rutinaria de diseño, fabricación y manufactura para los expertos en la materia que se beneficien de esta descripción.
Cuando se introducen elementos de diversas realizaciones de la presente invención, los artículos "un/uno/una", "el/la/lo" y "dicho/dicha" tienen como objetivo significar que hay uno o más de los elementos. Los términos "que comprende", "que incluye" y "que tiene" pretenden ser inclusivos y significan que puede haber elementos adicionales distintos de los elementos enumerados.
Los sistemas de cilindros de potencia para motores alternativos (por ejemplo, motores alternativos de combustión interna) de acuerdo con la presente descripción pueden incluir uno o más pistones, cada uno configurado para moverse linealmente dentro de un cilindro (por ejemplo, una camisa) para convertir la presión ejercida por los gases de combustión y el movimiento lineal del pistón en un movimiento giratorio para impulsar una o más cargas. Cada pistón puede tener una ranura anular superior (por ejemplo, una ranura de anillo superior o una ranura de anillo lo más superior) que se extiende circunferencialmente alrededor del pistón por debajo de la superficie superior de un pistón. Puede disponerse un anillo superior (por ejemplo, un anillo de pistón superior o un anillo de pistón lo más superior) dentro de la ranura superior. El anillo superior puede estar configurado generalmente para bloquear el combustible y el aire, o una mezcla de combustible y aire, para que no escape de una cámara de combustión y/o para facilitar el mantenimiento de la presión adecuada para permitir la expansión de los gases de combustión calientes para provocar el movimiento alternativo del pistón. En algunas realizaciones, una o más ranuras anulares adicionales (por ejemplo, ranuras de anillo adicionales o ranuras de anillo de compresión adicionales) pueden extenderse circunferencialmente alrededor del pistón, y uno o más anillos adicionales (por ejemplo, anillos adicionales o anillos de compresión adicionales) pueden disponerse dentro de una o más ranuras de anillo adicionales. En dichos casos, el anillo superior y/o los anillos adicionales forman un paquete de anillos y generalmente pueden controlar el flujo de gases de combustión y/o lubricante (por ejemplo, aceite) dentro del motor.
Durante el funcionamiento del motor alternativo, el combustible y el aire se queman en una cámara de combustión, lo que hace que el pistón se mueva dentro del cilindro. Los gases de combustión también ejercen una presión contra una cara circunferencial exterior del anillo superior, accionando el anillo superior radialmente hacia dentro alejándose de la pared interior del cilindro. Las realizaciones descritas pueden incluir uno o más canales (por ejemplo, canales radiales) configurados para transferir los gases de combustión a un espacio adyacente a una cara circunferencial interior del anillo superior, de modo que los gases de combustión ejerzan una fuerza dirigida radialmente hacia fuera en la cara circunferencial interior del anillo superior. Ventajosamente, el uno o más canales también pueden facilitar el control del aceite dentro del cilindro, lo que puede ser particularmente útil en el contexto de grandes motores alternativos industriales. Por ejemplo, sin uno o más canales, el aceite puede acumularse en la ranura superior entre una superficie axial de la ranura superior y una superficie superior del anillo superior y puede bloquear (por ejemplo, mediante la adhesión del aceite a la ranura superior) el flujo de los gases de combustión al espacio. En las realizaciones descritas, el uno o más canales pueden permitir que el aceite escape de la ranura superior (por ejemplo, hacia la cámara de combustión o a lo largo de la pared interna del cilindro), facilitando así el flujo de aceite fuera de la ranura superior y/o reduciendo el tiempo de residencia del aceite dentro de la ranura superior. Además, facilitar el flujo de aceite fuera de la ranura superior puede permitir la transferencia fiable de los gases de combustión al espacio adyacente a la cara circunferencial interior del anillo superior, lo que generalmente puede reducir el consumo de aceite y los gases de soplado dentro del motor. A modo de otro ejemplo, el uno o más canales pueden permitir que el anillo superior mantenga contacto con la pared interior del cilindro y, por lo tanto, pueden permitir que el anillo superior raspe aceite a lo largo de la pared interior del cilindro. Por lo tanto, las realizaciones descritas pueden bloquear el colapso del anillo radial (por ejemplo, el movimiento del anillo superior alejándolo de la pared interior del cilindro), reducir el consumo de aceite, reducir los gases de soplado de hidrocarburos no quemados, reducir las emisiones y/o reducir el desgaste de los componentes del motor, por ejemplo.
Volviendo a los dibujos, la figura 1 ilustra un diagrama de bloques de una realización de una porción de un sistema 8 de generación de energía accionado por un motor. Como se describe en detalle a continuación, el sistema 8 incluye un motor 10 (por ejemplo, un motor de combustión interna alternativa) que tiene una o más cámaras 12 de combustión (por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 o más cámaras 12 de combustión). Un suministro 14 de aire está configurado para proporcionar un oxidante 16 a presión, como aire, oxígeno, aire enriquecido con oxígeno, aire reducido con oxígeno o cualquier combinación de los mismos, a cada cámara 14 de combustión. La cámara 14 de combustión también está configurada para recibir un combustible 18 (por ejemplo, un combustible líquido y/o gaseoso) de un suministro 19 de combustible, y una mezcla de aire y combustible se enciende y quema dentro de cada cámara 14 de combustión. Los gases de combustión a presión calientes hacen que un pistón 20 adyacente a cada cámara de combustión 14 se mueva linealmente dentro de un cilindro 26 y convierta la presión ejercida por los gases en un movimiento giratorio, lo que hace que un árbol 22 gire. Además, el árbol 22 puede estar acoplado a una carga 24, que se impulsa mediante la rotación del árbol 22. Por ejemplo, la carga 24 puede ser cualquier dispositivo adecuado que pueda generar energía a través de la salida de giro del sistema 10, tal como un generador eléctrico. Además, aunque la siguiente discusión se refiere al aire como oxidante 16, se puede usar cualquier oxidante adecuado con las realizaciones descritas. De manera similar, el combustible 18 puede ser cualquier combustible líquido adecuado, como diésel o gasolina, o cualquier combustible gaseoso adecuado, como gas natural, gas de petróleo asociado, propano, biogás, gas de alcantarillado, gas de vertedero, gas de mina de carbón, por ejemplo.
El sistema 8 descrito en este documento puede adaptarse para su uso en aplicaciones estacionarias (por ejemplo, en motores industriales de generación de energía) o en aplicaciones móviles (por ejemplo, en automóviles o aeronaves), aunque el sistema 8 puede ser particularmente útil para controlar el flujo de gases de combustión. y aceite en grandes motores industriales de generación de energía. El motor 10 puede ser un motor de dos tiempos, un motor de tres tiempos, un motor de cuatro tiempos, un motor de cinco tiempos o un motor de seis tiempos. El motor 10 también puede incluir cualquier número de cámaras 12 de combustión, pistones 20 y cilindros asociados (por ejemplo, 1 -24). Por ejemplo, en ciertas realizaciones, el sistema 8 puede incluir un motor alternativo industrial a gran escala que tiene 4, 6, 8, 10, 16, 24 o más pistones 20 alternativos en cilindros. En algunos de estos casos, los cilindros y/o los pistones 20 pueden tener un diámetro de entre aproximadamente 13,5 - 34 centímetros (cm). En algunas realizaciones, los cilindros y/o los pistones 20 pueden tener un diámetro de entre aproximadamente 10-50 cm, 15-30 cm o 15-20 cm. En algunas realizaciones, los cilindros y/o los pistones 20 pueden tener un diámetro mayor de aproximadamente 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, 35 cm o 40 cm. El sistema 8 puede generar una potencia que varía entre 10 kilovatios (kW) y 10 megavatios (MW). En algunas realizaciones, el motor 10 puede configurarse para funcionar a un máximo de revoluciones por minuto (r.p.m.) de aproximadamente 1800 r.p.m. En algunas realizaciones, el motor 10 puede configurarse para funcionar a un máximo de aproximadamente 2000 r.p.m., 1900 r.p.m., 1700 r.p.m., 1600 r.p.m., 1500 r.p.m., 1400 r.p.m., 1300 r.p.m., 1200 r.p.m., 1000 r.p.m., 900 r.p.m. o 750 r.p.m. En algunas realizaciones, el motor 10 puede funcionar entre aproximadamente 750-2000 r.p.m., 900-1800 r.p.m. o 1000-1600 r.p.m. Además, en algunas realizaciones, el pistón 20 puede tener una velocidad media máxima del pistón generalmente baja (por ejemplo, en relación con los motores de automóviles o similares). Por ejemplo, el pistón 20 puede tener una velocidad media máxima del pistón de menos de 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 o 5 m/s. En algunas realizaciones, el pistón 20 puede tener una velocidad media máxima del pistón de 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, o de 11 a 12 m/s. En algunas realizaciones, el pistón 20 puede tener una velocidad media máxima del pistón de aproximadamente 12 m/s. La velocidad media del pistón es una velocidad media del pistón 20 en el motor 10 y es una función de la carrera y las r.p.m. Por ejemplo, la velocidad media del pistón (VMP) puede ser igual a (2 x S) x (r.p.m. / 60), donde S es la carrera (por ejemplo, una longitud de la carrera) y r.p.m. son las revoluciones por minuto a las que funciona el motor 10. En la ecuación anterior, la carrera se multiplica por un factor de 2 para tener en cuenta el hecho de que ocurren dos carreras por una revolución de la manivela, y las r.p.m. se pueden dividir por un factor de 60 para convertir minutos en segundos. Los motores 10 de ejemplo pueden incluir motores Jenbacher de General Electric Company (por ejemplo, Jenbacher Tipo 2, Tipo 3, Tipo 4, Tipo 6 o J920 FleXtra) o Motores Waukesha (por ejemplo, Waukesha VGF, VHP, APG, 275GL), por ejemplo. Como se expone con más detalle a continuación, el pistón 20 puede ser un pistón de acero o un pistón de aluminio. En ciertas realizaciones, el pistón 20 puede incluir un inserto de anillo protector (por ejemplo, un inserto de anillo resistente de Ni) en una ranura de anillo del pistón 20. Además, el pistón 20 puede incluir uno o más canales radiales formados en la ranura de anillo y/o en el inserto del anillo protector, por ejemplo.
La figura 2 es una vista lateral en sección transversal de una realización de un conjunto 25 de pistón que tiene el pistón 20 dispuesto dentro del cilindro 26 (por ejemplo, el cilindro del motor) del motor 10 alternativo. El cilindro 26 tiene una pared 28 anular interior que define una cavidad 30 cilíndrica (por ejemplo, orificio). El pistón 20 puede estar definido por un eje o dirección 34 axial, un eje o dirección 36 radial y un eje o dirección 38 circunferencial. El pistón 20 incluye una parte superior 40 (por ejemplo, superficie superior) y una ranura anular superior 42 (por ejemplo, ranura superior o ranura lo más superior) que se extiende circunferencialmente (por ejemplo, en la dirección 38 circunferencial) alrededor del pistón 20. Un anillo 44 superior (por ejemplo, un anillo de pistón superior) puede colocarse en la ranura superior 42.
El anillo superior 44 está configurado para sobresalir radialmente hacia fuera desde la ranura 42 superior para hacer contacto con la pared anular 28 interior del cilindro 26. El anillo 44 superior generalmente bloquea el combustible 18 y el aire 16, o una mezcla 82 de combustible y aire, para que no escape de la cámara 12 de combustión y/o facilita el mantenimiento de la presión adecuada para permitir que los gases de combustión calientes en expansión provoquen el movimiento alternativo del pistón 20. Además, el anillo 44 superior de las presentes realizaciones puede configurarse para facilitar el raspado de aceite, que recubre la pared anular 28 interior y que controla el calor y/o la fricción dentro del motor 10, por ejemplo.
En ciertas realizaciones, el pistón 20 es un pistón de acero (por ejemplo, acero o cualquiera de una variedad de aleaciones de acero, como 42CrMo4V o 38MnVS6). En algunas realizaciones, el pistón 20 es un pistón de aluminio (por ejemplo, aluminio o cualquiera de una variedad de aleaciones de aluminio, como SAE332 o AlSil2CuMgNi). La ranura 42 superior incluye un inserto de anillo protector o un inserto de soporte de anillo (por ejemplo, un material de inserto de anillo de hierro fundido resistente de Ni, como ASTM A436, Tipo 1) configurado para soportar el anillo 44 superior.
El inserto de anillo protector puede formarse a partir de un material de inserto que sea más resistente al desgaste, resistente al calor y/o resistente a la presión que el material del que está formado el pistón 20 y/o el anillo 44 superior. A modo de otro ejemplo, el material de inserción puede configurarse para soportar temperaturas y/o presiones de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300 o porcentajes mayores que los soportados por el material del que está formado el pistón 20 y/o el anillo 44 superior. En ciertas realizaciones, el inserto de anillo protector puede estar formado por un material de inserto que tenga una dureza mayor (por ejemplo, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300 o porcentajes mayores) que el material del que está formado el pistón 20 y/o el anillo 44 superior. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el pistón 20 puede tener una dureza entre aproximadamente 50-150, 60-140 o 70-130 HB, mientras que el inserto de anillo protector puede tener una dureza entre aproximadamente 80-220, 90-210 o 100-200 HB. A modo de otro ejemplo, en algunas realizaciones, el pistón 20 puede tener una dureza entre aproximadamente 90-120 HB, mientras que el inserto de anillo protector puede tener una dureza entre aproximadamente 120-190 HB. En algunas realizaciones, el inserto de anillo protector puede ser un inserto de anillo resistente de Ni que incluye una aleación de níquel (por ejemplo, cualquiera de una variedad de aleaciones de níquel, como ASTM A436, Tipo 1). Generalmente, el material de inserto puede permitir que el conjunto de pistón 25 resista las altas presiones y/o altas temperaturas en los grandes motores industriales durante la larga vida útil de dichos motores.
En algunas realizaciones, una o más ranuras anulares 50 (por ejemplo, ranuras de anillo adicionales) pueden extenderse circunferencialmente alrededor del pistón 20 axialmente por debajo de la ranura 42 superior. En algunas realizaciones, uno o más anillos 52 adicionales (por ejemplo, anillos adicionales) pueden disponerse dentro de cada una de las una o más ranuras 50 de anillo adicionales. Los anillos 52 adicionales pueden estar configurados para bloquear los gases de soplado y/o raspar aceite de la pared 28 anular interior del cilindro 26.
Como se muestra, el pistón 20 está unido a un cigüeñal 54 mediante una biela 56 y un pasador 58. El cigüeñal 54 traduce el movimiento lineal alternativo del pistón 24 en un movimiento giratorio. A medida que se mueve el pistón 20, el cigüeñal 54 gira para impulsar la carga 24 (mostrada en la figura 1), como se expuso anteriormente. Como se muestra, la cámara 14 de combustión se coloca adyacente a la superficie 40 superior del pistón 24. Un inyector 60 de combustible proporciona el combustible 18 a la cámara 14 de combustión, y una válvula 62 controla el suministro de aire 16 a la cámara 14 de combustión. Una válvula 64 de escape controla la descarga del escape del motor 10. Sin embargo, debería entenderse que se puede utilizar cualquier elemento y/o técnica adecuados para proporcionar combustible 18 y aire 16 a la cámara 14 de combustión y/o para descargar el escape. En funcionamiento, la combustión del combustible 18 con el aire 16 en la cámara 14 de combustión hace que el pistón 20 se mueva de una manera alternativa (por ejemplo, hacia adelante y hacia atrás) en la dirección 34 axial dentro de la cavidad 30 del cilindro 26.
Se proporciona una holgura 78 (por ejemplo, una holgura radial que define un espacio anular) entre la pared anular interior 28 del cilindro 26 y una superficie 80 exterior (por ejemplo, una superficie anular) del pistón 20. Como se expuso anteriormente, es deseable mantener el contacto entre el anillo 44 superior y la pared anular 28 interior del cilindro 26 para bloquear los gases de soplado así como para permitir que el anillo 44 superior raspe el aceite de la pared anular interior 28, por ejemplo. Sin embargo, durante el funcionamiento del motor 10, los gases de combustión de la cámara 12 de combustión entran en contacto con una cara 90 exterior (por ejemplo, una cara radialmente exterior o una cara circunferencial exterior) del anillo 44 superior y ejercen una fuerza que impulsa el anillo 44 superior radialmente hacia adentro (por ejemplo, a lo largo del eje 36 radial) alejándose de la pared 28 interior del cilindro 26. En consecuencia, las realizaciones presentes incluyen uno o más canales (por ejemplo, pasajes, surcos, ranuras o similares), tales como uno o más canales 94 radiales, configurados para transferir gases de combustión a un espacio (mostrado en la figura 5) adyacente a una superficie circunferencial interior (mostrada en la figura 5) del anillo 44 superior. Además, el uno o más canales 94 radiales facilitan el flujo de aceite fuera de la ranura 42 superior y/o bloquean la acumulación de aceite dentro de la ranura 42 superior. Dicha configuración permite que uno o más canales 94 radiales equilibren de manera fiable el gradiente de presión a través del anillo 44 superior (por ejemplo, estabilizar anillo 44 superior) y/o permite al anillo 44 mantener el contacto con la pared anular 28 interior del cilindro 26.
La figura 3 es una vista lateral de una parte de un ejemplo del pistón 20 que tiene canales 94 radiales formados en la superficie 40 superior del pistón 20. Como se muestra, los canales 94 radiales están formados en ubicaciones discretas alrededor del pistón 20 (por ejemplo, ubicaciones discretas que están dispuestas separadas circunferencialmente alrededor del pistón 20). En la realización ilustrada, los canales 94 radiales tienen una sección transversal curvada (por ejemplo, tienen una pared 98 curva) y un radio 100 de canal radial. Los canales 94 radiales están formados dentro o a lo largo de una superficie 102 orientada axialmente (por ejemplo, una superficie anular), que corresponde tanto a una superficie inferior de la superficie 40 superior como a una superficie superior (por ejemplo, una superficie superior o un perímetro superior) de la ranura 42 superior. Los canales 94 radiales pueden extenderse radialmente hacia adentro (por ejemplo, en la dirección 36 radial) desde la superficie 80 exterior (por ejemplo, una superficie anular exterior) de la superficie 40 superior del pistón 20. Como se muestra, los canales 94 radiales están abiertos hacia la ranura 42 superior, y una distancia 104 axial entre el anillo 44 superior y la superficie 102 orientada axialmente se incrementa a lo largo de los canales 94 radiales (por ejemplo, como se muestra mediante una segunda distancia 103 axial que es mayor que la distancia 104 axial y coincidente con los canales 94 radiales). Por tanto, la distancia axial entre el anillo 44 superior y la superficie orientada axialmente 102 varía circunferencialmente alrededor del anillo 44 superior. Como se analiza con más detalle a continuación, dicha configuración facilita el flujo de aceite fuera de la ranura superior 42 (por ejemplo, bloquea que el aceite se acumule dentro de la ranura 42 superior), permitiendo así la transferencia fiable de los gases de combustión desde la cavidad 30 a lo largo de los canales 94 radiales a un espacio (mostrado en la figura 5), donde los gases de combustión ejercen una fuerza radialmente hacia afuera (por ejemplo, una fuerza de empuje inducida por presión) contra una cara interior (mostrada en la figura 5) del anillo 44 superior. En consecuencia, los canales 94 radiales controlan de forma fiable el gradiente de presión a través del anillo 44 superior y permiten el mantenimiento del contacto entre el anillo 44 superior y la pared anular 28 interior del cilindro 26. Los canales 94 radiales pueden ayudar a igualar las presiones axialmente por encima de un punto 107 de sellado, mientras generan una presión diferencial positiva axialmente por debajo del punto 107 de sellado para presionar el anillo 44 superior radialmente hacia fuera contra la pared anular 28 interior del cilindro 26.
En algunos casos, el radio 100 del canal radial puede ser mayor de aproximadamente 2 milímetros (mm). En algunos casos, el radio del canal radial 100 puede ser mayor de aproximadamente 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2,5 mm o 3 mm, por ejemplo. Además, el radio 100 del canal radial puede ser menor que 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 o 90 por ciento de la distancia 103 axial. El radio 100 del canal radial puede estar entre 10-90, 20- 80, 30-70 o 40-60 por ciento de la distancia 103 axial. En algunas realizaciones que tienen el inserto de anillo protector, el radio 100 del canal radial puede ser menor que 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, o el 90 por ciento de la altura axial del inserto del anillo protector. El radio del canal 100 radial puede estar entre 10-90, 20-80, 30-70 o 40-60 por ciento de la altura axial del inserto de anillo protector. Aunque los canales 94 radiales se muestran con una sección transversal curvada, debe entenderse que los canales 94 radiales pueden tener cualquier sección transversal adecuada (por ejemplo, rectangular, triangular, curvada con curvatura variable o similar) o configuración que facilita la transferencia de los gases de combustión de la manera descrita en la presente memoria. Además, aunque se ilustran múltiples canales 94 radiales, debe entenderse que se puede proporcionar cualquier número adecuado de canales 94 radiales, tales como 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o más. Además, los canales 94 radiales se pueden distribuir de cualquier manera adecuada, incluso con una separación circunferencial uniforme alrededor del pistón 20.
La figura 4 es una vista lateral en sección transversal de una parte de una realización según la invención del pistón 20 que tiene el anillo 44 superior y un canal 94 radial formado en la superficie 40 superior del pistón 20. En las realizaciones ilustradas, el canal 94 radial está formado en la superficie 102 orientada axialmente. Los canales 94 radiales se extienden radialmente hacia adentro (por ejemplo, a lo largo del eje 36 radial) desde la superficie 80 exterior de la superficie 40 superior. Durante el funcionamiento del motor 10, los gases de combustión ejercen presión en la cara 90 exterior del anillo 44 superior y generan una fuerza 108 radialmente hacia dentro que aleja el anillo 44 superior de la pared anular 28 interior del cilindro 26.
Aunque se proporciona un espacio 120 (por ejemplo, una holgura de ranura superior) entre una cara 121 superior (por ejemplo, una cara axialmente superior) del anillo 44 superior y la superficie 102 orientada axialmente del pistón 20 para permitir que fluyan algunos gases de combustión dentro de la ranura 42 superior, la primera distancia 102 axial a través del espacio 120 está configurada deseablemente para minimizar la elevación y la oscilación del anillo. Por lo tanto, sin las realizaciones descritas, el aceite puede acumularse en el espacio 120 relativamente pequeño y bloquear el flujo de gases de combustión a través de la ranura 42 superior, y el espacio 120 puede que no permita una transferencia eficiente y confiable de los gases de combustión a una cara 124 interior (por ejemplo, una cara radialmente interior o una cara circunferencial interior) del anillo 44 superior, si el espacio 120 está bloqueado con aceite. En consecuencia, sin los canales 94 radiales descritos, el aceite puede acumularse en la ranura 42 superior y puede existir una gran diferencia de presión a través del anillo 44 superior (por ejemplo, entre la cara 90 exterior y la cara 124 interior), si el espacio 120 está bloqueado con aceite. Por ejemplo, sin los canales 94 radiales descritos, el aceite puede adherirse a la ranura 42 superior y bloquear el flujo de gases de combustión y, por tanto, la presión adyacente a la cara 90 exterior puede ser mayor que la presión adyacente a la cara 124 interior. En dichos casos, el anillo 44 superior puede ser susceptible al colapso del anillo radial, lo que a su vez da como resultado un aumento del consumo de aceite y de los gases de soplado, por ejemplo.
En las presentes realizaciones, los canales 94 radiales pueden configurarse para facilitar la transferencia de los gases de combustión a un espacio 130 (por ejemplo, un espacio anular) adyacente a la cara 124 interior del anillo 44 superior y una pared 131 interior (por ejemplo, una pared anular interior) de la ranura 42 superior, que puede proporcionar una mayor estabilidad del anillo 44 superior. Los gases de combustión en el espacio 130 pueden ejercer una fuerza 134 radialmente hacia afuera para equilibrar o contrarrestar la fuerza 108 radialmente hacia adentro, y la presión a través del anillo 44 superior puede ser sustancialmente igual o de otro modo controlada para bloquear el colapso del anillo radial y para mantener el contacto entre el anillo 44 superior y la pared 28 anular interior del cilindro 26, por ejemplo.
Además, como se muestra, la superficie 90 exterior del anillo 44 superior está configurada para contactar con la pared anular 28 interior para formar el punto 107 de sellado. Dicha configuración puede permitir ventajosamente que el anillo 44 superior raspe aceite de la pared 28 anular interior del cilindro 26 durante el funcionamiento del motor 10. Además, el aceite es generalmente un líquido viscoso y adhesivo que puede adherirse al pistón 20, incluida la ranura 42 superior, en determinadas circunstancias. Los canales 94 radiales proporcionan la mayor distancia 103 axial y un volumen de hendidura mayor en general entre el anillo 44 superior y la superficie 102 orientada axialmente, así como una menor relación de área superficial respecto al volumen. Dicha configuración puede reducir la adherencia y generalmente facilitar el flujo del aceite fuera de la ranura 42 superior (por ejemplo, hacia la cámara 12 de combustión a lo largo de la pared 28 anular interior del cilindro 26) y, por lo tanto, puede mejorar el control del aceite y reducir el consumo de aceite. dentro del motor 10.
Como se señaló anteriormente, en algunas realizaciones, el pistón 20 es un pistón de acero. En ciertas realizaciones, el pistón 20 es un pistón de aluminio. El pistón 20 incluye un inserto de anillo protector o un inserto 150 de soporte de anillo (por ejemplo, un inserto de anillo resistente de Ni) que rodea la ranura 42 superior (por ejemplo, que recubre la ranura 42 superior y se extiende circunferencialmente alrededor del pistón 20). El inserto 150 de anillo protector puede extenderse a lo largo de todo o parte de la ranura del anillo 42 superior (por ejemplo, la superficie 102 orientada axialmente, la pared 131 interior y/o una superficie 112 inferior orientada axialmente). Por ejemplo, en la sección transversal ilustrada, el inserto de anillo protector 150 tiene generalmente una forma de C o de U.
Como se señaló anteriormente, el inserto 150 de anillo protector puede formarse a partir de un material de inserto que sea más resistente al desgaste, resistente al calor y/o resistente a la presión que el material del que está formado el pistón 20. Por ejemplo, el material del inserto puede configurarse para soportar temperaturas y/o presiones de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, o porcentajes mayores que los soportados por el material del que está formado el pistón 20 y/o el anillo 44 superior. En ciertas realizaciones, el inserto 150 de anillo protector se puede formar a partir de un material de inserto que tiene una dureza mayor (por ejemplo, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300 o porcentajes mayores) que el material del cual está formado el pistón 20 y/o el anillo 44 superior. Como se expone con más detalle a continuación, en algunas realizaciones, el inserto 150 de anillo protector puede ser un inserto de anillo resistente de Ni que incluye una aleación de níquel (por ejemplo, cualquiera de una variedad de aleaciones de níquel, como ASTM A436, Tipo 1). Generalmente, el material de inserción puede permitir que el pistón 20 resista las altas presiones y/o altas temperaturas en los grandes motores industriales durante la larga vida útil de dichos motores.
El inserto 150 de anillo protector puede moldearse en la ranura 42 del anillo superior y puede configurarse para soportar el anillo 44 superior. En otras realizaciones, el inserto 150 de anillo protector puede instalarse en segmentos y unirse en la ranura del anillo 42 superior (por ejemplo, mediante soldadura, soldadura fuerte o similares). En otras realizaciones, el inserto 150 de anillo protector puede instalarse mediante la aplicación de un revestimiento (por ejemplo, un revestimiento por pulverización) o cualquier otra técnica adecuada. En algunas realizaciones, el inserto 150 de anillo protector puede comprender una aleación de níquel (por ejemplo, cualquiera de una variedad de aleaciones de níquel) y puede configurarse para soportar las altas presiones y/o altas temperaturas dentro del motor 10.
Los canales 94 radiales están formados dentro del inserto 150 de anillo protector (por ejemplo, una superficie enfrentada axialmente del inserto 150 de anillo protector), como se muestra. Como se señaló anteriormente, en ciertas realizaciones que tienen el inserto 150 de anillo protector, el radio 100 del canal radial puede ser menor que el 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 o 90 por ciento de una altura 151 axial del inserto de anillo protector. El radio 100 del canal radial puede estar entre 10-90, 20-80, 30-70 o 40-60 por ciento de la altura 151 axial del inserto de anillo protector. En algunas realizaciones, los canales 94 radiales en el inserto 150 de anillo protector pueden permitir ventajosamente la instalación de los canales 94 radiales en una simple ranura anular en lugar de mediante la formación de los canales 94 radiales directamente en el propio pistón 20. Además, varios insertos 150 de anillo protector (por ejemplo, que tienen varias configuraciones, números y/o tamaños de canales 94 radiales) pueden insertarse en cualquiera de una variedad de pistones que tienen una ranura correspondiente configurada para recibir dichos 150 insertos de anillo protector. Así, el inserto 150 de anillo protector podría utilizarse para adaptar la ranura (por ejemplo, la ranura 42 del anillo superior) para tener una configuración, número y/o tamaño adecuados de canales 94 radiales (por ejemplo, una familia de diferentes insertos 150 de anillo protector podría utilizarse de forma selectiva con el pistón 20).
La figura 5 ilustra una vista lateral en sección transversal de una parte de un ejemplo del pistón 20 que tiene un canal 94 radial formado en el anillo 44 superior. En ciertas realizaciones, los canales 94 radiales pueden formarse a lo largo de la cara 121 superior del anillo 44 superior Dichos canales se pueden proporcionar además de o como una alternativa a los canales 94 radiales formados en la superficie 40 superior del pistón 20, como se muestra en las figuras 2-4, por ejemplo.
Como se muestra, los canales 94 radiales formados en el anillo 44 superior pueden extenderse radialmente hacia adentro (por ejemplo, en la dirección 36 radial) desde la cara 90 exterior a la cara 124 interior del anillo 44 superior. Los canales 94 radiales pueden aumentar la distancia 104 entre la cara 121 superior del anillo 44 superior y la superficie 102 orientada axialmente de la ranura 42 superior a lo largo del radio 100 coincidente con el canal 94 radial. Por lo tanto, el canal 94 radial puede facilitar el flujo de aceite fuera de la ranura 42 superior, permitiendo así un flujo fiable de los gases de combustión desde la cavidad 30 al espacio 130 adyacente a la cara 124 interior, tal como se muestra por la flecha 172. Como se discutió anteriormente, la transferencia de gases al espacio 130 puede controlar la diferencia de presión entre la cara 90 exterior anular y la cara 124 interior del anillo 44 superior, y por tanto permitir que el anillo 44 superior mantenga contacto con la pared 28 interior del cilindro 26.
Como se estableció anteriormente, los canales 94 radiales pueden ayudar a igualar las presiones o crear una diferencia de presión entre la cara 124 interior del anillo 44 superior y la cara 90 exterior del anillo 44 superior, ayudando así a desviar el anillo 44 superior radialmente hacia fuera contra el cilindro 26 para bloquear el colapso del anillo radial y/o los gases de soplado, por ejemplo. Además, el anillo 44 superior y/o los canales 94 radiales pueden construirse para bloquear el colapso del anillo radial y los gases de soplado, mientras que también proporcionan un control de aceite dentro del motor 10. Como se señaló anteriormente, en algunas realizaciones, el pistón 20 es un pistón de acero. En determinadas realizaciones, el pistón 20 es un pistón de aluminio. El pistón 20 puede incluir opcionalmente el inserto 150 de soporte de anillo protector que tiene cualquiera de las características establecidas anteriormente.
Los efectos técnicos de las realizaciones descritas incluyen proporcionar sistemas para controlar el flujo de aceite y/o la distribución de gases de combustión dentro del motor 10 a través de canales, tales como canales 94 radiales. Por ejemplo, los gases de combustión pueden ejercer presión contra la cara 90 exterior del anillo 44 superior del conjunto de pistón. Los canales radiales 94 pueden transferir los gases de combustión al espacio 130 adyacente a la superficie 124 interior del anillo 44 superior, controlando así un gradiente de presión entre la cara 90 exterior y la cara 124 interior y permitiendo que el anillo 44 superior mantenga contacto con la pared 28 interior del cilindro 26. Dichas configuraciones también pueden limitar ventajosamente el aceite en la proximidad de los canales 94 radiales, proporcionando así una transferencia fiable y duradera de los gases de combustión a través de los canales 94 radiales. Las realizaciones descritas pueden reducir ventajosamente el consumo de aceite, las emisiones, el colapso del anillo radial y/o fricción dentro del motor 10, por ejemplo.
Esta descripción escrita usa ejemplos para describir la invención, incluido el modo preferido, y también para permitir que cualquier experto en la técnica practique la invención, incluida la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier método incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos que se les ocurran a los expertos en la técnica. Dichos otros ejemplos están destinados a estar dentro del alcance de las reivindicaciones si tienen elementos estructurales que no difieren del lenguaje literal de las reivindicaciones, o si incluyen elementos estructurales equivalentes con diferencias insustanciales respecto a los lenguajes literales de las reivindicaciones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema (10) de cilindro de potencia para un motor alternativo, que comprende:
un pistón 20 configurado para moverse dentro de un cilindro (26) del motor alternativo;
una ranura (42) que se extiende circunferencialmente alrededor del pistón por debajo de una superficie superior del pistón, caracterizado por que además comprende
un inserto (150) de anillo protector dispuesto dentro de la ranura y configurado para soportar un anillo que tiene una cara circunferencial interior; y
uno o más canales formados en el inserto del anillo protector y configurados para facilitar la transferencia de gases de combustión a un espacio entre una parte de la ranura y la cara circunferencial interior del anillo.
2. El sistema (10) de cilindro de potencia de la reivindicación 1, en donde el pistón (20) está configurado para tener una velocidad media máxima del pistón de menos de dieciocho metros por segundo.
3. El sistema (10) de cilindro de potencia de la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, en donde uno o más canales comprenden un radio mayor de aproximadamente un milímetro.
4. El sistema (10) de cilindro de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el pistón (20) comprende un diámetro mayor de aproximadamente diez centímetros.
5. El sistema (10) de cilindro de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el pistón (20) comprende aluminio.
6. El sistema (10) de cilindro de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el inserto (44) de anillo protector comprende un inserto de anillo resistente de Ni.
7. El sistema (10) de cilindro de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde uno o más canales se extienden radialmente en el inserto de anillo protector.
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