JP2015232326A

JP2015232326A - 往復動機関用のピストン組立体

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Publication number: JP2015232326A
Application number: JP2015111810A
Authority: JP
Inventors: リチャード・ジョン・ドナヒュー; John Donahue Richard
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2015-12-24
Also published as: CN105275660A; EP2952787A1; US20150354495A1; US9200589B1; BR102015013120A2; KR20150140576A

Abstract

【課題】トップリングの安定性を高め、油消費量、排出物、ブローバイ、及び／又は摩擦を減少させる往復動機関用のパワーシリンダシステムの提供。
【解決手段】このパワーシリンダシステムは、内側環状壁２８を有し、かつボア径１３４を有するキャビティ４６を画定するシリンダ２６を含み、シリンダ内に配置され、かつ往復運動するピストン２０を有する、ピストン組立体を含む。ピストン、及びシリンダの内側環状壁は、ボア径の約０．５パーセント未満である、直径方向の低温クリアランス１００によって隔てられている。ピストン組立体は、ピストンの周囲に円周方向に延びる最上部溝４２と、最上部溝内に配置されたリング４４とを含む。１つ以上のチャネル８４は、トップランド、又はリングの上側表面に形成されており、燃焼ガスを、キャビティから、最上部溝の内側表面１３１と、リングの内面１２４との間の空間１３０に、流すことができる。
【選択図】図４

Description

本明細書に開示される主題は、概して、往復動機関に関し、より詳細には、往復動機関用のピストン組立体に関する。

往復動機関（例えば、往復動内燃機関）は、酸化剤（例えば、空気）と一緒に燃料を燃焼させて、高温の燃焼ガスを発生させる。その後、高温の燃焼ガスは、シリンダ内で、ピストン（例えば、往復動ピストン）を駆動する。詳細には、高温の燃焼ガスは、膨張し、膨張行程中、シリンダの上部から底部にピストンを直線運動させるピストンに対して、圧力を加える。ピストンは、燃焼ガスによって加えられた圧力と、ピストンの直線運動とを、１つ以上の負荷装置、例えば、発電機を駆動する（例えば、ピストンに連結された、コンロッド及びクランクシャフトを介した）回転運動に変換する。ピストン、及び関連する構造体（例えば、ピストン組立体）の構成は、排気物質（例えば、未燃炭化水素）、及び機関効率、並びに潤滑剤（例えば、油）消費量に、重大な影響を与える可能性がある。また、ピストン組立体の構成は、往復動機関の動作寿命に、重大な影響を及ぼす可能性がある。したがって、ピストン組立体の構成を改善することが望ましいであろう。

米国特許第７７３０８６６号明細書

最初にクレームされた発明の範囲に相応する、特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、クレームされた発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の、簡単な概要を提供することのみを意図している。実際、本発明は、以下に説明する実施形態と同様の場合もあり、又は異なる場合もある、様々な形態を包含することができる。

一実施形態では、往復動機関用のパワーシリンダシステムは、内側環状壁を有し、かつボア径を有するキャビティを画定するシリンダを含む。このパワーシリンダシステムは、シリンダ内に配置され、かつ往復運動するように構成されたピストンを有する、ピストン組立体を含む。ピストン、及びシリンダの内側環状壁は、ボア径の約０．５パーセント未満である、直径方向の低温クリアランスによって隔てられている。ピストン組立体は、ピストンのトップランドの下で、ピストンの周囲に円周方向に延びる最上部溝と、最上部溝内に配置されたリングとを含む。１つ以上のチャネルが、トップランド、又はリングの上側表面に形成されており、燃焼ガスを、キャビティから、最上部溝の内側表面と、リングの内面との間の空間に、流すことができるように構成されている。

一実施形態では、往復動機関用のパワーシリンダシステムは、ピストンであって、ピストンがシリンダ内に配置されている場合、ピストンのトップランドと、パワーシリンダシステムのシリンダの内側環状壁との間に、狭いトップランドクリアランスを形成するように構成されたピストンを含む。ピストン組立体はまた、ピストンの周囲に円周方向に延び、かつリングを支持するように構成された最上部リング溝を含む。１つ以上のチャネルが、最上部リング溝の上側表面、又はリングの上側の面に配置され、リングが最上部リング溝内に配置されている場合、１つ以上のチャネルが、最上部リング溝に対して開いており、ピストンの外側周辺部から、最上部リング溝の一部と、リングの内周面との間に画定される空間に、内向きに延びている。

一実施形態では、往復動機関用のパワーシリンダシステムは、ボア径を有するシリンダを含む。ピストンが、シリンダ内に配置され、狭いトップランドクリアランスが、ピストンのトップランドと、シリンダの内側環状壁との間に設けられる。リングは、ピストンのトップランドの下で、ピストンの最上部溝内に配置されている。シリンダ、リング、及びトップランドは、トップランドキャビティを画定する。１つ以上の半径方向チャネルが、トップランドキャビティと、トップリングにおける内面の隣の空間とに流体連通しており、１つ以上の半径方向チャネルが、燃焼ガスが、トップランドキャビティから、空間に流れやすくなるように構成されている。

本発明の、これら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明が、添付の図面を参照して読まれた場合に、よりよく理解されるであろう。添付の図面においては、同様の符号が、図面全体を通して、同様の部分を表す。

機関駆動発電システムの一部の一実施形態の、概略的なブロック図である。機関のシリンダ内に配置されたピストンを有する緊密なトップランドピストン組立体の、一実施形態の側面断面図である。ピストンのトップランドに形成された半径方向チャネルを有するピストンの、一実施形態の一部の側面図である。ピストンのトップランドに形成された半径方向チャネルを有する緊密なトップランドピストン組立体の、一実施形態の一部の部分側面断面図である。トップピストンリングに形成された半径方向チャネルを有する緊密なトップランドピストン組立体の、一実施形態の一部の部分側面断面図である。

本発明の１つ以上の特定の実施形態を、以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明する試みにより、本明細書では、実際の実施態様におけるすべての特徴を説明しない場合がある。いかなる工学プロジェクト、又は設計プロジェクトにおける場合のような、任意の実際の実施態様の開発において、実施態様に限定された多数の決定が、開発者の特定の目標を達成するために、なされなければならないことを理解されたい。開発者の特定の目標とは、システムに関連した制約の遵守、及びビジネスに関連した制約の遵守等であり、一実施態様から、別の実施態様にかけて変化する場合がある。その上、このような開発努力は、複雑で時間がかかる可能性があるが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する当業者にとっては、設計、作製、及び製造に関する日常的な取り組みであろうことを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を説明する際、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」という項目に関しては、その要素が１つ以上存在することを意味することが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であること、及び列記された要素以外のさらなる要素が存在し得ることを意味することが、意図されている。

本開示による、往復動機関（例えば、往復動内燃機関）用のパワーシリンダシステムは、燃焼ガスによって加えられる圧力と、ピストンの直線運動とを回転運動に変換し、１つ以上の負荷装置に給電するために、シリンダ（例えば、ライナ）内で直線運動するようにそれぞれ構成された、１つ以上のピストンを含んでもよい。各ピストンは、ピストンのトップランドの下で、ピストンの周囲に円周方向に延びる、トップ環状溝（例えば、トップリング溝、又は最上部リング溝）を有してもよい。トップリング（例えば、トップピストンリング）は、トップ溝内に配置され得る。トップリング、トップランド、及びシリンダの内側環状壁は、環状のトップランドキャビティを画定する。開示された実施形態では、１つ以上のチャネルが、燃焼ガスを、トップリングの内面の隣の空間に流して、例えば、半径方向のリングのつぶれを阻止するために設けられてもよい。また、ピストンのトップランドと、シリンダの内側環状壁との間の、（例えば、トップランドキャビティを横切る）ＴＴＬクリアランス（例えば、直径方向クリアランス）により、チャネル内の炭素堆積物の形成を阻止することができる。

開示された実施形態を利用しなければ、トップリングを挟んだ圧力勾配は、例えば、半径方向のリングのつぶれ（例えば、シリンダの内壁から離れる、トップリングの動き）、潤滑剤（例えば、油）消費量の増加、未燃炭化水素のブローバイの増加、排出物の増加を引き起こす恐れがある。したがって、本開示の実施形態は、高圧の燃焼ガスを、トップリングにおける内面の隣の空間に流し、流れされたガスが、トップリングの内面に、半径方向外側に向けられた力を加えるようにするための、１つ以上のチャネルを含む。しかし、上述のように、このようなチャネルは、機関の動作中に形成される炭素堆積物によって、詰まりやすい場合がある。チャネル内に炭素堆積物が形成されると、チャネルを通る燃焼ガスの流れが妨げられる場合があり、したがって、例えば、トップリングを安定させるためのチャネルの能力が制限される恐れがある。チャネル内の炭素堆積物の形成を阻止するために、本実施形態は、ピストンのトップランドと、シリンダの内側環状壁との間の、（例えば、トップランドキャビティを横切る）ＴＴＬクリアランスを有する、ＴＴＬピストン組立体を含む。以下でより詳細に論じるように、ＴＴＬクリアランスは、概して、小さなクリアランスである。例えば、ＴＴＬクリアランスは、シリンダのボアの直径の約０．５％未満である場合もある。別の例として、アルミニウム製ピストンのＴＴＬクリアランスは、シリンダのボアの直径の約０．３６％〜約０．５％であってもよい。別の例として、鋼鉄製ピストンのＴＴＬクリアランスは、シリンダのボアの直径の約０．２％〜約０．３２％であってもよい。ＴＴＬクリアランスは、チャネル内の温度、及び／又はチャネル内の油の滞留時間を制御することができる。これにより今度は、チャネル内の、炭素堆積物の形成を阻止することができる。したがって、ＴＴＬクリアランスにより、機関の動作寿命中、チャネルの動作を、永続性があり、確実なものにすることができる可能性がある。有効なことに、本明細書に開示される特徴を有する機関では、トップリングの安定性が高められ得る。そして、半径方向のリングのつぶれを防ぎ、かつ、例えば、ブローバイ、油消費量、排出物を減少させることができる。

図面を参照すると、図１は、機関駆動発電システム８の一部の一実施形態のブロック図を示す。以下に詳細に説明するように、機関駆動発電システム８は、１つ以上の燃焼室１２（例えば、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、１０個、１２個、１４個、１６個、１８個、２０個、又はこれより多くの燃焼室１２）を有する、機関１０（例えば、往復動内燃機関）を含む。空気供給部１４は、空気、酸素、酸素富化空気、酸素を減少させた空気、又はこれらの任意の組み合わせ等の加圧酸化剤１６を、各燃焼室１２に提供するように構成されている。燃焼室１２はまた、燃料供給部１９から、燃料１８（例えば、液体燃料及び／又は気体燃料）を受けるように構成されており、燃料空気混合気は、各燃焼室１２内で、発火し、燃焼する。高温の加圧された燃焼ガスにより、各燃焼室１２に隣接するピストン２０が、シリンダ２６内で直線運動し、ガスによって加えられた圧力を、回転運動に変換する。これにより、シャフト２２が回転する。ピストン２０、及びシリンダ２６は共に、機関１０用のパワーシリンダシステムを形成することができる。以下により詳細に説明するように、１つ以上のチャネルが、ピストン２０のトップリングを安定させるために設けられていてもよく、ＴＴＬクリアランスが、１つ以上のチャネル内での、炭素堆積物の形成を阻止するために、ピストン２０のトップランドと、シリンダの内側環状壁との間に設けられてもよい。また、シャフト２２が、負荷装置２４に結合してもよい。負荷装置２４は、シャフト２２の回転によって給電される。例えば、負荷装置２４は、発電機のような、機関１０の回転出力により電力を生成することができる、いかなる適切な装置であってもよい。また、以下の説明は、空気を酸化剤１６と呼んでいるが、いかなる適切な酸化剤が、開示された実施形態とあわせて使用されてもよい。同様に、燃料１８は、例えば、石油ガス、プロパン、バイオガス、消化ガス、埋立地ガス、コールマインガスに関連した天然ガスのような、いかなる適切な気体燃料であってもよい。

本明細書に開示される機関駆動発電システム８は、（例えば、工業用発電機関内の）静止している用途、又は（例えば、車、又は航空機内の）移動する用途に適用することができる。機関１０は、２行程機関、３行程機関、４行程機関、５行程機関、又は６行程機関であってもよい。機関１０は、燃焼室１２、ピストン２０、及び関連付けられたシリンダを、いくつ含んでもよい（例えば、１個〜２４個）。例えば、ある実施形態では、機関駆動発電システム８は、シリンダ内で往復運動する、４個、６個、８個、１０個、１６個、２４個、又はそれより多くのピストン２０を有する、巨大な工業用往復動機関を含むことができる。そのような場合のいくつかのでは、シリンダ、及び／又はピストン２０は、直径が、約１３．５センチメートル（ｃｍ）〜３４センチメートル（ｃｍ）の間であってもよい。いくつかの実施形態では、シリンダ、及び／又はピストン２０は、直径が、約１０ｃｍ〜約４０ｃｍ、約１５ｃｍ〜約２５ｃｍの間、又は約１５ｃｍであってもよい。ある実施形態では、ピストン２０は、ピストン２０のトップリング溝に、ニレジストリングインサートを備えた、鋼鉄製ピストン、又はアルミニウム製ピストンであってもよい。機関駆動発電システム８は、１０ｋＷ〜１０ＭＷの範囲の電力を生成することができる。いくつかの実施形態では、機関１０は、毎分約１８００未満の回転数（ＲＰＭ）で動作することができる。いくつかの実施形態では、機関１０は、約２０００ＲＰＭ未満、約１９００ＲＰＭ未満、約１７００ＲＰＭ未満、約１６００ＲＰＭ未満、約１５００ＲＰＭ未満、約１４００ＲＰＭ未満、約１３００ＲＰＭ未満、約１２００ＲＰＭ未満、約１０００ＲＰＭ未満、又は約９００ＲＰＭ未満で動作することができる。いくつかの実施形態では、機関１０は、約８００ＲＰＭ〜約２０００ＲＰＭ、約９００ＲＰＭ〜約１８００ＲＰＭ、又は約１０００ＲＰＭ〜約１６００ＲＰＭの間で動作することができる。いくつかの実施形態では、機関１０は、約１８００ＲＰＭ、約１５００ＲＰＭ、約１２００ＲＰＭ、約１０００ＲＰＭ、又は約９００ＲＰＭで動作することができる。例示的な機関１０には、例えば、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙ製のＪｅｎｂａｃｈｅｒＥｎｇｉｎｅｓ（例えば、ＪｅｎｂａｃｈｅｒＴｙｐｅ２、Ｔｙｐｅ３、Ｔｙｐｅ４、Ｔｙｐｅ６、もしくはＪ９２０ＦｌｅＸｔｒａ）、又はＷａｕｋｅｓｈａＥｎｇｉｎｅｓ（例えば、ＷａｕｋｅｓｈａＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ、２７５ＧＬ）が含めてもよい。

図２は、機関１０のシリンダ２６（例えば、機関シリンダ）内に配置されたピストン２０を有する、ピストン組立体２５の、一実施形態の側面断面図である。シリンダ２６は、円筒状のキャビティ３０を画定する内側環状壁２８を有する。以下の説明では、軸方向の軸線又は軸方向３４、半径方向の軸線又は半径方向３６、及び円周方向の軸線又は円周方向３８を参照することがある。ピストン２０は、上部４０（例えば、トップランド）と、トップランド４０の下で、ピストン２０の周囲に円周方向に（例えば、円周方向３８に）延びる、第１の環状溝４２（例えば、トップ溝、又はトップリング溝）とを有する。第１のトップリング４４（例えば、トップリング、又はトップピストンリング）は、トップ溝４２内に配置され、かつトップ溝４２によって支持され得る。トップリング４４、トップランド４０、及びシリンダ２６の内側環状壁２８は、環状のトップランドキャビティ４６を画定する。図示されているように、ピストン２０は、複数のさらなる環状溝４７（例えば、さらなるリング溝）を有する。さらなる環状溝４７は、ピストン２０の周囲に円周方向に延びており、軸方向の軸線３４に沿って、トップ溝４２から離れて、かつ互いから離れて配置されている。さらなるピストンリング４８は、さらなる環状溝４７内のそれぞれに配置されている。トップ溝４２、及びトップリング４４に関する様々な特徴が、本明細書に開示されている。しかし、複数のさらなる環状溝４７、及び対応するさらなるピストンリング４８が、いかなる様々な構成を有してもよいことを理解されたい。例えば、１つ以上の複数のさらなる環状溝４７、及び／又は対応するさらなるピストンリング４８は、以下に開示される特徴のいくつか、もしくはすべてを含んでもよく、又は、例えば、互いに異なる構成、形状、寸法、及び／もしくは機能を有してもよい。

図示されているように、ピストン２０は、コンロッド５２、及びピン５４を介して、クランクシャフト５０に取り付けられている。クランクシャフト５０は、ピストン２０の往復直線運動を、回転運動に変換する。燃焼室１２は、ピストン２０のトップランド４０に隣接して配置されている。燃料噴射器５６は、燃料１８を燃焼室１２に供給し、弁５８は、燃焼室１２に対する空気１６の流れを制御する。排気弁６０は、機関１０からの排気の排出を制御する。しかし、燃焼室１２に対して、燃料１８及び空気１６を提供するための、並びに／又は、排気を排出するための、いかなる適切な要素並びに／又は技法が、利用されてもよいことを理解されたい。

動作中、燃焼室１２内で、空気１６と一緒に燃料１８を燃焼させると、ピストン２０が、シリンダ２６のキャビティ３０内で、軸方向３４に、（例えば前後に）往復運動する。ピストン２０が動くと、クランクシャフト５０が回転し、（図１に示された）負荷装置２４に給電する。トップリング４４は、トップ溝４２から突出するように、かつシリンダ２６の内側環状壁２８に接触するように構成されている。トップリング４４は、概して、燃料１８、及び空気１６、又は燃料空気混合気８２が、燃焼室１２から漏れることを阻止するように構成され、かつ／又は、膨張する高温の燃焼ガスにより、ピストン２０の往復運動を生じさせることができるように、適切な圧力（例えば、圧縮）を維持しやすくする。また、トップリング４４により、概して、油の掻き取りが容易になる。油は、内側環状壁２８を覆っており、例えば、機関１０内の熱及び／又は摩擦を制御している。機関１０の動作中、トップリング４４は、高温高圧の燃焼ガスにさらされる。開示された実施形態を利用しなければ、トップリング４４に加えられる高い圧力により、半径方向のリングのつぶれ（例えば、半径方向の軸線３６に沿った、シリンダ２６の内側環状壁２８から離れる、トップリング４４の動き）、及び／又はリングの持ち上がり、もしくはリングフラッタ（例えば、軸方向の軸線３４に沿った、トップ溝４２内の、トップリング４４の動き）につながる可能性がある。トップリング４４の、このような動き又は不安定さは、その後、例えば、油消費量の増加、排出物の増加、ブローバイの増加、及び／又は機関１０の部品の摩耗の増加につながる恐れがある。

以上を念頭に置いて、ピストン組立体２５は、トップリング４４を安定させるように構成された、１つ以上の半径方向チャネル８４（例えば、通路、トラフ、溝等）を含むことができる。以下でより詳細に説明するように、半径方向チャネル８４により、燃焼ガスが、環状のトップランドキャビティ４６から、（図４に示される）空間に流れることが可能になる。この空間で、燃焼ガスは、トップリング４４の（図４に示される）内面に対して、半径方向外向きの力を加える。したがって、半径方向チャネル８４により、トップリング４４を挟んだ圧力勾配を制御しやすくすることができ、トップリング溝４２内のトップリング４４を安定させることができる。ピストン組立体２５はまた、以下により詳細に説明するように、ＴＴＬピストン組立体２５であってもよい。

図３は、ピストン２０のトップランド４０に形成された半径方向チャネル８４を有するピストン２０の、一実施形態の一部の斜視図である。図示されているように、半径方向チャネル８４は、軸方向に向いた表面８６（例えば、環状表面）に沿って形成されている。軸方向に向いた表面８６は、ピストン２０のトップランド４０の底部表面と、トップ溝４２の上側表面（例えば、上部表面、又は上部周辺部）との両方に相当する。半径方向チャネル８４は、軸方向に向いた表面８６の周囲に、円周方向に（例えば、円周方向の軸線３８に沿って）離れて配置されており、ピストン２０のトップランド４０の外側表面８８から、半径方向内向きに（例えば、半径方向の軸線３６に沿って）延びている。半径方向チャネル８４は、曲率半径９０を有する湾曲した断面形状を備えており（例えば、半径方向チャネル８４は、湾曲した壁９１を有する）、湾曲した断面形状は、半径方向３６に延びている。図示されているように、半径方向チャネル８４は、トップ溝４２に向かって開いている。トップリング４４と、軸方向に向いた表面８６との間の軸方向距離９２は、（例えば、第１の軸方向距離９２と、第１の軸方向距離９２よりも大きく、かつ、半径方向チャネル８４に一致する第２の軸方向距離９４とによって示されるように、）トップリング４４の周囲で、円周方向に（例えば、円周方向の軸線３８に沿って）変化してもよい。さらに、軸方向に向いた表面８６と、トップリング４４との間の、第１の軸方向距離９２は、過度のリングの持ち上がり、又はリングフラッタを阻止する一方で、機関１０の動作中の、高温及び高圧による、トップリング４４のある程度の膨張、及び収縮を可能にするように構成されている。したがって、半径方向チャネル８４は、燃焼ガスが、半径方向チャネル８４に沿って、キャビティ３０から流れやすくなるようにし、トップリング４４を挟んだ圧力勾配を減少させる。また、半径方向チャネル８４により、リングの持ち上がりを制限するために、第１の軸方向距離９２を最小化することができる可能性がある。

半径方向チャネル８４は、湾曲した断面、及び曲率半径９０を有するものとして示されているが、半径方向チャネル８４は、本明細書に開示された方法で、燃焼ガスを流れやすくする、いかなる適切な断面、又は構成を有してもよいことを理解されたい。また、複数の半径方向チャネル８４が、示されているが、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、又はそれより多いような、いかなる数の半径方向チャネル８４が設けられてもよいことを理解されたい。さらに、半径方向チャネル８４は、ピストン２０の周囲に、均一な円周方向の間隔をとることを含めて、任意の適切な方式で、分散されてもよい。

しかし、いくつかの状況では、機関１０に使用される潤滑油、及び特定の燃料が、炭素堆積物を生成する恐れがある。例えば、機関１０内の、高温の状況、及び／又は高圧の状況により、シリンダ２６の内側環状壁２８において、不完全燃焼燃料、及び／又は不完全燃焼油の炭化が助長される場合がある。したがって、半径方向チャネル８４内の、温度、及び／又は油滞留時間を短縮する、特定の機能を付与することが望ましいことがある。そのような機能により、半径方向チャネル８４内の、炭素堆積物の形成が阻止され、燃焼ガスが、半径方向チャネル８４を通り、確実に流れることができるようになる可能性がある。

以上を念頭に置いて、図４は、半径方向チャネル８４を有するピストン２０と、ＴＴＬクリアランス１００（例えば、環状の空間を画定する半径方向クリアランス）とを備えるＴＴＬピストン組立体２５の、一実施形態の一部の部分側面断面図である。ＴＴＬクリアランス１００は、半径方向チャネル８４内での、炭素堆積物の形成を、効果的に阻止するか、又は最小限にするのに十分に小さい。図示された実施形態では、半径方向チャネル８４は、ピストン２０の軸方向に向いた表面８６に形成されている。半径方向チャネル８４は、トップランド４０の外側表面８８から、半径方向内向きに（例えば、半径方向の軸線３６に沿って）延びている。機関１０の動作中、燃焼ガスにより、トップリング４４の外面１０２（例えば、半径方向外側の面、又は外周面）に圧力が加えられ、シリンダ２６の内側環状壁２８から離れるように、トップリング４４を駆動する、半径方向内向きの力１０４が発生する。

間隙１０６が、トップ溝４２内の、トップリング４４の（例えば、温度の変動等による）拡張部を収容するために、トップリング４４の上面１１０（例えば、軸方向上側の面）と、ピストン２０の軸方向に向いた表面８６との間に設けられるが、間隙１０６にわたる第１の軸方向距離９２は、リングの持ち上がり、及びリングフラッタを最小限にするように構成されることが望ましく、このため、トップリング４４の内面１２４（例えば、半径方向内側の面、又は内周面）に、燃焼ガスを効率的に流すことができない場合がある。したがって、開示された半径方向チャネル８４がなければ、大きな圧力差が、（例えば、外面１０２と、内面１２４との間に）トップリング４４を挟んで存在し得る。例えば、開示された半径方向チャネル８４がなければ、外面１０２にかかる圧力が、内面１２４にかかる圧力より大きい可能性がある。そのような場合、トップリング４４では、半径方向のリングのつぶれが生じやすい恐れがあり、このことが今度は、例えば、油消費量の増加、及びブローバイの増加につながる。したがって、半径方向チャネル８４は、燃焼ガスが、トップリング４４の内面１２４と、トップ溝４２の内壁１３１（例えば、内側環状壁）との隣の空間１３０（例えば、環状の空間）に流れやすくなるように構成され得る。これにより、トップリング４４の安定性を高めることができる。空間１３０内の燃焼ガスにより、半径方向内向きの力１０４とのバランスを保つため、又は半径方向内向きの力１０４を打ち消すために、半径方向外向きの力１３２を加えることができる。トップリング４４にかかる圧力を、実質的に等しくすることができ、そうでなければ、トップリング４４にかかる圧力を、例えば、半径方向のリングのつぶれを阻止するために、制御することができる。

半径方向チャネル８４内の炭素堆積物の蓄積を阻止するため、及び／又は燃焼ガスが、半径方向チャネル８４を通り、確実に流れることができるようにするために、半径方向チャネル８４を、ＴＴＬクリアランス１００と組み合わせて使用することができる。図示されているように、ＴＴＬクリアランス１００は、シリンダ２６の内側環状壁２８と、ピストン２０のトップランド４０の外側表面８８との間の、（例えば、トップランドキャビティ４６を横切る）直径方向クリアランス（例えば、半径方向クリアランスの２倍）である。ＴＴＬクリアランス１００は、ピストン２０の材料等の、ピストン組立体２５の材料に基づき、変化してもよい。例えば、ピストン２０が、アルミニウムを含む場合、ＴＴＬクリアランス１００は、シリンダ２６のボアの呼び径１３４の、約０．３６％〜０．５％の間の、直径方向の低温クリアランス（例えば、機関の停止時に室温である直径方向クリアランス）である。鋼鉄等の別の材料に対しては、ＴＴＬクリアランス１００は、この別の材料と、アルミニウムとの熱膨張係数の比に基づいて調整され得る。例えば、ピストン２０が、熱膨張係数が１３．２^-6Ｋである鋼鉄から製造される場合、ＴＴＬクリアランス１００は、アルミニウム製ピストン２０のＴＴＬクリアランス１００に、１３．２^-6／２１^-6（又は約０．６２８）をかけることによって調整され得る。ここでは、２１^-6Ｋは、アルミニウム製ピストン２０を形成するために使用される、アルミニウムの熱膨張係数である。例えば、鋼鉄製ピストンのＴＴＬクリアランスは、ボアの呼び径１３４の約０．２％〜約０．３２％であってもよい。いくつかの実施形態では、ＴＴＬクリアランス１００は、機関１０の動作中、（例えば、機関１０の定格温度において）約２５マイクロメートル（μｍ）未満である。ある実施形態では、ＴＴＬクリアランス１００は、機関１０の動作中、定格温度において、約５０μｍ、約４０μｍ、約３０μｍ、約２０μｍ、約１５μｍ、約１０μｍ、又はそれ未満である。他の実施形態では、ＴＴＬクリアランス１００は、機関の動作中、定格温度において、約５μｍ〜約５０μｍ、約１０μｍ〜約４０μｍ、約１５μｍ〜約３５μｍ、又は約２０μｍ〜約３０μｍの間にある。

ある動作条件においては、直径方向クリアランスが、上記に開示されたＴＴＬクリアランス１００より、小さく、又は大きくなるように、ピストン２０が、シリンダ２６内に配置されることが望ましい場合があることを理解されたい。例えば、ある動作条件下では、シリンダ２６の内側環状壁２８と、ピストン２０のトップランド４０の外側表面８８との間の、（例えば、トップランドキャビティ４６を横切る）直径方向クリアランスは、シリンダ２６のボアの呼び径１３４の、約０．１％〜０．７％、０．１％〜０．３５％、又は０．５％〜０．７％の間の、直径方向の低温（例えば室温）クリアランスであってもよい。そのような直径方向のクリアランスは、特定の場合に、又は特定の動作条件下で、半径方向チャネル８４と組み合わせて使用される。特定の場合、又は特定の動作条件とは、例えば、半径方向チャネル８４が、より大きな寸法（例えば、より大きな流量）を有する場合、及び／又は、半径方向チャネル８４が、ピストン組立体２５の堆積物が少ない領域（例えば、低温領域、及び／又は油が少ない領域）に配置されている等の場合である。さらに、そのような直径方向の低温クリアランスを有する特定の機関では、機関１０の動作中、定格温度において、及び／又は、機関１０の特定の運転条件下で、半径方向クリアランスが、２５ミクロンになる場合がある。これにより、炭素堆積物の形成を、低減、又は制限することができる。

ＴＴＬクリアランス１００は、ピストン２０のトップランド４０から、シリンダ２６に熱を伝達させることにより、ピストンの温度を低下させることができる。また、ピストン２０がシリンダ２６内を動く際に、油が頻繁に（例えば、ＴＴＬクリアランス１００を有さない機関１０、又は、ボアの呼び径１３４の、約０．５％より大きい、直径方向の低温クリアランスを有する機関１０よりも頻繁に）補充されるため、ＴＴＬクリアランス１００により、トップランド４０、トップリング溝４２、及び／又は半径方向チャネル８４における、油の滞留時間を減少させることができる。したがって、ＴＴＬクリアランス１００により、半径方向チャネル８４内の炭素堆積物の蓄積が阻止され、機関１０の動作中の、半径方向チャネル８４を通る燃焼ガスの流れを、永続性があり、確実なものとすることができる。

図５は、トップリング４４に形成された半径方向チャネル８４を有する、ＴＴＬピストン組立体２５の、実施形態の一部の部分側面断面図である。ある実施形態では、１つ以上の半径方向チャネル８４が、トップリング４４の上面１１０に沿って形成され得る。このような半径方向チャネル８４は、例えば、図２〜図５に示されるような、ピストン２０のトップランド４０に形成された半径方向チャネル８４に加えて、又はこの代わりとして、設けられてもよい。

図示されているように、トップリング４４に形成された半径方向チャネル８４は、トップリング４４の外面１０２から、内面１２４に、半径方向内向きに（例えば、半径方向３６に）に延びている。トップリング４４と、軸方向に向いた表面８６との間の軸方向距離９２は、（例えば、第１の軸方向距離９２と、第１の軸方向距離９２よりも大きく、かつ、半径方向チャネル８４に一致する第２の軸方向距離９４とによって示されるように、）トップリング４４の周囲で、円周方向に（例えば、円周方向の軸線３８に沿って）変化してもよい。したがって、半径方向チャネル８４は、矢印１６２によって示されているような、キャビティ３０から、内面１２４の隣の空間１３０への燃焼ガスの流れを、促進することができる。上述のように、空間１３０への燃焼ガスの流れにより、トップリング４４の外面１０２と、内面１２４との間の圧力差を制御することができ、したがって、例えば、半径方向のリングのつぶれを阻止することができる。

上記に説明したように、軸方向に向いた表面８６に形成された半径方向チャネル８４、トップリング４４に形成された半径方向チャネル８４、及び／又は軸方向チャネル１５０は、圧力を均一化するのに役立つか、又は、トップリング４４の内面１２４と、トップリング４４の外面１０２との間の圧力差を発生させるのに役立ち得る。圧力差は、例えば、半径方向のリングのつぶれ、及び／又はブローバイを阻止するために、トップリング４４を、シリンダ２６に対して、半径方向外向きにかたよらせるのに役立つ。半径方向チャネル１４０は、燃焼ガスが、トップリング４４の内面１２４の、隣の空間１３０に流れやすくするために、任意の適切な場所に配置され得ることを理解されたい。また、トップリング４４に形成された半径方向チャネル８４、及び／又は軸方向チャネル１５０は、いかなる適切な数で設けられてもよい。例えば、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、又はこれより多くの半径方向チャネル８４が、設けられてもよい。トップリング４４の半径方向チャネル８４、及び／又はピストン２０の軸方向に向いた表面８６の半径方向チャネル８４は、ピストン２０の、円周の周囲の離散した場所に、離れて配置されてもよいし、いくつかの場合では、互いから均一な距離で、離れて配置されてもよい。さらに、様々な低摩擦コーティングを、本明細書に開示された、半径方向チャネル８４、半径方向チャネル１４０、及び／又は軸方向チャネル１５０に加えて、利用してもよい。

図示された実施形態では、ＴＴＬクリアランス１００は、半径方向チャネル内の炭素堆積物の形成を阻止するために設けられる。例えば、ＴＴＬクリアランス１００は、ピストン２０のトップランド４０から、シリンダ２６に熱を伝達させることにより、ピストン２０の温度を低下させることができる。また、ピストン２０がシリンダ２６内を動く際に、油が頻繁に（例えば、ＴＴＬクリアランス１００を有さない機関１０、又は、ボアの呼び径１３４の、約０．８％以上の、直径方向の低温クリアランスを有する機関１０よりも頻繁に）補充されるため、ＴＴＬクリアランス１００は、トップランド４０、トップリング溝４２、及び／又は半径方向チャネル８４における、油の滞留時間を減少させることができる。したがって、ＴＴＬクリアランス１００により、半径方向チャネル８４内の炭素堆積物の蓄積が阻止され、機関１０の動作中の、半径方向チャネル８４、及び／又は軸方向チャネル１５０を通る、燃焼ガスの流れを、永続性があり、確実なものとすることができる。

また、図４及び図５に示されるように、トップリング４４は、半径方向の軸線１６１を中心に、テーパ状のプロファイル、又は部分的にテーパ状のプロファイル（例えば、円錐状プロファイル）等の、非対称なプロファイル（例えば、非対称な断面）を有してもよい。非対称なプロファイルは、ピストンの下降行程（例えば、膨張行程）中、シリンダの内壁から、効果的かつ効率的に油を掻き取るように構成されている。図示されているように、トップリング４４は、トップリング４４の高さ１６３にかけて、テーパ状になっている。トップリング４４の半径１６４（したがって、直径）は、トップリング４４の上面１１０と、底面１６５との間で増加する。トップリング４４の最小半径１６４は、上面１１０と一致しており、一方、トップリング４４の最大半径１６４は、底面１１２と一致している。このような構成では、外面１０２は、内側環状壁２８に接触し、トップリング４４の底面１１２に、又はトップリング４４の底面１１２に近接して、シールポイント１６７（例えば、環状シール）を形成するように構成されている。プロファイルは、階段状であってもよく、又は湾曲（例えば、凸状、又は凹状）していてもよいが、図示された実施形態において、外面１０２は、直線状のプロファイルを有する。テーパ状のプロファイル、又は部分的にテーパ状のプロファイルは、トップリング４４の両端に、圧力勾配を生じさせる場合があるが、半径方向チャネル８４は、トップリング４４を挟んだ圧力を制御するため、かつトップリング４４を安定させるために、上記で説明した方法で、空間１３０に、燃焼ガスを流すように構成され得る。

開示された実施形態の技術的効果には、半径方向チャネル８４等の１つ以上のチャネルを介して、機関１０内で、燃焼ガスの分散を制御するシステムを供給することが含まれる。燃焼ガスは、ＴＴＬピストン組立体２５のトップリング４４の外面１０２に対して、圧力を加えることができる。半径方向チャネル８４は、燃焼ガスを、トップリング４４の内面１２４の、隣の空間１３０に流すことができ、したがって、トップリング４４の外面１０２と、内面１２４との間の圧力勾配を制御することができる。ＴＴＬピストン組立体２５は、ピストン２０のトップランド４０と、シリンダ２６の内側環状壁２８との間の、ＴＴＬクリアランス１００を有する。ＴＴＬクリアランス１００は、ピストン２０の温度を低下させ、かつ／又は半径方向チャネル８４の近傍に油を補給し、これにより、半径方向チャネル８４、及び／又は軸方向チャネル１５０内の、炭素堆積物の蓄積を阻止することが有効である。したがって、半径方向チャネル８４、及び／又はＴＴＬクリアランス１００により、トップリング４４の周囲の、燃焼ガスの流れを、永続性があり、確実なものとすることができる可能性があり、トップリング４４の安定性を高めることができる。このような構成は、機関１０内の、油消費量、排出物、ブローバイ、及び／又は摩擦を減少させることが有効である。

本明細書は、最良の態様を含めて本発明を開示するため、かつ、任意の装置又はシステムの製造及び使用、並びに任意の組み込まれた方法の実行を含めて、当業者ならば、本発明を実施できるようにするため、例を用いる。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者ならば想到する他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的な差異のない均等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

８機関駆動発電システム
１０機関
１２燃焼室
１４空気供給部
１６酸化剤、空気、加圧酸化剤
１８燃料
１９燃料供給部
２０ピストン
２２シャフト
２４負荷装置
２５ピストン組立体、ＴＴＬピストン組立体
２６シリンダ
２８内側環状壁
３０キャビティ
３４軸方向の軸線、軸方向
３６半径方向の軸線、半径方向
３８円周方向の軸線、円周方向
４０上部、トップランド
４２第１の環状溝、トップ溝、トップリング溝
４４トップリング
４６トップランドキャビティ
４７さらなる環状溝
４８ピストンリング
５０クランクシャフト
５２コンロッド
５４ピン
５６燃料噴射器
５８弁
６０排気弁
８２燃料空気混合気
８４半径方向チャネル
８６軸方向に向いた表面
８８外側表面
９０曲率半径
９１湾曲した壁
９２軸方向距離、第１の軸方向距離
９４第２の軸方向距離
１００ＴＴＬクリアランス
１０２外面
１０４半径方向内向きの力
１０６間隙
１１０上面
１１２底面
１２４内面
１３０空間
１３１内壁
１３２半径方向外向きの力
１３４ボアの呼び径
１４０半径方向チャネル
１５０軸方向チャネル
１６１半径方向の軸線
１６２矢印
１６３高さ
１６４半径
１６５底面
１６７シールポイント

Claims

内側環状壁（２８）を有し、かつボア径を有するキャビティ（３０）を画定するシリンダ（２６）と、
ピストン組立体（２５）であって、
前記シリンダ（２６）内に配置され、かつ前記シリンダ（２６）内で、往復運動するように構成されたピストン（２０）であって、前記ピストン（２０）、及び前記内側環状壁（２８）が、前記ボア径の約０．５パーセント未満である、直径方向の低温クリアランスによって隔てられているピストン（２０）と、
前記ピストン（２０）のトップランド（４０）の下で、前記ピストン（２０）の周囲に円周方向に延びる最上部溝と、
前記最上部溝内に配置されたリングであって、前記ピストン（２０）が、前記シリンダ（２６）内で動く際、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）に接触するように構成されたリングと、
前記トップランド（４０）、又は前記リングの上側表面に形成された１つ以上のチャネルであって、燃焼ガスを、前記キャビティ（３０）から、前記最上部溝の内側表面と、前記リングの内面（１２４）との間の空間（１３０）に、流すことができるように構成された１つ以上のチャネルとを有するピストン組立体（２５）とを備える、往復動機関（１０）用のパワーシリンダシステム。
前記ピストン（２０）が、アルミニウム製ピストン（２０）であり、前記ピストン組立体（２５）が、緊密なトップランドピストン組立体（２５）であり、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側表面（８８）と、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、前記直径方向の低温クリアランスが、前記ボア径の約０．３６％〜約０．５％である、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
前記ピストン（２０）が、鋼鉄製ピストン（２０）であり、前記ピストン組立体（２５）が、緊密なトップランドピストン組立体（２５）であり、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側表面（８８）と、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、前記直径方向の低温クリアランスが、前記ボア径の約０．２％〜約０．３２％である、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
前記ピストン組立体（２５）が、緊密なトップランドピストン組立体（２５）であり、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側表面（８８）と、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、前記直径方向の低温クリアランスが、第１の熱膨張係数である、前記ピストン（２０）の材料の熱膨張係数と、第２の熱膨張係数である、アルミニウムの熱膨張係数との比に基づいている、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側表面（８８）と、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、前記半径方向クリアランスが、前記往復動機関（１０）の動作中、定格温度において、約２５マイクロメートル未満である、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
１つ以上の前記チャネルが、前記最上部溝に対して開いており、１つ以上の離散した場所に配置されている、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
１つ以上の前記チャネルのうち、少なくともいくつかが、前記最上部溝の上部表面に、半径方向に延びる、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
ピストン（２０）であって、前記ピストン（２０）が前記シリンダ（２６）内に配置されている場合、前記ピストン（２０）のトップランド（４０）と、前記パワーシリンダシステムのシリンダ（２６）の内側環状壁（２８）との間に、狭いトップランドクリアランスを形成するように構成されたピストン（２０）と、
前記ピストン（２０）の周囲に円周方向に延び、かつリングを支持するように構成された最上部リング溝と、
前記最上部リング溝の上側表面に配置された１つ以上のチャネルであって、前記リングが前記最上部リング溝内に配置されている場合、１つ以上の前記チャネルが、前記最上部リング溝に対して開いており、前記ピストン（２０）の外側周辺部から、前記最上部リング溝の一部と、前記リングの内周面との間に画定される空間（１３０）に、内向きに延びる、１つ以上のチャネルとを備える、往復動機関（１０）用のパワーシリンダシステム。
前記ピストン（２０）が、アルミニウム製ピストン（２０）であり、前記狭いトップランドクリアランスが、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の前記外側周辺部と、前記シリンダ（２６）のボア径の約０．３６％〜約０．５％の、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、直径方向の低温クリアランスである、請求項８に記載のパワーシリンダシステム。
前記ピストン（２０）が、鋼鉄製ピストン（２０）であり、前記狭いトップランドクリアランスが、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の前記外側周辺部と、前記シリンダ（２６）のボア径の約０．２％〜約０．３２％の、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、直径方向の低温クリアランスである、請求項８に記載のパワーシリンダシステム。
前記狭いトップランドクリアランスが、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の前記外側周辺部と、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、直径方向の低温クリアランスであり、第１の熱膨張係数である、前記ピストン（２０）の材料の熱膨張係数と、第２の熱膨張係数である、アルミニウムの熱膨張係数との比に基づいている、請求項８に記載のパワーシリンダシステム。
前記狭いトップランドクリアランスが、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側表面（８８）と、前記パワーシリンダシステムの動作中、定格温度において、約２５マイクロメートル未満の、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、半径方向クリアランスである、請求項８に記載のパワーシリンダシステム。
１つ以上のさらなるチャネルが、前記リングの上部表面を通り、前記空間（１３０）に向かって延びている、前記リングを含む、請求項８に記載のパワーシリンダシステム。
ボア径を有するシリンダ（２６）と、
前記シリンダ（２６）内に配置されたピストン（２０）であって、狭いトップランドクリアランスが、前記ピストン（２０）のトップランド（４０）と、前記シリンダ（２６）の内側環状壁（２８）との間に設けられているピストン（２０）と、
前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の下で、前記ピストン（２０）の最上部溝内に配置されたリングであって、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）、前記リング、及び前記トップランド（４０）が、トップランドキャビティ（４６）を画定するリングと、
前記トップランドキャビティ（４６）と、前記リングの内面（１２４）により、部分的に画定される空間（１３０）とに流体連通している１つ以上の半径方向チャネル（８４）であって、燃焼ガスが、前記トップランドキャビティ（４６）から、前記空間（１３０）に流れやすくなるように構成された１つ以上の半径方向チャネル（８４）とを備える、往復動機関（１０）用のパワーシリンダシステム。
前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側表面（８８）、及び前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）が、前記ボア径の約０．５パーセント未満の、直径方向の低温クリアランスによって隔てられている、請求項１４に記載のパワーシリンダシステム。
前記ピストン（２０）が、鋼鉄製ピストン（２０）であり、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側表面（８８）、及び前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）が、前記ボア径の約０．３２パーセント未満の、直径方向の低温クリアランスによって隔てられている、請求項１４に記載のパワーシリンダシステム。
前記緊密なトップランドピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側表面（８８）、及び前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）が、前記パワーシリンダシステムの動作中、定格温度において、約２５マイクロメートル未満の半径方向クリアランスによって隔てられている、請求項１４に記載のパワーシリンダシステム。
１つ以上の前記半径方向チャネル（８４）のうち、少なくともいくつかが、前記最上部溝の上部表面に延びる、請求項１４に記載のパワーシリンダシステム。
１つ以上の前記半径方向チャネル（８４）のうち、少なくともいくつかが、前記リングの上部表面に延びる、請求項１４に記載のパワーシリンダシステム。
前記狭いトップランドクリアランスが、前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）の外側周辺部と、前記シリンダ（２６）の前記内側環状壁（２８）との間の、直径方向の低温クリアランスであり、第１の熱膨張係数である、前記ピストン（２０）の材料の熱膨張係数と、第２の熱膨張係数である、アルミニウムの熱膨張係数との比に基づいている、請求項１４に記載のパワーシリンダシステム。