JP2016130515A - レシプロエンジン用のピストンアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】レシプロエンジン用のピストンアセンブリを提供する。
【解決手段】レシプロエンジン１０用のパワーシリンダシステム８は、レシプロエンジン１０のシリンダ２６内で移動するように構成されるスチールピストン２０を含む。また、システム８は、ピストン２０のトップランド４０の下方においてピストン２０の周りで周方向に延びるとともに、内周面１３４を有するリング４４を支持するように構成される溝４２も含む。１つ又は複数のチャネル９４がトップランド４０に形成され、１つ又は複数のチャネル９４は、溝４２の一部とリング４４の内周面１３４との間の空間１３０への燃焼ガスの移送を容易にするように構成される。
【選択図】図４

Description

本明細書中に開示される主題は、一般にレシプロエンジンに関し、特に、レシプロエンジン用のピストンアセンブリに関する。

レシプロエンジン（例えば、往復動内燃機関）は、燃料を酸化剤（例えば空気）と共に燃焼させて、高温燃焼ガスを生成し、高温燃焼ガスにより、シリンダ内でピストン（例えば、往復ピストン）を駆動させる。特に、高温燃焼ガスは、膨張するとともに、膨張行程中にシリンダの上端部から下端部までピストンを直線的に移動させる圧力をピストンに対して及ぼす。ピストンは、燃焼ガスにより及ぼされる圧力とピストンの直線動作とを、１つ又は複数の負荷、例えば発電機を駆動させる回転動作へと（例えば、ピストンに結合される接続ロッド及びクランクシャフトを介して）変換する。ピストン及び関連する構造体（例えば、ピストンアセンブリ）の構成は、排ガス排出量（例えば、未燃炭化水素）及びエンジン効率、並びに、潤滑剤（例えば、油）消費量にかなり影響を与え得る。また、ピストンアセンブリの構成は、レシプロエンジンの動作寿命にかなり影響を及ぼし得る。したがって、ピストンアセンブリの構成を改善することが望ましい。

当初から特許請求の範囲に記載される発明に範囲が見合った特定の実施形態が以下に要約される。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の想定し得る形態の概要を単に与えるようになっているにすぎない。実際には、本発明は、以下に記載される実施形態に類似し或いは実施形態とは異なってもよい様々な形態を包含し得る。

米国特許第７７４０４４８号明細書

１つの実施形態において、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステムは、レシプロエンジンのシリンダ内で移動するように構成されるスチールピストンを含む。また、システムは、ピストンのトップランドの下方においてピストンの周りで周方向に延びるとともに、内周面を有するリングを支持するように構成される溝も含む。１つ又は複数のチャネルがトップランドに形成され、１つ又は複数のチャネルは、溝の一部とリングの内周面との間の空間への燃焼ガスの移送を容易にするように構成される。

１つの実施形態において、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステムは、レシプロエンジンのシリンダ内で移動するように構成されるピストンを含む。また、システムは、ピストンのトップランドの下方においてピストンの周りで周方向に延びる溝も含み、また、溝内に配置される保護リング挿入体は、内周面を有するリングを支持するように構成される。１つ又は複数のチャネルが保護リング挿入体に形成され、１つ又は複数のチャネルは、溝の一部とリングの内周面との間の空間への燃焼ガスの移送を容易にするように構成される。

１つの実施形態において、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステムは、約１３ｍ／ｓ未満の最大平均ピストン速度をもってレシプロエンジンのシリンダ内で移動するように構成されるピストンを含む。また、システムは、ピストンのトップランドの下方においてピストンの周りで周方向に延びる溝、及び、溝内に配置されるリングも含む。１つ又は複数のチャネルが溝の軸方向上面又はリングの上面に形成され、１つ又は複数のチャネルは、溝の一部とリングの内周面との間の空間への燃焼ガスの移送を容易にするように構成される。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに、利点は、図面の全体にわたって同様の文字が同様の部分を表わす添付図面と関連して以下の詳細な説明が読まれるときに更に良く理解されるようになる。

レシプロエンジンシステムの一部の一実施形態の概略ブロック図である。 ピストンがシリンダ内に位置されるピストン−シリンダアセンブリの一実施形態の側断面図である。 径方向チャネルがピストンのトップランドに形成されて成るピストンの一実施形態の一部の側面図である。 径方向チャネルがピストンのトップランドに形成されて成るピストンの一実施形態の一部の側断面図である。 径方向チャネルが上端ピストンリングに形成されて成るピストンの一実施形態の一部の側断面図である。

以下、本発明の１つ又は複数の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を与える目的で、実際の実施の全ての特徴が明細書中に記載されない場合がある。任意のそのような実際の実施の開発では、任意の工業技術又は設計プロジェクトの場合と同様、実施ごとに異なる場合があるシステム関連及びビジネス関連の制約の順守などの開発者の特定の目標を達成するために数多くの実施固有の決定がなされなければならないことが理解されるべきである。また、そのような開発努力は、複雑であって時間がかかる可能性があるが、それにもかかわらず、この開示の利益を有する当業者にとって決まりきった設計、製作、及び、製造の取り組みであることが理解されるべきである。

本発明の様々な実施形態の要素を導入する際、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、及び、「前記」は、その要素の１つ又は複数が存在することを意味しようとするものである。用語「備える」、「含む」、及び、「有する」は、包含的であって、挙げられた要素以外の更なる要素が存在してもよいことを意味しようとするものである。

本開示に係るレシプロエンジン（例えば、往復動内燃機関）用のパワーシリンダシステムは１つ又は複数のピストンを含んでもよく、それぞれのピストンは、燃焼ガスにより及ぼされる圧力とピストンの直線動作とを回転動作へと変換して１つ又は複数の負荷に動力を供給するべくシリンダ（例えばリニア）内で直線的に移動するように構成される。各ピストンは、ピストンのトップランドの下方でピストンの周りで周方向に延びる上端環状溝（例えば、上端リング溝又は最上端リング溝）を有してもよい。上端リング（例えば、上端ピストンリング又は最上端リング）が上端溝内に配置されてもよい。上端リングは、一般に、燃料及び空気、又は、燃料−空気混合物が燃焼室から逃げるのを阻止するべく構成され、及び／又は、適切な圧力の維持を容易にして、膨張する高温燃焼ガスがピストンの往復動を引き起こすことができるようにするべく構成されてもよい。幾つかの実施形態では、１つ又は複数の更なる環状溝（例えば、更なるリング溝又は更なる圧縮リング溝）がピストンの周りで周方向に延びてもよく、また、１つ又は複数の更なるリング（例えば、更なる複数のリング又は更なる圧縮リング）が１つ又は複数の更なるリング溝内に配置されてもよい。そのような場合、上端リング及び／又は更なるリングは、リングパックを形成するとともに、一般に、エンジン内の燃焼ガス及び／又は潤滑剤（例えば油）の流れを制御してもよい。

レシプロエンジンの動作中、燃料及び空気が燃焼室内で燃焼し、それにより、ピストンがシリンダ内で移動する。また、燃焼ガスは、上端リングの外周面に対しても圧力を及ぼし、それにより、上端リングをシリンダの内壁から離れるように径方向内側に推し進める。開示される実施形態は、燃焼ガスが上端リングの内周面に対して径方向外向きの力を及ぼすように燃焼ガスを上端リングの内周面に隣接する空間へと移送するように構成される１つ又は複数のチャネル（例えば、径方向チャネル）を含んでもよい。好適には、１つ又は複数のチャネルがシリンダ内の油制御を容易にしてもよく、これは、大型の工業用レシプロエンジンとの関連で特に役立つ場合がある。例えば、１つ又は複数のチャネルが無ければ、油は、上端溝の軸方向面と上端リングの上端面との間の上端溝内に蓄積する場合があり、また、その空間への燃焼ガスの流れを（例えば、上端溝に対する油の付着によって）妨げる場合がある。開示された実施形態において、１つ又は複数のチャネルは、油が上端溝から（例えば、燃焼室内へ又はシリンダの内壁に沿って）逃げることができる場合があり、それにより、上端溝からの油の流出を容易にする、及び／又は、上端溝内の油の滞留時間を減少させる。また、上端溝からの油の流出を容易にすることにより、上端リングの内周面に隣接する空間への燃焼ガスの確実な移送が可能となる場合があり、それにより、一般に、油消費量及びエンジン内のブローバイを減らすことができる。他の例として、１つ又は複数のチャネルは、上端リングがシリンダの内壁との接触を維持できるようにする場合があり、したがって、上端リングがシリンダの内壁に沿って油をすくい取ることができる場合がある。したがって、開示された実施形態は、径方向リング潰れ（例えば、シリンダの内壁からの上端リングの離間）を阻止して、油消費量を減らすとともに、未燃炭化水素のブローバイを減少させて、排出量を減らすことができ、及び／又は、例えばエンジンの構成要素の摩耗を減らすことができる。

図面を参照すると、図１は、エンジン駆動の動力発生システム８の一部の一実施形態のブロック図を示す。以下で詳しく説明されるように、システム８は、１つ又は複数の燃焼室１２（例えば、１，２，３，４，５，６，７，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０個又はそれ以上の燃焼室１２）を有するエンジン１０（例えば、往復動内燃機関）を含む。空気供給源１４が、空気、酸素、酸素を豊富に含む空気、酸素が減少された空気、又は、これらの任意の組み合わせなどの加圧酸化剤１６を各燃焼室１２へ供給するように構成される。また、燃焼室１２は、燃料供給源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、また、燃料−空気混合物が各燃焼室１２内で発火して燃焼する。高温加圧燃焼ガスにより、各燃焼室１２に隣接するピストン２０は、シリンダ２６内で直線的に移動して、ガスにより及ぼされる圧力を回転動作へと変換し、それにより、シャフト２２が回転する。更に、シャフト２２は、シャフト２２の回転によって動力が供給される負荷２４に結合されてもよい。例えば、負荷２４は、システム１０の回転出力によって電力を発生させてもよい発電機などの任意の適した装置であってもよい。また、以下の議論は、酸化剤１６として空気に言及するが、開示された実施形態と共に任意の適した酸化剤が使用されてもよい。同様に、燃料１８は、ディーゼル又はガソリンなどの任意の適した液体燃料、或いは、例えば天然ガス、関連する石油ガス、プロパン、バイオガス、下水ガス、埋立地ガス、炭坑ガスなどの任意の適した気体燃料であってもよい。

本明細書中に開示されるシステム８は、固定用途において（例えば、工業用発電エンジンにおいて）又は移動用途において（例えば、車又は航空機において）使用するために適合されてもよいが、システム８は、大型の工業用発電エンジンにおいて燃焼ガス及び油の流れを制御するために特に有用となり得る。エンジン１０は、２行程エンジン、３行程エンジン、４行程エンジン、５行程エンジン、又は、６行程エンジンであってもよい。また、エンジン１０は、任意の数の燃焼室１２、ピストン２０、及び、関連するシリンダ（例えば１〜２４個）を含んでもよい。例えば、特定の実施形態において、システム８は、シリンダ内で往復動する４，６，８，１０，１６，２４個又はそれ以上のピストン２０を有する大型工業用レシプロエンジンを含んでもよい。幾つかのそのようなケースにおいて、シリンダ及び／又はピストン２０は、約１３．５〜３４センチメートル（ｃｍ）の直径を有してもよい。幾つかの実施形態において、シリンダ及び／又はピストン２０は、約１０〜５０ｃｍ、１５〜３０ｃｍ、又は、１５〜２０ｃｍの直径を有してもよい。幾つかの実施形態において、シリンダ及び／又はピストン２０は、約１０ｃｍ、１５ｃｍ、２０ｃｍ、２５ｃｍ、３０ｃｍ、３５ｃｍ、又は、４０ｃｍよりも大きい直径を有してもよい。システム８は、１０キロワット（ｋＷ）〜１０メガワット（ＭＷ）の範囲の電力を発生させてもよい。幾つかの実施形態において、エンジン１０は、約１８００ＲＰＭの１分間当たりの最大回転数（ＲＰＭ）で動作するように構成されてもよい。幾つかの実施形態において、エンジン１０は、最大で約２０００ＲＰＭ、１９００ＲＰＭ、１７００ＲＰＭ、１６００ＲＰＭ、１５００ＲＰＭ、１４００ＲＰＭ、１３００ＲＰＭ、１２００ＲＰＭ、１０００ＲＰＭ、９００ＲＰＭ、又は、７５０ＲＰＭで動作するように構成されてもよい。幾つかの実施形態において、エンジン１０は、約７５０〜２０００ＲＰＭ、９００〜１８００ＲＰＭ、又は、１０００〜１６００ＲＰＭで動作してもよい。また、幾つかの実施形態において、ピストン２０は、一般に、（例えば、自動車エンジン、又は、同様のものに対して）低い最大平均ピストン速度を有してもよい。例えば、ピストン２０は、２５メートル／秒（ｍ／ｓ）、２０ｍ／ｓ、１９ｍ／ｓ、１８ｍ／ｓ、１７ｍ／ｓ、１６ｍ／ｓ、１５ｍ／ｓ、１４ｍ／ｓ、１３ｍ／ｓ、１２ｍ／ｓ、１１ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、９ｍ／ｓ、８ｍ／ｓ、７ｍ／ｓ、６ｍ／ｓ、又は、５ｍ／ｓ未満の最大平均ピストン速度を有してもよい。幾つかの実施形態において、ピストン２０は、約１〜２５ｍ／ｓ、５〜２０ｍ／ｓ、１０〜２０ｍ／ｓ、１０〜１６ｍ／ｓ、１３〜１５ｍ／ｓ、又は、１１〜１２ｍ／ｓの最大平均ピストン速度を有してもよい。幾つかの実施形態において、ピストン２０は、約１２ｍ／ｓの最大平均ピストン速度を有してもよい。平均ピストン速度は、エンジン１０内のピストン２０の平均速度であり、行程及びＲＰＭの関数である。例えば、平均ピストン速度（ＭＰＳ）が（２×Ｓ）×（ＲＰＭ／６０）に等しくてもよく、ここで、Ｓは行程（例えば、行程の長さ）であり、また、ＲＰＭは、エンジン１０が動作する１分間当たりの回転数である。上記方程式において、行程には、１クランク回転ごとに２行程が生じるという事実を考慮するべく２の因数が乗じられ、また、ＲＰＭは、分を秒へ変換するべく６０の因数により除されてもよい。典型的なエンジン１０は、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙのＪｅｎｂａｃｈｅｒ Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｊｅｎｂａｃｈｅｒタイプ２、タイプ３、タイプ４、タイプ６、又は、Ｊ９２０ ＦｌｅＸｔｒａ）、又は、Ｗａｕｋｅｓｈａ Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｗａｕｋｅｓｈａ ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ、２７５ＧＬ）を含んでもよい。以下で更に詳しく論じられるように、ピストン２０は、スチールピストン又はアルミニウムピストンであってもよい。特定の実施形態において、ピストン２０は、ピストン２０のリング溝内に保護リング挿入体（例えば、Ｎｉ−抵抗リング挿入体）を含んでもよい。また、ピストン２０は、例えばリンク溝及び／又は保護リング挿入体に形成される１つ又は複数の径方向チャネルを含んでもよい。

図２は、ピストン２０がシリンダ２６（例えば、エンジンシリンダ）内に配置されて成るレシプロエンジン１０のピストンアセンブリ２５の一実施形態の側断面図である。シリンダ２６は、円筒状キャビティ３０（例えば、孔）を画定する内側環状壁２８を有する。ピストン２０は、軸方向の軸線又は方向３４、径方向の軸線又は方向３６、及び、周方向の軸線又は方向３８によって規定されてもよい。ピストン２０は、上端部４０（例えば、トップランド）と、ピストン２０の周りで周方向（例えば、周方向３８）に延びる上端環状溝４２（例えば、上端溝又は最上端溝）とを含む。上端リング４４（例えば、上端ピストンリング）が上端溝４２内に位置されてもよい。

上端リング４４は、シリンダ２６の内側環状壁２８と接触するべく上端溝４２から径方向外側に突出するように構成される。上端リング４４は、一般に、燃料１８及び空気１６又は燃料−空気混合物８２が燃焼室１２から逃げるのを阻止する、及び／又は、適切な圧力の維持を容易にして、膨張する高温燃焼ガスがピストン２０の往復動を引き起こすことができるようにする。また、本実施形態の上端リング４４は、内側環状壁２８の表面を覆って例えばエンジン１０内の熱及び／又は摩擦を制御する油のすくい取りを容易にするように構成されてもよい。

特定の実施形態において、ピストン２０は、スチール（例えば、スチール、或いは、４２ＣｒＭｏ４Ｖ又は３８ＭｎＶＳ６などの任意の様々なスチール合金）ピストンである。幾つかの実施形態において、ピストン２０は、アルミニウム（例えば、アルミニウム、或いは、ＳＡＥ３３２又はＡｌＳｉ１２ＣｕＭｇＮｉなどの任意の様々なアルミニウム合金）ピストンである。特定の実施形態において、上端溝４２は、上端リング４４を支持するように構成される保護リング挿入体又はリング支持挿入体（例えば、ＡＳＴＭ Ａ４３６、タイプ１などのＮｉ−抵抗鋳鉄リング挿入体材料）を含む。保護リング挿入体は、ピストン２０及び／又は上端リング４４を形成する材料よりも耐摩耗性、耐熱性、及び／又は、耐圧性がある挿入体材料から形成されてもよい。他の例として、挿入体材料は、ピストン２０及び／又は上端リング４４を形成する材料により耐えられる温度及び／又は圧力よりも５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，６０，７０，８０，９０，１００，１５０，２００，２５０，３００％又はそれ以上高い温度及び／又は圧力に耐えるように構成されてもよい。特定の実施形態において、保護リング挿入体は、ピストン２０及び／又は上端リング４４を形成する材料よりも高い（例えば、５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，６０，７０，８０，９０，１００，１５０，２００，２５０，３００％又はそれ以上高い）硬度を有する挿入体材料から形成されてもよい。例えば、幾つかの実施形態において、ピストン２０は、約５０〜１５０、６０〜１４０、又は、７０〜１３０ＨＢの硬度を有してもよく、一方、保護リング挿入体は、約８０〜２２０、９０〜２１０、又は、１００〜２００ＨＢの硬度を有してもよい。他の例として、幾つかの実施形態では、ピストン２０が約９０〜１２０ＨＢの硬度を有してもよく、一方、保護リング挿入体が約１２０〜１９０ＨＢの硬度を有してもよい。幾つかの実施形態において、保護リング挿入体は、ニッケル合金（例えば、ＡＳＴＭ Ａ４３６、タイプ１などの任意の様々なニッケル合金）を含むＮｉ−抵抗リング挿入体であってもよい。一般に、挿入体材料は、ピストンアセンブリ２５が大型工業用エンジンでそのようなエンジンの長い動作寿命にわたり高圧及び／又は高温に耐えることができるようにしてもよい。

幾つかの実施形態では、１つ又は複数の更なる環状溝５０（例えば、更なるリング溝）が上端溝４２よりも軸方向下側においてピストン２０の周りで周方向に延びてもよい。幾つかの実施形態では、１つ又は複数の更なるリング５２（例えば、複数の更なるリング）が１つ又は複数の更なるリング溝５０のそれぞれの内部に配置されてもよい。更なるリング５２は、ブローバイを阻止する及び／又はシリンダ２６の内側環状壁２８から油をすくい取るように構成されてもよい。

図示のように、ピストン２０は、接続ロッド５６及びピン５８を介してクランクシャフト５４に取り付けられる。クランクシャフト５４は、ピストン２４の往復直線動作を回転動作へと変換する。前述したように、ピストン２０が移動するにつれて、クランクシャフト５４は、負荷２４（図１に示される）に動力を供給するべく回転する。図示のように、燃焼室１２は、ピストン２４のトップランド４０に隣接して位置される。燃料注入器６０が燃料１８を燃焼室１２へ供給し、また、弁６２が燃焼室１２への空気１６の送出を制御する。排気弁６４は、エンジン１０からの排気の排出を制御する。しかしながら、燃料１８及び空気１６を燃焼室１２へ供給する及び／又は排気を排出するための任意の適した要素及び／又は技術が利用されてもよいことが理解されるべきである。動作時、燃焼室１２内での空気１６を伴う燃料１８の燃焼により、シリンダ２６のキャビティ３０内でピストン２０が往復態様（例えば前後）で軸方向３４に移動する。

クリアランス７８（例えば、環状空間を画定する径方向クリアランス）がシリンダ２６の内側環状壁２８とピストン２０の外表面８０（例えば、環状面）との間に与えられる。前述したように、例えば、ブローバイを阻止するため、及び、上端リング４４が内側環状壁２８から油をすくい取ることができるようにするために、上端リング４４とシリンダ２６の内側環状壁２８との間の接触を維持することが望ましい。しかしながら、エンジン１０の動作中、燃焼室１２からの燃焼ガスは、上端リング４４の外面９０（例えば、径方向外側の面、又は、外周面）と接触して、上端リング４４をシリンダ２６の内壁２８から離れるように径方向内側に（例えば、径方向軸線３６に沿って）推し進める力を及ぼす。したがって、本実施形態は、燃焼ガスを上端リング４４の内周面（図５に示される）に隣接する空間（図５に示される）へ移送するように構成される１つ又は複数の径方向チャネル９４などの１つ又は複数のチャネル（例えば、通路、谷、溝、又は、同様のもの）を含む。また、１つ又は複数の径方向チャネル９４は、上端溝４２からの油の流出を容易にする、及び／又は、上端溝４２内の油の蓄積を妨げる。そのような形態により、１つ又は複数の径方向チャネル９４は、上端リング４４の全体にわたって圧力勾配を確実に釣り合わせる（例えば、上端リング４４を安定させる）ことができる、及び／又は、上端リング４４は、シリンダ２６の内側環状壁２８との接触を維持できる。

図３は、径方向チャネル９４がピストン２０のトップランド４０に形成されて成るピストン２０の一実施形態の一部の側面図である。図示のように、径方向チャネル９４は、ピストン２０の周囲の別個の位置（例えば、ピストン２０の周りで周方向に離間される別個の位置）に形成される。図示の実施形態において、径方向チャネル９４は、湾曲断面を有する（例えば、湾曲壁９８を有する）とともに、径方向チャネル半径１００を有する。径方向チャネル９４は、トップランド４０の底面及び上端溝４２の上面（例えば、上端面又は上端周囲）の両方に対応する軸方向対向面１０２（例えば、環状面）内へと或いは軸方向対向面１０２に沿って形成される。径方向チャネル９４は、ピストン２０のトップランド４０の外表面８０（例えば、外側環状面）から径方向内側（例えば、径方向３６）に延びてもよい。図示のように、径方向チャネル９４は上端溝４２へ向けて開放し、また、上端リング４４と軸方向対向面１０２との間の軸方向距離１０４は、径方向チャネル９４に沿って増大される（例えば、軸方向距離１０４よりも大きく且つ径方向チャネル９４と一致する第２の軸方向距離１０３によって示される）。したがって、上端リング４４と軸方向対向面１０２との間の軸方向距離は、上端リング４４の周りで周方向に変化する。以下で更に詳しく論じられるように、そのような形態は、上端溝４２からの油の流出を容易にし（例えば、油が上端溝４２内に蓄積することを阻止し）、それにより、燃焼ガスがキャビティ３０から径方向チャネル９４に沿って空間（図５に示される）へと確実に移送できるようにし、この空間で、燃焼ガスが径方向外向きの力（例えば、圧力誘発付勢力）を上端リング４４の内面（図５に示される）に対して及ぼすことができるようにする。したがって、径方向チャネル９４は、上端リング４４の全体にわたって圧力勾配を確実に制御して、上端リング４４とシリンダ２６の内側環状壁２８との間の接触の維持を可能にする。径方向チャネル９４は、上端リング４４を径方向外側にシリンダ２６の内側環状壁２８に押し付けるべくシールポイント１０７よりも軸方向下側でプラスの圧力差をもたらしつつシールポイント１０７よりも軸方向上側で圧力を均一にするのに役立ち得る。

ある場合には、径方向チャネル半径１００が約２ミリメートル（ｍｍ）より大きくてもよい。ある場合には、径方向チャネル半径１００が例えば約０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２．５ｍｍ、又は、３ｍｍより大きくてもよい。また、径方向チャネル半径１００は、軸方向距離１０３の１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０、又は、９０％未満であってもよい。径方向チャネル半径１００は、軸方向距離１０３の１０〜９０、２０〜８０、３０〜７０、又は、４０〜６０％であってもよい。保護リング挿入体を有する幾つかの実施形態では、径方向チャネル半径１００が保護リング挿入体の軸方向高さの１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０、又は、９０％未満であってもよい。径方向チャネル半径１００は、保護リング挿入体の軸方向高さの１０〜９０、２０〜８０、３０〜７０、又は、４０〜６０％であってもよい。径方向チャネル９４が湾曲断面を有するように示されるが、径方向チャネル９４は、本明細書中に開示される態様で燃焼ガスの移送を容易にする任意の適した断面（例えば、長方形、三角形、曲率の変化を伴う湾曲状等）又は形態を有してもよいことが理解されるべきである。また、複数の径方向チャネル９４が示されるが、例えば１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０個又はそれ以上の任意の適した数の径方向チャネル９４が設けられてもよいことが理解されるべきである。また、径方向チャネル９４は、ピストン２０の周囲で一様な周方向間隔を伴うことを含めて、任意の適した態様で分布されてもよい。

図４は、ピストン２０の一実施形態の一部の側断面図であり、このピストン２０は、上端リング４４と、ピストン２０のトップランド４０に形成される１つの径方向チャネル９４とを有する。図示の実施形態では、径方向チャネル９４が軸方向対向面１０２に形成される。径方向チャネル９４は、トップランド４０の外表面８０から（例えば、径方向軸線３６に沿って）径方向内側に延びる。エンジン１０の動作中、燃焼ガスは、上端リング４４の外面９０に圧力を及ぼして、上端リング４４をシリンダ２６の内側環状壁２８から離れるように推し進める径方向内向きの力１０８をもたらす。

幾らかの燃焼ガスが上端溝４２内で流れることができるようにするべく、上端リング４４の上端面１２１（例えば、軸方向上側の面）とピストン２０の軸方向対向面１０２との間に隙間１２０（例えば、上端溝クリアランス）が設けられるが、隙間１２０を横切る第１の軸方向距離１０４は、望ましくは、リングリフト及びばたつきを最小限に抑えるように設定される。したがって、開示された実施形態でなければ、油が比較的小さい隙間１２０内に溜まって上端溝４２を通じた燃焼ガスの流れを阻止し、また、隙間１２０が油で塞がれる場合、隙間１２０は、上端リング４４の内面１２４（例えば、径方向内側の面又は内周面）への燃焼ガスの効率的で確実な移送を可能にしない場合がある。そのため、開示される径方向チャネル９４が無ければ、油が上端溝４２内に溜まる場合があり、また、隙間１２０が油で塞がれる場合には、大きな圧力差が上端リング４４にわたって（例えば、外面９０と内面１２４との間に）存在する場合がある。例えば、開示される径方向チャネル９４が無ければ、油が上端溝４２に付着して燃焼ガスの流れを妨げる場合があり、したがって、外面９０付近の圧力が内面１２４付近の圧力よりも大きくなる場合がある。そのような場合、上端リング４４が径方向リング潰れを起こし易くなる可能性があり、それにより、例えば油消費量及びブローバイが増大する。

本実施形態において、径方向チャネル９４は、上端リング４４の内面１２４と上端溝４２の内壁１３１（例えば、内側環状壁）とに隣接する空間１３０（例えば、環状空間）への燃焼ガスの移送を容易にするべく構成されてもよく、それにより、上端リング４４の安定性の向上をもたらすことができる。空間１３０内の燃焼ガスは、径方向内向きの力１０８と釣り合う或いは径方向内向きの力１０８に対抗するべく径方向外向きの力１３４を及ぼすことができ、また、上端リング４４の両端間の圧力は、ほぼ等しくてもよく、或いはさもなければ、径方向リング潰れを阻止して例えば上端リング４４とシリンダ２６の内側環状壁２８との間の接触を維持するべく制御されてもよい。

また、図示のように、上端リング４４の外表面９０は、内側環状壁２８と接触してシールポイント１０７を形成するように構成される。そのような形態は、好適には、エンジン１０の動作中に上端リング４４がシリンダ２６の内側環状壁２８から油をすくい取ることができるようにし得る。また、油は、一般に、特定の状況では、上端溝４２を含めてピストン２０に付着し得る粘性のある粘着性液体である。径方向チャネル９４は、上端リング４４と軸方向対向面１０２との間に、より大きな軸方向距離１０３と、より大きな全隙間容積とをもたらすとともに、より小さい表面積対容積率をもたらす。そのような形態は、付着を減らすことができ、また、一般に、上端溝４２からの油の（例えば、燃焼室１２内への或いはシリンダ２６の内側環状壁２８に沿う）流出を促進させることができ、したがって、油制御を向上させて、エンジン１０内の油消費量を減らすことができる。

前述したように、幾つかの実施形態では、ピストン２０がスチールピストンである。特定の実施形態では、ピストン２０がアルミニウムピストンである。ピストン２０は、随意的に、上端溝４２を取り囲む（例えば、上端溝４２の内側を覆ってピストン２０の周りで周方向に延びる）保護リング挿入体又はリング支持挿入体１５０（例えば、Ｎｉ−抵抗リング挿入体）を含んでもよい。保護リング挿入体１５０は、上端リング溝４２の全部又は一部（例えば、軸方向対向面１０２、内壁１３１、及び／又は、底部軸方向対向面１１２）に沿って延びてもよい。例えば、図示の断面では、保護リング挿入体１５０が略Ｃ形状又はＵ形状を有する。

前述したように、保護リング挿入体１５０は、ピストン２０を形成する材料よりも耐摩耗性、耐熱性、及び／又は、耐圧性がある挿入体材料から形成されてもよい。例えば、挿入体材料は、ピストン２０及び／又は上端リング４４を形成する材料により耐えられる温度及び／又は圧力よりも５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，６０，７０，８０，９０，１００，１５０，２００，２５０，３００％又はそれ以上高い温度及び／又は圧力に耐えるように構成されてもよい。特定の実施形態において、保護リング挿入体１５０は、ピストン２０及び／又は上端リング４４を形成する材料よりも高い（例えば、５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，６０，７０，８０，９０，１００，１５０，２００，２５０，３００％又はそれ以上高い）硬度を有する挿入体材料から形成されてもよい。以下で更に詳しく論じられるように、幾つかの実施形態では、保護リング挿入体１５０がニッケル合金（例えば、ＡＳＴＭ Ａ４３６、タイプ１などの任意の様々なニッケル合金）を含むＮｉ−抵抗リング挿入体であってもよい。一般に、挿入体材料は、ピストン２０が大型工業用エンジンでそのようなエンジンの長い動作寿命にわたり高圧及び／又は高温に耐えることができるようにしてもよい。

保護リング挿入体１５０は、上端リング溝４２へ流し込んで成形されてもよく、また、上端リング４４を支持するように構成されてもよい。他の実施形態において、保護リング挿入体１５０は、上端リング溝４２内にセグメント状態で取り付けられて（例えば、溶接や蝋付け等によって）互いに結合されてもよい。他の実施形態において、保護リング挿入体１５０は、コーティング（例えば、スプレーコーティング）又は任意の他の適した技術の適用によって取り付けられてもよい。幾つかの実施形態において、保護リング挿入体１５０は、ニッケル合金（例えば、任意の様々なニッケル合金）を備えてもよく、また、エンジン１０内の高圧及び／又は高温に耐えるように構成されてもよい。

保護リング挿入体１５０を有する実施形態では、図示のように、径方向チャネル９４が保護リング挿入体１５０内（例えば、保護リング挿入体１５０の軸方向対向面）に形成されてもよい。前述したように、保護リング挿入体１５０を有する特定の実施形態では、径方向チャネル半径１００が保護リング挿入体の軸方向高さ１５１の１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０、又は、９０％未満であってもよい。径方向チャネル半径１００は、保護リング挿入体の軸方向高さ１５１の１０〜９０、２０〜８０、３０〜７０、又は、４０〜６０％であってもよい。幾つかの実施形態において、保護リング挿入体１５０の径方向チャネル９４は、好適には、径方向チャネル９４をピストン２０自体に直接に形成することによってではなく、単純な環状溝中へ径方向チャネル９４を設けることができるようにする場合がある。また、様々な保護リング挿入体１５０（例えば、様々な形態、数、及び／又は、サイズの径方向チャネル９４を有する）が、そのような保護リング挿入体１５０を受けるように構成される対応する溝を有する任意の様々なピストン内へ挿入されてもよい。したがって、保護リング挿入体１５０は、適した形態、数、及び／又は、サイズの径方向チャネル９４を有するように溝（例えば、上端リング溝４２）を合わせるべく利用され得る（例えば、一群の異なる保護リング挿入体１５０をピストン２０と共に選択的に利用できる）。

図５は、１つの径方向チャネル９４が上端リング４４に形成されて成るピストン２０の一実施形態の一部の側断面図を示す。特定の実施形態では、径方向チャネル９４が上端リング４４の上端面１２１に沿って形成されてもよい。そのようなチャネルは、例えば図２〜図４に示されるようなピストン２０のトップランド４０に形成される径方向チャネル９４に加えて或いは代えて設けられてもよい。

図示のように、上端リング４４に形成される径方向チャネル９４は、上端リング４４の外面９０から内面１２４まで径方向内側に（例えば、径方向３６に）延びてもよい。径方向チャネル９４は、上端リング４４の上端面１２１と上端溝４２の軸方向対向面１０２との間の軸方向距離１０４を径方向チャネル９４と一致する半径１００に沿って増大させ得る。したがって、径方向チャネル９４は、上端溝４２からの油の流出を容易にすることができ、それにより、矢印１７２により示されるように、キャビティ３０から内面１２４に隣接する空間１３０への燃焼ガスの確実な流れを可能にする。前述したように、空間１３０へのガスの移送は、上端リング４４の環状外表面９０と内面１２４との間の圧力差を制御することができ、それにより、上端リング４４がシリンダ２６の内壁２８との接触を維持できるようにする。

前述したように、径方向チャネル９４は、上端リング４４の内面１２４と上端リング４４の外面９０との間で圧力を均一にする或いはこれらの間に圧力差をもたらすのに役立ってもよく、それにより、上端リング４４をシリンダ２６に対して径方向外側に付勢して、例えば径方向リング潰れ及び／又はブローバイを阻止するのに役立ってもよい。また、上端リング４４及び／又は径方向チャネル９４は、エンジン１０内で油制御ももたらしつつ径方向リング潰れ及びブローバイを阻止するように構成されてもよい。前述したように、幾つかの実施形態では、ピストン２０がスチールピストンである。特定の実施形態では、ピストン２０がアルミニウムピストンである。ピストン２０は、随意的に、前述した特徴のいずれかを有する保護リング挿入体１５０を含んでもよい。

開示された実施形態の技術的効果は、径方向チャネル９４などのチャネルを介してエンジン１０内の油の流れ及び／又は燃焼ガスの分配を制御するためのシステムを提供することを含む。例えば、燃焼ガスは、ピストンアセンブリの上端リング４４の外面９０に対して圧力を及ぼしてもよい。トップランド４０又は上端リング４４に形成される径方向チャネル９４は、上端リング４４の内面１２４に隣接する空間１３０へ燃焼ガスを移送することができ、それにより、外面９０と内面１２４との間の圧力勾配を制御して、上端リング４４がシリンダ２６の内壁２８との接触を維持できるようにする。そのような形態はまた、好適には、径方向チャネル９４付近で油を制限してもよく、それにより、径方向チャネル９４を通じた燃焼ガスの確実で永続的な移送をもたらしてもよい。開示された実施形態は、好適には、例えば、油消費量、排出量、ブローバイ、径方向リング潰れ、及び／又は、エンジン１０内の摩擦を減少させることができる。

この書かれた説明は、実施例を使用して、最良の態様を含む本発明を開示するとともに、任意の装置又はシステムを形成して使用すること、及び、任意の組み入れられた方法を実行することを含めて、任意の当業者が本発明を実施できるようにする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、また、当業者が想起する他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、それらが特許請求項の文字通りの言葉とは異ならない構造的要素を有する場合には、或いは、それらが特許請求項の文字通りの言葉と実質的に異ならない等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内に入るべく意図される。

８ 動力発生システム
１０ エンジン
１２ 燃焼室
１４ 空気供給源
１６ 空気（加圧酸化剤）
１８ 燃料
１９ 燃料供給源
２０ ピストン
２２ シャフト
２４ 負荷
２５ ピストンアセンブリ
２６ シリンダ
２８ 内側環状壁
３０ キャビティ
４０ トップランド（上端部）
４２ 上端溝
４４ 上端リング
５０ リング溝（環状溝）
５２ リング
５４ クランクシャフト
５６ 接続ロッド
５８ ピン
６０ 燃料注入器
７８ クリアランス
８０ 外表面
８２ 燃料−空気混合物
９０ 外面（外表面）
９４ 径方向チャネル
９８ 湾曲壁
１００ 径方向チャネル半径
１０２ 軸方向対向面
１０３ 第２の軸方向距離
１０４ 第１の軸方向距離
１０７ シールポイント
１０８ 径方向内向きの力
１１２ 底部軸方向対向面
１２０ 隙間
１２１ 上端面
１２４ 内面
１３０ 空間
１５０ 保護リング挿入体
１５１ 軸方向高さ

Claims (20)

1. レシプロエンジンのシリンダ（２６）内で移動するように構成されるスチールピストン（２０）と、
   前記ピストン（２０）のトップランド（４０）の下方において前記ピストン（２０）の周りで周方向に延びるとともに、内周面（１２４）を有するリング（４４）を支持するように構成される溝（４２）と、
   前記トップランド（４０）に形成されるとともに、前記溝（４２）の一部と前記リング（４４）の前記内周面（１２４）との間の空間（１３０）への燃焼ガスの移送を容易にするように構成される１つ又は複数のチャネル（９４）と、
   を備える、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステム。
2. 前記スチールピストン（２０）が１８ｍ／ｓ未満の最大平均ピストン速度を有するように構成される請求項１記載のパワーシリンダシステム。
3. 前記１つ又は複数のチャネル（９４）が約１ｍｍを上回る半径を備える請求項１記載のパワーシリンダシステム。
4. 前記スチールピストン（２０）が約１０ｃｍを上回る直径を備える請求項１記載のパワーシリンダシステム。
5. 前記１つ又は複数のチャネル（９４）が前記溝（４２）の軸方向対向上面（１０２）内で径方向に延びる請求項１記載のパワーシリンダシステム。
6. 前記リング（４４）を備え、前記リング（４４）は、前記シリンダ（２６）の内壁から油をすくい取るように構成される請求項１記載のパワーシリンダシステム。
7. レシプロエンジンのシリンダ（２６）内で移動するように構成されるピストン（２０）と、
   前記ピストン（２０）のトップランド（４０）の下方において前記ピストン（２０）の周りで周方向に延びる溝（４２）と、
   前記溝（４２）内に配置されるとともに、内周面（１２４）を有するリング（４４）を支持するように構成される保護リング挿入体（１５０）と、
   前記保護リング挿入体（１５０）に形成されるとともに、前記溝（４２）の一部と前記リング（４４）の前記内周面（１２４）との間の空間（１３０）への燃焼ガスの移送を容易にするように構成される１つ又は複数のチャネル（９４）と、
   を備える、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステム。
8. 前記ピストン（２０）が１８ｍ／ｓ未満の最大平均ピストン速度を有するように構成される請求項７記載のパワーシリンダシステム。
9. 前記１つ又は複数のチャネル（９４）が約１ｍｍを上回る半径を備える請求項７記載のパワーシリンダシステム。
10. 前記ピストン（２０）が約１０ｃｍを上回る直径を備える請求項７記載のパワーシリンダシステム。
11. 前記ピストン（２０）がアルミニウムを備える請求項７記載のパワーシリンダシステム。
12. 前記保護リング挿入体（１５０）がＮｉ−抵抗リング挿入体を備える請求項７記載のパワーシリンダシステム。
13. 前記１つ又は複数のチャネル（９４）が前記保護リング挿入体（１５０）内で径方向に延びる請求項７記載のパワーシリンダシステム。
14. 約１８ｍ／ｓ未満の最大平均ピストン速度をもってレシプロエンジンのシリンダ（２６）内で移動するように構成されるピストン（２０）と、
    前記ピストン（２０）のトップランド（４０）の下方において前記ピストン（２０）の周りで周方向に延びる溝（４２）と、
    前記溝（４２）内に配置されるリング（４４）と、
    前記溝（４２）の軸方向上面又は前記リング（４４）の上面（１２１）に形成される１つ又は複数のチャネル（９４）であって、前記溝（４２）の一部と前記リング（４４）の内周面（１２４）との間の空間（１３０）への燃焼ガスの移送を容易にするように構成される、１つ又は複数のチャネル（９４）と、
    を備える、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステム。
15. 前記ピストン（２０）がスチールピストンである請求項１４記載のパワーシリンダシステム。
16. 前記ピストン（２０）がアルミニウムピストンであり、前記溝（４２）は、前記リング（４４）を支持するように構成される保護リング挿入体（１５０）を備える請求項１４記載のパワーシリンダシステム。
17. 前記保護リング挿入体（１５０）がＮｉ−抵抗リング挿入体を備える請求項１６記載のパワーシリンダシステム。
18. 前記１つ又は複数のチャネル（９４）が前記溝（４２）の前記保護リング挿入体（１５０）内に形成される請求項１６記載のパワーシリンダシステム。
19. 前記ピストン（２０）が約１０ｃｍを上回る直径を備える請求項１４記載のパワーシリンダシステム。
20. 前記１つ又は複数のチャネル（９４）が約１ｍｍを上回る半径を備える請求項１４記載のパワーシリンダシステム。