TW202212716A - 敞口式活塞總成及發動機 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種具有一圓周凹槽之敞口式活塞，一活塞環總成配置至該圓周凹槽中。提供位於該圓周凹槽之底部處且位於該敞口式活塞之一前台肩與活塞面之間的開口。該等開口經配置以允許一燃燒反應穿過界定於該活塞環總成之該底部與該活塞面之間的容積而傳播，使得位於彼容積中之一空氣與燃料混合物之至少一部分反應。

Description

敞口式活塞總成及發動機

本發明係針對於一種活塞，且更特定而言，本發明係針對於一種具有用於減少未經燃燒之碳氫化合物之排放之一敞開面之活塞總成。

在一習用燃燒發動機中，一活塞在一缸體內部往復運動，從而壓縮一氣體混合物及使該氣體混合物膨脹。在某些類型之發動機中，經壓縮氣體係燃料與空氣之一混合物。此導致其中燃料與空氣之混合物佔據處於活塞與缸體之間及處於一活塞表面與該活塞之一環之間的容積(被稱為「裂縫容積」)之一具體問題。由於此等空間之表面積對容積之比率係高的，因此一裂縫容積中之燃料與空氣之混合物會被冷卻至一足夠低之溫度，使得所有預期化學反應不會發生且燃料不會在一燃燒階段期間燃燒。然後此未經燃燒之燃料被自發動機排出，從而導致碳氫化合物排放以及經降低效率。

本發明適用於任一類型之燃燒發動機、壓縮器或泵，該燃燒發動機、壓縮器或泵具有：一缸體，其含有一燃料與一氧化劑之混合物；一活塞，其在該缸體內往復運動；及一活塞環，其將該環之前部中之一高壓與該環之後部處之一較低壓力分離。出於簡潔及清晰之目的，本文將在一燃燒發動機之內容脈絡中闡述本發明。然而，將理解，可在包含(舉例而言)一壓縮器或泵之任一其他適合裝置之內容脈絡中實施本文中所揭示之特徵。在某些實施例中，可在一基於曲柄軸之發動機中實施本發明，該基於曲柄軸之發動機通常依靠油來潤滑潛在活塞與缸體及/或活塞環與缸體接觸點，但亦可在其中不使用油之基於曲柄軸之發動機中實施本發明。在某些實施例中，可在一自由活塞發動機(諸如一線性自由活塞發動機)中實施本發明，在該自由活塞發動機中一或多個活塞在無任何機械連桿之一或多個缸體內往復運動。自由活塞發動機可藉助或不藉助潤滑油來進行操作。在於2014年3月4日發佈之共同讓與之美國專利第8,662,029號及於2015年1月15日提出申請之美國專利申請公開案第2016/0208686A1號中展示自由活塞發動機之某些實例，該兩個美國專利皆特此以全文引用方式併入本文中。出於圖解說明之目的且並非以限制方式，用於上文所引用燃料與氧化劑之混合物中之氧化劑將被闡述為空氣。將理解，任一其他適合氧化劑可用於該混合物中，包含任一適合氣體(除空氣之外或替代空氣)、任一其他適合流體或其任一組合。 圖1展示根據本發明之某些實施例之一說明性發動機100之一部分之一剖面透視圖。往復式活塞104位於缸體102內，包含配置於活塞104之一圓周凹槽中之活塞環106 (亦被稱為一密封環)。圖2係展示處於活塞104之一前台肩202與缸體102之內表面之間以及處於活塞環106之內表面與活塞104之外表面之間的容積204的發動機100之一部分之一特寫剖面立面圖。前台肩202係活塞104之面向前之部分且界定其中配置活塞環106之圓周凹槽之前側212。圓周凹槽進一步由所圖解說明之底部側208及後側210界定。容積204構成燃料與空氣之混合物206行進至其中之各別裂縫容積。在一燃燒發動機中(諸如在發動機100中)，當一燃燒反應試圖穿過一小容積(諸如穿過裂縫容積204)而傳播時，自熱氣體傳出進入至缸體、活塞表面及環中之熱轉移冷卻燃料與空氣之混合物。若經由至表面之熱轉移進行之冷卻速率比來自反應之能量釋放速率快，則該反應將淬滅並停止。由於其中反應正傳播之容積變得實體上較小，因此表面積對反應容積之比率變得較大，從而導致較大相對冷卻。當低於表面之間的一特定距離時，反應根本不可能穿過各別容積傳播。此限制距離在本文中被稱為淬滅距離。淬滅距離依數個因素而變化，包含(舉例而言)燃料與空氣之混合物之溫度、壓力、燃料類型、混合物比率及混合物與跟其接觸之材料之導熱率。對於一內部燃燒發動機中所經歷之情況而言，淬滅距離可(舉例而言)係在大約1 mm (10 ³微米)之數量級上。比較而言，活塞外表面202 ( 亦即，在前台肩處)與缸體102之內表面之間以及活塞環106之前表面214 ( 亦即，面向活塞之圓周凹槽之前側212)與圓周凹槽之前側212之間的距離通常係在介於10 ¹微米與10 ²微米之間的一數量級上。因此，燃燒反應通常無法傳播至(舉例而言)界定於活塞環106前方( 亦即，位於缸體102之內表面與前台肩202之頂部之間)及活塞環之內表面下面( 亦即，位於活塞環106之內表面與活塞104之表面之間)之容積中，且位於彼處之燃料中之至少某些燃料並未被燃燒。將理解，出於清晰之目的，該等圖(包含圖2)之某些態樣並未按比例繪製，諸如圓周凹槽前側212與活塞環前表面214之間的距離。 圖3係根據本發明之某些實施例之展示一典型活塞與環構形中之裂縫容積之位置的一說明性發動機之一立面剖面圖。如所圖解說明，由陰影容積302及304指示之裂縫容積被劃分為兩個位置，其分別為：處於頂部台肩與缸體之內表面之間；及處於活塞環與其中配置活塞環之圓周凹槽之間。以下論述係關於此後一容積(活塞環與圓周凹槽之間的容積304)。在一習用發動機中，密封環與圓周凹槽之間的裂縫容積( 例如，容積304)可為顯著碳氫化合物排放之一來源。適用於一微油活塞環設計之某些設計選擇可進一步加劇此問題。圖4中圖解說明兩項實例，該圖展示根據本發明之某些實施例之一特定活塞環設計。首先，在設計一無油發動機(諸如一微油自由活塞發動機)中，可期望設計一軸向較厚活塞環。此將致使活塞環與圓周凹槽之間的裂縫容積增加。舉例而言，比較圖3及圖4中所展示之活塞環，很顯然，由於圖4中所展示之設計中所使用之活塞環相對於圖3之設計之經增加軸向寬度，因此圖4中之裂縫容積404比圖3中之裂縫容積304大。其次，用於一活塞環之某些材料( 例如，碳石墨、諸如聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE) ( 例如，特夫綸(Teflon))及二硫化鉬(MoS2)等聚合物)可以一相對高速率磨損。此可在(舉例而言)設計一微油發動機(諸如一微油自由活塞發動機)時係尤其相關的，該微油發動機將通常使用相對快速地磨損(舉例而言，當與典型硬面油潤滑式活塞環相比時)的活塞環之一材料。當材料由於此磨損而被自活塞環移除時，環與凹槽之間的額外裂縫容積402敞開到環材料原來所處之位置。此由圖4中之虛線圖解說明，該等虛線指示被額外裂縫容積替換的活塞環之磨損掉之部分。 在本發明之某些實施例中，活塞面經修改以便將活塞環與圓周凹槽之間的容積敞開至缸體容積。活塞面與其中配置活塞環之圓周凹槽之間的開口經引入使得允許燃燒反應達到環之內表面與圓周凹槽之間的容積。此等連通開口具有大於淬滅距離之一特性長度以便允許反應傳播至目標容積( 例如，其中裂縫容積將不存在開口)中且燃燒位於彼處之燃料。舉例而言，當淬滅距離係1 mm時，此等開口之特性長度將大於1 mm。 在某些實施例中，需要前台肩以便在摩擦力及加速負載之影響下於活塞上含納活塞環，該摩擦力及加速負載原本可將活塞環自活塞上之環密封區域拋棄掉。因此，一設計折衷出現，此乃因期望使前台肩與活塞面之間的通路儘可能地敞開以允許位於活塞環與活塞之間的燃料完全燃燒，但亦需要以充足強度將前台肩機械地附接至活塞。在某些實施例中，此可使用圖5及圖6中如所圖解說明之一設計而達成。 圖5展示根據本發明之某些實施例之一說明性敞口式活塞500之一前部分之一透視圖。圖6展示圖5之敞口式活塞之一立面側視圖。然而，在一習用活塞設計中，一活塞面之表面完全地徑向向外延伸至前台肩之邊緣，在圖5及圖6中所圖解說明之設計中，活塞面508僅部分地徑向向外延伸，從而在其本身與前台肩502之間留下一開口504。另外，在所圖解說明之設計中，經間隔開口506係沿著其中將配置活塞環之圓周凹槽512而提供。 結構性蹼片510經提供以便將前台肩附接至圓周凹槽512之後側。結構性蹼片510亦用以部分地界定圓周凹槽512之底部側。更特定而言，圓周凹槽512之底部側係由結構性蹼片510界定以及由經間隔開口506界定。開口504及506經定大小且經配置使得沿著每一開口與活塞環總成之一內表面之間的一氣體路徑之一最小開口係空氣與燃料混合物之至少一淬滅距離。舉例而言，開口可經定大小為介於1 mm與10 mm之間或甚至更大( 亦即，其中淬滅距離小於1 mm)。在其他實例中，開口可經定大小為小於1 mm，只要該等開口之尺寸仍大於空氣與燃料混合物之淬滅距離即可。將理解，所圖解說明之設計僅係例示性的。可根據本發明之原則使用提供用於允許一燃燒反應傳播至界定於一活塞環之內表面與圓周凹槽之底部之間的裂縫容積中之開口之任一其他適合設計。舉例而言，儘管圖5及圖6在幾何形狀及間距方面將開口506展示為彼此實質上等同的，但該等開口無須如此。開口506可具有任一適合大小及形狀。該等開口可全部係實質上等同的，或另一選擇係，開口506中之一或多者可相對於剩餘開口506中之一或多者而在大小、形狀或兩者上不同。開口506之間的結構性蹼片510之大小及形狀( 亦即，間距及設計)可為彼此實質上等同的，或另一選擇係，結構性蹼片510中之一或多者可相對於剩餘結構性蹼片510中之一或多者而在大小、形狀或兩者上不同。在某些實施例中，開口506可覆蓋圓周凹槽512之大部分底部。 在某些實施例中，當開口504被圖解說明為一單個對稱開口時，該開口可被實施為具有任一適合幾何性質之兩個或兩個以上開口。舉例而言，在某些實施例中，前台肩502之前面可徑向向內延伸且連接至活塞面508以形成在定向上實質上正交於所圖解說明之結構性蹼片510之額外結構性蹼片。將理解，此等額外結構性蹼片不需要實質上正交於所圖解說明之結構性蹼片510 ( 亦即，取決於活塞面508相對於前部502之位置)。在此額外結構之支援之情況下，此等實施例可允許開口506在數目、大小或兩者上係較大的。在一種適合方法中，可替換多個開口506使用一單個開口，使得圓周凹槽之底部完全地敞開。在此方法中，將需要位於前台肩502與活塞面508之間、軸向橫跨圓周凹槽512之底部或者兩者之至少一個結構性蹼片以便將前台肩502附接至活塞500之其餘部分。 圖7及圖8分別展示根據本發明之某些實施例之包含圖5及圖6之敞口式活塞以及活塞環總成702之一敞口式活塞總成之一部分之剖面透視圖及側視立面圖。具有活塞環內表面704之活塞環總成702配置於圓周凹槽中且藉助於界定該凹槽之前側之前台肩502而實體上含納於該凹槽中。同時，活塞環內表面704在其至少大部分圓周及軸向寬度上方曝露於缸體中之空氣與燃料混合物。在燃燒期間，反應傳播至活塞環內表面704之至少一部分，從而致使位於界定於活塞環內表面與活塞面508之間的容積中之燃料與空氣之混合物至少部分地反應。此至少部分反應致使此容積中之至少多於一可忽略量之燃料與空氣之混合物反應。在某些實施例中，此容積中的經反應之燃料與空氣之混合物之量係至少大部分燃料與空氣之混合物。在某些實施例中，此容積中的經反應之燃料與空氣之混合物之量係至少實質上所有燃料與空氣之混合物。 活塞環總成702可包含由任一適合材料及尺寸製成之一單個連續活塞環。在某些實施例中，活塞環總成702可包含一活塞環之兩個或兩個以上部分，該兩個或兩個以上部分經耦合，能夠彼此獨立地移動( 例如，沿徑向或軸向方向)或兩者皆可。如所圖解說明，活塞環總成702係一單個連續環。活塞面508與前台肩502之間的開口之最小程度係大於1 mm，從而確保位於活塞環內表面704與活塞500之間的燃料與空氣之混合物在淬滅距離係1 mm或更小時反應。儘管來自活塞環702之循環加速負載在前台肩502上向前推動，但結構性蹼片幾何形狀仍確保前台肩保持附接至活塞。在某些實施例中，活塞環總成702可至少部分地由一固體潤滑材料製成，且(舉例而言)以圖4中所圖解說明之方式使用，而不用擔憂由於開口504及506之益處而引起之一增加之裂縫容積。 在某些實施例中，圓周凹槽512圍繞活塞500之圓周之全部延伸。在某些實施例中，圓周凹槽512僅部分地圍繞活塞500之圓周延伸。圓周凹槽512可為一單個連續凹槽或可為圍繞活塞500之圓周串列配置之兩個或兩個以上離散凹槽( 亦即，各自具有其自身之各別活塞環部分)。在某些實施例中，當圓周凹槽512包含一個以上凹槽時，該多個凹槽完全圍繞活塞500之圓周且可與每一各別面向端分離開任一適合距離。將理解，儘管本發明闡述其中存在一單個圓周凹槽512之實施例，但在某些實施例中，可存在沿著活塞500之長度軸向平行配置之多個圓周凹槽，該多個圓周凹槽中之每一者容納一各別活塞環總成。舉例而言，如圖5至圖8中所圖解說明，提供經構形以容納一附加活塞環(未展示)之一額外圓周凹槽514。圓周凹槽514平行於圓周凹槽512而配置且位於圓周凹槽512後面。 圖9展示根據本發明之某些實施例之使用一敞口式活塞總成之一發動機900之一部分之一經簡化剖面圖。活塞總成912在缸體902中往復運動。源自缸體902之一燃燒區段之燃燒反應914能夠穿過開口910進入至界定於環906之內表面與活塞904之間的容積中地傳播及反應。因此，將理解，本發明之特徵提供用以傳播至此容積中之一燃燒反應。將進一步理解，儘管一燃燒反應傳播至界定於環906之內表面與活塞904之間的容積中，但未必係彼容積中之所有燃料與空氣之混合物反應，而是至少一部分(大於一可忽略部分)之混合物反應(舉例而言，在某些實施例中，至少大部分混合物，或至少實質上所有混合物)。前台肩908藉由結構性蹼片(圖9中未展示)而附接至活塞904且能夠將環906固持於適當位置中。將理解，可使用任一適合配置實施發動機900。舉例而言，可使用一個以上缸體，可使用一或多個缸體中之一個以上活塞，或可使用本發明之特徵來實施任一其他適合配置。 前述內容僅圖解說明本發明之原理且熟習此項技術者可在不背離本發明之範疇之情況下做出各種修改。出於圖解說明之目的且並非具有限制性，呈現上文所闡述之實施例。本發明亦可採用除本文中所明確闡述之彼等形式之外的諸多形式。因此，應強調，本發明並不限於所明確揭示之方法、系統及設備，而是意欲包含在以下申請專利範圍之精神內的其之變化形式及修改。

100:說明性發動機/發動機 102:缸體 104:往復式活塞/活塞 106:活塞環 202:前台肩/活塞外表面 204:容積/裂縫容積 206:燃料與空氣之混合物 208:底部側 210:後側 212:前側/圓周凹槽前側 214:前表面/活塞環前表面 302:陰影容積 304:陰影容積/容積/裂縫容積 402:額外裂縫容積 404:裂縫容積 500:說明性敞口式活塞/活塞 502:前台肩/前部 504:開口 506:經間隔開口/開口/剩餘開口 508:活塞面 510:結構性蹼片 512:圓周凹槽 514:額外圓周凹槽/圓周凹槽 702:活塞環總成/活塞環 704:活塞環內表面 900:發動機 902:缸體 904:活塞 906:環 908:前台肩 910:開口 912:活塞總成 914:燃燒反應

根據一或多項各種實施例，參考以下各圖詳細闡述本發明。各圖式係僅出於圖解說明之目的而提供且僅繪示典型或實例性實施例。提供此等圖式以促進對本文中所揭示之概念之一理解且不應被視為限制此等概念之廣度、範疇或適用性。應注意，出於清晰及易於圖解說明之目的，此等圖式未必按比例繪製。 圖1展示根據本發明之某些實施例之一說明性發動機之一部分之一剖面透視圖。 圖2係圖1之說明性發動機之一部分之一特寫剖面立面圖。 圖3係根據本發明之某些實施例之展示一典型活塞與環構形中之裂縫容積之位置的一說明性發動機之一立面剖面圖。 圖4係根據本發明之某些實施例之展示一典型活塞與環構形中之裂縫容積之位置的另一說明性發動機之一立面剖面圖。 圖5展示根據本發明之某些實施例之一說明性敞口式活塞之一前部分之一透視圖。 圖6展示圖5之敞口式活塞之一立面側視圖。 圖7展示根據本發明之某些實施例之包含圖5及圖6之敞口式活塞之一敞口式活塞總成之一部分之一剖面透視圖。 圖8展示圖7之敞口式活塞總成之一立面側視圖。 圖9展示根據本發明之某些實施例之使用一敞口式活塞總成之一發動機之一部分之一經簡化剖面圖。

500:說明性敞口式活塞/活塞

502:前台肩/前部

504:開口

506:經間隔開口/開口/剩餘開口

508:活塞面

510:結構性蹼片

Claims (20)

1. 一種活塞總成，其包括： 一前台肩，其包括一開口；及 一圓周凹槽，其包含藉由該前台肩所界定的一側，其中： 該圓周凹槽係用以固持一活塞環，且 當該活塞環被固持於該圓周凹槽中時，該開口係為該活塞環與該圓周凹槽的一底部之間的一間隔空間。
2. 如請求項1之活塞總成，其中該活塞總成進一步包含該活塞環。
3. 如請求項1之活塞總成，其中該圓周凹槽至少部分地延伸於該活塞的一外表面周圍。
4. 如請求項1之活塞總成，其中該圓周凹槽包含複數個開口。
5. 如請求項4之活塞總成，其中該圓周凹槽的大部分包含該複數個開口。
6. 如請求項5之活塞總成，其中該複數個開口經構形以允許一反應傳播進入該間隔空間。
7. 如請求項6之活塞總成，其中該反應從一線性電磁機的一反應區段傳播，其中該活塞係經構形以在該線性電磁機內平移。
8. 如請求項4之活塞總成，其中該複數個開口中之每一者經定大小且經配置以使得沿著每一開口與該活塞環總成之該內表面之間的一氣體路徑之一最小開口係該間隔空間內的一氧化劑與燃料混合物之至少一淬滅距離。
9. 如請求項8之活塞總成，其中該淬滅距離係大約1 mm。
10. 如請求項1之活塞總成，其中該活塞環之一表面與該活塞之一外表面之間的距離大於1 mm。
11. 如請求項4之活塞總成，其中該複數個開口包括沿著該圓周凹槽彼此實質上等距之複數個經間隔開口。
12. 如請求項4之活塞總成，其中該複數個開口包括沿著該圓周凹槽具有彼此實質上等同之幾何形狀之複數個經間隔開口。
13. 如請求項4之活塞總成，其中該複數個開口經構形以允許該間隔空間內之一氧化劑與燃料混合物的至少大部分產生反應。
14. 如請求項2之活塞總成，其中該活塞環總成包括一固體潤滑材料。
15. 一種線性電磁機，其包括： 至少一個缸體，其包括： 一反應區段，及 一內缸體表面；以及 至少一個活塞總成，其配置於該缸體內，該至少一個活塞總成包括： 一活塞，其包括： 一前台肩，其中該前台肩係向一空間敞開；及 其中該空間包括至少一間隔空間，該間隔空間係在該活塞與一缸體的一內表面之間或在配置介面於該活塞的一活塞環與該活塞的一外表面之間。
16. 如請求項15之線性電磁機，其中該活塞進一步包含一圓周凹槽。
17. 如請求項15之線性電磁機，其中該活塞環係被配置在該圓周凹槽內。
18. 如請求項17之線性電磁機，其中該圓周凹槽包含複數個開口。
19. 如請求項18之線性電磁機，其中該複數個開口係經構形以允許一反應傳播進入該間隔空間。
20. 如請求項19之線性電磁機，其中該反應從該反應區段傳播。

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