JP2015230006A - レシプロエンジン用のピストンアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油消費量の低減、摩耗を低減することができるピストンとピストンリングを提供する。
【解決手段】径方向通路１００および／または軸方向通路などを用いてエンジン内での燃焼ガスの分布を制御する。例えば、燃焼ガスは、ピストンアセンブリ２５のトップリング４４の外面９０に圧力を加え、半径方向通路１００または軸方向通路は、トップリング４４の内面１２４に隣接する空間１３０に燃焼ガスを移送し、これにより、外面９０と内面１２４との間の圧力勾配を制御することができる。
【選択図】図４

Description

本明細書に開示されている主題は、一般に、レシプロエンジンに関し、より具体的には、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、内燃レシプロエンジン）は、高温燃焼ガスを生成するために酸化剤（例えば、空気）と共に燃料を燃焼させ、次いで、この高温燃焼ガスは、シリンダ内でピストン（例えば、往復ピストン）を駆動する。詳細には、高温燃焼ガスは、膨張して、膨張行程中にシリンダの上部から底部にピストンを直線移動させる圧力をピストンに加える。ピストンは、燃焼ガスによって加えられた圧力およびピストンの直線運動を、１つ以上の負荷（例えば、発電機）を駆動する回転運動に変換する（例えば、ピストンに連結されたコネクティングロッドおよびクランクシャフトを介して）。ピストンおよび関連構造の構成（例えば、ピストンアセンブリ）は、排出（例えば、未燃炭化水素）およびエンジン効率ならびに潤滑剤（例えば、油）の消費量に大きな影響を及ぼし得る。さらに、ピストンアセンブリの構成は、レシプロエンジンの運転寿命に大きな影響を与え得る。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れる。

米国特許第７７３０８６６号明細書

最初に特許請求された発明の範囲に見合った特定の実施形態が、以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求されている発明の範囲を限定するためのものではなく、正しくは、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡潔な概要を提供するためのものに過ぎない。実際、本発明は、以下で述べられる実施形態と同様である場合もあれば、異なる場合もある様々な形態を包含し得る。

一実施形態において、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステムは、シリンダ内に配置され、該シリンダ内を往復するように移動するよう構成されるピストンを含む。また、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周方向に延在する最上溝および該最上溝内に配置されるリングを含む。単一通路は、トップランドまたはリングに形成され、単一通路は、ピストンの外周部から、最上溝の内面とリングの内面との間の空間まで延在する。

一実施形態において、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステムは、シリンダ内に配置され、該シリンダ内を往復するように移動するよう構成されるピストンを含む。ピストンアセンブリは、ピストンのトップランドの下でピストンの周囲に周方向に延在する最上溝および該最上溝に配置されるリングを含む。通路は、トップランドまたはリングに形成され、燃焼ガスが燃焼室から、最上溝の内面とリングの内面との間の空間まで流れることを可能にするように構成され、通路は、ピストンの直径の約１パーセント〜５パーセントの幅を有する。

一実施形態において、レシプロエンジン用のパワーシリンダシステムは、内壁を有し、かつ空洞が形成されたシリンダを含む。本システムは、シリンダ内に配置され、該シリンダ内を往復するように移動するよう構成されるピストンと、ピストンのトップランドの下でピストンの周囲に周方向に延在する最上溝と、最上溝内に配置されるリングとを含む。半径方向通路は、ピストンの他の領域に比べて付着の少ない領域においてトップランドまたはリングに形成され、半径方向通路は、ピストンの外周部から、最上溝の内面とリングの内面との間に形成される空間まで延在する。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照しながら読まれるときにより良く理解されるようになる。なお、添付図面では、同じ符号が、図面の全体を通して同じ部分を示している。

レシプロエンジンシステムの部分の実施形態の概略ブロック図である。 シリンダ内に配置されているピストンの実施形態の断面図である。 ピストンのトップランドに半径方向通路が形成されているピストンの実施形態の部分の側面図である。 ピストンのトップランドに半径方向通路が形成されているピストンの実施形態の部分の側断面図である。 ピストントップリングに半径方向通路が形成されているピストンの実施形態の部分の側断面図である。 ピストンのトップランドに軸方向通路が形成されているピストンの実施形態の部分の側断面図である。 Ｖ型エンジンの中央領域の近傍に半径方向通路が配置されているＶ型エンジンの実施形態の部分の側断面図である。

以下では、本発明の１つ以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実施態様の特徴のすべてが説明されない場合もある。このような実際の実施態様の開発（工学または設計プロジェクトにおけるような）において、実施態様ごとに異なり得る、開発者の特定の目標（システム関連およびビジネス関連の制約の遵守など）を達成するために、実施態様に特有の多数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。さらに、このような開発の努力は、込み入っていて、時間がかかるものであるかもしれないが、本開示の利益を受ける当業者にとっては設計、製作、および製造に関する日常的な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とき、冠詞「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記」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。用語「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であり、列挙されている要素以外にも付加的な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。

本開示に係る、レシプロエンジン（例えば、内燃レシプロエンジン）用のパワーシリンダシステムは、１つ以上のピストンであって、それぞれが、１つ以上の負荷に動力を供給する目的で燃焼ガスによって加えられた圧力およびピストンの直線運動を回転運動に変換するためにシリンダ（例えば、ライナ）内を直線移動するように構成された１つ以上のピストンを含んでもよい。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周方向に延在する最上環状溝（例えば、トップリング溝）を有してもよい。トップリング（例えば、ピストントップリング）は、最上溝内に配置されてもよい。開示されている実施形態以外では、トップリングにおける（例えば、トップリングの外面と内面との間の）特定の圧力勾配が、例えば、半径方向のリングつぶれ（ｒｉｎｇ ｃｏｌｌａｐｓｅ）（例えば、シリンダの内壁から離れる、トップリングの変形）、油の消費量の増加、未燃炭化水素のブローバイの増加、排出の増加、および／またはエンジンの構成要素の摩耗の増加の原因となり得る。

したがって、本開示の実施形態は、トップリングの内面（例えば、内周面）に隣接する空間に高圧燃焼ガスを移送することによって、トップリングにおける圧力勾配を低減し、ガスがトップリングの内面に対して半径方向外側に向かう力を加えることを可能にする少なくとも１つの通路（例えば、半径方向通路、軸方向通路、またはこれらの両方）を含む。炭素付着物が、未燃焼燃料および／または潤滑油の炭化に起因してエンジンの様々な位置に形成され得るため、例示的な実施形態は、炭素付着物が１つの通路を通る燃焼ガスの移動を妨げるか、または遮る可能性を低下させる形状および／または寸法（例えば、幅、直径、流路断面積、または体積）を有する単一通路（例えば、ただ１つの通路）を含む。したがって、本実施形態は、燃焼ガスが少なくとも１つの通路を通って持続的に確実に移動することを可能にする。

さらに、１つの通路の寸法は、燃焼ガスの確実な移動を可能にする程度に大きくてもよい一方で、さらに、ピストンのトップランドとトップリングとの間の全体の間隙体積が間隙体積内での未燃焼燃料の流れを制限する程度に小さくてもよい。例えば、燃焼ガスの確実な移動を可能にする寸法を有する多数の通路は、トップリングにおける圧力差を効果的に低減し得るものの、このような構成はまた、全体の間隙体積を増加させ、より大量の未燃焼燃料が間隙体積に流れることを可能にしてしまう。したがって、信頼できるトップリングの安定化のための１つの通路の寸法は、例えばエンジン効率の望ましくない変化を制限するために全体の間隙体積と釣り合いをとられてもよい。

これまでの内容を考慮して、本開示の実施形態は、トップリングにおける圧力勾配を低減する目的でトップリングの内面に隣接する空間への燃焼ガスの移動を助けるためにエンジンの各ピストンに関連付けられた単一通路（例えば、ただ１つの通路）を含む。１つの通路は、トップリングを安定させるために適切な量の燃焼ガスの確実な移動を可能にし、および／または間隙体積に流れる未燃焼燃料を制限する寸法を有してもよい。さらに、１つの通路は、炭素付着物の形成を阻止するためにエンジンの比較的低温の領域および／または油の少ない領域に配置されてもよい。好適には、本明細書に開示されている特徴を有するピストンは、炭素付着物の形成を制限し、および／または間隙体積における未燃焼燃料の流れを制限しながらも、トップリングを効果的かつ効率的に安定させることができる。この結果として、これらの特徴は、例えば、半径方向のリングつぶれの低減ならびにブローバイ、油の消費量、および／または排出の低減をもたらし得る。

１つの通路を有する実施形態が、以下で詳細に開示されているが、２つ以上の通路（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより多くの）が、燃焼ガスの確実な移動を可能にし、間隙体積を制限するために各ピストンに利用されてもよい（特に、２つ以上の通路が、エンジンの低温のおよび／または油の少ない領域に配置される場合）ことが理解されるべきである。例えば、特定の実施形態において、各ピストンは、エンジン効率の変化を制限するためにあるしきい値以内で全体の間隙体積領域を形成する限られた数の通路（例えば、１、２、３、４、またはより多くの通路）を含んでもよく、この場合、各通路は、以下でより詳細に述べられるように、炭素付着物が各通路を通る燃焼ガスの移動を妨げるか、または遮る可能性を低下させるためにある最小しきい値を上回る幅および／または断面積を有する。

図面を参照すると、図１は、エンジン駆動発電システム８の部分の実施形態のブロック図を示している。以下で詳細に説明されるように、システム８は、１つ以上の燃焼室１２（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、またはより多くの燃焼室１２）を有するエンジン１０（例えば、内燃レシプロエンジン）を含む。空気供給部１４は、加圧された酸化剤１６（空気、酸素、酸素富化空気、酸素貧化空気（ｏｘｙｇｅｎ−ｒｅｄｕｃｅｄ ａｉｒ）、またはこれらの任意の組み合わせなど）を燃焼室１２のそれぞれに供給するように構成されている。また、燃焼室１２は、燃料供給部１９から燃料１８（例えば、液体および／または気体の燃料）を受け入れるように構成されており、燃料−空気混合物は、それぞれの燃焼室１２内で点火され、燃焼される。高温の加圧された燃焼ガスによって、燃焼室１２のそれぞれに隣接するピストン２０は、シリンダ２６内を直線移動し、ガスにより加えられた圧力は、シャフト２２を回転させる回転運動に変換される。一緒になって、ピストン２０およびシリンダ２６は、エンジン１０用のパワーシリンダシステムを形成してもよい。さらに、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に連結されてもよい。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ることができる任意の適切な装置（発電機など）であってもよい。さらに、以下の解説は、酸化剤１６として空気に言及しているが、任意の適切な酸化剤が、開示されている実施形態に使用されてもよい。同様に、燃料１８は、任意の適切な気体燃料（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、炭鉱ガスなど）であってもよい。

本明細書に開示されているシステム８は、定置用途（例えば、産業用発電エンジン）または移動用途（例えば、車または航空機）での使用に適合されてもよい。エンジン１０は、２ストロークエンジン、３ストロークエンジン、４ストロークエンジン、５ストロークエンジン、または６ストロークエンジンであってもよい。また、エンジン１０は、任意の数の（例えば、１〜２４個の）燃焼室１２、ピストン２０、および関連するシリンダを含んでもよい。例えば、特定の実施形態において、システム８は、シリンダ内を往復運動する４、６、８、１０、１６、２４、またはより多くのピストン２０を有する大型の産業用レシプロエンジンを含んでもよい。一部のこのような場合において、シリンダおよび／またはピストン２０の直径は、約１３．５〜３４センチメートル（ｃｍ）であってもよい。一部の実施形態において、シリンダおよび／またはピストン２０の直径は、約１０〜４０ｃｍ、約１５〜２５ｃｍ、またはおよそ１５ｃｍ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のトップリング溝に嵌め込まれるニレジストリングを伴う鋼製ピストンまたはアルミニウム製ピストンであってもよい。システム８は、１０ｋＷ〜１０ＭＷの範囲の電力を発生させてもよい。一部の実施形態において、エンジン１０は、約１８００回転／分（ＲＰＭ）未満で動作してもよい。一部の実施形態において、エンジン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、または約９００ＲＰＭ未満で動作してもよい。一部の実施形態において、エンジン１０は、約８００〜２０００ＲＰＭ、約９００〜１８００ＲＰＭ、または約１０００〜１６００ＲＰＭで動作してもよい。一部の実施形態において、エンジン１０は、約１８００ＲＰＭ、約１５００ＲＰＭ、約１２００ＲＰＭ、約１０００ＲＰＭ、または約９００ＲＰＭで動作してもよい。例示的なエンジン１０は、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙのＪｅｎｂａｃｈｅｒ Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｊｅｎｂａｃｈｅｒ Ｔｙｐｅ２、Ｔｙｐｅ３、Ｔｙｐｅ４、Ｔｙｐｅ６、もしくはＪ９２０ ＦｌｅＸｔｒａ）またはＷａｕｋｅｓｈａ Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｗａｕｋｅｓｈａ ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ、２７５ＧＬ）を含んでもよい。

図２は、レシプロエンジン１０のシリンダ２６（例えば、エンジンシリンダ）内にピストン２０が配置されているピストンアセンブリ２５の実施形態の側断面図である。シリンダ２６は、円筒空洞３０（例えば、ボア）を形成している環状内壁２８を有する。ピストン２０は、軸方向軸または軸方向３４、半径方向軸または半径方向３６、および周方向軸（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｘｉｓ）または周方向３８を基準にして形成されてもよい。ピストン２０は、上部４０（例えば、トップランド）およびピストン２０の周囲に周方向（例えば、周方向３８）に延在する第１の環状溝４２（例えば、最上溝またはトップリング溝）を含む。第１のリング４４（例えば、トップリングまたはピストントップリング）は、最上溝４２に配置されてもよい。トップリング４４は、エンジン１０の運転中にトップリング４４がさらされる高温高圧のガスに反応して膨張および収縮するように構成されてもよい。図示のように、ピストン２０は、ピストン２０の周囲に周方向に延在する複数の付加的な環状溝４６（例えば、付加的なリング溝）であって、軸方向軸３４に沿って最上溝４２から離間され、また互いに離間されている複数の付加的な環状溝４６を含む。付加的なピストンリング４８が、付加的な環状溝４６のそれぞれに配置されている。本明細書では、最上溝４２およびトップリング４４に関して様々な特徴が開示される。しかしながら、複数の付加的な溝４６および対応する付加的なピストンリング４８は、様々な構成のいずれかを有してもよいことが理解されるべきである。例えば、複数の付加的な溝４６および／または対応する付加的なリング４８の１つ以上が、以下で開示される特徴の一部または全部を含んでもよいし、あるいは、例えば異なる構成、形状、サイズ、および／または機能を有してもよい。

図示のように、ピストン２０は、コネクティングロッド５２およびピン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への空気１６の供給を制御する。排気弁６０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、燃焼室１２への燃料１８および空気１６の供給ならびに／または排気の排出を行うための任意の適切な要素ならびに／また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。

運転中、燃焼室１２において空気１６と共に燃料１８が燃焼することによって、ピストン２０は、シリンダ２６の空洞３０内を軸方向３４に往復するように（例えば、前後に）移動する。ピストン２０が移動するにつれて、クランクシャフト５０は、上述したように回転して負荷２４（図１に示されている）に動力を供給する。クリアランス７８（例えば、環状空間を形成する半径方向クリアランス）が、シリンダ２６の環状内壁２８とピストン２０の外面８０（例えば、環状面）との間に設けられている。トップリング４４は、最上溝４２からクリアランス７８に向かって半径方向外側に突出し、シリンダ２６の環状内壁２８に接触するように構成されている。一般にトップリング４４は、燃料１８および空気１６（または燃料−空気混合物８２）が燃焼室１２から漏れ出ることを阻止し、および／または高温燃焼ガスの膨張がピストン２０の往復運動をもたらすことを可能にする適切な圧力の維持を助ける。さらに、一般にトップリング４４は、例えば環状内壁２８を被覆し、エンジン１０内の熱および／または摩擦を制御する潤滑剤（例えば、油）の掻き落としを助ける。したがって、トップリング４４と環状内壁２８との接触を維持することが望ましい。しかしながら、以下でより詳細に述べられるように、燃焼室１２からの燃焼ガスは、トップリング４４の外面９０（例えば、外周面）に接触し、シリンダ２６の内壁２８から離れるようにトップリング４４を半径方向内側に（例えば、半径方向軸３６に沿って）動かす力を加える。したがって、以下でより詳細に述べられるように、トップリング４４を安定させるために、および／またはトップリング４４がシリンダ２６の環状内壁２８との接触を維持することを可能にするために、半径方向通路１００（例えば、流路、トラフ、または溝など）が設けられてもよい。

図３は、ピストン２０のトップランド４０に半径方向通路１００が形成されているピストン２０の実施形態の部分の側面図である。図示のように、半径方向通路１００は、トップランド４０の底面および最上溝４２の上面（例えば、最上面または最上外周）の両方に相当する軸方向を向いた面１０１（例えば、環状面）にまたはこれに沿って形成される。半径方向通路１００は、ピストン２０のトップランド４０の外面８０から半径方向内側に（例えば、半径方向３６に）延在してもよい。図示のように、半径方向通路１００は、最上溝４２に向かって開いており、トップリング４４と軸方向を向いた面１０１との間の軸方向距離１０２は、トップリング４４の周囲において周方向に（例えば、周方向軸３８に沿って）変化してもよい（例えば、第１の軸方向距離１０２および第２の軸方向距離１０３（第１の軸方向距離１０２よりも大きく、半径方向通路１００に一致する）によって示されているように）。望ましくは、軸方向を向いた面１０１とトップリング４４との間の第１の軸方向距離１０２は、過度のリングの持ち上がりまたはリングのフラッタを阻止しながらも、エンジン１０の運転中の高温および高圧に起因する、トップリング４４のある程度の膨張および収縮を可能にするように構成されてもよい。このように、半径方向通路１００は、トップリング４４における圧力勾配を低減させる（例えば、実質的に圧力勾配を平衡にする）ために空洞３０（図２に示されている）からの燃焼ガスの、半径方向通路１００に沿った移動を助け、さらに、第１の軸方向距離１０２がリングの持ち上がりを制限するために最小化されることを可能にすることができる。

上で指摘したように、エンジン１０で使用される潤滑油および特定の燃料は、炭素付着物を生成し得る。このような炭素付着物は、エンジン１０の様々な部分に付着し得る。しかしながら、半径方向通路１００は、ガスが半径方向通路１００を通って確実に移動することを可能にする（例えば、半径方向通路１００が炭素付着物によって閉塞されない）形状および／または寸法（例えば、幅、直径、断面積、および／または体積）を有してもよい。詳細には、半径方向通路１００は、任意の適切な断面形状を有してもよい。図示のように、半径方向通路１００は、湾曲した断面を有する（例えば、半径方向通路１００は、湾曲壁１０４（半円形の湾曲壁１０４など）を有する半径方向スロットである）。一部の実施形態において、湾曲壁１０４におけるこのような湾曲および／または尖った角度もしくは角の不在は、半径方向通路１００内での油の付着を最小限に抑えることができ、および／または油が半径方向通路１００から流れることを助けることができる。

さらに、半径方向通路１００は、任意の適切な寸法を有してもよい。図示のように、半径方向通路１００は、幅１０５（例えば、直径）を有する。例として、半径方向通路１００の幅１０５は、約１〜１０ミリメートル（ｍｍ）、約２〜８ｍｍ、または約３〜５ｍｍであってもよい。一部の実施形態において、半径方向通路１００の幅１０５は、約１０ｍｍ未満、約８ｍｍ未満、約６ｍｍ未満、約４ｍｍ未満、または約２ｍｍ未満であってもよい。別の例として、半径方向通路１００の幅１０５は、ボア径（図４に示されている）の約２パーセントであってもよい。特定の実施形態において、半径方向通路１００の幅１０５は、ボア径（図４に示されている）の約０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより高いパーセントであってもよい。

特定の実施形態において、半径方向通路１００の幅１０５は、ボア径（図４に示されている）の０．５〜５パーセント、１〜４パーセント、または２〜３パーセントであってもよい。特定の実施形態において、半径方向通路１００の幅１０５は、ピストン径１０６の約２パーセントであってもよい。特定の実施形態において、半径方向通路１００の幅１０５は、ピストン径１０６の約０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより高いパーセントであってもよい。特定の実施形態において、半径方向通路１００の幅１０５は、ピストン径１０６の０．５〜５パーセント、１〜４パーセント、または２〜３パーセントであってもよい。このような寸法は、半径方向通路１００と潤滑油との間の付着を最小限に抑えることができ、これにより、油が半径方向通路１００から流れることを可能にし、および／または半径方向通路１００内での炭素付着物の形成を阻止する。さらにまたはあるいは、このような寸法は、いくらかの量の炭素付着物の存在下での燃焼ガスの確実な移動を可能にすることができる。さらに、エンジン１０内の高温高圧条件は、不完全燃焼の燃料および／または油の炭化を促進し得る。したがって、半径方向通路１００は、以下でより詳細に述べられるように、半径方向通路１００内での炭素付着物の形成を制限するためにエンジン１０の比較的低温の領域に配置されてもよい。

これまでの内容を踏まえた上で、図４は、ピストン２０の最上溝４２内にトップリング４４が配置されているピストンアセンブリ２５の実施形態の部分の側断面図になっている。トップリング４４は、ダウンストローク中にシリンダ２６の環状内壁２８に沿って油を掻き落とす。外面９０は、シール箇所１１４（例えば、環状シール）を形成するように内壁２８に接触するよう構成されている。燃焼ガスは、矢印１１６によって示されているようにトップリング４４の外面９０に向かって流れ、これにより、トップリング４４を半径方向内側に（例えば、半径方向３６に）動かす半径方向内側への力１１８を発生させる。トップリング４４の上面１１０と最上溝４２の軸方向を向いた面１０１との間に設けられている環状隙間１２０は、最上溝４２内でのトップリング４４のいくらの膨張（例えば、熱膨張）を可能にすることができる。しかしながら、隙間１２０は、トップリング４４の半径方向内面１２４（例えば、内周面）への燃焼ガスの効率的な移動を可能にし得ない。というのも、例えば、リングのフラッタおよび／または持ち上がりを制御するために、ならびにリングの安定性を維持するためにトップリング４４の上面１１０と軸方向を向いた面１０１との間の第１の軸方向距離１０２（例えば、環状クリアランス）を最小化することが、一般には望ましいからである。

上述したように、開示されている実施形態は、トップリング４４の内面１２４に隣接する空間１３０への燃焼ガスの移動を助けるように構成された１つの半径方向通路１００を含む。空間１３０は、トップリング４４の内面１２４および最上溝４２の内面１３１（例えば、環状内壁）に隣接して配置されてもよく、つまりは、これらによって形成されてもよい。このような場合、軸方向を向いた面１０１およびトップリング４４は、トップリング４４の全周の大部分にわたって第１の距離１０２だけ隔てられている。これにより、リングのフラッタおよび／または持ち上がりが制御されるのと同時に、燃焼ガスが、矢印１３２によって示されているように空洞３０から半径方向通路１００に沿って空間１３０に流れることが可能になっている。このようにして、トップリング４４における圧力勾配（例えば、環状外面９０と内面１２４との間の圧力勾配）は低減することができ、燃焼ガスは、トップリング４４の外面９０に加えられる半径方向内側への力１１８に対抗するようにトップリング４４を半径方向外側に（例えば、半径方向軸３６に沿って）動かす半径方向外側への力１３４を加えることができる。

多数の半径方向通路１００が、燃焼ガスを空間１３０に移送するためにトップリング４４の全周の複数の離れた位置に設けられてもよいが、このような構成は、間隙体積１３６（例えば、トップリング４４とトップランド４０との間の空間の全体積）を増加させ、間隙体積１３６を通る未燃焼燃料の流れの増加を可能にし得る。この結果、間隙体積１３６を通る未燃焼燃料の流れの増加は、エンジン１０の効率を低下させ、および／または排出を増加させ得る。さらに、半径方向通路１００の幅１０５が小さくなると、半径方向通路１００が炭素付着物によって閉塞される可能性が一般に高くなり、および／または、半径方向通路１００が燃焼ガスを空間１３０に移送する信頼性が一般に低下する。例として、幅１０５の小さい１つ以上の半径方向通路１００は、燃焼ガスの持続性のある信頼できる移送を実現することができない。さらなる例として、燃焼ガスの確実な移動のためにより大きな幅１０５を有する多数の半径方向通路１００は、間隙体積１３６を増加させ、エンジン効率を低下させ得る。したがって、本実施形態は、トップリング４４を安定させ、および／または間隙体積１３６を通って流れる未燃焼燃料を制限するように燃焼ガスの確実な移動を可能にする寸法を有する１つの半径方向通路１００を含む。上で指摘したように、例示的な実施形態において、半径方向通路１００の幅１０５は、ボア径１３８の約２パーセントまたはピストン径１０６の約２パーセントである。特定の実施形態において、直径１０５は、ボア径１３８またはピストン径１０６の約０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより高いパーセントであってもよい。特定の実施形態において、直径１０５は、ボア径１３８またはピストン径１０６の０．５〜５パーセント、１〜４パーセント、または２〜３パーセントであってもよい。上で指摘したように、特定の実施形態において、１つより多くの半径方向通路１００であって、それぞれが、それぞれの半径方向通路１００内での炭素付着物の形成を最小限に抑えるために最小しきい値の幅を有する１つより多くの半径方向通路１００（例えば、半径方向通路１００の幅１０５は、約１〜１０ミリメートル（ｍｍ）、約２〜８ｍｍ、または約３〜５ｍｍであってもよい）が設けられてもよく、また、半径方向通路１００の数および寸法は、全体の間隙体積１３６が、例えばエンジン効率の変化を制限するために所定のしきい値以内となる（例えば、未満となる）ように制限されてもよい。

図５は、トップリング４４に半径方向通路１００が形成されているピストンアセンブリ２５の実施形態の部分の側断面図である。図示のように、半径方向通路１００は、トップリング４４の上面１１０に形成されている。トップリング４４に形成される半径方向通路１００は、トップリング４４の外面９０から内面１２４まで半径方向内側に（例えば、半径方向３６に）延在してもよい。トップリング４４と軸方向を向いた面１０１との間の軸方向距離１０２は、トップリング４４の周囲において周方向に（例えば、周方向軸３８に沿って）変化してもよい（例えば、第１の軸方向距離１０２および第２の軸方向距離１０３（第１の軸方向距離１０２よりも大きく、半径方向通路１００に一致する）によって示されているように）。このように、半径方向通路１００は、燃焼ガスが矢印１４２によって示されているように空洞３０から、内面１２４に隣接する空間１３０に流れることを助けることができる。上述したように、空間１３０への燃焼ガスの移動によって、トップリング４４の外面９０と内面１２４との間の圧力差が制御され、これにより、トップリング４４がエンジン１０の運転中にシリンダ２６の内壁２８との接触を維持することが可能となり得る。また、トップリング４４に形成される半径方向通路１００は、トップリング４４を安定させ、および／または間隙体積１３６を通って流れる未燃焼燃料を制限するように燃焼ガスの確実な移動を可能にする形状および／または寸法（例えば、幅１０５、断面積、および／または体積）を有してもよい。上で指摘したように、例示的な実施形態において、半径方向通路１００の幅１０５は、ボア径１３８またはピストン径１０６の約２パーセントである。特定の実施形態において、直径１０５は、ボア径１３８またはピストン径１０６の約０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより高いパーセントであってもよい。特定の実施形態において、直径１０５は、ボア径１３８またはピストン径１０６の０．５〜５パーセント、１〜４パーセント、または２〜３パーセントであってもよい。

図６は、ピストン２０のトップランド４０を貫通する１つの軸方向通路１６０を有するピストン２０の実施形態の部分の側断面図である。１つの軸方向通路１６０は、ピストン２０の上面１６１から空間１３０までトップランド４０を軸方向３４に貫通している。このようにして、軸方向通路１６０は、燃焼ガスが矢印１６６によって示されているように燃焼室１２から、内面１２４に隣接する空間１３０に流れることを助けることができる。上述したように、空間１３０へのガスの移動によって、トップリング４４の外面９０と内面１２４との間の圧力差が制御され、これにより、トップリング４４がシリンダ２６の内壁２８との接触を維持することが可能となり得る。また、軸方向通路１６０は、トップリング４４を安定させ、ならびに／または間隙体積１３６におよび／もしくはこれを通って流れる未燃焼燃料を制限するように燃焼ガスの移動を可能にする寸法（例えば、直径１６４、断面積、および／または体積）を有してもよい。

さらに、図６に示されているように、トップリング４４は、ピストンのダウンストローク（例えば、膨張行程）中にシリンダの内壁から油を効果的かつ効率的に掻き落とすように構成された、半径方向軸１６６に関して非対称の形状（例えば、非対称の断面）（テーパ形状または部分テーパ形状（例えば、円錐形状または湾曲した円環形状）など）を有してもよい。図示のように、トップリング４４は、トップリング４４の高さ１６７においてテーパ状になっている。トップリング４４の半径１６８（したがって、直径）は、トップリング４４の上面１１０と底面１１２との間で増加している。トップリング４４の最小の半径１６８は、上面１１０と一致し、一方、トップリング４４の最大の半径１６８は、底面１１２と一致する。このような構成において、外面９０は、トップリング４４の底面１１２の位置または近傍でシール箇所１１４（例えば、環状シール）を形成するように環状内壁２８に接触するよう構成される。図示の実施形態において、外面９０は、直線形状を有しているが、この形状は、階段状または湾曲状（例えば、凸状または凹状）であってもよい。テーパ形状または部分テーパ形状は、トップリング４４における圧力勾配の原因となり得るものの、半径方向通路１００または軸方向通路１６０が、上で説明した方法でトップリング４４における圧力を制御し、トップリング４４を安定させるために燃焼ガスを空間１３０に移送するように構成され得る。

エンジン１０内の高温高圧条件は、不完全燃焼の燃料および／または油の炭化を促進し得るし、また、炭素付着物は、エンジン１０の特定領域に形成され得る。したがって、半径方向通路１００および／または１つの軸方向通路１６０内での炭素付着物の形成を制限または阻止するためにエンジン１０の低温領域および／または油の少ない領域に１つの半径方向通路１００および／または１つの軸方向通路１６０を配置することが望ましい場合がある。低温領域は、エンジンの種類および／またはエンジンの型ごとに異なる可能性があり、また、例えば、ピストンアセンブリ２５の全体平均温度（ａｖｅｒａｇｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）に比べて少なくとも約２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、もしくはより高いパーセントだけ冷たい平均温度を示す、ピストンアセンブリ２５の部分（例えば、ピストン２０、トップランド４０、最上溝４２、もしくはトップリング４４などの部分）またはエンジン１０の運転中に定格温度にある、ピストンアセンブリ２５の部分を一般に含み得る。さらに、油の少ない領域は、エンジンの種類および／またはエンジンの型ごとに異なる可能性があり、また、例えば、エンジン１０の運転中に定格温度にある、ピストンアセンブリ２５の他の部分によって保持される、油の平均量に比べて約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、もしくはより高いパーセントだけ少ない油を保持する、ピストンアセンブリ２５の部分（例えば、ピストン２０、トップランド４０、最上溝４２、もしくはトップリング４４などの部分）を一般に含み得る。

したがって、図７は、Ｖ型エンジン１７０のピストン１７４のそれぞれのトップランド１７２に１つの半径方向通路１００が形成されているＶ型（またはＶ字型）エンジン１７０の側断面図である。トップランド１７２に形成された１つの半径方向通路が示されているが、上で説明したように、１つの半径方向通路１００はトップリング４４に形成されてもよい（図５に示されているように）ことまたは１つの軸方向通路１６０がＶ型エンジン１７０のピストン１７４のそれぞれのトップランド１７２に形成されてもよい（図６に示されているように）ことが理解されるべきである。１つの半径方向通路１００は、一般に油が比較的少ない領域である、Ｖ型エンジン１７０の中央領域１７６に設けられている。Ｖ型エンジン１７０の運転中、比較的大量の油が、第１の環状側面１８０（例えば、下側面）に溜まる傾向にある一方で、比較的少量の油が、第２の環状側面１８２（例えば、上側面）に溜まり得る。したがって、炭素付着物は、中央領域１７６に配置された半径方向通路１００において形成され得ず、半径方向通路１００は、上で説明したように燃焼ガスを確実に移送することができる。

開示されている実施形態の技術的効果は、通路（半径方向通路１００および／または軸方向通路１６０など）を用いてエンジン１０内での燃焼ガスの分布を制御するためのシステムの実現を含む。例えば、燃焼ガスは、ピストンアセンブリ２５のトップリング４４の外面９０に圧力を加え得る。半径方向通路１００または軸方向通路１６０は、トップリング４４の内面１２４に隣接する空間１３０に燃焼ガスを移送し、これにより、外面９０と内面１２４との間の圧力勾配を制御することができる。半径方向通路１００または軸方向通路１６０は、間隙体積１３６を制限しながらも、トップリング４４を安定させるように燃焼ガスの移送を可能にする寸法を有してもよい。このような構成は、好適に、油の消費量、排出、ブローバイ、半径方向のリングつぶれ、および／またはエンジン１０の構成要素の摩耗を低減することができる。

この記載された説明では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、さらには、任意の当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。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ており、また、当業者によって想到され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的要素を有する場合または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

８ エンジン駆動発電システム、システム
１０ レシプロエンジン、エンジン
１２ 燃焼室
１４ 空気供給部
１６ 酸化剤、空気
１８ 燃料
１９ 燃料供給部
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 環状内壁、内壁
３０ 円筒空洞、空洞
３４ 軸方向、軸方向軸
３６ 半径方向、半径方向軸
３８ 周方向、周方向軸
４０ 上部、トップランド
４２ 第１の環状溝、最上溝
４４ 第１のリング、トップリング
４６ 環状溝、溝
４８ 付加的なピストンリング、付加的なリング
５０ クランクシャフト
５２ コネクティングロッド
５４ ピン
５６ 燃料噴射器
５８ 弁
６０ 排気弁
７８ クリアランス
８０ 外面
８２ 燃料−空気混合物
９０ 外面、環状外面
１００ 半径方向通路
１０１ 軸方向を向いた面
１０２ 第１の軸方向距離、第１の距離
１０３ 第２の軸方向距離
１０４ 湾曲壁
１０５ 幅
１０６ ピストン径
１１０ 上面
１１２ 底面
１１４ シール箇所
１１６、１３２、１４２ 矢印
１１８ 半径方向内側への力
１２０ 環状隙間、隙間
１２４ 半径方向内面、内面
１３０ 空間
１３１ 最上溝の内面
１３４ 半径方向外側への力
１３６ 間隙体積
１３８ ボア径
１６０ 軸方向通路
１６１ ピストンの上面
１６４ 軸方向通路の直径
１６６ 半径方向軸、矢印
１６７ トップリングの高さ
１６８ トップリングの半径
１７０ Ｖ型エンジン
１７２ トップランド
１７４ Ｖ型エンジンのピストン
１７６ 中央領域
１８０ 第１の環状側面
１８２ 第２の環状側面

Claims (20)

1. レシプロエンジン（１０）用のパワーシリンダシステムであって、
   シリンダ（２６）内に配置され、該シリンダ（２６）内を往復するように移動するよう構成されたピストン（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）の周囲に周方向に延在する最上溝（４２）と、
   前記最上溝（４２）内に配置されたリング（４４）と、
   前記トップランド（４０）または前記リング（４４）に形成された単一通路（１００、１６０）であって、該単一通路（１００、１６０）が、前記ピストン（２０）の外周部（８０、１６１）から、前記最上溝（４２）の内面（１３１）と前記リング（４４）の内面（１２４）との間の空間（１３０）まで延在する単一通路（１００、１６０）と
   を備えるパワーシリンダシステム。
2. 前記単一通路（１００）が、前記最上溝（４２）の軸方向上面（１０１）において延在する、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
3. 前記単一通路（１００）が、前記最上溝（４２）の軸方向上面（１０１）に沿って半径方向に延在する、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
4. 前記単一通路（１６０）が、前記空間（１３０）まで前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）を軸方向に貫通する、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
5. 前記単一通路（１００、１６０）が、Ｖ型エンジン（１７０）の中央領域（１７６）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。
6. 前記ピストン（２０）が、ある直径（１０６）を有し、前記単一通路（１００、１６０）の幅が、前記直径（１０６）の少なくとも約２パーセントである、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
7. 前記単一通路（１００、１６０）が、前記ピストン（２０）の他のより高温の領域に比べて低温の、前記ピストン（２０）の領域に配置されている、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
8. 前記リング（４４）が、半径方向内面（１２４）の反対側に配置された半径方向外面（９０）を備え、前記半径方向外面（９０）が、非対称の形状を備える、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
9. 前記シリンダ（２６）を備える、請求項１に記載のパワーシリンダシステム。
10. レシプロエンジン（１０）用のパワーシリンダシステムであって、
    シリンダ（２６）内に配置され、該シリンダ（２６）内を往復するように移動するよう構成されたピストン（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）の周囲に周方向に延在する最上溝（４２）と、
    前記最上溝（４２）に配置されたリング（４４）と、
    前記トップランド（４０）または前記リング（４４）に形成された通路（１００、１６０）であって、燃焼ガスが燃焼室（１２）から、前記最上溝（４２）の内面（１３１）と前記リング（４４）の内面（１２４）との間の空間（１３０）まで流れることを可能にするように構成され、前記ピストン（２０）の直径（１０６）の約１パーセント〜３パーセントの幅を有する通路（１００、１６０）と
    を備えるパワーシリンダシステム。
11. 単一通路（１００、１６０）のみが、前記トップランド（４０）または前記リング（４４）に形成されている、請求項１０に記載のパワーシリンダシステム。
12. 前記通路（１００）が、前記最上溝（４２）の外周において延在する、請求項１０に記載のパワーシリンダシステム。
13. 前記通路（１００）が、半径方向に延在する、請求項１０に記載のパワーシリンダシステム。
14. 前記通路（１００、１６０）が、Ｖ型エンジン（１７０）の中央領域（１７６）に配置されている、請求項１０に記載のパワーシリンダシステム。
15. 前記通路（１００、１６０）が、前記ピストン（２０）の他のより高温の領域に比べて低温の、前記ピストン（２０）の領域に配置されている、請求項１０に記載のパワーシリンダシステム。
16. 前記通路（１６０）が、前記空間（１３０）まで前記ピストン（２０）の前記トップランド（４０）を軸方向に貫通する、請求項１０に記載のパワーシリンダシステム。
17. レシプロエンジン（１０）用のパワーシリンダシステムであって、
    内壁（２８）を有し、かつ空洞（３０）が形成されているシリンダ（２６）と、
    前記シリンダ（２６）内に配置され、該シリンダ（２６）内を往復するように移動するよう構成されたピストン（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）の周囲に周方向に延在する最上溝（４２）と、
    前記最上溝（４２）内に配置されたリング（４４）と、
    前記ピストン（２０）の、前記ピストン（２０）の他の領域に比べて付着の少ない領域において前記トップランド（４０）または前記リング（４４）に形成された半径方向通路（１００）であって、前記ピストン（２０）の外周部（８０）から、前記最上溝（４２）の内面（１３１）と前記リング（４４）の内面（１２４）との間に形成された空間（１３０）まで延在する半径方向通路（１００）と
    を備えるパワーシリンダシステム。
18. 前記付着の少ない領域が、前記レシプロエンジン（１０）の運転中に定格温度にある、前記ピストン（２０）の他の領域の温度に比べて平均して少なくとも５パーセント低い温度にさらされる、請求項１７に記載のパワーシリンダシステム。
19. 前記付着の少ない領域が、前記レシプロエンジン（１０）の運転中に定格温度にある、前記ピストン（２０）の他の領域の油の量に比べて平均して少なくとも５パーセント少ない量の油を保持する、請求項１７に記載のパワーシリンダシステム。
20. 単一の半径方向通路（１００）のみが、前記トップランド（４０）に形成されている、請求項１７に記載のパワーシリンダシステム。