阅读说明：本技术 活塞密封系统 (Piston sealing system ) 是由 E·D·达尔马斯 R·A·布洛姆 于 2018-03-30 设计创作，主要内容包括：公开了一种活塞和汽缸布置结构,其中,在活塞裙部的壁和/或汽缸上设置间隔开的凹穴的区域,以便在活塞和汽缸之间产生等效密封。可以呈具有多个竖向间隔开的行的图案来设置凹穴。(A piston and cylinder arrangement is disclosed in which areas of spaced pockets are provided on the wall of the piston skirt and/or the cylinder to create an equivalent seal between the piston and cylinder. The pockets may be arranged in a pattern having a plurality of vertically spaced rows.)

活塞密封系统

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求2017年5月4日提交的美国临时专利申请No.62/501,295；2017年3月30日提交的美国临时专利申请No.62/479,013；2017年4月28日提交的美国临时专利申请No.62/491,629；2018年2月23日提交的美国专利申请No.15/903,636；2018年3月23日提交的美国专利申请No.15/934,625；2018年3月23日提交的美国专利申请No.15/934,742；2018年3月27日提交的美国专利申请No.15/936,713；2018年3月27日提交的美国专利申请No.15/937,293；2018年3月28日提交的美国专利申请No.15/938,130；2018年3月28日提交的美国专利申请No.15/938,427；以及2018年3月30日提交的美国专利申请No.15/941,397的优先权。

技术领域

本发明大体上涉及用于在诸如往复活塞之类的阻塞元件与诸如活塞汽缸的壁之类的邻近于该阻塞元件的表面之间形成密封的系统和方法。

背景技术

内燃发动机、泵等中的往复式活塞和汽缸布置结构通常需要在活塞和汽缸之间进行密封，使得在活塞的两端之间可存在压差。该压差允许活塞提供在包括泵和内燃机在内的许多事物中有用的流体泵送作用。充分密封的活塞和汽缸布置结构可被用在例如二冲程、四冲程或多冲程内燃机、自由活塞发动机、热力发动机、涡轮增压器、增压器、压缩机、泵和真空吸尘器。

将会理解的是，本文中对“汽缸”的提及并不限于具有圆柱形状或圆形横截面的腔室。相反，术语“汽缸”是指可接收活塞的任何腔室或腔体，该活塞的外形适于允许活塞相对于汽缸的侧壁密封住，但同时允许活塞在泵送运动中在汽缸内来回往复地滑动。

发动机汽缸可包括一个或多个进气口和一个或多个排气口，这些气口共同允许气体分别流入和流出该发动机汽缸。诸如提升气门之类的发动机气门可用于选择性地打开和关闭进气口和排气口。进气门和排气门的选择性地定时打开和关闭连同发动机活塞的泵送运动和燃料的引入可向发动机汽缸提供用于燃烧的空气/燃料原料以及在燃烧之后从汽缸移除失效的原料排气。

例如，用于奥托循环或迪赛尔循环操作的现有内燃机活塞通常具有大致呈圆柱形的形状。更具体地，典型的奥托或迪赛尔循环发动机活塞可具有大致光滑的具有圆形横截面的圆柱形裙部，该裙部包括用于接收一个或多个密封活塞环的周向凹部。活塞和活塞环组件可在汽缸内在上止点位置和下止点位置之间往复地滑动。活塞环与汽缸壁的界面可被利用例如发动机油润滑。

内燃机几乎普遍需要诸如发动机油之类的液体润滑剂，以润滑活塞与汽缸之间的界面，在该汽缸内，活塞以往复运动的方式来回移动。润滑系统通常是关键任务，并且润滑系统的故障可能是灾难性的。对活塞润滑剂的需求为它带来许多缺点。润滑剂随着时间的流逝而磨损并被污染，并因此需要更换，从而增加了费用并为发动机操作带来不便。许多润滑剂需要泵和通道将润滑剂重新施加到诸如发动机活塞之类的运动部件。主动润滑系统的泵和通道及其它元件需要正确地运行，并且需要在相互连接的元件之间进行密封。随着密封随时间的流逝而恶化，润滑系统泄漏自然而然地发生，并且泵泄漏并磨损，从而进一步增加了维护费用并为发动机操作带来不便。泄漏还会允许润滑剂进入燃烧室，从而干扰燃烧，并使喷油嘴和火花塞或电热塞结垢。燃烧室中的润滑剂也会导致有害的排气排放物。泄漏也会导致润滑剂被燃烧副产物污染。所有上述问题都伴随着经润滑活塞的使用，并且都增加了故障模式和维护成本。因此，需要更少或根本不依赖于活塞润滑的内燃机。

尽管本发明的实施例并不限于在内燃机中使用，但是这种发动机可得益于本发明，这是因为它们例行地使用活塞和汽缸布置结构，其中，使用围绕活塞裙部的外表面设置的一个或多个竖向间隔开的密封活塞环相对于汽缸密封住该活塞。除内燃机和泵之外的许多其它装置可包括需要在其之间形成密封的运动元件。本发明的实施例同样可被用于这些应用。

发明内容

因此，本发明的一些但并非全部实施例的目的是在阻塞元件与相邻表面之间提供非接触式的或半非接触式的密封系统和方法。

因此，本发明的一些但并非全部实施例的目的是在活塞(具有或不具有活塞环)和周围汽缸之间提供非接触式的或半非接触式的密封系统和方法。

本发明的一些但并非全部实施例的目的也是提供密封系统和方法，其通过减少或消除活塞环的使用来减少由于活塞环与周围汽缸之间的接触而导致的摩擦损失。

本发明的一些但并非全部实施例的目的也是提供不需要使用润滑剂或需要较少更换润滑剂的密封系统和方法。

本发明的一些但并非全部实施例的目的也是提供磨损少的密封系统和密封方法，这些密封方法在该系统内的部件上产生较少的磨损，从而减少了该系统的维护要求并提高了该系统的可靠性。

本发明的一些但并非全部实施例的目的也是减少密封所需的零件数量，以降低该系统的成本和更换零件库存需求。

本发明的一些但并非全部实施例的目的也是在活塞和汽缸表面之间提供改进的热传递，从而降低冷却系统的复杂性并提高系统效率。

本发明的一些但非全部实施例的目的也是提供汽缸内的诸如往复活塞之类的移动构件的恢复性的自校正定心作用。

本发明的一些但非全部实施例的这些和其它优点对于内燃机领域的普通技术人员将是显而易见的。

响应于前述难题，申请人已经研发了一种创新的密封系统，该密封系统包括：第一结构表面；阻塞元件，其具有第一端、第二端以及在第一端和第二端之间延伸的阻塞元件表面；多个横向间隔开的凹穴，其被呈多行布置以在第一结构表面上但不延伸穿过第一结构表面或在阻塞元件表面上但不延伸穿过阻塞元件表面或在第一结构表面和阻塞元件表面两者上但不延伸穿过第一结构表面和阻塞元件表面形成凹穴区域；以及在阻塞元件第一端处以相对于阻塞元件第二端处的工作流体压力升高的压力提供的工作流体，其中，第一结构表面被以与阻塞元件表面接近并与阻塞元件表面间隔开大致均匀的距离的方式布置；以及其中，通过工作流体与凹穴区域的相互作用产生等效密封。

申请人已进一步研发了一种创新的密封系统，该密封系统包括：第一结构表面；以及阻塞元件，其具有第一端、第二端以及在第一端和第二端之间延伸的阻塞元件表面；和多个间隔开的凹穴，其被设置为第一结构表面上但不延伸穿过第一结构表面或者阻塞元件表面上但不延伸穿过阻塞元件表面或在第一结构表面和阻塞元件表面两者上但不延伸穿过第一结构表面和阻塞元件表面两者的凹穴区域，其中，第一结构表面被以与阻塞元件表面接近并与阻塞元件表面间隔开大致均匀的距离的方式布置。

申请人已还进一步研发了一种创新的内燃机，其包括：具有汽缸壁的发动机汽缸；布置在发动机汽缸中的活塞，所述活塞具有裙部和头部；和多个间隔开的凹穴，其被布置为活塞裙部上但不延伸穿过活塞裙部或发动机汽缸上但不延伸穿过发动机汽缸或活塞裙部和发动机汽缸两者上但不延伸穿过活塞裙部和发动机汽缸两者的凹穴区域。

申请人已还进一步研发了一种创新的方法，该方法在阻塞元件第一端和阻塞元件第二端之间相对于阻塞元件表面密封住第一结构表面，其中，第一结构表面被以与阻塞元件表面接近并与阻塞元件表面间隔开大致均匀的距离的方式布置，所述方法包括：设置呈多行布置的多个横向间隔开的凹穴，以在第一结构表面上但不延伸穿过第一结构表面或者在阻塞元件表面上但不延伸穿过阻塞元件表面或者在第一结构表面和阻塞元件表面两者上但不延伸通过第一结构表面和阻塞元件表面两者形成凹穴区域；在阻塞元件第一端处提供工作流体；使阻塞元件表面相对于第一结构表面移动以由于因凹穴区域引起的工作流体湍流产生等效密封。

将会理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述仅是示例性的和说明性的，且并不限制所要求保护的本发明。

附图说明

为了帮助理解本发明，现在将参考附图进行说明，其中，相似的附图标记指代相似的元件。附图仅是示例性的，并且不应被解释为限制本发明。

图1是内燃机汽缸的端部局部截面图和布置在其中的活塞的侧视图，其中，活塞被附接于非引导式连杆并且包括根据本发明的第一实施例形成的外部密封结构。

图2是内燃机汽缸的端部局部截面图和布置在其中的活塞的侧视图，其中，活塞被附接于引导连杆并且包括根据本发明的第二实施例形成的外部密封结构。

图3是通过切割线3-3截取的图1的活塞和汽缸的截面图，其中，活塞包括根据本发明的第一实施例形成的外部密封结构。

图4是由图2中的切割线4-4限定的活塞壁的一部分的等距放大图，其中，活塞壁部分包括根据本发明的第一实施例和第二实施例形成的外部密封结构。

图5是根据本发明的第三实施例形成的活塞的矩形变体的等距视图。

图6是根据本发明的第四实施例形成的活塞的矩形变体的等距视图。

图7是包括根据本发明的第五实施例形成的外部密封结构的旋转发动机汽缸和转子的俯视图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例进行说明，本发明的示例在附图中示出。参照图1，在本发明的第一实施例中，示出了协作成形的活塞36和周围的汽缸38。汽缸38可具有燃烧室21，该燃烧室21具有上端壁和连续侧壁，该上端壁在该实施例中是略呈圆形或拱形的。一个或多个火花塞、电热塞、进气门和排气门及相关端口可与燃烧室21连通。发动机曲柄箱可被布置在发动机汽缸38的下方。

活塞36可包括上端50或头部、远离上端的下端51及在活塞的活塞头和下端之间延伸的侧壁或裙部35。活塞36可被附接于非引导式连接器杆42，该非引导式连接器杆42又可被连接于曲柄46，该曲柄46被连接至曲柄箱中的曲轴44。

当从上方俯视汽缸38观察活塞头50时，活塞裙部35可具有圆形截面。活塞头50可被以与燃烧室21的上端壁配合的方式成圆顶状。当从上方俯视汽缸38时，该汽缸也可具有圆形形状。所理解的是，在替代实施例中，当从上方观察时，汽缸38、活塞裙部35和活塞头50可具有诸如矩形之类的非圆形的截面形状。

活塞36可被布置在汽缸38的燃烧室21内，使得活塞裙部35与燃烧室21的侧壁紧密地对准，但与燃烧室21的侧壁均匀地间隔开并与之平行。燃烧室21的上端壁和侧壁连同活塞头50一起可形成可接收工作流体的工作空间或压缩区域24。活塞36可被配置成在燃烧室21内朝向以及远离上端壁往复地滑动。

参照图1和图3，活塞裙部35的外表面或面可具有多个凹部或凹穴22，这多个凹部或凹穴22由形成在其中的平台(land)23分隔开且共同形成凹穴区域25。申请人将形成在活塞裙部35“上”的凹穴22视为意指与形成在活塞裙部35“中”的事物相同。在这两种情况下，凹穴22从活塞裙部35的环绕凹穴的最外侧表面向内延伸。优选地，但非必须地，就口部处的形状、底部处的形状、高度、宽度、直径、深度和/或体积而言，凹穴22可具有相似的形状和尺寸。优选地，活塞裙部35是中空的壁结构(即，在相反的外部点之间不是实心的)，并且凹穴22形成在活塞裙部中，但并不穿过活塞裙部延伸到活塞36的中空内部。区域25中的凹穴22可被呈至少一个圆周行设置，或更优选地，被呈由两个或多个间隔开的列和行的凹穴组成的网格或阵列图案设置。附图中所示的区域25中的平台和凹穴的数量、形状、尺寸和布置结构被以便于进行讨论和说明的方式加以选择且不被视为是限制性的。

凹穴22的区域25可在平面上以二维(x和y)延伸，或者在空间弯曲的物体(例如，具有圆形截面的活塞35)的表面上以二维延伸。每个凹穴22可与相邻行和/或列中的凹穴对齐，与被成行和/或成列布置的凹穴对齐，从而将一个或多个中间行和/或列分开，或者并不彼此对齐。优选地，凹穴22的区域25包括在x方向上彼此间隔开的两个或多个凹穴以及在y方向上彼此间隔开的两个或多个凹穴。此外，优选地，当在x方向或y方向上测量时，口部处的每个凹穴22的尺寸或大小明显小于它被布置在其上的表面的尺寸(即，区域25的尺寸)。更优选地，当在x方向和y方向上测量时，口部处的每个凹穴22的尺寸或大小明显小于它被布置在其上的表面的尺寸。所谓的“明显小于”是指当在x和/或x方向上测量时，口部处的每个凹穴的尺寸或大小小于它被布置在其上的表面的尺寸的一半，更优选地小于其四分之一。此外，由平台23占据的区域25中的总表面积(例如，活塞裙部35的表面积)优选地超过可归因于该区域中的凹穴22的口部的总表面积。

参照图3，由于在活塞裙部35的面上的适当的密封系统区域25中布置有凹穴22和平台23，导致从顶部到底部在活塞裙部35的广阔区域上产生密封或等效密封。密封或其等效物可因活塞头50和活塞下端51之间的工作流体的压差而产生。随着活塞36在腔室21中向上移动，工作空间24中的工作流体26的压力和温度可能上升并且在活塞36的头部50与活塞下端51之间产生工作流体压差。该压差可能致使工作流体在活塞裙部35的侧壁与燃烧室21的侧壁之间的空间中流动，即，在密封间隙中朝向活塞36的下端51流动。工作流体26通过该密封间隙的流动可在每个凹穴22处引起局部文丘里效应，这会增大工作流体26的速度并降低工作流体26的压力。工作流体26的速度和压力变化可能取决于活塞裙部35的侧壁与燃烧室21的侧壁之间的实际小间隙距离以及取决于凹穴22的几何形状和布置结构。

继续参考图3，凹穴22优选地可在凹穴口部与活塞裙部35的面的交界处，即，在与平台23的交界处具有相对锋利的边缘。随着工作流体26流过凹穴22的锋利边缘，会因湍流引起局部压力的降低。结果，工作流体26可能膨胀，从而造成压力的暂时减小和局部湍流的增大。此外，流过并流入到每个相继的凹穴22中的工作流体26可开始一个循环，其中，每个凹穴22起到谐振器(例如，亥姆霍兹谐振器)的作用，这会致使工作流体被以可限定的频率吸取到凹穴22中或被从凹穴22排出，从而产生进一步的局部湍流。

所产生的湍流可取决于该系统中的工作流体26的物理性质以及区域25中的每个单独的凹穴22的直径(或高度和宽度)、内部几何形状、关联位置和深度。由于每个平台23上方的空间体积与每个凹穴22上方和内部的空间体积之比，导致所产生的湍流也可取决于实际小间隙距离或密封间隙。该局部湍流可与流动的工作流体26相互作用并产生阻碍工作流体26的进一步流动的涡旋运动。工作流体流量的减少可能会暂时降低该共振效应，这又可能暂时减弱局部湍流，从而随后可使工作流体26的流速再次暂时增大。

当活塞36处于向上冲程时，已经越过最上排(最靠近活塞36的上端)的凹穴22的工作流体26接下来可能遇到凹穴区域25的相邻行中的凹穴，在那里，所述湍流现象反复出现，但是处于较低的起始压力。随着工作流体26流过密封系统凹穴区域25的具有连续相对降低的起始压力的连续行，该过程可重复进行，直到密封间隙中的局部压力被充分减小(优选地，但非必要地，减小到容纳在汽缸38中、位于活塞36下方的工作流体的压力水平)为止。在区域25中从凹穴22到凹穴的压力降低的反复循环可产生密封或有效的等效密封，这是因为只有可容忍量的(或优选地没有)工作流体26将流过一位置，在该位置处，密封间隙中的局部压力处于或低于位于活塞36下方的空间中的工作流体的压力。所理解的是，当工作流体的泄漏量允许其中使用等效密封的发动机运转时，导致了具有可容忍的泄漏水平的“该等效密封”，该泄漏水平由越过活塞裙部35的面的压力的充分降低所导致。

由于凹穴的共振作用所允许的逐渐泄漏，导致每个相继凹穴22处的局部湍流可随时间的流逝而减小。因此，局部湍流也可取决于活塞36相对于腔室21的侧壁的运动速率，这是因为该运动可能是围绕腔室中的活塞36的压力变化的原因。密封系统的有效性可能需要工作流体26的波动压力，以通过提供流入和流出凹穴22的恒定流量而提供能量到密封系统区域25中，从而保持该密封系统的有效性。

可通过在密封系统图案25内使用不同的平台23的间隔图案和凹穴22的几何形状来修改密封系统泄漏的速率。可以选择平台23的间隔以致使凹穴22向先前的(上部的)凹穴提供逆流，而前向(下部)凹穴可阻止工作流体26流动，以在密封系统区域25内引起内部衰减的自增强振荡。

除了各个凹穴22的设计参数之外，密封系统图案25对于特定应用的有效性还可取决于密封系统区域25的外部尺寸。重新参照图3，密封效率可通过修改一些或全部凹穴22的几何形状，以在凹穴的内部基底处包括会聚区域39并在凹穴的口部处包括发散区域而得以改进。使用会聚区域39和较大的发散区域以在凹穴的底部处形成共振腔可在凹穴处产生德拉瓦尔喷嘴效应，这会由于局部超音速工作流体26运动导致产生较大的局部湍流。

参照图1和图3，由于环绕活塞的压力趋向于在活塞裙部35上的任何给定竖向点处正常化，导致活塞36可在汽缸38内自定心。例如，当活塞36和汽缸38之间的实际小间隙距离(即，密封间隙)围绕中心轴线是暂时不相等的时，通过作用在活塞的相对两侧的表面区域上的压力可产生总正常化力。该总正常化力可促使活塞36被利用围绕中心轴线的衰减振动居中地定位在汽缸38内。正常化力使活塞返回到汽缸的中心所需的时间可通过增加一个或多个均衡槽40得以缩短。均衡槽40可被布置在平台23的区域上，或者布置在凹穴22之间，或者既布置在平台区域上又布置在凹穴之间，或者布置在腔室21的与凹穴相对的侧壁中，以允许使用该密封系统将力更均匀且更快速地分布在该表面上。

在图2和图4中示出了本发明的替代实施例。参考图2，活塞36被布置在汽缸38中并且包括具有凹穴22的区域25的活塞裙部35和活塞头46。凹部22的区域25并未设置有任何均衡槽。活塞36通过曲柄46、连接杆42和十字头34连接到曲轴44。十字头34被可滑动地接收在十字头引导件33中，该十字头引导件33允许十字头34和活塞36沿竖向方向运动，同时将活塞36相对于燃烧室21保持在居中位置中。图4详细示出了凹穴区域25的部分4-4，其中，凹穴22和平台23在凹穴口部处具有相对锋利的接合边缘。

在本发明的替代实施例中，活塞裙部35可不具有外周圆形形状，而是可以诸如卵形、矩形等的任何形状形成，只要该形状的任何拐角都是倒圆的即可。例如，图5和图6中示出了本发明的第三实施例和第四实施例，其中，活塞并不具有圆形截面。图5示出了类似于图1的圆形活塞实施例的矩形活塞37，该活塞37包括凹穴区域25和被布置在活塞裙部50上、介于活塞头50和活塞下端51之间的均衡槽40。均衡槽40可围绕活塞裙部35的圆周延伸以形成连续的闭环结构，该闭环结构允许环绕活塞裙部的工作流体的压力在所有点上均将其自身平衡或均衡成是相同的。图6示出了类似于图2的圆形活塞实施例的矩形活塞37，该活塞37包括凹穴区域25，但是不包括均衡槽，该凹穴区域25被布置在活塞裙部上，介于活塞头50和活塞下端51之间。

图7中示出了本发明的第五实施例，其示出了旋转发动机壳体和内部旋转发动机部件的局部截面图。旋转发动机壳体可容置互连(例如，铰接)在一起的第一可旋转叶片64、第二可旋转叶片74、第三可旋转叶片84和第四可旋转叶片92以及U形增压器凸台100。叶片64、74、84、92和凸台100中的每一个可具有形成在外表面上的由平台23分隔开的凹穴22的区域25，该外表面相对于旋转发动机壳体的平坦侧壁(已移除)围绕中心轴线旋转。叶片64、74、84、92和凸台100可与旋转发动机壳体的平坦侧壁间隔开并与之平行，使得在每个叶片的共同限定燃烧室21的内侧与每个叶片的外侧之间设置等效密封，每个叶片的外侧在叶片和凸台旋转时远离内侧。

所理解的是，所述活塞、叶片和被配置成与诸如腔室壁之类的表面形成等效密封的其它结构(统称为“阻塞元件”)不仅可被用在发电机中，而且可用在泵和其内需要密封或等效密封的其它装置中。

同样理解的是，在替代实施例中，被描述为被形成在阻塞元件的表面上或中的凹穴22的区域25和/或均衡槽40可改为形成在与阻塞元件相对的表面上或中。同样理解的是，除了被形成在阻塞元件的表面上或中之外，被描述为被形成在阻塞元件的表面上或中的凹穴22的区域25也可形成在与阻塞元件相对的表面上或中。

同样理解的是，前述结构可被用于提供用于流体的密封系统，这些流体包括但不限于可压缩流体、气体、液体、悬浮液、血浆和玻色-爱因斯坦凝聚物。

同样理解的是，凹穴22可在口部处、在底部处以及沿着在口部与底部之间延伸的凹穴内壁具有任何形状，这对于产生期望的减压效果是有效的。例如，这种形状可以是圆形、环形、矩形、正方形、梯形、平行四边形、菱形、卵形、椭圆形、三角形和多边形。均衡槽40的截面也可具有前述或其它形状中的任一种，只要它们产生期望的压力平衡效应即可。同样理解的是，凹穴22可具有远离凹穴口部的平坦的、圆形的或波状外形的底部。平坦的凹穴22的底部可在与环绕凹穴的平台23在其中延伸的平面平行的平面中延伸。作为选择，这种平坦的凹穴底部可以是倾斜的并且在与周围平台在其中延伸的平面不平行的平面中延伸。

同样理解的是，在一些实施例中，凹穴22在凹穴口部与周围平台的接合处可具有斜角的、倒角的或其它断裂/不锋利的边缘。

如本领域技术人员将理解的那样，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以其它特定形式具体体现。上述元件被作为用于实施本发明的一种技术的说明性示例提供。本领域技术人员将认识到，在不脱离如权利要求中所述的本发明的情况下，许多其它实施方案均是可能的。例如，在不脱离本发明的预期范围的情况下，凹穴和/或凹穴的图案无需是均匀的和/或平台无需是平坦的。此外，可以在汽缸壁中，代替在活塞裙部上和/或除了在活塞裙部上之外，设置凹穴的图案。因此，本发明的公开意在是说明性的，而非限制本发明的范围。意图是本发明覆盖本发明的所有这种修改和变型，只要它们落入到所附权利要求及其等效物的范围内即可。