(57)【要約】      （修正有）【課題】ピストンシリンダアセンブリの間隙体積部を縮小するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】レシプロエンジン１２は、シリンダヘッド６８、シリンダライナ４２、外側シール、および内側シールを含む。シリンダライナ４２は、シリンダヘッド６８の近傍にフランジ８４を有し、この場合、シリンダライナ４２は、燃焼室１４の周囲に周方向に延在し、シリンダヘッド６８は、燃焼室１４の端部を形成する。外側シールは、シリンダライナ４２のフランジ８４とシリンダヘッド６８との間に配置され、この場合、外側シールは、シリンダヘッド６８とシリンダライナ４２との間で軸方向圧縮荷重を伝達するように構成される。内側シールは、燃焼室１４の近傍でシリンダライナ４２とシリンダヘッド６８との間に配置される。内側シールは、燃焼室から外側シールの内面を隔離するように構成される。【選択図】図２
2016035262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド（６８）と、
シリンダライナ（４２）であって、
前記シリンダライナ（４２）内の空洞（４６）の周囲に周方向に延在する内壁（４４）、
前記内壁（４４）の周囲に周方向に延在する外壁（８６）、および
前記シリンダヘッド（６８）の近傍にあるフランジ（８４）であって、前記内壁（４４）と前記外壁（８６）との間に半径方向に延在するフランジ（８４）
を備えるシリンダライナ（４２）と、
前記外壁（８６）の近傍にあり、かつ前記シリンダライナ（４２）の前記フランジ（８４）と前記シリンダヘッド（６８）との間に軸方向に配置された外側シール（１００）であって、前記フランジ（８４）および前記シリンダヘッド（６８）に接している外側シール（１００）と、
前記内壁（４４）の近傍にあり、かつ前記シリンダライナ（４２）の前記フランジ（８４）と前記シリンダヘッド（６８）との間に軸方向に配置された内側シール（１０２）であって、該内側シール（１０２）が、前記フランジ（８４）および前記シリンダヘッド（６８）の少なくとも一方に接しており、前記外側シール（１００）が、前記シリンダヘッド（６８）と前記フランジ（８４）との間で前記内側シール（１０２）よりも大きな軸方向圧縮荷重を伝達するように構成されている内側シール（１０２）と
を備えるレシプロエンジン（１２）。
【請求項２】
前記内側シール（１０２）が、ろう付けリング（１４０）を備え、前記レシプロエンジン（１２）の初期運転中の、前記空洞（４６）内での燃焼が、前記ろう付けリング（１４０）で前記フランジ（８４）および前記シリンダヘッド（６８）を濡らすように構成されている、請求項１に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項３】
前記内側シール（１０２）が、ピーク燃焼温度以上の温度で前記フランジ（８４）および前記シリンダヘッド（６８）を濡らすように構成されたろう付けリング（１４０）を備える、請求項１に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項４】
前記外側シール（１００）が、鋼、セラミック、またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項１に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項５】
前記内側シール（１０２）が、前記外側シール（１００）の内面（１１０）、前記シリンダヘッド（６８）、および前記フランジ（８４）の上面（１０６）に接している、請求項１に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項６】
前記内側シール（１０２）が、シールド（１５０）およびろう材を含み、前記ろう材が、前記シールド（１５０）と前記外側シール（１００）との間に半径方向に配置されており、前記シールド（１５０）が、前記レシプロエンジン（１２）の運転中に前記空洞（４６）内の燃焼ガスから前記ろう材を隔離するように構成されている、請求項１に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項７】
前記内側シール（１０２）が、ろう付けリング（１４０）を備え、前記ろう付けリング（１４０）が、少なくとも２３重量パーセントのクロムおよび少なくとも６重量パーセントのシリコンを含み、前記ろう付けリング（１４０）の固相線温度が、約９７０℃よりも高く、前記ろう付けリング（１４０）の液相線温度が、約１１３５℃よりも低い、請求項１に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項８】
前記外側シール（１００）の第１の圧縮強度が、前記内側シール（１０２）の第２の圧縮強度よりも高い、請求項１に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項９】
前記外側シール（１００）の第１の厚さ（１２０）が、前記内側シール（１０２）の第２の厚さ（１２２）とほぼ等しい、請求項１に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項１０】
シリンダヘッド（６８）と、
前記シリンダヘッド（６８）の近傍にフランジ（８４）を備えるシリンダライナ（４２）であって、該シリンダライナ（４２）が、燃焼室（１４）の周囲に周方向に延在し、前記シリンダヘッド（６８）が、前記燃焼室（１４）の端部を形成しているシリンダライナ（４２）と、
前記シリンダライナ（４２）の前記フランジ（８４）と前記シリンダヘッド（６８）との間に配置された外側シール（１００）であって、前記シリンダヘッド（６８）と前記シリンダライナ（４２）との間で軸方向圧縮荷重を伝達するように構成された外側シール（１００）と、
前記燃焼室（１４）の近傍で前記シリンダライナ（４２）と前記シリンダヘッド（６８）との間に配置された内側シール（１０２）であって、該内側シール（１０２）が、前記燃焼室（１４）から前記外側シール（１００）の内面（１１０）を隔離するように構成されており、前記外側シール（１００）の第１の圧縮強度が、前記内側シール（１０２）の第２の圧縮強度よりも高い内側シール（１０２）と
を備えるレシプロエンジン（１２）。
【請求項１１】
前記シリンダヘッド（６８）、前記シリンダライナ（４２）、および前記外側シール（１００）の前記内面（１１０）の間に環状間隙体積部（１１４）を備え、前記内側シール（１０２）が、前記環状間隙体積部（１１４）の少なくとも５０パーセントを埋めるように構成されている、請求項１０に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項１２】
前記内側シール（１０２）が、ろう付けリング（１４０）を備える、請求項１０に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項１３】
前記内側シール（１０２）が、前記燃焼室（１４）から前記ろう付けリング（１４０）を隔離するように構成されたシールド（１５０）を備える、請求項１２に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項１４】
前記内側シール（１０２）の外面、前記外側シール（１００）の前記内面（１１０）、前記シリンダヘッド（６８）、および前記フランジ（８４）が、シールされた空洞（１３０）を形成している、請求項１０に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項１５】
前記内側シール（１０２）が、ろう付けリング（１４０）を備え、該ろう付けリング（１４０）が、少なくとも２３重量パーセントのクロムおよび少なくとも６重量パーセントのシリコンを含む、請求項１０に記載のレシプロエンジン（１２）。
【請求項１６】
内側シール（１０２）を用いてシリンダヘッド（６８）、シリンダライナ（４２）、および外側シール（１００）の内面（１１０）の間の環状間隙体積部（１１４）を縮小するステップと、
前記内側シール（１０２）を用いて燃焼室（１４）から前記外側シール（１００）の前記内面（１１０）を隔離するステップであって、前記燃焼室（１４）が、前記シリンダヘッド（６８）および前記シリンダライナ（４２）によって形成され、レシプロエンジン（１２）が、前記シリンダヘッド（６８）、前記シリンダライナ（４２）、前記外側シール（１００）、および前記内側シール（１０２）を備え、前記外側シール（１００）が、前記シリンダヘッド（６８）と前記シリンダライナ（４２）との間で前記内側シール（１０２）よりも大きな軸方向圧縮荷重を伝達するように構成されるステップと
を含む方法。
【請求項１７】
前記内側シール（１０２）が、ろう付けリング（１４０）を備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
シールド（１５０）を用いて前記燃焼室（１４）から前記ろう付けリング（１４０）を隔離するステップであって、前記内側シール（１０２）が、前記シールド（１５０）を備えるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記内側シール（１０２）が、前記シリンダヘッド（６８）および前記フランジ（８４）の上面（１０６）に接する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記内側シール（１０２）の外面、前記外側シール（１００）の前記内面（１１０）、前記シリンダヘッド（６８）、および前記シリンダライナ（４２）が、シールされた空洞（１３０）を形成する、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、レシプロエンジンのピストンシリンダアセンブリの縮小された間隙体積部に関する。
【背景技術】
【０００２】
レシプロエンジン（例えば、内燃機関）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、シリンダライナ内でピストン（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（例えば、下り行程）中にシリンダライナ内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）を回転させるためにシャフト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）。ピストンおよびシリンダライナの設計および構成は、排出物（例えば、窒素酸化物、一酸化炭素など）および油の消費量に著しく影響し得る。燃焼室の近くの隙間または間隙は、不完全燃焼の燃料および空気を保持し、その結果、排出物を増加させ、燃焼効率を低下させ得る。
【発明の概要】
【０００３】
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。
【０００４】
第１の実施形態において、レシプロエンジンは、シリンダヘッド、シリンダライナ、外側シール、および内側シールを含む。シリンダライナは、シリンダライナ内の空洞の周囲に周方向に延在する内壁と、内壁の周囲に周方向に延在する外壁と、シリンダヘッドの近傍にあるフランジとを含む。フランジは、内壁と外壁との間に半径方向に延在する。外側シールは、外壁の近傍にあり、シリンダライナのフランジとシリンダヘッドとの間に軸方向に配置される。外側シールは、フランジおよびシリンダヘッドに接する。内側シールは、内壁の近傍にあり、シリンダライナのフランジとシリンダヘッドとの間に軸方向に配置される。内側シールは、フランジおよびシリンダヘッドの少なくとも一方に接し、外側シールは、シリンダヘッドとフランジとの間で内側シールよりも大きな軸方向圧縮荷重を伝達するように構成される。
【０００５】
第２の実施形態において、レシプロエンジンは、シリンダヘッド、シリンダライナ、外側シール、および内側シールを含む。シリンダライナは、シリンダヘッドの近傍にフランジを有し、この場合、シリンダライナは、燃焼室の周囲に周方向に延在し、シリンダヘッドは、燃焼室の端部を形成する。外側シールは、シリンダライナのフランジとシリンダヘッドとの間に配置され、この場合、外側シールは、シリンダヘッドとシリンダライナとの間で軸方向圧縮荷重を伝達するように構成される。内側シールは、燃焼室の近傍でシリンダライナとシリンダヘッドとの間に配置される。内側シールは、燃焼室から外側シールの内面を隔離するように構成される。外側シールの第１の圧縮強度は、内側シールの第２の圧縮強度よりも高い。
【０００６】
第３の実施形態において、方法は、内側シールを用いてシリンダヘッド、シリンダライナ、および外側シールの内面の間の環状間隙体積部を縮小するステップを含む。また、本方法は、内側シールを用いて燃焼室から外側シールの内面を隔離するステップを含む。燃焼室は、シリンダヘッドおよびシリンダライナによって形成される。レシプロエンジンは、シリンダヘッド、シリンダライナ、外側シール、および内側シールを含む。外側シールは、シリンダヘッドとシリンダライナとの間で内側シールよりも大きな軸方向圧縮荷重を伝達するように構成される。
【０００７】
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、図面を通して同じ部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】エンジン駆動発電システムの部分の実施形態の概略ブロック図である。
【図２】エンジンのシリンダライナ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。
【図３】エンジンのピストン、シリンダライナ、およびシールアセンブリの実施形態の、図２の線３−３内の部分断面図である。
【図４】シリンダライナおよびシールアセンブリの実施形態の、図２の線３−３内の部分断面図である。
【図５】シリンダライナおよびシールアセンブリの実施形態の、図２の線３−３内の部分断面図である。
【図６】シリンダライナおよびシールアセンブリの実施形態の、図２の線３−３内の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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）」、「前記（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」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。
【００１１】
本開示に係るレシプロエンジン（例えば、内燃機関）は、燃焼ガスによって燃焼室内でピストンに加えられる圧力を、１つ以上の負荷に動力を供給する回転運動に変換するようにシリンダライナ内を直線移動する（例えば、軸方向に）よう構成されたピストンを含んでもよい。ピストンシリンダアセンブリは、シリンダヘッド、シリンダライナ、および往復ピストンを含む。燃焼室は、少なくともピストンシリンダアセンブリのシリンダヘッド、シリンダライナ、およびピストンによって形成される。シリンダヘッドとシリンダライナとの間のシールは、燃焼室内に燃焼ガスをシールし、その結果、ピストンに作用する燃焼ガスの膨張を誘導する。シールは、燃焼室の近傍にある内側シール（例えば、環状シール）およびシリンダライナの外壁（例えば、外周）の近傍にある外側シール（例えば、環状シール）を含む。内側シールは、シリンダヘッドとシリンダライナとの間の間隙体積部（例えば、環状体積部）を縮小してもよい。理解され得るように、燃焼室の周囲の間隙体積部は、空気および燃料の一部の不完全燃焼をもたらし得る。すなわち、空気および／または燃料の一部は、間隙体積部内に捕らわれ、ピストンシリンダアセンブリの燃焼サイクル中に燃焼しない場合がある。このような不完全燃焼の副生成物は、間隙体積部から放出され、ピストンシリンダアセンブリの排気サイクル中にレシプロエンジンから排気され得る。したがって、間隙体積部を縮小することにより、燃焼効率が向上し、レシプロエンジンの排出物が低減され得る。内側シールは、シリンダヘッド、シリンダライナ、および外側シールの内面の間の間隙体積部の少なくとも１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、または９０パーセントを埋めてもよい。
【００１２】
ピストンシリンダアセンブリのシリンダヘッドおよびシリンダライナへのいくらかの荷重は、シリンダライナのフランジ（例えば、環状フランジ）を介してレシプロエンジンの支持体（例えば、エンジンブロック）に伝達される。フランジは、燃焼室（内壁（例えば、環状内壁）など）から半径方向外側に向かってシリンダライナの外壁（例えば、外周）まで延在する。内壁の近くでフランジに伝達される荷重は、フランジに曲げモーメントを発生させる。したがって、外側シールを介してシリンダヘッドからより大きな荷重を伝達し、内側シールを介してより小さな荷重を伝達することは、フランジにおける曲げモーメントを低減し、その結果、シリンダライナの寿命を向上させ得る。内側シールは、外側シールの材料よりも軟質の材料のものであり、その結果、外側シールを介する、内側シールよりも大きな軸方向荷重の伝達を促進してもよい。例えば、外側シールの圧縮強度対内側シールの圧縮強度の比率は、少なくとも部分的にレシプロエンジンの設計に基づいて約３：２、２：１、３：１、４：１、５：１、１０：１、２０：１、またはそれ以上であってもよい。さらにまたはあるいは、内側シールは、シリンダヘッドおよびフランジの材料よりも軟質の材料のものであってもよい。例えば、シリンダヘッドまたはフランジの圧縮強度対内側シールの圧縮強度の比率は、約２：１、３：１、５：１、１０：１、２０：１、５０：１、またはそれ以上であってもよい。以下で詳細に説明されるように、内側シールは、ろう材を含んでもよい。ろう材は、ろう材が、少なくとも部分的に溶融して、接合部の構成要素を溶融させることなく構成要素を濡らす（例えば、これに接着する）ように加熱されてもよい。例えば、ろう材は、毛細管現象によって接合部の構成要素を濡らし得る。ろう材は、燃焼室の近傍でシリンダヘッドおよびシリンダライナを濡らし、その結果、間隙体積部を縮小し、燃焼ガスから外側シールの内面をシールしてもよい。ろう材を内側シールに利用することにより、内側シールの耐食性および耐浸食性が向上し得る。さらにまたはあるいは、ろう材は、燃焼温度への暴露下でエラストマー製の内側シール、黄銅製のクラッシュリング（ｃｒｕｓｈ  ｒｉｎｇ）、または他の内側シールよりも長い寿命を有し得る。
【００１３】
図面を参照すると、図１は、エンジン駆動発電システム１０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１０は、１つ以上の燃焼室１４（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１４）を有するエンジン１２（例えば、レシプロ内燃機関）を含む。燃焼室１４のそれぞれは、シリンダ３０および該シリンダ３０内を往復運動するピストン２４によって形成されている。酸化剤供給部１６は、加圧された酸化剤１８（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１４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１４は、燃料供給部２２から燃料２０（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いる。酸化剤１８および燃料２０の混合気（例えば、燃料−空気混合気）は、燃焼室１４のそれぞれの中で点火され、燃焼される。高温の加圧された燃焼ガスは、燃焼室１４のそれぞれに隣接するピストン２４をシリンダ３０内で直線移動させ、ガスによって加えられた圧力を回転運動に変換し、その結果、シャフト２６を回転させる。さらに、シャフト２６は、シャフト２６の回転によって動力が供給される負荷２８に連結されてもよい。例えば、負荷２８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、以下の解説では、酸化剤１８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２０は、任意の適切な燃料（例えば、天然ガス、関連する石油ガス、水素、プロパン、バイオガス、下水ガス、合成ガス、埋立地ガス、炭鉱ガス、ディーゼル、ガソリン、ケロシン、または燃料油）であってもよい。
【００１４】
本明細書に開示されているシステム１０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、自動車または航空機）での使用に適合されてもよい。シリンダ３０は、エンジンブロックとは別個のシリンダライナを含んでもよい。例えば、鋼製ライナが、アルミニウム製のエンジンブロックと共に利用されてもよい。エンジン１２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１２は、任意の数の（例えば、１〜２４個の）燃焼室１４、ピストン２４、および関連するシリンダ３０またはシリンダライナを含んでもよい。例えば、システム１０は、シリンダ３０またはシリンダライナ内を往復運動する４、６、８、１０、１６、２４、またはより多くのピストン２４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。このような場合、シリンダ３０、シリンダライナ、および各ピストン２４の直径は、約１０〜３５センチメートル（ｃｍ）、１２〜１８ｃｍ、または約１３．５〜１５ｃｍであってもよい。特定の実施形態において、ピストン２４は、ピストン２４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。一部の実施形態において、システム１０は、１０ｋＷ〜１０ＭＷの範囲の電力を発生させてもよい。さらにまたはあるいは、エンジンの運転速度は、約１８００ＲＰＭ未満、約１５００ＲＰＭ未満、約１２００ＲＰＭ未満、約１０００ＲＰＭ未満、約９００ＲＰＭ未満、約８００ＲＰＭ未満、または約７００ＲＰＭ未満であってもよい。
【００１５】
図２は、レシプロエンジン１２のシリンダライナ４２（例えば、エンジンシリンダ３０）内にピストン２４が配置されているピストンシリンダアセンブリ４０の実施形態の部分側断面図である。シリンダライナ４２は、円筒空洞４６を形成している環状内壁４４を有する。エンジン１２に関係する方向は、軸方向軸または軸方向４８、半径方向軸または半径方向５０、および周方向軸（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ａｘｉｓ）または周方向５２を参照して説明され得る。ピストン２４は、ピストン２４の周囲に周方向に（例えば、周方向５２に）延在する１つ以上の溝５４（例えば、環状溝）を含んでもよい。１つ以上のリング５６（例えば、環状シールリングまたはピストンリング）が、１つ以上の溝５４のそれぞれに配置されてもよい。１つ以上のリング５６は、システム１０の運転中の高い温度および高圧の燃焼ガスならびにシステム１０が停止しているときの比較的冷たい温度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。１つ以上の溝５４および対応する１つ以上のリング５６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、１つ以上の溝５４および／または対応するリング５６は、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。
【００１６】
図示のように、ピストン２４は、コネクティングロッド６０およびピン６２を介してクランクシャフト５８に取り付けられている。クランクシャフト５８は、軸方向軸４８に沿ったピストン２４の往復直線運動を回転運動６４に変換する。燃焼室１４は、ピストン２４のトップランド６６およびシリンダヘッド６８に隣接して配置されている。シリンダヘッド６８は、空気１８および燃料２０を燃焼室１４に供給し、燃焼室１４から燃焼生成物７０を排気する。例えば、１つ以上の燃料噴射器７２が、燃料２０を燃焼室１４に供給し、１つ以上の弁７４（例えば、吸気弁）が、燃焼室１４への空気１８の供給を制御する。排気弁７６は、エンジン１２からの燃焼生成物７０（例えば、排気ガス）の排出を制御する。しかしながら、任意の適切な要素および／または技術が、燃焼室１４への燃料２０および空気１８の供給ならびに／または排気ガス７０の排出を行うために利用されてもよいことが理解されるべきである。
【００１７】
運転中、燃焼室１４内で空気１８と共に燃料２０が燃焼することによって、ピストン２４は、シリンダライナ４２の空洞４６内を軸方向４８に往復するように（例えば、前後に）移動する。ピストン２４が移動するにつれて、クランクシャフト５８は、上述したように（例えば、方向６４に）回転して負荷２８（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、シリンダライナ４２の内壁４４とピストン２４との間に設けられている。１つ以上のリング５６は、燃料２０、空気１８、および燃料−空気混合気を燃焼室１４内に保持するようにシリンダライナ４２の内壁４４に接触し得る。さらにまたはあるいは、１つ以上のリング５６は、燃焼室１４内の適切な圧力の維持を促進して、膨張する高温の燃焼生成物７０が、その後のピストンサイクルにおける排気弁７６を介する排出の前に軸方向軸４８に沿ってピストン２４を移動させることを可能にし得る。
【００１８】
シリンダライナ４２は、支持構造８０（例えば、エンジンブロック）を軸方向４８に貫通している。シリンダライナ４２は、シリンダヘッド６８の近傍にあるフランジ８４によって支持構造８０の開口８２または円筒孔内に懸装されてもよい。フランジ８４は、シリンダライナ４２の内壁４４と外壁８６との間に半径方向に延在する。一部の実施形態において、フランジ８４は、ライナ４２の周囲の環状フランジである。軸方向荷重（例えば、圧縮力）は、フランジ８４を介してシリンダヘッド６８と支持構造８０との間で伝達される。以下で詳細に述べられるように、シールアセンブリ８６が、フランジ８４とシリンダヘッド６８との間に配置されている。シールアセンブリ８６は、多数の用途（シリンダヘッド６８とフランジ８４との間の荷重の伝達および外部環境８８からの燃焼室１４の隔離）を有する。
【００１９】
図３は、エンジン１２のシリンダライナ４２、シリンダヘッド６８、およびシールアセンブリ８６の実施形態の、図２の線３−３内の部分断面図である。シールアセンブリ８６は、外側シール１００（例えば、環状シール）および内側シール１０２（例えば、環状シール）を含む。外側シール１００は、シリンダヘッド６８の第１の面１０４（例えば、底面または軸方向を向いた表面）およびフランジ８４の第２の面１０６（例えば、上面または軸方向を向いた表面）に接している。一部の実施形態において、外側シール１００は、外部環境８８から燃焼室１４を隔離するのに役立ち、その結果、燃焼中に空気１８、燃料２０、および燃焼生成物７０を燃焼室１４内にシールする。外側シール１００は、支持構造８０とシリンダヘッド６８との、軸方向４８の間に軸方向に配置されている。外側シール１００は、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間に半径方向に配置されて、外側シール１００がフランジ８４に著しい曲げモーメントを発生させることなくシリンダヘッド６８と支持構造８０との間で荷重を直接伝達することを可能にしている。外側シール１００の材料は、合金鋼（例えば、ステンレス鋼）、チタン合金、繊維材料、セラミック材料、ニッケル合金および他の非鉄合金、またはこれらの任意の組み合わせを含んでもよいが、これらに限定されない。一部の実施形態において、外側シール１００は、内側シール１０２よりも高い硬度を有し、また、外側シール１００は、内側シール１０２よりも高い圧縮強度を有する。より高い硬度および／または圧縮強度は、外側シール１００が、シリンダヘッド６８と支持構造８０との間で内側シール１０２よりも大きな荷重を伝達することまたはシリンダヘッド６８と支持構造８０との間で伝達される実質的にすべての荷重を伝達することを可能にし得る。理解され得るように、内壁４４の近くでシリンダライナ４２のフランジ８４に加わる荷重は、フランジ８４に曲げモーメントを発生させ得、フランジ８４内（位置１０８など）の応力集中を増大させ得る。一部の実施形態において、外側シール１００は、外側シール１００の内面１１０が、支持構造８０の内壁１１２と半径方向に位置合わせされるか、または支持構造８０の内壁１１２よりも半径方向外側にくるように半径方向５０に配置される。
【００２０】
点線で示されている環状間隙体積部１１４は、ここでは、シリンダヘッド６８の第１の面１０４、シリンダライナ４２のフランジ８４の第２の面１０６、シリンダライナ４２の内壁４４、および外側シール１００の内面１１０の間の空間として形成されている。環状間隙体積部１１４は、燃焼室１４の周囲に周方向５２に延在する。以下で詳細に述べられるように、内側シール１０２は、環状間隙体積部１１４を縮小するように構成されている。内側シール１０２がない場合、空気１８および／または燃料２０は、ピストンサイクル中に環状間隙体積部１１４に入って反応（例えば、燃焼）することができず、この結果、ピストンシリンダアセンブリ４０の燃焼効率が低下する。詳細には、燃焼室１４の近傍にある他の間隙体積部に入る空気１８および／または燃料２０が、最終的には、燃焼室１４から放出される前に燃焼し得る一方で、環状間隙体積部１１４が１つ以上の排気弁７６の近傍にあることによって、環状間隙体積部１１４に入る空気１８および／または燃料２０が燃焼せずに燃焼室１４から放出される確率が高くなり得る。
【００２１】
内側シール１０２は、環状間隙体積部１１４を少なくとも部分的にまたは完全に埋めるように構成され、その結果、空気１８および／または燃料２０の保持に利用可能な空間を縮小し、ピストンシリンダアセンブリ４０の燃焼効率を高める。一部の実施形態において、内側シール１０２の内面１１６は、シリンダライナ４２の内壁４４および／またはシリンダヘッド６８の内壁１１８と接している（例えば、面一である）。内側シール１０２は、環状間隙体積部１１４の１０〜１００パーセント、２５〜９９パーセント、５０〜９５パーセント、または７５〜９０パーセントを埋めてもよい。内側シール１０２は、シリンダヘッド６８の第１の面１０４、フランジ８４の第２の面１０６、またはこれらの任意の組み合わせに接する。内側シール１０２は、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間に軸方向４８に配置され、また、内側シール１０２は、支持構造８０の内壁１１２および外側シール１００の実質的に内側に半径方向５０に配置されてもよい。内側シール１０２は、外側シール１００よりも軟質の（外側シール１００よりも圧縮強度の低い）材料のものであってもよい。例えば、内側シール１０２の材料は、ろう付け合金（銀ろう付け合金、青銅ろう付け合金、パラジウム基ろう付け合金、金基ろう付け合金、銅基合金、またはニッケル基ろう付け合金を含むが、これらに限定されない）であってもよい。したがって、シールアセンブリ８６の圧縮強度は、内側シール１０２から外側シール１００にかけて、燃焼室１４から半径方向５０の外側に向かって高くなっている。内側シール１０２は、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間で外側シール１００よりも小さな荷重を伝達するように構成され、その結果、フランジ８４における曲げモーメントを低減し、位置１０８への応力集中を減少させる。一部の実施形態において、内側シール１０２は、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間で実質的に荷重を伝達しないように構成される。例えば、内側シール１０２は、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間で軸方向荷重の２５、２０、１５、１０、または５パーセント未満を伝達してもよい。さらにまたはあるいは、外側シール１００の第１の厚さ１２０は、内側シール１０２の第２の厚さ１２２と実質的に等しくてもよい。すなわち、シールアセンブリ８６における荷重配分を管理するために外側シール１００および内側シール１０２の厚さの違いを利用するのではなく、外側シール１００および内側シール１０２の圧縮強度の違いによって、主に外側シール１００を介する、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間の軸方向荷重の伝達が促進されてもよい。
【００２２】
一部の実施形態において、内側シール１０２は、燃焼室１４から内面１１０を隔離するように構成される。すなわち、内側シール１０２は、空気１８、燃料２０、燃焼生成物７０、またはこれらの任意の組み合わせから外側シール１００を隔離してもよい。内側シール１０２は、図３に示されているように外側シール１００の内面１１０に接してもよい。一部の実施形態において、図４に示されているように、内側シール１０２、外側シール１００、シリンダヘッド６８、およびフランジ８４は、燃焼室１４および外部環境８８から隔離されたシールされた空洞１３０を形成してもよい。理解され得るように、内側シール１０２および空洞１３０は、環状間隙体積部１１４を縮小し、その結果、ピストンシリンダアセンブリ４０の燃焼効率を高める。
【００２３】
一部の実施形態において、内側シール１０２は、ろう材を含んでもよい。図５は、シールアセンブリ８６の実施形態の、図２の線３−３内の部分断面図を示している。シールアセンブリ８６の内側シール１０２は、ろう材を含む。例えば、点線で示されているろう付けリング１４０が、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間の環状間隙体積部１１４に配置されてもよい。本明細書で使用されるろう付けリング１４０という用語は、ろう材の環状部品に限定されない。例えば、ろう付けリング１４０は、環状間隙体積部１１４に配置される、ろう材の多数の断片であってもよい。さらにまたはあるいは、ろう付けリング１４０は、ろう材の溶接棒を利用して形成されてもよい。ろう付けリング１４０をろう付け温度に加熱すると、ろう付けリング１４０は、シリンダヘッド６８の第１の面１０４およびフランジ８４の第２の面１０６を濡らし（例えば、これらに固定接着し）、その結果、ろう付けされたシール１４２を形成する。内側シール１０２のろう付けされたシール１４２は、シリンダヘッド６８およびフランジ８４に接着する、シールアセンブリ８６の部分のみであってもよい。一部の実施形態において、ろう付けリング１４０は、外側シール１００の内面１１０を濡らす。ろう付けリング１４０が、外側シール１００の内面１１０に接しない場合、ろう付けリング１４０は、シールされた空洞を形成する（図４参照）。ろう付けされたシール１４２の内面１１６は、湾曲していてもよく、および／またはシリンダライナ４２の内壁４４およびシリンダヘッド６８の内壁１１８と面一であってもよい。一部の実施形態において、ろう付けされたシール１４２の内面１１６は、内面１１６が、燃焼室１４に向かって延在するか、または環状間隙体積部１１４に向かって凹むようにシリンダライナ４２の内壁４４から半径方向にずらされる。
【００２４】
内側シール１０２（例えば、ろう付けリング１４０）用の材料は、耐食性、シリンダヘッド６８およびフランジ８４の材料との接着強度、固相線温度、液相線温度、もしくは圧縮強度、またはこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されない１つ以上の特性に関して選択されてもよい。例えば、材料は、燃焼温度（例えば、５４０〜８７０℃）で空気１８、燃料２０、および／または燃焼生成物７０にさられるときに求められる耐食性を有してもよい。さらにまたはあるいは、内側シール１０２の材料は、外側シール１００の圧縮強度よりも低い圧縮強度を有するように選択され、その結果、外側シール１００がシリンダヘッド６８とフランジ８４との間で内側シール１０２よりも大きな軸方向圧縮荷重を伝達することを可能にしてもよい。例えば、外側シール１００の材料は、ステンレス鋼合金であってもよく、また、内側シール１０２の材料は、ニッケル基ろう付け合金であってもよい。さらに、内側シール１０２の材料は、内側シール１０２が、運転温度の範囲（例えば、２０〜９００℃）にわたって燃焼室１４から外側シール１００の内面１１０を隔離するようにシリンダヘッド６８およびフランジ８４に接着することを可能にするよう選択されてもよい。
【００２５】
一部の実施形態において、内側シール１０２は、少なくとも２３重量パーセントのクロム、少なくとも６．５重量パーセントのシリコン、および少なくとも４．５重量パーセントのリンを含有する、ニッケル基または鉄基のろう付けリング１４０を含んでもよい。ろう付けリング１４０の組成は、ろう付けリング１４０の固相線温度が約９７０℃よりも高く、ろう付けリング１４０の液相線温度が約１１３５℃よりも低くなるように選択されてもよい。一部の実施形態において、ろう付けリング１４０の材料は、ろう付けされたシール１４２が通常の燃焼運転温度において内側シール１０２を維持することを可能にするように選択されてもよい。したがって、化学量論的燃焼レシプロエンジン１２に利用されるろう付けリング１４０の固相線温度および液相線温度は、非化学量論的（例えば、希薄燃焼）レシプロエンジン１２に利用されるろう付けリング１４０の固相線温度および液相線温度より高くてもよい。
【００２６】
一部の実施形態において、内側シール１０２は、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｊｏｉｎｉｎｇ（Ｒｏｙｓｔｏｎ，Ｅｎｇｌａｎｄ）から入手可能な、表１〜表５に記載されているろう付け合金を含んでもよいが、これらに限定されない。理解され得るように、ニッケル基、銅基、およびパラジウム基のろう付け合金は、金基および銀基のろう付け合金よりも低コストであり得る。一部の実施形態において、金基および銀基のろう付け合金は、内側シール１０２の展延性を向上させ得る。さらに、内側シール１０２の材料は、少なくとも部分的にろう付け合金の溶融範囲に基づいて選択されてもよい。例えば、表１〜表５に記載されているろう付け合金は、約６００〜１２３０℃の溶融温度を有する。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
2016035262.tif 000004
【００２９】
【表３】
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【００３０】
【表４】
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【００３１】
【表５】
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シールアセンブリ８６の内側シール１０２のろう付けリング１４０は、ろう付け温度でシリンダヘッド６８の第１の面１０４および／またはフランジ８４の第２の面１０６を濡らす（例えば、これらに接着する）。一部の実施形態において、ろう付けリング１４０の材料は、ろう付け温度が、内側シール１０２がピストンシリンダアセンブリ４０の作動中にさらされる燃焼温度の範囲内になるように選択される。例えば、レシプロエンジン１２の初期運転中に、燃焼室１４における空気１８および燃料２０の燃焼によって、ろう付けリング１４０はろう付け温度（例えば、約８００℃）に加熱される。レシプロエンジン１２の初期運転は、ろう付けリング１４０が、所望の位置でシリンダヘッド６８およびフランジ８４を濡らす（例えば、これらに接着する）ように加熱されるよう典型的な運転温度よりも高い温度に制御されてもよい。ろう付けされたシール１４２が形成されたら、レシプロエンジン１２は、典型的な運転温度で運転されるように制御され、これにより、ろう付けされたシールは、環状間隙体積部に保持され得る。一部の実施形態において、ろう付けリング１４０の材料は、ろう付け温度が、内側シール１０２がピストンシリンダアセンブリ４０の作動中にさらされる燃焼温度の範囲よりも高くなるように選択される。したがって、支持構造８０へのシリンダライナ４２の組み付けの前に、ろう付けリング１４０が、シリンダヘッド６８とシリンダライナ４２のフランジ８４との間の所望の位置に挿入されてもよく、次いで、ろう付けリング１４０が、ろう付け温度に加熱されてもよい。例えば、開口８２へのシリンダライナ４２の挿入の前に、ろう付けリング１４０は、トーチ、誘導処理、またはこれらの任意の組み合わせによってろう付け温度に加熱されてもよい。エンジン１２の燃焼温度の範囲よりも高いろう付け温度を有するろう付けリング１４０を利用することにより、ろう付けされたシール１４２が、溶融せずに燃焼温度での持続運転に耐えることが可能になり得る。
【００３２】
図６は、ピストンシリンダアセンブリ４０のシールアセンブリ８６の、図２の線３−３内の断面図を示している。図６は、内側シール１０２がシールド１５０（例えば、Ｕ字形状またはＣ字形状の断面１５１を有する環状シールドリング）を含むシールアセンブリ８６の実施形態を示している。シールド１５０は、外側シール１００の、半径方向５０の内側で環状間隙体積部１１４に配置されている。シールド１５０は、燃焼温度に容易に耐え得る耐熱材料のものであってもよい。例えば、シールドは、鋼を含んでもよいが、これに限定されない。一部の実施形態において、シールド１５０は、燃焼室１４から内側シーラント１５２（例えば、ろう付けされたシール１４２）を少なくとも部分的に隔離する。例えば、シールド１５０は、潜在的に腐食性の物質（燃料２０または燃焼生成物７０など）から内側シーラント１５２を少なくとも部分的に隔離してもよい。シールド１５０は、シリンダヘッド６８の第１の表面１０４およびフランジ８４の第２の表面１０６に接している。シールド１５０の厚さ１５４および／または形状は、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間でシールド１５０によって伝達される荷重を低減するように選択され、この結果、位置１０８への応力集中が減少する。図６に示されているシールド１５０は、Ｕ字形状１５１（例えば、外側に湾曲した断面）を有するが、シールド１５０の他の実施形態は、Ｉ字形状、Ｊ字形状、Ｌ字形状、Ｍ字形状、Ｓ字形状、Ｔ字形状、Ｖ字形状、およびＸ字形状などを含んでもよいが、これらに限定されない。すなわち、シールド１５０は、燃焼室１４から内側シーラント１５２および／または外側シール１００を保護するように構成され、また、シールド１５０は、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間で軸方向荷重（例えば、圧縮荷重）を伝達するようには構成されない。
【００３３】
シールド１５０は、環状間隙体積部１１４内でのシーラント材料１５２の保持を促進し得る。さらにまたはあるいは、シーラント材料１５２は、シールド１５０および別の表面（例えば、第１の表面１０４、第２の表面１０６、内面１１０）に接し、その結果、シールド１５０を保持してもよい。例えば、シーラント材料１５２は、ろう付けされたシール１４２であってもよい。上述したように、内側シール１０２は、環状間隙体積部１１４を縮小するように構成され、また、燃焼室１４から外側シール１００の内面１１０を隔離するように構成されてもよい。さらに、内側シール１０２は、シリンダヘッド６８とフランジ８４との間で外側シール１００よりも小さな荷重を伝達するように構成され、その結果、フランジ８４における曲げモーメントを低減し、位置１０８への応力集中を減少させる。
【００３４】
本明細書で述べられているように、シールアセンブリ８６を利用する方法は、シールアセンブリ８６の内側シール１０２を用いて環状間隙体積部１１４を縮小するステップを含んでもよい。さらにまたはあるいは、シールアセンブリ８６を利用する方法は、内側シール１０２を用いて燃焼室１４から外側シールの内面１１０を隔離するステップを含んでもよい。内側シール１０２および外側シール１００の材料は、シリンダライナ４２のフランジ８４を介する、シリンダヘッド６８と支持構造との間の軸方向荷重（例えば、圧縮荷重）の、主に外側シール１００を介する伝達を促進するように選択される。すなわち、外側シール１００は、シリンダヘッド６８とシリンダライナ４２との間で内側シール１０２よりも大きな荷重を伝達するように構成される。
【００３５】
本明細書に述べられている実施形態の技術的効果は、間隙体積部を縮小することによって燃焼室における空気および燃料の燃焼効率を向上させること含む。外側シールは、シリンダヘッドとシリンダライナとの間で内側シールよりも大きな軸方向圧縮荷重を伝達するように構成され、その結果、そうでなければ、発生する曲げモーメントに起因してシリンダライナのフランジの位置に集中し得る応力を低減する。一部の実施形態において、内側シールは、燃焼室から外側シールの内面を隔離する。さらに、一部の実施形態において、内側シールのシールドが、燃焼室から内側シールのシーラント材料を隔離してもよい。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
１０  エンジン駆動発電システム
１２  レシプロエンジン
１４  燃焼室
１６  酸化剤供給部
１８  酸化剤
２０  燃料
２２  燃料供給部
２４  ピストン
２６  シャフト
２８  負荷
３０  シリンダ
４０  ピストンシリンダアセンブリ
４２  シリンダライナ
４４  シリンダライナの内壁
４６  円筒空洞
４８  軸方向軸または軸方向
５０  半径方向軸または半径方向
５２  周方向軸または周方向
５４  溝
５６  リング
５８  クランクシャフト
６０  コネクティングロッド
６２  ピン
６４  回転運動
６６  トップランド
６８  シリンダヘッド
７０  燃焼生成物
７２  燃料噴射器
７４  弁
７６  排気弁
７８  クリアランス
８０  支持構造
８２  開口
８４  フランジ
８６  外壁、シールアセンブリ
８８  外部環境
１００  外側シール
１０２  内側シール
１０４  第１の面
１０６  第２の面
１０８  位置
１１０  外側シールの内面
１１２  支持構造の内壁
１１４  環状間隙体積部
１１６  内側シールの内面
１１８  シリンダヘッドの内壁
１２０  第１の厚さ
１２２  第２の厚さ
１３０  シールされた空洞
１４０  ろう付けリング
１４２  ろう付けされたシール
１５０  シールド
１５１  Ｕ字形状またはＣ字形状の断面
１５２  内側シーラント、シーラント材料
１５４  シールドの厚さ
【図１】
2016035262.tif 000008
【図２】
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【図３】
2016035262.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
2016035262.tif 000013
【外国語明細書】
2016035262000001.pdf