ПОРШЕНЬ
PISTON

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к поршням для использования в двигателях или тому подобных.
Уровень техники
В различных типах двигателей могут использоваться поршни в отверстии цилиндра. Каждый поршень может совершать возвратно-поступательные перемещения в своем соответствующем отверстии по мере того, как часть внешней круговой поверхности поршня направляется стенкой цилиндра. Поршень может включать в себя юбку, которая имеет такую форму, что она плотно прилегает к стенке цилиндра (с гидродинамическим слоем между ними, обеспечивающим смазку) при выполнении поршнем возвратно-поступательных перемещений в отверстии цилиндра. Обычно нижняя часть поршня в пределах юбки поршня выполнена, по существу, полой, в то время как верхняя часть поршня, расположенная ближе к днищу поршня, выполнена сплошной. В соответствии с этим поршень может иметь неоднородное тепловое расширение и неоднородную жесткость.
Концентрация механических напряжений, связанных с тепловым расширением поршня, изгибом и качанием в отверстии, может привести к тому, что поршень будет "полировать" или каким-либо другим образом истирать поверхность стенки цилиндра при многократном повторении возвратно-поступательных перемещений. Кроме того, тепловое расширение материала поршня может увеличить силу контакта между поршнем и отверстием, создавая сильное трение, что может привести к потере эффективности и возможному заклиниванию поршня в отверстии цилиндра. Если внешний радиус поршня слишком мал, поверхность внешней окружности недостаточно прилегает к стенке цилиндра, в результате чего поршень будет чрезмерно качаться вокруг оси поршневого пальца или вибрировать внутри отверстия цилиндра.
Раскрытие изобретения
Определенные варианты осуществления изобретения включают в себя поршень, имеющий форму, которая может обеспечивать улучшенное направление поршня. В таких вариантах осуществления форма поршня может включать в себя осевой профиль, в котором учитываются изменения жесткости поршня от нижнего участка до верхнего участка.
Согласно одному варианту предложен поршень, содержащий участок головки и участок юбки, причем поршень имеет осевой профиль в плоскости осевого давления, при этом осевой профиль, когда поршень имеет, по существу, рабочую температуру, включает в себя нижний профиль юбки, промежуточный профиль юбки, расположенный рядом с нижним профилем юбки, по меньшей мере, участок промежуточного профиля юбки, имеющий вогнутый изгиб в плоскости осевого давления, причем промежуточный профиль юбки имеет большие радиусы, чем радиусы верхнего профиля юбки, и верхний профиль юбки, расположенный рядом с промежуточным профилем юбки.
По меньшей мере, участок нижнего профиля юбки предпочтительно имеет, по существу, выпуклый изгиб в плоскости осевого давления, и, по меньшей мере, участок верхнего профиля юбки имеет, по существу, выпуклый изгиб в плоскости осевого давления.
Промежуточный профиль юбки предпочтительно соединяет нижний участок юбки в точке изгиба между, по существу, вогнутым изгибом промежуточного профиля юбки и, по существу, выпуклым изгибом нижнего профиля юбки.
Осевой профиль предпочтительно переходит от, по существу, выпуклого изгиба нижнего профиля юбки к, по существу, вогнутому изгибу промежуточного профиля юбки для учета изменения жесткости поршня.
Промежуточный профиль юбки предпочтительно соединяет верхний участок юбки во второй точке изгиба между, по существу, вогнутым изгибом промежуточного профиля юбки и, по существу, выпуклым изгибом верхнего профиля юбки.
Нижний профиль юбки предпочтительно имеет большие радиусы, чем радиусы промежуточного профиля юбки.
Поршень предпочтительно дополнительно содержит полярный профиль в радиальной плоскости, причем полярный профиль является асимметричным относительно оси пальца.
Полярный профиль в радиальной плоскости предпочтительно включает в себя минимальный радиус, проходящий в направлении основной стороны осевого давления оси пальца.
Минимальный радиус, проходящий в направлении основной стороны осевого давления, предпочтительно учитывает изгиб наружу поршня, вызванный нагрузкой, действующей на основную сторону осевого давления.
Согласно другому варианту предложено устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания, имеющий, по меньшей мере, одну стенку, образующую отверстие, и поршень, расположенный с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения в отверстии, при этом поршень содержит участок головки и участок юбки, причем поршень имеет, по существу, круговую внешнюю поверхность и, по меньшей мере, участок внешней поверхности плотно прилегает к стенке в плоскости осевого давления, при этом внешняя поверхность включает в себя нижний участок юбки, промежуточный участок юбки и верхний участок юбки, причем промежуточный участок юбки включает в себя вогнутый изгиб в плоскости осевого давления, когда поршень имеет, по существу, рабочую температуру, и промежуточный участок юбки имеет большие радиусы в плоскости осевого давления, чем радиусы верхнего участка юбки в плоскости осевого давления.
Нижний участок юбки предпочтительно включает в себя, по существу, выпуклый изгиб в плоскости осевого давления, и верхний участок юбки включает в себя, по существу, выпуклый изгиб в плоскости осевого давления.
Внешняя поверхность предпочтительно переходит от, по существу, выпуклого изгиба на нижнем профиле юбки к, по существу, вогнутому изгибу на промежуточном профиле юбки для учета изменения жесткости поршня.
Нижний участок юбки и верхний участок юбки предпочтительно выполнены с возможностью, по существу, равномерного распределения нагрузки осевого давления от поршня на основную сторону осевого давления стенки.
Нижний участок юбки предпочтительно включает в себя максимальный радиус, который находится в состоянии посадки с натягом со стенкой, когда поршень, по существу, имеет рабочую температуру.
Нижний участок юбки предпочтительно изгибается, когда находится в состоянии посадки с натягом, для исключения заедания поршня в отверстии.
Нижний участок юбки предпочтительно подпружинен к основной и вспомогательной сторонам осевого давления стенки в состоянии посадки с натягом со стенкой.
Внешняя поверхность предпочтительно выполнена с возможностью направления поршня в отверстии, когда нижний участок юбки подпружинен к основной и вспомогательной сторонам осевого давления стенки.
Когда нижний участок юбки подпружинен к основной и вспомогательной сторонам осевого давления стенки, нижний участок юбки и верхний участок юбки предпочтительно обеспечивают, по существу, равномерное распределение нагрузки осевого давления от поршня на основную сторону осевого давления стенки.
Устройство предпочтительно дополнительно содержит слой смазки между участком стенки и участком поршня.
Поршень предпочтительно дополнительно содержит полярный профиль в радиальной плоскости и ось пальца, причем полярный профиль является несимметричным относительно оси пальца.
Согласно еще одному варианту предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий стенку отверстия, по меньшей мере, частично образующую отверстие, и поршень, выполненный с возможностью перемещения в отверстии в ответ на сгорание, которое образует компонент силы, действующий на шатун, и компонент силы осевого давления, причем компонент силы осевого давления прижимает поршень к основной стороне осевого давления стенки отверстия, при этом поршень содержит участок головки, и участок юбки, причем участок юбки имеет, по существу, круговую стенку юбки, выполненную с возможностью плотного прилегания к стенке отверстия в плоскости осевого давления, при этом стенка юбки включает в себя верхнюю точку юбки вдоль основной стороны осевого давления плоскости осевого давления, отнесенную от нижней точки юбки вдоль основной стороны осевого давления плоскости осевого давления, участок стенки юбки, расположенный ближе к нижней точке юбки, имеющий, по существу, большую радиальную гибкость, чем участок стенки юбки, расположенный ближе к верхней точке юбки, причем на верхнюю точку юбки и на нижнюю точку юбки воздействуют, по существу, эквивалентные боковые нагрузки, когда поршень прижат к основной стороне осевого давления стенки отверстия, при этом стенка юбки включает в себя нижний участок юбки, промежуточный участок юбки и верхний участок юбки, причем промежуточный участок юбки включает в себя вогнутый изгиб в плоскости осевого давления, а вогнутый изгиб учитывает изменения жесткости стенки юбки.
Стенка юбки предпочтительно включает в себя промежуточную точку юбки вдоль основной стороны осевого давления плоскости осевого давления, причем на промежуточную точку юбки воздействуют, по существу, такие же боковые нагрузки, что и на верхнюю точку юбки и на нижнюю точку юбки, когда поршень прижат к основной стороне осевого давления в стенке отверстия.
Нижний участок юбки предпочтительно включает в себя максимальный радиус, который находится в состоянии посадки с натягом со стенкой, когда температура двигателя представляет собой рабочую температуру.
Нижний участок юбки предпочтительно подпружинен к основной и вспомогательной сторонам осевого давления стенки отверстия, когда он находится в состоянии посадки с натягом со стенкой.
Когда нижний участок юбки подпружинен к основной и вспомогательной сторонам осевого давления стенки, нижний участок юбки и верхний участок юбки предпочтительно обеспечивают, по существу, равномерное распределение нагрузки осевого давления, при этом поршень прижимается к основной стороне осевого давления стенки отверстия.
Участок стенки юбки, расположенный ближе к нижней точке юбки, предпочтительно имеет большие радиусы, чем радиусы участка стенки юбки, расположенного ближе к верхней точке юбки.
Эти и другие варианты осуществления могут быть выполнены так, чтобы они обеспечивали одно или больше из следующих преимуществ. Во-первых, форма поршня может обеспечивать лучшее направление в отверстии цилиндра. Во-вторых, в некоторых вариантах осуществления поршень может быть выполнен так, чтобы он обеспечивал более равномерное распределение нагрузки вдоль основной стороны осевого давления внешней круговой поверхности, что может снизить вероятность возникновения "полировки" или другого истирания стенки цилиндра. В-третьих, форма поршня может уменьшать угол качания верхней поверхности поршня, что может обеспечить возможность использования меньших зазоров между верхней поверхностью поршня и стенкой цилиндра. Такое уменьшение зазора позволяет улучшить рабочие характеристики двигателя и повысить его эффективность.
Согласно еще одному варианту предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере, одну стенку, образующую отверстие, и поршень, расположенный в отверстии и соединенный с шатуном для поворота вокруг поворотной оси, при этом поршень содержит, по существу, круговую внешнюю поверхность, имеющую участок головки и участок юбки, расположенный ниже участка головки, причем, по меньшей мере, участок внешней поверхности плотно прилегает к стенке в плоскости осевого давления, когда поршень имеет, по существу, рабочую температуру и подвергается воздействию осевой силы, при этом часть осевой силы, действующей на участок юбки в плоскости осевого давления, определяется центроидом сил (равнодействующей сосредоточенной силой) юбки, причем центроид сил юбки расположен на осевой высоте, находящейся на поворотной оси или ниже нее, при этом участок головки внешней поверхности имеет большие радиусы, чем, по меньшей мере, некоторые из радиусов участка юбки внешней поверхности, когда температура поршня представляет собой, по существу, рабочую температуру.
Часть осевой силы, воздействующая на участок головки, предпочтительно определяется центроидом сил головки, причем центроид сил головки, по существу, меньше по величине, чем центроид сил юбки.
Центроид сил головки предпочтительно расположен на осевой высоте выше поворотной оси, причем центроид сил головки расположен на, по существу, большем расстоянии от поворотной оси, чем центроид сил юбки.
Внешняя поверхность предпочтительно включает в себя нижний участок юбки, промежуточный участок юбки и верхний участок юбки, причем промежуточный участок юбки включает в себя вогнутый изгиб в плоскости осевого давления, когда поршень, по существу, имеет рабочую температуру.
Внешняя круговая поверхность предпочтительно переходит от, по существу, выпуклого изгиба на нижнем участке юбки в плоскости осевого давления в, по существу, вогнутый изгиб промежуточного участка юбки.
Внешняя поверхность предпочтительно включает в себя нижний участок юбки, промежуточный участок юбки и верхний участок юбки, причем внешняя поверхность имеет радиальное смещение в плоскости осевого давления выше поворотной оси, когда температура поршня представляет собой, по существу, рабочую температуру.
Верхний участок юбки предпочтительно включает в себя радиусы в плоскости осевого давления, которые меньше, чем, по меньшей мере, некоторые радиусы участка головки, когда температура поршня представляет собой, по существу, рабочую температуру.
Внешняя поверхность предпочтительно включает в себя нижний участок юбки, промежуточный участок юбки и верхний участок юбки, причем нижний участок юбки имеет максимальный радиус, который находится в состоянии посадки с натягом со стенкой, когда температура поршня представляет собой, по существу, рабочую температуру.
Нижний участок юбки предпочтительно изгибается, когда находится в состоянии посадки с натягом, для исключения заедания поршня в отверстии.
Нижний участок юбки предпочтительно подпружинен к основной и вспомогательной сторонам осевого давления стенки, когда находится в состоянии посадки с натягом со стенкой.
Внешняя поверхность предпочтительно выполнена с возможностью направления поршня в отверстии, когда нижний участок юбки подпружинен к основной и вспомогательной сторонам осевого давления стенки.
Когда нижний участок юбки подпружинен к основной и вспомогательной сторонам осевого давления стенки, верхний участок юбки предпочтительно радиально смещается от основной стороны осевого давления стенки в плоскости осевого давления.
Поршень предпочтительно дополнительно содержит полярный профиль в радиальной плоскости, причем полярный профиль является несимметричным относительно поворотной оси.
Согласно еще одному варианту предложен поршень для использования в двигателе, имеющем стенку отверстия так, что когда температура поршня, по существу, представляет собой рабочую температуру, и на него воздействует сила осевого давления, поршень поворачивается вокруг поворотной оси для плотного прилегания к стенке отверстия в плоскости осевого давления, при этом поршень содержит по существу, круговую внешнюю поверхность, имеющую участок головки и участок юбки, расположенный ниже участка головки, причем участок головки имеет, по меньшей мере, некоторые радиусы в плоскости осевого давления, которые больше, чем, по меньшей мере, некоторые радиусы участка юбки, когда температура поршня представляет собой, по существу, рабочую температуру, в результате чего внешняя поверхность имеет радиальное смещение в плоскости осевого давления выше поворотной оси, при этом на внешнюю поверхность воздействует, по меньшей мере, часть силы осевого давления в плоскости осевого давления, причем часть силы осевого давления, воздействующая на участок юбки в плоскости осевого давления, определяется центроидом сил юбки, причем центроид сил юбки расположен на осевой высоте, находящейся на поворотной оси или ниже нее, и при этом часть силы осевого давления, воздействующего на участок головки, определяется центроидом сил головки, причем центроид сил головки, по существу, меньше по величине, чем центроид сил юбки.
Участок юбки внешней поверхности предпочтительно включает в себя нижний участок юбки, промежуточный участок юбки и верхний участок юбки, причем верхний участок юбки включает в себя меньшие радиусы в плоскости осевого давления, чем, по меньшей мере, некоторые радиусы участка головки, когда температура поршня представляет собой, по существу, рабочую температуру, таким образом, что происходит радиальное смещение между верхним участком юбки и участком головки.
Центроид сил головки предпочтительно расположен на осевой высоте, выше поворотной оси, причем центроид сил головки расположен, по существу, на большем расстоянии от поворотной оси, чем центроид сил юбки.
Внешняя поверхность предпочтительно включает в себя нижний участок юбки, промежуточный участок юбки и верхний участок юбки, причем промежуточный участок юбки включает в себя вогнутый изгиб в плоскости осевого давления, когда температура поршня представляет собой, по существу, рабочую температуру.
Эти и другие варианты осуществления могут быть выполнены таким образом, чтобы они обеспечивали одно или больше из следующих преимуществ. Во-первых, форма поршня может обеспечивать лучшее направление в отверстии цилиндра. Во-вторых, центроид сил реакции осевого давления юбки поршня может возникать на уровне или несколько ниже осевой высоты поворотной оси, в то время как силы реакции осевого давления, действующие на головку поршня, относительно малы. При этом момент осевой силы, который обычно мог бы привести к качательному движению поршня, может быть уменьшен. В-третьих, износ, связанный с силами реакции на осевое давление, действующими на головку поршня, может быть малым или несущественным, чтобы вызвать существенный износ. При этом поршень может быть выполнен так, чтобы он имел, по существу, меньший зазор между верхней площадкой и стенкой цилиндра, что может уменьшить уровень нежелательного выхлопа. Кроме того, в некоторых обстоятельствах более плотный зазор между верхней площадкой и стенкой цилиндра и малая величина сил реакции осевого давления, действующих на головку поршня, могут, по существу, уменьшить износ верхней площадки, кольца (колец) поршня и стенки цилиндра.
Подробности одного или более вариантов осуществления изобретения представлены со ссылкой на прилагаемые чертежи и описаны ниже. Другие признаки, цели и преимущества изобретения будут понятны из описания и чертежей и из формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А показан вид сбоку поршня и участка двигателя в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
На фиг.1В показан вид сбоку поршня по фиг.1А.
На фиг.2 показан вид в разрезе поршня в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
На фиг.3 показана схема, представляющая пример осевого профиля юбки поршня в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг.4 схематично показан вид в разрезе поршня в соответствии с некоторыми дополнительными вариантами осуществления изобретения.
На фиг.5 показана схема, представляющая пример полярного профиля поршня в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг.6 показан вид в разрезе поршня в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
На фиг.7 показана схема, представляющая пример осевого профиля головки поршня и юбки поршня в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Одинаковыми ссылочными позициями на разных чертежах обозначены аналогичные элементы.
Подробное описание изобретения
На фиг.1А-В показан поршень 100, который выполнен с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения в отверстии 205 цилиндра двигателя 200 (часть двигателя 200 не показана на фиг.1А для улучшения возможности рассмотреть поршень 100). Гидродинамический слой масла или другой смазки может покрывать участки стенки 210 цилиндра для уменьшения трения между поршнем 100 и стенкой 210 цилиндра. Поршень 100 может быть шарнирно закреплен на шатуне 102 поршня с использованием пальца 104. В таких обстоятельствах поршень 100 может поворачиваться вокруг поворотной оси 105 или пальца относительно шатуна 102. Соединение с помощью пальца позволяет поршню 100 передавать силы на или принимать силы от шатуна 102 по мере того, как поршень 100 выполняет возвратно-поступательные перемещения в отверстии 205. В некоторых вариантах осуществления поршень 100 выполнен полностью или частично из алюминия или сплавов, содержащих алюминий, углерод (например, углеродные волокна и композиционные материалы на основе углеродного волокна/карбонизированной матрицы), железо, сталь или другие соответствующие материалы, и может включать в себя комбинации описанных выше или других материалов.
На фиг.1А отверстие 205 цилиндра может определять, по меньшей мере, участок камеры сгорания, в которой в результате события 250 сгорания к поршню 100 прикладывается сила и обеспечивается такт расширения. Давление сгорания может передаваться на поршень 100 в направлении, по существу, параллельном оси отверстия 205 цилиндра, поскольку, по меньшей мере, часть верхней поверхности 112 поршня (фиг.1В) может быть расположена, по существу, перпендикулярно оси отверстия 205 цилиндра. Часть силы, возникающей в результате события 250 сгорания, может передаваться как компонент 252 силы, действующей на шатун 102 (в продольном направлении шатуна 102). Кроме того, поскольку шатун 102 может не быть выравнен с направлением силы, возникающей в результате сгорания, часть силы, возникающей при событии 250 сгорания, может передаваться как осевой компонент 254 силы.
Осевая сила 254 может прижимать основную поверхность 130 осевого давления поршня 100 к основной стороне 230 осевого давления стенки 210 цилиндра. Компонент 254 осевой силы может находиться в плоскости осевого давления, которая представляет собой плоскость, по существу, нормальную оси 105 пальца, которая может проходить вдоль оси 117 осевого давления (также показана на фиг.4) через основную поверхность 130 осевого давления поршня 100. Осевая сила 254 может генерировать момент, действующий вокруг оси 105 пальца, приводящий к повороту поршня 100 вокруг оси 105 пальца таким образом, что ось 115 поршня будет расположена под углом к оси отверстия цилиндра, который составляет угол качания.
Для обеспечения направления во время возвратно-поступательного перемещения и для ограничения угла качания поршня 100 (чрезмерное качание может привести к концентрации механических напряжений, которые "полируют" или другим образом истирают стенку 210 цилиндра) поршень 100 может включать в себя участок 120 юбки, который примыкает к стенке 210 цилиндра (предпочтительно со смазочным слоем, состоящим из слоя смазки между ними). Этот участок 120 юбки может направлять поршень 100, ограничивая качательное движение поршня 100. Кроме того юбка 120 поршня может изгибаться, когда осевая сила 254 прижимает поршень 100 к основной стороне 230 осевого давления (более подробно описано ниже).
Следует понимать, что во время такта сжатия (не показан на фиг.1А) поршень 100 может оказывать реакцию силе, передаваемой от шатуна 102 в месте соединения с помощью пальца. В некоторых случаях шатун 102 может прикладывать силу к поршню 100 для сжатия в камере сгорания непосредственно перед следующим далее событием сгорания. Компонент реакции силы от шатуна 102 может быть представлен в форме осевой силы, которая заставляет вспомогательную поверхность 140 осевого давления поршня 100 прижиматься к вспомогательной стороне 240 осевого давления. И снова, в таких обстоятельствах юбка 120 поршня может направлять поршень 100, ограничивая качательное движение поршня 100.
Как показано на фиг.1В, поршень 100 включает в себя участок 110 головки поршня и участок 120 юбки поршня. Головка 110 поршня может включать в себя верхнюю часть 112 поршня, которая обращена к камере сгорания, описанной выше со ссылкой на фиг.1А. Головка 110 поршня может включать в себя одну или более канавок для кольца, таких как одна или более канавок 113 для установки компрессионных колец (показаны две) и одна или более канавок 114 для установки маслосъемных колец (показана одна). Обычно юбка 120 поршня расположена рядом с головкой 110 поршня и начинается от нижней стенки или рядом с нижней стенкой и продолжается вниз от нижней стенки самой нижней канавки для кольца (например, канавки 114 для кольца в данном варианте осуществления) противоположно верхней поверхности 112 поршня. Юбка 120 поршня включает в себя, по существу, полый участок 121, расположенный ближе к нижней части 122 поршня 100. Юбка 120 поршня также может включать в себя отверстия 124 для пальца, совмещенные с осью 105 пальца, для установки пальца 104. Палец 104 соединен с отверстиями 124 для пальца и расположен на полом участке 121 юбки 120.
Головка 110 поршня обычно выполнена более жесткой, чем юбка 120 поршня, и в некоторых вариантах осуществления может иметь сплошную конструкцию. При этом, когда осевая сила 254 прижимает поршень 100 к основной стороне 230 стенки 210 цилиндра, юбка 120 поршня может изгибаться в значительно большей степени, чем головка 110 поршня. Однако жесткость юбки 120 поршня не обязательно должна быть постоянной от нижней части 122 до головки поршня 110. Например, в варианте осуществления, показанном на фиг.1В, круговая стенка 126, которая окружает полый участок 121, обычно увеличивается по толщине от нижней части 122 в направлении головки 110 поршня. В таких условиях юбка 120 поршня может быть более жесткой ближе к участку 110 головки поршня в поршне 100 (там, где толщина стенки больше).
Как также показано на фиг.1В, осевой профиль (в плоскости осевого давления) поршня 100 схематично представлен при рабочей температуре с использованием линии 150 осевого профиля. В связи с различиями температуры в разных местах вокруг поршня 100, которые возникают во время работы, величина теплового расширения поршня 100 вдоль его оси может быть неравномерной. В соответствии с этим осевой профиль поршня 100 при окружающей комнатной температуре (практически весь поршень имеет температуру 77°F) может отличаться от профиля при рабочей температуре. Рабочая температура представляет собой распределение температуры вокруг поршня 100, которое образуется и поддерживается, когда двигатель 200 работает в установившемся режиме в течение длительного времени. Рабочая температура может изменяться в зависимости от конфигурации двигателя, но обычно рабочая температура значительно выше, чем окружающая комнатная температура. Например, при рабочей температуре значения температуры поршня могут находиться в диапазоне от 150°F до 1000°F, и в некоторых ситуациях в диапазоне от 200°F до 700°F.
Линия 150 осевого профиля представляет изменения внешней круговой поверхности поршня 100 в направлении вдоль оси 115 поршня. Линия 150 осевого профиля, показанная на фиг.1В, представляет изменение внешнего радиуса поршня 100 относительно осевой высоты в разрезе по плоскости осевого давления. Как описано выше, плоскость осевого давления, по существу, нормальна оси 105 пальца и может проходить вдоль оси 117 осевого давления (также показанной на фиг.4) через поверхность 130 основного осевого давления поршня 100. Линия 150 осевого профиля показана в преувеличенной форме только для иллюстрации. Следует понимать, что изменение внешнего радиуса поршня 100 может быть незначительным относительно общего размера поршня 100, в связи с этим поршень 100 может выглядеть, по существу, цилиндрическим по форме, когда его рассматривают на расстоянии. В данном варианте осуществления линия 150 осевого профиля вдоль основной поверхности 130 осевого давления аналогична по форме линии 150 осевого профиля вдоль вспомогательной поверхности 140 осевого давления.
Линия 150 осевого профиля может включать в себя линию 152 профиля юбки, которая совпадает с участком 120 юбки, и линию 151 профиля головки, которая совпадает с участком 110 головки поршня. Линия 151 профиля головки показывает, что в данном варианте осуществления внешний радиус поршня постепенно уменьшается ближе к верхней поверхности 112 поршня 100 (линия 151 профиля головки, показанной на фиг.1В, не представляет точный контур поршня в канавках 113 и 114). При этом форма головки 110 поршня может оставлять некоторое пространство зазора между верхней кромкой поршня 100 и цилиндрической стенкой 210. Такое пространство может потребоваться для уменьшения вероятности истирания цилиндрической стенки 210, когда поршень 100 ориентирован под его максимальным углом качания. Эффективность передачи давления сгорания к поршню 100 может, однако, повыситься, если пространство зазора между верхней кромкой поршня 100 и стенкой 210 цилиндра будет уменьшено. В данном варианте осуществления может быть разработан такой поршень 100, который будет иметь уменьшенное пространство зазора между верхней кромкой поршня 100 и стенкой 210 цилиндра. Как более подробно описано ниже, участок 120 юбки поршня может быть выполнен так, чтобы он прижимался к стенке 210 цилиндра и переносил значительную часть нагрузки осевого давления, когда осевая сила 254 прижимает поршень 100 к стенке 210 цилиндра. Когда участок 120 юбки поршня прижимается к стенке 210 цилиндра и обеспечивает достаточное направление для поршня 100, может быть снижена тенденция качания поршня 100 вокруг оси 105 пальца что, в свою очередь, обеспечивает возможность конструкции с уменьшенным зазором на верхней кромке поршня 100.
В качестве альтернативы, линия 151 профиля головки для головки 110 поршня может иметь постоянный внешний радиус, меньший, чем радиус участка 120 юбки. В таких вариантах осуществления будет присутствовать некоторый зазор между верхней кромкой поршня 100 и стенкой 210 цилиндра. И снова, этот зазор может быть уменьшен благодаря прижатию юбки 120 поршня к стенке 210 цилиндра так, чтобы она переносила существенную часть нагрузки осевого давления, когда осевая сила 254 прижимает поршень 100 к стенке 210 цилиндра, как более подробно описано ниже.
Как также представлено на фиг.1В, по меньшей мере, участок осевого профиля поршня может быть изменен для учета снижения жесткости поршня 100. Как описано выше, юбка 120 поршня может быть выполнена менее жесткой, чем головка 110 поршня. В таких вариантах осуществления основная поверхность 130 осевого давления и вспомогательная поверхность 140 осевого давления могут иметь такую форму, чтобы учитывались изменения жесткости, например, путем изменения внешнего радиуса в плоскости осевого давления, как функции толщины стенки поршня, гибкости стенки и других факторов.
Линия 152 профиля юбки поршня 100 включают в себя линию 154 нижнего профиля юбки и линию 156 промежуточного профиля юбки и в некоторых вариантах осуществления может также включать в себя линию 158 верхнего профиля юбки. В этом варианте осуществления, по меньшей мере, участок линии 154 нижнего профиля юбки может иметь выпуклый изгиб, включающий в себя точку 155 максимального радиуса. В данном варианте осуществления точка 155 максимального радиуса представляет местоположение максимального внешнего диаметра круговой поверхности поршня. Точка 155 максимального радиуса может находиться вдоль линии 154 нижнего профиля юбки на осевой высоте выше нижней части 122, где круговая стенка 126 является наименее жесткой. (В некоторых вариантах осуществления точка 155 максимального радиуса может находиться вдоль линии 154 нижнего профиля юбки в нижней части 122 или рядом с нижней частью). Самый нижний участок линии 154 нижнего профиля юбки (например, расположенный ближе к нижней части 122), хотя он здесь, вероятно, является менее жестким, может включать в себя выпуклый внутрь изгиб для исключения выдалбливания стенки 210 цилиндра. Выпуклый изгиб линии 154 нижнего профиля юбки также способствует установке поршня в отверстие цилиндра, поскольку он помогает центрировать поршень в отверстии цилиндра. Следует понимать, что в других вариантах осуществления линия 154 нижнего профиля юбки может включать в себя другие искривления или наклоны. Например, самый нижний участок линии 154 нижнего профиля юбки может включать в себя, по существу, линейный профиль, который представляет линейное уменьшение радиуса поршня от места, расположенного приблизительно в точке 155 максимального радиуса, до места, в котором находится приблизительно нижняя часть 122 поршня. В других случаях самый нижний участок линии 154 нижнего профиля юбки может не включать в себя уменьшение радиуса поршня от местоположения, находящегося приблизительно в точке 155 максимального радиуса, до местоположения на или возле нижней части 122 поршня.
В данном варианте осуществления промежуточная линия 156 профиля юбки включает в себя первую точку 157 изгиба, в которой линия 154 нижнего профиля юбки соединяется с линией 156 промежуточного профиля юбки. По меньшей мере, участок линии 156 промежуточного профиля юбки включает в себя вогнутую кривую линию, но следует понимать, что другие участки линии 156 промежуточного профиля юбки могут включать в себя другие кривые линии или наклоны. Такая вогнутая кривая линия может учитывать существенные изменения жесткости на промежуточных участках юбки 120 поршня, связанные, например, с существенными изменениями толщины круговой стенки 126.
В данном варианте осуществления линия 156 промежуточного профиля юбки также включает в себя вторую точку 159 изгиба, в которой линия 158 верхнего профиля юбки соединяется с линией 156 промежуточного профиля юбки. По меньшей мере, участок линии 158 верхнего профиля юбки может включать в себя выпуклую кривую линию, которая встречается с линией 151 профиля головки поршня. Линия 158 профиля может иметь, однако, другую форму. Например, линия 158 верхнего профиля юбки может иметь, по существу, постоянный наклон от места положения в или рядом с точкой 159 второго изгиба до места положения в или рядом с началом головки 110 поршня. В варианте осуществления, показанном на фиг.1В ни один из радиусов линии 151 профиля головки поршня в плоскости осевого давления не больше, чем радиусы линии 158 верхнего профиля юбки в плоскости осевого давления. В других вариантах осуществления некоторые радиусы линии 151 профиля головки поршня в плоскости осевого давления больше, чем радиусы линии 158 верхнего профиля юбки в плоскости осевого давления. Кроме того, в варианте осуществления по фиг.1В, ни один из радиусов линии 158 верхнего профиля юбки в плоскости осевого давления не больше, чем радиусы линии 156 промежуточного профиля юбки в плоскости осевого давления.
Рассмотрим теперь фиг.2, на которой может быть представлена линия 150 осевого профиля поршня 100 на графике, представляющем радиус в плоскости осевого давления относительно осевой высоты нижней части 122 поршня. На графике по фиг.2 иллюстрируется осевой профиль поршня 100 как при рабочей температуре или близкой к ней, так и при комнатной температуре или близкой к ней. Как описано выше, осевой профиль поршня 100 может быть разным в зависимости от того, имеет ли поршень 100 рабочую температуру или температуру, близкую к ней, или комнатную температуру или температуру, близкую к ней. Например, линия 156 промежуточного профиля юбки может быть, в общем, выпуклой или линейной, когда поршень имеет температуру, приблизительно равную комнатной температуре (см., например, пунктирную линию на графике, показанном на фиг.2), но в результате теплового расширения круговой стенки линия 156 промежуточного профиля юбки может быть отрегулирована так, чтобы она включала в себя вогнутый изгиб по мере приближения ее температуры к рабочей температуре (см., например, сплошную линию на графике на фиг.2). В других вариантах осуществления линия 156 промежуточного профиля юбки может включать в себя вогнутую кривую линию как случае, когда поршень 100 находится в расширенном под действием тепла состоянии, так и когда поршень 100 находится в охлажденном состоянии.
На фиг.2 также показан разрез поршня 100 в плоскости осевого давления, который включает в себя круговую стенку 126, окружающую полый участок 121. Круговая стенка 126 изменяется по толщине в направлении вдоль оси 115 поршня, что может оказывать влияние на жесткость юбки 120 поршня на некоторых уровнях осевой высоты. В одном примере нижний участок юбки может включать в себя точку, в которой толщина 125 стенки составляет приблизительно 0,19 дюйма, промежуточный участок юбки может включать в себя точку, в которой толщина 127 стенки составляет приблизительно 0,34 дюйма, и верхний участок юбки может включать в себя точку, в которой толщина 129 стенки составляет приблизительно 0,61 дюйма. Поскольку большая толщина стенки может увеличить радиальную жесткость круговой стенки 126, верхняя точка юбки может иметь, по существу, большую радиальную жесткость, чем нижняя точка юбки. Кроме того, юбка 120 поршня может включать в себя отверстия 124 для пальца, совмещенные с осью 105 пальца, для установки в них пальца 104, что может повлиять на жесткость юбки поршня на определенных уровнях осевой высоты.
Как описано выше, линия профиля 152 юбки может иметь такую форму, которая учитывает изменения жесткости юбки поршня от нижнего участка юбки до верхнего участка юбки. В таких вариантах осуществления некоторые гибкие участки юбки 120 поршня могут иметь большие радиусы в плоскости осевого давления так, что они изгибаются, когда к ним прикладывают нагрузку осевого давления, что приводит к тому, что юбка 120 поршня упирается в стенку 210 цилиндра с более однородным распределением нагрузки. Например, нижний участок юбки 120 поршня может быть более гибким и, поэтому, может иметь максимальную точку 155 радиуса, взаимодействующую со стенкой 210 цилиндра при рабочих температурах. Однако из-за гибкости нижнего участка юбки 120 поршня удельная нагрузка приблизительно на нижнем участке юбки поршня, по существу, аналогична удельной нагрузке в районе верхнего участка юбки (то есть более жесткий, верхний участок юбки 120 может не прижиматься к стенке 210 цилиндра при воздействии значительно большей части нагрузки осевого давления).
Как снова показано на фиг.2, поршень 100, в случае необходимости, может включать в себя камеру 111 сгорания в днище поршня. Камера 111 сгорания в днище поршня может использоваться для оптимизации характеристик сгорания в камере сгорания двигателя. Например, камера 111 сгорания в днище поршня может использоваться в поршне бензинового двигателя, дизельного двигателя или двигателя, работающего от природного газа. В таких вариантах осуществления камера 111 сгорания в днище поршня незначительно влияет на жесткость головки 110 поршня, и головка 110 поршня остается, по существу, более жесткой, чем участки юбки 120 поршня. В этом варианте осуществления линия 151 профиля головки поршня показывает, что радиус головки 110 поршня в плоскости осевого давления меньше, чем радиус более гибких участков юбки 120 поршня.
На фиг.3 показан один пример линии 152 профиля юбки поршня, представленной на графике, где поршень 100 имеет рабочую температуру или имеет приблизительно рабочую температуру. Поскольку масштаб радиуса юбки поршня в данном примере был ограничен диапазоном 2,986-2,989 дюймов, форма линии 152 профиля юбки показана увеличенной. Следует понимать, что масштабы размеров, показанные на фиг.3, представляют собой только иллюстрацию, и что другие варианты осуществления могут включать в себя поршень, имеющий другие размеры, не показанные на фиг.3. Кроме того, следует понимать, что изгиб осевого профиля, пропорция и форма, показанные на фиг.3, представлены только с целью иллюстрации и что другие варианты осуществления могут включать в себя осевой профиль, имеющий другие значения изгиба, пропорции и формы, не показанные на фиг.3. В этом примере линия 152 профиля юбки поршня представляет общее уменьшение радиуса юбки от точки 155 максимального радиуса в направлении верхнего участка юбки. Такое уменьшение радиуса юбки, в общем, соответствует гибкости юбки поршня в данном примере, и изменение степени уменьшения радиуса совпадает с переходом от гибкой к жесткой части юбки поршня.
Как показано на фиг.3, самый нижний участок линии 154 нижнего профиля юбки (например, рядом с нижней частью на осевой высоте = 0,000) включает в себя выпуклый внутренний изгиб, который позволяет исключить выдалбливание поверхности стенки 210 цилиндра во время возвратно-поступательного перемещения поршня 100. В данном примере нижняя линия 154 профиля юбки включает в себя точку 155 максимального радиуса, расположенную на осевой высоте выше нижней части, где юбка 120 поршня является наименее жесткой. Как описано выше, по меньшей мере, участок линии 156 промежуточного профиля юбки может включать в себя вогнутый изгиб. Такой вогнутый изгиб может, например, быть представлен значительным изменением радиусов юбки поршня в плоскости осевого давления в результате существенного изменения жесткости юбки поршня. В данном примере линия 156 промежуточного профиля юбки встречается с линией 158 верхнего профиля юбки во второй точке 159 изгиба и продолжается в направлении линии профиля головки (не показана в примере на фиг.3).
Как показано в примере на фиг.3, линия 152 профиля юбки может иметь такую форму, которая учитывает изменения жесткости юбки 120 поршня от нижнего участка юбки до верхнего участка юбки, и такая конфигурация может обеспечивать возможность прилегания юбки 120 поршня к стенке 210 цилиндра с более равномерным распределением нагрузки. В данном варианте осуществления вогнутый изгиб вдоль участка линии 152 профиля юбки (например, вдоль линии 156 промежуточного профиля юбки) может представлять собой часть конструкции поршня, которая обеспечивает возможность, по существу, равномерного распределения нагрузки осевого давления вдоль юбки 120 поршня. Если, с другой стороны, линия 152 профиля юбки поршня включала бы в себя один выпуклый изгиб (при рабочей температуре поршня или близко к ней), она увеличивала бы всю осевую высоту юбки, при этом на верхний участок юбки воздействовала бы значительно большая удельная нагрузка, чем на нижний участок юбки, в результате нагрузки осевого давления. Такое существенно неоднородное распределение нагрузки осевого давления могло бы привести к тому, что поршень "полировал" бы или даже истирал стенку цилиндра (поскольку верхний участок юбки может прикладывать большую нагрузку на единицу площади к стенке цилиндра без изгиба, как на нижнем участке юбки).
В некоторых вариантах осуществления, включающих описанные выше варианты осуществления, нижний участок юбки 120 поршня может включать в себя максимальный радиус 155 в плоскости осевого давления, размер которого выбран таким образом, чтобы он воздействовал на стенку 210 цилиндра при рабочих температурах. В таких вариантах осуществления не происходит заклинивание поршня 100 из-за изгиба нижнего участка юбки 120 поршня. Нижний участок юбки 120 поршня изгибается таким образом, что нижний участок юбки 120 пружинит от стороны 230 основного осевого давления и стороны 240 меньшего осевого давления стенки 210 цилиндра. Такое взаимодействие приводит к тому, что нижний участок юбки 120 способствует распределению нагрузки осевого давления, распределяя, таким образом, некоторую часть нагрузки, которая в противном случае была бы приложена к верхней части юбки или к участку 110 головки. Обеспечивая более однородное распределение нагрузки вдоль юбки 120 поршня, можно снизить вероятность генерирования локальных областей с относительно высокой концентрацией напряжения, что, в свою очередь, снижает вероятность "полировки" или даже истирания стенки 210 цилиндра.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления можно обеспечить лучшее направление поршня 100 в связи с тем, что нижний участок юбки 120 подпружинен к основной и вспомогательной сторонам 230 и 240 осевого давления стенки 210 цилиндра при рабочих температурах. Как описано выше, когда участок 120 юбки поршня прилегает к стенке 210 цилиндра таким образом, что обеспечивается достаточное направление поршня 100, тенденция качания поршня 100 вокруг оси 105 пальца может быть уменьшена, что, в свою очередь, обеспечивает возможность конструкции с минимальным зазором между головкой 110 поршня и стенкой 210 цилиндра. В таких обстоятельствах возможно увеличение трения в системе, когда нижний участок юбки 120 подпружинен к основной и вспомогательной сторонам 230 и 240 осевого давления стенки 210 цилиндра при рабочих температурах. Однако таким увеличенным трением можно пренебречь, поскольку необязательно возникает разрыв гидродинамического слоя смазки между стенкой 210 цилиндра и юбкой 120 поршня. Кроме того, такие варианты осуществления могут обеспечить более равномерное распределение нагрузки между верхним и нижним участками юбки 120 (как описано выше), что позволяет снизить трение, связанное с "полировкой" или даже истиранием стенки 210 цилиндра. Такое уменьшение трения, связанного с "полировкой", может компенсировать любое трение, потенциально добавляемое нижним участком юбки 120 поршня, подпружиненным к основной и вспомогательной сторонам 230 и 240 осевого давления стенки 210 цилиндра при рабочих температурах.
На фиг.4 показана линия полярного профиля поршня 100 при рабочей температуре или близкой к ней, которая схематично представлена линией 170 полярного профиля. Линия 170 полярного профиля представляет форму внешней круговой поверхности поршня 100 в радиальной плоскости поперечного сечения. В данном варианте осуществления линия 170 полярного профиля показана в поперечном сечении в радиальной плоскости на нижнем участке юбки 120 поршня (см. линию поперечного сечения на фиг.1). Общая форма линии 170 полярного профиля может быть аналогична, даже если рассмотреть другое поперечное сечение в радиальной плоскости на другом участке юбки 120 поршня. Размер радиусов полярного профиля в другой радиальной плоскости может быть пропорциональным внешнему радиусу на основной и вспомогательной поверхностях 130 и 140 осевого давления, как показано линией 150 осевого профиля, и, по существу, может следовать форме, показанной на фиг.4.
Линия 170 полярного профиля показана в увеличенном виде только для иллюстрации. Следует понимать, что изменения внешнего радиуса поршня 100 в радиальной плоскости могут быть невелики относительно общего размера поршня 100, в связи с чем поршень 100 может выглядеть, как будто он имеет круглую форму поперечного сечения, когда его рассматривают на расстоянии. Различные варианты осуществления поршня 100 могут включать в себя юбки поршня, имеющие формы поперечного сечения, которые не идеально совпадают с формой поперечного сечения отверстия 205 цилиндра. В варианте осуществления, показанном на фиг.4, форма кругового поперечного сечения юбки 120 поршня в определенной степени напоминает модифицированный эллипс и не является симметричной вокруг оси 105 пальца. В других вариантах осуществления форма кругового поперечного сечения может иметь другой вид, такой как эллипс или модифицированный эллипс, который является симметричным вокруг оси 105 пальца.
Рассмотрим фиг.4, на которой поршень 100 может иметь асимметричную конструкцию полярного профиля относительно оси 105 пальца. В данном варианте осуществления внешняя круговая поверхность юбки 120 поршня в радиальной плоскости поперечного сечения имеет модифицированную эллиптическую форму, которая является, по существу, симметричной относительно оси 117 осевого давления. Максимальные радиусы линии 170 полярного профиля возникают на основной поверхности 130 осевого давления и на вспомогательной поверхности 140 осевого давления. В этой радиальной плоскости основная поверхность 130 осевого давления и вспомогательная поверхность 140 осевого давления имеют достаточный размер для прилегания к стенке 210 цилиндра вдоль основной стороны 230 осевого давления и вспомогательной стороны 240 осевого давления, соответственно. Такое взаимодействие между юбкой 120 поршня и стенкой 210 цилиндра может привести к изгибу юбки 120 внутрь в направлении оси 117 осевого давления и соответствующему изгибу наружу в направлении оси 105 пальца. Например, когда осевая сила 254 (фиг.1) прижимает основную поверхность 130 осевого давления к основной стороне 230 осевого давления стенки 210 цилиндра, основная поверхность 130 осевого давления юбки поршня может изгибаться внутрь. Такой изгиб внутрь приводит к изгибу юбки 120 поршня наружу в направлении оси 105 пальца. Для того чтобы обеспечить зазор для такого изгиба наружу в направлении оси 105 пальца, радиусы вдоль поверхностей 132 и 142, которые не являются поверхностями осевого давления юбки 120 поршня, могут быть меньшими, чем радиусы вдоль основной и вспомогательной поверхностей 130 и 140 осевого давления, и могут быть меньшими, чем радиус отверстия 205 цилиндра при рабочих температурах.
Нагрузки осевого давления на основной поверхности 130 осевого давления могут быть большими, чем нагрузки, действующие на вспомогательную поверхность 140 осевого давления, таким образом, что юбка 120 поршня может изгибаться наружу неравномерно. В таких вариантах осуществления минимальный радиус 175 может не увеличиваться в направлении, параллельном оси 105 пальца, но вместо этого может увеличиваться в направлении основной стороны осевого давления оси 105 пальца (например, точка 176 минимального радиуса на линии 170 полярного профиля расположена на расстоянии от оси 105 пальца и в направлении основной поверхности 130 осевого давления). В этом варианте осуществления линия 170 полярного профиля является, по существу, симметричной вокруг оси 117 осевого давления, в результате чего точка 176 минимального радиуса присутствует с обеих сторон линии 117 осевого давления. Поскольку нагрузки осевого давления, действующие на основную поверхность 130 осевого давления, могут быть больше, чем действуют на вспомогательную поверхность 140 осевого давления, юбка 120 поршня может изгибаться наружу в большей степени на основной стороне осевого давления, чем на вспомогательной стороне осевого давления. Учитывая такой неоднородный изгиб юбки 120 поршня, множество радиусов на вспомогательной стороне осевого давления оси 105 пальца могут быть относительно большими, чем эквивалентные радиусы на основной стороне осевого давления оси 105 пальца. Относительно большие радиусы на вспомогательной стороне осевого давления позволяют обеспечить большую площадь поверхности, которая прилегает к стенке 210 цилиндра и направляет поршень 100. Минимальный радиус 175 на основной стороне осевого давления оси 105 пальца может быть выбран с учетом изгиба наружу юбки 120 поршня, связанного с большей нагрузкой, действующей на основную сторону осевого давления оси 105 пальца.
На фиг.5 показан один пример линии 170 полярного профиля (для поршня 100 при рабочей температуре или близко к ней), которая представлена как диаграмма. Поскольку масштаб радиуса юбки поршня в данном примере не ограничен диапазоном 2,984-2,988 дюймов, форма линии 170 полярного профиля была увеличена. Следует понимать, что такие масштабы размеров, показанные на фиг.5, представлены только для иллюстрации, и другие варианты осуществления могут включать в себя поршень, имеющий другие размеры, не показанные на фиг.5. Кроме того, следует понимать, что изгиб полярного профиля, пропорции и форма, показанные на фиг.5, представлены только для иллюстрации, и другие варианты осуществления могут включать в себя полярный профиль, имеющий другие изгиб, пропорции и формы, не показанные на фиг.5. В этом примере линия 170 полярного профиля представляет, что внешняя круговая поверхность юбки 120 поршня в радиальной плоскости поперечного сечения имеет модифицированную эллиптическую форму, которая является асимметричной относительно оси 105 пальца (и, по существу, симметричной относительно оси 117 осевого давления).
Как показано на фиг.5, в этом примере множество радиусов на вспомогательной стороне осевого давления оси 105 пальца могут быть относительно большими, чем соответствующие радиусы на основной стороне осевого давления оси 105 пальца. Например, минимальный радиус 175 имеет длину приблизительно 2,9855 дюймов и находится в точке 176 на основной стороне осевого давления оси 105 пальца под углом приблизительно 25 градусов от оси 105 пальца. Соответствующий радиус имеет длину приблизительно 2,9865 дюймов и расположен в точке 178 на вспомогательной стороне осевого давления оси 105 пальца под углом приблизительно 25 градусов от оси 105 пальца. Максимальный радиус этого полярного профиля имеет длину приблизительно 2,9878 дюймов и расположен на основной и вспомогательной поверхностях 130 и 140 осевого давления. Радиусы вдоль поверхностей 132 и 142, которые не являются поверхностями осевого давления, будут меньшими, чем этот максимальный радиус, для обеспечения зазора, требуемого для изгиба наружу юбки 120 поршня в направлении оси 105 пальца.
Другие варианты осуществления поршня могут включать в себя полярный профиль, который не представлен на фиг.4 или фиг.5. Например, поршень может включать в себя осевой профиль, показанный на фиг.1, фиг.2 или фиг.3, и может также включать в себя полярный профиль, имеющий модифицированную эллиптическую форму, которая не является симметричной относительно оси 105 пальца. В другом примере поршень может включать в себя осевой профиль, показанный на фиг.1, фиг.2 или фиг.3, и также может включать в себя полярный профиль, имеющий эллиптическую форму, которая является симметричной относительно оси 105 пальца. В вариантах осуществления, имеющих симметричный полярный профиль, минимальный радиус может устанавливаться вдоль оси 105 пальца и максимальный радиус может устанавливаться вдоль оси 117 осевого давления на основной и вспомогательной сторонах осевого давления.
1
Как показано на фиг.6, некоторые варианты осуществления поршня 300 могут быть выполнены таким образом, что центроид сил реакции осевого давления, воздействующих на основную сторону осевого давления поршня 300, располагается ближе к центральной линии 317 поршневого пальца. Такая конфигурация позволяет уменьшить момент осевой силы, который обычно создает качательное движение поршня 300. Следует понимать, что в данных вариантах осуществления нагрузка осевого давления необязательно распределяется идеально равномерно вдоль всей основной стороны 330 осевого давления юбки 320 поршня. Даже если некоторые участки основной стороны 330 осевого давления юбки 320 поршня несут большую часть нагрузки осевого давления, поршень 300 может быть выполнен таким образом, что основной центроид сил реакции (представленный как центроид R силы) располагается на высоте центра поршневого пальца или немного ниже. Такая конфигурация позволяет эффективно сфокусировать нагрузку осевого давления на более гибком участке юбки поршня (нижний участок юбки в данном варианте осуществления), который расположен на расстоянии от более жестких участков поршня (верхний участок юбки и головка поршня в данном варианте осуществления). Это позволяет снизить вероятность того, что более жесткие участки поршня увеличат износ стенки цилиндра, что позволяет обеспечить значительно меньший зазор между верхним гребнем 316 и стенкой цилиндра. Кроме того, нагрузка осевого давления может быть сконцентрирована ниже канавок 313 и 314 для колец, где в некоторых вариантах осуществления находится больший запас моторного масла или других смазок для смягчения нагрузки осевого давления.
На фиг.6 показан вид в поперечном сечении поршня 300 в плоскости осевого давления. Поршень 300 может иметь некоторые признаки, аналогичные описанным выше вариантам осуществления, но поршень 300 имеет другой осевой профиль 350. Этот поршень может включать в себя участок 310 головки, участок 320 юбки, ось 305 пальца и ось 315 поршня. Участок 310 головки может иметь камеру 311 сгорания в днище поршня, верхнюю поверхность 312 и канавки 313 и 314 для колец, которые работают аналогично описанным выше вариантам осуществления. Участок 320 юбки может иметь круговую стенку 326, которая, по меньшей мере, частично окружает полый участок 321, расположенный ближе к нижней части 322 поршня 300. Участок 320 юбки может включать в себя основную сторону 330 осевого давления и вспомогательную сторону 340 осевого давления, которая может находиться в контакте со скольжением со стенкой цилиндра двигателя, аналогично ранее описанным вариантам осуществления.
Линия 350 осевого профиля поршня 300 может быть представлена на диаграмме, представляющей радиус в плоскости осевого давления относительно осевой высоты от нижней части 322 поршня. Диаграмма на фиг.6 иллюстрирует осевой профиль поршня 300 при рабочей температуре или близкой к ней (см. сплошную линию) и при комнатной окружающей температуре или близкой к ней (см. пунктирную линию). Как описано выше, осевой профиль 350 поршня 300 может быть разным в зависимости от того, является ли температура поршня 300 рабочей температурой или близкой к ней, или комнатной окружающей температурой или близкой к ней. В данном варианте осуществления промежуточный профиль 356 юбки, в общем, может быть выпуклым или линейным, когда поршень находится в охлажденном состоянии, но в результате теплового расширения круговой стенки промежуточный профиль 356 юбки можно регулировать так, чтобы он включал в себя вогнутый изгиб. В других вариантах осуществления промежуточный профиль 356 юбки может включать в себя вогнутый изгиб как в случае, когда поршень 300 находится в расширенном состоянии под действием тепла, так и в случае, когда поршень 300 находится в охлажденном состоянии.
Как также показано на фиг.6, профиль юбки поршня может включать в себя линию 354 нижнего профиля юбки, линию 356 промежуточного профиля юбки и линию 358 верхнего профиля юбки. В этом варианте осуществления, по меньшей мере, участок линии 354 нижнего профиля юбки может иметь выпуклый изгиб, включающий в себя точку 355 максимального радиуса. Следует понимать, что в других вариантах осуществления линия 354 нижнего профиля юбки может включать в себя другие изгибы или наклоны. Например, самый нижний участок линии 354 нижнего профиля юбки может включать в себя, по существу, линейный профиль, который представляет собой линейное уменьшение радиуса поршня от точки 355 максимального радиуса до нижней части 322 поршня. В других случаях самый нижний участок линии 354 нижнего профиля юбки может не включать в себя уменьшение радиуса поршня от места положения в точке 355 максимального радиуса или рядом с ним и до места положения в нижней части 322 поршня или рядом с ним. Линия 356 промежуточного профиля юбки может включать в себя первую точку 357 изгиба, в которой линия 354 нижнего профиля юбки соединяется с линией 356 промежуточного профиля юбки. По меньшей мере, участок линии 356 промежуточного профиля юбки включает в себя вогнутый изгиб, когда температура поршня 300 представляет собой рабочую температуру или близкую к ней температуру. Такой вогнутый изгиб может, например, представлять существенное изменение радиусов юбки поршня в плоскости осевого давления в результате существенного изменения жесткости юбки 320 поршня. Следует понимать, что другие участки линии 356 промежуточного профиля юбки могут включать в себя другие изгибы или наклоны. Линия 356 промежуточного профиля юбки также может включать в себя вторую точку 359 изгиба, в которой линия 358 верхнего профиля юбки соединяется с линией 356 промежуточного профиля юбки. По меньшей мере, участок линии 358 верхнего профиля юбки может включать в себя выпуклый изгиб или линейный наклон, который встречается с линией 360 профиля головки поршня.
1
В данном варианте осуществления, по меньшей мере, некоторые радиусы линии 360 профиля головки поршня в плоскости осевого давления больше, чем радиусы линии 358 верхнего профиля юбки в плоскости осевого давления. Например, радиусы вдоль участка верхнего гребня 316 и второго гребня 318 могут быть больше, чем некоторые радиусы верхней юбки 358, когда температура поршня 300 составляет рабочую температуру или близкую к ней, как показано на смещенном участке 362 линии 360 профиля головки поршня. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления радиусы вдоль третьего гребня 319 могут быть существенно меньшими, чем радиусы верхнего гребня 316 и второго гребня 318. Такая конфигурация может привести к радиальному смещению 364 между верхней юбкой и головкой поршня, которая может использоваться для фокусирования центроида сил реакции осевого давления на юбку 320 поршня (представлен как центроид R силы) на осевое положение, на уровне центральной линии 317 поршневого пальца или немного ниже нее (более подробно описано ниже).
На фиг.7 показан один пример линии 350 осевого профиля, представленный в виде диаграммы, на которой температура поршня представляет рабочую температуру или близкую к ней. В связи с тем, что масштаб радиуса юбки поршня был ограничен в этом примере диапазоном от 2,990 до 2,996 дюймов, форма осевого профиля линии 350 была увеличена. Следует понимать, что масштаб представления размера, показанный на фиг.7, предназначен только для иллюстрации, и что другие варианты осуществления могут включать в себя поршень, имеющий другие размеры, не представленные на фиг.7. Кроме того, следует понимать, что изгиб осевого профиля, пропорции и форма, показанные на фиг.7, предназначены только для иллюстрации и что другие варианты осуществления могут включать в себя осевой профиль, имеющий другой изгиб, пропорции и формы, не показанные на фиг.7. В этом примере самый нижний участок линии 354 нижнего профиля юбки (например, рядом с нижней частью 322 на осевой высоте = 0,000) включает в себя выпуклый внутрь изгиб, или линейный наклон внутрь, который предотвращает выдалбливание стенки цилиндра во время возвратно-поступательного перемещения поршня 300 для того, чтобы исключить в некоторых случаях посадку с натягом, когда температура поршня 300 представляет собой комнатную температуру. Как описано выше, по меньшей мере, участок линии 356 промежуточного профиля юбки может включать в себя вогнутый изгиб между точками 357 и 359 изгиба. В этом варианте осуществления, по меньшей мере, некоторые радиусы профиля 360 головки поршня больше, чем некоторые радиусы верхнего профиля 358 юбки, что создает радиальное смещение 364, когда температура поршня 300 представляет собой рабочую температуру или близкую к ней.
1
2
1
В вариантах осуществления и примерах, описанных со ссылкой на фигуры 6-7, нижний участок юбки 320 поршня может включать в себя максимальный радиус (например, точку 355) в плоскости осевого давления, размеры которого обеспечивают посадку с натягом со стенкой цилиндра при рабочей температуре. Как описано выше, заедание поршня 300 не происходит благодаря изгибу нижнего участка юбки 320 поршня. Нижний участок юбки 320 поршня может изгибаться таким образом, что нижний участок юбки 320 упруго прижимается к основной стороне осевого давления и вспомогательной стороне осевого давления стенки цилиндра. Такое взаимодействие обеспечивает то, что на нижний участок юбки 320 воздействует существенная часть сил реакции осевого давления. Кроме того, линия 350 осевого профиля поршня 300 в расширенном под действием тепла состоянии может быть выполнена так, чтобы радиальное смещение 364 уменьшало силы реакции осевого давления, действующие на верхний участок 358 юбки (например, некоторый участок верхней юбки может даже не быть в контакте со стенкой цилиндра), и фокусировало силы реакции осевого давления таким образом, чтобы центроид (представлен как центроид R сил) был расположен на центральной линии 317 поршневого пальца или немного ниже нее (например, расположен в осевой высоте поворотной оси 305 или ниже нее). Такая конфигурация позволяет уменьшить момент осевой силы, который обычно создает качательное движение поршня 300. Кроме того, такая конфигурация позволяет уменьшить вероятность, что более жесткие участки поршня 300 будут истирать стенки цилиндра, что, таким образом, обеспечивает возможность использования существенно меньшего зазора между верхним гребнем 316 и стенкой цилиндра. В таких условиях, даже если верхний гребень 316 или другой участок головки 310 поршня будет плотно прилегать к основной стороне осевого давления стенки цилиндра, силы реакции осевого давления, действующие на головку 310 поршня (представлены как центроид R сил) будут существенно меньшими, чем силы реакции осевого давления, действующие на юбку поршня (представлены как центроид R сил). При этом износ, создаваемый головкой 310 поршня, может быть малым или несущественным, чтобы вызвать значительное истирание.
1
2
1
2
Как показано на фигурах 6 и 7, радиальное смещение 364 может существенно уменьшить или устранить контакт между стенкой цилиндра и верхним участком 358 юбки. При этом нагрузка осевого давления может быть, по существу, распределена вдоль двух частей основной стороны 330 осевого давления (вдоль юбки 320 поршня и вдоль головки 310 поршня). На эти две части могут воздействовать разные наборы сил реакции осевого давления, которые представлены как центроид R сил и центроид R сил. Благодаря форме осевого профиля юбки 320 и благодаря радиальному смещению 364 верхнего участка юбки центроид R сил может находиться на уровне или несколько ниже центральной линии 317 поршневого пальца (ближе к точке 355 максимального радиуса). Кроме того, поскольку головка 310 поршня может плотно прилегать к стенке цилиндра под действием осевой силы, центроид R силы может располагаться вдоль основной стороны осевого давления головки поршня (например, ближе ко второму гребню 318 или к верхнему гребню 316 и, в этом варианте осуществления, выше третьего гребня 319).
Если предположить, что поршень 300 не имеет поперечной ускоряющей силы (такое предположение действительно, только когда поршень проталкивают вверх относительно гильзы цилиндра, после его движения в результате вторичного движения), силы реакции осевого давления могут быть выражены как функция силы осевого давления, которая передается через центральную линию 317 поршневого пальца (представлена как сила Т на фиг.6). Эти выражения будут следующим уравнением
и
1
1
2
2
где X представляет собой осевое положение центроида сил реакции осевого давления на юбку 320 поршня (представлено как центроид R сил) относительно высоты центральной линии 317 поршневого пальца, и Х находится в осевом положении центроида сил реакции осевого давления на головку 310 поршня (представлено как центроид R сил) относительно высоты центральной линии 317 поршневого пальца (см., например, на фиг.6).
1
1
1
2
1
2
2
2
1
2
1
2
1
1
2
В связи с тем, что радиальное смещение 364 может существенно уменьшить или устранить контакт между стенкой цилиндра и верхним участком 358 юбки, и в результате того, что точка 355 максимального радиуса располагается на уровне высоты центральной линии 317 поршневого пальца или рядом с ней, центроид (R) сил реакции осевого давления, действующих на юбку 320 поршня, может быть расположен на уровне или несколько ниже высоты центральной линии 317 поршневого пальца, в результате чего X будет относительно малым (например, Х<<Х). Когда X намного меньше, чем Х, центроид (R) сил реакции осевого давления, действующих на головку 310 поршня, становится относительно малым (например, R<<R). В таких обстоятельствах, когда R намного меньше, чем R, осевая сила (Т) в значительной степени учитывается силами реакции, действующими на юбку 320 поршня (например, когда R<<R, тогда R≅T). В соответствии с этим, силы реакции осевого давления, действующие на головку 310 поршня (представленные как центроид R) могут быть в значительной степени уменьшены, и износ, связанный с силами реакции осевого давления, действующими на головку 310 поршня, будет аналогично уменьшен. При этом износ, вызванный головкой 310 поршня, может быть малым или несущественным для образования значительного износа, и поршень 300 может быть выполнен таким образом, что он будет иметь по существу меньший зазор между верхним гребнем 316 и стенкой цилиндра. Плотный зазор может уменьшить объем между стенкой цилиндра и головкой 310 поршня над уплотнительным кольцом верхнего гребня 316 (то есть объем щели). Сгораемая смесь, попадающая в объем щели, обычно сгорает не полностью и, таким образом, выбрасывается с выхлопом как не сгоревшие углеводороды. Уменьшение объема щели уменьшает количество не сгоревшей горючей смеси, выбрасываемой как нежелательный выхлоп, поскольку объем несгоревшей горючей смеси будет меньшим. Кроме того, меньший зазор между верхним гребнем 316 и стенкой цилиндра, и меньшая величина сил реакции осевого давления, действующих на головку 310 поршня, могут существенно уменьшить износ верхнего гребня 316, кольца (колец) поршня и стенки цилиндра.
1
1
1
1
1
1
1
Так же, как представлено в вариантах осуществления и в примерах, описанных со ссылкой на фигуры 6-7, осевой профиль юбки 320 поршня может быть выполнен так, что центроид (R) силы реакции будет совмещен или будет находиться несколько ниже высоты центральной линии 317 поршневого пальца. Например, радиальное смещение 364 может быть увеличено с тем, чтобы дополнительно уменьшить величину верхнего участка 358 юбки, который плотно прилегает к стенке цилиндра, что может привести к тому, что центроид (R) силы реакции будет расположен в нижнем осевом положении юбки 320. Кроме того, нижний участок 354 юбки может включать в себя максимальный радиус 355, расположенный ближе к высоте центральной линии 317 поршневого пальца таким образом, что нагрузка осевого давления увеличивается и отгибает юбку 320 поршня, при этом нагруженная область юбки 320 может увеличиваться, но центроид (R) сил реакции осевого давления, действующих на юбку 320 поршня, может оставаться на уровне или несколько ниже центральной линии 317 поршневого пальца. В таких условиях величина центроида (R) сил реакции осевого давления, действующих на юбку 320 поршня, не будет превышать величину силы (Т) осевого давления. (Если центроид (R) силы реакции смещается в направлении верхнего участка юбки 320 поршня, осевое положение (X) будет иметь отрицательное значение, в результате чего величина центроида (R) силы реакции будет больше, чем величина силы (Т) осевого давления).
Выше было описано множество вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако следует понимать, что различные модификации могут быть выполнены не выходя за пределы объема изобретения. Например, осевой профиль вспомогательной стороны осевого давления в некоторых случаях может отличаться от осевого профиля основной стороны осевого давления. Кроме того, в случаях, когда осевые профили, действующие на основную и вспомогательную стороны осевого давления, по существу, одинаковы, радиус одной стороны может отличаться от радиуса другой стороны. В соответствии с этим, другие варианты осуществления находятся в пределах объема, определенного следующей формулой изобретения.