ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
PISTON ENGINE

Настоящее изобретение относится к поршневому двигателю, во время работы которого поршень опускается под действием давления газа со стороны давления в направлении стороны противодавления и тем самым плотно упирается в стенку цилиндра со стороны противодавления, в результате чего не происходит биение поршня, такое как качание, колебание и боковое биение, и обеспечивается снижение потерь на трение между поршнем и цилиндром и потерь на трение между поршнем и поршневыми кольцами.
Настоящее изобретение относится к поршневому двигателю, который может применяться в качестве четырехтактного бензинового двигателя, двухтактного бензинового двигателя или дизельного двигателя.
Уровень техники
Патентный документ 1: международная публикация WO 92/02722,
Патентный документ 2: JP-A-04-347352,
Патентный документ 3: JP-A-05-26106,
Патентный документ 4: патент Японии 2988010.
Методы снижения потерь на трение между поршнем и цилиндром со стороны давления вследствие осевой силы, действующей на поршень, известны, в том числе, из международной публикации WO 92/02722, JP-A-04-347352, JP-A-05-26106 и патента Японии 2988010 (смотри патентные документы 1-4). В описанных в них методах между поршневыми кольцами на верхнем корпусе поршня, т.е. на участке гребня поршня над канавкой второго поршневого кольца, расположена газовая камера сжатия, в которую на начальной стадии такта расширения поршня в процессе работы двигателя подают газ под высоким давлением над поршнем, за счет этого давления подаваемого газа поршень противодействует осевой силе, генерируемой вследствие наклона шатуна, и тем самым достигается снижение потерь на трение между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра.
Раскрытие изобретения
Задачи изобретения
Как известно, верхний корпус поршня поршневого двигателя имеет меньший диаметр, чем имеющий максимальный диаметр участок юбки поршня, а поршень в целом имеет трапециевидную форму. Более точно, верхний корпус поршня входит в цилиндр с зазором относительно внутреннего диаметра цилиндра. Иными словами, между верхним корпусом поршня и внутренней поверхностью цилиндра неизбежно имеется зазор как со стороны давления, так и стороны противодавления. По этой причине колебание поршня в верхней мертвой точке остается неизменным, даже если между поршневыми кольцами, т.е. на участке гребня поршня над канавкой второго поршневого кольца расположена газовая камера сжатия, в которую на начальной стадии такта расширения поршня над поршнем подают газ под высоким давлением, чтобы за счет этого давления подаваемого газа подпирать поршень. Более точно, за счет описанного зазора происходит качание и колебание поршня вследствие мгновенной нагрузки и осевой силы во время работы двигателя, в частности, во время изменения хода на обратный в верхней мертвой точке. Верхний корпус поршня и юбка поршня ударяются о цилиндр. По этой причине происходят потери на трение между поршнем и цилиндром, между поршневым кольцом и цилиндром и между поршневым кольцом и канавой поршневого кольца. Кроме того, в результате биения поршня происходит прорыв газов.
Соответственно, в основу изобретения положена задача создания поршневого двигателя, который способен во время работы подавлять биение поршня, включая качание, колебание, боковое биение и т.п., обеспечивать снижение потерь на трение между поршневым кольцом и цилиндром и между поршневым кольцом и канавкой в поршне, снижать частоту прорыва газов и повышать эффективность охлаждения верхнего корпуса поршня и скорость горения топливовоздушной смеси.
Средства решения задач
Согласно изобретению предложен поршневой двигатель, поршень которого имеет верхний корпус поршня, состоящий из головки, воспринимающей давление сгорания, и гребня с установленными на нем поршневыми кольцами, и юбку, расположенную на нижней стороне верхнего корпуса поршня, при этом верхний корпус поршня выполнен со смещением от центра в направлении стороны противодавления относительно осевой линии поршня, а со стороны противодавления расположена внешняя краевая поверхность верхнего корпуса поршня и внешняя краевая поверхность имеющего максимальный диаметр участка юбки, которые совмещены по вертикали таким образом, что, когда поршень находится в вертикальном положении в цилиндре, со стороны противодавления внешняя краевая поверхность верхнего корпуса поршня и внешняя краевая поверхность имеющего максимальный диаметр участка юбки плотно упираются во внутреннюю поверхность цилиндра, со стороны давления образуется зазор между внешней краевой поверхностью верхнего корпуса поршня и внутренней поверхностью цилиндра, на участке гребня поршня над канавкой второго поршневого кольца между первым поршневым кольцом, установленным на внешней краевой поверхности верхнего корпуса поршня, и вторым поршневым кольцом расположена газовая камера, на верхнем участке со стороны давления внутренней поверхности цилиндра выполнено множество выемок, за счет чего, когда поршень находится в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки, газ под высоким давлением над поршнем может поступать в кольцевую газовую камеру, поршень со стороны давления подпирается газом под высоким давлением, поступающим в газовую камеру, и поршень опускается, в результате чего внешняя краевая поверхность верхнего корпуса поршня и юбка находятся в контакте с внутренней поверхностью цилиндра со стороны противодавления.
В соответствии с описанной конструкцией верхний корпус поршня выполнен со смещением от центра в направлении стороны противодавления, а внешняя краевая поверхность верхнего корпуса поршня и внешняя краевая поверхность имеющего максимальный диаметр участка юбки совмещены по вертикали. Таким образом, когда поршень входит в цилиндр со стороны противодавления в вертикальном положении, внешняя краевая поверхность верхнего корпуса поршня и внешняя краевая поверхность имеющего максимальный диаметр участка юбки находятся в состоянии тесного контакта с внутренней поверхностью цилиндра.
Когда поршень в описанном состоянии находится в верхней мертвой точке, если сжатый газ и расширившийся газ воздействуют на верхнюю поверхность, давление газа воздействует на внешнюю краевую поверхность со стороны давления верхнего корпуса поршня, но не может воздействовать по окружности на внешнюю краевую поверхность со стороны противодавления, т.е. на гребень поршня над канавкой верхнего поршневого кольца со стороны противодавления. Поршень оказывается в состоянии, в котором подперт со стороны давления.
Даже если к поршню будет приложена мгновенная нагрузка, под действием которой поршень окажется в таком состоянии, поршень вписывается во внутреннюю поверхность цилиндра со стороны противодавления, сохраняя свое вертикальное положение. Когда поршень находится в описанном состоянии в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки, расширившийся газ над поршнем поступает в кольцевую газовую камеру поршня через выемки на верхнем участке со стороны давления внутренней поверхности цилиндра. В этот момент на поршень воздействует осевая сила или боковое давление вследствие наклона шатуна в направлении стороны давления и обычно вызывает боковое биение в направлении стороны давления. Тем не менее, поршень подпирается со стороны давления газом, который поступил в кольцевую газовую камеру и находится в ней, и опускается, при этом его биение подавляется, и он сохраняет свое вертикальное положение и упирается во внутреннюю поверхность цилиндра со стороны противодавления.
Более точно, поршень находится в тесном контакте со стороной противодавления за счет упругой опоры и нажатия со стороны давления, создаваемого давлением газа. За счет этого подавляется боковое биение, колебание и столкновение поршня с цилиндром. Соответственно, можно преимущественно снизить потери на трение между поршнем и цилиндром, в частности, между поршнем и цилиндром со стороны давления при воздействии бокового давления, между поршневым кольцом и поршнем и между поршневым кольцом и цилиндром внутренней поверхности. Помимо этого, поскольку вибрация поршня подавляется, можно предотвратить прорыв газов.
Кроме того, поскольку верхний корпус поршня с головкой, на который воздействует высокотемпературный газ высокого давления, соприкасается с цилиндром со стороны противодавления, тогда как обычно с цилиндром соприкасаются только поршневые кольца, площадь контакта с цилиндром значительно увеличивается, и из поршня в цилиндр поступает большой тепловой поток, что позволяет эффективно охлаждать верхнюю поверхность поршня. Таким образом, можно предотвращать аномальное сгорание, при этом прирост тепла по всему двигателю является низким, что позволяет удовлетворительно обеспечивать эффективность поглощения.
Помимо этого, на начальной стадии такта расширения, когда поршень находится в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки, а первое поршневое кольцо поршня проходит через множество выемок, сгорающий над поршнем газ под давлением быстро поступает в кольцевую газовую камеру поршня, в результате чего образуется поток сгорающего над поршнем газа, в результате возмущения которого повышается скорость горения и уменьшается продолжительность горения.
Преимущества изобретения
В изобретении предложен поршневой двигатель, во время работы которого подавляется биение поршня, включая качание, колебание, боковое биение и т.п., достигается снижение потерь на трение между поршневым кольцом и цилиндром и между поршневым кольцом и канавкой в поршне, снижается частота прорыва газов и повышается эффективность охлаждения верхнего корпуса поршня и скорость горения топливовоздушной смеси.
Далее будут описаны варианты осуществления со ссылкой на чертежи, на которых проиллюстрирован способ осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан пояснительный продольный вид в разрезе одного из примеров способа осуществления изобретения,
на фиг.2 показана пояснительная схема работы согласно примеру, показанному на фиг.1,
на фиг.3 показана пояснительная схема работы согласно примеру, показанному на фиг.1,
на фиг.4 показан пояснительный поперечный вид в разрезе примера, показанного на фиг.1,
на фиг.5 показана пояснительная схема поршня согласно примеру, показанному на фиг.1,
на фиг.6 показан вид сверху поршня согласно примеру, показанному на фиг.5,
на фиг.7 показана пояснительная схема поршня согласно другому примеру способа осуществления изобретения,
на фиг.8 показан пояснительный продольный вид в разрезе примера, показанного на фиг.7,
на фиг.9 показана частично увеличенная пояснительная схема примера, показанного на фиг.8,
на фиг.10 показан пояснительный продольный вид в разрезе еще одного примера способа осуществления изобретения,
на фиг.11 показана пояснительная схема работы согласно еще одному примеру, показанному на фиг.10,
на фиг.12 показан пояснительный поперечный вид в разрезе еще одного примера, показанного фиг.10,
на фиг.13 показана пояснительная схема поршня согласно еще одному варианту осуществления, показанному на фиг.10, и
на фиг.14 показан вид сверху поршня, показанного на фиг.13.
Наилучший способ осуществления изобретения
На фиг.1-9 показан первый вариант осуществления поршневого двигателя согласно изобретению. На фиг.10-14 показан второй вариант осуществления поршневого двигателя согласно изобретению.
На фиг.5 и 6 показан поршень 2 поршневого двигателя 1 согласно первому варианту осуществления. Поршень 2 имеет верхний корпус 8 поршня, состоящий из головки 3, воспринимающей давления сгорания, и гребня 7, имеющего канавки 4, 5 и 6 поршневых колец; юбку 9, расположенную на нижней стороне верхнего корпуса 8 поршня; и прилив 11 пальца, на который опирается поршневой палец 10. Следует отметить, что упомянутый гребень 7 также включает внешнюю краевую поверхность 16 упомянутого верхнего корпуса 8 поршня. В дальнейшем гребень 7 будет именоваться внешней краевой поверхностью 16 верхнего корпуса 8 поршня. Позицией 12 у упомянутого поршня обозначена сторона давления, а позицией 13 обозначена сторона противодавления.
Поршень 2 сконструирован таким образом, что упомянутый верхний корпус 8 поршня смещен от центра в направлении стороны 13 противодавления относительно осевой линии 14 поршня 2. Позицией 15 обозначена осевая линия верхнего корпуса 8 поршня. Как показано на фиг.5, когда поршень 2 находится в вертикальном положении, со стороны 13 противодавления внешняя краевая поверхность 16 верхнего корпуса 8 поршня и внешняя краевая поверхность 17 имеющего максимальный диаметр участка юбки 9 совмещены по вертикали 18.
При этом со стороны 12 давления внешняя краевая поверхность 19 верхнего корпуса 8 поршня находится с внутренней стороны вертикальной линии 21, проходящей через внешнюю краевую поверхность 20 имеющего максимальный диаметр участка юбки 17, за счет чего между ними образуется зазор 22.
Поскольку поршень 2 имеет описанную форму, когда он входит в цилиндр 23 и находится в вертикальном положении, как показано на фиг.1-3, со стороны 13 противодавления как внешняя краевая поверхность 16 верхнего корпуса 8 поршня, так и внешняя краевая поверхность 17 имеющего максимальный диаметр участка юбки 9 одновременно плотно упираются во внутреннюю поверхность 24 цилиндра 23. В то же время, со стороны 12 давления между внешней краевой поверхностью 19 верхнего корпуса 8 поршня и внутренней поверхностью 24 цилиндра 23 имеется зазор 25.
В канавке 4 поршневого кольца верхнего корпуса 8 поршня установлено компрессионное поршневое кольцо. В частности, в ближайшей к головке 3 канавке 4 поршневого кольца установлено первое поршневое кольцо 26, а в следующей за ближайшей канавке 5 поршневого кольца установлено второе поршневое кольцо 27. Следует отметить, что первым поршневым кольцом является так называемое верхнее кольцо, а вторым поршневым кольцом является так называемое второе кольцо. Кроме того, в самой нижней канавке 6 установлено маслосборное кольцо 28.
Канавка 4 поршневого кольца, в которой установлено первое поршневое кольцо 26, и канавка 5 поршневого кольца, в которой установлено второе поршневое кольцо 27, проходят под наклоном относительно плоскости, перпендикулярной оси 29 поршня 2. Кроме того, канавка 4 поршневого кольца и канавка 5 поршневого кольца проходят под наклоном в обратные относительно друг друга стороны и постепенно расходятся друг от друга со стороны 13 противодавления в направлении стороны 12 давления.
Соответственно, участок 30 гребня поршня над канавкой второго поршневого кольца, который находится между канавкой 4 поршневого кольца и канавкой 5 поршневого кольца, шире со стороны 12 давления и уже со стороны 13 противодавления. Канавка 6 кольца, в которой установлено маслосборное кольцо 28, проходит параллельно плоскости, перпендикулярной оси 29 поршня.
На фиг.1-4 показано состояние, в котором поршень 2 с первым поршневым кольцом 26, вторым поршневым кольцом 27 и маслосборным кольцом 28, установленными соответственно в канавках 4, 5 и 6 поршневых колец, вошел в цилиндр 23, а двигатель работает в вертикальном положении.
В поршне 2 имеется кольцевая газовая камера 31, образованная внутренней поверхностью 24 цилиндра 23 и участком 30 гребня поршня над канавкой второго поршневого кольца между первым поршневым кольцом 26 и вторым поршневым кольцом 27. Эта кольцевая газовая камера 31 имеет большую ширину со стороны 12 давления и постепенно сужается в направлении стороны 13 противодавления. Тем самым обеспечивается повсеместное и сильное давление на поршень 2 газа под высоким давлением со стороны 12 давления, который поступает в кольцевую газовую камеру 31, за счет чего ослабляется поток газа в сторону 13 противодавления и уменьшается возвратное движение.
На внутренней поверхности 24 цилиндра 23 в его верхней части 33 со стороны 12 давления выполнено множество (3-4) выемок 34, проходящих в направлении вдоль окружности 35. Следует отметить, что выемки 34 проходят вглубь от внутренней поверхности 24 цилиндра и имеют вогнутую форму. Эти выемки 34 служат проходами для газа под давлением, что будет описано далее. Положения этих выемок 34 выбраны таким образом, чтобы при нахождении поршня 2 в верхней мертвой точки или вблизи верхней мертвой точки первое поршневое кольцо 26 поршня 2 обходило эти выемки 34.
Таким образом, когда поршень 2 находится в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки, а первое поршневое кольцо 26 обходит выемки 34, пространства между соответствующими углублениями 36 этих выемок 34 и внешней краевой поверхностью первого поршневого кольца 26 образуют проходы, посредством которых камера 37 сгорания над поршнем 2 и кольцевая газовая камера 31 поршня 2 сообщаются друг с другом, чтобы газ 38 под высоким давлением над поршнем 2 мог поступать в кольцевую газовую камеру 31, как это показано стрелкой 41. Помимо этого, упомянутые выемки 34 выполнены таким образом, чтобы не соединяться со вторым поршневым кольцом 27, когда поршень 2 находится в верхней мертвой точке. Тем самым газ 38 под высоким давлением в камере 37 сгорания не прорывается вниз из поршня 2. В результате, во время работы двигателя, в частности, когда поршень 2 находится в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки на протяжении от конечной стадии такта сжатия до начальной стадии такта расширения, когда первое поршневое кольцо 26 обходит выемки 34, газ 38 под высоким давлением в камере 37 сгорания над поршнем 2 проходит через выемки 34 и поступает в кольцевую газовую камеру 31 поршня 2. Одновременно с этим поршень 2 оказывается в состоянии, в котором он подпирается притоком газа 39 под высоким давлением внутри кольцевой газовой камеры 31 в верхнем корпусе 8 поршня, а со стороны 12 давления на него действует давление в направлении стороны 13 противодавления. Во время такта расширения поршень 2 опускается и оказывается в состоянии, в котором внешняя краевая поверхность 16 со стороны 13 противодавления верхнего корпуса 8 поршня и внешняя краевая поверхность 17 имеющего максимальный диаметр участка юбки 9 упираются во внутреннюю поверхность 24 цилиндра 23, тогда как газ 39 под давлением, действующий, как это описано выше, удерживается внутри кольцевой газовой камеры 31.
В описанной выше конструкции поршневого двигателя 1 согласно этому первому варианту осуществления верхний корпус 8 поршня 2 смещен от центра в направлении стороны 13 противодавления, а внешняя краевая поверхность 16 верхнего корпуса 8 поршня и внешняя краевая поверхность 17 имеющего максимальный диаметр участка юбки 9 совмещены по вертикали 18. Следовательно, когда поршень 2 входит в цилиндр 23 со стороны 13 противодавления в вертикальном положении, внешняя краевая поверхность 16 верхнего корпуса 8 поршня и внешняя краевая поверхность 17 юбки 9 плотно примыкают к внутренней поверхности цилиндра 23.
Если смотреть от верхней поверхности поршня, со стороны 13 противодавления внешняя краевая поверхность 16, в частности, гребень поршня над канавкой 4 верхнего поршневого кольца 3 верхнего корпуса 8 поршня вписывается во внутреннюю поверхность 24 цилиндра 23 в форме дуги окружности, как показано на фиг.4.
В то же время, между внешней краевой поверхностью 19 верхнего корпуса 8 поршня и внутренней поверхностью 24 цилиндра 23 со стороны 32 давления находится имеющий форму дуги окружности зазор 25.
Когда сжатый газ и расширившийся газ 38 воздействуют на верхнюю поверхность поршня 2, который находится в описанном состоянии, давление газа воздействует на гребень поршня над канавкой верхнего 4 поршневого кольца 6 на внешней краевой поверхности со стороны 12 давления верхнего корпуса 8 поршня, но не может воздействовать по окружности на внешнюю краевую поверхность 16 со стороны 13 противодавления, т.е. на гребень поршня над канавкой верхнего 4 поршневого кольца 6 со стороны 13 противодавления. Поршень 2 оказывается в положении, в котором он подперт со стороны 12 давления.
Соответственно, после того, как поршень 2 достигает положения верхней мертвой точки или вблизи верхней мертвой точки, и на поршень 2 воздействует мгновенная нагрузка, вследствие которой произошло бы качание поршня 2, поршень 2 вписывается во внутреннюю поверхность цилиндра 23 со стороны 13 противодавления, сохраняя свое вертикальное положение. Когда поршень 2 находится в описанном состоянии в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки, расширившийся газ 38 над поршнем 2 поступает в кольцевую газовую камеру 31 поршня 2 через выемки 34 на верхнем участке 33 со стороны 32 давления внутренней поверхности 24 цилиндра 23. В этот момент на поршень 2 воздействует осевая сила (боковое давление) 42 вследствие наклона шатуна 47 в направлении стороны 32 давления и обычно вызывает боковое биение в направлении стороны 32 давления. Тем не менее, поршень 2 подпирается со стороны 32 давления газом 39 под высоким давлением, который поступил в упомянутую кольцевую газовую камеру 31 и удерживается в ней, и опускается, упираясь во внутреннюю поверхность 24 цилиндра 23 со стороны 13 противодавления.
В частности, когда на протяжении такта расширения после такта сжатия поршень 2 опускается, его боковое биение подавлено, несмотря на обратный наклон шатуна 44 и обратную мгновенную нагрузку. В частности, со стороны 32 давления, с которой воздействует боковое давление, верхний корпус 8 поршня упруго подперт газом 39 под высоким давлением, который поступил в кольцевую газовую камеру 31 и удерживается в ней, и, следовательно, поршень 2 опускается в состоянии тесного контакта с внутренней поверхностью 24 цилиндра 23 со стороны противодавления 45 и без "биения." За счет этого подавляется боковое биение поршня 2 и столкновение с внутренней поверхностью 24 цилиндра 23.
Следовательно, существенно снижаются потери на трение между поршнем 2 и внутренней поверхностью 24 цилиндра 23, потери на трение между первым поршневым кольцом 26 и поршнем 2 и потери на трение между первым поршневым кольцом 26 и внутренней поверхностью 24 цилиндра 23. Помимо этого, поскольку подавляется вибрация поршня 2, предотвращается прорыв газов.
Кроме того, на протяжении такта расширения со стороны 12 давления, с которого воздействует осевая сила 42, поршень 2, разумеется, подперт газом 39 под высоким давлением в кольцевой газовой камере 31, за счет чего снижаются потери на трение между поршнем 2 и внутренней поверхностью 24 цилиндра 23. Поскольку верхний корпус 8 поршня подперт газом 39 под высоким давлением в кольцевой газовой камере 31, в частности, со стороны 12 давления, площадь контакта между поршнем 2 и внутренней поверхностью 24 цилиндра 23 является небольшой, в результате чего уменьшается граничная вязкость масла.
Кроме того, поскольку верхний корпус 8 поршня 2 с головкой 3, на который воздействует высокотемпературный газ высокого давления, соприкасается с внутренней поверхностью 24 цилиндра 23 со стороны 13 противодавления, тогда как обычно с ней соприкасаются только поршневые кольца, площадь контакта с внутренней поверхностью 24 цилиндра 23 является большой, и из поршня 2 в цилиндр 23 поступает большой тепловой поток, что позволяет эффективно охлаждать верхнюю поверхность поршня 2. Таким образом, можно предотвращать аномальное сгорание, при этом прирост тепла по всему двигателю является низким, что позволяет удовлетворительно обеспечивать эффективность поглощения. Помимо этого, на начальной стадии такта расширения работы двигателя, когда поршень 2 находится в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки, а первое поршневое кольцо 26 поршня 2 проходит через множество выемок 34 в цилиндре 23, газ 38 под давлением над поршнем 2 быстро поступает в кольцевую газовую камеру 31 поршня 2, в результате чего на протяжении горения в камере 37 сгорания образуется поток газа, в результате возмущения которого повышается скорость горения.
На фиг.7, 8 и 9, показан поршневой двигатель 1, у которого второе поршневое кольцо поршня 2 состоит из наложенных друг на друга двух тонких поршневых колец 43, а не одного поршневого кольца 27, вставленного в канавку 5 поршневого кольца поршня 2, показанного на фиг.1.
Поскольку два поршневых кольца 43 у этого поршневого двигателя 1 наложены друг на друга и вставлены в канавку 5 поршневого кольца, между соответствующими поршневыми кольцами 43 поступает масло, которое остается между ними. За счет этого на внутренней поверхности 24 цилиндра 23 образуется отличная масляная пленка, повышается надежность уплотнения давления газа, и постоянно обеспечивается удовлетворительная жидкостная смазка между цилиндром внутренней поверхности 24 и поршневыми кольцами 43.
Хотя канавка 5 поршневого кольца проходит под наклоном к оси 29 поршня 2, соответствующие поршневые кольца 43 действуют независимо, и соответственно соприкасаются с внутренней поверхностью 24 цилиндра 23.
За счет этого формируются участки 44 с двусторонним уплотнением, что придает более высокую надежность газонепроницаемому уплотнению.
Кроме того, поскольку примыкания 45 соответствующих поршневых колец 43 смещены друг от друга, между примыканиями возникает лабиринтный эффект, что предотвращает выделение газообразного пропана из примыканий 45.
Соответственно, в поршневом двигателе 1, таком как показан на фиг.8, более надежно удерживается газ 39 под высоким давлением, который поступил в кольцевую газовую камеру 31 поршня 2. Хотя на протяжении такта расширения работы двигателя на поршень 2 воздействует значительная осевая сила 42 со стороны 12 давления, поршень 2 опускается в состояние, в котором верхний корпус 8 поршня 2 приподнят над внутренней поверхностью 24 цилиндра 23 за счет газа 39 под высоким давлением, который поступил в кольцевую газовую камеру 31 и удерживается в ней.
За счет этого также дополнительно снижаются потери на трение со стороны 12 давления, с которой воздействует осевая сила 42.
Что касается поршня 2, который способен перемещаться с внешней краевой поверхностью 16 верхнего корпуса 8 поршня и внешней краевой поверхностью 17 имеющего максимальный диаметр участка юбки 9 в соприкосновении с внутренней поверхностью 24 цилиндра 23, поскольку вторые поршневые кольца 43 имеют форму двух наложенных колец, а газ 39 под высоким давлением может надежно удерживаться, этот газ 39 под высоким давлением упруго давит на поршень 2 в направлении стороны 13 противодавления, и поршень 2 опускается вдоль внутренней поверхности 24 со стороны 13 противодавления. Колебание поршня 2 подавляется, и он плавно и мягко опускается.
На фиг.10-14 показан поршневой двигатель 48 согласно второму варианту осуществления, при этом, в частности, на фиг.13 и 14 показан поршень 49 поршневого двигателя 48 согласно этому варианту осуществления.
Поршень 49 имеет верхний корпус 55 поршня состоящий из головки 50, воспринимающей давление сгорания, и гребня 54, имеющего канавки 51, 52 и 53 поршневых колец, а также юбку 56, расположенную на нижней стороне верхнего корпуса 55 поршня, и прилив 58 пальца, на который опирается поршневой палец 57.
Позицией 79 обозначена сторона давления, а позицией 80 обозначена сторона противодавления.
Упомянутый верхний корпус 55 поршня 49 смещен от центра в направлении стороны 80 противодавления относительно осевой линии 61 поршня 49. Позицией 62 обозначена осевая линия верхнего корпуса 55 поршня. Когда поршень 49 находится в вертикальном положении, со стороны 80 противодавления внешняя краевая поверхность 63 упомянутого верхнего корпуса 55 поршня и внешняя краевая поверхность 64 имеющего максимальный диаметр участка юбки 56 совмещены по вертикали 65.
В то же время, со стороны 79 давления внешняя краевая поверхность 66 верхнего корпуса 55 поршня находится с внутренней стороны вертикальной линии 68, проходящей через внешнюю краевая поверхность 67 имеющего максимальный диаметр участка юбки 56, в результате чего между ними образуется зазор 69. Поскольку поршень 49 имеет описанную форму, когда он входит в цилиндр 70 и находится в вертикальном положении, как показано на фиг.10, со стороны 80 противодавления как внешняя краевая поверхность 63 верхнего корпуса 55 поршня, так и внешняя краевая поверхность 64 имеющего максимальный диаметр участка юбки 56 плотно упираются во внутреннюю поверхность 71 цилиндра.
В то же время, со стороны 79 давления между внешней краевой поверхностью 66 верхнего корпуса 55 поршня и внутренней поверхностью 71 цилиндра 70 имеется зазор 72.
В канавках 51 и 52 поршневых колец верхнего корпуса 55 поршня установлены соответствующие компрессионные поршневые кольца. В частности, в ближайшей к головке 50 канавке 51 поршневого кольца установлено первое поршневое кольцо 73, а в следующей за ближайшей канавке 52 поршневого кольца установлено второе поршневое кольцо 74. Само собой разумеется, что первое поршневое кольцо 73 является верхним компрессионным кольцом, а второе поршневое кольцо 74 является вторым компрессионным кольцом. Кроме того, в самой нижней канавке 53 установлено маслосборное кольцо 75. У описанного поршня 49 канавка 51 поршневого кольца, в которой установлено первое поршневое кольцо 73, и канавка 52 поршневого кольца, в которой установлено второе поршневое кольцо 74, проходят параллельно плоскости, перпендикулярной оси 76 поршня 49. Между упомянутой канавкой 51 поршневого кольца и упомянутой канавкой 52 поршневого кольца 2 расположен участок 77 гребня поршня над канавкой второго поршневого кольца с необходимым промежутком, образующий кольцевую газовую камеру 78, которая будет описана далее.
На фиг.10 показано состояние, в котором поршень 49 с первым поршневым кольцом 73, вторым поршневым кольцом 74 и маслосборным кольцом 75, установленными соответственно в канавках 51, 52 и 53 поршневых колец, входит в цилиндр 70, а двигатель работает в вертикальном положении.
Внутренняя поверхность 71 цилиндра 70 и участок 77 гребня поршня над канавкой второго поршневого кольца между первым поршневым кольцом 73 и вторым поршневым кольцом 74 образуют кольцевую газовую камеру 78. Эта кольцевая газовая камера 78 проходит параллельно со стороны 79 давления в направлении стороны 80 противодавления.
На внутренней поверхности 71 со стороны 79 давления цилиндра 70 на верхнем участке 81 цилиндра 70 выполнено множество вогнутых (3-4) выемок 82, проходящих в направлении вдоль окружности 83. Положения этих выемок 82 выбраны таким образом, чтобы при достижении поршнем 49 положения верхней мертвой точки или вблизи верхней мертвой точки первое поршневое кольцо 73 поршня 49 обходит эти выемки 82.
Таким образом, когда поршень 49 находится в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки, а первое поршневое кольцо 73 обходит выемки 82, пространства между соответствующими углублениями 84 этих выемок 82 и внешней краевой поверхностью первого поршневого кольца 73 образуют проходы, посредством которых камера 85 сгорания над поршнем 49 и кольцевая газовая камера 78 поршня 49 сообщаются друг с другом, чтобы газ 86 под высоким давлением над поршнем 49 мог поступать в кольцевую газовую камеру 78.
Помимо этого, упомянутые выемки 82 выполнены таким образом, чтобы не соединяться со вторым поршневым кольцом 74, когда поршень 2 находится в верхней мертвой точке. За счет этого газ 86 под высоким давлением в камере 85 сгорания не прорывается вниз из поршня 49.
Таким образом, во время работы двигателя, в частности, когда поршень 49 находится в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки на протяжении от конечной стадии такта сжатия до начальной стадии такта расширения, когда первое поршневое кольцо 73 обходит выемки 82, газ 86 под высоким давлением, который сгорает и расширяется в камере 85 сгорания над поршнем 49, проходит через выемки 82 и поступает в кольцевую газовую камеру 78 поршня 49. Одновременно с этим поршень 49 оказывается в положении, в котором он подпирается газом 87 под высоким давлением, который поступил в кольцевую газовую камеру 78 в верхнем корпусе 55 поршня, а со стороны 79 давления на него действует давление в направлении стороны 80 противодавления. Во время такта расширения поршень 49 опускается и оказывается в состоянии, в котором внешняя краевая поверхность 63 со стороны 80 противодавления верхнего корпуса 55 поршня и внешняя краевая поверхность 64 имеющего максимальный диаметр участка юбки 56 упираются во внутреннюю поверхность 71 цилиндра 70, тогда как газ 87 под давлением, действующий, как это описано выше, удерживается внутри кольцевой газовой камеры 78.
В описанной выше конструкции поршневого двигателя 1 согласно этому второму варианту осуществления внешняя краевая поверхность 63 верхнего корпуса 55 поршня 49 и внешняя краевая поверхность 64 имеющего максимальный диаметр участка юбки 56 совмещены друг с другом по вертикальной линии 65 со стороны 80 противодавления. Таким образом, когда поршень 49 входит в цилиндр со стороны 80 противодавления в вертикальном положении, внешняя краевая поверхность 63 верхнего корпуса 55 поршня и внешняя краевая поверхность 64 имеющего максимальный диаметр участка юбки 56 находятся в контакте с внутренней поверхностью 71 цилиндра 70. Если смотреть от верхней поверхности поршня со стороны 80 противодавления, внешняя краевая поверхность 63, в частности, гребень 88 поршня над канавкой верхнего поршневого кольца верхнего корпуса 55 поршня вписывается во внутреннюю поверхность 71 цилиндра 70 в форме дуги окружности, как показано на фиг.12.
В то же время, между внешней краевой поверхностью 66 верхнего корпуса 55 поршня и внутренней поверхностью 71 цилиндра 70 со стороны 79 давления находится имеющий форму дуги окружности зазор 72.
Когда сжатый газ и расширившийся газ 86 воздействуют на верхнюю поверхность поршня 49, который находится в описанном состоянии, давление газа воздействует на гребень 88 поршня над канавкой верхнего поршневого кольца на внешней краевой поверхности 66 со стороны 79 давления верхнего корпуса 55 поршня, но не может воздействовать по окружности на внешнюю краевую поверхность 63 со стороны 80 противодавления, т.е. на гребень 88 поршня над канавкой верхнего поршневого кольца со стороны 80 противодавления. Поршень 49 оказывается в положении, в котором он подперт со стороны 79 давления.
Соответственно, после того, как поршень 49 достигает положения верхней мертвой точки или вблизи верхней мертвой точки, и на поршень 49 воздействует мгновенная нагрузка, вследствие которой произошло бы качание поршня 49, поршень 49 вписывается во внутреннюю поверхность цилиндра 70 со стороны 80 противодавления, сохраняя свое вертикальное положение. Когда поршень 49 находится в описанном состоянии в верхней мертвой точке или вблизи верхней мертвой точки, расширившийся газ 86 под высоким давлением над поршнем 49 поступает в кольцевую газовую камеру 78 поршня 49 через выемки 82 на верхнем участке 81 со стороны 79 давления внутренней поверхности 71 цилиндра 70. В этот момент на поршень 49 воздействует осевая сила (боковое давление) 90 вследствие наклона шатуна 89 в направлении стороны 79 давления и обычно вызывает боковое биение в направлении стороны 79 давления. Тем не менее, поршень 49 опускается, при этом его колебание подавляется, и он сохраняет свое вертикальное положение и упирается своей стороной 80 противодавления во внутреннюю поверхность 71 цилиндра 70, а со стороны 79 давления подпирается газом 87 под высоким давлением, который поступил в кольцевую газовую камеру 78 и удерживается в ней.
В частности, когда на протяжении такта расширения после такта сжатия поршень 49 опускается, его боковое биение подавляется, несмотря на обратный наклон шатуна 89 и обратную мгновенную нагрузку. В частности, со стороны 79 давления, с которой воздействует боковое давление, верхний корпус 55 поршня упруго подперт газом 87 под высоким давлением, который поступил в кольцевую газовую камеру 78 и удерживается в ней, и, следовательно, поршень 49 опускается в состоянии тесного контакта с внутренней поверхностью 71 цилиндра 70 со стороны 90 противодавления и без "биения". За счет этого подавляется боковое биение поршня 49 и столкновение с внутренней поверхностью 71 цилиндра 70.
Следовательно, существенно снижаются потери на трение между поршнем 49 и внутренней поверхностью 71 цилиндра 70, потери на трение между первым поршневым кольцом 59 и поршнем 49 и потери на трение между первым поршневым кольцом 59 и внутренней поверхностью 71 цилиндра 70. Помимо этого, поскольку подавляется вибрация поршня 49, предотвращается прорыв газов.