Поршень

Поршень

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 участ