BRPI0618097B1

BRPI0618097B1 - pistão

Info

Publication number: BRPI0618097B1
Application number: BRPI0618097-3A
Authority: BR
Inventors: Richard J. Donahue
Original assignee: Innio Waukesha Gas Engines Inc.
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2021-01-26
Also published as: CA2840589C; DE602006015834D1; WO2007056044A1; EP2096337A1; CA2840589A1; ATE475826T1; RU2419736C2; ATE519976T1; CA2624119C; EP1943444B2; CA2624119A1; EP1943444A1; RU2008122043A; EP2096337B1; EP1943444B1; BRPI0618097A2

Abstract

PISTÃO. Algumas das modalidades de um pistão 100 podem ter um formato que proporciona guia aperfeiçoada de pistão. Em tais modalidades, o formato do pistão pode incluir um perfil axial que é configurado para prover certas características de carga de empuxo.

Description

DECLARAÇÃO COM RELAÇÃO À PESQUISA E DESENVOLVIMENTO PATROCINADOS PELO GOVERNO FEDERAL

[001] O Governo dos Estados Unidos tem uma licença saldada nessa invenção e o direito em circunstâncias limitadas de requerer que o proprietário da patente licencie outros em termos razoáveis conforme provido pelos termos do DE-FCO2- 01CD11080 outorgado pelo Departamento de Energia.

REFERÊNCIA A PEDIDOS RELACIONADOS

[002] O presente pedido reivindica o benefício de prioridade para o Pedido de Patente US 11/265.870 depositado em 3 de novembro de 2005 e Pedido de Patente US 11/265.948 depositado em 3 de novembro de 2005 ambos intitulados "Pistão".

CAMPO DA INVENÇÃO

[003] Esse documento se refere aos pistões para uso em motores ou semelhantes.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[004] Vários tipos de motores podem utilizar pistões em um diâmetro interno de cilindro. Cada pistão pode se deslocar em movimento alternado dentro de seu diâmetro interno associado quando uma porção da superfície circunferencial externa do pistão é guiada pela parede do cilindro. O pistão pode incluir uma saia que é moldada para se apoiar contra a parede do cilindro (com uma camada hidrodinâmica entre elas para prover lubrificação) quando o pistão é deslocado alternadamente no diâmetro interno do cilindro. Em geral, a porção inferior do pistão dentro da saia de pistão é substancialmente oca enquanto que a porção superior do pistão próximo à face do pistão é sólida. Consequentemente, o pistão pode ter expansão térmica não-uniforme e rigidez não-uniforme.

[005] Concentrações de tensão causadas pela expansão térmica do pistão, flexão, e oscilação no diâmetro interno podem fazer com que o pistão "esfregue" ou de outra forma roce contra a superfície da parede do cilindro após movimentos alternados repetidos. Além disso, a expansão térmica do material de pistão pode aumentar a força de contato entre o pistão e o diâmetro interno, causando elevada fricção que pode resultar em perda de eficiência e possível emperramento do pistão no diâmetro interno do cilindro. Se o raio externo do pistão for muito pequeno, a superfície circunferencial externa pode não se apoiar suficientemente contra a parede do cilindro fazendo com que o pistão oscile excessivamente no eixo de pino do pistão ou vibre dentro do diâmetro interno do cilindro.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[006] Certas modalidades da invenção incluem um pistão tendo um formato que pode prover orientação aperfeiçoada do pistão. Em tais modalidades, o formato do pistão pode incluir um perfil axial que considera as mudanças em rigidez do pistão a partir da porção inferior para a porção superior.

[007] Em algumas modalidades, um pistão pode incluir uma porção de cabeça, uma porção de saia, um perfil axial em um plano de empuxo. O perfil axial, quando o pistão está substancialmente em uma temperatura de operação, pode incluir um perfil de saia inferior e um perfil de saia intermediário adjacente ao perfil de saia inferior. Pelo menos uma porção do perfil de saia intermediário pode ter uma curvatura côncava no plano de empuxo. O perfil axial também pode incluir um perfil de saia superior adjacente ao perfil de saia intermediário.

[008] Em algumas modalidades, um equipamento pode incluir um motor de combustão interna tendo pelo menos uma parede definindo um diâmetro interno. O equipamento também pode incluir um pistão disposto para movimento alternado no diâmetro interno. O pistão pode incluir uma porção de cabeça e uma porção de saia. O pistão pode ter uma superfície externa substancialmente circunferencial e pelo menos uma porção da superfície externa pode se apoiar contra a parede em um plano de empuxo. A superfície externa pode incluir uma porção de aba inferior, uma porção de aba intermediária, e uma porção de aba superior. A porção de aba intermediária pode incluir uma curvatura côncava no plano de empuxo quando o pistão está substancialmente na temperatura de operação.

[009] Em algumas modalidades, um motor de combustão interna pode incluir uma parede de diâmetro interno pelo menos parcialmente definindo um diâmetro interno. O motor também pode incluir um pistão que se desloca no diâmetro interno em resposta a um evento de combustão que proporciona um componente de força de biela e um componente de força de empuxo. O componente de força de empuxo empurra o pistão contra o lado de empuxo maior da parede do diâmetro interno. O pistão pode incluir uma porção de cabeça e uma porção de saia. A porção de saia pode ter uma parede de saia substancialmente circunferencial que é operável para ser apoiar contra a parede de diâmetro interno em um plano de empuxo. A parede de saia pode incluir um ponto de saia superior ao longo de um lado de empuxo maior do plano de empuxo separado de um ponto de saia inferior ao longo do lado de empuxo maior do plano de empuxo. A porção da parede de saia proximal ao ponto de saia inferior pode ter flexibilidade radial substancialmente maior do que a porção da parede de saia proximal ao ponto de saia superior. Além disso, o ponto de saia superior e o ponto de saia inferior podem sustentar cargas laterais substancialmente equivalentes quando o pistão é empurrado contra o lado de empuxo maior da parede do diâmetro interno.

[010] Essas e outras modalidades podem ser configuradas para prover uma ou mais das seguintes vantagens. Em primeiro lugar, o formato do pistão pode prover melhor orientação dentro do diâmetro interno do cilindro. Em segundo lugar, em algumas modalidades o pistão pode ser configurado para prover uma distribuição de carga mais uniforme ao longo do lado de empuxo maior da superfície circunferencial externa, o que pode reduzir ocorrências de "esfregação" ou de outro modo roçadura contra a parede de cilindro. Em terceiro lugar, o formato do pistão pode reduzir o ângulo de oscilação da face superior do pistão, o que pode permitir espaços livres menores entre o topo do pistão e a parede do cilindro. Tal redução desse espaço livre pode melhorar o desempenho e a eficiência do motor.

[011] Certas modalidades da invenção incluem um pistão tendo um formato que pode prover orientação aperfeiçoada do pistão. Em tais modalidades, o formato do pistão pode incluir o perfil axial configurado para focalizar as forças de reação de empuxo sobre a saia do pistão de modo que um centroide de força da saia é posicionado em uma altura axial em ou ligeiramente abaixo do eixo pivô do pistão. Tal configuração é capaz de reduzir o momento de força de empuxo que normalmente causaria um movimento de oscilação do pistão. Além disso, tal configuração pode reduzir a probabilidade de que porções mais rígidas do pistão rocem ao longo da parede do cilindro, desse modo permitindo uma folga substancialmente menor entre a seção superior do que a parede de cilindro.

[012] Em algumas modalidades, um motor de combustão interna pode incluir pelo menos uma parede definindo um diâmetro interno, e um pistão disposto no diâmetro interno e acoplado a uma biela de pistão para girar em torno de um eixo pivô. O pistão pode incluir uma superfície externa substancialmente circunferencial tendo uma porção de cabeça e uma porção de saia abaixo da porção de cabeça. Pelo menos uma porção da superfície externa pode se apoiar contra a parede em um plano de empuxo quando o pistão está substancialmente em uma temperatura de operação e sujeito a uma força de empuxo. A porção da força de empuxo sustentada pela porção de aba no plano de empuxo pode ser definida por um centroide de força de saia, e o centroide de força de saia pode ser posicionado em uma altura axial em ou abaixo do eixo pivô.

[013] Algumas das modalidades de um pistão incluem um pistão para uso em um motor tendo uma parede de diâmetro interno de modo que, quando o pistão está substancialmente em temperatura de operação e sujeito a uma força de empuxo, o pistão pivota em torno de um eixo pivô para se apoiar contra a parede de diâmetro interno em um plano de empuxo. O pistão pode incluir uma superfície externa substancialmente circunferencial tendo uma porção de cabeça e uma porção de saia abaixo da porção de cabeça. A porção de cabeça pode ter pelo menos alguns raios no plano de empuxo que são maiores do que pelo menos alguns dos raios da porção de saia quando o pistão está substancialmente na temperatura de operação de modo que a superfície externa tem um deslocamento radial no plano de empuxo acima do eixo pivô. A superfície externa do pistão pode sustentar pelo menos uma porção da força de empuxo no plano de empuxo. A porção da força de empuxo sustentada pela porção de saia no plano de empuxo pode ser definida por um centroide de força de saia, e o centroide de força de saia pode ser posicionado em uma altura axial em ou abaixo do eixo pivô. A porção da força de empuxo sustentada pela porção de cabeça pode ser definida por um centroide de força de cabeça, o centroide de força de cabeça pode ser substancialmente menor em magnitude do que o centroide de força de saia.

[014] Essas e outras modalidades podem ser configuradas para prover uma ou mais das seguintes vantagens. Em primeiro lugar, o formato do pistão pode prover melhor orientação dentro do diâmetro interno do cilindro. Em segundo lugar, o centroide das forças de reação de empuxo, sobre a saia do pistão pode ocorrer na altura axial do eixo pivô ou ligeiramente abaixo dela enquanto as forças de reação de empuxo sobre a cabeça de pistão são relativamente pequenas. Como tal, o movimento da força de empuxo que normalmente causaria um movimento de oscilação do pistão pode ser reduzido. Em terceiro lugar, o desgaste associado às forças de reação de empuxo sobre a cabeça de pistão pode ser pequeno, ou insuficiente para causar roçadura substancial. Como tal, o pistão pode ser configurado para ter uma folga substancialmente menor entre a seção superior do que a parede de cilindro, o que pode reduzir as emissões indesejáveis. Além disso, em algumas circunstâncias a folga mais justa entre a seção superior e a parede de cilindro e a magnitude inferior das forças de reação de empuxo sobre a cabeça de pistão podem substancialmente reduzir o desgaste na seção superior, no anel(is) de pistão, e na parede do cilindro.

[015] Os detalhes de uma o mais modalidades da invenção são apresentados nos desenhos anexos e na descrição abaixo. Outras características, objetivos e vantagens da invenção serão evidentes a partir da descrição e desenhos, e a partir das reivindicações.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[016] A Figura 1A é uma vista lateral de um pistão e de uma porção de um motor de acordo com algumas modalidades da invenção.

[017] A Figura 1B é uma vista lateral do pistão da Figura 1A.

[018] A Figura 2 é uma vista em seção transversal de um pistão de acordo com algumas modalidades da invenção.

[019] A Figura 3 é um diagrama mostrando um exemplo de um perfil axial de uma saia de pistão de acordo com uma modalidade da invenção.

[020] A Figura 4 é uma vista esquemática de uma seção transversal de um pistão de acordo com algumas modalidades da invenção.

[021] A Figura 5 é um diagrama mostrando um exemplo de um perfil polar de um pistão de acordo com uma modalidade da invenção.

[022] A Figura 6 é uma vista em seção transversal de um pistão de acordo com algumas modalidades da invenção.

[023] A Figura 7 é um diagrama mostrando um exemplo de um perfil axial de uma cabeça de pistão e saia de pistão de acordo com uma modalidade da invenção.

[024] Símbolos de referência similares nos vários desenhos indicam elementos semelhantes.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[025] Com referência às Figuras 1A -B, um pistão 100 é capaz de se deslocar alternadamente dentro de um diâmetro interno de cilindro 205 de um motor 200 (uma porção do motor 200 foi removida da Figura 1A para melhor visualização do pistão 100). Uma camada hidrodinâmica de óleo ou outro lubrificante pode revestir as porções da parede de cilindro 210 para reduzir a fricção entre o pistão 100 e a parede de cilindro 210. O pistão 100 pode ser engatado pivotantemente com uma biela de pistão 102 utilizando um pino 104. Em tais circunstâncias, eixo de pino ou de pino permite receba forças a o pistão 100 pode pivotar em torno de um pivô 105 em relação à biela 102. A conexão que o pistão 100 transmita forças para, ou partir da biela 102 quando o pistão 100 se desloca alternadamente dentro do diâmetro interno 205. Em certas modalidades, o pistão 100 é construído integralmente ou em parte de alumínio ou ligas contendo alumínio, carbono (por exemplo, fibras de carbono e carbono/carbono), ferro, aço, ou outros materiais adequados e pode incluir combinações dos materiais mencionados acima ou outros.

[026] Com referência à Figura 1A, o diâmetro interno de cilindro 205 pode definir pelo menos uma porção de uma câmara de combustão onde um evento de combustão 205 exerce uma força sobre o pistão 100 e causa um curso de expansão. A pressão de combustão pode ser transferida para o pistão 100 em uma direção substancialmente paralela ao eixo do diâmetro interno de cilindro 205 porque pelo menos uma porção da superfície superior do pistão 112 (Figura 1B) pode ser substancialmente perpendicular ao eixo do diâmetro interno de cilindro 205. Uma porção da força a partir do evento de combustão 250 pode ser transmitida como um componente de força de biela 252 para a biela 102 (em uma direção longitudinal da biela 102). Além disso, como a biela 102 pode não estar alinhada com a direção da força de combustão, uma porção da força a partir do evento de combustão 250 pode ser transmitida como um componente de força de empuxo 254.

[027] A força de empuxo 254 pode induzir uma superfície de empuxo maior 130 do pistão 100 contra um lado de empuxo maior 230 da parede de cilindro 210. O componente de força de empuxo 254 pode estar no plano de empuxo, o qual é um plano substancialmente perpendicular ao eixo de pino 105 que pode se estender ao longo de um eixo de empuxo 117 (também mostrado na Figura 4) através da superfície de empuxo maior 130 do pistão 100. A força de empuxo 254 pode gerar um momento em torno do eixo de pino 105, fazendo com que o pistão 100 pivote em torno do eixo de pino 105 de tal modo que o eixo de pistão 115 é inclinado a partir do eixo do diâmetro interno do cilindro em um ângulo de oscilação.

[028] Para prover orientação durante o movimento alternado e para limitar o ângulo de oscilação do pistão 100 (oscilação excessiva poderia causar concentrações de tensão que "esfreguem" ou de outro modo roçam contra a parede de cilindro 210), o pistão 100 pode incluir uma porção de saia 120 que se apoia contra a parede de cilindro 210 - preferivelmente com uma camada hidrodinâmica de lubrificante entre as mesmas. Essa porção de saia 120 pode guiar o pistão 100 para limitar o movimento de oscilação do pistão 100. Além disso, a saia de pistão 120 pode flexionar quando a força de empuxo 254 empurra o pistão 100 contra o lado de empuxo maior 230 (descrito em mais detalhe abaixo).

[029] Deve ser entendido que, durante o curso de compressão (não mostrado na Figura 1A), o pistão 100 pode reagir a uma força a partir da biela 102 na conexão de pino. Em algumas ocorrências, a biela 102 pode forçar o pistão 100 a comprimir a câmara de combustão em antecipação ao evento de combustão subsequente. Um componente de reação da força a da biela 102 pode ser na forma de uma força de que empurra a superfície de empuxo menor 104 do 100 contra aquele lado de empuxo menor 240. Outra partir empuxo pistão vez, em tais circunstâncias, a saia de pistão 120 pode guiar o pistão 100 para limitar o movimento de oscilação do pistão 100.

[030] Com referência à Figura 1B, o pistão 100 inclui uma porção de cabeça de pistão 110 e a porção de saia de pistão 120. A cabeça de pistão 110 pode incluir um topo de pistão 112 que está voltado para a câmara de combustão descrita acima em conexão com a Figura 1A. A cabeça de pistão 110 pode incluir uma ou mais ranhuras de anel, tal como uma ou mais ranhuras de montagem de anel comprimido 113 (duas mostradas) e uma ou mais ranhuras de montagem de anel -óleo 114 (uma mostrada). Em geral, a saia de pistão 120 é adjacente à cabeça de pistão 110 e começa em ou aproximadamente, e se estende abaixo, da parede inferior da ranhura de anel mais baixa (por exemplo, ranhura de anel 114 nessa modalidade) oposta à superfície superior de pistão 112. A saia de pistão 120 inclui uma porção geralmente oca 121, proximal à parte inferior 122 do pistão 100. A saia de pistão 120 também pode incluir diâmetros internos de pino 124 alinhados com o eixo de pino 105 para receber o pino 104. O pino 104 é unido com os furos de pino 124 e é disposto na porção oca 121 da saia 120.

[031] A cabeça de pistão 110 é geralmente mais rígida do que a saia de pistão 120, e em algumas modalidades, pode ser uma construção sólida. Como tal, quando a força de empuxo 254 empurra o pistão 100 contra o lado maior 230 da parede de cilindro 210, a saia de pistão 120 pode se flexionar substancialmente mais do que a cabeça de pistão 110. Contudo, a rigidez da saia de pistão 120 não é necessariamente constante a partir da parte inferior 122 até a cabeça de pistão 110. Por exemplo, na modalidade mostrada na Figura 1B, a parede circunferencial 126 que circunda a porção oca 121 geralmente aumenta em espessura a partir da parte inferior 122 em direção à cabeça de pistão 110. Em tais circunstâncias, a saia de pistão 120 pode ser mais rígida próximo à porção de cabeça de pistão 110 do pistão 100 (onde a espessura de parede é maior).

[032] Ainda com referência à Figura 1B, o perfil axial (no plano de empuxo) do pistão 100 é ilustrado esquematicamente na temperatura de operação utilizando a linha de perfil axial 150. Devido às diferenças em temperaturas nos locais diferentes em torno do pistão 100 que ocorrem durante operação, a quantidade de expansão térmica do pistão 100 ao longo de seu eixo pode não ser uniforme. Consequentemente, o perfil axial do pistão 100 em temperatura ambiente (a maior parte ou todo o pistão está a 25.deg.C) pode ser diferente do que na temperatura de operação. A temperatura de operação é a distribuição de temperatura em torno do pistão 100 que é conseguida e mantida quando o motor 200 é operado em estado constante por um período de tempo prolongado. A temperatura de operação pode variar dependendo da configuração do motor, mas em geral, a temperatura de operação é substancialmente maior do que a temperatura ambiente. Por exemplo, na temperatura de operação, as temperaturas do pistão podem estar na faixa de 65,5°C a 537,8°F, e em algumas circunstâncias, na faixa de 93,3°F a 371,1°F.

[033] A linha de perfil axial 150 mostra mudanças na superfície circunferencial externa do pistão 100 em uma direção do longo do eixo de pistão 115. A linha de perfil axial 150 ilustrada na Figura 1B representa as mudanças no raio externo do pistão 100 em relação à altura axial em uma seção transversal do plano de empuxo. Como descrito anteriormente, o plano de empuxo é substancialmente perpendicular ao eixo de pino 105 e pode se estender ao longo do eixo de empuxo 117 (também mostrado na Figura 4) através da superfície de empuxo maior 130 do pistão 100. A linha de perfil axial 150 é mostrada na forma exagerada apenas com finalidades de ilustração. Deve ser entendido que a mudança no raio externo do pistão 100 pode ser pequena em relação ao tamanho total do pistão 100, de modo que o pistão 100 pode parecer substancialmente cilíndrico em formato quando visto a partir de uma distância. Nessa modalidade, a linha de perfil axial 150 ao longo da superfície de empuxo maior 130 é similar em formato à linha de perfil axial 150 ao longo da superfície de empuxo menor 140.

[034] A linha de perfil axial 150 pode incluir uma linha de perfil de saia 152 coincidindo com a porção de saia 120 e uma linha de perfil de cabeça 151 coincidindo com a porção de cabeça de pistão 110. A linha de perfil de cabeça 151 mostra que, nessa modalidade, o raio externo do pistão diminui progressivamente próximo à superfície superior 112 do pistão 100 (linha de perfil de cabeça 151 mostrada na Figura 1B não ilustra os contornos exatos do pistão nas ranhuras 113 e 114). Como tal, o formato da cabeça de pistão 110 pode prover algum espaço livre entre a borda superior do pistão 100 e a parede de cilindro 210. Esse espaço livre pode ser exigido para reduzir a probabilidade de roçadura contra a parede de cilindro 210 quando o pistão 100 está orientado em seu ângulo de oscilação máximo. A eficiência da transferência de pressão de combustão para o pistão 100 pode ser aumentada, contudo, se o espaço livre entre a borda superior do pistão 100 e a parede de cilindro 210 for reduzido. Nessa modalidade, o pistão 100 pode ser projetado para ter um espaço livre reduzido entre a borda superior do pistão 100 e a parede de cilindro 210. Conforme descrito em mais detalhe abaixo, a porção de saia de pistão 120 pode ser configurada para se apoiar contra a parede de cilindro 210 e carregar uma porção substancial da carga de empuxo quando a força de empuxo 254 empurra o pistão 100 contra a parede de cilindro 210. Quando a porção de saia de pistão 120 se apoia contra a parede de cilindro 210 e provê guia suficiente para o pistão 100, a tendência do pistão 100 em oscilar em torno do eixo de pino 105 pode ser reduzida, o que por sua vez permite um modelo tendo um espaço livre reduzido na borda superior do pistão 100.

[035] Alternativamente, a linha de perfil de cabeça 151 da cabeça de pistão 110 pode ter um raio externo constante que é menor do que o raio da porção de saia 120. Em tais modalidades, certo espaço livre entre a borda superior do pistão 100 e a parede de cilindro 210 existiria. Outra vez, esse espaço livre pode ser reduzido fazendo-se com que a saia de pistão 120 se apoie contra a parede de cilindro 210 e carregue uma porção substancial da carga de empuxo quando a força de empuxo 254 empurra o pistão 100 contra a parede de cilindro 210, conforme descrito em mais detalhe abaixo.

[036] Ainda com referência à Figura 1B, pelo menos uma porção do perfil axial do pistão pode mudar para responder por uma redução na rigidez do pistão 100. Conforme descrito anteriormente, a saia de pistão 120 pode ser menos rígida do que a cabeça de pistão 110. Em tais modalidades, a superfície de empuxo maior 130 e a superfície de empuxo menor 140 podem ser moldadas para responder pelas mudanças em rigidez, por exemplo, mediante variação do raio externo no plano de empuxo como uma função da espessura da parede de pistão, flexão da parede, e outros fatores.

[037] A linha de perfil de saia 152 do pistão 100 inclui uma linha de perfil de saia inferior 154 e uma linha de perfil de saia intermediária 156, e algumas modalidades também podem incluir uma linha de perfil de saia superior 158. Nessa modalidade, pelo menos uma porção da linha de perfil de saia inferior 154 pode ter uma curvatura convexa incluindo um ponto de raio máximo 155. Nessa modalidade, o ponto de raio máximo 155 representa a localização do diâmetro externo máximo da superfície circunferencial do pistão. O ponto de raio máximo 155 pode ocorrer ao longo da linha de perfil de saia inferior 154 em uma altura axial acima da parte inferior 122 onde a parede circunferencial 126 é menos rígida. (Em algumas modalidades, o ponto de raio máximo 155 pode ocorrer ao longo da linha de perfil de saia inferior 154 em ou próximo à parte inferior 122.) A porção mais baixa da linha de perfil de saia inferior 154 (por exemplo, proximal à parte inferior 122), enquanto talvez menos rígida, pode incluir uma curvatura convexa no sentido para dentro para evitar goivadura da parede de cilindro 210. A curvatura convexa da linha de perfil de saia inferior 154 também ajuda na instalação do pistão dentro do diâmetro interno do cilindro, porque ajuda a centralizar o pistão no diâmetro interno de cilindro. Deve ser entendido que em outras modalidades a linha de perfil de saia inferior 154 pode incluir outras curvaturas ou inclinações. Por exemplo, a porção mais baixa da linha de perfil de saia inferior 154 pode incluir um perfil substancialmente linear que representa uma redução linear no raio do pistão a partir de um local em ou em torno do ponto de raio máximo 155 até um local em ou em torno da parte inferior de pistão 122. Em outras ocorrências, a porção inferior da linha de perfil de saia inferior 154 pode não incluir redução no raio de pistão a partir de um local em ou em torno do ponto de raio máximo 155 até um local em ou em torno da parte inferior de pistão 122.

[038] Nessa modalidade, a linha de perfil de saia intermediária 156 inclui um primeiro ponto de inflexão 157, no qual a linha de perfil de saia inferior 154 se une à linha de perfil de saia intermediária 156. Pelo menos uma porção da linha de perfil de saia intermediária 156 inclui uma curvatura côncava, mas deve ser entendido que outras porções da linha de perfil de saia intermediária 156 podem incluir outras curvaturas ou inclinações. A curvatura côncava pode responder por mudanças substanciais em rigidez nas porções intermediárias da saia de pistão 120 causadas, por exemplo, por mudanças substanciais na espessura da parede circunferencial 126.

[039] Nessa modalidade, a linha de perfil de saia intermediária 156 inclui também um segundo ponto de inflexão 159, no qual a linha de perfil de saia superior 158 se une à linha de perfil de saia intermediária 156. Pelo menos uma porção da linha de perfil de saia superior 158 pode incluir uma curvatura convexa que se encontra com a linha de perfil de cabeça de pistão 151. A linha de perfil 158 pode ter, contudo, outros formatos. Por exemplo, a linha de perfil de saia superior 158 pode ter uma inclinação substancialmente constante a partir de um local em ou próximo do segundo ponto de inflexão 159 até um local em ou próximo do início da cabeça de pistão 110. Na modalidade da Figura 1B, nenhum dos raios da linha de perfil de cabeça de pistão 151 no plano de empuxo é maior do que os raios da linha de perfil de saia superior 158 no plano de empuxo. Em outras modalidades, alguns raios da linha de perfil de cabeça de pistão 151 no plano de empuxo são maiores do que os raios da linha de perfil de saia superior 158 no plano de empuxo. Além disso, na modalidade da Figura 1B, nenhum dos raios da linha de perfil de saia superior 158 no plano de empuxo é maior do que os raios da linha de perfil de saia intermediária 156 no plano de empuxo.

[040] Com referência agora à Figura 2, a linha de perfil axial 150 do pistão 100 pode ser representada em um gráfico mostrando o raio no plano de empuxo relativo à altura axial a partir da parte inferior de pistão 122. O gráfico na Figura 2 ilustra o perfil axial do pistão 100 em ou próximo da temperatura de operação e em ou próximo da temperatura ambiente. Como descrito anteriormente, o perfil axial do pistão 100 pode ser diferente dependendo de se o pistão 100 está em ou próximo da temperatura de operação ou em ou próximo da temperatura ambiente. Por exemplo, a linha de perfil de saia intermediária 156 pode ser geralmente convexa ou linear quando o pistão está em ou aproximadamente na temperatura ambiente (consultar, por exemplo, a linha pontilhada no gráfico da Figura 2), mas devido à expansão térmica da parede circunferencial, a linha de perfil de saia intermediária 156 pode se ajustar para incluir a curvatura côncava à medida que se aproxima da temperatura de operação (consultar, por exemplo, a linha sólida no gráfico na Figura 2). Nas outras modalidades, a linha de perfil de saia intermediária 156 pode incluir uma curvatura côncava quando o pistão 100 está no estado termicamente expandido e quando o pistão 100 está em um estado esfriado.

[041] A Figura 2 mostra também a seção transversal plana de empuxo do pistão 100, a qual inclui a parede circunferencial 126 circundando a porção oca 121. A parede circunferencial 126 varia em espessura em uma direção ao longo do eixo de pistão 115, a qual pode afetar a rigidez da saia de pistão 120 em certas alturas axiais. Em um exemplo, a porção de saia inferior pode incluir um ponto no qual a espessura de parede 125 é de aproximadamente 0,48 cm, a porção de saia intermediária pode incluir um ponto no qual a espessura de parede 127 é de aproximadamente 0,86 cm, e a porção de saia superior pode incluir um ponto no qual a espessura de parede 129 é de aproximadamente 1,55 cm. Como uma espessura de parede maior pode aumentar a rigidez radial da parede circunferencial 126, o ponto de saia superior pode ter rigidez radial substancialmente maior do que o ponto de saia inferior. Além disso, a saia de pistão 120 pode incluir furos de pinos 124 alinhados com o eixo de pino 105 para receber o pino 104, o que pode afetar a rigidez da saia de pistão em certas alturas axiais.

[042] Como descrito anteriormente, a linha de perfil de saia 152 pode ser moldada para responder pelas mudanças em rigidez da saia de pistão a partir da porção de saia inferior para a porção de saia superior. Em tais modalidades, algumas porções flexíveis da saia de pistão 120 podem ter raios maiores no plano de empuxo de modo a flexionar quando exposta à carga de empuxo e fazer com que a saia de pistão 120 se apoie contra a parede de cilindro 210 com uma distribuição de carga mais uniforme. Por exemplo, a porção inferior da saia de pistão 120 pode ser mais flexível e, portanto, pode ter um ponto de raio máximo 155 em interferência com a parede de cilindro 210 nas temperaturas de operação. Devido à flexão na porção inferior da saia de pistão 120, contudo, a carga de área unitária em torno da porção inferior da saída do pistão é substancialmente similar à carga diária unitária em torno da porção superior da saia (isto é, a porção superior mais rígida da saia 120 pode não se apoiar contra a parede de cilindro 210 com uma porção substancialmente maior da carga de empuxo).

[043] Ainda com referência à Figura 2, o pistão 100 pode incluir opcionalmente um vaso de combustão 111. O vaso de combustão 111 pode ser utilizado para otimizar as características de combustão na câmara de combustão de um motor. Por exemplo, um vaso de combustão 111 pode ser usado em um pistão de um motor a gasolina, motor diesel ou motor a gás natural. Em tais modalidades, o vaso de combustão 111 não afeta significativamente a rigidez da cabeça de pistão 110, e a cabeça de pistão 110 permanece substancialmente mais rígida do que porções da saia de pistão 120. Nessa modalidade, a linha de perfil de cabeça de pistão 151 mostra que o raio da cabeça de pistão 110 no plano de empuxo é menor do que aquelas porções mais flexíveis da saia de pistão 120.

[044] A Figura 3 mostra um exemplo da linha de perfil de saia de pistão 152 representada em um gráfico onde o pistão 100 está na temperatura de operação ou aproximadamente na temperatura de operação. Como a escala do raio de saia de pistão foi limitada a uma faixa de 7,584 a 7,592 cm nesse exemplo, o formato da linha de perfil de saia 152 foi exagerado. Deve-se entender que as escalas dimensionais mostradas na Figura 3 têm apenas a finalidade de ilustração, e que outras modalidades podem incluir um pistão tendo várias dimensões não ilustradas na Figura 3. Além disso, deve ser entendido que a curvatura do perfil axial, a proporção, e o formato, mostrados na Figura 3, são apenas para fins ilustrativos, e que outras modalidades podem incluir um perfil axial tendo várias curvaturas, proporções, e formatos não-ilustrados na Figura 3. Nesse exemplo, a linha de perfil de ensaio de pistão 152 mostra a diminuição geral no raio de saia a partir do ponto de raio máximo 155 em direção à porção de saia superior. Essa diminuição no raio de saia geralmente acompanha a flexibilidade da saia de pistão nesse exemplo, e a mudança em taxa de raio decrescente coincide com uma transição de flexível/rígida da saia de pistão.

[045] Com referência à Figura 3, a porção mais baixa da linha de perfil de saia inferior 154 (por exemplo, próximo à parte inferior na altura axial = 0,000) inclui uma curvatura convexa no sentido para dentro para evitar goivadura da parede de cilindro' 210 durante movimento alternado do pistão 100. Nesse exemplo, a linha de perfil de saia inferior 154 inclui o ponto de raio máximo 155 em uma altura axial acima da parte inferior onde a saia de pistão 120 é menos rígida. Conforme descrito anteriormente, pelo menos uma porção da linha de perfil de saia intermediária 156 pode incluir uma curvatura côncava. Tal curvatura côncava pode, por exemplo, representar uma mudança substancial dos raios da saia de pistão no plano de empuxo devido a uma mudança substancial na rigidez da saia de pistão. Nesse exemplo, a linha de perfil de saia intermediária 156 se encontra com a linha de perfil de saia superior 158, em um segundo ponto de inflexão 159 e se estende em direção à linha de perfil de cabeça (não mostrada no exemplo na Figura 3).

[046] Conforme mostrado no exemplo na Figura 3, a linha de perfil de saia 152 pode ser formada para responder pelas mudanças em rigidez da saia de pistão 120 a partir da porção de saia inferior para a porção de saia superior, e tal configuração pode permitir que a saia de pistão 120 se apoie contra a parede de cilindro 210 com uma distribuição de carga mais uniforme. Nessa modalidade, a curvatura côncava ao longo de uma porção da linha de perfil de saia 152 (por exemplo, ao longo da linha de perfil de saia intermediária 156) pode ser uma parte do modelo de pistão que permite a distribuição substancialmente uniforme da carga de empuxo ao longo da saia de pistão 120. Se, por outro lado, a linha de perfil de saia de pistão 152 incluir uma única curvatura convexa (quando o pistão está em ou aproximadamente na temperatura de operação) que prolonga a altura axial total da saia, a porção superior da saia pode carregar uma carga de área unitária significativamente maior do que a porção de saia inferior devido à carga de empuxo. Essa distribuição substancialmente não-uniforme da carga de empuxo pode fazer com que o pistão "esfregue" ou de outro modo roce contra a parede de cilindro (porque a porção de saia superior pode aplicar uma carga de área unitária maior à parede de cilindro sem flexionar como a porção de saia inferior).

[047] Em algumas modalidades, incluindo as modalidades previamente descritas, a porção inferior da saia de pistão 120 pode incluir um raio máximo 155 no plano de empuxo que é dimensionado para estar em interferência com a parede de cilindro 210 nas temperaturas de operação. Em tais modalidades, nenhum emperramento do pistão 100 ocorreria devido à flexão na porção inferior da saia de pistão 120. A porção inferior da saia de pistão 120 flexiona de tal modo que a porção inferior da saia 120 é acionada por mola contra o lado de empuxo maior 230 e o lado de empuxo menor 240 da parede de cilindro 210. Essa interação faz com que a porção inferior da saia 120 contribua na distribuição da carga de empuxo, desse modo distribuindo parte da carga que poderia de outro modo ser aplicada na porção de saia superior ou na porção de cabeça 110. Mediante criação de uma distribuição de carga mais uniforme ao longo da saia de pistão 120, a probabilidade de gerar áreas locais de concentrações de tensão relativamente elevadas é reduzida, o que por sua vez pode reduzir a probabilidade de "esfregar" ou de outra forma roçar contra a parede de cilindro 210.

[048] Também em algumas modalidades, o pistão 100 é provido com melhor orientação porque a porção inferior da saia 120 é acionada por mola contra os lados de empuxo maior e menor 230 e 240 da parede de cilindro 210 nas temperaturas de operação. Como previamente descrito, quando a porção de saia de pistão 120 se apoia contra a parede de cilindro 210 de tal maneira e provê orientação suficiente para o pistão 100, a tendência do pistão 100 oscilar em torno do eixo de pino 105 pode ser reduzida, o que por sua vez permite um modelo tendo um espaço livre mínimo entre a cabeça de pistão 110 e a parede de cilindro 210. Em tais circunstâncias, é possível que fricção possa ser adicionada ao sistema quando a porção inferior da saia 120 é acionada por mola para se encostar contra os lados de empuxo maior e menor 230 e 240 da parede de cilindro 210 em temperaturas de operação. Contudo, essa fricção adicionada pode ser insignificante porque uma ruptura na camada hidrodinâmica de lubrificante entre a parede de cilindro 210 e a saia de pistão 120 não ocorre necessariamente. Além disso, essas modalidades podem prover uma distribuição de carga mais uniforme entre as porções superior e inferior da saia 120 (descrita previamente), o que pode reduzir a fricção causada mediante "esfregação" ou de outra forma roçando contra a parede de cilindro 210. Tal redução em fricção de "esfregação" pode neutralizar qualquer fricção potencialmente acrescentada pela porção inferior da saia de pistão 120 sendo acionada por mola para se apoiar contra os lados de empuxo maior e menor 230 e 240 da parede de cilindro 210 nas temperaturas de operação.

[049] Com referência à Figura 4, a linha de perfil polar do pistão 100 em ou próximo da temperatura de operação é esquematicamente ilustrada com uma linha de perfil polar 170. A linha de perfil polar 170 mostra o formato da superfície circunferencial externa do pistão 100 em um plano radial em seção transversal. Nessa modalidade, a linha de perfil polar 170 é mostrada em uma seção transversal de plano radial na porção inferior da saia de pistão 120 (vide a linha de seção transversal na Figura 1). O formato geral da linha de perfil polar 170 pode ser similar mesmo se outra seção transversal de plano radial for considerada em outra porção da saia de pistão 120. O tamanho dos raios no perfil polar em outro plano radial pode estar em proporção ao raio externo nas superfícies de empuxo maior e menor 130 e 140 conforme mostrado na linha de perfil axial 150 e substancialmente acompanham o formato conforme mostrado na Figura 4.

[050] A linha de perfil polar 170 é mostrada na forma exagerada apenas com finalidades de ilustração. Deve ser entendido que mudanças no raio externo do pistão 100 no plano radial podem ser pequenas em relação ao tamanho global do pistão 100, de modo que o pistão 100 pode parecer ter um formato em seção transversal circular quando visto a partir de uma distância. Várias modalidades do pistão 100 podem incluir saias de pistão tendo formatos em seção transversal que não coincidem perfeitamente com o formato em seção transversal do diâmetro interno de cilindro 205. Na modalidade mostrada na Figura 4, o formato circunferencial em seção transversal da saia de pistão 120 é de certo modo semelhante a uma elipse modificada e não é assimétrico em torno do eixo de pino 105. Em outras modalidades, o formato circunferencial em seção transversal pode ter uma aparência diferente, tal como uma elipse ou uma elipse modificada que é simétrica em torno do eixo de pino 105.

[051] Com referência à Figura 4, o pistão 100 pode ter um modelo de perfil polar que é assimétrico em torno de um eixo de pino 105. Nessa modalidade, a superfície circunferencial externa da saia de pistão 120 no plano radial em seção transversal tem um formato elíptico modificado que é substancialmente simétrico em torno do eixo de empuxo 117. Os raios máximos na linha de perfil polar 170 ocorrem na superfície de empuxo maior 130 e na superfície de empuxo menor 140. Nesse plano radial, a superfície de empuxo maior 130 e a superfície de empuxo menor 140 são dimensionadas suficientemente para apoio contra a parede de cilindro 210 ao longo do lado de empuxo maior 230 e de um lado de empuxo menor 240, respectivamente. Tal interação entre a saia de pistão 120 e a parede de cilindro 210 pode fazer com que a saia 120 seja flexionada no sentido para dentro em uma direção do eixo de empuxo 117 e seja flexionada correspondentemente no sentido para fora em uma direção do eixo de pino 105. Por exemplo, quando a força de empuxo 254 (Figura 1) empurra a superfície de empuxo maior 130 contra o lado de empuxo maior 230 da parede de cilindro 210, a superfície de empuxo maior 130 da saia de pistão pode se flexionar no sentido para dentro. Essa flexão no sentido para dentro faz com que a saia de pistão 120 seja flexionada no sentido para fora na direção do eixo de pino 105. Para permitir espaço livre para essa flexão no sentido para fora na direção do eixo de pino 105, os raios ao longo das superfícies de não-empuxo 132 e 142 da saia de pistão 120 podem ser menores do que os raios ao longo das superfícies de empuxo maior e menor 130 e 140 e podem ser menores do que o raio do diâmetro interno de cilindro 205 em temperaturas de operação.

[052] As cargas de empuxo sobre a superfície de empuxo maior 130 podem ser maiores do que sobre a superfície de empuxo menor 140, de modo que a saia de pistão 120 pode não ser flexionada uniformemente no sentido para fora. Em tais modalidades, o raio mínimo 175 pode não se estender em uma direção paralela ao eixo de pino 105, porém em vez disso pode se estender em direção ao lado de empuxo maior do eixo de pino 105 (por exemplo, o ponto de raio mínimo 176 na linha de perfil polar 170 está afastado do eixo de pino 105 e em direção à superfície de empuxo maior 130). Nessa modalidade, a linha de perfil polar 170 é substancialmente simétrica em torno do eixo de empuxo 117, de modo que o ponto de raio mínimo 176 existe em ambos os lados do eixo de empuxo 117. Como as cargas de empuxo sobre a superfície e empuxo maior 130 podem ser maiores do que sobre a superfície de empuxo menor 140, a saia de pistão 120 pode se flexionar no sentido para fora em maior amplitude do que sobre o lado de empuxo maior do que no lado de empuxo menor. Para considerar essa flexão não-uniforme da saia de pistão 120, muitos dos raios no lado de empuxo menor do eixo de pino 105 podem ser relativamente maiores do que os raios de contraparte no lado de empuxo maior do eixo de pino 105. Os raios relativamente maiores no lado de empuxo menor podem prover uma área de superfície maior para apoio contra a parede de cilindro 210 e para guiar o pistão 100. O raio mínimo 175 no lado de empuxo maior do eixo de pino 105 pode considerar a flexão no sentido para fora da saia de pistão 120 causada pela carga maior sobre o lado de empuxo maior do eixo de pistão 105.

[053] A Figura 5 mostra um exemplo da linha de perfil polar 170 (para um pistão 100 em ou aproximadamente na temperatura de operação) representada em um gráfico. Como a escala para o raio de saia de pistão foi limitada a uma faixa de 7,579 a 7,589 cm nesse exemplo, o formato da linha de perfil polar 170 foi exagerado. Deve ser entendido que as escalas dimensionais mostradas na Figura 5 são apenas para fins ilustrativos, e que outras modalidades podem incluir um pistão tendo várias dimensões não-ilustradas na Figura 5. Além disso, deve ser entendido que a curvatura do perfil polar, proporção, e formato, mostrados na Figura 5, são apenas para fins ilustrativos, e que outras modalidades podem incluir um perfil polar tendo várias curvaturas, na Figura 5. Nesse 170 mostra que a proporções, e formatos não-ilustrados exemplo, a linha de perfil polar superfície circunferencial externa da saia de pistão 120 no plano radial de seção transversal tem um formato elíptico modificado que é assimétrico em torno do eixo de pino 105 (e substancialmente simétrico em torno do eixo de empuxo 117).

[054] Com referência à Figura 5, nesse exemplo, muitos dos raios no lado de empuxo menor do eixo de pino 105 podem ser relativamente maiores do que os raios da contraparte no lado de empuxo maior do eixo de pino 105. Por exemplo, o raio mínimo 175 tem um comprimento de aproximadamente 7,5832 cm e ocorre em um ponto 176 no lado de empuxo maior do eixo de pino 105 em ângulo de aproximadamente 25 graus a partir do eixo de pino 105. O raio de contraparte tem um comprimento de aproximadamente 7,5857 cm e ocorre em um ponto 178 no lado de empuxo menor do eixo de pino 105 em um ângulo de aproximadamente 25 graus a partir do eixo de pino 105. O raio máximo nesse perfil polar tem um comprimento de aproximadamente 7,5890 cm e ocorre nas superfícies de empuxo maior e menor 130 e 140. Os raios ao longo das superfícies de não-empuxo 132 e 142 são menores do que esse raio máximo para prover espaço livre para a flexão no sentido para fora da saia de pistão 120 na direção do eixo de pino 105.

[055] Outras modalidades do pistão podem polar pode incluir um perfil que não é ilustrado na Figura 4 ou figura 5. Por exemplo, um pistão pode incluir um perfil axial mostrado na Figura 1, Figura 2 ou Figura 3 e pode incluir também incluir um perfil polar tendo um formato elíptico modificado que é um assimétrico em torno do eixo de pino 105. Em outro exemplo, um pistão pode incluir o perfil axial mostrado na Figura 1, Figura 2, ou Figura 3 e pode incluir também um perfil polar tendo um formato elíptico que é simétrico em torno do eixo de pino 105. Em modalidades tendo um perfil polar simétrico, o raio mínimo pode ocorrer ao longo do eixo de pino 105 e o raio máximo pode ocorrer ao longo do eixo de empuxo 117 nos lados de empuxo maior e menor.

[056] Com referência agora à Figura 6, algumas modalidades de um pistão 300 podem ser configuradas de modo que o centroide das forças de reação de empuxo impostas ao lado de empuxo maior do pistão 300 está localizado proximal à linha central 317 do pino de êmbolo. Tal configuração é capaz de reduzir o momento de força de empuxo que normalmente causaria um movimento de oscilação do pistão entendido que, nessas modalidades, a carga de necessariamente distribuída de uma maneira uniforme ao longo do lado de empuxo maior 300. Deve ser empuxo não é perfeitamente total 330 da saia de pistão 320. Mesmo se algumas porções do lado de empuxo maior 330 da saia de pistão 320 sustentarem uma porção maior da carga de empuxo, o pistão 300 pode ser configurado de tal modo que o centroide principal das forças de reação (representado como centroide de força R1) está localizado em ou ligeiramente abaixo da altura da linha central do pino de êmbolo. Tal configuração pode efetivamente focalizar a carga de empuxo para a porção mais flexível da saia de pistão (a porção de saia inferior nessa modalidade) e afastada das porções mais rígidas do pistão (a porção de saia superior e a cabeça de pistão nessa modalidade). Isso pode reduzir a probabilidade das porções mais rígidas do pistão causar roçaduras ao longo da parede de cilindro, desse modo permitindo uma folga substancialmente menor entre a seção superior 316 e a parede de cilindro. Além disso, a carga de empuxo pode ser concentrada abaixo das ranhuras de anel 313 e 314 onde, em algumas modalidades, existe um fornecimento mais generoso de óleo do motor ou outro lubrificante para amortecer a carga de empuxo.

[057] A Figura 6 mostra uma vista em seção transversal do pistão 300 no plano de empuxo. O pistão 300 pode ter algumas características similares a das modalidades previamente descritas, porém o pistão 300 tem um perfil axial diferente 350. O pistão pode incluir uma porção de cabeça 310, uma porção de saia 320, um eixo de pino 305 e um eixo de pistão 315. A porção de cabeça 310 pode ter um vaso de combustão 311, uma superfície 312, e ranhuras de anel 313 e 314 que operam de forma similar às modalidades previamente descritas. A porção de saia 320 pode ter uma parede circunferencial 326 que pelo menos parcialmente circunda uma porção oca 321 proximal à parte inferior 322 do pistão 300. A porção de saia 320 pode incluir um lado de empuxo maior 330 e um lado de empuxo menor 340 que pode engatar deslizavelmente a parede de cilindro de um motor, similar às modalidades previamente descritas.

[058] A linha de perfil axial 350 do pistão 300 pode ser representada em um gráfico mostrando o raio no plano de empuxo relativo à altura axial a partir da parte inferior de pistão 322. O gráfico na Figura 6 ilustra o perfil axial do pistão 300 em ou aproximadamente na temperatura de operação (vide a linha sólida) e na temperatura ambiente ou aproximadamente na temperatura ambiente (vide linha tracejada). Como descrito anteriormente, o perfil axial 350 do pistão 300 pode ser diferente dependendo de se o pistão 300 está na temperatura de operação ou aproximadamente na temperatura de operação ou na temperatura ambiente ou aproximadamente na temperatura ambiente. Nessa modalidade, o perfil de saia intermediário 356 pode ser geralmente convexo ou linear quando o pistão está em um estado esfriado, porém devido à expansão térmica da parede circunferencial, o perfil de saia intermediário 356 pode se ajustar para incluir a curvatura côncava. Em outras modalidades, o perfil de saia intermediário 356 pode incluir uma curvatura côncava tanto quando o pistão 300 está em um estado termicamente expandido como quando o pistão 300 está em um estado esfriado.

[059] Ainda com referência à Figura 6, o perfil de saia do pistão pode incluir uma linha de perfil de saia inferior 354, a linha de perfil de saia intermediária 356, e uma linha de perfil de saia superior 358. Nessa modalidade, pelo menos uma porção da linha de perfil de saia inferior 354 pode ter uma curvatura convexa incluindo um ponto de raio máximo 355. Deve ser entendido que em outras modalidades a linha de perfil de saia inferior 354 pode incluir outras curvaturas ou inclinações. Por exemplo, a porção mais baixa da linha de perfil de saia inferior 354 pode incluir um perfil substancialmente linear que representa uma redução linear no raio de pistão a partir do ponto de raio máximo 355 até a parte inferior de pistão 322. Em outras ocorrências, a porção mais baixa da linha de perfil de saia inferior 154 pode incluir nenhuma redução no raio de pistão a partir de um local em ou aproximadamente no ponto de raio máximo 355 até um local em ou aproximadamente na parte inferior de pistão 322. A linha de perfil de saia intermediária 354 pode incluir um primeiro ponto de inflexão 357, no qual a linha de perfil de saia inferior 354 se une à linha de perfil de saia intermediária 356. Pelo menos uma porção da linha de perfil de saia intermediária 356 inclui uma curvatura côncava quando o pistão 300 está na temperatura de operação ou aproximadamente na temperatura de operação. Tal curvatura côncava pode, por exemplo, representar uma mudança substancial dos raios da saia de pistão no plano de empuxo devido a uma mudança substancial na rigidez da saia de pistão 320. Deve ser entendido que outras porções da linha de perfil de saia intermediária 356 podem incluir outras curvaturas ou inclinações. A linha de perfil de saia intermediária 356 também pode incluir um segundo ponto de inflexão 359, no qual a linha de perfil de saia superior 358 se une à linha de perfil de saia intermediária 356. Pelo menos uma porção da linha de perfil de saia superior 358 pode incluir uma curvatura convexa ou uma inclinação linear que se encontra com a linha de perfil de cabeça de pistão 360.

[060] Nessa modalidade, pelo menos alguns dos raios da linha de perfil de cabeça de pistão 360 no plano de empuxo são maiores do que os raios da linha de perfil de aba superior 358 no plano de empuxo. Por exemplo, os raios ao longo de uma porção da seção superior 316 e da segunda seção 318 podem ser maiores do que alguns dos raios da saia superior 358 quando o pistão 300 está na temperatura de operação ou aproximadamente na temperatura de operação, conforme mostrado na porção deslocada 362 da linha de perfil de cabeça de pistão 360. Além disso, em algumas modalidades os raios ao longo da terceira seção 319 podem ser substancialmente um número menor do que aqueles da seção superior 316 e da segunda seção 318. Tal configuração pode causar um deslocamento radial 364 entre a saia superior e a cabeça de pistão, o qual pode ser usado para focalizar o centroide das forças de reação de empuxo sobre a saia de pistão 320 (representado como centroide de força R1) para uma posição axial na linha central ou ligeiramente abaixo da linha central 317 do pino de êmbolo (descrito em mais detalhe abaixo).

[061] A Figura 7 mostra um exemplo da linha de perfil axial 350 representada em um gráfico onde o pistão está na temperatura de operação ou aproximadamente na temperatura de operação. Como a escala do raio de saia de pistão foi limitada a uma faixa de 7,594 a 7610 cm nesse exemplo, o formato da linha de perfil axial 350 foi exagerado. Deve ser entendido que as escalas dimensionadas mostradas na Figura 7 são apenas para fins ilustrativos, e que outras modalidades podem incluir um pistão tendo várias dimensões não- ilustradas na Figura 7. Além disso, deve ser entendido que a curvatura e perfil axial, proporção, e formato mostrado na Figura 7 são apenas para fins ilustrativos, e que outras modalidades podem incluir um perfil axial tendo várias curvaturas, proporções, e formatos não-ilustrados na Figura 7. Nesse exemplo, a porção mais baixa da linha de perfil de saia inferior 354 (por exemplo, próximo à parte inferior 322 na altura axial = 0.000) inclui uma curvatura convexa no sentido para dentro ou uma inclinação linear no sentido para dentro para evitar goivadura da parede do cilindro durante o movimento alternado do pistão 300 e para evitar, em algumas circunstâncias, um ajuste por interferência quando o pistão 300 está em temperatura ambiente. Conforme descrito previamente, pelo menos uma porção da linha de perfil de saia intermediária 356 pode incluir uma curvatura côncava entre os pontos de inflexão 357 e 359. Nessa modalidade, pelo menos alguns dos raios no perfil de cabeça de pistão 360 são maiores do que alguns dos raios no perfil de saia superior 358, o que cria um deslocamento axial 364 quando o pistão 300 está na temperatura de operação ou aproximadamente na temperatura de operação.

[062] Nas modalidades e exemplos descritos em conexão com as Figuras 6-7, a porção inferior da saia de pistão 320 pode incluir um raio máximo (por exemplo, ponto 355) no plano de empuxo que é dimensionado para estar em interferência com a parede de cilindro nas temperaturas de operação. Como descrito anteriormente, nenhum emperramento do pistão 300 ocorreria devido à flexão na porção inferior da saia de pistão 320. A porção inferior da saia de pistão 320 é capaz de flexionar de modo que a porção inferior da saia 320 é acionada por mola contra o lado de empuxo maior e o lado de empuxo menor da parede de cilindro. Essa interação faz com que a porção inferir da saia 320 suporte uma porção substancial das forças de reação de empuxo. Além disso, a linha de perfil axial 350 do pistão 300 em um estado termicamente expandido pode ser configurada de tal modo que o deslocamento radial 364 reduz as forças de reação de empuxo sobre a porção de saia superior 356 (por exemplo, alguma parte da saia superior pode nem mesmo contatar a parede de cilindro) e centraliza as forças de reação de empuxo de tal modo que um centroide (representado como centroide de força R1) está localizado em ou ligeiramente abaixo da linha central 317 do pino de êmbolo (por exemplo, localizado em uma altura axial em ou abaixo do eixo pivô 305). Tal configuração é capaz de reduzir o momento de força de empuxo que ordinariamente causaria um movimento de oscilação do pistão 300. Além disso, tal configuração pode reduzir a probabilidade das porções mais rígidas do pistão 300 causar roçadura ao longo da parede de cilindro, desse modo permitindo uma folga substancialmente menor entre a seção superior 316 que a parede de cilindro. Em tais circunstâncias, mesmo se a seção superior 316 ou outra porção da cabeça de pistão 310 se apoiar contra o lado de empuxo maior da parede de cilindro, as forças de reação de empuxo na cabeça de pistão 310 (representada como centroide de força R2) são significativamente menores do que as forças de reação de empuxo na saia de pistão (representado como centroide de força R1). Como tal, o desgaste criado pela cabeça de pistão 310 pode ser pequeno ou insuficiente para causar roçadura substancial.

[063] Com referência às Figuras 6 e 7, o deslocamento radial 364 pode substancialmente reduzir ou eliminar o contato entre a parede de cilindro e a porção de saia superior 358. Como tal, a carga de empuxo pode ser substancialmente distribuída ao longo de duas partes do lado de empuxo maior 330 - ao longo da saia de pistão 320 e ao longo da cabeça de pistão 310. Essas duas partes podem suportar um conjunto diferente de forças de reação de empuxo, as quais são representadas como centroide de força R1 e centroide de força R2. Devido ao formato de perfil axial da saia 320 e devido ao deslocamento radial 364 da porção de saia superior, o centroide de força R1 pode ocorrer na linha central 317 do pino de êmbolo ou ligeiramente abaixo dela (proximal ao ponto de raio máximo 355). Além disso, como a cabeça de pistão 310 pode se apoiar contra a parede de cilindro em resposta a uma força de empuxo, o centroide de força R2 pode ocorrer ao longo do lado de empuxo maior da cabeça de pistão (por exemplo, proximal à segunda seção 318 ou seção superior 316, e nessa modalidade, acima da terceira seção 319).

[064] Supondo que o pistão 300 não tem força de aceleração transversal (essa suposição é válida quando o pistão é empurrado para cima contra o revestimento do cilindro após ele se deslocar devido ao movimento secundário), as forças de reação de empuxo podem ser expressas como uma função da força de empuxo que é transmitida através da linha central de pino 317 (representada como força T na Figura 6). Essas expressões são como a seguir:

onde X1 é a porção axial do centroide das forças de reação de empuxo na saia de pistão 320 (representado como centroide de força R1) em relação à altura da linha central de pino de êmbolo 317, e onde X2 é a posição axial do centroide das forças de reação de empuxo na cabeça de pistão 310 (representado como centroide de força R2) em relação à altura da linha central de pino de êmbolo 317 (consultar, por exemplo, a Figura 6).

[065] Como o deslocamento radial 364 pode reduzir ou eliminar substancialmente o contato entre a parede de cilindro e a porção de saia superior 358, e devido ao ponto de raio máximo 355 estando localizado em ou próximo da altura da linha central de pino de êmbolo 317, o centroide (R1) das forças de reação de empuxo sobre a saia de pistão 320 pode ocorrer na altura ou ligeiramente abaixo da altura da linha central de pino de êmbolo 317 de modo que X1 é relativamente pequeno (por exemplo, X1<<X2). Quando X1 é muito menor do que X2, o centroide (R2) das forças de reação de empuxo sobre a cabeça de pistão 310 se torna relativamente pequeno (por exemplo, R2<<R1). Em tais circunstâncias onde R2 é muito menor do que Ri, a força de empuxo (T) é substancialmente neutralizada pelas forças de reação sobre a saia de pistão 320 (por exemplo, quando R2<<RI, então R1 = T). Conseqüentemente, as forças de reação de empuxo sobre a cabeça de pistão 310 (representadas como centroide R2) podem ser substancialmente reduzidas, e o desgaste associado às forças de reação de empuxo sobre a cabeça de pistão 310 serão similarmente reduzidas. Como tal, o desgaste causado pela cabeça de pistão 310 pode ser pequeno ou insuficiente para causar roçadura substancial, e o pistão 300 pode ser configurado para ter uma folga substancialmente menor entre a seção superior 316 que a parede de cilindro. Uma folga estreita pode reduzir o volume entre a parede de cilindro e a cabeça de pistão 316 acima do anel de vedação da seção superior 316 (isto é, o volume de fenda). A mistura de combustão recebida no volume de fenda tipicamente não é completamente queimada e desse modo é descarregada como hidrocarbonetos não queimados. O volume de fenda reduzido reduz a quantidade da mistura de combustão não queimada descarregada como emissões indesejadas, porque o volume da mistura de quanto mais a parede de combustão não queimada justa for a folga entre cilindro e a magnitude é menor. Além disso, a seção superior 316 e inferior das forças de reação de empuxo sobre a cabeça de pistão 310 podem reduzir substancialmente o desgaste na seção superior 316, no anel(is) de pistão, e parede de cilindro.

[066] Ainda com referência às modalidades e exemplos descritos em conexão com as Figuras 6-7, o perfil axial da saia de pistão 320 pode ser configurado de tal modo que o centroide de força de reação (R1) é alinhado na altura ou ligeiramente abaixo da altura da linha central de pino de êmbolo 317. Por exemplo, o deslocamento radial 364 pode ser aumentado para reduzir adicionalmente a quantidade da porção de saia superior 358 que se apoia sobre a parede de cilindro, o que pode fazer com que o centroide de força de reação (R1) seja posicionado em uma posição axial inferior na saia 320. Além disso, a porção de saia inferior 354 pode incluir o raio máximo 355, proximal à altura da linha central de pino de êmbolo 317 de modo que quando a carga de empuxo aumenta e deflete a saia de pistão 320, a área carregada da saia 320 pode aumentar, porém o centroide (R1) das forças de reação de empuxo sobre a saia de pistão 320 podem permanecer na linha central de pino 317 ou ligeiramente abaixo dela. Em tais circunstâncias, a magnitude do centroide (R1) para as forças de reação de empuxo sobre a saia de pistão 320 não excederia a magnitude da força de empuxo (T). (Se o centroide de força de reação (R1) migrasse em direção à porção superior da saia de pistão 320, a posição axial (X1) teria um valor negativo, desse modo fazendo com que a magnitude do centroide de força de reação (R1) fosse maior do que a magnitude da força de empuxo (T)).

[067] Algumas modalidades da invenção foram descritas. Não obstante, será entendido que várias modificações podem ser feitas sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, o perfil axial lateral de empuxo menor pode, em alguns casos, ser diferente do perfil axial lateral de empuxo maior. Além disso, nos casos onde os perfis axiais nos lados de empuxo maior e menor são substancialmente idênticos, o raio em um lado pode ser diferente do raio do outro lado. Consequentemente, outras modalidades estão dentro do escopo das reivindicações a seguir.

Claims

1. PISTÃO (100) compreendendo uma porção de cabeça (110) e uma porção de saia (120), o pistão (100) tendo um perfil axial em um plano de empuxo, o perfil axial, quando o pistão (100) está em uma temperatura de operação, inclui: um perfil de saia inferior (154); um perfil de saia intermediário (156) adjacente ao perfil de saia inferior (154), pelo menos uma porção do perfil de saia intermediário (156) tendo uma curvatura côncava no plano de empuxo, caracterizado pelo perfil de saia intermediário (154) ter raios que são maiores que os raios do perfil de saia superior (158); e um perfil de saia superior (158) adjacente ao perfil de saia intermediário (156).

2. PISTÃO (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos uma porção do perfil de saia inferior (154) ter uma curvatura convexa no plano de empuxo e pelo menos uma porção do perfil de saia superior (158) tem uma curvatura convexa no plano de empuxo.

3. PISTÃO (100), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo perfil de saia intermediário (156) se unir à porção de saia inferior (154) em um ponto de inflexão entre a curvatura côncava do perfil de saia intermediário (156) e a curvatura convexa do perfil de saia inferior (154).

4. PISTÃO (100), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo perfil axial mudar a partir da curvatura convexa do perfil de saia inferior (154) para a curvatura côncava do perfil de saia intermediário para considerar uma mudança na rigidez do pistão (100).

5. PISTÃO (100), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo perfil de saia intermediário (154) se unir à porção de saia superior (158) em um segundo ponto de inflexão entre a curvatura côncava do perfil de saia intermediário (156) e a curvatura convexa do perfil de saia superior (158).

6. PISTÃO (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo perfil de saia inferior (154) ter raios que são maiores do que os raios do perfil de saia intermediário (156).

7. PISTÃO (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente um perfil polar (170) em um plano radial, o perfil polar (170) sendo assimétrico em torno de um eixo de pino (105).

8. PISTÃO (100), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo perfil polar (170) no plano radial incluir um raio mínimo se estendendo em direção a um lado de empuxo maior do eixo de pino (105).

9. PISTÃO (100), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo raio mínimo se estendendo em direção ao lado de empuxo maior considerar a flexão no sentido para fora do pistão (100) causada pela carga do lado de empuxo maior.

10. PISTÃO (300) para uso em um motor (200) tendo uma parede (210) de diâmetro interno (205) de modo que, quando o pistão (300) está na temperatura de operação e sujeito a uma força de empuxo, o pistão (300) pivota em torno de um eixo pivô (305) de modo a se apoiar contra a parede (210) de diâmetro interno (205) em um plano de empuxo, o pistão (300) compreendendo: uma superfície externa circunferencial tendo uma porção de cabeça (310) e uma porção de saia (320) abaixo da porção de cabeça (310), a porção de cabeça (310) tendo pelo menos alguns raios no plano de empuxo que são maiores do que pelo menos alguns dos raios da porção de saia (320) quando o pistão (300) está na temperatura de operação de modo que a superfície externa tem um deslocamento radial no plano de empuxo acima do eixo pivô (305), a superfície externa para suportar pelo menos uma porção da força de empuxo (T) no plano de empuxo, caracterizado pela porção da força de empuxo (T) suportada pela porção de saia (320) no plano de empuxo ser definida por um centroide de força de saia (R1), o centroide de força de saia (R1) sendo posicionado em uma altura axial no eixo pivô (305) ou abaixo dele, e em que a porção da força de empuxo (T) suportada pela porção de cabeça (310) pode ser definida por um centroide de força de cabeça (R2), o centroide de força de cabeça (R2) sendo menor em magnitude do que o centroide de força de saia (R1).

11. PISTÃO (300), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela porção de saia (320) da superfície externa incluir uma porção de saia inferior (354), uma porção de saia intermediária (356), e uma porção de saia superior (358), a porção de saia superior (358) inclui raios no plano de empuxo que são menores do que pelo menos alguns raios da porção de cabeça (310) quando o pistão (200) está na temperatura de operação de modo que o deslocamento radial ocorre entre a porção de saia superior (358) e a porção de cabeça (310).

12. PISTÃO (300), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo centroide de força de cabeça (R2) ser posicionado em uma altura axial acima do eixo pivô (305), o centroide de força de cabeça (R2) sendo posicionado a uma distância maior a partir do eixo pivô (305) do que o centroide de força de saia (R1).

13. PISTÃO (300), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela superfície externa incluir uma porção de saia inferior (354), uma porção de saia intermediária (356), e uma porção de saia superior (358), a porção de saia intermediária (356) incluindo uma curvatura côncava no plano de empuxo quando o pistão (300) está na temperatura de operação.