ES2349056T3

ES2349056T3 - Pistón.

Info

Publication number: ES2349056T3
Application number: ES06844250T
Authority: ES
Inventors: Richard J. Donahue
Original assignee: Dresser LLC
Current assignee: Dresser LLC
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: US7506575B2; US20080028929A1; CN101297138B; ES2349056T5; ES2367951T3; US20070095201A1; US7302884B2; CN101297138A

Abstract

Un aparato, que comprende: un motor de combustión interna (200) con, por lo menos, una pared (210) que define un diámetro interior (205); y un pistón (100) dispuesto para oscilar en el diámetro interior (205), comprendiendo el pistón una parte (110) de cabeza y una parte (120) de faldón, teniendo el pistón una superficie exterior sustancialmente circunferencial, y por lo menos una parte (130) de la superficie exterior apoyando contra la pared (210) en un plano de empuje, en el que la superficie exterior tiene una línea (150) del perfil axial en el plano de empuje, que incluye una línea inferior (154) del perfil del faldón, una línea intermedia (156) del perfil del faldón, y una línea superior (158) del perfil del faldón, incluyendo la línea intermedia (156) del perfil del faldón, una curvatura cóncava en el plano de empuje cuando el pistón (100) está sustancialmente a la temperatura de trabajo, y caracterizado porque la línea intermedia (156) del perfil del faldón tiene radios en el plano de empuje que son más largos que los radios de la línea superior (158) del perfil del faldón en el plano de empuje.

Description

CAMPO TÉCNICO

Este documento se refiere a pistones para su utilización en motores o similares. ANTECEDENTES

Varios tipos de motores pueden utilizar pistones en el diámetro interior de un cilindro. Cada pistón puede oscilar en el interior de su diámetro interior asociado, puesto que una parte de la superficie circunferencial exterior del pistón es guiada por medio de la pared del cilindro. El pistón puede incluir un faldón que está configurado para apoyar contra la pared del cilindro (con una capa hidrodinámica entre ambos, para proporcionar lubricación) cuando se hace oscilar el pistón en el diámetro interior del cilindro. En general, la parte inferior del pistón en el interior del faldón del pistón es sustancialmente hueca, mientras que la parte superior del pistón próxima a la cara del pistón es maciza. Por consiguiente, el pistón puede tener una expansión térmica no uniforme y una rigidez no uniforme.

Las concentraciones de tensión provocadas por la expansión térmica del pistón, la flexión y el balanceo en el diámetro interior, pueden provocar que el pistón "pula" o raspe de otro modo la superficie de la pared del cilindro, tras movimientos oscilatorios repetidos. Asimismo, la expansión térmica del material del pistón puede incrementar la fuerza de contacto entre el pistón y el diámetro interior, provocando una fricción elevada que puede tener como resultado una pérdida de eficiencia y la posible captura del pistón en el diámetro interior del cilindro. Si el radio exterior del pistón es demasiado pequeño, la superficie circunferencial exterior puede no apoyar lo suficiente contra la pared del cilindro, provocando que el pistón se balancee demasiado en el eje del pasador del pistón, o vibre dentro del diámetro interior del cilindro.

El documento JP 09 170 490 A da a conocer un pistón de hierro fundido para un motor de combustión interna, pistón que tiene una parte superior y una parte del faldón. La parte del faldón está dotada de una ranura de escape rebajada, anular, que está dispuesta en un intervalo específico desde una superficie extrema inferior del faldón, para reducir la influencia de la deformación provocada por el calor y la presión del cilindro. El documento JP 0 917 04 90 A da a conocer las características del preámbulo de la reivindicación 1.

El documento DE 37 40 820 C1 da a conocer asimismo un pistón para un motor de combustión interna, con una parte superior y una parte de faldón. La parte de faldón del pistón tiene forma convexa. Resumen de la Invención

La invención se refiere un aparato como el reivindicado en la reivindicación

1.

En algunas realizaciones, un pistón puede incluir una parte de cabeza, una parte de faldón, y un perfil axial en un plano de empuje. El perfil axial, cuando el pistón está sustancialmente a una temperatura de trabajo, puede incluir un perfil inferior del faldón, y un perfil intermedio del faldón adyacente al perfil inferior del faldón. Por lo menos una parte intermedia del perfil de faldón puede tener una curvatura cóncava en el plano de empuje. El perfil axial puede incluir asimismo un perfil superior de faldón, junto al perfil intermedio del faldón.

En una serie de realizaciones, un aparato puede incluir un motor de combustión interna que tiene, por lo menos, una pared que define un diámetro interior. El aparato puede incluir asimismo un pistón dispuesto para oscilar en el diámetro interior. El pistón puede incluir una parte de cabeza y una parte de faldón. El pistón puede tener una superficie exterior sustancialmente circunferencial, y por lo menos una parte de la superficie exterior puede apoyar contra la pared en un plano de empuje. La superficie exterior puede incluir una parte inferior del faldón, a una parte intermedia del faldón y una parte superior del faldón. La parte intermedia del faldón puede incluir una curvatura cóncava en el plano de empuje, cuando el pistón está sustancialmente a la temperatura de trabajo.

En algunas realizaciones, un motor de combustión interna puede incluir una pared del diámetro interior que define, por lo menos parcialmente, un diámetro interior. El motor puede incluir asimismo un pistón que se mueve en el diámetro interior, en respuesta a un evento de combustión que proporciona un componente de fuerza de la biela y un componente de fuerza de empuje. El componente de la fuerza de empuje puede impulsar el pistón contra un lado de empuje principal de la pared del diámetro interior. El pistón puede incluir una parte de cabeza y una parte de faldón. La parte de faldón puede tener una pared de faldón sustancialmente circunferencial, que es operativa para apoyar contra la pared del diámetro interior en un plano de empuje. La pared del faldón puede incluir un punto del faldón superior, a lo largo de un lado de empuje principal del plano de empuje, separado de un punto del faldón inferior a lo largo del lado de empuje principal del plano de empuje. La parte de la pared del faldón próxima al punto del faldón inferior, puede tener una flexibilidad radial sensiblemente mayor que la parte de la pared del faldón próxima al punto del faldón superior. Asimismo, el punto del faldón superior y el punto del faldón inferior pueden soportar cargas laterales sustancialmente equivalentes, cuando el pistón es impulsado contra el lado de empuje principal de la pared del diámetro interior.

Estas y otras realizaciones pueden configurarse para proporcionar una o más de las ventajas siguientes. En primer lugar, la forma del pistón puede proporcionar un guiado mejor dentro del diámetro interior del cilindro. En segundo lugar, en algunas realizaciones el pistón puede configurarse para proporcionar una distribución de carga más uniforme a lo largo del lado de empuje principal de la superficie circunferencial exterior, lo cual puede reducir la incidencia de "pulimentado" o si no de raspado de la pared del cilindro. En tercer lugar, la forma del pistón puede reducir el ángulo de balanceo de la superficie superior del pistón, lo que puede permitir holguras menores entre la parte superior del pistón y la pared del cilindro. Una reducción semejante de dicha holgura puede mejorar el rendimiento y la eficiencia del motor.

Ciertas realizaciones de la invención incluyen un pistón con una forma que puede proporcionar un guiado mejorado del pistón. En dichas realizaciones, la forma del pistón puede incluir un perfil axial configurado para concentrar las fuerzas de reacción de empuje sobre el faldón del pistón, de manera que un centroide de la fuerza del faldón está situado a una altura axial igual o ligeramente inferior al eje de pivote del pistón. Dicha configuración puede reducir el momento de la fuerza de empuje, que generalmente provocaría un movimiento de balanceo del pistón. Asimismo, semejante configuración puede reducir la probabilidad de que las partes más rígidas del pistón provoquen raspaduras a lo largo de la pared del cilindro, permitiendo de este modo un espacio de holgura sustancialmente menor entre la faja superior y la pared del cilindro.

Los detalles de una o más realizaciones de la invención, se exponen en los dibujos anexos y en la descripción siguiente. Otras características, objetivos y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la descripción de los dibujos, y a partir de las reivindicaciones. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1A es una vista lateral de un pistón y una parte de un motor, de

acuerdo con algunas realizaciones de la invención.

La figura 1B es una vista lateral del pistón de la figura 1A.

La figura 2 es una vista en sección transversal del pistón, de acuerdo con

algunas realizaciones de la invención.

La figura 3 es un diagrama que muestra un ejemplo de un perfil axial de un

faldón de un pistón, de acuerdo con una realización de la invención.

La figura 4 es una vista esquemática de una sección transversal de un pistón,

de acuerdo con otras realizaciones de la invención.

La figura 5 es un diagrama que muestra un ejemplo de un perfil polar de un

faldón de un pistón, de acuerdo con una realización de la invención.

Los símbolos de referencia iguales indican elementos iguales en los diversos dibujos. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES ILUSTRATIVAS

En referencia a las figuras 1A -B, un pistón 100 puede oscilar dentro de un diámetro interior 205 de un cilindro de un motor 200 (para que se vea mejor el pistón 100, se ha retirado una parte del motor 200 de la figura 1A). Una capa hidrodinámica de aceite u otro lubricante puede recubrir parte de la pared 210 del cilindro, para reducir la fricción entre el pistón 100 y la pared 210 del cilindro. El pistón 100 puede estar engranado de forma pivotante con una biela 102 del pistón que utiliza un pasador 104. En semejantes circunstancias, el pistón 100 puede pivotar en torno a un eje de pivote o pasador 105 en relación con la biela 102. La conexión del pasador permite al pistón 100 transmitir fuerzas a la biela 102 o recibirlas de la misma, cuando el pistón 100 oscila dentro del diámetro interior 205. En ciertas realizaciones, el pistón 100 está construido total o parcialmente de aluminio o de aleaciones que contienen aluminio, carbono (por ejemplo fibra de carbono, y carbono-carbono), hierro, acero o cualesquiera otros materiales adecuados, y puede incluir combinaciones de los materiales anteriores u otros materiales.

En referencia a la figura 1A, el diámetro interior 205 del cilindro puede definir por lo menos una parte de una cámara de combustión, donde un evento de combustión 250 ejerce una fuerza sobre el pistón 100 y provoca una carrera de expansión. La presión de combustión puede transferirse al pistón 100 en una dirección sustancialmente paralela al eje del diámetro interior 205 del cilindro, debido a que por lo menos una parte de la superficie superior 112 del pistón (figura 1B) puede ser sustancialmente perpendicular al eje del diámetro interior 205 del cilindro. Una parte de la fuerza procedente del evento de combustión 250 puede ser transmitida como un componente 252 de fuerza de la biela, a la biela 102 (en la dirección longitudinal de la biela 102). Asimismo, debido a que la biela 102 no puede alinearse con la dirección de la fuerza de combustión, una parte de la fuerza procedente del evento de combustión 250 puede ser transmitida como un componente 254 de fuerza de empuje.

La fuerza de empuje 254 puede impulsar una superficie de empuje principal 130 del pistón 100, contra un lado de empuje principal 230 de la pared del cilindro

110. El componente 254 de la fuerza de empuje puede estar en el plano de empuje, que es un plano sustancialmente normal al eje 105 del pasador, o puede extenderse a lo largo de un eje 117 de empuje (mostrado asimismo en la figura 4), a través de la superficie de empuje principal 130 del pistón 100. La fuerza de empuje 254 puede generar un momento en torno al eje 105 del pasador, provocando que el pistón 100 pivote en torno al eje 105 del pasador, de manera que el eje 115 del pistón está en ángulo respecto al eje del diámetro interior del cilindro, en un ángulo de balanceo.

Para proporcionar un guiado durante el movimiento oscilante y para limitar el ángulo de balanceo del pistón 100 (un balanceo excesivo provocaría concentraciones de tensión, que "pulan" o raspen de otro modo la pared 210 del cilindro), el pistón 100 puede incluir una parte de faldón 120 que se apoya contra la pared 210 del cilindro (preferentemente, con una capa hidrodinámica de lubricante entre ambas). La parte de faldón 120 puede guiar el pistón 100 para limitar el movimiento de balanceo del pistón 100. Además, el faldón 120 del pistón puede flexionarse cuando la fuerza de empuje 254 impulsa el pistón 100 contra el lado de empuje principal 230 (descrito después en mayor detalle).

Debe entenderse que, durante la carrera de compresión (no mostrada en la figura 1A), el pistón 100 puede reaccionar a la fuerza procedente de la biela 102 en la conexión del pasador. En algunos casos, la biela 102 puede forzar al pistón 100 a comprimir la cámara de combustión anticipando un evento posterior de combustión. Un componente de reacción de la fuerza procedente de la biela 102 puede tener la forma de una fuerza de empuje que impulsa una superficie de empuje secundaria 140 del pistón 100 contra la superficie de empuje secundaria 240. De nuevo, en semejantes circunstancias, el faldón 120 del pistón puede guiar el pistón 100 para limitar el movimiento de balanceo del pistón 100.

En referencia a la figura 1B, el pistón 100 incluye una parte 110 de cabeza del pistón y la parte 120 de faldón del pistón. La cabeza 110 del pistón puede incluir una parte superior 112 del pistón que está enfrentada a la cámara de combustión descrita anteriormente en relación con la figura 1A. La cabeza 110 del pistón puede incluir una o más ranuras anulares, como son una o más ranuras de montaje anulares 113 comprimidas (mostradas dos), y una o más ranuras de montaje anulares 114 de aceite (se muestra una). En general, el faldón 120 del pistón es adyacente a la cabeza 110 del pistón y comienza en, o en torno a, y se extiende por debajo de, la pared inferior de la ranura anular más baja (por ejemplo, la ranura anular 114 en esta realización), opuesto a la superficie superior 112 del pistón. El faldón 120 del pistón incluye una parte hueca en general 121, próxima a la parte inferior 122 del pistón 100. El faldón 120 del pistón puede incluir asimismo diámetros interiores 124 del pasador, alineados con el eje 105 del pasador para recibir el pasador 104. El pasador 104 está unido a los diámetros interiores 124 del pasador, y está dispuesto en la parte hueca 121 del faldón 120.

La cabeza 110 del pistón es, en general, más rígida que el faldón 120 del pistón y, en algunas realizaciones, puede ser una construcción maciza. De este modo, cuando la fuerza de empuje 254 impulsa el pistón 100 contra el lado principal 230 de la pared 210 del cilindro, el faldón 120 del pistón puede flexionarse sustancialmente más que la cabeza 110 del pistón. Sin embargo, la rigidez del faldón 120 del pistón no es necesariamente constante desde la parte inferior 122 hasta la cabeza 110 del pistón. Por ejemplo, en la realización mostrada en la figura 1B, la pared circunferencial 126 que rodea la parte hueca 121 incrementa, en general, su grosor desde la parte inferior 122 hacia la cabeza 110 del pistón. En semejantes circunstancias, el faldón 120 del pistón puede ser más rígido cerca de la parte 110 de cabeza de pistón, del pistón 100 (donde es mayor el grosor de la pared).

También en referencia a la figura 1B, se representa esquemáticamente el perfil axial (en el plano de empuje) del pistón 100 a la temperatura de trabajo, utilizando la línea 150 del perfil axial. Debido a las diferencias en temperatura en posiciones diferentes en torno al pistón 100, que se producen en funcionamiento, la cantidad de expansión térmica del pistón 100 a lo largo de su eje puede no ser uniforme. Por consiguiente, el perfil axial del pistón 100 a temperatura ambiente (la mayor parte o la totalidad del pistón está a 25 °C (77 ° F)), puede ser diferente que a la temperatura de trabajo. La temperatura de trabajo es la distribución de temperatura en torno al pistón 100, que se consigue y se mantiene cuando se hace funcionar el motor 200 en régimen estacionario durante un tiempo prolongado. La temperatura de trabajo puede variar dependiendo de la configuración del motor pero, en general, la temperatura de trabajo es sustancialmente mayor que la temperatura ambiente. Por ejemplo, a la temperatura de trabajo, las temperaturas del pistón pueden estar en el rango de 65,6 °C a 538 °C (150 °F a 100 °F), y en ciertas circunstancias, en el rango de 93,3 °C a 371°C (200°F a 700°F).

La línea 150 del perfil axial muestra cambios en la superficie circunferencial exterior del pistón 100, en la dirección a lo largo del eje 115 del pistón. La línea 150 del perfil axial ilustrada en la figura 1B, representa los cambios en el radio exterior del pistón 100 en relación con la altura axial, en una sección transversal del plano de empuje. Tal como se ha descrito previamente, el plano de empuje es sustancialmente normal al eje 105 del pasador, y puede prolongarse a lo largo del eje de empuje 117 (mostrado asimismo en la figura 4), a través de la superficie de empuje principal 130 del pistón 100. La línea 150 del perfil axial se muestra exagerada solamente por razones ilustrativas. Debe entenderse que el cambio en el radio exterior del pistón 100 puede ser pequeño, en relación con el tamaño global del pistón 100, de manera que el pistón 100 puede parecer sustancialmente cilíndrico visto a distancia. En esta realización, la línea 150 del perfil axial a lo largo de la superficie de empuje principal 130, es de forma similar a la línea 150 del perfil axial a lo largo de la línea de empuje secundaria 140.

La línea 150 de perfil axial puede incluir una línea 152 de perfil del faldón, coincidente con la parte 120 del faldón, y una línea 151 del perfil de la cabeza, coincidente con la parte de cabeza 110 del pistón. La línea 151 del perfil de la cabeza muestra que, en esta realización, el radio exterior del pistón disminuye progresivamente cerca de la superficie superior 112 del pistón 100 (la línea 151 del perfil de la cabeza, mostrada en la figura 1B, no representa los contornos exactos del pistón en las ranuras 113 y 114). De este modo, la forma de la cabeza 110 del pistón puede proporcionar cierto espacio de holgura entre el borde superior del pistón 100 y la pared 210 del cilindro. Este espacio de holgura puede ser necesario para reducir la probabilidad de raspar la pared del cilindro 210 cuando el pistón 100 está orientado en su ángulo de balanceo máximo. Sin embargo, puede incrementarse la eficiencia en la transferencia de la presión de combustión al pistón 100, si se reduce el espacio de holgura entre el borde superior del pistón 100 y la pared 210 del cilindro. En esta realización, el pistón 100 puede estar diseñado para tener un espacio de holgura reducido entre el borde superior del pistón 100 y la pared 210 del cilindro. Tal como se describe después en mayor detalle, la pared 120 del faldón del pistón puede configurarse para apoyar contra la pared 210 del cilindro, y transportar una parte sustancial de la carga de empuje cuando la fuerza de empuje 254 impulsa del pistón 100 contra la pared 210 del cilindro. Cuando la parte 120 del faldón se apoya contra la pared 210 del cilindro, y proporciona un guiado suficiente del pistón 100, puede reducirse la tendencia del pistón 100 a balancearse en torno al eje 105 del pasador lo que, a su vez, permite un diseño con un espacio de holgura reducido en el borde superior del pistón 100.

Alternativamente, la línea 151 del perfil de la cabeza, de la cabeza 110 del pistón, puede tener un radio exterior constante que es menor que el radio de la parte 120 del faldón. En dichas realizaciones, podría existir cierto espacio de holgura entre el borde superior del pistón 100 y la pared 210 del cilindro. De nuevo, este espacio de holgura puede reducirse provocando que el faldón 120 del pistón se apoye contra la pared 210 del cilindro, y transporte una parte sustancial de la carga de empuje cuando la fuerza de empuje 254 impulsa el pistón 100 contra la pared 210 del

cilindro, tal como se describe después en mayor detalle.

De nuevo en referencia a la figura 1B, por lo menos una parte del perfil axial del pistón puede cambiar para compensar una reducción en la rigidez del pistón 100. Tal como se ha descrito previamente, el faldón 120 del pistón puede ser menos rígido que la cabeza 110 del pistón. En tales realizaciones, la superficie de empuje principal 130 y la superficie de empuje secundaria 140 pueden configurarse para cancelar cambios en la rigidez, por ejemplo, mediante variar el radio exterior del plano de empuje en función del grosor de la pared del pistón, de la flexión de la pared, o de otros factores.

La línea 152 del perfil del faldón del pistón 100 incluye una línea inferior 154 del perfil del faldón y una línea intermedia 156 del perfil del faldón, y algunas realizaciones pueden incluir asimismo una línea superior 158 del perfil del faldón. En esta realización, por lo menos una parte de la línea inferior 154 del perfil del faldón puede tener una curvatura convexa que comprende un punto de radio máximo 155. En esta realización, el punto 155 del radio máximo representa la posición del diámetro exterior máximo de la superficie circunferencial del pistón. El punto 155 de radio máximo puede producirse a lo largo de la línea inferior 154 del perfil del faldón, a una altura axial por encima de la parte inferior 122, donde la pared circunferencial 126 es menos rígida. (En algunas realizaciones, el punto 155 de radio máximo puede producirse a lo largo de la línea inferior 154 del perfil del faldón, en o cerca de la parte inferior 122.) La parte inferior de la línea inferior 154 del perfil del faldón (por ejemplo, cerca de la parte inferior 122), si bien quizás siendo menos rígida, puede incluir una curvatura convexa hacia dentro para evitar ranurar la pared 210 del cilindro. La curvatura convexa de la línea inferior 154 del perfil del faldón ayuda a la instalación del pistón en el diámetro interior del cilindro, puesto que ayuda a centrar el pistón en el diámetro interior del cilindro. Debe entenderse que otras realizaciones de la línea inferior 154 del perfil del faldón, pueden incluir otras curvaturas o pendientes. Por ejemplo, la parte inferior de la línea inferior 154 del perfil del faldón puede incluir un perfil sustancialmente lineal, que represente una reducción lineal en el radio del pistón desde una posición en, o en torno al punto 155 de radio máximo, hasta una posición en, o en torno a la parte inferior 122 del pistón. En otros casos, la parte inferior de la línea inferior 154 del perfil del faldón puede no incluir reducción en el radio del pistón, desde una posición en, o en torno al punto 155 de radio máximo, hasta una posición en, o en torno a la parte inferior 122 del pistón.

En esta realización, la línea intermedia 156 del perfil del faldón incluye un primer punto de inflexión 157, en el que la línea inferior 154 del perfil del faldón se une con la línea intermedia 156 del perfil del faldón. Por lo menos una parte de la línea intermedia 156 del perfil del faldón incluye una curvatura cóncava, pero debe entenderse que otras partes de la línea intermedia 156 del perfil del faldón pueden incluir otras curvaturas o pendientes. Esta curvatura cóncava puede compensar cambios sustanciales en la rigidez, en las partes intermedias del faldón 120 del pistón, provocadas, por ejemplo, por cambios sustanciales en el grosor de la pared circunferencial 126.

En esta realización, la línea intermedia 156 del perfil del faldón incluye asimismo un segundo punto de inflexión 159, en el que la línea superior 158 del perfil del faldón se une con la línea intermedia 156 del perfil del faldón. Por lo menos una parte de la línea superior 158 del perfil del faldón, puede incluir una curvatura convexa que se encuentra con la línea 151 del perfil de la cabeza del pistón. No obstante, la línea 158 del perfil puede tener otras formas. Por ejemplo, la línea superior 158 del perfil del faldón puede tener una pendiente constante sustancialmente, desde una posición en, o en torno al segundo punto de inflexión 159, hasta una posición en, o en torno al comienzo de la cabeza 110 del pistón. En la realización de la figura 1B, ninguno de los radios de la línea 151 del perfil de la cabeza del pistón en el plano de empuje, es mayor que el radio de la línea superior 158 del perfil del faldón en el plano de empuje. En otras realizaciones, algunos radios de la línea 151 el perfil de la cabeza del pistón en el plano de empuje, son mayores que los radios de la línea superior 158 del perfil del faldón en el plano de empuje. Asimismo, en la realización de la figura 1B ninguno de los radios de la línea superior 158 del perfil del faldón en el plano de empuje, son mayores que los radios de la línea intermedia 156 del perfil del faldón en el plano de empuje.

A continuación haciendo referencia a la figura 2, se puede representar la línea del perfil axial 150 del pistón 100, en un gráfico que muestra el radio en el plano de empuje frente a la altura axial desde la parte inferior 122 del pistón. El gráfico de la figura 2 ilustra el perfil axial del pistón 100 tanto en la temperatura de trabajo o cerca de ésta, como en la temperatura ambiente o cerca de ésta. Tal como se ha descrito previamente, el perfil axial del pistón 100 puede ser diferente dependiendo de si el pistón 100 está en la temperatura de trabajo o cerca de ésta, o en la temperatura ambiente o cerca de ésta. Por ejemplo, la línea intermedia 156 del perfil del faldón puede ser, en general, convexa o lineal cuando el pistón está a temperatura ambiente

o cerca de ésta (por ejemplo, en referencia a la línea punteada en el gráfico de la figura 2), pero debido a la expansión térmica de la pared circunferencial, la línea intermedia 156 del perfil del faldón puede ajustarse para comprender la curvatura cóncava a medida que se aproxima a la temperatura de trabajo (por ejemplo, en referencia a la línea continua en el gráfico de la figura 2). En otras realizaciones, la línea intermedia 156 del perfil del faldón puede incluir una curvatura cóncava, tanto cuando el pistón 100 está en un estado expandido térmicamente como cuando el pistón 100 está en un estado enfriado.

La figura 2 muestra asimismo la sección transversal del plano de empuje del pistón 100, que incluye la pared circunferencial 126 que rodea la parte hueca 121. La pared circunferencial 126 varía su grosor en una dirección a lo largo del eje 115 del pistón, lo que puede afectar a la rigidez del faldón 120 del pistón a ciertas alturas axiales. En un ejemplo, la parte inferior del faldón puede incluir un punto en que el grosor 125 de la pared sea de aproximadamente 4,8 mm (0,19 pulgadas), la parte intermedia del faldón puede incluir un punto en que el grosor 127 de la pared sea de aproximadamente 8,6 mm (0,34 pulgadas), y la parte superior del faldón puede incluir un punto en que el grosor 129 de la pared sea de aproximadamente 15,5 mm (0,61 pulgadas). Debido a que un grosor mayor de la pared puede incrementar la rigidez radial de la pared circunferencial 126, el punto superior del faldón puede tener una rigidez radial sustancialmente mayor que el punto inferior del faldón. Además, el faldón 120 del pistón puede incluir diámetros interiores 124 del pasador, alineados con ejes 105 del pasador, para recibir el pasador 104, lo que puede afectar a la rigidez del faldón del pistón a ciertas alturas axiales.

Tal como se ha descrito previamente, la línea 152 del perfil del faldón puede configurarse para compensar los cambios en la rigidez del faldón del pistón, desde la parte inferior del faldón hasta la parte superior del faldón. En dichas realizaciones, algunas partes flexibles del faldón 120 de pistón pueden tener radios mayores en el plano de empuje, para flexionarse cuando se exponen a una carga de empuje, y para hacer que el faldón 120 del pistón apoye contra la pared 210 del cilindro con una distribución de carga más uniforme. Por ejemplo, la parte inferior del faldón 120 del pistón puede ser más flexible, y por lo tanto puede tener un punto de radio máximo 155, en interferencia con la pared 210 del cilindro a las temperaturas de trabajo. Sin embargo, debido a la flexión en la parte inferior del faldón 120 del pistón, la carga por unidad de superficie en torno a la parte inferior del faldón del pistón, es sustancialmente similar a la carga por unidad de superficie en torno a la parte superior del faldón (es decir la parte superior, más rígida, del faldón 120 puede no apoyar contra la pared 200 del cilindro con una parte sustancialmente mayor de la carga de empuje).

También haciendo referencia a la figura 2, el pistón 100 puede incluir opcionalmente una cuba 111 de combustión. La cuba de combustión 111 puede utilizarse para optimizar las características de combustión en la cámara de combustión de un motor. Por ejemplo, puede utilizarse una cuba de combustión 111 en un pistón de un motor de gasolina, un motor diesel o un motor de gas natural. En tales realizaciones, la cuba de combustión 111 no afecta significativamente a la rigidez de la cabeza 110 del pistón, y la cabeza 110 del pistón permanece sustancialmente más rígida que las partes del faldón 120 del pistón. En esta realización, la línea 151 del perfil de la cabeza del pistón, muestra que el radio de la cabeza 110 del pistón en el plano de empuje, es menor que en las partes más flexibles del faldón 120 del pistón.

La figura 3 muestra un ejemplo de la línea 152 del perfil del faldón del pistón, representado en un gráfico en el que el pistón está a la temperatura de trabajo o cerca de ésta. Puesto que en este ejemplo la escala para el radio del faldón del pistón se ha limitado a un rango de 75,84 mm a 75,920 mm (2,966 a 2,989 pulgadas), se ha exagerado la forma de la línea 152 del perfil del faldón. Debe entenderse que las escalas dimensionales mostradas en la figura 3 son solamente con propósitos ilustrativos, y que otras realizaciones puede incluir un pistón con varias dimensiones no ilustradas en la figura 3. Además, debe entenderse que la curvatura, la proporción y la forma del perfil axial que se muestran en la figura 3, son solamente con propósitos ilustrativos y que otras realizaciones pueden incluir un perfil axial con diversas curvaturas, proporciones y formas no ilustradas en la figura 3. En este ejemplo, la línea 152 del perfil del faldón del pistón muestra una disminución general en el radio del faldón, desde el punto de máximo radio 155 hacia la parte superior del faldón. Esta disminución en el radio del faldón sigue, en general, la flexibilidad del faldón del pistón en este ejemplo, y el cambio en la tasa de disminución del radio coincide con la transición flexible-a-rígido del faldón del pistón.

En referencia a la figura 3, la parte inferior de la línea inferior 154 del perfil del faldón (por ejemplo, cerca del fondo, a la altura axial = 0,000) incluye una curvatura convexa hacia dentro, para evitar ranurar la pared 210 del cilindro durante el movimiento oscilante del pistón 100. En este ejemplo, la línea inferior 154 del perfil del faldón incluye el punto de radio máximo 155 a una altura axial por encima de la parte inferior, donde el faldón 120 del pistón es menos rígido. Tal como se ha descrito previamente, por lo menos una parte de la línea intermedia 156 del perfil del faldón puede incluir una curvatura cóncava. Dicha curvatura cóncava puede, por ejemplo, representar un cambio sustancial de los radios del faldón del pistón en el plano de empuje, debido a un cambio sustancial en la rigidez del faldón del pistón. En este ejemplo, la línea intermedia 156 del perfil del faldón se encuentra con la línea superior 158 del perfil del faldón, en un segundo punto de inflexión 159, y prolonga hacia abajo la línea del perfil de la cabeza (no mostrada en el ejemplo de la figura 3).

Tal como se muestra en el ejemplo de la figura 3, la línea 152 del perfil del faldón puede conformarse para compensar los cambios en rigidez del faldón 120 del pistón, desde la parte inferior del faldón hasta la parte superior del faldón, y semejante configuración puede permitir que el faldón 120 del pistón se apoye contra la pared 210 del cilindro en una distribución de carga más uniforme. En esta realización, la curvatura cóncava a lo largo de una parte de la línea 152 del perfil del faldón (por ejemplo, a lo largo de la línea intermedia 156 del perfil del faldón) puede ser una parte del diseño del pistón que permite la distribución sustancialmente uniforme de la carga de empuje a lo largo del faldón 120 del pistón. Por otra parte, si la línea 152 del perfil del faldón del pistón incluye una sola curvatura convexa (cuando el pistón está a la temperatura de trabajo o cerca de ésta) que se extiende a toda la altura axial del faldón, la parte superior del faldón pueden transportar una carga por unidad de área significativamente mayor que la parte inferior del faldón, debido a la carga de empuje. La distribución sustancialmente no uniforme de la carga de empuje puede provocar que el pistón "pula" o si no raspe la pared del cilindro (debido a que la parte superior del faldón puede aplicar una carga por unidad de área mayor, a la pared del cilindro, sin flexionarse como la parte inferior del faldón).

En algunas realizaciones, incluyendo las realizaciones descritas previamente, la parte inferior del faldón 120 del pistón puede incluir un radio máximo 155 en el plano de empuje, que está dimensionado para estar en interferencia con la pared 210 del cilindro a las temperaturas de trabajo. En dichas realizaciones, no se produciría la captura del pistón 100 debido a la flexión en la parte inferior del faldón 120 del pistón. La parte inferior del faldón 120 del pistón se flexiona de manera que la parte inferior del faldón 120 está cargada por resorte contra el lado de empuje principal 230 y el lado de empuje secundario 240 de la pared 210 del cilindro. Esta interacción provoca que la parte inferior del faldón 120 contribuya a la distribución de la carga de empuje, distribuyendo por lo tanto parte de la carga, que sino podría ser aplicada a la parte del faldón superior o a la parte 110 de cabeza. Al crear una distribución de carga más uniforme a lo largo del faldón 120 del pistón, se reduce la probabilidad de generación de zonas locales de concentraciones de tensión relativamente elevadas, lo que a su vez puede reducir la probabilidad de "pulir" o si no raspar la pared 210 del cilindro.

Asimismo en ciertas realizaciones, el pistón 100 está dotado de un guiado mejor, debido a que la parte inferior del faldón 120 está cargada por resorte contra los lados de empuje principal y secundario 230 y 240 de la pared 210 del cilindro, a las temperaturas de trabajo. Tal como se ha descrito previamente, cuando la parte 120 del faldón del pistón se apoya de tal modo contra la pared 210 del cilindro y proporciona un guiado suficiente del pistón 100, se puede reducir la tendencia del pistón 100 a balancearse en torno al eje 105 del pasador, lo que a su vez permite un diseño con un espacio de holgura mínimo entre la cabeza 110 del pistón y la pared 210 del cilindro. En semejantes circunstancias, puede ser que se esté añadiendo fricción al sistema cuando la parte inferior del faldón 120 está cargada por resorte para apoyar contra los lados de empuje principal y secundario 230 y 240 de la pared 210 del cilindro, a temperaturas de trabajo. Sin embargo, esta fricción añadida puede ser despreciable debido a que no necesariamente se produce una ruptura en la capa hidrodinámica de lubricante, entre la pared 210 del cilindro y el faldón 120 del pistón. Además, estas realizaciones pueden proporcionar una distribución de carga más uniforme entre las partes superior e inferior del faldón 120 (descritas previamente), lo que puede reducir la fricción provocada al "pulir" o si no raspar la pared 210 del cilindro. Una reducción semejante en la fricción por "pulido" puede compensar cualquier fricción añadida potencialmente,. al estar la parte inferior del faldón 120 del pistón cargada por resorte para apoyar contra los lados de empuje principal y secundario 230 y 240 de la pared 210 del cilindro, a temperaturas de trabajo.

En referencia a la figura 4, se representa esquemáticamente la línea del perfil polar del pistón 100 a la temperatura de trabajo o cerca de ésta, con una línea 170 del perfil polar. La línea 170 del perfil polar muestra la forma de la superficie circunferencial exterior del pistón 100 en un plano radial en sección transversal. En esta realización, la línea 170 del perfil polar se muestra en una sección transversal del plano radial, en la parte inferior del faldón 120 del pistón (véase la línea de sección transversal en la figura 1). La forma general de la línea 170 del perfil polar, puede ser similar incluso si se toma otra sección transversal del plano radial, en otra parte del faldón 120 del pistón. El tamaño de los radios del perfil polar en otro plano radial, puede estar en proporción con el radio exterior en las superficies de empuje principal y secundaria 130 y 140, según se muestra en la línea 150 del perfil axial, y sigue sustancialmente la forma mostrada en la figura 4.

La línea 170 del perfil polar se muestra exagerada solamente con propósitos ilustrativos. Debe entenderse que los cambios en el radio exterior del pistón 100 en el plano radial, pueden ser pequeños en relación con el tamaño global del pistón 100, de manera que el pistón 100 puede aparentar una forma circular en sección transversal, visto a distancia. Varias realizaciones del pistón 100 pueden incluir faldones del pistón con formas en sección transversal que no coinciden perfectamente con la forma en sección transversal del diámetro interior 205 del cilindro. En la realización mostrada en la figura 4, la forma circunferencial en sección transversal del faldón 120 del pistón es una especie de elipse modificada y no es simétrica en torno al eje 105 del pasador. En otras realizaciones, la forma circunferencial en sección transversal puede tener un aspecto diferente, tal como una elipse o una elipse modificada que sean simétricas en torno al eje 105 del pasador.

En referencia a la figura 4, el pistón 100 puede tener un diseño de perfil polar que es asimétrico en torno a un eje 105 del pasador. En esta realización, la superficie circunferencial exterior del faldón 120 del pistón en el plano radial, en sección transversal, tiene una forma elíptica modificada que es sustancialmente simétrica en torno al eje de empuje 117. Los radios máximos en la línea 170 del perfil polar, se producen en la superficie de empuje principal 130 y en la superficie de empuje secundaria 140. En este plano radial, la superficie de empuje principal 130 y la superficie de empuje secundaria 140 tienen la dimensión suficiente para apoyar contra la pared 210 del cilindro, respectivamente a lo largo del lado de empuje principal 230 y del lado de empuje secundario 240. Dicha interacción entre el faldón 120 del pistón y la pared 210 del cilindro, puede provocar que el faldón 120 se reflexione hacia dentro en la dirección del eje de empuje 117, y en consecuencia se reflexione hacia fuera en la dirección del eje 105 del pasador. Por ejemplo, cuando la fuerza de empuje 254 (figura 1) impulsa la superficie de empuje principal 130 contra el lado de empuje principal 230 de la pared 210 del cilindro, la superficie de empuje principal 130 del faldón del pistón puede flexionarse hacia dentro. Esta flexión hacia dentro provoca que el faldón 120 del pistón se reflexione hacia fuera, en la dirección del eje 105 del pasador. Para permitir la holgura para esta flexión hacia fuera en la dirección del eje 105 del pasador, los radios a lo largo de las superficies no de empuje 132 y 142 del faldón 120 del pistón, pueden ser menores que los radios a lo largo de las superficies de empuje principal y secundaria 130 y 140, y pueden ser menores que el radio del diámetro interior 205 del cilindro, a las temperaturas de trabajo.

Las cargas de empuje sobre la superficie de empuje principal 130 pueden ser mayores que sobre la superficie de empuje secundaria 140, de manera que el faldón 120 del pistón puede flexionarse no uniformemente hacia fuera. En dichas realizaciones, el radio mínimo 175 puede no extenderse en una dirección paralela al eje 105 del pasador, y extenderse en cambio hacia el lado de empuje principal del eje 105 del pasador (por ejemplo, el punto de radio mínimo 176 en la línea 170 del perfil polar, está separado del eje 105 del pasador y hacia la superficie de empuje principal 130). En esta realización, la línea 170 del perfil polar es sustancialmente simétrica en torno al eje de empuje 117, de manera que el punto de radio mínimo 176 existe a ambos lados del eje de empuje 117. Puesto que las cargas de empuje sobre la superficie de empuje principal 130 pueden ser mayores que sobre la superficie de empuje secundaria 140, el faldón 120 del pistón puede flexionarse hacia fuera, más en el lado de empuje principal que en el lado de empuje secundario. Para compensar esta flexión no uniforme del faldón 120 del pistón, muchos de los radios del lado de empuje secundario del eje 105 del pasador, pueden ser relativamente mayores que los radios homólogos en el lado de empuje principal del eje 105 del pasador. Los radios relativamente más largos en el lado de empuje secundario, pueden proporcionar un área superficial mayor para apoyar contra la pared 210 del cilindro, y guiar el pistón

100. El radio mínimo 175 en el lado de empuje principal del eje 105 del pasador, puede compensar la flexión hacia fuera del faldón 120 del pistón, provocada por la carga mayor en el lado de empuje principal del eje 105 del pasador.

La figura 5 muestra un ejemplo de la línea 170 del perfil polar (para un pistón 100 a la temperatura de trabajo, o cerca de ésta) representado en un gráfico. Puesto que, en este ejemplo, la escala para el radio del faldón del pistón se ha limitado a un rango de 75,7936 mm a 75,8952 mm (2,984 a 2,988 pulgadas), se ha exagerado la forma de la línea 170 del perfil del faldón. Debe entenderse que las escalas dimensionales mostradas en la figura 5 son solamente con propósitos ilustrativos, y que otras realizaciones puede incluir un pistón con varias dimensiones no ilustradas en la figura 5. Además, debe entenderse que la curvatura, la proporción y la forma del perfil polar que se muestran en la figura 5, son solamente con propósitos ilustrativos y que otras realizaciones pueden incluir un perfil polar con diversas curvaturas, proporciones y formas no ilustradas en la figura 5. En este ejemplo, la línea 170 del perfil polar muestra que la superficie circunferencial exterior del faldón 120 del pistón en el plano radial en sección transversal, tiene una forma elíptica modificada que es asimétrica en torno al eje 105 del pasador (y sustancialmente simétrica en torno al eje 117 de empuje).

En referencia a la figura 5, en este ejemplo, muchos de los radios en el lado de empuje secundario del eje 105 del pasador, pueden ser relativamente mayores que

los radios homólogos en el lado de empuje principal del eje 105 del pasador. Por ejemplo, el radio mínimo 175 tiene una longitud de unos 75,8317 mm (2,9855 pulgadas) y se produce en un punto 176 en el lado de empuje principal del eje 105 del pasador, en un ángulo de unos 25 grados desde el eje 105 del pasador. El radio 5 homólogo tiene una longitud de unos 75,8571 mm (2,9865 pulgadas), y se produce en un punto 178 en el lado de empuje secundario del eje 105 del pasador, en un ángulo de unos 25 grados desde el eje 105 del pasador. El radio máximo en este perfil polar tiene una longitud de unos 75,8901 mm (2,9878 pulgadas), y se produce en las superficies de empuje principal y secundaria 130 y 140. Los radios a lo largo

10 de las superficies no de empuje 132 y 142 son menores que este radio máximo, para proporcionar holgura para la flexión hacia fuera del faldón 120 del pistón en la dirección del eje 105 del pasador.

Otras realizaciones del pistón pueden incluir un perfil polar que no se ilustra en la figura 4 ni en la figura 5. Por ejemplo, un pistón puede incluir el perfil axial 15 mostrado en la figura 1, la figura 2 o la figura 3, y puede incluir asimismo un perfil polar con una forma elíptica modificada que es asimétrica en torno al eje 105 del pasador. En otro ejemplo, un pistón puede incluir el perfil axial mostrado en la figura 1, la figura 2 o la figura 3, y puede incluir asimismo un perfil polar con una forma elíptica que es simétrica en torno al eje 105 del pasador. En realizaciones con un

20 perfil polar simétrico, el radio mínimo puede producirse a lo largo del eje 105 del pasador, y el radio máximo puede producirse a lo largo del eje de empuje 117 en los lados de empuje principal y secundario.

REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCIÓN

La lista de referencias citadas por el solicitante es solo para comodidad del lector. No forma parte del documento de Patente Europea. Aunque se ha tomado especial cuidado en recopilar las referencias, no puede descartarse errores u omisiones y la EPO rechaza toda responsabilidad a este respecto.

Documentos de patentes citados en la descripción:

•: JP 09 170 490 A [0004] [0004]

•: DE 3 740 820 C1 [0005]

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Un aparato, que comprende: un motor de combustión interna (200) con, por lo menos, una pared (210) que define un diámetro interior (205); y un pistón (100) dispuesto para oscilar en el diámetro interior (205), comprendiendo el pistón una parte (110) de cabeza y una parte (120) de faldón, teniendo el pistón una superficie exterior sustancialmente circunferencial, y por lo menos una parte (130) de la superficie exterior apoyando contra la pared (210) en un plano de empuje, en el que la superficie exterior tiene una línea (150) del perfil axial en el plano de empuje, que incluye una línea inferior (154) del perfil del faldón, una línea intermedia (156) del perfil del faldón, y una línea superior (158) del perfil del faldón, incluyendo la línea intermedia (156) del perfil del faldón, una curvatura cóncava en el plano de empuje cuando el pistón (100) está sustancialmente a la temperatura de trabajo, y caracterizado porque la línea intermedia (156) del perfil del faldón tiene radios en el plano de empuje que son más largos que los radios de la línea superior (158) del perfil del faldón en el plano de empuje. 2.-El aparato de la reivindicación 1, en el que la línea inferior (154) del perfil

del faldón incluye una curvatura sustancialmente convexa en el plano de empuje, y la línea superior (158) del perfil del faldón incluye una curvatura sustancialmente cóncava en el plano de empuje.
3.-El aparato de la reivindicación 1, en el que la superficie exterior (130) realiza la transición desde la curvatura sustancialmente convexa de la línea inferior

(154) del perfil del faldón, a la curvatura sustancialmente cóncava de la línea intermedia (156) del perfil del faldón, para compensar un cambio en la rigidez del pistón (100).
4.-El aparato de la reivindicación 3, en el que la línea inferior (154) del perfil del faldón y la línea superior (156) del perfil del faldón son operativas para distribuir de forma sustancialmente uniforme una carga de empuje (254) del pistón (100) al lado de empuje principal (230) de la pared (210).
5.-El aparato de la reivindicación 1, en el que la línea inferior (154) del perfil

del faldón incluye un radio máximo que está en ajuste con apriete con la pared (210), cuando el pistón (100) está sustancialmente a la temperatura de trabajo. 6.-El aparato de la reivindicación 5, en el que la parte inferior del faldón definida por la línea inferior (154) del perfil del faldón, se reflexiona cuando está en 5 el ajuste con apriete para evitar la captura del pistón en el diámetro interior.
7.-El aparato de la reivindicación 5, en el que la parte inferior del faldón definida por la línea inferior (154) del perfil del faldón, está cargada por resorte contra los lados de empuje principal y secundario (230) y (240) de la pared (210), cuando está en el ajuste con apriete con la pared (210).

10 8.-El aparato de la reivindicación 7, en el que la superficie exterior es operativa para guiar el pistón (100) en el diámetro interior (205), cuando la parte inferior del faldón está cargada por resorte contra los lados de empuje principal y secundario (230) y (240) de la pared (210).
9.-El aparato de la reivindicación 7, en el que cuando la parte inferior del 15 faldón está cargada por resorte contra los lados de empuje principal y secundario

(230) y (240) de la pared (210), la parte inferior del faldón y la parte superior del faldón son operativas para distribuir de forma sustancialmente uniforme una carga de empuje (254) desde el pistón (100) al lado de empuje principal (230) de la pared (210).

20 10.-El aparato de la reivindicación 5, que comprende además una capa de lubricante entre una parte de la pared (210) y una parte del pistón (100).
11.-El aparato de la reivindicación 1, en el que el pistón (100) comprende además un perfil polar (170) en un plano radial y un eje (105) del pasador, siendo el perfil polar (170) asimétrico en torno al eje (105) del pasador.

25 Siguen cinco hojas de dibujos.