专利文件1：国际公开小册子第WO92/02722
专利文件2：JP-A-04-347352
专利文件3：JP-A-05-26106
专利文件4：日本专利第2988010号
其中用于降低由于作用在活塞上的推力在推力侧上活塞和气缸之间的摩 擦损失的技术包括：国际公开小册子第WO92/02722、JP-A-04-347352、 JP-A-05-26106和日本专利第2988010号(参见专利文件1至4)。在本文所述 的技术中，在设置于活塞上部本体上用于压缩的活塞环之间、即在第二环槽脊 部分上形成有气室，并在发动机运行的膨胀冲程的初始阶段将活塞上方的高压 气体引入该气室内，使得与由于连杆的倾斜产生的推力相反的该引入的气体压 力来支承该活塞，以由此降低活塞和气缸内表面之间的摩擦损失。

本发明所要解决的问题
附带地说，往复式发动机的活塞上部本体的直径小于裙部最大直径部分的 直径，且活塞整体具有梯形形状。即，活塞上部本体包含在汽缸内，并具有相 对于气缸内径的间隙。换言之，在推力侧和反推力侧上存在于活塞的活塞上部 本体和气缸的内表面之间的间隙是不可避免的。为此，活塞在上死点中心的摆 动现象保持不变，即使在用于压缩的活塞环之间、即在第二环槽脊部分上形成 有气室，且在膨胀冲程的初始阶段将活塞上方的高压气体引入该气室内以通过 该引入的气体压力来支承活塞时也是如此。即，由于存在上述间隙，在发动机 运行期间、尤其是在上死点中心处反向期间，由于瞬间负载和推力会使活塞经 受振动和摆动。活塞上部本体和活塞裙部撞抵气缸。为此，就会造成活塞和气 缸之间、活塞和气缸之间以及活塞环和活塞环沟槽之间的摩擦损失。此外，活 塞的偏移会导致漏气。
因而，本发明的目的是提供这样一种往复式发动机：在发动机运行期间， 该发动机能够抑制活塞的偏移，包括活塞的振动、摆动、侧向偏移等，能降低 活塞环和气缸之间、活塞环和活塞沟槽之间的摩擦损失，并能减少漏气的发生， 并增强活塞上部本体的有效冷却和燃料混合物的燃烧率。
解决问题的手段
根据本发明，一种往复式发动机，其具有的活塞包括：活塞上部本体，该 活塞上部本体由用于接纳燃烧压力的冠状部分和其上安装有活塞环的环槽脊 部分组成；以及裙部，所述裙部形成在所述活塞上部本体的下侧上；其中，活 塞本体形成为相对于活塞的中心线朝向反推力侧偏离中心，且在反推力侧上， 活塞上部本体的外周表面和裙部最大直径部分的外周表面形成为对齐在竖直 线上，使得在活塞以竖直姿态容纳在气缸内的状态，在反推力侧上，活塞上部 本体的外周表面和裙部最大直径部分的外周表面紧紧邻靠气缸的内表面，而在 推力侧上，在活塞上部本体的外周表面和气缸的内表面之间形成间隙；气室， 该气室形成在装在活塞上部本体的外周表面上的第一活塞环和第二活塞环之 间的第二环槽脊部分上；多个凹槽，所述多个凹槽形成在气缸的内表面的推力 侧上的上部内；由此，当活塞位于上死点中心或上死点中心附近时，活塞上方 的高压气体能够流入环形气室，活塞由流入气室内的高压气体从推力侧来支 承，且活塞降低到使活塞上部本体和裙部外周表面在反推力侧上邻靠气缸的内 表面。
根据如上所述构造，活塞上部本体朝向反推力侧偏离中心，且活塞上部本 体的外周表面和裙部的最大直径部分的外周表面形成对准在竖直线上。因此， 对于以竖直姿态在反推力侧上包含在气缸内的活塞，活塞上部本体的外周表面 和裙部的最大直径部分的外周表面处于紧紧邻靠气缸的内表面的状态。
当处于上述状态的活塞在上死点中心时，如果压缩气体和膨胀气体作用在 顶表面上，则气体压力作用在活塞上部本体的推力侧上的外周表面上，但不能 作用在反推力侧上的外周表面上、即反推力侧的顶部环槽脊上。活塞设置成处 于从推力侧支承的状态。
即使有会使处于这种状态的活塞摆动的瞬时负载施加到活塞上，活塞也在 反推力侧上内接气缸的内表面，同时保持其竖直姿态。当活塞处于上述状态在 上死点中心或上死点中心附近时，活塞上方的膨胀气体通过设置在气缸的内表 面的推力侧上的上部上设置的凹槽流入活塞的环形气室内。此时，由于连杆朝 向推力侧倾斜，推力或侧压力作用在活塞上，并倾向于朝向推力侧侧向偏移。 但是，活塞由流入环形气室并保持在其中的气体从推力侧来支承，并在活塞下 降时抑制其偏移，同时保持其竖直姿态并邻靠反推力侧上气缸的内表面。
即，由于来自气压从推力侧的弹性支承和挤压，活塞紧紧邻靠反推力侧。 为此，可抑制活塞经受侧向偏移、摆动和与气缸的碰撞。因而，能够基本上降 低活塞和气缸之间的摩擦损失，尤其是在有侧向压力作用的推力侧上活塞和气 缸之间的摩擦损失、活塞环和活塞之间的压力损失以及活塞环和气缸内表面之 间的压力损失。此外，由于抑制了活塞的振动，能够防止泄漏气体吹过。
此外，对于活塞，由于具有经受高温、高压气压的冠状部分的活塞上部本 体在反推力侧上与气缸接触，与仅通过活塞环与气缸的常规接触相比，与气缸 的接触面积增大，从活塞传到气缸的热流量也大，由此能够有效地进行活塞顶 表面的冷却。因此，能够防止不正常燃烧，且总体发动机的发热降低，从而可 令人满意地获得吸气效率。
此外，在膨胀冲程的初始阶段，当活塞位于上死点中心或上死点中心附近， 且活塞的第一活塞环横过多个凹槽时，活塞上方的燃烧的气体压力快速流入活 塞的环形气室内，从而在活塞上方燃烧的气体内发生流动并扰乱气体，由此提 高燃烧率并缩短燃烧时间。
本发明的优点
根据本发明，能够提供这样一种往复式发动机：其中在发动机运行期间， 该发动机能够抑制活塞的偏移，包括活塞的振动、摆动、侧向偏移等，降低活 塞环和气缸之间、活塞环和活塞沟槽之间的摩擦损失，并减少漏气的发生，并 增强活塞上部本体的有效冷却和燃料混合物的燃烧率。
此后，将参照示出本发明的实施方式的附图给出各实施例的说明。

图1是本发明的实施例的示例性纵向剖视示意图；
图2是根据图1所示实例运行的示意图；
图3是根据图1所示实例运行的示意图；
图4是图1所示实例的示意性横向剖视图；
图5是根据图1所示实例的活塞的示意图；
图6是根据图5所示实例的活塞的平面图；
图7是根据本发明另一实施例的活塞的示意图；
图8是图7所示实例的示意性纵向剖视图；
图9是图8所示另一实施的局部放大示意图；
图10是本发明的又一实施例的示例性纵向剖视图；
图11是根据图10所示又一实例运行的示意图；
图12是图10所示又一实例的示意性横向剖视图；
图13是根据图10所示又一实施例的活塞的主要示意图；以及
图14是根据图13所示活塞的平面图。

图1至9示出根据本发明的往复式发动机的第一实施例。图10至14示出 根据本发明的往复式发动机的第二实施例。
图5和6示出根据第一实施例的往复式发动机1的活塞2。活塞2包括： 活塞上部本体8，该上部本体8由用于接纳燃烧压力的冠状部分3和具有活塞 环沟槽4、5和6的环槽脊部分7组成；裙部9，该裙部形成在该活塞上部本体 8的下侧上；以及销座部分11，该销座部分用于支承活塞销10。应当注意，上 述环槽脊部分7意思是也包括上述活塞上部本体8的外周表面。此后，环槽脊 部分7是指活塞上部本体8的外周表面16。在上述活塞2中，附图标记12表 示推力侧，而附图标记13表示反推力侧。
活塞2形成为使得上述活塞上部本体8相对于活塞2的中心线14朝向反 推力侧13偏离中心。附图标记15表示活塞上部本体8的中心线。如图5所示， 呈竖直姿态的活塞2形成为：在反推力侧13上，活塞上部本体8的外周表面 16和裙部9的最大直径部分的外周表面17对准在竖直线18上。
同时，在推力侧12上，活塞上部本体8的外周表面19位于穿过裙部17 的最大直径部分的外周表面20的竖直线21的内部，从而在其间存在间隙22。
由于活塞2具有上述形状，所以当活塞以竖直姿态包含在气缸23内、并 处于竖直姿态时，如图1至3所示，在反推力侧13上，活塞上部本体8的外 周表面16和裙部9的最大直径部分的外周表面17同时紧紧邻靠气缸23的内 表面24。另一方面，在推力侧12上，在上部活塞本体8的外周表面19和气缸 23的内表面24之间存在间隙25。
用于压缩的活塞环装在活塞上部本体8的活塞环沟槽4内。即，第一活塞 环26装在最靠近冠部3的活塞环沟槽4内，第二活塞环27装在接着的一个最 靠近的活塞环沟槽5内。应当注意，第一活塞环是所谓的顶部环，而第二活塞 环是所谓的第二环。此外，刮油环28装在最下面的环沟槽6内。
安装有第一活塞环26的活塞环沟槽4和安装有第二活塞环27的活塞环沟 槽5形成为相对于垂直于活塞2的轴线29的平面倾斜。此外，活塞环沟槽4 和活塞环沟槽5分别设置成朝向彼此的相对侧倾斜，并设置成从反推力侧13 朝向推力侧12逐渐彼此间隔开。
因而，包含在活塞环沟槽4和活塞环沟槽5之间的第二环槽脊部分30在 推力侧12上较宽而在反推力侧13上较窄。装有刮油环28的活塞环6平行于 垂直于活塞轴线29的平面。
图1至4示出第一活塞环26、第二活塞环27以及刮油环28分别装在活 塞环沟槽4、5和6内的活塞2包含在气缸23内，发动机在竖直姿态运行。
在活塞2中，通过由气缸23的内表面24和形成在第一活塞环26和第二 活塞环27之间的第二环槽脊部分30所包围而形成环形气室31。该环形气室 31在推力侧12上较宽并朝向反推力侧13逐渐变窄。这是为了确保活塞2从推 力侧12由流入环形气室31的高压气体大面积并强烈地挤压，以由此减少周围 流到反推力侧13的气体并减轻后推。
接着，在气缸23上，在其上部33处沿周界方向35在其推力侧12的内表 面24上设有多个(3至4个)凹槽34。应当注意，凹槽34距离气缸内表面24 较深并形成为凹陷。这些凹槽34用作气体压力的通道，稍后进行描述。这些 凹槽34的位置设置成在活塞处于上死点中心的位置或上死点中心附近时，活 塞2的第一活塞环26横过这些凹槽34。因此，形成的该布置设置成使得当活 塞2处于上死点中心或上死点中心附近、且第一活塞环26横过凹槽34时，形 成在这些凹槽34的相应凹陷空间36和活塞环26的外周表面之间的空间构成 通道，使得活塞2上方的燃烧室37和活塞2的环形气室31彼此连通，由此使 活塞2上方的高压气压38能够流入环形气室31内，如箭头41所示。此外， 上述凹槽34设置成在活塞2位于上死点中心时不与第二活塞环27连接。这是 为了确保燃烧室37的高压气体38不会从活塞2向下漏过。此时，在发动机运 行其间，尤其是在活塞2位于上死点中心或上死点中心附近时，从压缩冲程的 初始阶段到膨胀冲程的初始阶段期间，当第一活塞环26横过凹槽34时，活塞 2上方燃烧室37的高压气体38穿过凹槽34并流入活塞2的环形气室31。与 此同时，活塞2设置成处在其由在活塞上部本体8中的环形气室31内的入流 高压气体39支承并从推力侧12朝向反推力侧13受到挤压的状态。活塞2在 膨胀冲程下降，所处的状态是活塞上部本体8的反推力侧13上的外周表面16 和裙部9的最大直径部分的外周表面17邻靠气缸23的内表面24，同时如上所 述作用的气体压力39保持在环形气室31内。
根据如上所述构造的该第一实施例的往复式发动机1，活塞2形成为使得 活塞上部本体8设置成朝向反推力侧13偏离中心，且活塞上部本体8的外周 表面16和裙部9的最大直径部分的外周表面17形成为对准在竖直线18上。 因此，关于以竖直姿态在推力侧13上包含在气缸23内的活塞2，活塞上部本 体8的外周表面16和裙部9的外周表面17紧紧邻靠气缸23的内表面。
如果从活塞的顶表面看，在反推力侧13上，活塞上部本体8的外周表面 16、尤其是顶部环槽脊43内接气缸23的圆弧形的内表面24，如图4所示。
另一方面，在推力侧32上，在上部活塞本体8的外周表面19和气缸23 的内表面24之间存在圆弧形间隙25。
当压缩气体和膨胀气体38作用在处于上述状态的活塞2的顶表面上时， 气体压力作用在活塞上部本体8的推力侧12上的外周表面上的顶部环槽脊46 上，但不能作用在反推力侧13上的外周表面16、即反推力侧13的顶部环槽脊 46上。活塞2处于从推力侧12来支承的状态。
因而，当活塞2已到达上死点中心或上死点中心附近的位置、且有会使活 塞2摆动的瞬时负载施加到活塞2上时，且活塞2在反推力侧13上内接气缸 23的内表面，同时保持其竖直姿态。当活塞2处于上述状态在上死点中心或上 死点中心附近时，活塞2上方的膨胀气体38通过设置在气缸23的内表面24 的推力侧32上的上部33上设置的凹槽34流入活塞2的环形气室31内。此时， 由于连杆47朝向推力侧32倾斜，推力(侧压力)42作用在活塞2上，并倾向 于朝向推力侧32侧向偏移。但是，活塞2由流入上述环形气室31并保持在其 中的高压气体39从推力侧32来支承，并活塞2下降同时在邻靠反推力侧13 上气缸23的内表面24。
即，在从压缩冲程到膨胀冲程中，活塞2下降，其侧向摆动受到抑制，尽 管连杆44的倾斜的反向和瞬时负载的反向。即，在其上有侧向压力作用的推 力侧32，活塞上部本体8由流入环形气室31并保持在其中的高压气体39来弹 性地支承，而活塞2因此降低到紧靠反推力侧45上气缸23的内表面24的状 态而不会引起“偏移”。为此，对活塞2抑制侧向偏移和摆动，并抑制与气缸 23的内表面24的碰撞。
因此，可基本上降低活塞2和气缸23的内表面24之间的摩擦损失、第一 活塞环26和活塞2之间的摩擦损失以及第一活塞环26和气缸23的内表面24 之间的摩擦损失。此外，由于抑制了活塞2的振动，防止泄漏气体漏过。
此外，在膨胀冲程，在其上有推力42作用的推力侧12上，活塞2当然由 环形气室31的高压气体39来支承，从而可降低活塞2和气缸23的内表面24 之间的摩擦损失。由于活塞2具有尤其在推力侧12上由环形气室31的高压气 体39支承的活塞上部本体8，活塞2和气缸23的内表面24之间的接触区域较 小，于是油的拖曳阻力变小。
此外，对于活塞2，由于具有经受高温、高压气压的冠状部分3的活塞上 部本体8在反推力侧13上与气缸23的内表面24接触，与仅通过活塞环的常 规接触相比，与气缸23的内表面24的接触面积较大，且从活塞2传到气缸23 的热量也较大，由此能够有效地进行活塞2的顶表面的冷却。因此，能够防止 不正常燃烧，且总体发动机的发热降低，从而可令人满意地获得进气效果。此 外，在发动机运行的膨胀冲程的初始阶段，当活塞2位于上死点中心或上死点 中心附近、且活塞2的第一活塞环26横过设置在气缸23上的多个凹槽34时， 活塞2上方的气体压力38流入活塞2的环形气室31内，从而在燃烧室37燃 烧期间发生气体内的流动并扰乱气体，由此提高燃烧率。
在图7、8和9中，在其中活塞2的第二活塞环由两个薄活塞环43的叠置 结构构成的往复式发动机1中，在图1所示的活塞2的活塞环沟槽5内插入如 图7、8和9所示的两个薄的活塞环43而不是插入单个活塞环27。
根据该往复式活塞1，由于两个活塞环43叠置并插入活塞环沟槽5内， 油进入相应的活塞环43之间并存在于其中。为此，相对于气缸23的内表面24 来形成油膜是极好的，使气压密封更可靠，并持续确保气缸内表面24和活塞 环43之间令人满意的流体润滑。
尽管将活塞环沟槽5形成为相对于活塞2的轴线29倾斜，但相应的活塞 环43可独立地操作，并可分别与气缸23的内表面24接触。
为此，形成双密封部分44，由此使气体密封更为可靠。
此外，由于相应活塞环43的邻接部45彼此偏移，在邻接部之间形成迷宫 效应，由此防止在邻接部45处产生丙烷气体。
因而，根据诸如图8所示的往复式发动机1，可更加可靠地保持流入活塞 2的环形气室31内的高压气体39。尽管在发动机运行的膨胀冲程中，活塞2 在推力侧12上经受较大的推力42，活塞2降低到活塞2的活塞上部本体8由 于流入环形气室31并保持在其中的高压气体38而从气缸23的内表面24上漂 浮的状态。
为此，在还可在其上有推力42作用的推力侧12上进一步降低摩擦损失。
对于适于随着活塞上部本体8的外周表面16和与气缸23的内表面24接 触的裙部9的最大直径部分的外周表面17运动的活塞2来说，由于第二活塞 环43上两个环叠置的形式，并可可靠地保持高压气体39，所以活塞2由高压 气体39弹性地压向反推力侧13并在反推力侧13上沿内表面24降低。抑制了 活塞2摆动而活塞2轻轻地柔和地下降。
图10至14中示出根据第二实施例的往复式发动机48，而图13和14中 具体示出该实施例的往复式发动机48的活塞49。
活塞49包括：活塞上部本体55，该活塞上部本体由用于接纳燃烧压力的 冠状部分50和具有活塞环沟槽51、52和53的环槽脊部分54构成；以及裙部 56，该裙部形成在该活塞上部本体55的下侧上；以及销座部分58，该销座部 分用于支承活塞销57。
附图标记79表示推力侧，而附图标记80表示反推力侧。
对于活塞49，上述活塞上部本体55设置成相对于活塞49的中心线61朝 向反推力侧80偏离中心。附图标记62表示活塞上部本体55的中心线。呈在 竖直姿态的活塞49形成为：在反推力侧80，上述活塞上部本体55的外周表面 63和裙部56的最大直径部分的外周表面64对准在竖直线65上。
同时，在推力侧79上，活塞上部本体55的外周表面66位于经过裙部56 的最大直径部分的外周表面67的竖直线68的内部，从而在其间存在间隙69。 由于活塞49具有上述形状，所以当活塞包含在气缸23内并处于竖直姿态时， 如图10所示，在反推力侧80上，活塞上部本体55的外周表面63和裙部56 的最大直径部分的外周表面64紧紧邻靠气缸23的内表面71。
另一方面，在推力侧79上，在上部活塞本体55的外周表面66和气缸70 的内表面71之间存在间隙72。
用于压缩的活塞环分别装在活塞上部本体55的活塞环沟槽51和52内。 第一活塞环73装在最靠近冠部50的活塞环沟槽51内，第二活塞环74装在接 着的一个最靠近的活塞环沟槽52内。无需说，第一活塞环73是用于压缩的顶 部环，而第二活塞环74是用于压缩的第二环。此外，刮油环75装在最下面的 环沟槽53内。在上述活塞49中，安装有第一活塞环73的活塞环沟槽51和安 装有第二活塞环74的活塞环沟槽52都形成为平行于垂直于活塞49的轴线76 的平面。具有必要间距的第二环槽脊部分77设置在上述活塞环沟槽51和活塞 环沟槽52之间，并由该第二环槽脊部分77形成稍后将描述的环形气室78。
图10示出具有第一活塞环73、第二活塞环74和刮油环75分别装在活塞 环沟槽51、52和53内的活塞49包含在气缸70内，发动机以竖直姿态运行。
通过由气缸70的内表面71和形成在第一活塞环73和第二活塞环74之间 的第二环槽脊部分77所包围而形成环形气室78。该环形气室78具有从推力侧 79朝向反推力侧80平行的形状。
接着，在气缸70的上部81沿周界方向83在气缸70的推力侧79上的内 表面71上设有多个(3至4个)凹槽82，凹槽82形成为从内表面71凹陷的 形式。这些凹槽82的位置设置成：在活塞49已到达上死点中心的位置或上死 点中心附近时，活塞49的第一活塞环73横过这些凹槽82。
因此，所形成的该布置设置成当活塞49处于上死点中心或上死点中心附 近、且第一活塞环73横过凹槽82时，形成在这些凹槽82的相应凹陷空间84 和活塞环73的外周表面之间的空间构成通道，使得活塞49上方的燃烧室85 和活塞49的环形气室78彼此连通，由此使活塞49上方高压气压86能够流入 环形气室78内。
此外，上述凹槽82设置成在活塞49位于上死点中心时不与第二活塞环 74连接。这是为了确保燃烧室85的高压气体86不会从活塞49向下漏过。
此时，在发动机运行期间，尤其是在活塞49位于上死点中心或上死点中 心附近时，从压缩冲程的初始阶段到膨胀冲程的初始阶段期间，当第一活塞环 73横过凹槽82时，活塞49上方燃烧室85内燃烧并膨胀的高压气体86穿过凹 槽82并流入活塞49的环形气室78。与此同时，活塞49设置成处在其由流入 活塞上部本体55中环形气室31内的高压气体87支承并从推力侧79朝向反推 力侧80受到挤压的状态。活塞49在膨胀冲程下降，所处的状态是活塞上部本 体55的反推力侧80上的外周表面63和裙部56的最大直径部分的外周表面64 邻靠气缸70的内表面71，同时如上所述作用的高压气体87保持在环形气室 78内。
根据如上所述构造的该第二实施例的往复式发动机1，活塞49形成为使 得活塞上部本体55的外周表面63和裙部56的最大直径部分的外周表面64形 成对准在反推力侧80上的竖直线65上。因此，关于包含在气缸70内的活塞 49，在竖直姿态的推力侧80上，活塞上部本体55的外周表面63和裙部56的 最大直径部分的外周表面64邻靠气缸70的内表面71。如果从活塞的顶表面看， 在反推力侧80上，活塞上部本体55的外周表面63、尤其是顶部环槽脊88内 接气缸70的圆弧形的内表面71，如图12所示。
另一方面，在推力侧79上，在上部活塞本体55的外周表面66和气缸70 的内表面71之间存在圆弧形间隙72。
当压缩气体和膨胀气体86作用在处于上述状态的活塞49的顶表面上时， 气体压力作用在活塞上部本体55的推力侧79上的外周表面66上的顶部环槽 脊88上，但不能作用在反推力侧80上的外周表面63上、即反推力侧80的顶 部环槽脊88上。活塞49处于从推力侧79来支承的状态。
因而，当活塞49已到达上死点中心或上死点中心附近的位置、且有会使 活塞49摆动的瞬时负载施加到活塞49上时，且活塞49在反推力侧80上内接 气缸70的内表面，同时保持其竖直姿态。当活塞49处于上述状态在上死点中 心或上死点中心附近时，活塞49上方的高压膨胀气体86通过设置在气缸70 的内表面71的推力侧79上的上部81上设置的凹槽82流入活塞49的环形气 室78内。此时，由于连杆89朝向推力侧79倾斜，推力(侧压力)90作用在 活塞49上，并倾向于朝向推力侧79侧向偏移。但是，活塞49下降，同时抑 制摆动并保持其竖直姿态，且由流入环形气室78并保持在其中的高压气体87 从推力侧79支承，而其反推力侧80邻靠的气缸70的内表面71。
即，在从压缩冲程到膨胀冲程，活塞49下降，其摆动受到抑制，尽管连 杆89的倾斜的反向和瞬时负载的反向。即，在侧向压力作用在其上的推力侧 49，活塞上部本体55由流入环形气室78并保持在其中的高压气体87来弹性 地支承，并活塞49因此降低到紧靠反推力侧90上气缸70的内表面71的状态 而不会引起“偏移”。为此，对活塞49抑制侧向偏移和摆动，并抑制与气缸 70的内表面71的碰撞。
因此，可基本上降低活塞49和气缸70的内表面71之间的摩擦损失、第 一活塞环59和活塞49之间的摩擦损失以及第一活塞环59和气缸70的内表面 71之间的摩擦损失。此外，由于抑制活塞49的振动，防止泄漏气体漏过。