CN102678379A - 一种用于高强化的往复式内燃机的组合活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，属于燃烧发动机技术领域。本发明的目的是为了解决传统钢顶铝裙组合活塞由于重量较大，而影响内燃机转速提升的缺点，本发明通过采用卡台式的结构实现了碳纤维增强石墨基复合材料制成的活塞头部与铝质材料制成的活塞裙部，在高转速、高热负荷条件下的可靠连接，大大降低组合活塞的整体重量，从而提升了此类型组合活塞的内燃机的转速，进而达到了其升功率的提高；另外，本发明通过将第一气环环槽、第二气环环槽和油环环槽加工在导热性能良好的活塞裙部侧壁，并通过抗烧蚀、耐高温镀层的应用，避免了高温结焦现象，并提高抗烧蚀能力，本发明可广泛应用于为高强化、高升功率柴油机活塞领域。

Description

一种用于高强化的往复式内燃机的组合活塞
技术领域
本发明涉及一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，属于燃烧发动机技术领域。
背景技术
随着社会发展对动力产生与日俱增的需求，以及对节能减排日渐苛刻的要求，当前内燃机不断强化、升功率不断提高，同时进一步追求提高经济性、降低排放。在这个过程中，内燃机的燃烧压力、平均燃烧温度、转速均大幅度提高。如此一来，内燃机工作环境持续恶化，将导致其可靠性的降低。为了保证内燃机在高强化后的可靠性，作为内燃机中工作环境最为恶劣的部件之一的活塞需要满足下列要求：
1，活塞头部在350℃至450℃的高温环境下仍然保持很高的屈服强度；
2，活塞的整体重量轻；
3，工作过程中活塞润滑油、冷却油不能结焦。
针对上述问题，当前车用柴油机领域常常使用钢顶铝裙组合活塞这一由来已久的技术。因为钢材料较之传统铝合金材料具有更高的高温屈服强度，所以制成的活塞头部可以承受更高的燃烧温度。
中国发明专利申请公开说明书CN 101929404A，2009.06.27，公开了一种钢顶铝裙组合活塞。该活塞利用内嵌的螺栓和螺母对活塞头部和活塞裙部进行机械连接，以实现综合利用钢的高温强度高和铝合金的比重量小的目的。但是，由于钢的比重量大，使得组合活塞的整体重量很大，这直接制约着应用此类型组合活塞的内燃机的转速的提升，也就限制了其升功率的提高。
碳纤维增强石墨基复合材料是近年来刚刚成熟生产并应用的一种新型材料，它同时具有高温强度高和比重量小的特点，因此可以考虑配合合金材料用于高强化内燃机组合活塞的设计制作。然而，由于碳纤维增强石墨基复合材料属于非金属材料，不能采用焊接的方式与金属构成组合活塞；而且该材料的受热膨胀量很小，合金的受热膨胀量很大，倘若采用传统的螺栓、螺母机械连接的方式，会因为两个连接件的受热变形不一致导致连接螺栓承受过大剪力而失效。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统钢顶铝裙组合活塞由于重量较大，而影响内燃机转速提升的缺点，进而提供了一种采用碳纤维增强石墨基复合材料作为活塞头部的用于高强化的往复式内燃机的组合活塞。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，包括采用碳纤维增强石墨基复合材料制成的活塞头部和铝质材料制成的活塞裙部；
活塞头部外壁向上加工有锥面，活塞头部外壁的底端向外延伸出间断分布的第一卡台；活塞裙部顶端加工有冷却油腔，冷却油腔的外环内径与活塞头部底端的卡台外径相匹配，活塞裙部冷却油腔的外环向上延伸出与活塞头部连接的定位台，活塞裙部定位台的内壁上端加工有与活塞头部外壁相匹配的锥面，活塞裙部定位台的锥面下端向内延伸出间断分布的第二卡台，该卡台相对于冷却油腔外环的长度大于活塞头部与活塞裙部的受热变形差量，活塞裙部定位台向内延伸出的第二卡台与活塞头部外壁向外延伸出的第一卡台的分布关系相匹配，且活塞裙部定位台向内延伸出的第二卡台的外形匹配于活塞头部外壁锥面与活塞头部外壁向外延伸出的第一卡台组成的外形；
将活塞头部外壁向外延伸出的卡台穿过活塞裙部定位台向内延伸出卡台之间的间隙，发生相对旋转后使活塞头部与活塞裙部之间通过各自的卡台轴向定位，并使冷却油腔上端通过活塞头部和活塞裙部的锥面实现密封，同时在活塞头部与活塞裙部的中心轴位置通过螺钉固定；
其中活塞头部的卡台与活塞裙部的卡台的连接处加工有螺旋升角。
作为本发明的进一步改进，为进一步减轻组合活塞的整体质量同时保证连接在高温下的可靠性，螺钉采用碳纤维增强石墨基复合材料制成。
作为本发明的进一步改进，为避免活塞环槽内的润滑油发生高温结焦，活塞的第一气环环槽、第二气环环槽和油环环槽均加工在铝质材料制成的导热性能良好的活塞裙部侧壁，而不加工在碳纤维增强石墨基复合材料制成的导热性能较差的活塞头部上。
作为本发明的进一步改进，为了避免碳纤维增强石墨基复合材料在高温条件发生烧蚀，活塞头部顶面喷镀抗烧蚀的致密镀层；为了合理控制总传热量的流向，降低对第一气环环槽的传热量，避免该处机油高温结焦，活塞头部和活塞裙部的接触处喷镀耐高温、隔热的镀层。
作为本发明的进一步改进，为了保持结构受力的均匀性和连接的可靠性，活塞头部卡台与活塞裙部卡台的优选分布关系为，活塞头部与活塞裙部均加工有两个卡台，且卡台与卡台之间的间隙等分分布，并且为了满足装配的要求，卡台的圆周角为负偏差，而卡台与卡台之间间隙的圆周角为正偏差。
作为本发明的进一步改进，为避免活塞震荡冷却油腔内的冷却油发生高温结焦，活塞头部的底面为平面，使活塞头部参与组成的冷却油腔的表面积最小。
有益效果
本发明通过采用卡台式的结构实现了碳纤维增强石墨基复合材料制成的活塞头部与铝质材料制成的活塞裙部，在高转速、高热负荷条件下的可靠连接，大大降低组合活塞的整体重量，从而提升了此类型组合活塞的内燃机的转速，进而达到了其升功率的提高；另外，本发明通过将第一气环环槽、第二气环环槽和油环环槽加工在导热性能良好的活塞裙部侧壁，并通过抗烧蚀、耐高温镀层的应用，避免了高温结焦现象，并提高抗烧蚀能力，本发明可广泛应用于为高强化、高升功率柴油机活塞领域。
附图说明
图1为本发明中组合活塞装配体的主剖视图；
图2为本发明中活塞头部的主视图；
图3为本发明中活塞头部的底面的视图；
图4为本发明中活塞裙部的主剖视图；
图5为本发明中活塞裙部的俯视图；
图6为传统钢顶铝裙组合活塞；
其中，1-活塞头部、2-活塞裙部、3-第一卡台、4-第二卡台、5-螺钉、6-卡台间隙、7-第一气环环槽、8-第二气环环槽、9-油环环槽、10-冷却油腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明。
实施例
活塞头部1外壁向上加工有锥面，活塞头部2外壁的底端向外延伸出间断分布的第一卡台3；活塞裙部2顶端加工有冷却油腔10，冷却油腔的外环内径与活塞头部底端的卡台外径相匹配，活塞裙部冷却油腔的外环向上延伸出与活塞头部连接的定位台，活塞裙部定位台的内壁上端加工有与活塞头部外壁相匹配的锥面，活塞裙部定位台的锥面下端向内延伸出间断分布的第二卡台4，该卡台相对于冷却油腔外环的长度大于活塞头部与活塞裙部的受热变形差量，活塞裙部定位台向内延伸出的第二卡台与活塞头部外壁向外延伸出的第一卡台的分布关系相匹配，且活塞裙部定位台向内延伸出的第二卡台的外形匹配于活塞头部外壁锥面与活塞头部外壁向外延伸出的第一卡台组成的外形；
将活塞头部外壁向外延伸出的卡台穿过活塞裙部定位台向内延伸出卡台之间的间隙6，发生相对旋转后使活塞头部与活塞裙部之间通过各自的卡台轴向定位，并使冷却油腔上端通过活塞头部和活塞裙部的锥面实现密封，同时在活塞头部与活塞裙部的中心轴位置通过螺钉5固定，螺钉采用碳纤维增强石墨基复合材料制成；
活塞头部的卡台与活塞裙部的卡台的连接处加工有螺旋升角；
活塞头部顶面喷镀抗烧蚀的类金刚石镀膜，且活塞头部和活塞裙部的接触处喷镀耐高温、隔热的陶瓷梯度喷镀镀层；
活塞头部与活塞裙部均加工有两个圆周角为90度的卡台，且卡台与卡台之间的间隙等分分布，各占圆周角90度。并且为了满足装配的要求，卡台的圆周角加工为负偏差，而卡台与卡台之间间隙的圆周角加工为正偏差；
活塞的第一气环环槽7、第二气环环槽8和油环环槽9均加工在活塞裙部侧壁，而不加工在活塞头部上；
活塞头部的底面加工为平面。

Claims (6)

1.一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，其特征在于包括：采用碳纤维增强石墨基复合材料制成的活塞头部和铝质材料制成的活塞裙部；
活塞头部(1)外壁向上加工有锥面，活塞头部(2)外壁的底端向外延伸出间断分布的第一卡台(3)；活塞裙部(2)顶端加工有冷却油腔(10)，冷却油腔的外环内径与活塞头部底端的卡台外径相匹配，活塞裙部冷却油腔的外环向上延伸出与活塞头部连接的定位台，活塞裙部定位台的内壁上端加工有与活塞头部外壁相匹配的锥面，活塞裙部定位台的锥面下端向内延伸出间断分布的第二卡台(4)，该卡台相对于冷却油腔外环的长度大于活塞头部与活塞裙部的受热变形差量，活塞裙部定位台向内延伸出的第二卡台与活塞头部外壁向外延伸出的第一卡台的分布关系相匹配，且活塞裙部定位台向内延伸出的第二卡台的外形匹配于活塞头部外壁锥面与活塞头部外壁向外延伸出的第一卡台组成的外形；将活塞头部外壁向外延伸出的卡台穿过活塞裙部定位台向内延伸出卡台之间的间隙，发生相对旋转后使活塞头部与活塞裙部之间通过各自的卡台轴向定位，并使冷却油腔上端通过活塞头部和活塞裙部的锥面实现密封，同时在活塞头部与活塞裙部的中心轴位置通过螺钉(5)固定；其中活塞头部的卡台与活塞裙部的卡台的连接处加工有螺旋升角。
2.如权利要求1所述的一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，其特征在于：螺钉采用碳纤维增强石墨基复合材料制成。
3.如权利要求1所述的一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，其特征在于：活塞的第一气环环槽(7)、第二气环环槽(8)和油环环槽(9)均加工在铝质材料制成的活塞裙部侧壁。
4.如权利要求1所述的一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，其特征在于：活塞头部顶面喷镀抗烧蚀的致密镀层；活塞头部和活塞裙部的接触处喷镀耐高温、隔热的镀层。
5.如权利要求1所述的一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，其特征在于：活塞头部与活塞裙部均加工有两个卡台，且卡台与卡台之间的间隙等分分布。
6.如权利要求1所述的一种用于高强化往复式内燃机的组合活塞，其特征在于：活塞头部的底面为平面。
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