CN104153909A - 一种气体发动机强冷却钢活塞 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机技术领域，涉及一种气体发动机强冷却钢活塞。所述活塞采用耐热、高强度的42CrMo锻钢，取代现有技术中的整体铸造铝活塞，提高了活塞的承载极限，进而提高了气体发动机工作的可靠性。燃烧室设计成浅盆形，可获得规定的燃气压缩比，更加适应气体发动机工作要求。在结构上利用活塞头部和裙部围成的区域设计外、内两层冷却腔，外冷却腔对活塞头部外圆、燃烧室侧壁进行冷却，内冷却腔对燃烧室底部进行冷却，该设计方案解决了因热负荷较大而单一活塞冷却腔很难满足使用要求的问题，大幅降低了活塞因承受较高的热负荷而产生的热应力和热应变，提高了活塞的疲劳寿命。

Description

一种气体发动机强冷却钢活塞

技术领域

本发明属于发动机技术领域，涉及一种气体发动机强冷却钢活塞。

背景技术

活塞是发动机最重要的运动部件之一，它在高温、高压燃气作用下不断做高速往复运动，从而承受着高温高压的热负荷和机械负荷，工作条件十分恶劣，这就要求活塞上要有合适的自冷却系统，以有效降低活塞表面温度。气体发动机通常以天然气为主要燃料，空燃比较小，燃料燃烧不充分，气缸内热负荷比汽油机和柴油机更大，活塞表面温度更高，在一些功率密度较大的气体发动机上，全负荷时的活塞顶部温度已经达到400℃，接近铝活塞承载的极限。因此，对大功率密度的气体发动机来说，必须有一套强冷却系统以适应高热负荷工况，保证活塞得到充分冷却。

目前的气体发动机普遍采用整体铸造铝活塞，内置冷却油腔是目前最有效的冷却方法，其结构主要有两种：一是活塞内部铸出一层冷却腔，如专利《一种气体发动机活塞》（CN2816386Y）和专利《一种气体机活塞的一槽结构》（CN202417731U），上述活塞冷却腔设计较小，只能对活塞头部外圆和燃烧室的周边区域进行冷却，无法冷却到热负荷较大的第一道活塞环槽区域及燃烧室底部区域；另一种结构的活塞甚至没有布置内冷油腔，如专利《气体发动机活塞》（CN202381191U），该活塞无冷却腔，冷却效果很差。上述几种结构的铝活塞存在冷却腔小、冷却范围小的缺陷，当大功率密度气体发动机在全负荷时，气缸内热负荷甚至已经达到了常规铝活塞承载的极限，冷却效果不理想，很难满足可靠性要求。

发明内容

为解决大功率密度气体发动机全负荷时气缸内热负荷较大的问题，本发明提出一种气体发动机强冷却钢活塞，以提高气体发动机耐热性能。

本发明采用下述技术方案完成其发明任务：

一种气体发动机强冷却钢活塞，包括活塞头部和活塞裙部，所述的活塞头部与活塞裙部摩擦焊接成一体，所述活塞头部、活塞裙部材料均采用耐热、高强度的42CrMo锻钢；所述的活塞头部包括燃烧室、活塞环槽、外冷却槽Ⅰ、内冷却槽Ⅰ；所述的燃烧室为浅盆形，布置在活塞头部上端面的中部；所述的活塞环槽有三道，布置在活塞头部外圆面上；开口向下的环形外冷却槽Ⅰ环绕活塞头部所述的燃烧室、活塞环槽和内冷却槽Ⅰ设置；开口向下的所述内冷却槽Ⅰ位于活塞头部下端面的中部，并对应设置在所述燃烧室的下方；所述的活塞裙部包括有外冷却槽Ⅱ、内冷却槽Ⅱ、进油道、回油道和回油孔；所述的外冷却槽Ⅱ位于活塞裙部顶端外侧，与活塞头部的外冷却槽Ⅰ组成密闭的外冷却腔，所述的内冷却槽Ⅱ位于活塞裙部顶端中部位置，与活塞头部的内冷却槽Ⅰ组成密闭的内冷却腔，设置有若干导油孔，所述的导油孔将所述外冷却槽Ⅰ与内冷却槽Ⅰ之间连通，从而使所述的外冷却腔与所述的内冷却腔连通；所述的进油道、回油道分别与活塞裙部的所述外冷却槽Ⅱ连通，使外冷却腔与进油道、回油道连通；使压力冷却油通过进油道进入外冷却腔并通过外冷却腔进入内冷却腔，实现对活塞头部外圆、活塞顶部及燃烧室侧壁的充分冷却，并实现对燃烧室底部的冷却；所述的内冷却槽Ⅱ的底部具有若干回油孔，所述的回油孔与连杆小端油孔正对，连杆小头油孔位于连杆小头顶部，与连杆小头轴承相通，回油孔中喷出的油润滑连杆小端轴承。

所述活塞裙部的导向面加工出圆弧型面，与气缸套实现合理的间隙配合，引导活塞沿缸套轴向运动；所述活塞的非导向面加工成锥度，避免钢活塞质量增加。

本发明所述的一种气体发动机强冷却钢活塞，采用耐热、高强度的42CrMo锻钢，取代现有技术中的整体铸造铝活塞，提高了活塞的承载极限，进而提高了气体发动机工作的可靠性。燃烧室设计成浅盆形，可获得规定的燃气压缩比，更加适应气体发动机工作要求。在结构上利用活塞头部和裙部围成的区域设计外、内两层冷却腔，外冷却腔对活塞头部外圆、燃烧室侧壁进行冷却，内冷却腔对燃烧室底部进行冷却，该设计方案解决了因热负荷较大而单一活塞冷却腔很难满足使用要求的问题，大幅降低了活塞因承受较高的热负荷而产生的热应力和热应变，提高了活塞的疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图。

图中：1、活塞头部；2、燃烧室；3、外冷却槽Ⅰ；4、活塞环槽；5、导油孔；6、活塞裙部；7、内冷却槽Ⅰ；8、活塞销孔；9、进油道；10、回油道；11、非导向面；12、回油孔；13、内冷却槽Ⅱ；14、外冷却槽Ⅱ；15、导向面；16、连杆小头轴承；17、连杆小头油孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

如图1、图2所示，一种气体发动机强冷却钢活塞，包括活塞头部1和活塞裙部6，两者摩擦焊接成一体，材料均采用耐热、高强度的42CrMo锻钢。所述的活塞头部1包括燃烧室2、活塞环槽4、外冷却槽Ⅰ3、内冷却槽Ⅰ7及导油孔5；所述的燃烧室2为浅盆形，布置在活塞头部1上端面的中部；所述的活塞环槽4有三道，布置在活塞头部1外圆面上；所述的外冷却槽Ⅰ3 环绕活塞头部所述的燃烧室2、活塞环槽4和内冷却槽Ⅰ7设置；所述内冷却槽Ⅰ7位于活塞头部下端面的中部，并对应设置在所述燃烧室2的下方；所述的导油孔5有若干个，连通外冷却槽Ⅰ3与内冷却槽Ⅰ7；所述的活塞裙部6包括外冷却槽Ⅱ14、内冷却槽Ⅱ13、进油道9、回油道10、活塞销孔8和回油孔12；所述的外冷却槽Ⅱ14位于活塞裙部6顶端外侧，与活塞头部1的外冷却槽Ⅰ3组成外冷却腔；所述的进油道9、回油道10分别与外冷却槽Ⅱ14相通，使外冷却腔与进油道9、回油道10连通；所述的内冷却槽Ⅱ13位于活塞裙部6顶端的中部位置，与活塞头部1的内冷却槽Ⅰ7组成内冷却腔；内冷却槽Ⅱ13的底部设有若干回油孔12，回油孔12与连杆小头油孔17正对，连杆小头油孔17位于连杆小头顶部，与连杆小头轴承16相通，回油孔12中喷出的油可润滑连杆小头轴承16；所述活塞裙部6的导向面15加工出圆弧型面，与气缸套实现合理的间隙配合，引导活塞沿缸套轴向运动；所述活塞裙部的非导向面11加工成锥度，避免钢活塞质量增加。

本发明所述的一种气体发动机钢活塞，冷却原理：柴油机工作时，压力冷却油从进油道9进入外冷却腔，实现对活塞头部1外圆、活塞顶部及燃烧室2侧壁的充分冷却，然后，一部分冷却油经回油道10流入曲轴箱；另一部分冷却油经导油孔5进入内冷却腔，实现对燃烧室2底部的冷却。由于采用强度更高的钢活塞，活塞内壁可以设计更薄，内部冷却油腔容积非常大，流入外、内两层冷却腔的油量更充足，冷却油与活塞表面之间的换热面积更大，极大提高了对活塞的冷却效果。最后，内冷却腔里的冷却油经回油孔12喷入连杆小端油孔17，同时加强了连杆小头轴承16的润滑效果。

Claims (2)

1.一种气体发动机强冷却钢活塞，其特征在于：所述活塞包括活塞头部（1）和活塞裙部（6），所述的活塞头部（1）与活塞裙部（6）摩擦焊接成一体，所述活塞头部（1）、活塞裙部（6）材料均采用耐热、高强度的42CrMo锻钢；所述的活塞头部（1）包括燃烧室（2）、活塞环槽（4）、外冷却槽Ⅰ（3）、内冷却槽Ⅰ（7）；所述的燃烧室（2）为浅盆形，布置在活塞头部上端面的中部；所述的活塞环槽（4）为若干道，布置在活塞头部外圆面上；开口向下的环形外冷却槽Ⅰ（3）环绕活塞头部所述的燃烧室（2）、活塞环槽（4）内壁和内冷却槽Ⅰ（7）设置；开口向下的所述内冷却槽Ⅰ（7）位于活塞头部下端面的中部，并对应设置在所述燃烧室（2）的下方；所述活塞裙部（6）包括有外冷却槽Ⅱ（14）、内冷却槽Ⅱ（13）、进油道（9）、回油道（10）和回油孔（12）；所述的外冷却槽Ⅱ（14）位于活塞裙部顶端外侧，与活塞头部的外冷却槽Ⅰ（3）组成密闭的外冷却腔，所述的内冷却槽Ⅱ（13）位于活塞裙部顶端中部位置，与活塞头部的内冷却槽Ⅰ（7）组成密闭的内冷却腔，设置有若干导油孔（5），所述的导油孔（5）将所述外冷却槽Ⅰ（3）与内冷却槽Ⅰ（7）之间连通，从而使所述的外冷却腔与所述的内冷却腔连通；所述的进油道（9）、回油道（10）分别与活塞裙部的所述外冷却槽Ⅱ（14）连通，使外冷却腔与进油道（9）、回油道（10）连通；使压力冷却油通过进油道（9）进入外冷却腔并通过外冷却腔进入内冷却腔，实现对活塞头部外圆、活塞顶部及燃烧室侧壁的充分冷却，并实现对燃烧室底部的冷却；所述的内冷却槽Ⅱ（13）的底部具有若干回油孔（12），所述的回油孔（12）与连杆小头油孔17正对，连杆小头油孔17位于连杆小头顶部，与连杆小头轴承（16）相通，回油孔（12）中喷出的油润滑连杆小头轴承（16）。

2.如权利要求1所述的一种气体发动机强冷却钢活塞，其特征在于：所述活塞裙部的导向面（15）加工出圆弧型面，与气缸套实现合理的间隙配合，引导活塞沿缸套轴向运动；所述活塞裙部的非导向面（11）加工成锥度，避免钢活塞质量增加。