CN105221290B - 双层环形冷却油道活塞结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种双层环形冷却油道活塞结构，包括活塞主体，该活塞主体中的活塞头部(10)的内部设有双层环形冷却油道(11)，其中：上层油道(1)和下层油道(2)之间用次级进、出油孔，以及油道通孔连接；在下层油道(2)上，设置进、出油孔，和回油孔；在上、下层油道之间设有肋板(12)，该肋板与燃烧室(40)和活塞环槽(9)最下端的环槽相连。本发明能有效解决活塞冷却不充分、热负荷过大等问题，旨在降低活塞热负荷，增大活塞结构强度，实现活塞轻量化。

Description

双层环形冷却油道活塞结构

技术领域

本发明涉及活塞领域，特别是一种采用天然气作为燃料的发动机的双层环形冷却油道活塞结构。

背景技术

柴油机已经有一百余年的历史了，经过一个世纪的发展，柴油机技术已经取得了很大的进步并更趋于完善，在动力机械中己经占据了极为重要的地位。百余年来，柴油机凭借其高压缩比、热效率高、热负荷小、结构紧凑等优越性被广泛应用于工业、农业、交通、军事等各领域，为人类的文明发展发挥了极其重要的作用。然而，石油燃料耗费殆尽，取而代之的天然气将作为世界第一能源，将在推进世界经济的发展，促进历史的进步的舞台上发挥最大的作用。

与柴油相比，天然气热值高，火焰传播速度低，着火温度高。虽然天然气热值高，但天然气与空气混合热值比柴油与空气的混合热值要低9％；另外，对于相同排量的发动机，天然气的燃烧质量比汽油的燃烧质量少；此外，天然气的燃烧特点是着火温度高，火焰发展期长，造成气缸内压力和温度上升缓慢。天然气发动机开始运行时，温度不高，但是当活塞长时间大负荷运转或是频繁起动时，活塞顶部温度急剧上升，活塞顶部变软，在燃烧冲击波作用下一点点变软，出现活塞拉缸、活塞顶部变形、活塞熔顶等问题。

随着发动机向高压缩比、高输出功率、低排放、长寿命的方向发展，增压中冷、电控高压喷射等技术的使用越来越广泛。活塞，作为发动机心脏部件，承受的机械负荷和热负荷越来越大，经常出现活塞顶部开裂等情况，导致发动机不能正常运转。目前，冷却油道结构形式单一，冷却油不能充分有效的冷却活塞，并且，由于冷却油道截面在结构强度方面没有提出较为合理的设计方案，活塞的结构强度也大打折扣。

作为内燃机最主要的受热零部件，活塞长期在恶劣的工作环境下，承受着周期性的热负荷和机械负荷的冲击。因此，改善活塞热负荷是解决发动机(特别是天然气发动机)的重要工作，活塞的工作状态决定了发动机的使用寿命。因而，提高活塞冷却能力，改善活塞工作环境，有利延长内燃机的使用年限。

对于活塞结构的改造，来改善传热效果方面，目前已经有一些公开的一些发明专利，但基本上都忽略了活塞环槽的换热，而注重油道的换热。而通过增设肋板，设置双层油道的方式的研究却很少。公开号为CN102203394A(申请号CN200980142030.3)公开了一种活塞冷却装置，其特征在于，冷却流路形成在活塞的内部，其一处与从外部流入冷却流体的流入口连通，另一处与向外部排出冷却流体的排出口连通；以及流动引导部，该流动引导部设置在所述冷却流路上，用于在所述活塞升降时，引导通过所述流入口流入到所述冷却流路的冷却流体，使其沿所述冷却流路向所述排出口侧流动。公开号为CN1120477A(申请号CN95104265.3)公开了一种内燃机用的活塞的可溶性型芯的支承结构，其特征在于使缓冲构件夹在可溶性型芯和环状沟槽耐摩环的耐摩环坯料之间或者可溶性型芯和铸模的活塞内侧形成部位之间的至少一个间隙里地定位在铸模里的。它解决了活塞内部冷却油道铸造问题。公开号为CN101002013A(申请号CN200580027444.3)公开了一种带有热管的轻金属活塞，其特征在于热管的蒸发端是由短的管段构成，这些管段设置在活塞顶厚度内朝向活塞顶且对准火焰射流，并借助与活塞顶平行延伸的连接热管连接起来；至少两根作为冷凝端的管段与连接热管连接，以致通过设在其冷凝端的端部上的管接头，在热管的蒸发端、连接热管及冷凝端之间实现冷却液环形且闭合的过程循环。公开号为CN103403407A(申请号CN201280011334.8)公开了一种内燃机活塞，其特征在于活塞头具有环绕的活塞环部以及在活塞环部范围中的环绕的冷却通道，设有从冷却通道出发的钻孔，钻孔逐渐过渡到通至对应于受压侧的工作面中的并且这样倾斜设置的钻孔出口中，即，使钻孔出口与活塞中轴之间夹有一个锐角，因此在工作面中形成一个出口，在钻孔和钻孔出口之间设置一个向工作面倾斜的并且过渡到工作面中的导流面，以及使对应于受压侧的工作面在开口的区域中具有凹处，凹处在开口的上面构成至少一个集油区域。公开号为CN201081012Y(申请号CN200720027190.1)公开了一种异型内冷油腔结构活塞，其特征在于所述的内冷油腔呈变截面的异形结构。其制造工艺与传统的等截面内冷油腔结构活塞相近，制成异型结构形状的盐芯后，浇铸活塞毛坯，将盐芯冲洗后即在活塞中形成异型内冷油腔结构。具有冷却性能高、工作可靠、结构合理等优点。

上述专利文献公开的技术中，其中一部分是在油道内添加流动引导部，或是变截面油腔，增大冷却机油的扰动，从而达到增大换热量的目的；另外一部分增大油道与高温热源接触面积，从而增大换热量。目前很少有考虑油道中冷却油和活塞本体接触面对活塞散热产生的不利影响，并且忽略活塞环槽对活塞散热的有利影响。因此，在活塞散热上，考虑活塞环槽的有利影响和油道中冷却油和活塞本体接触面的不利影响是很有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种双层环形冷却油道活塞结构，通过增加肋板，并设置双层环形冷却油道，减小因油道存在而产生的对流传热热阻,增强固体金属导热作用。有效解决活塞随着发动机向高压缩比、高输出功率、低排放、长寿命的方向发展过程中冷却不充分、热负荷过大、机械负荷过大等问题，旨在降低活塞热负荷，增大活塞结构强度，实现活塞轻量化。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的双层环形冷却油道活塞结构，包括活塞主体，该活塞主体中的活塞头部的内部设有双层环形冷却油道，其中：上层油道和下层油道之间用次级进、出油孔，以及油道通孔连接；在下层油道上，设置进、出油孔，和回油孔；在上、下层油道之间设有肋板，该肋板与活塞主体中的燃烧室和活塞环槽最下端的环槽相连。

所述的肋板，其横截面的中心线尽量平行于热流流动方向。

所述的肋板,其横截面的中心线与活塞轴心夹角为40°—50°。

所述的双层环形冷却油道，其横截面靠近燃烧室一侧的公切线与肋板横截面的中心线基本垂直，即尽量垂直于热流流动方向，其夹角呈85°—95°。

所述的双层环形冷却油道，其横截面靠近活塞环槽一侧的公切线与活塞轴心基本平行，尽量减少因结构突变而产生的应力，两者夹角呈0°—10°。

所述的次级进、出油孔分别在进、出油孔的正上端。

所述的次级进、出油孔，其轴心线分别与进、出油孔的轴心线呈“V”字形，开口朝活塞环槽侧。

所述的次级进、出油孔，其轴心线与进、出油孔的轴心线以及活塞轴心线在同一平面上。

所述的次级进、出油孔以及所有油道通孔，均匀分布在双层环形冷却油道的上、下层油道之间，且其轴心线与活塞轴心线呈0°—60°。

所述的次级进、出油孔以及所有油道通孔，其与上、下层油道之间的连接均为过渡圆角连接；所述的肋板与燃烧室和活塞环槽最下端的环槽的连接为过渡圆角连接。

本发明与现有技术相比，主要有以下的有益效果：

1.从强化传热的角度上来看，通过增加肋板，并设置双层环形冷却油道，减小因油道存在而产生的对流传热热阻(通过肋板将活塞和环槽连接起来,热量通过肋板经环槽散走)，可以增强固体金属导热作用。

2.过渡圆角的设置可以减少热应力和机械应力的集中，并有利于冷却油更充分，更高效的进入上层冷却油道。

3.有效解决随着发动机向高压缩比、高输出功率、低排放、长寿命的方向发展过程中，活塞冷却不充分，承受的机械负荷和热负荷越来越大等问题。同时，在保证活塞强度、可靠性等要求的情况下，也可通过增大双层环形冷却油道容积，实现活塞轻量化的要求。

附图说明

图1为双层环形冷却油道主视图。

图2为双层环形冷却油道侧视图。

图3为双层环形冷却油道俯视图。

图4为活塞垂直于活塞销孔轴线的剖面图。

图5为活塞内腔平面图。

图6为双层环形冷却油道工作原理图，图中箭头指示冷却油流动方向。

图7为双层环形冷却油道工作原理剖面图，图中箭头指示冷却油流动方向。

图中：1.上层油道；2.下层油道；3a.连接上层油道的油道通孔；3b.连接下层油道的油道通孔；4.次级进油孔；5.进油孔；6.次级出油孔；7.出油孔；8a.回油孔；8b.回油孔；9.活塞环槽；10.活塞头部；11.双层环形冷却油道；12.肋板；13a.活塞销孔；13b.活塞销孔；20.活塞裙部；30.活塞内腔；40.燃烧室。

具体实施方式

本发明提供的双层环形冷却油道活塞结构，它包括活塞头部(燃烧室，活塞环槽，双层环形冷却油道)，活塞裙部(活塞内腔，活塞销孔)。双层环形冷却油道分为上层油道、下层油道、多个油道通孔、肋板、次级进油孔、次级出油孔、进油孔、出油孔和两个回油孔。其特征在于：活塞头部内环绕燃烧室周围分布双层环形油道；双层油道由次级进油孔和次级出油孔，以及多个油道通孔连接，肋板分隔开上下层油道，又连接燃烧室与活塞环槽，增强了固体金属的导热，使得热量通过环槽散出去。本发明能有效解决活塞冷却不充分、热负荷过大等问题，旨在降低活塞热负荷，增大活塞结构强度，实现活塞轻量化。

下面结合实施例及附图对本发明的具体实施方式进行详细的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或者其变换如“包含”或“包含有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

本发明提供的双层环形冷却油道活塞结构，如图1至图5所示，包括活塞主体和具有创新结构的双层环形冷却油道11。

所述活塞主体设有活塞头部10、活塞环槽9、燃烧室40、活塞裙部20、活塞内腔30，以及活塞销孔13a、活塞销孔13b，其中：在活塞头部10周向设置活塞环槽9，用于润滑、导热和密封；在活塞头部10顶部设置燃烧室40，是主要工作部件；在活塞头部10内部设置双层环形冷却油道11，是主要冷却部件；活塞裙部20设置活塞内腔30、活塞销孔13a、活塞销孔13b，裙部主要用于导程。

所述双层环形冷却油道11，包括上层油道1、次级进油孔4、次级出油孔6、多个油道通孔(图1中只给出两个油道通孔，即连接上层油道和下层油道的油道通孔3a和油道通孔3b)、下层油道2、进油孔5、出油孔7，以及回油孔8a和回油孔8b，其中：上层油道1和下层油道2之间用次级进油孔4，次级出油孔6，以及油道通孔3a、油道通孔3b连接。在下层油道2上，设置进油孔5，出油孔7，以及回油孔8a、回油孔8b；采用油道通孔是满足冷却油在上下油道来回窜动的流通性，加强换热能力；采用次级进油孔、次级出油孔是满足冷却油进出上层油道需要。上层油道1和下层油道2之间设有与燃烧室40和活塞环槽9最下端的环槽相连的肋板12，该肋板作用是将活燃烧室内的热量引导到活塞环槽上，并将热量带走。采用双层油道，对肋板两侧进行换热，可增强换热能力。所述肋板12与燃烧室40和活塞环槽9最下端的环槽的连接也为过渡圆角连接，这样可以减少活塞应力集中，使活塞寿命延长。

本发明活塞结构特征，其双层油道肋板，以及两个导热侧面特征是：示例中活塞中的热流方向与活塞轴心呈约45°，热量从上至下从里至外扩散，因而肋板12横截面的中心线与活塞轴心夹角呈40°—50°，尽量平行于热流流动方向，以便活塞环槽9能带走更多热量。双层环形冷却油道11横截面靠近燃烧室40一侧的公切线与肋板12横截面的中心线基本垂直，其夹角呈85°—95°，尽量垂直于热流流动方向，以便油道能带走更多热量。并且双层环形冷却油道11横截面靠近活塞环槽9一侧的公切线与活塞轴心基本平行，两者夹角呈0°—10°，尽量减少因油道和环槽之间活塞结构突变而产生的应力。由上可知，本发明肋板平行于热流流动方向，是为了将活燃烧室内的热量引导到活塞环槽上，于此克服了传统有油道的活塞往往忽略环槽对换热影响多带来的弊病。本发明双层油道横截面靠近燃烧室一侧的公切线垂直于热流流动方向是为了增大油道换热的有效面积，加大换热量。

本发明活塞结构特征，其次级进出油孔，进出油孔和油道通孔等的分布特征是：所述次级进油孔4、进油孔5、次级出油孔6、出油孔7，其轴心线和活塞轴心线在同一平面上。次级进油孔4和次级出油孔6分别在进油孔5和出油孔7的正上端，方便冷却油进入上、下层油道的内部。所述次级进油孔4、次级出油孔6以及所有油道通孔(油道通孔3a、油道通孔3b)，其均匀分布在环形油道上，减少在工作状态下因结构不均衡而产生的应力；所述次级进油孔4与进油孔5，其轴心线呈“V”字形，开口朝活塞环槽侧，所述次级出油孔6和出油孔7，其轴心线也呈“V”字形，开口也朝活塞环槽侧。并且，“V”字形角度均成0°—60°，有利于冷却油更加顺利地均分地进入上层油道1和下层油道2，也有利活塞运动时上层油道1和下层油道2冷却油上下流通，加强换热；其连接均为过渡圆角连接，这样可以减少活塞应力集中，延长使用活塞寿命。

本发明提供的双层环形冷却油道活塞结构，其工作过程如图6、图7所示：冷却油由进油孔5进入，分成两路，一路进入下层油道2进行冷却，一路流经次级进油孔4进入上层油道1进行冷却。活塞来回整荡，形成震荡冷却。再者，本发明提供的双层环形冷却油道活塞结构上层油道1如果仅仅靠次级进油孔4进油，其进油量无法保证，因此，本发明提供了用于连接上层油道1和下层油道2的油道通孔3a和油道通孔3b，可以在活塞震荡过程中提供额外的油量补充，并且，进一步加大了冷却油的扰动，增强换热能力。另外，通过改变油道通孔3a、油道通孔3b，次级进油孔4以及次级出油孔6横截面积的大小，也可调整进入上层油道1和下层油道2的冷却油的比例。

本发明提供的双层环形冷却油道活塞结构，其与传统冷却油道活塞相比，增设肋板及双层环形冷却油道，考虑了环槽对活塞换热的影响，有效强化活塞换热性能。

传统冷却油道活塞：参见表1，最高活塞本体温度350℃。

表1中的数据是通过真实实验得出温度数据整理得来的。由表1可知：最高温度集中在燃烧室喉口区，真实实验的数据是用来校验仿真结果正确性。

本发明油道活塞：参见表2，最高活塞本体温度341℃。

表2中的数据是通过试验测得温度场结果的基础上，模拟仿真得到传统油道活塞仿真温度场实验数据，再将油道优化为本发明专利活塞模型之后，在进行仿真实验得到本发明油道活塞的温度场实验数据。由表2可知：活塞本体各个观测部位最高温度，本发明双层环形冷却油道活塞的均要比传统活塞的低9℃左右，而冷却油道最高温度，本发明双层环形冷却油道活塞的比传统活塞的高13℃左右，由此可见，增设肋板及双层环形冷却油道之后，活塞本体热负荷显著降低。

上述实施方案的描述，并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式限定。

表1 传统冷却油道活塞实测温度各个部位平均值

测量点位置	第1缸	第2缸	第3缸	第4缸	第5缸	第6缸
							燃烧室内部(℃)	272	275	272	294	282	289
燃烧室喉口环区(℃)	312	316	329	352	339	347
							活塞顶面(℃)	298	310	318	329	329	324
火力岸(℃)	289	279	288	306	294	297
							第一二道间环岸(℃)	241	235	258	277	268	272
裙部(℃)	153	172	182	188	192	183
							活塞内腔顶部(℃)	241	240	282	248	292	243

表2 传统活塞与本发明活塞仿真实验温度值的数据比较

测量点位置最高温度值	传统活塞	本发明活塞
			活塞最高温度(℃)	341	350
燃烧室最高温度(℃)	338	347
			喉口区最高温度(℃)	341	350
活塞顶面最高温度(℃)	339	348
			油道最高温度(℃)	129	116

Claims (10)

1.一种双层环形冷却油道活塞结构，包括活塞主体，其特征在于所述的活塞主体，其活塞头部(10)的内部设有双层环形冷却油道(11)，其中：上层油道(1)和下层油道(2)之间用次级进、出油孔，以及油道通孔连接；在下层油道(2)上，设置进、出油孔，和回油孔；在上、下层油道之间设有肋板(12)，该肋板与燃烧室(40)和活塞环槽(9)最下端的环槽相连。

2.根据权利要求1所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的肋板(12)，其横截面的中心线尽量平行于热流流动方向。

3.根据权利要求2所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的肋板(12),其横截面的中心线与活塞轴心夹角为40°—50°。

4.根据权利要求1所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的双层环形冷却油道(11)，其横截面靠近燃烧室(40)一侧的公切线与肋板(12)横截面的中心线基本垂直，即尽量垂直于热流流动方向，其夹角呈85°—95°。

5.根据权利要求1所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的双层环形冷却油道(11)，其横截面靠近活塞环槽(9)一侧的公切线与活塞轴心基本平行，尽量减少因结构突变而产生的应力，两者夹角呈0°—10°。

6.根据权利要求1所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的次级进、出油孔分别在进、出油孔的正上端。

7.根据权利要求1所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的次级进、出油孔，其轴心线分别与进、出油孔的轴心线呈“V”字形，开口朝活塞环槽(9)侧。

8.根据权利要求1所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的次级进、出油孔，其轴心线与进、出油孔的轴心线以及活塞轴心线在同一平面上。

9.根据权利要求1所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的次级进、出油孔以及所有油道通孔，均匀分布在双层环形冷却油道(11)的上、下层油道之间，且其轴心线与活塞轴心线呈0°—60°。

10.根据权利要求1所述的双层环形冷却油道活塞结构，其特征在于所述的次级进、出油孔以及所有油道通孔，其与上、下层油道之间的连接均为过渡圆角连接；所述的肋板(12)与燃烧室(40)和活塞环槽(9)最下端的环槽的连接为过渡圆角连接。