CN106593676A - 含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，包括活塞本体，活塞本体的中部设置有两个对称布置的冷却油道，冷却油道为螺旋状弧形结构，中部设置有向下伸出的冷却油进口，冷却油道的两端设置有斜向下的冷却油出口。本发明的采用螺旋式分段冷却油道，有效解决顶部和底部的壁面换热系数明显高于侧壁而造成的冷却不均现象；同时冷却油道分为两段，两个进油油道和四个出油油道，当冷却油由冷却油进口进入冷却油道吸收热量后在沿着油道两端的冷却油出口排出活塞，有效避免冷却油集中在一个冷却油出口而造成的应力集中。故本发明可以达到增强活塞的冷却效果，降低活塞的热负荷，增强活塞的使用寿命的技术效果。

Description

含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，具体地指一种含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞。
背景技术
随着国家十分严格的排放法规的实施以及人们对油耗低、排放低、性能好发动机普遍需求，如何从设计上、制造上去保证发动机达到这些要求已成为各发动机厂家及其零配套厂家关注的焦点，为解决有关的一些技术难题，除电控共轨预喷射，增压中冷排气再循环以及燃烧室形状改良等措施外，新的活塞冷却技术的应用是解决有关问题的有效手段，因为随着柴油机功率的增加，会导致活塞温度升高和强度下降，为保证活塞顶有足够的强度和第一环槽温度不超过230℃左右，采取适当的冷却措施就显得十分必要。
活塞是柴油机中最重要的零部件，工作中受到周期性的机械负荷与热负荷的冲击。随着柴油机热强化程度的提高，活塞头部的散热问题成为了制约着活塞可靠性的关键。震荡式冷却油道的出现，显著的增加了活塞头部的散热，降低了活塞头部的热负荷，使得柴油机的强化成为了可能。但是，震荡式冷却油道的散热能力是有限的。如何提高冷却油道的换热能力，研究其换热能力的制约因素，对于柴油机的设计具有重要的意义。
中国发明专利公开号CN103649509A(申请号CN201280033582.2)公开了一种利用发明设置的油道收缩部在和振荡器效果的共同作用下不仅使得在冷却通道中环绕流动的冷却剂得到充分混合，而且还通过收缩部有针对性地进行加速并且朝活塞顶的方向输送。中国发明专利公开号CN102076936A(申请号CN200880130167.2)公开了一种油冷却通道设有沿横向彼此分开的机油入口和机油出口，其特征在于机油冷却通道的所述底表面和所述机油冷却通道的所述顶表面相对于设置在所述活塞中的活塞销开口的中心轴线倾斜。
上述技术方案都是基于改变活塞冷却油道位置及增强油道震荡效果为出发点而提出的，虽然能够增强冷却效果，但是也存在一些问题。活塞震荡式冷却油道的换热是通过冷却油喷入油道内，并带走热量来实现的。通常情况下，冷却机油不充满油道，机油在惯性作用下在油道内震荡。由于机油和油道壁面的相对速度大，易形成紊流，冷却效果比较好。活塞下行时，冷却油填充率逐渐增大，到达下止点前达到最大值，上行时则恰好相反，震荡冷却加强了油腔顶部与底部的传热，顶部和底部的壁面换热系数明显高于侧壁，这就造成了冷却油道侧壁与冷却油换热不充分，影响活塞的冷却效果；同时由于传统油道的热负荷主要集中在冷却油出口位置，容易造成热应力集中。因而需要设计一种新型活塞油道来解决冷却油道换热不均匀问题及热应力集中问题。
发明内容
本发明的目的就是针对活塞冷却油道换热不均匀问题及活塞油道热应力集中问题，而提供一种含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，能增强活塞的冷却效果，降低活塞的热负荷，延长活塞的使用寿命。
为实现上述目的，本发明所设计的含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，包括活塞本体，所述活塞本体的中部设置有两个对称布置的冷却油道，其特殊之处在于，所述冷却油道为螺旋状弧形结构，中部设置有向下伸出的冷却油进口，所述冷却油道的两端设置有斜向下的冷却油出口。
进一步地，所述两个冷却油出口与冷却油道两端的交接处设置有弧面的油道封口。冷却油进入螺旋状冷却油腔后会沿着螺旋状油道壁面运动，再结合活塞上下高速运动造成的冷却油振荡，使得冷却油在油道内与壁面充分换热。
更进一步地，所述冷却油道的横截面为椭圆形，所述冷却油道弧形结构对应的圆心角度为100°～180°。最佳地，所述冷却油道弧形结构对应的圆心角度为150°。
更进一步地，所述冷却油出口与活塞本体中轴线形成的角度为30°～60°。最佳地，所述冷却油出口与活塞本体中轴线形成的角度为45°。
本发明的技术方案采用螺旋式分段冷却油道，冷却油以较高的速度进入冷却油道，并沿着油道壁面做螺旋运动，再加上活塞高速运行时对冷却油产生的震荡效果，可以有效的解决顶部和底部的壁面换热系数明显高于侧壁而造成的冷却不均现象；同时冷却油道分为两段，两个进油油道和四个出油油道，当冷却油由冷却油进口进入冷却油道吸收热量后在沿着油道两端的冷却油出口排出活塞，这样可以有效的避免冷却油集中在一个冷却油出口而造成的应力集中。故此采用螺旋状分段式冷却油道可以增强活塞的冷却效果，降低活塞的热负荷，增强活塞的使用寿命。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、螺旋式冷却油道的冷却方式与以往的传统冷却油道相比，利用了流体在油道内做螺旋状运动和活塞高速运动引起的震荡效果相结合，解决了油道内部换热不均问题。
2、将油道分成两段，采用两个冷却油进口和四个冷却油出口设计，很好的解决了活塞油道热负荷集中问题，减少了活塞的应力集中，增强了活塞的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的剖视结构示意图；
图2为本发明的底面示意图；
图3为图1中冷却油道的主视图；
图4为图1中冷却油道的左视图；
图5为图1中冷却油道的俯视图；
图6为图1中冷却油道的成45°角视图。
图中：活塞本体1，冷却油道2，冷却油进口3，冷却油出口4，油道封口5，油道壁面6。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1至图6所示，本发明的一种含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，包括活塞本体1，活塞本体1的中部设置有两个对称布置的冷却油道2。冷却油道2为螺旋状弧形结构，横截面为椭圆形，冷却油道2弧形结构对应的圆心角度为150°。冷却油道2的中部设置有向下伸出的冷却油进口3，冷却油道2的两端设置有斜向下的冷却油出口4。冷却油出口4与活塞本体1中轴线形成的角度为45°。两个冷却油出口4与冷却油道2两端的交接处设置有弧面椭圆形的油道封口5。
当高速冷却油由冷却油进口3进入活塞内部后，进入分段式螺旋状的冷却油道2，沿着油道壁面6呈螺旋状流动，再结合活塞高速运动带来的冷却油震荡效果，使得冷却油在冷却油道2内与油道壁面6换热充分，可以有效的避免冷却油道2换热不均匀问题。冷却油在冷却油道2中流动后，会进入油道封口5，再沿着冷却油出口4排出活塞。冷却油道2是两段完全一样的圆弧形状，在冷却油道2的中间位置开有一个冷却油进口3、两端开有两个冷却油出口4。这样设计的目的在于当冷却油由两个冷却油进口3进入油道吸收热量后，再由四个冷却油出口4排出，可以有效的解决传统活塞热负荷集中在一个冷却油出口4附近造成的热应力问题。
为了迎合国家十分严格的排放法规以及人们对油耗低、排放低、性能好发动机普遍需求，各个发动机厂商都希望设计一种新型发动机来满足这些要求，而采用新的活塞冷却技术是解决有关问题的有效手段，因为随着柴油机功率的增加，会导致活塞温度升高和强度下降，而采取适当的冷却措施就显得十分必要。以往活塞采用震荡式冷却油道换热，其主要通过冷却油喷入油道内，并带走热量来实现的。活塞做高速运动时，冷却油进入油道后在惯性作用下在油道内震荡。由于机油和油道壁面的相对速度大，易形成紊流，冷却效果比较好。活塞下行时，冷却油填充率逐渐增大，到达下止点前达到最大值，上行时则恰好相反，震荡冷却加强了油腔顶部与底部的传热，顶部和底部的壁面换热系数明显高于侧壁，这就造成了冷却油道侧壁与冷却油换热不充分，影响活塞的冷却效果；同时由于传统油道的热负荷主要集中在冷却油出口位置，容易造成热应力集中。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，包括活塞本体(1)，所述活塞本体(1)的中部设置有两个对称布置的冷却油道(2)，其特征在于：所述冷却油道(2)为螺旋状弧形结构，中部设置有向下伸出的冷却油进口(3)，所述冷却油道(2)的两端设置有斜向下的冷却油出口(4)。
2.根据权利要求1所述的含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，其特征在于：所述两个冷却油出口(4)与冷却油道(2)两端的交接处设置有弧面的油道封口(5)。
3.根据权利要求1或者2所述的含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，其特征在于：所述冷却油道(2)的横截面为椭圆形，所述冷却油道(2)弧形结构对应的圆心角度为100～180°。
4.根据权利要求1或者2所述的含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，其特征在于：所述冷却油出口(4)与活塞本体(1)中轴线形成的角度为30～60°。
5.根据权利要求3所述的含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，其特征在于：所述冷却油道(2)弧形结构对应的圆心角度为150°。
6.根据权利要求4所述的含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，其特征在于：所述冷却油出口(4)与活塞本体(1)中轴线形成的角度为45°。
7.根据权利要求3所述的含有分段式螺旋状冷却油道的内燃机活塞，其特征在于：所述冷却油出口(4)与活塞本体(1)中轴线形成的角度为45°。
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