CN111486018A - 一种裙部非对称活塞及发动机 - Google Patents

一种裙部非对称活塞及发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种裙部非对称活塞及发动机，涉及发动机活塞领域，包括活塞裙部，所述活塞裙部的侧表面均分为推力侧面和反推力侧面，本发明结构简单，本发明结构新颖，根据发动机在运行过程中，活塞裙部推力侧面和反推力侧面的受热膨胀量不同，本发明将活塞裙部推力侧面和反推力侧面形成的弧线设计成不对称形式，增大活塞推力侧裙部的缩减量，使发动机在运行中，活塞裙部推力侧面的缩减量与其受热后的膨胀量相抵消，使活塞裙部推力侧面与缸筒之间的间隙能在一个合理的范围内，降低活塞裙部推力侧面与缸筒之间产生接触的可能，从而降低活塞与缸筒之间接触产生的摩擦以及发动机的燃烧负荷。

Description

一种裙部非对称活塞及发动机
技术领域
本发明涉及发动机活塞领域，具体是一种裙部非对称活塞及发动机。
背景技术
活塞在发动机缸筒运行过程中，裙部由于受热膨胀，直径增大，为防止裙部与缸筒发生强接触，避免活塞运行姿势恶化甚至拉缸等影响，往往会为裙部设计型线，型线设计一般以对称型线设计为主。
在一些温度过高或者活塞运动摆动过大的情形下，采用对称型线设计时，活塞与缸筒的间隙会出现推力侧间隙过小的现象，导致活塞推力侧裙部与缸筒之间接触强烈，摩擦过大，活塞运行姿势恶化，发动机燃烧负荷大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种裙部非对称活塞及发动机，通过将活塞裙部推力侧面和反推力侧面形成的弧线设计成部分非对称形式，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种裙部非对称活塞，包括活塞裙部，所述活塞裙部的侧表面均分为推力侧面和反推力侧面，所述活塞裙部中推力侧面形成弧线的最高点和反推力侧面形成弧线的最高点之间的水平距离为活塞的基本径D0，所述基本径所在直线将推力侧面弧线分为前后两段相连的第一型线和第二型线，所述基本径所在直线将反推力侧面弧线分为前后两段相连的第三型线和第四型线，所述第一型线满足方程x＝0.00043y2-0.00129y-D0/2，所述方程中x轴为活塞基本径所在的直线，所述y轴为与活塞基本径垂直的活塞径向中心线，所述方程中y的取值范围为3≤y≤21，所述第二型线与第四型线关于y轴对称，所述第一型线与第三型线关于y轴不对称。
作为本发明进一步的方案：所述第一型线上的点和第三型线上的点在与x轴距离相同的情况下，所述第一型线上的点与y轴之间的距离L1均小于第三型线上的点与y轴之间的距离。
作为本发明进一步的方案：所述D0的取值范围分别为73mm≤D0≤86mm。
一种发动机，包括上述所述的一种裙部非对称活塞。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构新颖，根据发动机在运行过程中，活塞裙部推力侧面和反推力侧面的受热膨胀量不同，本发明将活塞裙部推力侧面和反推力侧面形成的弧线设计成不对称形式，增大活塞推力侧裙部的缩减量，使发动机在运行中，活塞裙部推力侧面的缩减量与其受热后的膨胀量相抵消，使活塞裙部推力侧面与缸筒之间的间隙能在一个合理的范围内，降低活塞裙部推力侧面与缸筒之间产生接触的可能，从而降低活塞与缸筒之间接触产生的摩擦以及发动机的燃烧负荷。
附图说明
图1为一种裙部非对称活塞的主视图；
图2为一种裙部非对称活塞的部分俯视剖面示意图；
图3为一种D0为73mm的裙部非对称活塞的裙部面压测试分布图；
图4为现有技术中DO为73mm的裙部对称活塞的裙部面压测试分布图；
图5为一种D0为77mm的裙部非对称活塞的裙部面压测试分布图；
图6为现有技术中DO为77mm的裙部对称活塞的裙部面压测试分布图；
图7为一种D0为82mm的裙部非对称活塞的裙部面压测试分布图；
图8为现有技术中DO为82mm的裙部对称活塞的裙部面压测试分布图；
图9为一种D0为86mm的裙部非对称活塞的裙部面压测试分布图；
图10为现有技术中DO为86mm的裙部对称活塞的裙部面压测试分布图；
图中：10-活塞、20-推力侧面、21-第一型线、22-第二型线、30-反推力侧面、31-第三型线、32-第四型线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种裙部非对称活塞及发动机，包括活塞裙部，所述活塞裙部的侧表面均分为推力侧面20和反推力侧面30，所述活塞裙部推力侧面形成的弧线存在一个最高点，同理活塞裙部非推力侧面形成的弧线也存在一个最高点，所述推力侧面弧线的最高点与反推力侧面弧线的最高点之间的水平距离为活塞的基本径D0，所述活塞基本径所在直线将推力侧面弧线分为前后两段相连的第一型线21和第二型线22，所述基本径所在直线将反推力侧面弧线分为前后两段相连的第三型线31和第四型线32。
所述第二型线22与第四型线32关于与活塞基本径垂直的活塞径向中心线对称，所述第一型线21与第三型线31关于与活塞基本径垂直的活塞径向中心线不对称，具体表现在：所述第一型线21上的点和第三型线31上的点在与x轴距离相同的情况下，所述第一型线上的点与y轴之前的距离L1均小于第三型线上的点与y轴之前的距离。
所述第一型线满足方程x＝0.00043y2-0.00129y-D0/2，所述方程中x轴为活塞基本径所在的直线，所述y轴为与活塞基本径垂直的活塞径向中心线，所述方程中y的取值范围为3mm≤y≤21mm，所述D0可以为但不仅限于73mm、77mm、82mm、86mm。
上述活塞的裙部推力侧面和反推力侧面型线不对称，且推力侧面形成的弧线弧度小于反推力侧面形成的弧线弧度，主要表现为：所述第一型线21上的点和第三型线31上的点在与x轴距离相同的情况下，所述第一型线上的点与y轴之前的距离L1均小于第三型线上的点与y轴之前的距离。发动机在运行过程中，活塞裙部由于受热膨胀使得直径增大，而活塞裙部推力侧面和反推力侧面受热产生的膨胀量不同，推力侧面受热产生的膨胀量较大，反推力侧面受热产生的膨胀量较小，因此在发动机运行中，推力侧面由于膨胀量大与缸筒内壁发生间隙过小的现象，会使活塞裙部推力侧面与缸筒内壁之间发生强接触，影响发动机的正常运行，基于活塞裙部的上述特征，本发明将活塞裙部推力侧面和反推力侧面设置成非对称的形式，使活塞裙部推力侧面形成弧线的弧度小于活塞反推力侧面形成弧线的弧度，当发动机在运行过程中，活塞裙部推力侧面相较于反推力侧面缩减的部分，可以与活塞裙部推力侧面受热的膨胀量相抵消，使推力侧面与缸筒内壁保持一个合理的间隙，降低推力侧面与缸筒内壁发生强接触的可能性。
为验证上述理论推导，本实施例对上述裙部非对称活塞进行实验验证：
当D0＝73mm时，该验证实验中的相关参数分别为：发动机爆压：11MPa，发动机功率：103KW；发动机排气量：1.5L；压缩比：10；缸筒径：73mm；冲程：86mm；转速：4000rpm；销孔径：19mm；销长：50mm；销连接方式：半浮式；销孔偏心：0.6mm；连杆端幅：19mm；连杆中心距：130mm；曲轴半径：69.5mm；曲轴偏心：0.6mm。
当D0＝73mm时，所述第一型线满足方程x＝0.00043y2-0.00129y-38.5，且3mm≤y≤21mm，将活塞裙部第一型线的形状进行确定，确定活塞裙部形状后，为该裙部非对称活塞和现有技术中裙部对称活塞分别进行设计3D模型，并分别对裙部非对称活塞和裙部对称活塞进行裙部面压测试，得到图3和图4的面压测试分布图，其中图示中从内向外的面压值依次降低，且从内向外面压值依次为45-50、40-45、35-40、30-35、25-30、20-25、15-20、10-15、5-10、0-5，其中单位为：MPa。
从最终实验数据图示中可以得知：当活塞裙部采用非对称形式且活塞基本径D0＝73mm，同时活塞裙部推力侧面第一型线满足x＝0.00043y2-0.00129y-D0/2，3mm≤y≤21mm时，裙部非对称活塞整体受到的接触面压明显小于裙部对称活塞整体受到的接触面压，主要表现在裙部非对称活塞在40-50MPa接触面压范围内的裙部面积小于裙部对称活塞在40-50MPa接触面压范围内的裙部面积，通过将活塞裙部设置为非对称形式，减小了活塞推力侧裙部与缸筒之间的接触压力，从而降低活塞与缸筒之间的摩擦，降低发动机的燃烧负荷。
当D0＝77mm时，该验证实验中的相关参数分别为：发动机爆压：11MPa；发动机功率：115KW；发动机排气量：1.5L；压缩比：11.1；缸筒径：77mm；冲程：79.82mm；转速：4000rpm；销孔径：20mm；销长：51mm；销连接方式：半浮式；销孔偏心：0.5mm；连杆端幅：19.5mm；连杆中心距：142.15mm；曲轴半径：76.9mm；曲轴偏心：8mm。
当D0＝77mm时，所述第一型线满足方程x＝0.00043y2-0.00129y-41，且3≤y≤21，将活塞裙部第一型线的形状进行确定，确定活塞裙部形状后，为该裙部非对称活塞和现有技术中裙部对称活塞分别进行设计3D模型，并分别对裙部非对称活塞和裙部对称活塞进行裙部面压测试，得到图5和图6的面压测试分布图，其中图示中从内向外的面压值依次降低，且从内向外面压值依次为45-50、40-45、35-40、30-35、25-30、20-25、15-20、10-15、5-10、0-5，其中单位为：MPa。
从最终实验数据图示中可以得知：当活塞裙部采用非对称形式且活塞基本径D0＝77mm，同时活塞裙部推力侧面第一型线满足x＝0.00043y2-0.00129y-D0/2，3mm≤y≤21mm时，裙部非对称活塞整体受到的接触面压明显小于裙部对称活塞整体受到的接触面压，主要表现在裙部非对称活塞在45-50MPa接触面压范围内的裙部面积小于裙部对称活塞在45-50MPa接触面压范围内的裙部面积，通过将活塞裙部设置成非对称形式，减小了活塞推力侧裙部与缸筒之间的接触压力，从而降低活塞与缸筒之间的摩擦，降低发动机的燃烧负荷。
当D0＝82mm时，该验证实验中的相关参数分别为：发动机爆压：11MPa；发动机功率：140KW；发动机排气量：2.0L；压缩比：11.3；缸筒径：82mm；冲程：93mm；转速：4800rpm；销孔径：21mm；销长：53mm；销连接方式：半浮式；销孔偏心：0.5mm；连杆端幅：16.8mm；连杆中心距：143.8mm；曲轴半径：75mm；曲轴偏心：6mm。
当D0＝82mm时，所述第一型线满足方程x＝0.00043y2-0.00129y-43，且3≤y≤21，将活塞裙部第一型线的形状进行确定，确定活塞裙部形状后，为该裙部非对称活塞和现有技术中裙部对称活塞分别进行设计3D模型，并分别对裙部非对称活塞和裙部对称活塞进行裙部面压测试，得到图7和图8的面压测试分布图，其中图示中从内向外的面压值依次降低，且从内向外面压值依次为45-50、40-45、35-40、30-35、25-30、20-25、15-20、10-15、5-10、0-5，其中单位为：MPa。
从最终实验数据图示中可以得知：当活塞裙部采用非对称形式且活塞基本径D0＝82mm，同时活塞裙部推力侧面第一型线满足x＝0.00043y2-0.00129y-D0/2，3mm≤y≤21mm时，裙部非对称活塞整体受到的接触面压明显小于裙部对称活塞整体受到的接触面压，主要表现在裙部非对称活塞在35-50MPa接触面压范围内的裙部面积小于裙部对称活塞在35-50MPa接触面压范围内的裙部面积，通过将活塞裙部设置成非对称形式，减小了活塞推力侧裙部与缸筒之间的接触压力，从而降低活塞与缸筒之间的摩擦，降低发动机的燃烧负荷。
当D0＝86mm时，该验证实验中的相关参数分别为：发动机爆压：12MPa；发动机功率：170KW；发动机排气量：2.0L；压缩比：10；缸筒径：86mm；冲程：84.7mm；转速：4000rpm；销孔径：22mm；销长：62mm；销连接方式：半浮式；销孔偏心：0.6mm；连杆端幅：23mm；连杆中心距：141.2mm；曲轴半径：76mm；曲轴偏心：9mm。
当D0＝86mm时，所述第一型线满足方程x＝-0.00043y2-0.00129y-36.5，且3≤y≤21，将活塞裙部第一型线的形状进行确定，确定活塞裙部形状后，为该裙部非对称活塞和现有技术中裙部对称活塞分别进行设计3D模型，并分别对裙部非对称活塞和裙部对称活塞进行裙部面压测试，得到图3和图4的面压测试分布图，其中图示中从内向外的面压值依次降低，且从内向外面压值依次为45-50、40-45、35-40、30-35、25-30、20-25、15-20、10-15、5-10、0-5，其中单位为：MPa。
从最终实验数据图示中可以得出：当活塞裙部采用非对称形式且活塞基本径D0＝73mm，同时活塞裙部推力侧面第一型线满足x＝0.00043y2-0.00129y-D0/2，3mm≤y≤21mm时，裙部非对称活塞整体受到的接触面压明显小于裙部对称活塞整体受到的接触面压，主要表现在裙部非对称活塞在45-50MPa接触面压范围内的裙部面积小于裙部对称活塞在45-50MPa接触面压范围内的裙部面积，通过将活塞裙部设置为非对称形式，减小了活塞推力侧裙部与缸筒之间的接触压力，从而降低活塞与缸筒之间的摩擦，降低发动机的燃烧负荷。
在发动机运行过程中，活塞裙部推力侧面和反推力侧面受热产生的膨胀量不同，推力侧面受热产生的膨胀量较大，反推力侧面受热产生的膨胀量较小，针对上述特征，本发明将活塞裙部推力侧面第一型线设置为满足方程x＝0.00043y2-0.00129y-D0/2且3mm≤y≤21mm，使活塞裙部推力侧面形成弧线的弧度小于活塞反推力侧面形成弧线的弧度，活塞裙部推力侧面相较于反推力侧面缩减的部分，可以与活塞裙部推力侧面受热的膨胀量相抵消，使推力侧面与缸筒内壁保持一个合理的间隙，通过上述四组实验可以验证得出：基本径D0在73-86mm的范围内，本发明中活塞裙部通过上述设置方式，均能够有效降低活塞裙部受到的接触面压，进一步证明了活塞裙部通过上述设置方式能够减少活塞裙部与缸筒之间的接触，从而降低了活塞与缸筒之间产生的摩擦以及发动机的燃烧负荷。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种裙部非对称活塞，包括活塞裙部，所述活塞裙部的侧表面均分为推力侧面(20)和反推力侧面(30)，其特征在于，所述活塞裙部中推力侧面形成弧线的最高点和反推力侧面形成弧线的最高点之间的水平距离为活塞(10)的基本径D0，所述基本径所在直线将推力侧面弧线分为前后两段相连的第一型线(21)和第二型线(22)，所述基本径所在直线将反推力侧面弧线分为前后两段相连的第三型线(31)和第四型线(32)，所述第一型线满足方程x＝0.00043y2-0.00129y-D0/2，所述方程中x轴为活塞基本径所在的直线，所述y轴为与活塞基本径垂直的活塞径向中心线，所述方程中y的取值范围为3mm≤y≤21mm，所述第二型线与第四型线关于y轴对称，所述第一型线与第三型线关于y轴不对称。
2.根据权利要求1所述的一种裙部非对称活塞，其特征在于，所述第一型线(21)上的点和第三型线(31)上的点在与x轴距离相同的情况下，所述第一型线上的点与y轴之间的距离L1均小于第三型线上的点与y轴之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种裙部非对称活塞，其特征在于，所述D0的取值范围分别为73mm≤D0≤86mm。
4.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1-3所述的一种裙部非对称活塞。
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