CN113236436A - 一种内燃机活塞及内燃机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于动力机械技术领域,公开一种内燃机活塞及内燃机,活塞头部包括活塞头本体和密封接触组件,活塞头本体的端面凹设有燃烧室,燃油在燃烧室内燃烧并生成高温燃气,以推动活塞头本体在汽缸内移动,活塞头本体的周向环设有冷却腔,密封接触组件沿活塞头本体的周向环设,并封堵冷却腔的腔口,密封接触组件位于活塞头本体和汽缸的内壁之间,以使高温燃气受限于燃烧室与汽缸的端盖之间,冷却腔内流动有冷却液,以吸收密封接触组件上的热量,避免其过热而失效破坏,保证其能够始终密封填充于活塞头本体与汽缸的内壁之间,延长活塞使用寿命。冷却腔的腔壁覆设有隔热层,避免冷却液流动时带走燃烧室内的热量,减少热量流失,提高内燃机热效率。
Description
技术领域
本发明涉及动力机械技术领域,尤其涉及一种内燃机活塞及内燃机。
背景技术
内燃机是一种动力机械,其原理是通过燃料在机体内部燃烧,并将燃烧放出的热能直接转换为机械能。其中应用最多的是往复活塞式内燃机,往复活塞式内燃机中,燃料和空气混合后,并在汽缸内燃烧,燃烧释放出的热能使汽缸内产生高温高压气体,气体膨胀以及排气等一系列动作推动活塞在汽缸内往复移动,再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出,进而驱动从动机械工作。
内燃机中能够转换为有用机械能的热量和所消耗的总热量的比值称为内燃机的热效率,因此,在内燃机开发设计中,提高内燃机的热效率,能够降低油耗,节能环保。
然而,随着热效率不断增加,燃料燃烧后的爆发压力不断提高,内燃机的热负荷不断增加,活塞作为主要受热零件之一,其在汽缸内所承受的热负荷也大幅度增高,活塞往复移动时与汽缸内壁接触摩擦的部位首先失效破坏,造成活塞敲缸、燃烧室内高压燃气泄漏等现象,严重影响了活塞的使用寿命,甚至导致成本较高的内燃机无法继续使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内燃机活塞及内燃机,能够降低活塞的平均热交换系数,减少内燃机的能量损失,提高内燃机热效率,节油减碳,利于环保,同时,能够延长活塞的使用寿命。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,提供一种内燃机活塞,包括:
活塞头部,包括活塞头本体和密封接触组件,所述活塞头本体的端面凹设有燃烧室,燃油在所述燃烧室内燃烧并生成高温燃气,以推动所述活塞头本体在汽缸内移动,所述活塞头本体的周向环设有冷却腔,所述密封接触组件沿所述活塞头本体的周向环设,并封堵所述冷却腔的腔口,所述密封接触组件位于所述活塞头本体和所述汽缸的内壁之间,以使高温燃气受限于所述燃烧室与所述汽缸的端盖之间;
隔热层,所述隔热层覆设于所述冷却腔的腔壁;
冷却液,所述冷却液流动于所述冷却腔内,以吸收所述密封接触组件的热量。
作为本发明提供的内燃机活塞的优选方案,所述隔热层与所述冷却腔的腔壁之间设置有隔热腔。
作为本发明提供的内燃机活塞的优选方案,所述冷却腔的腔壁包括第一环面、第二环面以及第三环面,所述第一环面、所述第二环面以及所述第三环面围设形成所述冷却腔,所述第一环面和所述第三环面分设于所述第二环面相对的两侧,且所述第三环面位于所述第一环面远离所述燃烧室的一侧,所述隔热层覆设于所述第一环面和所述第二环面。
作为本发明提供的内燃机活塞的优选方案,所述活塞头本体上设置有至少一个进液口和至少一个出液口,所述进液口与所述出液口均与所述冷却腔连通,所述进液口与所述出液口以所述活塞头本体的轴心为中心对称分布,所述冷却液通过所述进液口进入所述冷却腔,并通过所述出液口流出。
作为本发明提供的内燃机活塞的优选方案,所述密封接触组件包括密封本体、第一密封环和第二密封环,所述密封本体的外周壁间隔设置有第一环槽和第二环槽,所述第二环槽位于所述第一环槽远离所述活塞头本体的端面的一侧,所述第一密封环的内侧卡入所述第一环槽内,所述第一密封环的外侧与所述汽缸的内壁滑动接触,所述第二密封环的内侧卡入所述第二环槽内,所述第二密封环的外侧与所述汽缸的内壁滑动接触。
作为本发明提供的内燃机活塞的优选方案,所述第一环槽的截面呈楔形,所述第一密封环的截面呈楔形,所述第一密封环与所述第一环槽的槽壁之间形成排炭腔,所述第一密封环与所述汽缸的内壁滑动接触时,所述第一密封环能够在所述第一环槽内晃动,以使所述排炭腔的容积变小而形成正压,从而将所述第一环槽内的积炭挤压出。
作为本发明提供的内燃机活塞的优选方案,所述第二环槽的槽壁沿周向环设有止挡凸起,所述第二密封环上沿周向设置有与所述止挡凸起相配合的凹槽,所述止挡凸起卡入所述凹槽内。
作为本发明提供的内燃机活塞的优选方案,还包括活塞裙部和销轴,所述活塞裙部连接于所述活塞头本体背向所述燃烧室的一侧,并与所述活塞头本体同轴设置,所述活塞裙部的径向尺寸小于所述活塞头部的径向尺寸,所述活塞裙部上沿径向贯穿设置有销孔,所述销轴穿设于所述销孔内,活塞连杆与所述销轴连接,以将所述活塞头部的动能传递给从动机械设备。
作为本发明提供的内燃机活塞的优选方案,所述隔热层采用纳米二氧化硅、气凝胶、玻璃纤维、岩棉纤维、聚氨酯泡沫塑料、陶瓷基复合材料中的一种或多种制成。
第二方面,提供一种内燃机,包括如上所述的内燃机活塞。
本发明的有益效果:
本发明提供的内燃机活塞及内燃机中,活塞头本体的周向环设有冷却腔,密封接触组件沿活塞头本体的周向环设,并封堵冷却腔的腔口,密封接触组件位于活塞头本体和汽缸的内壁之间,内燃机工作时,燃油在活塞头本体端部的燃烧室燃烧并生成高温高压的燃气,燃气膨胀从而推动活塞头本体在汽缸内移动,密封接触组件在活塞头本体的带动下同步移动,密封接触组件远离冷却腔的一侧与汽缸内壁滑动接触,活塞头本体移动过程中,密封接触组件始终密封填充于活塞头本体与汽缸的内壁之间,以使燃油燃烧后产生的高温燃气受限于燃烧室与汽缸的端盖之间,避免高温燃气泄露,保证燃油燃烧产生的热能充分用于推动活塞头本体移动,提高能量转换效率。冷却腔的腔壁上覆设有隔热层,内燃机工作过程中,冷却腔内始终流动有冷却液,冷却液流动时能够与密封接触组件发生热传递,以带走密封接触组件上的热量,降低密封接触组件周围的温度,避免其过热而失效破坏,从而保证其能够始终密封填充于活塞头本体与汽缸的内壁之间,延长整个活塞头部的使用寿命。同时,隔热层覆设于冷却腔的腔壁,能够隔绝活塞头本体端面及其周围的温度,避免冷却液流动时带走燃烧室内的热量,有效减少热量流失,降低活塞的平均热交换系数,提高内燃机热效率的同时节油减碳,利于环保。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的内燃机活塞的结构示意图;
图2是图1中A部分的局部放大图;
图3是图1中B-B方向的剖视图;
图4是本发明具体实施方式提供的内燃机活塞的立面图。
图中:
1-活塞头部;2-隔热层;3-活塞裙部;
11-活塞头本体;12-密封接触组件;
111-燃烧室;112-冷却腔;113-进液口;114-出液口;115-锥形结构;116-避让槽;
1121-第一环面;1122-第二环面;1123-第三环面;
121-密封本体;122-第一环槽;123-第二环槽;124-第三环槽;
1231-止挡凸起;
31-销孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中,术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述和简化操作,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分,并没有特殊的含义。
如图1至图4所示,本实施例提供一种内燃机活塞及内燃机,包括活塞头部1、隔热层2、以及冷却液。
其中,活塞头部1包括活塞头本体11和密封接触组件12。活塞头本体11的端面凹设有燃烧室111。活塞头本体11的周向环设有冷却腔112,密封接触组件12沿活塞头本体11的周向环设,并封堵冷却腔112的腔口。密封接触组件12位于活塞头本体11和汽缸的内壁之间。内燃机工作时,燃油在活塞头本体11端部的燃烧室111燃烧并生成高温高压的燃气,燃气膨胀从而推动活塞头本体11在汽缸内移动,密封接触组件12在活塞头本体11的带动下同步移动,密封接触组件12远离冷却腔112的一侧与汽缸内壁滑动接触。活塞头本体11移动过程中,密封接触组件12始终密封填充于活塞头本体11与汽缸的内壁之间,以使燃油燃烧后产生的高温燃气受限于燃烧室111与汽缸的端盖之间,避免高温燃气泄露,保证燃油燃烧产生的热能充分用于推动活塞头本体11移动,提高能量转换效率。内燃机工作过程中,冷却腔112内始终流动有冷却液,冷却液流动时能够与密封接触组件12发生热传递,以带走密封接触组件12上的热量,降低密封接触组件12周围的温度,避免其过热而失效破坏,从而保证其能够始终密封填充于活塞头本体11与汽缸的内壁之间,延长整个活塞头部1的使用寿命。同时,隔热层2覆设于冷却腔112的腔壁,能够隔绝活塞头本体11端面及其周围的温度,避免冷却液流动时带走燃烧室111内的热量,有效减少热量流失,降低活塞的平均热交换系数,提高内燃机热效率的同时节油减碳,利于环保。
可选地,隔热层2与冷却腔112的腔壁之间设置有隔热腔。即,隔热层2与冷却腔112的腔壁之间存在一定的间隙,从而形成上述的隔热腔。通过设置隔热腔,能够避免隔热层2与冷却腔112的腔壁直接接触,进一步隔绝冷却腔112内的冷却液与活塞头本体11上的燃烧室111之间的热传递,降低燃烧室111内的热量损失,提高内燃机的热效率。
可选地,本实施例中,隔热层2采用纳米二氧化硅、气凝胶、玻璃纤维、岩棉纤维、聚氨酯泡沫塑料、陶瓷基复合材料中的一种或多种制成,确保隔热层2具有良好的隔热效果,且使用寿命长。
可选地,冷却腔112的腔壁包括第一环面1121、第二环面1122以及第三环面1123。参见图1和图2,本实施例中,第一环面1121、第二环面1122以及第三环面1123围设形成冷却腔112。第一环面1121和第三环面1123分设于第二环面1122相对的两侧,且第三环面1123位于第一环面1121远离燃烧室111的一侧,隔热层2覆设于第一环面1121和第二环面1122。也就是说,隔热层2一部分设置于冷却腔112内靠近活塞头本体11顶面的第一环面1121上,另一部分设置于冷却腔112内远离密封接触组件12的第二环面1122上。设置于第一环面1121和第二环面1122上的隔热层2能够包覆活塞头本体11上开设燃烧室111的部分,以隔绝燃烧室111与冷却腔112之间的热量传递。而由于第三环面1123未面向燃烧室111,因此在本实施例中第三环面1123上未设置隔热层2,节省材料,同时,冷却液流动时能够吸收第三环面1123周围的热量,避免过热损坏。
在本发明的其他实施例中,冷却腔112的形状可根据内燃机活塞的设计要求具体选定,相应地,隔热层2只需覆设于冷却腔112内面向燃烧室111的腔壁上即可,保证冷却腔112内的冷却液在吸收密封接触组件12上热量的同时,能够隔绝冷却腔112与燃烧室111之间得到热量传递,减少冷却液对燃烧室111内热量的吸收。
可选地,参见图3,活塞头本体11上设置有至少一个进液口113和至少一个出液口114。进液口113与出液口114均与冷却腔112连通,冷却液能够从进液口113进入冷却腔112,冷却腔112内的冷却液进而通过出液口114流出,以保证冷却腔112内的冷却液始终处于流动状态,从而使冷却液保持较低温度,能够快速吸收密封接触组件12上的热量。
可选地,进液口113与出液口114以活塞头本体11的轴心为中心对称分布。当冷却液通过进液口113进入冷却腔112,并通过出液口114流出的过程中,冷却液有足够的流动行程,保证冷却液能够流经冷却腔112内的各个角落,以充分吸收呈环状分布的密封接触组件12上的热量。在本实施例中,活塞头本体11上沿直径方向设置有一个进液口113和一个出液口114,冷却液由进液口113进入冷却腔112后,沿相反方向分流,随后,两股冷却液再汇聚至出液口114处并流出。进液口113和出液口114对称分布,能够保证两股冷却液同时到达出液口114,两股冷却液吸收热量的速度相等,确保密封接触组件12的温度分布均匀。
本实施例中,冷却液为机油,机油具有较高的沸点,能够避免其在吸收热量的过程中挥发。
可选地,参见图1和图2,密封接触组件12包括密封本体121、第一密封环和第二密封环。具体地,密封本体121环设于活塞头本体11的周向,并封堵于冷却腔112的腔口。密封本体121的外周壁上环设有第一环槽122和第二环槽123,第一环槽122和第二环槽123沿密封本体121的轴向间隔设置,且第二环槽123位于第一环槽122远离活塞头本体11的端面的一侧。第一密封环的内侧卡入第一环槽122内,第一密封环的外侧能够与汽缸的内壁滑动接触。第二密封环的内侧卡入第二环槽123内,第二密封环的外侧能够与汽缸的内壁滑动接触。在高温燃气推动活塞头部1移动时,第一密封环的外侧和第二密封环的外侧均沿汽缸的内壁滑动,此过程中,第一密封环和第二密封环共同作用,以避免高温燃气泄露于密封本体121和汽缸的内壁之间,保证高温燃气能够充分用于推动活塞头部1移动,减少能量耗损。
本实施例中,第一密封环和第二密封环上均设置有微小开口。第一方面,安装第一密封环和第二密封环时,可通过张大该微小开口,以调大第一密封环和第二密封环的直径,从而方便将第一密封环套设于第一环槽122内、以及第二密封环套设于第二环槽123内。第二方面,将组装好的活塞装入汽缸中时,第一密封环上的微小开口和第二密封环上的微小开口收缩,即第一密封环和第二密封环装入汽缸后直径变小,此时,第一密封环和第二密封环上储存弹性势能,以使二者在自身弹力作用下顶紧汽缸的内壁,保证密封效果。第三方面,通过设置微小开口,能够预留出第一密封环和第二密封环在汽缸内受热后的伸缩空间,避免二者受热膨胀而卡死甚至损坏。
可选地,参见图2,第一环槽122的截面呈楔形。相应地,第一密封环的截面呈楔形。第一密封环与第一环槽122的槽壁之间存在间隙,以形成排炭腔。高温燃气膨胀以推动活塞头部1移动时,第一密封环与汽缸的内壁滑动接触,在高温燃气的压力作用下,第一密封环能够在第一环槽122内晃动,晃动过程中,排炭腔的大小发生变化,当排炭腔的容积由大变小时,在排炭腔内能够形成正压,以将第一环槽122内的积炭挤压出,保证第一环槽122内的清洁度。
可选地,参见图2,第二环槽123的槽壁沿周向环设有止挡凸起1231,第二密封环上沿周向设置有与止挡凸起1231相配合的凹槽,止挡凸起1231卡入凹槽内,以增加第二密封环与第二环槽123的槽壁之间的接触面积,进一步提高第二密封环的密封效果。
继续参阅图2,本实施例中,密封本体121的周向还环设有第三环槽124,第三环槽124位于第二环槽123远离第二环槽123的一侧。密封接触组件12还包括油环,油环的内侧卡入第三环槽124内,当活塞在汽缸内往复运动时,油环的外侧能够刮除汽缸内壁上飞溅的机油,同时,将机油均匀涂抹于汽缸内壁,以起到良好的润滑效果。
可选地,参见图1和图4,燃烧室111的底壁上凸设有锥形结构115。通过设置锥形结构115能够减小燃烧室111的容积,从而达到提高压缩比的目的,压缩比越高,活塞向上运行压缩后的缸压越高,燃油的热能转化为机械能的效率越高。
可选地,参见图4,活塞头本体11的端面上还设置有避让槽116,以防止活塞运行到顶部时和打开的气门相干涉而发生碰撞。
本实施例中,活塞头部1远离汽缸端盖的一侧还设置有活塞裙部3和销轴。活塞裙部3连接于活塞头本体11背向燃烧室111的一侧,并与活塞头本体11同轴设置,活塞裙部3上沿径向贯穿设置有销孔31,销轴穿设于销孔31内,活塞连杆与销轴连接,以将活塞头部1的动能传递给从动机械设备。可选地,活塞连杆为曲柄连杆机构中的一个连杆,高温燃气推动活塞头部1移动以及排气时,活塞连杆能够在推力作用下相对销轴摆动,进而使曲柄转动。曲柄能够与从动机械设备的输入端传动连接,以驱动从动机械设备运转。
可选地,活塞裙部3的径向尺寸小于活塞头部1的径向尺寸,以避免活塞往复移动时,活塞裙部3与汽缸内壁滑动接触,减小活塞与汽缸内壁之间的接触面积,从而减少活塞往复移动时需要克服的摩擦阻力。
本实施例还提供一种内燃机,包括如上所述的内燃机活塞。内燃机工作时,燃料和空气混合并在汽缸内燃烧,燃烧释放出的热能使汽缸内产生高温高压气体,气体膨胀以及排气等一系列动作推动活塞在汽缸内往复移动,再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出,进而驱动从动机械工作。
本实施例提供的内燃机中,冷却腔112内的冷却液在吸收密封接触组件12上热量的同时,能够隔绝冷却腔112与燃烧室111之间得到热量传递,减少冷却液对燃烧室111内热量的吸收,降低活塞的平均热交换系数,减少内燃机的能量损失,提高内燃机热效率,节油减碳,利于环保。同时,冷却液流动时能够带走密封本体121上的第一环槽122、第二环槽123以及第三环槽124的热量,避免第一环槽122、第二环槽123以及第三环槽124过热变形损坏,延长活塞的使用寿命。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种内燃机活塞,其特征在于,包括:
活塞头部(1),包括活塞头本体(11)和密封接触组件(12),所述活塞头本体(11)的端面凹设有燃烧室(111),燃油在所述燃烧室(111)内燃烧并生成高温燃气,以推动所述活塞头本体(11)在汽缸内移动,所述活塞头本体(11)的周向环设有冷却腔(112),所述密封接触组件(12)沿所述活塞头本体(11)的周向环设,并封堵所述冷却腔(112)的腔口,所述密封接触组件(12)位于所述活塞头本体(11)和所述汽缸的内壁之间,以使高温燃气受限于所述燃烧室(111)与所述汽缸的端盖之间;
隔热层(2),所述隔热层(2)覆设于所述冷却腔(112)的腔壁;
冷却液,所述冷却液流动于所述冷却腔(112)内,以吸收所述密封接触组件(12)的热量。
2.根据权利要求1所述的内燃机活塞,其特征在于,所述隔热层(2)与所述冷却腔(112)的腔壁之间设置有隔热腔。
3.根据权利要求1所述的内燃机活塞,其特征在于,所述冷却腔(112)的腔壁包括第一环面(1121)、第二环面(1122)以及第三环面(1123),所述第一环面(1121)、所述第二环面(1122)以及所述第三环面(1123)围设形成所述冷却腔(112),所述第一环面(1121)和所述第三环面(1123)分设于所述第二环面(1122)相对的两侧,且所述第三环面(1123)位于所述第一环面(1121)远离所述燃烧室(111)的一侧,所述隔热层(2)覆设于所述第一环面(1121)和所述第二环面(1122)。
4.根据权利要求1所述的内燃机活塞,其特征在于,所述活塞头本体(11)上设置有至少一个进液口(113)和至少一个出液口(114),所述进液口(113)与所述出液口(114)均与所述冷却腔(112)连通,所述进液口(113)与所述出液口(114)以所述活塞头本体(11)的轴心为中心对称分布,所述冷却液通过所述进液口(113)进入所述冷却腔(112),并通过所述出液口(114)流出。
5.根据权利要求1所述的内燃机活塞,其特征在于,所述密封接触组件(12)包括密封本体(121)、第一密封环和第二密封环,所述密封本体(121)的外周壁间隔设置有第一环槽(122)和第二环槽(123),所述第二环槽(123)位于所述第一环槽(122)远离所述活塞头本体(11)的端面的一侧,所述第一密封环的内侧卡入所述第一环槽(122)内,所述第一密封环的外侧与所述汽缸的内壁滑动接触,所述第二密封环的内侧卡入所述第二环槽(123)内,所述第二密封环的外侧与所述汽缸的内壁滑动接触。
6.根据权利要求5所述的内燃机活塞,其特征在于,所述第一环槽(122)的截面呈楔形,所述第一密封环的截面呈楔形,所述第一密封环与所述第一环槽(122)的槽壁之间形成排炭腔,所述第一密封环与所述汽缸的内壁滑动接触时,所述第一密封环能够在所述第一环槽(122)内晃动,以使所述排炭腔的容积变小而形成正压,从而将所述第一环槽(122)内的积炭挤压出。
7.根据权利要求5所述的内燃机活塞,其特征在于,所述第二环槽(123)的槽壁沿周向环设有止挡凸起(1231),所述第二密封环上沿周向设置有与所述止挡凸起(1231)相配合的凹槽,所述止挡凸起(1231)卡入所述凹槽内。
8.根据权利要求1所述的内燃机活塞,其特征在于,还包括活塞裙部(3)和销轴,所述活塞裙部(3)连接于所述活塞头本体(11)背向所述燃烧室(111)的一侧,并与所述活塞头本体(11)同轴设置,所述活塞裙部(3)的径向尺寸小于所述活塞头部(1)的径向尺寸,所述活塞裙部(3)上沿径向贯穿设置有销孔(31),所述销轴穿设于所述销孔(31)内,活塞连杆与所述销轴连接,以将所述活塞头部(1)的动能传递给从动机械设备。
9.根据权利要求1所述的内燃机活塞,其特征在于,所述隔热层(2)采用纳米二氧化硅、气凝胶、玻璃纤维、岩棉纤维、聚氨酯泡沫塑料、陶瓷基复合材料中的一种或多种制成。
10.一种内燃机,其特征在于,包括如权利要求1-9任一项所述的内燃机活塞。
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