CN212003362U

CN212003362U - 带有泄压功能的活塞

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Publication number: CN212003362U
Application number: CN202020630089.0U
Authority: CN
Inventors: 张佰力; 张玉川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2030-04-23

Abstract

带有泄压功能的活塞：包括活塞体，活塞体上开设泄压孔，泄压孔两端分别与活塞体的顶端面和底端面相通，泄压孔内安装安全阀的启闭执行组件，活塞体顶端压力小于安全阀的开启压力时，安全阀关闭，泄压孔不导通；活塞体顶端压力大于安全阀的开启压力时，安全阀开启，使活塞体顶端与底端通过泄压孔相互连通。本实用新型的优点在于：它能够稳定活塞式发动机缸内压力，避免发动机缸内压力超过设定的安全值，能够使发动机的缸内压力接近爆震压力，使发动机工作中不产生爆震的压力，在提高压缩比的同时又能够限定突变工况过高的气缸压力，不仅能够改善低负荷工况的燃油经济性，还能全面提高各种负荷工况的燃油经济性。

Description

带有泄压功能的活塞

技术领域

本实用新型涉及活塞式发动机，具体的说是一种带有泄压功能的活塞。

背景技术

往复活塞式发动机是指活塞在汽缸内作往复直线运动，通过曲柄连杆功率传输机构，将活塞的直线运动转变为曲轴旋转运动的活塞式发动机。活塞的主要作用是承受汽缸中的燃烧压力、保证发功机工质的可靠密封。往复活塞式发动机通常普遍使用的是汽油机和柴油机。汽油抗爆性差，混合气容易产生爆燃使机体爆震，故一般使用点燃着火方式，目前公知汽油机的压缩比普遍在9～12之间，最大可以达到14，正常工作最高燃烧压力5MPa左右；柴油自燃点低、比汽油抗爆性好，所以柴油机都使用压燃着火方式。公知柴油机的压缩比目前普遍为12～22之间，最大可达到25，因设计转速不同、用途不同正常工作最高燃烧压力7～23MPa：柴油机的爆震一般称之为工作粗暴，可由压缩比改变、供油时间过早、供油量过大、超负荷运转等引起。

由发动机技术发展的历史看，发动机从压缩比为零的煤气发动机，经过不断进化，压缩比逐渐提高，发动机热效率提高到今天的汽油机热效率一般为30％-40％，柴油机热效率一般为40％-50％左右。另一方面，发动机的排放物会造成环境污染，排放的有害物质主要有：硫氧化物(主要为二氧化硫SO₂)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、颗粒物(PM)、臭气(主要为各种不完全燃烧的产物，如各种醛类)、二氧化碳(CO₂)等，还有噪音污染。

发动机的发展是一个不断追求提高热效率的进程，主要手段是提高压缩比，但带来了排放污染和有害氮氧化物(NOx)污染物增多，更为严重的是较大的压缩比会导致燃烧更加剧烈，并产生高温高压，容易产生爆燃，甚至发生爆轰，从而出现爆缸损害发动机。

汽车爆缸会严重损坏引擎，使发动机报废，行驶中的汽车发生爆缸危害性更大，可引起汽车起火、以及交通事故等造成人员的危害。船用柴油机或发电站的柴油机，特别是二冲程大型柴油机上，负荷输出较为稳定，压缩比相对较高，发动机强化程度较大，热效率是活塞发动机中较高的。过去也曾发生过爆缸损坏和对操作人员的危害。

车用发动机尤其是车用汽油机，在做几何压缩比设计时，一般会考虑适用于大负荷输出时不爆燃且有较高的热效率。在车辆正常行驶负荷功率不大时，发动机的进气量小，实际的压缩比小于几何压缩比，故发动机热效率比设计值更低。

由上述可知，解决爆震问题，通常的技术方案是采用可变压缩比，使发动机在低负荷工况时具有较高的压缩比，而在高负荷工况时又能够通过调节压缩比控制过高的缸内气体压力，防止爆震提高热效率。但是可变压缩比是基于发动机工况的压缩比控制，无法消除较低负荷条件下可能出现汽缸压力突然增加导致的爆燃现象；更有可能进一步减小高负荷工况时较低压力循环的汽缸压力，导致动力性和经济性的下降。可变压缩比技术有多种方案，但是通常需要采用复杂的电子控制技术和复杂的机械或者液压装置，其制作难度较大，生产成本高昂。并且，由于其压缩比变化较慢，不能很好的在汽车等发动机循环工况变化的瞬间做出及时响应，无法杜绝汽缸压力瞬间上升的情况，因此为避免爆震现象的发生，本领域技术人员将内燃机的工作压力设置的较为保守，以家用汽车上使用的汽油发动机为例，通常将发动机正常工作压力设定为开始产生爆震时压力的60％左右，才能有效避免发动机在车辆负荷变化、燃油品质及进气温度和压力等因素影响下出现汽缸压力瞬间上升并引发爆震的情况，而这明显限制了现有发动机压缩比的提升，使现有发动机的热效率较难进一步提高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带有泄压功能的活塞，它能够限定活塞式发动机缸内最高燃烧压力，避免发动机缸内压力超过设定的安全值，消除活塞式发动机压缩比提升后可能产生的爆震，使活塞式发动机的热效率得到显著提升。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：包括活塞体，活塞体上开设泄压孔，泄压孔两端分别与活塞体的顶端面和底端面相通，泄压孔内安装安全阀的启闭执行组件，活塞体顶端压力小于安全阀的开启压力时，安全阀关闭，泄压孔不导通；活塞体顶端压力大于安全阀的开启压力时，安全阀开启，使活塞体顶端与底端通过泄压孔相互连通。所述泄压孔位于活塞体顶端中心位置。所述泄压孔内周壁设置环形台阶，泄压孔内设置安全阀阀芯，安全阀阀芯与活塞体之间设置弹性支撑件，安全阀阀芯在弹性支撑件的弹力作用下能够与环形台阶紧密配合、将泄压孔封闭，当活塞体顶端压力大于安全阀的开启压力值P₁时，安全阀阀芯能够克服弹性支撑件的弹力、离开环形台阶，使泄压孔导通。所述活塞体上开设通孔，通孔内安装安全阀阀体，安全阀阀体从通孔中穿过，所述泄压孔开设在安全阀阀体上，安全阀阀体上端边沿设置环状限位台，活塞体下方设置螺帽，螺帽上设有通气孔，螺帽与安全阀阀体螺纹配合。所述弹性支撑件是螺旋弹簧。所述弹性支撑件是膜片弹簧。

本实用新型的优点在于：它能够稳定活塞式发动机缸内压力，避免发动机缸内压力超过设定的安全值，能够使发动机的缸内压力接近爆震压力，使发动机工作中不产生爆震的压力，在提高压缩比的同时又能够限定突变工况过高的气缸压力，不仅能够改善低负荷工况的燃油经济性，还能全面提高各种负荷工况的燃油经济性。实现大幅度提高发动机的热效率并改善排放，本实用新型可以改善发动机的燃烧循环波动和各缸燃烧不均匀性，有利于改善发动机的冷启动和怠速工况性能，提高发动机的低负荷性能。本实用新型可以使发动机小型化、降低发动机的燃烧振动。限压活塞对燃烧压力的快速动态响应特别适合于汽车发动机，也同样适合于工况变化频繁的工程机械发动机和柴油发电机组。应用于传统汽车发动机改造只需要将普通活塞改换为限压活塞，即可综合节省燃油10％以上。本实用新型结构简单成本低，生产不需要投资新的生产线。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型工作时发动机燃烧室压力示意图及活塞泄压工作时序图之一；

图3是本实用新型工作时发动机燃烧室压力示意图及活塞泄压工作时序图之二；

图4a是图1所示带有泄压功能的活塞及安全阀状态示意图之一，图中所示为活塞位于上止点的状态；

图4b是图1所示带有泄压功能的活塞及安全阀状态示意图之二，图中所示为活塞下移过程中安全阀打开的状态；

图4c是图1所示带有泄压功能的活塞及安全阀状态示意图之三，图中所示为活塞继续下移过程中安全阀关闭的状态；

图4d是图1所示带有泄压功能的活塞及安全阀状态示意图之四，图中所示为活塞到达下止点的状态。

具体实施方式

本实用新型所述带有泄压功能的活塞，包括活塞体2，活塞体2上开设泄压孔7，泄压孔7两端分别与活塞体2的顶端面和底端面相通，泄压孔7内安装安全阀100的启闭执行组件，所述安全阀100的开启压力设为P₁，活塞体2顶端压力小于P₁时，安全阀100关闭，泄压孔7不导通；活塞体2顶端压力大于P₁时，安全阀100开启，使活塞体2顶端与底端通过泄压孔7相互连通。所述安全阀100安装在活塞体2上，紧邻燃烧室，对燃烧压力反应灵敏，且只依据燃烧室5的工作压力进行动作，确保发动机不发生造成损害的偶发性爆震。

本实用新型所述泄压孔7优选设置在活塞体2顶端中心位置。现有发动机喷油点火装置6布置在气缸中心，该结构可确保可燃油气起燃点与安全阀100较近，安全阀100动作时，泄压孔7排出的是已燃烧过的废气泄放，从而不影响燃烧室5内未燃油气完全燃烧。

本实用新型所述安全阀100可采用现有的多种结构来作为启闭执行组件，例如弹簧式安全阀、杠杆式安全阀等，其中优选结构为：所述泄压孔7内周壁设置环形台阶11，泄压孔7内设置安全阀阀芯8，安全阀阀芯8与活塞体2之间设置弹性支撑件10，安全阀阀芯8在弹性支撑件10的弹力作用下能够与环形台阶11紧密配合、将泄压孔7封闭，当活塞体2顶端压力大于安全阀100的开启压力值P₁时，安全阀阀芯8能够克服弹性支撑件10的弹力、离开环形台阶11，使泄压孔7导通。该结构的安全阀阀芯8直接朝向燃烧室，燃烧室内的压力可直接作用在安全阀阀芯8上，燃烧室内压力升高时，安全阀阀芯8稍一动作就可开启泄压功能，燃烧室内压力低于安全压力时可迅速将泄压孔7封闭，对燃烧压力反应灵敏且直接，响应速度及可靠性更佳。

本实用新型所述活塞为降低制作、维护及保养难度，可在所述活塞体2上开设通孔12，通孔12内安装安全阀阀体3，安全阀阀体3从通孔12中穿过，所述泄压孔7开设在安全阀阀体3上，安全阀阀体3上端边沿设置环状限位台，用于对安全阀阀体3进行限位并增强安全阀阀体3与通孔12之间的密封性能，活塞体2下方设置螺帽9，螺帽9上设有通气孔，螺帽9与安全阀阀体3螺纹配合。该结构通过装配的形式在活塞体2上安装安全阀100，构造简单、生产、组装、维护方便，降低了活塞体2自身的制作难度，降低了加工和装配成本，对安全阀100进行维护和保养时可将安全阀100单独从活塞体2上拆下，不需更换整个活塞，维保成本也得到显著降低。

本实用新型所述弹性支撑件可采用螺旋弹簧、膜片弹簧等多种弹性部件，可根据泄压孔7内部空间、安全阀阀芯31形状等因素灵活选择。当采用膜片弹簧时，一般需在膜片弹簧上开设导气孔。所述螺旋弹簧、膜片弹簧等弹性支撑件可通过螺帽9进行固定。

消除活塞发动机爆震的活塞限压方法为：在发动机气缸燃烧室内安装带有泄压功能的活塞，设定气缸燃烧室内安全压力值为P₁，设定燃烧室内压力值P小于安全压力值P₁时，活塞的泄压功能不启动；设定每当燃烧室内压力值P大于或等于安全压力值P₁时，活塞的泄压功能开启，燃烧室通过活塞向外部泄压，直至燃烧室内压力值P降至安全压力值P₁以下后活塞的泄压功能关闭。

本发明所述的安全压力值P₁即为发动机工作时汽缸燃烧室内的最大工作压力，燃烧室内压力值P达到设定的安全压力值P₁时，燃烧室与外部相通，燃烧室已燃烧过的超压废气开始泄放到活塞体下方曲轴箱，阻止了燃烧室内压力继续提高，燃烧室迅速泄压时，燃烧室内压力值P保持在安全压力值P₁值附近，不会显著升高。随着活塞下行，燃烧室内压力值P低于安全压力值P₁时，活塞的泄压功能恢复至关闭状态，燃烧室停止泄压。本实用新型所述活塞式发动机限压方法能够在发动机汽缸燃烧室内限定一个最大安全压力值，当发动机因在车辆负荷变化、燃油品质及进气温度和压力等因素影响下出现汽缸压力瞬间上升的情况时，可自动将超过安全压力值的这部分压力排出，能够杜绝发动机汽缸燃烧室内压力超过安全设定值，使发动机设定的正常工作压力可以尽可能的升高，不需考虑因压力瞬间上升而引发爆震或缸体强度难以承受的问题，大幅提升发动机的压缩比和热效率。本实用新型可使发动机设定工作压力相比同类公知发动机正常压力高，又避免了爆震的发生，可以使限压活塞发动机比公知发动机的压缩比提高，发动机热效率提高。

本领域技术人员的普遍认知是发动机活塞及其组件与气缸一起保证发功机工质的可靠密封，否则活塞式发动机就不能正常运转。本实用新型则采用当燃烧室燃烧压力超过设定压力时，打破活塞及其组件的这种密封，通过安全阀的泄压技术方案，在防止爆震的同时使发动机更高热效率下的可靠运转，产生了预料不到的技术效果。

本实用新型可以在提高压缩比的同时又能够限定突变工况过高的气缸压力，不仅能够改善低负荷工况的燃油经济性，还能全面提高各种负荷工况的燃油经济性。实现大幅度提高发动机的热效率并改善排放，本实用新型可以改善发动机的燃烧循环波动和各缸燃烧不均匀性，有利于改善发动机的冷启动和怠速工况性能，提高发动机的低负荷性能。本实用新型可以使发动机小型化、降低发动机的燃烧振动。限压活塞对燃烧压力的快速动态响应特别适合于汽车发动机，也同样适合于工况变化频繁的工程机械发动机和柴油发电机组。应用于传统汽车发动机改造只需要将普通活塞改换为限压活塞，即可综合节省燃油10％以上。本实用新型结构简单成本低，生产不需要投资新的生产线。

图2是燃烧室压力示意图及活塞泄压工作时序图之一。图中安全压力值P₁大于同排量、同燃料常规公知发动机的正常压力值Pz，靠近并小于爆震压力值P₀。曲线A-Z-B是公知发动机正常运转压力曲线，最高点Z点压力为正常工作压力。曲线A-Z’-B是公知发动机发生爆震时工作压力曲线，最高压力点是Z’。在曲线A-Z’-B状态安装限压活塞后，限压活塞发动机运转压力曲线形态成为A-S-V-B曲线。

发动机因某种原因燃烧室5工作压力突然增加导致的爆震曲线A-Z’-B出现时，活塞在S点开启泄压功能，燃烧室内压力能量快速泄放，燃烧室内压力值P保持在安全压力值P₁由S点至V点，过V点后燃烧室内压力值P下降、低于设定压力值P₁，活塞的泄压功能关闭。燃烧室压力继续降至B点时，发动机排气门打开。

图3是燃烧室压力示意图及活塞泄压工作时序图之二。图中安全压力值P₁设定与图2相同。发动机工作在非爆震曲线A-Z”-B状态，安装带有泄压功能的活塞后工作压力曲线A-Z”-B，与非爆震曲线相同，压力最高点Z”未超过设定压力，最高燃烧工作压力比图2的压力点Z’低，但是高于公知发动机正常运转最高压力Z点。阀门工作时序图显示整个做功行程活塞的泄压功能处于关闭状态。

图4a-图4d是所述带有泄压功能的活塞在发动机做功行程中的状态示意图。发动机在做功行程安全阀100动作时从活塞上止点TDC到下止点BDC，展示了4个不同活塞位置的安全阀100状态。结合图2进行深入阐述，图4a为上止点时，燃烧室内油气已经点燃，燃烧压力还未升至设定压力，安全阀100处于关闭状态；图4b为活塞继续下行，燃烧室内油气继续燃烧，燃烧室压力升高至压力曲线S点时，燃烧室压力等于设定压力安全阀100开启，燃烧后超过设定压力的废气通过安全阀100泄放进入曲轴箱内，气体流动方向如图4b中箭头所示；图4c为活塞继续下行燃烧室压力保持在设定压力至V点时，燃烧室压力小于设定压力，安全阀100关闭；图4d为下止点，缸盖上的排气门已经打开排气，安全阀100处于关闭状态。

由图1～图4d所示内容可知，采用本实用新型所述限压方法后能够将发动机设定压力高于公知发动机正常压力，可以提高限压活塞发动机的压缩比，提高了发动机的热效率。

当燃烧室内压力值P升高并超过安全压力值P₁时，活塞的泄压功能开启工作，虽然损失了超过安全压力的一小部分气体能量，但活塞压力曲线A-S-V-B仍然高于压力曲线A-Z-B，热效率也是提高的。这是因为公知的曲轴连杆功率传输机构，在上止点时的活塞作用力转化为输出扭矩等于零，活塞离开上止点后转化效率逐步增大。限压活塞损失的一小部分气体能量，是位于上止点附近。对远离上止点转化效率高的位置没有造成影响。

由于泄压功能直接设置在活塞上，紧邻燃烧室，对燃烧压力反应灵敏，且只依据燃烧室的工作压力进行动作，确保活塞发动机不发生造成损害的偶发性爆震。并且在每个燃烧循环中都能很好的控制最高燃烧压力不超过安全压力，解决了循环气缸压力波动和多缸机不同气缸的气缸压力不均匀性问题，基于每个循环的气缸压力控制方式也有利于提高压缩比上限。

活塞式发动机提高了压缩比，也就提高了燃烧室燃烧初始温度，可以提高稀薄可燃气体的燃烧极限，泄压功能的快速开启，降低了最高燃烧温度，燃烧更为高效、柔和，降低了上止点的热负荷，降低了缸盖散热量。

传统点燃着火式汽油发动机，压缩比普遍偏低，同时由于使用节气门控制进气量来控制输出负荷，使得低负荷时进气量比高负荷时进气量更少，低负荷实际压缩比更小。汽油机使用限压活塞可较大幅度提高压缩比，将设定压力提高到靠近爆震压力，以图3显示的状态工作。尤其是工作负荷变化较大的汽车用汽油机热效率提高幅度尤为显著。

活塞的泄压功能可通过常规的多种泄压阀结构实现，结构极为简单，改装现有发动机非常容易，消除爆震的同时杜绝了经济损失及安全隐患较大的“爆缸”故障，热效率比公知活塞发动机高10％以上。

用于汽油发动机时，本实用新型所述安全压力值P₁可设置为燃烧室内开始发生爆震的临界压力值P₀的66％-99％。其中发动机燃烧室内开始发生爆震的临界压力值P₀与该发动机使用的燃料标号、缸径等因素决定，并可由现有检测工具测出。设定某一汽油发动机的安全压力值P₁时，根据该规格发动机测得的发生爆震的临界压力值P₀实际数值，安全压力值P₁越接近爆震的临界压力值P₀，则发动机工作时工作在高压缩比工况的时间更长，更有利于提升发动机的热效率。如汽油发动机的安全压力值P₁设置到低于发生爆震的临界压力值P₀的66％，则其工作时的热效率与传统汽油发动机的区别不显著，提升热效率的效果有限。如汽油发动机的安全压力值P₁设置到与爆震的临界压力值P₀相同或超过爆震的临界压力值P₀，则该发动机工作时会频繁发生爆震，这种情况是应当予以避免的。

传统压燃着火式柴油发动机，压缩比已经较高，采用进气增压后热负荷更大，对机械强度要求更高。此种情况下，使用本实用新型所述活塞限压方法适量提高压缩比，例如将设定的安全压力值P₁设置为同排量、同燃料传统柴油发动机正常工作时最大压力值P_Z的1.0-1.3倍，在传统柴油发动机机械强度能够承受的范围内，延长其工作在高压缩比工况的时间，既保证压燃点火的冷启动性能，又降低最高爆发压力，提高发动机的平均有效压力。

图中1是汽缸，5是燃烧室，6是喷油点火装置。

Claims

1.带有泄压功能的活塞，其特征在于：包括活塞体(2)，活塞体(2)上开设泄压孔(7)，泄压孔(7)两端分别与活塞体(2)的顶端面和底端面相通，泄压孔(7)内安装安全阀(100)的启闭执行组件，活塞体(2)顶端压力小于安全阀(100)的开启压力时，安全阀(100)关闭，泄压孔(7)不导通；活塞体(2)顶端压力大于安全阀(100)的开启压力时，安全阀(100)开启，使活塞体(2)顶端与底端通过泄压孔(7)相互连通。

2.根据权利要求1所述的带有泄压功能的活塞，其特征在于：所述泄压孔(7)位于活塞体(2)顶端中心位置。

3.根据权利要求1所述的带有泄压功能的活塞，其特征在于：所述泄压孔(7)内周壁设置环形台阶(11)，泄压孔(7)内设置安全阀阀芯(8)，安全阀阀芯(8)与活塞体(2)之间设置弹性支撑件(10)，安全阀阀芯(8)在弹性支撑件(10)的弹力作用下能够与环形台阶(11)紧密配合、将泄压孔(7)封闭，当活塞体(2)顶端压力大于安全阀(100)的开启压力时，安全阀阀芯(8)能够克服弹性支撑件(10)的弹力、离开环形台阶(11)，使泄压孔(7)导通。

4.根据权利要求1所述的带有泄压功能的活塞，其特征在于：所述活塞体(2)上开设通孔(12)，通孔(12)内安装安全阀阀体(3)，安全阀阀体(3)从通孔(12)中穿过，所述泄压孔(7)开设在安全阀阀体(3)上，安全阀阀体(3)上端边沿设置环状限位台，活塞体(2)下方设置螺帽(9)，螺帽(9)上设有通气孔，螺帽(9)与安全阀阀体(3)螺纹配合。

5.根据权利要求3所述的带有泄压功能的活塞，其特征在于：所述弹性支撑件是螺旋弹簧。

6.根据权利要求3所述的带有泄压功能的活塞，其特征在于：所述弹性支撑件是膜片弹簧。