CN216617693U - 一种柴油发动机活塞组合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柴油发动机活塞组合结构，包括缸体，缸体内设置有缸套，缸套的内壁设置有活塞，活塞包括头部和裙部，头部的顶面中部向活塞的内部凹陷形成凹坑，头部的内部设置有环形冷却油腔，环形冷却油腔的底部设置有进油孔和回油孔，头部的外侧臂上设置有环槽组，裙部内设置有销孔，缸体于缸套的底端一侧设置有冷却喷嘴，冷却喷嘴用于将冷却油从进油孔喷入环形冷却油腔内。冷却喷嘴通过进油孔向环形冷却油腔喷入冷却油，冷却油在环形冷却油腔内强制流动吸收活塞热量后从回油孔流出，从而降低活塞特别是头部温度，使活塞在做高速往复运动时，保持较高的强度，满足高负荷柴油机的使用要求。

Description

一种柴油发动机活塞组合结构

技术领域

本实用新型涉及柴油发动机零部件技术领域，具体涉及一种柴油发动机活塞组合结构。

背景技术

现有直列6缸8.9L柴油机最大功率309kW，升功率34.7kW/L。特种车辆应用要求柴油机最大功率达到405kW，升功率达到45.5kW/L。柴油机升功率大幅提升后，活塞温度随之大幅提升，造成活塞顶面开裂、活塞销咬合、活塞环拉缸等失效问题。现有柴油机的活塞组合结构无法满足特种车辆的使用要求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种柴油发动机活塞组合结构，提高活塞的冷却效率，减少活塞顶面开裂、活塞销咬合、活塞环拉缸等失效问题，满足特种车辆的使用要求。

为了解决上述技术问题，本实用新型的一种柴油发动机活塞组合结构，包括缸体，所述缸体内设置有缸套，所述缸套的内壁设置有活塞，所述活塞包括头部和裙部，所述头部的顶面中部向所述活塞的内部凹陷形成凹坑，所述头部的内部设置有环形冷却油腔，所述环形冷却油腔的底部相对设置有进油孔和回油孔，所述头部的外侧臂上设置有环槽组，所述裙部内设置有销孔，所述缸体于所述缸套的底端一侧设置有冷却喷嘴，所述冷却喷嘴用于将冷却油从所述进油孔喷入所述环形冷却油腔内。

在上述柴油发动机活塞组合结构中，冷却喷嘴通过进油孔向环形冷却油腔喷入冷却油，冷却油在环形冷却油腔内强制流动吸收活塞热量后从回油孔流出，从而降低活塞特别是头部温度，使活塞在做高速往复运动时，保持较高的强度，满足高负荷柴油机的使用要求。

作为本实用新型柴油发动机活塞组合结构的改进，所述环形冷却油腔环绕设置在所述凹坑的外圈一周。优选的，所述凹坑沿所述活塞轴向的截面呈类ω形，所述环形冷却油腔的腔孔沿所述活塞轴向的截面呈类直角三角形，且所述类直角三角形的斜边壁与所述类ω形的外侧壁部分共用。

通过将环形冷却油腔环绕在凹坑的侧壁一周上，大大增加冷却油与凹坑的接触面积，同等喷射冷却油的条件下，能够带走更多的热量，增强对活塞的冷却效果。

作为本实用新型柴油发动机活塞组合结构的另一种改进，所述环槽组包括包括自上向下依次设置的上压缩环槽、中压缩环槽和油环槽。

进一步的，所述上压缩环槽内嵌设有上压缩环，所述上压缩环的截面呈倒置平放的等腰梯形，且所述等腰梯形的底边位于所述活塞的外侧，所述等腰梯形的两腰夹角为15°～15.4°、高度为3.6～4.0mm、底边长度为2.8～3.0mm、顶边长度为1.9～2.1mm，所述上压缩环的外圈侧面上设置有第一非晶四面体碳涂层，所述第一非晶四面体碳涂层的厚度为20～30μm。

进一步的，所述活塞中压缩环槽内嵌设有中压缩环，所述中压缩环的截面呈矩形，所述矩形的长度为4.3～4.7mm、宽度为1.9～2.0mm，所述中压缩环的内侧面底部设置有倒角，所述倒角大小为44.8°～45.2°，所述中压缩环的外侧面顶部向内侧倾斜，且倾斜角度为1.5°～2.5°，所述中压缩环的外侧面设置有半镶嵌镀铬层，所述半镶嵌镀铬层的厚度为30～100μm。

进一步的，所述油环槽内设置有油环，所述油环的外侧面中部设置有一凹槽，所述凹槽的槽底间隔设有若干贯通所述油环的排油孔，所述排油孔的直径为

所述凹槽的上、下凸出部分形成两个刮油刃，所述刮油刃的端部设置有第二非晶四面体碳涂层，所述第二非晶四面体碳涂层的厚度为20～30μm，所述油环的内侧面设置有撑簧，所述油环主体的轴向高度为2.9～3.0mm、径向宽度为2.3～2.7mm。

三道活塞环均采用了薄型化结构设计，轴向高度和径向宽度更小，提升活塞环的柔性，可以顺应更大的缸孔变形量，减小发动机的漏气量和机油耗。另外，具有非晶四面体碳涂层的上压缩环、中压缩环和活塞销，可承受20MPa的燃烧爆发压力，活塞喉口可承受450℃(活塞材料为38MnVS6)或500℃(活塞材料为42CrMo4)高温，有效阻止活塞环拉缸，有效阻止活塞销与销孔咬死，能够满足特种车辆柴油机升功率高达45.5kW/L的要求。

综上所述，采用上述柴油发动机活塞组合结构，大大提高活塞的冷却效率，减少活塞顶面开裂、活塞销咬合、活塞环拉缸等失效问题，能够满足特种车辆柴油机升功率高达45.5kW/L的要求。

附图说明

在附图中：

图1为本实用新型整体剖切的结构示意图。

图2为本实用新型整体拆分的结构示意图。

图3为本实用新型活塞仰视图。

图4为本实用新型活塞剖切结构示意图。

图5为本实用新型冷却喷嘴喷出冷却油束的结构示意图。

图6为本实用新型活塞销剖切结构示意图。

图7为本实用新型上压缩环截面示意图。

图8为本实用新型中压缩环截面示意图。

图9为本实用新型油环截面示意图。

图中，1、缸体；2、缸套；3、头部；31、凹坑；32、环形冷却油腔；321、进油孔；322、回油孔；33、上压缩环槽；34、中压缩环槽；35、油环槽；4、裙部；41、销孔；411、活塞销；412、第三非晶四面体碳涂层；5、冷却喷嘴；51、喷嘴主体；52、喷油管；61、上压缩环；611、第一非晶四面体碳涂层；62、中压缩环；621、半镶嵌镀铬层；63、油环；631、排油孔；632、刮油刃；633、第二非晶四面体碳涂层；634、撑簧；71、缸体主油道；72、喷嘴固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。

此外，需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-3所示，本实用新型一种柴油发动机活塞组合结构，包括缸体1，缸体1内设置有缸套2，缸套2的内壁设置有活塞，活塞包括头部3和裙部4，头部3的顶面中部向活塞的内部凹陷形成凹坑31，头部3的内部设置有环形冷却油腔32，环形冷却油腔32的底部相对设置有进油孔321和回油孔322，头部3的外侧臂上设置有环槽组，裙部4内设置有销孔41，缸体1于缸套2的底端一侧设置有冷却喷嘴5，冷却喷嘴5用于将冷却油从进油孔321喷入环形冷却油腔32内。

柴油机活塞在工作时不断地从燃烧系统吸收热量，冷却喷嘴5固定在发动机的缸体1上，通过进油孔321向环形冷却油腔32喷入冷却油，冷却油在环形冷却油腔32内强制流动吸收活塞热量后从回油孔322流出，从而降低活塞特别是头部3温度，使活塞在做高速往复运动时，保持较高的强度，满足高负荷柴油机的使用要求。另外，采用凹顶的活塞结构，可以通过改变活塞顶上凹坑31的尺寸来调节发动机的压缩比。可选的，活塞制造采用的材料为38MnVS6成本低、耐温能力高或者42CrMo4成本高、耐温能力更高。活塞的环形冷却油腔32高度L6为28～32mm、至活塞顶面距离L5为5～7mm。

如图4所示，环形冷却油腔32环绕设置在凹坑31的外圈一周。活塞头部3与高温燃烧气体直接接触，使其顶部即凹坑31的温度很高，通过将环形冷却油腔32环绕在凹坑31的侧壁一周上，大大增加冷却油与凹坑31的接触面积，同等喷射冷却油的条件下，能够带走更多的热量，增强对活塞的冷却效果。

进一步的，凹坑31沿活塞轴向的截面呈类ω形，环形冷却油腔32的腔孔沿活塞轴向的截面呈类直角三角形，且类直角三角形的斜边壁与类ω形的外侧壁部分共用。截面为类ω形的凹坑31内表面可以为光滑曲面，不仅可以增进混合气体的形成与燃烧，增大了凹坑31的受热面积，同时其外侧面壁与环形冷却油腔32的类直角三角形斜边壁共用，进一步增大冷却油与凹坑31的接触面积，提高冷却效果。

如图3和图4所示，进油孔321和回油孔322分别设于销孔41的两侧，且回油孔322共有两个，进油孔321具有喇叭状的入口。环形冷却油腔32下方连接1个喇叭状的进油孔321和两个圆形回油孔322，进油孔321位于发动机排气侧，回油孔322位于发动机进气侧。可选的，喇叭状的进油孔321的大端直径D2为

小端直径D1为

进油孔321中心至活塞销孔41轴线距离L3为34.0～34.9mm，进油孔321中心至活塞中心平面距离L4为26.0～26.9mm。回油孔322直径D1为

回油孔322中心至活塞销孔41轴线距离L2为37.5～38.5mm，回油孔322中心至活塞中心平面距离L1为13.5～14.5mm。

如图2所示，环槽组包括自上向下依次设置的上压缩环槽33、中压缩环槽34和油环槽35。活塞的三道环槽自上而下依次匹配三片活塞环，其中前两片为气环，最下面是油环63。气环的主要功用是密封和传热，密封是指保证活塞与缸套2之间的良好密封，防止缸套2内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱，保证进入发动机中的可燃混合气受到足够的压缩，并在做功冲程中压力泄漏损失较小；传热主要是指将活塞顶部接受的热传给缸套2壁，避免活塞过热，一般来说活塞顶部的热量有70％－80％是通过气环传导给气缸壁的。油环63的主要功用是在下行时刮除飞溅到气缸套2壁上的多余的机油，防止多余的机油窜入燃烧室参与燃烧；在上行时在缸套2壁上涂布一层均匀的油膜，以减少活塞、活塞环和气缸的磨损。

三道活塞环均采用了薄型化结构设计，轴向高度和径向宽度更小，提升活塞环的柔性，可以顺应更大的缸孔变形量，减小发动机的漏气量和机油耗。具体尺寸、形状设计如下：

如图7所示，上压缩环槽33内嵌设有上压缩环61，上压缩环61的截面呈倒置平放的等腰梯形，且等腰梯形的底边位于活塞的外侧，等腰梯形的两腰夹角为15°～15.4°、高度为3.6～4.0mm、底边长度为2.8～3.0mm、顶边长度为1.9～2.1mm，上压缩环61的外圈侧面上设置有第一非晶四面体碳涂层611，第一非晶四面体碳涂层611的厚度为20～30μm。上压缩环61具有梯形偏桶状截面，优选的，上下侧面总角度β为15.2°，下侧面角度γ为7.6°，截面高点至低点高度H2为0.6mm，轴向高度H1为3mm，径向宽带W1为3.8mm，第一非晶四面体碳涂层或类金刚石涂层Diamond-like Carbon，简称DLC涂层611的厚度T2最小为20μm，DLC涂层活塞环可有效阻止活塞环拉缸。

如图8所示，活塞中压缩环槽34内嵌设有中压缩环62，中压缩环62的截面呈矩形，矩形的长度为4.3～4.7mm、宽度为1.9～2.0mm，中压缩环62的内侧面底部设置有倒角，倒角大小为44.8°～45.2°，中压缩环62的外侧面顶部向内侧倾斜，且倾斜角度为1.5°～2.5°，中压缩环62的外侧面设置有半镶嵌镀铬层621，半镶嵌镀铬层621的厚度为30～100μm。中压缩环62采用负扭曲矩形截面，优选的，内侧下部倒角λ为45°，外圆锥角θ为2.0°，轴向高度H3为2mm，径向宽度W2为4.5mm，半镶嵌镀铬层621的厚度T3最小为30μm。

如图9所示，油环槽35内设置有油环63，油环63的外侧面中部设置有一凹槽，凹槽的槽底间隔设有若干贯通油环63的排油孔631，排油孔631的直径为

凹槽的上、下凸出部分形成两个刮油刃632，刮油刃632的端部设置有第二非晶四面体碳涂层633，第二非晶四面体碳涂层633的厚度为20～30μm，油环63的内侧面设置有撑簧634，油环63主体的轴向高度为2.9～3.0mm、径向宽度为2.3～2.7mm。

优选的，活塞油环63外圆均布48个排油孔631，排油孔631直径D7为

油环63的轴向高度H4为3mm，径向宽度W3为2.5mm，第二非晶四面体碳涂层633的厚度T4最小为20μm。

如图4和图5所示，冷却喷嘴5包括喷嘴主体51和喷油管52，喷嘴主体51固定在缸体1上，且内部设置有与缸体主油道71相通的孔，喷油管52呈直角弯管状，一端安装在喷嘴主体51内，另一端竖直对准进油孔321，喷油管52的喷油出口段直线长度为14.8～15.2mm，且对应的内孔直径从

逐渐缩小至

机油在机油泵作用下从缸体1的缸体主油道71进入到喷嘴主体51与喷嘴固定螺栓72之间的通道孔内，再进入到喷油管52中，垂直向上进入活塞的进油孔321中，在活塞环形冷却油腔32中震荡，带走活塞头部3热量后，最后从两个活塞回油孔322流出，回到油底壳。优选的，活塞冷却喷嘴5的喷油管52弯管半径L8为R16mm，末端具有缩颈特征，管内径从D4为Φ3.34mm缩小至D3为Φ2.75mm，喷油管52直线长度L7为15mm，长径比L7/D4＝4.5。长径比从常规的3.6提升至4.5，减小了喷油束的散射角α，提升了活塞环形冷却油腔32的进油量，提升了活塞的冷却能力。

如图6所示，销孔41的内部设置有中空的活塞销411，活塞销411长度72.6～73.0mm、外径

内径

活塞销411的外侧面设置有第三非晶四面体碳涂层412，第三非晶四面体碳涂层412的厚度为1.5～4μm。活塞匹配中空活塞销411，减小了活塞的总重量，并在活塞销411的外侧涂DLC涂层，可有效阻止活塞销411与活塞销孔41咬死。优选的，活塞销411长度为73mm，外径D5为

内径D6为

DLC涂层D5厚度T1为1.5～4μm。

需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，包括缸体(1)，所述缸体(1)内设置有缸套(2)，所述缸套(2)的内壁设置有活塞，所述活塞包括头部(3)和裙部(4)，所述头部(3)的顶面中部向所述活塞的内部凹陷形成凹坑(31)，所述头部(3)的内部设置有环形冷却油腔(32)，所述环形冷却油腔(32)的底部相对设置有进油孔(321)和回油孔(322)，所述头部(3)的外侧臂上设置有环槽组，所述裙部(4)内设置有销孔(41)，所述缸体(1)于所述缸套(2)的底端一侧设置有冷却喷嘴(5)。

2.根据权利要求1所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述环形冷却油腔(32)环绕设置在所述凹坑(31)的外圈一周。

3.根据权利要求2所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述凹坑(31)沿所述活塞轴向的截面呈类ω形，所述环形冷却油腔(32)的腔孔沿所述活塞轴向的截面呈类直角三角形，且所述类直角三角形的斜边壁与所述类ω形的外侧壁部分共用。

4.根据权利要求1所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述进油孔(321)和回油孔(322)分别设于所述销孔(41)的两侧，且所述回油孔(322)共有两个，所述进油孔(321)具有喇叭状的入口。

5.根据权利要求1所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述环槽组包括自上向下依次设置的上压缩环槽(33)、中压缩环槽(34)和油环槽(35)。

6.根据权利要求5所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述上压缩环槽(33)内嵌设有上压缩环(61)，所述上压缩环(61)的截面呈倒置平放的等腰梯形，且所述等腰梯形的底边位于所述活塞的外侧，所述等腰梯形的两腰夹角为15°～15.4°高度为3.6～4.0mm、底边长度为2.8～3.0mm、顶边长度为1.9～2.1mm，所述上压缩环(61)的外圈侧面上设置有第一非晶四面体碳涂层(611)，所述第一非晶四面体碳涂层(611)的厚度为20～30μm。

7.根据权利要求5所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述活塞中压缩环槽(34)内嵌设有中压缩环(62)，所述中压缩环(62)的截面呈矩形，所述矩形的长度为4.3～4.7mm、宽度为1.9～2.0mm，所述中压缩环(62)的内侧面底部设置有倒角，所述倒角大小为44.8°～45.2°，所述中压缩环(62)的外侧面顶部向内侧倾斜，且倾斜角度为1.5°～2.5°，所述中压缩环(62)的外侧面设置有半镶嵌镀铬层(621)，所述半镶嵌镀铬层(621)的厚度为30～100μm。

8.根据权利要求5所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述油环槽(35)内设置有油环(63)，所述油环(63)的外侧面中部设置有一凹槽，所述凹槽的槽底间隔设有若干贯通所述油环(63)的排油孔(631)，所述排油孔(631)的直径为

所述凹槽的上、下凸出部分形成两个刮油刃(632)，所述刮油刃(632)的端部设置有第二非晶四面体碳涂层(633)，所述第二非晶四面体碳涂层(633)的厚度为20～30μm，所述油环(63)的内侧面设置有撑簧(634)，所述油环(63)主体的轴向高度为2.9～3.0mm、径向宽度为2.3～2.7mm。

9.根据权利要求1所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述冷却喷嘴(5)包括喷嘴主体(51)和喷油管(52)，所述喷嘴主体(51)固定在所述缸体(1)上，且内部设置有与缸体主油道(71)相通的孔，所述喷油管(52)呈直角弯管状，一端安装在所述喷嘴主体(51)内，另一端竖直对准所述进油孔(321)，所述喷油管(52)的喷油出口段直线长度为14.8～15.2mm，且对应的内孔直径从

逐渐缩小至

10.根据权利要求1所述的一种柴油发动机活塞组合结构，其特征在于，所述销孔(41)的内部设置有中空的活塞销(411)，所述活塞销(411)长度72.6～73.0mm、外径

内径

所述活塞销(411)的外侧面设置有第三非晶四面体碳涂层(412)，所述第三非晶四面体碳涂层(412)的厚度为1.5～4μm。

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