雙層環形冷卻油道活塞結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及活塞領域，特別是一種采用天然氣作為燃料的發動機的雙層環形冷卻 油道活塞結構。
【背景技術】
[0002] 柴油機已經有一百余年的歷史了，經過一個世紀的發展，柴油機技術已經取得了 很大的進步并更趨于完善，在動力機械中己經占據了極為重要的地位。百余年來，柴油機憑 借其高壓縮比、熱效率高、熱負荷小、結構緊湊等優越性被廣泛應用于工業、農業、交通、軍 事等各領域，為人類的文明發展發揮了極其重要的作用。然而，石油燃料耗費殆盡，取而代 之的天然氣將作為世界第一能源，將在推進世界經濟的發展，促進歷史的進步的舞臺上發 揮最大的作用。
[0003] 與柴油相比，天然氣熱值高，火焰傳播速度低，著火溫度高。雖然天然氣熱值高，但 天然氣與空氣混合熱值比柴油與空氣的混合熱值要低9 % ;另外，對于相同排量的發動機， 天然氣的燃燒質量比汽油的燃燒質量少；此外，天然氣的燃燒特點是著火溫度高，火焰發展 期長，造成氣缸內壓力和溫度上升緩慢。天然氣發動機開始運行時，溫度不高，但是當活塞 長時間大負荷運轉或是頻繁起動時，活塞頂部溫度急劇上升，活塞頂部變軟，在燃燒沖擊波 作用下一點點變軟，出現活塞拉缸、活塞頂部變形、活塞熔頂等問題。
[0004] 隨著發動機向高壓縮比、高輸出功率、低排放、長壽命的方向發展，增壓中冷、電控 高壓噴射等技術的使用越來越廣泛。活塞，作為發動機心臟部件，承受的機械負荷和熱負荷 越來越大，經常出現活塞頂部開裂等情況，導致發動機不能正常運轉。目前，冷卻油道結構 形式單一，冷卻油不能充分有效的冷卻活塞，并且，由于冷卻油道截面在結構強度方面沒有 提出較為合理的設計方案，活塞的結構強度也大打折扣。
[0005] 作為內燃機最主要的受熱零部件，活塞長期在惡劣的工作環境下，承受著周期性 的熱負荷和機械負荷的沖擊。因此，改善活塞熱負荷是解決發動機（特別是天然氣發動機） 的重要工作，活塞的工作狀態決定了發動機的使用壽命。因而，提高活塞冷卻能力，改善活 塞工作環境，有利延長內燃機的使用年限。
[0006] 對于活塞結構的改造，來改善傳熱效果方面，目前已經有一些公開的一些發明專 利，但基本上都忽略了活塞環槽的換熱，而注重油道的換熱。而通過增設肋板，設置雙層油 道的方式的研究卻很少。公開號為CN102203394A(申請號CN200980142030.3)公開了一 種活塞冷卻裝置，其特征在于，冷卻流路形成在活塞的內部，其一處與從外部流入冷卻流體 的流入口連通，另一處與向外部排出冷卻流體的排出口連通；以及流動引導部，該流動引導 部設置在所述冷卻流路上，用于在所述活塞升降時，引導通過所述流入口流入到所述冷卻 流路的冷卻流體，使其沿所述冷卻流路向所述排出口側流動。公開號為CN1120477A(申請 號CN95104265. 3)公開了一種內燃機用的活塞的可溶性型芯的支承結構，其特征在于使緩 沖構件夾在可溶性型芯和環狀溝槽耐摩環的耐摩環坯料之間或者可溶性型芯和鑄模的活 塞內側形成部位之間的至少一個間隙里地定位在鑄模里的。它解決了活塞內部冷卻油道鑄 造問題。公開號為CN101002013A(申請號CN200580027444. 3)公開了一種帶有熱管的輕金 屬活塞，其特征在于熱管的蒸發端是由短的管段構成，這些管段設置在活塞頂厚度內朝向 活塞頂且對準火焰射流，并借助與活塞頂平行延伸的連接熱管連接起來；至少兩根作為冷 凝端的管段與連接熱管連接，以致通過設在其冷凝端的端部上的管接頭，在熱管的蒸發端、 連接熱管及冷凝端之間實現冷卻液環形且閉合的過程循環。公開號為CN103403407A(申請 號CN201280011334. 8)公開了一種內燃機活塞，其特征在于活塞頭具有環繞的活塞環部以 及在活塞環部范圍中的環繞的冷卻通道，設有從冷卻通道出發的鉆孔，鉆孔逐漸過渡到通 至對應于受壓側的工作面中的并且這樣傾斜設置的鉆孔出口中，即，使鉆孔出口與活塞中 軸之間夾有一個銳角，因此在工作面中形成一個出口，在鉆孔和鉆孔出口之間設置一個向 工作面傾斜的并且過渡到工作面中的導流面，以及使對應于受壓側的工作面在開口的區域 中具有凹處，凹處在開口的上面構成至少一個集油區域。公開號為CN201081012Y(申請號 CN200720027190. 1)公開了一種異型內冷油腔結構活塞，其特征在于所述的內冷油腔呈變 截面的異形結構。其制造工藝與傳統的等截面內冷油腔結構活塞相近，制成異型結構形狀 的鹽芯后，澆鑄活塞毛坯，將鹽芯沖洗后即在活塞中形成異型內冷油腔結構。具有冷卻性能 高、工作可靠、結構合理等優點。
[0007] 上述專利文獻公開的技術中，其中一部分是在油道內添加流動引導部，或是變截 面油腔，增大冷卻機油的擾動，從而達到增大換熱量的目的；另外一部分增大油道與高溫熱 源接觸面積，從而增大換熱量。目前很少有考慮油道中冷卻油和活塞本體接觸面對活塞散 熱產生的不利影響，并且忽略活塞環槽對活塞散熱的有利影響。因此，在活塞散熱上，考慮 活塞環槽的有利影響和油道中冷卻油和活塞本體接觸面的不利影響是很有必要的。
【發明內容】
[0008] 本發明所要解決的技術問題是：提供一種雙層環形冷卻油道活塞結構，通過增加 肋板，并設置雙層環形冷卻油道，減小因油道存在而產生的對流傳熱熱阻，增強固體金屬 導熱作用。有效解決活塞隨著發動機向高壓縮比、高輸出功率、低排放、長壽命的方向發展 過程中冷卻不充分、熱負荷過大、機械負荷過大等問題，旨在降低活塞熱負荷，增大活塞結 構強度，實現活塞輕量化。
[0009] 本發明解決其技術問題采用以下的技術方案：
[0010] 本發明提供的雙層環形冷卻油道活塞結構，包括活塞主體，該活塞主體中的活塞 頭部的內部設有雙層環形冷卻油道，其中：上層油道和下層油道之間用次級進、出油孔，以 及油道通孔連接；在下層油道上，設置進、出油孔，和回油孔；在上、下層油道之間設有肋 板，該肋板與活塞主體中的燃燒室和活塞環槽最下端的環槽相連。
[0011] 所述的肋板，其橫截面的中心線盡量平行于熱流流動方向。
[0012] 所述的肋板，其橫截面的中心線與活塞軸心夾角為40° - 50°。
[0013] 所述的雙層環形冷卻油道，其橫截面靠近燃燒室一側的公切線與肋板橫截面的中 心線基本垂直，即盡量垂直于熱流流動方向，其夾角呈85° - 95°。
[0014] 所述的雙層環形冷卻油道，其橫截面靠近活塞環槽一側的公切線與活塞軸心基本 平行，盡量減少因結構突變而產生的應力，兩者夾角呈0° -10°。
[0015] 所述的次級進、出油孔分別在進、出油孔的正上端。
[0016] 所述的次級進、出油孔，其軸心線分別與進、出油孔的軸心線呈"V"字形，開口朝活 塞環槽側。
[0017] 所述的次級進、出油孔，其軸心線與進、出油孔的軸心線以及活塞軸心線在同一平 面上。
[0018] 所述的次級進、出油孔以及所有油道通孔，均勻分布在雙層環形冷卻油道的上、下 層油道之間，且其軸心線與活塞軸心線呈0° - 60°。
[0019] 所述的次級進、出油孔以及所有油道通孔，其與上、下層油道之間的連接均為過渡 圓角連接；所述的肋板與燃燒室和活塞環槽最下端的環槽的連接為過渡圓角連接。
[0020] 本發明與現有技術相比，主要有以下的有益效果：
[0021] 1.從強化傳熱的角度上來看，通過增加肋板，并設置雙層環形冷卻油道，減小因油 道存在而產生的對流傳熱熱阻（通過肋板將活塞和環槽連接起來，熱量通過肋板經環槽散 走），可以增強固體金屬導熱作用。
[0022] 2.過渡圓角的設置可以減少熱應力和機械應力的集中，并有利于冷卻油更充分， 更高效的進入上層冷卻油道。
[0023] 3.有效解決隨著發動機向高壓縮比、高輸出功率、低排放、長壽命的方向發展過程 中，活塞冷卻不充分，承受的機械負荷和熱負荷越來越大等問題。同時，在保證活塞強度、可 靠性等要求的情況下，也可通過增大雙層環形冷卻油道容積，實現活塞輕量化的要求。
【附圖說明】
[0024] 圖1為雙層環形冷卻油道主視圖。
[0025] 圖2為雙層環形冷卻油道側視圖。
[0026] 圖3為雙層環形冷卻油道俯視圖。
[0027] 圖4為活塞垂直于活塞銷孔軸線的剖面圖。
[0028] 圖5為活塞內腔平面圖。
[0029] 圖6為雙層環形冷卻油道工作原理圖，圖中箭頭指示冷卻油流動方向。
[0030] 圖7為雙層環形冷卻油道工作原理剖面圖，圖中箭頭指示冷卻油流動方向。
[0031] 圖中：1.上層油道；2.下層油道；3a.連接上層油道的油道通孔；3b.連接下層油 道的油道通孔；4.次級進油孔；5.進油孔；6.次級出油孔；7.出油孔；8a.回油孔；8b.回油 孔；9.活塞環槽；10.活塞頭部；11.雙層環形冷卻油道；12.肋板；13a.活塞銷孔；13b.活 塞銷孔；20.活塞裙部；30.活塞內腔；40.燃燒室。
【具體實施方式】
[0032] 本發明提供的雙層環形冷卻油道活塞結構，它包括活塞頭部（燃燒室，活塞環槽， 雙層環形冷卻油道），活塞裙部（活塞內腔，活塞銷孔）。雙層環形冷卻油道分為上層油道、 下層油道、多個油道通孔、肋板、次級進油孔、次級出油孔、進油孔、出油孔和兩個回油孔。其 特征在于：活塞頭部內環繞燃燒室周圍分布雙層環形油道；雙層油道由次級進油孔和次級 出油孔，以及多個油道通孔連接，肋板分隔開上下層油道，又連接燃燒室與活塞環槽，增強 了固體金屬的導熱，使得熱量通過環槽散出去。本發明能有效解決活塞冷卻不充分、熱負荷 過大等問題，旨在降低活塞熱