一种大缸径燃气发动机用钢顶活塞的制作方法

本实用新型涉及燃气发动机活塞，更具体地说，它涉及一种大缸径燃气发动机用钢顶活塞。

背景技术：

气源的适应性、高可靠性、高功率密度和热效率是用户对燃气发动机主要关注的指标。当燃气发动机应用于高热值燃气时，往往会采用高增压比技术、中冷技术、米勒循环、高能点火技术等手段，通过提高缸内爆发压力来保证更高的可靠性、高功率密度和热效率。在这种情况下，传统的铝活塞已经难以满足高爆发压力、高耐温性能和高可靠性的需求。其主要体现在：

(1)随着燃烧室内的爆压不断提升，尤其是选择较高压缩比时，传统铝活塞难以承受爆压冲击，容易导致开裂故障；

(2)随着燃烧室内温度升高，传统铝活塞容易发生活塞熔顶的故障，从而导致发动机损坏，难以满足要求。

针对铝活塞的这一系列问题，只能通过提升活塞的材料解决。对于小缸径燃气机目前的解决方案是通常采用全钢活塞，而对于大缸径燃气机(缸径≥

200mm)，采用全钢活塞往往会面临高额的模具费用成本、活塞头部油道内腔焊接工艺难、活塞整体重量大等一系列问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种大缸径燃气发动机用钢顶活塞，解决了全铝或全钢活塞在使用过程中存在的技术问题。

本实用新型的技术方案是在于：一种大缸径燃气发动机用钢顶活塞，包括钢制的活塞头部和球铁制成的活塞裙部，所述活塞裙部插接在活塞头部，且通过连接组件连接；所述活塞头部与活塞裙部的连接处且靠近边缘的位置构成一内冷油腔，所述活塞头部与活塞裙部的连接处的中间部位构成回油腔，所述回油腔通过多个通道与内冷油腔相连通；所述活塞裙部的顶端设有用于连通回油腔和活塞裙部内腔的回油孔，所述回油孔的孔口高度高于回油腔的底面及通道的底面；所述活塞头部的顶端设有一凹陷的燃烧室，所述燃烧室内设有一凸起。

作进一步的改进，所述回油孔的孔口高度高于回油腔的底面及通道的底面，所述通道的顶面高于回油孔的孔口。

进一步的，所述内冷油腔的底面位于回油腔的底面以下。

更进一步的，所述内冷油腔的截面积与其截面周长的比在0.1-0.2之间。

更进一步的，所述回油腔的底面位于通道的底面以下。

更进一步的，所述通道为矩形状。

更进一步的，所述燃烧室的喉口直径的平方与发动机气缸缸径的平方比在0.6-0.7之间。

更进一步的，所述凸起的凸起高度在燃烧室深度的1/10-1/15之间。

更进一步的，所述燃烧室为直桶型。

更进一步的，所述连接组件包括多个连接螺栓和定位销，所述连接螺栓贯穿活塞裙部的安装在活塞头部上；所述连接螺栓的螺栓头部与活塞裙部之间设有防松垫片；所述定位销的一端安装在活塞头部上，另一端安装在活塞裙部上。

有益效果

本实用新型的优点在于：

1.活塞裙部插接在活塞头部中，并通过连接组件进行连接，有效的保证了内冷油腔的大小，提高了内冷油腔的容积及冷却能力，使冷却油与内冷油腔的接触面积更大，确保良好的热交换，提高活塞可靠性及燃气的燃烧效率。

2.回油孔的孔口高度高于回油腔的底面及通道的底面，可有效的保证活塞内的通道内始终有部分冷却油，利于对活塞的冷却；并且还可使活塞在动作时，通道内的冷却油跟随着震动，利用冷却油震荡效果加强冷却，更好的保证了活塞与冷却油的热交换。

3.位于活塞头部顶端的燃烧室内设有一凸起，这样的结构有利于提高气缸体内的混合气体的湍流速度，加快燃料的燃烧，缩短了滞燃期；同时还能够减少燃烧涡流损失，在燃烧过程更接近火焰传播规律，从而使火焰传播更快，燃烧更完善。

4.内冷油腔的设计按s/l＝0.1-0.2控制，可以很好的保证了内冷油腔的容积及其中的冷却油与活塞的接触面积，确保活塞与冷却油之间更好的热交换。

附图说明

图1为本实用新型的活塞剖视结构示意图；

图2为本实用新型的活塞头部剖视结构示意图；

图3为本实用新型的活塞裙部剖视结构示意图；

图4为本实用新型的活塞裙部的俯视结构示意图；

图5为本实用新型的连接螺栓结构示意图。

其中：1-活塞头部、2-活塞裙部、3-内冷油腔、4-回油腔、5-回油孔、6-燃烧室、7-凸起、8-连接螺栓、9-定位销、10-防松垫片、11-通道、81-螺栓头部、82-螺纹端、83-圆柱体、84-倒角结构。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步的描述，但不构成对本实用新型的任何限制，任何人在本实用新型权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本实用新型的权利要求范围内。

参阅图1-图4，本实用新型的一种大缸径燃气发动机用钢顶活塞，包括钢制的活塞头部1和球铁制成的活塞裙部2。钢制的活塞头部1有效的保证了其强度，避免了铝活塞容易出现开裂熔顶的问题。铁制的活塞裙部2解决了全钢活塞带来的高昂成本、焊接工艺难、整体重量大的问题。钢顶铁裙的活塞有效的提高了活塞可靠性。

活塞裙部2插接在活塞头部1，且通过连接组件连接。即活塞头部1与活塞裙部2间隙配合连接。间隙配合连接的活塞头部1和活塞裙部2，相比于传统的采用摩擦焊的技术，其工艺更加简单，成本更低，且其还很好的保证了内冷油腔3的大小，保证了内冷油腔3的能力，使冷却油与内冷油腔3的接触面积更大，确保良好的热交换，提高活塞可靠性且利于燃气的燃烧。

活塞头部1与活塞裙部2的连接处且靠近边缘的位置构成一内冷油腔3，该内冷油腔3为一环状的腔体。具体的，内冷油腔3的截面积与其截面周长的比在0.1-0.2之间。本实施例中，将内冷油腔3的截面积记为s，其截面周长记为l，即内冷油腔3的设计按s/l＝0.1-0.2控制。这样的设计，可以很好的保证了内冷油腔3的容积及其中的冷却油与活塞的接触面积，确保活塞与冷却油之间更好的热交换，利于提高燃气的燃烧效率。

活塞头部1与活塞裙部2连接处的中间部位构成回油腔4，回油腔4通过多个通道11与内冷油腔3相连通，以实现两个腔体内的冷却油的流动。活塞裙部2的顶端设有用于连通回油腔4和活塞裙部2内腔的回油孔5，以实现冷却油在活塞内的流动，对活塞整体进行冷却。具体的，内冷油腔3通过四个通道11与回油腔4相连通，有效的保证了冷却油的流动，避免冷却油滞流的问题。

本实施例的回油孔5的孔口高度高于回油腔4的底面及通道11的底面，但通道11的顶面高于回油孔5的孔口。这样的结构一方面保证了回油腔4以及通道11中始终存在有冷却油，更加有利于对活塞的冷却；另一方面使通道11内的冷却油不完全灌满通道11，利用冷却油的震荡效果加强对活塞的冷却。当活塞运动时会引起震动，使通道11内的冷却油跟随着震动，震动的冷却油会形成许多细小的冷却油滴，从而更好的吸收活塞内的高温。

优选的，内冷油腔3的底面位于回油腔4的底面以下，以使内冷油腔3中始终存储有冷却油，能及时的与活塞进行热交换，有效的提高了对活塞散热的可靠性。

优选的，回油腔4的底面位于通道11的底面以下，从而使回油腔4中可储存较多的冷却油，用于更好的对活塞进行冷却降温。

优选的，内冷油腔3的底面低于通道11的底面10mm-20mm；通道11高度的2/3位于回油孔5以下，通道11高度的1/3位于回油孔5以上。这样很好的保证了内冷油腔3及通道11内的冷却油的量，保证了对活塞的散热性能。

优选的，通道11为矩形状。矩形的通道11相对于圆形的来说，在同样的径向下，矩形状的通道11表面积更加大，从而增加了冷却油与活塞的接触面积，更加的有利于散热。并且，矩形的通道11也更加的有利于冷却油的震荡，使通道11内形成的冷却油滴更多，更好的吸收活塞内的高温。

活塞头部1的顶端设有一凹陷的燃烧室6，燃烧室6内设有一凸起7。在燃气高速冲击向燃烧室6内时，其底部的凸起7对燃气形成扰流的作用，使燃气形成小漩涡，从而形成湍流，使燃气与空气更加充分的进行混合。其中，凸起7的凸起高度在燃烧室6深度的1/10-1/15之间，且凸起7为一弧形凸起，这样的结构有利于提高气缸体内的混合气体的湍流速度，有效的加快了燃料的燃烧，缩短了滞燃期。

优选的，燃烧室6的喉口直径的平方与发动机气缸缸径的平方比在0.6-0.7之间。本实施例，将燃烧室6的喉口直径记为d，缸径记为d，即喉口直径的设计按d²/d²＝0.6-0.7控制，很好的保证了活塞头部1燃烧室的口径，利于混合气体的挤流。并且，本实例的燃烧室6为直桶型，从而有效的减少了燃烧涡流的损失，使混合气体在燃烧过程中更接近火焰传播规律，火焰传播得更快，燃烧更完善。

本实施例的连接组件包括四个连接螺栓8和定位销9。连接螺栓8贯穿活塞裙部2的安装在活塞头部1上。四个连接螺栓8两两对称的安装在活塞内，保证被连接部位受力均匀。连接螺栓8的螺栓头部81与活塞裙部2之间设有防松垫片10，以避免连接螺栓8因机械振动而出现松动的问题，大大的提高了被连接部位的可靠性。定位销9的一端安装在活塞头部1上，另一端安装在活塞裙部2上。在安装时，首先通过定位销9的定位作用，将活塞头部1定位在活塞裙部2上，然后再安装连接螺栓8，可有效的提高安装的准确度和速度。

参阅图5，本实施例的连接螺栓8为专用的螺栓，其特点主要在于：连接螺栓8与其螺栓头部81相对的一端为螺纹端82，且螺栓头部81通过一圆柱体83与螺纹端82连接，圆柱体83的表面高度与螺纹端82的螺纹槽槽底的高度一致；圆柱体83与螺栓头部81、螺纹端82的连接处均为倒角结构84。

因活塞头部1为钢制，而活塞裙部2为球体制，将连接螺栓8的螺纹端82旋接在钢制的活塞头部1必然会获得更大的锁紧力，且更加可靠。因此，本实施例将连接螺栓8分为螺栓头部81、圆柱体83和螺纹端，螺栓头部81顶紧在活塞裙部2上，圆柱体83插接在活塞裙部2中，螺纹端82旋接在活塞头部1，实现了活塞头部1与活塞裙部2的可靠连接。并且只需在活塞裙部2上开设用于插接连接螺栓8的通孔即可，简化了加工工艺。圆柱体83的表面高度与螺纹端82的螺纹槽槽底的高度一致，不仅保证了连接螺栓8的强度，还降低了连接螺栓8的整体重量。而连接螺栓8上的连接处均为倒角结构84，有效的对连接处进行了强化，保证了连接螺栓8的可靠性。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。