双层环形冷却油道活塞结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及活塞领域，特别是一种采用天然气作为燃料的发动机的双层环形冷却 油道活塞结构。
【背景技术】
[0002] 柴油机已经有一百余年的历史了，经过一个世纪的发展，柴油机技术已经取得了 很大的进步并更趋于完善，在动力机械中己经占据了极为重要的地位。百余年来，柴油机凭 借其高压缩比、热效率高、热负荷小、结构紧凑等优越性被广泛应用于工业、农业、交通、军 事等各领域，为人类的文明发展发挥了极其重要的作用。然而，石油燃料耗费殆尽，取而代 之的天然气将作为世界第一能源，将在推进世界经济的发展，促进历史的进步的舞台上发 挥最大的作用。
[0003] 与柴油相比，天然气热值高，火焰传播速度低，着火温度高。虽然天然气热值高，但 天然气与空气混合热值比柴油与空气的混合热值要低9 % ;另外，对于相同排量的发动机， 天然气的燃烧质量比汽油的燃烧质量少；此外，天然气的燃烧特点是着火温度高，火焰发展 期长，造成气缸内压力和温度上升缓慢。天然气发动机开始运行时，温度不高，但是当活塞 长时间大负荷运转或是频繁起动时，活塞顶部温度急剧上升，活塞顶部变软，在燃烧冲击波 作用下一点点变软，出现活塞拉缸、活塞顶部变形、活塞熔顶等问题。
[0004] 随着发动机向高压缩比、高输出功率、低排放、长寿命的方向发展，增压中冷、电控 高压喷射等技术的使用越来越广泛。活塞，作为发动机心脏部件，承受的机械负荷和热负荷 越来越大，经常出现活塞顶部开裂等情况，导致发动机不能正常运转。目前，冷却油道结构 形式单一，冷却油不能充分有效的冷却活塞，并且，由于冷却油道截面在结构强度方面没有 提出较为合理的设计方案，活塞的结构强度也大打折扣。
[0005] 作为内燃机最主要的受热零部件，活塞长期在恶劣的工作环境下，承受着周期性 的热负荷和机械负荷的冲击。因此，改善活塞热负荷是解决发动机（特别是天然气发动机） 的重要工作，活塞的工作状态决定了发动机的使用寿命。因而，提高活塞冷却能力，改善活 塞工作环境，有利延长内燃机的使用年限。
[0006] 对于活塞结构的改造，来改善传热效果方面，目前已经有一些公开的一些发明专 利，但基本上都忽略了活塞环槽的换热，而注重油道的换热。而通过增设肋板，设置双层油 道的方式的研究却很少。公开号为CN102203394A(申请号CN200980142030.3)公开了一 种活塞冷却装置，其特征在于，冷却流路形成在活塞的内部，其一处与从外部流入冷却流体 的流入口连通，另一处与向外部排出冷却流体的排出口连通；以及流动引导部，该流动引导 部设置在所述冷却流路上，用于在所述活塞升降时，引导通过所述流入口流入到所述冷却 流路的冷却流体，使其沿所述冷却流路向所述排出口侧流动。公开号为CN1120477A(申请 号CN95104265. 3)公开了一种内燃机用的活塞的可溶性型芯的支承结构，其特征在于使缓 冲构件夹在可溶性型芯和环状沟槽耐摩环的耐摩环坯料之间或者可溶性型芯和铸模的活 塞内侧形成部位之间的至少一个间隙里地定位在铸模里的。它解决了活塞内部冷却油道铸 造问题。公开号为CN101002013A(申请号CN200580027444. 3)公开了一种带有热管的轻金 属活塞，其特征在于热管的蒸发端是由短的管段构成，这些管段设置在活塞顶厚度内朝向 活塞顶且对准火焰射流，并借助与活塞顶平行延伸的连接热管连接起来；至少两根作为冷 凝端的管段与连接热管连接，以致通过设在其冷凝端的端部上的管接头，在热管的蒸发端、 连接热管及冷凝端之间实现冷却液环形且闭合的过程循环。公开号为CN103403407A(申请 号CN201280011334. 8)公开了一种内燃机活塞，其特征在于活塞头具有环绕的活塞环部以 及在活塞环部范围中的环绕的冷却通道，设有从冷却通道出发的钻孔，钻孔逐渐过渡到通 至对应于受压侧的工作面中的并且这样倾斜设置的钻孔出口中，即，使钻孔出口与活塞中 轴之间夹有一个锐角，因此在工作面中形成一个出口，在钻孔和钻孔出口之间设置一个向 工作面倾斜的并且过渡到工作面中的导流面，以及使对应于受压侧的工作面在开口的区域 中具有凹处，凹处在开口的上面构成至少一个集油区域。公开号为CN201081012Y(申请号 CN200720027190. 1)公开了一种异型内冷油腔结构活塞，其特征在于所述的内冷油腔呈变 截面的异形结构。其制造工艺与传统的等截面内冷油腔结构活塞相近，制成异型结构形状 的盐芯后，浇铸活塞毛坯，将盐芯冲洗后即在活塞中形成异型内冷油腔结构。具有冷却性能 高、工作可靠、结构合理等优点。
[0007] 上述专利文献公开的技术中，其中一部分是在油道内添加流动引导部，或是变截 面油腔，增大冷却机油的扰动，从而达到增大换热量的目的；另外一部分增大油道与高温热 源接触面积，从而增大换热量。目前很少有考虑油道中冷却油和活塞本体接触面对活塞散 热产生的不利影响，并且忽略活塞环槽对活塞散热的有利影响。因此，在活塞散热上，考虑 活塞环槽的有利影响和油道中冷却油和活塞本体接触面的不利影响是很有必要的。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种双层环形冷却油道活塞结构，通过增加 肋板，并设置双层环形冷却油道，减小因油道存在而产生的对流传热热阻，增强固体金属 导热作用。有效解决活塞随着发动机向高压缩比、高输出功率、低排放、长寿命的方向发展 过程中冷却不充分、热负荷过大、机械负荷过大等问题，旨在降低活塞热负荷，增大活塞结 构强度，实现活塞轻量化。
[0009] 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
[0010] 本发明提供的双层环形冷却油道活塞结构，包括活塞主体，该活塞主体中的活塞 头部的内部设有双层环形冷却油道，其中：上层油道和下层油道之间用次级进、出油孔，以 及油道通孔连接；在下层油道上，设置进、出油孔，和回油孔；在上、下层油道之间设有肋 板，该肋板与活塞主体中的燃烧室和活塞环槽最下端的环槽相连。
[0011] 所述的肋板，其横截面的中心线尽量平行于热流流动方向。
[0012] 所述的肋板，其横截面的中心线与活塞轴心夹角为40° - 50°。
[0013] 所述的双层环形冷却油道，其横截面靠近燃烧室一侧的公切线与肋板横截面的中 心线基本垂直，即尽量垂直于热流流动方向，其夹角呈85° - 95°。
[0014] 所述的双层环形冷却油道，其横截面靠近活塞环槽一侧的公切线与活塞轴心基本 平行，尽量减少因结构突变而产生的应力，两者夹角呈0° -10°。
[0015] 所述的次级进、出油孔分别在进、出油孔的正上端。
[0016] 所述的次级进、出油孔，其轴心线分别与进、出油孔的轴心线呈"V"字形，开口朝活 塞环槽侧。
[0017] 所述的次级进、出油孔，其轴心线与进、出油孔的轴心线以及活塞轴心线在同一平 面上。
[0018] 所述的次级进、出油孔以及所有油道通孔，均匀分布在双层环形冷却油道的上、下 层油道之间，且其轴心线与活塞轴心线呈0° - 60°。
[0019] 所述的次级进、出油孔以及所有油道通孔，其与上、下层油道之间的连接均为过渡 圆角连接；所述的肋板与燃烧室和活塞环槽最下端的环槽的连接为过渡圆角连接。
[0020] 本发明与现有技术相比，主要有以下的有益效果：
[0021] 1.从强化传热的角度上来看，通过增加肋板，并设置双层环形冷却油道，减小因油 道存在而产生的对流传热热阻（通过肋板将活塞和环槽连接起来，热量通过肋板经环槽散 走），可以增强固体金属导热作用。
[0022] 2.过渡圆角的设置可以减少热应力和机械应力的集中，并有利于冷却油更充分， 更高效的进入上层冷却油道。
[0023] 3.有效解决随着发动机向高压缩比、高输出功率、低排放、长寿命的方向发展过程 中，活塞冷却不充分，承受的机械负荷和热负荷越来越大等问题。同时，在保证活塞强度、可 靠性等要求的情况下，也可通过增大双层环形冷却油道容积，实现活塞轻量化的要求。
【附图说明】
[0024] 图1为双层环形冷却油道主视图。
[0025] 图2为双层环形冷却油道侧视图。
[0026] 图3为双层环形冷却油道俯视图。
[0027] 图4为活塞垂直于活塞销孔轴线的剖面图。
[0028] 图5为活塞内腔平面图。
[0029] 图6为双层环形冷却油道工作原理图，图中箭头指示冷却油流动方向。
[0030] 图7为双层环形冷却油道工作原理剖面图，图中箭头指示冷却油流动方向。
[0031] 图中：1.上层油道；2.下层油道；3a.连接上层油道的油道通孔；3b.连接下层油 道的油道通孔；4.次级进油孔；5.进油孔；6.次级出油孔；7.出油孔；8a.回油孔；8b.回油 孔；9.活塞环槽；10.活塞头部；11.双层环形冷却油道；12.肋板；13a.活塞销孔；13b.活 塞销孔；20.活塞裙部；30.活塞内腔；40.燃烧室。
【具体实施方式】
[0032] 本发明提供的双层环形冷却油道活塞结构，它包括活塞头部（燃烧室，活塞环槽， 双层环形冷却油道），活塞裙部（活塞内腔，活塞销孔）。双层环形冷却油道分为上层油道、 下层油道、多个油道通孔、肋板、次级进油孔、次级出油孔、进油孔、出油孔和两个回油孔。其 特征在于：活塞头部内环绕燃烧室周围分布双层环形油道；双层油道由次级进油孔和次级 出油孔，以及多个油道通孔连接，肋板分隔开上下层油道，又连接燃烧室与活塞环槽，增强 了固体金属的导热，使得热量通过环槽散出去。本发明能有效解决活塞冷却不充分、热负荷 过大等问题，旨在降低活塞热