一种活塞设计方法以及活塞与流程

1.本发明涉及气体发动机技术领域，特别涉及一种活塞设计方法以及活塞。


背景技术：

2.目前天然气发动机一般在柴油发动机基础上进行改造，天然气比柴油的抗爆性好，因此压缩比可以稍高一些，高压缩比缸内的容积会小，由于蓬顶气缸盖本身有一定的容积，导致高压缩比活塞顶部凸出，相当于活塞的凹坑容积为负值，因此如何设计活塞凹坑型线对于本领域技术人员来说变的尤为重要。
3.重型天然气发动机功率高，负荷高，铝活塞受材料本身特性的限制，材料的硬度和强度难以满足要求，锻钢材料由于其高强度、高热力学性能，成为优选的活塞材料。但锻钢材料由于密度偏大、硬度较高，受锻压成型技术的限制，只能通过机械加工（摩擦焊）来完成，因此钢活塞的燃烧室结构只能做成回转体，钢活塞毛坯制作周期长，加工需经历的步骤繁琐复杂，因此如何在压缩比变化不大的情况下，实现共毛坯设计燃烧室型线，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的第一个目的在于提供一种活塞设计方法，以在压缩比变化不大的情况下，实现共毛坯设计燃烧室型线。
5.本发明的第二个目的在于提供一种基于上述活塞设计方法设计的活塞。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种活塞的设计方法，用于由柴油机改造成的重型高压缩比气体发动机的钢活塞的设计，所述钢活塞与气缸盖组合使用，包括步骤：确定气体发动机的目标压缩比、气体发动机缸径以及活塞行程，所述目标压缩比的下限根据现有弱滚流活塞的压缩比确定，所述目标压缩比的上限根据气体发动机气缸的爆震倾向确定；根据气体发动机缸径、活塞行程以及目标压缩比，确定气体发动机燃烧室容积；根据所述气体发动机燃烧室容积以及气缸盖底部蓬顶容积，计算活塞顶部的凹坑容积，若活塞顶部的凹坑容积小于预设值，则在活塞顶部设置凸台结构，使所述气体发动机燃烧室容积v
燃
、所述气缸盖底部蓬顶容积v
蓬
、所述活塞顶部的凹坑容积v
凹
以及所述凸台结构体积v
凸
满足v
燃
=v
蓬
v
凹-v
凸
，若活塞顶部的凹坑容积大于或等于预设值，则不需要设置所述凸台结构。
7.可选地，所述预设值小于或等于0。
8.可选地，所述目标压缩比大于或等于12.5且小于或等于14.5。
9.一种基于上述活塞的设计方法设计的活塞，用于由柴油机改造成的重型高压缩比气体发动机，所述活塞为钢制回转体，所述活塞的活塞顶部设置凹坑以及环绕所述凹坑设置的凸台结构，所述凹坑的表面与所述凸台结构的表面平滑过渡连接，所述凹坑与所述气
缸盖底部蓬顶相对设置，所述凹坑以及所述凸台结构沿所述活塞的轴线在所述气缸盖上的投影位于所述气缸盖底部蓬顶内。
10.可选地，所述凹坑的深度h1与所述活塞的直径d满足h1=（-0.02~0.05）
×
d。
11.可选地，所述凸台结构的高度h2与所述活塞的直径d满足h2=（0~0.05）
×
d。
12.可选地，所述活塞顶部与所述活塞纵向对称面的交线为活塞顶部型线，所述活塞顶部型线从外向内依次包括活塞顶面型线、凸起结构型线以及凹坑型线，所述凸起结构型线为向上凸起的第一圆弧线段以及第一直线段，所述第一圆弧线段的第一端与所述活塞顶面型线圆滑过渡连接，所述第一圆弧线段的第二端与所述第一直线段的第一端平滑连接，所述第一直线段的第二端与所述凹坑型线圆滑过渡连接。
13.可选地，所述第一圆弧线段的半径r与所述活塞的直径d满足r=（0.005~0.04）
×
d。
14.可选地，所述凹坑型线包括第二圆弧线段以及两条第二直线段，两条第二直线段对称地平滑连接于所述第二圆弧线段的两端，所述第二直线段远离所述第二圆弧线段的一端与所述第一直线段圆滑过渡连接。
15.可选地，所述第一直线段与所述第二直线段之间的夹角α满足α=（0.85~0.9）
×
π。
16.由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种活塞设计方法，用于由柴油机改造成的重型高压缩比气体发动机的钢活塞的设计，该钢活塞与气缸盖组合使用，该活塞设计方法包括步骤：确定气体发动机的目标压缩比、气体发动机缸径以及活塞行程，目标压缩比的下限根据现有弱滚流活塞的压缩比确定，目标压缩比的上限根据气体发动机气缸的爆震倾向确定；根据气体发动机缸径、活塞行程以及目标压缩比，确定气体发动机燃烧室容积；根据气体发动机燃烧室容积以及气缸盖底部蓬顶容积，计算活塞顶部的凹坑容积，若活塞顶部的凹坑容积小于预设值，则在活塞顶部设置凸台结构，使气体发动机燃烧室容积v
燃
、气缸盖底部蓬顶容积v
蓬
、活塞顶部凹坑容积v
凹
以及凸台结构体积v
凸
满足v
燃
=v
蓬
v
凹-v
凸
，若活塞顶部的凹坑容积大于或等于预设值，则不需要设置凸台结构。通过上述设计方法当活塞处于上止点时，缸内容积大于蓬顶气缸盖形成的燃烧室容积时，燃烧室凹坑形状为圆弧状；当活塞处于上止点时，缸内容积小于蓬顶气缸盖形成的燃烧室容积时，在活塞与蓬顶气缸盖连接处设计一圈凸起，底部圆弧过渡，尽可能保留缸内大尺度滚流，同时可以增加两侧挤流。可见通过上述设计方法可以在同一个钢制回转体活塞毛坯的前提下实现对不同压缩比燃烧室型线的设计，即保证压缩比，也不会因为燃烧室形状减弱滚流，同时还可以增强挤流，使湍流强度增加，促进混合气快速燃烧，提高热效率。
17.本发明还公开了一种基于上述活塞设计方法设计的活塞，该活塞采用上述活塞设计方法设计，因此该活塞理应具有与活塞设计方法相同的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为基于本发明实施例提供的活塞设计方法设计的压缩比为12.5的活塞的主视图；
图2为基于本发明实施例提供的活塞设计方法设计的压缩比为13.5的活塞的主视图；图3为基于本发明实施例提供的活塞设计方法设计的压缩比为14.5的活塞的主视图；图4为基于本发明实施例提供的活塞设计方法设计设计的活塞的剖视图。
20.其中：1为第一圆弧线段；2为第一直线段；3为圆弧过渡线段；4为第二直线段；5为第二圆弧线段；6为活塞顶面型线。
具体实施方式
21.本发明的核心之一是提供一种活塞设计方法，该活塞设计方法可以在压缩比变化不大的情况下，实现共毛坯设计燃烧室型线。
22.本发明的另一核心在于提供一种基于上述活塞设计方法设计的活塞。
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.请参阅图1至图3，图1为基于本发明实施例提供的活塞设计方法设计的压缩比为12.5的活塞的主视图，图2为基于本发明实施例提供的活塞设计方法设计的压缩比为13.5的活塞的主视图，图3为基于本发明实施例提供的活塞设计方法设计的压缩比为14.5的活塞的主视图。
25.本发明实施例中公开了一种活塞设计方法，用于由柴油机改造成的重型高压缩比气体发动机的钢活塞的设计，该活塞设计方法包括步骤：s1：确定气体发动机的目标压缩比、气体发动机缸径以及活塞行程，气体发动机的目标压缩比的下限根据现有弱滚流活塞的压缩比确定，所述目标压缩比的上限根据气体发动机气缸的爆震倾向确定。
26.设计人员根据现有弱滚流活塞的压缩比以及气体发动机气缸的爆震倾向确定一个适合的压缩比作为目标压缩比，根据设计要求设定气体发动机缸径以及活塞行程。
27.s2：根据气体发动机缸径、活塞行程以及目标压缩比，确定气体发动机燃烧室容积。
28.根据上述确定的目标压缩比、气体发动机缸径以及活塞行程可以计算得出燃烧室容积，一般情况下，燃烧室容积v
燃
=v
蓬
v
凹
，其中，v
蓬
为气缸盖底部蓬顶容积，v
凹
为活塞顶部凹坑容积。
29.s3：根据气体发动机燃烧室容积以及气缸盖底部蓬顶容积，计算活塞顶部的凹坑容积，若活塞顶部的凹坑容积小于预设值，则在活塞顶部设置凸台结构，使气体发动机燃烧室容积v
燃
、气缸盖底部蓬顶容积v
蓬
、活塞顶部的凹坑容积v
凹
以及凸台结构体积v
凸
满足v
燃
=v
蓬
v
凹-v
凸
，若活塞顶部的凹坑容积大于或等于预设值，则不需要设置凸台结构。
30.由于气缸盖底部蓬顶容积是一定的，所以可以进行设计改动的只有活塞顶部凹坑容积，通过计算，当活塞顶部凹坑容积小于预设值时，即弱滚流气缸盖底部蓬顶容积v
蓬
大于
燃烧室容积v
燃
时，活塞顶部凹坑容积v
凹
为负值，此时需要设计凸台结构，以避免活塞顶部凹坑容积v
凹
为负值。
31.可以看出，与现有技术相比，本发明实施例提供的活塞设计方法，当活塞处于上止点，且缸内容积大于蓬顶气缸盖形成的燃烧室容积时，即活塞顶部燃烧室凹坑的容积大于0时，燃烧室凹坑形状为圆弧状；当活塞处于上止点，且缸内容积小于蓬顶气缸盖形成的燃烧室容积时，即活塞顶部的燃烧室凹坑不存在并且活塞顶面需要向上凸起时，在活塞与蓬顶气缸盖连接处设计一圈凸起结构，底部圆弧过渡，尽可能保留活塞顶部的燃烧室凹坑，以保证缸内大尺度滚流，同时凸起结构可以增加两侧挤流，可见通过上述设计方法可以在同一个钢制回转体活塞毛坯的前提下实现对不同压缩比燃烧室型线的设计加工制作，既保证压缩比，也不会因为燃烧室形状减弱滚流，同时还可以增强挤流，使湍流强度增加，促进混合气快速燃烧，提高热效率。
32.作为优选地，上述预设值小于或等于0。
33.作为优选地，目标压缩比大于或等于12.5且小于或等于14.5。
34.本发明还提供了一种基于上述活塞的设计方法设计的活塞，如图4所示，该活塞用于由柴油机改造成的重型高压缩比气体发动机，活塞为钢制回转体，活塞的活塞顶部设置凹坑以及环绕凹坑设置的凸台结构，凹坑的表面与凸台结构的表面平滑过渡连接，凹坑与气缸盖底部蓬顶相对设置，凹坑以及凸台结构沿活塞的轴线在气缸盖上的投影位于气缸盖底部蓬顶内。
35.作为优选地，凹坑的深度h1是活塞的直径d的-0.02倍~0.05倍，即凹坑的深度h1与活塞的直径d满足h1=（-0.02~0.05）
×
d，凹坑的深度指凹坑的底部至活塞顶面之间的垂直距离，当凹坑的深度h1为活塞的直径d的负数倍时，说明活塞顶部向上凸起，当凹坑的深度h1为0时，说明活塞的顶部为平面，当凹坑的深度h1为活塞的直径d的正数倍时，说明活塞顶部具有凹坑。
36.进一步地，凸台结构的高度h2是活塞的直径d的0倍~0.05倍，即凸台结构的高度h2与活塞的直径d满足h2=（0~0.05）
×
d，凸台结构的高度指凸台结构的顶部至活塞顶面之间的垂直距离，凸台结构的高度不高于凸台结构相对应的气缸盖的底部蓬顶结构位置的高度。
37.作为优选地，如图4所示，上述活塞顶部与活塞纵向对称面的交线为活塞顶部型线，活塞顶部型线从外向内依次包括活塞顶面型线6、凸起结构型线以及凹坑型线，活塞顶面型线6为平直的直线段，凸起结构型线为向上凸起的第一圆弧线段1以及第一直线段2，第一圆弧线段1的第一端与活塞顶面型线6圆滑过渡连接，第一圆弧线段1的第二端与第一直线段2的第一端平滑连接，第一直线段2的第二端与凹坑型线圆滑过渡连接。
38.优选地，上述第一圆弧线段1的半径r为活塞的直径d的0.005倍~0.04倍，即第一圆弧线段1的半径r与活塞的直径d满足r=（0.005~0.04）
×
d。
39.进一步地，如图4所示，凹坑型线包括第二圆弧线段5以及两条第二直线段4，两条第二直线段4对称地平滑连接于第二圆弧线段5的两端，第二直线段4远离第二圆弧线段5的一端通过圆弧过渡线段3与第一直线段2圆滑过渡连接。
40.更进一步地，凹坑的深度h1可以通过调节第一直线段2与第二直线段4之间的夹角α的大小进行调节，在本发明实施例中，第一直线段2与第二直线段4之间的夹角α为π的0.85
倍~0.9倍，π为180
°
，即第一直线段2与第二直线段4之间的夹角α满足α=（0.85~0.9）
×
π。
41.作为优选地，在本发明实施例中，上述凸台结构为环形凸台。
42.综上所述，通过本发明实施例提供的活塞设计方法设计的活塞，通过光滑圆弧型活塞形状，可以减小燃烧室面容比，相对散热面积小，热损失小；同时活塞的光滑圆弧结构，在压缩过程，可以强化滚流，在压缩末期，大尺度滚流破碎成众多小尺度的涡流，使湍流强度和湍动能增加，有利于提高火焰传播速率，改善发动机性能；并且当发动机采用高压缩比时，通过在活塞与蓬顶气缸盖连接处设计一圈凸起，既可以保证压缩比，也不会因为燃烧室形状减弱滚流，同时还可以增强挤流，使湍流强度增加，促进混合气快速燃烧，提高热效率。
43.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
44.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。