一种节能环保的内燃机活塞.pdf

本发明公开了一种节能环保的内燃机活塞，其是在活塞裙表面沿轴向方向开设有贯穿于整个裙部的竖状凹槽。本发明的凹槽可以存储润滑油和磨屑，使活塞在缸套内往复运动过程中润滑油可以供给充分，分布均匀，从而分散摩擦热，提高润滑效果，减小摩擦阻力，防止拉缸和敲缸，延长了活塞和气缸的使用寿命；凹槽与活塞运动方向一致且在活塞裙部呈贯穿式排布，使活塞在运动过程中受力更均匀，同时凹槽将集中于活塞第三道环槽回油孔处的应力进行卸载，延长了活塞的疲劳寿命。

1.  一种节能环保的内燃机活塞，其特征在于：是在活塞裙(1)表面沿轴向方向开设有贯穿于整个活塞裙的竖状凹槽(2)。

2.  根据权利要求1所述的一种节能环保的内燃机活塞，其特征在于：所述的竖状凹槽(2)间的活塞裙(1)上开设有通孔(3)。

3.  根据权利要求2所述的一种节能环保的内燃机活塞，其特征在于：所述的通孔(3)一列纵向排列在两列竖状凹槽(2)之间。

4.  根据权利要求3所述的一种节能环保的内燃机活塞，其特征在于：所述通孔(3)的直径为竖状凹槽(2)宽度的60～70％，每列通孔中的相邻通孔(3)的间距为活塞裙(1)部轴向长度的13～15％。

5.  根据权利要求1所述的一种节能环保的内燃机活塞，其特征在于：所述的竖状凹槽(2)宽窄相间。

6.  根据权利要求1所述的一种节能环保的内燃机活塞，其特征在于：所述的竖状凹槽(2)的截面形状为矩形或三角形或圆弧形。

7.  根据权利要求1所述的一种节能环保的内燃机活塞，其特征在于：所述的竖状凹槽(2)的面积占活塞裙承压面积的7～23％，竖状凹槽(2)的深度小于活塞裙(1)部厚度的40％。

8.  根据权利要求1所述的一种节能环保的内燃机活塞，其特征在于：所述竖状凹槽(2)在活塞裙(1)表面的分布为全部或局部。

一种节能环保的内燃机活塞
技术领域
本发明涉及一种基于减阻、耐磨功效的节能环保型内燃机活塞，可应用于各种内燃机中如汽油机、柴油机。
背景技术
汽车已经是人们日常生活中必不可少的代步、交通、运输工具。在如今全球节能减排、治霾抗污的大背景下，新能源汽车的研制推广成为首要任务，但其配套设施的不完善以及高昂的价格使其完成普及需要8～10年。内燃机是汽车的动力源，也是汽车有害废气排放的主源。经多项研究证明内燃机燃烧能量中有10％～20％消耗在机械损失，而机械损失中有45％～65％能量消耗在活塞、活塞环与气缸的摩擦副中。考虑到巨大的内燃机使用量，即使将活塞-缸套系统的摩擦损耗降低很小幅度，也可以对减少能源消耗和改善环境产生较大影响。同时将易加工、低成本的节能环保型内燃机活塞作为新能源汽车普及前的过度产品，前景巨大。
发明内容
本发明的目的在于减小内燃机在活塞与缸套做功过程中因摩擦产生的机械能损失，提供一种基于减阻、耐磨功效的节能环保的内燃机活塞。生物界中的很多物种在经过千万年的优胜劣汰和进化形成了减阻的非光滑形态。贝壳以其表面的条纹形态，在长期恶劣的泥沙冲刷中完好的保护着壳内软体。由于在泥沙和水流冲蚀过程中，贝壳体表形状使其旋转至流体与凸脊 方向一致，故其壳表磨损过程近似于活塞裙。本发明首次将贝壳表面的减阻、耐磨条纹结构应用于内燃机中的主要摩擦副——活塞裙上。通过试验和有限元分析发现加工于高速运动活塞上的凹槽内存有低速流动的润滑油，越接近凹槽低端润滑油流速越慢，从而在富油情况下凹槽内存储了润滑油，在乏油情况下凹槽内存储的润滑油补充供给摩擦界面，改善了润滑条件。有效的防止了拉缸、爆缸现象的发生，延长了活塞和气缸的使用寿命。
本发明通过改变活塞裙表面形态的方式，改善活塞裙与缸套间润滑条件，减小摩擦阻力，卸载活塞裙集中应力，以达到提高活塞润滑效果，延长活塞和气缸使用寿命的目的。
本发明是在活塞裙表面沿轴向方向开设有贯穿于整个活塞裙的竖状凹槽。
所述的竖状凹槽间的活塞裙上开设有通孔。
所述的通孔一列纵向排列在两列竖状凹槽之间。
所述的竖状凹槽宽窄相间。
所述的竖状凹槽的截面形状为矩形或三角形或圆弧形。
所述的竖状凹槽的面积占活塞裙承压面积的7～23％，竖状凹槽的深度小于活塞裙厚度的40％。
所述通孔的直径为竖状凹槽宽度的60～70％，每列通孔中的相邻通孔的间距为活塞裙轴向长度的13～15％
所述的竖状凹槽在活塞裙表面的分布为全部或局部。
本发明可应用于各种内燃机中如汽油机、柴油机。
本发明的技术效果是：
本发明的凹槽可以存储润滑油和磨屑，使活塞在缸套内往复运动过程中 润滑油可以供给充分，分布均匀，从而分散摩擦热，提高润滑效果，减小摩擦阻力，防止拉缸和敲缸，延长了活塞和气缸的使用寿命；凹槽与活塞运动方向一致且在活塞裙呈贯穿式排布，使活塞在运动过程中受力更均匀，同时凹槽将集中于活塞第三道环槽回油孔处的应力进行卸载，延长了活塞的疲劳寿命。
附图说明
图1是本发明的第一实施例主视图。
图2是图1的侧视图。
图3是本发明的第二实施例主视图，凹槽间具有通孔。
图4是本发明的第三实施例主视图，宽凹槽间具有窄凹槽。
图5活塞裙截面图。
图6是第二实施例的活塞裙截面图。
图7是第三实施例的活塞裙截面图。
图8是凹槽呈三角形状态的示意图。
图9是凹槽呈圆弧形状态的示意图。
图10第一实施例中的裙长示意图。
图11第一实施例的剖视图，显示凹槽的深度、宽度和间距和裙厚。
图12第二实施例中的裙长示意图。
图13第二实施例的剖视图，显示凹槽深度、宽度、间距、通孔直径和裙厚。
图14第三实施例中的裙长示意图。
图15第三实施例的剖视图，显示宽凹槽和窄凹槽深度、宽度、间距和裙 厚。
图中：1-活塞裙；2-竖状凹槽2；3-通孔；4-竖状宽凹槽；5-竖状窄凹槽5；t-裙厚；l-裙长；h-槽深或宽凹槽槽深；s-槽间距或宽凹槽槽间距；w-槽宽度或宽凹槽槽宽度；d-通孔直径；h1-窄凹槽槽深；w1-窄凹槽槽宽度。
具体实施方式
如图1、图2和图5所示，本发明是在活塞裙1表面沿轴向方向开设有贯穿于整个活塞裙1的竖状凹槽2。
如图2和图6所示，本发明是在活塞裙1表面沿轴向方向开设有贯穿于整个活塞裙1的竖状凹槽2，竖状凹槽2间的活塞裙1上开设有通孔3。
如图4和图7所示，本发明是在活塞裙1表面沿轴向方向开设有贯穿于整个活塞裙1的竖状宽凹槽4，竖状宽凹槽4间的活塞裙1表面沿轴向方向开设有贯穿于整个活塞裙1的竖状窄凹槽5。
如图5、图6和图7所示，竖状凹槽2、竖状宽凹槽4和竖状窄凹槽5的截面形状为矩形。
如图8所示，竖状凹槽2、竖状宽凹槽4和竖状窄凹槽5截面形状可为三角形。
如图9所示，竖状凹槽2、竖状宽凹槽4和竖状窄凹槽5截面形状可为圆弧形。
竖状凹槽2或竖状宽凹槽4和竖状窄凹槽5的面积占活塞裙承压面积的7～23％，竖状凹槽2或竖状宽凹槽4和竖状窄凹槽5的深度小于活塞裙1部厚度的40％。
如图3和图6所示，通孔3一列纵向排列在两列竖状凹槽2之间；所述 通孔3的直径为竖状凹槽2宽度的60～70％，每列通孔中的相邻通孔3的间距为活塞裙1部轴向长度的13～15％。
所述的竖状凹槽2或竖状宽凹槽4和竖状窄凹槽5在活塞裙1表面的分布为全部或局部。
本发明可应用于各种内燃机中如汽油机、柴油机。其使用方式、方法同普通标准活塞，无特殊使用要求，具体尺寸根据活塞裙尺寸大小进行调整。
本发明的特点在于活塞裙表面上的凹槽形态。以捷达XL-2V汽车发动机为例，在活塞裙1上沿轴向方向加工贯穿整个裙部的竖状凹槽2，竖状凹槽2在活塞裙分布面积占裙部表面积的7～23％，深度小于活塞裙厚度的40％，其竖状凹槽2或通孔3的分布参见第一实施例和第二实施例。在内燃机台架试验和有限元分析中，带有凹槽形态的内燃机活塞，首先可以储存润滑油改善活塞裙与缸套间润滑条件；其次可以减小摩擦阻力、分散摩擦热、在轻量化活塞的基础上减小惯性力；再次可以卸载活塞裙集中应力。故提高了活塞的润滑效果，减小了摩擦阻力，防止了拉缸和敲缸，延长了活塞和气缸的使用寿命。本发明对活塞无特殊使用要求，且使用的内燃机都可以减阻、耐磨，提高机械效率。
在吉林大学工程仿生教育部重点实验室搭建了汽车发动机冷试验台，对本发明中的活塞进行台架试验，以考察本发明的使用效果。数据如下：
耐久性磨损试验在XL-2V汽车内燃机上进行；活塞外径：80.985mm；裙部厚度：2.4mm；裙部长度：35.16mm；活塞材料：铝合金；试验时间：500小时；标定功率：80kW/6000r/min；试验室内温度：20℃。
在相同试验条件下，考虑到每次拆装发动机的误差，在每次试验中的四个气缸中放入三个带有凹槽形态的活塞和一个普通标准活塞进行试验。根据 XL-2V汽车内燃机活塞的尺寸情况和加工凹槽形态的条件，以矩形凹槽为例加工带有凹槽形态的活塞。凹槽深度等于凹槽宽度。凹槽间具有通孔的排布，第一行孔中心线距离活塞顶端距离为24mm，孔均布6行，行间距为5mm。凹槽列间距从活塞顶端看，以活塞径向中心轴线为圆心，以角度形式设置槽间距。带有凹槽的活塞试验方案，详见表1、表2和表3。竖状凹槽2、通孔3、竖状宽凹槽4和竖状窄凹槽5的参数如图10至图15所示。
表1 带有凹槽形态活塞裙凹槽深度(mm)

表2 带有凹槽形态活塞裙凹槽间距(°)

表3 带有凹槽形态活塞试验方案

磨损量检测通过试验前后对活塞称重得到，最大功率通过试验初期和末期对各个气缸进行检测。功率损耗率为试验初期和末期功率变化差值与初期功率的比值。磨损率越小说明活塞耐磨性越好，功率对比百分率为正(负)说明带有凹槽的活塞比标准活塞工作效率高(低)。试验结果详见表4、表5和表6。
表4 第一组活塞试验结果


表5 第二组活塞试验结果

表6 第三组活塞试验结果

通过对比试验结果得出，本发明可以使活塞磨损量平均减少36％、功率最大提高2％，从而提高活塞与缸套间润滑效果、减小摩擦阻力、延长内燃机寿命。