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CN112780438A - 一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件 - Google Patents

一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件 Download PDF

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CN112780438A
CN112780438A CN202110068672.6A CN202110068672A CN112780438A CN 112780438 A CN112780438 A CN 112780438A CN 202110068672 A CN202110068672 A CN 202110068672A CN 112780438 A CN112780438 A CN 112780438A
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CN
China
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piston
scavenging
air
air guide
stroke
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CN202110068672.6A
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English (en)
Inventor
焦波
刘刚
贾风光
于小平
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Shandong Jiaotong University
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Shandong Jiaotong University
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/24—Pistons  having means for guiding gases in cylinders, e.g. for guiding scavenging charge in two-stroke engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

本发明提供了一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，包括扫气活塞和进气阀，所述扫气活塞由可拆卸的活塞头和活塞座圈共同构成，进气阀位于扫气活塞内部并与活塞杆的一端可拆连接，所述活塞头的顶部中央设有扫气口，所述进气阀与扫气口相配合并通过活塞杆的运动实现进气阀的打开与关闭。采用本发明的扫气活塞组件能够改善燃烧效率，提高换气质量，且安装维修方便可靠。

Description

一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件
技术领域
本发明涉及柴油发动机领域，特别是涉及十字头式二冲程柴油发动机的活塞。
背景技术
与四冲程柴油发动机相比，二冲程柴油发动机具有效率高、功率大、工作可靠、寿命长、可燃用劣质燃油等优点，但其也存在是燃烧不充分、热负荷严重等问题，而造成这一问题的重要原因是换气质量不良，这也是制约此类柴油发动机发展的瓶颈之一。现有的二冲程柴油发动机的换气形式有弯流扫气和直流扫气两种形式，其中弯流扫气方式存在换气质量较差、气缸受热不均匀易变形等问题，而直流扫气方式则克服了上述缺点，是现代船舶用大型柴油发动机的主要换气形式。
现有的直流扫气方式如图1所示，在气缸套的下部圆周面上开有扫气孔，扫气路径为：扫气箱—扫气口—气缸套内部—排气阀，空气以一定的仰角近似切向进入气缸，进气由水平方向改为竖直方向，有较大的速度损失，且旋转上升的空气在到达排气口(吹逐废气)之前有较长的路径，且各横截面上，空气形成漩流，在燃烧室中间形成旋流中心，与空气相比废气密度小、粘度大，易于聚积在旋流的中心区域，该区域上方是排气阀的阀冠，常规设计阀冠直径是缸套直径的0.32～0.5倍，阀冠阻碍了这些废气的顺利排出。有资料分析，中心区域大小取决于扫气的速度和空气密度，速度越高，密度越大，中心废气区域直径越大，影响排气质量，同时，扫气速度越高，进入气缸的空气越靠近气缸的内壁向上流动，从而冲刷气缸内壁，形成“室壁激冷效应”，导致气缸壁温度过低，影响燃烧效率，此外，由于扫气孔开在气缸套内壁上，活塞环随活塞运动时上下剐蹭扫气孔容易造成断环事故，且活塞顶部由于长期作用在高温高压环境中，也极易造成烧蚀龟裂，现有的直流扫气结构下，更换活塞环或活塞，需要将活塞、活塞杆和气封函等附件一并吊出，牵连工程大且容易污染曲柄箱，维修困难。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，至少能够部分的解决现有技术中存在的问题，为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，包括扫气活塞和进气阀，所述扫气活塞由可拆卸的活塞头和活塞座圈共同构成，进气阀位于扫气活塞内部并与活塞杆的一端可拆连接，所述活塞头的顶部中央设有扫气口，所述进气阀与扫气口相配合并通过活塞杆的运动实现进气阀的打开与关闭。
更进一步地，所述活塞座圈包括外圈和内圈，内圈在轴向长度上比外圈长，使活塞座圈在通过轴线的截面上整体呈圆台形，内圈的轴向长度设置较长的目的是便于对活塞杆进行导向，活塞座圈和活塞头通过端面螺钉紧固。
更进一步地，所述活塞头内腔设有第一导风叶片，所述活塞座圈的外圈和内圈之间还设有第二导风叶片，且活塞头和活塞座圈紧固时第一导风叶片和第二导风叶片的对应叶片共面。
更进一步地，所述第二导风叶片从外圈延伸到内圈并沿着圆周均布，且第二导风叶片与内圈的外壁相切。
更进一步地，第一导风叶片在径向方向延伸的距离比第二导风叶片小，以保证其和进气阀之间具有一定的径向间隙，防止进气阀上下运动时与第一导风叶片发生干涉。
作为优选，所述的第一导风叶片和第二导风叶片均为8个。
作为优选，所述扫气口的直径占活塞头外径的45％-55％。
更进一步地，扫气口和进气阀的配合面为锥面，便于更好的关闭进气阀且减小进气阀对活塞头的冲击。
更进一步地，所述进气阀的上表面设置为上凸的曲面，且通过下表面设有的细牙螺纹孔与活塞杆头部紧固，进气阀的侧面设有与细牙螺纹孔连通的通气孔，便于和活塞杆安装时排气以使连接更加紧固，进气阀的上表面还设有便于安装的螺纹孔。
更进一步地，活塞头外壁和活塞座圈的外圈外壁还设有减磨环。
本发明相比现有技术具有以下明显的优点：
1、新鲜空气经由导风叶片形成涡旋从扫气口进入气缸，旋转向上运动，同时涡旋在离心力作用下向外扩张，进入气缸的空气不直接冲刷气缸内壁，可避免“室壁激冷效应”，改善燃烧效率，而且气流向上的分速度较大，有利于缩短扫气路径，提高换气质量。
2、气缸套下部没有扫气孔，扫气箱顶板可以降低，减小了扫气箱高度。这样，缸套冷却水腔可以向下延伸，提高气缸套冷却效果，由于气缸套取消扫气孔结构，活塞环剐蹭扫气孔导致断环问题不复存在。
3、安装维修方便，可以先把扫气活塞组件装配好，然后再整体吊装入气缸内，更换活塞环或者进气阀时，只需将进气阀从活塞杆上拧下，即可将活塞头、活塞座圈和进气阀组件从气缸套内吊出，不需要拆卸活塞杆和气封函等附件，也不需要打开曲柄箱，大大改善了工作强度。
附图说明
图1为现有的直流扫气方式结构示意图；
图2为本发明的直流扫气活塞组件结构示意图；
图3为活塞头的结构示意图；
图4为活塞座圈的结构示意图；
图5为活塞头和活塞座圈装配后的结构示意图；
图6为进气阀的剖视图；
图7为本发明的直流扫气活塞组件在整个装置中的结构示意图(进气阀关闭，并省略了导风叶片)；
图8为本发明的直流扫气活塞组件在整个装置中的结构示意图(进气阀打开，并省略了导风叶片)；
图9为图7中I位置的局部放大示意图；
图10为新旧结构比较示意图。
附图标记：A、气缸套，1、扫气活塞，1.1、活塞头，1.1.1、扫气口，1.1.2、第一导风叶片，1.2、活塞座圈，1.2.1、外圈，1.2.2、内圈，1.2.3、第二导风叶片，2、进气阀，2.1、细牙螺纹孔，2.2、通气孔、2.3、螺纹孔，3、活塞杆，4、气封函，5、缓冲环，6、活塞环，7、冷却水腔，8、扫气箱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图2～图9所示，一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，包括扫气活塞1和进气阀2，所述扫气活塞1由可拆卸的活塞头1.1和活塞座圈1.2共同构成，进气阀2位于扫气活塞1内部并与活塞杆3的一端可拆连接，所述活塞头1.1的顶部中央设有扫气口1.1.1，所述进气阀2与扫气口1.1.1相配合并通过活塞杆3的运动实现进气阀2的打开与关闭。
所述活塞座圈1.2包括外圈1.2.1和内圈1.2.2，内圈1.2.2在轴向长度上比外圈1.2.1长，使活塞座圈1.2在通过轴线的截面上整体呈圆台形，内圈1.2.2的轴向长度设置较长的目的是便于对活塞杆3进行导向，活塞座圈1.2和活塞头1.1通过端面螺钉紧固。
所述活塞头1.1内腔设有第一导风叶片1.1.2，所述活塞座圈1.2的外圈1.2.1和内圈1.2.2之间还设有第二导风叶片1.2.3，且活塞头1.1和活塞座圈1.2紧固时第一导风叶片1.1.2和第二导风叶片1.2.3的对应叶片共面。
所述第二导风叶片1.2.3从外圈1.2.1延伸到内圈1.2.2并沿着圆周均布，且第二导风叶片1.2.3与内圈1.2.2的外壁相切。
第一导风叶片1.1.2在径向方向延伸的距离比第二导风叶片1.2.3小，以保证其和进气阀2之间具有一定的径向间隙，防止进气阀2上下运动时与第一导风叶片1.1.2发生干涉。
作为优选，所述的第一导风叶片1.1.2和第二导风叶片1.2.3均为8个。
作为优选，所述扫气口1.1.1的直径占活塞头1.1外径的45％-55％。
更进一步地，扫气口1.1.1和进气阀2的配合面为锥面，便于更好的关闭进气阀2且减小进气阀2对活塞头1.1的冲击。
更进一步地，所述进气阀2的上表面设置为上凸的曲面，且通过下表面设有的细牙螺纹孔2.1与活塞杆3头部紧固，进气阀2的侧面设有与细牙螺纹孔2.1连通的通气孔2.2，便于和活塞杆3安装时排气以使连接更加紧固，进气阀2的上表面还设有便于安装的螺纹孔2.3。
更进一步地，活塞头1.1外壁和活塞座圈1.2的外圈1.2.1外壁还设有减磨环。
图中活塞杆3穿过气封函4和缓冲环5的中部通孔，气封函4起到隔绝气体的作用，防止气体进入曲柄箱，缓冲环5除缓解活塞下行冲击力之外，在结构上上下圈可相对转动(脉动)，可使活塞落座时小幅偏转研磨阀口接触面，起到研阀器的作用。
本发明的扫气活塞组件的具体工作原理如下：
首先，活塞杆3和进气阀2向上运动，进气阀2逐渐关闭，当进气阀2与活塞头1.1接触后进气阀2完全关闭，活塞杆3和进气阀2以及扫气活塞1整体继续向上运动，压缩空气，直到上止点位置喷油点火燃烧，高温高压燃气推动扫气活塞1以及进气阀2和活塞杆3整体沿气缸套A向下运动，开始做功，此时进气阀2处于关闭状态，直到扫气活塞1与缓冲环5接触停止，进气阀2和活塞杆3继续向下运动，打开进气阀2，空气通过导风叶片穿过扫气口1.1.1进入气缸，开始扫气，直到下至点位置进气阀2开到最大，此时在惯性力的作用下活塞杆3带动进气阀2开始上行，开始下一个循环。
图10展示了新旧结构的对比，本发明相比现有技术具有以下明显的优点：
1、新鲜空气经由导风叶片形成涡旋从扫气口进入气缸，旋转向上运动，同时涡旋在离心力作用下向外扩张，进入气缸的空气不直接冲刷气缸内壁，可避免“室壁激冷效应”，改善燃烧效率，而且气流向上的分速度较大，有利于缩短扫气路径，提高换气质量。
2、气缸套下部没有扫气孔，扫气箱8顶板可以降低，减小了扫气箱8高度。这样，缸套冷却水腔7可以向下延伸，提高气缸套冷却效果，由于气缸套取消扫气孔结构，活塞环6剐蹭扫气孔导致断环问题不复存在。
3、安装维修方便，可以先把扫气活塞组件装配好，然后再整体吊装入气缸内进行装配，更换活塞环或者进气阀时，只需将进气阀从活塞杆上拧下，即可将活塞头、活塞座圈和进气阀组件从气缸套内吊出，不需要拆卸活塞杆和气封函等附件，也不需要打开曲柄箱，大大改善了工作强度。
虽然本发明所阐述的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，包括扫气活塞(1)和进气阀(2)，所述扫气活塞(1)由可拆卸的活塞头(1.1)和活塞座圈(1.2)共同构成，进气阀(2)位于扫气活塞(1)内部并与活塞杆(3)的一端可拆连接，所述活塞头(1.1)的顶部中央设有扫气口(1.1.1)，所述进气阀(2)与扫气口(1.1.1)相配合并通过活塞杆(3)的运动实现进气阀(2)的打开与关闭。
2.如权利要求1所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，所述活塞座圈(1.2)包括外圈(1.2.1)和内圈(1.2.2)，内圈(1.2.2)在轴向长度上比外圈(1.2.1)长，使活塞座圈(1.2)在通过轴线的截面上整体呈圆台形，活塞座圈(1.2)和活塞头(1.1)通过端面螺钉紧固。
3.如权利要求2所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，所述活塞头(1.1)内腔设有第一导风叶片(1.1.2)，所述活塞座圈(1.2)的外圈(1.2.1)和内圈(1.2.2)之间还设有第二导风叶片(1.2.3)，且活塞头(1.1)和活塞座圈(1.2)紧固时第一导风叶片(1.1.2)和第二导风叶片(1.2.3)的对应叶片共面。
4.如权利要求3所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，所述第二导风叶片(1.2.3)从外圈(1.2.1)延伸到内圈(1.2.2)并沿着圆周均布，且第二导风叶片(1.2.3)与内圈(1.2.2)的外壁相切。
5.如权利要求3所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，第一导风叶片(1.1.2)在径向方向延伸的距离比第二导风叶片(1.2.3)小，以保证其和进气阀(2)之间具有一定的径向间隙，防止进气阀(2)上下运动时与第一导风叶片(1.1.2)发生干涉。
6.如权利要求3所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，所述的第一导风叶片(1.1.2)和第二导风叶片(1.2.3)均为8个。
7.如权利要求1所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，所述扫气口(1.1.1)的直径占活塞头(1.1)外径的45％-55％。
8.如权利要求1所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，扫气口(1.1.1)和进气阀(2)的配合面为锥面。
9.如权利要求1所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，所述进气阀(2)的上表面设置为上凸的曲面，且通过下表面设有的细牙螺纹孔(2.1)与活塞杆(3)头部紧固，进气阀(2)的侧面设有与细牙螺纹孔(2.1)连通的通气孔(2.2)，便于和活塞杆(3)安装时排气以使连接更加紧固，进气阀(2)的上表面还设有便于安装的螺纹孔(2.3)。
10.如权利要求2所述的一种新型十字头式二冲程直流扫气活塞组件，其特征在于，活塞头(1.1)外壁和活塞座圈(1.2)的外圈(1.2.1)外壁还设有减磨环。
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