多孔偏心活塞及其设计方法

技术领域

本发明涉及发动机活塞技术领域，更具体地说，涉及一种多孔偏心活塞，还涉及一种多孔偏心活塞的设计方法。

背景技术

目前，燃气发动机逐渐采用滚流燃烧系统。如图1所示，在压缩行程中发动机缸内进气侧挤流与缸内大尺度滚流组织相冲明显，甚至形成流动死区，影响火焰传播，不利于缸内气体燃料充分燃烧，于提高发动机热效率不利。

另外，发动机缸内进气侧挤流和大尺度滚流组织相冲，还造成滚流强度降低、轴心偏移、湍动能下降，且高湍动能区域远离火花塞，最终造成火焰传播慢。

因此，如何缓解发动机缸内进气侧火焰传播速度慢的情况，以促进缸内气体燃料充分燃烧，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多孔偏心活塞，其活塞本体的顶面中凹陷区的中心偏离活塞本体的中心，并靠近发动机的进气侧，使发动机缸内气流湍动能分布更多地偏向进气侧，弥补进气侧气流相冲对火焰传播速度的负面影响，有助于发动机缸内气体燃料充分燃烧，于提高发动机热效率有利。本发明还提供一种用于上述多孔偏心活塞的设计方法，使多孔偏心活塞产品具有辅助提升发动机热效率的效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多孔偏心活塞，用于发动机，包括活塞本体，所述活塞本体的顶面包括凹陷区和圈在所述凹陷区外周的挤流区；所述凹陷区的中心偏离所述活塞本体的中心，并靠近所述发动机的进气侧；所述凹陷区的表面设有多个第一凹坑、所述挤流区的表面设有多个第二凹坑。

可选地，上述多孔偏心活塞中，所述第一凹坑的开口面积尺寸小于所述第二凹坑的开口面积尺寸。

可选地，上述多孔偏心活塞中，各所述第一凹坑的开口面积尺寸沿所述凹陷区的外周到所述凹陷区的中心方向逐渐减小，各所述第一凹坑的深度尺寸沿所述凹陷区的外周到所述凹陷区的中心方向逐渐增大。

可选地，上述多孔偏心活塞中，所述第一凹坑绕所述凹陷区的中心排布成多圈，其中，任意两圈中，外圈的所述第一凹坑的开口面积尺寸大、深度小，内圈的所述第一凹坑的开口面积尺寸小、深度大。

可选地，上述多孔偏心活塞中，最内圈的所述第一凹坑绕所述凹陷区的中心均匀分布；其他成圈的所述第一凹坑绕所述凹陷区的中心非均匀分布，并且靠近所述进气侧的区域分布密集、靠近所述发动机的排气侧的区域分布稀疏。

可选地，上述多孔偏心活塞中，所述第二凹坑沿所述活塞本体的周向排布成至少一圈。

可选地，上述多孔偏心活塞中，所述第二凹坑沿所述活塞本体的周向排布成外部整圈和内部半圈，其中，内部半圈的所述第二凹坑布置于所述挤流区中靠近所述进气侧的区域；所述外部整圈中第二凹坑的开口面积尺寸大于所述内部半圈中第二凹坑的开口面积尺寸。

可选地，上述多孔偏心活塞中，所述第一凹坑的截面呈圆形、所述第二凹坑的截面呈圆形。

一种多孔偏心活塞的设计方法，用于上述技术方案中任意一项所述的多孔偏心活塞，包括：

（1）根据目标压缩比设计所述多孔偏心活塞的基础型线，建立活塞模型，并建立包含该活塞模型的燃烧装置模型；

（2）进行仿真，获得所述燃烧装置模型对应的基础流场分布；根据基础流场分布情况设计活塞模型中顶面的凹陷区的偏心量；

（3）确定活塞模型的凹坑参数，并进行CFD计算；根据计算结果评价活塞模型在上止点前20°CA时，湍流TKE为30的最深区域是否达所述燃烧装置模型内燃烧室总深度的75%；若达到，则进入步骤（4）；若未达到，则重复本步骤；

（4）对活塞模型进行CAE计算，根据计算结果判断所述活塞模型的各凹坑强度是否均符合要求，若是，则进入步骤（5）；若否，根据计算结果调整活塞模型的凹坑参数并重新进行CAE计算，直至所述活塞模型的各凹坑强度均符合要求，再返回步骤（3）；

（5）对所述活塞模型进行工艺审查，若存在影响工艺性的加工特征，则修改对应的活塞模型参数并返回步骤（3）；若不存在影响工艺性的加工特征，则结束。

可选地，上述设计方法中，所述步骤（3）中，所述若未到达，则重复本步骤包括：

若超过75%，则在重复本步骤的确定活塞模型的凹坑参数过程中，减少所述活塞模型的第一凹坑数量、降低第一凹坑深度；若不足75%，则在重复本步骤的确定活塞模型的凹坑参数过程中，增加所述活塞模型的第一凹坑数量、加大第一凹坑深度。

本发明提供一种多孔偏心活塞，用于发动机；包括活塞本体，活塞本体的顶面包括凹陷区和圈在凹陷区外周的挤流区；凹陷区的中心偏离活塞本体的中心，并且凹陷区的中心靠近发动机的进气侧；凹陷区的表面设有多个第一凹坑、挤流区的表面设有多个第二凹坑。

上述多孔偏心活塞中，活塞本体的顶面中凹陷区的中心偏离活塞本体的中心，并靠近发动机的进气侧，使发动机缸内气流湍动能分布更多地偏向进气侧，弥补进气侧气流相冲对火焰传播速度的负面影响，使发动机缸内进气侧火焰传播速度提高，有助于发动机缸内气体燃料充分燃烧，于提高发动机热效率有利。

另外，上述多孔偏心活塞中凹陷区的表面设有多个第一凹坑，对缸内气流扰动更大，使缸内气流流动阻力逐渐增大，促使大尺度滚流流动逐步破碎，提升火焰传播速度，提升火焰由火花塞向下传播的速度，能进一步促进缸内气体燃料充分燃烧，提高发动机热效率。

再者，本发明提供的多孔偏心活塞中挤流区的表面设有多个第二凹坑，加大挤流区与气流的换热面积，能降低挤流区处气体温度，进而达到抑制爆震倾向的效果。

本发明还提供一种用于上述多孔偏心活塞的设计方法，使多孔偏心活塞产品具有辅助提升发动机热效率的效果。

附图说明

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。

图1为现有技术中活塞在压缩行程中发动机缸内气体流动情况示意图；

图2为本发明实施例提供的多孔偏心活塞的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的多孔偏心活塞的立体结构示意图；

图4为应用本发明实施例提供的多孔偏心活塞的发动机缸内流场情况仿真图；

图5为应用本发明实施例提供的多孔偏心活塞的发动机缸内燃烧效果仿真图；

图6为应用现有技术中不偏心活塞的发动机缸内流场情况仿真图；

图7为应用现有技术中不偏心活塞的发动机缸内燃烧效果仿真图；

图8为应用本发明实施例提供的多孔偏心活塞的发动机的缸压与应用现有技术中不偏心活塞的发动机的缸压对比图；

其中，图2-图3中：

活塞本体100；凹陷区101；第一凹坑111；挤流区102；第二凹坑121。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种多孔偏心活塞，其活塞本体的顶面中凹陷区的中心偏离活塞本体的中心，并靠近发动机的进气侧，使发动机缸内气流湍动能分布更多地偏向进气侧，弥补进气侧气流相冲对火焰传播速度的负面影响，有助于发动机缸内气体燃料充分燃烧，于提高发动机热效率有利。本发明还实施例还公开一种用于上述多孔偏心活塞的设计方法，使多孔偏心活塞产品具有辅助提升发动机热效率的效果。

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。

请参阅图2-8，本发明实施例提供一种多孔偏心活塞，用于发动机，尤其适用于燃气发动机；多孔偏心活塞包括活塞本体100，活塞本体100的顶面包括凹陷区101和圈在凹陷区101外周的挤流区102；凹陷区101和挤流区102相连；凹陷区101的中心偏离活塞本体100的中心，并且凹陷区101的中心靠近发动机的进气侧；凹陷区101的表面设有多个第一凹坑111、挤流区102的表面设有多个第二凹坑121。

上述多孔偏心活塞中，活塞本体100的顶面中凹陷区101的中心偏离活塞本体100的中心，并靠近发动机的进气侧，使发动机缸内气流湍动能分布更多地偏向进气侧，弥补进气侧气流相冲对火焰传播速度的负面影响，使发动机缸内进气侧火焰传播速度提高，有助于发动机缸内气体燃料充分燃烧，于提高发动机热效率有利。

另外，上述多孔偏心活塞中凹陷区101的表面设有多个第一凹坑111，对缸内气流扰动更大，使缸内气流流动阻力逐渐增大，促使大尺度滚流流动逐步破碎，提升火焰传播速度，提升火焰由火花塞向下传播的速度，能进一步促进缸内气体燃料充分燃烧，提高发动机热效率。

再者，本发明提供的多孔偏心活塞中挤流区102的表面设有多个第二凹坑121，加大挤流区102与气流的换热面积，能降低挤流区102处气体温度，进而达到抑制爆震倾向的效果。

上述多孔偏心活塞中，第一凹坑111的开口面积尺寸小于第二凹坑121的开口面积尺寸。第一凹坑111的深度大于第二凹坑121的深度。

本实施例提供的技术方案中，第一凹坑111呈小孔径，大深度状态，能增强发动机缸内流动；第二凹坑121呈大孔径、小深度状态，能够增强换热，进而降低挤流区102处的气流温度，抑制爆震倾向。

在一些实施例中，多孔偏心活塞的各第一凹坑111的开口面积尺寸沿凹陷区101的外周到凹陷区101的中心方向逐渐减小，各第一凹坑111的深度尺寸沿凹陷区101的外周到凹陷区101的中心方向逐渐增大。

第一凹坑111可设置为绕凹陷区101的中心排布成多圈，其中，任意两圈中，外圈的第一凹坑111的开口面积尺寸大、深度小，内圈的第一凹坑111的开口面积尺寸小、深度大。

在一些实施例中，所有成圈的第一凹坑111，位于最内圈的第一凹坑111绕凹陷区101的中心均匀分布；其他成圈的第一凹坑111绕凹陷区101的中心非均匀分布，并且靠近进气侧的区域分布密集、靠近发动机的排气侧的区域分布稀疏，如图1所示。

活塞本体100的顶面中第二凹坑121沿活塞本体100的周向排布成至少一圈。

在一种实施方案中，第二凹坑121沿活塞本体100的周向排布成外部整圈和内部半圈，如图1、2所示；其中，内部半圈的第二凹坑121布置于挤流区102中靠近进气侧的区域；外部整圈中第二凹坑121的开口面积尺寸大于内部半圈中第二凹坑121的开口面积尺寸。

第一凹坑111的截面（即第一凹坑111沿垂直于活塞本体100的轴线方向的截面）可设置为圆形、第二凹坑121的截面（即第二凹坑121沿垂直于活塞本体100的轴线方向的截面）可设置为圆形。当然，第一凹坑111的截面还可设置为椭圆形、半圆形、长圆形或长椭圆形等，第二凹坑121的截面还可设置为椭圆形、半圆形、长圆形或长椭圆形等，本实施例不做具体限定。

请参阅图4、6，应用本发明实施例提供的多孔偏心活塞后，发动机缸内流场的TKE(湍流动能，是湍流混合能力指标)值相比于应用现有技术中不偏心活塞的发动机更高，利于提升火焰传播速度。

请参阅图5、7，应用本发明实施例提供的多孔偏心活塞后，发动机缸内燃料燃烧时火焰传播，相比于应用现有技术中不偏心活塞的发动机更均匀（详见图7中虚线标示位置指示红色火焰传播不均匀），利于提升燃料燃烧效果。

请参阅图8，应用本发明实施例提供的多孔偏心活塞后，发动机缸压曲线围成的面积，相比于应用现有技术中不偏心活塞的发动机更大，而缸压曲线围成的面积与发动机的输出功对应，可见，应用本发明实施例提供的多孔偏心活塞后，发动机的输出功更高、油耗更低。

本发明实施例还提供一种多孔偏心活塞的设计方法，用于上述实施例提供的多孔偏心活塞，包括：

（1）根据目标压缩比设计多孔偏心活塞的基础型线，建立活塞模型，并建立包含该活塞模型的燃烧装置模型；燃烧装置模型包括缸体模型和缸盖模型和上述活塞模型。

（2）进行仿真，获得燃烧装置模型对应的基础流场分布；根据基础流场分布情况设计活塞模型中顶面的凹陷区101的偏心量。

流场分布情况展示TKE(湍流动能，是湍流混合能力指标)云图；在上止点前20°CA时，TKE (湍流动能，是湍流混合能力指标)=30的区域中最靠近进气侧的位置和最靠近排气侧的位置之间的中间点处作为凹陷区101的中心。

（3）确定活塞模型的凹坑参数，并进行CFD计算；根据计算结果评价活塞模型在上止点前20°CA时，TKE=30的最深区域是否达燃烧装置模型内燃烧室总深度的75%；若达到，则进入步骤（4）；若未达到，则重复本步骤。

在初次确定活塞模型的凹坑参数时，可在顶面径向上设置5圈凹坑，从外向内凹坑开口孔径依次减小，最外侧开口孔径定为5%缸径，依次向内为4%缸径、3%缸径等，逐圈降低。从外向内各圈沿周向均布18个凹坑、16个凹坑等，逐圈减少。

“在上止点前20°CA时，TKE=30的最深区域”是指TKE云图中，TKE=30的区域中最低处到燃烧装置模型中点火位置处的高度差；燃烧装置模型内燃烧室总深度是指燃烧装置模型中点火位置到活塞模型中凹陷区底部之间的高度差。

该步骤中，若未到达75%，则分两种情况：①若超过75%，则在重复本步骤的确定活塞模型的凹坑参数过程中，减少活塞模型的第一凹坑数量、降低第一凹坑深度；若不足75%，则在重复本步骤的确定活塞模型的凹坑参数过程中，增加活塞模型的第一凹坑数量、加大第一凹坑深度。

（4）对活塞模型进行CAE计算，根据计算结果判断活塞模型的各凹坑强度是否均符合要求，若是，则进入步骤（5）；若否，根据计算结果调整活塞模型的凹坑参数（即调整凹坑强度不符合要求的凹坑的参数），再重新进行CAE计算，直至活塞模型的各凹坑强度均符合要求，再返回步骤（3）。

（5）对活塞模型进行工艺审查，若存在影响工艺性的加工特征，则修改对应的活塞模型参数并返回步骤（3）；若不存在影响工艺性的加工特征，则结束。

本发明实施例提供的设计方法需进行CFD迭代计算，能针对凹坑的开口孔径、凹坑深度、凹坑分布做针对性优化，增强适应性，降低加工难度。本设计方法进行CAE迭代，充分考虑多孔偏心活塞的强度，同时该设计方法还充分考虑工艺要求，反复迭代，保证产品可靠性和工艺性。

本实施例提供的设计方法用于上述实施例提供的多孔偏心活塞，使多孔偏心活塞产品具有辅助提升发动机热效率的效果。当然，本实施例提供的设计方法还具有上述实施例提供的有关多孔偏心活塞的其他效果，在此不再赘述。

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。

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。