(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211261232.3 (22)申请日 2022.10.14 (71)申请人 潍柴动力股份有限公司 地址 261061 山东省潍坊市高新 技术产业 开发区福寿东 街197号甲 (72)发明人 李卫　张海瑞　王慧　刘洪哲　 (74)专利代理 机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 专利代理师 赵青朵 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) F02F 3/28(2006.01) (54)发明名称 一种活塞设计方法以及活塞 (57)摘要 本发明涉及一种活塞设计方法以及活塞， 该 活塞设计方法用于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： 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； 根据上述确定参数， 确定气体发动机 燃烧室容积； 根据气体发动机燃烧室容积及气缸 盖底部蓬顶容积， 计算活塞顶部凹坑容积， 若活 塞顶部凹坑容积小于预设值， 则在活塞顶部设置 凸台结构， 若活塞顶部凹坑容积大于或等于预设 值， 则不设置凸台结构； 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， 保证压缩 比， 降低对滚流影 响的同时还可以利用凸台结构 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。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 115329608 A 2022.11.11 CN 115329608 A 1.一种活塞的设计方法， 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， 其特 征在于， 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。 2.根据权利要求1所述的活塞的设计方法， 其特 征在于， 所述预设值小于或等于 0。 3.根据权利要求1所述的活塞的设计方法， 其特征在于， 所述目标压缩比大于或等于 12.5且小于或等于14.5 。 4.一种基于权利要求1 ‑3任意一项所述的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， 其特征在于， 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。 5.根据权利要求4所述的活塞， 其特征在于， 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。 6.根据权利要求4所述的活塞， 其特征在于， 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。 7.根据权利要求4 ‑6任意一项所述的活塞， 其特征在于， 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。 8.根据权利要求7所述的活塞， 其特征在于， 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。 9.根据权利要求7所述的活塞， 其特征在于， 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 。 10.根据权利要求9所述的活塞， 其特征在于， 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。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115329608 A 2一种活塞 设计方法以及活塞 技术领域 [0001]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 [0002]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。 [0003]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。 发明内容 [0004]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。 [0005]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。 [0006]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。 [0007]可选地， 所述预设值小于或等于 0。 [0008]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 。 [0009]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， 所述凹坑与所述气说　明　书 1/5 页 3 CN 115329608 A 3