一種傳熱表面結構的製作方法

2023-08-03 02:42:36

一種傳熱表面結構的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種傳熱表面結構。所述傳熱表面結構包括具有受熱面的基體，多條設置在受熱面上橫向布置的橫向反射槽和多條設置在受熱面上斜向布置的斜向反射槽，相鄰兩條橫向反射槽之間為承載結構橫向載荷面，相鄰兩條斜向反射槽之間為承載結構斜向載荷面，多條設置在受熱面上斜向布置的斜向承載面與多條設置在受熱面上橫向布置的橫向承載面交匯處設有獨立凹形反射曲面。所述橫向反射槽與斜向反射槽呈一定夾角；所述橫向反射槽與斜向反射槽均具有反射曲面，所述橫向反射槽的長度方向與高速高溫氣流運動方向垂直。本實用新型以具有一定表面結構的方式減少了熱損失、降低了CH、C0排放、提局了熱效率。
【專利說明】一種傳熱表面結構

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種傳熱表面結構，具體涉及內燃機燃燒室以及內燃機燃燒室的氣缸、氣缸蓋、氣門、活塞、氣缸套，更具體地，涉及在燃燒室的氣缸、氣缸蓋、氣門、活塞、氣缸套表面上具有的傳熱表面結構。

【背景技術】
[0002]在內燃機中燃燒室總傳熱量佔總燃料燃燒產生熱量的32%左右。傳統的認為內燃機燃燒室輻射傳熱量佔總熱量的0-7%，現在工程上一般忽略不計或採用經驗公式計算，實用新型人經過長期研究發現或已認識到輻射傳熱在一定溫度範圍內成為燃燒室主要傳熱方式。當燃燒室溫度在1173K以上時，其熱量傳遞形式以輻射為主，高溫輻射能量大多數集中在I?5 μ m波段，約佔傳熱量的90%，在現有技術中尚未有針對減少輻射傳熱損失的本實用新型表面結構。
實用新型內容
[0003]為了減少熱損失、降低CH、CO排放、配合燃燒組織、提高熱效率，本實用新型旨在提供一種傳熱表面結構，該表面結構以具有一定表面結構的方式減少熱損失、降低CH、CO排放、配合燃燒組織、提高熱效率。
[0004]為了實現上述目的，本實用新型所採用的表面結構是:
[0005]一種傳熱表面結構，其結構特點是，包括
[0006]——基體，其具有受熱面；
[0007]——多條設置在受熱面上橫向布置的橫向反射槽，相鄰兩條橫向反射槽之間是作為承載結構的橫向載荷面；
[0008]——多條設置在受熱面上斜向布置的斜向反射槽，相鄰兩條斜向反射槽之間是作為承載結構的斜向載荷面；
[0009]——多條設置在受熱面上斜向布置的斜向承載面與多條設置在受熱面上橫向布置的橫向承載面交匯處設有獨立凹形反射曲面；
[0010]所述橫向反射槽與斜向反射槽呈一定夾角；所述橫向反射槽與斜向反射槽均具有反射曲面，所述斜向反射槽或橫向反射槽的長度方向與高速高溫氣流運動方向垂直。
[0011]本實用新型所述高速高溫氣流是指溫度高於1173K，速度高於27m/s的氣流。
[0012]由此，反射曲面集聚的熱量在傳熱表面附近e的範圍內，提高了此處的氣體溫度，加速了未燃成分的燃燒，提高了混合氣的燃燒效率，降低了 CH、CO的排放,提高了傳熱表面的溫度，降低了輻射傳熱損失。由於橫向反射槽與斜向反射槽的存在，減少了高速高溫氣流接觸面積，減少了高速對流傳熱損失。由於橫向反射槽與斜向反射槽的存在，增加了傳熱表面高速高溫氣流的湍流微區域擾動，增加了未燃成分的獲氧、獲熱、鏈鎖反應的燃燒條件。由於橫向反射槽與斜向反射槽的α角的存在，為燃燒室的表面燃燒組織、優化等提供了可倉泛。
[0013]以下為本實用新型的進一步具體結構:
[0014]為了提高可燃混合氣的燃燒效率，降低熱損失，所述橫向載荷面與斜向載荷面的交匯處設有獨立凹形反射曲面，該獨立凹形反射曲面開口直徑dl可按dl = 0.7c,深度hi=1.1326c，且dl > 1mm，其中橫向載荷面或斜向載荷面的寬度c = (0.017?0.333) A，承載結構最大應力承載寬度A = 2mm?26mm。
[0015]所述橫向載荷面或斜向載荷面的寬度c = (0.017?0.333)A，其中承載結構最大應力承載寬度A = 2mm?26mm。
[0016]所述反射曲面的聚焦中心點與所述橫向載荷面或斜向載荷面之間的距離e = r-h=(-0.3?1.3)h，其中反射曲面的深度h = (O?1.618126)b，b為橫向反射槽或斜向反射槽的槽寬，r為反射曲面曲率半徑，b = (0.24975?0.4745) A ;其中承載結構最大應力承載寬度A = 2mm?26_。
[0017]優選地，所述反射曲面為拋物面。
[0018]作為一種具體應用的結構形式，所述基體的受熱面為環形曲面，所述橫向反射槽為環形槽，所述斜向反射槽為螺旋槽，這種傳熱結構可以用在接觸高溫高速氣流的曲面內壁或外表面上，如氣缸內壁，活塞外表面。
[0019]所述螺旋槽的螺旋角α由關係式:tga = φ X p/ji d確定,其中:d = h+2R, R為基體曲面曲率半徑，線數Φ = 1?唚，螺旋角a e (0°，90° );螺距為P = c+b，其中所述橫向載荷面或斜向載荷面的寬度c = (0.017?0.333)A，所述斜向反射槽與橫向反射槽的槽寬b = (0.24975?0.4745) A ;承載結構最大應力承載寬度A = 2mm?26mm。
[0020]作為另一種具體應用的結構形式，所述基體的受熱面為平面。平面上相鄰兩條橫向反射槽相互平行布置，相鄰兩條斜向反射槽相互平行布置，橫、斜向反射槽中一條與氣流垂直，a角由燃燒室燃燒組織導向角確定，a e (0° ,90° )，這種平面表面傳熱結構應用代表如:汽缸蓋。
[0021]作為另一種具體應用的結構形式，所述基體的受熱面為連續變化曲面或多段曲率半徑曲面，橫、斜向反射槽中的一條反射槽的長度方向與氣流方向垂直，另一條反射槽以基體結構曲面中心為中心形成曲面環槽或反射溝槽弧段。
[0022]所述斜向反射槽或橫向反射槽與所述橫向載荷面或斜向載荷面的相交處呈圓角。
[0023]在內燃機中的排放中CH、CO的排放主要來源於低溫貧氧區域，燃燒室內表面是低溫(229°C左右)、貧氧的重點部位，提高內表面溫度、增加空氣擾動、降低CH、C0排放是本實用新型的主要理論依據，採用反射曲面反射聚焦熱能、增加反射溝槽降低輻射與高速高溫氣體接觸面積、增加問題區域空氣與未燃成分擾動混合是本實用新型具體結構。
[0024]本實用新型針對輻射傳熱提出了在燃燒室表面增設反射曲面、橫向反射槽、斜向反射槽結構，用以提高燃燒室壁面或附近氣體溫度，解決由於壁面溫度低大量產生CH、CO排放物難題，由於此溫度的提高和減少了近距離輻射表面積，使輻射傳熱損失大為減少；同時由於在燃燒室內高速運動的高溫氣體與近距離高速接觸面積減少，大幅降低了對流傳熱損失；又同時增加了凹面區域未燃氣體成分的擾動，使未燃燃料成分得到獲氧、獲熱、鏈鎖反應的條件，使燃燒更為充分與潔淨。
[0025]本實用新型對於可能承載的傳熱表面設置了橫向載荷面、斜向載荷面結構，使上述傳熱等功能與承載功能得到良好的結合。
[0026]本實用新型為配合燃燒室燃燒地組織，設置了螺旋角α的結構參數，使燃燒綜合效果提聞。
[0027]本實用新型通過調整結構參數b、C、h、e、α，可獲得不同要求的表面結構。
[0028]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:橫向反射槽、斜向反射槽、反射曲面結構在傳熱表面附近e的範圍內，提高了氣體溫度，加速了燃燒室未燃成分的燃燒，提高了燃料的燃燒效率，降低了 CH、C0的排放，降低了輻射傳熱損失。橫向反射槽、斜向反射槽、反射曲面結構減少了高速高溫氣流接觸面積，減少了高速對流傳熱損失。橫向反射槽、斜向反射槽、反射曲面結構增加了傳熱表面高速高溫氣流的湍流在傳熱表面區域擾動，增強了未燃成分的獲氧、獲熱、鏈鎖反應條件，使燃燒更充分更潔淨。橫向反射槽與斜向反射槽的α角結構為燃燒室的表面燃燒組織、優化等提供了可能。
[0029]以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步闡述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本實用新型一個實施例的結構布置示意圖；
[0031]圖2是圖1的A— A剖視圖；
[0032]圖3是圖1的B— B剖視圖；
[0033]圖4是圖1的C一C剖視圖；
[0034]圖5是燃燒室各部分構成圖；
[0035]圖6是燃燒室氣體溫度與曲軸轉角關係圖；
[0036]圖7是燃燒室氣體瞬間溫度與曲軸轉角展開關係圖；
[0037]圖8是氣缸套溫度沿軸線分布圖。

【具體實施方式】
[0038]圖1?4示意性示出了一種應用在高溫高速氣體流動的燃燒室傳熱表面結構，該傳熱表面可以是內燃機、內燃機燃燒室、熱工設備、工具等燃燒室傳熱表面。傳熱表面可能存在在某個區域有承載機械載荷與摩擦要求的綜合表面。
[0039]圖1為一個燃燒室傳熱表面實施例的結構布置圖。圖中I為燃燒室傳熱表面基體。在基體I上開有多條橫向布置的橫向反射槽5和多條斜向布置的斜向反射槽6。圖2為橫向反射槽5或斜向反射槽6剖面圖。A-A剖面結構為反射曲面按溝槽形式分布在傳熱機件表面上的結構。其反射溝槽的長度方向與主要氣流運動方向垂直或成一定角度。若主要氣流運動為湍流時，則反射溝槽的長度方向與機件的主要裝配面或主要加工基準面平行，或以機件結構曲面中心為中心形成的曲面環槽或反射溝槽弧段。
[0040]圖1燃燒室傳熱面結構中標號2為傳熱表面結構中承載結構交匯處獨立反射曲面結構。其開口直徑dl可按dl = 0.7c,深度hi = 1.1326c計算,位置中心在兩載荷面中心線交點處設置，當計算值dl ( Imm時，不設置獨立反射曲面。
[0041]反射曲面聚焦中心點以及反射曲面的確定:在圖4中，反射曲面聚焦中心點與承載結構表面距離e的確定:e = r-h = (_0.3?1.3)h ;h = (O?1.618126)b ;反射曲面為拋物曲面。反射曲面寬度b= (0.24975?0.4745)A ;A = 2?26mm;深度h= (O?
1.618126)b。
[0042]3為承載結構橫向載荷面；4為承載結構斜向載荷面。承載結構橫向載荷面3中心線(或中心面)平行於熱能反射曲面中心線(或中心面)。承載結構斜向載荷面4中心線(或中心面)與熱能反射曲面中心線(或中心面)成α角度，a e (0°，90° )。
[0043]承載結構載荷面寬度尺寸c以及其他結構尺寸的確定。選定機件承載表面最大承載應力特徵寬度A、長度L、特徵載荷P。例如:內燃機燃燒室氣缸套承載表面第一活塞環高度即為最大承載應力寬度A、活塞環接觸弧長的單位長度為L、單位面積上的載荷為P。設計時令:單位承載面積A = 3c+2b ;結構承載率為V = 3c/ (3c+2b) ;V = 0.05?I ;則c =(0.017 ?0.333) A ；
[0044]基體的受熱面為環形曲面，所述橫向反射槽為環形槽，所述斜向反射槽為螺旋槽，如氣缸內壁表面。
[0045]螺旋槽的螺旋角α由關係式:tga = Φ X p/Ji d,其中:d = h+2R, R為基體曲面曲率半徑，線數φ = I?oo，螺旋角a e (0° ,90° );螺距為P = c+b。
[0046]作為另一種具體的結構形式，所述基體的受熱面為平面。平面上相鄰兩條橫向反射槽相互平行布置，相鄰兩條斜向反射槽相互平行布置，橫、斜反射槽中一條與氣流垂直，a角由燃燒室燃燒組織導向角確定，這種平面表面傳熱結構應用代表如:汽缸蓋。
[0047]作為另一種具體的結構形式，所述基體的受熱面為連續變化曲面或多段曲率半徑曲面，一條反射溝槽的長度方向與氣流方向垂直，另一條以機件結構曲面中心為中心形成曲面環槽或反射溝槽弧段。
[0048]機件傳熱表面結構成型。圖1表面結構可採用粉末冶金、精密鑄造、壓力成型與機械加工等方式製成具有本傳熱表面結構的機件，表面粗糙度Ra = 0.63?0.006 μ m ;各尖角處成圓角。
[0049]本實施例可提高傳熱表面及附近的溫度2?88°C，減少傳熱熱損失5?30%，降低燃料消耗率1.6?9.6%、降低CH、C0排放I?15%。
[0050]有關數據:
[0051]I)燃燒室各部分構成圖(圖5)
[0052]2)燃燒室各組成部件溫度(表I)
[0053]表1:燃燒室各組成部件溫度列表(K)
[0054]
名稱標定工況最大扭矩工況
缸套567555
缸蓋622615
活寒586564
進氣門719722
排氣門801813
[0055]3)燃燒室各組成部分傳熱量(表2)
[0056]表2:燃燒室各組成部分傳熱量(W)
[0057]
傳熱量標定工況最大扭矩丁.況
高溫燃氣傳給活寒熱m1155410577
高溫燃氣傳給氣缸蓋熱量6Π35572
高溫燃氣傳給氣缸套熱:5:76436268
高溫燃氣傳給進氣門熱量16271561
高溫燃氣傳給排氣門熱景I 2111204
活塞Q缸套摩擦產生熱量IB767592
活寒環與氣缸套傳熱S103988432
活塞裙部U氣10:套傳熱量39373029
活寒傳給冷卻油熱S87956944
缸套傳給冷卻油熱量30352228
氣缸蓋傳給冷卻水熱.5:91618698
[0058]
缸套傳給冷卻水熱:5:_18964_15564_
[0059]4)燃燒室氣體溫度與曲軸轉角關係圖；(圖6);
[0060]5)燃燒室氣體瞬間溫度與曲軸轉角展開關係圖；(圖7);
[0061]6)氣缸套溫度沿軸線分布圖；(圖8)。
[0062]本實用新型作為燃燒室氣缸、氣缸套的傳熱表面結構時，氣缸第一活塞環上部與氣缸頂面之間有多條橫向反射槽、斜向反射槽、橫向載荷面、斜向載荷面，由於第一活塞環上部與氣缸頂面之間是燃燒室表面，不承載機械載荷，c尺寸可按較小係數計算；在第一活塞環及下部表面是承載傳熱表面，c尺寸可按較大係數計算。
[0063]上述實施例闡明的內容應當理解為這些實施例僅用於更清楚地說明本實用新型，而不用於限制本實用新型的範圍，在閱讀了本實用新型之後，本領域技術人員對本實用新型的各種替換形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
【權利要求】
1.一種傳熱表面結構,其特徵是,包括 —基體(I )，其具有受熱面； ——多條設置在受熱面上橫向布置的橫向反射槽(5)，相鄰兩條橫向反射槽(5)之間是作為承載結構的橫向載荷面(3)； ——多條設置在受熱面上斜向布置的斜向反射槽(6 )，相鄰兩條斜向反射槽(6 )之間是作為承載結構的斜向載荷面(4)； 所述斜向反射槽(6)與橫向反射槽(5)呈一定夾角；所述橫向反射槽(5)與斜向反射槽(6)均具有反射曲面，所述橫向反射槽(5)或斜向反射槽(6)的長度方向與高速高溫氣流運動方向垂直。
2.根據權利要求1所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述橫向載荷面(3)與斜向載荷面(4)的交匯處設有獨立凹形反射曲面(2)，該獨立凹形反射曲面開口直徑dl可按dl=0.7c,深度hl=l.1326c，且dl > 1mm，其中橫向載荷面(3)或斜向載荷面(4)的寬度C=(0.017?0.333) A，承載結構最大應力承載寬度A=2mm?26mm。
3.根據權利要求1所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述橫向載荷面(3)或斜向載荷面(4)的寬度C= (0.017?0.333) A，其中承載結構最大應力承載寬度A=2mm?26mm。
4.根據權利要求1所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述反射曲面的焦點與所述橫向載荷面(3)或斜向載荷面(4)之間的距離e=r-h= (-0.3?1.3)h，其中反射曲面的深度h=(O?1.618126) b，b為斜向反射槽(6)與橫向反射槽(5)的槽寬，r為反射曲面曲率半徑，b= (0.24975?0.4745) A ;其中承載結構最大應力承載寬度A=2mm?26mm。
5.根據權利要求1或2所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述反射曲面為拋物面。
6.根據權利要求1或2所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述基體(I)的受熱面為環形曲面，所述橫向反射槽(5)為環形槽，所述斜向反射槽(6)為螺旋槽。
7.根據權利要求6所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述螺旋槽的螺旋角α由關係式:tga=cD父？/31(1確定，其中:(1=11+21^為基體曲面曲率半徑，線數0 =1?^?，由高溫氣流方向確定；a e(0°，90° ); 螺距為P=c+b，其中所述橫向載荷面(3)或斜向載荷面(4)的寬度C= (0.017?0.333)A，所述斜向反射槽(6)與橫向反射槽(5)的槽寬b = (0.24975?0.4745) A ;承載結構最大應力承載寬度A=2mm?26mm。
8.根據權利要求1或2所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述基體(I)的受熱面為平面，平面上相鄰兩條橫向反射槽(5)相互平行布置，相鄰兩條斜向反射槽(6)相互平行布置，橫、斜向反射槽中一條與氣流方向垂直，與另一條反射槽成ct角，a e (0° ,90° )。
9.根據權利要求1或2所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述基體(I)的受熱面為連續變化曲面或多段曲率半徑曲面，橫、斜向反射槽中的一條反射槽的長度方向與氣流方向垂直，另一條反射槽以基體結構曲面中心為中心形成曲面環槽或反射溝槽弧段。
10.根據權利要求1或2所述的傳熱表面結構，其特徵在於，所述斜向反射槽(6)或橫向反射槽(5)與所述橫向載荷面(3)或斜向載荷面(4)的相交處呈圓角。
【文檔編號】F02F3/26GK204024799SQ201420432730
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】周華祥 申請人:周華祥