BR112014000079B1

BR112014000079B1 - Pistão para motor de combustão

Info

Publication number: BR112014000079B1
Application number: BR112014000079-4A
Authority: BR
Inventors: Ulrich Bischofberger
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2021-08-03
Also published as: JP6335781B2; JP2014520991A; EP2729689B1; DE102011116332A1; EP2729689A1; BR112014000079A2; CN103649509B; WO2013004215A1; KR101962988B1; CN103649509A; KR20140050020A; US9109530B2; US20140290618A1

Abstract

pistão para motor de combustão. a presente refere-se a um pistão (10, 110, 210) para um motor de combustão com cabeçote de pistão (11, 111, 211) e uma haste de pistão, sendo que o cabeçote de pistão (11, 111, 211) apresenta uma seção anelar circundante (15, 115, 215), bem como na região da seção anelar (15, 115, 215) apresenta um canal de resfriamento circundante (16, 116, 216) com um fundo de canal de resfriamento (17, 117, 217) e um teto de canal de resfriamento (18, 118, 218). de acordo com a invenção está previsto que o canal de resfriamento (16, 116, 216) apresenta um estreitamento (20, 120, 220).

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um pistão para motor decombustão com um cabeçote do pistão e uma haste de pistão, sendo que o cabeçote do pistão apresenta uma seção anelar circundante, bem como na região anelar apresenta um canal de resfriamento circundante e a haste do pistão apresenta uma face de deslocamento alocada ao seu lado de pressão e ao seu lado de contrapressão.

[0002] Pistões desta espécie são expostos em motores decombustão modernos a elevadas cargas mecânicas, especialmente térmicas. Por isso, existe uma necessidade básica de procurar sempre a otimização do resfriamento dos pistões através da alimentação de frigorígenos no canal de resfriamento, especialmente na área do fundo do pistão.

[0003] É tarefa da presente invenção desenvolver de tal maneiraum pistão desta espécie que o resfriamento seja adicionalmente aprimorado na área do fundo do pistão.

[0004] A solução prevê que o canal do resfriamento apresenta umestreitamento.

[0005] A presente invenção baseia-se na equação de continuidadeda dinâmica de fluidos, de acordo com a qual, nos fluidos um estreitamento da seção transversal do fluxo resulta em um aumento da velocidade da correnteza. No pistão de acordo com a invenção, o estreitamento previsto de acordo com a invenção, em cooperação com o efeito Shaker faz com que o frigorígeno circulante no canal de resfriamento não seja somente misturado, mas pelo estreitamento seja acelerado de forma controlada e conduzido na direção do fundo do pistão. Isto faz com que o frigorígeno misturado e, portanto, misturado, é conduzido de uma forma mais essencialmente mais frequente por cada curso do pistão do que no pistão até agora conhecido, passando ao longo dos segmentos quentes, especialmente das paredes do canal de resfriamento, na área do fundo do pistão. Desta maneira, o coeficiente de transferência de calor entre a parede do canal do resfriamento e o frigorígeno será aumentado e, portanto, o resfriamento do pistão, de acordo com a invenção, será essencialmente aprimorado.

[0006] Ampliações vantajosas resultam de acordo com asreivindicações dependentes.

[0007] Convenientemente, o estreitamento previsto de acordo coma invenção prevê uma distância do fundo do canal de resfriamento que corresponde pelo menos a um terço da altura axial e/ou no máximo a dois terços da altura axial do canal de resfriamento. Desta maneira, poderá ser lograda uma aceleração especialmente eficaz da corrente de frigorígeno na direção do teto do canal de resfriamento. Para otimizar a aceleração, o estreitamento apresenta preferencialmente de modo essencial a mesma distância do fundo do canal de resfriamento e do teto do canal de resfriamento.

[0008] Convenientemente, o estreitamento está conformado comoestreitamento circundante a fim de produzir o efeito de aceleração ao longo de todo o canal de resfriamento.

[0009] Uma ampliação preferida prevê que o estreitamento sejaformado por precisamente um aumento do material em uma parede do canal de resfriamento e que o teto do canal de resfriamento essencialmente seja conformado como cúpula. Com isto, se consegue que o frigorígeno na área de teto do resfriamento seja forçado em uma correnteza circular revolvente de maneira que várias vezes por cada curso de pistão se produz uma interação com a parede do canal de resfriamento. Desta forma, o frigorígeno de temperatura mais baixo será sempre acelerado pelo estreitamento e reabastecido. Este efeito será especialmente eficaz quando a medida radial do teto de resfriamento essencialmente em forma de cúpula, no seu ponto mais largo, for pelo menos igual a duas vezes a medida radial do estreitamento. Neste caso, menor volume de frigorígeno quente pode fluir para baixo de maneira que o fluxo do frigorígeno de temperatura mais baixa através do estreitamento na direção do teto do canal de estreitamento não é essencialmente inibido.

[00010] Outra conformação preferida da presente invenção resideem que o estreitamento seja formado por precisamente duas saliências de material reciprocamente opostas em duas paredes do canal de resfriamento. Esta conformação é especialmente oferecida no caso de pistões de várias seções de solda por fricção quando a costura da solda atravessar o canal de resfriamento de maneira que os boleados da solda formam as saliências de material reciprocamente opostos que produzem o estreitamento.

[00011] Nesta conformação é de especial vantagem que o teto do canal do resfriamento no seu zênite apresente um divisor de fluxo que está disposto em sentido central relativamente ao estreitamento. Neste caso, o frigorígeno que fluir aceleradamente pelo estreitamento, na área do teto do canal do resfriamento será forçado em duas direções que giram em sentido contrário e que várias vezes por cada curso pistão podem entrar em uma interação com a parede do canal de resfriamento. No caso, sempre frigorígeno de temperatura mais baixa será acelerado pelo estreitamento e reabastecido. Este efeito será especialmente eficaz quando a medida radial do teto do canal de resfriamento no seu ponto mais largo for pelo menos igual a duas vezes a medida radial do estreitamento. Neste caso, menor volume de frigorígeno quente deve fluir para baixo, de maneira que o fluxo do frigorígeno de temperatura mais baixa pelo estreitamento não será essencialmente prejudicado.

[00012] Para otimização deste efeito, adicionalmente as áreas do teto do canal de resfriamento que são sequenciais ao divisor de corrente, na sua seção transversal podem ser conformadas arqueadas ou circulares. Além disso, será especialmente conveniente conformar o divisor de corrente na sua seção transversal em formato de V ou cuneiforme.

[00013] Para otimização adicional das relações de fluxo no canal de resfriamento, a parede do canal de resfriamento adjacente à seção anelar pode ser conformada perpendicularmente ou inclinada obliquamente na direção do interior.

[00014] Outra conformação preferida da presente invenção reside em que o estreitamento seja formado por precisamente duas saliências de material dispostas reciprocamente defasadas em sentido axial em duas paredes de canal de resfriamento. Esta conformação faz com que na área do teto do canal de resfriamento seja formado um alargamento orientado na direção do centro do fundo do pistão, na área do fundo do canal do resfriamento, especialmente no sentido de uma concavidade de combustão eventualmente existente em posição adjacente. Desta maneira, estas áreas termicamente especialmente carregadas intensamente do cabeçote do pistão serão resfriadas de forma bastante eficaz.

[00015] O efeito de resfriamento nesta modalidade pode, por exemplo, ser influenciado pelo fato de que as duas saliências de material apresentam espessuras diferenciadas de maneira que os dois alargamentos são conformados com raios de tamanho diferenciado. O alargamento com o raio maior poderá depois estar disposto na área da maior carga térmica do cabeçote do pistão.

[00016] A presente invenção está adequada para todos os tipos de pistão de todas as formas de produção de pistões, sendo que pode ser concretizada com qualquer material para produção de pistão.

[00017] Exemplos de execução da presente invenção serão, em seguida, explicados mais detalhadamente com base nos desenhos anexos. São mostrados em uma forma esquemática e não em escala precisa:Figura 1 - primeiro exemplo de execução de um pistão de acordo com a invenção em apresentação parcial em corte;Figura 2 - outro exemplo de execução de um pistão de acordo com a invenção em apresentação parcial em perspectiva de corte;Figura 3 - outro exemplo de execução de um pistão de acordo com a invenção em apresentação parcial, em corte.

[00018] A figura 1 apresenta o primeiro exemplo de execução de um pistão de acordo com a invenção 10. O pistão 10 pode ser um pistão inteiriço ou de várias seções. O pistão 10 pode ser produzido de um material de aço e/ou de um material de metal leve. A figura 1 apresenta, por exemplo, um cabeçote de pistão 11 de inteiriço de um pistão 10 de acordo com a invenção. O cabeçote do pistão 11 apresenta um fundo de pistão 12 que possui uma concavidade de combustão 13, um ressalto de pistão circundante 14 e uma seção anelar 15 para receber anel de pistão (não mostrados). Na altura da seção anelar 15 está previsto um canal de resfriamento 16 circundante com fundo de canal de resfriamento 17 e um teto de canal de resfriamento 18. O pistão 10 apresenta, além disso, de forma conhecida uma haste de pistão que é configurada com o cabeçote de pistão 11 de forma inteiriça ou como componente separado, que está unido com o cabeçote do pistão 11 de forma já conhecida fixamente ou, por exemplo, à semelhança de um pistão de haste de pendulo (não mostrado).

[00019] Neste exemplo de execução da presente invenção, o canal de resfriamento 16 apresenta um estreitamento 20 circundante. Estreitamento 20 neste exemplo de execução é formado precisamente por um aumento de material 21 na parede de canal de resfriamento contígua na concavidade combustora 13. A parede de canal de resfriamento 22 vizinha na seção anelar 15, neste exemplo de execução, está essencialmente conformada em sentido perpendicular. Pode também, ser conformada ligeiramente em sentido oblíquo voltado para o interior, isto é, na direção da concavidade combustora 13.

[00020] Essencialmente, o teto 18 do canal de resfriamento 16 é essencialmente conformado como cúpula. O estreitamento 20 apresenta n este exemplo de execução, no seu ponto mais estreito, essencialmente a mesma distância A do fundo do canal de resfriamento 17 e do teto do canal de resfriamento 18. Com o resultado, o frigorígeno, na área do teto do canal de resfriamento 18, será forçado em uma correnteza circundante circular como é indicada pelas setas circulares de maneira que o frigorígeno pode interagir várias vezes por cada curso do pistão com a parede do canal do resfriamento na área do fundo do pistão 12 e da concavidade combustora 13. No caso, sempre frigorígeno de temperatura mais baixa será acelerado e reabastecido pelo estreitamento 20. Para otimização deste efeito, neste exemplo de execução, a medida radial B do teto do canal do resfriamento 18 essencialmente em forma de cúpula, em seu ponto mais largo, é pelo menos igual a duas vezes a medida radial b do estreitamento 20, ou seja, B > 2xb. Neste caso, menor frigorígeno quente pode fluir para baixo, de maneira que o fluxo do frigorígeno de temperatura mais baixa, pelo estreitamento 20 na direção do teto do canal de resfriamento 18 não é essencialmente inibido.

[00021] O pistão 10 de acordo com a invenção, ou seja, a seção superior do pistão 11, de forma conhecida, pode ser produzida por fundição, forja, sinteração etc. Em uma seção superior de pistão 11 inteiriça como mostrado na figura 1, o canal de resfriamento conformado de acordo com a invenção pode ser produzido de forma conhecida por meio de fundição com um núcleo salino.

[00022] A figura 2 apresenta um outro exemplo de execução de um pistão de acordo com a invenção 110. O pistão 110 pode ser um pistão inteiriço ou de várias seções. O pistão 110 pode ser produzido de um material de aço e/ou de um material de metal leve. A figura 2 apresenta, por exemplo, um cabeçote de pistão inteiriço 111 de um pistão 110 de acordo com a invenção. O cabeçote do pistão 111 apresenta um fundo de pistão 112 que possui uma concavidade combustora 113, um ressalto de pistão circundante 114 e uma seção anelar 115 para receber anéis de pistão (não mostrados). Na altura da seção anelar 115 está previsto um canal de resfriamento 116 circundante com um fundo de canal de resfriamento 117 e um teto de canal de resfriamento 118. O pistão 110 apresenta também de forma conhecida uma haste de pistão que pode ser conformada inteiriça ou como peça separada com o cabeçote do pistão 111, componente este que está unido com o cabeçote do pistão 111 de forma conhecida fixamente ou, por exemplo, a exemplo de um pistão de haste pendular (não mostrado).

[00023] Neste exemplo de execução da presente invenção, o canal de resfriamento 116 apresenta um estreitamento 120 circundante. O estreitamento 120 neste exemplo de execução é formado precisamente por duas saliências de material reciprocamente opostas 121 nas duas paredes de canal de resfriamento vizinhas na direção da concavidade combustora 113, ou seja, da seção anelar 115.

[00024] O teto 118 do canal de resfriamento 116 apresenta, neste exemplo de execução, no seu zênite, um divisor de fluxo 123 que está disposto no centro para com o estreitamento 120. A distância do estreitamento 120 na direção do fundo do canal de resfriamento 117, neste exemplo de execução, é aproximadamente tão grande quanto à distância do estreitamento 120 para o teto do canal de resfriamento 118. No resultado, o frigorígeno que flui aceleradamente pelo estreitamento 120, na região do teto do canal de resfriamento 118 será forçado em duas correntezas que giram em sentido contrário, como é indicado pelas setas circulares contrárias, de maneira que o frigorígeno pode interagir várias vezes em casa curso do pistão com a parede do canal de resfriamento 116 na área do fundo do pistão 112 e da concavidade combustora 113. No caso, sempre frigorígeno de temperatura mais baixa será acelerado e reabastecido pelo estreitamento 120. Para otimização deste efeito, neste exemplo de execução, a medida radial B do teto do canal de resfriamento 118, no seu ponto mais largo é, pelo menos, igual a duas vezes a medida d radial do estreitamento 120, ou seja, B > 2xb. Neste caso, menor volume de frigorígeno quente pode fluir para baixo de maneira que o fluxo de frigorígeno de temperatura mais baixa pelo estreitamento 120 através da direção do teto do canal de resfriamento 118 não é essencialmente inibido.

[00025] Para otimização deste efeito, neste exemplo de execução, as áreas 118a, 118b do teto do canal de resfriamento 118 sequenciais ao divisor de correnteza 123, na sua seção transversal são arqueados ou circulares e o divisor de corrente 123 na seção transversal é conformado em V.

[00026] O pistão 110 de acordo com a invenção, ou seja, a seção superior do pistão 111, pode de forma conhecida ser produzida por fundição, forja, sinteração etc. Em uma seção superior de pistão 111 inteiriça, como mostrado na figura 2, o canal de resfriamento 116 conformado de acordo com a invenção, de forma conhecida, poderá ser produzida por fundição com um núcleo salino. Quando a seção superior do pistão 111 estiver conformada em duas seções e as duas seções estiverem interligadas por solda por fricção, a costura da solda de fricção pode atravessar o canal de resfriamento 116 de maneira que saliências de metal 121 reciprocamente opostas, que produzem o estreitamento 120, podem ser formadas pelo boleados da solda de fricção, como surgem de forma já conhecida durante o processo da solda com fricção.

[00027] A figura 3 apresenta um outro exemplo de execução de um pistão 210 de acordo com a invenção. O pistão 210 pode ser um pistão inteiriço ou de várias seções. O pistão 210 pode ser produzido de um material de aço e/ou de um material de metal leve. A figura 3 apresenta, por exemplo, um cabeçote de pistão inteiriço 211 de um pistão 210 de acordo com a invenção. O cabeçote do pistão 211 apresenta um fundo de pistão 212 com uma concavidade combustora 213, um ressalto de pistão circundante 214 e uma seção anelar 215 para receber anéis de pistão (não mostrados). Na altura da seção anelar 215 está previsto um canal de resfriamento 216 circundante com um fundo de canal de resfriamento 217 e um teto de canal de resfriamento 218. O pistão 210 apresenta também de forma conhecida uma haste de pistão que é conformada com o cabeçote do pistão 211 inteiriço ou como peça separada, que com o cabeçote do pistão 211, de forma conhecida, está unida fixamente ou, por exemplo, como um pistão de haste pendular (não mostrado).

[00028] Neste exemplo da execução da presente invenção, o canal de resfriamento 216 apresenta um estreitamento 220 circundante. O estreitamento 220, neste exemplo de execução, é formado precisamente por duas saliências de material 221a, 221b dispostas axialmente defasadas em sentido convergente sendo formadas nas duas paredes do canal de resfriamento adjacentes da concavidade combustora 213, ou seja, da seção anelar 215. Desta maneira, na área do fundo do canal de resfriamento 217 será conformado um alargamento 224 interno que se estende na direção da concavidade combustora 213. Além disso, na área do teto do canal de resfriamento 218, será conformado um alargamento 225 externo que se estende até a ranhura anelar mais alta da seção anelar 215 e até o ressalto de pistão 214. Isto faz com que na operação do motor estas áreas termicamente especialmente solicitadas intensamente do cabeçote do pistão 211, qual seja, o fundo do pistão 212, na área da concavidade combustora 213 e do ressalto de pistão 214 sejam resfriadas de forma bastante eficaz. Este efeito de resfriamento neste exemplo de execução também é influenciado pelo fato de que a saliência de material 221a apresenta uma espessura D1 que é maior do que a espessura D2 do aumento de um material 221b. Por conseguinte, o alargamento interno 224 apresenta um raio maior para o alargamento externo 225. Desta maneira, neste exemplo de execução, na operação do motor, a área da concavidade combustora será refrigerada de modo especialmente eficaz. Naturalmente, também, a saliência de material 221b pode apresentar uma espessura maior do que a saliência de material 221a, de modo que, neste caso, o alargamento externo 225 apresentará um raio maior do que o alargamento interno 224 e, por conseguinte, a área do fundo do pistão 213 e do ressalto do pistão 214 é resfriada de um modo especialmente eficaz (não mostrado).

[00029] Os alargamentos 224, 225 no contexto da possibilidadeconstrutiva, podem se estender radialmente, seja para dentro, seja para fora, em extensão aleatória como é mostrado na figura 3 por traços e pontos.

[00030] O fundo do canal de resfriamento 217 e o teto do canal de resfriamento 218 do canal de resfriamento 216 são essencialmente conformados em forma de cúpula. O estreitamento 220 apresenta neste exemplo de execução, no seu ponto mais estreito, essencialmente a mesma distância A do fundo do canal de resfriamento 217 e do teto do canal de resfriamento 218. No resultado, o frigorígeno será forçado na área do fundo do canal de resfriamento 217 e na área do teto do canal de resfriamento 218 em uma correnteza circulante de modo circular no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, como é indicado pelas setas circulares. Desta maneira, o frigorígeno poderá interagir várias vezes por cada curso do pistão com a parede do canal de resfriamento na área do fundo do pistão 212 e da concavidade combusto 213. Neste caso, sempre será acelerado e reabastecido o frigorígeno com temperatura mais baixa através do estreitamento 220. Para otimizar este efeito, neste exemplo de execução, a medida radial D do alargamento interno 224, ou seja, do alargamento externo 225, sempre no seu ponto mais largo será pelo menos igual a duas vezes a medida radial b do estreitamento 20, ou seja, B > 2xb como é mostrado na figura 1 no exemplo do alargamento externo 225. Neste caso, menor volume de frigorígeno quente pode fluir para baixo de maneira que o fluxo do frigorígeno de baixa temperatura através do estreitamento 220 na direção do teto do canal de resfriamento 218 não é essencialmente inibido e a área do fundo do pistão 212 será eficazmente resfriada. Como ao mesmo tempo uma parcela do frigorígeno fresco de temperatura mais baixa circula na área do fundo da área do resfriamento em um fluxo de formato circular, ao invés de fluir através do estreitamento 220 para cima, sendo que este frigorígeno não é excessivamente aquecido por frigorígeno quente que reflui da região do teto do canal de resfriamento 216, sendo também a área da concavidade combustora resfriada de modo eficaz.

[00031] O pistão 210 de acordo com a invenção, ou seja, a seção superior do pistão 211, pode de forma conhecida ser produzida por fundição, por forja, sinteração etc. Em uma seção superior de pistão 211 inteiriça como mostrada na figura 3, o canal de resfriamento 216 conformado de acordo com a invenção pode ser produzido de forma conhecida por fundição com um núcleo salino.

Claims

1. Pistão (10) para motor de combustão com um cabeçote de pistão (11) e uma haste de pistão, sendo que o cabeçote de pistão (11) apresenta uma seção anelar circundante (15), bem como na região da seção anelar (15) apresenta um canal de resfriamento circundante (16) com um fundo de canal de resfriamento (17) e um teto de canal de resfriamento (18),caracterizado pelo fato de queuma medida radial (B) do teto do canal de resfriamento (18) em forma de cúpula em seu ponto mais largo é pelo menos igual a duas vezes uma medida radial (b) do estreitamento (20) eo canal de resfriamento (16) apresenta um estreitamento (20) formado por um aumento de material (21) em uma parede do canal de resfriamento e o teto do canal de resfriamento (18) é conformado como cúpula.

2. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o estreitamento (20) apresenta uma distância do fundo do canal de resfriamento (17) que corresponde pelo menos a um terço da altura axial do canal de resfriamento (16).

3. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o estreitamento (20) apresenta a mesma distância (A) do fundo do canal de resfriamento (17) e do teto do canal de resfriamento (18).

4. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o estreitamento (20) está conformado como estreitamento (20) circundante.

5. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o canal de resfriamento (16) apresenta uma parede de canal de resfriamento (22) adjacente da seção anelar (15) que está conformada em sentido vertical ou inclinada obliquamente para dentro.