CN101002013B - 带有热管的轻金属活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有热管的轻金属活塞(10)，在这种活塞中，通过以下方式在简化活塞结构的同时在避免热应力的条件下改善经受热负荷的活塞区域的散热：在数根设有蒸发端(6a)和冷凝端(6b)且填充有液体的热管(6)中，蒸发端是由短的管段构成，这些管段设置在活塞顶厚度内朝向活塞顶且对准火焰射流，并借助与活塞顶平行延伸的连接热管(7)连接起来，其中，至少两根作为冷凝端(6b)的管段与连接热管(7)连接，以致通过设在冷凝端的端部(7a)上的管接头(8)，在热管的蒸发端、连接热管及冷凝端之间实现冷却液环形且闭合的过程循环。

Description

带有热管的轻金属活塞
技术领域
本发明涉及一种带有热管的轻金属活塞，该活塞包括设在活塞顶内且具有合适的活塞顶厚度的燃烧室、环带、活塞裙部以及用于安装活塞销的活塞销座，还包括数根设有蒸发端和冷凝端且填充有液体的封闭的热管，这些热管分布在靠近环带的圆周侧上，并且在轴向上与活塞轴线对齐。
背景技术
US5454351公开了一种用于内燃机的轻金属活塞，该活塞为了从热的活塞区域散热而采用了所谓的热管，这些热管气密和压力密封封闭地含有一种易蒸发的冷却液，该冷却液例如优选为水，或者也可以是氨、乙二醇或者类似液体。这些铜热管是嵌入或浇铸到在圆周侧上均匀分布的孔内，这些孔设在曲轴侧的活塞顶区域内，其中，这些孔一直延伸到环带的高度上。在活塞销座的区域内，热管设计成稍微弯曲，使得活塞销可以装配到活塞内。热管本身已知的工作原理是：在“热”的一侧(蒸发端)上，位于热管内的液体由于吸收需要冷却区域的热而蒸发。已形成的蒸汽部分流向热管“冷”的一侧(冷凝端)，在这里，蒸汽部分在由于热侧和冷侧之间的温度下降而使其潜在的汽化热散发的条件下，又转变成液态。在冷侧上，通过喷射冷却油将汽化热从内燃机的曲轴室带走。为了保证这样带走在数根单独热管中的热，喷射所有的热管是必需的，这导致了活塞结构昂贵且成本高。
发明内容
本发明的任务在于，进一步设计开头所述类型的轻金属活塞，使得在简化活塞结构的同时改善经受热负荷的活塞区域的散热，从而防止热应力的出现。
按照本发明，该任务是通过以下方式得以解决：在数根设有蒸发端和冷凝端且填充有液体的热管中，蒸发端是由短的管段构成，这些管段设置在活塞顶厚度内朝向活塞顶且对准火焰射流，并借助与活塞顶平行延伸的连接热管连接起来，此外，至少两根作为冷凝端的管段与连接热管连接，以致通过设在其冷凝端的端部上且设有散热片的管接头，在热管的蒸发端、连接热管及冷凝端之间实现冷却液环形且闭合的过程循环。
设计在冷凝端的管段之间的管接头，使得在轻金属活塞的上止点和下止点之间，持久地对散热片施加内燃机喷油嘴的曲轴侧的冷却油射流，通过这样的方式有利地在热管位于冷凝端的端部上有效且快速地带走热量。此外，与活塞顶平行延伸的连接热管确保了温度沿活塞燃烧室边缘的均匀分布，从而可以有效地防止由于热应力而在活塞顶和燃烧室边缘形成裂纹。
优选地，连接热管设在燃烧室边缘和火力岸之间位于环带的高度上。
另外，有利的是，至少两根作为冷凝端的管段在受压侧和背压侧上与活塞裙部间隔距离设置。
附图说明
下面借助附图描述本发明的实施例。
图1示出了在轻金属活塞中的冷却系统按照本发明的第一实施方式；
图2示出了在轻金属活塞中的冷却系统按照本发明的第二实施方式；
图3示出了一种带有集成一体的如图1的冷却系统的轻金属活塞的立体图。
具体实施方式
如图1可看出，冷却系统20是一闭合的冷却循环，该冷却系统由若干热管6构成，这些热管包括数个蒸发端6a和至少两个冷凝端6b，这些热管通过连接热管7连接。在作为冷凝端6b的管段位于冷凝端的端部6c上设有管接头8，该管接头上面设有外部散热片9，两根作为冷凝端6b的管段位于冷凝端的端部6c通过该管接头相互连接。为了进一步扩大散热面积，除了散热片9之外还可以在热管6的冷凝端6b安装附加散热片(未示出)，这些附加散热片为了减轻质量同样可以由铝制成。前述冷却回路装置优选是由铜管或者也可以由铝管组成，这些管子填充有载热油或者含有防冻添加剂的水作为冷却液。冷却系统20的几何尺寸使其可以应用于铝活塞，不会明显改变所要求的高的零件强度。冷却装置作为预制品放入用于制造铝-轻金属活塞10的铸模内，以接着按照已知的铸造方法制造活塞。由于铝和铜的膨胀系数相近，在这样制造的轻金属活塞10的发动机工作中，不会观察到应力问题。
在冷却系统20的另一个制造方案中，连接热管7，包括热管6的蒸发端6a，是借助放入铸模内的盐芯实现，其中，在三个使用的盐芯支撑套筒中的至少两个用作冷凝端6b的若干热管的接头。通过冲掉盐芯形成在轻金属活塞内如图1和图2所给出的结构，该结构不包括热管6的冷凝端6b和管接头8，它们是在轻金属活塞的最后加工之后插入连接热管7的相应孔内并紧接着焊接或粘合。冷却系统20的抽真空及填充是通过在冷凝端的端部引入的孔进行，该孔在填充好冷却液之后气密地封闭。冷却液，特别是水，必须在填充之前在压力为10-4到10-5巴的真空下排除气体，以防止由于内燃机内活塞的运动而引起的气蚀。在活塞的止点，冷却液加速流向相对侧，其中，这可能使气泡破裂，并随之出现气蚀。适宜的是，冷却系统最多填充达到其容积的一半的冷却液。
图2示出了本发明冷却系统20的另一实施例，在该实施例中，在冷却系统中引入了另外两个冷凝端6b，该冷却系统在轻金属活塞内的圆周侧的分布是这样实现，即在受压侧和背压侧分别设有两个冷凝端。箭头方向NB指出了活塞销座孔的走向。
对于如图1和图2的两个实施例适用的是，热管的蒸发端6a分布在连接热管7的圆周上，该分布符合内燃机的火焰射流冲击的分布。
从图3可看出冷却系统在轻金属活塞10的位置。由短的管段构成的蒸发端6a是设在活塞顶厚度内，并朝向活塞顶且对准火焰射流。与活塞顶平行延伸的连接热管7连接蒸发端6a和至少两根作为冷凝端6b的管段，其中，该至少两根作为冷凝端6b的管段与活塞裙部4间隔距离设置。
由内燃机火焰射流产生的热，是通过以下方式从活塞顶、燃烧室和火力岸12区域以及环带3被导出，通过热管蒸发端6a的外壁和连接热管7的外壁传递到内壁，并在自身蒸发的条件下而被冷却液吸收。已形成的蒸汽部分通过连接热管流到热管6的冷凝端6b，在这里，蒸汽部分在由于蒸发端和冷凝端之间的温度下降而使其潜在的汽化热散发的条件下，又转变成液态。在冷凝端6b，特别是在管接头8上，通过借助喷油嘴13从内燃机的曲轴箱内喷射冷却油，将汽化热带走。
因此，通过该冷却系统的结构，当活塞在上止点和下止点之间运动时，确保了持久地从热管6带走汽化热。使用带有本发明的冷却系统20的由铝硅合金组成的轻金属活塞特别适于柴油发动机。
附图标记说明：
轻金属活塞    10
冷却系统      20
环带          3
活塞裙部      4
热管          6
蒸发端        6a
冷凝端        6b
作为冷凝端的管段位于冷凝端的端部  6c
连接热管      7
管接头        8
散热片        9
火力岸        12
喷油嘴        13

Claims (5)

1.一种带有热管的轻金属活塞(10)，包括设在活塞顶内且具有合适的活塞顶厚度的燃烧室、环带(3)、活塞裙部(4)以及用于安装活塞销的活塞销座，还包括数根设有蒸发端(6a)和冷凝端(6b)且填充有液体的封闭的热管，这些热管分布在靠近环带(3)的圆周侧上，并且在轴向上与活塞轴线(A)对齐，
其特征在于：
-所述热管(6)的蒸发端(6a)是由短的管段构成，这些管段设置在活塞顶厚度内朝向活塞顶且对准火焰射流，并借助与活塞顶平行延伸的连接热管(7)连接起来，
-至少两根作为冷凝端(6b)的管段与连接热管(7)连接，以致通过设在所述作为冷凝端(6b)的管段位于冷凝端的端部(6c)上的管接头(8)，在热管的蒸发端、连接热管及冷凝端之间实现冷却液环形且闭合的过程循环。
2.如权利要求1所述的轻金属活塞，其特征在于，所述连接热管(7)设在燃烧室边缘和火力岸(12)之间位于环带(3)的高度上。
3.如权利要求1或2所述的轻金属活塞，其特征在于，所述至少两根作为冷凝端(6b)的管段在受压侧和背压侧上与活塞裙部(4)间隔距离设置。
4.如权利要求3所述的轻金属活塞，其特征在于，所述设在位于冷凝端的端部(6c)上的管接头(8)通过散热片(9)而具有扩大的散热面积。
5.如权利要求4所述的轻金属活塞，其特征在于，设计所述在作为冷凝端(6b)的管段之间的管接头(8)，在轻金属活塞的上止点(OT)和下止点(UT)之间，持久地对所述散热片(9)施加内燃机喷油嘴(13)的曲轴侧的冷却油射流(14)。
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