CN103649509B - 内燃机活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机活塞（10、110、210），该活塞具有活塞头（11、111、211）和活塞裙，其中该活塞头（11、111、211）具有环绕的活塞环部（15、115、215）以及在该活塞环部（15、115、215）的区域中的环绕的冷却通道（16、116、216），该冷却通道具有冷却通道底（17、117、217）和冷却通道顶（18、118、218）。根据本发明，该冷却通道（16、116、216）具有收缩部（20、120、220）。

Description

内燃机活塞

技术领域

本发明涉及一种内燃机活塞，该活塞具有活塞头和活塞裙，其中该活塞头具有环绕的活塞环部以及在该活塞环部的区域中的环绕的冷却通道并且该活塞裙分别具有其受压侧和背压侧的工作面。

背景技术

在现代化的内燃机中，这种活塞承受高的机械负荷以及特别高的热负荷。因此原则上需要通过将冷却剂输送到冷却通道中、特别是活塞顶的区域中而使活塞的冷却始终达到最佳的程度。

发明内容

本发明的目的在于，这样改进这种活塞，即，进一步改进活塞顶区域中的冷却作用。

实现方案在于，使冷却通道具有收缩部。

本发明基于流体动力学的连续方程，即，关于在流动的液体中液流横断面的收缩部引起液流速度的提高。在根据本发明的活塞中，根据本发明设置的收缩部在和振荡器效果的共同作用下不仅使得在冷却通道中环绕流动的冷却剂得到充分混合，而且还通过收缩部有针对性地进行加速并且朝活塞顶的方向输送。这样使得经充分混合并且从而冷却的冷却剂在每次活塞冲程中明显比在迄今为止已知的活塞中更加有效且更加频繁地流经活塞顶区域中的、冷却通道的、特别热的侧壁部分。因此提高了冷却通道壁和冷却剂之间的导热系数并且从而明显改善了根据本发明的活塞的冷却效果。

有利的扩展方案由从属权利要求给出。

根据本发明设置的收缩部以适宜的方式具有到冷却通道底的间距，该间距至少等于冷却通道的轴向高度的三分之一和/或最大等于冷却通道的轴向高度的三分之二。由此能够非常有效地加速冷却剂向冷却通道顶的方向流动。为了优化该加速效果，收缩部到冷却通道底和到冷却通道顶优选具有大致相等的距离。

该收缩部适宜地形成为环绕的收缩部，以沿着整个冷却通道产生加速效果。

一个优选的扩展方案在于，由恰好在冷却通道壁处的材料增强部形成收缩部，并且冷却通道顶大体上形成为圆拱顶形状。由此迫使冷却剂在冷却通道顶的区域中呈圆形环绕流动，因此每次活塞冲程中冷却剂多次地和冷却通道壁相互作用。对此，较低温度的冷却剂始终通过收缩部得到加速和补给。在大体上呈圆拱顶形状的冷却通道顶在其最宽的位置上的径向尺寸至少等于收缩部径向尺寸的两倍时，这种作用特别有效。在这种情况下，不太热的冷却剂向下流动，因此没有明显地妨碍较低温度的冷却剂经过收缩部朝向冷却通道顶的方向流动。

本发明的另一个优选的设计在于，通过恰好两个相互面对的、在两个冷却通道壁上的材料增强部形成收缩部。这种设计特别适用于由多个部件经摩擦焊接而成的活塞，在焊缝延伸通过冷却通道时，焊瘤形成了相互面对的材料增强部，这些材料增强部引起了收缩部。

在该设计方案中特别有利的是，冷却通道顶在其顶点上具有分流器，该分流器设置在相对于收缩部的中间位置。在这种情况下，迫使通过收缩部加速流动的冷却剂在冷却通道顶的区域中形成两股反向旋转的流体，这两股冷却剂流体在每次活塞冲程中能够多次地和冷却通道的侧壁相互作用。对此，较低温度的冷却剂始终通过收缩部得到加速和补给。在冷却通道顶在其最宽的位置上的径向尺寸至少等于收缩部径向尺寸的两倍时，这种作用特别有效。在这种情况下，不太热的冷却剂向下流动，因此没有明显地妨碍较低温度的冷却剂经过收缩部流动。

为了优化这种效果，可以额外地使冷却通道顶的、连接在分流器上的区域形成为弧形或圆形的横截面。此外，使分流器形成为V形或锥形的横截面是特别适宜的。

为了进一步优化在冷却通道中的流动情况，邻近活塞环部的冷却通道壁垂直地形成或者向内倾斜地形成。

本发明的另一个优选设计在于，通过恰好两个轴向相互错位排列的、在两个冷却通道壁上的材料增强部形成收缩部。该设计方案使得在冷却通道顶的区域中形成邻近活塞环部和/或活塞顶岸的外部扩张部以及在冷却通道底的区域中形成朝向活塞顶中间、特别是邻近必要时存在的活塞顶凹坑的内部扩张部。由此非常有效地对活塞头的特别高热负荷的区域进行冷却。

在该设计方案中例如可以由此影响冷却效果，即，两个材料增强部具有不同的厚度，从而两个扩张部具有不同大小的半径。具有较大半径的扩张部能够设置在活塞头的热负荷最大的区域中。

本发明适用于所有活塞类型和活塞结构并且能够以任意活塞材料得以实现。

附图说明

下面根据附图详细阐述本发明的实施例。其中，以示意性的、未按精确比例的图示示出：

图1以局部剖面图示出了根据本发明的活塞的第一实施例；

图2以局部剖面立体图示出了根据本发明的活塞的另一个实施例；

图3以局部剖面图示出了根据本发明的活塞的另一个实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的活塞10的第一实施例。该活塞10可以是一个部件构成的活塞或者多个部件构成的活塞。该活塞10能够由钢材和/或轻金属材料制成。图1示例性地示出了根据本发明的活塞10的由一个部件构成的活塞头11。该活塞头11具有：包含活塞顶凹坑13的活塞顶12、环绕的活塞顶岸14和用于接收活塞环（未示出）的活塞环部15。在活塞环部15的高度处设有环绕的冷却通道16，该冷却通道具有冷却通道底17和冷却通道顶18。此外，活塞10以已知的方式还具有活塞裙，该活塞裙可以和活塞头11一件式形成或者作为单独的部件形成，以已知的方式将该活塞裙和活塞头11紧固相连或者例如根据铰接式活塞的类型相连（未示出）。

在本发明的这个实施例中，冷却通道16具有环绕的收缩部20。在本实施例中通过恰好在邻近活塞顶凹坑13的冷却通道壁中的材料增强部21形成该收缩部20。邻近活塞环部15的冷却通道壁22在本实施例中大致垂直地形成。该冷却通道壁也可以稍微向内倾斜，即，朝向活塞顶凹坑13的方向倾斜地形成。

冷却通道16的冷却通道顶18大体上形成为圆拱顶形状。在本实施例中收缩部20在其最窄的位置上大体上具有到冷却通道底17和到冷却通道顶18相同的距离A。因此迫使在冷却通道顶18的区域中的冷却剂以圆形环绕流动，正如圆形箭头所示出的一样，因此每次活塞冲程中冷却剂能够在活塞顶12和活塞顶凹坑13的区域中多次地和冷却通道壁相互作用。对此，较低温度的冷却剂始终通过收缩部20得到加速和补给。为了优化这种效果，在本实施例中大体上呈圆拱顶形状的冷却通道顶18在其最宽的位置上的径向尺寸B至少等于收缩部20的径向尺寸b的两倍，即，B≥2×b。在这种情况下，不太热的冷却剂可以向下流动，因此没有明显地妨碍较低温度的冷却剂经过收缩部20朝向冷却通道顶18的方向流动。

可以以已知的方式通过铸造、锻造、烧结等方法制造根据本发明的活塞10或活塞头11。如图1所示，在一件式的活塞头11中可以以已知的方式通过借助盐芯进行铸造的方法制造根据本发明设计的冷却通道。

图2示出了根据本发明的活塞110的另一个实施例。该活塞110可以是一个部件构成的活塞或者多个部件构成的活塞。该活塞110能够由钢材和/或轻金属材料制成。图2示例性地示出了根据本发明的活塞110的由一个部件构成的活塞头111。该活塞头111具有：包含活塞顶凹坑113的活塞顶112、环绕的活塞顶岸114和用于接收活塞环（未示出）的活塞环部115。在活塞环部115的高度处设有环绕的冷却通道116，该冷却通道具有冷却通道底117和冷却通道顶118。此外，活塞110以已知的方式还具有活塞裙，该活塞裙可以和活塞头111一件式形成或者作为单独的部件形成，以已知的方式将该活塞裙和活塞头111紧固相连或者例如根据铰接式活塞的类型相连（未示出）。

在本发明的这个实施例中，冷却通道116具有环绕的收缩部120。在本实施例中通过恰好两个相互面对的、邻近活塞顶凹坑13的冷却通道壁以及邻近活塞环部115的冷却通道壁中的材料增强部121形成该收缩部120。

在本实施例中冷却通道116的冷却通道顶118在其顶点上具有分流器123，该分流器设置在相对于收缩部120的中间位置。在本实施例中，收缩部120到冷却通道底117的距离和收缩部120到冷却通道顶118的距离大致相同。因此迫使通过收缩部120加速流动的冷却剂在冷却通道顶118的区域中形成两个反向旋转的流体，正如反向圆形箭头所示出的一样，因此每次活塞冲程中冷却剂能够在活塞顶112和活塞顶凹坑113的区域中多次地和冷却通道116的侧壁相互作用。对此，较低温度的冷却剂始终通过收缩部120得到加速和补给。为了优化这种效果，在本实施例中冷却通道顶118在其最宽的位置上的径向尺寸B至少等于收缩部120径向尺寸b的两倍，即，B≥2×b。在这种情况下，不太热的冷却剂可以向下流动，因此没有明显地妨碍较低温度的冷却剂经过收缩部120朝向冷却通道顶118的方向流动。

为了优化这种效果，在本实施例中冷却通道顶118的、连接在分流器123上的区域118a、118b形成为弧形或圆形的横截面并且分流器123形成为V形的横截面。

可以以已知的方式通过铸造、锻造、烧结等方法制造根据本发明的活塞110或活塞头111。如图2所示，在一件式的活塞头111中可以以已知的方式通过借助盐芯进行铸造的方法制造根据本发明设计的冷却通道116。如果活塞头111由两个部件形成并且这两个部件通过摩擦焊接相互连接在一起，那么摩擦焊接的接缝能够穿过冷却通道116，因此可以通过摩擦焊瘤形成相互面对的材料增强部121，这些材料增强部产生了收缩部120，该摩擦焊瘤在摩擦焊接过程中以已知的方式产生。

图3示出了根据本发明的活塞210的另一个实施例。该活塞210可以是一个部件构成的活塞或者多个部件构成的活塞。该活塞210能够由钢材和/或轻金属材料制成。图3示例性地示出了根据本发明的活塞210的由一个部件构成的活塞头211。该活塞头211具有：包含活塞顶凹坑213的活塞顶212、环绕的活塞顶岸214和用于接收活塞环（未示出）的活塞环部215。在活塞环部215的高度处设有环绕的冷却通道216，该冷却通道具有冷却通道底217和冷却通道顶218。此外，活塞210以已知的方式还具有活塞裙，该活塞裙可以和活塞头211一件式形成或者作为单独的部件形成，以已知的方式将该活塞裙和活塞头211紧固相连或者例如根据铰接式活塞的类型相连（未示出）。

在本发明的这个实施例中，冷却通道216具有环绕的收缩部220。在本实施例中通过恰好两个轴向相互错位排列的、邻近活塞顶凹坑213的冷却通道壁以及邻近活塞环部215的冷却通道壁中的材料增强部221a、221b形成该收缩部220。由此在冷却通道底217的区域中形成向活塞顶凹坑213延伸的内部扩张部224。此外，在冷却通道顶218的区域中形成向活塞环部215的、最上部的环形槽和向活塞顶岸214延伸的外部扩张部225。这使得在发动机运转过程中非常有效地冷却活塞头211的、特别高热负荷的区域，即在活塞顶凹坑213和活塞顶岸214区域中的活塞顶212。在本实施例中也由此影响了冷却效果，即，使材料增强部221a具有厚度D1，该厚度大于材料增强部221b的厚度D2。因此，内部扩张部224具有比外部扩张部225更大的半径。因此在本实施例中，在发动机运转时特别有效地冷却了活塞顶凹坑的区域。当然，材料增强部221b也可以具有比材料增强部221a更大的厚度，在这种情况下，外部扩张部225具有比内部扩张部224更大的半径，因此特别有效地冷却了活塞顶213和活塞顶岸214的区域（未示出）。

扩张部224、225能够在结构允许的范围中在径向方向上向内或向外任意距离地延伸，如图3中线条部分示出的一样。

冷却通道216的冷却通道底217和冷却通道顶218大体上形成为圆拱顶形状。在本实施例中收缩部220在其最窄的位置上大体上具有到冷却通道底217和到冷却通道顶218相同的距离A。因此迫使在冷却通道底217和冷却通道顶218的区域中的冷却剂以圆形逆时针环绕流动，正如圆形箭头所示出的一样。因此每次活塞冲程中冷却剂能够在活塞顶212和活塞顶凹坑213的区域中多次地和冷却通道壁相互作用。对此，较低温度的冷却剂始终通过收缩部220得到加速和补给。为了优化这种效果，在本实施例中内部扩张部224和外部扩张部225在它们各自最宽的位置上的径向尺寸B至少等于收缩部20的径向尺寸b的两倍，即，B≥2×b，如图1中外部扩张部225的示例所示。在这种情况下，不太热的冷却剂能够向下流动，因此没有明显地妨碍较低温度的冷却剂经过收缩部220朝向冷却通道顶218的方向流动并且有效地冷却了活塞顶212的区域。因为同时有一部分新的、较低温度的冷却剂在冷却通道底的区域中以圆形环绕流动，而不是通过收缩部220向上流动，对此，该冷却剂没有通过从冷却通道顶218的区域回流的热的冷却剂而受到过度加热，因此也有效地冷却了活塞顶凹坑的区域。

可以以已知的方式通过铸造、锻造、烧结等方法制造根据本发明的活塞210或活塞头211。如图3所示，在一件式的活塞头211中可以以已知的方式通过借助盐芯进行铸造的方法制造根据本发明设计的冷却通道216。

Claims (5)

1.一种内燃机活塞(10)，所述活塞具有活塞头(11)和活塞裙，其中所述活塞头(11)具有环绕的活塞环部(15)以及在所述活塞环部(15)的区域中的、环绕的冷却通道(16)，所述冷却通道具有冷却通道底(17)和冷却通道顶(18)，其特征在于：

所述冷却通道(16)具有收缩部(20)，所述冷却通道顶在其最宽的位置上的径向尺寸B至少等于所述收缩部的径向尺寸b的两倍，即B≥2×b，所述收缩部(20)具有到所述冷却通道底(17)的间距，所述间距最大等于所述冷却通道(16)的轴向高度的三分之二；

所述收缩部(20)仅由一个在冷却通道壁处的材料增强部(21)形成；

冷却通道顶(18)大体上形成为圆拱顶形状。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述收缩部(20)具有到所述冷却通道底(17)的间距，所述间距至少等于所述冷却通道(16)的轴向高度的三分之一。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述收缩部(20)大体上具有到所述冷却通道底(17)和到所述冷却通道顶(18)相同的距离(A)。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述收缩部(20)形成为环绕的收缩部(20)。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冷却通道(16)具有邻近活塞环部(15)的冷却通道壁(22)，所述冷却通道壁垂直地形成或者向内倾斜地形成。