CN104160127A - 浇铸的轻质金属活塞，特别是铝活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机(16)的浇铸的轻质金属活塞(1)，特别是铝活塞(1)，具有活塞顶(2)和与所述活塞顶邻接的活塞裙(3)，所述浇铸的轻质金属活塞(1)包括布置在加压侧(DS)和反压侧(GDS)的两个裙壁(4,5)和连接这些裙壁(4,5)的两个套筒壁(6,7)，所述套筒壁在活塞顶(2)的方向上朝向彼此锥形变细。此处，本发明的本质是，所述活塞(1)包括环形环绕的冷却通道(9)；且所述活塞顶(2)的厚度(d)至多为4.5mm。以此方式，能制造高性能、轻质的活塞(1)。

Description

浇铸的轻质金属活塞,特别是铝活塞

技术领域

本发明涉及根据权利要求1前序部分的一种浇铸的轻质金属活塞，特别是用于内燃机的铝活塞，包括活塞顶和与所述活塞顶邻接的活塞裙。本发明还涉及装配有所述活塞的内燃机。

背景技术

DE10 2007 020 447A1公开了用于内燃机的普通活塞，其中布置在加压侧上的裙壁在活塞的圆周方向上比布置在反压侧上的裙壁短。该发明致力于实现在加压侧的套筒壁和裙之间的连接区域几乎不出现任何裂缝的效果。

DE10 2009 032 379A1公开了一种用于内燃机的普通活塞，所述活塞具有活塞顶、具有圆周环形区域顶部环槽和活塞裙，该活塞包括布置于加压侧和反压侧的两个裙壁，以及与这些裙壁连接的两个套筒壁。在此情况下，在活塞的圆周方向上可见，布置在加压侧的裙壁比布置在反压侧的裙壁短。为了减小活塞的负载，加压侧上的套筒壁以直线倾斜走向，销毂区域内的套筒壁的距离比加压侧上的裙壁区域内的大。

当前存在在减少CO₂的方向发展内燃机的总体趋势，这通过所谓的小型化形式实施。因为在此情况下，内燃机中活塞的震动量也起到重要作用，渐渐地使用轻质结构的活塞，该轻质结构的活塞还可承受更高的热机械负载。在轻质结构的活塞情况下，主要目的在于以负载最优化的方式采用设计以避免高负载位置中裂缝的形成，例如活塞顶或加压侧上的高负载的套筒壁，同时适当处理对显著降低重量，由此减少CO₂排放的需求。同时，这种轻质结构的活塞必须具有其它重要的功能特性，例如抗咬合性能、低的裙摩擦和顺畅的运行。

本发明解决了为普通型轻质结构的活塞提供改善的实施方式的问题，该改善的实施方式特征特别在于重量减轻和负载承受能力提高。

发明内容

根据本发明，该问题通过独立权利要求1的主题解决。有利的实施方式为从属权利要求的主题。

本发明基于以下总体思想：与现有技术至今为止已知的浇铸铝活塞相比，通过额外的冷却通道，以由此能减少活塞运动所需的功，从而能更好地冷却，并由此构建重量更轻的浇铸的轻质浇铸金属活塞，特别是铝活塞。在此情况下，浇铸的轻质金属活塞，特别是铝活塞在这种情况下包括以公知方式面向燃烧室的活塞顶和与所述活塞顶邻接的活塞裙，所述浇铸的轻质金属活塞具有布置在加压侧和反压侧上的用于导向的两个裙壁以及连接这些裙壁的两个套筒壁。在此情况下，套筒壁彼此倾斜地布置，并在活塞顶方向朝向彼此锥形变细。这种轻质金属活塞例如由DE10 2007 020 447A1已经公开，名为Mahle根据本发明，这种轻质金属活塞现今额外地首次具有环形环绕的冷却通道，这使得特别在活塞顶和环绕的环形区域之间的过渡区域中能实现活塞的有效冷却，其中活塞顶的厚度另外受4.5mm的最大值限制。通过该环形环绕的冷却通道和活塞顶厚度的降低，根据本发明的浇铸的轻质金属活塞可在其重量方面与先前已知的具有冷却通道的活塞相比显著降低，其中在其厚度方面降低的活塞顶使得能更好地散热，并由此还能利用已知的喷雾冷却来更好地冷却。环形环绕的冷却通道确保了环形区域中的所需冷却，这在先前已知的轻质金属活塞的情况下由于没有冷却通道在这种形式下是不可能的。由于倾斜定位的套筒壁，无论活塞顶多薄，均可实现所需的强度，而不会产生问题，其中活塞顶的厚度限值通常由使用的相应的浇铸方法限定。下文中仅将术语“活塞”用作浇铸的轻质金属活塞，特别是铝活塞的通用术语。

在根据本发明的有利的其它实施方式中，活塞顶的厚度至多为3.5mm的最大值，优选仅为2或3mm。与至今为止现有技术已知的活塞顶相比，这种薄的活塞顶在其重量方面得到显著降低，其中由于较小的厚度，从下面起作用的喷雾冷却确保了活塞顶的快速散热，由此有效冷却。

实际上，利用盐核制造上述冷却通道。这种盐核在轻质金属活塞/铝活塞的浇铸期间已被采用许多年，因此是用于产生这种中空的冷却通道结构的经测试并证明了的设施。或者，显然还容易想到例如通过盐核产生上述冷却通道。通过这种盐核或沙核，也可产生相对精细的冷却通道结构，使得例如可单独制得具有可变直径的根据本发明的冷却通道。

在根据本发明的另一有利实施方式中，两个套筒壁在加压侧的裙壁方向彼此相向走向。加压侧和反压侧与根据本发明的活塞区别开来，因为无论何时，特别是在燃烧室点燃期间产生的气体压力作用于活塞顶时，活塞被压向一侧，或者通过倾斜定位的连接杆倾斜，因此两个裙壁中的一个在其运行表面压靠缸膛的内壁。该裙壁被描述为布置在加压侧上的裙壁。通过根据本发明的两个套筒壁，不仅能降低套筒壁内裂缝形成的风险，如果适宜的话，还能降低邻接的裙壁内裂缝形成的风险。在此情况下，布置在加压侧的裙壁可设计为在其中间区域中比在其分配给套筒壁的边缘区域中薄，例如甚至还可为布置在加压侧的裙壁被设计为在其中间区域比在其分配给套筒壁的边缘区域中薄至多50％，由此可实现根据本发明的活塞的运动量的实质减少。此时，当裙壁厚度从其中间区域向其外边缘区域的增加连续时是有利的，由此柄壁(shank wall)内的应力负载被均匀分散。

此外，本发明还基于以下总体思想：对内燃机装配至少一个所述活塞，且另外提供至少两个喷嘴，用于每个轻质金属活塞的活塞冷却，该至少两个喷嘴中的一个朝向活塞冷却通道的入口/流入口，另一个位于活塞顶。一个喷嘴由此传输冷却流体至冷却通道中，该冷却流体为机油，在该冷却通道中冷却流体特别有利于轻质金属活塞/铝活塞的环形区域的冷却。另一喷嘴优选朝向活塞顶，由此通过从底部直接喷油来冷却活塞顶。由于活塞顶的小的厚度，活塞顶可被有效冷却，因为内燃机中产生的热相对快速地贯穿活塞顶，并由此可被喷洒的油散去。显然，此处还容易想到，活塞顶另外通过喷洒下旋转机轴的油由底部冷却，特别在机轴浸入曲轴箱的油槽时。总而言之，由此可制造具有较轻质但有效的活塞的内燃机，该活塞由于其减轻的重量而需要显著较少的能量，以用于活塞的往复运动。

附图说明

本发明的其它重要特征和优点来自于从属权利要求、附图，以及借助于附图的相关附图说明。

应理解的是上文所述的以及下文将要解释的特征不仅能以所述的相应组合使用，也可以其它组合或独自使用，而不背离本发明的范围。

本发明的优选示例性实施方式示于附图中，并在以下说明中得到更详细地解释，其中相同的附图标记指代相同或相似或功能相同的组件。

在此，在每种情况下示意性示出了：

图1:侧视图中根据本发明的活塞；

图2:根据本发明的活塞的仰视图；

图3:沿着截面A-A的截面图；

图4:根据本发明的活塞的沿着截面B-B的截面图。

具体实施方式

根据图1至图4，根据本发明的用于内燃机16的浇铸轻质金属活塞1，特别是铝活塞1,1’(参见图3)包括面向燃烧室17的活塞顶2和邻接于其上的活塞裙3。活塞裙3具有布置在加压侧DS和反压侧GDS上的两个裙壁4,5以及连接这些裙壁4,5的两个套筒壁6,7。在此情况下，如根据图4清楚示出的，套筒6,7彼此锥形对齐，这意味着它们在活塞顶2的方向上朝向彼此逐渐变细。通过这两个套筒壁6,7的装置倾斜定位，可实现轻质金属活塞1的充足强度，而不论活塞顶2的厚度d减少如何。在套筒壁6,7的区域中，另外提供各自用于将活塞1连接至连接杆(未示出)的销毂8。根据本发明，活塞1现包括至少部分环形环绕的冷却通道9，根据图3和图4，该冷却通道9另外特别冷却活塞顶2和环形区域10之间的过渡区域。在环形区域10的区域中，提供有例如环绕的顶部环槽11以及用于容纳例如活塞环(未示出)的各环形槽12。本发明的另一本质特征为活塞顶2的厚度d为4.5mm的最大值。活塞顶2的厚度d优选为3.5mm的最大值，优选甚至3mm的最大值或2mm的最大值。通过将根据本发明的较薄的活塞顶2与另外布置的冷却通道9组合，可制造特别轻质的，即在其重量方面减轻了的活塞1，由于运动量降低，该活塞1可更能量有效地运行。

参见图2，明显的是布置在加压侧DS上的裙壁4设计为在活塞1的圆周方向上比布置在反压侧GDS上的裙壁5短，其中两个套筒壁6,7在加压侧的裙壁4的方向上彼此相向锥形变细。这特别使套筒壁6,7区域和裙壁4,5区域中的裂缝形成风险最小化。在此情况下，该两个套筒壁6,7在反压侧背离彼此在裙壁5的方向上走向，其中显然地，也容易想到在反压侧，在裙壁5的方向上的两个套筒壁6,7朝向彼此的逐渐变细，使得在此情况下，两个套筒壁6,7彼此两面凸地布置。

以普通方式利用盐核或者还可利用沙核产生轻质金属活塞1，特别是铝活塞1’的浇铸期间的冷却通道9。为了能将冷却油进料至冷却通道9中，或从冷却通道9再去除冷却油，如图2所示，该冷却通道具有流入口13和流出口14。此处，流入口13和流出口14显然也可以另一方式布置为圆的。待被进料至冷却通道9中用于活塞冷却的冷却剂，例如机油，例如可用两个喷嘴15和15’喷洒，其中喷嘴15例如朝向冷却通道9的流入口13，而喷嘴15’则直接指向活塞顶2的底侧，由此直接冷却活塞顶2。由于活塞顶2的微小厚度d，可相对快速地散去燃烧室17放出的热，并由此有效冷却活塞1,1’。此时，显然另外容易想到在活塞1,1’下旋转的曲轴将油溅至活塞顶的底侧上，由此额外冷却活塞顶。

夏天时，根据本发明的活塞1,1’的实质特点的特征可如下所示：通过极度薄的活塞顶2与另外布置的冷却通道9，无论较轻的重量如何，根据本发明的活塞1,1’可以较高的强度制得。倾斜定位的套筒壁6,7产生用于活塞顶的长寿命所需的刚度及强度，从而能降低顶壁厚度。

Claims (8)

1.一种浇铸的轻质金属活塞(1)，特别是铝活塞(1’)，用于内燃机(16),具有活塞顶(2)和与所述活塞顶(2)邻接的活塞裙(3)，所述浇铸的轻质金属活塞(1)包括布置在加压侧(DS)和反压侧(GDS)的两个裙壁(4,5)和连接这些裙壁(4,5)的两个套筒壁(6,7)，所述套筒壁在活塞顶(2)的方向上朝向彼此锥形变细；

其特征在于，

所述活塞(1,1’)包括环形环绕的冷却通道(9)；

所述活塞顶(2)的厚度(d)为4.5mm的最大值。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，

所述活塞顶(2)的厚度(d)为3.5mm的最大值。

3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，

以所述活塞(1)的圆周方向布置在加压侧(DS)上的裙壁(4)被设计为比布置在反压侧(GDS)上的裙壁(5)短。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的活塞，其特征在于，

所述两个套筒壁(6,7)在加压侧的裙壁(4)的方向上彼此朝向变细。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的活塞，其特征在于，

所述两个套筒壁(6,7)在加压侧的裙壁(5)的方向上彼此脱离；或

所述两个套筒壁(6,7)在反压侧的裙壁(5)的方向上聚集。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的活塞，其特征在于，

利用盐核或沙核制造所述冷却通道(9)。

7.一种内燃机(16)，包括至少一个浇铸的轻质金属活塞(1)，特别包括根据权利要求1至6中任一项所述的至少一个铝活塞(1’)。

8.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，提供用于活塞冷却的两个喷嘴(15,15’)，所述两个喷嘴(15,15’)中的一个喷嘴(15)朝向所述冷却通道(9)的流入口(13)，且另一个喷嘴(15’)朝向所述活塞顶(2)。