CN104540637A - 用于生产活塞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产内燃机活塞(1)的方法，其特征在于方法的以下步骤：生产具有一个或多个构成封闭式空腔(5)的凹槽(4，4’)的活塞上部(2)和活塞下部(3)；在活塞下部(3)和/或活塞上部(2)的凹槽(4，4’)内引入一种在室温下为固体或糊状的而在活塞预设的工作温度下为液体的热传导介质(6)，尤其是碱性金属，其中，这样设置热传导介质(6)，使其在活塞(1)的运行状态下通过热对流在活塞(1)内引起热传输；关闭凹槽来形成围住热传导介质(6)的封闭空腔(5)；以及将活塞上部(2)接合到活塞下部(3)。由此，实现了简化的生产活塞(1)的方法。

Description

用于生产活塞的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于生产内燃机活塞的方法。此外，本发明还涉及根据这种方法生产的活塞以及具有至少一个这种类型的活塞的内燃机。

背景技术

现代化的内燃机鉴于其活塞是高负荷的，因此通常必须对其进行主动冷却。特别地通过在冷却通道内不断充入发动机油而达到这样的以降低表面温度为目的的主动冷却，这种发动机油会将热量散发到油循环中。尤其是柴油机通常会安装有钢制活塞，其中，由于燃烧室的高温可能会超出冷却油能够耐受的最高温度，由此发生冷却油的过早衰退或损耗。由此产生的后果是在冷却通道的侧表面会产生冷却油的结焦，这会对活塞造成常见的其他影响，例如绝热层的构成以及活塞温度的进一步升高。油的高温会引起过早的油老化以及随之而来的相对较短的油更换周期。

常见的钢制活塞通常由活塞上部和例如通过摩擦焊接而与活塞上部接合的活塞下部组成。活塞上部以及活塞下部就此在接合状态下围住环形的冷却通道，这个冷却通道在其远离活塞顶的底面具有喷射以及排出孔，这个孔为活塞散热的发动机油而设。

为了实现在高于发动机油耐受的温度情况下的散热，会使用到活塞，这些活塞在完全封闭的空腔内含有钠钾合金，这种合金在热对流中会从活塞顶带走热量。在第二个阶段，例如通过喷射能以常见的方法利用发动机油从远离活塞顶以及不再那么热的活塞区域将热散到油循环中。

为了在封闭的空腔内注入合金必须事后额外制造注入孔，随后还是必须要再封闭这个注入孔并且进行密闭性的检查，从而避免高活性的金属泄漏。由此，导致了例如像注入孔的打孔这样额外的加工步骤以及像是外部的螺旋塞这样的额外部件，这都会导致这样的活塞的生产成本的增高。具有尤其重要意义的是，由此在注入过程中需要格外小心地操纵活塞，因为活塞的制造已经完成，并因此很容易对其造成损坏。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，为用于生产这种活塞的方法提出更好的实施方式，这种实施方式特别地实现了简化同时也很经济地生产活塞。

根据本发明，通过独立权利要求所述对象解决了这个问题。有利的实施方式为从属权利要求所述的对象。

本发明以这样的基本思想为依据，即，在把活塞上部与活塞下部以牢固的状态接合为一体之前，就已经在这两个部分中的至少一个部分的至少一个凹槽内注入用于对流冷却活塞的热传导介质。随后，在把活塞的两个部分相接合之前或者过程中，将这种热传导介质封闭在至少一个由活塞下部和/或活塞上部而构成的密闭空腔内。在一个优选的实施方式中，在活塞的两个部分之间设置该封闭的空腔，其中，通过活塞上部与活塞下部的接合过程而自然地实现这个空腔的封闭。由此，可以免除空腔的额外打孔以及像液体的热传导介质的注入和对空腔的封闭这样的步骤。在根据发明的用于生产内燃机活塞的方法中，因此在第一个生产步骤中生产了活塞上部和活塞下部，其中，这两个部分的每一个或者至少两部分中任一个，优选活塞下部，具有用于构成封闭空腔的凹槽。随后，完成在活塞下部和/或活塞上部的凹槽内引入热传导介质，特别是一种金属合金，这种热传导介质在室温条件下为固体或糊状的，但在活塞工作的温度下为液体，其中，这种热传导介质直到后来在活塞工作状态下，即，在明显升高的温度下，才会发生液化并且通过对流将热量从特别是活塞顶的区域向其他区域转移。就此，可以通过在专业领域里熟知的活塞冷却方法进行散热，例如用发动机油对活塞直接喷射，或者通过持续供给发动机油的开放式冷却通道将热量转移到油循环中。在向活塞下部或活塞上部的凹槽内注入在室温条件下为固体或糊状的热传导介质以后，完成了对含有热传导介质的凹槽的封闭的步骤，从而形成了至少一个封闭的空腔，以及活塞上部和活塞下部的接合的步骤。

封闭的步骤可以作为单独的步骤，例如通过安装像是分隔板这样的分隔部件到凹槽内而完成，从而在活塞上部与活塞下部的接合步骤之前将封闭的空腔进行分隔。分隔板在弯曲预应力下能够密封地贴近凹槽壁并且支撑在突起处，为了在有影响的加速下找到稳定的支撑点并且安全地封闭热传导介质。替换性地或者额外地，可以将其与凹槽壁焊接、熔焊或者粘合。在另一个优选的实施方式中，可以在对活塞上部与活塞下部接合时才在该活塞上部和活塞下部之间产生封闭的空腔，例如作为两个环形的同心的摩擦焊缝的间隙。

在例如通过摩擦焊接接合将两个活塞部分接合后，就会把在室温条件下为糊状或固体的热传导介质封闭在各个面都封闭的空腔内，其中，只有在内燃机工作的过程中或者例如通过活塞的预热，才会产生热传导介质的液化并且通过热传导介质在空腔内的来回晃荡实现活塞的冷却。就此，可以在活塞冷却后，例如在关闭内燃机后使热传导介质重新进入固体状态或者保持在液体状态，由此在制造活塞过程中固态的热传导介质首先通过温度升高而液化并且随后至少近乎于与温度无关地还是保持为液体状态。

最后，通过包含至少两种或更多例如碱性金属，优选钠和钾的元素的热传导介质，能够实现一种优选的实施方式，这些元素完全或部分分离地引入一个或多个凹槽内，这些元素在处理温度或者室温状态下为固体或糊状状态。在这之后，才将凹槽封闭为一个或多个封闭的空腔并且接合活塞的上、下部，例如通过摩擦焊接。

利用根据本发明的方法，省略了尤其是目前为止必要且昂贵的其他加工步骤，例如像封闭空腔的后续钻孔、通过打出的注入孔向空腔内注入热传导介质以及注入孔的封闭还有事后封闭口密闭性的检查。利用根据本发明的方法，能够因此明显简化地并且特别经济地制造活塞，因为并不仅仅免除了所提到的加工步骤，而且还不再需要目前为止必需的密封部件。

在根据本发明的解决方案的一种有利的扩展方式中，使用到的热传导介质只具有一种单一的适合的化学元素，优选为碱性金属，尤其是钠元素。钠元素具有例如大约为98℃的熔点，从而使从固体形式向液体形式的转化只有在大约98℃时才会发生。在低于这个温度时，钠是固体状态，因此在例如较长的内燃机的停用时间的情况下可能会再次成为固体状态。在内燃机的工作中，活塞随着工作时间的增加而自身加热，其中在空腔中封闭的钠在超过大约98℃的温度的情况下液化并且在活塞过热之前有效地完成活塞顶的散热。

在对根据本发明的解决方案的一种有利的扩展方式中，使用到的热传导介质具有至少两种不同的合金元素，尤其是钠元素和钾元素。这两种合金元素首先以完全或部分分离或隔离的状态，即，作为以基本的或者不同组成的、分别在室温条件下为固体的合金在空间上分隔地装入活塞下部或活塞上部的冷却通道的凹槽内，紧接着才完成将凹槽封闭为封闭的空腔以及活塞上部和活塞下部的接合这些步骤。钾具有63℃的熔点，而钠具有大约98℃的熔点。达到大约60℃时，两种元素会因此处于分离的状态。另一方面，钠钾合金(NaK)的熔点和其他金属合金的熔点一样比其单一元素的熔点低并且在共晶状态下达到其最低熔点，在这个例子中，含有22％的钠的钠钾合金的熔点可以达到-12.6℃。总的来说，钠钾合金的混合比例有很大可能区间，即，例如含有10-60％的钠的情况下在20℃为液体，而其他的混合比例的情况下两种单一元素却都是固体的。在一种有利的实施方式中，能够在工作状态下通过两种原本空间上分隔的材料的混合来把合金的熔点降低到室温以下。

如果让根据本发明生产的活塞在内燃机内工作，其温度会升高，其中，高于冷却剂中分离的单一组成部分的熔点时，钾元素会液化并且由此不可逆地与其他的组成部分混合。由此产生的钠钾混合物和之前装入的固体材料相比具有更低的熔点，从而使一次性混合的热传导介质在内燃机关闭以后在室温下还是持续保持为液态。这样的含钠钾的热传导介质具有高热传导能力并且由例如40-90重量％的钾以及剩余组成部分的钠组成，尤其是由22％的钠以及78％的钾组成。显然地，可以将大量的元素或将其合金以多样化的混合比例投入使用，这些元素在室温下为固体，在工作温度下会熔化并且在完全的混合后优选在室温下也保持液态。在钠和钾中还可以加入例如铯元素，由此产生的Na-K-Cs具有直至-78℃的更低的熔点。

在根据本发明的解决方案的另一种有利的实施方式中，使用到具有原本分隔的镓、铟和锡这些合金元素的合金作为冷却介质。这种合金在室温下通常为液态并且由例如65-95重量％的镓、5-26重量％的铟和0-16重量％的锡组成。优选的合金为例如具有68-69重量％镓、21-22重量％的铟和9.5-10.5重量％的锡这样的合金。这样的合金能够具有例如-19℃的熔点。替换性地，也可以考虑使用具有62重量％的镓、22重量％的铟和16重量％的锡的合金，这种合金会具有10.7℃的熔点。同样地，也可以考虑使用具有59.6重量％的镓、26重量％的铟和14.4重量％的锡的合金，也就是具有11℃的熔点的所谓三元共晶合金。同样地，可以使用例如低熔点的铋合金，例如LBE(具有124℃熔点的一种铋铅共晶合金)。此外，低熔点的铋合金还包含：熔点为98℃的具有50重量％的铋、28重量％的铅和22重量％的锡的Roses合金、熔点为108℃的具有42重量％的铋、42重量％的铅和16重量％的锡的Orion合金、熔点为96℃的具有52重量％的铋、32重量％的铅和16重量％的锡的Schnelllot、具有50重量％的铋、25重量％的铅、25重量％的锡的达塞氏(d’Arcets)合金、熔点为71℃的具有50重量％的铋、25重量％的铅、12.5重量％的锡和12.5重量％的镉的伍德(Woodsches)合金、熔点为70℃的具有50重量％的铋、27重量％的铅、13重量％的锡和10重量％的镉的Lipowitz金属、熔点为75℃的具有44重量％的铋、25重量％的铅、25重量％的锡和6重量％的镉的Harpers合金、熔点为47℃具有44.7重量％的铋、22.6重量％的铅、19.1重量％的铟和8.3重量％的锡、5.3％的镉的Cerrolow 117、熔点为78.9℃的具有57重量％的铋、26重量％的铟、和17重量％的锡的Cerrolow 174、熔点为62℃的具有32重量％的铋、51重量％的铟、和17重量％的锡的Fields金属以及具有45重量％的铋、28重量％的铅、22重量％的锡和5重量％的锑的沃克合金。

适宜地，将空腔的大约5％至大约33％，优选10-15％的容积用热传导介质填充。也可以考虑，使空腔容纳的热传导介质不超过空腔容积的10％，这样会带来很大的好处，即，热传导介质在发动机运转中产生了振荡冷却的效果，其中，所述热传导介质在空腔中与活塞冲程方向反向地运动。在活塞的下冲程中，热传导介质以向着活塞顶的方向移动并能够吸收热量，而在活塞的上冲程中，热传导介质朝活塞裙的方向移动并且能够由此将吸收到的热量朝活塞裙的方向传导，进而优化了冷却效果。

本发明其他重要的特征和优点在从属权利要求中、附图中以及结合附图的说明中有所描述。

需要理解的是，上述以及下述的特征并不仅仅是以所描述的组合方式可以使用，而是可以以其它的组合方式或者单独使用，这并不超出本发明的范围之外。

附图说明

在附图中示出了本发明优选的实施例，在下文描述中会对这些实施例进一步说明，其中，涉及到同样地或类似的或功能相似的配件会使用同样的附图标记。

为此，以示意图的方式：

图1示出了根据发明的用于生产活塞的方法的示意流程，

图2示出了根据发明生产的活塞的不同剖面图。

具体实施方式

相应于图1，根据发明用于生产活塞1(参照图2)的方法具有至少三个方法步骤A、B和C。在方法步骤A中，首先制造分别具有凹槽4，4’的活塞上部2和活塞下部3，所述凹槽用于形成在活塞上部和活塞下部之间共同的封闭的空腔。所述封闭的空腔5具有以活塞轴为中心而环绕的由凹槽4，4’构成的环形通道，这个环形通道类似于常见的装有发动机油的冷却通道，但却没有任何进入口或排出口。

显然地也可以这样设想，只单独在活塞上部2或单独在活塞下部3设置凹槽4,4’。在方法步骤B中，随后在活塞下部3的凹槽4’和/或活塞上部2的凹槽4内引入在室温下为固体的或糊状的热传导介质6，尤其是金属合金，其中，热传导介质6的引入通常只在活塞下部3的凹槽4’内完成。对热传导介质6以这样的方式来设计，即，该热传导介质只在活塞1的工作状态下，即，明显高于室温的温度下才发生液化，并由此发挥振荡冷却活塞1的效果。在方法步骤C中，随后将活塞上部2与活塞下部3牢固地接合，并且由此制造出封闭的环形通道5。活塞上部2与活塞下部3之间的接合可以通过例如摩擦焊接或黏着或钎焊来实现。如果凹槽4’相对平整，可能在对部分2，3的焊接中产生热传导介质6不期望的液化。

从对图2的观察可以看出，凹槽4，4’共同构成了环绕的环形通道，其中凹槽4’进一步在活塞下部3内以轴向具有延伸的长形凹槽9，这个凹槽以桌腿形式从环形通道出发，并且因此部分相对较低地设计。因此，如果在这样的“桌脚”凹槽9内装入在室温下固体的或糊状的热传导介质6，在把活塞上部2焊接到活塞下部3的过程中产生的热量通常不足以使热传导介质液化。在接合活塞上部2与活塞下部3后，会对活塞1进行最后加工。通常活塞1是由钢材料来构成。

通常热传导介质6可以只具有单一元素，例如钠7，其中，钠7只有在活塞1工作的情况下会在超过熔点后液化。替换性地也可以设想，使热传导介质6具有至少两种合金元素，例如钠7和钾8，其中，在活塞下部3内不同的凹槽9内装入这两种合金元素7，8。替换性地，还可以把这两种元素空间上地分隔，例如上下地设置在同一个凹槽9内或由凹槽4,4’组成的环形通道区域内。在活塞1工作的情况下，其温度会因此升高，在超过钾8的熔点的情况下，即，超过63℃的情况下，钾元素会液化并且与钠7混合，由此产生了钠钾合金，这种钠钾合金在合适的混合比例的情况下会具有低于室温的熔点，例如-11℃，从而使这种合金混合物在将活塞1冷却后也不会无条件地凝结。在生产含有22％的钠以及78％的钾的钠钾合金的情况下，其熔点甚至会降至-12.6℃。显然也可以使用其他的混合比例和/或其他的合金元素，例如铯元素，在室温条件下以固体或糊状的形式引入在活塞下部3的凹槽4’或活塞上部2的相应的凹槽4内其中，包含12％钠元素、47重量％的钾元素以及41重量％的铯元素的钠钾铯合金的熔点为-78℃。

其他的有利的合金可以是例如合金，这种合金具有起初分别注入的镓、铟和锡这些合金元素以及低熔点的铋合金。

在封闭的空腔5中所容纳的热传导介质6的量取决于其热传导能力以及所需的温度控制的程度。优选地，空腔5所容纳的温度传导介质6的容量最多不超过空腔容积的10％或10-15％，这带来了很大的好处，使热传导介质6在发动机运转中产生了振荡冷却的效果，其中，所述热传导介质在空腔5中与活塞1冲程方向反向地运动。在活塞1的下冲程中，热传导介质6以向着活塞顶的方向移动并能够吸收热量，而在活塞1的上冲程中，热传导介质朝活塞裙的方向移动并且能够由此将吸收到的热量朝活塞裙的方向而传导。

通过根据本发明而简化并且经济地生产活塞1的方法，带来了至少以下的这些好处。首先，可以免除空腔5的事后钻孔和热传导介质6的注入以及随后的空腔5的封闭这些步骤，由此并不仅仅避免了大量的单独的处理步骤，而且还保证了容纳热传导介质的空腔5长期的密闭性，因为不会发生不期望的注入口封口开启这种情况。同样地，还能够免除例如像是螺旋塞这样将注入口封闭的部件，由此可以减少生产成本以及储存和运输成本。此外，也不需要在对空腔5注入热传导介质6的过程中注意小心地操纵活塞，因为在注入热传导介质后才会对活塞1进行最后加工，而是不像前述现有技术一样。

Claims (10)

1.一种用于生产内燃机活塞(1)特别是钢制活塞的方法，其特征在于方法的以下步骤：

-生产活塞上部(2)和活塞下部(3)，其中，活塞上部(2)和/或活塞下部(3)具有至少一个个凹槽(4，4’)；

-在凹槽(4，4’)中的至少一个内引入一种在室温下为固体或糊状的而在活塞的工作温度下为液体的热传导介质(6)，尤其是一种或多种金属；

-封闭至少一个凹槽(4，4’)从而构成至少一个封闭的空腔(5)，所述空腔包含热传导介质(6)，并且

-将活塞上部(2)与活塞下部(3)接合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对至少一个凹槽(4，4’)的封闭在活塞上部(2)与活塞下部(3)的接合中特别通过摩擦焊接而完成，其中，封闭的空腔(5)设置在活塞上部(2)和活塞下部(3)之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在活塞上部(2)与活塞下部(3)接合之前，通过在凹槽(4，4’)内安装分隔部件而完成对至少一个凹槽(4，4’)的封闭。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，使用只具有一种单一元素，特别是具有钠(7)的热传导介质(6)。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，使用具有至少两种合金元素的，特别是具有钠(7)和钾(8)的热传导介质(6)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将热传导介质(6)的至少两种合金元素以不同的组成引入至少一个凹槽(4，4’)的至少两个空间上分隔的区域并且在封闭过程中一同封闭在同一个封闭的空腔(5)内。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，

-使用具有两种或更多的碱性金属(7，8)的冷却剂(6)，或者

-使用具有镓、铟和锡的合金，或者

-使用铋合金。

8.根据权力要求，1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，在活塞上部(2)与活塞下部(3)接合后才进行活塞(1)最后加工。

9.一种依照着根据权利要求1至8中任意一项所述的方法所生产的活塞(1)，其特征在于，用热传导介质(6)填充空腔(5)的5-33％，特别是空腔的10-15％。

10.一种具有至少一个根据权利要求9所述的活塞(1)的内燃机。