CN105308299A - 用于内燃机的活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的活塞(10,110,210,310,410)，包括活塞头(11)和活塞裙(21)，所述活塞头(11)具有活塞顶(12)、周向起火区(14)、具有环形沟槽(16,17,18)的周向环形带(15)，以及在所述环形带(15)的区域中的周向冷却导管(19,119,419)，所述周向冷却导管朝向底部敞开，并且利用封闭元件(35,135,235,335,435)封闭。所述冷却导管(19,119,419)具有冷却导管底部(26,126,226,326,426)和冷却导管顶部(27)，且所述活塞裙(21)具有两个活塞销座(22)，所述两个活塞销座通过两个工作表面(25a,25b)彼此连接。根据本发明，所述活塞(10,110,210,310,410)只有一个工作表面(25a)的内表面(37)通过连接区(38)与所述活塞头(11)的下侧面(11a)连接。

Description

用于内燃机的活塞
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的活塞，所述活塞包括活塞头和活塞裙，所述活塞头具有活塞顶、周向起火区、具有环形沟槽的周向环形带，以及在环形带区域中的周向冷却导管，该冷却导管朝向底部敞开，并且利用封闭元件封闭，该冷却导管具有冷却导管底部和冷却导管顶部，且所述活塞裙具有两个活塞销座，它们通过两个工作表面彼此连接。
背景技术
在当代内燃机中，活塞在活塞顶和燃烧盆区域中经受更高的机械负载和热负载。因此，除了优化活塞的冷却之外，首先还需要为活塞提供必需的稳定性，以承受住产生的机械负载，其次要将活塞设计为足够的韧性，使得可避免利用所述机械负载可能导致的损伤，特别是裂缝。
发明内容
本发明的目的是以实现稳定性和韧性之间的优化平衡，同时改善冷却的方式改进普通类型的活塞。
上述目的利用以下事实实现：活塞的仅仅一个工作表面的内表面通过连接区与活塞头的下侧面连接。
因此，根据本发明的活塞具有非对称的构造。活塞的一个工作表面附接至两个活塞销座。另一个工作表面还附接至活塞头的上侧面。这种构造同时保证了令人满意的稳定性(一个工作表面另外附接至活塞头的下侧面)和一定的韧性(仅仅一个工作表面附接至活塞销座)。此时，在活塞的加压侧或反压侧是否设置一个工作表面与活塞头下侧面的额外附接并不重要。此外，在发动机运行期间，将一个工作表面连接至活塞头下侧面的连接区可用于以靶向方式将油射流引导至连接区的表面，使得与靶向方式冷却活塞头的下侧面。以此方式，还改善了根据本发明的活塞的冷却。
有利的发展由从属权利要求产生。
压缩高度例如可为活塞头的标称直径的38％～45％。
一个有利的发展提供了以在活塞顶中构成周向环形间隙的方式在活塞头中布置有封闭元件。这省去了设置出油孔的必要。
如果将活塞裙拆除，封闭元件可被构造成紧固至活塞的独立的组件。
根据本发明的活塞可被构造成整体式活塞。然后，冷却导管以通过机加工以本身已知的方式用铸造坯体或锻造坯体制得。然而，优选活塞有至少两个组件组装而成，该至少两个组件不可拆分地彼此连接。具体地，根据本发明的活塞可具有主活塞体和活塞环形元件。在这种情况下，封闭元件可被构造成紧固至活塞的独立的组件，以及一体式连接至活塞的组件。在后一种情况中，封闭元件可一体式连接至主活塞体或活塞环形元件。
通常，冷却导管沿着轴线方向延伸至最低的环形沟槽的高度或以下，以在发动机运行期间，借助于尽可能大的冷却导管，实现充分的冷却，特别是钢质活塞的冷却。然而，考虑到鸡尾振荡效应(cocktailshakereffect)，冷却油在冷却管道顶部(即，非常热的区域)和冷却导管底部(即相对凉的区域)之间往返移动。考虑到冷却管道底部区域中的显著较低的温度，实际中在此不再发生从活塞头至冷却油的热量吸收。
具体地，由此利用冷却导管在轴线方向缩短的事实优选地实现了有效冷却。由此，冷却油，特别在冷却导管底部区域中，更接近大量热负载的冷却导管底部移动，从而在比延伸直至最下方的环形沟槽或以下的冷却导管热的整个区域中移动。因此，在活塞移动的每个阶段发生了从活塞头的热区域至冷却油的热量吸收。具体地，如果保持了现有技术已知的冷却油量，并且以冷却油在发动机运行期间快速更换的方式设置冷却油的供应，则产生了活塞头的有效冷却。
冷却管道底部优选布置在第二环形沟槽的水平高度处，特别优选布置在第一环形沟槽和第二环形沟槽之间，以通过冷却油在发动机运行期间更进一步接近热的活塞顶来进一步提高冷却特性。
进一步优选的发展提供了，起火区的高度至多为活塞头的标称直径的9％。以此方式，使冷却导管相对于活塞顶和环形带进行定位，该环形带特别有利于热量扩散。
在该情况下，活塞顶与冷却导管底部之间的间隔可为活塞头的标称直径的11％～17％。此外，或者替代地，冷却导管的高度可为其宽度的0.8～1.7倍。此外，除此之外，或者替代于此，活塞顶和冷却导管顶部之间的间隔可为活塞头的标称直径的3％～7％。这些尺寸规定允许用于所有活塞尺寸的冷却导管的优化设计和定位。
进一步特别优选的实施方式在于燃烧盘被构造在活塞头中，并且燃烧盘和冷却导管之间径向方向上的最小壁厚为活塞头的标称直径的2.5％～4.5％。这样使得改进的在燃烧盘和冷却导管之间的热传递得以实现。
例如，燃烧盘可设置有下切口，从而限定燃烧盘和冷却导管之间的壁厚。
本发明同时适用于由至少一种钢材制成的活塞以及由至少一种轻质金属合金制成的活塞。
附图说明
在以下内容中，将利用附图更详细地解释本发明的示例性实施方式，附图为示意性图示，不是实际尺寸，其中：
图1局部示出了根据本发明的活塞的第一示例性实施方式；
图2示出了已经旋转了90°的根据图1示出的活塞；
图3局部示出了根据本发明的活塞的另一示例性实施方式；
图4局部示出了根据本发明的活塞的又一示例性实施方式；
图5局部示出了根据本发明的活塞的又一示例性实施方式；
图6局部示出了另一示例性实施方式的部分放大图；
图7a、图7b示出了根据本发明的活塞中的冷却油移动的示意图；且
图8a、图8b示出了根据现有技术的活塞中的冷却油移动的示意图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明的活塞10的第一示例性实施方式。如通常已知的，活塞10可被锻造或者铸造为整块坯体，利用机加工将冷却导管引入坯体中。在该示例性实施方式中，活塞10由主活塞体31和活塞环状元件32组装而成，该活塞环状元件可以本身已知的方式铸造或锻造得到，并且通过焊缝33彼此连接，例如通过电子束焊接或者激光焊接彼此连接。在该示例性实施方式中，焊缝33以相对于活塞中心轴线A成锐角地布置在燃烧盆的最下方的点处。在该示例性实施方式中，活塞10由钢材制成。然而，它还可由轻质金属材料或者两种材料的组合制成。
活塞10包括具有活塞顶12的活塞头11，该活塞顶具有燃烧盆13、周向起火区14和周向环形带15，该周向环形带15具有环形沟槽16,17,18，用于接收活塞环(未示出)。周向冷却导管19设置在环形带15的水平高度处。
此外，活塞10具有活塞裙21和用于接收活塞销的销座孔23(未示出)，该活塞裙从活塞头11与活塞销座22热拆分。活塞销座22经由销座附接件24连接至活塞头11的下侧11a。活塞销座22经由工作表面25a,25b彼此连接。
冷却导管19被构造为，使得它在底部敞开，并利用独立的封闭元件35(在示例性实施方式中为封闭板)封闭。将封闭元件35以本身已知的方式在环形带15下方紧固至活塞头11，并且以如下方式沿着燃烧盆13的方向延展：使得封闭元件35的环形自由端部与燃烧盆13的外壁一起形成周向环形间隙36。
根据本发明，只有一个工作表面，即活塞10的工作表面25a的内表面37经由连接区38连接至活塞头11的下侧11a。
在发动机运行期间，为了改善活塞头11的下侧11a的冷却，冷却油射流按连结区38的表面方向沿着工作表面25a的内表面37导向，如用箭头P表示。
为了进一步改善活塞10的冷却，沿着活塞顶12的方向使封闭元件35以如下方式弯曲：形成冷却导管底部26，在示例性实施方式中使其大约位于第二环状沟槽17的水平高度处。冷却导管底部26还可布置在第一环状沟槽16和第二环状沟槽17之间。
此外，冷却导管19具有冷却导管顶27。
在示例性实施方式中，压缩高度KH为活塞头11的标称直径DN的38％和45％之间。
图3示出了根据本发明的活塞110的另一示例性实施方式。活塞110以与根据图1和图2的活塞10类似的方式构建。同样的结构元件因此用相同的标记表示，参见图1和图2的相关描述。
根据图3的活塞110和根据图1和图2的活塞10之间的本质区别在于封闭元件135构造为完全封闭冷却导管119的环形盘。在此情况下，在封闭元件135中设置有用于冷却油的入口和出口。因此，所得的冷却导管119的冷却导管底部126位于接近最低的环形沟槽18的水平高度处。
图4示出了根据本发明的另一示例性实施方式的活塞210。活塞210以与根据图1和图2的活塞10相似的方式构建。因此，一样的结构元件用相同的附图标记表示，由此参照关于图1和图2的说明。
本质区别首先存在于主活塞体231和活塞环形元件232的设计，其次存在于活塞210具有与根据图1和图2的活塞10相比设计不同的封闭元件235。
活塞210具有周向凸缘形式的封闭元件235，该周向凸缘与主活塞体231一体式连接。封闭元件235沿着环形带15的方向延伸，使得其自由端与环形带15的内壁一起形成周向环形间隙236。封闭元件235形成冷却导管底部226。在该示例性实施方式中，冷却导管底部226大致位于第一环形沟槽16和第二环形沟槽17之间。此外，冷却导管219具有冷却导管顶部227。
在该示例性实施方式中，活塞210的活塞环形元件232包括活塞顶12的一部分、起火区14和环形带15。活塞环形元件232可与主活塞体231连接，特别是通过焊接法连接，例如通过电子束焊接或激光焊接法连接，焊缝233位于活塞顶中。
图5示出了根据本发明的活塞310的另一示例性实施方式。活塞310以与根据图4的活塞210类似的方式构建。同样的结构元件因此用相同的标记表示，参见图4的相关描述。
根据图5的活塞310和根据图4的活塞210之间的本质区别在于封闭元件335以所得冷却导管319的冷却导管底部326接近最低的环形沟槽18的水平高度的方式一体式连接至主活塞体331。封闭元件335沿着环形带15的方向延伸，该环形带由活塞环形元件332形成，使得所述封闭元件335的自由端与环形带15的内壁一起形成周向环形间隙336。
图6示出了活塞410的另一示例性实施方式的部分放大图，其中封闭元件435构造为周向凸缘的形式，该周向凸缘一体式连接至活塞环形元件432。封闭元件435沿着由主活塞体431形成的燃烧盘13的方向延伸，使得封闭元件435的自由端与燃烧盘13的外壁一起形成周向环形间隙436。
燃烧盘13设置有下切口429，以确定燃烧盘13和冷却导管419之间的壁厚(该方面参见下文)。
以下细节适用于根据图1、图2、图4和图6的活塞10、210和410。
优选起火区14的高度h至多为活塞头11的标称直径DN的9％(参见图1和图2)。以此方式，使冷却导管419相对于活塞顶12和环形带15进行定位，该环形带特别有利于热量扩散。
基于起火区14的这种尺寸规则，优选活塞顶12和冷却导管底部426之间的间隔为活塞头11的标称直径DN的11％～17％(参见图1和图2)。以此方式，冷却导管419最优接近热的活塞顶12定位，并且处于相对于较凉的环形沟槽16,17,18的最优位置。
此外，优选冷却导管419的高度c是其宽度d的0.8～1.7倍。所述尺寸规则产生冷却导管419的最佳体积，以及相对于热的燃烧盘13的最佳取向，特别是相对于燃烧盘的边缘，以及热的活塞顶12和较凉的环形沟槽16,17,18。
最后，优选活塞顶12和冷却导管顶部427之间的间隔b为活塞头11的标称直径DN的3％～7％(参见图1和图2)。所述尺寸规则还产生冷却导管419相对于热的活塞顶12的最佳定位。
最终，优选燃烧盘13和冷却导管419之间沿着径向的最小壁厚w为活塞头11的标称直径DN的2.5％～4.5％。以此方式实现了燃烧盘13和冷却导管419之间改善的热传输。
图7a和7b、图8a和8b对根据本发明的包括轴向缩短的冷却导管的活塞(图7a和图7b)以及对包括在三个环形沟槽上延伸的冷却导管的活塞(图8a和8b)图示地示出了发动机运行期间冷却油的移动，以及燃烧盘、活塞顶、冷却导管和环形沟槽区域中的温度区域。
在图7a、7b、8a、8b中，图示地指示出了三个热区域，即“热”、“温热”和“凉”。各个活塞区域中的相对温度差用于以此方式示出。
根据图7a和图7b，冷却导管在轴线方向缩短。由此，冷却油几乎只沿着活塞顶和燃烧盘的“热”区域移动。因此，在活塞移动的每个阶段发生热量从活塞头的“热”区域吸收至冷却油中。应保持常规的冷却油的量，并应以在发动机运行期间快速更换冷却油的方式设定发动机操作。
根据图8a和图8b，冷却导管沿着轴线方向尽可能地延伸至最低的环形沟槽的水平高度，或者在此环形沟槽下，以借助于尽可能大的冷却导管实现发动机运行期间的充分冷却。考虑到鸡尾振动效应，冷却油在“热”区域(即活塞顶和燃烧盘的盘边缘)和“凉”区域(即冷却导管底部)之间移动。考虑到冷却导管底部区域中显著更低的温度，实际上在此不再发生从活塞头至冷却油的热吸收。
因此，在包括轴向缩短的冷却导管的活塞情况下，产生进一步改善的活塞头冷却。

Claims (17)

1.一种用于内燃机的活塞(10,110,210,310,410)，包括活塞头(11)和活塞裙(21)，
所述活塞头(11)具有活塞顶(12)、周向起火区(14)、具有环形沟槽(16,17,18)的周向环形带(15)，以及在所述环形带(15)的区域中的周向冷却导管(19,119,419)，所述周向冷却导管朝向底部敞开，并且利用封闭元件(35,135,235,335,435)封闭，所述冷却导管(19,119,419)具有冷却导管底部(26,126,226,326,426)和冷却导管顶部(27)，且所述活塞裙(21)具有两个活塞销座(22)，所述两个活塞销座通过两个工作表面(25a,25b)彼此连接；
其特征在于，所述活塞(10,110,210,310,410)只有一个工作表面(25a)的内表面(37)通过连接区(38)与所述活塞头(11)的下侧面(11a)连接。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，压缩高度(KH)为所述活塞头(11)的标称直径(DN)的38％～45％。
3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述封闭元件(35,235,335,435)以在所述冷却导管底部(26,226,326,426)中构成周向环形间隙(36,236,336,436)的方式布置在所述活塞头(11)中。
4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述封闭元件(35,135)被构造成独立的组件。
5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞(10,110,210,310,410)有至少两个组件(31,32；131,132；231,232；331,332；431,432)组装而成，所述至少两个组件不可拆分地彼此连接。
6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述活塞包括主活塞体(31,131,231,331,431)和活塞环形元件(32；132；232；332；432)。
7.根据权利要求6所述的活塞，其特征在于，所述封闭元件(235,335)与所述主活塞体(231,331)一体式构造。
8.根据权利要求6所述的活塞，其特征在于，所述封闭元件(435)与所述活塞环形元件(432)一体式构造。
9.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，以使所述冷却导管底部(26,226,426)布置在最低的环形沟槽(18)上方的方式将所述封闭元件(35,235,435)布置在所述活塞头(11)中。
10.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，所述冷却导管底部(26)布置在第二环形沟槽(17)的水平高度处。
11.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，所述冷却导管底部(226,426)布置在第一环形沟槽(16)和所述第二环形沟槽(17)之间。
12.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述起火区(14)的高度(h)至多为所述活塞头(11)的标称直径(DN)的9％。
13.根据权利要求12所述的活塞，其特征在于，所述活塞顶(12)与所述冷却导管底部(26,226,426)之间的间隔(a)为所述活塞头(11)的标称直径(DN)的11％～17％。
14.根据权利要求12所述的活塞，其特征在于，所述冷却导管(19,219,419)的高度(c)为所述冷却导管的宽度(d)的0.8～1.7倍。
15.根据权利要求12所述的活塞，其特征在于，所述活塞顶(12)与所述冷却导管顶部(27,227,427)之间的间隔(b)为所述活塞头(11)的标称直径(DN)的3％～7％。
16.根据权利要求12所述的活塞，其特征在于，燃烧盘(13)被构造在所述活塞头(11)中，并且所述燃烧盘(13)和所述冷却导管(19,219,419)之间径向方向上的最小壁厚(w)为所述活塞头(11)的标称直径(DN)的2.5％～4.5％。
17.根据权利要求16所述的活塞，其特征在于，所述燃烧盘(13)设置有下切口(429)。
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