CN105392981B

CN105392981B - 内燃机的活塞

Info

Publication number: CN105392981B
Application number: CN201480032965.7A
Authority: CN
Inventors: 赖纳·夏普; 彼得·克姆尼茨
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2019-04-09
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: EP3004611A1; DE102013009155A1; WO2014190964A1; CN105392981A; BR112015029766A2; JP2016521815A; US20160123273A1; US10174712B2

Abstract

本发明涉及内燃机的活塞(10、110、210)，包括活塞顶(11)和活塞裙(21)，所述活塞顶(11)包括活塞头(12)、外周的端环槽脊(14)、带有环形沟槽(16、17、18)的外周的环形地带(15)、以及在所述环形地带(15)中的带有冷却通道基体(26)和冷却通道罩(27)的外周的封闭冷却通道(19)。根据本发明，外周的凹陷(28)容纳在冷却通道基体(26)下方的活塞顶(11)中，以便所述冷却通道基体(26)布置在最下面的环形沟槽(18)的上方。

Description

内燃机的活塞

技术领域

本发明涉及内燃机的活塞，所述活塞包括活塞顶和活塞裙，其中所述活塞顶具有活塞头、外周的端环槽脊、具有环形沟槽的外周的环形地带，以及在环形地带的区域中的具有冷却通道基体和冷却通道罩的外周的封闭冷却通道。

背景技术

在现代的内燃机中，活塞总是暴露至活塞头与燃烧凹陷区域中的较高温度负荷。活塞顶的不充分散热导致活塞的功能性损伤，特别是在发动机运转期间导致焦化或者炭沉积在活塞上。这特别适用于由钢材料组成的活塞，因为钢具有低导热率并因此是差的导热体。

发明内容

本发明的目的在于以在发动机的运转期间实现活塞顶的最佳散热的方式改进存在问题的类型的活塞。

本发明的技术方案主要在于在最下面的环形沟槽上方布置冷却通道基体。

在现有技术中，通过尽可能像冷却通道一样大的辅助，冷却通道如所规定的在轴向方向上延伸至与最下面的环形沟槽齐平并依次位于其下方，以在发动机的运转期间特别是实现钢制的活塞的充分的冷却。由于振动器的影响，冷却油在冷却通道罩(即，非常热的区域)与冷却通道基体(即，相对冷的区域)之间往复地移动。由于冷却通道基体的区域中的明显较低的温度，实际上不再有从活塞顶到冷却油中的热吸收。而且，由于在环形地带和活塞裙的方向上的小的热梯度，只有较小的散热从冷却油发生。

相反地，相比于现有技术，根据本发明的活塞的区别在于在轴向方向上缩短了冷却通道。这具有如下结果：特别是冷却通道基体的区域中的冷却油移动得更加接近高热负荷的冷却通道基体并因此与现有技术中的情况相比全面地处于更热的区域中。因此，在活塞移动的每个阶段，热从活塞顶的热区域吸入到冷却油中。特别地，如果维持从现有技术中已知的冷却油的量并且冷却油供给以在发动机的运转期间快速交换冷却油的方式设计，则相比于现有技术发生了活塞顶的冷却的显著改进。

有益的改进来自于从属权利要求。

冷却通道基体优选布置在第一环形沟槽与第二环形沟槽之间，以通过在发动机的运转期间冷却油移动得更加靠近热的活塞头而进一步增加冷却能力。

至少部分地位于外周的凹陷引入到冷却通道基体下方的活塞顶中而进入到活塞顶中。结果显著地减少了活塞质量。

在进一步优选的改进中，端环槽脊的高度最大为活塞顶的通称直径的9％。冷却通道因此相对于活塞头和环形地带以对于散热特别有益的方式定位。

在这种情况下，活塞头与冷却通道基体之间的距离能够在活塞顶的通称直径的11％和17％之间。另外或者替代地，冷却通道的高度能够是其宽度的0.8倍至1.7倍。而且，相对于此替换地或累计地，活塞头与冷却通道罩之间的距离能够是活塞顶的通称直径的3％和7％之间。这些尺寸规定允许对于全部活塞尺寸的冷却通道的最佳构造和定位。

压缩高度能够是，例如在活塞顶的通称直径的38％和45％之间。

进一步优选的实施例在于燃烧凹陷形成在活塞头中，并且在于在径向上的燃烧凹陷与冷却通道之间的最小壁厚为活塞顶的通称直径的2.5％与4.5％之间。此时实现了燃烧凹陷与冷却通道之间的改进的热转移。

能够提供一种燃烧凹槽，例如带有下切口以便在燃烧凹槽与冷却通道之间确定壁厚。

冷却通道基体下方的凹陷优选具有U形或者椭圆形的横截面，以便避免锐边的形成，并且依次以将材料中的机械应力的危险降到最低。

根据本发明的活塞能够设计为单件活塞，或者活塞能够由例如至少两个彼此不可拆卸地连接的部件组成。特别地，根据本发明的活塞能够具有活塞基体和外周的凹陷边缘加强件。根据本发明的活塞还能够具有例如活塞基体和外周的活塞头元件。

本发明特别适于由至少一个钢材料组成的活塞。

附图说明

下文参照附图对本发明的示例性实施例进行更加详细的说明。在示意性的图示中并不真正地按照比例：

图1示出了被截断的根据本发明的活塞的第一示例性实施例；

图2示出了被截断的根据本发明的活塞的另两个示例性实施例的综合图示；

图3示出了根据图1和图2的冷却通道以及环形地带的放大的局部图示；

图4a、4b示出了冷却油在根据本发明的活塞中的移动的示意性图示；

图5a、5b示出了冷却油在根据现有技术的活塞中的移动的示意性图示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的活塞10的第一示例性实施例。在该示例性实施例中，活塞10为以实质上通过盐芯辅助的已知方式铸造的单件活塞。在该示例性实施例中，活塞10由钢材料生产。

活塞10具有活塞顶11、外周端环槽脊14以及环形地带15，所述活塞顶11带有具有燃烧凹陷13的活塞头12，所述环形地带15带有用于接纳活塞环(未图示)的环形沟槽16、17、18。外周的封闭冷却通道19与环形地带15齐平地设置。

活塞10还具有带有活塞衬套22和用于接纳活塞销(未图示)的衬套膛23的活塞裙21。活塞衬套22经由衬套连接件24连接至活塞顶11的下侧。活塞衬套22经由跑合面25彼此连接。

冷却通道19具有冷却通道基体26和冷却通道罩27。在该示例性实施例中，冷却通道基体26大约布置在第一环形沟槽16与第二环形沟槽17之间。在该示例性实施例中，至少部分地位于外周的凹陷28引入到冷却通道基体26下方的活塞顶11中。在该示例性实施例中，凹陷28具有近似U形的横截面。

凹陷28能够通过锻造加工而合并到活塞顶11中。在这种情况下，由于锻造工具在活塞衬套22上方具有很小的移动余量，所以凹陷28只设置在活塞10的跑合面25的上方。当然，为了获得完整的外周凹陷28(在图2中由虚线指示)，通过排屑加工能够在活塞衬套22上方的区域中对活塞10进行剖光。

在该示例性实施例中，压缩高度KH在活塞顶11的通称直径DN的38％与45％之间。

图2以相对于图1旋转90°的图示示出了根据本发明的活塞110、210的另外两个示例性实施例的综合视图。各自的示例性实施例的图示由中心线M分开。

活塞110、210以与根据图1的活塞10相似的方式构成。对应的结构元件因此设置有相同的附图标记，并且可参考关于针对图1的描述。

主要区别在于活塞110、210分别由两个彼此不可拆卸地连接的部件组成。活塞110(中心线M左侧的图示)由活塞基体131以及外周的凹陷边缘加强件132组成。在示例性实施例中，所述凹陷边缘加强件包括燃烧凹陷13的凹陷边缘以及活塞头12的一部分。凹陷边缘加强件132能够连接至活塞基体131，特别是通过焊接加工，例如电子束焊接或者激光焊接。

活塞210(中心线M右侧的图示)由活塞基体231以及外周的活塞头元件232组成。在示例性实施例中，活塞头元件232包括燃烧凹陷13的凹陷边缘、活塞头12、端环槽脊14以及最高的环形沟槽16。活塞头元件232能够连接至活塞基体231，特别是通过焊接加工，例如摩擦焊接、电子束焊接或者激光焊接。

图3在放大的局部图示中示出了：根据本发明的活塞的冷却通道19和活塞头12、燃烧凹陷13的一部分、端环槽脊14、带有环形沟槽16、17、18的环形地带15以及根据图1和图2的凹陷28。

为了确定燃烧凹陷13与冷却通道19之间的壁厚，燃烧凹陷13设置有下切口29(这方面内容参见下文)。

对于端环槽脊14的高度h优选最大值为活塞顶11的通称直径DN(参见图1和图2)的9％。为了散热，冷却通道19因此以特别有益的方式相对于活塞头12和环形地带15定位。

在针对端环槽脊14的所述尺寸规定的基础上，对于活塞头12与冷却通道基体26之间的距离优选为活塞顶11的通称直径DN(参见图1和图2)的11％和17％之间。冷却通道19因此最佳地接近热的活塞头12而定位并且相对于较冷的环形沟槽16、17、18处于最佳的位置。

而且，对于冷却通道19的高度c优选为其宽度d的0.8倍至1.7倍。该尺寸规定带来了冷却通道19的最佳容量以及相对于热的燃烧凹陷13，特别是相对于凹陷边缘以及热的活塞头12和较冷的环形沟槽16、17、18的最佳对齐。

最后，对于活塞头12与冷却通道罩27之间的距离b优选为活塞顶11的通称直径DN(参见图1和图2)的3％和7％之间。该尺寸规定还带来了冷却通道19相对于热的活塞头12的最佳定位。

综上所述，对于燃烧凹陷13与冷却通道19之间在径向上的最小壁厚w优选为活塞顶11的通称直径DN的2.5％和4.5％之间。因此实现了改进的燃烧凹陷13与冷却通道19之间的热转移。

图4a、图4b、图5a以及图5b示意性地示出了发动机运转期间的冷却油的移动以及针对根据本发明的活塞的燃烧凹陷区域、活塞头区域、冷却通道区域以及环形沟槽区域中的温度地带(图4a和图4b)和针对根据现有技术的活塞的燃烧凹陷区域、活塞头区域、冷却通道区域以及环形沟槽区域中的温度地带(图5a和图5b)。

在图4a、图4b、图5a以及图5b中，示意性地表示了三个热地带，即，“热”、“温”以及“冷”。因此意在图示出各个活塞区域中的相对温差。

根据本发明(图4a和图4b)，相比于现有技术，冷却通道在轴向方向上被缩短。这具有冷却油实际上专门沿着燃烧凹陷的活塞头的“热”区域移动的结果。在活塞移动的每个阶段，热因此被从活塞顶的“热”区域吸入到冷却油中。意在维持从现有技术中已知的冷却油的量并且发动机管理以在发动机的运转期间快速交换冷却油的方式设计。

在现有技术(图5a和图5b)中，冷却通道通常在轴向方向上延伸以与最下方的环形沟槽齐平并且依次位于下面，通过尽可能像冷却通道一样大的辅助，在发动机的运转期间实现了充分的冷却。由于振动器的影响，冷却油在“热”区域(即，活塞头与燃烧凹陷的凹陷边缘)与“冷”区域(即，冷却通道基体)之间移动。由于冷却通道基体的区域中的明显较低的温度，实际上不再有从活塞顶到冷却油中的热吸收。

结果，相比于现有技术，在根据本发明的活塞中，产生了明显改进的活塞顶的冷却。

Claims

1.一种内燃机的活塞，包括活塞顶(11)和活塞裙(21)，其中所述活塞顶(11)具有活塞头(12)、外周的端环槽脊(14)、带有环形沟槽的外周的环形地带(15)、以及在所述环形地带(15)中的带有冷却通道基体(26)和冷却通道罩(27)的外周的封闭冷却通道(19)，其特征在于所述冷却通道基体(26)布置在最下面的环形沟槽的上方，

其中，至少部分外周的凹陷(28)被引入到所述冷却通道基体(26)下方的所述活塞顶(11)中，

燃烧凹陷(13)形成在所述活塞顶(11)中，并且在径向方向上所述燃烧凹陷(13)与所述冷却通道(19)之间的最小壁厚(w)为所述活塞顶(11)的通称直径(DN)的2.5％与4.5％之间，并且

所述冷却通道(19)的高度(c)为其宽度(d)的0.8倍至1.7倍，

所述端环槽脊(14)的高度(h)最大值为所述活塞顶(11)的通称直径(DN)的9％，

所述活塞头(12)与所述冷却通道基体(26)之间的距离(a)为所述活塞顶(11)的通称直径(DN)的11％与17％之间。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于所述冷却通道基体(26)布置在第一环形沟槽与第二环形沟槽之间。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于所述活塞头与所述冷却通道罩(27)之间的距离(b)为所述活塞顶(11)的通称直径(DN)的3％与7％之间。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于压缩高度(KH)为所述活塞顶(11)的通称直径(DN)的38％与45％之间。

5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于所述燃烧凹陷(13)设置有下切口(29)。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于所述凹陷(28)具有U形或者椭圆形的横截面。

7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于所述活塞设计为单件活塞。

8.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于所述活塞由至少两个彼此不可拆卸地连接的部件组成。

9.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于所述活塞具有活塞基体和外周的凹陷边缘加强件。

10.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于所述活塞具有活塞基体和外周的活塞头元件。

11.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于所述活塞由至少一种钢材料组成。