CN105431623A - 轻质结构的柴油机活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于内燃机的活塞(10)，包括活塞顶(22)、邻接所述活塞顶(22)的圆柱形的活塞头(11)，以及至少部分中空的活塞裙(40)，所述活塞裙(40)形成在活塞头(11)上背离活塞顶(22)的侧面上，并且所述活塞裙(40)具有两个相对的裙壁区段(50)和与所述裙壁区段(50)相连的两个相对的连接壁(60)，其中所述连接壁(60)分别具有销孔(61)，其中，所述活塞头(11)具有环形的冷却通道(18)，所述冷却通道(18)具有至少一个入口(28)和至少一个出口(30)，并且所述两个裙壁区段(50)朝所述活塞头(11)扩宽，使得形成在活塞头(11)上的裙壁区段(50)侧面的扇形长度(L1)大于背离活塞头(11)的裙壁区段(50)侧面的扇形长度(L2)。

Description

轻质结构的柴油机活塞

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机、特别是柴油发动机的活塞。该活塞尤其设计成例如由铝或铝合金制成的铸造活塞。

背景技术

随着内燃机逐渐提高的性能优化和/或消耗优化，作用在活塞上的热应力和机械应力也逐渐增大。尤其是对于消耗优化而言，需要在减小活塞的重量的同时维持或者甚至是提高活塞的强度和耐久性。为此，采取了一些手段，包括对活塞材料的优化(例如铝合金)、改善散热结构以及其他的措施。

对散热结构的改善已经有所公开，例如DE102009027148A1。DE102007058789A1中公开了一种不同的针对重量/性能优化的手段，其中加强肋的特殊设计使得在不危害活塞的强度的情况下减小了活塞的重量。

考虑到对内燃机消耗的优化，希望在维持或甚至提高机械强度和耐热强度的同时有减小活塞的重量的其他措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞，尤其是铝或铝合金的铸造活塞，对它的耐热强度/机械强度和重量进行了优化。

该目的通过具有权利要求1的特征的活塞得以实现。

根据本发明的活塞包括活塞顶、邻接该活塞顶的圆柱形的活塞头，以及至少部分中空的活塞裙，所述所述活塞裙形成在活塞头背离活塞顶的侧面上，并且所述活塞裙具有两个相对的裙壁区段以及与所述裙壁区段相连的两个相对的连接壁，其中所述连接壁分别具有销孔。在所述活塞头上设置有具有至少一个入口和至少一个出口的环形的冷却通道。此外，所述裙壁区段分别朝所述活塞头加宽，使得形成在活塞头上的扇形壁区段的宽度的扇形长度大于裙壁区段背离活塞头的侧面的扇形长度。

此处的“扇形长度”指的是沿着活塞的圆柱形外缘延伸的对应的裙壁区段的长度。实际上，术语“入口”和“出口”应理解为同义的，这是因为在散热通道中，入口和出口可能会颠倒，或者两个开口可同时作为入口和出口。

本发明旨在通过多种措施的协同作用(即从与现有技术进行广泛的对比的角度)来实现该目的。该目的通过散热结构结合对散热结构进行优化的活塞裙设计来实现，所述散热结构可有效地降低活塞顶所在的区域内的温度，由此降低该区域内的热应力和机械应力。裙壁区段朝向活塞头的加宽在高应力区域内产生了稳定性，但与此同时允许连接壁向内地收回，因此由于两个销孔之间的距离的减小而减轻了重量。重量降低一方面是由于通过向内移动连接壁使得活塞裙的周向长度或周向表面减小了。另一方面，由于在两个销孔之间的短距离，力的分布变得更加有利，因此可减小活塞裙的壁厚。在这种情况下，重要的是，如果在活塞头中进行冷却的话，上面所描述的活塞裙设计仅显示出所描述的效果，并且仅可通过重量的显著减轻来实现。

优选地，所述环形的散热通道的入口和/或出口位于裙壁区段所在的区域处和/或连接壁所在的区域处。结果，冷却油喷嘴的路径可形成在对应的裙壁区段的内侧上和/或对应的连接壁的内壁上，由此可以低的损失由油喷嘴注入到散热通道中。这会形成非常高效的冷却，进而允许对活塞裙设计进行优化。

至少一个裙壁区段的最短扇形长度优选地位于形成在活塞头上的侧面和背离活塞头的侧面之间。换言之，背离活塞头的、对应的裙壁区段的边缘不具有最长的扇形长度。相反，该裙壁区段逐渐收窄(从活塞顶开始)到最小的扇形长度，并再一次加宽，这可形成对对应的裙壁区段和连接壁之间的连接的优化。

上面所描述的扇形长度优选地位于相比背离活塞头的侧面更靠近活塞头上侧面的位置处。换言之，对应的裙壁区段迅速的收窄最初是从活塞头开始的，然后进行缓慢的加宽。通过这样的裙壁几何结构，活塞的重量和稳定性之间的比率产生了进一步的优化。

裙壁区段优选地分别具有两个边缘，这两个边缘将裙壁区段形成在活塞头上的的侧面与同一裙壁区段背离活塞头的侧面连接，其中所述边缘具有从活塞顶开始凸状地弯曲的部分。该凸状的弯曲使位于活塞头的区域内的裙壁区段与对应的连接壁之间的连接坚固，这会使活塞的强度和耐久性在重量没有变化或几乎没有变化的情况下得以提高。

优选地，所述边缘的凸状弯曲的部分分别过渡成凹状的弯曲，然后大体上沿直线延伸。此时用于与连接壁连接的紧邻活塞头的弯曲不是必须的。

直线部分优选地不与裙壁区段的远离活塞头的侧面平行，而是从最小的扇形长度开始间隙逐渐增大。相比于凸状的部分，这种加宽优选地以更小的或甚至十分小的梯度实现。此处所描述的加宽显示出活塞裙的稳定性和重量减小之间很好的折衷。

连接壁优选地分别具有销壳，相应的销孔位于所述销壳中，所述销壳相比于连接壁的其他部分具有增大的壁厚。销孔所在的区域是具有高的机械应力和热应力的区域。因此，针对销的稳定性，对于销壳而言重要的是具有大的壁厚。其他区段，即便是与裙壁区段连接的这些区段或过渡到裙壁区段的这些区段，相比于没有因活塞的稳定性而进行显著折衷的区段，可具有较小的壁厚。将活塞裙的材料特别集中于销孔是有益的，这是因为根据本发明的裙壁区段允许连接壁朝裙的内部收回。为了进一步强化销壳，它们可分别设置有黄铜衬套。

销壳优选地从相应的连接壁具有较薄的壁厚的区段处开始大体地向外延伸。由于上面所描述的活塞裙的设计，连接壁可收回进入内部很长一段距离，如上面所提到的那样，这对于减小重量而言是有益的。因此，相比于连接壁的较薄的部分而言，销壳向外地突出。

所述活塞优选地由铝或铝合金制成。相比于铸造的活塞，锻造的活塞通常具有致密的金属结构，因此它们在具有相当的强度下时会比铸造的活塞更轻。所以，尤其对于例如由铝合金制成的铸造活塞而言，减小重量的措施非常重要。因此，本领域的技术人员通常不会想到将锻造活塞的结构特征一一对应地转移到铸造活塞上。

优选地设置两个大部分平行于销轴线的加强肋，它们形成在活塞头上，并且延伸到活塞裙的腔中。一方面，加强肋使承受高应力的区域得到加强。另一方面，它们使活塞裙的壁厚能够减小，并因此能够降低总重(尽管有用于加强肋的额外材料)。根据一个优选的实施例，所述加强肋在设计上可以是非常小的，使得它们延伸到活塞裙中而不会超过销孔的较低顶点(即最接近活塞头的顶点)。所述加强肋优选地形成在销壳上，并且以连续的方式连接销壳。在连接部分所在的区域中，加强肋可具有增大的壁厚。

大体上从一个销孔延伸到另一个销孔的、在设计上优选地为拱形的加强肋形成在活塞头上，并且延伸到活塞裙的腔中。作为上面关于加强肋所讨论的特征的附加或备选，它们可优选地弯曲成沿着它们的延伸方向平行于活塞顶，这使得活塞的机械强度和耐用性得以提高。

入口和出口优选地位于加强肋和最近的裙区段之间。由此可实现对飞溅油喷嘴更好的引导，产生更好的冷却效果，进而提高活塞的热强度和机械强度。

入口和/或出口优选地设置在活塞裙的外侧，由此可将裙部设计得更加紧凑，并因此而减小重量。在这种情况下，入口和/或出口可设置在销壳和邻近的连接壁之间的连接区域中，由此可实现对进入或离开相应的开口的极好的引导。

本发明基于轻质活塞进行了描述。本发明的其他优点或特征可从下面的优选实施例中的描述而变得显而易见。下面和上面所描述的特征均可单独地或组合地实施，只要这些特征不矛盾即可。下面对优选实施例的描述是参照附图进行的。

附图说明

图1是从上方某一角度观看的活塞的三维示意图；

图2显示了图1中的活塞在部分透明形式下的示意图；

图3显示了从下方某一角度观看的图1中的活塞；

图4是图1中的活塞的侧视图；

图5是图1中的活塞的不同的侧视图；

图6显示了图1中的活塞仰视图；

图7是图1中的活塞的剖视图；

图8是图1中的活塞被切开的三维示意图；

图9是根据第二实施例的活塞的侧视图；

图10显示了图9中的活塞的仰视图；

图11是图9中的活塞的另一个侧视图；

图12显示了根据第三个实施例的活塞的仰视图；

图13显示了图12中的活塞的侧视图；

图14是图12中的活塞的另一个侧视图；以及

图15显示了从下方某一角度观看的图12中的活塞。

具体实施方式

图1至图8显示了根据第一实施例的活塞10的不同视图和视角。附图标记是通用的，并且不会针对每幅图而进行重复的描述。此外，出于清楚的考虑，如果必要的话，在其中一个或其他视图中会省略一些附图标记。

图1显示了从上方某一角度观看的活塞10的三维示意图。活塞10(优选地由铝或铝合金铸造而成)包括燃烧室12，在本示例中，燃烧室为W形(图7尤其清楚)。图7显示了活塞10的剖面图。燃烧室12从活塞顶22开始，延伸到活塞头11中。形成燃烧室12的壁的弯曲初始时是凸出的，然后其以底切的形式过渡到凹弧段，该弯曲不仅向活塞头11的深度中切入，而且向活塞头11的宽度中切入，然后与此邻接的显示为过渡到位于中间的突部处(“ω”的中间突部)的一条近似的直线段。这种弧线进展相对于活塞10的中心轴线是旋转对称的，即在图7的剖面中是镜像对称的。

设置了用于活塞环(未显示)的一些环形凹槽14。在一个或更多个环形凹槽14上可形成小孔、盲孔、贯孔或其他的开口15，以促进油供应到活塞和攻入到活塞裙的内部。从活塞环上除去的油(未显示)例如可通过开口15而输入到活塞的内部。

环形散热通道18位于活塞头11中，其显示在图2中，并且还出现在图7和图8中。散热通道18大致是环形的并且与活塞10的圆柱形外缘同心。对该散热通道环的直径进行调整使其设置在燃烧室12的最低洼部分的附近，并且同时与燃烧室12的最低洼部分相距足够的距离，以便不会因为燃烧室12和散热通道18之间的任何薄壁厚度而危害活塞头11的机械强度。从图2可以看到，散热通道18不必须精准地在当前平行于活塞顶22的平面内延伸。实际上，在本示例中，散热通道18具有弯曲的形状，其中高位区域和低洼区域(在活塞轴线的方向上)以柔和地弯曲的形式彼此相连。

散热通道18具有冷却剂入口28和冷却剂出口30。冷却剂入口28和冷却剂出口30延伸到活塞10的腔中，该腔由活塞裙40限定出并在下文中进行更为详细的描述。冷却剂入口28和冷却剂出口30优选地设置在散热通道18的低洼区域处，如图2所示的那样。冷却剂可通过喷嘴(未显示)而主动地注入到冷却剂入口28或冷却剂出口30中。作为附加或备选，还可供应飞溅油。此外，冷却剂从冷却剂入口28和/或冷却剂出口30出来，并且在这些开口有利的位置的作用下而到达活塞销的区域处，从而使处于销孔中的销的轴承以及活塞销和连杆眼孔之间的连接部得到冷却和润滑。出于清楚的目的，省略了对活塞销和连接杆的描绘。

活塞裙40包括两个相对的裙壁区段50以及与裙壁区段50相连的两个相对的连接壁60。连接壁60相对于圆柱形的活塞头11向内移动，使得活塞裙40的整个轮廓在图6所示的截面中没有呈现出圆柱形而是呈现出矩形的形状。但是，在这种情况下，与活塞头11的圆柱形轮廓相一致的裙壁区段50呈现出了圆柱形的弯曲，其基本上过渡成直的连接壁60。此处应当注意的是，连接壁60不需要完全是直的，而是可以稍微呈拱形或弯曲的，如在图6中尤其清楚地示出的那样。特别是在连接裙壁区段50的连接区域处，连接壁60展现出向外导向的弯曲，由此出于稳定的目的可在裙壁区段50和连接壁60之间的连接区域加宽。

由于连接壁60向内的移动，使得活塞裙40的腔41相对地狭窄。在每个连接壁60上设置有销孔61，销孔61通过销壳62得以加强。销孔61可具有一个或更多个侧面泄压部64。在活塞10的底侧，销壳62是平坦的，从图6看是尤其明显的。销孔61可配备有弹性挡圈，其并入到形成在销孔61中的凹槽63中。

两个加强肋45平行于由两个销孔61限定出的销轴线而延伸。这两个加强肋45对称地设置在销的两侧(未显示)，并且在销壳62后部的区域处将相对的连接壁60连接起来。加强肋45延伸到活塞裙40的腔内。在本示例中，它们在沿着活塞轴线大致为销孔61的顶点(其最接近于活塞头11)所在的高度处结束。在图6中所示的截面中，加强肋45在沿着销轴线的大致为直的线上延伸。加强肋45的上部边缘、即背离活塞头11的边缘是圆角的。并且，加强肋45在它们与连接壁60的连接部分的区域处加宽。整体而言，活塞裙40的各个部件的连接均是平滑地进行的，即避免锐利的棱角，以使在这些敏感区域出现的裂痕和破碎降到最少。此外，可在加强肋45或活塞裙的其他区段上设置开口67，以促进活塞裙40中的油循环或冷却液循环。

加强肋并不必须在沿着销轴线的直线上延伸，正如从图10还有图9和图11中可明显的看出的那样，这些图显示了第二个实施例。在该实施例中，对应于第一个实施例中的部件的附图标记带有“a”。加强肋45a在销轴线的方向上弯曲，弯曲度随着活塞头11的圆柱形轮廓，即从销轴线上看，加强肋45a凸状地弯曲。通过图10所示的加强肋45a的这种弯曲，进一步增强了活塞10的稳定性，而没有增加总体重量。

此外，在图9和图10所示的实施例中，裙壁区段50a是球根状的。此时，图10的截面中的裙壁区段的内部轮廓具有弯曲的形状，使得裙壁区段出现了加宽，而在活塞的中央轴线上具有最大的厚度，所述中央轴线垂直于销轴线和活塞轴线。

裙壁区段50的特殊形状在图5中是显而易见的。在裙壁区段50与活塞头11的连接部分所在的区域处设置有加宽部51。换言之，与活塞头11连接的连接部分的区域中的扇形长度L1大于相对的边缘54(即裙壁区段50上与活塞头11相对的边缘)的扇形长度L2。从活塞头11上的连接区域开始，通过区段52发生迅速地收窄而达到最小的扇形长度L3。区段52是凸状弯曲的，并且在最小的扇形长度L3的区域中过渡成凹状的弯曲区段。与此邻接的是直线区段53，其没有平行地延伸，而是逐渐偏离直到达到扇形长度L2。此处L1>L2>L3。

正如通过图5可清楚的是，边缘54可以是不规则的，即它可以具有凹陷、斜面、不同类型的弯曲等。例如，图9和图11中的凹部55a就是据此产生的，在冷却剂喷嘴放置在该凹部的区域中以将冷却油注入到冷却剂入口28a中时，能确保活塞正确地运行。

通过上面所描述的及附图中所显示的裙壁区段50的设计，产生了与连接壁60极好的连接，进而在减小活塞重量的同时实现了高的稳定性和强度。

正如通过图6可清楚的那样，冷却剂开口28和冷却剂出口30设置在加强肋45和最近的裙壁区段50之间。而且，它们位于裙壁区段50和连接壁60之间的连接区域处，即在二者之间的拐角处，由此可沿着活塞裙40相应的内壁对冷却剂的流入产生极好的引导。因此，开口28、30偏离于活塞10的中央轴线，该中央轴线垂直于销轴线并且垂直于活塞轴线延伸。通过喷嘴(未显示)进行的定向注入由此得以简化，因此提高了冷却效果。此处需要指出的是，术语“冷却剂入口”和“冷却剂出口”应理解为同义的，因为入口和出口可能会颠倒，或者这两个开口会同时作为入口和出口。

图12至图15显示了第三实施例的不同视图。在这些图中，对应于第一实施例中的部件的附图标记带有“b”。

根据第三实施例，冷却剂入口28b和冷却剂出口30b没有设置在裙边缘区段50b和连接壁60b之间的连接区域处，也没有设置在活塞裙40和最近的加强肋之间，冷却剂入口28b而是设置在活塞裙40的外侧，位于销壳62b和连接壁60b之间的接头所在的区域处。此外，冷却剂出口30b大致设置在平分活塞的面上，该面垂直于销轴线，并且位于远离冷却剂入口28b的裙壁区段50b和距其最近的加强肋45b之间。根据一个没有显示的实施例，冷却剂入口28b以及冷却剂出口30b二者均设置在活塞裙的外侧，尤其优选地位于销壳62b和连接壁60b之间的连接部分所在的区域处。

在图15中，从底部的某个角度显示了活塞的第三实施例。这里，最靠近冷却剂入口28b的销壳62b具有凹部29b，其使得更易于将冷却油加入到冷却剂入口28b中。为了稳定，另一个销壳62b具有加强部63b。

除了冷却剂入口和冷却剂出口的位置及加强肋的形状和本质的不同外，该实施例在裙壁区段的形状上也是不同的。通过图9(其包括第二实施例的侧视图)可清楚的是，从活塞头上的连接区域开始的区段52不需要任何凸状的弯曲，但是它们会凹状地弯曲、迅速地缩小，并且直区段53并不相互平行，而是逐渐地偏离，随后可相互靠近。图14清楚地显示了第三实施例的区段52的轻微起伏的形状。

为避免冗余，第二实施例和第三实施例均没有像第一实施例那样详细。因此，需明确指出的是，第一实施例的特征及技术效果同样适用于第二实施例和第三实施例，只要它们不与第一实施例的实施相矛盾即可。

Claims (15)

1.用于内燃机的活塞(10)，包括活塞顶(22)、邻接所述活塞顶(22)的圆柱形的活塞头(11)，以及至少部分中空的活塞裙(40)，所述活塞裙(40)形成在活塞头(11)背离活塞顶(22)的侧面上，并且所述活塞裙(40)具有两个相对的裙壁区段(50)以及与所述裙壁区段(50)相连的两个相对的连接壁(60)，其中所述连接壁(60)分别具有销孔(61)，

其中，所述活塞头(11)具有环形的冷却通道(18)，所述冷却通道(18)具有至少一个入口(28)和至少一个出口(30)，并且

所述两个裙壁区段(50)朝所述活塞头(11)加宽，使得裙壁区段(50)形成在活塞头(11)上的侧面的扇形长度(L1)大于裙壁区段(50)背离活塞头(11)的侧面的扇形长度(L2)。

2.根据权利要求1所述的活塞(10)，其特征在于，所述入口(28)和/或所述出口(30)位于裙壁区段(50)所在的区域处和/或连接壁(60)所在的区域处。

3.根据权利要求1或2所述的活塞(10)，其特征在于，所述裙壁区段(50)中的至少一个的最短的扇形长度(L3)位于形成在所述活塞头(11)上的侧面和背离所述活塞头(11)的侧面之间。

4.根据权利要求3所述的活塞(10)，其特征在于，所述最短的扇形长度(L3)所在的位置，相比背离所述活塞头(11)的侧面更靠近形成在所述活塞头(11)上的侧面。

5.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(10)，其特征在于，所述裙壁区段(50)具有两个边缘，所述两个边缘将裙壁区段(50)形成在所述活塞头(11)上的侧面连接到同一裙壁区段(50)的背离所述活塞头(11)的侧面上，其中所述边缘具有从所述活塞头(11)开始凸状地弯曲的区段。

6.根据权利要求5所述的活塞(10)，其特征在于，所述边缘上凸状地弯曲的部分分别过渡成凹状的弯曲，进而大体上沿直线延伸。

7.根据权利要求6所述的活塞(10)，其特征在于，所述边缘的直线部分不平行，和/或它们与裙壁区段(50)的背离活塞头(11)的侧面的距离增大。

8.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(10)，其特征在于，所述连接壁(60)分别具有销壳(62)，对应的销孔(61)位于所述销壳(62)中，并且所述销壳(62)具有增大的壁厚。

9.根据权利要求8所述的活塞(10)，其特征在于，所述销壳(62)从相应的连接壁(60)的具有较薄的壁厚的区段处开始大体上朝外延伸。

10.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(10)，其特征在于，所述活塞由铝或铝合金制成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(10)，其特征在于，大部分平行于销轴线的两个加强肋(45)形成在所述活塞头(11)上，并且延伸到所述活塞裙(40)的腔中。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的活塞(10a)，其特征在于，大体上从一个销孔(61a)延伸到另一个销孔(61a)的、拱形的两个加强肋(45a)形成在所述活塞头(11a)上，并且延伸到所述活塞裙(40a)的腔中。

13.根据权利要求11或12所述的活塞(10)，其特征在于，所述入口(28)和所述出口(30)分别设置在加强肋(45)和最近的裙壁区段(50)之间。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的活塞(10b)，其特征在于，所述入口(28b)和/或所述出口(30b)设置在活塞裙(40)的外侧。

15.根据权利要求14所述的活塞(10b)，其特征在于，所述入口(28b)和/或所述出口(30b)设置在销壳(62b)和邻接的连接壁(60b)之间的连接区域处。