CN107461272A - 内燃机的活塞 - Google Patents

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CN107461272A CN201710373993.0A CN201710373993A CN107461272A CN 107461272 A CN107461272 A CN 107461272A CN 201710373993 A CN201710373993 A CN 201710373993A CN 107461272 A CN107461272 A CN 107461272A
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Abstract

本发明涉及一种内燃机(2)的活塞(1)，其具有活塞轴(3)和活塞顶(4)，其中设置有闭合的冷却通道(5)，所述冷却通道(5)具有布置在其中的冷却介质(6)。具有创造性地重要的是，活塞轴(3)具有球状圆形截面形状。

Description

内燃机的活塞
技术领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种内燃机的活塞，其具有活塞轴和活塞顶。本发明还涉及一种具有至少一个这样的活塞的内燃机。
背景技术
当前，作为超过60kW每升的立方容积的非常高的具体动力等级的结果，增压柴油发动机经常存在内燃机的活塞(并且特别是活塞基部)的动力热负荷。在该例子中活塞基部面对具有其燃烧室口(combustion chamber bowl)的燃烧室，并且因此需要承受最高的热负荷。为了能够长期地操作这样的内燃机或这样的柴油发动机，需要实施特别是减小了活塞(特别是其活塞顶)的热负荷的活塞的冷却，并且此外需要防止参与了汽缸中的活塞的润滑的焦化油，特别是在临近顶岸的环形沟槽中。
发明内容
根据本发明，该问题由独立权利要求1的主题解决。从属权利要求涉及有益的实施例。
本发明基于如下的主要概念：以增加与汽缸壁或布置在相关的汽缸中的汽缸衬套的抵接面的方式构成内燃机的活塞的轴形式，并且因此能够实现活塞的改进的冷却并且还有改进的热传递。根据本发明的活塞在该例子中具有所述活塞轴和活塞顶，其中设置有闭合的在其中布置有冷却介质的冷却通道。燃烧室口进一步布置在活塞顶中。根据本发明，活塞轴现在具有球状的并且同时圆形的截面形状，其明显不同于之前从现有技术中已知的球状且椭圆形的截面形状，并且其中关于活塞直径的圆度偏差小于0.5/1000。在该例子中，术语“球状”意在意味着活塞沿着其活塞轴线以桶状的方式构成，也就是说，在活塞顶的区域中以及在活塞轴的下端的区域中活塞的直径比在其间的直径更小。在该例子中，应当总是在相对于活塞轴线横向的平面中考虑圆度偏差。因此，超过该高度，则半径由于凸度而不同。在该例子中球状结构使得轴壁能够在活塞的抵接的改变期间在汽缸上或在汽缸衬套上圆形滑动。由于轴壁的球状圆形的实施例的结果，根据本发明，与汽缸或汽缸衬套抵接的面增加，并且因此从活塞向汽缸的热传递的可能性也增加了。在该例子中测试已经示出，作为根据本发明的活塞轴的球状且圆形的实施例的结果以及因此改进的热传递，在活塞顶中能够实现明显的温度降低。
在根据本发明的技术方案的有益的发展中，导热涂层布置在活塞的轴面上。经由这样的例如具有增加的石墨比例以及因此改进的导热性的导热涂层，能够实现另外的改进的从活塞向汽缸的热传递以及因此改进的活塞的冷却。
在根据本发明的技术方案的有益的发展中，冷却通道在顶岸的方向上在活塞基部的区域中沿径向向外扩展。顶岸从活塞基部尽可能地向第一环形沟槽延伸，从而接纳活塞环。由于根据本发明设置的冷却通道的在顶岸的方向上沿径向方向向外的扩展，第一环形沟槽中的温度能够被减少高达10K，凭此特别是能够防止在所述的第一环形沟槽中的油炭形成的问题，但至少大大地减少。另外地或可替代地，冷却通道也能够在燃烧室口的方向上在活塞基部的区域中扩展，也就是说，径向向内。由此也能够获得活塞的改进的冷却。
在根据本发明的技术方案的另一个有益的发展中，活塞构成为具有上部和连接至其(特别是焊接至其)的下部的两部分，其中冷却通道部分地形成在上部中且部分地形成在下部中。在该例子中，这样的多部件的活塞提供了如下的可能性：通过铣削和/或孔的方式在轴的方向上使冷却通道向下扩展，并且由此实现冷却介质的改进的热排放，所述冷却介质在操作期间在活塞轴的方向上在闭合的冷却通道中前后移动。如果冷却通道例如在活塞轴的方向上通过铣削的方式而扩展，则其在面对下活塞侧的内壁上具有起伏的形状，该起伏的形状导致增加的表面并且还导致因此的改进的热传递。除了由于该加工的结果也带来冷却通道基部的起伏的形状的这样的空心铣削，也可以设置明显更深地延伸到活塞轴中且由此带来进一步的改进的热排放的另外的孔。
在根据本发明的技术方案的有益的发展中，从下活塞侧突出的肋布置在下活塞侧处冷却通道的区域中。这些肋优选地仅在内轴壁和其与活塞基部的连接处之间的区域的上方延伸，并且同时具有如下若干功能：一方面，由于这样的肋的结果，表面增加了至少1.2至2倍，凭此也增加了向从下方注入的油的热传递，并且由此能够改善热排放以及活塞的整体的冷却。另一方面，肋引导注入的油越过中央轴线朝向相反侧。另外，通过这样的活塞，油的注射喷嘴能够以倾斜的方式定位，凭此喷油嘴的碰撞位置依据上死点和下死点之间的活塞位置而移动，并且凭此带来特别均匀的冷却。由于开放的冷却通道的结果，这不能以这样的方式实施，因为喷油嘴总是需要被导向到开放的冷却通道的供给孔上从而总是能够将足够的油注入到冷却通道中。
有益地，肋通过冲压/锻造制造。当制造活塞时，肋和布置在其间的凹槽的制造能够因此没有显著的额外花费地制造，为此仅需要相应地改造冲压或锻造模具。
在根据本发明的技术方案的另一个有益的实施例中，肋基本上关于活塞轴线沿径向方向延伸，其中可以另外地或可替代地具有布置在肋之间的上述的凹槽的设置，并且其中从下活塞侧突出的肋的体积对应于在下活塞侧冲压的凹槽的体积。凹槽与肋之间的体积补偿在肋的冲压或锻造期间只局部地通过材料的流动的方式发生，凭此针对锻造工具只产生非常小的负荷或者根本不产生负荷，并且工具的使用寿命不被影响或者只以不明显的消极方式被影响。
存在有被优选地用作冷却介质，例如钠和/或钾，其中也特别考虑了其混合物，所述混合物例如在-12℃变为液态，并且在内燃机的操作期间通过活塞的前后移动而被前后摇动，并且由此从活塞基部吸收热量并将其排放到活塞轴。可替代地，水也能够被用作冷却介质。水提供的益处是，非常高的费效比，并且能够为其使用远不复杂的填充安装。而且，水是到处可获得的，并且对人和环境不产生任何危险。在该例子中，操作原理具有与热管类似的基础，通过所述热管能够传递大量的热。这样的“热管”使用冷却介质(操作介质)的蒸发和凝结热含量。水在冷却通道的面对活塞基部和口壁的上区域中蒸发，并且在冷却通道的下部凝结，在此处热例如被排放至活塞轴。由于随着冷却介质的温度上升而变得越来越高的压力的结果，应当使用对应地构成的闭合元件，例如承受高达350帕的压力的柯尼希扩管器( Expander)。而且，需要注意填充量，因为相比于钠/钾，水是更差的热导体，并且蒸发和凝结含热量仅仅是重要的方面。尽可能地，为了不妨碍热经由水的传输，如果实质上在冷却通道中仅存在足够的可获得的水使得在工作周期期间引入到活塞中的最大能量最大可能程度地蒸发掉现存的大部分水，则因此是有益的。冷却通道容量的从0.01％至10％的通常填充量应当因此已经足够将热从活塞的热位置传输到较冷的区域中。在该例子中，该方法的作用与水的物理特性相关，根据水的物理特性，在从液相向气相的转变期间热被吸收，反之，当水蒸气凝结时热被排放至环境中。该作用因此在向上的方向上被限定在374℃(临界温度)的最大温度，因为临界温度以上不发生相位跃变。在向下的方向上，0℃处的水熔点具有有限的作用。已经发现特别是对于钢活塞，在发动机的操作期间并不脱离该温度范围。通常，观察到从100℃至300℃的温度。在可能导致冷却通道的区域中的更大的壁厚的构造期间，自然需要考虑冷却通道在压力下的扩展程度。在该例子中，依据相应的发动机概念，压力通常在50帕和100帕之间变化。在高的具体动力级别处，已经另外地发现作为盐或高导热粉末(例如，基于铜、铝或碳化硅或低熔点金属，诸如锡、共晶锡铋(SnBi-eutectic)、铋或镓)的结果，水的沸腾能显著地增加，并且否则从大约1000kW/m2的热流密度发生的薄膜状沸腾能够被向更高的热流密度转移。
本发明的其他重要的特征和益处将从从属权利要求、附图以及参照附图的相关附图描述中领会到。
当然，在不离开本发明的范围的情况下，上述特征以及那些将在下文中说明的特征不仅能够用在在每种情况下提出的结合中，而且还能够用在其他结合中或者单独使用。
附图说明
本发明的优选实施例图示在附图中并且在下面的描述中更加详细地说明，其中相同的附图标记涉及相同或相似或功能上相同的部件。
在示意性的附图中：
图1为穿过根据本发明的活塞的截面图示，其具有图像的左半部和图像的右半部不同的截面平面，
图2为具有不同视图的通常球状圆形截面形状的图示，
图3为如图1的图示，只是具有不同的截面平面，
图4为从根据本发明的、具有冲压肋的活塞的下方的视图。
具体实施方式
根据图1和图3，根据本发明的内燃机2的只以高度示意的方式图示在图3中的活塞1具有活塞轴3和活塞顶4，其中闭合的冷却通道5设置在活塞顶4中，所述冷却通道5具有布置在其中的冷却介质6。燃烧室口7进一步布置在活塞顶4本身中。根据本发明，活塞轴3现在具有球状圆形的截面形状(同样参见图2)，其中通过附图标记8指示活塞轴线，并且其中关于活塞直径D的圆度偏差小于0.5/1000。在该例子中，术语“球状”意在意味着活塞1沿着其活塞轴线8以桶状的方式构成，也就是说在活塞顶4的区域中以及在活塞轴3的下端的区域中的活塞1的直径D比在其间的直径更小。在该例子中总是意在在相对于活塞轴线8的横向的平面中考虑圆度偏差。超过高度H，半径由于圆度的结果而不同，而它们在平面中是相同的。
如果考虑图2中的左侧图示，能够看出球形相对于活塞轴线8在活塞轴3的上端和下端9具有比(例如)在活塞轴3的中央区域10更小的直径D。在图2的右侧图示中，例如，相比于现有技术中已知的球状椭圆形截面图示了球状圆形截面。在该例子中用实线指示出球状圆形截面，而用虚线指示出如从现有技术中的活塞的活塞轴已知的球状椭圆形截面。根据本发明的活塞轴3的球状圆形截面因此由具有在各个高度水平H处一致的半径R的圆形截面而相区别。
作为根据本发明的活塞轴3的球状圆形截面形状的结果，不仅能够实现活塞轴3在汽缸壁10(参见图3)或在汽缸衬套11上(如果这样的衬套布置在汽缸中)的改进的滑动，而且特别是增加了抵接面，也就是说，活塞轴3与汽缸壁10或可布置在汽缸中的汽缸衬套11之间的接触面，凭此能够实现改进的热传递。通过已经从现有技术中已知的、并且具有球状椭圆形截面形状的活塞，存在只有与其轴面的小部分与汽缸壁或汽缸衬套的接触，凭此只有小量的热能够从活塞排放到汽缸，并且因此明显减少的活塞的冷却也是可能的。
如果进一步考虑图1和图3，能够看出冷却通道5在活塞基部13的区域中沿径向(也就是说，在顶岸14的方向上)向外扩展，或具有这样的扩展部15。第一环形沟槽16中的温度能够由此被减少高达10K，凭此油炭形成的问题以及特别地汽缸中的活塞1的润滑所需的油的烧焦也能够被防止，但至少明显地减少。另外地或可替代地，这样的扩展部15'也可以在燃烧室口7的方向上沿径向向内设置。
如果进一步考虑图1和图3，能够看出活塞1被构造成多个部分，在该例子中为具有上部17和连接至其(特别是焊接至其)的下部18的两部分，其中冷却通道5部分地形成在上部17中并且部分地形成在下部18中。在该例子中上部17和下部18沿着接合表面19彼此连接，例如摩擦焊接或激光焊接。为了能够在向下的方向上扩展冷却通道5，可以另外设置有孔20，其尽可能地向靠近活塞轴3的下端9的位置延伸(参见图1)并且由此为活塞轴3的区域带来了改进的热排放。冷却通道5可以另外地或可替代地也通过铣削(例如，空心铣削)的方式扩展，凭此在冷却通道基部21处，通常由于加工的结果而产生在该位置的起伏的形状。由于在冷却通道基部21处的起伏的形状的结果，能够增加表面，并且由此也能够改善热传递。
另外地或可替代地，在下活塞侧22处(参见图1、图3以及图4)可以布置有肋25，其优选地只在内轴壁和其与活塞基部13的连接部之间的区域上延伸。在该例子中，一方面，这些肋25具有增加表面的功能，增加至少1.2倍至2倍，凭此也增加向从下方注入的油的热传递。另一方面，肋25引导注入的油越过中央轴线(活塞轴线8)朝向相反侧。由于注射喷嘴的倾斜位置的结果，依据根据图4所图示的箭头24能够进一步实现依赖于活塞1的位置的喷油嘴的碰撞位置(impact location)的移动，凭此能够通过在肋25上方的喷油嘴4的连续的前后移动的方式而实现特别均匀的冷却。在该例子中，活塞1的在其上死点OT和下死点UT之间的向上和向下的移动带来喷油嘴的移动。在该例子中，肋25可以优选地在热定形加工期间使用对应的锻造或冲压模具通过冲压而被冲压或锻造。在该例子中，已经发现只要肋25以圆形的方式构成或遵循正弦形状，这就以特别好且简单的方式实现。
优选地，例如，钠和/或钾被用作冷却通道5中的冷却介质6，其中也特别考虑了其混合物，所述混合物例如在-12℃变为液态，并且在内燃机2的操作期间通过活塞1的前后移动而被前后摇动，并且由此从活塞基部13吸收热量并将其排放到活塞轴3。可替代地，水也能够被用作冷却介质6。水提供的益处是，非常高的费效比，并且能够为其使用远不复杂的填充安装。而且，水是到处可获得的，并且对人和环境不产生任何危险。在该例子中，操作原理是基于冷却介质6的蒸发和凝结的热含量。水在冷却通道5的面对活塞基部13和燃烧室口7的上区域中蒸发，并且在冷却通道5的下部凝结，在此处热(例如)被排放至活塞轴3。在该例子中，操作原理以与热管类似的方式起作用，通过所述热管能够传递大量的热。这样的“热管”使用冷却介质(操作介质)的蒸发和凝结热含量。当水被用作冷却介质6时，需要精确地注意填充量，因为相比于钠/钾，水是更差的热导体，并且蒸发和凝结含热量仅仅是重要的方面。尽可能地，为了不妨碍热经由水的传输，如果实质上在冷却通道5中仅存在足够的可获得的水使得在操作周期期间引入到活塞1中的最大能量最大可能程度地蒸发掉现存的大部分水，则因此是有益的。冷却通道5容量的从0.01％至10％的通常填充量应当因此已经足够将热从活塞1的热位置传输到较冷的区域中。在该例子中，该方法的作用与水的物理特性相关，根据水的物理特性，在从液相向气相的转变期间热被吸收，反之，当水蒸气凝结时热被排放至环境中。该作用因此在向上的方向上被限定在374℃(临界温度)的最大温度，因为临界温度以上不发生相位跃变。在向下的方向上，0℃处的水的熔点具有有限的作用。已经发现特别是对于钢活塞，在发动机的操作期间并不脱离该温度范围。通常，观察到从100℃至300℃的温度。在可能导致冷却通道5的区域中的更大的壁厚的构造期间，自然需要考虑冷却通道5在压力下的扩展程度。在该例子中，依据相应的发动机概念，压力通常在50帕(bar)和100帕(bar)之间变化。
在高的具体动力级别处，已经另外地发现作为盐或高导热粉末(例如，基于铜、铝或碳化硅或低熔点金属，诸如锡、共晶锡铋、铋或镓)的结果，水的沸腾能显著地增加，并且否则从大约1000kW/m2的热流密度发生的薄膜状沸腾能够被向更高的热流密度转移。
当考虑图4时，能够看出肋25基本上相对于活塞轴线8在径向上延伸，并且凹槽23布置在各个肋25之间，其中从下活塞侧22突出的肋25的体积对应于在下活塞侧22中冲压的凹槽23的体积。在肋的冲压或锻造期间，仅局部地发生材料的流动，凭此对于锻造工具只有非常小的负荷或根本没有另外的负荷，并且工具的使用寿命不被影响或者仅仅以不明显的消极方式被影响。肋25或凹槽23因此能够被以最大程度地成本中立的方式引入。
通过根据本发明的活塞1及其球状圆形的截面形状，在活塞轴的区域中与内燃机的汽缸衬套11或汽缸壁10的抵接面能够被增加，凭此能够实现改进的热传递以及因此还有活塞1的改进的冷却，这是大大的益处，特别是对于具有超过60kW每升的立方容积的具体动力的高度增压的柴油发动机。
除了活塞轴3的球状圆形的截面形状，改进活塞1的冷却的其他措施，诸如，例如，肋25，孔20，扩展部15能够被附加地或可替代地应用。

Claims (9)

1.一种内燃机(2)的活塞(1)，其具有活塞轴(3)和活塞顶(4)，其中设置有闭合的冷却通道(5)，所述冷却通道(5)具有布置在其中的冷却介质(6)，
其特征在于，
所述活塞轴(3)具有球状圆形截面形状，其中关于活塞直径(D)的圆度偏差小于0.5/1000。
2.根据权利要求1所述的活塞，
其特征在于，
所述冷却通道(5)在活塞基部(13)的区域中在顶岸(14)的方向上沿径向向外扩展。
3.根据权利要求1或2所述的活塞，
其特征在于，
所述活塞(1)构成为具有上部(17)和下部(18)的两部分，其中所述下部(18)连接至所述上部(17)，特别是焊接至所述上部(17)，其中所述冷却通道(5)部分地形成在所述上部(17)中并且部分地形成在所述下部(18)中。
4.根据权利要求3所述的活塞，
其特征在于，
所述冷却通道(5)通过铣削和/或孔(20)的方式在所述活塞轴(3)的方向上扩展。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的活塞，
其特征在于，
从下活塞侧(22)突出的肋(25)布置在在下活塞侧(22)处所述冷却通道(5)的区域中。
6.根据权利要求5所述的活塞，
其特征在于，
所述肋(25)通过冲压/锻造制造。
7.根据权利要求5或6所述的活塞，
其特征在于，
-所述肋(25)关于活塞轴线(8)基本上在径向方向上延伸，和/或
-凹槽(23)布置在所述肋(25)之间，其中从所述下活塞侧(22)突出的所述肋(25)的体积对应于冲压在所述下活塞侧(22)中的所述凹槽(23)的体积。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的活塞，
其特征在于，
-所述活塞(1)构成为钢活塞或灰铸铁的铸造活塞，和/或
-所述冷却介质(6)具有钠和/或钾或水。
9.一种内燃机(2)，其具有发动机本体，所述发动机本体具有至少一个汽缸，所述汽缸中布置有根据权利要求1至8中的任一项所述的活塞(1)。
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