CN107923299B

CN107923299B - 用于内燃机的活塞

Info

Publication number: CN107923299B
Application number: CN201680044012.1A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·埃曼; 托马斯·黑蒂希; 赛巴斯蒂安·曼戈尔德; 阿齐兹·格兹居
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: JP6784705B2; DE102015214512A1; JP2018523051A; US10487776B2; CN107923299A; WO2017016934A1; US20180216570A1; BR112017028249A2

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的活塞(1)，包括活塞头(2)和凹入其中的燃烧室凹部(3)；位于活塞头旁边的环形凹槽(4)；以及用于冷却活塞(1)的冷却管道(5)。根据本发明：整个冷却管道(5)距活塞头(2)的距离比位于活塞头旁边的环形凹槽(4)的远离活塞头的侧面(21)小；冷却管道(5)在第一位置(8)中具有距活塞头(2)的最小距离(6)，在第二位置(9)中具有距燃烧室凹部(3)的最小距离(7)，并且居于其间的在第三位置(18)中具有距凹部边缘(16)的最大距离(17)；冷却管道(5)在第一位置(8)与第二位置(9)之间以倒圆的方式形成，其中，倒圆至少在第三位置(18)中并且优选地至少直到第二位置(9)具有倒圆半径，所述倒圆半径大于活塞直径d的4％。

Description

用于内燃机的活塞

技术领域

本发明涉及一种具有活塞头和凹入其中的燃烧室凹部的用于内燃机的活塞。

背景技术

DE2828237C3公开了一种用于内燃机的通用类型的活塞，具有活塞头和凹入其中的燃烧室凹部，并且具有用于容纳活塞环的至少一个环形凹槽。还设置了用于冷却活塞的冷却管道。

DE102004056769A1已经公开了另一种用于内燃机的活塞，具有至少一个冷却管道，该冷却管道具有两个部分，这两个部分相对于沿活塞轴和/或在径向方向上的高度位于不同的水平面处。在此，可以设置两个或更多个冷却管道，其中至少两个冷却管道相对于沿活塞轴和/或在径向方向上的高度位于不同的水平面处。

DE102008002571A1公开了另一种用于内燃机的活塞，该内燃机具有仅在至少一个流入口和至少一个流出口的区域中的至少一个冷却管道，该至少一个冷却管道位于相对远离活塞头的低水平面处，并且以其他方式位于更靠近活塞头的始终较高的水平面处。特别地，由此能够实现活塞的改善的冷却。

在活塞具有现有技术已知的燃烧室凹部的情况下，尤其是在凹部边缘的区域中出现可能具有长期负面影响的相对高的热负荷。

发明内容

因此，本发明涉及的问题在于详细说明一种通用类型的活塞的改进的或至少替代的实施方案，该实施方案尤其以延长的使用寿命而突出。

本发明基于这样的基本构思，即，相对于活塞头和燃烧室凹部，以较大半径倒圆内燃机活塞中的冷却管道，并在所述区域中实现改进的切口效应，从而特别由于该切口效应而以改进的方式承受在所述区域中出现的高热负荷。

在此，根据本发明的活塞具有上述活塞头和凹入其中的燃烧室凹部，以及用于容纳活塞环的至少一个环形凹槽和用于冷却活塞的冷却管道。然后为了能够增加活塞的使用寿命及其承载能力，冷却管道以这种方式布置，使得其距活塞头的间隔比所述至少一个环形凹槽小。这意味着冷却管道布置成完全在一个环形凹槽或多个(通常是三个)环形凹槽中的最上面的环形凹槽的下侧面之上。在本申请中，仅考虑了多个环形凹槽中最靠近活塞头的最上面的环形凹槽。在一个优选的实施方案中，整个冷却管道位于最靠近活塞头的环形凹槽的上侧面上方，方向“上方”和“下方”与所述描述中沿活塞的活塞轴的发动机的通常安装和操作位置有关，并且因此分别指示靠近活塞头并且面对燃烧室的一侧以及远离活塞头并且背离燃烧室的一侧。冷却管道的靠近活塞头的位置首先由于在冷却管道附近而带来从燃烧室到活塞头上的热输入的位置的改善的热传导。然而，其实质的优点在于，冷却管道近似地布置在活塞头、燃烧室凹部和环形凹槽或环形支架之间的中心处，在具有相对低的机械应力的区域中，而根据现有技术的径向上位于最上面的环形凹槽中远离活塞头的位置导致环形凹槽与燃烧室凹部之间的应力集中。

此外，冷却管道在第一位置处具有距活塞头的最小间隔，并且在第二位置处具有距燃烧室凹部的最小间隔，并且在第一位置与第二位置之间还具有倒圆构造，与形成从活塞头到燃烧室凹部内的过渡的凹部边缘具有最大间隔的第三位置位于第一位置与第二位置之间。在此，第三位置与凹部边缘的间隔在第三位置处径向地测量，也就是说，相对于冷却管道表面成直角。根据本发明，冷却管道在其面向凹部边缘的表面的区域中具有特别大的倒圆部分，至少在第三位置处的倒圆半径大于活塞直径的4％，特别优选地大于5％。大的倒圆部分优选地在冷却管道表面的相对宽的区域上延伸，该区域连续地从第二位置直到第三位置具有大于活塞直径的4％的倒圆半径。

在一个特别优选的实施方案中，倒圆部分在第二位置的下方开始，也就是说，以比距燃烧室凹部的最小间隔更远离活塞头的方式开始，并且通过彼此相邻并且分别大于活塞直径的4％的至少三个半径R1、R2和R3延伸超出第三位置，并且因此在燃烧室凹部与活塞头之间的区域中可以形成冷却管道的比较大的倒圆部分。只要始终保持上述最小半径，根据本发明的倒圆部分就可以通过彼此相邻或者可以具有凸起的连续弯曲形状的一个或多个圆弧R1、R2、R3提供。大的倒圆部分可以延伸直到第一位置或超过后者，或者可以优选地在第三位置与第一位置之间的区域中结束。通常，通过比较大的倒圆部分，切口效应可以尤其是在冷却管道表面的面向凹部边缘的那部分中减小，并且因此可以增加根据本发明的活塞的承载能力。

在根据本发明的解决方案的一个有利的开发中，第一半径R1大于第二半径R2和/或小于第三半径R3。因此，冷却管道的倒圆部分可以以比较大的半径被引导通过第三位置，由此可以在所述区域中以特别有利的方式影响切口效应。此外或作为替代方案，第二半径可以小于第三半径，由此已经比较大的第一半径R1和第二半径R2再次增加，因此，在所述区域中朝向第三位置的冷却管道的倒圆部分是特别有利的。

在根据本发明的解决方案的另一有利实施方案中，设置了第四半径R4，其描述了倒圆部分，与第三半径R3相邻，直到到达第一位置，但是小于半径R1和R2，尤其是也小于第三半径R3。因此，冷却管道可以在第一位置的区域中以椭圆形的方式倒圆，并且可以通过比较小的第四半径(其可以是例如约1.3mm)合并到相邻的直线中，也就是说，冷却管道的非倒圆区域。制造盐芯或砂芯尤其需要冷却管道的所述非倒圆区域。

第一半径R1有利地约为3.7mm，第二半径R2约为3.6mm，第三半径R3约为4.4mm，并且第四半径R4约为1.3mm，而活塞直径d约为83mm。在测试中，所述尺寸已经导致了根据本发明的活塞的特别高的承载能力，不言而喻，各个半径和直径的比率可以相应地外推到更大或更小的活塞，并且因此可以适于不同尺寸的活塞。因此，由于比较大的半径R3，所述区域中存在的比率几乎为凹部边缘的区域中的每个活塞尺寸提供了最佳的切口效应。

在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，与活塞头的最小间隔约为3.0mm，与燃烧室凹部的最小间隔除此之外或者作为替代方案是至少2.6mm并且优选地约为3.3mm，而与凹部边缘的最大间隔可以是约7.1mm。由此可见，在冷却管道与活塞头之间以及在冷却管道与燃烧室凹部之间仅存在小的间隔，尤其是在活塞直径d为83mm的情况下，该小的间隔又可以在第一位置和第二位置的区域中实现活塞的最佳冷却。

然而，根据本发明，可以考虑面向燃烧室凹部、凹部边缘和活塞头的冷却管道表面的区域，已经证明，面向燃烧地带(firing land)的径向外部区域以及冷却管道表面的距活塞头最远的那部分的形状设计仅对强度条件有很小的影响，因此，任何期望的表面轮廓在此都是可以的，这些表面轮廓也可以具有较小的半径、带有凸起的边缘或凹形冷却导通道横截面，而不损害强度。

在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，冷却管道的高度h与第三位置处的半径R3之比定义如下：

h/R3≥0.6。

特别优选的情况是h/R3≥0.65。因此，可以实现冷却管道的卵形，其与圆形形状相比大大改进，由此也可以生产在使用寿命和热承载能力方面改进的活塞。

不言而喻，上述特征以及还将在下文中描述的特征不仅可以在分别所指出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

本发明的优选的示例性实施方案在附图中示出，并且将在以下描述中更详细地说明，其中相同的参考标号指示相同或相似或功能相同的部件。

在附图中，在每种情况下示意性地：

图1示出了根据本发明的活塞的截面图的详细视图，以及

图2示出了根据图1的活塞的冷却管道的各个半径的详细视图。

具体实施方式

根据图1和图2，内燃机(未另行示出)的根据本发明的活塞1具有活塞头2和燃烧室凹部3，该燃烧室凹部凹入该活塞头中并且在向活塞头2的过渡区域中形成凹部边缘16。在活塞1的外侧上设置用于容纳活塞环(未示出)的至少一个环形凹槽4(在此是最靠近活塞头的环形凹槽4)。环形凹槽4具有靠近活塞头的侧面21和远离活塞头的侧面22，侧面21、22以环形方式布置并且相对于活塞轴11基本上成直角。基本上圆柱形的凹槽底部23位于侧面21与22之间。还设置有用于冷却活塞1的冷却管道5。

然后为了能够增加活塞1的热承载能力并且因此间接地延长其使用寿命，冷却管道5距活塞头2的间隔比所述至少一个环形凹槽4小。这意味着冷却管道5整体布置成比所述一个环形凹槽4或最靠近活塞头的环形凹槽4的远离活塞头的至少所述侧面22更靠近活塞头2。在优选的示例性实施方案中，整个冷却管道横截面比靠近活塞头的最上面的环形凹槽4的那个侧面21更靠近活塞头2。通常，活塞1还具有更远离活塞头的另外的环形凹槽(未示出)。此外，冷却管道5在第一位置8处具有距活塞头2的最小间隔6(参见图2)，并且在第二位置9处具有距燃烧室凹部3的最小间隔7。此外，在第一位置8与第二位置9之间面对凹部边缘16的第三位置18处，冷却管道5在凹部边缘16的区域中的燃烧室侧活塞表面与冷却管道表面之间具有最大间隔17，间隔17相对于冷却管道表面以直角测量。冷却管道5在此在第一位置8与第二位置9之间为倒圆构造，倒圆部分在第三位置18处具有大于活塞直径的5％的半径R3。在从第二位置9直到第三位置18的区域中，通过半径R3和大于活塞直径d的4％并且没有急弯地连接R3的半径R2，连续地具有大于活塞直径的4％的倒圆半径。

以在第三位置18处开始到第二位置9直到第一位置8之前的方式，通过彼此相邻并且分别大于活塞直径d的4％的至少三个半径R1、R2和R3来描述冷却管道横截面。

在此，例如3.7mm的第一半径R1大于例如3.6mm的第二半径R2。另外或作为替代方案，第一半径R1可以小于可以例如为4.4mm的第三半径R3。

如果考虑图2，可以看出，设置了第四半径R4，其描述了冷却管道5的倒圆部分，与第三半径R3相邻，直到到达第一位置8，并且小于半径R1和R2，也小于半径R3。第四半径R4可以是例如1.3mm。活塞直径d可以具有例如通常用于乘用车活塞的83mm的值。在此，上述尺寸尤其是甚至彼此成比例地被保护，因此具有相应地增大或减小的半径R1、R2、R3、R4和活塞直径d的活塞1也通过正向或反向外推的方式落入本发明内。

如果再次考虑图2，从所述图中可以看出，第一位置8与活塞头2之间的最小间隔6可以是例如3mm，并且第二位置9与燃烧室凹部3之间的最小间隔7可以是例如3.3mm，尤其是3.374mm，而第三位置18与凹部边缘16之间的最大间隔17可以是例如7.1mm。不言而喻，所述间隔6、7也可以相应地外推，或者在活塞直径d变化的情况下进行调整和改变。

如果考虑图1，可以看出，冷却管道5具有高度h；冷却管道5的高度h与第三位置处存在的半径R3之比可以是或者应当是

h/R3≥0.6，尤其优选的是h/R3≥0.65，

以便可以实现尽可能低的切口效果，因此实现高热承载能力和长使用寿命。在此，冷却管道5的高度h可以是例如6.6mm。

从图1和图2可以看出，冷却管道5具有直线部分10，所述直线部分10相对于活塞轴11倾斜大约8°的角度α(参见图1和图2)。活塞1的生产可以通过这种类型的部分10来改进。

因此，与活塞1的热承载能力和长使用寿命有关的特别有利的实施方案可以通过根据本发明的冷却管道5相对于活塞头2和燃烧室凹部3的布置，尤其是也相对于环形凹槽4的布置以及通常的半径R1至R4的选择来改进。

Claims

1.一种用于内燃机的活塞(1)，具有

-活塞头(2)和燃烧室凹部(3)，所述燃烧室凹部凹入所述活塞头中并且具有凹部边缘(16)，

-环形凹槽(4)，所述环形凹槽最靠近所述活塞头，用于容纳活塞环，

-冷却管道(5)，用于冷却所述活塞(1)，

其特征在于，

-所述冷却管道(5)整体距所述活塞头(2)的间隔比最靠近所述活塞头的所述环形凹槽(4)的远离所述活塞头的侧面(22)小，

-所述冷却管道(5)在第一位置(8)处具有距所述活塞头(2)的最小间隔(6)，并且在第二位置(9)处具有距所述燃烧室凹部(3)的最小间隔(7)，以及

-所述冷却管道(5)在所述第一位置(8)与所述第二位置(9)之间为倒圆构造，并且相对于所述冷却管道的表面以直角测量，在面对所述凹部边缘(16)的第三位置(18)处具有距所述凹部边缘(16)的最大间隔(17)，倒圆部分至少在所述第三位置(18)处具有倒圆半径，所述倒圆半径大于所述活塞直径d的4％，

在所述第二位置(9)处开始直到所述第一位置(8)，所述倒圆部分通过彼此相邻并且分别大于所述活塞直径d的4％的至少三个半径，即第一半径R1、第二半径R2和第三半径R3，描述，其中R3＞R1＞R2。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，在所述第三位置(18)处的倒圆半径大于所述活塞直径d的5％。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述倒圆部分连续地在所述第二位置(9)与所述第三位置(18)之间具有大于所述活塞直径的4％的倒圆半径。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一半径R1约为3.7mm，并且所述第二半径R2约为3.6mm。

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，所述第三半径R3约为4.4mm。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的活塞，其特征在于，设置第四半径R4，所述第四半径描述所述倒圆部分，与所述第三半径R3相邻，直到到达所述第一位置(8)，并且小于所述半径R1和R2。

7.根据权利要求6所述的活塞，其特征在于，所述第四半径R4约为1.3mm。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的活塞，其特征在于，所述活塞直径d约为83mm。

9.根据权利要求1至4的任一项所述的活塞，其特征在于，

-与所述活塞头(2)的最小间隔(6)约为3mm，和/或

-与所述燃烧室凹部(3)的最小间隔(7)至少为2.6mm，和/或

-与所述凹部边缘的最大间隔(17)约为7.1mm。

10.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，

-与所述燃烧室凹部(3)的最小间隔(7)约为3.3mm。

11.根据权利要求1至4的任一项所述的活塞，其特征在于，所述冷却管道(5)的高度h与所述半径R3之比为h/R3≥0.6。

12.根据权利要求11所述的活塞，其特征在于，所述冷却管道(5)的高度h与所述半径R3之比为h/R3≥0.65。

13.根据权利要求11所述的活塞，其特征在于，所述冷却管道(5)的高度h约为6.6mm。

14.根据权利要求1至4的任一项所述的活塞，其特征在于，所述冷却管道(5)整体距所述活塞头(2)的间隔比最靠近所述活塞头的所述环形凹槽(4)的靠近所述活塞头的侧面(21)小。