CN108025406B - 带有碱金属冷却的内燃机的活塞和用于活塞的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造内燃机的活塞(1)的方法，其中，在活塞(1)中提供至少一个空心空间(2)，所述至少一个空心空间以冷却介质、尤其碱金属填充并且随后封闭，其中，所述至少一个空心空间(2)为了容纳冷却介质而构造为细长延伸的空心空间(2)并且从中央的钻削部(10)出发朝活塞周缘的方向引入到所述活塞(1)的活塞体中，本发明还涉及一种根据所述方法制造的活塞(1)。

Description

带有碱金属冷却的内燃机的活塞和用于活塞的制造方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机的活塞和用于制造内燃机的活塞的方法，所述活塞具有能封闭的空心空间，在所述空心空间中引入有冷却介质、尤其碱金属、尤其钠。

背景技术

DE102013002895A1涉及一种带有活塞裙的用于活塞往复式内燃机的活塞，所述活塞带有具有环绕的环部分的活塞头部，在所述活塞头部中设置有至少部分环绕的冷却通道用于容纳冷却介质，并且所述活塞带有至少一个部分在活塞裙中并且部分在活塞头部中延伸的通道元件，其中，所述至少一个通道元件在流体方面与冷却通道分离，其中，在通道元件中容纳有与第一冷却介质不同的第二冷却介质以用于至少局部地冷却活塞。为了避免液态的钠从相应的通道元件中的不期望的流出，在此提出将相应的开口用球封闭。这是非常耗费的并且因此成本高的。此外，每个单个的封闭元件的密封性必须得到保证，以便阻止碱金属不期望地流到内燃机的燃烧室中。

碱金属引入所到的空间构造为通道形的元件，所述元件具有直的走向并且相对彼此倾斜地延伸。这意味着，通道元件的轴线由于相对彼此的倾斜布置而绝不在活塞内相交，从而每个通道元件还需要专有的封闭元件，由此增加了其装配耗费。

此前，活塞从裙侧出发具有多个深孔钻削部，所述深孔钻削部必须非常复杂地进行钻削(倾斜的扩孔和钻削)。将每个钻削部耗费地单独封闭。这种封闭实施为配合部并且基于要求而以焊接进行封闭从而可以是气体的。这种钻削部由于复杂性而通常手动地产生。

发明内容

本发明的任务是，改进此类的活塞和用于制造这种活塞的方法。

在用于制造活塞的方法方面，所述任务如下解决，即，从活塞的中央部位出发，将至少两个空心空间引入到活塞中并且将空心空间在填入冷却介质之后在中央部位的区域中封闭。由此得到如下优点：从中央部位出发，将多个空心空间、例如两个、三个或超过三个空心空间引入到活塞中、尤其到活塞的实心材料中。不需要安置在活塞的不同部位，以便例如通过钻削过程引入所述空心空间。此外得到如下重要的优点：在引入空心空间和填入冷却介质之后仅须进行一个唯一的封闭过程。由此不需要对于每个单个的空心空间在所述空心空间被以冷却介质填充之后设置封闭过程。同样这对于填充过程是有利的，因为从中央部位出发例如能够同时对所有从该处出发引入的空心空间进行填充过程。这意味着，在将空心空间引入到活塞中之后在一个过程中就能够进行各空心空间的填充并且在一个另外的唯一的过程中能够进行各中央部位的封闭。

优选地，将空心空间通过钻削或铣削过程引入到活塞中。在这种情况下，所述空心空间设计为细长的柱形的空心空间。还可想到的是，空心空间已经随着活塞的制造(例如在使用铸造过程的情况下)一起引入到活塞坯件中。

在这种情况下，能够将随着活塞的制造已经引入的空心空间同样细长(又例如柱形)地构造。但所述空心空间还能够在其走向方面具有其它形状、例如弯曲的形状，这可以在铸造方法中通过对用于制造这种空心空间的可清洗的芯进行相应造型而实现。在这种情况下，能够将空心空间的位置和布置非常好地适配于活塞的几何情况。

以特别有利的方式，将空心空间(如已经由现有技术已知的那样)以碱金属、尤其钠填充。这能够根据本发明以特别有利的方式从中央部位出发同时针对所有引入的空心空间来进行。还能够想到的是，没有将冷却介质直接填入到所引入的空心空间中，而是将冷却介质填入容器(例如小管)中并且所述容器已经相对于外部周围环境气密地封闭。在制造这种带有填入的钠的容器、例如小管之后，将这种结构部件从中央部位出发插入到相应空心空间中。在带有冷却介质的这种容器插入到现存的空心空间中之后，能够将所述空心空间在中央部位的区域中封闭。如果为此使用单独的封闭元件，则能够由此还固定容器在空心空间中的位置，从而所述容器不再能相对于活塞运动。备选于此地，也能够想到将例如以封闭元件完成的封闭实施为，使得允许位于空心空间中的容器在活塞中进行一定的往复运动。

关于封闭存在有多个可行方案。例如在中央部位的区域中固定有单独制作的封闭元件，其优选与活塞不可脱开地固定、进一步优选在燃烧室凹腔的区域中固定、进一步优选相对于活塞行程轴线旋转对称地不可脱开地固定。但还能够想到的是，将所述封闭借助于活塞材料实现、尤其借助于钎焊、熔焊或粘结或类似方式实施。

此外根据本发明规定，中央的钻削部在后来的燃烧室凹腔的区域中实施。中央的钻削部于是能够例如安置在后来的燃烧室凹腔的中间突起部中。所述中间突起部能够从用于中央钻削部的封闭元件中加工出来。

此外根据本发明规定，将所述多个空心空间引入到活塞中，使得所述多个空心空间的轴线在中央区域中交于一个共同的点。由此保证了所述多个空心空间具有相同的倾斜。所述多个空心空间关于活塞的活塞行程轴线倾斜。空心空间的相交的轴线的共同的点例如可以处于活塞行程轴线上。空心空间的轴线的倾斜优选关于活塞行程轴线朝活塞裙的方向进行。空心空间的轴线关于活塞行程轴线朝活塞环区的方向的倾斜同样是能够想到的。

此外根据本发明规定，将中央的钻削部以具有相对应的几何结构的封闭元件封闭。由此保证了将从中央的钻削部出发的空心空间可靠地气密地封闭。此外得到如下优点：与活塞分开制造的封闭元件能够准确地与中央部位的几何结构相匹配，由此使得封闭过程容易。通过封闭元件的与中央部位的几何结构的相对应的几何结构能够使单独的封闭元件非常简单地不仅插入中央部位的区域中，而且不可脱开地接合、例如借助于熔焊、钎焊、粘结或类似方式接合。活塞和单独的封闭元件的这种不可脱开的接合正是当中央部位位于燃烧室凹腔的区域中时有利，燃烧室凹腔在接合之后还通过终加工、例如切削过程来修改。

此外根据本发明规定，不仅中央的钻削部而且封闭元件具有截锥的周面。作为截锥的周面的设计是特别适宜的，因为所述截锥的周面漏斗形地扩开并且由此实现了引入用于容纳冷却介质的所述至少一个空心空间。截锥的基面在此能够不仅朝后来的燃烧室凹腔的方向而且能够朝活塞销座孔的方向定向，取决于设置用于空心空间的倾斜。如果空心空间的倾斜应该朝裙或活塞销座孔的方向实施，则截锥的基面朝活塞底部的方向定向。封闭元件从活塞底部的方向供给。如果空心空间的倾斜反之应朝环区或可选的冷却通道的方向实施，则假想的截锥的基面朝活塞销座孔的方向定向。在这种情况下，封闭元件从活塞销座孔的方向供给。

此外根据本发明规定，中央的钻削部力锁合、形锁合和/或尤其通过摩擦焊接方法材料锁合地以封闭元件封闭。用于接合封闭元件的方法的选择取决于所述封闭元件的几何外形。只要封闭元件以及相对应的中央的钻削部实施成旋转对称，则摩擦焊接适用于制造材料锁合的连接。在封闭元件的上方的部分上设有操纵面，所述操纵面在摩擦焊接方法时用于将转矩传递到封闭元件上。在执行摩擦焊接方法之后，可以将所述操纵面以及可能出现的摩擦焊道去除，例如以用于建立燃烧室凹腔。然而最多允许去除如此多的材料，使得所述至少一个空心空间的气密的封闭得到保证。能够保证的是，没有碱金属从所述至少一个空心空间中流出。

在活塞方面，本发明的任务如下解决，即，从活塞的中央部位出发，至少两个空心空间延伸到活塞中，并且空心空间在填入冷却介质之后在中央部位的区域中被封闭。由此得到与在更上面已经关于制造方法描述的优点一样的优点。尤其得到如下优点：仅须从一个部位出发将多个空心空间引入到活塞中。此外，可以从该中央部位出发，以冷却介质直接地或借助于储藏器地填充空心空间。此外如已经描述的那样得到如下重要的优点：在以冷却介质填充空心空间之后，在一个唯一的方法步骤中能够将所述多个空心空间气密地封闭。所述封闭如同样已经描述的那样通过单独的封闭元件或通过中央部位的钎焊、熔焊、用另外的材料的填充或类似方式来进行。

在此，所述至少一个空心空间的倾斜能够关于活塞的活塞行程轴线要么朝活塞裙或活塞销座孔的方向要么朝环区或者说可选的径向环绕的冷却通道的方向进行。在两种情况下，经由在所述至少一个空心空间中存在的冷却介质，将燃烧热从活塞底部的中央区域中引出。优选地，将来自燃烧室凹腔区域中的热经由所述至少一个空心空间中的冷却介质引出。

此外根据本发明规定，所述至少一个空心空间没有穿透活塞的活塞裙的外表面。由此，活塞裙的特别受负荷的外表面保持没有机械或电化学损伤。活塞裙的外表面维持为均匀的面。

此外根据本发明规定，设置有至少两个空心空间，并且所述至少两个空心空间的轴线在中央区域中交于一个共同的点。由此，所述至少两个空心空间的轴线处于假想的锥体的周面上。空心空间的轴线和因此还有空心空间具有一致的倾斜。冷却介质能够在关于活塞行程轴线相同倾斜的区域中运动。

此外根据本发明规定，中央的钻削部被带有相对应的几何结构的封闭元件封闭。由此实现封闭元件在中央的钻削部中的固定的配合。封闭元件实施成关于中央的钻削部优选无间隙。

换言之，开头提出的任务如下解决，即，在活塞的区域中提供中央区域并且从所述中央区域出发将两个或更多个细长延伸的开口引入到活塞基体中。在引入所述开口之后提供如下空间，所述空间以冷却介质、尤其碱金属、进一步尤其钠填充。随后通过一个共同的、也就是说封闭所有开口的封闭元件封闭中央区域，开口从所述中央区域出发延伸。封闭元件以合适的方法、例如熔焊、钎焊、粘结、夹持、卡夹、尤其摩擦焊接不可脱开地与活塞基体连接。

用于冷却介质的细长延伸的容纳空间的轴线交于一个共同的中央的点，所述点位于中央区域中，开口从所述中央区域出发。这具有如下优点：开口不仅能够一起以冷却介质填充，而且各个开口的封闭一起通过一个唯一的封闭元件进行。封闭元件可以是、但不是必须是完成的活塞的组成部分。优选地，封闭元件是活塞的燃烧室凹腔的、尤其燃烧室凹腔基底的中间的峰状突起部的一部分。

换言之，提出在内燃机活塞上的多个钻削的冷却空间的共同封闭。由此，将冷却钻削部进行中央封闭，所述冷却钻削部以附加的介质使来自燃烧区域中的热运动到活塞的较冷的区域中。

本发明的突出之处在于，钻削部不是如由现有技术中已知的那样从裙出发进行钻削，而是在活塞底部中间提供的中央的面上进行钻削。通过加工方向的这种反向而可行的是，对钻削执行非常准确的定位。同样省去了耗费的倾斜的扩孔和从裙侧的钻削。由此对于钻削实现经济且成本适宜的工业化。

由此不需要多次加工和多次封闭各个钻削部。此外，放弃耗费的倾斜的预加工。取而代之，进行钻削的准确定位，这是因为钻削在如下部位处开始，在所述部位处，钻削必须非常精确。钻削向之前加工的面中进行，所述面垂直于钻削部轴线取向。多个钻削部的中央封闭同时经由一种接合方法进行。

本发明的突出之处在于，通过在活塞中间的中央封闭，能够将多个钻削部封闭。通过加工方向的反向可实现钻削的准确定位和由此最佳的冷却效果。通过垂直于钻削轴线取向的加工面，可行的是，执行成本适宜的加工。因为在本发明中将多个钻削部同时通过接合方法封闭，所以不需要多次检查密封性或耗费地转动构件。中央封闭能够以所有的现在已知的能够在技术上实现的接合方法、例如钎焊、粘结、摩擦焊接、熔焊或类似方式来进行接合。

通过加工方向的反向才使得所有钻削部的中央封闭可行。

封闭元件的下方的区段例如能够实施为锥体或截锥。

对于封闭元件也能够想到另外的几何设计方案，然而前提是，这些几何设计方案在与中央的钻削部的面相对应的覆盖区域中实施。

各冷却空间的各自由端部区域在中央部位的区域中相遇，所述中央部位还能够被称为中央的钻削部(如果它们通过钻削过程引入到活塞中的话)或称为中央开口(如果它们例如通过铣削过程或其它方式引入到活塞中的话)。

冷却介质优选是碱金属。但还考虑除了碱金属之外的其它合适的冷却介质。

附图说明

基本构思在下面按照图来阐述。本发明的另外的细节在图中按照示意性示出的实施例来描述。

在此示出：

图1示出源自现有技术的带有用于容纳碱金属的深孔钻削部的活塞的仰视图，

图2示出带有根据现有技术封闭的用于容纳碱金属的深孔钻削部的活塞的剖视图，

图3A至3C示出用于将根据本发明的用于碱金属的空心空间引入到活塞中的顺序，

图4A和4B示出对用于容纳碱金属的空心空间建立根据本发明的封闭，以及

图5示出带有封闭的用于碱金属的空心空间的活塞的局部。

具体实施方式

图1示出源自现有技术的带有用于容纳碱金属的深孔钻削部102的活塞101的仰视图。每个单个的深孔钻削部102必须扩孔和深钻削(在每个单个的钻削部方面执行)。示出的是在裙109的锻造表层105区域中的沿两个方向转动而成的钻削部102。

图2示出根据现有技术封闭的用于容纳碱金属的深孔钻削部102。在源自现有技术的活塞101中的深孔钻削部102以封闭塞103封闭，所述封闭塞通过焊接104固定。此外，活塞101具有燃烧室凹腔106以及冷却通道107和活塞销座孔108。深孔钻削部102没有与冷却通道107连接。深孔钻削部从裙109的方向引入到活塞101中。

图3A至3C示出用于将根据本发明的用于容纳碱金属的空心空间2引入到活塞1中的顺序。

图3A示出在供货状态中的预加工的毛坯部件。

图3B示出预加工的中央部位10(尤其被钻削或铣削)。所述中央部位10引入到活塞1的中央区域8中(活塞行程轴线穿过所述中央区域)。中央区域8处于后来的燃烧室凹腔5之内。中央部位10能够例如具有截锥的外形，然而其它的几何形状同样是能够想到的。限制中央部位10的旋转对称的面在此实施为截锥的周面。

图3C示出垂直于预加工部位10地引入的用于形成空心空间2的冷却钻削部，所述空心空间用于容纳碱金属。所述空心空间形成用于碱金属的储备件。

图4A和4B示出对用于碱金属的空心空间2建立根据本发明的封闭。所述至少一个空心空间2的封闭通过封闭元件3进行。所述封闭元件3能够实施为截锥。重要的是，封闭元件3具有与中央部位10相对应的几何结构。有利的是，不仅中央部位10而且封闭元件3具有旋转对称的外形，因为这显著简化接合。例如摩擦焊接方法能够设置为材料锁合的接合方法。封闭元件3材料和/或力和/或形锁合地固定在活塞上。封闭元件3的固定优选在中央部位10的区域中进行。在封闭元件3的下方区域中的周面11形锁合地接入到中央部位10的周面中。与燃烧室凹腔5背离地联接封闭元件3的截锥形区段的遮盖面12。在封闭元件3的截锥形区段的对置于遮盖面12的端部上设有所述封闭元件的基面。在所述基面上联接封闭元件3的上方区域，所述上方区域在其周缘处具有多个操纵面13。所述操纵面13用于将封闭元件3可靠地容纳在工具中。如果例如使用摩擦焊接方法来将封闭元件3不可脱开地固定在中央部位10中，则能够经由操纵面13传递所需要的转矩。在后续制成活塞1时，可以将所述操纵面13去除。优选地，在封闭元件3的上方区域的周缘上均匀分布六个操纵面13。在这种情况下，可以使用六边式驱动器来操作封闭元件3。然而还能够想到的是，将较少的操纵面13设置在封闭元件3上，例如将三个或四个或更多个操纵面13设置在封闭元件3上、例如八个。

在图4A中示出中央的封闭元件3通过摩擦焊接而接合。可能的摩擦焊道在封闭元件3的截锥形的区段的周缘处构造在其基面和/或其遮盖面的区域中。在截锥形的区段的基面的区域中可以将摩擦焊道在制成燃烧室凹腔5时去除、例如通过切削方法。还可以以相同的方法步骤将封闭元件3的带有操纵面13的上方区域在其几何外形方面进行改变或完全去除。

图4B又示出中央的封闭元件3通过钎焊、粘结、熔焊或类似方式的接合。还能够想到的是，在封闭元件3与中央部位10之间构造有螺纹。在这种情况下，螺纹线被加工到封闭元件3的周面11中以及中央部位10的周面中。在封闭元件3的上方区域中的操纵面于是用于操作这种螺纹连接。

在图5中示出带有封闭的用于碱金属的空心空间2的活塞1的局部。通过以封闭元件3进行的中央封闭，省去了多次耗费地封闭各个深孔钻削部。在燃烧室凹腔6的区域中构造有锻造表层5，所述锻造表层然而不必为了制造所述至少一个空心空间2而被穿透。此外示出径向环绕的冷却通道7。所述冷却通道7容纳与在所述至少一个空心空间2中使用的冷却介质不同的冷却介质。通过空间上的分离保证了不发生所述至少两种冷却介质(尤其油和钠)的混合。

所述至少一个空心空间2通过向垂直于钻削部轴线地限定的加工面中进行钻削(不需要单独的镜像)而产生。省去了用于深孔钻削的耗费准备。此外不需要钻削穿过锻造的原轮廓。

附图标记列表

1 活塞

2 空心空间

3 封闭元件

4 焊接

5 锻造表层

6 燃烧室凹腔

7 冷却通道

8 中央区域

9 活塞基体

10 中央部位

11 周面

12 遮盖面

13 操纵面

101 源自现有技术的活塞102 深孔钻削部

103 封闭塞

104 焊接

105 锻造表层

106 燃烧室凹腔

107 冷却通道

108 活塞销座孔

109 裙

Claims (10)

1.用于制造内燃机的活塞(1)的方法，其中，在活塞(1)中提供至少一个空心空间(2)，将所述至少一个空心空间以冷却介质填充并且随后封闭，其特征在于，从活塞(1)的中央部位(10)出发，将至少两个空心空间(2)引入到活塞(1)中并且将空心空间(2)在填入冷却介质之后在中央部位(10)的区域中封闭，所述中央部位(10)构造在后来的燃烧室凹腔(5)的区域中，将所述中央部位(10)以具有相对应的几何结构的封闭元件(3)封闭，不仅中央部位(10)而且封闭元件(3)具有截锥的周面，所述至少两个空心空间(2)从中央部位(10)的截锥周面起延伸并且通过封闭元件(3)的截锥周面封闭。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却介质是碱金属。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中央部位(10)实施为钻削部或铣削部。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将多个空心空间(2)引入到活塞(1)中，使得所述多个空心空间(2)的轴线在中央区域中交于一个共同的点。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将中央部位(10)力锁合、形锁合和/或材料锁合地以封闭元件(3)封闭。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将中央部位(10)通过摩擦焊接方法材料锁合地以封闭元件(3)封闭。

7.内燃机的活塞(1)，其中，所述活塞(1)具有封闭的至少一个空心空间(2)，所述空心空间被以冷却介质填充并且随后封闭，其特征在于，从活塞(1)的中央部位(10)出发，至少两个空心空间(2)延伸到活塞(1)中，并且空心空间(2)在填入冷却介质之后在中央部位(10)的区域中被封闭，所述中央部位(10)构造在后来的燃烧室凹腔(5)的区域中，所述中央部位(10)被带有相对应的几何结构的封闭元件(3)封闭，不仅中央部位(10)而且封闭元件(3)具有截锥的周面，所述至少两个空心空间(2)从中央部位(10)截锥周面起延伸并且通过封闭元件(3)的截锥周面封闭。

8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述冷却介质是碱金属。

9.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述至少一个空心空间(2)没有穿透活塞(1)的活塞裙的外表面。

10.根据权利要求7至9之一所述的活塞(1)，其特征在于，设置有至少两个空心空间(2)，并且所述至少两个空心空间(2)的轴线在中央区域中交于一个共同的点。

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