CN108026859A - 具有低结构高度的活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的活塞(1)，该活塞具有材料锁合地与下部(2)接合的上部(3)，该下部(2)包括一个活塞裙(6)和至少一个销孔(7)，该上部(3)包括燃烧室凹坑(11)并且包括具有活塞顶边缘(27)的活塞顶(5)，其特征在于，至少一个接合部位(4)设置在活塞环区(9)的区域中并且设置在燃烧室凹坑(11)的外壁中，并且活塞压缩高度(h1)和活塞的直径(d1)的比值小于0.53。

Description

具有低结构高度的活塞
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征的用于内燃机的具有低结构高度的活塞。
背景技术
由WO2014/159634A1已知一种制成活塞件，其用于构成一种活塞装置。一个制成活塞具有下部，该下部具有活塞裙并且包含冷却通道的下表面。下部包括径向碗状的内表面。制成活塞装置此外具有上部，其具有径向外部的碗状的表面，其与所述径向内部的碗状的表面可接合。上部具有径向环绕的内壁，其包括径向内部的表面。径向内部的壁具有径向指向内部的表面，其相对于径向内部的碗状表面在一个区域内具有非平行的角度，在该区域中径向内部的表面与径向内部的连接面的径向最内部的边缘相交。
在用于内燃机的活塞中，所谓的压缩高度是特征性的特性参数，其中压缩高度对应于在活塞销的轴线和活塞的上边缘之间的距离。内燃机的结构高度尤其通过内燃机的活塞的压缩高度确定。内燃机的活塞的其它的影响内燃机结构高度的特征性的特性参数是所谓的在活塞上部的区域中构成的燃烧室凹坑的燃烧室凹坑深度。经由相对深的燃烧室凹坑，可以改善在内燃机气缸中的燃烧，在该内燃机中应用活塞。燃烧室凹坑设计得越深，然而压缩高度和因此内燃机的结构高度越高。此外在具有低结构高度的活塞中也必须确保混合气或气体向燃烧室中流入和从燃烧室中流出。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种活塞、尤其是冷却通道活塞，其相对于已知的具有低结构高度的活塞降低重量并且可以实现改善的混合气或气体交换。
该目的通过权利要求1的特征实现。
根据本发明规定，至少一个接合部位设置在活塞环区的区域中并且设置在燃烧室凹坑的外壁中，并且活塞压缩高度与活塞的直径的比值小于0.53。活塞的直径特别是为应用准备好的、即加工完成的活塞的外直径。
接合部位因此位于材料锁合地接合的活塞的需要精加工的区域中。因此尤其可以通过用于构成活塞环区和/或燃烧室凹坑的精加工移除焊接突起。不需要单独的工作步骤。同时在获得所需要的强度时达到活塞的所需要的结构高度。由此以有利的方式提供一种活塞，其可以实现规定的内燃机的优化的结构高度。这又减小了由内燃机例如在车辆中所需要的结构空间。根据本发明的活塞也可以实现质量优化的内燃机的制造。通过具有这样的小的压缩高度的活塞，节省了在制造活塞时的材料以及制成的活塞的重量。由此又可以降低了燃料消耗。通过内燃机的优化的结构高度和由此减小的用于内燃机的结构空间，又可以形成新的车辆设计。
此外根据本发明规定，内部的接合部位在燃烧室凹坑的外壁中的位置设置在加工完成的燃烧室凹坑底部的上方。因此在制造燃烧室凹坑时，内部的摩擦焊接突起被移除。进一步的加工步骤是不需要的。
此外根据本发明规定，在活塞的活塞顶中设置至少一个凹部。通过所述至少一个凹部减小运动部件在气缸内部的碰撞。例如阀可伸入到凹部的区域中，而不与具有所述至少一个凹部的活塞接触。此外气缸盖也可以具有与所述至少一个凹部相对应的内部轮廓。在此通过在活塞中的所述至少一个凹部阻止与气缸中的刚性部件的接触。气缸盖中的轮廓可以例如用于将混合气或气体导入燃烧室中或从燃烧室中导出。
此外，根据本发明规定，所述至少一个凹部具有至少一个空隙，所述空隙至少部分地突破活塞顶的活塞顶边缘。通过该空隙可以实现活塞在气缸中的最大移动位移。活塞可以在空隙的区域中接近气缸盖，而无需面对与阀接触的危险。混合气可以无阻碍地进入燃烧室中。在燃烧之后，基本上气态的混合物同样在活塞较大接近气缸盖的情况下离开燃烧室。
此外，根据本发明规定，所述至少一个空隙设计成弓形段形状的。由此提供从空隙直至气缸壁的连接。空隙在其外形中具有活塞的形状。
此外根据本发明规定，所述至少一个凹部构成至少一个阀槽。阀槽可以实现在活塞接近上死点时将打开的阀容纳到活塞顶的区域中。由此确保，具有小的结构高度的活塞可以在气缸内走过最大可能的移动位移。工作冲程可以因此在小的结构高度时被最大化。由燃烧获得的能量可以有效地转变成运动能量。
此外，根据本发明规定，在一条线、即在压力侧和背压侧之间的线与第一阀槽的中心点之间的距离大于在该线和第二阀槽的中心点之间的距离。由此在俯视图中观察，可以实现阀槽的位置主要在活塞顶的一半中。此外因此确保，在凹部或阀槽之间保留足够的材料，以便不弱化活塞顶。
此外，根据本发明规定，在一条线、即在压力侧和背压侧之间的线与第一阀槽的中心点之间的距离至少是在该线和第二阀槽的中心点之间的距离的两倍。由此确保，在阀槽之间存在足够的距离。存在足够的材料，以便确保内燃机的可靠运行。
此外，根据本发明规定，活塞的活塞裙具有用于减小摩擦的涂层。由此通过活塞的具有小的结构高度的构造已经减小的、在气缸壁和活塞之间的摩擦被进一步降低。该涂层的优点是非常高的耐疲劳强度、突出的滑动特性和显著提高活塞寿命。涂层的层厚度例如是大约0.01mm。涂层的层厚度可以在0.005mm和0.1mm之间。
此外根据本发明规定，活塞具有冷却通道。由此在而后构成为冷却活塞的、根据本发明的具有低的压缩高度(KH)的活塞中附加地实现有效导出在燃烧时产生的热量。
此外，根据本发明规定，设置至少一个延长的入口，用于油流入冷却通道。设置油作为冷却介质。通过延长的入口，较大量的油可以被维持在冷却通道中。在内燃机的运行期间形成用于冷却油的存储器。通过入口的长度改变，可以影响在存储器中的冷却油液位。
此外根据本发明规定，冷却通道在其轮廓中具有成型到其中的凹部。通过该凹部，油或冷却油可以更加接近燃烧室凹坑的壁。由此改善了在燃烧室凹坑与油之间的热交换。例如由燃烧室凹坑向位于冷却通道中的冷却油的热传递被加速。
此外，根据本发明规定，成型到冷却通道中的凹部与燃油喷雾在燃烧室凹坑中的撞击位置相对应。在所述凹部设置在冷却通道中时，可以实现通过燃油喷雾导入燃烧室凹坑中的热能经由燃烧室凹坑的壁直接传递到油上。热量在其形成位置附近被排出。活塞不会非必要地加热。活塞的寿命由此被提高并且具有至少一个根据本发明的活塞的内燃机的故障可能性由此被减小。
此外，根据本发明规定，上部构成为半热锻造的上部。在钢的半热成形(即温成形)时主要在650℃至900℃的温度范围内进行加工。在该范围内相对于冷变形而言，屈服应力在大多数的钢类型时减小超过一半。相应可适用的温度与钢类型、活塞大小和成形阶段的数量相关并且活塞特定地确定。一种相对于冷变形而言费用有利的活塞制造通过半热成形通过节省多个挤压工作过程得到，这些挤压工作过程具有麻烦的中间处理(中间退火、中间涂层)。近终形(near-net-shape)或成形到终形(net-shape)的活塞或省去热处理耗费使得可以通过半热成形实现便宜的活塞制造。
在一种可能的用于制造用于内燃机的活塞的方法中将下部与上部不可松脱地材料锁合地接合，下部具有活塞裙和至少一个销孔并且上部包括燃烧室凹坑和具有活塞顶边缘的活塞顶，下部和上部优选通过摩擦焊接接合。在制成燃烧室凹坑以及环形部分(活塞环区)时移除相应的摩擦焊接突起。
换句话说，根据本发明在一个设计中规定，制成的活塞的尺寸如此选择，使得活塞压缩高度KH和活塞的直径DK的比值≤0.53。活塞压缩高度KH从活塞的面对燃烧室的上侧测量，一直朝向活塞销的中轴线方向。活塞的直径DK是可交付使用的活塞的外直径。“可交付使用”意味着，活塞在其制造之后已经完成加工并且可以安装到发动机的气缸中。外直径可以是活塞的火力岸带的直径。替代地，活塞外直径也可以在位于活塞环之间的环岸的区域中测量。可选地，为了确定活塞外直径，也可以考虑圆柱形的或部分圆柱形的活塞裙的直径。
活塞压缩高度和活塞外直径的比值≤0.53、优选＜0.53具有活塞的特别紧凑和减小重量的结构方式的优点，与减小的结构高度和足够的稳定性相关联，以便可以满足在运行中在内燃机气缸中的应力。
根据本发明的钢材料的应与根据本发明的活塞尺寸的组合促成根据本发明的装置在内燃机运行中的特性优化。钢材料确保活塞的特别大的强度以及活塞的机械承受力以及热承受力。根据本发明的尺寸促成压缩高度的显著减小和相对于铝活塞的质量减小例如10％或更多。由此减小在根据本发明的装置中的运动质量。同时活塞销相对于活塞直径的尺寸设计提供在活塞销的质量和在内燃机运行中活塞向活塞销中的有效力导入之间的良好折衷。活塞销的减小的质量此外有助于明显减小在根据本发明的装置中的运动质量。结构高度或压缩高度的减小最后导致连杆的延长，这在内燃机的运行中导致较小的侧向力和因此在活塞裙上的减小的摩擦力或在活塞和气缸工作面之间的减小的摩擦力。
在内燃机中应用具有各种不同的燃烧室凹坑形状的活塞。所提及的活塞具有罐状的燃烧室凹坑。活塞顶如此设计，使得在活塞边缘和气缸盖之间沿着径向方向存在挤压流动(压挤流动)。此外增强在罐状燃烧室凹坑中的涡流。对于具有涡流入口通道和腔火花塞的内燃机而言，具有罐状燃烧室凹坑的活塞是非常适合的。在压缩冲程期间混合气在活塞的活塞顶边缘(挤压边缘)上方被挤入罐状燃烧室凹坑中。在膨胀冲程期间混合气重新从罐状燃烧室凹坑中吸出。该过程尤其是在上死点附近导致强烈的挤压流。补充于挤压流，罐状燃烧室凹坑也导致入口侧产生的涡流的加速。由于角动量守恒，当混合气向内被挤入罐状燃烧室凹坑中时，涡流的旋转速度提高。挤压流的产生和涡流的增强对于燃烧起到有利作用。在活塞顶中的一直延伸到活塞顶边缘中的空隙可以实现混合气经由阀向燃烧室中的改善流入，因为活塞顶不阻碍流入。
为了在构成为冲程活塞机器的内燃机的情况下减小消耗和排放，持续发展导致冲程活塞内燃机的持续增长的单位功率。因此伴随而来的是冲程活塞内燃机的变小的燃烧室尤其是气缸，其在冲程活塞内燃机的活塞的上死点的范围内越来越限制用于应对充气变换的阀的阀冲程。为了将对进气阀和排气阀的阀冲程的限制保持在一定范围内，根据本发明的用于冲程活塞内燃机的活塞(其具有活塞压缩高度和活塞的外直径的比值为0.48至0.75，特别是≤0.53、优选＜0.53)具有至少一个端侧的与冲程活塞内燃机的阀的阀盘的外轮廓相对应的凹部，其称为阀槽，阀盘可至少在部分区域上容纳在所述阀槽中。在此背景下这样的冲程活塞内燃机的持续上升的峰值压力与其在内燃机式运行期间的温度波动相组合导致活塞的高的应力。
根据本发明的另外一个方面，提供具有至少一个如上所述的活塞的内燃机。本发明的该活塞可以应用在任何形式的冲程活塞内燃机中。这种类型的内燃机包含气缸和活塞越多，那么通过本发明实现的效果也越大，因为在那里活塞裙的摩擦在总摩擦中占据大份额。
根据本发明的另外一个方面，提供具有上述的内燃机的机动车。这种类型的机动车可以例如构成为陆地运输工具、水上运输工具或空中运输工具。通常的设计是陆地运输工具、例如轿车、商务车或载重车。
小的结构高度的其它优点在于，内燃机(活塞在该内燃机中运行)可以扁平地构造。在与活塞顶中构成凹部相组合的情况下，可以获得用于活塞的更加扁平的结构高度。
附图说明
基础构思接下来借助于附图阐述。本发明的其它细节在附图中借助于示意示出的实施例描述。其中：
图1示出活塞的剖视图；
图2示出根据图1中的线II的活塞剖视图；
图3示出在图2中利用III表示的细节；
图4示出图2的利用IV表示的细节IV；
图5示出根据图2中的线V-V的活塞剖视图；
图6示出根据图2中的线VI-VI的活塞剖视图；
图7示出根据图6中的线VII-VII的活塞剖视图。
图8示出根据图7中的线VIII-VIII的活塞区域的剖视图；
图9示出活塞顶的俯视图；
图10示出根据图9中的切开线X-X的、在活塞顶侧设置的阀槽区域内的活塞局部；
图11示出另外的活塞的剖视图；
图12A和12B示出根据图11的活塞的下部和上部的剖视图；并且
图13A和13B示出根据图11的活塞的下部和上部的相对于图12A和12B转动90度的剖视图。
具体实施方式
活塞1在附图中分别相同地构成并且接下来首先概括地描述。紧接着各附图分别详细示出。相同的构件在附图中利用相同的附图标记标出并且新的附图标记在附图中用于不同的构件。
用于内燃机的活塞1由下部2和上部2制成。在下部2和上部3之间构成至少一个接合部位4。在该接合部位4的区域内在下部2上以及在上部3上构成的接合面对接。接合部位4在活塞环区9的区域中构成。附加地在燃烧室凹坑11的外壁中构成另外的接合部位4。至少其中一个接合部位4可以构成为“板上的管”。如果活塞1具有至少一个冷却通道6，那么所述至少一个冷却通道6的轮廓可以构成在下部2或上部3中，其中该设计也称为“管”。相反侧在下部2或上部3中构成为环绕的平面的或近乎平面的表面并且相应地构成为“板”。
在上部3上构成活塞顶5。该活塞顶5设置在上部3的背对冷却通道6的一侧上。在下部2上构成活塞裙6，其具有销孔7。由下部2和上部3接合而成的活塞1具有环绕的活塞环区9，其配备环槽10。围绕活塞冲程轴线12在中心或偏离中心地在上部3中设置燃烧室凹坑11。在销孔7的区域中设置销孔轴线13，其对应于未示出的活塞销的中轴线。在活塞环区9的区域中可以、但不是必须设置油回流孔19。
在图1中示出由下部2和上部3接合而成的活塞1。在活塞裙6的区域中活塞裙具有涂层14。该涂层14具有小的摩擦。该涂层14的优点是非常高的耐疲劳强度、突出的滑动特性和明显提高活塞的寿命。
在图1、6和11中示出在哪些位置上测量活塞压缩高度h1和活塞直径d1。在图6和11中附加地标出燃烧室凹坑11的凹坑高度h2。活塞1的直径d1根据附图1和6可以例如在100mm和150mm之间。h1的值可以在70mm和90mm之间变化。因此活塞1的活塞压缩高度h1和直径d1的比值可以在0.48和0.75之间变化。
在图5中示出在销孔7的区域中的无毛刺区域15。此外在中心示出辅助适配部16。
在图7中示出具有直径d2的入口17和具有直径d3的出口18。通过入口17，油可以进入到冷却区域中并且油通过出口18可以重新离开该区域。
图9示出两个构成为阀槽21、22的凹部20，其分别具有直径d4。直径d4可以具有在35mm和55mm之间的值。阀槽21、22可以具有在35mm和55mm之间的值。阀槽21、22的直径d4也可以具有不同的值。可以设置任意数量的例如构成为铣削部的凹部20。优选至少一部分凹部20至少在部分区域上构成为阀槽21、22，冲程活塞内燃机的换气阀在其运行时至少在部分区域上被容纳在、即伸入到所述阀槽中。从而可以避免换气阀与活塞1的碰撞。通过凹部20的该设计和功能形成一种功能集成，其将活塞1的费用、尤其是其制造费用保持较小。
在活塞1的径向方向上邻接活塞1的阀槽21、22，在阀槽中可容纳冲程活塞内燃机的换气阀的相应相对应的阀盘。如果活塞1在冲程活塞内燃机的燃烧室中处于在其上死点中，那么阀槽21、22为相应的换气阀、即为相应的进气阀或排气阀分别提供足够大的通过空间，因此换气阀分别可以实施期望大小的阀冲程，以便可以实现换气。换句话说，换气阀可以通过由阀槽21、22提供的通过空间而充分打开，以便可以有效促成废气和由冲程活塞内燃机吸入的空气或由冲程活塞内燃机吸入的混合气的交换。
第一弓形段α位于第一阀槽21和与将压力侧(DS)25和背压侧(GDS)26连接的线23垂直的线24之间。第二弓形段β位于与将压力侧25和背压侧26连接的线23垂直的线24与第二阀槽22之间。第三弓形段δ位于第二阀槽22和将压力侧25和背压侧26连接的线23之间。第一弓形段α可以具有在15°和30°之间、优选在20°和25°之间的值。第二弓形段β可以具有在55°和70°之间、优选在60°和65°之间的值。第三弓形段δ可以具有在15°和35°之间、优选在20°和30°之间的值。
活塞顶11环绕地被活塞顶边缘27限定。在阀槽21、22的区域内活塞顶边缘27具有弓形段形状的空隙28。第一阀槽21的空隙28的长度I1等于第二阀槽22的空隙28的长度I2。长度I1和I2可以具有在15mm和35mm之间、优选在20mm和30mm之间的值。根据该实施例，长度I1和I2可以具有相同的值，然而不是必须具有相同的值。长度I1和I2的值可以彼此独立地改变。
在线23和第一阀槽21之间的距离x1大于在线23和第二阀槽22的中心点之间的距离x2。该距离x1可以在30mm和45mm之间，优选在35mm和40mm之间。长度x2可以在15mm和22.5mm之间，优选在17.5mm和22.5mm之间。
在第一阀槽21的中心点与线24之间的距离利用x3表示。在线24和第二阀槽22的中心点之间的距离利用x4表示。距离x3小于距离x4。距离x4可以在25mm和45mm之间，优选在30mm和40mm之间。距离x3可以在12.5mm和22.5mm之间，优选在15mm和20mm之间。
图11示出制成的活塞1，其中可以看到，在哪些位置上测量活塞压缩高度h1和活塞的直径d1。在图11中示出的活塞1是一个两部分的活塞，其由接合在一起的上部3和下部2构成。而后活塞是一体的，为运行做好准备。然而活塞1也可以构成为一体的。该活塞1具有在活塞1的压缩高度h1和活塞1的直径d1之间的≤0.53的比值。
图12A和12B以13A和13B示出上部3和下部2在接合之前的视图。这是用于上部3和下部2的结构设计的示例，其以合适的方式优选通过摩擦焊接接合，以便获得期望的≤0.53、优选小于0.53的比值。
附图标记清单
1 活塞
2 活塞下部
3 活塞上部
4 接合部位
5 活塞顶
6 活塞裙
7 销孔
8 冷却通道
9 活塞环区
10 环槽
11 燃烧室凹坑
12 活塞冲程轴线
13 销孔轴线/活塞销中轴线
14 涂层
15 无毛刺区域
16 辅助适配部
17 入口
18 出口
19 油回流孔
20 凹部
21 第一阀槽
22 第二阀槽
23 在压力侧(DS)和背压侧(GDS)之间的线
24 垂直于线23的线
25 压力侧(DS)
26 背压侧(GDS)
27 活塞顶边缘
28 空隙
h1 活塞压缩高度
h2 凹坑高度
I1 第一阀槽的空隙的长度
I2 第二阀槽的空隙的长度
x1 在线23和第一阀槽21的中心点之间的距离
x2 在线23和第二阀槽22的中心点之间的距离
x3 在第一阀槽21的中心点和线24之间的距离
x4 在线24和第二阀槽22的中心点之间的距离
d1 活塞直径
d2 入口直径
d3 出口直径
d4 阀槽的直径
α 位于第一阀槽和与将压力侧和背压侧连接的线垂直的线之间的第一弓形段
β 位于与将压力侧和背压侧连接的线垂直的线与第二阀槽之间的第二弓形段
δ 位于第二阀槽和将压力侧和背压侧连接的线之间的第三弓形段

Claims (14)

1.一种用于内燃机的活塞(1)，该活塞具有材料锁合地与下部(2)接合的上部(3)，该下部(2)包括一个活塞裙(6)和至少一个销孔(7)，该上部(3)包括燃烧室凹坑(11)并且包括具有活塞顶边缘(27)的活塞顶(5)，其特征在于，至少一个接合部位(4)设置在活塞环区(9)的区域中并且设置在燃烧室凹坑(11)的外壁中，并且活塞压缩高度(h1)与活塞的直径(d1)的比值小于0.53。
2.根据权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，内部的接合部位(4)在燃烧室凹坑(11)的外壁中的位置设置在加工完成的燃烧室凹坑底部的上方。
3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，在活塞(1)的活塞顶(5)中设置至少一个凹部(20)。
4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述至少一个凹部(20)具有至少一个空隙(28)，所述空隙至少部分地突破活塞顶(5)的活塞顶边缘(27)。
5.根据权利要求3或4所述的活塞，其特征在于，所述至少一个空隙(28)设计成弓形段形状的。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述至少一个凹部(20)构成至少一个阀槽(21、22)。
7.根据权利要求6所述的活塞，其特征在于，在一条线(23)、即在压力侧(25)和背压侧(26)之间的线与第一阀槽(21)的中心点之间的距离(x1)大于在该线(23)和第二阀槽(22)的中心点之间的距离(x2)。
8.根据权利要求6或7所述的活塞(1)，其特征在于，在一条线(23)、即在压力侧(25)和背压侧(26)之间的线与第一阀槽(21)的中心点之间的距离(x1)至少是在该线(23)和第二阀槽(22)的中心点之间的距离(x2)的两倍。
9.根据上述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，活塞(1)的活塞裙(6)具有用于减小摩擦的涂层(14)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，活塞(1)具有冷却通道(8)。
11.根据权利要求10所述的活塞(1)，其特征在于，设置至少一个延长的入口，用于油流入冷却通道(8)。
12.根据权利要求11所述的活塞(1)，其特征在于，冷却通道(8)在其轮廓中具有成型到其中的凹部。
13.根据权利要求12所述的活塞(1)，其特征在于，成型到冷却通道(8)中的凹部与燃油喷雾在燃烧室凹坑(11)中的撞击位置相对应。
14.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，上部(3)构成为半热锻造的上部。
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