CN110753787A - 用于内燃机的具有液态金属冷却的活塞 - Google Patents

用于内燃机的具有液态金属冷却的活塞 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的活塞，具有活塞顶(12)和活塞裙(14)，所述活塞顶(12)具有封闭的沿周向延伸的冷却通道(22)，第一金属冷却剂(24)布置在所述冷却通道(22)中，并且所述第一冷却剂(24)具有金属或者金属合金，所述金属或者金属合金具有250℃以下的熔点。为了能够使用无害且有利的金属，提出第二非金属冷却剂(26)布置在所述冷却通道(22)中，并且所述第二冷却剂(26)具有40℃以下的熔点，并且具有比所述第一冷却剂(24)的密度小的密度。

Description

用于内燃机的具有液态金属冷却的活塞
技术领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于内燃机的活塞，所述活塞具有活塞顶和活塞裙，其中所述活塞顶具有封闭的周向冷却通道。
背景技术
具有液态金属冷却的活塞具有如下优点：在活塞的运动期间液体冷却剂在冷却通道内移动，并且热能够因此被非常良好地从热地点去除。液态金属尤其是具有如下优点：其具有高导热率和高热容量，并且与发动机油相比能够经受明显更高的温度，使得热传递特别良好。
然而，在室温下处于液态的金属或金属合金的选择或者局限于高活性，或者局限于自燃的金属，例如碱金属、诸如铅、镉以及水银的金属或者诸如铟和镓的非常便宜的金属，诸如铅、镉以及水银的金属对健康有害，并且将导致活塞的制造和处理方面的明显额外开销。仅在更高温度下变为液态的金属的使用同样存在问题。能够发生活塞顶(尤其是在活塞凹腔的区域中)在冷却剂熔化之前被高温损坏。
发明内容
本发明的目的在于针对具有液态金属冷却的活塞提供改进的或者至少不同的设计，其特征在于能够免除存在火灾隐患或者有毒的金属。
根据本发明，该目的由独立权利要求的主题实现。有益的实施例为从属权利要求的主题。
本发明基于将第一金属冷却剂和第二非金属冷却剂布置在冷却通道中的主要构思。第一冷却剂包括易熔金属合金。第二冷却剂具有第一冷却剂的熔点以下的熔点，优选具有室温以下的熔点。第二冷却剂用作起动或辅助冷却剂。其具有如下的效果：甚至在内燃机的起动阶段，热不仅通过热传导传递而且通过从热的活塞顶向第一、依然固态的金属冷却剂的对流传递，使得第一主冷却剂的熔化更快速地发生。第二冷却剂因此用于缩短如下的阶段：在所述阶段期间，第一冷却剂还不是液体，并且因此还不能有助于对流冷却。本发明因此提供了第二非金属冷却剂布置在冷却通道中，并且第二冷却剂具有40℃以下的熔点，而且其密度低于第一冷却剂的密度。结果，当内燃机关闭时第二冷却剂漂浮在第一冷却剂上，并且没有被第一冷却剂在其凝固时围住。冷却剂因此能够从发动机的起动时起在冷却通道中移开，并且因此能够明显有助于冷却，从而度过第一金属冷却剂尚未熔化的第一起动阶段。
根据本发明，第一冷却剂具有250℃以下的熔点。然而，有益的可能性提供了第一冷却剂的熔点在200℃以下，优选在150℃以下。这能够防止第一冷却剂在以低发动机功率运行期间再次凝固。熔点越低，第一冷却剂还不能有助于冷却的起动阶段越短。结果，能够在第一冷起动阶段忍受内燃机的较高的功率。
另外的有益的可能性提供了第二冷却剂的熔点在30℃以下，特别优选地在20℃以下。这导致了第二冷却剂甚至在冷起动阶段也是液体，并且有助于冷却，而且因此能够加速第一冷却剂的液化。
另外的有益的可能性提供了第一冷却剂不包括任何对健康有害、危害环境或者自发点燃的金属。特别地，这意味着没有碱金属被用作第一冷却剂。此外，不需要注入水银、镉或者铅的有毒重金属。这帮助了处理活塞的制造以及活塞的处置。
在有益的技术方案中，第一冷却剂包括锡、铋、镓、铟和/或银。这些金属是无害的且相对不起化学反应的，使得自发点燃的危险非常小。另外，这些金属单独或者在合金中提供低熔点。
在另外的有益的技术方案中，第一冷却剂包括锡-铋合金。这样的合金具有低熔点。依据混合比例，熔点能够降低至138℃。这样的锡-铋合金因此非常合适。
在另外的特别有益的技术方案中，第一冷却剂包括锡-银合金。锡本身具有232℃的低熔点。这能够通过添加银而进一步降低。这样的锡-银合金因此同样是有益的。其他易容金属，尤其是基于锡或者铋的易容金属，包括经济的软焊料，其额外包含诸如镓、铟、铅、银或者铜的元素的比例，或者能够与其混合，这也是有益的。本质上不期望的金属能够小量地存在，从而使得进一步降低熔点成为可能。
在一个有益的变型中，第一冷却剂包括合金，所述合金包括合金成分的共熔混合物。合金在共熔混合比例中具有最低的熔点，例如具有138℃的Sn42Bi58或者具有221℃的Sn96Ag4。出于该原因，至少大约包括具有两个以上元素的那些的共熔混合物对于第一冷却剂是特别有益的。
在另外的有益的变型中，第二冷却剂热稳定达到300℃，优选达到400℃，并且特别优选地达到500℃。因为内燃机中的高温，所以这是有益的。
在另外的特别有益的变型中，第二冷却剂包括联苯和二苯醚的混合物，优选包括联苯和二苯醚的共熔混合物。苯环使联苯和二苯醚非常热稳定。特别地，这样的混合物在400℃依然化学稳定。此外，该混合物具有15℃的熔点，使得第二冷却剂起作用非常早，通常立即在发动机的起动之后。
一个有益的可能性提供了第二冷却剂包括硅油。硅油同样是热稳定的。另外，能够以有针对性的方式设定期望的熔点。
另外的有益的可能性提供了第二冷却剂包括硅油、联苯以及二苯醚。这些材料的混合物使得能够更加精确地适应第二冷却剂的特性。不言而喻的是，其他足够耐热的有机材料也能够被用作第二冷却剂，例如三联苯。
在一个有益的技术方案中，第二冷却剂包括水。水具有高热稳定性、高热容量以及低熔点，使得水非常适于作为第二冷却剂。为了进一步降低熔点，能够向水添加盐，使得第二冷却剂包括水和盐。给出使用盐的倾向，所述盐避免或者仅仅稍微地影响水与第一冷却剂或者活塞材料(例如钢)的可能的反应。为了避免化学反应，给出如下倾向：使用pH中性的盐，或者可能的话使用至少只具有弱酸性或者弱碱性反应的盐。已经发现硫酸钠是特别优选的盐。氯化钠、硝酸钠或者磷酸氢二钠(Na2HPO4)或者上述盐的混合物同样是有益的。
在有益的变型中，第一冷却剂的密度至少为第二冷却剂的密度的5倍，优选地至少为第二冷却剂的密度的7倍。第二冷却剂只需要将热传输至第一冷却剂，直到后者已经熔化。当第一冷却剂以液体行驶存在时，第二冷却剂趋于阻碍冷却，因为其通常具有比第一金属冷却剂差的导热率。由于第一冷却剂的相比于第二冷却剂明显较高的密度，所以在活塞的前后运动期间第一冷却剂将在第二冷却剂之前，并且在惯性力的影响下大幅地将第二冷却剂从冷却通道的上端区域或下端区域移位，并且因此在液体状态下比第二冷却剂更加剧烈地与冷却通道的表面相互反应。以这种方式，处于运行热状态的第一冷却剂甚至更大幅度地有助于期望的热传输。
在有益的技术方案中，第一冷却剂的容量和第二冷却剂的容量一起占据冷却通道的容量的10％的容量百分比。已经发现使用冷却剂将冷却通道填充至10％的程度足以使期望的热传输达到足够的程度。已经发现冷却剂在冷却通道中的容量为冷却通道的容量的20％至40％是特别有益的。
在另外的有益的技术方案中，第一冷却剂的容量与第二冷却剂的容量之间的比率在从2:1至1:3的范围中。
本发明的进一步重要的特征和优势可以从从属权利要求、附图以及通过附图辅助的相关附图描述得出。
不言而喻的是，在没有离开本发明的范围的情况下，上述的特征以及留待在下文中说明的特征不仅能够在在每种情况下提出的结合中适用，而且还能够在其他结合中适用或者单独适用。
附图说明
本发明的优选可行示例描绘在附图中，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。
附图在每种情况下示意性地示出，
图1为穿过根据本发明的活塞的截面图，
图2为穿过图1的活塞的立体部分截面图。。
具体实施方式
如图1和图2所示，活塞10的第一实施例具有活塞顶12和活塞裙14。活塞顶12具有活塞顶部15，活塞凹腔16形成在活塞顶部15中。此外，存在周向环带18，活塞环能够插入到周向环带18中。在环带18与活塞顶部15之间的过渡处存在顶岸(top land)20。此外，活塞顶12具有封闭的周向冷却通道22，其中布置有第一冷却剂24和第二冷却剂26。
活塞裙14沿轴向方向与活塞顶12相邻。活塞裙14具有凸台28，所述凸台28具有两个活塞销孔30，活塞销能够插入到所述两个活塞销孔30中，从而将活塞10附接至内燃机的连接杆。此外，活塞裙14具有两个运行表面32和34，其分别覆盖汽缸表面的一部分圆周。两个运行表面32和34接合两个凸台28。
活塞10具有多个孔36，所述多个孔36基本上沿轴向延伸并且开口到冷却通道22中。结果，存在于冷却通道22中的冷却剂由于活塞10的上下运动而能够沿轴向方向覆盖较大的距离，使得改进了沿轴向方向的热传输。
此外，限定沿径向向外的冷却通道22并且支承环带18的壁38是倾斜的。特别地，壁38在活塞顶部15的附近比在靠近活塞裙14的区域厚。结果，在活塞顶部15处已经被加热的冷却剂在其向下的路径上没有与壁38接触，这防止了壁38以及因此的环带18被加热。只有当冷却剂从底部向上移动(即，移出孔36)时，接触壁38。然而，从底部向上移出孔36的冷却剂已经被冷却，使得壁38和环带18能够被冷却。
第一冷却剂24包括金属或者金属合金，所述金属或者金属合金具有小于250℃，优选小于200℃并且特别优选地小于150℃的熔点。当冷却剂为固态时，其只是很少地有助于冷却。另一方面，当第一冷却剂24为液态时，冷却剂由于活塞10的上下运动的结果而沿轴向方向移动，使得活塞顶部15处的冷却剂能够接受来自活塞顶部15的热并且能够由于运动而将其沿向下方向传输走。在孔36的区域中，第一冷却剂24于是能够将其热传递至活塞裙14。从活塞顶部15传递至活塞裙14的热被第一冷却剂24的对流移动大大地增加。由于第一冷却剂24包括具有高导热率以及高热容量的金属，所以对流热传递非常高。
已经发现，当使用具有150℃以上的熔点的第一金属冷却剂24时，对流冷却开始得太晚。这意味着，在开始冷却的情况下，起初只是通过热传导稍微冷却的活塞顶部15能够变为加热至在第一冷却剂24熔化之前被损坏的程度并且能够通过对流有助于冷却。
存在具有100℃以下的熔点的金属和金属合金。然而，这些合金遭受存在于其中的自发点燃、有毒的或者非常贵的金属的问题。因此增加了制造这样的活塞的成本。使用不自发点燃、无毒并且具有能够接受的售价的金属将减少活塞10的成本。
第二冷却剂26作为辅助冷却剂布置在冷却通道22中。第二冷却剂26具有40℃以下，优选30℃以下并且特别优选地20℃以下的熔点。第二冷却剂26优选为非金属，使得第二冷却剂26不与第一冷却剂24形成金属合金，并且因此将不会与第一冷却剂24一起固化。
由于较低的熔点，所以第二冷却剂26能够有助于活塞顶部15的对流冷却，甚至立即在内燃机的冷起动之后。然而，第二冷却剂26的主要任务是确保第一冷却剂24在好时机熔化。由于第二冷却剂26甚至在初始阶段就是液态的，所以热能能够从活塞顶部15传递至第一冷却剂24，并且对于第一冷却剂24而言被足够快地加热，从而确保活塞10的充分的冷却。
对第二冷却剂26而言，合适的材料例如是联苯和二苯醚的混合物，优选共熔的混合物。作为替代例或者另外地，还能够使用硅油。这些化合物具有至少400℃的满意的热稳定性。
为了在活塞10的运行期间获得非常低的气体压力，冷却通道22能够或者被抽空或者被干燥空气填充，并且为了降低空气压力，碱金属(例如，钠、钾和/或锂)能够被小量地添加作为第一冷却剂24的合金成分。碱金属与大气中的氧气反应，并且锂也与大气中的氮气反应，从而形成氮化锂，使得氧气和氮气二者以化学的形式牢固地结合，并且减小冷却通道22中的气体量。
对于第一冷却剂24而言，可行的金属或者金属合金例如为锡、铋以及银。例如，锡和铋的共熔混合物具有138℃的熔点。锡和银的共熔混合物具有221℃的熔点。

Claims (15)

1.一种用于内燃机的活塞，具有活塞顶(12)和活塞裙(14)，
-其中，所述活塞顶(12)具有封闭的周向冷却通道(22)，
-其中，第一金属冷却剂(24)布置在所述冷却通道(22)中，并且
-其中，所述第一冷却剂(24)包括具有250℃以下的熔点的金属或者金属合金，
其特征在于
-第二非金属冷却剂(26)布置在所述冷却通道(22)中，并且
-所述第二冷却剂(26)具有40℃以下的熔点以及比所述第一冷却剂(24)的密度低的密度。
2.如权利要求1所述的活塞，
其特征在于
所述第一冷却剂(24)不包括任何对健康有害、危害环境或者自发点燃的金属。
3.如权利要求1或2所述的活塞，
其特征在于
所述第一冷却剂(24)不包括任何碱金属或者重金属。
4.如权利要求1至3中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第一冷却剂(24)包括锡和/或铋和/或镓和/或银。
5.如权利要求1至4中任一项所述的活塞，
其特征在于
-所述第一冷却剂(24)包括锡-铋合金和/或
-所述第一冷却剂(24)包括锡-银合金。
6.如权利要求1至5中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第二冷却剂(26)热稳定至300℃，优选热稳定至400℃，特别优选地热稳定至500℃。
7.如权利要求1至6中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第二冷却剂(26)包括联苯和二苯醚，优选包括联苯和二苯醚的共熔混合物。
8.如权利要求1至7中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第二冷却剂(26)包括硅油。
9.如权利要求1至8中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第二冷却剂(26)包括硅油、联苯和二苯醚。
10.如权利要求1至9中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第二冷却剂(26)包括水，尤其是含盐的水。
11.如权利要求1至10中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第一冷却剂(24)的密度为所述第二冷却剂(26)的密度的至少5倍、优选至少7倍。
12.如权利要求1至11中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第一冷却剂(24)的容量和所述第二冷却剂(26)的容量一起占所述冷却通道的容量的至少10％。
13.如权利要求12所述的活塞，
其特征在于
所述第一冷却剂(24)的容量和所述第二冷却剂(26)的容量占所述冷却通道的容量的20％至40％。
14.如权利要求1至13中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第二冷却剂(26)的容量小于所述第一冷却剂(24)的容量，并且大于一半所述第一冷却剂(24)的容量。
15.如权利要求1至13中任一项所述的活塞，
其特征在于
所述第二冷却剂(26)的容量大于所述第一冷却剂(24)的容量，并且小于三倍所述第一冷却剂(24)的容量。
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