CN1948740A - 十字头式发动机的活塞 - Google Patents

Abstract

一种用于十字头式发动机、特别是二冲程大型柴油发动机的活塞，其包括一在活塞杆(1)的上面的法兰盘(9)上安装的活塞上部(2)，该活塞上部具有一连接于一环绕的活塞裙部(4)的活塞头(3)，该活塞头覆盖一中心的冷却室(8)，冷却室经由一在活塞杆(1)中设置的供应管道(10)可供给冷却剂，经由一在供应管道(10)径向外面设置的回流管道(11)可排出冷却剂，由此在一向上升高的活塞头(3)的情况下也可以这样达到良好的冷却效果，即在活塞杆(1)的上端设置一位于在中心升高的冷却室(8)中的嵌入体(17)，该嵌入体具有指向活塞头(3)的相对的内侧的、连通于供应管道(10)的各喷嘴(21)并且由一环形室(22)围绕，该环形室构成一冷却剂汇集室。

Description

十字头式发动机的活塞

技术领域

本发明涉及一种用于十字头式发动机、特别是二冲程大型柴油发动机的活塞，其包括一在活塞杆的上端部区域安装的活塞上部，该活塞上部具有一连接于一围绕的活塞裙部的上活塞头，其覆盖一中心的冷却室，冷却室经由一在活塞杆中设置的供应管道可供给冷却剂，经由一在供应管道径向外面设置的回流管道可排出冷却剂。

背景技术

一种这种型式的装置由DE 199 62 325 C2是已知的。在该已知的装置中由通过一活塞杆的中心孔构成的供应管道的上端喷出一冷却剂射束，其出现在活塞头内侧的中间区域。该区域在这里在中心凹陷。因此产生一冷却室的上边界的从中心径向向外逐渐升高的轮廓。冲击到活塞头中心上的冷却剂在向上的活塞运动的延迟的情况下径向向外分配，从而冷却整个的活塞头。

还已知具有在中心升高的活塞头的活塞，如例如DE 198 15 919B4公开的。由于活塞头的中心的升高，在这里产生一冷却室的上边界的径向向外逐渐下降的轮廓。假如在这里以如上述相同的方式冷却，则冷却剂在活塞向上运动的延迟的情况下并不径向向外分配，而汇集于通过在中心构成升高的拱顶的活塞头的中心区域内。因此在这种情况存在活塞头的径向外面的区域不被可靠地冷却的危险。

EP 07 47 591 B1公开一种具有一位于活塞头下面的冷却室的活塞。其上边界同样在中心是升高的，亦即构成拱顶状的。跨接冷却室的活塞头在这里设有沿其表面分布的从冷却室开始朝活塞轴线倾斜的冷却孔。在冷却室中设置一嵌入体，其限定一与供应管道连通的分配室并且具有由其离开的伸进各一个配置的冷却孔的喷嘴，各喷嘴将冷却剂喷入分别配置的冷却孔中。在这方面不利的是，在活塞向下运动时冷却剂被挤进冷却孔中并在那里实际上形成固定的填满，其抑制从喷嘴喷出的射束并且不可能由射束穿过，这不利地影响冷却效果。除此之外，各喷嘴在这里不同心于孔轴线设置，而与此相反是倾斜的，从而由其喷出的射束冲击到分别配置的孔的侧壁上，这可影响孔底的冷却。

发明内容

因此由此出发本发明的目的是，利用简单的和低成本的装置改进开头所述型式的装置，使其即使在具有在中心升高的活塞头或成拱顶形构成的冷却室的活塞中也达到活塞头的可靠的冷却。

按照本发明该目的这样达到，即在活塞杆的上端设置一位于在中心升高的冷却室中的嵌入体，该嵌入体具有指向活塞头的内侧的连通于供应管道的各个喷嘴并且由一环形室围绕，其构成一冷却剂汇集室。

待冷却的活塞头内侧的各一个区域配属的喷嘴能够给全部的活塞头内表面充分地供给冷却剂。冲击到活塞头内表面上的射束以有利的方式有力地清除一在那里由先前的供给仍存在的冷却剂膜并且新鲜的冷却剂可以进入与待冷却的活塞头内表面的充分的接触，由此完全利用冷却剂的冷却能力。冲击到活塞头内表面上的射束在那里形成径向于射束轴线扩展的冷却幕，其在区域边界碰到邻接的冷却幕，这导致冷却剂的紊流，紊流实现高的热交换并因此相对于层流提高冷却效果。从通过喷嘴供给的表面流走的冷却剂汇集于围绕嵌入体的汇集室中并且由于有效的惯性力在活塞向上运动的每一延迟时在上死点的区域内向上抛出，由此产生一附加的供给并从而附加的冷却活塞头。

各有利的实施形式和其上设置的措施的符合目的的进一步构成说明于诸从属权利要求中。

这样，由喷嘴供给冷却剂的活塞头内侧符合目的地可以是光滑的而不分段。这有助于在径向方向扩展的冷却幕的形成并从而有助于在冷却剂中产生紊流。

另一有利的措施可以在于，每一活塞头内侧的面积单位相应设置的喷嘴数目根据相应的热负荷选择。因此较高热负荷的区域可以比较低热负荷的区域配置较多的喷嘴。由此可以以有利的方式平衡较大的局部的温度差。

在其上设置的措施的其他的进一步构成中各喷嘴的轴线基本上垂直于活塞头内侧的各配属的表面延伸。这有助于冷却幕的均匀的径向扩展并从而有助于给全部的活塞头内表面可靠地供应冷却剂。

符合目的地，在各喷嘴与活塞头的相应配属的内表面之间的间距为喷嘴直径的4倍至7倍。这能够形成一可靠的喷嘴锥体，这又有助于形成沿径向方向扩展的冷却幕。

按照在其上设置的措施的另一进一步构成，环绕的活塞裙部设有轴线平行的各冷却孔，其经由从冷却剂汇集室开始的倾斜向上定向的连通孔可供给冷却剂。围绕嵌入体的汇集室不仅有利地导致冷却室的上边界的冷却剂的附加的供给，而且虽然冷却室的上边界向边缘下降地延伸仍可以可靠地给所述各冷却孔供给冷却剂，该冷却剂紧接着可以经由回流管道流走。

附图说明

其他的有利的实施形式和在其上设置的措施的符合目的的进一步构成说明于其余的从属权利要求中并且可从以下借助附图的实例描述中更详细地得知。其中：

图1  本发明的活塞的径向剖面图，无冷却剂；

图2  按图1的装置包括冷却剂在达到下死点时的情况以及

图3  按图1的装置包括冷却剂在达到上死点时的情况。

具体实施方式

本发明的主要应用领域是十字头构造方式的二冲程大型柴油发动机，例如其应用于船舶驱动装置等。这种发动机的结构和作用原理本身是已知的。

图1中所示的活塞经由一活塞杆1连接于一未更详细示出的十字头。活塞包括一具有面向燃烧室的活塞头3的活塞上部2和一容纳活塞头3的外边缘环绕的活塞裙部4，在其上安装一活塞下部5。活塞上部2安装在一在活塞杆1的上端的区域内设置的法兰盘6上。为此环绕的活塞裙部4设有一径向内部的、通过一密封件24的中间连接安装在法兰盘6上的环形的板条7，其与活塞头3一起限定一活塞上部2的为活塞头3配置的中心冷却室8。活塞杆包括一凸出法兰盘6的轴颈9，其嵌入冷却室8内并且构成其下面的终端。

活塞头3在冷却室8的区域内具有一大致相同的厚度，并且在中心是升高的，从而产生一拱顶状的形状。因此这也适用于通过活塞头3的内侧构成的冷却室8的上边界。

可向冷却室8供给冷却剂。为此活塞杆1设有一为冷却室8配置的、可供给冷却剂的供应管道10和一在该供应管道外面设置的回流管道11。供应管道10由一嵌入一活塞杆1的中心孔中的管子12构成，其由一构成回流管道11的环形通道围绕。供给供应管道10的冷却剂可以处于一确定的压力下。回流管道11是无压力的。

活塞裙部4在其外部设有沿其圆周分布的优选轴线平行的各冷却孔13，其分别经由一配属的连通孔14连接于可供给冷却剂的冷却室8。为每一冷却孔13配置至少一个连通孔14。各轴线平行的冷却孔13从一与其连通的、由活塞下部5向下封闭的环形通道15引出，该环形通道经由法兰盘6中的径向排出孔16连通于回流管道11。各排出孔16设置在稍微在环形通道15的底面的上方。

在活塞杆1的上端，亦即在向下限定冷却室8的活塞杆1的轴颈9那边安装一位于冷却室8内的嵌入体17，其以一嵌入环形通道中的环形轴颈18封闭构成回流管道11的环形通道，在环形轴颈18的中心孔19中嵌入包含供给管道10的管子12。孔19连通于一在嵌入体17中设置的分配室20，在其上连接在嵌入体17上设置的各喷嘴21，它们伸进冷却室8内。各喷嘴21可以简单地构成为安装在嵌入体17上的管段。

构成各喷嘴21的管段的末端指向活塞头的内侧，亦即指向冷却室8的上边界，其中各喷嘴轴线基本上垂直于各配属的冲击表面。各喷嘴21与各配属的冲击表面的间距为20至30mm。这一般是喷嘴直径、亦即构成喷嘴21的管段的内径的4倍至7倍。

嵌入体17的直径小于冷却室8的内径。按这种方式产生一围绕嵌入体17的环形室22。该环形室发挥用于从作为冷却室8壁上流走的冷却剂的汇集室的作用。各连通孔14离开环形室22并由其开始倾斜向上定向。为了能够完全排空环形室22，其通过一在其底面水平分出的具有较小横截面的排泄管道23与回流管道11相连通。排泄管道23的横截面可以如此小，以使在正常的运转过程在其中不发生较大的短路流动并从而不发生值得一提的冷却剂损失。足够的是，环形室22在故障的发动机中在较长的时间间隔内可以以一小时等的数量级流尽。因此4-7mm的排泄管道的内径是完全够用的。通过所述的措施确保，在维护工作中可以拆卸活塞上部2，而无需从环形室22中倒出冷却剂。

当供应管道10供给冷却剂时，在各喷嘴21上以在图2和3中通过箭头表示的冷却剂射束的形式喷出冷却剂，冷却剂射束冲击到活塞头3的内侧相对的壁区域上并且冷却这些壁区域。各喷嘴21设置成使每一喷嘴21加载一个活塞头3的配属的内表面区域。各喷嘴21的分配选择成使可以可靠地给活塞头3的内侧的全部表面供给冷却剂。为了阻止或避免在活塞头3内的温度差，各喷嘴21的分配可以选择成为具有较大热负荷的表面区域配置较多的喷嘴21。这样，例如可以为一在喷射燃料时相关的活塞头3的区域比其他的相同大小的区域配置较多数量的喷嘴21。

如上所述，各喷嘴21的轴线大致垂直于各配属的活塞头3的内表面的冲击表面、亦即以90°±10°的角度设置。冲击到活塞头3的内表面的射束消除一个仍在那里存在的冷却剂膜并因此推进到待冷却的表面。各射束在表面上形成在径向方向扩展的冷却幕。为了有助于冷却幕的均匀的径向扩展，活塞头3的内表面具有一尽可能光滑的、不分开的形状。在各个径向方向扩展的冷却幕彼此相叠的部位，产生紊流，其有助于从活塞头3向冷却剂的热传导过程并从而有助于冷却效果。同样的适用于上述的喷嘴间距，其能够形成有利的喷射锥体。

作为冷却剂按本身已知方式采用一种水或优选油的形式的冷却液。具有各喷嘴21的嵌入体17阻止从冷却的表面返回的冷却剂可能流回供应管道12。因此确保始终提供新鲜的冷却剂。由冷却的表面返回的冷却剂汇集于围绕嵌入体17的环形室22中，其因此构成一冷却剂汇集室。

处于冷却室8的冷却剂遭受由于活塞运动产生的惯性力的作用。因此在冷却剂上作用向上或向下定向的惯性力，其在活塞改变方向时或在活塞改变方向之前的延迟时导致冷却剂相对于活塞的相对运动。

当活塞在下行冲程的过程中在下死点的区域内被延迟时，包含于冷却室8内的冷却剂被压进由环形室22构成的汇集室中，如图2中由黑色的面积表示的。在环形通道15的底面上也汇集冷却剂。这也适用于上行冲程，只要实现活塞向上的正加速度。压进汇集室的冷却剂可以经由各连通孔14泄漏。由汇集室开始倾斜向上升高的各连通孔14此时形成实际的喷嘴，它们分别产生一进入配属的冷却孔13的冷却剂射束，如图2中由箭头所示。其中各连通孔14设置成使其轴线和因此产生的冷却剂射束在配属的冷却孔13的上面的孔端附近冲击到相对置的壁上，由此在冷却孔13的上端部实现冷却剂的运动并从而实现良好的冷却效果。在冷却孔13中存在的冷却剂在活塞向上运动的延迟中同样向下运动，由此环形通道15直到排出管道16的溢出边缘被注满冷却剂。

当活塞在上行冲程的过程中接近上死点被延迟时，包含于环形室22内的冷却剂被从其中抛出并抛向冷却室8的相对置的上边界。这构成图3的基础。按这种方式冷却室8的上边界得到一附加的在图3中同样以黑色的面积表示的冷却剂供给并从而得到一附加的冷却。在各冷却孔13中冷却剂也被向上抛出并且抛向上面的孔壁，如图3中再次以黑色的面积表示的。包含于连通孔14内的冷却剂通过向上定向的力从连通孔14中被向上压出，由此产生强的射束。包含于冷却孔13内和与其连通的环形通道15内的冷却剂此时被同样向上抛出，由此各冷却孔13的燃烧室附近的端部区域得到一附加的冷却。在冷却剂上作用的向上定向的力在活塞下行冲程的过程中也是有效的，只要使活塞实现向下的正加速度。

由于活塞的运动转向和不同的加速度，使包含于冷却室8内和冷却孔13内的冷却剂，如上所述，向上和向下抛射并在运动中保持不变，这加强冷却效果。同时由此产生一定的泵效应，借其冷却剂经由各连通孔14从环形室22输送给各冷却孔13，从其中冷却剂可以经由环形通道15和排出孔16流入回流管道11中。因此所述的力也导致冷却剂的可靠的循环。

附图标记清单

1   活塞杆

2   活塞上部

3   活塞头

4   活塞裙部

5   活塞下部

6   法兰盘

7   板条

8   冷却室

9   轴颈

10  供应管道

11  回流管道

12  管子

13  冷却孔

14  连通孔

15  环形通道

16  排出孔

17  嵌入体

18  环形轴颈

19  孔

20  分配室

21  喷嘴

22  环形室

23  排泄管道

24  密封件

Claims (12)

1.一种用于十字头式发动机、特别是二冲程大型柴油发动机的活塞，其包括一在活塞杆(1)的上端区域安装的活塞上部(2)，该活塞上部具有一连接于一环绕的活塞裙部(4)的活塞头(3)，该活塞头覆盖一中心的冷却室(8)，经由一在活塞杆(1)中设置的供应管道(10)可向所述冷却室供给冷却剂，冷却剂可经由一在供应管道(10)径向外面设置的回流管道(11)排出；其特征在于，在活塞杆(1)的上端设置一位于在中心升高的冷却室(8)中的嵌入体(17)，该嵌入体带有连通于供应管道(10)的、指向相对的活塞头(3)内侧的、分别为活塞头(3)的待冷却的内侧的区域配置的各个喷嘴(21)并且由一环形室(22)围绕，该环形室构成一冷却剂汇集室。

2.按照权利要求1所述的活塞，其特征在于，为活塞头(3)的内侧的全部区域配置各喷嘴(21)。

3.按照上述权利要求之一项所述的活塞，其特征在于，活塞头(3)的内侧的每面积单位相应设置的喷嘴(21)的数目根据相应的热负荷选择。

4.按照权利要求3所述的活塞，其特征在于，为在喷射时供给燃料的活塞头(3)区域配置比在此之外的区域更高的喷嘴密集度。

5.按照上述权利要求之一项所述的活塞，其特征在于，可由各喷嘴(21)供给的活塞头(3)的内侧具有一光滑的不分段的表面。

6.按照上述权利要求之一项所述的活塞，其特征在于，所述喷嘴(21)的轴线基本上垂直于各相对的活塞头(3)内侧表面延伸。

7.按照权利要求6所述的活塞，其特征在于，所述喷嘴(21)的轴线与相对的活塞头(3)内侧表面成90°±10°的角度地延伸。

8.按照上述权利要求之一项所述的活塞，其特征在于，所述喷嘴(21)与各相对的活塞头(3)的内表面的间距为喷嘴直径的4倍至7倍。

9.按照权利要求8所述的活塞，其特征在于，各喷嘴(21)与各相对的活塞头(3)的内表面的间距为20至30mm。

10.按照上述权利要求之一项所述的活塞，其特征在于，环绕的活塞裙部(4)设有优选轴线平行的各冷却孔(13)，这些冷却孔经由从构成一冷却剂汇集室的环形室(22)出发的倾斜向上定向的连通孔(14)可供给冷却剂。

11.按照权利要求10所述的活塞，其特征在于，为每一冷却孔(13)配置至少一个连通孔(14)。

12.按照权利要求10或11所述的活塞，其特征在于，各冷却孔(13)从一与其连通的环形通道(15)向上引出，该环形通道连通于回流管道(11)。

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