内燃机活塞.pdf

本发明涉及一种内燃机活塞(10)，该活塞具有活塞头(11)和活塞裙(21)，其中，活塞头(11)具有活塞顶(13)、环形的环带(16)以及在环带(16)区域的环形的封闭冷却通道或者密封的空腔(18),其中活塞(10)的内面(12)具有两个下表面(34a,34b),这两个下表面在活塞中轴(M)的区域内连续转变成为拱形表面(35),其中，活塞裙(21)具有带销孔(23)的活塞销座(22)，活塞销座通过滚动面(24,25)而相互连接，该滚动面具有面向活塞内部的内表面(32a,32b),其特征在于，从活塞裙(21)的自由端起始，在活塞内部，在受压侧(DS)和/或背压侧(GDS),滚动面(24,25)的内表面(32a,32b)连续转变成为冷却剂而设的导向面(33a,33b)，该导向面在其所在侧连续地转变成为下表面(34a,34b)。

权利要求书
1.  一种内燃机活塞(10)，所述活塞具有活塞头(11)和活塞裙 (21),其中，所述活塞头(11)具有活塞顶(13)、环形的环带(16)以及 在所述环带(16)的区域内的环形的封闭冷却通道或者密封的空腔 (18),其中活塞(10)的内面(12)具有两个下表面(34a,34b),所述 下表面在活塞中轴(M)的区域内连续转变成为拱形表面(35),其中，所 述活塞裙(21)具有带销孔(23)的活塞销座(22)，所述活塞销座通过 滚动面(24,25)而相互连接，所述滚动面具有面向活塞内部的内表面 (32a,32b),其特征在于，从所述活塞裙(21)的自由端起始，在所述活 塞内部的受压侧(DS)和/或背压侧(GDS),所述滚动面(24,25)的内表 面(32a,32b)连续转变成了为冷却剂而设的导向面(33a,33b)，所述导 向面在其所在侧连续地转变成为所述下表面(34a,34b)。

2.  根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，从所述活塞裙(21) 的自由端起始，在所述活塞内部，既在所述受压侧(DS)又在所述背压 侧(GDS),所述滚动面(24,25)的内表面(32a,32b)连续转变成了为冷 却剂而设的导向面(33a,33b)，所述导向面在其所在侧连续地转变成 为所述下表面(34a,34b)。

3.  根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述内面(12)的 区域内与所述活塞中轴(M)呈角(δ)处设置的切线(T)与所述活塞中轴 (M)构成角(β)，每个所述下表面(34a，34b)与所述活塞中轴(M) 构成角(α)，并且，所述角(β)小于或者等于所述角(α)。

4.  根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，在所述导向面 (33a，33b)的区域内设置所述切线(T)。

5.  根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，设置至少一个布 置在所述滚动面(24，25)与所述销孔(23)之间、对外封闭的孔(26)， 所述孔一直通到所述空腔(18)，其中，所述空腔(18)以及所述至 少一个孔(26)装有以低熔点的金属或低熔点的金属合金的形式的热 传导介质(27)。

6.  根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述空腔(18)在 所述滚动面(24,25)区域内的最大高度(h1)大于所述空腔在所述活塞 销座(22)区域内的最大高度(h2)。

7.  根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，在所述环带(16) 的内部设置具有槽高(h3)的最低环形槽(17c)，在所述最低环形槽 (17c)的下侧壁和所述空腔(18)的最低位置之间设置间隔(a)，并且所 述间隔(a)等于所述槽高(h3)或大于所述槽高(h3)。

8.  根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，朝向所述环带(16) 的、所述空腔(18)的外壁(36)朝所述活塞顶(13)的方向至少部分地 向所述活塞中轴(M)倾斜。

9.  根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，所述空腔(18)倾 斜的所述外壁(36)与所述活塞中轴(M)的轴平行线(A)之间构成1° 至10°的夹角(γ)。

10.  根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述热传导介 质(27)的充填量为所述空腔(18)以及所述至少一个孔(26)的总容积 的5％至10％。

11.  根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，作为所述低熔 点的金属包含钠或钾。

12.  根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，从含有 合金、低熔点的铋合金和钠钾合金的组中选择所述低熔 点的合金。

13.  根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，设置了四个所 述孔(26)，所述孔设置在所述滚动面(24,25)与所述销孔(23)之间。

14.  根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，借助于密封部 件(41,42)而将所述至少一个孔(26)密封。

15.  根据权利要求14所述的活塞，其特征在于，所述密封部件 (41)设置在所述活塞裙(21)的自由端。

16.  根据权利要求14所述的活塞，其特征在于，所述密封部件 (42)设置在所述活塞顶(13)内。

说明书内燃机活塞
技术领域
本发明涉及一种内燃机活塞，该活塞具有活塞头和活塞裙,其 中，活塞头具有活塞顶、环形的活塞环带以及在活塞环带区域的环形 的封闭冷却通道或者环形的密封的空腔,其中活塞的内面具有两个下 表面,这两个下表面在活塞中轴区域连续转变成为拱形表面,其中，活 塞裙具有带销孔的活塞销座，活塞销座通过滚动面而相互连接，该滚 动面具有面向活塞内部的内表面。
背景技术
这种活塞为具有喷射冷却的活塞，即，通过从活塞裙侧的终端 喷射出冷却剂而实现活塞的冷却。已证实，尤其是对于具有小的压缩 高度的活塞，主要在冲击位置将冷却剂射束直接冲撞回去。这会导致， 即使在这个位置上会引起明显的冷却效果，但是在其它位置上却没有 达到足够的冷却。因此，针对这种活塞要注意的是，在发动机工作中， 活塞在更高的负荷下会过热，并且不能承受持久的负荷。
发明内容
本发明的目的在于，对这种活塞进一步改良，从而达到更加均 匀的喷射冷却效果。
这样构成解决方案，即，从活塞裙的自由端起始，在活塞内部 的受压侧和/或背压侧，滚动面的内表面连续转变成为冷却油而设的 导向面，该导向面在其所在侧连续地转变成为下表面。
根据本发明的活塞的特征在于，并不会直接从冲击位置将所喷 射的冷却剂冲撞回去。冷却剂射束基本上以切线的形式撞击到导向面 上，并且导向面这样将其引导，即，使其经过下表面朝拱形表面的方 向流动。因此，冷却剂以显著的减速的方式朝曲轴的方向回流。作为 结果，一方面，利用冷却剂而将活塞内面上明显更大的面积湿润和冷 却，另一方面，使冷却剂在活塞内面具有明显更长的停留时间。总的 来说这引起了在活塞内面上的明显更强并且更均匀的冷却效果。在发 动机工作中，会明显更加有效地将从活塞顶的方向传导到活塞内面的 热量散走。
在从属权利要求中会给出有利的扩展方案。
在理想的情况下，导向面这样引导冷却剂，即，使其经过下表 面朝拱形表面的方向流动，并且此外还通过对面的下表面和导向面朝 中轴的方向流动。因此优选地，既在受压侧又在背压侧来设置根据本 发明的具有导向面的设计方案。
这样设置一种优选的扩展方案，即，内面区域与活塞中轴呈角δ 处设置的切线与活塞中轴构成角β，从而使每个下表面与活塞中轴构 成角α并且使角β小于或等于角α。由此构成的导向面以及下表面的 几何结构允许了从导向面向着下表面的、对所喷射的冷却剂特别有效 的导向，以及特别适于流动的冷却剂的流动。特别优选的是，在导向 面的区域设置切线。
本发明一种特别优选的实施方式是，设有至少一个布置在滚动 面和销孔之间的、对外封闭的孔，这个孔一直通到冷却剂腔为止，其 中空腔以及至少一个孔包含有以低熔点金属或低熔点合金形式的热 传导介质。金属的热传导介质促使了特别有效的活塞头的冷却以及特 别有效的热量分布。
对这种类型的活塞而言，通常容纳冷却油的“冷却通道”是完 全封闭的，即，既没有为冷却剂设置进入口也没有设置排出口。因此 以下涉及到这类活塞而提及的，并不是冷却通道，而是密封的空腔或 简而言之为空腔。
对于这类充填有金属热传导介质的活塞而言，热传导介质不能 够从空腔中流出。在发动机工作中通过热传导介质从活塞顶的方向所 吸收的热量会直接释放到周围环境中，尤其是在活塞环带区域内以及 空腔的下方区域内。因此，根据本发明的活塞内面的设计方案特别优 选地适合于这类活塞。朝活塞内面的方向传导由热传导介质吸收的热 量并且通过所喷射的冷却剂特别有效地将其散走。
对于这类活塞而言，在滚动面区域的空腔的最大高度优选地大 于其在活塞销座区域的最大高度。由此，可以在滚动面区域，使喷射 的冷却剂特别有效地将由热传导介质传导到活塞内面的热量散走。在 滚动面区域，使活塞内面的壁具有这样小的厚度，即，不妨碍活塞的 稳定性的情况下，实现了有效的热传导。此外，冷却通道的对称变化 的横截面还促成了，在发动机工作中使根据本发明的活塞在汽缸里更 好地平衡并且因此使其更好地运作。与现有技术相比实现了更小的摩 擦损耗。
这样设置根据本发明的活塞的另一种有利的设计方案，即，在 环带内部设置具有槽高h3的最低环形槽，在最低环形槽的下侧壁和 空腔最低位置之间设置间隔a，并且使间隔a等于或大于槽高h3。槽 高和间隔之间的差越大，空腔的最大高度就越大，并且空腔内容纳的 热传导介质对活塞内面的热传导就越有效。环形槽的下侧壁与空腔的 最低位置之间的间隔越大，在发动机工作中传导至最低环形槽区域的 热量就越少，从而大幅度地降低了或者完全地避免了在这个区域的积 炭的风险。
优选地，向着环带的空腔外壁朝活塞顶的方向至少部分地向活 塞中轴倾斜。由此在发动机工作中可以优化容纳在空腔里的热传导介 质在活塞冲程中通过所谓的“Shaker-Effect”(振动效应)所引起的 运动。此外还避免了，过度加热的热传导介质接触到外壁以及对环带 的过度加热，从而避免了在环形槽区域积炭的风险。
以合适的方式，将空腔倾斜的外壁与活塞中轴的轴平行线之间 构成1°至10°的夹角。因此，还额外地避免了空腔的过度收窄，并 且保持了有效的热传导作用。
优选地，使热传导介质的充填量为空腔以及至少一个孔的总容 积的5％至10％。这具有这样有利的效果，即，金属的热传导介质将 热量朝活塞裙的方向有效地传导至空腔的下方区域，从而使更少的热 量向环带的方向释放。
对于这种活塞类型而言，特别有利的是，使向着环带的空腔的 外壁朝活塞顶的方向，至少部分地向着活塞中轴倾斜，从而避免了对 于这种活塞类型而言要特别注意的过度加热。
适合于作为热传导介质而使用的低熔点的金属，特别是钠或钾。 作为低熔点的合金，可以特别使用到合金、低熔点的铋 合金以及钠钾合金。
作为所谓合金是指镓、铟和锡的合金系统，这些合 金系统在室温下是液态的。这种合金由65重量％至95重量％的镓、5 重量％至26重量％的铟和0重量％至16重量％的锡组成。优选的合金为 例如具有68重量％至69重量％镓、21重量％至22重量％的铟和9.5重 量％至10.5重量％的锡这样的合金(熔点-19℃)，具有62重量％的镓、 22重量％的铟和16重量％的锡这样的合金(熔点10.7℃),以及具有 59.6重量％的镓、26重量％的铟和14.4重量％的锡这样的合金(三元 共晶合金，熔点11℃)。
低熔点的铋合金是众所周知的。属于铋合金的例如有LBE(铋 铅共晶合金，熔点124℃),Roses合金(50重量％的铋、28重量％的 铅和22重量％的锡，熔点98℃)，Orion合金(42重量％的铋、42重 量％的铅和16重量％的锡,熔点108℃)；Schnelllot(52重量％的铋、 32重量％的铅和16重量％的锡,熔点96℃),达塞氏(d’Arcets)合金 (50重量％的铋、25重量％的铅、25重量％的锡),伍德(Woodsches) 合金(50重量％的铋、25重量％的铅、12.5重量％的锡和12.5重量％的 镉,熔点71℃),Lipowitz金属(50重量％的铋、27重量％的铅、13重 量％的锡和10重量％的镉,熔点70℃),Harpers合金(44重量％的铋、 25重量％的铅、25重量％的锡和6重量％的镉,熔点75℃),Cerrolow 117(44.7重量％的铋、22.6重量％的铅、19.1重量％的铟和8.3重量％ 的锡、5.3％的镉,熔点47℃)；Cerrolow 174(57重量％的铋、26重 量％的铟、和17重量％的锡，熔点78.9℃)，Fields金属(32重量％ 的铋、51重量％的铟、和17重量％的锡，熔点62℃)以及沃克合金(45 重量％的铋、28重量％的铅、22重量％的锡和5重量％的锑)。
合适的钠钾合金可以含有40重量％至90重量％的钾。特别适合 的是具有78重量％的钾以及22重量％的钠的共晶合金NaK(熔点-12.6 ℃)。
热传导介质可以额外地含有锂和/或锂的氮化物。如果在充填的 过程中将氮气作为保护气体使用，这个气体可以与锂一起作为锂的氮 化物的释放并且以这种方式从空腔中将其去除。
热传导介质此外还可以含有钠的氧化物和/或钾的氧化物，如果 在充填过程中可能存在的干燥的空气与热传导介质产生了反应。
优选地设置四个孔，将这些孔布置在滚动面和销孔之间，从而 实现活塞内特别均匀的温度分布。
借助于密封部件而将至少一个孔以合适的方式来密封，从而避 免了，热传导介质的流出。密封部件可以设置在活塞裙的自由端。优 选地将密封部件设置在活塞顶中，从而能够特别方便地充填空腔和至 少一个孔。
附图说明
下面，结合附图进一步说明本发明的一种实施例。以示意图的 而不是以比例正确的方式:
图1示出了根据本发明的活塞的一种实施例的截面图
图2以立体图示出了根据图1所示的活塞的截面
图3示出了根据图1所示的活塞通过两个以对角相对的孔而形 成的截面。
具体实施方式
图1至3示出了根据本发明的活塞10的一种实施例。活塞10 可以是铸成为单部分的活塞或者由多部分构成的活塞。活塞10能够 由以铁为基础的材料和/或轻金属材料制造。根据图1至3所示的实 施例的活塞10由金属的热传导介质充填，如上文进一步所述的一样。 优选为在室温下为固体并且可塑的热传导介质，例如钠。
图1至3举例示出了一种由两部分接合而成的活塞10。活塞10 具有活塞头11，活塞头具有带燃烧凹坑14的活塞顶13、环形的火力 岸15和用于容纳(没有示出的)活塞环的带有环形槽17a,17b,17c的 环形环带16。在环带16的高度上设置了环形的密封的空腔18,该空 腔不具有任何进入口或排出口。
活塞10此外还具有活塞裙21，活塞裙具有活塞销座22和用于 容纳(没有示出的)活塞销的销孔23。活塞销座22以熟知的方式通过 轮毂连接与活塞头11连接。活塞销座22通过滚动面24，25相互连 接。
本实施例中，活塞10由活塞主体10a以及活塞环部件10b共同 组成，这些组件以熟知的方式通过锻造或铸造来制造、准备并借助焊 接工序—特别是通过激光焊接工序—接合起来，由此造成了环形的焊 缝10c,10d。当然，活塞10也能够以熟知的方式例如由包含活塞头 11的活塞上部与包含活塞裙21的活塞下部来接合构成。活塞10也 可以作为单部分活塞，以熟知的方式来铸造，其中，例如使用盐芯来 形成空腔18以及孔25(见下文)。
活塞10在实施例中具有四个孔26(特别参照图2和3)。孔26 在实施例中以轴向而平行于活塞中轴M的方式延伸。不过也可以使孔 26倾斜与活塞中轴M呈角度地延伸(图中没有示出)。孔26设置在 滚动面24，25与销孔23之间。孔26一直通入空腔18。冷却剂腔18 以及孔26填充有金属的热传导介质27，在实施例中为钠。
根据活塞10的大小和材质来调整孔26的大小以及热传导介质 27的充填量。通过所给的热传导介质27的量，在参考其热传导能力 系数的前提下，可以控制冷却效率。充填量应该优选为空腔18以及 孔26的总容量的5％至10％。在这种情况下，为了活塞10内特别有效 的热量分布，可以在活塞工作中额外地利用到熟知的Shaker-Effekt (振动效应)。如果将钠作为热传导介质27，以最高为350℃的工作 温度的条件，在冷却效率为350kW/m2的情况下，活塞10的最高表面 温度为大约260℃。
借助于喷射冷却来在发动机工作中对根据本发明的活塞10的内 面12进行冷却。就此，在发动机内以熟知的方式为冷却剂而设有喷 嘴30(参照图1)，例如以位置固定的方式设置在曲轴箱上。
当然，根据本发明的活塞也可以具有为冷却油而设的常规的冷 却通道，该冷却通道具有为冷却油而设的进入口和排出口。对于这种 类型的活塞，通过根据本发明的活塞10的内面12的设计方案，也实 现了在内面12的区域内更好的喷射冷却。
为了优化喷射冷却的冷却效果，在本实施例中这样设置，即， 空腔18在滚动面24，25区域内的最大高度h1大于其在活塞销座22 区域内的最大高度h2(参照图2)。这促使了，热传导介质27在滚动 面区域内将从活塞顶13的方向经过空腔18所传导的热量特别有效地 向活塞10的内面12的方向引导。在滚动面24，25的区域内，在空 腔18与活塞内部之间的壁的区域31的壁厚度非常小，从而实现了向 活塞10的内面12有效的热传递，而不会损害活塞10的稳定性。此 外，空腔18对称变化的横截面还促成了，使根据本发明的活塞10 在发动机工作中在汽缸里更好地平衡并且因此使其更好地运作。与现 有技术相比实现了更小的摩擦损耗。
此外，在本实施例还这样设置，即，最低环形槽17c具有槽高 h3，并且槽高h3小于或等于在最低环形槽17c的下侧壁和空腔18 最低位置之间的间隔a。槽高和间隔之间相差越大，空腔的最大高度 就越大，并且空腔内容纳的热传导介质对活塞内面的热传导就越有 效。环形槽的下侧壁与空腔的最低位置之间的间隔越大，在发动机工 作中传导至最低环形槽区域的热量就越少，从而大幅度地降低了或者 完全地避免了在这个区域的积炭的风险。
此外，根据本发明这样设置，即，从活塞裙21的自由端起始， 在活塞内部的受压侧DS和/或背压侧GDS，滚动面24的第一内表面 32a连续转变成了为冷却剂而设的第一导向面33a，该导向面在其所 在侧连续地转变成为第一下表面34a。第一下表面34a在其所在侧连 续地延伸为拱形表面35，该拱形表面设置在活塞中轴M的区域内。
在所示出的实施例中，此外还这样设置，即，拱形表面35又继 续连续地转变成为第二下表面34b，该第二下表面在其所在侧转变成 了为冷却剂而设的第二导向面33b，第二导向面持续地通到滚动面25 的第二内表面32b为止。
这两个内表面32a，32b,这两个导向面33a,33b,这两个下表面 34a,34b以及拱形表面35构成了活塞10的内面12。
这个根据本发明的设计方案促使了，所喷射的冷却剂并不会直 接地从撞击位置被冲撞回去。冷却剂射束基本上以切线的形式撞击到 导向面33a上，并且这样将其引导，使冷却剂经过下表面34a朝着拱 形表面35的方向流动。在理想的情况下，冷却剂从拱形表面35，经 过下表面34b、导向面33b和内表面32b朝着曲轴的方向流回。
因此，冷却剂以显著的减速的方式朝曲轴的方向回流。作为结 果，一方面，利用冷却剂而将活塞10的内面12上明显更大的面积湿 润和冷却，另一方面，使冷却剂在活塞10的内面12具有明显更长的 停留时间。总的来说这促使了在活塞的内面上明显更强并且更均匀的 冷却效果。明显更加有效地将从活塞顶13的方向经过空腔18和燃烧 凹坑14向活塞10的内面12传导的热量散走。
所示出的实施例的特征此外还在于，在内面12的区域内与活塞 中轴M呈角δ处设置的切线T与活塞中轴M构成角β。此外，每个下 表面34a，34b与活塞中轴M构成角α。就此，角β小于或者等于角 α。由此构成的导向面33a，33b以及下表面34a，34b的几何结构允 许了从导向面33a向下表面34a的、对所喷射的冷却剂特别有效的导 向，以及特别适于流动的冷却剂的流动。
在本实施例中还可以这样设置，即，朝向环带16的空腔18的 外壁36朝活塞顶13的方向至少部分地向活塞中轴M倾斜。在这种情 况下，空腔18的倾斜的外壁36与活塞中轴M的轴平行线A之间优选 构成1°至10°的夹角γ。这种设计方案的促使了，不会对环带16 过度加热，从而避免了在环形槽的区域积炭的风险。这个效果基本以 以下机械理论为依据。通过发动机工作中的Shaker-Effekt(振动效 应)，在活塞10的向上冲程过程中，加热的热传导介质27从活塞顶 13的方向以大致垂直的方向向下运动。这造成这样的结果，最大程 度地避免了高温的热传导介质27接触到空腔18的外壁36。因此， 热传导介质27在第一次撞击到已喷射冷却的空腔18时，向活塞10 的内面12释放其大部分的热量。减少热度的热传导介质27可以在接 下来的向下冲程过程中沿着空腔18的外壁36向活塞顶13的方向流 过，而不会将环带16过度加热。此外，将空腔18的外壁36在环带 16的区域加厚，从而额外地减少了向着环带16方向的热量传入。
为了制造活塞10，而以熟知的方式，通过锻造或铸造来制造、 准备活塞主体10a和活塞环部件10b。然后，将在室温下为固体、可 塑的金属的热传导介质27放入活塞主体10a的区域内，该区域在制 成的活塞10中构成了空腔18的一部分(参照图1)。然后，将活塞主 体10a与活塞环部件10b组装起来并且借助于焊接工序，例如激光焊 接，将其接合并使其相互牢固连接，由此造成了环形的焊缝10c，10d。
如果制造的是单部分的活塞或者使用的是在室温下为液体的金 属热传导介质，就必须要有注入孔37，38。这些注入孔可以设置在 活塞裙21的自由端(图2中的注入孔37)或在活塞顶13内(图1中 的注入孔38)。在注入热传导介质后，会借助于密封部件(图2中的 密封部件41或图3中的密封部件42)来将注入孔密封封闭。密封部 件41，42可以例如是压入的钢球、焊上的盖子或压入的盖子。
为了将液体的热传导介质注入活塞10，会通过注入孔37，38 引入喷枪，并且借助于氮或借助于另一种合适的惰性气体再或者干燥 的空气来扫气。为了注入热传导介质27，会通过保护气体(例如氮、 惰性气体或干燥的气体)通过注入口37，38来导入热传导介质，从而 使热传导介质27容纳在孔26内或空腔18内。
一种其它的充填活塞10的方法的特征在于，在利用氮、惰性气 体或干燥的气体来扫气以后，会将孔26和空腔18抽真空并且将热传 导介质27引入真空内。由于没有存在的保护气体的阻碍，热传导介 质27能够因此更轻易地在空腔18内来回地运动以及在孔26内进出 地移动。
一种其它的从空腔18或孔26内排除保护气体的可能性是，使 用氮或干燥的气体(换言之，基本为氮和氧的混合物)作为保护气体， 且在热传导介质27中加入少量的锂，根据经验，每立方厘米的气体 空间(即，空腔18的容积加上孔26的容积)要大约1.8mg至2.0mg 的锂。在钠和钾与氧气反应成为氧化物的过程中，锂与氮反应成为锂 的氮化物。保护气体实际上完全地与热传导介质27化合成为固体。