內(nèi)燃機(jī)活塞的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)活塞（10、110、210），該活塞具有活塞頭（11、111、211）和活塞裙，其中該活塞頭（11、111、211）具有環(huán)繞的活塞環(huán)部（15、115、215）以及在該活塞環(huán)部（15、115、215）的區(qū)域中的環(huán)繞的冷卻通道（16、116、216），該冷卻通道具有冷卻通道底（17、117、217）和冷卻通道頂（18、118、218）。根據(jù)本發(fā)明，該冷卻通道（16、116、216）具有收縮部（20、120、220）。
【專(zhuān)利說(shuō)明】?jī)?nèi)燃機(jī)活塞
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)活塞，該活塞具有活塞頭和活塞裙，其中該活塞頭具有環(huán)繞的活塞環(huán)部以及在該活塞環(huán)部的區(qū)域中的環(huán)繞的冷卻通道并且該活塞裙分別具有其受壓側(cè)和背壓側(cè)的工作面。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代化的內(nèi)燃機(jī)中，這種活塞承受高的機(jī)械負(fù)荷以及特別高的熱負(fù)荷。因此原則上需要通過(guò)將冷卻劑輸送到冷卻通道中、特別是活塞頂?shù)膮^(qū)域中而使活塞的冷卻始終達(dá)到最佳的程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，這樣改進(jìn)這種活塞，S卩，進(jìn)一步改進(jìn)活塞頂區(qū)域中的冷卻作用。
[0004]實(shí)現(xiàn)方案在于，使冷卻通道具有收縮部。
[0005]本發(fā)明基于流體動(dòng)力學(xué)的連續(xù)方程，即，關(guān)于在流動(dòng)的液體中液流橫斷面的收縮部引起液流速度的提高。在根據(jù)本發(fā)明的活塞中，根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的收縮部在和振蕩器效果的共同作用下不僅使得在冷卻通道中環(huán)繞流動(dòng)的冷卻劑得到充分混合，而且還通過(guò)收縮部有針對(duì)性地進(jìn)行加速并且朝活塞頂?shù)姆较蜉斔?。這樣使得經(jīng)充分混合并且從而冷卻的冷卻劑在每次活塞沖程中明顯比在迄今為止已知的活塞中更加有效且更加頻繁地流經(jīng)活塞頂區(qū)域中的、冷卻通道的、特別熱的側(cè)壁部分。因此提高了冷卻通道壁和冷卻劑之間的導(dǎo)熱系數(shù)并且從而明顯改善了根據(jù)本發(fā)明的活塞的冷卻效果。
[0006]有利的擴(kuò)展方案由從屬權(quán)利要求給出。
[0007]根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的收縮部以適宜的方式具有到冷卻通道底的間距，該間距至少等于冷卻通道的軸向高度的三分之一和/或最大等于冷卻通道的軸向高度的三分之二。由此能夠非常有效地加速冷卻劑向冷卻通道頂?shù)姆较蛄鲃?dòng)。為了優(yōu)化該加速效果，收縮部到冷卻通道底和到冷卻通道頂優(yōu)選具有大致相等的距離。
[0008]該收縮部適宜地形成為環(huán)繞的收縮部，以沿著整個(gè)冷卻通道產(chǎn)生加速效果。
[0009]一個(gè)優(yōu)選的擴(kuò)展方案在于，由恰好在冷卻通道壁處的材料增強(qiáng)部形成收縮部，并且冷卻通道頂大體上形成為圓拱頂形狀。由此迫使冷卻劑在冷卻通道頂?shù)膮^(qū)域中呈圓形環(huán)繞流動(dòng)，因此每次活塞沖程中冷卻劑多次地和冷卻通道壁相互作用。對(duì)此，較低溫度的冷卻劑始終通過(guò)收縮部得到加速和補(bǔ)給。在大體上呈圓拱頂形狀的冷卻通道頂在其最寬的位置上的徑向尺寸至少等于收縮部徑向尺寸的兩倍時(shí)，這種作用特別有效。在這種情況下，不太熱的冷卻劑向下流動(dòng)，因此沒(méi)有明顯地妨礙較低溫度的冷卻劑經(jīng)過(guò)收縮部朝向冷卻通道頂?shù)姆较蛄鲃?dòng)。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的設(shè)計(jì)在于，通過(guò)恰好兩個(gè)相互面對(duì)的、在兩個(gè)冷卻通道壁上的材料增強(qiáng)部形成收縮部。這種設(shè)計(jì)特別適用于由多個(gè)部件經(jīng)摩擦焊接而成的活塞，在焊縫延伸通過(guò)冷卻通道時(shí)，焊瘤形成了相互面對(duì)的材料增強(qiáng)部，這些材料增強(qiáng)部引起了收縮部。
[0011]在該設(shè)計(jì)方案中特別有利的是，冷卻通道頂在其頂點(diǎn)上具有分流器，該分流器設(shè)置在相對(duì)于收縮部的中間位置。在這種情況下，迫使通過(guò)收縮部加速流動(dòng)的冷卻劑在冷卻通道頂?shù)膮^(qū)域中形成兩股反向旋轉(zhuǎn)的流體，這兩股冷卻劑流體在每次活塞沖程中能夠多次地和冷卻通道的側(cè)壁相互作用。對(duì)此，較低溫度的冷卻劑始終通過(guò)收縮部得到加速和補(bǔ)給。在冷卻通道頂在其最寬的位置上的徑向尺寸至少等于收縮部徑向尺寸的兩倍時(shí)，這種作用特別有效。在這種情況下，不太熱的冷卻劑向下流動(dòng)，因此沒(méi)有明顯地妨礙較低溫度的冷卻劑經(jīng)過(guò)收縮部流動(dòng)。
[0012]為了優(yōu)化這種效果，可以額外地使冷卻通道頂?shù)摹⑦B接在分流器上的區(qū)域形成為弧形或圓形的橫截面。此外，使分流器形成為V形或錐形的橫截面是特別適宜的。
[0013]為了進(jìn)一步優(yōu)化在冷卻通道中的流動(dòng)情況，鄰近活塞環(huán)部的冷卻通道壁垂直地形成或者向內(nèi)傾斜地形成。
[0014]本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選設(shè)計(jì)在于，通過(guò)恰好兩個(gè)軸向相互錯(cuò)位排列的、在兩個(gè)冷卻通道壁上的材料增強(qiáng)部形成收縮部。該設(shè)計(jì)方案使得在冷卻通道頂?shù)膮^(qū)域中形成鄰近活塞環(huán)部和/或活塞頂岸的外部擴(kuò)張部以及在冷卻通道底的區(qū)域中形成朝向活塞頂中間、特別是鄰近必要時(shí)存在的活塞頂凹坑的內(nèi)部擴(kuò)張部。由此非常有效地對(duì)活塞頭的特別高熱負(fù)荷的區(qū)域進(jìn)行冷卻。
[0015]在該設(shè)計(jì)方案中例如可以由此影響冷卻效果，即，兩個(gè)材料增強(qiáng)部具有不同的厚度，從而兩個(gè)擴(kuò)張部具有不同大小的半徑。具有較大半徑的擴(kuò)張部能夠設(shè)置在活塞頭的熱負(fù)荷最大的區(qū)域中。
[0016]本發(fā)明適用于所有活塞類(lèi)型和活塞結(jié)構(gòu)并且能夠以任意活塞材料得以實(shí)現(xiàn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]下面根據(jù)附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的實(shí)施例。其中，以示意性的、未按精確比例的圖示示出:
[0018]圖1以局部剖面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的第一實(shí)施例；
[0019]圖2以局部剖面立體圖示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的另一個(gè)實(shí)施例；
[0020]圖3以局部剖面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的另一個(gè)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0021]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞10的第一實(shí)施例。該活塞10可以是一個(gè)部件構(gòu)成的活塞或者多個(gè)部件構(gòu)成的活塞。該活塞10能夠由鋼材和/或輕金屬材料制成。圖1示例性地示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞10的由一個(gè)部件構(gòu)成的活塞頭11。該活塞頭11具有:包含活塞頂凹坑13的活塞頂12、環(huán)繞的活塞頂岸14和用于接收活塞環(huán)(未示出)的活塞環(huán)部
15。在活塞環(huán)部15的高度處設(shè)有環(huán)繞的冷卻通道16，該冷卻通道具有冷卻通道底17和冷卻通道頂18。此外，活塞10以已知的方式還具有活塞裙，該活塞裙可以和活塞頭11 一件式形成或者作為單獨(dú)的部件形成，以已知的方式將該活塞裙和活塞頭11緊固相連或者例如根據(jù)鉸接式活塞的類(lèi)型相連(未示出)。[0022]在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，冷卻通道16具有環(huán)繞的收縮部20。在本實(shí)施例中通過(guò)恰好在鄰近活塞頂凹坑13的冷卻通道壁中的材料增強(qiáng)部21形成該收縮部20。鄰近活塞環(huán)部15的冷卻通道壁22在本實(shí)施例中大致垂直地形成。該冷卻通道壁也可以稍微向內(nèi)傾斜，即，朝向活塞頂凹坑13的方向傾斜地形成。
[0023]冷卻通道16的冷卻通道頂18大體上形成為圓拱頂形狀。在本實(shí)施例中收縮部20在其最窄的位置上大體上具有到冷卻通道底17和到冷卻通道頂18相同的距離A。因此迫使在冷卻通道頂18的區(qū)域中的冷卻劑以圓形環(huán)繞流動(dòng)，正如圓形箭頭所示出的一樣，因此每次活塞沖程中冷卻劑能夠在活塞頂12和活塞頂凹坑13的區(qū)域中多次地和冷卻通道壁相互作用。對(duì)此，較低溫度的冷卻劑始終通過(guò)收縮部20得到加速和補(bǔ)給。為了優(yōu)化這種效果，在本實(shí)施例中大體上呈圓拱頂形狀的冷卻通道頂18在其最寬的位置上的徑向尺寸B至少等于收縮部20的徑向尺寸b的兩倍，即，B ^ 2Xb。在這種情況下，不太熱的冷卻劑可以向下流動(dòng)，因此沒(méi)有明顯地妨礙較低溫度的冷卻劑經(jīng)過(guò)收縮部20朝向冷卻通道頂18的方向流動(dòng)。
[0024]可以以已知的方式通過(guò)鑄造、鍛造、燒結(jié)等方法制造根據(jù)本發(fā)明的活塞10或活塞頭11。如圖1所示，在一件式的活塞頭11中可以以已知的方式通過(guò)借助鹽芯進(jìn)行鑄造的方法制造根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的冷卻通道。
[0025]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞110的另一個(gè)實(shí)施例。該活塞110可以是一個(gè)部件構(gòu)成的活塞或者多個(gè)部件構(gòu)成的活塞。該活塞110能夠由鋼材和/或輕金屬材料制成。圖2示例性地示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞110的由一個(gè)部件構(gòu)成的活塞頭111。該活塞頭111具有:包含活塞頂凹坑113的活塞頂112、環(huán)繞的活塞頂岸114和用于接收活塞環(huán)(未示出)的活塞環(huán)部115。 在活塞環(huán)部115的高度處設(shè)有環(huán)繞的冷卻通道116，該冷卻通道具有冷卻通道底117和冷卻通道頂118。此外，活塞110以已知的方式還具有活塞裙，該活塞裙可以和活塞頭111 一件式形成或者作為單獨(dú)的部件形成，以已知的方式將該活塞裙和活塞頭111緊固相連或者例如根據(jù)鉸接式活塞的類(lèi)型相連(未示出)。
[0026]在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，冷卻通道116具有環(huán)繞的收縮部120。在本實(shí)施例中通過(guò)恰好兩個(gè)相互面對(duì)的、鄰近活塞頂凹坑13的冷卻通道壁以及鄰近活塞環(huán)部115的冷卻通道壁中的材料增強(qiáng)部121形成該收縮部120。
[0027]在本實(shí)施例中冷卻通道116的冷卻通道頂118在其頂點(diǎn)上具有分流器123，該分流器設(shè)置在相對(duì)于收縮部120的中間位置。在本實(shí)施例中，收縮部120到冷卻通道底117的距離和收縮部120到冷卻通道頂118的距離大致相同。因此迫使通過(guò)收縮部120加速流動(dòng)的冷卻劑在冷卻通道頂118的區(qū)域中形成兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的流體，正如反向圓形箭頭所示出的一樣，因此每次活塞沖程中冷卻劑能夠在活塞頂112和活塞頂凹坑113的區(qū)域中多次地和冷卻通道116的側(cè)壁相互作用。對(duì)此，較低溫度的冷卻劑始終通過(guò)收縮部120得到加速和補(bǔ)給。為了優(yōu)化這種效果，在本實(shí)施例中冷卻通道頂118在其最寬的位置上的徑向尺寸B至少等于收縮部120徑向尺寸b的兩倍，即，B≤2Xb。在這種情況下，不太熱的冷卻劑可以向下流動(dòng)，因此沒(méi)有明顯地妨礙較低溫度的冷卻劑經(jīng)過(guò)收縮部120朝向冷卻通道頂118的方向流動(dòng)。
[0028]為了優(yōu)化這種效果，在本實(shí)施例中冷卻通道頂118的、連接在分流器123上的區(qū)域IlSaUlSb形成為弧形或圓形的橫截面并且分流器123形成為V形的橫截面。[0029]可以以已知的方式通過(guò)鑄造、鍛造、燒結(jié)等方法制造根據(jù)本發(fā)明的活塞110或活塞頭111。如圖2所示，在一件式的活塞頭111中可以以已知的方式通過(guò)借助鹽芯進(jìn)行鑄造的方法制造根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的冷卻通道116。如果活塞頭111由兩個(gè)部件形成并且這兩個(gè)部件通過(guò)摩擦焊接相互連接在一起，那么摩擦焊接的接縫能夠穿過(guò)冷卻通道116，因此可以通過(guò)摩擦焊瘤形成相互面對(duì)的材料增強(qiáng)部121，這些材料增強(qiáng)部產(chǎn)生了收縮部120，該摩擦焊瘤在摩擦焊接過(guò)程中以已知的方式產(chǎn)生 。
[0030]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞210的另一個(gè)實(shí)施例。該活塞210可以是一個(gè)部件構(gòu)成的活塞或者多個(gè)部件構(gòu)成的活塞。該活塞210能夠由鋼材和/或輕金屬材料制成。圖3示例性地示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞210的由一個(gè)部件構(gòu)成的活塞頭211。該活塞頭211具有:包含活塞頂凹坑213的活塞頂212、環(huán)繞的活塞頂岸214和用于接收活塞環(huán)(未示出)的活塞環(huán)部215。在活塞環(huán)部215的高度處設(shè)有環(huán)繞的冷卻通道216，該冷卻通道具有冷卻通道底217和冷卻通道頂218。此外，活塞210以已知的方式還具有活塞裙，該活塞裙可以和活塞頭211 —件式形成或者作為單獨(dú)的部件形成，以已知的方式將該活塞裙和活塞頭211緊固相連或者例如根據(jù)鉸接式活塞的類(lèi)型相連(未示出)。
[0031]在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，冷卻通道216具有環(huán)繞的收縮部220。在本實(shí)施例中通過(guò)恰好兩個(gè)軸向相互錯(cuò)位排列的、鄰近活塞頂凹坑213的冷卻通道壁以及鄰近活塞環(huán)部215的冷卻通道壁中的材料增強(qiáng)部221a、221b形成該收縮部220。由此在冷卻通道底217的區(qū)域中形成向活塞頂凹坑213延伸的內(nèi)部擴(kuò)張部224。此外，在冷卻通道頂218的區(qū)域中形成向活塞環(huán)部215的、最上部的環(huán)形槽和向活塞頂岸214延伸的外部擴(kuò)張部225。這使得在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中非常有效地冷卻活塞頭211的、特別高熱負(fù)荷的區(qū)域，即在活塞頂凹坑213和活塞頂岸214區(qū)域中的活塞頂212。在本實(shí)施例中也由此影響了冷卻效果，即，使材料增強(qiáng)部221a具有厚度D1，該厚度大于材料增強(qiáng)部221b的厚度D2。因此，內(nèi)部擴(kuò)張部224具有比外部擴(kuò)張部225更大的半徑。因此在本實(shí)施例中，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)特別有效地冷卻了活塞頂凹坑的區(qū)域。當(dāng)然，材料增強(qiáng)部221b也可以具有比材料增強(qiáng)部221a更大的厚度，在這種情況下，外部擴(kuò)張部225具有比內(nèi)部擴(kuò)張部224更大的半徑，因此特別有效地冷卻了活塞頂213和活塞頂岸214的區(qū)域(未示出)。
[0032]擴(kuò)張部224、225能夠在結(jié)構(gòu)允許的范圍中在徑向方向上向內(nèi)或向外任意距離地延伸，如圖3中線條部分示出的一樣。
[0033]冷卻通道216的冷卻通道底217和冷卻通道頂218大體上形成為圓拱頂形狀。在本實(shí)施例中收縮部220在其最窄的位置上大體上具有到冷卻通道底217和到冷卻通道頂218相同的距離A。因此迫使在冷卻通道底217和冷卻通道頂218的區(qū)域中的冷卻劑以圓形逆時(shí)針環(huán)繞流動(dòng)，正如圓形箭頭所示出的一樣。因此每次活塞沖程中冷卻劑能夠在活塞頂212和活塞頂凹坑213的區(qū)域中多次地和冷卻通道壁相互作用。對(duì)此，較低溫度的冷卻劑始終通過(guò)收縮部220得到加速和補(bǔ)給。為了優(yōu)化這種效果，在本實(shí)施例中內(nèi)部擴(kuò)張部224和外部擴(kuò)張部225在它們各自最寬的位置上的徑向尺寸B至少等于收縮部20的徑向尺寸b的兩倍，即，B ^ 2Xb，如圖1中外部擴(kuò)張部225的示例所示。在這種情況下，不太熱的冷卻劑能夠向下流動(dòng)，因此沒(méi)有明顯地妨礙較低溫度的冷卻劑經(jīng)過(guò)收縮部220朝向冷卻通道頂218的方向流動(dòng)并且有效地冷卻了活塞頂212的區(qū)域。因?yàn)橥瑫r(shí)有一部分新的、較低溫度的冷卻劑在冷卻通道底的區(qū)域中以圓形環(huán)繞流動(dòng)，而不是通過(guò)收縮部220向上流動(dòng)，對(duì)此，該冷卻劑沒(méi)有通過(guò)從冷卻通道頂218的區(qū)域回流的熱的冷卻劑而受到過(guò)度加熱，因此也有效地冷卻了活塞頂凹坑的區(qū)域。
[0034]可以以已知的方式通過(guò)鑄造、鍛造、燒結(jié)等方法制造根據(jù)本發(fā)明的活塞210或活塞頭211。如圖3所示，在一件式的活塞頭211中可以以已知的方式通過(guò)借助鹽芯進(jìn)行鑄造的方法制造根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的冷卻通道216。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)燃機(jī)活塞(10、110、210)，所述活塞具有活塞頭(11、111、211)和活塞裙，其中所述活塞頭(11、111、211)具有環(huán)繞的活塞環(huán)部(15、115、215)以及在所述活塞環(huán)部(15、115,215)的區(qū)域中的、環(huán)繞的冷卻通道(16、116、216)，所述冷卻通道具有冷卻通道底(17、117、217)和冷卻通道頂(18、118、218)，其特征在于，所述冷卻通道(16、116、216)具有收縮部(20、120、220)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述收縮部(20、120、220)具有到所述冷卻通道底(17、117、217 )的間距，所述間距至少等于所述冷卻通道(20、120、220 )的軸向高度的三分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述收縮部(20、120、220)具有到所述冷卻通道底(17、117、217 )的間距，所述間距最大等于所述冷卻通道(20、120、220 )的軸向高度的三分之二。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述收縮部(20、120、220)大體上具有到所述冷卻通道底(17、117、217)和到所述冷卻通道頂(18、118、218)相同的距離(八)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述收縮部(20、120、220)形成為環(huán)繞的收縮部(20、120、220)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，由恰好在冷卻通道壁處的材料增強(qiáng)部(21)形成所述收縮部(20 )，并且冷卻通道頂(18 )大體上形成為圓拱頂形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞，其特征在于，大體上呈圓拱頂形狀的冷卻通道頂(18)在其最寬的位置上的徑向尺寸(B)至少等于收縮部(20)的徑向尺寸(b)的兩倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞，其特征在于，所述冷卻通道(16)具有鄰近活塞環(huán)部(15)的冷卻通道壁(22),所述冷卻通道壁垂直地形成或者向內(nèi)傾斜地形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，通過(guò)恰好兩個(gè)相互面對(duì)的、在兩個(gè)冷卻通道壁上的材料增強(qiáng)部(121)形成所述收縮部(120)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞，其特征在于，所述冷卻通道頂(118)在其頂點(diǎn)上具有分流器(123)，所述分流器設(shè)置在相對(duì)于所述收縮部(120)的中間位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，所述冷卻通道頂(118)的、連接在所述分流器(123)上的區(qū)域(118a、118b)形成為弧形或圓形的橫截面。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，所述分流器(123)形成為V形或錐形的橫截面。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞，其特征在于，所述冷卻通道頂(118)在其最寬的位置上的徑向尺寸(B)至少等于所述收縮部(120)的徑向尺寸(b)的兩倍。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，通過(guò)恰好兩個(gè)軸向相互錯(cuò)位排列的、在兩個(gè)冷卻通道壁上的材料增強(qiáng)部(221a、221b)形成收縮部(220)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的活塞，其特征在于，兩個(gè)材料增強(qiáng)部(221a、221b)具有不同的厚度。
【文檔編號(hào)】F01P3/10GK103649509SQ201280033582
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月5日
【發(fā)明者】烏爾里?！け人贩蜇惛駹? 申請(qǐng)人:馬勒國(guó)際公司