技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于内燃机的活塞，所述活塞包括
活塞头和
活塞裙，所述活塞头具有活塞顶、环绕起火区、具有环形沟槽的环绕环形带，以及在环形带区域中的环绕冷却
导管，该冷却导管朝向底部敞开，并且利用封闭元件封闭，该冷却导管具有冷却导管底部和冷却导管顶部。
背景技术
[0002] 在当代内燃机中，活塞在活塞裙和燃烧凹部的区域中经受更高的
温度负载。在
发动机运行期间，活塞头中的热量排出不充分导致活塞的功能障碍，并导致焦化或在活塞上形成油
碳。这特别适用于
钢材构成的活塞，因为钢具有低
传热系数，由此是较差的导热体。
发明内容
[0003] 本发明的目的是以在发动机运行期间实现热量从活塞头最佳排出的方式改进普通类型的活塞。
[0004] 上述目的利用以下事实实现：封闭元件以使冷却导管底部布置在最低的环形沟槽上方的方式布置在活塞头中。
[0005] 在
现有技术中，冷却导管沿着轴线方向通常延伸至最低的环形沟槽的高度或以下，以在发动机运行期间，借助于尽可能大的冷却导管，实现充分的冷却，特别是钢质活塞的冷却。然而，考虑到鸡尾振荡效应(cocktail shaker effect)，冷却油在冷却管道顶部(即，非常热的区域)和冷却导管底部(即相对凉的区域)之间往返移动。考虑到冷却管道底部区域中的显著较低的温度，实际中在此不再发生从活塞头至冷却油的热量吸收。此外，由于环形带和活塞裙方向上的渐变的热量梯度，只有较少量的热量从冷却油排出。
[0006] 根据本发明的活塞与此的区别在于，相对于现有技术，冷却导管在轴线方向缩短。由此，冷却油，特别在冷却导管底部区域中，更接近大量热负载的冷却导管底部移动，从而在比现有技术热的整个区域中移动。因此，在活塞移动的每个阶段发生了从活塞头的热区域至冷却油的热量吸收。
[0007] 具体地，如果保持了现有技术已知的冷却油量，并且以冷却油在发动机运行期间快速更换的方式设置冷却油的供应，则实现了相对于现有技术显著改善的活塞头的冷却。
[0009] 冷却管道底部优选布置在第二环形沟槽的
水平高度处，特别优选布置在第一环形沟槽和第二环形沟槽之间，以通
过冷却油在发动机运行期间更进一步接近热的活塞顶来进一步提高冷却特性。
[0010] 一种有利的进展提供了以在活塞顶中形成环绕的环形间隙的方式将封闭元件布置在活塞头中。这消除了设置出油口的必要。
[0011] 进一步优选的发展提供了，起火区的高度至多为活塞头的标称直径的9％。以此方式，实现了使冷却导管相对于活塞顶和环形带进行
定位，该环形带特别有利于热量扩散。
[0012] 在该情况下，活塞顶与冷却导管底部之间的间隔可为活塞头的标称直径的11％～17％。此外，或者替代地，冷却导管的高度可为其宽度的0.8～1.7倍。此外，除此之外，或者替代于此，活塞顶和冷却导管顶部之间的间隔可为活塞头的标称直径的3％～7％。这些尺寸规定允许用于所有活塞尺寸的冷却导管的优化设计和定位。
[0013] 压缩高度例如可为活塞头的标称直径的38％～45％。
[0014] 进一步特别优选的实施方式在于燃烧凹部在活塞头中形成，并且燃烧凹部和冷却导管之间径向方向上的最小壁厚为活塞头的标称直径的2.5％～4.5％。以此方式实现燃烧凹部和冷却导管之间的改善的热传输。
[0015] 例如，燃烧凹部可设置有下切口，从而限定燃烧凹部和冷却导管之间的壁厚。
[0016] 在拆开活塞裙的情况下，封闭元件可形成为紧固至活塞的独立的组件。
[0017] 根据本发明的活塞可被形成为整体式活塞。然后，冷却导管利用机加工以本身已知的浇
铸坯体或
锻造坯体制成。然而，优选，所述活塞由不可拆分地彼此连接的至少两个组件组装而成。具体地，根据本发明的活塞可具有活塞主体和
活塞环形元件。在此情况下，封闭元件可被形成为紧固至活塞的独立的组件以及与活塞一体化连接的组件。在后一种情况下，封闭元件可与活塞主体或者活塞环形元件一体化连接。
[0018] 本发明特别适用于由至少一种钢材制成的活塞。
附图说明
[0019] 在以下内容中，将基于附图更详细地解释本发明的示例性实施方式，附图为示意性图示，不是实际尺寸，其中：
[0020] 图1局部示出了根据本发明的活塞的第一示例性实施方式；
[0021] 图2示出了已经旋转了90°的根据图1示出的活塞；
[0022] 图3局部示出了根据本发明的活塞的另一示例性实施方式；
[0023] 图4示出了已经旋转了90°的根据图3示出的活塞；
[0024] 图5局部示出了另外两个示例性实施方式的总体图示；
[0025] 图6局部示出了根据图5的活塞的部分放大图，左手侧；
[0026] 图7局部示出了另一示例性实施方式的部分放大图；
[0027] 图8示出了根据图7的示例性实施方式的部分放大图；
[0028] 图9a、图9b示出了根据本发明的活塞中的冷却油移动的示意图；且
[0029] 图10a、图10b示出了根据现有技术的活塞中的冷却油移动的示意图。
具体实施方式
[0030] 图1和图2示出了根据本发明的活塞10的第一示例性实施方式。如通常已知的，活塞10可被锻造或者
铸造为整
块坯体，利用机加工将冷却导管形成在坯体中。在该示例性实施方式中，活塞10由活塞主体31和活塞环状元件32组装而成，该活塞环状元件可以本身已知的方式铸造或锻造得到，并且通过
焊缝33彼此连接，例如通过
电子束
焊接或者
激光焊接彼此连接。在该示例性实施方式中，焊缝33以相对于活塞中
心轴线A成锐
角地布置在燃烧凹处的最下方的点处。在该示例性实施方式中，活塞10由钢材制成。
[0031] 活塞10包括具有活塞顶12的活塞头11，该活塞顶具有燃烧凹处13、环绕起火区14和环绕环形带15，该环绕环形带15具有环形沟槽16,17,18，用于接收活塞环(未示出)。
环绕冷却导管19设置在环形带15的水平高度处。
[0032] 此外，活塞10具有活塞裙21，该活塞裙从活塞头11热拆分，并且具有
活塞销座22和用于接收活塞销(未示出)的销座孔23。
活塞销座22经由销座附接件24连接至活塞头11的下侧。活塞销座22经由工作表面25彼此连接。
[0033] 形成冷却导管19，以使得它朝向底部敞开，并利用独立的封闭元件35(在示例性实施方式中为封闭板)封闭。将封闭元件35以本身已知的方式在环形带15下方紧固至活塞头11，并且以如下方式沿着燃烧凹处13的方向延伸：使得封闭元件35的环形自由端部与燃烧凹处13的外壁一起形成环绕的环形间隙36。
[0034] 对于待消除的环形间隙36自身显然是可能的。反之，以本身已知的方式，冷却导管19可被封闭元件35完全封闭，使得用于冷却油的进油孔和出油孔设置在封闭元件35中。
[0035] 沿着活塞顶12的方向使封闭元件35以如下方式弯曲：形成冷却导管底部26，在示例性实施方式中使其大约位于第二环状沟槽17的水平高度处。冷却导管底部26还可布置在第一环状沟槽16和第二环状沟槽17之间。
[0036] 此外，冷却导管19具有冷却导管顶部27。
[0037] 在示例性实施方式中，压缩高度KH为活塞头11的标称直径DN的38％～45％。
[0038] 图3和图4示出了根据本发明的活塞110的另一示例性实施方式。活塞110以与根据图1和图2的活塞10类似的方式构建。相应的结构元件因此用相同的标记表示，在此方面，参见图1和图2的相关描述。
[0039] 根据图3和图4的活塞和根据图1和图2的活塞之间的主要区别在于活塞110的工作表面25的内表面128利用连接壁129与活塞头11的下侧面连接的事实。
[0040] 在根据图2的图示中，图5示出了根据本发明的活塞210,310的另外两个示例性实施方式的整体图。各个示例性实施方式的图示用中心线M隔开。
[0041] 用相似的方式将活塞210,310构建成根据图1和图2的活塞10。因此，相应的结构元件用相同的附图标记表述，在此方面，参见图1和图2的相关说明。
[0042] 主要区别首先存在于活塞主体231,331和活塞环形元件132,332的设计，其次存在于活塞210,310具有与根据图1和图2的活塞10相比设计不同的封闭元件235,335。
[0043] 每种情况下，两种示例性实施方式均具有环绕凸缘形式的一个封闭元件235,335，该环绕凸缘与活塞主体231,331一体式连接。每个封闭元件235,335沿着环形带15的方向延伸，使得其每个封闭元件235,335的自由端与环形带15的内壁一起形成环绕的环形间隙236,336。
[0044] 活塞210(图示为中心线M的右侧)由活塞主体231和活塞环形元件232构成。在该示例性实施方式中，活塞环形元件232包括凹部壁的一部分和燃烧凹部13的凹部边缘，以及活塞顶12、起火区14和环形带15。活塞环形元件232可特别通过焊接方法，例如电子束焊接、激光焊接或者
摩擦焊接与活塞主体131连接，其中焊缝233布置在燃烧凹部13的凹部壁中。
[0045] 活塞310(图示为中心线M的左侧)(还参见图6中的部分放大图)由活塞主体331和活塞环形元件332构成。在该示例性实施方式中，活塞环形元件332包括活塞顶12的一部分、起火区14和环形带15。活塞环形元件332可与活塞主体331连接，特别是通过焊接法连接，例如通过电子束焊接或激光焊接法连接，其中，焊缝333位于活塞顶中。
[0046] 图7示出了活塞410的另一示例性实施方式的部分放大图。活塞410以与根据图5的活塞210类似的方式构建，右手侧。相应的结构元件因此用相同的标记表示，在此方面，参见图5的相关描述。
[0047] 主要区别在于封闭元件435以环绕凸缘的方式形成，该环绕凸缘一体式连接至活塞环形元件432。封闭元件435沿着燃烧凹部13的方向延伸，使得封闭元件435的自由端与燃烧凹部13的外壁一起形成环绕的环形间隙436。
[0048] 活塞410相似地由活塞主体431和活塞环形元件432构成。在该示例性实施方式中，活塞环形元件432包括凹部壁的一部分，燃烧凹部13的凹部边缘，以及活塞顶12、起火区14和环形带15。在该示例性实施方式中，活塞环形元件432通过摩擦焊接连接至活塞主体431，其中焊缝433布置在燃烧凹部13的凹部壁中。
[0049] 利用实例以及部分放大图示，图8示出了具有冷却导管底部26和冷却导管顶部27的冷却导管19，以及还有活塞顶12、一部分燃烧凹部13、起火区14、具有环形沟槽16,17,18的环形带15，以及根据图7的根据本发明的活塞410的封闭元件435。
[0050] 燃烧凹部13设置有下切口29，以限定燃烧凹部13和冷却导管19之间的壁厚(该方面参见下文)。
[0051] 优选起火区14的高度h至多为活塞头11的标称直径DN的9％(参见图1和图2)。以此方式，实现了使冷却导管19相对于活塞顶12和环形带15进行定位，该环形带特别有利于热量扩散。
[0052] 基于起火区14的这种尺寸规则，优选活塞顶12和冷却导管底部26之间的间隔为活塞头11的标称直径DN的11％～17％(参见图1和图2)。以此方式，冷却导管19最优接近热的活塞顶12定位，并且处于相对于较凉的环形沟槽16,17,18的最优
位置。
[0053] 此外，优选冷却导管19的高度c是其宽度d的0.8～1.7倍。所述尺寸规则产生冷却导管19的最佳体积，以及相对于热的燃烧凹部13的最佳取向，特别是相对于凹部的边缘，以及热的活塞顶12和较凉的环形沟槽16,17,18。
[0054] 最后，优选活塞顶12和冷却导管顶部27之间的间隔b为活塞头11的标称直径DN的3％～7％(参加图1和图2)。所述尺寸规则还产生冷却导管19相对于热的活塞顶12的最佳定位。
[0055] 最终，优选燃烧凹部13和冷却导管19之间沿着径向的最小壁厚w为活塞头11的标称直径DN的2.5％～4.5％。以此方式实现了燃烧凹部13和冷却导管19之间改善的热传输。
[0056] 图9a和9b、图10a和10b对根据本发明的活塞(图9a和图9b)以及对根据现有技术的活塞(图10a和10b)示意性地示出了发动机运行期间冷却油的移动，以及燃烧凹部、活塞顶、冷却导管和环形沟槽区域中的温度区域。
[0057] 在图9a、9b、10a、10b中，示意性地指示出了三个热区域，即“热”、“温热”和“凉”。各个活塞区域中的相对温度差用于以此方式示出。
[0058] 根据本发明(图9a和图9b)，相对于现有技术，冷却导管在轴线方向缩短。由此，冷却油几乎只沿着活塞顶和燃烧凹部的“热”区域移动。因此，在活塞移动的每个阶段发生热量从活塞头的“热”区域吸收至冷却油中。应保持现有技术已知的冷却油的量，并应以在发动机运行期间快速更换冷却油的方式设定发动机操作。
[0059] 在现有技术(图10a和图10b)中，冷却导管沿着轴线方向通常延伸至最低的环形沟槽的高度，或者在此环形沟槽下，以借助于尽可能大的冷却导管实现发动机运行期间的充分冷却。考虑到鸡尾振动效应，冷却油在“热”区域(即活塞顶和燃烧凹部的盘边缘)和“凉”区域(即冷却导管底部)之间移动。考虑到冷却导管底部区域中显著更低的温度，实际上在此不再发生从活塞头至冷却油的热吸收。
[0060] 因此，在根据本发明的活塞情况下，相对于现有技术，实现了活塞头冷却的显著改善。
