用于内燃机的活塞的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于内燃机的活塞（1)，具有位于活塞顶（3)区域中的环绕式环段（2)，具有对流区域，所述对流区域具有至少一个腔室，所述腔室包含冷却介质并且例如是环绕式内通道（5)，并且具有布置于环段（2)和对流区域之间对环段（2)热绝缘的热绝缘区域，所述热绝缘区域例如是与所述环段和对流区域共轴布置的环绕式外通道(4)。此处，本发明重要的是，外通道（4)呈热绝缘体的形式，其降低大致径向向外的热流，并且将环段⑵相对于活塞顶和内通道（5)处的高温进行热绝缘，而内通道（5)呈冷却通道的形式，包括传热介质用于通过对流改善热从活塞顶到活塞（1)的下侧（7)的热消散。
【专利说明】用于内燃机的活塞
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于内燃机的活塞，根据权利要求1前序部分，具有在活塞顶区域中的环绕式环段、对流区域以及布置于环段和对流区域之间的热绝缘区域。
【背景技术】
[0002]从DE102004038464A1，通用活塞是公知的，尤其是内燃机的冷却通道活塞，其具有上部分和下部分，上部分和下部分能够彼此单独生产，随后能够结合在一起，其中，上部分具有至少三个径向环绕式结合辐，下部分同样具有至少三个径向环绕式结合辐，在结合处理期间这些辐接合在一起，经由这些辐将上部分可靠地连接下部分。
[0003]从DE10028926A1，复合式活塞是公知的，其具有由高耐热材料制成的活塞顶以及包含毂的下部分，其中，活塞顶和下部分通过中央螺栓连接而彼此连接。为了防止燃烧气体进入活塞中，活塞顶以其外区域的锥形或者凸形支撑面置于下部分上或者中间部分上，其中，在上部分和下部分之间布置有单独的板，该板将下部分中存在的冷却通道隔离于上部分中存在的腔室。
[0004]高应力的玫瑰油以及柴油发动机现在已经需要加强效应以还能够保证铝活塞长期的耐久性。通过曾经升高的温度，由于输出增加，在活塞环以及活塞槽岸区域中会发生增加的热输入，这会引起在活塞环上以及尤其在凹槽底中油碳的积聚增加。该油碳层又会功能为绝缘体，会贡献于活塞环的过度加热，因此破坏活塞环。
【发明内容】
[0005]本发明因此涉及改善通用类型活塞的实施例的问题，尤其通过改善热消散能够增加活塞的效率和耐久性。
[0006]该问题根据本发明的独立权利要求1的主题解决的。有利实施例是从属权利要求的主题。
[0007]本发明是基于这样的总体构思:在内燃机的活塞中大致从活塞顶直接到活塞下侧实施热消散，以及在活塞下侧将活塞顶区域中的环段的热分开，使得能够可靠地防止尤其在环段区域中迄今发生的高温，所述高温例如会导致形成油碳以及与此关联会破坏活塞环。根据本发明的活塞以公知方式具有:位于活塞顶区域中的环绕式环段；热绝缘区域，其优选构建为位于环段区域中的环绕式外通道；以及对流区域，其优选构建为与其共轴布置的内通道。根据本发明，热绝缘区域布置于环段和对流区域之间，并且相对于对流区域对环段因此还对活塞环进行热绝缘。
[0008]对流区域包括一个或多个腔室，优选内通道构建为冷却通道，包含传热介质用于通过对流将热从活塞顶消散至活塞下侧。内通道能够构建为连续的环绕式通道。其优选包含传热介质，传热介质是液体，处于活塞的指定操作温度下。
[0009]热绝缘区域优选同样包括一个或多个腔室，特别优选连续的环绕式外通道。此处，优选地，空气、另一气体、真空或者另一差传热材料(诸如例如金属泡沫)布置在外通道中，使得至少降低热从活塞顶或者分别从内通道经由外通道朝向环段的传递。但是，外通道还可以完全填充有固态材料，固态材料的传热性低于活塞材料的传热性。环段本身能够经由沿着气缸壁延伸的活塞环被冷却，其中，该冷却是充足的，迄今为止不存在问题，因为能够保证分别与活塞顶或者尤其与活塞碗的热解耦。在根据本发明的活塞中，环段因此通过外通道被相对于内通道和活塞顶或者分别活塞碗热绝缘，由此环段区域中的热应力因此还有活塞环区域中的热应力能够显著降低，使得能够优选完全避免迄今为止此处发生的碳化。
[0010]在根据本发明方案的有利进一步开发中，外通道和内通道通过分割壁彼此隔开，分割壁构建为单独结构部件或活塞的一体部件。在分割壁作为单独结构部件的实施例中，例如外通道能够由进入环段内侧的一半通道的对应一圈制造，内通道能够由进入活塞上部分的外侧的相反一半通道的对应一圈制造。随后，分割壁以插入部件的方式安装，并且将活塞上部分可靠地连接(例如焊接)至活塞下部分。在该情况下，因此，活塞构建为复合式活塞，包括活塞上部分、活塞下部分和分割壁。分割壁此处例如同样通过焊接连接或者通过简单的夹紧被固定在活塞中。另一方面，如果分割壁构建为活塞的一体部件，活塞通常包括活塞上部分、活塞下部分以及环段部分，其中，分割壁本身形成活塞下部分的一体部件。此处，而且，关注复合式活塞的形式，其中，活塞上部分和活塞下部分和具有活塞上部分和活塞下部分的环段部分彼此焊接。无论分割壁的构造，分割壁可确保外通道与内通道的隔离，因此确保作为热绝缘体的外通道的构造以及作为冷却通道的内通道的构造的隔离。
[0011]方便地，分割壁由弹簧钢尤其是弹簧板制成，或者由塑料尤其是聚酰亚胺(PI)或者聚醚醚酮(PEEK)制成。该列表已经暗示的是，实际分割壁能够由各种材料实现，迄今为止其是制造为活塞的单独部分，其中，尤其使用耐温塑料是特别有利的，因为后者一方面是轻的，另一方面具有低传热性。低重量尤其倾向于降低活塞移动所需的能量，而差传热性额外地降低了热从活塞碗或者分别在活塞顶中朝向环段的传递。
[0012]在根据本发明方案的进一步有利实施例中，传热介质是液体金属，尤其钠或者钾。所有钠钾合金在100°c以下熔化，因此在内燃机的操作期间是液态的，并且具有高传热性，这使得从活塞顶朝向活塞下侧实现快速热消散。
[0013]优选地，传热介质仅局部填充冷却通道，由此在内燃机的操作期间其被设定为被惯性力相对于活塞交替的向上以及向下移动。此处，液体相对于活塞在内燃机中的通常安装位置在面向活塞顶的上侧接收热，以及在背离活塞顶的下侧散发该热。以该方式，依靠强迫对流，与仅通过热传导实现的热流密度相比，在分别大致轴向或者垂直方向即离开活塞顶的方向上能够实现大致更高的热流密度。此外，根据本发明，能够使用传热介质，诸如例如液体金属，它们能够暴露于约300°C以上的更高温度，常规发动机油可承受而不会损坏。从而，活塞顶还能够达到非常高的温度，而不会发生油碳化，油在相邻冷却通道中循环。温度仅需要在活塞下侧是较低的，在下侧用油进行喷雾以用于冷却。可替换地，此处也可以存在另一环绕式常规冷却通道，油以常规方式经由对应供给口及排放开口分别从活塞下侧被喷入该常规冷却通道中，其中，根据本发明的对流区域于是大致布置于活塞顶和常规供油的冷却通道之间。
[0014]当然，除了液体金属，还可想到其他冷却流体，其中，为了更好地传热，冷却通道构建为封闭式冷却通道，位于其中的传热介质与喷到活塞下侧的油不同。
[0015]根据本发明，相比于活塞材料的传热性，布置于环段和对流区域之间的热绝缘区域引起降低分别沿大致水平或者径向向外方向热的传输。从而，内通道中传热介质(诸如例如液体金属)的高温不会导致过多的热输入至环段而在环凹槽中形成油碳。
[0016]在根据本发明方案的进一步有利实施例中，分割壁斜向于活塞轴线布置，即截面布置为板弹簧的形式并且在活塞顶区域中具有较小直径。分割壁的斜向位置此处引起在活塞向下移动的情形下传热介质沿着分割壁流动，因此冷却后者，而在活塞向上移动的情形下，极大程度上被加热的传热介质很快被从活塞顶传输到活塞下侧，在下侧被油的喷雾在此冷却。分割壁的倾斜位置此处对冷却效果构成显著改善。
[0017]本发明的进一步重要的特征及优势将见于从属权利要求、附图及与附图关联的说明书。
[0018]应该理解的是，以上提到的以及下文进一步解释的特征能够不仅以此处示出的组合使用，而且可以其他组合或者单独使用，这并不超出本发明的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]本发明优选示范实施例图示于附图中，并且在以下说明中进一步详细解释，其中，相同附图标记指代相同或者类似或者功能相同的结构部件。
[0020]分别以示意图示出了:
[0021]图1是根据本发明的活塞的截面图，外通道以及内通道之间有分割壁，其形成活塞的一体部件，
[0022]图2是类似图1的视图，但分割壁作为单独结构部件，
[0023]图3是类似图2的视图，但分割壁斜向定位，
[0024]图4是类似图3的视图，但具有复合式活塞。
【具体实施方式】
[0025]根据图1至4，根据本发明的用于内燃机(未图示)的活塞I具有:在活塞顶3区域中的环绕式环段2 ;在环段2区域中的环绕式外通道4 ;以及与其共轴地布置的内通道5。根据本发明，外通道4现在构建为热绝缘体,相应地将环段2绝热于内通道5以及活塞碗6,活塞碗6还指代燃烧室碗，而内通道5构建为冷却通道，并且包含传热介质用于将热从活塞顶3消散至活塞I的活塞下侧7。
[0026]外通道4和内通道5此处通过分割壁8彼此隔开，其中该分割壁能够构建为单独结构部件，尤其如图2至4图示的，或者其中该分割壁8形成活塞I的一体部件，如根据图1图示的。在分割壁8的单独构造的情形下，分割壁8能够例如由弹簧钢尤其是弹簧板制成，或者由塑料尤其是聚酰亚胺(PD或者聚醚醚酮(PEEK)制成。尤其，塑料的构造提供了重量优势，这是不可低估的，还提供了低传热性优势，此外这贡献于将环段2分别与活塞碗6或者与活塞顶3热解耦。
[0027]通常，活塞I能够例如构建为单个件活塞1，其中，在该情况下，外通道4和内通道5分别由对应的盐芯或砂芯形成，其中可替换地的还可想到的是，分割壁8被引入作为这些盐芯或砂芯中的插入部件。与此可替换的是，活塞I还能够构建为复合式活塞，能够包括活塞上部分9、活塞下部分10和分割壁8 (参见图4)。活塞上部分9和活塞下部分10此处彼此焊接，例如经由焊接点11，其中，分割壁8同样通过焊接连接或者通过简单的夹紧被固定。
[0028]与此可替换的是，活塞I能够同样构建为复合式活塞，并且能够包括活塞上部分
9、活塞下部分10以及环段部分12，如例如根据图1图示的。在该情况下，活塞上部分9和活塞下部分10现在经由第一焊接点11彼此焊接，环段部分12经由第二焊接点11’与活塞上部分9以及活塞下部分10焊接，其中，分割壁8形成活塞下部分10的一体部件。
[0029]活塞I能够通常制造为钢活塞或者轻金属活塞，在该情况下尤其是铝。在该情况下，活塞I通过铸造处理制造，其中，分割壁8能够构建为单独的插入部件或者是活塞I的一体部件。
[0030]优选热绝缘材料(尤其空气或者例如金属泡沫)布置在外通道4中，而传热介质(例如液体金属，尤其钠、钾或者包含钠和/或钾的合金)封闭在内通道5中。内通道5中的钠或钾合金能够作为例如浆态或者固态材料被引入，并且由于低熔化点在内燃机的操作期间能够变成液态。此处，尤其，含有78%钾元素及熔化点为_11°C的共晶合金对于优化传热是有利的。NaK合金室温时在它们宽范围的混合比下于内燃机活塞常规操作温度的任何情况下是液态的。液态传热介质能够通过为此设置的开口填充至冷却通道，该开口随后能够例如通过焊接或者与压入的钢球干涉配合而被封闭。在室温下为固态而在操作温度下为液态的传热介质能够有利地已经在例如通过摩擦焊接制造活塞期间被引入冷却通道并且被封闭于此，由此避免冷却通道的后续填充以及封闭。
[0031]此外，分割壁8能够对准为平行于活塞轴线13，例如如根据图1和图2示出的，或者倾斜于活塞轴线13，例如如根据图3和图4示出的。在分割壁8对准为倾斜于活塞轴线13的情形下，该分割壁具有呈板弹簧形式的截面并且在活塞顶3区域中具有的直径小于在底侧7区域中。在活塞I向下移动时，因此，传热介质(例如钠或者钾)沿着分割壁8被引导，由此分割壁8被冷却，因此促使环段2的热解耦。另一方面，在活塞I向上移动时，已经从活塞顶3和活塞碗6接收热的传热介质以直接路径到达活塞下侧7，在此处其通过喷雾冷却(例如通过油)被冷却。这引起特别有效的冷却。
[0032]而且，分割壁8能够具有成角度边缘区域14、14’，分割壁8经由成角度边缘区域
14、14’搁置在活塞I上(参见尤其图2至4)。分割壁8因此形成热屏障，尤其防止环段2、因此还防止布置于其上的活塞环15(参见图2)变得太热，太热的话例如会引起油的碳化，因此气缸壁和环段2之间的传热会变更差。气缸壁和活塞环15因此和活塞I之间的差传热会引起尤其环段2的过度热应力，这样的话会导致活塞环15的过度加热。活塞I的各部件9、10和12的焊接例如能够依靠激光焊接或者摩擦焊接进行。
[0033]利用根据本发明的活塞I尤其是隔热的环段2，能够实现特定有效的冷却，因此实现高效率以及高耐久性的活塞I。
【权利要求】
1.一种用于内燃机的活塞(I)，具有位于活塞顶(3)区域中的环绕式环段(2)，具有对流区域，所述对流区域具有至少一个腔室，所述腔室包含用于将热从活塞顶消散至活塞(I)的下侧(7)的传热介质，并且具有布置于所述环段(2)和所述对流区域之间对所述环段(2)热绝缘的热绝缘区域。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于， 所述热绝缘区域包括外通道(4)，所述腔室包括布置于其径向内侧并且与其同心的内通道(5)。
3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于， 所述外通道⑷和内通道(5)通过分割壁⑶彼此隔开，所述分割壁⑶构建为单独结构部件或所述活塞(I)的一体部件。
4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于， 所述分割壁(8)是单独构造，由弹簧钢尤其是弹簧板制成，或者由塑料尤其是聚酰亚胺(PI)或者聚醚醚酮(PEEK)制成。
5.根据权利要求3或者4所述的活塞，其特征在于， -所述活塞(I)构建为复合式活塞并且包括活塞上部分(9)、活塞下部分(10)和分割壁⑶，或者 -所述活塞(I)构建为复合式活塞并且包括活塞上部分(9)、活塞下部分(10)和环段部分(12) ο
6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于， -所述活塞上部分(9)和活塞下部分(10)彼此焊接，其中，所述分割壁(8)同样通过焊接连接或者通过夹紧而固定，或者 -所述活塞上部分(9)和活塞下部分(10)和具有活塞上部分(9)和活塞下部分(10)的环段部分(12)彼此焊接，其中，所述分割壁(8)形成所述活塞下部分(10)的一体部件。
7.根据权利要求1至6中之一所述的活塞，其特征在于， 所述活塞(I)由钢制造或者由轻金属尤其是铝制造。
8.根据权利要求1至7中之一所述的活塞，其特征在于， 所述活塞(I)通过铸造处理制造，所述分割壁(8)构建为插入部件。
9.根据权利要求1至8中之一所述的活塞，其特征在于， 所述传热介质是液体金属，尤其是钠、钾或者包含钠和/或钾的合金。
10.根据权利要求3至9中之一所述的活塞，其特征在于， 所述分割壁(8)斜向于活塞轴线(13)布置，即截面布置为板弹簧的形式并且在活塞顶区域中具有较小直径。
11.根据权利要求3至10中之一所述的活塞，其特征在于， 所述分割壁(8)具有成角度边缘区域(14、14’)，所述分割壁经由成角度边缘区域搁置在活塞⑴上。
【文档编号】F02F3/18GK104220736SQ201380019172
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年4月15日 优先权日:2012年4月18日
【发明者】萨沙-奥利弗·布泽克 申请人:马勒国际有限公司