用于内燃机的活塞的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于内燃机的活塞(10)，包括活塞头部(11)和活塞裙部(16)，其中所述活塞头部(11)具有环绕式环槽部分(15)和设于所述环槽部分(15)区域的环绕式冷却通道(23)，所述活塞裙部(16)具有设有毂孔(18)的活塞毂(17)，所述活塞毂借助毂连接件(19)设置在所述活塞头部(11)的底面(11a)上，其中所述活塞毂(17)通过工作面(21，22)彼此相连。根据本发明，所述冷却通道(23)的分布于所述环槽部分(15)区域的壁(23a)倾斜设置并且与活塞中轴线(M)夹一锐角(α)，并且设有至少一个向外封闭的孔(24a，24b，24c，24d)，所述孔设于工作面(21，22)和毂孔(18)之间，所述至少一个孔(24a，24b，24c，24d)与所述冷却通道(23)连通，所述冷却通道(23)和所述至少一个孔(24a，24b，24c，24d)包含一低熔点金属或低熔点金属合金形式的冷却剂(27)。
【专利说明】用于内燃机的活塞
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于内燃机的活塞，包括活塞头部和活塞裙部，其中所述活塞头 部具有环绕式环槽部分和设于所述环槽部分区域的环绕式冷却通道，所述活塞裙部具有设 有毂孔的活塞毂，所述活塞毂借助毂连接件设置在所述活塞头部的底面上，其中所述活塞 毂通过工作面彼此相连。
【背景技术】
[0002] 在现代内燃机中，活塞的活塞顶区域受到的热负荷越来越高。运行过程中这会导 致活塞头部和活塞裙部之间形成巨大温差。而这也会导致活塞在冷发动机中的安装间隙不 同于其在热发动机中的安装间隙。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是对同类型活塞进行改进，使得运行过程中活塞头部与活塞裙部之 间形成更均匀的温度分布。
[0004] 达成该目的的解决方案为：所述冷却通道的分布于所述环槽部分区域的壁倾斜设 置并且与活塞中轴线夹一锐角，并且设有至少一个向外封闭的孔，所述孔设于工作面和毂 孔之间，所述至少一个孔与所述冷却通道连通，所述冷却通道和所述至少一个孔包含一低 熔点金属或低熔点金属合金形式的冷却剂。
[0005] 本发明活塞的特点在于，产生于活塞顶区域的热由活塞头部导入活塞并通过面积 较大的工作面排出。借此在运行过程中使整个活塞具有更均匀的温度分布。此外还能提高 整个活塞的冷却效率。
[0006] 本发明通过将冷却通道分布于环槽部分区域的壁倾斜设置可以取得以下效果：在 发动机运行过程中，冷却剂做下行运动时基本上不接触这个区域，做上行运动时仅小幅接 触此区域。确切而言，冷却剂大体做线性的上行或下行运动。也就是说，本发明的倾斜设计 在发动机运行时运动的冷却剂和冷却通道分布于环槽部分区域的壁之间形成一死角，从而 使得冷却剂运动时不接触或仅小幅接触位于死角中的壁区。借此避免环槽部分过热，进而 防止环槽和环岸区域形成油碳。
[0007] 如果进一步用冷却油冷却活塞头部的底面，就能避免油碳的形成。整体上还能减 少冷却油用量。
[0008] 通过额外加热活塞毂与活塞裙部之间的区域可以引发活塞裙部的额外热膨胀，从 而减小活塞与气缸之间的热间隙。这在所使用的曲轴箱由热膨胀系数高于活塞材料的轻金 属材料（例如铝基材料）制成的情况下特别有益。
[0009] 进一步的有益方案包含于从属权利要求中。
[0010] 所述冷却通道的分布于所述环槽部分区域的壁与活塞中轴线所夹的角优选不超 过10°，以免因冷却通道过度狭窄而降低冷却功率。出于相同原因，该壁优选在齐环槽部分 最底下一道环槽的上缘高度处开始倾斜。 toon] 若设有燃烧室，则所述冷却通道的分布于该燃烧室区域的壁优选平行于该燃烧室 的壁的轮廓延伸，借此优化燃烧室和容置于冷却通道内的冷却剂之间的传热。
[0012] 适于用作冷却剂的低熔点金属具体是指钠或钾。低熔点金属合金具体可以采用 Gal install?-合金、低烙点秘合金和钠钾合金。
[0013] 所谓的Ga I i ns tani合金是指室温下呈液态的镓铟锡合金系。这类合金由65wt % 至95?1:(%镓、5￥1:(%至26￥1:(%铟和〇￥1: (%至16￥1:(%锡构成。优选合金例如是含有68￥1:(% 至 69wt%镓、21wt%至 22wt%铟和 9.5wt%至 10.5wt%锡（熔点-19°C )，含有 62wt%镓、 22wt%铟和l6wt%锡（熔点10. 7°C )以及含有59· 6wt%镓、26wt%铟和14. 4wt%锡（三 元低共烙混合物，烙点1KC )的此类合金。
[0014] 已知有数目众多的低熔点铋合金。其中例如包括LBE(低共熔铅铋合金，熔 点124°C )，铅铋锡易熔合金（50wt%铋、28wt%铅和22wt%锡，熔点98°C )，Orion合 金（Orionmetall) (42wt%秘、42wt%铅和 16wt%锡，烙点 108°C )，易烙焊料（52wt%秘、 32wt%铅和16wt%锡，熔点96°C )，达塞特铋铅锡低熔点合金（50wt%铋、25wt%铅和 25wt%锡），伍氏合金（50wt% 铋、25wt% 铅、12. 5wt% 锡和 12. 5wt% 镉，熔点 71°C )，利 波维茨低温可熔合金（5(^%铋、27被％铅、13被％锡和10被％镉，熔点70°〇，哈珀合 金（44wt%秘、25wt%铅、25wt%锡和 6wt%镉，溶点 75°C)，Cerrolow 117(44.7wt%秘、 22. 6wt % 铅、19. Iwt % 铟、8. 3wt % 锡和 5. 3wt % 镉，溶点 47 °C ), Cerrolow 174 (57wt % 铋、26wt%铟、17wt%锡，熔点78.9°C )，菲尔德金属（32wt%铋、51wt%铟、17wt%锡，熔点 62°C )以及 Walker 合金（Walkerlegierung) (45wt%秘、28wt%铅、22wt%锡和 5wt%铺）。
[0015] 合适的钠钾合金可以含有40wt%至90wt%的钾。特别合适的是含有78wt%钾和 22wt%钠的低共熔NaK合金（熔点-12. 6°C )。
[0016] 所述冷却剂可进一步包含锂和/或氮化锂。如果装填时使用氮气作为保护气体， 该保护气体便可与锂反应生成氮化锂并以此种方式被移出冷却通道。
[0017] 如果在装填过程中可能存在的干空气与冷却剂发生反应，所述冷却剂就有可能进 一步包含氧化钠和/或氧化钾。
[0018] 优选设有四个孔，其设于工作面和毂孔之间，以便在活塞中实现特别均匀的温度 分布。
[0019] 容置在所述冷却通道和所述至少一个孔内的冷却剂的量取决于该冷却剂的热导 率和期望的温度控制程度。所述冷却剂的装填高度优选不超过冷却通道的一半高度，以便 取得期望的震荡效应（Shaker-EfTekt)，进而在活塞中实现特别有效的热分布。
[0020] 在需要对在发动机运行期间排入活塞的燃烧热份额加以限制的情况下，可以通过 冷却剂的装填量来进行控制。事实表明，有时候达到3%至10%的冷却通道容积的冷却剂 装填量，就足以确保活塞功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 下面参照附图详细阐述本发明的实施例。以下各图均是未按比例绘示的示意图， 其中：
[0022] 图1为本发明活塞的实施例，部分为剖面图；
[0023] 图2为沿图1中II-II线截取的剖面图；
[0024] 图3为沿图2中III-III线截取的剖面图；
[0025] 图4为图3所示孔的部分放大剖面图；
[0026] 图5为图3所示冷却通道的部分放大剖面图。
【具体实施方式】
[0027] 图1至图5示出本发明活塞10的实施例。活塞10可以是一体式或复合式活塞。 活塞10可由铁基材料和/或轻金属材料制成，其中优选铁基材料。
[0028] 图1至图3不出一体式禮式活塞10。活塞10具有活塞头部11，该活塞头部包括具 有燃烧室13的活塞顶12、环绕式顶岸14以及用于容置活塞环（未图示）的环槽部分15。 齐环槽部分15高度处设有环绕式冷却通道23。活塞10进一步具有活塞裙部16,该活塞裙 部包括活塞毂17和用于容置活塞销（未图示）的毂孔18。活塞毂17通过毂连接件19连 接活塞头部的底面11a。活塞毂17通过工作面21、22彼此相连（具体参见图2)。
[0029] 冷却通道23的分布于环槽部分15区域的壁23a倾斜设置并且与活塞中轴线M夹 一不超过10°的锐角α。该壁大体从环槽部分15的最底下一道环槽15a的上缘区域开始 倾斜并一直倾斜到冷却通道23的上端。冷却通道23的分布于燃烧室13区域的壁23b平 行于燃烧室13的壁13a的轮廓延伸。
[0030] 在实施例中，活塞裙部16具有四个孔24&、2你、24〇、24(1。在实施例中，孔24 &-(1大 体轴向延伸且平行于活塞中轴线M。孔24a-d也可以与活塞中轴线M成一定角度地倾斜延 伸。孔24a-d设于工作面21、22和毂孔18之间。孔24a-d与冷却通道23连通。
[0031] 在实施例中，活塞10例如可用已知方式铸造而成，其中可借助盐芯以已知方式形 成冷却通道23和孔24a-d。要点在于，至少一个孔24a具有向外的开口 25。本发明透过开 口 25将冷却剂27 (即前文所例举的低熔点金属或低熔点金属合金）填入孔24a内。冷却 剂27从该处开始分布到冷却通道23和其他孔24b-d。而后密封封闭开口 25,实施例中是 用压入式钢球26密封封闭该开口。也可以例如通过焊接一护盖或压入一封盖来封闭开口 25(未图示）。
[0032] 孔24a_d的大小和冷却剂27的装填量取决于活塞10的大小和材料。每个活塞10 平均需要约IOg至40g冷却剂27。可以在考虑该冷却剂的导热系数的情况下通过冷却剂 27的添加量来控制冷却功率。举例而言，冷却通道23内大体等于冷却通道23的一半高度 的装料高度是合适的。在此情况下，可以在运行过程中进一步利用已知的震荡效应来在活 塞中实现特别有效的热分布。在以钠为冷却剂27、运行中温度为220°C的情况下，当冷却功 率为350kW/m 2时，活塞10的最高表面温度约为260°C。
[0033] 此外，可以通过喷射冷却油来冷却活塞头部11的底面11a。
[0034] 装填孔24a时，透过开口 25插入一喷枪并用氮气或另一合适的惰性气体或干空气 进行冲洗。在保护气体（例如氮气、惰性气体或干空气）下透过开口 25送入冷却剂27,使 得冷却剂27容置到孔24a和冷却通道23中。
[0035] 另一种装填孔24a的方法是在用氮气、惰性气体或干空气冲洗后将孔24a_d和冷 却通道23抽真空，并在真空中送入冷却剂27。如此一来，由于不受到保护气体的阻碍，冷却 剂27可以更顺畅地在冷却通道23中来回运动和出入孔24a-d。
[0036] 另一种从冷却通道23和孔24a_d移除保护气体的方法是采用氮气或干空气（即 大体是一种氮气与氧气的混合物）作为保护气体，并在冷却剂27中添加少量的锂，根据经 验是每立方厘米气体空间（即冷却通道23的容积加上孔24a-d的容积）添加约I. 8mg至 2. Omg锂。举例而言，钠和钾与氧反应生成氧化物，锂与氮则反应生成氮化锂。如此，保护气 体实际完全以固体的形式结合在冷却剂27中。
【权利要求】
1. 一种用于内燃机的活塞（10)，包括活塞头部（11)和活塞裙部（16)，其中所述活塞头 部（11)具有环绕式环槽部分（15)和设于所述环槽部分（15)区域的环绕式冷却通道（23)， 所述活塞裙部（16)具有设有毂孔（18)的活塞毂（17)，所述活塞毂借助毂连接件（19)设 置在所述活塞头部（11)的底面（Ila)上，其中所述活塞毂（17)通过工作面（21，22)彼此 相连，其特征在于，所述冷却通道（23)的分布于所述环槽部分（15)区域的壁（23a)倾斜设 置并且与活塞中轴线（M)夹一锐角（α)，并且设有至少一个向外封闭的孔（24a，24b，24c， 24d)，所述孔设于工作面（21，22)和毂孔（18)之间，所述至少一个孔（24a，24b，24c，24d) 与所述冷却通道（23)连通，所述冷却通道（23)和所述至少一个孔（24a，24b，24c，24d)包 含一低烙点金属或低烙点金属合金形式的冷却剂（27)。
2. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述角度（α)最大为10°。
3. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述壁（23a)在齐所述环槽部分（15)的 最底下一道环槽（15a)的上缘高度处开始倾斜。
4. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞头部（11)设有燃烧室（13)，所 述冷却通道（23)的分布于所述燃烧室（13)区域的壁（23b)平行于所述燃烧室（13)的壁 (13a)的轮廓延伸。
5. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，包含有钠或钾作为低熔点金属。
6. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述低熔点金属合金选自包括 Gal i nstan?·合金、低烙点秘合金和钠钾合金的群组。
7. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冷却剂（27)包含锂和/或氮化锂。
8. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冷却剂（27)包含氧化钠和/或氧化 钾。
9. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，设有四个孔（24&，2你，24(：，24(1)，其设于 工作面（21，22)和毂孔（18)之间。
10. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冷却剂（27)的装填高度不超过所述 冷却通道（23)的一半高度。
11. 根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冷却剂（27)的装填量占所述冷却通 道（23)的容积的3%至10%。
【文档编号】F02F3/18GK104379917SQ201380033008
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2012年5月5日
【发明者】乌尔里希·比朔夫贝格尔 申请人:马勒国际公司