具有油冷活塞的内燃发动机及生产相关活塞的方法与流程

本发明涉及一种内燃发动机，其具有：

-至少一个汽缸盖，其具有至少一个汽缸，以及

-至少一个汽缸体，其连接到至少一个汽缸盖并且用作上曲轴箱半部，以用于容纳至少一个活塞，其中对于内燃发动机：

-每个汽缸包括由汽缸专用活塞的活塞顶、汽缸筒和至少一个汽缸盖共同形成的燃烧室，其中活塞可沿汽缸纵向轴线在上止点tdc和下止点bdc之间以平移方式移位，以形成活塞冲程s，以及

-每个活塞为了形成油型冷却装置而配备有油道，该油道集成在活塞顶中并包括环形通道、连接到环形通道并用于向环形通道供应机油的入口通道以及连接到环形通道并用于从环形通道排出机油的出口通道。

本发明还涉及一种用于生产所述类型的内燃发动机的活塞的方法。

背景技术：

所述类型的内燃发动机例如用作机动车辆驱动单元。在本发明的上下文中，表述“内燃发动机”包括柴油发动机和奥托循环发动机，还包括混合动力内燃发动机(即以混合燃烧过程运行的内燃发动机)，以及除了内燃发动机之外还包括用于驱动机动车辆的至少一个额外扭矩源的混合驱动装置，该额外扭矩源例如为电机，其在驱动方面可连接或者在驱动方面连接到内燃发动机，并且代替内燃发动机或者附加于内燃发动机输出动力。

内燃发动机具有汽缸体和至少一个汽缸盖，它们可彼此连接或被彼此连接以便形成个体汽缸，即燃烧室。下面将简要论述各个部件。

汽缸盖用于保持控制元件，并且在顶置凸轮轴的情况下用于整体保持气门驱动装置。在充气交换期间，燃烧气体经由至少一个出口开口排出，并且经由每个汽缸的至少一个入口开口进行燃烧室的充气。为了控制充气交换，在四冲程发动机中，几乎专门使用提升气门作为控制元件，这些提升气门在内燃发动机运行期间执行摆动的提升运动，从而打开和关闭入口开口和出口开口。气门的运动所需的气门致动机构(包括气门本身)被称为气门驱动器。

在应用点火式内燃发动机中，所需的点火装置可被布置在汽缸盖中，并且在直喷式内燃发动机的情况下还可将喷射装置布置在汽缸盖中。为了形成汽缸盖和汽缸体的功能上合适的连接(其密封燃烧室)，必须提供足够多的足够大的孔(bore)。

为了保持活塞，汽缸体具有相应数量的汽缸孔或汽缸套。内燃发动机的每个汽缸的活塞以可轴向移动的方式在汽缸筒中沿汽缸纵向轴线被引导，并且与汽缸筒和汽缸盖一起界定汽缸的燃烧室。在此，活塞顶形成燃烧室内壁的一部分，并且与活塞环一起相对于汽缸体或曲轴箱密封燃烧室，使得没有燃烧气体或没有燃烧空气进入曲轴箱，并且没有机油进入燃烧室。汽缸筒或者使用可插入到汽缸体中的汽缸套形成，或者直接由汽缸体本身(特别是汽缸孔)形成。

活塞用于将由燃烧产生的气体力传递到曲轴。为此，每个活塞通过活塞销铰接地连接至连杆，该连杆进而可移动地安装在曲轴上。

安装在曲轴箱中的曲轴吸收连杆力，该连杆力由燃烧室中的燃料燃烧导致的气体力和发动机零件的不均匀运动导致的惯性力组成。在此，活塞的摆动冲程运动被转换成曲轴的旋转运动。曲轴将扭矩传递到传动系(drivetrain)。传递到曲轴的一部分能量用于驱动诸如油泵和交流发电机之类的辅助单元，或者用于驱动凸轮轴并因此致动气门驱动器。

通常，在本发明的上下文内，上曲轴箱半部由汽缸体形成。曲轴箱通常由下曲轴箱半部补充，该下曲轴箱半部可安装在上曲轴箱半部上并用作油底壳。

为了保持和安装曲轴，在曲轴箱中设置了至少两个轴承。为了给轴承供应机油，设置了用于将发动机油输送到至少两个轴承的泵，其中该泵经由供应管线将发动机油供应到主油道，通道从主油道通向至少两个轴承。为了形成所谓的主油道，通常设置沿曲轴的纵向轴线对准的主供应通道。主供应通道可以布置在曲轴箱中的曲轴的上方或下方，或者集成在曲轴中。

通常经由从油底壳通向泵的吸入管线供应源自油底壳的发动机油给泵本身，并且所述泵必须确保足够高的供应流量，即足够高的进料量，以及供应系统中(特别是在主油道中)足够高的油压。

类似地进行向凸轮轴供应机油。为了执行和维持它们的功能，消耗或需要发动机油(也就是说必须被供应发动机油)的其他消耗装置是连杆的轴承或可能提供的平衡轴的轴承。然而，同样地，在上述意义上的消耗装置是喷油冷却装置，其为了冷却的目的而借助于喷嘴从下方(即在曲轴箱侧)用发动机油润湿活塞顶。喷油冷却装置需要或消耗机油，也就是说，喷油冷却装置必须被供应机油。

为了冷却的目的而用发动机油喷洒活塞顶的活塞的喷油冷却装置优选尽可能凉或尽可能冷的发动机油，也就是说温度尽可能最低的发动机油，以便能够从活塞汲取尽可能多的热量。因此，寻求防止活塞的热过载或过热。

在这种情况下，必须考虑到越来越普遍地例如通过排气涡轮增压器或者机械或电动增压器对内燃发动机进行增压，以便降低燃料消耗，即提高效率。结果，内燃发动机和活塞上的热负荷和机械负荷均增加，使得必须对冷却装置提出更高的要求，并且必须实施允许热负荷和机械负荷的措施。

内燃发动机的汽缸体也是承受高热负荷和机械负荷的部件。由于液体相对于空气具有更高的热容量，使用液体型冷却装置比使用空气型冷却装置能够耗散明显更多的热量。由于这个原因，内燃发动机越来越多地配备有液体型冷却装置。

液体型冷却装置需要内燃发动机或汽缸体配备有至少一个集成冷却剂套，其引导冷却剂通过汽缸体。例如在热交换器中再次从冷却剂中提取散发到冷却剂的热量。在此，借助于布置在冷却剂回路中的泵来输送冷却剂，使得所述冷却剂循环。

与汽缸体一样，汽缸盖也可配备有一个或多个冷却剂套。汽缸盖通常是热负荷更高的部件，因为与汽缸体相比，汽缸盖设置有排气导管，并且集成在汽缸盖中的燃烧室壁比设置在汽缸体中的汽缸筒暴露于热排气的时间更长。此外，汽缸盖比汽缸体具有更低的部件质量。

在运行中的内燃发动机中的汽缸体中的大温差导致汽缸的汽缸筒的或多或少的热变形。在实践中，这种所谓的孔变形具有许多不利的影响。为了使与汽缸筒和活塞环相互作用的活塞不管孔如何变形都能够以有效的方式相对于曲轴箱密封燃烧室，根据现有技术增加了环的预载力，但是这同样不利地增加了内燃发动机的摩擦或摩擦损失。然而，原则上力求使内燃发动机的摩擦损失最小化，以便减少燃料消耗并因此也减少污染物排放。

活塞的有效冷却与上述效果相反。本发明的内燃发动机的活塞还具有油型冷却装置，其中不仅借助于喷油冷却装置向每个活塞的活塞顶喷洒发动机油。根据本发明，确切地说，每个活塞均配备有油道(oilgallery)，该油道具有集成在活塞中的通道，并且该油道经由所述通道引导机油穿过活塞以用于冷却的目的。

根据现有技术，此类油道包括环形通道、用于向环形通道供应机油的颈状入口和用于从环形通道排出机油的颈状出口(也参见图1)。在此，将机油供应到油道的环形通道中通常通过注入到入口颈部来进行，具体地说是使用相对于汽缸体位置固定的喷射喷嘴，该喷射喷嘴经由主油道供应机油。注入的机油对已位于环形通道中的机油具有一定的输送作用，并且在出口方向上输送所述机油。然而，从环形通道中排出机油特别受活塞的摆动运动支配。

测试已表明，喷射到入口内的大量机油不会进入环形通道，也不会残留在环形通道中，而是经由入口再次离开油道，并不会流过环形通道。此处没有发生通过环形通道或通过油道的油输送，而这种油输送是有效活塞冷却的先决条件。

技术实现要素：

在上述背景下，本发明的一个目的是提供一种根据优选实施方式的前序部分的内燃发动机，该内燃发动机在活塞的油型冷却装置方面得到改进，特别是确保了活塞的更有效冷却。

本发明的另一子目的是提出一种用于生产所述类型的内燃发动机的活塞的方法。

第一子目的借助于一种内燃发动机来实现，该内燃发动机具有：

-至少一个汽缸盖，其具有至少一个汽缸，以及

-至少一个汽缸体，其连接到至少一个汽缸盖并且用作上曲轴箱半部，用于容纳至少一个活塞，其中对于内燃发动机：

-每个汽缸包括由汽缸专用活塞的活塞顶、汽缸筒和至少一个汽缸盖共同形成的燃烧室，其中活塞可沿汽缸纵向轴线在上止点tdc和下止点bdc之间以平移方式移位，从而形成活塞冲程s，以及

-每个活塞为了形成油型冷却装置而配备有油道，该油道集成在活塞顶中并包括环形通道、连接到环形通道并用于向环形通道供应机油的入口通道以及连接到环形通道并用于从环形通道排出机油的出口通道，

该内燃发动机的特征在于：

-入口通道形成为在环形通道的方向上呈漏斗形逐渐变细，并突出到环形通道中以便形成锥形件。

从喷射喷嘴中喷出且为了供应机油而朝向入口通道定向的油射流不是纯层流会聚射流，而是在入口通道方向上或多或少变宽的油射流，特别是因为曲轴箱中存在剧烈的湍流空气运动。根据本发明，这种情况是允许的，因为入口通道在环形通道的方向上呈漏斗形逐渐变细。在此，入口通道不必在其整个长度上连续地逐渐变细。为了使加宽的油射流再次会聚或被捕获，在个别情况下，入口通道在某些区段中(即在有限的距离上)呈漏斗形逐渐变细就足够了。

凭借入口通道为漏斗形的事实，从喷射喷嘴流出并经由入口通道进入环形通道的那部分机油被最大化或极大地增大。

根据本发明的入口通道突出到环形通道中，并由此形成锥形件。这具有有利的效果，即经由入口通道引入到环形通道中的机油被转移到环形通道的与锥形件相对的壁上，其中撞击到该壁上的油射流被分开并被引导到锥形件的两侧进入环形通道。

突出到环形通道中的入口通道的锥形端有助于将机油向两侧分流和引入环形通道，并且确保尽可能多的引入机油保留在环形通道中，并且尽可能少的引入机油在不流过环形通道并冷却活塞顶的情况下再次离开环形通道。

上述根据本发明的入口通道的物理特征以及由所述特征产生的技术效果增加了通过环形通道或油道输送的油量和输送速度，并因此加强了活塞顶的冷却。结果是更有效的活塞冷却。

利用根据本发明的内燃发动机，实现了本发明所基于的第一个目的，也就是说，提供了一种内燃发动机，其在活塞的油型冷却装置方面得到改进，特别是确保了活塞的更有效冷却。

将结合可选示例来解释根据本发明的内燃发动机的其他有利实施例。

内燃发动机的如下实施例是有利的，其中入口通道和/或出口通道平行于汽缸纵向轴线定向。这确保了入口通道的锥形件两侧的环形通道区段的一定对称性和平等处理。

内燃发动机的如下实施例是有利的，其中设置有布置成相对于汽缸体位置固定的喷射喷嘴，以用于向环形通道供应机油。

在这种情况下，内燃发动机的如下实施例是有利的，其中至少在某些区段中呈漏斗形的入口通道具有最小直径dmin，其中dmin＞doil，其中doil表示喷射喷嘴的出口开口的直径。

内燃发动机的如下实施例是有利的，其中至少在某些区段中呈漏斗形的入口通道具有最大直径dmax，其中dmax＞1.5dmin，其中dmin表示至少在某些区段中呈漏斗形的入口通道的最小直径。

在这种情况下，内燃发动机的如下实施例是有利的，其中适用以下条件：dmax＞2dmin。

在这种情况下，内燃发动机的如下实施例是有利的，其中适用以下条件：dmax＞3dmin或dmax＞4dmin或dmax＞5dmin。

内燃发动机的如下实施例是有利的，其中环形通道在与锥形件相对的一侧上配备有突出到环形通道中的楔形件。

楔形件起到辅助作用，使经由入口通道引入到环形通道中的机油被引导到锥形件的两侧进入环形通道，从而有助于更有效的活塞冷却。

在这种情况下，内燃发动机的如下实施例是有利的，其中楔形件平行于汽缸纵向轴线延伸并定向。

内燃发动机的如下实施例是有利的，其中入口通道和出口通道围绕汽缸纵向轴线相对于彼此偏移角度α布置。

严格地说，如果入口通道和出口通道围绕汽缸纵向轴线相对于彼此偏移布置，则形成两个角度，因为入口通道和出口通道经由两个环形通道区段彼此连接。从入口通道开始，可经由环形通道沿顺时针或逆时针方向到达出口通道。有利的情况是角度α≈180°，或者两个角度均是α≈180°。

然而，在这种情况下内燃发动机的如下实施例也是有利的，其中适用以下条件：α＞140°。该角度越大，引入环形通道中的机油在环形通道中必须覆盖的最小距离越大。

内燃发动机的如下实施例是有利的，其中出口通道形成为从环形通道开始呈漏斗形逐渐变细，并且从活塞顶突出以便形成锥形件。

活塞在内燃发动机运行期间的摆动冲程运动通常具有这样的效应，即已被排放到曲轴箱中的机油再次进入出口通道，并经由出口通道进入环形通道。这种效应从根本上阻止了机油从油道中排出。

所论述的实施例抵消了这种不利效应，在该实施例中，出口通道呈漏斗形变窄并且从活塞顶突出以形成锥形件。由于曲轴箱中剧烈的湍流和活塞的摆动冲程运动，已排放到曲轴箱中的机油被捕集到出口通道的锥形件的两侧。阻止了机油重新进入出口通道和环形通道。

内燃发动机的如下实施例是有利的，其中在活塞顶中将凹穴(pocket)或凹部(recess)设置到出口通道的锥形件的两侧，在这些凹穴或凹部中有可能收集已经由出口通道排放到曲轴箱中的机油。

内燃发动机的如下实施例是有利的，其中入口通道的锥形件和/或出口通道的锥形件具有凹入的外锥形侧表面。

凹入的外锥形侧表面在入口侧有助于供应机油并将其引入环形通道中，而在出口侧有助于捕集和排出曲轴箱中的机油。

本发明所基于的第二子目的(特别是指定一种用于生产上述类型的内燃发动机的活塞的方法)是通过一种方法来实现的，该方法的特征在于：活塞是通过增材制造工艺来生产的，在该增材制造工艺中，活塞以分层方式构建。

关于根据本发明的内燃发动机已陈述的内容也适用于根据本发明的方法。

该方法的如下实施例是有利的，其中特别是借助于3d打印来生产活塞。

通过铸造和随后的切削加工来生产活塞的制造方法基本上也是有利的。

附图说明

下面将基于示例性实施例并根据图1、图2a和图2b更详细地描述本发明。在附图中：

图1以透视图示意性地示出了根据现有技术的油道以及入口通道和出口通道及汽缸筒的一部分，

图2a以横截面图示意性地示出了根据内燃发动机的第一实施例的油道的环形通道的一部分以及其中的入口通道开口，以及

图2b以横截面图示意性地示出了根据内燃发动机的第一实施例的油道的环形通道的一部分以及从其分叉的出口通道。

具体实施方式

图1以透视图示意性地示出了根据现有技术的油道3以及入口通道3b和出口通道3c及汽缸筒1的一部分。

根据现有技术，可沿汽缸纵向轴线1a在汽缸筒1中以平移方式运动的活塞形成油型冷却装置，其配备有油道3，该油道3集成在活塞顶中并包括环形通道3a、连接到环形通道3a并用于向环形通道3a供应机油的入口通道3b以及连接到环形通道3a并用于从环形通道3a排出机油的出口通道3c。

简言之，汽缸纵向轴线1a和活塞纵向轴线形成共同的即相同的纵向轴线。入口通道3b和出口通道3c在曲轴箱侧从活塞顶伸出。

向环形通道3a供应机油是使用喷射喷嘴执行的，该喷射喷嘴被布置成相对于汽缸体位置固定并经由主油道被供应机油。从喷射喷嘴射出的喷射射流4朝向入口通道3b定向。

入口通道3b和出口通道3c围绕汽缸纵向轴线1a相对于彼此偏移布置。从入口通道3b开始，可经由环形通道3a沿顺时针和逆时针方向到达出口通道3c。在当前情况下，该过程中所涵盖的角度在每种情况下均为α≈180°。因此，为了到达出口通道3c，被引入环形通道3a中的机油在环形通道3a中覆盖的两个可能的距离大致相等。

根据内燃发动机的第一实施例，图2a以横截面图示意性地示出了油道3的环形通道3a的一部分，该环形通道集成在活塞2的活塞顶2a中，并且入口通道3b通入该环形通道。所做的陈述是对根据图1所示的现有技术的补充。

入口通道3b形成为在环形通道3a的方向上呈漏斗形逐渐变细，并突出到环形通道3a中以便形成锥形件3b'。经由入口通道3b引入到环形通道3a中的机油撞击在环形通道3a的与锥形件3b'相对的壁上，并且所述机油被分流。在此，机油被分开并且被引导到锥形件3b'的两侧进入环形通道3a中。

入口通道3b的锥形件3b'具有凹入的外锥形侧表面，这有助于供应机油并将其引入环形通道3a中。

环形通道3a在与锥形件3b'相对的一侧上配备有楔形件5a，该楔形件5a突出到环形通道3a中。所述楔形件5a平行于汽缸纵向轴线定向，并有助于将机油分流和引入到锥形件3b'两侧的环形通道3a中。

图2b以横截面图示意性地示出了根据内燃发动机的第一实施例的油道3的环形通道3a的一部分以及从其分叉的出口通道3c。

出口通道3c被形成为从环形通道3a开始呈漏斗形逐渐变细并且从活塞顶2a突出以便形成锥形件3c'。在活塞顶3a中，在出口通道3c的锥形件3c'的两侧设置有凹穴，在这些凹穴中可捕集已经由出口通道3c排出的机油。出口通道3c的锥形件3c'具有凹入的外锥形侧面，其有助于捕集和排出曲轴箱中的机油。

呈漏斗形变窄的出口通道3c使得已排放到曲轴箱中的机油难以再次进入出口通道3c和环形通道3a。

环形通道3a在与出口通道3c的锥形件3c'相对的一侧上配备有楔形件5b，该楔形件5b突出到环形通道3a中并有助于排出机油。

附图标记列表

1汽缸筒

1a汽缸纵向轴线

2活塞

2a活塞顶

3油道

3a环形通道、环通道

3b入口通道

3b'入口通道的锥形件

3c出口通道

3c'出口通道的锥形件

4喷射射流

5a楔形件

5b楔形件

dmin入口通道的最小直径

dmax入口通道的最大直径

doil喷射喷嘴的出口开口的直径、喷射射流的直径

tdc上止点

bdc下止点

s活塞冲程