專利名稱：組裝的或焊接的活塞的具有擴大的冷卻室的活塞上部的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及根據獨立權利要求相應前序部分的一件式和兩件式的內燃機活塞以及一種用于制造這種活塞的方法。
背景技術：
為了遵守排放極限值或者說為了達到排放目標和油耗目標需提高燃燒溫度和燃燒壓カ以優(yōu)化燃燒，由此尤其是活塞上部承受高度熱載荷。這種內燃機的運行溫度可超過活塞材料允許的極限，因此有引起熱老化的危險，在熱老化時活塞材料合金的強度和形狀·穩(wěn)定性喪失。為了將活塞的熱載荷降低到最小程度，使用這樣的活塞，在其中集成一個環(huán)形的冷卻通道，一部分內燃機潤滑油作為冷卻劑經由噴射嘴被噴入該冷卻通道中、流過冷卻通道然后離開。DE 19750012A1公開了ー種冷卻通道活塞，該活塞在活塞環(huán)區(qū)的區(qū)域中與側面徑向錯開地圍成一個環(huán)形的冷卻通道。流過該冷卻通道的冷卻劑起散熱作用，這種液體冷卻的效果主要取決于通過冷卻通道的冷卻劑的體積流量。隨著內燃機単位功率的增強，要求優(yōu)化通過液體冷卻的活塞的已知設計。因此，除了環(huán)形的冷卻通道外，還需要有針對性地用冷卻劑對活塞其它區(qū)域。為了實現該措施，DE4118400A1公開了ー種組裝的活塞,該活塞具有從冷卻通道起向活塞頂方向延伸的、具有彼此平行延伸的壁的冷卻縫槽。

發(fā)明內容
本發(fā)明所基于的任務是通過低成本的措施優(yōu)化一件式和兩件式活塞的活塞上部承受高度熱載荷區(qū)域中的冷卻效果并且與此相應提出一種活塞和制造這種活塞的方法。從現有技術出發(fā)，本發(fā)明提出一件式和兩件式活塞的ー種根據權利要求I和2的特征的、具有集成的凹槽的活塞上部以及ー種根據權利要求12、13和14的特征的用于制造所述凹槽的方法。兩件式活塞構造成通過液體冷卻的活塞，其包括一個活塞下部和ー個具有燃燒室凹腔的活塞上部。這些活塞構件通過在徑向上彼此間隔開的、構成ー個分離平面的接合接片支撐并且優(yōu)選材料鎖合地(優(yōu)選借助焊接連接)或者優(yōu)選摩擦鎖合地(優(yōu)選借助螺紋連接)接合。因此該由活塞上部和活塞下部構成的組裝的活塞優(yōu)選例如借助螺紋連接組合或者優(yōu)選例如借助焊接連接焊接。在活塞上部中設置ー個環(huán)形的、一直延伸到活塞下部中的冷卻通道，該冷卻通道通過若干連接通道與ー個內部冷卻室處于連通。為了擴大冷卻室，活塞上部圍成向活塞頂方向定向的、構造成盲孔的、與冷卻通道連接的凹槽。根據權利要求2也可能的是，內燃機的通過液體冷卻的活塞包括一個活塞下部和ー個具有燃燒室凹腔的活塞上部，所述活塞構造成一件式活塞，其沒有分離平面。為了解決所述任務，根據本發(fā)明權利要求I和2規(guī)定，所述至少ー個從冷卻通道出發(fā)的、環(huán)繞地設置的凹槽這樣構造在活塞上部中，使得凹槽的壁錐形向上擴寬。由于由此形成的壁張開，所以在凹槽最深處的區(qū)域中出現最大橫截面。有利的是，本發(fā)明在保持定義的壁厚的情況下相對于至今已知的解決方案擴大了冷卻劑流過的、隨深度擴寬的冷卻室并且因此優(yōu)化了活塞上部的冷卻。根據本發(fā)明的凹槽的ー種優(yōu)選的結構造型是間隔開地跟隨盆狀設置在活塞頂中的燃燒室凹腔的中心輪廓?；诎疾鄞笕莘e的、擴大冷卻劑容納部的空腔可改善振動效果(Shakerwirkung)和由此增強冷卻效果。有利的是，根據本發(fā)明的、擴大冷卻通道的凹槽的大小和延伸不受與結構有關的規(guī)定、例如在活塞下部和活塞上部或冷卻通道之間的分離平面的位置和布置的限制，而是可以例如有針對性地向燃燒室凹腔的方向擴寬。根據本發(fā)明構造的凹槽優(yōu)選用于燃燒室凹腔直徑相對小的活塞上部，以便最佳冷卻活塞頂中出現的大的壁厚和材料堆積。因此可避免焦化直至燃燒以及材料強度的降低。有利的是，結合優(yōu)化活塞上部的冷卻的措施可達到組裝的、燃燒室凹腔直徑較小的活塞的排放要求(Tier 3和頂O)。有利的是，根據本發(fā)明構造的活塞上部可與現有的已證明的活塞下部組合。在構造成一件式的、通過液體冷卻的內燃機活塞中，活塞下部和活塞上部的形式也如上所述適配地構造。根據本發(fā)明，凹槽的大小和延伸不受接合接片的、例如在活塞上部和活塞下部之間的分離平面區(qū)域中的支撐面的外直徑限制。相反，根據本發(fā)明的措施允許根據本發(fā)明的用于冷卻的凹槽延伸到承受高度熱載荷的區(qū)域中。因此，凹槽底部中的橫截面輪廓基于錐 形擴寬而超過凹槽在與冷卻通道的過渡區(qū)域中的橫截面輪廓。優(yōu)選活塞頂具有多個在圓周上分布地定位的、與冷卻通道處于連通的凹槽。這些構造成盲孔的、有針對性地擴大冷卻室的凹槽能夠更加有效地改善活塞上部的冷卻。在此凹槽至少在局部上導致活塞上部減小的壁厚、例如針對燃燒室凹腔、活塞環(huán)區(qū)、活塞頂岸以及活塞頂?；诟鶕景l(fā)明構造的凹槽和相鄰的承受高度熱載荷的區(qū)域之間協調的壁厚可實現ー種結構強度高且滿足最高要求的活塞上部。根據本發(fā)明的措施使構件溫度降低到常見冷卻油的燃點以下的水平上，由此同時降低了優(yōu)選用作冷卻劑的內燃機潤滑劑焦化的危險。此外不存在形成隔熱的、削弱冷卻效果的油積炭層以及因活塞材料剛性降低而產生不利的活塞熱變形的危險。由于散熱和因此本發(fā)明凹槽的冷卻效果顯著改善，所以活塞上部和因此整個活塞可用于更高的燃燒溫度及燃燒壓力、即可用于具有高功率密度的內燃機中。另外，尤其是在燃燒室凹腔直徑較小的情況下，所述大容積的可低成本制造的凹槽有利地降低了活塞上部的重量。根據本發(fā)明在縱向延伸上錐形擴寬的凹槽的ー種優(yōu)選實施方式規(guī)定所述在活塞上部中在圓周上分布的凹槽尤其構造成縫槽、孔或通道。在此在凹槽和冷卻通道之間設置由活塞上部材料構成的接片。作為接片的替換方案，也可使用壁或支撐肋，在此壁或支撐肋的形狀與接片不同。為了實現活塞上部的高結構強度適宜將錐形擴寬的凹槽構造成具有蜂窩結構的蛋糕狀的冷卻室腔，其有利地影響冷卻特性同時擴大了冷卻表面。另外也由此在空間上擴大了冷卻室。根據另ー結構設計，根據本發(fā)明構造的相鄰的各凹槽交替地以相同或不同的幾何尺寸和/或斜度彼此相反地設置在活塞上部中。該措施允許凹槽有針對性地延伸到直至承受高度熱載荷的區(qū)域中，且沒有構件減弱的危險。根據ー種優(yōu)選的設計，為了實現承受高度熱載荷的區(qū)域在很大程度上相同的壁厚，所述凹槽的壁以0°至40°之間、優(yōu)選<15°的傾角“ α，β”傾斜于活塞縱軸線定向。另外，與活塞頂結構設計相適配地，有利地將相對置的壁、尤其是內壁和外壁的傾角設計成相同或彼此不同的。為了成本優(yōu)化地制造且避免構件減弱，規(guī)定所述錐形張開的凹槽分別設有ー個倒圓的、有利地影響結構強度的凹槽底部。為該倒圓輪廓優(yōu)選設置在I. 5_至D/2(D=用于該倒圓輪廓切削過程的工具、例如銑削工具的最大直徑)之間的半徑“R”。作為替換方案，適宜為凹槽底部設置雙重倒圓的構成拱形的凹腔拱頂(kuppelartiges Muldegewolbe )的輪廓。此外，為了適配活塞頂的結構設計，所述雙重倒圓的凹槽底部可構造成階梯狀的。凹槽底部在此可構造成大波紋形的表面，由此可產生増大的表面，或者構造成小波紋形的表面。通過附加的切削制造步驟、例如銑削減小了拱形結構之間的階梯狀過渡部，由此拱形結構的表面在質量上通過表面上較小的波度得以改善并且表面的尺寸由此減小。因此可通過更多數量的切削來產生小波度的表面。代替倒圓的最終輪廓，本發(fā)明包括倒角地構成的 凹槽底部。通過這種凹槽底部在冷卻通道中還附加地出現增強的冷卻劑渦流。通過凹槽底部表面的適配和凹槽底部直徑的減小可在活塞運行期間減小或者說優(yōu)化排放。通過階梯狀過渡部的適配也可減小運行時的排放。通過凹槽深度的變化——從活塞下部向活塞上部方向看——冷卻室可適配燃燒室凹腔的凹腔形狀。在一件式活塞中，凹槽底部的適配和造型借助鋳型體的形狀來實現，其形狀在特定區(qū)域中是凹槽底部的形狀的陰模。本發(fā)明的另ー種方案規(guī)定，所述優(yōu)選構造成通道、孔或縫槽的凹槽在沿圓周對稱或不對稱地設置在活塞上部中。凹槽的位置、定向和大小在此可與不同的熱載荷相適配。例如適宜將活塞上部受壓側(DS)上的凹槽冷卻室或者說橫截面容積設計得不同于背壓側(GDS)上相應的橫截面容積。因此凹槽的位置和設計應避免減弱活塞上部的強度。按照ー種根據權利要求12的本發(fā)明方法，為制造所述凹槽設置下述步驟首先將與凹槽的形狀相對應的鋳型體(優(yōu)選鹽芯)位置固定在用于活塞上部的鋳型中。在鋳造和冷卻活塞上部之后通過沖洗移除鑄型體。根據另ー種替換的根據權利要求13的本發(fā)明方法，為了在一件式活塞中制造所述凹槽設置下述步驟首先將與凹槽的形狀相對應的鋳型體(優(yōu)選鹽芯)位置固定在用于具有活塞上部和活塞下部的一件式活塞的鋳型中。在鋳造和冷卻該一件式的活塞之后，通過沖洗移除鑄型體。另ー種替換的用于制造凹槽的方法規(guī)定ー種機械的三維切削加工。優(yōu)選車削和銑削加工適合于此，借助所述加工可在活塞上部中形成用于構成凹槽的空腔。另外，適宜借助銑削或通過鉆孔工具來產生凹槽。


下面借助

一種根據本發(fā)明的示例性構造的活塞上部，但本發(fā)明不局限于此。附圖如下圖I為具有根據本發(fā)明構造的凹槽的活塞上部的縱向剖面圖；圖2為根據圖I的活塞上部的放大細節(jié)圖；圖3為具有多個縫槽狀的凹槽的活塞上部的俯視圖；圖4為活塞上部中冷卻縫槽的空間視圖；和圖5為具有擴大的冷卻縫槽的活塞上部的空間視圖。
具體實施例方式圖I示出活塞上部I的縱向剖面圖，活塞上部例如是借助鍛造過程制造的鋼合金構件。作為替換方案，活塞上部I也可由鋁、鋁合金或鐵合金制成。作為替換方案，活塞上部I也可借助任何其它變形過程或成形過程制造?；钊喜縄和圖I中未示出的活塞下部共同構成摩擦鎖合地組裝的或材料鎖合地焊接的兩件式活塞，其通過液體冷卻。通過兩個在徑向上彼此錯開的環(huán)繞的接合接片2、3，活塞上部I支撐在活塞下部的相應接合接片上。所有接合接片共同構成ー個分離平面4，通過該分離平面活塞下部和活塞上部I借助摩擦鎖合連接、優(yōu)選借助螺紋連接或者借助材料鎖合連接、優(yōu)選借助焊接連接持久地彼此連接。另ー方面，活塞下部和活塞上部I借助分離平面4形鎖合地上下靠置。與活塞縱軸線5同心地在活塞上部I的活塞頂6中設置ー個燃燒室凹腔7，其在外側由階梯狀的凹腔邊緣8限定?；钊喜縄被與活塞頂6鄰接的活塞頂岸9包圍，在活塞頂岸上鄰接用于容納活塞環(huán)的活塞環(huán)區(qū)10。為了冷卻活塞上部1，在分離平面4的區(qū)域中設置ー個環(huán)形的冷卻通道11，該冷卻通道一直延伸到活塞下部中，并且在內燃機運行狀態(tài)中內燃機的冷卻剤、尤其是 潤滑油循環(huán)通過該冷卻通道。為此冷卻劑經由ー個入口進入冷卻通道11中并且經由多個連接通道15 (又被稱為過渡孔)通過ー個出口離開冷卻通道11。作為替換方案，冷卻劑輸入也可通過活塞中心、即內部冷卻室16進行。在此冷卻劑經由連接通道15被導入冷卻通道11中并且隨后通過排出孔流出冷卻通道11。冷卻通道11與多個在圓周上分布地設置的、向活塞頂6方向定向的凹槽12處于連通。這些在圓周上分布的、盲孔狀的凹槽12構造成通道、孔和/或縫槽并且擴大了活塞上部I中由冷卻劑加載的冷卻室。為了確保活塞頂I具有足夠的剛性，在冷卻通道11和凹槽12之間的過渡區(qū)域中設置接片13。從冷卻通道11出發(fā)，凹槽12錐形擴寬直至在凹槽底部14上的最大值。通過沿圓周定位的連接通道15，這些凹槽12與ー個中心的、位于燃燒室凹腔7下方的內部冷卻室16連通。圖2以放大圖示出凹槽12的幾何形狀。作為替換方案，在圓周上分布地設置在活塞上部I中的凹槽12也可構造成有限環(huán)繞的空腔。根據該實施例優(yōu)選在借助鍛造過程制造活塞上部之后借助機械的三維切削加工在活塞上部I中制造凹槽12。作為替換方案，有利的是在借助鑄造過程制造活塞上部I時借助鋳型體在活塞上部I中成形出凹槽12。為了構成針對活塞上部I的外輪廓、例如活塞頂6、活塞頂岸9以及燃燒室凹腔7的凹腔邊緣8而言很大程度上相同的壁厚，凹槽12具有階梯狀的凹槽底部14。圓頂形的、構成凹腔拱頂的凹槽底部14具有雙重倒圓的半徑為“R”的輪廓。通過切削數量可調整凹槽12中位于半徑“R”之間的凹槽底部14的深度。尤其是為了適配活塞上部I的結構設計以及形成針對于承受高度熱負荷的區(qū)域的幾乎相同的壁厚，凹槽12的在徑向上接近活塞縱軸線5的內壁17和在徑向上遠離活塞縱軸線5的外壁18分別傾斜于活塞縱軸線5。在此內壁17的傾角α和外壁18的傾角β可設計成相同或不同的，其中，內壁17和外壁18彼此相反地傾斜。圖3示出根據本發(fā)明的活塞上部I的另ー種實施例。相同部件設置同一附圖標記并且新的部件以新的附圖標記來表示。圖3示出兩件式活塞的活塞上部I在朝向接合接片2、3方向上的俯視圖。根據圖3，活塞上部I具有多個以確定的半徑圍繞活塞縱軸線5切向設置的縫槽狀的凹槽19、在該實施例中為5個縫槽狀的凹槽19。已知切向環(huán)繞活塞縱軸線5也就是徑向環(huán)繞活塞縱軸線5。作為替換方案，活塞上部I可具有多于五個或少于五個縫槽狀的凹槽19。
圖3中附加地示出了內部冷卻室16，所述五個縫槽狀的凹槽19圍繞該內部冷卻室在圓周上分布地設置。在此所述縫槽狀的凹槽19不相互連接，由此在相應縫槽狀的凹槽19之間產生接片20形式的間距。圖4中示出兩件式活塞的活塞上部I中的具有波紋冷卻部(WellenkUhlung)的冷卻縫槽21、22，這兩個冷卻縫槽21、22配屬于所示凹槽12。在此還可減小相應冷卻縫槽21、22的凹腔直徑或設置階梯式凹腔。通過波紋冷卻部一方面擴大了冷卻表面，另ー方面實現渦流。在圖4中附加地示出內部冷卻室16。 在圖5中示出另外兩個具有平整表面的冷卻縫槽21、22，這兩個冷卻縫槽21、22配屬于所示凹槽12。在此還可減小凹腔直徑或加工多級凹腔，其用于減少排放。 通過改變凹槽12的相應冷卻縫槽21、22的縫槽深度可使冷卻室適配燃燒室凹腔7的凹腔形狀。通過冷卻縫槽21和冷卻縫槽22之間的縫槽數達到平整程度。在圖5中也附加地示出內部冷卻室16。附圖標記列表I活塞上部2接合接片3接合接片4 分離平面5活塞縱軸線6活塞頂7燃燒室凹腔8凹腔邊緣9活塞頂岸10活塞環(huán)區(qū)11冷卻通道12 凹槽13 接片14凹槽底部15連接通道16內部冷卻室17 內壁18 外壁19縫槽狀的凹槽20 接片21冷卻縫槽22冷卻縫槽
權利要求
1.內燃機的活塞，其構造成通過液體冷卻的活塞，包括一個活塞下部和ー個具有燃燒室凹腔(7)的活塞上部(1)，所述活塞上部和活塞下部通過在徑向上彼此間隔開的、構成ー個分離平面(4)的接合接片(2、3)支撐和接合，在活塞上部(I)中設置環(huán)形的、一直延伸到活塞下部中的冷卻通道(11)，該冷卻通道通過多個連接通道(15)與內部冷卻室(16)處于連通，以及具有多個向活塞頂(6)方向定向的、構造成盲孔的、構成冷卻室的凹槽(12)，其特征在于，所述凹槽(12)設 計成從冷卻通道(11)出發(fā)一直到該相應的凹槽(12)的凹槽底部(14)錐形擴寬。
2.內燃機的活塞，其構造成一件式的通過液體冷卻的活塞，包括一個活塞下部和ー個具有燃燒室凹腔(7)的活塞上部(1)，在活塞上部(I)中設置環(huán)形的冷卻通道(11)，該冷卻通道通過多個連接通道(15)與內部冷卻室(16)處于連通，以及具有多個向活塞頂(6)方向定向的、構造成盲孔的、構成冷卻室的凹槽(12)，其特征在于，所述凹槽(12)設計成從冷卻通道(11)出發(fā)一直到該相應的凹槽(12)的凹槽底部(14)錐形擴寬。
3.根據權利要求I的活塞，其特征在于，所述活塞上部(I)和活塞下部材料鎖合地、優(yōu)選借助焊接連接或者摩擦鎖合地、優(yōu)選借助螺紋連接接合。
4.根據權利要求I至3之ー的活塞，其特征在于，在活塞上部(I)中在圓周上分布地設置的、錐形向上構造的凹槽(12)構造成孔、通道和/或縫槽。
5.根據權利要求I至4之ー的活塞，其特征在于，在凹槽(12)和冷卻通道(11)之間設置由活塞上部(I)的材料構成的接片(13、20)。
6.根據權利要求I至5之ー的活塞，其特征在于，所述在活塞上部(I)中在圓周上分布地設置的凹槽(12)構成蜂窩狀結構。
7.根據權利要求I至6之ー的活塞，其特征在于，在活塞上部(I)中相鄰設置的各凹槽(12)交替地徑向向內或徑向向外傾斜地設置。
8.根據權利要求I至7之ー的活塞，其特征在于，所述凹槽(12)具有相反地傾斜的壁、尤其是內壁(17)和外壁(18)，這些壁具有相同或彼此不同的、在0°至40°之間的傾角“ α ， β ”。
9.根據權利要求I至8之ー的活塞，其特征在于，所述凹槽(12)具有倒圓或倒角構造的凹槽底部(14)，該凹槽底部具有在I. 5mm和D/2之間的半徑“R”。
10.根據權利要求I至9之ー的活塞，其特征在于，所述凹槽(12)具有雙重倒圓和/或階梯狀倒圓的凹槽底部(14)。
11.根據權利要求I至10之ー的活塞，其特征在于，所述構造成孔、通道或縫槽的錐形擴寬的各凹槽(12)在活塞上部(I)中沿圓周對稱或不對稱地集成。
12.用于制造內燃機的通過液體冷卻的活塞的活塞上部(I)的方法，所述活塞上部與活塞下部接合，活塞上部(I)包括一個燃燒室凹腔(7)以及ー個冷卻通道(11)，該冷卻通道與多個向活塞頂(6)方向定向的、構造成盲孔的凹槽(12)連接，其特征在于，為制造所述凹槽(12)設置下述步驟 一放入與凹槽(12)的形狀相對應的鋳型體，所述鑄型體在鑄造過程之前定位在用于活塞上部(I)的鋳型中； 一在鋳造和冷卻活塞上部(12)之后通過沖洗移除鋳型體。
13.用于制造內燃機的通過液體冷卻的一件式活塞的方法，所述活塞具有一個活塞上部(I)和一個活塞下部，活塞上部(I)包括一個燃燒室凹腔(7 )以及ー個冷卻通道(11 )，該冷卻通道與多個向活塞頂(6)方向定向的、構造成盲孔的凹槽(12)連接，其特征在于，為制造所述凹槽(12)設置下述步驟 一放入與凹槽(12)的形狀相對應的鋳型體，所述鑄型體在鑄造過程之前定位在用于ー件式活塞的活塞上部(I)的鋳型中； 一在鋳造和冷卻該一件式活塞之后通過沖洗移除鋳型體。
14.用于制造內燃機的通過液體冷卻的活塞的活塞上部(I)的方法，所述活塞上部(I)與一個活塞下部接合，活塞上部(I)包括一個燃燒室凹腔(7 )以及ー個冷卻通道(11 )，該冷卻通道與多個向活塞頂(6)方向定向的、構造成盲孔的凹槽(12)連接，其特征在于，借助機械的三維切削加工在活塞上部(I)中制造出所述凹槽(12)。
15.根據權利要求14的方法，其特征在于，在制造凹槽(12)之前借助變形過程、優(yōu)選借助鍛造過程制造所述活塞上部(I)。
16.根據權利要求12、14或15的方法，其特征在于，所述活塞上部(I)和活塞下部材料鎖合地、優(yōu)選借助焊接連接或者摩擦鎖合地、優(yōu)選借助螺紋連接接合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內燃機的活塞，其構造成優(yōu)選組裝的或焊接的通過液體冷卻的活塞，包括一個活塞下部和一個具有燃燒室凹腔(7)的活塞上部(1)。所述活塞構件通過在徑向上彼此間隔開的、共同構成一個分離平面(4)的接合接片(2、3)支撐并且優(yōu)選材料鎖合地、優(yōu)選借助焊接連接或者優(yōu)選摩擦鎖合地、優(yōu)選借助螺紋連接接合?；钊喜?1)包括一個用于容納活塞環(huán)的活塞環(huán)區(qū)(10)和一個環(huán)形的、一直延伸到活塞下部中的冷卻通道(11)，該冷卻通道通過多個連接通道(15)與一個內部冷卻室(16)處于連通。在冷卻通道上鄰接多個向活塞頂(6)方向定向的、構造成盲孔的凹槽(12)，所述凹槽(12)設計成從冷卻通道(11)出發(fā)一直到相應凹槽(12)的凹槽底部(14)錐形擴寬。凹槽底部(14)可構造成大波紋形(增大表面)或小波紋形的。活塞也可構造成具有一個活塞上部(1)和一個活塞下部且沒有分離平面(4)的一件式活塞。
文檔編號F02F3/22GK102859165SQ201180014411
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月4日 優(yōu)先權日2010年4月19日
發(fā)明者A·奧爾馬 申請人:Ks科爾本施密特有限公司