用于生產(chǎn)活塞的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于生產(chǎn)內(nèi)燃機活塞的方法。此 夕卜，本發(fā)明還涉及根據(jù)這種方法生產(chǎn)的活塞以及具有至少一個這種類型的活塞的內(nèi)燃機。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代化的內(nèi)燃機鑒于其活塞是高負荷的，因此通常必須對其進行主動冷卻。特別 地通過在冷卻通道內(nèi)不斷充入發(fā)動機油而達到這樣的以降低表面溫度為目的的主動冷卻， 這種發(fā)動機油會將熱量散發(fā)到油循環(huán)中。尤其是柴油機通常會安裝有鋼制活塞，其中，由 于燃燒室的高溫可能會超出冷卻油能夠耐受的最高溫度，由此發(fā)生冷卻油的過早衰退或損 耗。由此產(chǎn)生的后果是在冷卻通道的側(cè)表面會產(chǎn)生冷卻油的結(jié)焦，這會對活塞造成常見的 其他影響，例如絕熱層的構(gòu)成以及活塞溫度的進一步升高。油的高溫會引起過早的油老化 以及隨之而來的相對較短的油更換周期。
[0003] 常見的鋼制活塞通常由活塞上部和例如通過摩擦焊接而與活塞上部接合的活塞 下部組成?；钊喜恳约盎钊虏烤痛嗽诮雍蠣顟B(tài)下圍住環(huán)形的冷卻通道，這個冷卻通道 在其遠離活塞頂?shù)牡酌婢哂袊娚湟约芭懦隹?，這個孔為活塞散熱的發(fā)動機油而設(shè)。
[0004] 為了實現(xiàn)在高于發(fā)動機油耐受的溫度情況下的散熱，會使用到活塞，這些活塞在 完全封閉的空腔內(nèi)含有鈉鉀合金，這種合金在熱對流中會從活塞頂帶走熱量。在第二個階 段，例如通過噴射能以常見的方法利用發(fā)動機油從遠離活塞頂以及不再那么熱的活塞區(qū)域 將熱散到油循環(huán)中。
[0005] 為了在封閉的空腔內(nèi)注入合金必須事后額外制造注入孔，隨后還是必須要再封閉 這個注入孔并且進行密閉性的檢查，從而避免高活性的金屬泄漏。由此，導(dǎo)致了例如像注入 孔的打孔這樣額外的加工步驟以及像是外部的螺旋塞這樣的額外部件，這都會導(dǎo)致這樣的 活塞的生產(chǎn)成本的增高。具有尤其重要意義的是，由此在注入過程中需要格外小心地操縱 活塞，因為活塞的制造已經(jīng)完成，并因此很容易對其造成損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，為用于生產(chǎn)這種活塞的方法提出更好的實 施方式，這種實施方式特別地實現(xiàn)了簡化同時也很經(jīng)濟地生產(chǎn)活塞。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明，通過獨立權(quán)利要求所述對象解決了這個問題。有利的實施方式為從 屬權(quán)利要求所述的對象。
[0008] 本發(fā)明以這樣的基本思想為依據(jù)，即，在把活塞上部與活塞下部以牢固的狀態(tài)接 合為一體之前，就已經(jīng)在這兩個部分中的至少一個部分的至少一個凹槽內(nèi)注入用于對流冷 卻活塞的熱傳導(dǎo)介質(zhì)。隨后，在把活塞的兩個部分相接合之前或者過程中，將這種熱傳導(dǎo)介 質(zhì)封閉在至少一個由活塞下部和/或活塞上部而構(gòu)成的密閉空腔內(nèi)。在一個優(yōu)選的實施 方式中，在活塞的兩個部分之間設(shè)置該封閉的空腔，其中，通過活塞上部與活塞下部的接合 過程而自然地實現(xiàn)這個空腔的封閉。由此，可以免除空腔的額外打孔以及像液體的熱傳導(dǎo) 介質(zhì)的注入和對空腔的封閉這樣的步驟。在根據(jù)發(fā)明的用于生產(chǎn)內(nèi)燃機活塞的方法中，因 此在第一個生產(chǎn)步驟中生產(chǎn)了活塞上部和活塞下部，其中，這兩個部分的每一個或者至少 兩部分中任一個，優(yōu)選活塞下部，具有用于構(gòu)成封閉空腔的凹槽。隨后，完成在活塞下部和 /或活塞上部的凹槽內(nèi)引入熱傳導(dǎo)介質(zhì)，特別是一種金屬合金，這種熱傳導(dǎo)介質(zhì)在室溫條件 下為固體或糊狀的，但在活塞工作的溫度下為液體，其中，這種熱傳導(dǎo)介質(zhì)直到后來在活塞 工作狀態(tài)下，即，在明顯升高的溫度下，才會發(fā)生液化并且通過對流將熱量從特別是活塞頂 的區(qū)域向其他區(qū)域轉(zhuǎn)移。就此，可以通過在專業(yè)領(lǐng)域里熟知的活塞冷卻方法進行散熱，例如 用發(fā)動機油對活塞直接噴射，或者通過持續(xù)供給發(fā)動機油的開放式冷卻通道將熱量轉(zhuǎn)移到 油循環(huán)中。在向活塞下部或活塞上部的凹槽內(nèi)注入在室溫條件下為固體或糊狀的熱傳導(dǎo)介 質(zhì)以后，完成了對含有熱傳導(dǎo)介質(zhì)的凹槽的封閉的步驟，從而形成了至少一個封閉的空腔， 以及活塞上部和活塞下部的接合的步驟。
[0009] 封閉的步驟可以作為單獨的步驟，例如通過安裝像是分隔板這樣的分隔部件到凹 槽內(nèi)而完成，從而在活塞上部與活塞下部的接合步驟之前將封閉的空腔進行分隔。分隔板 在彎曲預(yù)應(yīng)力下能夠密封地貼近凹槽壁并且支撐在突起處，為了在有影響的加速下找到穩(wěn) 定的支撐點并且安全地封閉熱傳導(dǎo)介質(zhì)。替換性地或者額外地，可以將其與凹槽壁焊接、熔 焊或者粘合。在另一個優(yōu)選的實施方式中，可以在對活塞上部與活塞下部接合時才在該活 塞上部和活塞下部之間產(chǎn)生封閉的空腔，例如作為兩個環(huán)形的同心的摩擦焊縫的間隙。
[0010] 在例如通過摩擦焊接接合將兩個活塞部分接合后，就會把在室溫條件下為糊狀或 固體的熱傳導(dǎo)介質(zhì)封閉在各個面都封閉的空腔內(nèi)，其中，只有在內(nèi)燃機工作的過程中或者 例如通過活塞的預(yù)熱，才會產(chǎn)生熱傳導(dǎo)介質(zhì)的液化并且通過熱傳導(dǎo)介質(zhì)在空腔內(nèi)的來回晃 蕩實現(xiàn)活塞的冷卻。就此，可以在活塞冷卻后，例如在關(guān)閉內(nèi)燃機后使熱傳導(dǎo)介質(zhì)重新進入 固體狀態(tài)或者保持在液體狀態(tài)，由此在制造活塞過程中固態(tài)的熱傳導(dǎo)介質(zhì)首先通過溫度升 高而液化并且隨后至少近乎于與溫度無關(guān)地還是保持為液體狀態(tài)。
[0011] 最后，通過包含至少兩種或更多例如堿性金屬，優(yōu)選鈉和鉀的元素的熱傳導(dǎo)介質(zhì)， 能夠?qū)崿F(xiàn)一種優(yōu)選的實施方式，這些元素完全或部分分離地引入一個或多個凹槽內(nèi)，這些 元素在處理溫度或者室溫狀態(tài)下為固體或糊狀狀態(tài)。在這之后，才將凹槽封閉為一個或多 個封閉的空腔并且接合活塞的上、下部，例如通過摩擦焊接。
[0012] 利用根據(jù)本發(fā)明的方法，省略了尤其是目前為止必要且昂貴的其他加工步驟，例 如像封閉空腔的后續(xù)鉆孔、通過打出的注入孔向空腔內(nèi)注入熱傳導(dǎo)介質(zhì)以及注入孔的封閉 還有事后封閉口密閉性的檢查。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，能夠因此明顯簡化地并且特別經(jīng) 濟地制造活塞，因為并不僅僅免除了所提到的加工步驟，而且還不再需要目前為止必需的 密封部件。
[0013] 在根據(jù)本發(fā)明的解決方案的一種有利的擴展方式中，使用到的熱傳導(dǎo)介質(zhì)只具有 一種單一的適合的化學(xué)元素，優(yōu)選為堿性金屬，尤其是鈉元素。鈉元素具有例如大約為98°C 的熔點，從而使從固體形式向液體形式的轉(zhuǎn)化只有在大約98°C時才會發(fā)生。在低于這個溫 度時，鈉是固體狀態(tài)，因此在例如較長的內(nèi)燃機的停用時間的情況下可能會再次成為固體 狀態(tài)。在內(nèi)燃機的工作中，活塞隨著工作時間的增加而自身加熱，其中在空腔中封閉的鈉在 超過大約98°C的溫度的情況下液化并且在活塞過熱之前有效地完成活塞頂?shù)纳帷?br>[0014] 在對根據(jù)本發(fā)明的解決方案的一種有利的擴展方式中，使用到的熱傳導(dǎo)介質(zhì)具有 至少兩種不同的合金元素，尤其是鈉元素和鉀元素。這兩種合金元素首先以完全或部分分 離或隔離的狀態(tài)，即，作為以基本的或者不同組成的、分別在室溫條件下為固體的合金在空 間上分隔地裝入活塞下部或活塞上部的冷卻通道的凹槽內(nèi)，緊接著才完成將凹槽封閉為 封閉的空腔以及活塞上部和活塞下部的接合這些步驟。鉀具有63°C的熔點，而鈉具有大 約98°C的熔點。達到大約60°C時，兩種元素會因此處于分離的狀態(tài)。另一方面，鈉鉀合金 (NaK)的熔點和其他金屬合金的熔點一樣比其單一元素的熔點低并且在共晶狀態(tài)下達到其 最低熔點，在這個例子中，含有22%的鈉的鈉鉀合金的熔點可以達到-12. 6°C?？偟膩碚f， 鈉鉀合金的混合比例有很大可能區(qū)間，即，例如含有10-60%的鈉的情況下在20°C為液體， 而其他的混合比例的情況下兩種單一元素卻都是固體的。在一種有利的實施方式中，能夠 在工作狀態(tài)下通過兩種原本空間上分隔的材料的混合來把合金的熔點降低到室溫以下。
[0015] 如果讓根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的活塞在內(nèi)燃機內(nèi)工作，其溫度會升高，其中，高于冷卻劑 中分離的單一組成部分的熔點時，鉀元素會液化并且由此不可逆地與其他的組成部分混 合。由此產(chǎn)生的鈉鉀混合物和之前裝入的固體材料相比具有更低的熔點，從而使一次性混 合的熱傳導(dǎo)介質(zhì)在內(nèi)燃機關(guān)閉以后在室溫下還是持續(xù)保持為液態(tài)。這樣的含鈉鉀的熱傳 導(dǎo)介質(zhì)具有高熱傳導(dǎo)能力并且由例如40-90重量％的鉀以及剩余組成部分的鈉組成，尤其 是由22%的鈉以及78%的鉀組成。顯然地，可以將大量的元素或?qū)⑵浜辖鹨远鄻踊幕?合比例投入使用，這些元素在室溫下為固體，在工作溫度下會熔化并且在完全的混合后優(yōu) 選在室溫下也保持液態(tài)。在鈉和鉀中還可以加入例如銫元素，由此產(chǎn)生的Na-K-Cs具有直 至-78°C的更低的熔點。
[0016] 在根據(jù)本發(fā)明的解決方案的另一種有利的實施方式中，使用到具有原本分隔的 鎵、銦和錫這些合金元素的Gal i stan?<合金作為冷卻介質(zhì)。這種Gal i stan?·合金在室溫 下通常為液態(tài)并且由例如65-95重量％的鎵、5-26重量％的銦和0-16重量％的錫組成。優(yōu) 選的合金為例如具有68-69重量％鎵、21-22重量％的銦和9. 5-10. 5重量％的錫這樣的合 金。這樣的合金能夠具有例如_19°C的熔點。替換性地，也可以考慮使用具有62重量％的 鎵、22重量％的銦和16重量％的錫的Galistan?合金，這種合金會具有10. 7°C的熔點。 同樣地，也可以考慮使用具有59. 6重量％的鎵、26重量％的銦和14. 4重量％的錫的合金， 也就是具有11°C的熔點的所謂三元共晶合金。同樣地，可以使用例如低熔點的鉍合金，例如 LBE (具有124°C熔點的一種鉍鉛共晶合金）。此外，低熔點的鉍合金還包含：熔點為98°C的 具有50重量％的鉍、28重量％的鉛和22重量％的錫的Roses合金、熔點為108°C的具有42 重量％的鉍、42重量％的鉛和16重量％的錫的Orion合金、熔點為96°C的具有52重量％ 的鉍、32重量％的鉛和16重量％的錫的SchneIllot、具有50重量％的鉍、25重量％的鉛、 25重量％的錫的達塞氏（d'Arcets)合金、熔點為71°C的具有50重量％的鉍、25重量％的 鉛、12. 5重量％的錫和12. 5重量％的鎘的伍德（Woodsches)合金、熔點為70°C的具有50重 量％的鉍、27重量％的鉛、13重量％的錫和10重量％的鎘的Lipowi