專利名稱：帶有熱管的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有熱管的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，該活塞包括由鋼鍛造而成的活塞頭部，該活塞頭部包括位于活塞頂內(nèi)的燃燒室、具有環(huán)帶的環(huán)壁以及在環(huán)帶的高度上環(huán)繞的冷卻通道，該冷卻通道可通過一蓋板封閉，其中，在冷卻通道內(nèi)在其圓周上分布有數(shù)個朝向活塞頂?shù)目?，以及該活塞頭部具有活塞裙，該活塞裙與懸掛在活塞頭部上的活塞銷座連接。
背景技術(shù)：
目前還沒有公開這種類型的鋼制活塞。WO 2004/029443 A1只是公開了一種鋼制冷卻通道活塞，在該活塞中，通過以下方式改善了活塞的冷卻和形狀穩(wěn)定性冷卻通道具有數(shù)個在其圓周上的朝向活塞頂?shù)目住?br> US 5454351和DE 3205173 A1描述了用于內(nèi)燃機的輕金屬活塞，該活塞為了從熱的活塞區(qū)域散熱而采用了所謂的熱管，這些熱管氣密和壓力密封封閉地含有一種易蒸發(fā)的冷卻液，該冷卻液例如優(yōu)選為水，或者也可以是氨，乙二醇或者類似液體。這些銅熱管是嵌入或澆鑄到在圓周側(cè)上均勻分布的孔內(nèi)，這些孔設(shè)在曲軸側(cè)的活塞頂區(qū)域內(nèi)，其中，這些孔延伸到環(huán)帶的高度上。在活塞銷座的區(qū)域內(nèi)，熱管設(shè)計成稍微彎曲，使得活塞銷可以裝配到活塞內(nèi)。熱管本身已知的工作原理是在“熱”的一側(cè)(蒸發(fā)端)上，位于熱管內(nèi)的液體由于吸收需要冷卻區(qū)域的熱而蒸發(fā)。已形成的蒸汽部分流向熱管“冷”的一側(cè)(冷凝端)，在這里，蒸汽部分在由于熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫度下降而使其潛在的汽化熱散發(fā)的條件下，又轉(zhuǎn)變成液態(tài)。在冷側(cè)上，通過噴射冷卻油將汽化熱從內(nèi)燃機的曲軸室?guī)ё?。為了保證這樣帶走在數(shù)根單獨熱管中的熱，噴射所有的熱管是必需的，這導致了活塞結(jié)構(gòu)昂貴且成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務在于，進一步設(shè)計開頭所述類型的冷卻通道活塞，使得改善經(jīng)受熱負荷的活塞區(qū)域的散熱，從而防止熱應力的出現(xiàn)。
按照本發(fā)明，該任務通過以下方式得以解決在冷卻通道的數(shù)個孔內(nèi)設(shè)置數(shù)根設(shè)有蒸發(fā)端和冷凝端且填充有液體的熱管，其中，該設(shè)置是這樣實現(xiàn)，即蒸發(fā)端終止于孔位于活塞頂側(cè)的端部，而冷凝端終止于封閉的冷卻通道內(nèi)。
通過冷凝端終止于封閉的冷卻通道內(nèi)，實現(xiàn)了不依賴于特別是在上止點和下止點之間的活塞位置，在熱管位于冷凝端的端部上有效且快速地帶走熱量，從而使得溫度沿活塞燃燒室邊緣幾乎達到了均勻分布，因此可以有效地防止由于熱應力而在活塞頂和燃燒室邊緣形成裂紋。
本發(fā)明符合目的設(shè)計方案是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。


下面借助附圖描述本發(fā)明的實施例。
圖1是活塞頭部的半剖視圖，該視圖示出了冷卻通道；圖2是在本發(fā)明第一種設(shè)置方式中帶有冷卻通道和熱管的活塞頭部的半剖視圖；圖3是在本發(fā)明第二種設(shè)置方式中帶有冷卻通道和熱管的活塞頭部的半剖視圖；圖4是在本發(fā)明第三種設(shè)置方式中帶有冷卻通道和熱管的活塞頭部的半剖視圖；圖5是沿圖1線A-A剖切的剖視圖；圖6A)是在本發(fā)明第一種實施方式中熱管的剖視圖；圖6B)是在第二種實施方式中熱管的剖視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明帶有熱管的由單部件組成的冷卻通道活塞包括由鋼鍛制成的活塞頭部10，、具有環(huán)帶3的環(huán)壁4，以及在環(huán)帶的高度上環(huán)繞的封閉的冷卻通道7組成，上述活塞頭部在其活塞頂1內(nèi)具有燃燒室2。一活塞裙與懸掛在活塞頭部上的活塞銷座連接，類似于WO 2004/029443A1中的圖示。如圖5的剖視圖所示，鍛制活塞是根據(jù)EP 0 799 373 B1中的方法進行制造，其中，冷卻通道7內(nèi)設(shè)有數(shù)個孔5，這些孔分布在與火焰射流沖擊相對應的圓周上，并且朝向活塞頂而引入，即，這些孔平行于活塞軸線A。冷卻通道的封閉是借助設(shè)有冷卻油進口和出口的蓋板8實現(xiàn)。設(shè)計孔5的深度BT，使得在活塞頂1和孔5位于活塞頂側(cè)的端部之間形成壁腹板(Wandsteg)9。
如圖6A)和6B)所示，熱管6具有一鋼外殼，且這些熱管由一個圓柱形的下部6f和一個圓錐形或圓柱形的頭部6c組成。頭部和下部在其內(nèi)部具有圓柱形空腔，該空腔是真空的且填充有一定量的冷卻劑6g，冷卻劑例如是水。冷卻劑，特別是水，必須在填充之前在壓力為10-4到10-5巴的真空下排除氣體，以防止由于內(nèi)燃機內(nèi)活塞的運動而引起的氣蝕，因為在活塞的止點，冷卻液加速流向相對側(cè)，其中，這可能使氣泡破裂，并隨之出現(xiàn)氣蝕。適宜的是，熱管最多填充達到其容積的一半的冷卻劑。熱管6的頭部6c和下部6f通過連接面6e氣密地連接。在這樣形成的熱管中，蒸發(fā)端6a被稱為熱側(cè)，而冷凝端6b被稱為冷側(cè)。
視如圖2/3或圖4所示的實施例而定，熱管6的直徑大約為活塞直徑(Dkolben)的3％到10％，以及總長度大約是活塞直徑(Dkolben)的20％到50％。
根據(jù)圖2所示的本發(fā)明的第一實施例，在孔5內(nèi)引入包括圓柱形頭部(如圖6B)所示)并填充有冷卻劑的熱管6，使得蒸發(fā)端6a終止于孔5位于活塞頂側(cè)的端部，而冷凝端6b終止于封閉的冷卻通道7內(nèi)。因此，熱流從活塞頂1經(jīng)過壁腹板9和蒸發(fā)端6a的外部鋼外殼到達鋼外殼的內(nèi)壁，以及冷卻劑在吸收熱的條件下而蒸發(fā)。已形成的蒸汽部分流向熱管6的冷凝端6b，在這里，蒸汽部分在由于熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫度下降而使其潛在的汽化熱散發(fā)的條件下，又轉(zhuǎn)變成液態(tài)。熱量散發(fā)到位于冷卻通道內(nèi)的冷卻油，并由于振動運動(Shakerbewegung)而從那被帶到了冷卻油出口處。由于冷凝端6b設(shè)置在冷卻通道內(nèi)，實現(xiàn)了將熱量均勻地散發(fā)到那里的冷卻油，從而很大程度上阻止了在活塞上出現(xiàn)熱應力。
作為該實施例的另一變形方案，同樣可以采用活塞頭部10內(nèi)引入的孔5，作為圓柱形的頭部6d，該頭部與熱管下部6f連接，該熱管下部借助摩擦焊接、螺紋連接或粘接固定在孔5位于冷卻通道側(cè)的端部上。因此，在這樣制成的熱管中，孔5構(gòu)成蒸發(fā)端6a，而摩擦焊接的下部6f構(gòu)成熱管的冷凝端6b。
在如圖3所示的第二實施例中，熱管6的頭部6c是圓錐形的。冷卻通道7內(nèi)朝向活塞頂1而引入的孔5延伸至活塞頂，作為通孔，這些孔在活塞頂區(qū)域內(nèi)同樣呈圓錐形，用于接收熱管6。在熱管插入孔5的狀態(tài)下，蒸發(fā)端6a的上底面構(gòu)成活塞頂本身的一部分，從而如前所述，特別有效地帶走熱量。在此，冷凝端6b同樣終止于冷凝管7的冷卻油中。
在如圖4所示的第三實施例中，蒸發(fā)端6a同樣構(gòu)成活塞頂1的一部分，在使用圓錐形頭部的情況下，冷凝端6b終止于位于發(fā)動機艙內(nèi)曲軸側(cè)的端部內(nèi)，即，熱管被引導穿過冷卻通道的蓋板8，并由在那設(shè)置的一個或多個冷卻油噴油嘴(未圖示)噴射。因此實現(xiàn)了不是所有燃燒室側(cè)吸收的熱量僅散發(fā)到位于冷卻通道7內(nèi)的冷卻油并停留在活塞頭部10內(nèi)，而是絕大部分的熱量從活塞頭部10帶走。
為了在熱管6和活塞頭部10之間實現(xiàn)很小的熱傳導阻抗，它們優(yōu)選是由同種鋼的材料制成，其中，孔5和熱管的外直徑使得熱管6借助壓配合或借助釬焊連接或熔焊連接，也可借助摩擦焊接連接與活塞頭部6連接。
視燃燒室的構(gòu)造以及燃燒室2和冷卻通道7之間的壁厚而定，除了與活塞軸線A平行的走向，用于接收熱管6的孔5還可以設(shè)置成傾斜于活塞軸線A(未示出)，使得與前述實施例相對應地，熱管的蒸發(fā)端6a構(gòu)成壁腹板9或直接構(gòu)成燃燒室壁的一部分，其中，冷凝端終止于冷卻通道7內(nèi)。
附圖標記說明活塞頭部 10活塞頂 1燃燒室 2環(huán)帶 3環(huán)壁 4
用于熱管的孔 5熱管 6蒸發(fā)端 6a冷凝端 6b圓錐形的熱管頭部 6c圓柱形的熱管頭部 6d連接縫 6e熱管下部 6f冷卻劑 6g冷卻通道 7冷卻通道蓋板 8壁腹板(Wandsteg) 9活塞軸線 A
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，該活塞包括由鋼鍛造而成的活塞頭部(1)，該活塞頭部包括位于活塞頂(1)內(nèi)的燃燒室(2)、具有環(huán)帶(3)的環(huán)壁(4)以及在環(huán)帶的高度上環(huán)繞的冷卻通道(7)，該冷卻通道可通過蓋板(8)封閉，其中，在冷卻通道內(nèi)在其圓周上分布著數(shù)個朝向活塞頂?shù)目?5)，以及該活塞頭部具有活塞裙，該活塞裙與懸掛在活塞頭部上的活塞銷座連接，其特征在于在所述冷卻通道(7)的孔(5)內(nèi)設(shè)有數(shù)根設(shè)有蒸發(fā)端(6a)和冷凝端(6b)且填充有液體的熱管(6)，其中該設(shè)置是這樣實現(xiàn)，即蒸發(fā)端(6a)終止于所述孔位于活塞頂側(cè)的端部，而冷凝端(6b)終止于封閉的冷卻通道(7)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，其特征在于所述孔(5)的孔深(BT)終止于活塞頂(1)之前，從而在熱管的蒸發(fā)端(6a)和活塞頂(1)之間形成由活塞材料組成的壁腹板(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，其特征在于所述孔(5)的孔深(BT)延伸至活塞頂(1)，使得其中一個熱管(6)的蒸發(fā)端(6a)構(gòu)成活塞頂(1)的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，其特征在于所述熱管(6)設(shè)置在火焰射流沖擊的區(qū)域內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，其特征在于所述熱管的冷凝端(6b)被引導穿過冷卻通道(7)的蓋板(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，其特征在于用來自發(fā)動機艙內(nèi)的噴油嘴的冷卻油沖擊所述熱管的冷凝端(6b)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，其特征在于在所述孔(5)內(nèi)引入的熱管(6)借助釬焊連接、熔焊連接或粘接，或者借助壓配合不可拆卸地與活塞頭部(1)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，其特征在于所述熱管由圓柱形或圓錐形的頭部和圓柱形的下部組成，所述頭部和下部不可拆卸地相互連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機的冷卻通道活塞，其特征在于所述孔(5)的軸線的走向與活塞軸線(A)平行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有熱管的內(nèi)燃機用冷卻通道活塞，在這種活塞中，通過以下方式在避免熱應力的情況下改善經(jīng)受熱負荷的活塞區(qū)域的散熱在冷卻通道(7)朝向活塞頂?shù)臄?shù)個孔(5)內(nèi)設(shè)置數(shù)根設(shè)有蒸發(fā)端(6a)和冷凝端(6b)且填充有液體的熱管(6)，其中，該設(shè)置是這樣實現(xiàn)，即蒸發(fā)端(6a)終止于孔位于活塞頂側(cè)的端部，而冷凝端(6b)終止于封閉的冷卻通道(7)內(nèi)。
文檔編號F02F3/16GK101018942SQ200580030325
公開日2007年8月15日 申請日期2005年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者彼得·海德里希, 羅蘭·洛赫曼, 蒂莫·埃斯特魯姆 申請人:瑪勒國際有限公司