内燃机的活塞
阅读说明：本技术 内燃机的活塞 (The piston of internal combustion engine ) 是由 弗兰克-彼得·容 菲利浦·利希特 赖纳·夏普 于 2018-03-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种内燃机(2)的活塞(1),包括活塞顶(3),所述活塞顶具有活塞顶凹腔(4)和环形部件(5),并且包括布置在所述环形部件(5)与所述活塞顶凹腔(4)之间并且沿向下方向被封闭元件(7)封闭的圆环形的冷却通道(6)。对本发明必要的是：至少一个引导元件(8)布置在所述冷却通道(6)中,所述引导元件具有鼻部(10),所述突前部朝向内冷却通道壁(9)导向并且沿周向至少部分地延伸,而且被确定方位为使得存在于所述冷却通道(6)中的冷却油(11)被朝向所述内冷却通道壁(9)的上区域(12)导向并且因此冷却所述区域(12)。(The present invention relates to a kind of piston of internal combustion engine (2) (1), including piston top (3), the piston top has bowl-in-piston (4) and an annular element (5), and including being arranged between the annular element (5) and the bowl-in-piston (4) and being closed the cooling duct (6) of element (7) closed circular ring shape in a downwardly direction.To the present invention it is essential that at least one induction element (8) is arranged in the cooling duct (6), the induction element has nose (10), the prominent front is oriented to towards inner cooling channel wall (9) and circumferentially at least partly extends, and is oriented generally to be oriented to the cooling oil (11) being present in the cooling duct (6) towards the upper region (12) of the inner cooling channel wall (9) and therefore cooling down the region (12).)
技术领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种内燃机的活塞，所述活塞包括活塞顶，所述活塞顶具有活塞顶凹腔和环形部件，以及布置在它们之间的冷却通道。本发明另外涉及一种具有至少一个这样的活塞的内燃机。
背景技术
从EP1372904B1已知讨论中的这种用于内燃机的活塞，所述活塞包括活塞顶，所述活塞顶具有活塞顶凹腔(piston bowl)和环形部件，并且具有布置在环形部件与活塞顶凹腔之间的圆环形的冷却通道，所述冷却通道沿向下方向被封闭元件封闭。在该封闭元件中通常布置有进口和出口，冷却油经由所述进口和所述出口能够再次进入冷却通道或者再次从冷却通道离开。冷却通道的内壁通常通过圆环形并且截面为U形的区域同时形成。如果冷却油经由开口到冷却通道中的进口而注入，则该冷却油由于活塞的上下移动而在冷却通道中被抛向各处，这样吸收了热能并且同时冷却了活塞。
然而，在内燃机的运行期间，尤其是发生高热输入，并且因此在凹腔唇边处(也就是说，在径向内部，并且同时在冷却通道的上拐角区域)发生到活塞中的高温输入，这在最不利的情况下能够导致冷却油在冷却通道中在该点处碳化。必须不惜任何代价避免这样的碳化，因为碳化后的油的粘附膜减少任何热转移，凭此在这些点处损害通过新注入到冷却通道中的冷却油进行的冷却。在从现有技术已知的活塞的情况下，在过程中几乎发生冷却通道中的冷却油的失控的前后搅动，凭此活塞的必需的以及尤其是局部限定的冷却是不可能的。
发明内容
本发明因此关于如下的问题：针对讨论中的类型的活塞提出一种改进的或者至少替代的实施例，其尤其是解决了从现有技术已知的缺点。
根据本发明，该问题由独立权利要求1的主题解决。有益的实施例为从属权利要求的主题。
本发明基于如下的主要构思：在内燃机的活塞的冷却通道中布置至少一个引导元件，所述元件布置并且确定方位为使得其沿内冷却通道壁的上区域的方向引导存在于冷却通道中的冷却油，并且这样做时，通过局部的加强来冷却最可能被油的碳化影响的区域。本发明的活塞在该情况下以本身已知的方式展现出具有活塞顶凹腔和环形部件的活塞顶，其中用于容纳活塞环的外部沟槽布置在环形部件中。被封闭元件沿向下方向封闭的、通常构造为圆环形的冷却通道在该情况下布置在环形部件与活塞顶凹腔之间。活塞在该情况下为钢活塞，例如为像当前的发展水平那样设计的单件的钢活塞。根据本发明，至少一个引导元件现在布置在冷却通道中，所述引导元件具有面向内冷却通道壁的方向并且至少沿周向部分地布置的凸耳，所述引导元件以如下的方式确定方位：沿内冷却通道壁的上方且位于径向内侧的区域的方向引导存在于冷却通道中的冷却油，并且因此有效地冷却在内燃机的运行期间经受增加的温度负荷的区域。特别地，结果在某些情况下在该区域中发生的碳化能够被可靠地防止。必须防止油的这样的碳化，因为其结果是在此形成碳化的膜，绝热膜沉积在冷却通道的内表面上，并且另外地损害在该点处的热交换，并且因此损害活塞的冷却。至少一个引导元件在该情况下优选地以在凸耳的高度处沿径向宽度将冷却通道大约减小至70％至20％的方式形成。凸耳本身在该情况下布置在冷却通道的大约一半高度处，虽然根据期望的局部冷却效果其能够至少布置得稍高或稍低。通过本发明的活塞因此能够第一次提供内冷却通道壁的尤其是容易遭受冷却油的碳化的上方点的区域的加强冷却，并且在过程中能够实现改进的冷却效果，这也特别提高了活塞的效率。
在本发明技术方案的有益的另外的开发中，至少一个引导元件被夹持在环形部件的下侧与至少一个封闭元件之间并且以该方式保持就位。这样的夹持允许引导元件的相对简单的组装，凭此能够免除额外的固定装置或固定步骤，例如软焊或者粘合或者焊接。作为其替代方式，还能够想到至少一个引导元件夹持在上冷却通道壁与至少一个封闭元件之间并且以该方式保持就位。为此目的，例如能够简单地将至少一个引导元件***到冷却通道中并且能够通过封闭元件的***而将至少一个引导元件固定在冷却通道中。至少一个引导元件在该情况下优选地具有适当形成的接触区域，通过所述接触区域抵靠冷却通道的内表面和封闭元件二者，并且这样做时使预先确定的固定位置成为可能。
在本发明技术方案的另外的有益的实施例中，至少一个引导元件形成相对于活塞轴线倾斜并且至少以圆环形段(annular segment)的形式的壁，其与冷却通道的外冷却通道壁一起形成漏斗形截面，并且在下区域或者凹陷的中间部段/中断中具有用于冷却油的出口开口。在该情况下，至少一个引导元件只形成一种阻流板，其将冷却油引导至冷却通道中需要特别冷却的区域。从下方注射到冷却通道中的冷却油遇到引导元件，并且在上下移动的情况下沿着期望加强的冷却的内冷却通道壁的上区域被导向至后者。依据已经在该点发生的热吸收，其沿着优选圆形的冷却通道的上冷却通道壁流动，并且再次向下流动到外冷却壁上，其中，连同接下来的上升移动，冷却油再次被抛到上冷却通道壁上，或者沿着由引导元件形成的倾斜壁抛至内冷却通道壁的上区域。在前后抛过若干次后，其再次通过出口开口或者布置在引导元件的下区域中的中断而离开。
在本发明技术方案的有益的另外的开发中，至少一个引导元件由钢板或塑料制成。在钢板中的执行以及在塑料中的执行二者允许重量优化的制造，这是有益的，尤其是因为活塞的高加速。当然，作为替代例也能够想到实心的实施例。
在本发明技术方案的另外的有益的实施例中，凸耳沿周向具有中断，并且因此允许内冷却通道壁的上区域的限定的周向段的选择性的冷却。在该背景下尤其是能够想到凸耳尤其是位于燃料注射喷嘴的区域中，这在内燃机的运行期间引起到活塞中的增加的热输入，并且结果，也要求局部增加的冷却。对此的原因是，例如，由柴油注射喷嘴产生的燃料的通常六个到十个喷嘴，这在燃烧期间导致不均匀的热分布。结果，在活塞的凹腔唇上存在热点或者少热点，其中热点位于燃料喷嘴的区域中。活塞中的温度分布能够通过局部限制的冷却以及通过该局部限制的区域中的增加的冷却而被均匀化，凭此活塞暴露至较低的热负荷。
在本发明技术方案的另外的有益的实施例中，用于集中冷却油的喷射的集油漏斗形成在至少一个引导元件上，尤其是与其一体地形成。这样的集油漏斗在该情况下例如能够突出穿过布置在其下方的封闭元件中的对应的入口开口，并且通过这样做，能够强制引导元件在冷却通道中的定位。通过这样的集油漏斗的以与引导元件组件的单体件的形成或制造，能够进一步减少成本和部件种类。
在本发明技术方案的有益的另外的开发中，凸耳展现出中断上的折叠边缘。这样的折叠边缘使存在于冷却通道中的冷却油沿待冷却的区域(尤其是诸如内冷却通道壁的上区域)的方向被最优选地引导。
本发明还基于如下主要的构思：使内燃机配备有至少一个这样的活塞，其中至少一个活塞引导元件展现出带有中断的凸耳，其中燃料(尤其是柴油燃料)的注射喷嘴在相关的活塞的凸耳上被导向到相关的汽缸中。这尤其是意味着至少一个引导元件以如下方式布置在冷却通道中：每个通过燃料注射喷嘴注射到汽缸中的燃料喷射撞击活塞顶凹腔或活塞顶凹腔边缘的区域，其中相关的凸耳布置在冷却通道的区域中。结果，在内燃机的运行期间发生的增加的热输入连同在活塞的该局部限制的区域中的燃料喷射的燃烧被冷却通道中的冷却油通过引导元件的凸耳向内冷却通道壁的上区域的增加的供给更好地补偿。特别地，活塞的性能也能够以这种方式提高。
本发明的进一步重要的特征和益处能够从从属权利要求、附图以及基于附图的相关附图描述领会。
所理解的是，在没有脱离本发明的范围的情况下，上述的特征以及在下文中更加详细地描述的特征不仅能够在分别提出的结合中适用，而且还能够在其他结合中适用或者单独适用。
附图说明
本发明的优选说明性实施例描绘在附图中，并且在下面的描述中更加详细地说明，其中相同的附图标记涉及相同或相似或功能上相同的部件。
在附图中，在每种情况下示意性地，
图1描绘了穿过具有对应于第一实施例的本发明的引导元件的内燃机的本发明的活塞的截面图，
图2、3描绘了如图1的表现，只是具有本发明的引导元件的另外可能的实施例，
图4描绘了穿过冷却通道以及引导元件的凸耳的区域中的本发明的活塞的截面图，
图5描绘了冷却油的沿着凸耳的流动路径，
图6描绘了穿过中断的区域中的本发明的活塞的截面图，
图7描绘了如图5的表现，只是具有冷却油在中断中的流动路径，
图8、9描绘了如图1中的引导元件的另外的表现，
图10描绘了成圆环形封闭的引导元件，其具有沿周向中断的凸耳以及形成在其上的集油漏斗，
图11描绘了如图10的表现，只是没有中断，
图12描绘了穿过具有根据图11的引导元件的内燃机的本发明的活塞的截面图，
图13描绘了穿过本发明的活塞的截面图，在所述活塞中封闭元件与活塞一体构造，
图14描绘了穿过具有带有两个引导轮廓件的喷射分配器的本发明的活塞的截面图。
具体实施方式
根据图1至图9以及图12至图14，内燃机2的本发明的活塞1体现出具有活塞顶凹腔4和环形部件5的活塞顶3。用于容纳活塞环(未描绘)的周向沟槽在该情况下设置在环形部件5的区域中。在底部处被封闭元件7封闭的大致圆环形的冷却通道6布置在环形部件5与活塞顶凹腔4之间。在图13中，封闭元件7在该情况下与活塞1一体地构造，然而在其他表现中其被构造为单独的部件。根据本发明，在冷却通道6中布置有至少一个引导元件8，其具有面向内冷却通道壁9的方向并且至少部分地沿周向布置的凸耳，所述至少一个引导元件8定向为使得存在于冷却通道6中的冷却油11被沿内冷却通道壁9的上区域12的方向导向，并且因此提供所述区域12的加强的冷却。
在此的区域12在内燃机2的运行期间经受最大的温度负荷，出于该原因，在该区域12中总是存在以下的潜在风险：撞击区域12的任何冷却油11被碳化，并且例如以碳化油膜的方式粘附至区域12中内冷却通道壁9，以及甚至形成绝热膜，这损害了任何热转移，并且因此损害了活塞1的任何冷却。
关于根据图1、图2和图4至图9以及图12和图13的引导元件8，能够领会的是，描绘出的各引导元件8被夹持在环形部件5的下侧与至少一个封闭元件7之间，并且由此固定在冷却通道6中的位置。为此目的，引导元件8体现出凸缘22，引导元件8经由所述凸缘22而夹持在封闭元件7与环形部件5的下侧之间。当然，引导元件8还能够通过其下凸缘22而连接(例如，焊接、软焊或者粘合)至封闭元件7或者环形部件5的下侧。
在图1至图9中描绘的优选的实施例中，位于下方的活塞1以从EP1372904B1已知的方式构造为具有在底部开放的冷却通道6的单体件，所述冷却通道6被作为封闭元件7的圆环形钢条封闭。这在活塞1的凸出部件上预加负荷的情况下被优选弹性地支撑。然而，本发明还能够有益地与焊接的活塞1一起使用，其中封闭元件7在该情况下如图13所描绘地还能够为一个活塞部件的凸出部件，在此为下活塞部件24，其在此从在至少一个接触地带焊接至另外的活塞部件之后抵靠上活塞部件25。在焊接之前，优选通过激光，引导元件8能够附接至活塞部件24、25中的一个。除了材料结合连接(诸如，焊接、软焊或者粘合)，引导元件8还能够夹持在两个活塞部件24、25之间，如果这些部件在预加负荷的情况下彼此接触。
实际上，而且，当然两个或更多的分开的引导元件段8a、8b也可以是需要的并且也可以设置，从而当***引导元件8时使其能够在轴区域附近移动。分别均匀地细分为180°的两个段8a、8b是优选的并且被实现，而且尤其是如果引导元件8在周向上没有体现出出口开口或者体现出偶数的出口开口17或者中断18。如图11所描绘的，引导元件8在该情况下优选被两个径向切口划分。也能够提供引导元件8的180°以外的不均匀的划分，因此，尤其是在数量不相等的燃料喷嘴19或者出口开口17或者中断18的情况下。同样能够想到单个的圆环形封闭的具有单个支撑点的引导元件8，凭此能够通过稍微向上弯曲而***到冷却通道6中。总之，在焊接在冷却通道6的区域中、由上部件25和下部件24组成的活塞1的情况下，完全能够使用单个的圆环形封闭的引导元件8而没有取消支撑点，在沿轴向焊接前，所述引导元件位于活塞部件25、24中的一个上。
然而如前所述，在图3中描绘了活塞1，其中至少一个引导元件8夹持在上冷却通道壁13与至少一个封闭元件7之间，并且以这种方式保持在适当的地方。根据图3描绘的引导元件8与在其他附图中描绘的引导元件8相同，能够由钢板或塑料制成，并且结果，能够展现只有较低的重量，其中还能够想到，作为替代，当然，针对在每种情况下描绘的引导元件8，尤其是在图3中描绘的引导元件8，被构造为实心型材。引导元件8的低重量是明显的优势，尤其是由于活塞1在内燃机2的运行期间经受高加速，并且出于该原因，即使增加小的重量也对内燃机2的效率具有负面的影响。
关于根据图2和图4至图7、图10、图12以及图13的引导元件8，能够领会的是，所描绘的相应的至少一个引导元件8相对于基本上对应于凸耳10的活塞轴线14形成倾斜的、并且面向径向内侧的壁15或者壁部段15，其中壁15与外冷却通道壁16一起形成漏斗形的截面，并且在下区域中形成用于收集的冷却油11的离开的出口开口17。如果这样的出口开口17布置在引导元件8的相对陡峭的区域中，则油在流入时也受到沿向内方向的冲击。结果，引导元件8从底部向顶部的变窄不仅引起面向上的油流11尤其是在热的凹腔唇区域12中的集中，而且还引起油流以其整体围绕引导元件8(沿径向内侧向上，以及沿径向外侧向下)的旋转，这有助于沿着冷却通道表面的更加均匀的热分布。
出口开口17在该情况下也能够是在凸耳10之间沿周向布置的中断18。中断18沿周向使引导元件8的各凸耳10中断，凭此有利于内冷却通道壁9的限定区域12的选择性的冷却。这尤其是在柴油内燃机中使用本发明的活塞1方面具有主要的作用，因为柴油燃料被柴油燃料注射嘴以喷射的形式注入到该发动机中，其中连同混合物的点火产生更高的温度负荷，尤其是在这些各个燃料喷嘴19的区域中。在各喷嘴19之间没有高温产生，当沿周向观看时，使得可能在活塞1中产生温度应力。因此特别有益的是，如果引导元件8的各凸耳10以它们沿径向与可能的燃料注射喷嘴19对齐的方式确定方位(参见图2和图3)，凭此活塞顶凹腔4能够被更有效地冷却，尤其是在内冷却通道壁9的区域12中，其中也产生最高的温度负荷。
进一步关于凸耳10，尤其是从其能够领会的是，折叠边缘20设置在中断18上，也就是说设置在凸耳10旁边，这同样沿内冷却通道壁9的上区域12的方向支持冷却油11的喷射的方向。
另外关于根据图10的引导元件8，从其能够领会的是，形成有用于收集冷却油的喷射的集油漏斗21，尤其是与其一体形成。在封闭元件7中，这样的集油漏斗21在该情况下能够通过对应的开口来引导，例如入口开口。集油漏斗21与引导元件8的单件构造尤其是使部件种类以及与其相关的组件、存储和物流成本减少。另外，引导元件8能够以与封闭元件7的具***置关系来布置，并且通过接合在入口开口中的集油漏斗21抵抗沿周向的旋转而固定。以有益的方式，集油漏斗21能够布置在引导元件8的一个支撑点上，其中与相邻的半个漏斗一起形成接合在支撑点上的集油漏斗21的半个集油漏斗能够通过使钢板弯曲而在支撑点的每侧构成。这简化了形成操作，因为在该情况下不需要在引导元件8中构成封闭的开口。另外，当接合封闭元件7的入口开口时，接合在支撑点上的这样的集油漏斗能够使引导元件8的有关部件用作抵抗旋转的保护件。
封闭元件7自己能够通过接合在活塞1中的凹陷中的凸出的固定凸耳以本身已知的方式沿周向固定在其位置中。以类似的方式，引导元件8也能够以其期望的与活塞1的位置关系沿周向直接定位并且抵抗旋转而固定，其中，其具有自己的沿径向凸出的在图11中描绘的固定凸耳26，所述固定凸耳26接合在对应的凹陷中，例如，环形部件5的下端处的铣出的凹陷。
通过如图10描绘的能够构造为封闭环或者也能够由多个单个的引导元件段组装的本发明的引导元件8，第一次能够提供暴露至特别高的温度负荷的活塞1的活塞顶凹腔4的各区域12的限制的并且预先确定的冷却。由于引导元件8及其沿径向向内凸出的凸耳10，在内冷却通道壁9的区域中保持了圆环形的截面，冷却油11通过所述圆环形的截面沿着靠近内冷却通道壁9流动，聚集在临界点处，也就是说在上区域12中，并且在流向外部之前对其集中冷却，例如经由上冷却通道壁13的圆形构造。没有本发明的引导元件8，将获得针对通道的整个宽度的单纯的上下移动，但是冷却强度低。
关于图14，能够领会的是，用于分配冷却油11的喷射的喷射分配器27布置在至少一个引导元件8上。这能够具有面向冷却通道6的周向的至少一个引导轮廓件28。然而，根据图14，喷射分配器27具有彼此相对定位并且面向冷却通道6的周向的两个引导轮廓件28。
两个引导轮廓件28彼此具有距离地布置，使得冷却油11的喷射能够在两者间通过。结果，喷射分配器27正上方的区域也能够供给有冷却油11并且被冷却。喷射分配器27和/或至少一个引导轮廓件28被粘合、焊接或者软焊至引导元件8。在此对于具有引导元件7的引导轮廓件28的单件构造存在特别的偏向。引导元件7因此能够构造为成本有效的片状金属部件。
通常，还能够想到至少一个引导元件8具有狭槽23，所述狭槽23一方面允许引导元件8的更大的弹性，并且另一方面在某些环境下总是形成出口开口17。