由铁基材料制成的用于内燃机的铸造活塞

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的铸造活塞，其由铁基材料制成。

通常要求将用于内燃机的活塞设计成尽可能轻的重量，并且同时在运行期间能够承受载荷。

背景技术

特别地，钢制的活塞通常以一件式或两件式的形式锻造。通常铸造铝合金制成的轻金属活塞。

从US 7,406,941B2中已知一种铸钢活塞，该铸钢活塞在侧壁的区域中具有凹部，该凹部承载活塞销凸台。在DE 10 2013 215538 B4中可以找到类似的活塞。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的是改进一种用于内燃机的活塞，特别是就其生产成本和/或摩擦和/或噪声排放而言。

通过权利要求1所述的活塞实现了该目的的解决方案。

据此，该活塞由铁基材料铸造而成，并且在带有活塞销凸台的至少一个侧壁上具有窗口；换句话说，其具有至少在裙壁的侧面上相对于彼此不对称的开口或通孔。裙壁是汽缸套表面的部分，在活塞与缸膛或汽缸套插入其中的操作过程中，活塞与该汽缸套表面滑动接触。关于活塞销凸台，应该注意，它优选是封闭的；换句话说，除了能够移除的槽之外，其没有间断处。此外，要强调的是，根据本发明的活塞优选一件式地铸造，优选地具有冷却通道，并且优选地用作柴油活塞。

与迄今已知的活塞相比，取决于压力侧和背压侧的负载，窗口的前述非对称设计首先使得能够节省额外的重量。同时，适当的测试可以确保在操作期间满足负载要求。在这种情况下，特别有利地使用铸造作为生产方法，因为在成形和形成复杂的几何形状时，铸造允许更高的自由度，从而总体上可以廉价地生产针对应力优化的活塞形状，并且可以减少成本高且复杂的加工。

所描述的窗口的另一有利效果是，裙部的弹性在销轴线上方的区域中增加。由于裙部在交替接触的情况下产生更大的变形，因此减小了传递到缸膛的冲量(impulse)，从而也减小了噪声排放。此外，可以通过例如有限元分析来确保必要的强度。在这种情况下，使用强度比通常在铸造中使用的铝材料更高的铁基材料也是有利的。

在其余的权利要求中描述了根据本发明的活塞的优选的进展。

如果在活塞的至少一侧上和活塞销孔的至少一侧(优选背压侧)上的窗口延伸到裙壁中，则具有特别的优点。换句话说，在该区域中切割出圆柱形裙壁表面，从而减小了活塞的支承区域(也就是活塞裙与缸壁之间的接触表面)。这减少了摩擦，并且因此以有利的方式也减少了燃料消耗和排放。应当注意，尽管在背压侧描述了该措施的优选实施例，但是可能存在与活塞的使用和所产生的应变有关的情况，在这些情况中，所描述的布置优选地位于压力侧或两侧。

为了各个窗口的协调设计，优选地，裙壁被内凹地切割，使得凹形结构保留在裙壁上。

与最宽点相比，如果裙壁在圆周方向上的宽度由于其最窄点处的窗口而减小了至少40％，那么所述优点可以被特别广泛地利用。

关于窗口的布置，已经证明有利的是，对于具有的窗中的至少一个(优选所有窗口)主要在侧壁的更靠近活塞头的一半中沿着活塞冲程轴线形成，活塞头界定了燃烧室的边界。

窗口仅稍微延伸到下半部分的设计是特别优选的。例如，窗口可以在其“最高”点处延伸超过裙壁或侧壁高度的40％，优选至少60％，和/或它可以从其上端处开始。

关于根据本发明的活塞的材料，目前首先优选具有球状石墨的铸铁，换句话说为球墨铸铁。该材料有利地具有低的比重，该比重特别地小于锻钢的比重。

但是，在某些情况下，铸钢可以是优选材料，其具有较高的密度但也具有较高的强度。这可以另外地减小壁厚，并且可以减小总重量。不管是哪种材料，虽然也可以考虑采用冷硬铸造，但目前优选砂型铸造作为铸造方法。

此外，优选地，根据本发明的活塞的材料具有比钢更低的热导率，使得可以在预热阶段中加速内燃机的加热过程。这使得发动机更快地达到工作温度，并因此也达到有效的工作范围，从而可以进一步减少燃料消耗和污染物排放。

附图说明

在下文中，将基于如附图所示的实施例来更详细地描述本发明。在附图中：

图1是根据本发明的活塞在活塞销轴线方向上观察的侧视图；和

图2是图1的活塞从与其垂直的方向上观察的侧视图。

具体实施方式

从图1中可以看出，根据本发明的活塞10首先包括环区域12，且其次包括裙壁14，裙壁14通过侧壁16连接，侧壁16承载活塞销凸台22。在所示的情况下，两个侧壁16(也就是在根据图1的背向观察者的侧壁)上设有两个窗口18、20，在每一种情况下，这两个窗口均分别形成在活塞销凸台22的两侧上，位于侧壁16的上部区域。窗口18、20的顶部直接与最下面的环形槽的下槽颊相邻，并且其边界基本上在垂直于活塞冲程轴线的平面内延伸。在底部，窗口18、20的边界沿活塞销轴线的方向对角地向上延伸，并且活塞销凸台22侧面的外侧边界以向外倾斜的方式从底部延伸到顶部(根据图1中的图示)。在另一侧，即裙壁14的一侧，较小的窗口18具有基本上在活塞冲程轴线方向上延伸的边界，并且所描述的边界之间的所有过渡都被倒圆，以确保应力优化，并减少了对裂纹的敏感性。

特别地，图1的右手侧(其通常可以是背压侧)上，窗口20示出了根据本发明的活塞的区别特征。此处，窗口20清楚地形成为与窗口18不对称，并且特别地延伸到裙壁14的区域中。

如图2特别所示地，裙壁14因而在该区域被内凹地切割，并且其支承区域特别是在其上半部显著减小。因此，可以实现上述效果。在根据图2的观察方向上，即在垂直于活塞冲程轴线的方向上，在其下部区域中，该窗口的形状可以被描述为与垂直于活塞冲程轴线的平面平行，并且进一步被描述为具有相对较大的曲率半径且至少部分地平行于活塞冲程轴线。鉴于上述给出的原因，所有过渡都被倒圆。在下部区域中，裙壁14设计成具有平行于活塞冲程轴线的侧边缘。优选地，这也适用于在所示出的实施例中未切割的另一侧壁。其下边缘优选地平行于垂直于活塞冲程轴线的平面，并且侧壁16的下边缘至少稍微地被内凹地倒圆，其中，在所示的示例中，该内凹的倒圆在压力侧上更宽，即与背压侧相比，它具有较小的曲率半径。关于根据本发明的活塞，还应当注意，它可以包括燃烧室碗和/或冷却通道。