CN1077214C - 往复活塞式内燃机的液体冷却活塞 - Google Patents

Abstract

本发明的液体冷却活塞有一个冷却腔(15)，该冷却腔(15)带有冷却剂回流通道(6)，冷却剂通过供给管路(30，31，32)和喷嘴(18)引入冷却腔(15)。回流通道(6)在活塞杆(5)中延伸，其特征在于，一个通风管(10)布置在回流通道中，同时通风管在活塞一侧伸入活塞的冷却腔(15)中并且仅仅伸过活塞杆(5)中的回流通道(6)的一部分。在回流通道(6)中延伸的这部分通风管(10)在活塞杆(5)中终止并且与与回流通道(6)隔开的环境空气不相通。

Description

往复活塞式内燃机的液体冷却活塞

本发明涉及往复活塞式内燃机的液体冷却活塞，它包括在活塞杆中的用于冷却剂的回流通道。

在内燃机中，活塞上部材料的损失主要取决于温度。在现代往复活塞式内燃机中，活塞的冷却是限制机器功率的各种因素之一。因此，活塞的冷却***的效率对于满足往复活塞式内燃机的功率和可靠性的最高要求是非常重要的。

日本实用新型平4-39384中公开了一种活塞。该活塞是这样冷却的，在活塞的靠近燃烧室的端面附近的活塞的上部设有一个冷却腔，利用喷嘴将油作为冷却剂喷入冷却腔中。所喷射的油经过一个回流通道从冷却腔导出，该回流通道在活塞杆的内部沿着其全长延伸并且通至远离冷却腔的活塞杆的端部进入在连着活塞杆的十字头中延伸的一个独立的油流出管路。油的回流受在冷却腔中聚集的油的重力作用驱使，即作为在回流通道中所得到的压头。同时，活塞杆通常竖向布置并且在冷却腔之下。油从冷却腔流出是借助在发动机的环境空气和冷却腔之间产生连接的通风管将空气供入冷却腔作到的。在该布置中，通风管是这样容纳在油的回流通道的内部的，使得它的端部之一伸入冷却腔中，并且在远离冷却腔的端部它并入一个油的管路中，该油的管路与油的流出管路分开延伸在十字头中并且与环境空气相连通。

已经发现，用于活塞冷却的该装置所容许的最大冷却剂的流量是太有限了，因而限制了现代内燃机向更高功率的进一步的发展。

本发明的目的在于，提供一种带有改善了冷却作用的冷却***的用于往复活塞式内燃机的液体冷却活塞。

根据本发明，上述目的是由下列技术方案来满足的。是一种用于往复活塞式内燃机的带有冷却腔的液体冷却活塞，它包括在活塞杆中的用于冷却剂的回流通道，其特征在于，一个通风管布置在回流通道中，该通风管在活塞一侧伸入活塞的冷却腔中并且在活塞杆中伸过回流通道的一部分。

本发明的液体冷却活塞有一个冷却腔，该冷却腔带有用于引入冷却腔的冷却剂的回流通道，回流通道在活塞杆中延伸，其特征在于，一个通风管布置在回流通道中，同时通风管在活塞端处伸入活塞的冷却腔中并且在活塞杆中仅仅伸过回流通道的一部分。在回流通道中延伸的这部分通风管在活塞杆中终止，即不通入十字头，并且与与回流通道隔开的环境空气不相通。通风管这样影响回流通道中的冷却剂的流动分布，使得回流通道中的气体有至通风管的通路，并且通过通风管可以通至冷却腔，因而可以避免会妨碍回流通道中的冷却剂流出的真空。本发明活塞的优点是，其冷却***能够有较大的冷却剂流量并且具有简单的结构。

本发明将参照附图在下予以详述，其中：

图1是通过带有冷却腔，冷却剂喷射，回流通道和通风管的活塞的纵向剖视图。

图1示出了本发明活塞的一个实施例。该活塞的主要部分是带有面朝内燃机燃烧空间的活塞顶侧25的活塞上部1，喷射板4和活塞裙部3。活塞相对于轴线50是旋转对称的。活塞上部1和喷射板4联合限定着活塞的冷却腔15。活塞的上部1，活塞裙部3和喷射板4以它们的圆周连在活塞杆5上。活塞的上部1含有从冷却腔指向活塞顶面25或者活塞的外侧的冷却盲孔17。活塞杆以其远离活塞的一端连在十字头8上。

内燃机工作时，活塞沿着轴线50运动，轴线50最好基本垂直于地球表面延伸，而活塞上部1布置在活塞杆5之上。

冷却腔是冷却剂回路的一部分。冷却剂，例如水或者油借助喷射***通入冷却腔。冷却剂从十字头侧供入通过活塞杆5延伸的管路30，并且从那里经过带有环形横截面形状的通道31，再经过喷射板4和活塞杆5之间的中空腔32以及通过穿过喷射板4的多个喷嘴18。喷嘴18最好布置得使喷射的冷却剂冲击特别靠近活塞顶面25和在内燃机工作期间受热负荷最强烈的活塞的上部区域。特别好的冷却作用由喷射冷却达到，即由冷却剂对着冷却孔17的壁或者对着冷却腔15的壁喷射而达到。

喷射有两个方面的作用。一方面，欲冷却的各个表面与其温度相当于冷却剂回路的流入温度的温度的并且由于喷射而呈现紊流的冷却剂相接触，这样，在欲冷却的各个表面和冷却剂之间的热传递最佳。另一方面，冷却剂对着边界表面的喷射常常伴随着清洗作用。例如冷却油容易形成残积物，在工作时所达到的活塞温度下，残积物粘附在边界表面并且主要导致边界表面和冷却剂之间的热传递恶化，因而促使温度进一步增加和油残积物的加速沉积。而在冷却孔17中的沉积是特别不利的。必须进行复杂的和昂贵的维护工作以便清除这些沉积物。相反，对着欲冷却的边界表面的冷却剂的喷射则可以阻碍残积物的沉积。

为了冷却剂从冷却腔流出设有回流通道6。回流通道6最好沿着活塞杆的中央轴线50引导，与冷却腔15和喷射板4中的孔21相通，并且在十字头侧与冷却剂回路的返回管路相连接。为了使冷却剂顺利地流入回流通道，喷射板4在冷却腔侧有朝向开孔21的梯度。另外，回流通道6在其进入冷却腔15的开孔21处是这样设计的，其横截面沿着离开冷却腔的方向逐渐变窄。回流通道6的横截面的形状考虑到加工方便最好是圆的。然而，任何横截面的形状其功能都可基本上予以保证。

基本上两种冷却效果归功于冷却腔15中的冷却剂的冷却作用，一种冷却作用是借助直接从喷嘴18喷向欲冷却表面的冷却剂的喷射冷却，另外一种飞溅冷却是由喷射后在冷却腔15中聚集起来并且向着和背离内燃机工作期间活塞运动方向来回飞溅的冷却剂提供的。为了使冷却作用最佳，通过冷却腔15的冷却剂的量必须尽可能的大，这是一方面，另一方面，在欲冷却表面和冷却剂之间的热传递应当尽可能的好。冷却腔15中的冷却剂过多会降低冷却作用。例如，当喷嘴18被冷却剂包围着时，则冷却剂的喷射效率会降低，因而喷射作用或者喷射冷却作用会降低。另外已知，当冷却腔15的过多的部分充以冷却剂时，飞溅冷却作用会降低。另一方面，只有在冷却腔15中聚集了最少量的冷却剂时，飞溅冷却才有可能。为了使冷却最佳，通过冷却腔15的冷却剂是这样设计的，使得填充冷却腔15的一部分容积的冷却剂的量不大于预定的上限值，也不小于预定的下限值。因此，在这些条件下可以喷入冷却腔15的并且可以达到理想冷却作用的最大冷却剂的量受限于每单位时间内可以流出冷却腔15的冷却剂的量。

用金属板支承件40和41相对于回流通道6固定在其位的通风管10的设计对于每单位时间内可以流出冷却腔的冷却剂的量是十分重要的。

根据本发明，回流通道6和通风管10一起利用在填充着冷却腔15，回流通道6以及在十字头8处连着回流通道6的冷却剂回路的回流管路中的气体中的同时存在的压力平衡来照管冷却剂的流出。当按照每单位时间内流出冷却腔的冷却剂的量来衡量而使回流通道6的容量最佳化来设计通风管10时，有必要考虑随着各个参数的变化而有相反趋势的各种影响，从而导致最佳的折中方案：

对于在回流通道6中延伸的通风管10截段的长度，有一个在相反影响之间折中的理想范围：一方面，随着通风管10长度的增加，回流通道的流动阻力也增加，因为通风管10表示流出冷却剂的摩擦表面并且冷却剂主要在通风管10的外侧和通道6的壁之间流出。假如，相反，在极端情况下，通风管不存在，则会形成覆盖喷射板处开孔21的冷却剂池。该冷却剂池会阻止气体从回流通道6流入，因而也会阻止在冷却腔15和回流通道6之间的压力平衡。减少冷却剂流出的这个作用随着在回流通道6中延伸的通风管10截段长度的增加而减少：覆盖开孔21的冷却剂池被防止了；另外，通风管使在十字头8和远离冷却剂腔的通风管10的端部之间的回流通道6的区域中的冷却剂的流动形状这样成形，使得可以确保气体的渗透性。作为一个折中方案，对于伸入回流通道6中的通风管10的那部分长度可以得出一个理想范围：试验表明，伸入回流通道6中的通风管10的那部分的理想长度在回流通道6的长度的10-90％的范围内，最好是在回流通道6的长度的15-50％的范围内。具体数值取决于诸如通风管的横截面面积或其形状等其它参数。

通风管10的理想横截面面积是以下两种要求之间折中的结果，一个要求是选择该横截面面积使其尽可能小，以便容许流出的冷却剂在通风管10的外侧和回流通道6的壁之间有尽可能大的空间，另外一个要求是选择该横截面面积使其尽可能大，以便容许气体有效地流入冷却剂腔15。试验表明通风管的理想横截面面积在回流通道6的横截面面积的20％和70％之间，最好是在回流通道6的横截面面积的25％和60％之间。具体数值取决于诸如通风管的长度或者其形状等其它参数。

伸入冷却腔15中的通风管10的那部分的理想长度是一个折中数值；假如该长度太短，则相当大比例的冷却剂会流过通风管10并且会减少进入冷却腔15的气体供应量。假如其太长，并且假如邻近冷却腔的通风管10的那一端太靠近冷却腔15的壁，则冷却剂进入通风管10将断然被阻止，而且进入冷却腔15的气体供应也受到限制。试验表明，在冷却腔侧的通风管10的那一端与冷却腔15的壁之间的理想间隙“a”在冷却腔15沿着通风管10的纵向范围“h”的10％和90％之间，最好是在冷却腔15沿着通风管10的纵向范围“h”的15％和65％之间。

除了所提到的参数外，可以通过回流通道6流走的最大的冷却剂的量还取决于活塞在内燃机的工作期间沿着活塞杆5的方向振动的频率。因为冷却剂池在活塞杆5的方向上往复飞溅，冷却剂仅在活塞振动的一部分期间内从回流通道6流走。试验表明，一方面，冷却剂从冷却腔15流走的量由于活塞的振动而不可否认地减少，而在另一方面，在振动活塞情况下的回流通道的通过能力比静止活塞情况下更取决于通风管10的尺寸。因此特别对于振动活塞使通风管10的设计最佳化是适当的。对于通风管尺寸来说上面提到的理想范围适用于振动活塞。

对于所述发明，通风管10的形状没有关系。例如，通风管10的横截面可以有任何所希望的形状或轮廓。带有圆形轮廓横截面的通风管10是较佳的实施例。这样的通风管基本上可以买到，不必专门制出。这样的通风管也特别适于与带有圆形流出通道的活塞结合使用。与回流通道6同心安装的圆形通风管是特别有利的。该同心布置与相对于轴线50基本上是旋转对称的在冷却腔15中的冷却剂的流动形状是匹配的。通风管10的形状可以沿着管有所变化。

因此，本发明的液体冷却活塞有一个冷却腔15，该冷却腔15带有冷却剂的回流通道6，冷却剂通过供给管路30，31，32和喷嘴18引入冷却腔15。回流通道6在活塞杆5中延伸，其特征在于，一个通风管布置在回流通道中，同时通风管在活塞一侧伸入活塞的冷却腔15中并且仅仅伸过活塞杆5中的回流通道6的一部分。在回流通道6中延伸的这部分通风管10在活塞杆5中终止并且与回流通道6隔开的环境空气不相通。通风管10这样影响回流通道6中的冷却剂的流动形状，使得回流通道6中的气体有至通风管10的通路，并且通过通风管可以通至冷却腔15，因而可以避免会妨碍回流通道6中的冷却剂流出的冷却腔15内的压力降低。通风管10用于使通过冷却腔15的冷却剂流量最佳化。

Claims (10)

1.用于往复活塞式内燃机的带有冷却腔(15)的液体冷却活塞，它包括在活塞杆(5)中的用于冷却剂的回流通道(6)，其特征在于，一个通风管(10)布置在回流通道(6)中，该通风管在活塞一侧伸入活塞的冷却腔(15)中并且在活塞杆(5)中伸过回流通道(6)的一部分。

2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，通风管(10)伸在回流通道中的那部分的长度在回流通道(6)的长度的10％-90％范围内。

3.如权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，通风管(10)的横截面面积在回流通道(6)的横截面面积的20％-70％之间。

4.如权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，通风管(10)的冷却腔端与冷却腔(15)壁之间的间隙在冷却腔(15)沿着通风管的纵向范围的10％-90％之间。

5.如权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，回流通道(6)是这样设计得在其开孔(21)处进入冷却腔(15)，使得其横截面沿着离开冷却腔的方向逐渐变窄。

6.如权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，通风管(10)同心地布置在回流通道(6)中。

7.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，它包括用于将冷却剂喷入冷却腔(15)中的一个喷射***(30，31，32，18)。

8.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，冷却腔(15)有一个或者多个冷却剂孔(17)。

9.如权利要求7或8所述的活塞，其特征在于，该喷射***有一个或者多个用于将冷却剂喷入冷却孔(17)和/或在冷却腔(15)的壁上的喷嘴(18)。

10.有权利要求1-9中的任何一项所述的活塞的内燃机。