CN217538859U - 活塞 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种活塞。所述活塞设有燃烧室凹腔(26)和至少部分区段地围绕所述燃烧室凹腔(26)环绕的冷却通道(19)，其中，设置在所述燃烧室凹腔(26)和所述冷却通道(19)之间的第一壁(31)的平均的第一壁厚(w31)大于所述活塞(8)的活塞直径(d8)的5％。由此，在燃烧室凹腔的区域中可以进一步减少通过冷却油对热量的引出。这导致燃烧室表面温度的额外增加并且因此导致热力学效率的额外增加。

Description

活塞

技术领域

本实用新型涉及一种活塞。

背景技术

用于内燃机的活塞可以由钢合金、例如调质钢42CrMo4或微合金钢38MnVS6制成。这种活塞既可以设计成一体式的，也可以由活塞下部件和活塞上部件组成，活塞下部件和活塞上部件可以借助接合方法彼此连接。这种活塞可以通过冷却油射流来冷却，该冷却油射流借助于喷射喷嘴被喷射到活塞的环绕的环形冷却通道中。为此需要冷却油的特定的最小体积流，以便通过适当的散热将活塞的高负载区域保持在对活塞起氧化层而言临界的温度以下。

上述材料由于其化学成分而具有预定的且在这两种材料情况下相似的导热性。由此，根据活塞冷却的设计导致一定的燃烧室表面温度。该燃烧室表面温度不能进一步增加，因为上述材料具有有限的抗起氧化层性。燃烧室表面温度的进一步升高可导致由起氧化层引起的裂纹并且因此导致活塞失效。

然而，通过较高的燃烧室表面温度，即通过由于对活塞的活塞底部的热损失减少而导致的较热的燃烧，可以从根本上提高发动机燃烧的热力学效率。由此，可以实现燃料消耗和二氧化碳排放方面的优势。迄今为止，通过摩擦优化活塞系统的开发，通常可以满足对消耗和减少二氧化碳的提高的要求。例如，在此使用优化的活塞裙轮廓和安装间隙，以及用于缸套的具有特殊涂层或复杂表面优化的成本高的环组。

WO2014/198896A1描述了一种用于内燃机的活塞，尤其是钢活塞，其具有作为燃烧室的一部分的活塞底部，其中至少活塞底部具有抗起氧化层。

实用新型内容

在这种背景前，本实用新型的任务在于提供一种改进的活塞和一种改进的用于活塞的活塞坯件。

为此，提出一种活塞，其特征在于，所述活塞设有燃烧室凹腔和至少部分区段地围绕所述燃烧室凹腔环绕的冷却通道，其中，设置在所述燃烧室凹腔和所述冷却通道之间的第一壁的平均的第一壁厚大于所述活塞的活塞直径的5％。

在本实用新型中，由于第一壁厚大于活塞直径的5％，因此在燃烧室凹腔的区域中可以进一步减少通过冷却油对热量的引出。这导致燃烧室表面温度的额外增加并且因此导致热力学效率的额外增加。

此外，提出了一种用于活塞的活塞坯件。活塞坯件至少部分区段地由钢合金制成，该合金具有0.5至2重量百分比的铬份额和2.5至 3.5重量百分比的硅份额。

由于钢合金具有前述的铬份额和硅份额，钢合金尤其是耐起氧化层的。由此，可以提高由活塞坯件制成的活塞的燃烧室表面温度而不会使活塞起氧化层。这导致发动机燃烧期间热力学效率的提高。由此可以满足关于燃料消耗和排放、尤其是二氧化碳排放的更严格的要求。在当前情况下，“燃烧室表面温度”尤其可以理解为活塞的活塞底部的表面温度。此外，“燃烧室表面温度”可以非常一般地理解为分配给活塞的燃烧室的表面的温度。活塞底部的表面可以是燃烧室的一部分。

活塞坯件与活塞的不同之处在于，与活塞坯件相比，活塞例如借助去除式和/或改型式制造方法来加工。活塞坯件与活塞的区别还在于，活塞坯件的活塞下部件和活塞坯件的活塞上部件尚未固定地彼此连接。尤其是，可以为活塞坯件或活塞分配对称或中心轴线，活塞坯件或活塞可以相对于该对称或中心轴线基本上旋转对称地构造。该前述中心轴线尤其可以由气缸的中心轴线形成，该气缸包围活塞的活塞裙的面并且具有最小直径，气缸的中心轴线布置成垂直于活塞的销孔。

此外，具有宽度方向或x方向、高度方向或y方向以及深度方向或z方向的坐标系被分配给活塞坯件或活塞。y方向也可以称为轴向方向。因此，术语“y方向”和“轴向方向”可以任意互换。这些方向彼此垂直定向。中心轴线与y方向重合或平行于y方向定向。径向方向也分配给活塞坯件或活塞。径向方向垂直于中心轴线并远离中心轴线指向。

钢合金优选为所谓的低合金钢合金。例如，钢合金可以作为半成品借助锻造方法改型为活塞坯件。活塞坯件或前述的活塞下部件和前述的活塞上部件因此可以是锻造构件。然而，这并不排除可以借助诸如铣削、车削和/或腐蚀的去除式制造方法来加工活塞坯件的可能性。此外，活塞坯件或活塞下部件和活塞上部件也可以是铸造构件或通过锻造方法再加工的铸造构件。

活塞坯件“至少部分区段地”由钢合金制成在当前情况下尤其意味着活塞坯件的至少一部分可以由钢合金制成。但是，这并不排除整个活塞坯件可以由钢合金制成的可能性。尤其是，钢合金至少设置在活塞坯件或活塞的燃烧室凹腔的区域中。对于活塞坯件具有如上所述的活塞下部件和活塞上部件的情况，例如可以仅活塞上部件由钢合金制成。

与详细提到的钢合金42CrMo4或38MnVS6相比，制造活塞坯件的钢合金具有较低的导热性。这导致，在活塞运行期间从具有活塞的内燃机的燃烧室散发的热量较少。这增加了燃烧室表面温度，这导致发动机燃烧的热力学效率增加。

此外，合金成分铬和硅防止在燃烧室表面温度升高时起氧化层。在当前情况下，“起氧化层”或“氧化磨损”可以理解为金属的与含氧热气体的直接化学反应引起的高温腐蚀。由于不抗起氧化层或仅轻微抗起氧化层的钢合金的强度降低，起氧化层会导致由起氧化层引起的裂纹并且因此导致活塞失效。借助钢合金的前述合金成分，可靠地防止了这种情况，其方式为，抗起氧化层性显著提高。除了元素铁、铬和硅之外，钢合金还可以含有元素碳、锰、磷、硫、钼、钛、铅、锑、铝、氮、铜、锡、镍和硼。钢合金还可以含有少量的氧和氢。

根据一个实施方式，铬份额为0.9至1.2重量百分比和/或硅份额为2.85至3重量百分比。

利用前面提到的铬份额和硅份额可以实现特别高的抗起氧化层性。

根据另一实施方式，钢合金具有0.35至0.5、尤其是0.4至0.44 重量百分比的碳份额。

由于这种低的碳份额，钢合金能够良好地改型，从而活塞坯件可以通过锻造方法制造和/或加工。

根据另一实施方式，钢合金具有0.5至0.9、尤其是0.6至0.8重量百分比的锰份额。

例如，钢合金中的锰份额的特性是提高钢合金的可硬化性。

根据另一实施方式，钢合金具有0.005至0.015重量百分比的钛份额。

钛份额赋予钢合金高的韧性、强度和延展性。

根据另一实施方式，钢合金具有0.1至0.3、尤其是0.15至0.2重量百分比的钼份额。

钼份额引起钢合金的回火稳定性和耐热强度的提高。

根据另一实施方式，钢合金具有2.5至3.5、尤其是2.85至3重量百分比的硅份额。

由于固溶强化，硅份额导致抗拉强度和屈服极限提高，并且作为针对氧的扩散阻挡部，增加了钢合金的抗起氧化层性。

根据另一实施方式，钢合金在550至650℃、尤其是在580至600℃下具有提高的抗起氧化层性。

当前，“抗起氧化层”或“抗起氧化层性”是指针对起氧化层的耐抗。当前，术语“抗起氧化层”和“抗起氧化层性”可以任意互换。抗起氧化层性可通过测量活塞坯件或活塞的重量或附加地通过测量氧化层厚度，在特定温度下对活塞坯件或活塞进行老化或退火，随后测量活塞坯件或活塞的重量，并且最终根据活塞坯件或活塞的重量变化确定氧化程度来确定。增加的抗起氧化层性允许活塞在更高的温度下使用，从而燃烧室表面温度可以随着上述优点而增加。

根据另一实施方式，活塞坯件具有活塞下部件和活塞上部件，活塞上部件由钢合金制成，活塞下部件由钢合金或不同于钢合金的另外的材料制成，并且所述另外的材料尤其是具有比钢合金更高的导热性。

也就是说，优选地至少活塞上部件由钢合金形成。“导热性”或“导热系数”是一种材料特性，该材料特性决定了由于热传导而通过材料的热流。导热性越低，隔热效果越好。所述另外的材料可以是例如前面提到的调质钢42CrMo4或微合金化钢38MnVS6。活塞下部件和活塞上部件通过接合方法彼此连接。例如，活塞下部件和活塞上部件彼此材料锁合地连接以形成活塞的中间构件，从该中间构件制造成品活塞。在材料锁合连接的情况下，各连接配对件通过原子力或分子力保持在一起。材料锁合连接是不可拆卸的连接，该不可拆卸的连接只能通过破坏连接装器件和/或连接配对件才能再次分离。例如，活塞下部件和活塞上部件彼此焊接，尤其是彼此摩擦焊接。中间构件可以借助去除式制造方法进一步加工，尤其是借助切削方法进一步加工，以便由中间构件形成活塞。替代地或附加地，活塞上部件和活塞下部件可以形状锁合地彼此连接。形状锁合的连接通过两个连接配对件接合到彼此中或从后面作用来产生。例如，活塞下部件和活塞上部件可以彼此螺纹连接。

根据另一实施方式，活塞坯件是由钢合金连续制造的一体式部件。

在这种情况下，活塞坯件不具有彼此分开的活塞下部件和活塞上部件。“一体式”或“一件式”在此是指活塞坯件不是由不同的子构件组成，而是形成单个的构件。活塞坯件尤其可以材料一体式地构造。“材料一体式”是指活塞坯件始终由相同的材料制成、即由钢合金制成。

此外，提出了一种具有这种活塞坯件的活塞。

如前所述，活塞与活塞坯件的区别一方面在于，在活塞中，活塞下部件和活塞上部件固定地彼此连接。此外，活塞与活塞坯件的区别在于，活塞坯件被加工以形成活塞。例如，可以借助锻造方法和/或去除方法、例如车削、铣削、腐蚀等来进行加工。活塞是前面提到的内燃机的一部分。内燃机可以包括多个活塞。

根据一个实施方式，活塞包括燃烧室凹腔和至少部分区段地围绕燃烧室凹腔环绕的冷却通道，设置在燃烧室凹腔和冷却通道之间的第一壁的平均的第一壁厚大于活塞的活塞直径的5％、优选6％、特别优选7％。

燃烧室凹腔可以已经一体成型在活塞坯件上、尤其是一体成型在活塞上部件上。燃烧室凹腔可以借助去除方法或锻造方法一体成型和/ 或再加工。冷却通道环形地围绕活塞的中心轴线环绕。冷却油、尤其是发动机油可以穿过冷却通道被导引，以便从活塞引走热量。冷却油例如可以借助喷射喷嘴通过设置在活塞上的孔喷射到冷却通道中。由于第一壁厚大于活塞直径的5％，因此在燃烧室凹腔的区域中可以进一步减少通过冷却油对热量的引出。这导致燃烧室表面温度的额外增加并且因此导致热力学效率的额外增加。据企业内部了解，在冷却通道与燃烧室凹腔之间以及在活塞的内部形状与燃烧室凹腔之间的相应的壁厚通常设计为活塞直径的3.5％。通过将壁厚增加到活塞直径的 5％以上，可以减少热量的引走。此外，通过适配冷却通道的几何结构、尤其是横截面几何结构也可以实现燃烧室表面温度和热力学效率的提高。在此，与企业内部已知的冷却通道相比，冷却通道可以配备更小的横截面几何结构，从而也减少了燃烧室凹腔的热量的引走。此外，该措施在活塞的尺寸和结构高度方面是有利的。替代地，冷却通道可以设计为开放式冷却通道，该开放式冷却通道在可自由接近的内表面上借助喷射喷嘴被喷射冷却油。替代地，活塞也可以设计成完全没有冷却通道。作为另外的措施，可以减少用于冷却活塞的冷却油的量。由此也增加了燃烧室表面温度并且因此提高了热力学效率。此外，得到额外的效率优势，因为减少了所需的油泵的功率损失，这间接节省了燃料。在当前情况下，“活塞直径”应理解为最小气缸的直径，该气缸包围活塞的所谓活塞裙。第一壁的第一壁厚尤其定义为燃烧室凹腔 (尤其是燃烧室凹腔的倒圆)与冷却通道(尤其是冷却通道的壁)之间的最小距离。

根据另一实施方式，所述平均的第一壁厚为至少5毫米。

“平均的”第一壁厚当前尤其应理解为第一壁厚沿其延伸方向或主延伸方向观察平均至少为5毫米或大于活塞直径的5％。“延伸方向”或“主延伸方向”可以理解为如下方向，第一壁沿该方向具有其最大几何伸展。尤其是，“延伸方向”或“主延伸方向”可以理解第一壁沿燃烧室凹腔的表面的走向。该表面可以称为燃烧室凹腔表面。也就是说，第一壁厚可以区域性地或局部地低于前面提到的活塞直径的5％或 5mm。然而在第一壁的整个延伸方向或主延伸方向上、即全局上看，第一壁厚平均至少为5毫米，或第一壁厚大于活塞直径的5％。当前，术语“延伸方向”和“主延伸方向”可以任意互换。

根据另一实施方式，设置在燃烧室凹腔和活塞的内部形状之间的第二壁的平均的第二壁厚大于活塞直径的5％、优选6％、特别优选 7％。

燃烧室凹腔优选地面向燃烧室具有燃烧室凹腔底部并且背离燃烧室具有内部形状。燃烧室凹腔底部和内部形状可以分别设计成锥形或锥状。面向燃烧室，第二壁形成燃烧室凹腔底部。背离燃烧室，第二壁形成内部形状。第一壁和第二壁过渡到彼此中。第二壁的第二壁厚尤其是定义为在燃烧室凹腔、尤其是燃烧室凹腔的燃烧室凹腔底部与内部形状之间的最小距离。第一壁尤其是在燃烧室凹腔的上述倒圆处过渡到第二壁中，或反之亦然。这尤其意味着第一壁与第二壁连接。

根据另一实施方式，所述平均的第二壁厚为至少5毫米。

在此也适用的是，第二壁的第二壁厚度也可以区域性地或局部地低于至少5毫米或活塞直径的5％。然而，平均而言，第二壁厚总是大于5毫米或为活塞直径的至少5％。在此也尤其是适用的是，沿第二壁的延伸方向或主延伸方向观察，第二壁厚平均至少为5毫米或为活塞直径的至少5％。使用具有低导热性的钢合金导致从燃烧室凹腔到冷却通道的散热减少，并且因此导致燃烧室凹腔和燃烧室的表面温度升高。增加壁的壁厚、适配冷却通道的几何结构和/或减少冷却油量等设计措施具有类似的作用，其通过减少热量的引走导致燃烧室表面温度升高。由此，可以提高燃烧的热力学效率并且可以降低燃料消耗。此外，可以减少二氧化碳排放。对此的前提是足够的抗起氧化层性。除了低导热性之外，钢合金的合金成分还导致抗起氧化层性增加。也就是说，可以将如下极限温度朝着更高的温度移动，从该极限温度起技术相关地起氧化层。此外，由于钢合金的高的抗起氧化层性，可以采取附加的燃烧侧的措施来提高燃烧室表面温度和热力学效率。通过使用高抗起氧化层性的且同时低导热性的钢合金，至少对于活塞上部件和/或在燃烧室凹腔的区域中可以显著提高内燃机的热力学效率。由此，可以实现消耗优势和二氧化碳排放的减少。因此可以满足持久不断增长的立法和市场要求。可以遵守关于废气、燃料消耗和排放、尤其是二氧化碳排放的越来越严格的限值。

此外，提出了一种用于制造这种活塞坯件的方法，该活塞坯件由具有0.5至2重量百分比的铬份额和2.5至3.5重量百分比的硅份额的钢合金制成。

活塞坯件可以是铸造构件。活塞坯件也可以是锻造构件。此外，活塞坯件也可以是借助锻造方法再加工的铸造构件。在该方法中，活塞下部件和活塞上部件可以彼此分开制造。活塞下部件和活塞上部件彼此固定地连接、尤其是彼此焊接，以形成上述中间构件或活塞。为了由中间构件形成活塞，中间构件可以借助去除式和/或改型式制造方法来加工。

针对所提出的活塞坯件所描述的实施方式和特征相应地适用于所提出的活塞和所提出的方法，反之亦然。

如本文所用，“一个”不一定被解释为仅限于一个元件。相反地，也可以设置有多个元件，例如两个、三个或更多个元件。此处使用的任何其他数词也不应被理解为对所提到的元件的确切数量存在限制。相反，除非另有说明，否则向上和向下的数值偏差是可能的。

活塞坯件、活塞和/或方法的另外的可能的实施方式还包括上文或下文关于实施例描述的特征或实施方式的未明确提及的组合。在此，本领域技术人员也可添加个别方面作为对活塞坯件、活塞和/或方法的相应基本形式的改进或补充。

活塞坯件、活塞和/或方法的另外的有利的设计和方面是下面描述的活塞坯件、活塞和/或方法的实施例的技术方案。活塞坯件、活塞和 /或方法在下面参照附图借助优选实施方式更详细地解释。

附图说明

图1示出运输工具的实施方式的示意性侧视图；

图2示出用于内燃机的活塞的实施方式的示例性剖视图；

图3示出根据图2的详细视图III；

图4示出根据图2的活塞的示意性的透视的局部剖视图；

图5示出用于根据图2的活塞的活塞坯件的实施方式的示意性的剖切的分解图；

图6示出用于根据图2的活塞的中间构件的示意性剖视图；以及

图7示出用于制造根据图2的活塞坯件的方法的实施方式的示意框图。

具体实施方式

除非另有说明，否则在附图中相同或具有相同功能的元件设有相同的附图标记。

图1示出运输工具1的实施方式的示意性侧视图。运输工具1是机动车、尤其是乘用车。运输工具1也可以是商用车、例如载重车、收割机或工程机械。此外，运输工具1也可以是军用运输工具。此外，运输工具还可以是空中运输工具、水上运输工具或轨道运输工具。然而，下面假设运输工具1是机动车、尤其是乘用车。

运输工具1包括包围运输工具1的乘客舱或运输工具内部空间3 的车身2。驾驶员和乘客可以留在运输工具内部空间3中。车身2将运输工具1的周围环境4与运输工具内部空间3分界开。运输工具内部空间3可借助门从周围环境4进入。

运输工具1包括具有多个车轮5、6的底盘。车轮5、6的数量基本上是任意的。运输工具1优选地具有四个车轮5、6。然而，运输工具1例如可以具有六个车轮5、6。车轮5、6是运输工具1的底盘的一部分。可以仅驱动两个车轮5、6。然而，也可以驱动所有车轮5、6。在这种情况下，运输工具1是全轮驱动运输工具。

运输工具1包括内燃发动机或内燃机7。内燃机7可以是柴油发动机或奥托发动机。运输工具1可以单纯由内燃机7驱动。然而，运输工具1也可以是混合动力运输工具。在这种情况下，运输工具1除了内燃机7之外还具有至少一个电动机。内燃机7包括发动机缸体和容纳在发动机缸体的活塞孔中的多个活塞。例如，内燃机7可以具有三个、四个、五个、六个或六个以上活塞。

图2示出用于内燃机7的活塞8的实施方式的示意性剖视图。图 3示出根据图2的详细视图III。图4示出活塞8的示意性的透视的局部剖视图。下文同时参考图2至图4。

活塞8可以是如上所述的运输工具1的一部分，尤其是内燃机7 的一部分。然而，活塞8特别优选地是商用车的一部分。在这种情况下，运输工具1是商用车。内燃机7和活塞8可用于任何运输工具1、船舶、机器等。此外，内燃机7或活塞8也可以用于固定应用，例如用于发电机、动力、热力等。

活塞8可具有对称或中心轴线9，活塞8可相对于该对称或中心轴线基本上旋转对称地构造。具有宽度方向或x方向x、高度方向或y 方向y和深度方向或z方向z的坐标系被分配给活塞8。y方向y也可以称为轴向方向。因此，术语“y方向”和“轴向方向”可以任意互换。方向x、y、z彼此垂直定向。中心轴线9尤其与y方向y相一致或者平行于y方向定向。径向方向R也分配给活塞8。径向方向R垂直于中心轴线9定向并且远离中心轴线指向。

活塞8具有活塞脚或活塞裙10和活塞头11。沿中心轴线9观察，活塞裙10布置在活塞头11下方。活塞裙10具有带有销孔12的活塞毂，用于将活塞8耦联到内燃机7的未示出的连杆上的未示出的销可以容纳在该销孔中。销孔12的对称或中心轴线13与中心轴线9相交或与该中心轴线错开地布置。此外，中心轴线13垂直于中心轴线9 定向。中心轴线13与z方向z相一致或平行于z方向定向。

在图2的定向中，在活塞毂的两侧分别设置有裙区段14、15。设置有第一裙区段14和第二裙区段15。裙区段14、15可以部分区段地柱状地构造。换言之，裙区段14、15可以形成相对于中心轴线9旋转对称构造的柱体的一部分。各裙区段14、15一起形成活塞8的所谓活塞裙。裙区段14、15可以部分区段地相对于中心轴线9旋转对称地构造。然而，在此，裙区段14、15尤其是不形成完整的柱体。裙区段 14、15中的一个裙区段形成活塞8的压力侧，裙区段14、15中的另一个裙区段形成活塞8的反压侧。

裙区段14、15借助壁区段16、17彼此连接。设置有第一壁区段 16和第二壁区段17。径向方向R远离中心轴线9朝着裙区段14、15 的方向向外指向。销孔12穿过壁区段16、17。裙区段14、15和壁区段16、17包围活塞裙10的内部空间18。内部空间18在图2的定向上朝下敞开。用于将活塞8耦联到连杆上的上文提到的销沿着中心轴线13穿过内部空间18。

活塞8具有冷却通道19，该冷却通道完全围绕中心轴线9环绕并且优选地相对于中心轴线旋转对称地构造。冷却通道19尤其是环形的。冷却通道19具有限定冷却通道19的几何结构或横截面几何结构的壁20。冷却油、尤其是发动机油可以引导通过冷却通道19，以便将在活塞8运行时带入活塞到中的热量Q引走。为此，冷却油可以借助在图1和图4的定向中布置在活塞8下方的喷射喷嘴喷射到冷却通道 19中。

借助多个孔21、22，冷却通道19与内部空间18流体连通。孔21、 22的数量基本上是任意的。优选设置多个孔21、22，这些孔可以围绕中心轴线9均匀分布地布置。孔21、22也可以围绕中心轴线9不均匀分布地布置。例如，在活塞8的运行时在图2至4的定向中，冷却油可以借助前面提到的喷射喷嘴从下方喷射到内部空间18中。冷却油的至少一部分通过孔21、22到达冷却通道19中并又从该冷却通道中出来。则利用冷却油将热量Q从活塞8引走。

活塞头11具有面向内燃机7的气缸头的活塞底部23。大部分热量Q也被带入到活塞底部23中。活塞底部23尤其面向内燃机7的燃烧室24。活塞底部23包括环形的活塞底部区段25，该活塞底部区段形成垂直于中心轴线9定向的平面。此外，活塞底部23具有燃烧室凹腔26，该燃烧室凹腔相对于活塞底部区段25凹进。沿中心轴线9或沿y方向y观察，燃烧室凹腔26因此相对于活塞底部区段25偏移或凹陷地布置。

燃烧室凹腔26可以具有任何几何结构。在当前情况下，燃烧室凹腔26具有围绕中心轴线9环绕的台肩27，沿y方向y观察，该台肩相对于活塞底部区段25凹进。燃烧室凹腔26的燃烧室凹腔边缘28 逆着径向方向R观察径向伸到燃烧室凹腔26中。围绕中心轴线9环绕的倒圆部29邻接燃烧室凹腔边缘28。倒圆部29过渡到燃烧室凹腔底部30中、尤其是锥形或锥状的燃烧室凹腔底部中，该燃烧室凹腔底部沿y方向y观察时向上延伸。然而，燃烧室凹腔底部30沿y方向y 观察在台肩27下方终止。

在燃烧室凹腔26和冷却通道19之间设置有第一壁31(图3)。第一壁31将冷却通道19与燃烧室凹腔26流体分离。第一壁31完全围绕中心轴线9环绕。第一壁31具有第一壁厚w31。第一壁厚w31为至少5mm。尤其是，整个第一壁31上的第一壁厚w31的平均值为至少5mm。也就是说，第一壁31也可以区域性地或局部地具有小于5mm 的第一壁厚w31。然而，沿着第一壁31的主延伸方向、当前y方向y 观察，第一壁厚w31总是平均至少为5mm。在当前情况下，“主延伸方向”应理解为如下方向(当前为y方向y)，第一壁31沿该方向具有其最大的几何伸展。

第二壁32(图3)将燃烧室凹腔26与内部空间18隔开。第二壁 32在前部侧构造燃烧室凹腔底部30。在背部侧、也就是说面向内部空间18，第二壁32构造活塞8的所谓的内部形状33。内部形状33可以是锥形或锥状。第二壁32具有第二壁厚w32。第二壁厚w32也为至少5mm。尤其是，整个第二壁32上的第二壁厚w32的平均值为至少5mm。也就是说，第二壁32也可以区域性地或局部地具有小于5mm 的第二壁厚w32。然而，沿着第二壁32的主延伸方向、当前x方向x，第二壁厚w32总是平均至少为5mm。

活塞8具有活塞直径d8。活塞直径d8定义为最小可能的气缸的直径，该气缸包围活塞裙、即裙区段14、15。该柱体垂直于中心轴线 13定向。第一壁厚w31至少平均大于活塞直径d8的5％。第一壁厚 w31优选地至少平均大于活塞直径d8的6％。第一壁厚w31特别优选地至少平均大于活塞直径d8的7％。然而，第一壁厚w31平均至少为 5mm。第二壁厚w32也至少平均大于活塞直径d8的5％。第二壁厚 w32优选地至少平均大于活塞直径d8的6％。第二壁厚w32特别优选地至少平均大于活塞直径d8的7％。然而，第二壁厚w32平均至少为 5mm。

任意数量的剖切平面E(图3)都可以穿过中心轴线9。中心轴线 9位于这些剖切平面E中的每个剖切平面中。对于每个剖切平面E，尤其适用的是，第一壁厚w31和/或第二壁厚w32平均至少为活塞直径d8的5％、优选6％、进一步优选7％和/或为至少5mm。例如，平均壁厚w31、w32可以彼此分开计算。相应的平均壁厚w31、w32可以沿着位于相应剖切平面E中的第一壁31和/或第二壁32的截面轮廓以不超过1mm的恒定步幅或恒定增量计算。尤其是，壁厚w31、w32 的计算沿着由上述截面轮廓形成的线进行，该线由剖切平面E与燃烧室凹腔26和活塞底部区段25的表面的相交形成。

第一壁31的第一壁厚w31尤其是定义为燃烧室凹腔26——尤其是倒圆部29——与冷却通道19——尤其是冷却通道19的壁20——之间的最小距离。第二壁32的厚度w32尤其是定义为燃烧室凹腔26——尤其是燃烧室凹腔底部30——与内部形状33之间的最小距离。第一壁31在倒圆29处过渡到第二壁32中，反之亦然。这尤其意味着第一壁31与第二壁32连接。

在活塞头11上，设置有环带或环区34。环区34尤其形成活塞头 11的基本上柱状的外表面，该外表面可以相对于中心轴线9旋转对称地构造。环区34具有多个沿y方向y观察彼此相叠布置的环形槽35，图2中仅环形槽中的一个环形槽设有附图标记。环形槽35适用于接纳活塞环。例如，设置有两个或三个这样的环形槽35。邻接活塞底部23 的火力岸36是环区34的一部分。然而，火力岸36不具有如上所述的用于接纳活塞环的环形槽35。

活塞8是两件式的并且包括活塞下部件37和活塞上部件38。活塞下部件37和活塞上部件38是两个彼此分开的构件，这些构件材料锁合地彼此连接以形成活塞8。在材料锁合连接的情况下，连接配对件通过原子力或分子力保持在一起。材料锁合连接是不可拆卸的连接，该不可拆卸的连接只能通过破坏连接装器件和/或连接配对件才能再次分离。例如可以通过粘接、钎焊或熔焊来材料锁合地连接。例如，活塞下部件37与活塞上部件38焊接、尤其是摩擦焊接。

借助活塞8应在燃烧室24中实现比企业内部已知的活塞更高的燃烧室表面温度，即实现更热的燃烧。通过提高燃烧室表面温度可以实现发动机燃烧的热力学效率的提高。由此可以实现在燃料消耗和二氧化碳排放方面的优势。

在已知活塞的情况下、尤其是在已知的钢活塞的情况下，可以使用调质钢42CrMo4或微合金钢38MnVS6作为材料。这些活塞要么可以设计成一体式的，要么可以具有活塞下部件和活塞上部件，所述活塞下部件和活塞上部件通过接合操作彼此连接。在此，通常整个活塞由相同的材料制成，即使在两件式方案的情况下也由相同的材料制成。

这种活塞在此经由冷却油射流冷却，该冷却油射流利用喷射喷嘴喷射到环绕的环形冷却通道中。为此需要特定的最小冷却油体积流，以便通过适当的散热将高负荷区域、尤其是燃烧室凹腔边缘保持在对于活塞起氧化层而言临界的温度以下。上述材料42CrMo4和38MnVS6都具有由其化学成分预定的且在这两种材料情况下相似的导热性。由此，在按照标准设计的活塞冷却的情况下导致一定的燃烧室表面温度。该燃烧室表面温度不能进一步增加，因为上述材料具有有限的抗起氧化层性。燃烧室表面温度的进一步升高可导致由起氧化层引起的裂纹并且因此导致活塞失效。

因此，通过开发摩擦优化的活塞系统来应对关于燃料消耗和二氧化碳排放减少方面的越来越高的要求。例如，使用优化的活塞裙轮廓和安装间隙，以及具有特殊涂层(如非结晶碳(类金刚石碳，DLC)) 的成本高的环组或用于气缸套的复杂表面优化。借助上述活塞8来改善燃料消耗和二氧化碳排放的减少。

为此，至少对于活塞8的燃烧室凹腔26的区域，使用高的抗起氧化层性并且同时具有低导热性的钢合金。由此，由于较低的导热性，即使在按标准设计的活塞冷却的情况下，燃烧室表面温度也升高，这引起发动机燃烧的热力学效率的提高。

具有以下化学成分的低合金钢合金特别适用于活塞8：

碳C：0.35至0.5重量百分比、尤其是0.4至0.44重量百分比。

硅Si：2.5至3.5重量百分比、尤其是2.85至3重量百分比。

铬Cr：0.5至2重量百分比、尤其是0.9至1.2重量百分比。

锰Mn：0.5至0.9重量百分比、尤其是0.6至0.8重量百分比。

钛Ti：0.005至0.015重量百分比。

钼Mo：0.1至0.3重量百分比、尤其是0.15至0.2重量百分比。

除其他合金成分外，钢合金主要包括元素铁Fe。钢合金在550至 650℃、尤其是在580至600℃时具有更高的抗起氧化层性。

对于活塞8是一件式构件并且因此不被分成活塞下部件37和活塞上部件38的情况，则整个活塞8由该钢合金制成。对于活塞8是两件式的并且具有与活塞下部件37分开的活塞上部件38的情况，可以仅具有燃烧室凹腔26的活塞上部件38由钢合金制成。调质钢42CrMo4 或微合金钢38MnVS6则优选地用于活塞下部件37。

燃烧室表面温度的升高可以通过设计措施进一步提高，其方式为，使冷却作用在燃烧室凹腔26的区域中降低。这是可行的，因为钢合金由于较高的抗起氧化层性而可以承受燃烧室凹腔26中较高的表面温度，而不会导致活塞8失效。燃烧室表面温度的这种提高可以通过上面已经解释过的可彼此组合的措施来实现。一方面，通过增加燃烧室凹腔26的区域中的壁厚w31、w32，进一步减少了通过冷却油对热量 Q的引出，并且因此引起燃烧室表面温度和热力学效率的额外增加。

燃烧室表面温度和热力学效率的提高也可以通过适配冷却通道 19的几何结构来实现。在此，与已知的活塞相比，冷却通道19可以配备有更小的横截面，从而减少了热量Q的引走。此外，该措施在活塞8的尺寸和结构高度方面是有利的。替代地，冷却通道19可以设计为开放式冷却通道，该开放式冷却通道在可自由接近的内表面上被喷射冷却油。此外，也可以完全省去冷却通道19。

此外，可以减少用于冷却活塞8的冷却油的量。由此也提高了燃烧室表面温度并且因此提高了热力学效率。此外，得到额外的效率优势，因为用于输送冷却油的油泵的功率损失减少，这导致了对燃料节省的间接贡献。

应用具有低导热性的钢合金导致热量Q从燃烧室凹腔26朝着冷却通道的引走减少，并且因此导致燃烧室凹腔26和燃烧室24的表面温度升高。与材料42CrMo4或38MnVS6相比，钢合金的导热性低约 20W/m*K。模拟已经表明，导热性每降低1W/m*K，在燃烧室凹腔边缘28处的燃烧室凹腔边缘温度就增加2K。

上面列出的附加设计措施，例如增加壁厚w31、w32、适配冷却通道19的冷却通道几何结构或减少冷却油的量具有类似的作用，其通过减少热量Q的引走导致燃烧室表面温度升高。由此，可以提高燃烧的热力学效率并且因此可以节省燃料和二氧化碳排放。对此的前提是钢合金的足够的抗起氧化层性。

除了低导热性之外，钢合金同时还具有高的抗起氧化层性，也就是说，可以将如下极限温度朝着更高的温度移动至少70K，从该极限温度起技术相关地起氧化层。此外，由于钢合金的高的抗起氧化层性，可以采取附加的燃烧侧的措施来提高燃烧室表面温度并且提升热力学效率。

通过使用高抗起氧化层性的且同时低导热性的钢合金作为用于活塞上部件38的材料，可以提高内燃机7的热力学效率。由此，可以实现消耗优势和在二氧化碳排放方面的优势。

图5示出用于活塞8的活塞坯件39的实施方式的示意性的剖切的分解图。

活塞8可以借助活塞坯件39来制造。活塞坯件39包括如前所述的活塞下部件37和如前所述的活塞上部件38。活塞坯件39与活塞8 的不同之处在于，活塞下部件37尚未与活塞上部件38连接。活塞坯件39与活塞8的不同还可以在于，活塞8在活塞下部件37与活塞上部件38焊接之后被去除地加工。例如，腐蚀、铣削、车削等被考虑作为去除方法。此外，活塞坯件39也可以借助改型制造方法、例如锻造方法改型以形成活塞8。

中心轴线9可以分配给活塞坯件39。前面提到的具有方向x、y、 z的坐标系也可以分配给活塞坯件39。此外，径向方向R也可以分配给活塞坯件39。

冷却通道19部分地一体成型在活塞下部件37上并且部分地一体成型在活塞上部件38上。尤其是，在活塞下部件37上设置有第一冷却通道区段19A。在活塞上部件38上可以设置有第二冷却通道区段 19B。冷却通道区段19A、19B一起形成冷却通道19。活塞上部件38具有燃烧室凹腔26，该燃烧室凹腔可以为了由活塞坯件39制造活塞8 而借助去除的或改型的制造方法加工，以便产生图2至4中所示的燃烧室凹腔26的最终的几何结构。

如前所述，活塞下部件37和活塞上部件38是两个彼此分开的构件，活塞下部件和活塞上部件可以彼此材料锁合地连接、尤其是彼此焊接。为此，活塞下部件37具有环形地围绕中心轴线9环绕的第一接合面40和环形地围绕中心轴线9环绕的第二接合面41。沿着径向方向R观察，第二接合面41位于第一接合面40之内。相应地，活塞上部件38具有环形地围绕中心轴线9环绕的第一接合面42和环形地围绕中心轴线9环绕的第二接合面43。沿着径向方向R观察，第二接合面43位于第一接合面42之内。

活塞下部件37也可以具有环绕的台肩44，沿着径向方向R观察，该台肩径向地从活塞下部件37延伸出来。台肩44是可选的。活塞下部件37和活塞上部件38分别是一体式的构件，尤其是材料一体式的构件。“一体式”或“一件式”在当前情况下是指活塞下部件37和活塞上部件38不是分别由不同的子构件组成，而是相应形成单个的构件。

至少活塞上部件38至少部分区段地由上述具有高抗起氧化层性的钢合金制成。尤其是在燃烧室凹腔26的区域中，活塞上部件38由钢合金制成。例如，活塞下部件37可由材料42CrMo4或38MnVS6 制成。然而，替代地，活塞下部件37也可以由与制造活塞上部件38 相同的具有高抗起氧化层性的钢合金制成。活塞坯件39也可以是一体式的构件。在这种情况下，活塞下部件37和活塞上部件38不是事后彼此连接的两个彼此分开的部件。则活塞坯件39由高度抗起氧化层的钢合金连续制造。

“一体式材料”在此是指活塞下部件37和活塞上部件38分别连续地由相同的材料制成。与此相反，活塞8本身或活塞坯件39是多件式的。活塞下部件37优选地是铸造构件。活塞上部件38也可以是铸造构件。此外，活塞下部件37也可以是锻造构件。活塞上部件38也可以是锻造构件。对于活塞下部件37和/或活塞上部件38分别是铸造构件的情况，所述活塞下部件和/或活塞上部件可以借助锻造方法再加工。然而，活塞下部件37和/或活塞上部件38也可以借助去除的制造方法制造或加工。

图6示出用于活塞8的中间构件45的示意性剖视图。

为了形成中间构件45，活塞下部件37和活塞上部件38在其接合面40至43处在形成接合平面46、47的情况下彼此连接。接合平面 46、47可以是焊缝，尤其是摩擦焊缝。在此，第一接合面40、42和第二接合面41、43分别彼此固定地连接。中间构件45与活塞坯件39 的不同之处在于，活塞下部件37与活塞上部件38固定地连接，尤其是焊接。例如，摩擦焊接是适合作为焊接方法。

活塞8与中间构件45的不同之处在于，与中间构件45相比，活塞8借助去除的和/或改型的制造方法进行再加工。例如，为了从中间构件45制造活塞8，燃烧室凹腔26被加工，环区34一体成型到中间构件45上，台肩44被移去并且接合平面46的伸出的隆起被去除。此外，中间构件45的柱状的外表面48可被去除地加工以产生环区34。

图7示出用于制造活塞坯件39的方法的实施方式的示意性的框图。

在该方法中，在步骤S1中，活塞坯件39由具有0.5至2重量百分比的铬份额和2.5至3.5重量百分比的硅份额的钢合金制造。步骤 S1可以包括钢合金的铸造、改型和/或去除的加工。此外，在步骤S1 中，可以将活塞下部件37和活塞上部件38制造为彼此分开的构件。在这种情况下，至少活塞上部件38由钢合金制成。替代地，活塞坯件 39也可以在步骤S1中制造为一体式部件。在这种情况下，活塞下部件37和活塞上部件38不是两个彼此分开的构件。

所述方法可以包括步骤S2，在该步骤中，活塞下部件37和活塞上部件38被接合或组装以形成中间构件45。在活塞下部件37和活塞上部件38接合在一起的情况下，活塞下部件37和活塞上部件38在接合面40至43处彼此材料锁合地连接、尤其是焊接。活塞下部件37和活塞上部件38优选地在接合面40至43处彼此摩擦焊接。

尽管已经借助实施例描述了本实用新型，但是能以多种方式对其进行修改。

附图标记列表

1 运输工具，

2 车身，

3 运输工具内部空间，

4 周围环境，

5 车轮，

6 车轮，

7 内燃机，

8 活塞，

9 中心轴线，

10 活塞裙，

11 活塞头，

12 销孔，

13 中心轴线，

14 裙区段，

15 裙区段，

16 壁区段，

17 壁区段，

18 内部空间，

19 冷却通道，

19A 冷却通道区段，

19B 冷却通道区段，

20 壁，

21 孔，

22 孔，

23 活塞底部，

24 燃烧室，

25 活塞底部区段，

26 燃烧室凹腔，

27 台肩，

28 燃烧室凹腔边缘，

29 倒圆部，

30 燃烧室凹腔底部，

31 壁，

32 壁，

33 内部形状，

34 环区，

35 环形槽，

36 火力岸，

37 活塞下部件，

38 活塞上部件，

39 活塞坯件，

40 接合面，

41 接合面，

42 接合面，

43 接合面，

44 台肩，

45 中间构件，

46 接合平面，

47 接合平面，

48 外表面，

d8 活塞直径，

E 剖切平面，

Q 热量，

R 径向方向，

S1 步骤，

S2 步骤，

w31 壁厚，

w32 壁厚，

x x方向，

y y方向，

z z方向。

Claims (8)

1.活塞，其特征在于，所述活塞设有燃烧室凹腔(26)和至少部分区段地围绕所述燃烧室凹腔(26)环绕的冷却通道(19)，其中，设置在所述燃烧室凹腔(26)和所述冷却通道(19)之间的第一壁(31)的平均的第一壁厚(w31)大于所述活塞(8)的活塞直径(d8)的5％。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述平均的第一壁厚(w31)为至少5毫米。

3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，设置在所述燃烧室凹腔(26)和所述活塞(8)的内部形状(33)之间的第二壁(32)的平均的第二壁厚(w32)大于所述活塞直径(d8)的5％。

4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述平均的第二壁厚(w32)为至少5毫米。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，设置在所述燃烧室凹腔(26)和所述冷却通道(19)之间的第一壁(31)的平均的第一壁厚(w31)大于所述活塞(8)的活塞直径(d8)的6％。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，设置在所述燃烧室凹腔(26)和所述冷却通道(19)之间的第一壁(31)的平均的第一壁厚(w31)大于所述活塞(8)的活塞直径(d8)的7％。

7.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，设置在所述燃烧室凹腔(26)和所述活塞(8)的内部形状(33)之间的第二壁(32)的平均的第二壁厚(w32)大于所述活塞直径(d8)的6％。

8.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，设置在所述燃烧室凹腔(26)和所述活塞(8)的内部形状(33)之间的第二壁(32)的平均的第二壁厚(w32)大于所述活塞直径(d8)的7％。

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