用于内燃发动机的冷却系统的制作方法

各个实施例涉及一种用于内燃发动机的冷却系统。

背景技术：

内燃发动机通常具有用于热管理的相关联的冷却系统以控制运转期间发动机和发动机组件的温度。例如，具有液体冷却剂的冷却系统可用于冷却发动机缸体和汽缸盖组件二者，同时也对其它车辆系统提供冷却剂。

技术实现要素：

根据实施例，提供一种用于内燃发动机的发动机冷却系统，所述内燃发动机以分流构造的方式限定缸盖冷却夹套和缸体冷却夹套。第一节温器被定位在缸体冷却夹套的出口处并被构造为控制通过其中的冷却剂流动。第二节温器被定位成接收来自第一节温器和缸盖冷却夹套的冷却剂。

根据另一实施例，提供一种冷却发动机的方法。响应于冷却剂温度低于第一阈值，关闭节温器组件中位于发动机的下游的第一节温器和第二节温器，使得冷却剂流动通过缸盖夹套和节温器组件而流动至泵，并使得缸盖夹套中的冷却剂夹带有从缸体夹套流动通过孔间冷却通道的冷却剂涓流，从而冷却孔间区域。

根据又一实施例，提供一种用于发动机冷却系统的节温器组件，所述节温器组件设置有壳体，所述壳体限定通过通道连接的入口室和混合室。缸体节温器由所述壳体支撑并被构造为选择性地关闭缸体夹套和入口室之间的端口。主节温器位于混合室中由所述壳体支撑并被构造为选择性地阻塞所述通道以控制通过散热器的流动。

附图说明

图1示出了被构造为实施所公开的实施例的内燃发动机的示意图；

图2示出了用于根据实施例的图1的发动机的冷却系统的示意图；

图3示出了用于图2的冷却系统的发动机的汽缸体的俯视透视图；

图4示出了图3的汽缸体和发动机的剖视图；

图5示出了图2的发动机和节温器组件的剖视图；

图6示出了图2的发动机和节温器组件的另一剖视图；

图7示出了用于图2的冷却系统的节温器壳体的前视透视图；以及

图8示出了图6的节温器壳体的后视透视图。

具体实施方式

根据需要，在此提供本公开的具体实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅为示例，并且可以以各种和替代的形式实现。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本公开的代表性基础。

图1示出了内燃发动机20的示意图。发动机20具有多个汽缸22，图中示出了一个汽缸。在一个示例中，发动机20具有直列布置的汽缸22，在进一步的示例中，汽缸22可以是连体的。发动机20具有与各个汽缸22相关联的燃烧室24。汽缸22由汽缸壁32和活塞34形成。活塞34连接到曲轴36。燃烧室24与进气歧管38和排气歧管40流体连通。进气门42控制从进气歧管38到燃烧室24的流动。排气门44控制从燃烧室24到排气歧管40的流动。进气门42和排气门44可以以本领域已知的各种方式操作以控制发动机的运转。

燃料喷射器46将燃料从燃料系统直接输送到燃烧室24中，因此发动机为直喷式发动机。发动机20可以使用低压或高压燃料喷射系统，或者在其它示例中可使用进气道喷射系统。点火系统包括火花塞48，其被控制为以火花的形式提供能量而点燃燃烧室24中的燃料空气混合物。在其它实施例中，可使用其它的燃料输送系统和点火系统或技术，包括压缩点火。

发动机20包括控制器和被配置为将信号提供给控制器用以控制输送至发动机的空气和燃料、点火正时、发动机输出的功率和扭矩等的各种传感器。发动机传感器可包括但不限于排气歧管40中的氧传感器、发动机冷却剂温度传感器、加速踏板位置传感器、发动机歧管压力(map)传感器、用于曲轴位置的发动机位置传感器、进气歧管38中的空气质量传感器、节气门位置传感器等。

在一些实施例中，发动机20被用作车辆(诸如传统车辆或启停车辆)中唯一的原动机。在其它实施例中，发动机可用于混合动力车辆，在混合动力车辆中，附加的原动机(诸如电机)可用于提供额外的动力以推进车辆。

每个汽缸22可在包括进气冲程、压缩冲程、点火冲程和排气冲程的四冲程循环下工作。在其它实施例中，发动机可在二冲程循环下工作。在进气冲程期间，进气门42打开且排气门44关闭，同时活塞34从汽缸22的顶部移动到汽缸22的底部，以将空气从进气歧管引入到燃烧室。活塞34在汽缸22的顶部的位置通常被称为上止点(tdc)。活塞34在汽缸的底部的位置通常被称为下止点(bdc)。

在压缩冲程期间，进气门42和排气门44关闭。活塞34从汽缸22的底部朝向顶部移动以压缩燃烧室24内的空气。

然后燃料被引入到燃烧室24中并被点燃。在示出的发动机20中，燃料被喷射到燃烧室24中，然后使用火花塞48被点燃。在其它示例中，可以使用压缩点火将燃料点燃。

在膨胀冲程期间，燃烧室24中被点燃的燃料空气混合物膨胀，从而使活塞34从汽缸22的顶部移动到汽缸22的底部。活塞34的运动使曲轴36产生相应运动，并使发动机20输出机械扭矩。

在排气冲程期间，进气门42保持关闭，排气门44打开。活塞34从汽缸22的底部移动到汽缸22的顶部，以通过减小燃烧室24的体积而将废气和燃烧产物从燃烧室24中除去。废气从燃烧汽缸22流动至排气歧管40和后处理系统(诸如催化转化器)。

对于各个发动机冲程，进气门42和排气门44的位置和正时以及燃料喷射正时和点火正时可改变。

发动机20包括冷却系统70以将热从发动机20中移除。下面将参照图2更详细地描述冷却系统70的实施例。冷却系统70可作为一个或更多个冷却回路被集成到发动机20中。冷却系统70可包含作为工作流体的液体冷却剂。冷却系统70中诸如水的冷却剂从高压区域流向低压区域。

冷却系统70具有一个或更多个泵74，还可包括一个或更多个阀、节温器等以控制冷却剂的流动或压力或引导冷却系统70内的冷却剂。冷却系统70还可包括诸如散热器76的多个热交换器，在热交换器中热从冷却剂传递到环境中，或者冷却剂用于冷却或加热其它发动机或车辆部件和/或工作流体。

汽缸体80中的冷却通道中的至少一些冷却通道可形成围绕并邻近于一个或更多个汽缸22和形成在邻近的汽缸22之间的孔桥的冷却夹套。类似地，汽缸盖82中的冷却通道中的至少一些冷却通道可邻近于一个或更多个燃烧室24和汽缸22、形成在燃烧室24之间的孔桥、排气门、排气门座以及其它组件。

汽缸盖82连接到汽缸体80以形成汽缸22和燃烧室24。缸盖垫片84置于汽缸体80和汽缸盖82之间以密封汽缸22。缸盖垫片84还可具有各种槽、孔或类似物以流体地连接汽缸体80和汽缸盖82中的冷却通道。

图2示出了用于根据实施例的图1的发动机(例如，冷却系统70)的冷却系统100的示意图。冷却系统100将冷却剂提供至发动机缸体102和汽缸盖104。冷却系统100还可将冷却剂提供至其它车辆部件、发动机部件或冷却系统部件，诸如废气再循环(egr)热交换器、涡轮增压器、用于涡轮增压器的中间冷却器热交换器、诸如用于车辆hvac系统的加热器的热交换器、发动机润滑剂热交换器、脱气瓶等。为了简便，将这些部件从示意图中省略。

冷却系统100具有泵106，泵106将加压的冷却剂提供至泵出口108。泵出口中的冷却剂以分流或并流构造的形式在缸体102和缸盖104之间分配或分离。泵出口108中的冷却通道可被集成为发动机(例如，发动机缸体102)的内部通道。在2015年6月1日提交的美国专利申请s/n14/726,759和2015年8月13日提交的美国专利申请s/n14/825,577中提供了使冷却剂流动到发动机中并在缸体和缸盖之间分流的泵和/或冷却通道的示例，其所公开的内容通过全文引用并入本文。

冷却剂在110处流动到用于缸体的冷却夹套中，并且冷却剂在112处流动到用于缸盖的冷却夹套中。

冷却系统100具有位于发动机的下游的两个节温器。第一节温器114在此称为缸体节温器。第二节温器116在此称为主节温器或散热器节温器。在一些示例中，节温器114、116可被设置为整体单元或被设置在如下所述的单个节温器壳体或组件中。

缸体节温器114具有接收来自缸体102冷却夹套的冷却剂的入口118。缸体节温器114具有将冷却剂提供到泵106上游的混合室或提供到泵入口122的出口120。例如，当节温器114打开或处于第一位置时，冷却剂从缸体102流动到泵入口122。当节温器114关闭或处于第二位置时，没有冷却剂流动穿过节温器114，使得来自缸体冷却夹套的冷却剂出口118被关闭或被阻塞。值得注意的是，即使当节温器114被关闭时，缸体102夹套也具有经由入口110的停滞的加压冷却剂。

主节温器116具有接收来自诸如散热器的热交换器126的冷却剂的入口124。节温器116还具有流体连接128。流体连接128与缸盖冷却夹套的出口130和热交换器的入口132流体连通。通过流体连接的流动根据节温器116的状态而改变。例如，当节温器116处于第一位置或打开时，通过管路124流动至节温器116的冷却剂流动被打开并且旁通路径被关闭，使得冷却剂从左至右从主节温器116流动通过管路128、与来自130处的缸盖夹套的冷却剂汇合、流动通过散热器126并通过管路124流至泵入口122。当节温器116关闭或处于第二位置时，它充当用于散热器的旁路，通过管路124的冷却剂流动被阻塞或关闭，使得没有冷却剂流动通过散热器126，并且来自130处的汽缸盖冷却夹套的冷却剂从右至左流动通过管路128并流到主节温器116中，并流至泵入口122。

缸盖104和缸体102的冷却夹套彼此流体流通。缸体102中的冷却剂流动通过缸体并经由通道118流至节温器114。缸体102冷却夹套中的冷却剂还可经由如下文所述的孔间冷却通道流动到缸盖104冷却夹套中。

缸盖104冷却夹套可包括一个或更多个冷却夹套，例如，上缸盖冷却夹套和下缸盖冷却夹套。缸盖中的冷却剂可流动通过缸盖104并在130处从缸盖流出。缸盖104中的冷却剂还可流回到通道170中通过缸体并流至节温器114、116。

每个节温器114、116可以是机械式节温器，例如，具有包含在设置温度或温度阈值时熔化或膨胀的石蜡元件或其它元件的密封室。当达到设置温度时，石蜡熔化并使所述室膨胀而操作杆或其它机械元件以移动阀盘并打开阀。石蜡元件的成分确定用于熔化和操作节温器的设置温度。在其它示例中，节温器可以是电控机构或其它机械式节温器。

两个节温器114、116被构造为在不同的操作温度下操作并打开。缸体节温器114具有比主节温器116低的操作温度或低的设置温度，使得缸体节温器相比于主节温器116在更低的冷却剂温度下打开。在一个示例中，缸体节温器114在大约70摄氏度时打开，主节温器在大约90摄氏度时打开。

传统的冷却系统通常被构造为冷却剂依次流过缸体和缸盖的串流构造或冷却剂分流并同时流过缸体和缸盖的并流构造。这些传统的系统对不同操作状态下的发动机的热管理和温度具有减弱的控制，例如，在发动机冷启动之后以及整个初始暖机阶段，传统的系统会引起不均匀的平台(deck)温度、尤其是孔间区域中产生热点、延长发动机和冷却剂的不均匀的加热时间以及导致较高的燃烧气体排放。

本公开提供缸体节温器114和主节温器116，两者均位于发动机的下游和泵入口的上游，如图2所示。

图3至图7示出了用于图2的冷却系统的发动机和冷却系统的各个部件。所示出的示例提供用于在初始发动机启动、暖机阶段和正常运转状况期间管理发动机缸体和汽缸盖部件的热梯度以及发动机及其部件的操作温度的流动回路。发动机、冷却系统和节温器组件能够使发动机具有基于发动机运转状态控制冷却剂的流动的分流、并行的冷却策略。

图3示出了用于冷却系统100的内燃发动机的发动机缸体102的俯视图。在一个示例中，发动机缸体102可用于图1的发动机20。虽然发动机汽缸体102被示出为具有沿着缸体102的纵向轴线以直列连体的构造布置的四个汽缸150，但其它实施例可以设想其它数量的汽缸150和汽缸布置。

缸体102具有平台面(deckface)152、与进气口和进气门关联的进气侧156以及与汽缸排气和排气门关联的排气侧154。缸体102的平台面152被构造为与缸盖的相对应的平台面配合，缸盖垫片可位于它们之间以密封汽缸150。

发动机缸体102包括围绕汽缸缸套或汽缸壁的外围或外周的冷却夹套160。冷却剂从泵106流到缸体102中，并在缸体内分成在110处流至缸体冷却夹套160的冷却剂流动和在112处流至缸盖冷却夹套的冷却剂流动。

冷却夹套160包括可在例如铸造工艺期间、模制工艺期间或通过在成型之后对缸体102进行机加工而一体地形成在缸体内的多个冷却通道。冷却夹套160还包括位于相邻汽缸之间的孔间区域164中的孔间冷却通道162。孔间冷却通道162可设置为位于缸体平台面152中的敞口通道、槽或锯痕(sawcuts)。孔间冷却通道162可仅部分地延伸横跨孔间区域164且可连接到发动机的进气侧156和/或排气侧154。孔间冷却通道可以与位于发动机的进气侧156上的冷却夹套160流体连接，相比于发动机的排气侧154，发动机的进气侧156上的冷却夹套中的冷却剂可以处于较低的温度。

冷却剂通过冷却剂通道112流到缸盖冷却夹套中。冷却剂还可经由孔间冷却通道162流到缸盖中，如图2中示意性示出的。冷却剂还可经由通道170或返回通道从缸盖回流通过缸体并流至节温器116，如图2中示意性示出的。尽管缸体102被示出为具有两个通道170，但缸体还可被构造具有单个通道170或多个通道170。值得注意的是，虽然通道170和夹套160被定位成彼此邻近，但通道170与夹套160没有直接的不受控制的流体连接。

参照图4，示出了通过缸体102的孔间冷却通道162的流动。冷却剂流动通过缸体冷却夹套160并且流到示出为锯痕的孔间通道162。然后，冷却剂流动通过设置在缸盖垫片180中的孔182并流动到汽缸盖冷却夹套中。由于节温器114、116位于发动机的下游，因此当入口110在泵出口108和夹套160之间保持流体连接时，夹套160内的冷却剂往往被加压。如下文所述，根据节温器的状态，冷却剂可以是停滞的或流动通过夹套160。

图5示出了截取通过节温器壳体200的发动机的局部剖视图。节温器壳体200在排气侧154连接到缸体102和发动机，并支撑缸体节温器114和主节温器116两者。

缸体冷却夹套160中的冷却剂经由通道118流到节温器壳体200中。来自缸盖冷却夹套190的冷却剂经由通道170流到节温器壳体200中。

缸体节温器114被示出为处于关闭位置。随着冷却剂温度的增加，缸体节温器在其关联的设置温度下打开以使得阀盘220移动远离通道222，并且冷却剂从通道118流动穿过节温器114并流到壳体200的区域202或入口室202中，并流到旁路或泵管路122。

主节温器116邻近于缸体节温器114。图6中示出主节温器116处于关闭位置，在关闭位置中区域202内的冷却剂可通过通道204流到混合室224中并流到旁路或泵管路122。在关闭位置中，至散热器的管路128中的一条管路与室202保持恒定的流体连通，同时如图所示主节温器116的阀盘226关闭或阻塞管路124。当冷却剂温度已经增加到主节温器116的设置温度时，主节温器116操作使得阀盘226关闭通道204，从而迫使区域202中的冷却剂流动通过管路128并流至散热器126，然后回流通过返回管路124和混合室224，并经由管路122流至泵。

值得注意的是，管路206是可连接到加热器或用于其它车辆、发动机或冷却系统部件的辅助管路。

图7至图8示出了包括用于冷却系统100的多个流体连接的节温器壳体200或节温器组件200的透视图。节温器壳体200具有安装凸缘210以将节温器壳体与发动机缸体102上的冷却通道连接并密封节温器壳体。值得注意的是，安装凸缘保持通过流体连接118、170流动至壳体200的分开的流动。

壳体200还在壳体内设置混合室224以在来自汽缸体和汽缸盖的冷却剂流动流至泵或经由散热器流至泵之前将它们进行混合。混合室224还作为围绕主节温器116的腔室。

节温器114、116均被容纳在单个壳体200中，壳体200包括旁路以及接收来自缸盖104、缸体102、散热器126和其它冷却系统部件或流体回路的冷却剂的混合室224。

在处于低冷却剂温度或冷却剂温度低于第一阈值(t1)的发动机冷启动期间，操作冷却系统100使得冷却剂仅流动通过缸盖冷却夹套190，其中有微小的冷却剂流动通过孔桥冷却通道162。这允许冷却具有排气通道的缸盖104，同时允许缸体102的温度和冷却剂温度朝着它们的操作温度增加。关闭节温器114、116两者使得冷却剂从泵106流动通过缸盖104而流至通道170和室202、224，并通过节温器旁路或泵管路122回流到泵106，以允许发动机更快地暖机。冷却剂还可经由通道128从缸盖夹套190流到节温器组件200的室202中。在这种冷启动冷却过程期间，基于从缸体夹套160中的高压停滞的冷却剂至缸盖夹套190中的低压冷却剂的流动，冷却系统100允许孔桥通道162中存在并穿过缸体102的孔桥164的少量冷却剂流动或涓流。关闭的节温器114防止大量冷却剂流动通过缸体夹套160。冷却系统100中关闭的节温器116防止在冷启动期间冷却剂流动通过散热器126和诸如油冷却器的其它部件。

基于夹套160、190之间的压差，缸盖夹套190中流动的冷却剂夹带有通道162内的冷却剂使涓流穿过孔桥并通过孔桥冷却通道162。值得注意的是，虽然设置涓流穿过孔桥用于冷却，但缸体夹套160中的冷却剂具有足够的停滞的大量流以允许缸体102和冷却剂温度增加。

在处于中等冷却剂温度下(或者，其中冷却剂温度大于第一阈值(t1)且小于第二阈值(t2))的中间状态或暖热状态期间，操作冷却系统100使得冷却剂仅流动通过缸盖冷却夹套190和缸体冷却夹套160。这允许对缸盖104和缸体102进行冷却，同时允许冷却剂温度继续朝其操作温度增加。缸体节温器114打开，而主节温器116保持关闭。冷却剂从泵106流动通过缸盖104和缸盖夹套190、缸体102和缸体夹套160并流至节温器壳体中的室202，然后通过通道204流至混合室224，接着流至液体管路122并返回到泵106。冷却剂还可经由流体连接128流到节温器组件200的室202中。冷却系统100的关闭的节温器116防止在暖热状态期间冷却剂流动通过散热器126和诸如油冷却器的其它部件，以允许冷却剂温度继续升高。

在处于高的或正常的冷却剂温度下(或者，其中冷却剂温度大于第二阈值(t2))的热状态期间，操作冷却系统100使得冷却剂流动通过缸盖冷却夹套190和缸体冷却夹套160，并流至散热器126。这允许对缸盖104和缸体102进行冷却，同时还通过散热器126中的热传递来控制冷却剂温度。缸体节温器114和主节温器116打开。冷却剂从泵106流动通过缸盖104、缸盖夹套190、缸体102和缸体夹套160而流至节温器壳体中的室202，然后通过管路128流至散热器126，接着通过线路124从散热器126返回到节温器壳体200并流到混合室224中，最后流至液体管路122并流至泵106。值得注意的是，节温器116关闭通道204。

下面的表格总结了用于冷却系统100的操作状态。

相比于传统的串流或并流的发动机，冷却系统100和对发动机和缸体受控的加热可减少发动机暖机时间。包含节温器114、116两者的单个节温器壳体200允许在冷却剂流动之间的混合室224，并提高密封、减少冷却剂泄漏问题并减小与部件相关联的封装空间和成本。

通过将缸体节温器114和主节温器116定位在发动机的下游，在冷启动期间，可控制流动以在缸体102中提供加压的停滞流，并流动通过缸盖104，并且提供连续的冷却剂涓流或少量冷却剂流流动通过孔桥通道162并流至缸盖，以对孔桥164进行热管理并防止或减少缸体中的热点。

例如，在诸如冷启动且伴随有后续发动机暖机的发动机启动期间，用于发动机的传统的冷却剂流动策略不会允许缸体与汽缸盖一样快地暖热。在缸体中，孔桥还可以比周围的汽缸孔壁更快地暖热，从而造成形成热点、相关联的缸孔变形和缸盖垫片问题。缸体平台面的热梯度还具有位于孔间桥区域中的热集中。

根据本公开的冷却系统使用孔桥冷却策略(从缸体流动至缸盖)利用分流冷却构造来冷却发动机上的孔桥以管理热梯度，其中，使流动通过汽缸体的冷却剂停止或保持停滞以快速暖机。由于即使当流动通过发动机缸体的大量冷却剂被停止或停滞时在孔桥中也存在连续的冷却，因此这种孔桥冷却策略能够延长用于发动机缸体的分流冷却持续时间。独特的穿过孔间桥的恒定或连续的流动还允许对汽缸体更快加热。这种孔间通道允许在不削弱孔桥结构并不损坏缸盖垫片密封的情况下来控制孔桥金属温度。

当使用位于缸体出口处的节温器114使缸体水套中的流动停止时，缸体孔间桥中的孔间冷却通道或锯痕允许连续的冷却剂流动。

虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本公开的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且可以理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。此外，各个实施的实施例的特征可以组合以形成本公开的进一步的实施例。