内燃发动机的气缸盖的制作方法

各个实施例涉及发动机的气缸盖及其冷却。

背景技术：

在发动机运转期间，排气从气缸盖中的排气门经过气缸盖流动到发动机的各种排气系统。需要对气缸盖进行冷却，并且可设置具有流体冷却式发动机气缸盖设计的包含冷却剂的流体夹套系统。

技术实现要素：

在实施例中，一种发动机组件设置有气缸盖，所述气缸盖形成有桥接区域，所述桥接区域通过由气缸盖形成的排气通道、由气缸盖形成的废气再循环(egr)通道以及排气安装面界定。气缸盖限定有冷却夹套，所述冷却夹套具有从该冷却夹套延伸至桥接区域中的闭合端以冷却桥接区域的流体通道，所述流体通道的有效直径小于该流体通道的长度。

在另一实施例中，一种发动机设置有气缸盖，所述气缸盖具有桥接区域，所述桥接区域被排气面、与排气面相交的排气通道以及流体地连接到排气通道且与排气面相交的废气再循环(egr)通道围绕。气缸盖限定有具有腔的冷却夹套，所述腔从冷却夹套朝向缸盖台面延伸且延伸至桥接区域内的闭合端壁。

在又一实施例中，提供了一种用于冷却气缸盖的方法。将冷却剂从下夹套经由与气缸盖的排气面邻近的钻孔通道引导到上夹套。将上夹套中的冷却剂从钻孔通道的出口沿着肋分流至流体通道中，所述流体通道由从上夹套延伸至桥接区域内的端壁的腔提供，所述桥接区域由排气通道、废气再循环(egr)通道和排气面界定，所述端壁与下夹套邻近。将冷却剂从流体通道引导到由上夹套形成、邻近排气面且环绕egr通道的egr冷却通道中。

附图说明

图1示出了能够采用本公开的各个实施例的内燃发动机；

图2示出了用于图1的发动机的排气系统的示意图；

图3示出了根据实施例的气缸盖的透视图；

图4示出了用于图3的气缸盖内的排气通道的芯；

图5示出了用于上夹套和下夹套的芯以及用于图3的气缸盖的图4的芯的局部视图；

图6示出了用于图5的上夹套的芯的局部视图。

具体实施方式

根据需要，在此提供了本公开的详细的实施例；然而，应理解的是，公开的实施例仅为示例并且可以以多种可替代的形式实施。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此所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多种形式使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具有多个气缸22，并且一个气缸被示出。发动机20可具有任何数量的气缸，且气缸可以以各种构造布置。发动机20具有与各个气缸22相关联的燃烧室24。气缸22由气缸壁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中的流动。排气门44控制从燃烧室24到排气系统40或排气歧管的流动。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送入到燃烧室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包括控制器和各种传感器，这些传感器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、发动机输出的动力和扭矩、排气系统等。发动机传感器可包括但不限于排气系统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、针对曲轴位置的发动机位置传感器、进气歧管38中的质量型空气流量传感器、节气门位置传感器、排气系统40中的废气温度传感器等。

在一些实施例中，发动机20被用作车辆(诸如传统车辆或启动-停止车辆)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。

每个气缸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运转。在其它实施例中，发动机可在二冲程循环下运转。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从气缸22的顶部运动到气缸22的底部，以将空气从进气歧管引入到燃烧室。活塞34在气缸22的顶部的位置通常被称为上止点(tdc)。活塞34在气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从气缸22的底部朝着顶部运动以压缩燃烧室24内的空气。

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从气缸22的顶部运动到气缸22的底部。活塞34的运动使曲轴36产生相应的运动，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从气缸22的底部运动到气缸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中排出。废气从燃烧气缸22流动至如下所述的排气系统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具有彼此配合以形成燃烧室24的气缸体70和气缸盖72。可在气缸体70和气缸盖72之间布置气缸盖垫(未示出)来密封燃烧室24。气缸体70具有缸体台面，该缸体台面沿着分隔线74与气缸盖72的缸盖台面对应和配合。

发动机20包括流体系统80。在一个示例中，流体系统是用于从发动机20去除热的冷却系统。在另一示例中，流体系统80是用于润滑发动机部件的润滑系统。

对于冷却系统80，从发动机20去除的热的量可由冷却系统控制器、发动机控制器、一个或更多个恒温器等控制。系统80可集成到发动机20中作为发动机中的通过铸造、机加工或以其他方式成形的一个或更多个冷却夹套。系统80具有一个或更多个冷却回路，这些冷却回路可包含乙二醇/水防冻剂混合物、其他水基流体或其他冷却剂作为工作流体。在一个示例中，冷却回路具有位于气缸体70中的第一冷却夹套84和位于气缸盖72中的第二冷却夹套86，冷却夹套84和86彼此流体连通。在另一示例中，冷却夹套86被单独控制且与冷却夹套84分离。气缸体70和气缸盖72可具有另外的冷却夹套。在一个示例中，气缸盖72可具有大体上布置在缸盖台面与上冷却夹套之间的下冷却夹套。冷却回路80和夹套84、86中的冷却剂从高压区域流向低压区域。

流体系统80具有一个或更多个泵88。在冷却系统80中，泵88将冷却回路中的流体提供至气缸体70中的流体通道然后提供至气缸盖72。冷却系统80还可包括阀或恒温器(未示出)以控制系统80内的冷却剂的流动或压力或引导系统80内的冷却剂。气缸体70中的冷却通道可与燃烧室24和气缸22中的一个或更多个邻近。类似地，气缸盖72中的冷却通道可与燃烧室24和排气门44的排气口中的一个或更多个邻近。流体从气缸盖72流出发动机20到达换热器90(诸如散热器)，在换热器90中热从冷却剂传递到环境。

图2示出了根据示例的发动机的示意图，并可使用以上参照图1描述的发动机20。进气在入口100处进入进气歧管38。然后进气被引导通过空气滤清器102。

在一些示例中，发动机20可设置有强制进气装置(诸如涡轮增压器或机械增压器)，以增大进气的压力，从而增大平均有效压力而使发动机功率输出增加。示出的发动机20具有涡轮增压器104；然而，发动机20的其他示例是自然吸气的。涡轮增压器104可以是包括一个或更多个涡轮增压器、机械增压器等的任何合适的涡轮机械装置。进气被涡轮增压器104的压缩机部106压缩，然后在压缩过程之后进气可流经中冷器108或其他换热器，以降低进气的温度。

进气流动由节气门110控制。可以使用发动机控制单元电子地控制、机械地控制或以其他方式致动或控制节气门110。进气流经发动机20的进气侧112处的进气歧管。然后进气与燃料混合并与燃料起反应以使曲轴旋转并使发动机20提供功率。

发动机排气从排气门和排气口流动通过气缸盖中的排气通道，并流动到发动机20的排气侧114处的排气歧管。在本示例中，气缸盖可提供整体式排气，其中例如使用铸造工艺使排气歧管的至少一部分作为一体式通道并入到发动机气缸盖中。排气通道与气缸盖的处于排气侧114的排气面相交。

排气系统40中的废气的一部分在116处可发生分流而进入废气再循环(egr)回路118。egr回路118中的egr气体可被引导通过egr冷却器120或换热器以降低egr气体的温度。在116处的废气的温度可高达1000摄氏度。在发动机20中，egr分支可并入到发动机20的气缸盖中的通道内。

可使用现有的发动机系统中的流体(例如，发动机冷却剂、油或润滑剂等)来冷却换热器120中的egr气体。或者，可使用环境空气来冷却egr冷却器。在进一步的示例中，egr冷却器120是车辆内独立的系统的一部分，通过该系统内的独立的流体来冷却egr气体。

在egr系统118内可设置阀122以控制egr气体到进气歧管38的流动。可使用发动机控制单元或车辆内的其他控制器来控制阀122。回路118中的egr气体被混合在发动机20的进气歧管38中的进气内。egr气体可被冷却至目标温度或预定温度，以与进气混合。在一个示例中，虽然egr气体被冷却至大约150摄氏度，但是也可考虑其他温度。

在发动机20中使用egr可通过在燃烧期间降低峰值温度而减少发动机20的排放，例如，egr可减少nox。egr还可增大发动机20的效率，进而提高燃料经济性。

在116处未被分流用于egr的其余废气继续通过排气系统40的部件。如果发动机20具有涡轮增压器，则废气流经装置104的涡轮部130。装置104可具有与压缩机106和/或涡轮部130相关联的旁通机构或其他控制机构，以控制入口压力、发动机上的背压和发动机20的平均有效压力。然后废气被引导通过一个或更多个后处理装置132。后处理装置132的示例包括但不限于催化转化器、微粒过滤器、消声器等。

图3示出了诸如气缸盖150的发动机部件。气缸盖150可用于如图1和图2所示的发动机20。如所示出的气缸盖150被构造用于具有废气再循环的直列式发动机、火花点火式发动机、涡轮增压发动机。气缸盖150可被重新构造用于其他发动机，例如，自然吸气发动机或具有其他数量的气缸的发动机，而这仍然在本公开的精神和范围内。气缸盖150可由多种材料形成，包括铁和铁合金、铝和铝合金、其他金属合金、复合材料等。在一个示例中，气缸盖150由铝或铝合金铸造而成，并使用各种模具、砂芯和/或失芯来在气缸盖内提供各种气体和流体通道。此外，可在铸造工艺之后通过各种机加工工艺(例如，通过钻孔)在气缸盖内形成通道。

气缸盖具有与图1的分隔线74对应的台面152或台侧，该台面152或台侧被构造成与气缸盖垫和对应的气缸体的台面配合以形成发动机缸体。与台面152相对的是顶面、侧面或表面154。气缸盖的第一侧156提供用于外部排气歧管的安装特征，并与图2中的元件114对应。另一侧(未示出)与排气面156相对，提供用于发动机的进气歧管的安装特征，并与元件112对应。气缸盖150还具有相对的第一端158和第二端160。虽然示出了面大体上彼此垂直，但是其他方位也是可行的，并且这些面可相对于彼此不同地定位，以形成气缸盖150。

气缸盖150的排气侧156具有排气安装面170，该排气安装面170用于将废气引导到涡轮增压器、后处理装置等的外部排气歧管或其他排气管道。在一个示例中，涡轮增压器自身被安装到安装面170。虽然所示出的气缸盖150具有带有三个排气口172的整体式排气，但是可考虑来自气缸盖150的任意数量的排气口。

气缸盖150的排气侧156还具有安装面176，该安装面176用于egr冷却器120或将egr气体引导至egr冷却器的管道。安装面176限定egr口178。egr气体从气缸盖150内的废气流中分流出来。示出的安装面170和176共面并且是连续的表面。

气缸盖150具有(例如)在铸造或成型工艺期间形成在气缸盖150中并被集成到气缸盖150中的流体夹套。流体夹套可以是如在此所描述的冷却剂流过其中的冷却夹套。

在所示出的气缸盖150中，在气缸盖150内有两个冷却夹套。示出了入口或出口180用于上冷却夹套182。还示出了入口或出口184用于下冷却夹套186。冷却夹套182和186可在气缸盖150内彼此流体连通，如下所述。在其他示例中，气缸盖150可仅具有单个冷却夹套，或者可具有多于两个的冷却夹套。

气缸盖150具有可与发动机的纵向轴线对应的纵向轴线190、横向轴线192以及竖直或法向轴线194。法向轴线194可以或者可以不与气缸盖150上的重力对齐。

图4示出了用于形成气缸盖150内的排气通道的芯200。芯200表示气缸盖150内的通道的负视图(negativeview)，并可表示在气缸盖150的铸造工艺中使用的砂芯或失芯的形状。芯200为气缸盖150提供整体式排气。虚线202表示用于排气和egr流动的安装面170和176。

芯200具有三个排气通道204、206和208。如图中所示，来自一个或多个气缸的废气可通过流道或子通道被引导至排气通道。每个排气通道均在各自的气缸和安装面170上的各自的排气口之间提供流体连接。

排气通道204将发动机的气缸i流体地连接到图3中的右下口172，排气通道208将发动机的气缸iv流体地连接到图3中的左下口172，排气通道206将发动机的气缸ii和iii流体地连接到图3中的中上口172。每个排气通道204、206和208均与安装面170相交以形成各自的排气口，并且均与发动机的相应的至少一个气缸流体地连接。排气通道204、206和208内的废气流可在涡轮增压器或连接到安装面170的其他排气系统内汇合。多个排气通道204、206和208以及安装面170上的相关联的口可被设置用于脉冲地分离来自不同气缸的废气。

在气缸盖150内设置有egr通道220，且egr通道220流体地连接或结合到排气通道，诸如通道208。egr通道220可例如在沿着通道208的处于气缸内排气口和安装面170之间的位置处连接或流体地结合到通道208的中间区域。egr通道与安装面176相交以在气缸盖150上设置egr口178。egr通道220将排气通道208内的一部分废气引导或分流至egr口178以进行废气再循环。注意，在本实施例中，egr通道220仅从与气缸iv流体连通的一个通道208接收废气，因此对于这种发动机构造，发动机被限制为25％的废气再循环。

在气缸盖150中形成有桥接区域230。桥接区域230由气缸盖150的围绕排气通道的材料形成。桥接区域230由排气通道和安装面170和176界定或包围。桥接区域230沿一侧由安装面70和176界定。桥接区域230沿另一侧由egr通道220界定。桥接区域230沿其他侧由排气通道208界定。

在桥接区域230被排气通道208、220或者连接到安装面170、176的部件包围时，由于安装凸缘170、176被部件覆盖且不能为桥接区域230提供散热或冷却使得经由安装凸缘170、176对桥接区域230进行冷却是不可能的，所以在发动机运转期间桥接区域230会达到高温。桥接区域230类似于排气门桥，因为其在多个侧面上有排气流加热该区域。在一个示例中，在发动机运转期间，废气可以是1000摄氏度的数量级，气缸盖材料目标温度可以是250摄氏度。因此，需要对桥接区域230进行主动冷却，根据本公开的实施例在下文对此进行描述。在没有进行主动冷却的情况下，桥接区域230会由于从废气传递的热而过热，这会导致发动机关闭、发动机在运转期间功率降低或者气缸盖150的热失效。

图5示出了图4的排气芯200以及用于形成气缸盖的上冷却夹套182的第一芯250和用于形成气缸盖的下冷却夹套186的第二芯252的局部视图。图6示出了用于形成上冷却夹套182的芯250的局部透视图。芯250、252表示气缸盖150内的冷却剂通道的负视图，并可表示在气缸盖150的铸造工艺中使用的砂芯或失芯的形状。虚线254表示用于排气部件和egr部件的安装面170、176的位置。注意，示出的定位特征256用于上芯250，且该特征256用于在铸造工艺期间对芯进行定位，之后被插入加工完的气缸盖150中。对于下面的描述，将在通过各个芯形成在气缸盖150内的排气通道和冷却夹套182、186以及相关联的流体通道方面描述图5。

下冷却夹套186布置在气缸的台面与上冷却夹套182之间。下冷却夹套经由通道258流体地连接或结合到上冷却夹套。在一个示例中，通道258是在机加工或其他铸造后工艺期间设置的钻孔通道258。钻孔通道258提供从较高压力的下冷却夹套186到较低压力的上冷却夹套182的流体流动。上冷却夹套182流体地结合以经由钻孔通道258从下冷却夹套186接收冷却剂。钻孔通道258在安装面170旁边且邻近安装面170布置。在一个示例中，钻孔通道258与安装面170隔开的距离小于钻孔通道的两至三个直径。钻孔通道258布置在其中两个排气通道206、208之间以协助冷却排气通道206、208并在夹套182、186之间提供流体连接。如所示出的，可在排气通道204、206之间设置另一钻孔通道260，用于排气通道的冷却以及用于夹套的流体连接。

上冷却夹套182具有流体通道270，该流体通道270从夹套182延伸至桥接区域230中的闭合端272以冷却桥接区域。通道270由用于形成上冷却夹套182的芯250的指形元件形成。通道270还可称为腔。流体通道270从上冷却夹套182朝向气缸盖台面和下冷却夹套186延伸。流体通道270具有延伸至桥接区域230内的闭合端壁272的连续的侧壁274。因而，流体通道270被设置为盲通道或腔，其中流体连接仅沿着上冷却夹套182，使得端壁272不提供进出通道270的流体流动。端壁272可与下冷却夹套186邻近并与下冷却夹套186隔开。通道270不连接到下冷却夹套186以防止夹套182、186之间的交叉流动。在一个示例中，通道270具有等于或小于通道长度的有效直径，其中，通道270的长度被限定为上冷却夹套的邻近通道270的下表面与端壁272之间的距离。在一个示例中，端壁272延伸至桥接区域230的中央区域，使得端壁处于egr通道220的中央或越过egr通道220的中央。

在上冷却夹套182内设置有导流肋或分流肋(flowdiverterrib)280。肋280由气缸盖150的材料在围绕芯250进行铸造且填充于被识别为肋280的孔中时形成。肋280将冷却剂流引导、分流或转向至流体通道270中，以防止流体通道内流动停滞，并冷却桥接区域230。

肋280具有第一端282和第二端284。第一端282和第二端284通过诸如所示出的凹壁部286的壁连接。肋280的凹壁部286由芯250的凸面形成。肋280的相对的壁287也连接第一端282和第二端284，壁287可由芯250的凹面、凸面或其组合形成。交叉(crossover)通道288可经由芯250中的交叉肋设置，如所示出的。通道288可使冷却剂流动至处于肋280的“背侧”的冷却夹套区域289或邻近壁287的夹套，否则在那里肋280将阻挡冷却剂从钻孔直接流动至该区域。通道288至少允许小的或细的冷却剂流从钻孔跨过肋流动到区域289，以防止区域289中的低流动区、停滞流动区或尾流区，并且保持或增加气缸盖的邻近区域289的排气区域的冷却。交叉肋288还可为芯提供支撑和结构。

交叉通道288延伸通过或跨过肋280并在侧面286和287之间延伸以分割肋。交叉通道288可沿着肋280设置在多个位置或以多种角度设置，以控制流经通道288的量和流到通道270的量。交叉通道288还控制通过通道288的流动方向。在其他示例中，肋280可设置有一个以上的交叉通道或者不设置交叉通道。肋280延伸跨过夹套使得肋的周界被上冷却夹套包围，且肋280沿上表面和下表面与气缸盖150的基体材料(bulkmaterial)接合。

肋280的第一端282与钻孔通道258的进入上冷却夹套182的出口290邻近。肋280的第二端284与上冷却夹套182中的流体通道270的入口292邻近，以引导冷却剂进入流体通道270。

肋280的第二端284可布置在流体通道270的入口292处以将入口分成第一部分293或第一区域和第二部分294或第二区域。冷却剂沿肋280的壁286流动并经过第一部分293流入流体通道270中。基于高压冷却剂从钻孔通道258流入到上冷却夹套182中，流体形成进入通道270中的较高速度的射流或流动，然后向下流向端壁272。凹壁286的形状被设置为引导流体通过第一部分293流向且流入通道270。然后流体流在端壁272附近以涡流或漩涡方式冲击或循环，然后例如沿流体通道的另一侧在流体通道270中向上流动并流向第二部分294。冷却剂经由第二部分294离开流体通道270而流到上冷却夹套182。

经由第二部分294离开流体通道270的冷却剂可直接流向由上冷却夹套182形成的egr冷却通道296。egr冷却通道296可由与安装面176邻近且环绕egr通道220的至少一部分的套筒形通道296形成。egr冷却通道296从流体通道270的第二部分294接收流体。另外，另一分流肋或元件298可使来自通道270的流体流在流向上冷却夹套182的其余部分之前引导到或流经egr冷却通道296。

在发动机运转时，废气从气缸流入排气通道。通道208中的一部分废气可分流至egr通道220中。通过egr通道220的egr气体的温度可高达1000摄氏度。热从排气通道208和通道220中的egr气体传递通过气缸盖150的桥接区域230的材料并传递到冷却通道270中的流体。热可主要经由传导和对流传递到冷却剂。

在冷却气缸盖150时，冷却剂经由泵被至少提供至下冷却夹套186以循环通过冷却剂系统。冷却剂从下冷却夹套186经由与气缸盖的排气面170、176邻近的钻孔通道258而被引导至上冷却夹套182，因为上冷却夹套182以比下冷却夹套186低的冷却剂压力操作。冷却剂从钻孔通道258的出口290沿着肋280的壁286在上冷却夹套182中被引导并流入到流体通道270或腔中。肋280的第二端284邻近流体通道270的入口292布置，以将流体通道划分成第一区域293和第二区域294。流体沿着肋的壁286流动，流经第一区域293并流入流体通道270。流体通道270或腔从上冷却夹套182延伸至桥接区域230内的端壁272，而该端壁与下冷却夹套186邻近。

冷却剂通过流体通道270朝向端壁272被引导。流体通道270的长度可大于通道的平均有效直径。冷却剂具有与端壁272平行且邻近端壁的流动分量。冷却剂撞击端壁272或者在端壁附近循环或涡旋。然后冷却剂在通道270中远离端壁272流动，经由第二区域294离开流体通道270或腔或者从流体通道270或腔流出，然后回到上冷却夹套182。在一个示例中，如所示出的，冷却剂从流体通道270流入到由上冷却夹套182形成的egr冷却通道296中，而egr冷却通道296与排气面170、176邻近且环绕egr通道220，以在egr通道220附近冷却气缸盖150。

在一些示例中，可在流体通道270中设置附加的特征，以通过将热传递到通道270中的流体而增强桥接区域230的冷却。通道270可包括位于通道270的侧面和/或端壁上的一系列表面特征，以增大通道270的表面面积因而增强热传递。在多个示例中，表面特征可以是各种形状，或其他突起、凹入或其他轮廓，以增强热传递和/或控制通道270内的冷却剂流动特性。端壁272可具有特定的形状或表面，以增强通道中的冷却剂的漩涡或流动循环。表面特征可被设置为芯250的一部分，使得这些特征在气缸盖150被铸造、成型或以其他方式形成时形成在气缸盖150内。

在进一步的示例中，可在气缸盖150内设置一个或更多个层，以增强从桥接区域230到流体通道270的热传递。例如，可在流体通道270的侧壁274和/或端壁272上设置多个层。这些层可由导热系数较高的材料形成，以增强桥接区域230的材料与冷却通道270中的流体之间的热传递。

虽然上面描述了示例性实施例，但是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，在说明书中使用的词语是描述性的词语而非限制性的词语，并且应该理解的是，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组合以形成本公开的进一步的实施例。