汽缸盖组件、汽缸盖以及方法与流程

本发明总体上涉及内燃机中的汽缸盖组件，并且更具体地涉及具有适于改善散热的点火器安装结构的汽缸盖。

背景技术

内燃机是众所周知的并被广泛用于车辆推进、在不可胜数的机器中产生旋转动力，以及产生电力。根据众所周知的原理，内燃机中一个或多个汽缸内的可燃燃料和空气的燃烧产生快速增加的压力来驱动旋转曲轴的活塞。燃烧燃料和空气会产生热量并增加发动机部件的温度，使得在几乎所有应用中都需要进行某些形式的主动冷却。

大多数现代内燃机包括其中形成有汽缸的汽缸体，以及包括进气和排气导管、阀以及常用燃料输送装置的汽缸盖。根据发动机的类型，汽缸盖中还支撑着点火器，诸如火花塞或预燃室点火装置。汽缸盖的内部几何形状可以相对复杂，从而容纳用于输送冷却流体穿过汽缸盖以散发燃烧热量的多个冷却剂通道。

多年来为了尝试优化冷却效果，已经以多种不同的方式变化了汽缸盖的几何形状、材料、部件定位、部件类型，以及其他特性。在内燃机或部件未被充分冷却的情况下，会发生开裂、热疲劳、运动零件咬死或甚至材料熔化等性质的各种问题。冷却效率不足也会限制发动机运行的方式。由于发动机中的散热能力可能与每个燃烧循环中可燃烧的燃料量有关，所以总发动机功率输出可能至少在一般意义上受到发动机散热能力的限制。点火定时的精度和控制也可能受到冷却效果的影响。发动机部件中暴露于燃烧热的过热点可能导致点火的定时或点火的方式与预期不同。earl等人的美国专利第2,716,970号涉及一种用于引导内燃机的汽缸盖中的水的装置(ameansfordirectingwaterinthecylinderheadofaninternalcombustionengine)。earl等人提出了一种设计，该设计提供了一种含有特殊形状孔口的水分布器，来将冷却剂引导到汽缸密封壁的顶层表面，这显然增加了顶层关键区域的冷却剂流中的湍流并最终限制了石灰沉积物。

技术实现要素：

在一个方面中，用于内燃机的汽缸盖组件包括汽缸盖，其具有上汽缸盖表面，以及与上汽缸盖表面相对的燃烧侧表面。在汽缸盖中形成有多个气体交换导管，多个气体交换导管连接到位于燃烧侧表面中的多个气体交换开口。该汽缸盖进一步包括形成点火器孔的内汽缸盖表面，该点火器孔限定中心轴线并且在邻近上汽缸盖表面定位的第一点火器孔端和邻近燃烧侧表面定位的第二点火器孔端之间延伸。该汽缸盖进一步包括点火器安装件，其具有形成燃烧侧表面的一部分的下轴向端以及上轴向端，并且轴向地向上延伸到点火器孔中。汽缸盖组件进一步包括至少部分地定位在点火器孔内的套筒，该套筒包括在径向向内的位置处邻接点火器安装件的上轴向端的内套筒表面，以及在径向向外的位置处邻接内汽缸盖表面的外套筒表面。该套筒和汽缸盖一起形成点火器冷却通道，其围绕点火器安装件圆周地延伸，并在套筒和汽缸盖之间轴向地延伸，以引导冷却剂围绕点火器安装件流动。

在另一个方面中，用于内燃机的汽缸盖组件包括具有上汽缸盖表面，以及与上汽缸盖表面相对的燃烧侧表面的一体式主体。在一体式主体中形成有多个气体交换导管，多个气体交换导管连接到位于燃烧侧表面中的多个气体交换开口。该一体式主体进一步包括形成点火器孔的内汽缸盖表面，该点火器孔限定中心轴线并且在邻近上汽缸盖表面定位的第一点火器孔端和邻近燃烧侧表面定位的第二点火器孔端之间延伸。该一体式主体进一步包括点火器安装件，其具有形成燃烧侧表面的一部分的下轴向端以及上轴向端，并且轴向地向上延伸到点火器孔中。该点火器安装件进一步包括用于安装点火器的内安装表面，以及构造成邻接至少部分位于点火器孔内的套筒的外安装表面。外安装表面围绕中心轴线圆周地延伸并且与内汽缸盖表面间隔开。在一体式主体中进一步形成有环形沟槽，其围绕点火器安装件圆周地延伸并且在外安装表面和汽缸盖内表面之间径向地延伸，以形成点火器冷却通道的底板，用于引导冷却剂围绕点火器安装件流动。

在又另一个方面中，一种制造用于内燃机的汽缸盖组件的方法包括形成限定中心轴线并且在一体式主体中的上汽缸盖表面和燃烧侧表面之间延伸的点火器孔，使得该点火器孔在燃烧侧表面处开口。该方法进一步包括在点火器孔内加工一体式主体，从而形成点火器安装件，其具有形成燃烧侧表面的一部分的下轴向端以及上轴向端，并且向上延伸到点火器孔中。该方法进一步包括将套筒至少部分地定位在点火器孔内，使得内套筒表面在径向向内的位置处邻接点火器安装件的上轴向端，并且外套筒表面在径向向外的位置处邻接内汽缸盖表面。该方法还进一步包括形成点火器冷却通道，其围绕点火器安装件圆周地延伸，并通过套筒在点火器孔内的定位在套筒和汽缸盖之间轴向地延伸。

附图说明

图1是根据一个实施例的内燃机的部分侧剖视图解图；

图2是根据一个实施例的穿过汽缸盖组件的透视的剖视图；

图3是穿过图2的汽缸盖组件的一部分的剖视图；

图4是根据一个实施例的在加工阶段穿过汽缸盖的剖视图；

图5是根据一个实施例的在另一个加工阶段穿过汽缸盖的剖视图；

图6是根据一个实施例的穿过与套筒联接以形成汽缸盖组件的汽缸盖的一部分的侧剖视图解图；并且

图7是类似于图6的示出了安装在汽缸盖组件中的点火器的部分侧剖视图解图。

具体实施方式

参照图1，示出了根据一个实施例的内燃机10，并且包括汽缸体12，汽缸体12中形成有多个汽缸14。多个活塞16每个定位在每一个汽缸14内，并且以常规方式与曲轴18联接。内燃机10(在下文中称为“发动机10”)可以包括以任何合适的配置布置的任何数量的汽缸。发动机10进一步包括定位在汽缸体12上并且夹固到汽缸体12上的汽缸盖组件22，其中缸盖衬垫20位于汽缸盖组件22和汽缸体12之间。在一个实施方式中，汽缸盖组件22是多个类似或相同汽缸盖组件中的一个，每个与汽缸14中的一个相联。缸盖衬垫20可以包括构造成围绕多个汽缸进行密封的单缸盖衬垫，或者各自与汽缸14中的一个相联的多个单独的缸盖衬垫。本文中以单数形式对汽缸盖组件22或缸盖衬垫20或任何其他部件进行的描述应当理解为相似地指代发动机10的其他类似或相同的特征。汽缸盖组件22包括汽缸盖24，其可以形成为具有上汽缸盖表面26和与上汽缸盖表面24相对的燃烧侧表面28的一体式主体25。在实际实施策略中一体式主体25包括一体式铸件，尽管可以设想其中一体式主体25包括锻件或由多块件形成的实施例。术语汽缸盖24和一体式主体25在本文中可互换使用，并且除非另有说明或从情形中显而易见，否则应将一者的使用理解为指另一者。如在本文进一步讨论的，汽缸盖组件22独特地配置成用于散热并且改善了在发动机10运行期间的早燃抗性。

在汽缸盖24中进一步形成有多个气体交换导管30和32，分别连接到位于燃烧侧表面28中的多个气体交换开口34和36。气体交换导管30可以包括进气导管，并且气体交换导管32可以包括排气导管，但是本发明不限于此。进气门和排气门(未示出)可定位在汽缸盖24内并可移动以交替地打开和关闭气体交换开口34或36。在一些实施例中，阀门座插入件(未示出)可以定位在气体交换开口34或36内，以及汽缸盖24内的阀套筒内以接收进气门和排气门。应当理解，本文不旨在限制阀类型、阀位置、阀冷却或阀操作。例如，在其他实施例中，多个进气门和/或多个排气门可以与每个汽缸14相联。

汽缸盖24进一步包括形成限定中心轴线42的点火器孔40的内汽缸盖表面38。点火器孔40的位置可以大致位于汽缸14的中心，但是本发明不限于此。点火器孔40在位于邻近上汽缸盖表面26的第一点火器孔端44和位于邻近燃烧侧表面28的第二点火器孔端部46之间延伸。内汽缸盖表面38可以进一步限定与第一冷却剂端口56和第二冷却剂端口58流体连接的冷却剂导管54。端口56和58中的任一个可以是入口或出口，或者端口56和端口58可以都是入口或都是出口。冷却剂端口56或冷却剂端口58中的至少一个可构造成在汽缸体12和汽缸盖24之间输送冷却剂流。还应当理解，在其他实施例中可以采用在相邻汽缸盖组件22之间，或与发动机冷却剂系统的其他零件之间的可能的其他发动机冷却液连接，并且本发明不旨在限于任何特定的冷却液管路设计或配置。多个冷却剂导管也可以设置在汽缸盖24内并穿过汽缸盖24，并且每个都与不同的冷却剂回路相联。因此，内汽缸盖表面38可以包括在汽缸盖24内形成多个冷却剂导管的多个内汽缸盖表面。

汽缸盖24进一步包括构造成用于安装点火器的点火器安装件52。点火器62示出为安装在汽缸盖组件22内，如图1中右侧上所示。点火器62应理解为至少部分地定位在对应的汽缸盖组件的点火器孔(未编号)内，并定位成使得点火器尖端64位于对应的汽缸14内。点火器安装件52可以整体地形成在一体式主体或铸件25中。在点火器尖端64中形成多个出口66并构造成连通汽缸14和点火器62内的腔室100。在一个实施方式中，点火器62包括火花点火装置，其中腔室100包括其中具有火花隙102的火花室。在运行发动机10期间，可以在火花隙102处产生火花，并且火花通过出口66传送到汽缸14，或者可选地点燃腔室100内的燃料和空气的混合物。设想了这样的实施例，其中点火器62包括供应有燃料的预燃室点火装置，使得燃料和空气的混合物通过火花隙102处产生的火花点燃，并且从出口66将燃烧引发的气体的气流输送到相联的汽缸14中。在其他实施方式中，点火器62包括预燃室点火装置，其不单独供应燃料而是从相联的汽缸接收用于预燃室燃烧的燃料。点火器62也可以包括具有直接位于相联汽缸内的火花隙的火花塞。发动机10可以配备有燃料输送装置，诸如定位成延伸到气体交换导管30中的燃料喷射器，或者在其他情况下，诸如气体燃料等燃料可以供应到汽缸盖组件22上游位置处的进气流中。应当理解，在本发明的上下文中，对于燃料类型或发动机10的燃料供给方式没有特别的限制，并且设想了对气体燃料发动机、液体燃料发动机、直接喷射发动机、端口喷射发动机和其他发动机的应用。

现在还参照图2和图3，点火器安装件52可以包括形成燃烧侧表面28的一部分的下轴向端70和上轴向端72。从图中可以看出，点火器安装件52可以轴向向上延伸到点火器孔40中。汽缸盖组件22进一步包括至少部分位于点火器孔40内的套筒60。套筒60包括邻接点火器安装件52的上轴向端72的内套筒表面74，以形成通常为环形的密封75。套筒60进一步包括在径向向外位置处邻接内汽缸盖表面38的外套筒表面76，以形成至少部分为环形的另一密封77。从图3中可以看出，点火器安装件52形成第二点火器孔端44。如图1中的点火器可以安装在第二点火器孔端46内，使得点火器轴向向上延伸到套筒60和点火器孔40中。在一个实施方式中，内套筒表面74面向径向向内的方向，并且点火器安装件52包括面向径向向外的方向的外安装表面82。套筒60具有邻接内汽缸盖表面38的肩部79。在所示实施例中，内汽缸盖表面38形成另一个肩部81，其被肩部79邻接，使得密封77包括轴向密封。每个肩部79和肩部81可以是环形的或至少部分环形的。密封75可以包括由过盈配合套筒60与点火器安装件52形成的径向密封，然而本发明也不限于该方面。此外应当理解，虽然密封75通常将完全围绕中心轴线42，但密封77可以不是完全围绕中心轴线42的，而是可以是不连续的，从而形成冷却剂出口97和/或可能的冷却剂入口。冷却剂出口97与冷却剂入口99一起使得能够引导冷却剂流穿过点火器冷却通道78，其围绕点火器安装件52圆周地延伸并在套筒60与汽缸盖24之间轴向地延伸，其细节将进一步从以下描述中变得清楚。冷却剂出口97和冷却剂入口99可以通过任何合适的管路配置与冷却剂导管54流体地连接。在实际的实施方式中，冷却剂出口97可以围绕中心轴线41布置成与冷却剂入口99成大约180度，该布置有助于在点火器安装件52周围获得均匀的冷却剂流。

从图3可以进一步看出，点火器安装件52包括向上突出的杆壁80，并且点火器冷却通道78围绕向上突出的杆壁80圆周地延伸。环形沟槽82围绕点火器安装件52圆周地延伸，在外安装表面82和内汽缸盖表面38之间径向地延伸，以形成点火器冷却通道78的底板85。外安装表面82与内汽缸盖表面38间隔开。进一步地，向上突出的杆壁80包括终端轴向端表面86，其暴露于套筒60的内部并且定位在从套筒60的轴向端表面87轴向向上的位置处。轴向端表面87具有环形形状，并围绕点火器安装件52圆周地延伸，使得轴向端表面87形成点火器冷却通道78的顶部88。在一个实施方式中，外安装表面82和内安装表面84中的每一个位于向上突出的杆壁80上。杆壁80可以具有在内安装表面84和外安装表面82之间的基本均匀的材料厚度或“径向厚度”92。径向厚度92从邻近环形沟槽82的第一轴向位置延伸到邻近杆壁80的终端轴向端86的第二轴向位置。在其他实施例中，径向厚度92可能是不均匀的。

如上所述，环形沟槽82在点火器安装件52的圆周。应当理解，本文使用的术语“沟槽”旨在包括可以理解为凹陷的结构表面特征。例如，壁邻接底板的结构不应理解为在邻接位置处包括沟槽。在所示实施例中，由汽缸盖24的材料形成的另一材料厚度或“轴向厚度”90在底板85和燃烧侧表面28之间轴向地延伸。轴向厚度90可以比在某些其他已知的汽缸盖设计中的厚度相对更薄，并且在绝对意义上也更薄，使得在许多情况下能够更有效地散热到循环穿过冷却剂通道78的冷却剂。径向厚度92也相对较薄并且使得能够至少主要将点火器安装件52内的点火器进行散热。在一个实施方式中，轴向厚度90可以是大约10毫米或更小，并且精确化可以是大约8毫米。对于相对较小的发动机这些尺寸可以按比例缩小，对于相对较大的发动机可以按比例放大。可以进一步注意，径向厚度92小于轴向厚度90，并且在一个实施例中，轴向厚度90可以是径向厚度92的大约两倍。内径尺寸94由点火器安装件52和外径尺寸96限定。轴向厚度90小于内径尺寸94和外径尺寸96中的每一个。从燃烧侧表面28延伸到终端轴向端86的点火器安装件52的轴向长度(未标号)可以大于外径尺寸96。进一步精确，内径尺寸94可以是轴向厚度90的大约两倍，并且外径尺寸96可以是轴向厚度90的大约三倍。

工业实用性

现在参考图4，示出了汽缸盖24，其可能在铸造之后出现，并且其中加工工具200位于点火器孔40内以形成第二点火器孔端46。应当理解，可以通过铸造形成第二点火器孔端46，但也可以在铸造后接受汽缸盖24接着进行原始加工。换句话说，铸件中的点火器孔40可能不会一直延伸穿过上汽缸盖表面26和燃烧侧表面28之间。在图4中所示的阶段，材料152围绕第二点火器孔端46，并且尚未塑造成用于本文设想的方式的点火器安装件的最佳形状。

现在也参考图5，示出了一体式主体25，在另一个加工工具300位于点火器孔40内以加工来去除材料152来形成环形沟槽82并产生适合于点火器安装件52的几何形状时，可能出现这个情况。应当理解，通常借助于工具300沿轴向方向移除材料152，来减小邻接燃烧侧表面的材料的厚度。现在参考图6，示出了与套筒60联接的汽缸盖24。套筒60与汽缸盖24过盈配合，诸如通过将套筒60过盈配合到点火器孔40中来将套筒60装配到点火器安装件52周围并与其接合。示出了诸如挤压机等工具400，其可以对套筒60和汽缸盖24施加线性力以提供期望的压配合力。可以理解，套筒60和汽缸盖24的过盈配合将如本文所设想的那样形成期望的密封，使得冷却剂通道78在汽缸盖24和套筒60之间延伸并且围绕点火器安装件52圆周地延伸。图中还示出了o形密封圈98，其围绕套筒60定位并在套筒60和汽缸盖24之间流体密封。

如上所述，用于汽缸盖组件的某些早期设计的散热量不足，而不能将早燃的风险降低至最低水平。在本发明中，点火器可以定位在第二点火器孔端46内并且与形成点火器安装件52的材料进行热传导接触。参照图7，示出了其中安装有点火器62的汽缸盖组件24。在操作结合了汽缸盖组件22的发动机期间，燃烧热可以传导到点火器中并且进入汽缸盖的燃烧侧表面中。根据本发明，外安装表面82形成点火器冷却通道78的润湿表面，使得直接的热传导路径在点火器和冷却剂流体之间延伸，而同时直接的热传导路径延伸穿过轴向位于通道78和燃烧侧表面28之间的材料。以这种方式提供的热传导模式可以有助于改善散热并从而降低热点火器尖端或燃烧侧表面中的过热点在不同于基于火花的产生的预期定时的定时时点燃燃料和空气的趋势。

本说明书仅用于说明的目的，而不应解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的完整和合理的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过研究附图和所附权利要求书，其他方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所用，冠词“一”(a)和“一个”(an)旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。在希望只指一个项目的情况中，是使用术语“一个”(one)或类似语言。而且，如本文所用，术语“具有”等旨在是开放性术语。进一步地，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。