专利名称：内燃发动机的汽缸盖及形成该类型汽缸盖的方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃发动机的汽缸盖，该内燃发动机具有至少一个汽缸和至少两 个气体交换通道，即至少一个用于通过至少一个进气口向至少一个汽缸供给新鲜空气 或新鲜混合气的进气通道和至少一个用于通过至少一个排气口从至少一个汽fe排出 燃烧气体的排气通道。此外，本发明还涉及形成这种类型的汽缸盖的方法。
背景技术：
通常，内燃发动机包括汽缸盖和汽缸体。汽缸体具有用于容纳活塞和汽缸简的相应数量的汽缸孔。活塞用于将由燃烧产生 的气体力传递至曲轴。为此，活塞通过连杆以铰接的方式连接到曲轴。汽缸盖通常用于在燃烧室侧容纳气体交换所需的控制元件。在四行程发动机中， 几乎完全使用提升阀来控制气体交换，该提升阀在内燃发动机运行期间执行振荡往复 运动，并以此开启和关闭进气口和排气口。在此，至少一个进气通道和至少一个排气 通道的至少一部分集成到汽缸盖中。为了驱动气门，需要气门驱动装置，根据现有技 术，该气门驱动装置也集成到汽缸盖中或设置在气门附近并因此位于汽缸盖附近。为了驱动气门，首先提供有气门弹簧装置，其次使用凸轮轴，以克服气门弹簧装 置的预应力开启气门。通常使用顶置凸轮轴来驱动顶置气门。使用顶置凸轮轴的优点在于，气门正时机 构的移动质量减小，特别是通过省略推杆，且气门正时机构较为刚性，即较少弹性。 顶置凸轮轴同样必须容纳于汽缸盖中，这通常通过设置轴承或轴承座来实现。通常， 在每种情况下，在排气侧和进气侧提供一个凸轮轴。上文阐明了汽缸盖的设计主要由气体交换所需的组件和元件决定和影响，这既需 要提供用于供给新鲜空气或新鲜混合气的气体交换通道，又需要提供用于将燃烧气体 排出的气体交换通道，以及控制气体交换所需的气门正时机构，该气门正时机构包括 气门和气门驱动装置。在此，特别需要考虑的是，通常，如果不是以刻意选择的进气口和排气口以及气 体交换通道的设置和配置作为目标，则所需的元件和组件并不以任何理想的方式设置 在汽缸盖中或汽缸盖上。气体交换通道的几何形状对气体运动有重大影响，并因此对 混合气形成有重大影响，特别是在直喷式内燃发动机的情况下。例如，被称为滚流(tumble)或漩流的现象的产生会加速并有助于混合气形成。与其轴平行于活塞和汽缸的纵轴延伸的表示空气涡流的涌流(swell)相比，滚流是围绕与曲轴的纵轴平行的假想轴运动的空气涡流。关于汽缸盖内和汽缸盖上极有限的安装空间的问题由于如下因素而加重内燃发 动机的现代设计提供每汽缸四个或五个气门，这需要或必须具有相应数量的汽缸开口 和气体交换通道。此外，在火花点火内燃发动机中，所需的点火装置以及特别是在直喷式内燃发动 机情况下的喷射装置设置在汽缸盖中。为此，不但需要提供所需的安装空间，而且， 为了最优化混合气形成和燃烧过程，通常以限定点火装置和喷射装置在燃烧室内并彼 此协调的设置为目标。因此，在直喷式内燃发动机中，如果目标是使燃料在整个燃烧室中尽可能地广泛 分布，那么与滚流反向的喷射是有利的。这需要相应地定位喷嘴。如果内燃发动机具有液体冷却系统，那么通常在汽缸盖中具有多个冷却剂通道， 这些冷却剂通道引导冷却剂通过汽缸盖。冷却剂通道的设置导致汽缸盖构造极其复杂 的结构。在此，首先由于冷却剂通道的引入，承受高机械负荷和热负荷的汽缸盖的强 度变弱。其次，不同于空气冷却的情况，在空气冷却中，为了散热，必须首先将热量 传导至汽缸盖表面。在此，该目的在于将冷却剂通道尽可能近地引导至汽缸盖中那些 承受高热负荷的区域，即在燃烧室附近的区域。由于与空气相比，液体具有高得多的热容量，因此，比起使用空气冷却系统的情 况，更多热量可以通过液体冷却系统耗散。如果考虑到发动机向着小型的、高进气发 动机发展，可以看出，在实际中液体冷却比空气冷却适用得多，因为高进气发动机的 热负荷大于常规内燃发动机。在此，作为包括多个关联的通道的系统的内燃发动机液体冷却系统以及汽缸盖内 部冷却剂套管的设计还必须考虑到冷却剂流的方面。例如，必须确保避免冷却剂蒸发 因而形成气泡，并确保在内燃发动机的安装后的状态中的冷却剂通道的通风。为了将汽缸盖连接到汽缸体，在汽缸盖和汽缸体两者中提供孔，孔相互对齐以使 汽缸体和汽缸盖相互排列以进行装配。为了实现燃烧室的可靠密封，通常在汽缸体和 汽缸盖中提供密封垫。汽缸盖通过螺栓连接到汽缸体，该螺栓拧到汽缸盖和汽缸体的孔中。根据现有技 术，在每种情况下，四个孔和四个螺栓均匀排列在一个汽缸孔附近；孔位于两个汽缸 孔之间，即位于内侧的孔在每种情况下分配到两个汽缸孔。上述个别的需求来自于各个组件和他们相互间的作用，并不能彼此孤立考虑，因 此> 可能因为汽缸盖孔和螺栓的排列不允许，而不能例如相对于混合气形成和气体进 气实现气体交换通道的最优化。此外，必须特别确保气门、点火装置和喷射装置适用 于装配目的。由于根据现有技术，通常汽缸盖是铸件，因此，在设计和制造期间还必须考虑铸造技术的方面。例如，形成汽缸盖的单个壁的壁厚只能稍微变化且不能突然变化。需 要避免锐变并保持最小的壁厚。此外，内燃发动机发展的目标曰益倾向于实现尽可能紧凑的整体设计，为此通常 以减少相邻的汽缸孔的间距，即在相应的汽缸纵轴上减少该间距为目的。此外，该发 展加重了在汽缸盖中或汽缸盖上极有限的安装空间或可用空间的问题。向着更紧凑的汽缸盖的发展还受到如下因素促动或推动内燃发动机日益装备有增压系统。该增压系统是以不变的排量增加内燃发动机的功率输出或在相同的功率输出下减少排量的适合的装置。后者被称为小型化(Downsizing,釆用小排量、降低整 车尺寸和总重量)。对于相同的汽车边界条件，载荷谱移向高负荷，此时燃料消耗率 较低。排量的减少，即内燃发动机的小型化必将导致更紧凑的内燃发动机和更紧凑的 汽缸盖，即具有较小的体积的汽缸盖。考虑到汽缸盖内极有限的可用空间，已经提出各种解决方案。根据一种相当普遍的解决方法，配置各种组件使其作为一个结构单元集成到汽缸 盖中被视为是有利的。例如，德国专利公开DE 37 31 211 Al描述了一种燃料喷射阀， 其配置为与点火装置集成，即喷射装置和点火装置形成一个邻接的紧凑组件。结果， 设置在汽缸盖内的组件的数量减少，从而，减少了这些组件所需的安装空间。然而，这种类型的组合的点火/喷射装置首先构成非常昂贵的组件。其次，这类 点火装置和喷射装置紧密的排列并不是所有应用所需的或者是优选的。点火装置和喷 射装置可选地在汽缸盖中彼此间隔开排列。德国专利公开DE 197 5 3 965 Al描述了 一种内燃发动机，其中，为了减少所需的安装空间，喷射阀基本上在进气通道中延伸，并在该过程中喷射阀邻近进气门。由 于通道的配置，喷射阀由所吸入的新鲜空气冷却，所以这是有利的。至少在启用排气再循环系统时将热排气从内燃发动机循环到进气区域中的情况 下，这种优点是不存在的。应否需要将喷射阀设置在排气口附近，DE 197 53 965 Al 并没有提出解决方法，因为所提出的喷射阀的集成仅限于进气通道，而由于热负荷， 不可能在排气通道中使用类似的喷射阀的配置。此外，气体交换以不可控的方式受进气通道中喷射阀的直接配置的影响。为了防 止新鲜空气或新鲜混合气从进气通道漏到环境中，在通道中引入阀也需要阀对于通道 密封。喷射阀的替换或拆除需要将内燃发动机的进气区域全部拆除。发明内容根据上述背景，本发明的目的在于提供一种如权利要求1的前序部分所述的汽缸 盖，即一种考虑到汽缸盖内极有限的可用空间的通用型汽缸盖。本发明的部分目的还在于描述一种形成上述类型的汽缸盖的方法。 本发明的第一目的通过一种内燃发动机的汽缸盖实现，该内燃发动机具有至少一个汽缸和至少两个气体交换通道，即至少一个用于通过至少一个进气口向至少一个汽 缸供给新鲜空气或新鲜混合气的进气通道和至少一个用于通过至少一个排气口从至 少一个汽缸排出燃烧气体的排气通道。该汽缸盖的特征在于，至少一根轴(简身) (shaft)延伸穿过至少一个气体交换通道，且轴和点火装置、喷射装置或用于装配目的的汽缸盖紧固装置可插入到该气体交换通道内。根据本发明，在至少一个气体交换通道中提供轴。虽然穿过进气通道和/或排气 通道的部分的流量由于进气通道和/或排气通道内的至少一根轴的配置而减少且通道中的流量变化，但是气体交换不一定以不可控的方式受影响，例如，在DE 197 53 965 Al中所述的进气通道中的喷射阀的直接配置的情况下。更合适地，轴可以有针对性 地配置，以生成即产生涌流、滚流或其他预定的和合适的气流。轴用于容纳点火装置、喷射装置或汽缸盖紧固装置，同时使各个组件对于气体交 换通道内的气流隔离，即隔离于排气通道内的排气流或对于进气通道内的新鲜空气或 新鲜混合气。使用轴的结果是使热排气流内或排气通道内的组件的配置成为可能。此外，轴的提供使插入到轴中的相应组件的装配和拆除简化。插入到气体交换通 道内的组件不需要密封。虽然至少一根轴可以对于环境密封，以使没有泄漏的气流从 气体交换通道漏出，该密封动作比起将组件直接插入到气体交换通道中要简单得多地 实施。插入到轴中的喷射装置可以是外向开启型喷嘴，例如是根据压电原理操作，且在 喷射时，对着外侧开启喷嘴端，即某种意义上说朝向燃烧室开启的喷嘴。然而，相比 上述压电可控喷嘴，提供成本优势的内向开启多孔型喷嘴也可用作喷射装置。火花塞可用作点火装置，而螺栓可用作汽缸盖紧固装置。其中至少一根轴并不由关联的气体交换通道完全包围，而是部分位于气体交换通 道中的汽缸盖的实施例也视为是本发明的汽缸盖，只要轴延伸穿过气体交换通道。然而，这样的实施例是有利的，其中轴完全集成到气体交换通道中，因为这可以 实现最大的空间节约。因此，可以实现本发明基于的目标，即提供一种考虑到汽缸盖内极有限的可用空 间的汽缸盖。大体上，在本发明的汽缸盖的情况下，设置在气体交换通道内的轴可以在汽缸盖 中延伸出气体交换通道，且在该过程中还可选地穿过或与冷却剂通道和/或类似通道 相交。汽缸盖的其他有利实施例结合从属权利要求阐述。这样的汽缸盖的实施例是有利的其中在装配后的状态，插入至少一根轴中的点 火装置、喷射装置或汽缸盖紧固装置至少部分排列在至少一个气体交换通道外部。该实施例考虑到如下情况，插入到轴中的点火装置或喷射装置必须伸入到汽缸的 燃烧室中，以使燃料可以通过喷射直接喷射到燃烧室中且空燃混合气通过点火装置点燃。相反，在汽缸或燃烧室和通道间保留剩余壁厚，以形成气体交换通道，并提供汽 缸盖必要的强度。因而，插入轴中的组件优选地在装配后的状态中至少部分位于至少 一个气体交换通道外部。汽缸盖紧固装置，例如螺栓至少部分位于汽缸盖外部，并因此由于其原理而位于 气体交换通道的外部，螺栓伸入到汽缸体中，以使汽缸盖连接汽缸体。这样的汽缸盖的实施例是有利的其中汽缸盖是铸件。这样的汽缸盖的实施例是有利的其中至少一根轴以气密方式对于至少一个气体 交换通道密封，以避免泄漏的气流从至少一个气体交换通道漏出。这样的汽缸盖的实施例是有利的其中至少一根轴配置为与至少一个气体交换通 道集成为一体。在此，至少一个气体交换通道和延伸穿过所述通道的轴形成一个结构 单元，即可优选地由铸造过程中制造的汽缸盖形成的整体组件，且轴已在汽缸盖毛坯 中最初提供。集成的，即整体的设计使得通道和轴之间没有接头产生，而新鲜的混合气或排气 会通过接头从气体交换通道漏出，因此集成的，即整体的设计无需密封。特别是后者， 是通道和轴的集成配置的显著优点。然而，这样的汽缸盖的实施例也是有利的其中形成至少一根轴的套管设置在至 少一个气体交换通道内。与上述实施例相比，在此所述的轴和气体交换通道是汽缸盖 内的分离组件，即包括气体交换通道和轴的系统是模块化结构。汽缸盖包括至少一个气体交换通道，套管在装配或制造时插入到该至少一个气体 交换通道中，使套管以材料匹配、形状匹配或力传递的方式连接到通道成为可能，该 方式不仅将套管紧固到通道内，而且使通道对于轴和环境密封。在此，这样的汽缸盖是有利的其中套管将在至少一个气体交换通道中提供的彼 此相对的两个孔相互连接。在该实施例中，轴完全集成到气体交换通道中，这导致汽 缸盖中最大的空间节约。本发明基于的第二目的通过用于形成上述类型的汽缸盖的方法实现，该方法包括在汽缸盖中提供至少两个气体交换通道，且至少一根轴延伸穿过至少一个气体交换通道，以此将至少一根轴设置在至少一个 气体交换通道中，该至少一根轴用于容纳点火装置、喷射装置或汽缸盖紧固装置。上文中关于本发明的汽缸盖的描述也适用于本发明的方法。该方法这样的变体是有利的其中至少一根轴配置为与至少一个气体交换通道成 为一体，这可以通过例如由来自于铸造汽缸盖毛坯的后续加工制造的汽缸盖来实现， 其中轴已集成到该毛坯中。该方法这样的变体是有利的其中为了形成至少一根轴，使用套管并将该套管设 置在至少一个气体交换通道中。在该方法中，轴通过插入套管在气体交换通道中随后形成。在此，该方法这样的变体是有利的其中在至少一个气体交换通道内提供两个彼 此相对且使用套管相互连接的孔。该方法这样的变体是有利的其中，至少一根轴对于至少一个气体交换通道密封。 该轴还可选地对于其他功能空间密封，例如对冷却剂通道或储油器密封。在此，还可 以通过O形密封圈或类似装置实现密封。在下文中，结合附图使用示例性实施例更详细地描述本发明。
唯一的附图示出汽缸盖的一个实施例沿汽缸纵轴的部分截面图。参考标号列表1汽缸盖2汽缸体3气体交换通道4排气通道5轴(简身)6 汽缸7汽缸纵轴8排气口9点火装置10火花塞11燃烧室12气门13汽缸孔14燃烧室顶15汽缸盖的孔16汽缸体的孔具体实施方式
附图示出沿汽缸纵轴7的截面图中的汽缸盖1的一部分。汽缸6由汽缸盖1和汽缸体2形成，汽缸6的燃烧室11由汽缸体2中提供的汽 缸孔13和设置在汽缸盖1中的燃烧室顶14界定。充当点火装置9的火花塞IO在燃烧室侧设置在汽缸盖1内，并位于燃烧室顶H 的中心。提供两个排气口 8和两个充当排气通道4的气体交换通道3,用于将燃烧气体排出汽缸6或燃烧室11,在每种情况下，仅一个排气口 8和一个排气通道4在附 图中示出或可见。排气口 8或排气通道4通过气门12与燃烧室11隔离，气门12是顶置提升阀12, 其在燃烧室11中移动或偏转以排出燃烧气体。提供孔15、 16以将汽缸盖1连接到汽缸体2,孔15、 16相互对齐以使汽缸盖1 和汽缸体2排列以用于装配(如附图中所示)。螺栓(未示出)插入并拧到汽缸盖1和汽缸体2的孔15、 16中。为了减少汽缸盖l内所需的安装空间，提供轴5(简身)，其延伸穿过排气通道 4并与汽缸盖1和汽缸体2的孔15、 16对齐，且充当汽缸盖紧固装置的螺栓插入到 该轴中以用于装配目的。
权利要求
1.一种内燃发动机的汽缸盖(1)，所述内燃发动机具有至少一个汽缸(6)和至少两个气体交换通道(3)，即至少一个用于通过至少一个进气口向所述至少一个汽缸(6)供给新鲜空气或新鲜混合气的进气通道和至少一个用于通过至少一个排气口(8)从所述至少一个汽缸(6)排出燃烧气体的排气通道(4)，其特征在于，至少一根轴(5)延伸穿过至少一个气体交换通道(3)，且所述轴(5)和点火装置、喷射装置或用于装配目的的汽缸盖紧固装置可插入到所述气体交换通道(3)内。
2. 如权利要求l所述的汽缸盖(1)，其特征在于，在装配后的状态，插入到所 述至少一根轴(5)中的点火装置、喷射装置或汽缸盖紧固装置至少部分排列在所述 至少一个气体交换通道(3)的外部。
3. 如权利要求1或2中的任何一项所述的汽缸盖(1)，其特征在于，所述汽缸 盖(1)是铸件。
4. 如权利要求1至3中的任何一项所述的汽缸盖(1),其特征在于，所述至少 一根轴(5)以气密方式对于所述至少一个气体交换通道(3)密封。
5. 如权利要求1至4中的任何一项所述的汽缸盖(1),其特征在于，所述至少 一根轴(5)配置为与所述至少一个气体交换通道(3)成为一体。
6. 如权利要求1至4中的任何一项所述的汽缸盖(1),其特征在于，形成所述 至少一根轴(5)的套管设置在所述至少一个气体交换通道(3)中。
7. 如权利要求6所述的汽缸盖(1),其特征在于，所述套管使所述至少一个气 体交换通道(3)内提供的两个彼此相对的孔相互连接。
8. —种形成上述权利要求1至7中的任何一项所述的汽缸盖(1)的方法，其特 征在于，所述方法包括在所述汽缸盖(1)中提供至少两个气体交换通道(3),且 至少一根轴(5)延伸穿过至少一个气体交换通道(3),以此将所述至少一根轴 (5)设置在所述至少一个气体交换通道(3)中，所述至少一根轴(5)用于容纳点火装置、喷射装置或汽缸盖紧固装置。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一根轴(5)配置为与所述 至少一个气体交换通道(3)成为一体。
10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，为了形成所述至少一根轴(5), 使用套管，并将所述套管设置在所述至少一个气体交换通道(3)中。
11. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，在所述至少一个气体交换通道(3) 中提供两个彼此相对且使用所述套管相互连接的孔。
12. 如权利要求8至11中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述至少一根 轴(5)对于所述至少一个气体交换通道(3)密封。
全文摘要
本发明涉及一种内燃发动机的汽缸盖(1)，该内燃发动机具有至少一个汽缸(6)和至少两个气体交换通道(3)，即至少一个用于通过至少一个进气口向至少一个汽缸(6)供给新鲜空气或新鲜混合气的进气通道和至少一个用于通过至少一个排气口(8)从至少一个汽缸(6)排出燃烧气体的排气通道(4)。此外，本发明还涉及形成这种类型的汽缸盖(1)的方法。提供一种考虑到汽缸盖内极有限的可用空间的上述类型的汽缸盖(1)。这是通过上述类型的汽缸盖(1)来实现的，其特征在于，至少一根轴(5)延伸穿过至少一个气体交换通道(3)，且轴(5)和点火装置、喷射装置或用于装配目的的汽缸盖紧固装置可插入到该气体交换通道(3)内。
文档编号F02F1/42GK101215998SQ20071030739
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年1月2日
发明者弗兰茨·J·布林克曼, 阿希姆·麦尼肯 申请人:福特环球技术公司