一种集成设计的发动机气缸盖的制作方法

本发明专利涉及发动机气缸盖技术领域，具体涉及一种集成设计的发动机气缸盖，尤其是一种集成有排气歧管、EGR冷却装置和二次空气通道装置的集成化发动机气缸盖。

背景技术：

集成化设计是现代发动机设计的主要趋势，各主机厂都在通过集成化设计来提升发动机各项指标，集成化设计的主要优势有：通过简化结构设计来减少连接件和零件数量，降低整机重量与成本，同时较少的零件使整机故障率与维修费用大为降低，提高了整机可靠性。发动机降成本、降重量、降油耗和降排放等已成为发动机设计的主要方向，气缸盖作为发动机最复杂的核心零部件之一，通过集成化设计能够有效提升发动机的上述性能指标。

在现有技术中，发动机气缸盖的燃烧室排气侧与排气歧管是分开设计的，即发动机各缸燃烧产生的废气通过燃烧室排气侧的排气管道独立排气，最后经排气歧管汇聚进入三元催化器和消声器后排入大气。该结构设计存在如下问题：燃烧室排气侧至排气歧管的排气通道较长，发动机冷启动不利于三元催化器快速工作；燃烧室排气侧的排气热端零件数量多，连接处螺栓紧固和垫片密封存在问题；燃烧室排气侧的空间尺寸较大，不方便整车布置等，需要对发动机气缸盖的燃烧室排气侧进行结构优化和设计改进。

为了进一步降低发动机油耗和排放，现有技术中通常采用EGR技术（即排气再循环：Exhaust Gas Recirculation），所述发动机EGR技术，需要从发动机的排气管取气经冷却后送到气缸盖进气道内，由于排气温度较高，需要借助专门的冷却装置冷却来自热端排气管的气体，现有技术中通常在EGR通道管路中单独外接一个EGR冷却装置，这种独立外接EGR冷却装置的方案存在如下问题：冷却装置尺寸和重量较大，且冷却管路多而复杂，不利于发动机的布置，与发动机轻量化设计不符，且冷却装置成本较高等。

随着发动机国六排放法规即将实施，发动机冷启动产生的碳氢化合物、氮氧化物的排放限值将会进一步加严，当前主要解决措施是：在发动机排气侧增加二次空气系统，通常在排气歧管与缸盖结合处的法兰面附近加工二次空气通道，二次空气泵经二次空气通道压入新鲜空气与含油气的排气混合燃烧，以此来减少尾气排放。但是现有的这种二次空气通道装置的设置方式存在如下缺陷：二次空气通道设置于排气歧管与缸盖结合处的法兰面附近，因排气歧管与缸盖结合处的法兰面离燃烧室气道阀较远，这使得通过二次空气通道压入的新鲜空气与油气的混合气在到达燃烧室时温度较低，不利于混合气燃烧，严重影响尾气排放效果。因此需要对气缸盖排气侧结构进行优化设计，尽可能把新鲜空气直接引到燃烧室气道阀附近混合燃烧。

综上现有技术中的发动机气缸盖设计中，排气歧管、EGR冷却装置和二次空气通道装置都是独立设计后，通过较为复杂的管路连接于气缸盖，在实际使用中存在着较大的缺陷，现有技术中尚未出现一种将所述排气歧管、EGR冷却装置和二次空气通道装置同时集成于所述发动机气缸盖的技术，也就是说现有技术尚未出现一种同时集成有排气歧管、EGR冷却装置和二次空气通道装置的发动机气缸盖。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术缺陷，通过对发动机气缸盖的排气侧结构进行优化设计，创新的将排气歧管、EGR冷却装置和二次空气通道装置与发动机气缸盖进行集成化设计，提出一种同时集成有排气歧管、EGR冷却装置和二次空气通道装置的发动机气缸盖，所述发动机气缸盖作为一个整体安装，无需安装过多的排气歧管、外置式EGR冷却装置和外置式二次空气通道装置等零部件，这种高度集成化设计的发动机气缸盖不仅减少了整机零件数量和重量，对发动机油耗与排放性能也有明显改善，同时使整机设计更加紧凑，整机成本更具优势。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种集成设计的发动机气缸盖，所述发动机气缸盖同时集成有排气歧管、EGR冷却装置和二次空气通道装置；

所述排气歧管集成于发动机气缸盖的排气侧，所述EGR冷却装置的进气口集成于所述排气歧管上，所述EGR冷却装置的出气口集成于发动机气缸盖的进气侧，所述二次空气通道装置集成于所述排气歧管上；

所述EGR冷却装置包括冷却管路8、EGR控制阀9、分配总管10和分配支管11，所述冷却管路8的进气口连通于排气歧管4的各排气支管6，所述冷却管路8的出气口连接于所述EGR控制阀9的进气口，所述EGR控制阀9的出气口连接于所述分配总管10的进气口，所述分配总管10通过分配支管11连通于各燃烧室的进气道；

所述气缸盖本体中一体铸造成型有槽形通道作为所述冷却管路8，所述槽形通道的进气口连通于气缸盖本体中作为排气支管6的排气分通道，所述槽形通道的出气口连通于所述EGR控制阀9的进气口，所述EGR控制阀9固定于气缸盖本体的侧面，所述气缸盖本体的进气侧的金属盖板内铸造成型有气体分配腔作为所述分配总管10，所述EGR控制阀9的出气口连通于所述气体分配腔，所述气体分配腔的出气口连通于各燃烧室的进气道。

进一步的根据本发明所述的集成设计的发动机气缸盖，其中所述发动机气缸盖包括气缸盖本体，所述气缸盖本体中设置有若干燃烧室，每个燃烧室设置有进气道和排气道，所述排气歧管包括排气总管7和若干排气支管6，每个燃烧室对应有一个排气支管6，每个排气支管6的进气端集成于对应一个燃烧室的排气道上并与之连通，所有排气支管6的出气端汇集于所述排气总管7。

进一步的根据本发明所述的集成设计的发动机气缸盖，其中所述气缸盖本体中在燃烧室外设置有燃烧室水套1、排气侧上水套2和排气侧下水套3，所述排气歧管被包裹在所述排气侧上水套2和排气侧下水套3中间，所述排气侧上水套2和排气侧下水套3相互连通，所述排气侧上水套2与燃烧室水套1相互连通。

进一步的根据本发明所述的集成设计的发动机气缸盖，其中所述气缸盖本体内自每个燃烧室的排气道一体向外延伸成型有排气分通道作为所述排气支管6，各排气分通道汇集于排气总通道，所述排气总通道作为所述排气总管7。

进一步的根据本发明所述的集成设计的发动机气缸盖，其中所述二次空气通道装置包括二次空气总管15和若干二次空气支管16，每个排气支管6对应有一个二次空气支管16，各二次空气支管16均连通于所述二次空气总管15，每个二次空气支管16的一端连通于对应的一个排气支管6，每个二次空气支管16的另一端穿过所述二次空气总管15后进行密封设置，所述二次空气总管15的一端作为总管入口17，所述二次空气总管15的另一端进行密封设置。

进一步的根据本发明所述的集成设计的发动机气缸盖，其中所述气缸盖本体在排气侧铸造成型有纵向空气通道作为所述二次空气总管15，所述气缸盖本体在排气侧对应于每个排气分通道铸造成型有支路空气通道作为所述二次空气支管16，各支路空气通道连通于对应的排气分通道，所述纵向空气通道连通于各支路空气通道。

进一步的根据本发明所述的集成设计的发动机气缸盖，其中所述纵向空气通道的一端作为总管入口17，所述纵向空气通道的另一端采用钢球密封，各支路空气通道的一端连通于对应的排气分通道，各支路空气通道的另一端穿过所述纵向空气通道后采用钢球密封。

本发明的技术方案具有以下创新技术效果：

1）、本发明创新的将排气歧管集成设计在发动机气缸盖上，由于气缸盖集成排气歧管附近的水套容积可增加1.5倍以上，发动机中高速大负荷工况下的排气温度降低较多，使发动机表现出良好的燃油经济性。同时气缸盖水套能够有效吸收排气热量，大大加快了冷启动暖机。且缩短了排气管路的整体长度，减少了对外热量散失，缩短了催化器的起燃时间，改善了发动机冷启动排放。另外气缸盖排气侧水套冷却作用，使得排气侧外表面的壁温可以控制在200℃左右，有效改善了发动机排气侧周围的温度场。在气缸盖排气歧管集成设计中，采用铸铝材质替代了耐高温贵重的镍基材质，取消了独立的排气歧管，取消了气缸盖与排气歧管之间密封垫片和螺栓，取消了排气管隔热罩，大大降低了整机重量和成本。

2）、本发明创新的将EGR冷却通道集成设计在发动机气缸盖上，借助缸盖附近的冷水水套，特别是集成排气歧管的大容积水套设计，使得该冷却通道的冷却效果满足EGR性能要求，同时与现有外置式EGR冷却装置比较，大大减少了多而复杂的冷却管路布置，节约了成本，降低了重量，对发动机周围布置和轻量化设计非常有利。

3）、本发明创新的将二次空气通道装置集成设计在发动机气缸盖上，利用二次空气通道将新鲜空气和高浓度排气的混合气以较短的路径引入到燃烧室出口附近，使得燃烧室出口的混合气温度较高，更容易再次燃烧，对改善三元催化器快速启燃的效果非常明显，同时提高了尾气排放的环保效果。

附图说明

附图1为现有技术中排气歧管在发动机气缸盖上的设置结构图；

附图2为本发明所述排气歧管的设计模型结构图；

附图3为本发明所述排气歧管在发动机气缸盖上的集成结构图；

附图4为现有技术中EGR冷却装置在发动机气缸盖上的设置结构图；

附图5为本发明所述EGR冷却装置的设计模型结构图；

附图6为本发明所述EGR冷却装置在发动机气缸盖上的布置模型结构图；

附图7为本发明所述EGR冷却装置在发动机气缸盖上的集成结构图；

附图8为现有技术中二次空气通道装置的设置结构图；

附图9为本发明所述二次空气通道装置的设计模型结构图；

附图10为本发明所述二次空气通道装置在发动机气缸盖上的集成结构图；

图中各附图标记的含义如下：

100-排气歧管、101-法兰、102-发动机气缸盖、200-EGR冷却装置；

1-燃烧室水套、-2排气侧上水套、3-排气侧下水套、4-排气歧管、5-排气门、6-排气支管、7-排气总管、8-冷却管路、9-EGR控制阀、10-分配总管、11-分配支管、12-进气道、13-EGR冷却通道、14-金属盖板、15-二次空气总管、16-二次空气支管、17-总管入口、18-法兰面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

本发明提出一种同时集成有排气歧管、EGR冷却装置和二次空气通道装置的发动机气缸盖，基于以下技术出发点提出：

1）为解决现有技术气缸盖与排气歧管分开设计易造成漏气、冷启动排放效果差等缺陷，本发明创新的将排气歧管集成设计在发动机气缸盖上；

2）发动机技术升级要增加EGR技术，需要对EGR气体进行冷却，为解决现有外置式EGR冷却装置成本高、布置困难等问题，本发明创新的将EGR冷却装置集成设计在发动机气缸盖上；

3）发动机符合环保要求需要增加二次空气系统，以将排出的高浓度碳氢化合物、氮氧化物循环利用，为解决现有外置式二次空气通道装置设计于离燃烧室较远的位置，不利于混合器循环燃烧、影响尾气排放效果的问题，本发明创新的将二次空气通道装置集成设计在发动机气缸盖上。

以下从这三方面的同时创新改进对本发明的技术方案进行详细的描述，每种创新改进同时对比现有技术进行描述。

对于将排气歧管集成设计在发动机气缸盖上的改进方案，请参照附图1至附图3。其中附图1为现有技术中的排气歧管设置方案，其中的排气歧管100是一个独立设置的管路单元，并通过法兰101固定连接于发动机气缸盖102的燃烧室排气侧。本发明创新的将排气歧管集成设计在发动机气缸盖本体上，如附图2和附图3所示，其中附图2为本发明所述排气歧管的设计模型结构图，附图3为本发明所述排气歧管在发动机气缸盖上的集成结构图。如图2所示，所述的排气歧管4包括若干排气支管6和一个排气总管7，所述排气支管6的数量对应于发动机气缸盖中燃烧室的数量，每个燃烧室对应有一个排气支管6，若干排气支管6的出气端共同汇聚于排气总管7，所述排气总管7优选的可以为若干排气支管6的汇总管口结构。发动机气缸盖本体中在燃烧室外设置有燃烧室水套1、排气侧上水套2和排气侧下水套3，所述排气歧管4整体被包裹在排气侧上水套2和排气侧下水套3中间，且排气侧上水套2和排气侧下水套3相互连通，排气侧上水套2与燃烧室水套1设计成一个整体水套，通过将排气歧管4整体包裹在冷却水套内不但便于发动机气缸盖的一体化设计，也有利于冷启动时快速暖机。如附图3所示的，发动机气缸盖本体中设置有若干燃烧室，优选为三个燃烧室（以下以三个燃烧室为例进行说明，但并不以此为限），每个燃烧室都与进气道和排气道相连，同一燃烧室内安装一个火花塞，每个燃烧室的进气道包括两个进气门、排气道包括两个排气门，所述排气歧管集成于发动机气缸盖本体上时，在发动机气缸盖本体上对应于每个燃烧室的排气门5一体铸造排气分通道作为所述排气支管6，三个燃烧室的排气道分别连通于三个排气分通道，三个排气分通道的另一端汇聚在一起形成排气总通道，所述排气总通道即作为所述排气总管7。本发明创新的在发动机气缸盖本体内形成与燃烧室排气道一体连通的排气分通道和排气总通道作为排气歧管中的排气支管和排气总管，并使排气歧管本体中的冷却水套集成在一起，实现了排气歧管与发动机气缸盖的一体集成化设计。排气总通道的出口与增压器法兰面直接装配。

本发明相对于传统排气歧管与气缸盖独立设计，创新的将排气歧管一体化集成在气缸盖的燃烧室排气口，并将其包裹集成在发动机气缸盖的整体水套结构中，从各燃烧室排出的气体经各排气支管后汇总在排气总管，排气总管出口与增压器或催化器装配，取消了独立设计的排气歧管。该技术方案的改善效果包括：（1）气缸盖集成排气歧管附近的水套容积可增加1.5倍以上，发动机中高速大负荷工况下的排气温度降低较多，且增压器和三元催化器温度可控，使得发动机在中高速大负荷工况下可在理论空燃比（λ=1）范围运行，发动机表现出良好的燃油经济性。（2）同时排气侧上下水套包裹排气歧管，能有效吸收排气热量，使得冷启动时能够快速暖机，增加运动件的间隙，降低机油粘度，减少摩擦阻力，从而改善发动机油耗，经测试搭载气缸盖集成排气歧管的发动机，整车驾驶室暖风时间在10分钟温度升高率15%以上，大大提高了驾乘的舒适性。（3）气缸盖在燃烧室排气门直接集成排气歧管，使得排气管路的整体长度大大缩短，排气通道面积减少，对外热量散失少，缩短了催化器的起燃时间，同时发动机暖机更快，可尽早实现电控系统闭环精确控制，改善了发动机冷启动排放，经试验研究表明，HC排放降低2%，CO排放降低27%，NOx排放降低19%。（4）发动机在中高速全负荷增压器涡前温度较非集成缸盖降低了50℃左右，改善了增压器、三元催化器等热端零部件热负荷，提高了热端零部件的可靠性；气缸盖排气侧水套冷却作用，使得排气侧外表面的壁温可以控制在200℃左右，有效改善了发动机排气侧周围的温度场，且排气歧管周围无需额外布置隔热罩。（5）在气缸盖排气歧管集成设计中，采用铸铝材质替代了耐高温贵重的镍基材质，取消了独立的排气歧管，取消了气缸盖与排气歧管之间密封垫片和螺栓，取消了排气管隔热罩，不但使得整机可实现减重3～4Kg，而且整机成本降低200～400元。

对于将EGR冷却装置集成设计在发动机气缸盖上的改进方案，请参照附图4至附图7。其中附图4给出了现有技术中EGR冷却装置的设置方案，如附图4所示，EGR冷却装置200作为一个独立装置连接于发动机气缸盖，EGR冷却装置200的进气口连接于独立设置于发动机气缸盖之外的排气歧管100。本发明创新改进后的EGR冷却装置集成在发动机气缸盖上，如附图5至附图7所示，其中附图5为本发明所述EGR冷却装置的设计模型结构图，附图6为本发明所述EGR冷却装置在发动机气缸盖上的布置模型结构示意图（未示出气缸盖进气道、排气歧管等部件），附图7为进一步优选的本发明所述EGR冷却装置集成于发动机气缸盖的外观结构示意图。如附图5和6所示，所述的EGR冷却装置包括冷却管路8、EGR控制阀9、分配总管10和分配支管11，所述冷却管路8对应于三个燃烧室（不以此为限）设置有三个进气口，三个进气口分别连通于排气歧管4的三个排气支管6，从排气歧管4取气，所述冷却管路8的出气口连接于EGR控制阀9的进气口，EGR控制阀9的出气口连接于分配总管10的进气口，分配总管10对应于三个燃烧室（不以此为限）设置有三个出气口，每个出气口上连接有一个分配支管11，各分配支管11分别连接于对应的燃烧室的进气道12。这样所述EGR冷却装置从各燃烧室排气道处的排气支管6取气，经冷却管路8、EGR控制阀9进入金属盖板内的分配总管10，再由分配总管10通过各分配支管11分配给相对应燃烧室的进气道12。其中EGR控制阀9根据发动机工况需要控制气流通过量，而分配总管10对气流有缓冲作用，使各缸气流均匀稳定分布，有利发动机怠速稳定性，如附图6所示，所述EGR冷却装置集成于发动机气缸盖上时，冷却管路8自排气道一侧取气后，将经过气缸盖内的冷却水套（燃烧室水套、排气侧上水套和下水套）并被其充分冷却后达到EGR控制阀，再经分配总管10进行分配。结合附图7，所述EGR冷却装置集成于发动机气缸盖上，其冷却管路8可直接由一体铸造成型于发动机气缸盖排气侧的EGR冷却通道13构成，所述EGR冷却通道13为气缸盖底部铸造成型的槽形通道，所述槽形通道的进气口连通于一体连接于发动机气缸盖排气侧的排气分通道，所述槽形通道的出气口连通于固定在气缸盖的侧面的EGR控制阀9，所述槽形通道与气缸盖底面同时加工，借助气缸垫密封，不需要增加新的密封垫片，也不增加额外加工设备，进一步优选的所述槽形通道为气缸盖前端铸造形成的直径10mm的通道。在所述发动机气缸盖进气侧的金属盖板内铸造成型密闭的气体分配腔作为所述分配总管10，所述气体分配腔的进气口连通于所述EGR控制阀9，所述气体分配腔的出气口连通于各个燃烧室的进气道12。这样通过将EGR冷却装置的各管路铸造成型于发动机气缸盖的本体内以实现EGR冷却装置与发动机气缸盖的集成设计，其中本体内的槽形通道自热端取气后经气缸盖中水套冷却后，引入到气缸盖进气侧金属盖板内的气体分配腔中，气体分配腔对气流进行缓冲和稳定作用后，借助于进气道的真空度将排气吸入到各缸燃烧室。该技术方案的改善效果：（1）EGR冷却通道借助缸盖附近的冷水水套，特别是集成排气歧管的大容积水套设计，使得该冷却通道的冷却效果满足EGR性能要求，经过计算结果表明，在EGR工作范围内，整个冷却通道13压力差不大于17KPa，温度改善不低于50%。（2）与现有外置式EGR冷却装置比较，本发明气缸盖集成EGR冷却装置大大减少了多而复杂的冷却管路布置，能够节约成本400元以上，而且使得冷却装置重量降低至少1.5Kg，且对发动机周围布置和轻量化设计非常有利。

对于将二次空气通道装置集成设计在发动机气缸盖上的改进方案，请参照附图8至附图10。附图8给出现有技术中二次空气通道装置的设置方式，其中二次空气总管15作为独立管路连接于排气歧管的排气总管前端的法兰面上，使得二次空气总管压入的新鲜空气与排气的混合气需要经历较长的管路到达燃烧室，不利于混合气燃烧。本发明创新的将二次空气通道装置集成设计在发动机气缸盖上，如附图9和附图10所述，其中附图9为本发明所述二次空气通道装置的设计模型结构图，附图10为发动机气缸盖集成有二次空气通道装置的实体外观结构示意图。如附图9所示，本发明所述的二次空气通道装置包括二次空气总管15和二次空气支管16，所述二次空气支管16的数量对应于排气歧管的排气支管数量，各二次空气支管16均连通于所述二次空气总管15，每个二次空气支管16的一端连通于排气歧管的排气支管，每个二次空气支管16的另一端穿过所述二次空气总管15后用钢球进行密封，所述二次空气总管15的一端作为总管入口17，另一端采用钢球密封。如附图10所示，在发动机气缸盖上集成设置所述二次空气通道装置，沿气缸盖本体排气侧加工纵向空气通道作为二次空气总管15，通道直径10mm，然后在气缸盖本体排气侧对应于每个排气分通道加工支路空气通道作为二次空气支管16，支路空气通道直径8mm，并使每个支路空气通道分别连通于对应的排气分通道，同时纵向空气通道与各支路空气通道相互贯通。各支路空气通道和纵向空气通道都加工成通空，其另外一端均采用钢球密封，同时各支路空气通道的入口距离排气歧管的排气总管前端法兰面18的距离至少为100mm。在发动机冷启动阶段，需要较浓的混合气进入气缸才能更容易启动，过浓的混合气会使尾气产生大量的一氧化碳（CO）、氮氧化合物、碳氢化合物等有害气体，利用本发明的方案，通过二次空气泵把过滤后的新鲜空气压入到气缸盖排气侧的总管入口，经各支路空气通道把新鲜空气引入到对应燃烧室的出口附近，参与尾气再次燃烧并放出大量的热量，燃烧产生的热量使三元催化器快速达到启燃温度，并有效降低了冷启动阶段的排放。该技术方案的改善效果：（1）传统二次空气通道靠近缸盖外侧排气法兰面上，由于排气法兰面离燃烧室出口比较远，尾气温度低，与压入的新鲜空气混合后不容易燃烧，影响三元催化器快速启燃。（2）本发明把二次空气通道引入到燃烧室出口附近，缩短距离至少80mm，燃烧室出口温度高于排气法兰面50℃以上，大负荷工况可达到90℃以上，因此燃烧室出口混合气温度高，更容易再次燃烧，对改善三元催化器快速启燃的效果明显。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。