内燃发动机的制作方法

本发明涉及一种内燃发动机。

背景技术：

已知的是，为了减少内燃发动机的冷却损失，在内燃发动机的气缸周围放置热绝缘材料来减少热向气缸体的耗散。例如，参见jps62-52255u。然而，当抑制热向气缸体的耗散时，冷却水和油的温升受到抑制。结果，来自冷却水的可供加热车辆车厢等的热可能变少。为了克服这个问题，已经提出通过使用在气缸的轴向方向上比在气缸的径向方向上呈现更高热传导率的材料来形成气缸套，并且在气缸套的上端部分周围设置冷却水通道。例如，参见jp6044616b。根据这种现有提议，从燃烧气体和活塞传递到气缸套的热从气缸套的下端侧传导到气缸套的上端侧，以最终传递到在冷却水通道中循环的冷却水。因此，热从气缸套的下端部分的耗散减小，从而能够降低发动机的冷却损失。同时，冷却水的温度可以适当地升高，从而可以从冷却水充分地获得用于加温车辆车厢的热。

然而，根据jp6044616b中公开的内燃发动机，由于冷却水通道具有与气缸套的上端部分相对应的相对小的竖直宽度，所以气缸可能不会被充分地冷却，特别是在内燃发动机的高负荷条件下。因此，发动机会变得易于爆震，并且热效率可能降低。当在高负荷条件下为了促进气缸套的冷却而增大冷却水的流量时，泵送损失不希望地增大。当冷却水通道有效用于从气缸套的上端部分去除热的竖直宽度增加时，冷却损失增加，并且热效率受损。

技术实现要素：

鉴于现有技术的这种问题，本发明的主要目的是提高内燃发动机的热效率。

根据本发明，这种目的可以通过提供一种内燃发动机来实现，该内燃发动机包括：气缸体2，所述气缸体2限定接收活塞17的气缸6和径向地设置在所述气缸的外面的冷却水通道30；各向异性热传导构件37、51，所述各向异性热传导构件设置在限定所述气缸的壁表面上或设置在所述冷却水通道的位于所述气缸的那一侧的壁表面上，所述各向异性热传导构件在所述气缸的轴向方向上的热传导率比所述各向异性热传导构件在所述气缸的径向方向上的热传导率高；以及热绝缘构件38、52，所述热绝缘构件相对于所述气缸的所述径向方向设置在所述各向异性热传导构件的外表面上。

由于在活塞接近其上止点时在内燃发动机的燃烧室中发生燃烧，所以气缸壁的上部分的温度由于从燃烧气体和活塞传递的热而趋向于变高。然后，该热通过各向异性热传导构件从气缸的上部分传导到气缸的下部分。结果，气缸的上部分被有效地冷却，而气缸的下部分被加温。换句话说，气缸以相对均匀的方式在整个长度上被加温。因此，润滑油的粘度降低，使得发动机的摩擦损失能够被最小化。在发动机的高负荷条件下，气缸中产生的大部分热在径向方向上仍然通过各向异性热传导构件和热绝缘构件传递到冷却水通道中的冷却水，从而可以避免气缸壁的温度过度升高，并且可以使发动机的爆震最小化。由于这些因素，可以提高发动机的热效率。

优选地，所述冷却水通道在所述气缸的所述轴向方向上具有比所述活塞的行程长度大的长度。

由此，能够在发动机的高负荷条件下避免气缸壁表面的温度过度升高，并且能够使爆震的发生最小化。

优选地，所述各向异性热传导构件和所述热绝缘构件在所述气缸的所述轴向方向上均具有比所述活塞的所述行程长度大的长度。

由此，能够以有利的方式对直到气缸壁的下部分的大范围气缸壁加温。

优选地，所述各向异性热传导构件和所述热绝缘构件均具有在上止点时位于所述活塞的顶环上方的上端和在下止点时位于所述活塞的所述顶环下方的下端。

由此，能够使气缸壁中的温度分布在气缸的整个长度上相对均匀，从而由于气缸的上部分中的相对较低的温度而能够避免发动机发生爆震，并且由于气缸的下部分中的相对高的温度而能够良好地加温润滑油。

优选地，所述各向异性热传导构件结合到所述冷却水通道的位于所述气缸的所述那一侧的所述壁表面。

由此，各向异性热传导构件能够通过使用非常简单的布置而附接至冷却水通道的壁表面。此外，可以适当地安装各向异性热传导构件，而不需要从现存设计来修改气缸体的构造。

优选地，所述热绝缘构件结合到所述各向异性热传导构件。

由此，通过使用非常简单的布置就能够将热绝缘构件放置在各向异性热传导构件和气缸体上。

优选地，所述各向异性热传导构件设有圆筒形构造，并且形成为与所述活塞滑动接触的气缸套。

由此，通过使用非常简单的结构就能够将各向异性热传导构件安装到气缸体。也可以预先将各向异性热传导构件附接至气缸套，然后将气缸套安装在气缸体中。

在这种情况下，所述热绝缘构件可以设置在所述气缸套的外圆周表面上。

由此，通过使用非常简单的结构就能够将热绝缘构件安装到各向异性热传导构件或气缸套。

本发明因此提高了内燃发动机的热效率。

附图说明

现在，在下文中参考附图描述本发明，其中：

图1是根据本发明的第一实施方式的内燃发动机的剖视图；

图2是示出了发动机的气缸套中的温度分布的曲线图；

图3是示出了各向异性热传导构件的厚度与气缸套的上部分中的温度变化率之间的关系的曲线图；

图4是示出了各向异性热传导构件的厚度与气缸套的下部分中的温度变化率之间的关系的曲线图；

图5是与图1类似的视图，示出了本发明的第二实施方式；以及

图6是与图1类似的视图，示出了第一实施方式的修改。

具体实施方式

(第一实施方式)

图1示出了本发明的第一实施方式。

内燃发动机1由四冲程发动机构成，并且包括气缸体2和紧固到气缸体2的上端的气缸盖3。在气缸体2中形成有具有圆形横截面并且在气缸体2的上端面处开口的气缸孔4。圆筒形气缸套5固定地装配在气缸孔4中。气缸套5可以通过压配合或通过镶铸固定到气缸孔4。限定燃烧室的气缸6由气缸套5的内圆周表面形成。将气缸6的轴线称为气缸轴线a。气缸孔4的下端与限定在气缸体2的下部分中的曲柄室7连通。

气缸盖3的与气缸6的上端相对的部分向上凹入，以便形成燃烧室顶部11。燃烧室顶部11以如下方式设置有两个进气口12和两个排气口13，即，两个进气口12被布置在燃烧室顶部11的进气侧，而两个排气口13被布置在燃烧室顶部11的排气侧，该排气侧与进气侧相反。以本身已知的方式，每个进气口12的开口端设置有进气门14，而每个排气口13的开口端设置有排气门15。

活塞17被接收在气缸6中以便沿着气缸轴线a往复运动。活塞17具有盘形冠部18，一对裙部19从冠部18的对角相对的周边部向下延伸，一对连接壁部21连接各个裙部19的相应侧边缘。在冠部18的外周边上，从顶部依次形成有沿圆周方向延伸的第一环状槽、第二环状槽、第三环状槽(在附图中未编号)。用作压缩环的顶环22装配在第一环形槽中，也用作压缩环的第二环23装配在第二环形槽中，而油环24装配在第三环形槽中。活塞17在顶环22、第二环23和油环24处与气缸套5的内圆周表面滑动接触。

活塞17经由连杆26连接到曲轴(未示出)。活塞17相对于气缸6沿着气缸轴线a以预定的行程长度s往复运动。在图1中，位于上止点的活塞17由实线表示，而位于下止点的活塞17由虚线表示。将活塞17位于下止点时气缸体2的上端表面(衬垫表面：ga表面)与顶环22的下端表面之间的距离定义为bdc顶环距离l。

在气缸体2中，冷却水通道30(水套)径向地设置在气缸孔4的外面，或者换句话说，围绕气缸孔4。冷却水通道30还与气缸轴线a平行地竖直延伸，并在气缸体2的上端表面处开口。更具体地说，冷却水通道30从气缸体2的上端表面以环形形状向下深深地凹入，并且具有限定冷却水通道30的下底表面的通道底壁表面31。冷却水通道30的横向边界由从气缸6那一侧面向冷却水通道30的通道内壁表面32和从远离气缸6的那一侧面向冷却水通道30的通道外壁表面33限定。

将从气缸体2的上端表面到通道底壁表面31的距离或冷却水通道30在气缸轴线a的方向上的长度定义为冷却水通道30的深度d。冷却水通道30的深度d比活塞17的行程长度s长，并且比bdc顶环距离l长。具体地说，冷却水通道30的上端比处于上止点的顶环22的位置高，并且冷却水通道30的下端比处于下止点的顶环22的位置低。

在气缸盖3的燃烧室顶表面周围和排气口13周围形成有气缸盖侧冷却水通道35(气缸盖侧水套)。气缸盖侧冷却水通道35在气缸盖3的下端面处开口，并且与冷却水通道30的上端连通。冷却水通道30和气缸盖侧冷却水通道35与供冷却水循环通过的冷却水回路(未在图中示出)连通。

气缸体2和气缸盖3由铝合金或铸铁制成。气缸套5由铸铁制成。

冷却水通道30的通道内壁表面32设置有各向异性热传导构件37，该各向异性热传导构件37由具有各向异性热传导率或在第一方向和与第一方向正交的第二方向上呈现两种不同热传导率的材料制成。例如，可以通过将树脂和分散在树脂中的石墨填料材料的微小鳞片结合来形成这种材料。石墨填料鳞片均具有由规则排列的碳原子形成的基面，并且分散在树脂中，使得石墨填料鳞片的基面在规定方向上定向。石墨填料鳞片沿着基面的热传导率比石墨填料鳞片在与基面正交的方向上的热传导率高。树脂可以由诸如abs树脂和聚酰亚胺之类的塑料材料组成。

各向异性热传导构件37形成为片材，并且石墨填料鳞片的基面被布置成沿着该片材的表面延伸。结果，各向异性热传导构件37在沿着片材表面的方向上的热传导率比在厚度方向上的热传导率高。各向异性热传导构件37可以具有高柔性。

例如，通过将各向异性热传导构件37粘附或以其它方式结合到通道内壁表面32上而将各向异性热传导构件37放置成与通道内壁表面32表面接触。各向异性热传导构件37因此具有圆筒形形状。各向异性热传导构件37在气缸轴线a的方向上的热传导率比在气缸6的径向方向上的热传导率高。各向异性热传导构件37在气缸轴线a的方向上可以具有例如500至1,000w/mk的热传导率，而在气缸6的径向方向上可以具有例如10至50w/mk的热传导率。各向异性热传导构件37优选地在气缸轴线a的方向上的热传导率是在气缸6的径向方向上的热传导率的20到50倍。各向异性热传导构件37在气缸轴线a的方向上延伸，并且在气缸6的圆周方向上延伸以便围绕气缸6。

在各向异性热传导构件37的、在气缸6的径向方向上的径向外侧表面(与气缸6相反或远离气缸6的一侧)上放置有热绝缘构件38。热绝缘构件38形成为片材形式，并铺放在各向异性热传导构件37的外圆周表面上。热绝缘构件38例如可以由包括诸如富气孔凝胶之类的纳米多孔材料的材料形成。热绝缘构件38的热传导率可以是例如0.01w/mk至0.1w/mk。热绝缘构件38沿着各向异性热传导构件37的外圆周表面既在气缸轴线a的方向上延伸又在气缸6的圆周方向上延伸，并因此经由各向异性热传导构件37包围气缸6。热绝缘构件38可以通过例如使用粘合剂粘附或以其它方式结合到各向异性热传导构件37。热绝缘构件38的外表面经由间隙面向通道外壁表面33。结果，冷却水可以在热绝缘构件38的外表面和通道外壁表面33之间流动。

将各向异性热传导构件37在气缸轴线a的方向上的长度(竖直长度)限定为各向异性热传导构件37的长度h。在本实施方式中，热绝缘构件38在气缸轴线a的方向上的长度(竖直长度)等于各向异性热传导构件37的长度h，并且热绝缘构件38的上端和下端分别与各向异性热传导构件37的上端和下端基本重合。各向异性热传导构件37的长度h被选择为比活塞17的行程长度s长，并且比冷却水通道30的深度d短(s＜h＜d)。当活塞17位于上止点时，各向异性热传导构件37和热绝缘构件38的上端优选位于顶环22的上方。还优选的是，各向异性热传导构件37和热绝缘构件38的上端与气缸体2的上端表面隔开一定间隙。结果，通道内壁表面32的上端部分可直接接触流过冷却水通道30的冷却水。此外，各向异性热传导构件37的上边缘可以接触流过冷却水通道30的冷却水。

当活塞17位于下止点时，各向异性热传导构件37和热绝缘构件38的下端优选被定位成低于顶环22。还优选的是，各向异性热传导构件37和热绝缘构件38的下端以一定间隙被定位在通道底壁表面31上方。结果，通道内壁表面32的下端部分可以直接接触流过冷却水通道30的冷却水。此外，各向异性热传导构件37的下边缘可以接触流过冷却水通道30的冷却水。

各向异性热传导构件37和热绝缘构件38的上端被定位成彼此重合。此外，各向异性热传导构件37和热绝缘构件38的下端被定位成彼此重合。换句话说，各向异性热传导构件37和热绝缘构件38形成为彼此重叠。

各向异性热传导构件37的厚度优选为0.1mm至10mm，并且热绝缘构件38的厚度优选为0.1mm至10mm。各向异性热传导构件37和热绝缘构件38的组合厚度需要足够小，以便不会阻碍冷却水在冷却水通道30中的流动。

气缸体2的壁的限定曲柄室7的部分设置有用于向活塞17的后表面和气缸6的内周表面喷射油的喷油器40。喷油器40以本身已知的方式经由形成在气缸体2中的油道连接到油泵。

下面将描述如上所述构造的内燃发动机1的运行模式和主要特征。图2是示出了内燃发动机1的气缸套5的温度分布的曲线图。通过在1,500rpm和750kpa的bmep下运行内燃发动机1获得该结果。根据本实施方式(图2中的实线)，获得了如图2中的实线所示的气缸套5的温度分布。各向异性热传导构件37在气缸轴线a的方向上的热传导率是1000w/mk，而在径向方向上的热传导率是20w/mk。各向异性热传导构件37具有7mm的厚度(在径向方向上的宽度)，并且被定位成使得各向异性热传导构件37的上边缘比气缸体2的上端表面低20mm，并且各向异性热传导构件37的下边缘位于通道内壁表面32的下端部分中(与通道底壁表面31相距较小的距离)。热绝缘构件38具有7mm的厚度，并且被布置成分别在其上边缘和下边缘处与各向异性热传导构件37的上边缘和下边缘重合。作为比较实施例，省略了各向异性热传导构件37和热绝缘构件38，并且所获得的气缸套5的温度分布在图2中用虚线表示。如从图2的曲线图可以看出，在根据本实施方式的内燃发动机1中，气缸套5的上端部分的温度比比较实施例的温度低，并且气缸套5的下端部分的温度比比较实施例的温度高。

在内燃发动机1中，当活塞17在上止点附近时，在由燃烧室顶部11和活塞17的上端表面限定的燃烧室中发生燃烧。此后，已经接收到燃烧气体的膨胀力的活塞17向下移动，并且燃烧气体向下膨胀。因此，气缸6的壁表面从燃烧气体和活塞17以如此方式接收热，以致于使得壁表面的上部分的温度比壁表面下部分的温度高。

在根据所示实施方式的内燃发动机1中，从燃烧室传递到气缸6的壁表面的热被传递到各向异性热传导构件37。各向异性热传导构件37在气缸轴线a的方向上的热传导率比在气缸6的径向方向上的热传导率高。结果，在各向异性热传导构件37中，热在气缸轴线a的方向上比在气缸6的径向方向上传导的更多。此外，由于热绝缘构件38径向地设置在各向异性热传导构件37的外面，所以热在气缸轴线a的方向上甚至比在气缸6的径向方向上传导的更充分。结果，在各向异性热传导构件37中，热优先沿着气缸轴线a的方向从气缸6的温度相对较高的上部分传导到气缸6的温度相对较低的下部分。传导到各向异性热传导构件37的下端部分的一部分热被传递到气缸6的处于较低温度的壁表面，以便气缸6的壁表面的相应部分的温度升高。传递到各向异性热传导构件37的下部分的剩余热被传递到冷却水。

在根据比较实施例的内燃发动机中，由于缺少各向异性热传导构件37和热绝缘构件38，所以传递到气缸套5的热主要径向地向外传递，然后传递到冷却水。具体地说，由于沿着气缸轴线a的方向的热传导不像在本实施方式的内燃发动机1中那样有效，所以气缸套5的上端和下端之间的温度差比根据本实施方式的内燃发动机1的温度差大。

在根据本实施方式的内燃发动机1中，由于热从气缸套5的温度相对较高的上部分传导到气缸套的温度相对较低的下部分，所以从气缸套5的中间部分到下部分的范围的部分的温度特别有效地升高。结果，沿着气缸套5的内圆周表面向下流动的润滑油可以以良好的方式被加温，使得内燃发动机1的滑动部分由于润滑油的粘度降低而遇到相对小的摩擦，从而可以使内燃发动机1的摩擦损失最小化。

此外，由于热绝缘构件38设置在热各向异性材料的径向外侧上，所以能够特别地使气缸6的径向方向上的热传导比从气缸套5的上端到下端的轴向方向上的热传导小。由此，能够防止热在径向方向上传导，并由此防止热被传递到冷却水通道30中的冷却水，从而能够将冷却损失最小化。

即使在内燃发动机1的高负荷状态的时候，热也可以从气缸6的壁表面的上部分传导到气缸的下部分，从而能够避免上部分温度过度升高。结果，即使在高负荷状态下也可以有效地抑制发动机爆震。此外，由于各向异性热传导构件37和热绝缘构件38的上端没有包围气缸套5的上端，所以通道内壁表面32可以直接接触冷却水，从而可以以良好的方式进行冷却。结果，可以抑制气缸套5的上端的温升，并且能够抑制爆震。

图3是示出了各向异性热传导构件37的厚度对气缸套5的上端部分(在气缸体2的上端表面下方30mm的位置处)的温度的影响的曲线图。测量条件与图1中的相同。壁温度变化率(％)表示所示实施方式和比较实施例之间的温度差与所示实施方式的温度的比率。如图3所示，当各向异性热传导构件37的厚度为7mm时，气缸套5的上端部分处的壁温度变化率达到－1.6％的最大负值(该负值在数值上为负，并且绝对值最大)。换句话说，所示实施方式在气缸套5的上端部分中实现了温度的显著下降。还示出了当各向异性热传导构件37的厚度在0mm至40mm的范围内时，可以获得各向异性热传导构件37的益处(可能在较小程度上)。当各向异性热传导构件37的厚度大于40mm时，气缸套5的上端部分处的壁温度变化率达到正值，这意味着气缸套5的上端部分的温度变得比比较实施例的温度高。

图4是示出了各向异性热传导构件37的厚度对气缸套5的下端部分(在气缸体2的上端表面下方135mm的位置处)的温度的影响的曲线图。测量条件与图2中的相同。如图4所示，当各向异性热传导构件37的厚度为7mm时，气缸套5的下端部分处的壁温度变化率达到+4％，并且当各向异性热传导构件37的厚度为20mm时，气缸套5的下端部分处的壁温度变化率达到+5％的最大正值(该正值在数值上为正，并且绝对值最大)。还示出了当各向异性热传导构件37的厚度在0mm至50mm的范围内或甚至更大时，可以获得各向异性热传导构件37的益处，或者换句话说，可以在气缸套5的下端部分中实现温度显著增加。

从图3和图4所示的结果可以得出结论，当各向异性热传导构件37的厚度在0.1mm至40mm的范围内时，各向异性热传导构件37提供了冷却气缸套5的上端部分而加温气缸套5的下端部分的益处。0.1mm可以是各向异性热传导构件37的实际最小厚度。

(第二实施方式)

第二实施方式的内燃发动机50与第一实施方式的内燃发动机的不同之处在于各向异性热传导构件51和热绝缘构件52的布置，但是其它方面与第一实施方式的内燃发动机相似。

如图5所示，在第二实施方式的内燃发动机50中，气缸套5由各向异性热传导构件51形成。气缸套5在气缸轴线a的方向上具有比在气缸6的径向方向上更高的热传导率。在本实施方式中，气缸套5完全由各向异性热传导构件51形成。在一个替代实施方式中，气缸套5的一部分由各向异性热传导构件51形成，这可能通过与不具有各向异性特性但具有良好的机械特性的另一个构件层叠而形成。热绝缘构件52形成为片材形状，并且被插设在气缸套5的外圆周表面和限定在气缸体2中的气缸孔4的内圆周表面之间。

气缸套5设有足够大的轴向长度，以容纳活塞17的、范围在上止点和下止点之间的整个冲程。热绝缘构件52设置在气缸套5的整个外圆周表面和长度上。

在第二实施方式的内燃发动机50中，由气缸套5从燃烧室接收的热同样通过各向异性热传导构件51或气缸套5而在轴向方向上比在径向向外的方向上更有效地从气缸套5的上部分传递到气缸套5的下部分。因此，可以升高气缸套5的下端部分的温度，同时降低气缸套5的上端部分的温度。

尽管已经根据特定实施方式描述了本发明，但是本发明不受这些实施方式的限制，而是可以在不偏离本发明的精神的情况下以多种不同的方式修改。例如，各向异性热传导构件37可以以与所示实施方式示出的方式不同的方式安装。例如，如图6所示，可以在冷却水通道30中放置间隔件65或支座构件，使得各向异性热传导构件37和热绝缘构件38可以被插设在间隔件65和通道内壁表面32之间。间隔件65可以由框架构件构成，该框架构件具有用以将间隔件65保持在冷却水通道30中的适当位置的凸缘，并且具有大的开口区域以允许冷却水自由地循环并接触热绝缘构件38的外圆周表面。

各向异性热传导构件37和热绝缘构件38也可以只存在于气缸6的整个圆周的一部分中，而不是如前述实施方式的情况那样在气缸6的整个圆周上延伸。例如，各向异性热传导构件37和热绝缘构件38可以仅设置在气缸6的排气侧和/或进气侧上。