用于冷却汽缸盖的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及内燃机，特别地，涉及用于将燃料直接喷射到内燃机的燃烧室的喷雾引导式缸内直喷(spray guided direct inject1n, S⑶I)系统。具体地，本发明涉及所述内燃机(internal combust1n engine, ICE)的汽缸盖组件内的冷却剂流动。
【背景技术】
[0002]用于内燃机的喷雾引导式缸内直喷系统提供稀薄分层燃烧，稀薄分层燃烧具有减少排放和提高燃料效率的双重优势。SGDI系统的特点是具有在中部安装的直接喷射器，而火花塞又安装得很接近所述喷射器。
[0003]为了将火花塞紧密接近喷射器，通常将喷射器和火花塞装配在一起并且安置在汽缸盖的顶部以便位于气门中间。此布置方式还考虑到汽缸盖组件的紧凑设计。这种装配使得火花塞和喷射器对齐，从而限定出与发动机之内汽缸的线平行的纵向平面或者与发动机之内汽缸的线垂直的横向平面。
[0004]SGDI技术致力于减少主流车辆实际应用中的排放，同时也有必要应用于高性能车辆。结果，由于结合SGDI技术的发动机一般更加紧凑，所以会影响发动机内冷却剂的流动。由于更高功率输出的发动机对于高性能车辆是必需的，所以对更高功率输出的发动机的需求相对于实现排放控制来说更为重要。因此，对于SGDI技术在主流车辆中的应用，解决冷却剂在较差条件下热积累问题的需求将成为很大的障碍。
[0005]目前，产生较大功率输出的主流车辆没有被紧凑设计所限制，因此冷却剂在发动机周围流动以解决热积累的方法很少出现问题。增大发动机尺寸以适应功率输出使得更多的冷却剂流动，其中包括增大在汽缸盖周围的冷却剂腔室的尺寸。进一步地，由于尺寸增大，所以在提供冷却剂流动路径方面缺乏效率的问题难以避免。
[0006]更加紧凑的设计不仅会使有效流动特性缺乏的问题加重，还会进一步在提供充足的冷却剂流动上进行限制，从而可能导致热积累局部增加而影响发动机寿命方面的性能。
【发明内容】
[0007]本发明的第一个方面提供了一种用于内燃机的汽缸盖组件的水套，所述水套包括:冷却剂腔室，其布置为允许冷却剂在所述水套之内流动；冷却剂管道，其设置为允许冷却剂在接近凹进部处流动，所述凹进部用于接收安装于汽缸盖的排气气门，所述冷却剂管道与所述冷却剂腔室以流体连通；其中，所述冷却剂管道以复杂曲线成形。
[0008]相应地，在第一个方面本发明旨在提供复杂曲线至在排气气门梁周围的流动路径。复杂曲线布置具有两个显著的优势，即流动路径中不连续点的去除以及在排气气门梁周围的流动路径的成形能力，从而为了更好的热传递特性将气门和冷却剂流之间的材料厚度减到最小。
[0009]至于不连续点，根据现有技术的流动路径典型地包括钻出管道并且保证孔的尺寸足够以允许期望的冷却剂流速。对于大口径管道，不连续点没有其对于紧凑的发动机(例如应用于SDGI技术的那些发动机)关键。因此，由复杂曲线提供的连续流动路径的使用将减少液压损失，否则将阻碍热传递效果。
[0010]进一步地，当钻出冷却剂管道时，路径必须不可避免地为直线的，因此不能与相应铸造进入汽缸盖的排气气门梁凹进部的形状相匹配。由此断定线性管道的一部分可能为最佳的厚度，而其他部分材料厚度将小于最佳厚度，从而成为低效率的热传递点。使用复杂曲线布置的冷却剂管道允许:(i)连续的流动路径，(ii)优化材料厚度的能力，以及(iii)优化管道孔的能力。
[0011]复杂曲线可以为双半径曲线，其相比于单半径曲线可以使路径更加平缓。
[0012]进一步地，复杂曲线可以具有几条这样应用有限半径的曲线。使用直线路径进一步关心的是直线路径之间以及直线路径与曲线路经之间不连续点的引入。除非特别地形成直线部分为正切的，否则直线部分和曲线部分之间的连接处会有不连续的边缘并且相应地在冷却剂流动中造成液压损失。两个线性路径之间的连接处将不可避免地导致不连续的表面。
[0013]可选择地，复杂曲线可以是双反向曲线以调整冷却剂路径从而模仿排气气门梁的形状。进一步地，复杂曲线还可以为样条曲线，例如贝兹样条(Bezier spline)，使得连续曲线与冷却剂路径所需形状为最佳匹配。这样的优势在于，匹配沿着冷却剂路径的点所需要的布置，同时最大限度减少液压损失并且避免不连续点。这可以具有针对水套的必要的形状(可能由于发动机之内尺寸和形状的限制)优化冷却剂路径的效果。
[0014]在另一个进一步的实施方案中，复杂曲线可以为两个弓形曲线，具有在以下范围内的第一半径:
[0015]Θ/IKR1O/13
[0016]5R1〈R2〈9R1
[0017]其中:Θ为汽缸孔直径
[0018]Rl为入口半径(142，图5B)，以及；
[0019]R2 为出口半径(143，图 5B)。
[0020]本发明的第二个方面提供了一种用于内燃机的汽缸盖的水套，所述水套包括:一对孔，其布置为容纳火花塞和燃料喷射器；所述孔通过分离部件而隔开；冷却剂腔室，其布置为允许冷却剂在所述孔周围流动；其中，所述分离部件包括冷却剂通道，所述冷却剂通道流体连通所述冷却剂腔室以便允许冷却剂在所述孔之间流动。
[0021]相应地，将冷却通道引入分离部件不仅提供部分气缸盖之内的冷却剂的益处，而且为冷却剂腔室周围提供更好的常规冷却剂循环。
[0022]在一个实施方案中，具有冷却通道的分离部件可以为可分离的部件，该部件可以为汽缸盖组件的部件。这将有利于简化冷却通道的制造。可选择地，分离元件可以铸造在水套或者汽缸盖之内适当的位置。在难以铸造的同时，这考虑到冷却剂通道的精确布置以用于更好的热控制。
【附图说明】
[0023]参照附图便于进一步描述本发明，附图图示了本发明的可能布置。本发明的其它布置也是可能的，因此，附图的特殊性不应理解为代替本发明前面描述的一般性。
[0024]图1A和图1B为根据现有技术的水套(water jacket)的多个视图；
[0025]图2A和图2B为根据本发明一个实施方案的水套的等距视图；
[0026]图3A和图3B为根据本发明进一步的实施方案的水套的截面图；
[0027]图4A为根据现有技术的水套的CFD图像；
[0028]图4B为根据本发明进一步的实施方案的水套的CFD图像；
[0029]图5A至图5C为根据本发明进一步的实施方案的水套的多个视图；
[0030]图6A为根据现有技术的水套的详细视图；
[0031]图6B为根据本发明进一步的实施方案的水套的详细视图；
[0032]图7A为根据现有技术的水套的CFD图像；
[0033]图7B为根据本发明进一步的实施方案的水套的CFD图像。
【具体实施方式】
[0034]图1A和图1B显示了根据现有技术的水套5，其中凹进部10为火花塞和燃料喷射器(没有示出)的孔15、20提供通道。
[0035]在这样的布置中，这能够适合用于汽缸盖的水套，该汽缸盖结合至用于内燃机的喷雾引导式缸内直喷(spray guided direct inject1n, S⑶I)系统。在本实施方案中，燃料喷射器和火花塞可以布置在大体上竖直的位置，从而更好地提供直接燃料喷射。相应地，图1A的水套提供了与SGDI系统相符合的汽缸盖的紧凑布置方式。
[0036]图1B显示的水套显示了在孔15、20周围的冷却剂腔室30，以便通过循环从入口25进入冷却剂腔室之内的冷却剂从而冷却各个组件。SGDI类型的系统包含适应控制排放为主要目标的紧凑布置。汽缸盖内的热积累不是所考虑的主要目标。然而，为了将SGDI技术引进到主流车辆中，它们还必须适应具有更高功率输出的发动机，更高功率输出将相应地导致更多热量的产生。
[0037]牵涉到热量产生的需要特别关注的区域为位于孔15、20之间的元件17。对于紧凑设计，如果SGDI技术致力于更高功率输出的话，这个区域会成为热量产生的根源。
[0038]图2A、图2B、图3