发动机及其发动机汽缸盖的制作方法
【专利摘要】一种发动机及其发动机的汽缸盖，所述发动机包括具有至少一个汽缸孔的汽缸体，定位于汽缸体内的活塞，和被配置为在汽缸体的安装表面处附接至汽缸体的汽缸盖，所述汽缸盖包括对应的安装表面，第一阀接收部分和第二阀接收部分，每一个阀接收部分设置在汽缸盖的安装表面上，设置在第一阀接收部分和第二阀接收部分之间的桥接部，设置为穿过桥接部的至少一部分的至少一个通道，以及定位于至少一个通道内的热传递体，所述热传递体具有第一热导率，其中，汽缸盖由具有第二热导率的母材形成。本实用新型设于汽缸盖中的热传递体能够减小桥接部与周围结构之间的温差，从而减少桥接部由热应力引起的损坏。
【专利说明】
发动机及其发动机汽缸盖
技术领域
[0001]本实用新型总体上涉及用于机器为发动机的汽缸盖，且更具体地涉及适应于为目标区域散热的汽缸盖。
【背景技术】
[0002]内燃机，诸如柴油、汽油或者天然气发动机，通常同时包括汽缸盖和汽缸体，该汽缸盖和汽缸体连同活塞的燃烧面一起限定出至少一个燃烧室。汽缸盖可以包括定位在其中的每一个进气和排气阀中的至少一个，其被致动以使进气和排气流入和流出燃烧室。阀口设有位于汽缸盖上的阀座以接收阀以便密封燃烧室。阀口可以成组并且彼此相互接近地配置以便与每个燃烧室一起进行运行。
[0003]通常理想的是阀口在燃烧室的直径允许的空间约束内尽可能的大，以便使燃烧室的流入和流出流最大化。因为这一理想目标，汽缸盖材料的相对较窄的桥接部可以在汽缸盖上的阀口之间形成间隔。在内燃机的运行期间，如果来自燃料燃烧的热负荷不能充分地在这些窄桥接部中传递至汽缸盖的其它部分或者从汽缸盖的其它部分传递出，那么汽缸盖的桥接部材料会出现裂纹。
[0004]标题为“包括具有填料的应力通道的汽缸盖”的美国专利7，677，218号(“’218专利”)提供了一种用于缓解由燃烧引起的汽缸盖应力的解决方案。’218专利提供在底表面中应力通道的使用，其可以在汽缸盖中的相邻开口之间、在燃烧室之间延伸以缓解应力。’ 218专利还提供一种密封的使用，其用于减轻会发生在具有应力通道的汽缸盖中的火环吹出。虽然’218专利提供了这一解决方案，可能还存在一些应用，其理想的是，改变在汽缸盖内目标区域中的热导率。
【实用新型内容】
[0005]根据本实用新型的一方面，发动机包括:具有至少一个汽缸孔的汽缸体、定位在该汽缸体中的活塞和配置为在汽缸体的安装表面处附接到汽缸体的汽缸盖。汽缸盖包括对应的安装表面和设置在汽缸盖的安装表面上的第一阀接收部分和第二阀接收部分。桥接部位于第一阀接收部分与第二阀接收部分之间并且至少一个通道设置为穿过桥接部的至少一部分。热传递体定位在至少一个通道内，该热传递体具有与所述汽缸盖的第二热导率不同的第一热导率，并且汽缸盖由具有所述第二热导率的母材形成。
[0006]所述热传递体在所述汽缸盖的所述至少一个通道内形成至少一个杆。
[0007]进一步包括:喷射接收部分，其设置在所述第一阀接收部分与所述第二阀接收部分之间，所述喷射接收部分设置在所述汽缸盖的所述安装表面上。
[0008]所述至少一个通道从所述喷射接收部分沿定向垂直于所述喷射接收部分的方向轴向地延伸。
[0009]所述至少一个通道从所述喷射接收部分延伸到所述汽缸盖内的另一个喷射接收部分。
[0010]根据本实用新型的另一方面，汽缸盖包括安装表面、第一阀接收部分和第二阀接收部分，每一个阀接收部分设置在安装表面上。桥接部设置在第一阀接收部分与第二阀接收部分之间并且至少一个通道设置为穿过桥接部的至少一部分。至少一个通道位于安装表面上方并且热传递体定位在至少一个通道内。热传递体具有与所述汽缸盖的第二热导率不同的第一热导率，并且汽缸盖由具有所述第二热导率的母材形成。
[0011]本实用新型设于汽缸盖中的热传递体可以用来调节和改善桥接部以及周围的热导率以有效地传递热负荷，减小桥接部与周围结构之间的温差，从而减少桥接部由热应力引起的损坏。
[0012]根据本实用新型的另一方面，一种用于改进发动机汽缸盖中的热导率的方法包括在汽缸盖内汽缸盖安装表面的上方形成至少一个通道，并且将至少一种热传递材料定位到在汽缸盖内的至少一个通道中。该至少一种热传递材料具有与汽缸盖的热导率不同的第一热导率。
【附图说明】
[0013]图1提供了根据本实用新型的一方面所限定的发动机的侧视图。
[0014]图2提供了示例性常规汽缸盖的安装表面的底视图。
[0015]图3提供了沿着图2的线II1-1II所截取的汽缸盖的剖面图。
[0016]图4提供了汽缸盖某部分的详细视图，该部分包含在图2中用附图标记IV表示的圆圈内。
[0017]图5提供了沿着图2的线II1-1II所截取的汽缸盖的剖面图，该剖面图根据本实用新型的一方面进行了修改。
[0018]图6提供了根据本实用新型的一方面的汽缸盖的侧视图。
[0019]图7提供了沿着图6的线VI1-VII所截取的汽缸盖的剖面图。
【具体实施方式】
[0020]现在将参照附图对本实用新型的各个方面进行详细说明，其中全文中相同的附图标记指代相同的元件，另外说明除外。
[0021]图1示出了具有汽缸体102的发动机100。发动机100还包括汽缸盖104、由汽缸体102、汽缸盖104和活塞燃烧面(未示出)限定的燃烧室106。冷却系统108也包括在发动机100中，并且可以具有热交换器110、用于将热交换器110连接至发动机100的上软管112和下软管114。热交换器110可以连接至下软管114和与冷却传递栗118相通的通路116。冷却系统108可以进一步包括多个通路120和出口歧管122。
[0022]如在图2中更清楚地示出，发动机100的汽缸盖104包括设置在汽缸盖104的安装表面上的各种端口或者接收部分，下文称为安装到汽缸体102的安装表面202。在图2中的汽缸盖104中绘出的端口包括缸盖螺栓口 204，其可以接收紧固件(如螺栓等)用于将汽缸盖104安装到汽缸体102。在本实用新型的一个方面，汽缸盖104可具有用于传输机油的缸盖回油口 206。此外，汽缸盖104可具有水通路端口 208，其可允许发动机冷却剂穿过汽缸盖104，从而将热量从汽缸盖104带走传输到图1的热交换器100并冷却汽缸盖104。汽缸盖端口还可包括进气阀端口 210和排气阀端口 212，每个分别对应于一个或多个进气阀和排气阀。[0023 ]此外，汽缸盖104可具有用于每组进气阀端口 210和排气阀端口 212的一个或多个喷射端口 216。当图2的汽缸盖104具有一个喷射端口 216时，本实用新型的替代方面可包括用于每组进气阀端口 210和排气阀端口 212的两个或多个喷射端口 216。
[0024]每个燃烧室106(图1)可以与进气阀中的一个或多个和排气阀中的一个或多个相关联。在图2的示例性方面，每个燃烧室106与对应于一对进气阀端口 210的一对进气阀，以及对应于一对排气阀端口 212的一对排气阀相关联。
[0025]汽缸盖104配置为接收与每个燃烧室106相关联的一组阀。进气阀端口210和排气阀端口 212分别接收进气阀和排气阀。进气阀选择性地封闭每个进气阀端口 210并且可以通过凸轮轴相应的凸轮致动以移动阀元件以打开和关闭相关联的进气阀端口 210。同样地，排气阀选择性地封闭每个排气阀端口 212并且可以通过相同的或另一个凸轮轴上的另一个凸轮致动以打开和关闭相关联的排气阀端口 212。
[0026]每个燃烧室106也与喷射端口216相关联，该喷射端口 216延伸穿过汽缸盖104的安装表面202。喷射端口 216接收燃料喷射器以将燃料喷射通过汽缸盖104进入燃烧室106。应该注意到，尽管描述为用于柴油发动机的汽缸盖104，但本实用新型不限于这种应用。汽缸盖104可根据本实用新型的多个方面可选地进行构造，用于需要这种点火源的汽油或其它燃料发动机。
[0027]如图3所示，汽缸盖104中的进气阀端口210和与燃烧室106相关联的喷射端口 216各自延伸穿过安装表面202。材料的窄桥接部302位于端口之间。桥接部302可由结构上适合本应用的材料构成，例如诸如，铝、镁、铁、钢以及其他合金、碳纤维等。这些材料具有有益特性，但由于在发动机100运行期间温度的改变，还可具有桥接部302的区域中不理想的热导率。部分由于端口的尺寸以及桥接部302中相对有限的材料用量，桥接部302与其他桥接部302传递热量的能力有限。因此，桥接部302和/或发动机100的其他部件的损坏可能随使用时间的延续而发生。
[0028]图4是图2中所示的汽缸盖的一部分的详细视图。汽缸盖104的安装表面202的该部分对应于燃烧室106 (图1)并包含一对进气阀端口 210、一对排气阀端口 212和喷射端口 216。每对进气阀端口 210和每对排气阀端口 212具有用于相应阀元件的阀座402。
[0029]如图4所示，桥接部302可具有较周围结构相对较低的热质量和/或有限能力用以通过例如将热量传递到汽缸盖104和汽缸体102的其他部分来调节桥接部302的热量。为了处理桥接部302相对低的热质量，通道404和通道406可以通过桥接部302加工进入汽缸盖104并且与安装表面202隔开，使得每个通道404和通道406通过汽缸盖104的一些母材用量与安装表面202分离开。如下文将更详细描述，热沉408可以定位于通道404和通道406中。
[0030]根据本实用新型的一个方面，图5的汽缸盖104已经改进成包括通道404、通道406和通道502。通道406和通道502可以通过钻孔或加工通过汽缸盖104的一侧以及通过一个或多个端口 204、216而形成在一起。尽管描述为钻孔或加工，但在本实用新型的某些方面，通道404、通道406和/或通道502可以通过其他方式设于汽缸盖104内。在图5中，通道502已经从汽缸盖104的一侧加工通过第一缸盖螺栓口 204并且通过喷射端口 216到达第二缸盖螺栓口 204。通道406可设置在每个缸盖螺栓口 204和喷射端口 216之间。通道404可通过沿着汽缸盖104的另一个轴线加工而形成，这将在后续介绍。
[0031]在本实用新型的一个方面，热沉408通过插入热沉材料的杆定位于通道404、通道406和通道502中。为了防止热沉408阻碍喷射端口 216和/或缸盖螺栓口 204，喷射端口 216和/或缸盖螺栓口 204可以在热沉408已经定位到通道406中之后再进行加工。在各种方面中，通道502可包含热沉408或者可用作导管用于插入热沉408，随后被堵塞。
[0032]图6示出了汽缸盖104的侧视图。在汽缸盖104的本侧视图中，通道404可被视为通过汽缸盖104的母材与安装表面202分开。为了防止热沉408定位于通道404中时，热沉408阻碍喷射端口 216，可能需要通过其来钻孔通道404的喷射端口 216可以在通道404已经被钻孔之后并且在热沉408已经插入通道404中之后再进行加工。
[0033]汽缸盖104中的通道404、通道406和通道502的示例性配置示于图7中，其显示了图6的汽缸盖104的剖视图。图7中的汽缸盖104的剖视图示出了通道404、通道406和通道502的二维视图。在本实施例中，通道404沿着横向轴线从每个喷射端口 216延伸出来，该横向轴线从汽缸盖104的前部延伸到汽缸盖104的后部并通过每个喷射端口 216。通道406沿着纵向轴线定位，该纵向轴线从汽缸盖104的一侧延伸到汽缸盖104的另一侧并通过每个喷射端口216。
[0034]因此，通道404定位于每个喷射端口216之间，使得通道404与喷射端口 216对齐并且垂直于通道406，该通道406定位于缸盖螺栓口 204和喷射端口 216之间。如图7所示，这种配置的结果是，四个不同通道404和通道406从每个喷射端口 216延伸出来。图7中通道404和通道406在轴线上的定位导致热沉408定位于桥接部302附近并位于进气阀端口 210和排气阀端口 212之间。
[0035]通道404和通道406的数量可基于诸如汽缸盖104的尺寸、存在于位于进气阀端口210和排气阀端口 212之间的桥接部302中的材料用量，以及与发动机100相关联的燃烧室106的数量等多种因素而变化。通道404和通道406的体积、长度和方向也可以变化。通道404和/或通道406可以为圆柱形、有凹槽的或者为容纳由热沉408形成的杆的其他形状。尽管未示出，但在本实用新型的另一方面，水通路端口 208可与通道404和通道406相交以能够在汽缸盖104内输送更多的冷却剂。
[0036]在替代方面中，通道404和/或通道406可具有热特性在汽缸盖104内的不同位置而变化的热沉408。例如，定位于通道404中的热沉408可具有与定位于通道406中的热沉408不同的热导率。可选地，通道404和/或406中的每一个可具有包含具有一个热导率的热沉408一个或多个部分，以及充满具有不同热导率的母材或热沉408的一个或多个部分。
[0037]在一些应用中，在通道404和406被钻孔之后，每个散热杆(S卩热沉)408可形成为不长于其相应通道404或通道406的段。在这种应用中，散热杆408可逐步插入使得每个散热杆408不长于其所位于的通道404或406的长度，且使得散热杆408不阻碍喷射端口 216和/或缸盖螺栓口 204，从而使加工步骤的数量最小化。可替换地，通道404和通道406可以模制或者铸造进入汽缸盖104以允许热沉408处于多个轴线方向并通过汽缸盖104的母材与安装表面202分开。在另一方面，可在加工喷射端口 216和/或缸盖螺栓口 204之前将热沉408浇注入通道404和通道406中或者以其他方式定位于通道404和通道406中。
[0038]而在其他应用中，可期望以与图7中所示不同的角度将热沉408定位到汽缸盖104中。这些可选应用可需要以下多个步骤:钻孔入汽缸盖104、定位热沉408、加工，和/或堵塞喷射端口 216和/或缸盖螺栓口 204和/或汽缸盖104的其他部分。
[0039]在本实用新型的另一方面，可期望将衬套或其他密封机构定位于喷射端口216中以使通道404和通道406与喷射端口 216隔离。衬套可以是垫环、垫圈等，且可以是金属、碳纤维等。衬套可以为喷射端口 216提供结构支撑，并且可以是可拆卸的以能够更换热沉408。
[0040]在一些方面，热沉408可以是铜或者具有比汽缸盖104的桥接部302的母材的热导率更高的热导率的任何其他材料。例如，如果桥接部302的母材为铁(在25 °C下80W/(m*K))，铜在当用作热沉408时，会提供比铁汽缸盖104更高的热导率(在25°C下401W八m*K))。在其他实施例中，具有相对高的热导率的铝(在25°C下205W/(m*K))、锌(在25°C下116W/(m*K))、镁(在25°C下156W八m*K))等可以用作热沉408。在替代方面，可期望利用具有比母材低的热导率的热沉408。
[0041]可选地，一些热沉408可以使用在不同位置中具有不同热导率的材料组合以允许汽缸盖104内的定向温度调节。例如，除了其它原因，定位到通道406中的热沉408可以具有不同于定位到通道404中的热沉408的热导率以控制或者改变汽缸盖104内的不同位置处的热量调节和/或在特定方向上传递热量。汽缸盖104内热导率的控制调节还可以提供跨汽缸盖104的热均匀性并且因此减小汽缸盖104的各个部件上的热应力。还可期望在一些应用中考虑用于热沉408的其它材料性质，诸如热容量、硬度、延展性、熔点、电流响应、膨胀系数等。
[0042]工业实用性
[0043]本实用新型可应用于任何发动机100或具有使用阀致动的发动机100的其它系统。该设备、系统和过程可以增加发动机效率、减少汽缸盖104的磨损，并且改善汽缸盖104和相关部件的性能。
[0044]参考图4和图7，汽缸盖104可以具有定位到通道404和/或通道406中的一个或多个散热杆408，以调节汽缸盖104的温度。当与汽缸盖104相关联的发动机100运行时，应用于低热质量的区域的不均匀或循环加热可在汽缸盖104中，尤其在与每个燃烧室106相关联的进气阀端口 210和排气阀端口 212之间的桥接部302中产生热应力。为了减少由热应力引起的损坏，设于汽缸盖104中的散热杆408可以用来调节桥接部302中以及周围的热导率以减小桥接部302与周围结构之间的温差。以这种方式，可以减小桥接部302处的热应力和/或热激发剪切力。
[0045]应当认识到的是，以上描述提供了本公开系统和技术的实例。然而，可以设想，本实用新型的其它实施方案的细节可以不同于以上实例。对本实用新型或其实例的所有引用意图涉及此时讨论的特定实例且并不意味着对本实用新型更一般的范围的任何限制。所有措辞的差别以及关于某些特征的轻视意图说明缺乏对这些特征的偏好，但不是将这些完全排除在本实用新型的保护范围之外，另有说明除外。
[0046]本文对数值范围的叙述仅仅用作一种对落入范围内的每个独立数值的单独涉及的便捷方式，本文另有说明除外，且每个独立数值纳入说明书内，如同本文个别列举一样。本文所描述的所有方法可以任何合适的顺序执行，本文另有说明或者上下文有明显矛盾除外。
【主权项】
1.一种发动机(100)，其特征在于，包括: 汽缸体(102)，其具有至少一个汽缸孔； 活塞，其定位在所述汽缸体(102)中；以及 汽缸盖(104)，其配置成在所述汽缸体(102)的安装表面处附接到所述汽缸体(102)，所述汽缸盖(104)包括: 安装表面(202); 第一阀接收部分(210)和第二阀接收部分(212)，每一个阀接收部分(210，212)设置在所述汽缸盖(104)的所述安装表面(202)上； 桥接部(302)，其位于所述第一阀接收部分(210)与所述第二阀接收部分(212)之间；至少一个通道(404，406)，其设置为穿过所述桥接部(302)的至少一部分；以及热传递体(408)，其定位在所述至少一个通道(404，406)内，所述热传递体(408)具有第一热导率，形成所述汽缸盖(104)的母材具有不同于所述第一热导率的第二热导率。2.根据权利要求1所述的发动机(100)，其特征在于，所述热传递体(408)在所述汽缸盖(104)的所述至少一个通道(404，406)内形成至少一个杆。3.根据权利要求1所述的发动机(100)，其特征在于，进一步包括: 喷射接收部分(216)，其设置在所述第一阀接收部分(210)与所述第二阀接收部分(212)之间，所述喷射接收部分(216)设置在所述汽缸盖(104)的所述安装表面(202)上。4.根据权利要求3所述的发动机(100)，其特征在于，所述至少一个通道(404，406)从所述喷射接收部分(216)沿垂直于所述喷射接收部分(216)的方向轴向地延伸。5.根据权利要求3所述的发动机(100)，其特征在于，所述至少一个通道(404，406)从所述喷射接收部分(216)延伸到所述汽缸盖(104)内的另一个喷射接收部分(216)。6.一种发动机(100)的汽缸盖(104)，其特征在于，所述汽缸盖(104)包括: 安装表面(202)、第一阀接收部分(210)和第二阀接收部分(212)，每一个阀接收部分(210，212)设置在所述安装表面(202)上； 桥接部(302)，其位于所述第一阀接收部分(210)与所述第二阀接收部分(212)之间；至少一个通道(404，406)，其设置为穿过所述桥接部(302)的至少一部分，所述至少一个通道(404，406)位于所述安装表面(202)上方；以及 热传递体(408)，其定位在所述至少一个通道(404，406)内，所述热传递体(408)具有第一热导率，形成所述汽缸盖(104)的母材具有不同于所述第一热导率的第二热导率。7.根据权利要求6所述的汽缸盖(104)，其特征在于，所述热传递体(408)在所述汽缸盖(104)的所述至少一个通道(404，406)内形成至少一个杆。8.根据权利要求6所述的汽缸盖(104)，其特征在于，进一步包括设置在所述安装表面(202)上的喷射接收部分(216)。9.根据权利要求8所述的汽缸盖(104)，其特征在于，所述至少一个通道(404，406)从所述喷射接收部分(216 )沿定向垂直于所述喷射接收部分(216 )的方向轴向地延伸。10.根据权利要求8所述的汽缸盖(104)，其特征在于，所述至少一个通道(404，406)从所述喷射接收部分(216)延伸到所述汽缸盖(104)内的另一个喷射接收部分(216)。
【文档编号】F02F1/42GK205638716SQ201620438776
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】T·D·杨, C·J·格雷厄姆
【申请人】卡特彼勒公司