專利名稱：具有多個水套和澆鑄的水軌道的汽缸蓋的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括水套的汽缸蓋的結構，該汽缸蓋用于在內燃機中使用，并且更加特別地，涉及包括多個水套及燒鑄的(cast-in,鑲鑄的)水軌道的汽缸蓋。
背景技術：
內燃機的汽缸蓋可以包括多個腔，液體冷卻劑(例如，水)通過這些腔流動以給汽缸蓋的進入口和排放口、閥導部件、閥座以及燃燒板提供至關重要的冷卻。圖I是用于具有 液體冷卻系統的內燃機的常規汽缸蓋100的簡圖。該液體冷卻系統包括下部水套102a，其通過汽缸蓋100的材料103 (例如，鑄鐵或鋁)和上部水套102b相分離。該汽缸蓋材料103也限定下部/上部水套102a/102b的其他外圍邊界。該下部水套102a包括進口孔112a到112d，這些進口孔與內燃機的發動機本體水套(未示出)是流體連通的。這些汽缸蓋通道包括水套102a/102b，以允許熱量從汽缸蓋材料103和其他汽缸蓋部件轉移到流過該汽缸蓋100的液體冷卻劑。
發明內容
本發明提供了一種具有多個水套和軌道腔(rail cavity)的汽缸蓋，以及一種包括這樣汽缸蓋的內燃機，其能夠為汽缸蓋材料和汽缸蓋部件提供更均勻冷卻。在本發明的一個實施例中，一種用于內燃機的汽缸蓋包括下部水套腔，其形成于汽缸蓋的材料中；上部水套腔，其形成于汽缸蓋材料中并且通過在下部水套腔與上部水套腔之間的汽缸蓋材料中形成多個孔與下部水套腔流體連通；以及冷卻劑出口通道，從上部水套腔延伸到汽缸蓋的橫向側面(lateral side)。該汽缸蓋包括設置在汽缸蓋材料中的軌道腔，其與上部水套腔相隔開。該軌道腔沿汽缸蓋的縱向方向延伸并且與冷卻劑出口通道流體連通。在汽缸蓋材料中設置有橫向通道(lateral passage ),該橫向通道位于冷卻劑出口通道上游，軌道腔的一部分位于橫向通道與冷卻劑出口通道之間。該橫向通道流體連接上部水套腔到軌道腔。在本發明的另一個實施例中，一種內燃機包括發動機本體，其具有多個汽缸和水套通道；以及汽缸蓋，其密封汽缸并且包括上部水套和下部水套和軌道腔。該上部水套腔通過在上部水套與下部水套之間形成于汽缸蓋中的多個孔與下部水套腔流體連通，并且冷卻劑出口通道從上部水套腔延伸至汽缸蓋的橫向側面。在汽缸蓋中的軌道腔與上部水套腔分隔開，沿汽缸蓋的縱向方向延伸，并且與冷卻劑出口通道流體連通。在汽缸蓋中設置有至少一個橫向通道，該橫向通道位于冷卻劑出口通道的上游，軌道腔的一部分位于橫向通道與冷卻劑出口之間。該橫向通道流體連接上部水套腔與軌道腔。在發動機本體中的水套腔與下部水套腔流體連通并且構成了用于內燃機的流體冷卻回路的一部分。
圖I是包括冷卻劑通道系統的常規汽缸蓋的簡圖。圖2是根據示例性實施例的汽缸蓋和冷卻劑通道系統的簡圖。圖3是根據示例性實施例的水套核心系統的簡圖，其可被用于在內燃機的汽缸蓋中形成通道。圖4是根據示例性實施例的具有冷卻劑通道系統的汽缸蓋的簡圖，該冷卻劑通道系統包括兩個水套和一體化的軌道結構。
具體實施方式
關于常規的汽缸蓋設計，發明人員意識到當冷卻劑在上部水套中朝著汽缸蓋的冷卻劑出口流動時，進入上部水套的大部分冷卻劑傾向于沿著汽缸蓋的縱向方向流動。例如，在圖I所示的汽缸蓋中，由水泵(未示出)提供的冷卻劑Iio從發動機本體水套(未示出)流出，通過孔112a到112d進入下部水套102a，并且隨后通常以箭頭113 (即在圖I所示方位中的從左到右)示出的方向沿著朝向孔114a到114d的路徑流過水套102a，上述孔114a到114d與上部水套102b流體連通。該冷卻劑110然后經過每個孔114a到114d并進入上部水套102b。然而，在進入上部水套102b之后，來自孔114a到114d的大部分冷卻劑110傾向于沿著汽缸蓋的縱向方向(即從發動機后方到前方的方向)朝著冷卻劑出口通道117流動，如多個箭頭126所示。結果，冷卻劑110經過汽缸蓋100在橫向于汽缸蓋縱向方向的方向上的流動是不均勻的，或者在上部水套102b的一些區域實際是不存在的。不均勻的、縱向導向的冷卻劑流動，正如上所述，可能在汽缸蓋100的多個部分上引起溫度差異，這會給汽缸蓋材料103在多個運行周期上施加壓力至一個點，在該點汽缸蓋100裂開和/或扭曲。此外，當一個或者多個汽缸蓋部件(諸如進入口、排放口、閥座)沒有被適當冷卻時，發動機效率、耐久性和/或可靠性都可被負面影響。現在將參照附圖描述解決上述缺點的本發明的示例性實施例，在這些圖中，元件具有與那些前面討論的元件相同的參考標號。從圖2開始，示出了根據本發明的示例性實施例的汽缸蓋200的簡圖。該汽缸蓋200包括具有多個水套與軌道腔結構一體化設計的冷卻劑通道系統。如圖2所示，該冷卻劑通道系統200包括上部水套202和下部水套102a，它們在汽缸蓋材料203中形成腔，液體冷卻劑110可以通過這些腔流動。該上部水套202經由穿過汽缸蓋材料203形成的孔114a到114d與下部水套102a流體連通。該上部水套202也與軌道腔220流體連通，該軌道腔在縱向方向上沿著汽缸蓋長度的相當一部分延伸。在圖I所示的這個示例性實施例中，該軌道腔通過汽缸蓋材料203與上部水套202在橫向上分隔開，但是經由多個在汽缸蓋材料203中形成的橫向定向的通道222a到222d與上部水套202流體連通。需要理解的是，較少或者較多通道可能將上部水套202流體接合至軌道腔220，例如，為了適應對應的較多或者較少數量的發動機汽缸。該軌道腔220的下游末端與冷卻劑出口 217流體連通并且軌道腔的上游末端在橫向通道222a附近終止，盡管該軌道腔可能從冷卻劑出口 217起的直線上的最后的橫向通道上終止。該軌道腔220從汽缸蓋200的冷卻劑出口通道217處起沿著水套202的縱向側面延伸到與孔114a相對的或者接近相對的一個點處。該軌道腔220允許控制冷卻劑110的流動，這導致貫穿汽缸蓋200的水套202容積的橫向導向的冷卻劑流量(如箭頭224所示)相對于在縱向方向的冷卻劑流量(如箭頭226所示)增加。此外，該軌道腔220使得橫向冷卻劑沿著汽缸蓋200的縱向長度流動得更加均勻。通過使用軌道特性平衡上部水套中的壓力，從而能夠對通過汽缸蓋的關鍵區域(在下部水套和上部水套之間)冷卻劑110的流動進行管理。通過允許冷卻劑110以更加可控的方式被引導，可減少經過汽缸蓋和冷卻劑系統的壓力損失。圖3示出了水套核心系統300的示例性實施例,該水套核心系統可被用來形成內燃機的汽缸蓋。該核心系統包括下部核心部分302a，用于形成下部水套腔；以及上部核心部分302b，用于在汽缸蓋材料(未示出)中形成一體化的上部水套腔和軌道腔。該上部核心部分302b包括上部水套腔核心部分318、軌道腔核心部分320、以及多個冷卻劑通道核心部分322a到322c，其在汽缸蓋中在上部水套腔和軌道腔之間形成流體通道。上部核心部分 302b的末端部分包括冷卻劑出口通道核心部分317以便為汽缸蓋形成冷卻劑出口通道，并且包括兩個分支核心部分，這兩個分支核心部分形成用于將上部水套核心部分318流體接合至出口通道核心部分317的通道。如圖3所示，上部核心部分302b可與通道核心部分322a到322c以及軌道部分320一體地形成，盡管上部核心部分302b可包括兩個或者更多分離的核心部分，這些核心部分能夠被組裝到一起來形成上部核心部分302b并且被附接，例如膠合在一起，利用裝配螺釘或者一些其他種類的緊固件組裝，以及或者在模制(鑄造)汽缸蓋之前被夾持或者以其他方式保持在型箱內的適當位置中。該下部核心部分302a設置有多個延伸部312，這些延伸部達到包括燃燒室(未示出)的汽缸蓋的表面，當其與發動機本體的表面配合以密封汽缸排時，提供從發動機本體到下部水套的冷卻劑通道。此外，盡管在圖3中未示出，在由上部核心部分302b形成的上部水套與由下部核心部分302a形成的下部水套之間形成孔，這些孔允許汽缸蓋的上部/下部水套之間的冷卻劑的流體連通。圖4是汽缸蓋400的示例性實施例的簡圖，該汽缸蓋具有冷卻劑通道系統，其包括兩件水套與軌道結構的一體化設計。為了圖解說明清楚，在汽缸蓋材料403的簡化塊狀中僅示出上部水套402的透視圖。也在透視圖中示出的是軌道腔420，其經由通道422a到422c連接至冷卻劑出口部分417并且連接至上部水套402。箭頭示出了在遠離冷卻劑出口417的上部水套的區域中的增加的冷卻劑流動橫向分量，上述區域諸如是與上部水套402連接的通道422a到422c。使用本文中描述的多個水套和軌道設計的汽缸蓋實施例能夠減小在汽缸蓋中的壓力損失，從而允許簡小尺寸的水泵、提高功率和減小燃料消耗。這樣的汽缸蓋將被更加均勻地冷卻，這將增加堅固性并且提高汽缸蓋和其他發動機部件的壽命，并且允許接近設計余量地設計汽缸蓋。盡管本文中描述了有限數量的實施例，但本領域的普通技術人員將容易認識到，可以對這些實施例中的任一個實施例做出變型，并且這些變型將落入本發明的范圍內。因此，對于本領域的普通技術人員將顯而易見的是，在不背離所附權利要求及其等同物的范圍的情況下，可以對汽缸蓋做出各種變化和修改。
權利要求
1.一種用于內燃機的汽缸蓋，包括 下部水套腔，形成于所述汽缸蓋的材料中； 上部水套腔，形成于所述汽缸蓋的材料中并且通過在所述下部水套腔與所述上部水套腔之間的所述汽缸蓋的材料中形成的多個孔與所述下部水套腔流體連通； 冷卻劑出口通道，從所述上部水套腔延伸至所述汽缸蓋的橫向側面； 軌道腔，在所述汽缸蓋的材料中且與所述上部水套腔分隔開，所述軌道腔沿著所述汽缸蓋的縱向方向延伸并且與所述冷卻劑出口通道流體連通；以及 橫向通道，在所述汽缸蓋的材料中位于所述冷卻劑出口通道的上游，在所述橫向通道與所述冷卻劑出口通道之間具有所述軌道腔的一部分，所述橫向通道將所述上部水套腔流體連接至所述軌道腔。
2.根據權利要求I所述的汽缸蓋，其中，所述軌道腔連接至所述冷卻劑出口通道，并且所述軌道腔和所述冷卻劑出口通道的組合縱向長度基本上沿著所述汽缸蓋的整個縱向長度延伸。
3.根據權利要求I所述的汽缸蓋，進一步包括 在所述汽缸蓋的材料中位于所述冷卻劑出口通道的上游的多個橫向通道，所述多個橫向通道的每對相鄰橫向通道之間具有所述軌道腔的一部分，其中， 每個所述多個橫向通道流體連接所述上部水套腔與所述軌道腔。
4.根據權利要求I所述的汽缸蓋，其中，所述上部水套腔和所述下部水套腔的縱向長度大致相同。
5.根據權利要求I所述的汽缸蓋，其中，所述上部水套腔和所述下部水套腔基本上沿著所述汽缸蓋的整個縱向長度延伸。
6.根據權利要求2所述的汽缸蓋，其中，所述上部水套腔和所述下部水套腔基本上沿著所述汽缸蓋的整個縱向長度延伸。
7.一種內燃機，包括 發動機本體，包含多個汽缸和多個水套通道； 密封所述汽缸的汽缸蓋，所述汽缸蓋包括 下部水套腔； 上部水套腔，通過在上部水套與下部水套之間的所述汽缸蓋中形成的多個孔與所述下部水套腔流體連通； 冷卻劑出口通道，從所述上部水套腔延伸至所述汽缸蓋的橫向側面； 軌道腔，在所述汽缸蓋中且與所述上部水套腔分隔開，所述軌道腔沿著所述汽缸蓋的縱向方向延伸并且與所述冷卻劑出口通道流體連通；以及 至少一個橫向通道，在所述汽缸蓋中位于所述冷卻劑出口通道的上游，在所述橫向通道與所述冷卻劑出口之間具有所述軌道腔的一部分，所述橫向通道將所述上部水套腔流體連接至所述軌道腔，其中， 所述發動機本體中的所述水套通道與所述下部水套腔流體連通并且構成用于所述內燃機的流體冷卻回路的一部分。
8.根據權利要求7所述的內燃機，其中，所述軌道腔連接至所述冷卻劑出口通道，并且所述軌道腔和所述冷卻劑出口通道的組合縱向長度基本上沿著所述汽缸蓋的整個縱向長度延伸。
9.根據權利要求7所述的內燃機，進一步包括 在所述汽缸蓋中位于所述冷卻劑出口通道的上游的多個橫向通道，所述多個橫向通道的每對相鄰橫向通道之間具有所述軌道腔的一部分，其中， 每個所述多個橫向通道流體連接所述上部水套腔與所述軌道腔。
10.根據權利要求7所述的內燃機，其中，所述上部水套腔和所述下部水套腔的縱向長度大致相同。
11.根據權利要求7所述的內燃機，其中，所述上部水套腔和所述下部水套腔基本上沿著所述汽缸蓋的整個縱向長度延伸。
12.根據權利要求8所述的內燃機，其中，所述上部水套腔和所述下部水套腔基本上沿 著所述汽缸蓋的整個縱向長度延伸。
全文摘要
本發明提供了一種具有允許更加均勻的橫向冷卻劑流動的結構的汽缸蓋，以及包括這種汽缸蓋的內燃機。該汽缸蓋包括下部水套腔；上部水套腔，其通過在下部水套腔與上部水套腔之間的汽缸蓋材料中形成的多個孔與下部水套腔流體連通；以及冷卻劑出口通道，其從上部水套腔延伸到汽缸蓋的橫向側面。在汽缸蓋中設置有軌道腔，該軌道腔沿著汽缸蓋的縱向方向延伸，并且與冷卻劑出口通道流體連通。在汽缸蓋中位于冷卻劑出口通道的上游設置有橫向通道，在橫向通道與冷卻劑出口通道之間具有軌道腔的一部分。該橫向通道將上部水套腔流體連接至軌道腔，以允許冷卻劑在汽缸蓋的冷卻劑出口通道上游的區域中橫向流動。
文檔編號F02F1/40GK102822489SQ201180014544
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月24日 優先權日2010年6月25日
發明者馬修·格里斯·史密斯, 斯蒂芬·薩克斯比, 葉爾·珀塞爾, 約翰·安德森 申請人:康明斯知識產權有限公司