專利名稱：發動機冷卻系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發動機冷卻系統。
背景技術：
內燃發動機的排氣歧管可暴露至高熱負載。由于集成設計的傳熱特性，納入汽缸蓋(IEM汽缸蓋)的排氣歧管可經受特別高的熱負載。例如，IEM汽缸蓋可將排氣通向收集器和單個排氣道，其在車輛運行過程中經歷高熱負載。通過將冷卻套并入汽缸蓋，能夠減少IEM和相鄰組件的熱負載。具有冷卻劑核心形成于其中的冷卻套能夠減少汽缸蓋上的熱應力，其中由發動機運行產生的熱引起該熱應力。例如，在US7，367，294中公開具有集成排氣歧管的汽缸蓋。上部和下部冷卻套包圍汽缸蓋的主要部分，從而借助循環的液體冷卻劑，通過熱交換將熱從汽缸蓋移除。然而，本發明人在此認識到上述方法的問題。例如，在一些情況下，蒸汽可蓄積在冷卻劑通道的多個部分中，例如，豎直安置在IEM的通道頂部并鄰近排氣道的冷卻室的多個部分。蒸汽和/或其他氣體的蓄積引起液體冷卻劑失去與至少冷卻套上壁的接觸。在該情況下，在鄰近蓄積的蒸汽的汽缸蓋區域內，尤其是在鄰近排氣收集器和排氣道的區域內，能夠增加汽缸蓋的溫度。結果，汽缸蓋和/或其他汽缸體件可熱退化。進一步地，排氣無法充分冷卻，同時下游的發動機或車輛組件，例如渦輪增壓器和/或排放控制系統，也可熱退化。
實用新型內容因此，在此描述了用于處理上述問題的不同示例性系統和途徑。在一個例子中，發動機冷卻系統包含汽缸蓋，其包含將排氣導向排氣道的集成排氣歧管；冷卻劑通道，其圍繞所述排氣歧管并具有位于所述排氣道豎直上方的上壁；脫氣道，其位于所述上壁內并流體地耦合至所述冷卻劑通道。在另一個例子中，發動機冷卻系統包含汽缸蓋，其包含將排氣導向排氣道的集成排氣歧管；冷卻劑通道，其圍繞排氣歧管，并在排氣道上方具有冷卻套；以及脫氣道(degasport)，其沿著冷卻套頂側安置，其中在脫氣道的入口處，脫氣道流體地耦合至冷卻劑通道。在脫氣道的出口處，脫氣道還可耦合至脫氣瓶。脫氣瓶可通過減壓閥允許卸壓，并將液體冷卻劑返回至散熱器的冷卻劑通道。另外，溫度傳感器可被包括在排氣收集器和/或排氣道附近位置的冷卻套內，從而將溫度信號傳達至車輛的控制器。如果溫度信號比預定閾值要大，發動機控制系統將提供過熱指示和/或采取糾正措施。這樣，冷卻系統可提供改善的發動機過熱保護。例如，在冷卻室頂部蓄積的蒸汽能夠從冷卻室被排放至脫氣瓶。結果，液體冷卻劑可維持與冷卻套壁接觸，并且繼續熱交換，以便通過產生對流冷卻劑回路來降低汽缸蓋上的熱應力。因此，沿冷卻套頂側的脫氣道可降低汽缸蓋和冷卻排氣熱退化的可能性，從而降低下游組件上熱退化的可能性，所述下游組件例如渦輪增壓器、排放控制系統等等。進一步地，在排氣系統中溫度傳感器可提供改善的過溫指示。因此，能夠改善發動機、渦輪增壓器和排放控制系統的性能和壽命。在另一個例子中，發動機系統包含汽缸蓋，其包含集成排氣歧管，其中該集成排氣歧管將多個排氣入口道導向排氣收集器和單個排氣出口道；圍繞排氣歧管的上部冷卻套和下部冷卻套；以及溫度傳感器，其被安置在收集器上方，并且被上部冷卻套的通道包圍。在另一個例子中，上部冷卻套具有在收集器上方的穹頂，其中本系統還包含安置在穹頂頂部的脫氣道；其中在上部冷卻套的上壁內脫氣道成豎直角設置。在另一個例子中，當所述系統被安裝在客車內時，所述溫度傳感器沿著所述汽缸蓋的縱向軸線相對于所述脫氣道并相對于所述排氣收集器的中心橫向軸線向后安裝。在另一個例子中，所述脫氣道沿著所述汽缸蓋的所述縱向軸線相對于所述排氣收集器的所述中心橫向軸線向前定位。在另一個例子中，當系統被安裝在客車內時，脫氣道沿著汽缸蓋的橫向軸線距單個排氣出口道法蘭為第一距離處安裝在汽缸蓋內，當系統被安裝在客車內時，溫度傳感器安裝在沿著汽缸蓋的橫向軸線距單個排氣出口道的法蘭的第二距離處，其中第二距離比第
一距離小。在另一個例子中，在上部冷卻套的通道之間的豎直壁內安裝溫度傳感器。在另一個例子中，發動機系統包含汽缸蓋，其包含集成排氣歧管，該集成排氣歧管將多個排氣入口道導向排氣收集器和單個排氣出口道；包圍上部冷卻劑核心的上部冷卻套和包圍下部冷卻劑核心的下部冷卻套，所述上部冷卻套和所述下部冷卻套圍繞所述排氣歧管，當所述系統被安裝至客車內時，所述上部冷卻套包括在所述上部冷卻套的豎直最頂部區域處的穹頂；脫氣道，其位于所述穹頂的豎直頂部，并在所述上部冷卻套的上壁內以豎直角度設置，所述脫氣道流體地耦合于脫氣瓶與所述上部冷卻劑核心之間，其中所述脫氣道沿著所述汽缸蓋的縱向軸線相對于所述排氣收集器的中心橫向軸線向前定位，并且所述脫氣道沿著所述汽缸蓋的橫向軸線距所述單個排氣出口道的法蘭的第一距離處安裝在所述汽缸蓋內；以及溫度傳感器，其位于所述收集器上方，并且豎直設置在豎直壁內，所述豎直壁被所述上部冷卻套的通道包圍，其中所述溫度傳感器沿著所述汽缸蓋的縱向軸線相對于所述脫氣道并相對于所述排氣收集器的中心橫向軸線向后安裝，并且所述溫度傳感器安裝在沿著所述汽缸蓋的所述橫向軸線距所述單個排氣出口道的所述法蘭的第二距離處，所述第二距離小于所述第一距離。應理解，提供上述概要是為了以簡化的形式介紹所選概念，其將在詳細說明中進一步說明。這并不意味著指出要求保護的主題的關鍵或基本特征，其范圍僅由所附權利要求限定。另外，要求保護的主題不被限制于解決上述或在本實用新型中任何部分指出的任何缺點的實施例。
圖1示出內燃發動機的示意圖。圖2示出IEM汽缸蓋和相關冷卻系統示意圖，其中冷卻系統可被包括進圖1示出的內燃發動機中。圖3示出包括脫氣道的示例性集成燃料汽缸蓋的透視圖。圖4示出圖3中汽缸蓋的脫氣道、排氣道和溫度傳感器的更為詳細的側視圖。[0019]圖5示出圖4中示出的脫氣道、排氣道和溫度傳感器的俯視圖。圖6示出圖4中脫氣道和排氣道的橫向橫截面圖，其示出流體地耦合至脫氣道的冷卻劑核心。圖7示出圖3中汽缸蓋的縱向橫截面圖，其切分脫氣道。圖8示出圖3中集成燃料汽缸蓋的冷卻劑核心的前視圖。圖9示出圖8中冷卻劑核心的俯視圖。圖10示出圖3中的集成燃料汽缸蓋的縱向橫截面圖，其切分溫度傳感器。圖11示出溫度傳感器和周圍組件的細節圖。圖3-圖10接近按比例繪制。
具體實施方式
在此描述具有集成排氣歧管的發動機汽缸蓋(IEM汽缸蓋)。集成排氣歧管將排氣從多個進氣道導向公用的排氣收集器和排氣出氣道。IEM汽缸蓋包括冷卻劑核心，其由與冷卻劑入口和冷卻劑出口連通的多個冷卻劑通道形成。冷卻劑通道可包括冷卻套，其圍繞(至少部分地)排氣歧管，尤其是出氣道。IEM汽缸蓋冷卻系統可被配置為借助于冷卻劑泵產生的壓力，使冷卻劑流經汽缸蓋內的通道。這樣，通過冷卻套，可向IEM汽缸蓋提供通過熱交換得到的冷卻。通常地，由于集成排氣歧管內的流動特性，排氣收集器和排氣道將經歷較高溫度。此外，冷卻套壁和發動機排氣之間的熱交換將冷卻發動機排氣，并為下游組件提供熱保護，其中所述下游組件例如渦輪增壓器和/或排放控制系統，等等。在冷卻劑泵損壞或冷卻系統失去至少一些液體冷卻劑的情況中，IEM汽缸蓋溫度將增加，并且在冷卻劑核心頂部部分可蓄積蒸汽。在蒸汽蓄積的部位，液體冷卻劑可失去與冷卻套壁的接觸，同時可減少熱交換。因此，可出現局部高溫，從而熱退化IEM汽缸蓋。進一步地，排氣溫度可增加，因此退化排氣系統的下游組件。為了至少部分地處理該情況，脫氣道可被包括進IEM汽缸蓋的上壁內，例如在IEM汽缸蓋內的冷卻劑通道最豎直部位的穹頂處。脫氣道通過IEM汽缸蓋上壁和冷卻套可流體地耦合至冷卻劑核心。脫氣道允許自冷卻室釋放蓄積的蒸汽，并產生對流，因此，液體冷卻劑可維持與冷卻套上壁的接觸。按這種方式，可減少IEM汽缸蓋、排氣道上的熱應力，和下游組件的過溫狀況。進一步地，在鄰近排氣收集器和排氣道的匯流部位，IEM汽缸蓋可包括與車輛控制器通信的溫度傳感器。控制器可識別被感測的溫度比閾值要大的情況，以便向操作員提供這樣的指示并/或調整發動機工況，從而降低燃燒氣體的排氣溫度。因此，上述特征可降低IEM汽缸蓋、排氣收集器、排氣道、汽缸體和/或下游組件熱退化的可能性，從而增加發動機組件的壽命。在此描述IEM汽缸蓋的例子包括上部冷卻套內的通風口，例如脫氣道，并且可還包括上部冷卻套中的溫度傳感器。圖1和圖2分別包括示例性內燃發動機和示例性IEM汽缸蓋的示意圖。如圖3所示，IEM汽缸蓋包括排氣道，其通過排氣收集器(如圖6所示)耦合至多路排氣流道(未示出)。圖4包括更為詳細的圖3的排氣道視圖。如圖4所示，脫氣道和溫度傳感器位于上部冷卻套區域內，其中該區域豎直地在排氣道上方。圖5的俯視圖示出脫氣道和溫度傳感器相對于彼此的空間取向。圖6為沿圖3中6-6’軸線的IEM汽缸蓋的橫截面，其示出IEM汽缸蓋上壁內的脫氣道取向，以及將脫氣道與上部冷卻劑核心的耦合。圖7和圖8更為詳細地示出冷卻劑核心。進一步地，圖7中指示排氣道上方的冷卻劑核心的“熱點”。圖9和圖10示出示例性溫度傳感器的位置、取向和結構。參考圖1，內燃發動機10，其包含由電子發動機控制器12控制的多個汽缸，其中在圖1中示出的一個汽缸。發動機10包括燃燒室30和汽缸壁32，其中汽缸壁具有安置其中并且連接至曲軸40的活塞36。示出燃燒室30通過各個進氣門52和排氣門54與進氣歧管44和排氣歧管48連通。可通過進氣凸輪51和排氣凸輪53運行每個進氣門和排氣門。可替換地，可通過機電控制閥線圈和電樞總成運行一個或更多進氣門和排氣門。可由進氣凸輪傳感器55判定進氣凸輪51的位置。可由排氣凸輪傳感器57判定排氣凸輪53的位置。在進氣門52和進氣壓縮管(zip tube)42中間還示出進氣歧管44。通過燃料系統(未示出)將燃料輸送至燃料噴射器66，其中燃料系統包括燃料箱、燃料泵和燃料導軌(未示出)。配置圖1中發動機10，以便燃料直接噴射至發動機汽缸，這是本領域技術人員所知的直接噴射。響應于控制器12,燃料噴射器66被供以來自驅動器68的工作電流。另外，不出進氣歧管44與具有節流板64的可選的電子節氣門62連通。在一個例子中，可使用低壓直噴系統，其中燃料壓力能夠被提升至大約23-30巴。可替換地，高壓雙級燃料系統可被用于產生較高燃料壓力。通過火花塞92，無分電器點火系統88響應控制器12為燃燒室30提供點火火花。示出通用排氣氧(UEGO)傳感器126耦合至催化轉化器70上游的排氣歧管48。可替換地，雙態排氣含氧傳感器可代替UEGO傳感器126。在一個例子中，轉化器70能夠包括多個催化劑磚。在另一個例子中，能夠使用多個排放控制裝置，其每個均有多個磚。在一個例子中，轉化器70能夠是三元型催化劑。圖1中示出控制器12為傳統的微型計算機，其包括微處理器單元(CPU) 102、輸入/輸出(I/o)端口 104、只讀存儲器(ROM) 106、隨機存取存儲器(RAM) 108、保活存儲器(KAM) 110和常規數據總線。除上述那些信號外，示出控制器12接收來自傳感器的不同信號，其中該傳感器耦合至發動機10，該信號包括來自耦合至冷卻套筒114的溫度傳感器112的發動機冷卻劑溫度(ECT);耦合至加速器踏板130用于感測足部132施加的力的位置傳感器134 ;來自耦合至進氣歧管44的壓力傳感器122的對發動機歧管壓力(MAP)的測量；根據霍爾效應傳感器118的感測曲軸40位置的發動機位置傳感器；來自傳感器120的對進入發動機的空氣質量的測量；以及來自傳感器58的對節氣門位置的測量。還可感測大氣壓(傳感器未示出)以便由控制器12處理。在本實用新型的優選方面，發動機位置傳感器118在每次曲軸回轉產生預定數量的等距脈沖，由此能夠判定發動機轉速(RMP)。在一些實施例中，發動機可被耦合至混合驅動車輛的電動機/電池系統。混合驅動車輛可具有并行配置、串行配置或其變形或組合。圖2示出發動機汽缸蓋冷卻系統200的示意圖。應明白，如圖1所示，冷卻系統可被包括進發動機10中。冷卻系統可被配置為將熱從發動機移除。如此處更加詳細的描述，控制器12可被配置為通過冷卻劑回路250調整自發動機移除的熱量。這樣，可調整發動機溫度，從而允許增加燃燒效率，以及減少發動機上的熱應力。冷卻系統200包括冷卻劑回路250，其穿過汽缸體252內的汽缸體冷卻劑通道251行進。在冷卻劑回路中，水或另一種適合的冷卻劑可被用作工作液體。汽缸體可包括一個或更多燃燒室的一部分。應明白，冷卻劑回路可靠近燃燒室的所述部分行進。這樣，在發動機運行過程中產生的余熱可被轉移至冷卻劑回路。IEM汽缸蓋253可被耦合至汽缸體，從而形成汽缸總成。當被組裝后，汽缸總成可包括多個燃燒室。圖1示出的燃燒室30可被包括進多個燃燒室。汽缸蓋冷卻系統還包括上部冷卻套254和下部冷卻套256。應明白上部和下部冷卻套均被納入汽缸蓋內。上部冷卻套包括多個冷卻劑通道258，其包含上部冷卻劑核心。同樣地，下部冷卻套包括多個冷卻劑通道260，其包含下部冷卻劑核心。如圖所示，上部冷卻劑核心包括冷卻劑入口 262，而下部冷卻劑核心包括冷卻劑入口 264。然而，應明白，在其他實施例中，上部和/或下部冷卻套可包括多個入口。例如，上部冷卻套可包括單個入口，而下部冷卻套可包括多個入口。應明白，在一些實施例中，上部和下部冷卻套的入口可耦合至汽缸體內的公用的冷卻劑通道。這樣，上部和下部冷卻套通過其各自入口接收來自公用源的冷卻劑，其中該公用源被包括在發動機的發動機組內。然而，在其他實施例中，上部和下部冷卻套入口可耦合至汽缸體內分開的冷卻劑通道。第一組跨接冷卻劑通道266可將上部冷卻套254流體地耦合至下部冷卻套256。類似地，第二組跨接冷卻劑通道268可將上部冷卻套流體地耦合至下部冷卻套。包括在第一組跨接冷卻劑通道內的每個跨接冷卻劑通道可包括限流件270。同樣地，包括在第二組跨接冷卻劑通道內的每個跨接冷卻劑通道可包括限流件271。在構造汽缸蓋253過程中，可調整限流件的不同特性(例如，尺寸、形狀等等)。因此，包括在第一組跨接冷卻劑通道內的限流件270與包括在第二組跨接冷卻劑通道內的限流件271相比，其尺寸、形狀等等可不同。這樣，可為多種發動機調整汽缸蓋，從而增加汽缸蓋的適用性。雖然在第一和第二組跨接冷卻劑通道內均示出兩個跨接冷卻劑通道，但是在其他實施例中，可改變包括進第一和第二組跨接冷卻劑通道內的跨接冷卻劑通道數量。跨接冷卻劑通道允許冷卻劑行進于上部和下部冷卻套的入口和出口間不同點處的冷卻套之間。按這種方式，冷卻劑可在復雜的流動模式中行進，其中冷卻劑在上部和下部套之間、套中間和套內的其他不同部位移動。混合的流動模式在發動機運行過程中，減少了汽缸蓋內的溫度變化，也增加了可從汽缸蓋移除的熱能總量，從而改善發動機性能。分別在上和下冷卻套254和246之間設置排氣歧管48。正因如此，在冷卻排氣歧管壁的同時，運送加熱的發動機排氣，隨后至少部分冷卻發動機排氣。冷卻劑泵284也可被包括在冷卻劑回路中。恒溫器286可被安置在上部冷卻套的出口 276處。恒溫器288還可被安置在汽缸體252的一個或更多冷卻劑通道251的入口處。在其他實施例中，附加的恒溫器可被安置在冷卻劑回路內的其他部位，例如在散熱器內的一個或更多冷卻劑通道的入口或出口處、上部冷卻套的入口處等等。恒溫器可被用于基于溫度調整流經冷卻劑回路的流體量。在一些例子中，可通過控制器12控制恒溫器。然而，在其他例子中，可無源地運行恒溫器。應明白，控制器12可調整由冷卻劑泵284提供的頭壓(head pressure)量,從而調節經過回路的冷卻劑流動速率，從而調節自發動機移除的熱量。此外，在一些例子中，控制器12可被配置為通過恒溫器286動態地調節流經上部冷卻套的冷卻劑量。特別地，當發動機溫度低于閾值時，流經上部冷卻套的冷卻劑流動速率將降低。這樣，可降低冷啟動過程中的發動機暖機持續時間，從而增加燃燒效率并降低排放。[0045]排氣歧管和發動機排氣經由冷卻劑回路和冷卻套的冷卻，可防止排氣歧管和下游發動機組件熱退化，例如因溫度梯度導致的翹曲和/或因過溫狀況導致的退化。在一個特定例子中，通過冷卻劑泵循環液體冷卻劑。這樣，可圍繞排氣歧管循環冷卻劑，從而能夠使熱自排氣歧管被移除。因此，可減少汽缸蓋排氣歧管上以及相鄰組件上的熱應力，從而延長組件壽命。散熱器能夠使熱從冷卻劑回路轉移至周圍空氣。這樣，可將熱從冷卻劑回路移除。然而，在冷卻系統中可能會出現問題。在一個例子中，如果冷卻劑泵退化和/或如果出現液體冷卻劑損耗，蒸汽將在冷卻劑核心的最頂部部分蓄積，從而在緊靠冷卻套的上壁形成氣泡。在該例子中，液體冷卻劑將在氣泡部位失去與上部冷卻套的接觸，因此，在該部位，熱交換和冷卻套冷卻將減少。在一個特別的例子中，氣泡可形成于冷卻劑核心內最頂部部位(例如，核心的豎直最高部位)，其接近排氣出口或排氣道。因為加熱的發動機排氣集中在該部位，所以在選定的車輛工況下，排氣道將經受高熱。如上所述，在正常工況下，液體冷卻劑穿過上部冷卻套壁的熱交換減輕了高溫，同時防止發動機組件損壞。如果氣泡出現在該部位，由于減少的熱傳導，將導致出現高溫，并且因此可發生熱退化。為了至少部分地減少該退化，冷卻系統200包括在上部冷卻套254內的脫氣道290。脫氣道290在靠近上部冷卻套的豎直的最頂部部分區域中位于上部冷卻套254頂面內，并且其與冷卻室流體連通。脫氣道出口耦合至脫氣管道294，脫氣管道294進一步耦合至脫氣瓶292。脫氣瓶可包括減壓閥，其當脫氣瓶292內的壓力大于閾值時打開，從而卸壓。在一個例子中，當脫氣瓶壓力大于16磅/平方英寸時，減壓閥可無源地打開。在可替換的實施例中，脫氣瓶可包括與控制器連通的壓力傳感器，并且脫氣門可由控制器運行。脫氣瓶292進一步耦合至散熱器282的冷卻劑通道280，以便液體還原劑可返回至冷卻劑回路250。在可替換的實施例中，脫氣瓶可在冷卻回路250的不同部位使液體還原劑返回，例如水泵或汽缸體處。進一步地，上部冷卻套254還可包括溫度傳感器296。因此，在冷卻回路變得過熱且蒸汽蓄積在上部冷卻套頂部的狀況下，脫氣道可將蒸汽導向脫氣瓶，同時液體冷卻劑余留在冷卻室內，并產生對流。這樣，即使因冷卻劑損失或減少的冷卻劑流導致冷卻系統退化，也可繼續冷卻劑和冷卻套壁之間的熱交換，以及冷卻套壁和排氣之間的熱交換。在一個特別的實施例中，脫氣道在鄰近公用排氣收集器和排氣道的位置位于汽缸蓋頂壁和上部冷卻套上壁。此處參考圖3-8更為詳細地討論冷卻劑通道脫氣道。應明白，示意性示出圖2中的系統和組件，并不意味示出組件的相對部位。圖3示出示例性汽缸蓋253的透視圖。示出汽缸蓋253這樣取向，即其中當車輛在駕駛表面，例如道路上時，汽缸蓋安裝至車輛中的發動機。例如，汽缸蓋可被配置為附裝至汽缸體(未示出)，限定一個或更多燃燒室，其中如上述圖1所示該燃燒室具有在其中往復移動的活塞。汽缸蓋可由例如鋁等適合的材料鑄造。已組裝汽缸蓋的其他組件被略去。略去的部件包括凸輪軸、凸輪軸蓋、進氣和排氣門、火花塞等等。如圖所示，IEM汽缸蓋253包括四個周邊壁。所述壁包括分別為302和304的第一和第二側壁。四個周邊壁還可包括前端壁306和后端壁308。底壁312可被配置為耦合至汽缸蓋(未示出)，從而形成發動機燃燒室，如前面所述。汽缸蓋的頂壁316還包括脫氣道290，其包括被配置為用于從上部冷卻套移除氣體的閥門。圖4和圖5示出脫氣道更為詳細的示圖。[0051]汽缸蓋253包括排氣道320，其中多個排氣流道(未示出)耦合至排氣道。排氣流道可耦合至每個燃燒室(未示出)的排氣門。這樣，排氣歧管和排氣流道可被納入汽缸蓋鑄件。集成的排氣流道具有許多益處，例如減少發動機內的零件數量，從而減少整個發動機研發周期的成本。此外，當運用集成的排氣歧管時，還可降低庫存和裝配成本。汽缸蓋還包括圍繞排氣道320的排氣歧管法蘭273。該法蘭包括螺栓座310或其他附裝設備，其被配置為附裝至下游排氣組件，例如排氣導管或包括在渦輪增壓器內的渦輪入口。這樣，渦輪增壓器(未示出)可被直接安裝至汽缸蓋，其減少發動機內的損失。渦輪增壓器可包括通過驅動軸耦合至壓縮機的排氣驅動渦輪。壓縮機可被配置為增加進氣歧管內的壓力。圖4示出排氣道320和脫氣道290更為詳細的示圖。在毗連上部冷卻套的上表面范圍內安置脫氣道。在一些例子中，可在上部冷卻套的頂峰處(例如，大體最高豎直點)安置脫氣道。因為上部冷卻套該部位鄰近排氣歧管，所以在車輛運行過程中，其為經歷較高溫度的區域，并且是蒸汽蓄積的部位。然而，在其他實施例中，可在另一個適合的部位安置脫氣道，例如在分體式水套設計的下部水套內。脫氣道可降低上部和下部冷卻套內的氣體量(例如，空氣和/或水蒸氣)，從而允許液體冷卻劑被吸至冷卻套壁，并產生流經冷卻劑回路的液體冷卻劑流。氣體排放可允許液體冷卻劑維持與冷卻套壁的接觸，并且通過熱交換，向冷卻套壁提供冷卻。另外，冷卻壁可冷卻經過排氣道320的熱排氣，并且至少部分地減少對下游組件的退化，例如渦輪增壓器。因此，在蒸汽以其他方式蓄積在冷卻劑核心的狀況下，上部和下部冷卻套的運行效率可增加。如圖4所示，溫度傳感器296位于鄰近脫氣道290的地方。溫度傳感器穿過排氣道320上方的上部冷卻套內的孔410延伸。因此，溫度傳感器可測量集成汽缸蓋“熱區”內的溫度。如圖2所示，溫度傳感器296將溫度信號發送至控制器12。控制器可使用該溫度數據推斷工況和/或冷卻系統性能，例如，冷卻劑損失、不可運行的泵和/或系統阻塞。然后，如果溫度比閾值要大，則控制器可將信號發送至驅動器，從而給出出現冷卻系統退化的早期指示。可替換地或附加地，控制器可調節發動機運行，例如燃料噴射量或火花正時，從而降低排氣溫度。圖5示出圖4中示出的細節圖的俯視圖。圖5示出脫氣道290位于離法蘭273外部表面為距離A的地方，而溫度傳感器296位于離法蘭273外部表面為距離B的地方。在本實施例中，距離A比距離B要大，以便溫度傳感器比脫氣道接近法蘭。在可替換的實施例中，距離B可以比距離A要大，或距離A和距離B可大體相等。在距離B比距離A要大的可替換實施例中，脫氣道比溫度傳感器接近法蘭。在距離A和距離B相等的可替換實施例中，溫度傳感器與脫氣道到法蘭為等距。脫氣道的放置部位可受到物理設計及制造約束以及冷卻劑流的優化，以便具有最大被引入空氣蒸汽量的冷卻劑被導向為最接近脫氣道。因此，脫氣道可位于最靠后點的最高水套區域內，從而用冷卻劑流將被存留的空氣沖至開口處。溫度傳感器可被布置在盡可能接近最高排氣道的部位，在本例子中，該部位也是最熱金屬所在部位。如果冷卻劑損失，則該高點將是金屬首先暴露的地方。脫氣部位可與溫度傳感器分離，從而避免脫氣和溫度傳感器運行的相互影響。進一步地，脫氣部位可被安置在金屬傳感器下游，從而避免錯誤的讀數。如果故障安全監控系統并入后關閉電動冷卻劑泵，通常稱為“連續運行泵(run on pump)”，這同樣有用。如果圖3示出排氣道320、脫氣道290、排氣收集器630和包含冷卻劑通道的冷卻劑核心600的部位，則圖6示出沿軸線6-6’的IEM汽缸蓋253的橫截面圖。特別地，示出冷卻劑核心600的上部核心610和汽缸蓋253的頂壁316。脫氣道290位于頂壁316內排氣收集器630上方，而上部核心610設置在脫氣道290和排氣收集器630之間。更特別地，脫氣道290設置于集成的汽缸蓋253頂壁316內并通過該集成的汽缸蓋253頂壁316，該集成的汽缸蓋253頂壁316同樣也是冷卻套的頂壁。因此，脫氣道290與上部核心610在脫氣道底端612處流體連通。底端612位于上部核心610的穹頂632的最頂部區域內。由于相對于液體冷卻劑空氣/氣體的密度較輕，所以上部核心最頂部區域是在過熱狀況下可能形成氣泡的地方。相對地，脫氣道290的頂端614耦合至脫氣管道，脫氣管道進一步耦合至脫氣瓶(圖2中示意性示出)。在本實施例中，脫氣道290在頂壁316內大體豎直設置。更特別地，脫氣道290從汽缸蓋中心向外，相對于集成汽缸蓋253的橫向軸線成角度X。在一個特別的例子中，角度X為60度。在可替換實施例中，脫氣道可向內成角度或平行于汽缸蓋的豎直軸線。圖7示出沿圖3所示軸線7-7的IEM汽缸蓋253的橫截面圖。橫截面圖示出第二排氣流道通道704、第三排氣流道通道706和第四排氣流道通道708。每個排氣流道通道在一端耦合至汽缸排氣門(在圖1中示意性示出)并在相反端耦合至排氣收集器。如圖7所示，脫氣門290恰好位于第二排氣流道通道704上方。圖8示出包括上部核心610和下部核心810的冷卻劑核心600。冷卻劑核心600可
鑄件核心形成，所述鑄造核心如圖所示定位并且在鑄造過程中被一起布置至外部鑄模中。然后注入鑄模的金屬可具有鑄模的形狀，硬化并形成汽缸蓋253。如圖所示，被包括在上部和下部核心二者內的豎直對準的突起820可限定第一組跨接冷卻劑通道266。應明白，跨接冷卻劑通道可相對于活塞運動豎直取向。位于上部和下部核心內的橫向對準的突起822可限定第二組跨接冷卻劑通道268。應明白，水平對準延伸件824可限定包括限流件277的上部冷卻套的出口 276。如前面所述，上部和下部冷卻套限定多個冷卻劑通道。此外，排氣道320限定通向排氣歧管的開口，其中該排氣歧管包括流體地耦合至排氣道的多個排氣流道(未示出)。因此，在發動機運行過程中，來自流道的發動機排氣穿過排氣道。這樣，在區域750處會增加冷卻劑核心和冷卻套的溫度，其中該區域750鄰近排氣道且位于排氣道上方。因此，區域750是汽缸蓋“熱區”。進一步地，因為區域750在冷卻劑核心600頂部，所以氣體，例如空氣和/或蒸汽，可在冷卻劑核心的該區域蓄積，尤其是如果冷卻劑泵損壞和/或出現冷卻劑損失。如圖9所示，在本實施例中，脫氣道290位于排氣道向前(朝向車輛前端)且向內(朝向車輛中心)的地方。在可替換實施例中，脫氣道可位于排氣道后側或恰好在排氣道上方。進一步地，在可替換實施例中，汽缸蓋可包括多個脫氣道。除脫氣道290外，在區域750中，汽缸蓋可包括溫度傳感器296。在圖2_5、圖10和圖11中示出溫度傳感器。圖10示出沿汽缸蓋縱向軸線(圖3的軸線10-10)的汽缸蓋253的橫截面，其切分溫度傳感器296。在本實施例中，溫度傳感器具有距離為F的長度。在一個特別的例子中，距離F為29. 1mm。如上所述，在本實施例中，溫度傳感器296自法蘭273(如圖5所示)向內(朝向汽缸蓋中心)定位，并恰好位于排氣通道706上方。更特別地，傳感器296在排氣道320和排氣收集器630的縱向中心向后安置。在可替換實施例中，溫度傳感器可處于鄰近排氣道不同部位且/或汽缸蓋可包括多于一個溫度傳感器。圖11包括更為詳細的傳感器296及其周圍組件的示圖。在本實施例中，傳感器包括連續的較窄部分1110、1112、1114和1116。部分1110為溫度傳感器頂部最大部分，并且其與壁620頂部表面融合。溫度傳感器加工孔在傳感器末端較窄，從而使由用于安裝傳感器的金屬座的尺寸造成的冷卻劑接觸和流量減少影響最小化。溫度傳感器296設置在汽缸蓋253的豎直壁1030內。豎直壁1030在上部核心610通道之間延伸，因此，溫度傳感器296被上部核心610包圍。例如，因為在上部核心通道內豎直壁側邊與液體冷卻劑接觸，所以溫度傳感器被上部核心包圍，其中溫度傳感器設置在豎直壁內。在可替換的例子中，通過將溫度傳感器設置在冷卻劑核心內，并直接與液體冷卻劑接觸，溫度傳感器可被冷卻劑核心包圍。錐形末端1118鄰近排氣收集器630上壁和冷卻劑核心600的區域750。錐形末端1118距第三排氣流道通道706上壁為距離G。在一個例子中，距離G為4. 5mm。在鄰近排氣面(exhaust face)的部位，溫度傳感器可提供區域750內汽缸蓋的溫度測量。如圖2所示，溫度傳感器296將溫度信號發送至控制器12。上述示例性汽缸蓋包括集成的排氣歧管。在包括汽缸蓋的車輛運行過程中，因集成的排氣歧管內的流動特性，所以汽缸蓋將經歷較高溫度。汽缸蓋冷卻系統被配置為使冷卻劑流經汽缸蓋內的通道，從而冷卻IEM汽缸蓋。脫氣道豎直設置于汽缸蓋頂壁內，并且從汽缸蓋中心向外成角度。脫氣道與上部冷卻劑核心在上部冷卻劑核心的最頂部區域流體連通。脫氣道可允許蓄積的蒸汽自冷卻劑核心釋放，因此允許液體冷卻劑維持與上部冷卻套壁接觸。這樣，可減少在集成的排氣歧管的汽缸蓋壁、排氣道、和下游組件上的熱應力。進一步地，汽缸蓋可包括冷卻套壁內的溫度傳感器，其鄰近排氣道并且被上部冷卻劑核心包圍。當在排氣道附近區域內的溫度比閾值要大的情況下，報警信號將被發送至驅動器，從而停止車輛的運行。因此，上述特征可降低排氣收集器、排氣道、汽缸體或例如渦輪增壓器等相鄰組件的熱退化的可能性，從而延長組件壽命。應明白，在此公開的配置和例程本質上具有示例性，并且因為能夠有許多變化，所以這些具體實施例不應被視為是限制。例如，上述技術能夠適用于V-6、1-4、1-6、V-12、對置4缸和其他發動機類型。本實用新型的主題包括在此公開的各種系統和配置和其他特征、功能和/或性能的所有新穎和非顯而易見的組合和子組合。所附權利要求特別指出被視為是新穎和非顯而易見的一些組合和子組合。這些權利要求可能提到“一”元件或“第一”元件或其等同用語。此類權利要求應理解成包括一個或更多此類元件的結合，既不要求也不排除兩個或更多此類元件。公開的特征、功能、元件和/或特性的其他組合和子組合可由本實用新型權利要求修正或經過在此或相關申請中呈現的新的權利要求加以要求保護。此類權利要求，無論比原始權利要求范圍要寬、窄、等同或不同，仍被視作包括于本實用新型主題內。
權利要求1.一種發動機冷卻系統，其特征在于包含汽缸蓋，其包含將排氣導向排氣道的集成排氣歧管；冷卻劑通道，其圍繞所述排氣歧管并具有位于所述排氣道豎直上方的上壁；脫氣道，其位于所述上壁內并流體地耦合至所述冷卻劑通道。
2.根據權利要求1所述的發動機冷卻系統，其特征在于所述冷卻劑通道包括上部冷卻套和下部冷卻套，并且所述脫氣道流體地耦合至所述上部冷卻套。
3.根據權利要求2所述的發動機冷卻系統，其特征在于所述脫氣道設置在所述上部冷卻套的上壁內，所述脫氣道至少部分地從所述上部冷卻套豎直延伸遠離，從而使所述冷卻套通氣。
4.根據權利要求3所述的發動機冷卻系統，其特征在于所述脫氣道在所述上部冷卻套的所述上壁內以豎直角度設置。
5.根據權利要求3所述的發動機冷卻系統，其特征在于所述脫氣道從汽缸蓋中心向外，相對于集成汽缸蓋的橫向軸線成角度為60度。
6.根據權利要求1所述的發動機冷卻系統，其特征在于所述脫氣道流體地導向脫氣瓶，從而使所述冷卻劑通道通氣，其中所述脫氣瓶流體地耦合至散熱器。
7.根據權利要求2所述的發動機冷卻系統，其特征在于還包含溫度傳感器，該溫度傳感器位于所述冷卻劑通道的所述上壁內鄰近所述排氣歧管內多個排氣道的匯流處，其中所述溫度傳感器被所述冷卻劑通道包圍，并且豎直地位于所述排氣歧管匯流處的上方。
8.一種發動機系統，其特征在于包含汽缸蓋，其包含將多個排氣入口道導向排氣收集器和單個排氣出口道的集成排氣歧管；圍繞所述排氣歧管的上部冷卻套和下部冷卻套；以及溫度傳感器，其位于所述收集器上方，并且被所述上部冷卻套的通道包圍。
9.根據權利要求7所述的系統，其特征在于所述上部冷卻套具有在所述收集器上方的穹頂，所述系統還包含位于所述穹頂頂部的脫氣道；其中所述脫氣道流體地耦合于脫氣瓶和上部冷卻劑核心之間，所述上部冷卻劑核心被所述上部冷卻套包圍；其中當所述系統被安裝至客車中時，所述脫氣道從所述上部冷卻劑核心相對于豎直軸線的最高部分處延伸。
10.一種發動機系統,其特征在于包含汽缸蓋，其包含集成排氣歧管，該集成排氣歧管將多個排氣入口道導向排氣收集器和單個排氣出口道；包圍上部冷卻劑核心的上部冷卻套和包圍下部冷卻劑核心的下部冷卻套，所述上部冷卻套和所述下部冷卻套圍繞所述排氣歧管，當所述系統被安裝至客車內時，所述上部冷卻套包括在所述上部冷卻套的豎直最頂部區域處的穹頂；脫氣道，其位于所述穹頂的豎直頂部，并在所述上部冷卻套的上壁內以豎直角度設置， 所述脫氣道流體地耦合于脫氣瓶與所述上部冷卻劑核心之間，其中所述脫氣道沿著所述汽缸蓋的縱向軸線相對于所述排氣收集器的中心橫向軸線向前定位，并且所述脫氣道沿著所述汽缸蓋的橫向軸線距所述單個排氣出口道的法蘭的第一距離處安裝在所述汽缸蓋內；以及溫度傳感器，其位于所述收集器上方，并且豎直設置在豎直壁內，所述豎直壁被所述上部冷卻套的通道包圍，其中所述溫度傳感器沿著所述汽缸蓋的縱向軸線相對于所述脫氣道并相對于所述排氣收集器的中心橫向軸線向后安裝，并且所述溫度傳感器安裝在沿著所述汽缸蓋的所述橫向軸線距所述單個 排氣出口道的所述法蘭的第二距離處，所述第二距離小于所述第一距離。
專利摘要本實用新型涉及一種發動機冷卻系統。包括集成排氣歧管的汽缸蓋(IEM汽缸蓋)耦合至發動機汽缸體。IEM汽缸蓋包含耦合至汽缸排氣門的排氣收集器、耦合至排氣收集器的排氣道、以及用于冷卻汽缸蓋的冷卻套。汽缸蓋的上壁在排氣收集器上方并鄰近排氣道的區域內可包括脫氣門和溫度傳感器。脫氣門可耦合于冷卻套的上部冷卻劑核心的最頂部部分，從而將蓄積的蒸汽和/或上部冷卻劑核心放出的氣體導向脫氣瓶。溫度傳感器可將溫度信號發送至控制器，并且如果溫度信號比閾值要大時，控制器可將發動機的過溫狀況的指示發送給操作員。因此，能夠改善發動機、渦輪增壓器和排放控制系統的性能和壽命。
文檔編號F01P3/02GK202832743SQ20122026015
公開日2013年3月27日 申請日期2012年6月4日 優先權日2011年6月13日
發明者T·拜爾, J·C·里格, E·達默 申請人:福特環球技術公司