發動機及其發動機汽缸蓋的制作方法
【專利摘要】一種發動機及其發動機的汽缸蓋，所述發動機包括具有至少一個汽缸孔的汽缸體，定位于汽缸體內的活塞，和被配置為在汽缸體的安裝表面處附接至汽缸體的汽缸蓋，所述汽缸蓋包括對應的安裝表面，第一閥接收部分和第二閥接收部分，每一個閥接收部分設置在汽缸蓋的安裝表面上，設置在第一閥接收部分和第二閥接收部分之間的橋接部，設置為穿過橋接部的至少一部分的至少一個通道，以及定位于至少一個通道內的熱傳遞體，所述熱傳遞體具有第一熱導率，其中，汽缸蓋由具有第二熱導率的母材形成。本實用新型設于汽缸蓋中的熱傳遞體能夠減小橋接部與周圍結構之間的溫差，從而減少橋接部由熱應力引起的損壞。
【專利說明】
發動機及其發動機汽缸蓋
技術領域
[0001]本實用新型總體上涉及用于機器為發動機的汽缸蓋，且更具體地涉及適應于為目標區域散熱的汽缸蓋。
【背景技術】
[0002]內燃機，諸如柴油、汽油或者天然氣發動機，通常同時包括汽缸蓋和汽缸體，該汽缸蓋和汽缸體連同活塞的燃燒面一起限定出至少一個燃燒室。汽缸蓋可以包括定位在其中的每一個進氣和排氣閥中的至少一個，其被致動以使進氣和排氣流入和流出燃燒室。閥口設有位于汽缸蓋上的閥座以接收閥以便密封燃燒室。閥口可以成組并且彼此相互接近地配置以便與每個燃燒室一起進行運行。
[0003]通常理想的是閥口在燃燒室的直徑允許的空間約束內盡可能的大，以便使燃燒室的流入和流出流最大化。因為這一理想目標，汽缸蓋材料的相對較窄的橋接部可以在汽缸蓋上的閥口之間形成間隔。在內燃機的運行期間，如果來自燃料燃燒的熱負荷不能充分地在這些窄橋接部中傳遞至汽缸蓋的其它部分或者從汽缸蓋的其它部分傳遞出，那么汽缸蓋的橋接部材料會出現裂紋。
[0004]標題為“包括具有填料的應力通道的汽缸蓋”的美國專利7，677，218號(“’218專利”)提供了一種用于緩解由燃燒引起的汽缸蓋應力的解決方案。’218專利提供在底表面中應力通道的使用，其可以在汽缸蓋中的相鄰開口之間、在燃燒室之間延伸以緩解應力。’ 218專利還提供一種密封的使用，其用于減輕會發生在具有應力通道的汽缸蓋中的火環吹出。雖然’218專利提供了這一解決方案，可能還存在一些應用，其理想的是，改變在汽缸蓋內目標區域中的熱導率。
【實用新型內容】
[0005]根據本實用新型的一方面，發動機包括:具有至少一個汽缸孔的汽缸體、定位在該汽缸體中的活塞和配置為在汽缸體的安裝表面處附接到汽缸體的汽缸蓋。汽缸蓋包括對應的安裝表面和設置在汽缸蓋的安裝表面上的第一閥接收部分和第二閥接收部分。橋接部位于第一閥接收部分與第二閥接收部分之間并且至少一個通道設置為穿過橋接部的至少一部分。熱傳遞體定位在至少一個通道內，該熱傳遞體具有與所述汽缸蓋的第二熱導率不同的第一熱導率，并且汽缸蓋由具有所述第二熱導率的母材形成。
[0006]所述熱傳遞體在所述汽缸蓋的所述至少一個通道內形成至少一個桿。
[0007]進一步包括:噴射接收部分，其設置在所述第一閥接收部分與所述第二閥接收部分之間，所述噴射接收部分設置在所述汽缸蓋的所述安裝表面上。
[0008]所述至少一個通道從所述噴射接收部分沿定向垂直于所述噴射接收部分的方向軸向地延伸。
[0009]所述至少一個通道從所述噴射接收部分延伸到所述汽缸蓋內的另一個噴射接收部分。
[0010]根據本實用新型的另一方面，汽缸蓋包括安裝表面、第一閥接收部分和第二閥接收部分，每一個閥接收部分設置在安裝表面上。橋接部設置在第一閥接收部分與第二閥接收部分之間并且至少一個通道設置為穿過橋接部的至少一部分。至少一個通道位于安裝表面上方并且熱傳遞體定位在至少一個通道內。熱傳遞體具有與所述汽缸蓋的第二熱導率不同的第一熱導率，并且汽缸蓋由具有所述第二熱導率的母材形成。
[0011]本實用新型設于汽缸蓋中的熱傳遞體可以用來調節和改善橋接部以及周圍的熱導率以有效地傳遞熱負荷，減小橋接部與周圍結構之間的溫差，從而減少橋接部由熱應力引起的損壞。
[0012]根據本實用新型的另一方面，一種用于改進發動機汽缸蓋中的熱導率的方法包括在汽缸蓋內汽缸蓋安裝表面的上方形成至少一個通道，并且將至少一種熱傳遞材料定位到在汽缸蓋內的至少一個通道中。該至少一種熱傳遞材料具有與汽缸蓋的熱導率不同的第一熱導率。
【附圖說明】
[0013]圖1提供了根據本實用新型的一方面所限定的發動機的側視圖。
[0014]圖2提供了示例性常規汽缸蓋的安裝表面的底視圖。
[0015]圖3提供了沿著圖2的線II1-1II所截取的汽缸蓋的剖面圖。
[0016]圖4提供了汽缸蓋某部分的詳細視圖，該部分包含在圖2中用附圖標記IV表示的圓圈內。
[0017]圖5提供了沿著圖2的線II1-1II所截取的汽缸蓋的剖面圖，該剖面圖根據本實用新型的一方面進行了修改。
[0018]圖6提供了根據本實用新型的一方面的汽缸蓋的側視圖。
[0019]圖7提供了沿著圖6的線VI1-VII所截取的汽缸蓋的剖面圖。
【具體實施方式】
[0020]現在將參照附圖對本實用新型的各個方面進行詳細說明，其中全文中相同的附圖標記指代相同的元件，另外說明除外。
[0021]圖1示出了具有汽缸體102的發動機100。發動機100還包括汽缸蓋104、由汽缸體102、汽缸蓋104和活塞燃燒面(未示出)限定的燃燒室106。冷卻系統108也包括在發動機100中，并且可以具有熱交換器110、用于將熱交換器110連接至發動機100的上軟管112和下軟管114。熱交換器110可以連接至下軟管114和與冷卻傳遞栗118相通的通路116。冷卻系統108可以進一步包括多個通路120和出口歧管122。
[0022]如在圖2中更清楚地示出，發動機100的汽缸蓋104包括設置在汽缸蓋104的安裝表面上的各種端口或者接收部分，下文稱為安裝到汽缸體102的安裝表面202。在圖2中的汽缸蓋104中繪出的端口包括缸蓋螺栓口 204，其可以接收緊固件(如螺栓等)用于將汽缸蓋104安裝到汽缸體102。在本實用新型的一個方面，汽缸蓋104可具有用于傳輸機油的缸蓋回油口 206。此外，汽缸蓋104可具有水通路端口 208，其可允許發動機冷卻劑穿過汽缸蓋104，從而將熱量從汽缸蓋104帶走傳輸到圖1的熱交換器100并冷卻汽缸蓋104。汽缸蓋端口還可包括進氣閥端口 210和排氣閥端口 212，每個分別對應于一個或多個進氣閥和排氣閥。[0023 ]此外，汽缸蓋104可具有用于每組進氣閥端口 210和排氣閥端口 212的一個或多個噴射端口 216。當圖2的汽缸蓋104具有一個噴射端口 216時，本實用新型的替代方面可包括用于每組進氣閥端口 210和排氣閥端口 212的兩個或多個噴射端口 216。
[0024]每個燃燒室106(圖1)可以與進氣閥中的一個或多個和排氣閥中的一個或多個相關聯。在圖2的示例性方面，每個燃燒室106與對應于一對進氣閥端口 210的一對進氣閥，以及對應于一對排氣閥端口 212的一對排氣閥相關聯。
[0025]汽缸蓋104配置為接收與每個燃燒室106相關聯的一組閥。進氣閥端口210和排氣閥端口 212分別接收進氣閥和排氣閥。進氣閥選擇性地封閉每個進氣閥端口 210并且可以通過凸輪軸相應的凸輪致動以移動閥元件以打開和關閉相關聯的進氣閥端口 210。同樣地，排氣閥選擇性地封閉每個排氣閥端口 212并且可以通過相同的或另一個凸輪軸上的另一個凸輪致動以打開和關閉相關聯的排氣閥端口 212。
[0026]每個燃燒室106也與噴射端口216相關聯，該噴射端口 216延伸穿過汽缸蓋104的安裝表面202。噴射端口 216接收燃料噴射器以將燃料噴射通過汽缸蓋104進入燃燒室106。應該注意到，盡管描述為用于柴油發動機的汽缸蓋104，但本實用新型不限于這種應用。汽缸蓋104可根據本實用新型的多個方面可選地進行構造，用于需要這種點火源的汽油或其它燃料發動機。
[0027]如圖3所示，汽缸蓋104中的進氣閥端口210和與燃燒室106相關聯的噴射端口 216各自延伸穿過安裝表面202。材料的窄橋接部302位于端口之間。橋接部302可由結構上適合本應用的材料構成，例如諸如，鋁、鎂、鐵、鋼以及其他合金、碳纖維等。這些材料具有有益特性，但由于在發動機100運行期間溫度的改變，還可具有橋接部302的區域中不理想的熱導率。部分由于端口的尺寸以及橋接部302中相對有限的材料用量，橋接部302與其他橋接部302傳遞熱量的能力有限。因此，橋接部302和/或發動機100的其他部件的損壞可能隨使用時間的延續而發生。
[0028]圖4是圖2中所示的汽缸蓋的一部分的詳細視圖。汽缸蓋104的安裝表面202的該部分對應于燃燒室106 (圖1)并包含一對進氣閥端口 210、一對排氣閥端口 212和噴射端口 216。每對進氣閥端口 210和每對排氣閥端口 212具有用于相應閥元件的閥座402。
[0029]如圖4所示，橋接部302可具有較周圍結構相對較低的熱質量和/或有限能力用以通過例如將熱量傳遞到汽缸蓋104和汽缸體102的其他部分來調節橋接部302的熱量。為了處理橋接部302相對低的熱質量，通道404和通道406可以通過橋接部302加工進入汽缸蓋104并且與安裝表面202隔開，使得每個通道404和通道406通過汽缸蓋104的一些母材用量與安裝表面202分離開。如下文將更詳細描述，熱沉408可以定位于通道404和通道406中。
[0030]根據本實用新型的一個方面，圖5的汽缸蓋104已經改進成包括通道404、通道406和通道502。通道406和通道502可以通過鉆孔或加工通過汽缸蓋104的一側以及通過一個或多個端口 204、216而形成在一起。盡管描述為鉆孔或加工，但在本實用新型的某些方面，通道404、通道406和/或通道502可以通過其他方式設于汽缸蓋104內。在圖5中，通道502已經從汽缸蓋104的一側加工通過第一缸蓋螺栓口 204并且通過噴射端口 216到達第二缸蓋螺栓口 204。通道406可設置在每個缸蓋螺栓口 204和噴射端口 216之間。通道404可通過沿著汽缸蓋104的另一個軸線加工而形成，這將在后續介紹。
[0031]在本實用新型的一個方面，熱沉408通過插入熱沉材料的桿定位于通道404、通道406和通道502中。為了防止熱沉408阻礙噴射端口 216和/或缸蓋螺栓口 204，噴射端口 216和/或缸蓋螺栓口 204可以在熱沉408已經定位到通道406中之后再進行加工。在各種方面中，通道502可包含熱沉408或者可用作導管用于插入熱沉408，隨后被堵塞。
[0032]圖6示出了汽缸蓋104的側視圖。在汽缸蓋104的本側視圖中，通道404可被視為通過汽缸蓋104的母材與安裝表面202分開。為了防止熱沉408定位于通道404中時，熱沉408阻礙噴射端口 216，可能需要通過其來鉆孔通道404的噴射端口 216可以在通道404已經被鉆孔之后并且在熱沉408已經插入通道404中之后再進行加工。
[0033]汽缸蓋104中的通道404、通道406和通道502的示例性配置示于圖7中，其顯示了圖6的汽缸蓋104的剖視圖。圖7中的汽缸蓋104的剖視圖示出了通道404、通道406和通道502的二維視圖。在本實施例中，通道404沿著橫向軸線從每個噴射端口 216延伸出來，該橫向軸線從汽缸蓋104的前部延伸到汽缸蓋104的后部并通過每個噴射端口 216。通道406沿著縱向軸線定位，該縱向軸線從汽缸蓋104的一側延伸到汽缸蓋104的另一側并通過每個噴射端口216。
[0034]因此，通道404定位于每個噴射端口216之間，使得通道404與噴射端口 216對齊并且垂直于通道406，該通道406定位于缸蓋螺栓口 204和噴射端口 216之間。如圖7所示，這種配置的結果是，四個不同通道404和通道406從每個噴射端口 216延伸出來。圖7中通道404和通道406在軸線上的定位導致熱沉408定位于橋接部302附近并位于進氣閥端口 210和排氣閥端口 212之間。
[0035]通道404和通道406的數量可基于諸如汽缸蓋104的尺寸、存在于位于進氣閥端口210和排氣閥端口 212之間的橋接部302中的材料用量，以及與發動機100相關聯的燃燒室106的數量等多種因素而變化。通道404和通道406的體積、長度和方向也可以變化。通道404和/或通道406可以為圓柱形、有凹槽的或者為容納由熱沉408形成的桿的其他形狀。盡管未示出，但在本實用新型的另一方面，水通路端口 208可與通道404和通道406相交以能夠在汽缸蓋104內輸送更多的冷卻劑。
[0036]在替代方面中，通道404和/或通道406可具有熱特性在汽缸蓋104內的不同位置而變化的熱沉408。例如，定位于通道404中的熱沉408可具有與定位于通道406中的熱沉408不同的熱導率。可選地，通道404和/或406中的每一個可具有包含具有一個熱導率的熱沉408一個或多個部分，以及充滿具有不同熱導率的母材或熱沉408的一個或多個部分。
[0037]在一些應用中，在通道404和406被鉆孔之后，每個散熱桿(S卩熱沉)408可形成為不長于其相應通道404或通道406的段。在這種應用中，散熱桿408可逐步插入使得每個散熱桿408不長于其所位于的通道404或406的長度，且使得散熱桿408不阻礙噴射端口 216和/或缸蓋螺栓口 204，從而使加工步驟的數量最小化。可替換地，通道404和通道406可以模制或者鑄造進入汽缸蓋104以允許熱沉408處于多個軸線方向并通過汽缸蓋104的母材與安裝表面202分開。在另一方面，可在加工噴射端口 216和/或缸蓋螺栓口 204之前將熱沉408澆注入通道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]而在其他應用中，可期望以與圖7中所示不同的角度將熱沉408定位到汽缸蓋104中。這些可選應用可需要以下多個步驟:鉆孔入汽缸蓋104、定位熱沉408、加工，和/或堵塞噴射端口 216和/或缸蓋螺栓口 204和/或汽缸蓋104的其他部分。
[0039]在本實用新型的另一方面，可期望將襯套或其他密封機構定位于噴射端口216中以使通道404和通道406與噴射端口 216隔離。襯套可以是墊環、墊圈等，且可以是金屬、碳纖維等。襯套可以為噴射端口 216提供結構支撐，并且可以是可拆卸的以能夠更換熱沉408。
[0040]在一些方面，熱沉408可以是銅或者具有比汽缸蓋104的橋接部302的母材的熱導率更高的熱導率的任何其他材料。例如，如果橋接部302的母材為鐵(在25 °C下80W/(m*K))，銅在當用作熱沉408時，會提供比鐵汽缸蓋104更高的熱導率(在25°C下401W八m*K))。在其他實施例中，具有相對高的熱導率的鋁(在25°C下205W/(m*K))、鋅(在25°C下116W/(m*K))、鎂(在25°C下156W八m*K))等可以用作熱沉408。在替代方面，可期望利用具有比母材低的熱導率的熱沉408。
[0041]可選地，一些熱沉408可以使用在不同位置中具有不同熱導率的材料組合以允許汽缸蓋104內的定向溫度調節。例如，除了其它原因，定位到通道406中的熱沉408可以具有不同于定位到通道404中的熱沉408的熱導率以控制或者改變汽缸蓋104內的不同位置處的熱量調節和/或在特定方向上傳遞熱量。汽缸蓋104內熱導率的控制調節還可以提供跨汽缸蓋104的熱均勻性并且因此減小汽缸蓋104的各個部件上的熱應力。還可期望在一些應用中考慮用于熱沉408的其它材料性質，諸如熱容量、硬度、延展性、熔點、電流響應、膨脹系數等。
[0042]工業實用性
[0043]本實用新型可應用于任何發動機100或具有使用閥致動的發動機100的其它系統。該設備、系統和過程可以增加發動機效率、減少汽缸蓋104的磨損，并且改善汽缸蓋104和相關部件的性能。
[0044]參考圖4和圖7，汽缸蓋104可以具有定位到通道404和/或通道406中的一個或多個散熱桿408，以調節汽缸蓋104的溫度。當與汽缸蓋104相關聯的發動機100運行時，應用于低熱質量的區域的不均勻或循環加熱可在汽缸蓋104中，尤其在與每個燃燒室106相關聯的進氣閥端口 210和排氣閥端口 212之間的橋接部302中產生熱應力。為了減少由熱應力引起的損壞，設于汽缸蓋104中的散熱桿408可以用來調節橋接部302中以及周圍的熱導率以減小橋接部302與周圍結構之間的溫差。以這種方式，可以減小橋接部302處的熱應力和/或熱激發剪切力。
[0045]應當認識到的是，以上描述提供了本公開系統和技術的實例。然而，可以設想，本實用新型的其它實施方案的細節可以不同于以上實例。對本實用新型或其實例的所有引用意圖涉及此時討論的特定實例且并不意味著對本實用新型更一般的范圍的任何限制。所有措辭的差別以及關于某些特征的輕視意圖說明缺乏對這些特征的偏好，但不是將這些完全排除在本實用新型的保護范圍之外，另有說明除外。
[0046]本文對數值范圍的敘述僅僅用作一種對落入范圍內的每個獨立數值的單獨涉及的便捷方式，本文另有說明除外，且每個獨立數值納入說明書內，如同本文個別列舉一樣。本文所描述的所有方法可以任何合適的順序執行，本文另有說明或者上下文有明顯矛盾除外。
【主權項】
1.一種發動機(100)，其特征在于，包括: 汽缸體(102)，其具有至少一個汽缸孔； 活塞，其定位在所述汽缸體(102)中；以及 汽缸蓋(104)，其配置成在所述汽缸體(102)的安裝表面處附接到所述汽缸體(102)，所述汽缸蓋(104)包括: 安裝表面(202); 第一閥接收部分(210)和第二閥接收部分(212)，每一個閥接收部分(210，212)設置在所述汽缸蓋(104)的所述安裝表面(202)上； 橋接部(302)，其位于所述第一閥接收部分(210)與所述第二閥接收部分(212)之間；至少一個通道(404，406)，其設置為穿過所述橋接部(302)的至少一部分；以及熱傳遞體(408)，其定位在所述至少一個通道(404，406)內，所述熱傳遞體(408)具有第一熱導率，形成所述汽缸蓋(104)的母材具有不同于所述第一熱導率的第二熱導率。2.根據權利要求1所述的發動機(100)，其特征在于，所述熱傳遞體(408)在所述汽缸蓋(104)的所述至少一個通道(404，406)內形成至少一個桿。3.根據權利要求1所述的發動機(100)，其特征在于，進一步包括: 噴射接收部分(216)，其設置在所述第一閥接收部分(210)與所述第二閥接收部分(212)之間，所述噴射接收部分(216)設置在所述汽缸蓋(104)的所述安裝表面(202)上。4.根據權利要求3所述的發動機(100)，其特征在于，所述至少一個通道(404，406)從所述噴射接收部分(216)沿垂直于所述噴射接收部分(216)的方向軸向地延伸。5.根據權利要求3所述的發動機(100)，其特征在于，所述至少一個通道(404，406)從所述噴射接收部分(216)延伸到所述汽缸蓋(104)內的另一個噴射接收部分(216)。6.一種發動機(100)的汽缸蓋(104)，其特征在于，所述汽缸蓋(104)包括: 安裝表面(202)、第一閥接收部分(210)和第二閥接收部分(212)，每一個閥接收部分(210，212)設置在所述安裝表面(202)上； 橋接部(302)，其位于所述第一閥接收部分(210)與所述第二閥接收部分(212)之間；至少一個通道(404，406)，其設置為穿過所述橋接部(302)的至少一部分，所述至少一個通道(404，406)位于所述安裝表面(202)上方；以及 熱傳遞體(408)，其定位在所述至少一個通道(404，406)內，所述熱傳遞體(408)具有第一熱導率，形成所述汽缸蓋(104)的母材具有不同于所述第一熱導率的第二熱導率。7.根據權利要求6所述的汽缸蓋(104)，其特征在于，所述熱傳遞體(408)在所述汽缸蓋(104)的所述至少一個通道(404，406)內形成至少一個桿。8.根據權利要求6所述的汽缸蓋(104)，其特征在于，進一步包括設置在所述安裝表面(202)上的噴射接收部分(216)。9.根據權利要求8所述的汽缸蓋(104)，其特征在于，所述至少一個通道(404，406)從所述噴射接收部分(216 )沿定向垂直于所述噴射接收部分(216 )的方向軸向地延伸。10.根據權利要求8所述的汽缸蓋(104)，其特征在于，所述至少一個通道(404，406)從所述噴射接收部分(216)延伸到所述汽缸蓋(104)內的另一個噴射接收部分(216)。
【文檔編號】F02F1/42GK205638716SQ201620438776
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】T·D·楊, C·J·格雷厄姆
【申請人】卡特彼勒公司