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帶雙集成排氣歧管的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋及發(fā)動(dòng)機(jī)操作方法

文檔序號(hào):5169431閱讀:237來源:國知局
專利名稱:帶雙集成排氣歧管的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋及發(fā)動(dòng)機(jī)操作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及在安裝端面可連接到汽缸體的汽缸蓋,具有至少部分地集成在汽缸蓋 中的冷卻劑套管(coolant casing)和至少兩個(gè)汽缸,每個(gè)汽缸具有從該汽缸釋放出排氣的 至少一個(gè)排氣口和鄰接每個(gè)排氣口的排氣管,其中至少兩個(gè)汽缸以每組具有至少一個(gè)汽缸 形成兩組的方式配置,及每個(gè)汽缸組的汽缸的排氣管在每種情況下在汽缸蓋中結(jié)合成一個(gè) 整體排氣管以便形成集成的排氣歧管。本發(fā)明還涉及操作具有上述類型的汽缸蓋和至少三 個(gè)汽缸的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。
背景技術(shù)
在本發(fā)明的范圍內(nèi),術(shù)語"內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)"包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、以及混合動(dòng) 力內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。 內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有汽缸體和汽缸蓋,該汽缸體和汽缸蓋彼此連接以形成單獨(dú)的汽 缸,即燃燒室,提供用于在汽缸蓋和汽缸體中的連接的孔。在安裝關(guān)系中,汽缸體和汽缸蓋 以孔相互對(duì)齊的方式通過其相互疊加的安裝端面相對(duì)于彼此設(shè)置。通過插入且旋緊在汽缸 蓋和汽缸體的孔中的螺栓形成連接。 汽缸體具有接收活塞或汽缸筒的相應(yīng)多個(gè)汽缸孔。活塞在汽缸筒中軸向上可移動(dòng) 地受向?qū)遗c汽缸筒和汽缸蓋一起形成內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。燃燒室因而在每種情況下由 活塞、汽缸筒及汽缸蓋共同界定和配置。為密封燃燒室,通常在汽缸體和汽缸蓋之間設(shè)置密 封墊圈(gasket)。 汽缸蓋通常用來接收氣門驅(qū)動(dòng)。為控制進(jìn)氣的變化,內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)需要控制部件和 執(zhí)行這些控制部件的執(zhí)行裝置。在進(jìn)氣變化方面,通過排氣口排出燃燒氣體,通過進(jìn)氣口充 填燃燒室即引進(jìn)新鮮混合物或新鮮空氣。為控制進(jìn)氣的變化,在四行程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中,使用 的控制部件實(shí)際上是專門的提升閥,當(dāng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)操作時(shí),執(zhí)行振蕩提升運(yùn)動(dòng),從而開啟和 關(guān)閉進(jìn)氣口和排氣口。移動(dòng)氣門所需的氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣門本身稱為氣門驅(qū)動(dòng)。
氣門驅(qū)動(dòng)的目的是在適當(dāng)時(shí)刻開啟和關(guān)閉燃燒室的進(jìn)氣口和排氣口,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn) 盡可能大的流動(dòng)橫截面的快速開啟,以便保持在流入和流出氣流中的節(jié)氣門損耗較低,并 確保盡可能較佳地向燃燒室充填新鮮混合物,或有效地即完全釋放排氣。因此,根據(jù)現(xiàn)有技 術(shù),燃燒室通常和逐漸增加地裝備有兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口和排氣口 。 通向進(jìn)氣口的進(jìn)氣道和鄰接排氣口的排氣道或排氣管根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)至少部分地
集成在汽缸蓋中。若汽缸具有兩個(gè)或多個(gè)排氣口 ,單個(gè)汽缸的排氣口的排氣管通常結(jié)合成
屬于該汽缸的排氣支管,排氣支管然后能夠結(jié)合成一個(gè)共同的整體排氣管或成組為兩個(gè)或
多個(gè)整體排氣管。在本發(fā)明的范圍內(nèi),排氣管結(jié)合成整體排氣管稱為排氣歧管。 在歧管的下游,若合適的話排氣然后供給到排氣渦輪增壓器的渦輪和/或到一個(gè)
或多個(gè)排氣處理系統(tǒng)。 在該背景中,一方面試圖設(shè)置一個(gè)或多個(gè)排氣渦輪增壓器盡可能接近內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī) 的排氣口,以便可以最佳地使用通過排氣壓力和排氣溫度精密地確定的熱排氣的排氣焓,及以便確保渦輪增壓器的快速響應(yīng)特性。另一方面,到各種排氣處理系統(tǒng)的熱排氣路徑還 可以盡可能短,以便排氣在短時(shí)間內(nèi)冷卻,排氣處理處理系統(tǒng)盡可能快地達(dá)到其操作溫度 或起燃溫度,特別地在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)之后。 因此,在這點(diǎn)上,基本的目標(biāo)是最小化在汽缸的排氣口和排氣處理系統(tǒng)之間或在 汽缸的排氣口和排氣渦輪增壓器或渦輪之間的排氣管的部分的熱慣性,且這可以通過減少 該部分的質(zhì)量和長度實(shí)現(xiàn)。 為達(dá)到上述目標(biāo),根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的解決方法的一個(gè)方案,排氣管在汽缸蓋中結(jié)合。 此外,該措施允許盡可能緊密地設(shè)置驅(qū)動(dòng)單元的組裝。汽缸的排氣管在其中結(jié)合的汽缸蓋 也是本發(fā)明的主題。 此外,在根據(jù)本發(fā)明的汽缸蓋中,至少兩個(gè)汽缸以每組具有至少一個(gè)汽缸形成兩 組的方式配置,每個(gè)汽缸組的汽缸的排氣管在每種情況中在汽缸蓋中結(jié)合成一個(gè)整體排氣 管以便形成集成的排氣歧管。汽缸蓋在該情況中附加地具有不屬于汽缸組的汽缸,在該情 況中汽缸組還可以僅包括一個(gè)單個(gè)汽缸。 排氣管成組的結(jié)合即具有兩個(gè)整體排氣管尤其提供了有利地向并聯(lián)設(shè)置的兩個(gè) 排氣渦輪增壓器或雙入口渦輪供應(yīng)排氣的可能性,這在下文更詳細(xì)處理。
然而,具有集成的排氣歧管的汽缸蓋比裝備有外部歧管的常規(guī)的汽缸蓋經(jīng)受更高 的熱負(fù)載,因此具有增加的冷卻需求。 在燃燒中由于燃料的放熱化學(xué)轉(zhuǎn)化放出的熱量部分地通過界定燃燒室的壁釋放 到汽缸蓋和汽缸體中,及部分地通過排氣流釋放到鄰近的構(gòu)件和環(huán)境中。為保持汽缸蓋上 的熱負(fù)載在限制之內(nèi),必須從汽缸蓋再次吸取進(jìn)入到汽缸蓋中的部分熱流。從內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī) 的表面通過輻射和熱傳導(dǎo)釋放到環(huán)境的熱量不足以有效冷卻,因此,通常通過強(qiáng)制對(duì)流直 接產(chǎn)生汽缸蓋的冷卻。 具有基本上以空氣冷卻或液體冷卻的形式實(shí)施冷卻的可能。在空氣冷卻中,內(nèi)燃 發(fā)動(dòng)機(jī)提供有吹風(fēng)器,熱量通過經(jīng)汽缸蓋的表面輸送的空氣流傳輸。 相比之下,液體冷卻要求內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或汽缸蓋裝備有冷卻劑套管,即輸送冷卻劑 通過汽缸蓋的冷卻劑管的設(shè)置,因此使汽缸蓋設(shè)計(jì)必需具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在該情況中,經(jīng)受 高機(jī)械負(fù)載和高熱負(fù)載的汽缸蓋,一方面,通過采用冷卻劑管使其強(qiáng)度減弱。另一方面,熱 量不必像在空氣冷卻中那樣首先傳導(dǎo)到汽缸蓋表面以便釋放。熱量甚至在汽缸蓋的內(nèi)部傳 輸?shù)嚼鋮s劑,通常為混合有添加劑的水。在該情況中冷卻劑通過設(shè)置在冷卻回路中的泵輸 送,以便冷卻劑在冷卻劑套管中循環(huán)。傳遞到冷卻劑的熱量因此從汽缸蓋的內(nèi)部釋放出且 再次從熱交換器中的冷卻劑吸取。 由于液體的基本上較高的熱容,通過液體冷卻可以釋放基本上較大的熱量,因此, 在該類型的汽缸蓋中,使用液體冷卻,即冷卻劑套管集成在汽缸蓋中。 例如在EP 1722090A2中公開了具有集成的排氣歧管和液體冷卻的汽缸蓋,該歐 洲專利申請基于提供盡可能緊湊的汽缸蓋的目標(biāo),而不是提供具有盡可能有效的冷卻的汽 缸蓋的目標(biāo)。 因此,在EP 1722090A2中描述的汽缸蓋的冷卻在實(shí)踐中證明是不適合的,特別是 在排氣管結(jié)合成整體排氣管的區(qū)域中,擔(dān)心存在例如以材料熔化的形式表現(xiàn)的熱過載。
為防止這種情形,在裝備有根據(jù)EP 1722090A2的汽缸蓋的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中,在預(yù)期到高排氣溫度的任何時(shí)候?qū)嵤└换?A <1)。在該情況中,可以噴射比通過提供的空氣量 燃燒的所有燃料更多的燃料,附加的燃料同樣可以加熱和蒸發(fā),以便燃燒氣體的溫度降低。 然而,這種措施被認(rèn)為具有能量方面的缺點(diǎn),特別是關(guān)于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗和污染物 排放。具體地,必要的富化不總是允許內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)以例如提供的排氣處理系統(tǒng)所要求的方 式操作。 此外,若認(rèn)識(shí)到已經(jīng)且繼續(xù)朝向小型高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展,很顯然在實(shí)踐中有效的 液體冷卻具有更大的相關(guān)性,因?yàn)橄啾容^于吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱負(fù)載更高。

發(fā)明內(nèi)容
在上述背景下,本發(fā)明的目標(biāo)包括提供一種汽缸蓋,該汽缸蓋的液體冷卻最佳且 可靠地防止汽缸蓋的熱過載。 本發(fā)明的又一部分的目標(biāo)是指示操作具有上述類型的汽缸蓋和至少三個(gè)汽缸的 內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。 第一部分的目標(biāo)通過一種汽缸蓋實(shí)現(xiàn),該汽缸蓋在安裝端面可連接到汽缸體上, 具有至少部分地集成在汽缸蓋中的冷卻劑套管且具有至少兩個(gè)汽缸,每個(gè)汽缸具有從該汽 缸釋放出排氣的至少一個(gè)排氣口和鄰接每個(gè)排氣口的排氣管,至少兩個(gè)汽缸以每組具有至 少一個(gè)汽缸形成兩組的方式配置,及每個(gè)汽缸組的汽缸的排氣管在每種情況中在汽缸蓋中 結(jié)合成一個(gè)整體排氣管以便形成集成的排氣歧管,其中冷卻劑套管還在兩個(gè)整體排氣管 之間延伸。 有利的實(shí)施例還包括汽缸蓋具有至少三個(gè)汽缸。 至少兩個(gè)汽缸的排氣管結(jié)合成兩個(gè)整體排氣管使得特別適合于配置即成組或彼 此分離汽缸成為可能,例如,以在汽缸組的排氣管中的動(dòng)態(tài)波過程盡可能小地彼此不利影 響的方式。在這種情況中,一方面,在排氣管中傳播的壓力波不相互減弱。另一方面,汽缸 組的汽缸在其工作過程方面應(yīng)優(yōu)選地具有盡可能大的偏置,以便在進(jìn)氣的變化中在汽缸組 中結(jié)合的汽缸不會(huì)彼此不利影響,即彼此阻礙。 當(dāng)在進(jìn)氣的變化開始時(shí),排氣口通過排氣門的驅(qū)動(dòng)開啟,由于在汽缸中的燃燒的 最后存在高壓水平和在燃燒室和排氣道即排氣管之間的關(guān)聯(lián)的高壓差,燃燒氣體以高速流 過排氣口到排氣管中。壓力驅(qū)動(dòng)流作用伴隨著高壓峰值,這還稱為預(yù)載釋放且以聲速沿著 排氣管傳播。 在進(jìn)氣變化方面,以如下的方式成組汽缸是有利的,即當(dāng)汽缸組的汽缸的至少一 個(gè)排氣口開啟,該汽缸組的其他汽缸的排氣口關(guān)閉,或該汽缸組的其他汽缸的排氣口在開 啟的汽缸的壓力波或預(yù)載釋放達(dá)到或預(yù)期在另一個(gè)汽缸的排氣口的時(shí)間點(diǎn)關(guān)閉。從而可以 避免排氣回流通過排氣口到燃燒室。 汽缸的成組在固定汽缸的氣門的控制時(shí)間中還提供了更大的自由,因?yàn)榭赡鼙舜?不利影響的汽缸會(huì)適當(dāng)?shù)叵嗷シ蛛x,更精確地說優(yōu)選地以汽缸組的汽缸在其工作工程方面 具有盡可能大的偏置這樣的方式。因此,基本上可以延長氣門特別是排氣門的開啟時(shí)間,或 可以延遲排氣門的關(guān)閉時(shí)間,而不必?fù)?dān)心汽缸的進(jìn)氣變化,特別是汽缸的預(yù)載釋放會(huì)造成 排氣回流通過另一個(gè)汽缸的排氣口到燃燒室中。研究顯示通過氣門的控制時(shí)間對(duì)效率和污 染物排放特別是二氧化碳排放(C02)會(huì)產(chǎn)生決定性的影響。
根據(jù)本發(fā)明,每個(gè)汽缸組的汽缸的排氣管在每種情況中在汽缸蓋中結(jié)合成一個(gè)整 體排氣管以便形成集成的排氣歧管。 如上所述,基本上試圖設(shè)置排氣渦輪增壓器的渦輪盡可能接近內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣 口 ,且使到各種排氣處理系統(tǒng)的熱排氣的路徑盡可能短。為實(shí)施該目標(biāo),排氣管盡可能最全 面地集成到汽缸蓋中如根據(jù)本發(fā)明的汽缸蓋中有利于實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。 排氣管的長度由于集成到汽缸蓋中而減小。因此,一方面,若合適的話提供的在渦 輪的上游的管體積即排氣管的排氣體積減少,以便改進(jìn)設(shè)置在歧管的下游的渦輪的響應(yīng)特 性。另一方面,縮短的排氣管還導(dǎo)致渦輪的上游的排氣系統(tǒng)的低熱慣性,以便增加在渦輪入 口的排氣的溫度,因此在渦輪的入口的排氣焓更高。若合適的話提供的排氣處理系統(tǒng)更快 地達(dá)到要求的最小工作溫度。 因?yàn)閱蝹€(gè)排氣管的管長度由于集成到汽缸蓋中而縮短,汽缸在進(jìn)氣的變化中彼此 阻礙或在汽缸的排氣管中的動(dòng)態(tài)波過程彼此不利影響的風(fēng)險(xiǎn)還基本上上升,這實(shí)際上應(yīng)該 避免。 在該程度上,汽缸的成組特別是與根據(jù)本發(fā)明排氣管集成到汽缸蓋中的結(jié)合是有 利的,因?yàn)橹辽僦钡秸w排氣管排氣流可以彼此分離。在根據(jù)本發(fā)明的汽缸蓋中采用的汽 缸成組和排氣管集成到汽缸蓋中的結(jié)合因此以這兩種措施的相互作用,產(chǎn)生超過每種單獨(dú) 措施本身的優(yōu)點(diǎn)的協(xié)同作用。 此外,排氣管根據(jù)本發(fā)明的集成使得盡可能緊密地設(shè)置驅(qū)動(dòng)單元的組裝成為可 能。
根據(jù)本發(fā)明,冷卻劑套管還在兩個(gè)整體排氣管之間延伸。這包括特別是冷卻劑套
管穿過即相交、虛包(imaginary wr即ping)即封裝、放置在兩個(gè)整體排氣管周圍的實(shí)施例。 在排氣管若合適的話排氣支管結(jié)合成一個(gè)整體排氣管,且若合適的話來自多個(gè)汽
缸的熱排氣聚集的區(qū)域中,汽缸蓋經(jīng)受特別高熱負(fù)載。對(duì)此有幾個(gè)原因。 —方面,較大的排氣量通過兩個(gè)連接點(diǎn)和兩個(gè)整體排氣管,而鄰接汽缸的排氣口
的單個(gè)排氣管僅由來自一個(gè)汽缸的排氣或排氣的部分作用。即在此放出或能夠放出熱量到
汽缸蓋的排氣的絕對(duì)量最大。 另一方面,連接點(diǎn)和整體排氣管與熱排氣實(shí)際上連續(xù)作用,而汽缸的排氣管僅在 相應(yīng)的汽缸的進(jìn)氣變化中即在四行程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中在曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈具有一次流過其中的 熱排氣。 此外,認(rèn)識(shí)到在整體排氣管的流入?yún)^(qū)域中,即在連接點(diǎn)區(qū)域中,單個(gè)排氣管的排氣 流必須偏離到較大或較小程度,以便排氣管可以結(jié)合成一個(gè)整體排氣管。因此,在該區(qū)域 中,單個(gè)排氣流至少部分地具有垂直于排氣管的壁的速度分量,因此由于對(duì)流熱傳遞及因 此在汽缸蓋上的熱負(fù)載附加地增加。 由于上述原因,冷卻在整體排氣管的附近區(qū)域中的汽缸蓋或?qū)ζ溲b備液體冷卻, 即至少部分地在兩個(gè)整體排氣管之間設(shè)置冷卻劑套管因此是有利的。 為降低排氣溫度,因此盡可能或完全不需要燃料/空氣混合物富化,在單個(gè)情況 中這取決于汽缸的數(shù)目、冷卻劑套管的實(shí)際設(shè)計(jì)等。特別是對(duì)于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗和 排放特性這證明是有利的。此外,在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的控制中產(chǎn)生更大的自由,因?yàn)榻档团艢鉁?度或防止汽缸蓋熱過載的可能的富化不再在發(fā)動(dòng)機(jī)控制的框架內(nèi)考慮。
根據(jù)本發(fā)明的汽缸蓋特別地適合于增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī),增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)楦吲艢?溫度要求有效和優(yōu)化的冷卻。 因此,實(shí)現(xiàn)本發(fā)明基于的第一部分的目標(biāo),更精確地說是提供一種汽缸蓋,該汽缸 蓋的液體冷卻最佳且可靠地防止汽缸蓋的熱過載。 例如當(dāng)汽缸分布為兩個(gè)汽缸組設(shè)置時(shí),內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)還具有根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)汽缸 蓋。還可以實(shí)施其中不是汽缸蓋的所有汽缸的排氣管結(jié)合成兩個(gè)整體排氣管,而是僅設(shè)置 在汽缸蓋中的一些汽缸以根據(jù)本發(fā)明的方式成組的實(shí)施例。 然而,有利實(shí)施例包括特別是汽缸蓋的所有汽缸的排氣管在汽缸蓋中結(jié)合成兩個(gè) 整體排氣管。 此外,以下描述根據(jù)本發(fā)明的汽缸蓋的其他有利實(shí)施例。 在具有直列設(shè)置的至少三個(gè)汽缸的汽缸蓋中,有利實(shí)施例包括第一汽缸組包括外 汽缸,第二汽缸組包括至少一個(gè)內(nèi)汽缸。 該實(shí)施例示出,根據(jù)本發(fā)明,汽缸組甚至僅包括一個(gè)汽缸,例如第二汽缸組包括三 汽缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)汽缸。 根據(jù)所述實(shí)施例的三汽缸的成組確保汽缸蓋中的排氣管的對(duì)稱設(shè)置。三汽缸的點(diǎn) 火順序通常為1-2-3就其配置方面在本例中不太重要,因?yàn)橥耆?dú)立于汽缸的配置,在汽 缸組中結(jié)合的兩個(gè)汽缸總是具有240。 CA(曲軸轉(zhuǎn)角)的短點(diǎn)火間隔和480。 CA的長點(diǎn)火 間隔。 在具有直列設(shè)置的四汽缸的汽缸蓋中,有利實(shí)施例包括第一汽缸組包括兩個(gè)外汽 缸,第二汽缸組包括兩個(gè)內(nèi)汽缸,第一汽缸組的兩個(gè)外汽缸的排氣管在汽缸蓋中結(jié)合成第 一整體排氣管以便形成第一集成的排氣歧管,第二汽缸組的兩個(gè)內(nèi)汽缸的排氣管在汽缸蓋 中結(jié)合成第二整體排氣管以便形成第二集成的排氣歧管。 該汽缸的配置考慮到四汽缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸通常以1-3-4-2的順序點(diǎn)火,該汽 缸從外汽缸開始按順序編號(hào)。所述的汽缸的成組確保第一汽缸組和第二汽缸組的兩個(gè)汽缸 具有360° CA的點(diǎn)火間隔。每個(gè)汽缸組的兩個(gè)汽缸因此在其工作過程方面具有最大可能的 偏置。 汽缸蓋的有利實(shí)施例包括兩個(gè)汽缸組或集成的排氣歧管的兩個(gè)整體排氣管沿著 汽缸蓋的縱軸偏置設(shè)置。 偏置使汽缸蓋的緊湊型結(jié)構(gòu)成為可能,同時(shí)確保整體排氣管彼此充足大的距離。 因此,雖然為緊湊型結(jié)構(gòu),相比較于其中沿著縱軸即從汽缸蓋縱軸的方向看沒有偏置的整 體排氣管的實(shí)施例,在整體排氣管之間保持足夠的結(jié)構(gòu)空間。這使其容易在汽缸蓋特別是 在兩個(gè)整體排氣管之間設(shè)置冷卻劑管。 汽缸蓋的有利實(shí)施例包括第二汽缸組的第二集成的排氣歧管的整體排氣管設(shè)置 在背向安裝端面的第一汽缸組的第一集成的排氣歧管的那側(cè)。根據(jù)該實(shí)施例,汽缸組的排 氣歧管至少部分地疊加放置。 汽缸蓋的有利實(shí)施例還包括每個(gè)汽缸具有從該汽缸釋放出排氣的至少兩個(gè)排氣 □。 如上進(jìn)一步所述,在進(jìn)氣變化的框架中的排氣釋放中,主要目標(biāo)是盡可能快地開 啟盡可能大的流動(dòng)橫截面,以便確保排氣的有效釋放,及因此每個(gè)汽缸提供超過一個(gè)排氣口是有利的。 在該情況下有利實(shí)施例包括,在具有至少兩個(gè)汽缸的汽缸組的情況中,在排氣支 管結(jié)合成汽缸組的整體排氣管之前,每個(gè)汽缸的至少兩個(gè)排氣口的排氣管首先結(jié)合成屬于 該汽缸的排氣支管。所有排氣管的整體路徑距離從而進(jìn)一步縮短,歧管的排氣體積減少。
此外,排氣管逐步結(jié)合成一個(gè)整體排氣管有助于更緊湊即低體積的汽缸蓋的結(jié)構(gòu) 類型,因此特別是有利于減輕重量和發(fā)動(dòng)機(jī)空間的更有效組裝。 汽缸蓋的有利實(shí)施例包括,冷卻劑套管具有下冷卻劑套管和上冷卻劑套管,下冷 卻劑套管設(shè)置在排氣管和汽缸蓋的安裝端面之間,上冷卻劑套管設(shè)置在相對(duì)于下冷卻劑套 管放置的排氣管的那側(cè)。在該背景下,甚至排氣支管或整體排氣管稱為排氣管,而不僅是鄰 接汽缸的排氣口的排氣管。 在該情況中汽缸蓋的有利實(shí)施例包括,下冷卻劑套管具有至少一個(gè)流入口 ,通過 該流入口可以供應(yīng)冷卻劑,上冷卻劑套管具有至少一個(gè)流出口,通過該流出口可以釋放冷 卻劑。 具體地,汽缸蓋的有利實(shí)施例包括,提供用作冷卻劑通道的至少一個(gè)連接,其與排 氣管隔離,在背向至少兩個(gè)汽缸的兩個(gè)排氣歧管的那側(cè)在下冷卻劑套管和上冷卻劑套管之 間。該至少一個(gè)連接位于集成的排氣歧管的外部且在整體排氣管從中伸出的汽缸蓋的外壁 中。 該汽缸蓋的實(shí)施例具有在汽缸蓋的外壁中的至少一個(gè)連接,通過該連接冷卻劑可 以從下冷卻劑套管流出到上冷卻劑套管和/或相反。 該連接是連接下冷卻劑套管到上冷卻劑套管和冷卻劑流過的通孔或通流管。 —方面,冷卻從而基本上還發(fā)生在汽缸蓋的外壁的區(qū)域中。另一方面,冷卻劑的常
規(guī)的縱向流即在汽缸蓋的縱軸的方向上的冷卻劑流由相對(duì)于縱向流在橫向上流動(dòng)且優(yōu)選
地大約在汽缸的縱軸的方向上的冷卻劑橫向流補(bǔ)充。在該情況中,通過至少一個(gè)連接輸送
的冷卻劑流絕對(duì)有助于熱量的釋放。具體地,通過合適地確定至少一個(gè)連接的橫截面的尺
寸,直接影響連接中的冷卻劑的流速和在該至少一個(gè)連接的區(qū)域中的熱量釋放。 因此具體地,該汽缸蓋的有利實(shí)施例還包括,下冷卻劑套管和上冷卻劑套管可以
不在外壁的整個(gè)區(qū)域上彼此連接,而是至少一個(gè)連接僅在外壁的部分區(qū)域上延伸。因此,可
以增加在至少一個(gè)連接上的流速,從而由于對(duì)流增加熱傳遞。這還在汽缸蓋的機(jī)械強(qiáng)度方
面提供優(yōu)點(diǎn)。 汽缸蓋的冷卻附加地和有利地改進(jìn),因?yàn)樵谏侠鋮s劑套管和下冷卻劑套管之間可 以產(chǎn)生壓力降,因此,進(jìn)而可以增加至少一個(gè)連接中的速度,從而由于對(duì)流導(dǎo)致熱傳遞增強(qiáng)。 該汽缸蓋的有利實(shí)施例包括,至少一個(gè)連接鄰近于排氣管結(jié)合成一個(gè)整體排氣管 的區(qū)域設(shè)置。如上所述,在該區(qū)域汽缸蓋經(jīng)受特別高熱負(fù)載,從而該區(qū)域的冷卻特別地有 利。 汽缸蓋的有利實(shí)施例還包括,至少一個(gè)連接完全集成到外壁中。例如該實(shí)施例不 同于如下汽缸蓋的結(jié)構(gòu)形式,即在外壁中提供用于供應(yīng)冷卻劑進(jìn)入上冷卻劑套管和下冷卻 劑套管和從上冷卻劑套管和下冷卻劑套管釋放出冷卻劑的?L。該類型的孔在當(dāng)前意義上不 構(gòu)成連接。
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在該情況下,在汽缸蓋的制造的框架中,至少一個(gè)連接極佳地通過其間的入口孔 向外開啟,例如用于去除砂芯。然而,根據(jù)所述的實(shí)施例,完成的汽缸蓋然后具有完全集成 到外壁中的至少一個(gè)連接,為此必須關(guān)閉可能提供到該連接的入口 。 基本上,還可以實(shí)施的汽缸蓋的實(shí)施例包括,在至少一個(gè)連接的區(qū)域中發(fā)生冷卻 劑供應(yīng)和冷卻劑釋放,為此通道從至少一個(gè)連接分支且從外壁伸出。 汽缸蓋的有利實(shí)施例包括,在至少一個(gè)連接和整體排氣管之間的距離短于汽缸的 直徑,優(yōu)選地短于汽缸的直徑的一半,該距離產(chǎn)生于整體排氣管的外壁和連接的外壁之間 的路徑距離。 汽缸蓋的有利的實(shí)施例包括,提供設(shè)置在兩個(gè)整體排氣管的相對(duì)側(cè)的至少兩個(gè)連 接。在外壁的區(qū)域中的至少兩個(gè)連接的對(duì)稱設(shè)置考慮到集成到汽缸蓋中的排氣管的系統(tǒng)還 優(yōu)選地對(duì)稱設(shè)計(jì)。因此排氣系統(tǒng)和冷卻的相互對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)還確保汽缸蓋中的對(duì)稱溫度分 布。 在該情況下汽缸蓋的有利實(shí)施例還包括,至少兩個(gè)連接還通過在兩個(gè)整體排氣管 之間延伸的冷卻劑套管區(qū)域彼此連接。 該汽缸蓋的有利實(shí)施例包括,提供用作冷卻劑通道的至少一個(gè)附加的連接,其與 排氣管隔離,在面向至少兩個(gè)汽缸的排氣歧管的那側(cè)在下冷卻劑套管和上冷卻劑套管之 間。 該汽缸蓋的有利實(shí)施例還包括,兩個(gè)整體排氣管連接到雙入口渦輪,在每種情況 中整體排氣管連接到渦輪的入口通道。 在該情況中,雙入口渦輪用來增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī),即使用的排氣渦輪增壓器的渦輪 具有帶兩個(gè)入口通道的入口區(qū)域。若排氣管以可以獲得高壓,特別是獲得預(yù)載釋放這種方 式成組,則雙入口渦輪特別適合于強(qiáng)制增壓,從而甚至在低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)高渦輪壓力工況。
在每種情況中兩個(gè)整體排氣管彼此分離連接到入口通道。在整體排氣管中輸送的 兩個(gè)排氣流的結(jié)合若合適的話發(fā)生在渦輪的下游,但在該情況下不在渦輪的上游。當(dāng)在整 體排氣管中輸送的排氣流主要、優(yōu)選地完全通過分配給整體排氣管的入口通道中時(shí),整體 排氣管集合到渦輪的入口通道中。 有利實(shí)施例包括,用于改變流向的導(dǎo)向葉片設(shè)置在雙入口渦輪的入口區(qū)域中。相 比較于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的移動(dòng)葉片,導(dǎo)向葉片不隨渦輪的軸旋轉(zhuǎn)。 若渦輪具有固定不變的幾何尺寸,導(dǎo)向葉片不僅固定地設(shè)置,而且在入口區(qū)域完 全不移動(dòng),即穩(wěn)定地固定。若相比較使用帶可變幾何尺寸的渦輪,導(dǎo)向葉片還固定地設(shè)置, 但不是完全不移動(dòng),而是圍繞其軸可旋轉(zhuǎn)以便可以改變流到移動(dòng)葉片上的流量。
有利實(shí)施例還包括雙入口渦輪為軸向渦輪。 在軸向渦輪中,在轉(zhuǎn)子葉片上的流動(dòng)實(shí)質(zhì)上軸向發(fā)生,"實(shí)質(zhì)上軸向"意思為軸向
上的速度分量大于徑向上的速度分量。若湍流(onf low)確切地軸向上運(yùn)行,在該情況下
在轉(zhuǎn)子區(qū)域中的湍流的速度向量優(yōu)選平行于排氣渦輪增壓器的軸或軸線。 使用軸向渦輪不必具有通過螺旋或螺紋殼體的排氣的徑向供應(yīng),螺旋或螺紋殼體
在徑向渦輪中絕對(duì)需要,即作為采用的原則的結(jié)果不可避免,因此可以減少在排氣中的壓
力損失,且可以增加在進(jìn)入到渦輪的入口處的排氣焓。通過螺旋或螺紋殼體供應(yīng)排氣需要
具有方向明顯變化的排氣或排氣流的多次轉(zhuǎn)向,方向的每次變化造成排氣流中的壓力損
9失,因此在渦輪從排氣吸取較少的能量。 汽缸蓋的有利實(shí)施例還包括,每個(gè)整體排氣管連接到排氣渦輪增壓器的渦輪。在 該情況下,并聯(lián)設(shè)置的兩個(gè)渦輪或排氣渦輪增壓器用于增壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。這是改進(jìn)增壓內(nèi) 燃發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性的措施。 本發(fā)明基于的第二目標(biāo),更精確地說是提出操作具有上述類型的汽缸蓋和至少三 個(gè)汽缸的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法,該目標(biāo)通過如下限定的方法實(shí)現(xiàn),在該方法中至少三個(gè)汽缸 以汽缸組的汽缸在工作過程方面具有盡可能大的偏置這樣的方式操作。 所述關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的汽缸蓋的內(nèi)容還應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的方法,參考上述給出 的陳述。 在具有直列設(shè)置的四汽缸的汽缸蓋中,第一汽缸組的兩個(gè)外汽缸的排氣管結(jié)合成 第一整體排氣管,第二汽缸組的兩個(gè)內(nèi)汽缸的排氣管結(jié)合成第二整體排氣管,如下限定的 不同方法是有利的,交替地在第一汽缸組的外汽缸和第二汽缸組的內(nèi)汽缸中啟動(dòng)燃燒。
啟動(dòng)即開始燃燒可以通過例如經(jīng)由火花塞的火花點(diǎn)火和通過自燃或壓縮點(diǎn)火產(chǎn) 生。 通過圖1至圖6的示例實(shí)施例詳述本發(fā)明。


圖1示出集成在根據(jù)第一實(shí)施例的汽缸蓋中的排氣管的砂芯的透視圖;圖2示出在圖1中所示的砂芯的側(cè)視圖;圖3示出集成在根據(jù)第一實(shí)施例的汽缸蓋中的冷卻劑套管的砂芯的透視4示出從汽缸蓋的縱軸的方向上看的側(cè)視圖中的圖3中所示的砂芯;圖5示出圖3中所示的砂芯的部分的頂視圖;圖6示出相對(duì)于汽缸蓋的縱軸垂直地看的側(cè)視圖中的圖3中所示的砂芯;附圖標(biāo)記1砂芯2'第一集成的排氣歧管2〃第二集成的排氣歧管3a第一排氣口3b第二排氣口4a第一排氣管4b第二排氣管5排氣支管6'整體排氣管6〃整體排氣管7砂芯8冷卻劑套管8a下冷卻劑套管8b上冷卻劑套管8c中冷卻劑套管
9連接 10入口 ll附加的連接 12附加的入口 13冷卻劑入口 14冷卻劑出口 15冷卻劑入口
具體實(shí)施例方式
圖l示出形成集成在根據(jù)第一實(shí)施例的汽缸蓋中的排氣管4a、4b、5、6' 、6〃的砂 芯1的透視圖。圖l因此示出集成在汽缸蓋中的排氣管4a、4b、5、6' 、6〃的系統(tǒng),因此加入 排氣管4a、4b、5、6' 、6〃的附圖標(biāo)記。 圖1中所示的砂芯1或排氣系統(tǒng)包括四汽缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋的排氣管4a、4b、 5、6' 、6〃 ,其中汽缸沿著汽缸蓋的縱軸設(shè)置。四汽缸的每個(gè)裝備有兩個(gè)排氣口3a、3b和鄰 接每個(gè)排氣口 3a、3b的排氣管4a、4b。 四汽缸以每組具有兩個(gè)汽缸形成兩組的方式配置。第一汽缸組包括兩個(gè)外汽缸,
第二汽缸組包括兩個(gè)內(nèi)汽缸,第一汽缸組的兩個(gè)外汽缸的排氣管4a、4b在汽缸蓋中結(jié)合成
第一整體排氣管6以便形成第一集成的排氣歧管2',第二汽缸組的兩個(gè)內(nèi)汽缸的排氣管
4a、4b在汽缸蓋中結(jié)合成第二整體排氣管6〃以便形成第二集成的排氣歧管2〃 。 在該情況中,在汽缸組的汽缸的排氣支管5隨后即在下游結(jié)合成一個(gè)整體排氣管
6' 、6〃之前,每個(gè)汽缸的排氣管4a、4b首先結(jié)合成屬于該汽缸的排氣支管5。 在圖1中所示的排氣系統(tǒng)中,集成的排氣歧管2' 、2〃的兩個(gè)整體排氣管6' 、6〃
沿著汽缸蓋的縱軸偏置設(shè)置。在該情況中第二汽缸組的第二集成的排氣歧管2〃的整體排
氣管6〃放置在背向安裝端面的第一集成的排氣歧管2'的那側(cè)。 圖2示出在汽缸蓋的縱軸的方向上看的側(cè)視圖中的圖1中所示的砂芯1。圖1中 的相同的附圖標(biāo)記用于相同的構(gòu)件,因此參考圖1。 如圖2清晰所示,第二汽缸組的第二集成的排氣歧管2〃的整體排氣管6〃放置在 背向安裝端面的第一集成的排氣歧管2'的那側(cè),即在第一集成的排氣歧管2'之上。
圖3示出形成集成在根據(jù)第一實(shí)施例的汽缸蓋中的冷卻劑套管8的砂芯7的透視 圖。 冷卻劑套管8包括下冷卻劑套管8a、上冷卻劑套管8b、及中冷卻劑套管8c,下冷卻 劑套管8a設(shè)置排氣管和汽缸蓋的安裝端面(未示出)之間,上冷卻劑套管8b設(shè)置在相對(duì) 于下冷卻劑套管8a放置的排氣支管5的那側(cè)上,中冷卻劑套管8c設(shè)置在整體排氣管6'、 6〃之間,向內(nèi)彎曲且隨后緊隨第二集成的排氣歧管蔓延(見圖2)。 在整體排氣管6' 、6〃從中伸出的汽缸蓋的外壁中,提供連接下冷卻劑套管8a到 上冷卻劑套管8b且用作冷卻劑通道的兩個(gè)連接9。兩個(gè)連接設(shè)置在整體排氣管6' 、6〃的 相對(duì)側(cè)且本身通過中冷卻劑套管8c彼此連接。 下冷卻劑套管8a和上冷卻劑套管8b不在外壁的整體區(qū)域上彼此連接,而只在外 壁的部分區(qū)域上,具體地鄰近整體排氣管6' 、6〃的區(qū)域上連接。兩個(gè)連接9因此鄰近于汽缸蓋經(jīng)受特別高熱負(fù)載的區(qū)域設(shè)置。 在下冷卻劑套管8a、上冷卻劑套管8b及中冷卻劑套管8c中產(chǎn)生的汽缸蓋的縱軸 的方向上的縱向流由連接9中的兩個(gè)橫向流補(bǔ)充(見圖5)。 為在鑄造汽缸蓋之后移去砂芯7,在連接9的區(qū)域中提供兩個(gè)入口 IO,在移去砂芯 7之后關(guān)閉兩個(gè)入口 10以便連接9完全集成到外壁中。 圖4示出在汽缸蓋的縱軸的方向上看的側(cè)視圖中的圖3中所示的砂芯7。在圖3 中的相同的附圖標(biāo)記用于相同的構(gòu)件,因此參考圖3。 如從圖4清晰所見,用作冷卻劑通道的附加的連接11在面向汽缸的第一集成的排 氣歧管的那側(cè)在下冷卻劑套管8a和上冷卻劑套管8b之間提供。 此外,提供用于移去砂芯7和機(jī)械加工附加的連接11的附加的入口 12,在完成的 汽缸蓋中再次關(guān)閉附加的入口 12。 還可以看到供應(yīng)冷卻劑到下冷卻劑套管8a的冷卻劑入口 13和從上冷卻劑套管8b 釋放出冷卻劑的冷卻劑出口 14。 圖5示出用于形成具體在汽缸縱軸的方向上看的下冷卻劑套管8a、中冷卻劑套管 8c的在圖3中所示的砂芯的部分的頂視圖。如在圖3中的相同的附圖標(biāo)記用于相同的構(gòu) 件,因此參考圖3。 當(dāng)冷卻劑流過冷卻劑套管8a、8c時(shí)其流向如箭頭所示。冷卻劑以扇形的形式從下 冷卻劑套管8a的冷卻劑入口流到中冷卻劑套管8c,具體地通過在外壁中的兩個(gè)連接9和附 加的連接11。 圖6示出相對(duì)于汽缸蓋的縱軸垂直看的側(cè)視圖中的圖3中所示的砂芯7。在圖3 和圖4中的相同的附圖標(biāo)記用于相同的構(gòu)件,因此參考這些附圖。 冷卻劑沿著汽缸蓋的縱軸從下冷卻劑套管8a的外冷卻劑入口 13流到連接9,且垂 直地通過這些連接9到中冷卻劑套管8c和下冷卻劑套管8a中。 上冷卻劑套管8b同樣具有兩個(gè)外冷卻劑入口 15,冷卻劑通過冷卻劑出口 14從冷 卻劑套管8中離開或釋放。
權(quán)利要求
一種汽缸蓋,所述汽缸蓋在安裝端面可連接到汽缸體,具有至少部分地集成在汽缸蓋中的冷卻劑套管(8)和至少兩個(gè)汽缸,每個(gè)汽缸具有從該汽缸釋放出排氣的至少一個(gè)排氣口(3a、3b)和鄰接每個(gè)排氣口(3a、3b)的排氣管(4a、4b),至少兩個(gè)汽缸以每組具有至少一個(gè)汽缸形成兩組這樣的方式配置,及每個(gè)汽缸組的汽缸的排氣管(4a、4b)在該情況中在汽缸蓋中結(jié)合成一個(gè)整體排氣管(6′、6″)以便形成集成的排氣歧管(2′、2″),其中,冷卻劑套管(8)還在兩個(gè)整體排氣管(6′、6″)之間延伸。
2. 如權(quán)利要求1所述的汽缸蓋,其特征在于,具有直列設(shè)置的至少三個(gè)汽缸,第一汽缸 組包括外汽缸,第二汽缸組包括至少一個(gè)內(nèi)汽缸。
3. 如權(quán)利要求2所述的汽缸蓋,其特征在于,具有直列設(shè)置的四個(gè)汽缸,第一汽缸組 包括兩個(gè)外汽缸,第二汽缸組包括兩個(gè)內(nèi)汽缸,第一汽缸組的兩個(gè)外汽缸的排氣管(4a、4b) 在汽缸蓋中結(jié)合成第一整體排氣管(6')以便形成第一集成的排氣歧管(2'),第二汽缸 組的兩個(gè)內(nèi)汽缸的排氣管(4a、4b)在汽缸蓋中結(jié)合成第二整體排氣管(6〃 )以便形成第二 集成的排氣歧管(2〃 )。
4. 如上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的汽缸蓋,其特征在于,兩個(gè)汽缸組中的兩個(gè)整體排 氣管(6' 、6〃 )沿著汽缸蓋的縱軸偏置設(shè)置。
5. 如上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的汽缸蓋,其特征在于,第二汽缸組的第二集成的排 氣歧管(2〃 )的整體排氣管(6〃 )設(shè)置在背向安裝端面的第一汽缸組的第一集成的排氣 歧管(2')的那側(cè)。
6. 如上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的汽缸蓋,其特征在于,每個(gè)汽缸具有從該汽缸釋放 出排氣的至少兩個(gè)排氣口 (3a、3b)。
7. 如權(quán)利要求6所述的汽缸蓋,其特征在于,在具有至少兩個(gè)汽缸的汽缸組中,在排氣 支管(5)結(jié)合成汽缸組的整體排氣管(6' 、6〃 )之前,每個(gè)汽缸的至少兩個(gè)排氣口 (3a、 3b)的排氣管(4a、4b)首先結(jié)合成屬于該汽缸的排氣支管(5)。
8. 如上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的汽缸蓋,其特征在于,冷卻劑套管(8)具有下冷卻 劑套管(8a)和上冷卻劑套管(8b),下冷卻劑套管(8a)設(shè)置在排氣管(4a、4b、5、6' 、6") 和汽缸蓋的安裝端面之間,上冷卻劑套管(8b)設(shè)置在相對(duì)下冷卻劑套管(8a)放置的排氣 管(4a、4b、5、6' 、6〃 )的那側(cè)。
9. 一種操作具有如上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的汽缸蓋和至少三個(gè)汽缸的內(nèi)燃發(fā)動(dòng) 機(jī)的方法,其中,至少三個(gè)汽缸以汽缸組的汽缸在工作過程方面具有盡可能大的偏置的這 種方式操作。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法,所述方法用于操作具有如權(quán)利要求3至8中的一個(gè)所述 的汽缸蓋的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī),其特征在于,交替地在第一汽缸組的外汽缸和在第二汽缸組的內(nèi) 汽缸中啟動(dòng)燃燒。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶雙集成排氣歧管的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋及發(fā)動(dòng)機(jī)操作方法。提供一種汽缸蓋,該汽缸蓋在安裝端面可連接到汽缸體,具有至少部分地集成在汽缸蓋中的冷卻劑套管和具有至少兩個(gè)汽缸,每個(gè)汽缸具有從該汽缸釋放出排氣的至少一個(gè)排氣口和鄰接每個(gè)排氣口的排氣管,至少兩個(gè)汽缸以每組具有至少一個(gè)汽缸形成兩組這樣的方式配置,及每個(gè)汽缸組的汽缸的排氣管在該情況中在汽缸蓋中結(jié)合成一個(gè)整體排氣管以便形成集成的排氣歧管,其中冷卻劑套管還在兩個(gè)整體排氣管之間延伸。此外,本發(fā)明還涉及操作具有上述類型的汽缸蓋的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。提供上述類型的汽缸蓋,該汽缸蓋的液體冷卻最佳且可靠地防止汽缸蓋的熱過載。
文檔編號(hào)F02F1/42GK101713349SQ20091017772
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月2日
發(fā)明者凱·庫爾巴赫 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司
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