CN101839186A - 用于自然吸气式发动机的气缸盖和这种气缸盖的使用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于自然吸气式发动机的气缸盖(1)及气缸盖(1)的使用。该气缸盖具有沿着该气缸盖的纵轴线(2)直线地设置的至少三个气缸(3)，每个气缸(3)具有至少一个出口孔，以经由排气系统将排气从该气缸(3)带走，为此排气管路(4)连接到每个出口孔，并且其中至少三个气缸(3)的排气管路(4)汇合以得到合并的排气管路(6)，在这个过程中形成排气歧管(7)。该一体的排气歧管(7)具有不对称的结构，使得该合并的排气管路(6)相对于该歧管(7)从所述气缸盖(1)偏心地露出。本发明提供的气缸盖(1)具有一体的排气歧管的优点而不需要牺牲用外部排气歧管能够实现的令人满意的力矩特性。

Description

用于自然吸气式发动机的气缸盖和这种气缸盖的使用

技术领域

本发明涉及用于自然吸气式发动机的气缸盖，该气缸盖

具有沿着该气缸盖的纵轴线直线地设置的至少三个气缸，每个气缸具有至少一个出口孔，以便经由排气系统将排气从该气缸带走，排气管路连接到每个出口孔，并且

至少三个气缸的排气管路汇合以得到合并的排气管路，形成排气歧管。

本发明还涉及这种气缸盖的使用。

背景技术

像所有的内燃发动机一样，自然吸气式发动机具有汽缸体和至少一个气缸盖，汽缸体和气缸盖相互连接以形成气缸。汽缸体具有气缸孔以容纳活塞，并且在适当时汽缸体具有气缸套。活塞在气缸套中以如下方式被引导，即它们能够轴向运动，并且与气缸套和气缸盖一起形成内燃发动机的燃烧室。

气缸盖通常用于容纳阀传动机构。为了控制排气和再充填，内燃发动机需要正时元件和致动这些正时元件的致动装置。在排气和再充填的过程中，燃烧气体经由气缸的出口孔排放，至少有三个气缸，并且燃烧室被充填，即，新鲜混合气或新鲜空气经由进口孔吸入。在四冲程发动机的情况下为了控制排气和再充填，往复阀几乎专门用作正时元件，在内燃发动机运行期间进行振荡(oscillating)冲程运动，并且以这种方式打开和关闭进口孔和出口孔。对于阀的运动所需要的阀致动机构与阀本身一起被称作阀传动机构。

阀传动机构的目的是在正确的时间打开和关闭燃烧室的进口孔和出口孔，尽可能大地快速打开流动截面以便减少流入和流出的气流的节流损耗，并确保用新鲜混合气最佳充填燃烧室和排气的有效排放，即完全排放。

在现有技术中，通向进口孔的进气道和与出口孔连接的排气道即排气管路至少部分地一体形成于气缸盖中。一般而言，气缸的排气管路被组合以得到共用的合并的排气管路，或成组地合并以得到多个合并的排气管路。被总的提及并且在本发明的范围内，得到合并的排气管路的排气管路的合并被称为排气歧管。

在根据本发明的气缸盖的情况下，至少三个气缸的排气管路被合并以得到合并的排气管路，在该过程中形成排气歧管。

在自然吸气式发动机的情况下，现有技术的排气管路在气缸盖的外面合并以得到合并的排气管路，为此，提供外部排气歧管，即，位于气缸盖外面的歧管。使用外部排气歧管是由于在排气系统中发生动态波过程，特别是在排气和再充填期间，并且也是由于在排气和再充填方面，需要优化排气歧管，以便以这种方式确保自然吸气式发动机具有令人满意的力矩特性。

在排气和再充填的情况下，从内燃发动机的气缸排出燃烧气体基本上是基于两种不同的机制。在排气和再充填开始时，当在靠近下止点处排气阀打开时，由于在接近燃烧结束时在汽缸中特别高的压力水平以及燃烧室和排气管之间的相关的高压力差，所以燃烧气体以高速流过出口孔进入排气系统。这种压力驱动的流动过程伴随有高压峰值，这种流动过程也被称为预排放喘震(surge)，并且以音速沿着排气管路传播，随着流动距离的增加由于摩擦的缘故并且以依赖管路路线的布置，该压力或多或少地降低，即减小。

在排气和再充填进行时，在气缸中的压力和排气管路中的压力较大程度上平衡，而燃烧气体因此由于活塞冲程运动的结果而被基本排出。

在排气系统中的动态波过程或压力波动是以交错方式运行的多气缸内燃发动机的各气缸为何相互影响的原因，并且具体说是在排气和再充填期间可以相互妨碍或相互协助的原因。

假定这种情况，在排气系统中的动态波过程也能够用来优化排气和再充填。考虑到如下事实，即在气体介质中压力波动作为波传播，该波通过排气管路并且在管路的敞开和封闭端被反射。于是在排气系统中的排气流和局部排气压力是前进波和被叠加的反射波的产物。

例如，如果在排气或再充填将近结束时在出口孔处存在真空或比较低的压力，证明是有利的，有助于从气缸排出燃烧气体。在排气和再充填操作的这个阶段，燃烧气体由于活塞的冲程运动的结果而被基本排出。

在排气和再充填方面，上面描述的物理关系，与优化排气歧管的目标一起，以便以这种方式确保用于自然吸气式发动机的令人满意的力矩特性，从而导致现有技术的自然吸气式发动机装有外部排气歧管，以便能够形成足够长的排气管路。

但是，由于各种原因，有利的是，自然吸气式发动机装有一体形成在气缸盖中的排气歧管，即，在缸盖内合并各气缸的排气管路以得到合并的排气管路。

这是由于一体的歧管固有地导致更加紧凑的结构的内燃发动机，并且允许在发动机舱中的整个驱动单元的紧密封装(close packaging)。而且，在成本方面具有优点，特别是在生产和装配方面，并且在减少内燃发动机的重量方面也具有优点。

而且，在设置在该排气歧管下游的排气后处理系统的设置和运行方面，一体的排气歧管能够具有有益的效果。热排气必需行进到达各种排气后处理系统的距离应当尽可能短，以具有很短的排气时间，从而尽可能快地冷却并使排气后处理系统尽可能快地达到其操作温度或起燃/活化(light off)温度，特别是在内燃发动机的冷启动之后。

在本文中，目的是使排气管路在气缸的出口孔和排气后处理系统之间的部分的热惯性最小，并且这能够通过减少这部分的质量和长度来实现。将排气歧管一体形成在气缸盖中有助于实现这个目的。

发明内容

根据上面所述的内容，本发明的目的是提供根据本发明以下说明中所述的气缸盖，即，通用类型的气缸盖，其具有如下优点，即是一体的排气歧管且不需要牺牲用外部排气歧管能够实现的有利的力矩特性。

本发明的另一个目的是指出这种类型的气缸盖的用法。

第一个目的通过用于自然吸气式发动机的气缸盖来实现，该气缸盖

-具有沿着气缸盖的纵轴线直线地设置的至少三个气缸，每个气缸具有至少一个出口孔，以经由排气系统将排气从该气缸带走，为此排气管路连接到每个出口孔，并且其中

-至少三个气缸的排气管路汇合以得到合并的排气管路，在这个过程中形成排气歧管。

并且其中

-至少三个气缸的排气管路在该气缸盖内汇合以得到合并的排气管路，在这个过程中形成一体的排气歧管，并且

-该一体的排气歧管具有不对称的结构，使得该合并的排气管路关于该歧管从气缸盖中偏心地露出。

根据本发明的气缸盖具有一体的排气歧管，并且因此具有由将歧管一体形成在气缸盖中导致的所有优点，在本发明的情况下，至少三个气缸的排气管路在气缸盖内汇合以得到合并的排气管路，在该过程中形成一体的排气歧管。

由于一体的排气歧管具有不对称的结构，并且合并的排气管路不设置在该歧管的中心平面内而是偏心地设置的这一事实，因此能够构造不同长度的排气管路。在这里选择适合于优化排气和再充填的管路长度，以便确保令人满意的力矩特性，并且考虑排气系统中发生的动态波过程。假定，根据本发明的气缸盖的歧管的两个或更多个排气管路-虽然不是根据本发明的气缸盖的排气歧管的所有管路-能够具有相同的长度。在本发明的范围内，术语“管路长度”是指出口孔和合并的排气管路之间的距离。

根据本发明的合并的排气管路的偏心设置，即，不对称构造的歧管具有这样的效果，即来自一些气缸的排气流比对称结构的排气歧管中的偏转更小。与对称结构的现有技术的排气歧管的管路相比，一些气缸的排气管路或排气管路构件(component exhaust line)在它们成为合并的排气管路的点之前均具有更不明显的曲率。结果，根据本发明的排气歧管中的管路路径在从气缸排出排气期间存在更小的流动阻力，这改善内燃发动机的力矩特性。

这实现了本发明的第一个目的，即，提供一种气缸盖，该气缸盖具有一体的排气歧管的优点而不需要牺牲可以由外部排气歧管实现的良好的力矩特性。

原则上，气缸盖也可以具有至少三个气缸并且具有对称结构的一体的排气歧管从而具有不同长度的排气管路。但是，与根据本发明的气缸盖相比在管路长度方面选择的自由度较小。因此，在对称结构的排气歧管的情况下，外部气缸的管路长度大致是相同的，而根据本发明，这些管路的长度可以明显不同。

在根据本发明的气缸盖的情况下，至少三个气缸的排气管路在气缸盖内合并，以得到合并的排气管路，在该过程中形成一体的排气歧管。假定，具有直线地设置的多于三个气缸的气缸盖的实施例，其中不是所有气缸的排气管路而仅仅是三个气缸的排气管路被合并以得到合并的排气管路，这样的实施例同样也是根据本发明的气缸盖。

具有直线地设置的六个气缸的气缸盖，其中气缸的排气管路被合并以得到两个合并的排气管路，如果排气管路成组地合并，即在每种情况下三个气缸的排气管路被合并以得到合并的排气管路并且至少一个合并的排气管路关于相关的歧管从该气缸盖偏心地露出，则这样的气缸盖同样也是根据本发明的气缸盖。

但是，这样的实施例是特别有利的，即其中气缸盖的所有气缸的排气管路在该汽缸盖内合并，以得到单个的，即共用的，合并的排气管路。在这个实施例中，在排气系统中的压力脉动也能够用来改进排气和再充填，并因而改进可用力矩。

自然吸气式发动机也能够具有两个根据本发明的气缸盖，例如，如果这些气缸设置成两排，例如V型发动机。

结合说明书中的内容来讨论气缸盖的其他有利实施例。

这样的气缸盖的实施例是有利的，即其中气缸盖具有三个气缸，其中两个气缸形成外部气缸并且一个气缸是内部气缸。

在具有三个气缸的四冲程自然吸气式发动机的情况下，两个气缸的出口孔通常从来不同时打开。关于它们的操作过程，各气缸交错240°曲轴角，这样排气和再充填操作，特别是燃烧气体的排放，顺序地发生，即分别地发生，不过它们可以具有重叠(虽然很小的)。

在本文中，这样的气缸盖的实施例是有利的，其中合并的排气管路在距第一外部气缸的距离为x(0.60L＜x＜0.85L)处从气缸盖露出，其中L是两个外部气缸之间沿着纵轴的距离。

具体说，这样的气缸盖的实施例是有利的，其中合并的排气管路在距第一外部气缸的距离为x处从该气缸盖露出，其中0.65L＜x＜0.80L，优选0.70L＜x＜0.80L。

计算机辅助模拟显示了本发明的三气缸直列式内燃发动机的令人满意的力矩特性，特别是当第一外部气缸和合并的排气管路的出口之间的距离x在上面给出的范围内时，可实现令人满意的力矩特性。

如果垂直于气缸盖纵轴线的平面延伸通过两个外部气缸中每个外部气缸的纵轴线，则沿着纵轴线在两个外部气缸之间的距离L是这两个平面之间的距离。

为了区别这两个外部气缸，这两个外部气缸用数字标记，在本案例中被叫做第一外部气缸和第二外部气缸。延伸通过这个第一外部气缸的纵轴线并且垂直于气缸盖的纵轴线的第一外部气缸或基准平面被用作表示该距离x的基准。

于是，合并的排气管路和第一外部气缸之间的距离x对应于延伸通过该合并的排气管路的中心线并且垂直于该气缸盖的纵轴线的平面和基准平面之间的距离。

每个气缸至少具有两个出口孔的气缸盖的实施例是有利的，其中所述出口孔用于将排气从气缸带走。在作为排气和再填充的一部分的排气排放期间，尽快地打开尽可能大的流动截面是优先的，以便确保排气的有效排出，为此，有利的是提供多于一个的出口孔。

这样的气缸盖的实施例是有利的，即其中在三个气缸的排气管路构件汇合以得到合并的排气管路之前，每个气缸至少有两个出口孔的出口孔的排气管路汇合，以得到与该气缸相关联的排气管路构件。

这样减少在所有排气管路内行进的总距离。将排气管路分级地合并成合并的排气管路还有助于得到更加紧凑的，即较小体积结构的气缸盖，并且因而特别地有助于减少重量以及在发动机舱中的更有效地封装。

在具有直线地设置的三个气缸的气缸盖的情况下，这样的实施例是有利的，即其中第二外部气缸的排气管路构件和内部气缸的排气管路构件在这些排气管路构件与第一外部气缸的排气管路构件汇合以得到合并的排气管路之前汇合。

这样的气缸盖的实施例是有利的，即其中分开第一外部气缸的排气管路构件和内部气缸的排气管路构件直到它们到达合并的排气管路的壁的自由端在距第一外部气缸的距离y处，其中0.7x＜y＜1.3x，优选地0.9x＜y＜1.1x。

该壁的自由端和第一外部气缸之间的距离y对应于与该壁的自由端相切并垂直于该气缸盖的纵轴线的平面和已经在上面定义的基准平面之间的距离。

但是，每个气缸具有用于将排气从气缸带走的出口孔的汽缸盖的实施例也是有利的。

这样的气缸盖的实施例是有利的，即其中第二外部气缸的排气管路和内部气缸的排气管路在它们与第一外部气缸的排气管路汇合以得到合并的排气管路之前汇合。

这样的气缸盖的实施例是有利的，即其中分开第一外部气缸的排气管路构件和内部气缸的排气管路构件直到它们到达合并的排气管路的壁的自由端在距第一外部气缸的距离y处，其中0.9x＜y＜1.1x。

通过将气缸盖用来形成自然吸气式发动机这一事实来区别上面所述类型的气缸盖的用法。

与根据本发明的气缸盖结合所述的内容同样应用于根据本发明的用法。

特别地，根据本发明的气缸盖能够用于直列式内燃发动机或气缸设置成两排的V型发动机。

附图说明

下面将参考图1所示的示范性实施例更加详细地描述本发明。在附图中：

图1以截面图的方式给出该气缸盖的示意图。

具体实施方式

图1给出了气缸盖1的实施例的示意图。气缸盖1具有三个气缸3，这三个气缸沿着气缸盖1的纵轴线2设置，即直线地设置，并且因此具有两个外部气缸3a和一个内部气缸3b。

两个外部气缸3a之间的距离L对应于两个平面A和B之间的距离，每个平面均通过外部气缸3的纵轴线并且垂直于气缸盖1的纵轴线2。通过第一外部气缸3、3a的平面A用作基准平面A，从该基准平面测量距离x，y。

每个气缸3具有两个出口孔，用于排出排气的排气管路4与该出口孔连接。三个气缸3的排气管路4在气缸盖1内汇合，以得到合并的排气管路6，在该过程中形成一体的排气歧管7。然后在排气管路构件5形成合并的排气管路6之前，每个气缸3的排气管路4汇合，以形成与气缸3相关的排气管路构件5。

合并的排气管路6在距第一外部气缸3a距离x＝0.76L处从气缸盖1露出(emerge)。在合并的排气管路6与第一外部气缸3a之间的距离x对应于平面C和基准平面A之间的距离，其中所述平面C通过该合并的排气管路6的中心线并且垂直于气缸盖1的纵轴线2。

在图1所示的实施例中，第二外部气缸3a的排气管路构件5和内部气缸3b的排气管路构件5在这些排气管路构件5与第一外部气缸3a的排气管路构件5汇合以得到合并的排气管路6之前汇合。

分开第一外部气缸3a的排气管路构件5与内部气缸3b的排气管路构件5直到它们到达合并的排气管路6的壁8的自由端8a是距第一外部气缸3a在距离y＝0.98x处。

自由端8a与第一外部气缸3a之间的距离y对应于平面D和基准平面A之间的距离，其中平面D与壁8的自由端8a相切并且垂直于气缸盖1的纵轴线2。

附图标记表

1气缸盖

2气缸盖的纵轴线

3气缸

3a外部气缸

3b内部气缸

4排气管路

5排气管路构件

6合并的排气管路

7排气歧管

8壁

8a壁的自由端

A通过第一外部气缸的基准平面

B通过第二外部气缸的平面

C通过合并的排气管路的中心线的平面

D与壁相切的平面

°KW曲轴角的度数

L外部气缸之间的距离

x外部气缸和气缸盖的合并的排气管路的出口之间的距离

y外部气缸和壁的自由端之间的距离

Claims (13)

1.一种用于自然吸气式发动机的气缸盖(1)，该气缸盖具有沿着该气缸盖(1)的纵轴线(2)直线地设置的至少三个气缸(3)，每个气缸(3)具有至少一个出口孔以便经由排气系统将排气从所述气缸(3)带走，连接到每个出口孔的排气管路(4)，并且

至少三个气缸(3)的所述排气管路(4)汇合以得到合并的排气管路(6)，以形成排气歧管(7)，

其中

所述至少三个气缸(3)的所述排气管路(4)在所述气缸盖(1)内汇合，以得到合并的排气管路(6)形成一体的排气歧管(7)，并且

该一体的排气歧管(7)具有不对称的结构，使得所述合并的排气管路(6)相对于该歧管(7)从所述气缸盖(1)偏心地露出。

2.根据权利要求1所述的气缸盖(1)，其中所述气缸盖(1)具有三个气缸(3)，其中两个气缸(3)形成外部气缸(3a)并且一个气缸(3)是内部气缸(3b)。

3.根据权利要求2所述的气缸盖(1)，其中所述合并的排气管路(6)在距第一外部气缸(3a)距离为x处从所述气缸盖(1)露出，其中0.60L＜x＜0.85L，L是两个所述外部气缸(3a)之间沿着所述纵轴线(2)的距离。

4.根据权利要求2所述的气缸盖(1)，其中所述合并的排气管路(6)在距第一外部气缸(3a)距离为x处从所述气缸盖(1)露出，其中0.65L＜x＜0.80L。

5.根据权利要求2至4其中之一所述的气缸盖(1)，其中每个气缸(3)具有至少两个出口孔，以用于将排气从所述气缸(3)带走。

6.根据权利要求5所述的气缸盖(1)，其中每个气缸(1)的所述至少两个出口孔的排气管路(4)汇合以得到与该气缸(3)相关联的排气管路构件(5)，然后所述三个气缸(3)的排气管路构件(5)汇合以得到合并的排气管路(6)。

7.根据权利要求6所述的气缸盖(1)，其中第二外部气缸(3a)的排气管路构件(5)和所述内部气缸(3b)的排气管路构件(5)在它们与第一外部气缸(3a)的排气管路构件(5)汇合以得到所述合并的排气管路(6)之前汇合。

8.根据权利要求7所述的气缸盖(1)，其中将所述第一外部气缸(3a)的排气管路构件(5)与所述内部气缸(3b)的排气管路构件(5)分开直到它们到达所述合并的排气管路(6)的壁(8)的自由端(8a)是距所述第一外部气缸(3a)在距离为y处，其中0.9x＜y＜1.1x。

9.根据权利要求2至4其中之一所述的气缸盖(1)，其中每个气缸(3)具有出口孔，以用于将排气从该气缸(3)带走。

10.根据权利要求9所述的气缸盖(1)，其中所述第二外部气缸(3a)的排气管路构件(4)和所述内部气缸(3b)的排气管路(4)在它们与所述第一外部气缸(3a)的排气管路(4)汇合以得到所述合并的排气管路(6)之前汇合。

11.根据前述权利要求之一所述的气缸盖(1)的使用，其中该气缸盖(1)用于形成自然吸气式发动机。

12.根据权利要求11所述的使用，其中所述自然吸气式发动机是直列式发动机。

13.根据权利要求11所述的使用，其中所述自然吸气式发动机是V型发动机。

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