CN102135048B - 包括冷却回路的内燃机的气缸盖 - Google Patents

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H·波伊埃尔
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Abstract

本发明公开一种包括冷却回路的内燃机的气缸盖，具体而言，涉及一种其中布置有适于冷却剂循环的冷却回路(30)的内燃机的气缸盖(10)，所述气缸盖(10)包括通过连接管道(32)连通的围绕排气阀座(22)的周向管道(26)和围绕进气阀座(23)的周向管道(27)；所述气缸盖(10)包括第一冷却剂入口(31)、第二冷却剂入口(33)和用于被加热的冷却剂的出口(34)，所述第二冷却剂入口(33)与所述连接管道(32)连通。

Description

包括冷却回路的内燃机的气缸盖
技术领域
本发明涉及包括冷却回路、特别是通过油冷却的内燃机的气缸盖。
本发明的技术领域是通过油回路冷却的内燃机、特别是航空领域所使用的内燃机的气缸盖。
本发明更特别地涉及内燃机的气缸盖和阀座的油冷却。
背景技术
内燃机通常包括由气缸形成的燃烧室，活塞按照规则的往复运动在气缸内滑动。然后该往复运动通过将活塞连接至曲轴的连杆而被转化为转动。
每个气缸的上部由气缸盖封闭，气缸盖包括至少两种阀：
进气阀，其使得可燃烧的空气能够经布置在气缸盖中的进气管道进入燃烧室；
排气阀，其使得燃烧后的气体能够经也布置在气缸盖中的排气管道从燃烧室排出至排气装置。
一般来说，气缸盖还包括至少两种阀座，进气阀座和排气阀座，阀在它们的休止位置接触在阀座上以将管道与燃烧室隔离。
阀座在内燃机中起重要的作用。确实，如果阀座/阀的接触不完善，即如果阀在阀座上的位置不佳或阀座存在加工缺陷，则可能出现阀的泄漏，从而损害发动机的压缩比，并且因此损害发动机的效率、功率、污染气体的排放等级以及使用寿命。
在发动机的运行中，活塞压缩被注入燃烧室中的空气/燃料混合物，以使其爆发；燃烧的起动可以通过火花塞执行(在受控点燃的发动机的情况下)，或者可以根据气缸压力自动点燃。
爆发产生的热能被转换为机械能，从而使得活塞能够在气缸中的高位置与低位置之间交替地往复运动。
由于发动机燃烧室中空气/燃料混合物的爆发，与燃烧室中的燃烧气体混合物直接接触的部件，即活塞、阀座和气缸盖经受强大的热应力。
阀座经受很大的热应力，特别是排气阀座，与在进气循环中受到空气冷却的进气阀座不同，排气阀座没有受到新鲜空气的冷却。
因此，在发动机的运行中，气缸盖的温度在220℃的数量级，而阀座的温度可以高达400℃。
为了保护构成发动机的不同元件，有必要为这些部件提供冷却。
气缸盖、特别是与燃烧气体混合物接触的部件的冷却是通过围绕气缸盖的两个阀座的油循环来确保的。
冷却油通常在一回路中循环，该回路特别地通过两个独立的加工步骤实现：在气缸盖侧加工第一凹槽以及在阀座侧加工第二凹槽，通过将阀座冷缩配合在气缸盖中组装形成油回路。
但是，现有的用于油冷却的回路不能够充分地冷却气缸盖和阀座。此外，在气缸盖和阀座的最热点处的冷却分布并不是最佳的，这限制了部件的使用寿命。
在这种情况下，本发明旨在解决上述问题，并且提供一种包括冷却回路的内燃机的气缸盖，所述气缸盖能够通过优化的冷却回路以改进气缸盖和阀座的冷却。
发明内容
为了上述目的，本发明提供一种用于其中布置有适于冷却剂循环的冷却回路的内燃机的气缸盖，所述气缸盖包括：
排气管道，其在圆形排气腔处扩张，所述圆形排气腔在其周边包括环形周向凹槽；
排气阀座，其组装在所述圆形排气腔中，所述排气阀座包括布置在其周边上的环形周向凹槽；通过将所述排气阀座组装在所述圆形排气腔中，所述圆形排气腔的所述环形周向凹槽和所述排气阀座的所述环形周向凹槽构成周向管道，该周向管道能够用于所述冷却剂绕所述排气阀座的循环；
进气管道，其在圆形进气腔处扩张，所述圆形进气腔在其周边包括环形周向凹槽；
进气阀座，其组装在所述圆形进气腔中，所述进气阀座包括布置在其周边上的环形周向凹槽；通过将所述进气阀座组装在所述圆形进气腔中，所述圆形进气腔的所述环形周向凹槽和所述进气阀座的所述环形周向凹槽构成周向管道，该周向管道能够用于所述冷却剂绕所述进气阀座的循环；
所述气缸盖的特征在于：
围绕所述排气阀座的所述周向管道和围绕所述进气阀座的所述周向管道通过连接管道连通；
所述气缸盖包括第一冷却剂入口、第二冷却剂入口和用于被加热的冷却剂的出口，所述第二冷却剂入口与所述连接管道连通。
本发明特别适于发动机的每个气缸包括专用的气缸盖的内燃机，例如飞机发动机。但是，本发明也适用于单个气缸盖覆盖发动机所有气缸的内燃机，例如机动车发动机。
根据本发明的一种有利的形式，冷却剂是油冷却。
根据本发明，气缸盖以及更特别地添加的排气阀座的特别是通过油的冷却效率通过提供一种具有第一冷却剂入口和第二冷却剂入口的冷却回路来改进，所述第二冷却剂入口在位于进气阀座和排气阀座之间的连接管道处提供冷的冷却剂。因此冷的流体的入口使得冷却剂在进入围绕排气阀座的周向管道之前被冷却。
有利地，气缸盖以及特别是排气阀座的冷却效率可以通过在第二冷却剂入口处结合至少一个优化的(例如起伏形形式的)交换表面，从而使得在发动机运行时周向管道处部件与冷却剂之间的热交换优化来得到改进。
由于本发明，发动机的气缸盖以及特别是排气阀座在运行中被更好地冷却，从而确保部件的使用寿命的延长。
根据本发明的气缸盖也可以具有下述特征中的一个或多个，这些特征可以单独地，或者以技术上可能的任何组合考虑：
围绕所述排气阀座的环形周向凹槽包括由第一凹部、凸部和第二凹部形成的起伏形的截面；
所述圆形排气腔的所述环形周向凹槽具有半圆形的截面或由第一凹部、凸部和第二凹部交替形成的起伏形的截面；
围绕所述排气阀座的所述周向管道具有绕所述排气阀座可变的截面；
围绕所述排气阀座的所述周向管道的所述截面绕所述排气阀座在24mm2和36mm2之间变化；
围绕所述进气阀座的所述环形周向凹槽包括能够通过所述冷却剂的起伏形的截面，所述截面由第一凹部、凸部和第二凹部形成；
所述圆形进气腔的所述环形周向凹槽具有半圆形的截面或者由第一凹部、凸部和第二凹部交替形成的起伏形的截面；
围绕所述进气阀座的所述周向管道具有绕所述进气阀座可变的截面；
围绕所述进气阀座的所述周向管道的所述截面绕所述进气阀座在6mm2和21mm2之间变化。
附图说明
根据参照附图的下述象征性的而非限制性的说明，将更加清楚本发明的其他特征和优点。附图中：
图1示出根据本发明的内燃机的气缸盖的透视图(为了清楚图1中未示出阀座)；
图2示出根据本发明的气缸盖沿图1所示的第一平面AA’的剖视图，其包括阀座并示出冷却回路；
图3示出根据本发明的气缸盖沿图1所示的第二平面BB’的剖视图，其包括阀座；
图4更具体地示出根据本发明的气缸盖在进气阀处的用于油冷却的回路；
图5更具体地示出了根据本发明的气缸盖在排气阀处的用于油冷却的回路；
除非另有说明，在所有附图中，同样的元件由同样的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出内燃机的气缸盖10的透视图，所述内燃机例如在航空领域所使用的发动机。
图2是气缸盖10沿基本上平行于气缸盖10的接合面11的第一剖面AA’(如图1所示)的剖视图。
图3是气缸盖10沿第二剖面BB’(如图1所示)的第二剖视图，示出其中冷却剂绕阀座循环的圆形进入管道和排出管道的截面。
示出的气缸盖10对应于这样一种内燃机的气缸盖，即发动机的每个气缸包括专用的气缸盖。
气缸盖10适于封闭气缸形成的燃烧室(未示出)的上部，活塞在气缸中滑动以改变燃烧室的体积。为此，气缸盖10的支撑表面11表示气缸盖10与包含燃烧室的发动机缸体(未示出)之间的接合平面。
气缸盖10包括：
进气管道13，其经过气缸盖10，在进气阀口15处扩张，进气阀口15形成朝向燃烧室(未示出)的圆形腔；
排气管道12，其也经过气缸盖10并且在排气阀口14处扩张，排气阀口14形成朝向燃烧室(未示出)的圆形腔。
进气管道13使得燃烧室能够通过进气阀(未示出)被供以燃烧空气混合物，其中进气阀能够在打开位置和关闭位置之间移动，在打开位置处进气阀允许可燃烧的空气进入燃烧室，在关闭位置处进气阀抵靠进气阀座23。
排气管道12适于通过排气阀(未示出)将燃烧室中的燃烧所产生的燃烧后的气体排出，其中排气阀能够在打开位置和关闭位置之间移动，在打开位置处排气阀允许燃烧后的气体排出至排气管，在关闭位置处排气阀抵靠排气阀座22。
阀座22、23分别冷缩配合在阀口14、15中，并且在朝向燃烧室的端部处包括基本锥形的内轮廓，当阀处于关闭位置时抵靠该内轮廓。
气缸盖10通过多个散热片3由空气冷却，且通过布置在气缸盖10中并且特别地围绕阀座22、23的冷却回路30由冷却剂(通常是油)冷却；冷却回路30能够冷却与燃烧室中的燃烧气体混合物相接触的气缸盖10的最热区域。
冷却回路30或油回路能够确保气缸盖的冷却，特别是通过冷却油循环绕进气阀座23和排气阀座22的冷却。
通过分别加工在进气阀口15和排气阀口14内侧的第一环形凹槽19、18以及分别加工在进气阀座23的周边和排气阀座22的周边的第二环形凹槽29、28的组装形成绕阀座22、23的油回路30。
因此，在通过冷缩配合将阀座22、23组装在气缸盖的阀口14、15内侧时，室14、15的环形凹槽18、19与阀座22、23的环形凹槽28、29的结合形成绕阀座22、23的周向管道26、27，冷却油在周向管道26、27中循环以冷却阀座22、23和气缸盖10。
图2特别地示出经过气缸盖10的整个油回路30。油回路30包括：
第一冷却油入口管道31，其使得“冷的”冷却油能够被输送至围绕进气阀座23的周向管道27；
弯曲连接管道32，其将周向入口管道27连接至围绕排气阀座22的周向排出管道26，连接管道32连接至第二进入管道33以获得“冷的”冷却油；
出口管道34，其将与气缸盖10和阀座22、23的壁接触而加热的“热的”冷却油排出。
图2中的一系列箭头表示冷却油在冷却回路中的循环方向。
为了适当地冷却阀座22和23、特别是经受最高热应力的排气阀座22，围绕排气阀座22的油回路30的周向管道26比围绕进气阀座的周向管道27具有更大的油通道截面，从而使得围绕排气阀座的冷却油流量增加。
此外，油回路30包括第二油入口33，这与周向管道26的优化的截面相结合，能够增加在周向排出管道26中循环的油的流量。
第二冷却油入口33通过引入比通过与进气阀座23和气缸盖10的壁接触而被加热的来自上游回路30的油“温度更低”的油以降低回路30中的油的温度。因此，第二冷却油入口33能够优化排气阀座22以及围绕排气阀座22的气缸盖10的冷却效率。
当发动机在运行中时，气缸盖10的温度不是均一的；而是根据到气缸盖的接近程度而变化。因此，气缸盖10的最热区域基本位于排气管道12和进气管道13之间，最热点在图2中由阴影线区域表示并由附图标记1标记。气缸盖10邻近该区域1的温度在220℃的数量级。另一方面，阀座邻近该区域1的温度高达400℃的数量级。
为了使得气缸盖10绕阀座22、23处的温度均一化并且有利地冷却最热区域，周向管道26、27的油通道截面根据气缸盖10的热区域和冷区域而绕阀座变化。因此，根据本发明的周向管道26、27在靠近区域1处具有更大的截面以使得油通道体积以及热交换表面积增大。阀座22、23周边上的周向管道26、27这种截面变化特别地使得气缸盖10和阀座22、23的温度均一化，避免气缸盖中出现大的温差。
热的区域被理解为是指气缸盖中温度到达大约200℃数量级的区域。冷的区域被理解为是指气缸盖中温度到达大约100℃数量级的区域。
因此，根据本发明的有利的形式，允许冷却油绕入口阀座23循环的周向进入管道27的截面绕进气阀座23在6mm2和21mm2之间变化。周向进入管道27的最大截面位于靠近气缸盖10和进气阀座23的最热区域处，如图2所示。
根据本发明的有利的形式，允许冷却油绕排气阀座22循环的周向排出管道26的截面绕排气阀座22在24mm2和36mm2之间变化。周向排出管道26的最大截面位于靠近气缸盖10和排气阀座22的最热区域处，如图2所示。
周向管道26、27的截面值是象征性地给出的，并且关于所述的实施方式并不是限制性的。
周向排出管道26的油通道截面比周向进入管道27的油通道截面更大，从而能够获得更大的排气阀座冷却能力，其中排气阀座在发动机的运行过程中承受最大的热应力。
图4和图5是图3的放大图，它们更精确地示出其中冷却油绕阀座22、23循环的周向进入管道27和周向排出管道26的截面。
周向进入管道27是通过将进气阀座的环形周向凹槽29和气缸盖10的进气阀口15的环形凹槽19相结合而形成的。周向排出管道26是通过将排气阀座的环形周向凹槽28和气缸盖10的排气阀口14的环形凹槽18相结合而形成的。
图4所示的进气阀座23包括加工在进气阀座23的周边25上的环形周向凹槽29，其截面为起伏形状。
截面的起伏形状基本为波浪形或正弦波形，由第一凹部41(或凹形，通过材料相对于周边25的表面缩回实现)、随后的相对于第一凹部41突出的凸部42以及第二凹部43(或凹形，也是通过材料相对于周边25的表面缩回实现)形成。环形凹槽29一般包括起伏形状的截面，该截面包括连续出现的数毫米高(有利地高度为6mm)的凹部、凸部和第二凹部。
因此，根据本发明的示出的实施方式，环形凹槽29的截面通过具有相同半径(有利地半径为1mm)的圆形凹部、圆形凸部和第二圆形凹部形成。
根据本发明的一种有利的形式，第一圆形凹部41和第二圆形凹部42对准，使得它们相对于周边25的表面具有相等的深度。
气缸盖10的进气室15的环形凹槽19的截面通过半圆形的凹部形成，其直径等于圆形凹部29的高度(根据示出的实施方式为6mm)。
图5所示的排气阀座22包括加工在排气阀座22的周边24上的环形周向凹槽28，其截面也为起伏形状或波浪形。
与上文所述的进气阀座23的环形周向凹槽29类似，环形凹槽28的截面的起伏形状基本为波浪形或正弦波形，由第一凹部44(或凹形，通过材料相对于周边24的表面缩回实现)、随后的相对于第一凹部44突出的凸部45以及第二凹部46(或凹形，也是通过材料相对于周边24的表面缩回实现)形成。环形凹槽28一般包括起伏形状的截面，该截面包括连续出现的数毫米高(有利地高度为6mm)的凹部、凸部和第二凹部。
因此，根据本发明的示出的实施方式，环形凹槽28的截面通过具有相同半径(有利地半径为1mm)的圆形凹部、圆形凸部和第二圆形凹部形成。
根据本发明的一种有利的形式，第一圆形凹部44和第二圆形凹部46对准，使得它们相对于周边24的表面具有相等的深度。
气缸盖10的排气阀口14的环形凹槽18也具有与阀座22、23的环形凹槽28、29类似的起伏形状的截面。
因此，仅在阀座处加工具有起伏形状的截面的环形凹槽(如图4所示)与具有直线形轮廓的环形凹槽相比使得油和待冷却部件之间的热交换表面增加至少60％。
由于本发明，在阀座和气缸盖处加工具有起伏形状的截面的环形凹槽(如图5所示)与具有直线形轮廓的环形凹槽相比使得油和待冷却部件之间的热交换表面增加至少80％。
因此，气缸盖10的阀口14、15的环形凹槽18、19的截面轮廓为起伏形状轮廓或半圆形轮廓一样好，可以根据希望的冷却选择轮廓。
根据本发明的有利的实施方式，周向管道26、27的截面的变化通过仅在气缸盖10的圆形阀口14、15的周边上进行环形凹槽18、19的不对称加工来实现。实现这种加工特别地使得每个阀座的圆形阀口14、15具有特别是根据气缸盖和阀座的热点和冷点的不对称设计。
因此，由于本发明，通过优化的起伏形轮廓增加与冷却回路的冷却剂的热交换表面来改进气缸盖和阀座的冷却效率。
在阀座周边的冷却剂通道截面也被优化以确保绕阀座的油流速最佳。
充液损失被优化。
本发明特别地被描述为进气阀座的环形凹槽截面和排气阀座的环形凹槽截面具有包括第一凹部、凸部和第二凹部的起伏形形状；但是，阀座的环形凹槽也可以具有半圆形或其他的形状。

Claims (8)

1.一种其中布置有适于冷却剂循环的冷却回路(30)的内燃机的气缸盖(10)，所述气缸盖(10)包括：
排气管道(12)，其在圆形排气腔(14)处扩张，所述圆形排气腔在其周边包括环形周向凹槽(18)；
排气阀座(22)，其组装在所述圆形排气腔(14)中，所述排气阀座(22)包括布置在其周边(24)上的环形周向凹槽(28)；通过将所述排气阀座(22)组装在所述圆形排气腔(14)中，所述圆形排气腔(14)的所述环形周向凹槽(18)和所述排气阀座(22)的所述环形周向凹槽(28)构成周向管道(26)，该周向管道能够用于所述冷却剂绕所述排气阀座(22)的循环；
进气管道(13)，其在圆形进气腔(15)处扩张，所述圆形进气腔在其周边包括环形周向凹槽(19)；
进气阀座(23)，其组装在所述圆形进气腔(15)中，所述进气阀座(23)包括布置在其周边(25)上的环形周向凹槽(29)；通过将所述进气阀座(23)组装在所述圆形进气腔(15)中，所述圆形进气腔(15)的所述环形周向凹槽(19)和所述进气阀座(23)的所述环形周向凹槽(29)构成周向管道(27)，该周向管道能够用于所述冷却剂绕所述进气阀座(23)的循环；
所述气缸盖(10)的特征在于：
围绕所述排气阀座(22)的所述周向管道(26)和围绕所述进气阀座(23)的所述周向管道(27)通过连接管道(32)连通，围绕所述排气阀座(22)的所述周向管道(26)具有绕所述排气阀座(22)可变的截面；
所述气缸盖(10)包括第一冷却剂入口(31)、第二冷却剂入口(33)和用于被加热的冷却剂的出口(34)，所述第二冷却剂入口(33)与所述连接管道(32)连通。
2.根据权利要求1所述的内燃机的气缸盖(10)，其特征在于，围绕所述排气阀座(22)的所述环形周向凹槽(28)包括由第一凹部(44)、凸部(45)和第二凹部(46)形成的起伏形的截面。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机的气缸盖(10)，其特征在于，所述圆形排气腔(14)的所述环形周向凹槽(18)具有半圆形的截面或由第一凹部、凸部和第二凹部交替形成的起伏形的截面。
4.根据权利要求1所述的内燃机的气缸盖(10)，其特征在于，围绕所述排气阀座(22)的所述周向管道(26)的所述截面绕所述排气阀座(22)在24mm2和36mm2之间变化。
5.根据权利要求1所述的内燃机的气缸盖(10)，其特征在于，围绕所述进气阀座(23)的所述环形周向凹槽(29)包括能够通过所述冷却剂的起伏形的截面，所述截面由第一凹部(41)、凸部(42)和第二凹部(43)形成。
6.根据权利要求1所述的内燃机的气缸盖(10)，其特征在于，所述圆形进气腔(15)的所述环形周向凹槽(19)具有半圆形的截面或者由第一凹部、凸部和第二凹部交替形成的起伏形的截面。
7.根据权利要求1所述的内燃机的气缸盖(10)，其特征在于，围绕所述进气阀座(23)的所述周向管道(27)具有绕所述进气阀座(23)可变的截面。
8.根据权利要求7所述的内燃机的气缸盖(10)，其特征在于，围绕所述进气阀座(23)的所述周向管道(27)的所述截面绕所述进气阀座(23)在6mm2和21mm2之间变化。
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