CN102947574B - 具有用于关机冷却和/或暖机冷却的冷却剂汇流排的内燃机 - Google Patents

具有用于关机冷却和/或暖机冷却的冷却剂汇流排的内燃机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内燃机（1），具有缸体曲轴箱（2）和缸盖（3），所述缸盖具有集成的排气弯管（4），其中，所述缸体曲轴箱（2）、所述缸盖（3）和所述集成的排气弯管（4）具有彼此关联的水套（12），所述水套构成所述内燃机（1）的冷却剂循环回路（6）的一部分。为了在所述排气弯管（4）关机冷却和/或暖机冷却时使输送到所述水套（12）中的冷却剂的绝大份额到达所述排气弯管（4），而仅仅所述冷却剂的小份额绕缸流过所述缸体曲轴箱（2），根据本发明提出：所述冷却剂循环回路（6）包括汇流排（27），所述汇流排通过开口横截面减小的穿通口（38）与所述水套（12）连通；设置在穿过所述穿通口（38）的流动方向的延长线上的冷却剂通道（39）通到所述排气弯管（4），而在所述穿通口（38）之后侧向分支出来的冷却剂通道（32）通到所述缸体曲轴箱（2）中。

Description

具有用于关机冷却和/或暖机冷却的冷却剂汇流排的内燃机
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的内燃机以及一种根据权利要求8和/或9的用于运行根据本发明的内燃机的方法。
背景技术
在具有集成在缸盖中的排气弯管的内燃机中，在排气弯管中积累比在具有外部排气弯管的传统内燃机的情况中大的热量。这在可能情况下可导致在内燃机熄火/停机之后集成的排气弯管中的冷却剂开始沸腾，这导致冷却剂受损。排气弯管的区域中的冷却剂这样不期望地沸腾可通过在内燃机熄火之后通过所谓的关机冷却仍在一段时间段上冷却集成的排气弯管来避免。
但如果关机冷却通过借助于电动冷却剂泵通过缸体曲轴箱、缸盖和集成的排气弯管的彼此关联的水套循环冷却剂来进行，则仅将循环的冷却剂的相对小的部分输送到排气弯管中。因此，为了保证足够冷却，电动冷却剂泵必须循环大的冷却剂量并且由此尺寸必须设计得相应大。
此外，在将来，在冷启动之后快速加热内燃机也将意义重大，因为以此方式在冷启动之后不仅可实现摩擦减小以及由此燃料消耗更小，而且也实现有害物质排放降低。此外，在机动车的内燃机中，通过快速加热也可将提前变热的冷却剂输送到机动车的加热换热器中，以便使机动车的内部空间更快速变暖以提高车辆乘员的舒适性。但快速加热内燃机的前提条件是，冷却剂在内燃机的水套中直接在内燃机启动之后不或几乎不运动。这又仅可这样长，直到冷却剂在水套的、冷却剂最快变热的部位上几乎达到其沸点。在具有集成的排气弯管的内燃机中，所述部位之一处于集成的排气弯管中。如果在那里在内燃机暖机时应防止冷却剂沸腾——其方式是所述冷却剂通过水套循环，则在彼此关联的水套中产生与先前针对关机冷却所描述的问题类似的问题。这就是说，仅仅循环的冷却剂的相对小的部分到达集成的排气弯管中，而冷却剂的相对大的部分流过缸体曲轴箱。由此，在那里缸被多余地冷却，由此，至少不可实现摩擦和燃料消耗的所致力的降低。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，尽管存在彼此关联的水套，但仍实现在排气弯管关机冷却和/或暖机冷却时使输送到水套中的冷却剂的绝大份额到达集成的排气弯管，而仅仅冷却剂的小份额绕缸流过缸体曲轴箱。
根据本发明，所述目的这样来实现：冷却剂循环回路包括汇流排，所述汇流排通过开口横截面减小的穿通口与水套连通，水套的设置在穿通口中流动方向的直的延长线上的冷却剂通道通到排气弯管，而水套的在穿通口之后侧向分支出来的冷却剂通道通到缸体曲轴箱中。
本发明的构思在于，输送到汇流排中的冷却剂通过穿通口的开口横截面减小而在穿通口内部急剧加速，由此，冷却剂在其从穿通口排出时具有高的流动脉冲。所述流动脉冲在穿通口之后使得在那里冷却剂的绝大份额笔直地、即在穿通口内部的流动方向的延长线上继续流过总体上与穿通口对齐且通到排气弯管的冷却剂通道，而仅仅冷却剂的小份额偏转到在穿通口之后侧向分支到缸体曲轴箱中的冷却剂通道中。先前描述的流动情况已经通过计算机模拟得到证实，按照所述计算机模拟，输送到汇流排中的冷却剂的非常大的部分实际上到达集成的排气弯管中。由此，集成的排气弯管在内燃机关机/（熄火后的）空转/惯性运动（Nachlauf）中和暖机时的冷却可得到改善，而大的冷却剂量不必通过水套循环。
对于在下面的说明中使用的概念“缸体曲轴箱的水套”、“缸盖的水套”和“集成的排气弯管的水套”不应理解为彼此分开的水套，而是唯一一个彼此关联的水套，其在缸体曲轴箱中、在缸盖中以及在排气弯管中留空得到的部分或冷却剂通道彼此连通。
本发明的一个优选构型提出，为了废气弯管的暖机冷却可借助于由内燃机驱动的包含在冷却剂循环回路的主回路中的主冷却剂泵以及当在内燃机熄火之后由内燃机驱动的主冷却剂泵停止运转时为了关机冷却可借助于包含在冷却剂循环回路的副支路中的电动冷却剂泵将冷却剂输送给汇流排。因为冷却剂从汇流排通过根据本发明的特征组合以绝大部分输送到集成的排气弯管中并且因此相对小的冷却剂流就足以冷却所述排气弯管，所以，电动冷却剂泵的尺寸可设计得比在整个水套被冷却剂穿流的情况中小。在内燃机的正常工况期间，将电动冷却剂泵关闭并且冷却剂借助于主冷却剂泵循环，但其中所述冷却剂不被输送到副支路中和汇流排中，而是通过至少一个另外的入口输送到内燃机的水套中，以便这样引导所述冷却剂穿过水套的冷却剂通道，使得首先缸体曲轴箱、然后缸盖和排气弯管被冷却剂穿流。
在机动车的内燃机中，在通到汇流排的副支路中符合目的地连入至少一个加热换热器，由此，在内燃机暖机时在需要时可使机动车的内部空间快速变暖。副支路也还可用于冷却熄火的内燃机的废气涡轮增压器。因为也必须在内燃机的正常工况期间给废气涡轮增压器输送冷却剂，所以，所述废气涡轮增压器符合目的地也与冷却剂循环回路的主回路相连。
根据本发明的另一个优选构型，汇流排集成在缸体曲轴箱中，因为以此方式可实现汇流排与缸体曲轴箱的水套简单地相连。在此情况下，开口横截面减小的穿通口符合目的地设置在汇流排的向上指向的出口通道中，通到排气弯管的水套的冷却剂通道在所述出口通道的延长线上向上通。
将汇流排集成在缸体曲轴箱中也具有优点：为了在内燃机关机或者说暖机时将通过变窄的穿通口从汇流排流出的冷却剂引导到排气弯管的水套的冷却剂通道中，可利用已经存在于缸盖密封装置中的流动通孔——在内燃机的正常工况中冷却剂的一部分通过所述流动通孔流动到缸盖和排气弯管的水套中。这使得改变已经存在的具有集成的排气弯管的缸盖成为多余。汇流排的穿通口于是有利地在缸盖密封装置的流动通孔下方设置在汇流排的向上指向的出口通道中，由此，在内燃机关机或者说暖机时流过出口通道和穿通口的在穿通口中加速的冷却剂的绝大部分沿直线向上流过缸盖密封装置的流动通孔并且然后流动到排气弯管的水套中。而通到缸体曲轴箱的水套中的冷却剂通道在缸盖密封装置或者说缸盖密封装置的流动通孔下方朝一侧或多侧从出口分支出来，由此，仅仅冷却剂的小部分流动到所述冷却剂通道中。
在运行根据本发明的内燃机时，将通过冷却剂循环回路循环的冷却剂在内燃机熄火之后和/或暖机时为了集成的排气弯管的关机冷却或者说暖机冷却而输送到汇流排中，以便一方面足够地冷却排气弯管，但另一方面限制冷却剂的为此目的必须通过内燃机的水套循环的量。将冷却剂输送到汇流排中优选通过冷却剂循环回路的副支路来进行，在内燃机的正常工况中没有冷却剂通过所述副支路循环。在机动车的内燃机中，可将冷却剂经过加热换热器输送到汇流排中，以便在内燃机暖机时实现机动车的内部空间快速变暖。
附图说明
下面借助于附图中所示的实施例详细描述本发明。附图表示：
图1具有集成的排气弯管的内燃机的冷却剂循环回路的示意性视图；
图2内燃机的水套和与水套相连的汇流排的立体视图；
图3缸体曲轴箱的水套和汇流排的稍放大的立体视图；
图4和图5与图3相应的立体视图，用于解释在正常工况中或者说在熄火之后以及在内燃机暖机时缸体曲轴箱的水套中的流动情况；
图6沿着图3的线VI-VI的示意性放大剖面视图，用于解释汇流排的工作方式。
具体实施方式
机动车的在图1中仅示意性示出的内燃机1具有缸体曲轴箱2、缸盖3、集成在缸盖3中的排气弯管4以及废气涡轮增压器5并且通过液态冷却剂冷却，所述液态冷却剂通过冷却剂循环回路6循环。
如图1中所示，冷却剂循环回路6具有主回路7、短接支路8、发动机油冷却器支路9和副支路10。主回路7包括由内燃机1驱动的主冷却剂泵11，所述主冷却剂泵使冷却剂在内燃机1的正常工况期间循环，其中，冷却剂首先流过内燃机1的水套12，然后流过具有风扇14的主冷却器13返回到主冷却剂泵11。另外，主回路7还包括设置在主冷却剂泵11之前的第一旋转滑阀15，在内燃机1的暖机期间可这样调整所述第一旋转滑阀，使得被输送穿过水套12的冷却剂在通过短接支路8绕过主冷却器13的情况下直接地并且未经冷却地流回到主冷却剂泵11。此外，主回路7还包括设置在主冷却剂泵11之后的第二旋转滑阀16，由主冷却剂泵11通过主回路7循环的冷却剂的流量可通过所述第二旋转滑阀控制。内燃机1的水套12通过设置在缸体曲轴箱2上的入口17与主冷却剂泵11连接并且通过设置在缸盖3上的第一出口18与主冷却器13或者说短接支路8连接。
发动机油冷却器支路9包括发动机油冷却器17，所述发动机油冷却器在水套12的处于缸盖3上的第二出口19之后且在第一旋转滑阀15之前设置在发动机油冷却器支路9中，由此，借助于旋转滑阀15可引导冷却剂的一部分穿过发动机油冷却器17用于冷却发动机油。
副支路10在内燃机1的水套12与主冷却器13或者说短接支路8之间从主回路7分支出来，包括可控制的截止阀21、可接通和断开的电动冷却剂泵22以及对机动车进行内部空间加热的加热换热器23，然后通到废气涡轮增压器5，所述废气涡轮增压器可通过流过副支路10的冷却剂冷却。副支路10在第一旋转滑阀15与主冷却剂泵11之间又通到主回路7中并且通过两个管路24、25与内燃机1的水套12连接。两个管路24、25中的第一管路24在加热换热器23之后从副支路10分支出来，包括止回阀26，所述止回阀仅允许从副支路10流动到水套12中，并且通到冷却剂汇流排27中，在后面参照图3至图6更详细地描述所述冷却剂汇流排。第二管路25从水套12通到副支路10，所述第二管路在第一管路24分支之后且在废气涡轮增压器5之前通到所述副支路中。第二管路25也包括止回阀28，所述止回阀仅允许从水套12流动到副支路10中，由此，废气涡轮增压器5可选择地或者通过主回路7和第二管路25或者通过副回路10被供应冷却剂。
如图2中最清楚地所示，内燃机的水套12包括三个彼此关联或者说彼此连通的部分29、30、31，这些部分是在缸体曲轴箱2中、在缸盖3中或者说在集成的排气弯管4中留空得到的，其中，在后面，部分29被称为缸体曲轴箱2的水套，部分30被称为缸盖3的水套，部分31被称为排气弯管4的水套。
如图1和图4中所示，冷却剂在内燃机1的正常工况中从主回路7在入口17上输送到缸体曲轴箱2的水套29中。在绝大部分在汇流排27上方通过冷却剂通道32和缸盖密封装置34（图6）的流动通孔33向上从缸体曲轴箱2排出之前，如图4中通过箭头B所示，冷却剂首先绕缸流过缸体曲轴箱2的水套29，如图4中通过箭头A所示。冷却剂从那里通过与流动通孔33邻接的冷却剂通道39流动到排气弯管4的水套31中和缸盖3的水套30中，冷却剂从所述水套通过出口18、19（图1）之一再排出。输送到缸体曲轴箱2中的冷却剂的另外的部分通过在汇流排27下方设置在缸体曲轴箱2上的出口35通过管路25流动到废气涡轮增压器5，如图4中通过箭头C所示。
为了防止在内燃机1熄火并且由此造成主冷却剂泵11停止运转之后由于在运行中在排气弯管4中积累的高的热量而导致排气弯管4的水套31中的冷却剂沸腾，除了废气涡轮增压器5之外通过关机冷却也冷却排气弯管4。为此目的，使电动冷却剂泵22运行并且将副支路10中的阀21打开，以便使冷却剂从主支路7在图1中的箭头D的方向上通过副支路10循环。循环的冷却剂的一部分冷却废气涡轮增压器5，而其余部分通过汇流排27的入口36输送到水套12中，如图5中通过箭头E所示，所输送的冷却剂的主要部分从那里向上流动到排气弯管4中，如图5中通过箭头F所示。在此，借助于汇流排27避免输送到水套12中的冷却剂的明显份额无作用地流过缸体曲轴箱2并且并不如所期望地那样到达排气弯管4的水套31中。
如图3和图6中最清楚地所示，集成在缸体曲轴箱2中的总体上水平的汇流排27为此目的具有多个向上指向的出口37，所述出口的数量符合目的地相应于排气弯管4中的冷却剂通道31的数量。如图6中以出口37之一为例所示，在每个出口37中设置有开口横截面减小的、竖直取向的穿通口38。在穿通口38中，输送到汇流排27中的冷却剂由于横截面收缩而急剧加速，由此，所述冷却剂直接在通流口38之后具有高的流动速度和强的向上指向的流动脉冲。在穿通口38之后或者说上方，每个出口37分支到两个冷却剂通道32、39中。冷却剂通道39在冷却剂在穿通口38中的流动方向的延长线上通过缸盖密封装置34的设置在穿通口38上方的流动通孔33通到排气弯管4的处于其上方的水套31（图2）中，而另一个冷却剂通道32大致呈直角分支，然后通到缸体曲轴箱2的水套29中。由于冷却剂在穿通口38之后的强的向上指向的流动脉冲，所述冷却剂以主要部分通过缸盖密封装置34的流动通孔33流动到冷却剂通道39中并且进而流动到排气弯管的水套31中，而所述冷却剂仅以很小部分偏转到冷却剂通道32中并且从那里流动到缸体曲轴箱2的水套29中。流过排气弯管4的水套31的冷却剂接着通过缸盖3的水套30流动到出口18和/或19。
在内燃机1暖机时也利用上述与在关机冷却中相同的效应。为了在冷启动之后快速加热所述内燃机，首先，冷却剂在内燃机1的水套12中不循环或仅循环一次，其方式是相应地控制两个旋转滑阀15、16。这延续这样长时间，直到在最热的部位上、主要在集成的排气弯管4中需要冷却剂循环。在该时刻，这样控制两个旋转滑阀15、16，使得冷却剂仅流过副支路10，然后，冷却剂从所述副支路通过管路24输送到汇流排27的入口36中，以便冷却排气弯管4。在穿过排气弯管4的水套31和缸盖3的水套30之后，冷却剂从出口18通过主回路7和短接支路8被引导返回到主冷却剂泵11，冷却剂从那里重新通过副支路10输送。在排气弯管4中变热的冷却剂可按照需求被引导通过加热换热器23，以便使机动车的内部空间变暖。
如果内燃机1或者说冷却剂达到了期望的运行温度，则控制旋转滑阀15、16，以便打开主回路7并且借助于主冷却剂泵11使较大量的冷却剂通过内燃机1的整个水套12循环。在此，在冷却剂通过冷却剂通道32、缸盖密封装置34的流动通孔33和冷却剂通道39流动到排气弯管4和缸盖3的水套31、30中之前，所述冷却剂首先通过入口17输送到缸体曲轴箱2的水套29中并且通过所述水套循环。
参考标号清单

Claims (11)

1.一种内燃机，具有缸体曲轴箱和缸盖，所述缸盖具有集成的排气弯管，其中，所述缸体曲轴箱、所述缸盖和所述集成的排气弯管具有彼此关联的水套，所述水套构成所述内燃机的冷却剂循环回路的一部分，其特征在于：所述冷却剂循环回路(6)包括汇流排(27)，所述汇流排通过开口横截面减小的穿通口(38)与所述水套(12)连通；水套(12)的设置在穿过所述穿通口(38)的流动方向的延长线上的冷却剂通道(39)通到所述排气弯管(4)，而水套(12)的在所述穿通口(38)之后侧向分支出来的冷却剂通道(32)通到所述缸体曲轴箱(2)中，使得由汇流排(27)输入的冷却剂的绝大份额流过通到排气弯管(4)的冷却剂通道(39)，而仅冷却剂的小份额偏转到通到缸体曲轴箱(2)的冷却剂通道(32)中。
2.根据权利要求1的内燃机，其特征在于：所述汇流排(27)集成在所述缸体曲轴箱(2)中。
3.根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所述穿通口(38)设置在所述汇流排(27)的向上指向的出口(37)中；通到所述排气弯管(4)的冷却剂通道(39)在所述出口(37)和所述穿通口(38)的直的延长线上向上延伸。
4.根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所述穿通口(38)设置在缸盖密封装置(34)的流动通孔(33)下方，其中，所述通到排气弯管(4)的冷却剂通道(39)在所述流动通孔(33)上方通到所述排气弯管(4)，其中，所述通到缸体曲轴箱(2)的冷却剂通道(32)在所述流动通孔(33)下方分支出来。
5.根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所述汇流排(27)与所述冷却剂循环回路(6)的副支路(10)相连，所述副支路包括电动冷却剂泵(22)。
6.根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所述汇流排(27)与所述冷却剂循环回路(6)的副支路(10)相连，所述副支路包括加热换热器(23)。
7.根据权利要求5的内燃机，其特征在于：设置有用于在所述内燃机(1)关机中和/或暖机时将冷却剂从所述冷却剂循环回路(6)输送到所述汇流排(27)的装置(11，15，16，21，22)。
8.根据权利要求6的内燃机，其特征在于：设置有用于在所述内燃机(1)关机中和/或暖机时将冷却剂从所述冷却剂循环回路(6)输送到所述汇流排(27)的装置(11，15，16，21，22)。
9.一种用于运行根据权利要求1-8之一的内燃机的方法，其特征在于：将通过所述冷却剂循环回路(6)循环的冷却剂在所述内燃机(1)熄火之后输送到所述汇流排(27)中，以便冷却所述集成的排气弯管(4)并且使所述冷却剂的流过所述缸体曲轴箱(2)的水套(29)的量最小。
10.一种用于运行根据权利要求1-8之一的内燃机的方法，其特征在于：将通过所述冷却剂循环回路循环的冷却剂在所述内燃机(1)启动之后输送到所述汇流排(27)中，以便冷却所述集成的排气弯管(4)和所述缸盖(3)并且使所述冷却剂的流过所述缸体曲轴箱(2)的水套(29)的量最小。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于：将所述冷却剂经过加热换热器(23)输送到所述汇流排(27)中。
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