CN105723078A - 用于内燃机的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的冷却系统(4)，具有至少一个缸盖(1)，该至少一个缸盖(1)藉由缸盖密封表面(28)连接到至少一个缸体(2)。该冷却系统包括：布置在该缸盖(1)中的至少一个第一冷却套(5)，该至少一个第一冷却套与至少一个冷却剂入口(27)和至少一个第一冷却剂出口(19)具有流动连接；和布置在所述缸体(2)中的至少一个第二冷却套(6)，该至少一个第二冷却套(6)连接到位于缸盖(1)中的至少一个第二冷却剂出口(20)，其中，该第一冷却套(5)和第二冷却套(6)通过至少一个连接流动路径(17)连接到彼此，该连接流动路径(17)优选地延伸穿过位于缸盖密封表面(28)中的开口(17a)，并且液体冷却剂能够依次流过第一冷却套和第二冷却套，并且其中，通过该第二冷却套(6)的冷却剂流能够由至少一个第一阀(8)、优选地恒温阀所控制，该第一阀在第一阀位置时阻挡冷却剂流穿过第二冷却套(6)，并且在至少一个第二阀位置时允许冷却剂流过第二冷却套。为了实现冷却剂的快速加热同时实现内燃机的优化冷却，根据本发明，可以沿内燃机的横向流过第一冷却套(5)。

Description

用于内燃机的冷却系统
本发明涉及一种用于内燃机的冷却系统，包括：至少一个缸盖，其经由至少一个缸盖密封表面连接到至少一个缸体；布置在所述缸盖中的至少一个第一冷却套，其与至少一个冷却剂入口和至少一个第一冷却剂出口流动连接，并且包括布置在该缸体中的至少一个第二冷却套，该第二冷却套连接到至少一个第二冷却剂出口，其中，第一和第二冷却套通过至少一个连接流动路径连接到彼此，该连接流动路径优选地延伸穿过位于缸盖密封表面中的开口，并且液体冷却剂可以依次流过第一冷却套和第二冷却套，并且其中，通过第二冷却套的冷却剂流可以由至少一个第一阀、优选地恒温阀所控制，该阀在第一阀位置时阻止冷却剂流穿过第二冷却套，并且在至少一个第二阀位置中允许冷却剂流动。
由GB2348485A已知具有气缸盖和气缸体的内燃机，其中，气缸盖和气缸体每个都包括冷却套。缸体的冷却套与缸盖的冷却套流动连接，其中，冷却剂进入缸盖的冷却套中，并且从缸盖的冷却套流到缸体的冷却套中。
EP1258609A2公开了一种类似的水冷内燃机，其中在缸盖中具有冷却套并且在缸体中具有冷却套，其中，在冷状态时，冷却剂仅流过缸盖的冷却套，并且附加地，在热状态时还引导冷却剂流过缸体的冷却套以及连接在缸盖下游的散热器。来自缸盖的冷却套的冷却剂直接流到通向冷却剂泵的返回管线。
在GB2348485A和EP1258609A2中，缸盖的冷却套的冷却剂入口和冷却剂出口位于缸盖的不同端部处，通过这些入口和出口，冷却剂沿纵向流过缸盖的冷却套。由此，在缸盖中相对较大的冷却套横截面是必要的。由所需的相对较大的冷却剂体积会导致冷却剂相对的较长加热时间的劣势。
EP2562379A1描述了用于内燃机的独立冷却剂回路，其中，设置有缸盖水套和发动机缸体水套。独立冷却剂回路包括泵、冷却器、控制元件、出口壳体和加热器，其中，冷却剂在独立冷却剂回路中循环。控制元件位于缸盖水套的下游，并且包括恒温阀和与之独立的比例阀。冷却剂可以经由控制元件供应到冷却器或者发动机缸体水套。冷却剂流纵向流过缸盖水套和缸体水套所述纵向流动以及相对大量的在缸盖水套和缸体水套之间的所需外部管线对冷却剂体积具有不利效果。
本发明的目的在于避免这些缺点并且改善冷却和加热特性。
此目的根据本发明通过如下方式来实现：可以沿内燃机的横向流过第一冷却套并且优选地还有第二冷却套，其中，优选地，基本沿内燃机的纵向延伸的至少一个收集室布置在位于第一冷却套和第一冷却剂出口之间的流动路径中，并且/或者基本沿内燃机的纵向延伸的分配室布置在冷却剂入口和第一冷却套之间的流动路径中。
在此情形下，内燃机的纵向可以理解为与凸轮轴的轴线平行的方向。内燃机的横向可以理解为定向成近似法向于凸轮轴的轴线并且法向于缸轴线的方向。
由于冷却剂流沿内燃机的横向流过第一冷却套，所以可以在一方面避免在第一冷却套和第二冷却套之间的外部管线，并且法向于凸轮轴的轴线的第一冷却套横截面可以保持为较小的尺寸，因此，可以大幅减少冷却剂体积。按要求启用或停用第二冷却套，其中完全的冷却剂量总是流过缸盖的第一冷却套。由此，在内燃机的每个工作范围内，可以确保从在防火板中的排出阀周围的高热负荷区域充足地去除热量。
根据本发明的第一实施例，用于冷却剂的收集室可以集成到缸体中。该收集室与位于缸体中的第二冷却套液压地分离。该变体提供了这样的优势，即，不需要采取构造措施来容纳位于缸盖中的收集室，此简化了缸盖的生产。
在本发明的第二实施例中设置成：收集室布置在缸盖中，其中优选地，该收集室布置在排出端口和缸盖密封表面之间。该布置提供了这样的优势，即，由于集成到缸盖中的收集室，该排出端口和可选地集成到该缸盖中的排出集管可以附加地被冷却。
该收集室可以基本上在缸盖或缸体的整个长度上延伸。
为了使得在任何工作范围内以及冷启动后的快速加热中，从缸盖的热临界区域充分输送走热量，有利的是，该缸盖的第一冷却剂出口与冷却系统的返回管线具有连续的流动连接，并且缸盖的第二冷却剂出口经由第一阀可切换地连接到冷却系统的返回管线。
在该情形中，可以设置的是，第一阀的混合室包括第一和第二阀入口以及阀出口，并且缸盖的第一冷却剂出口流动连接到第一阀入口，第二冷却剂出口连接到第二阀入口，并且阀出口连接到冷却系统的返回管线，其中，仅在第二阀入口和阀出口之间的流动连接优选地可以由第一阀切换。
该返回管线可以包括具有至少一个散热器的长返回段和绕过该散热器的短返回段，其中冷却剂流可以由至少一个第二阀、优选地由恒温阀控制来通过短返回段或长返回段。该冷却剂可以经由第二阀、直接地或经由冷却剂泵的冷却器再次供应到冷却剂泵。
在本发明的所有实施例中整个冷却剂流流过第一冷却套。第一阀布置在第一冷却套的下游，该第一阀在第一位置处完全地阻碍冷却剂从缸体的第二冷却套排放。由此，全部冷却剂直接供应到冷却系统的返回管线。如果第一阀运动到第二位置，则部分的冷却剂流会被导引到缸体的第二冷却套。在流过第二冷却套之后，冷却剂通过转移端口导引到缸盖，在此，冷却剂经由第一阀供应到冷却剂系统。
在本发明的又一实施例中，可以设置成，该冷却剂泵由优选地布置在缸盖中的凸轮轴驱动。该方案提供了这样的优势：在冷却剂泵和第一冷却套之间的冷却体积可以减到最小，此对冷却剂的加热时间具有有益效果。
当冷却剂入口、第一冷却剂出口和第二冷却剂出口布置在缸盖中时，可以实现特别小的冷却剂体积以及因此非常短的加热时间。
下面将参照附图更详细解释本发明，附图中：
图1以斜视图示出了根据本发明的在第一实施例中的冷却系统的冷却套；
图1a以缸盖密封平面的俯视图示出了第二冷却套；
图2以另一斜视图示出了冷却套；
图3以示意图示出了根据本发明的在第一实施例中的冷却系统；
图4示出了处于第一切换状态中的图3的冷却系统；
图5以剖视图示出了在第一切换状态中流过冷却套的冷却剂流；
图6示出了处于第二切换状态中的图3的冷却系统；
图7以剖视图示出了在第二切换状态中流过冷却套的冷却剂流；
图8示出了处于第三切换状态中的图3的冷却系统；
图9以剖视图示出了在第三切换状态中流过冷却套的冷却剂流；
图10以斜视图示出了根据本发明的在第二实施例中的冷却系统；
图10a以缸盖密封平面的俯视图示出了第二冷却套；
图11以示意图示出了根据本发明的在第二实施例中的冷却系统；
图12示出了处于第一切换状态中的图11的冷却系统；
图13以剖视图示出了在第一切换状态中流过冷却套的冷却剂流；
图14示出了处于第二切换状态中的图11的冷却系统；
图15以剖视图示出了在第二切换状态中流过冷却套的冷却剂流。
图16示出了处于第三切换状态中的图11的冷却系统。
图17以剖视图示出了在第三切换状态中流过冷却套的冷却剂流，以及
图18以侧视图示出了图11的冷却系统。
在各个实施例中具有相似功能的特征由相同的附图标记表示。
为了清晰表示的缘故，图4、图6、图8和图12、图14、图16中没有示出冷却系统4的未被流经的元件。
内燃机包括用于多个对应缸3的缸盖1和缸体2，以及具有液体冷却介质的冷却系统4。第一冷却套5布置在缸盖1中，并用于冷却缸盖1中的热临界区域。缸体2包括流动连接到第一冷却套5的第二冷却套6。冷却套5流动连接到缸盖1的冷却剂入口27和第一冷却剂出口19。
除了第一冷却套5和第二冷却套6，冷却系统4还包括冷却剂泵7、作为恒温阀布置的第一阀8、作为恒温阀布置的第二阀9、散热器10、内加热器11、膨胀箱12和油冷却器13，如图3和图11所示。冷却系统还包括沿缸体2的纵向延伸的收集室14a或14b，收集室14a或14b在缸体2中(如图1至图9)中或在缸盖1中(如图10至图17)布置。
冷却剂泵7、第一恒温阀8和第二阀9的各部件可以组合在泵恒温模块中。冷却剂泵7优选地布置在缸盖1中或缸盖1上，并且由顶置凸轮轴驱动，该顶置凸轮轴在图1中通过凸轮轴线15表示。
冷却剂从冷却剂泵7经由位于缸盖1中的分配室16引导到第一冷却套5，所述分配室沿内燃机的纵向延伸。在各个实施例中，分配室16布置在缸盖1的出口侧E上。入口侧由附图标记I表示。冷却剂从分配室16沿缸盖1的横向流过第一冷却套5，其中，在排出阀等周围的强热载荷区域被冷却。第一冷却套5经由在缸盖密封表面28中或在缸盖垫圈(未示出)中的开口17a而与第二冷却套6流动连接。第一冷却套5还通过收集端口18连接到收集室14a或14b，其中，每个缸设置有至少一个收集端口18。收集室14a、14b还连接到布置在缸盖1中的第一出口19。另外，缸体2的第二冷却套6通过上升管路21而流动连接到缸盖1中的第二出口20。
在图1至图9所示的实施例中，缸盖垫圈包括开口18a，通过开口18a，冷却剂经由收集端口18到达收集室14a。另外，缸盖垫圈包括位于内燃机的端面侧区域中的转移开口18b，藉由该转移开口18b，冷却剂从缸体2中的收集室14a经由缸盖1中的出口端口22到达第一出口19。在图1a中清楚地示出了开口17a、18a和转移开口18b。
与之相反，在图10至图17中所示的实施例中可以不具有在缸盖垫圈中的开口18a和转移开口18b，其中，收集室14b集成到缸盖1中。收集室14b布置在排出导管29下方，即布置在面向缸体2的一侧，或者布置在集成到缸盖1中的排出集管30上(参见图18)。排出导管一方面向上由分配室16所界定，并且另一方面向下由收集室14b所界定，此确保了从排出端口区域特别大量地去除热量(参见图10)。
在这两个实施例中，第一冷却剂出口19和第二冷却剂出口20连接到第一阀8的第一阀入口8a或第二阀入口8b，其中，返回管线25从第一阀8的阀出口8c经由短返回段23或长返回段24引回到冷却剂泵7。散热器10布置在长返回管线24中，以冷却该冷却剂。通过短返回段23或长返回段24的路径由第二阀9所控制。冷却剂的流动方向由各箭头表示。
以下应用于这两个实施例：全部冷却剂流过缸盖1的第一冷却套5。根据冷却剂的温度，冷却剂的进入第一冷却套5的一部分经由第一阀8流过位于缸体2中的第二冷却套6。第二阀9用以将冷却剂经由散热器10返回到冷却剂泵7或者通过绕开散热器10而直接返回到冷却剂泵7。
冷却剂流由各箭头表示。
第一实施例(图1至图9)
在图4所示的冷却系统4的第一切换状态中，第一阀8和第二阀9处于第一阀位置，其中，第一切换状态分配给冷却剂的冷状态。冷却剂由第一冷却剂泵7输送到缸盖1的第一冷却套5。在第一阀8的第一阀位置时，第一冷却剂出口19连接到第一恒温阀8的阀出口8c，但是第二冷却剂出口20与第一阀8的阀出口8c是分开的。由于从第二冷却套6排出受阻挡，冷却剂不能够从第一冷却套5转移到第二冷却套6，由此，冷却剂仅流过位于缸盖1中的第一冷却套5。全部的冷却剂从第一冷却套5经由收集端口18运动到布置在缸体2中的收集室14a，并且从收集室14a经由转移开口18b和出口端口22到达缸盖1的第一冷却剂出口19中，并且进一步到达第一阀8的第一阀入口8a。第二阀9位于图4所示的第一阀位置中，从散热器10的冷却剂排放由第二阀9关闭。因此，冷却剂从第一阀8直接传递回到冷却剂泵7。图5示出了用于冷却系统4的第一切换状态的、在分配室16和收集室14a之间的流动。
图6示出了当内燃机是热的时的冷却系统4，其中，第一阀8处于第二阀位置而第二阀9仍处于第一阀位置。第一阀8的第二阀位置分配给热的或冷的冷却剂的温度。在第一阀8的第二阀位置中，第一阀入口8a以及第二阀入口8b都流动连接到阀出口8c。此允许来自第二阀出口20的(冷却剂)排放，并且因此允许来自缸体2的第二冷却套6的(冷却剂)排放。现在冷却剂经由收集端口18流到收集室14a，并且还经由缸盖密封表面28或缸盖垫圈的连接流动路径17和开口17a而流到布置在第二缸体2中的第二冷却套6。冷却剂从第二冷却套6经由上升管路21到达缸盖1的第二出口20。流过第一冷却套5和第二冷却套6的部分冷却剂流在第一阀8中的第一阀8的混合室26中汇合。该冷却剂经由处于第一阀位置的阀9直接导引回到冷却剂泵7。图7示出了针对冷却系统4的第二切换状态的、在分配室16和第二冷却套6或收集室14a之间的流动。
如果内燃机的温度、并且因此冷却剂的温度进一步上升，则第二阀9切换到第二阀位置，如图8所示。在该第二阀位置，释放从散热器10到冷却剂泵7的排放，由此，冷却剂流过长返回段24和散热器10。如图9所示，该冷却剂流以类似于图6和图7的方式流过第一冷却套5和第二冷却套6。
第二实施例(图10至图17)
该实施例不同于图1至图9所示的第一实施例，其中，收集室14b现在不布置在缸体2中而是布置在缸盖1中。此提供了这样的优势：冷却剂体积可以进一步减少，并且缸盖2可以以更简单的构造布置。如图10a所示，在缸盖密封表面28中需要少得多的开口17。
图12和图13示出了用于第二实施例的冷却系统4的第一切换状态，其中，第一阀8和第二阀9每个都处于第一阀位置，其中，第一阀位置与冷的内燃机或冷的冷却液相关联。冷却剂从冷却剂泵7流到分配室16，并且进一步进入缸盖1的第一冷却套5中，而冷却剂沿横向流过该第一冷却套5。冷却剂然后运动穿过冷却剂端口18进入也布置在缸盖1内的收集室14b中。由于在第二阀入口8b和阀出口8c之间的流动连接被第一阀8阻碍，从缸体2的第二冷却套6的排放被阻止，并且由此从第一冷却套5到第二冷却套6的冷却剂的转移被阻止。第一冷却套5的全部冷却剂从收集室14b到达缸盖1的第一冷却剂出口19，该第一冷却剂出口19连接到第一阀的第一阀入口8a。由于在第一阀8内的第一阀入口8a和阀出口8c之间的流动连接是打开的，并且从散热器10的排放由第二阀9的第一阀位置所阻碍，所以流出第一冷却套5的冷却剂流过短返回段23回到冷却剂泵7。
一旦冷却剂超过用于第一恒温阀8的第一切换温度，第一阀8切换到第二阀位置，如图14所示。在该位置处，允许第一阀8的第一阀入口8a和阀出口8c之间的流动连接以及在第二阀入口8b和阀出口8c之间的流动连接。冷却剂的一部分因此从缸盖1的第一冷却套5经由连接流动路径17流到第二冷却套6，并且从所述套经由上升管路21到达缸盖1的第二冷却剂出口20。在源自第一冷却套5和第二冷却套6的部分冷却剂流在第一阀8的混合室26中汇合后，该冷却剂经由短返回段23返回到冷却剂泵7。图15示出了用于冷却系统4的第二切换状态的、在分配室16和第二冷却套6或收集室14b之间的流动。
如果内燃机以及因此冷却剂被进一步加热，则第二阀9自第二切换温度起切换到第二阀位置，此在图16中示出。短返回段23由此被阻碍，并且释放从散热器10到冷却剂泵7的排放。离开第一阀8的冷却剂现在经由长返回段24流过散热器10，并且在穿过第二阀9之后到达冷却剂泵7。如图17所示，该冷却剂流以类似于图14和图15的方式流过第一冷却套5和第二冷却套6。
第二实施例具有布置在至少一个排出导管29和缸盖1的缸盖密封表面28之间的收集室14b具有这样的优势：冷却系统4的冷却剂体积可以以较小的方式布置，并且另一方面能够实现从排出导管29的区域的特别高效的散热，特别是如图18所示在排出集管30集成到缸盖1中时更是如此。在内燃机的冷启动期间，这对冷却剂的加热时间具有特别有利的效果。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的冷却系统(4)，包括：至少一个缸盖(1)，所述缸盖经由至少一个缸盖密封表面(28)连接到至少一个缸体(2)；布置在所述缸盖(1)中的至少一个第一冷却套(5)，所述第一冷却套与至少一个冷却剂入口(27)和至少一个第一冷却剂出口(19)流动连接，并且包括布置在所述缸体(2)中的至少一个第二冷却套(6)，所述第二冷却套(6)连接到至少一个第二冷却剂出口(20)，其中，所述第一冷却套和所述第二冷却套(5,6)通过至少一个连接流动路径(17)连接到彼此，所述连接流动路径(17)优选地延伸穿过位于所述缸盖密封表面(28)中的开口(17a)，并且液体冷却剂能够依次流过所述第一冷却套和所述第二冷却套，并且其中，通过所述第二冷却套(6)的冷却剂流能够由至少一个第一阀(8)、优选地恒温阀所控制，所述第一阀在第一阀位置时阻挡冷却剂流通过所述第二冷却套(6)，并且在至少一个第二阀位置时释放冷却剂流动，其特征在于，沿所述内燃机的横向能流过所述第一冷却套(5)并且优选地也流过所述第二冷却套(6)，其中，优选地，基本上沿所述内燃机的纵向延伸的至少一个收集室(14a、14b)布置在位于所述第一冷却套(5)和所述第一冷却剂出口(19)之间的流动路径中，并且/或者基本上沿所述内燃机的纵向延伸的分配室(16)布置在位于所述冷却剂入口(27)和所述第一冷却套(5)之间的流动路径中。
2.如权利要求1所述的冷却系统(4)，其特征在于，所述收集室(14a)布置在所述缸体(2)中。
3.如权利要求1所述的冷却系统(4)，其特征在于，所述收集室(14b)布置在所述缸盖(1)中。
4.如权利要求3所述的冷却系统(4)，其特征在于，所述收集室(14b)布置在至少一个排出导管(29)和/或集成到所述缸盖(1)中的排出集管(30)与所述缸盖(1)的所述缸盖密封表面(28)之间。
5.如权利要求1至4中的一项所述的冷却系统(4)，其特征在于，所述缸盖(1)的第一冷却剂出口(19)与所述冷却系统(4)的至少一个返回管线(25)连续地流动连接。
6.如权利要求1至5中的一项所述的冷却系统(4)，其特征在于，所述缸盖(1)的所述第二冷却剂出口(20)经由所述第一阀(8)而与所述冷却系统(4)的返回管线(25)可切换地连接。
7.如权利要求1至6中的一项所述的冷却系统(4)，其特征在于，所述第一阀(8)的混合室(26)包括第一阀入口和第二阀入口(8a,8b)以及阀出口(8c)，并且所述缸盖(1)的所述第一冷却剂出口(19)流动连接到所述第一阀入口(8a)，所述第二冷却剂入口(20)连接到所述第二阀入口(8b)，并且所述阀出口(8c)连接到所述冷却系统(4)的至少一个返回管线(25)，其中，仅在所述第二阀入口(8b)和所述阀出口(8c)之间的流动连接优选地能够由所述第一阀(8)切换。
8.如权利要求5至7中的一项所述的冷却系统(4)，其特征在于，所述返回管线(25)包括具有至少一个散热器(10)的长返回段(24)和绕过所述散热器(10)的短返回段(23)，其中，能够由所述至少一个第二阀(9)、优选地恒温阀来控制使所述冷却剂流通过所述短返回段(23)和所述长返回段(24)。
9.如权利要求1至8中的一项所述的冷却系统(4)，其特征在于，所述冷却剂泵(7)由优选地布置在所述缸盖(1)中的凸轮轴所驱动。
10.如权利要求1至9中的一项所述的冷却系统(4)，其特征在于，至少一个冷却剂入口(27)和/或至少一个第一冷却剂出口(19)和/或至少一个第二冷却剂出口(20)布置在所述缸盖(1)中。
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