CN107949695A - 液体冷却的内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种液体冷却的内燃机，该内燃机包括具有冷却套(1)的至少一个气缸体以及包括多个气缸(2)。该冷却套(1)具有面向曲柄箱的底部(3)和面向气缸盖密封平面(4a)的罩盖(4)，并且该底部具有如在气缸体的侧视图中所观察的波型轮廓。在两个相邻气缸(2)之间的至少一个第一发动机横向平面(8)的区域内的第一间距(H1)比在包含气缸轴线(9)的至少一个第二发动机横向平面(10)的区域内该冷却套(1)的底部(3)和罩盖(4)之间的第二间距(H2)大，这在每个情形中都是沿气缸轴线(9)的方向测得的。为了使得气缸变形最小，冷却套(1)的底部(3)在第一发动机横向平面(8)的区域中具有至少一个第一平坦部段(12)，该至少一个第一平坦部段设置在第一参照平面(ε1)中，其中，该第一参照平面(ε1)较佳地平行于气缸体的气缸盖密封平面(4a)形成。因此，底部(3)具有屋顶状形状，该屋顶状形状在自由气缸套区域(螺纹孔之间的气缸筒)中的螺钉之间的区域内从平坦部段开始。

Description

液体冷却的内燃机
技术领域
本发明涉及一种液体冷却的内燃机，该内燃机包括具有冷却套的至少一个气缸体以及包括多个气缸，其中，冷却套具有面向曲柄箱的底部和面向气缸盖密封平面的罩盖，并且底部具有如在气缸体的侧视图中所观察的波型轮廓，其中，在两个相邻气缸之间的至少一个第一发动机横向平面的区域内的第一距离比在包含气缸轴线的至少一个第二发动机横向平面的区域内冷却套的底部距罩盖的第二距离大，这在每个情形中都是沿气缸轴线的方向测得的。
背景技术
在内燃机中，已知采用水套，用以在气缸套的整个高度上延伸时在气缸体中进行缸套冷却。这使得能够完成缸套冷却，而仅仅由于燃烧期间的热效应产生微小的缸套翘曲。由于冷却套的底部在该情形中设置在距气缸盖密封平面相对较大距离处，因而气缸盖螺钉在这里不会对气缸套具有不利影响。此外，此种内燃机并不使得气缸盖螺钉的带螺纹区域直接地附连于气缸套。
为了满足严格的排放法律，采用具有最小可能容积的气缸体的冷却套，藉此能缩短内燃机的升温时间。如从气缸盖平面中所测得的，冷却套在该情形中已终止在一半活塞冲程和整个活塞冲程之间的区域中。因此，气缸套的区域得以充分地冷却，在该区域中，由于气体混合物的燃烧而引入热量。在气缸套的区域中形成的较高壁温度附加地使得活塞摩擦减小，这些区域是非热临界的且因此未经冷却。较小的冷却套还对于内燃机的重量具有正面效应。
气缸体的冷却套的通常体现为平坦的底部会导致以下问题：由于气缸盖螺钉在活塞的运行区域中将负载引入到气缸体中，因而发生缸套翘曲和强度问题。螺钉力的负载的引入在冷却套的底部中引起局部张力集中。由于沿着气缸套的纵向轴线的不同温度梯度以及冷却套的底部在活塞的运行区域中的布置，因而缸套发生机械缩颈和热缩颈，这会导致缸套翘曲并且引起承载容量的问题。为了解决这些问题，已知采用冷却套的结构化的底部。例如，US 5,080,049 A公开了此种气缸体，其中，冷却套的底部在一个纵向侧上具有波型轮廓，且冷却套的底部距气缸盖密封平面的距离在气缸盖螺钉轴线的区域中最小。
WO 95/21323 A公开了类似的解决方案。该文献公开了一种两冲程内燃机的冷却系统，该两冲程内燃机包括多个气缸，这些气缸由冷却套封围。冷却套的底部制造成波形，并且经由U形分支通道和垂直通道部段于两个气缸之间在发动机横向平面的区域中的下方冷却剂集管进行流体连接。
这具体地说具有如下缺点：在纵向流冷却套的情形中，其中在冷却剂供给期间已有一半质量流传导到气缸盖中，而在气缸体的区域中无法令人满意地确保充分地冷却所有气缸。冷却套的结构化的底部影响冷却剂流并且妨碍对最远离冷却剂入流的气缸进行最佳且足够充分的冷却。
已尝试通过这样一种结构化的冷却套底部来解决这些问题，此类结构化的冷却套底部具有尽可能最扁平的波纹，以防止流动分离。在这点上借助示例参照DE 38 03 105C2，其中，半圆柱形突部设置在冷却套的底部上，这些突部位于相邻气缸之间的区域中。然而，由此再次导致由气缸盖螺钉引入的问题负载和/或由于沿着缸套纵向轴线的过大急剧温度梯度引起的热缩颈的问题。
EP 1 066 459 B2公开了这样一种方案，其中，气缸体的冷却套的底部体现为弯曲形，且具有相继的升起部和位于这些升起部之间的凹陷部，其中，底部的轮廓具体地说在横截面上呈现正弦或余弦曲线。因此，致使冷却剂介质在缸体冷却套的整个纵向延伸部之上进行层流流动，以实现热能量的最佳耗散，而不会产生与湍流相关的能量损失。
这具体地具有如下缺点：通过气缸盖螺钉引入不利的力仍会发生。使用现有的方案能仅仅不充分地满足对于气缸套针对摩擦减小的圆度的持续上升需求和关于轻型构造和增大动力密度的边界条件。
US 5,080,049 A描述了一种用于内燃机的气缸体，该气缸体包括多个气缸，其中，这些气缸由冷却套封围。冷却套在气缸体的一个纵向侧上具有波型轮廓，其中，冷却套的底部距气缸盖密封平面的距离在包含气缸盖螺钉轴线的第一发动机横向平面的区域内比在包含气缸轴线的第二发动机横向平面的区域内小。
还由AT 504 983 B1已知一种具有类似形状的冷却套的液体冷却的内燃机。
此外，从CN 2 751 151 Y中已知一种用于曲柄箱的冷却套，如侧视图中所观察的，该冷却套的底部形成为波形。在该情形中，冷却套距气缸盖密封平面的距离在包含气缸轴线的第一发动机横向平面内比在两个气缸之间的第二发动机横向平面的区域内小。由此，会改进对高热应力区域的冷却。
然而，这里此外不利的是，在气缸盖螺钉的区域中出现高机械应力，这会在极端情形中导致裂纹。具体地说，在边缘气缸的区域中，能发生相对较大的气缸变形。
由于内燃机具有更高的比功率，因而气缸体区域中的冷却问题进一步加剧。具体地说，气缸之间的区域受到尤为强有力的热应力。
热膨胀越来越导致高级别，即第四和第六级的缸套变形，而这在受应力较小的马达中几乎不会发生。由于应用针对改进气缸盖冷却而开发的交叉流动概念也是必须的，因而能容易地控制气缸体的贯通流动，以使得在离冷却剂供源最远程地设置的气缸处确保充足的热耗散。因此，可更确切地设定气缸体中冷却套的底部的结构，而无需考虑沿着底部的流动。
发明内容
本发明的目的是，避免既具有线性又具有平波型轮廓的段冷却套的以下缺点，即：
在冷的且尤其是在温热状态中，气缸套在最高活塞速度的范围内的相对集中的缩颈；
螺钉力的集中负载被引入气缸筒，这水平地引起较高级别的缸套变形且垂直地引起较强的梯度，并且还会导致强度问题。
根据本发明，这通过如下实现：冷却套的底部具有至少一个平坦第一部段，该至少一个平坦第一部段在第一发动机横向平面的区域内设置在第一参照平面中，其中，较佳的是，该第一参照平面基本上平行于气缸体的气缸盖平面形成。根据本发明的一个变型，平坦第一部段形成为在第一发动机横向平面的两侧延伸。
换言之，底部由此形成为在气缸之间从平坦部段向上急剧地延伸，和/或体现为屋顶形状，该屋顶形状在自由气缸套区域(螺钉凸耳之间的气缸筒)中从底部螺钉之间的区域中的平坦部段开始。在该情形中，冷却套可形成为在气缸体中的顶部上敞开，其中，气缸盖密封件和气缸盖形成罩盖。替代地，面向气缸盖密封平面的罩盖也可集成到气缸体中。此种设计用在这样的气缸体中，这些气缸体具有适度的温度和温度变形，但具有临界的机械强度和气缸筒变形，例如具有相对较低冷却套的铝制敞口顶盖构造。
本发明始于用于气缸体的冷却套的结构化的底部，该结构化的底部体现为从气缸之间的区域朝向气缸中心沿气缸盖密封表面的方向上升。因此，底部在气缸之间的区域内比在气缸中心距气缸盖密封件以更大距离延伸。
因此，本发明包括用于气缸体的冷却套的结构化的底部，该结构化的底部体现为从气缸之间的区域朝向气缸中心沿气缸盖密封表面的方向显著地上升，比该结构化的底部在现有气缸体中所构造地显著更急剧地上升。因此，底部在气缸之间的区域内比在气缸中心距气缸盖密封表面以基本上较大距离延伸。
在气缸盖螺钉钻孔所位于的第一部段、即气缸之间的区域中，即考虑到制造相关不准确性，底部体现为基本上平行于气缸盖密封表面且由此是平坦的。在该情形中，平坦第一部段的平坦区域沿发动机纵向轴线的方向延伸至多达到气缸盖的气缸盖螺钉凸耳的直径和/或宽度，基本上如在气缸盖螺钉的至少直径的长度上所测量地，该发动机纵向轴线平行于曲柄轴延伸。
例如，在使用M10气缸盖螺钉的情形下，这意味着大致20mm的凸耳直径。平坦第一部段的所述纵向延伸原则上与气缸盖螺钉是否实际上设置在平坦第一部段之上无关。
例如在本发明的一个实施例中，如沿平行于曲柄轴的发动机纵向轴线的方向测量的，该平坦第一部段所具有的长度可以在毗邻气缸的孔半径的0.2和0.5之间。因此，第一部段例如是毗邻气缸的孔半径的20-50％。
在本发明的改进中，底部在至少一个第一发动机横向平面和一个第二发动机横向平面之间具有至少一个平坦第二部段，该至少一个平坦第二部段设置在第二参照平面中，该第二参照平面一方面设置成相对于第一和第二发动机横向平面倾斜，另一方面正交于气缸轴线所跨越的发动机纵向平面。在本发明的实践实施例中，如沿发动机纵向轴线的方向测量的，该平坦第二部段所具有的第二长度可以在毗邻气缸的孔半径的0.3和0.6之间。因此，第二部段例如是毗邻气缸的孔半径的30-60％。
如果第二参照平面与第一参照平面封围大致15°至50°、较佳地大致是30°至45°的角度，则可实现气缸的特别小的变形。
为了实现气缸体中均匀的机械负载和热负载，本发明进一步提出，至少两个第二部段相对于第一发动机横向平面和/或第二发动机横向平面对称地设置。
从平坦第一部段开始，气缸体的冷却套的底部沿气缸盖密封表面的方向在所提及的角度范围内大致上升至气缸中心，且然后以相同的斜度下降至在两个气缸之间的相邻中间区域内的下一平坦第一部段。
平坦第一部段和上升的平坦第二部段之间的过渡部通过铸造导圆并且体现为具有第一过渡半径。在急剧上升的第二部段和毗邻的下降第二部段之间的过渡部处，提供第二过渡半径，该第二过渡半径足够大以致不会发生张力集中。除了第一和第二部段之间的这些第一和第二过渡半径以外，底部能基本上平坦地、即不具有曲率地延伸。
此外，在本发明的范围中，冷却套可具有三个不同的高度，其中，底部距罩盖的第三距离在冷却套的至少一个正面区域、较佳地在气缸轴线所跨越的发动机纵向平面的区域中比第一距离小。一方面为了在气缸体的正面区域中实现良好的热耗散，且另一方面为了尽可能小地产生机械张力和热张力，有利地是使得第三距离大于第二距离。
由于根据本发明的方案，制造上有利的、更适宜的导圆区域沿正交于气缸体的纵向轴线的方向从平坦第一部段产生，并且此外，该导圆区域使得气缸盖螺钉能良好地引入力。
由于螺钉凸耳处的平坦底部区域，螺钉力的一部分能直接传导到刚性缸套角板(gusset)区域中。
同时，使得螺钉和/或这些螺钉的螺纹能距气缸体的冷却套的底部具有最大可能的距离。
由于毗邻的底部显著地倾斜但并不弯曲，因而螺钉力的另一部分被引入到底部中但并不直接地引入到气缸套中。
因此，由于力的引入被偏移到底部的第二部段下方的倾斜侧翼区域中，因而会出现冷却套的底部的卸载(relief)。
冷却套的底部描绘了一个负载锥部(load cone)并且因此使得负载能从螺钉凸耳引入到气缸套中而无需力改向，并且因此能将最可能的均匀性引入到最大可能的缸套区域中。因此，使得短冷却套对于气缸套的机械翘曲的不利影响降至最低。
因此，与现有技术的方案相比，能减小由于螺钉力引起的气缸套变形。
由于冷却套的底部的恒定上升轮廓，因而气缸套的缩颈效应以最大可能的均匀性分布在高度方向上。冷却套的冷却效应也沿着气缸套轴线分布在最大可能区域上。因此，还使得短冷却套对于气缸套的垂直翘曲和气缸套的热缩颈的不利影响降至最低。
由于在较大缸套高度上的分布，因而与现有技术的概念相比，通过本发明能明显地减小由于底部的显著增大高度差而引起的气缸套缩颈。不会由于结构化而沿着底部形成显著的冷却剂流。由此较差的局部热传递在气缸套的概念相关的最冷区域中会引起略高的温度，且因此进一步减小缩颈。(在冷却套下方，壁温度比下方冷却套的较低冷却剂温度更接近较高的油温度。)
由于因温度相关的较低粘度引起的流体动力学摩擦降低，因而最冷气缸套区域中壁温度的略微升高还附加地对于活塞摩擦和活塞环摩擦具有正效应。
对于气缸体的整体冷却，下方冷却套中的流动并不具有决定性的影响，因为在高负载马达中用于气缸盖冷却的现有技术中已知的交叉流动的概念在幅网冷却(webcooling)的情形中能确保上方冷却套和气缸之间的良好流动。
相对较大的、深度延伸的流动横截面也由本发明形成在中间气缸区域中，该流动横截面连同平坦底部一起提供用于热传递的大表面。因此，甚至在低速度下仍能产生充分的热耗散。
附图说明
之后将基于附图详细地解释本发明，但这并非是限制性的。附图示出了：
图1以对角视图示出根据本发明的气缸体的冷却套；
图2以侧视图示出冷却套；
图3以俯视图示出冷却套；以及
图4以正视图示出根据本发明的气缸体的冷却套。
具体实施方式
这些附图示出具有四个气缸2的内燃机的气缸体(未更详细示出)的冷却套1，该冷却套封围气缸套。例如图1和图2中显而易见的是，冷却套1的底部3形成为波形，以使得沿气缸体的纵向轴线5的方向观察，底部3距冷却套1的罩盖4的距离H增大和减小。在该情形中，罩盖4位于气缸体的气缸盖密封平面4a的区域中。纵向轴线5例如由曲柄轴(并未更详细示出)或者与该曲柄轴平行的线形成。详细地说，在第一发动机横向平面8的区域内的第一距离H1大于在第二发动机横向平面10的区域内的第二距离H2，第一发动机横向平面8在两个气缸2之间例如延伸通过用于气缸盖螺钉的气缸盖螺钉钻孔7的轴线6，而第二发动机横向平面在每种情形中包括气缸轴线9。
此外，冷却套1的底部3和罩盖4之间在边缘气缸的正面(即，面向外)区域中的第三距离H3小于第一距离H1并且大于第二距离H2，该正面区域具体的是由气缸轴线9跨越的发动机纵向平面11的区域。罩盖4和底部3之间在端面1a、1b的正面区域8中的第三距离H3例如是罩盖3和底部3之间在第一发动机横向平面8的区域中的第一距离H1的大约50至80％。因此，在这些区域中仅仅产生微小的机械张力和热张力。
根据本发明，冷却套1的底部3在第一发动机横向平面8的区域中具有至少一个平坦第一部段12，该至少一个平坦第一部段设置在第一参照平面ε1内，且在第一发动机横向平面8的两侧延伸，其中，第一参照平面ε1平行于气缸体的气缸盖密封平面4a形成。第一部段12的第一长度L1在理想的情形中介于气缸盖螺钉钻孔6的直径d和气缸盖螺钉凸耳的直径和/或宽度之间。在示例性实施例中，平坦第一部段12具有第一长度L1，该第一长度在毗邻气缸2的孔半径R的0.2和0.5(和/或20-50％)之间。
在第一发动机横向平面8和第二发动机横向平面10之间，底部3具有至少一个平坦第二部段13，该至少一个平坦第二部段设置在第二参照平面ε2中，该第二参照平面一方面设置成相对于第一发动机横向平面8和第二发动机横向平面10倾斜，另一方面正交于气缸轴线9所跨越的发动机纵向平面11。如发动机纵向轴线5的方向所测得的，平坦第二部段13具有第二长度L2，该第二长度在毗邻气缸2的孔半径R的0.3和0.6(和/或30-60％)之间。第二参照平面ε2与第一参照平面ε1封围大致15°至50°、较佳地大致是30°至45°的角度α。
从平坦第一部段12开始，如图2中所观察的，气缸体的冷却套1的底部3由此沿气缸盖密封表面4a的方向在所提及的角度范围α内大致上升至气缸中心和/或第二发动机横向平面10，且然后以相同的斜度下降至在两个气缸2之间的第一发动机横向平面8的相邻区域内的下一个平坦第一部段12。
平坦第一部段12和上升的平坦第二部段13之间的过渡部通过铸造导圆并且体现为具有第一过渡半径r1。在急剧上升的第二部段13和毗邻的下降第二部段13之间的第二发动机横向平面10的区域内的过渡部处，设有第二过渡半径r2，该第二过渡半径足够大，以致在冷却套1的冷却流中不会产生流体分离或湍流。除了第一部段12和第二部段13之间的第一过渡半径r1和第二过渡半径r2以外，底部3基本上不具有任何曲率地、即平坦地延伸。
具体地说，例如能在图1和图2中观察到的是，导圆区域是沿正交于气缸体的纵向轴线5的方向从第一部段12开始的，该导圆区域有利地设计成便于制造并且使得气缸盖螺钉能很好地将力引入到气缸体中。同时，使得气缸盖螺钉钻孔7能距气缸体的冷却套1的底部3具有最大可能的距离。由于力的引入被偏移到底部3的第二部段13下方的倾斜侧翼(flank)区域中，因而会出现冷却套1的底部3的卸载。冷却套1的底部3描绘了一个负载锥部并且因此使得负载能从螺钉凸耳引入到气缸套中而无需力改向，并且因此能将最可能的均匀性引入到气缸套的最大可能区域中。因此，使得短冷却套对于气缸套的机械翘曲的不利影响降至最低
通过冷却套1的底部3的恒定上升轮廓，使得气缸套的缩颈效应以最大可能的均匀性分布在高度方向上。冷却套1的冷却效应也能沿着气缸套轴线分布在最大可能区域上。因此，还使得短冷却套对于气缸套的垂直翘曲和气缸套的热缩颈的不利影响降至最低。
由于第二发动机横向平面10的区域中冷却套的底部3的V或A形状，可能设有较佳地结合到气缸体结构中的加强肋部，且由此能减小气缸套的翘曲，该加强肋部沿气缸轴线的方向在气缸体的外壁上延伸，且也称为声学肋部(acoustic rib)。

Claims (10)

1.一种液体冷却的内燃机，所述内燃机包括具有冷却套(1)的至少一个气缸体以及包括多个气缸(2)，其中，所述冷却套(1)具有面向曲柄箱的底部(3)和面向气缸盖密封平面(4a)的罩盖(4)，并且所述底部具有如在所述气缸体的侧视图中所观察的波型轮廓，其中，在两个相邻气缸(2)之间的至少一个发动机横向平面(8)的区域内的第一距离(H1)比在包含气缸轴线(9)的至少一个第二发动机横向平面(10)的区域内所述冷却套(1)的底部(3)距所述罩盖(4)的第二距离(H2)大，这在每个情形中都是沿所述气缸轴线(9)的方向测得的，其特征在于，所述冷却套(1)的底部(3)在第一发动机横向平面(8)的区域中具有至少一个第一平坦部段(12)，所述至少一个第一平坦部段设置在第一参照平面(ε1)中，其中较佳的是，所述第一参照平面(ε1)平行于所述气缸体的气缸盖密封平面(4a)形成。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述平坦第一部段(12)形成为在所述第一发动机横向平面(8)的两侧延伸。
3.如权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，如沿平行于所述曲柄轴的发动机纵向轴线(5)的方向测得的，所述平坦第一部段(12)具有长度(L1)，所述长度至少与气缸盖螺钉钻孔(7)的直径(d)相对应。
4.如权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其特征在于：如沿平行于所述曲柄轴的发动机纵向轴线(5)的方向测得的，所述平坦第一部段(12)具有第一长度(L1)，所述第一长度至多与所述气缸体的气缸盖螺钉凸耳的直径和/或宽度相对应。
5.如权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于：所述底部(3)在至少一个第一发动机横向平面(8)和一个第二发动机横向平面(10)之间具有至少一个平坦第二部段(13)，所述至少一个平坦第二部段设置在第二参照平面(ε2)中，所述第二参照平面一方面设置成相对于所述第一发动机横向平面(8)和所述第二发动机横向平面(10)倾斜，另一方面设置成正交于所述气缸轴线(9)所跨越的发动机纵向平面(11)。
6.如权利要求5所述的内燃机，其特征在于，如沿所述发动机纵向轴线(5)的方向所测得的，所述平坦第二部段(13)具有第二长度(L2)，所述第二长度在毗邻气缸(2)的孔半径(R)的0.3和0.6之间。
7.如权利要求5或6所述的内燃机，其特征在于，所述第二参照平面(ε2)与所述第一参照平面(ε1)封围大致15°至50°、较佳地大致是30°至45°的角度(α)。
8.如权利要求5至7中任一项所述的内燃机，其特征在于：至少两个第二部段(13)相对于所述第一发动机横向平面(8)和/或所述第二发动机横向平面(10)对称地设置。
9.如权利要求1至8中任一项所述的内燃机，其特征在于：所述冷却套(1)在所述底部(3)和所述罩盖(4)之间具有至少三个不同的高度(H1、H2、H3)，其中，所述底部(3)距所述罩盖(4)的第三距离(H3)在所述冷却套(1)的至少一个正面区域(1a、1b)、较佳地在所述气缸轴线(9)所跨越的发动机纵向平面(11)的区域中比所述第一距离(H1)小。
10.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述第三距离(H3)大于所述第二距离(H2)。
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