CN108266285B - 具有汽缸盖的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有汽缸盖的内燃发动机。提供了用于集成式排气歧管和传统排气歧管中的排气通道的系统。在一个示例中，系统可以包括具有以弧形分支部形状为特征的横截面的排气通道。该通道也可以在沿着通道的其他点处以其他横截面形状为特征。

Description

具有汽缸盖的内燃发动机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年1月2日提交的德国专利申请号102017200002.3和于2017年1月2日提交的德国专利申请号102017200001.5的优先权。为了所有目的，上面提及的申请的整个内容以引用方式被完全并入本文。

技术领域

本发明大体涉及排气歧管和集成式排气歧管。

背景技术

内燃发动机具有至少一个汽缸盖，所述至少一个汽缸盖被连接至汽缸体以形成汽缸。汽缸盖和汽缸体还包括用于接收连接元件的孔。为了容纳活塞或汽缸套，汽缸体具有对应数量的汽缸孔，其中活塞以可轴向移动方式被引导。汽缸盖通常用于容纳气门驱动装置。为了控制充气交换，发动机需要控制元件和用于致动控制元件的致动装置。在充气交换期间，燃烧气体经由至少一个出口开口被排出，并且燃烧室的充气经由汽缸的至少一个进口开口发生。发动机通常使用提升气门作为控制元件来控制充气交换。提升气门在发动机的运转期间执行振荡提升运动，所述提升气门打开和关闭进口开口和出口开口。气门运动所需的气门致动机构被称为气门驱动装置。气门致动装置一般包含被安装在汽缸盖上的凸轮轴。气门驱动装置在正确的时间打开和关闭汽缸的进口开口和出口开口。快速打开和大流动横截面有利于保持流入和流出的气流中的节流损失较低，以确保汽缸的最佳可能充气和燃烧气体的有效完全排出。

在排气排出到排气排出系统内的期间，排气到汽缸内的回流应当被避免。在充气交换期间从发动机的汽缸中出来的燃烧气体的排空基本上基于两种不同的机理。在一种机理中，当活塞靠近下止点时出口气门打开，并且燃烧气体以高速流过出口开口进入排气排出系统。这种高速流动是由于在燃烧即将结束的时候在汽缸中普遍存在的高压水平和在燃烧室与排气管路之间的相关联的高压差。该流动过程通过被称为预排气振动(pre-outletshock)的高压峰值来帮助。预排气振动沿着排气管路以音速传播，其中压力随着行进的距离增加由于摩擦而被耗散。

在排气排空的第二机理中，汽缸中的压力和排气管路中的压力相等。燃烧气体不再主要以压力驱动的方式被排空，而是由于活塞的冲程运动而被排出。

沿着排气管路沿流动方向的压力损失随着行进的距离增加而增加。这些压力损失的最小化有助于实现较大的排气排空。压力损失的最小化还有助于防止排气从排气通道回流到汽缸内。减少压力损失的另一益处是为使用涡轮增压器的发动机中的涡轮提供较高能量的排气。改善排气流的另一优点是排气后处理系统更快地到达其运转温度或起燃温度，这在冷启动状况期间是特别有用的。

集成式排气歧管可以被用来减少压力损失并优化排气路径。在集成式排气歧管中，发动机的排气管路在汽缸盖内。具有集成式排气歧管的汽缸盖以整体上允许驱动单元的密集封装的紧凑设计为特征。此外，所述排气歧管能够受益于可以被提供在汽缸盖中的液体式冷却布置，使得歧管不需要由高热负荷的昂贵材料制造。这些汽缸盖也减少了部件的数量，这降低了复杂性、成本和重量。

发动机通常包括多个冷却液管道，或至少一个冷却套一般被形成在汽缸盖中。对排气进行冷却提供了若干益处。降低的排气温度保护下游部件，诸如传感器、催化转化器和涡轮。具有液体冷却的集成式排气歧管的一个特别益处是：潜在避免增加燃料使用以降低高排气温度从而保护涡轮增压器和催化转化器，尤其是对于汽油发动机而言。这种增加燃烧使用是常见做法，并且负面地影响燃烧经济性。

发明内容

在一个示例中，上述问题可以通过一种发动机来解决，所述发动机具有汽缸盖和汽缸，所述汽缸具有出口开口，所述出口开口被连接至排气通道，所述排气通道具有沿流动方向改变的横截面，以及所述横截面在一位置处具有W形轮廓。以此方式，来自汽缸的流动可以通过减少摩擦和压力损失、产生较大的排空、减少回流和较大的流动能量来优化。

作为一个示例，发动机能够被设计为具有沿着管路的长度具有可变横截面形状的排气管路。这种形状能够被设计以最大化管路中的各个位置处的流动。一种这样的形状可以是具有弧形边缘的W形形状。已经发现，W形横截面最小化或减少由于摩擦的压力损失。这样的发动机将会经历减少的摩擦损失和减少的排气到发动机内的回流。相比之下，没有最佳形状的排气管路的传统设计的发动机将具有较大的摩擦损失和回流。

应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围由随附的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1是通过具有集成式排气歧管的发动机的汽缸盖的俯视图。

图2是以涡轮增压器为特征的发动机的示意图。

图3是汽缸和排气通道的视图。

图4示出了排气通道的三维图示。

图5A示出了排气通道和排气通道的各种横截面。

图5B示出了与图5A类似的实施例的排气通道。

图6示出了排气通道的各种可能的横截面。

图7示出了具有旋转角度的横截面。

图1和图3至图6近似按比例示出。

具体实施方式

以下描述涉及以具有沿流动方向改变的横截面形状的排气通道为特征的发动机。这些排气通道可以是集成式汽缸盖的一部分，并且也可以通向涡轮。横截面形状可以采取不同的形式，并且沿着通道的长度旋转。排气通道也可以相对若干轴线改变方向。这些特征减少了当排气行进通过通道时的排气的摩擦损失，并且防止了气体到活塞内的回流。

本发明的实施例可以通过多种方法来产生。方法可以包括铸造和增材制造以及其他。

图1描绘了发动机的俯视图。图1示出了具有集成式排气歧管2的发动机1。图1还包括排气通道3和出口开口4。排气通过出口开口4离开汽缸。图1还描绘了将会在本申请中用于参考的轴线。z-轴线在该汽缸的情况下被纵向地取向。x-轴线被取向为垂直于z-轴线，并且延伸通过多缸发动机中的汽缸。y-轴线垂直于x-轴线和z-轴线两者，并且延伸远离多缸发动机中的汽缸组。

实施例以发动机的排气管路为特征，所述排气管路在汽缸盖内合并，以便形成集成式排气歧管。如果排气管路在汽缸盖内合并，以便形成集成式排气歧管，那么根据本申请的横截面必然被布置在汽缸盖内。其他实施例也可以以在汽缸盖外部具有根据本发明的排气管路横截面的传统排气歧管为特征。这些实施例可以以合并以在至少一个汽缸盖外部形成总排气管路的至少两个排气管路为特征。

实施例也可以以直接喷射为特征。直接喷射是用于对发动机去节流的概念，在此情况下负荷控制借助于质量调节来实现。直接到汽缸的燃烧室内的燃料的喷射被认为是用于显著减少燃料消耗的合适措施。在燃料直接喷射到燃烧室内的情况下，产生分层燃烧室充气是可能的。该分层充气能够显著地促进奥托循环工作过程的去节流，因为发动机能够借助于分层充气运转在一定程度上被稀化。分层充气特别是在当仅少量燃料要被喷射时的轻负荷下提供了热力学优点。发动机的实施例包括每个汽缸装备有用于将燃料直接喷射到汽缸内的喷射装置。

图2是发动机系统的示意图。图2描绘了带有活塞21的汽缸20。排气通过出口开口4离开汽缸20，并且行进通过离开通道3。排气通道3被连接至涡轮22。涡轮22被连接至给空气增压的压缩机23。

增压是用于增加内燃发动机的功率且同时保持扫气容积不变的适当手段，或者是用于减小扫气容积且同时保持功率相同的适当手段。增压导致体积功率输出的增加并且导致较有利的功率-重量比。如果扫气容积减小，将负荷集合朝向比燃料消耗率较低的较大负荷转变是可能的。内燃发动机的增压因此帮助努力最小化燃烧消耗，并且改善内燃发动机的效率。增压布置被提供在其中的发动机的实施例是有利的。一些实施例可以具体包括至少一个排气涡轮增压器被提供在其中的发动机，所述排气涡轮增压器包含被布置在排气排出系统中的涡轮和被布置在进气系统中的压缩机。

借助于增压的目标构造，获得关于排气排放的优点也是可能的。示例是具有合适增压的柴油发动机能够在没有任何效率损失的情况下实现较低的氮氧化合物排放。同时，碳氢化合物排放能够被积极地影响。与燃料消耗直接相关的二氧化碳的排放随着燃料消耗降低而同样减少。

对于增压，通常利用排气涡轮增压器，在排气涡轮增压器中压缩机和涡轮被布置在同一个轴上。热排气流被馈送给涡轮，热排气流在涡轮处释放能量并且使轴旋转。由排气流释放至涡轮且最终至轴的能量被用于驱动同样布置在该轴上的压缩机。压缩机输送并压缩馈送给它的增压空气，由此获得汽缸的增压。增压空气冷却器可以被提供在压缩机下游的进气系统中，其中在空气进入汽缸之前在增压空气冷却器中被冷却。然后增压空气冷却器使温度降低，并且由此增加充气空气的密度，使得冷却器也有助于汽缸的改善的增压和较大的空气质量流量。压缩通过冷却而发生。

图3示出了汽缸20和排气通道3。排气通过出口开口4行进到排气通道3内。在图1中描述的轴线系统也在图3中示出。图3示出了相对于所有三个轴线改变方向的排气通道。图3描绘了一种构造，其中行进通过通道的气体将会在弯曲以沿主y方向行进之前最初沿主z方向行进。进一步的弯曲将气体引导到由x和y两者限定的方向中。这种构造仅是本申请的一个实施例。其他实施例可以包括具有较短行进距离、较少z方向行进、较光滑曲线的形状，以及许多其他构造。

图4示出了排气通道构造的另一实施例。如能够看见的，排气通道包括光滑弧形形状，并且还包含凹形弯曲部分(curvature)。排气通道相对于所有三个轴线改变方向。z轴线未被描绘，并且将会垂直于其他两个轴线延伸到页面内。排气通道3被连接至发动机的汽缸的出口开口4，并且用于排气从汽缸中的排出。排气的流动方向由到排气通道3内的进口处和出口开口4处的箭头来进行指示。从汽缸的出口开口4开始，排气通道3沿流动方向改变其横截面。图4还图示了排气通道3的变化的横截面。该图示出了在该实施例中都将会具有不同形状的各种横截面40。其他实施例可以包括具有基本上类似的形状但是与其他通道截面不同的通道截面。在一个实施例中，横截面40中的一个在排气通道3中的一点处具有W形轮廓。

图5A-B示出了排气通道的又一实施例。图5A示出了具有横截面50-60的排气通道。在图5A中描绘的实施例示出了相对于所有轴线弯曲的排气通道。z轴线未被描绘，并且将会垂直于其他两个轴线延伸到页面内。它还示出了具有光滑曲线轮廓的通道。此外，能够看见横截面50-60中的每一个具有不同的形状。图5B示出了与图5A类似的实施例的排气通道。然而，图5B描绘了具有与图5A的横截面形状不同的横截面形状的实施例。这些横截面形状能够被视为横截面50a-60a。图5A和图5B表示能够被用来设计通过排气通道的最佳流动路径的各种实施例。具有各种弯曲和横截面的这些最佳流动路径能够被用来减少摩擦损失和排气到汽缸内的回流。

图6示出了排气通道的横截面的有可能的实施例。横截面61具有被旋转的W形轮廓，或在本实例中是W形的。基本上W形横截面61由以弧形方式延行的边缘64限定，并且具有圆形角落。横截面61具有两个侧向分支部(limb)65，所述两个侧向分支部65通过居间的中心分支部66被连接至彼此。第三分支部67从中心分支部66分叉出来，并且第三分支部67被布置在两个侧向分支部65之间。第三分支部67还可以短于两个侧向分支部65中的每一个。在外部界定中心分支部66的边缘64具有向内指向的凹陷68，所述向内指向的凹陷68被提供在与第三分支部67相对设置的侧面上。

横截面62示出了又一实施例的排气通道的横截面。仅与在横截面61中图示的实施例有关的额外特征将会被讨论。相比于横截面61，在外部处界定中心分支部66的边缘64以波状方式延行。

横截面63示出了排气通道的另一实施例的横截面。相比于横截面61，在外部处界定中心分支部66的边缘64不具有向内指向的凹陷。如在横截面61中，从中心分支部66分叉出来的第三分支部67短于两个侧向分支部65中的每一个。

图6还描绘了包含排气通道的横截面的又一实施例的横截面80-82。在横截面80-82中能够看见形状和特征的若干组合。横截面80以梯形为特征，相比于横截面80，横截面81和82以在一个或多个边缘处的波状截面为特征。形状也可以是对称的或不对称的。形状、弯曲部分和特征的许多其他组合可以被使用，以便优化通过通道的排气流动，以便减少摩擦损失和到汽缸内的回流。

这样的发动机的实施例是有利的，其中横截面具有至少一个圆形角落。已经证明，如果界定横截面的边缘不具有锋利边缘的角落而是反而以弧形方式延行，则是有利的。由于该原因，发动机的实施例包括界定横截面的边缘以弧形方式延行。

这样的发动机的实施例可以是有利的，其中界定横截面的边缘以波状方式延行，其中规则的波状轮廓和不规则的波状轮廓两者都可以是有利的。因此，发动机的一些实施例包括界定W形横截面并且在横截面的相对侧上以波状方式延行的边缘。

这样的发动机的实施例是有利的，其中横截面具有通过居间的中心分支部被连接至彼此的两个侧向分支部。其他有利的构造包括从中心分支部分叉出来的第三分支部。第三分支部也可以被布置在两个侧向分支部之间。又一实施例包括第三分支部短于两个侧向分支部中的每一个的构造。

也已经发现以凹陷为特征的横截面形状是有利的。示例是从中心分支部分叉出来的第三分支部以凹陷为特征。又一实施例包括凹陷，其向内指向并且被提供在中心分支部的与第三分支部相对设置的那侧上。

图7描绘了横截面70的可能旋转。横截面70相对于轴线71旋转。角度α描绘了横截面70相对于轴线71的旋转。图7示出了排气通道的横截面形状的可能旋转。随着排气行进通过通道，横截面形状可以相对于排气的流动方向旋转。这种旋转可以有助于优化通过通道的排气流动，以便减少摩擦损失和到汽缸内的回流。在一个实施例中，最佳角度α为≥10°。

图1至图7示出了具有各种部件的相对定位的示例构造。至少在一个示例中，如果被示为彼此直接接触或直接耦接，那么此类元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，至少在一个示例中，被示为彼此邻近或相邻的元件可以分别是彼此邻近或相邻的。作为一示例，彼此共面接触的部件放置可以被称为共面接触。作为另一示例，在至少一个示例中，被设置为彼此分开、在其之间仅有空间而没有其他部件的元件可以被称为如此。作为又一示例，被示为在彼此的上方/下方、在彼此的相对侧、或彼此的左侧/右侧的元件可以相对于彼此被如此称之。另外，如在图中示出的，在至少一个示例中，最顶部元件或元件的最顶点可以被称为部件的“顶部”，并且最底部元件或元件的最底点可以被称为部件的“底部”。如在本文中使用的，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以相对于图的垂直轴线，并且被用来描述图的元件相对于彼此的定位。因此，在一个示例中，被示为在其他元件上方的元件被定位为在其他元件的正上方。作为又一示例，在图内描绘的元件的形状可以被称为具有哪些形状(例如，诸如为圆形的、直的、平坦的、弧形的、倒圆的、倒角的、成角度的等)。另外，在至少一个示例中，被示为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。此外，在一个示例中，被示为在另一元件内或被示为在另一元件外面的元件可以被如此称之。

应认识到，在本文中所公开的配置和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变体是可能的。例如，上述技术能够应用于I-3、I-4、I-6、V-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括在本文中所公开的各种系统和构造和其他的特征、功能和/或性质的所有新颖的且非显而易见的组合和子组合。

以下权利要求具体地指出被认为是新颖的且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在这个或关联申请中提出新的权利要求而要求保护。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不相同，都被认为包括在本公开的主题内。

Claims (18)

1.一种发动机，其包含汽缸盖和汽缸；

所述汽缸具有出口开口，所述出口开口被连接至排气通道；

所述排气通道具有沿流动方向改变的横截面；以及

所述横截面在一位置处具有W形轮廓；

其中所述横截面具有两个侧向分支部，所述两个侧向分支部通过居间的中心分支部连接至彼此，并且第三分支部从所述中心分支部分叉出来，并且所述第三分支部被布置在所述两个侧向分支部之间。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述横截面具有圆角。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中所述排气通道的一部分包括弯曲部分。

4.根据权利要求3所述的发动机，其中所述横截面的一部分包括波状形状。

5.根据权利要求1所述的发动机，其中所述第三分支部短于所述两个侧向分支部中的每一个。

6.根据权利要求1所述的发动机，其中所述横截面的边缘具有凹陷。

7.根据权利要求3所述的发动机，其中所述横截面被布置在所述汽缸盖内。

8.根据权利要求7所述的发动机，其具有至少两个排气通道，其中所述至少两个排气通道合并以形成在所述汽缸盖内的总排气通道。

9.根据权利要求3所述的发动机，其中提供了排气涡轮增压器，所述排气涡轮增压器至少包含被连接至所述排气通道的涡轮。

10.根据权利要求3所述的发动机，其中所述横截面的形状相对于所述排气通道的纵向轴线旋转一角度。

11.一种发动机，其包含：

汽缸；

汽缸盖，所述汽缸盖包括排气通道；

所述排气通道具有相对于活塞的纵向轴线和垂直于所述纵向轴线的轴线改变方向的弯曲部；以及

所述弯曲部具有沿着所述弯曲部的长度连续改变的横截面；

其中所述横截面具有两个侧向分支部，所述两个侧向分支部通过居间的中心分支部连接至彼此，并且第三分支部从所述中心分支部分叉出来，并且所述第三分支部被布置在所述两个侧向分支部之间。

12.根据权利要求11所述的发动机，其进一步包括多个汽缸、多个汽缸盖和多个排气通道。

13.根据权利要求12所述的发动机，其中所述多个排气通道的横截面形状相对于所述排气通道的纵向轴线旋转。

14.根据权利要求13所述的发动机，其中所述排气通道具有多个弯曲部。

15.根据权利要求11所述的发动机，其中所述横截面在一位置处具有梯形形状轮廓。

16.一种发动机，其包含：

汽缸和汽缸盖；

所述汽缸盖包括排气通道；

所述排气通道相对于活塞的纵向轴线、垂直于所述纵向轴线并且延伸通过汽缸组的轴线，以及垂直于上述两个轴线的轴线改变方向；以及

所述排气通道具有沿排气的流动方向改变的不对称横截面；

其中所述横截面具有两个侧向分支部，所述两个侧向分支部通过居间的中心分支部连接至彼此，并且第三分支部从所述中心分支部分叉出来，并且所述第三分支部被布置在所述两个侧向分支部之间。

17.根据权利要求16所述的发动机，其中多个排气通道合并以形成较少数量的通道。

18.根据权利要求17所述的发动机，其中随着所述排气通道延伸远离所述汽缸，所述横截面相对于所述排气通道的纵向轴线旋转一角度。

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