CN110730859A

CN110730859A - 用于冷却发动机活塞的喷嘴

Info

Publication number: CN110730859A
Application number: CN201780091904.1A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉斯·格拉诺捷; 凯瑟琳·屈尼耶
Original assignee: Volvo Truck Corp
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: WO2019008409A1; EP3649333B1; EP3649333A1; EP3649333C0; US11300019B2; CN110730859B; US20210246815A1

Abstract

本发明涉及一种用于发动机活塞的冷却射流喷嘴(10)。喷嘴(10)包括：冷却流通路(14)，其中，该通路的内部截面尺寸沿着该通路的长度变化；和柱塞(28)，其位于所述冷却流通路内，以撞击在所述通路内接收的冷却进料流，从而提供冷却射流。柱塞(28)能够在该通路内轴向地移动，以调节所述冷却射流的内部截面尺寸。

Description

用于冷却发动机活塞的喷嘴

技术领域

本发明涉及一种冷却射流喷嘴，并且尤其涉及一种用于冷却发动机活塞的油射流喷嘴。本发明还涉及一种发动机，该发动机包括用于冷却至少一个发动机活塞的至少一个冷却射流喷嘴。本发明还涉及一种用于冷却发动机的方法，并且尤其涉及一种用于提供具有预定速度和/或压力的冷却射流的方法。

本发明可以应用于具有内燃发动机的车辆，例如卡车、公共汽车和建筑装备。

背景技术

在运行期间，发动机的活塞被加热。为了提供发动机的高效运转，对活塞进行冷却是有益的。通常，油射流可以用来帮助冷却活塞。在发动机运行期间，油射流通常被喷射到活塞下侧的通道中，以便冷却活塞，这又降低了燃烧室的温度。结果，油射流提高了发动机的效率，并且有助于发动机产生更多动力，同时还润滑了活塞，从而提高了发动机的耐用性和寿命。

为了给活塞提供足够的冷却，需要以足够高的射流速度向活塞提供油射流。特别地，需要以至少等于活塞速度的射流速度提供油射流。然而，射流速度取决于油流速(即取决于泵的速度)，而油流速本身取决于发动机的速度。在高发动机速度下，与低发动机速度下的流速相比，油流速增加了，然而，油射流的速度并不随活塞的速度成比例地增加。这就是为什么在高发动机转速下所述油射流的速度不足以为活塞提供足够的冷却。因此，常规的射流喷嘴很难提供能够用于跨发动机速度范围、特别是在高速下高效冷却活塞的油射流。

发明内容

本发明的实施例的一个目的是提供一种喷嘴，其能够提供冷却射流，例如油射流，以跨发动机速度范围、特别是在高速下提供对发动机的活塞的高效冷却。

本发明的实施例的另一个目的是提供一种射流喷嘴，其能够提供具有预定射流速度和/或压力的冷却射流(例如油射流)，该预定射流速度和/或压力可以独立于冷却流的流速来实现。

本发明的实施例的另一个目的是提供一种射流喷嘴，其能够被调节以仅在需要时提供具有预定射流速度和/或压力的所需的冷射流或油射流，以便提供更经济且高效的冷却系统。

根据本发明的第一方面，这些目的中的至少一些目的可以通过用于冷却发动机活塞的冷却射流喷嘴来实现，其中，该喷嘴包括：

冷却流通路，其中该通路的内部截面尺寸沿着该通路的长度变化；和

柱塞，该柱塞位于冷却流通路内，以撞击在所述通路内接收的冷却进料流，从而提供冷却射流，其特征在于，该柱塞能够轴向地移动，以便调节所述冷却射流的内部截面尺寸。

在一个实施例中，该柱塞能够响应于冷却进料流的压力而在所述通路内轴向地移动。例如，该柱塞可以直接响应于所述压力而移动。

通过提供冷却射流喷嘴，该喷嘴可以跨发动机的不同运行参数范围提供具有必要的速度和/或压力和/或体积的冷却射流，以便提供对活塞的、改进的且高效的冷却，该冷却射流喷嘴具有通路(其中该通路的内部截面尺寸沿着该通路的长度变化)以及在该通路内的轴向可移动的柱塞。

根据一个实施例，该冷却流通路优选与冷却流入口和冷却射流出口连通并在冷却流入口和冷却射流出口之间延伸。该入口和出口优选地轴向对准，并且设置在该喷嘴的相反两端处。

该冷却流入口优选与冷却进料流源连通。

根据一个实施例，该柱塞优选位于冷却射流喷嘴的出口处或附近。在一个实施例中，该柱塞基本居中地位于所述通路内。特别地，该柱塞基本居中地位于在该喷嘴内形成所述通路的相对壁之间。

该柱塞优选能够在基本平行于冷却进料流的流动方向(特别是冷却进料流从所述入口朝向出口流动的方向)延伸的方向上轴向地移动。在一个实施例中，该喷嘴可以包括在冷却进料流入口与冷却射流出口之间延伸的纵长的冷却流通路。该柱塞优选能够在基本平行于所述纵长的冷却流通路的纵向轴线延伸的方向上轴向地移动。

该柱塞优选能够在第一打开位置与至少一个第二打开位置之间移动，该第一打开位置用于提供具有第一内部截面尺寸的第一冷却射流，该第二打开位置用于提供具有第二内部截面尺寸的第二冷却射流。冷却射流的第一内部截面尺寸大于冷却射流的第二内部截面尺寸。

术语“冷却射流的内部截面尺寸”在本文中用于指当在所述喷嘴的冷却流通路内产生冷却射流时、该冷却射流的截面表面积。

根据一个实施例，该柱塞被弹性地偏压远离喷嘴出口。例如，该柱塞优选被弹性地朝向第一打开位置偏压。该喷嘴还可以包括弹性偏压构件，例如弹簧，其被布置成将柱塞弹性地偏压远离喷嘴出口而朝向第一打开位置。该弹性偏压构件(例如弹簧)优选位于所述出口处或附近。

该通路可以由与第二圆柱形通路部连通的第一圆柱形通路部提供。第一圆柱形通路部和第二圆柱形通路部可以轴向地对准。第二圆柱形部可以提供射流喷嘴出口。第一圆柱形通路部可以为冷却进料流提供入口。第一圆柱形通路部可以具有第一内部截面尺寸，并且第二圆柱形通路部可以具有第二内部截面尺寸。优选地，在第一内部截面尺寸与第二内部截面尺寸之间存在变化。在后一种情况下，第一圆柱形通路部的第一内部截面尺寸优选大于第二圆柱形通路部的第二内部截面尺寸。

根据一个实施例，该柱塞能够在第一打开位置与第二打开位置之间移动，在第一打开位置，该柱塞位于第一圆柱形通路部内，以在第二圆柱形通路部内提供具有第一内部截面尺寸的第一冷却射流，在第二打开位置，该柱塞被至少部分地接合在第二圆柱形通路部内，以在第二圆柱形通路部内提供具有第二内部截面尺寸的第二冷却射流。第一冷却射流的第一内部截面尺寸大于第二冷却射流的第二内部横截面尺寸。在第一打开位置，该柱塞优选被完全接合在第一圆柱形通路部内。

根据一个实施例，该柱塞能够在第一打开位置与第二打开位置之间移动，在第一打开位置，该柱塞位于第一圆柱形通路部内，以在第二圆柱形通路部内提供具有第一内部截面尺寸的第一冷却射流，在第二打开位置，该柱塞被完全接合在第二圆柱形通路部内，以在第二圆柱形通路部内提供具有第二内部截面尺寸的第二冷却射流。第一冷却射流的第一内部截面尺寸大于第二冷却射流的第二内部截面尺寸。

根据一个实施例，该柱塞具有纵长部，该纵长部具有与所述通路的纵向轴线基本对准的纵向轴线。该柱塞可以包括锥形轮廓。该柱塞可以沿着柱塞的长度呈锥形，或者它可以包括锥形部。该柱塞或该柱塞的锥形部的截面尺寸优选在基本平行于冷却射流的流动方向延伸的方向上增加。例如，该柱塞或柱塞的一部分可以从位于所述通路的出口附近的第一端朝向相反的第二端向内呈锥形。

根据后一实施例，该柱塞能够在第一打开位置与第二打开位置之间移动，使得：在该柱塞的第二打开位置，至少该柱塞的具有最大外径的部分被接合在第二圆柱形通路内。

该柱塞具有位于射流喷嘴出口侧的第一轴向端，并且射流喷嘴出口具有内径。在本发明的优选实施例中，在该柱塞的第二打开位置，柱塞的第一轴向端位于离射流外部出口的一定距离处，该距离小于射流喷嘴出口的内径的一半。更优选地，该柱塞的第一轴向端位于离射流外部出口的一定距离处，该距离小于射流喷嘴出口的内径的四分之一。柱塞的第一轴向端与射流外部出口之间的该距离是在冷却射流的流动方向上测量的，也就是说，是沿着柱塞或所述通路的纵向轴线测量的。

该喷嘴优选是油射流喷嘴。

根据本发明的第二方面，上述目的中的至少一些目的可以通过包括至少一个发动机活塞和至少一个如本文中描述的冷却射流喷嘴的发动机来实现，其中每个活塞均与喷嘴的冷却射流出口连通。

根据本发明的第三方面，上述目的中的至少一些目的可以通过用于提供具有预定速度和/或压力的冷却射流的方法来实现，该方法的特征在于以下步骤：

将冷却进料流供给到本文中描述的喷嘴的冷却流通路中；和

在喷嘴的所述通路内产生具有预定速度和/或压力的冷却射流，其中，该冷却射流具有取决于柱塞在所述通路内的位置的内部截面尺寸。

根据本发明的第四方面，上述目的中的至少一些目的可以通过用于降低至少一个发动机活塞的温度的方法来实现，该方法的特征在于以下步骤：

将冷却进料流供给到本文中描述的喷嘴的通路中；

在喷嘴的所述通路内产生具有预定速度和/或压力的冷却射流，其中，该冷却射流具有取决于柱塞在所述通路内的位置的内部截面尺寸；和

使用具有预定速度和/或压力的所述冷却射流来降低至少一个发动机活塞的温度。

柱塞在所述通道内的位置可以取决于冷却进料流的压力。

在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的进一步的优点和有利特征。

附图说明

参考附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。

在这些图中：

图1是根据本发明的一个实施例的冷却射流喷嘴的透视图的示意图；

图2是当柱塞处于第二打开位置时、图1的冷却射流喷嘴的截面视图的示意图；

图3是当柱塞处于第一打开位置时、图1的冷却射流喷嘴的截面视图的示意图；

图4是本发明的冷却射流喷嘴相对于发动机活塞的位置的一个示意图；并且

图5是本发明的冷却射流喷嘴相对于发动机活塞的位置的另一个示意图。

具体实施方式

参照图1至图3，根据本发明的所示出的实施例，冷却射流喷嘴10包括纵长的圆柱形部12，该圆柱形部12包括内部冷却流通路14。内部冷却流通路14在设置于第一端22处的冷却进料流入口20与位于圆柱形部12的相反的第二端18处的冷却射流出口16之间延伸。

入口20和出口16都是大致圆形形状的，并且彼此轴向对准。通路14的纵向轴线与入口20和出口16中的每一个的中心对准，并且在入口20和出口16之间延伸。然而，应当理解，通路14可以在任何合适的方向上延伸，并且不限于所示出的实施例，在所示出的实施例中，通路14在入口20与出口16之间轴向地延伸。

内部冷却流通路14包括第一圆柱形通路部24和第二圆柱形通路部26。第二圆柱形通路部26提供喷嘴出口16。第二圆柱形通路部26提供进料流入口20。第一圆柱形通路部24和第二圆柱形通路部26轴向对准，并且彼此连通以提供通路14。通路14的纵向轴线延伸穿过第一圆柱形通路部24和第二圆柱形通路部26中的每一个的中心点。

在图1至图3中所示的实施例中，第一通路部24具有内部横截面尺寸A-A'，该内部横截面尺寸A-A'大于第二通路部26的内部横截面尺寸B-B'。

如图1至图3中所示的本发明的喷嘴的通路沿着该通路的长度提供了截面尺寸的阶梯式变化。应当理解，该通路可以包括任意数目的通路部，从而在沿着该通路的长度的任何合适位置处提供了该通路的横截面尺寸的任意数目的变化。

本发明的喷嘴10还包括位于纵长的圆柱形部12的通路14内的柱塞28。

柱塞28在圆柱形部12的第二端18处邻近冷却射流出口16定位。柱塞28基本居中地位于在圆柱形部12内形成通路14的相对壁之间。柱塞28能够在圆柱形部12的通路14内轴向地移动。

如图1至图3中所示，柱塞28具有位于圆柱形部12的第二端18附近的第一端30。柱塞28具有相反的朝向圆柱形部12的第一端20定位的第二端32。从图1至图3可以看出，柱塞28是纵长形式的。柱塞28的纵向轴线与通路14的纵向轴线对准。柱塞28具有大致圆柱形形状，其朝向柱塞28的第二端32向内呈锥形。应当理解，该柱塞可以具有任何合适的形状，并且不限于具有锥形端部的大致圆柱形形状。柱塞28例如可以沿着柱塞28的基本整个长度从第一端30朝向第二端32向内呈锥形。

从图2和图3中可以看出，柱塞28能够在通路14内轴向地移动。特别地，柱塞28能够在通路14内、在基本与通路14的纵向轴线及柱塞的纵长的圆柱形部12的纵向轴线平行地延伸的方向上轴向地移动。柱塞28能够在通路14内、在基本与供应到纵长的圆柱形部12的入口20的冷却进料流的流动方向平行地延伸的方向上轴向地移动。

喷嘴10还包括在喷嘴10的第一端18处邻近射流出口16定位的弹簧构件34。应当理解，该弹簧构件可以是被布置成在朝向第一通路部24的方向上偏压柱塞28的任何弹性偏压构件。

在向本发明的喷嘴供应冷却进料流之前，弹簧34向柱塞28的第一端30提供足够的偏压力，以确保柱塞28位于通路14的第一圆柱形通路部24内。该位置在本文中被称为第一打开位置。

如图4和图5中所示，本发明的冷却射流喷嘴位于发动机的活塞附近。优选地，该发动机包括多个冷却射流喷嘴10，使得每个冷却射流喷嘴位于发动机的一个单独的活塞附近。

在使用中，冷却进料流通过进料流入口20被提供并进入本发明的喷嘴10的冷却流通路14中。该冷却进料流优选为油。然而，应当理解，该进料流可以包括任何合适的冷却剂，并且不限于油。

随着该冷却进料流通过通路14，它撞击位于第二打开位置的柱塞28的第二端32。柱塞28在撞击期间受到的力取决于该冷却进料流的流速。由于进料流的冲击而施加到柱塞28的第二端32的力可能足以引起柱塞28朝向喷嘴出口16的轴向移动。

如图1和图3中所示，当发动机以低速运行时，油以低速被提供到喷嘴10的通路14中。由于该进料流的低速度，在与柱塞28撞击时提供的力太低而无法克服由弹簧34提供的偏压力，从而无法使柱塞28移动超过第一圆柱形部24。因此，柱塞28在第一圆柱形部24内保持在第一打开位置。当油撞击柱塞28时，在第二圆柱形通路部26内形成第一油射流。

相比之下，如图2中所示，当发动机以高速运行时，油以高速被提供到喷嘴10的通路14中。当油撞击时，在与柱塞28撞击时提供的力足以克服由弹簧34提供的偏压力，因此引起柱塞28在基本平行于冷却进料流的流动方向延伸的方向上的轴向移动。在与该进料流碰撞时，柱塞28在进料流的方向上朝向喷嘴出口16移动。因此，柱塞28从在第一圆柱形通路部24内的第一打开位置移动直到柱塞28被接合在第二圆柱形通路部26内的位置。如图2中所示，该位置被称为柱塞的第二打开位置。在柱塞的第二打开位置，在第二圆柱形通路部26内形成第二油射流。

在第二圆柱形通路部26内，第二油射流(当发动机高速运行时产生的，图2)具有比第一油射流(当发动机以低速运行时在第二圆柱形通路部26内产生的；图3)小的内部截面尺寸。在第二打开位置，通过减小射流形成点处的截面尺寸，从给定速度的进料流获得的射流速度和/或压力增加了。通过确保该通路的在形成射流的点处(即，在第二圆柱形通路部26内)的截面尺寸被减小而高于给定流速，且因此在第二圆柱形通路部26内产生其截面尺寸与第一油射流相比减小的第二油射流，该喷嘴确保了当发动机以高速运行时能够产生具有足够的射流速度的射流。

换句话说，当发动机以高速运行时，该喷嘴能够确保产生具有比在低速下产生的第一油射流小的内部截面尺寸的油射流(第二油射流)，以便提供具有比在低速下产生的第一油射流高的喷射速度的第二油射流。

在如图2中所示的柱塞28的第二打开位置，该柱塞被至少部分地接合在第二圆柱形通路26内。在图1至3的实施例中，柱塞28的截面直径在基本平行于冷却射流的流动方向延伸的方向上增加。优选地，并且如图2中所示，为了获得对第二油射流的速度的有益效果，至少柱塞28的具有最大外径G的部分被接合在第二圆柱形通路26内。在其中柱塞处于第二打开位置的一种变型中，柱塞28可以完全被接合在第二圆柱形通路26内。

在本发明的优选布置中，在柱塞28的例如图2中所示的第二打开位置，柱塞28的第一端30位于离射流外部出口16的距离L处，其中该距离L小于射流喷嘴出口16内径d的一半。更优选地，该柱塞的第一轴向端30位于离射流外部出口的距离L处，该距离L小于射流喷嘴出口16的内径d的四分之一。该柱塞的第一轴向端与射流外部出口之间的距离L是在冷却射流的流动方向上测量的，也就是说，是沿着柱塞28或通路14的纵向轴线测量的。柱塞28的第一端30与射流外部出口之间的距离L应尽可能短，以限制柱塞的第一端30与射流外部出口16之间的射流速度的损失。小于射流喷嘴出口16的内径d的一半的距离L对从冷却射流喷嘴16出来的射流的速度影响较小。

该柱塞在喷嘴的通路14内的位置被描述为直接取决于所进入的冷却进料流的压力(因为该进料流直接作用在偏压弹簧上以使柱塞移动)。然而，本领域技术人员将会理解，该位置可以被间接控制。例如通过响应于发动机的冷却要求的调节机构。例如，可以感测进料流压力并将该压力提供给调节柱塞的位置的控制系统。

因此，本发明的喷嘴能够为跨一系列不同的条件而运行的发动机提供冷却射流，该喷嘴具有改进的射流速度和/或压力和/或截面尺寸，特别是横截面尺寸。

因此，本发明的喷嘴能够跨一系列不同的运行条件而提供对发动机的活塞的、改进的且更高效的冷却。

应当理解，本发明不限于上文所述和附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将意识到，在所附权利要求书的范围内可以进行许多修改和变型。

Claims

1.一种用于发动机活塞的冷却射流喷嘴(10)，其中所述喷嘴(10)包括：

-冷却流通路(14)，其中所述通路(14)的内部截面尺寸沿着所述通路(14)的长度变化；和

-柱塞(28)，所述柱塞(28)位于所述冷却流通路(14)内，以撞击在所述通路(14)内接收的冷却进料流，从而提供冷却射流，其特征在于，所述柱塞(28)能够轴向地移动，以便调节所述冷却射流的内部截面尺寸。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述柱塞(28)位于所述冷却射流喷嘴的出口(16)处或附近。

3.根据权利要求1和2中的任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述柱塞(28)基本居中地位于形成所述通路(14)的相对壁之间。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述柱塞(28)能够在基本平行于所述冷却进料流的流动方向延伸的方向上轴向地移动。

5.根据任一前述权利要求所述的喷嘴，其特征在于，所述柱塞(28)能够在第一打开位置与至少一个第二打开位置之间移动，所述第一打开位置用于提供具有第一内部截面尺寸的第一冷却射流，所述第二打开位置用于提供具有第二内部截面尺寸的第二冷却射流，并且其中，所述第一内部截面尺寸大于所述第二内部截面尺寸。

6.根据权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述柱塞(28)被朝向所述第一打开位置弹性地偏压。

7.根据权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴(10)还包括弹性偏压构件(34)，所述弹性偏压构件(34)被布置成在朝向所述第一打开位置的方向上弹性地偏压所述柱塞(28)。

8.根据任一前述权利要求所述的喷嘴，其特征在于，所述冷却流通路(14)由与第二圆柱形通路部(26)连通的第一圆柱形通路部(24)提供，其中所述第二圆柱形部(26)提供射流喷嘴出口(16)，并且其中，所述第一圆柱形通路部(24)具有第一内部截面尺寸，并且其中，所述第二圆柱形通路部(26)具有第二内部截面尺寸，其中所述第一内部截面尺寸大于所述第二内部截面尺寸。

9.根据权利要求8所述的喷嘴，其特征在于，所述柱塞(28)能够在第一打开位置与第二打开位置之间移动，在所述第一打开位置，所述柱塞(28)位于所述第一圆柱形通路(24)内，以在所述第二圆柱形通路部(26)内提供具有第一内部截面尺寸的第一冷却射流，在所述第二打开位置，所述柱塞(28)被至少部分地接合在所述第二圆柱形通路(26)内，以在所述第二圆柱形通路部(26)内提供具有第二内部截面尺寸的第二冷却射流，其中所述第一内部截面尺寸大于所述第二内部截面尺寸。

10.根据权利要求9所述的喷嘴，其特征在于，所述柱塞(28)能够在第一打开位置与第二打开位置之间移动，在所述第一打开位置，所述柱塞(28)位于所述第一圆柱形通路(24)内，以在所述第二圆柱形通路部内提供具有第一内部截面尺寸的第一冷却射流，在所述第二打开位置，所述柱塞(28)被完全接合在所述第二圆柱形通路(26)内，以在所述第二圆柱形通路部内提供具有第二内部截面尺寸的第二冷却射流，其中所述第一内部截面尺寸大于所述第二内部截面尺寸。

11.根据任一前述权利要求所述的喷嘴，其特征在于，所述柱塞(28)的截面尺寸在基本平行于所述冷却射流的流动方向延伸的方向上增加。

12.根据权利要求9和11所述的喷嘴，其特征在于，在所述柱塞(28)的所述第二打开位置，至少所述柱塞(28)的具有最大外径(G)的部分被接合在所述第二圆柱形通路(26)内。

13.根据权利要求9至12中的任一项所述的喷嘴，其中，所述柱塞(28)具有位于所述射流喷嘴出口(16)侧的第一轴向端(30)；所述射流喷嘴出口(16)具有内径(d)，并且其特征在于，在所述柱塞(28)的所述第二打开位置，所述第一轴向端(30)位于离所述射流外部出口(16)的一定距离(L)处，所述距离(L)小于所述内径(d)的一半，所述距离(L)优选小于所述内径(d)的四分之一，其中，所述距离(L)是在所述冷却射流的流动方向上测量的。

14.根据任一前述权利要求所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴(10)是油射流喷嘴。

15.一种发动机，其包括至少一个发动机活塞和至少一个根据任一前述权利要求所述的喷嘴(10)，其中每个活塞均与所述喷嘴(10)的冷却射流出口连通。

16.一种用于提供具有预定速度和/或压力的冷却射流的方法，其特征在于以下步骤：

-将冷却流供给到根据权利要求1至14中的任一项所述的喷嘴(10)的所述冷却流通路(14)中；和

-在所述喷嘴(10)的所述通路(14)内产生具有预定速度的冷却射流，其中所述冷却射流具有取决于所述柱塞(28)在所述通路(14)内的位置的内部截面尺寸。

17.一种用于冷却至少一个发动机活塞的方法，其特征在于以下步骤：

-将冷却流供给到根据权利要求1至14中的任一项所述的喷嘴(10)的所述冷却流通路(14)中；

-在所述喷嘴(10)的所述通路(14)内产生具有预定速度和/或压力的冷却射流，其中所述冷却射流具有取决于所述柱塞(28)在所述通路(14)内的位置的内部截面尺寸；和

-使用具有预定速度和/或压力的所述冷却射流来冷却至少一个发动机活塞。