CN115643807A - 内燃发动机的气缸盖 - Google Patents

Abstract

一种气缸盖包括针对所述气缸盖的底切、外壳轮廓、冷却剂套和所述外壳内的其它腔的新颖设计。所述气缸盖设计能够减轻所述盖的重量同时保持所述盖的结构完整性，并改进对所述盖的进气侧和排气侧区域的温度控制，从而提高所述发动机的操作效率。提供了一种用于包括所公开的设计的所述气缸盖的增材制造方法。

Description

内燃发动机的气缸盖

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求2020年5月20日提交的第63/027,604号美国临时专利申请的优先权，所述申请出于所有目的以全文引用的方式并入本文。

关于联邦政府赞助研究或开发的声明

本发明是根据DOE授予的DE-EE0007761在政府支持下完成的。政府享有本发明中的某些权利。

技术领域

本技术领域涉及内燃发动机。更具体地，本领域涉及内燃发动机的气缸盖的设计改进。内燃发动机可以是使用例如柴油燃料或汽油的液体燃料的发动机。不排除使用其它类型的合适的液体燃料或气体燃料，例如天然气，或上述任何一种的合适组合。

背景技术

内燃发动机的燃料效率需要不断改进。提高燃料效率的一种方法是减轻用于为车辆提供动力的内燃发动机部件的重量。传统气缸盖的设计方式通常无法实现减轻重量以允许改进发动机的燃料效率，同时还保持足够的结构强度和密封完整性的目标。

在防止进入的增压空气再加热(IVC处的空气温度较低)和排气热损失(较大的排气热能)方面也需要不断改进。进气中增压空气温度较低的益处包括：降低进气阀关闭时的温度并提高容积效率；减少氮氧化物排放；以及提高开式循环效率(如果在调整空气处理时考虑)。增加排气中的能量的益处包括：提高开式循环效率和/或增加空燃比；涡轮增压调整为适应能量增加的匹配要求更灵活；在低BMEP下提高后处理性能；以及通过减少发动机预热时间来辅助瞬态响应。

热障涂层、塑料进气套筒、金属排气套筒、陶瓷和双壁(气隙)技术都已经用于减少气缸盖中的热传递。热障涂层无法单独提供宏观层面的热传递变化，套筒不能对准发生最多热传递的端口的最热部分，而陶瓷可能难以用于制造盖。气缸盖设计需要不断改进。

发明内容

在本文公开的实施方案中，气缸盖包括针对底切、外壳轮廓、冷却剂套和外壳内的其它腔的新颖设计，从而能够在保持盖的结构完整性的同时减轻盖的重量。这些设计可以采用跨接管来改进外壳外部的热传递。这些设计有助于改进对盖的进气侧区域和排气侧区域的温度控制，从而提高发动机的操作效率。本文描述的气缸盖的实施方案减少了从/至发动机中的进气、排气和燃烧流的不需要的热传递，从而允许更高的系统制动热效率。

虽然公开了多个实施方案，但是本领域技术人员从示出和描述本发明的示例性实施方案的以下详细描述中将明白本发明的其它实施方案。

附图说明

通过参考结合附图对本公开的实施方案的以下描述，本公开的上述和其它特征以及获得它们的方式将变得更加明显并且将更好地理解本公开本身，附图中：

图1是根据本公开的实施方案的示例性气缸盖的一部分的排气侧透视图。

图2是根据本公开的实施方案的示例性气缸盖的一部分的剖切俯视图。

图3是根据本公开的实施方案的示例性气缸盖的一部分的剖切俯视图。

图4是沿着图3的线IV-IV截取的截面图，示出气缸盖和附接的排气跨接管的实施方案。

图5是根据本公开的实施方案的形成于气缸盖中的腔的图示的俯视平面图。

图6是图5的腔的图示的仰视图。

图7是示出根据本公开的实施方案的形成于气缸盖中的所选腔的图示的侧视局部截面图。

图8是图6的视图的放大部分，其中线指示密封区域和力箭头。

图9是根据本公开的实施方案的形成于气缸盖中的冷却剂套的图示的剖切仰视图。

图10是图9的视图的一部分的放大视图。

图11是图9的冷却剂套的图示的侧面透视图。

图12是示出图9的冷却剂套中的冷却剂流动的方向和速度的示意图。

图13是根据本公开的实施方案的截面中的温度水平的示意图。

图14是比较图4的排气口与相关技术的排气口的表面积的图。

图15A和图15B是比较相关技术和根据本公开的实施方案的进气口区域中的冷却剂域和相对温度的图。

虽然本发明适于各种修改和替代形式，但在附图中以示例的方式示出且在下文中详细描述了具体实施方案。然而，并不意在将本发明限于所描述的特定实施方案。相反，本发明意在涵盖落在如由所附权利要求书界定的本发明的范围内的所有修改、等效物和替代物。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考构成本发明一部分的附图，其中通过图解的方式示出了可以实践本发明的特定实施方案。以足够的细节对这些实施方案进行描述，以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且应理解，可以使用其它实施方案并且可以作出结构变化而不偏离本发明的范围。因此，以下详细描述不以限制意义呈现，并且本发明的范围由所附权利要求书及其等效物限定。

图1是根据本公开的实施方案的示例性气缸盖的一部分的排气侧透视图。图1未示出上壁120和盖的上部部分的一部分；这些以半透明的形式描绘，以便将它们剖切以显示内部结构和孔。气缸盖可以具有用于容纳发动机其它部分的插入的孔，包括容纳燃料喷射器的插入的喷射器孔102，所述燃料喷射器定位成将燃料供给到当盖固定至发动机缸体时形成的燃烧室。盖100可以用于具有多个燃烧室(通常为2、4、6、8或16个室，图1的实例中示出六个)的发动机，具有覆盖多于一个燃烧室的“平板”类型盖的性质。然而，本文公开的一些有利的发明特征也可以应用于设计成覆盖一个燃烧室的“单元”类型盖。

对于每个燃烧室，盖包括具有用于固定进气阀412(见图4)的孔性质的进气阀座104，以及具有用于固定排气阀402(见图4)的孔性质的排气阀座106。盖包括多个紧固件孔108，所述紧固件孔可以形成于紧固件凸台110中以用于接收例如紧固件螺栓410(见图4)的紧固件的插入，所述紧固件在接合状态下将气缸盖100紧固至发动机的气缸体。

如在本公开中使用，“一个或多个凸台”是指部分或完全围绕紧固件螺栓所插入的紧固件孔的结构。术语“一个或多个凸台”在本文中使用，不管所讨论的结构是否突出到表面之外。

盖100具有排气侧壁112。排气侧壁112形成盖100的主体的外壳的一部分，其中外壳的其它主要部分由上壁120、构造成紧固至发动机缸体的底板侧壁416和进气侧壁202形成。

如图1中看到，在实施方案中，排气侧壁112可以包括形成于排气侧壁中的至少一个凹陷区域或凹部116。凹部位于排气出口114附近。如将在其它视图中看到，凹陷区域或凹部116构造成使得排气出口114邻近形成于气缸盖中的排气阀引导件400设置。

图2是根据本公开的实施方案的示例性气缸盖的一部分的剖切俯视图。图2示出从盖100上方看的视图，并且没有示出上壁120和盖的上部部分的部分；这些已被切掉以显示内部孔和结构的轮廓。这里，从上方看，可以看到外壳的进气侧壁202。可以看到形成于排气侧壁112中的凹部116。凹部116朝向由盖100的纵向轴线X限定的平面向内延伸，使得排气出口114可以邻近于或尽可能靠近排气阀引导件400(见图4)形成。以此方式，凹部116有助于缩短排气口422(见图4)的长度。这种缩短又有助于减少从穿过排气口422的排气到形成盖100的材料(金属)中的热传递。

图2示出一系列箭头F1、F2、F3，它们表示当例如螺栓410的紧固件处于将盖100密封到发动机的发动机缸体的接合位置时由所述紧固件的紧固施加的主要结构力的位置。(可选地，可以在盖与缸体之间插入密封层)。例如，箭头F1、F1(在图2的视图中示为上下箭头)各自在两个紧固件凸台110、110之间延伸，这两个紧固件凸台都设置在两个相邻喷射器孔102、102之间。喷射器孔102、102中的每一个设置在两个相邻燃烧室中的一个上方。此位置的每个箭头F1指示当螺栓410在接合状态下处于凸台110中时，在插入位于箭头F1的每一端的两个凸台110、110中的紧固件410之间共享密封力的接触压力平衡。

在实施方案中，两个紧固件凸台各自在接合状态下设置于两个相邻燃烧室之间，所述紧固件凸台可以包括形成于两个紧固件凸台的底板侧上的凸台切口，使得在插入两个凸台中的紧固件之间共享密封力的接触压力平衡。盖100可以包括设置在盖100的两个紧固件凸台110、110之间的梁结构200，使得梁200加强定位在图2中所引用的两个紧固件凸台110、110之间的盖部分。在图2中，可以看到在力箭头F1下方描绘的梁结构200。箭头F2、F2(在图2中示为左右箭头)表示由例如螺栓410的紧固件在相应凸台110与其相邻的凸台110之间的紧固所施加的结构力的位置，每个凸台沿着盖100的纵向轴线X设置在喷射器孔102的相应侧上。箭头F3、F3(在图2中示为对角线箭头)表示由例如螺栓410的紧固件在相应凸台110与其相应喷射器孔102之间的紧固所施加的结构力的位置。

图3是根据实施方案的示例性气缸盖的一部分的另一剖切俯视图。如图2一样，图3示出从盖100上方看的视图，并且没有示出上壁120和盖的上部部分的部分；这些已被切掉以显示内部孔和结构的轮廓。图3更具体地示出当此类螺栓410接合在其相应凸台110中以将盖100紧固至缸体时由螺栓410中的每一个在径向方向上施加的密封力F4、F4的位置。

图4是沿着图3的线IV-IV截取的盖100的截面图。图4示出带有附接的排气跨接管404的气缸盖100的实施方案。如上文所解释，盖100的排气侧壁112包括向内延伸以与排气出口114会合的多个凹陷区域或凹部116。以此方式，凹部允许在靠近、邻近和/或尽可能接近容纳往复式排气阀402的排气阀引导件400的位置处形成排气出口114。以此方式，凹部116有助于缩短排气口422的长度，从而缩短排气口114与排气阀座106之间的距离。这种缩短有助于减少从穿过排气口422的排气到形成盖100的材料(即，金属)中的热传递。因为当排气经由排气出口114离开盖100时较少的金属暴露于热排气，所以减少了热传递。排气出口114包括用于与跨接管404的近端406流体连接的构件。跨接管404被构造成从盖100的外壳延伸，这在此位置由排气侧壁112中的凹部116限定。跨接管404延伸到跨接管404的远端408，所述远端被构造成流体连接至发动机的排气歧管(未示出)。跨接管404可以包括特征，例如用于将管固定至排气歧管的构件(例如，如图所示的螺栓孔)和/或用于隔离跨接管以限制热传递到跨接管外部的环境的构件(例如，图4中所示的跨接管外衬)。

图4中还示出安装于进气阀座104中的进气阀412的一部分。进气阀的往复运动控制充气通过进气口或通道414的进入。充气通常可以包括进气、燃料/空气混合物和EGR气体中的一种或多种。进气通道414可以具有形成于盖的进气侧壁202中的进气入口(图4中未示出)。螺栓410的头部分在接合状态下示出，所述头部分已在朝向盖100的底板侧416的方向通过上壁120中的紧固件孔108插入。在图4所示的实例中，在盖100的外壳内的区域中，在盖100的底板侧416附近形成第一凸台切口418形式的底切。紧固件螺栓410的柄部分420在图4中在第一凸台切口418的区域中可见。

气缸盖中的腔和孔可以通过使用用作模具的芯或半成品的制造方法形成。模具限定了在盖的金属主体内形成的腔和孔。图5是根据本公开的一些实施方案的用于制造盖100的芯或半成品的图示的俯视图。图5的视图是从盖100的上壁120上方的视角获取的，但未示出上壁和构成盖的所有金属，以便显示形成于盖内的腔的轮廓。因此，图5的图示可以描绘芯的外轮廓，进而可以表示形成于根据本公开实施方案的金属气缸盖主体内的腔的外轮廓或外壁。

图5示出进气口芯和排气口芯。还示出了冷却剂套900的芯的部分，其将在下文在图9中更详细地描述。图5中还示出在形成于盖100中的六个喷射器孔102中的每对相邻喷射器孔之间形成在盖100中形成的中心腔500的芯。在此视图中，每个喷射器孔102的位置可以表示喷射器所服务的燃烧室的相对位置。中心腔500形成于盖100的外壳内，并且通常成形为或形成为具有平行四边形上面502的倒棱锥形状。平行四边形可以是菱形。上面502可以限定腔500的上壁。棱锥形腔500具有顶点508(图5中未看到)，因此可以针对或指向气缸盖100的底板侧416。棱锥形腔500的上面502的中心部分设置的位置可以优选地与设置在盖的两个相邻燃烧室孔之间的进气阀412和排气阀402中的每一个的中心点等距。

图5中还示出用于形成喷射器腔506的芯的图示，所述腔形成为容纳燃料喷射器的插入。如图所示，发动机的燃烧室中每一个都可能有一个燃料喷射器，因此图5示出多个喷射器腔506。

如图5所示的实施方案中所举例说明，两个燃烧室孔之间的棱锥形腔500可能不完全是具有在锐角处汇合的平面侧面的经典棱锥的形式。相反，腔500可以包括至少一个圆角，例如圆角504。腔500的面中的一个或多个可以具有至少一个且在大多数情况下多个非平面的面。在此实例中，上面502是非平面的。

在实施方案中，盖100包括梁结构，所述梁结构设置在腔的上壁(面502)上方并且设置在盖的位于两个相邻燃烧室孔之间的两个紧固件凸台110、110之间，使得梁加强位于两个紧固件凸台之间的盖部分。在图5中，梁结构(未示出，因为图5仅描绘芯)将定位在凸台110、110之间的面502上方。此梁位置将对应于图2中凸台110、110之间的力箭头F的位置。图5示出第一凸台切口418的外轮廓。

图6是图5的盖的半成品或腔的图示的仰视图。此视图是从盖100的底板侧416的透视图获取的，因此描绘了倒棱锥形腔500的顶点508。还示出了棱锥形腔的非平面的面部分。如此视图所示，第一凸台切口418对应于先前关于图4和图5描述的第一凸台切口418，所述凸台切口通过油道510流体连接至中心腔500，所述油道允许油从腔500传递到第一凸台切口418。图6示出如先前描述的形成于盖100的排气侧上的第一组凸台切口418的底壁轮廓。图6还示出形成于盖的进气侧区域中的第二组凸台切口600。

图7是从盖的横向侧截取的盖100的局部截面视图，示出了根据实施方案的形成于盖中的腔的轮廓的图示。此处，第一凸台切口418的构造示为具有其连接油道510，从而允许流体连接至中心腔500以允许在中心腔500与第一凸台切口418之间排出油。还示出了第二凸台切口600。在实施方案中，第二凸台切口600在靠近盖100的底板侧416的位置形成于紧固件凸台110中。第二凸台切口600可以限定围绕紧固件410的柄部分420的密封腔的外壁的至少一部分以及可能全部，在接合状态下，所述柄部分可以固定在第二凸台切口600内。由第二凸台切口600限定的密封腔可能包含空气。箭头Y示出了将螺栓410(参见图4)朝向盖的底板侧416(参见图4)插入凸台110中以将盖与缸体接合的方向。

图8是图6的视图的放大部分，其中线指示密封区域和力箭头。具体地，所述箭头对应于图3的在半成品构造的仰视图上施加的力箭头F4、F4。力箭头F4、F4指示当螺栓在接合位置固定在凸台110内时由螺栓410产生的力。发明人已经将一般用虚线S1、S2表示的关键密封区域确定为需要盖主体的足够材料(金属)来承受燃烧力产生的压力并保持结构刚性以及盖与缸体之间的牢固密封的密封区域。标记为“外部密封”的虚线S1、S1指示沿着盖的进气侧和排气侧的密封区域，其中需要足够的密封来封闭盖与缸体之间的密封区域。围绕燃烧室和其相应进气阀和排气阀的标记为“燃烧密封区域”的圆形虚线S2、S2各自指示需要足够密封力来承受在相应燃烧室中燃烧所产生的力的区域。利用箭头F4、F4所表示的力，发明人设计了本申请中的附图中表示的腔构造。所得的盖构造可使用结构刚性和良好密封所需的最少金属量来形成盖，从而减轻盖的总重量，同时保持足够的刚性。

图9是根据本公开的实施方案的形成于气缸盖中的冷却剂套900的构造图示的剖切仰视图。盖的部分被切掉以显示冷却剂套900的形状。在一些实施方案中，至少一个冷却剂套900在盖构造的改进特征中，其性质为内部腔或导管，用于例如水的冷却剂流过盖内部以实现盖的所选区域的冷却。在图9中，提供了多个冷却剂套900，如所描绘的示例性发动机的六个燃烧室中的每一个都有一个套。

图10是图9的视图的一部分的放大视图。在图10中，冷却剂套900的冷却剂出口908位于盖100的排气侧壁112上，用于冷却剂流到盖100的外部。冷却剂套900包括两个冷却剂入口：位于盖的排气侧壁112上的第一排气侧冷却剂入口902，以及位于盖的进气侧区域中的第二入口，即进气侧冷却剂入口910。水或其它冷却剂可以被引入到这两个冷却剂入口中以通过导管流到排气侧上的冷却剂出口908。圆虚线区域中所示的两个区域表示进气-排气桥区域912A、912B(以下简称I-E桥)，它们是在给定燃烧室的每一侧上位于室的进气阀座104与排气阀座106之间的区域。在许多操作条件下，希望减少从排气阀座的一侧到进气阀座的一侧的热传递。套900的所有部分彼此流体连接以使冷却剂从两个冷却剂入口流动到冷却剂出口。

图11是图9的冷却剂套900中的一个的图示的侧面透视图。此处，冷却剂套900以从斜角截取的三维视图描绘，并且表示形成套900的腔的外轮廓。第一入口，即排气侧冷却剂入口902被构造成接收待循环通过套900的较大部分冷却剂的进入，所述套的部分流体连接。进入排气侧入口902的冷却剂在箭头C1的方向上流入排气侧通道904A、904B，每个排气侧通道连接至相应的环形排气阀座冷却剂通道906A、906B，每个排气阀座冷却剂通道沿着两个排气阀座106、106中的每一个的圆周延伸。然后，冷却剂流入出口通道，所述出口通道连接至设置在盖的排气侧上的排气侧冷却剂出口908。在盖100的进气侧上，在箭头C2的方向上将冷却剂引导至第二入口，即进气侧冷却剂入口910，然后通过分流的分叉进气通道911将其引导至两个环形进气阀座冷却剂通道914A、914B中的每一个，所述进气阀座冷却剂通道中的每一个沿着盖100的两个进气阀座104、104中的相应一个的圆周延伸。冷却剂离开环形进气阀座冷却剂通道914A、914B进入相应座出口通道916(在图11中两个座出口通道916中的仅一个可见)。冷却剂从通道916流入I-E桥冷却剂通道918A、918B，所述冷却剂通道靠近相应I-E桥912A、912B或其附近定位。冷却剂从I-E桥冷却剂通道918A、918B流入环形燃料喷射器冷却剂通道920，所述环形燃料喷射器冷却剂通道沿着形成于盖中用于燃料喷射器的座部的圆周延伸。离开喷射器冷却剂通道920的冷却剂进入连接器922，然后在箭头C3的方向上通过排气侧冷却剂出口908流出盖100。

图12是示出图9至图11的冷却剂套900中的冷却剂流动的方向和速度的示意图。图12的阴影梯度描绘了通过套900的不同部分的冷却剂流动速度的实例。在实施方案中，套900被构造成使得进入的冷却剂的20％经由进气侧冷却剂入口910流入套900，并且进入的冷却剂的80％经由排气侧冷却剂入口902流入套900。经由进气侧冷却剂入口910流入的进入的冷却剂可以首先围绕进气阀座流动，以冷却进气口和进气阀的最热部分，如虚线箭头IN1所描绘。在围绕进气阀座流动后，然后冷却剂可以在I-E桥区域内流动以阻止朝向进气口的排气热传递，如虚线箭头IN2所描绘。然后，冷却剂可以围绕燃料喷射器的区域流动以冷却燃料温度，如虚线箭头IN3所描绘。经由排气侧冷却剂入口902流入的进入的冷却剂可以首先围绕排气阀座流动，以冷却排气口和排气阀的最热部分，如虚线箭头EX1所描绘。

图13是示出根据具有如本公开所示的腔和冷却剂套的实施方案的盖100的截面中的温度水平的示意图。当根据本公开的实施方案构造时，温度水平由盖100的操作产生。截面图大致对应于图4的视图，其中截面不同区域的温度用渐变阴影表示。如图13所示，发明人设计的盖100的益处是盖100的热侧(排气侧)比基准更热，这减少了从排气到盖100的金属的热传递。这种效果又会提高涡轮增压器的效率，并增加可用于后处理过程和排气系统中的装置以及用于废热回收的热量。所设计的盖的另一个益处是冷侧进气口区域温度比基准低。这种效果减少了从盖到增压空气的热传递。反过来，这种热传递的减少提高了发动机操作的容积效率。

图14是比较图4的排气口与相关技术的排气口的表面积的图。图14右侧示出的本发明的两个排气口在形状和构造上大体对应于图4中的截面中所示的排气口422。在根据本发明的示例性构造中，总表面积SA是11322mm²。根据本发明的这些示例性端口与图14左侧所示的相关技术排气口的构造和表面积尺寸形成对比，相关技术排气口的表面积为27806mm²。因此，在具有允许减小排气口长度的排气壁凹部116的根据图1的实例中，本发明的排气口与相关技术的基准口相比可以使排气口的表面积减少大约60％。

图15A和图15B是将相关技术的进气口区域中的冷却剂域和相对温度与根据本公开实施方案的进气口区域中的冷却剂域和相对温度相比较的图。图15A中用阴影温度梯度对进气口的相关技术描述示出在相关技术盖的进气口中产生相对较高温度。这与通过使用根据本公开实施方案的盖构造实现的较低温度形成对比，如图15B中表示的进气口(参见进气通道414)上示出的阴影温度梯度所示。所示盖的冷却剂域的图15A中的相关技术描述示出了串联冷却剂流动系统。这种域设计与根据本公开实施方案的套900的图15B平行流构造形成对比。

提供根据本文描述并在一个或多个附图中描绘的实施方案中的任一个的用于制造盖100的方法。所述方法包括使用增材制造形成气缸盖来构造盖，从而将盖的重量减至最轻。发明人发现使用贫水整合方法开发结构能改进气缸盖构造。这些改进的构造允许将螺栓压缩载荷正确地且有效地传递到最重要的密封区域—燃烧密封件和外部密封表面。所述构造还改进了盖不同区域中所需的能量传递或节省，以提高发动机操作的效率、减少磨损、减少排气排放并改进燃烧特性。

在盖100的改进的构造中，棱锥形腔500经由油道510连接至第一凸台切口418，从而允许流体连接以允许中心腔500与第一凸台切口418之间的油排出，如图5至图6和图8中所示。芯设计有两个主要的底切特征，这些特征比现有技术有所改进：第一个底切特征是在两个相应燃烧室区域之间的盖中心的底切，如图7所示的腔500最佳地看到。中心区段腔500具有菱形形状，其专门设计用于尽可能多地消除不需要的铁，同时保持跨越主要负载区域(盖螺栓与阀引导件之间，以及跨越盖螺栓)的重要结构刚性。另一个改进的底切特征是在盖螺栓410的盖下支承区域下方提供一个或多个底切(切口)，如图7中的第一凸台切口418中，且在另一实例中，如以图6中的芯形式描绘的第二凸台切口600中最佳地看到。这些盖下切口特征允许将螺栓压缩载荷正确地且有效地传递到最重要的密封区域—燃烧密封件和外部密封表面。典型的盖会用冷却剂填充这些腔，从而增加盖的重量和不必要的热传递区域。在实施方案中，改进的盖不具有填充有冷却剂的这些腔，而是具有填充有空气的这些腔。

在实例中，与基准现有技术盖相比，本文实施方案的改进的芯构造可以实现六(6)公斤的重量减轻。所描述的半成品的有益特征是：气缸之间重量减轻的较大中心芯(例如，腔500)使油能够从气阀机构排放到发动机缸体，并且具有大的底切几何形状；用于帽螺钉的进气和排气底切芯，这将气缸盖螺栓的夹紧力引导到燃烧密封件上，即盖上的关键加载位置。芯还减轻了不提供任何结构支撑的重量。

循环燃烧力反复将气缸盖推离缸体。发明人发现有效地管理结构构件以及引导压缩螺栓力的构造，所述压缩螺栓力对保持盖的刚性和保持盖与缸体之间的密封完整性至关重要。发明人采用拓扑优化作为引导框架来开发梁的贫水结构框架，所述梁跨越盖并对角地通过喷射器孔沿着气缸盖的长度连接气缸盖螺栓孔。通过使用底切几何形状，铸芯的有效管理允许设计者将压缩螺栓力引导至关键密封界面：1.燃烧密封件，以及2.气缸盖的外部密封表面(见图8)。本公开通过将这些特征结合到平板气缸盖中而改进了现有技术，其中气缸盖螺栓必须分担相邻气缸之间的载荷，这与现有技术中已知的单元盖设计形成对比。本公开将螺栓完全封装以与环境分离，从而有助于防止螺栓螺纹的腐蚀和损坏。

根据本公开的冷却剂套在改进的构造中。本文中的实施方案通过保持“热侧热且冷侧冷”来改进现有设计。这种贫水套设计可在铁的使用寿命内保持燃烧面温度，改进分别向排气和进气增压空气进行的热温度传递和冷温度传递，并且具有在不损失温度保持效果的情况下冷却剂体积减少约5升的重量优势。热侧保持比现有技术的基准构造更热，这减少了排气的热传递，从而提高了涡轮效率和可用于后处理/废热回收的热量。冷侧进气口温度比现有技术的基准构造更低，这减少了向增压空气的热传递，从而提高了发动机的容积效率。

改进的构造之一是提供冷却剂套，其中至少一个进气阀具有湿阀座(即，在阀座附近提供冷却剂)。这可以冷却进气口(阀座和阀)的最热部分，并有助于抑制排气侧的温度。此湿阀座进气阀构造可选地可以与所示的实施方案组合，其中排气阀中的至少一个也具有湿阀座。提升阀的底部是燃烧板中最热的部分。来自提升阀的热传递是三重的：传递到进气；传递通过阀座；并传递通过阀引导件。本公开的构造提供了用于两个目的的湿进气阀座：所述构造能够实现更好的提升阀阀头冷却，从而产生更冷的阀头温度；以及阻止燃烧热通量通过铁(防火板)传播到进气口，从而降低整体进气口温度。湿排气阀座可防止排气阀和阀座过热。

改进的构造之一是在进气口与排气口之间提供具有冷却剂桥(I-E桥冷却剂通道)的冷却剂套。此特征阻止排气温度通过铁(I-E桥)传播到进气口，从而降低整体进气口温度。另一个改进的特征是这种套和湿阀座的设计能够使冷却剂正流流过每个桥翼。

与现有技术的饱和套设计相比，改进的构造之一是提供具有“贫水”套设计的冷却剂套。与使用冷却剂流使开放腔饱和的现有技术的盖相比，本文描述的实施方案提供了仅将冷却剂定位在绝对需要的位置的益处。对于进气增压空气再加热，所公开的实施方案的贫水水套设计的益处在更高的冷却剂温度下更加突出。进气口饱和且由比所需更多的冷却剂包围可能会升高整体增压空气温度。在本文的设计中，冷却剂在独立冷却每个气缸(六缸发动机中的六个位置)后离开盖，而不是在一个位置离开盖。这可以防止冷却剂流到一个出口位置—在那里冷却剂必须移动通过更多的通道并暴露于更大的气缸盖表面积，从而暴露于更多的热量。

在本发明的实施方案中，水套芯构造成从一侧到另一侧“平行流动”穿过气缸盖，以最大化气缸到气缸的温度均匀性。这与沿着盖的长度(在沿着纵向轴线X的方向上)采用连续冷却的现有设计形成对比。所公开的贫水套的额外益处是它在比基准设计更热的冷却剂温度(+90摄氏度)，图15A和图15B中示为130摄氏度)下更有效地工作(这是因为水套是贫水的，并且在进气口壁周围/顶部没有太多“热”冷却剂)。升高的水温将驱动更高的油温以降低发动机摩擦，并且由于更高的壁温而导致缸内热传递更少，从而获得更好的热效率。根据本公开实施方案的进气口当与较高冷却剂温度下的基准相比时具有较低的平均端口温度。这是因为贫水水套设计不需要上层套。

根据本公开，改进的构造之一是将排气出口定位在排气侧壁112的凹部116中。因此，本文的实施方案通过缩短盖中的排气口长度来改进现有设计(见图15A和图15B)。在所公开的实施方案中，包括形成于排气侧壁112中的凹部116的构造可以可选地包括在盖外部使用跨接管404来跨越盖的排气歧管与排气出口之间的距离。采用此实施方案，通过显著减少热排气所接触的铁的面积量来保存排气能量(热量)。铁必须冷却到适当温度。因此，更大的排气口面积意味着必须用水冷却的铁的面积更大，以及因此来自排气的热传递更多，这剥夺了涡轮机可以使用的气体能量。

在本发明的实施方案中，排气口紧接在阀引导件之后终止，并且插入跨越盖排气口与排气歧管口之间的距离的跨接管。这种构造还减少了进气的热量。IVC下的进气温度预计可比约2K更低。此处的实施方案可以与使用球墨铸铁和/或热障涂层的改进配方的盖构造相结合，以进一步减少进气的再加热。在实例应用中，具有跨接管的排气口的构造可以将排气温度维持在+11K/气缸。在根据本文实施方案的实例构造中，排气口面积＝11322mm²(比27806mm²的现有技术构造减少59％)；气缸盖质量＝118KG(比124KG的现有技术构造减少5％)；冷却剂体积＝1L(比5.6L的现有技术构造减少82％)；采用湿进气阀座和排气阀座；采用与现有技术构造相同的燃烧面温度；并实施了方形阀模式(与菱形阀模式形成对比)。

本文的跨接管的构造可以包括双密封构造，其能够实现六个自由度以补偿部件之间的变化；装配错位；和热增长。

在本文公开的实施方案中，本发明包括一种内燃发动机的气缸盖，所述气缸盖构造成覆盖发动机的多个燃烧室，并且包括：至少一个紧固件凸台，其构造成接收紧固件的插入，所述紧固件在接合状态下将气缸盖紧固至发动机的气缸体；气缸盖的底板侧，其在接合状态下靠近气缸体设置；以及凸台切口，其在底板侧上形成于紧固件凸台中，其中凸台切口限定密封腔的壁的一部分，所述壁的一部分围绕在接合状态下定位于凸台切口中的紧固件的柄部部分。在实施方案的一个实例中，密封腔含有空气。

在本文公开的实施方案中，本发明包括一种内燃发动机的气缸盖，所述气缸盖构造成覆盖发动机的多个燃烧室，所述气缸盖包括：多个紧固件凸台，其构造成接收紧固件的插入，所述紧固件在接合状态下将气缸盖紧固至发动机的气缸体；以及气缸盖的底板侧，其在接合状态下靠近气缸体设置，其中在接合状态下设置于两个相邻燃烧室之间的至少两个凸台包括形成于两个凸台的底板侧上的凸台切口，使得在插入两个凸台中的紧固件之间共享密封力的接触压力平衡。

在实施方案的实例中，在气缸盖中，凸台切口中的至少一个限定密封腔的壁的一部分，所述壁的一部分围绕在接合状态下定位于凸台切口中的紧固件的柄部部分。

在本文公开的实施方案中，本发明包括一种内燃发动机的气缸盖，所述气缸盖构造成覆盖发动机的至少两个相邻燃烧室，所述室中的每一个具有位于其靠近相邻室的一侧上的进气阀和排气阀，所述气缸盖包括：外壳；多个紧固件凸台，每个凸台构造成接收紧固件的插入，所述紧固件在接合状态下将气缸盖的底板侧紧固至发动机的气缸体；以及形成于外壳内的腔，所述腔通常以倒棱锥的形状形成，具有限定腔的上壁的平行四边形上面和指向气缸盖的底板侧的顶点，其中棱锥的上面的中心部分设置在与设置于两个相邻室之间的每个阀的中心点等距的位置处。在实施方案的实例中，棱锥包括至少一个圆角。在实施方案的实例中，棱锥包括棱锥的面的至少一个非平面部分。

在实施方案的实例中，气缸盖包括梁结构，所述梁结构设置在腔的上壁上方，并且设置在盖的位于两个相邻燃烧室之间的两个紧固件凸台之间，使得梁加强位于两个紧固件凸台之间的盖部分。在实施方案的实例中，气缸盖还包括在底板侧上形成于紧固件凸台中的凸台切口，其中所述凸台切口流体连接至腔以允许油在凸台切口与腔之间通过。

在本文公开的实施方案中，本发明包括一种内燃发动机的气缸盖，其包括：构造成接合发动机的燃烧室的排气阀的排气阀座和构造成接合同一燃烧室的进气阀的进气阀座；以及冷却剂套，其形成于气缸盖中，所述冷却剂套包括冷却剂出口，其设置在气缸盖的排气侧；设置在气缸盖的排气侧的第一冷却剂入口和设置在气缸盖的进气侧的第二冷却剂入口；环形排气阀座冷却剂通道，其沿着排气阀座的圆周延伸；以及环形进气阀座冷却剂通道，其沿着进气阀座的圆周延伸，其中冷却剂出口、第一和第二冷却剂入口、排气阀座冷却剂通道和进气阀座冷却剂通道流体耦合。

在实施方案的实例中，气缸盖还包括进气-排气桥冷却剂通道，所述进气-排气桥冷却剂通道靠近气缸的进气-排气桥设置并且流体连接至冷却剂出口以及第一和第二冷却剂入口。在实施方案的实例中，冷却剂套还包括环形燃料喷射器冷却剂通道，所述环形燃料喷射器冷却剂通道沿着形成于盖中的用于接收燃料喷射器插入的座或孔102的圆周延伸。

在本文公开的实施方案中，本发明包括一种内燃发动机的气缸盖，所述气缸盖构造成覆盖发动机的多个燃烧室，所述气缸盖包括：外壳和排气出口，其中外壳包括在盖的排气侧壁中的凹陷区域，并且凹陷区域邻近排气出口定位，使得排气出口邻近形成于气缸盖中的排气阀引导件设置。在实施方案的实例中，内燃发动机包括根据以上实施方案的气缸盖，并且还包括与发动机的排气出口和排气歧管流体耦合的跨接管。

在本文公开的实施方案中，本发明包括呈本文所述特征的任何组合的根据以上实施方案或实例中的任一个的气缸盖。在本文公开的实施方案中，本发明包括一种用于形成呈本文所述特征的任何组合的根据以上实施方案或实例中的任一个的气缸盖的方法，包括使用增材制造来构造盖。

本领域的技术人员从上文可以理解，通过减轻气缸盖的重量，通过在不降低强度和稳定性的情况下减少形成气缸盖所需的金属量，通过改进气缸盖区域的温度控制，和/或通过减少保持气缸盖中有利温度条件所需的冷却剂量，将所述方法、系统和设备应用于优化发动机系统操作的问题可获得意想不到的益处。可以从所公开的方法、系统和设备的应用中获得意想不到的益处，而无需包括或添加额外的组件或部件，和/或无需改变常规车辆的构造的常规特征。改变常规发动机系统的构造可能会增加发动机系统的制造、操作和维护的成本、重量以及复杂性。发明人设想的一个关键益处是通过使用所公开的系统、方法或设备改进常规发动机系统中的气缸盖特征和操作，同时排除了任何额外组件、步骤或结构特征的改变。通过这种排除，可能会影响最大成本控制。因此，在由本文公开的方法、系统或设备的特征组成或基本上由其组成的本发明的实施方案中可存在关于可应用所述方法和系统的标准或常规生产的车辆的制造、操作和维护的简单性的实质益处。因此，本发明的实施方案预期排除本文中阐述的步骤、特征、部件和组件之外的步骤、特征、部件和组件。在一些实施方案中，发明人考虑排除本公开中阐述的某些步骤、特征、部件和组件，即使它们被确定为包括、优选和/或优先的。

因此，应理解以上描述旨在为说明性而非限制性的。在阅读和理解上述描述后，本领域技术人员将明白许多其它实施例。例如，预期结合一个实施方案描述的特征另外或替代地可选地被用作结合另一实施方案描述的特征。因此，本发明的范围应参考所附权利要求以及权利要求被授权的等效物的全部范围来确定。

Claims (15)

1.一种内燃发动机的气缸盖，

所述气缸盖构造成覆盖所述发动机的多个燃烧室，并且包括：

至少一个紧固件凸台，其构造成接收紧固件的插入，所述紧固件在接合状态下将所述气缸盖紧固至所述发动机的气缸体；

所述气缸盖的底板侧，其在所述接合状态下靠近所述气缸体设置；以及

凸台切口，其在所述底板侧上形成于所述紧固件凸台中，

其中所述凸台切口限定密封腔的壁的一部分，所述壁的一部分围绕在所述接合状态下定位于所述凸台切口中的所述紧固件的柄部部分。

2.如权利要求1所述的气缸盖，其中所述密封腔含有空气。

3.一种内燃发动机的气缸盖，所述气缸盖构造成覆盖所述发动机的多个燃烧室，所述气缸盖包括：

多个紧固件凸台，其构造成接收紧固件的插入，所述紧固件在接合状态下将所述气缸盖紧固至所述发动机的气缸体；以及

所述气缸盖的底板侧，其在所述接合状态下靠近所述气缸体设置，其中

在接合状态下设置于两个相邻燃烧室之间的至少两个凸台包括形成于所述两个凸台的所述底板侧上的凸台切口，使得在插入所述两个凸台中的紧固件之间共享密封力的接触压力平衡。

4.如权利要求3所述的气缸盖，其中所述凸台切口中的至少一个限定密封腔的壁的一部分，所述壁的一部分围绕在所述接合状态下定位于所述凸台切口中的所述紧固件的柄部部分。

5.一种内燃发动机的气缸盖，所述气缸盖构造成覆盖所述发动机的至少两个相邻燃烧室，所述室中的每一个具有位于其靠近所述相邻室的一侧上的进气阀和排气阀，所述气缸盖包括：

外壳；

多个紧固件凸台，每个凸台构造成接收紧固件的插入，所述紧固件在接合状态下将所述气缸盖的底板侧紧固至所述发动机的气缸体；以及

形成于所述外壳内的腔，所述腔通常以倒棱锥的形状形成，具有限定所述腔的上壁的平行四边形上面和指向所述气缸盖的所述底板侧的顶点，其中所述棱锥的所述上面的中心部分设置在与设置于所述两个相邻室之间的每个所述阀的中心点等距的位置处。

6.如权利要求5所述的气缸盖，其中所述棱锥包括至少一个圆角。

7.如权利要求5所述的气缸盖，其中所述棱锥包括所述棱锥的面的至少一个非平面部分。

8.如权利要求5所述的气缸盖，其中所述盖包括梁结构，所述梁结构设置在所述腔的所述上壁上方，并且设置在所述盖的位于两个相邻燃烧室之间的两个紧固件凸台之间，使得所述梁加强位于所述两个紧固件凸台之间的盖部分。

9.如权利要求5所述的气缸盖，其还包括在所述底板侧上形成于所述紧固件凸台中的凸台切口，

其中所述凸台切口流体连接至所述腔以允许油在所述凸台切口与所述腔之间通过。

10.一种内燃发动机的气缸盖，其包括：

构造成接合所述发动机的燃烧室的排气阀的排气阀座和构造成接合同一燃烧室的进气阀的进气阀座；以及

冷却剂套，其形成于所述气缸盖中，所述冷却剂套包括

冷却剂出口，其设置在所述气缸盖的排气侧上；

设置在所述气缸盖的排气侧上的第一冷却剂入口和设置在所述气缸盖的进气侧上的第二冷却剂入口；

环形排气阀座冷却剂通道，其沿着所述排气阀座的圆周延伸；以及

环形进气阀座冷却剂通道，其沿着所述进气阀座的圆周延伸，其中

所述冷却剂出口、所述第一和第二冷却剂入口、所述排气阀座冷却剂通道和所述进气阀座冷却剂通道流体耦合。

11.如权利要求10所述的气缸盖，其还包括进气-排气桥冷却剂通道，所述进气-排气桥冷却剂通道靠近所述气缸的进气-排气桥设置并且流体连接至所述冷却剂出口以及所述第一和第二冷却剂入口。

12.如权利要求10所述的气缸盖，其中所述冷却剂套还包括环形燃料喷射器冷却剂通道，所述环形燃料喷射器冷却剂通道沿着形成于所述盖中的用于燃料喷射器的座部的圆周延伸。

13.一种内燃发动机的气缸盖，所述气缸盖构造成覆盖所述发动机的多个燃烧室，所述气缸盖包括：

外壳和排气出口，其中

所述外壳包括在所述盖的排气侧壁中的凹陷区域，并且

所述凹陷区域邻近所述排气出口定位，使得所述排气出口邻近形成于所述气缸盖中的排气阀引导件设置。

14.一种内燃发动机，其包括根据权利要求13所述的气缸盖，并且还包括与所述发动机的所述排气出口和排气歧管流体耦合的跨接管。

15.一种形成根据权利要求1至14中任一项所述的气缸盖的方法，其包括使用增材制造来构造所述盖。

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