CN118056069A - 发动机动力模块及用于其的气缸盖 - Google Patents

Abstract

一种发动机动力模块(10)包括水套(18)、气缸衬套(12)和气缸盖(22)。水套(18)形成冷却剂供应导管(25)，所述冷却剂供应导管以围绕气缸衬套(12)延伸的下冷却剂环(90)和围绕气缸盖(22)延伸的上冷却剂环(92)布置。气缸盖(22)具有形成在其中的喷射器孔(48)，以及会聚在喷射器孔(48)上的多个钻孔(60、62)。气缸盖(22)中的下冷却剂腔(52)形成冷却剂流动路径，所述冷却剂流动路径在流体地连接到冷却剂供应导管(25)的腔入口开口(74)与流体地连接到上冷却剂腔(54)的腔连接开口(76)之间围绕喷射器孔(48)周向地延伸。该布置提供通过钻孔(60、62)以冷却喷射器套筒(32)的冷却剂流，以及通过下冷却剂腔(52)和上冷却剂腔(54)的分离的冷却剂流。

Description

发动机动力模块及用于其的气缸盖

技术领域

本公开大体上涉及一种发动机动力模块，并且更具体地涉及一种用于发动机动力模块的气缸盖，所述气缸盖具有用于改善效率的冷却剂腔和通路结构。

背景技术

内燃式发动机在全世界广泛用于许多应用，包括用于载具推进、动力泵、压缩机和其他工业设备以及电力生产。典型的发动机构造包括通常配备有气缸衬套的气缸体，以及可在气缸衬套内移动以对燃烧室中的包括空气和燃料的流体加压的活塞。气缸盖附接到气缸体并支撑发动机阀，并且在许多应用中支撑燃料喷射器。在通常以柴油馏出物燃料操作的压缩点火发动机中，每个燃烧室内的流体被压缩到自燃阈值。在火花点火发动机中，通常不太高压的混合物通过电火花点火。压缩点火发动机通常但不排他地构造用于较重型应用。

在一种压缩点火发动机设计中，包括气缸衬套、气缸盖部段和衬套或水套的单独的动力模块由发动机缸体支撑，并且布置成联接到公共曲轴。在某些中速发动机中，常见的设计包括气缸盖，所述气缸盖具有围绕燃料喷射器物理分离的防火甲板和顶甲板以将发动机冷却剂流提供到气缸盖的中心。燃料喷射器套筒支撑在气缸盖中并接收燃料喷射器。

气缸盖的防火甲板通常经受高压负荷。因此，防火甲板通常设计成具有相当大的厚度。通过防火甲板和在防火甲板上存在相当大的温度梯度也是常见的。相对厚的防火甲板和温度梯度的组合可以导致防火甲板上的热应力。多年来已提出各种策略来通过提高冷却效率来减轻这些热应力，目的是最终增加气缸盖的疲劳寿命。一些策略提出具有最小流动限制的冷却剂流动。尽管这种策略可以适用于可以选择高传导性且低强度的材料的轻负荷应用，但是现代发动机的负荷条件通常排除这种方法。

替代方案采用用于冷却剂的专用流动导管，其试图增加冷却剂流速并由此改善冷却。尽管这样的方案可能是有效的，但是考虑到铸造气缸盖形式中的通常小的流动导管，它们也往往相当昂贵。铸态流动通路也可以增加应力集中。还有其他策略试图采用在气缸盖的多个阀座环之间连接的高速冷却通道。尽管这些技术可以为某些区域提供良好的冷却，但是气缸盖的其他热区域上的冷却效率可能受到损害。此外，迫使相对大量的冷却剂流通过阀座环可能不期望地增加压降，由此增加发动机上的寄生损失。具有各种冷却剂流动特征的一个示例性气缸盖设计从美国专利第10,385,800号已知，其涉及一种气缸盖组件，其中冷却剂通路通过气缸盖交叉钻孔到冷却沟槽以将泵送的冷却剂流提供成与点火器或点火组件的部件直接热传递接触。本领域为替代策略的改进和开发提供了充足的机会。

发明内容

在一个方面，一种发动机动力模块包括水套，接收在所述水套中的气缸衬套，以及抵靠所述气缸衬套接收在所述水套中的气缸盖。所述水套与所述气缸衬套和所述气缸盖一起形成围绕所述气缸衬套和所述气缸盖周向延伸的冷却剂供应导管。所述气缸盖具有形成在其中的限定中心轴线的喷射器孔，以及各自流体地连接到所述冷却剂供应导管并会聚在所述喷射器孔上的多个钻孔。所述气缸盖还具有形成在其中的形成冷却剂流动路径的下冷却剂腔，所述冷却剂流动路径在流体地连接到所述冷却剂供应导管的腔入口开口与流体地连接到上冷却剂腔的腔连接开口之间围绕所述喷射器孔周向地延伸。

在另一方面，一种用于发动机的气缸盖包括气缸盖铸件，所述气缸盖铸件具有在顶甲板与具有下防火甲板表面的防火甲板之间延伸的气缸盖外表面，并且具有形成在其中的喷射器孔、下冷却剂腔和上冷却剂腔，并且还包括气体交换导管，所述喷射器孔在所述顶甲板与所述防火甲板之间延伸通过所述气缸盖铸件并限定中心轴线，所述气体交换导管通过所述上冷却剂腔和所述下冷却剂腔延伸到形成在所述防火甲板中的气体交换开口。所述气缸盖铸件还具有形成在其中的多个钻孔，所述多个钻孔各自在所述下防火甲板表面与所述下冷却剂腔之间从形成在所述气缸盖外表面中的相应钻孔入口延伸到流体地连接到所述喷射器孔的相应钻孔出口。所述气缸盖铸件还包括中间甲板，并且所述下冷却剂腔形成冷却剂流动路径，所述冷却剂流动路径在腔入口开口与腔连接开口之间围绕所述喷射器孔周向地延伸，所述腔入口开口形成在所述气缸盖外表面中，所述腔连接开口将所述下冷却剂腔流体地连接到所述上冷却剂腔并形成在所述中间甲板中。

在又一方面，一种用于内燃式发动机的气缸盖包括具有顶甲板、中间甲板和防火甲板的气缸盖铸件，并且所述气缸盖铸件具有形成在其中的喷射器孔、下冷却剂腔和上冷却剂腔，所述喷射器孔在所述顶甲板与所述防火甲板之间延伸并限定中心轴线。所述气缸盖铸件还具有形成在其中的多个钻孔、多个冷却剂供给开口和腔连接开口，所述多个钻孔形成在所述防火甲板中并会聚在所述喷射器孔上，所述多个冷却剂供给开口形成在所述中间甲板中并将所述多个钻孔流体地连接到所述下冷却剂腔，所述腔连接开口形成在所述中间甲板中并将所述下冷却剂腔流体地连接到所述上冷却剂腔。

附图说明

图1是根据一个实施例的用于内燃式发动机的发动机动力模块的示意图；

图2是图1的发动机动力模块的部分的截面图；

图3是图1的发动机动力模块的部分的另一截面图；

图4是相对于图3旋转的图1的发动机动力模块的部分的又一截面图；

图5是根据一个实施例的气缸盖铸件的一部分的透视截面图；

图6是适用于图1的发动机动力模块的气缸盖铸件和水套的截面图；以及

图7是在与图6不同的截面中截取的气缸盖铸件和水套的截面图。

具体实施方式

参照图1，示出了用于内燃式发动机的发动机动力模块10。动力模块10可以包括气缸衬套12和连接杆14，以及包括曲轴轴承的帽16，所述帽与定位在气缸衬套12内的活塞(未示出)联接。动力模块10还可以包括气缸盖组件20和衬套或水套18。气缸衬套12接收在水套18中。气缸盖组件20包括抵靠气缸衬套12接收在水套18中的气缸盖22。气缸盖组件22还配备有发动机阀26和阀复位弹簧28，以及本文将进一步描述的各种内部结构。

水套18可以附接到气缸盖22并围绕气缸衬套12和气缸盖22中的每一个延伸以提供诸如水和常规发动机冷却剂的混合物的液体发动机冷却剂围绕气缸衬套12并进入气缸盖22中的流动，如本文进一步讨论。在图1中不可见的燃烧室由气缸盖22、气缸衬套12和其中的活塞形成。在实际的实施策略中，动力模块10可以是例如以V形构型支撑在气缸体中的若干动力模块中的一个。动力模块10还可以与其他动力模块以直列式构型或另一构型布置。动力模块10可以在各种各样的应用(包括用于载具推进、发电、泵的操作、压缩机或各种其他应用)中用在内燃式发动机中。在一个实施例中，动力模块10是机车中的内燃式发动机系统中的若干动力模块中的一个。

现在还参照图2，示出了通过动力模块10的部分的截面图。气缸盖22可以包括由合适的铸造金属材料(诸如铁、钢、铝或各种合金)形成的单件式气缸盖铸件24。气缸盖22和气缸盖铸件24是在本文中有时可互换使用的术语。在图2中，可以看到燃烧室100由气缸衬套12和气缸盖22以及未示出的活塞形成。水套18与气缸衬套12和气缸盖22一起形成冷却剂供应导管25，所述冷却剂供应导管至少部分地围绕气缸衬套12和气缸盖22周向地延伸。在所示实施例中，水套18形成套入口88。冷却剂供应导管25形成下冷却剂环90，所述下冷却剂环流体地连接到套入口88并且至少部分地围绕气缸衬套12周向地延伸。冷却剂供应导管25还形成至少部分地围绕气缸盖22周向延伸的上冷却剂环92。

现在还参照图3和图4，气缸盖组件20可以在其中包括阀杆套筒30。阀杆套筒30可以构筑成支撑发动机阀以便以通常常规的方式往复运动。在实际的实施策略中，可以提供总共四个发动机阀，包括两个排气阀和两个进气阀，但是本公开不限于此。气缸盖组件20还可以包括安装在气缸盖22中的喷射器套筒32以同样以通常常规的方式支撑燃料喷射器。阀座插入件34支撑在气缸盖22中并且各自形成阀座36。

气缸盖22和气缸盖铸件24还包括在具有顶甲板表面42的顶甲板40与具有暴露于燃烧室100的下防火甲板表面46的防火甲板44之间延伸的气缸盖外表面38。当动力模块10被安装在内燃式发动机系统中用于提供服务时，阀盖可以附接到顶甲板表面40。气缸盖22还具有形成在其中的喷射器孔48，所述喷射器孔在顶甲板40与防火甲板44之间延伸通过气缸盖铸件24。喷射器孔48限定中心轴线50。气缸衬套12可以以中心轴线50为中心。

气缸盖20还具有形成在其中的下冷却剂腔52和上冷却剂腔54，并且还包括气体交换导管56，所述气体交换导管通过上冷却剂腔54和下冷却剂腔52延伸到形成在防火甲板44中的气体交换开口58。气体交换开口58可以流体地连接到气体交换导管56，其中气体交换导管56与燃烧室100之间的流体连通通过打开和关闭阀座36的发动机阀来控制。

现在还参照图5-图7，气缸盖20还具有形成在其中的多个钻孔60和62，所述多个钻孔各自在竖直地位于下防火甲板表面46与下冷却剂腔52之间的位置处从形成在气缸盖外表面38中的相应钻孔入口64和68延伸到流体地连接到喷射器孔48的相应钻孔出口66和70。气缸盖22还包括中间甲板72。下冷却剂腔52形成冷却剂流动路径，所述冷却剂流动路径在腔入口开口74与腔连接开口76之间围绕喷射器孔48周向地(在图5中逆时针)延伸，所述腔入口开口形成于气缸盖外表面38中，所述腔连接开口将下冷却剂腔52流体地连接到上冷却剂腔54并形成于中间甲板72中。腔入口开口74和腔连接开口76可以以特征铸造，因此可以是“铸态”，限定下冷却剂腔52和上冷却剂腔54的气缸盖22的暴露表面也可以如此。相比之下，钻孔60和62以及喷射器孔48是例如通过所谓的枪钻孔形成的机加工特征。

继续大体上参照附图，但聚焦于图5，气缸盖22还包括在气体交换导管56中的相邻气体交换导管之间延伸的多个阀桥82。多个钻孔60和62可以包括多个阀桥钻孔62和与多个阀桥钻孔62交替布置的多个阀座钻孔60。在图5中可以看到阀桥钻孔62的钻孔入口68。图3示出了钻孔入口64。因此应当领会，来自冷却剂导管25的冷却剂流在略高于由下防火甲板表面46限定的防火甲板平面的位置处进入相应钻孔入口64和68。因此，钻孔入口64和68可以布置在围绕中心轴线48周向分布的冷却剂供给位置处。腔入口开口74可以竖直地布置在冷却剂供给位置与中间甲板72之间，并且因此竖直地布置在冷却剂供给位置与顶甲板40之间。

中间甲板72还可以包括围绕中心轴线48周向且不连续地延伸的面向上的中间甲板表面84。多个钻孔60和62中的一些钻孔(但不是全部)直接流体地连接到上冷却剂腔54，包括通过面向上的中间甲板表面84中的多个不连续部86(冷却剂供给开口)直接流体地连接到上冷却剂腔。因此，冷却剂的进入流可以从上冷却剂环92进入钻孔入口64和68。离开钻孔出口70的冷却剂可以围绕喷射器套筒32大致直接向上流动并进入上冷却剂腔54中。离开钻孔60的冷却剂被限制直接向上流动，而是围绕喷射器套筒32周向地通过以将流动路径向上结合到由面向上的中间甲板表面84中的不连续部86提供的上冷却剂腔54。在所示实施例中，阀桥钻孔62的相应钻孔出口70与不连续部86周向对准，但是本公开不限于此。

继续大体上参照附图，但聚焦于图6和图7，将回想起下冷却剂腔52形成围绕喷射器孔48周向延伸的冷却剂流动路径。气缸盖22还可以包括在下冷却剂腔52内在防火甲板44与中间甲板72之间竖直延伸的分隔壁78。分隔壁78可以布置成在周向冷却剂流动路径中引导冷却剂流。因此，在进入的冷却剂通过腔入口开口74进入下冷却剂腔52的情况下，分隔壁78可以有助于使冷却剂围绕喷射器孔48大致周向地流动到冷却剂到达腔连接开口76并且然后可以向上流动到上冷却剂腔54中的程度。包括分隔壁78在内在腔入口开口74与腔连接开口76之间形成的角80可以为45°或更小，从而使通过下冷却剂腔52的冷却剂流动路径至少大部分且通常几乎完全围绕气缸盖22延伸。从图6可以看出，凹部或间隙96可以在气缸盖22与水套18之间周边地形成。返回参照图2，泄漏间隙97可以形成在气缸衬套12与水套18之间以使得能够在服务期间实现冷却剂向上的一些受控泄漏。较大的冷却剂供给间隙94与套入口88相对地形成在气缸衬套12与水套18之间，并且将下冷却剂环90流体地连接到上冷却剂环92。

工业适用性

当动力模块10被安装在内燃式发动机中用于提供服务时，发动机冷却剂可以从冷却剂箱或其他冷却剂储存器泵送到套入口88中，通常在已穿过散热器或其他热交换器之后。通过套入口88进入水套18的冷却剂将大体上在两个方向上围绕气缸衬套12周向地朝向冷却剂供给间隙94通过。如上所述，冷却剂的一些泄漏可以期望地通过间隙97发生，所述间隙可以完全围绕水套18延伸并且可以至少部分地由水套18中的凹部形成。来自下冷却剂环90的冷却剂可以向上进入上冷却剂环92中，并且开始围绕气缸盖22周向地流动。将回想起一些发动机冷却剂进入钻孔60和62，所述钻孔以围绕气缸盖22的周向分布布置。穿过阀座钻孔60的发动机冷却剂可以围绕阀座插入件34周向地通过并且与该阀座插入件直接热传递接触。在围绕阀座插入件34通过之后，来自钻孔60的发动机冷却剂可以围绕喷射器套筒32通过以与通过阀桥钻孔62进入喷射器孔48的冷却剂结合。通过钻孔60和62的冷却剂的组合流向上到达上冷却剂腔54。与通过钻孔60和62的冷却剂流并行地，附加的冷却剂进入腔入口开口74和下冷却剂腔52以围绕喷射器孔48周向地流动。

因此应当领会，本公开可以被认为是提供了三个分开且并行的冷却剂流，其中第一流穿过阀桥82，第二流围绕单独的阀座插入件34通过，第三流进入下冷却剂腔52中。钻孔60和62被理解为会聚在喷射器孔48上以在气缸盖22的几何中心附近组合冷却剂流。冷却剂的前两个路径分别流过钻孔60和62，并且冷却喷射器套筒32和接收在其中的燃料喷射器。通过下冷却剂腔52的流动路径中的大致单向流动有助于保持通过包括下冷却剂腔52和防火甲板44的气缸盖22的“下套区域”的流速相对较高。三个并行流在包括上冷却剂腔52和顶甲板40的气缸盖22的“上套”区域中组合在一起。然后组合流被引导到动力模块10的外部并返回到发动机冷却剂系统的其他部分。通过将流分成三个并行流，可以通过动力模块10的设计相对于另一路径控制通过每个路径的单独体积以基于气缸盖22的特定要求获得最佳冷却。此外，将流分成三个路径使得通过动力模块10的总压降被最小化。各个流动导管通过标准机加工操作相对容易地形成，并且不需要昂贵或有风险的复杂特征。此外，各个导管在配合部件的界面处的策略性放置进一步降低了制造复杂性。最后，由于各种冷却通道可以通过机加工操作形成，因此应力集中特征的风险也被最小化。

本说明书仅用于说明的目的，并且不应当被解释为以任何方式缩小本公开的范围。因此，本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的完整的且合理的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过查看附图和所附权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。如本文中所使用的，冠词“一(a)”和“一(an)”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个(one or more)”可互换地使用。在旨在表示仅仅一个项目时，使用术语“一个(one)”或类似语言。另外，如本文中所使用的，术语“具有(has、have、having)”等等旨在为开放式术语。此外，短语“基于(based on)”旨在表示“至少部分地基于(based,at least in part,on)”，除非另有明确说明。

Claims (10)

1.一种发动机动力模块(10)，包括：

水套(18)；

接收在所述水套(18)中的气缸衬套(12)；

抵靠所述气缸衬套(12)接收在所述水套(18)中的气缸盖(22)；

所述水套(18)与所述气缸衬套(12)和所述气缸盖(22)一起形成围绕所述气缸衬套(12)和所述气缸盖(22)周向延伸的冷却剂供应导管(25)；

所述气缸盖(22)具有形成在其中的限定中心轴线(50)的喷射器孔48，以及各自流体地连接到所述冷却剂供应导管(25)并会聚在所述喷射器孔(48)上的多个钻孔(60、62)；并且

所述气缸盖(22)还具有形成在其中的形成冷却剂流动路径的下冷却剂腔(52)，所述冷却剂流动路径在流体地连接到所述冷却剂供应导管(25)的腔入口开口(74)与流体地连接到上冷却剂腔(54)的腔连接开口(76)之间围绕所述喷射器孔(48)周向地延伸。

2.根据权利要求1所述的发动机动力模块(10)，其中：

所述水套(18)形成套入口(88)，并且所述冷却剂供应导管(25)形成下冷却剂环(90)和上冷却剂环(92)，所述下冷却剂环流体地连接到所述套入口(88)并且围绕所述气缸衬套(12)周向地延伸，所述上冷却剂环围绕所述气缸盖(22)周向地延伸；并且

冷却剂供给间隙(94)与所述套入口(88)相对地形成在所述气缸衬套(12)与所述水套(18)之间，并且将所述下冷却剂环(90)流体地连接到所述上冷却剂环(92)。

3.根据权利要求1或2所述的发动机动力模块(10)，其中：

所述气缸盖(22)还包括在防火甲板(44)中的多个发动机阀座(36)和在所述多个发动机阀座(36)中的相邻发动机阀座之间的多个阀桥(82)，并且其中所述多个钻孔(60、62)包括多个阀桥钻孔(62)和多个阀座钻孔(60)；并且

所述多个钻孔(60、62)包括布置在围绕所述中心轴线(50)周向分布的冷却剂供给位置处的相应钻孔入口(64、68)，并且所述腔入口开口(74)竖直地布置在所述冷却剂供给位置上方。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机动力模块(10)，其中：

所述下冷却剂腔(52)与所述喷射器孔(48)流体地分离；

所述气缸盖(22)还包括中间甲板表面(84)，并且还包括在所述喷射器孔(48)内的喷射器套筒(32)，所述喷射器套筒与所述中间甲板表面(84)夹持接触；并且

所述中间甲板表面(84)围绕所述中心轴线(50)周向且不连续地延伸，并且其中所述多个钻孔(60、62)中的一些钻孔通过所述中间甲板表面中的不连续部(86)直接流体地连接到所述上冷却剂腔(54)。

5.根据任一前述权利要求所述的发动机动力模块(10)，其中：

所述气缸盖(22)还包括在所述下冷却剂腔(52)内的分隔壁(78)，所述分隔壁布置成在所述腔入口开口(74)与所述腔连接开口(76)之间的所述冷却剂流动路径中引导冷却剂流；并且

包括所述分隔壁(78)在内在所述腔入口开口与所述腔连接开口(76)之间形成的角为45°或更小。

6.一种用于发动机的气缸盖(22)，包括：

气缸盖铸件(24)，所述气缸盖铸件包括在顶甲板(40)与具有下防火甲板表面(46)的防火甲板(44)之间延伸的气缸盖外表面(38)，并且具有形成在其中的喷射器孔(48)、下冷却剂腔(52)和上冷却剂腔(54)，并且还包括气体交换导管(56)，所述喷射器孔在所述顶甲板(40)与所述防火甲板(44)之间延伸通过所述气缸盖铸件(24)并限定中心轴线(50)，所述气体交换导管通过所述上冷却剂腔(52)和所述下冷却剂腔(54)延伸到形成在所述防火甲板(44)中的气体交换开口(58)；

所述气缸盖铸件(24)还具有形成在其中的多个钻孔(60、62)，所述多个钻孔各自在所述下防火甲板表面(46)与所述下冷却剂腔(54)之间从形成在所述气缸盖外表面(38)中的相应钻孔入口(64、68)延伸到流体地连接到所述喷射器孔(48)的相应钻孔出口(66、70)；并且

所述气缸盖铸件(24)还包括中间甲板(72)，并且所述下冷却剂腔(52)形成冷却剂流动路径，所述冷却剂流动路径在腔入口开口(74)与腔连接开口(76)之间围绕所述喷射器孔(48)周向地延伸，所述腔入口开口形成在所述气缸盖外表面(38)中，所述腔连接开口将所述下冷却剂腔(52)流体地连接到所述上冷却剂腔(54)并形成在所述中间甲板(72)中。

7.根据权利要求6所述的气缸盖(22)，其中所述气缸盖铸件(24)还包括在所述下冷却剂腔(52)内的分隔壁(78)，所述分隔壁布置成在所述冷却剂流动路径中引导冷却剂流。

8.根据权利要求6或7所述的气缸盖(22)，其中：

所述气缸盖铸件(24)还包括在所述气体交换导管(56)中的相邻气体交换导管之间延伸的多个阀桥(82)；

所述多个钻孔(60、62)包括多个阀桥钻孔(62)和与所述多个阀桥钻孔(62)交替布置的多个阀座钻孔(60)；并且

所述相应钻孔入口(64、68)布置在围绕所述中心轴线(50)周向分布的冷却剂供给位置处，并且所述腔入口开口(74)竖直地布置在所述冷却剂供给位置与所述中间甲板(72)之间。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的气缸盖(22)，其中所述中间甲板(72)还包括围绕所述中心轴线(50)周向且不连续地延伸的面向上的中间甲板表面(84)，并且其中所述多个钻孔(60、62)中的一些钻孔通过所述面向上的中间甲板表面(84)中的多个不连续部(86)直接流体地连接到所述上冷却剂腔(52)。

10.根据权利要求8所述的气缸盖(22)，其中所述阀桥钻孔(62)的相应钻孔出口(66)与所述多个不连续部(86)周向对准。