CN201474769U - 具有汽缸盖和涡轮的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有汽缸盖和涡轮的装置，该汽缸盖具有用于经由自该汽缸盖引出的复合排气管路将排气导引离开的至少一个集成的排气歧管，该涡轮具有绕旋转轴线旋转的叶轮和用于供给排气的入口区域，在该装置中，通过螺钉以该入口区域邻接该复合排气管路的方式将该涡轮连接至该汽缸盖，为了该目的该汽缸盖具有围绕该复合排气管路设置并与该复合排气管路间隔开的用于接收该螺钉的孔，并且该涡轮具有围绕该入口区域设置并用于导引该螺钉穿过的凸出部，其中设在该入口区域面向该叶轮的一侧上的至少一个螺钉连接的凸出部向外突出至该叶轮的旋转轴线之外。本实用新型能够优化上述类型的装置，特别是对于增压进行优化。

Description

具有汽缸盖和涡轮的装置

技术领域

本实用新型涉及一种具有汽缸盖和涡轮的装置。

背景技术

在本实用新型的范围内，内燃发动机一词涵盖柴油发动机、火花点火发动机以及混合动力内燃发动机。

内燃发动机具有彼此连接以便形成单独汽缸(即燃烧室)的汽缸体和汽缸盖。

为了容纳活塞和/或汽缸套(cylinder pipe)，汽缸体具有相应数目的汽缸孔。活塞在汽缸套内以轴向可移动的方式导向并且与汽缸套和汽缸盖一起形成内燃发动机的燃烧室。

汽缸盖也经常用于容纳气门驱动装置。为了控制充气循环，内燃发动机需要控制元件和用于驱动这些控制元件的驱动装置。在充气循环的范围内，燃烧气体经由排气口(outlet openings)排出，并且燃烧室经由进气口(inlet openings)充气，即吸入新鲜混合气或新鲜空气。为了控制充气循环，在四冲程发动机中几乎排它地使用往复气门(reciprocating valves)作为控制元件，所述往复气门在内燃发动机运转期间执行振荡往复运动并且这样开启和关闭进气口和排气口。气门运动所需的气门驱动机构，包括气门自身，称为气门驱动装置。

气门驱动装置的目标是及时地开启和相应地关闭燃烧室的进气口和排气口，目的在于实现快速打开尽可能大的流动横截面(flow cross section)以便在流入的气流和相应地流出的气流中保持节流损失较低并且确保尽可能好地以新鲜混合气填充燃烧室以及有效地即完全地排出排气。出于该原因，依照现有技术还越来越多地提供两个或更多进气口和相应的排气口。

依照现有技术，通向进气口的进气管道和邻接排气口的排气管道或排气管路至少部分地集成进汽缸盖。如果每个气缸设有两个或更多排气口，每个汽缸的排气管路经常在汽缸盖内组合以形成与汽缸相关的组合排气管路(component exhaust lines)，随后这些组合排气管路组合以形成复合排气管路(composite exhaust lines)。排气管路组合为复合排气管路处的点通常并且在本实用新型范围内称为排气歧管或歧管。在这样的情况下，汽缸的排气管路也可按组进行组合以形成两个或更多个复合排气管路同时形成多个歧管。

如果合适的话，随后在歧管的下游将排气供给至涡轮，特别是排气涡轮增压器的涡轮，和/或供给至一个或更多个排气后处理系统。

在这样的情况下，一方面努力将涡轮设置得与内燃发动机的排气口尽可能地近以便这样能够最佳地利用热排气的排气焓(其由排气压力和排气温度决定性地确定)，并且确保涡轮增压器的快速响应性能。另一方面，热排气向多种排气后处理系统的移动也尽可能地短以便于允许将更少时间用于冷却排气并且排气后处理系统尽可能快速地达到它们的运转温度或起燃温度，特别是在内燃发动机的冷起动之后。

在这样的情况下，因此基本上努力最小化排气管路在汽缸上的排气口与排气后处理系统之间或者在汽缸上的排气口与涡轮之间的部分的热惯量，这可通过减小该部分的质量和长度来实现。在这样的情况下合适的材料也是有利的。

关于涡轮增压器的使用，努力将流至进入涡轮的入口内的排气流的压力损失保持尽可能低，这可通过合适地引导气流并且进而通过尽可能大地缩短传送的距离即缩短相关排气管路来实现。为了改善响应性能，涡轮上游的排气管路内的排气体积应尽可能地低。

为了实现上述目的，依照现有技术，排气歧管完全集成进汽缸盖内。这样的汽缸盖通过非常紧凑的设计来设定，其中通过这种集成使排气歧管的排气管路的总长度和涡轮上游的排气管路的体积最小化。这种汽缸盖的使用额外地减少部件数目并且相应地降低成本，特别是安装成本和制造成本。通过紧凑设计使驱动单元的紧密装配成为可能。因此，具有至少一个集成排气歧管的汽缸盖也是本实用新型的主题。

需要进一步的措施以改善内燃发动机的增压和/或增压式内燃发动机的扭矩特性。

具体地，由于受限的空间状况，涡轮在汽缸盖上接近发动机设置以及将涡轮连接至汽缸盖是困难的。依照现有技术，涡轮在入口区域装备有凸缘并且通过四个或更多个螺钉连接(screw connections)连接至汽缸盖。出于该目的，用于导引螺钉穿过的四个或更多个凸出部全部围绕涡轮的入口区域设置，凸出部经常彼此以等距间隔并且以这样的方式设置使得至少两个凸出部设置在入口区域面向叶轮的一侧上并且至少两个凸出部设置在入口区域背向叶轮的一侧上。

当在结构上设计涡轮壳体时，对于涡轮和汽缸盖的安装，需要确保在凸出部周围为安装工具提供足够的空间以允许它们与螺钉接合。涡轮壳体的这种结构上的要求导致壳体被制造得相对较大(即体积很大)以及涡轮的叶轮离开入口区域设置(这会带来很多缺点)的情形。

大体积的壳体需要相应的安装空间，这与紧密装配相违背。此外，这种壳体相应地较重，这与在制造车辆时减小重量的额外目标相违背，并且需要螺钉连接的相应尺寸以便稳固地紧固壳体。

由于增加的对材料的需要因此制造成本也上升相当多，因为用于常含有镍的高热负荷涡轮壳体的材料相对昂贵，特别是相较于用于汽缸盖的材料，例如铝。

关于内燃发动机的增压，相当大的缺点在于涡轮的叶轮离开入口区域设置，结果使热排气从入口区域传送至叶轮的距离更长，并且叶轮上游的排气体积更大。这对排气涡轮增压系统的响应性能有不利效应，并且增加了排气供给系统的热惯量。此外，大的涡轮壳体具有相对大的壳表面，相应地大量的热量经由该壳表面传导离开并且从而从排气中散失出。由于直到叶轮的排气流中压力和温度的基本上不必要的损失，在进入涡轮叶轮的入口处的对增压起决定性的排气焓降低。

用于将涡轮壳体与其它部件屏蔽的隔热屏(heat shield)(在合适的时候提供)为相应尺寸。

实用新型内容

在上面已经陈述的背景之下，本实用新型的第一目的在于提供一种具有汽缸盖和涡轮的装置，该装置为一般类型的装置，且其根据上述目的特别是相对于增压进行了优化。

第一目的可通过一种具有汽缸盖和涡轮的装置实现，该汽缸盖具有用于经由自所述汽缸盖引出的复合排气管路将排气导引离开的至少一个集成的排气歧管，该涡轮具有可绕旋转轴线旋转的叶轮和用于供给排气的入口区域，在该装置中，通过螺钉以入口区域邻接复合排气管路的方式将涡轮连接至汽缸盖，为了该目的汽缸盖具有围绕复合排气管路设置并与复合排气管路间隔开的用于接收螺钉的孔，并且涡轮具有围绕入口区域设置并具有用于导引螺钉穿过的凸出部；其中，

凸出部和孔彼此对齐；

为了形成至少三个螺钉连接，设有至少三个孔和至少三个凸出部用于接收至少三个螺钉；以及

至少一个螺钉连接设在入口区域面向叶轮的一侧；

其特征在于，

设在入口区域面向叶轮的一侧上的至少一个螺钉连接的凸出部向外突出至叶轮的旋转轴线之外。

依照本实用新型，位于入口区域面向叶轮的一侧上的至少一个螺钉连接向外侧延长，因为该螺钉连接的凸出部在其纵轴方向上被延长。结果，该螺钉连接的螺钉头在进一步向外侧处终止以便安装工具不再必须安装至紧邻涡轮的入口区域，至少相对于该螺钉连接，以便在安装过程期间使用其螺钉接合其螺钉连接。

这可以如此实现：使该连接的凸出部以这样的方式来实施使得凸出部向外突出至叶轮的旋转轴线之外，即该凸出部的自由端停止于虚拟平面背向汽缸盖的一侧，该虚拟平面穿过叶轮的旋转轴线并且垂直于螺钉连接。

设在入口区域面向叶轮的一侧上的至少一个螺钉连接的本实用新型的实施例克服了上面详细提出的以及需要使用依照现有技术的涡轮和汽缸盖的常规连接的缺点，因此实现了本实用新型所基于的第一目的，即提供依照特别对增压进行优化的具有汽缸盖和涡轮的装置。

具体地，至少一个螺钉连接的本实用新型的实施例允许涡轮叶轮接近发动机设置在汽缸盖上或设置在复合排气管路上，结果显著缩短了热排气从涡轮的入口区域至涡轮的叶轮的距离。结果，排气的压力损失和温度下降以及叶轮上游的排气体积均得到减小，其效果是增加了可使用的排气焓并改善了响应性能。

由于不需要在入口区域面向叶轮的一侧为安装工具提供空间，壳体能够做得更加紧凑和相对小。依照本实用新型，涡轮的重心位于离汽缸盖更短的距离。

壳体在体积上较小，需要允许紧密装配的相应较少的安装空间，并且重量较低，由于这样的原因用于稳固地紧固壳体的螺钉连接可以为更小的尺寸。由于需要更少量的材料，制造成本也得以减少。可提供的隔热屏也可以为相应于更小涡轮壳体的更小尺寸。

依照本实用新型的装置的汽缸盖具有至少一个完全集成在汽缸盖内的排气歧管，因为这样的原因在直至复合排气管路的单个排气管路之间的距离相对短。在这一点上依照本实用新型的汽缸盖与汽缸盖仅有部分集成歧管的概念区分开来。

如果汽缸盖用于三个或更多个汽缸并且仅两个汽缸的排气管路在汽缸盖内汇合以形成复合排气管路，该汽缸盖同样为依照本实用新型的汽缸盖。

用于例如串联设置的四个汽缸，并且其中外侧汽缸的排气管路和内侧汽缸的排气管路分别组合形成一个复合排气管路的汽缸盖实施例也是依照本实用新型的汽缸盖。

然而，汽缸盖的所有汽缸的排气管路在汽缸盖内汇合以形成单个复合排气管路的实施例是有利的。

涡轮可以装备有可变涡轮几何形状，其可通过调节涡轮几何形状和有效涡轮横截面以允许较大程度适应内燃发动机的相应的工作点。可替代地或作为补充地，可提供在旁通过涡轮时排出排气的管路。

用于影响流向的导向叶片设置在叶轮的上游的涡轮实施例是有利的。相对于旋转叶轮的叶片，导向叶片不和涡轮的轴一起旋转。

如果涡轮具有固定的、不可变的几何形状，导向叶片不仅是静止的而且还以完全不可移动即刚性的方式固定。另一方面，如果使用具有可变几何形状的涡轮，导向叶片也可以静止的方式设置，但不是完全不可移动并且替代地设置以便能够绕它们的轴线旋转，从而允许影响作用在叶片上的气流。

结合下文解释依照本实用新型的装置的其他有利实施例。

设有三个螺钉连接的装置的实施例是有利的。由于涡轮重量比较低，并且依照本实用新型涡轮的重心更加靠近汽缸盖从而该连接必须承受的力和扭矩相较于现有技术更小，三个螺钉连接足够以满意的方式吸收力和扭矩。作为消除一个螺钉连接的结果，也可以省略在汽缸盖内用于接收相应螺钉的孔，该孔在任何情况下承受高机械负荷。

在入口区域面向叶轮的一侧上设有螺钉连接的装置的实施例是有利的。由于设在入口区域背向叶轮的一侧上的螺钉连接能够由安装工具容易地达到，这里所有需要做的是将单个螺钉连接的凸出部向外延伸出叶轮的旋转轴线之外。由于延长的凸出部导致对材料需要的增加并且因此增加了重量，如果尽可能少的凸出部向外延长是有利的。

装置的实施例是有利的，其中汽缸盖用于至少两个汽缸；每个汽缸具有至少两个排气口；及至少两个汽缸的排气管路汇合以形成复合排气管路同时在汽缸盖内形成集成的排气歧管。

如已经在对本实用新型的介绍中所提到的，在充气循环期间排出排气的时候的主要目的是尽可能快速地打开可能的最大流动横截面以便确保有效地排出排气，其结果是每个汽缸设有多于一个排气口较为有利。

首先在每个汽缸上的至少两个排气口的排气管路组合或汇合以在组合排气管路组合形成复合排气管路之前形成与汽缸相关的组合排气管路的装置实施例是有利的。

经由组合排气管路以形成复合排气管路的排气管路的逐步组合引起了汽缸盖更紧凑即较小体积的设计并且因此特别是重量减轻和在发动机舱内更有效地装配。此外，进一步减小了由排气歧管的排气管路覆盖的全部距离。

该涡轮为排气涡轮增压器的涡轮的装置实施例是有利的。在排气涡轮增压器中，压缩机和涡轮设置在相同的轴上。供给热排气流至涡轮并且在这个涡轮内输出能量时放松，其结果是使轴旋转。由排气流输出至涡轮并最终至轴的能量用于驱动也设置在轴上的压缩机。压缩机供应并且压缩供给其的充气空气，其结果是产生汽缸和/或内燃发动机的增压。

增压主要用于增加内燃发动机的功率。燃烧过程所需的空气在这里被压缩，其结果是在每个工作循环中即每个工作过程中可将较大质量的空气供给至每个汽缸。这允许增加燃料质量并且因此增加平均压力p平均。

因此增压是一种增加具有不变立体容积的内燃发动机的功率或在功率保持相同时减小立体容积的合适方法。至少，增压可以增加安装方面的益处并带来更有利的功率/重量比。因此在相同外围车辆状况下，可能在特定燃料消耗为低时将负荷范围(load spectrum)向较高负荷转移。

基本上，涡轮或压缩机串联或并联设置的多个涡轮增压器也能够分别用于改善内燃发动机的扭矩特性。

涡轮为径流式涡轮的装置实施例是有利的。在径流式涡轮中，作用在叶轮的叶片上的气流实质上为径向的，即在径向方向上的速度分量高于轴向上速度分量。如果迎面气流为正好径向的，气流的速度向量与涡轮的轴交叉成直角。

为了能够以径向方式流动作用在叶片上，供给排气的方式优选地表现为在周围设置的螺旋壳体或蜗形壳体(worm housing)，结果是排气的迎面气流相对于涡轮的叶轮径向地发生。

然而，涡轮为轴流式涡轮装置实施例也是有利的。在轴流式涡轮的情况下，作用在叶轮叶片上的气流实质上为轴向的，即轴向速度分量大于径向速度分量。如果所述气流正好轴向延伸，在叶轮的区域内的迎面气流的速度向量平行于涡轮的轴延伸。

即使是在轴流式涡轮中，也经常通过螺旋壳体或蜗形壳体供给排气。然而，在轴流式涡轮中，基本上有可能轴向地供给排气，其结果是在叶轮上游的排气方向没有或不需要任何偏转或改变，如上所述这在能量方面提供了一些优点，因为这提供了具有尽可能在能量上充足的排气流的涡轮。

在涡轮和汽缸盖之间提供密封的装置实施例是有利的。密封的提供有效地防止了气流泄漏。

由于集成至少一个排气歧管，依照本实用新型的汽缸盖比装备外部歧管的常规的汽缸盖承受更高热负荷，出于该原因对冷却系统有更加严格的要求。

基本上可能以空气冷却系统或液体冷却系统的形式实现冷却系统。由于液体相较于空气的显著的更高热容量，液体冷却系统相较于空气冷却系统可以带走显著的更多的热量。

液体冷却系统需要内燃发动机或汽缸盖装备有冷却套，即导引冷却剂穿过汽缸盖的冷却剂管道的装置。热量已经汽缸盖里面输出至冷却剂，冷却剂通常为带有添加剂的水。这里通过设置在冷却回路的泵供给冷却剂，其结果是冷却剂在冷却套里循环。这样从汽缸盖的里面带走输出至冷却剂的热量并且在热交换器中从冷却剂中再次吸取。

出于上述原因，汽缸盖装备有冷却套的装置实施例是有利的。

在这样的情况下，实施例是有利的，其中：

冷却套具有下冷却套和上冷却套，下冷却套设置在集成排气歧管和至少一个汽缸盖的安装端侧之间，该汽缸盖可将汽缸体连接至该安装端侧上，上冷却套设置在排气歧管与下冷却套相对的一侧上；及

在引出复合排气管路的汽缸盖的外壁内距排气歧管背向汽缸盖的一侧上的排气歧管一定距离在下冷却套和上冷却套之间提供至少一个连接，其用于允许冷却剂通过，在这样的情况下，该至少一个连接邻近排气管路组合以形成复合排气管路所在的区域设置。

结果，冷却套的至少一个连接在汽缸盖内设置在集成排气歧管背向汽缸盖的汽缸的一侧上。因此，该至少一个连接位于集成排气歧管之外。该连接为冷却剂管道。

至少一个连接与复合排气管路之间的距离小于汽缸直径，优选地小于汽缸直径的一半或四分之一的实施例是有利的，在这样的情况下，该距离为复合排气管路的外壁与至少一个连接的外壁之间的距离。

特别是在增压式内燃发动机中设置上述类型之中的一种装置是有利的，因为在涡轮中得到的能量可以这样的方式用于对内燃发动机进行增压。

附图说明

图1a为具有汽缸盖和涡轮的装置的第一实施例的示意性侧视图。

图1b为在图1a中说明的实施例旋转90度视角的示意图。

附图标记

1    汽缸盖

2    涡轮

3    排气歧管

4    复合排气管路

5    叶轮的旋转轴线

6    叶轮

7    入口区域

8    螺钉连接

8’  螺钉连接

8a   螺钉

8a’ 螺钉

8b   孔

8b’ 孔

8c   凸出部

8c’ 凸出部

9    径流式涡轮

10   装置

11   涡轮壳体

12   螺旋壳体

13   虚拟平面

14   凸缘

具体实施方式

将参考依照图1a和1b的示例性实施例更详细地描述本实用新型。

图1a为具有汽缸盖1和涡轮2的装置10的第一实施例的示意性侧视图。

汽缸盖1具有用于经由自汽缸盖1引出的复合排气管路4将排气带走的集成的排气歧管3。涡轮2具有用于供给排气的入口区域7，该入口区域7紧邻复合排气管路4。

经由螺旋壳体12将自入口区域7引出的排气供给至涡轮2的设置在下游并安装以便绕旋转轴线5旋转的叶轮6。涡轮2为径流式涡轮9。

三个螺钉连接8，8′用于将涡轮2连接至汽缸盖1，一个螺钉连接8′设在入口区域7面向叶轮6的一侧，两个螺钉连接8设在入口区域7背向叶轮6的一侧。

为了通过螺钉8a，8a′形成该三个螺钉连接，汽缸盖具1有围绕复合排气管路4设置并与复合排气管路4间隔开，并且用于接收螺钉8a，8a′的三个孔8b，8b′。涡轮2具有围绕入口区域7设置并且用于导引螺钉8a，8a′穿过的三个凸出部8c，8c′。涡轮2的涡轮壳体11邻近入口区域7装配，具有为了接收或形成凸出部8c，8c′的凸缘14。

设在入口区域7面向叶轮6的一侧上的螺钉连接8′的凸出部8c′向外突出至叶轮6的旋转轴线5之外。即该凸出部8c′的自由端位于虚拟平面13背向汽缸盖1的一侧，该虚拟平面穿过涡轮2的叶轮6的旋转轴线5并且垂直于螺钉连接8，8′。

结果，螺钉连接8′的螺钉头也进一步向外移动并且离开入口区域7或汽缸盖1。为了拧紧相关螺钉8a′，不再必须将安装工具引至入口区域7附近或者汽缸盖1附近以便与螺钉8a′结合。

图1b为在图1a中示出的实施例以旋转90度视角的示意图。相同的标记用于相同部件，出于该原因也参考图1a。

Claims (10)

1.一种具有汽缸盖(1)和涡轮(2)的装置(10)，所述汽缸盖(1)具有用于经由自所述汽缸盖(1)引出的复合排气管路(4)将排气导引离开的至少一个集成的排气歧管(3)，所述涡轮(2)具有绕旋转轴线(5)旋转的叶轮(6)和用于供给排气的入口区域(7)，在所述装置(10)中，通过螺钉(8a，8a’)以所述入口区域(7)邻接所述复合排气管路(4)的方式将所述涡轮(2)连接至所述汽缸盖(1)，为了该目的所述汽缸盖(1)具有围绕所述复合排气管路(4)设置并与所述复合排气管路(4)间隔开的用于接收所述螺钉(8a，8a’)的孔(8b，8b’)，并且所述涡轮(2)具有围绕所述入口区域(7)设置并用于导引所述螺钉(8a，8a’)穿过的凸出部(8c，8c’)；

所述凸出部(8c，8c’)和所述孔(8b，8b’)彼此对齐；

为了形成至少三个螺钉连接(8b，8b’)，设有至少三个孔(8b，8b’)和至少三个凸出部(8c，8c’)用于接收至少三个螺钉(8a，8a’)；以及

至少一个螺钉连接(8′)设在所述入口区域(7)面向所述叶轮(6)的一侧；

其特征在于，

设在所述入口区域(7)面向所述叶轮(6)的一侧上的所述至少一个螺钉连接(8′)的所述凸出部(8c′)向外突出至所述叶轮(6)的旋转轴线(5)之外。

2.如权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，设有三个螺钉连接(8，8′)。

3.如权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，在所述入口区域(7)面向所述叶轮(6)的一侧上设有螺钉连接(8′)。

4.如权利要求3所述的装置(10)，其特征在于，

所述汽缸盖(1)具有至少两个汽缸，每个汽缸具有至少两个排气口；及

至少两个汽缸的排气管路汇合以形成复合排气管路(4)，同时在所述汽缸盖(1)内形成所述至少一个集成的排气歧管(3)。

5.如权利要求4所述的装置(10)，其特征在于，首先在每个汽缸上的至少两个排气口的排气管路汇合以在组合排气管路汇合以形成所述复合排气管路(4)之前形成与所述汽缸相关的所述组合排气管路。

6.如权利要求5所述的装置(10)，其特征在于，所述涡轮(2)为排气涡轮增压器的涡轮。

7.如权利要求6所述的装置(10)，其特征在于，所述涡轮(2)为径流式涡轮(9)。

8.如权利要求6所述的装置(10)，其特征在于，所述涡轮(2)为轴流式涡轮。

9.如权利要求8所述的装置(10)，其特征在于，在所述涡轮(2)和所述汽缸盖(1)之间提供密封。

10.如权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述装置(10)设置在于内燃发动机中，所述内燃发动机为增压式内燃发动机。

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