Двигатель с системой охлаждения головки цилиндров
Представлена головка цилиндров для двигателя. Головка цилиндров может содержать верхнюю рубашку охлаждения, имеющую, по меньшей мере, первый вход и первый выход, и нижнюю рубашку охлаждения, имеющую, по меньшей мере, второй вход и второй выход. Головка цилиндров также может содержать первую группу пересекающихся каналов хладагента, имеющую один или более пересекающихся каналов хладагента, соединяющих потоки верхней и нижней рубашек охлаждения, и примыкающих к одной или более камер сгорания.
Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к головке цилиндров для двигателя, содержащей систему охлаждения со смешанной схемой потоков. Более подробно, представленная головка цилиндров содержит верхнюю и нижнюю рубашку охлаждения, а также группу пересекающихся каналов хладагента, соединяющих потоки верхней и нижней рубашек охлаждения, и примыкающих к одной или более камер сгорания.
Уровень техники
Рубашки охлаждения предназначены для того, чтобы отводить тепло от головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Для того, чтобы увеличить количество тепла, которое может быть удалено от головки цилиндров, были разработаны двойные водяные рубашки, что улучшает производительность двигателя.
Головка цилиндров, содержащая двойную водяную рубашку, раскрыта US 7,367,294. Показаны два варианта пути движения хладагента. В первом варианте хладагент движется через две водяных рубашки в последовательной конфигурации, в которой хладагент направляется из выходного отверстия нижней рубашки охлаждения во входное отверстие верхней рубашки охлаждения. Во втором варианте хладагент движется через две водяные рубашки в параллельной конфигурации (т.е. только входное и выходное отверстия обеих рубашек охлаждения сообщаются).
Однако авторы обнаружили различные недостатки вышеизложенных подходов. Последовательный или параллельный путь движения хладагента может увеличивать тепловую изменчивость внутри головки цилиндров, что может привести к увеличению тепловой нагрузки на головку цилиндров и, в некоторых случаях, вызвать деформацию головки цилиндров во время охлаждения двигателя. Кроме того, конструкция двойной водяной рубашки, раскрытая в US 7,367,294, может иметь пониженную структурную целостность из-за конструкции (например, расположение, форма и т.п.) путей прохождения хладагента в головке цилиндров. Более того, в системе охлаждения, раскрытой в US 7,367,294, может накапливаться избыточный газ, вызывающий ухудшение процесса охлаждения.
Раскрытие полезной модели
В силу этого, в данном документе описаны различные системы и подходы. В одном примере представлена головка цилиндров для двигателя. Головка цилиндров может содержать верхнюю рубашку охлаждения, имеющую, по меньшей мере, первое входное (вход) и первое выходное отверстие (выход), и нижнюю рубашку охлаждения, имеющую, по меньшей мере, второе входное и второе выходное отверстия. Головка цилиндров также может содержать первую группу пересекающихся каналов хладагента, содержащую один или более пересекающихся каналов хладагента, потоки которых сообщаются с верхней рубашкой охлаждения и нижней рубашкой охлаждения, и примыкающих (радиально) к одной или более камерам сгорания. Таким образом, становится возможным выработать смешанный рисунок потоков внутри головки цилиндров, что способствует снижению тепловой изменчивости и увеличению охлаждения в головке цилиндров и окружающих компонентах, в то же время сохраняя желаемый уровень структурной целостности.
Вследствие повышенных температур в рубашках охлаждения во время работы двигателя в рубашках охлаждения могут образовываться пары. Когда в рубашках охлаждения присутствуют пары, скорость передачи тепла из головки цилиндров к хладагенту может уменьшаться из-за более низкой теплоемкости паров по сравнению с жидким хладагентом, что ведет к ухудшению процесса охлаждения. Поэтому в некоторых примерах головка цилиндров может иметь газоотводный канал, выполненный с возможностью удаления газа из верхней рубашки охлаждения, и расположенный на участке, граничащем с верхней поверхностью верхней рубашки охлаждения. Благодаря этому, газы могут быть удалены из верхней рубашки охлаждения, что увеличивает количество тепла, которое может быть передано к хладагенту от рубашек охлаждения, что улучшает процесс охлаждения.
В другом примере представлен способ работы системы охлаждения в двигателе внутреннего сгорания. Способ включает в себя поступление потока хладагента во впускное отверстие верхней рубашки охлаждения из канала хладагента блока цилиндров, и поступление потока хладагента во впускное отверстие нижней рубашки охлаждения из канала хладагента блока цилиндров. Способ также включает в себя движение потока хладагента между верхней и нижней рубашками охлаждения через пересекающиеся каналы хладагента, соединяющие потоки верхней и нижней рубашек охлаждения, причем пересекающиеся каналы, расположены после впускного отверстия верхней и нижней рубашек охлаждения и выше выпускного отверстия верхней и нижней рубашек охлаждения. Благодаря этому, становится возможным создавать смешанные схемы потоков хладагента внутри головки цилиндров, тем самым снижая. тепловую изменчивость в головке цилиндров.
Выше приведенное краткое описание предназначено для того, чтобы представить в упрощенной форме выборку концепций, которые далее будут описаны подробно. Выше не обозначены ключевые характеристики или существенные черты раскрываемого объекта, а также вышеприведенные положения не ограничивают объем притязаний раскрываемого объекта. Кроме того, описываемый объект не ограничен воплощениями, которые разрешают любые или все недостатки, отмеченные в любой части данного описания.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлено схематическое изображение двигателя.
На Фиг.2 представлено схематическое изображение системы охлаждения, которая может входить в двигатель, изображенный на Фиг.1.
На Фиг.3 показан пример головки цилиндров, изображенный приблизительно в масштабе.
На Фиг.4-7 показаны различные сечения примера головки цилиндров, изображенного на Фиг.3, выполненные приблизительно в масштабе.
На Фиг.8-16 показаны различные виды составного ядра, используемого для отливки головки цилиндров, изображенной на Фиг.3, выполненные приблизительно в масштабе.
На Фиг.17-19 показан путь потока хладагента через верхнюю и нижнюю рубашки охлаждения, входящие в головку цилиндров, изображенную на Фиг.3, приведенный приблизительно в масштабе.
На Фиг.20 показан способ работы системы охлаждения в двигателе. Осуществление полезной модели
В данном описании представлена головка цилиндров для двигателя. Головка цилиндров содержит пересекающиеся каналы охлаждения для хладагента, двигающегося между верхней и нижней рубашками охлаждения. В некоторых примерах пересекающиеся каналы хладагента могут быть расположены вертикально по одной линии и радиально примыкать к одной или более камерам сгорания, входящим в двигатель. Пересекающиеся каналы хладагента могут создавать комбинированную схему движения потока хладагента в головке цилиндров, в которой хладагент перемещается между рубашками охлаждения в различных точках между впускными и выпускными отверстиями как верхней, так и нижней рубашек охлаждения. Комбинированная схема движения потока хладагента в головке цилиндров, позволяет снизить тепловую изменчивость в головке цилиндров и окружающих компонентах, а также уменьшить тепловую нагрузку на головку цилиндров во время прогревания и остывания двигателя.
На Фиг.1 и 2 дано схематическое изображение двигателя и соответствующей системы охлаждения. На Фиг.3-7 показаны различные виды и разрезы образца головки цилиндров, которая может входить в систему охлаждения, показанную на Фиг.2. На Фиг.8-16 показаны различные виды и сечения стержневых знаков, используемых для отливки головки цилиндров, изображенной на Фиг.3-7. Кроме того, на Фиг.17-19 показан путь потока хладагента через головку цилиндров, изображенную на Фиг.3-7, а на Фиг.20 показан способ работы системы охлаждения в двигателе. Со ссылкой на Фиг.1, двигатель внутреннего сгорания 10, содержащий ряд цилиндров, один из которых изображен на Фиг.1, управляется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания и стенки 32 цилиндра с поршнем 36, расположенным в них и соединенным с коленчатым валом 40. Камера сгорания 30 изображена сообщающейся со впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 посредством соответствующего впускного клапана 52 и выпускного клапана 54. Каждый впускной и выпускной клапан может приводиться в действие впускным кулачком 51 или выпускным кулачком 53. Альтернативно, один и более впускных и выпускных клапанов может приводиться в действие управляемой электромеханическим способом обмоткой клапана и узлом якоря. Положение впускного кулачка 51 может определяться датчиком впускного кулачка 55. Положение выпускного кулачка 53 может определяться датчиком выпускного кулачка 57.
Впускной коллектор 44 также изображен расположенным между впускным клапаном 52 и воздухозаборной трубкой 42. Топливо подается к топливному инжектору 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливное реле (не показано). Двигатель 10 на Фиг.1 выполнен таким образом, что топливо впрыскивается напрямую в цилиндр двигателя, что известно специалистам в данной области техники как прямой впрыск. Топливный инжектор снабжен рабочим током от привода 68, который управляется контроллером 12. Кроме того, впускной коллектор 44 изображен сообщающимся с дополнительным электронным дросселем 62 с дроссельной заслонкой 64. В одном примере может использоваться система прямого впрыска с низким давлением, где давление топлива может подниматься примерно до 20-30 бар. Альтернативно, может быть использована двухступенчатая топливная система с высоким давлением, чтобы создавать более высокое давление топлива. Как еще один вариант воплощения, может использоваться система с точечным впрыском.
Распределительная система 88 зажигания обеспечивает искру зажигания для камеры сгорания 30 с помощью свечи зажигания 92 в ответ на команду контроллера 12. Универсальный датчик содержания кислорода в выхлопных газах (UEGO) 126 показан прикрепленным к выпускному коллектору 48 выше каталитического конвертера 70. Альтернативно, датчик UEGO 126 может быть заменен бинарным датчиком содержания кислорода в выхлопных газах.
В одном примере, конвертер 70 может содержать несколько каталитических блоков. В другом примере может быть использовано несколько устройств контроля эмиссии, каждое с несколькими блоками. В одном примере, конвертер 70 может представлять собой катализатор трехнаправленного типа.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как традиционный микрокомпьютер, содержащий: микропроцессор 102 (CPU), порты 104 ввода и вывода, постоянное запоминающее устройство 106 (ROM), оперативную память 108 (RAM), оперативную энергонезависимую память 110 (КАМ) и обычную шину данных. Контроллер 12, показанный на Фиг.1, получает различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, помимо описанных выше сигналов, также получает данные: о температуре охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) от датчика 112 температуры, соединенного с каналом 114 охлаждения; датчика положения 134, соединенного с педалью газа 130, для измерения силы нажатия ногой 132; измерений давления в коллекторе двигателя (MAP) от датчика давления 122, соединенного с впускным коллектором 44; о фазе двигателя с датчика 118 на эффекте Холла, считывающего положение коленчатого вала 40; показаний датчика 120 воздушной массы, поступающей в двигатель; и показаний положения дросселя датчика 58. Также для контроллера 12 может быть измерено барометрическое давление (датчик не показан). Согласно предпочтительному варианту воплощения, датчик 118 на эффекте Холла производит заранее установленное количество равномерных импульсов в каждый цикл коленчатого вала, на основании которых может быть определена скорость вращения двигателя (RPM).
В некоторых примерах в автомобиле с гибридным приводом двигатель может быть соединен с электродвигателем/системой аккумулятора. Автомобиль с гибридным приводом может иметь параллельную и последовательную конфигурации, а также их комбинации.
Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10 обычно проходит 4 цикла хода: цикл включает впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Во время впуска обычно выпускной клапан 54 закрывается и впускной клапан 52 открывается. Воздух поступает в камеру сгорания 30 через впускной коллектор 44, а поршень 36 двигается по направлению к дну цилиндра так, чтобы увеличить объем внутри камеры сгорания 30. Положение, в котором поршень 36 находится рядом с дном цилиндра и в конце своего хода (т.е когда камера сгорания 30 имеет наибольший объем) обычно называется специалистами в данной области нижней мертвой точкой (НМТ). Во время хода сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 двигается по направлению к головке цилиндров, чтобы сжать воздух внутри камеры сгорания 30. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего хода и наиболее близко к головке цилиндров (т.е когда камера сгорания имеет наименьший объем) обычно называется специалистами в данной области верхней мертвой точкой (ВМТ). В процессе, здесь и далее обозначаемом «впрыск», топливо поступает в камеру сгорания. В процессе, здесь и далее обозначаемом «зажигание», впрыснутое топливо воспламеняют с помощью известных способов зажигания, таких как свеча зажигания 92, что приводит к сгоранию. Однако в других примерах может использоваться компрессионное воспламенение. Во время рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 превращает движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время хода выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы выпустить воспламененную смесь воздуха и топлива в выпускной коллектор 48, а поршень возвращается к ВМТ. Можно отметить, что вышеизложенное приведено только в качестве примера, и распределение по времени открытия и/или закрытия впускного и выпускного клапанов может меняться так, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрытие впускного клапана или различные другие варианты.
В одном варианте позиционный датчик пуска/остановки кривошипа имеет как нулевую скорость, возможность двунаправленности. В некоторых системах может быть использован двунаправленный датчик на эффекте Холла, в других случаях на целевой участок могут быть установлены магниты. Если установить магниты на целевой участок, то можно потенциально избежать образования «дырки на месте зуба», при условии что датчик способен обнаруживать изменения в амплитуде сигнала (например, использование более сильного или слабого магнита для определения конкретного положения на колесе). Более того, с помощью двунаправленного датчика на эффекте Холла или его аналога можно поддерживать положение двигателя во время останова, а во время повторного запуска можно использовать альтернативную стратегию для того, чтобы проверить, что двигатель вращается вперед.
На Фиг.2 показано схематическое изображение охлаждающей системы 200 для двигателя. Следует понимать, что система охлаждения может входить в двигатель 10, показанный на Фиг.1. Система охлаждения может быть выполнена таким образом, чтобы отводить тепло от двигателя. Более подробно, контроллер 12 может быть настроен так, чтобы регулировать количество тепла, удаляемого от двигателя через охлаждающий контур 250. Благодаря этому, температуру двигателя можно регулировать, увеличивая эффективность сгорания, а также снижая тепловую нагрузку на двигатель.
Охлаждающая система 200 содержит контур 250 хладагента, проходящий через блок 252 цилиндров. В качестве рабочей жидкости в контуре хладагента может быть использована вода или другой подходящий хладагент. Блок цилиндров может содержать участок одной или более камер сгорания. Следует понимать, что контур хладагента может проходить вблизи участка камер сгорания. Благодаря этому, избыточное тепло, вырабатываемое во время работы двигателя, может передаваться на контур хладагента.
Головка 253 цилиндров может быть соединена с блоком цилиндров, чтобы образовывать узел блока цилиндров. В собранном виде узел блока цилиндров может содержать несколько камер сгорания.
Головка цилиндров может содержать верхнюю рубашку охлаждения 254 и нижнюю рубашку охлаждения 256. Как показано, верхняя рубашка охлаждения имеет вход 258, а нижняя рубашка охлаждения имеет несколько входов 260. Однако в других вариантах нижняя рубашка охлаждения может иметь единственный вход, а верхняя рубашка охлаждения - несколько входов. Вход 258 и входы 260 соединены с общим каналом 261 контура хладагента в блоке цилиндров. Таким образом, верхняя и нижняя рубашки охлаждения получают хладагент через соответствующие входы из обычного источника хладагента блока двигателя в двигателе. Однако следует понимать, что в некоторых вариантах верхняя и нижняя рубашки охлаждения могут получать хладагент из других каналов хладагента в блоке двигателя.
Первая группа пересекающихся каналов хладагента 262 может соединять потоки верхней рубашки охлаждения с нижней. Подобным же образом, вторая группа пересекающихся каналов хладагента 264 может дополнительно соединять потоки верхней рубашки охлаждения с нижней.
Каждый пересекающийся канал хладагента, включенный в первую группу пересекающихся каналов хладагента, может содержать сужающее устройство 266. Различные характеристики (например, размер, форма и пр.) сужающих устройств могут быть выбраны во время конструирования головки 253 цилиндров. По этой причине сужающие устройства, входящие в первую группу пересекающихся каналов хладагента, могут различаться по размеру, форме и пр., от сужающих устройств, включенных во вторую группу пересекающихся каналов хладагента и/или сужающих устройств 269. Благодаря этому, головка цилиндров может быть отрегулирована под различные типы двигателей, тем самым увеличивая применимость головки цилиндров. Несмотря на то, что как в первой, так и во второй группе пересекающихся каналов хладагента изображено два пересекающихся канала хладагента, количество пересекающихся каналов хладагента, входящих в первую и вторую группы пересекающихся каналов хладагента, могут различаться в других вариантах.
Пересекающиеся каналы хладагента позволяют хладагенту переходить между рубашками охлаждения в различных точках между входами и выходами как верхней, так и нижней рубашек охлаждения. Поэтому хладагент может проходить по комплексной схеме движения, когда хладагент движется между верхней и нижней рубашками, в середине рубашки и в различных других местах рубашки. Комбинированная схема потока уменьшает тепловую вариабельность в головке цилиндров во время работы двигателя, а также увеличивает количество тепловой энергии, которая может быть удалена от головки цилиндров.
Верхняя рубашка охлаждения имеет выпускное отверстие 268. Выпускное отверстие 268 может иметь сужающее устройство (ограничитель) 269. Кроме того, нижняя рубашка охлаждения имеет выпускное отверстие 270. Следует понимать, что в других вариантах выпускное отверстие 270 также может иметь ограничитель. Выпускные отверстия верхней и нижней рубашек охлаждения могут быть объединены и иметь сообщение потоков. Контур хладагента может затем проходить через радиатор 272. Радиатор позволяет передачу тепла от контура хладагента к окружающему воздуху. Благодаря этому, тепло может быть отведено от контура хладагента.
В контур охлаждения также может входить насос 274. Термостат 276 может быть расположен на выходе 268 верхней рубашки охлаждения. Он также может быть расположен на входе блока цилиндров. В других вариантах дополнительные термостаты могут быть расположены в других местах внутри контура охлаждения, таких как вход или выход радиатора, вход или выход нижней рубашки охлаждения, вход верхней рубашки охлаждения и т.п. Для регулирования количества жидкости, протекающей через контур хладагента, также могут быть использованы термостаты, использующие данные о температуре. В некоторых примерах термостатами можно управлять с помощью контроллера 12. Однако в других примерах термостаты могут работать пассивно.
Следует понимать, что контроллер 12 может регулировать давление напора, производимое насосом 274, чтобы регулировать скорость потока хладагента через контур, тем самым регулируя и количество тепла, отводимое от двигателя. Кроме того, в некоторых примерах контроллер 12 может быть выполнен с возможностью осуществлять динамическое регулирование количество потока хладагента через верхнюю рубашку охлаждения посредством термостата 276. В частности, скорость потока хладагента через верхнюю рубашку охлаждения можно снижать, когда температура двигателя ниже порогового значения. Таким образом можно снижать продолжительность прогрева двигателя во время холодного запуска, увеличивая, тем самым, эффективность сгорания и уменьшая количество выхлопных газов.
На Фиг.3 показан вид в перспективе примера головки 253 цилиндров. Головка цилиндров может быть выполнена таким образом, чтобы прикрепляться к блоку цилиндров (не показан), который содержит одну или более камер сгорания, имеющих поршень, двигающийся в них в обратном направлении. Головка цилиндров может быть отлита из подходящего материала, такого как алюминий. Другие детали узла головки цилиндров не описаны. К таким деталям относятся распределительные валы, крышки распредвалов, впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания и пр.
Как показано, головка 253 цилиндров имеет четыре внешние стенки. Стенки включают в себя первую и вторую боковые стенки, 302 и 304, соответственно. Четыре внешние стенки могут также включать в себя переднюю стенку 306 и заднюю стенку 308. Первая боковая стенка может иметь гнезда болтов 310 крепления турбины или другие подходящие крепежные устройства, расположенные вблизи выпускного коллектора и пригодные для прикрепления к турбокомпрессору. Таким образом, турбокомпрессор может быть прикреплен напрямую к головке цилиндров, уменьшая потери внутри двигателя. При этом верхняя и нижняя рубашки охлаждения могут быть выполнены с возможностью циркуляции хладагента вокруг гнезд болтов крепления турбины. Турбокомпрессор может содержать турбину, работающую на выхлопных газах, соединенную с компрессором посредством несущего вала. Компрессор может быть выполнен таким образом, чтобы увеличивать давление во впускном коллекторе.
Нижняя стенка 312 может быть выполнена с возможностью присоединения к головке цилиндров (не показана), тем самым формируя камеры сгорания двигателя, как описано выше. Головка цилиндров может также содержать газоотводный канал 314, содержащий клапан, выполненный с возможностью отводить газы из верхней рубашки охлаждения. Таким образом может быть уменьшено количество газов в верхней и нижней рубашке охлаждения. Газоотводный канал расположен на участке, граничащем с верхней поверхностью верхней рубашки охлаждения. В некоторых примерах этот канал может быть расположен на верхушке (например, на по существу самой высокой вертикальной точке) верхней рубашки охлаждения. Однако в других примерах, газоотводный канал может быть расположен в другом подходящем месте. Газоотводный канал может снижать количество газов (например, воздуха и/или водяных паров) как в верхней, так и в нижней рубашке охлаждения, тем самым увеличивая рабочую эффективность верхней и нижней рубашек охлаждения.
Головка цилиндров 253 может также иметь выпускной коллектор 316, к которому присоединено несколько патрубков. Патрубки изображены и более подробно описаны в отношении Фиг.8-16. Патрубки могут быть присоединены к выпускным клапанам для каждой камеры сгорания. Таким образом, выпускной коллектор и патрубки могут быть интегрированы в отливку головки цилиндров. Интегрированные патрубки имеют несколько преимуществ, таких как уменьшение количества деталей в двигателе, что ведет к сокращению стоимости в цикле разработки двигателя. Кроме того, при использовании цельного выпускного коллектора стоимость инвентаризации и сборки также может быть уменьшена. Секущая плоскость 320 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.4, а секущая плоскость 322 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.5. Кроме того, секущая плоскость 324 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.6, а секущая плоскость 326 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.7. На Фиг.4 показано сечение головки цилиндров 253, показанной на Фиг.3. Показан первый пересекающийся канал 410 хладагента. Первый пересекающийся канал 410 хладагента может входить в первую группу пересекающихся каналов 262 хладагента, показанных на Фиг.2. Продолжая рассмотрение Фиг.4, стрелка 412 обозначает общий путь потока, проходящего через первый пересекающийся канал хладагента из нижней рубашки охлаждения к верхней рубашке охлаждения. Как показано, хладагент движется через в по существу вертикальном направлении через по существу вертикально расположенный канал, по отношению к вертикальному движению поршня в цилиндре. Следует понимать, что ширину первого пересекающегося канала хладагента можно менять во время изготовления посредством обработки на станке. Таким образом, пересекающийся канал хладагента может быть подогнан под желаемую спецификацию.
Первая группа пересекающихся каналов хладагента может быть расположена радиально по отношению к двум или более цилиндрам (камерам сгорания) в двигателе. Следует понимать, что такое расположение может быть сделано вокруг одной линии симметрии. Первая группа пересекающихся каналов хладагента также может быть пространственно отделена от впускных и/или выпускных каналов в двигателе (впускного и выпускного коллекторов). Расположение первой группы пересекающихся каналов хладагента на одной прямой с двумя или более цилиндрами и вдали от впускных и/или выпускных каналов позволяет увеличить структурную целостность головки цилиндров по сравнению с пересекающимися каналами хладагента, которые могут примыкать к впускным или выпускным каналам, что может уменьшить толщину металлического окружения выпускного клапана, тем самым увеличивая вероятность возникновения неисправностей впускного и выпускного клапанов. Кроме того, больший диаметр канала потока может использоваться, когда пересекающиеся каналы потока выровнены описанным выше способом, по сравнению с пересекающимися каналами хладагента, которые расположены вблизи впускных и выпускных клапанов.
Также изображен второй пересекающийся канал 414 хладагента. Он может быть включен во вторую группу пересекающихся каналов 264 хладагента, изображенную на Фиг.2. Второй пересекающийся канал хладагента расположен вблизи краевой области головки цилиндров и пространственно отделен от выпускного коллектора 316. Следовательно, необходимо понимать, что вторая группа пересекающихся каналов хладагента может располагаться вблизи краевой области головки цилиндров и быть пространственно отделена от выпускного коллектора. Стрелка 416 обозначает общий путь потока, проходящего через первый пересекающийся канал хладагента из нижней рубашки охлаждения к верхней рубашке охлаждения. Как показано, манжета 418 как направляет, так и ограничивает поток через первый пересекающийся канал хладагента. Схема движения потока хладагента через вторую группу пересекающихся каналов хладагента идет по дуге. Когда для направления потока хладагента через второй пересекающийся канал хладагента использована манжета, это позволяет упростить процесс конструирования (например, обработку на станке) головки цилиндров.
На Фиг.5 показан пример выпускного отверстия 268 верхней рубашки охлаждения и пример выпускного отверстия 270 нижней рубашки охлаждения. Как показано, выпускное отверстие 268 имеет ограничитель 269, расположенный в центре отверстия. Однако следует понимать, что в других вариантах возможно и другое расположение ограничителя.
На Фиг.6 показан сливной масляный канал 600, который расположен в вогнутой части верхней рубашки охлаждения головки цилиндров и примыкает к передней стенке 306. Следует понимать, что сливной масляный канал может быть отделен от циркуляции хладагента в верхней и нижней рубашках охлаждения. Сливной масляный канал может быть соединен с масляным резервуаром, включенным в систему смазки двигателя. Следует понимать, что масляный резервуар может быть снабжен подъемным насосом, предназначенным для циркуляции масла внутри системы смазки двигателя. В цилиндре также могут содержаться дополнительные сливные масляные каналы. Дополнительные элементы сливного масляного канала 600 проиллюстрированы при рассмотрении Фиг.7.
На Фиг.7 показан вид сверху сливного масляного канала 600, изображенного на Фиг.6. Как показано, сливной масляный проток 700 может простираться по горизонтали вдоль длины головки цилиндров. Следует понимать, что сливной масляный канал может быть расположен вертикально под сливным масляным протоком. Благодаря этому, сливной масляный проток может пассивно направлять масло в сливной масляный канал 600.
Горизонтальная поверхность «пола» сливного масляного протока 700 наклонена в горизонтальном направлении в сторону переднего и заднего сливных масляных каналов 702. Следует понимать, что сливной масляный канал 600, показанный на Фиг.6 - это один из сливных масляных каналов 702, показанных на Фиг.7. Высшая точка сливного масляного протока 700 может быть расположена приблизительно посередине расстояния, как от переднего, так и от заднего сливного масляного канала.
Горизонтальная поверхность «пола» сливного масляного протока 700 наклонена, чтобы поддерживать нулевой наклон пола в боковом направлении при угловой установке двигателя в автомобиле. Кроме того, сердцевинная поверхность вертикальной стенки сливного выпускного протока снаружи изогнута в сторону сливных масляных каналов 702 с гребешком изгиба, находящимся рядом с серединой расстояния между сливными масляными каналами 702, что позволяет сохранять баланс потока слива масла.
Впускная сторона сливного масляного канала 700 включает разделяющую стенку 704, которая используется для контроля потока масла в сливных масляных каналах 702 на стороне впуска. Пол стороны впуска масляного патрубка 700 наклонен при установке двигателя в автомобиле под углом, поэтому слив масла на стороне впуска будет направлен в сторону сливных масляных каналов 600 на стороне впуска.
На Фиг.8-12 показаны иллюстрации составного ядра 800, которое может быть использовано для конструкции (например, отливки) головки цилиндров 253, показанной на Фиг.3. Стержневые знаки могут способствовать более четкой визуализации каналов хладагента в верхней и нижней рубашках охлаждения, а также выпускных патрубках, а форма стержневых знаков представляет собой форму канала хладагента и их расположение относительно друг друга в головке цилиндров 253. Составное ядро включает верхнее ядро 802, нижнее ядро 804 и ядро 806 отверстия выпускного коллектора. Как показано, вертикально расположенные выступы 850, включенные как в верхнее, так и в нижнее ядро, могут определять первую группу пересекающихся каналов 262 хладагента. Следует понимать, что пересекающиеся каналы хладагента могут быть вертикально ориентированы по отношению к движению поршня. Расположенные сбоку выступающие части 860 и в верхнем и в нижнем ядре могут определять вторую группу пересекающихся каналов 264 хладагента. Следует понимать, что горизонтально выровненная выступающая часть 862 может определять выпускное отверстие 268 верхней рубашки охлаждения, включающей ограничитель 269.
На Фиг.9 показан вид сверху на верхнее ядро 802, а на Фиг.10 - вид снизу на нижнее ядро 804. Следует понимать, что верхнее ядро может содержать несколько вертикально выровненных ребер 900 на верхней рубашке охлаждения. Вертикально выровненные ребра могут быть расположены вблизи (вокруг) выпускного коллектора. Подобным же образом, нижнее ядро может содержать несколько вертикально выровненных ребер 1000 в нижней рубашке охлаждения. Вертикально выровненные ребра 900 и 1000 могут создавать схему потока, которая способствует передаче тепла от выпускного коллектора и выпускных бегунков в верхнюю и нижнюю рубашки охлаждения. Ребра могут также увеличить структурную целостность верхней и нижней рубашек охлаждения. Как обсуждалось выше в отношении Фиг.8, горизонтально выровненная выступающая часть 862 определяет выпускное отверстие 268 верхней рубашки охлаждения, содержащей ограничитель 269.
Как показано, вертикально выровненные ребра 900, включенные в верхнюю рубашку охлаждения, могут быть расположены под углом между 25 градусами и 75 градусами по отношению к горизонтальной оси 950 головки цилиндров. Таким же образом, вертикально выровненные ребра 1000 в нижней рубашке охлаждения могут располагаться под углом между 25 и 75 градусами по отношению к горизонтальной оси 950.
Как изображено, часть вертикальных ребер может быть изогнута. Изгиб может уменьшать турбулентность в хладагенте вокруг выпускного коллектора. Однако в других вариантах вертикально выровненные ребра 900 могут быть преимущественно прямыми.
На последующих фигурах (например. Фиг.18 и 19) показана общая заданная схема потока внутри верхней и нижней рубашек охлаждения, включенных в головку цилиндров. Из-за специфики отверстий для болтов турбокомпрессора ребра 1000 перенаправляют поток хладагента. Ребра 900 как перенаправляют поток, так и вызывают столкновение перенаправленного потока в зоне высокотемпературного потока. Зона высокотемпературного потока внутри сектора рубашек охлаждения, интегрированного с выпускным коллектором, расположена на или рядом с выходным фланцем выпускного коллектора. Изогнутые ребра могут иметь схожую геометрию с участком аэродинамического участка. Изогнутые ребра выполнены таким образом, чтобы перенаправлять поток хладагента и отражать перенаправленный поток. Прямые ребра могут быть не способны перенаправлять такой объем потока, как изогнутые ребра. Кроме того, поток вокруг прямых ребер может соскальзывать (например, может произойти разделение потока), что не приведет к необходимому отражению в конкретных зонах рубашек охлаждения. Таким образом, часть ребер выполнена изогнутыми, чтобы обеспечить необходимое отражение и перенаправление. Углы входа и выхода изогнутых ребер могут быть отрегулированы так, чтобы контролировать как объем перенаправляемого потока, так и его последующую скорость отражения.
Ребра 900 начинаются от внешних выпускных патрубков и выдаются вблизи выпускного порта. Расстояние от ребер 900 до внешней рубашки может составлять от 11 миллиметров (мм) до 12 мм. Однако возможны и другие расстояния. Это измерение может соответствовать локальной толщине ядра рубашки охлаждения, которая накрывает самую наружную часть выпускных портов. Ребра могут начинаться сразу после рубашки охлаждения, которая окружает выпускные патрубки так, что толщина верхней рубашки охлаждения над встроенными выпускными каналами увеличивается.
Ребра 900 и 1000 могут полностью или частично блокировать поток хладагента в верхней и нижней рубашках охлаждения. Другими словами, ребра могут вертикально перекрывать рубашки охлаждения или могут только вертикально выступать поперек участка рубашек охлаждения. В некоторых примерах ребра могут по меньшей мере частично выступать (например, выступать наполовину) поперек части каналов охлаждения. Ребра, которые частично блокируют каналы охлаждения, могут уменьшать скорость хладагента, выступая в качестве ограничителя скорости.
Ребра 1000 могут начинаться в том же месте, что и ребра 900. Как указано выше, они не выступают за край, примыкающий к выпускным каналам, как ребра 900. Длина ребер 1000 может определяться количеством потока хладагента в нижней рубашке охлаждения по сравнению с верхней рубашкой охлаждения, а также скоростью, которая может быть необходима, чтобы сохранить необходимый объем локальных тепловых потоков. Следует понимать, что желаемый тепловой поток и другие требования к охлаждению двигателя могут быть определены на основании теплоустойчивости различных компонентов двигателя, таких как головка цилиндров, впускной и выпускной клапаны, топливный инжектор и т.п.
На Фиг.11 показан вертикальное сечение составного ядра 800. Как показано, линия 1100 средней стенки, отделяющая верхнюю рубашку охлаждения от нижней рубашки охлаждения, может быть изогнута вокруг центральной линии камеры сгорания, чтобы увеличить жесткость головки цилиндров. Однако в других примерах средняя стенка может быть преимущественно плоской.
На Фиг.12 показан вид сверху нижнего ядра 804 и ядра 806 отверстия выпускного коллектора. Ядро отверстия выпускного коллектора определяет множество патрубков 1200. Патрубки выполнены изогнутыми, чтобы сократить разделение потока в выхлопных газах. Как было ранее описано, патрубки соединены с выпускными клапанами ряда цилиндров. Следует понимать, что нижняя рубашка охлаждения может по крайней мере частично окружать выпускные патрубки и соответствующие выпускные отверстия, входящие в головку цилиндров. Подобным же образом, верхняя рубашка охлаждения может по крайней мере частично окружать выпускные отверстия и выпускные патрубки, включенные в головку цилиндров.
На Фиг.13 и 14 показаны виды составного ядра 800 с противоположной стороны. На Фиг.15 и 16 показаны вид спереди и сзади на составное ядро 800.
На Фиг.17-19 показаны различные схемы потока внутри верхней и нижней рубашек охлаждения. Несмотря на то, что показаны стержневые знаки, следует понимать, что хладагент может проходить по каналам, обозначенным стержневыми знаками во время отливки. Стрелки 1700 обозначают общее направление хладагента, поступающего во входы нижней рубашки охлаждения. Как показано, хладагент, поступает во входы нижней рубашки охлаждения преимущественно в вертикальном направлении. Стрелка 1702 обозначает общее направление хладагента, проходящего через выход нижней водяной рубашки. Как показано, хладагент проходит из выхода преимущественно в горизонтальном направлении. Стрелки 1704 обозначают общее направление хладагента, поступающего во вход верхней рубашки охлаждения. Как показано, хладагент, поступает во вход преимущественно в вертикальном направлении. Стрелка 1706 обозначает флюид, двигающийся из выхода верхней рубашки охлаждения. Как показано, хладагент движется из выхода преимущественно в горизонтальном положении.
На Фиг.18 показан вид сверху нижнего ядра 804. Стрелки 1800 обозначают общее направление хладагента, протекающего через нижнюю рубашку охлаждения. Следует понимать, что хладагент может поступать в верхнюю рубашку охлаждения через пересекающиеся каналы хладагента в точках 1802.
Мосты 1804 выпускных отверстий могут быть просверлены в головке цилиндров во время конструирования. В некоторых вариантах мосты выпускных отверстий проходят между выпускными отверстиями одной или более камер сгорания. Мосты выпускных отверстий проходят от средней стенки в непосредственной близости от центра камеры сгорания. Центр камеры сгорания может содержать свечу зажигания и/или установочное устройство инжектора. Просверленный канал может быть выполнен литьем или методом машинной обработки, что обеспечивает плоскую поверхность, которая перпендикулярна просверленному направлению, что создает опорную поверхность отверстия. Мосты выпускных каналов могут быть сконфигурированы так, чтобы направлять хладагент между выпускными отверстиями, тем самым увеличивая количество тепла, передаваемого к охлаждающей жидкости в нижней рубашке охлаждения из выпускных отверстий.
На Фиг.19 изображен вид сверху верхнего ядра 802. Стрелками 1900 обозначено общее направление потока хладагента через верхнюю рубашку охлаждения. Следует понимать, что хладагент может поступать в верхнюю рубашку охлаждения через пересекающиеся каналы хладагента в точках 1902.
Комбинированная схема потока, показанная на Фиг.17-19, уменьшает тепловую изменчивость, тем самым сокращая нагрузку на головку цилиндров и/или блок двигателя и уменьшая вероятность деформирования головки цилиндров и/или блока двигателя во время охлаждения. Кроме того, схема потока, показанная на Фиг.17-19, способствует тому, что из двигателя удаляется большее количество тепла по сравнению с двойной рубашкой охлаждения, в которой используется параллельная или последовательная конфигурация. Благодаря этому, работа двигателя может быть улучшена, а вероятность тепловой деградации головки цилиндров и других компонентов двигателя (например, выпускного коллектора, системы контроля выхлопа и пр.) может быть уменьшена посредством снижения температуры головки цилиндров и окружающих элементов. Следует понимать, что схемы потока, изображенные на Фиг.17-19, являются только примерными, и в других вариантах могут использоваться верхняя и нижняя рубашки охлаждения с альтернативными схемами потока.
На Фиг.20 показан способ 2000 работы системы охлаждения в двигателе внутреннего сгорания. Способ может быть реализован с использованием системы, компонентов и пр., описанных выше, или, альтернативно, может быть реализован посредством других подходящих систем, компонентов и пр.
Сначала, на этапе 2002, способ включает в себя поступление хладагента во вход верхней рубашки охлаждения из канала хладагента блока цилиндров. Затем на этапе 2004 способ включает в себя поступление хладагента во вход нижней рубашки охлаждения из канала хладагента блока цилиндров.
В некоторых примерах вход верхней рубашки охлаждения и вход нижней рубашки охлаждения могут получать хладагент из общего источника (канала) хладагента в блоке цилиндров. Однако в других вариантах вход верхней рубашки охлаждения и вход нижней рубашки охлаждения могут получать хладагент из разных каналов хладагента в блоке цилиндров.
Затем на этапе 2006 способ включает в себя движение потока хладагента между верхней и нижней рубашками охлаждения через совокупность пересекающихся каналов хладагента, соединяющих потоки верхней и нижней рубашек охлаждения. В некоторых примерах совокупность пересекающихся каналов хладагента может входить в первую и/или вторую группу пересекающихся каналов хладагента, описанных выше. Благодаря этому, хладагент может перемещаться по комбинированной схеме потока между верхней и нижней рубашками охлаждения, тем самым снижая тепловую изменчивость головки цилиндров.
На этапе 2008 способ включает в себя движение потока хладагента из выпускного отверстия нижней рубашки охлаждения в трубопровод, соединенный с радиатором. На этапе 2009 способ включает в себя движение потока хладагента из выпускного отверстия верхней рубашки охлаждения в трубопровод, соединенный с радиатором.
На этапе 2010 способ включает в себя динамическое регулирование потока хладагента к верхней рубашке охлаждения из нижней рубашки охлаждения, выполняемое на основании температуры двигателя. Следует понимать, что в некоторых примерах поток хладагента может быть динамически ограничен, когда температура двигателя ниже порогового значения, и впоследствии увеличен, когда температура двигателя выше порогового значения. Таким образом двигатель может быть прогрет быстрее во время холодного запуска, тем самым увеличивая эффективность сгорания и уменьшая эмиссию. На этапе 2012 способ включает в себя извлечение образовавшихся газов из газоотводящего канала, расположенного в верхней рубашке охлаждения. Однако в других примерах этапы 2010 и 2012 могут быть не включены в способ 2000,
Следует понимать, что описанные конфигурации и/или подходы являются только примерными и что эти конкретные варианты и примеры не могут рассматриваться как ограничивающие, поскольку возможны их многочисленные вариации. Объект настоящей полезной модели включает в себя все новые и не очевидные комбинации и подкомбинации описанных различных характеристик, функций, действий и/или свойств а также любые и все их эквиваленты.
1. Головка цилиндров для двигателя, содержащая:
верхнюю рубашку охлаждения, имеющую, по меньшей мере, первый вход и первый выход;
нижнюю рубашку охлаждения, имеющую, по меньшей мере, второй вход и второй выход; и
первую группу пересекающихся каналов хладагента, соединяющих потоки верхней рубашки охлаждения и нижней рубашки охлаждения, и примыкающую к одной или более камер сгорания.
2. Головка цилиндров по п.1, в которой пересекающиеся каналы хладагента первой группы расположены радиально по отношению к, по меньшей мере, одной камере сгорания двигателя.
3. Головка цилиндров по п.1, дополнительно содержащая вторую группу пересекающихся каналов хладагента, соединяющих потоки верхней рубашки охлаждения и нижней рубашки охлаждения, примыкающих к краевой области головки цилиндров и пространственно отделенных от выпускного коллектора.
4. Головка цилиндров по п.1, дополнительно содержащая газоотводный канал, выполненный с возможностью удаления газов из верхней рубашки охлаждения и расположенный на участке, примыкающем к верхней поверхности верхней рубашки охлаждения.
5. Головка цилиндров по п.1, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один сливной масляный канал, расположенный на вогнутом участке верхней рубашки охлаждения.
6. Головка цилиндров по п.1, дополнительно содержащая гнезда болтов крепления турбины, расположенные вблизи выпускного коллектора и выполненные с возможностью прикрепления к турбокомпрессору.
7. Головка цилиндров по п.6, в которой верхняя и нижняя рубашки охлаждения выполнены с возможностью циркуляции хладагента вокруг гнезд болтов крепления турбины.
8. Головка цилиндров по п.1, в которой пересекающиеся каналы хладагента первой группы расположены радиально по отношению к, по меньшей мере, двум камерам сгорания двигателя.
9. Головка цилиндров по п.1, в которой хладагент поступает в верхнюю и нижнюю рубашки охлаждения через соответствующие входы из общего источника хладагента блока двигателя.
10. Головка цилиндров по п.1, в которой первая группа пересекающихся каналов хладагента пространственно отделена от выпускного коллектора.
11. Головка цилиндров по п.1, в которой часть средней стенки, отделяющей верхнюю рубашку охлаждения от нижней рубашки охлаждения, является изогнутой.
12. Головка цилиндров по п.1, в которой верхняя и нижняя рубашки охлаждения имеют вертикально расположенные ребра, размещенные вблизи выпускного коллектора.
