具有多流道、多端口集成式排气歧管的内燃机气缸盖 |
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| 申请号 | CN201710282045.6 | 申请日 | 2017-04-26 | 公开(公告)号 | CN107345505A | 公开(公告)日 | 2017-11-14 |
| 申请人 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司; | 发明人 | A·W·海曼; R·E·贝克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了集成式排气 歧管 (IEM) 气缸 盖、IEM气缸盖的制造方法和使用方法，以及具有 发动机 和IEM气缸盖组件的 机动车辆 。例如，本发明公开一种用于具有发动机和排气系统的机动车辆的IEM气缸盖。该IEM气缸盖包括安装至发动机缸体的本体。该气缸盖本体整体限定了：多个腔室表面，每一个表面与气缸孔和 活塞 对准以限定 燃烧室 ；多个排气口，每一个排气口与气缸孔连通以从其中排出排气；多个出口端口，这些出口端口与排气系统连通以从气缸盖中排出排气；以及多个排气流道，每一个流道从排气口延伸至一个出口端口。这些排气流道彼此之间流动地隔离开，以便各自输送来自气缸孔中的一个的排气。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于具有发动机和排气系统的机动车辆的集成式排气歧管(IEM)气缸盖，所述发动机包括具有多个气缸孔和各自设置在对应气缸孔中的多个活塞的发动机缸体，所述IEM气缸盖包括： |
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| 说明书全文 | 具有多流道、多端口集成式排气歧管的内燃机气缸盖技术领域背景技术[0002] 传统的机动车辆例如现代汽车等包括动力总成系统，该系统用于驱动车辆并为车载电子设备提供动力。包括动力传动系统的动力总成系统(有时也随意地称为动力传动系统)通常由发动机组成，该发动机通过多速动力传递将动力传递到车辆的最终驱动系统(例如，后差速器、车轴和车轮)。往复活塞式内燃机(ICE)具有易于使用、成本相对廉价、轻质以及整体效率高等优点，因此汽车传统上由ICE提供动力。这种发动机包括二冲程或四冲程压缩点火柴油发动机和四冲程火花塞汽油发动机。另一方面，混合动力车辆利用诸如电动发电机之类的替代动力源来驱动车辆，将对发动机的依赖性最小化并且提高了总体的燃料经济性。 [0003] 典型的顶置气门内燃机包括具有气缸孔的发动机缸体，每个缸孔具有可在其中往复运动的活塞。气缸盖联接到发动机缸体的上表面，与活塞和气缸孔协作以形成可变体积的燃烧室。这些往复运动的活塞用于将通过点燃燃烧室中的燃料和空气混合物而产生的压力转换为驱动曲轴的旋转力。气缸盖限定进气端口，由进气歧管提供的空气通过该进气口选择性地引入燃烧室。气缸盖中还限定有排气口，排气和燃烧副产物通过该排气口从燃烧室选择性地排出到排气歧管。排气歧管反过来又收集并组合排气，用于再循环进入进气歧管，输送到涡轮驱动的涡轮增压器，或通过排气系统从ICE排出。 [0004] 传统的气缸盖(如果发动机具有多个气缸组，则为多个气缸盖)是可与发动机缸体拆开的铝或铁铸件，并且包含ICE的火花塞、入口阀、排气阀以及某些情况下的凸轮轴。通常，排气歧管通过例如螺栓和歧管垫圈固定在气缸盖的侧面。排气歧管与排气口连通，以将排气输送到处理系统和排气消声器之后的排气装置，以便随后释放到大气中。排气歧管通常由不锈钢或铸铁形成，包括与气缸盖排气口联接的流道。排气歧管收集器容积与流道在下游流体连通，以在输送到车辆排气系统的部件之前将排气汇集。目前，气缸盖已经设计有排气歧管，即排气流道和排气收集器容积，内部由气缸盖铸件限定，以整体形成集成式排气歧管(IEM)。 发明内容[0005] 本发明公开了用于机动车辆发动机的集成式排气歧管(IEM)气缸盖、IEM气缸盖的制造方法和使用方法、以及具有包括一个或多个IEM气缸盖的内燃机(ICE)的机动车辆。作为示例而非对本发明的限制，公开了一种用于机动车辆的ICE的改进的气缸盖。该气缸盖可以是六缸V型配置(通常称为“V6”)，具有包括多个不同的排气流道的集成式排气歧管，旨在用于减少气缸盖内的“歧管效应”。作为示例，该气缸盖与整体形成的用于每个气缸的单个流道一体铸造(例如，每两个气缸排气口具有一个流道)。这些流道流体地隔离并且物理上彼此分离，这样离开气缸盖时不会使来自其它气缸的排气流体混合。为了适应这种设计，气缸盖在气缸盖歧管的凸缘出口点具有用于每个流道的单独的流体隔离的流道出口端口。例如，为了增加热耗散和进一步降低歧管效应(即减少从多个气缸排出的排气的内部共混)，这些流道出口端口可任选地在涡轮壳体的几何形状内被延长。 [0006] 所公开概念中的至少一部分的附加益处包括：通过对集成式排气歧管中的各个排气流道采样而不是计算多个流道的平均值来优化每个气缸的燃油调节。借助个性化氧传感器确定特定气缸的燃料排气中的氧含量，每个气缸的燃油供给将得到反馈。专用排气口流道内的个性化采样可以为每个气缸进行更准确的燃油调节计算和空气/燃料比调整。这反过来有助于提高燃料经济性并加大功率，例如所有的气缸都可以以基本相同的空/燃比运行。这种设计还可以选择“偏移”用于涡轮增压机或排气歧管的流道出口端口，例如改善发动机舱内的部件包装。多端口IEM气缸盖出口允许在排气口流道凸缘处改善金属材料的冷却。当与传统的气缸盖和排气歧管组件相比时，如本文所公开的IEM气缸盖结构还可以减少排放，减少发动机重量和宽度，以及消除传统的歧管组件零件，例如垫圈，隔热罩和歧管紧固件。 [0007] 本发明的多个方面涉及用于机动车辆发动机的排气歧管和气缸盖。例如，公开了一种用于具有发动机和排气系统的机动车辆的IEM气缸盖。发动机包括具有多个气缸孔和多个活塞的发动机缸体。每个活塞分别设置在各个缸孔中。IEM气缸盖包括被配置为附接到发动机缸体的气缸盖本体。该气缸盖本体整体限定：多个腔室表面，每个腔室表面被配置为分别与各个气缸孔和活塞对准以协作地限定燃烧室；多个排气口，每个排气口被配置为分别与各个气缸孔连通并从其中排出排气；多个流道出口端口，每个流道出口被配置为与排气系统连通以从气缸盖本体排出排气；以及多个排气流道，每个排气流道从排气口延伸到其中一个流道出口端口。排气流道彼此分离并流体隔离，使得每个流道通过单个流道出口端口将排气从单个气缸孔输送到排气系统。 [0008] 本发明的其他方面涉及具有一个或多个集成排气歧管的机动车辆。本文所用的“机动车辆”可以包括任何相关的车辆平台，例如客用车辆(内燃机(ICE)，混合动力等)、工业车辆、公共汽车、全地形车辆(ATV)、摩托车、农用设备、船只、飞机等。在一个示例中，公开了一种包括具有发动机舱的车体的机动车辆。具有排气管的排气系统安装在车体上。内燃机(ICE)组件设置在车辆发动机舱内。ICE组件包括具有一系列气缸孔的气缸组的发动机缸体。活塞在这些气缸孔中的每一个内可往复运动。在V型发动机配置中，ICE组件将包括多个气缸组。 [0009] ICE组件还包括集成式排气歧管(IEM)气缸盖，该气缸盖具有连接到气缸组顶部上的发动机缸体的单件式整体气缸盖本体。在V型发动机配置中，ICE组件可包括多个IEM气缸盖，例如每个气缸组配一个IEM气缸盖。气缸盖本体整体地限定：一系列腔室表面，每个腔室表面分别与各个气缸孔和活塞对准，以协同地限定燃烧室；一系列排气口，每个排气口流体地联接到气缸孔中的一个，以从其中排出排气；凸缘区域，其从气缸盖本体的外表面突出并且包括流体地联接到排气排出管的一系列流道出口端口，以从气缸盖本体排出排气；以及一系列排气流道，每个排气流道从排气口延伸到其中一个流道出口端口。流道出口端口彼此分离并且流体隔离，使得每个出口端口排出来自单个排气流道的排气。同样，排气流道彼此隔离并且流体地隔离，使得每个流道通过单个流道出口端口将来自单个气缸孔的排气排出。 [0010] 根据本发明的其他方面，提出了制造和使用发动机气缸盖的方法。例如，公开了构造用于机动车辆的IEM气缸盖的方法。机动车辆包括发动机和排气系统。发动机包括具有多个气缸孔和设置在每一个气缸孔中的活塞的发动机缸体。该方法包括：形成被配置为附接到发动机缸体的气缸盖本体；在气缸盖本体上形成多个腔室表面，每个腔室表面被配置为分别与各个气缸孔和活塞中对准以协作地限定燃烧室；在气缸盖本体上形成多个排气口，每个排气口被配置为分别与各个气缸孔连通并从其中排出排气；在所述气缸盖本体上形成多个流道出口端口，每个流道出口端口与排气系统连通，以从所述气缸盖本体排出排气；以及在气缸盖本体中形成多个排气流道，每个排气流道分别从各个排气口中延伸到各个流道出口端口。排气流道彼此分离并流体隔离，以便各自通过单个流道出口端口将来自单个气缸孔中的排气排至排气系统。在至少一些实施例中，该方法的形成步骤包括利用金属材料(例如铸铝，不锈钢或铸铁)铸造包括腔室表面、排气口、流道出口端口和排气流道的气缸盖本体为单件式整体结构。 [0011] 以上概述并非旨在表示本发明的每一个实施例或每一个方面。相反，前面的概述仅仅提供了本发明所阐述的一些新颖性方面和特征的例证。结合附图和所附权利要求，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将很容易从以下实施本发明代表性实施例和实施方案的详细描述中得出。 附图说明[0012] 图1是根据本发明的某些方面的代表性的具有气缸盖和集成式排气歧管的六缸V型内燃机的后视图。 [0013] 图2是图1中的代表性内燃机的俯视图。 [0015] 图4是图3中的IEM气缸盖的分离的和流动地隔离的排气流道中的三个的底部透视图。 [0016] 图5是图4中的三个代表性排气流道的侧面透视图。 [0017] 图6是图5中的三个代表性排气流道的正面透视图。 [0018] 本发明容许各种修改和替代形式，并且已经通过附图中的示例示出了一些代表性实施例，并且将在此详细描述。然而，应当理解，本发明的新颖方面不限于所公开的特定形式。相反，本发明旨在涵盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物、组合、子组合以及替代物。 具体实施方式[0019] 本发明容许许多不同形式的实施例。在附图中示出并且将在本文中详细描述本发明的代表性实施例，其理解是本发明被认为是本发明的原理的示例，并且不旨在将本发明的广泛方面限制为所示的实施例。在这种情况下，例如在摘要、发明内容和具体实施方式中公开的但未在权利要求中明确阐述的要素和限制不应通过暗示、推断或以其它方式而单独或集体地并入权利要求中。为了本具体实施方式的目的，除非特别声明：单数包括复数，反之亦然；词语“和”和“或”应该是联结和分离的；词语“全部”是指“任何和所有”；词语“任何”是指“任何和所有”；并且词语“包括”和“包含”和“具有”是指“包括但不限于”。此外，诸如“约”、“几乎”、“基本上”、“大约”等近似的词语在本文中以“在、接近或接近于”或“3-5％之内”或“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合的意义上使用。 [0020] 现在参考附图，其中相同的附图标记在整个几个视图中指代相同的特征，在图1中示出代表性汽车的透视图示，总体上以10指定，具有由内燃机(ICE)组件12部分地表示的动力传动系统。安装在汽车10的前部，例如前保险杠面板和格栅的尾部以及乘客舱前方，ICE组件12安装在由发动机罩14覆盖的发动机舱内。所示的汽车10-在本文中也称为“机动车辆”或简称“车辆”-仅仅是可以实施本发明的新颖方面的示例性应用。同样，将本概念实现为6缸V型发动机配置也应被理解为本文公开的新颖概念的示例性应用。因此，应当理解，本发明的方面和特征可以集成到其它发动机组件中并且用于任何类型的机动车辆。最后，本文提出的附图不一定按比例绘制，并且纯粹用于教学目的。因此，附图中所示的具体和相对尺寸不应被解释为限制。 [0021] 在图1中示出的是代表性V型六缸(V6)往复活塞ICE组件12。ICE组件12操作以推动车辆10，例如作为压缩点火(CI)柴油发动机或火花塞(SI)汽油发动机，包括灵活燃料车辆(FFV)及其混合动力车辆的变型。ICE组件12具有分别带有气缸孔19的第一组和第二组17A和17B的发动机缸体16(通常与“气缸壳体”同义使用)。如图所示，气缸孔的组(或简称“气缸组”)17A、17B彼此相对以小于180度的夹角设置。每个气缸组17A、17B在其中限定一个或多个气缸孔，如图1和图2中在19处以虚线所示。活塞15可在气缸孔19中的每一个气缸孔内往复运动。仅通过附图中示例的方式示出了ICE组件14的选择部件，并且这里将详细描述。然而，应当理解，ICE组件14可以包括在本发明的范围内的其它已知和以后开发的发动机特征。 [0022] 第一和第二集成式排气歧管(IEM)气缸盖18A和18B分别例如经由螺纹紧固件(未示出)安装到第一和第二气缸组17A、17B。沿着每个IEM气缸盖18A、18B的底部一体形成的腔室表面23定位成与气缸孔19中的一个气缸孔以及设置在其中的活塞15对准，以协作地限定可变容积的燃烧室。这对IEM气缸盖18A、18B限定了相应数量的排气口21(例如，每个燃烧室的一个或两个端口)，从气缸孔19选择性地排出排气和燃烧副产物。每个排气口21连通排气(诸如通过专用排气流道20)到相应的流道出口端口22，所有这些都限定在气缸盖18A、18B内。IEM的流道20和出口端口22的特征与相应的气缸盖18A、18B一体地形成，从而避免了对排气歧管附接通常要求的紧固件和垫圈的需要。在这样做时，排气流道20是用于将排气口21连接到气缸盖18A、18B中的出口端口22的排气口21的延伸部，以排出来自发动机12的排气。相应排出管26与每个一体式排气歧管(即流道出口端口22)流体连通。通过与气缸盖 18A、18B一体地形成IEM特征，降低ICE组件12的操作期间的潜在排气泄漏路径。 [0023] 在图1和图2中所示的示例中，涡轮驱动的强制感应涡轮增压器28流体地联接到例如设置在限定在气缸组17A、17B之间的谷部24内的ICE组件12。涡轮增压器28包括涡轮机壳体30，排出管26将来自IEM气缸盖18A、18B的排气连通。可选择的发动机配置可以通过将排气管道并入到涡轮机壳体30中来去除排出管26。排气的热能和动能导致涡轮机叶片(图1中在32处以虚线示出)在涡轮机壳体30内自旋或旋转。当涡轮增压器28去除一些或全部有用的能量时，排气连通到涡轮排出管34，最终释放到大气中。IEM气缸盖18A、18B的内侧配置允许排出管26的长度最小化。通过使排出管26的长度最小化，可以保持排气的更多的热能-否则将通过热传递而损失到大气中-以使涡轮机叶片32旋转。虽然在图1和图2中所示的ICE组件12包括涡轮增压器28，但是本领域技术人员将认识到，在保持在本发明的范围内的同时，涡轮增压器28可以被去除或修改。 [0024] 参考图2，其中示出了图1中呈现的ICE组件12和涡轮增压器组件28的顶部示意图。如图所示，涡轮机叶片32例如通过涡轮机轴36牢固地连接到压缩机叶片38以与其共同旋转。旋转的压缩机叶片38与压缩机壳体40配合以在通常大气压力下引入空气并随后压缩空气。压缩空气与压缩机出口管42连通，该压缩机出口管42分别与第一和第二进气歧管44A和 44B流体连接。进气歧管44A、44B二者操作以将空气分配到进气流道46的布置，该进气流道 46各自与各个进气口48的相应进气口流体连通。与排气口21类似，这些进气口48由第一和第二气缸盖18A、18B中的每一个气缸盖一体形成。进气口48选择性地将空气(例如通过一个或多个提升阀的操作)引入气缸孔16中的相应一个气缸孔，其中空气以及燃料装料随后燃烧。进气口48可以设置在气缸盖18A、18B的内侧或外侧。可选的排气后处理装置50，诸如排气催化剂或颗粒捕集器，可以以涡轮增压器28的下游流动关系设置。 [0025] 图3示出了通常以100指定的代表性内燃机组件的一部分的更详细的视图，该部分包括安装在发动机气缸体组上的IEM气缸盖112，其在114处以虚线示出。气缸体114的所示组具有沿轴线A串联布置的三个气缸-第一气缸116A、第二气缸116B以及第三气缸116C。IEM气缸盖112用各种螺栓和凸耳紧固件118和120分别安装到气缸体114。进气阀和排气阀(在所提供的视图中不可见)安装到IEM气缸盖112的下面朝气缸侧的一侧。这些阀由发动机控制器(未示出)电子控制，以控制通过进气阀进入气缸116A-116C并通过排气阀排出气缸116A-116C的气流，以满足预定的气门正时和发动机点火时间表。发动机控制器还可以控制气缸内的燃料调节和点火。 [0026] 气缸盖112具有集成式排气歧管130(图4-6)，其提供通过三个独立且不同的排气流道132A、132B和132C的三个独特的排气流动路径。例如，IEM 130配置将排气脉冲与每个气缸116A-116C分离，以减少或以其它方式消除“歧管效应”，并且有助于改善通过气缸盖本体122的热能耗散。作为非限制性示例，通过第一流道132A的第一排气流动路径在第一气缸116A的排气阀/端口处具有第一入口点134A(图4)，并且在气缸盖本体122的凸缘侧面138处开口的第一流道出口端口136A处延伸到单个第一出口点135A。类似地，通过第二流道132B的第二排气流动路径在第二气缸116B的排气阀/端口处具有第二入口点134B，并且在气缸盖的凸缘侧面138处开口的第二流道出口端口136B处延伸到单个第二出口点135B。最后，通过第三流道132C的第三排气流动路径在第三气缸116C的排气阀/端口处具有第三入口点 134C，并且在凸缘侧面138上的第三流道出口端口136B处延伸到单个第三出口点135C。 [0027] 在所示示例中，流道出口端口136A-136C是集成式排气歧管130的唯一排气出口。因此，气缸116A-116C中的每一个气缸分别具有独立的专用排气流道132A-132C，以及因此通过集成式排气歧管130的物理分离的流体隔离的独特的流动路径。在任何点处都不会做任何流道合流，例如在内部排气歧管收集器容积下合并以在离开IEM气缸盖112之前形成公共流动通道。该设计允许单独的气缸调节，同时适应偏移流道出口端口的选项，这有助于提高燃料经济性、发动机功率和发动机包装。应当认识到，每个流道132A-132C的入口点134A- 134C的数量通常将取决于每个气缸116A-116C中的排气口的数量。同样地，可以修改流道的数量和出口的相称数量，例如，以容纳具有不同气缸数的发动机。 [0028] 类似于图1和图2中所示的IEM气缸盖18A、18B，图3的IEM气缸盖112包括例如由铝、铁或钢铸造的单件整体式气缸盖本体122，用于容纳ICE组件110的火花塞、入口阀、排气阀等。该整体式气缸盖本体122在其下表面上一体地限定一系列的腔室表面(例如，图1的腔室表面23)，腔室表面中的每一个与包括设置在其中的活塞的一个气缸孔对准，以协作地限定可变容积的燃烧室。一体地形成在本体122内的是一系列排气口(例如，图1的排气口21)，其中的每一个与气缸孔116A-116C中的一个气缸孔连通，以从其中排出废气。流道出口端口136A-136C的布置也一体地形成在整体式气缸盖本体122中，与车辆的排气系统(例如，图2的排出管34和排气后处理装置50)流体联接，以将排气从IEM气缸盖112排出。同样地，每个一体形成的排气流道132A-132C从单个气缸116A-116C(例如，用于气缸孔的排气口中的相应一个或多个排气口)延伸到单个流道出口端口136A-136C。排气流道132A-132C形成为物理分离和流体隔离的结构，使得每个流道从单个气缸孔传递排气。 [0029] 如图4中可见，排气流道132A-132C为每个气缸提供独特的排气入口、排气出口和排气流动路径。特别地，第一排气流道132A的第一流动路径可以通过第一平面视图横截面140A来描绘，该第一平面视图横截面140A可以通过将流道132A的平面形状周边绘制在横向穿过图4中从左侧到右侧通过流道132A的中心的水平面的位置中。同样，第二和第三排气流道132A、132B的第二和第三流动路径可以分别由以相似的方式限定的相应的第二和第三平面视图横截面140B、140C来描绘。如图所示，三个平面视图横截面140A-140C以及由此三个流动路径彼此不同。也在图4中示出的是分别与第二排气流道132B的入口点和出口点134B和135B不同的第一排气流道132A的分别独特的入口点和出口点134A和135A，两者分别与第三排气流道132C的入口点和出口点134C和135C不同。 [0030] 图6是帮助显示具有独特几何形状和表面区域的排气流道132A-132C的补充视图。例如，第一排气流道132A具有第一侧视横截面142A，该第一侧视横截面142A例如可以通过将流道132A的周边绘制在横向穿过图6中从左侧到右侧通过流道132A的中心的竖直平面的位置中。同样地，第二和第三排气流道132B、132C具有可各自以上述方式限定的相应第二和第三侧视横截面(在142B处指定为第二，图6中不可见的第三排气流道132C的侧视图)。三个流道132A-132B的侧视横截面彼此不同。此外，如图4所示，第一、第二和第三流道132A-132B也分别具有不同的第一、第二和第三长度L1、L2和L3。利用不同的排气流道几何形状(例如平面视图和侧视横截面)和长度，第一、第二和第三排气流道132A-132C具有不同的第一、第二和第三内表面区域，在图5中分别以144A、144B和144C指定。 [0031] 回到图3，分别示出了第一、第二和第三流道出口端口136A、136B和136C，其具有沿着从气缸盖本体122突出的凸缘侧面138的相应的第一、第二和第三不同的位置和取向。如图所示，流道出口136A-136C定位成使得第一和第三出口端口136A、136C与第二出口端口136B竖直偏移/间隔开，同时所有三个出口端口136A-136C彼此横向偏移/间隔开。在这方面，第一流道出口端口136A示出与第二流道出口端口136B的第二取向不同的第一取向，二者都不同于第三流道出口端口136C的第三取向。流道出口端口垫圈146可用于将出口端口 136A-136C分离并流体隔离，以确保每个端口从气缸孔中的单个气缸孔向排气系统排出排气。第一、第二和第三排气传感器148A、148B和148C分别各自附接到气缸盖本体122并且流体地联接到排气流道132A-132C中的单个排气流道。传感器148A-148C对来自单个流道 132A-132C的排气流进行采样，使得可以为每个单独的气缸116A-116C提供独特的燃料调节分析。 [0032] 虽然已经参照所示实施例详细描述了本发明的各方面，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多改变。本发明不限于本文公开的精确构造和组合；从前述描述中显而易见的任何和所有修改、变化和变型在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。此外，本概念明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。 |
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