具有集成传热装置的发动机部件套筒

申请号 CN201380040695.X 申请日 2013-05-24 公开(公告)号 CN104508272B 公开(公告)日 2017-09-22
申请人 珀金斯发动机有限公司; 发明人 A·萨维尔; R·麦克戴维; A·德里斯;
摘要 本 发明 针对一种具有集成 传热 装置的 发动机 部件套筒。套筒包括限定通道的壁,以及一个或多个传热装置。每个传热装置包括封闭在壁内的至少一个腔以及位于腔内的 工作 流体 。
权利要求

1.一种用于将发动机部件定位在发动机中的套筒,所述套筒包括:
限定通道的壁;以及
一个或多个传热装置;
每个传热装置包括:
完全封闭在所述壁内的至少一个腔;以及
位于所述腔内的工作流体
其中,所述壁包括由截头圆锥部分连接到第二部分的第一部分,所述第一部分具有比所述第二部分的外径更大的外径。
2.根据权利要求1所述的套筒,其中,每个传热装置是无源传热装置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的套筒,其中,所述至少一个腔包括较高温度区域以及较低温度区域。
4.根据权利要求3所述的套筒,其中,所述工作流体被选择为在所述较高温度区域中蒸发并在所述较低温度区域中冷凝。
5.根据权利要求3所述的套筒,其中,所述工作流体将热量从所述较高温度区域传递到所述较低温度区域。
6.根据权利要求1所述的套筒,其中,每个传热装置包括多个腔。
7.根据权利要求1所述的套筒,其中,每个传热装置是热虹吸管或热管
8.一种包括权利要求1至7中任一项所述的套筒的发动机。
9.根据权利要求8所述的发动机,其中,所述发动机部件位于所述套筒中,所述发动机部件选自燃料喷射器、火花塞热电偶
10.根据从属于权利要求3的权利要求8或权利要求9所述的发动机,其中,所述至少一个腔定位在所述壁中,以将所述至少一个腔的所述较高温度区域定位在热源的邻近处,并且将所述至少一个腔的所述较低温度区域定位在散热体的邻近处。
11.根据权利要求10所述的发动机,其中,所述热源是燃烧室
12.根据权利要求10所述的发动机,其中,所述散热体是冷却剂流体,所述冷却剂流体位于冷却剂通道中。
13.根据权利要求12所述的发动机,其中,所述壁的外侧至少部分地暴露于所述冷却剂流体,并且所述套筒对于所述发动机是密封的,以防止冷却剂流体接触所述发动机部件。
14.根据权利要求8所述的发动机,其包括汽缸盖,所述套筒位于所述汽缸盖中。

说明书全文

具有集成传热装置的发动机部件套筒

技术领域

[0001] 本发明针对一种具有集成传热装置的发动机部件套筒。套筒包括壁和通道,且传热装置设置在壁内。

背景技术

[0002] 内燃机通常包括由汽缸盖密封的在汽缸体中的多个汽缸,汽缸具有位于每个汽缸内部的活塞。燃烧腔在活塞头、汽缸壁和汽缸盖面部(cylinder head face)之间形成。其他发动机部件,例如燃料喷射器、热电偶火花塞,可安装在汽缸盖或汽缸体的内部或者安装在汽缸盖或汽缸体上。
[0003] 为了减少排放物和提高效率,通过减小发动机的尺寸和重量增加发动机的功率密度,同时保持相同的功率输出。然而,为了维持提供类似输出到较大发动机,燃烧室内的相对压温度将会增加。已知汽缸盖面部在发动机工作循环期间(特别是在燃烧冲程期间)达到非常高的温度,并且已在360℃测量了汽缸盖面部。热量可经由汽缸壁和汽缸盖面部从燃烧室传递到汽缸盖或汽缸体中的冷却剂系统。因此,热量可被传递到安装在汽缸盖或汽缸体的内部或安装在汽缸盖或汽缸体上的发动机部件。高温可损害和/或增加发动机部件的热机械疲劳。
[0004] 在US-B-3945353中公开了一种用于减少由于高发动机温度对发动机部件的损害的实例。US-B-3945353描述了一种燃料喷射喷嘴,该燃料喷射喷嘴具有用作冷却系统的液压冷却热管。热管将热量从暴露于高温燃烧室的喷嘴尖端传递到循环液压流体,循环液压流体就像散热体一样工作。热管通过蒸发邻近喷嘴尖端的热管内部的冷却介质和通过冷凝邻近循环液压流体的冷却介质来工作。然而,这样的装置只适于将热量传递离开喷嘴尖端,并且对燃料喷射器增加了显著的复杂度。
[0005] 一些发动机部件通常位于汽缸盖中的钻孔中。套筒,例如燃料喷射器套筒或阀导承套筒,可设置在钻孔中,以及位于套筒内部的发动机部件中。此外,可将钻孔位于使套筒和发动机部件定位在邻近或部分地在汽缸盖中的发动机冷却剂通道中的位置。套筒能够使发动机部件精确地定位在汽缸盖中,并可将发动机部件与冷却剂流体阻隔开来。然而,套筒的定位可不使用于防止对发动机部件损害的适当的热传递成为可能。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种套筒,用于将发动机部件定位在发动机中,所述套筒包括:限定通道的壁;以及一个或多个传热装置;每个传热装置包括:封闭在壁内的至少一个腔;以及位于腔内的工作流体
[0007] 本发明进一步提供了包括这种套筒的发动机。
[0008] 现在参考所示附图且如附图所示,仅以示例的方式,描述具有集成传热装置的发动机部件套筒的实施例

附图说明

[0009] 图1是本发明的发动机部件套筒的透视图;
[0010] 图2是图1的发动机部件套筒的截面侧视图;以及
[0011] 图3是图1和图2的发动机部件套筒所位于的汽缸盖的截面侧视图。

具体实施方式

[0012] 本发明整体针对一种套筒,该套筒适于将发动机部件定位在发动机中。套筒包括壁,壁限定了通道。发动机部件安置在通道中,并且传热装置设置在壁内。
[0013] 图1和图2示出了本发明的套筒10的一个实施例。套筒10可用于将发动机部件定位在发动机中,并且具体地,可用于将发动机部件定位在汽缸盖或汽缸体中。例如,发动机部件可以是燃料喷射器、阀杆、热电偶或火花塞。具体地,套筒10可以是燃料喷射器套筒,用于将燃料喷射器定位在邻近发动机冷却剂通道的汽缸盖中,这样使得燃料喷射器尖端突出到发动机的燃烧室中。可选地,套筒10可以是阀导承,用于将阀杆定位成将汽缸盖邻近燃烧室和进气/排气通道安置。
[0014] 套筒10可以是基本上管状的(即,由基本上空心的圆柱体形成),并且套筒10包括限定内部通道12的壁11。通道12可从在套筒10的一端处的第一开口13延伸到在套筒10的另一端处的第二开口14。发动机部件可插入到通道12中并位于通道12中。套筒10的截面形状可以是基本上圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形或任何其他合适的形状,并且套筒10的截面形状可沿着套筒10的长度变化。一个或多个凹槽可至少部分地沿着壁11的长度或绕壁11的外周延伸。壁11可由任何合适的材料制成,如不锈和/或镍。
[0015] 壁11的厚度沿套筒10的长度可基本上相同或者可变化。套筒10的外径沿套筒10的长度可基本上相同或者可变化。壁11可包括第一部分15,第一部分15由截头圆锥部分17连接到第二部分16。第一部分15的外径可大于第二部分16的外径。第一部分15的内径可大于第二部分16的内径。通过提供从第一部分15的内径和外径到第二部分16的分别的内径和外径的平滑减小,截头圆锥部分17可在壁11的内表面和外表面上提供连续性。
[0016] 套筒10可包括一个或多个压缩密封件18、19,压缩密封件18、19用于在壁11的外侧和套筒10所位于的钻孔的内壁之间形成密封(下面进一步描述)。压缩密封件18、19可沿着套筒的长度位于任何适当的位置,并可位于壁11的外表面上或在壁表面中的上述凹槽中。如前所述,壁11可具有圆形的截面,并且压缩密封件18、19可包围壁11的整个外周。
[0017] 一个或多个传热装置20设置在或封闭在壁11的厚度中,并可位于任何合适的位置,以将热量从高温源(为热源)传递到较低温源(为散热体)。散热体和热源可位于套筒10的邻近处,并且可以是发动机的任何部分,例如燃烧室、发动机冷却剂系统、套筒10本身或位于套筒10中的发动机部件。每个传热装置20可以是无源的,使得为了传递热量,传热装置20不需要外部作业输入(即不再需要超出热源所提供的能量的更多能量)。
[0018] 每个传热装置20可包括封闭在套筒10的壁11内的腔21,腔21可基本上沿套筒10的长度延伸。每个腔21可密封在壁11内。每个腔21可包括较高温度区域22和较低温度区域23,其中,较高温度区域22具有比较低温度区域23的温度高的温度。在图2中,较高温度区域22和较低温度区域23示出在腔20的任一端处,但是可以预期,它们也可在其他方向上。
[0019] 腔20内部设有工作流体,以将热量从较高温度区域22传递到较低温度区域23。工作流体可在较高温度区域22和较低温度区域23之间连续地再循环,并且在每个循环期间,不经历相变、经历一次相变或相变多次相变。工作流体可在较高温度区域22基本上蒸发,并在较低温度区域23基本上冷凝,从而经历两次相变。
[0020] 工作流体可以是适于传热装置20的形成及温度操作范围的任何类型,例如异丁烯、、甲醇、、汞、碘、镁、甲苯、钠、锂、等。可对形成套筒10的材料与工作流体的类型选择为彼此可相容,或可替换地,壁11的部分和/或腔21的内侧上的涂层可由与工作流体相容的材料制成。
[0021] 通过由于压力差造成的本体对流,和/或通过由于在端部22、23之间的浓度梯度差造成的扩散,工作流体可从较高温度区域22转移到较低温度区域23。由于重力,工作流体可从较低温度区域23转移到较高温度区域22。利用这样的过程的传热装置20通常称为热虹吸管。热虹吸管可以是开环或闭环,并且可以是单相、两相或更多相。在一个示例中,工作流体在较高温度区域22蒸发,基本上由于本体对流和/或扩散而流到较低温度区域23,在较低温度区域23冷凝,并由于重力(例如通过使腔21的壁向下滴流)而返回到较高温度区域22。
[0022] 可选地,通过吸液芯中的毛细管作用(即表面张力作用),工作流体可从较低温度区域23转移到较高温度区域22。合并有这样的装置的传热装置20通常称为热管。吸液芯可具有任何合适的组成,诸如多孔陶瓷、烧结金属或金属丝网,并且可呈本领域中已知的任何合适的布置,例如波纹状、环状、网、凹槽状或开放式渠道状、网格状或者形成为腔21内的干道。吸液芯的组成、工作流体以及腔21的壁可选择为彼此可相容。
[0023] 在一个示例中,工作流体在较高温度区域22蒸发,基本上由于本体对流和/或扩散而流到较低温度区域23,在较低温度区域23处冷凝,并由于通过吸液芯的毛细作用而返回到较高温度区域22。热管可以是适当形式的传热装置20,其中,用于发动机部件的套筒10被定向成使得重力不能起作用将工作流体从较高温度区域22传递到较低温度区域23。这种定向的一个例子是当较高温度区域22位于比较低温度区域23更高的位置时。
[0024] 图3示出了位于汽缸盖24中的套筒10的示例性装置。套筒10可位于第一钻孔25中,并且可用于将燃料喷射器(未示出)定位成使得燃料喷射器的尖端突出通过第二钻孔26并突出到燃烧室27内。套筒10可至少部分地封闭在发动机中的冷却剂通道28中,并且发动机冷却剂通道28中的冷却剂流体可接触壁11的外侧的至少一部分。第二钻孔26所具有的宽度可小于第一钻孔25的宽度,在它们之间限定了肩部29,套筒10与肩部29接合。
[0025] 使用压缩密封件18、19通过任何方式,例如使用过盈配合或黏合剂,套筒10可固定在第一钻孔25中。密封构件30可位于壁11的内侧上,并可与肩部29接合或者接触。密封构件30可至少部分地沿套筒10的长度延伸,这样使得燃料喷射器安置在密封构件30上。燃料喷射器被定位成通过密封构件30中的中央钻孔31。密封构件30可在肩部29、套筒10和第一钻孔25之间形成密封。密封构件30可由形成。可选地,密封构件30和套筒10可形成为单个部分。
[0026] 在燃烧循环期间,燃烧室27中可产生高温,从而形成热源。热量从汽缸盖面部,通过燃料喷射器和/或汽缸盖24,进而传递到套筒10。一个或多个传热装置20通过套筒10的壁11将热量传递到可作为散热体的冷却剂流体。传热装置20可被定位成使得腔21自套筒10最接近燃烧室27的端部的邻近处,通过沿套筒10的长度方向的壁11,进而延伸到发动机冷却剂通道28的邻近处。
[0027] 汽缸盖24可进一步包括与燃烧室27进行空气连通的一个或多个进气/排气通道32、33。位于燃烧室27和空气通道32、33之间的阀口34、35,可由安置在阀导承套筒36中的阀(未示出)打开或关闭。阀导承套筒36可安置在钻孔37中,钻孔37可位于发动机冷却剂通道
38、39的邻近处。如前所述(但图中未示出),一个或多个传热装置20设置在阀导承套筒36的壁上,以促进热量从空气通道32、33和/或汽缸盖传递到发动机冷却剂通道38、39中的冷却剂流体。
[0029] 相对于若壁11不具有传热装置20(即壁包括固体材料)将发生的速率,传热装置20提高了沿壁11的传热速率。这种改进可以是用对流传热和质量传递(例如扩散)取代传导传热的结果。
[0030] 在套筒10和发动机之间所形成的密封可防止冷却剂流体接触位于其中的发动机部件,从而防止发动机部件受冷却剂流体的任何潜在的腐蚀作用。通过改进向发动机冷却剂的传热,可减少由于暴露于高温环境导致的引擎部件的机械疲劳。此外,可以在燃烧室中达到更高的温度,因此提高功率密度,而不会增加发动机部件的劣化。
[0031] 可将套筒10改装到发动机,代替不包括传热装置20的发动机部件套筒。此外,在发动机维修期间,可拆卸、修理和/或更换套筒10。当传热装置20是热管时,这样的特征可特别有利,因为吸液芯可需要定期更换。
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