帶有噴射器安裝與冷卻布置的發動機的製作方法
2023-06-04 16:44:21 2
專利名稱：帶有噴射器安裝與冷卻布置的發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於將高壓燃料噴入發動機氣缸的燃料噴射器，以及具有用於在操作期間冷卻該噴射器的冷卻布置的發動機。
背景技術：
內燃機通常均包括需要通過發動機冷卻劑帶走多餘熱量而進行冷卻的發動機本體，例如發動機體和發動機蓋。許多發動機還包括燃料噴射器，所述燃料噴射器安裝在各自的噴射器安裝孔內並包括用於將燃料噴入發動機氣缸內以用於燃燒的噴嘴組件。包括噴嘴組件的燃料噴射器暴露在非常高的溫度下，所以需要進行冷卻。發動機冷卻劑和在發動機氣缸蓋內的噴射器附近的噴射燃料的物理分離在製造/組裝方面遇到挑戰，並可能增加可靠性問題。
發明內容
本發明提供一種包括噴射器的內燃機，噴射器包括具有外表面的噴射器保持器和定位在噴射器保持器內的噴嘴組件。氣缸蓋包括上密封部、下密封部以及用於容納所述噴射器的噴射器安裝孔。上密封件被定位在上密封部和噴射器保持器之間以形成流體密封。發動機冷卻劑通道形成在氣缸蓋內以接收發動機冷卻劑，從而從氣缸蓋帶走熱量。發動機冷卻劑通道通入安裝孔並與其流體連通，從而導致冷卻劑通道中的冷卻劑接觸噴射器保持器的外表面。下密封件被定位在下密封部和噴射器保持器之間以形成流體密封。本發明還涉及一種包括噴射器的內燃機，噴射器包括容納用於噴入發動機內的燃料的噴射器本體，其中噴射器本體包括噴射器支撐件和被定位在該噴射器支撐件內的噴嘴組件。該噴射器支撐件包括環形外表面和面對噴嘴組件的環形內表面。氣缸蓋包括下密封部和用於容納噴射器的噴射器安裝孔。發動機冷卻劑通道形成在氣缸蓋內以接收發動機冷卻劑從而從氣缸蓋帶走熱量。發動機冷卻劑通道通入安裝孔並與其流體連通，從而導致冷卻劑通道中的冷卻劑接觸噴射器支撐件的環形外表面。通過結合附圖對示範實施例的下述詳細說明，本發明實施例的優點和特徵將變得更明顯。
圖1是現有技術中噴射器的下部的部分剖視圖，示出了圍繞噴射器的氣缸蓋澆鑄部分和與噴射器間隔並且分開的燒鑄式發動機冷卻劑通道；圖2是現有技術中噴射器的下部的部分剖視圖，示出了用於容納噴射器並防止冷卻劑與噴射器接觸的壓入式套管；圖3是本發明的示範實施例的噴射器下部和噴射器安裝與冷卻布置的部分剖視圖；圖4是本發明另一個示範實施例的噴射器下部和噴射器安裝與冷卻布置的部分首丨J視圖;圖5是溫度與離開噴嘴末端的距離的圖形，示出了噴嘴末端溫度。
具體實施例方式申請人:意識到，在噴射器噴嘴周圍的燃料與冷卻劑分離的常規方法會降低噴嘴到冷卻劑的熱傳遞效率，從而導致運行中噴嘴末端溫度升高。期望具有降低的噴嘴溫度，以有利於減少噴射孔結焦、噴嘴碳化以及噴嘴空穴化。通過使發動機冷卻劑與噴射器噴嘴組件直接物理接觸，本發明的布置能增強對噴嘴組件的冷卻，因此提高了可靠性，同時也簡化了製造程序。本發明的布置還避免了對於發動機氣缸蓋中的能分離噴射器噴嘴周圍的冷卻劑和燃料的結構或附加部件的需求。圖1示出了常規噴射器組件的例子，包括被定位在發動機主體(即，氣缸蓋13)內的安裝孔11中的噴射器本體10。噴射器本體10包括筒管12和噴射器噴嘴組件14，噴射器噴嘴組件包括被用於將噴射器噴嘴組件14連接到筒管12的保持器16。冷卻通道22澆注在氣缸蓋13內、圍繞噴嘴組件14並且位於在安裝孔和排出口之間。該設計使發動機冷卻劑能在噴嘴組件附 近流動、但通過發動機主體/氣缸蓋與噴射器隔開，因此冷卻劑不會直接接觸噴射器本體(即，保持器16)的外表面。圖2示出了類似於圖1的常規組件的另一種常規噴射器組件的例子，不同之處在於，與噴射器分離的壓入套管24在噴射器被插入之前先被插入安裝孔內。套管24的內端與氣缸蓋的形成安裝孔的內環形壁形成過盈配合，從而形成流體密封，同時套管24的外端包括與氣缸蓋接合的密封。通過這種方式，形成在氣缸蓋內的冷卻劑通道26與直接包圍噴嘴組件14的空間流體隔離，而不是通入所述空間中。因此，發動機冷卻劑被允許接觸定位成與噴射器具有隔開距離的套管24外側，但是不允許冷卻劑接觸噴嘴組件14(即，保持器)，所以允許壓入套管的內側的燃料位於保持器和套管之間。但是，這種壓入套管可能發生洩漏，並導致燃料至冷卻劑的汙染。圖1或圖2中示出的例子都不能使得噴射器噴嘴被發動機冷卻劑有效冷卻，這是因為從噴嘴到發動機冷卻劑的熱傳遞路徑是間接的和低效的。圖3和圖4示出了本發明的布置的示範實施例的例子，所述布置包括發動機本體50 ( S卩，氣缸蓋)，其中形成有安裝孔52，以及被定位在安裝孔52內的燃料噴射器組件54。圖3和圖4中相同的附圖標記表示相同或相似的特徵。冷卻劑通道56形成在氣缸蓋50中，優選圍繞安裝孔52環形地延伸，從而通入安裝孔52並與其流體連通。冷卻劑通道56從安裝孔52橫向向外地以及沿安裝孔52軸向地延伸，從而形成用於接收發動機冷卻劑並引導冷卻劑圍繞燃料噴射器組件54的一容積。在該示範實施例中，燃料噴射器組件54包括噴射器本體60，所述噴射器本體包括噴射器筒管62和噴嘴組件64，噴嘴組件包括保持到噴射器本體的其他部分上的保持器66。在該示範實施例中，保持器66與筒管62螺紋式地接合，從而通過保持器66和筒管62簡單的相對轉動以壓縮抵接關係保持噴嘴組件64和筒管62。雖然只有圖4示出了噴嘴組件64和筒管62的細節，但是同樣的特徵也可存在於圖3的實施例中。在圖4的示範實施例中，噴射器組件54還包括燃料傳輸迴路68，其用於輸送燃料通過噴射器腔然後到達形成於噴嘴殼體64上的多個噴射器孔28，以將燃料噴入發動機(未示出)燃燒室內。噴嘴組件64包括噴嘴殼體65、中間膛孔67、以及噴嘴閥元件72，所述噴嘴閥元件72被往復式地安裝在噴射器腔中並伸入中間膛孔67中，用於打開和關閉噴射器孔28從而控制進入發動機燃燒室的噴射燃料流。具體地，噴嘴閥元件72可在打開位置和關閉位置之間運動，在打開位置中，燃料流過噴射器孔28進入燃燒室，在關閉位置中，噴嘴閥元件72的內端被定位成以密封的方式抵靠在形成於噴嘴殼體64上的閥座上，從而阻止燃料流過噴射器孔28。噴嘴組件64(即，噴射器保持器66)在一側(外表面73)與發動接冷卻劑直接接觸，在另一側(內表面75)與噴嘴組件和燃料中的至少一個直接接觸，因此提供從噴嘴組件64到冷卻劑通道56中發動機冷卻劑的直接熱傳遞路徑。而且，噴嘴殼體的靠近筒管62定位的外側遠端也被沿著噴射器的縱向軸線軸向地定位在上密封件76和下密封件80、82之間，從而在噴嘴組件的大部分區域上提供冷卻劑。這種無套管的噴射器安裝與冷卻布置不需要高成本和有挑戰性的壓入式套管和/或圍繞噴射器安裝孔並與噴射器安裝孔隔開的澆注冷卻通道。發動機的氣缸蓋50包括完全圍繞也形成在氣缸蓋內的噴射器安裝孔52環形延伸並通入所述噴射器安裝孔52中的發動機冷卻劑通道56。組裝好的燃料噴射器組件54，連同附接(螺紋式接合)於噴射器筒管62從而連接所述筒管和噴嘴組件的噴嘴組件64的噴射器保持器66，被插入噴射器安裝孔52內。形成所述安裝孔52 —部分的氣缸蓋50包括上密封部74，所述上密封部相對於噴嘴組件64(即，保持器66)的外表面73確定大小從而形成過盈配合。上密封件76被定位在該過盈配合處，從而產生流體密封。氣缸蓋50還包括下密封部(即環形臺78)，藉助噴嘴組件64 (即，保持器66)，由未示出的噴射器安裝系統所產生的軸向噴射器安裝作用力被施加在該下密封部上。如圖3所示，下密封件80被安裝在保持器66的下遠端部和環形臺78之間，從而流體密封安裝孔52的下端。發動機冷卻劑通道56是安裝孔的延續，並且徑向向外延伸，所以沒有氣缸蓋部分阻止冷卻劑在噴嘴組件(即，保持器)的大部分外表面區域上流動。噴嘴組件的在上下密封件之間的基本上整個外表面(即，至少80% )都暴露並與冷卻劑接觸，所以增強了噴射器噴嘴組件的冷卻。冷卻劑通道和安裝孔的形狀允許冷卻劑接觸下密封件80的外環部和保持器66的橫向遠端面，從而進一步增強冷卻。因此，安裝孔沿保持器密封第一位置和第二位置，同時冷卻劑在鄰近噴射器噴嘴組件的密封件之間的區域中衝擊保持器。圖4的實施例與圖3的實施例區別在於，剖面是沿不同平面剖切的所以示出了冷卻劑通道的更多部分，並且下密封件80被具有凸緣密封部84和沿噴嘴殼體65的部分的內端延伸的環形冷卻套管部86的整體密封冷卻套管82取代。所述凸緣密封部84被定位在保持器66和氣缸蓋之間從而形成密封。在替代實施例中，保持器可以和噴嘴殼體65整體形成單件部件。保持器還可以在軸向上比本文公開的更短，無論是整體形成還是作為分離部件，所以冷卻劑直接接觸噴嘴殼體65的外部環形表面，同時下密封80被定位在噴嘴殼體65和氣缸蓋之間。雖然本發明的噴射器安裝與冷卻布置在本文中是結合圖4所示的關閉的噴嘴噴射器組件進行描述的，所述噴嘴噴射器組件具有一組特定燃料通道以給噴射器孔輸送燃料以及特定形狀噴嘴閥元件，但是本布置可以用於任何類型的具有暴露在高溫下並安裝在發動機主體的安裝孔內的噴嘴組件的噴射器。所述噴射器由任意類型的致動器(比如螺線管式、壓電式致動器等等)操作，且可以被直接地、伺服地或其他形式地致動。噴嘴閥元件可以被完全地定位在噴嘴組件內或向外延伸到噴射器的其他部分內。例如，典型的噴射器可以包括美國專利6，837，221和7，334，741中所披露的，這兩篇文獻的所有內容通過引用納入本文。熱力有限元分析顯示，在柴油發動機應用中噴嘴末端溫度比圖1和圖2的常規帶套管方案可降低60-70°C。流體分隔件(如圖1所示)或套管(如圖2所示)的省略還可以降低發動機成本。具體地，參見圖5，熱力分析顯示本發明的無套管噴射器布置相比圖1和2的常規設計來說提供了增強的冷卻。另外，當與圖4所示的噴嘴冷卻套管組合使用時，甚至可能獲得進一步的溫度下降。發動機功率密度根據立法者和消費者需求處於上升的趨勢。發動機部件(比如燃料噴射器)上的熱負載通常會隨著發動機功率密度一起增加。噴射器噴嘴末端溫度可能增加超過材料極限，而且高的末端溫度可能帶來不想要的效果，比如碳化或積炭。通過有效地控制噴嘴溫度，與本發明一致的實施例基本消除了噴嘴溫度對發動機功率密度的限制，從而獲得一種改良的發動機產品。雖然已經示出和描述了根據本發明的多個實施例，但是應當明白，本發明不限於這些實施例。本領域技術人員可以對本發明進行改變、改動和其他應用。
權利要求
1.一種內燃式發動機，所述發動機包括 噴射器，所述噴射器包括具有外表面的噴嘴組件； 氣缸蓋，所述氣缸蓋包括上密封部、下密封部以及用於容納所述噴射器的噴射器安裝孔； 上密封件，所述上密封件被定位在所述上密封部和所述噴嘴組件之間以形成流體密封；發動機冷卻劑通道，所述發動機冷卻劑通道被形成在所述氣缸蓋內以接收發動機冷卻齊 ，以便從所述氣缸蓋除熱，所述發動機冷卻劑通道通入所述安裝孔並與所述安裝孔流體連通，從而導致所述發動機冷卻劑通道內的冷卻劑接觸所述噴嘴組件的所述外表面；以及下密封件，所述下密封件被定位在所述下密封部和所述噴嘴組件之間以形成流體密封。
2.根據權利要求1所述的發動機，其中，所述下密封件包括與所述冷卻劑接觸的表面。
3.根據權利要求1所述的發動機，其中，所述下密封件包括凸緣，所述凸緣定位在所述噴嘴組件和所述氣缸蓋之間以形成密封；以及環形套管，所述環形套管從所述凸緣延伸而圍繞所述噴嘴組件的一部分。
4.根據權利要求1所述的發動機，其中，所述噴嘴組件包括具有在所述上密封件和所 述下密封件之間的軸向範圍的外部環形表面，其中，所述軸向範圍的至少80%被暴露至所述冷卻劑通道，以與發動機冷卻劑接觸。
5.根據權利要求1所述的發動機，其中，所述噴嘴組件包括被定位在所述下密封件附近的下遠端部，所述下遠端部與發動機冷卻劑接觸。
6.根據權利要求5所述的發動機，其中，所述噴嘴組件包括保持器以及定位在所述保持器內的噴嘴殼體，所述下遠端部包括橫向遠端表面，所述橫向遠端表面相對於所述噴射器的縱向軸線橫向地延伸並且限定所述保持器的遠端，所述橫向遠端表面的一部分與發動機冷卻劑接觸。
7.根據權利要求1所述的發動機，其中，所述上密封部的尺寸設定成與所述噴嘴組件形成過盈配合。
8.根據權利要求1所述的發動機，其中，所述噴嘴組件包括保持器、定位在所述保持器內的噴嘴殼體、形成在所述噴嘴殼體內的噴嘴孔、以及定位在所述噴嘴孔內的噴嘴閥元件，所述保持器與所述噴嘴殼體接合從而將所述噴嘴殼體保持到位。
9.根據權利要求1所述的發動機，其中，所述噴射器包括筒管，所述噴嘴組件連接到所述筒管以保持到所述筒管。
10.根據權利要求1所述的發動機，其中，所述噴嘴組件包括噴嘴殼體，所述噴嘴殼體包括內遠端和外遠端，所述噴嘴殼體的所述外遠端被定位在所述上密封件和所述下密封件之間。
11.一種內燃式發動機，所述發動機包括 噴射器，所述噴射器包括容納用於噴入發動機的燃料的噴射器本體，噴射器本體包括筒管和定位在所述筒管附近的噴嘴組件，所述噴嘴組件包括環形外表面和環形內表面；氣缸蓋，所述氣缸蓋包括下密封部以及用於容納噴射器的噴射器安裝孔； 發動機冷卻劑通道，所述發動機冷卻劑通道被形成在所述氣缸蓋內以接收發動機冷卻齊 ，以便從所述氣缸蓋除熱，所述發動機冷卻劑通道通入所述安裝孔並與所述安裝孔流體連通，從而導致所述發動機冷卻劑通道內的冷卻劑接觸所述噴嘴組件的所述環形外表面；以及 下密封件，所述下密封件被定位在所述下密封部和所述噴嘴組件之間以形成流體密封，所述下密封件包括與所述冷卻劑接觸的表面。
12.根據權利要求11所述的發動機，所述發動機還包括上密封件，其中所述噴嘴組件包括噴嘴殼體，所述噴嘴殼體包括內遠端和外遠端，所述噴嘴殼體的所述外遠端被定位在所述上密封件和所述下密封件之間。
13.根據權利要求11所述的發動機，其中，所述下密封件包括凸緣，所述凸緣定位在所述噴嘴組件和所述氣缸蓋之間以形成流體密封；以及環形套管，所述環形套管從所述凸緣延伸而圍繞所述噴嘴組件的一部分。
14.根據權利要求11所述的發動機，其中，所述噴嘴組件包括被定位在所述下密封件附近的下遠端部，所述下遠端部與發動機冷卻劑接觸。
15.根據權利要求14所述的發動機，其中，所述下遠端部包括橫向遠端表面，所述橫向遠端表面相對於所述噴射器的縱向軸線橫向地延伸並且限定所述噴嘴組件的遠端，所述橫向遠端表面的一部分與發動機冷卻劑接觸。
16.根據權利要求11所述的發動機，其中，所述氣缸蓋包括上密封部，所述上密封部的尺寸設定成與所述噴射器形成過盈配合。
17.根據權利要求11所述的發動機，其中，所述噴嘴組件包括保持器、定位在所述保持器內的噴嘴殼體、形成在所述噴嘴殼體內的噴嘴孔、以及定位在所述噴嘴孔內的噴嘴閥元件，所述保持器與所述噴嘴殼體接合從而將所述噴嘴殼體保持到位。
全文摘要
提供一種內燃機，包括具有噴射器本體的噴射器，噴射器本體包括具有環形外表面的噴嘴組件。氣缸蓋包括下密封部以及用於容納噴射器的噴射器安裝孔。發動機還包括發動機冷卻劑通道，其被形成在所述氣缸蓋內以接收發動機冷卻劑，從而從所述氣缸蓋除熱。所述發動機冷卻劑通道通入所述安裝孔並與其流體連通，從而導致所述冷卻通道內的冷卻劑接觸所述噴嘴組件的所述環形外表面。下密封件被定位在所述下密封部和所述噴嘴組件之間以形成流體密封。
文檔編號F02M53/00GK103069149SQ201180039507
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者L·L·佩特爾斯, J·託克索伊, L·悌克 申請人:康明斯智慧財產權公司