用於內燃發動機的冷卻系統的製作方法

2023-12-06 20:21:06 2

各個實施例涉及一種用於內燃發動機的冷卻系統。

背景技術：

內燃發動機通常具有用於熱管理的相關聯的冷卻系統以控制運轉期間發動機和發動機組件的溫度。例如，具有液體冷卻劑的冷卻系統可用於冷卻發動機缸體和汽缸蓋組件二者，同時也對其它車輛系統提供冷卻劑。

技術實現要素：

根據實施例，提供一種用於內燃發動機的發動機冷卻系統，所述內燃發動機以分流構造的方式限定缸蓋冷卻夾套和缸體冷卻夾套。第一節溫器被定位在缸體冷卻夾套的出口處並被構造為控制通過其中的冷卻劑流動。第二節溫器被定位成接收來自第一節溫器和缸蓋冷卻夾套的冷卻劑。

根據另一實施例，提供一種冷卻發動機的方法。響應於冷卻劑溫度低於第一閾值，關閉節溫器組件中位於發動機的下遊的第一節溫器和第二節溫器，使得冷卻劑流動通過缸蓋夾套和節溫器組件而流動至泵，並使得缸蓋夾套中的冷卻劑夾帶有從缸體夾套流動通過孔間冷卻通道的冷卻劑涓流，從而冷卻孔間區域。

根據又一實施例，提供一種用於發動機冷卻系統的節溫器組件，所述節溫器組件設置有殼體，所述殼體限定通過通道連接的入口室和混合室。缸體節溫器由所述殼體支撐並被構造為選擇性地關閉缸體夾套和入口室之間的埠。主節溫器位於混合室中由所述殼體支撐並被構造為選擇性地阻塞所述通道以控制通過散熱器的流動。

附圖說明

圖1示出了被構造為實施所公開的實施例的內燃發動機的示意圖；

圖2示出了用於根據實施例的圖1的發動機的冷卻系統的示意圖；

圖3示出了用於圖2的冷卻系統的發動機的汽缸體的俯視透視圖；

圖4示出了圖3的汽缸體和發動機的剖視圖；

圖5示出了圖2的發動機和節溫器組件的剖視圖；

圖6示出了圖2的發動機和節溫器組件的另一剖視圖；

圖7示出了用於圖2的冷卻系統的節溫器殼體的前視透視圖；以及

圖8示出了圖6的節溫器殼體的後視透視圖。

具體實施方式

根據需要，在此提供本公開的具體實施例；然而，應理解，所公開的實施例僅為示例，並且可以以各種和替代的形式實現。附圖不一定按比例繪製；可誇大或最小化一些特徵以顯示特定部件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能細節不應被解釋為限制，而僅作為用於教導本領域技術人員以各種方式利用本公開的代表性基礎。

圖1示出了內燃發動機20的示意圖。發動機20具有多個汽缸22，圖中示出了一個汽缸。在一個示例中，發動機20具有直列布置的汽缸22，在進一步的示例中，汽缸22可以是連體的。發動機20具有與各個汽缸22相關聯的燃燒室24。汽缸22由汽缸壁32和活塞34形成。活塞34連接到曲軸36。燃燒室24與進氣歧管38和排氣歧管40流體連通。進氣門42控制從進氣歧管38到燃燒室24的流動。排氣門44控制從燃燒室24到排氣歧管40的流動。進氣門42和排氣門44可以以本領域已知的各種方式操作以控制發動機的運轉。

燃料噴射器46將燃料從燃料系統直接輸送到燃燒室24中，因此發動機為直噴式發動機。發動機20可以使用低壓或高壓燃料噴射系統，或者在其它示例中可使用進氣道噴射系統。點火系統包括火花塞48，其被控制為以火花的形式提供能量而點燃燃燒室24中的燃料空氣混合物。在其它實施例中，可使用其它的燃料輸送系統和點火系統或技術，包括壓縮點火。

發動機20包括控制器和被配置為將信號提供給控制器用以控制輸送至發動機的空氣和燃料、點火正時、發動機輸出的功率和扭矩等的各種傳感器。發動機傳感器可包括但不限於排氣歧管40中的氧傳感器、發動機冷卻劑溫度傳感器、加速踏板位置傳感器、發動機歧管壓力(map)傳感器、用於曲軸位置的發動機位置傳感器、進氣歧管38中的空氣品質傳感器、節氣門位置傳感器等。

在一些實施例中，發動機20被用作車輛(諸如傳統車輛或啟停車輛)中唯一的原動機。在其它實施例中，發動機可用於混合動力車輛，在混合動力車輛中，附加的原動機(諸如電機)可用於提供額外的動力以推進車輛。

每個汽缸22可在包括進氣衝程、壓縮衝程、點火衝程和排氣衝程的四衝程循環下工作。在其它實施例中，發動機可在二衝程循環下工作。在進氣衝程期間，進氣門42打開且排氣門44關閉，同時活塞34從汽缸22的頂部移動到汽缸22的底部，以將空氣從進氣歧管引入到燃燒室。活塞34在汽缸22的頂部的位置通常被稱為上止點(tdc)。活塞34在汽缸的底部的位置通常被稱為下止點(bdc)。

在壓縮衝程期間，進氣門42和排氣門44關閉。活塞34從汽缸22的底部朝向頂部移動以壓縮燃燒室24內的空氣。

然後燃料被引入到燃燒室24中並被點燃。在示出的發動機20中，燃料被噴射到燃燒室24中，然後使用火花塞48被點燃。在其它示例中，可以使用壓縮點火將燃料點燃。

在膨脹衝程期間，燃燒室24中被點燃的燃料空氣混合物膨脹，從而使活塞34從汽缸22的頂部移動到汽缸22的底部。活塞34的運動使曲軸36產生相應運動，並使發動機20輸出機械扭矩。

在排氣衝程期間，進氣門42保持關閉，排氣門44打開。活塞34從汽缸22的底部移動到汽缸22的頂部，以通過減小燃燒室24的體積而將廢氣和燃燒產物從燃燒室24中除去。廢氣從燃燒汽缸22流動至排氣歧管40和後處理系統(諸如催化轉化器)。

對於各個發動機衝程，進氣門42和排氣門44的位置和正時以及燃料噴射正時和點火正時可改變。

發動機20包括冷卻系統70以將熱從發動機20中移除。下面將參照圖2更詳細地描述冷卻系統70的實施例。冷卻系統70可作為一個或更多個冷卻迴路被集成到發動機20中。冷卻系統70可包含作為工作流體的液體冷卻劑。冷卻系統70中諸如水的冷卻劑從高壓區域流向低壓區域。

冷卻系統70具有一個或更多個泵74，還可包括一個或更多個閥、節溫器等以控制冷卻劑的流動或壓力或引導冷卻系統70內的冷卻劑。冷卻系統70還可包括諸如散熱器76的多個熱交換器，在熱交換器中熱從冷卻劑傳遞到環境中，或者冷卻劑用於冷卻或加熱其它發動機或車輛部件和/或工作流體。

汽缸體80中的冷卻通道中的至少一些冷卻通道可形成圍繞並鄰近於一個或更多個汽缸22和形成在鄰近的汽缸22之間的孔橋的冷卻夾套。類似地，汽缸蓋82中的冷卻通道中的至少一些冷卻通道可鄰近於一個或更多個燃燒室24和汽缸22、形成在燃燒室24之間的孔橋、排氣門、排氣門座以及其它組件。

汽缸蓋82連接到汽缸體80以形成汽缸22和燃燒室24。缸蓋墊片84置於汽缸體80和汽缸蓋82之間以密封汽缸22。缸蓋墊片84還可具有各種槽、孔或類似物以流體地連接汽缸體80和汽缸蓋82中的冷卻通道。

圖2示出了用於根據實施例的圖1的發動機(例如，冷卻系統70)的冷卻系統100的示意圖。冷卻系統100將冷卻劑提供至發動機缸體102和汽缸蓋104。冷卻系統100還可將冷卻劑提供至其它車輛部件、發動機部件或冷卻系統部件，諸如廢氣再循環(egr)熱交換器、渦輪增壓器、用於渦輪增壓器的中間冷卻器熱交換器、諸如用於車輛hvac系統的加熱器的熱交換器、發動機潤滑劑熱交換器、脫氣瓶等。為了簡便，將這些部件從示意圖中省略。

冷卻系統100具有泵106，泵106將加壓的冷卻劑提供至泵出口108。泵出口中的冷卻劑以分流或並流構造的形式在缸體102和缸蓋104之間分配或分離。泵出口108中的冷卻通道可被集成為發動機(例如，發動機缸體102)的內部通道。在2015年6月1日提交的美國專利申請s/n14/726,759和2015年8月13日提交的美國專利申請s/n14/825,577中提供了使冷卻劑流動到發動機中並在缸體和缸蓋之間分流的泵和/或冷卻通道的示例，其所公開的內容通過全文引用併入本文。

冷卻劑在110處流動到用於缸體的冷卻夾套中，並且冷卻劑在112處流動到用於缸蓋的冷卻夾套中。

冷卻系統100具有位於發動機的下遊的兩個節溫器。第一節溫器114在此稱為缸體節溫器。第二節溫器116在此稱為主節溫器或散熱器節溫器。在一些示例中，節溫器114、116可被設置為整體單元或被設置在如下所述的單個節溫器殼體或組件中。

缸體節溫器114具有接收來自缸體102冷卻夾套的冷卻劑的入口118。缸體節溫器114具有將冷卻劑提供到泵106上遊的混合室或提供到泵入口122的出口120。例如，當節溫器114打開或處於第一位置時，冷卻劑從缸體102流動到泵入口122。當節溫器114關閉或處於第二位置時，沒有冷卻劑流動穿過節溫器114，使得來自缸體冷卻夾套的冷卻劑出口118被關閉或被阻塞。值得注意的是，即使當節溫器114被關閉時，缸體102夾套也具有經由入口110的停滯的加壓冷卻劑。

主節溫器116具有接收來自諸如散熱器的熱交換器126的冷卻劑的入口124。節溫器116還具有流體連接128。流體連接128與缸蓋冷卻夾套的出口130和熱交換器的入口132流體連通。通過流體連接的流動根據節溫器116的狀態而改變。例如，當節溫器116處於第一位置或打開時，通過管路124流動至節溫器116的冷卻劑流動被打開並且旁通路徑被關閉，使得冷卻劑從左至右從主節溫器116流動通過管路128、與來自130處的缸蓋夾套的冷卻劑匯合、流動通過散熱器126並通過管路124流至泵入口122。當節溫器116關閉或處於第二位置時，它充當用於散熱器的旁路，通過管路124的冷卻劑流動被阻塞或關閉，使得沒有冷卻劑流動通過散熱器126，並且來自130處的汽缸蓋冷卻夾套的冷卻劑從右至左流動通過管路128並流到主節溫器116中，並流至泵入口122。

缸蓋104和缸體102的冷卻夾套彼此流體流通。缸體102中的冷卻劑流動通過缸體並經由通道118流至節溫器114。缸體102冷卻夾套中的冷卻劑還可經由如下文所述的孔間冷卻通道流動到缸蓋104冷卻夾套中。

缸蓋104冷卻夾套可包括一個或更多個冷卻夾套，例如，上缸蓋冷卻夾套和下缸蓋冷卻夾套。缸蓋中的冷卻劑可流動通過缸蓋104並在130處從缸蓋流出。缸蓋104中的冷卻劑還可流回到通道170中通過缸體並流至節溫器114、116。

每個節溫器114、116可以是機械式節溫器，例如，具有包含在設置溫度或溫度閾值時熔化或膨脹的石蠟元件或其它元件的密封室。當達到設置溫度時，石蠟熔化並使所述室膨脹而操作杆或其它機械元件以移動閥盤並打開閥。石蠟元件的成分確定用於熔化和操作節溫器的設置溫度。在其它示例中，節溫器可以是電控機構或其它機械式節溫器。

兩個節溫器114、116被構造為在不同的操作溫度下操作並打開。缸體節溫器114具有比主節溫器116低的操作溫度或低的設置溫度，使得缸體節溫器相比於主節溫器116在更低的冷卻劑溫度下打開。在一個示例中，缸體節溫器114在大約70攝氏度時打開，主節溫器在大約90攝氏度時打開。

傳統的冷卻系統通常被構造為冷卻劑依次流過缸體和缸蓋的串流構造或冷卻劑分流並同時流過缸體和缸蓋的並流構造。這些傳統的系統對不同操作狀態下的發動機的熱管理和溫度具有減弱的控制，例如，在發動機冷啟動之後以及整個初始暖機階段，傳統的系統會引起不均勻的平臺(deck)溫度、尤其是孔間區域中產生熱點、延長發動機和冷卻劑的不均勻的加熱時間以及導致較高的燃燒氣體排放。

本公開提供缸體節溫器114和主節溫器116，兩者均位於發動機的下遊和泵入口的上遊，如圖2所示。

圖3至圖7示出了用於圖2的冷卻系統的發動機和冷卻系統的各個部件。所示出的示例提供用於在初始發動機啟動、暖機階段和正常運轉狀況期間管理發動機缸體和汽缸蓋部件的熱梯度以及發動機及其部件的操作溫度的流動迴路。發動機、冷卻系統和節溫器組件能夠使發動機具有基於發動機運轉狀態控制冷卻劑的流動的分流、並行的冷卻策略。

圖3示出了用於冷卻系統100的內燃發動機的發動機缸體102的俯視圖。在一個示例中，發動機缸體102可用於圖1的發動機20。雖然發動機汽缸體102被示出為具有沿著缸體102的縱向軸線以直列連體的構造布置的四個汽缸150，但其它實施例可以設想其它數量的汽缸150和汽缸布置。

缸體102具有平臺面(deckface)152、與進氣口和進氣門關聯的進氣側156以及與汽缸排氣和排氣門關聯的排氣側154。缸體102的平臺面152被構造為與缸蓋的相對應的平臺面配合，缸蓋墊片可位於它們之間以密封汽缸150。

發動機缸體102包括圍繞汽缸缸套或汽缸壁的外圍或外周的冷卻夾套160。冷卻劑從泵106流到缸體102中，並在缸體內分成在110處流至缸體冷卻夾套160的冷卻劑流動和在112處流至缸蓋冷卻夾套的冷卻劑流動。

冷卻夾套160包括可在例如鑄造工藝期間、模製工藝期間或通過在成型之後對缸體102進行機加工而一體地形成在缸體內的多個冷卻通道。冷卻夾套160還包括位於相鄰汽缸之間的孔間區域164中的孔間冷卻通道162。孔間冷卻通道162可設置為位於缸體平臺面152中的敞口通道、槽或鋸痕(sawcuts)。孔間冷卻通道162可僅部分地延伸橫跨孔間區域164且可連接到發動機的進氣側156和/或排氣側154。孔間冷卻通道可以與位於發動機的進氣側156上的冷卻夾套160流體連接，相比於發動機的排氣側154，發動機的進氣側156上的冷卻夾套中的冷卻劑可以處於較低的溫度。

冷卻劑通過冷卻劑通道112流到缸蓋冷卻夾套中。冷卻劑還可經由孔間冷卻通道162流到缸蓋中，如圖2中示意性示出的。冷卻劑還可經由通道170或返回通道從缸蓋回流通過缸體並流至節溫器116，如圖2中示意性示出的。儘管缸體102被示出為具有兩個通道170，但缸體還可被構造具有單個通道170或多個通道170。值得注意的是，雖然通道170和夾套160被定位成彼此鄰近，但通道170與夾套160沒有直接的不受控制的流體連接。

參照圖4，示出了通過缸體102的孔間冷卻通道162的流動。冷卻劑流動通過缸體冷卻夾套160並且流到示出為鋸痕的孔間通道162。然後，冷卻劑流動通過設置在缸蓋墊片180中的孔182並流動到汽缸蓋冷卻夾套中。由於節溫器114、116位於發動機的下遊，因此當入口110在泵出口108和夾套160之間保持流體連接時，夾套160內的冷卻劑往往被加壓。如下文所述，根據節溫器的狀態，冷卻劑可以是停滯的或流動通過夾套160。

圖5示出了截取通過節溫器殼體200的發動機的局部剖視圖。節溫器殼體200在排氣側154連接到缸體102和發動機，並支撐缸體節溫器114和主節溫器116兩者。

缸體冷卻夾套160中的冷卻劑經由通道118流到節溫器殼體200中。來自缸蓋冷卻夾套190的冷卻劑經由通道170流到節溫器殼體200中。

缸體節溫器114被示出為處於關閉位置。隨著冷卻劑溫度的增加，缸體節溫器在其關聯的設置溫度下打開以使得閥盤220移動遠離通道222，並且冷卻劑從通道118流動穿過節溫器114並流到殼體200的區域202或入口室202中，並流到旁路或泵管路122。

主節溫器116鄰近於缸體節溫器114。圖6中示出主節溫器116處於關閉位置，在關閉位置中區域202內的冷卻劑可通過通道204流到混合室224中並流到旁路或泵管路122。在關閉位置中，至散熱器的管路128中的一條管路與室202保持恆定的流體連通，同時如圖所示主節溫器116的閥盤226關閉或阻塞管路124。當冷卻劑溫度已經增加到主節溫器116的設置溫度時，主節溫器116操作使得閥盤226關閉通道204，從而迫使區域202中的冷卻劑流動通過管路128並流至散熱器126，然後回流通過返回管路124和混合室224，並經由管路122流至泵。

值得注意的是，管路206是可連接到加熱器或用於其它車輛、發動機或冷卻系統部件的輔助管路。

圖7至圖8示出了包括用於冷卻系統100的多個流體連接的節溫器殼體200或節溫器組件200的透視圖。節溫器殼體200具有安裝凸緣210以將節溫器殼體與發動機缸體102上的冷卻通道連接並密封節溫器殼體。值得注意的是，安裝凸緣保持通過流體連接118、170流動至殼體200的分開的流動。

殼體200還在殼體內設置混合室224以在來自汽缸體和汽缸蓋的冷卻劑流動流至泵或經由散熱器流至泵之前將它們進行混合。混合室224還作為圍繞主節溫器116的腔室。

節溫器114、116均被容納在單個殼體200中，殼體200包括旁路以及接收來自缸蓋104、缸體102、散熱器126和其它冷卻系統部件或流體迴路的冷卻劑的混合室224。

在處於低冷卻劑溫度或冷卻劑溫度低於第一閾值(t1)的發動機冷啟動期間，操作冷卻系統100使得冷卻劑僅流動通過缸蓋冷卻夾套190，其中有微小的冷卻劑流動通過孔橋冷卻通道162。這允許冷卻具有排氣通道的缸蓋104，同時允許缸體102的溫度和冷卻劑溫度朝著它們的操作溫度增加。關閉節溫器114、116兩者使得冷卻劑從泵106流動通過缸蓋104而流至通道170和室202、224，並通過節溫器旁路或泵管路122回流到泵106，以允許發動機更快地暖機。冷卻劑還可經由通道128從缸蓋夾套190流到節溫器組件200的室202中。在這種冷啟動冷卻過程期間，基於從缸體夾套160中的高壓停滯的冷卻劑至缸蓋夾套190中的低壓冷卻劑的流動，冷卻系統100允許孔橋通道162中存在並穿過缸體102的孔橋164的少量冷卻劑流動或涓流。關閉的節溫器114防止大量冷卻劑流動通過缸體夾套160。冷卻系統100中關閉的節溫器116防止在冷啟動期間冷卻劑流動通過散熱器126和諸如油冷卻器的其它部件。

基於夾套160、190之間的壓差，缸蓋夾套190中流動的冷卻劑夾帶有通道162內的冷卻劑使涓流穿過孔橋並通過孔橋冷卻通道162。值得注意的是，雖然設置涓流穿過孔橋用於冷卻，但缸體夾套160中的冷卻劑具有足夠的停滯的大量流以允許缸體102和冷卻劑溫度增加。

在處於中等冷卻劑溫度下(或者，其中冷卻劑溫度大於第一閾值(t1)且小於第二閾值(t2))的中間狀態或暖熱狀態期間，操作冷卻系統100使得冷卻劑僅流動通過缸蓋冷卻夾套190和缸體冷卻夾套160。這允許對缸蓋104和缸體102進行冷卻，同時允許冷卻劑溫度繼續朝其操作溫度增加。缸體節溫器114打開，而主節溫器116保持關閉。冷卻劑從泵106流動通過缸蓋104和缸蓋夾套190、缸體102和缸體夾套160並流至節溫器殼體中的室202，然後通過通道204流至混合室224，接著流至液體管路122並返回到泵106。冷卻劑還可經由流體連接128流到節溫器組件200的室202中。冷卻系統100的關閉的節溫器116防止在暖熱狀態期間冷卻劑流動通過散熱器126和諸如油冷卻器的其它部件，以允許冷卻劑溫度繼續升高。

在處於高的或正常的冷卻劑溫度下(或者，其中冷卻劑溫度大於第二閾值(t2))的熱狀態期間，操作冷卻系統100使得冷卻劑流動通過缸蓋冷卻夾套190和缸體冷卻夾套160，並流至散熱器126。這允許對缸蓋104和缸體102進行冷卻，同時還通過散熱器126中的熱傳遞來控制冷卻劑溫度。缸體節溫器114和主節溫器116打開。冷卻劑從泵106流動通過缸蓋104、缸蓋夾套190、缸體102和缸體夾套160而流至節溫器殼體中的室202，然後通過管路128流至散熱器126，接著通過線路124從散熱器126返回到節溫器殼體200並流到混合室224中，最後流至液體管路122並流至泵106。值得注意的是，節溫器116關閉通道204。

下面的表格總結了用於冷卻系統100的操作狀態。

相比於傳統的串流或並流的發動機，冷卻系統100和對發動機和缸體受控的加熱可減少發動機暖機時間。包含節溫器114、116兩者的單個節溫器殼體200允許在冷卻劑流動之間的混合室224，並提高密封、減少冷卻劑洩漏問題並減小與部件相關聯的封裝空間和成本。

通過將缸體節溫器114和主節溫器116定位在發動機的下遊，在冷啟動期間，可控制流動以在缸體102中提供加壓的停滯流，並流動通過缸蓋104，並且提供連續的冷卻劑涓流或少量冷卻劑流流動通過孔橋通道162並流至缸蓋，以對孔橋164進行熱管理並防止或減少缸體中的熱點。

例如，在諸如冷啟動且伴隨有後續發動機暖機的發動機啟動期間，用於發動機的傳統的冷卻劑流動策略不會允許缸體與汽缸蓋一樣快地暖熱。在缸體中，孔橋還可以比周圍的汽缸孔壁更快地暖熱，從而造成形成熱點、相關聯的缸孔變形和缸蓋墊片問題。缸體平臺面的熱梯度還具有位於孔間橋區域中的熱集中。

根據本公開的冷卻系統使用孔橋冷卻策略(從缸體流動至缸蓋)利用分流冷卻構造來冷卻發動機上的孔橋以管理熱梯度，其中，使流動通過汽缸體的冷卻劑停止或保持停滯以快速暖機。由於即使當流動通過發動機缸體的大量冷卻劑被停止或停滯時在孔橋中也存在連續的冷卻，因此這種孔橋冷卻策略能夠延長用於發動機缸體的分流冷卻持續時間。獨特的穿過孔間橋的恆定或連續的流動還允許對汽缸體更快加熱。這種孔間通道允許在不削弱孔橋結構並不損壞缸蓋墊片密封的情況下來控制孔橋金屬溫度。

當使用位於缸體出口處的節溫器114使缸體水套中的流動停止時，缸體孔間橋中的孔間冷卻通道或鋸痕允許連續的冷卻劑流動。

雖然以上描述了示例性實施例，但並不意味著這些實施例描述了本公開的所有可能的形式。更確切地，說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限制性詞語，並且可以理解，在不脫離本公開的精神和範圍的情況下，可以進行各種改變。此外，各個實施的實施例的特徵可以組合以形成本公開的進一步的實施例。