用于内燃发动机的冷却结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于内燃发动机的冷却结构。在具有内部限定排气汇合部分（17）的气缸盖（4）的内燃发动机中，在不增加冷却水的所需量或气缸盖的尺寸的情况下，包围排气出口（18）的区域被适当地冷却，排气出口在气缸盖的排气侧上被限定在纵向中点处。气缸盖的内部设置有从上方覆盖燃烧室的主水套（51）、分别从下方和上方覆盖排气汇合部分的下部排气水套（53）和上部排气水套（54），主水套设置有围绕各气缸孔设置的多个冷却水入口（50a），并且主水套与下部排气水套连通。将上部排气水套和下部排气水套连通的竖向通道（55）设置在另一个排气水套的从其对应于排气出口的位置沿气缸阵列方向朝一侧偏移的部分中。
【专利说明】用于内燃发动机的冷却结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于内燃发动机的冷却结构，该冷却结构具有在其气缸盖中限定的排气汇合部分。
【背景技术】
[0002]在传统的多缸发动机中，多个进气端口和排气端口被限定在气缸盖内，使得它们分别在气缸盖的进气侧表面和排气侧表面敞口，并且用于分配进气的进气歧管和用于汇合排气的排气歧管被分别附接至气缸盖的进气侧表面和排气侧表面。最近，用于汇合排气的排气汇合部分有时被限定在气缸盖内，从而使得单独的排气管被连接至气缸盖的排气侧表面。
[0003]在具有被限定在气缸盖内的排气汇合部分的多缸发动机中，由于不存在外部的排气歧管，所以发动机的整体尺寸可以被减小，并且可以获得额外的优点:即，减少由于释放热的排气而引起的热损失；以及加速对排气净化系统的加热，以活化其中的催化剂。此外，由于每个燃烧室和排气汇合部分的出口端之间的距离减少，所以当发动机配备有由排气流提供动力的增压器(涡轮增压器)时，可以提高增压器的响应特性。另一方面，为了避免可能通过排气的温度的过度提升引起的催化剂的热降解和/或作用在发动机和排气管上的热应力，可能需要将排气适当地冷却。
[0004]作为用于多缸发动机的气缸盖的冷却结构，已知形成用于从上方覆盖排气汇合部分的上部排气水套、用于从下方覆盖排气汇合部分的下部排气水套以及位于排气出口的两侧上的用于连通上部排气水套和下部排气水套的一对竖向通道，前述排气出口相对于气缸阵列方向设置在气缸盖的中点处。参照JP2008-309158。
[0005]还已知，在其中用于将上部排气水套和下部排气水套彼此连通的一对竖向连通通道被设置在排气出口的两侧上的结构中，冷却水在整个气缸盖水套中沿着气缸阵列方向流动，气缸盖水套包括从上方覆盖燃烧室的主水套。参照US7784442。
[0006]根据又另一个常规布置，在用于使冷却水作为整体沿气缸阵列方向流动的结构中，冷却水流被分成针对主水套的主流和针对排气水套的次流，这两个水流在接合器中汇合，接合器由附接至气缸盖的相对于气缸阵列方向的一端的单独的构件限定。参照JP4337851B。
[0007]当如JP2008-309158和US7784442中的情况一样，冷却水通道被构造成使得冷却水沿着气缸阵列方向流动时，用于冷却水的入口和出口设置在通道的相对的轴向端部上。然而，冷却水通道的横截面面积在包围排气出口的区域中被加宽，从而使得冷却水在该区域中的流动速度较小，这使得该区域的冷却受损。当竖向通道被设置在排气出口的两侧时，冷却水可以沿着排气出口两侧流动，但是由于冷却水在排气出口的上部和下部中的流动停滞，所以包围排气出口的部分可能不会被充分地冷却，从而使得用于安装排气装置的安装表面或用于安装排气装置的连接管的安装表面可能发生热变形。
[0008]另一方面，如果如JP4337851B中所建议的，来自排气侧水套的用于冷却排气汇合部分的冷却水流是来自放置在燃烧室上方的主水套的主流的分支，则包围排气出口的部分被冷却水冷却至特定的程度，冷却水流入遭受较小流动阻力的排气侧水套中，然而，围绕排气出口的冷却水的流动速率不是非常充分。为了确保冷却水的充分的流动速率，需要进一步增加循环的冷却水的量，并将需要增加冷却水的体积并因此增加气缸盖的尺寸。
【发明内容】
[0009]本发明是针对现有技术的上述问题而做出的，并且其主要目的在于，提供一种用于内燃发动机的冷却结构，该内燃发动机配备有内部限定排气汇合部分的气缸盖，这允许包围排气汇合部分的部分被充分地冷却，而无需增加冷却水的体积并因此增加气缸盖的尺寸。
[0010]根据本发明，该目的可以通过提供一种用于内燃发动机的冷却结构来实现，该内燃发动机包括限定一排气缸孔2的气缸体3以及设置在所述气缸体的顶表面上的气缸盖4,所述气缸盖与以可滑动的方式接纳在每个气缸孔中的活塞5的顶表面合作而限定燃烧室6，所述气缸盖和所述气缸体的内部分别限定相互连通的气缸盖水套50和气缸体水套70，其特征在于:所述气缸盖的内部设置有排气汇合部分17和多个排气端口 16，每个排气端口均具有朝向相应的燃烧室敞口的上游端，所述排气汇合部分将所述多个排气端口汇合，并且所述排气汇合部分17包括在所述气缸盖的侧表面的纵向中间部分敞口的排气出口 18 ；并且所述气缸盖水套包括从上方覆盖所述燃烧室的主水套51、从下方覆盖所述排气汇合部分的下部排气水套53，以及从上方覆盖所述排气汇合部分的上部排气水套54，所述主水套设置有围绕各气缸孔设置的多个冷却水入口 50a，并且所述主水套与所述下部排气水套和所述上部排气水套中的一个排气水套连通；其中，将所述下部排气水套和所述上部排气水套彼此连通的竖向通道55设置在所述下部排气水套和所述上部排气水套中的另一个排气水套的以下部分中，这一部分从所述另一个排气水套的对应于所述排气出口的位置沿气缸阵列方向朝一侧偏移，并且用于所述另一个排气水套的冷却水出口 50b设置在所述另一个排气水套的以下部分中，这一部分从所述另一个排气水套的对应于所述排气出口的位置沿所述气缸阵列方向朝另一侧偏移。
[0011 ] 根据该布置，被弓I入主水套的冷却水在所述一个排气水套中朝向竖向通道倾斜地流经气缸孔。因此，即使所述一个排气水套设置有朝向排气出口的逐渐变窄的宽度，冷却水也可以沿着包围排气出口的区域平缓地流动。随后，冷却水经由竖向通道流入所述另一个排气水套中，并且相对于气缸阵列方向从所述另一个排气水套的一端流动至其另一端。这创建了在与所述一个排气水套相反方向上沿着排气出口流动的冷却水流。因此，允许冷却水平缓地流过整个排气水套并且防止在包围排气出口的区域中的停滞，从而使得气缸盖，尤其是包围排气出口的区域，可以被有利地冷却。
[0012]根据本发明的一方面，与所述气缸体水套70连通的所述主水套51的所述冷却水入口优先设置在所述主水套的进气侧。
[0013]因此，允许大部分冷却水参与流经气缸孔的冷却水的倾斜流动，从而使得包围排气出口的区域可以被尤其有利地冷却。
[0014]优选地，除了将主水套的冷却水入口优先设置在进气侧之外，还将气缸体水套70的冷却水入口 70a设置在气缸体的排气侧。因此，允许气缸体中的冷却水在流经主水套的冷却水入口之前，流经气缸孔，从而使得冷却水被有效地用于气缸体和气缸盖的冷却。
[0015]根据本发明的优选实施方式，将下部排气水套和上部排气水套彼此连通的竖向通道55被形成为由独立的插塞构件44闭合的铸造腔。
[0016]因此，用于支撑铸造型芯的型芯座可以被用于形成该竖向通道，前述铸造型芯用于形成上部排气水套和/或下部排气水套，从而可以简化发动机的制造过程。
[0017]根据本发明的另一方面，所述下部排气水套53和所述上部排气水套54中的至少一个排气水套设置有延伸通道53d，该延伸通道从所述至少一个排气水套的外边缘沿着所述排气汇合部分的外侧延伸，并且所述竖向通道55设置在所述延伸通道中。
[0018]根据该布置，气缸盖的承受来自诸如增压器、排气净化装置和用于该装置的连接管的排气装置的热量的一侧可以被有效地冷却。而且，延伸通道的设置允许减少竖向通道的有效长度，这还有助于在不增加整个发动机水套的体积的情况下增加冷却水的流动速率。此外，通过使竖向通道55向外延伸或扩展超出延伸通道的外轮廓，冷却水可以更平缓地流经竖向通道。
[0019]根据本发明的尤其优选的实施方式，所述延伸通道53d设置在所述一个排气水套中。优选地，所述一个排气水套是所述下部排气水套53。
[0020]根据本发明的另一优选的实施方式，所述竖向通道55和所述冷却水出口 50b相对于所述气缸阵列方向分别设置在所述另一个排气水套54的大致末端部分中。因此，使冷却水流动的阻力最小化，并且使冷却水的冷却效果最大化。
[0021]根据本发明所提供的用于发动机的冷却结构，包围被限定在气缸盖内的排气汇合部分的部分可以被充分地冷却，而无需增加冷却水的需求量或气缸盖的尺寸。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是作为本发明的第一实施方式给出的发动机的正视图；
[0023]图2是沿图1的剖切线I1-1I截取的发动机的剖面图；
[0024]图3是图2的一部分的放大视图；
[0025]图4是图1中示出的气缸盖的立体图；
[0026]图5是图1中示出的气缸盖的正视图；
[0027]图6是图1中示出的气缸盖的仰视图；
[0028]图7是沿图5的剖切线VI1-VII截取的发动机的放大的剖面图；
[0029]图8是沿图5的剖切线VII1-VIII截取的发动机的放大的剖面图；
[0030]图9是用于第一实施方式的第一和第二水套铸造型芯的立体图；
[0031]图10是图9中示出的铸造型芯的拆解的仰视立体图；
[0032]图11是图9中示出的铸造型芯的正视图；
[0033]图12是对图1中示出的发动机中的冷却水的流动进行说明的图视；
[0034]图13A和图13B是对图9中示出的下部排气水套中的冷却水的流动进行说明的图视；
[0035]图14A和图14B是对图9中示出的上部排气水套中的冷却水的流动进行说明的图视；
[0036]图15是将图12中示出的气缸盖中的水套的不同部分中的压力损失与用于比较的示例进行比较的图表；
[0037]图16是将图12中示出的气缸盖中的水套的不同部分中的流动速率与用于比较的示例进行比较的图表；
[0038]图17是作为修改的实施方式给出的气缸盖的仰视图；
[0039]图18是作为第二实施方式给出的气缸盖的仰视图；
[0040]图19是对第二实施方式中的冷却水的流动进行说明的图视；
[0041]图20是作为用于比较的示例被给出的发动机的正视图；
[0042]图21是作为用于比较的示例被给出的发动机沿图20的剖切线XX1-XXI截取的剖面图；以及
[0043]图22是图20中示出的作为用于比较的示例给出的气缸盖的铸造型芯的正视图。【具体实施方式】
[0044]下面将参照附图，对实施本发明的汽车内燃发动机(发动机I)进行说明。
[0045]第一实施方式
[0046]如图1和图2所示，发动机I主要由DOHC四阀门直列四缸发动机组成，并且包括限定四个布置成一排的气缸孔2的气缸体3，以及附接至气缸体3的上表面的盒状的气缸盖
4,该气缸盖垂直于气缸孔2延伸。气缸体3和气缸盖4由压铸招合金制成。
[0047]在下列描述中，假设发动机取向成使得每个气缸孔2的轴线(气缸轴线)沿垂直的竖向方向延伸，并且横向放置的发动机I的排气侧面向前方。然而，当被安装在车辆上时，发动机I的实际取向不受该示例限制。在下列描述中，为了便于描述，竖向方向和前后方向由基于发动机I的这种取向的图2中的箭头限定。例如，气缸体3位于气缸盖4下方。由图1中的箭头指示的横向方向基于安装有发动机I的车辆的行驶方向。
[0048]每个气缸孔2以可滑动的方式接纳活塞5，并且燃烧室6被限定在活塞5的顶表面和由气缸盖4相对于气缸体3的配合面4a限定的底面(面向下方的表面)之间。在不出的实施方式中，气缸盖4和气缸体3之间的交界面水平延伸，并且尽管未在图中示出，为该交界面构造的垫圈被插入气缸盖4和气缸体3之间。
[0049]气缸体3的下表面附接有油盘(图中未示出)，该油盘接纳从上方滴落的润滑油。气缸体3和油盘共同限定用于接纳未在图中示出的曲轴的曲轴箱。气缸盖4的上端附接有气缸盖罩(图中未示出)，使得用于接纳阀门致动机构8的阀门致动腔9由气缸盖4和气缸盖罩共同限定。也就是说，气缸盖4的底壁的上表面限定阀门致动腔9的底面9a。
[0050]—对进气阀10和一对排气阀11由每个气缸的气缸盖4以可滑动的方式保持。阀门致动腔9接纳进气凸轮轴(图中未示出)、进气摇臂12、排气凸轮轴13和排气摇臂14。借助由这些部件形成的阀门致动机构8，进气阀10和排气阀11被曲轴致动或被曲轴打开和关闭。
[0051]气缸盖4的内部设置有一对进气端口 15和一对排气端口 16，进气端口由每个气缸的相应的进气阀门10打开和关闭,排气端口由每个气缸的相应的排气阀门11打开和关闭。每个进气端口 15具有上游端和下游端，上游端在被限定在气缸盖4的后侧的进气侧表面4c处敞口，下游端通向相应的燃烧室6。每个排气端口 16具有上游端和下游端，上游端通向相应的燃烧室6，下游端与其他的排气端口 16汇合。更具体地，用于汇合排气端口 16的排气汇合部分17 (参照图6)被限定在气缸盖4中。如图4和图5中所示，排气汇合部分17具有位于其下游端的排气出口 18，该排气出口 18在被限定在气缸盖4的前侧的排气侧表面4d的纵向中间部分敞口。
[0052]如图1和图2中所示，连接至排气出口 18的下游端的增压器(涡轮增压器)19通过使用螺栓20而被直接安装在气缸盖4的排气侧表面4d上。增压器19设置有涡轮机23和压缩机24，这两者通过用于接纳横向(水平)延伸的转子轴21的中间壳体22连接。
[0053]涡轮机23包括涡轮机壳体25、排气入口管26以及出口凸缘27，涡轮机壳体接纳附接至转子轴21的右端的涡轮机转子(图中未示出)，排气入口管从涡轮机壳体25的后表面向后延伸并且在其自由端处具有限定排气入口的入口凸缘26a，出口凸缘形成在涡轮机壳体25的右侧表面上以限定排气出口 27a。
[0054]压缩机24包括压缩机壳体28、入口凸缘29以及进气出口管30,压缩机壳体接纳附接至转子轴21的左端的压缩机转子(图中未示出)，入口凸缘设置在压缩机壳体28的左侧表面上以限定入口，进气出口管从压缩机壳体28的底面向下延伸并且具有形成在其自由端处以限定进气出口的出口凸缘30a。
[0055]涡轮机23相对于气缸阵列的方向定位在气缸盖4的中间位置处(或者定位在四个气缸孔2的中间点)。压缩机24位于气缸盖4的左手侧。涡轮机23的排气出口 27a的中心位于转子轴21上方，该转子轴的轴线基本上与气缸盖4和气缸体3之间的交界面位于同一高度上。因此，涡轮机23的排气出口 27a的中心位于气缸盖4的配合面4a的上方。结果，在发动机的前方，涡轮机23的排气出口 27a的下方，限定出相对较大的空间。
[0056]该空间容纳排气清洁装置31，该排气清洁装置连接至涡轮机23的下游。排气清洁装置31包括:三效催化器32，该三效催化器具有平行于排气的流动以向左侧倾斜的方式向下延伸的轴线；排气入口管33，该排气入口管在向左弯曲进入水平方向之前从三效催化器32的上表面(该上表面朝向右侧向下倾斜)以向右倾斜的方式沿斜向上的方向延伸，并且该排气入口管在其自由端处设置有入口凸缘33a (限定排气入口)；排气出口管34，该排气出口管从三效催化器32的下端向下延伸。排气清洁装置31沿该取向定位在气缸体3的前方，并且入口凸缘33a被紧固至涡轮机23的出口凸缘27。
[0057]如图1所不,气缸体3的前表面的右上部(气缸盖4的排气侧表面4d的那一侧)设置有用于气缸体水套70 (图2)的冷却水入口 70a。
[0058]如图6所示，排气汇合部分17包括:四个第一汇合部分17a，每个第一汇合部分汇合相应的燃烧室6的两个排气端口 16 对上游第二汇合部分17b，这些上游第二汇合部分分别将两个右侧的第一汇合部分17a汇合在一起，并将两个左侧的第一汇合部分17a汇合在一起；以及下游第二汇合部分17c，该下游第二汇合部分将两个上游第二汇合部分17b汇合在一起，并且在其出口区域具有大致恒定的横截面。排气汇合部分17设置有从燃烧室6渐缩的平面图外轮廓，从而防止从每个燃烧室6排出的排气流入相邻的燃烧室6的排气端口中，并且因此减少排气阻力。
[0059]然而，第一汇合部分17a的大部分形成在对应于气缸盖4的配合面4a的区域中，如在仰视图(图4)中所见；上游第二汇合部分17b和下游第二汇合部分17c位于气缸盖4的配合面4a的前方。也就是说，气缸盖4的前壁从气缸体3向前突出，因此形成悬垂部。
[0060]气缸盖4的前壁的限定第一汇合部分17a和上游第二汇合部分17b的部分限定椭圆形轮廓，其中中间部分比端部突出更多。气缸盖4的限定下游第二汇合部分17c的部分形成为管状部，该管状部从限定上游第二汇合部分17b的部分向前突出(在排气侧表面4d处)。从气缸体3突出以限定第一汇合部分17a、上游第二汇合部分17b和下游第二汇合部分17c的悬垂部将在下列描述中被称为凸出部分41。根据这种构造，凸出部分41可以仅限定排气汇合部分17的一部分。例如，第一汇合部分17a或该第一汇合部分的一部分可以被适当地内部限定在气缸盖4中，甚至上游第二汇合部分17b的一部分也可以被适当限定在气缸盖4中。在凸出部分41中，限定下游第二汇合部分17c的部分将被称为排气出口管状部42。
[0061 ] 在气缸盖4的配合面4a处，用于接纳将气缸盖4紧固至气缸体3的螺栓(图中未示出)的螺栓贯穿孔4e在处于每对相邻的燃烧室6之间以及处于每个末端燃烧室6的外侧上的十个位置开口。此外，在气缸盖4的配合面4a处，气缸盖水套50的多个冷却水入口50a (图2)大致以规则的间隔围绕四个气缸孔2 (燃烧室6)的整个周侧形成(从而使得冷却水入口 50a的组合的区域对于每个气缸孔2基本上是相同的)。
[0062]如图3至图5所示，排气出口管状部42远离燃烧室6向上倾斜，并且在其末端处具有用于连接增压器19的安装面42a。安装面42a相对于气缸轴线向上倾斜(面向前面的竖向表面)。
[0063]因为排气出口管状部42以如图2所示的方式构造，所以连接至排气出口 18的增压器19和连接至其下游端的排气净化装置31可以与气缸盖4和气缸体3间隔开，而无需增加燃烧室6和增压器19之间的距离或者无需延长排气出口管状部42并因此增加气缸盖4的尺寸。因此，防止了增压器19和排气净化装置31的热量过度提升气缸盖4的温度。
[0064]另一方面，如可从图20和图21所示的用于比较的示例中看出，如果排气出口管状部42垂直于气缸轴线向前延伸，为了将增压器19与气缸盖4和气缸体3间隔开,排气出口管状部42必须被延长，从而不得不增加气缸盖4的尺寸，并且燃烧室6和增压器19之间的排气通道的增加的长度妨碍了增压器19的响应性能。
[0065]与用于比较的示例相反，根据本发明，由于排气出口管状部42的向上倾斜的构造，增压器19可以在不增加气缸盖4的尺寸的情况下与气缸盖4间隔开。而且，通过使排气出口管状部42向上倾斜，增压器19可以被放置在相对于图21中示出的用于比较的示例来说相对较高的位置处，从而提高了连接至增压器19的下游端的排气净化装置31 (图1)的性能。
[0066]更具体地，如图1和图2所示，连接至涡轮机23的排气入口 27a的排气净化装置31通过排气入口管33向下弯曲，并且通过三效催化器32倾斜，从而确保了三效催化器32的适当的性能。如果增压器19如图20和图21中所示的用于比较的示例一样布置，当涡轮机23的排气入口 27a位于较低的位置时，为了使具有相同性能的三效催化器32被放置在相同的空间内，不得不增加三效催化器32的倾角，从而降低了其他辅助设备的布局自由度，并且不得不将排气入口管33的曲率提高至使得排气的顺畅流动受到阻碍的程度。也就是说，为了在确保辅助设备的适当的布局自由度的同时改善排气的顺畅流动，不得不减少三效催化器32的性能。然而，通过将排气出口管状部42向上倾斜，使得排气流动在催化器中均匀流动，从而通过减少排气入口管33的弯曲角度而避免了催化剂的局部降解，并且可以增加排气净化装置31的性能。[0067]再次参照图3至图5，排气出口管状部42的自由端设置有围绕排气出口 18的四个紧固凸台43，用于将增压器19紧固于其上。紧固凸台43中的两个位于排气出口 18上方，并从排气出口横向偏移，紧固凸台中的其余两个位于排气出口 18下方，并从排气出口横向偏移。
[0068]如图2和图3所示，气缸盖4的内部设置有用于冷却气缸盖4的气缸盖水套50。气缸盖水套50包括设置在排气汇合部分17下方的下部排气水套53和设置在排气汇合部分17上方的上部排气水套54。
[0069]下面将介绍增压器19的安装结构。如图2和图3所示，紧固凸台43与壁46—体地联接，壁46将阀门致动腔9与上部排气水套54分隔开。出于轻量化以及紧凑设计的目的，该壁在厚度上小于紧固凸台43，从而使得上部紧固凸台43凸出至上部排气水套54和阀门致动腔9中。
[0070]由于上部紧固凸台43凸出至上部排气水套54和阀门致动腔9中，并且尤其是凸出至上部排气水套54中，因此上部紧固凸台43以有效的方式被冷却，从而可以避免对围绕排气出口 18的部分的密封性能的损害。由于上部紧固凸台43凸出至阀门致动腔9中，防止了上部紧固凸台43对阀门致动腔9的干扰，同时在不增加气缸盖4的尺寸的情况下允许将增压器19放置在较高的位置。
[0071]如图6和图7所示，下部紧固凸台43形成在排气出口管状部42的下壁42b的自由端中。由于出于轻量化和紧凑设计的目的，下壁42b在厚度上也小于紧固凸台43，所以下部紧固凸台43从排气出口管状部42的下表面凸出。下部紧固凸台43相对于增压器19的安装表面42a垂直延伸。因此，如从下面(图6)看到的，下部紧固凸台43沿向前和向后的方向延伸，并且其后端相对于向前和向后的方向，位于排气出口管状部42的下壁42b的中间位置处。也就是说，紧固凸台43仅延伸至凸出部分41的自由端，而不延伸至凸出部分41的基部端侧(该部分限定上游第二汇合部分17b)以呈悬垂部形式突出超过气缸体3。
[0072]如图6中所示，凸出部分41的下表面形成有一对肋部47，这一对肋部从气缸盖4的与气缸体3交界的配合面4a的周缘部分延伸至相应的紧固凸台43。这些肋部47沿向前和向后的方向延伸或者以朝向和远离气缸阵列的方式延伸，并且当它们从紧固凸台43延伸至气缸盖4的与气缸体3交界的配合面4a时彼此偏离。
[0073]如上所述，增压器19和排气净化装置31布置在气缸体3和气缸盖4的正面，从而使得这些装置在启动发动机I之后被加热至较高温度。突出超过气缸体3的凸出部分41，具体地为凸出部分的下表面，通过传导、辐射和对流而承受来自增压器19和排气净化装置31的热量。当凸出部分41的下表面被过度加热时，所引起的凸出部分41的热变形可能会对气缸盖4和增压器19之间的密封造成不利影响。然而，在示出的实施方式中，形成在凸出部分41的下表面上的肋部47远离气缸阵列延伸，从而防止了凸出部分41的变形。
[0074]因为增压器19和排气净化装置31附接至气缸盖4的凸出部分41，作用在凸出部分41上的荷载在高温下可以引起凸出部分41的变形。然而，由于肋部47从由气缸体3支撑的气缸盖4的配合面4a的周缘部分延伸至下部紧固凸台43，用作梁的肋部47与紧固凸台43合作，有效地提高了凸出部分41的刚度，从而整体上防止了凸出部分41的变形。
[0075]由于形成在凸出部分41的下表面上的两个肋部47从形成在排气出口管状部42的两侧的下部紧固凸台43朝向气缸盖4相对于气缸体3的配合面4a延伸以便彼此偏离，这两个肋部47不仅有效地防止了排气出口管状部42的弯曲变形，而且还有效地防止了其扭转变形。
[0076]作为修改，肋部47可以被构造成图17所示的形式。在该修改的实施方式中，随着从两个下部紧固凸台43延伸的两个肋部47朝向气缸盖4的与气缸体3交界的配合面4a延伸，这两个肋部彼此交叉。具体地，当这两个肋部47联接至气缸盖4的与气缸体3交界的配合面4a时，这两个肋部彼此分隔的距离比它们联接至各个紧固凸台43时要大。这种构造的肋部47也有效地防止了凸出部分41在朝向和远离气缸阵列的方向以及横向方向上的变形。
[0077]下面将参照图9至图11对气缸盖水套50进行描述，这些附图示出了用于排气通道和气缸盖水套50的铸造型芯60。在这些示出了铸造型芯60的附图中，出于方便描述的目的，在相同的附图中使用了用于诸如排气通道和水套的空间的编号以及用于构件或铸造型芯60的编号。
[0078]如图9至图11所示，气缸盖水套50包括从上方覆盖燃烧室6的主水套51 (图2)和围绕排气汇合部分17的排气侧水套52 (图6)。排气侧水套52包括从下方覆盖排气汇合部分17的下部排气水套53和从上方覆盖排气汇合部分17的上部排气水套54。
[0079]排气端口 16 (图5)和排气汇合部分17由放置在用于铸造气缸盖4的铸造模具中的排气管铸造型芯61形成。相类似地，主水套51和下部排气水套53由第一水套铸造型芯62形成。也就是说，主水套51和下部排气水套53在位于每对相邻的燃烧室6之间的除了需要避开三个螺栓贯通孔4e的部分之外的整个区域上彼此连通(图6)。更具体地，下部排气水套53在对应于燃烧室6的部分处与主水套51连通。相类似地，上部排气水套54由第二水套铸造型芯63形成。这些型芯60主要由通过粘合剂硬化的砂粒组成，从而使得这些型芯60通过使用型芯座64而被固定在铸造模具内的位置中，并且在铸造好气缸盖4之后被拆解并移除。
[0080]作为邻近排气出口 18布置方式的替代，型芯座64设置在从排气出口 18向右偏移并且相对远离排气出口 18的三个位置中。还参照图6，最靠右的型芯座64从对应于第一汇合部分17a的上游端的部分(汇合两个排气端口 16的排气通道的下游端)向右延伸。其余的两个型芯座64从与第一汇合部分17a横向对齐的部分向前(如沿向前和向后方向所见)延伸，第一汇合部分17a汇合与最右端的燃烧室6连通的两个排气端口 17。
[0081]每个型芯座64的形状为具有圆形横截面的杆，并且由利用一体地设置在第二水套铸造型芯63上的型芯座上部64b覆盖一体地设置在第一水套铸造型芯62上的型芯座下部64a形成。型芯座下部64a连接至延伸通道53d的上端，该延伸通道从下部排气水套53的前边缘直立。型芯座上部64b连接至上部排气水套54的前边缘54f。由于存在型芯座64，通过压铸形成的气缸盖4的壁显示出通孔4f (参照图8)，这些通孔通过塞子44闭合，以确保下部排气水套53和上部排气水套54之间的连通。
[0082]也就是说，下部排气水套53和上部排气水套54经由竖向连通通道55彼此连通，该竖向连通通道包括由型芯座64限定的空间，并且这些竖向连通通道55用作下部排气水套53的冷却水出口和上部排气水套54的冷却水入口。
[0083]通过以这种方式利用由型芯座64创建的空隙形成竖向连通通道55，免除了加工气缸盖5和在铸造完气缸盖之后闭合壁的工作步骤，从而减少了所需工作的数量。[0084]如图10和图11所示，从第一水套铸造型芯62的下表面的用于形成主水套51的部分向下突出缸体-缸盖连通通道56，缸体-缸盖连通通道与气缸盖水套50的冷却水入口50a连通以将冷却水排出气缸体水套70 (图2)。
[0085]因此，冷却水在发动机I中主要如图12所示地流动。更具体地，从冷却水入口 70a被引入气缸体水套70中的冷却水，在经由缸体-缸盖连通通道56流入气缸盖水套50的主水套51之前，首先经过气缸孔2的阵列。然后，冷却水流经主水套51，以沿垂直于气缸阵列的方向流过燃烧室6，并且流入下部排气水套53。此后，冷却水经由向右偏移的竖向连通通道55流入上部排气水套54，并且在被从冷却水出口 50b排出气缸盖4之前，从左至右流经上部排气水套54。
[0086]再次参照图9至图11，主水套51沿着遵循燃烧室6的轮廓的气缸阵列方向延伸，并朝向其上端具有较小的凸出，同时避开进气端口 15 (图2)、排气端口 16 (图2)和用于接纳火花塞的孔。主水套51的底端与用作气缸盖水套50的入口 50a的缸体-缸盖连通通道56连通。
[0087]除了从下方覆盖排气汇合部分17的平面部53c外，下部排气水套53包括从平面部53c的排气侧边缘(沿气缸盖4的排气侧表面4d延伸)朝向上部排气水套54延伸的延伸通道53d。如图2和图3所示，延伸通道53d从前方(气缸盖4的排气侧表面4d的那一侧)覆盖排气汇合部分17，图3是图2的相关部分的放大视图。
[0088]一般来说，为了使所需的铸造型芯的数量最小化，主水套51与彼此连通的下部排气水套53和上部排气水套54 —起，如图22中示出的用于比较的示例中示出的一样，形成有单独的共同的水套铸造型芯65。因此，为了使下部排气水套53和上部排气水套54形成为从上方和下方覆盖主水套51，需要使水套铸造型芯65的面向排气出口 18的一侧全部敞开，以允许将排气管铸造型芯61从端部插入。因此，可以从前方覆盖排气汇合部分17。
[0089]另一方面，根据示出的实施方式，如图9至图11所示，用于形成气缸盖水套50的铸造型芯包括两部分，即，用于形成下部排气水套53的第一水套铸造型芯62和用于形成上部排气水套54的第二水套铸造型芯63。因此，可以通过形成至下部排气水套53和上部排气水套54的延伸通道53d从前方覆盖排气汇合部分17。
[0090]由于在朝向上部排气水套54延伸的下部排气水套53的排气侧边缘(前边缘)中设置有延伸通道53d，气缸盖4的排气侧表面4d被有利地冷却，从而防止了排气出口管状部42变得过热，前述气缸盖的排气侧表面承受来自增压器19和连接至排气出口管状部下游端的排气净化装置31 (图1)的热量。
[0091]参照图9至图11，下部排气水套53还设置有舌形部53e，该舌形部从平面部53c的排气侧边缘(前边缘)的对应于排气出口 18的部分(或其横向中间部分)沿向前的方向朝向排气出口 18延伸。如图7所示，舌形部53e到达排气出口管状部42的下壁42b，从而从下方覆盖具有大致恒定的横截面的下游第二汇合部分17c的出口部。在图7中，为了便于与图3进行比较，延伸通道53d由虚线表示。
[0092]如上所述，因为包括排气出口管状部42的凸出部分41延伸超出气缸体3，以形成悬垂部，因此即使来自增压器19和连接至凸出部分下游端的排气净化装置31的热量可能会引起排气出口管状部42的下壁42b过热，因为下部排气水套53设置有达到排气出口管状部42的下壁42b处的舌形部53e，因此排气出口管状部42的下壁42b可以被有利地冷却，从而避免了排气出口管状部42的变形。
[0093]如图9至图11所示，上部排气水套54的形状通常为平面。上部排气水套54的前边缘54f (气缸盖4的排气侧边缘)沿其形成有竖向连通通道55的右手侧(上游侧)设置有与上游第二汇合部分17b相符的椭圆形的外轮廓(参照图6)，并且其包围竖向连通通道55的部分进一步向前围绕竖向连通通道55超出椭圆形轮廓延伸。同时，上部排气水套54的前边缘54f的左手侧(下游侧)沿气缸阵列的方向从对应于最靠前突出的排气出口 18的气缸阵列中心线性延伸。
[0094]也就是说，如平面视图中所示，上部排气水套54的前边缘54f在上游第二汇合部分17b的整个长度上向前延伸超出上游第二汇合部分17b的外轮廓(参照图6)，并且前边缘54f延伸超出上游第二汇合部分17b的外轮廓的距离从气缸阵列的中点朝向左手侧或下游侧增加。也就是说，上部排气水套54的位于排气出口 18的紧下游处的部分，如平面视图所示，设置有从排气汇合部分17的外轮廓显著延伸的部分。
[0095]因此，上部排气水套54的横截面面积从上游端(右端)至气缸阵列的中心点逐渐增加，并且从气缸阵列的中心点至其下游区域保持恒定，与对应于排气出口 18的最大程度被放大的部分的横截面面积(宽度)基本上保持一致，从而呈现从上方观察的大致矩形的轮廓。也就是说，大致平面状的上部排气水套54的横截面面积从对应于排气出口 18的部分至冷却水出口 50b大致恒定。气缸盖的限定从排气汇合部分17的外轮廓显著突出的部分54c的壁45 (图4和图5)比前述凸出部分41更向前地凸出，而气缸盖4的尺寸则为最小化。
[0096]上述的冷却水在气缸盖水套50中的流动将在下面参照图13A和图13B以及图14A和图14B更具体地进行描述。
[0097]参照图13A，与气缸盖水套51和下部排气水套53相关，气缸盖水套50的冷却水入口 50a形成在主水套51中，并且用作下部排气水套53的冷却水出口的竖向连通通道55形成在下部排气水套53的前边缘53f的右手侧部分。因此，如图13A中的白色箭头所示，冷却水倾斜地流经主水套51和下部排气水套53。
[0098]另一方面，在图13B中示出的用于比较的示例中，用作下部排气水套53的冷却水出口的竖向连通通道55邻近于排气出口 18的任一侧设置在下部排气水套53的前边缘53f上，从而使得已经从气缸盖水套50的冷却水入口 50a引入的冷却水朝向左手侧的竖向连通通道55流动，而已经从对应于两个右手侧气缸孔2的冷却水入口 50a引入的冷却水朝向右手侧的竖向连通通道55流动。因此，在围绕位于气缸阵列的中点处的排气出口 18的部分中，尽管在该区域中有较高的热量浓度，冷却水趋向于停滞。因此，在此区域中可以实现较差的冷却效果。此外，差的冷却效果导致该区域中的活性沸腾，已知活性沸腾对周围材料具有腐蚀作用。
[0099]相反地，在示出本实施方式的图13A中，已经从对应于最左端的气缸孔2的冷却水入口 50a引入的冷却水流经燃烧室6，进入下部排气水套53中，然后沿着下部排气水套53的前边缘53f流动。因此，防止冷却水在邻近位于气缸阵列的中点处的排气出口 18的区域中停滞，该区域可能承受高温，从而避免由于冷却水的沸腾引起的腐蚀的风险。
[0100]而且，由于竖向连通通道55在相对移位的位置处设置在排气出口 18的右侧，可以避免在位于竖向连通通道55和排气出口 18之间的部分中的冷却水的停滞，从而使得围绕排气出口 18的区域可以被有利地冷却。
[0101]下面参照图14A和图14B对冷却水在上部排气水套54中的流动进行描述。如上所述，冷却水从竖向连通通道55所处的右手侧至冷却水出口 50b所处的左手侧流经上部排气水套54。如由图14A中的箭头所示，在直至气缸阵列的中点的右侧的区域中，平面状的上部排气水套54的宽度随着由竖向连通通道55供应的冷却水的流动速率的提高而朝向下游端逐渐增加，并且从对应于排气出口 18的部分开始向前变为恒定。因此，如附图中的箭头所示,冷却水的流动速度在整个上部排气水套54中大致恒定。
[0102]另一方面，如果平面状的上部排气水套54的宽度沿着下游方向从对应于排气出口 18的部分开始与排气汇合部分17的外轮廓相符地逐渐减少，如图14B中所示，则由于通道的狭窄，冷却水在前边缘54f的区域中的速度降低，从而使得包围尤其暴露于高温下的排气出口 18的区域被很差地冷却。
[0103]相反地，根据本发明，如图14A所示，除了被构造成避开螺栓贯穿孔4e的后端外(图6)，冷却水以均匀速度在平面状的上部排气水套54的前部中流动，而不出现显著的停滞。因此，上部排气水套54的前边缘54f的包围尤其暴露于高温下的排气出口 18的部分可以被有效地冷却。
[0104]现在将更具体地在下文中对竖向连通通道55进行描述。如图9所示，竖向连通通道55从上部排气水套54的椭圆形的前边缘54f向前延伸。如图8、图10和图11所示，在下部排气水套53中，竖向连通通道55从下部排气水套53的延伸通道的椭圆形轮廓朝向排气侧表面4d突出，下部排气水套53的延伸通道的椭圆形轮廓与排气汇合部分17的外轮廓相符地形成。竖向连通通道55从延伸通道53d突出的高度小于延伸通道53d沿着气缸轴线的高度。
[0105]当竖向连通通道55在排气侧表面4d上从延伸通道53d突出时，防止了下部排气水套53和竖向连通通道55之间的冷却水通道的横截面面积突然减少，从而使气缸盖水套50中的压力损失最小化。当竖向连通通道55通过使用延伸通道53作为其一部分形成时，竖向连通通道55的通道长度可以被最小化，并且可以保证来自延伸通道53d的冷却水的流动速率足以冷却气缸盖4的排气侧表面4d。
[0106]图15在根据本发明的布置和根据用于比较的示例的布置之间，在气缸盖水套50中，在下部排气水套53、竖向连通通道55、上部排气水套54以及冷却水出口 50b处对压力损失进行比较，在用于比较的示例中，竖向连通通道55不从延伸通道53d凸出。如从图中可以理解的，在根据本发明的气缸盖水套50中，尽管在下部排气水套53和上部排气水套54处的压力损失比用于比较的示例中的稍大，但竖向连通通道55中的全部压力损失远小于用于比较的示例中的压力损失，从而使得整个水套的压力损失明显小于用于比较的示例中的压力损失。
[0107]图16示出了根据本发明以及根据用于比较的示例，冷却水的流动速率与所需的用于气缸盖水套50的泵输出压力之间的关系，在用于比较的示例中，竖向连通通道55不从延伸通道53d凸出。在该图表中，实线曲线指示根据本发明的气缸盖水套50，虚线曲线指示用于比较的示例。点划线曲线指示泵的输出特性。泵以恒定速度7800rpm进行运转。如可从图16理解的，用于比较的示例的冷却水流动速率仅为120L/min，而本发明的冷却水流动速率为170L/min。[0108]因此，通过最小化气缸盖水套50中的全部压力损失，流经气缸盖水套50的冷却水的流动速率可以被最大化，并且可以有效地冷却气缸盖4。
[0109]第二实施方式
[0110]下面将参照图18和图19对本发明的第二实施方式进行描述。在图18和图19中，对应于第一实施方式中的那些部分的部分用相类似的附图标记指明，而不必在相应的书面描述中对这些部分进行重复描述。
[0111]在该实施方式中，如图18所示，气缸盖水套50的冷却水入口 50a更优选地设置在每个燃烧室6的进气侧或设置在主水套51的进气侧，达到比第一实施方式更明显的程度。更具体地，设置在排气侧的冷却水入口 50a要少于和/或小于设置在进气侧的冷却水入口。也就是说，冷却水入口 50a朝向主水套51的进气侧偏移。本文所使用的冷却水入口 50a“优选地设置在进气侧”或“朝向进气侧偏移”的表述表示形成在进气侧的冷却水入口 50a的面积大于形成在排气侧的冷却水入口的面积。
[0112]通过以这种方式形成冷却水入口 50a，如图19所示，基本上从形成在气缸体水套70的前(排气)侧的冷却水入口 70a引入的全部的冷却水朝向进气侧围绕气缸孔2的阵列流动，并经由缸体-缸盖连通通道56 (冷却水入口 50a)流入气缸盖水套50的主水套51。随后，当冷却水在流入下部排气水套53之前沿垂直于气缸阵列的方向流过燃烧室6时，冷却水冷却燃烧室6。冷却水的后续流动与第一实施方式相同。
[0113]因此，通过朝向主水套51的进气侧偏移缸体-缸盖连通通道56，被引入气缸盖水套50中的大部分的冷却水朝向下部排气水套53流过主水套51，从而使得包围燃烧室6的部分(气缸体的包围燃烧室6的部分和气缸盖4的位于燃烧室6的紧上方的部分)可以最有效地被冷却。当选取这种构造时，优选地增加冷却水入口 70a的面积，从而与第一实施方式相比，减少压力损失。
[0114]由于气缸体水套70的冷却水入口 70a设置在排气侧，并且缸体-缸盖连通通道56朝向主水套51的进气侧偏移，因此从冷却水入口 70a引入气缸体水套70中的大部分冷却水在流入缸体-缸盖连通通道56之前围绕气缸孔2的阵列流动，从而使得包围气缸孔2的部分可以被有效地冷却。尽管缸体-缸盖连通通道56朝向进气侧偏移，当缸体-缸盖连通通道56以规则的间隔沿着气缸阵列形成时，冷却水可以从主水套51均匀地冷却整个燃烧室6。
[0115]实施方式的修改
[0116]本发明已经通过特定的实施方式进行了说明，但是本发明不受示出的实施方式的限制，并且可以在不偏离本发明精神的情况下在不同的部分进行改变。例如，前述实施方式针对汽车四阀门直列四缸汽油发动机，但也同样适用于用于其他目的的其他类型的发动机。在前述实施方式中，仅设置有一个排气出口 18，然而也可以设置两个排气出口，每个排气出口用于对应的两个相邻的气缸。
[0117]在前述实施方式中，排气水套54在其从对应于排气出口 18的部分朝向其下游端延伸的部分中具有从排气汇合部分17的外轮廓突出的部分54c，但可以代替地，下部排气水套53可以设置有这样的突出的部分。在这种情况下，主水套51与上部排气水套54直接连通，并且将上部排气水套54与下部排气水套53连通(因此用作下部排气水套53的冷却水入口)的竖向连通通道55被设置在下部排气水套53的相对于气缸阵列方向的一端上。下部排气水套53在其相对于气缸阵列方向的另一端上还设置有冷却水出口。
[0118]而且，在前述实施方式中，延伸通道53d设置用于下部排气水套53，以便从该下部排气水套沿着排气汇合部分17的外侧(气缸盖4的排气侧表面4的那一侧)向上延伸，但是另选地或附加地，延伸通道可以设置用于上部排气水套54，以便沿着排气汇合部分17的外侧从该上部排气水套悬垂。
[0119]不同部件的特定的结构、布置、数量和角度可以在不偏离本发明精神的情况下随意修改。而且，示出的实施方式中的发动机的所有不同部件对于本发明来说不是必要的，必要时可以被去除。
[0120]附图标记列表
[0121]I发动机
[0122]2气缸孔
[0123]3气缸体
[0124]4气缸盖
[0125]4d排气侧表面
[0126]5 活塞
[0127]6燃烧室
[0128]16排气端口
[0129]17排气汇合部分
[0130]17a第一汇合部分
[0131]17b上游第二汇合部分
[0132]17c下游第二汇合部分
[0133]18排气出口
[0134]44塞子(插塞构件)
[0135]50气缸盖水套
[0136]50a冷却水入口
[0137]50b冷却水出口
[0138]51主水套
[0139]53下部排气水套
[0140]53d延伸通道
[0141]54上部排气水套
[0142]55竖向通道
[0143]56缸体-缸盖连通通道
[0144]62第一水套型芯座
[0145]63第二水套型芯座
[0146]64型芯座
[0147]64a型芯座下部
[0148]64b型芯座上部
[0149]70气缸体水套
[0150]70a冷却水入口
【权利要求】
1.一种用于内燃发动机的冷却结构，该内燃发动机包括限定一排气缸孔的气缸体以及设置在所述气缸体的顶表面上的气缸盖，所述气缸盖与以可滑动的方式接纳在每个气缸孔中的活塞的顶表面合作而限定燃烧室，所述气缸盖和所述气缸体的内部分别限定相互连通的气缸盖水套和气缸体水套，其特征在于: 所述气缸盖的内部设置有排气汇合部分和多个排气端口，每个排气端口均具有朝向相应的燃烧室敞口的上游端，所述排气汇合部分将所述多个排气端口汇合，并且所述排气汇合部分包括在所述气缸盖的侧表面的纵向中间部分敞口的排气出口 ；并且 所述气缸盖水套包括从上方覆盖所述燃烧室的主水套、从下方覆盖所述排气汇合部分的下部排气水套，以及从上方覆盖所述排气汇合部分的上部排气水套，所述主水套设置有围绕各气缸孔设置的多个冷却水入口，并且所述主水套与所述下部排气水套和所述上部排气水套中的一个排气水套连通； 其中，将所述下部排气水套和所述上部排气水套彼此连通的竖向通道设置在所述下部排气水套和所述上部排气水套中的另一个排气水套的以下部分中，这一部分从所述另一个排气水套的对应于所述排气出口的位置沿气缸阵列方向朝一侧偏移，并且用于所述另一个排气水套的冷却水出口设置在所述另一个排气水套的以下部分中，这一部分从所述另一个排气水套的对应于所述排气出口的位置沿所述气缸阵列方向朝另一侧偏移。
2.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的冷却结构，其中，与所述气缸体水套连通的所述主水套的所述冷却水入口优先设置在所述主水套的进气侧。
3.根据权利要求2所述的用于内燃发动机的冷却结构，其中，所述气缸体水套的冷却水入口设置在所述气缸体的排气侧上。
4.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的冷却结构，其中，将所述下部排气水套和所述上部排气水套彼此连通的所述竖向通道被形成为由独立的插塞构件闭合的铸造腔。
5.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的冷却结构，其中，所述下部排气水套和所述上部排气水套中的至少一个排气水套设置有延伸通道，该延伸通道从所述至少一个排气水套的外边缘沿着所述排气汇合部分的外侧延伸，并且所述竖向通道设置在所述延伸通道中。
6.根据权利要求5所述的用于内燃发动机的冷却结构，其中，所述竖向通道向外延伸超出所述延伸通道的外轮廓。
7.根据权利要求5所述的用于内燃发动机的冷却结构，其中，所述延伸通道设置在所述一个排气水套中。
8.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的冷却结构，其中，所述一个排气水套是所述下部排气水套。
9.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的冷却结构，其中，所述竖向通道和所述冷却水出口相对于所述气缸阵列方向分别设置在所述另一个排气水套的大致末端部分中。
【文档编号】F01P3/02GK103967577SQ201410039866
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2013年1月28日
【发明者】多田和司, 白井裕 申请人:本田技研工业株式会社