具有集成傳熱裝置的發(fā)動機部件套筒的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明針對一種具有集成傳熱裝置的發(fā)動機部件套筒。套筒包括限定通道的壁，以及一個或多個傳熱裝置。每個傳熱裝置包括封閉在壁內(nèi)的至少一個腔以及位于腔內(nèi)的工作流體。
【專利說明】具有集成傳熱裝置的發(fā)動機部件套筒

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對一種具有集成傳熱裝置的發(fā)動機部件套筒。套筒包括壁和通道，且傳熱裝置設(shè)置在壁內(nèi)。

【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)燃機通常包括由汽缸蓋密封的在汽缸體中的多個汽缸，汽缸具有位于每個汽缸內(nèi)部的活塞。燃燒腔在活塞頭、汽缸壁和汽缸蓋面部(cylinder head face)之間形成。其他發(fā)動機部件，例如閥、燃料噴射器、熱電偶和火花塞，可安裝在汽缸蓋或汽缸體的內(nèi)部或者安裝在汽缸蓋或汽缸體上。
[0003]為了減少排放物和提高效率，通過減小發(fā)動機的尺寸和重量增加發(fā)動機的功率密度，同時保持相同的功率輸出。然而，為了維持提供類似輸出到較大發(fā)動機，燃燒室內(nèi)的相對壓力和溫度將會增加。已知汽缸蓋面部在發(fā)動機工作循環(huán)期間(特別是在燃燒沖程期間)達到非常高的溫度，并且已在360°C測量了汽缸蓋面部。熱量可經(jīng)由汽缸壁和汽缸蓋面部從燃燒室傳遞到汽缸蓋或汽缸體中的冷卻劑系統(tǒng)。因此，熱量可被傳遞到安裝在汽缸蓋或汽缸體的內(nèi)部或安裝在汽缸蓋或汽缸體上的發(fā)動機部件。高溫可損害和/或增加發(fā)動機部件的熱機械疲勞。
[0004]在US-B-3945353中公開了一種用于減少由于高發(fā)動機溫度對發(fā)動機部件的損害的實例。US-B-3945353描述了一種燃料噴射噴嘴，該燃料噴射噴嘴具有用作冷卻系統(tǒng)的液壓冷卻熱管。熱管將熱量從暴露于高溫燃燒室的噴嘴尖端傳遞到循環(huán)液壓流體，循環(huán)液壓流體就像散熱體一樣工作。熱管通過蒸發(fā)鄰近噴嘴尖端的熱管內(nèi)部的冷卻介質(zhì)和通過冷凝鄰近循環(huán)液壓流體的冷卻介質(zhì)來工作。然而，這樣的裝置只適于將熱量傳遞離開噴嘴尖端，并且對燃料噴射器增加了顯著的復(fù)雜度。
[0005]一些發(fā)動機部件通常位于汽缸蓋中的鉆孔中。套筒，例如燃料噴射器套筒或閥導(dǎo)承套筒，可設(shè)置在鉆孔中，以及位于套筒內(nèi)部的發(fā)動機部件中。此外，可將鉆孔位于使套筒和發(fā)動機部件定位在鄰近或部分地在汽缸蓋中的發(fā)動機冷卻劑通道中的位置。套筒能夠使發(fā)動機部件精確地定位在汽缸蓋中，并可將發(fā)動機部件與冷卻劑流體阻隔開來。然而，套筒的定位可不使用于防止對發(fā)動機部件損害的適當(dāng)?shù)臒醾鬟f成為可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種套筒，用于將發(fā)動機部件定位在發(fā)動機中，所述套筒包括:限定通道的壁；以及一個或多個傳熱裝置；每個傳熱裝置包括:封閉在壁內(nèi)的至少一個腔；以及位于腔內(nèi)的工作流體。
[0007]本發(fā)明進一步提供了包括這種套筒的發(fā)動機。
[0008]現(xiàn)在參考所示附圖且如附圖所示，僅以示例的方式，描述具有集成傳熱裝置的發(fā)動機部件套筒的實施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的發(fā)動機部件套筒的透視圖；
[0010]圖2是圖1的發(fā)動機部件套筒的截面?zhèn)纫晥D；以及
[0011]圖3是圖1和圖2的發(fā)動機部件套筒所位于的汽缸蓋的截面?zhèn)纫晥D。

【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明整體針對一種套筒，該套筒適于將發(fā)動機部件定位在發(fā)動機中。套筒包括壁，壁限定了通道。發(fā)動機部件安置在通道中，并且傳熱裝置設(shè)置在壁內(nèi)。
[0013]圖1和圖2示出了本發(fā)明的套筒10的一個實施例。套筒10可用于將發(fā)動機部件定位在發(fā)動機中，并且具體地，可用于將發(fā)動機部件定位在汽缸蓋或汽缸體中。例如，發(fā)動機部件可以是燃料噴射器、閥桿、熱電偶或火花塞。具體地，套筒10可以是燃料噴射器套筒，用于將燃料噴射器定位在鄰近發(fā)動機冷卻劑通道的汽缸蓋中，這樣使得燃料噴射器尖端突出到發(fā)動機的燃燒室中。可選地，套筒10可以是閥導(dǎo)承，用于將閥桿定位成將汽缸蓋鄰近燃燒室和進氣/排氣通道安置。
[0014]套筒10可以是基本上管狀的(即，由基本上空心的圓柱體形成)，并且套筒10包括限定內(nèi)部通道12的壁11。通道12可從在套筒10的一端處的第一開口 13延伸到在套筒10的另一端處的第二開口 14。發(fā)動機部件可插入到通道12中并位于通道12中。套筒10的截面形狀可以是基本上圓形、橢圓形、方形、矩形、多邊形或任何其他合適的形狀，并且套筒10的截面形狀可沿著套筒10的長度變化。一個或多個凹槽可至少部分地沿著壁11的長度或繞壁11的外周延伸。壁11可由任何合適的材料制成，如不銹鋼、鋁、鈦和/或鎳。
[0015]壁11的厚度沿套筒10的長度可基本上相同或者可變化。套筒10的外徑沿套筒10的長度可基本上相同或者可變化。壁11可包括第一部分15，第一部分15由截頭圓錐部分17連接到第二部分16。第一部分15的外徑可大于第二部分16的外徑。第一部分15的內(nèi)徑可大于第二部分16的內(nèi)徑。通過提供從第一部分15的內(nèi)徑和外徑到第二部分16的分別的內(nèi)徑和外徑的平滑減小，截頭圓錐部分17可在壁11的內(nèi)表面和外表面上提供連續(xù)性。
[0016]套筒10可包括一個或多個壓縮密封件18、19，壓縮密封件18、19用于在壁11的外側(cè)和套筒10所位于的鉆孔的內(nèi)壁之間形成密封(下面進一步描述)。壓縮密封件18、19可沿著套筒的長度位于任何適當(dāng)?shù)奈恢?，并可位于?1的外表面上或在壁表面中的上述凹槽中。如前所述，壁11可具有圓形的截面，并且壓縮密封件18、19可包圍壁11的整個外周。
[0017]一個或多個傳熱裝置20設(shè)置在或封閉在壁11的厚度中，并可位于任何合適的位置，以將熱量從高溫源(為熱源)傳遞到較低溫源(為散熱體)。散熱體和熱源可位于套筒10的鄰近處，并且可以是發(fā)動機的任何部分，例如燃燒室、發(fā)動機冷卻劑系統(tǒng)、套筒10本身或位于套筒10中的發(fā)動機部件。每個傳熱裝置20可以是無源的，使得為了傳遞熱量，傳熱裝置20不需要外部作業(yè)輸入(即不再需要超出熱源所提供的能量的更多能量)。
[0018]每個傳熱裝置20可包括封閉在套筒10的壁11內(nèi)的腔21，腔21可基本上沿套筒10的長度延伸。每個腔21可密封在壁11內(nèi)。每個腔21可包括較高溫度區(qū)域22和較低溫度區(qū)域23，其中，較高溫度區(qū)域22具有比較低溫度區(qū)域23的溫度高的溫度。在圖2中，較高溫度區(qū)域22和較低溫度區(qū)域23示出在腔20的任一端處，但是可以預(yù)期，它們也可在其他方向上。
[0019]腔20內(nèi)部設(shè)有工作流體，以將熱量從較高溫度區(qū)域22傳遞到較低溫度區(qū)域23。工作流體可在較高溫度區(qū)域22和較低溫度區(qū)域23之間連續(xù)地再循環(huán)，并且在每個循環(huán)期間，不經(jīng)歷相變、經(jīng)歷一次相變或相變多次相變。工作流體可在較高溫度區(qū)域22基本上蒸發(fā)，并在較低溫度區(qū)域23基本上冷凝，從而經(jīng)歷兩次相變。
[0020]工作流體可以是適于傳熱裝置20的形成及溫度操作范圍的任何類型，例如異丁烯、氨、甲醇、水、未、碘、鎂、甲苯、鈉、鋰、鉀等。可對形成套筒10的材料與工作流體的類型選擇為彼此可相容，或可替換地，壁11的部分和/或腔21的內(nèi)側(cè)上的涂層可由與工作流體相容的材料制成。
[0021]通過由于壓力差造成的本體對流，和/或通過由于在端部22、23之間的濃度梯度差造成的擴散，工作流體可從較高溫度區(qū)域22轉(zhuǎn)移到較低溫度區(qū)域23。由于重力，工作流體可從較低溫度區(qū)域23轉(zhuǎn)移到較高溫度區(qū)域22。利用這樣的過程的傳熱裝置20通常稱為熱虹吸管。熱虹吸管可以是開環(huán)或閉環(huán)，并且可以是單相、兩相或更多相。在一個示例中，工作流體在較高溫度區(qū)域22蒸發(fā)，基本上由于本體對流和/或擴散而流到較低溫度區(qū)域23，在較低溫度區(qū)域23冷凝，并由于重力(例如通過使腔21的壁向下滴流)而返回到較高溫度區(qū)域22。
[0022]可選地，通過吸液芯中的毛細(xì)管作用(即表面張力作用)，工作流體可從較低溫度區(qū)域23轉(zhuǎn)移到較高溫度區(qū)域22。合并有這樣的裝置的傳熱裝置20通常稱為熱管。吸液芯可具有任何合適的組成，諸如多孔陶瓷、燒結(jié)金屬或金屬絲網(wǎng)，并且可呈本領(lǐng)域中已知的任何合適的布置，例如波紋狀、環(huán)狀、網(wǎng)、凹槽狀或開放式渠道狀、網(wǎng)格狀或者形成為腔21內(nèi)的干道。吸液芯的組成、工作流體以及腔21的壁可選擇為彼此可相容。
[0023]在一個示例中，工作流體在較高溫度區(qū)域22蒸發(fā)，基本上由于本體對流和/或擴散而流到較低溫度區(qū)域23，在較低溫度區(qū)域23處冷凝，并由于通過吸液芯的毛細(xì)作用而返回到較高溫度區(qū)域22。熱管可以是適當(dāng)形式的傳熱裝置20，其中，用于發(fā)動機部件的套筒10被定向成使得重力不能起作用將工作流體從較高溫度區(qū)域22傳遞到較低溫度區(qū)域23。這種定向的一個例子是當(dāng)較高溫度區(qū)域22位于比較低溫度區(qū)域23更高的位置時。
[0024]圖3示出了位于汽缸蓋24中的套筒10的示例性裝置。套筒10可位于第一鉆孔25中，并且可用于將燃料噴射器(未示出)定位成使得燃料噴射器的尖端突出通過第二鉆孔26并突出到燃燒室27內(nèi)。套筒10可至少部分地封閉在發(fā)動機中的冷卻劑通道28中，并且發(fā)動機冷卻劑通道28中的冷卻劑流體可接觸壁11的外側(cè)的至少一部分。第二鉆孔26所具有的寬度可小于第一鉆孔25的寬度，在它們之間限定了肩部29，套筒10與肩部29接入口 ο
[0025]使用壓縮密封件18、19通過任何方式，例如使用過盈配合或黏合劑，套筒10可固定在第一鉆孔25中。密封構(gòu)件30可位于壁11的內(nèi)側(cè)上，并可與肩部29接合或者接觸。密封構(gòu)件30可至少部分地沿套筒10的長度延伸，這樣使得燃料噴射器安置在密封構(gòu)件30上。燃料噴射器被定位成通過密封構(gòu)件30中的中央鉆孔31。密封構(gòu)件30可在肩部29、套筒10和第一鉆孔25之間形成密封。密封構(gòu)件30可由銅形成。可選地，密封構(gòu)件30和套筒10可形成為單個部分。
[0026]在燃燒循環(huán)期間，燃燒室27中可產(chǎn)生高溫，從而形成熱源。熱量從汽缸蓋面部，通過燃料噴射器和/或汽缸蓋24，進而傳遞到套筒10。一個或多個傳熱裝置20通過套筒10的壁11將熱量傳遞到可作為散熱體的冷卻劑流體。傳熱裝置20可被定位成使得腔21自套筒10最接近燃燒室27的端部的鄰近處，通過沿套筒10的長度方向的壁11，進而延伸到發(fā)動機冷卻劑通道28的鄰近處。
[0027]汽缸蓋24可進一步包括與燃燒室27進行空氣連通的一個或多個進氣/排氣通道32、33。位于燃燒室27和空氣通道32、33之間的閥口 34、35，可由安置在閥導(dǎo)承套筒36中的閥(未示出)打開或關(guān)閉。閥導(dǎo)承套筒36可安置在鉆孔37中，鉆孔37可位于發(fā)動機冷卻劑通道38、39的鄰近處。如前所述(但圖中未示出)，一個或多個傳熱裝置20設(shè)置在閥導(dǎo)承套筒36的壁上，以促進熱量從空氣通道32、33和/或汽缸蓋傳遞到發(fā)動機冷卻劑通道38,39中的冷卻劑流體。
[0028]工業(yè)實用性
[0029]相對于若壁11不具有傳熱裝置20 (即壁包括固體材料)將發(fā)生的速率，傳熱裝置20提高了沿壁11的傳熱速率。這種改進可以是用對流傳熱和質(zhì)量傳遞(例如擴散)取代傳導(dǎo)傳熱的結(jié)果。
[0030]在套筒10和發(fā)動機之間所形成的密封可防止冷卻劑流體接觸位于其中的發(fā)動機部件，從而防止發(fā)動機部件受冷卻劑流體的任何潛在的腐蝕作用。通過改進向發(fā)動機冷卻劑的傳熱，可減少由于暴露于高溫環(huán)境導(dǎo)致的引擎部件的機械疲勞。此外，可以在燃燒室中達到更高的溫度，因此提高功率密度，而不會增加發(fā)動機部件的劣化。
[0031]可將套筒10改裝到發(fā)動機，代替不包括傳熱裝置20的發(fā)動機部件套筒。此外，在發(fā)動機維修期間，可拆卸、修理和/或更換套筒10。當(dāng)傳熱裝置20是熱管時，這樣的特征可特別有利，因為吸液芯可需要定期更換。
【權(quán)利要求】
1.一種用于將發(fā)動機部件定位在發(fā)動機中的套筒，所述套筒包括: 限定通道的壁；以及 一個或多個傳熱裝置； 每個傳熱裝置包括: 封閉在所述壁內(nèi)的至少一個腔；以及 位于所述腔內(nèi)的工作流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的套筒，其中，每個傳熱裝置是無源傳熱裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的套筒，其中，所述至少一個腔包括較高溫度區(qū)域以及較低溫度區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的套筒，其中，所述工作流體被選擇為在所述較高溫度區(qū)域中蒸發(fā)并在所述較低溫度區(qū)域中冷凝。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的套筒，其中，所述工作流體將熱量從所述較高溫度區(qū)域傳遞到所述較低溫度區(qū)域。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的套筒，其中，每個傳熱裝置包括多個腔。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的套筒，其中，所述壁包括由截頭圓錐部分連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徑更大的外徑。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的套筒，其中，每個傳熱裝置是熱虹吸管或熱管。
9.一種包括權(quán)利要求1至8中任一項所述的套筒的發(fā)動機。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機部件位于所述套筒中，所述發(fā)動機部件選自燃料噴射器、閥、火花塞和熱電偶。
11.根據(jù)從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的發(fā)動機，其中，所述至少一個腔定位在所述壁中，以將所述至少一個腔的所述較高溫度區(qū)域定位在熱源的鄰近處，并且將所述至少一個腔的所述較低溫度區(qū)域定位在散熱體的鄰近處。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，其中，所述熱源是燃燒室。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，其中，所述散熱體是冷卻劑流體，所述冷卻劑流體位于冷卻劑通道中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)動機，其中，所述壁的外側(cè)至少部分地暴露于所述冷卻劑流體，并且所述套筒對于所述發(fā)動機是密封的，以防止冷卻劑流體接觸所述發(fā)動機部件。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項所述的發(fā)動機，其包括汽缸蓋，所述套筒位于所述汽缸蓋中ο
【文檔編號】F01P3/16GK104508272SQ201380040695
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月1日
【發(fā)明者】A·薩維爾, R·麥克戴維, A·德里斯 申請人:珀金斯發(fā)動機有限公司