專利名稱：具有集成排氣歧管的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于權(quán)利要求1前序部分所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備以及基于權(quán)利要求 12或13的前序部分所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
為在未來(lái)的幾年里對(duì)實(shí)現(xiàn)減少(X)2排放做出實(shí)際的貢獻(xiàn)，與直接噴射及增壓型汽 油發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)精簡(jiǎn)技術(shù)被看作是合理的解決方案。為在各種車(chē)輛(Flotte)實(shí) 現(xiàn)廣泛應(yīng)用，必須在謹(jǐn)慎兼顧耐久性(對(duì)于顧客與車(chē)輛的)、行駛性能及成本等方面的同時(shí) 優(yōu)化推進(jìn)汽油直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)精簡(jiǎn)(Otto-DI-Downsizing)系統(tǒng)。對(duì)于小轎車(chē)，歐盟委員會(huì)已將針對(duì)2012年度的最大油耗下的(X)2排放目標(biāo)值擬定 為130g/km。遵守這一未來(lái)的限值是汽車(chē)生產(chǎn)商在規(guī)劃驅(qū)動(dòng)裝置藍(lán)圖時(shí)的主要著眼點(diǎn)。在減少(X)2排放的道路上，基于迄今為止的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(利用進(jìn)氣管?chē)娚?、?夠改變氣門(mén)控制正時(shí)且能夠進(jìn)行排氣再循環(huán)的自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī))，可以通過(guò)在減小摩擦和 熱量管理領(lǐng)域中采取適當(dāng)技術(shù)投入的方法來(lái)開(kāi)發(fā)其他潛力。對(duì)于歐洲市場(chǎng)上的中小型汽車(chē)，通過(guò)將采用新型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方法(分層設(shè) 計(jì)，均勻自點(diǎn)火)或采用發(fā)動(dòng)機(jī)精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)作為最重要的步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)上述(X)2目標(biāo)值是可行 的。為進(jìn)一步減少(X)2排放，發(fā)動(dòng)機(jī)精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)也可以與其他燃燒方法措施相結(jié)合。就發(fā)動(dòng)機(jī)精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的市場(chǎng)成功而言，起決定作用的因素是滿足不同的客戶期待， 尤其是兼顧日常實(shí)際使用中的油耗、駕駛愉悅感、良好的噪音表現(xiàn)以及可承受的成本。特別地，對(duì)于所述設(shè)計(jì)中已增壓區(qū)域的強(qiáng)化利用需要特別注意避免燃料富集以保 護(hù)構(gòu)件，并需確保良好的動(dòng)態(tài)起動(dòng)特性。避免燃料富集在一定限度內(nèi)可以通過(guò)采用特別具 有溫度穩(wěn)定性的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)導(dǎo)致制造成本的增加。此外，在高效的小型動(dòng)力機(jī)構(gòu) 中，提供必要的熱功率將更加困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，對(duì)背景技術(shù)中提到類型的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備以及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改 善，以使得燃料富集即便在增壓區(qū)域中也不會(huì)出現(xiàn)，從而起到保護(hù)構(gòu)件的目的，和/或?qū)崿F(xiàn) 在排氣道中應(yīng)用更少的具有溫度穩(wěn)定性的材料，并同時(shí)還應(yīng)改善排氣處理設(shè)備的起動(dòng)特 性。上述目的是借助于具有如權(quán)利要求1所述之特征的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，借助于具有如權(quán) 利要求12和13所述之特征的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)得以實(shí)現(xiàn)的。各從屬權(quán)利要求給出了本發(fā)明的其他有利設(shè)計(jì)方案。在本發(fā)明的范圍內(nèi)已經(jīng)確定的是，集成在氣缸蓋中的排氣歧管不僅特別緊湊、特 別節(jié)省材料，而且使得排氣在氣缸蓋中的液體冷卻設(shè)計(jì)充分有效的情況下可以得到有效的 冷卻，這樣，氣缸蓋出口處的排氣溫度在所有發(fā)動(dòng)機(jī)工況下均能被限制在一個(gè)最大值之下， 該最大值明顯低于在可比較的具有傳統(tǒng)排氣歧管的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)的排氣溫度最大值。由此，一方面，可以將溫度穩(wěn)定性更小的材料應(yīng)用于其他的排氣裝置(特別是對(duì)于渦輪機(jī) 和連接在排氣歧管上的渦輪增壓機(jī)的渦輪機(jī)殼體)上，和/或省去在高負(fù)荷時(shí)所需要的通 過(guò)混合添加潤(rùn)滑油脂進(jìn)行人為排氣降溫的做法。因此針對(duì)特定的汽車(chē)目標(biāo)群，或者可以降 低制造成本，或者可以改善燃油消耗值，或者實(shí)現(xiàn)兼顧所述兩方面的優(yōu)點(diǎn)。但是，在氣缸蓋中對(duì)排氣實(shí)施相應(yīng)的有效冷卻，需要對(duì)冷卻劑管路進(jìn)行非常精確 的設(shè)計(jì)，以防止在氣缸蓋中出現(xiàn)局部過(guò)熱的現(xiàn)象，這種局部過(guò)熱可能會(huì)使得氣缸蓋上所用 的鋁合金迅速損壞。因此就需要大規(guī)模的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化和模擬程序，以確保此種氣缸蓋 的熱與機(jī)械耐久性。不過(guò)，對(duì)于一種特別有效的排氣冷卻，容易讓人產(chǎn)生這種憂慮，S卩，催化式排氣凈 化器或另一排氣處理設(shè)備在冷起動(dòng)后的預(yù)熱時(shí)間可能延長(zhǎng)，而這又是必須采取額外的、消 耗燃料的對(duì)應(yīng)措施。但令人意外的是，事實(shí)表明，利用根據(jù)本發(fā)明的集成排氣歧管，排氣處 理裝置的起動(dòng)特性反而得到了改善。其原因基本可以這樣來(lái)解釋由于其結(jié)構(gòu)緊湊，因而集 成排氣歧管所具有的排氣道內(nèi)表面比常規(guī)外排氣歧管的更小，這是因?yàn)榧膳艢馄绻苤械?單一排氣道可以更早合并到總排氣管中。但是事實(shí)已證明，對(duì)于催化式排氣凈化器的起動(dòng) 特性而言，排氣道乃至排氣處理設(shè)備的總面積是重要的參數(shù)。至于所述排氣道是水冷或只 是氣冷的，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不久之后的排氣預(yù)熱特性實(shí)際上不重要，這是因?yàn)樵诶淦饎?dòng)時(shí)， 排氣管壁與排氣之間的溫度梯度在任何情況下都是很大的。另外，通過(guò)使連通至渦輪增壓器的排氣道盡可能地短，可改善負(fù)荷發(fā)生短暫變化 時(shí)的響應(yīng)特性。因此在本發(fā)明的范圍內(nèi)，排氣道從排氣閥座開(kāi)始的面積中有較大一部分是由液體 冷卻的。尤其提供有從排氣口測(cè)量到總排氣管在氣缸蓋上的出口測(cè)得的且位于氣缸蓋 中由液體冷卻的排氣道(的內(nèi)壁面積總和與從排氣口測(cè)量到氣缸蓋之外的第一排氣流通 裝置的基準(zhǔn)元件之間測(cè)得的排氣道的內(nèi)壁面積總和之間的比例關(guān)系大于50%，優(yōu)選大于 65 %，特別優(yōu)選大于80 %，尤其特別優(yōu)選大于85 %。所述第一排氣流通裝置優(yōu)選實(shí)施為排氣渦輪增壓器，其中，用于確定面積份額的 基準(zhǔn)元件是渦輪增壓器的渦輪機(jī)的蝸殼或者蝸桿的起始區(qū)域。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，此類的 排氣渦輪器不僅被推薦用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而且還特別推薦用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。在這種排氣渦 輪器上通常連接有排氣處理裝置(如催化式排氣凈化器、氮氧化物捕集器等)。在無(wú)增壓的汽車(chē)中，所述第一排氣流通裝置也可以是排氣清潔裝置，而在此種情 況下，所述基準(zhǔn)元件則是排氣清潔基底在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的起始點(diǎn)。對(duì)于氣缸蓋中液體冷卻裝置散發(fā)排氣熱量的能力，優(yōu)選地作如下衡量，即其應(yīng)使 得在總排氣管在氣缸蓋上的出口處的排氣的溫度極限在各種發(fā)動(dòng)機(jī)工況下均能達(dá)到一個(gè) 預(yù)先設(shè)定的溫度值，從而使得在排氣設(shè)備中緊隨在下游的裝置不必被構(gòu)造得更具溫度穩(wěn)定 性，和/或能夠不必為了在高負(fù)荷區(qū)降低排氣溫度而需要混合物富燃料化；其中排氣道中 由液體冷卻的內(nèi)壁面積總和被設(shè)計(jì)為尺寸如此之小，從而使排氣處理設(shè)備在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)冷 起動(dòng)時(shí)優(yōu)選能夠快速起動(dòng)而不必采取產(chǎn)生耗油的額外措施來(lái)改善其起動(dòng)性能。為避免使通常由鋁合金制成的氣缸蓋出現(xiàn)損壞，優(yōu)選如下設(shè)計(jì)排氣道中的液體冷 卻裝置，即，使得氣缸蓋中的排氣道壁的溫度在穩(wěn)定不變的滿負(fù)荷狀態(tài)下不超過(guò)250°C，優(yōu) 選為180°C的限值，而且，無(wú)需混合物富燃料化來(lái)維持這一限值。
為確保能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的充分冷卻，優(yōu)選設(shè)置有優(yōu)選地完全包圍住總排氣管的氣缸 蓋中的冷卻劑通道，所述總排氣管位于收集處與總排氣管在氣缸蓋上的出口之間。如果這樣做還不夠，那么還可以在氣缸蓋之外的排氣道中設(shè)置補(bǔ)充的液體冷卻裝 置。為此，總排氣管從它在氣缸蓋上的出口直到所述第一排氣流通裝置的基準(zhǔn)元件為止的 部分可以完全或者局部地通過(guò)液體來(lái)冷卻?？蛇x或附加地，所述第一排氣流通裝置，尤其是 渦輪增壓器，還可以被構(gòu)造為，完全或局部地由液體進(jìn)行冷卻。為確保排氣處理設(shè)備具有盡可能快的起動(dòng)特性，而將排氣道中的第一排氣流通裝 置以盡可能靠近氣缸蓋的方式連接到氣缸蓋上，是有利的。如果所述第一裝置是渦輪增壓 器，就優(yōu)選將排氣處理裝置以盡可能靠近的方式布置在所述渦輪增壓器之后。優(yōu)選將排氣歧管的幾何結(jié)構(gòu)按照如下設(shè)計(jì)即針對(duì)每一氣缸各有兩個(gè)排氣口并 且額定功率至少為IOOkW的四氣缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其氣缸蓋中由液體冷卻的排氣道的內(nèi)壁 面積總和在所述排氣道的平均直徑處于25mm至30mm范圍內(nèi)時(shí)小于70，000mm2，優(yōu)選小于 60，000mm2，其中模擬結(jié)果顯示，可能的最佳值處在大約50，OOOmm2的范圍內(nèi)。該值當(dāng)然也依 賴于通道直徑，其中，事實(shí)證明，通道直徑越小，散熱能力越強(qiáng)。在前面提到的工作區(qū)域中， 導(dǎo)出的熱流Q與通道直徑D之間存在下述近似的依賴關(guān)系Q~D"08對(duì)于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是構(gòu)造用于根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其氣 缸蓋中的排氣道的液體冷卻裝置優(yōu)選設(shè)計(jì)成這樣，從而使得在氣缸蓋出口處的排氣溫度在 穩(wěn)定的滿負(fù)荷狀態(tài)下不會(huì)超過(guò)預(yù)先給定的1050°C、970°C或者850°C的限值，而且無(wú)需混合 物富燃料化來(lái)維持這一限值。通過(guò)這種限制，設(shè)置在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的排氣渦輪增壓器可由 更廉價(jià)的材料來(lái)制造。在最大溫度為1050°C的情況下(該溫度也是常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中常用的極 限溫度，只不過(guò)在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，通常在滿負(fù)荷區(qū)域中需要混合物富燃料化，才能使該極限 溫度得到保障)，對(duì)于排氣歧管和渦輪機(jī)這兩種部件，必須采用高成本的材料，例如鎳的份 額高達(dá)37%的奧氏體鑄鋼。與此相對(duì)地，在最大溫度為980°C至1030°C的情況下，可以采用 具有較小份額(0至30% )的鎳鑄鋼。在極限溫度更低(970°C或950°C )的情況下，可以采 用更廉價(jià)的材料，如可采用SiMo(硅鉬)灰口鑄鐵(極限溫度不高于950°C )。與公知的排氣歧管設(shè)計(jì)相比，本發(fā)明的范圍內(nèi)的排氣冷卻裝置的特征在于，其 在負(fù)荷較高的區(qū)域中，與機(jī)械功相關(guān)的燃燒能中的更高份額被導(dǎo)出到冷卻水中。排氣道 的液體冷卻裝置尤其被設(shè)計(jì)成這樣，即，當(dāng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)以大于額定功率的80%且以高于 4400rpm(轉(zhuǎn)每分)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地運(yùn)行時(shí)，在化學(xué)計(jì)量的混合氣中，由內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)釋放到冷 卻劑中的總熱功與釋放出的機(jī)械功之間的比例關(guān)系不低于50%，尤其優(yōu)選不低于55%。這 種設(shè)計(jì)具有另外的優(yōu)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的快速預(yù)熱(減少摩擦)以及車(chē)輛座艙的有 效供暖。


下面借助附圖所示的示例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。其中圖Ia至d顯示了與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有分離排氣歧管的渦輪增壓器相鄰接的氣缸 蓋(圖la，b)以及與根據(jù)本發(fā)明的集成排氣歧管的渦輪增壓器相鄰接的氣缸蓋(圖lc，d)；圖2顯示了用于根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的優(yōu)化過(guò)程流程圖3a，b顯示了在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5500rpm且冷卻劑恒溫器完全打開(kāi)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)氣缸蓋 中的冷卻劑流速分布圖(圖3a)以及與其作比較的根據(jù)本發(fā)明的氣缸蓋中的冷卻劑流速分 布圖(圖3b)；圖4是根據(jù)本發(fā)明的氣缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5500rpm、滿負(fù)荷運(yùn)行且冷卻劑恒溫 器完全打開(kāi)狀態(tài)下的溫度分布圖；圖5是計(jì)算所得的氣缸蓋金屬溫度與測(cè)量所得的氣缸蓋金屬溫度的比較圖，用以 對(duì)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5500rpm、滿負(fù)荷運(yùn)行且冷卻劑恒溫器完全打開(kāi)狀態(tài)下的模擬品質(zhì)進(jìn)行 檢驗(yàn)；圖6顯示了就根據(jù)本發(fā)明的排氣歧管計(jì)算得到的涉及耐久性極限的高頻疲勞保 險(xiǎn)系數(shù)(Hochfrequenzermiidungs-Sicherheitsfaktor)的不圖；圖7a，b分別顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的排氣歧管(圖7a)與根據(jù)本發(fā)明的集成排氣 歧管(圖7b)以進(jìn)行比較；圖8a，b是用來(lái)比較到在直徑為30mm的等效排氣管處的渦輪增壓器的渦輪機(jī)的排 氣道表面積或等效排氣道長(zhǎng)度的示意圖；圖9顯示了在21°C的環(huán)境溫度下冷起動(dòng)之后，公知的排氣歧管與根據(jù)本發(fā)明的集 成排氣歧管在各自渦輪機(jī)上游的排氣溫度的對(duì)比圖；圖10是在高負(fù)荷時(shí)渦輪增壓器的渦輪機(jī)上游的排氣溫度的對(duì)比圖；圖11a，b是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(圖Ila)與根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的內(nèi)燃發(fā)動(dòng) 機(jī)(圖lib)分別處于部分負(fù)荷范圍時(shí)的能量平衡狀況的對(duì)比圖；圖12是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm且BMEP (制動(dòng)平均有效壓力)為Ibar (巴)(新 歐洲運(yùn)行循環(huán)試驗(yàn)的市內(nèi)交通段的平均值)的預(yù)熱階段流入到冷卻劑中的熱量對(duì)比圖；圖13顯示了 1500rpm下從Ibar BMEP發(fā)生臨時(shí)負(fù)荷變化期間的響應(yīng)特性的對(duì)比 圖；圖14顯示了根據(jù)本發(fā)明的具有集成排氣歧管的汽缸蓋的透視圖，局部為剖視圖；圖15是連接在根據(jù)本發(fā)明的汽缸蓋上的渦輪增壓器的示意圖，以及圖16是熱轉(zhuǎn)換系數(shù)的局部分布的量化示圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的帶有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備具有帶有至少兩個(gè)汽缸的汽缸體，其 中每一個(gè)汽缸都如圖14所示具有至少一個(gè)可通過(guò)排氣閥選擇可關(guān)閉的排氣口 20，該排氣 口用于導(dǎo)出排氣。各個(gè)排氣口 20排出的排氣由排氣管30來(lái)引導(dǎo)，該排氣管主要在氣缸蓋 100中優(yōu)選合并成總排氣管60，其中設(shè)置在氣缸蓋100中的排氣道由設(shè)置在該排氣道附近 的冷卻劑通道40以液體冷卻的方式得以冷卻。集成在氣缸蓋中的突出區(qū)域110同樣由液 體冷卻，從而起到使第一排氣流通裝置的連接面能夠以節(jié)省重量的方式進(jìn)行構(gòu)造的作用。 為加強(qiáng)液體冷卻，該區(qū)域110也可突出得較少，尤其是可以被構(gòu)造成與氣缸蓋外壁大致對(duì) 齊?？偱艢夤?0在氣缸蓋100之外轉(zhuǎn)入到第一排氣流通裝置中。為對(duì)所述第一排氣流通 裝置(這里作為例子示出的渦輪增壓器)的快速預(yù)熱進(jìn)行優(yōu)化并因此降低其最大工作溫 度，需要把從排氣口 20到總排氣管60在氣缸蓋100上的出口 61之間測(cè)得的且位于氣缸蓋 100中由液體冷卻的排氣道的內(nèi)壁50的面積總和與排氣口到氣缸蓋100之外的所述第一排氣流通裝置的基準(zhǔn)元件之間測(cè)得的排氣道50的內(nèi)壁面積總和之間的比例關(guān)系設(shè)計(jì)成大于 50 %，優(yōu)選大于65 %，特別優(yōu)選大于80 %，尤其特別優(yōu)選設(shè)計(jì)成大于85 %。氣缸蓋100中由 液態(tài)冷卻的排氣道(即從排氣口 20到優(yōu)選的總排氣管60在氣缸蓋100上的出口 61之間 的排氣道)的內(nèi)壁50被稱作集成排氣歧管31。如圖15所示，氣缸蓋100具有集成排氣歧管31，用于將排氣通過(guò)一條從氣缸蓋 100中引出的總排氣管60導(dǎo)出。渦輪機(jī)200具有用來(lái)導(dǎo)入排氣的進(jìn)氣區(qū)域70，其中該進(jìn)氣 區(qū)域70直接連接在總排氣管60或其端部61上。排氣從所述進(jìn)氣區(qū)域70出發(fā)，經(jīng)過(guò)蝸殼120輸入到渦輪機(jī)200的葉輪600上，該 葉輪安裝在所述蝸殼的下游，而且是以能夠圍繞轉(zhuǎn)軸500旋轉(zhuǎn)的方式安置的。在這里作為 示例，渦輪機(jī)200是具有蝸桿700的徑流式渦輪機(jī)。在采用示例所示的渦輪增壓器時(shí)，用于確定其面積關(guān)系的基準(zhǔn)元件是所述蝸殼 120的起始區(qū)域，也就是標(biāo)識(shí)所述進(jìn)氣區(qū)域70與蝸殼之間過(guò)渡區(qū)的輪廓。1對(duì)系統(tǒng)的描述設(shè)計(jì)的核心是將通常分離實(shí)施的排氣歧管完全集成到鋁質(zhì)氣缸蓋中，尤其適用于 渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。見(jiàn)圖1，在氣缸蓋的出口外僅保留一個(gè)通向渦輪機(jī)的管連接，而且，在 結(jié)構(gòu)邊界條件允許的情況下，還可將所述渦輪機(jī)制造得更為緊湊。在這種情況下，整個(gè)氣缸蓋的寬度僅比標(biāo)準(zhǔn)氣缸蓋的寬度大32mm，而其重量?jī)H比 標(biāo)準(zhǔn)氣缸蓋的重量多0. 2kgo其原因在于，通常須被制造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的密封表面明顯減小 了。為使部件或材料溫度不超過(guò)所要求的或最大所允許的程度，需要在氣缸蓋中實(shí)施 全新的冷卻設(shè)計(jì)。對(duì)于這種設(shè)計(jì)，首先用軟件虛擬的方式加以分析、優(yōu)化，并對(duì)其進(jìn)行全面 的結(jié)構(gòu)與流體力學(xué)計(jì)算，接著在隨后的研制階段中再以硬件來(lái)驗(yàn)證(參見(jiàn)下一節(jié))。2疲勞強(qiáng)度2. 1方法論把排氣歧管集成在一起會(huì)導(dǎo)致氣缸蓋中產(chǎn)生額外的熱量輸入，并且會(huì)因此增加氣 缸蓋的熱力學(xué)負(fù)荷，這種熱力學(xué)負(fù)荷對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是一種特殊挑戰(zhàn)。就像鑒定其他結(jié)構(gòu) 部件一樣，在需要考慮負(fù)荷變化的情況下對(duì)氣缸蓋構(gòu)造進(jìn)行鑒定是通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值模 擬方法、FEM Methode (有限元分析法)以及CFD-Methode (計(jì)算流體力學(xué)方法)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 圖2中示出的工作流程包括實(shí)施的模擬及其相互作用。2. 2流計(jì)算現(xiàn)今，CFD-Methode常規(guī)地在研發(fā)過(guò)程中被用來(lái)計(jì)算氣缸體和氣缸頭的冷卻套中 的流和壓力分布。在圖3中所示的第一實(shí)驗(yàn)中，是用固定不變的冷卻劑物料數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 的，這樣，由于流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的不可壓縮性以及熱退耦，因而不需要能量守恒定律來(lái) 確定流體場(chǎng)。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)延長(zhǎng)的排氣道的充分冷卻，對(duì)氣缸蓋密封圈的開(kāi)孔設(shè)計(jì)行了改進(jìn)。 由此一方面可以減少通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力損失，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的體積流量。另一方面，通 過(guò)提高橫流的份額，靠近燃燒室的區(qū)域(如排氣閥連接梁或者承受著高的熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù) 荷的凸緣區(qū))可以得到充分的冷卻。盡管改變了冷卻設(shè)計(jì)，但是在具有集成排氣歧管的變 例中，在氣缸體的所有關(guān)鍵區(qū)域中依然能夠?qū)崿F(xiàn)足夠高的速度水平，而無(wú)需要對(duì)泵的設(shè)計(jì) 或轉(zhuǎn)速進(jìn)行修改。
針對(duì)功率密度高的發(fā)動(dòng)機(jī)，在計(jì)算冷卻劑側(cè)的熱轉(zhuǎn)換時(shí)，除了強(qiáng)制對(duì)流之外，還必 須考慮其他現(xiàn)象。在沸騰時(shí)，冷卻劑會(huì)出現(xiàn)局部蒸發(fā)，由此將額外地從表面抽走相轉(zhuǎn)變所需 的蒸發(fā)熱。因此，就顯著提高了冷卻劑側(cè)的散熱效果。對(duì)于考量沸騰效應(yīng)，有不同的物理學(xué) 方法為人所知。在實(shí)際應(yīng)用中，一旦沸騰溫度局部地被超出，通常的做法是將利用CFD方法 計(jì)算所得到的熱轉(zhuǎn)換因子與沸騰熱轉(zhuǎn)化因子累加到一起。沸騰溫度的高低是由局部靜態(tài)壓 力的大小決定的。在熱量輸入大而冷卻劑速度低的情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)的近壁區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生 局部較大的冷卻劑溫度梯度。由于依賴于溫度的流體材料特性、流動(dòng)特性以及由其導(dǎo)致的 慣性力，會(huì)感應(yīng)出流體場(chǎng)，該流體場(chǎng)能夠?qū)λ俣确植家约盁徂D(zhuǎn)換因子的分布產(chǎn)生顯著的影 響。這里討論的現(xiàn)象，在此種情況中可以通過(guò)在CFD與FE(有限元)代碼之間的反復(fù)過(guò)程 而形成。為計(jì)算氣缸蓋中的溫度分布，必須了解氣體側(cè)的熱量輸入。燃燒室以及進(jìn)氣道和 排氣道中的流動(dòng)是利用三維模擬來(lái)計(jì)算的，而用于靜態(tài)計(jì)算的氣體側(cè)邊界條件則是通過(guò)合 適的求均值法確定的，所述求均值法利用的是下列對(duì)局部熱轉(zhuǎn)換系數(shù)和參考?xì)怏w溫度求時(shí) 間均值的公式a =Ja ⑷卻和 Γ =-γ \α{φ)·Τ(ψ) φ
720 KW 工720° KW-α 二2. 3溫度計(jì)算由于熱量一方面從燃燒室與通道輸入到結(jié)構(gòu)中，另一方面又通過(guò)閥門(mén)和閥座環(huán)到 達(dá)氣缸蓋，因而最高溫度出現(xiàn)在如圖4所示的閥門(mén)連接梁上。然而在關(guān)鍵的工作點(diǎn)(例如 在以額定轉(zhuǎn)速和滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí))用于AlSi-鋁合金的極限溫度不會(huì)被超過(guò)。由于高機(jī)械負(fù) 荷，渦輪增壓器凸緣區(qū)域的剛性應(yīng)較高，而溫度水平應(yīng)較低。2. 4模型驗(yàn)證為驗(yàn)證所討論的計(jì)算，并提高下文中耐用度計(jì)算的可信程度，氣缸蓋裝配了帶有 熱元件的集成排氣管。如圖5所示，預(yù)計(jì)溫度與實(shí)測(cè)溫度之間的最大偏差在10°C的量級(jí)內(nèi)， 這對(duì)于一個(gè)在氣體側(cè)的熱交換方面并沒(méi)有為此特殊應(yīng)用情況加以校準(zhǔn)的模型而言已經(jīng)足 夠好了。數(shù)值試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試均得出，通過(guò)將排氣管集成到氣缸蓋中，視工作點(diǎn)的不同，最 高可有多達(dá)20%的額外熱量被輸入冷卻劑循環(huán)中。為了將在產(chǎn)生熱量方面很關(guān)鍵的工作 點(diǎn)上的冷卻劑溫度保持在相同的水平上，熱量必須能夠通過(guò)加大汽車(chē)?yán)鋮s器的尺寸而被導(dǎo)
出ο2. 5材料疲勞的計(jì)算在計(jì)算出壁溫度與表面溫度之后，下一個(gè)重要步驟是測(cè)量熱力學(xué)負(fù)荷以及預(yù)測(cè)由 此導(dǎo)致的部件耐用度。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不斷提高的功率系數(shù)，在其研發(fā)階段不廣泛 使用計(jì)算機(jī)支持用于耐用度預(yù)測(cè)方法是不行的。對(duì)于氣缸蓋部件尤是如此，因?yàn)榫蜌飧咨w 而言，熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷的水平及梯度在局部上可能特別高。由澆鑄程序與熱處理所造成 的內(nèi)應(yīng)力以及源于機(jī)械輸入的應(yīng)力(如通過(guò)擰緊力和預(yù)緊力而產(chǎn)生的應(yīng)力)會(huì)被疊加到由 周期性的熱力學(xué)運(yùn)行負(fù)荷導(dǎo)致的應(yīng)力上。上述由周期性的熱力學(xué)運(yùn)行負(fù)荷導(dǎo)致的應(yīng)力是由 溫度梯度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及源于燃?xì)鈮毫εc振動(dòng)力的周期性機(jī)械應(yīng)力。低周疲勞(LCF =Low Cycle Fatigue)的計(jì)算模擬的是因部件受熱與冷卻而產(chǎn)生的膨脹過(guò)程和在一定程度上由此所導(dǎo)致的局部增塑作用及其對(duì)冷-熱循環(huán)的循環(huán)次數(shù)的影 響。主要用于氣缸蓋的鋁材料是可延展的，也就是說(shuō)是韌性可塑的，而且根據(jù)局部平均應(yīng)力 與膨脹遲延程度的不同，局部出現(xiàn)的增塑作用能夠周期性自動(dòng)回復(fù)或破壞。頻率低于10000 周的現(xiàn)象也被視作低頻現(xiàn)象。高周疲勞的計(jì)算(HCF=HighCycle i^tigue)模擬的是，在發(fā) 動(dòng)機(jī)運(yùn)行中因氣體壓力與振動(dòng)激勵(lì)(例如由于渦輪增壓器和排氣管路而產(chǎn)生的)而導(dǎo)致的 額外的高頻交變載荷。作為計(jì)算的邊界條件，必須在考慮到可能設(shè)置熱處理的情況下，對(duì)所 有的合金特殊的材料特性加以考慮。對(duì)于疲勞計(jì)算，氣缸蓋是按其安裝環(huán)境得以再現(xiàn)的，而對(duì)于模擬，考慮的則是由氣 缸蓋、汽缸體、汽缸螺栓、汽缸密封墊以及渦輪增壓器與排氣設(shè)備的連接件所構(gòu)成的整體裝 配。為了對(duì)模擬進(jìn)行評(píng)估，需要計(jì)算局部的保險(xiǎn)系數(shù)，所述保險(xiǎn)系數(shù)是由局部的應(yīng)力 均值與幅度構(gòu)成的復(fù)合值。在上述情況下，HCF與LCF模擬在整個(gè)集成排氣歧管范圍內(nèi)均顯示出大于3的保 險(xiǎn)系數(shù)，而只是在氣缸蓋擰接區(qū)域中顯示出更高(但無(wú)關(guān)緊要)的應(yīng)力。3系統(tǒng)效果/優(yōu)點(diǎn)3. 1系統(tǒng)成本利用渦輪機(jī)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)精簡(jiǎn)(Downsizing)以及未來(lái)隨之產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)降 速(Donwspeeding)，對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)意味著負(fù)荷譜的改變，也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)在較高及高負(fù) 荷區(qū)中的停留會(huì)明顯占有更多的份額。為了最大限度地利用CO2潛能，在高負(fù)荷時(shí)，出于熱 保護(hù)的原因，必須將添加潤(rùn)滑脂的需要降低到最低水平。就這一目的而言，只能采用能夠抗 高達(dá)1050°C高溫并因而高質(zhì)量的、明顯貴重的材料。目前，經(jīng)常將含鎳高達(dá)37%的奧氏體 鑄鋼用于排氣歧管與渦輪機(jī)這兩個(gè)組件。近年來(lái)，鎳的世界市場(chǎng)價(jià)格已增加到原來(lái)的四倍， 其當(dāng)前價(jià)格約為每千克40美元。對(duì)于直列式四汽缸而言，其外部鑄鐵彎管的平均重量為3 至4千克，因此本系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)僅通過(guò)材料成本就很容易得以體現(xiàn)。此外，不銹鋼的加工 既復(fù)雜又昂貴。相反，氣缸蓋以及有可能對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s器所作的必要擴(kuò)展只需相當(dāng)?shù)偷念~外費(fèi)用 (參見(jiàn)表1)。如果所涉及的是發(fā)動(dòng)機(jī)排量減小的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，那么汽車(chē)通常還可利用 更大的次級(jí)冷卻器組，例如通過(guò)存在于同一車(chē)輛中的柴油機(jī)組或?qū)嵸|(zhì)上功率更強(qiáng)的動(dòng)力傳 動(dòng)系統(tǒng)。這里，所述冷卻器通常具有相同的安裝尺寸，僅是冷卻器的厚度略有增加(參見(jiàn) 3. 4節(jié)預(yù)熱特性)。在下表中總結(jié)出了可能的節(jié)約
權(quán)利要求
1.具有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有帶有至少兩個(gè)汽缸的汽缸體， 其中，每一汽缸具有用于導(dǎo)出排氣并且可通過(guò)排氣閥選擇性加以關(guān)閉的至少一個(gè)排氣口 (20)，各個(gè)所述排氣口(20)的排氣是通過(guò)排氣管(30)來(lái)引導(dǎo)的，所述排氣管(30)在汽缸 蓋(100)之內(nèi)就已在收集處合并到總排氣管(60)中；其中，設(shè)置在所述汽缸蓋(100)中的 排氣道是通過(guò)設(shè)置在該排氣道附近的冷卻劑通道(40)進(jìn)行液體冷卻的；以及其中，所述總 排氣管(60)在所述汽缸蓋外面轉(zhuǎn)入到第一排氣流通裝置中，其特征在于，從所述排氣口(20)到所述總排氣管(60)在所述氣缸蓋(100)上的出口 (61)所測(cè)得的且在所述氣缸蓋(100)中由液體冷卻的所述排氣道的內(nèi)壁(50)面積總和與 從所述排氣口(20)到在所述氣缸蓋外面的所述第一排氣流通裝置的基準(zhǔn)元件所測(cè)得的所 述排氣道的所述內(nèi)壁(50)的面積總和之間的比例大于50%，優(yōu)選大于65%，特別優(yōu)選大于 80 %，尤其特別優(yōu)選大于85 %。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述第一排氣流通裝置被構(gòu)造成 排氣渦輪增壓器，其中，所述基準(zhǔn)元件是所述渦輪增壓器的渦輪機(jī)(200)的蝸殼(120)的起 始區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述第一排氣流通裝置被構(gòu)造成 排氣清潔裝置，其中，所述基準(zhǔn)元件是排氣清潔基座在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的起始點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，對(duì)于所述氣缸蓋(100)中 的液體冷卻裝置散發(fā)排氣熱量的能力是這樣衡量的，即其應(yīng)使得在所述總排氣管(60)在 所述氣缸蓋上的出口(61)處的排氣的溫度極限在各種發(fā)動(dòng)機(jī)工況下均能達(dá)到一預(yù)先設(shè)定 得溫度值，從而使得在排氣設(shè)備中緊隨在流出側(cè)的裝置不必被構(gòu)造得更具溫度穩(wěn)定性，和/ 或能夠避免為了在高負(fù)荷區(qū)降低排氣溫度而混合物富燃料化，并且在高負(fù)荷區(qū)域中也能夠 確保以λ =1，0 士 10%的空氣/燃料比例運(yùn)行，其中，所述排氣道中由液體冷卻的內(nèi)壁面積 總和被確定得如此之小，從而實(shí)現(xiàn)排氣處理設(shè)備在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)的快速起動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述汽缸蓋(100)中的所 述排氣道的液體冷卻被設(shè)計(jì)為，所述氣缸蓋(100)中的所述排氣道的壁(50)的溫度在穩(wěn)定 不變的滿負(fù)荷狀態(tài)下能夠不超過(guò)250°C，優(yōu)選為180°C的限值，而且這一限值不需要混合物 富燃料化來(lái)維持。
6 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述氣缸蓋中的冷卻劑通 道被設(shè)計(jì)成這樣，即使其優(yōu)選完全包圍住位于所述收集處與所述總排氣管(61)在所述氣 缸蓋(100)上的所述出口之間的所述總排氣管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述總排氣管從它在所述 氣缸蓋上的所述出口直到所述第一排氣流通裝置的所述基準(zhǔn)元件為止的部分可以完全或 者部分地通過(guò)液體來(lái)冷卻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述第一排氣流通裝置完 全地或者在部分區(qū)域上由液體來(lái)冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述總排氣管(60)從它 在所述氣缸蓋(100)上的所述出口直到所述第一排氣流通裝置的所述基準(zhǔn)元件為止的部 分基本上是由氣體來(lái)冷卻的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述第一排氣流通裝置在排氣道中直接鄰接所述汽缸蓋(100)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，對(duì)于每一氣缸各有兩個(gè) 排氣口(20)并且額定功率至少為IOOkW的四氣缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其氣缸蓋(100)中所述由液 體冷卻的排氣道的所述內(nèi)壁(50)的面積總和在所述排氣道的平均直徑在25mm至30mm的 范圍內(nèi)時(shí)小于70，000mm2，優(yōu)選為小于60，000mm2，特別優(yōu)選小于50，000mm2。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，在滿負(fù)荷條件下，所述 由液體冷卻的排氣道的所述壁保證了至少為50W/cm2的熱流。
13.內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有帶有至少兩汽缸的汽缸體，其中每一汽缸具有用 于導(dǎo)出排氣并且可通過(guò)排氣閥選擇性加以關(guān)閉的排氣口(20)，并且各個(gè)排氣口(20)的排 氣是通過(guò)排氣管(30)來(lái)引導(dǎo)的，所述排氣管(30)在汽缸蓋(100)之內(nèi)就已在收集處合并 到總排氣管(60)中；其中，設(shè)置在所述汽缸蓋(100)中的排氣道是通過(guò)設(shè)置在該排氣道附 近的冷卻劑通道(40)得以液體冷卻的，其尤其用于如權(quán)利要求1至12之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，在所述氣缸蓋(100)中的所述排氣道的液體冷卻裝置被設(shè)計(jì)為在穩(wěn)定 的滿負(fù)荷狀態(tài)下，在所述氣缸蓋出口處的排氣溫度不會(huì)超過(guò)預(yù)先給定的1050°C、970°C或者 850°C的限值，而且維持這一限值并不需要混合物富燃料化。
14.內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有帶有至少兩汽缸的汽缸體，其中每一汽缸具有用于 導(dǎo)出排氣并且可通過(guò)排氣閥選擇性加以關(guān)閉的排氣口(20)，并且各個(gè)排氣口(20)的排氣 是通過(guò)排氣管(30)來(lái)引導(dǎo)的，所述排氣管(30)在汽缸蓋(100)之內(nèi)就已在收集處合并到 總排氣管(60)中；其中，設(shè)置在所述汽缸蓋(100)中的排氣道是通過(guò)設(shè)置在該排氣道附近 的冷卻劑通道(40)得以液體冷卻的，其尤其用于如權(quán)利要求1至12之一所述的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述排氣道的液體冷卻裝置被設(shè)計(jì)為當(dāng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)以大于標(biāo)稱功率的 80%且高于4400rpm的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地運(yùn)行時(shí)，在化學(xué)計(jì)量的混合中，由內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)輸出到冷 卻劑中的總熱功與輸出的機(jī)械功之間的比例關(guān)系不低于50%，尤其優(yōu)選不低于55%。
全文摘要
本發(fā)明提出了被集成到汽缸蓋(100)中的排氣歧管，主要用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用及與其相配套的冷卻設(shè)計(jì)。利用這種方案可以獲得顯著的屬性改善，同時(shí)又能明顯降低系統(tǒng)成本。通過(guò)將具有直接噴射與渦輪增壓裝置的四汽缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為示例，本文介紹了本發(fā)明的諸項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明需特別強(qiáng)調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是降低了在滿負(fù)荷及接近滿負(fù)荷區(qū)域中的油耗，減小了在歐洲運(yùn)行循環(huán)試驗(yàn)中的CO2排放量，能夠?qū)崿F(xiàn)催化式排氣凈化器的快速起動(dòng)，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)以及汽車(chē)客艙的預(yù)熱，而且，由于取消了傳統(tǒng)的排氣歧管，因而顯著降低了裝配復(fù)雜程度，并同時(shí)由此減輕了相關(guān)的重量及成本。
文檔編號(hào)F01N3/04GK102099558SQ200980127592
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者K·庫(kù)荷爾巴茨 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司