Способ и система охлаждения блока цилиндров двигателя (варианты)
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ охлаждения блока (200) цилиндров двигателя содержит следующие этапы. Охлаждение головки блока цилиндров первым хладагентом. Охлаждение блока цилиндров (200) вторым хладагентом. Второй хладагент протекает по двум каналам (321, 322). Каналы выполнены в блоке (200) цилиндров и проходят к поверхности (370), находящейся в контакте с головкой блока цилиндров. Второй хладагент представляет собой жидкость, отличающуюся от первого хладагента. Охлаждение ряда межцилиндровых перемычек (205), имеющих перекрестное сверление первым хладагентом при поддержании разделения между каналами, содержащими первый и второй хладагенты. Межцилиндровые перемычки (205) содержат входные (315) и выходные (316) отверстия, перфорирующие поверхность между двумя каналами (321, 322) вдоль поверхности (370). Межцилиндровые перемычки (205), имеющие перекрестное сверление, расположены между соседними цилиндрами блока (200) цилиндров. Раскрыты варианты системы охлаждения блока цилиндров двигателя. Технический результат заключается в ограничении высоких локальных температур блока цилиндров двигателя при одновременном сохранении быстрого прогрева двигателя. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к блоку цилиндров двигателя, присоединенной головке блока цилиндров и каналам охлаждения для обеспечения эффективного охлаждения всех частей блока цилиндров и головки.
Уровень техники
Двигательные системы часто содержат блок цилиндров с присоединенной к нему головкой блока цилиндров, которые содержат ряд цилиндров с окружающим материалом для крепления различных компонентов. Блоки цилиндров и головки блока цилиндров также содержат системы охлаждения, которые содержат некоторое количество каналов охлаждения, которые окружают указанные цилиндры. Хладагент, такой как вода, масло, гликоль и т.п. можно прокачивать или иным образом пропускать через каналы охлаждения, чтобы отбирать тепло от цилиндров, блока цилиндров и головки блока цилиндров за счет теплообмена. Каналы охлаждения могут содержать впускные и выпускные отверстия, при этом хладагент, имеющий более низкую температуру, направляют в блок цилиндров и головку, в то время как хладагент, имеющий более высокую температуру, выпускают из блока цилиндров в теплообменник или иное устройство. В сущности, температуру блока цилиндров и головки блока цилиндров при работе двигателя можно поддерживать в требуемом диапазоне температур. В некоторых системах может существовать жидкостная связь между каналами охлаждения головки блока цилиндров и блока цилиндров. Существуют различные охлаждающие системы для обеспечения различной степени охлаждения для различных областей блока цилиндров.
Согласно одному подходу к созданию охлаждающей системы для охлаждения цилиндров двигателя, раскрытому в патенте США 8555825, в головке блока цилиндров предусматривают каналы охлаждения для приема хладагента от блока цилиндров. Согласно одному варианту осуществления, хладагент направляют из водяной рубашки блока цилиндров через канал охлаждения головки блока цилиндров, вдоль перемычки между двумя цилиндрами, и в другой канал охлаждения головки блока цилиндров, чтобы обеспечить охлаждение участков, близких к впускным и выпускным клапанам цилиндров. Другими словами, хладагент нагнетают из блока цилиндров в головку блока цилиндров, затем обратно в блок цилиндров вдоль перемычки в охлаждающий паз, и наконец обратно в головку блока цилиндров. Охлаждающий паз обеспечивает промежуточное соединение, чтобы дать возможность хладагенту протекать из блока цилиндров в головку блока цилиндров. Жидкостная связь между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров дает возможность хладагенту, находящемуся в блоке цилиндров, протекать в головку блока цилиндров вблизи цилиндра и впускных/выпускных клапанов.
Однако в подходе, раскрытом в патенте 8555825, обнаружены потенциальные проблемы. Во-первых, хотя каналы охлаждения, предложенные в патенте 8555825, дают возможность жидкостного сообщения между блоком цилиндров и головкой блока цилиндров, через каналы охлаждения может быть направлен только один хладагент. Система не позволяет обеспечить разную степень охлаждения за счет подачи другого хладагента в определенную зону узла «блок цилиндров/головка блока цилиндров». Например, если требуется одну часть цилиндров поддерживать в определенном диапазоне температур, в то время как другую часть цилиндров требуется поддерживать в другом диапазоне температур, то через узел можно пропускать два хладагента. Кроме того, хладагент из рубашки охлаждения, окружающей цилиндры, может иметь высокую температуру перед входом в охлаждающий паз в перемычках, а также областях близких к впускным/выпускным клапанам, и тем самым будет снижаться эффективность отвода тепла. Поскольку хладагент, поступающий в головку блока цилиндров, может нагреваться вначале за счет цилиндров, то затем от перемычки и головки блока цилиндров может быть отведено меньшее количество тепла.
Раскрытие изобретения
Таким образом, согласно одному примеру, вышеописанные проблемы могут быть по меньшей мере частично решены посредством способа, содержащего: охлаждение головки блока цилиндров первым хладагентом, охлаждение блока цилиндров вторым хладагентом, причем второй хладагент представляет собой жидкость, отличающуюся от первого хладагента, и охлаждение ряда межцилиндровых перемычек первым хладагентом при поддержании разделения между каналами, содержащими первый и второй хладагенты, при этом указанные межцилиндровые перемычки расположены между соседними цилиндрами блока цилиндров. Таким образом, охлаждение головки блока цилиндров и блока цилиндров осуществляют при помощи отдельных систем охлаждения, при этом часть первого хладагента (например, воды) головки блока цилиндров может способствовать охлаждению определенных участков блока цилиндров, в частности, межцилиндровых перегородок.
Когда автомобиль запускают в первый раз, может быть желательным быстро увеличить температуру двигателя, чтобы снизить расход топлива. Хотя блок цилиндров с водяным охлаждением может наиболее эффективно отводить тепло от двигателя, может происходить отбор большего количества тепла, чем бы хотелось. С другой стороны, блок цилиндров с масляным охлаждением может отводить тепло медленнее, чем блок цилиндров с водяным охлаждением, но могут возникать локальные зоны с высокой температурой, что отрицательно влияет на показатели работы двигателя. Указанные зоны могут представлять собой участки между цилиндрами, известные как межцилиндровые перемычки. Согласно некоторым примерам, блок цилиндров с масляным охлаждением и с водяным охлаждением межцилиндровых перемычек, может дать возможность двигателю быстро прогреваться, и при этом будет обеспечено достаточное охлаждение межцилиндровых перемычек через водяные каналы посредством воды из головки блока цилиндров.
Следует понимать, что содержащиеся в данном разделе сведения приведены с целью ознакомления в упрощенной форме с некоторыми идеями, которые далее рассмотрены в описании подробно. Данный раздел не предназначен для формулирования ключевых или существенных признаков объекта изобретения, которые изложены в пунктах формулы изобретения. Более того, объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые решают проблемы недостатков, упомянутых в данном описании.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает упрощенную схему автомобильной системы.
Фиг. 2 в разрезе изображает блок цилиндров с масляным охлаждением и блок цилиндров с водяным охлаждением.
Фиг. 3 в аксонометрии при виде сверху изображает межцилиндровую перемычку блока цилиндров с перекрестным каналом.
Фиг. 4 в разрезе изображает межцилиндровую перемычку по фиг. 3.
Фиг. 5 представляет вид сверху конструкции блока цилиндров с закрытой плитой.
Фиг. 6 представляет вид сбоку блока цилиндров по фиг. 5.
Фиг. 7 представляет вид сверху конструкции блока цилиндров с открытой плитой.
Фиг. 8 представляет вид сбоку блока цилиндров по фиг. 7.
Осуществление изобретения
Следующее подробное описание предоставляет информацию, касающуюся блока цилиндров с масляным охлаждением и головки блока цилиндров с водяным охлаждением, а также связанных с ними компонентов. Упрощенная схема автомобильной системы представлена на фиг. 1. Фиг. 2 изображает блок цилиндров с масляным охлаждением и блок цилиндров с водяным охлаждением, а также соответствующие температурные градиенты, изображающие температуру при работе двигателя. Фиг. 3 и 4 изображают межцилиндровую перемычку блока цилиндров с перекрестным каналом. Фиг. 5 и 6 изображают другой вариант осуществления перекрестного канала, при этом блок цилиндров имеет конструкцию с закрытой плитой. Фиг. 7 и 8 изображают еще один вариант осуществления перекрестного канала, при этом блок цилиндров имеет конструкцию с открытой плитой.
Фиг. 1 схематически изображает автомобильную систему 6 с турбонаддувом. Автомобильная система 6 содержит двигательную систему 8, связанную с системой 22 дополнительной обработки отработавших газов. Двигательная система 8 может включать в себя двигатель 10, содержащий ряд цилиндров 30. Двигатель 10 содержит впускную систему 23 и выпускную систему 25. Впускная система 23 двигателя содержит дроссель 62, связанный по текучей среде с впускным коллектором 44 двигателя через впускной канал 42. Выпускная система 25 двигателя содержит выпускной коллектор 48, который в конечном счете ведет в выпускной канал 35, который выводит отработавшие газы в атмосферу. Дроссель 62 может быть расположен во впускном канале 42 ниже по потоку от устройства наддува, например, после воздушного нагнетателя или турбонагнетателя 50.
Трубонагнетатель 50 может содержать компрессор 52, расположенный между впускным каналом 42 и впускным коллектором 44. Компрессор 52 может по меньшей мере частично приводиться в действие посредством турбины 54, расположенной между выпускным коллектором 48 и выпускным каналом 35. Компрессор 52 может быть связан с турбиной 54, работающей на отработавших газах, посредством вала 56. Компрессор 52 может также по меньшей мере частично приводиться в действие посредством электрического мотора 58. В изображенном примере показано, что электрический мотор 58 связан с валом 56. Однако возможны другие подходящие схемы связи с электрическим мотором. Согласно одному примеру, электрический мотор 58 можно приводить в движение запасенной электрической энергией от батареи (не показана) системы, когда заряд батареи превышает пороговый заряд. За счет использования электрического мотора 58 для привода турбонагнетателя 50, например, при запуске двигателя, может быть обеспечено «электрическое» повышение давления (электронаддув) воздушного заряда во впускной системе. Таким образом, электрический мотор может способствовать работе устройства наддува. В сущности, как только двигатель проработает достаточное время (например, пороговое время), отработавшие газы, образующиеся в выпускном коллекторе, могут начать приводить в движение турбину 54, работающую на отработавших газах. Вследствие этого, содействие со стороны электрического мотора можно сократить. То есть при работе турбонагнетателя содействие, обеспечиваемое электрическим мотором 58, можно регулировать в соответствии с работой турбины, работающей на отработавших газах.
Выпускная система 25 двигателя может быть связана с системой 22 дополнительной обработки отработавших газов, расположенной по ходу выпускного канала 35. Система 22 дополнительной обработки отработавших газов может содержать одно или более устройств 70 снижения токсичности отработавших газов, которые могут быть установлены в выпускном канале 35 в жестко связанном положении. Одно или более устройств снижения токсичности отработавших газов могут включать в себя трехкомпонентный катализатор, фильтр оксидов азота для обедненной смеси, катализатор избирательного каталитического восстановления (ИКВ) и т.п. Катализаторы дают возможность каталитически превращать токсичные побочные продукты сгорания, образующиеся в отработавших газах, такие как оксиды азота, несгоревшие углеводороды, оксид углерода и т.п., в менее токсичные продукты перед их выпуском в атмосферу. Однако на каталитическую эффективность катализатора может в значительной степени влиять температура отработавших газов. Например, сокращение содержания оксидов азота может потребовать более высоких температур, чем окисление оксида углерода. Нежелательные побочные реакции могут также происходить при более низких температурах, например, образование аммиака и N2O, которые могут неблагоприятно влиять на эффективность обработки отработавших газов, и ухудшать качество отработавших газов в атмосферу. Таким образом может быть произведена задержка обработки отработавших газов, пока температура катализатора не достигнет температуры инициации каталитических реакций. Кроме того, чтобы увеличить эффективность дополнительной обработки отработавших газов, может быть желательно ускорить достижение катализатором температуры инициации каталитических реакций. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью продувки системы дополнительной обработки отработавших газов потоком воздуха, через цилиндры при запуске двигателя из холодного состояния, чтобы тем самым уменьшить время выхода на температуру инициации каталитических реакций. Воздушный поток, создаваемый за период положительного перекрытия клапанов, может дать возможность потоку свежего продуваемого воздуха смешиваться с отработавшими газами, и образовывать смесь отработавшего газа в выпускном коллекторе. Поток продуваемого воздуха может обеспечить дополнительный кислород для реакции каталитического окисления. Кроме того, воздушный поток может осуществлять предварительную очистку избыточно обогащенных отработавших газов, выходящих из холодного двигателя, и способствовать скорейшему выходу катализатора на рабочую температуру.
Система 22 дополнительной обработки отработавшего газа может содержать устройства улавливания углеводородов, устройства улавливания частиц, и другие подходящие (не показанные) устройства дополнительной обработки отработавших газов. Следует понимать, что в состав двигателя могут быть включены и другие компоненты, такие как разнообразные клапаны и датчики.
Автомобильная система 6 может также включать в себя управляющую систему 14. Показано, что управляющая система 14 принимает информацию от множества датчиков 16 (различные примеры которых будут описаны ниже), и посылает управляющие сигналы на множество исполнительных органов 81 (различные примеры которых будут приведены ниже). В качестве одного примера, в числе датчиков 16 может быть датчик 126 отработавших газов (расположенный в выпускном коллекторе 48), датчик 128 температуры, и датчик 129 давления (расположенные ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности отработавших газов). С различными точками автомобильной системы 6 могут быть связаны и другие датчики, такие как датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения, а также датчики состава, которые будут более подробно рассмотрены ниже. В качестве другого примера, в числе исполнительных органов могут быть топливные форсунки 45 (будут рассмотрены ниже), разные клапаны, электрический мотор 58 и дроссель 62. Управляющая система 14 может содержать контроллер 12. Контроллер может принимать на вход данные от различных датчиков, обрабатывать входные данные, и приводить в действие исполнительные органы в ответ на обработанные входные данные на основе инструкций или программного кода, соответствующего одной или более программам. В частности, контроллер 12 может представлять собой микрокомпьютер, содержащий микропроцессорное устройство, порты ввода/вывода, электронную среду хранения данных для исполняемых программ и калибровочных значений, такую как постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, энергонезависимое запоминающее устройство и шину данных. В постоянное запоминающее устройство могут быть записаны машиночитаемые данные, представляемые инструкции, исполняемые процессором для осуществления способов управления для различных компонентов фиг. 1.
Согласно некоторым вариантам осуществления, каждый цилиндр двигателя 10 может быть оснащен одной или более топливными форсунками для подачи топлива в цилиндр. В качестве примера, который не носит ограничительного характера, показано, что цилиндры 30 содержат топливные форсунки 45, которые непосредственно связаны с цилиндрами 30. Топливные форсунки 45 могут подавать топливо непосредственно в цилиндр пропорционально длительности импульса сигнала, принятого от контроллера 12 через электронный драйвер. Таким образом, топливные форсунки 45 осуществляют так называемый непосредственный впрыск (НВ) топлива в цилиндр 30. Хотя на фиг. 1 форсунки 45 изображены как боковые топливные форсунки, они также могут быть расположены в верхней части цилиндров или в других положениях в цилиндрах 30. Согласно иному варианту, топливные форсунки 45 могут быть расположены наверху и вблизи впускных клапанов (не показано). К топливным форсункам 45 топливо могут подавать от топливной системы 72 высокого давления, содержащей различные компоненты, такие как топливный бак, топливные насосы и топливную рейку. Как вариант, топливо могут подавать одноступенчатым топливным насосом при пониженном давлении. Кроме того, хотя это и не показано, топливный бак может содержать датчик давления, обеспечивающий сигнал для контроллера 12.
Следует понимать, что в другом варианте осуществления форсунки 45 могут быть форсунками впрыска во впускные каналы и могут обеспечивать подачу топлива в ряд впускных каналов впускной системы 23, выше по потоку от цилиндров 30. Следует также понимать, что цилиндры 30 могут принимать топливо из нескольких форсунок, например, из ряда форсунок впрыска во впускные каналы, ряда форсунок непосредственного впрыска или сочетания указанных форсунок.
Двигатель 10, содержащий цилиндры 30 и другие компоненты, может быть собран из нескольких больших деталей. Например, верхняя часть двигателя 10, содержащая распредвалы, впускные/выпускные каналы, и элементы впрыска топлива, может быть заключена в головке блока цилиндров, которая крепится к отдельному блоку двигателя. Данный блок двигателя может обладать геометрией, которая определяет форму цилиндров 30, а также различные каналы для охлаждающей системы для отвода тепла от цилиндров 30 при работе двигателя.
Существует постоянная потребность в снижении расхода топлива современных автомобилей, что может быть достигнуто модификацией различных систем автомобиля. Одним из способов снижения расхода топлива является быстрое увеличение температуры двигателя после включения автомобиля из состояния, при котором автомобиль был выключен в течение некоторого периода времени. Другими словами, добиться снижения расхода топлива можно путем уменьшения времени прогрева двигателя. Быстрый прогрев двигателя может способствовать снижению трения и выбросов - факторов, которые, как правило, выше при запуске двигателя, чем при его разогретом состоянии. В таком контексте прогрев двигателя может включать повышение температуры двигателя и связанных с ним компонентов, включая, помимо других возможных, блок цилиндров, головку блока цилиндров, поршни, цилиндры и впускные/выпускные клапаны.
Одним способом уменьшения времени прогрева двигателя является использование масла в качестве хладагента в каналах/рубашке охлаждения блока цилиндров. Благодаря свойствам масла, температура блока цилиндров с масляным охлаждением может увеличиваться быстрее, чем блока цилиндров с водяным охлаждением. Другими словами, скорость передачи тепла у масла ниже, чем у других хладагентов. Хотя с масляным хладагентом двигатель может разогреваться быстрее, в областях между соседними цилиндрами могут возникать высокие локальные температуры. Указанные повышенные локальные температуры могут быть достаточно высокими, чтобы неблагоприятно влиять на показатели двигателя и/или увеличивать риск повреждения блока цилиндров, головки блока цилиндров и других компонентов. В сущности, для охлаждения областей между соседними цилиндрами требуется изменить конструкцию блока цилиндров с масляным охлаждением. Области между соседними цилиндрами, где у соседних цилиндров имеется общая стенка, также называют межцилиндровыми перемычками.
На фиг. 2 в разрезе показан блок 190 цилиндров с водяным охлаждением, и блок 200 цилиндров с масляным охлаждением. Блоки 190 и 200 цилиндров могут быть идентичными по форме, и единственным отличием может быть хладагент, который используется для отвода тепла от цилиндров. Показана также шкала 250 температур с температурами в градусах Цельсия. Шкала 250 температур охватывает интервал приблизительно от 100°C до 247°C с шагом 7°C, при этом каждый шаг 7°C представлен горизонтальной линией. Температуры показаны с правой стороны шкалы 250 - на них указывает стрелка 260. На левой стороне шкалы представлены числовые метки - на них указывает стрелка 270. Числовые метки 270 в интервале от 230 до 240 также показаны в различных областях блоков 190 и 200 цилиндров. Указанные области разделены штриховыми линиями, при этом штриховые линии представляют изменения температур. Таким образом, на блоки 190 и 200 цилиндров наложена диаграмма градиентов температур, при этом различные области приблизительно представляют температуру, обозначенную числовой меткой. Например, область 231 на блоке 190 цилиндров может представлять температуры приблизительно в диапазоне от 114°C до 121°C, что можно видеть из шкалы 250.
Оба блока 190 и 200 цилиндров содержат межцилиндровые перемычки 204 и 205 соответственно, которые образованы верхней частью материала, расположенного между соседними цилиндрами. Другими словами, межцилиндровые перемычки 204 и 205 содержат материал, образующий стенку между цилиндрами блоков 190 и 200 цилиндров. Как видно из фиг. 2, температура межцилиндровой перемычки 205 значительно выше температуры межцилиндровой перемычки 204. Как говорилось ранее, в силу свойств масла, масло отводит тепло медленнее, чем вода или гликоль. В сущности, вокруг межцилиндровой перемычки 205 образуется локальная горячая зона. По шкале 250 температур видно, что температура межцилиндровой перемычки 204 лежит в интервале приблизительно 170°C-191°C при максимальной температуре 196°C (не показана). При этом температура межцилиндровой перемычки 205 лежит в интервале приблизительно 219°C-240°C при максимальной температуре 245°C (не показана).
Хотя другие области блока 200 цилиндров остаются при более низких температурах, аналогичных сходным областям блока 190 цилиндров, температура блока 200 цилиндров быстро возрастает в областях, окружающих межцилиндровую перемычку 205 и в самой межцилиндровой перемычке 205. В результате температура межцилиндровой перемычки 205 вполне может превышать 200°C, в то время как температуры межцилиндровой перемычки 204 ниже 200°C. Повышенная температура межцилиндровой перемычки 205 может приводить к аномальному ухудшению параметров цилиндра, и отрицательно влиять на показатели двигателя. Хотя блок 200 цилиндров с масляным охлаждением может прогреваться быстрее при прогреве двигателя по сравнению с блоком 190 цилиндров, температуры межцилиндровой перемычки 205 могут выходить за пределы температур, которые требуются для обеспечения оптимальных показателей двигателя и надежности. Если не обеспечить адекватного охлаждения межцилиндровой перемычки 205, то блок 190 цилиндров с водяным охлаждением может быть предпочтительнее блока 200 цилиндров с масляным охлаждением.
Установлено, что блок цилиндров с масляным охлаждением может быть реализован при условии адекватного охлаждения межцилиндровых перемычек. В случае присоединения головки блока цилиндров с водяным охлаждением к блоку цилиндров с масляным охлаждением в межцилиндровых перемычках может быть выполнено перекрестное сверление, чтобы дать возможность воде из головки блока цилиндров протекать через межцилиндровые перемычки головки блока цилиндров при сохранении разделения между каналами охлаждения головки блока цилиндров и блока цилиндров. При такой конструкции может быть достигнут быстрый прогрев блока цилиндров с масляным охлаждением и одновременно обеспечено ограничение температуры межцилиндровых перемычек в требуемом интервале температур при помощи воды, поступающей из головки блока цилиндров. Варианты осуществления блока цилиндров с масляным охлаждением, головки блока цилиндров с водяным охлаждением, межцилиндровой перемычки и каналов охлаждения, которые будут рассмотрены ниже, могут быть видоизменены с сохранением масляного и водяного охлаждения блока цилиндров, при котором вода и масло не смешиваются друг с другом.
На фиг. 3 в аксонометрии изображена верхняя часть двух соседних цилиндров, расположенных в блоке 200 цилиндров с масляным охлаждением. Показано, что первый цилиндр 310 расположен по соседству со вторым цилиндром 311, при этом цилиндры разделены межцилиндровой перемычкой 205. Верхняя поверхность (или плита) 370 блока 200 цилиндров образует в целом плоскую поверхность, которая может контактировать с нижней поверхностью головки блока цилиндров, когда блок 200 цилиндров и головка блока цилиндров скреплены друг с другом. Головка блока цилиндров на фиг. 3 не показана. Также видны крепежные отверстия 333 и 334, которые в общем имеют круглую форму. В крепежных отверстиях 333 и 334 может быть выполнена резьба или они могут быть выполнены иным образом, чтобы дать возможность ввести в указанные отверстия крепежные элементы, когда производится скрепление блока 200 цилиндров с головкой блока цилиндров. На фиг. 3 можно видеть входы в несколько каналов 321 и 322 масляного охлаждения, которые могут представлять собой часть системы каналов для хладагента (масла) блока 200 цилиндров. Масло можно прокачивать через каналы 321 и 322, а также другие каналы (не показанные на фиг. 3), чтобы обеспечить охлаждение блока 200 цилиндров, в частности, цилиндров 310 и 311. Каналы 321 и 322 могут быть связаны по текучей среде с другими каналами в блоке 200 цилиндров, как часть более крупной системы охлаждения.
Межцилиндровая перемычка 205 содержит канал, выполненный перекрестным сверлением (в дальнейшем «перекрестный канал») (не виден) с входным отверстием 315 и выходным отверстием 316, который симметричен относительно секущей линии 4-4. Вода или другой хладагент, такой как гликоль, отличающийся от хладагента-масла блока 200 цилиндров, может в общем втекать во входное отверстие 315, проходить через перекрестный канал, и вытекать через выходное отверстие 316. Таким образом, масляные каналы 321 и 322 не соединены с головкой блока цилиндров, а канал водяного охлаждения головки блока цилиндров пересекает межцилиндровую перемычку 205 посредством перекрестного канала. Форма перекрестного канала поясняется более подробно на фиг. 4, где ясно виден указанный перекрестный канал. Как видно из фиг. 3, входное отверстие 315 и выходное отверстие 316 полностью расположены в одной плоскости на верхней поверхности 370. Следует понимать, что в границах идеи и объема настоящего изобретения возможны и другие местоположения входного и выходного отверстий 315 и 316. Например, входное отверстие 315 может быть расположено в другой области межцилиндровой перемычки 205, и при этом по-прежнему оставаться на верхней поверхности 370. Согласно другому примеру, входное отверстие 316 и выходное отверстие 316 могут быть расположены с перекосом, так что секущая линия 4-4 не будет проходить через центры указанных отверстий. Кроме того, входное и выходное отверстия могут иметь одинаковый размер или разный размер, и могут быть одинаковой формы или разной формы.
На фиг. 4 в разрезе изображен блок 200 цилиндров фиг. 3, при этом разрез выполнен по секущей линии 4-4 фиг. 3. Вид, представленный на фиг. 4, по существу тот же самый, что и вид сверху в аксонометрии с фиг. 3, при этом первый цилиндр 310 виден, а второй цилиндр 311 не виден, поскольку разрез выполнен по линии 4-4. Как видно на фиг. 4, перекрестный канал 380 содержит входной канал 381 и выходной канал 382, которые соединены по текучей среде в вершине 383 в пределах межцилиндровой перемычки 205. Входной канал 381 и выходной канал 382 входят в межцилиндровую перемычку 205 под углами к верхней поверхности 370. Вершина 383 - это геометрическая точка, в которой входной канал 381 и выходной канал 382 пересекаются. Как будет более подробно рассмотрено ниже, углы, под которыми указанные каналы входят в межцилиндровую перемычку 205 к верхней поверхности, могут быть разными. Как показано на разрезе фиг. 4, резьбовые крепежные отверстия 333 и 334 проходят в блок 200 цилиндров. Кроме того, каналы 321 и 322 масляного охлаждения проходят внутрь блока 200 цилиндров. Вода или иной хладагент из головки блока цилиндров (не показано) может быть подана в перекрестный канал 380, и при этом может оставаться отдельно от масла или другого хладагента блока 200 цилиндров. Таким образом, перекрестный канал 380 может быть по текучей среде отделен от каналов масляного охлаждения блока 200 цилиндров, в частности, каналов 321 и 322. Канал водяного охлаждения головки блока цилиндров может проходить в блок 200 цилиндров через перекрестный канал 380, и выходить обратно в головку блока цилиндров, не соединяясь с масляными каналами, такими как каналы 321 и 322.
Хотя на фиг. 3 и 4 показаны только два цилиндра 310 и 311, но следует понимать, что перекрестные каналы аналогичные каналу 380 могут быть расположены в межцилиндровых перемычках других цилиндров того же самого блока цилиндров. В частности, блок 200 цилиндров с масляным охлаждением может содержать дополнительные цилиндры с межцилиндровыми перемычками, расположенными между дополнительными цилиндрами, при этом каналы водяного охлаждения головки блока цилиндров также пересекают каждую межцилиндровую перемычку. Таким образом, принцип перекрестных каналов и охлаждения межцилиндровых перемычек блока цилиндров с масляным охлаждением при помощи воды из головки блока цилиндров с водяным охлаждением может быть применен к разнообразным конструкциям двигателей. Ряд межцилиндровых перемычек и перекрестных каналов может быть размещен в промежутках между рядом цилиндров единого блока цилиндров, который съемным образом прикреплен к единой головке блока цилиндров. В том же самом смысле, блок 200 цилиндров с масляным охлаждением может также включать в себя дополнительные каналы масляного охлаждения, которые по текучей среде отделены от канала водяного охлаждения и не соединены с головкой блока цилиндров.
По своей геометрии блоки цилиндров могут быть в общем разделены на две категории: конструкции с открытой плитой (open deck) и конструкции с закрытой плитой (closed deck). В блоках цилиндров с открытой плитой поддерживается зазор между материалом отверстий цилиндров и наружными стенками блока цилиндров на большей части окружностей цилиндров. В конструкциях с открытой плитой на всем блоке цилиндров может присутствовать множество зазоров или промежутков, при этом указанные зазоры могут использоваться в качестве каналов охлаждения или рубашек охлаждения, которые способствуют отводу тепла, образующегося при горении топлива в цилиндрах. Во многих конструкциях с открытой плитой единственный материал, соединяющий соседние цилиндры и наружные стенки блока цилиндров, расположен в межцилиндровых перемычках, таких как перемычка 205 на фиг. 3 и 4. Блоки цилиндров с закрытой плитой содержат больше материала, чем конструкции с открытой плитой, для обеспечения соединения между цилиндрами и наружными стенкам блока цилиндров. Хотя в конструкциях с закрытой плитой все равно присутствуют зазоры и промежутки, указанные зазоры могут быть меньше и могут быть расположены дальше друг от друга, чем зазоры в конструкциях с открытой плитой. Кроме того, степень открытости плиты блока цилиндров часто является мерой качества, и может варьировать от производителя к производителю. Например, некоторые блоки цилиндров могут быть классифицированы как блоки, содержащие полузакрытые площадки, когда указанные площадки не являются полностью открытыми или полностью закрытыми. Разница между цилиндрами с открытой плитой и цилиндрами с закрытой плитой в контексте настоящего изобретения будет видна яснее из фиг. 5-8, которые будут рассмотрены ниже.
Фиг. 5 представляет вид сверху блока 500 цилиндров с закрытой плитой, содержащего перекрестный канал 580 (на фиг. 5 полностью не виден). В частности, перекрестный канал 580 расположен в межцилиндровой перемычке 505 - материале, соединяющем цилиндры 510 и 511 и расположенном близко к стенкам цилиндров. Аналогично элементам, показанным на фиг. 4, перекрестный канал 580 содержит впускное отверстие 515 и выпускное отверстие 516 для пропускания хладагента через перекрестный канал 580. Аспект «конструкции с закрытой плитой» блока 500 цилиндров представлен верхней поверхностью 570, которая состоит преимущественно из сплошного материала. Отсутствуют большие непрерывные открытые промежутки, которые отделяют цилиндры 510 и 511 от остальной части блока 500 цилиндров. Кроме того, между соседними цилиндрами 510 и 511 виден ряд масляных каналов 521 и 522. В крепежных отверстиях 533 и 534 может быть выполнена резьба для приема болтов или других крепежных элементов в целях крепления блока 500 цилиндров к соответствующей ему головке блока цилиндров (не показана). Характерные элементы, включая входное отверстие 515, выходное отверстие 516, крепежные отверстия 533 и 534, а также масляные каналы 521 и 522 лежат по существу на плоской поверхности, образованной верхней поверхностью 570 блока 500 цилиндров. Верхнюю поверхность 570 можно также называть плитой блока цилиндров. Как видно из фиг. 5, большая часть верхней поверхности 570 представляет собой сплошной материал, окружающий цилиндры 510 и 511, образуя тем самым блок цилиндров с закрытой плитой, о чем говорилось ранее. На фиг. 5 ясно видно разделение между входным отверстием 515 и каналом 521, а также между выходным отверстием 516 и каналом 522. В сущности, воду или первый хладагент можно поддерживать отдельно от масла или второго хладагента.
Фиг. 6 представляет вид сбоку в разрезе блока 500 цилиндров с закрытой плитой фиг. 5. Как видно, перекрестный канал 580 содержит входной канал 581, который ведет от входного отверстия 515 к вершине 583 (точке пересечения). Также канал 580 содержит выходной канал 582, который ведет от вершины 583 к выходному отверстию 516 на верхней поверхности 570. Когда первый хладагент прокачивают или иным образом принудительно пропускают через входное отверстие 515 и выпускают из выходного отверстия 516, тепло из межцилиндровой перемычки 505 может передаваться за счет теплообмена первому хладагенту, который вновь передает тепло вниз по потоку и за пределы блока 500 цилиндров и головки блока цилиндров (не показана). Таким образом, хотя второй хладагент циркулирует в каналах 521 и 522, позволяя цилиндрам быстрее разогреваться при прогреве двигателя, первый хладагент, проходя по перекрестному каналу 580, может отводить тепло от межцилиндровой перемычки 505 быстрее, чем второй хладагент. Хотя отвод тепла от межцилиндровой перемычки 505 может быть происходить быстрее, с меньшей скоростью может происходить отвод тепла от областей, удаленных от перекрестного канала 580, таких как стенка 590 цилиндров, расположенная между каналами 521 и 522 масляного охлаждения. Стенка 590 цилиндров - это материал, который разделяет цилиндры 510 и 511.
Вершина 583 имеет другую форму по сравнению с вершиной 383 на фиг. 3, что служит примером того, как перекрестные каналы могут различаться по форме и размеру в зависимости от конструктивных факторов, таких как расстояние между цилиндрами, размер межцилиндровой перемычки и расположение входного/выходного отверстий. Согласно одному примеру, канал водяного охлаждения (т.е. перекрестный канал 580), пересекающий межцилиндровую перемычку 505, содержит в целом линейный входной канал 581 и в целом линейный выходной канал 582, при этом входной и выходной каналы соединяются внутри блока цилиндров в вершине 583. Согласно другому примеру, канал водяного охлаждения, пересекающий межцилиндровую перемычку 505, в целом имеет криволинейную форму от того места, где канал входит в блок 500 цилиндров с масляным охлаждением, и до того места, где канал выходит из блока цилиндров. В рамках идеи и объема настоящего изобретения возможны и другие формы каналов.
Кроме того, на боковой проекции фиг. 6 видно, что входной канал 581 и выходной канал 582 по существу имеют одинаковую длину. В сущности, угол, под которым входной канал 581 входит в межцилиндровую перемычку 505, равен углу, под которым выходной канал 582 входит в межцилиндровую перемычку. Например, данный угол, измеренный от верхней поверхности 570 до продольных осей каналов 581 и 582, может составлять 45°. Другими словами, как правило, канал водяного охлаждения головки блока цилиндров, пересекающий межцилиндровую перемычку 505 посредством перекрестного канала 580, входит в блок цилиндров 500 с масляным охлаждением под первым углом, большим 0°, и выходит из блока цилиндров с масляным охлаждением под вторым углом, большим 0°. Следует понимать, что длины, углы и формы входного канала 581 и выходного канала 582 могут быть различными. Например, входной канал 581 и выходной канал 582 могут пересекать верхнюю поверхность 570 под разными углами.
Фиг. 7 представляет вид сверху блока 700 цилиндров с открытой плитой, содержащего перекрестный канал 780 (на фиг. 7 полностью не виден). Канал 780 содержит входное отверстие 715 и выходное отверстие 716 для обеспечения циркуляции первого хладагента через межцилиндровую перемычку 705. Блок 700 цилиндров содержит несколько цилиндров 710 и 711, и несколько масляных каналов 741 и 742. Хотя на фиг. 7 показаны только два цилиндра, следует понимать, что блок 700 цилиндров может содержать большее число цилиндров. По сравнению с масляными каналами на фиг. 5 и 6 масляные каналы 741 и 742 в общем следуют вокруг и охватывают окружность цилиндров 710 и 711. Блок 700 цилиндров также содержит первую верхнюю поверхность 770, которая примыкает к цилиндрам 710 и 711, в то время как вторая верхняя поверхность 711 окружает первую верхнюю поверхность. Как видно из фиг. 7, первая и вторая верхние поверхности разделены масляными каналами 741 и 742. Непрерывная форма больших каналов 741 и 742, окружающих цилиндры 710 и 711, определяет аспект «открытой площадки» блока 700 цилиндров. Хотя на фиг. 7 это и не показано, но могут быть участки, которые соединяют верхние поверхности 770 и 771, однако по сравнению с конструкцией с закрытой плитой верхние поверхности конструкции с открытой плитой остаются разделенными на большей части площади блока 700 цилиндров. Крепежные отверстия 733 и 734 выполнены на второй верхней поверхности 771, при этом межцилиндровая перемычка 705 расположена на первой верхней поверхности 770. Следует отметить, что канал водяного охлаждения (или первый охлаждающий канал) головки блока цилиндров (не показана) связан по текучей среде с входным отверстием 715 и выходным отверстием 716, когда головка блока цилиндров прикреплена к блоку 700 цилиндров.
Фиг. 8 представляет вид сбоку в разрезе блока 700 цилиндров с открытой плитой по фиг. 7. Как видно, перекрестный канал 780 содержит входной канал 781 и выходной канал 782, аналогичные входному/выходному каналам, описанным в отношении предыдущих фигур. Каналы 781 и 782 содержат несколько участков с разными диаметрами, в то время как каналы 581 и 582, например, имеют по существу одинаковый диаметр. Масляные каналы 741 и 742 могут в целом проходить вокруг внешней окружности цилиндров 710 и 711, которая образована верхней поверхностью 770. Также видно, что крепежные отверстия 733 и 734 проходят вдоль стенки 790 цилиндров. Стенка 790 цилиндров образована частью материала, разделяющего цилиндры 710 и 711, при этом верхняя часть материала образует то, что называется межцилиндровой перемычкой 705. Кроме того, по сравнению с блоком 500 цилиндров фиг. 5 и 6 стенка 790 цилиндров может содержать меньше материала, чем стенка 590 цилиндров, поскольку блок 700 цилиндров имеет конструкцию с открытой плитой, в то время как блок 500 цилиндров имеет конструкцию с закрытой плитой.
Способ для охлаждения систем, изображенных на фиг. 2-8, может содержать охлаждение головки блока цилиндров первым хладагентом, охлаждение блока цилиндров вторым хладагентом, причем второй хладагент представляет собой жидкость, отличающуюся от первого хладагента, и охлаждение ряда межцилиндровых перемычек посредством первого хладагента при поддержании разделения между каналами, содержащими первый и второй хладагенты, при этом указанные межцилиндровые перемычки расположены между соседними цилиндрами блока цилиндров. Согласно некоторым примерам, первым хладагентом является вода, в то время как вторым хладагентом является масло или подходящий хладагент, который отводит тепло с более низкой скоростью, чем первый хладагент. Охлаждение ряда межцилиндровых перемычек может включать в себя циркуляцию первого хладагента через каналы, расположенные в каждой из межцилиндровых перемычек. Кроме того, охлаждение головки блока цилиндров и блока цилиндров может включать в себя циркуляцию первого и второго хладагентов через головку блока цилиндров и блок цилиндров соответственно. Следует понимать, что первый и второй хладагенты не смешиваются друг с другом, когда происходит их циркуляция через головку блока цилиндров и блок цилиндров. Чтобы обеспечить эффективное охлаждение, температуры первого и второго хладагентов понижают в одном или более теплообменниках, расположенных снаружи головки блока цилиндров и блока цилиндров.
Таким образом, за счет выполнения перекрестных каналов в межцилиндровых перемычках блоков цилиндров, имеющих конструкцию либо с открытой, либо с закрытой плитой, можно осуществлять ограничение интервалов температур (локальных температур) межцилиндровых перемычек между соседними цилиндрами, давая возможность более быстрого разогрева остальных цилиндров во время прогрева двигателя. Кроме того, при добавлении перекрестных каналов может не требоваться изменение расстояний между отверстиями цилиндров, т.е. изменение толщины межцилиндровых перемычек между цилиндрами. В сущности, необходимости большого изменения конструкции существующих блоков цилиндров может и не быть, в силу чего возможно снижение затрат, связанных с вышеупомянутыми перекрестного каналами. За счет того, что двигатель получает возможность прогреваться быстрее по сравнению с блоками цилиндров с водяным охлаждением, при использовании соответствующего изобретению блока цилиндров с масляным охлаждение может быть достигнуто снижение трения и выбросов, а также достигнуто снижение расхода топлива и повышение к.п.д. двигателя. Кроме того, при раздельном охлаждении головки блока цилиндров и блока цилиндров системами охлаждения, связанными с первым и вторым хладагентами, можно управлять независимо или вместе.
Следует отметить, что включенные в описание алгоритмы управления и измерения могут быть использованы с различными схемами двигателей и/или систем автомобиля. Раскрытые выше способы управления и программы можно хранить в виде исполняемых инструкций в постоянном запоминающем устройстве. Рассмотренные выше конкретные алгоритмы могут представлять один или более способов обработки, которые инициируются событием, прерыванием, являются многозадачными, многопотоковыми, и т.п. Как таковые, различные действия, операции или функции можно выполнять в той последовательности, какая указана на схеме, но можно выполнять и параллельно или в некоторых случаях опускать. Аналогично, указанный порядок обработки не обязателен для реализации отличительных признаков и преимуществ рассмотренных вариантов осуществления, но приведен в целях упрощения описания. Одно или более из изображенных действий или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные действия, операции и/или функции могут графически представлять код, записываемый в постоянное запоминающее устройство считываемой среды хранения данных компьютера в системе управления двигателем.
Следует понимать, что рассмотренные в описании конструкции и/или алгоритмы по сути являются примерами, и приведенные конкретные варианты осуществления нельзя рассматривать как примеры, ограничивающие идею изобретения, ввиду возможности многочисленных модификаций. Например, вышеописанная технология может быть применена в двигателях со схемами V-6, 1-4, 1-6, V-12, двигателях с 4 оппозитными цилиндрами и в двигателях иных типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя весь объем новых и неочевидных комбинаций и сочетаний различных систем и конструкций, а также другие отличия, функции и/или свойства, раскрытые в настоящем описании.
Пункты нижеприведенной формулы изобретения конкретно указывают на определенные комбинации и подчиненные комбинации отличительных признаков, которые считаются новыми и неочевидными. Эти пункты могут относиться к «одному» элементу или «первому» элементу, или эквивалентному элементу. Следует понимать, что такие пункты содержат включение одного или более указанных элементов, не требуя при этом и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подчиненные комбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу изобретения путем изменения пунктов настоящей формулы или путем представления новых пунктов формулы изобретения в рамках данной или родственной заявки. Такие пункты формулы изобретения также считаются включенными в предмет настоящего изобретения независимо от того, являются они более широкими, более узкими, равными или отличающимися в отношении границ идеи изобретения, установленных исходной формулой изобретения.
1. Способ охлаждения блока цилиндров двигателя, содержащий:
охлаждение головки блока цилиндров первым хладагентом,
охлаждение блока цилиндров вторым хладагентом, протекающим по двум каналам, выполненным в блоке цилиндров и проходящим к поверхности, находящейся в контакте с головкой блока цилиндров, причем второй хладагент представляет собой жидкость, отличающуюся от первого хладагента, и
охлаждение ряда имеющих перекрестное сверление межцилиндровых перемычек, содержащих входные и выходные отверстия, перфорирующие поверхность между указанными двумя каналами вдоль указанной поверхности, первым хладагентом при поддержании разделения между каналами, содержащими первый и второй хладагенты, при этом указанные имеющие перекрестное сверление межцилиндровые перемычки расположены между соседними цилиндрами блока цилиндров.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первым хладагентом является вода, а вторым хладагентом является масло.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение ряда имеющих перекрестное сверление межцилиндровых перемычек включает в себя циркуляцию первого хладагента через каналы, расположенные в каждой из указанных имеющих перекрестное сверление межцилиндровых перемычек.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение головки блока цилиндров и блока цилиндров включает в себя циркуляцию первого и второго хладагентов через головку блока цилиндров и блок цилиндров соответственно.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй хладагенты не смешивают друг с другом, когда происходит их циркуляция через головку блока цилиндров и блок цилиндров.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуры первого и второго хладагентов понижают в одном или более теплообменниках, расположенных снаружи головки блока цилиндров и блока цилиндров.
7. Система охлаждения блока цилиндров двигателя, содержащая:
головку блока цилиндров с каналом водяного охлаждения, и
блок цилиндров с масляным охлаждением, соединенный с головкой блока цилиндров, и содержащий масляный канал, который не соединен по текучей среде с головкой блока цилиндров, при этом указанный канал водяного охлаждения пересекает межцилиндровую перемычку, расположенную между первым цилиндром и вторым цилиндром, проходя при этом в блок цилиндров и выходя затем обратно в головку блока цилиндров, при этом канал водяного охлаждения содержит входное и выходное отверстия, расположенные на поверхности блока цилиндров с масляным охлаждением, находящейся в контакте с головкой блока цилиндров, причем указанные входное и выходное отверстия расположены между каналами масляного охлаждения, расположенными на указанной поверхности.
8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что блок цилиндров с масляным охлаждением также содержит дополнительные цилиндры с межцилиндровыми перемычками, расположенными между дополнительными цилиндрами, при этом каналы водяного охлаждения также пересекают каждую межцилиндровую перемычку, при этом указанная поверхность включает в себя первую поверхность и вторую поверхность, причем вторая поверхность окружает каналы масляного охлаждения.
9. Система по п. 7, отличающаяся тем, что канал водяного охлаждения, пересекающий межцилиндровую перемычку, входит в блок цилиндров с масляным охлаждением под первым углом большим 0° и выходит из блока цилиндров с масляным охлаждением под вторым углом большим 0°.
10. Система по п. 9, отличающаяся тем, что канал водяного охлаждения, пересекающий межцилиндровую перемычку, содержит в целом линейный входной канал и в целом линейный выходной канал, при этом входной и выходной каналы соединены друг с другом в вершине внутри блока цилиндров.
11. Система по п. 9, отличающаяся тем, что канал водяного охлаждения, пересекающий межцилиндровую перемычку, является в целом криволинейным от точки, где канал входит в блок цилиндров с масляным охлаждением, и до точки, где канал выходит из блока цилиндров с масляным охлаждением.
12. Система по п. 7, отличающаяся тем, что блок цилиндров с масляным охлаждением также содержит дополнительные каналы масляного охлаждения, которые по текучей среде отделены от канала водяного охлаждения и не соединены с головкой блока цилиндров.
13. Система охлаждения блока цилиндров двигателя, содержащая:
головку блока цилиндров с первым каналом охлаждения, содержащим первый хладагент,
блок цилиндров с рядом цилиндров и вторым каналом охлаждения, содержащим второй хладагент и проходящим к поверхности, находящейся в контакте с головкой блока цилиндров, причем первый и второй каналы охлаждения не связаны по текучей среде, а блок цилиндров прикреплен с возможностью съема к головке блока цилиндров, и
ряд межцилиндровых перемычек, причем каждая межцилиндровая перемычка связывает друг с другом соседние цилиндры, и
ряд перекрестных каналов, причем каждый перекрестный канал расположен в каждой из межцилиндровых перемычек и содержит входное и выходное отверстия, при этом входное и выходное отверстия выполнены с возможностью приема только первого хладагента и расположены между двумя каналами второго канала охлаждения, проходящего к указанной поверхности.
14. Система по п. 13, отличающаяся тем, что каждый из перекрестных каналов содержит также входной канал, связанный с входным отверстием, и выходной канал, связанный с выходным отверстием, при этом входной и выходной каналы соединены друг с другом по текучей среде в вершине.
15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что входной и выходной каналы пересекают верхнюю поверхность блока цилиндров по существу под одинаковыми углами.
16. Система по п. 14, отличающаяся тем, что входной и выходной каналы пересекают верхнюю поверхность блока цилиндров под разными углами.
17. Система по п. 13, отличающаяся тем, что первый канал охлаждения связан по текучей среде с входными и выходными отверстиями перекрестных каналов, когда головка блока цилиндров прикреплена к блоку цилиндров.
18. Система по п. 13, отличающаяся тем, что каждая из межцилиндровых перемычек содержит материал, образующий стенки цилиндров между цилиндрами блока цилиндров.
19. Система по п. 13, отличающаяся тем, что блок цилиндров имеет конструкцию с открытой плитой.
20. Система по п. 13, отличающаяся тем, что блок цилиндров имеет конструкцию с закрытой плитой.
