CN101787936A - 一种柴油机气缸体水套结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柴油机气缸体水套结构。气缸体进气侧上部设置有布水道，布水道前端连接水泵，布水道后端设有机油冷却器腔；气缸体中上部形成有气缸体水套，气缸体水套包括至少两个横向并排的单水套体，每个单水套体上均开设有进水孔和排水孔，布水道通过进水孔与每个单水套体的内部相连通；所述气缸体水套前端的第一单水套体上的进水孔包括前直进水孔和后直进水孔，其他各单水套体上的进水孔均包括一个后直进水孔，其特征在于：除第一单水套体外，其他各单水套体上还开设有斜进水孔，所述前直进水孔、后直进水孔和斜进水孔均切向于单水套体周边。本发明结构巧妙合理，能够有效冷却气缸体和机油，增加气缸体进气侧刚度，降低噪声。

Description

一种柴油机气缸体水套结构

技术领域

本发明涉及一种柴油机部件的改进，具体是一种柴油机气缸体水套结构，属于机械结构技术领域。

背景技术

内燃机在工作过程中，由于高温气体燃烧释放出的热量使得受热部件的热负荷很高。为了保证这些受热部件能够正常工作，解决好受热部件的换热问题是至关重要的。对于受热关键部件——气缸体和气缸盖来说，冷却水套的结构设计能够解决好他们的换热问题。

内燃机水套内的冷却介质与气缸体-气缸盖壁面之间热量传递比较复杂，通常分为对流换热、核态沸腾换热、过渡沸腾换热和膜态沸腾换热四种状态。通常的热交换处于对流换热状态，冷却介质的流动速度是影响对流换热系数的主要因素，流速高则冷却介质同壁面的对流作用强烈，对流换热系数高。随壁面过热度提高，在压力适宜条件下，冷却介质与气缸体-气缸盖壁面之间可能发生核态沸腾换热，即在固体壁面产生气泡、气块和气柱。若冷却介质流动足够强烈，生成的气泡被冷却介质带走，新的气泡生成，受气泡剧烈扰动的影响，核态沸腾阶段冷却介质与气缸体-气缸盖壁面的换热系数较高。若冷却介质流速较低，气泡在固体壁面积聚，局部区域将会形成热阻较大的汽膜，冷却介质与壁面间可能会进入过渡沸腾阶段或膜态沸腾阶段，此时冷却介质与壁面间的换热系数急剧降低，该局部区域内的固体温度剧增。

内燃机冷却***任务是保证内燃机在较适宜的温度条件下工作。不同结构部位对冷却的需求不同，例如气缸盖“鼻梁区”和气缸体靠近“活力岸”附近工作温度较高的区域，需要较好的冷却以避免局部过热；而气缸体底部等部位的温度相对较低，需要减小冷却以防止局部过冷。根据冷却介质与气缸体-气缸盖壁面间的换热状态，在水套结构设计中往往要求冷却介质在热负荷较高的区域保持较高的流速。内燃机内的冷却介质流动大多靠水泵驱动，水流量增大会显著增加水泵的功率消耗，也可能加剧局部流动区域的汽蚀，产生不利影响。总的说来，气缸体-气缸盖水路设计要在适当的流量下，对于较热区域保持较好的冷却；对于较冷区域则要减少散热。综合以上因素，水套分析中通常重点关注的是各缸间的水流量分配、气缸盖“鼻梁三角区”附近流速、气缸体水套顶部流速和水路***总流动损失等几个方面。

内燃机冷却水套结构一般由气缸体水套和气缸盖水套组成的，传统的水流组织一般是：冷却水从气缸体一侧进入，经气缸体水套后进入到气缸盖水套内，然后从气缸盖一端流出，即发动机内的水循环是从气缸体流到气缸盖，冷却水的进出口分别位于气缸体和气缸盖上。冷却水也是先吸收气缸体的热量后，再吸收气缸盖的热量，最后从气缸盖流出。在传统的小功率高速柴油机气缸体水流场的布置中，气缸体水套结构一般如图3所示：冷却水从水泵侧通过布水道和进水孔进入气缸体水套，借助各缸水套间的开孔，调节水流横向贯穿各缸水套，各缸的冷却水然后经进分布于排气侧的出水孔流入气缸盖水套。这种结构未考虑各气缸体水套的双向绕流，单个进水孔的设计势必增强气缸体水套位于排气侧(发动机后端方向)的水流速度，而在进气侧一侧水流速度减缓，造成气缸体局部温度冷热不均，发生热变形，从而影响整机可靠性。

如图3、图4所示，该种水套布置方式也未考虑柴油机机油的冷却，气缸体进气侧主油道和水道分离，不紧凑，且气缸体上部进气侧的结构强度弱于排气侧，装配变形较大；在发动机运行中，可能会造成整机振动、噪声较大、机油耗高、排放差和不易清砂等缺陷，从而影响整机舒适性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种结构巧妙合理的柴油机气缸体水套结构，该结构能够有效改善气缸体的冷却效果，提高机油冷却效果，增加气缸体进气侧刚度，同时能够满足高排放要求，达到降低噪声和增加零部件可靠性的目的。

按照本发明提供的技术方案：一种柴油机气缸体水套结构，所述气缸体进气侧上部设置有横向的布水道，布水道的前端连接水泵，布水道的后端设有机油冷却器腔，机油冷却器腔安装平面平行于气缸中心连线；气缸体的中上部形成有气缸体水套，气缸体水套包括至少两个横向并排的单水套体，每个单水套体上均开设有进水孔和排水孔，其中进水孔位于机体进气侧，布水道通过进水孔与每个单水套体的内部相连通；所述气缸体水套前端的第一单水套体上的进水孔包括前直进水孔和后直进水孔，其他各单水套体上的进水孔均包括一个后直进水孔，其特征在于：除第一单水套体外，其他各单水套体上还开设有斜进水孔，所述前直进水孔、后直进水孔和斜进水孔均切向于单水套体周边。

作为本发明的进一步改进，所述前直进水孔、后直进水孔和斜进水孔的中心线与进水口中心同气缸体水套中心连线的夹角为40°～50°。

作为本发明的进一步改进，所述第一单水套体上的前直进水孔的孔径大于其他各单水套体的斜进水孔的孔径。

作为本发明的进一步改进，所述布水道位于气缸体水套上部的1/2位置处；所述前直进水孔、后直进水孔和斜进水孔位于气缸体水套上部1/4～1/3的位置处。

作为本发明的进一步改进，所述出水孔包括：第一出水孔，第一出水孔位于机体各进气道下部，用于冷却进气道；第二出水孔，第二出水孔位于机体各排气道下部，用于冷却排气道；第三出水孔，第三出水孔位于喷注缸盖鼻梁三角区。

作为本发明的进一步改进，所述出水孔还包括前加强出水孔和后加强出水孔，前加强出水孔设置在在气缸体水套前端，用于加强第一单水套体水流量；后加强出水孔设置在气缸体水套后端，用于加强第四缸水流。

作为本发明的进一步改进，所述布水道后端的机油冷却器腔向下扩延、向外凸出，容积扩大，机油冷却器腔的下部低于各单水套体并开设有放水孔；在机油冷却器腔内设置有机油进出口，机油进出口与机体主油道相连通。

作为本发明的进一步改进，所述机油冷却器腔内部设有加强筋；所述加强筋包括一根横向加强筋和两根纵向加强筋。

作为本发明的进一步改进，所述气缸体水套包括有4个单水套体。

本发明以计算流体动力学(CFD)为手段，对柴油机气缸体-气缸盖水套结构计算分析并对结构进行优化改进，具体优点如下：

1、各单水套体上的进水孔均位于气缸体水套上部1/4～1/3的位置处，保证了气缸体水套热负荷较高的上部有效冷却；同时由于水流的直通作用，气缸体水套中下部的水流流速较慢，也避免了气缸体水套下部温度过低所引起的缸套变形，以及热量过多损失所导致的燃料无谓消耗。

2、各单水套体上的进水孔(前直进水孔、后直进水孔和斜进水孔)均切向于单水套体周边，冷却水流从单水套体的两侧环绕进入，即避免了对单水套体的直接冲刷，又使得单水套体周边的水流流速均匀；另外每个单水套体布置两个进水孔也可以减少水流阻力，提升发动机的机械效率。

3、各单水套体上的出水孔多数布置在机体排气侧，使得各单水套体内的冷却水的环绕水流量占比例增大，同时能够有效冷却气缸体、气缸盖的热负荷较高部位。

4、增加了机油冷却功能，加大了机油冷却器腔的容积，有效保证机油冷却器的冷却效率；同时机油冷却器腔内的放水孔略低于各单水套体，保证了干净的放水。

5、机油冷却器腔内增设了加强筋，增加了气缸体的整体刚度，使得装配变形小，零件配合更易控制，气缸体的噪声大大减少。

附图说明

图1为本发明的气缸体进气侧的正面视图。

图2为图1中的A-A向剖视图。

图3为传统的的气缸体进气侧的正面视图。

图4为图3中的B-B向剖视图。

图5为与气缸体对应的气缸盖的结构示意图。

附图标记说明：1-机油冷却器腔、2-加强筋、2a-横向加强筋、2b-纵向加强筋、3-放水孔、4-机油进出口、5-前直进水孔、6-泥芯通道、7-后直进水孔、8-布水道、9-第一出水孔、9’-第一上水孔、10-斜进水孔、11-机油冷却器腔安装平面、12-后加强出水孔、12’-后加强上水孔、13-第二出水孔、13’-第二上水孔、14-第三出水孔、14’-第三上水孔、15-前加强出水孔、15’-前加强上水孔、16-螺栓孔。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，以四缸2.0～2.5L的欧四湿式缸套的柴油机为例，所述气缸体进气侧上部设置有横向的布水道8，布水道8的前端连接有用于泵入冷却水的水泵。布水道8的后端设有机油冷却器腔1。所述气缸体的中上部形成有气缸体水套，气缸体水套宽度为18～45mm，所述布水道8位于气缸体水套上部的1/2位置处，布水道8距气缸体顶面的距离为10～70mm；气缸体水套包括四个横向并排的单水套体，每个单水套体上均开设有进水孔和排水孔，布水道8通过进水孔与每个单水套体的内部相连通。

如图1、图2所示，所述气缸体水套前端的第一单水套体上的进水孔包括前直进水孔5和后直进水孔7，其中前直进水孔5的孔径为

后直进水孔7的孔径为

其他的第二、第三和第四单水套体上的进水孔均包括一个后直进水孔7和一个斜进水孔10，其中后直进水孔7的孔径为

斜进水孔10的孔径为

所述前直进水孔5、后直进水孔7和斜进水孔10均切向于单水套体周边，前直进水孔5、后直进水孔7和斜进水孔10的中心线与进水口中心同气缸体水套中心连线的夹角优选设为40°～50°。为保证第一单水套体进水量的充足，所述第一单水套体上的前直进水孔5的孔径应大于其他各单水套体的斜进水孔10的孔径。上述的前直进水孔5、后直进水孔7和斜进水孔10均开设在机体进气侧，位于气缸体水套上部1/4～1/3的位置处，它们距气缸体顶面的距离为25～50mm。

考虑到每个单水套体上的两个进水孔均位于机体进气侧，为保证各单水套体内水流的环绕特性并结合缸盖的重点冷却部位，本发明的各单水套体的出水孔多数布置于机体排气侧，如图1、图2所示，第一出水孔9位于机体各进气道下部，其用于冷却进气道，第一出水孔9的孔径为

第二出水孔13位于机体各排气道下部，其用于冷却排气道，第二出水孔13的孔径为第三出水孔14位于喷注缸盖鼻梁三角区，其可以通过布置在气缸盖上的特殊结构将出水直接喷注于缸盖气门、喷油器的鼻梁三角区，保证气缸盖热负荷较高部位的有效冷却，第三出水孔14的孔径为

上述的第一出水孔9、第二出水孔13和第三出水孔14设置合理，水流方向一致，充分保证了柴油机体重点危险区域的冷却。通过CAE中的CFD(computational liquid dynamic)的流体动力学计算，对气缸体-气缸盖水流场分析可知，对有布水道8的气缸体而言，第一单水套体、四单水套体的水流量略小于第二单水套体和第三单水套体的水流量，因而在气缸体水套前端设置有用于加强第一单水套体水流量的一个前加强出水孔15，在气缸体水套后端设置有用于加强第四缸水流的两个后加强出水孔12；所述前加强出水孔15和后加强出水孔12的孔径分别为

如图1、图2所示，所述布水道8后端的机油冷却器腔1向下扩延、向外凸出，容积扩大，机油冷却器腔1的宽度为120～150mm，高度为85～110mm，机油冷却器腔安装平面11平行于气缸中心连线，其距气缸中心的距离为110～120mm；机油冷却器腔1的下部低于各单水套体并开设有放水孔3，放水孔3能够实现干净的放水；放水孔3距气缸体顶面的距离为70～120mm，放水孔3的孔径为5～10mm；在机油冷却器腔1内设置有机油进出口4，机油进出口4与机体主油道相连通。

如图1所示，所述机油冷却器腔安装平面11上开设有多个近乎均布的螺栓孔16，有效保证了机油冷却器盖板与机油冷却器腔1的可靠密封。所述机油冷却器腔1内部设有加强筋2，加强筋2包括一根横向加强筋2a和两根纵向加强筋2b，横向加强筋2a和纵向加强筋2b的高为5～10mm，宽为5～10mm。

具体应用时，冷却水通过水泵从气缸体一侧进入布水道8内，布水道8以缸盖螺栓区隔各缸的进水区，尽量保证各缸的进水均匀；布水道8内的水通过气缸体水套上的进水孔进入，然后经气缸体水套上的出水孔进入到形成于气缸盖上的气缸盖水套内。气缸盖水套上设有多个上水孔，每个上水孔分别与气缸体水套上的出水孔对应连通，气缸盖的结构如图5所示，其中的上水孔包括：位于机体进气道下部的第一上水孔9’，第一上水孔9’与第一出水孔9对应连通；位于缸盖排气道下的第二上水孔13’，第二上水孔13’与第二出水孔13对应连通；位于缸盖三角区的第三上水孔14’，第三上水孔14’与第三出水孔14对应连通；前加强上水孔15’，前加强上水孔15’与前加强出水孔15对应连通；后加强上水孔12’；后加强上水孔12’与后加强出水孔12对应连通。冷却水竟有上述的各上水孔进入气缸盖水套内，在实现对气缸盖的冷却后，从气缸盖一端流出，即发动机内的水循环是从气缸体流到气缸盖，冷却水的进出口分别位于气缸体和气缸盖上。

本发明可以通过改变进水孔、出水孔的孔径来控制流经各进水孔、出水孔的水流量，从而达到优化气缸体水套内水流动的目的。其中，第一单水套体及第二单水套体上的进水孔及钻头通道通过外侧设置的泥芯通道6来布置；第三单水套体及第四单水套体上的进水孔及钻头通道通过机油冷却器腔1的开口来布置；为确保布水道8前端支承的刚性，所述第一单水套体上的前直进水孔5和后直进水孔7分别对应有一个泥芯通道6。本发明与传统的气缸垫的调节措施相比，对气缸体水孔的加工成本增加较少，同时克服了气缸垫调节方法中造成的气缸垫制造难度大，容易漏水、漏气等缺点；另外由于气缸垫本身很薄，采取控制水孔措施后，会造成节流孔局部流速过高，局部负压过低，易造成局部穴蚀。

Claims (10)

1.一种柴油机气缸体水套结构，所述气缸体进气侧上部设置有横向的布水道(8)，布水道(8)的前端连接水泵，布水道(8)的后端设有机油冷却器腔(1)，机油冷却器腔安装平面(11)平行于气缸中心连线；气缸体的中上部形成有气缸体水套，气缸体水套包括至少两个横向并排的单水套体，每个单水套体上均开设有进水孔和排水孔，其中进水孔位于机体进气侧，布水道(8)通过进水孔与每个单水套体的内部相连通；所述气缸体水套前端的第一单水套体上的进水孔包括前直进水孔(5)和后直进水孔(7)，其他各单水套体上的进水孔均包括一个后直进水孔(7)，其特征在于：除第一单水套体外，其他各单水套体上还开设有斜进水孔(10)，所述前直进水孔(5)、后直进水孔(7)和斜进水孔(10)均切向于单水套体周边。

2.如权利要求1所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述前直进水孔(5)、后直进水孔(7)和斜进水孔(10)的中心线与进水口中心同气缸体水套中心连线的夹角为40°～50°。

3.如权利要求1所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述第一单水套体上的前直进水孔(5)的孔径大于其他各单水套体的斜进水孔(10)的孔径。

4.如权利要求1所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述布水道(8)位于气缸体水套上部的1/2位置处；所述前直进水孔(5)、后直进水孔(7)和斜进水孔(10)位于气缸体水套上部1/4～1/3的位置处。

5.如权利要求1所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述出水孔包括：第一出水孔(9)，第一出水孔(9)位于机体各进气道下部，用于冷却进气道；第二出水孔(13)，第二出水孔(13)位于机体各排气道下部，用于冷却排气道；第三出水孔(14)，第三出水孔(14)位于喷注缸盖鼻梁三角区。

6.如权利要求5所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述出水孔还包括前加强出水孔(15)和后加强出水孔(12)，前加强出水孔(15)设置在在气缸体水套前端，用于加强第一单水套体水流量；后加强出水孔(12)设置在气缸体水套后端，用于加强第四缸水流。

7.如权利要求1所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述布水道(8)后端的机油冷却器腔(1)向下扩延、向外凸出，容积扩大，机油冷却器腔(1)的下部低于各单水套体并开设有放水孔(3)；在机油冷却器腔(1)内设置有机油进出口(4)，机油进出口(4)与机体主油道相连通。

8.如权利要求1所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述机油冷却器腔(1)内部设有加强筋(2)。

9.如权利要求8所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述加强筋(2)包括一根横向加强筋(2a)和两根纵向加强筋(2b)。

10.如权利要求1所述的柴油机气缸体水套结构，其特征在于：所述气缸体水套包括有4个单水套体。

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