CN113227550B - 热屏蔽***及方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机(100)包括形成多个冷却剂出口的气缸壳(102)，以及排气管结构(115)，排气管结构设置在气缸壳(102)上，并且包括在其间限定冷却剂夹套(208)的内壁和外壁(204)、延伸穿过外壁(204)并且流体地连接到冷却剂夹套(208)的多个冷却剂入口、以及多个转移壳体。每个转移壳体(244)包括形成气体通路的内部壳体壁(264)；外部壳体(244)壁，其设置成距所述内部壳体壁周围一定偏移距离，使得在所述内部壳体壁与外部壳体(244)壁之间的空间中限定冷却通路(246)；以及与冷却通路(246)流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口(226)。所述多个冷却剂入口经由所述多个转移壳体中的冷却通路(318)流体地连接到所述多个冷却剂出口。

Description

热屏蔽***及方法
技术领域
本专利公开大体上涉及内燃发动机，并且更具体地涉及用于热屏蔽的***和方法。
背景技术
具有涡轮增压器的典型内燃发动机通过提供排气能量来驱动一个或多个涡轮而操作，每个涡轮连接到并驱动相应的空气压缩机。压缩机提供充气，所述充气可以被冷却并且在操作期间提供给发动机气缸。在操作期间，通过将通路连接到排气歧管，通路又将排气供应到涡轮的入口，高温和高压的排气从发动机气缸的排气端口直接提供。在诸如V型发动机的某些发动机构造中，排气歧管可以设置在发动机的外侧上，或在V的谷部内。在任一情况下，通常需要热屏蔽来抑制从发动机的排气歧管到周围发动机和/或车辆结构的呈辐射、对流等形式的热耗散。
用于发动机的典型热屏蔽件使用围绕热源的反射和/或热绝缘材料制成。此类结构通常很昂贵，并且需要额外的组装成本和发动机上的空间。过去还使用了备选的热屏蔽布置。例如，美国专利号4,179,884(“Koeslin”)描述了一种双壁排气歧管，其包括密封气穴和冷却剂通路，以在排气流过的歧管的内表皮与歧管的外表皮之间形成热传递屏障。虽然此类布置至少部分地有效地将热量控制在诸如排气歧管的发动机部件内，但在产生高温排气的较高负载下操作的大排量发动机中，歧管的内壁和外壁之间的相对低的冷却剂流动速量和受限流动区域可能倾向于使冷却剂沸腾，这可在流动通路内产生蒸汽和/或引入冷凝物，这将进一步限制流体通路，并且可随着时间推移堵塞流体通路。
发明内容
一方面，本公开描述了一种内燃发动机。内燃发动机包括气缸壳，所述气缸壳具有连接到所述气缸壳且形成多个冷却剂出口的多个气缸盖；排气管结构，所述排气管结构设置在所述气缸壳上并且包括：内壁，所述内壁形成气体增压室，外壁，所述外壁设置在距所述内壁一定偏移距离处，使得在内壁和所述外壁之间限定冷却剂夹套；多个冷却剂入口，所述多个冷却剂入口延伸穿过所述外壁并流体地连接到所述冷却剂夹套，以及多个转移壳体。每个转移壳体包括形成气体通路的内部壳体壁；外部壳体壁，其设置在距所述内部壳体壁一定偏移距离处，使得在所述内部壳体壁与外部壳体壁之间的空间中限定冷却通路；以及与冷却通路流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口。所述多个冷却剂入口经由所述多个转移壳体中的所述冷却通路流体地连接到所述多个冷却剂出口。
另一方面，本公开描述了一种内燃发动机。所述内燃发动机包括具有多个气缸的气缸壳；多个气缸盖，所述多个气缸盖连接到所述气缸壳并且形成多个排气流道和多个冷却剂出口；排气管结构，所述排气管结构设置在所述气缸壳上并且包括：内壁，所述内壁形成气体增压室、外壁，所述外壁设置在距所述内壁一定偏移距离处使得在内壁和外壁之间限定冷却剂夹套、延伸穿过所述内壁和所述外壁并且流体地连接到所述气体增压室的多个气体入口端口和多个气体出口端口；多个冷却剂入口，所述多个冷却剂入口延伸穿过所述外壁并且流体地连接到所述冷却剂夹套；以及多个转移壳体。
每个转移壳体包括形成气体通路的内部壳体壁，所述气体通路将所述多个排气流道中的一个与所述多个气体入口端口中的一个流体地连接；外部壳体壁，所述外部壳体壁设置在距所述内部壳体壁周围一定偏移距离处，使得在所述内部壳体壁与外部壳体壁之间的空间中限定冷却通路；与所述冷却通路流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口；多个涡轮增压器，每个涡轮增压器包括涡轮，其中：相应涡轮的入口连接以从所述多个气体出口端口中的一个接收排气，所述多个气体入口端口连接以从所述多个排气流道接收排气，并且所述多个冷却剂入口经由所述多个转移壳体中的冷却通路流体地连接到所述多个冷却剂出口。
另一方面，本公开描述了一种用于操作内燃发动机的方法。所述方法包括提供具有多个气缸的气缸壳；提供多个气缸盖，所述多个气缸盖连接到所述气缸壳并且形成多个排气流道和多个冷却剂出口；提供排气管结构，所述排气管结构设置在所述气缸壳上并且包括：内壁，所述内壁形成气体增压室、外壁，所述外壁设置在距所述内壁一定偏移距离处而使得在内壁和外壁之间限定冷却剂夹套、延伸穿过所述内壁和所述外壁并且流体地连接到所述气体增压室的多个气体入口端口和多个气体出口端口；提供多个冷却剂入口，所述多个冷却剂入口延伸穿过所述外壁并流体地连接到所述冷却剂夹套；以及提供多个转移壳体。
每个转移壳体包括形成气体通路的内部壳体壁，所述气体通路将所述多个排气流道中的一个与所述多个气体入口端口中的一个流体地连接；外部壳体壁，所述外部壳体壁设置在距所述内部壳体壁周围一定偏移距离处，使得在所述内部壳体壁与外部壳体壁之间的空间中限定冷却通路；与所述冷却通路流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口；多个涡轮增压器，每个涡轮增压器包括涡轮；连接相应涡轮的入口以从所述多个气体出口端口中的一个接收排气，连接所述多个气体入口端口以从所述多个排气流道接收排气，并且经由所述多个转移壳体中的冷却通路将所述多个冷却剂入口流体地连接到所述多个冷却剂出口。
附图说明
图1是根据本公开的内燃发动机的轮廓图。
图2是根据本公开的排气管结构的轮廓图，为了图示所述排气管结构示出为从发动机移除。
图3是图2的排气管结构的放大部分视图。
图4是根据本公开的过渡部件的分解视图。
图5是在连接到图1的发动机时穿过图2的排气管的局部横截面视图。
图6是根据本公开的发动机冷却***的示意图。
图7是根据本公开的用于发动机冷却***的备选示意图。
具体实施方式
在图1中从侧视角示出了发动机100的轮廓图。尽管如图所示的发动机100具有V型构造，但是本公开适用于其它发动机类型，如具有“I”或换句话说直列构造的发动机。而且，尽管发动机100示出为具有总共十六个气缸(每排八个气缸)，但是具有更少或更多气缸的发动机也适合于本公开的益处。发动机100包括容纳曲轴(未示出)的气缸壳102。曲轴经由连杆(未示出)连接到多个活塞(未示出)。活塞可滑动地和往复地布置在气缸壳104中形成的缸镗(未示出)中，所述缸镗可以与气缸壳102集成为单个结构，并且以已知方式为曲轴提供动力以向发动机100的飞轮108提供有用的机械工作运动。多个气缸盖110覆盖容纳活塞的缸镗的顶部敞开端。
气缸盖110包括用于以常规方式向气缸提供燃料和空气，并且还用于在操作期间从气缸去除废气和其他副产物的阀。空气经由进气歧管提供给气缸，所述进气歧管通过中间冷却器112接收充气。废气通过排气管结构从各个发动机气缸提供给六个涡轮增压器114，这将在下文中进行描述。
图2中示出了涡轮增压器114连接并且支承在其上的排气管结构115的视图，其中图3中示出了放大视图，并且图5中示出了局部横截面视图。参照这些图，排气管结构115布置在发动机100的谷部区域内，并且直接连接到安装在发动机的气缸组的任一侧上的多个气缸盖110上。换句话说，排气管结构相对于发动机的气缸壳位于内侧。排气管结构115是细长结构，其沿着曲轴(未示出)的旋转轴线基本跨越气缸壳102的整个长度并且形成增压室或中心排气收集腔118(图5)。
排气管结构115包括由外壁204和内壁206构成的本体202。冷却剂夹套208限定在外壁204与内壁206之间。本体202进一步包括与形成于内壁206内的增压室118连通或与冷却剂夹套208连通的各种开口。更确切地说，并且如图2中所示，外壁204包括多个涡轮安装凸缘210，所述多个涡轮安装凸缘中的每一个围绕流体地通向增压室118的气体出口开口212。可形成例如堵塞开口230的附加开口以辅助制造，例如用于在铸造操作之后从冷却剂夹套208内移除沙子。
外壁204进一步包括多个入口凸缘214，所述多个入口凸缘的每一个围绕流体地通向增压室118的气体入口开口216，以及流体地连接到冷却剂夹套208的汽缸盖冷却剂入口开口218。外壁204进一步包括多个辅助冷却剂出口220和多个辅助冷却剂入口222(图5中示出)，其均流体地连接到冷却剂夹套208。如图2中可见，增压室118和冷却剂夹套208两者都在纵向方向L上延伸穿过本体202。其中的一个包括冷却剂出口226的帽224，以及密封件228构造成阻塞本体202的端部，并维持增压室118、冷却剂夹套208和环境之间的流体分离。
排气入口开口216将排气提供到增压室118中，该增压室提供排气以操作六个涡轮增压器114，并且确切地说，每个涡轮增压器114的涡轮232。在操作期间，排气通过排气出口开口212离开增压室118，所述排气出口开口与每个涡轮232的内部通路234流体地连接。除了实现与每个涡轮增压器的气体连接之外，凸缘210还支承涡轮增压器114。如上所述，将排气管112支承到发动机上是由可提供的支承结构236完成，支承结构与本体202一体化，并且可向其提供刚性。支承结构236经由多个安装凸台238安装到发动机上。
每个排气入口开口216以典型方式流体地连接到发动机的一个或多个排气端口240，所述排气端口可经由排气气门(未示出)流体地连接到至少一个发动机气缸。来自排气端口240的排气经由跨越气缸盖110和排气管112之间的距离的转移导管242输送到排气入口开口216。更确切地说，转移导管242形成并且延伸穿过转移壳体244，所述转移壳体在发动机的任一侧上连接到排气管112和气缸盖110，并且在排气管和气缸盖之间。因此，转移壳体244将排气从发动机气缸传送到排气管112。转移壳体244还形成通过其中的冷却通路246，冷却通路包括入口通路248和出口通路250。入口通路248(图3和4)流体地连接到发动机的气缸盖110的冷却剂端口252。循环通过发动机(例如围绕气缸衬套并且在发动机气缸盖内)的冷却剂通过冷却剂端口252提供到入口通路248。
在所示的实施例中，将包括管256和在其远端上的两个径向密封件258的入口跨接管组件254***到形成于冷却剂端口252和入口通路248中的对应密封开孔260中，以可滑动地并且可密封地接合两个结构，并且允许冷却剂在发动机操作期间从气缸盖110到入口通路248通过。如图所示，转移壳体244包括具有内壁262和外壁264的双壁构造。内壁262大体上包含并且在内部限定转移导管242。外壁264围绕内壁262，在其间留下形成冷却通路246的间隙。来自冷却通路246的冷却剂通过冷却剂入口开口218并且从冷却剂出口通路248提供到冷却剂夹套208。类似于入口侧，出口跨接管组件266包括具有两个径向密封件258的管256，其可滑动地并且可密封地接合对应开孔260。如图可见，入口跨接管组件254和出口跨接管组件266沿着平行方向L对准，使得可以通过跨接管相对于排气管和发动机的气缸盖的滑动能力来适应部件的轴向公差叠加和热增长。在所示实施例中，适配器板268形成冷却剂入口开口218，并且确切地说，形成开孔260并也形成气体入口开口216。为了密封通过转移导管242提供的排气连接，壳体244的端部包括两个径向密封件270，其也在平行于方向L的方向上可滑动地并且可密封地接合形成于气体入口开口216中的开孔。
工业适用性
本公开适用于内燃发动机，并且更具体地适用于往复式活塞发动机，如用于海洋应用中的活塞发动机。图6中示出了用于发动机的冷却剂回路200的一个实施例的示意图。图7中示出了冷却剂回路300的备选实施例。参考这些图，其差异将在下面讨论，在该实施例中包括六个涡轮增压器114的多个涡轮增压器进一步包括阀或适配器302，每个涡轮一个，其构造成取决于发动机操作而选择性地激活或停用每个涡轮增压器。与本公开相关，示出了气体和冷却剂连接和流动路径。因此，向排气管112提供十六股(每个气缸的一股)排气流304和十六股冷却剂流306。排气管112的冷却剂通路部分，例如，冷却剂夹套208，将冷却剂流306提供到冷却剂返回通路308。冷却剂返回通路308连接到恒温器310，恒温器可直接地或通过散热器312连接到泵314的入口。在图6的实施例中，泵314连接到冷却剂回路316，所述冷却剂回路可延伸穿过气缸壳、气缸盖和/或其它发动机或车辆部件或***，并且提供冷却剂流306以完成冷却剂回路。
在图6所示的实施例中，通过通路318提供来自排气管的冷却剂以冷却涡轮以及阀/适配器。通过并且冷却涡轮增压器114的涡轮和阀/适配器302的冷却剂通过通路320提供，并且收集在吹扫管线322中，所述吹扫管线连接到膨胀储罐324并且最终连接到泵入口以完成冷却剂回路。
与图6的实施例相比，图7的实施例使用反向流动方向，其中来自泵314的附加出口326用于通过通路320向涡轮和阀/适配器提供冷的冷却剂。冷却剂从那里通过通路318返回到排气管112。换句话说，在图7所示的实施例中，产生两个平行的冷却剂回路以提供尽可能冷的冷却剂到涡轮和阀/适配器。两个平行回路在排气管中汇合，从而将全部发动机的冷却剂流返回到恒温器。以此方式，已发现通过排气管的增大的冷却剂流量改善了涡轮的操作温度，并且降低了通过排气管的冷却剂沸腾的可能性。
应当理解，前面的描述提供了所公开的***和技术的示例。然而，可设想，本公开的其它实施方式可在细节上与前述示例不同。对本公开或其示例的所有引用旨在引用当时所讨论的特定示例，而并非旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的所有区别和不利言辞旨在表明这些特征不是优选的，但除非另外指明，否则并不是将这些特征从本发明的范围中完全排除。
除非本文另有指示，否则本文对值范围的叙述仅仅旨在用作分别提及落入所述范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值并入到说明书中，如同在本文中分别叙述一样。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾。
在描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)使用术语“一”和“一个”和“所述”和“至少一个”以及类似的指代物应当被解释为涵盖单数和复数两者，除非上下文另有说明或明确与上下文相矛盾。使用术语“至少一个”后跟一个或多个项目的列表(例如，“A和B中的至少一个”)应当被解释为表示从列出项目选择的一个项目(A或B)或列出项目中的两个或更多个的任何组合(A和B)，除非上下文另有说明或明确与上下文相矛盾。
因此，如适用法律所允许的，本公开包括所附权利要求书中叙述的主题的所有修改和等效内容。另外，除非在本文中另有指示或者与上下文明显矛盾，本公开涵盖上述元件以所有可能变型的任何组合。

Claims (12)

1.一种内燃发动机(100)，其包括：
气缸壳(102)，所述气缸壳具有连接到所述气缸壳(102)并且形成多个冷却剂出口的多个气缸盖(110)；
排气管结构(115)，所述排气管结构设置在所述气缸壳(102)上并且包括：
内壁(206)，所述内壁形成气体增压室(118)；
外壁(204)，所述外壁设置在距所述内壁(206)一定偏移距离处，使得在所述内壁与所述外壁(204)之间限定冷却剂夹套(208)；
多个冷却剂入口，所述多个冷却剂入口延伸穿过所述外壁(204)并且流体地连接到所述冷却剂夹套(208)；以及
多个转移壳体，每个转移壳体(244)包括：
内部壳体壁(264)，所述内部壳体壁形成气体通路；
外部壳体壁，所述外部壳体壁设置在距所述内部壳体壁(264)周围一定偏移距离处，使得在所述内部壳体壁与所述外部壳体壁之间的空间中限定冷却通路(246)；
与所述冷却通路(246)流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口(226)；
其中所述多个冷却剂入口经由所述多个转移壳体中的冷却通路(246)流体地连接到所述多个冷却剂出口，
排气管结构(115)包括多个气体入口端口，该多个气体入口端口流体地连接到所述气体增压室(118)，所述多个气体入口端口中的每个气体入口端口包括开孔，相应转移壳体(244)的至少一部分可滑动地并且可密封地设置在所述开孔中。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机(100)，进一步包括：
多个冷却剂端口，所述多个冷却剂端口延伸穿过所述排气管结构(115)的外壁(204)并且流体地连接到所述冷却剂夹套(208)，
多个排气阀或适配器(302)，所述多个排气阀或适配器各自具有延伸穿过所述多个排气阀或适配器的冷却剂通路，
其中所述多个冷却剂端口与延伸穿过所述多个排气阀或适配器(302)的所述冷却剂通路(318)流体连通。
3.根据权利要求2所述的内燃发动机(100)，进一步包括与所述气缸壳(102)相关联的冷却剂泵(314)，所述冷却剂泵(314)具有入口和出口，其中所述冷却剂泵(314)的出口布置成通过闭合的冷却剂回路(200)将冷却剂流直接供应到所述冷却剂通路(318)。
4.一种内燃发动机(100)，其包括：
具有多个气缸的气缸壳(102)；
多个气缸盖(110)，所述多个气缸盖连接到所述气缸壳(102)并且形成多个排气流道和多个冷却剂出口；
排气管结构(115)，所述排气管结构设置在所述气缸壳(102)上并且包括：
内壁(206)，所述内壁形成气体增压室(118)；
外壁(204)，所述外壁设置在距所述内壁(206)一定偏移距离处，使得在所述内壁与所述外壁(204)之间限定冷却剂夹套(208)；
多个气体入口端口和多个气体出口端口，所述多个气体入口端口和所述多个气体出口端口延伸穿过所述内壁和外壁(204)并且流体地连接到所述气体增压室(118)；
多个冷却剂入口，所述多个冷却剂入口延伸穿过所述外壁(204)并且流体地连接到所述冷却剂夹套(208)；以及
多个转移壳体，每个转移壳体(244)包括：
形成气体通路的内部壳体壁(264)，所述气体通路将所述多个排气流道中的一个排气流道与所述多个气体入口端口中的一个气体入口端口流体地连接；
外部壳体壁，所述外部壳体壁设置在距所述内部壳体壁(264)周围一定偏移距离处，使得在所述内部壳体壁与所述外部壳体壁之间的空间中限定冷却通路(246)；
与所述冷却通路(246)流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口(226)；
多个涡轮增压器(114)，每个涡轮增压器包括涡轮(232)，其中：
连接相应涡轮(232)的入口以从所述多个气体出口端口中的一个气体出口端口接收排气，
连接所述多个气体入口端口以从所述多个排气流道接收排气，以及
所述多个冷却剂入口经由所述多个转移壳体中的冷却通路(246)流体地连接到所述多个冷却剂出口，
所述多个气体入口端口中的每个气体入口端口包括开孔，相应转移壳体(244)的至少一部分可滑动地并且可密封地设置在所述开孔中。
5.根据权利要求4所述的内燃发动机(100)，进一步包括：
多个冷却剂端口，所述多个冷却剂端口延伸穿过所述排气管结构(115)的外壁(204)并且流体地连接到所述冷却剂夹套(208)，
连接在所述多个涡轮增压器(114)中的每一个涡轮增压器的相应涡轮(232)的出口上的阀或适配器装置，每个阀或适配器具有延伸穿过所述阀或适配器的冷却剂通路，
其中所述多个冷却剂端口与延伸穿过所述多个涡轮增压器(114)的阀或适配器(302)的所述冷却剂通路(318)流体连通。
6.根据权利要求5所述的内燃发动机(100)，进一步包括与所述气缸壳(102)相关联的冷却剂泵(314)，所述冷却剂泵(314)具有入口和出口，其中所述冷却剂泵(314)的入口流体地连接到所述排气管结构(115)的冷却剂夹套(208)。
7.根据权利要求6所述的内燃发动机(100)，其中所述冷却剂泵(314)的出口布置成将冷却剂流供应到所述多个气缸盖(110)的多个冷却剂出口。
8.根据权利要求7所述的内燃发动机(100)，其中所述冷却剂泵(314)的出口进一步布置成将附加的冷却剂流供应到延伸穿过所述多个涡轮增压器(114)的阀或适配器(302)的所述冷却剂通路(318)。
9.根据权利要求8所述的内燃发动机(100)，其中在操作期间，所述冷却剂流和提供到所述冷却剂通路(318)的所述附加冷却剂流通过所述排气管结构(115)的冷却剂夹套(208)返回到所述冷却剂泵(314)的入口。
10.根据权利要求9所述的内燃发动机(100)，其中所述冷却剂流和所述附加冷却剂流通过所述冷却剂泵(314)的出口与所述排气管结构(115)之间的平行回路路径。
11.根据权利要求4所述的内燃发动机(100)，其中所述多个转移壳体中的每一个转移壳体的所述冷却剂入口和所述冷却剂出口中的每一个形成开孔，跨接管(256)可滑动地并且可密封地设置到所述开孔中，并且其中所述冷却剂入口和所述冷却剂出口的所述开孔(260)沿着平行轴线延伸。
12.根据权利要求11所述的内燃发动机(100)，其中气体入口端口的开孔沿着与所述相应转移壳体(244)的冷却剂入口和冷却剂出口的轴线平行的轴线延伸。
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