各個(gè)實(shí)施例涉及用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合體(composite)汽缸蓋。

背景技術(shù)：

在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間，汽缸蓋可能需要冷卻，并且可以設(shè)置包含諸如水的冷卻劑的流體夾套系統(tǒng)。汽缸蓋的各個(gè)區(qū)域可以是幾乎沒有封裝空間的承載區(qū)域。汽缸蓋可以在工具中使用包括鑄造和模制的工藝而形成。汽缸蓋可具有各種特征，諸如冷卻夾套和潤滑系統(tǒng)等的復(fù)雜形狀和流體通道。提供這些復(fù)雜的形狀和流體通道可能是具有挑戰(zhàn)性的。例如，砂芯或其它失芯(lost core)可用在低壓工藝中，以提供期望的特征；然而，由于封裝限制上期望特征的小尺寸、失芯材料無法承受高壓處理、失芯材料被壓碎、失芯材料在處理期間移動(dòng)、產(chǎn)生的汽缸蓋不符合期望特征或者是其他方面不完整，可能出現(xiàn)一些限制。另外，對(duì)于由復(fù)合材料形成的汽缸蓋，機(jī)加工或直接模制到復(fù)合材料中的冷卻通道可能在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間不能為汽缸蓋提供充分的熱管理和冷卻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)實(shí)施例，提供了一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋。內(nèi)部結(jié)構(gòu)性金屬構(gòu)件具有第一板，所述第一板形成汽缸蓋的平臺(tái)面并形成一系列碟形汽缸頂部。所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)性金屬構(gòu)件具有從所述第一板延伸的汽缸蓋螺栓柱、通過第一支撐臂連接到所述第一板的排氣門導(dǎo)管、通過第二支撐臂連接到所述第一板的進(jìn)氣門導(dǎo)管和被構(gòu)造為安裝排氣歧管并以一定角度延伸到所述第一板的第二板。外部復(fù)合構(gòu)件由內(nèi)部結(jié)構(gòu)性金屬構(gòu)件支撐并形成汽缸蓋的主體，主體包括進(jìn)氣側(cè)壁、第一端壁和第二端壁以及與平臺(tái)面相對(duì)的頂壁。所述外部復(fù)合構(gòu)件限定有冷卻夾套、進(jìn)氣口和排氣口。冷卻夾套的流體通道由金屬壁形成，所述金屬壁與外部復(fù)合構(gòu)件的復(fù)合材料接觸并被其包圍。

根據(jù)另一實(shí)施例，一種汽缸蓋設(shè)置有內(nèi)部結(jié)構(gòu)性構(gòu)件，所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)性構(gòu)件具有板以及從板延伸的多個(gè)汽缸蓋螺栓柱，所述板形成汽缸蓋的平臺(tái)面并形成至少一個(gè)碟形汽缸頂部。外部構(gòu)件由內(nèi)部結(jié)構(gòu)性構(gòu)件支撐并形成冷卻夾套、進(jìn)氣口和排氣口。

根據(jù)又一實(shí)施例，提供一種形成用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋的方法。將結(jié)構(gòu)性嵌入件和失芯嵌入件定位在工具中。將失芯嵌入件被成形為形成冷卻夾套并具有大致封裝在金屬殼體中的失芯材料。將材料注入工具中，以形成包圍所述結(jié)構(gòu)性嵌入件和失芯嵌入件的主體，從而形成汽缸蓋預(yù)型體。

本公開的各個(gè)實(shí)施例具有關(guān)聯(lián)的非限制性的優(yōu)點(diǎn)。例如，對(duì)于至少部分地由復(fù)合材料形成的缸體，由于復(fù)合材料因其低導(dǎo)熱性而作為絕緣體，所以熱梯度熱點(diǎn)需要特殊的熱管理。與高熱源(例如復(fù)合體汽缸蓋)嵌套接觸的自足式空心鋁芯提供了對(duì)缸蓋進(jìn)行熱管理的流體夾套。冷卻劑用于將熱從發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋帶到熱交換器(例如散熱器)。流體流動(dòng)通道包含在被模制或鑄造到周圍殼體(諸如復(fù)合體包覆成型汽缸體)中的空心鋁芯中。所述流體流動(dòng)通道的外表面的表層與保持它的復(fù)合材料和/或鋁合金壓鑄件直接接觸。通道提供了熱流量管道，所述熱流量管道將多余的熱這些從要求尺寸穩(wěn)定性的區(qū)域移走，且其外表面或殼體由鋁或鋁合金材料制成，這可以有效地消散和傳導(dǎo)熱。在鹽芯上具有鋁殼體的冷卻夾套嵌入件在制造過程期間提供保護(hù)鹽芯免于破裂或以其他方式溶解的結(jié)構(gòu)。所得到的缸蓋中的冷卻劑回路或冷卻夾套具有薄壁和較小橫截面的通道。由于改進(jìn)的流動(dòng)回路構(gòu)造(其由于傳統(tǒng)的砂芯或高壓鑄造或模制工具的限制而無法利用這樣的砂芯或工具獲得)，冷卻夾套嵌入件允許精準(zhǔn)的位置控制以及對(duì)流體通道的物理形狀的控制，以優(yōu)化熱傳遞。流體通道的薄橫截面允許冷卻劑被放置為鄰近高熱流量區(qū)域(例如缸蓋中的氣門座)。結(jié)構(gòu)性嵌入件用于汽缸蓋而向汽缸蓋提供額外的強(qiáng)度(例如，當(dāng)與復(fù)合材料一起使用時(shí))，并得到具有減小的重量和增加的燃料效率的發(fā)動(dòng)機(jī)。

附圖說明

圖1示出了被構(gòu)造為實(shí)施所公開的實(shí)施例的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；

圖2示出了圖1的汽缸蓋的分解圖；

圖3示出了根據(jù)實(shí)施例的汽缸蓋的局部剖視圖；

圖4示出了圖2的汽缸蓋的另一剖視圖；

圖5示出了形成圖2的汽缸蓋的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)需要，在此公開本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施例；然而，應(yīng)理解，所公開的實(shí)施例僅是本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以以各種和替代的形式實(shí)施。附圖不一定按比例繪制；一些特征可被夸大或最小化以顯示特定部件的細(xì)節(jié)。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種方式利用本公開的代表性基礎(chǔ)。

圖1示出了內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)20的示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)20具有多個(gè)汽缸22，圖中示出了一個(gè)汽缸。發(fā)動(dòng)機(jī)20可包括以多種方式布置的多個(gè)汽缸，包括直列式構(gòu)造和V型構(gòu)造。發(fā)動(dòng)機(jī)20具有與各個(gè)汽缸22相關(guān)聯(lián)的燃燒室24。汽缸22由汽缸壁32和活塞組件34形成?；钊M件34被連接到曲軸36。燃燒室24與進(jìn)氣歧管38和排氣歧管40流體連通。進(jìn)氣門42控制從進(jìn)氣歧管38到燃燒室24的流動(dòng)。排氣門44控制從燃燒室24到排氣歧管40的流動(dòng)。進(jìn)氣門42和排氣門44可以以本領(lǐng)域已知的各種方式操作以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

燃料噴射器46將燃料從燃料系統(tǒng)直接輸送到燃燒室24中，因此發(fā)動(dòng)機(jī)為直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)20可以使用低壓或高壓燃料噴射系統(tǒng)，或者在其它示例中可使用進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)。點(diǎn)火系統(tǒng)包括火花塞48，其被控制為以火花的形式提供能量而點(diǎn)燃燃燒室24中的燃料空氣混合物。在其它實(shí)施例中，可使用其它的燃料輸送系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)或技術(shù)，包括壓縮點(diǎn)火。

發(fā)動(dòng)機(jī)20包括控制器和被配置為將信號(hào)提供給控制器用以控制輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣和燃料、點(diǎn)火正時(shí)、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率和扭矩等的各種傳感器。發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器可包括但不限于排氣歧管40中的氧傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度傳感器、加速踏板位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)歧管壓力(MAP)傳感器、用于曲軸位置的發(fā)動(dòng)機(jī)位置傳感器、進(jìn)氣歧管38中的空氣質(zhì)量傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等。

在一些實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)20被用作車輛(諸如傳統(tǒng)車輛或啟動(dòng)-停止車輛)中唯一的原動(dòng)機(jī)。在其它實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)可用于混合動(dòng)力車輛，在混合動(dòng)力車輛中，附加的原動(dòng)機(jī)(諸如電機(jī))可用于提供額外的動(dòng)力以推進(jìn)車輛。

每個(gè)汽缸22可在包括進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、點(diǎn)火沖程和排氣沖程的四沖程循環(huán)下工作。在其它示例中，發(fā)動(dòng)機(jī)可使用二沖程循環(huán)進(jìn)行工作。在進(jìn)氣沖程期間，進(jìn)氣門42打開且排氣門44關(guān)閉，同時(shí)活塞組件34從汽缸22的頂部移動(dòng)到汽缸22的底部，以將空氣從進(jìn)氣歧管引入到燃燒室24?；钊M件34在汽缸22的頂部的位置通常被稱為上止點(diǎn)(TDC)?；钊M件34在汽缸的底部的位置通常被稱為下止點(diǎn)(BDC)。

在壓縮沖程期間，進(jìn)氣門42和排氣門44關(guān)閉?；钊M件34從汽缸22的底部朝著頂部移動(dòng)以壓縮燃燒室24內(nèi)的空氣。

然后燃料被引入到燃燒室24中并被點(diǎn)燃。在示出的發(fā)動(dòng)機(jī)20中，燃料被噴射到燃燒室24中，然后使用火花塞48被點(diǎn)燃。在其它示例中，可以使用壓縮點(diǎn)火將燃料點(diǎn)燃。

在膨脹沖程期間，燃燒室24中被點(diǎn)燃的燃料空氣混合物膨脹，從而使活塞組件34從汽缸22的頂部移動(dòng)到汽缸22的底部?；钊M件34的運(yùn)動(dòng)使曲軸36產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，并使發(fā)動(dòng)機(jī)20輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩。引起膨脹沖程的燃燒過程在發(fā)動(dòng)機(jī)20上產(chǎn)生負(fù)載和力。由燃燒室24中的燃燒事件產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)上的力將力施加在活塞組件34的面部50，并且所述力的至少一部分沿連桿52向下傳遞到主軸承和曲軸36。主軸承上的力可稱為反作用力。燃燒室24內(nèi)的燃燒事件也在汽缸蓋62上產(chǎn)生力，它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋62和汽缸體60之間的附連點(diǎn)(諸如缸蓋螺栓)進(jìn)行加載。汽缸蓋和缸蓋螺栓上的力可被稱為燃燒力。

在排氣沖程期間，進(jìn)氣門42保持關(guān)閉，排氣門44打開?；钊M件34從汽缸的底部移動(dòng)到汽缸22的頂部，以通過減小燃燒室24的體積而將廢氣和燃燒產(chǎn)物從燃燒室24中排出。廢氣從燃燒室24和汽缸22流動(dòng)至排氣歧管40和后處理系統(tǒng)(諸如催化轉(zhuǎn)化器)。

對(duì)于各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)沖程，進(jìn)氣門42和排氣門44的位置和正時(shí)以及燃料噴射正時(shí)和點(diǎn)火正時(shí)可改變。

發(fā)動(dòng)機(jī)20具有汽缸體60。汽缸蓋62連接到汽缸體60并與汽缸體協(xié)作以形成汽缸22和燃燒室24。汽缸蓋62封閉燃燒室24并支撐各個(gè)氣門42、44以及進(jìn)氣系統(tǒng)38和排氣系統(tǒng)40。汽缸蓋密封墊或其他密封件可定位在汽缸體60和汽缸蓋62之間以密封燃燒室24。

汽缸蓋62具有平臺(tái)面66，當(dāng)組裝發(fā)動(dòng)機(jī)20時(shí)，所述平臺(tái)面與對(duì)應(yīng)的缸體平臺(tái)面及密封墊協(xié)作。汽缸蓋62具有碟形汽缸頂部68或與汽缸體60的汽缸壁協(xié)作的其它端壁以形成燃燒室24。汽缸頂部68為凹入，并可具有各種形狀，包括豆形、角錐形、半球形、成角度的形狀等。頂部68限定用于進(jìn)氣門42、排氣門44的氣門座。

還可在發(fā)動(dòng)機(jī)20中利用缸體60和/或汽缸蓋62中的流體通道設(shè)置流體回路70，以提供流過發(fā)動(dòng)機(jī)的諸如冷卻劑或潤滑劑的流體流動(dòng)而用于冷卻和/或潤滑。流體回路還可包括儲(chǔ)液器、泵72、一個(gè)或更多個(gè)熱交換器(諸如散熱器或車廂加熱器)、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)加熱器、閥以及其它裝置。

圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的汽缸蓋100的分解示意圖。汽缸蓋100可以用作根據(jù)示例的發(fā)動(dòng)機(jī)20的缸蓋62。如下所述，缸蓋100由多個(gè)組件或元件形成，所述組件或元件被形成在一起以提供缸蓋的結(jié)構(gòu)。雖然缸蓋100被示出為被分解，但是實(shí)際上，該結(jié)構(gòu)在形成后將無法以這種方式進(jìn)行拆卸。至少一些組件或元件可以由復(fù)合材料制成，以提供“復(fù)合體”缸蓋。復(fù)合材料可包括高達(dá)50％的碳纖維增強(qiáng)的熱固性復(fù)合樹脂，樹脂為酯樹脂或聚酯樹脂。在其他示例中，其他纖維、顆?；虿牧峡梢耘c樹脂結(jié)合使用。復(fù)合材料可以具有均勻的組合物，或可由非均勻組合物制成。汽缸蓋100被示出為用于直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，但是也可以考慮其它構(gòu)造。

在進(jìn)一步的示例中，如下所述，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋可以由鋁、鋁合金或其它金屬鑄造而成。在另一示例中，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋可由復(fù)合材料(包括纖維增強(qiáng)樹脂)以及其它合適的材料鑄造或模制而成。復(fù)合材料和相關(guān)聯(lián)的處理的其他非限制性示例包括：在真空輔助壓縮成型工藝中使用的具有碳纖維(長纖維填料)的聚酯/乙烯基酯混合熱固性樹脂(polyester/vinyl ester mixed thermal set resin)，在真空輔助壓縮成型工藝中使用的具有碳纖維(長短纖維填充混合物)的圧縮固性電荷熱固性乙烯基酯(compression set charge thermal set vinyl ester)，在注射成型工藝中使用的酚醛碳纖維填充增強(qiáng)的熱固性復(fù)合材料(phenolic carbon fiber filled reinforced thermal set composite material)，在吹塑成型工藝中使用的生物纖維填充的乙烯基酯熱固性復(fù)合材料(bio-fiber filled vinyl esters thermal set composite material)，以及在注射成型工藝中使用的玻璃填充的聚酯/尼龍復(fù)合材料(glass filled polyester/nylon composite material)。本公開不限于在此包括的復(fù)合材料和成形工藝，并且可以使用根據(jù)本公開的精神和范圍的其他材料和工藝。

缸蓋100形成為一體式最終工件，其需要最少的后處理(諸如機(jī)加工)，特別是對(duì)于流體通道或氣門導(dǎo)管而言。缸蓋100具有內(nèi)部構(gòu)件102和外部構(gòu)件150。

內(nèi)部構(gòu)件102為缸蓋100提供結(jié)構(gòu)性支撐。內(nèi)部構(gòu)件102可以由諸如鋁、鋁合金、鐵合金等的金屬制成。在一個(gè)示例中，構(gòu)件102可以是單個(gè)一體式組件。

構(gòu)件102具有板104，它提供汽缸蓋100的平臺(tái)面106的至少一部分。板104和平臺(tái)面形成一系列碟形汽缸頂部108，這在圖3和圖4中更清楚地示出。碟形汽缸頂部108為每個(gè)汽缸和燃燒室提供進(jìn)氣口和排氣口。

內(nèi)部構(gòu)件102還具有從板104延伸遠(yuǎn)離的一系列缸蓋螺栓柱110。缸蓋螺栓柱110限定缸蓋螺栓延伸穿過并與缸體協(xié)作以組裝發(fā)動(dòng)機(jī)的螺紋孔、非螺紋孔等。在本示例中，缸蓋螺栓柱110大致為圓柱形，并且沿著板104的長度并在汽缸頂部108的兩側(cè)連接到板104。在其它示例中，缸蓋螺栓柱110可以具有其它形狀，并且可以被布置為成對(duì)對(duì)稱或不對(duì)稱。

內(nèi)部構(gòu)件102還具有通過支撐臂114連接到板104的進(jìn)氣門導(dǎo)管112。進(jìn)氣門導(dǎo)管112支撐進(jìn)氣門的氣門主體并與其對(duì)齊。

內(nèi)部構(gòu)件102具有通過支撐臂118連接到板104的排氣門導(dǎo)管116。排氣門導(dǎo)管支撐排氣門的氣門主體并與其對(duì)齊，并對(duì)氣門主體進(jìn)行熱保護(hù)使其免于受高溫廢氣損壞。

板120連接到板104并形成內(nèi)部構(gòu)件102的一部分。板120具有被構(gòu)造為與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管安裝在一起的安裝面。因此，該板被定位在缸體的排氣側(cè)面，并且可形成排氣側(cè)面的至少一部分。板120形成一系列孔122，廢氣通過這些孔流動(dòng)到歧管。板120可以相對(duì)于板104成一定角度進(jìn)行連接，例如，板120可以大致垂直于板104?？裳氐谝坏走吘?24將板120連接到板104?？墒褂脴蚪訕?gòu)件128沿相對(duì)的第二上邊緣126將板120連接到其它結(jié)構(gòu)(諸如排氣門導(dǎo)管116)。在其它示例中，橋接構(gòu)件128可將板120連接到缸蓋螺栓柱110，或者可將氣門導(dǎo)管116連接到缸蓋螺栓柱110。通過使用附加的橋接構(gòu)件128結(jié)構(gòu)將排氣門導(dǎo)管116和板120連接在一起，缸蓋100的強(qiáng)度可以增加，并且由于彎曲力和力矩、扭轉(zhuǎn)力和力矩造成的變形以及熱變形可減小。

板104可形成有的孔130，其延伸穿過104以允許流體經(jīng)其流過。例如，孔130可以提供從缸體中相應(yīng)的冷卻夾套到缸蓋100中的冷卻劑流動(dòng)?？?30還可以提供返回到缸體和儲(chǔ)液器(reservoir)的潤滑通道或排油通道。

缸蓋100還具有外部構(gòu)件150。外部構(gòu)件150可由不同于內(nèi)部結(jié)構(gòu)件102的另一材料形成，在進(jìn)一步的示例中，由如上所述的復(fù)合材料形成。例如，在成型工藝中，外部構(gòu)件150形成為圍繞內(nèi)部構(gòu)件102的一體式工件。

外部構(gòu)件150形成缸蓋100的頂面152或者上面或上壁、缸蓋的進(jìn)氣側(cè)面154或進(jìn)氣側(cè)壁以及缸蓋的第一端面156和第二端面156或端壁。外部構(gòu)件150可連同內(nèi)部構(gòu)件102形成平臺(tái)面106的一部分。外部構(gòu)件150還可連同內(nèi)部構(gòu)件102的板120形成排氣側(cè)面158或排氣側(cè)壁的一部分。頂面152大致與平臺(tái)面106相對(duì)，并且可能需要用于密封發(fā)動(dòng)機(jī)的蓋或額外的構(gòu)件。

外部構(gòu)件150限定缸蓋100的進(jìn)、排氣通道及進(jìn)、排氣口。進(jìn)、排氣通道和進(jìn)、排氣口可具有由外部構(gòu)件150的材料形成的壁，使得外部構(gòu)件結(jié)構(gòu)(例如復(fù)合材料)與進(jìn)氣和/或廢氣直接接觸。在其它示例中，進(jìn)、排氣通道和進(jìn)、排氣口中的一者或兩者可具有用金屬作為內(nèi)襯的壁，使得所述金屬內(nèi)襯定位在外部構(gòu)件結(jié)構(gòu)(例如復(fù)合材料)與進(jìn)氣和/或廢氣之間。所述金屬可以是鋁或鋁合金。

外部構(gòu)件150限定各種流體夾套。外部構(gòu)件150可以提供單個(gè)內(nèi)部冷卻夾套，或可以提供上冷卻夾套和下冷卻夾套等。外部構(gòu)件150限定用于流體夾套的流體通道，并且還可以為夾套提供至少一些入口和出口。外部構(gòu)件150還可以包括用于潤滑系統(tǒng)的潤滑夾套或通道。

外部構(gòu)件150限定的冷卻夾套由流體通道形成。這些流體通道具有定位在由通道本身提供的開放空間和外部構(gòu)件150的復(fù)合結(jié)構(gòu)之間的金屬壁或金屬內(nèi)襯。所述金屬可以是鋁或鋁合金。

可在如下所述的制造工藝期間，通過一個(gè)或更多個(gè)嵌入件(包括失芯嵌入件)在外部構(gòu)件150中形成缸蓋100的通道。嵌入件170被示出為形成缸蓋100的冷卻夾套中的流體通道的嵌入件。在與工具一起使用以形成缸蓋之前而形成嵌入件170。嵌入件170包括失芯區(qū)域172。失芯172可以是鹽芯、砂芯、玻璃芯、泡沫芯或其它合適材料的失芯。殼體174包圍或封裝失芯172，使得其覆蓋失芯172的外表面的至少一部分。殼體174可以由金屬(包括鋁或鋁合金)形成。芯172大體上可被設(shè)置為流體通道的一部分或基本上所有通道的期望形狀和大小。在示出的示例中，失芯172形成缸蓋100中的冷卻夾套的冷卻通道的形狀。在其他示例中，嵌入件170和失芯172設(shè)置為形成外部構(gòu)件150的其他內(nèi)部通道(包括進(jìn)氣通道和/或排氣通道)的形狀和大小。在一個(gè)示例中，一個(gè)嵌入件170提供缸蓋100內(nèi)的冷卻夾套。在其他示例中，多個(gè)嵌入件170協(xié)作以形成缸蓋中的通道，例如進(jìn)氣通道和排氣通道。

嵌入件170可包括在鋁殼體174和板120之間提供直接接觸的多個(gè)接觸點(diǎn)、接觸表面和區(qū)域。這兩個(gè)金屬組件之間的直接接觸為由嵌入件形成的通道中的冷卻劑提供了熱傳遞路徑，并改善了發(fā)動(dòng)機(jī)組件的冷卻。嵌入件170和板120之間的接觸點(diǎn)可以位于關(guān)鍵位置，例如位于由于自燃事件熱增量導(dǎo)致的高熱流量區(qū)域中，從而可以沿這些接觸點(diǎn)或接觸區(qū)域的管道(conduit)并在其中管理傳導(dǎo)熱。例如，鋁殼體174和板可以沿板120的上表面并在燃燒室壁的區(qū)域中彼此直接接觸。所述直接接觸提供了傳導(dǎo)路徑以將熱從缸蓋傳遞走。在一個(gè)示例中，如圖4所示，所提供的直接熱傳遞、傳導(dǎo)路徑通過燃燒室上壁到達(dá)殼體174并到達(dá)流體通道內(nèi)的冷卻劑。鋁殼體174和板120之間的接觸點(diǎn)基于周圍的外部構(gòu)件150(例如復(fù)合包覆(overmolded)結(jié)構(gòu))而在組件的整個(gè)壽命期間得以保持。

缸蓋100的外部構(gòu)件150中的一些通道(例如氣體溫度較低以及腐蝕問題減少的進(jìn)氣通道)可以使用工具上的模具結(jié)構(gòu)形成，或使用失芯材料嵌入件或者使用由沒有金屬殼體的失芯材料制成的嵌入件形成。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞在汽缸內(nèi)的平移運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于汽缸內(nèi)的燃燒而施加在發(fā)動(dòng)機(jī)上的力以及它們相應(yīng)的反作用載荷或力，缸蓋螺栓和主曲軸軸承螺栓被加載。這些力可在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上引起很大的應(yīng)力和疲勞。內(nèi)部構(gòu)件102通過將缸蓋的缸蓋螺栓柱直接連接到缸體的螺栓柱而為缸蓋提供額外的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得外部構(gòu)件150的材料或復(fù)合材料不直接處于載荷路徑中。由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)朝輕量化發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋可以由替代材料(諸如鋁合金、復(fù)合材料等)制成。嵌入件102可以由不同于缸蓋的材料制成，例如鐵或鋁合金，以為缸蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)提供期望強(qiáng)度并在缸蓋內(nèi)作為用于缸蓋螺栓的主承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)其大小可用于有限的封裝空間。

圖3示出了汽缸蓋100的局部剖視圖。結(jié)構(gòu)性嵌入件102被示為具有提供平臺(tái)面106的板104。板104限定作為汽缸頂部108的碟形區(qū)域，該汽缸頂部108還限定進(jìn)氣門座或孔202和排氣門座或孔204。

外部構(gòu)件150形成流體連接到進(jìn)氣門孔202并向進(jìn)氣門孔202提供進(jìn)氣(例如空氣)的進(jìn)氣口206或通道。進(jìn)氣口206被示出為不具有失芯材料，在一個(gè)示例中，失芯材料已被從缸蓋100移除。

外部構(gòu)件150形成流體連接到排氣門孔204并從排氣門孔204接收廢氣的排氣口208或通道。排氣口208被示出為不具有失芯材料，在一個(gè)示例中，失芯材料已被從缸蓋100移除。排氣口208被示出為具有由外部結(jié)構(gòu)的材料(例如復(fù)合材料)形成的壁。在另一示例中，如下文相對(duì)于冷卻夾套描述和示出的，排氣口208可有作為內(nèi)襯的金屬壁。

冷卻夾套220通過外部構(gòu)件150形成在缸蓋100內(nèi)。冷卻夾套220通過將冷卻劑引導(dǎo)到缸蓋的各個(gè)區(qū)域的一系列互連的流體通道形成，用于缸蓋100的熱管理。冷卻夾套220由嵌入件170形成。失芯材料172被示出在外部構(gòu)件150內(nèi)，這是因?yàn)樗形丛诤蟪尚筒襟E中從缸蓋100移除。失芯材料172被薄壁式金屬殼體174包圍或封裝。薄壁式金屬殼體174的厚度可以在毫米量級(jí)。將失芯材料172從缸蓋100移除后，殼體174保留在外部構(gòu)件150中，使得殼體174作為冷卻夾套220的通道的內(nèi)襯。

殼體174被設(shè)置為夾套220中的流體與外部構(gòu)件150的材料之間的屏障。由復(fù)合材料(例如碳纖維樹脂復(fù)合材料)制成的外部構(gòu)件由于纖維而具有一定程度的孔隙率以及在模制過程中形成的任何空隙或缺陷。這樣，殼體174用作內(nèi)襯以防止泄漏液或流體流到外部構(gòu)件150中。

殼體174還用以增強(qiáng)缸蓋100和冷卻夾套220中的流體之間的熱傳遞。由復(fù)合材料(例如碳纖維樹脂復(fù)合材料)制成的外部構(gòu)件具有比金屬殼體低得多的導(dǎo)熱率。這樣，在操作期間，殼體174充當(dāng)熱管道并增強(qiáng)至流體的熱傳遞以更有力和更有效地冷卻缸蓋100。在進(jìn)一步的示例中，殼體174可在與流體接觸的內(nèi)壁或者與外部構(gòu)件150接觸的外壁上設(shè)置有各種表面特征(例如翅片、渦流或漩渦誘導(dǎo)特征、各種表面粗糙度等)，以通過增加表面積和/或產(chǎn)生期望的流動(dòng)模式來增強(qiáng)缸蓋熱傳遞。

圖4示出了沿不同的切割線截取的缸蓋100的另一剖視圖。用于進(jìn)氣門的進(jìn)氣導(dǎo)管112通過支撐臂114連接到板104和碟形汽缸頂部108，并形成結(jié)構(gòu)性嵌入件102的一部分。用于排氣門的排氣導(dǎo)管116通過支撐臂118連接到板104和碟形汽缸頂部108，并形成結(jié)構(gòu)性嵌入件102的一部分。

如圖4中可以看到，殼體174在230處與嵌入件102的至少一部分直接接觸，例如，在氣門導(dǎo)管112、116之間與汽缸頂部108接觸，以提供從燃燒室到夾套220中的冷卻劑的熱傳遞路徑。殼體174還在232處與板104的鄰近孔130的上表面直接接觸，以提供從平臺(tái)面到冷卻劑的增強(qiáng)的熱傳遞和傳導(dǎo)路徑。殼體174和嵌入件102也可基于定位和熱傳遞/冷卻要求而在缸蓋100的其它位置彼此直接接觸。

板120被示出為沿下邊緣或區(qū)域124連接到板104。板120還通過橋接構(gòu)件128連接到排氣導(dǎo)管116。橋接構(gòu)件128可以包括形成冷卻夾套220的一部分的通道，以在排氣口208的區(qū)域中冷卻缸蓋。在其它示例中，橋接構(gòu)件128可以是不具有流體通道的實(shí)心結(jié)構(gòu)。

缸蓋100被示出為從冷卻夾套220移除丟棄公模材料。在圖中可以看出，殼體174充當(dāng)用于夾套220的流體通道的內(nèi)襯或壁，并與外部構(gòu)件150的材料接觸。諸如冷卻劑的流體可流入缸蓋冷卻夾套220或從缸蓋冷卻夾套220流出并經(jīng)由板104中的孔130流到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。流體夾套220還可具有設(shè)置在缸蓋100的其他面上的其他流體入口和/或出口。

圖5示出了用于形成發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋(諸如缸蓋100)的過程或方法250。方法250的各個(gè)實(shí)施例可以包括更多或更少的步驟，并且可按示出的順序之外的其他順序來執(zhí)行所述步驟。

在步驟252處，在與工具一起使用而形成缸蓋100之前形成失芯嵌入件170。為了形成嵌入件，按期望形狀和大小形成失芯172，例如，對(duì)失芯材料進(jìn)行鑄造或模制工藝。

然后在步驟254處，在芯172周圍設(shè)置殼體174。在一個(gè)示例中，在保持芯172的完整性的同時(shí)，使用壓鑄或鑄造工藝來形成殼體174?？砂凑涨度爰?70的形狀設(shè)置模具、模子或工具。將芯172定位在模具內(nèi)，然后在芯172周圍鑄造或以其它方式形成殼體174?？梢杂傻蛪鸿T造工藝通過將熔融金屬或其它材料注入模具中而形成殼體174。熔融金屬可在2-10磅每平方英寸(psi)之間、2-5psi之間的低壓下或其他相似的低壓范圍內(nèi)的低壓下采用重力進(jìn)料的方式進(jìn)行注入。用于形成殼體174的材料可以是鋁或鋁合金，如果外部構(gòu)件150由金屬材料形成，則用于形成殼體174的材料可以是與用于壓鑄缸蓋的材料相同的金屬或金屬合金。通過在低壓下提供熔融金屬，失芯172被保持在殼體174內(nèi)。殼體174冷卻后，將嵌入件170從工具中排出。

在步驟256處，形成結(jié)構(gòu)性嵌入件102。在一個(gè)示例中，使用金屬或金屬合金通過將熔融金屬注入工具中而鑄造或以其他方式形成結(jié)構(gòu)性嵌入件102。所述工具具有各種表面以成形和限定嵌入件102的特征。在本示例中，使用高壓壓鑄工藝形成結(jié)構(gòu)性嵌入件。熔融金屬可以是鋁、鋁合金或其它合適的材料。熔融金屬在高壓(即20000psi)下被注入以形成發(fā)動(dòng)機(jī)組件。熔融金屬可以在大于或小于20000psi(例如在15000-30000psi的范圍內(nèi))的壓力下被注入，并且壓力可基于所使用的金屬或金屬合金、模腔的形狀和其他考慮因素。在另一示例中，在鑄造或鍛造工藝中由鐵、鐵合金等形成結(jié)構(gòu)性嵌入件102。

在其它示例中，嵌入件102由具有比缸蓋外部構(gòu)件150的材料更高強(qiáng)度的其它合適的材料形成。嵌入件102可以使用近凈成形鑄造工藝而鑄造，并且可以使用高壓或低壓工藝來鑄造。嵌入件形成有如上所述的表面特征和摩擦學(xué)特征，并且在進(jìn)一步的示例中，可通過機(jī)加工工藝等來提供附加的表面特征。在其它示例中，嵌入件102可以使用其它合適的制造技術(shù)形成，所述技術(shù)包括但不限于鑄造、粉末冶金技術(shù)、鍛造、機(jī)加工、壓鑄和熱處理等。嵌入件102可在被放置于工具中之前被涂覆，以改善與缸蓋100的外部構(gòu)件150的材料的結(jié)合。

在一個(gè)示例中，步驟254和256是分開完成的，失芯嵌入件170和結(jié)構(gòu)性嵌入件102作為單獨(dú)的獨(dú)立組件設(shè)置到用于形成缸蓋的工具中。在另一示例中，將失芯嵌入件170作為嵌入件或組件設(shè)置在用于形成結(jié)構(gòu)性嵌入件102的工具內(nèi)，將得到的包括失芯嵌入件170和結(jié)構(gòu)性嵌入件102二者的特征的組合嵌入件設(shè)置到用于形成缸蓋的工具中。例如，當(dāng)橋接構(gòu)件128包括冷卻夾套的通道時(shí)，這可能是合適的。

在步驟258處，將失芯嵌入件和結(jié)構(gòu)性嵌入件定位在用于形成缸蓋的工具內(nèi)，或者可替代地，將組合嵌入件定位在用于形成缸蓋的工具內(nèi)。在任一情況下，嵌入件170具有與結(jié)構(gòu)性嵌入件102的表面協(xié)作并配合的接觸點(diǎn)、接觸表面和接觸區(qū)域，所述接觸點(diǎn)、接觸表面和接觸區(qū)域提供嵌入件之間的彼此相對(duì)的定位以及組件使用期間結(jié)構(gòu)性嵌入件102和嵌入件170的殼體174之間的熱傳遞路徑的直接接觸。嵌入件可具有與工具的模具協(xié)作的各種定位特征以將嵌入件定位在工具內(nèi)并使嵌入件與工具對(duì)齊。其它附加的嵌入件(例如，用于形成進(jìn)氣通道或排氣通道、潤滑通道等的失芯嵌入件)也可設(shè)置并布置在工具內(nèi)。這些嵌入件可以由失芯材料單獨(dú)形成，或者可以具有由在此所述的金屬殼體封裝的失芯材料。

在步驟260處，通過將材料注入到用于形成缸蓋的工具中而形成缸蓋100。所述工具可以包括多個(gè)模具或滑塊，包括相協(xié)作以形成模腔的定模(cover die)和動(dòng)模(ejector die)，其中模腔的表面被成形為形成缸蓋100的各個(gè)特征。

在一個(gè)示例中，復(fù)合混合物注入工具中以圍繞嵌入件102、170形成外部構(gòu)件150并形成缸蓋100?？梢允褂弥T如注射成型等成型技術(shù)在嵌入件102、170周圍形成外部構(gòu)件150。根據(jù)用于缸蓋100的制造技術(shù)提供工具，并且該工具可以包括各種模具、模子、滑塊等。所述工具還可以包括各種嵌入件或芯以提供缸蓋的其他特征。復(fù)合材料在嵌入件170的殼體174周圍流動(dòng)，并與嵌入件170的殼體174一起形成界面和/或接合處。在成型工藝期間，缸蓋可經(jīng)由熱固工藝或用于固化復(fù)合材料的高壓釜等而自固化。成型工藝可以是注射?；驂嚎s模的工藝，注射?；驂嚎s模二者都在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行熱固。然后缸蓋100作為未完成的組件或預(yù)型體從工具移除。

在另一示例中，熔融金屬被注入工具中以圍繞嵌入件102、170形成外部構(gòu)件150并形成缸蓋100。在本示例中，所述工藝可以是對(duì)形成外部構(gòu)件150的材料的鋁或鋁合金進(jìn)行的高壓壓鑄工藝。結(jié)構(gòu)性嵌入件102可由鐵合金形成，或者可以是鋁或其它鋁合金。熔融金屬在嵌入件102、170周圍流動(dòng)，并且在嵌入件周圍形成鑄造表層。失芯嵌入件170的殼體174可以部分地熔融以與注入的金屬融合，并與外部構(gòu)件150集成為一體。鑄造表層和殼體形成缸蓋中的流體夾套220的壁。在沒有殼體174的情況下，注入的熔融金屬會(huì)瓦解失芯172。熔融金屬冷卻以形成外部構(gòu)件150與缸蓋100。然后缸蓋100作為未完成的組件或預(yù)型體從工具移除。

通過提供殼體174，失芯172保持完整，用于后續(xù)處理以形成流體夾套220中的通道。殼體174允許較小尺寸的通道，并允許使用在高壓成形工藝中不可用(這是由于失芯材料在所述高壓成形工藝中無法保持其形狀)的表面特征。例如，失芯嵌入件170可提供冷卻夾套220內(nèi)毫米級(jí)的通道或特征，通道的大小小于10mm、5mm或2mm，表面特征的清晰度(resolution)為1毫米的量級(jí)。傳統(tǒng)的失芯材料鑄造或砂型鑄造無法在高壓成型工藝下實(shí)現(xiàn)具有這些尺寸的表面特征或通道，這是因?yàn)檫@種大小的失芯材料可能被破壞。

在步驟262處，對(duì)未完成的缸蓋組件進(jìn)行后處理。如圖3所示，嵌入件170的失芯材料172保持在缸蓋100中，并且需要被移除。在一個(gè)示例中，失芯172從缸蓋移除以形成夾套220中的通道?？梢允褂眉訅毫黧w(諸如高壓水射流)移除失芯172。在其它示例中，可以使用本領(lǐng)域已知的其他技術(shù)移除失芯172?；谠趬鸿T后處理或成型后處理中移除芯的能力，在本公開中失芯172被稱為“失芯”。由于殼體174的包圍和保護(hù)，本公開中的失芯在壓鑄或成型工藝期間保持完好。

也可實(shí)施其他后處理機(jī)加工或制造步驟。例如，可銑削或機(jī)加工平臺(tái)面106。在一些實(shí)施例中，在成型或鑄造后，可通過額外的精加工或機(jī)加工來設(shè)置附加的通道或端口。另外，可對(duì)缸蓋100進(jìn)行機(jī)加工或者鉆孔和攻絲。例如，可能需要對(duì)缸蓋螺栓柱110鉆孔和/或攻絲。

在已對(duì)缸蓋100后處理后，可通過將汽缸蓋連接到缸體而組裝發(fā)動(dòng)機(jī)20，并可將發(fā)動(dòng)機(jī)20放置到車輛中。

本公開的各個(gè)實(shí)施例具有關(guān)聯(lián)的非限制性的優(yōu)點(diǎn)。例如，對(duì)于至少部分地由復(fù)合材料形成的缸體，由于復(fù)合材料因其低導(dǎo)熱性而作為絕緣體，所以熱梯度熱點(diǎn)需要特殊的熱管理。與高熱源(例如復(fù)合體汽缸蓋)嵌套接觸的自足式空心鋁芯提供了對(duì)缸蓋進(jìn)行熱管理的流體夾套。冷卻劑用于將熱從發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋帶到熱交換器(例如散熱器)。流體流動(dòng)通道包含在被模制或鑄造到周圍殼體(諸如復(fù)合體包覆成型汽缸體)中的空心鋁芯中。所述流體流動(dòng)通道的外表面的表層與保持它的復(fù)合材料和/或鋁合金壓鑄件直接接觸。通道提供了熱流量管道，所述熱流量管道將多余的熱這些從要求尺寸穩(wěn)定性的區(qū)域移走，且其外表面或殼體由鋁或鋁合金材料制成，這可以有效地消散和傳導(dǎo)熱。在鹽芯上具有鋁殼體的冷卻夾套嵌入件在制造過程期間提供保護(hù)鹽芯免于破裂或以其他方式溶解的結(jié)構(gòu)。所得到的缸蓋中的冷卻劑回路或冷卻夾套具有薄壁和較小橫截面的通道。由于改進(jìn)的流動(dòng)回路構(gòu)造(其由于傳統(tǒng)的砂芯或高壓鑄造或模制工具的限制而無法利用這樣的砂芯或工具獲得)，冷卻夾套嵌入件允許精準(zhǔn)的位置控制以及對(duì)流體通道的物理形狀的控制，以優(yōu)化熱傳遞。流體通道的薄橫截面允許冷卻劑被放置為鄰近高熱流量區(qū)域(例如缸蓋中的氣門座)。結(jié)構(gòu)性嵌入件用于汽缸蓋而向汽缸蓋提供額外的強(qiáng)度(例如，當(dāng)與復(fù)合材料一起使用時(shí))，并得到具有減小的重量和增加的燃料效率的發(fā)動(dòng)機(jī)。

雖然以上描述了示例性實(shí)施例，但并不意味著這些實(shí)施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。更確切地，說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限制性詞語，并且可以理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變。此外，各個(gè)實(shí)施的實(shí)施例的特征可以組合以形成本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例。