本發(fā)明涉及內燃發(fā)動機,具有例如鋁或鋁合金這樣輕質材料制造的汽缸體的內燃發(fā)動機。
具體說,本發(fā)明涉及內燃發(fā)動機,其具有所述輕質材料制造的汽缸體,其包括更重或更剛性的材料(例如含鐵材料,例如鑄鐵或鋼)制造的加強插入件。
背景技術:
已知的,鋁或鋁合金鑄造的汽缸體具有的主要優(yōu)點是,它們與含鐵材料相比重量輕,因此提供在內燃發(fā)動機中獲得高功率/重量比的可能性,而同時它們不如含鐵材料那樣強且也不能承受發(fā)動機運行時遇到的應力。
盡管輕質金屬制造的汽缸體用于具有中低功率的內燃發(fā)動機,其中通過燃燒而在汽缸體的汽缸中產生的氣體壓力通常不超過180-200bar的超過,但是對于高功率內燃發(fā)動機它們尤其承受應力,其中通過燃燒產生的氣體壓力超過200bar。
具體說,經歷尤其高應力的內燃發(fā)動機的兩部分是:汽缸體和汽缸蓋之間的連接部,所述汽缸蓋與活塞協作以限定燃燒室;和支撐曲軸軸承的汽缸體的下部部分和支撐所述軸承的下部部分的相關軸承帽之間的連接部,所述軸承在汽缸體的下部部分處栓接在汽缸體上。
為了改善汽缸體的剛性,已知的是汽缸體包括輕質金屬且包括加強插入件,例如插入模制的含鐵骨架,其用更重和更剛性的金屬制造,例如用鑄鐵。
然而,加強骨架形成阻隔件,用于在通常限定在構成汽缸體的輕質金屬中限定的潤滑通道和要被潤滑的軸承之間連接,這會造成制造軸承潤滑回路的結構很復雜且困難。
本發(fā)明的實施例的目的由此是提供內燃發(fā)動機,具體是通過更重和更剛性的材料制造的插入件加強的輕質材料制造的汽缸體,能高效、簡單且容易地制造軸承潤滑回路的結構。
這些和其他目標通過本發(fā)明實施例實現,其具有在獨立權利要求中所述的特征。從屬權利要求限定了優(yōu)選和/或尤其有利的方面。
技術實現要素:
本發(fā)明的實施例提供一種內燃發(fā)動機,其包括第一材料制造的具有多個汽缸的汽缸體和第二材料制造的插入件,所述第二材料具有比第一材料更大的剛性和更低的熱膨脹系數且就地鑄造到汽缸體中,其中插入件包括:
用于汽缸體的每一個汽缸的栓接錨固件,所述栓接錨固件具有適于被汽缸蓋螺釘接合以將汽缸蓋固定到汽缸體的第一螺紋孔和適于被帽螺釘接合以用于將主軸承帽固定到汽缸體的第二螺紋孔,和
潤滑通道,連接到多個錨固件。
由于該方案,潤滑回路和加強骨架兩者構成模制插入件,其用更重且更剛性的材料制造,其是通過同一鑄造過程在汽缸體匯總就地鑄造的單體部件。因此,所述插入件能高效、簡單且容易地制造軸承潤滑回路的結構,其不需要特別的機加工過程,但是可以直接通過單次鑄造來制造。而且,軸承潤滑回路(例如潤滑通道)可以更剛性且更能抵抗壓力應力,降低通道的內部變形,由此允許潤滑劑消耗方面的優(yōu)點和減少二氧化碳(CO2)的排放,而沒有輕質汽缸體總重量的顯著降低。
根據一實施例,插入件可以包括用于每一個汽缸的上弓形梁,其與主軸承帽一起限定環(huán)形主軸承支撐部。
根據本發(fā)明的該方面,-上弓形梁提供熱膨脹控制且承受來自軸承帽螺釘的載荷,該螺釘經過每一個軸承帽且直接螺紋旋擰到插入件的每一個相應第二螺紋孔中,由此增加剛性,使得重量最小化,且限制熱失配。具體說,主軸承帽通常用與插入件同樣的更剛性且更重的材料制造,上弓形梁和下主軸承帽可以具有相同熱膨脹系數,降低環(huán)形主軸承支撐部的熱變形和失配。
根據本發(fā)明的一實施例,插入件可以包括用于每一個汽缸的潤滑劑流道,所述潤滑劑流道將潤滑通道連接到主軸承。
本發(fā)明的該方面提供簡單且實用的方案,以設計潤滑回路結構,用于軸承的潤滑和制造潤滑回路,限制了潤滑回路和汽缸體制造中的成本。而且,軸承潤滑回路的潤滑通道也通過同樣的構成插入件的單體部件制造,其就地鑄造在汽缸體中且包括潤滑通道,潤滑通道可以更剛性且更能抵抗壓力應力,減少通道的內部變形,且由此允許潤滑劑消耗方面的優(yōu)點和減少二氧化碳(CO2)的排放物,而沒有輕質汽缸體總重量的顯著降低。
根據進一步實施例,潤滑劑流道可以從潤滑通道延伸到上弓形梁。
以此方式,潤滑劑流道結構可以簡單且實用,而不需要特定的機加工工作并允許軸承的高效潤滑。
根據本發(fā)明的一方面,插入件可以包括用于每一個汽缸的兩個栓接錨固件,其每一個設置到上弓形梁的相應端部。
以此方式,通過軸承帽螺釘和汽缸蓋螺釘造成的夾持載荷可以有效地分布在插入件上,所述插入件限定發(fā)動機缸體的剛性骨架。
根據進一步實施例,插入件可以加強支板,所述加強支板將每一個錨固件連接到上弓形梁的相應端部。
以此方式,出于如上所述的相同原因,其允許插入件上更高效的載荷分配和環(huán)形主軸承支撐部的更高效熱膨脹控制。
再次,根據進一步實施例,每一個潤滑劑流道可以經過加強支板中之一。
本發(fā)明的該方面提供了簡單、緊湊且實用的方案,以設計潤滑回路結構并用于制造其潤滑劑通道。
根據本發(fā)明的一方面,錨固件的第一孔和第二孔可以沒有軸向對準。
由于該方案,可以基于機械和載荷承受方面的需求,實現分別在汽缸蓋和軸承帽中汽缸蓋螺釘和軸承帽螺釘布置的更大設計自由度。
出于如上所述的相同原因,替換地或額外地,錨固件的第一孔和第二孔可以軸向對準。
根據本發(fā)明的一方面,錨固件可以包括多個第一和/或第二孔。
具體說,可以研究并調整錨固件設計,以用于滿足具體內燃發(fā)動機結構所需的每種載荷和螺釘緊固情況。
根據本發(fā)明的一方面,錨固件可以具有細長形狀,其具有平行于汽缸的縱向軸線的縱向軸線,第一孔和第二孔分別位于錨固件的上自由端部和下自由端部縱向軸線。
由于該方案,螺釘載荷可以沿錨固件分布,確保更大的剛性和高效載荷承受和平衡性。
根據本發(fā)明一方面,第一材料可以包括鋁或就是鋁和/或第二材料可以包括含鐵金屬或就是含鐵金屬。
由于這些方案,內燃發(fā)動機設計可以具有高載荷承受能力,同時允許重量最小化。
本發(fā)明的進一步實施例提供一種汽車系統(tǒng),具體是載客轎車,包括如上所述的內燃發(fā)動機。
附圖說明
參考附圖通過例子描述各種實施例,其中:
圖1顯示了汽車系統(tǒng);
圖2是屬于圖1的汽車系統(tǒng)的內燃發(fā)動機的橫截面;
圖3是內燃發(fā)動機的示意性三向視圖;
圖4是圖3的內燃發(fā)動機的截面圖;
圖5是圖3的內燃發(fā)動機的就地鑄造到汽缸體中的插入件的示意性三向視圖;
圖6是沿圖4的平面VI-VI的插入件截面圖。
具體實施方式
一些實施例可以包括汽車系統(tǒng)100,如圖1和2所示,其包括內燃發(fā)動機(ICE)110,所述內燃發(fā)動機具有汽缸體120,所述汽缸體限定至少一個汽缸125,所述至少一個汽缸具有聯接為讓曲軸145旋轉的活塞140。汽缸蓋130與活塞140協作以限定燃燒室150。
燃料和空氣混合物(未示出)設置在燃燒室150中且被點燃,形成的熱膨脹排出氣體造成活塞140的往復運動。通過至少一個燃料噴射器160提供燃料,且通過至少一個進入口210提供空氣。從與高壓燃料泵180流體連通的燃料分配管170以高壓向燃料噴射器160提供燃料,所述高壓燃料泵增加從燃料源190接收的燃料壓力。
汽缸125每一個具有至少兩個閥215,所述閥通過凸輪軸135促動,所述凸輪軸與曲軸145實時地旋轉。閥215選擇性地允許空氣從端口210進入燃燒室150且交替地允許排出氣體通過端口220離開。在一些例子中,凸輪相位器155可以選擇性地改變凸輪軸135和曲軸145之間的正時。
空氣可以通過進氣歧管200分配到空氣進氣口(一個或多個)210??諝膺M氣管道205可以從周圍環(huán)境將空氣提供到進氣歧管200。在其他實施例中,可以設置節(jié)流閥330,以將空氣流調節(jié)到進氣歧管200。在其他實施例中,可以提供例如渦輪增壓器230(具有壓縮機240,其旋轉地聯接到渦輪機250)這樣的強制空氣系統(tǒng)。壓縮機240的旋轉增加管道205和進氣歧管200中空氣的壓力和溫度。設置在管道205中的內部冷卻器260可以降低空氣的溫度。
通過從排氣歧管225接收排出氣體,渦輪機250旋轉,所述排氣歧管從排氣口220引導排出氣體且在通過渦輪機250膨脹之前經過一系列葉片。排氣離開渦輪機250且被引導到排氣后處理系統(tǒng)270。該例子顯示了可變幾何渦輪機(VGT)250,具有VGT促動器255,其布置為讓葉片運動,以改變通過渦輪機250的排氣的流動。
排氣后處理系統(tǒng)270可以包括排氣管線275,所述排氣管線具有一個或多個排氣后處理裝置280。排氣后處理裝置280可以是配置為改變排氣成分的任何裝置。排氣后處理裝置280的一些例子包括但不限于催化轉換器(兩向和三向)、氧化催化器、貧NOx捕獲器、碳氫化合物吸收器、選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)和顆粒過濾器。其他實施例可以包括聯接在排氣歧管225和進氣歧管200之間的排氣循環(huán)(EGR)管道300。EGR管道300可以包括EGR冷卻器310,以降低EGR管道300中的排氣溫度。EGR閥320調節(jié)EGR管道300中的排氣流動。
汽車系統(tǒng)100可以進一步包括與相關于ICE110的一個或多個傳感器450和/或裝置通信的電子控制單元(ECU)450。ECU 450可以從各種傳感器接收輸入信號,所述傳感器配置為產生與相關于ICE 110的各種物理參數成比例的信號。傳感器包括但不限于空氣流量、壓力、溫度傳感器340、歧管壓力和溫度傳感器350、燃燒壓力傳感器360、冷卻劑和油溫液位傳感器380、燃料分配管壓力傳感器400、凸輪位置傳感器410、曲柄位置傳感器420、排氣壓力和溫度傳感器430、EGR溫度傳感器440和加速踏板位置傳感器445。
進而,ECU 450(其可以包括與存儲器系統(tǒng)和接口總線通信的數字中央處理單元(CPU 460))可以產生到各種控制裝置的輸出信號,所述控制裝置布置為控制ICE 110的運行,包括但不限于燃料噴射器160160、節(jié)流閥330、EGR閥320、VGT促動器290、廢氣門促動器(waste gate actuator)252和凸輪相位器155。應注意,虛線用于表示ECU 450和各種傳感器和裝置之間的通信,但是為了清楚,其中的一些被省略。
如圖3-6所示,汽缸體120包括多個汽缸125(在該例子中汽缸數量為四個),所述汽缸優(yōu)選相對于與曲軸145平行的方向對準。汽缸體120包括例如鋁或鋁基質復合合金這樣的第一金屬材料和插入模制到汽缸體120的曲軸-汽缸區(qū)域121中的插入件500。插入件500包括例如鑄鐵或鋼或金屬合金這樣的第二金屬材料,其具有比第一金屬更大的剛性和更低的熱膨脹系數。
汽缸體120通常包括多個發(fā)動機汽缸部分,其每一個在其中形成有汽缸125,所述汽缸通過汽缸體120的頂部表面打開,汽缸蓋130的頂部表面被緊固到汽缸體的頂部表面。
汽缸蓋130通過多個汽缸蓋螺釘131固定到汽缸體120,具體是每個汽缸有至少四個汽缸蓋螺釘131,所述汽缸蓋螺釘每一個安裝在安裝通孔132中,所述安裝通孔設置在汽缸蓋130中且垂直地對準設置于汽缸體120中的相應安裝孔122。
多個主軸承隔板(bulkhead)123(在該例子中數量為五個)整體地連接到汽缸部分,且設置為相對于汽缸體120垂直且彼此平行。主軸承隔板123用作分隔壁,其將汽缸體120分為用于包括相應汽缸125的相應汽缸部分的多個腔室。每一個主軸承隔板123的下部部分包括軸承座區(qū)域124,用于支撐曲軸145。
插入件500形成為整體的部件并就地鑄造(cast-in-place)在汽缸體120的軸承座區(qū)域124附近,其中輕質的汽缸體材料(例如鋁)鑄造在加強插入件500。
插入件500包括多個入口框架501,例如至少一個入口框架用于每一個汽缸125,優(yōu)選是每個汽缸兩個,且更具體入口框架501每一個就地鑄造到汽缸體120的每一個主軸承隔板123中。
特別地,入口框架501每一個包括至少一個細長錨固件502,所述錨固件布置為使其縱向軸線B平行于汽缸125的縱向軸線A。在在例子中,錨固件502每一個從軸承座區(qū)域124垂直地延伸到汽缸體120的安裝孔122中之一的下端。入口框架501每一個包括所述相同錨固件502中的彼此平行且間隔開的兩個錨固件。
錨固件502每一個在頂部包括第一螺紋孔503,所述第一螺紋孔適于被用于將汽缸蓋130固定到汽缸體120的汽缸蓋螺釘131中之一接合。
具體說,第一螺紋孔503每一個軸向向下延伸到汽缸體120的相應安裝孔122。
錨固件502每一個包括中在底部包括一個或多個第二螺紋孔504,例如平行于第一螺紋孔503。
在附圖所示的例子中,第二螺紋孔504未對準第一螺紋孔503,且例如,對于每一個錨固件502有位于距曲軸145不同距離的兩個第二螺紋孔504。
第二螺紋孔504每一個適于被帽螺釘601接合,用于將主軸承帽600固定到汽缸體120。
如圖所示,ICE 110包括多個主軸承帽600,具體數量等于主軸承隔板123,所述主軸承帽600每一個通過一個或多個帽螺釘601栓接到插入件500的錨固件502中之一。
入口框架501每一個進一步包括上弓形梁505,其同軸就地鑄造到主軸承隔板123的軸承座區(qū)域124中。
錨固件502每一個(具體是其下部部分)剛性固定到上弓形梁505的端部506。
主軸承帽600每一個通過插入件500的每一個入口框架501的上弓形梁505限定相應曲軸支撐環(huán)602。所有對準的曲軸支撐環(huán)602限定與曲軸145的旋轉軸線同軸對準的曲軸孔。曲軸支撐環(huán)602每一個配置為保持主軸承603,用于沿曲軸孔可旋轉地支撐曲軸145。主軸承帽600每一個包括與構成發(fā)動機缸體120的第一金屬相比具有更高剛性和更低熱膨脹系數的例如鑄鐵或鋼或金屬合金這樣的金屬材料,且獨立于與汽缸體120的任何直接連接而被支撐在插入件500的相應入口框架501上,以降低熱失配應力(thermal mismatch stresse)和曲軸孔變形。
整體的插入件500進一步包括連接入口框架501每一個(具體是每一個錨固件502)的潤滑通道510,其布置在汽缸125的相同側且沿平行于曲軸145的方向對準。優(yōu)選地,潤滑通道510從插置在其頂部和底部之間的錨固件502的中心區(qū)域相對于汽缸125向外分支。在附圖所示的例子中,錨固件502的下部部分包括從錨固件502的支撐支架,且潤滑通道510位于支撐支架上。
潤滑通道510具有管狀形狀,例如直線形的,且布置為平行于曲軸145。優(yōu)選地,潤滑通道510在相反端部擦打開且具有圓形橫截面的內部空腔。而且潤滑通道510就地鑄造到汽缸體120的曲軸-汽缸區(qū)域121的汽缸區(qū)域(其與軸承座區(qū)域124疊置)中。
潤滑通道510與發(fā)動機潤滑劑循環(huán)泵(未示出)流體連通,所述循環(huán)泵從發(fā)動機潤滑劑槽(未示出)向每一個主軸承603輸送潤滑劑,如下文更詳細描述的。
每一個入口框架501具有從潤滑通道510延伸到上弓形梁505的至少一個潤滑劑流道511。
具體說,每一個潤滑劑流道511具有打開到潤滑通道510的內部空腔中的入口和與被入口框架501支撐的主軸承603的外部周邊區(qū)域連通的出口。
例如,潤滑劑流道511每一個基本上是直線的且相對于曲軸145基本上沿徑向方向延伸。
入口框架501的每一個錨固件502具有加強凸耳507,其具有大致三角形的形狀,其將錨固件502連接到上弓形梁505的相應端部506。
每一個入口框架501的潤滑劑流道511經過加強支板507,所述加強凸耳將上弓形梁505連接到固定于潤滑通道510的錨固件502。
入口框架501的加強支板507的尺寸設置方式可以是包括潤滑劑流道511的支板507的質量基本上等于同一入口框架501的另一支板507的質量。
如圖所示,鑄鐵插入件500可以定位在汽缸體120的汽缸區(qū)域和軸承座區(qū)域124中,具體地,插入件500可以置于用于鑄造汽缸體120的模具中,且熔化的灌入插入件500周圍,其方式是一旦固化則構成汽缸體120。
盡管至少一個示例性實施例已經在前述發(fā)明內容和具體實施方式中進行了描述,但是應理解存在許多變化例。還應理解,一個或多個示例性實施例僅是例子,且目的不是以任何方式限制范圍、適用性或構造。相反,前面的摘要和詳細描述為本領域技術人員提供了實施至少一個示例性實施例的便捷方式,應理解,以對示例性實施例中所述的元件的功能和布置做出各種改變,而不脫離權利要求及其等效方式限定的范圍。
附圖標記
100 汽車系統(tǒng)
110 內燃發(fā)動機
120 汽缸體
121 曲軸-汽缸區(qū)域
122 安裝孔
123 主軸承隔板
124 軸承座區(qū)域
125 汽缸
A 汽缸的縱向軸線
130 汽缸蓋
131 汽缸蓋螺釘
132 安裝通孔
135 凸輪軸
140 活塞
145 曲軸
150 燃燒室
155 凸輪相位器
160 燃料噴射器
165 燃料噴射系統(tǒng)
170 燃料分配管
180 燃料泵
190 燃料源
200 進氣歧管
205 空氣進氣管道
206 壓力傳感器
210 進入口
215 閥
220 端口
225 排氣歧管
230 渦輪增壓器
240 壓縮機
245 渦輪增壓器軸
250 渦輪機
255 VGT促動器
260 內部冷卻器
270 排氣后處理系統(tǒng)
275 排氣管線
280 排氣后處理裝置
300 排氣循環(huán)管道
310 EGR冷卻器
320 EGR閥
330 節(jié)流閥
340 空氣流量、壓力、溫度
350 歧管壓力和溫度傳感器
360 燃燒壓力傳感器
380 冷卻劑溫度和液位傳感器
385 潤滑油溫和液位傳感器
390 金屬溫度傳感器
400 燃料分配管數字壓力傳感器
410 凸輪位置傳感器
420 曲柄位置傳感器
430 排氣壓力和溫度傳感器
440 EGR溫度傳感器
445 加速器位置傳感器
446 加速器踏板
450 ECU/控制器
460 中心處理單元
500 插入件
501 入口框架
502 錨固件
B 錨固件的縱向軸線
503 第一螺紋孔
504 第二螺紋孔
505 上弓形梁
506 上弓形梁的端部
507 加強支板
510 潤滑通道
511 潤滑劑流道
600 主軸承帽
601 帽螺釘
602 曲軸支撐環(huán)
603 主軸承