具有含铁加强汽缸体的轻质内燃发动机 |
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| 申请号 | CN201610262579.8 | 申请日 | 2016-04-25 | 公开(公告)号 | CN106401780A | 公开(公告)日 | 2017-02-15 |
| 申请人 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司; | 发明人 | L.马戈; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的 实施例 提供一种内燃 发动机 (125)的汽缸体和第二材料制造的插入件(500)，所述第二材料具有比第一材料更大的刚性和更低的 热膨胀 系数且就地 铸造 到汽缸体(120)中，其中插入件(500)包括：用于汽缸体(120)的每一个汽缸(125)的栓接锚 固件 (502)，所述栓接锚固件具有适于被 汽缸盖 螺钉(131)接合以将汽缸盖(130)固定到汽缸体(120)的第一 螺纹 孔(503)和适于被帽螺钉(601)接合以用于将主 轴承 帽(600)固定到汽缸体(120)的第二 螺纹孔 (504)，和润滑通道(510)，连接到多个锚固件(502)。(110)，其包括第一材料制造的具有多个汽缸 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种内燃发动机(110)，包括第一材料制造的具有多个汽缸(125)的汽缸体(120)和第二材料制造的插入件(500)，所述第二材料具有比第一材料更大的刚性和更低的热膨胀系数且就地铸造到汽缸体(120)中，其中插入件(500)包括： |
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| 说明书全文 | 具有含铁加强汽缸体的轻质内燃发动机技术领域背景技术[0003] 已知的，铝或铝合金铸造的汽缸体具有的主要优点是，它们与含铁材料相比重量轻，因此提供在内燃发动机中获得高功率/重量比的可能性，而同时它们不如含铁材料那样强且也不能承受发动机运行时遇到的应力。 [0004] 尽管轻质金属制造的汽缸体用于具有中低功率的内燃发动机，其中通过燃烧而在汽缸体的汽缸中产生的气体压力通常不超过180-200bar的超过，但是对于高功率内燃发动机它们尤其承受应力，其中通过燃烧产生的气体压力超过200bar。 [0005] 具体说，经历尤其高应力的内燃发动机的两部分是：汽缸体和汽缸盖之间的连接部，所述汽缸盖与活塞协作以限定燃烧室；和支撑曲轴轴承的汽缸体的下部部分和支撑所述轴承的下部部分的相关轴承帽之间的连接部，所述轴承在汽缸体的下部部分处栓接在汽缸体上。 [0006] 为了改善汽缸体的刚性，已知的是汽缸体包括轻质金属且包括加强插入件，例如插入模制的含铁骨架，其用更重和更刚性的金属制造，例如用铸铁。 [0007] 然而，加强骨架形成阻隔件，用于在通常限定在构成汽缸体的轻质金属中限定的润滑通道和要被润滑的轴承之间连接，这会造成制造轴承润滑回路的结构很复杂且困难。 [0008] 本发明的实施例的目的由此是提供内燃发动机，具体是通过更重和更刚性的材料制造的插入件加强的轻质材料制造的汽缸体，能高效、简单且容易地制造轴承润滑回路的结构。 发明内容[0010] 本发明的实施例提供一种内燃发动机，其包括第一材料制造的具有多个汽缸的汽缸体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刚性和更低的热膨胀系数且就地铸造到汽缸体中，其中插入件包括： [0012] 润滑通道，连接到多个锚固件。 [0013] 由于该方案，润滑回路和加强骨架两者构成模制插入件，其用更重且更刚性的材料制造，其是通过同一铸造过程在汽缸体汇总就地铸造的单体部件。因此，所述插入件能高效、简单且容易地制造轴承润滑回路的结构，其不需要特别的机加工过程，但是可以直接通过单次铸造来制造。而且，轴承润滑回路(例如润滑通道)可以更刚性且更能抵抗压力应力，降低通道的内部变形，由此允许润滑剂消耗方面的优点和减少二氧化碳(CO2)的排放，而没有轻质汽缸体总重量的显著降低。 [0014] 根据一实施例，插入件可以包括用于每一个汽缸的上弓形梁，其与主轴承帽一起限定环形主轴承支撑部。 [0015] 根据本发明的该方面，-上弓形梁提供热膨胀控制且承受来自轴承帽螺钉的载荷，该螺钉经过每一个轴承帽且直接螺纹旋拧到插入件的每一个相应第二螺纹孔中，由此增加刚性，使得重量最小化，且限制热失配。具体说，主轴承帽通常用与插入件同样的更刚性且更重的材料制造，上弓形梁和下主轴承帽可以具有相同热膨胀系数，降低环形主轴承支撑部的热变形和失配。 [0016] 根据本发明的一实施例，插入件可以包括用于每一个汽缸的润滑剂流道，所述润滑剂流道将润滑通道连接到主轴承。 [0017] 本发明的该方面提供简单且实用的方案，以设计润滑回路结构，用于轴承的润滑和制造润滑回路，限制了润滑回路和汽缸体制造中的成本。而且，轴承润滑回路的润滑通道也通过同样的构成插入件的单体部件制造，其就地铸造在汽缸体中且包括润滑通道，润滑通道可以更刚性且更能抵抗压力应力，减少通道的内部变形，且由此允许润滑剂消耗方面的优点和减少二氧化碳(CO2)的排放物，而没有轻质汽缸体总重量的显著降低。 [0018] 根据进一步实施例，润滑剂流道可以从润滑通道延伸到上弓形梁。 [0019] 以此方式，润滑剂流道结构可以简单且实用，而不需要特定的机加工工作并允许轴承的高效润滑。 [0020] 根据本发明的一方面，插入件可以包括用于每一个汽缸的两个栓接锚固件，其每一个设置到上弓形梁的相应端部。 [0021] 以此方式，通过轴承帽螺钉和汽缸盖螺钉造成的夹持载荷可以有效地分布在插入件上，所述插入件限定发动机缸体的刚性骨架。 [0022] 根据进一步实施例，插入件可以加强支板，所述加强支板将每一个锚固件连接到上弓形梁的相应端部。 [0023] 以此方式，出于如上所述的相同原因，其允许插入件上更高效的载荷分配和环形主轴承支撑部的更高效热膨胀控制。 [0024] 再次，根据进一步实施例，每一个润滑剂流道可以经过加强支板中之一。 [0025] 本发明的该方面提供了简单、紧凑且实用的方案，以设计润滑回路结构并用于制造其润滑剂通道。 [0026] 根据本发明的一方面，锚固件的第一孔和第二孔可以没有轴向对准。 [0027] 由于该方案，可以基于机械和载荷承受方面的需求，实现分别在汽缸盖和轴承帽中汽缸盖螺钉和轴承帽螺钉布置的更大设计自由度。 [0028] 出于如上所述的相同原因，替换地或额外地，锚固件的第一孔和第二孔可以轴向对准。 [0029] 根据本发明的一方面，锚固件可以包括多个第一和/或第二孔。 [0030] 具体说，可以研究并调整锚固件设计，以用于满足具体内燃发动机结构所需的每种载荷和螺钉紧固情况。 [0031] 根据本发明的一方面，锚固件可以具有细长形状，其具有平行于汽缸的纵向轴线的纵向轴线，第一孔和第二孔分别位于锚固件的上自由端部和下自由端部纵向轴线。 [0032] 由于该方案，螺钉载荷可以沿锚固件分布，确保更大的刚性和高效载荷承受和平衡性。 [0033] 根据本发明一方面，第一材料可以包括铝或就是铝和/或第二材料可以包括含铁金属或就是含铁金属。 [0034] 由于这些方案，内燃发动机设计可以具有高载荷承受能力，同时允许重量最小化。 [0036] 参考附图通过例子描述各种实施例，其中: [0037] 图1显示了汽车系统； [0038] 图2是属于图1的汽车系统的内燃发动机的横截面； [0039] 图3是内燃发动机的示意性三向视图； [0040] 图4是图3的内燃发动机的截面图； [0041] 图5是图3的内燃发动机的就地铸造到汽缸体中的插入件的示意性三向视图； [0042] 图6是沿图4的平面VI-VI的插入件截面图。 具体实施方式[0043] 一些实施例可以包括汽车系统100，如图1和2所示，其包括内燃发动机(ICE)110，所述内燃发动机具有汽缸体120，所述汽缸体限定至少一个汽缸125，所述至少一个汽缸具有联接为让曲轴145旋转的活塞140。汽缸盖130与活塞140协作以限定燃烧室150。 [0044] 燃料和空气混合物(未示出)设置在燃烧室150中且被点燃，形成的热膨胀排出气体造成活塞140的往复运动。通过至少一个燃料喷射器160提供燃料，且通过至少一个进入口210提供空气。从与高压燃料泵180流体连通的燃料分配管170以高压向燃料喷射器160提供燃料，所述高压燃料泵增加从燃料源190接收的燃料压力。 [0045] 汽缸125每一个具有至少两个阀215，所述阀通过凸轮轴135促动，所述凸轮轴与曲轴145实时地旋转。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150且交替地允许排出气体通过端口220离开。在一些例子中，凸轮相位器155可以选择性地改变凸轮轴135和曲轴145之间的正时。 [0046] 空气可以通过进气歧管200分配到空气进气口(一个或多个)210。空气进气管道205可以从周围环境将空气提供到进气歧管200。在其他实施例中，可以设置节流阀330，以将空气流调节到进气歧管200。在其他实施例中，可以提供例如涡轮增压器230(具有压缩机 240，其旋转地联接到涡轮机250)这样的强制空气系统。压缩机240的旋转增加管道205和进气歧管200中空气的压力和温度。设置在管道205中的内部冷却器260可以降低空气的温度。 [0047] 通过从排气歧管225接收排出气体，涡轮机250旋转，所述排气歧管从排气口220引导排出气体且在通过涡轮机250膨胀之前经过一系列叶片。排气离开涡轮机250且被引导到排气后处理系统270。该例子显示了可变几何涡轮机(VGT)250，具有VGT促动器255，其布置为让叶片运动，以改变通过涡轮机250的排气的流动。 [0048] 排气后处理系统270可以包括排气管线275，所述排气管线具有一个或多个排气后处理装置280。排气后处理装置280可以是配置为改变排气成分的任何装置。排气后处理装置280的一些例子包括但不限于催化转换器(两向和三向)、氧化催化器、贫NOx捕获器、碳氢化合物吸收器、选择性催化还原(SCR)系统和颗粒过滤器。其他实施例可以包括联接在排气歧管225和进气歧管200之间的排气循环(EGR)管道300。EGR管道300可以包括EGR冷却器310，以降低EGR管道300中的排气温度。EGR阀320调节EGR管道300中的排气流动。 [0049] 汽车系统100可以进一步包括与相关于ICE110的一个或多个传感器450和/或装置通信的电子控制单元(ECU)450。ECU 450可以从各种传感器接收输入信号，所述传感器配置为产生与相关于ICE 110的各种物理参数成比例的信号。传感器包括但不限于空气流量、压力、温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却剂和油温液位传感器380、燃料分配管压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲柄位置传感器420、排气压力和温度传感器430、EGR温度传感器440和加速踏板位置传感器445。 [0050] 进而，ECU 450(其可以包括与存储器系统和接口总线通信的数字中央处理单元(CPU 460))可以产生到各种控制装置的输出信号，所述控制装置布置为控制ICE 110的运行，包括但不限于燃料喷射器160160、节流阀330、EGR阀320、VGT促动器290、废气门促动器(waste gate actuator)252和凸轮相位器155。应注意，虚线用于表示ECU 450和各种传感器和装置之间的通信，但是为了清楚，其中的一些被省略。 [0051] 如图3-6所示，汽缸体120包括多个汽缸125(在该例子中汽缸数量为四个)，所述汽缸优选相对于与曲轴145平行的方向对准。汽缸体120包括例如铝或铝基质复合合金这样的第一金属材料和插入模制到汽缸体120的曲轴-汽缸区域121中的插入件500。插入件500包括例如铸铁或钢或金属合金这样的第二金属材料，其具有比第一金属更大的刚性和更低的热膨胀系数。 [0052] 汽缸体120通常包括多个发动机汽缸部分，其每一个在其中形成有汽缸125，所述汽缸通过汽缸体120的顶部表面打开，汽缸盖130的顶部表面被紧固到汽缸体的顶部表面。 [0053] 汽缸盖130通过多个汽缸盖螺钉131固定到汽缸体120，具体是每个汽缸有至少四个汽缸盖螺钉131，所述汽缸盖螺钉每一个安装在安装通孔132中，所述安装通孔设置在汽缸盖130中且垂直地对准设置于汽缸体120中的相应安装孔122。 [0054] 多个主轴承隔板(bulkhead)123(在该例子中数量为五个)整体地连接到汽缸部分，且设置为相对于汽缸体120垂直且彼此平行。主轴承隔板123用作分隔壁，其将汽缸体120分为用于包括相应汽缸125的相应汽缸部分的多个腔室。每一个主轴承隔板123的下部部分包括轴承座区域124，用于支撑曲轴145。 [0055] 插入件500形成为整体的部件并就地铸造(cast-in-place)在汽缸体120的轴承座区域124附近，其中轻质的汽缸体材料(例如铝)铸造在加强插入件500。 [0057] 特别地，入口框架501每一个包括至少一个细长锚固件502，所述锚固件布置为使其纵向轴线B平行于汽缸125的纵向轴线A。在在例子中，锚固件502每一个从轴承座区域124垂直地延伸到汽缸体120的安装孔122中之一的下端。入口框架501每一个包括所述相同锚固件502中的彼此平行且间隔开的两个锚固件。 [0058] 锚固件502每一个在顶部包括第一螺纹孔503，所述第一螺纹孔适于被用于将汽缸盖130固定到汽缸体120的汽缸盖螺钉131中之一接合。 [0059] 具体说，第一螺纹孔503每一个轴向向下延伸到汽缸体120的相应安装孔122。 [0060] 锚固件502每一个包括中在底部包括一个或多个第二螺纹孔504，例如平行于第一螺纹孔503。 [0061] 在附图所示的例子中，第二螺纹孔504未对准第一螺纹孔503，且例如，对于每一个锚固件502有位于距曲轴145不同距离的两个第二螺纹孔504。 [0062] 第二螺纹孔504每一个适于被帽螺钉601接合，用于将主轴承帽600固定到汽缸体120。 [0063] 如图所示，ICE 110包括多个主轴承帽600，具体数量等于主轴承隔板123，所述主轴承帽600每一个通过一个或多个帽螺钉601栓接到插入件500的锚固件502中之一。 [0064] 入口框架501每一个进一步包括上弓形梁505，其同轴就地铸造到主轴承隔板123的轴承座区域124中。 [0065] 锚固件502每一个(具体是其下部部分)刚性固定到上弓形梁505的端部506。 [0066] 主轴承帽600每一个通过插入件500的每一个入口框架501的上弓形梁505限定相应曲轴支撑环602。所有对准的曲轴支撑环602限定与曲轴145的旋转轴线同轴对准的曲轴孔。曲轴支撑环602每一个配置为保持主轴承603，用于沿曲轴孔可旋转地支撑曲轴145。主轴承帽600每一个包括与构成发动机缸体120的第一金属相比具有更高刚性和更低热膨胀系数的例如铸铁或钢或金属合金这样的金属材料，且独立于与汽缸体120的任何直接连接而被支撑在插入件500的相应入口框架501上，以降低热失配应力(thermal mismatch stresse)和曲轴孔变形。 [0067] 整体的插入件500进一步包括连接入口框架501每一个(具体是每一个锚固件502)的润滑通道510，其布置在汽缸125的相同侧且沿平行于曲轴145的方向对准。优选地，润滑通道510从插置在其顶部和底部之间的锚固件502的中心区域相对于汽缸125向外分支。在附图所示的例子中，锚固件502的下部部分包括从锚固件502的支撑支架，且润滑通道510位于支撑支架上。 [0068] 润滑通道510具有管状形状，例如直线形的，且布置为平行于曲轴145。优选地，润滑通道510在相反端部擦打开且具有圆形横截面的内部空腔。而且润滑通道510就地铸造到汽缸体120的曲轴-汽缸区域121的汽缸区域(其与轴承座区域124叠置)中。 [0069] 润滑通道510与发动机润滑剂循环泵(未示出)流体连通，所述循环泵从发动机润滑剂槽(未示出)向每一个主轴承603输送润滑剂，如下文更详细描述的。 [0070] 每一个入口框架501具有从润滑通道510延伸到上弓形梁505的至少一个润滑剂流道511。 [0071] 具体说，每一个润滑剂流道511具有打开到润滑通道510的内部空腔中的入口和与被入口框架501支撑的主轴承603的外部周边区域连通的出口。 [0072] 例如，润滑剂流道511每一个基本上是直线的且相对于曲轴145基本上沿径向方向延伸。 [0074] 每一个入口框架501的润滑剂流道511经过加强支板507，所述加强凸耳将上弓形梁505连接到固定于润滑通道510的锚固件502。 [0075] 入口框架501的加强支板507的尺寸设置方式可以是包括润滑剂流道511的支板507的质量基本上等于同一入口框架501的另一支板507的质量。 [0076] 如图所示，铸铁插入件500可以定位在汽缸体120的汽缸区域和轴承座区域124中，具体地，插入件500可以置于用于铸造汽缸体120的模具中，且熔化的灌入插入件500周围，其方式是一旦固化则构成汽缸体120。 [0077] 尽管至少一个示例性实施例已经在前述发明内容和具体实施方式中进行了描述，但是应理解存在许多变化例。还应理解，一个或多个示例性实施例仅是例子，且目的不是以任何方式限制范围、适用性或构造。相反，前面的摘要和详细描述为本领域技术人员提供了实施至少一个示例性实施例的便捷方式，应理解，以对示例性实施例中所述的元件的功能和布置做出各种改变，而不脱离权利要求及其等效方式限定的范围。 [0078] 附图标记 [0079] 100 汽车系统 [0080] 110 内燃发动机 [0081] 120 汽缸体 [0082] 121 曲轴-汽缸区域 [0083] 122 安装孔 [0084] 123 主轴承隔板 [0085] 124 轴承座区域 [0086] 125 汽缸 [0087] A 汽缸的纵向轴线 [0088] 130 汽缸盖 [0089] 131 汽缸盖螺钉 [0090] 132 安装通孔 [0091] 135 凸轮轴 [0092] 140 活塞 [0093] 145 曲轴 [0094] 150 燃烧室 [0095] 155 凸轮相位器 [0096] 160 燃料喷射器 [0097] 165 燃料喷射系统 [0098] 170 燃料分配管 [0099] 180 燃料泵 [0100] 190 燃料源 [0101] 200 进气歧管 [0102] 205 空气进气管道 [0103] 206 压力传感器 [0104] 210 进入口 [0105] 215 阀 [0106] 220 端口 [0107] 225 排气歧管 [0109] 240 压缩机 [0110] 245 涡轮增压器轴 [0111] 250 涡轮机 [0112] 255 VGT促动器 [0113] 260 内部冷却器 [0114] 270 排气后处理系统 [0115] 275 排气管线 [0116] 280 排气后处理装置 [0117] 300 排气循环管道 [0118] 310 EGR冷却器 [0119] 320 EGR阀 [0120] 330 节流阀 [0121] 340 空气流量、压力、温度 [0122] 350 歧管压力和温度传感器 [0123] 360 燃烧压力传感器 [0124] 380 冷却剂温度和液位传感器 [0125] 385 润滑油温和液位传感器 [0126] 390 金属温度传感器 [0127] 400 燃料分配管数字压力传感器 [0128] 410 凸轮位置传感器 [0129] 420 曲柄位置传感器 [0130] 430 排气压力和温度传感器 [0131] 440 EGR温度传感器 [0132] 445 加速器位置传感器 [0133] 446 加速器踏板 [0134] 450 ECU/控制器 [0135] 460 中心处理单元 [0136] 500 插入件 [0137] 501 入口框架 [0138] 502 锚固件 [0139] B 锚固件的纵向轴线 [0140] 503 第一螺纹孔 [0141] 504 第二螺纹孔 [0142] 505 上弓形梁 [0143] 506 上弓形梁的端部 [0144] 507 加强支板 [0145] 510 润滑通道 [0146] 511 润滑剂流道 [0147] 600 主轴承帽 [0148] 601 帽螺钉 [0149] 602 曲轴支撑环 [0150] 603 主轴承 |
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