[发明专利]内燃发动机、曲轴及制造内燃发动机中空曲轴的方法

说明书

相关申请

本申请要求在2011年9月5日提交的欧洲专利申请号No.11179988.8的优先权，其全部内容为所有目的通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及带有至少一个汽缸和中空形式的曲轴的内燃发动机。本公开还涉及制造这种内燃发动机的曲轴的方法。

背景技术

鉴于作为用来获得运行内燃发动机的燃料的原料的矿物油储藏的有限性，人们一直致力于通过结构措施来降低内燃发动机的重量，进而最小化燃料的消耗。将曲轴设计为中空的曲轴是一种降低重量的有效措施，

对于内燃发动机的每个汽缸，曲轴具有曲拐并且具有至少两个轴部分，这两个轴部分被设置从而沿曲轴的纵向轴线彼此间隔开并且用于安装轴。每个曲拐包括彼此间隔的两个曲柄板并且通过连杆轴颈彼此连接。

内燃发动机的每个汽缸具有可轴向移动的活塞，该活塞在汽缸筒中被引导，并且它与汽缸筒和汽缸盖一起限定了汽缸的燃烧空间。活塞用来将燃烧产生的气体力传递至曲轴。在此情况下，活塞的振动往复移动被转换为曲轴的旋转运动。为此目的，活塞通过活塞销以铰接的方式被连接至连杆，连杆被进一步可移动地安装到曲轴曲拐的连杆轴颈上。包括活塞、活塞销和连杆的曲轴还被称为曲柄机构。

安装在曲轴箱中的曲轴吸收连杆力，该连杆力由燃料在燃烧空间中燃烧得到的气体力和由发动机零件的不均衡移动的惯性力组成。

曲轴由扭力带动下进入扭转振动，所述扭力随时间而改变并且经由连杆被引入曲轴。这些扭转振动同时导致由于固载噪声的辐射引起的噪声和由于固载噪声引入本体和内燃发动机的噪声。

还因为消费者的认知，在他们购买车辆时越来越根据内燃发动机和车辆产生的噪声并且甚至是决定性地根据这种噪声，所以振动在机动车辆和内燃发动机的设计和执行上是越来越重要。

曲轴的扭转振动经由曲轴驱动机构被传递至凸轮轴，凸轮轴本身还包括振动系统并且还能够激励其他系统特别是气门机构振动。此外，曲轴的振动还被引入传动系，经此它们还被传递至车辆的轮胎。

如果曲轴在特征频率范围内被激励，则可出现高的扭转振动幅值，这甚至会导致疲劳断裂。这说明振动不仅与噪声设计相关，甚至还需考虑曲轴的强度。

因为由惯性力和气体力施加在曲轴上的高动态负载，所以设计工程师在设计内燃发动机中致力于尽可能全面实施惯性平衡，也就是说优化惯性平衡。在此情况中，术语“惯性平衡”包括补偿或降低惯性力向外作用的所有措施。在这个范围上，惯性平衡不仅指代惯性力还指代由惯性力引起的力矩。

在此方面，一种解决方法是设法以实现尽可能的优化惯性平衡的方式协调曲轴的曲拐、汽缸的个数和布置以及点火次序。

六缸直列发动机能够以此方式被完全平衡。在三缸直列发动机中，一阶惯性力和二阶惯性力通过合适曲拐的选择和合适的点火次序同样能够被完全平衡，但是，由惯性力引起的力矩不能被平衡。

例如在以上描述的六缸直列发动机中，完全的惯性平衡也不是总能实现，并且因此需要采取其他措施，例如，在曲轴上设置配重和/或在内燃发动机上安装至少一个平衡轴。

曲轴机构的质量，即连杆、活塞、活塞销和活塞环的各个质量能够被转化为振动等效质量和旋转等效质量。旋转等效质量的惯性力能够具有通过在曲轴上设置配重的简单方式平衡的它的外部作用件。

由振动等效质量导致的旋转惯性力的平衡更加复杂。该旋转惯性力能够通过设置反向旋转平衡轴而被平衡，所述平衡轴提供有对应重物。

即便是当旋转惯性力被完全平衡时，惯性力矩也可产生，因为每个气缸的惯性力作用在汽缸的中平面（mid-plane）。在个案中，这些力矩能通过装有重物的平衡轴被进一步补偿。

惯性平衡的提供不仅增加了需要的空间和成本，还增大了燃料消耗。一方面，增大的燃料消耗由显著增大整体重量的额外的重物导致。另一方面，惯性平衡还对内燃发动机的摩擦作用有可观的贡献。

通过以上描述清晰的是：降低曲柄机构的质量是有利的，曲轴作为其中质量最重的部件具有节省重量的最大潜力。使用中空曲轴导致降低质量的曲柄机构并且结果导致用于需要惯性平衡的配重的降低。在本公开的背景下，曲轴被指明为中空曲轴，其中至少一个轴部分或至少一个连杆轴颈是中空形式，也就是说不是由实心材料而是由包括腔体的替代材料制造。在这种情况下，用于向曲轴轴承或连杆轴承供给油的供给管路不是以上意义的腔体，因为这些执行节约材料之外的功能。