CN100570143C - 抗穴蚀柴油机汽缸套 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有表面纹理的柴油机湿式汽缸套，以防止气穴现象引起的腐蚀作用。该表面纹理可形成为用于柴油机冷却液流道内的汽缸套外表面的磷酸锰涂层。该磷酸锰以这种方式应用：平均颗粒尺寸为2-8μm的结晶结构、本质上短而结实，刻面清晰，没有菜花头形的结构，形成包围晶体的可辨别通道网络。该结晶结构与液体冷却液内的自然粘着力和表面张力一起作用，以在汽缸套的外表面产生停滞液体层。该停滞液体层像自愈装甲板一样作用。当汽缸套的迅速挠曲产生气穴气泡时，这些气泡由所述停滞液体层支持，远离外表面。当这些气泡破裂，其动能在停滞液体层中耗尽，而非直接在汽缸套的外表面上耗尽。磷酸锰涂层对稳固水分子或发动机冷却液起密封装置作用，因此改进了停滞液体层的构成。

Description

抗穴蚀柴油机汽缸套

相关申请参考

本申请要求申请号为60/609,906，申请日为2004年9月14日的美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及燃烧室与往复式活塞结合型柴油机的汽缸套，特别是涉及一种经表面处理的柴油机汽缸套，以克服由气穴现象引起的腐蚀带来的破坏作用。

背景技术

大多数重型柴油机具有湿式汽缸套，允许冷却液在汽缸套外侧循环以有效散热。这些湿式汽缸套易受破坏其机理已知为穴蚀的影响。

气穴是沿汽缸套外壁形成的局部低压区域。这是由于柴油机点火装置中的高汽缸压力产生汽缸壁挠曲导致的。燃烧期间汽缸壁快速膨胀而后复原。由于汽缸压力增加，汽缸壁的膨胀随着能量增加的需要而更明显。在微观层面上，向内的汽缸壁运动导致与汽缸壁邻近的冷却液内产生低压区域。当该压力区域降至冷却液气压点以下时，气泡形成。当该低压区域恢复至高压区域时，气泡破裂导致内爆，从而使汽缸壁凹陷。如果不予制止，该凹陷会危及汽缸套的完整性。

一种已知技术试图防止或减少气穴现象及其导致的凹陷，包括配制含添加剂的特殊冷却液。广义上讲，这些添加剂分为两种类型：基于硼酸盐或硝酸盐的添加剂和有机化合物(羧酸或脂肪酸)配制成的添加剂。前者按降低冷却液表面张力的原理工作，以降低气泡内达到的最大压力并为“软”内爆作准备。由有机化合物配制的冷却液溶液也降低表面张力，并额外在汽缸套的外表面涂敷一层化合物保护层，这些化合物由冷却液的化学组成不断更新。

这种特别配制的冷却液，在控制由气穴现象引起的腐蚀时是适度有效的，但其价格昂贵，不易获得。例如，若维护技师没有现成准备好的具有这些特殊添加剂的冷却液，方便起见很可能采用任何冷却液和/或水。

因此，需要一种改进的方法以控制气穴现象引起的腐蚀，而不依赖昂贵、特别配制的冷却液。

另一种保护湿式汽缸套避免气穴现象引起腐蚀的方法根据电镀或者其他强化汽缸套外表面的原理工作，以能够更好地抵挡破裂气泡的侵害。例如，过去已经采用的镍和镍铬电镀。其他表面处理和安装封套的技术也曾被建议用于汽缸套抵挡气穴腐蚀。这些已有技术增加了汽缸套制造成本及复杂性。在许多情况下，大大增加了汽缸套的重量，或带来了一些其他负作用。因此，需要可选的技术方案以解决气穴现象引起腐蚀的问题，且不显著增加柴油机检修的成本。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种液体冷却内燃机的汽缸套，包括管状体，具有大致呈圆柱状的缸镗，该缸镗适于容置往复式活塞并形成将燃烧过程的热能转化为机械能的燃烧室的一部分。该汽缸套包括上末端和下末端。一外表面大致包围所述管状体并在其上、下末端之间延伸。至少部分该外表面适于与液体冷却介质直接接触将热能从所述汽缸套传递进液体冷却介质。至少部分所述外表面包括基本上由平均宽度为2-8μm的短而结实的颗粒组成的表面纹理，每一所述颗粒由通道网络刻面并包围。表面纹理有效地产生有效附于所述汽缸套外表面的薄液体停滞(stagnant)层。这种薄冷却液停滞层作为完整的、可更新的屏蔽，从破裂的气泡吸收内爆能量，而后快速愈合。

根据本发明的第二方面，一种内燃机的液体冷却汽缸模块，包括具有冷却液流道的曲轴箱。汽缸套设于所述曲轴箱内，具有大致呈管状的管状体，该管状体限定在其上、下末端之间延伸的缸镗。所述汽缸套的管状体包括至少部分暴露于所述冷却液流道的外表面，以将热能从所述汽缸套传递至在所述冷却液流道内流动的液体冷却介质。至少部分暴露于所述冷却液流道的所述外表面包括基本上由平均宽度为2-8μm的短而结实的颗粒组成的表面纹理，每一所述颗粒由通道网络刻面并包围，所述通道网络能够产生附于所述汽缸套外表面的薄停滞液体层。

粘着力和表面张力影响冷却介质的特性，特别是那些本质上有极性、相互结合并起毛细管作用的介质。因此，产生停滞层后，气穴现象产生的气泡由该停滞层支持，远离汽缸套的外表面。而且，破裂空穴带来的碰撞射流会有较长的路径移动，并必须克服停滞液体层形成的粘滞膜。因此，停滞层形成屏蔽，以迅速耗尽破裂气泡带来的强动能。

本发明新颖表面纹理为各种无论是普通组成还是特殊组成的液体冷却介质提供对气穴现象引起的腐蚀的保护。该新型表面纹理易于用普通材料和方法制成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的特征及优点，以下结合附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是内设有曲轴箱和湿式汽缸套的内燃机液体冷却汽缸模块的简化剖视图；

图2是图1中区域2的放大图，以放大的形式，展示了由于外壁挠曲，汽缸套外表面上所产生的气穴气泡的结构；

图3是根据本发明的汽缸套的立体图；

图4是放大约1000倍的新颖表面纹理外观的显微照片示意图；

图5是根据本发明的汽缸套和表面纹理具有气穴气泡部分的放大的部分剖视图，该气穴气泡由停滞液体层支持且与外表面间隔一定距离；以及

图6是本发明一可选实施例的立体图，展示用激光束处理过的汽缸套的部分外表面。

具体实施例

参照附图，其中相似参考数字指代这几副图中相似或相应部分。内燃机液体冷却汽缸模块10如图1所示，主要由曲轴箱12构成。该曲轴箱12典型地由铁或铝铸造而成。曲轴箱12包括适于容纳顶部垫圈(图未示)的顶面14。汽缸套16安装于曲轴箱12中，使得全部组配时，往复式活塞(图未示)能够在大体呈圆柱状的缸镗18内滑动并形成燃烧室的一部分。在该燃烧室中燃烧过程的热能转化为机械能。汽缸套16和曲轴箱12之间特意保留的空间形成冷却液流道20，液体冷却介质通过该流道20循环，以达到消除该汽缸套16的热能的目的。汽缸套16由一管状体形成，该管状体具有与顶面14连接的上末端22和开口朝向旋转安装于曲轴箱12的曲柄轴(图未示)的下末端24。汽缸套16包括上、下端固定于曲轴箱12的外表面26，在这些固定点之间，外表面26暴露于冷却液流道20，以通过在冷却液流道20内循环的流动液体冷却介质进行对流热传递。

在正常发动机运行过程中，特别是在高负载情况下，汽缸套的非支撑部分，也就是，管状体暴露于冷却液流道20的部分，在缸镗18内部的压力波动(fluxuations)下产生挠曲。如图2所示，在放大形式下，该挠曲导致外表面26邻接的液体冷却液通过低和高压区域循环。当低压阶段降低至液体冷却液的气压点以下时，气泡形成，并很快在管状体膨胀时破裂。这种状况以极高的频率发生，并引起非常高的温度，导致金属底层的凹陷。气穴现象引起的凹陷最终能够穿透汽缸套的厚度。

为保护汽缸套16的外表面26，在整个外表面26或至少在外表面上最易发生气穴现象引起的腐蚀的部分形成表面纹理28。通常，外表面26的中心部分最易发生气穴现象引起的腐蚀，因为该处由于缸镗18内的压力波动，经历最大的位移。在图3中，整个外表面26如图所示，由表面纹理28覆盖。

如高倍放大的图4所示，表面纹理28本质上由短而结实的颗粒构成，该颗粒的平均宽度和通常距离为2-8μm。每一晶状颗粒被刻面并由通道网络包围而给定外观，观察紧密排列的颗粒集合放大1000倍的扫描电子显微图片，每一颗粒具有几个平面，平均颗粒尺寸为2-8μm。颗粒的分布通常是随意的，但其紧密排列导致相邻颗粒之间的平均最大距离小于8μm。就是说，由相邻成群的结晶颗粒之间的凹谷形成的通道网络的平均最大宽度小于8μm。

具有纹理的表面28对于刻意形成地粘附于外表面26的非常薄的停滞液体层是有效的。具有代表性的是，根据该冷却介质的构成及粘性，该停滞冷却液体层任何部分的厚度可为2-20μm。以10^-6为数量级，粘着力强有力地将液体物质约束于表面，特别是如果该液体物质本质上是有极性的，如同水。同样以10^-6为数量级，表面张力作用将变得非常明显。因此粘着力和表面张力作用也被表面纹理28平衡，并相互结合起到毛细管作用。因此，气穴气泡由该停滞层支持，远离汽缸套16的外表面26。而且，内爆气穴的碰撞射流将有较长的路径移动，并必须克服停滞液体层形成的粘滞膜。该屏蔽效应迅速耗尽破裂气泡带来的强动能。如果破裂气泡突破了该停滞层，则在产生新气穴气泡所需循环时间内快速愈合并再生。平均颗粒尺寸(宽度和间距)为2-8μm、具有紧密间距的特定区域，能使液体冷却介质内的粘着力和表面张力作用结合并起毛细管作用，以在外表面26建立停滞液体层。

表面纹理28也可通过任何商用技术形成于汽缸套16的外表面26上。例如，可采用化学或激光蚀刻技术形成表面纹理28，也可以采用机械磨削、冲压、碾轧或喷砂技术。然而，优选地，表面纹理28由与汽缸套16材料不同的材料制成的涂层30形成。因此，当汽缸套16由钢或铸铁(或其他)材料制成时，涂层30可为不同材料。该涂层材料可包括适于加工为曲径式密封装置的磷酸锰成份，该密封装置稳固水分子(或发动机冷却液)并因此改进停滞液体层的构成。例如，基于磷酸锰的涂层材料可包括红磷锰矿，通常描述为Mn₅H₂(PO₄)₄-4H₂O。该红磷锰矿是较为稀少的矿石，发生用氢氧化物或OH根替换正常磷酸盐离子根中的四个氧之一的化学反应。

在根据磷酸锰涂层技术形成表面纹理28的过程中，将采用已知的金属加工工业的特殊分支标准作法来准备汽缸套16的外表面26。然而，下面将介绍对这种标准作法的改进。汽缸套16首先经历酸洗阶段，该酸液由体积浓度为12-15％、最高温度为38℃的硫磺酸组成。当该酸洗仅为优选途径时，也可采用其他酸。此外，晶粒细化阶段用于在0.3-0.8盎司/加仑范围内集中。磷酸锰浴应该具有不少于6.5的全酸/自由酸比率，最大含铁量为0.3％。采用热(例如，50-70℃)油密封阶段，优选采用体积浓度为10-15％的水溶油在自存储期间保护汽缸套16。

如果通过电子显微镜放大1000倍进行扫描分析，合成涂层30会呈现出由尺寸为2-8μm的晶体(颗粒)和围绕该晶体也就是颗粒的可辨别通道网络组成的均匀结构，其中晶体本质上短而结实，刻面清晰、没有“菜花头”-类似结构。因为这里描述的磷酸锰涂层已在工业中应用了较长时间，已被证明非常耐用，可再生。其次，磷酸锰涂层处理是多种金属加工方法中一种非常廉价、环保的方法。

图6描述了用于制造汽缸套16’的一种可选方法。该汽缸套16’的外表面26’被增强，以更好地抵挡以气穴现象引起的腐蚀的侵害。根据该实施例，外表面26’的有限区域再熔化/冷却由激光束32’实现。在此，工业激光器34’穿透非反射外表面26’，并因此发生高度可控的熔化/冷却，即由于金属基层地特点，而起散热片和迅速冷却的作用并作为冷铸结构。冷硬表面由基层材料的转换硬化产生，且高度耐磨、抗疲劳。这种再熔化/冷却金属表面在高赫兹压力下良好工作，正好是在气穴状况下腐蚀典型的汽缸套的基本机构。典型的该冷硬层的径向厚度为20-200μm，并产生于汽缸套16’外表面26’倾向于发生气穴现象的区域原来位置。完全可以以这样一种方法调整激光器34’，使其产生经处理的补片36’，代替外表面26’的全部覆盖。

优选地，激光器34’为CO₂或ND:YAG或二极管类型的激光器。操作过程中，在汽缸套16’上贴一适合的、标了刻度的夹具(图未示)，该夹具设立对至少旋转该汽缸套16’的限定性条件，并优选说明该汽缸套16’。激光器34’照射外表面26’并产生熔化池以快速凝固起散热片作用的基层。冷硬结构由此产生。同时，夹具产生的旋转和短时动作相结合，以产生再熔化带，该再熔化带包围倾向于发生气穴现象的区域，作为连续或压花区域36’。

很明显，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改。可以理解，除上述特定实施例外，本发明可在其权利要求范围内实施。

Claims (10)

1、一种液体冷却内燃机的汽缸套，包括：

管状体，具有呈圆柱状的缸镗，该缸镗适于容置往复式活塞并形成将燃烧过程的热能转化为机械能的燃烧室的一部分；

上末端；

下末端；

外表面，包围所述管状体并在上、下末端之间延伸，至少部分该外表面适于与液体冷却介质直接接触而将热能从所述汽缸套传递进液体冷却介质；以及

至少部分所述外表面包括由平均宽度为2-8μm的短而结实的颗粒组成的表面纹理，每一所述颗粒由通道网络刻面并包围。

2、根据权利要求1所述的汽缸套，其特征在于所述管状体由第一材料组成，所述表面纹理包括由不同于所述第一材料的第二材料组成的涂层。

3、根据权利要求2所述的汽缸套，其特征在于所述涂层包括磷酸锰。

4、根据权利要求3所述的汽缸套，其特征在于所述涂层由Mn₅H₂(PO₄)₄-4H₂O组成。

5、根据权利要求1所述的汽缸套，其特征在于相邻所述颗粒之间的最大距离小于8μm。

6、一种内燃机的液体冷却汽缸模块，包括：

具有冷却液流道的曲轴箱；

设于所述曲轴箱内的汽缸套，该汽缸套具有管状体，该管状体限定在其上、下末端之间延伸的缸镗；

所述汽缸套的管状体包括至少部分暴露于所述冷却液流道的外表面，以将热能从所述汽缸套传递至在所述冷却液流道内流动的液体冷却介质；以及

至少部分暴露于所述冷却液流道的所述外表面，包括由平均宽度为2-8μm的晶粒组成的表面纹理，每一所述晶粒由通道网络刻面并包围。

7、根据权利要求6所述的汽缸模块，其特征在于所述管状体由第一材料组成，所述表面纹理包括由不同于所述第一材料的第二材料组成的涂层。

8、根据权利要求7所述的汽缸模块，其特征在于所述涂层包括磷酸锰。

9、根据权利要求8所述的汽缸模块，其特征在于所述涂层由Mn₅H₂(PO₄)₄-4H₂O组成。

10、根据权利要求6所述的汽缸模块，其特征在于相邻所述晶粒之间的最大距离小于8μm。

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