CN102155323A - 一种复合预应力陶瓷内衬缸套及其制造方法 - Google Patents

一种复合预应力陶瓷内衬缸套及其制造方法 Download PDF

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张萍辉
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Abstract

本发明公开了一种复合预应力陶瓷内衬缸套及其制造方法，该缸套包括金属外套和陶瓷内衬，及其通过加热装配方法将陶瓷内衬套装于金属外套内，冷却后金属外套对陶瓷内衬产生压应力，提高了陶瓷的机械强度使之能够用于制作缸套；其中，金属外套的内径和陶瓷内衬的外径相等，且金属外套内径的加工误差为负误差，陶瓷内衬外径的加工误差为正误差。本发明提供一种复合预应力陶瓷内衬缸套，使用时在缸套外部无需使用冷却水系统进行冷却，降低了缸套的散热损失、提高了气缸燃烧室的温度，使得燃料的燃烧更迅速、更完全，增加了内燃机的热机效率；本发明提供的复合预应力陶瓷内衬缸套的制造方法简单、对加工精度要求较高，通过现代数控加工技术能够实现。

Description

一种复合预应力陶瓷内衬缸套及其制造方法
技术领域
本发明涉及内燃机缸套，尤其涉及一种复合预应力陶瓷内衬缸套及其制造方法。
背景技术
目前内燃机缸套都是用金属材料制作，为了防止内燃机工作时缸套温度过高而影响缸套的使用强度，在缸套体外部都设有水冷却系统，以保证内燃机在不太高的温度下正常工作。由于水冷却系统吸热散热作用会消耗掉部分热能，使得气缸内燃烧室的温度降低，在某些情况下使燃烧室内的燃料燃烧得不迅速、不完全，降低了内燃机的热机效率，有时甚至还会产生燃烧不完全的有害气体，污染环境。
针对上述情况，有资料提出利用陶瓷材料的耐高温特性制造免水冷却的陶瓷内燃机缸套，但由于陶瓷材料的脆性易碎，使其不具备基本的装配、使用強度，因而在缸套的制作和使用上都存在困难。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复合预应力陶瓷内衬缸套，能够减少内燃机水冷却的范围，提高气缸内燃烧室的温度，使燃料燃烧迅速、完全，以提高内燃机的热机效率；同时，本发明还提供了一种简单、能够实现的复合预应力陶瓷内衬缸套的制造方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种复合预应力陶瓷内衬缸套，包括金属外套和陶瓷内衬，陶瓷内衬套装在金属外套内；其中，金属外套的内径和陶瓷内衬的外径相等，且金属外套的内径加工误差为负误差，陶瓷内衬的外径加工误差为正误差。
由于金属外套与陶瓷内衬在装配方法上的设计，使得装配完成后，金属外套对陶瓷内衬产生一定的压应力，提高了陶瓷内衬的抗张强度，可以适应气缸内燃料迅速燃烧时所产生的巨大压力而不破碎。所述陶瓷内衬能够承受更高的燃烧温度，其向外层传递的热量也更少，使得整个缸套可以不采用水冷却系统进行冷却，能够避免气缸燃烧室的温度的降低，使燃料燃烧得更迅速、更完全，有效提高内燃机的热机效率。
所述金属外套的内径加工误差与陶瓷内衬的外径加工误差的绝对值之和，优选在金属外套300℃～500℃时的膨胀量范围内或相当：如若绝对值之和过大，会使得复合装配的难度增大，或产生的预应力过大导致陶瓷内衬破碎；如若绝对值之和过小，会使得复合后的预应力不足够大，影响整个缸套的使用强度。
所述陶瓷内衬的壁厚优选在0.5cm～1.0cm范围内，而金属外套的壁厚通常应该大于常规的金属缸套的厚度，这是由于预应力的存在，对金属外套的强度要求增加。
所述陶瓷内衬的材料为氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化硅陶瓷等陶瓷中的一种。
所述的复合预应力陶瓷内衬缸套的制造方法，具体包括如下步骤：
1)分别制造金属外套和陶瓷内衬，金属外套的内径和陶瓷内衬的外径相等，且金属外套的内径加工误差为负误差，陶瓷内衬的外径加工误差为正误差；
2)加热金属外套，使其产生热膨胀；
3)将陶瓷内衬套装在热膨胀后的金属外套内；
4)将套装了陶瓷内衬的金属外套冷却至室温，由于金属外套冷却收缩对陶瓷内衬施加了一定的压应力，形成复合预应力陶瓷内衬缸套。
在步骤2)中，一般将金属外套加热至300℃～500℃，使其产生热膨胀。
在步骤4)为，优选通过自然冷却方法，缓慢冷却金属外套。
硬度大耐高温的陶瓷材料不能用于制造内燃机的高温部件，很重要的原因就是陶瓷材料性脆易碎強度小，不能承受燃料迅速燃烧所产生的強大冲击力。陶瓷材料的抗张強度和抗压强度极不平衡，一般抗张強度只有抗压强度十分之一到几十分之一，而陶瓷材料的抗张強度过小直接导至了陶瓷材料的易碎性，因而通过提高陶瓷材料的抗张強度就能提高陶瓷的机械強度。本发明利用预应力的方法，将陶瓷内衬的抗张強度提高300％～500％，使其能够满足缸套内的強度要求；另外，由于缸套的结构完整，气缸内燃料燃烧所产生的膨胀压力是均匀分布的，不会在局部产生过大的应力集中而导至陶瓷内衬破碎。
从热传递的角度看，陶瓷材料是热的不良导体，其导热系数远小于金属，气缸内通过陶瓷内衬向外传递的热量相对于金属就较少；而金属是热的优良导体，陶瓷内衬传递给金属外套的热量能迅速由内向外传递并迅速传向各金属部件而自然冷却，因而缸套外部无须再用冷却水冷却，机器整体不会因此而升温过高。
气缸内燃料燃烧的热量通过缸套向外散热的减少，使得燃烧室内的温度相应提高；同时，由于缸套向外散热的减少在气缸中只是局部，因而只能使燃烧室内的温度提高100℃～300℃，不会对机器的其它部件产生大的影响。
有益效果：本发明提供的一种复合预应力陶瓷内衬缸套，使用时在缸套外部无需使用冷却水系统进行冷却，降低了缸套的散热损失、提高了气缸燃烧室的温度，使得燃料的燃烧更迅速、更完全，增加了内燃机的热机效率；与同类机型相比，缸套的散热损失能减少10％～20％，气缸燃烧室温度能提高100℃～300℃，热机效率能提高5％～8％，尤其对短程间歇式使用的内燃机，其节能效果更加明显。本发明提供的复合预应力陶瓷内衬缸套的制造方法简单、对加工精度要求较高，通过现代数控加工技术能够实现。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种复合预应力陶瓷内衬缸套，包括金属外套1和陶瓷内衬2，陶瓷内衬2套装在金属外套1内；其中，金属外套1的内径和陶瓷内衬2的外径相等，且金属外套1的内径加工误差为负误差，陶瓷内衬2的外径加工误差为正误差；所述金属外套1的壁厚大于常规的金属缸套的厚度；所述陶瓷内衬2的壁厚为0.5cm～1.0cm，材料为氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化硅陶瓷等陶瓷中的一种。
制造上述复合预应力陶瓷内衬缸套具体包括如下步骤：
1)精密加工金属外套1和陶瓷内衬2，其中，金属外套1的内径和陶瓷内衬2的外径相等，金属外套1的内径加工误差为负误差，陶瓷内衬2的外径加工误差为正误差，且金属外套1的内径加工误差与陶瓷内衬2的外径加工误差的绝对值之和，与金属外套1在300℃～500℃时的膨胀量相当；
2)加热金属外套1至300℃～500℃，使其产生热膨胀；
3)将陶瓷内衬2套装在热膨胀后的金属外套1内；
4)通过自然冷却方法，将套装了陶瓷内衬2的金属外套1缓慢冷却至室温，金属外套1在冷却过程中，由于体积收缩而对陶瓷内衬2施加了一个均匀的压应力，形成复合预应力陶瓷内衬缸套。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种复合预应力陶瓷内衬缸套，其特征在于：该缸套包括金属外套(1)和陶瓷内衬(2)，陶瓷内衬(2)套装在金属外套(1)内；其中，金属外套(1)的内径和陶瓷内衬(2)的外径相等，且金属外套(1)的内径加工误差为负误差，陶瓷内衬(2)的外径加工误差为正误差。
2.根据权利要求1所述的复合预应力陶瓷内衬缸套，其特征在于：所述金属外套(1)的内径加工误差与陶瓷内衬(2)的外径加工误差的绝对值之和在金属外套(1)300℃～500℃时的膨胀量范围内。
3.根据权利要求1所述的复合预应力陶瓷内衬缸套，其特征在于：所述陶瓷内衬(2)的壁厚为0.5cm～1.0cm。
4.根据权利要求1所述的复合预应力陶瓷内衬缸套，其特征在于：所述陶瓷内衬(2)的材料为氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化硅陶瓷中的一种。
5.根据权利要求1所述的复合预应力陶瓷内衬缸套的制造方法，其特征在于：该制造方法包括如下步骤：
1)分别制造金属外套(1)和陶瓷内衬(2)，金属外套(1)的内径和陶瓷内衬(2)的外径相等，且金属外套(1)的内径加工误差为负误差，陶瓷内衬(2)的外径加工误差为正误差；
2)加热金属外套(1)，使其产生热膨胀；
3)将陶瓷内衬(2)套装在热膨胀后的金属外套(1)内；
4)将套装了陶瓷内衬(2)的金属外套(1)冷却至室温，形成复合预应力陶瓷内衬缸套。
6.根据权利要求5所述的复合预应力陶瓷内衬缸套的制造方法，其特征在于：所述步骤2)为：加热金属外套(1)至400℃～500℃，使其产生热膨胀。
7.根据权利要求5所述的复合预应力陶瓷内衬缸套的制造方法，其特征在于：所述步骤4)为：通过自然冷却方法，将套装了陶瓷内衬(2)的金属外套(1)冷却至室温，形成复合预应力陶瓷内衬缸套。
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