CN104685097A - 应用于内燃机的气缸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本的气缸(1)，通过使组件的摩擦损失和磨损最小化，保证了良好的工作条件。为此目的，对铸铁气缸(1)进行包括多于一次珩磨步骤的精加工处理，随后用无定形的类金刚石碳膜(3)进行涂覆，在任何类型内燃机上，即使在承受高于200bar(20MPa)的高工作应力的内燃机上，都保证具有低摩擦系数和高耐久性。另外，借助于气缸(1)获得了本发明的优点，在接受了涂层之后，气缸(1)工作表面具有的粗糙度在Rz 0.5μm至Rz 4.0μm范围，此粗糙度的一种特性是，平均谷部粗糙度(Rvk)至少是平均峰部粗糙度(Rpk)的3倍。

Description

应用于内燃机的气缸

本发明涉及一种内燃机组件，更具体地，涉及一种气缸，其包括金属基底的气缸体，该气缸体的内周面接受(支撑)硬碳膜，该硬碳膜提供规定的粗糙度，用于使组件的摩擦损失以及磨损最小化。

现有技术的描述

作为市场新需求的结果，内燃机的组件面临更大的需求，所以内燃机的组件需要具备能够保证更佳性能的方案，以及，需要有助于使发动机具有更高的可靠性和更好的性能。

另外，由于需要减少因化石燃料燃烧而产生的大气排放，对全球汽车产业的整个生产链提出了挑战。

因此，许多汽车组件的制造商寻求不同的解决方案，其中，主要是针对内燃机的气缸的解决方案。应该理解的是，内燃机的气缸包括：应用于发动机缸体的缸套，以及，与发动机缸体整体形成的气缸自身。为了更好地理解，下文中仅使用术语“气缸”来限定所提到的可能情况。

不论哪种技术方案，由于发动机所执行工作的类型，内燃机的气缸是承受明显磨损的发动机组件。这个特性与汽车产业与日俱增的挑战相关联，导致需要在低尺寸公差、高工作压力、更高腐蚀性的条件下进行工作，这些条件导致对发动机组件产生影响，而这些影响必须加以解决。进一步应该注意的是，在以狄塞尔循环(Diesel cycle)运行的发动机的情况下，这种磨损很高，特别是由于柴油燃料中存在硫元素。

因此，通过改进用于制造气缸的材料，可以获得能改善承受所述条件的发动机的性能的解决方案，总是要考虑这种方案的成本。在这方面，取得了一些进展，在气缸包括铁合金(铁类合金)的情况下很明显。

在制造现有技术的缸套时采用的主要合金是铁合金。在这些材料中经常会提到灰铸铁，灰铸铁成本较低，并且，主要原因是，由于在滑动表面上存在大量的石墨形式的固体润滑剂，灰铸铁具有良好摩擦学特性。但是，此材料不能额外减少摩擦损失或减少磨损，而这正是现今条件所要求的。

文献EP 1783349公开了一种用于多种发动机内部组件(包括气缸)的解决方案，允许具有低摩擦系数。为此目的，金属气缸体的内周面通过化学气相沉积(CVD)接受硬碳膜，向该硬碳膜提供有含量在1％至20％范围内的硅元素，即，气缸工作表面包括含量可以在1％至20％范围内的硅。此外，所述膜的厚度在2μm至5μm范围，并且粗糙度应该低于Rz 0.5μm。

尽管所建议的解决方案表现出导致低摩擦系数以及优良耐磨性的特性，这些方案存在很大的缺陷。由于所获得的低粗糙度(低于0.5Rz)，使得气缸工作表面具备的超精加工阻止了良好的润滑，原因很简单，没有足够的粗糙性(主要是因为存在很少的谷部)以用于积聚油，这造成几乎干燥的工作表面以及膜的过早磨损。由于硬碳膜不具有孔的事实，加重了这种情况，这减弱了润滑，增加了膜的过早磨损。在运行狄塞尔循环的发动机中应用这种技术方案更为不利，因为工作压力明显更高。

文献EP1510594也披露了一种内燃机的气缸，其内周面接收硬碳膜。所述膜厚度范围是0.3μm至2μm，以及，参数Ra的粗糙度小于0.1μm，膜的硬度范围在1000Hv至3500Hv。根据此文献，粗糙度高于Ra 0.1μm会导致摩擦系数的增加。如前面的文献所述，此解决方案表现出的缺点是，由于膜粗糙度降低而润滑不足，不能适当地积聚润滑流体，这会导致膜的过早磨损，尤其是对于在高压(高于6MPa(60bar))下运行的内燃机。

除了所提到的现有技术导致的问题，应注意的是，硬碳膜的粗糙度过度(高于Rz 4.0μm)也带来缺陷。由于环和活塞的滑动表面上的粗糙度(凹凸不平)之间的高接触压力，高的粗糙度产生裂纹随后剥离，从而导致膜的过早失效。

图1示出具有铸铁制成的气缸的发动机的测试结果，在气缸内周面上设置有硬碳膜。在用类金刚石碳(DLC)膜涂覆之后，图1A和图1B的表面粗糙度分别为Rz 5.82μm和Rz 5.84μm，即大于Rz4.0μm。图1C示出在测试之后，气缸在其上止点(UDC/PMS)处的表面已经完全磨损，不存在硬碳膜。另外，上止点的下方相邻区域显示出膜的剥离。此测试的结果清楚地示出，具有硬碳膜的气缸的粗糙度高于Rz 4.0μm时，存在膜过早失效的问题，因此不应该超过此粗糙度数值。

应该注意的是，上止点(UDC)(见图7A和图8)是活塞环(直径为D)冲程(见图7A、图7B和图8)在气缸或缸套上限定的最高位置。在UDC位置，相对移动的反转发生在第一槽翼(groove wing)处。在考虑磨损的时候，此处是缸套中应力最大的区域，由于通常形成有磨损，在抛光此区域时可以观察到凹陷，主要是在承受高压力的发动机的情况下(如运行狄塞尔的发动机)，因此增加了愈伤组织(callus)的形成。当然，与上止点(UDC)相对，存在有下止点(LDC)，在图7A和图7B的特别情况下，下止点(LDC)描述了活塞-气缸系统中的压缩比。

因此，还没有一种气缸设置有这样的硬碳膜：其能够找到膜粗糙度、摩擦系数以及膜磨损之间的平衡条件，并克服现有技术中存在的问题，在任何内燃机中都保证以低成本获得较长的耐久性。

本发明的目的

因此，本发明的目的是提供一种用于任意类型内燃机的气缸，该气缸具有铁基(ferrous base)本体，其内周面设置有类金刚石的无定形硬碳(DLC)膜，该膜粗糙度在Rz 0.5μm至Rz 4.0μm范围。

此外，本发明的目的是提供一种具有铁基的气缸，气缸的内周面设置有硬碳膜，气缸的工作表面包括至少99％的碳和氢，这在工作(滑动)表面下方可以存在化学元素以改善膜的附着性，化学元素例如Cr(铬)、W(钨)、Si(硅)、SiC(碳化硅)，但并不局限于此。

本发明的另一目的是提供一种具有铁基缸体的气缸，其内周面设置有硬碳膜，该硬碳膜的硬度在1000Ha和3000Hv之间，并且厚度在1μm和30μm之间。

最后，本发明的目的是提供一种具有铁基的气缸，其内周面设置有硬碳膜，该硬碳膜通过化学气相沉积(CVD)法进行沉积。

发明简要说明

通过提供一种应用于内燃机的气缸实现了本发明的目的，该气缸包括金属缸体和类金刚石硬碳(DLC)膜，该膜形成在气缸体的内周面上，在形成碳膜之后，该气缸的粗糙度在Rz 0.5μm和Rz 4.0μm之间。

附图简要说明

通过参考图中所示的实施例，更详细地描述本发明。图中示出：

图1A是具有铸铁气缸的发动机的测试结果，该气缸设置有粗糙度大于Ra 4.0μm(微米)的硬碳膜；

图1B是具有铸铁气缸的发动机的测试结果，该气缸设置有粗糙度大于Rz 4.0微米的硬碳膜；

图1C是粗糙度大于Rz 4.0微米的气缸工作表面在完成测试后的显微镜照片；

图2A是具有根据本发明的气缸的发动机测试结果；

图2B是具有根据本发明的气缸的发动机测试结果；

图2C是具有根据本发明的气缸的发动机测试结果；

图2D是具有根据本发明的气缸的发动机测试结果；

图3是在常规铸铁气缸与根据本发明铸铁气缸之间比较粗糙度和磨损的图；

图4A是示出现有技术气缸磨损的图；

图4B是示出根据本发明气缸磨损的图；

图5是在常规铸铁气缸与根据本发明铸铁气缸之间比较摩擦损失的图；

图6是根据本发明气缸的图示；

图7A是活塞-气缸系统的下止点(LDC)的图示；

图7B是活塞-气缸系统的上止点(UDC)的图示；

图8是活塞-气缸系统的下止点(LDC)、上止点(UDC)以及各冲程的图示。

附图详细说明

本发明期望对内燃机的气缸1或气缸套进行改进。如前文所述，本发明已应用于气缸1和气缸套。为了简化，下文中仅使用术语气缸1，其为金属的、含铁或不含铁的(例如由灰铸铁制成)、铝或其他合适材料(见图6)。

尽管已经提出了设置有硬碳膜的由含铁合金制成的气缸，为了考虑气缸的成本以及耐久性，采用最多的方案仍然是在工作表面没有涂层的铸铁气缸，该方案主要应用于在高压下运转的发动机，例如狄塞尔循环发动机，在这种发动机中，通常，其压力在从50bar(6MPa)至200bar(20MPa)的范围。然而，应注意的是，本发明能应用于具有任意功率或压力状况的任意类型内燃机(汽油、乙醇或柴油)。

从图3可以理解气缸工作表面的硬度与粗糙度的影响，以获得在耐久性要求方面的改进。

图3的图表比较了在两种不同气缸之间进行的测试。首先，测试现有技术的气缸，即，在工作表面没有涂层的铸铁气缸，该表面仅进行了珩磨精加工。然后，测试根据本发明的气缸1，该气缸1由铸铁制成，气缸体2的内周部进行了珩磨精加工，随后接受硬碳膜3。

图表清楚地示出，在前一种的5小时测试中，现有技术的气缸经历了工作表面的软化。这是唯一的结果，因为工作表面足够软以允许这种软化。此外，在持续了30个小时的测试中，该软化保持得相当稳定，得到的表面相比于最初的表面具有更好的摩擦系数。在此方面，证明现有技术气缸的磨损是有益的，因为其导致了更薄的粗糙度。

进一步参考第一种测试，应该获知的是，表面的软化对于粗糙度轮廓有特别的影响。考虑到图表示出的Rpk值(平均峰部粗糙度)和Rvk(平均谷部粗糙度)，能够推断出气缸的软化现象对峰部粗糙度减小的影响强于对谷部粗糙度减小的影响。因此，工作表面经受粗糙度轮廓的变化，其中，峰部从0.40μm减少至稍小于0.20μm。

另一方面，本发明气缸1工作表面的表现明显不同。硬碳膜3导致工作表面硬度的增加，从而，在进行60小时的测试期间，软化现象可以视为实质上不存在。这通过Rpk的数值得以证明，在整个测试中，Rpk的数值在0.20μm至0.40μm范围。谷部深度也是相同的情况，所以可以推断出，由于工作表面的硬度，气缸的粗糙度轮廓实质上没有改变。

然而，应该注意到，在开始测试之前根据本发明的气缸具有比现有技术中更薄的粗糙度，通过此事实证明了这种特性。此外，应理解的是，本发明更薄的粗糙度意味着一种差别化的粗糙度轮廓，由峰部粗糙度(Rpk)与谷部粗糙度(Rvk)之间的关系进行了平衡。

因此，应该注意到，工作表面的峰部轮廓与气缸1工作表面上的硬碳膜3的耐久性最为相关。在此方面，具有非常明显峰部的表面产生裂纹，随后由于较高接触压力而剥离，导致膜3过早失效。

另一方面，由于硬碳膜3符合气缸体2内周面的粗糙度轮廓，并且由于硬碳膜3的高硬度而不出现软化，需要将膜3沉积在峰部粗糙度轮廓降低的工作表面上。以这种方式，在进行膜3沉积之前进行珩磨精加工，以便降低气缸1的峰部，达到防止硬碳膜3出现过早劣化的值。以这种方式，获得了具有硬碳膜3的气缸，其从零时刻起软化，并因此具有优化的摩擦系数。这种优化得自于降低的峰部轮廓，以及硬碳膜具有低摩擦作为内在特性的事实。

图4A和图4B示出环-气缸摩擦副的磨损，从而说明此表现。应注意的是，在用功率为400至520hp(英制马力)的重型柴油6缸发动机进行测试之前以及之后，通过缸套应力最大区域进行轮廓测量，测定此磨损。

图4A示出没有DLC涂层的现有技术气缸/缸套上的磨损。接着，图4B示出根据本发明具有DLC涂层的气缸/缸套上的磨损。

结果，在气缸的上止点处，观察到现有技术气缸具有14μm的磨损(见图4A)，而对于本发明设置有DLC膜3的气缸，得到5μm的磨损(见图4B)，即，磨损比现有技术情况下的磨损降低了65％。此改进得自于根据本发明的涂层的优秀耐磨性。另外，可获得无定形材料(DLC)的低摩擦系数，并在润滑组件时获得无定形材料(DLC)的辅助。

另一个重要观察指以下事实：本发明进行的珩磨能够降低峰部轮廓，而不需要引起谷部深度的改变。如前文所述，谷部深度对于促进润滑流体的聚集很重要。此特性获得了特别的重要性，因为硬碳膜3不是多孔的，并且，有必要保证粗糙度在Rz 0.5至Rz 4.0μm范围内，这主要通过具有较大谷部深度和较小峰部高度的粗糙度轮廓保证。应注意的是，在硬碳膜3沉积到气缸体2的内周面上之后，测量粗糙度值。

由于已解释的原因，应该达到数值Rz 0.5μm和Rz 4.0μm。另一方面，数值低于Rz 0.5μm无法保证纹理能够保证足量的润滑流体，引起实质上干燥的工作状况，其非常有害并导致涂层的过早磨损。另一方面，数值高于Rz 4.0μm将表现出涂层的过早失效(图1A、图1B和图1C)，由于沉积在软基底上的硬涂层的接触压力的强烈程度，膜3产生裂纹并剥离。

因此，硬碳膜3的粗糙度包括比峰部多的谷部。平均谷部粗糙度(Rvk)与平均峰部粗糙度(Rpk)之间相关性的数量级可以通过以下方式获得，如前文所解释的。平均谷部粗糙度(Rvk)的高度应该至少是平均峰部粗糙度(Rpk)的3倍。

将图1A、图1B与图2A、图2B、图2C以及图2D对比分析，容易理解现有技术的粗糙度轮廓与本发明的粗糙度轮廓之间的差异。下表清楚地示出在平均粗糙度(Rz)、平均峰部粗糙度(Rpk)、平均谷部粗糙度(Rvk)以及平均中心粗糙度(Rk)的差异。

表1-现有技术与本发明粗糙度轮廓的对比

对比本发明与现有技术，观察到本发明作为一种特性表现出：平均峰部粗糙度(Rpk)＝见图2A、图2B、图2C、图2D-明显低于现有技术中观察到的平均峰部粗糙度(Rpk)-见图1A、图1B。

换言之，本发明的特征在于包括：平均谷部粗糙度(Rvk)大致高于平均峰部粗糙度(Rvk)。通过使平均谷部粗糙度(Rvk)与平均峰部粗糙度(Rpk)之间的这种关系量化，可以说，平均谷部粗糙度(Rvk)至少是平均峰部粗糙度(Rpk)的3倍高。本发明这样的关系可以表达为以下等式：Rvk＞3Rpk或者3Rpk＜Rvk。

值得一提的是，珩磨是用于内燃机气缸表面精加工的常见做法。至少，常见的是仅进行一个珩磨步骤。通过增加一个珩磨步骤，得到本发明所发现的针对粗糙度轮廓的解决方案。可以考虑：第一珩磨步骤促进常规精加工达到粗糙度等级，而随后的珩磨步骤的目的是减小平均峰部粗糙度(Rpk)，为气缸1提供适当的粗糙度轮廓用于接收硬碳膜3。

在多于一个的珩磨步骤之后，用无定形的类金刚石硬碳(DLC)膜3对气缸1进行涂覆，这是一种创造性的概念，其在磨损等级以及减小气缸1工作表面的摩擦系数方面获得了优点。

进一步应了解的是，在至少一个珩磨步骤之后，珩磨角度应该在40和150度之间。

关于硬碳膜3，已知为无定形的类金刚石碳(DLC)，要重点提及的是，本发明的DLC膜3包括SP3键也包括SP2键(石墨)，但是SP3键占大多数。

另外，硬碳膜3呈现的工作表面仅包含碳(C)和氢(H2)，以及，可以存在所占量低于1％的其他元素，这些少量的其他元素将被视作残留污染。因此，提供具有铁类金属基底的气缸体，气缸的内周面包括DLC膜3，其工作表面包括至少90％的碳和氢。一般而言，优选但非必须地，在工作(滑动)表面下方，膜3可以具有化学元素(例如Cr(铬)、W(钨)、Si(硅)、SiC(碳化硅)、或其他证明可行的元素)，以提供更好的附着性。

关于DLC膜3的厚度，其范围在1μm和30μm。最终，本发明气缸1的工作表面的硬度范围在1000Hv至3500Hv(维氏硬度)。

应注意的是，本发明所获得的气缸可以用于任意类型的内燃机(汽油、乙醇或柴油)，这一事实获得了附加优点。优点之一是由于以下事实获得的：气缸承受高于约200bar的工作压力，这使得该气缸能够应用于具有高于或低于52KWI-l的规定输出功率的发动机。

另外，所获得的解决方案是引人关注的，因为该解决方案不再需要使发动机气缸软化，证明了在发动机运转的最初时间就有“软化”性能，这是因为对最初的粗糙度进行控制以最小化表面粗糙度，从开始时就具有对应于经过了软化的数值。

进一步关于本发明得到的好处，观察图5，其示出由于现有技术气缸与本发明气缸摩擦而造成的损失。

摩擦测试的测量在单缸发动机上进行，其中，将缸套安装在测力传感器上，以允许读取由于环和活塞在气缸1的内表面上滑动而产生的摩擦力。测试以足够的精度等级进行，从而，即使被测试组件有很小的更改，在读取时能够使摩擦力差异化。针对曲轴的各运转角，在5个运转条件下测量摩擦：i)1500rpm，380kPa的BMEP(平均有效压力)；ii)1500rpm，500kPa的BMEP；iii)1500rpm，630kPa的BMEP；iv)2500rpm，500kPa，以及v)2500rpm，500kPa，如下表所详示。

表1：气缸排量特性

根据所获得的结果，尽管现有技术气缸的粗糙度低于本发明气缸的粗糙度(见图3)，但是本发明的气缸1呈现出比现有技术更低的摩擦损失，致使更多的能量传递到曲轴。

以此方式，本发明最终获得一种气缸1，该气缸保证了良好的工作条件。另一方面，该结果取决于将会接受涂层的基底的制备，其粗糙度轮廓消除了产生接触压力的峰部，并保证存在有谷部以用于积聚润滑油膜。附加地，具有硬碳膜3的涂层使组件的摩擦损失和磨损最小化，因此确保了较长的发动机寿命以及较低的发动机摩擦系数。

很明显，仅通过几乎为纯碳和氢的涂层就获得了本发明，除了已经提到的特征之外，本发明包括一种气缸，该气缸工作表面的粗糙度范围是从Rz 0.5μm至Rz 4.0μm。更具体地，硬碳膜3的粗糙度准确复制了金属基底的粗糙度，以及，最终，在施加了膜3之后的粗糙度范围为Rz 0.5μm和Rz 4.0μm。

最后，应注意的是，本发明的解决方案能够将良好的性能与减少的成本相结合，从而用于任何种类的内燃机都能获得本发明的优点。

已经对实施例的优选实施方式进行了描述，应当理解的是，本发明的范围仅由所附权利要求限定，并涵盖其他可能进行的改变，包括可能的等效置换。

Claims (9)

1.一种应用于内燃机的气缸，所述气缸(1)包括金属气缸体(2)以及无定形的类金刚石硬碳膜(3)，所述无定形的类金刚石硬碳膜(3)形成在所述气缸体(2)的内周面上，所述气缸(1)的特征在于，在形成所述碳膜之后，所述气缸(1)的粗糙度在Rz 0.5μm至Rz 4.0μm范围。

2.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，在接受所述无定形的类金刚石碳膜(3)之前，所述气缸体(2)的所述内周面接受至少两个珩磨步骤的表面精加工。

3.根据权利要求2所述的气缸，其特征在于，所述珩磨角度在40度至150度范围。

4.根据权利要求1至权利要求3所述的气缸，其特征在于，所述无定形的类金刚石碳膜(3)的粗糙度包括谷部和峰部。

5.根据权利要求4所述的气缸，其特征在于，平均谷部粗糙度(Rvk)至少是平均峰部粗糙度(Rpk)的3倍。

6.根据权利要求1至权利要求4所述的气缸，其特征在于，所述无定形的类金刚石碳膜(3)的硬度在1000Hv至300Hv范围。

7.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述无定形的类金刚石碳膜(3)的厚度在1μm至30μm范围。

8.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，在工作表面上，所述无定形的类金刚石碳膜(3)的至少99％包含碳或碳和氢。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的气缸，其特征在于，所述气缸体(2)由铁类金属构成。