CN104685195A - 气缸衬套 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种气缸衬套(1)，其包括金属的柱形第一部分(2)和第二部分(3)，第一和第二部分通过摩擦钢焊接彼此关联成一体。气缸衬套(1)的第二部分(3)面向气缸气缸盖并且与气缸气缸盖限定了燃烧室，第一部分(2)对应于气缸衬套(1)的长度的至少一半，第二部分(3)与所述第一部分总共构成气缸衬套(1)的长度。所述部分(2、3)中的至少一个由铁合金构成，使得构成第二部分(3)的材料比第一部分(2)的材料具有更高的耐腐蚀性。

Description

气缸衬套

技术领域

本发明涉及内燃机的部件，更具体来说涉及气缸衬套，气缸衬套包括两个一体地关联至彼此的金属部分，每个气缸衬套的材料具有不同的耐腐蚀性，诸如使得气缸衬套最接近燃烧室的区域能够具有较高耐腐蚀性。

背景技术

应用在内燃机中的气缸衬套是发动机部件，由于它们执行的工作类型该部件遭受显著磨损。

根据新的市场需求，新发动机的内部部件经受较大需求，在这个意义上，要求其提供能够提供更好性能的方案，并且还有助于改善发动机的可靠性和性能。

此外，由于要求减少化石燃料燃烧所产生的大气排放，世界汽车工业的整个生产链条已经受到挑战。虽然汽车已经实现了混合推进(汽车设置有内燃机以及电动马达)，以及纯电力推进的车辆看起来是短期至中期可实现的目标，但是由于这些发动机的功率较大以及需要更大自主权，所以这种方案不适用于货运和客运车辆。

因此，不同的汽车零部件制造商寻求不同的技术方案，除其他外尤其用于内燃机的气缸衬套，例如应用于商用车辆中。这些方案中的一些直接作用在燃烧上，使得排气对人类和自然的危害较小。为了该目的，已经广泛采用增加燃烧压力和利用气体再循环系统(以下简称为缩写EGR)，在中期其趋势是将装备制造的很大比例的车队。

虽然这种策略在减少排放物方面已经被证明是有效的，但是EGR的应用具有连带效应。气体的再循环会产生腐蚀性产物，该产物会与气缸的内壁反应，从而破坏内壁。由于在燃烧室中引入了因燃烧产生的腐蚀性气体，所以在气缸最接近气缸盖的部分发生了更多的破坏效应。这种反应显著减小了系统的耐久性，这又引起污染气体排放的控制水平的早期恶化。

伴随着使用EGR，前述燃烧压力的增加要求材料具有较大机械强度，尤其是在气缸最接近气缸盖的部分，具体地在50％最接近气缸盖处。

总之，气缸衬套中采用的材料和技术需要承受现存的高压力，以及承受以更突出方式发生在气缸最接近气缸盖的部分中的腐蚀。进一步注意到的是，在以柴油循环运作的发动机中，尤其由于柴油燃料中存在的硫磺，该类型的磨损也非常突出。

因此，依靠改善用以生产气缸衬套的材料的质量，可以实现允许改善遭受前述条件的发动机性能的可行方案，在任何时候都考虑到这种方案的成本。在该方面，若干优势尤其存在于包括铁合金的那些气缸衬套中。

现有技术中在生产气缸衬套时应用的一个主要合金是灰铸铁合金。这种合金具有低成本，主要地是具有良好的摩擦学特性，这是由于在滑动表面上存在大量呈石墨形式的固体润滑剂。然而，该材料并不能提供当前环境法规要求的柴油发动机中应用的气缸所需的耐腐蚀性能。

通过由钢获得的气缸衬套可以发现一个可能的替代材料，例如是不锈钢，但是这些合金的特性是具有较大机械强度以及耐腐蚀特性，高成本使得该材料的使用是不可行的。

可选地，涂层可以实现在气缸衬套的作业表面上，但是，类似地，高成本使得对该技术方案有偏见。

虽然前述磨损问题的解决方案似乎是简单的，因为通过另一更贵的材料足以替换该部件(气缸衬套)，但是存在要考虑的限制因素。

在解决此问题的尝试中，已经开发了一种能够在气缸衬套中同时使用两个材料的技术。换句话说，该部件具有沿着其长度可变的成分。

应该注意的是，在当前，应用于内燃机中的气缸/气缸衬套是通过离心铸造套筒工艺获得的，在该工艺中，将液态金属倾注入旋转模具。通过离心力，铸造工艺的最终结果是套筒或者管。

以这种方式，通过常规工艺可以倾注具有不同成分的铁合金，但是不能够以铸造部分获得沿着衬套长度具有可变成分的管或者套筒。

该方案经过焊接阶段，但是焊接两个金属的需要会存在巨大的问题，诸如两个材料的结合区域会发生脆化，这将不能支持气缸衬套遭受的高负荷。

应当注意的是，常规焊接工艺(例如TIG和电弧)允许本发明的一对金属物件的结合，但是公知的是，加热所需提供的能量必须足以引起材料的熔化，该现实妥协于用于良好组件性能的焊接质量的最低要求。

鉴于因燃烧气体的高变压力和陡的热梯度导致的机械加载使得气缸在高循环负荷下操作，存在要考虑的各种相关方案。因而，为了确保部件的耐机械及热疲劳性，必须防止任何不连续和缺陷。

为了在气缸衬套中获得良好质量的焊接区域，因此有必要满足一些相关方案，诸如：

-焊接结合的完整性，这必须没有表面或者子表面缺陷，诸如由于材料熔化和后续凝固产生的裂隙或者小孔；

-保持焊接对的机械属性。公知的是，大量供热会导致材料的熔化，由于冷却工艺会引起焊接区域及其相邻部分的脆化。结果，必须最小化或者甚至防止受热影响的区域，该区域会作为材料的脆化点；

-维持气缸的几何形状。焊接工艺之后可以预见的是，由于材料之间膨胀系数的差异，双金属气缸衬套可以呈现非同质收缩。而且，应当注意的是，这些相同原因将导致供热沿着待焊接区域的长度不是均匀的或者不是同时的。作为自然结果，最终部件将具有的几何形状是：横截面为非圆形，其纵向截面是非直线的，从而需要足够的多余金属以用于通过机加工工艺移除材料来校正扭曲。

因此，为了防止来自供热和后续凝固的负面影响，本发明使用公知为具有非消耗销的摩擦焊接(摩擦钢焊接，FSW)的特定焊接工艺，下文称其为FSW焊接。

在这方面，现有技术文献EP985483揭示了使用FSW焊接来焊接用于晶格或者梁类型结构应用的中空结构(诸如，管)。但是，这种方案有缺陷，这是源自于要求待焊接的端部具有肋条，目的是支持由旋转点产生的大压缩应力，旋转点在表面上创建摩擦以产生材料的焊接。

此外，日本文献JP10180467还揭示了FSW焊接技术在由非铁金属构成的管的焊接中的应用，目的是提供比原来长的管。这种管的应用是传输流体(液体或者气体)，管的内表面上的焊接的光洁度不具有任何重要性，使得管的内表面上不存在移除材料的机械作业，该内表面可能存在毛刺或者凹陷。

因此在当前公知的技术中本发明未发现解决方案。一方面是因为最终产品无法具有类似于气缸衬套的应用，另一方面，因为不是用合金进行处理，而且两个被焊接的金属圈的合金的长度之间无法实现所需的比例。

因此，仍然不存在这样的气缸衬套，其是通过结合由不同金属构成的两个柱形部分而获得的，提供高耐磨性、高耐腐蚀性以及低成本。

发明内容

因此，本发明的一目的是提供具有不同属性的两个部分的气缸衬套，一个部分具有润滑特性，而另一部分具有高耐磨性和耐腐蚀性。

此外，本发明的一目的是依靠两个柱形金属部分的焊接来提供气缸衬套。

本发明的目的是通过提供应用于内燃机中的气缸衬套来实现的，该衬套包括第一和第二金属柱形部分，第二部分定向成朝向气缸盖并且与气缸盖限定了燃烧室，第一部分对应于气缸衬套长度的至少一半，第二部分与所述第一部分总共构成气缸衬套的长度，第一部分和第二部分一体地关联至彼此，其中，所述部分中的至少一个由铁合金构成。

附图说明

基于附图所示的实施示例，下文将更详细描述本发明。附图示出了：

图1是本发明的气缸衬套的示意图。

图2是铸铁和钢的电位极化扫描图。

具体实施方式

如先前指出的，本发明涉及气缸衬套1，气缸衬套1的区域具有不同的特性。

鉴于装配工必须遵守的新环境参数，增加燃烧压力和利用气体再循环系统要求气缸衬套1具有优越的机械属性和耐化学性。该部件的成本是一种障碍，本发明提供了用于内燃机的方案，尤其是以柴油循环操作的内燃机。

所遇到的方案的实现是通过结合不同材料的两个管，两个管具有对产品的性能优化的属性。因此，如图1所示，气缸衬套1包括第一部分2和第二部分3，两个部分都是金属的以及柱形的。

应当注意的是，第二部分3定向为朝向气缸盖并且与气缸盖限定了燃烧室。正如已经看到的，该区域遭受较大机械和化学应力。为了支持该额外磨损，第二部分3必须由机械强度和耐磨性大于第一部分2的材料构成，也就是说，由更高贵的金属构成。反过来，第一部分2必须由低成本金属构成，优选地，作为固体润滑剂。

第2、3部分都必须是金属，它们中的至少一个必须是含铁的。以优选方式，但不是强制性的，第一部分2可以由珠光体灰铸铁或球墨灰铸铁构成，而第二部分3由具有合金元素的钢构成以改善其机械强度以及耐磨性和耐腐蚀性。所述钢可以包括添加的Cr、Mo、Ni，具体范围为0.5％至10％的Cr、0.5％至2％的Mo以及0.5％至8％的Ni。

在它们的几何形状方面，第2、3部分都必须具有相同的直径和厚度。在它们的长度方面，第一部分2可以对应于气缸衬套1的总长度的至少50％，并且可达到85％。自然，第二部分3将具有与第2部分互补的长度以形成气缸衬套1的长度的总和。

在优选构造中，但不是强制性的，本发明的气缸衬套1包括第一部分2和第二部分3，其中第一部分2的长度是气缸衬套1总长度的70％，第二部分3的长度是气缸衬套1总长度的30％。以这种方式，这30％对应于气缸衬套1最接近气缸盖的部分，是应力最大的并且遭受更多腐蚀的，其由更贵及更硬的磨损材料提供。此外，剩余70％指的是第一部分2，其由包含石墨的更便宜的材料构成，凭借其润滑剂特性，促进了与发动机的其他部件的低摩擦关系。以这种方式，实现了具有优化属性以及低成本的产品。

关于第一和第二部分2、3的焊接，应当注意的是，在铸铁中石墨的存在使得焊接工艺不平常。

因此，为了实现本发明的气缸衬套1的构造，已经使用了摩擦焊接工艺。作为摩擦焊接的例子，可以考虑具有非消耗销的焊接(摩擦钢焊接，FSW)，或者此外利用摩擦的其他焊接工艺，使得能够结合不同的材料并且确保在焊接区域中合适的属性。FSW是在其他不同应用中已经公知的焊接工艺，但是其应用于本发明需要特殊的特性。

一方面，不同的金属元件需要被焊接，其亲和力可能不易于调和，另一方面，在活塞以及其相应段将移动的滑动部分5中必须确保优化作业条件，这是由于焊接的内部区域的光洁度对部件的性能具有较大影响的事实。

为了该目的，两个柱形金属部分2、3将通过摩擦被焊接，并且将产生在滑动部分5上的后续处置。

由于本发明的气缸衬套1的长度和直径之间的比例大大低于文献JP10180467揭示的技术所获得的这些元件，应当注意的是，能够访问滑动部分5以依靠机加工提供光洁度。以优选方式，但不是强制性的，机加工将去除1mm至2mm，接着是抛光阶段，抛光阶段可以在将气缸衬套1安装在发动机中之前或者随后进行。

还应当注意的是，在焊接区域4中发生了晶粒细化，这将确保部件所需的机械强度。

因此，不是具有整个部件的机械和化学属性将相同的整体式气缸衬套，而是可以获得气缸衬套1，该气缸衬套将每个材料的最好方面汇集，目的是以降低的成本提供优化的气缸衬套。

为证明这一主张，图2示出了铸铁和钢的电位极化扫描。已知测量的电流越小该系统的腐蚀活性越小，可以观察到的是，钢将比铸铁经受更少腐蚀。因此，在第二部分中钢的应用将引起气缸衬套的工作寿命的增加。

类似地，根据为气缸衬套1的第一部分2和第二部分3所选择的金属合金，将实现不同属性的汇集选择性地分布于单个部件中。

已经描述了优选实施例的例子，应该理解的是，本发明的范围包括其他可能的变型，仅由随附的权利要求的内容限制，可能的等同结构包括在其中。

Claims (11)

1.一种应用于内燃机中的气缸衬套，其特征在于，其包括金属的柱形第一和第二部分(2、3)，所述第二部分(3)定向成朝向气缸盖并且与气缸盖限定燃烧室，所述第一部分(2)对应于所述气缸衬套(1)的长度的至少一半，所述第二部分(3)与所述第一部分总共构成所述气缸衬套(1)的长度，所述第一和第二部分(2、3)一体地相互关联，所述部分(2、3)中的至少一个由铁合金构成。

2.根据权利要求1所述的气缸衬套，其特征在于，所述第二部分(3)和所述第一部分(2)之间的关联通过摩擦焊接发生。

3.根据权利要求1和2所述的气缸衬套，其特征在于，所述第二部分(3)的材料比所述第一部分(2)的材料提供了更大机械强度和耐磨损性以及耐腐蚀性。

4.根据权利要求3所述的气缸衬套，其特征在于，所述第一部分(2)和所述第二部分(3)限定内部部分(5)，所述内部部分(5)通过抛光获得表面光洁度。

5.根据权利要求4所述的气缸衬套，其特征在于，通过抛光实现表面光洁度是在发动机中安装所述气缸衬套(1)之前或者之后。

6.根据权利要求1至5所述的气缸衬套，其特征在于，其被利用在以柴油循环运作的内燃机中。

7.根据权利要求1所述的气缸衬套，其特征在于，所述第一部分(2)的长度对应于所述气缸衬套(1)的总长度的50％至80％之间的值。

8.根据权利要求7所述的气缸衬套，其特征在于，所述第一部分(2)的长度对应于所述气缸衬套(1)的总长度的70％。

9.根据权利要求1至8所述的气缸衬套，其特征在于，所述第一部分(2)由灰铸铁构成，所述第二部分(3)由添加有合金元素的钢构成以改善耐腐蚀性和/或机械强度。

10.根据权利要求1至9所述的气缸衬套，其特征在于，所述第一部分(2)由珠光体灰铸铁或者球墨灰铸铁构成，而第二部分(3)由添加有Cr、Mo、Ni的钢构成。

11.根据权利要求10所述的气缸衬套，其特征在于，该构造包括0.5％至10％的Cr、0.5％至2％的Mo以及0.5％至8％的Ni。