CN105863866B - 混杂复合体汽缸盖 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混杂复合体汽缸盖。发动机汽缸盖包括由金属材料形成的内部金属结构和由聚合物复合物材料形成的外部聚合物复合物结构，其中，外部聚合物复合物结构至少部分地包围内部金属结构。

Description

混杂复合体汽缸盖

技术领域

本发明针对内燃发动机的组件，包括混杂复合体(hybrid composite)汽缸盖，该汽缸盖具有内部金属结构和外部聚合物结构。

背景技术

汽缸盖通常由诸如铝或铸铁的金属制成。金属汽缸盖可能具有一种或更多种缺点。铸铁汽缸盖重并且表现出低导热性。制造铝汽缸盖比较昂贵。此外，对于某些应用，一些铝汽缸盖可能表现出不足的耐腐蚀性和不可接受的热膨胀。已经提出了金属汽缸盖的替代物。例如，已经提出部分陶瓷的汽缸盖或纤维增强陶瓷基复合物汽缸盖。然而，这样的汽缸盖可能会呈现有限的热承载能力和峰值压力承载能力。

发明内容

一种发动机汽缸盖，包括由金属材料形成的内部金属结构和由聚合物复合物材料形成的外部聚合物复合物结构，其中，外部聚合物复合物结构至少部分地包围内部金属结构。聚合物复合物材料可包括纤维材料。内部金属结构可形成燃烧室的上部。内部金属结构可形成燃烧室镶块。内部的金属结构可包括火力面(fire deck)。火力面可包括多个发动机冷却剂口、多个排油口或两者兼而有之。内部可以由铸铁制成。外部聚合物复合物结构可以由热固性树脂制成。热固性树脂可包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、硅树脂或它们的组合。热固性树脂可以是聚酯树脂。纤维材料可以包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、木质纤维素纤维、化学改性纤维素纤维或者它们的组合。外部聚合物复合物结构可以包括用于液压间隙调节器的一个或更多个进出油供油口。外部聚合物复合物结构可以包括一个或更多个火花塞和直喷腔。

一种发动机汽缸盖，包括：由金属材料形成的内部金属结构，内部金属结构包括火力面；由包括纤维材料的聚合物复合物材料形成的外部聚合物复合物结构，外部聚合物复合物结构包括用于液压间隙调节器的一个或更多个进出油供油口和一个或更多个火花塞和直喷腔，其中，外部聚合物复合物结构至少部分地包围内部金属结构。

一种形成发动机汽缸盖的方法，包括：形成金属材料的内部金属结构；在内部金属结构上成型聚合物复合物材料的外部聚合物复合物结构，使得外部聚合物复合物结构至少部分地包围内部金属结构。聚合物复合物材料可包括纤维材料。内部金属结构的形成步骤可包括铸造内部金属结构。该方法还可以包括形成内部金属结构的一个或更多个部分。内部金属结构的形成步骤可以包括机加工内部金属结构的一个或更多个部分。该方法还可包括将涂层添加到内部金属结构的表面。成型步骤可包括注塑成型或压塑成型外部聚合物复合物结构。

附图说明

图1示出了根据一个实施例的混杂复合体汽缸盖的内部结构的侧部立体图。

图2示出了根据一个实施例的混杂复合体汽缸盖的内部结构的底部立体图。

图3示出了根据一个实施例的混杂复合体汽缸盖的复合物材料的外部结构的侧部立体图。

图4示出了包括内部金属结构和复合物材料的外部结构的组装的混杂复合体汽缸盖的前部立体图。

图5示出了沿组装的混杂复合体汽缸盖的图4的线5-5截取的剖视立体图。

具体实施方式

现在将对发明人已知的本发明的组合物、实施例和方法进行详细地说明。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅是本发明的示例性的实施例，其可以以各种和替代的形式实施。因此，在此所公开的具体细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。

除非另有明确说明，本说明书中指示材料的量或反应和/或使用的条件的所有的数值量应理解为由词语“约”所修饰以描述本发明的最宽的范围。

适合于与本发明的一个或更多个实施例有关的给定目的的一组或一类材料的描述意味着该组或该类的材料的任意两种或更多种的混合物是适合的。化学术语中成分的描述是指在加入描述中指定的任何组合时的成分，并且不必排除一旦混合后混合物的成分之间的化学相互反应。首字母缩写词或其它缩写的首次定义在此适用于相同缩写的所有后续使用，并将细节上必要的变化应用到最初定义的缩写的正常语法变化。属性的测量是通过对同一属性之前或以后参考的相同技术来确定的，除非明确说明与此相反。

内燃发动机包括具有一个或更多个汽缸的发动机。每个汽缸上覆盖有汽缸盖，汽缸盖位于各个汽缸的上面并位于汽缸体的顶部。汽缸盖封闭汽缸的顶部，从而形成燃烧室。此外，汽缸盖为将空气和燃料供给到汽缸并允许排气逸出的通道提供空间。汽缸盖也可以是安装火花塞、气门和燃料喷射器的合适的位置。

汽缸盖通常由诸如铝或铸铁的金属制成。完全由铸铁制成的汽缸盖潜在的缺点包括相对高的重量和低的导热性。铝汽缸盖的重量通常是同样的铸铁汽缸盖重量的一半，并且在导热性方面好大约三倍。然而，铝汽缸盖可能太昂贵，提供不足的耐腐蚀性，对于某些应用可能太软，并且可能表现出高的热膨胀。替代金属汽缸盖的是部分地由陶瓷材料形成的汽缸盖。例如，第5,657,729号美国专利公开了一种连接到燃烧室内的陶瓷部分的上部的金属散热片。此外，第5,657,729号美国专利公开了一种纤维增强陶瓷基复合物汽缸盖和汽缸盖衬垫。然而，这种复合物汽缸盖具有有限的热承载能力和峰值压力承载能力。此外，陶瓷材料不能绕汽缸盖的金属骨架成型。

因此，仍然需要开发一种汽缸盖，其在包含燃烧压力和热负荷的同时轻量化，从而有助于改善燃料效率。还希望提供一种将具有诸如良好的耐腐蚀性、热效益、保持的刚度和/或在生产汽缸盖的过程中加工操作的数目减少的其他优点的汽缸盖。

在此所公开的混杂复合体汽缸盖解决上述的一个或更多个问题和/或提供上述被认定的好处。在此所公开的混杂复合体汽缸盖适用于各种发动机。例如，所述混杂复合体汽缸盖可以应用于汽油直喷式发动机和/或汽油/柴油端口燃料喷射式发动机。

根据一个或更多个实施例，混杂复合体汽缸盖能够承受150℃或更低、100℃或更低、50℃或更低、0℃或更低、-20℃或更低、-40℃或更低、-60℃或更低或者-80℃或更低的温度。混杂复合体汽缸盖能够承受90℃或更高、110℃或更高、150℃或更高、200℃或更高、250℃或更高、300℃或更高或者350℃或更高的温度。混杂复合体汽缸盖能够承受0.5bar或以上、0.75bar或以上、1bar或以上或者1.5bar或以上的冷却剂压力。混杂复合体汽缸盖能够承受50bar或以上、75bar或以上、100bar或以上、125bar或以上或者150bar或以上的汽缸压力。

根据一个或更多个实施例，如图1至图5中所示，混杂复合体汽缸盖1包括内部金属结构10和复合物材料外部结构12。混杂复合体汽缸盖1相比金属汽缸盖具有相对低的重量。混杂复合体汽缸盖1提供了额外的优势。例如，内部金属结构10和外部聚合物复合物结构12的组合允许更好地布置汽缸盖1的复杂内部形状。例如，相比于传统的金属汽缸盖，复合体汽缸盖1的冷却剂回路被更好的布置。混杂复合体汽缸盖1允许优化热传递，使得热保留在期望的地方。

从图1和图2中可以看到，内部金属结构10可以是形成燃烧室上部的部分。内部金属结构10可以包括燃烧室镶块14。如图1和图2中所示，内部金属结构10可包含汽缸盖的以下部分：一个或更多个气门杆导向部16；排气面(exhaust face)18；一个或更多个进气门弹簧座20；一个或更多个排气门弹簧座22；火力面24；一个或更多个燃烧室26的一个或更多个圆顶；一个或更多个汽缸盖螺栓柱28，或它们的组合。火力(汽缸盖)面24可以包括一个或更多个进气口和/或排气口，它们是铸入汽缸盖1的内部金属结构10进而将歧管引导到相应气门的通道。从图2中可以看出，火力面24可包括多个发动机冷却剂口30和多个排油口32。

可以设想上述组件中的至少一些可以被包括在外部聚合物复合物结构12中而不是内部金属结构10中。然而，因为火力面24和排气面18可能暴露在比复合物材料可承受的温度更高的温度下，所以期望提供诸如火力面24和排气面18的部件中的至少一些作为内部金属结构10的一部分。另外，将一个或更多个上述组件包括在内部金属结构10中允许减少或防止由于汽缸盖暴露于交变应力而导致的疲劳失效。内部金属结构10能够承受静态和动态载荷，同时不要求外部聚合物复合物结构12承受静态载荷。汽缸盖螺栓柱28减轻了由金属材料传递的静态载荷。更进一步地，由金属形成一个或更多个上述组件具有进一步的优点。例如，火力面24增加了内部金属结构10的结构刚度、结构平面度和密封性，并保持了燃烧室26的一个或更多个圆顶的尺寸稳定性。

根据具体的发动机应用，内部金属结构10可以由铝、纹理铝、铸铁、CGI铁、钢或其它金属制成。内部金属结构10可以由一种或更多种合金制成。例如，内部金属结构10可以由包括铜、硅、锰、镁等或它们的组合的铝合金制成。加入硅和/或铜使内部金属结构10的热膨胀和收缩性、耐用性和可铸性下降。加入铜促进时效硬化。加入锰和/或镁提高合金的强度。因为内部金属结构10形成燃烧室26的一部分，所以在燃烧过程中，内部金属结构10的材料必须承受温度和压力的升高。用于内部金属结构10的材料的类型可以根据具体应用的需要(诸如所需的性能、峰值压力、占空比等或者它们的组合)而调整。

外部聚合物复合物结构12可以由复合物材料形成，并且至少部分地包围汽缸盖的内部金属结构10。外部聚合物复合物结构12可包括增强的聚合物材料。外部聚合物复合物结构12可以包括热塑性材料。外部聚合物复合物结构12可以包括热固性树脂。热固性树脂可以包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、硅树脂或其它类型的树脂以及它们的组合。外部聚合物复合物结构12可通过纤维材料来增强。外部聚合物复合物结构12可以包括纤维增强聚合物。例如，外部聚合物复合物结构12可以通过碳纤维、芳纶纤维、玻璃、玄武岩等或它们的组合来增强。外部聚合物复合物结构12可以通过诸如棉花、羊毛、亚麻、黄麻、椰子、麻、稻草、草纤维的木质纤维素纤维和从天然原料直接获得的其他纤维以及化学改性的天然纤维(例如化学改性的纤维素纤维、棉纤维等)来增强。合适的天然纤维也包括马尼拉麻、肯太拉麻、卡罗阿叶纤维、赫纳昆纤维、龙舌兰纤维、毛里求斯麻、新西兰麻、弓弦、剑麻、洋麻、苎麻、玫瑰茄、菽麻、肖梵夫花韧皮纤维、木棉、金雀花根、椰壳纤维、植物粗丝和棕榈纤维。天然纤维的这些清单是说明性的而不是限制性的。化学改性的纤维的示例还包括：人造蛋白质纤维(再生天然蛋白质)；再生纤维素产品，包括黄原酸纤维素(人造丝)、醋酸纤维素、三乙酸纤维素、硝酸纤维素、藻酸盐纤维、酪蛋白基纤维等。

在一个或更多个实施例中，外部聚合物复合物结构12包括利用碳纤维增强的热固性树脂以增加刚度，提供期望的重量减少、优良的耐疲劳性和耐化学性。由于碳纤维的高的强度-重量比和高的刚度-重量比，所以碳纤维也是合适的。然而，任何类型的纤维均是合适的，复合物材料的具体组成取决于特定的发动机应用。

如图3中所示，外部聚合物复合物结构12可包括多个组件。在一个或更多个非限制性实施例中，外部聚合物复合物结构12可以包括：一个或更多个水套芯支撑部34、一个或更多个进气门弹簧座36、一个或更多个火花塞和直喷腔38、一个或更多个燃料泵基座腔、一个或更多个至凸轮的供油口42、用于液压间隙调节器的一个或更多个进出油供油口44、进气安装口、一个或更多个侧部直喷安装口48、一个或更多个进气安装口50、前盖密封轨道52、凸轮罩安装轨道54和/或一个或更多个凸轮推杆安装口。可以设想，汽缸盖的其它部件可以是外部聚合物复合物结构12的一部分。例如，进气歧管或基座汽缸盖(未示出)可包括在外部聚合物复合物结构12中。

在一个或更多个实施例中，制造复合体汽缸盖1的方法包括以下步骤。内部金属结构10可被制造为一个单元，例如通过铸造、整体铸造(monocast)、成型、焊接或通过其它方法形成。或者，混杂复合体汽缸盖1的各个部分可以单独制造，内部金属结构10可以由单个部分组装而成。优选地，汽缸盖1的各个部分被成型在一起以形成统一的燃烧室镶块14。例如，通过整体铸造或与作为燃烧室镶块14的一部分的一个或更多个额外的部分一起进行成型而产生火力面24，从而提供提高的刚度、强度和平面度控制。

一旦内部金属结构10被铸造或以其它方式制造，期望至少部分地机加工内部金属结构10。例如，内部金属结构10可被机加工以产生一个或更多个定位部或其它特征，所述定位部或特征有助于在热固性期间保持内部金属结构10就位。

在产生混杂复合体汽缸盖1时另一个关注的问题考虑的是内部金属结构10比外部聚合物复合物结构12膨胀和收缩得快。因此，在使用汽缸盖1期间，内部金属结构10可能与外部聚合物复合物结构12分离。因此，期望在至少一个实施例中增加内部金属结构10的至少一些区域的表面积。可以通过在内部金属结构10的至少一些区域中增加纹理来增加表面积。这可以通过多种方法完成，例如通过粗糙化、锯齿化、微锯齿化、研磨切削、喷砂、珩磨、电火花加工、铣削、蚀刻、化学铣削、激光毛化或通过其它方法，或者它们的组合。至少在一个实施例中，纹理被加到汽缸盖螺栓柱28的表面，这提高了内部金属结构10和外部聚合物复合物结构12的复合材料之间的结合强度。应该在内部金属结构10被插入模具中之前，以及在内部金属结构10被复合材料包覆成型之前，进行将纹理加到内部金属结构的表面的步骤。

此外，可以设想，可以对内部金属结构10进行额外的处理。在一个或更多个实施例中，将确保更好的热管理的涂层施用到混杂复合体汽缸盖1的内部金属结构10的暴露于热气体的表面。

接着，将内部金属结构10插入到成型机的模具中。对内部金属结构10进行回火。关闭模具。外部聚合物复合物结构12的复合材料被供给到模具中。外部聚合物复合物结构12通过成型形成，在成型期间复合物材料固化。复合物材料被成型在放置在模具中的内部金属结构10上。复合物材料可通过注射成型、压缩成型、旋转铸造或其它成型法进行成型。固化可通过化学反应、辐照或它们的组合通过约200℃或以上的热引起。固化过程将热固性塑料转换为硬化的热固性树脂，热固性树脂已由于交联过程而呈现其最终形状。在反应期间，可添加一种或更多种催化剂和/或能量，以使分子链在化学活性位反应并连接成为不能被再加热改变其形状的刚性的3-D结构。固化后，外部聚合物复合物结构12非常适合于高温应用。

在至少一个实施例中，如图4和图5中所示，所得到的燃烧室镶块14被成型到外部聚合物复合物结构12中。随后，温度降低，打开模具，将混杂复合体汽缸盖1取出并在室温下放置。

图4示出了组装的内部金属结构10和外部聚合物复合物结构12，以这样的方式来产生不透水的接缝而将汽缸盖水套60密封在汽缸盖1组件内。如在图4中可以看到，水套60被成型为外部聚合物复合物结构12的一部分。图5示出了沿图4的线5-5的剖面图。从图4和图5中可以看到，内部金属结构10至少部分地被外部聚合物复合物结构12包围。图5示出了内部金属结构10的以下部分：燃烧室26；两个汽缸盖螺栓柱28；排气面18；一个进气门弹簧座20；一个排气门弹簧座22；成型为外部聚合物复合物结构12的一部分的两个发动机冷却剂口30。复合物材料中的开口62容纳油路。

生产混杂复合体汽缸盖1的机器可以是包括用于根据上述方法生产内部金属结构10的铸模或模具的机器。另外的机器包括用于根据上述的方法将复合物材料至少部分地成型在内部金属结构10上的注射成型、压缩成型、旋转铸造或者其它成型技术的成型机器。

虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例不是意在描述本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语为描述性词语而非限定性词语，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作出各种改变。此外，可组合各个实施的实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (8)

1.一种发动机汽缸盖，包括：

内部金属结构，由金属材料形成；

外部聚合物复合物结构，由聚合物复合物材料形成，

其中，所述外部聚合物复合物结构至少部分地包围所述内部金属结构，

其中，所述内部金属结构形成燃烧室的上部或形成燃烧室镶块。

2.根据权利要求1所述的发动机汽缸盖，其中，所述聚合物复合物材料包括纤维材料。

3.根据权利要求1所述的发动机汽缸盖，其中，所述内部金属结构包括火力面。

4.根据权利要求3所述的发动机汽缸盖，其中，所述火力面包括多个发动机冷却剂口、多个排油口或者包括多个发动机冷却剂口和多个排油口两者。

5.根据权利要求1所述的发动机汽缸盖，其中，所述内部金属结构由铸铁制成。

6.根据权利要求1所述的发动机汽缸盖，其中，所述外部聚合物复合物结构由热固性树脂制成。

7.根据权利要求6所述的发动机汽缸盖，其中，所述热固性树脂包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、硅树脂或它们的组合。

8.根据权利要求7所述的发动机汽缸盖，其中，所述热固性树脂是聚酯树脂。