CN106255817A - 用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件 - Google Patents

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Abstract

具有纵向分开的排气端口和进气端口的汽缸结构包括被烧结在汽缸衬套的排气端口桥壁和/或上止点(TC)部分中的凹槽和/或狭槽上方的粉末金属(PM)环。

Description

用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件
相关申请
本申请包含与美国专利申请13/942,515(公开为US 2013/0298853 A1)的主题相关的主题，所述专利申请是美国专利申请13/136,402(现为美国专利8,485,147)的分案。
背景技术
本领域涵盖对置活塞发动机的带端口汽缸的结构。更具体地，本领域涉及一种衬套部件，该衬套部件具有由围绕衬套的粉末材料环限定的冷却通道和加强构件。
参考图1，对置活塞发动机包括至少一个汽缸，活塞20、22在该汽缸中以相反方向运动。如相关的美国专利8,485,147中所教导的，用于对置活塞发动机的汽缸包括衬套10，衬套10具有孔12以及在其中机加工或形成的纵向移位的排气端口14和进气端口16。一个或更多个喷射器端口17开通穿过(open through)衬套的侧表面。两个活塞20和22被布置在孔12中，这些活塞的端面20e、22e彼此相对。在压缩冲程中，活塞朝向对应的上止点(TC)位置移动，其中这些活塞在TC位置中处于其在汽缸中的最内位置。当发生燃烧时，活塞离开TC、朝向对应的端口移动。当从TC移动时，活塞保持其相关联的端口关闭，直到它们接近对应的下止点(BC)位置，其中活塞在BC位置中处于其在汽缸中的最外位置。衬套的环形部分25围绕其内发生燃烧的孔容积，也就是，当活塞处于或接近TC时活塞末端附近的孔容积的部分。出于方便，衬套的该部分被称为“TC”部分。当发动机运转时，TC部分25受到来自燃烧的温度和压力的极限应变。因此，需要在TC部分25处采取结构增强和冷却措施以减轻燃烧的影响。
‘147专利描述了一种汽缸结构，其中衬套被设置有环绕衬套侧壁的TC部分的环形增强带和被接收在衬套的TC部分上方的金属套筒。增强带提供环向(hoop)强度以抵抗燃烧压力。布置在金属套筒与衬套之间的多个凹槽提供用于液体冷却剂的通道。在衬套中钻出的纵向冷却剂通路延伸穿过排气端口中的桥壁(bridge)，以从该凹槽输送液体冷却剂。凹槽将液体冷却剂从增强环附近朝向端口引导；所钻出的通路为排气端口提供附加的冷却措施。
显然，对置活塞汽缸衬套呈现了独特的工程挑战和制造挑战。薄的排气端口桥壁在发动机运行期间暴露于非常热的排气，并且因此需要冷却剂流动以保持结构完整性。此外，汽缸的、特别是衬套的环形TC部分中的燃烧容积需要额外的强度和冷却剂流动以承受燃烧的极端温度和高压力。
一种用于产生穿过排气端口桥壁的冷却剂通路的工序包括枪孔钻；例如，参见上面引用的‘147专利。根据另一种工序，在端口桥壁中机加工或铸造狭槽，且然后用金属环覆盖这些狭槽，该金属环经压配合、焊接、钎焊或铜焊以将环附接到衬套。在这方面，例如，参见美国专利1，818,558和美国专利1,892,277。衬套的发生燃烧处的高压TC部分可以具有形成在衬套的外表面中的用于冷却剂管道的凹槽，这些凹槽由压配合硬质钢环或套筒覆盖以包围冷却剂并减轻套筒的TC部分中的环向应力。在这方面，参见美国专利1,410,319和上面引用的‘147专利。所有这些结构都有局限性。冷压配合接头需要精密制造、额外的部件和精密组装，所有这些都导致高成本。焊接接头改变了局部区域中接合件的微观结构，从而改变了回火和机械性能，这能够增加失效和废料率。钎焊或铜焊接头包括能够随时间腐蚀并具有不同结果的基底材料。能够承受排气温度的材料是昂贵的。
发明内容
在排气端口桥壁中经机加工或以其他方式产生的凹槽上方烧结粉末金属(PM)环包括环的微熔化，以在环与衬套之间产生结合物。在利用薄金属管来覆盖在衬套壁中经机加工或以其他方式形成的冷却狭槽的同时，在衬套的中心带中烧结PM环能够降低汽缸的制造成本。本文所描述的技术包括将两个零件加热至焙烧温度(firing temperature)以将PM颗粒微熔化至衬套材料。这产生了PM环和汽缸衬套之间的整体结合物。
附图说明
图1是对置活塞发动机的示意图并且恰当地标记“现有技术”，其中对置的活塞位于汽缸中的对应下止点位置附近。
图2是图示说明根据本公开的第一实施例的汽缸衬套结构的等距截面视图。
图3A、图3B和图3C图示说明根据第一实施例的汽缸衬套组装顺序。
图4是图示说明根据本公开的第二实施例的汽缸衬套结构的等距截面视图。
具体实施方式
根据本公开，用于对置活塞发动机的汽缸衬套具有孔、环形TC部分以及纵向分离的排气端口和进气端口，所述排气端口和进气端口从汽缸输送排气并且将空气充入汽缸中。端口中的每个由穿过衬套侧壁的一个或更多个开口序列构成，所述开口序列由侧壁的实心区段分开。这些实心区段称为“桥壁”。在一些描述中，每个排气开口和进气开口被称为“端口”；然而，这样的“端口”的周向阵列的构造和功能与图1所示出的和本文所讨论的端口构造没有区别。
图2是示出用于对置活塞发动机的汽缸衬套部件30的第一结构实施例的局部截面视图。该衬套结构包括具有TC部分33和排气部分34的衬套32、冷却剂覆盖管43、加强环53、以及排气端口环63。该结构通过形成衬套、将所述冷却剂覆盖管压配合到所述衬套上、并且然后通过烧结过程将所述加强环和排气覆盖环结合到所述衬套和所述冷却剂覆盖管来组装。在这方面，于是，选定衬套、覆盖管以及环的材料成分以与所述烧结过程相容。在该约束内，用于衬套、冷却剂覆盖管和环的具体材料成分基于对置活塞发动机的预期运转条件(诸如，发动机负载范围、海拔高度等)来选定。例如，衬套32可以由铁制成，并且管43可以由轧制钢(或者可能地，铝)制成。环53和63是粉末金属(PM)零件。
衬套32被制造有经机加工或以其他方式产生的经过排气部分34中的预分度(pre-indexed)的排气端口桥壁位置36的凹槽35、以及经机加工或以其他方式产生的经过TC部分33中的预分度的区域的狭槽37。优选地，还在衬套32中机加工或以其他方式产生用于喷射器端口的排气端口开口和孔。轧制的薄壁钢质冷却通道覆盖管43被制造为具有足够的宽度以封闭冷却狭槽37。
通过金属粉末的球形颗粒(2C微米和更小)的压实或金属注射成型来制造环53和63。PM压实过程涉及将金属粉末浇注到模具中，并且然后在足以允许粉末粘结到足以引发和维持烧结过程并达到适当致密化的高压下压缩所述材料。金属注射成型(MIM)涉及将金属粉末与热聚合物(诸如，聚乙烯)混合，并且然后将混合物注射到模具中，如在典型的塑料注射成型工艺中。使所述混合物在模具中固化，并且然后在聚合物被烧结之前在解除结合(de-binding)过程中用有机化合物除去聚合物。
优选地，PM材料包括钢基合金材料，诸如具有在从FN-02xx(2％NiFe)到FN-04xx(4％NiFe)的范围内的成分的镍钢材料，这两种镍钢材料都具有若干热处理和后烧结回火选项。PM材料的替代系列可以是具有某些期望的特性并且从烧结过程获得其后热处理从而不需要后烧结回火的FLC-05xx。
经选定用于汽缸衬套的材料必须与PM材料的烧结和后热处理要求(如果有的话)相容。作为示例，FN-0208-HT100PM材料与CL40铁(钢)衬套的后热处理要求相容，但不适用于由CL30铁制成的衬套。如果TC部分需要更高的强度，则使用FLC-0508环和CL30衬套将是期望的，因为它们都不需要后热处理。
在一些情况下，诸如海洋发动机的高腐蚀性环境，其中具体的热传递要求相对较低，可能期望的是FN-04xx(4％NiFe)或50％Ni 50％Fe材料，而不是具有更好的传热性能的FN-02xx(2％NiFe)n或FC-05xx。
对于这些过程可能需要的表面的清洁涉及与现有技术工序中所使用的途径不同的途径。由于具有游离铁颗粒的材料将开始快速氧化，用于使两个表面配合的先前过程可导致两个零件之间的氧化层。因此，在烧结过程期间，引入气体(典型地90％N和10％H)，使得当烧结温度达到600℃时，氧(和游离碳)将与氢反应以除去氧化剂并且有效地“清洁”所有表面。
排气桥壁冷却通道覆盖过程
图3A-3C图示说明用于制造用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件以产生用于排气端口桥壁的冷却剂通路的过程。该过程包括形成衬套并且形成如上所述的PM排气环，并且然后将排气端口环63定位在衬套32的排气端口部分34上方，如图2和图3A中所示。安装有排气环63的衬套32在烧结炉中经受焙烧温度，以在环63的相向的内环形表面与衬套排气部分34的外表面之间形成整体结合物，如图3B中所示。这覆盖了凹槽35，从而在所述环与排气端口部分之间形成冷却剂通路。如图3C所示，根据需要对所述衬套的OD进行机加工，并且然后通过穿透(cut through)排气环63形成预分度的排气端口开口38。
中心冷却通道和增强覆盖过程
图3A至图3C图示说明用于制造用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件以产生用于衬套的TC部分33的冷却剂通路和加强环的过程。该过程包括形成衬套、形成冷却通道覆盖管、以及形成如上所述的PM加强环并将冷却剂通道管43安装到衬套32的TC部分33。接下来，加强环53被定位在管43上方，其中加强环53的内环形表面面向管43的外圆柱形表面，如图3A中所示。安装有管43和环53的衬套32在烧结炉中经受焙烧温度，以在所述环和管的相向表面之间形成整体结合物，如图3B中所示。这覆盖了狭槽37，从而在所述环与TC部分之间形成多个冷却剂通路。如图3C所示，根据需要对所述衬套的OD进行机加工，并且然后通过钻穿加强环53和管43形成一个或更多个预分度的喷射器端口开口39。
图4示出根据本公开的第二实施例的汽缸衬套结构。在该实施例中，省去了薄壁钢质冷却腔室管，并且FM中心环73被制成足够大以覆盖整个TC区域33，从而覆盖狭槽37。当组装好的零件在烧结炉中被加热至焙烧温度时，在PM中心环73和衬套32的外表面之间形成防漏整体结合物，从而消除对薄壁钢管的需要。
两个过程的一般条件/要求
在烧结过程中PM材料将微熔化到其上的任何材料的清洁对于提供牢固的熔化结合是重要的。当准备衬套、覆盖管以及用于烧结的PM材料环时，衬套被立在一端，并且所述环被设置在陶瓷衬底或支撑件上以将其在轴向上精确地套设在衬套的将被烧结的部分上方。上述两个过程能够同时执行或依次执行。虽然同时烧结是优选的，但是由于所使用的一些材料的后烧结硬化要求，可能需要单独执行这些过程。一些金属可能需要快速冷却以便硬化，而其他金属可能需要缓慢冷却以确保硬化。用于中心冷却和加强过程的替代工序将是消除冷却剂通道覆盖管，并且使PM加强环足够宽以覆盖整个TC区域冷却通道。在该工序中，PM加强环将被直接微熔化到衬套，以在这两者之间形成整体结合物。该工序可以简化制造并且确保汽缸的TC部分中的冷却剂通道的完全的防漏密封。
尽管在此已经图示说明和描述了用于对置活塞发动机的汽缸衬套结构的实施例，但显然这样的实施例仅是以示例的方式提供的。体现但不改变本说明书中阐述的原理的变型、改变、添加和替换对于本领域技术人员应该是明显的。

Claims (20)

1.一种制造用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件的方法，包括：
由铁材料形成汽缸衬套(32)；
由粉末金属(PM)材料形成环(63)；
将所述环(63)定位在所述汽缸衬套的排气端口部分(34)上方；
通过使所述排气端口部分和所述环的相向表面结合而在所述环与所述排气端口部分之间形成冷却剂通路(63，35)。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：形成延伸穿过所述环(63)和所述排气端口部分(34)的排气端口开口(38)。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括：由钢基合金形成所述环(63)。
4.如权利要求1所述的方法，其中形成所述汽缸衬套(32)包括在所述排气端口部分中的排气端口桥壁位置中形成凹槽(35)。
5.一种制造用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件的方法，包括：
由铁材料形成汽缸衬套(32)；
由钢或铝材料形成管(43)；
由粉末金属(PM)材料形成环(53)；
通过将所述管套装在上止点部分上方而在所述管与所述衬套的所述上止点部分(33)之间形成冷却剂通路(53，37)；
将所述环定位在所述管上方，与所述汽缸衬套的所述上止点部分对齐；
通过使所述管和所述环的相向表面结合而使所述上止点部分加强。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括：形成延伸穿过所述环、所述管、以及所述上止点部分的一个或更多个喷射器端口开口(39)。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括：由钢基合金形成所述环。
8.如权利要求5所述的方法，其中形成所述汽缸衬套包括在所述上止点部分的环形区段中形成狭槽(37)。
9.一种制造用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件的方法，包括：
由铁材料形成汽缸衬套(32)；
由粉末金属(PM)材料形成环(53)；
将所述环定位在所述汽缸衬套的上止点部分(33)上方；
通过使所述上止点部分和所述环的相向表面结合而使所述上止点部分加强。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：形成延伸穿过所述环和所述上止点部分的一个或更多个喷射器端口开口(39)。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：由钢基合金形成所述环。
12.如权利要求9所述的方法，其中形成所述汽缸衬套包括在所述上止点部分的环形区段中形成狭槽(37)。
13.一种制造用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件的方法，包括：
由铁材料形成汽缸衬套(32)；
由粉末金属(PM)材料形成环(53)；
将所述环定位在所述汽缸衬套的上止点部分(33)上方；
通过使所述上止点部分和所述环的相向表面结合而在所述环与所述上止点部分之间形成冷却剂通路(53，37)。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：形成延伸穿过所述环和所述上止点部分的一个或更多个喷射器端口开口(39)。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：由钢基合金形成所述环。
16.如权利要求13所述的方法，其中形成所述汽缸衬套包括在所述上止点部分的环形区段中形成狭槽。
17.一种用于对置活塞发动机的汽缸的衬套部件，包括：
铁材料的汽缸衬套(32)；
粉末金属(PM)材料的环(53，63)，所述环被定位在所述汽缸衬套的部分(33，34)上方；
所述环和所述汽缸衬套的所述部分的相向表面之间的结合物；以及，
所述环和所述汽缸衬套的所述部分之间的冷却剂通路。
18.如权利要求17所述的衬套部件，其中所述汽缸衬套的所述部分是排气端口部分(34)和上止点部分(33)中的一者或两者。
19.如权利要求17所述的衬套部件，其中所述汽缸衬套的所述部分包括在排气端口桥壁区段(36)中的凹槽(35)，所述衬套部件进一步包括在所述排气端口桥壁区段之间的开通穿过所述环和所述汽缸衬套部分的排气端口开口(38)。
20.如权利要求17所述的衬套部件，其中所述汽缸衬套的所述部分是包括狭槽(37)的上止点部分(33)，所述衬套部件进一步包括开通穿过所述环和所述上止点部分的一个或更多个喷射器端口开口(39)。
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