CN106870194A - 用于内燃发动机的汽缸盖 - Google Patents

Abstract

公开一种用于内燃发动机的汽缸盖。一种汽缸盖包括具有板和从板延伸的多个汽缸盖螺栓柱的内部结构件，所述板形成汽缸盖的平台面并形成至少一个碟形汽缸顶部。外部构件由内部结构件支撑并形成冷却夹套、进气口和排气口。冷却夹套的通道用与外部构件的复合结构接触的金属壁作为内衬。一种形成汽缸盖的方法包括：将结构性嵌入件和失芯嵌入件定位在工具中；将材料注入工具中，以形成包围结构性嵌入件和失芯嵌入件的主体，从而形成缸盖预型体。失芯嵌入件被成形为形成冷却夹套并具有大致封装在金属壳体中的失芯材料。

Description

用于内燃发动机的汽缸盖

技术领域

各个实施例涉及用于内燃发动机的复合体(composite)汽缸盖。

背景技术

在发动机操作期间，汽缸盖可能需要冷却，并且可以设置包含诸如水的冷却剂的流体夹套系统。汽缸盖的各个区域可以是几乎没有封装空间的承载区域。汽缸盖可以在工具中使用包括铸造和模制的工艺而形成。汽缸盖可具有各种特征，诸如冷却夹套和润滑系统等的复杂形状和流体通道。提供这些复杂的形状和流体通道可能是具有挑战性的。例如，砂芯或其它失芯(lost core)可用在低压工艺中，以提供期望的特征；然而，由于封装限制上期望特征的小尺寸、失芯材料无法承受高压处理、失芯材料被压碎、失芯材料在处理期间移动、产生的汽缸盖不符合期望特征或者是其他方面不完整，可能出现一些限制。另外，对于由复合材料形成的汽缸盖，机加工或直接模制到复合材料中的冷却通道可能在发动机运转期间不能为汽缸盖提供充分的热管理和冷却。

发明内容

根据实施例，提供了一种用于内燃发动机的汽缸盖。内部结构性金属构件具有第一板，所述第一板形成汽缸盖的平台面并形成一系列碟形汽缸顶部。所述内部结构性金属构件具有从所述第一板延伸的汽缸盖螺栓柱、通过第一支撑臂连接到所述第一板的排气门导管、通过第二支撑臂连接到所述第一板的进气门导管和被构造为安装排气歧管并以一定角度延伸到所述第一板的第二板。外部复合构件由内部结构性金属构件支撑并形成汽缸盖的主体，主体包括进气侧壁、第一端壁和第二端壁以及与平台面相对的顶壁。所述外部复合构件限定有冷却夹套、进气口和排气口。冷却夹套的流体通道由金属壁形成，所述金属壁与外部复合构件的复合材料接触并被其包围。

根据另一实施例，一种汽缸盖设置有内部结构性构件，所述内部结构性构件具有板以及从板延伸的多个汽缸盖螺栓柱，所述板形成汽缸盖的平台面并形成至少一个碟形汽缸顶部。外部构件由内部结构性构件支撑并形成冷却夹套、进气口和排气口。

根据又一实施例，提供一种形成用于内燃发动机的汽缸盖的方法。将结构性嵌入件和失芯嵌入件定位在工具中。将失芯嵌入件被成形为形成冷却夹套并具有大致封装在金属壳体中的失芯材料。将材料注入工具中，以形成包围所述结构性嵌入件和失芯嵌入件的主体，从而形成汽缸盖预型体。

本公开的各个实施例具有关联的非限制性的优点。例如，对于至少部分地由复合材料形成的缸体，由于复合材料因其低导热性而作为绝缘体，所以热梯度热点需要特殊的热管理。与高热源(例如复合体汽缸盖)嵌套接触的自足式空心铝芯提供了对缸盖进行热管理的流体夹套。冷却剂用于将热从发动机汽缸盖带到热交换器(例如散热器)。流体流动通道包含在被模制或铸造到周围壳体(诸如复合体包覆成型汽缸体)中的空心铝芯中。所述流体流动通道的外表面的表层与保持它的复合材料和/或铝合金压铸件直接接触。通道提供了热流量管道，所述热流量管道将多余的热这些从要求尺寸稳定性的区域移走，且其外表面或壳体由铝或铝合金材料制成，这可以有效地消散和传导热。在盐芯上具有铝壳体的冷却夹套嵌入件在制造过程期间提供保护盐芯免于破裂或以其他方式溶解的结构。所得到的缸盖中的冷却剂回路或冷却夹套具有薄壁和较小横截面的通道。由于改进的流动回路构造(其由于传统的砂芯或高压铸造或模制工具的限制而无法利用这样的砂芯或工具获得)，冷却夹套嵌入件允许精准的位置控制以及对流体通道的物理形状的控制，以优化热传递。流体通道的薄横截面允许冷却剂被放置为邻近高热流量区域(例如缸盖中的气门座)。结构性嵌入件用于汽缸盖而向汽缸盖提供额外的强度(例如，当与复合材料一起使用时)，并得到具有减小的重量和增加的燃料效率的发动机。

附图说明

图1示出了被构造为实施所公开的实施例的内燃发动机的示意图；

图2示出了图1的汽缸盖的分解图；

图3示出了根据实施例的汽缸盖的局部剖视图；

图4示出了图2的汽缸盖的另一剖视图；

图5示出了形成图2的汽缸盖的方法的流程图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代的形式实施。附图不一定按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能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公开的代表性基础。

图1示出了内燃发动机20的示意图。发动机20具有多个汽缸22，图中示出了一个汽缸。发动机20可包括以多种方式布置的多个汽缸，包括直列式构造和V型构造。发动机20具有与各个汽缸22相关联的燃烧室24。汽缸22由汽缸壁32和活塞组件34形成。活塞组件34被连接到曲轴36。燃烧室24与进气歧管38和排气歧管40流体连通。进气门42控制从进气歧管38到燃烧室24的流动。排气门44控制从燃烧室24到排气歧管40的流动。进气门42和排气门44可以以本领域已知的各种方式操作以控制发动机的运转。

燃料喷射器46将燃料从燃料系统直接输送到燃烧室24中，因此发动机为直喷式发动机。发动机20可以使用低压或高压燃料喷射系统，或者在其它示例中可使用进气道喷射系统。点火系统包括火花塞48，其被控制为以火花的形式提供能量而点燃燃烧室24中的燃料空气混合物。在其它实施例中，可使用其它的燃料输送系统和点火系统或技术，包括压缩点火。

发动机20包括控制器和被配置为将信号提供给控制器用以控制输送至发动机的空气和燃料、点火正时、发动机输出的功率和扭矩等的各种传感器。发动机传感器可包括但不限于排气歧管40中的氧传感器、发动机冷却剂温度传感器、加速踏板位置传感器、发动机歧管压力(MAP)传感器、用于曲轴位置的发动机位置传感器、进气歧管38中的空气质量传感器、节气门位置传感器等。

在一些实施例中，发动机20被用作车辆(诸如传统车辆或启动-停止车辆)中唯一的原动机。在其它实施例中，发动机可用于混合动力车辆，在混合动力车辆中，附加的原动机(诸如电机)可用于提供额外的动力以推进车辆。

每个汽缸22可在包括进气冲程、压缩冲程、点火冲程和排气冲程的四冲程循环下工作。在其它示例中，发动机可使用二冲程循环进行工作。在进气冲程期间，进气门42打开且排气门44关闭，同时活塞组件34从汽缸22的顶部移动到汽缸22的底部，以将空气从进气歧管引入到燃烧室24。活塞组件34在汽缸22的顶部的位置通常被称为上止点(TDC)。活塞组件34在汽缸的底部的位置通常被称为下止点(BDC)。

在压缩冲程期间，进气门42和排气门44关闭。活塞组件34从汽缸22的底部朝着顶部移动以压缩燃烧室24内的空气。

然后燃料被引入到燃烧室24中并被点燃。在示出的发动机20中，燃料被喷射到燃烧室24中，然后使用火花塞48被点燃。在其它示例中，可以使用压缩点火将燃料点燃。

在膨胀冲程期间，燃烧室24中被点燃的燃料空气混合物膨胀，从而使活塞组件34从汽缸22的顶部移动到汽缸22的底部。活塞组件34的运动使曲轴36产生相应运动，并使发动机20输出机械转矩。引起膨胀冲程的燃烧过程在发动机20上产生负载和力。由燃烧室24中的燃烧事件产生的发动机上的力将力施加在活塞组件34的面部50，并且所述力的至少一部分沿连杆52向下传递到主轴承和曲轴36。主轴承上的力可称为反作用力。燃烧室24内的燃烧事件也在汽缸盖62上产生力，它对发动机缸盖62和汽缸体60之间的附连点(诸如缸盖螺栓)进行加载。汽缸盖和缸盖螺栓上的力可被称为燃烧力。

在排气冲程期间，进气门42保持关闭，排气门44打开。活塞组件34从汽缸的底部移动到汽缸22的顶部，以通过减小燃烧室24的体积而将废气和燃烧产物从燃烧室24中排出。废气从燃烧室24和汽缸22流动至排气歧管40和后处理系统(诸如催化转化器)。

对于各个发动机冲程，进气门42和排气门44的位置和正时以及燃料喷射正时和点火正时可改变。

发动机20具有汽缸体60。汽缸盖62连接到汽缸体60并与汽缸体协作以形成汽缸22和燃烧室24。汽缸盖62封闭燃烧室24并支撑各个气门42、44以及进气系统38和排气系统40。汽缸盖密封垫或其他密封件可定位在汽缸体60和汽缸盖62之间以密封燃烧室24。

汽缸盖62具有平台面66，当组装发动机20时，所述平台面与对应的缸体平台面及密封垫协作。汽缸盖62具有碟形汽缸顶部68或与汽缸体60的汽缸壁协作的其它端壁以形成燃烧室24。汽缸顶部68为凹入，并可具有各种形状，包括豆形、角锥形、半球形、成角度的形状等。顶部68限定用于进气门42、排气门44的气门座。

还可在发动机20中利用缸体60和/或汽缸盖62中的流体通道设置流体回路70，以提供流过发动机的诸如冷却剂或润滑剂的流体流动而用于冷却和/或润滑。流体回路还可包括储液器、泵72、一个或更多个热交换器(诸如散热器或车厢加热器)、通风和空调(HVAC)加热器、阀以及其它装置。

图2示出了根据实施例的汽缸盖100的分解示意图。汽缸盖100可以用作根据示例的发动机20的缸盖62。如下所述，缸盖100由多个组件或元件形成，所述组件或元件被形成在一起以提供缸盖的结构。虽然缸盖100被示出为被分解，但是实际上，该结构在形成后将无法以这种方式进行拆卸。至少一些组件或元件可以由复合材料制成，以提供“复合体”缸盖。复合材料可包括高达50％的碳纤维增强的热固性复合树脂，树脂为酯树脂或聚酯树脂。在其他示例中，其他纤维、颗粒或材料可以与树脂结合使用。复合材料可以具有均匀的组合物，或可由非均匀组合物制成。汽缸盖100被示出为用于直列四缸发动机，但是也可以考虑其它构造。

在进一步的示例中，如下所述，发动机汽缸盖可以由铝、铝合金或其它金属铸造而成。在另一示例中，发动机汽缸盖可由复合材料(包括纤维增强树脂)以及其它合适的材料铸造或模制而成。复合材料和相关联的处理的其他非限制性示例包括：在真空辅助压缩成型工艺中使用的具有碳纤维(长纤维填料)的聚酯/乙烯基酯混合热固性树脂(polyester/vinyl ester mixed thermal set resin)，在真空辅助压缩成型工艺中使用的具有碳纤维(长短纤维填充混合物)的圧缩固性电荷热固性乙烯基酯(compression set chargethermal set vinyl ester)，在注射成型工艺中使用的酚醛碳纤维填充增强的热固性复合材料(phenolic carbon fiber filled reinforced thermal set composite material)，在吹塑成型工艺中使用的生物纤维填充的乙烯基酯热固性复合材料(bio-fiber filledvinyl esters thermal set composite material)，以及在注射成型工艺中使用的玻璃填充的聚酯/尼龙复合材料(glass filled polyester/nylon composite material)。本公开不限于在此包括的复合材料和成形工艺，并且可以使用根据本公开的精神和范围的其他材料和工艺。

缸盖100形成为一体式最终工件，其需要最少的后处理(诸如机加工)，特别是对于流体通道或气门导管而言。缸盖100具有内部构件102和外部构件150。

内部构件102为缸盖100提供结构性支撑。内部构件102可以由诸如铝、铝合金、铁合金等的金属制成。在一个示例中，构件102可以是单个一体式组件。

构件102具有板104，它提供汽缸盖100的平台面106的至少一部分。板104和平台面形成一系列碟形汽缸顶部108，这在图3和图4中更清楚地示出。碟形汽缸顶部108为每个汽缸和燃烧室提供进气口和排气口。

内部构件102还具有从板104延伸远离的一系列缸盖螺栓柱110。缸盖螺栓柱110限定缸盖螺栓延伸穿过并与缸体协作以组装发动机的螺纹孔、非螺纹孔等。在本示例中，缸盖螺栓柱110大致为圆柱形，并且沿着板104的长度并在汽缸顶部108的两侧连接到板104。在其它示例中，缸盖螺栓柱110可以具有其它形状，并且可以被布置为成对对称或不对称。

内部构件102还具有通过支撑臂114连接到板104的进气门导管112。进气门导管112支撑进气门的气门主体并与其对齐。

内部构件102具有通过支撑臂118连接到板104的排气门导管116。排气门导管支撑排气门的气门主体并与其对齐，并对气门主体进行热保护使其免于受高温废气损坏。

板120连接到板104并形成内部构件102的一部分。板120具有被构造为与发动机的排气歧管安装在一起的安装面。因此，该板被定位在缸体的排气侧面，并且可形成排气侧面的至少一部分。板120形成一系列孔122，废气通过这些孔流动到歧管。板120可以相对于板104成一定角度进行连接，例如，板120可以大致垂直于板104。可沿第一底边缘124将板120连接到板104。可使用桥接构件128沿相对的第二上边缘126将板120连接到其它结构(诸如排气门导管116)。在其它示例中，桥接构件128可将板120连接到缸盖螺栓柱110，或者可将气门导管116连接到缸盖螺栓柱110。通过使用附加的桥接构件128结构将排气门导管116和板120连接在一起，缸盖100的强度可以增加，并且由于弯曲力和力矩、扭转力和力矩造成的变形以及热变形可减小。

板104可形成有的孔130，其延伸穿过104以允许流体经其流过。例如，孔130可以提供从缸体中相应的冷却夹套到缸盖100中的冷却剂流动。孔130还可以提供返回到缸体和储液器(reservoir)的润滑通道或排油通道。

缸盖100还具有外部构件150。外部构件150可由不同于内部结构件102的另一材料形成，在进一步的示例中，由如上所述的复合材料形成。例如，在成型工艺中，外部构件150形成为围绕内部构件102的一体式工件。

外部构件150形成缸盖100的顶面152或者上面或上壁、缸盖的进气侧面154或进气侧壁以及缸盖的第一端面156和第二端面156或端壁。外部构件150可连同内部构件102形成平台面106的一部分。外部构件150还可连同内部构件102的板120形成排气侧面158或排气侧壁的一部分。顶面152大致与平台面106相对，并且可能需要用于密封发动机的盖或额外的构件。

外部构件150限定缸盖100的进、排气通道及进、排气口。进、排气通道和进、排气口可具有由外部构件150的材料形成的壁，使得外部构件结构(例如复合材料)与进气和/或废气直接接触。在其它示例中，进、排气通道和进、排气口中的一者或两者可具有用金属作为内衬的壁，使得所述金属内衬定位在外部构件结构(例如复合材料)与进气和/或废气之间。所述金属可以是铝或铝合金。

外部构件150限定各种流体夹套。外部构件150可以提供单个内部冷却夹套，或可以提供上冷却夹套和下冷却夹套等。外部构件150限定用于流体夹套的流体通道，并且还可以为夹套提供至少一些入口和出口。外部构件150还可以包括用于润滑系统的润滑夹套或通道。

外部构件150限定的冷却夹套由流体通道形成。这些流体通道具有定位在由通道本身提供的开放空间和外部构件150的复合结构之间的金属壁或金属内衬。所述金属可以是铝或铝合金。

可在如下所述的制造工艺期间，通过一个或更多个嵌入件(包括失芯嵌入件)在外部构件150中形成缸盖100的通道。嵌入件170被示出为形成缸盖100的冷却夹套中的流体通道的嵌入件。在与工具一起使用以形成缸盖之前而形成嵌入件170。嵌入件170包括失芯区域172。失芯172可以是盐芯、砂芯、玻璃芯、泡沫芯或其它合适材料的失芯。壳体174包围或封装失芯172，使得其覆盖失芯172的外表面的至少一部分。壳体174可以由金属(包括铝或铝合金)形成。芯172大体上可被设置为流体通道的一部分或基本上所有通道的期望形状和大小。在示出的示例中，失芯172形成缸盖100中的冷却夹套的冷却通道的形状。在其他示例中，嵌入件170和失芯172设置为形成外部构件150的其他内部通道(包括进气通道和/或排气通道)的形状和大小。在一个示例中，一个嵌入件170提供缸盖100内的冷却夹套。在其他示例中，多个嵌入件170协作以形成缸盖中的通道，例如进气通道和排气通道。

嵌入件170可包括在铝壳体174和板120之间提供直接接触的多个接触点、接触表面和区域。这两个金属组件之间的直接接触为由嵌入件形成的通道中的冷却剂提供了热传递路径，并改善了发动机组件的冷却。嵌入件170和板120之间的接触点可以位于关键位置，例如位于由于自燃事件热增量导致的高热流量区域中，从而可以沿这些接触点或接触区域的管道(conduit)并在其中管理传导热。例如，铝壳体174和板可以沿板120的上表面并在燃烧室壁的区域中彼此直接接触。所述直接接触提供了传导路径以将热从缸盖传递走。在一个示例中，如图4所示，所提供的直接热传递、传导路径通过燃烧室上壁到达壳体174并到达流体通道内的冷却剂。铝壳体174和板120之间的接触点基于周围的外部构件150(例如复合包覆(overmolded)结构)而在组件的整个寿命期间得以保持。

缸盖100的外部构件150中的一些通道(例如气体温度较低以及腐蚀问题减少的进气通道)可以使用工具上的模具结构形成，或使用失芯材料嵌入件或者使用由没有金属壳体的失芯材料制成的嵌入件形成。

当发动机运转时，活塞在汽缸内的平移运动被转换成曲轴的旋转运动。当发动机运转时，由于汽缸内的燃烧而施加在发动机上的力以及它们相应的反作用载荷或力，缸盖螺栓和主曲轴轴承螺栓被加载。这些力可在发动机和发动机缸盖上引起很大的应力和疲劳。内部构件102通过将缸盖的缸盖螺栓柱直接连接到缸体的螺栓柱而为缸盖提供额外的结构强度，使得外部构件150的材料或复合材料不直接处于载荷路径中。由于发动机设计朝轻量化发展，发动机缸盖可以由替代材料(诸如铝合金、复合材料等)制成。嵌入件102可以由不同于缸盖的材料制成，例如铁或铝合金，以为缸盖和发动机提供期望强度并在缸盖内作为用于缸盖螺栓的主承载结构，同时其大小可用于有限的封装空间。

图3示出了汽缸盖100的局部剖视图。结构性嵌入件102被示为具有提供平台面106的板104。板104限定作为汽缸顶部108的碟形区域，该汽缸顶部108还限定进气门座或孔202和排气门座或孔204。

外部构件150形成流体连接到进气门孔202并向进气门孔202提供进气(例如空气)的进气口206或通道。进气口206被示出为不具有失芯材料，在一个示例中，失芯材料已被从缸盖100移除。

外部构件150形成流体连接到排气门孔204并从排气门孔204接收废气的排气口208或通道。排气口208被示出为不具有失芯材料，在一个示例中，失芯材料已被从缸盖100移除。排气口208被示出为具有由外部结构的材料(例如复合材料)形成的壁。在另一示例中，如下文相对于冷却夹套描述和示出的，排气口208可有作为内衬的金属壁。

冷却夹套220通过外部构件150形成在缸盖100内。冷却夹套220通过将冷却剂引导到缸盖的各个区域的一系列互连的流体通道形成，用于缸盖100的热管理。冷却夹套220由嵌入件170形成。失芯材料172被示出在外部构件150内，这是因为它尚未在后成型步骤中从缸盖100移除。失芯材料172被薄壁式金属壳体174包围或封装。薄壁式金属壳体174的厚度可以在毫米量级。将失芯材料172从缸盖100移除后，壳体174保留在外部构件150中，使得壳体174作为冷却夹套220的通道的内衬。

壳体174被设置为夹套220中的流体与外部构件150的材料之间的屏障。由复合材料(例如碳纤维树脂复合材料)制成的外部构件由于纤维而具有一定程度的孔隙率以及在模制过程中形成的任何空隙或缺陷。这样，壳体174用作内衬以防止泄漏液或流体流到外部构件150中。

壳体174还用以增强缸盖100和冷却夹套220中的流体之间的热传递。由复合材料(例如碳纤维树脂复合材料)制成的外部构件具有比金属壳体低得多的导热率。这样，在操作期间，壳体174充当热管道并增强至流体的热传递以更有力和更有效地冷却缸盖100。在进一步的示例中，壳体174可在与流体接触的内壁或者与外部构件150接触的外壁上设置有各种表面特征(例如翅片、涡流或漩涡诱导特征、各种表面粗糙度等)，以通过增加表面积和/或产生期望的流动模式来增强缸盖热传递。

图4示出了沿不同的切割线截取的缸盖100的另一剖视图。用于进气门的进气导管112通过支撑臂114连接到板104和碟形汽缸顶部108，并形成结构性嵌入件102的一部分。用于排气门的排气导管116通过支撑臂118连接到板104和碟形汽缸顶部108，并形成结构性嵌入件102的一部分。

如图4中可以看到，壳体174在230处与嵌入件102的至少一部分直接接触，例如，在气门导管112、116之间与汽缸顶部108接触，以提供从燃烧室到夹套220中的冷却剂的热传递路径。壳体174还在232处与板104的邻近孔130的上表面直接接触，以提供从平台面到冷却剂的增强的热传递和传导路径。壳体174和嵌入件102也可基于定位和热传递/冷却要求而在缸盖100的其它位置彼此直接接触。

板120被示出为沿下边缘或区域124连接到板104。板120还通过桥接构件128连接到排气导管116。桥接构件128可以包括形成冷却夹套220的一部分的通道，以在排气口208的区域中冷却缸盖。在其它示例中，桥接构件128可以是不具有流体通道的实心结构。

缸盖100被示出为从冷却夹套220移除丢弃公模材料。在图中可以看出，壳体174充当用于夹套220的流体通道的内衬或壁，并与外部构件150的材料接触。诸如冷却剂的流体可流入缸盖冷却夹套220或从缸盖冷却夹套220流出并经由板104中的孔130流到发动机缸体。流体夹套220还可具有设置在缸盖100的其他面上的其他流体入口和/或出口。

图5示出了用于形成发动机的缸盖(诸如缸盖100)的过程或方法250。方法250的各个实施例可以包括更多或更少的步骤，并且可按示出的顺序之外的其他顺序来执行所述步骤。

在步骤252处，在与工具一起使用而形成缸盖100之前形成失芯嵌入件170。为了形成嵌入件，按期望形状和大小形成失芯172，例如，对失芯材料进行铸造或模制工艺。

然后在步骤254处，在芯172周围设置壳体174。在一个示例中，在保持芯172的完整性的同时，使用压铸或铸造工艺来形成壳体174。可按照嵌入件170的形状设置模具、模子或工具。将芯172定位在模具内，然后在芯172周围铸造或以其它方式形成壳体174。可以由低压铸造工艺通过将熔融金属或其它材料注入模具中而形成壳体174。熔融金属可在2-10磅每平方英寸(psi)之间、2-5psi之间的低压下或其他相似的低压范围内的低压下采用重力进料的方式进行注入。用于形成壳体174的材料可以是铝或铝合金，如果外部构件150由金属材料形成，则用于形成壳体174的材料可以是与用于压铸缸盖的材料相同的金属或金属合金。通过在低压下提供熔融金属，失芯172被保持在壳体174内。壳体174冷却后，将嵌入件170从工具中排出。

在步骤256处，形成结构性嵌入件102。在一个示例中，使用金属或金属合金通过将熔融金属注入工具中而铸造或以其他方式形成结构性嵌入件102。所述工具具有各种表面以成形和限定嵌入件102的特征。在本示例中，使用高压压铸工艺形成结构性嵌入件。熔融金属可以是铝、铝合金或其它合适的材料。熔融金属在高压(即20000psi)下被注入以形成发动机组件。熔融金属可以在大于或小于20000psi(例如在15000-30000psi的范围内)的压力下被注入，并且压力可基于所使用的金属或金属合金、模腔的形状和其他考虑因素。在另一示例中，在铸造或锻造工艺中由铁、铁合金等形成结构性嵌入件102。

在其它示例中，嵌入件102由具有比缸盖外部构件150的材料更高强度的其它合适的材料形成。嵌入件102可以使用近净成形铸造工艺而铸造，并且可以使用高压或低压工艺来铸造。嵌入件形成有如上所述的表面特征和摩擦学特征，并且在进一步的示例中，可通过机加工工艺等来提供附加的表面特征。在其它示例中，嵌入件102可以使用其它合适的制造技术形成，所述技术包括但不限于铸造、粉末冶金技术、锻造、机加工、压铸和热处理等。嵌入件102可在被放置于工具中之前被涂覆，以改善与缸盖100的外部构件150的材料的结合。

在一个示例中，步骤254和256是分开完成的，失芯嵌入件170和结构性嵌入件102作为单独的独立组件设置到用于形成缸盖的工具中。在另一示例中，将失芯嵌入件170作为嵌入件或组件设置在用于形成结构性嵌入件102的工具内，将得到的包括失芯嵌入件170和结构性嵌入件102二者的特征的组合嵌入件设置到用于形成缸盖的工具中。例如，当桥接构件128包括冷却夹套的通道时，这可能是合适的。

在步骤258处，将失芯嵌入件和结构性嵌入件定位在用于形成缸盖的工具内，或者可替代地，将组合嵌入件定位在用于形成缸盖的工具内。在任一情况下，嵌入件170具有与结构性嵌入件102的表面协作并配合的接触点、接触表面和接触区域，所述接触点、接触表面和接触区域提供嵌入件之间的彼此相对的定位以及组件使用期间结构性嵌入件102和嵌入件170的壳体174之间的热传递路径的直接接触。嵌入件可具有与工具的模具协作的各种定位特征以将嵌入件定位在工具内并使嵌入件与工具对齐。其它附加的嵌入件(例如，用于形成进气通道或排气通道、润滑通道等的失芯嵌入件)也可设置并布置在工具内。这些嵌入件可以由失芯材料单独形成，或者可以具有由在此所述的金属壳体封装的失芯材料。

在步骤260处，通过将材料注入到用于形成缸盖的工具中而形成缸盖100。所述工具可以包括多个模具或滑块，包括相协作以形成模腔的定模(cover die)和动模(ejectordie)，其中模腔的表面被成形为形成缸盖100的各个特征。

在一个示例中，复合混合物注入工具中以围绕嵌入件102、170形成外部构件150并形成缸盖100。可以使用诸如注射成型等成型技术在嵌入件102、170周围形成外部构件150。根据用于缸盖100的制造技术提供工具，并且该工具可以包括各种模具、模子、滑块等。所述工具还可以包括各种嵌入件或芯以提供缸盖的其他特征。复合材料在嵌入件170的壳体174周围流动，并与嵌入件170的壳体174一起形成界面和/或接合处。在成型工艺期间，缸盖可经由热固工艺或用于固化复合材料的高压釜等而自固化。成型工艺可以是注射模或压缩模的工艺，注射模或压缩模二者都在生产时进行热固。然后缸盖100作为未完成的组件或预型体从工具移除。

在另一示例中，熔融金属被注入工具中以围绕嵌入件102、170形成外部构件150并形成缸盖100。在本示例中，所述工艺可以是对形成外部构件150的材料的铝或铝合金进行的高压压铸工艺。结构性嵌入件102可由铁合金形成，或者可以是铝或其它铝合金。熔融金属在嵌入件102、170周围流动，并且在嵌入件周围形成铸造表层。失芯嵌入件170的壳体174可以部分地熔融以与注入的金属融合，并与外部构件150集成为一体。铸造表层和壳体形成缸盖中的流体夹套220的壁。在没有壳体174的情况下，注入的熔融金属会瓦解失芯172。熔融金属冷却以形成外部构件150与缸盖100。然后缸盖100作为未完成的组件或预型体从工具移除。

通过提供壳体174，失芯172保持完整，用于后续处理以形成流体夹套220中的通道。壳体174允许较小尺寸的通道，并允许使用在高压成形工艺中不可用(这是由于失芯材料在所述高压成形工艺中无法保持其形状)的表面特征。例如，失芯嵌入件170可提供冷却夹套220内毫米级的通道或特征，通道的大小小于10mm、5mm或2mm，表面特征的清晰度(resolution)为1毫米的量级。传统的失芯材料铸造或砂型铸造无法在高压成型工艺下实现具有这些尺寸的表面特征或通道，这是因为这种大小的失芯材料可能被破坏。

在步骤262处，对未完成的缸盖组件进行后处理。如图3所示，嵌入件170的失芯材料172保持在缸盖100中，并且需要被移除。在一个示例中，失芯172从缸盖移除以形成夹套220中的通道。可以使用加压流体(诸如高压水射流)移除失芯172。在其它示例中，可以使用本领域已知的其他技术移除失芯172。基于在压铸后处理或成型后处理中移除芯的能力，在本公开中失芯172被称为“失芯”。由于壳体174的包围和保护，本公开中的失芯在压铸或成型工艺期间保持完好。

也可实施其他后处理机加工或制造步骤。例如，可铣削或机加工平台面106。在一些实施例中，在成型或铸造后，可通过额外的精加工或机加工来设置附加的通道或端口。另外，可对缸盖100进行机加工或者钻孔和攻丝。例如，可能需要对缸盖螺栓柱110钻孔和/或攻丝。

在已对缸盖100后处理后，可通过将汽缸盖连接到缸体而组装发动机20，并可将发动机20放置到车辆中。

本公开的各个实施例具有关联的非限制性的优点。例如，对于至少部分地由复合材料形成的缸体，由于复合材料因其低导热性而作为绝缘体，所以热梯度热点需要特殊的热管理。与高热源(例如复合体汽缸盖)嵌套接触的自足式空心铝芯提供了对缸盖进行热管理的流体夹套。冷却剂用于将热从发动机汽缸盖带到热交换器(例如散热器)。流体流动通道包含在被模制或铸造到周围壳体(诸如复合体包覆成型汽缸体)中的空心铝芯中。所述流体流动通道的外表面的表层与保持它的复合材料和/或铝合金压铸件直接接触。通道提供了热流量管道，所述热流量管道将多余的热这些从要求尺寸稳定性的区域移走，且其外表面或壳体由铝或铝合金材料制成，这可以有效地消散和传导热。在盐芯上具有铝壳体的冷却夹套嵌入件在制造过程期间提供保护盐芯免于破裂或以其他方式溶解的结构。所得到的缸盖中的冷却剂回路或冷却夹套具有薄壁和较小横截面的通道。由于改进的流动回路构造(其由于传统的砂芯或高压铸造或模制工具的限制而无法利用这样的砂芯或工具获得)，冷却夹套嵌入件允许精准的位置控制以及对流体通道的物理形状的控制，以优化热传递。流体通道的薄横截面允许冷却剂被放置为邻近高热流量区域(例如缸盖中的气门座)。结构性嵌入件用于汽缸盖而向汽缸盖提供额外的强度(例如，当与复合材料一起使用时)，并得到具有减小的重量和增加的燃料效率的发动机。

虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。此外，各个实施的实施例的特征可以组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (20)

1.一种用于内燃发动机的汽缸盖，包括：

内部结构性金属构件，具有第一板，所述第一板形成汽缸盖的平台面并形成一系列碟形汽缸顶部，所述内部结构性金属构件具有从第一板延伸的汽缸盖螺栓柱、通过第一支撑臂连接到第一板的排气门导管、通过第二支撑臂连接到第一板的进气门导管以及被构造为安装排气歧管并以一定角度延伸到第一板的第二板；和

外部复合构件，由内部结构性金属构件支撑并形成汽缸盖的主体，所述主体包括进气侧壁、第一端壁和第二端壁以及与平台面相对的顶壁，所述外部复合构件限定有冷却夹套、进气口和排气口，

其中，通过金属壁形成冷却夹套的流体通道，所述金属壁与外部复合构件的复合材料接触并被外部复合构件的复合材料包围。

2.根据权利要求1所述的汽缸盖，其中，排气口由金属壁形成，所述金属壁与外部复合构件的复合材料接触并被外部复合构件的复合材料包围。

3.一种汽缸盖，包括：

内部结构性构件，具有板以及从板延伸的多个汽缸盖螺栓柱，所述板形成汽缸盖的平台面并形成至少一个碟形汽缸顶部；和

外部构件，由内部结构性构件支撑并形成冷却夹套、进气口和排气口。

4.根据权利要求3所述的汽缸盖，其中，内部结构性构件包括金属，外部构件包括复合材料。

5.根据权利要求4所述的汽缸盖，其中，复合材料包括碳纤维。

6.根据权利要求4所述的汽缸盖，其中，通过金属壁形成冷却夹套的流体通道。

7.根据权利要求3所述的汽缸盖，其中，内部结构性构件具有以一定角度连接到所述板的排气歧管安装板。

8.根据权利要求3所述的汽缸盖，其中，内部结构性构件具有通过支撑臂连接到所述板的排气门导管。

9.根据权利要求8所述的汽缸盖，其中，内部结构性构件具有通过另一支撑臂连接到所述板的进气门导管。

10.根据权利要求3所述的汽缸盖，其中，外部构件形成汽缸盖的进气侧面、第一端面和第二端面以及顶面。

11.一种形成用于内燃发动机的汽缸盖的方法，所述方法包括：

将结构性嵌入件和失芯嵌入件定位在工具中，所述失芯嵌入件被成形为形成冷却夹套并具有大致封装在金属壳体中的失芯材料；和

将材料注入工具中，以形成包围所述结构性嵌入件和失芯嵌入件的主体，从而形成汽缸盖预型体。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：将另一失芯嵌入件定位在工具中，所述另一失芯嵌入件被成形为在预型体中形成排气通道和进气通道中的至少一个。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括：将失芯材料从预型体中移除，以在冷却夹套中提供流体通道。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，注入材料还包括注射成型复合材料。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，注入材料还包括在高压压铸工艺中铸造包括铝的金属。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括：形成结构性嵌入件，所述结构性嵌入件具有平台面板和从所述平台面板向外延伸的一系列缸盖螺栓柱，所述平台面板形成多个碟形汽缸顶部。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成结构性嵌入件包括形成由所述平台面板支撑并从所述平台面板向外延伸的排气门导管。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，结构性嵌入件由包括金属的材料形成。

19.根据权利要求11所述的方法，还包括：通过将金属壳体铸造在失芯材料周围而形成失芯嵌入件，

其中，失芯嵌入件在被定位在工具中之前形成。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，铸造金属壳体包括通过在小于10psi的压力下注入熔融金属而进行压铸，其中，熔融金属包括铝。