CN107630763A - 复合内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合内燃发动机。提供内燃发动机，其包括具有在树脂中的纤维材料的气缸体。气缸体限定活塞孔和定位在活塞孔内的孔衬套，并且包括衬底和定位在衬底内部表面上的涂层。衬底的外部表面限定保持特征。

Description

复合内燃发动机

技术领域

本公开主要涉及内燃发动机设计，并且更具体地，涉及复合气缸体设计和用于制造复合气缸体的方法。

背景技术

车辆越来越普遍地使用轻型部件和设计，以减少车辆发动机的车辆重量。然而，为了维持排放标准和性能要求，必须解决强度和热量问题。因此，需要内燃发动机及其部件的新设计。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供内燃发动机，其包括具有在树脂中的纤维材料的气缸体。气缸体限定活塞孔和定位在活塞孔内的孔衬套(bore liner)，并且包括衬底(substrate)和定位在衬底的内部表面上的涂层。衬底的外部表面限定保持特征(retention feature)。

根据本公开的另一方面，提供内燃发动机，其包括大致包含在树脂内的纤维材料的气缸体。气缸体限定缸体缸盖结合面(deck face)和多个活塞孔和隔板(bulk head)。隔板定位在活塞孔的相对侧上，而非缸体缸盖结合面，并且多个加固嵌件定位在缸体缸盖结合面和隔板中的至少一个中。嵌件大致由树脂中的纤维材料包围。

根据本公开的又一方面，提供形成内燃发动机的方法，其包括提供用于形成气缸体的模具，在模具内定位多个加固嵌件，以及在模具内定位孔衬套，其中孔衬套限定多个保持特征，以及将纤维材料和树脂注射到模具内。纤维材料和树脂大致包围加固嵌件并且使树脂凝固以形成气缸体。

本领域技术人员在研究以下说明书、权利要求书和附图后将了解和理解本发明的这些和其他方面、目的和特征。

附图说明

在附图中：

图1是根据一个实施例的内燃发动机的气缸体的前部透视图；

图2是根据一个实施例的图1的气缸体的分解前部透视图；

图3是根据一个实施例的图1的气缸体的剖视图；

图4是根据一个实施例的图1的气缸体的底部前部透视图；以及

图5是根据一个实施例的使用注塑系统形成图1的气缸体的方法的示意图。

具体实施方式

本发明的附加特征和优点将在下面的详细描述中阐明，并且这些附加特征和优点从该描述中对于本领域技术人员来说是显而易见的，或通过如下面的描述与权利要求书和附图描述的那样实施本发明，可以认识到本发明的附加的特征和优点。

如本文所使用的，当用于两个或更多个项目的列表中时，术语“和/或”表示所列项目中的任何一个能够单独采用，或能够采用所列项目的两个或更多个的任何组合。例如，如果合成物被描述为包含成分A、B和/或C，则合成物能够单独包含A；单独包含B；单独包含C；包含A和B的组合；包含A和C的组合；包含B和C的组合；或包含A、B和C的组合。

在本文档中，诸如第一和第二、顶部和底部等的关系术语仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不必要求或暗示此类实体或动作之间的任何实际的此关系或顺序。术语“包括(comprises)”，“包括(comprising)”或其任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，使得包括元素的列表的过程、方法、制品或装置不仅包括那些元素，而且还可包括未明确列出的或此过程、方法、制品或装置固有的元素。在没有更多限制的情况下，由“包括……一个”开始的元素不排除在包含元素的过程、方法、制品或装置中的额外的相同元素的存在。

现在参考图1至图4，参考数字10通常表示具有气缸体14的内燃发动机。气缸体14包括在树脂22中的纤维材料18。气缸体14限定一个或多个活塞孔26。每个活塞孔26都被配置为接收活塞(未示出)。孔衬套30定位在每个活塞孔26内。孔衬套30包括衬底34和定位在衬底34的内部表面42上的涂层38。衬底34的外部表面46限定多个保持特征50。多个加固嵌件54定位在气缸体14内并且大致由纤维材料18和树脂22包围。

内燃发动机10可用于车辆(例如，汽车、卡车、多功能车辆等)、摩托车、飞行器、船、建筑设备、农场设备、工业设备(例如，泵、压缩机或发电机)中。内燃发动机10的气缸体14限定一个或多个活塞孔26。在描述的示例中，气缸体14限定四个活塞孔26，但是可限定通常被称为I-6或直列式6(V型发动机配置可以使用多达12个气缸)的两个、三个或六个活塞孔26，这取决于气缸体14的用途。活塞孔26被设定大小并且配置为由于燃料(例如汽油或柴油)的燃烧而允许活塞在大致向上和向下的方向上的平移运动。活塞孔26内的活塞的大致向上和向下的运动然后可以通过驱动可推进内燃发动机10定位在其中的车辆或设备的曲轴来转换为旋转运动。除了活塞孔26之外，气缸体14还可限定定位在气缸体14的顶部处的缸体缸盖结合面60。缸体缸盖结合面60可围绕活塞孔26延伸并且为凸轮组件提供附接或静止的位置。此外，气缸体14还可限定多个隔板64。隔板64可定位在活塞孔26的下方，并且被配置为支撑由燃烧过程以及连杆和活塞的线性运动到曲轴的旋转运动的转换产生的负载和应力。

如上所述，气缸体14可由纤维材料18和树脂22形成。气缸体14可部分地、大致(例如，大于50％)，或完全由纤维材料18和树脂22形成。在特定示例中，气缸体14可通过将纤维材料18和树脂22的混合物注射到模具内经由注射成型来形成，如下面更详细地描述的。树脂22内的纤维材料18在气缸体14中可具有在约1％至约60％之间，或5％至约50％之间，或约15％至约45％之间，或约30％至约40％之间的纤维体积分数。在一些实施例中，纤维体积分数可在约5％至15％之间。纤维材料18的纤维体积分数可在整个气缸体14中大致均匀，或可通过气缸体14的不同位置而变化。例如，预期会遇到高应力的气缸体14的区域可以被配置为结合比预期不会经受高应力的区域更高的纤维材料18的纤维体积分数。

在一些实施例中，纤维材料18能够由包括碳(例如，碳纤维)、芳族聚酰胺、铝金属、氧化铝、钢、硼、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、超高分子量聚乙烯、A玻璃、E玻璃、E-CR玻璃、C玻璃、D玻璃、R玻璃和S玻璃的材料组成。纤维材料18还可结合超过一种类型的纤维。根据各种实施例，纤维材料18可以被切碎。在一些实施例中，纤维材料18的切碎的纤维的长度能够在约3mm和约11mm之间，或在约5mm和约7mm之间。通常，纤维材料18的纤维在树脂22中随机取向，但是它们也可在受到高定向应力的气缸体14的区域中大致定向对准。在气缸体14中采用的树脂22能够包括尼龙、聚丙烯、环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、硅酮、聚酰亚胺、聚醚砜、三聚氰胺-甲醛、苯酚-甲醛和聚苯并咪唑，或其组合。在一些实施例中，树脂22可包括多种树脂。

根据一些实施例，除了纤维材料18和树脂22之外，气缸体14可结合一个或多个预制纤维垫。预制纤维垫可包括使用与树脂22相同或不同的树脂保持在一起的编织或非编织纤维。垫也可结合具有与气缸体14中采用的纤维不同尺寸的纤维。类似地，垫的纤维可为连续的或切碎的配置。垫的纤维也可由具有与气缸体14的纤维材料18中采用的纤维的合成物相同或不同的合成物的材料组成。垫可被结合在气缸体14的区域中。

现在参考图2和图3，孔衬套30定位在活塞孔26内。如上所述，孔衬套30包括限定内部表面42和外部表面46的衬底34。衬底34可以包括金属(例如铁、铝、钢、镁等)、陶瓷或其复合物。孔衬套30的外部表面46限定一个或多个保持特征50。多个保持特征50从孔衬套30向外延伸到气缸体14内。一个或多个保持构件50被配置为当活塞移动通过活塞孔26时保持孔衬套30在合适的位置并且在气缸体14内。在所描述的实施例中，孔衬套30中的每个限定五个保持特征50，但是可限定一个、两个、三个、四个、六个或更多个保持特征50。在所描述的实施例中，保持特征50被配置为围绕衬底34的外部表面46的圆周延伸的多个连续肋状物。应当理解，在保持特征50的肋状物实施例中，肋状物可以是不连续的或由多个较小的部分或段组成。肋状物也可为一个连续的螺旋特征。此外，应当理解，保持特征50可采取各种配置，诸如配置成保持孔衬套30和气缸体14的相对定位的点、钩、唇形、燕尾形、边缘和/或其他结构。更进一步地，应当理解，保持特征50中的每个基于其形状和/或配置可具有不同的形状和/或不同的功能(例如，一个保持特征50可被配置为抵抗孔衬套30的旋转运动，而另一个保持特征50可被配置为防止在活塞孔26内的在向上和向下方向上的运动)。如图所示，气缸体14可在每个活塞孔26之间限定一个或多个壁70。在此实施例中，孔衬套30的保持特征50可被配置为延伸到壁70中并彼此邻接，如图所示，或可配置为在形成用于将发动机冷却剂从一侧流动到另一侧的目的(intended)通道的同时互锁。在又一实施例中，保持特征50可相对于彼此交错。在又一实施例中，每个孔衬套30的保持特征50可一体地形成，使得多个孔衬套30实际上在气缸体14内是一件。

涂层38定位在孔衬套30的内部表面42上。根据各种实施例，涂层38可为防摩擦或防粘涂层，其被配置为允许活塞/环以最小的摩擦移动通过活塞孔26。根据各种实施例，涂层38可包括碳化物。涂层38可包括镍/碳化硅、镉、银、镍、铬、铝、钛、聚合物或其组合。涂层38可经由电解、等离子涂覆、溅射或本领域已知的其他技术来应用。

现在参考图3和图4，加固嵌件54定位在气缸体14内的各种位置。加固嵌件54可定位在缸体结合面60、隔板64、壁70和/或气缸体14内的其他位置。加固嵌件54可被配置为在应用于气缸体14中时提供额外的支撑或强度。加固嵌件54可为部分地(例如，大于约1％、10％、20％、30％、40％、45％、49％)、大致(例如，大于约50％、60％、70％、80％、90％、99％)或完全被气缸体14的纤维材料18和树脂22覆盖。加固嵌件54可由包括碳(例如，碳纤维)、芳族聚酰胺、铝金属、氧化铝、钢、硼、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、超高分子量聚乙烯、A玻璃、E玻璃、E-CR玻璃、C玻璃、D玻璃、R玻璃和S玻璃的材料组成。加固嵌件54可由在树脂内或在树脂外的切碎纤维和/或连续纤维组成。在加固嵌件54包括嵌入树脂的实施例中，嵌入树脂可被配置为与树脂22相容，使得在树脂22和加固嵌件54之间的界面处的接合线和缺陷最小化。

现在参考图5，描绘了用于形成气缸体14的方法80的示意性实施例。方法80包括步骤84、步骤88、步骤92、步骤96和步骤100。方法80从提供用于形成气缸体14的模具的步骤84开始。模具可包括被配置为形成气缸体14或其子部件的形状中的腔体的两个或更多个板。应当理解，模具可以是可移动的并且包括被配置为接受、保持或以其他方式约束孔衬套30和/或加固嵌件54的特征。接下来，执行将多个加固嵌件54定位在模具内的步骤88。如上所述，模具可被配置为将加固嵌件54固定在合适的位置。接下来，执行将孔衬套30定位在模具内的步骤92。接下来，执行将纤维材料18和树脂22注射到模具内的步骤96。在注射纤维材料18和树脂22的混合物之前，将加固嵌件54和孔衬套30放置在模具内允许混合物涂覆加固嵌件54和孔衬套30。可在注射之前加热纤维材料18和树脂22的混合物，以确保获得足够的粘度。在一些实施例中，可以将过热应用于混合物，以确保纤维材料18和树脂22的混合物适当地涂覆加固嵌件54和保持特征50。最后，执行固化树脂22以形成气缸体14的步骤96。

使用如本公开中所提出的气缸体14可提供各种优点。首先，使用结合纤维材料18和树脂22的气缸体14可比由金属组成的传统气缸体更轻。更轻的气缸体可允许实现车辆的增加的燃料经济性，以及由于相关联的重量损失导致的材料成本的减少。第二，使用纤维材料18的碳纤维示例可允许使用通常不会在气缸体14中发现的高强度材料。例如，由于金属的高热传导和燃料燃烧产生的高热量，芳族聚酰胺纤维(例如，凯夫拉尔)通常不用于常规的金属气缸体。然而，通过部分地、大致或完全覆盖加固嵌件54，可降低对加固嵌件54的热传导，使得加固嵌件54保持其机械性质。气缸体14内的较低热传导材料允许实现可减少排放的较高温度。第三，使用涂层38为孔衬套30提供平滑且低摩擦的涂层，以提供活塞和环的低摩擦运行表面。第四，使用保持特征50允许将孔衬套30保持在气缸体14内，使得衬套30在气缸体14的形成和使用期间保持在合适的位置。第五，使用加固嵌件54允许加固气缸体14内的各种位置，而不需要在任何地方使用更高强度和更重的材料，这可导致重量节省和/或燃料效率。第六，与注射成型的气缸体14结合使用可嵌入的孔衬套30和加固嵌件54可允许由于内燃发动机10的一体形成的本质而跳过复杂的加工和制造步骤。

对于本领域技术人员以及制作或使用本公开的那些人来说，本公开的修改将是可想到的。因此，应当理解，附图所示和上面描述的实施例仅用于说明的目的，而不是旨在限制本公开的范围，本公开的范围由根据专利法原理，包括等效原则解释的所附权利要求所限定。

本领域普通技术人员将理解，所描述的公开的结构和其他部件不限于任何特定的材料。本文公开的本公开的其他示例性实施例可以由各种各样的材料形成，除非另有说明。

为了本公开的目的，术语“耦接”(其所有形式：耦接(couple)、耦接(coupling)、耦接(coupled)等)通常指两个部件(电的或机械的)直接或间接地彼此接合。此接合本质上是静止的或本质上是可移动的。此接合可通过两个部件(电的或机械的)和任何附加的中间构件与彼此或与两个部件一体地形成为单一整体来实现。除非另有说明，否则此接合本质上可为永久的，或在本质上可为可除去的或可释放的。

还重要的是，注意如示例性实施例所示，本公开的元件的构造和布置仅仅是说明性的。虽然在本公开中仅详细描述了本发明的几个实施例，但是审查本公开的本领域技术人员将容易地理解，在没有实质上脱离所述主题的新颖教导和优点的情况下，许多修改是可能的(例如，大小、尺寸、结构、各种元件的形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等的变化)。例如，示出为一体形成的元件可由多个零件构造，或示出为多个零件的元件可一体地形成，接口的操作可颠倒或以其他方式变化，系统的结构和/或部件或连接器或其他元件的长度或宽度可变化，并且在元件之间提供的调节位置的性质或数字可变化。应当注意，系统的元件和/或组件可由各种材料中的任何一种构造，该材料以各种颜色、纹理和组合中的任何一种提供足够的强度或耐久性。因此，所有此类修改旨在被包括在本发明的范围内。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在期望的和其他示例性实施例的设计、工况和布置中进行其他代替、修改、改变和省略。

应当理解，任意所描述的过程或所描述的过程内的步骤可与其他公开的过程或步骤组合以形成在本公开的范围内的结构。本文公开的示例性结构和过程用于说明的目的，不被解释为限制性的。

还应当理解，在不脱离本公开的概念的情况下，能够对上述结构和方法进行变化和修改，并且还应理解，此类概念旨在被所附权利要求书覆盖，除非这些权利要求另外以其语言明确声明。此外，下面提出的权利要求被并入并且构成本详细描述的一部分。

Claims (20)

1.一种内燃发动机，其包括：

包括在树脂中的纤维材料的气缸体，所述气缸体限定活塞孔；以及

孔衬套，所述孔衬套定位在所述活塞孔内并且包括衬底和定位在所述衬底的内部表面上的涂层，其中所述衬底的外部表面限定保持特征。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其还包括：

定位在所述气缸体内并且实质由所述纤维材料和所述树脂包围的多个加固嵌件。

3.根据权利要求2所述的内燃发动机，其中所述衬底的金属包括铝。

4.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述孔衬套限定多个保持特征，所述多个保持特征从所述孔衬套向外延伸到所述气缸体内。

5.根据权利要求4所述的内燃发动机，其中所述保持特征包括多个肋状物。

6.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述活塞孔的所述涂层包括碳化物。

7.一种内燃发动机，其包括：

实质包括在树脂内的纤维材料的气缸体，所述气缸体限定缸体缸盖结合面、多个活塞孔和隔板，所述隔板定位在活塞孔的相对侧上，而非所述缸体缸盖结合面；以及

定位在所述缸体缸盖结合面和所述隔板中的至少一个中的多个加固嵌件，其中所述嵌件实质由所述树脂中的所述纤维材料包围。

8.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中所述加固嵌件包括芳纶纤维。

9.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中所述加固嵌件定位在所述多个活塞孔之间。

10.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中所述加固嵌件完全由所述纤维材料和所述树脂包围。

11.根据权利要求7所述的内燃发动机，其还包括：

定位在所述多个活塞孔内的多个孔衬套。

12.根据权利要求11所述的内燃发动机，其中所述多个孔衬套中的每个限定实质由所述气缸体的所述纤维材料和所述树脂包围的多个肋状物。

13.根据权利要求12所述的内燃发动机，其中所述孔衬套包括铝。

14.一种形成内燃发动机的方法，其包括：

提供用于形成气缸体的模具；

在所述模具内定位多个加固嵌件；

在所述模具内定位孔衬套，所述孔衬套限定多个保持特征；

将纤维材料和树脂注射到所述模具内，其中所述纤维材料和所述树脂实质包围所述加固嵌件；以及

使所述树脂凝固以形成所述气缸体。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述孔衬套包括金属衬底和在所述孔衬套内的陶瓷涂层。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述孔衬套的所述保持特征延伸到所述纤维材料和所述树脂内。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述纤维材料和所述树脂完全包围所述加固嵌件。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述加固嵌件被定位在所述气缸体的缸体缸盖结合面和隔板二者中。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述加固嵌件包括芳纶纤维。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述纤维材料包括碳纤维材料。