CN107676188A - 聚合物复合发动机组件以及加热和冷却所述组件的方法 - Google Patents

聚合物复合发动机组件以及加热和冷却所述组件的方法 Download PDF

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Abstract

提供了发动机组件以及加热和/或冷却发动机组件的方法。该发动机组件具有限定用于接纳活塞的圆柱形区域的金属内衬、围绕该金属内衬的外表面的至少一部分设置的聚合物复合壳体，以及金属汽缸盖。该聚合物复合壳体包括聚合物和多种加强纤维以及以下至少一个：用于接纳传热流体用于加热和/或冷却该发动机组件的多个微通道；以及用于加热该发动机组件的至少一根金属丝。

Description

聚合物复合发动机组件以及加热和冷却所述组件的方法
技术领域
本发明涉及通过使用聚合物复合材料的策略性引入(例如，通过引入其中形成微通道或金属丝用于加热和冷却发动机组件的聚合物复合材料)来最小化质量、增强传热以及提高发动机组件的耐用性和寿命。
背景技术
本节提供与本发明有关的背景信息且不一定是现有技术。
传统上，用于汽车应用的发动机部件已经由诸如钢和铁的金属制成。金属部件是坚固的，通常具有良好的延展性、耐用性、强度和抗冲击性。虽然金属已经执行作为可接受的发动机部件，但是它们在重量、降低重量效率、车辆性能和动力方面具有明显的缺点，由此降低了车辆的燃料经济性。
为了提高车辆燃料经济性而减轻重量已经激发了各种轻质金属部件(诸如铝和镁合金)的使用以及轻质加强复合材料的使用。虽然这种轻质材料的使用可用于减轻总体重量并且通常可以提高燃料效率，但是在发动机组件中使用这种材料时由于与发动机组件相关联的高操作温度而可能会出现问题。例如，与传统的钢或陶瓷材料相比，轻质金属部件也可具有相对高的线性热膨胀系数。在发动机组件中，这种轻质金属的使用可能导致相对于具有较低线性热膨胀系数的相邻部件(如钢或陶瓷材料)在某些热操作条件下的不均匀热膨胀，从而导致部件分离和降低性能。另外，轻质加强复合材料可能具有强度限制，诸如拉伸强度降低，且它们在连续暴露于高温之后可能会降解。因此，需要具有在高温操作条件下增加耐用性的轻型发动机组件以及增强这种发动机组件的传热的方法(例如，加热和冷却)以进一步提高操作效率和燃料经济性。
发明内容
本节提供本发明的一般概述，并且并非是本发明的全部范围或其全部特征的全面公开。
在某些方面中，本发明提供了一种发动机组件。该发动机组件可以包括限定用于接纳活塞的圆柱形区域的金属内衬，其中该金属内衬具有内表面、相对的外表面、第一终端表面以及相对的第二终端表面。该发动机组件可以进一步包括围绕金属内衬的外表面的至少一部分设置的聚合物复合壳体，其中该聚合物复合壳体包括聚合物和多种加强纤维以及以下至少一个：(i)用于接纳传热流体用于加热和/或冷却该发动机组件的多个微通道；以及(ii)用于加热该发动机组件的至少一根金属丝。该发动机组件可以进一步包括具有第五终端表面和相对的第六终端表面的金属汽缸盖，其中该金属汽缸盖的第六终端表面邻近于该金属内衬的第一终端表面。
在其它方面中，本发明提供了一种用于加热和/或冷却发动机组件的方法。该方法可以包括以下一项或多项：(i)将用于加热或冷却该发动机组件的传热流体循环通过被设置在围绕该金属内衬的外表面的至少一部分设置的聚合物复合壳体中的多个微通道，该聚合物复合壳体包括聚合物和多种加强纤维，其中该金属内衬限定用于接纳活塞的圆柱形区域；以及(ii)将电流施用至被设置在聚合物复合壳体中的至少一根金属丝用于加热该发动机组件。
根据本文提供的描述，其它适用性范围将变得显而易见，本发明内容中的描述和特定示例仅仅是为了进行说明的目的，而并不意图限制本发明的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于选定实施例而非全部可能实施方案的说明目的并且不旨在限制本发明的范围。
图1示出根据本发明的某些方面的发动机组件的截面图。
图2示出根据本发明的某些方面的替代性发动机组件的截面图。
图3a至3e示出说明根据本发明的某些方面的聚合物复合材料中的微通道的形成的示意图。
图4示出包括加强纤维和至少一根金属丝的聚合物复合材料。
图5示出根据本发明的某些方面的替代性发动机组件的截面图。
图6a和6b示出根据本发明的某些方面的替代性发动机组件的截面图。
图7示出根据本发明的某些方面的替代性发动机组件的截面图。
图8示出说明发动机组件的加热和/或冷却的示意图。
附图的全部几个视图中的对应附图标号指示对应的部分。
具体实施方式
现在将参考附图更完整地描述示例性实施例。
提供示例性实施例使得本发明将是详尽的，并且将向本领域技术人员完整地传达范围。陈述数种具体细节(诸如具体组合物、部件、装置和方法的示例)以提供对本发明的实施例的详尽理解。本领域技术人员将明白的是，不需要采用具体细节、可以许多不同形式实施示例性实施例，且不应被解释为限制本发明的范围。在某些示例性实施例中，没有详细描述公知过程、公知装置结构和公知技术。
本文所使用的术语仅仅用于描述特定示例性实施例的目的并且不旨在限制。如本文中所使用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有”是包括性的并且因此规定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或增加。本文所述的方法步骤、过程和操作不应被理解为必须需要以所讨论或说明的特定顺序来执行所述方法步骤、过程和操作，除非具体识别为执行顺序。还应当理解的是，可采用另外或替代的步骤。
当元件或层称为“在另一个元件或层上”、“接合至”、“连接至”、“附接至”或“联接至”另一个元件或层时，其可以直接在另一个元件或层上、接合、连接、附接或联接至另一个元件或层，或可以存在介入元件或层。相反地，当元件称为“直接在另一个元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”、“直接附接至”或“直接联接至”另一个元件或层时，可以不存在介入元件或层。用来描述元件之间的关系的其它词语应当以类似方式解译(例如，“在其间”对“直接在其间”、“邻近于”对“直接邻近于”等)。如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关列举项的任何和所有组合。
虽然术语第一、第二、第三等可在本文用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分。诸如“第一”、“第二”的术语和其它数字术语在本文使用时并不暗示顺序或顺序，除非上下文明确指示。因此，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不脱离开示例性实施例的教导。
为了便于描述，可以在本文使用诸如“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上面”等空间相对的术语来如图中所说明般描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间相对的术语可以旨在除图中描绘的定向外还涵盖使用或操作中的装置的不同定向。例如，如果图中的装置翻转，那么被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件接着将被定向在其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可涵盖上方和下方的定向这二者。装置可以其它方式定向(旋转90度或其它定向)，且因此解释本文所使用的空间相对的描述符。
应当理解的是，对于“包括”某些步骤、成分或特征的方法、组合物、装置或系统的任何叙述，在某些替代性变型中，还能预期的是这种方法、组合物、装置或系统也可以“基本上由所枚举步骤、成分或特征组成”，使得将本质上改变本发明的基本和新颖特性的任何其它步骤、成分或特征被排除在外。
在整个发明中，数值表示近似测量值或范围极限以涵盖与给定值和具有约所提及值的实施例以及确切地具有所提及值的实施例的细微偏差。除了在详细描述结束时所提供的工作示例之外，包括所附权利要求书的本说明中的(例如，量或条件的)参数的所有数值应当被理解为在所有情况中被术语“约”修饰，而不论数值前面实际上是否出现“约”。“约”指示所述数值允许一定的略微不精确(一定程度上近似于该值的精确度；近似地或合理地接近该值；几乎)。如果由“约”提供的不精确不在本领域中作此通常意义的另外理解，那么如本文所使用的“约”至少指示可以由测量和使用这些参数的普通方法引起的变动。
另外，范围的公开包括整个范围内的所有值和进一步划分的范围的公开，包括针对该范围给定的端点和子范围。
在诸如汽车的车辆中，发动机是产生用于推进的转矩的动力源。发动机是包括汽缸内衬、活塞、曲柄轴、燃烧室等部分的组件。在四冲程内燃机中，每个活塞具有进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程。在进气冲程期间，活塞向下移动且进气阀打开以允许气态空气混合物填充燃烧室。在压缩冲程期间，进气门和排气门关闭，且活塞向上移动以压缩气态空气混合物。在动力冲程期间，燃烧室中的气态空气混合物被火花塞点燃，且快速膨胀的燃烧气体向下驱动活塞。在排气行程期间，排气阀打开，且活塞向上移动以排出燃烧气体(废气)。总之，在内燃期间，由于在发动机组中发生放热燃烧反应，发动机部件可能受到不同大小的应力以及不同温度的影响。
如上面所讨论，由于给定的发动机架构内的发动机部件的重量增加，动力、燃料经济性和效率可能降低。因此，期望发动机组件中包括诸如轻质金属和轻质复合材料的各种轻质部件，而不是传统的钢和/或铁部件，以减轻发动机的重量并且还保持发动机的结构完整性。除了包括轻质材料之外，发动机组件的合适的冷却和/或加热也是所期望的，以保持发动机组件的寿命并且提高燃料经济性。
因此，本文提供了用于车辆组件的发动机组件，其包括由轻质材料(例如，聚合物复合材料)和传统材料形成并且具有用于加热和冷却发动机组件的合适的传热特征的部件的组合。有利的是，这种发动机组件也可以导致改善噪声、振动和粗糙度。虽然本文所述的发动机组件特别适用于汽车部件，但是它们也可以用于各种其它车辆。可通过当前技术制造的车辆的非限制性示例包括汽车、拖拉机、公共汽车、摩托车、船、活动房屋、飞机(载人机和无人机)、露营车和坦克。
因此，本发明预期一种发动机组件，其包括传统金属部件、轻质金属部件和/或聚合物复合材料部件的组合以及用于加热和/或冷却发动机组件的传热特征。例如，如图1中最佳地所示，提供了(例如，用于车辆的)发动机组件1的一部分。发动机组件1包括限定开口空心圆柱形区域7的内衬2。内衬2可以是任何合适的材料，诸如但不限于金属(例如，钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)或陶瓷(例如，氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)。在某些变型中，内衬2是金属材料。内衬2通常可以是圆柱形形状并且具有中空内部。内衬2具有内表面3、相对的外表面4、第一终端表面5和相对的第二终端表面6。发动机组件1还包括围绕内衬2的外表面4的至少一部分设置的壳体8。壳体8还可以邻近于内衬2的第二终端表面6。壳体8具有内表面9、相对的外表面10、第三终端表面11和相对的第四终端表面12。壳体8可以是轻质金属(例如，铝合金、镁合金、金属复合材料)、陶瓷材料(例如，氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)或聚合物复合材料。一层聚合物复合材料(例如，包括不连续纤维)(未示出)也可以存在于内衬2的外表面4与壳体8的内表面9之间。
发动机组件1可以进一步包括具有第五终端表面14和相对的第六终端表面15的汽缸盖13。第六终端表面15的至少一部分可以邻近于内衬2的第一终端表面5。汽缸盖13可以是任何合适的材料，诸如但不限于金属(例如，钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)或陶瓷(例如，氧化铝、碳化硅、镁合金、铝合金、金属复合材料)。在某些变型中，汽缸盖13是金属材料。内衬2可以通过与汽缸盖13和壳体8的接触而保持在适当位置。冷却剂通道16可以被限定在内衬2的外表面4的至少一部分、壳体8的内表面9以及汽缸盖13的第六终端表面15之间。如果存在一个以上的内衬，那么可能存在邻近于每个内衬的连续冷却剂通道16，或可能存在对应于每个内衬的分离冷却剂通道。冷却剂通道16能够接纳合适的传热流体用于冷却发动机组件1。合适的传热流体的示例包括但不限于空气、水、油、乙二醇、丙二醇、甘油、甲醇及其组合。空气可以从空调系统供应或由车辆的移动产生。具体地，传热流体是水和乙二醇的混合物。如图8中所示，传热流体可以由至少一个泵72从至少一个供应储液器71或供应通道供应至发动机组件1中的冷却剂通道16中的至少一个入口(未示出)。传热流体可以在约70℃至约140℃、约80℃至约130℃或约90℃至约120℃的温度下循环通过冷却剂通道16。泵和供应储液器可以存在于发动机组件附近。可选地，传热流体可以流过冷却器(未示出)以进一步降低传热流体的温度。本领域一般技术人员应当明白的是，传热流体可以根据需要供应给一个或多个冷却剂通道。
汽缸盖13、壳体8和/或内衬2可以通过任何合适的紧固件联接在一起。例如，多个紧固件17(例如，螺栓)可以将汽缸盖13和壳体8结合在一起。该多个紧固件17可以包括任何合适的材料，诸如但不限于金属、聚合物复合材料及其组合。另外或替代地，合适的密封剂(未示出)和/或垫圈(未示出)可以存在于汽缸盖13的第六终端表面15的至少一部分、内衬2的第一终端表面5的至少一部分和/或壳体8的第三终端表面11的至少一部分之间。
由内衬2限定的圆柱形区域7可以接纳活塞18。活塞18经由连杆19连接至曲柄轴20。活塞18、连杆19和曲柄轴20可以是任何合适的材料，例如，金属、陶瓷、聚合物复合材料及其组合。如本领域技术人员将理解的是，图1中所示的发动机组件1描绘了单个活塞18和单个圆柱形区域7以及相关部件，但是实际上可以包括多个活塞、圆柱形区域7和上述相关部件。
在各种实施例中，壳体8包括汽缸壳体部8a和曲柄壳体部8b。如图1中所示，汽缸壳体部8a和曲柄壳体部8b可以形成为一体。替代地，如图2中所示，汽缸壳体部8a和曲柄壳体部8b可以是经由粘合剂(未示出)或利用发动机组件100中的多个紧固件17结合在一起的不同部件。当作为不同部件存在时，汽缸壳体部8a和曲柄壳体部8b可以是相同或不同的材料。参考图2，汽缸壳体部8a具有第七终端表面21和相对的第八终端表面22。曲柄壳体部8b具有第九终端表面23和相对的第十终端表面24。曲柄壳体部的第九终端表面23邻近于内衬2的第二终端表面6和汽缸壳体部8a的第八终端表面22。汽缸壳体部8a的第七终端表面21可以邻近于汽缸盖13的第六终端表面15。汽缸盖13、汽缸壳体部8a、曲柄壳体部8b和/或内衬2可以通过如本文所述的任何合适的紧固件联接在一起。例如，多个紧固件17(例如，螺栓)可以将汽缸盖13、汽缸壳体部8a和曲柄壳体部8b结合在一起。该多个紧固件17可以包括任何合适的材料，诸如但不限于金属、聚合物复合材料及其组合。另外或替代地，合适的密封剂(未示出)和/或垫圈(未示出)可以存在于汽缸盖13的第六终端表面15的至少一部分、内衬2的第一终端表面5的至少一部分和/或汽缸壳体部8a的第七终端表面21的至少一部分之间。
在某些方面中，壳体8是聚合物复合材料。在这种情况下，壳体8可以包括合适的聚合物和多种合适的加强纤维。合适的聚合物的示例包括但不限于热固性树脂、热塑性树脂、弹性体及其组合。优选的聚合物包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯、双马来酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺、聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺。合适的加强纤维的示例包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、有机纤维、金属纤维及其组合。具体地，加强纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。加强纤维可以是连续纤维。有利的是，包括如本文所述的聚合物复合材料的壳体8可以具有约100MPa至约2000MPa、约500MPa至约1000MPa或约1000MPa至约1500MPa的压缩强度。
为了加热和/或冷却发动机组件1，壳体8(例如，聚合物复合材料)可进一步包括如图1中所示的多个微通道25用于接纳如本文所述的传热流体。如图8中的一个实施例中所示，传热流体可以由至少一个泵82从至少一个供应储液器81或供应通道供应至发动机组件1中的微通道25中的至少一个入口(未示出)。泵和供应储液器可以存在于发动机组件附近。传热流体可以在合适的温度(例如，约10℃至约120℃、约20℃至约100℃或约20℃至约90℃)下供应以冷却和/或加热发动机组件。可选地，传热流体可以流过冷却器(未示出)以进一步降低传热流体的温度，或传热流体可以流过加热器(未示出)以使传热流体的温度上升。如图8中所示，冷却剂通道16和微通道25是由供应储液器71和供应储液器81单独供应。本文预期，冷却剂通道16和微通道25可以由相同的供应储液器(未示出)供应。另外，本文预期，发动机组件可以包括微通道25和相关部件(例如，泵82、供应容器81等)、冷却剂通道16和相关部件(例如，泵72、供应容器71等)或其组合。
微通道25可以具有基本上圆形横截面。如本文所理解，“基本上圆形”可以包括圆形和椭圆形横截面，且横截面的尺寸在某些方面可能有偏差。微通道25可以具有小于约8,000μm的直径。另外或替代地，微通道25具有约0.1μm至约8,000μm、0.1μm至约5,000μm、0.1μm至约1,000μm、约1μm至约500μm或约1μm至约200μm的直径。另外或替代地，微通道25可以具有基本上矩形横截面。如本文所理解，“基本上矩形”可以包括正方形横截面，且横截面的尺寸在某些方面可能有偏差。优选地，微通道25的至少一部分是互连的，这可以防止堵塞。微通道25可以沿着任何合适的方向定向，例如，轴向地、径向地、螺旋、分叉、交叉、十字交叉及其组合。
聚合物复合材料可通过使用复合前驱体材料(诸如纤维基材料(例如，布或石墨带))的条带形成。复合材料可以形成有一层或多层，其中每一层可通过接触和/或重叠纤维基材料的条带形成。纤维基材料还可以包括树脂。在将纤维基材料涂敷至工作表面(例如，内衬2的相对的外表面4)之后，树脂可凝结(例如，固化或反应)，并且因此可用于将单层或多层一起粘合在聚合物复合材料中。
通常采用各种方法将树脂引入至浸渍的纤维基基材复合材料系统中：湿式卷绕(或叠层)、预浸渍(称为“预浸处理”)和树脂传递模塑。对于湿式卷绕，干纤维加强材料可在使用时用树脂润湿(通常通过浸没在浴器中)。对于预浸渍(预浸处理)，预先将树脂润湿至纤维基材料中，且通常包括部分固化树脂以具有粘性或粘性稠度(也称为B阶段部分固化)且接着卷绕预浸处理的纤维基材料供以后使用的步骤。预浸处理的复合材料系统倾向于使用热固性树脂系统，其可通过升温而固化或发生反应，其中固化或反应时间在从约1分钟至约2小时的范围内(这取决于固化或反应温度)。然而，某些预浸处理的材料可以采用固化或与光化辐射(例如，紫外线(UV))发生反应的树脂。对于树脂传递模塑，可以将干纤维加强材料放置至模具中，且可以在压力(例如，约10psi至约2000psi)下将树脂注入模具中。本领域中已知的注射模塑技术也可用于将树脂引入加强材料中，具体引入加强材料包括不连续纤维的位置。例如，可以将包括树脂和加强材料的前驱体注射或注入限定空间或模具中，接着将前驱体凝结以形成聚合物复合材料。术语“注射模塑”也包括对热固性树脂使用的反应注射模塑。在某些其它方面中，本教导还预期附接步骤，其中例如经由在工作表面(例如，内衬的相对的外表面4)附近、以内和/或上面进行丝线缠绕、编结或编织来涂敷加强材料。该方法可以可选地包括将未固化或未反应的树脂组合物涂敷或引入至纤维基加强材料中或上面。涂敷意味着未固化或未反应的树脂组合物被润湿至纤维基材料上并且因此可以涂覆在纤维基材料的表面上或被吸收/浸渍至加强纤维基材料中(例如，吸收/浸渍至加强纤维基材料内的孔或开口中)。在将树脂引入至具有加强材料的区域之后，接着凝结(例如，固化或反应)以形成聚合物复合材料。预浸处理的纤维基材料也可以经由丝线缠绕、编结或编织来涂敷。
在某些其它方面中，本教导还预期使用牺牲纤维在聚合物复合材料(例如，壳体8)中形成微通道25的过程。如图3a中所示，复合材料编织预制件200包括交织的第一加强纤维201(例如，碳纤维、玻璃纤维)和第二加强纤维202(例如，碳纤维、玻璃纤维)以形成三维编织结构。第一加强纤维201和第二加强纤维202可为相同或不同的纤维。如图3b中所示，牺牲纤维203可与第一加强纤维201一起被编织至复合材料编织预制件200中。第一加强纤维201和牺牲纤维203可以正弦方式被引导穿过第二加强纤维202。应当注意的是，其它编织图案也是能预期的，并且不限于图3a至3e中所示的图案，该图案仅仅是示例性实施例。牺牲纤维203包括可承受与第一加强纤维201和/或第二加强纤维202的编织以及聚合物复合材料的凝结(例如，树脂注入和固化)但是能够在基本上不蒸发、熔化、蚀刻或溶解聚合物复合材料(例如，加强纤维)的其它成分的条件下蒸发、熔化、蚀刻或溶解的材料。合适的牺牲纤维材料的示例包括但不限于金属和聚合物。非限制性金属可以包括焊料，其包括铅、锡、锌、铝、合适的合金等。非限制性聚合物可以包括聚乙酸乙烯酯、聚乳酸、聚乙烯、聚苯乙烯。另外或替代地，牺牲纤维可以进一步用催化剂处理或经化学改性以改变熔化或降解行为。
在引入牺牲纤维203之后，将树脂204注入至预制件200中，且预制件200在合适的条件下凝结(例如，反应或固化)(分别如图3c和3d中所示)以形成聚合物复合材料210。在凝结(例如，反应或固化)之后，可以进一步处理(例如，加热)聚合物复合材料210以使牺牲纤维203挥发、熔化或降解，或牺牲纤维203可以溶解以产生降解物。例如，牺牲纤维可以被加热至基本上蒸发或熔化牺牲纤维但基本上不降解加强纤维和/或已凝结树脂的温度(例如，约150℃至约200℃)。任何合适的溶剂(诸如但不限于丙酮)均可以被涂敷至牺牲纤维以可选地利用搅拌将它们溶解，前提是该溶剂基本上不降解或溶解加强纤维和/或固化树脂。替代地，可以使用合适的酸(例如，盐酸、硫酸、硝酸等)蚀刻牺牲纤维。例如，通过向聚合物复合材料210施用真空或将气体引入该聚合物复合材料以将降解物排出该聚合物复合材料，可以除去降解物以在该聚合物复合材料中形成微通道205。本文还预期，微通道可以存在于非聚合物复合壳体中，例如存在于金属壳体或陶瓷壳体中。
在其它变型中，复合前驱体材料可以注射模塑或以其它方式涂敷至内衬2的相对的外表面4，接着可以凝结(例如，固化或反应)以形成壳体8。
另外或替代地，聚合物复合材料(例如，壳体8)可以包括用于改善传热的多个微球体(未示出)。微球体可以是陶瓷或玻璃，并且可选地，可以涂覆有金属、陶瓷和/或纳米颗粒。优选地，涂层具有高导热性，例如，铝、铜、锡等。微球体可以具有小于约1,000μm的直径。另外或替代地，微球体可以具有约0.1μm至约1,000μm、约1μm至约500μm或约1μm至约200μm的直径。
另外或替代地，聚合物复合材料(例如，壳体8)可以包括用于加热发动机组件的至少一根金属丝。例如，如图4中所示，一根或多根金属丝302可以被引入或编织至聚合物复合材料300(例如，壳体8)中的加强纤维301(例如，碳纤维)中。金属丝302可以包括适合于导电的任何材料(例如，铜、镍铬合金等)。金属丝302可以与加强纤维301绝缘。例如，金属丝302可以包括合适的绝缘涂层，诸如聚合物涂层和/或编结的玻璃纤维护套。为了加热金属丝302，由电池或其它合适的外部源(未示出)提供电力并由控制单元(未示出)控制电力。参考图1，例如，虽然未示出，但是本领域一般技术人员明白，除了或代替多个微通道25，金属丝302可以被包括在壳体8中。
在特定实施例中，聚合物复合壳体包括以下一个或多个：(i)如本文所述的多个微通道；(ii)如本文所述的至少一根金属丝；以及(iii)如本文所述的多个微球体。另外或替代地，聚合物复合壳体包括以下两个或更多个：(i)、(ii)和(iii)(例如，(i)和(ii)、(i)和(iii)、(ii)和(iii))。另外或替代地，聚合物复合材料壳体包括(i)、(ii)和(iii)。
返回参考图1，发动机组件1可以进一步包括围绕壳体8的外表面10的至少一部分设置的聚合物复合层26。聚合物复合层26可以用作发动机组件的机械、化学和/或热屏蔽。聚合物复合层26可以包括如本文所述的合适聚合物(例如，热固性树脂、热塑性树脂、弹性体)和多种合适的加强纤维(例如，碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、陶瓷纤维、有机纤维、金属纤维及其组合)。具体地，加强纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。加强纤维可以是不连续纤维。聚合物复合层26可以通过注射模塑形成。另外或替代地，聚合物复合层26可以围绕汽缸盖13的至少一部分延伸，如图5中所示。另外，如图5中所示，在替代性发动机组件50中，聚合物复合层26可以沿着壳体8的基本上全部外表面10延伸。另外或替代地，聚合物复合层26可以围绕车辆组件的任何其它合适的表面(例如，围绕油盘、围绕凸轮罩)延伸。另外或替代地，聚合物复合层26可以围绕车辆组件的任何外围系统(例如，水泵、空调、涡轮增压器)延伸。替代地，本文预期，代替利用聚合物复合层26，可以在其位置中使用金属层或陶瓷层。这种聚合物复合层26、金属层或陶瓷层可以密封发动机组件的外侧，并且防止流体从发动机组件中的各种部件之间泄漏，并且可以避免对使用垫圈来密封发动机组件的需要。
在其它变型中，本文用于壳体8和/或聚合物复合层26的聚合物复合材料可以通过本领域中已知的任何其它合适方法(例如，拉挤成型、反应注射模塑、注射模塑、压缩模塑、预浸处理模塑(在高压釜中或作为压缩模塑)、树脂传递模塑和真空辅助树脂传递模塑)制成。另外，纤维前驱体可以通过本领域中已知的任何其它合适的方法(例如，编结、编织、缝合、针织、预浸处理、手动叠层和机器人或手动丝束铺放)制成。
在各个方面中，如图6a和6b中所示，预期包括盖27的发动机组件400。盖27可以邻近于壳体8的第三终端表面11和汽缸盖13的第六终端表面15。盖27可以是任何合适的材料，诸如金属、陶瓷或聚合物复合材料。具体地，尤其当壳体8是聚合物复合材料时，盖27是金属(例如，钢、铁、镁合金、铝合金)，这是因为盖27可以比聚合物复合材料更具可加工性。盖27可以用作汽缸盖13与壳体8之间的配合表面。优选地，盖27和内衬2是相同的材料(例如，金属)使得它们二者可以一起加工或形成以为汽缸盖垫圈和/或汽缸盖13做准备。盖27可以利用合适的粘合剂结合至壳体8或直接与壳体8模塑。另外或替代地，紧固件17可以将汽缸盖13、盖27和/或壳体8联接在一起。另外或替代地，类似于盖27的第二盖(未示出)可以邻近于汽缸壳体部8a的第八终端表面22和曲柄壳体部8b的第九终端表面23。
在其它变型中，进一步预期，本文所述的一个或多个发动机组件部件包括用于将各种发动机部件联接在一起的一个或多个机械互锁特征件。例如，互补的突出凸缘、凹槽、通道、不同形状的锁定翼可被用作机械互锁特征件。具体地，如图7中所示，在替代性发动机组件60中，内衬2的外表面4的至少一部分可以包括用于与壳体8(例如，内表面9)联接的一个或多个机械互锁特征件28，具体在壳体8是聚合物复合材料的情况下。另外或替代地，盖27和/或壳体8的第三终端表面11可以包括用于将盖子27与壳体8联接的一个或多个机械互锁(未示出)特征。另外或替代地，出于绝缘目的，陶瓷材料可以存在于发动机组件中的各种金属和聚合物复合材料部件之间。本文理解的是，本文所述的各种金属部件可容易地加工或铸造。
在一个特定实施例中，本发明预期一种发动机组件(例如，发动机组)，其包括：限定用于接纳活塞的圆柱形区域的金属内衬，其中该金属内衬具有内表面、相对的外表面、第一终端表面和相对的第二终端表面；围绕该金属内衬的外表面的至少一部分设置的聚合物复合壳体，其中该聚合物复合壳体包括如本文所述的聚合物(例如，热塑性或热固性树脂)和如本文所述的多种加强纤维(例如，碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、陶瓷纤维、有机纤维、金属纤维及其组合)以及以下至少一个：(i)如本文所述的多个微通道，其用于接纳如本文所述的传热流体用于加热和/或冷却发动机组件；以及(ii)如本文所述的用于加热发动机组件的至少一根金属丝；以及具有第三终端表面和相对的第四终端表面的金属汽缸盖，其中该金属汽缸盖的第四终端表面邻近于金属内衬的第一终端表面。该聚合物复合壳体可以包括如本文所述的汽缸壳体部和如本文所述的曲柄壳体部。另外或替代地，发动机组件可以进一步包括如本文所述的冷却剂通道，其被限定在金属内衬的外表面的至少一部分、聚合物复合壳体的内表面以及金属汽缸盖的第四终端表面之间。另外或替代地，该发动机组件可以进一步包括如本文所述的聚合物复合层(例如，不连续碳纤维)，其围绕聚合物复合壳体的外表面的至少一部分设置和/或围绕金属汽缸盖的至少一部分延伸。另外或替代地，该发动机组件可以进一步包括与聚合物复合壳体的第九终端表面和金属汽缸盖的第四终端表面连通的金属盖。另外或替代地，金属内衬的外表面可以包括如本文所述的一个或多个机械互锁特征件以与聚合物复合壳体联接。
如上面所讨论，在内燃期间，发动机组件受到不同大小的应力以及极端温度的影响。因此，在其它各种实施例中，本发明预期如本文所述的加热/或冷却发动机组件(例如，发动机组件1)的方法。该方法可以包括使如本文所述的用于加热或冷却该发动机组件的合适的传热流体(例如，空气、水、油、乙二醇、丙二醇、甘油、甲醇等)循环通过如本文所述的被设置在如本文所述的壳体(例如，壳体8)中的多个微通道(例如，微通道25)。传热流体可以由泵从至少一个储液器或供应通道供应至微通道中的至少一个入口。此系统和过程可以被称为发动机组件中的第一加热和冷却回路。在各个方面中，可以在适合于加热或冷却发动机组件的温度下将传热流体引入至微通道。例如，如果传热流体是液体，那么其可以在其冰点与沸点之间的温度下被引入和循环通过微通道。替代地，如果传热流体是气体，那么其可以在高于气体的凝结温度的温度下被引入和循环通过微通道。传热流体可以被引入和/或循环通过微通道时的温度的非限制性示例是约10℃至约120℃、约20℃至约100℃或约20℃至约90℃。
壳体可以由如本文所述的轻质金属(例如，铝合金、镁合金)、陶瓷材料(例如，氧化铝、碳化硅)或聚合物复合材料形成。具体地，壳体是包括如本文所述的聚合物(例如，热固性、热塑性树脂)和多种加强纤维(例如，碳纤维、玻璃纤维、金属纤维等)的聚合物复合材料。壳体可以围绕如本文所述的内衬(例如，内衬2)的外表面的至少一部分周围设置，其中内衬限定用于接纳如本文所述的活塞(例如，活塞18)的圆柱形区域。内衬可以是任何合适的材料，例如，金属或陶瓷。具体地，内衬是金属。
另外或替代地，该方法可以包括将电流施用至如本文所述的被设置在如本文所述的壳体(例如，壳体8)中的至少一根金属丝(例如，金属丝302)用于加热发动机组件。电力可以由电池或其它合适的外部源提供并且由控制单元控制。例如，发动机组件可以被加热至约200℃至约350℃、约200℃至约250℃或约250℃至约350℃的温度。此系统和过程可以被称为发动机组件中的第二加热回路。另外或替代地，该方法可以进一步包括在壳体(例如，壳体8)中引入如本文所述的多个微通道用于改善发动机组件中的传热。
在各个方面中，该方法可以进一步包括将如本文所述的第二传热流体(例如空气、水、油、乙二醇、丙二醇、甘油、甲醇等)循环至如本文所述的冷却剂通道(如例如，冷却剂通道16)用于冷却发动机组件。第二传热流体可以与被供应至壳体中的微通道的传热流体相同或不同。冷却剂通道可以被限定在内衬(例如，内衬2)的外表面(例如，外表面4)的至少一部分、壳体(例如，壳体8)的内表面(例如，内表面9)以及汽缸盖(例如，汽缸盖13)的终端表面(例如，第六终端表面15)之间。传热流体可以由泵从至少一个储液器或供应通道供应至发动机组件中的冷却剂通道16中的至少一个入口。此系统和过程可以被称为发动机组件中的第三冷却回路。传热流体可以在任何合适的温度(例如，从环境温度至高达约120℃)下循环通过第四冷却回路。如本文所使用，“环境温度”是指车辆的环境温度。操作前的环境温度在某些示例中可以在从约-40℃至约50℃的范围内。本文应当理解的是，该方法可以包括第一加热和冷却回路、第二加热回路和第三冷却回路中的一个或多个。
在一个特定实施例中，一种用于加热和/或冷却发动机组件的方法，其中该方法包括以下一项或多项：(i)将用于加热或冷却发动机组件的传热流体循环通过被设置在围绕金属内衬的外表面的至少一部分设置的聚合物复合壳体中的多个微通道，该聚合物复合壳体包括如本文所述的聚合物(例如，热塑性或热固性树脂)和如本文所述的多种加强纤维(例如，碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、陶瓷纤维、有机纤维、金属纤维及其组合)，其中金属内衬限定用于接纳活塞的圆柱形区域；以及(ii)将电流施用至如本文所述的被设置在聚合物复合壳体中的至少一根金属丝用于加热发动机组件。另外或替代地，传热流体可以在从本文所述的环境温度至高达约120℃的温度下引入至微通道。例如，传热流体可以在约-40℃至约120℃、约-30℃至约120℃、约0.0℃至约120℃、约-20℃至约90℃、约10℃至约120℃、约20℃至约100℃或约20℃至约90℃的温度下引入至微通道。另外或替代地，该方法可以进一步包括将如本文所述的另一种传热流体循环至冷却剂通道，该冷却剂通道被限定在金属内衬的外表面的至少一部分、聚合物复合壳体的内表面以及金属汽缸盖的第四端表面之间。
出于说明和描述目的已提供实施例的前述描述。该前述描述不旨在穷举或限制本发明。特定实施例的个别元件或特征通常不限于该特定实施例，但是如果合适的话是可互换的并且可在选定实施例中使用，即便没有具体示出或描述。同样这也可以按照许多方式改变。这样的变化不应被视为脱离本发明，且所有这样的修改旨在被包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种发动机组件，包括：
限定用于接纳活塞的圆柱形区域的金属内衬，其中所述金属内衬具有内表面、相对的外表面、第一终端表面以及相对的第二终端表面；
围绕所述金属内衬的所述外表面的至少一部分设置的聚合物复合壳体，其中所述聚合物复合壳体包括聚合物和多种加强纤维以及以下至少一个：
(i)多个微通道，其用于接纳传热流体用于加热和/或冷却所述发动机组件；以及
(ii)至少一根金属丝，其用于加热所述发动机组件；以及
具有第五终端表面和相对的第六终端表面的金属汽缸盖，其中所述金属汽缸盖的所述第六终端表面的至少一部分邻近于所述金属内衬的所述第一终端表面的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的发动机组件，其进一步包括冷却剂通道，所述冷却剂通道被限定在所述金属内衬的所述外表面的至少一部分、所述聚合物复合壳体的内表面以及所述金属汽缸盖的所述第四终端表面之间。
3.根据权利要求1所述的发动机组件，其进一步包括聚合物复合层，所述聚合物复合层围绕所述聚合物复合壳体的外表面的至少一部分设置。
4.根据权利要求3所述的发动机组件，其中所述聚合物复合层围绕所述金属汽缸盖的至少一部分延伸。
5.根据权利要求3所述的发动机组件，其中所述聚合物复合层包括不连续碳纤维。
6.根据权利要求1所述的发动机组件，其中所述聚合物复合壳体包括具有第七终端表面和相对的第八终端表面的汽缸壳体部以及具有第九终端表面和相对的第十终端表面的曲柄壳体部，其中所述曲柄壳体部的所述第九终端表面邻近于所述金属内衬的所述第二终端表面和所述汽缸壳体部的所述第八终端表面，且其中所述汽缸壳体部和所述曲柄壳体部是结合在一起的整体或不同部件。
7.根据权利要求1所述的发动机组件，其进一步包括金属盖，所述金属盖邻近于所述聚合物复合壳体的第三终端表面和所述金属汽缸盖的所述第六终端表面。
8.根据权利要求1所述的发动机组件，其中所述金属内衬的所述外表面包括一个或多个机械互锁特征件以与所述聚合物复合壳体联接。
9.根据权利要求1所述的发动机组件，其中所述聚合物复合壳体中的所述聚合物包括热塑性树脂或热固性树脂，且所述多种加强纤维是选自由以下项组成的组的连续纤维：碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维以及其组合。
10.根据权利要求1所述的发动机组件，其中所述聚合物复合壳体中的所述多个微通道是轴向地、径向地、分叉、交叉、十字交叉或沿着螺旋方向定向。
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