CN107676189A - 发动机组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了诸如发动机组件之类的车辆组件，包括一体式的气缸盖和多个衬套以及聚合物复合壳体。还提供了制造这种车辆组件的方法。

Description

发动机组件及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于车辆的发动机组件，其包括一体式气缸盖和衬套组件以及聚合物复合壳体，还涉及制造发动机组件的方法。
背景技术
本部分提供与本发明相关的背景信息，其不一定是现有技术。
传统上，用于汽车应用的发动机部件由诸如钢和铁之类的金属制成。金属部件坚固，通常具有良好的延展性、耐久性、强度和耐冲击性。虽然金属已经作为可接受的发动机部件实施，但是它们在重量方面具有明显的缺点，并且降低了重量效率、车辆的性能和动力，从而降低了车辆的燃料经济性。
针对增加车辆燃料经济性的重量减轻已经激发了各种轻质金属部件(诸如铝和镁合金的)使用以及轻质增强复合材料的使用。虽然使用这种轻质材料可用来降低总体重量并且通常可以提高燃料效率，但是由于与发动机组件相关联的高操作温度，在发动机组件中使用这种材料时可能会出现问题。例如，与传统的钢或陶瓷材料相比，轻质金属部件还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(例如钢或陶瓷材料)的相邻部件而言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分性能。此外，轻质增强复合材料可能具有强度限制，例如降低的拉伸强度，并且在连续暴露于高温之后它们可能会降解。因此，需要在高温操作条件下具有增强耐久性的轻质发动机组件，以进一步提高操作效率和燃料经济性。
发明内容
本部分提供本发明的总体概述，而不是对其全部范围或其全部特征的全面公开。
在某些方面，本发明提供了一种用于车辆的发动机组件。该发动机组件可以包括：多个金属衬套，每个金属衬套限定用于各自容纳活塞的开放式空心圆柱形区域；一体接合至多个金属衬套的金属气缸盖，其中金属气缸盖一体接合至多个金属衬套作为单个部件，或者，金属气缸盖和多个金属衬套是单独的部件，每个部件分别通过紧固件、存在于金属气缸盖和金属衬套上的螺纹、粘合剂和/或焊接一体接合；以及聚合物复合壳体，其围绕金属衬套的外表面的至少一部分且邻近金属气缸盖设置。聚合物复合壳体可以包括聚合物和多种增强纤维以及以下至少一种：用于接收加热和/或冷却发动机组件的流体的多个微通道；或用于加热发动机组件的至少一根丝线。
在其他方面，本发明提供了一种用于制造发动机组件的方法。该方法可以包括在模具中布置组件。该组件包括：多个金属衬套，每个金属衬套限定各自用于容纳活塞的开放式空心圆柱形区域；以及一体接合至多个金属衬套的金属气缸盖。该方法还可以包括在模具中邻近组件的至少一部分布置部件前体，其中部件前体形成围绕金属衬套的外表面的至少一部分且邻近金属气缸盖设置的聚合物复合壳体。该聚合物复合壳体可以包括聚合物和多种增强纤维。该方法还可以包括：将树脂引入模具中；以及固化树脂以形成聚合物复合壳体。
根据本文提供的描述，其他适用范围将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅仅是为了说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施例的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并不旨在限制本发明的范围。
图1示出了根据本发明的某些方面的发动机组件的横截面图。
图2示出了根据本发明的某些方面的替代发动机组件的横截面图。
图3A和图3B示出了根据本发明的某些方面的替代发动机组件的横截面图。
图4示出了根据本发明的某些方面的替代发动机组件的横截面图。
图5示出了根据本发明的某些方面的发动机组件的横截面图。
图6示出了根据本发明的某些方面的替代发动机组件的横截面图。
图7A-7E示出了根据本发明的某些方面的说明聚合物复合材料中的微通道的形成的示意图。
图8示出了包括增强纤维和至少一根丝线的聚合物复合材料。
图9示出了根据本发明的某些方面的替代发动机组件的横截面图。
图10A和图10B示出了根据本发明的某些方面的替代发动机组件的横截面图。
图11示出了根据本发明的某些方面的替代发动机组件的横截面图。
在附图的几个视图中，相应的附图标记表示相应的部分。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。
提供示例性实施例，使得本发明将是透彻的，并将范围充分传达给本领域技术人员。阐述许多具体细节，诸如特定组合物、组件、装置和方法的示例，以提供对本发明实施例的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施例可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限制本发明的范围。在一些示例性实施例中，不详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
本文使用的术语仅用于描述特定的示例性实施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，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”、“包含”、“含有”和“具有”是包容性的，因此表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。本文描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行，除非特别指明了性能顺序。还应当理解，可以采用附加或替代的步骤。
当提及一个元件或层位于另一个元件或层“上”，“接合到”、“连接到”、“附接到”或“耦接到”另一个元件或层时，其可以直接位于另一个元件或层上，接合、连接、附接或耦接到另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当提及元件“直接”位于另一个元件或层上，“直接接合到”、“直接连接到”、“直接附接到”或“直接耦接到”另一个元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应该以类似的方式来解释(例如，“在…之间”与“直接在…之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目中的任何和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文可以用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅可用来将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。诸如“第一”、“第二”和其他数字术语之类的术语在本文中使用时不意味着序列或顺序，除非上下文明确指示。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不会背离示例性实施例的教导。
为了便于描述，在本文中可以使用空间关系相对术语，诸如“内”、“外”、“下面”、“下”、“下部”、“上”、“上部”等，以描述如图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。空间关系相对术语可以旨在包括除了附图中所示的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被翻转，则描述为在其他元件或特征“下”或“下面”的元件将被定向在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包括上和下方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位)，并且本文使用的空间关系相对描述相应地解释。
应当理解，对于“包括”某些步骤、成分或特征的方法、组合物、装置或系统的任何描述，在某些替代变型中，还可以设想这样的方法、组合物、装置或系统也可以“基本上由”列举的步骤、成分或特征组成，使得从中排除实质上改变本发明的基本和新颖特征的任何其他步骤、成分或特征。
在整个本发明中，数值表示对包括与给定值和实施例的微小偏差的范围的近似测量或限制，这些给定值和实施例具有所提及的大约值以及具有所提及的精确值。除了在具体实施方式结尾处提供的工作示例之外，本说明书包括所附权利要求中的参数(例如，数量或条件)的所有数值都应理解为在所有情况下由术语“大约”修改，无论“大约”是否实际出现在该数值之前。“大约”表示所述的数值允许稍微不精确(对该值的精确接近；对该值的大概或合理近似；接近)。如果“大约”提供的不精确性在本领域中没有以这个普通含义来理解，则本文所使用的“大约”至少表示可以通过测量和使用这些参数的普通方法产生的变化。
此外，公开范围包括在整个范围内的所有公开值和进一步的分割范围，包括为范围给出的端点和子范围。
在诸如汽车之类的车辆中，发动机是产生用于推进的扭矩的动力源。发动机是各部件(包括气缸衬套、活塞、曲轴、燃烧室等)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，并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，进气阀和排气阀关闭，并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，并且快速膨胀的燃烧气体向下驱动活塞。在排气冲程期间，排气阀打开，并且活塞向上移动以排出燃烧气体(废气)。总的来说，在内燃期间，由于在发动机缸体中发生放热燃烧反应，发动机部件可能受到大小变化的应力以及变化的温度。
如上所讨论的，随着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，期望在发动机组件中包括各种轻质部件(诸如轻质金属和轻质复合材料)替代传统的钢和/或铁部件，以减轻发动机的重量，而且还保持发动机的结构完整性。
因此，本文提供了用于车辆组件中的发动机组件，其包括由轻质材料(例如，聚合物复合材料)和传统材料形成的部件的组合。有利地，这种发动机组件还可以导致噪声、振动和粗糙度的改善。虽然本文描述的发动机组件特别适用于汽车的部件，但是它们也可以用于各种其他车辆中。可以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、房车、露营车、飞机(载人和无人驾驶)以及坦克。
具体地，本文提供了包括一体式气缸盖和衬套组件以及聚合物复合材料的发动机组件。例如，如图1最佳所示，提供了发动机组件100。发动机组件100包括多个衬套2、2a、2b，每个衬套限定相应的开放式空心圆柱形区域7、7a、7b。多个衬套2、2a、2b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，多个衬套2、2a、2b是金属材料。多个衬套2、2a、2b通常可以是圆柱形的并且具有中空的内部。多个衬套2、2a、2b各自具有：相应的内表面3、3a、3b，相应的相对的外表面4、4a、4b，相应的第一端面5、5a、5b和相应的相对的第二端面6a、6b、6c。
发动机组件100还包括一体地接合到多个衬套2、2a、2b的气缸盖13。气缸盖13具有第五端面14和相对的第六端面15。气缸盖13可以是任何合适的材料，诸如金属(例如，钢、铁、镁合金、铝合金、金属复合材料)、陶瓷(例如，氧化铝、碳化硅、陶瓷复合材料)或本文所述的聚合物复合材料。在某些变型中，气缸盖13是金属材料。优选地，气缸盖13和多个衬套2、2a、2b是相同的材料(例如，都是金属，都是陶瓷)和/或与接合相容的材料和/或材料。如图1所示，气缸盖13和多个衬套2、2a、2b可以是单独的部件，并且每个相应的衬套可以一体地接合到气缸盖13。在这种情况下，例如，每个相应的衬套可以通过焊接、粘合剂、合适的紧固件(例如，螺栓或销)或者通过螺纹连接每个衬套并将其拧入气缸盖中的接收螺纹中而一体地接合到气缸盖13。具体地，气缸盖13的第六端面15的至少一部分可以接合在衬套2、2a、2b的每个相应的第一端面5、5a、5b处。替代地，如图2中的发动机组件110所示，金属气缸盖13'和多个衬套2'、2a'、2b'可以是一体的单个部件30。例如，金属气缸盖13'和多个衬套2'、2a'、2b'可以以单个铸件形成。有利地，在本文考虑的其中气缸盖一体地接合至多个衬套的发动机组件中不需要气缸盖垫片。
附加地或替代地，发动机组件1还可以包括一体地接合在气缸盖13与多个衬套2、2a、2b之间的板35，如图3A中的发动机组件120所示。板35可以是任何合适的材料，诸如金属(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)。替代地，如图3B中的发动机组件111中所示，板35'和多个衬套2”、2a”、2b”可以是一体的单个部件35'。例如，板35'和多个衬套2”、2a”、2b”可以以单个铸件形成。优选地，板35是与多个衬套2、2a、2b相同的材料(例如，都是金属或都是陶瓷)，以提供用于气缸盖13的配合表面，并且还可以为气缸盖垫片(未示出)提供密封表面。
发动机组件1还包括围绕多个衬套2、2a、2b的外表面4、4a、4b的至少一部分设置的壳体8。壳体8还可以邻近多个衬套2、2a、2b的第二端面6、6a、6b。壳体8具有内表面9、相对的外表面10、第三端面11和相对的第四端面12。壳体8可以是轻质金属(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。聚合物复合层(例如，包括不连续纤维)(未示出)也可以存在于多个衬套2、2a、2b的外表面4、4a、4b与壳体8之间。气缸盖13、壳体8和/或多个衬套2、2a、2b可以通过任何合适的紧固件(例如，螺栓)和/或粘合剂或密封剂进一步联接在一起。紧固件可以包括任何合适的材料，例如但不限于金属、聚合物复合材料及其组合。
在各种实施例中，如图5所示，壳体8包括气缸容纳部8a和曲柄容纳部8b。为了便于说明，图5涉及发动机组件1中的单个衬套2和关联构件。本领域普通技术人员将理解，图5中的描述不仅限于单个衬套2和关联构件，而且可以同样适用于本文所述的其他发动机组件(例如，发动机组件100)。气缸容纳部8a和曲柄容纳部8b可以一体地形成，如图5所示。替代地，如图6所示，气缸容纳部8a和曲柄容纳部8b可以是通过粘合剂(未示出)或利用发动机组件40中的多个紧固件17接合在一起的不同部件。当作为不同部件存在时，气缸容纳部8a和曲柄容纳部8b可以是相同或不同的材料。参考图6，气缸容纳部8a具有第七端面21和相对的第八端面22。曲柄容纳部8b具有第九端面23和相对的第十端面24。曲柄容纳部的第九端面23与衬套2的第二端面6和气缸容纳部8a的第八端面22邻近。气缸容纳部8a的第七端面21可以与气缸盖13的第六端面15邻近。气缸盖13、气缸容纳部8a、曲柄容纳部8b和/或衬套2可以通过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)可以将气缸盖13、气缸容纳部8a和曲柄容纳部8b接合在一起。多个紧固件17可以包括任何合适的材料，例如但不限于金属、聚合物复合材料及其组合。附加地或替代地，合适的密封剂(未示出)和/或垫片(未示出)可以存在于气缸盖13的第六端面15的至少一部分、衬套2的第一端面5的至少一部分和/或气缸容纳部8a的第七端面21的至少一部分之间。
在某些方面，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增强纤维。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。合适的增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，增强纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。增强纤维可以是连续纤维或不连续纤维。具体地，增强纤维是连续纤维。有利地，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。
聚合物复合材料可以通过使用复合前体材料的条带形成，诸如基于纤维的材料(例如，布或石墨带)。复合材料可以形成有一层或多层，其中每层可以通过接触和/或重叠基于纤维的材料的条带而形成。
基于纤维的基材(例如，增强纤维)还可以包含树脂(例如，聚合物)。树脂可以凝固(例如，固化或反应)，并且因此可以用来在聚合物复合材料中将单层或多层粘合在一起。通常采用各种方法将树脂引入浸渍的基于纤维的基材复合材料体系中：湿式卷绕(或叠层)、预先浸渍(称为“预浸渍”)和树脂传递成型。对于湿式卷绕，干纤维增强材料可以在使用时用树脂润湿，通常通过浸入浴池中浸泡。对于预先浸渍(预浸渍)，事先将树脂润湿到基于纤维的材料中，并且通常包括部分固化树脂以具有粘性或粘性稠度的步骤(也称为B阶段部分固化)，然后卷绕预浸渍的基于纤维的材料供以后使用。预浸渍的复合材料体系倾向于使用热固性树脂体系，其可以通过升高的温度固化或反应，固化或反应时间的范围从约1分钟至约2小时(取决于固化或反应温度)。然而，一些预浸渍材料可以采用利用光化辐射(例如，紫外线(UV))进行固化或反应的树脂)。对于树脂传递成型，可以将干式纤维增强材料放置在模具中，并且可以将树脂在压力(例如，约10psi至约2000psi)下注入模具中。还可以使用本领域已知的注射成型技术将树脂引入增强材料中，特别是在增强材料包括不连续纤维的情况下。例如，可以将包含树脂和增强材料的前体注射或注入到限定的空间或模具中，然后凝固前体以形成聚合物复合材料。术语“注射成型”还包括在热固性树脂上使用的反应注射成型。
在某些其他方面，本教导还考虑了附接步骤，其中例如通过在工作表面(例如，外表面4、4a、4b)附近、内和/或上丝线缠绕、编结或编织而应用增强材料。该方法可以可选地包括将未固化或未反应的树脂组合物应用或引入到基于纤维的增强材料中或上。通过应用，意味着未固化或未反应的树脂组合物被润湿到基于纤维的材料上，并且因此可以涂覆在基于纤维的材料的表面上或被吸收/浸渍到基于纤维的材料中(例如，进入基于纤维的增强材料内的孔或开口)。在将树脂引入到具有增强材料的区域之后，接着凝固(例如，固化或反应)以形成聚合物复合材料。预浸渍的基于纤维的材料可以通过丝线缠绕、编结或编织而应用。
为了加热和/或冷却发动机组件100，壳体8(例如，聚合物复合材料)可进一步包括多个微通道25，例如如图1所示，用于接纳传热流体。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运动产生。传热流体可以由至少一个泵(未示出)从至少一个供应储存器或供应通道(未示出)供应到车辆组件中的微通道25中的至少一个入口(未示出)。泵和供应储存器可以邻近发动机组件存在。传热流体可以以合适的温度供应以冷却和/或加热车辆组件，例如约10℃至约120℃，约20℃至约100℃，或者约20℃至约90℃。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，或者传热流体可以流过加热器(未示出)以提高传热流体的温度。
微通道25可以具有基本圆形的横截面。如本文所理解的，“基本上圆形”可以包括圆形和椭圆形横截面，并且横截面的尺寸可能在某些方面有偏差。微通道25可以具有小于约8000μm的直径。附加地或替代地，微通道25具有的直径为约0.1μm至约8000μm，0.1μm至约5000μm，0.1μm至约1000μm，约1μm至约500μm，或者约1μm至约200μm。附加地或替代地，微通道25可以具有基本上矩形的横截面。如本文所理解的，“基本上矩形”可以包括正方形横截面，并且横截面的尺寸可能在某些方面有偏差。优选地，微通道25的至少一部分互连，这可以防止堵塞。微通道25可以沿任何合适的方向定向，例如轴向、径向、螺旋、分支、相交、十字交叉及其组合。
在某些其他方面，本教导还设想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7A所示，复合编织预成型件200包括交织的第一增强纤维201(例如，碳纤维、玻璃纤维)和第二增强纤维202(例如，碳纤维、玻璃纤维)以形成三维编织结构。第一增强纤维201和第二增强纤维202可以是相同或不同的纤维。牺牲纤维203可以与第一增强纤维201一起编织到复合编织预成型件200中，如图7B所示。可以将第一增强纤维201和牺牲纤维203正弦地引导通过第二增强纤维202。应当注意，其他编织图案也是可以设想的，并不限于图7A-7E所示的图案，这些仅仅是示例性实施例。牺牲纤维203包括能够与第一增强纤维201和/或第二增强纤维202经受编织以及聚合物复合材料的固化(例如，树脂注入和固化)的材料，但是能够在基本上不蒸发、熔融、蚀刻或溶解聚合物复合材料的其它组分(例如，增强纤维)的条件下蒸发、熔融、蚀刻或溶解。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，这包含铅、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。附加地或替代地，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融或降解行为。
在结合牺牲纤维203之后，将树脂204注入到复合编织预成型件200中，并且在合适的条件下使复合编织预成型件200凝固(例如，反应或固化)，分别如图7C和7D所示，以形成聚合物复合材料210。在反应或固化之后，可进一步处理(例如，加热)聚合物复合材料210以使牺牲纤维203挥发、熔融或降解，或者可以溶解牺牲纤维203以产生降解物。例如，可以将牺牲纤维加热到基本上蒸发或熔融牺牲纤维但基本上不降解增强纤维和/或固化树脂的温度(例如，约150℃至约200℃)。任何合适的溶剂，例如但不限于丙酮，都可以应用到牺牲纤维以溶解它们，可选地利用搅拌，只要溶剂基本上不降解或溶解增强纤维和/或固化树脂即可。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。可以除去降解物以在聚合物复合材料210中形成微通道205，例如通过向聚合物复合材料施加真空或将气体引入聚合物复合材料以将降解物排出聚合物复合材料。本文中还设想，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。
附加地或替代地，本文中设想，可以将变化的尺寸和构造的牺牲纤维结合到增强纤维中以形成其它通道或空隙空间。例如，可以将另外的牺牲纤维结合到增强纤维中以形成用于本文所述的微通道的供应通道。
在其他变型中，可以将复合前体材料注射成型或以其他方式应用到多个衬套2、2a、2b的相对的外表面4、4a、4b，随后可以凝固(例如，固化或反应)以形成壳体8。
附加地或替代地，聚合物复合材料(例如，壳体8)可以包括用于改善热传递的多个微球(未示出)。微球可以是陶瓷或玻璃，并且可选地，可以用金属、陶瓷和/或纳米颗粒进行涂覆。优选地，涂层具有高导热性，例如铝、铜、锡等。微球可以具有小于约1000μm的直径。附加地或替代地，微球的直径为约0.1μm至约1000μm，约1μm至约500μm，或者约1μm至约200μm。
附加地或替代地，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丝线。例如，如图8所示，可以将一根或多根丝线302结合或编织到聚合物复合材料300(例如，壳体8)中的增强纤维301(例如，碳纤维)中。丝线302可以包括适于导电的任何材料(例如，铜、镍铬合金等)。丝线302可以与增强纤维301绝缘。例如，丝线302可以包括合适的绝缘涂层，例如聚合物涂层和/或编结的玻璃纤维护套。为了加热丝线302，电由电池或其他合适的外部源(未示出)提供并由控制单元(未示出)控制。参考图1，虽然未示出，但是本领域普通技术人员应认识到，除了多个微通道25之外或代替多个微通道25，丝线302可以包含在壳体8中。
在具体实施例中，聚合物复合壳体包括以下中的一项或多项：(i)如本文所述的多个微通道；(ii)如本文所述的至少一根丝线；和(iii)如本文所述的多个微球。附加地或替代地，聚合物复合壳体包括(i)、(ii)和(iii)中的两项或更多项(例如，(i)和(ii)，(i)和(iii)，(ii)和(iii))。附加地或替代地，聚合物复合壳体包括(i)、(ii)和(iii)。
返回参考图4，冷却剂通道16可以限定在多个衬套2、2a、2b的至少一部分，壳体8和气缸盖13之间。例如，冷却剂通道16可以是邻近多个衬套2、2a、2b的相应的外表面4、4a、4b，壳体8的内表面9和气缸盖13的第六端面15。冷却剂通道16可以是邻近每个衬套的连续通道，或者它可以由对应于每个衬套的离散通道构成。冷却剂通道16能够接纳如本文所述的用于冷却车辆组件(例如，发动机组件)的合适的传热流体。具体地，传热流体是水和乙二醇的混合物。传热流体可以由至少一个泵(未示出)从至少一个供应储存器或供应通道(未示出)供应到冷却剂通道16中的至少一个入口(未示出)。泵和供应储存器可以邻近发动机组件存在。传热流体可以以约70℃至约140℃，约80℃至约130℃或者约90℃至约120℃的温度循环通过冷却剂通道16。泵和供应储存器可以邻近发动机组件存在。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，或者传热流体可以流过加热器(未示出)以提高传热流体的温度。本领域普通技术人员应当理解，传热流体可以根据需要供应给一个或多个冷却剂通道。尽管图4中未示出，但是本领域普通技术人员应认识到，除了冷却剂通道16之外，微通道25可以包含在壳体8中。
由多个衬套2、2a、2b限定的开放式空心圆柱形区域7、7a、7b可各自容纳活塞(未示出)。每个活塞可以通过连杆连接到曲轴。活塞、连杆和曲轴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。例如，如图5所示，活塞18通过连杆19连接到曲轴20。活塞18、连杆19和曲轴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，图1所示的发动机组件100示出了三个衬套2、2a、2b，三个开放式圆柱形区域7、7a、7b及关联构件，但实际上可以包括少于三个的衬套(例如，1个衬套、2个衬套)，少于三个的开放式空心圆柱形区域(例如，1个开放式空心圆柱形区域、2个开放式空心圆柱形区域)及关联构件(例如，活塞、连杆、曲轴)。替代地，图1所示的发动机组件100实际上可以包括多于三个的衬套(例如，4个衬套、5个衬套、6个衬套、7个衬套、8个衬套、9个衬套、10个衬套)，多于三个的开放式空心圆柱形区域(例如，4个开放式空心圆柱形区域、5个开放式空心圆柱形区域、6个开放式空心圆柱形区域、7个开放式空心圆柱形区域、8个开放式空心圆柱形区域、9个开放式空心圆柱形区域、10个开放式空心圆柱形区域)及关联构件。
返回参考图1，发动机组件100还可以包括围绕壳体8的外表面10的至少一部分设置(包括基本上沿壳体8的所有外表面10延伸)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可以包括本文所述的合适的聚合物(例如，热固性树脂、热塑性树脂、弹性体)和多种合适的增强纤维(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，增强纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。增强纤维可以是不连续的纤维。聚合物复合层26可以通过注射成型形成。附加地或替代地，聚合物复合层26可以围绕气缸盖13的至少一部分延伸，如图9中的替代车辆组件140中所示。附件地或替代地，聚合物复合层26可以围绕车辆组件的任何其他合适的表面延伸，例如围绕油盘，围绕凸轮盖。附加地或替代地，聚合物复合层26可以围绕车辆组件的任何外围系统延伸，例如水泵、空调、涡轮增压器。替代地，本文中设想，代替使用聚合物复合层26，可以在其位置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部并防止流体从发动机组件中的各个部件之间泄漏，并且可以避免使用垫片来密封发动机组件。
在其他变型中，本文使用的用于壳体8的聚合物复合材料和/或聚合物复合层26可以通过本领域已知的任何其他合适的方法制备，例如拉挤成型、反应注射成型、注射成型、压缩成型、预浸渍成型(在高压釜中或作为压缩成型)、树脂传递成型、以及真空辅助的树脂传递成型。此外，纤维前体可以通过本领域已知的任何其他合适的方法制备，例如编结、编织、缝合、针织、预浸渍、手工铺设、以及机器人或手工放置丝束。
在各个方面，如图10A和图10B所示，设想可选地包括盖27的发动机组件400。盖27可以邻近壳体8的第三端面11以及气缸盖13的第六端面15。盖27可以是任何合适的材料，例如金属、陶瓷或聚合物复合材料。具体地，盖27是金属(例如，钢、铁、镁合金、铝合金)，特别是当壳体8是聚合物复合材料时，因为盖27可以比聚合物复合材料更可机加工。盖27可以用作气缸盖13与壳体8之间的配合表面。优选地，盖27和衬套2是相同的材料(例如，金属)，使得它们在制备盖垫片和/或气缸盖13时可以一起机加工或形成。盖27可以用合适的粘合剂接合到壳体8，或者与壳体8直接成型。在某些变型中，盖27可以理解为与板35相同，或者盖27可以通过焊接、粘合剂或螺纹与板35(未示出)一体地接合。附加地或替代地，紧固件17可以将气缸盖13、盖27和/或壳体8联接在一起。附加地或替代地，类似于盖27的第二盖(未示出)可以邻近气缸容纳部8a的第八端面22和曲柄容纳部8b的第九端面23。
在其他变型中，进一步设想，本文所述的发动机组件部件中的一个或多个包括用于将各个车辆部件联接在一起的一个或多个机械互锁特征。例如，互补的凸缘、凹槽、通道、不同形状的锁定翼可用作机械互锁特征。具体地，如图11所示，在替代发动机组件60中，衬套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28，特别是在壳体8是聚合物复合材料的情况下。附加地或替代地，盖27和/或壳体8的第三端面11可以包括用于将盖27与壳体8联接的一个或多个机械互锁(未示出)特征。附加地或替代地，陶瓷材料可以存在于发动机组件中的各个金属和聚合物复合材料部件之间，用于绝缘目的。本文应理解的是，本文所述的各个金属部件可以容易地机加工或铸造。
在其他具体实施例中，提供了制造本文所述的发动机组件的方法。该方法可以包括在模具中布置组件。组件可以包括：如本文所述的多个金属衬套，每个金属衬套限定用于各自容纳活塞的开放式空心圆柱形区域；以及如本文所述的一体地接合到多个衬套的气缸盖。具体地，气缸盖和多个衬套可以是金属。该方法还可以包括在模具中邻近组件的至少一部分布置部件前体，其中部件前体形成如本文所述的围绕金属衬套的外表面的至少一部分且邻近金属气缸盖设置的聚合物复合壳体。部件前体可以包括如本文所述的多种增强纤维(例如，碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维，聚合物纤维、金属纤维及其组合)。
该方法还包括将本文所述的树脂引入模具中，并且树脂可以在合适的条件下固化或反应以形成聚合物复合壳体。树脂可以是任何合适的聚合物，例如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。聚合物复合壳体包括如本文所述的聚合物(例如，热塑性树脂、热固性树脂)和如本文所述的多种增强纤维(例如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合)。
替代地，聚合物复合壳体可以通过注射成型形成。例如，模具可以包括用于容纳包括如本文所述的多种增强纤维(例如，碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚合物纤维、金属纤维及其组合)的壳体前体的壳体限定空隙空间。壳体限定的空隙空间可以由存在于模具中的金属或聚合物边界限定，其描绘了壳体的形状。可以将壳体前体和树脂分别或一起引入模具中，然后凝固(例如，固化或反应)以形成聚合物复合壳体。
附加地或替代地，在模具中布置组件之前，该方法还可以包括(i)铸造如本文所述的气缸盖和多个衬套以形成单个部件(例如，一体的单个部件30)；或(ii)通过焊接将多个衬套和气缸盖接合在一起。
在某些其他方面，该方法还可以包括使用本文所述的牺牲纤维在聚合物复合壳体中形成如本文所述的微通道以及如本文所述的用于微通道的供应通道。如本文所述，牺牲纤维可以与增强纤维一起编织到复合编织预成型件中。在反应或固化以形成聚合物复合壳体之后，该方法还可以包括从聚合物复合壳体中去除多种牺牲纤维。具体地，可进一步处理(例如加热)聚合物复合壳体以使牺牲纤维挥发、熔融或降解，或者可以溶解牺牲纤维以产生降解物。例如，可以将牺牲纤维加热到基本上蒸发或熔融牺牲纤维但基本上不降解增强纤维和/或固化树脂的温度(例如，约150℃至约200℃)。任何合适的溶剂，例如但不限于丙酮，都可以应用到牺牲纤维以溶解它们，可选地利用搅拌，只要溶剂基本上不降解或溶解增强纤维和/或固化树脂即可。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。可以除去降解物以在聚合物复合材料中形成微通道，例如通过向聚合物复合材料施加真空或将气体引入聚合物复合材料以将降解物排出聚合物复合材料。
附加地或替代地，该方法还可以包括形成如本文所述的围绕发动机组件的至少一部分的聚合物复合层(例如聚合物复合层26)，例如通过注射成型。聚合物复合层可以包含如本文所述的合适的聚合物和如本文所述的多种合适的增强纤维。具体地，增强纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。增强纤维可以是不连续的纤维。附加地或替代地，聚合物复合层可以围绕车辆组件的任何其他合适的表面形成，例如围绕油盘，围绕凸轮盖。附加地或替代地，聚合物复合层可以围绕车辆组件的任何外围系统形成，例如水泵、空调、涡轮增压器。
在替代实施例中，提供了一种制造如本文所述的发动机组件的方法，其中聚合物复合壳体与一体接合的气缸盖和衬套分开形成。该方法还可以包括将聚合物复合壳体与一体接合的气缸盖和衬套连接(例如，利用粘合剂或紧固件)。
为了说明和描述的目的，提供了对实施例的以上描述。这并不旨在穷举或限制本发明。具体实施例的各个元件或特征通常不限于该具体实施例，而是在可应用的情况下是可互换的，并且可以在所选实施例中应用，即使没有具体示出或描述。同样可以在许多方面进行变化。这些变化不应视为偏离本发明，并且所有这些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，其包括：
多个金属衬套，每个金属衬套限定用于各自容纳活塞的开放式空心圆柱形区域；
一体接合至所述多个金属衬套的金属气缸盖，其中，所述金属气缸盖一体接合至所述多个金属衬套作为单个部件，或者，所述金属气缸盖和所述多个金属衬套是单独的部件，每个部件分别通过紧固件、存在于所述金属气缸盖和金属衬套上的螺纹、粘合剂和/或焊接一体接合；以及
聚合物复合壳体，其围绕所述金属衬套的外表面的至少一部分且邻近所述金属气缸盖设置，其中，所述聚合物复合壳体包括聚合物和多种增强纤维以及以下至少一种：
(i)用于接收加热和/或冷却所述发动机组件的流体的多个微通道；或
(ii)用于加热所述发动机组件的至少一根丝线。
2.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，当所述金属气缸盖和所述多个金属衬套是单独的部件且每个部件分别通过紧固件、存在于所述金属气缸盖和金属衬套上的螺纹、粘合剂和/或焊接一体接合时，所述发动机组件还包括一体地接合至所述金属衬套且邻近所述气缸盖的金属板。
3.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聚合物包括热塑性树脂或热固性树脂，并且所述多种增强纤维是选自由以下构成的组中的纤维：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。
4.根据权利要求1所述的发动机组件，还包括围绕所述聚合物复合壳体的外表面的至少一部分设置的聚合物复合层。
5.根据权利要求4所述的发动机组件，其中，所述聚合物复合层围绕所述金属气缸盖的至少一部分延伸。
6.根据权利要求4所述的发动机组件，其中，所述聚合物复合层包括不连续的碳纤维。
7.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，所述多个金属衬套的外表面包括与所述聚合物复合壳体联接的一个或多个机械互锁特征和/或粘合剂。
8.根据权利要求1所述的发动机组件，还包括限定在所述多个金属衬套的至少一部分、所述聚合物复合壳体和金属气缸盖之间的冷却剂通道。
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多个微通道沿轴向、径向、分支、相交、十字交叉或螺旋方向定向。
10.一种用于制造发动机组件的方法，其中，所述方法包括：
在模具中布置组件，所述组件包括：
多个金属衬套，每个金属衬套限定用于各自容纳活塞的开放式空心圆柱形区域；以及
一体接合至所述多个金属衬套的金属气缸盖；
在所述模具中邻近所述组件的至少一部分布置部件前体，其中，所述部件前体形成围绕所述金属衬套的外表面的至少一部分且邻近所述金属气缸盖设置的聚合物复合壳体，并且其中，所述聚合物复合壳体包括聚合物和多种增强纤维；
将树脂引入所述模具中；以及
固化所述树脂以形成所述聚合物复合壳体。
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