CN109519295A - 铝汽缸体组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了发动机缸体组件及其制造方法。方法包括围绕一个或多个挤压铝圆柱形汽缸套铸造发动机缸体，其中每个汽缸套包括圆柱形内表面和外表面，并且每个汽缸套的外表面与发动机缸体邻接并限定汽缸膛，随后对每个汽缸套的内表面进行表面制备，随后通过热喷涂施加铁衬套至每个汽缸套的内侧，以及随后加工铁衬套的内表面。每个铝汽缸套挤压成型，并且可包括低硅含量铝合金。发动机缸体可包括高硅含量铝合金。一个或多个铁衬套中的每个具有小于约175微米的厚度。

Description

铝汽缸体组件及其制造方法

引言

在内燃机(ICE)燃烧循环期间，空气/燃料混合物提供至ICE发动机缸体内的汽缸。空气/燃料混合物压缩和/或点燃并燃烧，以通过位于汽缸内的活塞提供输出扭矩。当活塞在汽缸内移动时，活塞和汽缸之间的摩擦以及燃料的存在会使汽缸表面磨损并退化。另外，燃烧压力和活塞侧负载会在汽缸膛上产生大量的应力。

铝发动机缸体可以提供益处，如由于铝发动机重量较轻而改善燃料经济性，以及由于膛变形减小和通过铝汽缸膛改善热传递而具有更好的发动机性能和可靠性。铝膛发动机还允许活塞和汽缸膛之间更紧密的间隙，从而降低发动机噪音和油耗。然而，铸铝发动机缸体对往复活塞和附属部件显示出低耐磨性。

发明内容

根据示例性实施例的一方面，提供了一种用于制造发动机缸体组件的方法。该方法可包括围绕一个或多个铝圆柱形汽缸套铸造发动机缸体，其中每个铝汽缸套包括圆柱形内表面和外表面，并且每个铝汽缸套的外表面与发动机缸体邻接并限定汽缸膛，以及通过热喷涂施加铁衬套至每个铝汽缸套的内表面。该方法可以进一步包括，施加铁衬套至每个铝汽缸套内侧之前，对每个铝汽缸套的内表面进行表面制备。该方法可以进一步包括，施加铁衬套至每个铝汽缸套内侧之后，加工铁衬套的内表面。每个铝汽缸套可包括低硅含量铝合金。每个铝汽缸套可包括国际合金命名系统6000系列铝合金。每个铝汽缸套可包括国际合金命名系统6005铝合金、6061铝合金或6063铝合金。每个铝汽缸套可以挤压成型。发动机缸体可包括高硅含量铝合金。发动机缸体可包括国际合金命名系统4000系列铝合金或美国国家标准协会300系列铝合金。可以使用旋转单线、双线电弧、大气等离子喷涂或高速氧燃料热喷涂方法施加铁衬套。

根据示例性实施例的一方面，提供了一种发动机缸体组件。发动机缸体组件可包括铸铝发动机缸体，其包括一个或多个汽缸膛，其中每个汽缸膛限定膛表面；一个或多个铝汽缸套，其设置在一个或多个汽缸膛内，使得每个铝汽缸套的外表面与每个汽缸膛的膛表面邻接设置；以及铁衬套，其通过热喷涂施加至一个或多个铝汽缸套中每个的内表面。在铸造铝发动机缸体期间，一个或多个铝汽缸中的每个都铸造到位。一个或多个铁衬套中的每个可具有小于约175微米的厚度。每个铝汽缸套可包括低硅含量铝合金。每个铝汽缸套可包括国际合金命名系统6000系列铝合金。每个铝汽缸套可包括国际合金命名系统6005铝合金、6061铝合金或6063铝合金。一个或多个铝汽缸套中的每个可以挤压成型。发动机缸体可包括高硅含量铝合金。一个或多个铁衬套中每个的内表面在施加至相应的一个或多个铝汽缸套中每个的内侧之后可以进行加工。

根据示例性实施例的一方面，提供了一种用于制造发动机缸体组件的方法。该方法可包括围绕一个或多个挤压铝圆柱形汽缸套铸造发动机缸体，其中每个铝汽缸套包括圆柱形内表面和外表面，并且每个铝汽缸套的外表面与发动机缸体邻接并限定汽缸膛，随后对每个铝汽缸套的内表面进行表面制备，随后通过热喷涂施加铁衬套至每个铝汽缸套的内侧，以及随后加工铁衬套的内表面。一个或多个铁衬套中的每个可具有小于约175微米的厚度。

从示例性实施例的以下详细描述和附图中，示例性实施例的其他目的、优点和新颖特征将变得更加显而易见。

附图说明

图1示出了根据一个或多个实施例的发动机缸体组件的侧视图；

图2示出了根据一个或多个实施例的靠近汽缸膛的发动机缸体组件的横截面侧视图；以及

图3示出了根据一个或多个实施例的用于制造发动机缸体组件的方法。

具体实施方式

本发明的实施例在本文中进行描述。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采用各种和替代形式。附图并不一定是成比例的；一些特征可以放大或最小化，以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实现，可能需要与本发明教导一致的特征的各种组合和修改。

现在参考附图，其中在各个视图中相同数字表示相同元件，图1示出了多汽缸发动机缸体组件1的俯视图。发动机缸体组件1包括铸造发动机缸体10，其具有形成汽缸壁12的多个圆柱形开口，汽缸壁12限定相应的多个汽缸膛13。如图所示，多个汽缸膛13包括串联设置的四个汽缸膛13，然而，不同数量和构造的汽缸膛视为在本发明的范围内。发动机缸体10包括铝。圆柱形铝汽缸套11设置在每个汽缸膛13内。铝汽缸套11的外表面与相应的汽缸膛13的汽缸壁12邻接。铝汽缸套11为圆柱形，在于其内表面14限定了圆柱形腔，并且虽然铝汽缸套11的外表面示出为大致圆柱形，但其他构造是可行的并且在本发明的范围内。铝汽缸套11包括铝。发动机缸体组件1的任选特征在图1中进一步示出。例如，外发动机缸体壁16可以在多个汽缸壁12的外表面周围形成，其间形成有通道20。例如，通道20可以为水套提供空隙区域以包围汽缸壁12的外周表面的上部。图2示出了靠近汽缸膛13的发动机缸体组件1的横截面侧视图。发动机缸体组件1还包括如热喷涂钢的铁衬套15，其施加至铝汽缸套11的内表面14。铁衬套15包括与铝汽缸套11内表面邻接的外表面，以及限定圆柱形腔的内表面。

图3示出了用于制造发动机缸体组件1的方法100。为清楚起见，将参考图1-2描述方法100，但方法100并非旨在受其限制。方法100包括围绕一个或多个铝汽缸套11铸造110发动机缸体10，并通过热喷涂施加130铁衬套15至每个铝汽缸套11的内表面14。方法100可任选地包括在施加130铁衬套15至其之前，对一个或多个铝汽缸套11的内表面14进行表面制备120。在一些实施例中，在围绕一个或多个铝汽缸套11铸造110发动机缸体10之后，可以制备120一个或多个铝汽缸套11的内表面14。对一个或多个铝汽缸套11的内表面14进行表面制备120可包括粗糙化一个或多个铝汽缸套11的内表面14，或者以其他方式产生不规则结构，如肋部或燕尾，以增强铁衬套15至其的粘附性。方法100可任选地进一步包括，在施加130铁衬套15至一个或多个铝汽缸套11的内表面14之后，加工140铁衬套15的内表面。例如，铁衬套15的内表面可加工为所需规格，如以适应活塞在汽缸膛13内的往复运动。

发动机缸体10包括铸铝材料，如纯铝或铝合金。如本文所用，“纯”材料视为包括少量杂质，如工业所耐受的那些。通常，铝合金包括硅、镁、锰、铁和铜等中的一种或多种。特定的铝合金组合物可取决于发动机缸体10的制造方法。发动机缸体10可以砂型铸造或压铸。砂型铸造通常包括在砂体内产生所需制品形状的空隙。随后用熔融液态金属填充空隙，使其冷却并固化。压铸通常包括在压力下迫使熔融金属进入压模。铸铝发动机缸体10可包括高硅含量，如约5％硅至约25％硅。合适的铝合金在共同拥有的美国专利第6921512号中教导，其公开内容以其整体并入本文。高硅铝合金可包括例如国际合金命名系统(IADS)4000系列和美国国家标准协会(ANSI)300系列铝合金。在一个示例中，合适的高硅合金可包括IADS4032和4047合金。适用于砂型铸造的高硅合金的一个示例为ANSI319合金。适用于压铸的高硅合金的一个示例为ANSI380合金。

铝汽缸套11包括挤压铝材料，如铝合金。通常，铝合金包括硅、镁、锰、铁和铜等中的一种或多种。挤压铝汽缸套11可包括相对于发动机缸体10的铝合金的较低硅含量，如小于约2％。例如，挤压铝汽缸套11可包括约0.01％至约2％的硅。挤压铝汽缸套11使用具有高强度和刚度的铝材料。合适的铝合金包括例如IADS6000系列铝合金。在一个示例中，合适的高硅合金可包括IADS6005、6061和6063合金。用于制造一个或多个铝汽缸套的铝合金将比用于制造发动机缸体10的铝合金相对更坚固。因此，一个或多个铝汽缸套11将变硬并且通常增强发动机缸体10的机械性能。铝汽缸套11的坚固且坚硬的材料减少了发动机缸体组件1的膛变形、油耗和窜气。此外，上述材料减少了膛桥凹陷。例如，借助于其铝合金组合物，发动机缸体10和铝汽缸套11将显示出类似的热膨胀系数，从而使膛变形最小化。铸造110可包括在引入将形成发动机缸体10的熔融铝合金之前将一个或多个铝汽缸套11定位在铸模内。

一个或多个铁衬套15中的每个可包括钢合金。合适的钢合金组合物可包括低至中碳，以及任选地镁、铬和钼等元素。钢合金必须适用于用于施加130一个或多个铁衬套15的沉积工艺。可以使用各种热喷涂方法施加130一个或多个铁衬套15，包括旋转单线(RSW)、双线电弧(TWA)、大气等离子喷涂(APS)和高速氧燃料(HVOF)等。一个或多个铁衬垫15任选地进行加工140，以获得所需的内轮廓和壁厚。在一些实施例中，一个或多个铁衬套15是薄的，并且具有至多约200微米或至多约175微米的厚度。在一些实施例中，一个或多个铁衬套15具有约100微米至约200微米的厚度。在一个具体实施例中，一个或多个铁衬套15具有约150微米的厚度。薄铁衬套15凭借其物理尺寸显示出低热膨胀，并且在极端操作条件下对其各自的铝汽缸套11显示出高粘附性。一个或多个铁衬套15还提供相对于铝衬套11的增强的耐磨性，例如抵抗往复活塞。

方法100有利地允许先前已有的压模或模具用于铸造新的和/或各种发动机缸体组件1。例如，设计用于铸造无衬套铝发动机缸体或包含热喷涂铁衬套的铝缸体的已有压模或模具可用于实施方法100，从而避免了昂贵且耗时设计以及重新装配新压模或模具的需要。必须仔细设计压模和模具以控制铸造部件(例如发动机缸体)的物理特性，如孔隙率。然而，方法100既有助于在铸造期间控制(即最小化)缸体的孔隙率，又借助挤压铝汽缸套11增强的机械性能(例如强度、刚度)来适应更高孔隙率的发动机缸体10。此外，发动机缸体1铸造条件不需要优化以提供汽缸膛表面性能，其适应热喷涂铁衬套至其的施加，因为仅需要在一个或多个铝汽缸套11的内表面14上实现所需的表面性能。

虽然以上描述了示例性实施例，但并非旨在这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应当理解，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。如前所述，各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的其他实施例。尽管各种实施例可以描述为相对于一个或多个所需特性提供优点或优于其他实施例或现有技术实现，但本领域普通技术人员认识到可以折衷一个或多个特征或特性以实现所需的整体系统属性，这取决于具体应用和实现。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易组装性等。因此，描述为相对于一个或多个特性而言不如其他实施例或现有技术实现的实施例不在本发明的范围之外，并且可以是特定应用所需的。

Claims (10)

1.一种用于制造发动机缸体组件的方法，所述方法包括：

围绕一个或多个铝圆柱形汽缸套铸造发动机缸体，其中每个铝汽缸套包括圆柱形内表面和外表面，并且每个所述铝汽缸套的所述外表面与所述发动机缸体邻接并限定汽缸膛；以及

通过热喷涂施加铁衬套至每个所述铝汽缸套的所述内表面。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括，在施加所述铁衬套至每个所述铝汽缸套的内侧之前，对所述一个或多个铝汽缸套中每个的所述内表面进行表面制备。

3.如上述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括，在施加铁衬套至每个所述铝汽缸套的内侧之后，加工所述铁衬套的内表面。

4.一种发动机缸体组件，包括：

铸铝发动机缸体，其包括一个或多个汽缸膛，其中每个所述汽缸膛限定膛表面；

一个或多个铝汽缸套，其设置在所述一个或多个汽缸膛中的每个内，使得每个铝汽缸套的外表面与每个汽缸膛的膛表面邻接设置；以及

铁衬套，其通过热喷涂施加至所述一个或多个铝汽缸套中每个的内表面，

其中，在铸造所述铝发动机缸体期间，所述一个或多个铝汽缸中的每个都铸造到位。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法和/或发动机缸体，其中所述一个或多个铝汽缸套中的每个包括低硅含量铝合金。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法和/或发动机缸体，其中所述铝汽缸套中的每个包括国际合金命名系统6000系列铝合金。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法和/或发动机缸体，其中所述铝汽缸套中的每个挤压成型。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法和/或发动机缸体，其中所述发动机缸体包括高硅含量铝合金。

9.如上述权利要求中任一项所述的方法和/或发动机缸体，其中所述发动机缸体包括国际合金命名系统4000系列铝合金或美国国家标准协会300系列铝合金。

10.如上述权利要求中任一项所述的方法和/或发动机缸体，其中所述一个或多个铁衬套中的每个具有小于约175微米的厚度。