CN109869237B - 汽缸衬套组件和制造汽缸衬套组件的方法 - Google Patents

Abstract

汽缸衬套组件包括内耐磨汽缸、径向设置在内耐磨汽缸的外表面外部的壳体，和设置在内耐磨汽缸和壳体之间的中心层。内耐磨汽缸是金属或陶瓷，中心层是多孔材料，壳体是纤维增强聚合物。汽缸衬套组件可以包括邻近内耐磨汽缸的外表面设置在内耐磨汽缸和壳体之间的冷却剂通道。冷却剂通道可操作用以使冷却剂循环穿过用于冷却内耐磨汽缸。

Description

汽缸衬套组件和制造汽缸衬套组件的方法

技术领域

本公开总体上涉及用于发动机缸体的汽缸衬套组件和制造气汽缸衬套组件的方法。

背景技术

用于内燃机的发动机缸体包括支撑用于在其中往复运动的活塞的汽缸。一些发动机缸体由铸铁形成，在这种情况下，铸铁可以被加工为限定缸膛。在其他发动机缸体中，发动机缸体可由一些其他材料制造，且汽缸衬套安装在发动机缸体中，其中汽缸衬套形成缸膛。例如，发动机缸体可由铸铝形成，并且具有安装在铝块中以形成缸膛的铸铁汽缸衬套。铸铁汽缸衬套提供耐磨表面，以更好地抵抗活塞恒定往复运动对汽缸壁的磨损。另外，铸铁汽缸衬套对汽缸壁在燃烧期间所暴露于的极端温度提供更好的耐热性。

发明内容

提供了一种用于发动机缸体的汽缸衬套组件。汽缸衬套组件包括内耐磨汽缸。该内耐磨汽缸包括内表面和外表面，该内表面形成沿中心孔轴线延伸的缸膛。壳体相对于中心孔轴线径向地设置在内耐磨汽缸的外表面外部。壳体是纤维增强聚合物。冷却剂通道邻近内耐磨汽缸的外表面设置在内耐磨汽缸和壳体之间。冷却剂通道可操作用以使冷却剂循环穿过用于冷却内耐磨汽缸。

在汽缸衬套组件的一个方面，内耐磨汽缸是金属或陶瓷材料中的一种。在汽缸衬套组件的另一方面，壳体包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、聚合物纤维或金属纤维中的一种。

在汽缸衬套组件的一个实施例中，中心层设置在内耐磨汽缸和壳体之间。中心层是具有彼此流体连通的多个开孔的多孔材料，使得流体能够循环穿过多个开孔。在一个实施例中，多个开孔设置成与冷却剂通道流体连通。在替代实施例中，中心层由闭孔材料形成。

在汽缸衬套组件的一个方面，中心层包括注入纤维的聚合物、注入颗粒的聚合物、金属泡沫、聚合物泡沫或工程结构中的一种。

在汽缸衬套组件的一个实施例中，中心层限定冷却剂通道。在另一实施例中，中心层和内耐磨汽缸协作以限定冷却剂通道。在又一实施例中，壳体至少部分地限定冷却剂通道。

在汽缸衬套组件的一个方面，冷却剂通道限定通道密度。通道密度是沿中心孔轴线轴向测量的每单位长度的冷却剂通道的体积。在汽缸衬套组件的一个实施例中，通道密度沿中心孔轴线在内耐磨汽缸的不同轴向区域中是可变的。在汽缸衬套组件的其它实施例中，通道密度沿着中心孔轴线在整个内耐磨汽缸的长度是恒定的。

在汽缸衬套组件的一个实施例中，冷却剂通道包括多个通道。在其他实施例中，冷却剂通道包括以螺旋构型缠绕内耐磨汽缸的单个通道。

还提供了一种制造用于发动机缸体的汽缸衬套组件的方法。该方法包括使内耐磨汽缸形成为包括内表面和外表面。内耐磨汽缸的内表面限定沿中心孔轴线延伸的缸膛。中心层围绕内耐磨汽缸的外表面形成。中心层由具有彼此流体连通的多个开孔的多孔材料形成，使得流体能够循环穿过多个开孔。壳体然后围绕中心层的外表面形成。壳体由纤维增强聚合物形成。

在形成汽缸衬套组件的方法的一个实施例中，冷却剂通道邻近内耐磨汽缸的外表面形成。冷却剂通道可以至少部分地由中心层形成。

在形成汽缸衬套组件的方法的另一实施例中，散热器附接到内耐磨汽缸的外表面并且邻近内耐磨汽缸的第一端。散热器从中心孔轴线径向向外延伸到远侧周边。在形成围绕内耐磨汽缸的中心层之前，散热器可附接到内耐磨汽缸。

因此，本文所述的汽缸衬套组件为发动机缸体提供轻质耐用的衬套。汽缸衬套组件可以安装在金属发动机缸体中，例如铸铁或铸铝发动机缸体。或者，可以围绕汽缸衬套组件模制纤维增强发动机缸体。内耐磨汽缸提供耐热和耐磨性，而外部壳体为内耐磨汽缸提供结构支承。中心层使壳体与内耐磨汽缸的极端温度绝缘。另外，中心层的多孔结构可以用于使冷却剂循环穿过用于冷却内耐磨层。紧邻内耐磨汽缸设置的冷却剂通道使紧邻内耐磨汽缸的冷却剂循环用于冷却内耐磨汽缸。

当结合附图时，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点从用于实施本教导的最佳模式的以下详细描述中是显而易见的。

附图说明

图1是汽缸衬套组件的示意性局部剖切透视图。

图2是汽缸衬套组件的示意性剖视图。

图3是汽缸衬套组件的替代实施例的示意性剖视图。

图4是示出了冷却剂通道的第一图案的内耐磨汽缸的示意性侧视图。

图5是示出了冷却剂通道的第二图案的内耐磨汽缸的示意性侧视图。

图6是示出了冷却剂通道的第三图案的内耐磨汽缸的示意性侧视图。

图7是示出了冷却剂通道的第四图案的内耐磨汽缸的示意性侧视图。

具体实施方式

本领域普通技术人员将认识到，术语诸如“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等描述性地用于附图，并且不代表对由所附权利要求限定的本公开的范围的限制。此外，在本文本教导是根据功能和/或逻辑块部件和/或各种处理步骤来描述的。应当认识到，这种块部件可以包括配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件部件。

参考附图，其中在几个视图中相同的附图标记表示相同的部件，汽缸衬套组件的第一实施例总体示出为图1和图2中的20A，汽缸衬套组件的第二实施例总体上示出为图3中的20B。汽缸衬套组件20A、20B可以并入发动机缸体（未示出）以形成缸膛22。发动机缸体和汽缸衬套组件20A、20B可以配置为干式衬套或湿式衬套。如本领域技术人员所理解，干式衬套的外表面不直接暴露于发动机缸体内的发动机冷却剂，而湿式衬套的外表面直接暴露于发动机缸体内的发动机冷却剂。如本领域技术人员所理解，发动机缸体支撑一个或多个汽缸衬套组件。发动机缸体可包括但不限于铸铁块、铸铝块、复合物块、聚合物块或纤维增强聚合物块。发动机缸体可配置为与任何合适的燃料类型一起使用，包括但不限于汽油、柴油、丙酮、乙醇、压缩天然气或它们的组合。

汽缸衬套组件20A、20B包括内耐磨汽缸24和壳体26。在一些实施例中，汽缸衬套组件20A可进一步包括设置在内耐磨汽缸24和壳体26之间的中心层28。汽缸衬套组件20A的第一实施例示出为具有内耐磨汽缸24、中心层28和壳体26，而汽缸衬套组件20B的第二实施例示出为仅具有内耐磨汽缸24和壳体26。

内耐磨汽缸24包括内表面30和外表面32。内表面30形成沿中心孔轴线34延伸的缸膛22。在所示示例性实施例中，缸膛22包括与中心孔轴线34同心的圆柱形形状。内耐磨汽缸24的外表面32设置成与内表面30相对。

因为内耐磨汽缸24形成缸膛22，缸膛22转而形成在在其中点燃燃料的燃烧室的一部分，故内耐磨汽缸24在操作期间暴露于高温。因此，内耐磨汽缸24应当由能够承受高温的材料制成。此外，应当认识到，活塞（未示出）可在缸膛22内滑动地移动。照此，内耐磨汽缸24应当由能够承受来自活塞的往复运动的磨损的材料制成。

在附图所示和本文所述的示例性实施例中，内耐磨汽缸24是非常薄的耐热和耐磨材料层。在一些实施例中，内耐磨汽缸24包括垂直于中心孔轴线34测量的在0.01 mm和2.00mm之间的壁厚38。在其它实施例中，壁厚38在0.05 mm和1.00 mm之间。在本文所述的示例性实施例中，内耐磨汽缸24是金属材料或陶瓷材料中的一种。例如，内耐磨汽缸24可由金属诸如铁、铝、钢制成。或者，内耐磨汽缸24可由陶瓷材料制成。

如上所述，中心层28设置在内耐磨汽缸24和壳体26之间。中心层28由多孔材料制成。中心层28是绝缘层，其操作用以使壳体26与内耐磨汽缸24的高温绝缘。在一个示例性实施例中，用于制造中心层28的多孔材料包括彼此流体连通的多个开孔40，使得流体能够循环穿过多个开孔40。流体可包括气体，诸如但不限于空气，或者液体诸如但不限于发动机冷却剂（在下面更详细地描述）。中心层28可包括垂直于中心孔轴线34测量的在0.5 mm和20.0mm之间的壁厚42。在其它实施例中，壁厚42在1.0 mm和10.0 mm之间。

中心层28可包括聚合物结构、金属泡沫、聚合物泡沫或工程结构中的一种。中心层28可以包括并入其中的纤维或颗粒。用于中心层28的合适纤维可包括但不限于玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维。用于注入颗粒的聚合物的合适颗粒可包括但不限于玻璃颗粒、金属颗粒或陶瓷颗粒。颗粒可以是固体小珠、空心小珠、实心棒或空心棒（即，管）的形式。如果中心层28包括纤维或颗粒，则中心层28可以烧结或以其他方式结合在一起。可用于形成中心层28的合适聚合物可包括但不限于热塑性塑料，诸如但不限于聚酰胺、聚丙烯、聚酰胺（热塑性的）、聚酰胺-酰亚胺、PPS或PPA，或者热固性材料，诸如但不限于环氧树脂、酚醛树脂、BMI、聚酰亚胺、聚氨酯或硅树脂。用于中心层28的工程结构可包括但不限于蜂巢或格子结构，诸如可由三维印刷工艺或附加制造工艺特别设计和形成。

壳体26相对于中心孔轴线34径向地设置在内耐磨汽缸24的外表面32外部。如果汽缸衬套组件20A包括中心层28，则壳体26进一步相对于中心孔轴线34径向地设置在中心层28的外表面44外部。壳体26为内耐磨汽缸24和中心层28（如果存在）提供结构支承。壳体26由纤维增强聚合物制造和/或形成。壳体26的合适纤维包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、聚合物纤维或金属纤维。可用于形成壳体26的合适聚合物可包括但不限于热塑性塑料，诸如但不限于聚酰胺、聚丙烯、聚酰胺（热塑性的）、聚酰胺-酰亚胺、PPS或PPA，或热固性材料，诸如但不限于环氧树脂、酚醛树脂、BMI、聚酰亚胺、聚氨酯或硅树脂。壳体26可包括垂直于中心孔轴线34测量的在0.5 mm和20.0 mm之间的壁厚46。在其它实施例中，壳体26的壁厚46在2.0 mm和8.0 mm之间。

汽缸衬套组件20A、20B可形成为包括冷却剂通道48。冷却剂通道48可包括单个通道或多个通道。冷却剂通道48操作用以冷却剂循环穿过用于冷却内耐磨汽缸24。当安装在发动机缸体中时，冷却剂通道48设置成与发动机缸体的一个或多个冷却剂纵槽流体连通，以接收或排放到那里的冷却剂。如附图所示，汽缸衬套组件20A、20B的示例性实施例包括邻近内耐磨汽缸24的外表面32定位在内耐磨汽缸24和壳体26之间的冷却剂通道48。参考图1和图2，中心层28和内耐磨汽缸24协作以限定冷却剂通道48。因此，内耐磨汽缸24形成为部分地限定冷却剂通道48，并且中心层28形成为部分地限定冷却剂通道48。在其它实施例中，中心层28可限定整个冷却剂通道48。参照图3，壳体26至少部分地限定冷却剂通道48。

冷却剂通道48限定通道密度。通道密度在本文中被定义为沿中心孔轴线34轴向测量的每单位长度的冷却剂通道48的体积。在一些实施例中，通道密度沿着中心孔轴线34可以是恒定的。在其它实施例中，通道密度可沿着中心孔轴线34在内耐磨汽缸24的不同轴向区域中变化。例如，参考图4至7，在设置在内耐磨汽缸24的上端或第一端50附近的发生燃烧的内磨损汽缸24的区域中，通道密度可以较高以提供内耐磨汽缸24的更好冷却。在远离第一端50的在燃烧期间不经受与内耐磨汽缸24的第一端50一样多的热量的其他区域，通道密度可以较低。因此，冷却剂通道48为内耐磨汽缸24提供的冷却量可以优化用于汽缸衬套组件20A、20B的特定应用，并且为内耐磨汽缸24的高温区域提供增加的冷却。

如上所述，冷却剂通道48可包括单个通道或多个通道。参照图4至7，示出了用于冷却剂通道48的替代图案。参考图4，冷却剂通道48的第一图案52具体化为多个单独通道54，该多个单独通道54在内耐磨汽缸24的第一端50和内耐磨汽缸24的第二端56之间平行于中心孔轴线34延伸。第一图案52提供恒定的通道密度。参考图5，冷却剂通道48的第二图案58具体化为以螺旋构型布置的单个通道60，其中螺旋绕组沿着中心孔轴线34彼此间隔开恒定的距离。第二图案58提供恒定的通道密度。参考图6，冷却剂通道48的第三图案62具体化为以螺旋构型布置的单个通道64，其中螺旋绕组彼此间隔开非恒定距离。第三图案62提供可变通道密度，其在内耐磨汽缸24的第一端50处具有比在内耐磨汽缸24的第二端56处更高的密度。参照图7，冷却剂通道48的第四图案66具体化为多个单独通道68，该多个单独通道68在内耐磨汽缸24的第一端50和内耐磨汽缸24的第二端56之间大致平行于中心孔轴线34延伸。对于内耐磨汽缸24的第一端50附近的每个单独通道68，单独通道68中每一个分叉以形成两个子通道70A、70B。第四图案66提供可变通道密度，其具有在内耐磨汽缸24的第二端56附近的限定较低第一值的第一区域72、在内耐磨汽缸24的第一端50附近具有较高第二值的第二区域74，以及设置在第一区域72和第二区域74之间具有可变值的第三区域76。

在一些实施例中，冷却剂通道48可设置成直接地或间接地通过发动机缸体的冷却剂纵槽与多孔中心层28流体连通。因此，冷却剂通道48可设置成与多孔材料的多个开孔40流体连通。照此，发动机冷却剂可流动穿过冷却剂通道48以及穿过中心层28的多孔材料，以便为内耐磨汽缸24提供附加冷却能力。

还提供了制造汽缸衬套组件20A、20B的方法。该方法包括使内耐磨汽缸24形成为包括内表面30和外表面32。如上所述，内表面30限定缸膛22。内耐磨汽缸24可使用能够形成薄壁内耐磨汽缸24的任何合适工艺形成。例如，内耐磨汽缸24可以使用挤压工艺、铸造工艺、附加制造工艺或热喷涂工艺形成。另外，在内耐磨汽缸24的形成中，可以包括其他机械加工工艺，诸如钻孔、铣钻、机械加工等。

图1所示的散热器78可附接到内耐磨汽缸24的外表面32。例如，散热器78可邻近内耐磨汽缸24的第一端50附接。散热器78从中心孔轴线34径向向外延伸到远侧周边80。散热器78操作用以向外远离内耐磨汽缸24将热量从内耐磨汽缸24传递到诸如发动机缸体中的冷却剂纵槽。散热器78可包括但不限于金属，诸如铝、铸铁或钢。散热器78可以以任何合适的方式附接到内耐磨汽缸24，诸如但不限于钎焊工艺、将散热器78压配到内耐磨汽缸24上、或将散热器78铸造在内耐磨汽缸24上。

该方法可包括邻近内耐磨汽缸24的外表面32形成冷却剂通道48。冷却剂通道48可使用任何合适的工艺形成，诸如放置管状结构以形成冷却剂通道48或使用熔芯工艺。熔芯工艺包括将用于冷却剂通道48的预制件附接到内耐磨汽缸24。用于冷却剂通道48的预制件具有与冷却剂通道48相同大小的外部形状。预制件在用于期望冷却剂通道48的内耐磨汽缸24上的位置附接到内耐磨汽缸24。稍后移除预制件，留下形成冷却剂通道48的阴模腔。应当认识到，预制件附接到内耐磨汽缸24以形成冷却剂通道48的期望图案。

然后围绕预制件形成层。该层可以包括中心层28或壳体26。在已经形成邻近内耐磨汽缸24的层之后，移除预制件。可以以任何合适的方式移除预制件，诸如将预制件加热至熔融温度并且从汽缸衬套组件20A、20B中取出预制件。一旦已经移除预制件，留在邻近内耐磨汽缸24的层中的阴模腔限定冷却剂通道48。

如上所述，中心层28或壳体26可邻近内耐磨汽缸24形成。如果包括，则围绕内耐磨汽缸24的外表面32形成中心层28。如上所述，中心层28由多孔材料形成。多孔材料可包括彼此流体连通的多个开孔40，使得流体能够循环穿过多个开孔40。中心层28可以以任何合适的方式形成，并且取决于用于形成中心层28的具体材料。

一旦已经形成中心层28，则围绕中心层28的外表面44形成外部壳体26。如上所述，壳体26由纤维增强聚合物形成。壳体26可以以任何合适的方式形成，并且取决于用于形成壳体26的具体材料。例如，如本领域技术人员所理解，壳体26的预制件可以使用细丝缠绕或过编织工艺形成。然后可以如本领域所理解的那样固化壳体26的预制件。如上所述，一旦壳体26已经固化，则可以移除用以形成冷却剂通道48s的任何预制件。

附件82可嵌入中心层28和/或壳体26中。附件82可以包括但不限于电子装置。例如，附件82可包括但不限于传感器、电连接器、热电发电机、线束、电子控制单元/模块等。或者，附件82可以包括一些其他装置，诸如但不限于用于附接辅助部件的支撑托架、用于接收螺栓的螺纹插件、用于接收螺母的螺纹柱、致动器、电动马达等。

一旦已经形成汽缸衬套组件20A、20B，则可将其安装到发动机缸体中，如本领域所理解，或其可具有围绕汽缸衬套组件20A、20B形成的聚合物发动机缸体。如上所述，汽缸衬套组件20A、20B可以是湿式衬套，其中汽缸衬套组件20A、20B的壳体26设置成与发动机冷却剂直接接触，或者可以是干式衬套，其中汽缸衬套组件20A、20B的壳体26设置成不与发动机冷却剂直接接触。

详细描述和附图或图支持和描述本公开，但本公开的范围仅由权利要求限定。尽管已经详细描述了用于实施所要求保护的教导的一些最佳模式和其他实施例，但存在用于实践所附权利要求中限定的本公开的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于发动机缸体的汽缸衬套组件，所述汽缸衬套组件包括：

具有内表面和外表面的内耐磨汽缸，所述内表面形成沿中心孔轴线延伸的缸膛；

相对于所述中心孔轴线径向地设置在所述内耐磨汽缸的所述外表面外部的壳体，其中所述壳体是纤维增强聚合物；

冷却剂通道，其邻近所述内耐磨汽缸的所述外表面设置在所述内耐磨汽缸和所述壳体之间，并且操作用以使冷却剂循环穿过用于冷却所述内耐磨汽缸；和

设置在所述内耐磨汽缸和所述壳体之间的中心层，

其中所述中心层是具有彼此流体连通的多个开孔的多孔材料，使得流体能够循环穿过所述多个开孔。

2.根据权利要求1所述的汽缸衬套组件，其中所述多个开孔设置为与所述冷却剂通道流体连通。

3.根据权利要求1所述的汽缸衬套组件，其中所述中心层限定所述冷却剂通道。

4.根据权利要求1所述的汽缸衬套组件，其中所述中心层和所述内耐磨汽缸协作以限定所述冷却剂通道。

5.根据权利要求1所述的汽缸衬套组件，其中所述冷却剂通道限定通道密度，其中所述通道密度是沿所述中心孔轴线轴向测量的每单位长度的所述冷却剂通道的体积。

6.根据权利要求5所述的汽缸衬套组件，其中所述通道密度沿所述中心孔轴线在所述内耐磨汽缸的不同轴向区域中是可变的。

7.根据权利要求1所述的汽缸衬套组件，其中所述中心层包括聚合物结构。

8.根据权利要求1所述的汽缸衬套组件，其中所述中心层包括金属泡沫。

9.根据权利要求1所述的汽缸衬套组件，其中所述中心层包括聚合物泡沫。

10.根据权利要求1所述的汽缸衬套组件，其中所述中心层包括工程结构。

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