CN109958542A - 用于内燃发动机的气缸套和形成方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了“用于内燃发动机的气缸套和形成方法”。提供了一种形成发动机的方法。缸套被铸造有带第一纹理的外表面，所述第一纹理从所述缸套的第一端周向延伸到第二端。所述缸套的所述外表面的圆周区段涂覆有隔热的热固性材料，所述热固性材料的热导率低于所述纹理。提供了一种发动机和用于所述发动机的气缸套。所述缸套具有第一端和第二端，外表面在其间延伸。所述缸套的外表面具有轴向区段，其限定纹理和隔热的热固性涂层以与缸体形成具有不同热导率的材料界面。

Description

用于内燃发动机的气缸套和形成方法

技术领域

各种实施例涉及一种用于内燃发动机的气缸套和制造气缸套和发动机的方法。

背景技术

内燃机需要热管理来控制发动机部件的温度。例如，气缸体通常具有冷却套，循环流体流过该冷却套以冷却缸体和缸体中的气缸套。在发动机操作期间，例如由于缸套的上部区域存在较高温度的气体，气缸套的孔壁可以沿缸套的长度具有不一致的温度。孔壁温度的差异可能导致气缸套变形，使得孔壁变成非圆柱形和/或改变沿缸套的长度的形状。气缸孔变形可能导致在发动机操作期间活塞环难以贴合气缸壁，这继而可能导致燃烧气体窜气更严重、发动机机油或润滑油消耗增加、发动机噪音增加、活塞环磨损以及发动机效率和燃料经济性降低。

发明内容

根据一个实施例，一种发动机具有：气缸套，其具有从所述缸套的第一端延伸到第二端的外表面和内表面；和围绕所述气缸套形成的气缸体，所述缸套的第一端邻接所述缸体的顶面。所述气缸体限定了冷却套，所述冷却套围绕所述缸套的外表面的至少一部分周向延伸并与其间隔开。所述缸套的所述外表面的第一圆周区段具有与所述缸体形成第一材料界面的纹理，所述第一材料界面上具有第一热导率。所述缸套的所述外表面的第二圆周区段具有所述纹理，所述纹理上设置有涂层并与所述缸体形成第二材料界面。所述涂层包含热固性树脂。所述第二材料界面上具有第二热导率，所述第二热导率小于所述第一热导率。所述第一圆周区段位于所述第一端与所述第二圆周区段之间。

根据另一个实施例，提供了一种形成发动机的方法。形成具有外表面的缸套，所述外表面限定围绕所述缸套周向延伸的纹理。在所述纹理的与所述缸套的一端间隔开并围绕所述缸套周向延伸的一部分上提供涂层，所述涂层具有比所述缸套低的热导率。

根据又一实施例，发动机气缸套设有管状构件，所述管状构件具有第一端和第二端，外表面在所述第一端与所述第二端之间延伸并限定具有纹理的轴向区段。所述纹理和所述缸套具有第一热导率。仅围绕所述轴向区段的一部分周向地设置涂层，并且所述涂层具有小于第一热导率的第二热导率。

附图说明

图1示出了根据一个实施例的内燃发动机的示意图；

图2示出了供图1的发动机使用的气缸套的透视图；

图3示出了供图1的发动机使用的气缸体的剖视图；

图4示出了图3的缸套和周围缸体的局部剖视图；

图5示出了与发动机缸体中的常规缸套相比的图3的缸体的轴向温度曲线；

图6示出了根据一个实施例的用于形成图1的发动机的方法的流程图；

图7示出了根据一个实施例的在缸套上形成涂层的方法；并且

图8示出了根据另一个实施例的在缸套上形成涂层的方法。

具体实施方式

根据要求，本文提供了本公开的详细实施例；然而应当理解的是，所公开的实施例仅仅是示例性的并且可以体现为不同和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构细节和功能细节不应当被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导所属领域技术人员以不同方式采用本公开的代表性基础。

图1示出了内燃发动机20的示意图。发动机20具有多个气缸22，并且示出了一个气缸。在一个示例中，发动机20是直列式四缸发动机，并且在其他示例中，具有其他布置形式和数量的气缸。在一个示例中，可以使用分开的缸套来布置气缸。在各种示例中，气缸体可以具有闭合顶部配置、半开放顶部配置或开放顶部配置。

发动机20具有限定气缸、气缸壁或孔壁22的气缸套32；并且发动机具有与每个气缸22相关联的燃烧室24。缸套32和活塞34配合以限定燃烧室24。活塞34连接到曲轴36以将活塞34的直线运动转换成曲轴36的旋转运动。

燃烧室24与进气歧管38和排气歧管40流体连通。进气门42控制从进气歧管38进入燃烧室24的流量。排气门44控制从燃烧室24到排气歧管40的流量。进气门42和排气门44可以以所属领域已知的各种方式操作以控制发动机操作。

燃料喷射器46将燃料从燃料系统直接输送到燃烧室30中，从而发动机是直喷式发动机。低压或高压燃料喷射系统可以供发动机20使用，或者在其他示例中可以使用进气道喷射系统。点火系统包括火花塞48，该火花塞被控制以提供火花形式的能量以对燃烧室30中的燃料空气混合物进行点火。在其他实施例中，可以使用其他燃料输送系统和点火系统或技术(包括压缩点火)。

发动机20包括控制器和各种传感器，其被配置为向控制器提供信号以用于控制向发动机的空气和燃料输送、点火正时、来自发动机的功率和扭矩输出等。发动机传感器可以包括但不限于排气歧管40中的氧传感器、发动机冷却剂温度传感器、加速踏板位置传感器、发动机歧管压力(MAP)传感器、用于曲轴位置的发动机位置传感器、进气歧管38中的空气质量传感器、节气门位置传感器等。

在一些实施例中，发动机20用作车辆(诸如常规车辆或具有启停系统的车辆)中的唯一原动机。在其他实施例中，发动机可以用于混合动力车辆中，其中附加的原动机(诸如电机)可用于提供附加的功率来推进车辆。

每个气缸22都可以在包括进气冲程、压缩冲程、点火冲程和排气冲程的四冲程循环下操作。在其他示例中，发动机20可以作为二冲程循环来操作。在进气冲程期间，进气门42打开并且排气门44关闭，同时活塞34从气缸22的顶部移动到气缸22的底部以将空气从进气歧管引入燃烧室。通常将气缸22顶部处的活塞34位置称为上止点(TDC)。通常将气缸底部处的活塞34位置称为下止点(BDC)。

在压缩冲程期间，进气门42和排气门44关闭。活塞34从气缸22的底部朝向顶部移动以压缩燃烧室24内的空气。

然后将燃料引入燃烧室24并点火。在所示的发动机20中，燃料被喷射到燃烧室24中，然后使用火花塞48点火。在其他示例中，燃料可以使用压缩点火来点火。

在膨胀冲程期间，燃烧室24中已点火的燃料空气混合物膨胀，由此使活塞34从气缸22的顶部移动到气缸22的底部。活塞34的运动引起曲轴36中的相应运动并提供来自发动机20的机械扭矩输出。

在排气冲程期间，进气门42保持关闭，并且排气门44打开。活塞34从气缸的底部移动到气缸22的顶部以通过减小燃烧室24的容积来从燃烧室24中去除排气和燃烧产物。排气从燃烧气缸22流到排气歧管40并流到后处理系统，诸如催化转化器。

进气门42和排气门44的位置和正时以及燃料喷射正时和点火正时可以针对各种发动机冲程而变化。

发动机20具有气缸盖72，该气缸盖连接到气缸体70或曲轴箱以形成气缸22和燃烧室24。缸盖垫片74插置在气缸体70与气缸盖72之间以密封气缸22。每个气缸22都沿相应的气缸轴线76设置。对于具有直列设置的气缸22的发动机，气缸22沿缸体70的纵向轴线78设置。

发动机20具有一个或多个流体系统80。虽然在所示的示例中，发动机20具有一个与缸体70和缸盖72中的套相关联的流体系统，但是可以预期任何数量的系统。发动机20具有流体系统80，该流体系统可以至少部分地与气缸体70集成，并且还可以至少部分地与缸盖72集成。流体系统80在缸体70中具有套84，该套流体地连接到缸盖中的套86，其可以用作冷却系统、润滑系统等。在其他示例中，系统80可以仅由缸体70中的套84提供，并且可以使用单独的冷却系统来冷却缸盖72。

在所示的示例中，流体系统80是冷却套并被设置用于从发动机20中去除热量。从发动机20中去除的热量可以由冷却系统控制器或发动机控制器或者经由诸如恒温器等温度控制装置来控制。流体系统80具有一个或多个流体套或回路，其可以包含水、另一种冷却剂或润滑剂作为液体、蒸气或混合相状态的工作流体。在本示例中，流体系统80包含冷却剂，诸如水、水基冷却剂、乙二醇基冷却剂等。流体系统80具有一个或多个泵88和诸如散热器之类的热交换器90。泵88可以例如通过连接到发动机的旋转轴而机械驱动，和/或可以是电驱动的。系统80还可以包括阀门等(未示出)以控制流体的流量或压力，或者在发动机操作期间引导系统80内的流体，并且可以包括诸如过滤器、脱气管线和贮槽或贮存器等部件。

流体系统和套80中的各个部分和通道可以与发动机缸体和/或缸盖整体形成，如下所述。流体系统80中的流体通道可以位于气缸体70内，并且可以与缸体70中的每个缸套32相邻并至少部分地围绕或完全围绕每个缸套。

气缸套32可以是与缸体70不同的材料，或者与缸体相同的材料。发动机缸体70和气缸盖72可以由铝、铝合金或另一种金属铸造而成。缸套32可以由诸如铁或铁合金之类的另一种材料形成。这样，基于两个部件中的不同材料，一个或多个界面可以形成在发动机的缸套32与周围的缸体70之间。当缸套和缸体由不同材料形成时，在这些部件之间形成双金属界面，这进一步增加了控制缸体温度以及控制缸体中的热膨胀和应力的复杂性。在其他示例中，缸套可以是金属或金属合金，并且缸体可以由复合材料或其他材料形成。

图2示出了供图1的发动机20使用的气缸套100的透视图，并且可以用作缸套32。图3示出了铸造到发动机缸体150中的缸套100。图4示出了缸套100与相邻缸体150之间的界面的局部剖视图。

如图2中所示，缸套100由管状构件形成，该管状构件具有外表面102或外壁和内表面104或内壁。内壁104在缸体70中形成孔壁或气缸壁22。内壁104和外壁102从缸套的第一端106延伸到缸套的第二端108。外壁102围绕缸套的圆周并沿缸套的轴向长度延伸，例如沿着轴线110，该轴线对应于图1中的轴线76。

缸套100具有外表面102的轴向区段112或圆周区段112。在一个实施例中，轴向区段112直接邻接缸套的第一端106和第二端108并在其间延伸。在其他示例中，区段112可以仅沿缸套的一部分延伸，并且可以与其中一端相邻或者与两端均间隔开。

轴向区段112具有纹理120或一系列突起120，其在该区段中覆盖缸套的外表面。纹理120或突起由与缸套100相同的基材形成，并且可以例如在铸造工艺期间与缸套整体形成。

缸套100还具有外表面102的另一个轴向区段114或另一个圆周区段114。轴向区段114可以与区段112重叠或仅由区段112的一部分形成。如所示，轴向区段114可以与第一端106间隔开。如所示，轴向区段114可以与第二端108间隔开，或者在其他示例中可以直接邻接第二端108。轴向区段114设有如下面进一步描述的涂层130，该涂层设置在区段114中的外表面上的纹理120上。区域116因此提供区段112的未覆盖纹理120。

一系列突起120具有从缸套100向外延伸的突起122。突起122可以是翅片、棘或具有圆形或非圆形截面形状的其他突起形状。在其他示例中，突起122由肋形成，该肋从缸套100径向向外并围绕缸套的圆周的至少一部分延伸。突起122的截面面积可以沿突起的长度而变化。纹理120中的突起122可以是规则的或不规则的形状。突起122可以具有底切或负表面。在替代示例中，纹理120可以包括沿缸套的外表面的多孔结构，其中该多孔结构仅延伸进入缸套几毫米。

在一个示例中，每个突起122都具有沿突起的长度变化的大致圆形截面形状，例如面积通过沿突起的轴向长度减小然后增加，使得该突起在突起的中间区域中收缩或底切。在其他示例中，突起122可以具有沿突起的长度的恒定截面积，或者可以具有沿突起的长度减小的面积。突起122可以在表面102上以随机顺序或图案排列，或者可以组织成阵列。

一系列突起120在缸套的突起面积或基底面积上具有相关突起122的密度，例如每平方厘米超过10、20、30或40个突起的特征密度。在一个示例中，特征密度大约每平方厘米30个突起。突起122可以具有轴向长度或轮廓高度D1，其在0.05至3.0毫米、0.05至2.0毫米的范围内或者大约0.05至1.0毫米。突起的轮廓高度可以与突起的形状和类型有关，例如在任何进一步加工之前，铸入的棘型突起可以在0.3至1.0mm的范围内，并且加工突起可以具有小至0.05mm的轮廓高度。每个突起122的平均直径126小于突起的轴向长度。

纹理120或一系列突起具有相关的比表面积。本文定义的比表面积是缸套100的延伸有突起的每单位基底面积上纹理或突起的实际表面积。例如，纹理120的比表面积是包括突起122的缸套100的外表面的实际表面积除以第一纹理延伸越过的缸套100的指定基底面积(例如不存在突起时的实际面积)。可以使用缸套的外表面的指定面积中包括突起的外表面的实际表面积和假设不存在突起时缸套的外表面的相同指定面积中的外缸套的表面积来计算比表面积。例如，第一比表面积大于1并且是无量纲数，并且在各种示例中可以在2至100、10至50或20至40的范围内。

突起122可以具有大致均匀的尺寸和形状，例如突起的尺寸在彼此的百分之十以内。突起尺寸的可变性可以部分地基于突起的形成过程。

在一个示例中，纹理120被设置为机加工得到的或以其他方式形成的纹理。纹理120可以包括不同节距带中的圆锥形、连续或间断片段的外螺纹纹理、横向齿条或肋以及其他纹理。在一个示例中，纹理120被加工成具有底切表面。在替代示例中，可以在缸套100的外表面上提供多于一个的纹理。纹理120可以具有纹理120的均匀径向深度或轮廓高度。在其他示例中，纹理120可以具有随着沿缸套的轴向位置而变化的轮廓高度、轮廓深度和纹理恒定的区段、和/或突起去除量可变且连续增加或减少的区段，例如锥形区段。随着纹理120的轮廓深度改变，相关的比表面积和相应的热导率也改变。可以控制轮廓深度以控制从缸套到周围缸体的热传递，并且可以实现发动机操作期间孔壁温度均匀性的改善。

涂层130可以被设置为在缸套的外表面102上的纹理120外部并覆盖该纹理的层，并且沿区段112的轴向区段，例如沿区段114。涂层130围绕缸套100周向地设置。在一个示例中，如所示，涂层130与缸套的两个端部区域106、108均间隔开。在进一步的示例中，可以施加一种以上的涂层，例如，作为具有不同材料性质的轴向相邻涂层，以进一步控制从缸套到周围缸体的热传递，并且可以实现发动机操作期间孔壁温度的均匀性的改善。

涂层130被设置为围绕缸套100的隔热层以减少从缸套到周围缸体的热传递。在一个示例中，涂层130包含或包括热固性聚合物材料，诸如由热固性树脂或热固性预聚物形成的材料。涂层130的材料性质包括耐高温性以及耐热应力和结构应力。基于发动机的工作温度和用于形成缸体的铸造工艺，涂层130需要承受由热应力引起的载荷以抵抗并防止涂层中裂纹的形成。此外，涂层130被设置为具有预定和经工程设计的热导率以控制从缸套100到缸体的热传递并控制孔壁温度。涂层130还承受缸套和缸体材料的热膨胀并用作与热膨胀有关的中间层，在双金属系统中缸套和缸体材料可以彼此不同。

在一个示例中，涂层130被设置为由热固性材料和颗粒填料形成的复合材料。热固性材料可以由热固性聚合物材料(诸如由热固性树脂或预聚物提供的材料)提供，并且可以包括或包含酚醛树脂或其他材料，诸如环氧树脂等。在一个示例中，所述热固性材料是酚醛塑料。涂层130不包含在铸造工艺期间或在发动机操作期间经历的高温下熔化或重熔的热塑性材料。在热固性预聚物固化和交联之后，本文所用的热固性材料在高达250摄氏度或更高的温度下可以是尺寸稳定的，具有耐化学性，并且具有与金属相同或相似数量级的抗压强度和抗弯强度。另外，热膨胀特性可以类似于金属的热膨胀特性，从而允许在混合材料、高温环境中使用。例如，线性热膨胀系数(CTE)可以在0.10至0.25×10^-6/℃的范围内，该范围包含钢和铝的CTE。

涂层130中的颗粒填料可以由颗粒、纤维等中的一种或多种提供，并且可以包含碳、玻璃、玄武岩、石墨烯等。在其他示例中，涂层可以仅由热固性材料提供而没有颗粒填料。可以将颗粒填料提供给复合材料内的特定部分，并且在将湿涂层施加到缸套上之前与树脂材料混合。在一个示例中，颗粒填料的体积百分比为10％至40％。颗粒填料可以用于为涂层130提供机械强度。此外，颗粒填料可以用于例如通过降低涂层的热导率并提供增加的隔热性质来控制涂层的热导率。可以选择颗粒填料的尺寸、形状、密度和/或分布以控制涂层130的热导率、热膨胀性、机械性质、易于制造性和成本。此外，例如通过提供两种不同的材料和/或两种不同的形状(例如颗粒和纤维)，可以在涂层中提供用于颗粒填料的材料的混合物。

根据涂层中热导率如何变化的非限制性示例，酚醛塑料热固性材料具有1.4W/mK的热导率。通过添加颗粒填料，可以改变热导率。对酚醛塑料材料使用60％的石墨填料后，涂层的热导率增加了一个数量级，或者增加到12.3W/mK。还可以选择和改变颗粒填料以控制涂层的热导率。例如，石墨烯的热导率为130W/mK，远高于玻璃材料。酚醛玻璃填充的热固性复合涂层可以具有低至0.5W/mK的热导率。具有颗粒填料的涂层130可以具有比金属或金属合金(诸如具有96W/mK的热导率的铸铝合金)低一到两个数量级的热导率。

涂层130可以被设置在光滑的缸套外表面上，然而，将涂层130施加在纹理120上使得涂层130沿轴向区域设置在缸体150与缸套的纹理120之间会是有利的。当涂层130作为与颗粒填料混合的预聚物树脂施加到缸套100的外表面时，它可以在纹理120的突起之间流动，使得涂层130由于与底层纹理120形成的界面而更好地粘附到缸套100。涂层130可以被设置在缸套100上，使得涂层的厚度D2大于底层纹理的轮廓深度D1，因此涂层覆盖纹理120的突起122。

在一个示例中，涂层130沿轴向区段114设置有恒定或大致恒定的厚度D2。在其他示例中，涂层可以具有不同的厚度，例如涂层130可以具有随着沿缸套的轴向位置而变化的厚度D2，具有厚度恒定的区域和/或具有厚度可变且持续增加或减小的区域，例如锥形区段。随着涂层130的厚度D2变化，相关的热传递速率也改变以控制通过系统的热通量，例如缸套、涂层、缸体和冷却套发生变化。可以控制厚度D2以控制通过涂层130从缸套100到周围缸体150的热传递，并且可以实现发动机操作期间孔壁温度的均匀性的改善。

图3示出了图2的缸套100在发动机缸体150中的示意剖视图。气缸体150围绕气缸套100形成，气缸套的第一端106与缸体150的顶面152邻接或共面。缸体150限定冷却套154，该冷却套围绕缸套100的外表面的至少一部分周向延伸并与其间隔开。冷却套154可以在流体系统80中形成套84的至少一部分。缸体材料围绕并接触每个涂覆缸套的外表面。缸体150材料可以在孔间区域中在相邻缸套100之间延伸，并且孔间冷却通道可以设置在孔间区域中。缸套100被示为具有带纹理120的第一圆周区段112以及与第一区段112重叠并具有涂层130的第二圆周区段114。

缸套100的外表面102的第一圆周区段112具有未涂覆的纹理120，其例如在区域116中与缸体150形成第一材料界面160。第一圆周区段112的区域116与第一端106邻接并与缸套的第二端108邻接，并且在本示例中，纹理覆盖缸套的外表面。缸体150材料在区域116中的相邻突起122或纹理120表面之间延伸以与其形成互锁结构，并且如图所示，与缸套100的未覆盖的纹理区域形成第一界面160。如经由实验温度测量和热传递实验确定，第一材料界面160上具有第一热导率。

缸套100的外表面102的第二圆周区段114具有涂层130，其与缸体150形成第二材料界面162。圆周区段114与缸套100的第一端106间隔开，并且可以直接邻接或邻近第一区段112的区域116。因此，第一圆周区段112定位在第一端106与第二端108之间。缸体150材料如所示与涂层130的外表面形成第二材料界面162。如经由实验温度测量和热传递实验确定，第二材料界面162上具有第二热导率。第二热导率小于第一热导率。

在一些示例中，第二圆周区段114如所示可以与缸套100的第二端108间隔开。在其他示例中，第二圆周区段114可以延伸到缸套100的第二端108，使得没有下部未覆盖区段112。第二圆周区段114可以与在下止点处的活塞环高度重叠。

缸套100的外表面102上的纹理120和突起122与缸体150材料相接，以通过提供与周围缸体材料的改善粘合强度来增加缸套100在周围缸体150材料内的粘附力，尤其是当缸套100和缸体150由在发动机操作期间具有不同热膨胀的不同材料形成时。纹理120具有轮廓深度D1，其在缸套100的上部区域和下部区域处提供增加的剪切强度以将缸套锚固在缸体中。纹理120具有横向于缸套外表面延伸或者具有横向分量的表面以与缸套的轴向载荷对齐。此外，纹理可以具有底切或负螺距表面以与缸套的径向载荷对齐。

涂层的厚度D2等于或大于D1。在所示的示例中，厚度D2大于轮廓深度D1，使得纹理完全被涂层覆盖。根据一个示例，涂层厚度大于约0.3mm或300微米。在其他示例中，如上所述，涂层厚度可以基于纹理轮廓高度而变化。

在其他示例中，涂层130可以在于涂层130的外表面上形成具有多种形状或纹理的缸体之前进行成形或后处理，以类似于如上所述的纹理120的方式与缸体150材料相接。

第一区段112和第二区段114和区域116中的每一个的轴向长度或沿它们的轴线110的长度的尺寸和位置被设置成控制在发动机20操作期间缸体150中的气缸和缸套100的孔壁温度。第一圆周区段112的区域116中的较高热导率在气缸22的较热的上部区域附近提供了增加的热传递。第二圆周区段114中的热导率降低在该区域中提供了来自气缸和缸套100的减少的热传递，并且允许孔壁温度在此处比突起122和相关的第一热导率延伸缸套100的长度时的温度更高。

图5示出了温度曲线，其示出了与图3中所示的在发动机操作期间在线条182处的气缸套100相比在线条180处的具有光滑外壁的常规气缸套的孔壁温度。从图中可以看出，图3所公开的气缸套100以比常规气缸套更均匀的孔壁温度和在缸套100的中间轴向区域中温度更高的孔壁温度运转。各种优点与更均匀的孔壁温度相关联，这提供了减少的孔变形并且沿缸套的长度保持缸套100的更圆柱形形状。例如，减少的孔变形可以使活塞环摩擦和磨损减少、燃烧气体窜气减少、发动机机油或润滑剂消耗减少、润滑液温度升高从而引起粘度改善并降低、发动机噪音降低以及发动机效率提高和燃油经济性提高。孔变形可能与缸套和周围缸体材料的相对厚度有关。如果周围缸体材料与缸套相比相对较厚，则可能希望沿缸套在缸体材料中具有均匀的轴向温度以减少孔变形，并且可以在缸套上提供涂层以通过升高中间冲程轴向位置处的缸套温度来改善TDC与BDC之间的油粘度，因为缸套本身的变形不是主要因素。

图6示出了形成发动机和形成用于发动机的缸套(诸如以上图1的发动机20中的缸套32或图2中的缸体150中的缸套100)的方法200的流程图。该方法可以包括比所示更多或更少的步骤，这些步骤可按另一种顺序重新排列，并且可以根据本公开的各种示例连续地或同时地执行各种步骤。

在步骤202处，铸造管，并且可以由铁或另一种铁合金、钢等形成该管。该管被铸造有外表面和内表面，其中外表面和内表面中的每一个被塑形为圆柱形，并且彼此同心设置。管的外表面被铸造有纹理120，例如多个突起，其围绕外表面并在管的相对端之间周向延伸。管可以使用离心铸造技术或另一种铸造工艺铸造，使得纹理120或多个突起形成为铸造工艺的一部分并且在铸造时与缸套整体形成。管可以形成有对应于多个缸套的数量的轴向长度，使得缸套100由管的一部分或区段形成。在其他示例中，纹理120可以在管或缸套上机加工或以其他方式形成。

在步骤204处，将管横向机加工或以其他方式切割成两个或更多个缸套100。因此，管的内表面对应于并提供缸套的内表面104。同样地，管的外表面对应于并提供缸套的外表面102。

因此，缸套100具有外表面102，该外表面上设置有纹理120。纹理120被设置在整个外表面102上，或者被设置成围绕缸套100从缸套的第一端106周向延伸到第二端108。第一纹理120具有相关的比表面积和轮廓深度D1。对于具有一系列突起122的纹理，突起122可以被铸造成尺寸和形状大致均匀，例如尺寸在百分之十的范围内。替代地，然后可以机加工或以其他方式(例如使用浅通切机床车削工艺)处理缸套以改变纹理的比表面积和轮廓深度。

在步骤206处，在缸套100的外表面102的区段114上提供一层热固性预聚物树脂以形成涂层130。在施加到缸套100上之前，可以将树脂与颗粒填料混合以提供复合涂层。外表面102的区段114或带围绕外表面102并沿缸套100的轴向区段周向延伸，该轴向区段小于缸套100的轴向长度。

涂层130作为湿的未固化的预聚物树脂或预聚物树脂与颗粒填料的复合混合物设置在缸套100的表面上。在将缸套定位在用于形成发动机缸体的工具中之前，涂层130被干燥并且可以是未固化的、部分固化的或完全固化的。在固化涂层时，热固性树脂材料交联以在颗粒填料周围形成热固性聚合物。涂层130可以例如使用后烘烤工艺进行干燥，该工艺提供足够的温度以完成或部分完成热固性材料的固化和交联，并蒸发任何液体或润滑剂。此外在各种实施例中，涂层可以固化或部分固化，或者替代地可以保持未固化直到在如下所述的后续步骤形成缸体为止。

在一个示例中，如图7中所示，复合树脂混合物的涂层130经由成型工艺(诸如注塑成型工艺)提供。在图7中，未涂覆的缸套100围绕心轴220定位。形成净形或近净形的涂层130的一个或多个模具222围绕心轴和缸套定位，并且将复合树脂混合物注入工具中。

对于厚度连续变化的涂层130，例如锥形，可以提供用于在缸套上形成涂层的工具，使得模具沿缸套的纵向轴线打开和关闭，如图7中所示。因此，提供涂层形状的一个或多个模具222的拔模斜度可以对应于锥角，此外，涂层130形成在缸套上而没有沿轴向方向延伸的分模线，因为分模线224相对于缸套径向延伸。

在另一个示例中，如图8中所示，经由压缩成型工艺或预成形工艺将复合树脂混合物的涂层130提供到缸套100上。未涂覆的缸套100定位在心轴230上。心轴上的缸套和另一个心轴232或工具元件各自至少部分地浸没在热固性预聚物粉末床234或热固性预聚物树脂浴中，并且这两者都旋转使得预聚物树脂或粉末被压到未涂覆的缸套100上。粘合剂或其他材料可以用于帮助涂层前体粘附到缸套上。此外，颗粒填料可以提供在床234中并与热固性前体材料混合以在缸套上形成复合涂层。

在其他示例中，可以使用粘合剂材料或使用喷涂工艺等将未固化的湿涂层130提供到缸套上。本文所述的涂覆方法需要控制涂层130在缸套100上的轴向位置。此外，在涂覆或后处理涂层之后和步骤208之前，任何飞边材料都需要去除或不存在于期望区段114外。此外，涂层130的厚度需要是可控的，并且涂层与缸套的粘合完整性和涂层机械性质需要足以承受在缸体成形工艺(诸如压铸)期间的碎裂、剥落或冲洗。

在步骤208处，将涂覆的缸套定位在用于形成发动机缸体的工具中。在步骤210处，围绕缸套形成发动机缸体。在一个示例中，当涂覆的缸套定位在用于形成缸体的工具中时，涂层130被干燥并处于生坯状态或未固化状态。当例如使用高压压铸工艺铸造缸体时，注入的熔融金属的高温用于固化涂层130，使得热固性树脂材料交联以形成固化的热固性聚合物，或者在将缸套插入工具中而部分固化涂层时完成固化工艺。由于涂层含有热固性材料，所以能够承受铸造工艺。通过在形成缸体的同时固化涂层，可以省略单独固化缸套上的涂层的制造步骤，并且发动机缸体制造工艺更有效。

缸套100定位在工具内，并且移动工具的各种模具、滑块或其他部件以关闭工具准备铸造工艺。模具和滑块具有气缸体成形表面。因此缸套100用于镶铸工艺中以形成缸体150。在一个示例中，提供工具作为用于金属(诸如铝或铝合金)的高压压铸工艺的工具。可以提供附加的插入物或模具成型表面(包括抽芯插入物)以形成缸体的其他结构，诸如冷却套和相关的通道。

在缸套100定位并约束在工具中的情况下关闭工具之后，将材料注入或以其他方式提供给工具以大致形成发动机缸体150。在一个示例中，材料是诸如铝、铝合金等金属或在高压压铸工艺中作为熔融金属注入工具中的另一种金属。在高压压铸工艺中，当柱塞在铸造工艺中停留时，熔融金属可以6000psi至15000磅每平方英寸(psi)的峰值金属压力注入工具中。熔融金属可以在更高或更低的压力下注入，并且可以基于使用中的金属或金属合金、模腔的形状和其他考虑因素。

在一个示例中，将包含铝的熔融金属在约700摄氏度的温度下注入工具中，并且熔融铝在到达工具中的涂层时略微冷却，例如冷却至约650至680摄氏度的温度。工具保持关闭，直到熔融金属凝固并且缸体可以被弹出为止。通常在350至400摄氏度的温度下弹出缸体，并且涂层处于或高于该温度至少二十至三十秒以提供足够的时间进行交联和固化。在一个示例中，涂层130包括热固性树脂，诸如酚醛树脂，其在约170摄氏度或更高的温度下固化和交联。

在缸体铸造步骤210期间，熔融金属围绕并接触缸套100的外表面102流动并进入纹理，例如在相邻的突起、螺纹等之间以及围绕涂层130。熔融金属冷却并形成铸件表皮，使得缸体150与缸套的外表面的未涂覆纹理120形成第一材料界面160，并与涂层形成第二材料界面162。第一材料界面160具有比第二材料界面162高的热导率。相应纹理的比表面积、铸造期间围绕纹理的合金的流体动力学、凝固和收缩、涂层的厚度和材料性质以及相关区域中缸套的厚度的组合可能会影响热导率。如上所述，基于熔融金属的高温，涂覆预聚物材料可以在铸造工艺期间交联并固化成热固性材料。

在另一示例中，缸套100的外表面102上的纹理区域可以在定位于工具中之前进行处理以减少氧化。缸套100可以具有外表面102，其被酸浸渍，例如浸渍在氟酸中，然后漂洗以减少成品缸体150中的相邻铸造缸体材料中的氧化和可能的孔隙率问题，并改善缸套100与铸件缸体150之间在材料界面处的接触。替代地，缸套的内表面104和/或外表面102可以例如使用等离子喷涂、热喷涂或其他工艺进行喷涂。

缸套100的外表面102上的纹理区域和涂覆区域提供与周围的铸造发动机缸体150不同的材料界面，其继而沿缸套的长度提供不同的热导率和不同的热传递速率以保持发动机操作期间更均匀的壁温。

在另一变型中，不同的缸套100可以具有不同的纹理和/或涂层，或者具有不同尺寸或定位的涂层带。例如，不同的缸套可以用在发动机缸体中的不同气缸位置处以经由不同的热导率为用作发动机中的末端气缸或中间气缸的缸套100提供进一步的热控制和管理。

在另一个示例中，通过在缸套周围提供复合材料(例如通过注塑工艺等)而形成发动机缸体。缸套可以包括金属或金属合金，并且可以包括铁基缸套或铝基缸套，其中如上所述在缸套上提供涂层130。注射成型工艺可以提供交联和固化涂层所需的至少一些热量和温度，或者涂层可以在注射成型工艺之前固化。

在步骤212处，将缸体150从工具中取出并对缸体进行各种精加工步骤。步骤210中的工艺可以是近净形铸造或成型工艺，使得需要进行很少的后处理工作。可以加工缸体150的表面以例如通过铣削在与缸套100的第一端106附近形成缸体的顶面152。非成品缸体也可以是立方体或以其他方式加工以提供用于发动机组装的最终缸体。缸套100的内表面可以钻孔或以其他方式精加工。

在步骤214处，成品缸体150可以与相应的缸盖、活塞、曲轴等组装在一起以形成诸如发动机20的发动机。

本公开的各种示例具有相关联的非限制性优点。例如，在具有往复式活塞设计的内燃发动机的操作期间，在燃烧室中发生燃烧。该燃烧室可以位于缸盖组装到缸体的区域中。该缸体限定活塞在其内往复运动的气缸，并且每个气缸的一端与燃烧室相关联。燃烧室内的燃烧事件提高了气缸周围的缸体的温度。缸体加热在接近发热燃烧事件处可能最大，而在气缸的另一端最低，因此沿气缸轴线产生温度梯度。由于温度升高，气缸套膨胀，并且由于温度梯度，该膨胀沿缸体的轴向长度可能是不均匀的。根据本公开的气缸套和缸体提供更均匀的缸壁温度，其用于保持孔壁沿气缸的轴向长度的平行度，由此减少往复活塞与缸壁之间的摩擦。

发动机和气缸体包含冷却套，该冷却套围绕或部分地围绕气缸孔并且通过缸体材料与孔和缸套间隔开。一个或多个冷却套包含液体流体，该液体流体围绕气缸循环以通过去除燃烧事件产生的多余热量并经由散热器或其他热交换器将多余热量传递到大气来控制发动机的工作温度。气缸壁或缸套壁与面向气缸的冷却套壁之间的温度差驱动从气缸到套中的冷却剂的热通量或热能的运动。

常规的发动机缸体可以在冷却套中使用分流器或间隔件，或者使用用于冷却套的复杂形状以试图热控制和管理缸壁温度曲线。这些技术在制造复杂性、成本以及其他工具制作和组装考虑因素方面存在挑战。

根据本公开的缸体提供了具有改善的孔壁温度均匀性的气缸壁。气缸壁的中间区域在发动机操作期间处于比常规发动机通常在该区域的温度更高的温度，这降低了沿气缸轴线的温度梯度，从而提供了更均匀的温度、减小的变形并为往复式活塞提供了更平行的孔。

在本公开中，缸套被铸造到缸体中，其中缸套由铁或其他含铁材料形成，而缸体由铝或铝合金铸造而成。这导致与铁缸体的磨损性质相结合的铝缸体的重量减轻和其他优点。

缸套在一部分上设有暴露的外直径气缸纹理或在另一中间部分上设有隔热的热固性复合涂层，使得较高热导率的界面最接近燃烧事件，并且较低热导率的界面处于中间区域或相对端，并且可以如所述般控制气缸孔壁温度。

此外，例如通过提高中间或中间冲程区域中的温度，缸套可以总体上以更高的缸套温度操作。尤其是在与涂层重叠的中间冲程区域中，这种较高的缸套温度可以在该区域中提供润滑流体(例如，发动机机油)的升高温度，并且改善(降低)活塞移动最快并且活塞与孔壁相互作用最具动态的位置处的粘度。此外，例如在孔的底部处的低活塞速度允许在该位置处比上方的中间区域有更多的热负荷。在一个示例中，纹理被设置在缸套的上部区段，并且纹理也被设置在缸套的下部区段，而缸套的中间区段具有隔热复合涂层。在这种情况下，纹理在缸套的底部提供互锁特征，并且在BDC附近略微增加热导率，在该BDC处，活塞速度较慢并且有更多时间将热量释放到周围缸体。在其他示例中，涂层可以基于特定发动机配置和操作状态与BDC重叠。中间或中心区域中的涂层提供隔热层以减少热传递并且区域性地升高缸套温度以减少孔变形并降低润滑剂粘度。

涂覆材料可以在包覆成型操作中施加到缸套的外表面，其中实现材料的完全交联，或者在另一个实施例中，涂覆材料在铸造工艺之前在缸套上被塑形为期望的几何形状并允许工艺温度在铸造工艺期间能够完成热固性预聚物的交联。热固性材料的本质使得它不会像热塑性塑料那样通过施加热能而恢复到粘性状态或软化或塑化。因此，热固性边界层在高温下保持稳定，诸如在高压压铸工艺期间的高温下保持稳定，并且涂层保持完整。热固性材料的机械性质在高温下可能会在一定程度上劣化；然而，由涂层提供的热边界层保持完整并有效地将孔隔离在期望区域中。

此外，热固性树脂材料可以施加在纹理波谷中，例如在突起之间，从而也减少了其施加区域中的传导比表面积，同时在未覆盖的纹理区域中与铝铁边界和界面保持高传导比表面积。

虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意图这些实施例描述本公开的所有可能形式。相反，本说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可以组合各种实现实施例的特征以形成本公开的进一步的实施例。

根据本发明，提供了一种发动机，该发动机具有：气缸套，其具有从所述缸套的第一端延伸到第二端的外表面和内表面；和围绕所述气缸套形成的气缸体，所述缸套的第一端邻接所述缸体的顶面，所述缸体限定冷却套，所述冷却套围绕所述缸套的所述外表面的至少一部分周向延伸并与其间隔开；其中所述缸套的所述外表面的第一圆周区段具有与所述缸体形成第一材料界面的纹理，所述第一材料界面上具有第一热导率；其中所述缸套的所述外表面的第二圆周区段具有所述纹理，所述纹理上设置有涂层并与所述缸体形成第二材料界面，所述涂层包含热固性树脂，所述第二材料界面上具有第二热导率，所述第二热导率小于所述第一热导率；并且其中所述第一圆周区段位于所述第一端与所述第二圆周区段之间。

根据一个实施例，所述第二圆周区段直接邻接所述第一圆周区段并与所述缸套的所述第二端间隔开；并且其中所述第二圆周区段与在下止点处的活塞环高度重叠。

根据一个实施例，所述涂层还包含酚醛树脂和颗粒填料。

根据本发明，提供了一种形成发动机的方法，该方法具有：形成具有外表面的缸套，所述外表面限定围绕所述缸套周向延伸的纹理；以及在所述纹理的与所述缸套的一端间隔开并围绕所述缸套周向延伸的一部分上提供包含热固性材料的涂层，所述涂层具有比所述缸套低的热导率。

根据一个实施例，所述涂层由包含所述热固性材料和颗粒填料的复合材料提供。

根据一个实施例，所述热固性材料包含酚醛树脂。

根据一个实施例，所述颗粒填料包含玄武岩纤维和石墨烯颗粒中的至少一种。

根据一个实施例，所述缸套包含金属和金属合金中的一种。

根据一个实施例，形成所述缸套还包括铸造具有所限定的所述纹理的所述缸套。

根据一个实施例，通过成型工艺、轧制工艺和喷涂工艺中的一种工艺在所述缸套的所述部分上提供所述涂层。

根据一个实施例，所述缸套的所述端是第一端；其中所述纹理从所述缸套的所述第一端延伸到第二相对端；并且其中所述涂覆部分与所述第二端间隔开。

根据一个实施例，所述纹理包括一系列突起。

根据一个实施例，所述纹理由所述缸套限定成使得所述纹理的比表面积随着所述缸套的轴向位置而变化。

根据一个实施例，所述涂层被设置成使得所述涂层的厚度随着所述缸套的轴向位置而变化。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于，围绕所述经涂覆的缸套铸造金属以形成发动机缸体，所述铸造金属与所述缸套的所述外表面的所述纹理形成第一材料界面并与所述缸套的所述外表面的所述涂覆部分形成第二材料界面，所述第一材料界面上具有比所述第二材料界面更高的热导率。

根据一个实施例，所述涂层包含热固性树脂；并且其中在围绕所述经涂覆的缸套铸造金属以形成所述发动机缸体的同时，所述热固性树脂固化。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于，对邻接所述缸套的第一端的所述发动机缸体的顶面进行加工。

根据本发明，提供了一种发动机气缸套，所述发动机气缸套具有管状构件，所述管状构件具有第一端和第二端，外表面在所述第一端与所述第二端之间延伸并限定具有纹理的轴向区段，所述纹理和所述缸套具有第一热导率；和仅围绕所述轴向区段的一部分周向设置的涂层，所述涂层包含具有第二热导率的热固性材料，所述第二热导率小于所述第一热导率。

根据一个实施例，所述涂层还包含颗粒填料。

根据一个实施例，具有所述纹理的所述轴向区段从所述缸套的第一端延伸到第二端；并且其中所述涂层与所述缸套的所述第一端和第二端间隔开。

Claims (15)

1.一种发动机，其包括：

气缸套，其具有从所述缸套的第一端延伸到第二端的外表面和内表面；和

围绕所述气缸套形成的气缸体，所述缸套的第一端邻接所述缸体的顶面，所述缸体限定冷却套，所述冷却套围绕所述缸套的所述外表面的至少一部分周向延伸并与其间隔开；

其中所述缸套的所述外表面的第一圆周区段具有与所述缸体形成第一材料界面的纹理，所述第一材料界面上具有第一热导率；

其中所述缸套的所述外表面的第二圆周区段具有所述纹理，所述纹理上设置有涂层并与所述缸体形成第二材料界面，所述涂层包含热固性树脂，所述第二材料界面上具有第二热导率，所述第二热导率小于所述第一热导率；并且

其中所述第一圆周区段位于所述第一端与所述第二圆周区段之间。

2.如权利要求1所述的发动机，其中所述第二圆周区段直接邻接所述第一圆周区段并与所述缸套的所述第二端间隔开；并且

其中所述第二圆周区段与在下止点处的活塞环高度重叠。

3.如权利要求1所述的发动机，其中所述涂层还包含酚醛树脂和颗粒填料。

4.一种形成发动机的方法，其包括：

形成具有外表面的缸套，所述外表面限定围绕所述缸套周向延伸的纹理；以及

在所述纹理的与所述缸套的一端间隔开并围绕所述缸套周向延伸的一部分上提供包含热固性材料的涂层，所述涂层具有比所述缸套低的热导率。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述涂层由包含所述热固性材料和颗粒填料的复合材料提供。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述热固性材料包含酚醛树脂；并且

其中所述颗粒填料包含玄武岩纤维和石墨烯颗粒中的至少一种。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述缸套包含金属和金属合金中的一种。

8.如权利要求5所述的方法，其中形成所述缸套还包括铸造具有所限定的所述纹理的所述缸套。

9.如权利要求4所述的方法，其中通过成型工艺、轧制工艺和喷涂工艺中的一种工艺在所述缸套的所述部分上提供所述涂层。

10.如权利要求4所述的方法，其中所述缸套的所述端是第一端；

其中所述纹理从所述缸套的所述第一端延伸到第二相对端；并且其中所述涂覆部分与所述第二端间隔开。

11.如权利要求4所述的方法，其中所述纹理包括一系列突起。

12.如权利要求4所述的方法，其中所述纹理由所述缸套限定成使得所述纹理的比表面积随着所述缸套的轴向位置而变化。

13.如权利要求4所述的方法，其中所述涂层被设置成使得所述涂层的厚度随着所述缸套的轴向位置而变化。

14.如权利要求4所述的方法，其还包括围绕所述经涂覆的缸套铸造金属以形成发动机缸体，所述铸造金属与所述缸套的所述外表面的所述纹理形成第一材料界面并与所述缸套的所述外表面的所述涂覆部分形成第二材料界面，所述第一材料界面上具有比所述第二材料界面更高的热导率。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述涂层包含热固性树脂；并且

其中在围绕所述经涂覆的缸套铸造金属以形成所述发动机缸体的同时，所述热固性树脂固化。