CN110394439A - 用于内燃机的气缸衬套以及用于制造气缸衬套的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造用于车辆推进系统的发动机机体的气缸衬套的方法，以及由该方法制成的气缸衬套。该方法包括提供具有圆柱形内表面的气缸衬套模具，掩盖圆柱形内表面的第一部分，施加涂层到圆柱形内表面的第二部分，并通过固化气缸衬套模具中的熔融金属形成气缸衬套。

Description

用于内燃机的气缸衬套以及用于制造气缸衬套的方法

技术领域

本公开涉及用于内燃机的气缸衬套以及用于制造气缸衬套的方法。

引言

引言部分总体上给出了本公开的背景。当前署名的发明人的工作，就其在该背景技术中描述的程度，以及在提交时可能不另外具有资格作为现有技术的描述的方面，并非明示或暗示地承认为针对本公开的现有技术。

用于由例如铸铁制成的燃烧式发动机的气缸衬套使得发动机机体具有改善的耐磨性，其可由轻质材料(诸如例如，铝合金)制成。这些气缸衬套可放置在发动机机体模具内，且发动机机体材料可铸造在气缸衬套周围。气缸衬套随后嵌入在发动机机体内，并限定发动机机体内的气缸孔。这些衬套被称为“现场铸造”型衬套。

重要的是保持衬套与机体之间的牢固结合，以防止衬套发生移动，从而防止或抵抗操作期间的变形，并从而提高衬套与发动机机体之间的导热性。已知提供了优异的机械和热结合的气缸衬套包括粗糙的外表面。这些衬套表面可被称作具有“铸态”、“带刺”或粗铸表面。这种“铸态”表面的示例可使衬套的外表面具有刺、蘑菇状物以及缝隙。可由各种制造商提供包括示例性“铸态”表面的衬套。一个示例性制造商TPR Kabushiki Kaisha拥有注册商标为的气缸衬套，他们以该商标提供具有铸态外表面的衬套。提供具有类似铸态表面的类似气缸衬套的其他制造商包括Mahle、Federal Mogul等。

具有“铸态”表面的示例性气缸衬套可包括表面凸起，其从衬套的外表面上以约0.3毫米到0.7毫米之间的长度延伸，并且通常通过离心铸造工艺进行生产它们。相反地，通常通过机加工铸造管来制造其他类型的衬套。这产生光滑加工的外表面，或者螺纹或特定图案化的外表面，诸如例如网纹的外表面，打算将它们压入到先前铸造的发动机机体中的适当位置，或者可以“铸造就位”。

已经开发了气缸衬套和发动机机体之间的其他类型的界面，诸如例如通过在发动机机体气缸孔的内表面中加工特殊的“燕尾”形状的凹槽，并然后使用喷射技术结合例如钢衬套材料来施加气缸衬套材料来提供改进的结构和热结合。这种类型的界面在气缸衬套和发动机机体之间提供了改进的热结合。

对发动机机体中相邻气缸之间的孔间部分中的热量进行管理是个一直存在的问题。在孔间部分中的发动机机体中仅存在非常小的质量的材料，该部分可用于接收在发动机运转期间在相邻气缸中发生的燃烧过程中传递的热量。随着发动机机体的孔间部分中的热量增加，该材料的温度必然增加。这导致该发动机机体材料的材料特性和属性可能劣化。实际上，在较高温度下，仅增加约10摄氏度可能导致发动机机体材料的性能降低一半。例如，发动机机体材料可能变软并使材料远离孔间部分产生不希望的移动量。这种机制在工业上可称为“衰退”或“蠕变”。发动机机体材料在孔间部分中的这种运动或衰退可能导致发动机机体和垫圈密封件和/或气缸盖之间的密封损失。实际上，气缸盖和垫圈密封件在发动机机体的平台表面上的压力仅在其中发动机机体材料的温度升高使其变得越来越容易发生移动的条件下，倾向于促使发动机机体材料远离密封件移动。这可能导致相邻气缸之间不希望的火焰传播以及燃烧过程中的整体效率损失。

另外，发动机机体材料的移动或衰退还可以将应力引入气缸衬套中并且可能改变气缸孔的形状。铸态气缸衬套和发动机机体材料之间的优异结构结合意味着当发动机机体材料后退或移动时，该移动材料倾向于将应力引入到气缸衬套。在一些情况下，由孔间发动机机体材料的温度升高引起的这种与热相关的应力可能导致或促使气缸衬套发生故障，诸如通过气缸衬套和/或发动机机体材料的裂缝。

由具有铸态外部特征的气缸衬套提供的提高的导热性仅加剧了上述问题。由于通过铸态气缸衬套表面与发动机机体材料的增加的紧密性而提供了提高的热传递，增加了传递到孔间部分中的发动机机体中的热量。

解决和管理从气缸传递到发动机机体的孔间部分的热量的一种尝试是在穿过孔间部分的平台表面中提供“锯切”，使得液体冷却剂可以流过布置在气缸周围的冷却套之间的区域。然而，提供锯切增加了成本，不合需要地增加了制造的复杂性，增加了锯切附近的衬套中的应力，并且可能导致衬套和发动机机体材料在锯切旁边的破坏和/或裂缝。

解决这些问题的另一种尝试是确保气缸衬套可以完全延伸到平台表面，使得发动机机体材料在孔间部分中的衰退以及发动机机体和气缸盖之间的密封损失降低了燃烧室密封的风险，并伴随着气缸之间潜在的火焰传播。通常通过将硬质材料压在一起来实现这种类型的密封，包括例如多层钢垫圈。这些材料的硬度使得密封有些难以实现，因为材料不容易适形使得它们在压力下容易彼此贴合。该压力可能进一步促使机体材料从密封中衰退，由于温度升高和导致的孔间区域中材料属性的潜在损失其可能特别脆弱。

解决这些问题的又另一种尝试已着重于用于发动机机体的合金材料的成分。然而，又再一次地，这可能仅增加合金的成本、引入复杂性，并且冒险地损害可能对其他目的有用的合金特性。

发明内容

在示例性方面，一种制造用于车辆推进系统的发动机机体的气缸衬套的方法包括提供具有圆柱形内表面的气缸衬套模具，掩盖圆柱形内表面的第一部分，施加涂层到圆柱形内表面的第二部分，并通过固化气缸衬套模具中的熔融金属形成气缸衬套。

以这种方式，用于制造气缸衬套的方法减少了后铸造步骤，并且改善了非孔间发动机机体区域中的局部热传递，减少了包含气缸衬套的发动机机体铸造过程中的残余应力，通过允许更大的壁厚减少材料成本，并改善与发动机机体的结构结合。

在另一个示例性方面，该方法还包括在形成气缸衬套之前从圆柱形内表面的第一部分移除掩盖。

在另一个示例性方面，该方法还包括将第二涂层施加到圆柱形内表面的第一部分。

在另一个示例性方面，掩盖第一部分包括将掩模插入气缸衬套模具中，其掩盖圆柱形内表面的第一部分。

在另一个示例性方面，该方法还包括在施加涂层之前将具有喷嘴的喷射工具插入到气缸衬套模具中。

在另一个示例性方面，喷射工具包括掩模，其掩盖气缸衬套表面的第一部分。

在另一个示例性方面，气缸衬套模具进一步包括形成在圆柱形内表面的第二部分中的花键。

在另一个示例性方面，通过该方法生产气缸衬套。

在另一个示例性方面，气缸衬套包括邻近圆柱形内表面的第一部分形成的第一发动机机体结合表面和邻近圆柱形内表面的第二部分上的涂层形成的第二发动机机体结合表面。

在另一个示例性方面，第二发动机机体结合表面在气缸衬套和相邻的发动机机体材料之间提供比第一发动机机体结合表面更低的传热系数。

在另一个示例性方面，第二发动机机体结合表面在气缸衬套的轴向长度的大部分上延伸。

在另一个示例性方面，第一发动机机体结合表面的外径基本上等于第二发动机机体结合表面的外径。

在另一个示例性方面，第一发动机机体结合表面的外径小于第二发动机机体结合表面的外径。

在另一个示例性方面，气缸衬套模具包括形成在第二发动机机体结合表面中的花键。

在另一个示例性方面，花键是矩形花键。

在另一个示例性方面，花键是三角形花键。

在另一个示例性方面，花键是燕尾形花键。

根据下面提供的具体实施方式，本公开的其他应用领域将变得显而易见。应当理解，具体实施方式和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点，从包括权利要求书的具体实施方式和结合附图的示例性实施例中显而易见。

附图说明

从具体实施方式和附图中将更全面地理解本公开，其中：

图1是开放平台发动机机体100的等距透视图；

图2是等距透视图，其提供了发动机机体100的孔间部分的近视图，并示出了孔间区域处的衬套和机体材料的故障；

图3A示出了具有铸态喷射或凸起外表面的传统气缸衬套；

图3B示出了根据本公开的示例性实施例的具有第一发动机机体结合表面和第二发动机机体结合表面的气缸衬套；

图4显示了离心模具的轴向横截面视图；

图5A是根据本公开的示例性喷射工具的透视图；

图5B示出了垂直于模具轴线观察的图4的模具的另一横截面视图；

图6示意性地示出了离心铸造过程；

图7A示出了根据本公开的示例性实施例的气缸衬套的横截面视图；

图7B是图7A的气缸衬套的一部分的放大视图；

图8A示出了根据本公开的另一示例性离心模具的横截面视图；

图8B示出了根据本公开的示例性实施例的另一个气缸衬套的横截面视图；

图9A示出了根据本公开的示例性实施例的又另一个气缸衬套的横截面视图；

图9B示出了根据本公开的示例性实施例的又另一个气缸衬套的部分的特写视图；并且

图9C示出了根据本公开的示例性实施例的另外的气缸衬套的部分的特写视图。

具体实施方式

现在参照附图，其中这些附图仅用于说明某些示例性实施例，而不是为了限制它们的目的，图1示出了开放平台发动机机体100的等距透视图。发动机机体100包括多个气缸孔102，它们由气缸衬套104限定，气缸衬套在铸造过程中已集成到发动机机体100中。通常，这些气缸衬套104可以定位在模具中，然后可以将熔融的发动机机体材料(诸如铝合金)注入模具中。然后熔融材料在填充模具时围绕气缸衬套。材料冷却成固体，并且衬套牢固地结合到发动机机体材料上。在示例性过程中，铸造过程可以在高压下喷射熔融的发动机机体材料，以确保发动机发动机机体和气缸衬套之间的紧密接触。如上所述，已经开发了气缸衬套，其包括“铸态”外表面，其在衬套和发动机机体材料之间提供优异的结构和热结合。

发动机机体100包括冷却流体套106，其暴露于(“开放于”)平台表面110，并因此被称为“开放平台”机体。冷却流体套106基本上围绕气缸孔并提供流体连通通道，冷却流体可以穿过其进行循环以移除和管理在包含发动机机体100的发动机运行期间可能在燃烧过程中产生的热量。

图2是等距透视图，其提供了发动机机体100的孔间部分的近视图，并示出了故障。孔间公知为发动机机体位于气缸孔之间的部分。改进从气缸孔管理和移除热量的一种方法是在孔间部分中提供流体连通通道108，以使得能够在邻近孔间的冷却流体套106部分之间流动流体。这些流体连通通道108通常可称为“锯切”通道，并且本说明书将在下文中将这些通道108称为“锯切”通道。尽管本说明书涉及“锯切”，但是用于在发动机机体的孔间区域中形成槽的方法或工具不限于任何特定的方法或工具。图2进一步示出了气缸衬套104已经形成裂缝110的故障。如上所述，这些裂缝110可能是由于孔间发动机机体材料的温度升高引起的。

本发明人理解在铸铁衬套材料和铝合金材料之间的热膨胀系数存在显著差异，并且进一步理解衬套的“铸态”表面在衬套和发动机机体材料之间提供了强力的机械结合。铝合金具有比铸铁更大的热膨胀系数。这意味着铝合金在冷却时倾向于比铸铁材料收缩得更多。因为铝合金没有牢固地结合到气缸衬套上，这通常不会引起包括不具有“铸态”表面的现场铸造气缸衬套的发动机机体的问题。在那些情况下，铝合金可以自由地在气缸衬套的表面下“滑动”，这减少或基本上消除了另外可能从发动机机体材料施加在衬套上的残余应力。与之形成鲜明对比的是，在引入具有“铸态”表面的气缸衬套时，其在气缸衬套和发动机机体之间提供了更强的结构结合，这导致发动机机体材料在气缸衬套中引入应力。与非铸态表面衬套不同，在冷却过程中发动机机体材料沿衬套外侧的滑动不能减少残余应力存在的可能性。因此，具有“铸态”表面的气缸衬套经受残余应力，该残余应力不存在于不具有“铸态”表面的衬套中，诸如具有机械加工的光滑或螺纹外表面的现场压入衬套。

图3A示出了传统的气缸衬套300，其具有外表面302，该外表面具有在基本上整个外表面或外径上延伸的铸态粗糙表面。相比之下，图3B示出了示例性气缸衬套304，其具有第一发动机机体结合表面306和第二发动机机体结合表面308。第二发动机机体结合表面308在第二发动机机体表面308和相邻的发动机机体材料(未示出)(气缸衬套304可以铸造在该发动机机体材料中)之间提供比第一发动机机体结合表面306和相邻的发动机机体材料之间的传热系数更低的传热系数。

第二发动机机体结合表面308在气缸衬套的轴向长度的大部分上延伸。应当理解，第二发动机机体结合表面不限于任何特定的轴向长度。在气缸衬套的外表面上结合的第二发动机机体的覆盖范围仅需要足以降低从气缸孔到发动机机体的孔间部分的热传递系数，而不限于此。

当气缸衬套304铸造进发动机机体时，第二发动机机体结合表面308可以定向成与发动机机体的孔间部分相邻，使得气缸衬套304和孔间部分之间的热传递的系数小于气缸衬套304与发动机机体的其他部分之间的热传递系数。以这种方式，传递到孔间部分的热量减少，并且显著减少上面解释过的问题，诸如凹陷和裂缝。

在示例性气缸衬套304中，第一发动机机体结合表面306可以围绕气缸衬套304的圆周外围的绝大部分延伸。此外，在该示例性气缸衬套304中，第一发动机机体结合表面306是铸态粗糙表面，而第二发动机机体结合表面308可以不具有铸态粗糙表面。

参照图4到图7B，描述了用于制造气缸衬套的示例性离心铸造方法和工具。图4是离心模具400的轴向横截面视图。本发明的喷射臂402与模具400轴向对齐并定位在模具400内。喷射臂402包括多个喷嘴406，浆料408可以从喷嘴406喷射到模具400的内表面410上以形成第一涂层412。喷射臂402还包括一组掩模404(参见图5A)，其阻止浆料408施加到模具400的内表面410的部分上。仅仅是为了简单起见，掩模404未在图4中示出。可以选择浆料408的组成，使得其在气缸衬套的铸造期间在气缸衬套上形成纹理化表面，诸如例如铸态粗糙表面。图5B示出了图4的模具400的另一横截面视图，取垂直于模具400的轴线。该视图清楚地示出了使用具有掩模404的喷射臂402导致涂层412仅形成在模具400的内表面410的那些部分上，这些部分未在浆料喷射408中由掩模404掩盖。可选地，另一涂层(未示出)也可以施加到模具400的内表面410，诸如例如可以促进铸造气缸衬套从模具400释放的脱离涂层。本公开不限于任何数量的附加涂层，也不限于这些涂层的组成。

图6示出了在将涂层412施加到模具400的内表面410的部分上之后的离心铸造工艺600。模具400可搁置在辊602上，其可通过电机604高速旋转。然后可以将熔融金属606倒入模具400中，并且向心力可以将金属606均匀地横跨内表面410转移并且到达涂层412上，从而形成气缸衬套608的壁。金属606在继续旋转的同时固化。

在固化之后，气缸衬套608具有图7A和图7B中所示的结构。由于掩模404在喷涂过程(图4)期间阻止浆料408施加到模具410的内表面410的部分上，因此仅与涂层412接触而固化的气缸衬套608的外壁的部分700形成纹理化表面700，诸如例如铸态粗糙表面。相反，在没有涂层412的情况下而固化的气缸衬套608的外壁的部分702形成相对光滑(基本上无纹理)的表面702。图7B示出了光滑外壁表面702和光滑表面702与纹理化表面700之间的过渡704的放大视图。如清楚地示出的，光滑表面702的外径与纹理化表面700的外径基本相同。这与传统的纹理化气缸衬套形成鲜明对比，传统的纹理气缸衬套可以加工成从纹理表面的一部分去除材料以提供光滑的表面。在这些机加工衬套中，由于加工必然会去除材料，这些衬套的光滑表面必须具有小于纹理表面的外径。本方法和由该方法产生的气缸衬套保持了光滑表面的壁厚，这产生更强的气缸衬套，并且由发动机操作产生的局部应力将由于横截面增加而减小。

图8A和图8B示出了根据本发明的另一示例性方法和所得到的气缸衬套。图8A示出了离心模具800的横截面视图。模具800包括第一涂层802，其通过掩盖模具内表面的区域施加，使得仅内表面的未掩盖的部分暴露于浆料喷射以形成第一涂层。在示例性步骤中，施加第一涂层802的可以用喷射臂402施加，其包括集成到喷射臂402中的掩模404。替代地，可以将单独的掩盖工具与喷射臂(未示出)结合使用。本公开不限于喷射元件和/或掩盖元件的任何组合。

模具800进一步包括第二涂层804，其可以使用具有与图5A的喷射臂402的元件互补的掩模元件的喷射臂施加。替代地，第二涂层804可以在施加第一涂层802之后、在施加第一涂层802期间或在第一涂层802之前施加，但不限于此。在涂覆过程之后，离心模具800可以以先前参照图6描述的方式快速旋转并接收熔融金属。在固化并从模具800移除之后，气缸衬套804具有与第一涂层802接触而固化的外表面的部分806，其具有纹理化表面806，以及与第二涂层804接触而固化的外表面的另一部分808，其具有相对光滑的表面808。相反地，对于图7A的气缸衬套608，光滑表面808的外径小于纹理化表面806的外径。然而，与传统方法相比，向气缸衬套804提供了光滑表面808而不需要任何加工。这极大地简化了制造过程并降低了复杂性。

图9A-图9C示出了根据本公开的气缸衬套的另外的示例性实施例。气缸衬套900以类似于参照图4-图7B说明的方式制造，然而气缸衬套900包括在衬套的外表面上的局部花键902。气缸衬套900还包括在衬套900的每侧上的纹理化表面904，其包围相应光滑表面908之间的圆周范围906。当具有局部花键902的气缸衬套900铸造到发动机机体中时，花键902操作以减少孔椭圆度、减少孔变形、改善传热、减少由于提高的尺寸稳定性引起的磨损和摩擦并且与其他衬套制造工艺相比降低制造成本和复杂性。在示例性方法中，花键902可以通过在衬套模具(未示出)的内表面上提供配合的凹槽来形成。

图9B和9C示出了衬套花键902的示例性替代实施例。图9B示出了三角形花键910，并且图9C示出了燕尾形花键912。花键可以采用任何形状而没有限制。其上形成花键的衬套圆周的优选部分是基本上垂直于桥轴线(或孔间区域)的区域，在该处可能另外出现最大的铸造椭圆度。

本说明书本质上仅是说明性的，决不是要限制本公开，其应用或用途。可以以各种形式实现本公开的广泛教导。因此，尽管本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应受此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求书时，其他修改将变得显而易见。

Claims (8)

1.一种制造用于车辆推进系统的发动机机体的气缸衬套的方法，所述方法包含：

提供具有圆柱形内表面的气缸衬套模具；

掩盖所述圆柱形内表面的第一部分；

将涂层施加到所述圆柱形内表面的第二部分上；并且

通过固化所述气缸衬套模具中的熔融金属形成气缸衬套。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含在形成所述气缸衬套之前从所述圆柱形内表面的所述第一部分移除所述掩盖。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包含将第二涂层施加到所述圆柱形内表面的所述第一部分。

4.根据权利要求1所述的方法，其中掩盖所述第一部分包含将掩盖所述圆柱形内表面的所述第一部分的掩模插入所述气缸衬套模具中。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包含在施加所述涂层之前将具有喷嘴的喷射工具插入到所述气缸衬套模具中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述喷射工具包含掩模，所述掩模掩盖所述气缸衬套表面的所述第一部分。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述气缸衬套模具进一步包含形成在所述圆柱形内表面的所述第二部分中的花键。

8.一种根据权利要求1所述的方法制造的气缸衬套。