KR102193427B1 - 접합 레이어가 있는 실린더 라이너 - Google Patents

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Abstract

내연 기관의 엔진 블록 어셈블리를 위한 실린더 라이너가 제공된다. 실린더 라이너는, 주철로 형성되고 외측 표면을 가지고 있는 라이너 부재를 포함한다. 라이너 부재의 외측 표면의 제 1 부분은 줄어든 외경으로 기계가공된다. 알루미늄 기반 재료는 이후 기계가공되는 제 1 부분 위에 용사되는 한편, 외측 표면의 제 2 부분은 코팅되지 않은 상태로 남아있다. 코팅된 실린더 라이너는 이후 몰드 내에 놓이고, 다른 알루미늄 기반 재료는 엔진 블록 어셈블리를 형성하기 위해서 코팅된 실린더 라이너 둘레에 주조된다. 주조 공정 동안, 2개의 알루미늄 기반 재료는 라이너 부재와 엔진 블록 사이에 강한 금속간 결합을 형성한다.

Description

접합 레이어가 있는 실린더 라이너{CYLINDER LINER WITH BONDING LAYER}
본 미국 특허출원은 20013년 7월 16일자로 출원된 미국 가출원 61/846,973의 이익을 주장하고, 그 전체 내용은 그 전체로 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.
본 발명은 대체로 내연 기관용 실린더 라이너, 실린더 라이너를 포함하는 엔진 블록 어셈블리, 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
오늘날 엔진은 패키징을 집약하는 것, 엔진 질량을 줄이는 것 및 연비를 향상시키는 것을 위하여 소형화되고 경량화되게 설계되는 것이 바람직하다. 그러나, 크기가 소형인 것은 기계가공과 여러 가지 구성요소들을 위한 장소와 포지션을 찾아내는데 있어서 문제를 일으키거나 신경쓰이게 될 수 있다. 신경쓰이는 구역들 중 한가지는 엔진 블록 내의 피스톤 실린더 개구들 사이의 소형 인터보어 브릿지 구역이다. 인터보어 브릿지의 냉각이 필요한 경우, 드릴가공된 구멍(drilled hole; 드릴과 같은 도구 등으로 뚫린 구멍을 의미하며, 이는 명세서 전체로 동일함) 및/또는 톱형상 슬롯(saw slot)은 브릿지 구역 속에 기계가공될 수 있다. 소형 보어 공간이 주어진 경우라면, 즉 라이너가 실린더 내에 위치결정되는 경우라면, 실린더 라이너와 접촉하지 않으면서 그리고 절단 공구를 손상시키지 않으면서 톱형상 슬롯을 기계가공하는 것 그리고/또는 구명을 드릴가공하는 것은 어려울 수 있다. 이는 엔진 블록의 스크랩화(scrappage) 및/또는 블록 라인의 고장(downtime)을 야기할 수 있다.
실린더 라이너의 외부 표면을 접는 것은 슬롯과 구멍 기계가공을 위하여 인터보어 브릿지 영역 내에 일부 추가적인 공간을 만들어 낼 수 있다. 그러나, 이는 열악한 열 전도성과 대규모의 보어 비틀림을 초래할 수 있는데, 이는 엔진 블록에 대한 실린더 라이너의 물리적이거나 기계적인 접합이 결여되어 있기 때문이다. 이러한 상태는 엔진 블록의 중요한 영역에서는 바람직하지 않다.
본 발명의 한가지 양태는 엔진 블록에 개선된 접합을 제공하는 내연 기관용 실린더 라이너를 제공한다. 실린더 라이너는, 정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있고 정상 단부와 바닥 단부 사이의 길이를 가지고 있는 라이너 부재를 포함한다. 라이너 부재는 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 포함한다. 외부 표면은 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 여기서 제 1 외경은 제 2 외경보다 작다. 알루미늄 기반 재료로 형성된 접합 레이어는 라이너 부재의 제 1 부분을 따라 외부 표면에 적용된다.
본 발명은 또한 개선된 실린더 라이너를 제조하는 방법을 제공한다. 방법은, 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경이 있는 라이너 부재를 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 알루미늄 기반 재료로 된 레이어를 라이너 부재의 길이의 제 1 부분을 따라 외부 표면에 적용하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 복수의 실린더 라이너를 포함하는 엔진 블록 어셈블리를 제공한다. 실린더 라이너 각각은 제 1 부분을 따라 외부 표면에 적용되는 제 1 알루미늄 기반 재료로 된 레이어와 라이너 부재를 포함한다. 어셈블리는 또한, 제 2 알루미늄 기반 재료로 형성되고 실린더 라이너들 중 하나를 각각 수용하기 위한 복수의 보어를 가지고 있는 블록을 포함한다. 실린더 라이너의 제 1 알루미늄 기반 재료는 블록의 제 2 알루미늄 기반 재료에 접합된다.
본 발명은 또한 엔진 블록 어셈블리를 제조하는 방법을 제공한다. 방법은 복수의 실린더 라이너를 제공하는 단계, 및 복수의 실린더 라이너를 몰드 내에 배치하는 단계를 포함한다. 방법은 그 다음 제 2 알루미늄 기반 재료를 몰드 내의 복수의 실린더 라이너 둘레에 주조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 장점은 첨부의 도면과 관련하여 고려하는 경우 다음의 발명의 상세한 설명을 참조하여 더욱 잘 이해될 수 있는 바와 같이 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르는 실린더 라이너의 개략적인 도면이다.
도 1a는 라인(1A)에서의 도 1의 실린더 라이너의 일 부분의 확대도이다.
도 2에는 본 발명의 예시적인 실시예에 따르는 실린더 라이너를 제조하는 방법의 용사(thermal spraying) 단계가 도시되어 있다.
도 3에는 본 발명의 예시적인 실시예에 따르는 복수의 실린더 라이너를 포함하는 엔진 블록 어셈블리를 제조하는 방법의 주조 단계가 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따르는 복수의 실린더 라이너를 포함하는 엔진 블록 어셈블리의 개략적인 도면이다.
도 4a는 라인(4A)을 따라 절단한 도 4의 엔진 블록 어셈블리의 단면도이다.
도 5는 도 4의 엔진 블록 어셈블리의 평면도이다.
도 6은 도 4와 도 5에 나타나 있는 엔진 블록 어셈블리의 일 부분의 확대된 평면도이다.
도 7에는 본 발명의 예시적인 실시예에 따르는 엔진 블록 어셈블리를 제조하는 방법의 단계들이 도시되어 있다.
본 발명의 한가지 양태는 도 1에 나타나 있는 바와 같이 라이너 부재(22)와 접합 레이어(24)가 있는 내연 기관용 실린더 라이너(20)를 제공한다. 접합 레이어(24)는 라이너 부재(22)의 금속 재료와 엔진 블록(26)을 형성하는 주변의 주조 금속 재료 사이에 개선된 접합과 강화된 열전도율을 제공한다. 접합 레이어(24)는 또한 엔진 블록(26) 내의 인접한 라이너(22)들 사이에 증가된 공간을 제공한다.
실린더 라이너(20)는 금속 재료로 형성된 라이너 부재(22)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 라이너 부재(22)를 형성하는데 사용되는 금속 재료는 주철이지만, 라이너 부재(22)는 그 대신 내연 기관의 온도, 압력 및 다른 조건을 견딜 수 있는 스틸 또는 다른 금속 재료로 형성될 수 있다. 라이너 부재(22)를 형성하는데 사용되는 금속 재료는 주변의 엔진 블록(26)의 금속 재료와 상이하고, 라이너 부재(22)의 금속 재료는 통상적으로 접합 레이어(24) 없이는 엔진 블록(26)에 물리적으로나 화학적으로 접합되지 않는다.
도 1에 나타나 있는 바와 같이, 라이너 부재(22)는 정상 단부(28)로부터 바닥 단부(30) 쪽으로 길이방향으로 뻗어있고, 정상 단부(28)와 바닥 단부(30) 사이의 길이(L)를 가지고 있다. 예시적인 실시예에서, 라이너 부재(22)의 길이(L)는 그 범위가 100 밀리미터 내지 150 밀리미터이다. 라이너 부재(22)는 또한 중심 축(A) 둘레에 뻗어있는 내부 표면(32)과, 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면(34)을 포함한다. 라이너 부재(22)의 내부 표면(32)은 중심 축(A) 둘레에서 원주방향으로 뻗어있고, 정상 단부(28)로부터 바닥 단부(30) 쪽으로 뻗어있는 실린더 형상 개구를 가지고 있다.
라이너 부재(22)의 외부 표면(34)은 또한 중심 축(A) 둘레에서 원주방향으로 뻗어있고, 정상 단부(28)로부터 바닥 단부(30) 쪽으로 뻗어있는 실린더 형상 표면을 가지고 있다. 외부 표면(34)은 길이(L)의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경(D1) 및 길이(L)의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경(D2)을 가진다. 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 외경(D1)은 제 2 외경(D2)보다 작다. 예시적인 실시예에서, 제 1 부분은 줄어든 제 1 외경(D1)을 가지도록 중심 축(A)에 대하여 반경방향으로 간격을 두어 기계가공된다. 그러나, 제 1 외경(D1)이 제 2 외경(D2)보다 작도록 제 1 외경(D1)을 줄이는데 다른 방법이 사용될 수 있다. 라이너 부재(22)는 또한 도 1a에 나타나 있는 바와 같이 외부 표면(34)으로부터 내부 표면(32) 쪽으로 뻗어있는 두께(t1, t2)를 가진다. 라이너 부재(22)의 기계가공되는 제 1 부분을 따르는 두께(t1)는 통상적으로 제 2 부분을 따르는 두께(t2) 보다 더 작은 10 밀리미터 내지 15 밀리미터이다. 라이너 부재(22)의 두께(t1, t2)는 적용처에 따라 달라질 수 있지만, 통상적으로 라이너 부재(22)의 제 1 부분을 따르는 두께(t1)는 적어도 1.8 밀리미터이다.
줄어든 제 1 외경(D1)과 줄어든 두께(t1)를 가진 제 1 부분은 라이너 부재(22)의 길이(L)의 100% 보다 작은 라이너 부재(22)의 길이(L)의 일 부분을 따라 뻗어있다. 제 2 부분은 또한 길이(L)의 100% 보다 작은 라이너 부재(22)의 길이(L)의 일 부분을 따라 뻗어있다. 외부 표면(34)의 제 1 부분은 통상적으로는 라이너 부재(22)의 길이(L)의 10% 내지 50%이고, 보다 통상적으로는 라이너 부재(22)의 길이(L)의 20% 내지 30%이다. 제 1 부분은 통상적으로 라이너 부재(22)의 단부들(28 또는 30) 중 하나에 인접하여 위치되어 있고, 이 경우 제 2 부분은 제 1 부분으로부터 반대쪽 단부(28 또는 30) 쪽으로 뻗어있다. 예를 들어, 제 1 부분은 도 1에 나타나 있는 바와 같이 라이너 부재(22)의 정상 단부(28)에 인접하여 위치될 수 있고, 매니폴드를 향하여 엔진 블록(26) 내에서 위쪽에 위치결정되어 있다. 그 대신, 제 1 부분은 라이너 부재(22)의 양쪽 단부들(28, 30)로부터 이격될 수 있고, 예컨대 제 1 부분은 라이너 부재(22)의 중심에 배치될 수 있다. 이를 대신하는 경우, 제 2 부분은 라이너 부재(22)의 한쪽 단부(28, 30)로부터 제 1 부분 쪽으로 각각 뻗어있는 2개의 별개의 구역 내에 위치될 것이다. 또 다른 실시예에서, 라이너 부재(22)는, 임의의 장소에 배치되어 있으면서 제 2 부분에 의해 서로로부터 이격되어 있는, 복수의 기계가공되는 제 1 부분을 포함할 수 있다.
라이너 부재(22)의 제 1 부분의 길이(L)를 따르는 제 1 외경(D1)은 통상적으로 일정하다. 그러나, 제 1 외경(D1)에는 작은 변수가 존재할 수 있다. 예를 들어, 제 1 외경(D1)은 제 1 부분의 길이(L)를 따라 많아야 1 밀리미터 만큼 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 외부 표면(34)의 제 1 부분은 접합 레이어(24)가 적용되기 전에 숏 블라스트 처리된다. 숏 블라스트 공정(shot-blasting process)은 도 1a에 나타나 있는 바와 같이 접합 레이어(24)를 라이너 부재(22)에 부착하는 것을 보조하기 위해서 외부 표면(34)을 따라 복수의 오목부(36)를 형성한다. 각각의 오목부(36)는 통상적으로 1 밀리미터 이하의 깊이를 가진다.
라이너 부재(22)의 제 2 부분의 길이(L)를 따르는 제 2 외경(D2)도 통상적으로 일정하다. 그러나, 제 2 외경(D2)에는 작은 변수가 존재할 수도 있다. 예를 들어, 제 2 외경(D2)은 제 2 부분의 길이(L)를 따라 많아야 1 밀리미터 만큼 달라질 수 있다. 대체 실시예에서, 제 2 외경(D2)은 길이(L)의 제 2 부분을 따라 더욱 현저하게 달라진다. 예를 들어, 외부 표면(34)은 외부 표면(34)의 주변부에 대하여 반경방향 바깥쪽으로 뻗어있는 리브(rib) 또는 너브(nub)와 같은 복수의 돌출부(미도시)를 가질 수 있다. 제 2 부분을 따르는 외부 표면(34)은 그 대신 다른 타입의 가공된 표면(미도시)을 구비할 수 있다. 돌출부 또는 다른 타입의 가공된 표면은 라이너 부재(22)와 주변의 주조 엔진 블록(26) 사이에 개선된 기계적 접속을 제공할 수 있다.
라이너 부재(22)에 적용된 접합 레이어(24)는 알루미늄 기반 재료로 형성된다. 접합 레이어(24)는 통상적으로 외부 표면(34)의 전체 제 1 부분을 커버하지만, 제 1 부분의 일 구간만을 커버할 수 있다. 라이너 부재(22)에 적용된 알루미늄 기반 재료는 제 1 알루미늄 기반 재료로 지칭되는데, 통상적으로 엔진 블록(26)을 형성하는데 사용되는 제 2 알루미늄 기반 재료와 동일한 것이거나 유사하다. 따라서, 강한 결합은 제 2 알루미늄 기반 재료가 제 1 알루미늄 기반 재료 둘레에 주조되는 경우에 형성된다. 접합 레이어(24)는 또한 달라질 수 있는 두께(t3)를 가진다. 바람직하게도, 접합 레이어(24)는 도 1a에 나타나 있는 바와 같이 라이너 부재(22)의 제 2 외경(D2) 이하의 외경(D3)을 제공한다. 일 실시예에서, 두께(t3)는, 예컨대 10 밀리미터 내지 15 밀리미터와 같이 15 밀리미터 이하이다. 접합 레이어(24)는 원하는 두께(t3)를 달성하도록 단일의 레이어 또는 복수의 레이어(24)를 구비할 수 있다.
예시적인 일 실시예에서, 접합 레이어(24)를 형성하는데 사용되는 알루미늄 기반 재료는 알루미늄 합금이고, 이 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여 85 내지 90 중량 퍼센트(wt.%)의 알루미늄, 10 내지 15 wt.%의 실리콘, 0.05 내지 0.15 wt.%의 산소, 및 1 wt.% 미만의 선택적인 Fe, Mg, Zn과 Mn을 포함한다. 예시적인 이 실시예에서, 접합 레이어(24)는 또한 5% 미만의 공극률, 50℃ 내지 400℃에서 80 내지 120 W/mK의 열전도율, 20℃ 내지 150℃에서 20 내지 24×10-6/K의 열팽창 계수, 적어도 170 MPa의 인장 강도, 및 40 내지 70 GPa의 탄성률을 가진다.
예시적인 실시예에서, 접합 레이어(24)는 플라즈마 용사(plasma spraying)와 같은 용사에 의해 외부 표면(34)에 적용된다. 그러나, 접합 레이어(24)를 라이너 부재(22)에 적용하는데 다른 방법이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 실린더 라이너(20)를 제조하는 방법을 제공한다. 방법은 우선 위에서 기술된 라이너 부재(22)와 같은 라이너 부재(22)를 제공하는 단계를 포함한다. 그러나, 라이너 부재(22)의 기하학적 구성은 달라질 수 있다. 방법은 다음으로 접합 레이어(24)의 적용을 위하여 라이너 부재(22)를 준비하는 단계를 포함한다. 이는 통상적으로 줄어든 제 1 외경(D1)을 가지는 제 1 부분을 형성하기 위해서 라이너 부재(22)의 외부 표면(34)의 부분을 반경방향으로 기계가공하는 단계를 포함한다. 그러나, 줄어든 제 1 외경(D1)을 형성하는 데에는 기계가공 이외에 다른 방법이 사용될 수 있다.
접합 레이어(24)의 적용을 위하여 라이너 부재(22)를 추가로 준비하기 위하여, 방법은 통상적으로 기계가공되는 제 1 부분을 따라 외부 표면(34)을 활성화하는 단계를 포함한다. 이 단계는 외부 표면(34)으로부터 오염물질, 오일 또는 부식물질을 제거하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 위에서 기술된 바와 같이, 예컨대 숏 블라스트 처리에 의해 제 1 부분을 따라 거친 텍스처를 형성하는 단계를 포함한다. 샷 블라스트 공정은 접합 레이어(24)를 라이너 부재(22)에 부착하는 것을 보조하는 복수의 오목부(36)를 형성한다.
제 1 알루미늄 기반 재료로 지칭되는 알루미늄 기반 재료로 된 레이어를 제 1 부분을 따라 외부 표면(34)에 적용하는 단계는 바람직하게는 용사를 포함한다. 예컨대 플라즈마 용사와 같은 임의의 타입의 용사 기법이 이용될 수 있다. 도 2에는 예시적인 일 실시예에 따라 제 1 알루미늄 기반 재료를 라이너 부재(22)에 적용하는 단계가 도시되어 있는데, 이 단계는 자동화 공정이나 생산 공정에서 이용될 수 있다. 이 실시예에서, 복수의 기계가공되는 라이너 부재(22)는 회전 샤프트(52) 상에 위치결정되고, 용사 장치(54)에 대하여 길이방향으로 운동하면서 용사 장치(54)에 의하여 용사된다. 그러나, 제 1 알루미늄 기반 재료로 형성된 접합 레이어(24)는 그 대신 다른 방법을 이용하여 라이너 부재(22)의 제 1 부분에 적용될 수 있다. 접합 레이어(24)를 라이너 부재(22)에 적용하는 단계는 원하는 두께(t2)를 달성하도록 단일의 레이어 또는 복수의 레이어(24)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 도 3 내지 도 7에 나타나 있는 바와 같이 접합 레이어(24)가 있는 실린더 라이너(20)를 포함하는 내연 기관용 엔진 블록 어셈블리(38), 및 엔진 블록 어셈블리(38)를 제조하는 방법을 제공한다. 엔진 블록 어셈블리(38)는 복수의 실린더 라이너(20)를 포함하고, 여기서 각각의 실린더 라이너(20)는 위에서 기술된 바와 같이 라이너 부재(22), 및 용사 방법에 의해 적용된 접합 레이어(24)를 포함한다. 엔진 블록 어셈블리(38)는 또한, 제 2 알루미늄 기반 재료로 형성되고 실린더 라이너(20)들 중 하나를 각각 수용하기 위한 복수의 보어(40)를 가지고 있는, 블록(26)을 포함한다. 접합 레이어(24)가 있는 실린더 라이너(20)의 기계가공되는 제 1 부분은 통상적으로 라이너 부재(22)의 정상 단부(28)에 인접하여 위치되고, 매니폴드를 향하여 엔진 블록(26) 내에서 위쪽에 위치결정되어 있다. 그러나, 기계가공되는 제 1 부분은 위에서 기술된 바와 같이 다른 장소에 있을 수 있다. 라이너 부재(22)의 정상 단부(28)는 엔진 블록(26)의 상부 표면(48) 약간 아래에 배치되어 있다.
라이너 부재(22)는 블록(26)과 레이어의 알루미늄 기반 재료와 상이한 금속 재료로 형성된다. 예시적인 실시예에서, 라이너 부재(22)는 제 1 알루미늄 기반 재료로 형성되고, 보어(40)를 따라 블록(26)의 제 2 알루미늄 기반 재료에 물리적으로나 화학적으로 접합된다. 엔진 블록(26)의 제 2 알루미늄 기반 재료는 바람직하게는 실린더 라이너(20)의 제 1 알루미늄 기반 재료와 동일한 것이거나 이와 유사하므로, 2개의 재료는 주조 공정 동안 제 1 알루미늄 기반 재료와 제 2 알루미늄 기반 재료의 균질 혼합물을 포함하는 금속간 결합(intermetallic bond)을 형성한다. 금속간 결합은 그 결과 나타나는 엔진 블록 어셈블리(38)의 열전도율을 증가시키는데, 이는 라이너 부재(22)로부터의 열이 라이너 부재(22)를 지나고 접합 레이어(24)를 지나 블록(26) 쪽으로 유동할 수 있기 때문이다. 접합 레이어(24)는 또한 브릿지 구역과 보어(40)의 비틀림을 감소시킨다.
예시적인 실시예의 엔진 블록(26)은 도 4 내지 도 6에 나타나 있는 바와 같이 블록(26)의 제 2 알루미늄 기반 재료에 의해 각각의 보어(40)로부터 이격되어 있되 워터 재킷(water jacket)으로도 지칭되는 냉각 챔버(44)를 가지고 있다. 엔진 블록(26)은 또한 냉각 챔버(44)로부터 상기 보어(40)들 사이의 상기 블록(26)의 일부를 통해 뻗어있는 드릴가공된 구멍 또는 톱형상 슬롯과 같은 복수의 냉각 통로(46)를 포함한다. 냉각 통로는 인접한 보어(40)들 사이의 구역이 과열되는 것을 방지하기 위해서 냉각 챔버(44)로부터 엔진 블록(26)을 통해 냉각 유체를 전달한다.
엔진 블록(26)의 상부 표면(48)은 복수의 브릿지 구역(42)을 가지고 있고, 각각의 브릿지 구역(42)은 평평하며 인접한 보어(40)들 사이에 위치되어 있다. 인접합 보어(40)들 사이에 위치되고 냉각 챔버(44)와 냉각 통로(46)를 형성하는데 사용되는 각각의 브릿지 구역(42)의 폭은 접합 레이어(24)가 없는 실린더 라이너가 사용되는 경우에 비해 접합 레이어(24)가 있는 기계가공되는 실린더 라이너(20)가 사용되는 경우에 증가된다. 도 6에는 기계가공가능한 브릿지 구역(42)이 접합 레이어(24) 때문에 d1으로부터 d2로 증가되어 있는 것으로 도시되어 있는데, 여기서 d1은 인접합 실린더 라이너(20)들의 기계가공되지 않는 구간 부분들의 제 2 외경(D2)들 사이의 간격이고, d2는 코팅된 인접한 실린더 라이너(20)의 외경(D3)들 사이의 간격이다. 증가된 브릿지 구역(42)은 제조 공정 동안에 유리한 점인데, 이는 냉각 챔버(44)와 냉각 통로(46)를 형성하는데 사용될 수 있는 더 큰 공간을 제공하기 때문이다.
본 발명의 다른 양태는 엔진 블록 어셈블리(38)를 제조하는 방법을 제공한다. 방법은 대체로, 라이너 부재(22)의 기계가공되는 제 1 부분에 적용되는 제 1 알루미늄 기반 재료로 형성된 접합 레이어(24)를 포함하는 복수의 실린더 라이너(20)를 제공하는 단계, 실린더 라이너(20)를 몰드(50) 내에 배치하는 단계, 제 2 알루미늄 기반 재료를 몰드(50) 내의 복수의 실린더 라이너(20) 둘레에 주조하는 단계를 포함한다. 방법의 예시는 도 7에 개시되어 있다.
실린더 라이너(20)를 제공하는 제 1 단계는 위에서 기술된 바와 같이 행해질 수 있다. 도 7에 개시되어 있는 바와 같이, 방법의 이 부분은 통상적으로, 예컨대 샷 블라스트에 의해 라이너 부재(22)의 제 1 부분의 외부 표면(34)을 기계가공하는 단계, 및 이후, 예컨대 용사에 의해 제 1 알루미늄 기반 재료를 기계가공되는 제 1 부분에 적용하는 단계를 포함한다.
코팅된 실린더 라이너(20)는 이후 몰드(50) 내에 위치결정된다. 주조 단계는 제 2 알루미늄 기반 재료를 용융된 형태로 제공하는 단계, 엔진 블록(26)을 형성하기 위해서 제 2 알루미늄 기반 재료를 몰드(50) 내에 붓는 단계를 포함한다. 제 2 알루미늄 기반 재료는 주조 단계 동안 제 1 알루미늄 기반 재료에 물리적으로나 화학적으로 접합된다. 주조 단계 동안 만들어지는 기계적인 금속간 결합은 실린더 라이너(20)가 엔진 블록(26)에 강하게 접합되는 것을 보장하는데 도움이 된다.
엔진 블록(26)은 냉각되고 응고된 후에 몰드(50)로부터 제거된다. 그 후, 엔진 블록(26)은 위에서 기술된 바와 같이 브릿지 구역(42), 냉각 챔버(44) 및 냉각 통로(46)를 통상적으로 형성하기 위해서 원하는 만큼 또는 필요한 만큼 기계가공되고 그리고/또는 드릴가공된다.
명백하게도, 본 발명의 다수의 수정과 변형은 위 교시의 관점에서 가능성이 있고, 첨부의 청구범위의 범위 내에 있으면서 특별히 기술된 바와 달리 실시될 수 있다.

Claims (24)

  1. 라이너 부재와 접합 레이어를 구비한 실린더 라이너로서,
    상기 라이너 부재는 정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있고 상기 정상 단부와 바닥 단부 사이의 길이를 가지고 있고;
    상기 라이너 부재는 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 포함하고;
    상기 외부 표면은 상기 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 상기 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 상기 제 1 외경은 상기 정상 단부와 상기 제 2 부분 사이에서 일정하고 상기 제 2 외경보다 작고; 그리고
    상기 접합 레이어는 상기 제 1 부분을 따라 상기 외부 표면에 적용된 알루미늄 기반 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 상기 외부 표면의 상기 길이의 10% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이너 부재는 상기 알루미늄 기반 재료와 상이한 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 표면은 상기 제 1 부분을 따라 1 밀리미터 이하의 깊이를 각각 가지는 복수의 오목부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  5. 제 1 항에 있어서,
    알루미늄 기반 재료로 된 상기 접합 레이어는 용사에 의해 상기 외부 표면에 적용되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 표면의 상기 제 1 부분은 상기 라이너 부재의 상기 단부들 중 하나에 인접하여 위치되고, 상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분으로부터 상기 라이너 부재의 반대쪽 단부 쪽으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이너 부재는 주철로 형성되고;
    상기 라이너 부재의 상기 내부 표면은 상기 중심 축 둘레에서 원주방향으로 뻗어있고, 상기 정상 단부로부터 상기 바닥 단부 쪽으로 뻗어있는 실린더 형상 개구를 가지고 있고;
    상기 라이너 부재의 상기 길이는 100 밀리미터 내지 150 밀리미터이고;
    상기 외부 표면의 상기 제 1 부분은 상기 라이너 부재의 상기 길이의 10% 내지 50%이고;
    상기 외부 표면은 상기 제 2 외경 보다 작은 상기 제 1 외경을 가지도록 상기 중심 축에 대하여 반경방향으로 간격을 두어 기계가공되고;
    상기 외부 표면은 상기 제 1 부분을 따라 1 밀리미터 이하의 깊이를 각각 가지는 복수의 오목부를 가지고 있고;
    상기 라이너 부재는 상기 내부 표면으로부터 상기 외부 표면 쪽으로 뻗어있는 두께를 가지고, 상기 두께는 상기 제 1 부분을 따라 적어도 1.8 밀리미터이고, 상기 제 1 부분을 따르는 상기 두께는 상기 제 2 부분을 따르는 상기 두께 보다 더 작은 10 밀리미터 내지 15 밀리미터이고;
    상기 접합 레이어는 전체적으로 상기 제 1 부분을 따라 상기 외부 표면을 커버하고;
    상기 접합 레이어의 상기 알루미늄 기반 재료는 알루미늄 합금이고;
    상기 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량에 기초하여 85 내지 90 중량 퍼센트(wt.%)의 알루미늄, 10 내지 15 wt.%의 실리콘, 0.05 내지 0.15 wt.%의 산소, 및 1 wt.% 미만의 선택적인 Fe, Mg, Zn과 Mn을 포함하고;
    상기 접합 레이어는 5% 미만의 공극률, 50℃ 내지 400℃에서 80 내지 120 W/mK의 열전도율, 20℃ 내지 150℃에서 20 내지 24×10-6/K의 열팽창 계수, 적어도 170 MPa의 인장 강도, 및 40 내지 70 GPa의 탄성률을 가지고;
    상기 접합 레이어는 15 밀리미터 이하의 두께를 가지고; 그리고
    상기 접합 레이어는 용사에 의해 상기 외부 표면에 적용되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  8. 실린더 라이너를 제조하는 방법으로서,
    정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있고 정상 단부와 바닥 단부 사이의 길이를 가지고 있는 라이너 부재를 제공하는 단계로서, 라이너 부재는 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 포함하고, 외부 표면은 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 제 1 외경(D1)은 상기 정상 단부와 상기 제 2 부분 사이에서 일정하고 제 2 외경(D2) 보다 작은, 단계; 및
    알루미늄 기반 재료로 된 레이어를 길이의 제 1 부분을 따라 외부 표면에 적용하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    알루미늄 기반 재료로 된 레이어를 외부 표면에 적용하는 단계는 알루미늄 기반 재료를 외부 표면 위에 용사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    제 1 외경(D1)이 제 2 외경(D2) 보다 작도록 제 1 부분을 따라 제 1 외경(D1)을 줄이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    1 밀리미터 이하의 깊이를 각각 가지는 복수의 오목부를 형성하기 위해서 외부 표면을 제 1 부분을 따라 숏 블라스트 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    라이너 부재는 알루미늄 기반 재료와 상이한 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 복수의 실린더 라이너 및 블록을 구비하는 엔진 블록 어셈블리로서,
    상기 복수의 실린더 라이너에서, 실린더 라이너 각각은 정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있고 상기 정상 단부와 바닥 단부 사이의 길이를 가지고 있는 라이너 부재를 포함하고, 상기 라이너 부재는 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 포함하고, 상기 외부 표면은 상기 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 상기 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 그리고 상기 제 1 외경은 상기 정상 단부와 상기 제 2 부분 사이에서 일정하고 상기 제 2 외경 보다 작고;
    각각의 상기 실린더 라이너는 상기 제 1 부분을 따라 상기 외부 표면에 적용되는 제 1 알루미늄 기반 재료로 된 레이어를 포함하고;
    상기 블록은 제 2 알루미늄 기반 재료로 형성되고 상기 실린더 라이너들 중 하나를 각각 수용하기 위한 복수의 보어를 가지고 있고; 그리고
    상기 실린더 라이너의 상기 제 1 알루미늄 기반 재료는 상기 블록의 상기 제 2 알루미늄 기반 재료에 접합되는 것을 특징으로 하는 엔진 블록 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 실린더 라이너의 상기 제 1 알루미늄 기반 재료는 상기 블록의 상기 제 2 알루미늄 기반 재료와 동일한 것인 것을 특징으로 하는 엔진 블록 어셈블리.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 라이너 부재는 상기 블록과 상기 레이어의 상기 알루미늄 기반 재료와 상이한 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진 블록 어셈블리.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 블록은 상기 제 2 알루미늄 기반 재료에 의해 각각의 상기 보어로부터 이격되어 있는 냉각 챔버를 가지고 있고, 상기 블록은 복수의 브릿지 구역을 가지고 있는 상부 표면을 포함하고, 브릿지 구역 각각은 평평하고 인접한 보어들 사이에 위치되어 있고, 상기 블록은 상기 냉각 챔버로부터 냉각 유체를 전달하기 위하여 상기 냉각 챔버로부터 상기 블록의 일부를 통해 상기 보어들 사이에 각각 뻗어있는 복수의 냉각 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 블록 어셈블리.
  17. 엔진 블록 어셈블리를 제조하는 방법으로서,
    복수의 실린더 라이너를 제공하는 단계로서, 실린더 라이너 각각은 정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있고 정상 단부와 바닥 단부 사이의 길이를 가지고 있는 라이너 부재를 포함하고, 라이너 부재는 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 포함하고, 외부 표면은 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 그리고 제 1 외경은 상기 정상 단부와 상기 제 2 부분 사이에서 일정하고 제 2 외경 보다 작고, 각각의 실린더 라이너는 제 1 부분을 따라 외부 표면에 적용되는 제 1 알루미늄 기반 재료로 된 레이어를 포함하는, 단계;
    복수의 실린더 라이너를 몰드 내에 배치하는 단계; 및
    제 2 알루미늄 기반 재료를 몰드 내의 복수의 실린더 라이너 둘레에 주조하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    제 2 알루미늄 기반 재료는 주조 단계 동안 제 1 알루미늄 기반 재료에 접합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    라이너 부재는 블록과 레이어의 알루미늄 기반 재료와 상이한 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    용사에 의해 제 1 알루미늄 기반 재료를 외부 표면에 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 라이너 부재와 접합 레이어를 구비하는 실린더 라이너로서,
    상기 라이너 부재는 정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있는 길이를 가지고;
    상기 라이너 부재는 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 포함하고;
    상기 외부 표면은 상기 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 상기 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 상기 제 1 외경은 상기 정상 단부와 상기 제 2 부분 사이에서 일정하고 상기 제 2 외경 보다 작고;
    상기 접합 레이어는 상기 제 1 부분을 따라 상기 외부 표면에 부착되고, 상기 접합 레이어는 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  22. 실린더 라이너를 제조하는 방법으로서,
    정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있는 길이를 가지는 라이너 부재를 제공하는 단계로서, 라이너 부재는 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 포함하고, 외부 표면은 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 그리고 제 1 외경은 상기 정상 단부와 상기 제 2 부분 사이에서 일정하고 제 2 외경 보다 작은, 단계; 그리고
    알루미늄을 포함하는 접합 레이어를 길이의 제 1 부분을 따라 라이너 부재의 외부 표면에 부착하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 복수의 실린더 라이너와 블록을 구비하는 엔진 블록 어셈블리로서,
    상기 복수의 실린더 라이너에서, 실린더 라이너 각각은 정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있는 길이를 가지는 라이너 부재를 포함하고, 상기 라이너 부재는 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 포함하고, 상기 외부 표면은 상기 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 상기 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 상기 제 1 외경은 상기 정상 단부와 상기 제 2 부분 사이에서 일정하고 상기 제 2 외경 보다 작고;
    각각의 상기 실린더 라이너는 상기 제 1 부분을 따라 상기 외부 표면에 적용되는 알루미늄을 포함하는 제 1 재료로 형성되는 접합 레이어를 포함하고;
    상기 블록은 알루미늄을 포함하는 제 2 재료로 형성되고 상기 실린더 라이너들 중 하나를 각각 수용하기 위한 복수의 보어를 가지고 있고; 그리고
    상기 블록의 상기 제 2 재료는 상기 접합 레이어의 상기 제 1 재료 위에 주조되는 것을 특징으로 하는 엔진 블록 어셈블리.
  24. 엔진 블록 어셈블리를 제조하는 방법으로서,
    복수의 실린더 라이너를 제공하는 단계로서, 실린더 라이너 각각은 정상 단부로부터 바닥 단부 쪽으로 길이방향으로 뻗어있는 길이를 가지는 라이너 부재를 포함하고, 라이너 부재들은 중심 축 둘레에 뻗어있는 내부 표면 및 반대쪽으로 향하고 있는 외부 표면을 각각 포함하고, 외부 표면은 길이의 제 1 부분을 따르는 제 1 외경 및 길이의 제 2 부분을 따르는 제 2 외경을 가지고 있고, 그리고 제 1 외경은 상기 정상 단부와 상기 제 2 부분 사이에서 일정하고 제 2 외경 보다 작고, 각각의 실린더 라이너는 제 1 부분을 따라 외부 표면에 적용되는 알루미늄을 포함하는 제 1 재료로 된 접합 레이어를 포함하는, 단계;
    복수의 실린더 라이너를 몰드 내에 배치하는 단계; 및
    알루미늄을 포함하는 제 2 재료를 몰드 내의 실린더 라이너의 접합 레이어 위에 주조하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
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