CN108691683A - 用于内燃机的汽缸套 - Google Patents

Abstract

用于发动机缸体的汽缸套包括第一发动机缸体结合表面和第二发动机缸体结合表面，该第二发动机缸体结合表面比之第一发动机缸体结合表面在汽缸套和邻近发动机缸体材料之间提供更低的传热系数。第二发动机缸体结合表面在汽缸套的轴向长度的大部分上延伸。

Description

用于内燃机的汽缸套

技术领域

本公开涉及用于内燃机的汽缸套。

引言

本引言大致呈现本公开的上下文。引言中所描述的目前所提名发明者的工作以及本说明书的各个方面并不表明其在本申请提交时作为现有技术，也从未明示或暗示其被示为与本发明相对的现有技术。

用于内燃机的汽缸套由，例如，铸铁制成，这为可由诸如铝合金的轻质材料形成的发动机缸体提供了改善的耐磨性。可在发动机缸体模型中替换这些汽缸套，并且可在汽缸套周围铸造发动机缸体材料。之后，汽缸套嵌入并限定发动机缸体内的汽缸孔。这些套被称作“现浇”型套。

重要的是，保持套和缸体之间的强力结合以防止套移动，从而在操作中防止或阻止变形并且改善套和发动机缸体之间的导热性。已知提供优异机械和热结合的汽缸套包括粗糙的外表面。这些套的表面可被称为具有“铸态”、“多刺”或粗糙的铸造表面。这样的“铸态”表面的一个实例可在套的外表面提供刺、蕈状物或裂缝。可以由多个制造商提供包括示例性的“铸态”表面的套。一个示例性制造商，帝伯爱尔株式会社(TPR Kabushiki Kaisha)，拥有对用于汽缸套的的商标注册，他们在该商标注册下提供了一种具有铸态外表面的套。提供具有相似铸态表面的相似汽缸套的其他制造商包括马勒(Mahle)、费德罗-莫格尔(Federal Mogul)等。

具有“铸态”表面的示例性汽缸套可包括深度在约0.3到0.7毫米之间延伸的表面凸起，并且通常使用离心铸造工艺生产。相比之下，通常通过机械加工铸坯挤压而成的圆形坯料棒制造其他类型的套。与“现浇”相对的是，这导致光滑的机械加工的外表面，而非“铸态”表面，并且他们被意图压入之前铸造的发动机缸体内的位置。

已开发出汽缸套和发动机缸体之间的其他类型的接口，诸如，改善结构的热结合，该改善结构的热结合是通过在发动机缸体汽缸孔的内表面内机械加工特殊的“鸭尾”形缩陷并且之后使用喷涂技术采用如钢套材料涂覆汽缸套材料而提供的。此类结构提供汽缸套和发动机缸体之间的改善的热结合。

一个一直具有挑战性的问题是发动机缸体内邻近汽缸之间的孔间部分内的热管理。孔间部分内的发动机缸体中仅有非常少量的材料可以在发动机操作中接受从邻近汽缸内发生的燃烧过程传输到其内的热。当发动机缸体孔间部分内的热量增加时，该材料的温度必然升高。这导致发动机缸体材料的材料性质和特征的潜在退化。事实上，在更高的温度下，仅约10摄氏度的增长可造成发动机缸体材料的性质下降一半。例如，发动机缸体材料可能变得柔软并且导致材料远离孔间部分的不期望的移动量。该机制可能在业内被称作“缩陷”或“蠕变”。这一孔间部分内发动机缸体材料的移动或缩陷可导致发动机缸体和垫圈密封件以及/或汽缸盖之间密封的损失。事实上，发动机缸体的甲板表面上的汽缸盖与垫圈密封件的压力仅倾向于在发动机缸体材料增加的温度使其更易移动的条件下促进发动机缸体材料远离密封件移动。这可导致燃烧过程中邻近汽缸之间不期望的火焰传播以及总效率损耗。

此外，发动机缸体材料的移动或缩陷也可促使应力进入汽缸套并且潜在地改变汽缸孔的形状。铸态汽缸套和发动机缸体材料之间的优异的结构结合意味着：当发动机缸体材料缩陷或移动时，移动材料倾向于促使应力进入汽缸套。在某些例子中，该由孔间发动机缸体材料增加的温度造成的热相关的应力可导致或促进汽缸套的故障，如通过汽缸套的裂化。

由铸态汽缸套提供的改善的导热性仅仅恶化了上述问题。由于由铸态汽缸套与发动机缸体材料之间增加的紧密度提供的改善的热传输，传输到孔间部分内的发动机缸体中的热量增加。

解决并管理从汽缸向发动机缸体的孔间部分传输的热的一个尝试是：在甲板表面内横跨孔间部分提供“锯痕”，从而使得液体冷却剂可流经布置在汽缸周围的冷却夹套之间的区域。然而，提供锯痕增加了成本，不期望地增加了制造的复杂性，增加了锯痕附近套内的应力，并且可导致套的故障和/或裂化。

解决这些问题的另一尝试是：保证汽缸套可完全延伸到甲板面，从而使得孔间部分内发动机缸体材料的缩陷以及发动机缸体和汽缸盖之间密封的损失减少燃烧室密封以及伴随潜在的汽缸之间火焰传播的风险。通常通过将硬质材料，包括如多层钢垫圈，压合在一起而实现此类密封。这些材料的硬度使得实现密封变得稍微困难，这是因为材料并未柔顺到在压力下轻易地贴合彼此。然而，该压力可进一步促进缸体材料远离密封而缩陷，由于增加的温度和因此产生的孔间区域中材料特征的潜在损失，这可能是尤其容易的。

解决这些问题的再一尝试集中在用于发动机缸体的合金材料的组分上。然而，同样地，这可能仅增加合金的成本，引入复杂性，并且可能导致处于其他目的对合金特征的损害。

发明内容

在一个示例性的方面，用于发动机缸体的汽缸套包括第一发动机缸体结合表面和第二发动机缸体结合表面，该第二发动机缸体结合表面提供比第一发动机缸体结合表面更低的汽缸套和邻近发动机缸体材料之间的传热系数。第二发动机缸体结合表面在汽缸套的轴向长度的大部分上延伸。

在另一个示例性方面，第一发动机缸体结合表面在汽缸套的圆周的大部分周围延伸。

在另一示例性方面，第一发动机缸体结合表面包括铸态表面。

在另一示例性方面，铸态表面包括多刺锁定表面。

在另一示例性方面，铸态表面包括在约0.3到0.7毫米之间径向延伸的多个凸起。

在另一示例性方面，第二发动机缸体结合表面包括机械加工的表面。

在另一示例性方面，第二发动机缸体结合表面横跨套的轴向长度的大部分延伸。

在另一示例性方面，第一发动机缸体结合表面在套和发动机缸体之间提供高导热性，并且其中第二发动机缸体结合表面提供较低的导热性，从而使得在具有汽缸套的发动机的操作期间传输到邻近发动机缸体材料的孔间部分的热减少。

在另一示例性方面，第二发动机缸体结合表面横跨邻近发动机缸体的孔间部分的区域周向延伸。

在另一示例性方面，第一发动机缸体结合表面横跨剩余周向范围延伸。

以此方式，汽缸和邻近孔间部分之间的热传输极大地减少，由此保持了孔间发动机缸体材料的汽缸的期望性质和特征。这导致孔间发动机缸体材料缩陷的风险极大地减少，该孔间发动机缸体材料缩陷可导致汽缸密封的损失，而该汽缸密封的损失可导致燃烧室完整性的不期望损失以及潜在的邻近汽缸之间的火焰传播。此外，本发明避免了锯痕和/或发动机缸体材料合金组分的修改的任何必要性。此外，汽缸套内应力可极大地减少，其可导致对套故障和/或裂化的风险的避免或减少。

本公开的其它可应用领域从下文提供的详细描述中显而易见。应当理解，详细说明和特定实施例仅仅是用于示例目的，而不是为了限定本公开的范围。

结合附图，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和示例性实施例的详细说明中显而易见。

附图说明

本公开从详细描述和附图中将变得更易理解，其中：

图1为开式甲板发动机缸体100的等角透视图；

图2为发动机缸体100的孔间部分的等角透视图；

图3A示出示例性铸态粗糙表面汽缸套和发动机缸体之间界面的显微镜横截面视图；

图3B示出另一示例性铸态表面汽缸套和发动机缸体之间界面的显微镜横截面视图；

图4A为传统汽缸套的透视图；

图4B为根据本发明的示例性汽缸套的透视图；

图5A为具有传统汽缸套的发动机缸体的透视图；并且

图5B为根据本发明具有示例性汽缸套的发动机缸体的透视图。

具体实施方式

图1示出开式甲板发动机缸体100的等角透视图。发动机缸体100包括由汽缸套104限定的多个汽缸孔102，该汽缸套104在铸造工艺中被集成到发动机缸体100。通常，这些汽缸套104可被置于模型中，并且之后可将熔融的发动机缸体材料，诸如铝合金，注射入该模型中。之后，当熔融材料填入模型时，该熔融材料围绕汽缸套。材料冷却至固体，并且套牢固地结合到发动机缸体材料。在示例性工艺中，铸造工艺可在高压下注射熔融的发动机缸体材料，从而包括发动机缸体材料和汽缸套的紧密接触。如上文所解释，已经开发出包括“铸态”粗糙外表面的汽缸套，其通过套和发动机缸体材料之间的机械锁定提供优异的结构和热结合。

发动机缸体100包括暴露于甲板表面110(对其开放)的冷却流体夹套106，并且被称作“开式甲板”缸体。冷却流体夹套106基本上围绕汽缸孔并且提供流体连通通道，冷却流体可通过该通道循环以移除并管理可能在具有发动机缸体100的发动机的操作期间燃烧过程中生成的热。

图2为等角透视图，其提供发动机缸体100的孔间部分的近视图并且示出故障。孔间被称作汽缸孔之间的发动机缸体部分。改善热的管理以及从汽缸孔的热的移除的一个方法是：在孔间部分提供流体连通通道108，从而使得邻近孔间的冷却流体夹套106部分之间的流体流动。这些流体连通通道108通常可被称作“锯痕”通道并且此说明书将在下文中将这些通道108称作“锯痕”通道。虽然此说明书指称了“锯痕”，但是用于在发动机缸体的孔间区域中制造凹槽的方法或工具不限于任意特定方法或工具。图2进一步示出一种故障，其中汽缸套104都开发出裂纹110。如上文所解释，这些裂纹110可由孔间发动机缸体材料增加的温度造成。

图3A和3B示出两个示例性铸态粗糙和多刺表面的汽缸套与邻近发动机缸体材料之间的界面的显微镜视图。在两张附图中，发动机缸体在左方且分别由参考标号300和302表示，并且汽缸套在右方且分别由参考标号304和306表示。图3A示出具有铸态粗糙表面的汽缸套304，其表面粗糙度约为0.3到0.7毫米。图3A清晰地示出由于使用具有铸态粗糙表面的汽缸套而导致的紧密度，该铸态粗糙表面在汽缸套304和发动机缸体300之间提供相对较高的传热系数。图3B示出具有铸态粗糙表面的汽缸套306，其进一步的特征还可以是具有约0.3到0.7毫米的表面粗糙度的“多刺”表面。此外，图3B示出由于使用具有铸态粗糙表面的汽缸套而导致的紧密度，该铸态粗糙表面在汽缸套306和发动机缸体302之间提供相对较高的传热系数。在两个示例性实施例中，汽缸套304和306由灰铸铁制成，并且发动机缸体300和302由铝合金制成。然而，对于发动机缸体和汽缸套，本发明不限于任意特定材料。

图4A示出具有外表面402的传统汽缸套400，其具有基本上横跨整个外表面或外直径的铸态粗糙表面。相比之下，图4B示出具有第一发动机缸体结合表面406和第二发动机缸体结合表面408的示例性汽缸套404。比之第一发动机缸体结合表面406和邻近发动机缸体材料之间的传热系数，第二发动机缸体结合表面408在第二发动机缸体结合表面408和可将汽缸套404铸造于其内的邻近发动机缸体材料(未示出)之间提供更低的传热系数。

第二发动机缸体结合表面408在汽缸套的轴向长度的大部分上延伸。应当理解，第二发动机缸体结合表面不限于任意特定轴向长度。第二发动机缸体结合在汽缸套的外表面上的覆盖程度仅需足以减少从汽缸孔到发动机缸体的孔间部分的传热系数即可，不设限制。

当将汽缸套404铸造在发动机缸体内时，第二发动机缸体结合表面408可定向为邻近发动机缸体的孔间部分，从而使得汽缸套404和孔间部分之间的传热系数小于汽缸套404和发动机缸体的其他部分之间的传热系数。以此方式，传输到孔间部分的热量减少，并且诸如缩陷或裂化的上述问题极大地减少。

在示例性汽缸套404中，第一发动机缸体结合表面406可在汽缸套404的圆周的大部分周围延伸。此外，在示例性汽缸套404中，第一发动机缸体结合表面406为铸态粗糙表面，而第二发动机缸体结合表面408可不具有铸态粗糙表面。

图5A和5B提供发动机缸体500和502的透视图，其一起示出由于本发明汽缸套而产生的操作期间从汽缸孔到孔间部分的热传输的减少。发动机缸体500包括具有铸态外粗糙表面的传统汽缸套，其在汽缸孔和孔间部分内发动机材料之间提供高传热系数。相比之下，发动机缸体502包括本发明的汽缸套。具体地，发动机缸体502内的汽缸套具有第一发动机缸体结合表面，该第一发动机缸体结合表面在汽缸套和发动机缸体材料之间的传热系数高于第二发动机缸体结合表面，该第二发动机缸体结合表面在汽缸套的轴向长度的大部分上延伸并且定向为邻近孔间部分。

观察图5A和5B可轻易理解的是，对操作中的两个发动机缸体500和502的比较示出发动机缸体500的孔间部分504正经历比之发动机缸体502的孔间部分506更高的温度。以此方式，用于孔间部分内发动机缸体502的发动机缸体材料的性质不像孔间部分内发动机缸体500中发动机缸体材料的性质那样受到较高温度的不利影响。

虽然本说明书和示例性实施例指称具有“铸态”粗糙表面的第一发动机缸体结合表面和具有机械加工的或相对光滑的表面的第二发动机缸体结合表面，但是应当理解，本发明包括任意类型的表面，只要第一发动机缸体结合表面和发动机缸体材料之间的传热系数大于第二发动机缸体结合表面和发动机缸体材料之间的传热系数。

此说明书本质上是示例性的，并且决不意图限制本公开及其应用或使用。可以通过各种形式来实现本公开的广泛教导。因此，虽然本发明包括了特定示例，但是本公开的真实范围不应局限于此，因为通过研读附图、说明书和以下权利要求书可以发现其他修改。

Claims (10)

1.一种用于发动机缸体的汽缸套，所述套包括：

第一发动机缸体结合表面；以及

第二发动机缸体结合表面，其比之所述第一发动机缸体结合表面在所述汽缸套和邻近发动机缸体材料之间提供更低的传热系数，并且其中所述第二发动机缸体结合表面在所述汽缸套的轴向长度的大部分上延伸。

2.根据权利要求1所述的汽缸套，其中所述第一发动机缸体结合表面在所述汽缸套的圆周的大部分周围延伸。

3.根据权利要求1所述的套，其中所述第一发动机缸体结合表面包括铸态粗糙表面。

4.根据权利要求3所述的套，其中所述铸态粗糙表面包括多刺锁定表面。

5.根据权利要求3所述的套，其中所述铸态粗糙表面包括在约0.3到0.7毫米之间径向延伸的多个凸起。

6.根据权利要求1所述的套，其中所述第二发动机缸体结合表面包括机械加工的表面。

7.根据权利要求1所述的套，其中所述第二发动机缸体结合表面横跨所述套的所述轴向长度的大部分延伸。

8.根据权利要求1所述的套，其中所述第一发动机缸体结合表面配置为在所述套和所述发动机缸体之间提供高导热性，并且其中所述第二发动机缸体结合表面配置为提供较低导热性，从而使得在具有所述汽缸套的发动机的操作期间传输到邻近发动机缸体材料的孔间部分的热减少。

9.根据权利要求1所述的套，其中所述第二发动机缸体结合表面横跨邻近所述发动机缸体的所述孔间部分的区域周向延伸。

10.根据权利要求9所述的套，其中所述第一发动机缸体结合表面横跨所述剩余周向范围延伸。