CN1966963A - 发动机及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有至少一个可滑动地支撑活塞14的汽缸10的内燃发动机，发动机的至少一个汽缸的汽缸膛孔壁16具有形成在其上的用于保留润滑剂以减小汽缸膛孔16和活塞14之间摩擦的凹腔24。凹腔24是细长的并具有与汽缸膛孔轴基本平行的轴。当活塞在其上止点位置时，凹腔24位于支撑活塞14的第一区域′a′。也提供了制造该气缸的方法。凹腔24和非常光滑表面精加工的组合提供了低油耗以及低磨擦和磨损。

Description

发动机及其制造方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机及其制造方法，具体涉及包括具有低活塞磨擦配置的汽缸的发动机及其制造方法。
背景技术
已知，为了在汽缸壁和于各自汽缸中滑动的活塞之间保留用做润滑剂的油，发动机的每一个汽缸壁必须具有一定的粗糙度。在实践中，汽缸壁表面包含许多的突起(peaks)和凹槽(troughs)，油就存储在凹槽内。还已知，制造内燃发动机时，为了提供这样的油保留表面，使用珩磨(honing)工艺在发动机的每个汽缸壁上生成所需要的表面精加工(finish)。
DE 19614328描述了依靠激光束来生成规则表面精加工的工件表面精加工的方法。给出了可通过所述方法来实现的各种表面精加工的实例。
US 5655955描述了一种以生成轴向轨迹(track)或凹槽(grooves)的汽缸膛孔壁轴向珩磨的方法。以这种方式制造的具有凹槽的汽缸壁所遇到的问题是，在使用中，连续的凹槽促成了经过活塞环的排气窜漏。进一步的问题在于，当汽缸壁表面在活塞行程方向上不存在间断时，容易发生汽缸壁刮伤。由于这些原因，制造者趋于在汽缸壁上使用网纹(cross hatching)珩磨(honing)方法来实现包含与汽缸膛孔轴典型成45°到60°的凹槽的表面精加工。
当传统的网纹珩磨生成具有良好油保持性和给予适度活塞摩擦特性的汽缸壁时，活塞摩擦仍然是内燃发动机油耗的主要贡献者。因此，理想的是进一步减小汽缸活塞摩擦和磨损特性。
发明内容
本发明的目的是提供具有较低活塞摩擦的发动机和制造该发动机的方法。
根据本发明的第一方面，提供具有至少一个可滑动地支撑活塞的汽缸的内燃发动机，发动机的所述至少一个汽缸的汽缸膛孔壁具有形成在其上的用于保留润滑剂以减小汽缸膛孔和活塞之间摩擦的凹腔(pocket)，其中，该凹腔是细长(elongate)的并具有与汽缸膛孔轴基本上平行的轴，当活塞在其上止点位置时，凹腔位于支撑活塞的第一区域。
本发明人发现，在上止点和下止点时，通过使用具有与汽缸膛孔轴基本平行的轴的细长凹腔到支撑活塞区域，获得减小的活塞摩擦和磨损特性是可能的，而不会处罚油耗。
适宜地，凹腔深为5到60μm，长为0.1到4mm，宽为5到90μm。更适宜地，凹腔深为5到30μm，长为0.5到2mm，宽为30到90μm。
更适宜地，凹腔间隔0.5到2mm。
更适宜地，在轴向上彼此相邻的凹腔呈径向地错开，凹腔轴彼此偏移。
更适宜地，当活塞在其下止点位置时，凹腔位于支撑活塞的第二区域。
发动机的至少一个汽缸的汽缸膛孔壁具有形成在其上的位于第一和/或第二区域之外的不同的表面凹凸(surface relief)。更适宜地，形成在汽缸膛孔壁上的位于第一和/或第二区域之外的表面凹凸包含具有与汽缸膛孔轴成45°或更大角的轴的凹槽或者第二凹腔。更为适宜地，凹槽或者第二凹腔的轴与汽缸膛孔轴基本成90°。
根据本发明的第二方面，提供了制造内燃发动机汽缸的方法，该方法包含生成具有所需直径和圆度的汽缸膛孔壁，在汽缸膛孔壁中加工凹腔，在使用时，凹腔保留润滑剂以减小在汽缸膛孔和由汽缸膛孔滑动支撑的活塞之间的摩擦，其中，凹腔是细长的并形成有与汽缸膛孔轴基本上平行的轴，在第一区域上加工凹腔，在使用中，当活塞在其上止点位置时该区域支撑活塞。
适宜地，加工凹腔为5到60μm深，0.1到4mm长，5到90μm宽。更适宜地，加工凹腔为5到30μm深，0.5到2mm长，30到90μm宽。
更适宜地，以0.5到2mm间隔加工凹腔。
更适宜地，加工凹腔为在轴向上彼此相邻，凹腔轴彼此偏移。
更适宜地，在第二区域上加工凹腔，在使用中，当活塞在其下止点位置时，第二区域支撑活塞。
可加工汽缸膛孔壁为在第一和/或第二区域外具有不同的表面凹凸。更适宜地，在第一和/或第二区域之外的汽缸膛孔壁上加工具有与汽缸膛孔轴成45°或更大角的轴的凹槽或第二凹腔。更为适宜地，加工凹槽或第二凹腔使其轴与汽缸膛孔轴基本成90°。
适宜地，通过珩磨加工凹腔，更适宜通过激光珩磨加工凹腔。
现在通过实例参考本发明的附图来描述本发明。
附图说明
图1是发动机的一个汽缸的剖面图，显示了占据其上止点位置的活塞；
图2是发动机的一个汽缸的剖面图，显示了占据其下止点位置的活塞；
图3是图1和图2中所示的汽缸的部分汽缸膛孔壁的视图，显示了油保留凹腔的式样；及
图4是图1和图2中所示的汽缸的部分汽缸膛孔壁的视图，显示了油保留凹槽的式样。
具体实施方式
参考图1和图2，显示了多缸柴油内燃机的一个汽缸10的剖面。汽缸10形成在发动机的汽缸体12内，活塞14可滑动地支撑于汽缸膛孔壁16，并具有许多活塞环18以在活塞14和汽缸膛孔壁16之间提供密封。图1显示具有占据其上止点位置的活塞14的汽缸10，而图2显示具有占据其下止点位置的活塞14的汽缸10。
汽缸盖20通过坚固方式(未示)连接到汽缸体12以关闭汽缸10的上端并支撑许多阀(未示)以选择性允许空气进入汽缸10和选择性允许排气流出汽缸10。用于将燃料喷射入汽缸10的燃料喷射器喷嘴22由汽缸盖20支撑。
如图3所示，在环反转区域的气缸膛孔壁16具有许多形成于其上的有规律地间隔开的凹腔24。环反转区域是指，在发动机运行期间当活塞在其上止点和下止点位置时，当活塞运动方向反转时活塞环18所占据的气缸膛孔壁的区域。对应于活塞上止点位置的环反转区域如图1中记号′a′之间的区域所示，对应于活塞下止点位置的环反转区域如图2中记号′b′之间的区域所示。凹腔24是细长的并且其轴定位为基本平行于气缸膛孔轴，然而，凹腔24的轴可以与气缸膛孔轴成10°以下的任何度数，气缸膛孔轴如图中箭头′X′所示。每个凹腔24的深度大约20μm，长度大约1mm，宽度大约60μm。凹腔围绕气缸膛孔壁分布，在关于气缸膛孔的径向和轴向上彼此相隔大约1mm，轴向上相邻的凹腔呈径向地错开这样使得凹腔轴彼此偏移。尽管凹腔可以仅形成于对应活塞上止点位置(在这里，活塞14受到比在下止点位置时更高的负荷)的环反转区域′a′内，但是对本实例来说，凹腔形成于环反转区域′a′和′b′。
在每个凹腔周围的是具有小于0.1μm Ra的表面纹理特性(texture)的非常光滑的表面25。Ra是在表面轮廓的中线与其突起(peaks)和凹槽(troughs)之间的平均距离的测量值，如英国标准BS1134所制定。
在环反转区域′a′和′b′之外，气缸膛孔壁16上形成有不同的表面凹凸，在本例中是有规律地间隔开的第二凹腔26。第二凹腔26具有与气缸膛孔的轴基本成90°角的轴，如图4所示。每个第二凹腔26的深度大约20μm，长度大约1mm，宽度大约60μm。第二凹腔在关于气缸膛孔的径向和轴向上彼此相隔大约3mm。在每个第二凹腔26之间是具有小于0.1μm Ra的表面纹理特性的相对光滑的表面27。这里所述的第二凹腔26仅作为示例，应理解，可以使用已知的可选表面凹凸特征，例如由DE 19614328公开的，包括网纹(cross hatching)和凹槽(grooves)。
应理解，以上提供的尺寸和表面精加工是作为示例，对于不同应用也可使用其他可选的尺寸和表面精加工。
在发动机运行时，随着活塞14在其下止点和上止点位置之间运动，活塞和活塞环18沿气缸膛孔壁16滑动并受到在环反转区域′a′和′b′之外的第二凹腔26中所保留的油的液压润滑。传统的表面凹凸特征，例如具有所示的与活塞行程方向基本成90°的轴的第二凹腔26或连续凹槽，众所周知是用来提供基于液压润滑的低摩擦。若无表面凹凸特征，因为油表面张力阻止了光滑表面的“湿化”，在非常光滑表面精加工上不存在间断会导致膛孔刮伤。另一方面，表面越粗糙，油耗越大并且摩擦越高。
当活塞14接近其下止点和上止点位置时，在下止点和上止点处活塞相对速度迅速减小到零。在这些区域，液压润滑的效果也迅速减小，混合润滑的效果成为主导(prevalent)。本发明人现在已发现，在环反转区域，其轴与活塞运动方向成0°到10°的这种所述类型的细长的凹腔24为活塞环18提供了有利的润滑源，还允许每个凹腔周围使用非常光滑的表面精加工(Ra＜0.1μm)，因此确保低油耗。凹腔和具有非常光滑表面精加工的组合提供了低油耗，同时提供了比传统气缸膛孔壁表面凹凸特征更低的摩擦和磨损特性。凹腔24而不是凹槽的使用，减小了刮伤和窜漏的可能，窜漏是由平行于气缸膛孔轴的连续凹槽促成的一种现象。因此，这样加工的气缸膛孔壁利用了在不同区域的主要的润滑效果来减小摩擦、磨损和油耗。
可通过以下步骤加工气缸体12来生成气缸膛孔壁表面精加工：
(a)钻孔或转动气缸体来形成所需直径和圆度的气缸膛孔；
(b)以与气缸膛孔轴成45°到60°的角度，使用钻石和陶瓷以传统的网纹方式对气缸膛孔壁进行粗珩磨；
(c)在环反转区域′a′和′b′中加工细长的凹腔24，在环反转区域之外使用激光珩磨方法加工第二凹腔26(如DE 19614328所述)；及
(d)以与气缸膛孔轴成45°到60°的角度，使用传统的珩磨方法以常规的网纹方式精珩磨气缸膛孔以生成光滑的表面(Ra＜0.1μm)。这样也清除了移置在表面上的可能导致磨损的任何材料。
更适宜使用激光加工方法在原来是光滑的表面生成凹腔24和第二凹腔26。因为这种激光加工方法允许精确地生成每个凹腔，激光加工的使用还允许在凹腔位置尺寸、形状和方向上有相当大的灵活性。然而，应理解，可以使用其他可选的精珩磨和/或凹腔加工方法，例如电子束或其他适宜的机械珩磨方法，来代替激光珩磨方法。
本技术领域内的技术人员应理解，虽然本发明以举例的方式描述了有关的特定实施例，但不应受限于这样的实施例，在不超出本发明的范围内可产生各种可选实施例或对本申请公开的实施例进行修改。例如，尽管在本发明关于发动机的描述中，气缸壁直接加工在气缸体中，应理解，本发明等同适用于使用汽缸套的发动机。

Claims (25)

1.一种具有至少一个可滑动地支撑活塞的汽缸的内燃发动机，发动机的所述至少一个汽缸的汽缸膛孔壁具有形成在其上的用于保留润滑剂以减小汽缸膛孔和活塞之间的摩擦的凹腔，其特征在于，凹腔是细长的并具有与汽缸膛孔轴基本平行的轴，当活塞在其上止点位置时，凹腔位于支撑活塞的第一区域。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，凹腔深度在5μm和60μm之间，更适宜在5μm和30μm之间。
3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其特征在于，凹腔长度在0.1mm和4mm之间，更适宜在0.5mm和2mm之间。
4.根据任何前述权利要求所述的内燃发动机，其特征在于，凹腔宽度在5μm和90μm之间，更适宜在30μm和90μm之间。
5.根据任何前述权利要求所述的内燃发动机，其特征在于，凹腔在关于气缸膛孔的径向和轴向上彼此间隔0.5mm到2mm。
6.根据任何前述权利要求所述的内燃发动机，其特征在于，在轴向上彼此相邻的凹腔呈径向地错开，凹腔轴彼此偏移。
7.根据任何前述权利要求所述的内燃发动机，其特征在于，当活塞在其下止点位置时，凹腔位于支撑活塞的第二区域。
8.根据任何前述权利要求所述的内燃发动机，其特征在于，发动机的至少一个气缸的气缸膛孔壁在第一和/或第二区域之外形成有不同的表面凹凸。
9.根据权利要求8所述的内燃发动机，其特征在于，在第一和/或第二区域之外的气缸膛孔壁上形成的表面凹凸包含具有与汽缸膛孔轴成45°或更大角的轴的凹槽或者第二凹腔。
10.根据权利要求9所述的内燃发动机，其特征在于，凹槽或者第二凹腔的轴与汽缸膛孔轴基本成90°。
11.一种制造内燃发动机汽缸的方法，所述方法包含生成具有所需直径和圆度的汽缸膛孔壁，在汽缸膛孔壁上加工凹腔，在使用时，凹腔保留润滑剂以减小在汽缸膛孔和由汽缸膛孔滑动支撑的活塞之间的摩擦，其特征在于，凹腔是细长的并形成有与汽缸膛孔轴基本平行的轴，在第一区域上加工凹腔，在使用中，当活塞在其上止点位置时所述区域支撑活塞。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，加工凹腔为5μm到60μm深，更适宜为5μm到30μm深。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，加工凹腔为0.1mm到4mm长，更适宜为0.5mm到2mm长。
14.根据权利要求11到13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，加工凹腔为5μm到90μm宽，更适宜为30μm到90μm宽。
15.根据权利要求11到14中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在关于气缸膛孔的径向和轴向上间隔0.5mm到2mm加工凹腔。
16.根据权利要求11到15中任一权利要求所述的方法，其特征在于，加工凹腔为在轴向上彼此相邻，凹腔轴彼此偏移。
17.根据权利要求11到16中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在第二区域上加工凹腔，在使用中，当活塞在其下止点位置时，第二区域支撑活塞。
18.根据权利要求11到17中任一权利要求所述的方法，其特征在于，加工汽缸膛孔壁为在第一和/或第二区域外具有不同的表面凹凸。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在第一和/或第二区域之外的汽缸膛孔壁上加工具有与汽缸膛孔轴成45°或更大角的轴的凹槽或第二凹腔。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，加工凹槽或第二凹腔以使其轴与汽缸膛孔轴基本成90°。
21.根据权利要求11到20中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过珩磨加工凹腔。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，通过激光珩磨加工凹腔。
23.根据权利要求11到22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在气缸膛孔壁上加工凹腔后，加工气缸膛孔壁以提供凹腔之间小于0.1μm Ra的表面纹理特性。
24.一种内燃发动机，如本申请中参考附图所描述一样。
25.一种制造内燃发动机的方法，如本申请中参考附图所描述的一样。
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