各种实施例涉及用于内燃发动机的汽缸套(liner)以及制造汽缸套和发动机的方法。
背景技术：
内燃发动机要求热管理用以控制发动机的部件的温度。例如，汽缸体通常具有冷却套，其中循环流体流过冷却套以冷却缸体和缸体中的汽缸套。在发动机操作期间，例如，由于缸套上部区域存在较高温度的气体，汽缸套的孔壁可以沿缸套的长度具有不一致的温度。孔壁温度的差异可导致汽缸套的变形，使得孔壁变得非柱形和/或改变沿缸套的长度的形状。由于汽缸孔形状改变，该孔变形可导致在发动机操作期间活塞环难以适应汽缸壁，并且这进而可导致燃烧气体较高的漏气、增加发动机油和润滑油消耗、额外的发动机噪声、活塞环的磨损，并降低发动机效率和燃料经济性。
技术实现要素：
根据一个实施例，提供形成发动机的方法。缸套被铸造有外表面，该外表面具有从该缸套的第一端周向延伸到第二端的第一构造。该缸套的外表面的区段被机加工以提供周向地围绕该缸套延伸并从第一端间隔开的第二构造，其中第二构造具有比第一构造更低的比表面积(specific surface area)。
根据另一实施例，提供具有汽缸套的发动机，缸套具有从该汽缸套的第一端延伸到第二端的外表面和内表面。发动机具有在汽缸套周围形成的汽缸体，汽缸套的第一端邻近缸体的上部面(deckface)。缸体限定围绕缸套的外表面的至少一部分周向延伸并与缸套的外表面分离的冷却套。缸套的外表面的第一圆周区段具有第一构造，该第一构造与缸体一起形成第一材料界面，其中第一圆周区段具有第一直径。第一材料界面在其两侧具有第一热导率。缸套的外表面的第二圆周区段具有第二构造，该第二构造与缸体一起形成第二材料界面。第二材料界面在其两侧具有第二热导率，其中第二热导率小于第一热导率。第二圆周区段具有第二直径。第一圆周区段被定位在第一端和第二圆周区段之间。第一构造的比表面积大于第二构造的比表面积。第二直径小于第一直径。
根据又一实施例，提供具有管状构件的发动机汽缸套，管状构件具有第一端和第二端以及在第一端和第二端之间延伸的外表面。外表面的比表面积和直径随缸套上的轴向位置而变化，以提供随轴向位置而变化的并与发动机工况互补的热导率。比表面积随汽缸的不同直径而变化。
附图说明
图1图示说明根据实施例的内燃发动机的示意图；
图2A图示说明供图1的发动机使用的汽缸套的透视图；
图2B和图2C图示说明图2A的缸套的放大视图；
图3A和图3B图示说明图1的发动机的汽缸体的截面图；
图4图示说明与发动机缸体的常规缸套相比的图3A的缸体的轴向温度分布图；
图5图示说明供图1的发动机使用的另一汽缸套的透视图；以及
图6图示说明根据实施例的用于形成图1的发动机的方法的流程图。
具体实施方式
按要求，在此提供本公开的详细实施例；然而，应理解的是，公开的实施例仅是示例性的并且可以以各种形式和替换形式呈现。附图不一定成比例；一些特征件可以被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本公开的具体构造性和功能性细节不被解释为限制，而仅作为教导本领域技术人员以各种不同方式采用本公开的代表性基础。
图1图示说明内燃发动机20的示意图。发动机20具有多个汽缸22，并且图示说明了一个汽缸。在一个示例中，发动机20是直列四缸发动机，并且在在其他示例中，发动机20具有其他布置以及数量的汽缸。在一个示例中，可以使用不同的缸套布置汽缸。在各种示例中，汽缸体可以具有封闭的上部配置、半开敞的上部配置或开放的上部配置。
发动机20具有限定汽缸、汽缸壁或孔壁22的汽缸套32；并且发动机具有与每个汽缸22关联的燃烧室24。缸套32和活塞34协作以限定燃烧室24。活塞34被连接至曲轴36以将活塞34的线性运动转换为曲轴36的旋转运动。
燃烧室24与进气歧管38和排气歧管40流体地连通。进气门42控制从进气歧管38进入燃烧室24的流。排气门44控制从燃烧室24到排气歧管40的流。进气门42和排气门44可以以本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将来自燃料系统的燃料直接输送到燃烧室30中，使得发动机是直接喷射式发动机。低压或高压燃料喷射系统可以与发动机20一起使用，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，控制火花塞48以火花形式提供能量来对燃烧室30中的燃料空气混合气进行点火。在其他实施例中，可以使用其他燃料输送系统和包括压缩点火的点火系统或技术。
发动机20包括控制器和各种传感器，传感器经配置为向控制器提供信号以用于控制至发动机的空气和燃料输送、点火正时、来自发动机的动力和扭矩输出等。发动机传感器可以包括但不限于排气歧管40中的氧气传感器、发动机冷却剂温度、加速器踏板位置传感器、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被用作车辆(诸如常规车辆或停止启动车辆)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，其中诸如电机的额外的原动机可用于提供额外的动力以推进车辆。
每个汽缸22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运转。在其他示例中，发动机20可以运转为二冲程循环。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从汽缸22的顶部移动到汽缸22的底部，以将空气从进气歧管引导至燃烧室。通常将汽缸22顶部处的活塞34位置称为上止点(TDC)。缸体底部处的活塞34位置通常称为下止点(BDC)。
在压缩冲程期间，进气门42和排气门44关闭。活塞34从汽缸22的底部朝向汽缸22的顶部移动，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。在示出的发动机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中的点燃的燃料空气混合气膨胀，从而导致活塞34从汽缸22的顶部移动到汽缸22的底部。活塞34的移动引起曲轴36的相应移动并提供来自发动机20的机械转矩输出。
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从汽缸的底部移动到汽缸22的顶部，以通过减小燃烧室24的容积来从燃烧室24移除排气和燃烧产物。排气从燃烧汽缸22流到排气歧管40和诸如催化转换器的后处理系统。
进气门42和排气门44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活塞冲程而变化。
发动机20具有汽缸盖72，汽缸盖被连接到汽缸体70或曲轴箱以形成汽缸22和燃烧室24。汽缸体70和汽缸盖72之间插入缸盖垫片74以密封汽缸22，每个汽缸22沿相应的汽缸轴线76布置。对于具有布置成直线的汽缸22的发动机，汽缸22沿缸体70的纵向轴线78布置。
发动机20具有一个或多个流体系统80。在所示的示例中，发动机20具有与缸体70和缸盖72中的套(jacket)关联的流体系统，尽管可以考虑任何数量的系统。发动机20具有流体系统80，该流体系统80可以至少部分地与缸体70集成在一起，并且还可以至少部分地与缸盖72集成在一起。流体系统80具有流体地连接至缸盖中套86的缸体70中的套84，套84可以用作冷却系统、润滑系统等。在其他示例中，系统80可以仅提供缸体70中的套84，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是冷却套并且被提供用于从发动机20移除热量。从发动机20移除的热量可以由冷却系统控制器或发动机控制器控制。流体系统80具有一个或多个流体套或回路，其可以包含水、其他冷却剂，或者润滑剂以作为处于液体、蒸汽或混合相态的工作流体。在本示例中，第一系统80包含诸如水、水基冷却剂、乙二醇基冷却剂等的冷却剂。流体系统80具有一个或多个泵88和诸如散热器的热交换器90。泵88可以是机械驱动式的(例如，通过与发动机的旋转轴连接)，或者可以被电驱动。系统80还可以包括阀门、恒温器等(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。
如下所述，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。流体系统80中的流体通道可以位于汽缸体70内并且可以邻近于并且至少部分地围绕或者完全围绕缸体70中的每个缸套32。
汽缸套32可以包括与缸体70不同的材料，或者与缸体相同的材料。发动机缸体70和汽缸盖72可以由铝、铝合金或其他金属铸造而成。缸套32可以由诸如铁或铁合金的其他材料形成。就此而言，基于两个部件中的不同材料，在缸套32和发动机的周围缸体70之间形成界面。
图2A-2C示出了与图1的发动机20一起使用的汽缸套100的透视图和放大视图，并且可以用作缸套32。缸套100由具有外表面102或外壁以及内表面104或内壁的管状构件形成。内壁104形成缸体70中的孔壁或汽缸壁22。内壁104和外壁102从缸套的第一端106延伸至缸套的第二端108。外壁102围绕缸套的圆周并沿缸套的轴向长度(例如，沿与图1中的轴线76对应的轴线110)延伸。
缸套100具有直接相邻第一端106的外表面102的轴向区段112。缸套100具有直接相邻第二端108的外表面102的轴向区段114。如所示出的，第一区段112和第二区段114可以具有不同的轴向长度，或者可以是相同的长度。缸套100还具有定位在第一区段112和第二区段114之间的外表面102的另一个轴向区段116，并且可以如所示地邻接第一区段和第二区段。在其他示例中，缸套100可以仅提供有第一轴向区段112和第三轴向区段116，使得第三轴向区段116从第一轴向区段112延伸到缸套的第二端108。
第一轴向区段112和第二轴向区段114每个具有覆盖这些区段中的外表面的第一纹理(texture)120或一系列第一突出部120。第一纹理120或第一突出部由与缸套100相同的基础材料形成，并且可以(例如，在铸造过程期间)与缸套整体形成。
一系列第一突出部120具有从缸套100向外延伸的第一突出部122。突出部122可以是具有圆形或非圆形横断面形状的鳍、棘或其他突出形状。在其他示例中，突出部122由肋形成，肋从缸套100径向向外地并且围绕缸套的圆周的至少一部分延伸。突出部122的横截面积可以沿突出部的长度变化。第一纹理120中的突出部122可以是规则的或不规则的形状。突出部122可以具有底切(undercut)或负表面(negative surface)。在替代示例中，第一纹理120可以包括沿缸套的外表面的多孔结构，其中多孔结构仅延伸进入缸套几毫米。
在一个示例中，每个突出部122具有沿突出部的长度变化的大致圆形的横截面形状，例如，通过沿突出部的轴向长度减小然后增加，使得其在突出部的中间区域中被收缩或底切。在其他示例中，突出部122可以具有沿突出部的长度的恒定的横截面积，或者可以具有沿突出部的长度减小的面积。突出部122可以在表面上以随机顺序或图案布置，或者可以被组织成阵列。
一系列第一突出部120具有与缸套的突出面积或底面积关联的突出部122的密度，例如每平方厘米超过10、20、30或40个突出部的特征密度。在一个示例中，特征密度大约每平方厘米30个。第一突出部122可具有在0.2-4.0毫米、0.5-3.0毫米或大约1毫米的范围内的轴向长度或轮廓高度124。每个第一突出部122具有小于突出部的轴向长度的平均直径126。
第一纹理120或一系列第一突出部具有关联的第一比表面积。如本文所定义的比表面积是在突出部延伸越过的缸套100的每单位底面积内的纹理或突出部的实际表面积。例如，第一纹理120的比表面积是缸套100的外表面中包括突出部122的实际表面积除以第一纹理延伸过的缸套100的指定底面积(例如，如果不存在突出部时的实际面积)。可以使用缸套的外表面的指定面积中包括突出部的外表面的实际表面积和假设不存在突出部时缸套外表面的相同指定面积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2-100、10-50或20-40的范围内。
第一突出部122可以具有基本一致的大小和形状，例如第一突出部的尺寸在彼此的百分之十之内。突出部的大小的变化可部分地基于突出部的形成过程。
第三轴向区段116具有第二纹理130。在一个示例中，第二纹理130被提供为机加工纹理或其他方式制作的纹理。第二纹理130可以包括圆锥形、连续或间断片段的具有变化螺距的带状的外螺纹纹理，横向齿条或肋以及其他纹理。在一个示例中，第二纹理130被机械加工以具有底切表面。
在另一个示例中，第二纹理130可以被提供为覆盖该区段中外表面102的一系列第二突出部。第二纹理130或第二突出部由与缸套相同的基本材料形成。一系列130的第二突出部132具有与一系列第一突出部120相同的特征密度，或者每单位突出面积具有相同数量的突出部。第二突出部132具有小于第一突出部122的轮廓高度的轮廓高度134或轴向长度。在一个示例中，第一突出部122在大约2毫米，并且第二突出部132大约1.5、1.0或0.5毫米。因此，第二纹理130或一系列第二突出部具有比第一纹理120低的比表面积。
在进一步的示例中，第二纹理130可以被机加工成更光滑的表面光洁度，例如，具有1或接近1的比表面积。
缸套100的第一轴向区段112具有与其关联的直径并且包括第一纹理120的轴向深度或轮廓高度。缸套100的第三轴向区段116具有与其相关的另一直径，并且包括第二纹理130的轴向深度或轮廓高度。第三轴向区段116的直径小于第一轴向区段112的直径。在一个示例中，这些直径的差可以大约3-5毫米。由于第一轴向区段112和第三轴向区段116之间的直径差，可以在这些区段之间加工半径以提供过渡区域136，以防止在缸套中引起可能的应力上升的不连续阶梯。
在其他示例中，缸套100的外表面102沿缸套的轴向长度选择性且周向地机加工成预定的轮廓。预定轮廓可以包括具有恒定直径和纹理的区段，诸如上面的第一纹理、第二纹理和第三纹理，以及具有逐渐减少或逐渐改变的直径或纹理的区段。例如，预定轮廓可以包括第一轴向区段112、第二轴向区段114和第三轴向区段116之间的过渡区域136，其中过渡区段包括增加或减小直径的锥形，该锥形具有逐渐或连续变化的比表面积和缸套直径。在一个示例中，过渡区域136可以包括可变且连续增加或减少的突出部移除量。在其他示例中，过渡区域136可以用于将具有机加工纹理的轴向区段与具有近似1的比表面积的区段混合。
在各种示例中，预定轮廓提供了随缸套的轴向长度而变化的比表面积，并且比表面积没有阶梯变化。因此预定的轮廓也具有沿缸套的轴向长度而变化的直径，并且直径没有阶梯变化。预定的轮廓可以包含铸造突出部，具有大于1的比表面积的机加工纹理以及“光滑”的加工表面。预定的轮廓具有关联的热导率，并且通过提供如所描述的受控的、变化的预定轮廓，可以实现发动机操作期间孔壁温度均匀性的进一步改善。
图3A-3B示出了发动机缸体150中的图2A的缸套100的示意图。汽缸体150在汽缸套100周围形成，其中缸套的第一端106邻近缸体150的上部面152或与缸体150的上部面152共面。缸体150限定在缸套100的外表面的至少一部分周围周向地延伸并与其间隔开的冷却套154。冷却套154可以形成流体系统80中的夹套84的至少一部分。缸体150材料可以在孔间区域中的相邻缸套100之间延伸，并且可以在孔间区域中提供孔间冷却通道。缸套100被示出为具有第一圆周部分112、第二圆周部分114、第三圆周部分116和第四圆周部分190。
缸套100的外表面102的第一周向区段112具有第一纹理120，第一纹理120与缸体150形成第一材料界面160。第一周向区段112与缸套的第一端106相邻。缸体150材料在相邻的第一突出部122或第一纹理120表面之间延伸，以与第一突出部122或第一纹理120表面形成互锁构造和如所示的第一界面160。如通过实验温度测量和传热实验所确定的，第一材料界面160在其两端具有第一热导率。
缸套100的外表面102的第三周向区段116具有与缸体150形成第二材料界面162的第二纹理130或一系列第二突出部。该周向区段116与缸套100的第一端部106间隔开并且可以直接相邻或邻接第一区段112。因此第一周向区段112被定位在第一端106和第三周向区段116之间。缸体150材料在相邻的第二突出部132之间延伸以与其形成互锁构造和所示的第三材料界面162。如通过实验温度测量和传热实验所确定的那样，第三材料界面162在其两端具有第三热导率。第三热导率小于第一热导率。
如果通过机加工去除或仅去除第一纹理的一部分来形成第二纹理，则一系列第一突出部120的密度等于一系列第二突出部130的密度，并且第一突出部122的每个的轴向长度大于第二突出部132的每个的轴向长度。或者，可以在第三周向区段116中完全去除第一纹理120，并且可以在区段116中提供新的纹理130或图案。因此，与在区段112的缸套外直径相比，区段116具有更小的缸套外直径。
如虚线170所示，第三周向区段116被定位在缸套100上，使得其与下止点处的活塞环高度重叠。第三周向区段116的上边缘和下边缘可根据缸体150配置、热管理要求以及其他考虑因素(诸如缸体150中汽缸数量或位置)而改变。
在一些示例中，如图所示，第三周向区段116可以与缸套100的第二端108间隔开，使得缸套100的外表面102具有第二周向区段114。第二区段114可以具有与第一区段112相同的纹理或其他纹理。在所示的示例中，第二周向区段114具有另一系列第一突出部120，一系列第一突出部120与缸体150形成第二材料界面164。在其他示例中，第三周向区段116可以延伸到缸套100的第二端108，使得没有第二区段114。
如果纹理是相同的(例如，突出部122与第一区段112中的那些纹理相同)，则第二材料界面164可以具有第一热导率，如通过实验温度测量和传热实验所确定的那样。第二圆周区段114与第二端部108直接相邻或邻接。第一区段112和第二区段114中的一系列第一突出部每个具有共同的第一突出部122形状和尺寸，由此在第一区段112和第二区段114之间提供共同的突出部轮廓和突出部的共同密度。
通过提供与周围缸体材料的改善的结合强度，特别是当缸套100和缸体150在发动机操作的情况下由具有不同热膨胀的不同材料形成时，缸套100的外表面102上的纹理120、纹理130或第一突出部122、第二突出部132与缸体150材料形成界面增加了缸套100在周围缸体150材料内的粘附。第一区段112和第二区段114中较长的第一突出部122在缸套100的上部区域和下部区域处额外地提供增加的剪切强度，以将缸套锚定在缸体中。纹理120、纹理130具有横向延伸到缸套外表面的表面或者具有到缸套外表面的横向部件，以与缸套的轴向载荷对准。纹理120、纹理130可以额外地底切或负节曲面(negative pitch surface)以与缸套的径向载荷对准。
第一区段112、第二区段114和第三区段116中的每一个沿轴线110的轴向长度或长度被设计尺寸并被定位为在发动机20操作期间控制缸体150内汽缸和缸套100的孔壁温度。第一圆周部分112中较高的热导率提供了邻近汽缸22的热的上部区域的增加的热传递。第三圆周区段116中的减小的热导率在该区域中提供来自汽缸和缸套100的较少的热传递，并且比在第一突出部122和关联的第一热导率延长缸套100的长度时的孔壁温度，允许孔壁温度更加温暖。
图4示出了温度曲线图，与在线条182处在发动机操作期间的如图3A所示的汽缸套100相比，该图以线条180示出常规汽缸套的孔壁温度。从图中可以看出，图3A公开的汽缸套100以比常规汽缸套更加均匀的孔壁温度和在缸套100的中间轴向区域具有更温暖的孔壁温度来操作。各种优点与更均匀的孔壁温度相关联，即提供减小的孔变形并且沿缸套的长度保持缸套100更加圆柱形的形状。例如，减小的孔变形可导致活塞环摩擦和磨损降低、燃烧气体的漏气减少、发动机油或润滑油消耗减少、发动机噪音降低以及发动机效率提高和燃料经济性改善。
图5示出了图3A中所示的缸套100的变体。除了如上关于图3A和图4所述的第一轴向或周向区段112、第二轴向或周向区段114和第三轴向或周向区段116之外，缸套还具有第四周向区段190或轴向区段。
第四部分190具有第三纹理192。第三纹理192可以被提供为覆盖该区段中外表面的机加工图案或纹理，诸如横向肋或螺纹、光滑的机加工表面或一系列第三突出部。第三纹理192或第三突出部由与缸套100相同的基本材料形成。在一个示例中，第三突出部由第一纹理的减小的轮廓厚度部分形成，并且具有与第一突出部122相同的特征密度或每单位突出面积的相同的突出部数量。第三突出部或第三纹理192具有小于第一突出部122和第二突出部132的轮廓高度的轮廓高度或轴向长度。在另一个示例中，第三纹理192由第一纹理120下面的缸套材料来机加工。在任一情况下，第三纹理192或一系列第三突出部具有比第一纹理120更低的比表面积和比第二纹理130更低的比表面积。第四轴向区段190还具有比第一轴向区段112和第三轴向区段116的更小的缸套外直径。
第四区段190与周围缸体150材料形成第四材料界面。
缸套100的外表面102的第四圆周区段190具有与缸体形成第四材料界面的第三纹理192。该第四周向区段190可以被定位在第一区段112和第三区段116之间并邻接第一区段112和第三区段116，或者被定位在第二区段114和第三区段116之间并且邻接第二区段114和第三区段116。第四材料界面两侧具有通过实验温度测量和传热实验确定的第三热导率。第三热导率小于第一热导率并且小于第二热导率。
图6示出了形成发动机和形成用于发动机中的缸套(诸如图1的发动机20中的缸套32或上述图2或图5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，该步骤可以以其他顺序重新排列，并且可以根据本公开的各种示例连续地或同时地执行各个步骤。
在步骤202中，管被铸造，并且可以由铁或其他铁合金、钢等形成。该管被铸造有外部表面和内部表面，每个外部表面和内部表面形成为圆柱形，并且彼此同心布置。管的外部表面铸造有在外部表面周围并在管的相对端之间周向延伸的第一纹理120，例如，多个第一突出部。该管可以使用离心铸造技术或其他铸造工艺来铸造，使得第一纹理120或第一多个突出部形成为铸造工艺的一部分并且在铸造时与缸套整体形成。该管形成有与多个缸套对应的轴向长度，使得缸套100由管的一部分或某一区段形成。
在步骤204中，管被横向机加工或以其他方式切割成两个或更多个缸套100。管的内部表面因此对应于并提供缸套的内表面104。类似地，管的外部表面对应于并提供缸套的外表面102。
因此缸套100被提供有外表面102，外表面102被提供有第一纹理120。第一纹理120被提供在整个外表面102上或被提供为从缸套100的第一端106到第二端108围绕缸套100周向延伸。第一纹理120具有第一比表面积。对于具有一系列第一突出部122的第一纹理，突出部122被铸造成基本均匀的大小和形状，例如，尺寸在百分之十的范围内。
在步骤206，缸套100的外表面102的区段116或环被加工或以其他方式处理以提供第二纹理130或一系列第二突出部。在一个示例中，缸套100可以使用浅通切机床车削工艺来机加工。外表面102的区段116或环围绕外表面102周向地并且沿缸套100的轴向区段延伸，该轴向区段小于衬套100的轴向长度。
在机加工工艺中，第二纹理130的环116通过去除在缸套的该区域中的第一纹理120的外部部分，或通过去除在缸套的该区段中的一系列第一突出部的外部部分而被机加工，使得第一纹理120的一部分保留以提供第二纹理130。在替代示例中，第一纹理120在加工工艺期间被去除，并且第二纹理130由第一纹理120下面的缸套材料形成。如上所述，第二纹理130可以在第一纹理120和第二纹理130之间被机加工有过渡区域或曲率半径，或者可以对缸套100进行机加工使得外表面具有预定轮廓。第二纹理130具有比第一纹理120更低的比表面积。第二纹理130处的缸套100的半径也可以在毫米的数量级上小于第一纹理120处的缸套的半径。
第二纹理130的环116可以被机加工成与缸套的第一端106间隔开，使得缸套100在第一端106和第二纹理的环116之间的外表面102上具有第一纹理120。
第二纹理130的环116也可以被机加工成与缸套的第二端108间隔开，使得缸套100在第二端108和第二纹理的环116之间的外表面102上具有第一纹理120。在其他示例中，第二纹理的环116可被机加工成与第二端108直接相邻，使得其延伸到第二端108。
在步骤208处，可对缸套100的外表面102的另一区段190或环进行机加工或以其他方式处理以提供第三纹理192。外表面的另一区段或环190围绕外表面102周向地并且沿小于缸套的轴向长度的缸套100的另一轴向区段延伸。
在机加工工艺中，第三纹理192的环190通过去除在缸套的该区域中的第一纹理120的外部部分或通过去除第二纹理130的子区段的外部部分或第一纹理120下方的缸套的外部部分来提供。第三纹理192具有与第二纹理130不同的比表面积。第三纹理192处的缸套100的半径或外直径也可以小于在第二纹理130处缸套的半径或外直径。在替代示例中，第三区段116和第四区段190可以被机加工成共同的直径，例如具有光滑表面，并且然后第四区段190被进一步机加工以在其上提供诸如一系列肋的纹理，使得第四区段190具有比第三区段116更高的比表面积。
具有第二纹理130的区段116可以被定位在第一端106和具有第三纹理的第四区段190之间。具有第三纹理的第四区段190因此被定位在第二端108与具有第二纹理的区段116之间。在一个示例中，具有第二纹理的区段116和具有第三纹理的另一区段190彼此直接相邻。具有第三纹理的另一区段190可以与第二端108间隔开，使得缸套100在第二端108和具有第三纹理的环190之间的外表面102上具有第一纹理120。
在进一步的步骤中，进一步的纹理(例如，第四纹理等)的额外的带可以在缸套100的外表面102上机加工。在其他示例中，外表面可以被机加工为具有各种纹理，其中该纹理具有混合区域或包括锥形的过渡区域，使得预定轮廓被提供有变化的直径和表面积以沿缸套100的轴向长度提供平滑变化的热导率。
在步骤210中，将缸套100定位在工具内，并且将发动机缸体150围绕缸套铸造。缸套100被定位在工具内，并且工具的各种模具、滑块或其他部件被移动以关闭工具以便准备铸造工艺。模具和滑块具有汽缸体成形表面。因此，缸套100用于插入铸造工艺中以形成缸体150。在一个示例中，工具被提供为用于诸如铝或铝合金的金属的高压模具铸造工艺的工具。
在工具关闭并且缸套100被定位并限制在工具中之后，材料被注入或以其他方式提供给工具以大体形成发动机缸体150。在一个示例中，材料是金属，诸如铝、铝合金或在高压模具铸造工艺中作为熔融金属注入工具中的其他金属。在高压模具铸造过程中，熔融金属可以以至少20,000磅/平方英寸(psi)的压力注入到模具中。熔融金属可以以大于或小于20,000psi的压力注入，例如在15,000-30,000psi的范围内，并且在使用中可以基于金属或金属合金、模腔的形状和其他考虑。
在缸体铸造步骤210期间，熔融金属围绕缸套100的外表面102流动并与其接触并流入纹理(例如，在相邻的突出部、螺纹等之间的纹理)。熔融金属冷却并形成铸造表皮，使得缸体150与缸套的外表面的第一纹理120形成第一材料界面160，与第二纹理130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更高的热导率。在铸造过程中各个纹理的比表面积、流体动力学、凝固和合金围绕纹理的收缩的组合，以及关联区域中缸套的厚度可以影响热导率。第二材料界面具有比具有第三纹理的第三材料界面更高的热导率。
在进一步的示例中，缸套100的外表面102可以在被定位在工具中之前被涂覆以减少氧化。缸套100可以具有被酸浸泡的外表面102，例如在氟酸中浸泡，然后被冲洗以减少氧化以及在成品缸套150中相邻铸造缸体材料中可能的多孔问题，并改善在材料界面处缸套100和铸造缸体150之间的接触。或者，缸套的内表面104和/或外表面102可以被喷涂，使用例如等离子喷涂、热喷涂或其他工艺。
缸套100的外表面102上的不同纹理区域具有不同的比表面积并且与周围的铸造发动机缸体150提供不同的材料界面。这些不同的材料界面沿缸套的长度提供不同的热导率和不同的传热速率以在发动机操作期间保持更均匀的孔壁温度。
在另一变型中，第二纹理130的环116可被机加工，例如围绕外表面102的圆周在距第一端105的不同距离处，使得环116的上边缘和/或下边缘围绕着缸套的圆周距缸套100的第一端106的变化距离处。第一纹理120/第二纹理130的变化的形状和位置可以对应于成品缸体中的缸套100的不同位置，例如以经由沿缸套的外表面的不同轴向区域(例如孔间位置等)具有不同热导率来提供进一步的热控制和管理。
在进一步的变型中，不同的缸套100可以被机加工以具有相应的不同大小的纹理环，例如，使得一个缸套的第二纹理环116比另一缸套距第一端106更远和/或与另一缸套的轴向长度不同。例如，不同的缸套可以被用在发动机缸体中的不同汽缸位置处，以便经由不同热导率为缸套100提供进一步的热控制和管理，该缸套用作发动机中的端部汽缸或中间汽缸。
在步骤212，将缸体150从工具上移除，并进行各种精加工步骤。步骤210中的工艺可以是近净形(near net shape)铸造或模制工艺，从而需要进行很少的后处理工作。缸体150的表面可以被机加工以例如通过铣削来形成与缸套100的第一端106相邻的缸体的上部面152。未完成的缸套也可以以立方体或其他方式机加工以提供用于发动机组装的最终缸套。缸套100的内表面可以被钻孔或以其他方式完成。
在步骤214，完成的缸体150可以与对应的缸盖、活塞、曲轴等组装，以形成诸如发动机20的发动机。
本公开的各种示例具关联的非限制性优点。例如，在具有往复活塞设计的内燃机的操作期间，燃烧发生在燃烧室中。该燃烧室可以位于组装到缸体的缸盖的区域中。该缸体限定活塞在其内往复运动的汽缸，并且每个汽缸的一端与燃烧室关联。燃烧室内的燃烧事件增加了围绕汽缸的缸体的温度。缸体发热可以在热量生成燃烧事件附近最大并且在汽缸的相对端最低，从而产生沿汽缸的轴线的温度梯度。由于温度升高，汽缸套膨胀，并且由于温度梯度，该膨胀沿缸体的轴向长度可以不均匀。根据本发明的汽缸套和汽缸体提供了更均匀的孔壁温度，该更均匀的孔壁温度起到保持孔壁沿汽缸的轴向长度的平行度的作用并且由此减小往复活塞和汽缸壁之间的摩擦。
发动机和汽缸体包括围绕或部分围绕汽缸孔的冷却套。一个或多个冷却套包含液体流体，该液体流体围绕汽缸循环以通过去除燃烧事件产生的过量热量并经由散热器或其他热交换器将该过量热量转移到大气中，以便控制发动机的操作温度。汽缸壁或缸套壁与面向汽缸的冷却套壁之间的温度差驱动从汽缸到夹套中冷却剂的热通量或热能的移动。
传统的发动机缸体可以在冷却套中使用分流器或间隔件，或者使用冷却套的复杂形状来尝试热控制和管理汽缸壁温度分布。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汽缸壁。汽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，这减小了沿汽缸轴线的温度梯度，从而提供更均匀的温度、减小的变形和往复式活塞更平行的孔。
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。这导致了具有重量减轻以及其他优点的铝缸体以及与铁汽缸的磨损特性结合的铝缸体。缸套被提供有多个外直径的汽缸纹理或状况，使得具有较高传导率的界面最接近燃烧事件而较低传导率的界面处于中间区域或相对端，使得汽缸孔壁温度可以如所描述的那样被控制。
此外，缸套可以整体上以较高的缸套温度运行，例如，通过增加中间或中间冲程区域的温度。这种较高的缸套温度，特别是在与第二纹理重叠的中间冲程区域中的缸套温度，可以在该区域为润滑流体(例如，发动机油)提供升高的温度，并且改善(降低)活塞移动最快并且活塞与缸壁的相互作用最动态的地方处的粘度。另外，低的活塞速度(例如，在孔的底部处)允许比在上述的中间区域存在更多的热载荷。在一个示例中，第一纹理被提供在缸套的上部区段，并且第二机加工纹理被提供在缸套的下部区段，而缸套的中间区段具有第三纹理或光滑表面。在这种情况下，第二纹理在缸套底部提供互锁特征，并且在BDC附近提供略微增加的热导率，在BDC处活塞缓慢并且有更多时间将热量释放到周围缸体。中间区域或中心区域的第三纹理在该区段中提供直径减小的较薄的缸套，以区域性地提高缸套温度，从而减少孔变形并降低润滑剂粘度。
尽管以上描述了示例性实施例，但是这些实施例不旨在描述本公开的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。另外，各种实施实施例的特征可以被组合以形成本公开的进一步的实施例。