在发动机气缸孔上现场形成低摩擦涂层的方法
【专利摘要】本发明涉及在发动机气缸孔上现场形成低摩擦涂层的方法。用于内燃发动机的低摩擦涂层和在发动机的摩擦敏感部件的至少一个上形成低摩擦表面的方法。在一种形式中，固体润滑剂前体添加剂与马达油组合使得在通过邻近的相互作用的发动机部件对所述组合物做功时，固体润滑剂摩擦化学地反应以形成减摩涂层或膜。在一种优选的形式中，涂层或膜是摩擦形成在气缸孔或构造成配装在该孔的衬层上。气缸或衬层和活塞和/或活塞环之间的往复运动促进了在发动机已经被制造之后而不是在发动机制造或组装过程中现场形成该层。
【专利说明】在发动机气缸孔上现场形成低摩擦涂层的方法
[0001]本申请要求2012年5月30日提交的美国临时申请61/653034的优先权。
【背景技术】
[0002]本发明总体涉及减少内燃发动机的部件之间的摩擦力，并且更具体地，涉及使用固体润滑剂作为发动机油的添加剂来在气缸壁或孔和活塞和活塞环中的一个和多个之间形成低摩擦表面。
[0003]内燃发动机(ICE)的气缸壁和气缸衬层根据严格标准制造从而带有紧表面粗糙度公差来作为将摩擦磨损保持为最小的方式。液体润滑剂例如发动机油(这里也称为马达油)被用于进一步减少摩擦，以及作为在发动机操作期间传递在气缸内产生的热的方式。通常，润滑剂占据了气缸或衬层壁中的残余粗糙度提供的空间，以有助于提供在气缸和往复式活塞和活塞环组件之间的膜状层。不过，液体润滑剂有某些局限。例如，在减摩添加剂被使用的情况下，这种添加剂在基于传统润滑剂流体中的低可溶性减少了这种添加剂的益处。
[0004]其它形式的润滑剂，例如应用到或者以其它方式形成在相互作用的部件表面中的一个或多个上的固体润滑剂，可被用于进一步改善磨损减少的性质。美国公开的专利申请2010/0272931通过用于被全文并入，公开了一种使用氧化物、碳化物或硅化物工具用摩擦化学方法沉积(即，通过摩擦刺激)固体润滑剂物质直接到发动机气缸壁或衬层壁的粗糙弯曲表面上的方法，使得稳定的硫化物被形成以改善该壁的摩擦性能，尤其是在混合和边界润滑体制中，其中最可能发生移动表面之间的实际接触。这种固体润滑剂的示例可包括石墨、二硫化钥(MoS2)和二硫化钨(WS2),所有这些都表现出可取的摩擦性能。通常认为，摩擦化学方法能够产生非常光滑、无瑕疵的表面。
[0005]不过，给复杂部件形状提供固体润滑表面处理是困难的且昂贵的。对于气缸壁尤其如此，其中与固有的非平面性关联的有限空间使得难于用热分解、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀、喷射或相关的已知固体润滑剂沉积技术来实现。而且，被涂覆的部分的金属组成可能加剧了固体润滑剂沉积问题。
【发明内容】
[0006]在上述【背景技术】的背景下，本发明的一个实施例涉及使用固体润滑剂前体作为发动机油添加剂来作为改善所得到的化合物的摩擦化学性能的方式。更具体地，添加剂在发动机操作的早期阶段(通常已知为“走合”或“磨合”周期)与发动机油和要被保护的部件摩擦化学反应以形成减摩涂层。在一种形式中，本发明包括在气缸或衬层孔上形成耐久的摩擦膜；这个摩擦膜在早期发动机走合期间是尤其有价值的，作为延长易磨损部件的寿命的方式，例如气缸或衬层。虽然化学物质的先前使用，例如在前述美国专利申请2010/0272931中描述的那些，是在气缸或衬层的制造期间形成摩擦层，但本发明涉及在已经制造的发动机中现场形成该层。
[0007]根据本发明的第一实施例，公开了在气缸壁上现场形成低摩擦涂层的方法。在目前的上下文中，现场形成与通过制造或其它操作前的方法形成的不同之处在于保护性减摩表面的形成在发动机的正常操作时发生，而不是在某些机加工或相关的制造过程中发生。这种正常操作对应于发动机为其正常目的的起动和后续运行；因此，在车辆的情况下，这种正常操作将包括运行发动机以提供推进、热、冷却或相关动力给车辆。同样，在非车辆应用中，这种正常操作将包括起动和运行发动机以让其执行该发动机被设计用于的工作。相反地，在本文中不被认为是现场的方法是那些其中膜或涂层是在机加工或其它的制造步骤期间形成的方法，其中发动机的用于其预期目的的操作是不可能的。
[0008]该方法包括提供润滑剂至少给发动机的对应气缸壁、衬层壁或构造成可滑动地接合往复式活塞的其它这种表面的区域。该方法还包括引入固体润滑剂添加剂到该区域，然后使活塞沿着由气缸壁定义的路径穿过。以这种方式，含有添加剂的润滑剂的薄膜被形成在活塞和气缸壁的滑动协作表面之间。这进而引起固体润滑剂添加剂中的至少一些和气缸壁和活塞中的一个或全部两个之间发生摩擦化学反应；这进而形成在气缸壁、活塞和从属气缸或活塞部件(例如环等)的相应表面上的保护层。
[0009]根据本发明的另一实施例，公开了操作内燃发动机。该方法包括移动对应数量的气缸壁中的一个或多个活塞。活塞和其对应气缸的协作使得活塞的运动基本上被限制为沿着在由气缸壁限定的区域内的往复方向。在以正常方式起动或以其它方式操作发动机之前，润滑剂被引入到该区域。该方法还包括引入固体润滑剂添加剂到该区域——与润滑剂一起或与润滑剂分别地，使得在活塞在气缸壁内的后续往复运动时，在位于滑动协作的气缸壁和活塞之间的固体润滑剂添加剂的一部分之间的摩擦化学相互作用在气缸壁、活塞或其从属部件中的至少一个上形成保护层。
[0010]根据本发明的另一实施例，公开了在内燃发动机上用摩擦化学方法形成低摩擦表面的方法。该方法包括引入液体润滑剂和固体润滑剂添加剂到第一发动机部件和第二发动机部件中的一个或多个的表面。该方法还包括通过内燃过程操作发动机以使第一和第二部件相对于彼此移动使得涉及润滑剂和添加剂中的至少一者的摩擦化学相互作用在所述部件的一个或全部两个的表面上发生，从而在其上形成保护性摩擦膜。在目前的上下文中，发动机的通过内燃过程的操作是在正常发动机使用中遇到的操作，例如推进发动机被联接到的车辆。因此，通过引入燃料、空气源和火花到形成在发动机缸体的气缸内的燃烧室内而形成的发动机内的爆炸的产生将促使位于气缸内的活塞因爆炸而移动远离，由此施加动力给曲轴或相关部件。这种操作被认为是与保护性涂层或膜的现场形成的目前理解是一致的。
[0011]根据本发明的另一实施例，公开了一种马达油，其被构造成在发动机的正常操作时在摩擦敏感的发动机部件上沉积保护性摩擦膜。马达油(其可基于传统的石油主要液体，或基于合成成分)包括固体润滑剂添加剂，例如前述的MoS2或WS2，在邻近的发动机部件之间的由于正常发动机操作状况而摩擦、滑动接触或相关的摩擦接触时，在所述部件的一个或全部两个的表面的粗糙度内形成减摩表面。
[0012]本发明还提供了如下方案:
方案1.一种在内燃发动机的气缸壁上现场形成低摩擦涂层的方法，所述方法包括:
提供润滑剂到所述发动机内的由所述气缸壁限定的区域；
引入固体润滑剂添加剂到所述区域；以及
使活塞沿着由所述气缸壁限定的路径穿过使得由所述润滑剂携带的并位于所述气缸壁和所述活塞之间的所述固体润滑剂添加剂的一部分之间的摩擦化学相互作用形成在所述气缸壁上的保护层。
[0013]方案2.如方案I所述的方法，其中所述固体润滑剂添加剂包括含硫成分。
[0014]方案3.如方案2所述的方法，其中所述含硫成分包括二硫化钥和二硫化钨中的至少一个
[0015]方案4.如方案I所述的方法，其中所述润滑剂包括马达油。
[0016]方案5.如方案I所述的方法，其中所述使活塞沿着由所述气缸壁限定的路径穿过是通过操作所述发动机产生的。
[0017]方案6.如方案I所述的方法，其中所述固体润滑剂添加剂在所述提供所述润滑剂到所述区域之前被放置成与所述润滑剂接触。
[0018]方案7.如方案I所述的方法，还包括使所述固体润滑剂添加剂与所述活塞的表面摩擦化学相互作用以形成其上的保护层。
[0019]方案8.—种用方案I的方法生产的发动机。
[0020]方案9.一种操作内燃发动机的方法，所述方法包括:
移动所述发动机内的至少一个活塞和至少一个气缸壁，使得所述活塞的移动基本上被限制为沿着在由所述气缸壁限定的区域内的往复方向；
提供润滑剂到所述区域；以及
引入固体润滑剂添加剂到所述区域，使得在所述活塞在所述气缸壁内的后续往复运动时，在由所述润滑剂携带的并位于所述气缸壁和所述活塞之间的所述固体润滑剂添加剂的一部分之间的摩擦化学相互作用形成在所述气缸壁上的保护层。
[0021]方案10.如方案9所述的方法，其中所述固体润滑剂添加剂在所述提供所述润滑剂到所述区域之前被放置成与所述润滑剂接触。
[0022]方案11.如方案9所述的方法，其中所述润滑剂和所述固体润滑剂添加剂在所述活塞的所述移动之前被提供到所述区域。
[0023]方案12.如方案9所述的方法，其中所述固体润滑剂添加剂包括至少一种含硫化合物。
[0024]方案13.如方案12所述的方法，其中所述至少一种含硫化合物包括二硫化钥。
[0025]方案14.如方案12所述的方法，其中所述至少一种含硫化合物包括二硫化钨。
[0026]方案15.如方案12所述的方法，其中所述至少一种含硫化合物包括二硫化钨和二硫化钥的混合物。
[0027]方案16.—种在内燃发动机上摩擦化学形成低摩擦表面的方法，所述方法包括:将液体润滑剂和固体润滑剂添加剂引入到所述发动机的第一部件和所述发动机的第
二部件中的至少一个的表面；以及
通过内燃过程操作所述发动机以使所述第一部件相对于所述第二部件移动使得在它们之间发生摩擦化学相互作用以形成所述低摩擦表面。
[0028]方案17.如方案16所述的方法，其中所述第一部件包括气缸壁而所述第二部件包括活塞和活塞环中的至少一个。
[0029]方案18.如方案16所述的方法，其中所述液体润滑剂是马达油。
[0030]方案19.如方案16所述的方法，其中所述固体润滑剂添加剂包括二硫化钥和二硫化钨中的至少一个。【专利附图】
【附图说明】
[0031]在结合下面附图阅读时，可最佳地理解具体实施例的如下具体描述，其中同样的结构由同样的附图标记指示，附图中:
图1是在内燃发动机中的在气缸和活塞之间的往复式协作的剖视图；
图2A示出了根据本发明的实施例的图1的气缸上的低摩擦涂层的现场形成的简化方法；以及
图2Β示出了图2A的气缸的表面的一部分的更具体视图。
[0032]附图中公开的实施例本质上是说明性的并且不是作为限定性的。而且，参照下面的具体描述能更全面地明白和理解本文描述的附图和实施例的各个方面。
【具体实施方式】
[0033]首先参照图1，示出了简化的汽车发动机10的一部分的剖视图，其带有缸体20、曲轴30、连杆40、活塞50、活塞销60和形成在缸体20内的气缸70 (本文也成为气缸壁、气缸孔等)。连杆40和活塞销60之间的协作(除了其它部件之外)将曲轴30的旋转运动转换为活塞50在气缸70的壁内的往复运动。如本领域技术人员理解的，气缸70也可包括单独的可移除的衬层或套(未示出)，其可作为气缸壁的代用品；任何一个版本都被认为是在本发明的范围内。如此，对在气缸70上形成低摩擦涂层的参考被理解为同样适用于气缸衬层或套，这取决于哪个表面与活塞50相关作用。
[0034]润滑剂(例如马达油，未示出)可被循环通过发动机10的所有部分，包括对应活塞50和气缸70的那些部分。这种马达油的源头可以是传统的(即，基于石油的)或合成的。润滑路径80是在整个缸体20上网络分布(以及发动机10的其它部分)并且与泵或相关加压设备(未示出)协作以促进润滑剂到气缸70中所限定的区域的传递。润滑剂传递到发动机的重要部分发生在活塞50的外表面和气缸70的内表面之间形成的紧密配合中，因为前者在后者中往复运动。
[0035]接着参照图2A和2B，示出了根据本发明的用于在气缸壁70形成耐久摩擦膜100(也称为涂层)的操作的一种形式。在一种形式中,摩擦膜100包含MoS2和WS2中的至少一个作为固体添加剂A，并且在更具体的形式中，是两者的混合物。涂层100的厚度大约等于或小于气缸壁70的原始表面粗糙度。活塞50的往复运动(这也可包括环55)使得在活塞50和气缸壁70的接触表面之间的包含(在马达油或相关液体之外)固体润滑剂添加剂A的润滑剂L暴露给当地应力和温度条件，该条件促进将形成在(至少)气缸壁70的表面中的膜中的化学变化。因为气缸壁70经常由铁基材料制造，所以该表面也对期望的摩擦化学反应有贡献，优选地产生了稳定的硫化铁(FeS)。如此，所形成的涂层存在有来自MoS2和WS2添加剂的固体润滑剂，它们填满了在气缸壁70的表面上的间隙、谷和相关的起伏形状。
[0036]在优选的形式中，活塞50和气缸70的壁的相对运动在发动机10的初始操作期间发生。在目前的上下文中，这种初始操作可包括用于建立传统的“走合”或“磨合”周期中的时间的一些或全部。在汽车应用中，磨合周期将通常在第一次预定的机油更换之前完成，该更换可被安排在例如，在1000英里和3000英里之间。显著地，涂层100通过使用正常发动机磨合或相关操作的摩擦形成表明相对于基于制造的方法的显著优点，其中避免了与机加工步骤相关的高成本额外步骤例如，镗孔、研磨、细磨和膜沉积(它们中的许多或全部必须使用复杂工具作业)。
[0037]注意到，本文中记载的实施例的部件被以特定方式“构造”或体现特定的性质，或以特定的方式工作，都是结构记载，而不是对目的用途的记载。更具体地，本文中提及的部件被“构造”的方式表示该部件的现存的物理状况，并且因此被认为是对该部件的结构因素的确切记载。
[0038]注意到像“基本上”、“一般地”和“通常”这样的术语，当在本文中被使用时，不是用来限制所要求保护的实施例的范围或暗示某些特征对所要求保护的实施例的结构或功能来说是关键的、必不可少的、甚至是重要的。更确切地说，这些术语仅是用来确认实施例的特定方面或者强调替换的或附加的特征可以在特定实施例中被使用或者可以不使用。
[0039]为了在本文中描述和定义实施例的目的，注意到术语“基本上”、“显著地”和“大约”在本文中被用于代表固有的不确定程度，这些不确定程度可归因于任何定量比较、值、测量或其它表示。术语“基本上”、“显著地”和“大约”在本文中也用于表示在不导致所讨论的主题的基本功能改变的情况下定量表示可不同于所述参考的程度。
[0040]在已具体地并参照其具体实施例描述了本发明的实施例之后，显然的是，在不脱离所附权利要求所定义的实施例范围的情况下，可进行改进和改变。更具体地，虽然本发明的实施例的一些方面在本文中被认为是优选的或特别有利的，但是可行的是，本发明的实施例不必限于这些优选的方面。
【权利要求】
1.一种在内燃发动机的气缸壁上现场形成低摩擦涂层的方法，所述方法包括:提供润滑剂到所述发动机内的由所述气缸壁限定的区域；引入固体润滑剂添加剂到所述区域；以及使活塞沿着由所述气缸壁限定的路径穿过使得由所述润滑剂携带的并位于所述气缸壁和所述活塞之间的所述固体润滑剂添加剂的一部分之间的摩擦化学相互作用形成在所述气缸壁上的保护层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述固体润滑剂添加剂包括含硫成分。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述含硫成分包括二硫化钥和二硫化钨中的至少一个。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述润滑剂包括马达油。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述使活塞沿着由所述气缸壁限定的路径穿过是通过操作所述发动机产生的。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述固体润滑剂添加剂在所述提供所述润滑剂到所述区域之前被放置成与所述润滑剂接触。
7.如权利要求1所述的方法，还包括使所述固体润滑剂添加剂与所述活塞的表面摩擦化学相互作用以形成其上的保护层。
8.一种用权利要求1的方法生产的发动机。
9.一种操作内燃发动机的方法，所述方法包括:移动所述发动机内的至少一个活塞和至少一个气缸壁，使得所述活塞的移动基本上被限制为沿着在由所述气缸壁限定的区域内的往复方向；提供润滑剂到所述区域；以及引入固体润滑剂添加剂到所述区域，使得在所述活塞在所述气缸壁内的后续往复运动时，在由所述润滑剂携带的并位于所述气缸壁和所述活塞之间的所述固体润滑剂添加剂的一部分之间的摩擦化学相互作用形成在所述气缸壁上的保护层。
10.一种在内燃发动机上摩擦化学形成低摩擦表面的方法，所述方法包括:将液体润滑剂和固体润滑剂添加剂引入到所述发动机的第一部件和所述发动机的第二部件中的至少一个的表面；以及通过内燃过程操作所述发动机以使所述第一部件相对于所述第二部件移动使得在它们之间发生摩擦化学相互作用以形成所述低摩擦表面。
【文档编号】B05D5/08GK103447219SQ201310208213
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2012年5月30日
【发明者】E.P.贝克 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司