具有热障涂层的汽缸衬套组件的制作方法

本发明总体涉及一种汽缸衬套组件，更具体地涉及一种具有在汽缸衬套组件的箍环凹槽中形成的热障涂层的汽缸衬套组件。

背景技术：

内燃机包括限定多个缸膛的发动机缸体、和在缸膛内往复运动以产生机械功率的活塞。通常，每个缸膛均包括可替换的衬套。衬套具有装配在缸膛内的柱形本体、和在柱形本体的顶端处的径向凸缘，该径向凸缘将汽缸衬套支承在发动机缸体上。在一些实施方式中，腔体围绕衬套而在汽缸体内形成，且冷却剂被引导通过腔体来冷却衬套。密封件围绕衬套且抵靠凸缘布置，用以防止冷却剂从腔体中漏出。

在一些应用中，箍环被装配到衬套位于凸缘处的上端部中。箍环具有比衬套的内径略微更小的内径，用于将积碳从相关活塞的顶部刮除。积碳如果被完整保留则最终会磨擦衬套，从而打磨衬套中的含油凹槽。示例性的箍环在于1996年9月10日授予Paro的美国专利No.5,553,585中公开。因用于移除可能打磨衬套中的含油凹槽的积碳，所以箍环也被称为“防打磨”环。

虽然箍环可能在从活塞移除积聚的碳方面是有效的，但是也可能有过多热量通过环且通过衬套到达密封件。在这种情况下，密封件可能过热且变得脆弱或破裂。当密封件的完整性被损坏时，在密封件下方来自腔体的冷却剂便会从发动机缸体中漏出。这会引起发动机过热、其它发动机流体(例如发动机油)的污染、腐蚀以及其它类似问题。

本发明的汽缸衬套组件解决了以上列出的问题和/或所属技术领 域中的其它问题中的一个或多个。

技术实现要素：

在一个方案中，本发明涉及一种汽缸衬套组件。所述汽缸衬套组件可包括：衬套，所述衬套具有沿纵向轴线从顶端延伸到底端的中空的大致柱形本体；和在衬套的顶端处形成的内部环形箍环凹槽。箍环凹槽的内表面可包括金属喷涂涂层，金属喷涂涂层的热传导率小于衬套的基础材料的热传导率以用作热绝缘层。箍环可在衬套的顶端处与金属喷涂涂层接触地布置在箍环凹槽内。密封件可与箍环凹槽的内轴向端大致轴向对准地环绕衬套的外周表面布置。

在另一方案中，本发明涉及一种用于生产能够安装到发动机的汽缸中的汽缸衬套的方法。所述方法可包括：形成汽缸衬套，该汽缸衬套具有沿纵向轴线延伸的中空的柱形本体、和在柱形本体的顶部轴向端处径向向外突出的环形凸缘。所述方法可还包括在柱形本体的顶端处形成内部环形凹部，该内部环形凹部能够沿轴向从凸缘的顶表面到内部轴向肩部地延伸到柱形本体的顶端中，且能够将箍环接纳在该环形凹部内。所述方法还可包括通过金属喷涂工艺将涂层施加在内部环形凹部上，以及将箍环安装到内部环形凹部中。

在又一方案中，本发明涉及一种将热障施加至汽缸衬套的方法，其中汽缸衬套包括沿纵向轴线从顶端延伸到底端的中空的柱形本体、形成在顶端处的内部环形凹部、和在顶端处连接至中空的柱形本体以与发动机的汽缸体接合的凸缘。施加热障的方法可包括对内部环形凹部的至少一部分进行金属喷涂涂覆。金属喷涂涂覆可包括利用从包含低压和高压冷喷涂工艺、等离子喷涂(空气(APS)、真空(VPS)和低压(LPPS))、高速空气燃料热喷涂工艺、高速氧燃料(HVOF)热喷涂工艺、物理气相沉积工艺、溶液等离子喷涂工艺、悬浮等离子工艺、火焰喷涂工艺以及电弧喷涂工艺的喷涂工艺组中选择的工艺。

附图说明

图1是示例性公开的发动机的截面图；

图2是可与图1的发动机结合使用的示例性公开的汽缸衬套组件的截面图；和

图3是可与图1的发动机结合使用的另一示例性公开的汽缸衬套组件的截面图。

具体实施方式

图1示出示例性内燃机10的一部分。内燃机10可包括限定有至少一个缸膛14的发动机缸体12。汽缸衬套组件16可布置在缸膛14内，汽缸盖18可连接到发动机缸体12以封闭缸膛14的端部。汽缸盖垫片19可在汽缸盖18的下表面或点火汽缸体上侧表面(fire deck surface)与发动机缸体12之间提供密封，以及环绕至少一个缸膛14中的每个缸膛的顶端提供密封。活塞20可以可滑动地布置在汽缸衬套组件16内，且活塞20与汽缸衬套组件16及汽缸盖18一起可限定燃烧腔室22。发动机10可包括任何数量的燃烧腔室22，且燃烧腔室22可按照“直列”构型、“V”构型、对置活塞构型或以任何其它合适的构型布置。

活塞20可构造成在汽缸衬套组件16内、在上止点(TDC)位置和下止点(BDC)位置之间往复运动，以有助于腔室22内的燃烧过程。具体的，活塞20可以借助于连杆26可枢转地连接到曲轴24，以使得每个活塞20在汽缸衬套组件16内的滑动运动引起曲轴24的旋转。类似的，曲轴24的旋转可引起活塞20的滑动运动。在二冲程发动机中，活塞20可移动经两个完整冲程以完成燃烧循环，包括做功/排气/进气冲程(TDC到BDC)和进气/压缩冲程(BDC到TDC)。在四冲程发动机中，活塞20可移动经四个完整冲程以完成燃烧循环，包括进气冲程(TDC到BDC)、压缩冲程(BDC到TDC)、做功冲程(TDC到BDC)以及排气冲程(BDC到TDC)。燃料(例如，柴油燃料、汽油、气体燃料，等等)可在任一燃烧循环的进气冲程 期间喷射到燃烧腔室22中。燃料可在压缩冲程期间与空气混合并点燃。燃料/空气点燃所形成的热量和压力然后可在紧跟着发生的做功冲程期间转换成有用的机械功率。剩余气体可在排气冲程期间从燃烧腔室22排出。

可能损坏发动机10的上述来自燃烧过程的热量如果未予说明则可借助于水套28从缸膛14消散。水套28可定位在缸膛14的内壁与汽缸衬套组件16的外壁之间。例如，水套28可在发动机缸体12内在缸膛14的内壁处和/或在汽缸衬套组件16的外壁内的凹部形成。水套28可按需要在发动机缸体12内围绕汽缸衬套组件16完整形成、在汽缸衬套组件16内完整形成、和/或通过铜焊(硬钎焊，braze)至发动机缸体12或汽缸衬套组件16中的任一者的中空套筒(未示出)形成。水、乙二醇、或混合的混合物可被引导通过水套28，用以从发动机缸体12和汽缸衬套组件16吸收热量。

密封件30可围绕汽缸衬套组件16布置以密封水套28的上端。在组装之后，密封件30可夹在汽缸衬套组件16的外壁与缸膛14的内壁之间，以使得水套28内的冷却剂被阻止通过缸膛14的顶部漏出发动机缸体12。密封件30例如可以是由回弹性材料制造的O型圈类型的密封件。

如图2和图3所示，汽缸衬套组件16可以是至少两个主要构件——包括汽缸衬套(“衬套”)32和箍环或防打磨环(“环”)34——与密封件30的组件。衬套32和环34中的每一者均可由相同的普通材料(例如，合金灰口铸铁)制成。在汽缸衬套组件16组装到发动机缸体12的缸膛14中之前，环34可装配到衬套32的上端或外端中。在这个位置，环34可能够接纳活塞20的上环岸(参照图1)。具体的，活塞20的顶端可在每个向上冲程期间滑入环34中一段距离，这允许环34刮除已经在活塞20的外环形表面上在任意相关活塞环上方的位置处积聚的任何积碳。通过刮除积碳，可延长发动机10的寿命。

衬套32可具有沿纵向轴线38延伸的中空的大致柱形的本体36、 和在本体36的顶端或暴露端处径向向外突出的环形凸缘40。凸缘40的下表面42可构造成接合发动机缸体12的上表面44，而凸缘40的上表面46可构造成接合汽缸盖垫片19。环形的凹部或凹槽47可形成在凸缘40下方(即，形成在衬套32的本体36和凸缘40的内侧拐角处)，以用作溢流或积滞的冷却剂的收集腔体。具体的，从水套28经过密封件30泄漏的任何冷却剂都可被收集在凹部47内，且下表面42与上表面44的接合可防止这种收集到的冷却剂从凹部47逸漏。

密封件30可通过定位在密封件30的一个或多个相对侧处的一个或多个端部止动件48而在所需的轴向位置处(例如，与环34的内部轴向端大致轴向对准)保持在衬套32上。在图2和图3中示出的示例性实施方式中，密封件30可与环34的内部轴向端保持大致轴向对准，且位于凸缘40的下表面42与形成在衬套32的外周表面上的端部止动件48之间。如本文中使用的，“大致”轴向对准包含了将制造汽缸衬套32以及把汽缸衬套组件16组装到发动机缸体12中的缸膛14内的过程中的正常制造公差和组装公差考虑在内的密封件30的位置变化。水套28可经由环形通道50与密封件30的下半部流体连通，该环形通道通过衬套直径和缸膛直径在邻近端部止动件48的轴向位置处的差而形成。这种通过环形通道50实现的连通可帮助冷却密封件30。

内部环形凹部或箍环凹槽56可在汽缸衬套32的本体36的顶端形成，且能够接纳箍环34。箍环凹槽56可从凸缘40的顶表面到内部轴向肩部33地延伸到衬套32的顶端中。箍环34在其径向外周表面与径向内周表面之间的径向厚度可略大于箍环凹槽56的内部轴向肩部33的径向宽度。因此，当环34装配到箍环凹槽56中时，环34的内径可小于汽缸衬套32的本体36的内径。通过这种构型，可在箍环34的底部与环34的内径之间形成阶状部。这个阶状部可随着活塞接近TDC而与活塞20的顶端相互作用，用以刮除上述积聚的碳。

在燃烧腔室22的燃烧过程期间产生的热量可通过衬套32的在密封件30与箍环34的内部轴向端之间的上部部分被径向向外传导。这个上部衬套密封区可能尤其易受由于箍环34在燃烧过程期间所经历的高温造成的大量热量传递的影响。当活塞20在每个做功冲程起始靠近TDC时在燃烧腔室22中的燃料/空气混合物的每次燃烧期间均产生高温。因此，可能在箍环34的内部轴向端与环32的在凹部47、密封件30、环形通道50附近的外周表面之间存在大的温差。由于在环32的与冷却剂接触的外周表面上的较冷区域，所以在环32的内周表面与外周表面之间的温差可尤其在诸如上部衬套密封区的区域内是显著的。这些大的温度梯度可导致通过衬套在密封件30附近的热传导，这会将密封件30暴露于高温且引起密封件30寿命的不利减少。

如图2所示，热障涂层55可形成在箍环凹槽56的内周表面上，且热障涂层57可形成在内部轴向肩部33上。在图3中示出的替代性实施方案中，热障涂层55可形成在箍环凹槽56的内周表面上，而内部轴向肩部33可免除任何涂层。热障涂层55、57可通过将材料喷涂在箍环凹槽的与箍环34接触的表面上形成，由此用于减少通过汽缸衬套32而在箍环34与密封件30之间的上部衬套密封区中产生的热传导的量。各种实施方式可包括这样的热障涂层，即，该热障涂层的热传导率在汽缸衬套32的基础材料的热传导率的约10％至90％的范围内。

在以下段落中论述用于生产汽缸衬套32的方法和用于将热障涂层55、57施加到箍环凹槽56的表面的方法。

工业实用性

所公开的汽缸衬套组件16可在期望增加相关发动机的可靠性和运转寿命的任何应用中使用。所公开的汽缸衬套组件可通过降低安装在组件16的汽缸衬套32上的密封件30所经历的温度来增加可靠性和运转寿命。密封件30处的温度可通过使用施加在汽缸衬套32 与相关的箍环34之间的界面处的热障涂层而降低。热障涂层55、57可施加到在汽缸衬套32的顶端处形成的箍环凹槽56的内周表面和内部轴向肩部。箍环34然后可装配到箍环凹槽56中，且密封件30可环绕衬套的位于凸缘40的下表面42下方且位于形成在衬套32的外周上的端部止动件48上方的外周安装。汽缸衬套组件16然后可安装到缸膛14中，其中衬套32的凸缘40与发动机缸体12的上表面44接合用以帮助将衬套定位在缸膛14中。汽缸盖垫片19可在凸缘40的顶表面46与汽缸盖18的下表面(或“点火汽缸体上侧”)之间提供密封。

将热障涂层55、57施加到箍环凹槽56的内周表面和内部轴向肩部33，可包括通过热喷涂技术沉积这些涂层，所述热喷涂技术例如是等离子喷涂(空气(APS)、真空(VPS)和低压(LPPS))、高速空气燃料热喷涂工艺、或高速氧燃料(HVOF)热喷涂工艺。热喷涂涉及将能热熔的材料(例如金属合金)的熔化的或至少热软化的微粒推到表面，所述微粒在该表面处淬火且结合到该表面以生成涂层。热障涂层55、57可以熔化的“溅射物”的形式沉积，从而产生以由溅射物(平的颗粒，flattened grains)的存在引起的水平孔隙度为特征的微观结构。热障涂层可利用其它沉积工艺沉积，其示例可包括低压和高压冷喷涂工艺、物理气相沉积工艺、溶液等离子喷涂工艺、悬浮等离子工艺、火焰喷涂工艺以及电弧喷涂工艺。

各种涂层施加参数可在涂覆处理期间受控，以产生定位在汽缸衬套组件16的上部衬套密封区中、位于箍环56与密封件30之间的热障。涂层施加参数可受控，以生成这样的热障涂层，即，与无涂层的衬套相比，所述热障涂层明显减少了通过衬套热传导的量。涂层施加参数可受控以生成这样的材料涂层，即，所述材料涂层将具有增加的声子散射，并因此具有相对于该涂层的构成材料以及相对于衬套材料而言较低的热传导率。与金属的晶格结构的元激发相关的热能的量子称为声子。声子通常被称为准粒子。与在具有较低热传导率的材料(诸如绝缘材料)中相比，在具有较高热传导率的材 料中声子以更少量的散射行进通过该材料的晶格结构。材料的热喷涂层可具有比涂层的构成材料显著更低的热传导率。这是因为作为热喷涂层沉积的材料微粒比构成材料生成更多的声子散射，且因此具有对通过涂层的热能的热传导更大的阻力。因此，由与其上施加涂层的基底的基础材料相同的构成材料制成的热喷涂层可具有比基底的热传导率更低的热传导率。

热喷涂涂覆工艺的可变化从而获得具有较低热传导率的热障涂层的参数可包括：喷射距离、或喷涂喷嘴与被涂覆表面之间的距离；和空气的空气压力，该空气压力用于将被施加的熔化的涂层材料推至表面。其它涂层施加参数可包括：用于熔化用于涂层材料的线材或粉末给料的电流量，喷涂方向与表面之间的角度，温度，湿度，以及在涂层施加期间喷涂喷嘴相对于表面移动的横向速度。对这些和其它热喷涂参数的控制可引起涂层的微观结构的改变，包括涂层的多孔性、和在涂层微粒上形成的氧化物的量。涂层的微观结构的改变可有助于在通过涂层热量传导期间声子散射的增加，且因此与不具有热障涂层的相同部分相比有助于减小已经被涂覆的部分的热传导率。

用于在汽缸衬套32中的箍环凹槽56的内周表面和内部轴向肩部上形成热障涂层55、57的材料的类型可包括各种金属合金。在一些替代性实施方案中，用于热障涂层的给料材料可与汽缸衬套的材料相同。在其它实施方案中，涂层材料可包括镍合金、镍铝合金、铁铬铝合金、具有高硅含量的铝合金、铝铜合金、不锈钢以及碳钢。涂层材料可以线材或粉末的形式作为给料提供，且可利用以上描述的任意热喷涂涂覆工艺被热喷涂。

对本领域技术人员而言明显的是，能够对所公开的汽缸衬套组件和将热障涂层施加到衬套的方法做出各种修改和变型。对本领域技术人员而言通过考虑所公开的方法的说明和实践，其它实施方式是明显的。旨在将说明书和实施例仅当作示例性的，由所附权利要求及其等同方案指明本发明真正的范围。