用于气缸孔涂层填充材料的系统和方法与流程

本说明书总体上涉及用于用一种或多种填充材料至少部分地填充存在于气缸孔涂层中的至少一些表面孔隙的方法和系统。

背景技术：

发动机缸体(气缸体)包括气缸孔，所述气缸孔容纳内燃发动机的活塞。发动机缸体可以由例如铸铁或铝铸成。铝比铸铁轻，并且可以被选择以便减轻车辆的重量并提高燃料经济性。铝制发动机缸体可以包括缸套，诸如铸铁缸套。如果无缸套，则铝制发动机缸体可以在孔表面上包括涂层。无缸套缸体可以接收涂层(例如，等离子涂覆孔过程)以减少磨损和/或摩擦。

每个气缸孔的内表面在涂覆之前进行机械加工，使得所述表面以合适的耐磨性和强度而用于汽车应用。机械加工过程可以包括使内表面粗糙化，将金属涂层施加到粗糙表面，珩磨金属涂层以获得精加工内表面，并清洁内表面以去除毛刺和碎屑。涂覆和/或珩磨过程可以在内表面上产生表面孔隙，所述表面孔隙可以用于保留油或其他润滑剂，从而减少活塞与缸孔的内表面之间的摩擦。

maki等人在第2019/0017463号美国公开案中示出了一种用于涂覆发动机缸体的气缸孔或缸套表面的示例性方法。其中将涂层喷涂到发动机孔表面上，珩磨涂覆的表面以形成包括多个表面孔隙的经珩磨的表面区域，并且在所述经珩磨的表面区域的一个或多个区域中清洁所述经珩磨的表面区域以从所述多个表面孔隙中的至少一些表面孔隙中去除材料。

然而，本文的发明人已认识到此类系统的潜在问题。作为一个示例，尽管上述清洁过程仅可以在经珩磨的表面区域的某些区域(例如，需要高的活塞速度的区域)中执行以便产生具有不同孔隙率的区域，但是在其中不一定需要孔隙率的某些区域中可能仍然存在孔隙。此外，可以在上止点和下止点附近/处包括活塞环反转区域(ringreversalregion)的这些区域可能会受益于气缸孔或缸套表面中通常不存在的附加的性能增强材料。

技术实现要素：

在一个示例中，上述问题可以通过一种用于发动机的气缸来解决，所述气缸包括内表面，所述内表面包括具有多个表面孔隙的涂层，所述多个表面孔隙的至少一部分填充有一种或多种填充材料，所述一种或多种填充材料被配置为减少摩擦，增加摩擦膜形成，调整热传递，减少材料沉积，和/或减少磨合持续时间。

作为一个示例，所述一种或多种填充材料可以包括固体润滑剂，诸如石墨、二硫化钼、银纳米颗粒、铜基粉末和糊剂、氧化铜纳米颗粒、二硫化钨、铜和石墨烯，它们可以减少摩擦和/或增加摩擦膜形成。至少在一些示例中，一种或多种填充材料可以仅在选择区域(诸如环反转区域)中填充表面孔隙，这可以允许气缸的中间区域中的表面孔隙保持开放以容纳润滑油。因此，沿着气缸长度可以提供不同的摩擦/润滑量，从而尤其是在冷启动条件下促进更长期保持润滑，这将减少环与气缸套之间的摩擦力以及金属间接触，从而减少对发动机的磨损和/或损坏。此外，顶部环反转区域可能暴露于燃烧，这可能导致将油保持在顶部环反转区域中面临挑战。通过在顶部环反转区域处的孔隙中提供固体润滑剂，可以减少在顶部环反转区域处的摩擦。

应当理解，提供以上发明内容是为了以简化形式介绍将在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。这并不意味着标识所要求保护的主题的关键或本质特征，所要求保护的主题的范围由具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示意性地示出了发动机的气缸的示例。

图2是图1的气缸的一部分的放大图。

图3示出了用填充材料填充气缸孔表面的表面孔隙的示例性过程。

图4是示出了用于将具有表面孔隙的涂层施加到气缸内表面并用填充材料填充表面孔隙中的至少一些表面孔隙的示例性方法的流程图。

具体实施方式

使用表面孔隙率来增强气缸孔中的保油性是传统珩磨的一种更好的替代方法。这种方法允许一种增强保油性的潜在低成本方法，所述方法增强润滑以及降低粗糙度，从而减少摩擦。然而，活塞环组接触的速度和接触压力与孔壁的关系随沿着气缸孔的距离而变化。因此，可以为孔冲程的不同区域定制可变的孔隙率结构。通常，期望孔的大部分具有较高数量的孔隙，而孔的上部和下部环反转区域具有较少数量的显露孔隙。尽管可以采用多种方法来实现可变孔隙率涂层，但是所有提议的方法都是通过在一些区域选择性地形成孔隙来实现这个目标的。因此，所提议的方法没有充分利用顶部环和底部环反转区域中的孔隙。

本文公开的实施例聚焦于在各个区域中使用孔隙作为将性能增强材料引入孔壁的方式。在这种方法中，某些区域(诸如顶部和底部区域)中的孔隙可以填充有化合物以增强系统的局部性能。例如，可以将低摩擦且低磨损材料植入孔隙中以增强边界润滑中的接触性能。这种材料可以是合适类型的元素、化合物、固体润滑剂或任何其他低摩擦或低磨损材料。这是值得注意的，因为环/孔接触会在上止点位置承受最高的热负荷和机械负荷。因此，引入这种材料可以帮助系统在摩擦和磨损方面具有更好的性能。

作为另一个示例，可以在孔隙中植入用于增强在顶部和底部环反转(tdc和bdc)处的摩擦膜形成的材料。摩擦膜是润滑剂会沉积在表面上以减少摩擦和磨损的薄膜。这些膜是油/孔的副产物并且通常需要花时间才能形成。因此，在膜完全形成之前，表面可能会经历很大的磨损和摩擦。在一些化学化合物(诸如二烷基二硫代磷酸锌(zdtp)和磷基离子液体)的存在下，可以更快或以更高质量形成这些膜。因此，孔隙可以用于局部引入这些材料并增强在tdc和bdc处的摩擦膜形成。

此外，可以将用于调整热传递(尤其是在孔暴露于燃烧热的tdc处)的材料植入孔隙中。引入这个区域的孔隙中的材料可能取决于整个系统设计而具有导电或绝缘作用，以调谐孔壁温度并使发动机效率最大化。此类材料的示例可以包括铜、银或铝基颗粒。

在其他示例中，可以将用于减少沉积物形成(尤其是在孔暴露于燃烧排气的上止点(tdc)中)的材料引入孔隙中。排气可能将烟粒或其他化学化合物的形式的不需要的材料沉积在孔壁和环上。在某些材料的存在下，可以减少或消除沉积物的形成。这些材料包括但不限于混合物和化合物，诸如zdtp和磺酸钙。此外，所述材料可以包括催化材料，诸如铂、钯和铑。孔隙可以用于将这些材料引入孔壁。

用于减少环/孔界面处的磨合过程并帮助系统更早地实现稳态摩擦的材料可以被引入孔隙中。发动机需要一定的磨合过程才能在摩擦方面达到最佳性能(例如，更低的摩擦和更好的燃料经济性)。在某些材料、化学化合物或颗粒的存在下，可以缩短磨合过程。例如，可以通过在珩磨过程中产生镜面抛光表面(mirrorfinishsurface)来实现快速磨合，所述镜面抛光表面形成附加的孔隙。然而，硬质材料(如碳化钨)或陶瓷(如氮化硅、碳化硅、氧化铝等)可能会渗入孔隙中，从而可以促进更快地从环表面中去除表面微凸体。这可以帮助实现更快的磨合。然而，这些材料可能会增加摩擦。可以使用孔隙将这些材料引入孔壁以尽早实现最佳性能。

现在转向图1，示出了可以包括在车辆、固定发电装置或其他平台中的内燃发动机10的气缸14的示例。发动机10的气缸(在本文中也被称为“燃烧室”)14可以包括燃烧室壁136，其中活塞138定位在所述燃烧室壁中。活塞138可以联接到曲轴140，使得活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。曲轴140可以经由例如变速器联接到车辆的至少一个驱动轮。

发动机10的气缸14可以经由一个或多个进气通道(诸如进气通道146)来接收进气。至少在一些示例中，进气通道146还可以与发动机10的除了气缸14之外的其他气缸连通。节气门(包括节流板)可以设置在发动机进气通道中以改变被提供给发动机气缸的进气的流速和/或压力。

排气通道148还可以从发动机10的除了气缸14之外的其他气缸接收排气。排气通道148中可以包括一个或多个排放控制装置(例如，三元催化器、nox捕集器、各种其他排放控制装置或它们的组合)以在排气被释放到大气中之前处理排气中的排放物。

发动机10的每个气缸可以包括一个或多个进气门和一个或多个排气门。例如，气缸14被示为包括位于气缸14的上部区域处的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀156。在一些示例中，发动机10的每个气缸(包括气缸14)可以包括位于气缸的上部区域处的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。进气门150可以由控制器经由致动器来控制。类似地，排气门156可以由控制器经由致动器来控制。进气门150和排气门156的位置可以由相应的气门位置传感器(未示出)确定。气门致动器可以是电动气门致动型的、凸轮致动型的或它们的组合。

气缸14可以具有一定压缩比，所述压缩比是活塞138处于下止点(bdc)时的容积与处于上止点(tdc)时的容积之比。在一个示例中，压缩比在9:1至10:1的范围中。然而，在使用不同燃料的一些示例中，所述压缩比可增大。例如，当使用较高辛烷值燃料或具有较高汽化潜焓的燃料时，可能发生这种情况。如果使用直接喷射，由于直接喷射对发动机爆震的影响，则压缩比也可以增加。

在一些示例中，发动机10的每个气缸可以包括用于发起燃烧的火花塞192。在选择操作模式下，点火系统可以响应于来自控制器的火花提前信号而经由火花塞192向燃烧室14提供点火火花。

在一些示例中，发动机10的每个气缸可以配置有一个或多个燃料喷射器以向其提供燃料。作为非限制性示例，气缸14被示为包括燃料喷射器166。燃料喷射器166可以被配置为输送从燃料系统接收的燃料，所述燃料系统可以包括一个或多个燃料箱、燃料泵和燃料轨。燃料喷射器166被示出为直接地联接到气缸14，以用于与经由电子驱动器从控制器接收的信号的脉冲宽度成比例地在其中直接地喷射燃料。通过这种方式，燃料喷射器166提供所谓的燃料直接喷射(下文也被称为“di”)到气缸14中。尽管图1示出了定位到气缸14的一个侧面的燃料喷射器166，但是燃料喷射器166可以替代地位于活塞的顶部，诸如靠近火花塞192的位置。由于一些醇基燃料的较低挥发性，所以当使用醇基燃料操作发动机时，这样的位置可能增加混合和燃烧。替代地，喷射器可以位于顶部并在进气门附近以增加混合。燃料可以经由高压燃料泵和燃料轨从燃料系统的燃料箱输送给燃料喷射器166。

在一些示例中，气缸14可以另外或替代地从以提供所谓的进入气缸14上游的进气道的进气道燃料喷射(在下文中被称为“pfi”)的配置布置在进气通道146中的燃料喷射器接收燃料。

如上所述，图1仅示出多缸发动机的一个气缸。因此，每个气缸可以类似地包括其自己的一组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。应当理解，发动机10可以包括任何合适数量的气缸，包括2个、3个、4个、5个、6个、8个、10个、12个或更多个气缸。此外，这些气缸中的每一者可以包括由图1参考气缸14所描述和示出的各种部件中的一些或全部。

发动机10可以包括气缸体，所述气缸体包括多个气缸孔，每个气缸孔限定气缸的底部(每个气缸的顶部可以由容纳进气门和排气门、火花塞和/或燃料喷射器的气缸盖限定)。发动机缸体可以由合适的材料(诸如铝、铸铁、镁或它们的合金)形成。在一些示例中，发动机缸体是无缸套发动机缸体。在这些示例中，孔可以在其上具有涂层。在一些示例中，发动机缸体可以包括插入或铸入孔中的气缸套。缸套可以是具有外表面、内表面和壁厚的空心圆柱体或管。

如果发动机缸体母体材料是铝，则可以在气缸孔中提供铸铁缸套或涂层以对气缸孔提供提高的强度、刚度、耐磨性或其他性质。例如，铸铁缸套可以在发动机缸体已经形成(例如，通过铸造形成)之后铸入发动机缸体中或者压入气缸孔中。在另一个示例中，铝制气缸孔可以是无缸套的，但是可以在发动机缸体已经形成(例如，通过铸造形成)之后涂覆有涂层。在另一个实施例中，发动机缸体母体材料可以是铝或镁，并且铝或镁缸套可以插入或铸入发动机孔中。

因此，气缸孔的孔表面可以通过多种方式并且由多种材料形成。例如，孔表面可以是铸铁表面(例如，来自铸铁发动机缸体或铸铁缸套)或铝表面(例如，来自无缸套的al缸体或al缸套)。如本文所使用的，术语孔表面或气缸内表面可以指代无缸套缸体的表面或(例如，通过干涉配合或通过铸入)已经设置在气缸孔内的气缸套或套筒的表面。因此，燃烧室壁136可以包括无缸套缸体的气缸孔，或者燃烧室壁136可以包括气缸套或套筒。在任一种情况下，燃烧室壁136可以涂覆有一种物质(或物质混合物)或以其他方式形成为具有期望材料性质，以便减少活塞与燃烧室壁之间的摩擦，增强保油性等等，如下面将更详细解释的。

图2示出了气缸14的一部分的放大图，具体是燃烧室壁136的在活塞壳体区域(例如，活塞138被配置为沿着其移动的壁136的区域)中的一部分的放大图。燃烧室壁136被涂覆有沿着活塞区域204延伸的涂层202。活塞区域204从与活塞的上止点(tdc)相对应的最高位置延伸到与活塞的下止点(bdc)相对应的最低位置。图2以虚线在两个位置示出了活塞138的一部分：其中活塞的顶部表面/环组处于tdc时的第一位置212a，以及其中活塞的顶部表面/环组处于bdc时的第二位置212b。至少在一些示例中，涂层202可以联接到和/或形成为燃烧室壁136的沿着整个活塞区域204的一部分，但是应当理解，涂层202可以沿着燃烧室壁在活塞区域204的外部(例如，活塞区域204的在上方和/或下方)延伸。

涂层202可以是为发动机缸体气缸孔提供足够的强度、刚度、密度、磨损性质、摩擦、疲劳强度和/或导热系数的合适涂层。在至少一个实施例中，涂层可以是铁基或钢基涂层。合适的钢成分的非限制性示例可以包括从1010号至4130号钢的任何aisi/sae钢材等级。钢也可以是不锈钢，诸如aisi/sae400系列中的那些(例如，420)。然而，也可以使用其他钢成分。涂层不限于铁或钢，并且可以由其他金属或非金属形成或包括其他金属或非金属。例如，涂层可以是陶瓷涂层、聚合物涂层或非晶碳涂层(例如，dlc或类似物)。因此，涂层类型和成分可以基于应用和期望性质而改变。另外，气缸孔中可能有多种涂层类型。例如，可以将不同的涂层类型(例如，成分)施加到气缸孔的不同区域和/或涂层类型可以根据整个涂层的深度(例如，逐层)变化。

通常，施加涂层202并最终确定孔尺寸和性质的过程可以包括几个步骤。首先，可以制备孔表面以接收涂层。如上所述，孔表面可以是铸造的发动机孔或缸套(铸入或干涉配合)。表面制备可以包括对表面进行粗糙化和/或洗涤以改善涂层的粘附/粘结。接下来，可以开始涂层的沉积。涂层可以通过任何合适的方式(诸如喷涂)施加。在一个示例中，可以通过热喷涂(诸如线材等离子转移电弧(ptwa)喷涂)来施加涂层。可以通过将涂层旋转喷涂到孔表面上来施加涂层。可以旋转喷嘴、孔表面或两者以施加涂层。可以(例如，通过控制器)调整沉积参数以在涂层中产生不同水平的孔隙率。可以在施加涂层时进行调整，或者可以暂停施加以调整参数。可以使用相同的或经进一步调整的沉积参数来施加涂层的附加层。

在施加涂层之后，可以根据指定的发动机孔尺寸将所述涂层珩磨至最终孔直径。在一些实施例中，可以在珩磨之前执行任选的机械加工操作，诸如钻孔、切块(cubing)等，以便减少珩磨期间的切削量。珩磨过程可以包括将具有研磨颗粒的旋转工具插入气缸孔中以将材料去除至受控直径。研磨颗粒可以附接到称为珩磨石的单个零件上，并且珩磨工具可以包括多个珩磨石。珩磨过程可以包括一个或多个珩磨步骤。如果有多个珩磨步骤，则珩磨过程的参数(诸如粒度和所施加的力)可能因步骤而异。珩磨过程可以从涂层中去除材料，并提供具有最终孔直径的高度圆柱形孔壁(例如，燃烧室壁)。如本文所述，涂层表面可以是由珩磨过程产生的表面，并且可以被称为经珩磨的表面区域。

如本文所使用的，经珩磨的表面区域可以是涂层中包括涂层的表面并且在所述表面下方相对较小深度(例如，在所述表面下方最多5μm、10μm、25μm或50μm)的区域。已经发现，经珩磨的表面区域的孔隙率(例如，平均表面孔隙率)通常可以通过两种类型的孔隙来描述，所述孔隙可以被称为初级孔隙和次级孔隙。初级孔隙可以是在涂覆过程(例如，喷涂)期间产生的那些孔隙。这些孔隙(例如，孔隙率和大小)通常可以通过涂层参数来控制。次级孔隙可以是在涂层已经沉积之后形成或产生的那些孔隙。

在珩磨过程期间，从涂覆的孔表面去除的材料或孔隙的毛刺或边缘可能会涂抹在孔隙表面上方或填充在孔隙中。这可能会导致表面孔隙率较低，并显著降低孔隙对油和/或孔填充材料(将在下面描述)的保持能力。因此，可以执行清洁过程以清洁孔/缸套表面以显露孔隙。清洁过程可以包括对孔涂层表面执行一次或多次清洁道次。在一个实施例中，清洁过程可以包括高压喷水。可以将喷涂控制成喷涂图案，诸如扇形喷涂图案(例如，基本上2d喷涂图案)。其他可能合适的清洁方法包括喷冰(例如，水基或co2基)、刷涂或非常精细的研磨介质。然而，这些方法是示例，并且无意是限制性的。

在一些示例中，气缸孔可以包括具有更多减阻需求因此具有更高润滑剂保持需求的特定区域，使得在那些区域中可能期望具有更高表面孔隙率的区域或者通过清洁而显露的更多孔隙。在一些示例中，可以执行选择性清洁过程，所述选择性清洁过程以受控过程从孔隙中去除材料以在气缸孔的某些区域或经珩磨的表面区域的各区域中以一定程度显露孔隙，从而产生定制的表面纹理。选择性清洁过程会在珩磨气缸表面操作期间在一定程度上或在孔表面的某些区域中露出或暴露填充或涂抹在孔隙上方的碎屑。例如，活塞环组在其中行进的气缸孔表面由特定区域制成，所述特定区域中的一些区域比其他区域更多地受益于更高的平均表面孔隙率。通过针对特定区域定制清洁过程，润滑剂和/或孔隙填充材料(将在下面进行描述)沉积可以在活塞环行进所需的位置得到确切改善。通过选择性地清洁经珩磨的表面区域，可以定制表面纹理以适当地暴露涂覆表面上的孔隙。

返回到图2，涂层202可以包括根据气缸高度/活塞行程而变化的不同区域。在图2中所示的示例中，涂层可以包括上部区域206、下部区域208和中间区域210。上部区域206可以对应于上部环反转区域，其中活塞的环组(其是活塞的与燃烧室壁136/涂层202接触的区域)在其从bdc到tdc的途中减速，到达tdc，然后反转方向，再朝bdc向下移动。同样地，下部区域208可以对应于下部环反转区域，其中活塞的环组在其从tdc到bdc的途中减速，到达bdc，然后反转方向，再朝tdc向上移动。

中间区域210可以设置在上部区域与下部区域之间。中间区域210可以包括气缸套或孔壁的大部分，或者根据活塞的曲柄转角覆盖气缸孔的特定高度。类似于曲柄转角，上部区域206和下部区域208以及中间区域210可以覆盖孔表面的与活塞具有特定速度的位置相对应的区域(例如，高度范围)。出于示例性目的，讨论了所述区域的曲柄转角，但是其他性质也可以适用。上部区域206和下部区域208可以或可以不具有相同高度，并且可以在上部环和下部环上反映出来。作为一个非限制性示例，从bdc开始，下部区域208可以从0°ca延伸到大约40°ca，中间区域210可以从大约40°ca延伸到140°ca，而上部区域可以从大约140°ca延伸到180°ca。在其他实施例中，上部区域、下部区域和中间区域的高度可以不同于上面公开的那些高度。例如，上部区域和下部区域可以具有不同的高度。此外，如图2中所示，下部区域208可以延伸超过活塞区域204。例如，下部区域208包括如上所述的从0°延伸到40°ca的顶部和在bdc以下延伸等效高度的底部。

中间区域210可以包括三个子区域：第一子区域210a、第二子区域210b和第三子区域210c。在图2中所示的示例中，第一子区域210a和第三子区域210c可以具有相同的高度，所述高度可以大于第二子区域210b的高度。当活塞在tdc与bdc之间的中途时，第二子区域210b可以是沿着气缸内表面的与活塞接触的区域延伸的中间冲程区域。在非限制性示例中，从bdc开始，第三子区域210c的高度可以从40°ca延伸到80°ca，第二子区域210b的高度可以从80°ca延伸到100°ca，而第一子区域210a的高度可以从100°ca延伸到140°ca。

在一些示例中，上部区域206和下部区域208的表面孔隙率(例如，平均表面孔隙率)可以具有至多3％的平均表面孔隙率。例如，上部区域和下部区域的孔隙率可以是但不限于至多2.5％、2％或1.5％。如本文所公开的，“平均表面孔隙率”可以指代表面孔隙率，或者涂层的由孔隙(在引入润滑剂和/或在下面描述的孔填充材料之前的空的空间或空气)构成的表面的百分比。在一些示例中，中间区域210的表面孔隙率可以大于上部区域/下部区域的表面孔隙率。在一个实施例中，中间区域210的表面孔隙率(例如，平均表面孔隙率)可以至少为2％(例如，至少3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％或20％)。在其他示例中，上部区域、下部区域和中间区域的表面孔隙率可以相同。例如，整个涂层的平均表面孔隙率可以在3％至20％的范围内。

基于显露一个或多个区域中的孔隙的选择性清洁过程，孔隙的大小或直径、孔隙深度和/或低和高珩磨表面孔隙率区域中的孔隙分布可以相同或不同。在一个实施例中，上部区域/下部区域和中间区域的均值或平均孔隙大小可以相同或类似，而基于选择性洗涤过程，表面孔隙率是不同的。上部区域/下部区域和中间区域的平均孔隙大小可以是但不限于0.1μm至750μm或其中的任何子范围。在另一个实施例中，可以在清洁过程期间基于直径或孔隙深度选择性地显露孔隙，但不限于显露大小/深度的约10％至95％、约15％至90％、约20％至85％或约25％至80％以获得选择性表面纹理。在另一个实施例中，基于表面孔隙率的孔隙分布可以基于一个或多个区域而选择性地显露。某些区域可以显露较高百分比的孔隙。例如，上部区域206和下部区域208中的孔隙可以显露至表面孔隙率为约0.1％至3％，而中间区域210可以显露至表面孔隙率为约2％至20％。在其他示例中，可以对整个涂层/气缸内表面执行清洁使得下部区域、上部区域和中间区域全部都具有约2％至20％的显露表面孔隙率。为了实现所述表面孔隙率，清洁过程可以基于直径或孔隙深度显露选定区域内的孔隙，例如约10％至95％的孔隙。在其他实施例中，孔隙大小/深度可以在整个区域中保持均匀，但是与上部区域206和下部区域208相比，可以在中间区域210中选择性地显露更多的孔隙以实现期望的表面孔隙率。

可以用一种或多种填充材料填充在涂层中形成的孔隙中的至少一些孔隙以提供期望的性能。例如，一种或多种填充材料可以被配置为减少摩擦，增加摩擦膜形成，调整热传递，减少材料沉积和/或减少磨合持续时间。所述一种或多种填充材料可以包括石墨、二硫化钼、银纳米颗粒、铜基粉末和糊剂、氧化铜纳米颗粒、二硫化钨、铜和石墨烯中的一者或多者，它们可以减少摩擦和/或增加摩擦膜形成。通过增加摩擦膜形成，可以减少发动机的磨合持续时间。(磨合持续时间可以包括发动机制造后和发动机使用期间由于润滑油的存在和活塞的往复运动而沿着气缸孔表面形成摩擦膜的持续时间)。另外或替代地，一种或多种填充材料可以包括铜基、铝基和银基颗粒中的一种或多种，它们可以调整(例如，增加)热传递。另外或替代地，一种或多种填充材料可以包括铂、钯和铑，它们是催化的并且可以用于减少烟粒或其他材料在气缸内表面的涂层上的沉积。至少在一些示例中，填充材料可以是与包括涂层的材料不同的材料。

一种示例性填充材料包括铜基抗咬合化合物。基于铜粉，这些铜基抗咬合化合物可以用于其中部件暴露于高于1000℃的温度以防止高温咬合的应用中。第二示例性填充材料是硫化钼(mos2)，它是一种稳定的干式润滑剂；mos2颗粒的大小通常<100μm。mos2可以与氮化钛结合以形成非常稳定的复合涂层，所述复合涂层可以经由化学气相沉积来施加。

通过用填充材料填充至少孔隙中的一些孔隙，可以实现附加的期望性质。具体地，填充其中高表面孔隙率并不理想或并非有利的一个或多个区域(诸如其中油的保持面临挑战性的区域或其中油不能充分有助于减摩的区域)中的孔隙是有益的。如上文所解释的，在气缸内表面的上部区域和下部区域中，用于保持油的高表面孔隙率可能是不利的，其中活塞反转方向。因此，至少在一些示例中，上部区域和/或下部区域中的表面孔隙可以填充有一种或多种填充材料，所述填充材料可以用于提供期望的材料/性能性质，诸如增强的减摩。

在一些示例中，气缸内表面的不同区域中的孔隙可以填充有不同材料。例如，上止点区域和下止点区域(例如，上部区域和下部区域)可以填充有固体润滑剂(mos2)以减少摩擦，而止点区域与中间冲程之间的区域可以填充有硬质颗粒以促进更快的磨合。然而，可以保持至少一些区域中的至少一些孔隙没有(或至少部分地没有)一种或多种填充材料以促进油保持在气缸孔/缸套的区域中。

在第一示例中，上部区域206和下部区域208的暴露表面孔隙可以填充有一种或多种填充材料，诸如mos2、二硫化钨、铜或铜基颗粒、银基颗粒或其他填充材料。中间区域210的暴露表面孔隙可以保持暴露以便促进保油性。在一些示例中，中间区域210的第二子区域210b的暴露表面孔隙也可以填充有上述填充材料，而第一子区域210a和第三子区域210a没有填充材料。

在第二示例中，上部区域206和下部区域208的暴露表面孔隙可以保持暴露，因此没有填充材料。中间区域210的暴露表面孔隙可以填充有一种或多种填充材料，诸如mos2、二硫化钨、铜或铜基颗粒、银基颗粒或其他填充材料。在一些示例中，仅中间区域210的第一子区域210a和第三子区域210c的表面孔隙可以填充有一种或多种填充材料，而第二子区域210b的表面孔隙可能未填充有一种或多种填充材料。

选择用哪一种或多种填充材料填充表面孔隙以及选择气缸内表面的哪个或哪些区域要进行用一种或多种填充材料填充表面孔隙的过程可以基于发动机配置和/或由一种或多种填充材料赋予的期望材料性能。例如，如果需要增强热传递，则可以在上部区域的孔隙中填充铜基、银基和/或铝基颗粒，而其他区域可能没有填充材料。在另一个示例中，如果期望增加减摩，则可以选择其中添加固体润滑剂可以有助于减摩的任何区域作为用于用一种或多种填充材料进行孔隙填充的目标区域。

图3示意性地示出了用于填充气缸内表面涂层的表面孔隙的示例性过程300。图3示出了图3中所示的过程随时间变化的五个示例性部分。所述过程的第一部分310包括在气缸内表面上制备涂层301，其中所述涂层包括被配置为接收填充材料的表面孔隙(诸如表面孔隙302)。如本文所使用的，表面孔隙在涂层的表面包括开口/凹穴，所述开口/凹穴可以容纳空气、油或其他材料，其中所述开口暴露于气缸的内部容积。涂层301可以在涂层内包括附加孔隙，但是涂层内未暴露于气缸内部容积的孔隙不被认为是表面孔隙。涂层可以包括钢、不锈钢、陶瓷或其他合适的材料。可以通过如上文所解释施加涂层(例如，将涂层喷涂在气缸孔或气缸套的内表面上)、珩磨涂层直至实现期望的气缸容积以及清洁经珩磨的表面以显露表面孔隙来制备涂层。例如，清洁过程可以包括在溅射涂层的情况下的辉光放电，或在大多数其他涂层的情况下的化学蚀刻。在一些示例中，可以仅清洁涂层的中间区域，从而导致涂层/内表面的上部区域和下部区域的平均表面孔隙率较低。在其他示例中，可以清洁气缸的整个活塞区域，使得上部区域、中间区域和下部区域各自具有近似相同的平均表面孔隙率。涂层301是图2的涂层202的非限制性示例。

在将涂层301施加到缸套或孔内表面之后，在过程300的第二部分320期间将掩模304施加到涂层的一个或多个区域。掩模可以包括塑料、金属、玻璃纤维、硅、织物和/或其他合适的材料，并且可以经由粘附剂、紧固件或其他机构可去除地附接到涂层。掩模304的大小和形状被设置为将涂层的一个或多个区域与将在所述过程的后续部分中施加的填充材料屏蔽开，而涂层的一个或多个附加区域未被遮蔽。作为示例，掩模304可以遮蔽涂层的中间区域，而上部区域和下部区域未被遮蔽。

在过程300的第三部分330中，将一种或多种填充材料306施加到涂层301和掩模304。一种或多种填充材料可以包括石墨、二硫化钼、银纳米颗粒或其他银基颗粒、氧化铜纳米颗粒或其他铜基颗粒、铝基颗粒、石墨烯、二硫化钨和/或具有非油溶性并提供期望的材料性质(诸如减少摩擦或减少沉积物累积)的其他材料。可以使用喷涂过程(诸如热喷涂、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、冷喷涂等)来施加一种或多种填充材料。如第三部分330处所示，填充材料306填充涂层301的暴露表面孔隙，诸如孔隙302。

对于热喷涂，填充材料可以为大小小于孔隙开口的离散粉末颗粒的形式。另外，可以控制气压使得颗粒碰撞并松散地机械地附接在孔隙内部。这将允许在孔隙的上端累积一层填充材料，其将会在发动机操作期间可供溢出。在示例中，填充材料可以通过使用空气作为载体的旋转枪通过冷喷涂过程来施加。可以调整压力使得颗粒被推入孔隙中，并且被锁定在孔隙内部的粗糙面上。

对于cvd和pvd过程，将气缸孔或缸套放入真空室。另外，大多数pvd过程不在现场进行，这将需要复杂的旋转阴极来将等离子流聚焦到内部气缸孔/缸套上。因此，由于大多数发动机缸体大小相对于真空室较大以及可能需要昂贵且复杂的零件，因此cvd和pvd可能具有挑战性。因此，另一种潜在过程是使用压缩气体射流将填充材料物理地喷涂到孔缸套表面上。这将是又简单又便宜的；另外，可以添加悬浮液以使颗粒通过喷涂器带到孔缸套表面。

在已经施加填充材料之后，在所述过程的第四部分340处去除掩模304。可以经由洗涤过程、通过从涂层上剥离掩模或通过去除/撤销将掩模固定到涂层/内表面的任何紧固机构来去除掩模。如第四部分340中所示，被遮蔽区域包括没有填充材料的表面孔隙(例如，表面孔隙312)。此外，被遮蔽区域中的涂层也没有填充材料。

在所述过程的第五部分350中，去除存在于涂层301上的填充材料306以暴露涂层301。可以经由洗涤、珩磨或其他过程去除填充材料。例如，可以执行物理擦拭过程以研磨或擦除涂层，其中将带有织物表面的圆柱状部件推入/推过孔以清理表面，而不会去除孔隙中的材料。在一些示例中，织物然后可以被覆盖有分解任何载体/悬浮液的溶剂。此外，如果需要，可以执行光珩磨过程。如果以cvd/pvd过程施加涂层，则擦拭方法可能不切实际，并且可以利用精细机械加工操作(如仅去除几微米的“超精加工”操作)。在去除存在于涂层上的填充材料时，保留在表面孔隙中的填充材料，使得一个或多个未被遮蔽区域的每个表面孔隙都包括填充材料。例如，上面讨论的研磨或擦拭过程可能不会持续到孔隙中，因此保持填充材料完整。图3示出了在部分350处用孔隙填充材料308填充的表面孔隙302。通过从涂层中去除填充材料并将填充材料仅保留在孔隙中，润滑剂中的添加剂可能会与铁基气缸内表面相互作用以有助于提供磨损保护和减摩。填充材料可能不是铁基的，因此，如果将填充材料留在气缸内表面的涂层上，则将失去这种优势。

图4是示出了用于将涂层施加到气缸孔或缸套的内表面并用填充材料填充涂层的一个或多个区域中的表面孔隙的方法400的流程图。可以执行方法400以便在气缸孔或缸套内表面(诸如图1的气缸14的内表面)上施加涂层，诸如图2的涂层202或图3的涂层301。填充材料(诸如图3的填充材料306)可以被施加到涂层的一个或多个区域，并且填充材料可以至少部分地填充涂层中形成的一个或多个表面孔隙，诸如图3的表面孔隙302，使得表面孔隙填充有填充材料，诸如图3的孔隙填充材料308。

在402处，方法400包括将表面涂层施加到气缸内表面以形成涂覆的内表面。涂层可以包括钢、不锈钢、陶瓷或可以赋予期望的物理性质(诸如为发动机缸体气缸孔提供足够的强度、刚度、密度、磨损性质、摩擦、疲劳强度和/或导热系数)的其他合适材料。如在404处所指示，涂层可以限定气缸内表面的整体孔隙率。如上文关于图2所解释的，可以将涂层喷涂或以其他方式沉积在气缸孔或缸套壁上，使得在涂层中和涂层上形成第一数量的孔隙。

在406处，将涂覆的内表面(例如，涂层)珩磨至期望尺寸。如上文所解释的，珩磨过程可能会显露孔隙，导致附加孔隙成核，并且导致一些表面孔隙填充有材料(例如，在珩磨期间去除的涂层颗粒可能被推入开放的表面孔隙中，由此导致至少部分地填充一些表面孔隙)。因此，为了显露被填充的孔隙，如在408处指示，选择地洗涤涂覆的内表面以产生期望的/变化的表面孔隙率。如上文关于图2所解释的，洗涤过程可以去除已填充表面孔隙的任何涂层材料，从而导致表面孔隙中没有材料。此外，洗涤可能导致附加孔隙被显露/成核。更进一步地，洗涤过程可以仅在涂覆的内表面的一些区域中执行，而不是在所有区域中执行。例如，洗涤过程可以仅在涂覆的内表面的中间区域上执行，而在上部区域和下部区域中在某种程度上保留表面孔隙或完全填充有涂层材料。因此，中间区域可以具有比上部区域或下部区域更高的平均孔隙率。然而，在一些示例中，所有涂覆的内表面都可以被洗涤，使得整个气缸内表面具有相同的平均孔隙率。

在410处，将一个或多个掩模(诸如图3的掩模304)施加到涂覆的内表面的一个或多个目标区域。掩模可以屏蔽目标区域以防止进一步施加材料。被遮蔽的目标区域可以是涂覆的内表面的中间区域，但是也可以遮蔽附加的或替代区域。在一些示例中，可以省去掩模。在412处，将一种或多种填充材料施加于涂覆的内表面的一个或多个暴露/未遮蔽区域。如上文关于图3所解释的，可以将一种或多种填充材料喷涂到一个或多个未遮蔽区域中的涂层上。可以控制喷涂过程以实现表面孔隙中的目标填充水平。例如，可以进行填充操作使得将填充所有孔隙所需的最少量材料喷涂到气缸孔表面上。此外，在一些示例中，诸如当填充材料包括催化材料以减少沉积时，可能不需要完全填充孔隙，因此可以部分地填充孔隙，这可能会留出附加孔隙容积以用于保持油。在其他示例中，诸如当填充材料适于增强热传递时，接收填充材料的孔隙可以被完全填充或者可以填充至少大部分的孔隙容积。在416处，去除一个或多个掩模，并且去除涂覆的内表面上的填充材料以显露涂覆的内表面，同时保持在表面孔隙内的填充材料。如上文关于图3所解释的，涂覆的内表面上的填充材料可能会被物理地研磨或擦除、化学地清理，和/或珩磨掉以显露涂覆的内表面，所述内表面可以是光滑的、坚固的且耐磨损的，并且促进与润滑剂中的添加剂相互作用以改善发动机性能。然后，方法400结束。

图1至图3示出了具有各种部件的相对定位的示例性配置。如果被示出为直接彼此接触或直接联接，则至少在一个示例中，此类元件可分别称为直接接触或直接联接。类似地，至少在一个示例中，被示出为彼此邻接或相邻的元件可以分别是彼此邻接或相邻的。作为一个示例，彼此共面接触放置的部件可以被称为共面接触。作为另一个示例，在至少一个示例中，彼此间隔开地定位使得在其间仅具有一定空间而没有其他部件的元件可以被称作如此。作为又一个示例，被示出为在彼此上方/下方、在彼此相对侧或在彼此左侧/右侧的元件相对于彼此可以被称作如此。另外，如图所示，在至少一个示例中，最顶部元件或元件的最顶点可以被称为部件的“顶部”，并且最底部元件或元件的最底点可以被称为部件的“底部”。如本文所使用，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以是相对于图的竖直轴线而言，并且用于描述图的元件相对于彼此的定位。因此，在一个示例中，被示出为在其他元件上方的元件竖直地定位在其他元件上方。作为另一个示例，图内所描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如像圆形的、直的、平面的、弯曲的、倒圆的、倒角的、成角度的等)。另外，在至少一个示例中，被示出为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。更进一步地，在一个示例中，被示为在另一个元件内或被示为在另一个元件外部的元件可以被称作如此。

用一种或多种填充材料填充气缸的涂覆的内表面的表面孔隙的技术效果是减少活塞与气缸内表面之间的摩擦力，增加摩擦膜形成，调整热传递，减少燃烧材料沉积和/或减少磨合持续时间。

应当注意，本文所包括的示例性控制和估计程序可以与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可由包括控制器的控制系统结合各种传感器、执行器和其他发动机硬件来执行。本文所述的具体程序可以表示任何数量的处理策略(诸如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的处理策略等)中的一种或多种。因此，所示的各种动作、操作和/或功能可以按照所示的顺序执行、并行地执行或者在某些情况下进行省略。同样地，处理次序不一定是实现本文所述的示例性实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供的。所示出的动作、操作和/或功能中的一者或多者可以取决于所使用的特定策略而重复地执行。此外，所述的动作、操作和/或功能可以图形地表示要编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中通过结合电子控制器在包括各种发动机硬件部件的系统中执行指令来实施所述的动作。

应当理解，本文所公开的配置和程序本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为许多变型是可能的。例如，以上技术可应用于v型6缸、直列4缸、直列6缸、v型12缸、对置4缸及其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。

如本文所使用，术语“约”应理解为是指范围的正负百分之五，除非另有指定。

以下权利要求特别指出被视为新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以指代“一个”要素或“第一”要素或其等同物。此类权利要求应当被理解为包括一个或多个此类要素的并入，从而既不要求也不排除两个或更多个此类要素。所公开的特征、功能、要素和/或性质的其他组合和子组合可通过修改本发明权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新权利要求而被要求保护。此类权利要求与原权利要求相比无论在范围上更宽、更窄、等同或不同都被认为包括在本公开的主题内。

根据本发明，提供了一种用于发动机的气缸，所述气缸具有：内表面，所述内表面包括具有多个表面孔隙的涂层，所述多个表面孔隙的至少一部分填充有一种或多种填充材料，所述一种或多种填充材料被配置为减少摩擦，增加摩擦膜形成，调整热传递，减少燃烧材料沉积，和/或减少磨合持续时间。

根据一个实施例，所述一种或多种填充材料包括石墨、二硫化钼、银纳米颗粒、铜基粉末或糊剂、铜、二硫化钨、氧化铜纳米颗粒和/或石墨烯。

根据一个实施例，所述一种或多种填充材料包括铜基、铝基和/或银基颗粒。

根据一个实施例，所述一种或多种填充材料包括铂、钯和/或铑。

根据一个实施例，所述内表面包括上部区域、下部区域以及设置在所述上部区域与所述下部区域中间的中间区域。

根据一个实施例，仅在所述上部区域和/或下部区域中存在的表面孔隙填充有所述一种或多种填充材料。

根据一个实施例，在所述中间区域中存在的所有表面孔隙没有所述一种或多种填充材料。

根据一个实施例，所述中间区域包括第一子区域、第二子区域和第三子区域，所述第二子区域设置在所述第一子区域与所述第三子区域的中间，并且其中所述上部区域、所述下部区域和所述第二子区域中存在的表面孔隙填充有所述一种或多种填充材料，并且所述第一子区域和所述第三子区域中存在的表面孔隙没有所述一种或多种填充材料。

根据一个实施例，仅在所述中间区域中存在的表面孔隙填充有所述一种或多种填充材料。

根据一个实施例，所述中间区域具有与所述上部区域和/或下部区域的平均表面孔隙率不同的平均表面孔隙率。

根据一个实施例，除了所述多个表面孔隙的所述至少一部分之外，所述涂层没有所述填充材料。

根据一个实施例，所述多个表面孔隙的填充有所述一种或多种填充材料的所述至少一部分的每个表面孔隙完全填充有所述一种或多种填充材料。

根据本发明，一种方法包括：在气缸孔的内表面上形成涂层，所述涂层包括多个表面孔隙；将填充材料施加到所述涂层的至少一个区域；精加工所述内表面以在所述至少一个区域中显露所述涂层，所述精加工包括将所述填充材料保持在所述至少一个区域内的所述多个表面孔隙的表面孔隙中。

根据一个实施例，本发明的特征还在于：在施加所述填充材料之前，将掩模施加到所述涂层；以及在施加所述填充材料之后并且在精加工所述内表面之前去除所述掩模，其中施加所述填充材料包括将所述填充材料施加到所述涂层的至少一个未遮蔽区域。

根据一个实施例，施加所述掩模包括将所述掩模施加到所述涂层的中间区域，并且其中施加所述填充材料包括将所述填充材料施加到所述涂层的上部区域和所述涂层的下部区域两者，所述中间区域位于所述下部区域与所述上部区域的中间。

根据一个实施例，施加所述填充材料包括将所述填充材料喷涂在所述涂层的所述至少一个区域上。

根据一个实施例，施加所述填充材料包括施加石墨、二硫化钼、银纳米颗粒、铜基粉末或糊剂、氧化铜纳米颗粒、石墨烯和铝基颗粒中的一者或多者。

根据本发明，提供了一种用于发动机的气缸，所述气缸具有：气缸孔；以及活塞，所述活塞被配置为在所述气缸孔内往复运动，所述气缸孔包括：内表面，所述内表面包括上部区域、下部区域和中间区域，所述上部区域被配置为当所述活塞处于上止点时周向地围绕所述活塞，所述下部区域被配置为当所述活塞处于下止点时周向地围绕所述活塞，所述中间区域位于所述上部区域与所述下部区域之间；在所述内表面上的涂层，所述涂层具有多个表面孔隙；以及填充材料，所述填充材料仅填充所述上部区域和/或下部区域中的所述多个表面孔隙中的表面孔隙而不填充所述中间区域的表面孔隙。

根据一个实施例，所述填充材料包括石墨、二硫化钼、银纳米颗粒、氧化铜纳米颗粒、石墨烯和铝基颗粒中的一者或多者。

根据一个实施例，所述涂层的外表面没有所述填充材料，并且其中所述涂层包括与所述填充材料不同的材料。