用于内燃机的气缸套的制作方法

本发明涉及一种用于内燃机的气缸套，所述套设置有通孔本体，所述通孔本体包括内表面，所述内表面体现了具有由圆形的峰和谷结构限定的褶皱的表面光洁度(surface finish)，示出了内表面的单位面积的减少的峰的数量。

背景技术：

用于内燃机的气缸套是构成机体的结构的静止部件，为组件提供用于膨胀气体的封闭系统，并提供在燃烧中产生的热与围绕其循环的水(湿式气缸套)或空气(干式气缸套)的热交换。

在不同套类型的目标中，一个指出了燃烧室的密封，燃烧室内产生的热与冷却装置(水或空气)的热交换以及重新使用机体的可能性。

在运行中，内燃机允许空气/燃料混合物进入气缸，所述空气/燃料在压缩(柴油发动机)之后或通过在混合物(酒精和/或汽油)的燃烧期间在燃烧室内创建的点火火花而将进入自发燃烧。

膨胀气体的燃烧将在封闭系统内进行，使得产生的能量的一部分将向下推动发动机活塞并且相继地移动曲轴，因此将能量转换成运动。因此，气缸套对发动机的运行起作用，从而为系统提供能量转换过程所需的封闭状态。

与内燃机相关的增长的需求需要关于其各种部件和滑动表面的持续改进。气缸套、活塞和活塞环之间的精确关系导致发动机输出的改进。

通常，用于内燃机的气缸套由铸铁制成，并添加合金元素以改善其机械和热性能。除了添加合金元素外，铸铁套还需要优化的滑动表面，这有助于减少油的消耗和气体的循环，由于磨损而产生更少的颗粒并且能够缩短软化时间，并因此更长的使用寿命。

因此，为了实现气缸套的滑动表面的优化，除此之外存在许多精加工工艺等，例如电化学抛光、刷涂、喷射磨料细粉、切割和抛光、微铣削、抛光。

通常采用的精加工工艺是抛光，这是一种加工方法，其中工具实施交替和旋转运动，保证了套的圆柱度和表面的均匀性。做得好的抛光确保了对活塞翼磨损、颗粒排放、油耗和摩擦产生积极影响。

通过观察已经开发了各种技术，以通过各种抛光工艺实现气缸套的更好的运行条件。

在属于同一申请人的德国文献DE102006057111中公开了第一种改进方案，其涉及一种气缸套，其中褶皱沿着活塞内部的活塞的位移方向变化。更具体地，与朝向气缸盖的最大活塞冲程相邻的部分具有带有第一褶皱的区域和套的中心区域，相对于活塞冲程，体现了第二褶皱，并且在套的滑动表面的中间部分褶皱值高于端部。

专利文献DE102009010791公开了一种气缸套，其相对于中心区域的褶皱值在端部处设置有更高的褶皱。然而，用于实现这些结构的加工导致出现具有更大或更小深度的凹陷(在它们之间显着变化的深度)，这降低了作为润滑油的积聚槽的该方案的功效潜力。

属于同一申请人的文献WO2015/010178公开了一种包括气缸套和活塞环的滑动组件，气缸套的内表面体现了具有比由活塞位移的两个极限部分体现出的褶皱更小的中央部分，而活塞环体现了通过PVD(物理气相沉积)沉积的陶瓷涂层，赋予套筒的接触表面很大的对由环施加的磨损的抵抗。

因此，观察到在现有技术中存在应用于气缸套的抛光过程的各种技术，特别是针对沿着活塞在其内部的位移长度的传统褶皱参数(Rpk、Rk和Rvk)的规格。

然而，除了传统褶皱参数(Rpk、Rk和Rvk)的重要性之外，还没有找到证明气缸套内表面所包含的谷和峰的结构的附加参数的研究。

技术实现要素：

考虑到减小气缸套的内表面与滑动活塞环/活塞组件之间的摩擦压力，并增加其流体动力学提升力，提出了一种用于内燃机的气缸套，该气缸套设置有通孔本体，所述通孔本体包括具有由圆形的谷和峰的结构限定的褶皱的表面光洁度的内表面，公开了内表面的每单位面积的峰的减少的数量。

本发明的目的

本发明的第一个目的是提供一种用于内燃机的气缸套，所述气缸套设置有通孔圆柱形本体，所述通孔圆柱形本体包括具有滑动组件的内接触表面，所述滑动组件具有由圆形的谷和峰的结构限定的褶皱，公开了内表面的每单位面积的峰的减少的数量，保证了增加流体动力学提升力的正效应离子，并且降低了套筒内表面相对于其作为活塞环组件的滑动部件的摩擦压力，随之减少发动机的燃料消耗。

特别地，考虑到减小套筒内表面相对于其作为活塞环组件的滑动部件的摩擦(特别是在活塞反转点处)，并且增加表面的流体动力学提升力(特别是在活塞冲程的中间，活塞和活塞环达到最高速度的区域)，本发明具有提供一种气缸套的目的，所述气缸套包括具有滑动组件的内接触表面，其体现了具有由诸如峰密度(Sds)和峰的平均曲率半径(Ssc)的减小的参数限定的褶皱的表面光洁度。

本发明的简要说明

本发明的目的通过一种用于内燃机的气缸套实现，所述气缸套设置有通孔圆柱形本体，所述通孔圆柱形本体包括具有带有由圆形谷和峰的结构限定的褶皱的表面光洁度的内滑动表面，建立内表面的褶皱使得：

峰密度(Sds)与峰的平均曲率半径(Ssc)之间的比率大于150且小于400(150<Sds/Ssc<400)；

峰的平均曲率半径(Ssc)与峰的平均高度(Spk)之间的比率低于1500(Ssc/Spk<1500)。

本发明的目的还通过一种气缸套实现，所述气缸套设置有内表面，所述内表面包括范围从每平方毫米(1/mm2)5000至27000个峰的峰密度(Sds)以及范围从每毫米(1/mm)86至105个峰的平均曲率半径(Ssc)，具有通过在抛光工艺之后实施的磁性表面精加工工艺实现的褶皱参数之间的比率。

此外，本发明的目的通过一种用于获得用于内燃机的气缸套的磁性表面精加工工艺来实现，包括以下步骤：

a.在气缸套内部设置磁极，靠近所述气缸套的内表面；

b.使用可磁化粉末填补气缸套的内部；

c.在气缸套内部创建磁场；

d.通过与可磁化粉末的摩擦磨损内表面的峰。

此外，本发明的目的通过在气缸套的内表面上实施抛光工艺之后的磁性表面精加工方法实现，该方法使用可磁化粉末，其包括从4微米至300微米，优选从6微米至200微米，优选从10微米至100微米的粒度。

附图说明

现在将参照在附图中表示的实施例的示例来更加详细地描述本发明。附图示出了：

图1为通过构成套筒的部件指示的套筒的截面图；

图2为传统的褶皱参数：Rpk、Rk以及Rvk的图标表示；

图3为现有技术的气缸套相对于本发明的褶皱参数Rpk、Rk以及Rvk的变化结果图表；

图4为现有技术的气缸套相对于本发明的内表面的褶皱地形图的照片；

图5为现有技术套筒相对于本发明的参数Sds和Ssc的表示；

图6为现有技术套筒相对于本发明的平均有效摩擦压力(FMEP)的变化结果图表；

图7为现有技术套筒相对于本发明的摩擦变化结果图表；以及

图8为本发明的气缸套的示意性视图，具有其内表面的褶皱的表示。

具体实施方式

本发明涉及一种用于内燃机的气缸套1，所述气缸套1设置有通孔圆柱形本体2，所述通孔圆柱形本体2包括具有至少一个活塞环的内接触表面4，内表面4体现了具有由圆形的谷和峰限定的褶皱的表面光洁度，公开了内表面4的每单位面积的减少的峰的数量。

如前所述，用于内燃机的气缸套是构成机体的结构的静止部件，为组件提供一个靠近膨胀气体的系统，并提供在燃烧中产生的热与围绕后者循环的水(湿式气缸套)或空气(干式气缸套)的热交换。

气缸套1基本上设有管或通孔本体，其包括外接触表面3和内接触表面4，所述外接触表面3具有冷却流体，所述冷却流体为水或空气；所述内接触表面4具有至少一个活塞环，在所述活塞环上发生活塞的轴向滑动。在本申请的图1中观察到该构造性实施例。

通常，气缸套1由含铁合金、铸铁或钢制成，并且在其制造中可以包括其他必要或期望的材料(诸如铝合金)。类似地，套筒1可以具有任何必要或期望的形状，只要它是功能性的即可。

内燃机正确运行所需的条件之一是实现气缸套1、活塞以及活塞环之间的精确关系，这样的运行导致发动机输出的改善。出于这个原因，气缸套1需要优化的滑动表面，这主要有助于延长发动机的使用寿命。

为了实现气缸套1的内部滑动表面4，通常实施表面精加工工艺，诸如抛光，其具有去除由机加工引起的不均匀性的目的，因此通过受控制的加工角度和褶皱值为套筒1提供均匀的最终光洁度。做得好的抛光工艺确保了对活塞环磨损、颗粒排放、油耗以及摩擦的积极影响。

因此，除了传统的抛光工艺以外，本发明公开了在已经实施抛光工艺之后应用于套筒1的内表面4的磁性表面精加工工艺。这种磁性表面精加工工艺保证了内表面4将体现具有由圆形的谷和峰的结构限定的褶皱的表面光洁度，减少了由抛光过程产生的峰的数量。通过这种磁性表面精加工处理工艺，保留了由抛光产生的传统褶皱参数Rpk、Rk和Rvk以及抛光角度，但是除了内表面4上的峰密度(Sds)的突然减小外，还存在变圆的褶皱谷和峰(Ssc)。

应用于本发明的套筒1的内表面4的抛光工艺是机械磨损加工工艺，其实施表面精加工，通过研磨工具与套筒1的内表面4的摩擦创建由谷和峰的结构限定的褶皱。考虑到通过传统褶皱参数Rpk、Rk和Rvk的具体数值实现褶皱规格，通过研磨材料的更改和/或研磨工具的粒度测定，使得能够实现材料从套筒1的内表面4的或多或少的去除。研磨工具的移动在套筒1的长度L的两个轴向方向上、以上下移动地摆动并且通过在套筒1内转动工具而沿旋转方向进行。

在实施抛光工艺的最后步骤之后，本发明的气缸套1的内表面4接受通过磁性表面精加工工艺实施的附加处理，该工艺具有使由抛光工艺产生的内表面4的褶皱结构的谷和峰变圆的主要目的，并且减少了峰密度、不能通过抛光工艺实现的参数。

在这种附加的磁性表面精加工过程中，气缸套1位于由布置在套筒1内部的磁极产生的磁场中，靠近其内表面4，包括在磁极和套筒1的内表面4之间产生的空间，该空间填充有可磁化粉末，所述粉末具有范围从4微米至300微米，优选从6微米至200微米，优选从10微米至100微米的粒度。

在开始该过程时，形成磁场，使得可磁化粉末颗粒与套管1的内表面4接触，使峰变圆并降低表面4的峰密度。在该过程期间，可磁化粉末用作弹性工具，通过与粉末的摩擦促进峰的磨损，从而使峰变圆，以便突然减少内表面4的每单位面积的峰的数量。

在优选的构造实施例中，气缸套1的内表面4体现了具有由谷和峰结构限定的褶皱的表面光洁度，所述结构传统上由以下参数指定：Rpk-轮廓的最小接触面积以上的峰的平均褶皱值，Rk-轮廓的核心的褶皱值，以及Rvk-轮廓的接触面积以下的谷的平均褶皱值。能够在图2中看到传统的褶皱参数Rpk、Rk和Rvk。

因此，本发明的气缸套1最初包括内表面4，所述内表面4设置有由传统参数Rpk、Rk和Rvk限定的褶皱，使得内表面4将表现出通过传统的抛光工艺实现的Rpk值的较小减小，并且可以在图3的图表中观察到所述减小。应当注意的是，在其优选实施例中，抛光过程沿着气缸套1的内表面4的整个纵向/轴向L长度实施，包括范围从20度至70度的抛光角度和范围从122度至160度的抛光角度。

除了降低Rpk之外，本发明的气缸套1的内表面4对于其他表面褶皱参数体现很大的变化，这些参数传统上不针对表面光洁度的限定进行分析。

作为其主要差异，本发明具有与褶皱的内表面4的谷峰结构相关的参数的研究，主要是与表面的峰密度(Sds)相关的参数，峰的平均曲率半径(Ssc)以及峰的平均高度(Spk)。图4图示了现有技术的气缸套的内表面4，其包括通过传统的抛光工艺实施的表面光洁度，并且本发明的套筒在应用磁性表面精加工工艺之后，使得当在同样的位置分析时通过光学显微镜测量能够观察到套筒的褶皱地形图的差异。

分析图4中所示的照片，能够清楚地观察到本发明的气缸套1包括具有降低的峰密度(Sds)的内表面4，即，相对于现有技术中示出的内表面减少了表面的每单位面积的峰的数量。除了峰密度(Sds)的减小之外，还可以注意到峰的平均曲率半径(Ssc)减小，即，表面的峰和谷相对于初始表面更圆。在图5中能够观察到Sds和Ssc参数的减小。

下方的表1示出了本发明的气缸套1的内表面4的峰密度参数(Sds)和峰的平均曲率半径(Ssc)相对于现有技术减小的结果：

注意到的是，本发明的套筒1的内表面4在峰密度(Sds)方面实现了至少51％至88％的减小，具有每平方毫米(1/mm²)4000和28000之间的峰的变化；在峰的平均曲率半径(Ssc)方面实现了至少74％至80％的减少，具有每毫米(1/mm)86和105之间的峰的变化。

这些参数Sds和Scs的减小导致内表面4与其滑动部分(如一组活塞环)的接触压力减小，因为峰的半径面积增加，从而提高了由峰密度的减小带来的流体动力学提升力。

除了内表面4的流体动力学提升力的增加之外，参数Sds和Ssc的减小还导致发动机的燃料消耗减少约0.50％。下面的图6和表2示出了由参数Sds和Ssc的减小带来的燃料消耗减少的结果。

注意到的是，摩擦平均有效压力(FMEP)大幅地降低，实现了燃料消耗减少至高达0.48％的估计值。

而且，图6中所示的图表体现了模拟摩擦曲线，所述模拟摩擦曲线清楚地指示了由于摩擦压力的减小而带来的在活塞反转点(-360°、-180°、0°、180°、300°)处，以及由于高流体动力学提升力而带来的在冲程中间(-170°、-90°、90°、270°)处的关于组件内表面4和活塞环的摩擦减小而实现的优点。

因此，本发明的气缸套1的优选实施例包括通过初始抛光工艺和磁性表面精加工工艺实现的内表面4，所述内表面4体现出由圆形谷和峰的结构限定的表面褶皱，具有至少40％的峰密度(Sds)的减小以及至少40％的峰的平均曲率半径(Ssc)的减小，建立褶皱参数Sds和Ssc使得：

(I)峰密度(Sds)与峰的平均曲率半径(Ssc)之间的比率高于150且低于400，因此：

150<Sds/Ssc<400；

(II)峰的平均曲率半径(Ssc)与峰的平均高度(Spk)之间的比率低于1500，因此：

Ssc/Spk<1500。

在第二种可能的实施例中，本发明的套筒1在其内表面4的特定部分中接受通过所述磁性工艺实施的表面精加工，所述内表面4包括纵向/轴向长度L，并且沿着其长度L至少被分成两个部分Z1、Z2。

优选地，内表面4沿其纵向长度L分成三个部分，如图8所示，其中：

(i)第一部分Z1，对应于接近面向发动机缸盖的活塞的位移冲程极限的区域(Pondo Morto Superior-PMS(上死点))；

(ii)第二中央部分Z2；以及

(iii)第三部分Z3，对应于接近活塞的位移冲程极限的区域，但是相反的(面向发动机曲轴，Ponto Morto Inferior-PMI(下死点))。

在这方面，本申请提出了一种包括内表面4的气缸套1，每个部分Z1、Z2、Z3包含以预先确定的间隔包括的长度，使得：

(i)第一部分Z1和第三部分Z3的长度之和与气缸套1的纵向/轴向长度L之间的比率应大于0.31且小于0.58，因此：

0.31<(Z1+Z3)/L<0.58；

(ii)第一部分Z1与第二部分Z2的长度之间的比率应高于0.15并且低于0.46，因此：

0.15<Z1/Z2<0.46。

因此，本发明的套筒1在区域Z1和Z3中接受磁性表面精加工工艺，以防止在活塞反转点处、或在活塞和活塞环达到最高速度的区域Z2中的摩擦接触。

除了所描述的优点之外，本发明的套筒1的内表面4的改进还使得作为由一组活塞环施加的切向力的参数能够调节高达0.6N/mm(牛顿每毫米)，减少了发动机运转期间的套筒/环组件的摩擦。

此外，本发明的气缸套1在其内表面4上体现了具有基于碳的涂层或基于铁(>95％Fe)和铁合金(尤其是铬、钨、钛、钼、镍))的等离子喷涂涂层/热多孔涂层，从而将套筒/活塞环组件的摩擦的减小最大化。

总之，本发明的气缸套1包括具有至少一个活塞环的内接触表面4，所述内表面4包括具有限定谷和峰结构(特别是内表面4包括减少的每单位面积的峰的数量，即，减少至少40％的峰密度(Sds)，以及圆形的谷和峰，即，减少至少40％的平均曲率半径(Ssc)的结构)的褶皱的表面光洁度，保证了套筒1的内表面4的流体动力学提升力增加，特别是在活塞行程的中间，活塞和活塞环达到最高速度的区域，并减小了内表面/活塞环组件的摩擦压力，特别是在活塞反转点处，具有作为最终结果的内燃机的燃料消耗的大约0.50％的减少。

已经描述了实施例的优选示例，应当理解的是，本发明的范围包含其他可能的变化，仅受包括可能的等同替代方式的所附权利要求书的内容的限制。