具有复合材料汽缸体的发动机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有热成型复合材料汽缸体和汽缸套以及集成进汽缸体的隔离插件(bulkhead insert)的发动机。
【背景技术】
[0002]在发动机设计中可能在用于构造汽缸盖和汽缸体的材料的强度、重量和其它材料属性之间存在权衡。例如，铁已经用于制造汽缸体。铸铁与其它材料相比具有多个益处，比如较小的体积强度比和较小的摩擦系数、减小的发动机尺寸和增加的燃烧室寿命。然而，铸铁汽缸体可能具有较低的强度重量比、更容易腐蚀并且具有不希望的传热特性。为了减小缸体重量并增加传输至水套的热量，汽缸体可以由铝铸造。然而，铝汽缸体具有多个缺点，比如较高的摩擦系数和较大的体积强度比。
[0003]US 5，370，087公开了一种具有包围金属汽缸组的复合材料汽缸体的发动机。发明人已经认识到US5，370，087中所公开的汽缸体的多个缺点。首先，包围汽缸组的汽缸体与汽缸组间隔开以使冷却剂能在汽缸周围流动。与经由单种连续金属块铸造的发动机相比，这种类型的设置降低了发动机的结构完整性。所以，经由外部部件(比如变速器)传输至发动机的力可能损坏汽缸体。
【发明内容】
[0004]发明人在此已经认识到上述问题并开发了一种发动机。发动机包括发动机前盖连接界面和变速器连接界面的热固性复合材料汽缸体以及与复合材料汽缸体一体成型的汽缸套，汽缸套形成一部分汽缸边界。发动机进一步包括延伸通过热固性复合材料汽缸体并直接连接至汽缸盖的隔离插件。
[0005]这样，一体成型有汽缸套和隔离插件的复合材料可以用于形成发动机的一部分以增加发动机的强度重量比。此外，汽缸套和隔离插件可以包含金属或者在燃烧室周围具有更理想的抗磨耗和热传递特性的其它适当材料。这样，可以通过不同材料设计选择的汽缸体部分以增加发动机的强度重量比且不妥协希望的燃烧室特性。此外，将汽缸套和隔离插件与汽缸体一体成型增加了缸体总成的连接强度。此外，直接连接隔离插件至汽缸盖能将通过汽缸盖螺栓传输的燃烧负荷和来自曲轴轴承盖的反应负荷约束在一起。结果，在发动机中更加平均地分配负荷，从而改善发动机的使用寿命。
[0006]单独或结合附图阅读下面的【具体实施方式】，本发明的上述优点和其它优点以及特征将变得显而易见。
[0007]应理解，提供上文的概述用于以简化形式引入一系列原理，其将在【具体实施方式】中进一步进行描述。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或实质特征，所要求保护的主题的范围唯一地由权利要求书确定。此外，所要求保护的主题并不局限于解决上文或本说明书中任意部分所提到的缺点的实施方式。此外，是发明人在此认识到上述问题并且不认为这是众所周知的。
【附图说明】
[0008]图1显示具有发动机的车辆的示意描述，该发动机包括连接至汽缸盖的成型复合材料汽缸体总成；
[0009]图2显示第一示例成型汽缸体总成；
[0010]图3显示图2中说明的成型汽缸体总成的分解图；
[0011]图4显示制造发动机的方法；
[0012]图2-3大致按比例绘制，然而如果需要可以使用其它相对尺寸。
【具体实施方式】
[0013]本发明描述了具有复合材料汽缸体以及形成至少一个汽缸的边界的一体成型汽缸套的发动机。发动机进一步包括延伸穿过至少一部分汽缸体的隔离插件。可以由金属构建汽缸套和隔离插件而可以由热固性或热成型复合材料(比如聚合物材料、碳纤维等)构建汽缸体。这样，可以使用具有较高强度重量比的材料构建包围汽缸套和隔离插件的缸体。所以，可以保持缸体希望的结构整体性同时减小缸体的重量或者可以改善缸体的结构整体性而不增加缸体的重量。此外，在复合材料汽缸体中提供一体成型的金属汽缸套使得可以使用更适合处理燃烧产生的热量和压力的不同材料构建汽缸。这样，可以基于希望的发动机运转特征来调整发动机的多个部分的特性。所以，改善了发动机的强度重量比而不妥协燃烧室的抗磨损和传热特性。
[0014]此外，例如通过提供隔离插件，曲轴产生的负荷可以直接传输至汽缸盖。这样，曲轴的负荷可以更平均地传输至发动机的不同部分。从而，改善了发动机使用寿命。额外地，汽缸套可以包括在汽缸套和缸体之间提供较高连接强度的多个结构特征。例如，汽缸套可以包括在缸套的圆周面周围延伸的缸体连接唇缘(attachment lip)。在成型期间缸体连接唇缘形状在热成型复合材料汽缸体和汽缸套之间提供较高量的连接强度。
[0015]图1显示包括进气系统52、发动机54和排气系统56的车辆50的示意描述。进气系统52配置用于提供进气至发动机54中的汽缸57。汽缸也可以称为燃烧室。箭头58指示进气系统52和发动机54之间的流体连接。特别地，进气系统52可以配置用于提供进气至发动机中的每个汽缸。进气系统52可以包括多个进气管、进气歧管、节气门等。此外，在一个示例中，发动机54可以包括压缩器和涡轮的涡轮增压器。
[0016]发动机54包括连接至形成多个汽缸57的成型汽缸体总成60的汽缸盖59。在描述的示例中，发动机包括直列的三个汽缸。然而，可以预想替代的汽缸设置和汽缸数量。例如，可以V型汽缸组设置来设置汽缸、可以水平对置设置来设置汽缸等。可以执行多个冲程燃烧循环。例如，可以预想二或四冲程燃烧循环。应理解图1中发动机54的结构比图1中所描述的要复杂。特别地，成型汽缸体总成60可以包括可以由不同材料构建的多个部件。例如，成型汽缸体总成60 (发动机54)可以包括复合材料汽缸体、汽缸套和一个或多个隔离插件。本说明书关于图2-3更详细地描述了成型汽缸体总成部件。
[0017]箭头62描述发动机54和排气系统56之间的流体连接。应理解发动机54中的每个汽缸57可以与排气系统56流体连接。排气系统56可以包括多个部件，比如排气歧管、排气控制装置(例如催化剂、过滤器等)、消声器等。
[0018]图2显示示例成型(例如热成型)汽缸体总成200的分解图。成型汽缸体总成200可以类似于图1中显示的成型汽缸体总成60并且可以包括在发动机54中。成型汽缸体总成200包括复合材料汽缸体202。多种适当的制造方法可以用于构建复合材料汽缸体202。例如，可以经由热固性技术(比如注塑成型)构建复合材料汽缸体。所以，在一个示例中，特别地复合材料汽缸体202可以称为热固性复合材料汽缸体。本说明书关于图4更详细地描述了用于复合材料汽缸体202的制造方法。
[0019]用于构建复合材料汽缸体的适当材料可以包括聚合物材料，比如热固性树脂、碳纤维等。应理解塑料树脂没有碳纤维贵。当暴露在燃烧运转产生的热量中时复合材料可以是热稳定的。例如，在一个示例中，当运转的温度范围在120°C和200°C之间时复合材料可以是热稳定的。此外，复合材料还可以具有希望的硬度和强度以处理发动机或其它车辆部件(比如变速器)产生的压力和拉力。应理解，发动机的一部分由复合材料构建使得不必具有有利的抗磨损和热特性的选择的发动机区域能够使用具有较高强度重量比的材料。这样，可以调校发动机的不同部分以实现不同的最终使用特性以增加发动机的强度重量比和发动机的使用寿命。
[0020]复合材料汽缸体202包括顶面210、底面212、前面214、后面216和两个侧面217。具有连接口 219的发动机前盖连接界面218显示为包括在前面214中。连接界面218可以连接至发动机前盖。此外，后面216包括变速器钟形壳(bell housing)界面220。变速器钟形壳界面220可以经由配置用于接收连接装置的连接口 221连接至包括变速器的变速器钟形壳。在变速器处观察到的动力传动系统向汽缸体钟形壳弯曲使得需要额外的结构支撑。该支撑的形式是具有扭矩限制器的一片金属环和螺纹凸台(threaded boss)，该螺纹凸台在制造汽缸体时在界面220上成型至汽缸体并且在结构上包括安装件221用于增加强度和负荷传输能力。此外，变速器可以连接至与发动机中的活塞相连的曲轴。复合材料汽缸体包括汽缸盖连接口 231。此外，汽缸盖连接口 231配置用于连接从汽缸盖(比如图1中显示的汽缸盖59)延伸的螺栓或其它适当连接装置。在一个示例中，成型在复合材料汽缸体中的金属支持结构270可以设置成邻近连接界面218和/或变速器钟形壳界面220。可以经由复合材料汽缸体202至少部分地包围金属支持结构270。这样，可以向成型复合材料汽缸体总成的选择区域提供额外支持。
[0021]继续参考图2，成型汽缸体总成200进一步包括汽缸套222。在描述的示例中，汽缸套222形成连续的材料块。此外，汽缸套222形成多个汽缸224的一部分边界。汽缸套可以包含金属(例如粉末金属)，比如铁(例如球墨铸铁)、铝等。在装配配置中汽缸套222可以设置在复合材料汽缸体202的开口 250中。此外，汽缸套222由单个连续的材料块形成。然而，可以预想其它的汽缸套配置。例如，在其它示例中可以利用具有彼此间隔开的两个或更多个部分的汽缸套。
[0022]此外，成型汽缸体总成200进一步包括多个隔离插件226。图2显示了单个隔离插件。然而，在描述的示例中，该总成包括四个隔离插件。此外，每个隔离插件226包括轴承盖228。轴承盖228可以包围曲轴轴承。从而，在描述的示例中，成型汽缸体总成中隔离插件的数量高于该总成中汽缸的数量。然而，可以预想具有不同数量的隔离插件的汽缸体总成。例如，成型汽缸体总成200可以仅包括单个隔离插件。隔离插件226延伸(例如垂直延伸)通过复合材料汽缸体202。提供了垂直轴线用于参考。然而，如果需要可以使用其它相关尺寸。图2中还提供了纵向和侧向轴线用于参考。隔离插件226可以连接至汽缸盖，比如图1中显示的汽缸盖59。这样，隔离插件将传输通过汽缸盖螺栓的燃烧负荷和来自曲轴轴承盖的反应负荷(reactive load)约束在一起。图3更详细地显示了隔离插件226和汽缸套222。
[0023]继续参考图2，可以由不同的材料构建复合材料汽缸体202和汽缸套222。例如，可以由热固性材料(比如聚合材料(例如塑料树脂)和/或碳纤维)构建复合材料汽缸体202。另一方面，可以由金属(例如粉末金属(比如铁、铝等))构建汽缸套。为了抗磨损和较长的使用命，汽缸套222还可以喷涂有已知为PTWA (等离子弧涂层技术)的铁/氧化铁等离子喷射沉积涂层的材料。铝汽缸套222还可以具有作为其结构的一部分以承受较高燃烧压力的传统铸铁套。基于发动机燃