氣缸套和用于制造氣缸套的方法

專利名稱：氣缸套和用于制造氣缸套的方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機的氣缸套。
背景技術：
用于發動機的帶有氣缸套的氣缸體已經被用于實際應用中。作為這種氣缸套，已知在日本早期公開的實用新型53-163405號公報中有所公開。近來對于環境的關注產生了對改善發動機的燃料消耗率的需求。另一方面已發現，如果在發動機的工作過程中氣缸的溫度在某些位置處顯著地降低到適當溫度以下，則這些位置周圍的機油粘度會過度地高。這就增大了摩擦并由此使燃料消耗率變差。由于氣缸溫度引起的這種燃料消耗率的變差在氣缸體的熱導率較高的發動機(例如，由鋁合金制成的發動機)中特別顯著。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種可抑制氣缸溫度過度降低的氣缸套和用于制造這種氣缸套的方法。為了實現上述目的并根據本發明的第一方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄 (嵌鑄，包心鑄造，insert casting)的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜用于在所述氣缸體和所述氣缸套之間形成間隙。根據本發明的第二方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜用于減小所述氣缸套對所述氣缸體的附著性。根據本發明的第三方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由用于壓鑄的脫模劑制成。根據本發明的第四方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由用于離心鑄造的鑄模涂料制成。根據本發明的第五方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由包含石墨作為主要成分的低附著性的制劑制成。根據本發明的第六方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由包含氮化硼作為主要成分的低附著性的制劑制成。根據本發明的第七方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由金屬涂料制成。
根據本發明的第八方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由高溫樹脂制成。根據本發明的第九方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由化學轉化處理層制成。根據本發明的第十方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由氧化物層形成。根據本發明的第十一方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。該膜由噴涂層形成，所述噴涂層由鐵基材料制成。所述噴涂層包括多個層。根據本發明的第十二方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括具有多個突起部的外周向表面。每個所述突起部具有收縮的形狀。在所述外周向表面上形成有膜。該膜的導熱性低于所述氣缸體和所述氣缸套中至少一者的導熱性。根據本發明的第十三方面，提供一種用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套。該氣缸套包括在所述氣缸套的軸向方向上從所述氣缸套的中部延伸至所述氣缸套的下端的外周向表面。在所述外周向表面上形成有膜。該膜的導熱性低于所述氣缸體和所述氣缸套中至少一者的導熱性。根據本發明的第十四方面，提供一種用于制造用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套的方法。該方法包括加熱所述氣缸套，由此在所述氣缸套的外周向表面上形成膜，所述膜由氧化物層形成。根據本發明的第十五方面，提供一種用于制造用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套的方法。該方法包括通過電弧噴涂在所述氣缸套的外周向表面上形成膜，在所述電弧噴涂中使用直徑等于或大于0. 8mm的噴涂絲。從下面結合附圖作出的、通過示例示出本發明原理的說明中可清楚看到本發明的其它方面和優點。


通過參照下面對當前優選實施例的說明以及附圖可最佳地理解本發明及其目的和優點，在附圖中圖1是示出具有根據本發明第一實施例的氣缸套的發動機的示意圖；圖2是示出第一實施例的氣缸套的透視圖；圖3是示出作為第一實施例的氣缸套的材料的鑄鐵的成分比率的一個示例的表；圖4和5是示出形成在第一實施例的氣缸套上的具有收縮形狀的突起部的模型圖；圖6A是根據第一實施例的氣缸套的沿軸向方向截取的剖視圖；圖6B是示出在根據第一實施例的氣缸套中軸向位置與氣缸壁溫度之間關系的一個示例的圖示；圖7A是根據第一實施例的氣缸套的沿軸向方向截取的剖視圖；圖7B是示出在根據第一實施例的氣缸套中軸向位置與膜厚度之間關系的一個示例的圖示；
圖8是根據第一實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖6A中的被圈起部分ZC ；圖9是根據第一實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖1中的被圈起部分ZA ；圖10是根據第一實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖1中的被圈起部分觀；圖11A、11B、11C、11D、11E和IlF是示出通過離心鑄造生產氣缸套的步驟的過程圖；圖12A、12B和12C是示出在通過離心鑄造生產氣缸套的過程中用于在鑄模涂料層中形成具有收縮形狀的凹部的步驟的過程圖；圖13A和1 是示出使用三維激光測量根據第一實施例的氣缸套的參數的工序的一個示例的圖示；圖14是部分地示出根據第一實施例的氣缸套的通過使用三維激光進行測量而獲得的等高線的一個示例的圖示；圖15是示出第一實施例的氣缸套的測量高度和等高線之間的關系的圖示；圖16和17分別是部分地示出根據第一實施例的氣缸套的通過使用三維激光進行測量而獲得的等高線的另一個示例的圖示；圖18A、18B和18C是示出用于對根據第一實施例的氣缸套在氣缸體中的接合強度進行評價的拉伸試驗程序的一個示例的圖示；圖19是根據本發明第二實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖6A中的被圈起部分ZC ；圖20是根據第二實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖1中的被圈起部分ZA ；圖21A和21B是示出通過電弧噴涂在第二實施例的氣缸套上形成膜的工序的一個示例的圖示；圖22是根據本發明第三實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖6A中的被圈起部分ZC ；圖23是根據第三實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖1中的被圈起部分ZA ；圖M是根據本發明第四實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖6A中的被圈起部分ZC ；圖25是根據第四實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖1中的被圈起部分ZA ；圖沈是根據本發明第五至第十實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖6A中的被圈起部分ZC;以及圖27是根據第五至第十實施例的氣缸套的放大剖視圖，其示出圖1中的被圈起部分ZA。
具體實施例方式(第一實施例)現在參照圖1至18C對本發明的第一實施例進行說明。<發動機的結構>圖1示出具有根據本實施例的氣缸套2的由鋁合金制成的整個發動機1的結構。發動機1包括氣缸體11和氣缸蓋12。氣缸體11包括多個氣缸13。每個氣缸13 包括一個氣缸套2。
作為各個氣缸套2的內周向表面的氣缸套內周向表面21形成氣缸體11中的相應氣缸13的內壁(氣缸內壁14)。各個氣缸套內周向表面21限定氣缸孔15。通過鑲鑄鑄造材料，作為各個氣缸套2的外周向表面的氣缸套外周向表面22與氣缸體11接觸。作為用作氣缸體11的材料的鋁合金，例如，可使用在日本工業標準(JIS) ADClO (相關的美國標準，ASTM A380. 0)或在JIS ADC12 (相關的美國標準，ASTM A383. 0) 中指定的合金。在本實施例中，采用鋁合金ADC 12作為氣缸體11的材料。〈氣缸套的結構〉圖2是示出根據本發明的氣缸套2的透視圖。氣缸套2由鑄鐵制成。鑄鐵的成分例如如圖3所示地被設定。基本上，可選擇表中所列出的成分“基本成分”作為鑄鐵的成分。按照需要，可加入表中所列出的成分“輔助成分”。氣缸套2的氣缸套外周向表面22具有突起部3，每個突起部3均具有收縮的形狀。突起部3形成在從作為氣缸套2的上端的氣缸套上端23到作為氣缸套2的下端的氣缸套下端M的整個氣缸套外周向表面22上。氣缸套上端23是氣缸套2的位于發動機1中的燃燒室處的端部。氣缸套下端M是氣缸套2的位于與發動機1中的燃燒室相對的部分的端部。在氣缸套2中，在氣缸套外周向表面22上形成有膜5。更具體地，膜5在從氣缸套上端23到氣缸套中部25的區域內形成在氣缸套外周向表面22上，所述區域是氣缸套2的在氣缸13的軸向方向上的中部。膜5沿氣缸套2的整個圓周方向形成。膜5由陶瓷材料的噴涂層(陶瓷噴涂層51)形成。在本實施例中，使用氧化鋁作為形成陶瓷噴涂層51的陶瓷材料。噴涂層51通過噴涂(等離子噴涂或HVOF噴涂)形成。<突起部的結構>圖4是示出突起部3的模型圖。在下文中，箭頭A的方向即氣缸套2的徑向方向被稱作突起部3的軸向方向。另外，箭頭B的方向即氣缸套2的軸向方向被稱作突起部3 的徑向方向。圖4示出沿突起部3的徑向方向看去時突起部3的形狀。突起部3與氣缸套2 —體地形成。突起部3在近端31與氣缸套外周向表面22接合。在突起部3的遠端32形成有與突起部3的遠端表面對應的光滑而平整的頂表面32A。在突起部3的軸向方向上，在近端31和遠端32之間形成有收縮部33。收縮部33形成為使得其沿突起部3的軸向方向的截面積(軸向方向截面積SR) 小于在近端31和在遠端32的軸向方向截面積SR。突起部3形成為使得軸向方向截面積SR從收縮部33朝近端31和遠端32逐漸增大。圖5是示出突起部3的模型圖，其中標出了氣缸套2的收縮空間34。在各個氣缸套2中，各個突起部3的收縮部33形成收縮空間34(圖5中的陰影區域)。收縮空間34是由包圍最大遠端部32B的虛擬圓柱形面(在圖5中，線D-D對應于該圓柱形面)和收縮表面33A即收縮部33的表面所圍成的空間。最大遠端部32B代表在遠端32處突起部3的直徑最長的部分。在具有氣缸套2的發動機1中，氣缸體11和氣缸套2在氣缸體11的一部分位于收縮空間34中的狀態下一換句話說，在氣缸體11與突起部3嚙合的狀態下一彼此接合。 因此，可確保充分的氣缸套接合強度，即氣缸體11與氣缸套2的接合強度。另外，由于增大的氣缸套接合強度可抑制氣缸孔15的變形，因而摩擦減小。因此，燃料消耗率得以改善。〈膜的形成〉參照圖6A、6B、7A、7B和8對膜5在氣缸套2上的形成進行說明。在下文中，膜5 的厚度被稱為膜厚度TP。[1]膜的位置參照圖6A和6B，對膜5的位置進行說明。圖6A是氣缸套2沿軸向方向的剖視圖。 圖6B示出在發動機1的正常運轉狀態下氣缸13的溫度尤其是氣缸壁溫度TW沿氣缸13的軸向方向的變化的一個示例。在下文中，移除了膜5的氣缸套2將被稱作基準氣缸套。具有基準氣缸套的發動機將被稱作基準發動機。在該實施例中，基于基準發動機中的氣缸壁溫度TW來確定膜5的位置。對氣缸壁溫度TW的變化進行說明。在圖6B中，實線代表基準發動機的氣缸壁溫度TW，而虛線代表本實施例的發動機1的氣缸壁溫度TW。在下文中，氣缸壁溫度TW的最高溫度被稱作最大氣缸壁溫度TWH，而氣缸壁溫度TW的最低溫度被稱作最小氣缸壁溫度TWL。在基準發動機中，氣缸壁溫度TW以如下方式改變。(a)在從氣缸套下端M到氣缸套中部25的區域內，由于燃燒氣體的小的影響，氣缸壁溫度TW從氣缸套下端M向氣缸套中部25逐漸升高。在氣缸套下端M附近，氣缸壁溫度TW為最小氣缸壁溫度TWLl。在本實施例中，氣缸套2的其中氣缸壁溫度TW以這種方式變化的部分被稱作低溫氣缸套部分27。(b)在從氣缸套中部25到氣缸套上端23的區域內，由于燃燒氣體的大的影響，氣缸壁溫度TW急劇升高。在氣缸套上端23附近，氣缸壁溫度TW為最大氣缸壁溫度TWH。在本實施例中，氣缸套2的其中氣缸壁溫度TW以這種方式變化的部分被稱作高溫氣缸套部分 26。在包括上述基準發動機的內燃機中，在對應于低溫氣缸套部分27的位置處的氣缸壁溫度顯著地降低到適當溫度之下。這顯著地增大了該位置附近的機油的粘性。即，燃料消耗率由于活塞摩擦的增大而不可避免地變差。由于下降的氣缸壁溫度TW而引起的這種燃料消耗率的變差在氣缸體的熱導率較高的發動機(例如，由鋁合金制成的發動機)中特別顯著。因此，在根據本實施例的氣缸套2中，膜5形成在低溫氣缸套部分27上，從而氣缸體11與低溫氣缸套部分27之間的導熱性減小。這使得低溫氣缸套部分27的氣缸壁溫度 TW升高。在本實施例的發動機1中，由于氣缸體11與低溫氣缸套部分27以具有隔熱性質的膜5位于它們之間的方式彼此接合，這減小了氣缸體11與低溫氣缸套部分27之間的導熱性。因此，低溫氣缸套部分27內的氣缸壁溫度TW升高。這使得最小氣缸壁溫度TffL成為高于最小氣缸壁溫度TffLl的最小氣缸壁溫度TWL2。隨著氣缸壁溫度TW的升高，機油的粘性降低，這可減小活塞的摩擦。因此，燃料消耗率得以改善。壁溫邊界觀即高溫氣缸套部分沈和低溫氣缸套部分27之間的邊界可基于基準發動機的氣缸壁溫度TW獲得。另一方面，已發現在許多情況下低溫氣缸套部分27的長度(從氣缸套下端M到壁溫邊界觀的長度)為氣缸套2總長度(從氣缸套上端23到氣缸套下端M的長度)的三分之二到四分之三。因此，在確定膜5的位置時，可將從氣缸套下端 24起的整個氣缸套長度的三分之二到四分之三的范圍看作是不必精確確定壁溫邊界觀時的低溫氣缸套部分27。[2]膜的厚度參照圖7A和7B對膜厚度TP的設定進行說明。圖7A是氣缸套2的沿軸向方向截取的剖視圖。圖7B示出在氣缸套2中軸向位置和膜厚度TP之間的關系。在氣缸套2中，膜厚度TP以如下方式確定。(A)膜厚度TP可被設定成從壁溫邊界觀向氣缸套下端M逐漸增大。即，膜厚度 TP在壁溫邊界觀處被設定為零，而在氣缸套下端M處被設定為最大值(最大厚度Tpmax)。(B)膜厚度TP被設定為等于或小于0. 5mm。在本實施例中，膜5形成為使得在低溫氣缸套部分27的多個位置處的膜厚度TP的平均值小于或等于0. 5mm。但是，膜5也可形成為使得在整個低溫氣缸套部分27內的膜厚度TP小于或等于0. 5mm。[3]突起部周圍的膜的形成圖8是示出圖6A中的被圈起部分ZC的放大視圖。在氣缸套2中，膜5在氣缸套外周向表面22上形成為使得收縮空間34不被充滿。S卩，膜5形成為使得當進行氣缸套2 的鑲鑄時，鑄造材料充填收縮空間34。如果收縮空間34被膜5充滿，則鑄造材料將無法充填收縮空間34。這樣，在低溫氣缸套部分27上將無法獲得突起部3的錨固效果。<氣缸體和氣缸套的接合狀態>參照圖9和10對氣缸體11和氣缸套2的接合狀態進行說明。圖9和10是沿氣缸13的軸線截取的示出氣缸體11的剖視圖。[1]低溫氣缸套部分的接合狀態圖9是圖1中的被圈起部分ZA的剖視圖，并示出氣缸體11和低溫氣缸套部分27 之間的接合狀態。在發動機1中，氣缸體11以氣缸體11與突起部3嚙合的狀態接合到低溫氣缸套部分27上。氣缸體11和低溫氣缸套部分27彼此接合，且膜5位于它們之間。由于膜5由熱導率低于氣缸體11的熱導率的氧化鋁形成，因而氣缸體11和膜5 以導熱性低的狀態彼此機械地接合。在發動機1中，由于氣缸體11和低溫氣缸套部分27以這種狀態彼此接合，因而可獲得以下優點。(A)由于膜5降低了氣缸體11和低溫氣缸套部分27之間的導熱性，因而低溫氣缸套部分27內的氣缸壁溫度TW升高。(B)由于突起部3確保了氣缸體11和低溫氣缸套部分27之間的接合強度，因而氣缸體11和低溫氣缸套部分27的剝離得以抑制。[2]高溫氣缸套部分的接合狀態圖10是圖1中的被圈起部分觀的剖視圖，并示出氣缸體11和高溫氣缸套部分沈之間的接合狀態。在發動機1中，氣缸體11以氣缸體11與突起部3嚙合的狀態接合到高溫氣缸套部分沈上。因此，通過突起部3的錨固效果確保了氣缸體11與高溫氣缸套部分沈之間的充分的接合強度。此外，也確保了氣缸體11與高溫氣缸套部分沈之間的充分的導熱性。〈突起部的形成〉參照表1對氣缸套2上的突起部3的形成進行說明。作為與突起部3相關的參數，定義第一面積比率SA、第二面積比率SB、標準截面積 SD、標準突起部密度NP和標準突起部高度HP。現在對用于與突起部3相關的上述參數的基本值一測量高度H、第一基準平面PA 和第二基準平面PB進行說明。(a)測量高度H表示沿突起部3的軸向方向的距突起部3近端的距離。在突起部 3的近端處，測量高度H為零。在突起部3的頂表面32A處，測量高度H具有最大值。(b)第一基準平面PA表示位于測量高度為0.4mm的位置的沿突起部3的徑向方向的平面。(c)第二基準平面PB表示位于測量高度為0.2mm的位置的沿突起部3的徑向方向的平面。現在對與突起部3相關的參數進行說明。[A]第一面積比率SA表示在第一基準平面PA的單位面積內突起部3的徑向方向截面積SR的比率。更具體地，第一面積比率SA表示通過累加由高度為0. 4mm的等高線所包圍的各個區域的面積而獲得的面積與氣缸套外周向表面22的整個等高線圖的面積之比。[B]第二面積比率SB表示在第二基準平面PB的單位面積內突起部3的徑向方向截面積SR的比率。更具體地，第二面積比率SB表示通過累加由高度為0. 2mm的等高線所包圍的各個區域的面積而獲得的面積與氣缸套外周向表面22的整個等高線圖的面積之比。[C]標準截面積SD表示作為第一基準平面PA內的一個突起部3的面積的徑向方向截面積SR。即，標準截面積SD表示在氣缸套外周向表面22的等高線圖中由高度為0. 4mm 的等高線所包圍的各個區域的面積。[D]標準突起部密度NP表示在氣缸套外周向表面22內每單位面積上的突起部3 的數量。[E]標準突起部高度HP表示各個突起部3的高度H。表權利要求
1.一種用于制造用在氣缸體中的用于鑲鑄的氣缸套的方法，其特征在于，通過電弧噴涂在所述氣缸套的外周向表面上形成膜，在所述電弧噴涂中使用直徑等于或大于0. 8mm的噴涂絲。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述噴涂絲的直徑被設定為從0.8mm至 2. 4mm的范圍。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通過電弧噴涂在氣缸套的外周向表面上形成膜的步驟包括下列工序[1]和[2][1]將熔融的噴涂絲噴涂在所述外周向表面上以形成噴涂層；[2]將熔融的噴涂絲噴涂在所述噴涂層上，以形成隨后的噴涂層。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，重復所述工序[2]直到形成具有期望厚度的膜為止。
全文摘要
一種氣缸套，具有形成有膜的外周向表面。所述膜用于在氣缸體與氣缸套之間形成間隙。或者，所述膜用于降低氣缸套對氣缸體的附著性。所述氣缸套可抑制氣缸溫度的過度降低。
文檔編號F02F1/10GK102517538SQ201210011828
公開日2012年6月27日 申請日期2006年7月6日 優先權日2005年7月8日
發明者三原敏宏, 佐藤喬, 堀弘平, 堀米正巳, 塚原猛, 太田行紀, 宮本典孝, 山下信行, 山田里志, 平野雅揮, 齋藤儀一郎, 柴田幸兵, 高見俊裕 申請人:豐田自動車株式會社