專利名稱：柴油機用高強度鋼汽缸套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于柴油機內(nèi)的汽缸套。
背景技術(shù)：
長期以來，重型柴油機使用可更換的、用不同等級鑄鐵制造的汽缸套。選用鑄鐵是因為其生產(chǎn)成本較低，同時具有良好的耐磨性，其原因在于鑄鐵運行表面存在著能起潤滑油作用的游離石墨。通過硬化基底鑄鐵合金生成馬氏體微結(jié)構(gòu)可以提高缸膛的耐磨性。
對于傳統(tǒng)的鑄鐵缸套而言，業(yè)已證明在排氣再循環(huán)(EGR)狀態(tài)下，部分廢氣通過再循環(huán)回到汽缸與新的燃料混合物一起得到進一步燃燒。此時，與在非EGR狀態(tài)下工作的汽缸相比較，在EGR狀態(tài)下工作的汽缸磨損加快，原因之一是再循環(huán)的柴油廢氣含有磨粒，能促使各種腐蝕酸在燃燒室生成，極易侵蝕鑄鐵缸套。
除了對鑄鐵缸套的磨損外，不斷增加排放規(guī)范的要求也會使得柴油機的性能下降。這種影響，再加之希望不斷增大發(fā)動機動力的欲望使得柴油機生產(chǎn)商不得不增大汽缸的排量(displacement)，以彌補因EGR而造成的動力損失。一種解決辦法就是減薄汽缸套厚度而使缸膛尺寸增大，從而避免增大發(fā)動機芯體的尺寸。但是，要使鑄鐵套盡量薄又要能維持正常工作是有限度的，特別是薄壁剖面鑄鐵套容易形成氣穴和變形，其原因在于鑄鐵是一種相對多孔的材料，其表面存在著游離的石墨。
使用鋼汽缸套已為人們所熟知，但這種鋼汽缸套是否是經(jīng)過合理設(shè)計能應(yīng)用于重型濕式汽缸套柴油機還不是十分清楚，因為在該種柴油機內(nèi)溫度較高，峰值汽缸壓力可以達到220bar或更高。這種早期的鋼汽缸套要么是各式干式汽缸套(如不用水冷卻)，要么是飛機上使用的風(fēng)冷式汽缸套。
新型內(nèi)容盡管本發(fā)明的應(yīng)用范圍不僅限于能將一部分排氣送回到柴油機的氣缸中進行再循環(huán)(EGR)的柴油機，但它特別適用于這種EGR環(huán)境，因為它不受由于EGR環(huán)境帶來的腐蝕影響。本發(fā)明不僅對鑄鐵缸套在EGR應(yīng)用中的局限性提供了一種解決方案，而且還為非EGR發(fā)動機提供了一種高強度解決辦法，特別是使用鋼而非鑄鐵生產(chǎn)的具有頂部和中部制動的汽缸套。鋼比鑄鐵堅硬得多，且不含可部分導(dǎo)致上述不良磨損和氣穴的游離石墨。能夠用于本發(fā)明的鋼材包括硬化碳鋼和高鉻鋼，汽缸套是根據(jù)表面粗糙度計算式(textureroughness descriptor)TRD＝5Rvk(100-Mr2)為50-400μm來制造生產(chǎn)的。這種表面可用于汽缸套的整個內(nèi)部運行表面或僅僅在頂活塞環(huán)反沖程區(qū)域中距離汽缸套頂部30-40mm的上部部分。汽缸套最好是薄壁，并且其綜合平均截面厚度與膛直徑的比率在1.5-4％之間。這種薄壁截面可容許EGR發(fā)動機擁有較大的膛直徑，可使發(fā)動機生產(chǎn)商能夠通過使用相對較薄的、比傳統(tǒng)鑄鐵汽缸套優(yōu)越的鋼汽缸套獲得較大的汽缸排量。另外，汽缸套內(nèi)壁的硬度在活塞壓環(huán)硬度的10-20Rc范圍內(nèi)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于提供了一種能在柴油機中得到應(yīng)用的鋼汽缸套。與鑄鐵汽缸套比較，鋼汽缸套的生產(chǎn)成本低得多，而且鋼汽缸套可以生產(chǎn)得更薄一些，因此，不用增大發(fā)動機芯體的尺寸就可以使汽缸排量加大。與具有同樣厚度的鑄鐵汽缸套不同，這種薄的鋼汽缸套可承受220巴，甚至更高的峰值汽缸壓力而不變形。此外，新發(fā)動機平臺也可以建造得更小些、更輕一些，其原因在于確保鋼汽缸套足夠支撐力和強度所需的發(fā)動機平臺質(zhì)量要比支撐常規(guī)鑄鐵汽缸套所需的質(zhì)量少得多。與傳統(tǒng)的鑄鐵汽缸套相比，鋼汽缸套還具有不易裂口和不易變形的優(yōu)點。再者，鋼汽缸套還能為活塞環(huán)提供良好的密封，從而增大了動力，降低了排放。最后，生產(chǎn)這種汽缸套不必擁有用來生產(chǎn)鑄鐵汽缸套所必需的昂貴澆注設(shè)施，而且許多當(dāng)前用來完成鑄鐵汽缸套制造的加工設(shè)備和工藝都可以用來生產(chǎn)鋼汽缸套。
本發(fā)明還進一步仔細考慮了具有這種鋼汽缸套的柴油機及其初始設(shè)備或售后具有這種鋼汽缸套和相匹配硬度的活塞環(huán)的動力缸成套組件。


結(jié)合附圖閱讀以下詳細描述，可以容易地理解本發(fā)明的上述和其它方面的特征和優(yōu)點，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的裝備有頂部制動汽缸套的柴油機的部分截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的裝備有中部制動汽缸套的柴油機的不連續(xù)截面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在仔細閱讀附圖。圖1和圖2是分別裝備有頂部和中部制動汽缸套12和12’的柴油機10和10’的部分截面圖。附圖中相同的數(shù)字標(biāo)記表示圖1和圖2中實施例的相同部件，但圖2中的部件加了撇號。
柴油機10和10’包括一個至少由一個活塞膛16和16’構(gòu)成的發(fā)動機芯體14和14’，汽缸套12和12’安裝在活塞膛16和16’上，并且是可拆卸的。汽缸套12和12’通常有一個由預(yù)定厚度的缸套壁20和20’所確定的圓柱體18和18’。汽缸套12和12’沿縱向在上端或頂端22和22’與對面底端24和24’之間延伸，頂端與底端均為開口狀態(tài)。汽缸套壁20和20’位于內(nèi)運行表面26和26’和外表面28和28’中，活塞30和30’容納在汽缸套12和12’中，操作時通過連桿32和32’與柴油機10和10’的曲柄(圖未示)連接推動活塞30在汽缸套12和12’中以人們所熟知的方式上下往復(fù)運動。發(fā)動機組14和14’具有一個水套腔或室34和34’，與活塞膛16和16’開口連通，一旦安裝汽缸套12和12’后則隨即與活塞膛16和16’隔離，使汽缸套12和12’的外表面28和28’與水套34和34’中的冷卻水直接接觸。這種“濕”式汽缸套結(jié)構(gòu)能為工作時的柴油機10和10’的汽缸套12和12’提供有效的冷卻。
圖1中頂部制動汽缸套12包括一個位于汽缸套頂端22的上部凸緣36，自外表面28徑向向外延伸，提供一個下安裝臺肩或安裝面38。發(fā)動機芯體14上有一個環(huán)繞活塞膛16的梯階或槽40，構(gòu)成一個環(huán)狀安裝面42。汽缸套12的安裝面38與發(fā)動機芯體14的安裝面42對齊，一旦采用熟知的方法用螺栓將柴油機10的汽缸蓋44固定到發(fā)動機芯體14時，汽缸套12的安裝面38就緊密地夾持在安裝面42上。位于上部凸緣36下面的汽缸套12的區(qū)域自由垂下，除了可能需要密封水套34下部區(qū)域的部分之外，該汽缸套12未受到壓縮。
圖2中汽缸套12’包括一個中部制動凸緣46，通常位于汽缸套12’頂端與底端22’和24’之間的中部區(qū)域，自外表面28’徑向向外延伸，提供一個下安裝臺肩或安裝面48。汽缸套12’還可能包括一個鄰近汽缸套12’的頂端22’并與中部制動凸緣46有一定間隔的上部凸緣50。發(fā)動機芯體14’上有一個環(huán)繞活塞膛16’的中部制動凸緣52，構(gòu)成一個環(huán)狀安裝面54。汽缸套12’的安裝面48與發(fā)動機芯體14’的安裝面54對齊，一旦采用熟知的方法用螺栓將柴油機10’的汽缸蓋44’固定到發(fā)動機芯體14’時，汽缸套12’的安裝面48就緊密地夾持在安裝面54上。位于中部制動凸緣52上面的汽缸套12’區(qū)域受壓夾緊，而位于中部制動凸緣52下面的汽缸套12’部分則自由垂下。
本發(fā)明的一個特別之處是，可以制造出一種高強度、抗腐蝕的鋼汽缸套12和12’，特別適用于裝備有頂部和中部制動汽缸套，(其表面粗糙度TRD＝5Rvk(100-Mr2約為50-400μm)的濕式汽缸套柴油機。與常規(guī)汽缸套比較，這種鋼汽缸套12和12’具有能在表面保持控制油量的有利特性，這又反過來能使柴油機的耗油量降低。TRD過底(如低于50μm)會加速磨損，太高(如大于400μm)則會造成過高的耗油量。這種汽缸套12和12’特別適合應(yīng)用于在凸緣附近需要高強度的頂部和中部制動的汽缸套的場合，特別是適用于上部凸緣汽缸套，該汽缸套在其頂部暴露于燃燒熱中。
適合用于本發(fā)明的鋼材最好是指定明“H”的鋼材，包括所有硬化(hardenable)級的鋼，其中之一便是ANSI/SAE 4140級鋼。當(dāng)然，本發(fā)明決不僅局限于這種鋼材。較好的鋼材的K值(Kratio)在160-170Gpa左右，這里的K是材料的楊氏模量與(1+泊松比)的比值。
汽缸套12和12’是薄壁型，缸套壁20和20’的綜合平均汽缸套截面厚度T和T’(不包括凸緣的厚度)約為汽缸套12和12’膛直徑D和D’尺寸的1.5-4％，這種汽缸套可以承受220bar或更大的峰值汽缸壓力。
汽缸套12和12’的內(nèi)表面26和26’的硬度設(shè)計為活塞30和30’的活塞環(huán)56和56’硬度的10-20Rc范圍之間。
除了鋼材的物理特性之外，還可以用各種專門的涂層涂敷在鋼汽缸套12和12’整個或部分的內(nèi)表面26和26’上以增強其抗磨損/腐蝕特性和抵御EGR影響的特性，例如鉻涂層或鍍鉻、無電解鍍鎳和激光熔融合金等。技術(shù)人員將會理解到許多等效涂層都可用于鋼汽缸套以達到改善抗腐蝕和/或抗磨損的效果。
很明顯，就上述介紹而論，本發(fā)明可能存在有許多改進和變動。因此，可以理解為只要在隨后所附的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)，本發(fā)明還可以以不同于上述特別介紹的方法予以實施。
權(quán)利要求
1.一種柴油機，包括一個發(fā)動機芯體，具有至少一個活塞膛；一個汽缸蓋，固定在所述發(fā)動機芯體上；至少一個汽缸套，可拆卸地安裝在所述發(fā)動機芯體活塞膛中，并被與所述至少一個汽缸套的外表面直接連通的所述發(fā)動機芯體的水套環(huán)繞；其中，所述汽缸套由鋼材制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機，其特征在于所述鋼材是用硬化級的鋼材制造的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柴油機，其特征在于所述汽缸套具有一個內(nèi)表面，其表面粗糙度TRD＝5Rvk(100-Mr2)為50-400μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機，它還包括至少一個位于所述至少一個汽缸套內(nèi)的活塞和至少一個工作時與所述至少一個汽缸套的內(nèi)表面滑動接觸的活塞環(huán)，所述內(nèi)表面在所述至少一個活塞環(huán)的相對硬度的10-20Rc范圍之內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柴油機，它還包括至少一個位于所述至少一個汽缸套內(nèi)的活塞和至少一個工作時與所述至少一個汽缸套的內(nèi)表面滑動接觸的活塞環(huán)，所述內(nèi)表面是所述活塞環(huán)的硬度的10-20Rc范圍之內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柴油機，其特征在于所述至少一個汽缸套是用硬化級鋼材制造的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的柴油機，其特征在于所述鋼材包括SAE4140級鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機，它還包括涂敷在所述至少一個汽缸套內(nèi)表面上的一種涂層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柴油機，其特征在于所述涂層是鉻基的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柴油機，其特征在于所述涂層是鎳基的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柴油機，其特征在于所述涂層是一種激光熔融涂層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機，其特征在于所述至少一個汽缸套的綜合平均汽缸套截面厚度為所述汽缸套膛直徑的1.5-4％。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機，其特征在于所述至少一個汽缸套包括一個頂部制動汽缸套。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機，其特征在于所述至少一個汽缸套包括一個中部制動汽缸套。
15.一種用于柴油機的汽缸套和活塞環(huán)組件，其中，所述汽缸套用鋼材制造，所述汽缸套是活塞環(huán)的硬度的10-20Rc范圍之內(nèi)。
16.一種用于柴油機的汽缸套，其內(nèi)表面的表面粗糙度TRD＝5Rvk(100-Mr2)為50-400μm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適合用鋼生產(chǎn)薄壁濕式汽缸套的柴油機。該汽缸套的硬度是支撐該活塞于汽缸套中的活塞環(huán)的10－20Rc。該汽缸套的內(nèi)表面的TRD＝5Rvk(100－Mr2)為50－400μm，且汽缸套的綜合厚度為所述汽缸套膛直徑的1.5－4％。
文檔編號F02F1/10GK1954143SQ200580015286
公開日2007年4月25日 申請日期2005年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者米格爾·阿澤維多, 埃里克·海格姆 申請人:費德羅-莫格爾動力系公司