專利名稱：抗穴蝕柴油機(jī)汽缸套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒室與往復(fù)式活塞結(jié)合型柴油機(jī)的汽缸套，特別是涉及一種經(jīng)表面處理的柴油機(jī)汽缸套，以克服由氣穴現(xiàn)象引起的腐蝕帶來(lái)的破壞作用。
背景技術(shù)：
大多數(shù)重型柴油機(jī)具有濕式汽缸套，允許冷卻液在汽缸套外側(cè)循環(huán)以有效散熱。這些濕式汽缸套易受破壞其機(jī)理已知為穴蝕的影響。
氣穴是沿汽缸套外壁形成的局部低壓區(qū)域。這是由于柴油機(jī)點(diǎn)火裝置中的高汽缸壓力產(chǎn)生汽缸壁撓曲導(dǎo)致的。燃燒期間汽缸壁快速膨脹而后復(fù)原。由于汽缸壓力增加，汽缸壁的膨脹隨著能量增加的需要而更明顯。在微觀層面上，向內(nèi)的汽缸壁運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致與汽缸壁鄰近的冷卻液內(nèi)產(chǎn)生低壓區(qū)域。當(dāng)該壓力區(qū)域降至冷卻液氣壓點(diǎn)以下時(shí)，氣泡形成。當(dāng)該低壓區(qū)域恢復(fù)至高壓區(qū)域時(shí)，氣泡破裂導(dǎo)致內(nèi)爆，從而使汽缸壁凹陷。如果不予制止，該凹陷會(huì)危及汽缸套的完整性。
一種已知技術(shù)試圖防止或減少氣穴現(xiàn)象及其導(dǎo)致的凹陷，包括配制含添加劑的特殊冷卻液。廣義上講，這些添加劑分為兩種類型基于硼酸鹽或硝酸鹽的添加劑和有機(jī)化合物(羧酸或脂肪酸)配制成的添加劑。前者按降低冷卻液表面張力的原理工作，以降低氣泡內(nèi)達(dá)到的最大壓力并為“軟”內(nèi)爆作準(zhǔn)備。由有機(jī)化合物配制的冷卻液溶液也降低表面張力，并額外在汽缸套的外表面涂敷一層化合物保護(hù)層，這些化合物由冷卻液的化學(xué)組成不斷更新。
這種特別配制的冷卻液，在控制由氣穴現(xiàn)象引起的腐蝕時(shí)是適度有效的，但其價(jià)格昂貴，不易獲得。例如，若維護(hù)技師沒有現(xiàn)成準(zhǔn)備好的具有這些特殊添加劑的冷卻液，方便起見很可能采用任何冷卻液和/或水。
因此，需要一種改進(jìn)的方法以控制氣穴現(xiàn)象引起的腐蝕，而不依賴昂貴、特別配制的冷卻液。
另一種保護(hù)濕式汽缸套避免氣穴現(xiàn)象引起腐蝕的方法根據(jù)電鍍或者其他強(qiáng)化汽缸套外表面的原理工作，以能夠更好地抵擋破裂氣泡的侵害。例如，過去已經(jīng)采用的鎳和鎳鉻電鍍。其他表面處理和安裝封套的技術(shù)也曾被建議用于汽缸套抵擋氣穴腐蝕。這些已有技術(shù)增加了汽缸套制造成本及復(fù)雜性。在許多情況下，大大增加了汽缸套的重量，或帶來(lái)了一些其他負(fù)作用。因此，需要可選的技術(shù)方案以解決氣穴現(xiàn)象引起腐蝕的問題，且不顯著增加柴油機(jī)檢修的成本。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種液體冷卻內(nèi)燃機(jī)的汽缸套，包括管狀體，具有大致呈圓柱狀的缸鏜，該缸鏜適于容置往復(fù)式活塞并形成將燃燒過程的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的燃燒室的一部分。該汽缸套包括上末端和下末端。一外表面大致包圍所述管狀體并在其上、下末端之間延伸。至少部分該外表面適于與液體冷卻介質(zhì)直接接觸將熱能從所述汽缸套傳遞進(jìn)液體冷卻介質(zhì)。至少部分所述外表面包括基本上由平均尺寸為2-8μm的短而結(jié)實(shí)的顆粒組成的表面紋理，每一所述顆粒由通道網(wǎng)絡(luò)刻面并包圍。表面紋理有效地產(chǎn)生有效附于所述汽缸套外表面的薄液體停滯(stagnant)層。這種薄冷卻液停滯層作為完整的、可更新的屏蔽，從破裂的氣泡吸收內(nèi)爆能量，而后快速愈合。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種內(nèi)燃機(jī)的液體冷卻汽缸模塊，包括具有冷卻液流道的曲軸箱。汽缸套設(shè)于所述曲軸箱內(nèi)，具有大致呈管狀的管狀體，該管狀體限定在其上、下末端之間延伸的缸鏜。所述汽缸套的管狀體包括至少部分暴露于所述冷卻液流道的外表面，以將熱能從所述汽缸套傳遞至在所述冷卻液流道內(nèi)流動(dòng)的液體冷卻介質(zhì)。至少部分暴露于所述冷卻液流道的所述外表面包括基本上由平均尺寸為2-8μm的短而結(jié)實(shí)的顆粒組成的表面紋理，每一所述顆粒由通道網(wǎng)絡(luò)刻面并包圍，所述通道網(wǎng)絡(luò)能夠產(chǎn)生附于所述汽缸套外表面的薄停滯液體層。
粘著力和表面張力影響冷卻介質(zhì)的特性，特別是那些本質(zhì)上有極性、相互結(jié)合并起毛細(xì)管作用的介質(zhì)。因此，產(chǎn)生停滯層后，氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡由該停滯層支持，遠(yuǎn)離汽缸套的外表面。而且，破裂空穴帶來(lái)的碰撞射流會(huì)有較長(zhǎng)的路徑移動(dòng)，并必須克服停滯液體層形成的粘滯膜。因此，停滯層形成屏蔽，以迅速耗盡破裂氣泡帶來(lái)的強(qiáng)動(dòng)能。
本發(fā)明新穎表面紋理為各種無(wú)論是普通組成還是特殊組成的液體冷卻介質(zhì)提供對(duì)氣穴現(xiàn)象引起的腐蝕的保護(hù)。該新型表面紋理易于用普通材料和方法制成。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，其中圖1是內(nèi)設(shè)有曲軸箱和濕式汽缸套的內(nèi)燃機(jī)液體冷卻汽缸模塊的簡(jiǎn)化剖視圖；圖2是圖1中區(qū)域2的放大圖，以放大的形式，展示了由于外壁撓曲，汽缸套外表面上所產(chǎn)生的氣穴氣泡的結(jié)構(gòu)；圖3是根據(jù)本發(fā)明的汽缸套的立體圖；圖4是放大約1000倍的新穎表面紋理外觀的顯微照片示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的汽缸套和表面紋理具有氣穴氣泡部分的放大的部分剖視圖，該氣穴氣泡由停滯液體層支持且與外表面間隔一定距離；以及圖6是本發(fā)明一可選實(shí)施例的立體圖，展示用激光束處理過的汽缸套的部分外表面。
具體實(shí)施例參照附圖，其中相似參考數(shù)字指代這幾副圖中相似或相應(yīng)部分。內(nèi)燃機(jī)液體冷卻汽缸模塊10如圖1所示，主要由曲軸箱12構(gòu)成。該曲軸箱12典型地由鐵或鋁鑄造而成。曲軸箱12包括適于容納頂部墊圈(圖未示)的頂面14。汽缸套16安裝于曲軸箱12中，使得全部組配時(shí)，往復(fù)式活塞(圖未示)能夠在大體呈圓柱狀的缸鏜18內(nèi)滑動(dòng)并形成燃燒室的一部分。在該燃燒室中燃燒過程的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。汽缸套16和曲軸箱12之間特意保留的空間形成冷卻液流道20，液體冷卻介質(zhì)通過該流道20循環(huán)，以達(dá)到消除該汽缸套16的熱能的目的。汽缸套16由一管狀體形成，該管狀體具有與頂面14連接的上末端22和開口朝向旋轉(zhuǎn)安裝于曲軸箱12的曲柄軸(圖未示)的下末端24。汽缸套16包括上、下端固定于曲軸箱12的外表面26，在這些固定點(diǎn)之間，外表面26暴露于冷卻液流道20，以通過在冷卻液流道20內(nèi)循環(huán)的流動(dòng)液體冷卻介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流熱傳遞。
在正常發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，特別是在高負(fù)載情況下，汽缸套的非支撐部分，也就是，管狀體暴露于冷卻液流道20的部分，在缸鏜18內(nèi)部的壓力波動(dòng)(fluxuations)下產(chǎn)生撓曲。如圖2所示，在放大形式下，該撓曲導(dǎo)致外表面26鄰接的液體冷卻液通過低和高壓區(qū)域循環(huán)。當(dāng)?shù)蛪弘A段降低至液體冷卻液的氣壓點(diǎn)以下時(shí)，氣泡形成，并很快在管狀體膨脹時(shí)破裂。這種狀況以極高的頻率發(fā)生，并引起非常高的溫度，導(dǎo)致金屬底層的凹陷。氣穴現(xiàn)象引起的凹陷最終能夠穿透汽缸套的厚度。
為保護(hù)汽缸套16的外表面26，在整個(gè)外表面26或至少在外表面上最易發(fā)生氣穴現(xiàn)象引起的腐蝕的部分形成表面紋理28。通常，外表面26的中心部分最易發(fā)生氣穴現(xiàn)象引起的腐蝕，因?yàn)樵撎幱捎诟诅M18內(nèi)的壓力波動(dòng)，經(jīng)歷最大的位移。在圖3中，整個(gè)外表面26如圖所示，由表面紋理28覆蓋。
如高倍放大的圖4所示，表面紋理28本質(zhì)上由短而結(jié)實(shí)的顆粒構(gòu)成，該顆粒的平均寬度和通常距離為2-8μm。每一晶狀顆粒被刻面并由通道網(wǎng)絡(luò)包圍而給定外觀，觀察緊密排列的顆粒集合放大1000倍的掃描電子顯微圖片，每一顆粒具有幾個(gè)平面，平均顆粒尺寸為2-8μm。顆粒的分布通常是隨意的，但其緊密排列導(dǎo)致相鄰顆粒之間的平均最大距離小于8μm。就是說(shuō)，由相鄰成群的結(jié)晶顆粒之間的凹谷形成的通道網(wǎng)絡(luò)的平均最大寬度小于8μm。
具有紋理的表面28對(duì)于刻意形成地粘附于外表面26的非常薄的停滯液體層是有效的。具有代表性的是，根據(jù)該冷卻介質(zhì)的構(gòu)成及粘性，該停滯冷卻液體層任何部分的厚度可為2-20μm。以10-6為數(shù)量級(jí)，粘著力強(qiáng)有力地將液體物質(zhì)約束于表面，特別是如果該液體物質(zhì)本質(zhì)上是有極性的，如同水。同樣以10-6為數(shù)量級(jí)，表面張力作用將變得非常明顯。因此粘著力和表面張力作用也被表面紋理28平衡，并相互結(jié)合起到毛細(xì)管作用。因此，氣穴氣泡由該停滯層支持，遠(yuǎn)離汽缸套16的外表面26。而且，內(nèi)爆氣穴的碰撞射流將有較長(zhǎng)的路徑移動(dòng)，并必須克服停滯液體層形成的粘滯膜。該屏蔽效應(yīng)迅速耗盡破裂氣泡帶來(lái)的強(qiáng)動(dòng)能。如果破裂氣泡突破了該停滯層，則在產(chǎn)生新氣穴氣泡所需循環(huán)時(shí)間內(nèi)快速愈合并再生。平均顆粒尺寸(寬度和間距)為2-8μm、具有緊密間距的特定區(qū)域，能使液體冷卻介質(zhì)內(nèi)的粘著力和表面張力作用結(jié)合并起毛細(xì)管作用，以在外表面26建立停滯液體層。
表面紋理28也可通過任何商用技術(shù)形成于汽缸套16的外表面26上。例如，可采用化學(xué)或激光蝕刻技術(shù)形成表面紋理28，也可以采用機(jī)械磨削、沖壓、碾軋或噴砂技術(shù)。然而，優(yōu)選地，表面紋理28由與汽缸套16材料不同的材料制成的涂層30形成。因此，當(dāng)汽缸套16由鋼或鑄鐵(或其他)材料制成時(shí)，涂層30可為不同材料。該涂層材料可包括適于加工為曲徑式密封裝置的磷酸錳成份，該密封裝置穩(wěn)固水分子(或發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液)并因此改進(jìn)停滯液體層的構(gòu)成。例如，基于磷酸錳的涂層材料可包括紅磷錳礦，通常描述為Mn5H2(PO4)4-4H2O。該紅磷錳礦是較為稀少的礦石，發(fā)生用氫氧化物或OH根替換正常磷酸鹽離子根中的四個(gè)氧之一的化學(xué)反應(yīng)。
在根據(jù)磷酸錳涂層技術(shù)形成表面紋理28的過程中，將采用已知的金屬加工工業(yè)的特殊分支標(biāo)準(zhǔn)作法來(lái)準(zhǔn)備汽缸套16的外表面26。然而，下面將介紹對(duì)這種標(biāo)準(zhǔn)作法的改進(jìn)。汽缸套16首先經(jīng)歷酸洗階段，該酸液由體積濃度為12-15％、最高溫度為38℃的硫磺酸組成。當(dāng)該酸洗僅為優(yōu)選途徑時(shí)，也可采用其他酸。此外，晶粒細(xì)化階段用于在0.3-0.8盎司/加侖范圍內(nèi)集中。磷酸錳浴應(yīng)該具有不少于6.5的全酸/自由酸比率，最大含鐵量為0.3％。采用熱(例如，50-70℃)油密封階段，優(yōu)選采用體積濃度為10-15％的水溶油在自存儲(chǔ)期間保護(hù)汽缸套16。
如果通過電子顯微鏡放大1000倍進(jìn)行掃描分析，合成涂層30會(huì)呈現(xiàn)出由尺寸為2-8μm的晶體(顆粒)和圍繞該晶體也就是顆粒的可辨別通道網(wǎng)絡(luò)組成的均勻結(jié)構(gòu)，其中晶體本質(zhì)上短而結(jié)實(shí)，刻面清晰、沒有“菜花頭”—類似結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@里描述的磷酸錳涂層已在工業(yè)中應(yīng)用了較長(zhǎng)時(shí)間，已被證明非常耐用，可再生。其次，磷酸錳涂層處理是多種金屬加工方法中一種非常廉價(jià)、環(huán)保的方法。
圖6描述了用于制造汽缸套16’的一種可選方法。該汽缸套16’的外表面26’被增強(qiáng)，以更好地抵擋以氣穴現(xiàn)象引起的腐蝕的侵害。根據(jù)該實(shí)施例，外表面26’的有限區(qū)域再熔化/冷卻由激光束32’實(shí)現(xiàn)。在此，工業(yè)激光器34’穿透非反射外表面26’，并因此發(fā)生高度可控的熔化/冷卻，即由于金屬基層地特點(diǎn)，而起散熱片和迅速冷卻的作用并作為冷鑄結(jié)構(gòu)。冷硬表面由基層材料的轉(zhuǎn)換硬化產(chǎn)生，且高度耐磨、抗疲勞。這種再熔化/冷卻金屬表面在高赫茲壓力下良好工作，正好是在氣穴狀況下腐蝕典型的汽缸套的基本機(jī)構(gòu)。典型的該冷硬層的徑向厚度為20-200μm，并產(chǎn)生于汽缸套16’外表面26’傾向于發(fā)生氣穴現(xiàn)象的區(qū)域原來(lái)位置。完全可以以這樣一種方法調(diào)整激光器34’，使其產(chǎn)生經(jīng)處理的補(bǔ)片36’，代替外表面26’的全部覆蓋。
優(yōu)選地，激光器34’為CO2或ND:YAG或二極管類型的激光器。操作過程中，在汽缸套16’上貼一適合的、標(biāo)了刻度的夾具(圖未示)，該夾具設(shè)立對(duì)至少旋轉(zhuǎn)該汽缸套16’的限定性條件，并優(yōu)選說(shuō)明該汽缸套16’。激光器34’照射外表面26’并產(chǎn)生熔化池以快速凝固起散熱片作用的基層。冷硬結(jié)構(gòu)由此產(chǎn)生。同時(shí)，夾具產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)和短時(shí)動(dòng)作相結(jié)合，以產(chǎn)生再熔化帶，該再熔化帶包圍傾向于發(fā)生氣穴現(xiàn)象的區(qū)域，作為連續(xù)或壓花區(qū)域36’。
很明顯，根據(jù)以上描述可以對(duì)本發(fā)明做各種改變和修改?？梢岳斫猓鲜鎏囟▽?shí)施例外，本發(fā)明可在其權(quán)利要求范圍內(nèi)實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種液體冷卻內(nèi)燃機(jī)的汽缸套，包括管狀體，具有呈圓柱狀的缸鏜，該缸鏜適于容置往復(fù)式活塞并形成將燃燒過程的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的燃燒室的一部分；上末端；下末端；外表面，包圍所述管狀體并在上、下末端之間延伸，至少部分該外表面適于與液體冷卻介質(zhì)直接接觸而將熱能從所述汽缸套傳遞進(jìn)液體冷卻介質(zhì)；以及至少部分所述外表面包括由平均尺寸為2-8μm的短而結(jié)實(shí)的顆粒組成的表面紋理，每一所述顆粒由通道網(wǎng)絡(luò)刻面并包圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽缸套，其特征在于所述管狀體由第一材料組成，所述表面紋理包括由不同于所述第一材料的第二材料組成的涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的汽缸套，其特征在于所述涂層包括磷酸錳。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的汽缸套，其特征在于所述涂層由Mn5H2(PO4)4-4H2O組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽缸套，其特征在于相鄰所述顆粒之間的最大距離小于8μm。
6.一種內(nèi)燃機(jī)的液體冷卻汽缸模塊，包括具有冷卻液流道的曲軸箱；設(shè)于所述曲軸箱內(nèi)的汽缸套，該汽缸套具有管狀體，該管狀體限定在其上、下末端之間延伸的缸鏜；所述汽缸套的管狀體包括至少部分暴露于所述冷卻液流道的外表面，以將熱能從所述汽缸套傳遞至在所述冷卻液流道內(nèi)流動(dòng)的液體冷卻介質(zhì)；以及至少部分暴露于所述冷卻液流道的所述外表面，包括由平均尺寸為2-8μm的晶粒組成的表面紋理，每一所述晶粒由通道網(wǎng)絡(luò)刻面并包圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的汽缸套，其特征在于所述管狀體由第一材料組成，所述表面紋理包括由不同于所述第一材料的第二材料組成的涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的汽缸套，其特征在于所述涂層包括磷酸錳。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的汽缸套，其特征在于所述涂層由Mn5H2(PO4)4-4H2O組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的汽缸套，其特征在于相鄰所述晶粒之間的最大距離小于8μm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有表面紋理的柴油機(jī)濕式汽缸套，以防止氣穴現(xiàn)象引起的腐蝕作用。該表面紋理可形成為用于柴油機(jī)冷卻液流道內(nèi)的汽缸套外表面的磷酸錳涂層。該磷酸錳以這種方式應(yīng)用平均顆粒尺寸為2－8μm的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、本質(zhì)上短而結(jié)實(shí)，刻面清晰，沒有菜花頭形的結(jié)構(gòu)，形成包圍晶體的可辨別通道網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)晶結(jié)構(gòu)與液體冷卻液內(nèi)的自然粘著力和表面張力一起作用，以在汽缸套的外表面產(chǎn)生停滯液體層。該停滯液體層像自愈裝甲板一樣作用。當(dāng)汽缸套的迅速撓曲產(chǎn)生氣穴氣泡時(shí)，這些氣泡由所述停滯液體層支持，遠(yuǎn)離外表面。當(dāng)這些氣泡破裂，其動(dòng)能在停滯液體層中耗盡，而非直接在汽缸套的外表面上耗盡。磷酸錳涂層對(duì)穩(wěn)固水分子或發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液起密封裝置作用，因此改進(jìn)了停滯液體層的構(gòu)成。
文檔編號(hào)F02F1/10GK101057070SQ200580038755
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2005年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者米格爾·阿塞韋多 申請(qǐng)人:費(fèi)德羅-莫格爾公司