专利名称：发动机缸径衬套盒体及方法
技术领域：
本发明涉及气缸径衬套(cylinder bore liner)，并且更特别地涉及用于发动机气缸体铸造中的现场铸造气缸径衬套，其中多个气缸径衬套连接形成盒体。
背景技术：
一般地，铝模铸发动机气缸体用现场铸造缸径衬套制造。由于铁的耐磨性高并且用于形成发动机缸体的铝合金的耐磨性低，许多已知缸径衬套由铸铁制造。
在用现场铸造缸径衬套生产铝发动机中，例如，模组件方法一般包括在适合的表面定位底芯(base core)并且建立或者堆栈独立的模元件以造型例如边侧、端部、凹部、水套、凸轮开口以及曲轴箱的铸件特征。缸径衬套设置于筒状芯上以便在熔融金属浇注入模内后衬套嵌入在铸件内。附加芯还可以依赖于发动机设计而存在。可在工业中使用不同的筒芯设计。这些包括单独的筒芯、“V”型成对筒芯、筒形板芯以及整合的筒形曲轴箱型芯。
其中，发动机缸体铸件必须以某种方法加工以保证气缸径(形成于缸径衬套)具有一致的缸径衬套壁厚度并且其它关键缸体特征精确加工。这要求在铸件内衬套相对于彼此精确定位。还要求相对于加工设备缸体最佳定位。
生产出在各缸径衬套关于其它缸径衬套的定位中精确度最大化而其重量最小化的缸径衬套盒体是希望的。
发明内容
与本发明一致且和谐的是，意外地发现了一种在各缸径衬套关于其它缸径衬套的定位中精确度最大化而其重量最小化的缸径衬套。
在一实施例中，缸径衬套包括至少一个中空的气缸径衬套，其适于铸造到发动机气缸体内以在其内形成活塞气缸，缸径衬套的内壁具有大体圆形的截面以及大体一致的半径，气缸径衬套由铝合金形成，该铝合金主要包括重量比为小于14％的硅、大约2.0到2.5％的铜、大约0.25到0.35％的镁、大约0.4到0.5％的铁、大约0.5到0.73％的锰、大约0.015到0.03％的锶、大约0.1到0.25％的钛以及余量(abalance of)的铝，其中锰与铁的重量比大约是1.25到1.45。
在另一实施例中，缸径衬套盒体包括在桥接区域处连接的多个中空的气缸径衬套，缸径衬套适于铸造到发动机气缸体内以在其内形成多个活塞气缸，各缸径衬套的内壁具有大体圆形的截面以及大体一致的半径，气缸径衬套由铝合金形成，铝合金包括重量比为小于14％的硅、大约2.0到2.5％的铜、大约0.25到0.35％的镁、大约0.4到0.5％的铁、大约0.5到0.73％的锰、大约0.015到0.03％的锶、大约0.1到0.25％的钛以及余量的铝，其中锰与铁的重量比大约是1.25到1.45。
本发明还提供了用于形成缸径衬套箱体的方法。
在一实施例中，形成缸径衬套箱体的方法包括如下步骤提供铝合金，铝合金包括重量比为小于14％的硅、大约2.0到2.5％的铜、大约0.25到0.35％的镁、大约0.4到0.5％的铁、大约0.5到0.73％的锰、大约0.015到0.03％的锶、大约0.1到0.25％的钛以及余量的铝，其中锰与铁的重量比大约是1.25到1.45；以及用铝合金铸造气缸径衬套箱体，缸径衬套盒体包含在桥接区域处连接的多个中空的气缸径衬套，缸径衬套适于铸造到发动机气缸体内以在其内形成多个活塞气缸。
对于本领域的技术人员来说，当根据附图考虑下文详细描述的优选实施例时，本发明的上述以及其它优点将变得显而易见。其中图1是根据本发明实施例的缸径衬套盒体的侧面透视图；图2是用于铸造包括示于图1的缸径衬套盒体的发动机气缸体的发动机气缸体铸模的分解示意图；图3是包含示于图1和图2的缸径衬套盒体的六气缸V-型发动机气缸体的透视图；图4是湿式气缸径衬套的截面示意图；以及图5是干型气缸径衬套的截面示意图。
具体实施例方式
下文的详细描述以及附图描述了且阐述了本发明的不同的示范实施例。描述和附图用作允许本领域的技术人员制造并使用本发明，并且并不意味着以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，出现的步骤实质上是示范性的，并且因而步骤的顺序并不必要或者关键。
图1显示了根据本发明实施例的缸径衬套盒体10。如本文中所使用的，例如，盒体意思是容器、支架、圆柱体以及连接起来的多个容器、支架或圆柱体。在一个实施例中，缸径衬套盒体10使用高压模铸铸造技术铸造而成。例如，任何传统的铸造方法如用永久或半永久铸模铸造，在没有脱离本发明的范围及精神下都可以使用。
如实施例所示，缸径衬套盒体10包括三个缸径衬套12。三个缸径衬套12仅是为了说明的目的而显示，如果希望，可以使用更多或更少的缸径衬套12。各缸径衬套12在桥接区域14与至少一个其它缸径衬套12连接。缸径衬套12的纵轴线L与其它各缸径衬套12的纵轴线L大体对准。在本文中使用的对准意思是缸径衬套12的纵轴线L大体相互平行并且在横向上大体线性排列。虽然桥接区域14显示为延伸缸径衬套12的整个长度，如所希望的，可以理解，桥接区域14可以仅形成在缸径衬套12的长度的一部分上，或者多个桥接区域14可以用于相邻的缸径衬套12之间。各缸径衬套12是中空的，具有形成在其内的纵向延伸孔16。
根据本发明实施例的缸径衬套盒体10由铝合金制成。铝合金可以是例如公开于共同拥有的美国专利申请公开号2004/0265163中的合金，本申请通过参考其全部内容结合了该专利申请。
使用具有在下列范围的元素浓度的铝合金也发现了意外的有利结果硅含量小于14％，一般大约在10.75％到11.25％，目标是11％；铜一般在大约2到2.5％的范围内，目标是2.25％；范围大约在0.25到0.35％的镁是优选的，目标是0.3％；铁一般在大约0.4到0.5％之间，目标是0.45％；锰在大约是0.5到0.73％的范围内，目标是0.58％；锶一般在大约0.015％到0.030％之间，目标是0.022％；以及所提供的钛的最大值为0.25％，较低范围点为大约0.10％，目标是0.15％。锰与铁的希望比例在大约1.25到1.45范围内，目标是1.35。任何其它元素的存在，例如伴随的杂质，浓度小于或等于大约0.05％是希望的。然而，任何存在的钙或磷希望小于0.04％。除伴随的杂质外，合金的余量是铝。在此使用的伴随杂质还包括出现在铝合金构造的一个或多个中的元素。
一般通过将铝锭与基于主合金(例如Al-25Fe、Al-50Cu、Al-20Mn、Al-50Si)的适当的铝和纯镁金属熔融来使可铸造熔体制备成如上述希望的组分。可以理解，在没有脱离本发明的范围和精神下其它工艺可以用于生产可铸造熔体。稀土添加剂是经由稀土金属混合物主合金或纯金属或稀土铝主合金制成。这些添加物可以制成初始进料。然而，如果使用这个过程，优选在熔体已经由助熔剂和/或除气剂处理后制造添加物。
熔体在适合的炉子中制备，例如，无芯感应炉、电阻炉、反射炉或者粘土石墨或碳化硅的煤气坩埚炉。助熔剂仅仅与含杂质或渣状的装料材料一起需要。通常没有特定的炉内气氛是必要的。热量可在大气中逐渐消失。一旦熔化，熔体使用一般的铝铸造生产进行除气，例如使用干氩气或氮气通过旋转的除气装置冲洗熔体。除气操作还可以包含卤气(例如氯气、氟气或者卤盐)以便于杂质的去除。优选在静态方式中处理熔体以便最小化紊流和氢气的提取。
一旦进行除气以及清洁后，金属由锶或稀土混合物处理以影响共晶硅的变形。优选方法是假设不使用卤素的材料的情况下，使用在除气的最后阶段倾入金属中的Al-10Sr或Al-90Sr主合金。熔体的气体水平经由任何通用的商业上可得到的方法评定，例如减压测试或者AlSCAN.TM.仪器。
熔体过热在低于华氏150度到远高于华氏700度连续变化。在大约华氏1170度到大约华氏1250度的浇注温度从主体(subject)合金铸造气缸径衬套10是希望的。浇注温度优选为从大约华氏1170度到大约华氏1200度。过热的较低水平被推荐以最小化微气孔率。然而，过热的较高水平导致在微结构中金属间化合物的细化。因此，在某些情况下，可以使用这个方法。
在此描述的实施例中，使用高压模铸。然而，金属可以浇注到已经由许多已知模制造实践制成的适合的模中，例如造型砂模、金属或永久模或者失蜡铸型制成。砂模可以包含金属冷铸以便于定向固化或提炼铸件的微结构，如希望的话。
本发明的气缸径衬套盒体10可以通过已知用于铝合金的沉淀硬化原理进行热处理以加强机械特性。例如，T5回火由在中间温度(一般从华氏300到450度)人工老化铸件组成，直到12个小时或更多。
更多高要求的铸件应用可能要求峰值强度T6回火，T6回火由在温度接近但低于合金固相线温度处进行固溶退火组成，时间一般是在4到12小时的范围内，但取决于铸件中微结构的初始阶段可以长些或短些。在适合的淬火介质液体(例如水、油或聚合体或在快速移动的空气)中，铸件从溶解温度淬火。这样的淬火可快速冷却热处理铸件通过关键温度范围，通常是华氏850到450度。一旦冷却，铸件通常在室温停留1到24小时并且然后重新加热到类似T5回火的中间温度。
在尺寸稳定性是最主要的应用中，T7回火将特殊化。除了人工老化周期在较高温度或长一点的时间执行或两者以实现较软状态(softer condition)外，这与T6回火相似，但具有更好的尺寸稳定性。现在气缸径衬套盒体铸件准备好加工。
为了形成如图3所示的发动机气缸体20，如图2所示，缸径衬套盒体10设置在发动机气缸体铸模22内。铸模22的芯轴24被提供用于各缸径衬套12并且容纳位于其上的缸径衬套12。芯轴24插入相应的一个缸径衬套12的各孔16中。发动机气缸体20的铸件使用传统的铸造工艺完成。
如图3所示，气缸径衬套盒体10模制到发动机气缸体20内。各缸径衬套12的孔16形成发动机气缸体20的单一气缸。仅六气缸的三个，或者在V-6发动机气缸体20内的一个“V”分支在图3中可视。发动机气缸体20铸件一般要求大量的加工。例如，用于连接气缸盖(未示)的大量的螺栓孔28必须钻孔并且攻丝。必须加工气缸盖所靠着的平面式挡板表面30。各缸径衬套12的壁也必须加工抛光。需要附加加工操作以完成用于装配到车辆发动机内的发动机气缸体20的制造。
如已知的，发动机气缸体20包括众多的用于形成其内的冷却剂流量的通路以及流动通道。图4和图5说明了湿式缸径衬套构造30以及干式缸径衬套构造40，两者可以与在此描述的本发明一起使用。在湿式缸径衬套构造30中，缸径衬套12′的外壁32形成了气缸体20′的冷却剂通道34的内壁。绕针(castover)区域36提供了在孔16′和冷却剂通道34之间的密封。密封材料38也可以设置在绕针区域36内或者在孔16′和冷却剂通道34之间的其它过渡区域。可以使用能够承受在操作中发动机气缸体20内产生的热量的任何传统的密封材料是希望的。应当注意，在冷却剂通道34和孔16之间泄漏的潜在可能是存在的。
在干式缸径衬套构造40中，缸径衬套12″的外壁42铸造入发动机气缸体20″中。冷却剂通道44形成在与希望进行冷却的区域相邻的发动机气缸体20″内，但仍在缸径衬套12″的外壁42之间保留一部分发动机气缸体。干式缸径衬套构造40有助于阻止冷却剂泄漏到缸径衬套12″的孔16″内。虽然湿式缸径衬套构造30和干式缸径衬套构造40都可与本发明一起使用，使用干式缸径衬套构造40已得到更有利的结果。
本发明的缸径衬套盒体10便于缸径衬套12的对齐，以及随后活塞气缸的对齐。此外，缸径半径可以最大化，使得封装加强以及排量最大化。质量也可减少，由此最大化燃料燃烧效率。
本领域的技术人员从前面的描述可以容易地确定本发明的实质特性，并且在不脱离本发明的精神和范围下，可以对本发明进行不同的改变和更改以使其适应不同的用法及条件。
权利要求
1.一种现场铸造的气缸径衬套盒体，包括至少一个中空的气缸径衬套，其适于铸造到发动机气缸体内以在其内形成活塞气缸，所述缸径衬套的内壁具有大体圆形的截面以及大体一致的直径，所述气缸径衬套由铝合金形成，所述铝合金主要包括重量比为小于14％的硅；大约2.0到2.5％的铜；大约0.25到0.35％的镁；大约0.4到0.5％的铁；大约0.5到0.73％的锰；大约0.015到0.03％的锶；大约0.1到0.25％的钛；以及余量的铝，其中锰与铁的重量比大约是1.25到1.45。
2.根据权利要求1所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约为10.75到11.25％的硅。
3.根据权利要求1所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述缸径衬套通过高压模铸生产。
4.一种现场铸造的缸径衬套盒体包括在桥接区域连接的多个中空的气缸径衬套，所述缸径衬套适于铸造到发动机气缸体内以在其内形成多个活塞气缸，各所述缸径衬套的内壁具有大体圆形的截面以及大体一致的直径，所述气缸径衬套由铝合金形成，所述铝合金包括重量比为小于14％的硅；大约2.0到2.5％的铜；大约0.25到0.35％的镁；大约0.4到0.5％的铁；大约0.5到0.73％的锰；大约0.015到0.03％的锶；大约0.1到0.25％的钛；以及余量的铝，其中锰与铁的重量比大约是1.25到1.45。
5.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约为10.75到11.25％的硅。
6.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约11％的硅。
7.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于进一步包括重量比达到0.04％的钙。
8.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于进一步包括重量比达到0.04％的磷。
9.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约2.25％的铜。
10.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约0.3％的镁。
11.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约0.45％的铁。
12.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约0.058％的锰。
13.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约0.022％的锶。
14.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述铝合金包括重量比大约0.15％的钛。
15.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述缸径衬套的纵轴线大体上平行。
16.根据权利要求15所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述缸径衬套的纵轴线在横向上大体线性地设置。
17.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述缸径衬套通过高压模铸生产。
18.根据权利要求4所述的缸径衬套盒体，其特征在于所述气缸径衬套是干式缸径衬套构造。
19.一种形成用于发动机气缸体的缸径衬套盒体以在其内形成多个活塞气缸的方法，包括以下步骤提供铝合金，所述铝合金包括重量比为小于14％的硅；大约2.0到2.5％的铜；大约0.25到0.35％的镁；大约0.4到0.5％的铁；大约0.5到0.73％的锰；大约0.015到0.03％的锶；大约0.1到0.25％的钛；以及余量的铝，其中，锰与铁的重量比大约是1.25到1.45；以及用所述铝合金铸造所述气缸体衬套盒体，所属缸径衬套盒体包括在桥接区域连接的多个中空的气缸径衬套，所述缸径衬套适于铸造到发动机气缸体内以在其内形成多个活塞气缸。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于所述铸造步骤是高压模铸。
全文摘要
公开了在发动机气缸体的铸件内使用的现场铸造气缸径衬套，其中多个气缸径衬套连接以形成盒体，并且其中各缸径衬套关于彼此的定位的精确性被最大化而其重量被最小化。
文档编号B22D21/04GK1847634SQ20061007373
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月6日 优先权日2005年4月6日
发明者G·C·沃德, B·R·小鲍威尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司