专利名称：气缸套和用于制造气缸套的方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机的气缸套。
背景技术：
用于发动机的带有气缸套的气缸体已经被用于实际应用中。作为这种气缸套，已知在日本早期公开的实用新型53-163405号公报中有所公开。近来对于环境的关注产生了对改善发动机的燃料消耗率的需求。另一方面已发现，如果在发动机的工作过程中气缸的温度在某些位置处显著地降低到适当温度以下，则这些位置周围的机油粘度会过度地高。这就增大了摩擦并由此使燃料消耗率变差。由于气缸温度引起的这种燃料消耗率的变差在气缸体的热导率较高的发动机(例如，由铝合金制成的发动机)中特别显著。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种可抑制气缸温度过度降低的气缸套和用于制造这种气缸套的方法。为了实现上述目的并根据本发明的第一方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸 (嵌铸，包心铸造，insert casting)的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜用于在所述气缸体和所述气缸套之间形成间隙。根据本发明的第二方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜用于减小所述气缸套对所述气缸体的附着性。根据本发明的第三方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由用于压铸的脱模剂制成。根据本发明的第四方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由用于离心铸造的铸模涂料制成。根据本发明的第五方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由包含石墨作为主要成分的低附着性的制剂制成。根据本发明的第六方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由包含氮化硼作为主要成分的低附着性的制剂制成。根据本发明的第七方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由金属涂料制成。
根据本发明的第八方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由高温树脂制成。根据本发明的第九方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由化学转化处理层制成。根据本发明的第十方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由氧化物层形成。根据本发明的第十一方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括外周向表面，在所述外周向表面上形成有膜。该膜由喷涂层形成，所述喷涂层由铁基材料制成。所述喷涂层包括多个层。根据本发明的第十二方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括具有多个突起部的外周向表面。每个所述突起部具有收缩的形状。在所述外周向表面上形成有膜。该膜的导热性低于所述气缸体和所述气缸套中至少一者的导热性。根据本发明的第十三方面，提供一种用在气缸体中的用于镶铸的气缸套。该气缸套包括在所述气缸套的轴向方向上从所述气缸套的中部延伸至所述气缸套的下端的外周向表面。在所述外周向表面上形成有膜。该膜的导热性低于所述气缸体和所述气缸套中至少一者的导热性。根据本发明的第十四方面，提供一种用于制造用在气缸体中的用于镶铸的气缸套的方法。该方法包括加热所述气缸套，由此在所述气缸套的外周向表面上形成膜，所述膜由氧化物层形成。根据本发明的第十五方面，提供一种用于制造用在气缸体中的用于镶铸的气缸套的方法。该方法包括通过电弧喷涂在所述气缸套的外周向表面上形成膜，在所述电弧喷涂中使用直径等于或大于0. 8mm的喷涂丝。从下面结合附图作出的、通过示例示出本发明原理的说明中可清楚看到本发明的其它方面和优点。
通过参照下面对当前优选实施例的说明以及附图可最佳地理解本发明及其目的和优点，在附图中图1是示出具有根据本发明第一实施例的气缸套的发动机的示意图；图2是示出第一实施例的气缸套的透视图；图3是示出作为第一实施例的气缸套的材料的铸铁的成分比率的一个示例的表；图4和5是示出形成在第一实施例的气缸套上的具有收缩形状的突起部的模型图；图6A是根据第一实施例的气缸套的沿轴向方向截取的剖视图；图6B是示出在根据第一实施例的气缸套中轴向位置与气缸壁温度之间关系的一个示例的图示；图7A是根据第一实施例的气缸套的沿轴向方向截取的剖视图；图7B是示出在根据第一实施例的气缸套中轴向位置与膜厚度之间关系的一个示例的图示；
图8是根据第一实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图6A中的被圈起部分ZC ；图9是根据第一实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图1中的被圈起部分ZA ；图10是根据第一实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图1中的被圈起部分观；图11A、11B、11C、11D、11E和IlF是示出通过离心铸造生产气缸套的步骤的过程图；图12A、12B和12C是示出在通过离心铸造生产气缸套的过程中用于在铸模涂料层中形成具有收缩形状的凹部的步骤的过程图；图13A和1 是示出使用三维激光测量根据第一实施例的气缸套的参数的工序的一个示例的图示；图14是部分地示出根据第一实施例的气缸套的通过使用三维激光进行测量而获得的等高线的一个示例的图示；图15是示出第一实施例的气缸套的测量高度和等高线之间的关系的图示；图16和17分别是部分地示出根据第一实施例的气缸套的通过使用三维激光进行测量而获得的等高线的另一个示例的图示；图18A、18B和18C是示出用于对根据第一实施例的气缸套在气缸体中的接合强度进行评价的拉伸试验程序的一个示例的图示；图19是根据本发明第二实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图6A中的被圈起部分ZC ；图20是根据第二实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图1中的被圈起部分ZA ；图21A和21B是示出通过电弧喷涂在第二实施例的气缸套上形成膜的工序的一个示例的图示；图22是根据本发明第三实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图6A中的被圈起部分ZC ；图23是根据第三实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图1中的被圈起部分ZA ；图M是根据本发明第四实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图6A中的被圈起部分ZC ；图25是根据第四实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图1中的被圈起部分ZA ；图沈是根据本发明第五至第十实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图6A中的被圈起部分ZC;以及图27是根据第五至第十实施例的气缸套的放大剖视图，其示出图1中的被圈起部分ZA。
具体实施例方式(第一实施例)现在参照图1至18C对本发明的第一实施例进行说明。<发动机的结构>图1示出具有根据本实施例的气缸套2的由铝合金制成的整个发动机1的结构。发动机1包括气缸体11和气缸盖12。气缸体11包括多个气缸13。每个气缸13 包括一个气缸套2。
作为各个气缸套2的内周向表面的气缸套内周向表面21形成气缸体11中的相应气缸13的内壁(气缸内壁14)。各个气缸套内周向表面21限定气缸孔15。通过镶铸铸造材料，作为各个气缸套2的外周向表面的气缸套外周向表面22与气缸体11接触。作为用作气缸体11的材料的铝合金，例如，可使用在日本工业标准(JIS) ADClO (相关的美国标准，ASTM A380. 0)或在JIS ADC12 (相关的美国标准，ASTM A383. 0) 中指定的合金。在本实施例中，采用铝合金ADC 12作为气缸体11的材料。〈气缸套的结构〉图2是示出根据本发明的气缸套2的透视图。气缸套2由铸铁制成。铸铁的成分例如如图3所示地被设定。基本上，可选择表中所列出的成分“基本成分”作为铸铁的成分。按照需要，可加入表中所列出的成分“辅助成分”。气缸套2的气缸套外周向表面22具有突起部3，每个突起部3均具有收缩的形状。突起部3形成在从作为气缸套2的上端的气缸套上端23到作为气缸套2的下端的气缸套下端M的整个气缸套外周向表面22上。气缸套上端23是气缸套2的位于发动机1中的燃烧室处的端部。气缸套下端M是气缸套2的位于与发动机1中的燃烧室相对的部分的端部。在气缸套2中，在气缸套外周向表面22上形成有膜5。更具体地，膜5在从气缸套上端23到气缸套中部25的区域内形成在气缸套外周向表面22上，所述区域是气缸套2的在气缸13的轴向方向上的中部。膜5沿气缸套2的整个圆周方向形成。膜5由陶瓷材料的喷涂层(陶瓷喷涂层51)形成。在本实施例中，使用氧化铝作为形成陶瓷喷涂层51的陶瓷材料。喷涂层51通过喷涂(等离子喷涂或HVOF喷涂)形成。<突起部的结构>图4是示出突起部3的模型图。在下文中，箭头A的方向即气缸套2的径向方向被称作突起部3的轴向方向。另外，箭头B的方向即气缸套2的轴向方向被称作突起部3 的径向方向。图4示出沿突起部3的径向方向看去时突起部3的形状。突起部3与气缸套2 —体地形成。突起部3在近端31与气缸套外周向表面22接合。在突起部3的远端32形成有与突起部3的远端表面对应的光滑而平整的顶表面32A。在突起部3的轴向方向上，在近端31和远端32之间形成有收缩部33。收缩部33形成为使得其沿突起部3的轴向方向的截面积(轴向方向截面积SR) 小于在近端31和在远端32的轴向方向截面积SR。突起部3形成为使得轴向方向截面积SR从收缩部33朝近端31和远端32逐渐增大。图5是示出突起部3的模型图，其中标出了气缸套2的收缩空间34。在各个气缸套2中，各个突起部3的收缩部33形成收缩空间34(图5中的阴影区域)。收缩空间34是由包围最大远端部32B的虚拟圆柱形面(在图5中，线D-D对应于该圆柱形面)和收缩表面33A即收缩部33的表面所围成的空间。最大远端部32B代表在远端32处突起部3的直径最长的部分。在具有气缸套2的发动机1中，气缸体11和气缸套2在气缸体11的一部分位于收缩空间34中的状态下一换句话说，在气缸体11与突起部3啮合的状态下一彼此接合。 因此，可确保充分的气缸套接合强度，即气缸体11与气缸套2的接合强度。另外，由于增大的气缸套接合强度可抑制气缸孔15的变形，因而摩擦减小。因此，燃料消耗率得以改善。〈膜的形成〉参照图6A、6B、7A、7B和8对膜5在气缸套2上的形成进行说明。在下文中，膜5 的厚度被称为膜厚度TP。[1]膜的位置参照图6A和6B，对膜5的位置进行说明。图6A是气缸套2沿轴向方向的剖视图。 图6B示出在发动机1的正常运转状态下气缸13的温度尤其是气缸壁温度TW沿气缸13的轴向方向的变化的一个示例。在下文中，移除了膜5的气缸套2将被称作基准气缸套。具有基准气缸套的发动机将被称作基准发动机。在该实施例中，基于基准发动机中的气缸壁温度TW来确定膜5的位置。对气缸壁温度TW的变化进行说明。在图6B中，实线代表基准发动机的气缸壁温度TW，而虚线代表本实施例的发动机1的气缸壁温度TW。在下文中，气缸壁温度TW的最高温度被称作最大气缸壁温度TWH，而气缸壁温度TW的最低温度被称作最小气缸壁温度TWL。在基准发动机中，气缸壁温度TW以如下方式改变。(a)在从气缸套下端M到气缸套中部25的区域内，由于燃烧气体的小的影响，气缸壁温度TW从气缸套下端M向气缸套中部25逐渐升高。在气缸套下端M附近，气缸壁温度TW为最小气缸壁温度TWLl。在本实施例中，气缸套2的其中气缸壁温度TW以这种方式变化的部分被称作低温气缸套部分27。(b)在从气缸套中部25到气缸套上端23的区域内，由于燃烧气体的大的影响，气缸壁温度TW急剧升高。在气缸套上端23附近，气缸壁温度TW为最大气缸壁温度TWH。在本实施例中，气缸套2的其中气缸壁温度TW以这种方式变化的部分被称作高温气缸套部分 26。在包括上述基准发动机的内燃机中，在对应于低温气缸套部分27的位置处的气缸壁温度显著地降低到适当温度之下。这显著地增大了该位置附近的机油的粘性。即，燃料消耗率由于活塞摩擦的增大而不可避免地变差。由于下降的气缸壁温度TW而引起的这种燃料消耗率的变差在气缸体的热导率较高的发动机(例如，由铝合金制成的发动机)中特别显著。因此，在根据本实施例的气缸套2中，膜5形成在低温气缸套部分27上，从而气缸体11与低温气缸套部分27之间的导热性减小。这使得低温气缸套部分27的气缸壁温度 TW升高。在本实施例的发动机1中，由于气缸体11与低温气缸套部分27以具有隔热性质的膜5位于它们之间的方式彼此接合，这减小了气缸体11与低温气缸套部分27之间的导热性。因此，低温气缸套部分27内的气缸壁温度TW升高。这使得最小气缸壁温度TffL成为高于最小气缸壁温度TffLl的最小气缸壁温度TWL2。随着气缸壁温度TW的升高，机油的粘性降低，这可减小活塞的摩擦。因此，燃料消耗率得以改善。壁温边界观即高温气缸套部分沈和低温气缸套部分27之间的边界可基于基准发动机的气缸壁温度TW获得。另一方面，已发现在许多情况下低温气缸套部分27的长度(从气缸套下端M到壁温边界观的长度)为气缸套2总长度(从气缸套上端23到气缸套下端M的长度)的三分之二到四分之三。因此，在确定膜5的位置时，可将从气缸套下端 24起的整个气缸套长度的三分之二到四分之三的范围看作是不必精确确定壁温边界观时的低温气缸套部分27。[2]膜的厚度参照图7A和7B对膜厚度TP的设定进行说明。图7A是气缸套2的沿轴向方向截取的剖视图。图7B示出在气缸套2中轴向位置和膜厚度TP之间的关系。在气缸套2中，膜厚度TP以如下方式确定。(A)膜厚度TP可被设定成从壁温边界观向气缸套下端M逐渐增大。即，膜厚度 TP在壁温边界观处被设定为零，而在气缸套下端M处被设定为最大值(最大厚度Tpmax)。(B)膜厚度TP被设定为等于或小于0. 5mm。在本实施例中，膜5形成为使得在低温气缸套部分27的多个位置处的膜厚度TP的平均值小于或等于0. 5mm。但是，膜5也可形成为使得在整个低温气缸套部分27内的膜厚度TP小于或等于0. 5mm。[3]突起部周围的膜的形成图8是示出图6A中的被圈起部分ZC的放大视图。在气缸套2中，膜5在气缸套外周向表面22上形成为使得收缩空间34不被充满。S卩，膜5形成为使得当进行气缸套2 的镶铸时，铸造材料充填收缩空间34。如果收缩空间34被膜5充满，则铸造材料将无法充填收缩空间34。这样，在低温气缸套部分27上将无法获得突起部3的锚固效果。<气缸体和气缸套的接合状态>参照图9和10对气缸体11和气缸套2的接合状态进行说明。图9和10是沿气缸13的轴线截取的示出气缸体11的剖视图。[1]低温气缸套部分的接合状态图9是图1中的被圈起部分ZA的剖视图，并示出气缸体11和低温气缸套部分27 之间的接合状态。在发动机1中，气缸体11以气缸体11与突起部3啮合的状态接合到低温气缸套部分27上。气缸体11和低温气缸套部分27彼此接合，且膜5位于它们之间。由于膜5由热导率低于气缸体11的热导率的氧化铝形成，因而气缸体11和膜5 以导热性低的状态彼此机械地接合。在发动机1中，由于气缸体11和低温气缸套部分27以这种状态彼此接合，因而可获得以下优点。(A)由于膜5降低了气缸体11和低温气缸套部分27之间的导热性，因而低温气缸套部分27内的气缸壁温度TW升高。(B)由于突起部3确保了气缸体11和低温气缸套部分27之间的接合强度，因而气缸体11和低温气缸套部分27的剥离得以抑制。[2]高温气缸套部分的接合状态图10是图1中的被圈起部分观的剖视图，并示出气缸体11和高温气缸套部分沈之间的接合状态。在发动机1中，气缸体11以气缸体11与突起部3啮合的状态接合到高温气缸套部分沈上。因此，通过突起部3的锚固效果确保了气缸体11与高温气缸套部分沈之间的充分的接合强度。此外，也确保了气缸体11与高温气缸套部分沈之间的充分的导热性。〈突起部的形成〉参照表1对气缸套2上的突起部3的形成进行说明。作为与突起部3相关的参数，定义第一面积比率SA、第二面积比率SB、标准截面积 SD、标准突起部密度NP和标准突起部高度HP。现在对用于与突起部3相关的上述参数的基本值一测量高度H、第一基准平面PA 和第二基准平面PB进行说明。(a)测量高度H表示沿突起部3的轴向方向的距突起部3近端的距离。在突起部 3的近端处，测量高度H为零。在突起部3的顶表面32A处，测量高度H具有最大值。(b)第一基准平面PA表示位于测量高度为0.4mm的位置的沿突起部3的径向方向的平面。(c)第二基准平面PB表示位于测量高度为0.2mm的位置的沿突起部3的径向方向的平面。现在对与突起部3相关的参数进行说明。[A]第一面积比率SA表示在第一基准平面PA的单位面积内突起部3的径向方向截面积SR的比率。更具体地，第一面积比率SA表示通过累加由高度为0. 4mm的等高线所包围的各个区域的面积而获得的面积与气缸套外周向表面22的整个等高线图的面积之比。[B]第二面积比率SB表示在第二基准平面PB的单位面积内突起部3的径向方向截面积SR的比率。更具体地，第二面积比率SB表示通过累加由高度为0. 2mm的等高线所包围的各个区域的面积而获得的面积与气缸套外周向表面22的整个等高线图的面积之比。[C]标准截面积SD表示作为第一基准平面PA内的一个突起部3的面积的径向方向截面积SR。即，标准截面积SD表示在气缸套外周向表面22的等高线图中由高度为0. 4mm 的等高线所包围的各个区域的面积。[D]标准突起部密度NP表示在气缸套外周向表面22内每单位面积上的突起部3 的数量。[E]标准突起部高度HP表示各个突起部3的高度H。表权利要求
1.一种用于制造用在气缸体中的用于镶铸的气缸套的方法，其特征在于，通过电弧喷涂在所述气缸套的外周向表面上形成膜，在所述电弧喷涂中使用直径等于或大于0. 8mm的喷涂丝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷涂丝的直径被设定为从0.8mm至 2. 4mm的范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通过电弧喷涂在气缸套的外周向表面上形成膜的步骤包括下列工序[1]和[2][1]将熔融的喷涂丝喷涂在所述外周向表面上以形成喷涂层；[2]将熔融的喷涂丝喷涂在所述喷涂层上，以形成随后的喷涂层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，重复所述工序[2]直到形成具有期望厚度的膜为止。
全文摘要
一种气缸套，具有形成有膜的外周向表面。所述膜用于在气缸体与气缸套之间形成间隙。或者，所述膜用于降低气缸套对气缸体的附着性。所述气缸套可抑制气缸温度的过度降低。
文档编号F02F1/10GK102517538SQ201210011828
公开日2012年6月27日 申请日期2006年7月6日 优先权日2005年7月8日
发明者三原敏宏, 佐藤乔, 堀弘平, 堀米正巳, 塚原猛, 太田行纪, 宫本典孝, 山下信行, 山田里志, 平野雅挥, 斋藤仪一郎, 柴田幸兵, 高见俊裕 申请人:丰田自动车株式会社