应用于内燃机的气缸制造技术

本发明专利技术涉及一种低成本的气缸(1)，通过使组件的摩擦损失和磨损最小化，保证了良好的工作条件。为此目的，对铸铁气缸(1)进行包括多于一次珩磨步骤的精加工处理，随后用无定形的类金刚石碳膜(3)进行涂覆，在任何类型内燃机上，即使在承受高于200bar(20MPa)的高工作应力的内燃机上，都保证具有低摩擦系数和高耐久性。另外，借助于气缸(1)获得了本发明专利技术的优点，在接受了涂层之后，气缸(1)工作表面具有的粗糙度在Rz 0.5μm至Rz 4.0μm范围，此粗糙度的一种特性是，平均谷部粗糙度(Rvk)至少是平均峰部粗糙度(Rpk)的3倍。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】应用于内燃机的气缸
本专利技术涉及一种内燃机组件，更具体地，涉及一种气缸，其包括金属基底的气缸体，该气缸体的内周面接受(支撑)硬碳膜，该硬碳膜提供规定的粗糙度，用于使组件的摩擦损失以及磨损最小化。
技术介绍
[现有技术的描述]作为市场新需求的结果，内燃机的组件面临更大的需求，所以内燃机的组件需要具备能够保证更佳性能的方案，以及，需要有助于使发动机具有更高的可靠性和更好的性能。另外，由于需要减少因化石燃料燃烧而产生的大气排放，对全球汽车产业的整个生产链提出了挑战。因此，许多汽车组件的制造商寻求不同的解决方案，其中，主要是针对内燃机的气缸的解决方案。应该理解的是，内燃机的气缸包括：应用于发动机缸体的缸套，以及，与发动机缸体整体形成的气缸自身。为了更好地理解，下文中仅使用术语“气缸”来限定所提到的可能情况。不论哪种技术方案，由于发动机所执行工作的类型，内燃机的气缸是承受明显磨损的发动机组件。这个特性与汽车产业与日俱增的挑战相关联，导致需要在低尺寸公差、高工作压力、更高腐蚀性的条件下进行工作，这些条件导致对发动机组件产生影响，而这些影响必须加以解决。进一步应该注意的是，在以狄塞尔循环(Dieselcycle)运行的发动机的情况下，这种磨损很高，特别是由于柴油燃料中存在硫元素。因此，通过改进用于制造气缸的材料，可以获得能改善承受所述条件的发动机的性能的解决方案，总是要考虑这种方案的成本。在这方面，取得了一些进展，在气缸包括铁合金(铁类合金)的情况下很明显。在制造现有技术的缸套时采用的主要合金是铁合金。在这些材料中经常会提到灰铸铁，灰铸铁成本较低，并且，主要原因是，由于在滑动表面上存在大量的石墨形式的固体润滑剂，灰铸铁具有良好摩擦学特性。但是，此材料不能额外减少摩擦损失或减少磨损，而这正是现今条件所要求的。文献EP1783349公开了一种用于多种发动机内部组件(包括气缸)的解决方案，允许具有低摩擦系数。为此目的，金属气缸体的内周面通过化学气相沉积(CVD)接受硬碳膜，向该硬碳膜提供有含量在1％至20％范围内的硅元素，即，气缸工作表面包括含量可以在1％至20％范围内的硅。此外，所述膜的厚度在2μm至5μm范围，并且粗糙度应该低于Rz0.5μm。尽管所建议的解决方案表现出导致低摩擦系数以及优良耐磨性的特性，这些方案存在很大的缺陷。由于所获得的低粗糙度(低于0.5Rz)，使得气缸工作表面具备的超精加工阻止了良好的润滑，原因很简单，没有足够的粗糙性(主要是因为存在很少的谷部)以用于积聚油，这造成几乎干燥的工作表面以及膜的过早磨损。由于硬碳膜不具有孔的事实，加重了这种情况，这减弱了润滑，增加了膜的过早磨损。在运行狄塞尔循环的发动机中应用这种技术方案更为不利，因为工作压力明显更高。文献EP1510594也披露了一种内燃机的气缸，其内周面接收硬碳膜。所述膜厚度范围是0.3μm至2μm，以及，参数Ra的粗糙度小于0.1μm，膜的硬度范围在1000Hv至3500Hv。根据此文献，粗糙度高于Ra0.1μm会导致摩擦系数的增加。如前面的文献所述，此解决方案表现出的缺点是，由于膜粗糙度降低而润滑不足，不能适当地积聚润滑流体，这会导致膜的过早磨损，尤其是对于在高压(高于6MPa(60bar))下运行的内燃机。除了所提到的现有技术导致的问题，应注意的是，硬碳膜的粗糙度过度(高于Rz4.0μm)也带来缺陷。由于环和活塞的滑动表面上的粗糙度(凹凸不平)之间的高接触压力，高的粗糙度产生裂纹随后剥离，从而导致膜的过早失效。图1示出具有铸铁制成的气缸的发动机的测试结果，在气缸内周面上设置有硬碳膜。在用类金刚石碳(DLC)膜涂覆之后，图1A和图1B的表面粗糙度分别为Rz5.82μm和Rz5.84μm，即大于Rz4.0μm。图1C示出在测试之后，气缸在其上止点(UDC/PMS)处的表面已经完全磨损，不存在硬碳膜。另外，上止点的下方相邻区域显示出膜的剥离。此测试的结果清楚地示出，具有硬碳膜的气缸的粗糙度高于Rz4.0μm时，存在膜过早失效的问题，因此不应该超过此粗糙度数值。应该注意的是，上止点(UDC)(见图7A和图8)是活塞环(直径为D)冲程(见图7A、图7B和图8)在气缸或缸套上限定的最高位置。在UDC位置，相对移动的反转发生在第一槽翼(groovewing)处。在考虑磨损的时候，此处是缸套中应力最大的区域，由于通常形成有磨损，在抛光此区域时可以观察到凹陷，主要是在承受高压力的发动机的情况下(如运行狄塞尔的发动机)，因此增加了愈伤组织(callus)的形成。当然，与上止点(UDC)相对，存在有下止点(LDC)，在图7A和图7B的特别情况下，下止点(LDC)描述了活塞-气缸系统中的压缩比。因此，还没有一种气缸设置有这样的硬碳膜：其能够找到膜粗糙度、摩擦系数以及膜磨损之间的平衡条件，并克服现有技术中存在的问题，在任何内燃机中都保证以低成本获得较长的耐久性。
技术实现思路
[本专利技术的目的]因此，本专利技术的目的是提供一种用于任意类型内燃机的气缸，该气缸具有铁基(ferrousbase)本体，其内周面设置有类金刚石的无定形硬碳(DLC)膜，该膜粗糙度在Rz0.5μm至Rz4.0μm范围。此外，本专利技术的目的是提供一种具有铁基的气缸，气缸的内周面设置有硬碳膜，气缸的工作表面包括至少99％的碳和氢，这在工作(滑动)表面下方可以存在化学元素以改善膜的附着性，化学元素例如Cr(铬)、W(钨)、Si(硅)、SiC(碳化硅)，但并不局限于此。本专利技术的另一目的是提供一种具有铁基缸体的气缸，其内周面设置有硬碳膜，该硬碳膜的硬度在1000Hv和3000Hv之间，并且厚度在1μm和30μm之间。最后，本专利技术的目的是提供一种具有铁基的气缸，其内周面设置有硬碳膜，该硬碳膜通过化学气相沉积(CVD)法进行沉积。[专利技术简要说明]通过提供一种应用于内燃机的气缸实现了本专利技术的目的，该气缸包括金属缸体和类金刚石硬碳(DLC)膜，该膜形成在气缸体的内周面上，在形成碳膜之后，该气缸的粗糙度在Rz0.5μm和Rz4.0μm之间。附图说明通过参考图中所示的实施例，更详细地描述本专利技术。图中示出：图1A是具有铸铁气缸的发动机的测试结果，该气缸设置有粗糙度大于Ra4.0μm(微米)的硬碳膜；图1B是具有铸铁气缸的发动机的测试结果，该气缸设置有粗糙度大于Rz4.0微米的硬碳膜；图1C是粗糙度大于Rz4.0微米的气缸工作表面在完成测试后的显微镜照片；图2A是具有根据本专利技术的气缸的发动机测试结果；图2B是具有根据本专利技术的气缸的发动机测试结果；图2C是具有根据本专利技术的气缸的发动机测试结果；图2D是具有根据本专利技术的气缸的发动机测试结果；图3是在常规铸铁气缸与根据本专利技术铸铁气缸之间比较粗糙度和磨损的图；图4A是示出现有技术气缸磨损的图；图4B是示出根据本专利技术气缸磨损的图；图5是在常规铸铁气缸与根据本专利技术铸铁气缸之间比较摩擦损失的图；图6是根据本专利技术气缸的图示；图7A是活塞-气缸系统的下止点(LDC)的图示；图7B是活塞-气缸系统的上止点(UDC)的图示；图8是活塞-气缸系统的下止点(LDC)、上止点(UDC)以及各冲程的图示。具体实施方式[附图详细说明]本专利技术期望对内燃机的气缸1或气缸套进行改进。如前文所述，本专利技术已应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于内燃机的气缸，所述气缸(1)包括金属气缸体(2)以及无定形的类金刚石硬碳膜(3)，所述无定形的类金刚石硬碳膜(3)形成在所述气缸体(2)的内周面上，所述气缸(1)的特征在于，在形成所述碳膜之后，所述气缸(1)的粗糙度在Rz 0.5μm至Rz 4.0μm范围。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.25 BR 102012012636-21.一种应用于内燃机的气缸，所述气缸(1)包括金属气缸体(2)以及无定形的类金刚石碳膜(3)，所述无定形的类金刚石碳膜(3)形成在所述气缸体(2)的内周面上，所述气缸(1)的特征在于，在形成所述碳膜(3)之后，所述气缸体的所述内周面的粗糙度在Rz0.5μm至Rz4.0μm范围，所述无定形的类金刚石碳膜(3)的粗糙度包括谷部和峰部，其中平均谷部粗糙度(Rvk)至少是平均峰部粗糙度(Rpk)的3倍。2.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，在接受所述无定形的类金刚石碳膜(3)之前，所述气缸体(2)的所述内周面接受至少两个珩磨步骤的表面精加工。3.根据权利要求2所述的气缸，其特征在于，所述珩磨角度在40度至150度范围。4.根据权利要求1至权利要求3中任一项权...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨曼莎·尤哈拉，保罗·若泽·达罗查·莫尔登特，埃德尼·德绍尔·雷乔斯基，
申请(专利权)人：马勒发动机零部件巴西有限公司，马勒国际公司，
类型：发明
国别省市：巴西;BR