[发明专利]在发动机气缸孔上现场形成低摩擦涂层的方法

说明书

本申请要求2012年5月30日提交的美国临时申请61/653034的优先权。

背景技术

本发明总体涉及减少内燃发动机的部件之间的摩擦力，并且更具体地，涉及使用固体润滑剂作为发动机油的添加剂来在气缸壁或孔和活塞和活塞环中的一个和多个之间形成低摩擦表面。

内燃发动机（ICE）的气缸壁和气缸衬层根据严格标准制造从而带有紧表面粗糙度公差来作为将摩擦磨损保持为最小的方式。液体润滑剂例如发动机油（这里也称为马达油）被用于进一步减少摩擦，以及作为在发动机操作期间传递在气缸内产生的热的方式。通常，润滑剂占据了气缸或衬层壁中的残余粗糙度提供的空间，以有助于提供在气缸和往复式活塞和活塞环组件之间的膜状层。不过，液体润滑剂有某些局限。例如，在减摩添加剂被使用的情况下，这种添加剂在基于传统润滑剂流体中的低可溶性减少了这种添加剂的益处。

其它形式的润滑剂，例如应用到或者以其它方式形成在相互作用的部件表面中的一个或多个上的固体润滑剂，可被用于进一步改善磨损减少的性质。美国公开的专利申请2010/0272931通过用于被全文并入，公开了一种使用氧化物、碳化物或硅化物工具用摩擦化学方法沉积（即，通过摩擦刺激）固体润滑剂物质直接到发动机气缸壁或衬层壁的粗糙弯曲表面上的方法，使得稳定的硫化物被形成以改善该壁的摩擦性能，尤其是在混合和边界润滑体制中，其中最可能发生移动表面之间的实际接触。这种固体润滑剂的示例可包括石墨、二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂），所有这些都表现出可取的摩擦性能。通常认为，摩擦化学方法能够产生非常光滑、无瑕疵的表面。

不过，给复杂部件形状提供固体润滑表面处理是困难的且昂贵的。对于气缸壁尤其如此，其中与固有的非平面性关联的有限空间使得难于用热分解、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、电镀、喷射或相关的已知固体润滑剂沉积技术来实现。而且，被涂覆的部分的金属组成可能加剧了固体润滑剂沉积问题。

发明内容

在上述背景技术的背景下，本发明的一个实施例涉及使用固体润滑剂前体作为发动机油添加剂来作为改善所得到的化合物的摩擦化学性能的方式。更具体地，添加剂在发动机操作的早期阶段（通常已知为“走合”或“磨合”周期）与发动机油和要被保护的部件摩擦化学反应以形成减摩涂层。在一种形式中，本发明包括在气缸或衬层孔上形成耐久的摩擦膜；这个摩擦膜在早期发动机走合期间是尤其有价值的，作为延长易磨损部件的寿命的方式，例如气缸或衬层。虽然化学物质的先前使用，例如在前述美国专利申请2010/0272931中描述的那些，是在气缸或衬层的制造期间形成摩擦层，但本发明涉及在已经制造的发动机中现场形成该层。

根据本发明的第一实施例，公开了在气缸壁上现场形成低摩擦涂层的方法。在目前的上下文中，现场形成与通过制造或其它操作前的方法形成的不同之处在于保护性减摩表面的形成在发动机的正常操作时发生，而不是在某些机加工或相关的制造过程中发生。这种正常操作对应于发动机为其正常目的的起动和后续运行；因此，在车辆的情况下，这种正常操作将包括运行发动机以提供推进、热、冷却或相关动力给车辆。同样，在非车辆应用中，这种正常操作将包括起动和运行发动机以让其执行该发动机被设计用于的工作。相反地，在本文中不被认为是现场的方法是那些其中膜或涂层是在机加工或其它的制造步骤期间形成的方法，其中发动机的用于其预期目的的操作是不可能的。

该方法包括提供润滑剂至少给发动机的对应气缸壁、衬层壁或构造成可滑动地接合往复式活塞的其它这种表面的区域。该方法还包括引入固体润滑剂添加剂到该区域，然后使活塞沿着由气缸壁定义的路径穿过。以这种方式，含有添加剂的润滑剂的薄膜被形成在活塞和气缸壁的滑动协作表面之间。这进而引起固体润滑剂添加剂中的至少一些和气缸壁和活塞中的一个或全部两个之间发生摩擦化学反应；这进而形成在气缸壁、活塞和从属气缸或活塞部件（例如环等）的相应表面上的保护层。

根据本发明的另一实施例，公开了操作内燃发动机。该方法包括移动对应数量的气缸壁中的一个或多个活塞。活塞和其对应气缸的协作使得活塞的运动基本上被限制为沿着在由气缸壁限定的区域内的往复方向。在以正常方式起动或以其它方式操作发动机之前，润滑剂被引入到该区域。该方法还包括引入固体润滑剂添加剂到该区域——与润滑剂一起或与润滑剂分别地，使得在活塞在气缸壁内的后续往复运动时，在位于滑动协作的气缸壁和活塞之间的固体润滑剂添加剂的一部分之间的摩擦化学相互作用在气缸壁、活塞或其从属部件中的至少一个上形成保护层。