[发明专利]应用于内燃机的气缸

说明书

本发明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。

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(Diesel cycle)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EP 1783349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Rz 0.5μm。

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Ra 0.1μm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Rz 4.0μm)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Rz 5.82μm和Rz 5.84μm，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Rz 4.0μm时，存在膜过早失效的问题，因此不应该超过此粗糙度数值。