柴油机用高强度钢汽缸套.pdf

本发明提供了一种适合用钢生产薄壁湿式汽缸套的柴油机。该汽缸套的硬度是支撑该活塞于汽缸套中的活塞环的10－20Rc。该汽缸套的内表面的TRD＝5Rvk(100－Mr2)为50－400μm，且汽缸套的综合厚度为所述汽缸套膛直径的1.5－4％。

1.  一种柴油机，包括：
一个发动机芯体，具有至少一个活塞膛；
一个汽缸盖，固定在所述发动机芯体上；
至少一个汽缸套，可拆卸地安装在所述发动机芯体活塞膛中，并被与所述至少一个汽缸套的外表面直接连通的所述发动机芯体的水套环绕；其中，所述汽缸套由钢材制造。

2.  根据权利要求1所述的柴油机，其特征在于所述钢材是用硬化级的钢材制造的。

3.  根据权利要求2所述的柴油机，其特征在于所述汽缸套具有一个内表面，其表面粗糙度TRD＝5Rvk(100-Mr2)为50-400μm。

4.  根据权利要求1所述的柴油机，它还包括至少一个位于所述至少一个汽缸套内的活塞和至少一个工作时与所述至少一个汽缸套的内表面滑动接触的活塞环，所述内表面在所述至少一个活塞环的相对硬度的10-20Rc范围之内。

5.  根据权利要求3所述的柴油机，它还包括至少一个位于所述至少一个汽缸套内的活塞和至少一个工作时与所述至少一个汽缸套的内表面滑动接触的活塞环，所述内表面是所述活塞环的硬度的10-20Rc范围之内。

6.  根据权利要求5所述的柴油机，其特征在于所述至少一个汽缸套是用硬化级钢材制造的。

7.  根据权利要求6所述的柴油机，其特征在于所述钢材包括SAE4140级钢。

8.  根据权利要求1所述的柴油机，它还包括涂敷在所述至少一个汽缸套内表面上的一种涂层。

9.  根据权利要求8所述的柴油机，其特征在于所述涂层是铬基的。

10.  根据权利要求8所述的柴油机，其特征在于所述涂层是镍基的。

11.  根据权利要求8所述的柴油机，其特征在于所述涂层是一种激光熔融涂层。

12.  根据权利要求1所述的柴油机，其特征在于所述至少一个汽缸套的综合平均汽缸套截面厚度为所述汽缸套膛直径的1.5-4％。

13.  根据权利要求1所述的柴油机，其特征在于所述至少一个汽缸套包括一个顶部制动汽缸套。

14.  根据权利要求1所述的柴油机，其特征在于所述至少一个汽缸套包括一个中部制动汽缸套。

15.  一种用于柴油机的汽缸套和活塞环组件，其中，所述汽缸套用钢材制造，所述汽缸套是活塞环的硬度的10-20Rc范围之内。

16.  一种用于柴油机的汽缸套，其内表面的表面粗糙度TRD＝5Rvk(100-Mr2)为50-400μm。

柴油机用高强度钢汽缸套
技术领域
本发明涉及应用于柴油机内的汽缸套。
背景技术
长期以来，重型柴油机使用可更换的、用不同等级铸铁制造的汽缸套。选用铸铁是因为其生产成本较低，同时具有良好的耐磨性，其原因在于铸铁运行表面存在着能起润滑油作用的游离石墨。通过硬化基底铸铁合金生成马氏体微结构可以提高缸膛的耐磨性。
对于传统的铸铁缸套而言，业已证明在排气再循环(EGR)状态下，部分废气通过再循环回到汽缸与新的燃料混合物一起得到进一步燃烧。此时，与在非EGR状态下工作的汽缸相比较，在EGR状态下工作的汽缸磨损加快，原因之一是再循环的柴油废气含有磨粒，能促使各种腐蚀酸在燃烧室生成，极易侵蚀铸铁缸套。
除了对铸铁缸套的磨损外，不断增加排放规范的要求也会使得柴油机的性能下降。这种影响，再加之希望不断增大发动机动力的欲望使得柴油机生产商不得不增大汽缸的排量(displacement)，以弥补因EGR而造成的动力损失。一种解决办法就是减薄汽缸套厚度而使缸膛尺寸增大，从而避免增大发动机芯体的尺寸。但是，要使铸铁套尽量薄又要能维持正常工作是有限度的，特别是薄壁剖面铸铁套容易形成气穴和变形，其原因在于铸铁是一种相对多孔的材料，其表面存在着游离的石墨。
使用钢汽缸套已为人们所熟知，但这种钢汽缸套是否是经过合理设计能应用于重型湿式汽缸套柴油机还不是十分清楚，因为在该种柴油机内温度较高，峰值汽缸压力可以达到220bar或更高。这种早期的钢汽缸套要么是各式干式汽缸套(如：不用水冷却)，要么是飞机上使用的风冷式汽缸套。
新型内容
尽管本发明的应用范围不仅限于能将一部分排气送回到柴油机的气缸中进行再循环(EGR)的柴油机，但它特别适用于这种EGR环境，因为它不受由于EGR环境带来的腐蚀影响。本发明不仅对铸铁缸套在EGR应用中的局限性提供了一种解决方案，而且还为非EGR发动机提供了一种高强度解决办法，特别是使用钢而非铸铁生产的具有顶部和中部制动的汽缸套。钢比铸铁坚硬得多，且不含可部分导致上述不良磨损和气穴的游离石墨。能够用于本发明的钢材包括硬化碳钢和高铬钢，汽缸套是根据表面粗糙度计算式(textureroughness descriptor)TRD＝5Rvk(100-Mr2)为50-400μm来制造生产的。这种表面可用于汽缸套的整个内部运行表面或仅仅在顶活塞环反冲程区域中距离汽缸套顶部30-40mm的上部部分。汽缸套最好是薄壁，并且其综合平均截面厚度与膛直径的比率在1.5-4％之间。这种薄壁截面可容许EGR发动机拥有较大的膛直径，可使发动机生产商能够通过使用相对较薄的、比传统铸铁汽缸套优越的钢汽缸套获得较大的汽缸排量。另外，汽缸套内壁的硬度在活塞压环硬度的10-20Rc范围内。
本发明的优点在于提供了一种能在柴油机中得到应用的钢汽缸套。与铸铁汽缸套比较，钢汽缸套的生产成本低得多，而且钢汽缸套可以生产得更薄一些，因此，不用增大发动机芯体的尺寸就可以使汽缸排量加大。与具有同样厚度的铸铁汽缸套不同，这种薄的钢汽缸套可承受220巴，甚至更高的峰值汽缸压力而不变形。此外，新发动机平台也可以建造得更小些、更轻一些，其原因在于确保钢汽缸套足够支撑力和强度所需的发动机平台质量要比支撑常规铸铁汽缸套所需的质量少得多。与传统的铸铁汽缸套相比，钢汽缸套还具有不易裂口和不易变形的优点。再者，钢汽缸套还能为活塞环提供良好的密封，从而增大了动力，降低了排放。最后，生产这种汽缸套不必拥有用来生产铸铁汽缸套所必需的昂贵浇注设施，而且许多当前用来完成铸铁汽缸套制造的加工设备和工艺都可以用来生产钢汽缸套。
本发明还进一步仔细考虑了具有这种钢汽缸套的柴油机及其初始设备或售后具有这种钢汽缸套和相匹配硬度的活塞环的动力缸成套组件。
附图说明
结合附图阅读以下详细描述，可以容易地理解本发明的上述和其它方面的特征和优点，其中：
图1是根据本发明的装备有顶部制动汽缸套的柴油机的部分截面图；
图2是根据本发明的装备有中部制动汽缸套的柴油机的不连续截面图。
具体实施方式
现在仔细阅读附图。图1和图2是分别装备有顶部和中部制动汽缸套12和12’的柴油机10和10’的部分截面图。附图中相同的数字标记表示图1和图2中实施例的相同部件，但图2中的部件加了撇号。
柴油机10和10’包括一个至少由一个活塞膛16和16’构成的发动机芯体14和14’，汽缸套12和12’安装在活塞膛16和16’上，并且是可拆卸的。汽缸套12和12’通常有一个由预定厚度的缸套壁20和20’所确定的圆柱体18和18’。汽缸套12和12’沿纵向在上端或顶端22和22’与对面底端24和24’之间延伸，顶端与底端均为开口状态。汽缸套壁20和20’位于内运行表面26和26’和外表面28和28’中，活塞30和30’容纳在汽缸套12和12’中，操作时通过连杆32和32’与柴油机10和10’的曲柄(图未示)连接推动活塞30在汽缸套12和12’中以人们所熟知的方式上下往复运动。发动机组14和14’具有一个水套腔或室34和34’，与活塞膛16和16’开口连通，一旦安装汽缸套12和12’后则随即与活塞膛16和16’隔离，使汽缸套12和12’的外表面28和28’与水套34和34’中的冷却水直接接触。这种“湿”式汽缸套结构能为工作时的柴油机10和10’的汽缸套12和12’提供有效的冷却。
图1中顶部制动汽缸套12包括一个位于汽缸套顶端22的上部凸缘36，自外表面28径向向外延伸，提供一个下安装台肩或安装面38。发动机芯体14上有一个环绕活塞膛16的梯阶或槽40，构成一个环状安装面42。汽缸套12的安装面38与发动机芯体14的安装面42对齐，一旦采用熟知的方法用螺栓将柴油机10的汽缸盖44固定到发动机芯体14时，汽缸套12的安装面38就紧密地夹持在安装面42上。位于上部凸缘36下面的汽缸套12的区域自由垂下，除了可能需要密封水套34下部区域的部分之外，该汽缸套12未受到压缩。
图2中汽缸套12’包括一个中部制动凸缘46，通常位于汽缸套12’顶端与底端22’和24’之间的中部区域，自外表面28’径向向外延伸，提供一个下安装台肩或安装面48。汽缸套12’还可能包括一个邻近汽缸套12’的顶端22’并与中部制动凸缘46有一定间隔的上部凸缘50。发动机芯体14’上有一个环绕活塞膛16’的中部制动凸缘52，构成一个环状安装面54。汽缸套12’的安装面48与发动机芯体14’的安装面54对齐，一旦采用熟知的方法用螺栓将柴油机10’的汽缸盖44’固定到发动机芯体14’时，汽缸套12’的安装面48就紧密地夹持在安装面54上。位于中部制动凸缘52上面的汽缸套12’区域受压夹紧，而位于中部制动凸缘52下面的汽缸套12’部分则自由垂下。
本发明的一个特别之处是，可以制造出一种高强度、抗腐蚀的钢汽缸套12和12’，特别适用于装备有顶部和中部制动汽缸套，(其表面粗糙度TRD＝5Rvk(100-Mr2约为50-400μm)的湿式汽缸套柴油机。与常规汽缸套比较，这种钢汽缸套12和12’具有能在表面保持控制油量的有利特性，这又反过来能使柴油机的耗油量降低。TRD过底(如低于50μm)会加速磨损，太高(如大于400μm)则会造成过高的耗油量。这种汽缸套12和12’特别适合应用于在凸缘附近需要高强度的顶部和中部制动的汽缸套的场合，特别是适用于上部凸缘汽缸套，该汽缸套在其顶部暴露于燃烧热中。
适合用于本发明的钢材最好是指定明“H”的钢材，包括所有硬化(hardenable)级的钢，其中之一便是ANSI/SAE 4140级钢。当然，本发明决不仅局限于这种钢材。较好的钢材的K值(Kratio)在160-170Gpa左右，这里的K是材料的杨氏模量与(1+泊松比)的比值。
汽缸套12和12’是薄壁型，缸套壁20和20’的综合平均汽缸套截面厚度T和T’(不包括凸缘的厚度)约为汽缸套12和12’膛直径D和D’尺寸的1.5-4％，这种汽缸套可以承受220bar或更大的峰值汽缸压力。
汽缸套12和12’的内表面26和26’的硬度设计为活塞30和30’的活塞环56和56’硬度的10-20Rc范围之间。
除了钢材的物理特性之外，还可以用各种专门的涂层涂敷在钢汽缸套12和12’整个或部分的内表面26和26’上以增强其抗磨损/腐蚀特性和抵御EGR影响的特性，例如铬涂层或镀铬、无电解镀镍和激光熔融合金等。技术人员将会理解到许多等效涂层都可用于钢汽缸套以达到改善抗腐蚀和/或抗磨损的效果。
很明显，就上述介绍而论，本发明可能存在有许多改进和变动。因此，可以理解为只要在随后所附的权利要求的范围之内，本发明还可以以不同于上述特别介绍的方法予以实施。