Гильза цилиндра (варианты) и двигатель
Изобретение относится к двигателестроению. Гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров, имеет на внешней периферийной поверхности множество выступов. Каждый выступ имеет зауженную форму. На внешней периферийной поверхности гильзы цилиндра и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала. Теплопроводность пленки выше теплопроводности гильзы или теплопроводности блока цилиндров. Пленка проходит в осевом направлении от одного торца гильзы до ее средней части. Толщина пленки в верхней части гильзы меньше толщины пленки в ее нижней части. Приведен двигатель внутреннего сгорания, содержащий такую гильзу. Такое выполнение обеспечивает достаточную прочность соединения гильзы с литейным материалом блока цилиндров и достаточный отвод тепла в блок цилиндров. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 22 ил., 7 табл.
Настоящее изобретение относится к гильзе цилиндра для литья с закладными элементами, используемого при изготовлении блока цилиндров, а также к двигателю, содержащему такую гильзу цилиндра.
В настоящее время на практике стали использовать блоки цилиндров для двигателей с гильзами цилиндра. Гильзы цилиндров обычно применяют в блоках цилиндров, изготовленных из алюминиевого сплава. В качестве такой гильзы цилиндра для литья с закладными элементами известна гильза, описанная в публикации японской выложенной заявке на патент №2003-120414.
Чтобы соответствовать предъявляемым в последнее время по соображениям защиты окружающей среды требованиям к уменьшению расхода топлива (повышению степени сжигания топлива), предложена конструкция, в которой расстояния между отверстиями цилиндров в двигателе уменьшены для снижения веса двигателя.
Однако уменьшенное расстояние между отверстиями приводит к возникновению следующих проблем.
(1). Участки между отверстиями цилиндров имеют меньшую толщину, чем окружающие их участки (участки, удаленные от этих участков между отверстиями цилиндров). Поэтому при изготовлении блока цилиндров при помощи литья с закладными элементами скорость кристаллизации на участках между отверстиями цилиндров выше, чем на окружающих участках. Скорость кристаллизации на участках между отверстиями цилиндров увеличивается при уменьшении толщины этих участков.
Следовательно, в случае, когда расстояние между отверстиями цилиндров является небольшим, скорость кристаллизации литейного материала дополнительно увеличивается. Это увеличивает разницу между скоростью кристаллизации литейного материала между отверстиями цилиндров и скоростью кристаллизации окружающего литейного материала. Соответственно, увеличивается сила, растягивающая литейный материал, находящийся между отверстиями цилиндров в направлении окружающих участков. Это с высокой вероятностью может привести к возникновению трещин между отверстиями цилиндров (горячая трещина).
(2). В двигателе, у которого расстояние между отверстиями цилиндров является небольшим, теплоотвод, по всей видимости, будет сосредоточен на участках между отверстиями цилиндров. Поэтому повышение температуры стенки цилиндра будет способствовать увеличению расхода моторного масла.
Соответственно, при повышении степени сжигания топлива за счет уменьшения расстояния между отверстиями цилиндров необходимо, чтобы выполнялись следующие условия (А) и (В):
(A) чтобы препятствовать движению литейного материала из участков между отверстиями цилиндров в окружающие участки из-за разницы в скоростях кристаллизации, необходимо обеспечить достаточную прочность соединения между гильзами цилиндров и литейным материалом при изготовлении блока цилиндров;
(B) чтобы препятствовать расходу моторного масла, необходимо обеспечить достаточную теплопроводность между блоком цилиндров и гильзами цилиндров.
В указанной публикации заявки №2003-120414 описана гильза цилиндра, на которой образована пленка, обеспечивающая связь между металлом этой гильзы и металлом литейного материала, используемого для блока цилиндров. Такая схема увеличивает прочность соединения между блоком цилиндров и гильзой цилиндра. Однако было обнаружено, что при изготовлении блока цилиндров с использованием такой гильзы цилиндра между этими блоком и гильзой возникают относительно большие зазоры, что приводит к снижению теплопроводности. Вероятно, это вызвано недостаточной прочностью соединения между гильзой цилиндра и литейным материалом во время изготовления блока цилиндров.
Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание гильзы цилиндра, которая обеспечивает достаточную прочность соединения с литейным материалом блока цилиндров и достаточный теплоотвод в блок цилиндров. Другой задачей настоящего изобретения является создание двигателя, содержащего такую гильзу цилиндра.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создана гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров и имеющая внешнюю периферийную поверхность, на которой выполнено множество выступов, каждый из которых имеет зауженную форму, при этом на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала, имеющая теплопроводность выше теплопроводности гильзы цилиндра.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создана гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров и имеющая внешнюю периферийную поверхность, на которой выполнено множество выступов, каждый из которых имеет зауженную форму, при этом на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала, имеющая теплопроводность выше теплопроводности блока цилиндров.
Согласно третьему объекту настоящего изобретения создана гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров и имеющая внешнюю периферийную поверхность, на которой выполнено множество выступов, каждый из которых имеет зауженную форму, при этом на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала, проходящая от одного торца гильзы цилиндра до средней части гильзы в осевом направлении гильзы.
Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создана гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров и имеющая внешнюю периферийную поверхность, на которой выполнено множество выступов, каждый из которых имеет зауженную форму, при этом на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала, причем гильза цилиндра имеет верхнюю часть и нижнюю часть относительно средней части гильзы в ее осевом направлении, при этом толщина пленки в верхней части меньше толщины пленки в нижней части.
Предпочтительно, пленка, образованная на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов, увеличивает сцепление гильзы с блоком цилиндров.
Предпочтительно, пленка представляет собой напиленный слой.
Предпочтительно, пленка представляет собой слой покрытия из металлического порошка.
Предпочтительно, пленка представляет собой плакированный слой.
Предпочтительно, пленка соединена с блоком цилиндров за счет металлургической связи.
Предпочтительно, температура плавления пленки меньше или равна температуре расплавленного литейного материала, используемого при изготовлении блока цилиндров путем литья с закладным элементом, которым является гильза цилиндра.
Предпочтительно, толщина пленки меньше или равна 0,5 мм.
Предпочтительно, пленка проходит от одного торца до другого торца гильзы в ее осевом направлении.
Предпочтительно, число выступов, выполненных на ее внешней периферийной поверхности, составляет от пяти до шестидесяти на 1 см2.
Предпочтительно, высота каждого выступа составляет от 0,5 до 1,5 мм.
Предпочтительно, выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, отношение суммарной площади областей, каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,4 мм, к площади всей контурной диаграммы равно или превышает 10%.
Предпочтительно, выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, отношение суммарной площади областей, каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,2 мм, к площади всей контурной диаграммы равно или меньше 55%.
Предпочтительно, выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, отношение суммарной площади областей, каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,4 мм, к площади всей контурной диаграммы составляет от 10 до 50%.
Предпочтительно, выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, отношение суммарной площади областей, каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,2 мм, к площади всей контурной диаграммы составляет от 20 до 55%.
Предпочтительно, выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, площадь каждой области, ограниченной изолинией, расположенной на высоте 0,4 мм, составляет от 0,2 до 3,0 мм2.
Предпочтительно, на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, области, каждая из которых соответствует одному выступу и каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,4 мм, обособлены друг от друга.
Согласно пятому объекту настоящего изобретения создан двигатель, содержащий любую из вышеописанных гильзу цилиндра.
Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приведенного ниже описания, рассмотренного совместно с прилагаемыми чертежами, которые иллюстрируют на примере принципы изобретения.
Настоящее изобретение вместе с его задачами и преимуществами может стать более понятным при рассмотрении приведенного ниже описания предпочтительных в настоящее время вариантов его реализации совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - схематичный вид двигателя, который содержит гильзы цилиндров, соответствующие первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг. 2 - общий вид гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.3 - таблица, в которой приведен один из примеров химического состава литейного чугуна, являющегося материалом гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.4 - диаграмма модели выступа, имеющего зауженную форму, который выполнен на гильзе цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.5 - диаграмма модели выступа, имеющего зауженную форму, который выполнен на гильзе цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.6А - сечение гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, в осевом направлении ;
фиг.6В - график для одного из примеров взаимосвязи между осевыми положениями и температурой точек стенки гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.7 - вид в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZC, показанной на фиг.6А, для гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.8 - сечение в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZA, показанной на фиг.1, для гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.9 - сечение в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZB, показанной на фиг.1, для гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.10 - схема технологического процесса, иллюстрирующая этапы производства гильзы цилиндра с использованием центробежного литья;
фиг.11 - этапы создания углубления зауженной формы в слое формовочной краски для технологического процесса по производству гильзы цилиндра с использованием центробежного литья;
фиг.12 - схемы для одного из примеров методики измерения параметров гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, с использованием трехмерного лазера;
фиг.13 - схема расположения изолиний гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, полученная при помощи измерения с использованием трехмерного лазера;
фиг.14 - схема взаимосвязи между высотой измерения и положением изолиний для гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.15 - схема расположения изолиний для гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, полученная при помощи измерения с использованием трехмерного лазера;
фиг.16 - схема расположения изолиний для гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, полученная при помощи измерения с использованием трехмерного лазера;
фиг.17 - схема одного из примеров испытания на растяжение для оценки прочности соединения гильзы цилиндра, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, с блоком цилиндров;
фиг.18 - схема одного из примеров испытания с использованием лазерной стробоскопии для оценки теплопроводности блока цилиндров, содержащего гильзу цилиндра, соответствующую первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.19 - вид в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZC, показанной на фиг.6А, для гильзы цилиндра, соответствующей второму варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.20 - сечение в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZA, показанной на фиг.1, для гильзы цилиндра, соответствующей второму варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.21 - вид в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZC, показанной на фиг.6А, для гильзы цилиндра, соответствующей третьему варианту реализации настоящего изобретения; и
фиг.22 - сечение в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZA, показанной на фиг.1, для гильзы цилиндра, соответствующей третьему варианту реализации настоящего изобретения.
Далее со ссылкой на фиг.1-18 описан первый вариант реализации настоящего изобретения.
Представленный вариант реализации настоящего изобретения относится к случаю, когда это изобретение применяется к гильзам цилиндров двигателя, изготовленного из алюминиевого сплава.
На фиг.1 показана конструкция двигателя 1 в целом, содержащего гильзы 2 цилиндра, соответствующие представленному варианту реализации настоящего изобретения.
Двигатель 1 включает в себя блок 11 цилиндров и головку 12 блока цилиндров.
Блок 11 цилиндров включает в себя множество цилиндров 13.
Каждый цилиндр 13 включает в себя одну гильзу 2 цилиндра.
Внутренняя периферийная поверхность каждой гильзы 2 цилиндра (внутренняя периферийная поверхность 21 гильзы) образует внутреннюю стенку (внутреннюю стенку 14 цилиндра) соответствующего цилиндра 13 в блоке 11 цилиндров. Внутренняя периферийная поверхность 21 каждой гильзы определяет отверстие (внутренний диаметр) 15 цилиндра.
Контакт внешней периферийной поверхности 22 гильзы, являющейся внешней периферийной поверхностью каждой гильзы 2 цилиндра, с блоком 11 цилиндров возникает в результате литья с закладными элементами с использованием литейного материала.
В качестве материала блока 11 цилиндров может использоваться, например, алюминиевый сплав, указанный в японском промышленном стандарте (JIS) ADC10 (соответствующий стандарту США ASTM А380.0), или сплав, указанный в стандарте JIS ADC12 (соответствующий стандарту США ASTM A383.0). В представленном варианте реализации настоящего изобретения в качестве материала для блока 11 цилиндров используется алюминиевый сплав по ADC12.
Фиг.2 представляет собой общий вид гильзы 2 цилиндра, соответствующей настоящему изобретению.
Гильза 2 цилиндра изготовлена из литейного чугуна.
Химический состав литейного чугуна соответствует, например, приведенному на фиг.3. В качестве основных для литейного чугуна могут быть выбраны компоненты, указанные в таблице "Основные компоненты". При необходимости могут добавляться компоненты, указанные в таблице "Дополнительные компоненты".
На внешней периферийной поверхности 22 гильзы 2 цилиндра выполнены выступы 3, каждый из которых имеет зауженную форму.
Выступы 3 созданы на всей внешней периферийной поверхности 22 гильзы от ее верхнего конца (верхнего торца 23 гильзы 2 цилиндра) до ее нижнего конца (нижнего торца 24 гильзы 2 цилиндра). Верхний торец 23 гильзы является тем концом гильзы цилиндра, который находится в камере сгорания двигателя 1. Нижний торец 24 гильзы является тем концом этой гильзы цилиндра, который расположен в области, противоположной камере сгорания в двигателе 1.
В гильзе 2 цилиндра на внешней периферийной поверхности 22 этой гильзы, а также на выступах 3 образована пленка 5.
На внешней периферийной поверхности 22 пленка 5 расположена в области от верхнего торца 23 гильзы до ее средней части, если смотреть в осевом направлении этой гильзы. Кроме того, пленка 5 образована по всей окружности гильзы.
Пленка 5 состоит из напыленного слоя 51 Al-Si. Напыленными слоями называются пленки, полученные при помощи напыления (плазменное напыление, электродуговая металлизация или высокоскоростное напыление с использованием кислородного топлива).
В качестве материала для пленки 5 может использоваться материал, соответствующий, по меньшей мере, одному из следующих условий (А) и (В):
(А) материал, температура плавления которого меньше или равна температуре расплавленного металла, входящего в состав материала, используемого при литье (эталонная температура ТС расплавленного металла), либо материала, содержащего такой материал. Если говорить более конкретно - эталонная температура ТС расплавленного металла может быть определена, как описано ниже. А именно: эталонная температура ТС расплавленного металла представляет собой температуру расплавленного металла, входящего в состав литейного материала для блока 11 цилиндров, когда этот материал подается в форму для выполнения литья с закладными элементами, которыми являются гильзы 2 цилиндров;
(В) материал, который может создавать металлургическую связь с литейным материалом, используемым для изготовления блока 11 цилиндров, либо с материалом, содержащим такой материал.
Фиг. 4 представляет собой диаграмму модели для выступа 3. Ниже радиальное направление для гильзы 2 цилиндра (направление по стрелке А) называется осевым направлением для выступа 3. Кроме того, осевое направление для гильзы 2 цилиндра (направление по стрелке В) называется радиальным направлением для выступа 3. На фиг.4 показана форма выступа 3, если смотреть в радиальном направлении этого выступа.
Выступ 3 выполнен за одно целое с гильзой 2 цилиндра. Выступ 3 переходит во внешнюю периферийную поверхность 22 гильзы на его ближнем конце 31.
На дальнем конце 32 выступа 3 выполнена верхняя поверхность 32А, представляющая собой удаленную торцевую поверхность этого выступа. Верхняя поверхность 32А является, по существу, плоской.
В осевом направлении выступа 3 между ближним концом 31 и дальним концом 32 выполнено сужение 33.
Сужение 33 выполнено таким образом, чтобы площадь его сечения плоскостью, перпендикулярной осевому направлению выступа 3 (площадь SR поперечного сечения), была меньше площади SR поперечного сечения плоскостями, перпендикулярными осевому направлению выступа 3 и проходящими через ближний конец 31 и дальний конец 32.
Выступ выполнен таким образом, чтобы площадь SR его поперечного сечения постепенно увеличивалась от сужения 33 в направлениях к ближнему концу 31 и дальнему концу 32.
Фиг.5 представляет собой диаграмму модели для выступа 3, на которой показана пространственная область 34 сужения для гильзы 2 цилиндра.
Сужение 33 каждого выступа 3 создает пространственную область 34 сужения (заштрихованные области) в каждой гильзе 2 цилиндра.
Пространственная область 34 сужения представляет собой пространство, ограниченное криволинейной поверхностью, проходящей в осевом направлении выступа 3 через удаленную часть 32В с наибольшей площадью поперечного сечения (на фиг.5 этой криволинейной поверхности соответствуют линии D-D), и поверхностью сужения 33 (поверхность 33А сужения). Удаленная часть 32В с наибольшей площадью поперечного сечения представляет собой ту часть, в которой диаметр выступа 3 является наибольшим для дальнего конца 32.
В двигателе 1, содержащем гильзы 2 цилиндров, блок 11 цилиндров и гильзы 2 цилиндров соединены друг с другом при помощи той части блока 11 цилиндров, которая находится в пределах пространственных областей 34 сужения (блок 11 цилиндров входит в зацепление с выступами 3). В результате обеспечивается достаточная прочность соединения блока 11 цилиндров и гильз 2 цилиндров (прочность соединения гильз). Кроме того, уменьшается трение, так как повышенная прочность соединения гильз препятствует деформации отверстий 15 цилиндров. Соответственно, улучшается степень сжигания топлива.
С другой стороны, при изготовлении блока 11 цилиндров при помощи литья с закладными элементами, которыми являются гильзы 2 цилиндра, прочность соединения между литейным материалом для блока 11 цилиндров и каждой гильзой 2 цилиндра обеспечивается за счет "якорного" эффекта закрепления. Это препятствует движению литейного материала из участков между отверстиями 15 цилиндров в окружающие участки из-за разницы скоростей кристаллизации.
Далее со ссылкой на фиг.6А-7 будет описано образование пленки 5 на гильзе 2 цилиндра. Ниже толщина пленки 5 обозначается как толщина ТР пленки.
[1] Расположение пленки
Далее со ссылкой на фиг.6А и 6В будет описано расположение пленки 5. Фиг.6А представляет собой продольное сечение гильзы 2 цилиндра в осевом направлении. На фиг.6В показан один из примеров изменения температуры цилиндра 13 (температуры TW стенки цилиндра) в осевом направлении цилиндра 13 в стабильном режиме работы двигателя 1. Ниже гильза 2 цилиндра, с которой удалена пленка 5, будет называться эталонной гильзой цилиндра. Двигатель, содержащий эталонные гильзы цилиндров, будет называться эталонным двигателем.
В этом варианте реализации настоящего изобретения расположение пленки 5 определяется на основе температуры TW стенки цилиндра в эталонном двигателе.
Рассмотрим изменение температуры TW стенки цилиндра для эталонного двигателя. На фиг.6В сплошная линия представляет собой температуру TW стенки цилиндра в эталонном двигателе, а пунктирная линия - температуру TW стенки цилиндра в двигателе 1, соответствующем представленному варианту реализации настоящего изобретения. Ниже наиболее высокое значение температуры TW стенки цилиндра будет называться максимальной температурой TWH стенки цилиндра, а наиболее низкое значение температуры TW стенки цилиндра - минимальной температурой TWL стенки цилиндра.
В эталонном двигателе температура TW стенки цилиндра изменяется следующим образом:
(a) в области от нижнего торца 24 гильзы до ее средней части 25 температура TW стенки цилиндра постепенно увеличивается в направлении от нижнего торца 24 гильзы до ее средней части 25 из-за небольшого влияния рабочего газа. В непосредственной близости от нижнего торца 24 гильзы температура TW стенки цилиндра представляет собой минимальную температуру TWL1 стенки цилиндра. В представленном варианте реализации настоящего изобретения часть гильзы 2 цилиндра, в которой температура TW стенки цилиндра изменяется таким образом, называется низкотемпературной частью 27 гильзы;
(b) в области от средней части 25 гильзы до ее верхнего торца 23 температура TW стенки цилиндра резко увеличивается из-за большого влияния рабочего газа. В непосредственной близости от верхнего торца 23 гильзы температура TW стенки цилиндра представляет собой максимальную температуру TWH1 стенки цилиндра. В представленном варианте реализации настоящего изобретения часть гильзы 2 цилиндра, в которой температура TW стенки цилиндра изменяется таким образом, называется высокотемпературной частью 26 гильзы.
В эталонном двигателе, так как расход моторного масла увеличивается при чрезмерном повышении температуры TW стенки цилиндра в высокотемпературной части 26 гильзы, то необходимо, чтобы предел прочности на растяжение у поршневых колец был относительно высоким. То есть за счет увеличения растягивающей нагрузки на поршневые кольца неизбежно уменьшается степень сжигания топлива.
Соответственно, в гильзе 2 цилиндра, соответствующей настоящему изобретению, пленку 5 образуют на высокотемпературной части 26 гильзы, чтобы увеличить сцепление между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы. Это приводит к уменьшению температуры TW стенки цилиндра в высокотемпературной части 26 гильзы.
В двигателе 1, соответствующем настоящему изобретению, обеспечивается хороший контакт между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, то есть вокруг каждой высокотемпературной части 26 гильзы создается небольшой зазор. Это обеспечивает высокую теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературными частями 26 гильз. Соответственно, уменьшается температура TW стенки цилиндра в высокотемпературной части 26 гильзы. В результате максимальная температура TWH стенки цилиндра становится максимальной температурой TWH2 стенки цилиндра, которая ниже максимальной температуры TWH1 стенки цилиндра.
Так как расход моторного масла снижается из-за уменьшения температуры TW стенки цилиндра, то можно использовать поршневые кольца с меньшим пределом прочности на растяжение по сравнению с кольцами в эталонном двигателе. Это увеличивает степень сжигания топлива.
Граница между низкотемпературной частью 27 гильзы и высокотемпературной частью 26 гильзы (температурная граница 28) может быть получена на основе температуры TW стенки цилиндра для эталонного двигателя. С другой стороны, обнаружено, что во многих случаях длина высокотемпературной части 26 гильзы (расстояние от верхнего торца 23 гильзы до температурной границы 28) составляет от одной трети до одной четверти общей длины гильзы 2 цилиндра (расстояние от верхнего торца 23 гильзы до ее нижнего торца 24). Таким образом, при определении расположения пленки 5 от одной трети до одной четверти общей длины гильзы от ее верхнего торца 23 можно считать высокотемпературной частью 26 гильзы без точного определения температурной границы 28.
[2] Толщина пленки
В гильзе 2 цилиндра пленку 5 образуют таким образом, чтобы ее толщина ТР была меньше или равна 0,5 мм. Если толщина ТР пленки превышает 0,5 мм, то якорный эффект закрепления выступов 3 будет уменьшаться, приводя к значительному уменьшению прочности соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы (прочность соединения в высокотемпературной части 26 гильзы).
В представленном варианте реализации настоящего изобретения пленку 5 образуют таким образом, чтобы среднее значение ее толщины ТР, измеренное во множестве точек высокотемпературной части 26 гильзы, было меньше или равно 0,5 мм. Однако пленка 5 может быть образована таким образом, чтобы ее толщина ТР была меньше или равна 0,5 мм во всей высокотемпературной части 26 гильзы.
В двигателе 1 по мере уменьшения толщины ТР пленки теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы увеличивается. Поэтому при образовании пленки 5 предпочтительно, чтобы толщина ТР пленки 5 была как можно ближе к 0 мм во всей высокотемпературной части 26 гильзы.
Однако, так как в настоящее время трудно создать слой, толщина которого была бы неизменной на всей высокотемпературной части 26 гильзы, то некоторые зоны в этой области не будут покрыты пленкой 5, если целевая толщина ТР задается чрезмерно низкой величины при образовании этой пленки. Поэтому в представленном варианте реализации настоящего изобретения при образовании пленки 5 целевую толщину ТР этой пленки определяют в соответствии со следующими условиями (А) и (В):
(A) пленка 5 может быть образована на всей поверхности высокотемпературной части 26 гильзы;
(B) минимальное значение толщины ТР пленки находится в таком диапазоне, при котором выполняется условие (А).
В результате пленку 5 образуют во всей высокотемпературной части 26 гильзы. Кроме того, так как толщина ТР пленки 5 имеет небольшую величину, то теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы увеличивается.
[3] Образование пленки вокруг выступов
Фиг. 7 представляет собой вид в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZC, показанной на фиг.6А.
В гильзе 2 цилиндра пленку 5 образуют на внешней периферийной поверхности 22 гильзы и поверхностях выступов 3. Кроме того, пленку 5 образуют таким образом, чтобы пространственные области 34 сужения не заполнялись. То есть пленку 5 образуют таким образом, чтобы при выполнении литья с закладными элементами, которыми являются гильзы 2 цилиндра, литейный материал заполнял пространственные области 34 сужения. Если эти области 34 заполнены пленкой 5, они не будут заполняться литейным материалом. Поэтому не будет обеспечиваться якорный эффект закрепления выступов 3.
Далее со ссылкой на фиг.8 и 9 будет описан принцип соединения блока 11 цилиндров и гильзы 2 цилиндра. Фиг.8 и 9 представляют собой сечения блока 11 цилиндров вдоль оси цилиндра 13.
Фиг.8 иллюстрирует принцип соединения блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы (сечение области ZA, показанной на фиг.1).
В двигателе 1 блок 11 цилиндров соединен с высокотемпературной частью 26 гильзы таким образом, что этот блок входит в зацепление с выступами 3. Кроме того, блок 11 цилиндров и высокотемпературная часть 26 гильзы контактируют друг с другом через пленку 5.
Что касается соединения высокотемпературной части 26 гильзы и пленки 5, так как пленка 5 образована путем напыления, то высокотемпературная часть 26 гильзы и пленка 5 механически соединены друг с другом с обеспечением достаточных сцепления и прочности соединения. Сцепление высокотемпературной части 26 гильзы и пленки 5 сильнее, чем сцепление блока цилиндров и эталонной гильзы цилиндра в эталонном двигателе.
Что касается соединения блока 11 цилиндров и пленки 5, то пленка 5 состоит из сплава Al-Si, который имеет температуру плавления меньше эталонной температуры ТС расплавленного металла и характеризуется высокой смачиваемостью литейным материалом блока 11 цилиндров. Поэтому блок 11 цилиндров и пленка 5 механически соединены друг с другом с обеспечением достаточных сцепления и прочности соединения. Сцепление блока 11 цилиндров и пленки 5 сильнее, чем сцепление блока цилиндров и эталонной гильзы цилиндра в эталонном двигателе.
В двигателе 1 благодаря такому контакту блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы достигаются следующие преимущества:
(A) так как пленка 5 обеспечивает сцепление между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы увеличивается;
(B) так как пленка 5 обеспечивает прочность соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, предотвращается отставание высокотемпературной части 26 гильзы от блока 11 цилиндров. В результате даже при расширении отверстия 15 цилиндра сохраняется сцепление блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы. Это препятствует уменьшению теплопроводности;
(С) так как выступы 3 обеспечивают прочность соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, предотвращается отставание высокотемпературной части 26 гильзы от блока 11 цилиндров. В результате даже при расширении отверстия 15 цилиндра сохраняется сцепление блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы. Это препятствует уменьшению теплопроводности.
В двигателе 1 при уменьшении сцепления между блоком 11 цилиндров и пленкой 5, а также между высокотемпературной частью 26 гильзы и пленкой 5, увеличивается зазор между этими элементами. Соответственно, уменьшается теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы. При уменьшении прочности соединения между блоком 11 цилиндров и пленкой 5, а также между высокотемпературной частью 26 гильзы и пленкой 5, наиболее вероятно, что эти элементы будут отставать друг от друга. В результате при расширении отверстия 15 цилиндра будет уменьшаться сцепление между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы.
В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, температура плавления пленки 5 меньше или равна эталонной температуре ТС расплавленного металла. Поэтому предполагается, что при изготовлении блока 11 цилиндров пленка 5 плавится и создает металлургическую связь с литейным материалом. Однако, согласно результатам испытаний, выполненных авторами настоящего изобретения, было подтверждено, что между блоком 11 цилиндров и пленкой 5, как описано выше, возникало механическое соединение.
Кроме того, были обнаружены участки с металлургической связью. Однако основным типом соединения между блоком 11 цилиндров и пленкой 5 было механическое соединение.
В результате испытаний было обнаружено следующее. Даже при отсутствии металлургической связи между литейным материалом и пленкой 5 (либо только частичное обеспечение такой связи) сцепление и прочность соединения блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы увеличивались, пока температура плавления пленки 5 была меньше или равна эталонной температуре ТС расплавленного металла. Хотя механизм точно не выяснен, предполагается, что скорость кристаллизации литейного материала уменьшается из-за неравномерности отвода тепла от литейного материала пленкой 5.
Фиг. 9 - проиллюстрирован принцип соединения блока 11 цилиндров и низкотемпературной части 27 гильзы (сечение части ZB, показанной на фиг.1).
В двигателе 1 блок 11 цилиндров соединен с низкотемпературной частью 27 гильзы таким образом, что этот блок входит в зацепление с выступами 3. В результате между блоком 11 цилиндров и низкотемпературной частью 27 гильзы за счет якорного эффекта закрепления выступов 3 обеспечивается достаточный тепловой контакт. Кроме того, предотвращается разъединение блока 11 цилиндров и низкотемпературной части 27 гильзы при расширении отверстия 15 цилиндра.
Далее со ссылкой на Таблицу 1 будет описано создание выступов 3 на гильзе 2 цилиндра.
В качестве параметров, характеризующих создание выступа 3 (параметров создания), задаются первое отношение SА площадей, второе отношение SB площадей, стандартная площадь SD поперечного сечения, стандартное число NP выступов и стандартная длина HP выступов.
Далее будут описаны высота Н измерения, первая эталонная плоскость РА и вторая эталонная плоскость РВ, которые являются основными величинами для указанных выше параметров создания:
(a) высота Н измерения представляет собой расстояние от внешней периферийной поверхности 22 гильзы в осевом направлении выступа 3 (высота выступа 3). На внешней периферийной поверхности 22 гильзы высота Н измерения равна нулю. На верхней поверхности 32А выступа 3 высота Н измерения имеет максимальное значение;
(b) первая эталонная плоскость РА представляет собой плоскость, которая проходит в радиальном направлении выступа 3 на высоте измерения 0,4 мм;
(c) вторая эталонная плоскость РВ представляет собой плоскость, которая проходит в радиальном направлении выступа 3 на высоте измерения 0,2 мм.
Далее будут описаны параметры создания.
[A] Первое отношение SA площадей представляет собой площадь сечения выступов 3 на уровне первой эталонной плоскости РА, проходящей над внешней периферийной поверхностью 22 гильзы, в процентах (площадь SR сечения в радиальном направлении).
[B] Второе отношение SB площадей представляет собой площадь сечения выступов 3 на уровне второй эталонной плоскости РВ, проходящей над внешней периферийной поверхностью 22 гильзы, в процентах (площадь SR сечения в радиальном направлении).
[C] Стандартная площадь SD поперечного сечения представляет собой площадь одного выступа 3 в первой эталонной плоскости РА, проходящей над внешней периферийной поверхностью 22 гильзы (площадь SR сечения в радиальном направлении).
[D] Стандартное число NP выступов представляет собой число выступов 3 на единицу площади внешней периферийной поверхности 22 гильзы (на 1 см2).
[Е] Стандартная высота HP выступов представляет собой среднее значение от высот Н измерения для выступов 3, измеренных во множестве мест.
| Таблица 1 | |||
| Тип параметра | Выбираемый диапазон | Единица измерения | |
| [А] | Первое отношение SА площадей | 10-50 | [%] |
| [В] | Второе отношение SB площадей | 20-55 | [%] |
| [С] | Стандартная площадь SD поперечного сечения | 0,2-3,0 | [мм2] |
| [D] | Стандартное число NP выступов | 5-60 | [штук/см2] |
| [Е] | Стандартная высота HP выступа | 0,5-1,0 | [мм] |
В представленном варианте реализации настоящего изобретения параметры создания с [А] по [Е] задаются таким образом, чтобы они находились в пределах выбираемых диапазонов, указанных в Таблице 1, в результате чего усиливается влияние выступов 3 на прочность соединения гильзы с блоком цилиндров и увеличивается степень заполнения литейным материалом пространства между выступами 3. Так как степень заполнения литейным материалом увеличивается, то маловероятно, что между блоком 11 цилиндров и гильзами 2 цилиндров будут возникать зазоры. При соединении блока 11 цилиндров и гильз 2 цилиндров между ними будет устанавливаться более близкий контакт.
В представленном варианте реализации настоящего изобретения, помимо задания указанных выше параметров [А]-[Е], гильза 2 цилиндра выполнена таким образом, что выступы 3 обособлены друг от друга в первой эталонной плоскости РА. Это дополнительно увеличивает сцепление.
Далее, со ссылкой на фиг.10 и 11, будет описан способ производства гильзы 2 цилиндра.
В представленном варианте реализации настоящего изобретения гильзу 2 цилиндра изготавливают при помощи центробежного литья. Чтобы указанные выше параметры выступов 3 попадали в выбранные диапазоны, приведенные в Таблице 1, параметры центробежного литья (приведенные ниже параметры [А]-[F]) должны задаваться в диапазонах, указанных в Таблице 2.
[A] Процентное содержание огнеупорного материала 61А в суспензии 61.
[B] Процентное содержание связки 61В в суспензии 61.
[C] Процентное содержание воды 61С в суспензии 61.
[D] Средний размер частиц огнеупорного материала 61А.
[Е] Процентное содержание добавленного поверхностно-активного вещества 62 в суспензии 61.
[F] Толщина слоя формовочной краски 63 (слой 64 формовочной краски).
| Таблица 2 | |||
| Тип параметра | Выбираемый диапазон | Единица измерения | |
| [А] | Содержание огнеупорного материала | 8-30 | [% по массе] |
| [В] | Содержание связки | 2-10 | [% по массе] |
| [С] | Содержание воды | 60-90 | [% по массе] |
| [D] | Средний размер частиц огнеупорного материала | 0,02-0,1 | [мм] |
| [Е] | Содержание поверхностно-активного вещества | 0,005<х≤0,1 | [% по массе] |
| [F] | Толщина слоя формовочной краски | 0,5-1,0 | [мм] |
Изготовление гильзы 2 цилиндра выполняют в соответствии с технологическим процессом, показанным на фиг.10.
[Этап А] Огнеупорный материал 61А, связку 61В и воду 61С смешивают, чтобы приготовить суспензию 61, как показано на фиг.11А. На этом этапе процентные содержания огнеупорного материала 61А, связки 61В и воды 61С, а также средний размер частиц огнеупорного материала 61А задают таким образом, чтобы они находились в пределах выбранных диапазонов, указанных в Таблице 2.
[Этап В] В суспензию 61 добавляют заранее определенное количество поверхностно-активного вещества 62, чтобы получить формовочную краску 63. На этом этапе процентное содержание добавляемого поверхностно-активного вещества 62 суспензии 61 задают таким образом, чтобы оно попадало в пределы выбранного диапазона, указанного в Таблице 2.
[Этап С] После нагревания вращающейся формы 65 до заданной температуры на внутреннюю периферийную поверхность формы 65 (внутреннюю периферийную поверхность 65А) путем напыления наносят формовочную краску 63. При этом эту формовочную краску 63 наносят таким образом, чтобы ее слой (слой 64 формовочной краски) на всей внутренней периферийной поверхности 65А формы получался, по существу, одинаковой толщины. На этом этапе толщину слоя 64 формовочной краски задают таким образом, чтобы она попадала в выбранный диапазон, указанный в Таблице 2.
После выполнения Этапа С в слое 64 формовочной краски на форме 65 создают отверстия зауженной формы.
Далее, со ссылкой на фиг.11, будет описано создание отверстий зауженной формы.
[1] На внутренней периферийной поверхности 65А формы 65 создают слой 64 формовочной краски с множеством пузырьков 64А.
[2] Поверхностно-активное вещество 62 воздействует на пузырьки 64А с образованием углублений 64В на внутренней периферийной поверхности слоя 64 формовочной краски.
[3] Дно углубления 64В достигает внутренней периферийной поверхности 65А формы, в результате чего в слое 64 формовочной краски возникает отверстие 64С зауженной формы.
[Этап D] После высыхания слоя 64 формовочной краски в форму 65, которая вращается, заливают расплавленный литейный чугун 66. Расплавленный литейный чугун 66 затекает в отверстие 64С зауженной формы, имеющееся в слое 64 формовочной краски. В результате на отлитой гильзе 2 цилиндра возникают выступы 3 зауженной формы.
[Этап Е] После затвердевания расплавленного литейного чугуна 66 и получения гильзы 2 цилиндра гильзу 2 цилиндра вынимают из формы 65 со слоем 64 формовочной краски.
[Этап F] Используя устройство 67 струйной очистки, с внешней периферийной поверхности гильзы 2 цилиндра удаляют слой 64 формовочной краски (формовочную краску 63).
Далее, со ссылкой на фиг.12, будет описан способ измерения параметров выступов 3 с использованием трехмерного лазера. Стандартная длина HP выступа измеряется другим способом.
Каждый из параметров выступов 3 может быть измерен следующим образом.
[1] Из гильзы 2 цилиндра изготавливают испытательный образец 71 для измерения параметров выступов 3.
[2] В устройстве 81 бесконтактного измерения с помощью трехмерного лазера испытательный образец 71 устанавливают на испытательный стенд 83 таким образом, чтобы осевое направление выступов 3 было фактически параллельно направлению облучения лазерным излучением 82 (фиг.12А).
[3] Испытательный образец 71 облучают лазерным излучением 82 от устройства 81 без контактного измерения с помощью трехмерного лазера (фиг.12В).
[4] Результаты измерения, проведенного при помощи упомянутого устройства 81, вводят в устройство 84 обработки изображения.
[5] На основе обработки изображения, выполненной устройством 84 обработки изображения, получают контурную диаграмму 85 (фиг.13) для выступа 3. На основе этой контурной диаграммы 85 вычисляют параметры создания.
Далее, со ссылкой на фиг.13 и 14, будет рассмотрена контурная диаграмма 85. Фиг.13 представляет собой один из примеров контурной диаграммы 85. На фиг.14 показана взаимосвязь между высотой Н измерения и положением изолиний HL. Контурная диаграмма 85 на фиг.13 получена для выступа 3, отличающегося от выступа 3, показанного на фиг.14.
На контурной диаграмме 85 изолинии HL показаны с заранее определенным интервалом, равным высоте Н измерения.
Например, если на контурной диаграмме изолинии HL показываются с интервалом 0,2 мм для высот измерения от 0 до 1,0 мм, то имеются изолиния HL0 для высоты измерения 0 мм, изолиния HL2 для высоты измерения 0,2 мм, изолиния HL4 для высоты измерения 0,4 мм, изолиния HL6 для высоты измерения 0,6 мм, изолиния HL8 для высоты измерения 0,8 мм и изолиния HL10 для высоты измерения 1,0 мм.
На фиг.14 изолиния HL4 соответствует первой эталонной плоскости РА. Кроме того, изолиния HL2 соответствует второй эталонной плоскости РВ. Хотя на фиг.14 приведена диаграмма, на которой изолинии HL показаны с интервалом 0,2 мм, при необходимости в реальной контурной диаграмме 85 расстояние между изолиниями HL может быть изменено.
Далее, со ссылкой на фиг.15 и 16, будут описаны первая область RA и вторая область RB на контурной диаграмме 85. Фиг.15 представляет собой контурную диаграмму 85 (первую контурную диаграмму 85А), на которой изолинии, отличающиеся от изолинии HL4 для высоты измерения 0,4 мм, показаны пунктирными линиями. Фиг.16 представляет собой контурную диаграмму 85 (вторую контурную диаграмму 85В), на которой изолинии, отличающиеся от изолинии HL2 для высоты измерения 0,2 мм, показаны пунктирными линиями. На фиг.15 и 16 сплошными линиями показаны рассматриваемые изолинии HL, другие изолинии HL показаны пунктирными линиями.
В представленном варианте реализации настоящего изобретения область, ограниченная изолинией HL4 на контурной диаграмме 85, определена как первая область RA. То есть первой области RA соответствует заштрихованная область на первой контурной диаграмме 85А. Область, ограниченная изолинией HL2 на контурной диаграмме 85, определена как вторая область RB. То есть второй области RB соответствует заштрихованная область на второй контурной диаграмме 85В.
Параметры создания выступов на основе контурной диаграммы 85 вычисляются следующим образом.
А) Первое отношение SА площадей
Первое отношение SA площадей вычисляется как отношение площади первой области RA к площади контурной диаграммы 85. То есть первое отношение SA площадей вычисляется по следующей формуле: SA=SRA/ST×100 [%].
В приведенной выше формуле ST представляет собой площадь всей контурной диаграммы 85. SRA представляет собой суммарную площадь первых областей RA на контурной диаграмме 85. Например, если в качестве модели используется первая контурная диаграмма 85А, показанная на фиг.15, то площади ST соответствует площадь прямоугольной зоны. Площади SRA соответствует площадь заштрихованной зоны. При вычислении первого отношения SA площадей предполагается, что контурная диаграмма 85 включает только внешнюю периферийную поверхность 22 гильзы.
B) Второе отношение SB площадей
Второе отношение SB площадей вычисляется как отношение площади второй области RB к площади контурной диаграммы 85. То есть второе отношение SB площадей вычисляется по следующей формуле: SB=SRB/ST×100 [%].
В приведенной выше формуле ST представляет собой площадь всей контурной диаграммы 85. SRB представляет собой суммарную площадь вторых областей RB на контурной диаграмме 85. Например, если в качестве модели используется вторая контурная диаграмма 85В, показанная на фиг.16, то площади ST соответствует площадь прямоугольной зоны. Площади SRB соответствует площадь заштрихованной зоны. При вычислении второго отношения SB площадей предполагается, что контурная диаграмма 85 включает только внешнюю периферийную поверхность 22 гильзы.
C) Стандартная площадь SD поперечного сечения
Стандартная площадь SD поперечного сечения может быть вычислена как площадь каждой из первых областей RA на контурной диаграмме 85. Например, если в качестве модели используется первая контурная диаграмма 85А, показанная на фиг.15, то стандартной площади SD поперечного сечения соответствует площадь заштрихованной зоны.
D) Стандартное число NP выступов
Стандартное число NP выступов может быть вычислено как число выступов 3 на единицу площади контурной диаграммы 85 (1 см2). Например, если в качестве модели используется первая контурная диаграмм 85А, показанная на фиг.15, или вторая контурная диаграмма 85В, показанная на фиг.16, то число выступов на каждом чертеже (один) соответствует стандартному числу NP выступов. В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, на единице площади (1 см2) создано от пяти до шестидесяти выступов. Таким образом, реальное стандартное число NP выступов отличается от показанных чисел выступов для первой контурной диаграммы 85А и второй контурной диаграммы 85В.
Е) Стандартная длина HP выступа
Стандартная длина HP выступа может представлять собой высоту каждого выступа 3 или может быть вычислена как среднее значение высот выступов 3, находящихся в разных местах. Высота выступов 3 может быть измерена при помощи такого измерительного устройства, как индикаторный глубиномер.
С использованием первой области RA контурной диаграммы 85 можно определить, являются ли обособленными выступы 3 в первой эталонной плоскости РА. То есть, если первая область RA не имеет общих точек с другими такими областями RA, это подтверждает, что выступы 3 в первой эталонной плоскости РА обособлены.
Далее настоящее изобретение будет рассмотрено на основе сравнения примеров его реализации на практике и примеров для известного уровня техники (сравнительных примеров).
В каждом из примеров и сравнительных примеров при использовании способа изготовления, указанного для описанного выше варианта реализации настоящего изобретения (центробежное литье), были изготовлены гильзы цилиндров. При изготовлении гильз цилиндров свойства литейного чугуна соответствовали стандарту FC230, а толщина полученной гильзы цилиндра была равна 2, 3 мм.
В Таблице 3 приведены характеристики гильз цилиндров для примеров реализации настоящего изобретения на практике. В Таблице 4 приведены характеристики гильз цилиндров для сравнительных примеров.
Ниже указаны условия изготовления гильз цилиндров, специфические для каждого из примеров и сравнительных примеров. Другие условия, отличающиеся от приведенных специфических условий, одинаковы для всех примеров и сравнительных примеров.
В примере 1 и сравнительном примере 1 параметры, относящиеся к центробежному литью ([A]-[F] в Таблице 2), были заданы в выбранных диапазонах, приведенных в Таблице 2, в результате чего первое отношение SА площадей стало равным нижнему предельному значению (10%).
В примере 2 и сравнительном примере 2 параметры, относящиеся к центробежному литью ([A]-[F] в Таблице 2), были заданы в выбранных диапазонах, приведенных в Таблице 2, в результате чего второе отношение SB площадей стало равным верхнему предельному значению (55%).
В примерах 3 и 4, а также сравнительном примере 6 параметры, относящиеся к центробежному литью ([A]-[F] в Таблице 2), были заданы равными тем же значениям, что и в выбранных диапазонах, приведенных в Таблице 2.
В сравнительном примере 3 поверхностный слой отливки был удален после завершения, чтобы получить гладкую внешнюю периферийную поверхность.
В сравнительном примере 4, по меньшей мере, один из параметров, относящихся к центробежному литью ([A]-[F] в Таблице 2), был задан выходящим за пределы выбранного диапазона, приведенного в Таблице 2, в результате чего первое отношение SА площадей стало меньше нижнего предельного значения (10%).
В сравнительном примере 5, по меньшей мере, один из параметров, относящихся к центробежному литью ([A]-[F] в Таблице 2), был задан выходящим за пределы выбранного диапазона, приведенного в Таблице 2, в результате чего второе отношение SB площадей стало больше верхнего предельного значения (55%).
Условия создания пленок приведены ниже.
Толщина ТР пленки была установлена одинаковой в примерах 1 и 2, а также в сравнительных примерах 3, 4 и 5.
В примере 4 толщина ТР пленки была задана равной верхнему предельному значению (0,5 мм).
В сравнительных примерах 1 и 2 пленку не создавали.
В сравнительном примере 6 толщина ТР пленки была задана равной значению, превышающему верхнее предельное значение (0,5 мм).
Далее будет рассмотрен способ измерения параметров создания выступов в каждом из примеров и сравнительных примеров.
В каждом из примеров и сравнительных примеров параметры, относящиеся к созданию выступов 3, измерялись в соответствии со способом определения параметров, соответствующих описанному выше варианту реализации настоящего изобретения.
Далее будет рассмотрен способ измерения толщины ТР пленки в каждом из примеров и сравнительных примеров.
В каждом из примеров и сравнительных примеров толщина пленки измерялась с использованием микроскопа. А именно, толщина пленки измерялась в соответствии с указанными ниже операциями [1] и [2]:
[1] испытательный образец для измерения толщины пленки изготавливается из гильзы 2 цилиндра, на которой создана пленка;
[2] толщина пленки измеряется в нескольких местах пленки 5 на испытательном образце с использованием микроскопа; в качестве среднего значения толщины ТР пленки вычисляется среднее от измеренных значений.
Далее, со ссылкой на фиг.17, будет рассмотрен способ оценки прочности соединения гильзы в каждом из примеров и сравнительных примеров.
В каждом из примеров и сравнительных примеров в качестве способа оценки прочности соединения было использовано испытание на растяжение. Если говорить более конкретно, оценка прочности соединения гильзы выполнялась в соответствии с операциями [1]-[5]:
[1] с помощью литья под давлением были изготовлены блоки 72 с одним цилиндром, каждый из которых содержит гильзу 2 цилиндра (фиг.17А);
[2] из блоков 72 с одним цилиндром были изготовлены испытательные образцы 74 для оценки прочности. Каждый из испытательных образцов 74 для оценки прочности состоял из части гильзы 2 цилиндра (фрагмент 74А гильзы) и алюминиевой части цилиндра 73 (алюминиевый фрагмент 74В). Между каждым фрагментом 74А гильзы и соответствующим алюминиевым фрагментом 74В находится пленка 5;
[3] захваты 86 машины для испытания на растяжение были прикреплены к испытательному образцу 74 для оценки прочности (фрагмент 74А гильзы и алюминиевый фрагмент 74В, фиг.17В);
[4] после того как один из захватов 86 был установлен в зажиме 87, к испытательному образцу 74 для оценки прочности было приложено растягивающее усилие при помощи другого захвата 86, в результате чего происходило разъединение фрагмента 74А и алюминиевого фрагмента 74В в радиальном направлении цилиндра (в направлении стрелки С на фиг.17С);
[5] при испытании на растяжение в качестве прочности соединения гильзы с блоком цилиндров определялась прочность на разрыв, когда происходило разъединение фрагмента 74А гильзы и алюминиевого фрагмента 74В (величина нагрузки на единицу площади).
| Таблица 5 | ||
| Вид параметра | Значение | |
| [А] | Алюминиевый материал | ADC12 |
| [В] | Давление при литье | 55 МПа |
| [С] | Скорость литья | 1,1 м/с |
| [D] | Температура литья | 670°С |
| [Е] | Толщина цилиндра | 4, 0 мм |
[Е] представляет собой толщину без гильзы цилиндра.
В каждом из примеров и сравнительных примеров блок 72 цилиндров с одним цилиндром для оценки прочности был изготовлен в соответствии с условиями, указанными в Таблице 5.
Далее, со ссылкой на фиг.18, будет описан способ оценки теплопроводности цилиндра (теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы) в каждом из примеров и сравнительных примеров.
В каждом из примеров и сравнительных примеров в качестве способа оценки теплопроводности цилиндра был использован метод лазерной стробоскопии. А именно, оценка теплопроводности выполнялась в соответствии со следующими операциями [1]-[4]:
[1] при помощи литья под давлением были изготовлены блоки 72 цилиндров с одним цилиндром, каждый из которых содержал гильзу 2 цилиндра (фиг.18А);
[2] из блоков 72 цилиндров с одним цилиндром были изготовлены кольцевые испытательные образцы 75 для оценки теплопроводности (фиг.18В). Каждый из испытательных образцов 75 для оценки теплопроводности состоял из части гильзы 2 цилиндра (фрагмент 75А гильзы) и алюминиевой части цилиндра 73 (алюминиевый фрагмент 75В). Между каждым фрагментом 75А гильзы и соответствующим алюминиевым фрагментом 75В находится пленка 5;
[3] после установки испытательного образца 75 для оценки теплопроводности в устройство 88 лазерной стробоскопии внешняя поверхность этого образца облучалась лазерным облучением от лазерного генератора 89 (фиг.18С);
[4] на основе результатов испытания с помощью устройства 88 лазерной стробоскопии была вычислена теплопроводность испытательного образца 75 для оценки теплопроводности.
| Таблица 6 | ||
| Вид параметра | Значение | |
| [А] | Толщина фрагмента гильзы | 1,35 мм |
| [В] | Толщина алюминиевого фрагмента | 1,65 мм |
| [С] | Внешний диаметр испытательного образца | 10 мм |
В каждом из примеров и сравнительных примеров блок 72 цилиндров с одним цилиндром для оценки теплопроводности был изготовлен в соответствии с условиями, указанными в Таблице 5. Испытательный образец 75 для оценки теплопроводности был изготовлен в соответствии с условиями, указанными в Таблице 6. А именно: из блока 72 цилиндров с одним цилиндром была вырезана часть цилиндра 73. Внешняя и внутренняя периферийные поверхности вырезанной части были подвергнуты механической обработке таким образом, чтобы толщина фрагмента 75А гильзы и алюминиевого фрагмента 75В имела значения, указанные в Таблице 6.
В Таблице 7 приведены результаты измерения параметров в примерах и сравнительных примерах. Каждое из значений в таблице является репрезентативной величиной для нескольких результатов измерений.
Далее будут рассмотрены преимущества, осознанные на основе результатов измерений.
При сопоставлении примеров 1-4 со сравнительным примером 3 были обнаружены следующие факты. А именно: создание выступов 3 на гильзе 2 цилиндра увеличивает прочность соединения гильзы с блоком цилиндров.
При сопоставлении примера 1 со сравнительным примером 1 были обнаружены следующие факты. А именно: создание пленки на высокотемпературной части 26 гильзы увеличивает теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы. Кроме того, увеличивается прочность соединения гильзы с блоком цилиндров.
При сопоставлении примера 2 со сравнительным примером 2 были обнаружены следующие факты. А именно: создание пленки на высокотемпературной части 26 гильзы увеличивает теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы. Кроме того, увеличивается прочность соединения гильзы с блоком цилиндров.
При сопоставлении примера 4 со сравнительным примером 6 были обнаружены следующие факты. А именно: создание пленки 5, имеющей толщину ТР, которая меньше или равна верхнему предельному значению (0,5 мм), увеличивает теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы. Кроме того, увеличивается прочность соединения гильзы с блоком цилиндров.
При сопоставлении примера 1 со сравнительным примером 4 были обнаружены следующие факты. А именно: создание выступов 3 таким образом, чтобы первое отношение SА площадей было больше или равно нижнему предельному значению (10%), увеличивает прочность соединения гильзы с блоком цилиндров. Кроме того, увеличивается теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы.
При сопоставлении примера 2 со сравнительным примером 5 были обнаружены следующие факты. А именно: создание выступов 3 таким образом, чтобы второе отношение SB площадей было меньше или равно верхнему предельному значению (55%), увеличивает прочность соединения гильзы с блоком цилиндров. Кроме того, увеличивается теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы.
При сопоставлении примера 3 с примером 4 были обнаружены следующие факты. А именно: уменьшение толщины пленки при создании пленки 5 увеличивает прочность соединения гильзы с блоком цилиндров. Кроме того, увеличивается теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы.
Гильза цилиндра, соответствующая представленному варианту реализации настоящего изобретения, обеспечивает следующие преимущества.
1). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, при изготовлении блока 11 цилиндров при помощи литья с закладными элементами литейный материал блока 11 цилиндров и выступы 3 входят в зацепление друг с другом, в результате чего обеспечивается достаточная прочность соединения этих элементов. Это препятствует движению литейного материала из участков между отверстиями цилиндров в окружающие участки из-за разницы в скоростях кристаллизации.
Так как пленка 5 образована на выступах 3, то увеличивается сцепление между блоком 11 и высокотемпературной частью 26 гильзы. Это обеспечивает достаточную теплопроводность между блоком 11 и высокотемпературной частью 26 гильзы.
Кроме того, так как выступы 3 увеличивают прочность соединения между блоком 11 цилиндров и гильзой 2 цилиндра, предотвращается отставание гильзы 2 цилиндра от блока 11 цилиндров. В результате даже при расширении отверстия 15 цилиндра обеспечивается достаточная теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы.
Таким образом, использование гильзы 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, обеспечивает достаточную прочность соединения между гильзой 2 цилиндра и литейным материалом блока 11 цилиндров, а также достаточную теплопроводность между гильзой 2 цилиндра и блоком 11 цилиндров.
На основе результатов испытаний было обнаружено, что в блоке цилиндров, содержащем эталонные гильзы цилиндров, существует относительно большой зазор между блоком и каждой гильзой цилиндра. То есть, если просто создать на гильзе цилиндра выступы с сужениями, то достаточное сцепление между блоком цилиндров и гильзой цилиндра не будет обеспечено. Это неизбежно снизит теплопроводность из-за наличия зазоров.
2). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, описанное выше улучшение теплопроводности снижает температуру TW стенки в высокотемпературной части 26 гильзы. Это препятствует расходу моторного масла. В результате повышается степень сжигания топлива.
3). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, описанное выше улучшение прочности соединения препятствует деформации отверстий 15 цилиндров в двигателе, в результате чего снижается трение. Это повышает степень сжигания топлива.
4). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, пленку 5 образуют таким образом, что ее толщина ТР высокотемпературной части 26 гильзы меньше или равна 0,5 мм. Это увеличивает прочность соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы. Если толщина ТР пленки больше 0,5 мм, якорный эффект закрепления выступов 3 будет снижаться, приводя к значительному уменьшению прочности соединения гильзы.
5). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, выступы 3 выполнены таким образом, что стандартное число NP выступов находится в диапазоне от пяти до шестидесяти. Это дополнительно увеличивает прочность соединения гильзы. Кроме того, повышается степень заполнения литейным материалом пространств между выступами 3.
Если стандартное число NP выступов выходит за пределы выбранного диапазона, будут возникать следующие проблемы. Если стандартное число NP выступов меньше пяти, то число выступов будет недостаточным. Это уменьшит прочность соединения гильзы. Если стандартное число NP выступов больше шестидесяти, узкие пространства между выступами 3 будут снижать степень заполнения литейным материалом этих пространств.
6). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, выступы 3 выполнены таким образом, что стандартная длина HP выступа находится в диапазоне от 0,5 до 1,0 мм. Это увеличивает прочность соединения гильзы и точность получения внешнего диаметра гильзы 2 цилиндра.
Если стандартная длина HP выступа выходит за пределы выбранного диапазона, будут возникать следующие проблемы. Если стандартная длина HP выступа меньше 0,5 мм, то высота выступов 3 будет недостаточной. Это уменьшит прочность соединения гильзы. Если стандартная длина HP выступов больше 1,0 мм, выступы 3 будет легко разрушить. Это также снизит прочность соединения гильзы. Кроме того, из-за неравномерности высот выступов 3 уменьшается точность получения внешнего диаметра.
7). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, выступы 3 выполнены таким образом, что первое отношение SА площадей находится в диапазоне от 10 до 50%. Это обеспечивает достаточную прочность соединения гильзы. Кроме того, повышается степень заполнения литейным материалом пространств между выступами 3.
Если первое отношение SА площадей выходит за пределы выбранного диапазона, будут возникать следующие проблемы. Если первое отношение SА площадей меньше 10%, прочность соединения гильзы будет значительно уменьшаться по сравнению со случаем, когда первое отношение SА площадей больше или равно 10%. Если первое отношение SА площадей больше 50%, то второе отношение SВ площадей будет превышать верхнее предельное значение (55%). В результате будет значительно снижаться степень заполнения литейным материалом пространств между выступами 3.
8). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, выступы 3 выполнены таким образом, что второе отношение SB площадей находится в диапазоне от 20 до 55%. Это повышает степень заполнения литейным материалом пространств между выступами 3. Кроме того, обеспечивается достаточная прочность соединения гильзы.
Если второе отношение SB площадей выходит за пределы выбранного диапазона, будут возникать следующие проблемы. Если второе отношение SB площадей меньше 20%, первое отношение SA площадей опустится ниже нижнего предельного значения (10%). В результате значительно уменьшится прочность соединения гильзы. Если второе отношение SB площадей больше 55%, то степень заполнения литейным материалом пространств между выступами 3 значительно уменьшится по сравнению со случаем, когда второе отношение SB площадей меньше или равно 55%.
9). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, выступы 3 выполнены таким образом, что стандартная площадь SD поперечного сечения находится в диапазоне от 0,2 до 3,0 мм2. В результате при изготовлении гильз 2 цилиндров будет предотвращаться повреждение выступов 3. Кроме того, повышается степень заполнения литейным материалом пространств между выступами 3.
Если стандартная площадь SD поперечного сечения выходит за пределы выбранного диапазона, будут возникать следующие проблемы. Если стандартная площадь SD поперечного сечения меньше 0,2 мм2, прочность выступов 3 будет недостаточной, и их будет легко разрушить при изготовлении гильзы 2 цилиндра. Если стандартная площадь SD поперечного сечения больше 3,0 мм2, узкие пространства между выступами 3 уменьшат степень заполнения литейным материалом этих пространств.
10). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, выступы 3 (первые площади RA) выполнены таким образом, что они обособлены друг от друга в первой эталонной плоскости РА. Это повышает степень заполнения литейным материалом пространств между выступами 3. Если выступы 3 (первые площади RA) не обособлены друг от друга в первой эталонной плоскости РА, узкие пространства между выступами 3 уменьшат степень заполнения литейным материалом этих пространств.
11). В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, пленку 5 на каждом выступе 3 образуют таким образом, чтобы пространственная область 34 сужения не заполнялась этой пленкой. Соответственно, при выполнении литья с закладными элементами, которыми являются гильзы 2 цилиндра, в пространственную область 34 сужения затекает достаточное количество литейного материала. Это предотвращает снижение прочности соединения гильзы.
12). В двигателе увеличение температуры TW стенки цилиндра приводит к тепловому расширению отверстий цилиндров. С другой стороны, так как температура TW стенки цилиндра изменяется в осевом направлении, степень деформации отверстий цилиндров также меняется в осевом направлении. Такое изменение степени деформации цилиндра увеличивает трение поршня, что уменьшает степень сжигания топлива.
В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, пленку 5 не образуют на внешней периферийной поверхности 22 низкотемпературной части 27 гильзы, притом что эту пленку образуют на внешней периферии поверхности 22 высокотемпературной части 26 гильзы.
Соответственно, температура TW стенки цилиндра в высокотемпературной части 26 гильзы в двигателе 1 (пунктирная линия на фиг.6В) опускается ниже температуры TW стенки цилиндра в высокотемпературной части 26 гильзы в эталонном двигателе (сплошная линия на фиг.6В). С другой стороны, температура TW стенки цилиндра в низкотемпературной части 27 гильзы в двигателе 1 (пунктирная линия на фиг.6В), по существу, та же, что и температура TW стенки цилиндра в низкотемпературной части 27 гильзы в эталонном двигателе (сплошная линия на фиг.6В).
Следовательно, уменьшается разница между минимальной температурой TWL стенки цилиндра и максимальной температурой TWH стенки цилиндра в двигателе 1 (разница ΔTW температур стенки цилиндра). В результате уменьшается разница в деформации для каждого отверстия 15 цилиндра в осевом направлении (выравнивается степень деформации). Соответственно, выравнивается степень деформации каждого отверстия 15 цилиндра. Это уменьшает трение поршня и, как следствие, увеличивает степень сжигания топлива.
13). В двигателе 1 расстояние между отверстиями 15 цилиндра уменьшено, чтобы повысить степень сжигания топлива. Поэтому при изготовлении блока 11 цилиндров необходимо обеспечить достаточную прочность соединения между гильзой 2 цилиндра и литейным материалом, а также достаточную теплопроводность между блоком 11 цилиндров и гильзами 2 цилиндров.
Гильза 2 цилиндра, соответствующая представленному варианту реализации настоящего изобретения, обеспечивает достаточную прочность соединения гильзы с литейным материалом, а также достаточную теплопроводность между гильзой и блоком 11 цилиндров. Это позволяет уменьшить расстояние между отверстиями 15 цилиндров. Соответственно, из-за уменьшения расстояния между отверстиями 15 цилиндров в двигателе 1 по сравнению с обычными двигателями повышается степень сжигания топлива.
14). В представленном варианте реализации настоящего изобретения пленка 5 состоит из напыленного слоя сплава Al-Si. Это уменьшает разницу между степенью расширения блока 11 цилиндров и степенью расширения пленки 5. В результате при расширении отверстия 15 цилиндра обеспечивается сцепление между блоком 11 цилиндров и гильзой 2 цилиндра.
15). Так как применяется сплав Al-Si, который характеризуется высокой смачиваемостью литейным материалом блока 11 цилиндров, то дополнительно увеличиваются сцепление и прочность соединения между блоком 11 цилиндров и пленкой 5.
Рассмотренный выше первый вариант реализации настоящего изобретения может быть модифицирован, как указано ниже.
Хотя в первом варианте реализации настоящего изобретения в качестве алюминиевого сплава используется сплав Al-Si, могут использоваться и другие алюминиевые сплавы (сплав Al-Si-Cu и сплав Al-Cu).
В первом варианте реализации настоящего изобретения пленка 5 представляет собой напыленный слой 51. Однако это может быть изменено, как указано ниже. А именно: пленка 5 может представлять собой напыленный слой из меди или медного сплава. В этих случаях обеспечиваются преимущества, аналогичные указанным для первого варианта реализации настоящего изобретения.
Далее, со ссылкой на фиг.19 и 20, будет описан второй вариант реализации настоящего изобретения.
Второй вариант реализации настоящего изобретения осуществлен путем изменения условий образования пленок в гильзе цилиндра, в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения, следующим образом. Гильза цилиндра, соответствующая второму варианту реализации настоящего изобретения, аналогична гильзе, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, за исключением следующего.
Фиг.19 представляет собой вид в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZC, показанной на фиг.6А.
В гильзе 2 цилиндра пленку 5 образуют на внешней периферийной поверхности 22 высокотемпературной части 26 гильзы. Пленка 5 представляет собой слой покрытия из алюминиевого порошка (слой 52 покрытия). Слоем порошкового покрытия называется пленка, созданная в результате нанесения слоя металлического порошка.
В качестве материала пленки 5 могут использоваться и другие материалы, отвечающие, по меньшей мере, одному из следующих условий (А) и (В):
(А) материал, температура плавления которого меньше или равна эталонной температуре ТС расплавленного металла, или материал, содержащий такой материал;
(В) материал, который может создавать металлургическую связь с литейным материалом блока 11 цилиндра, или материал, содержащий такой материал.
Фиг.20 иллюстрирует принцип соединения блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы (сечение области ZA, показанной на фиг.1).
В двигателе 1 блок 11 цилиндров соединен с высокотемпературной частью 26 гильзы таким образом, что этот блок входит в зацепление с выступами 3. Кроме того, блок 11 цилиндров и высокотемпературная часть 26 гильзы контактируют друг с другом через пленку 5.
Что касается соединения высокотемпературной части 26 гильзы и пленки 5: так как пленка 5 образована путем нанесения слоя металлического порошка, то высокотемпературная часть 26 гильзы и пленка 5 механически и металлургически соединены друг с другом с обеспечением достаточных сцепления и прочности соединения. А именно: высокотемпературная часть 26 гильзы и пленка 5 соединены друг с другом таким образом, что участки механического соединения и участки металлургической связи хаотично перемежаются. Сцепление высокотемпературной части 26 гильзы и пленки 5 сильнее, чем сцепление блока цилиндров и эталонной гильзы цилиндра в эталонном двигателе.
Что касается соединения блока 11 цилиндров и пленки 5, то пленка 5 состоит из алюминиевого сплава, который имеет температуру плавления меньше или равную эталонной температуре ТС расплавленного металла и характеризуется высокой смачиваемостью литейным материалом блока 11 цилиндров. Поэтому блок 11 цилиндров и пленка 5 механически соединены друг с другом с обеспечением достаточных сцепления и прочности соединения. Сцепление блока 11 цилиндров и пленки 5 сильнее, чем сцепление блока цилиндров и эталонной гильзы цилиндра в эталонном двигателе.
В двигателе 1 благодаря такому контакту блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы достигаются следующие преимущества. Что касается механического соединения блока 11 цилиндров и пленки 5, то можно использовать то же объяснение, что и для первого варианта реализации настоящего изобретения:
(A) так как пленка 5 обеспечивает сцепление между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы увеличивается;
(B) так как пленка 5 обеспечивает прочность соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, предотвращается отставание высокотемпературной части 26 гильзы от блока 11 цилиндров. В результате, даже при расширении отверстия 15 цилиндра, сохраняется сцепление блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы. Это препятствует уменьшению теплопроводности;
(C) так как выступы 3 обеспечивают прочность соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, предотвращается отставание высокотемпературной части 26 гильзы от блока 11 цилиндров. В результате, даже при расширении отверстия 15 цилиндра, сохраняется сцепление блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы. Это препятствует уменьшению теплопроводности.
В дополнение к преимуществам 1)-15) первого варианта реализации настоящего изобретения гильза 2 цилиндра, соответствующая второму варианту реализации настоящего изобретения, обеспечивает следующее преимущество.
16). При нанесении слоя металлического порошка пленку 5 образуют без плавления материала покрытия, в результате предотвращается окисление поверхности пленки 5, и существует меньшая вероятность того, что пленка 5 содержит оксиды.
В гильзе 2 цилиндра, соответствующей представленному варианту реализации настоящего изобретения, пленку 5 образуют путем нанесения слоя металлического порошка. В результате предотвращается снижение теплопроводности пленки 5 из-за наличия оксидов. Так как смачиваемость литейным материалом улучшается за счет предотвращения окисления поверхности пленки, то дополнительно улучшается сцепление между блоком 11 цилиндров и пленкой 5.
Рассмотренный выше второй вариант реализации настоящего изобретения может быть модифицирован, как указано ниже.
Во втором варианте реализации настоящего изобретения в качестве материала для слоя 52 покрытия используется алюминий. Однако могут использоваться, например, следующие материалы:
a) цинк
b) олово
c) сплав, содержащий, по меньшей мере, два компонента из группы, состоящей из алюминия, цинка и олова.
Далее, со ссылкой на фиг.21 и 22, будет описан третий вариант реализации настоящего изобретения.
Третий вариант реализации настоящего изобретения осуществлен путем изменения условий создания пленок в гильзе цилиндра, в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения, следующим образом. Гильза цилиндра, соответствующая третьему варианту реализации настоящего изобретения, аналогична гильзе, соответствующей первому варианту реализации настоящего изобретения, за исключением следующего.
Фиг.21 представляет собой вид в увеличенном масштабе ограниченной окружностью области ZC, показанной на фиг.6А.
В гильзе 2 цилиндра пленку 5 образуют на внешней периферийной поверхности 22 высокотемпературной части 26 гильзы. Пленка 5 представляет собой плакированный слой 53 из медного сплава. Плакированным слоем называется пленка, созданная в результате плакирования.
В качестве материала пленки 5 могут использоваться и другие материалы, отвечающие, по меньшей мере, одному из следующих условий (А) и (В):
(A) материал, температура плавления которого меньше или равна эталонной температуре ТС расплавленного металла, или материал, содержащий такой материал;
(B) материал, который может создавать металлургическую связь с литейным материалом блока 11 цилиндра, или материал, содержащий такой материал.
Фиг.22 иллюстрирует принцип соединения блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы (сечение области ZA, показанной на фиг.1).
В двигателе 1 блок 11 цилиндров соединен с высокотемпературной частью 26 гильзы таким образом, что часть материала этого блока расположена в каждой из пространственных областей 34 сужения. Кроме того, блок 11 цилиндров и высокотемпературная часть 26 гильзы контактируют друг с другом через пленку 5.
Что касается соединения высокотемпературной части 26 гильзы и пленки 5: так как пленка 5 образована путем плакирования, то высокотемпературная часть 26 гильзы и пленка 5 механически соединены друг с другом с обеспечением достаточных сцепления и прочности соединения. Сцепление высокотемпературной части 26 гильзы и пленки 5 сильнее, чем сцепление блока цилиндров и эталонной гильзы цилиндра в эталонном двигателе.
Что касается соединения блока 11 цилиндров и пленки 5, то пленка 5 состоит из медного сплава, который имеет температуру плавления выше эталонной температуры ТС расплавленного металла. При этом блок 11 цилиндров и пленка 5 металлургически соединены друг с другом с обеспечением достаточных сцепления и прочности соединения. Сцепление блока 11 цилиндров и пленки 5 сильнее, чем сцепление блока цилиндров и эталонной гильзы цилиндра в эталонном двигателе.
В двигателе 1 благодаря такому контакту блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы достигаются следующие преимущества:
(А) так как пленка 5 обеспечивает сцепление между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы увеличивается;
(B) так как пленка 5 обеспечивает прочность соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, предотвращается отставание высокотемпературной части 26 гильзы от блока 11 цилиндров. В результате даже при расширении отверстия 15 цилиндра сохраняется сцепление блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы. Это препятствует уменьшению теплопроводности;
(C) так как пленка 5 состоит из медного сплава, имеющего более высокую теплопроводность, чем теплопроводность блока 11 цилиндров, то увеличивается теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы;
(D) так как выступы 3 обеспечивают прочность соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы, предотвращается отставание высокотемпературной части 26 гильзы от блока 11 цилиндров. В результате, даже при расширении отверстия 15 цилиндра, сохраняется сцепление блока 11 цилиндров и высокотемпературной части 26 гильзы. Это препятствует уменьшению теплопроводности.
Что касается металлургической связи между блоком 11 цилиндров и пленки 5, предполагается, что для создания такой связи необходимо, чтобы пленка 5 в основном состояла из металла, температура плавления которого меньше или равна эталонной температуре ТС расплавленного металла. Однако, как показали результаты испытаний, даже если пленка 5 образована из металла, имеющего температуру плавления выше эталонной температуры ТС расплавленного металла, в некоторых случаях возникает металлургическая связь между блоком 11 цилиндров и пленкой 5.
В дополнение к преимуществам 1)-13) первого варианта реализации настоящего изобретения гильза 2 цилиндра, соответствующая третьему варианту реализации настоящего изобретения, обеспечивает следующие преимущества.
17). В представленном варианте реализации настоящего изобретения пленка 5 образована из медного сплава. Соответственно, между блоком 11 цилиндров и пленкой 5 возникает металлургическая связь. Сцепление и прочность соединения между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы дополнительно увеличиваются.
18) Так как медный сплав имеет высокую теплопроводность, то значительно увеличивается теплопроводность между блоком 11 цилиндров и высокотемпературной частью 26 гильзы.
Рассмотренный выше третий вариант реализации настоящего изобретения может быть модифицирован, как указано ниже.
В третьем варианте реализации настоящего изобретения плакированный слой 53 может состоять из меди.
Описанные выше варианты реализации настоящего изобретения могут быть модифицированы следующим образом.
В рассмотренных выше вариантах реализации настоящего изобретения выбранные диапазоны для первого отношения SA площадей и второго отношения SB площадей задаются в границах, указанных в Таблице 1. Однако эти выбранные диапазоны могут быть изменены, как указано ниже.
Первое отношение SA площадей - 10-30%.
Второе отношение SB площадей - 20-45%.
Такой выбор повышает прочность соединения гильзы и степень заполнения литейным материалом пространств между выступами 3.
В рассмотренных выше вариантах реализации настоящего изобретения выбираемый диапазон стандартной высоты HP выступа задается таким образом, чтобы он находился в пределах от 0,5 до 1,0 мм. Однако этот выбираемый диапазон может быть изменен, как указано ниже. А именно: выбираемый диапазон стандартной высоты HP выступа может задаваться равным от 0,5 до 1,5 мм.
В приведенных выше вариантах реализации настоящего изобретения пленку 5 не образуют на внешней периферийной поверхности 22 низкотемпературной части 27 гильзы, притом что эту пленку образуют на внешней периферийной поверхности 22 высокотемпературной части 26 гильзы. Такая конструкция может быть модифицирована следующим образом. А именно: пленка 5 может быть образована на внешней периферийной поверхности 22 как низкотемпературной части 27 гильзы, так и высокотемпературной части 26 гильзы. Такая конструкция предотвращает чрезмерное снижение температуры TW стенки цилиндра в некоторых местах.
Способ образования пленки 5 не ограничивается способами, рассмотренными в приведенных выше вариантах реализации настоящего изобретения (напыление, нанесение слоя металлического порошка и плакирование). При необходимости может быть применен любой другой способ.
Конструкция гильзы 2 цилиндра, соответствующая приведенным выше вариантам реализации настоящего изобретения, может быть модифицирована, как указано ниже. А именно: толщина высокотемпературной части 26 гильзы может быть задана меньше толщины низкотемпературной части 27 гильзы, в результате чего теплопроводность высокотемпературной части 26 гильзы будет превышать теплопроводность низкотемпературной части 27 гильзы. В этом случае, так как разница ATW температур в стенке цилиндра уменьшается, то степень деформации отверстия 15 цилиндра выравнивается в осевом направлении. Это повышает степень сжигания топлива. Выбор толщины может выполняться, например, в соответствии со следующими пунктами (А) и (В):
(A) в каждой из высокотемпературной части 26 гильзы и низкотемпературной части 27 гильзы толщина может быть задана постоянной, а толщина в высокотемпературной части 26 гильзы может быть выбрана меньше, чем в низкотемпературной части 27 гильзы;
(B) толщина гильзы 2 цилиндра постепенно уменьшается в направлении от нижнего торца 24 гильзы к ее верхнему торцу 23.
Схема образования пленки 5, соответствующая приведенным выше вариантам реализации настоящего изобретения, может быть модифицирована, как указано ниже. А именно: пленка 5 может быть образована из любого материала, пока выполняется, по меньшей мере, одно из следующих условий (А) и (В):
(A) теплопроводность пленки 5 равна или больше теплопроводности гильзы 2 цилиндра.
(B) теплопроводность пленки 5 равна или больше теплопроводности блока 11 цилиндров.
В приведенных выше вариантах реализации настоящего изобретения пленку 5 образуют на гильзе 2 цилиндра, имеющей выступы 3, параметры создания которых находятся в выбранных диапазонах, указанных в Таблице 1. Однако пленку 5 можно образовать на любой гильзе цилиндра, если на ней выполнены выступы 3.
В приведенных выше вариантах реализации настоящего изобретения гильза цилиндра используется в двигателе, изготовленном из алюминиевого сплава. Однако гильза цилиндра, соответствующая настоящему изобретению, может использоваться в двигателе, изготовленном, например, из магниевого сплава. В частности, гильза цилиндра, соответствующая настоящему изобретению, может использоваться в любом двигателе с гильзой цилиндра. Даже в этом случае обеспечиваются преимущества, аналогичные указанным для приведенных выше вариантов реализации настоящего изобретения, если это изобретение реализовано таким же образом, что и в этих вариантах.
1. Гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров и имеющая внешнюю периферийную поверхность, на которой выполнено множество выступов, каждый из которых имеет зауженную форму, отличающаяся тем, что на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала, имеющая теплопроводность выше теплопроводности гильзы цилиндра.
2. Гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров и имеющая внешнюю периферийную поверхность, на которой выполнено множество выступов, каждый из которых имеет зауженную форму, отличающаяся тем, что на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала, имеющая теплопроводность выше теплопроводности блока цилиндров.
3. Гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров и имеющая внешнюю периферийную поверхность, на которой выполнено множество выступов, каждый из которых имеет зауженную форму, отличающаяся тем, что на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала, проходящая от одного торца гильзы цилиндра до средней части гильзы в осевом направлении гильзы.
4. Гильза цилиндра для литья с закладными элементами, используемая при изготовлении блока цилиндров и имеющая внешнюю периферийную поверхность, на которой выполнено множество выступов, каждый из которых имеет зауженную форму, отличающаяся тем, что на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов образована пленка из металлического материала, причем гильза цилиндра имеет верхнюю часть и нижнюю часть относительно средней части гильзы в ее осевом направлении, при этом толщина пленки в верхней части меньше толщины пленки в нижней части.
5. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что пленка, образованная на внешней периферийной поверхности и поверхностях выступов, увеличивает сцепление гильзы цилиндра с блоком цилиндров.
6. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что пленка представляет собой напыленный слой.
7. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что пленка представляет собой слой покрытия из металлического порошка.
8. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что пленка представляет собой плакированный слой.
9. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что пленка соединена с блоком цилиндров за счет металлургической связи.
10. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что температура плавления пленки меньше или равна температуре расплавленного литейного материала, используемого при изготовлении блока цилиндров путем литья с закладным элементом, которым является гильза цилиндра.
11. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что толщина пленки меньше или равна 0,5 мм.
12. Гильза цилиндра по любому из пп.1, 2 или 4, отличающаяся тем, что пленка проходит от одного торца до другого торца гильзы в ее осевом направлении.
13. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что число выступов, выполненных на ее внешней периферийной поверхности, составляет от пяти до шестидесяти на 1 см2.
14. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что высота каждого выступа составляет от 0,5 до 1,5 мм.
15. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, отношение суммарной площади областей, каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,4 мм, к площади всей контурной диаграммы равно или превышает 10%.
16. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, отношение суммарной площади областей, каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,2 мм, к площади всей контурной диаграммы равно или меньше 55%.
17. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, отношение суммарной площади областей, каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,4 мм, к площади всей контурной диаграммы составляет от 10 до 50%.
18. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, отношение суммарной площади областей, каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,2 мм, к площади всей контурной диаграммы составляет от 20 до 55%.
19. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выступы выполнены таким образом, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, площадь каждой области, ограниченной изолинией, расположенной на высоте 0,4 мм, составляет от 0,2 до 3,0 мм2.
20. Гильза цилиндра по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что на контурной диаграмме внешней периферийной поверхности гильзы, полученной при помощи устройства измерения с использованием трехмерного лазера, области, каждая из которых соответствует одному выступу и каждая из которых ограничена изолинией, расположенной на высоте 0,4 мм, обособлены друг от друга.
21. Двигатель, отличающийся тем, что он содержит гильзу цилиндра по любому из пп.1-4.
