[发明专利]用于半永久型铸模气缸盖铸件的燃烧室壁冷却室设计

说明书

相关申请的说明

本申请要求2010年2月19日提交的临时专利申请号为61/306,002，标题为“Combustion Chamber Wall Cooling Chamber Design For Semi-Permanent Mold Cylinder Head Casting”的权利，在此通过引用而整体结合于本文中。

技术领域

本发明涉及用于半永久型铸模气缸盖铸件的燃烧室壁冷却室设计。

背景技术

在发动机运行中，气缸盖铸件内的燃烧室壁处于高应力状态。在该区域需要高强度材料使得部件具备长的寿命。尽管合金选择以及热处理对于合金最后的强度起着重要作用，但凝固期间的条件同样起着不相上下的作用。燃烧室壁的凝固速率取决于壁的设计、铸模材料、芯材料、冷却设计和工艺变量。在使用的合金和这些变量之间的平衡很难优化最高强度。

其中必须要平衡的一个工艺变量就是铸模壁的温度。如果形成燃烧室的铸模壁是冷的，这会提高凝固速率，但是它对铸模腔的装模是不利的。在装模期间金属温度的过大损失会导致冷隔缺陷并且促成了表面下的气孔。热铸模将最小化液态金属的温度损失，但是也会延长铸件的凝固时间并且增加燃烧室壁材料的微结构尺寸。为了实现装模期间热铸模和凝固期间冷铸模，用于燃烧室铸件壁的铸模冷却室通常在装模之后激活。为了最大化铸件的凝固速率，期望从冷却室具有最大的高热通量。为了在凝固期间达到该最大高热通量，形成燃烧室铸件壁的铸模冷却室设计就变得很重要。

典型的铝硅或铝铜铸件合金的微结构尺寸的量度是二次枝晶间距(SDAS)。该测量的长度来自于燃烧室壁的一个切样。在高输出发动机气缸盖桥壁处的SDAS规格通常是最大为25微米。在整个燃烧室表面期望该微结构长度，但是不能通过常规工艺获得。

用于铝合金气缸盖的传统半永久型铸模组件在每个燃烧室铸件壁下面具有水冷室。一般将单独的工具插入较大的基体铸模中制成燃烧室特征和冷却线路。通常利用定位接合销和四个螺栓凸起将这些镶件(insert)从下面精确地定位并固定到基体铸模中。冷却线路的入口和出口管道同样也从下面连接。冷却室与这些特征之间需要存在间隙，这就严重限制了它的尺寸大小。

附图1-2所示为典型的燃烧室冷却镶件10的一个实例。附图1示出了内部几何结构。冷却镶件10通常由H13号钢制成。上表面形成铸件表面15。冷却腔20具有冷却剂入口25和冷却剂出口30。导流板35引导冷却剂流从冷却剂入口25朝向冷却剂腔20的顶表面到达冷却剂出口30。图2中示出燃烧室镶件10的底部，其具有四个螺栓凸起40和定位接合销45。

用于螺栓凸起40和定位接合销45的空间要求限制了用于冷却室直径本身的空间。这要求大约25毫米的壁厚(或者50毫米的总壁厚)。结果，总直径为75毫米的燃烧室镶件具有仅为约25毫米的典型冷却剂腔直径，85毫米的镶件具有大约35毫米直径的冷却剂腔，95毫米的镶件具有大约45毫米直径的冷却剂腔，以及105毫米的镶件具有大约55毫米直径的冷却剂腔。因此，将难以通过标准的冷却室设计来实现25微米或是更小的SDAS的冷却要求。受限的室表面面积和位于螺栓凸起之上的钢质量致使从活动的冷却剂到铸件壁具有缓慢的热响应。

发明内容

本发明一方面是一种冷却气缸盖铸件的方法。在一个实施例中，该方法包括将冷却圆盖镶件固定到气缸盖铸件铸模内，其中冷却圆盖镶件包括镶件本体，其具有限定出冷却室的顶壁、侧壁和底部，并具有与冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，侧壁总厚度为小于大约40毫米；将熔融铝或铝合金引入气缸盖铸件铸模内；通过冷却剂入口和冷却剂出口循环冷却剂至冷却室，其中气缸盖桥壁处的SDAS为大约25微米或更小。

本发明的另一方面是一种冷却圆盖镶件。在一个实施例中，冷却圆盖镶件包括镶件本体，其具有在其中限定出冷却室的顶壁、侧壁、和底部，并具有与冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，侧壁的总厚度为小于大约40毫米，并且其中在气缸盖桥壁处的预计SDAS为大约25微米或更小。

本发明进一步包括下面的技术方案。

1.一种冷却气缸盖铸件的方法，包括：

将冷却圆盖镶件固定到气缸盖铸件铸模内，其中所述冷却圆盖镶件包括镶件本体，所述镶件本体具有限定出冷却室的顶壁、侧壁和底部，并具有与冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，所述侧壁总厚度小于大约40毫米；

将熔融铝或铝合金引入所述气缸盖铸件铸模内；