[发明专利]耐磨往复活塞式内燃机

说明书

技术领域

本发明涉及如独立权利要求1的特征部分前所述的往复活塞式内燃机。本发明涉及汽缸套和活塞环，特别是低速大型柴油机的相互匹配的汽缸套和活塞环。

背景技术

大型柴油机通常被用作船舶的驱动单元或者用在定点作业中，例如驱动用于产生电能的大型发电机。在该方面，发动机通常以连续作业的方式运行相当长的时间，因而对作业可靠性和可用性存在很高的要求。基于这一原因，长期维护周期、有限的磨损和燃料及运行材料的经济利用成为操作者操作机器的关键标准。在其他因素中，所述大型单调的低速柴油机的活塞性能是维护周期的长度、发动机的可用性的决定因素，并且因润滑剂的消耗，也是运行成本的直接决定因素，因而是成本效益的决定因素。

在往复活塞式内燃机中，特别是在大型柴油机中，汽缸套和活塞在运行状态下承受非常高的机械和热负载。此外，汽缸套和活塞环，更精确地说是汽缸套的滑动表面(running surface)和活塞的活塞环，会在内燃机运行过程中磨损。摩擦造成的磨损的迹象可以导致损坏，从而导致复杂且昂贵的维修。关于这一点，特别是由此导致的往复活塞式内燃机的停机时间在商业方面是非常不利的。

关于滑动表面和活塞的润滑，为改善往复活塞式内燃机的耐磨性正在付出大量的努力。

改善往复活塞式内燃机的耐磨性的另一途径是优化汽缸套的材料性质。汽缸套的材料必须具有高稳定性，以能够承受燃烧过程中的高热张力和机械张力。所述材料还必须也具有充分的变形性和延伸性，以至少部分地降低机械应力峰。为保持材料的低磨损，汽缸套必须也具有高耐磨性。

通常，汽缸套通过铸造工序而制造。关于这一点，铸造材料优选富含硬质材料，或者铸造工序和冷却工序以本身已知的方式受到影响从而达到下述程度：在汽缸套毛坯的铸造和/或在汽缸套毛坯的冷却中，铸造基材中可以形成或析出或多或少的广阔区域，所述区域由例如可以包含本身已知的碳化物的硬质相或本身已知的其他硬质相制得。术语“汽缸套毛坯”应当被理解为未加工的铸造体，其在后续加工工序之后，例如成为可运行的汽缸套。硬质相以某种程度不规则分布地包埋于铸铁基材中，从而获得软铸造材料和硬质相的组合。在这方面，铸造基材确保了例如汽缸套的一定机械弹性和持续稳定性，因而这可以抵抗内燃机运行状态中温度负载和压力负载的巨大变化。相较而言，硬质相为汽缸壁和/或汽缸的滑动表面提供了一定的耐受性，特别是对通过活塞环与汽缸滑动表面之间的摩擦而产生的过度磨损的耐受性。

往复活塞式内燃机的汽缸套，特别是大型柴油机的汽缸套，通常由其中可能包埋有硬质相的铸铁或其他铁材料构成。铸铁是具有高碳含量(C＞2.06重量％)的铁碳合金，并且还具有如硅、锰、磷或硫等成分。关于铸铁，要区分灰口铸铁与白口铸铁。在灰口铸铁中，碳作为石墨存在，而在白口铸铁中，碳以渗碳体的形式存在。

渗碳体是铁和碳的化合物，其组成为Fe₃C(碳化铁)。碳化铁作为亚稳相出现在白口铸铁和钢中。在冷却非常缓慢或退火时间非常漫长的情况下，渗碳体可以分解为铁和石墨。

渗碳体可以作为一次渗碳体、二次渗碳体和三次渗碳体存在，所述一次渗碳体源于利用结晶作用的熔体，所述二次渗碳体通过奥氏体的析出而形成，所述三次渗碳体通过柔软且易于腐蚀的铁素体(体心立方晶格的铁)的析出而获得。在这方面，由铁制得的面心立方混合晶体被定义为奥氏体。在亚稳态固化中，铸铁含有由渗碳体和奥氏体制得的共晶体，即所谓的莱氏体。二次渗碳体聚集在首先析出的渗碳体上，其在进一步冷却时由后者析出。发生完全奥氏体转化之后，上述莱氏体包含渗碳体和珠光体的微细混合物。在铸铁熔体冷却时，形成粗针状的过多的一次渗碳体(FeC₃)。在熔体冷却时，过多的二次渗碳体开始作为晶界或分层渗碳体而在奥氏体或后来的珠光体周围析出。

铸铁可以作为具有薄片状石墨的铸铁存在，其中，石墨具有薄而不规则地形成的薄片形状。具有薄片状石墨的铸铁具有较低的拉伸强度和非常低的弹性。铸铁的耐腐蚀性可以通过硅、铬、镍或铝的合金化来提高。铸铁也可以作为具有球状石墨的球墨铸铁、退火铸铁或作为具有蠕虫状石墨的铸铁存在。在后者中，石墨既不以薄片状形式存在，也不以球状形式存在，也不作为蠕虫状(蠕虫形式)存在。蠕虫状石墨铸铁的机械性质介于具有薄片状石墨的铸铁与具有球状石墨的铸铁之间。