[发明专利]内燃机、用于内燃机的气缸和用于内燃机的气缸套

说明书

本申请要求2011年3月14日提交的美国临时申请No.61/452,201的优先权，该美国申请在此通过引用的方式并入。

技术领域

本发明总体上涉及内燃机以及内燃机的气缸和气缸套，更具体地，涉及在气缸或气缸套的内壁表面上具有纹理图案的内燃机以及内燃机的气缸和气缸套。

背景技术

在内燃机的总摩擦损失中，大约50％可以归因于动力缸单元。动力缸单元通常包括活塞环、活塞、活塞销连杆和气缸套。减少摩擦损失意味着降低燃料消耗，这意味着减少CO₂排放。

过去，动力缸系统的设计者的目标是减少气缸套表面的平面起伏度（plateau amplitude），或简单地说，使发生机械接触的区域中的表面更光滑。对于发动机来说，更光滑的平坦表面具有几个已确认的益处：例如，在运行阶段中，燃料消耗低、磨损颗粒少，等等。试验已经证明了表面粗糙度和摩擦系数之间的清楚关系。由此，可以得出如下结论：平面粗糙度决定了机械摩擦（试验表明对大部分材料都有效的结论），而与材料属性（例如硬度、杨氏模量等）无关。

内燃机中有两种类型的摩擦：机械摩擦（由于机械接触（通常是金属与金属的接触）而引起）；以及由于机油的剪切而引起的流体动力摩擦（或粘性摩擦）。迄今为止，已经进行的用于减少动力缸单元中的摩擦损失的大部分内燃机改进仅解决了机械摩擦。在分析了动力缸的摩擦属性的公开文献中（例如试验摩擦计的研究），机械摩擦力总是被考察的参数。在这两种类型的摩擦（机械摩擦和流体动力摩擦）中，在摩擦计试验中通常仅研究机械摩擦。

总之，为了减少摩擦而进行的大部分现有方案的目标仅在于减少机械摩擦。机油粘度的降低减少了活塞环/活塞与气缸之间的平均流体动力学摩擦，但增加了活塞环/活塞与气缸之间的平均机械摩擦。更低粘度的机油减少了活塞环/活塞与气缸之间的平均流体动力摩擦，但增加了活塞环/活塞与气缸之间的平均机械摩擦。气缸套的总体平面粗糙度的降低减少了活塞环/活塞与气缸之间的平均机械摩擦，但增加了活塞环/活塞与气缸之间的平均流体动力摩擦。

本发明人已经认识到一些源自与摩擦损失相关的试验的、与试点摩擦计测试和发动机测试结果相比而言的意外发现。在这些试验中，为最小化总磨擦损失，重点放在了最小化机械磨擦损失。试验结果表明，在摩擦计测试中，一种类型的气缸套（气缸套A）呈现低的机械摩擦损失（比基准气缸套低很多），该同一类型的气缸套呈现高的燃料消耗（比基准气缸套高很多）。在气缸套A上没有检测到磨损，然而，在基准气缸套上检测到了磨损。在评估这些结果时，发明人已经得出如下结论：燃料消耗的增加是气缸套A的流体动力摩擦损失增加的结果，并且该流体动力摩擦对总摩擦有显著贡献。

Oki Sato等人在SAE国际2004SAE世界会议(2004年3月8-11日)上的论文“Improvement of Piston Lubrication in a Diesel Engine by Means of Cylinder Surface Roughness”（″公告文献SAE2004-01-0604″）解决了动力缸系统的摩擦优化的问题。在该方案中，测量了影响气缸套（活塞和活塞环）的所有摩擦力。在其中一个测试中，将粗糙表面与光滑表面进行了对比（参见图6和7，这两幅图都复制于上述公告文献SAE2004-01-0604的图5）。光滑表面在上止点（TDC）处具有低得多的摩擦，而粗糙表面在中间行程处（在中间行程的所有位置处：-270度、-90度、180度和270度曲轴转角处）具有低摩擦。请注意，这些图示出了摩擦力。如果摩擦力矩是结果，对于中间行程来说，该力矩的差异将比所观察到的摩擦力的差异大得多。测量结果是摩擦力，然而，影响燃料消耗的不是摩擦力，而是摩擦力矩。简单地说，力矩是杠杆臂的长度乘以力的大小，这里，杠杆臂是曲柄轴线上的主轴承偏移。随着主轴承的旋转，杠杆臂的距离将到达活塞的反转区零点并到达中间行程中的最大长度。这意外着摩擦力矩在上止点TDC和下止点BDC处总是为0。在这里，摩擦力矩更体现了流体动力摩擦而不是机械摩擦。

发明人考虑在不增加机械摩擦损失的情况下最小化流体动力摩擦损失。简单地说，发明人已经得出如下结论：如果气缸套在中间行程处具有更粗糙表面，流体动力学损失将降低。然而，发明人还得出：这不仅仅是使该表面更粗糙的问题，而是应当以特殊的方式来使其更粗糙。

发明内容

希望提供一种减少了摩擦损失的内燃机。还希望以具有较低成本的方式减少内燃机中的摩擦损失。还希望加入对部件的改进，其目的是：摩擦的减少不增加磨损。