用於內燃發動機的汽缸蓋的製作方法

2023-12-04 21:23:21

各個實施例涉及用於內燃發動機的複合體(composite)汽缸蓋。

背景技術：

在發動機操作期間，汽缸蓋可能需要冷卻，並且可以設置包含諸如水的冷卻劑的流體夾套系統。汽缸蓋的各個區域可以是幾乎沒有封裝空間的承載區域。汽缸蓋可以在工具中使用包括鑄造和模製的工藝而形成。汽缸蓋可具有各種特徵，諸如冷卻夾套和潤滑系統等的複雜形狀和流體通道。提供這些複雜的形狀和流體通道可能是具有挑戰性的。例如，砂芯或其它失芯(lost core)可用在低壓工藝中，以提供期望的特徵；然而，由於封裝限制上期望特徵的小尺寸、失芯材料無法承受高壓處理、失芯材料被壓碎、失芯材料在處理期間移動、產生的汽缸蓋不符合期望特徵或者是其他方面不完整，可能出現一些限制。另外，對於由複合材料形成的汽缸蓋，機加工或直接模製到複合材料中的冷卻通道可能在發動機運轉期間不能為汽缸蓋提供充分的熱管理和冷卻。

技術實現要素：

根據實施例，提供了一種用於內燃發動機的汽缸蓋。內部結構性金屬構件具有第一板，所述第一板形成汽缸蓋的平臺面並形成一系列碟形汽缸頂部。所述內部結構性金屬構件具有從所述第一板延伸的汽缸蓋螺栓柱、通過第一支撐臂連接到所述第一板的排氣門導管、通過第二支撐臂連接到所述第一板的進氣門導管和被構造為安裝排氣歧管並以一定角度延伸到所述第一板的第二板。外部複合構件由內部結構性金屬構件支撐並形成汽缸蓋的主體，主體包括進氣側壁、第一端壁和第二端壁以及與平臺面相對的頂壁。所述外部複合構件限定有冷卻夾套、進氣口和排氣口。冷卻夾套的流體通道由金屬壁形成，所述金屬壁與外部複合構件的複合材料接觸並被其包圍。

根據另一實施例，一種汽缸蓋設置有內部結構性構件，所述內部結構性構件具有板以及從板延伸的多個汽缸蓋螺栓柱，所述板形成汽缸蓋的平臺面並形成至少一個碟形汽缸頂部。外部構件由內部結構性構件支撐並形成冷卻夾套、進氣口和排氣口。

根據又一實施例，提供一種形成用於內燃發動機的汽缸蓋的方法。將結構性嵌入件和失芯嵌入件定位在工具中。將失芯嵌入件被成形為形成冷卻夾套並具有大致封裝在金屬殼體中的失芯材料。將材料注入工具中，以形成包圍所述結構性嵌入件和失芯嵌入件的主體，從而形成汽缸蓋預型體。

本公開的各個實施例具有關聯的非限制性的優點。例如，對於至少部分地由複合材料形成的缸體，由於複合材料因其低導熱性而作為絕緣體，所以熱梯度熱點需要特殊的熱管理。與高熱源(例如複合體汽缸蓋)嵌套接觸的自足式空心鋁芯提供了對缸蓋進行熱管理的流體夾套。冷卻劑用於將熱從發動機汽缸蓋帶到熱交換器(例如散熱器)。流體流動通道包含在被模製或鑄造到周圍殼體(諸如複合體包覆成型汽缸體)中的空心鋁芯中。所述流體流動通道的外表面的表層與保持它的複合材料和/或鋁合金壓鑄件直接接觸。通道提供了熱流量管道，所述熱流量管道將多餘的熱這些從要求尺寸穩定性的區域移走，且其外表面或殼體由鋁或鋁合金材料製成，這可以有效地消散和傳導熱。在鹽芯上具有鋁殼體的冷卻夾套嵌入件在製造過程期間提供保護鹽芯免於破裂或以其他方式溶解的結構。所得到的缸蓋中的冷卻劑迴路或冷卻夾套具有薄壁和較小橫截面的通道。由於改進的流動迴路構造(其由於傳統的砂芯或高壓鑄造或模製工具的限制而無法利用這樣的砂芯或工具獲得)，冷卻夾套嵌入件允許精準的位置控制以及對流體通道的物理形狀的控制，以優化熱傳遞。流體通道的薄橫截面允許冷卻劑被放置為鄰近高熱流量區域(例如缸蓋中的氣門座)。結構性嵌入件用於汽缸蓋而向汽缸蓋提供額外的強度(例如，當與複合材料一起使用時)，並得到具有減小的重量和增加的燃料效率的發動機。

附圖說明

圖1示出了被構造為實施所公開的實施例的內燃發動機的示意圖；

圖2示出了圖1的汽缸蓋的分解圖；

圖3示出了根據實施例的汽缸蓋的局部剖視圖；

圖4示出了圖2的汽缸蓋的另一剖視圖；

圖5示出了形成圖2的汽缸蓋的方法的流程圖。

具體實施方式

根據需要，在此公開本發明的詳細實施例；然而，應理解，所公開的實施例僅是本發明的示例，本發明可以以各種和替代的形式實施。附圖不一定按比例繪製；一些特徵可被誇大或最小化以顯示特定部件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能細節不應被解釋為限制，而僅作為用於教導本領域技術人員以各種方式利用本公開的代表性基礎。

圖1示出了內燃發動機20的示意圖。發動機20具有多個汽缸22，圖中示出了一個汽缸。發動機20可包括以多種方式布置的多個汽缸，包括直列式構造和V型構造。發動機20具有與各個汽缸22相關聯的燃燒室24。汽缸22由汽缸壁32和活塞組件34形成。活塞組件34被連接到曲軸36。燃燒室24與進氣歧管38和排氣歧管40流體連通。進氣門42控制從進氣歧管38到燃燒室24的流動。排氣門44控制從燃燒室24到排氣歧管40的流動。進氣門42和排氣門44可以以本領域已知的各種方式操作以控制發動機的運轉。

燃料噴射器46將燃料從燃料系統直接輸送到燃燒室24中，因此發動機為直噴式發動機。發動機20可以使用低壓或高壓燃料噴射系統，或者在其它示例中可使用進氣道噴射系統。點火系統包括火花塞48，其被控制為以火花的形式提供能量而點燃燃燒室24中的燃料空氣混合物。在其它實施例中，可使用其它的燃料輸送系統和點火系統或技術，包括壓縮點火。

發動機20包括控制器和被配置為將信號提供給控制器用以控制輸送至發動機的空氣和燃料、點火正時、發動機輸出的功率和扭矩等的各種傳感器。發動機傳感器可包括但不限於排氣歧管40中的氧傳感器、發動機冷卻劑溫度傳感器、加速踏板位置傳感器、發動機歧管壓力(MAP)傳感器、用於曲軸位置的發動機位置傳感器、進氣歧管38中的空氣品質傳感器、節氣門位置傳感器等。

在一些實施例中，發動機20被用作車輛(諸如傳統車輛或啟動-停止車輛)中唯一的原動機。在其它實施例中，發動機可用於混合動力車輛，在混合動力車輛中，附加的原動機(諸如電機)可用於提供額外的動力以推進車輛。

每個汽缸22可在包括進氣衝程、壓縮衝程、點火衝程和排氣衝程的四衝程循環下工作。在其它示例中，發動機可使用二衝程循環進行工作。在進氣衝程期間，進氣門42打開且排氣門44關閉，同時活塞組件34從汽缸22的頂部移動到汽缸22的底部，以將空氣從進氣歧管引入到燃燒室24。活塞組件34在汽缸22的頂部的位置通常被稱為上止點(TDC)。活塞組件34在汽缸的底部的位置通常被稱為下止點(BDC)。

在壓縮衝程期間，進氣門42和排氣門44關閉。活塞組件34從汽缸22的底部朝著頂部移動以壓縮燃燒室24內的空氣。

然後燃料被引入到燃燒室24中並被點燃。在示出的發動機20中，燃料被噴射到燃燒室24中，然後使用火花塞48被點燃。在其它示例中，可以使用壓縮點火將燃料點燃。

在膨脹衝程期間，燃燒室24中被點燃的燃料空氣混合物膨脹，從而使活塞組件34從汽缸22的頂部移動到汽缸22的底部。活塞組件34的運動使曲軸36產生相應運動，並使發動機20輸出機械轉矩。引起膨脹衝程的燃燒過程在發動機20上產生負載和力。由燃燒室24中的燃燒事件產生的發動機上的力將力施加在活塞組件34的面部50，並且所述力的至少一部分沿連杆52向下傳遞到主軸承和曲軸36。主軸承上的力可稱為反作用力。燃燒室24內的燃燒事件也在汽缸蓋62上產生力，它對發動機缸蓋62和汽缸體60之間的附連點(諸如缸蓋螺栓)進行加載。汽缸蓋和缸蓋螺栓上的力可被稱為燃燒力。

在排氣衝程期間，進氣門42保持關閉，排氣門44打開。活塞組件34從汽缸的底部移動到汽缸22的頂部，以通過減小燃燒室24的體積而將廢氣和燃燒產物從燃燒室24中排出。廢氣從燃燒室24和汽缸22流動至排氣歧管40和後處理系統(諸如催化轉化器)。

對於各個發動機衝程，進氣門42和排氣門44的位置和正時以及燃料噴射正時和點火正時可改變。

發動機20具有汽缸體60。汽缸蓋62連接到汽缸體60並與汽缸體協作以形成汽缸22和燃燒室24。汽缸蓋62封閉燃燒室24並支撐各個氣門42、44以及進氣系統38和排氣系統40。汽缸蓋密封墊或其他密封件可定位在汽缸體60和汽缸蓋62之間以密封燃燒室24。

汽缸蓋62具有平臺面66，當組裝發動機20時，所述平臺面與對應的缸體平臺面及密封墊協作。汽缸蓋62具有碟形汽缸頂部68或與汽缸體60的汽缸壁協作的其它端壁以形成燃燒室24。汽缸頂部68為凹入，並可具有各種形狀，包括豆形、角錐形、半球形、成角度的形狀等。頂部68限定用於進氣門42、排氣門44的氣門座。

還可在發動機20中利用缸體60和/或汽缸蓋62中的流體通道設置流體迴路70，以提供流過發動機的諸如冷卻劑或潤滑劑的流體流動而用於冷卻和/或潤滑。流體迴路還可包括儲液器、泵72、一個或更多個熱交換器(諸如散熱器或車廂加熱器)、通風和空調(HVAC)加熱器、閥以及其它裝置。

圖2示出了根據實施例的汽缸蓋100的分解示意圖。汽缸蓋100可以用作根據示例的發動機20的缸蓋62。如下所述，缸蓋100由多個組件或元件形成，所述組件或元件被形成在一起以提供缸蓋的結構。雖然缸蓋100被示出為被分解，但是實際上，該結構在形成後將無法以這種方式進行拆卸。至少一些組件或元件可以由複合材料製成，以提供「複合體」缸蓋。複合材料可包括高達50％的碳纖維增強的熱固性複合樹脂，樹脂為酯樹脂或聚酯樹脂。在其他示例中，其他纖維、顆粒或材料可以與樹脂結合使用。複合材料可以具有均勻的組合物，或可由非均勻組合物製成。汽缸蓋100被示出為用於直列四缸發動機，但是也可以考慮其它構造。

在進一步的示例中，如下所述，發動機汽缸蓋可以由鋁、鋁合金或其它金屬鑄造而成。在另一示例中，發動機汽缸蓋可由複合材料(包括纖維增強樹脂)以及其它合適的材料鑄造或模製而成。複合材料和相關聯的處理的其他非限制性示例包括：在真空輔助壓縮成型工藝中使用的具有碳纖維(長纖維填料)的聚酯/乙烯基酯混合熱固性樹脂(polyester/vinyl ester mixed thermal set resin)，在真空輔助壓縮成型工藝中使用的具有碳纖維(長短纖維填充混合物)的圧縮固性電荷熱固性乙烯基酯(compression set charge thermal set vinyl ester)，在注射成型工藝中使用的酚醛碳纖維填充增強的熱固性複合材料(phenolic carbon fiber filled reinforced thermal set composite material)，在吹塑成型工藝中使用的生物纖維填充的乙烯基酯熱固性複合材料(bio-fiber filled vinyl esters thermal set composite material)，以及在注射成型工藝中使用的玻璃填充的聚酯/尼龍複合材料(glass filled polyester/nylon composite material)。本公開不限於在此包括的複合材料和成形工藝，並且可以使用根據本公開的精神和範圍的其他材料和工藝。

缸蓋100形成為一體式最終工件，其需要最少的後處理(諸如機加工)，特別是對於流體通道或氣門導管而言。缸蓋100具有內部構件102和外部構件150。

內部構件102為缸蓋100提供結構性支撐。內部構件102可以由諸如鋁、鋁合金、鐵合金等的金屬製成。在一個示例中，構件102可以是單個一體式組件。

構件102具有板104，它提供汽缸蓋100的平臺面106的至少一部分。板104和平臺面形成一系列碟形汽缸頂部108，這在圖3和圖4中更清楚地示出。碟形汽缸頂部108為每個汽缸和燃燒室提供進氣口和排氣口。

內部構件102還具有從板104延伸遠離的一系列缸蓋螺栓柱110。缸蓋螺栓柱110限定缸蓋螺栓延伸穿過並與缸體協作以組裝發動機的螺紋孔、非螺紋孔等。在本示例中，缸蓋螺栓柱110大致為圓柱形，並且沿著板104的長度並在汽缸頂部108的兩側連接到板104。在其它示例中，缸蓋螺栓柱110可以具有其它形狀，並且可以被布置為成對對稱或不對稱。

內部構件102還具有通過支撐臂114連接到板104的進氣門導管112。進氣門導管112支撐進氣門的氣門主體並與其對齊。

內部構件102具有通過支撐臂118連接到板104的排氣門導管116。排氣門導管支撐排氣門的氣門主體並與其對齊，並對氣門主體進行熱保護使其免於受高溫廢氣損壞。

板120連接到板104並形成內部構件102的一部分。板120具有被構造為與發動機的排氣歧管安裝在一起的安裝面。因此，該板被定位在缸體的排氣側面，並且可形成排氣側面的至少一部分。板120形成一系列孔122，廢氣通過這些孔流動到歧管。板120可以相對於板104成一定角度進行連接，例如，板120可以大致垂直於板104。可沿第一底邊緣124將板120連接到板104。可使用橋接構件128沿相對的第二上邊緣126將板120連接到其它結構(諸如排氣門導管116)。在其它示例中，橋接構件128可將板120連接到缸蓋螺栓柱110，或者可將氣門導管116連接到缸蓋螺栓柱110。通過使用附加的橋接構件128結構將排氣門導管116和板120連接在一起，缸蓋100的強度可以增加，並且由於彎曲力和力矩、扭轉力和力矩造成的變形以及熱變形可減小。

板104可形成有的孔130，其延伸穿過104以允許流體經其流過。例如，孔130可以提供從缸體中相應的冷卻夾套到缸蓋100中的冷卻劑流動。孔130還可以提供返回到缸體和儲液器(reservoir)的潤滑通道或排油通道。

缸蓋100還具有外部構件150。外部構件150可由不同於內部結構件102的另一材料形成，在進一步的示例中，由如上所述的複合材料形成。例如，在成型工藝中，外部構件150形成為圍繞內部構件102的一體式工件。

外部構件150形成缸蓋100的頂面152或者上面或上壁、缸蓋的進氣側面154或進氣側壁以及缸蓋的第一端面156和第二端面156或端壁。外部構件150可連同內部構件102形成平臺面106的一部分。外部構件150還可連同內部構件102的板120形成排氣側面158或排氣側壁的一部分。頂面152大致與平臺面106相對，並且可能需要用於密封發動機的蓋或額外的構件。

外部構件150限定缸蓋100的進、排氣通道及進、排氣口。進、排氣通道和進、排氣口可具有由外部構件150的材料形成的壁，使得外部構件結構(例如複合材料)與進氣和/或廢氣直接接觸。在其它示例中，進、排氣通道和進、排氣口中的一者或兩者可具有用金屬作為內襯的壁，使得所述金屬內襯定位在外部構件結構(例如複合材料)與進氣和/或廢氣之間。所述金屬可以是鋁或鋁合金。

外部構件150限定各種流體夾套。外部構件150可以提供單個內部冷卻夾套，或可以提供上冷卻夾套和下冷卻夾套等。外部構件150限定用於流體夾套的流體通道，並且還可以為夾套提供至少一些入口和出口。外部構件150還可以包括用於潤滑系統的潤滑夾套或通道。

外部構件150限定的冷卻夾套由流體通道形成。這些流體通道具有定位在由通道本身提供的開放空間和外部構件150的複合結構之間的金屬壁或金屬內襯。所述金屬可以是鋁或鋁合金。

可在如下所述的製造工藝期間，通過一個或更多個嵌入件(包括失芯嵌入件)在外部構件150中形成缸蓋100的通道。嵌入件170被示出為形成缸蓋100的冷卻夾套中的流體通道的嵌入件。在與工具一起使用以形成缸蓋之前而形成嵌入件170。嵌入件170包括失芯區域172。失芯172可以是鹽芯、砂芯、玻璃芯、泡沫芯或其它合適材料的失芯。殼體174包圍或封裝失芯172，使得其覆蓋失芯172的外表面的至少一部分。殼體174可以由金屬(包括鋁或鋁合金)形成。芯172大體上可被設置為流體通道的一部分或基本上所有通道的期望形狀和大小。在示出的示例中，失芯172形成缸蓋100中的冷卻夾套的冷卻通道的形狀。在其他示例中，嵌入件170和失芯172設置為形成外部構件150的其他內部通道(包括進氣通道和/或排氣通道)的形狀和大小。在一個示例中，一個嵌入件170提供缸蓋100內的冷卻夾套。在其他示例中，多個嵌入件170協作以形成缸蓋中的通道，例如進氣通道和排氣通道。

嵌入件170可包括在鋁殼體174和板120之間提供直接接觸的多個接觸點、接觸表面和區域。這兩個金屬組件之間的直接接觸為由嵌入件形成的通道中的冷卻劑提供了熱傳遞路徑，並改善了發動機組件的冷卻。嵌入件170和板120之間的接觸點可以位於關鍵位置，例如位於由於自燃事件熱增量導致的高熱流量區域中，從而可以沿這些接觸點或接觸區域的管道(conduit)並在其中管理傳導熱。例如，鋁殼體174和板可以沿板120的上表面並在燃燒室壁的區域中彼此直接接觸。所述直接接觸提供了傳導路徑以將熱從缸蓋傳遞走。在一個示例中，如圖4所示，所提供的直接熱傳遞、傳導路徑通過燃燒室上壁到達殼體174併到達流體通道內的冷卻劑。鋁殼體174和板120之間的接觸點基於周圍的外部構件150(例如複合包覆(overmolded)結構)而在組件的整個壽命期間得以保持。

缸蓋100的外部構件150中的一些通道(例如氣體溫度較低以及腐蝕問題減少的進氣通道)可以使用工具上的模具結構形成，或使用失芯材料嵌入件或者使用由沒有金屬殼體的失芯材料製成的嵌入件形成。

當發動機運轉時，活塞在汽缸內的平移運動被轉換成曲軸的旋轉運動。當發動機運轉時，由於汽缸內的燃燒而施加在發動機上的力以及它們相應的反作用載荷或力，缸蓋螺栓和主曲軸軸承螺栓被加載。這些力可在發動機和發動機缸蓋上引起很大的應力和疲勞。內部構件102通過將缸蓋的缸蓋螺栓柱直接連接到缸體的螺栓柱而為缸蓋提供額外的結構強度，使得外部構件150的材料或複合材料不直接處於載荷路徑中。由於發動機設計朝輕量化發展，發動機缸蓋可以由替代材料(諸如鋁合金、複合材料等)製成。嵌入件102可以由不同於缸蓋的材料製成，例如鐵或鋁合金，以為缸蓋和發動機提供期望強度並在缸蓋內作為用於缸蓋螺栓的主承載結構，同時其大小可用於有限的封裝空間。

圖3示出了汽缸蓋100的局部剖視圖。結構性嵌入件102被示為具有提供平臺面106的板104。板104限定作為汽缸頂部108的碟形區域，該汽缸頂部108還限定進氣門座或孔202和排氣門座或孔204。

外部構件150形成流體連接到進氣門孔202並向進氣門孔202提供進氣(例如空氣)的進氣口206或通道。進氣口206被示出為不具有失芯材料，在一個示例中，失芯材料已被從缸蓋100移除。

外部構件150形成流體連接到排氣門孔204並從排氣門孔204接收廢氣的排氣口208或通道。排氣口208被示出為不具有失芯材料，在一個示例中，失芯材料已被從缸蓋100移除。排氣口208被示出為具有由外部結構的材料(例如複合材料)形成的壁。在另一示例中，如下文相對於冷卻夾套描述和示出的，排氣口208可有作為內襯的金屬壁。

冷卻夾套220通過外部構件150形成在缸蓋100內。冷卻夾套220通過將冷卻劑引導到缸蓋的各個區域的一系列互連的流體通道形成，用於缸蓋100的熱管理。冷卻夾套220由嵌入件170形成。失芯材料172被示出在外部構件150內，這是因為它尚未在後成型步驟中從缸蓋100移除。失芯材料172被薄壁式金屬殼體174包圍或封裝。薄壁式金屬殼體174的厚度可以在毫米量級。將失芯材料172從缸蓋100移除後，殼體174保留在外部構件150中，使得殼體174作為冷卻夾套220的通道的內襯。

殼體174被設置為夾套220中的流體與外部構件150的材料之間的屏障。由複合材料(例如碳纖維樹脂複合材料)製成的外部構件由於纖維而具有一定程度的孔隙率以及在模製過程中形成的任何空隙或缺陷。這樣，殼體174用作內襯以防止洩漏液或流體流到外部構件150中。

殼體174還用以增強缸蓋100和冷卻夾套220中的流體之間的熱傳遞。由複合材料(例如碳纖維樹脂複合材料)製成的外部構件具有比金屬殼體低得多的導熱率。這樣，在操作期間，殼體174充當熱管道並增強至流體的熱傳遞以更有力和更有效地冷卻缸蓋100。在進一步的示例中，殼體174可在與流體接觸的內壁或者與外部構件150接觸的外壁上設置有各種表面特徵(例如翅片、渦流或漩渦誘導特徵、各種表面粗糙度等)，以通過增加表面積和/或產生期望的流動模式來增強缸蓋熱傳遞。

圖4示出了沿不同的切割線截取的缸蓋100的另一剖視圖。用於進氣門的進氣導管112通過支撐臂114連接到板104和碟形汽缸頂部108，並形成結構性嵌入件102的一部分。用於排氣門的排氣導管116通過支撐臂118連接到板104和碟形汽缸頂部108，並形成結構性嵌入件102的一部分。

如圖4中可以看到，殼體174在230處與嵌入件102的至少一部分直接接觸，例如，在氣門導管112、116之間與汽缸頂部108接觸，以提供從燃燒室到夾套220中的冷卻劑的熱傳遞路徑。殼體174還在232處與板104的鄰近孔130的上表面直接接觸，以提供從平臺面到冷卻劑的增強的熱傳遞和傳導路徑。殼體174和嵌入件102也可基於定位和熱傳遞/冷卻要求而在缸蓋100的其它位置彼此直接接觸。

板120被示出為沿下邊緣或區域124連接到板104。板120還通過橋接構件128連接到排氣導管116。橋接構件128可以包括形成冷卻夾套220的一部分的通道，以在排氣口208的區域中冷卻缸蓋。在其它示例中，橋接構件128可以是不具有流體通道的實心結構。

缸蓋100被示出為從冷卻夾套220移除丟棄公模材料。在圖中可以看出，殼體174充當用於夾套220的流體通道的內襯或壁，並與外部構件150的材料接觸。諸如冷卻劑的流體可流入缸蓋冷卻夾套220或從缸蓋冷卻夾套220流出並經由板104中的孔130流到發動機缸體。流體夾套220還可具有設置在缸蓋100的其他面上的其他流體入口和/或出口。

圖5示出了用於形成發動機的缸蓋(諸如缸蓋100)的過程或方法250。方法250的各個實施例可以包括更多或更少的步驟，並且可按示出的順序之外的其他順序來執行所述步驟。

在步驟252處，在與工具一起使用而形成缸蓋100之前形成失芯嵌入件170。為了形成嵌入件，按期望形狀和大小形成失芯172，例如，對失芯材料進行鑄造或模製工藝。

然後在步驟254處，在芯172周圍設置殼體174。在一個示例中，在保持芯172的完整性的同時，使用壓鑄或鑄造工藝來形成殼體174。可按照嵌入件170的形狀設置模具、模子或工具。將芯172定位在模具內，然後在芯172周圍鑄造或以其它方式形成殼體174。可以由低壓鑄造工藝通過將熔融金屬或其它材料注入模具中而形成殼體174。熔融金屬可在2-10磅每平方英寸(psi)之間、2-5psi之間的低壓下或其他相似的低壓範圍內的低壓下採用重力進料的方式進行注入。用於形成殼體174的材料可以是鋁或鋁合金，如果外部構件150由金屬材料形成，則用於形成殼體174的材料可以是與用於壓鑄缸蓋的材料相同的金屬或金屬合金。通過在低壓下提供熔融金屬，失芯172被保持在殼體174內。殼體174冷卻後，將嵌入件170從工具中排出。

在步驟256處，形成結構性嵌入件102。在一個示例中，使用金屬或金屬合金通過將熔融金屬注入工具中而鑄造或以其他方式形成結構性嵌入件102。所述工具具有各種表面以成形和限定嵌入件102的特徵。在本示例中，使用高壓壓鑄工藝形成結構性嵌入件。熔融金屬可以是鋁、鋁合金或其它合適的材料。熔融金屬在高壓(即20000psi)下被注入以形成發動機組件。熔融金屬可以在大於或小於20000psi(例如在15000-30000psi的範圍內)的壓力下被注入，並且壓力可基於所使用的金屬或金屬合金、模腔的形狀和其他考慮因素。在另一示例中，在鑄造或鍛造工藝中由鐵、鐵合金等形成結構性嵌入件102。

在其它示例中，嵌入件102由具有比缸蓋外部構件150的材料更高強度的其它合適的材料形成。嵌入件102可以使用近淨成形鑄造工藝而鑄造，並且可以使用高壓或低壓工藝來鑄造。嵌入件形成有如上所述的表面特徵和摩擦學特徵，並且在進一步的示例中，可通過機加工工藝等來提供附加的表面特徵。在其它示例中，嵌入件102可以使用其它合適的製造技術形成，所述技術包括但不限於鑄造、粉末冶金技術、鍛造、機加工、壓鑄和熱處理等。嵌入件102可在被放置於工具中之前被塗覆，以改善與缸蓋100的外部構件150的材料的結合。

在一個示例中，步驟254和256是分開完成的，失芯嵌入件170和結構性嵌入件102作為單獨的獨立組件設置到用於形成缸蓋的工具中。在另一示例中，將失芯嵌入件170作為嵌入件或組件設置在用於形成結構性嵌入件102的工具內，將得到的包括失芯嵌入件170和結構性嵌入件102二者的特徵的組合嵌入件設置到用於形成缸蓋的工具中。例如，當橋接構件128包括冷卻夾套的通道時，這可能是合適的。

在步驟258處，將失芯嵌入件和結構性嵌入件定位在用於形成缸蓋的工具內，或者可替代地，將組合嵌入件定位在用於形成缸蓋的工具內。在任一情況下，嵌入件170具有與結構性嵌入件102的表面協作並配合的接觸點、接觸表面和接觸區域，所述接觸點、接觸表面和接觸區域提供嵌入件之間的彼此相對的定位以及組件使用期間結構性嵌入件102和嵌入件170的殼體174之間的熱傳遞路徑的直接接觸。嵌入件可具有與工具的模具協作的各種定位特徵以將嵌入件定位在工具內並使嵌入件與工具對齊。其它附加的嵌入件(例如，用於形成進氣通道或排氣通道、潤滑通道等的失芯嵌入件)也可設置並布置在工具內。這些嵌入件可以由失芯材料單獨形成，或者可以具有由在此所述的金屬殼體封裝的失芯材料。

在步驟260處，通過將材料注入到用於形成缸蓋的工具中而形成缸蓋100。所述工具可以包括多個模具或滑塊，包括相協作以形成模腔的定模(cover die)和動模(ejector die)，其中模腔的表面被成形為形成缸蓋100的各個特徵。

在一個示例中，複合混合物注入工具中以圍繞嵌入件102、170形成外部構件150並形成缸蓋100。可以使用諸如注射成型等成型技術在嵌入件102、170周圍形成外部構件150。根據用於缸蓋100的製造技術提供工具，並且該工具可以包括各種模具、模子、滑塊等。所述工具還可以包括各種嵌入件或芯以提供缸蓋的其他特徵。複合材料在嵌入件170的殼體174周圍流動，並與嵌入件170的殼體174一起形成界面和/或接合處。在成型工藝期間，缸蓋可經由熱固工藝或用於固化複合材料的高壓釜等而自固化。成型工藝可以是注射模或壓縮模的工藝，注射模或壓縮模二者都在生產時進行熱固。然後缸蓋100作為未完成的組件或預型體從工具移除。

在另一示例中，熔融金屬被注入工具中以圍繞嵌入件102、170形成外部構件150並形成缸蓋100。在本示例中，所述工藝可以是對形成外部構件150的材料的鋁或鋁合金進行的高壓壓鑄工藝。結構性嵌入件102可由鐵合金形成，或者可以是鋁或其它鋁合金。熔融金屬在嵌入件102、170周圍流動，並且在嵌入件周圍形成鑄造表層。失芯嵌入件170的殼體174可以部分地熔融以與注入的金屬融合，並與外部構件150集成為一體。鑄造表層和殼體形成缸蓋中的流體夾套220的壁。在沒有殼體174的情況下，注入的熔融金屬會瓦解失芯172。熔融金屬冷卻以形成外部構件150與缸蓋100。然後缸蓋100作為未完成的組件或預型體從工具移除。

通過提供殼體174，失芯172保持完整，用於後續處理以形成流體夾套220中的通道。殼體174允許較小尺寸的通道，並允許使用在高壓成形工藝中不可用(這是由於失芯材料在所述高壓成形工藝中無法保持其形狀)的表面特徵。例如，失芯嵌入件170可提供冷卻夾套220內毫米級的通道或特徵，通道的大小小於10mm、5mm或2mm，表面特徵的清晰度(resolution)為1毫米的量級。傳統的失芯材料鑄造或砂型鑄造無法在高壓成型工藝下實現具有這些尺寸的表面特徵或通道，這是因為這種大小的失芯材料可能被破壞。

在步驟262處，對未完成的缸蓋組件進行後處理。如圖3所示，嵌入件170的失芯材料172保持在缸蓋100中，並且需要被移除。在一個示例中，失芯172從缸蓋移除以形成夾套220中的通道。可以使用加壓流體(諸如高壓水射流)移除失芯172。在其它示例中，可以使用本領域已知的其他技術移除失芯172。基於在壓鑄後處理或成型後處理中移除芯的能力，在本公開中失芯172被稱為「失芯」。由於殼體174的包圍和保護，本公開中的失芯在壓鑄或成型工藝期間保持完好。

也可實施其他後處理機加工或製造步驟。例如，可銑削或機加工平臺面106。在一些實施例中，在成型或鑄造後，可通過額外的精加工或機加工來設置附加的通道或埠。另外，可對缸蓋100進行機加工或者鑽孔和攻絲。例如，可能需要對缸蓋螺栓柱110鑽孔和/或攻絲。

在已對缸蓋100後處理後，可通過將汽缸蓋連接到缸體而組裝發動機20，並可將發動機20放置到車輛中。

本公開的各個實施例具有關聯的非限制性的優點。例如，對於至少部分地由複合材料形成的缸體，由於複合材料因其低導熱性而作為絕緣體，所以熱梯度熱點需要特殊的熱管理。與高熱源(例如複合體汽缸蓋)嵌套接觸的自足式空心鋁芯提供了對缸蓋進行熱管理的流體夾套。冷卻劑用於將熱從發動機汽缸蓋帶到熱交換器(例如散熱器)。流體流動通道包含在被模製或鑄造到周圍殼體(諸如複合體包覆成型汽缸體)中的空心鋁芯中。所述流體流動通道的外表面的表層與保持它的複合材料和/或鋁合金壓鑄件直接接觸。通道提供了熱流量管道，所述熱流量管道將多餘的熱這些從要求尺寸穩定性的區域移走，且其外表面或殼體由鋁或鋁合金材料製成，這可以有效地消散和傳導熱。在鹽芯上具有鋁殼體的冷卻夾套嵌入件在製造過程期間提供保護鹽芯免於破裂或以其他方式溶解的結構。所得到的缸蓋中的冷卻劑迴路或冷卻夾套具有薄壁和較小橫截面的通道。由於改進的流動迴路構造(其由於傳統的砂芯或高壓鑄造或模製工具的限制而無法利用這樣的砂芯或工具獲得)，冷卻夾套嵌入件允許精準的位置控制以及對流體通道的物理形狀的控制，以優化熱傳遞。流體通道的薄橫截面允許冷卻劑被放置為鄰近高熱流量區域(例如缸蓋中的氣門座)。結構性嵌入件用於汽缸蓋而向汽缸蓋提供額外的強度(例如，當與複合材料一起使用時)，並得到具有減小的重量和增加的燃料效率的發動機。

雖然以上描述了示例性實施例，但並不意味著這些實施例描述了本發明的所有可能的形式。更確切地，說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限制性詞語，並且可以理解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種改變。此外，各個實施的實施例的特徵可以組合以形成本發明的進一步的實施例。