用於內燃機的閥座嵌件的製作方法

2023-09-15 23:40:50 4

本發明大體上涉及一種內燃機的閥，並且更具體地涉及一種用於內燃機的閥的閥座嵌件。

背景技術：

進氣閥和排氣閥的正確功能性對於運行內燃機而言是至關重要的。然而，具體地，閥軸和閥座經受諸如高溫和強烈廢氣成分的不利條件。儘管存在這些不利條件，長的壽命時間是所需要的。在中速內燃機中，通常使用閥座嵌件，其按壓配合或收縮配合至汽缸蓋的相應閥開口中。

具體對於排氣閥，閥座嵌件配置成連同汽缸蓋的開口的側壁形成圓周冷卻通道。冷卻通道連接至發動機冷卻迴路並且對閥座嵌件提供冷卻以及在閥的關閉狀態中經由閥軸的底部部分與閥座的接觸間接地對該閥軸的底部部分提供冷卻。

本發明至少部分涉及改進或克服現有技術的一個或多個方面。

技術實現要素：

一方面，一種用於內燃機的汽缸蓋的閥座嵌件包括環狀主體，其限定通路用於使地流體沿著軸向方向從該閥座嵌件的入口側至出口側通過該主體。該主體包括入口側部分，其具有第一接觸表面部分、鄰接表面部分以及閥密封表面部分。該主體進一步包括具有第二接觸表面部分的出口側部分，以及拱形部分，該拱形部分從該入口側部分軸向地延伸至該出口側部分且材料厚度從該入口側部分朝該出口側部分降低直至位於該拱形部分中靠近該出口側部分的一半中的最小厚度軸向位置。

另一方面，一種用於內燃機的汽缸蓋的閥座嵌件包括環狀主體，其限定通路用於使得流體沿著軸向方向從入口側至出口側通過該主體，其中該主體包括入口側部分，其具有用於在安裝狀態中形成與汽缸蓋的第一密封接觸的第一接觸表面部分、用於在安裝於該汽缸蓋處時限定該位置的鄰接表面部分以及適用於閥軸的閥密封表面部分；出口側部分，其具有用於在安裝狀態中形成與汽缸蓋的第二密封接觸的第二接觸表面部分，以及在徑向方向上從該通路界定冷卻通道的拱形部分，其中在閥座嵌件的安裝狀態中，該冷卻通道形成在該閥座嵌件與該汽缸蓋之間，且其中該拱形部分的材料厚度在軸向方向上從入口側沿著該拱形部分的至少60％降低。

另一方面，一種用於具有多個汽缸的燃燒發動機的改裝方法包括將如上所述的閥座嵌件附接至內燃機的汽缸蓋的排氣開口的步驟，該多個汽缸中的每一個與至少一個排氣閥相關聯。

通過以下描述和附圖，本發明的其它特徵和方面將顯而易見。

附圖說明

圖1是燃燒發動機的示意橫截面圖；

圖2是穿過諸如圖1中所示的燃燒發動機的進氣閥和排氣閥的示意橫截面圖；

圖3是閥座嵌件的第一實施例的示意橫截面的圖示。

圖4是安裝至汽缸蓋的閥座嵌件的第二實施例的示意橫截面圖；以及

圖5是閥座嵌件的第三實施例的示意部分三維視圖。

具體實施方式

下文是本發明的示例性實施例的詳細說明。本文所述且附圖中所說明的示例性實施例旨在教導本發明的原理，使得本領域一般技術人員在許多不同環境中且對於許多不同應用實施並且使用本發明。因此，示例性實施例不旨在並且不應當視為專利保護範圍的限制描述。實情是，專利保護範圍應當由所附權利要求書限定。

本發明可以部分基於以下發現：閥座嵌件中的裂縫的形成開始於冷卻通道，且具體地開始於冷卻通道的閥座側。已認識到，閥座嵌件經受至少兩種類型的應力：由按壓配合、基本公差和/或所需同軸設計引起的靜態應力/負載，以及由燃燒、具體由燃燒壓力引起的交變應力/負載。本文提出由閥座嵌件的具體幾何設計在空間上分離這些應力/負載區域。具體地，可以實現該幾何設計同時除冷卻通道的形狀外維持現有表面形狀。所提出的設計可以減少上文提及的裂縫的數量、它們的形成的延遲或甚至完全避免它們的形成。

本發明可以進一步部分基於以下發現：調整給定內表面形狀的冷卻通道的曲率半徑可以允許將由安裝引起的靜態應力區域朝閥座嵌件的出口側移動，即，移動至與閥座側相對的側。具體地，在與入口側部分(經受與閥軸的相互作用)相距一定距離處在閥座嵌件的拱形部分中提供閥座嵌件的最小厚度的材料可以形成是靜態應力中心的鉸鏈狀部分。這可以造成改進閥座嵌件的應力條件。例如，將最小厚度移動至出口側部分可以將靜態應力和交變應力的空間分離最大化。

下文參考圖1和2描述具有閥座嵌件的內燃機的示例性實施例。圖3至5說明閥座嵌件的示例性實施例。

參考圖1，內燃機100包括發動機缸體101，其至少部分限定多個汽缸102、可滑動地設置在每個汽缸102內的活塞110以及與每個汽缸102相關聯的汽缸蓋104。發動機100進一步包括與多個汽缸102相關聯的多個進氣閥106和排氣閥108。發動機100的實例包括天然氣、火花點火、V式渦輪增壓和後冷發動機，其可以具有例如8個、12個或16個汽缸，每個汽缸具有例如2個進氣閥和2個排氣閥。本領域技術人員將認識到，發動機100可以是諸如(例如)雙燃料動力發動機的任何其它類型的內燃機。另外，發動機100可以包括更多或更少數量的汽缸102，且汽缸102可以設置為「直列式」配置或任何其它合適配置。

在發動機100的操作期間，進氣閥106和排氣閥108可以打開和關閉以分別允許氣體和空氣的混合物進入每個汽缸，並且允許排氣流流出每個汽缸。出於該目的，進氣閥106和排氣閥108包括可阻止相應流通過閥的閥軸142。

圖2示出例如燃燒發動機100的進氣閥106和排氣閥108的放大(非平坦)橫截面圖。

進氣閥106和排氣閥108可以具有類似配置使得下文僅詳細地描述排氣閥108的配置。然而，應當明白的是，相同描述也可以適用於進氣閥106。

排氣閥108包括閥導向器140、閥軸142和閥座嵌件10。閥導向器140可以具有帶有下端141、上端143和通孔145的細長圓柱形形狀。閥導向器140可以已知方式固定至汽缸蓋104。

閥軸142包括具有心軸密封件的底部部分144。閥軸142設置在閥導向器140的通孔145中使得其可在通孔145內側上下滑動。閥軸142經由偏差彈簧147偏壓至其中心軸密封件接觸閥座嵌件10的關閉位置中。閥軸142可經由連接至(例如)發動機100的凸輪軸114(參見圖1)的致動機構112向下移動至打開位置。在替代性配置中，可以使用共軌系統來致動閥。

汽缸蓋104包括冷卻通道系統148，具體地，該冷卻通道系統向形成在汽缸蓋104與閥座嵌件10的外側之間的冷卻通道12供應冷卻劑。一般來說，冷卻通道12設置有位於例如相對端處的冷卻劑供應和釋放連接件。圖2的剖視圖並未明確地示出冷卻通道系統148與冷卻通道12之間的連接件，因為該連接件並未在橫截面的平面中。

如圖2中可見，通常僅排氣閥108包括冷卻的閥座嵌件10。具體地，當排氣閥108在關閉位置中時，閥座嵌件10的冷卻允許冷卻底部部分144。相比之下，用於進氣閥106的閥座嵌件可能不需要經由冷卻通道系統來冷卻，因為進氣可以提供閥軸的充分冷卻。因此，圖2中所示的閥座嵌件150未形成冷卻通道。

閥座嵌件10安裝在汽缸蓋104的排氣開口104A(也參見圖4)中，該排氣開口從燃燒區面延伸至汽缸蓋104中以釋放汽缸102中的廢氣。閥座嵌件10的安裝深度例如沿著40mm至80mm的範圍內的長度延伸。在該長度期間，排氣開口104A的相應側壁適用於例如通過按壓配合和/或收縮配合容納閥座嵌件10。

在某些實施例中，閥座嵌件10可以低溫收縮配合在排氣開口104A中。具體地，閥座嵌件10可以低溫收縮配合在排氣開口104A的相應安裝部分中。出於該目的，閥座嵌件10的圓周可以具有外徑，其中開口直徑的標稱尺寸基本上相同但是公差不同，由此促進(例如)閥座嵌件10收縮配合和促進該閥座嵌件進入其相應的排氣開口104A中。

在圖3中，以徑向橫截面示出閥座嵌件10A。為了說明，虛線104』指示安裝狀態中的汽缸蓋104。閥座嵌件10A包括限定通路22(也參見圖5)的環狀主體20。在內燃機的操作期間，廢氣可流過通路22，由此沿著軸向方向Z通過主體20。對於汽缸對稱配置(軸向對稱主體20)，軸向方向Z可以對應於對稱軸(參見圖4中的對稱軸Sz)的方向。在圖3中，示意地指示軸向方向Z以及徑向方向R(正交於軸向方向Z延伸)。通常，廢氣將從閥座嵌件10A的入口側24行進至出口側26。在圖3中以及圖4和5中，入口側24位於附圖底部處，而出口側26位於附圖頂部處。

閥座嵌件10A可以與三個部分相關聯。入口側部分32位於入口側24處並且包括第一接觸表面部分42以及閥密封表面部分46。在某些實施例中，入口側部分32中另外提供鄰接表面部分44。

出口側部分34位於出口側26處並且包括第二接觸表面部分48。

拱形部分36從入口側部分32延伸至出口側部分34並且基本上形成界定形成在安裝狀態中的冷卻通道(參見圖2中的冷卻通道12)的主要部分的壁。拱形部分36的材料厚度從入口側部分32朝出口側部分34下降直至最小厚度軸向位置P(或小區域)。最小厚度軸向位置P位於拱形部分36中靠近出口側部分34的一半中。在圖3中，最小厚度dmin示例性地指示在拱形部分36的出口側26處的冷卻通道側上的較大曲率半徑與較小曲率半徑之間的過渡區處。

最小厚度軸向位置P在安裝狀態中限定靜態彈簧類應力的中心區域。例如，最小厚度軸向位置P位於拱形部分36的軸向延伸部的至少60％、70％、80％或90％處(如圖3中所指示，沿著軸向方向Z從入口側部分32測量)。

在圖3中，在徑向方向上，左側與環狀主體20的內側(通路22)相關聯，而右側與環狀主體20的外側相關聯。因此，主體20包括內表面52和外表面54。在圖3的實施例中，在出口側26處，內表面52和外表面54是經由例如徑向延伸表面部分44A連接。

內表面52在主體20的徑向內側上圓周地延伸並且尤其包括閥密封表面部分46。閥密封表面部分46例如相對於軸向方向Z傾斜為從40°至80°的範圍中的角度(諸如，例如60°)。

外表面54在主體20的徑向外側上圓周地延伸並且包括第一接觸表面部分42、鄰接表面部分44和第二接觸表面部分48。

在拱形部分36處，外表面54凹入彎曲，而內表面52凸出彎曲。

例如，在拱形部分36處，外表面54凹入彎曲成具有一系列彎曲部分54A、54B、54C，由此這些彎曲部分的曲率半徑增大直至最小厚度軸向位置P。在某些實施例中，相鄰彎曲部分54A、54B、54C如圖3中所示般基本上切向地過渡至彼此之中。例如，彎曲部分54A可以具有1mm至3mm(諸如2mm)的曲率半徑，彎曲部分54B可以具有5mm至10mm(諸如8mm)的曲率半徑，且彎曲部分54C可以具有50mm至100mm(諸如70mm)的曲率半徑。

類似地，內表面52可以包括具有造成如圖3中所示般的凸出形狀的曲率半徑的一個或多個部分，例如具有在從20mm至50mm的範圍中(諸如40mm)和從80mm至120mm的範圍中(諸如100mm)的兩個部分。

出口側26上開始於最小厚度軸向位置P處指示具有大於彎曲部分54C的曲率半徑的進一步彎曲部分54D。彎曲部分54D可以具有1mm至10mm(諸如5mm)的曲率半徑。在圖3的實施例中，平坦部分54E以例如矩形角度將彎曲部分54D與第二接觸表面部分48連接。

換言之，在拱形部分36處，外表面54形成具有槽狀延伸部62的凹部60。槽狀延伸部62朝閥密封表面部分46延伸並且形成底部64。槽狀延伸部62的底部64如圖3中如虛線66A指示般在軸向方向Z上限定拱形部分36的開端。如由虛線66B指示，拱形部分36的端部基本上與平坦部分54E重合。

返回至槽狀延伸部62，內槽表面部分64A與拱形部分36相關聯，而外槽表面部分64B與入口側部分32相關聯。

如圖3中示例性地所示，在某些實施例中，拱形部分36的彎曲部分54A延伸為彎曲部分54A』以形成入口側部分32的表面部分。彎曲部分54A』過渡至平坦表面部分64C中，該平坦表面部分例如如圖3中示例性地所示般在軸向方向Z上延伸。

如圖3中所示，平坦表面部分64C基本上與出口側部分34的第二接觸表面部分48對準。因此，由凹部60形成的冷卻通道12將具有不對稱形狀；具體地，冷卻通道12在入口側24處將比在出口側26處更窄。

圖3中所示的配置使拱形部分36的材料厚度不斷降低使得閥座嵌件10A的安裝期間的任何變型可以圍繞最小厚度軸向位置P產生應力/負載。因此，由安裝引起的應力和/或由安裝引起的負載將存在於拱形部分36中靠近出口側部分34的一半處。

相比之下，在閥的操作期間(例如)由閥座嵌件10A與閥軸142的相互作用引起的任何應力/負載可以居中在入口側部分32內。因此，這兩種類型的應力在空間上分離，且因此槽狀延伸部62的底部64與現有技術配置相比可經受減少的應力。

類似地，圖3的配置在靠近底部64處提供更多材料且這會增大該區域中的抗應力性。

凹部66處沿著軸向方向Z的不同曲率半徑的所公開序列因此可以提供上文所討論的優點，並且例如可以提高耐用性以及磨損和撕裂的傾向性。

與圖3中所示的實施例相比，圖4的閥座嵌件10B經稍微修改以形成槽狀延伸部62』。雖然諸如內表面52和大部分外表面54的配置(例如，彎曲部分54A、54B、54C中的半徑增大)維持與圖3中所示的配置相同，但是底部64和彎曲部分54』以某種方式修改使得槽狀延伸部62』在安裝狀態中沿著徑向方向R進一步延伸。換言之，平坦表面部分64C轉變為更大半徑R64C，由此增大槽狀延伸部62』的體積。這可以例如通過對彎曲部分54A和54B使用不同曲率半徑和/或不同地定位它們的原點來實現。

因此，除材料厚度降低和在入口側部分32處提供附加材料外，冷卻通道12的冷卻體積在入口側處可增大。由此，可以進一步改進閥座嵌件10B的冷卻性能。

如圖3和4中所示，閥座嵌件10A和10B可以包括例如徑向延伸表面部分44A與第二接觸表面部分48之間以及鄰接表面部分44與第一接觸表面部分42之間的斜面。

在下文中，將描述閥座嵌件與汽缸蓋104的相互作用。具體以附圖標號參照圖4以避免圖3過載。然而，本領域技術人員將理解的是，同樣這也適用於閥座嵌件10A以及圖5中所示的閥座嵌件10C。

圖4中以階狀形式示意地指示汽缸蓋104的排氣開口104A。具體地，排氣開口104A在插入方向上(此處沿著軸向方向Z)逐步變窄。具體地，排氣開口104A包括第一圓周側壁104B、第一徑向延伸面104C、第二圓周側壁104D以及第二徑向延伸面104E。例如，圓周側壁104B、104D在軸向方向上延伸，而第一徑向延伸面104C和第二徑向延伸面104E在徑向方向上延伸。

第一接觸表面部分42在安裝狀態中連同第一圓周側壁104B在入口側24處形成冷卻通道12的第一密封件。第二接觸表面部分48連同第二圓周側壁104D在出口側26處形成冷卻通道12的第二密封件。另外，鄰接表面部分44可以接觸第一徑向延伸面104C以限制閥座嵌件10B的軸向方向上的插入。然而，在某些實施例中，徑向延伸表面部分44A可以通過接觸第二徑向延伸面104E用作鄰接面。在後一情況中，可以給定冷卻通道12至形成在鄰接表面部分44與第一徑向延伸面104C之間的間隙中的一定延伸。

如針對上述各種配置所公開，拱形部分36配置成用於在徑向方向上從通路22界定冷卻通道12。在閥座嵌件的安裝狀態中，冷卻通道12形成在閥座嵌件與汽缸蓋之間。

在某些實施例中，第一接觸表面部分42和第二接觸表面部分48在軸向方向上延伸和/或鄰接表面部分44和徑向延伸表面部分44A在徑向方向上延伸。

如圖3和4中可進一步所見，當在徑向橫截面中觀察時，主體20可以為C狀。接著，入口側部分32和出口側部分34可以視為C狀的相應端部。拱形部分36可以視為形成C狀的中間部分。如附圖中可見且適應排氣開口104A的階狀配置，如圖4中所示，與入口側部分32相關聯的端部延伸至大於與出口側部分34相關聯的半徑REX的半徑REN。

另外，在某些實施例中，內表面52可以朝主體20的中心突出以如例如圖4中所說明般限定軸向中心區域中的最小開口半徑Rmin。

參考圖5，示例性閥座嵌件10C的部分三維視圖示為進一步說明幾何形狀，具體說明與環狀主體20相關聯的通路22、入口側24和出口側26。另外，圖5指示可以適用於閥座嵌件的汽缸對稱配置。然而，在某些實施例中，還可以使用橢圓形配置。

工業實用性

如上所述的閥座嵌件通常按壓配合或收縮配合至汽缸蓋的相應開口中。因此，當閥座嵌件壓入至開口中時，機械拉伸將提供所需密封。例如，當將閥座嵌件收縮配合至開口中時，首先將例如利用液態氮冷卻閥座嵌件(當將冷卻的閥座嵌件插入至開口中時)。這可能是歸因於冷卻狀態中的尺寸減小。在該階段中，鄰接表面部分44可以例如限制插入深度。接著，閥座嵌件可以升溫至周圍溫度使得閥座嵌件收縮配合至開口中。相同程序可以適用於改裝根據本文所公開的實施例的閥座嵌件，其可以用作故障閥座嵌件的替代。

在某些實施例中，閥座嵌件的材料可以是耐熱離心澆件。在某些實施例中，例如對於M43C系列的發動機，閥座嵌件的軸向尺寸是在從50mm至70mm的範圍中；因此，拱形部分的軸向延伸部是在從20mm至30mm的範圍中使得最小厚度位置是在從10mm至28mm的範圍中，即，至少超過延伸部的一半。另外，內半徑是在從50mm至65mm的範圍中，入口半徑是在從75mm至80mm的範圍中，出口半徑是在從70mm至75mm的範圍中。拱形部分在徑向方向上的厚度例如在上述實施例中從10mm減小至7mm。

除上述安裝外，在任何類型的閥座嵌件的磨損或損壞的情況中，該閥座嵌件可以易於由根據本發明的閥座嵌件替代(例如，使用本文所公開的閥座嵌件執行改裝)。

如本文所使用，術語「內燃機」可以指諸如(例如)燃氣發動機的內燃機，其可以用作諸如發電廠的固定電力提供系統的主或輔助發動機，該發電廠用於對管道輸送、處理或燃氣存儲和排出供電以及發電。用於內燃機的燃料可以包括天然氣、天然氣和另一種燃料(例如，柴油燃料等)的組合。

用於閥座嵌件的本文所公開的實施方案的內燃機的實例可以包括(例如)由Caterpillar Motoren GmbH&Co.KG，Kiel，Germany製造、在450rpm至750rpm的範圍中(即，以中速)操作的M43C系列發動機。這樣的內燃機可以為大型獨立發動機，其可以提供對燃燒發動機的進氣閥和排氣閥的進出以在維修期間附接本發明的閥座嵌件。

雖然本文已經描述了本發明的優選實施例，但是在不脫離以下權利要求書的範圍的情況下可以併入多種改進和修改。