用於外熱式發動機的進氣閥裝置和方法與流程
2023-05-25 10:26:16
本發明涉及用於外熱式發動機(外熱機，external-heat engine)的進氣閥裝置和方法。更具體而言，本發明涉及一種用於外熱式發動機的進氣閥裝置，其包括至少一個工作室，每個工作室具有協同操作的活塞，且經由至少一個受控的提升閥(提動閥，poppet valve)為該工作室供給工作流體，該提升閥被設置為沿與該流體的流動方向相反的方向開啟。本發明還包括一種用於外熱式發動機的進氣閥裝置的方法。
背景技術：
這裡，「外熱式發動機」是指這樣一種發動機，其中例如通過在外熱式發動機的外部加熱工作流體，使工作流體在進入工作室(如發動機缸中)之前已達到其工作壓力，並且其中工作流體被注入外熱式發動機中並在其內膨脹。
在熱力發動機(熱機)中，將通過凸輪軸操作的提升閥用於進氣閥和排氣閥是公知的。提升閥具有較高程度的可靠性，具有長的使用壽命和良好的密封，還具有良好的液壓性能，例如在流經期間具有較低的壓降。相對長的工作壽命和良好的密封(除卻其它因素之外)或許可歸因於這一事實：由於閥彈簧的結構，在操作期間提升閥將圍繞它的中軸線旋轉。這種旋轉還有助於使提升閥內的溫度變化平緩。
有些提升閥緊靠一個以上的閥座(seat)，即所謂的雙座閥。這類閥的優點在於：即便當提升閥兩側的壓力差很大時，開啟閥所需的力卻很小。缺點是這些閥非常昂貴。用於現代發動機的絕大多數提升閥的設計只緊靠一個閥座。然而，提升閥存在如下缺點：如果開啟方向與通過提升閥的流動方向一致，而且提升閥兩側具有較大的壓力差，則該提升閥表現出不可靠的關閉功能。在這種情況下，不得不利用特別大的彈簧力來獲得滿意的關閉效果。這些力進而難免會大到足以抵抗汽鍋(鍋爐，boiler)和汽缸室之間的壓力差，這在大多數情況下將是非常不利的。
針對這一缺點的顯而易見的解決方案是讓提升閥沿與流動方向相反的方向開啟，因為提升閥兩側的差壓將因此幫助提升閥保持關閉。許多此類解決方案均是公知的，但是它們在機械構造方面相對複雜，且相應地其功能性及使用壽命均不可靠，或者它們導致外熱式發動機的工作室內存在有相當大的死區容積(無效容積，dead volume)。造成這種情況的原因可能是閥杆和其它相關元件(如閥導管)會佔用大量與工作室關聯的空間，進而導致死區容積增大，因為傳統上這些元件需要額外的空間。另外，由於閥兩側具有較大的壓力差，所以採用這種閥方案，開啟力會大幅提高。
本發明的目的是改善或消除現有技術的至少一個缺點，或者至少提供針對現有技術的一個有益的替代方案。
技術實現要素：
根據本發明，通過在下文的描述及隨附的權利要求中詳細說明的特徵來實現上述目的。
根據本發明的第一方面，為外熱式發動機提供一種進氣閥裝置，其包括至少一個工作室，每個工作室具有協同操作的活塞，且通過至少一個受控的提升閥為該工作室供給工作流體，該提升閥被設置為沿與流體的流動方向相反的方向開啟。該進氣閥裝置的特徵在於，提升閥的中軸線被布置為在±45度的偏差範圍內垂直於活塞的中軸線。
根據本發明的一實施例允許將提升閥的閥座靠近活塞設置，由此能夠將所形成的死區容積保持在可接受的大小。「死區容積」是指在正常操作中的移位期間不能被活塞填充的工作室容積。
如果該提升閥(此處為進氣閥)在汽缸蓋內被定向為使其閥杆斜對角地「向下」臥置，這將需要汽缸蓋/頂部的部件在缸體上部以下延伸，從結構方面來說這是不實際的。
如果提升閥被定向為使其閥杆斜對角地「向上」，則死區容積將稍微增大，特別是在閥和閥座的「頂側」，此處難以實施合適的移位設計(在活塞中尤其如此)。其結果，死區容積將難免更大，這是不期望的。
需要提供具有這種「水平」角度的僅一個提升閥。
如上文所述，根據提升閥的閥杆設置中的實際條件，可能的閥導管(valve guide)和外熱式發動機的汽缸蓋中的閥座的定位以及死區容積的大小都將表明，從垂直位置超過±45度的偏差是不合適的。
由於所提到的這些條件，已證明了相對於活塞的中軸線保持偏差在±20度範圍內是合適的，而最有利的是將提升閥的中軸線布置為在±10度的偏差範圍內垂直於活塞的中軸線。
可經由一個以上的提升閥為每個工作室供給加壓流體。根據壓力條件，所需的流通面積(flow area)和實際設計來確定向工作室供給流體的提升閥數量。
上述提升閥中的至少兩個可具有不同尺寸。例如，可將較小的提升閥布置為稍微先於較大的提升閥開啟，從而在較大的提升閥被開啟時降低其兩側壓力差。其目的是減小閥所需的開啟力進而延長使用壽命。
活塞可形成有活塞頭，當活塞處於其最接近汽缸蓋的位置時，該活塞頭至少部分地伸入介於提升閥與活塞之間的進氣通道，從而減小死區容積。
在進氣通道內可以設置一些構造來進一步減小死區容積。該構造通常可包括相對於活塞布置在閥杆和/或閥導管之上的材料，如圖中所示。
提升閥的閥導管可被設計為使進氣通道的容積減小。
這些特徵均通過減小死區容積而有助於提高效率。
這些閥中的一個或多個可由閥致動器來控制，該閥致動器具有至少一個可變的開放輪廓或者可變的開放間隔(variable opening interval)，通常稱為「可變閥正時(variable valve timing)」，或者在最簡單的情況下，此開放間隔可相對於活塞位置(即，相對於曲軸位置)而被移位。
第一提升閥可具有可變的開放點(variable opening point)和/或可變的開放間隔，而第二提升閥可具有固定的開放點和/或固定的開放間隔。
本發明規定閥座應被設置為相對於活塞的徑向方向較靠近活塞。
根據本發明的第二方面，提供了一種用於外熱式發動機的進氣閥裝置的方法，該外熱式發動機包括至少一個工作室，每個工作室具有協同操作的活塞，且通過至少一個受控的提升閥為工作室供給工作流體，該提升閥被設置為沿與流體的流動方向相反的方向開啟。該方法的特徵在於包括將提升閥的中軸線相對於活塞的中軸線在±45度偏差範圍內垂直地布置。
與上文所述的一致，該偏差可選擇為介於±20度內、還可選擇為介於±10度內。
此外，該方法可包括在外熱式發動機運轉期間，使第二進氣閥先於第一進氣閥開啟。
本發明允許在外熱式發動機中使用傳統的提升閥裝置，並且在必要時可將提升閥的開啟方向布置成與通過提升閥的流動方向相反。傳統的提升閥裝置的良好的功能穩定性和耐磨性也有助於使外熱式發動機具有同樣的期望性質。另外，進氣通道、閥導管和活塞頭的細節的設計有助於提高外熱式發動機的效率。
附圖說明
在下文中描述了一優選實施例及方法的示例，在附圖中直觀顯示了這一示例，其中：
圖1示出活塞及帶有根據本發明的進氣閥裝置的汽缸蓋的一部分的剖視圖；
圖2以剖視圖示出另一個實施例中的汽缸蓋的部件和活塞。
圖3示出沿圖2的II-II線的剖視圖；以及
圖4示出沿圖1的IV-IV線的剖視圖。
具體實施方式
在圖中，附圖標記1表示位於汽缸蓋2內的進氣閥裝置。活塞4被示出，但是構成外熱式發動機5的一部分的那些必要的發動機部件的其餘部件沒有被示出。這些部件是本領域技術人員已知的。
進氣閥裝置1包括具有閥頭(valve head，氣門頭)8和閥杆10的提升閥6(其設計本身公知)、閥座12、閥導管14和閥彈簧16，閥彈簧16藉助軸環18連接到閥杆。提升閥6具有中軸線20。
搖臂22被可樞轉地支撐在支撐活塞24中，並設置為當搖臂內的滾子26抵靠於凸輪軸28時開啟提升閥6。部件22至28構成閥致動器29。
支撐活塞24是液壓操作的，該支撐活塞被設置為當提升閥6抵靠在閥座12上時，在閥杆10與搖臂22之間保持一期望間隙。
進氣通道30在活塞4上方延伸穿過汽缸蓋2並與汽缸(未示出)接合。閥座12位於進氣通道30內並與提升閥6一起限定工作室33的死區容積32。
當活塞4處於其最接近汽缸蓋2的位置時，死區容積32由位於關閉的提升閥6與活塞4之間的工作室33的容積構成。死區容積32造成壓縮/膨脹比降低，因此較大的死區容積32降低了效率。活塞4具有中軸線34。
如圖1所示，如角度36所表示的，提升閥6的中軸線20實際上垂直於活塞的中軸線34。如在本文的概述部分所論述的，角度36是基於實際情況並著重於減小死區容積32而選擇的。
也可以藉助其它方法來尋求減小死區容積32，例如：使閥導管14儘可能最遠的伸入到死區容積32；為閥導管14的處於死區容積32內的部分設定一適當的形狀；在死區容積32內，在不會阻礙工作流體流動達到任何值得一提的位置處設置材料37，以及設置具有活塞頭38的活塞4，此活塞頭被設計為當活塞4在其最接近汽缸蓋2的位置時(同樣見圖4)減小死區容積32。
在一替代實施例中(見圖2)，汽缸蓋2與第二提升閥40一起形成，該第二提升閥的頭部直徑比第一提升閥6小。第二提升閥40抵靠第二閥座42(其直徑相應地較小)，並且以與第一提升閥6相同的方式被搖臂22控制。
圖3中的剖面II-II圖示出了在汽缸蓋2中的第二提升閥40的布置。
由於處於其關閉位置的提升閥6兩側的壓力差可能相當大，所以必須施加到閥杆10以開啟第一提升閥6的力也較大。這種較大的力可能會縮減搖臂22和相鄰部件的使用壽命。
因此，使第二提升閥40略微先於第一提升閥6開啟，以在第一提升閥6被開啟之前平衡其兩側的流體壓力也許是合適的，這樣就減小了所需要的開啟力。
在圖1中示出了作為工作室33的排氣閥44形式的提升閥。排氣閥44相對於活塞4的定位可以為傳統方式，或者通過其它一些實用方式來實現。
應注意的是，所有上述實施例闡示了本發明，但並不對其構成限制，而本領域技術人員應能夠在不背離從屬權利要求的範圍的情況下做出多個變型實施例。
在權利要求中，括號內的附圖標記不應被視為具有限制性。
動詞「包括」及其多個不同形式並不排除存在未在權利要求中提及的元件或步驟的情況。元件前面的不定冠詞「一」並不排除存在多個這種元件的情況。