帶有冷卻路徑的套筒閥組件的制作方法
【專利摘要】一種套筒閥組件。這種套筒閥組件包括閥座、套筒閥和油路界定件。套筒閥包括帶有腔的末端。該末端當(dāng)套筒閥位于關(guān)閉位置時(shí)與閥座接觸。油路界定件包括入口、出口和多個(gè)冷卻通道。套筒閥的凸緣可滑動(dòng)地與油路界定件接觸，使得流入入口并通過冷卻通道的冷卻流體在從出口流出之前先進(jìn)入腔內(nèi)。
【專利說明】帶有冷卻路徑的套筒閥組件
[0001]優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)要求于2009年2月24日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/155，010，題為套筒閥組件的美國臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時(shí)申請(qǐng)的整體通過引用并入本申請(qǐng)。
[0003]背景
[0004]內(nèi)燃機(jī)包括安裝在氣缸內(nèi)的活塞與氣缸壁之間，并在那里旋轉(zhuǎn)和/或滑動(dòng)。套筒閥獨(dú)立于活塞運(yùn)動(dòng)，使得該閥內(nèi)的開口在燃燒的適當(dāng)階段與氣缸內(nèi)的入口和出口對(duì)齊。這種套筒閥的一個(gè)例子在于轉(zhuǎn)讓給克利維斯引擎公司的編號(hào)7，559，298，題為“內(nèi)燃機(jī)”的美國專利中，該美國專利的整體通過引用并入本申請(qǐng)。
[0005]圖9示出了常見的環(huán)狀套筒閥組件20的一部分的橫截面圖。該套筒閥組件20包括套筒閥22、油路界定件24環(huán)境和閥座36。該套筒閥22具有末端18，該末端18具有端面14、內(nèi)表面21和外表面23。油路界定件16包括進(jìn)油口 28、冷卻通道30、以及出油口 32。圖9示出了處于關(guān)閉位置的套筒閥22，此時(shí)端面14與閥座36接觸。
[0006]套筒閥22在閥密封物上方于打開位置與關(guān)閉位置之間切換。在密封物26的一側(cè)為歧管氣，在一側(cè)進(jìn)氣或在另一側(cè)排氣(通過口 34)，密封物26的另一側(cè)是油路界定件16中的冷卻/潤(rùn)滑油路27。氣缸(未示出)中的燃燒氣體將套筒閥22的內(nèi)表面21加熱，并且，間接地，將套筒閥22的外表面23上的油密封物加熱。在這個(gè)實(shí)施例中，在冷卻通道30中運(yùn)動(dòng)的冷卻劑與套筒閥22的外表面23之間的距離至少為tl。距離tl 一般為離套筒閥22的外表面23幾個(gè)毫米。
[0007]常見套筒閥通常是用鋼制成的。在套筒閥22為鋼的例子中，很難在引擎工作時(shí)對(duì)套筒閥22的端面14進(jìn)行有效的冷卻。
[0008]套筒閥設(shè)計(jì)需要更有效的冷卻系統(tǒng)。
[0009]總結(jié)
[0010]此項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)方面是提供具有改進(jìn)的冷卻特性的套筒閥組件。提供一種允許冷卻流體在靠近套筒閥的尖端處循環(huán)的套筒閥組件是一種最大化該組件的冷卻效率的方式。在一個(gè)實(shí)施例中，該套筒閥組件包括套筒閥，該套筒閥帶有位于該閥末端的凹腔。在另一實(shí)施例中，該套筒閥組件包括具有套筒閥，該套筒閥具有與在該套筒閥的外表面形成的冷卻槽結(jié)合的高熱傳導(dǎo)特性。在另一實(shí)施例中，套筒閥組件包括部分地被熱傳導(dǎo)介質(zhì)填充的中空套筒閥。
[0011]帶有位于尖端的凹腔的套筒閥允許在油路界定件中循環(huán)的冷卻流體在靠近該套筒閥的最熱部分的距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)行中，在氣缸內(nèi)產(chǎn)生的熱量加熱套筒閥的內(nèi)表面。氣缸內(nèi)最高的溫度在于套筒閥的末端，使得該末端成為該閥的最熱部分。套筒閥尖端的腔允許冷卻流體噴灑閥尖端的內(nèi)表面。于是，冷卻流體僅被閥自身的厚度與閥的最熱表面隔開。
[0012]填充有熱傳導(dǎo)介質(zhì)的中空套筒閥提供了高性能引擎可能會(huì)需要的額外冷卻。在一個(gè)實(shí)施例中，套筒閥中的腔部分地被鈉填充。當(dāng)鈉接收到(從氣缸)經(jīng)套筒閥內(nèi)壁傳導(dǎo)的熱量，鈉會(huì)溶解并開始在腔內(nèi)攪動(dòng)。液態(tài)鈉從套筒閥的內(nèi)壁吸收熱量。油路界定件使冷卻流體沿套筒閥的內(nèi)壁循環(huán)。沿套筒閥外壁流動(dòng)的冷卻流體從套筒閥的外壁吸收熱量。其還將熱量傳導(dǎo)至油路界定件。
[0013]具有高熱傳導(dǎo)特性的套筒閥提供了更高的熱通量來從套筒閥的熱端吸收熱量。在一個(gè)實(shí)施例中，套筒閥可以包括鋁制套筒閥。鋁具有高導(dǎo)熱性因此能夠比，例如，鋼，散熱更快。為了降低鋁制套筒閥的重量并增加用于冷卻的表面積，在套筒閥的外表面形成軸向槽。油路界定件將冷卻流體通過這些槽循環(huán)。
[0014]此項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例是延長(zhǎng)套筒閥的壽命。在一個(gè)實(shí)施例中，加固的插入物置于套筒閥上方。作為替代方式，涂層置于套筒閥的尖端上方。該插入物或涂層優(yōu)選地具有比套筒閥材料本身更高的硬度。該插入物和/或涂層可以防止或減緩套筒閥的耗損。插入物可以包括沖擊吸收特性來將接收自閥座的沖力分?jǐn)偟礁蟮谋砻娣e上。
[0015]提供上述總結(jié)來以簡(jiǎn)要方式介紹概念的選擇，其將在下面的詳細(xì)說明中進(jìn)一步說明。上述總結(jié)并非為確定所要求的主體的關(guān)鍵特性或必要特性，或?yàn)樽鳛榇_定所要求的主體的范圍時(shí)的幫助。
[0016]附圖的簡(jiǎn)要說明
[0017]圖1為套筒閥組件的剖面等距視圖，其中套筒閥示為處于關(guān)閉位置。
[0018]圖2為圖1中所示的套筒閥組件的剖面等距視圖，其中套筒閥示為處于關(guān)閉位置。
[0019]圖3為油路界定件的剖面等距視圖。
[0020]圖4為套筒閥組件的另一實(shí)施例的側(cè)截面圖。
[0021]圖5為圖1中所示的套筒閥組件的側(cè)截面圖，提供了套筒閥的末端的額外細(xì)節(jié)。
[0022]圖6為圖5中的套筒閥組件的側(cè)截面圖，但其中的套筒閥示為處于打開位置。
[0023]圖7為套筒閥組件的另一實(shí)施例的側(cè)截面圖，將套筒閥示為處于關(guān)閉位置。
[0024]圖8為套筒閥組件的另一實(shí)施例的側(cè)截面圖，套筒閥示為處于打開位置。
[0025]圖9為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的套筒閥組件的側(cè)截面圖，將套筒閥示為處于關(guān)閉位置。
[0026]圖10為圖7中所示的套筒閥的側(cè)截面圖，其具有位于該套筒閥末端的插入物的另一實(shí)施例。
[0027]圖11為圖7中所示的套筒閥的側(cè)截面圖，其具有位于該套筒閥末端的插入物的另一實(shí)施例。
[0028]圖12為圖7中所示的套筒閥的側(cè)截面圖，其具有覆蓋該套筒閥末端的涂層。
[0029]圖13為圖7中所示的套筒閥的側(cè)截面圖，其具有位于該套筒閥末端的插入物的另一實(shí)施例。
[0030]圖14為圖7中所示的套筒閥的側(cè)截面圖，其具有位于該套筒末端的插入物的又一實(shí)施例。
[0031]詳細(xì)說明
[0032]將參照?qǐng)D1-8和10-14來介紹此項(xiàng)技術(shù)。圖1示出了套筒閥組件100。套筒閥組件100包括套筒閥102、中央連接件104和油路界定件106。在圖1中，套筒閥102示為處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)套筒閥102的端面110與閥座116接觸。
[0033]套筒閥102包括套筒部分103、端面110和凸緣112。套筒部分103包括內(nèi)表面103A和外表面103B。套筒部分103的形狀為圓柱形，具有外徑0D1、內(nèi)徑IDl和軸向中線C-C0套筒部分103的厚度或?qū)挾萾2因此是外徑ODl和內(nèi)徑IDl的距離的一半。
[0034]在圖1的實(shí)施例中，套筒部分103包括末端108(也稱為“頂端”或“尖端”)，其過渡到端面110和凸緣112。如將更詳細(xì)介紹的，端面110與閥座116在套筒閥102處于關(guān)閉位置時(shí)形成密封。凸緣112從端面110向后延伸出距離dl，并包括內(nèi)表面115和外表面117。在套筒部分103與凸緣112之間的套筒閥尖端內(nèi)形成腔114。具體地，腔114由套筒部分103的外表面103B、套筒閥尖端的內(nèi)壁119(見圖4和圖5)與凸緣112的內(nèi)表面115之間的區(qū)域界定。圖1示出了套筒部分103的厚度略小于套筒尖端和凸緣112的厚度。套筒部分103、套筒尖端與凸緣112具有統(tǒng)一的寬度，或者凸緣112可以壁套筒部分103更薄，都在此項(xiàng)技術(shù)的范圍之內(nèi)。
[0035]中央連接件104為環(huán)形，具有外部105和內(nèi)部107。中央連接件104包括火花塞套筒(未示出)，火花塞可以通過該火花塞套筒插入。中央連接件104進(jìn)一步界定了閥座116。入口或出口 10(圖4所示)界定在一側(cè)上的中央連接件104與另一側(cè)上的氣缸體(未示出)之間。
[0036]油路界定件106提供了套筒閥組件100的兩個(gè)主要功能:它界定了用于通過該組件循環(huán)冷卻流體(例如，油)的冷卻流體路徑，它作為套筒部分103和凸緣112的導(dǎo)引。油路界定件106中的冷卻流體路徑由入口 120、圓周槽126、軸向槽128、采集器170和出口122。入口 120允許冷卻流體進(jìn)入油路界定件106并向套筒部分103的外表面103B運(yùn)動(dòng)。冷卻流體離開口 122并進(jìn)入采集器170。圓周槽126允許冷卻流體沿套筒部分103的外表面103B分布在套筒部分103的周圍。在第一導(dǎo)向環(huán)138中提供軸向槽128。槽128提供從圓周槽126到腔114的路徑。第一導(dǎo)向環(huán)183通常提供表面，套筒部分103的外表面103B沿該表面滑動(dòng)，該表面防止套筒閥102進(jìn)行徑向移動(dòng)(與箭頭A-A正交的運(yùn)動(dòng))。第一導(dǎo)向環(huán)183的額外的細(xì)節(jié)將在下文中參照?qǐng)D3提供。
[0037]油路界定件106還包括第二導(dǎo)向環(huán)185。該第二導(dǎo)向環(huán)185包括兩個(gè)表面145與147之間的密封槽133。第二導(dǎo)向環(huán)185可以為凸緣112提供導(dǎo)引表面。在第二導(dǎo)向環(huán)為凸緣112提供導(dǎo)引表面的本例中，由表面145或147來為該凸緣112提供導(dǎo)引表面均在此項(xiàng)技術(shù)的范圍之內(nèi)。作為替代方式，表面145和147可以都為凸緣112提供導(dǎo)引表面。密封槽133內(nèi)的密封物防止冷卻流體漏入口 10。第二導(dǎo)向環(huán)185的額外的細(xì)節(jié)將參照?qǐng)D3在下文中進(jìn)行介紹。
[0038]如箭頭A-A所示，套筒閥102可以相對(duì)于油路界定件106可滑動(dòng)地移動(dòng)到右邊和左邊。套筒閥102 (從圖1透視圖)運(yùn)動(dòng)到右邊打開了口 10。套筒閥102運(yùn)動(dòng)到左邊關(guān)閉口 10，套筒閥102的端面110與端座116形成密封。
[0039]假定圖1表示套筒閥在點(diǎn)燃中關(guān)閉，套筒閥102的內(nèi)部容積已被增壓氣體和燃料充滿，所述燃料一般為氣化的石油。燃料被點(diǎn)燃，并導(dǎo)致燃燒，以及套筒閥102的內(nèi)部容積中的壓強(qiáng)增大。在這種情況下，套筒部分103承受著周期例最高的壓強(qiáng)和溫度。具體地，套筒尖端或末端108承受著最高的溫度。點(diǎn)燃后，氣缸的內(nèi)部容積因燃燒的增大的壓強(qiáng)而擴(kuò)張(活塞向右移動(dòng)，未示出)。所述擴(kuò)張導(dǎo)致套筒閥102的內(nèi)部容積中的壓強(qiáng)與溫度下降。于是，套筒部分103的內(nèi)表面103A所承受的溫度梯度在末端108處最高，內(nèi)表面103A的溫度向套筒部分103下降低(遠(yuǎn)離末端108)。因此，將冷卻流體在套筒閥102的最熱部分(例如，末端108)上循環(huán)提供了有效的冷卻。
[0040]在運(yùn)行中，冷卻流體從槽128有效地從槽128噴射進(jìn)腔114。于是，在冷卻流體從腔114排入采集器170中(最終離開口 122)之前，冷卻流體接觸或覆蓋套筒部分103的外表面103B、閥102的尖端的內(nèi)表面119(圖4和圖5)、以及凸緣112的內(nèi)表面115。腔114中的冷卻流體因此僅被套筒部分103的厚度t2與套筒部分103的內(nèi)表面103A分離。僅為舉例，套筒部分103的厚度t2可以包括l_3mm的距離。相似地，腔114中的冷卻流體僅被套筒尖端的厚度與閥102的端面110分離。在套筒閥尖端中提供的腔114極大地縮短了冷卻流體與套筒閥102的最熱部分之間的舉例；相比于常見的套筒閥設(shè)計(jì)，極大地提高了組件100的熱傳導(dǎo)率。
[0041]圖1示出了凸緣從端面110向后延伸出舉例dl。凸緣112的長(zhǎng)度dl可以變化。如將更具體地介紹的，凸緣112提供了幾項(xiàng)功能。凸緣112的外表面117與油路界定件106的第二導(dǎo)向環(huán)185的第二接觸面147可滑動(dòng)地接觸。凸緣112的外表面117優(yōu)選地與第一接觸面145之間并非可滑動(dòng)接觸，因?yàn)橥咕?12的外表面117與第一接觸面145之間沒有潤(rùn)滑。為防止冷卻流體沿凸緣112的外表面117從采集器170漏出并進(jìn)入口 10，密封物130 (示于圖5)容納有位于第一與第二接觸面145、147之間的通道133。
[0042]圖2示出了位于打開位置的套筒閥102。如圖2所示，套筒閥102從閥座116向后移出了距離d4。當(dāng)套筒閥102向后移動(dòng)，密封物130保持與凸緣112的外表面117的接觸。當(dāng)套筒閥102向后移動(dòng)，套筒閥102的末端108向著密封物130移動(dòng)。如上所述，末端108是引擎運(yùn)行過程中的熱的部分。于是，當(dāng)套筒閥102打開，密封物130移動(dòng)越過套筒102的熱的部分。僅為舉例，在閥102位于圖2所示的打開位置時(shí)，密封物130在端面110的l-3mm之內(nèi)(與當(dāng)閥102位于圖1所示的關(guān)閉位置時(shí)的離開1.5cm相反)。這些距離僅為示例性的。
[0043]凸緣112的長(zhǎng)度dl應(yīng)當(dāng)足夠長(zhǎng)，使凸緣112總是與密封物130接觸。在第一導(dǎo)向環(huán)183提供導(dǎo)引表面的例子中(例如，引導(dǎo)離開套筒部分103的外表面103b)，表面145和147很可能將不接觸凸緣112的外表面117。取而代之地，表面145接近凸緣112的外表面117，來盡量減少或防止廢氣排出，表面147接近凸緣117的外表面，來支撐并定位第二導(dǎo)向環(huán)185的密封物130。凸緣112不應(yīng)長(zhǎng)到當(dāng)閥102位于打開位置(圖2)時(shí)，凸緣112的邊緣119(圖4和圖5)接觸到采集器170的后壁。圖2還示出了存在于凸緣112的內(nèi)表面115與采集器170的底面173之間的空隙，其允許冷卻流體在套筒閥102運(yùn)行的所有階段中流動(dòng)，并防止對(duì)組件的機(jī)械損傷。本文將參照?qǐng)D4-8提供冷卻流體路徑的其它細(xì)節(jié)。
[0044]圖2示出了包括第一表面111和第二表面113的端面110。如將在下文中更詳細(xì)介紹的，端面110的形狀或配置優(yōu)選地對(duì)應(yīng)閥座116的形狀。
[0045]圖3提供了油路界定件106的其它細(xì)節(jié)。圖3示出了油路界定件106包括主體180、第一導(dǎo)向環(huán)183和第二導(dǎo)向環(huán)185。主體180包括入口 120，其允許冷卻流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)入圓周槽126。主體180還界定了采集器170和出口 122。第一導(dǎo)向環(huán)183包括多個(gè)冷卻槽128，其中每個(gè)具有入口 128A和出口 128B。進(jìn)入圓周槽126的冷卻流體離開并進(jìn)入冷卻槽128。形成在槽128之間的抬高的表面141提供了在閥102在打開位置與關(guān)閉位置間運(yùn)動(dòng)時(shí)的套筒部分103的外表面103B的引導(dǎo)表面。抬高的表面141還作為流量限制器來保證冷卻流體圍繞圓周槽126分布，且隨后以足夠的速度通過冷卻槽128從而撞擊在端壁110的內(nèi)表面119上。冷卻槽128為冷卻流體提供了從圓周槽126，沿套筒閥部分103的外表面103B，進(jìn)入套筒閥102的末端108內(nèi)的腔114的路徑。第一導(dǎo)向環(huán)183具有基本等于套筒部分103的外徑ODl的內(nèi)徑。
[0046]圖3示出了導(dǎo)向環(huán)183中的冷卻槽128的一種配置。冷卻槽128不限于圖3所示的配置。導(dǎo)向環(huán)183可以包括比圖3所示更多(或更少)的冷卻槽128，且冷卻槽128可以包括不同的形狀(例如，正方形橫截面，等)。冷卻槽128還可以具有比圖3所示更大或更小的直徑。槽128的長(zhǎng)度也可以變化。圖3所示的槽128相對(duì)于套筒閥102的中線C-C軸向?qū)R。槽128還可以定向?yàn)橄鄬?duì)于套筒閥102的中線C-C成角度。
[0047]第二導(dǎo)向環(huán)185為凸緣112提供導(dǎo)引。導(dǎo)向環(huán)185的內(nèi)徑優(yōu)選地基本相似于凸緣112的外徑。如上所述，導(dǎo)向環(huán)185還與凸緣112的外表面117 (通過密封物130)來保持密封，防止冷卻流體漏入口 10。
[0048]圖4-8示出了套筒閥和油路界定件的各種配置。圖4示出了圖1-2所示的套筒閥組件100的變形，其中套筒閥102處于關(guān)閉位置。在圖4的配置中，凸緣112的外表面117在運(yùn)行中不直接與油路界定件106的表面146接觸。另外，密封物130隨凸緣112運(yùn)動(dòng)來保持與套筒閥102的端面110之間的固定距離。
[0049]圖4示出了從凸緣112的外表面117向上延伸的兩個(gè)突出物132。每個(gè)突出物132的末端接近油路界定件106的表面146。在一個(gè)實(shí)施例中，突出物132的末端與表面146之間有間隙并支撐容納在突出物132之間的密封物。
[0050]圖4的配置的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于密封物130保持與套筒閥102的端面110之間的固定距離。當(dāng)套筒閥102打開(移動(dòng)到右邊)，密封物130隨凸緣112移動(dòng)到右邊。于是，密封物130并不滑動(dòng)越過凸緣112(向端面110)的最熱部分。將密封物130暴露于高溫可能縮短密封物130的壽命。因此，保持密封物130與套筒閥102的端面110之間的固定距離可以延長(zhǎng)密封物130的壽命。每個(gè)突出物132具有高度hi。突出物的高度hi降低了腔114的可用高度h2 ;有效地縮小了腔114的容積。
[0051]圖4示出了當(dāng)流體進(jìn)入入口 120并離開出口 122 (從圖4透視圖)時(shí)冷卻流體在套筒閥組件100中從右向左流動(dòng)(以帶有箭頭的虛線示出)。作為替代方式，流體流可以調(diào)轉(zhuǎn)方向(例如，調(diào)轉(zhuǎn)入口 120和出口 122)。圖4還示出了套筒部分103的厚度大于閥的尖端或凸緣112的厚度。如上所述，套筒部分103很可能需要更大的厚度來提供足夠的剛度特性。當(dāng)冷卻流體在腔114中攪動(dòng)時(shí)，冷卻流體冷卻套筒部分103的外表面103B、凸緣112的內(nèi)表面以及套筒尖端的內(nèi)表面119。
[0052]圖5提供了圖1-2中所示的套筒閥102、連接件104和油路界定件106的其它細(xì)節(jié)。圖5示出了處于關(guān)閉位置的套筒閥102，其中套筒閥102的端面110與閥座116接觸。圖5示出了套筒尖端的內(nèi)壁119與套筒部分103的外表面103B形成角度Θ。角度Θ可以包括30-90度之間的任意角度，且在一個(gè)實(shí)施例中包括45度。圖5還示出了腔114的高度h3。腔的高度增加使得凸緣112的外表面117與油路界定件106的表面145、147形成密封。圖5中所示的高度h3大于圖4中所示的高度h2，因?yàn)榇嬖谟谕咕?12與油路界定件106之間的空隙hi被消除。增大腔114的容積增大了可以通過腔114循環(huán)的冷卻流體的量。套筒閥尖端中的增大的冷卻流體循環(huán)提供了圖5所示的組件的更好的冷卻特性(例如，從暴露于氣缸內(nèi)的高溫的套筒部分103上移走更多的熱量)，并允許更少的限制性排放。
[0053]容納在通道133中的密封物130是固定的，不隨凸緣112移動(dòng)。當(dāng)套筒閥102移動(dòng)到打開位置(見圖6)，凸緣112的外表面117運(yùn)動(dòng)越過密封物130。將凸緣112的末端108帶到更靠近密封物130使密封物130承受更高的溫度，因?yàn)槿缟纤觯咕?12在末端108處最熱。
[0054]圖6示出了當(dāng)套筒閥102位于打開位置時(shí)，在凸緣112的內(nèi)表面115與采集器170的底面173之間維持空隙gl?？障秅l允許冷卻流體從腔114離開，進(jìn)入采集器170，并通過口 122離開。在一個(gè)實(shí)施例中，空隙gl包括l_3mm之間的距離。空隙gl可以變化，且還包括其它距離。
[0055]圖7示出了套筒閥組件的另一實(shí)施例。示于圖7中的套筒閥200包括套筒閥202、連接件104和油路界定件206。連接件104基本上相似于圖4-6中的配置，其中連接件104包括閥座116。
[0056]套筒閥202包括頂部或末端208和第二端209，并具有內(nèi)表面203A和外表面203B。套筒閥202的末端208形成端面210，該端面210與閥座116形成密封，如圖7所示。端面210包括第一段210a和第二段210b。第一段210a可以位于第二段210b的徑向內(nèi)部(也即，更靠近中軸C，圖1)。第一段210a可以提供為相對(duì)于中軸成傾斜角，并可以與具有相似地形成的傾斜角的座116的一部分相配合。部分210a與座116各自的角度可以近似相同。作為替代方式，第一部分210a的角度可以比座116的相應(yīng)部分的角度更傾斜，以使得，當(dāng)?shù)谝徊糠?10a與座116的該部分相配合時(shí)，部分210a的徑向最內(nèi)部的尖端與座116首先接觸。
[0057]提供位于座的徑向內(nèi)部的密封物限制了末端210暴露于燃燒氣壓的面積。端面210上的氣壓趨于將閥從座上抬離。具體地，如果使密封物在端面210與座116之間進(jìn)一步地徑向向外，其增大了氣體用來趨于將閥拉離座116的力。于是，在座116與端面210的徑向最內(nèi)部部分之間提供密封物，減小了使末端208偏離座116的力。可以使用彈簧來偏移套筒閥并保持末端208倚靠于座116。在端面210的徑向內(nèi)徑處提供密封物減小了彈簧將套筒閥保持倚靠于座116所需的力。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，可以將密封物置于沿端面210與座116之間的界面的任何位置。末端208具有厚度或?qū)挾萾3且閥202的第二端具有比末端108的厚度t3薄的厚度或?qū)挾萾4。如圖7所示，末端208在套筒尖端中沒有腔。
[0058]油路界定件206包括一個(gè)或多個(gè)入口 220和圓周槽248。圓周槽248允許冷卻流體沿套筒部分203的外表面203B分布在套筒部分203周圍。油界定件206進(jìn)一步包括密封槽233。密封物230容納在槽233中，且位于第一表面245與第二表面247之間。密封物230防止冷卻流體從套筒閥202的外表面203B與所述第二表面245之間漏進(jìn)口 10。
[0059]套筒閥202的外表面203B經(jīng)機(jī)器制造來產(chǎn)生圍繞閥202的圓周的軸向槽228。每個(gè)槽具有第一段228A和第二段228B。用第一導(dǎo)向環(huán)183為例(在圖3中示出)，套筒閥202的外表面203B顯得相似于第一導(dǎo)向環(huán)183 ;套筒閥202的外表面203B具有多個(gè)槽228和槽228之間的抬高的表面相似物。閥202的外表面203B可滑動(dòng)地與油路界定件206的表面247、249接觸。
[0060]與套筒閥的帶有腔114的圖4-6的實(shí)施例相比，圖7中所示的套筒閥202沒有任何用于將冷卻流體分布靠近套筒閥202的末端208的裝置。具有實(shí)心尖端的閥還可能產(chǎn)生具有更大重量的閥。圖7所示的套筒閥202很可能包括比圖4-6中的套筒閥更輕的材料，來抵消末端208的更大的重量(以及保持基本相似的重量)。在一個(gè)實(shí)施例中，套筒閥202為鋁制。套筒閥202 (如圖7所示)的重量與套筒閥102 (具有圖4的配置)的重量基本相同，盡管閥202的末端的重量很可能大于套筒閥102的尖端。
[0061]鋁的材料剛性是鋼的三分之一。于是，套筒閥的末端的厚度t3需要基本比鋼套筒閥的厚度大三倍。但是，由于鋁的重量大致為鋼的三分之一，所得到的套筒閥與鋼套筒閥重量相同。相比于鋼，使用鋁有幾點(diǎn)好處。鋁的導(dǎo)熱性比鋼好大概兩倍。因此，具有厚度t3的末端的鋁套筒閥移除的熱量是厚度為t2的鋼套筒閥的六倍。另外，套筒部分212可以被切削掉來形成鰭，以增大離開末端208的表面積。因?yàn)闅飧變?nèi)的壓強(qiáng)在活塞移動(dòng)遠(yuǎn)離末端208時(shí)會(huì)減小，減小套筒部分212的厚度是可能的。這些鰭幫助將更多的熱量傳導(dǎo)給冷卻流體。
[0062]為了減輕套筒閥202的重量，圖7示出了外表面203B的一部分被去除以形成冷卻槽228 ;將閥202的部分的厚度減小為t4。冷卻槽228的長(zhǎng)度可以變化。圖7示出了，當(dāng)套筒閥202處于關(guān)閉位置時(shí)，冷卻槽228不延伸進(jìn)密封物230。換言之，套筒閥202的外表面203B，在末端208，在工作時(shí)總是與密封物230保持接觸。
[0063]冷卻流體流入油路界定件206中的入口 220并進(jìn)入冷卻槽228的第一端228A。冷卻流體在冷卻槽228中向著冷卻槽的第二端228B流動(dòng)，該第二端228B為冷卻流體提供出口。向套筒閥202的外表面203B中形成冷卻通道228把冷卻流體帶到離套筒閥202的內(nèi)表面203A盡可能地近，而該內(nèi)表面203A承受著來自氣缸內(nèi)的最高的熱度。將距離t4減小到最小的可接受距離，減小了來自氣缸內(nèi)的熱量在暴露于冷卻流體之間所必須流動(dòng)的距離。對(duì)于閥202的末端208也是如此，其承受著氣缸內(nèi)的最高溫度。
[0064]套筒閥202的末端208所承受的來自氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)高于套筒閥202的主體部分209。具有更厚的末端208的套筒閥202提供了末端208所需的更高的剛度特性。在鋁套筒閥202 (而非鋼)的例子中，因?yàn)閯偠仍?，套筒閥202的厚度t4可能必須大于常見套筒閥的套筒部分103的厚度t2。例如，可以要求鋁制套筒閥的厚度t4比圖1所示的套筒部分103的厚度t2大近三倍。套筒閥202的厚度t4可以變化。套筒閥202可以包括其它高導(dǎo)熱性材質(zhì)例如,但不限于,銅鈹、金屬基體復(fù)合材料、各種鋁合金,及其類似物。
[0065]鋁制套筒閥的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于鋁的導(dǎo)熱性顯著高于鋼。盡管暴露于氣缸內(nèi)的熱量的表面積(內(nèi)表面203A的面積)等于圖1所示的閥102的表面積,結(jié)合閥202的更大的橫截面積，更多的熱量被帶出套筒閥202。鋁的一個(gè)不足在于這種材料在高溫下的低硬度。鋁的這種材料特性可能會(huì)導(dǎo)致閥座116對(duì)端面110的過度磨損，縮短套筒閥202的壽命。
[0066]插入物或涂層可以置于套筒閥202 (或套筒閥102)的末端210上來防止端面210的過度磨損。下面參照?qǐng)D10-14提供插入物與涂層的其它細(xì)節(jié)。
[0067]圖8示出了一種套筒閥組件300。該套筒閥組件300包括套筒閥302、連接件304和油路界定件306。圖8中所示的套筒閥302是中空的。閥302有由外壁308、內(nèi)壁310、第一端壁312和第二端壁314界定的腔336。第一端壁312包括具有第一表面311和第二表面313的外表面316。連接件304界定了閥座116。
[0068]油路界定件306包括入口 320、冷卻槽328和出口 322。油路界定件306進(jìn)一步包括位于第一與第二表面345、347之間的圓周槽333(示為具有容納在槽333中的密封物130)。用導(dǎo)向環(huán)183在圖3中的例子，油路界定件306帶有槽328的部分可以顯得與導(dǎo)向環(huán)183相似(例如，可以在油路界定件306的內(nèi)表面346中加工槽328)。在這種情況下，夕卜壁308的外表面308A可滑動(dòng)地與油路界定件306的內(nèi)表面346相接觸。油路界定件306上的具有表面345、347和槽333的部分可以顯得與圖3中的表面145ml47和槽133相似。在這個(gè)例子中個(gè)，外表面308A可滑動(dòng)地與表面，347接觸，且密封物330防止油漏進(jìn)口 10。
[0069]套筒閥302在圖8中示為處于打開位置。如圖8所示，當(dāng)閥302移動(dòng)到打開位置，密封物330移動(dòng)越過閥302的末端308。如上所述，閥的末端是這個(gè)閥的最熱的部分，因此，圖8中的密封物330承受著閥302中較高的溫度。移動(dòng)通過槽328的冷卻流體并不特別地靠近末端308或閥302的內(nèi)壁310移動(dòng)。
[0070]但是，套筒閥302中的腔336部分地被具有良好的導(dǎo)熱性且在工作溫度下為液態(tài)的材料填充。可以部分填充腔336的一種這樣的材料是鈉。在這種情況下，腔336中的鈉在暴露于內(nèi)壁310的熱量時(shí)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，并當(dāng)套筒閥302在打開與關(guān)閉位置間移動(dòng)時(shí)開始在腔336中來回?cái)噭?dòng)。熔融的或液態(tài)的鈉從內(nèi)壁310和閥302的第一端壁312上吸收熱量。鈉是一種示例性的材料，且并不為限制將此項(xiàng)技術(shù)的范圍。其他材料可以部分地填充套筒閥302的腔336。
[0071]腔336中的熔融的鈉把熱量傳導(dǎo)到閥302的每個(gè)壁。在槽328中流動(dòng)的冷卻液與閥302的外壁308直接接觸。于是，冷卻流體將熱量從外壁308吸出并產(chǎn)生熱差來將熱量從熔融鈉金屬拉向外壁308。圖8所示的套筒閥組件300可以適用的一種情況是用于高性能引擎。套筒組件300也可以用于其它引擎。
[0072]圖10-14示出了用于增強(qiáng)套筒閥耐久度得插入物與涂層的不同實(shí)施例。圖10-14中示出的套筒閥一般與圖7中所示的套筒閥202相符。套筒閥202僅為示例性，并不為限制本文中所述的此項(xiàng)技術(shù)的范圍。本文中所述的插入物與涂層可以與其它套筒閥結(jié)合使用。
[0073]—般地，套筒閥的重復(fù)打開和關(guān)閉使得端面210或閥尖端反復(fù)碰擊閥座116。這種與閥座116的反復(fù)接觸使端面210磨損并隨時(shí)間而變形。最終，當(dāng)套筒閥202位于該關(guān)閉位置時(shí)，端面210不再與閥座116形成有效的密封。導(dǎo)致套筒閥磨損的兩個(gè)因素是(i)套筒閥碰擊閥座時(shí)的速度，以及(ii)套筒材料的硬度。套筒閥反復(fù)撞擊閥座導(dǎo)致這兩個(gè)表面(例如圖10的表面213和例如圖4的閥座116)的摩擦/刮擦和/或逐漸將材料本身壓實(shí)。
[0074]圖10示出了完全置于端面210上，并部分地置于圖7所示套筒閥202的表面203A和203B上的插入物250。插入物250形成了加固的套筒尖端，具有外部件251和內(nèi)部件253。插入物250可以通過幾種不同的方式附著到套筒閥202，這些方式包括，但不限于，現(xiàn)場(chǎng)燒鑄、沖模鍛造熱壓配合(swaged forged shrink fit,例如,在硬金屬較熱而招非常冷時(shí)裝配)，及其類似方式。在一個(gè)例子中，在準(zhǔn)備插入物250時(shí)加工出表面211、213、203A和203B ;形成座來在其中放置插入物250。作為替代方式，插入物250可以直接附著在表面211和213上。插入物250示于圖10中的正面對(duì)應(yīng)于套筒閥202的表面211和213。于是，在圖10的實(shí)施例中，插入物250的接觸表面255在閥202位于關(guān)閉位置時(shí)與閥座116形成密封。
[0075]插入物250優(yōu)選地包括硬度足以抵抗與閥座116的反復(fù)撞擊而不使表面255變形的材料。僅為舉例，上述材料可以包括碳鋼。其它材料可以包括，但不限于，工具鋼、提升閥鋼或鈦合金、銅鈹、及其類似物。
[0076]插入物250纏繞在閥202的端面210周圍形成外部件251。外部件251沿套筒閥102的外表面203B延伸距離XI。僅為舉例，距離Xl可以包括從Imm-1Omm的距離。外部件251的表面257優(yōu)選地與外表面203B齊平，于是在工作中不干擾套筒閥202的運(yùn)動(dòng)范圍。例如，如果圖10中示出的套筒閥202替代圖6中所示的套筒閥，優(yōu)選地，插入物250不干擾套筒閥移動(dòng)到圖6所示的完全打開位置的能力(例如，插入物250的表面257不應(yīng)抬高并碰擊油路界定件106)。插入物250的內(nèi)部件253沿套筒閥202的內(nèi)表面203A延伸距離X2。距離X2可以包括任意距離。僅為舉例，距離X2包括的距離。圖10示出了距離X2比距離Xl短，但是這并非插入物250的必須的特征。
[0077]如上所述，插入物的表面255將反復(fù)以高速碰擊閥座116。這使表面255承受高沖力。使插入物250沿外表面203B和內(nèi)表面203A延伸增加了插入物250的總的表面積(與簡(jiǎn)單用插入物250來覆蓋端面210不同)。增大插入物250的表面積把表面255接收的(來自撞擊閥座的)沖力分?jǐn)傇诟蟮拿娣e上，提供了更大的面積用于沖擊能量的消散以及滯留的干擾。圖10示出了插入物250具有一致的厚度。作為替代方式，插入物250的一個(gè)或多個(gè)表面可以具有不同的寬度或表面積。
[0078]圖11示出了插入物280的另一實(shí)施例。該插入圖280包括第一部件282和第二部件284。插入物280的第一部件282具有有效地取代了圖7所示的套筒閥202的接觸面213的末端面285。第一部件282的末端面285與套筒閥202的內(nèi)表面203A對(duì)齊，但可以像圖14 一樣伸出。套筒閥202的不接觸閥座116的表面211不被插入物280覆蓋，于是211的圍繞纏繞提供了 280的滯留。插入物280的第二部件284向內(nèi)延伸進(jìn)套筒閥202的末端208達(dá)距離X3。距離X3可以改變。
[0079]插入物280的第二部件284增加了插入物280的總的表面積，于是將插入物280接收到的沖力分?jǐn)偟礁蟮拿娣e上(與簡(jiǎn)單地將插入物覆蓋在表面113上不同)，并提供了更大的面積供沖力消散。圖11所示的插入物280的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，插入物280不沿閥202的外表面203B延伸。于是，插入物280不會(huì)干擾閥202的工作(例如，插入物280不會(huì)撞擊油路界定件106或干擾平穩(wěn)地與一個(gè)表面接觸的密封物)。
[0080]圖12示出了在端面210上具有涂層290的套筒閥202。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層290包括鉻電鍍。作為替代方式，端面210可以經(jīng)陽極電鍍形成鋁氧化物涂層。可能使用的其它材料包括，但不限于，鎳硅碳化物、類金剛石、火焰噴涂硬化金屬、陶瓷材料、及其類似物。
[0081]圖12示出了完全覆蓋套筒閥202的端面210 (例如，第一表面211和第二表面213)的涂層290。作為替代方式，涂層290可以僅形成在撞擊閥座116的表面213上。類似于上述的插入物，涂層290優(yōu)選地是比套筒閥202本身更硬的材料，以延長(zhǎng)套筒閥202的壽命。涂層290為防止或減緩因套筒閥202的端面210與閥座116之間在工作中的經(jīng)常的摩擦和/或刮擦而導(dǎo)致的套筒閥202的磨損。涂層的厚度可以變化，且依賴于涂層材料的種類。僅為舉例，陽極電鍍涂層可以包括1-10微米而電鍍或噴涂材料可以包括達(dá)100至200微米。
[0082]圖13示出了圖10中所示的插入物250的另一實(shí)施例。在圖13中，插入物150的頂部部件251沿套筒閥202的外表面203B延伸達(dá)距離X4。距離X4大于圖10所示的距離X2。在一個(gè)實(shí)施例中，插入物250的頂部部件251基本沿套筒閥202的整個(gè)外表面203B向上延伸到槽228。
[0083]圖13中所示的插入物250的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于插入物250的頂部部件251覆蓋了套筒閥202與油路界定件206 (如圖7所示)之間的整個(gè)(或幾乎整個(gè))接觸表面。在工作中，不帶所述插入物250的套筒閥202經(jīng)歷著沿外表面203B的因與油路界定件206的密封物滑動(dòng)接觸所帶來的磨損。加入圖13所示的插入物250置入了更硬的表面(頂部部件251)來與油路界定件206的密封物滑動(dòng)接觸。這個(gè)更硬的表面251如果磨損，將不以和套筒材料相同的速度磨損；有效地延長(zhǎng)了套筒閥202的壽命。
[0084]圖14示出了插入物400。在圖14中，插入物400包括外部件402、前部件404和沖擊能量吸收結(jié)構(gòu)410。頂部部件402沿套筒閥202的外表面203B延伸達(dá)距離X5。與圖13類似，頂部部件402基本沿套筒閥202的整個(gè)外表面203B向上延伸到槽228。正部件404定義了接觸表面408，該接觸表面408在套筒閥202位于關(guān)閉位置時(shí)與閥座116形成密封。
[0085]圖14示出了前部件404包括尖端408，該尖端408向下延伸進(jìn)入氣缸并向外突出通過套筒閥202的內(nèi)表面203A。正部件404延伸進(jìn)氣缸的距離可以變化。僅為舉例，該距離可以包括1-1Omm之間。圖14還示出了插入物400的前部件404相對(duì)于套筒閥的內(nèi)表面203A形成角度Φ。角度Φ可以包括15-55度之間的任意角度，并在一個(gè)實(shí)施例中包括45度。尖端408包括內(nèi)表面409和外表面411，并在套筒閥202的末端208形成邊緣。當(dāng)活塞(未示出)在燃燒室內(nèi)壓縮空氣時(shí)，套筒閥202處于關(guān)閉位置，在尖端408的內(nèi)表面409與外表面411之間產(chǎn)生正壓差。這個(gè)正壓差進(jìn)一步幫助保持尖端408與閥座116之間的密封。
[0086]沖擊能量吸收結(jié)構(gòu)410增加了插入物400的總的表面積。如上所述，增加插入物的總的表面積有助于分?jǐn)偤拖⒔邮兆詻_擊該插入物的閥座116的沖擊力。
[0087]上文中已經(jīng)為圖示與說明的目的而呈現(xiàn)了對(duì)創(chuàng)新的系統(tǒng)的詳細(xì)說明。其并非為了窮盡或是將此創(chuàng)新的系統(tǒng)限制為所公開的具體形式。鑒于上述教導(dǎo)，可以有很多改動(dòng)和變形。所介紹的實(shí)施例被選出來最佳地解釋該創(chuàng)新的系統(tǒng)的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)⑦@個(gè)創(chuàng)新的系統(tǒng)最佳地用在不同的實(shí)施例中，以及具有適用于預(yù)期的特定應(yīng)用的各種改動(dòng)。該創(chuàng)新的系統(tǒng)的范圍意圖由隨附的權(quán)利要求書加以限定。
[0088]盡管主體已經(jīng)用語言具體到結(jié)構(gòu)特征和/或方法行為來加以描述，應(yīng)當(dāng)理解，由隨附權(quán)利要求書所定義的主體并不必先知道上述的具體特征或行為。相反，上述的這些具體的特征和行為被作為實(shí)現(xiàn)這些權(quán)利要求的示例性形式來加以介紹。
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)的套筒閥組件，包括: 圓柱形套筒閥，至少部分界定所述內(nèi)燃機(jī)的燃燒室；所述圓柱形套筒閥能夠沿中軸在關(guān)閉位置和打開位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述圓柱形套筒閥包括當(dāng)所述圓柱形套筒閥位于所述關(guān)閉位置時(shí)被壓抵于閥座以密封口的末端；以及 多個(gè)槽，圍繞并靠近所述圓柱形套筒閥以至于用于流體的流體路徑經(jīng)過入口、通過所述多個(gè)槽，以及經(jīng)過出口。
2.如權(quán)利要求1所述的套筒閥組件，其特征在于:其中所述多個(gè)槽定位為沿平行于所述中軸的軸，所述套筒閥沿所述中軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的套筒閥組件，其特征在于:其中所述多個(gè)槽定位為沿與所述中軸成傾斜角的軸，所述套筒閥沿所述中軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的套筒閥組件，其特征在于:進(jìn)一步包括圓柱形流體路徑界定件，其至少部分地圍繞所述圓柱形套筒閥，所述流體路徑界定件包括所述入口和所述出口，所述多個(gè)槽形成于所述圓柱形套筒閥的外表面和所述圓柱形流體路徑界定件之間。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的套筒閥組件，其特征在于:還包括圓柱形導(dǎo)向環(huán)，置于所述入口與出口之間，所述導(dǎo)向環(huán)包括所述多個(gè)槽。
6.如權(quán)利要求5所述的套筒閥組件，其特征在于:其中所述導(dǎo)向環(huán)包括第一導(dǎo)向環(huán)，所述流體路徑界定件進(jìn)一步包括第二導(dǎo)向環(huán)，所述凸緣的一個(gè)部分靠近所述第二導(dǎo)向環(huán)滑動(dòng)，所述套筒閥的部分被在靠近所述第一導(dǎo)向環(huán)滑動(dòng)的所述凸緣圍繞。
7.如權(quán)利要求6所述的套筒閥組件，其中所述套筒閥包括自所述套筒閥的端部徑向向外間隔并圍繞所述端部的凸緣，所述凸緣和所述端部界定了靠近所述末端尖端的腔，所述流體流路徑包括所述腔以從所述末端尖端吸收熱量。
8.如權(quán)利要求7所述的套筒閥組件，進(jìn)一步包括在所述凸緣與所述第二導(dǎo)向環(huán)之間的密封物，所述密封物防止所述流體路徑界定件中的流體從所述流體路徑界定件與所述套筒閥之間逸出。
9.一種方法，包括: 使圓柱形套筒閥沿中軸在關(guān)閉位置和打開位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述圓柱形套筒閥至少部分界定所述內(nèi)燃機(jī)的燃燒室； 在所述圓柱形套筒閥位于所述關(guān)閉位置時(shí)，通過將所述圓柱形套筒閥壓抵于閥座來密封口的末端；以及 通過使流體流動(dòng)通過由入口、出口，以及多個(gè)圍繞并靠近所述圓柱形套筒閥的槽所限定的流體流路徑來冷卻所述套筒閥。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述多個(gè)槽定位為沿平行于所述中軸的軸，所述套筒閥沿所述中軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述多個(gè)槽定位為沿與所述中軸成傾斜角的軸，所述套筒閥沿所述中軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
12.如權(quán)利要求9至11中任意一項(xiàng)所述的方法件，其中包括所述入口和所述出口的圓柱形流體路徑界定件至少部分地圍繞所述圓柱形套筒閥，所述多個(gè)槽形成于所述圓柱形套筒閥的外表面和所述圓柱形流體路徑界定件之間。
13.如權(quán)利要求9至12中任意一項(xiàng)所述的方法，其中圓柱形導(dǎo)向環(huán)置于所述入口與出口之間，所述導(dǎo)向環(huán)包括所述多個(gè)槽。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述導(dǎo)向環(huán)包括第一導(dǎo)向環(huán)，所述流體路徑界定件進(jìn)一步包括第二導(dǎo)向環(huán)，所述凸緣的一個(gè)部分靠近所述第二導(dǎo)向環(huán)滑動(dòng)，所述套筒閥的部分被在靠近所述第一導(dǎo)向環(huán)滑動(dòng)的所述凸緣圍繞。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述套筒閥包括自所述套筒閥的端部徑向向外間隔并圍繞所述端部的凸緣，所述凸緣和所述端部界定了靠近所述末端尖端的腔，所述流體流路徑包括所述腔以從所述末端尖端吸收熱量。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括在所述凸緣與所述第二導(dǎo)向環(huán)之間形成密封物，所述密封物防止所述流體路徑界定件中的流體從所述流體路徑界定件與所述套筒閥之間逸出。
【文檔編號(hào)】F01L5/06GK104295337SQ201410399990
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日:2009年2月24日
【發(fā)明者】詹姆斯·M·克利維斯 申請(qǐng)人:品納科動(dòng)力有限公司