CN101713306A - 内燃机中的空心气门 - Google Patents

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CN101713306A CN200910056974A CN200910056974A CN101713306A CN 101713306 A CN101713306 A CN 101713306A CN 200910056974 A CN200910056974 A CN 200910056974A CN 200910056974 A CN200910056974 A CN 200910056974A CN 101713306 A CN101713306 A CN 101713306A
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张明亮
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/12—Cooling of valves
    • F01L3/14—Cooling of valves by means of a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in a valve

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Abstract

本发明提供了一种空心气门，可用作内燃机的进气门和排气门。该气门空腔中含有添加了纳米颗粒的冷却工质。由于该冷却工质含有纳米颗粒，具有比传统冷却工质更高的导热性，因此在发动机工作时，能够更好地冷却气门。

Description

内燃机中的空心气门
技术领域
本发明专利涉及一种空心气门，可以用作内燃机中进气门和排气门。
背景技术
气门的作用是控制进、排气管的开闭，以实现向气缸供给可燃混合气(汽油机)或新鲜空气(柴油机)并及时排出废气。为了减小气门头部的热负荷和减小气门的重量，一个广泛采用的办法是采用充金属钠的空心气门。金属钠(Na)的熔点为97.8C，在空心气门空腔中填入部分金属钠，因此发动机工作温度下金属钠呈现液态，在气门工作时，金属钠在气门内上下运动，不断地从气门头部吸收热量并传给气门杆使头部得以冷却。当排气气门在工作时，温度很快升高，气门内的金属钠由固态变成液态，杆端面上受频率很高力的打击，排气门剧烈上下运动，液态的金属钠冲刷着气门内腔，把盘部、颈部热量迅速通过杆和外面导管传递出去，可降低最热点温度100℃左右，一般在80℃～150℃，以达到较低新的热平衡的目的。另外，由于内部空腔减小了气门重量，不仅有利于整机重量的减轻，更重要的意义在于减轻气门整体的重量，改善其工况，从而提高了气门使用寿命，起到优化发动机性能、降低油耗的作用。
发明内容
本发明的目的在于提高空心气门中冷却工质的传热效率，以提供一种具有更好的散热性能的空心气门。
中国专利CN1189574A公开了一种内燃机中的空心气门，采用含有锡(Sn)和铋(Bi)的低熔点合金代替钠作为空心气门的冷却工质。该专利并没有普及。
由于具有高导热性(温度为300K时导热系数为142W·m-1·K-1)和低密度(固体钠密度为0.968g·cm-3，液体钠密度为0.927g·cm-3)的特征，迄今为止，金属钠仍然是空心气门最理想的冷却工质。然而采用传统的技术，空心气门中的冷却工质的导热系数很难进一步提高。
理论和实验都已经证明，将纳米颗粒加入到流体工质中制备成分散性好且均匀的纳米流体工质，其导热和比热等热物理性能均大幅提高，冷却工质的导热系数最高可以提高两个数量级。这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性的研究。有关上述纳米技术的论述可以参考《纳米流体研究的新动向》(《物理》，作者马坤全和刘静，2007年，第36卷，第4期，295-300页)。
中国专利CN1955252A公开了一种具有高传热性能的纳米金属流体，其特征在于它是一种以纳米颗粒为溶质，液态金属为溶剂的流体。在该专利中，纳米金属流体的应用主要是计算机芯片和反应堆等高热流密度条件下的冷却。
为了进一步降低气门的热负荷和降低气门重量，本发明是通过以下技术方案实现的：采用金属钠或钠的合金作为冷却工质，但是在其中添加纳米颗粒，以提高冷却工质的导热性。这些纳米颗粒可以是非金属纳米颗粒或者金属纳米颗粒。
与现有的空心气门相比，本发明利用了纳米技术的最新成果——纳米金属流体，突破了现有技术的局限性，具有以下优点：
1.导热系数等热物理性能大幅提高，能够有效地降低气门头的热负荷；
2.方法简单，能够与原有的设备、工艺流程兼容；
在欧洲空心气门已普遍运用在新型的发动机上。国产合资生产的轿车也逐渐使用了空心气门，例如，上海大众Passat排气门采用了空心气门；一汽生产的捷达王排气门使用了空心气门。随着国产高挡轿车不断推出，空心气门生产量也将不断增加。随着对能耗和排放的要求越来越高，空心气门越来越普及。到2015年，我国汽车年产量将在800万～1000万辆之间，其中轿车年产量将超过350万辆，因此，气门总需求量将达到3.7亿支。本发明一旦付诸实施，将创造巨大的市场效益。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1是根据本发明的一个具体实施例的示意性剖视图，其中，1为气门壳体，按照一般的划分，气门分为气门头和气门杆，在此专利中，为了描述的方便，将气门头和气门杆的实体部分统一称为气门壳体。2为壳体内的空腔，该空腔可能位于气门杆内或气门头内，3为冷却工质。
具体实施方式
实施例：
本发明在真空或者惰性气体环境下，通过加热将金属钠熔化后，添加体积比为10％的碳纳米管粉末，金属钠与碳纳米管粉末的体积比为10∶1，然后搅拌均匀。等金属钠冷却后，将其挤压成直径小于空心气门孔径的长条状。然后定长切断金属钠，将金属钠喂入到空心气门空腔中。金属钠大概占空心气门空腔中60％的体积，这样保证金属钠能够上下流动，充分带走热量。然后放入小片金属锆，作用是能够在摩擦焊后，空腔内能保持真空。然后采用摩擦焊将空心气门的空腔封闭。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的空心气门，该气门包括一个气门壳体，一个在气门壳体内的封闭空腔及其空腔内的冷却工质，其特征是，空腔内的冷却工质中含有纳米颗粒；
2.如权利要求1所述的空心气门，其特征在于：所述的冷却工质为含有纳米颗粒的低熔点合金；
3.如权利要求2所述的空心气门，其特征在于：所述的低熔点合金在常压下的熔点小于500摄氏度。
4.如权利要求2所述的空心气门，其特征在于：所述的低熔点合金包含金属钠；
5.如权利要求2所述的空心气门，其特征在于：所述的低熔点合金包含至少一种纳米颗粒；
6.如权利要求5所述的空心气门，其特征在于：所述的纳米颗粒在空间三维尺寸中至少一个方向的尺寸小于999纳米；
7.如权利要求5所述的空心气门，其特征在于：所述的纳米颗粒为金属纳米颗粒或非金属纳米颗粒；
8.如权利要求7所述的空心气门，其特征在于：所述的金属纳米颗粒，为金、银、铜、铝、铁、钙、镁、镍、锌、铬、锑或镉，或者是以上至少两种金属纳米颗粒的混合物；
9.如权利要求7所述的空心气门，其特征在于：所述的非金属纳米颗粒，为碳纳米管、石墨材料纳米颗粒、硼、锗、硅或砷的纳米颗粒或以上至少两种非金属纳米颗粒的混合物；
10.如权利要求1所述的空心气门，其纳米颗粒重量占冷却工质总重量的比例为0.01％～99％。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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