CN108026801B - 用于内燃机的具有用于冷却剂的导向叶片的阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的内冷却进给阀或内冷却排出阀(4)，所述内冷却进给阀或内冷却排出阀具有阀盘(6)、阀杆(8)以及位于阀杆(8)和阀盘(6)内部的空腔(10)。在空腔(10)中设置冷却剂(12)，该空腔(10)设置有用于冷却剂(12)的至少一个导向叶片(14，16)。

Description

用于内燃机的具有用于冷却剂的导向叶片的阀

技术领域

本发明涉及用于内燃机的冷却阀。更具体地，本发明涉及用于内燃机的钠冷却进给阀或钠冷却排出阀，钠冷却进给阀或钠冷却排出阀设置有导向叶片，以便控制或影响钠填充物在阀内部的移动。

背景技术

最迟自1935年起就已知内冷却排气阀或钠冷却排气阀。

钠冷却及其效应在现有技术中是众所周知的，并且近年来的技术发展主要涉及阀盘的区域中增大的冷却剂体积以及简化的制造方法，以便能够更高成本效益地制造钠冷却阀。

然而，特别地，仍然存在排气阀的冷却或冷却特性的进一步改善的需求。此外，存在使最大程度冷却的空腔阀可用的需求，这甚至在可能的最高排气温度下仍可靠地起作用。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于内燃机的冷却阀或内冷却阀或者进给阀或排出阀，所述冷却阀或内冷却阀或者进给阀或排出阀包括阀盘、阀杆以及位于阀杆和阀盘内部的空腔。该阀附加地设置有设置在空腔内的冷却剂。该空腔配备有用于冷却剂的至少一个导向叶片。该冷却剂仅在一定程度上填充该空腔并且可以在空腔内移动。在这种情况下，以如下的方式布置导向阀，使得该导向阀将冷却剂沿着阀的轴向方向的上下移动转换为围绕阀的轴线的旋转移动。阀的轴线对应于阀的外轮廓的对称轴线。

因此，本发明涉及具有导向叶片或紊流叶片的空腔阀，所述导向叶片或紊流叶片附接在空腔内，以实现在阀或阀盘的材料与冷却剂或钠填充物之间的最大热传递。

一方面，本发明基于内空腔表面和紊流的扩大或者液态冷却剂或钠填充物中的循环流的产生。

在本发明的示例性实施方式中，钠被用作冷却剂。然而，也可以使用具有足够低的熔点的其它碱土金属或合金。

该阀的另一示例性实施方式具有至少两个部分且具有位于阀盘表面上的开口，该开口由盖子封闭。该盖子通过接合而连接到阀盘表面。该盖子可以通过激光焊接、电子束焊接、电阻焊接或摩擦焊接以材料结合的方式连接到阀盘。

在本发明的另一示例性实施方式中，盖子设置有用于冷却剂的至少一个导向叶片。然后，所述至少一个导向叶片附接在盖子上并且在安装之后位于阀主体的空腔内。所述至少一个导向叶片以如下的方式成形，使得流出中空的杆的冷却剂被引导为围绕阀的轴线旋转。这可以通过切线地延伸的倾斜平面来实现。优选地，使用两个或更多个导向叶片，以实现小于或等于180°的旋转对称，由此可以形成阀的对称结构。

具有中空的杆和中空的阀头的中空的阀或内冷却阀在本实施方式中以这样的方式实现，使得旋转对称的紊流叶片或导向叶片附接在空腔的阀端面上。翼片或导向叶片的数量为至少一个。导向叶片可以由阀钢实现且与空腔的阀端面以整体式实现。导向叶片可以沿着阀轴线的表面彼此连接。导向叶片可以在阀轴线的区域中具有最大高度且其高度沿着径向方向向外降低。导向阀可以沿着径向方向向外弯曲，以使液态的钠填充物以漩涡移动流或以旋转流移动。导向叶片的布置可以以涡轮状的方式来实现，其中，导向叶片的布置特别类似于涡轮机的径向压缩机。

导向叶片应当影响在操作温度下为液态的钠填充物的定向移动，其中，钠在每个阀的冲程期间在扩大的内阀表面上流动，并且因此可以在每个阀的冲程期间从更大的内阀表面提取更高的热量。

理想地，焊接在阀盘表面上的盖子(包括位于盖子上的导向叶片)应当以这样的方式来构造，使得可以通过常规方法锻造盖子，以保持制作成本、并且因此阀成本尽可能地低。

在本发明的另一示例性实施方式中，盖子包括从该盖子的中心对称地且成螺旋形地向外延伸的至少两个导向叶片。该对称在此被理解为相对于阀的纵向轴线的旋转对称或点、或轴对称。术语轴对称在此被理解成，在垂直于阀的轴线的每个平面内，具有关于该平面与阀的轴线的交叉点的点对称。导向叶片的数量可以在2与12之间，其中，也可以为奇数。在奇数个导向叶片的情况下，优选地具有旋转对称、而非点对称。在向下流动的冷却剂(即，沿着阀盘的方向流动的冷却剂)的情况下，盖子上的导向叶片仅产生围绕阀的轴线的旋转流。

在本发明的阀的附加示例性实施方式中，盖子包括位于中心的金字塔形或锥形结构，以将冷却剂导向到导向叶片上。同样地，设置成使用具有二维弯曲表面(诸如弗拉姆抛物面)的锥形结构。具有类似于弗拉姆抛物面的表面的结构可以减小在钠冲击时对于盖子的接合部的载荷，并且因此增加阀的使用寿命。弗拉姆抛物面仅为抛物锥体的特定情况，在此也可以被使用，以防止向下流动的钠将大的动量施加在盖子上，并且因此施加在盖子的接合部上。

在阀的另一示例性实施方式中，导向叶片具有三角形横截面。根据三角形横截面的设计，一方面导向叶片可以成形为类似于斜坡，另一方面导向叶片可以成形为类似于壁部，使得沿着一个方向的循环流是优选的。然后，以旋转流形式的钠可以借助于斜坡进一步流动，使得导向叶片不会防止冷却剂的进一步流动。

根据该实施方式，叶片可以相对于阀轴线倾斜，然而，这需要增加的制造费用。

在本发明的附加示例性实施方式中，所述至少一个导向叶片的一侧垂直于阀盘表面延伸。同样地，可以设置成，导向叶片总是整体上倾斜，以便更好地产生旋转流。

在本发明的另一实施方式中，所述至少一个导向叶片在阀杆中螺旋地延伸。该设计使用阀的相对较长的中空的阀杆，以便同样在此产生旋转流或循环流。在这种情况下，导向叶片在阀杆中形成一个或多个长盘绕部。在该设计中，导向叶片类似于枪支的枪管中的槽而成形。该类型的气流导向叶片特别适合与具有斜坡状侧边的导向叶片设计相连接，即使阀置于封闭位置中，其仍然允许保持循环流。可以将管用作阀杆，来自该管的导向叶片通过钻头而工作。因此，在没有大支出的情况下，可以在阀杆的内侧设置一个或多个导向叶片，而无需为此开发新技术。

在本发明的不同示例性实施方式中，所述至少一个螺旋形导向叶片具有三角形横截面。在非常平坦的三角形横截面的情况下，该三角形横截面使如下成为可能：液态钠被设为仅在向上或向下移动期间旋转。在反向旋转的情况下，钠可以通过平坦的斜坡在该三角形横截面上滑动，该斜坡形成导向叶片的背侧，而无需停止旋转运动或产生反向旋转运动。因此，在高旋转速度下，可以在阀的空腔内部或在阀杆内部产生冷却剂的恒定旋转流。

在本发明的另一示例性实施方式中，至少一个螺旋形导向叶片的一侧表面的面积是所述至少一个螺旋形导向叶片的另一侧表面的面积的至少6倍。该权利要求涉及具有一个非常平坦的侧边和一个非常陡峭的侧边的导向叶片。该设计可以以这样的方式来实现，使得叶片的背侧围绕内圆周的一半或全部延伸。这种类型的叶片具有横截面为螺旋形的背侧。

在本发明的另一示例性实施方式中，阀杆实现为具有多个部分，其中，该阀杆的至少一个部分具有通孔。特别地，该构造使得可以在阀杆中形成螺旋形导向叶片，而无需用于其的复杂的铸模。具有通孔的阀杆部分可以利用相同的手段(利用将槽引入枪支的枪管中的手段)来形成。该设计使得可以利用常规技术将螺旋形导向叶片引入阀杆中。

在本发明的另一实施方式中，提供了一种用于内燃机的内冷却阀，在该内冷却阀中，盖子附加地设置有至少一个压力平衡槽(relief groove)，所述至少一个压力平衡槽缓解阀盘表面的开口与盖子之间的接合部。该压力平衡槽在盖子内部和/或外部在接合部的附近延伸。该压力平衡槽减小盖子的材料厚度并且给予盖子更大的弹性，这反而减小盖子与阀盘之间的接合部的载荷。因此，总的来说，由于导向叶片而不太柔韧的盖子可以再次构造地更有弹性，使得在盖子的载荷的情况下仅一部分力被直接传输到接合部。整体上，由于平衡槽，一部分载荷可以被吸收，并且因此可以减小接合部的载荷，以及因此，可以增加内冷却阀的总使用寿命。优选地，在每种情况下，在内部和外部使用两个压力平衡槽，以便实现盖子的最大弹性。压力平衡槽的布置可以产生一种折皱，利用该折皱，可以在盖子的中心与盖子的边缘之间产生弹性连接。由于压力平衡槽，在盖子的向内或向外弯曲期间缓解接合部，其结果是，可以延迟或防止接合部的故障。盖子和阀盘可以通过激光焊接、电子束焊接、电阻焊接或摩擦焊接来接合。在没有压力平衡槽的情况下，盖子的弯曲将在接合部处产生相应较高的拉伸载荷，该拉伸载荷近似相当于夹在两侧上的基底的载荷，其中，甚至在小变形的情况下，也可能在接合部处出现大的拉伸应力。

附图说明

在下文中，基于示例性实施方式的图示更详细地阐述本发明。附图仅构成示意性图示。

图1示出常规的内冷却阀。

图2示出根据本发明的具有用于冷却剂的导向叶片的内冷却阀，这些导向叶片布置在盖子上。

图3为根据本发明的具有用于冷却剂的导向叶片的内冷却阀的图示，这些导向叶片布置在阀杆上。

图4示出穿过图2的阀盘的部分剖面图。

图4A示出图4的盖子的导向叶片的平面视图。

图4B为图4A的盖子的部分剖面图的图示。

图5A示出盖子的另一实施方式的导向叶片的平面视图。

图5B示出图5A的盖子的部分剖面图。

图6A为盖子的另一实施方式的导向叶片的平面视图的图示。

图6B示出图6A的盖子的部分剖面图。

图7A至图7D示出具有压力平衡槽的盖子的实施方式。

具体实施方式

在说明书中和在附图中，使用相同或相似的附图标记来指代相同或相似的部件和元件。为了避免说明书超长，在一个附图中已经描述的元件在另外的附图中没有单独地被提及。

图1示出具有阀杆8的常规的内冷却阀2，该阀杆8在一个下端处终止于阀盘6。阀杆8在顶部结束于杆端36处，通常在该杆端36控制该阀。该阀在内部设置有填充冷却剂12的空腔10。在内燃机的操作温度下呈现为液态的钠通常被用作冷却剂。通常，不是整个空腔、而是阀的空腔的仅2/3到3/4填充有钠。在操作期间，钠在阀杆8中或在阀杆8的空腔10中上下移动且在该过程中沿着冷却的阀杆8的方向输送来自阀盘6的热(振荡冷却)。在这种情况下，在每次打开或封闭过程期间，钠在阀2内部移动。空腔10在阀2中产生，原因是阀盘6设置有位于阀盘表面22上的开口18。通过该开口18将该空腔10引入阀盘6和阀杆8中。同样地，可以至少在一定程度上从阀杆端部钻出空腔且通过借助例如摩擦焊接连接的阀杆端部来封闭该空腔。在焊接盖子之后，可以通过例如位于阀杆上的钻孔来注入钠。也可以通过钻孔在其上放置且焊接的阀杆端部来封闭该钻孔。然而，在注入钠冷却剂12之后，同样地，可以通过盖子20来封闭开口18。盖子通过激光焊接、电子束焊接或电阻焊接被接合到阀盘。阀盘背侧24和阀杆的上端在该设计中不具有接合部，并且阀盘可以与阀杆以整体式制造。此外，可以通过焊缝(例如通过摩擦焊接)将阀杆与阀盘或阀头彼此连接。然而，同样地，可以通过杆或通过阀杆中的钻孔来填充阀的空腔，并且然后封闭钻孔。同样地，可以通过摩擦焊接将盖子紧固到阀盘上。

图2示出根据本发明的具有用于冷却剂12的导向叶片14的内冷却阀4。如图1中那样，冷却剂位于空腔10中。封闭开口18的盖子20具有锥形结构26。锥形结构26用于将从杆沿着阀盘6的方向移动的冷却剂沿着外径方向转向。在这种情况下，锥形结构可以减小冷却剂对盖子的碰撞/冲击动量，其结果是缓解了盖子20与阀盘6之间的接合部，这有助于增加阀的使用寿命。

导向叶片14布置在锥形结构26的边缘处，这些导向叶片14将向外流动的冷却剂引导为围绕阀的轴线(该轴线延伸穿过阀杆8的中心)的旋转流。因此，应当实现冷却剂12与阀盘6之间的更好的热传递。一旦阀被再次封闭，冷却剂12流回到阀杆8中，在该阀杆8中，该冷却剂12通过气缸盖在阀导向部的区域中被冷却。理想地，即使在冷却剂沿着杆端的方向移动的情况下，保持旋转流，其结果是，甚至可以在上部杆区域中改善冷却过程。

图3示出根据本发明的具有位于杆中的用于冷却剂的导向叶片的内冷却阀。周向螺旋形导向叶片16内部地安装在中空的杆中。导向叶片像阿基米德的螺旋式(Archimedes'screw)那样运作且使向下流动的冷却剂以旋转流移动，该旋转流围绕阀的轴线行进。螺旋形导向叶片具有陡边和直边，使得螺旋形导向叶片对沿着杆端的方向流动的冷却剂不具有任何影响。同样地，提供了使用两个对称布置的导向叶片以便产生结构对称的杆。

同样地，可以设计螺旋形导向叶片，使得使沿着杆端的方向流动的冷却剂以旋转流移动。在这种情况下，应当选择导向叶片的尽可能小地影响向下流动的冷却剂的几何结构。

在图示的实施方式中，指示了虚线。螺旋形导向叶片同样可以与包括锥形结构26和/或另外的导向叶片14的盖子结合。在该设计中，可以在向上移动期间和在向下移动期间均产生或保持冷却剂的旋转流。

图3中描绘的阀包括两部分式的杆，其中，阀的一个部分28设置有通孔30，该通孔30在最终的阀中形成空腔10。在通孔的情况下，在杆的内侧设置导向叶片是特别简单的。如果存在通孔，则可以例如通过钻头将结构引入到阀杆的内侧，而无需用于其的复杂的方法步骤。

然而，同样可以通过牵引形成导向叶片，其中，通过阀杆牵引所谓的牵引刀片，其中，夹紧的杆或牵引的杆随着刀片旋转以便实现螺旋转动。在这种情况下，需要多个工作步骤，直到通过阀杆的机械加工引入一个或多个导向叶片。在这种情况下，可以通过研磨使导向叶片光滑。

同样地，可以通过按钮牵引来形成螺旋形导向叶片。在按钮牵引期间，通过阀杆牵引在外部具有空腔或导向叶片的反向轮廓的金属件(所谓的“按钮”)。可能需要多个牵引步骤。同样地，可能需要在这些工作步骤之后拉直阀杆。

同样地，可以捶打阀杆，其中，阀杆坯设置有表面被附加地磨光的更大的通孔。随后，将高强度的圆顶引入阀杆中，该圆顶的外部具有一个或多个导向叶片的负轮廓。在外部布置的锻锤压缩材料，直到已经将一个或多个导向叶片压入杆的内部。在这种情况下，在内部产生了精确的、光滑的且耐久的表面，使得不需要另外的后期处理。

在引入螺旋形导向叶片之后，根据图1或图2，可以利用形成杆端的部件在顶部处封闭阀杆以及利用盖子在底部处封闭阀杆。因此，冷却剂在阀盘的区域中以及在杆的区域中均可以以旋转流移动。

图4示出穿过图2的阀盘的部分剖面图。可以在左侧的剖面中看到阀盘。盖子20形成平面盘，在该平面盘上凸起锥形结构26。该锥形结构26沿着盖子20的边缘的方向伸出导向叶片14外。通过剖面图无法将该锥形结构26与导向叶片14清楚地区分。

图4A示出图4的盖子的导向叶片的平面视图。总共布置了8个导向叶片14，这些导向叶片14从中心向外延伸并且在这种情况下沿着顺时针方向弯曲。例如，从上方流到该结构上的流体(诸如液态钠)通过该结构被迫使进入沿着顺时针方向的旋转流。同样地，可以沿着另一方向对齐导向叶片，在每种情况下，该另一方向为逆时针方向。

图4B示出图4A的盖子的部分剖面图。沿着在两个相邻的导向叶片14之间精确地延伸的弯曲的剖面线。在此，可以更好地看到锥形结构的形状，该形状将向下流动的钠横向地向外引导到阀盘或盖子20的边缘。由于导向叶片14是弯曲的，因此钠无法沿着直线向外移动，而是沿着顺时针方向被导向叶片偏转，其结果是产生循环流或旋转流，该循环流或旋转流应当改善冷却剂与空腔内部的接触。因此，冷却剂不仅可以通过热传导来输送热，而且可以通过冷却剂的移动来输送热，其结果是改善了总的热输送。

图5A示出盖子的另一实施方式的导向叶片的平面视图。图5A的盖子具有倾斜的导向叶片14，这些导向叶片14类似于涡轮压缩机轮的导向叶片而布置。根据叶片形状，因此可以实现更强的旋转流。

图5B示出图5A的盖子的部分剖面图。在该图中，可以清楚地看到，如何使导向叶片倾斜，以便能够更好地产生旋转流。

图6A示出盖子的另一实施方式的导向叶片的平面视图。在图6A中，导向叶片14基本上沿着径向方向延伸。在此实现旋转流，原因是导向叶片14的一侧是倾斜的，以便迫使沿着径向方向向外流动的冷却剂进入沿着顺时针方向的旋转流。可以通过冲锻法特别简单地制造该导向叶片的形状以及相关联的盖子。

图6B示出图6A的盖子的部分剖面图，在图6B中，可以最清楚地看到导向叶片的倾斜侧。同样地，可以将导向叶片的基本上三角形的形状与导向叶片14的弯曲轮廓在径向方向上结合。

图7A至图7D示出具有压力平衡槽的盖子的实施方式。

图7A示出根据平面视图的图6A或图6B的具有导向叶片的盖子20的平面视图。在图7A中，盖子20的仅一部分设置有导向叶片14，并且围绕导向叶片14形成外边缘。在该区域中引入两个压力平衡槽34，在每种情况下，这两个压力平衡槽34都安装在内侧上和外侧上。在图7B中可以更清楚地看到压力平衡槽的精确位置。

图7B示出穿过图7A的剖面图。在图7B中，在盖子20上设置两个压力平衡槽34。一个压力平衡槽位于阀盘的一侧或外侧，一个压力平衡槽34以这样的方式布置使得其位于内冷却阀的空腔中。两个压力平衡槽34均在盖子20的边缘区域中减小了盖子的材料厚度。由于压力平衡槽，即使通过接合部固定盖子的边缘，盖子20可以更容易地弯曲。如果盖子由于燃烧室中的压力增大或由于阀内的温度差而略微弯曲，则由于杠杆定律，大得多的力作用于盖子和阀盘之间的接合部上。这些力可以足以过载且破坏盖子与阀盘之间的激光焊缝、电子焊缝或电阻焊缝。盖子的边缘区域可以通过压力平衡槽而配置成更有弹性的。在盖子向内弯曲的情况下，边缘区域可以弯曲并且边缘处的接合部的载荷可以显著地减小。根据压力平衡槽的深度和宽度，接合部的缓解可以被证明为相应地很强。即使存在的盖子20非常稳定且由于导向叶片而为弯曲刚性的，该盖子20也由于冷却剂而经受相对高的热应力，该盖子也可以通过压力平衡槽而在边缘处脱离接合部。

在图7C中，在盖子20的外侧上仅设置一个压力平衡槽34。在图7D中，在盖子20的内侧上仅设置一个压力平衡槽34。在图7C和图7D中，在每种情况下都已经切掉锥形结构26的尖端，以便能够在一页上一起容纳所有的图。

在此，应当清楚的是，在每种情况下，在内部和外部均可以使用多个压力平衡槽，以便增大盖子20的边缘处的弹性。同样地，设置成组合用于另外的实施方式的这些图的所有各个特征。因此，例如，可以将盖子的导向叶片与阀杆中的相应的螺旋形导向叶片组合。同样地，可以将阀杆中的螺旋形导向叶片与设置有压力平衡槽34的盖子组合。此外，设置成将导向叶片布置在阀杆中，该导向叶片使沿着阀杆端部的方向向上移动的冷却剂围绕阀的轴线以旋转流移动。同样地，可以设置成允许螺旋形导向叶片终止于阀杆的上端的上游，以便尽可能小地干扰靠近杆端的旋转流。

附图标记列表

2 根据现有技术的内冷却阀

4 根据本发明的内冷却阀

6 阀盘

8 阀杆

10 空腔

12 冷却剂

14 用于冷却剂的导向叶片

16 用于冷却剂的螺旋形导向叶片

18 开口

20 盖子

22 阀盘表面

24 阀盘背侧

26 锥形结构

28 阀的具有通孔的部分

30 通孔

32 接合部

34 压力平衡槽

36 阀杆端部

Claims (10)

1.一种用于内燃机的内冷却阀(4)，包括：

阀盘(6)，

阀杆(8)，以及

位于所述阀杆(8)和所述阀盘(6)内部的空腔(10)，以及

设置在所述空腔(10)中的冷却剂(12)，

其特征在于，所述空腔(10)设置有用于所述冷却剂(12)的至少一个导向叶片(14，16)，所述至少一个导向叶片(14，16)具有三角形横截面；

在每种情况下，所述至少一个导向叶片(14，16)的高度都小于用于所述冷却剂(12)的所述空腔(10)的高度的一半；

所述至少一个导向叶片(16)在所述阀杆中成螺旋形地延伸。

2.根据权利要求1所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其中，所述冷却剂(12)为钠。

3.根据权利要求1所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其中，所述内冷却阀具有至少两个部分，并且所述内冷却阀具有位于阀盘表面(22)上的开口(18)，所述开口(18)由盖子(20)封闭。

4.根据权利要求3所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其特征在于，所述盖子(20)设置有用于所述冷却剂(12)的所述至少一个导向叶片(14，16)。

5.根据权利要求4所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其特征在于，所述盖子(20)包括至少两个导向叶片(14，16)，所述至少两个导向叶片(14，16)从所述盖子(20)的中心对称地且成螺旋形地向外延伸。

6.根据权利要求3所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其特征在于，所述盖子(20)包括位于中心的锥形结构(26)，以将所述冷却剂(12)引导到所述导向叶片(14，16)上。

7.根据权利要求1所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其特征在于，所述至少一个导向叶片(14，16)的一侧垂直于阀盘表面延伸。

8.根据权利要求1所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其特征在于，所述至少一个螺旋形导向叶片(16)的一个侧表面的面积是所述至少一个螺旋形导向叶片(16)的另一侧表面的面积的至少6倍。

9.根据前述权利要求中任一项所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其特征在于，所述阀杆(8)实现为具有多个部分。

10.根据权利要求3所述的用于内燃机的内冷却阀(4)，其特征在于，所述盖子(20)附加地设置有至少一个压力平衡槽(34)，所述至少一个压力平衡槽(34)缓解所述阀盘表面(22)的所述开口(18)与所述盖子(20)之间的接合部(32)。

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