CN110114559A - 具有至少一个中空顶气门的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机(1)，包括如下：‑至少一个汽缸(2)，‑至少一个中空顶气门(3)，其具有气门轴(4)和气门头(5)，并且在气门轴引导件(6)中被引导，以及‑至少一个气门座环(7)，当所述中空顶气门(3)闭合时，对应的气门头(5)密封地放置在所述至少一个气门座环(7)上。对本发明必要的是：‑设置有具有至少两个密封唇(9)的气门轴密封件(8)，‑油布置在所述气门轴(4)与所述气门轴引导件(6)之间，‑所述气门座环(7)由具有熔渗铜的烧结金属制成，‑所述气门轴(4)具有包含铬或者包含碳化硼的涂层(12)。

Description

具有至少一个中空顶气门的内燃机
技术领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种具有至少一个汽缸并且具有至少两个中空顶气门的内燃机。
背景技术
由于内燃机的汽缸领域中的越来越多的更高要求的功率密度，所谓的对气门的温度管理越来越重要，其中在此，尤其是将热尽可能快而且大程度地从气门送走。通常，对此例如已知整个范围的单独供应，诸如例如填充有钠的中空顶气门(hollow-head valve)，这带来了改进的冷却，并且由此也带来了气门区域中的改进的散热。
对气门(即，进气门和出气门)的温度管理，在当前的内燃机中关于汽缸中的功率密度的进一步增加以及由此也关于内燃机的输出的进一步增加形成限制因素。
发明内容
本发明因此关于如下的问题：针对普遍类型的内燃机指出改进的或者至少替代的实施方式，其尤其是能够实现汽缸中的功率密度的进一步增加。
根据本发明，该问题由独立权利要求1的主题解决。有益的实施例为从属权利要求的主题。
本发明基于如下的主要构思：关于内燃机的气门中的改进的温度管理组合若干单独的设置，并且通过若干小的单独设置，以实现关于散热的重大的整体效果，以及由此的关于汽缸处的功率密度的可能的增加。根据本发明的内燃机在此具有至少一个汽缸以及至少一个中空顶气门，所述至少一个中空顶气门具有气门轴和气门头，并且分别在相关的气门引导件中被引导。当然，优选地，内燃机的全部气门在此以这样的方式实施。在闭合的中空顶气门中，中空顶气门的气门头密封地放置在相关的气门座环上。为了改进的散热，现在做出设置以使气门轴密封件设置有至少两个唇，其中油作为热交换介质而布置在气门轴与气门轴引导件之间。通过具有至少两个密封唇的气门轴密封件的使用，优化了气门轴引导件的区域中的油密封，凭此油能够保持在气门轴引导件的区域中而且用于最优的操作点，并且由此还使得能够获得从气门轴向气门轴引导件的最大的热转移。然而，通过将油保持在气门轴引导件与气门轴之间的中间空间中，不仅能够改进热转移、散热和温度管理，而且另外能够减少气门轴上的磨损和有害沉积。
在本发明的有益的进一步的发展中，气门轴引导件和/或气门座环具有比气门轴和气门头高的导热率，凭此转移到这些部件中的热能够快速地消散。通过由具有分别比气门轴或气门头更高的导热率的材料形成气门轴引导件和/或气门座环，还能够在气门头和气门轴的区域中实现改进的散热以及由此的改进的冷却和改进的温度管理，其中通过气门的改进的冷却使得在汽缸中能够实现功率密度的增加，这转而在根据本发明的内燃机的效率方面具有积极的效果。
在根据本发明的技术方案的有益的进一步的发展中，气门轴引导件由烧结金属或不含铁的金属制成，尤其是由黄铜制成。黄铜具有例如相比于钢的导热率明显更高的81与105W/mk之间的导热率λ，其通常分别构成气门头或者气门轴。钢具有大约46.5W/mk的导热率。分别通过这样的烧结金属或者这样的不含铁的金属，能够明显地改进气门轴引导件的区域中的散热，凭此在此理论上增加的功率密度也是可能的。分别通过布置在气门轴引导件与气门轴之间的油或者油膜，能够特别良好地进行热转移以及由此的从气门轴到气门轴引导件中的散热。
在根据本发明的内燃机的有益的进一步的发展中，通过钻孔和/或通过电化学加工(ECM)而在中空顶气门中产生空腔。在此例如能够通过简单的钻孔在气门轴中产生空腔，同时例如能够通过电化学加工在气门头中产生对应的空腔，凭此尤其是能够在气门头中创建适于气门头的外部几何结构的空腔的几何结构。由此，气门头的特别有效的冷却是可能的。
在根据本发明的技术方案的有益的进一步的发展中，中空顶气门中的空腔至少部分地填充有钠。通过使空腔至少部分地填充有在发动机运行期间为液态的钠，甚至从面向燃烧室的气门头在气门轴的方向上产生更好的热运送，其中通过所谓的振动效应(shakereffect)(即，用于在空腔中操作的液态钠的来回振动)进行中空顶气门的内部冷却。通过改进的冷却，尤其是还能够在汽缸的燃烧室中实现冷却器表面，凭此例如能够实现爆震极限(knocking limit)的转移以及因此的奥托发动机燃烧设计中的点火点的有利选择。通过优化这些过程，还能够实现燃料消耗的减少。
根据本发明，气门座环由具有熔渗铜的烧结金属制成。铜具有特别高的380W/mk的导热率λ，并且由此尤其是注定了优化的散热以及由此的气门头的优化的冷却。
根据本发明，气门轴具有包含铬或者包含碳化硼的涂层。通过气门轴上的这样的涂层，能够实现再次改进的热转移，因为气门轴的基础材料(即，通常为钢)只具有46.5W/mk的导热率λ的系数，然而包含铬的涂层例如为几乎两倍高的导热率。依据合金元素的比例，包含碳化硼的涂层还能够具有达到90W/mk的导热率λ以及由此相比于钢明显改进的导热率λ。在根据本发明的技术方案的进一步有益的实施例中，气门轴在气门轴引导件中布置有游隙(play)，尤其是布置有40μm<s<80μm的游隙s。这涉及相比于传统的标准气门系统明显增加的游隙，使得在气门轴与气门轴引导件之间的中间空间中能够落实到位更多的油以及因此的更大比例的热交换介质。然而，通过更大的轴游隙，不仅能够实现从气门轴到气门轴引导件的改进的热转移，而且能够另外实现改进的润滑特性。
在有益的进一步的发展中，气门座环具有铁基材料，所述铁基材料具有2-15％的铬、2-20％的钼、0.3-5.0％的钒、0.3-7.0％的钨以及<20％的钴，具有35-60HRC的硬度，以及熔渗铜，并且尤其是通过在1100-1200℃烧结而制造。
本发明的进一步重要的特征和益处由从属权利要求、附图以及通过附图辅助的相关附图描述显现。
应当理解的是，在没有脱离本发明的范围的情况下，上述的特征以及在下文中进一步说明的特征不仅能够在分别提出的结合中使用，而且还能够在其他结合中或者单独使用。
附图说明
本发明的优选示例实施例示出在附图中，并且在下面的描述中更加详细地说明。
单独的图1示出了气门区域中的穿过根据本发明的内燃机的截面图示。
具体实施方式
根据图1，根据本发明的内燃机1具有至少一个汽缸2以及至少两个中空顶气门3，其中在当前情况下分别只画出了一个汽缸2和相关的中空顶气门3，而第二中空顶气门布置在附图的平面的上方或下方。中空顶气门3在此具有气门轴4和气门头5，并且在相关的气门轴引导件6中被引导。还设置有气门座环7，如根据图1所示，当中空顶气门3关闭时各气门头5密封地位于所述气门座环7上。根据本发明，现在在至少一个中空顶气门3上设置有具有围绕气门轴4的至少两个密封唇9的气门轴密封件8，其中气门轴密封件8与气门轴引导件6固定地连接，并且在内燃机1的运行期间通过其至少两个密封唇9而沿着气门轴4的外周面滑动。油在此布置在气门轴4与气门轴引导件6之间，其中，该油不仅用于润滑，而且还用于散热，并且由此作为气门轴4与气门轴引导件6之间的热交换介质。
在本发明的有益的进一步的发展中，现在另外地，气门轴引导件6和/或气门座环7具有比气门轴4和气门头5更高的导热率λ，凭此在此还能够实现改进的热转移以及由此的改进的散热。
通常，气门轴4和气门头5由钢制成，其中中空顶气门3能够例如配置为构造的中空顶气门。依据合金元素的比例，钢通常具有大约46.5W/mk的导热率λ，然而气门轴引导件6和气门座环7由具有明显更高的导热率λ的材料制成。气门轴引导件6能够例如由烧结金属或不含铁的金属制成，尤其是由黄铜制成，其中黄铜例如具有81至105W/mk的导热率λ，并且由此具有明显比钢高的导热率λ。气门座环7转而能够同样例如由具有熔渗铜的烧结金属制成，其中铜尤其是经由大约380W/mk的高导热率λ而突出，并且由此同样能够实现改进的热转移和改进的散热以及由此的中空顶气门3的改进的冷却。
在有益的进一步的发展中，气门座环7具有铁基材料，所述铁基材料具有2-15％的铬、2-20％的钼、0.3-5.0％的钒、0.3-7.0％的钨以及<20％的钴，具有35-60HRC的硬度，以及熔渗铜，并且尤其是通过在1100-1200℃烧结而制造。
基本上，气门座环7能够如下地组成：
之前和在下文中命名的合金提供了如下巨大的益处：所述合金提供了高耐磨性、高负载能力以及部分的高导热率，并且能够用于多重燃料，以及酒精和燃气。
如能够从图1进一步看出的，中空顶气门3具有内部空腔10，所述内部空腔10部分地形成为穿过气门轴4并且终止在气门头5中的孔。在中空顶气门3中，空腔10通过电化学加工而在气门头5的区域中被另外地扩大，并且由此适于气门头5的外部几何结构。为了能够提高中空顶气门3的冷却，空腔10能够至少部分地填充有钠11，所述钠11由于其低熔点而在发动机的运行期间变为液体，并且由此通过所谓的振动效应带来中空顶气门3的冷却。通过该振动效应，尤其是经由气门轴4将热从汽缸2送走。
在根据本发明的内燃机的特别优选的实施例中，气门轴4具有包含铬或者包含碳化硼的涂层12，所述涂层12再次改进了从通常由钢组成的气门轴4的基础材料经由布置在气门轴4与气门轴引导件6之间的中间空间中的油到气门轴引导件6中的热转移。通过这样的涂层12，除了改进的热转移，还另外能够实现提高的耐磨性。
在根据本发明的技术方案的进一步有益的实施例中，气门轴4被呈圆锥形地构造，并且朝向气门头5变窄，使得其在气门头5的区域中具有比远离其的自由端小的外径。因此，尤其是在内燃机1的运行期间，直径差异由于温度而在气门头5的区域中在气门轴端13与气门轴4之间将被减小，并且由此尤其是防止了气门轴4在气门引导件6的区域中的堵塞。在内燃机1的运行期间，气门轴4在向气门头5的过渡处比在气门轴端13处暴露于明显更高的温度负荷，凭此由于温度而在向气门头5的过渡处发生更大的热膨胀。在此如果气门轴4的直径本身已经较小，则由于温度的热膨胀现在导致基本上相当于自由气门轴端13的直径的直径，使得在内燃机1的运行期间优选地存在几乎圆柱状的气门轴4。
在根据本发明的技术方案的进一步有益的实施例中，气门轴4具有游隙s(尤其是具有40微米<s<80微米的游隙s)地布置在气门轴引导件6中。通过该较大的游隙，能够在一方面的气门轴4与另一方面的气门轴引导件6之间创建环形空间，在所述环形空间中能够布置更多的油并且因此能够布置更多的热交换介质，然而，凭此，不仅能够实现改进的散热以及由此的改进的冷却和改进的温度管理，还能够实现气门轴4在气门轴引导件6中的改进的润滑以及由此的中空顶气门3在气门轴引导件6中的平稳的支承。
通过各个温度管理设置的组合，能够实现总计较大的冷却效果，这导致了中空顶气门3的明显改进的冷却以及由此的明显改进的温度管理，凭此尤其是在内燃机1的汽缸2中能够实现更大的功率密度。

Claims (11)

1.一种内燃机(1)，具有
-至少一个汽缸(2)，
-至少一个中空顶气门(3)，其具有气门轴(4)和气门头(5)，并且在气门轴引导件(6)中被引导，
-至少一个气门座环(7)，当所述中空顶气门(3)闭合时，相关的气门头(5)密封地放置在所述至少一个气门座环(7)上，
其特征在于
-设置有具有至少两个密封唇(9)的气门轴密封件(8)，
-油布置在所述气门轴(4)与所述气门轴引导件(6)之间，
-所述气门座环(7)由具有熔渗铜的烧结金属制成，
-所述气门轴(4)具有包含铬或者包含碳化硼的涂层(12)。
2.根据权利要求1所述的内燃机，
其特征在于
所述气门轴引导件(6)和/或所述气门座环(7)具有比所述气门轴(4)和所述气门头(5)高的导热率(λ)。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，
其特征在于
通过钻孔和/或通过电化学加工而在所述中空顶气门(3)中至少部分地制造空腔(10)。
4.根据权利要求3所述的内燃机，
其特征在于
所述空腔(10)从所述气门轴(4)延伸到所述气门头(5)中。
5.根据权利要求3或4所述的内燃机，
其特征在于
所述空腔(10)至少部分地填充有钠(11)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，
其特征在于
所述中空顶气门(3)形成为构造的、锻造的或者焊接的中空顶气门(3)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，
其特征在于
所述气门轴(4)呈圆锥形地构造，并且朝向所述气门头(5)变窄。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，
其特征在于
所述气门轴(4)具有游隙s地布置在所述气门轴引导件(6)中，尤其是具有40μm<s<80μm的游隙s。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃机，
其特征在于
所述气门轴引导件(6)由烧结金属或者不含铁的金属制成，尤其是由黄铜制成。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的内燃机，
其特征在于
所述气门座环具有铁基材料，所述铁基材料具有2-15％的铬、2-20％的钼、0.3-5.0％的钒、0.3-7.0％的钨以及<20％的钴，具有35-60HRC的硬度，以及熔渗铜。
11.根据权利要求10所述的内燃机，
其特征在于
所述气门座环(7)通过在1100-1200℃烧结而制造。
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