CN111271185A - 具有混合阀座插件的气缸盖组件 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃发动机的气缸盖组件包括主体、阀座插件和延伸穿过主体的至少一个流动通道。主体可以由第一材料形成并且限定凹陷部，该凹陷部构造成与相关的气缸孔和活塞配合以形成燃烧室。流动通道可以从凹陷部延伸穿过主体。阀座插件可以设置在凹陷部内，靠近流动通道的一端。阀座插件包括粉末金属导热层、粉末金属硬度层和粉末金属机械加工层，所述粉末金属导热层具有设置成与所述主体相邻的上侧。

Description

具有混合阀座插件的气缸盖组件

技术领域

本发明涉及一种气缸盖组件，其中阀座插件由至少三层不同的材料形成。

背景技术

耐磨性是对内燃发动机中使用的阀座插件的主要要求。为了实现良好的耐热性和耐腐蚀性以及机械加工性和耐磨性的组合，排气阀座插件已经作为铸造金属合金形成。考虑到内燃发动机的阀座插件必须在高温下长时间表现出高耐磨性，铸造金属合金通常优于其他材料。因此，希望阀座插件即使在高温下的反复冲击载荷下也具有高硬度特性，这种高硬度特性包括但不限于高抗蠕变强度和高热疲劳强度。

阀座插件可以使用粉末金属形成，因为粉末金属具有低压缩性。因此，诸如双压、双烧结和高温烧结之类的工艺用于实现期望的密度水平。因此，阀座通常由与气缸盖本身的材料不同且比其更硬的金属制成，以便提供高耐磨性、高耐热性和可靠密封。因此，当在阀座插入到气缸盖结合部后进行机械加工时，由于用于形成阀座插件的材料表现出高硬度特性，因此很难进行加工以及以高精度进行最后的精细加工。

应当理解，传统的阀座被首先插入到气缸盖或发动机缸体中，其中阀座插件使用过盈配合安装到气缸盖中，以实现可靠的保持。一旦正确定位在气缸盖内，然后对阀座插件进行精加工以获得所需的插入高度。

发明内容

本公开提供了一种用于内燃发动机的气缸盖组件，其中气缸盖组件包括主体、阀座插件和至少一个延伸穿过主体的流动通道。主体可以由第一材料形成并且限定凹陷部，该凹陷部构造成与相关的气缸孔和活塞配合以形成燃烧室。流动通道可以从凹陷部延伸穿过主体。阀座插件可以设置在凹陷部内，靠近流动通道的一端。阀座插件可以是烧结部件，该烧结部件包括粉末金属导热层、粉末金属硬度层和粉末金属机械加工层，其中粉末金属导热层具有设置成与主体相邻的第一侧。设置在阀座插件中的粉末金属机械加工层具有暴露于相关的气缸孔和活塞的第二侧。

粉末金属导热层可以具有，但不一定具有大于约350W/(m-K)的导热率。粉末金属硬度层可以具有，但不一定具有大于约Rc 35的硬度。粉末金属机械加工层可以包括，但不一定包括，但不限于钢合金。应当理解，粉末金属硬度层可以设置在粉末金属机械加工层与粉末金属导热层之间。

在本公开的另一实施方案中，在阀座插件中可以进一步包括第一过渡区和第二过渡区。第一过渡区可以被限定在粉末金属导热层与粉末金属硬度层之间，而第二过渡区可以被限定在粉末金属硬度层与粉末金属机械加工层之间。第一过渡区包括来自导热层和硬度层的粉末金属的第一混合物，而第二过渡区包括来自粉末金属硬度层和粉末金属机械加工层的粉末金属的第二混合物。应当理解，由于在进行烧结过程之前来自相邻层的粉末金属彼此混合，从而形成了第一过渡区和第二过渡区。

通常，应当理解的是，在进行机械加工之前和烧结金属粉末层之后，阀座插件可以设置成环的形式。在本发明的另一实施方案中，阀座插件还可以包括沿着环的内表面设置的二次硬度层，其中二次硬度层位于导热层与机械加工层之间。类似于硬度层，粉末金属二次硬度层可以具有，但不一定具有大于约Rc35的硬度。

无论阀座插件中各层的各种构造如何，机械加工层的一部分都构造成远离阀座插件进行机械加工，以便在阀座插件安装到气缸盖中之后缩短阀座插件的高度。

从参考附图考虑的以下详细描述，本公开及其特定特征和优点将变得更加明显。

附图说明

从以下详细说明、最佳模式、权利要求和附图将明白本公开的这些和其他特征和优点，其中：

图1A是示出根据本公开的各种实施方案的气缸盖组件的剖视图；

图1B是图1A的阀和阀座插件的放大视图。

图2示出了图1A的阀座插件相对于流动通道的放大视图。

图3A示出了在对阀座插件进行精细加工之前本公开的阀座插件的第一实施方案。

图3B示出了在对阀座插件进行精细加工之前本公开的阀座插件的第二实施方案。

图4A示出了在对阀座插件进行精细加工之后图3A的阀座插件的第一实施方案。

图4B示出了在对阀座插件进行精细加工之后图3B的阀座插件的第二实施方案。

图5示出了第三实施方案的阀座插件，其中过渡区仅作为实例示出。

在整个附图的若干视图的描述中，相同的附图标记指代相同的零件。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的目前优选的成分、实施方案和方法，这些成分、实施方案和方法构成本发明人目前已知的实施本公开的最佳模式。附图不一定按比例。然而，应该理解，所公开的实施方案仅仅是可以以各种和替代的形式实施的本公开的示例。因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而仅仅作为本公开的任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。

除了在实例中或另外明确指出之外，本说明书中表示材料的量或反应条件和/或用途的所有数值都应理解为在描述本公开的最宽范围时由词语“约”修饰。通常优选在所述数值范围内的实践。此外，除非另有明确说明：百分比、“份数”和比值是按重量计；对于与本公开相关的给定目的而言适合或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或类别中的任何两个或更多个成员的混合物同样适合或优选；首字母缩写词或其他缩写词的第一定义适用于本文中相同缩写词的所有后续用法，并适用于最初定义的缩写词的正常语法变体；并且，除非另有明确说明，否则对某一性质的度量是通过与之前或之后针对同一性质引用的相同技术所确定的。

还应理解，本公开不限于下面描述的具体实施方案和方法，因为具体的部件和/或条件当然可以变化。此外，本文中使用的术语仅用于描述本公开的特定实施方案的目的，并不旨在以任何方式进行限制。

还必须注意，如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括多个指代物，除非上下文另有明确说明。例如，以单数形式对部件的引用旨在包括多个部件。

术语“包括”与“包含”、“具有”、“含有”或“由其表征”同义。这些术语是包含性的，且开放式的，并且不排除另外的、未列举的元素或方法步骤。

短语“由......组成”排除了权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。短语“基本上由......组成”将权利要求的范围限制于指定的材料或步骤，以及不会实质上影响所要求保护的主题的一个或多个基本和新颖特征的那些材料或步骤。

可以替代地使用术语“包含”、“由......组成”和“基本上由......组成”。在使用这三个术语之一的情况下，当前公开和要求保护的主题可以包括使用其他两个术语中的任一个。

在本申请中，在引用出版物的情况下，这些出版物的全部公开内容通过引用结合到本申请中，以更全面地描述本公开所属领域的现有技术。

以下详细描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开或本公开的应用和使用。此外，无意受前述背景技术或以下详细描述中提出的任何理论的约束。

本发明提供一种发动机缸盖组件10，其中阀座插件18由各种粉末金属层形成。本发明的粉末金属混合物/层可用于发动机阀的阀座插件。应该立即明白的是，根据本发明的粉末金属组件同样适用于其他应用。诸如利用根据本发明的粉末金属布置构造的阀座插件之类的发动机气门机构部件也可以用作进气阀座插件以及排气阀座插件部件。

参考图1A，示出了根据本公开的各种实施方案的气缸盖组件10，其中气缸盖组件10通常被指定用于发动机11。气缸盖组件10包括主体24(其本身可称为气缸盖)和多个阀12，其中每个阀12都容纳在相应的阀杆引导件14的内孔15内，并可做往复运动。阀杆引导件14和阀设置在主体24内，如图1A所示。阀杆引导件14是插入到主体24中的管状结构，而混合阀座插件18设置在由主体24限定的凹陷部27(参见图1B)内。本发明不限于任何特定结构，因为各种制造商可提供修改和替代结构。提供这些阀组件图是出于说明的目的，以便于更好地理解本发明。

现在参考图1B，气缸盖组件10中的每个阀12都包括插设在顶盖26与阀12的倒圆角28之间的阀密封面16。阀杆20通常位于颈部28的上方，并且通常容纳在阀杆引导件14内。如图所示，阀座插件18安装在由发动机11的主体24限定的凹陷部27内。优选地，插件18是具有所示的横截面的环形，并且共同接收阀密封面16，如图1A-1B所示。现在将参考图2描述阀座插件18的构造和阀座插件18相对于在流动通道23的开口22处限定在主体24中的配合凹陷部27的位置。

现在参考图2，示出了气缸盖组件10的第二放大剖视图，其中流动通道23与阀杆引导件14和阀座插件18相交。如本文将描述的，阀座插件18具有冶金构造。该阀座插件18通过过盈配合保持在主体24中。这种过盈配合的结果是，在将阀座插件18安装到凹陷部27中时，主体24的一部分材料可以弹性变形。应当理解，一旦阀座插件18定位在凹陷部27内，就可以对每个阀座插件18执行精细加工过程，以便将阀座插件18的高度54(参见图2)减小到高度54'(图2)。还应理解的是，还执行精细机械加工过程以使阀12的密封面16(图1B)适当地对准阀座插件的锥形表面30(图1B)。通过适当的对准，提高了发动机11的燃烧性能。应该注意的是，主体24的合金通常具有相同化学成分和相同物理结构，在邻近阀座插件的区域需要进行稍微的硬化处理的情况除外。用于主体24的示例性、非限制性合金可以是铝合金，例如但不限于合金319和合金356铝合金，或者也可以使用其他轻合金。

现在参考图3A-5，根据本公开的各种实施方案，示出了示例性、非限制性阀座插件18。图3A-3B示出了在进行精细机械加工过程之前的示例性、非限制性阀座插件，而图4A-4B示出了图3A-3B的阀座插件在每个相应的阀座插件经历如图4A-4B所示的精细机械加工过程之后的情形。一旦对阀座插件18完成了精机械加工过程，本公开的每个阀座插件18都可以形成有圆柱形内表面32，该圆柱形内表面的轴向长度相对较短，并且该内表面融合成逐渐变细的锥形表面30。如图所示，逐渐变细的锥形表面30(图4A-4B)设置在阀座插件的第二侧34(燃烧侧34)。锥形表面30是与如图1B所示的阀12的密封面16相接的就座表面。

因此，返回参考图1A，本公开提供了一种用于内燃发动机11的气缸盖组件10，其中气缸盖组件10包括主体24、阀座插件18和至少一个延伸穿过主体24的流动通道23(图2)。参考图2，流动通道23可以是进气通道，而流动通道23'可以是排气通道。主体24可以由第一材料形成，并且可以限定凹陷部27(图1B和图2)，该凹陷部构造成与相关联的气缸孔21(图1A)和活塞(未示出)配合以形成燃烧室25。如图2所示，流动通道23、23'可以从相应的凹陷部27延伸穿过主体24。阀座插件18可以设置在相应的凹陷部27内，靠近相应的流动通道23、23'的端部19、22。在图2中，阀座插件18显示为处于机械加工前状态56和机械加工后状态56'。尚未进行机械加工的阀座插件18、56以虚线示为元件56，而已经过机械加工的阀座插件18、56'以实线示为元件56'。

现在参考图3A-5，阀座插件18可以是烧结部件，该烧结部件包括至少三层不同的粉末金属层，以便获得所需的耐磨特性、导热特性和易加工特性。如所指出的那样，图3A-3B示出了在阀座插件18、56被机械加工之前阀座插件18、56的示例性、非限制性实施方案。图4A-4B分别示出了图3A和3B的阀座插件18在阀座插件18、56'被机械加工之后的情形。如图3A-4B所示，设置在阀座插件18中的第一层可以是导热层40。阀座插件18的导热层40增强了相应气缸的燃烧性能。如图3A-4B所示，粉末金属导热层40限定阀座插件18的杆侧38或第一侧38，第一侧38设置成与主体24相邻—特别是与由主体24限定的凹陷部27的基部29相邻，如图1B所示。应当理解，在本公开中，杆侧38也可以被称为阀座插件18的第一侧38。

除导热层40以及粉末金属机械加工层44之外，本公开的阀座插件18还包括至少一个粉末金属硬度层42、42'。(参见图3A-3B)。提供粉末金属硬度层42是为了改善阀座插件18的耐磨特性。参考图3A-3B，硬度层42可以设置在导热层40与机械加工层44之间，其中硬度层42的一部分限定阀座插件18的圆柱形内壁32的第二区域31。如图3A-3B所示的示例性、非限制性阀座插件所示，在对阀座插件18执行精细加工过程之前，机械加工层44可以(但不一定)限定圆柱形内壁32的第三区域35。然而，在图4A-4B中，分别示出了在这种阀座插件18分别经历了机械加工过程之后，图3A和3B的阀座插件18。与图3A相对照，图4A示出了图3A的阀座插件18在精细加工过程完成之后的情形，其中圆柱形内壁32的第三区域35(图3A)已经通过精细加工过程被去除。作为精细加工过程的结果，在阀座插件18中限定逐渐变细的锥形表面30(图4A)。类似地，与图3B相对照，图4B示出了图3B的阀座插件18在阀座插件18已经经过精细加工过程之后的情形。类似地，圆柱形内壁32的第三区域35(图3B)可以通过精细加工过程来去除，从而留下被限定在阀座插件18中的逐渐变细的锥形表面30(图4B)。考虑到机械加工层44与阀座插件18中的其他层相比相对较软并且限于圆柱形内壁的第三区域35，机械加工层44构造成能够容易地从阀座插件18去除这种材料，以便在阀座插件18中实现期望的缩短的高度54'(参见图4A-4B)。阀座插件的原始高度被确定为以便能够在批量生产期间将阀座插件高效地安装到气缸盖中。由此产生的减小的高度有利于高效的发动机操作。因此，如图4A-4B所示，经过机械精细加工的阀座插件56'的硬度层42可以限定阀座插件18的第二侧34(图4A-4B)，其中第二侧34(参见图1B)暴露于或面向相关的气缸孔21和活塞(未示出)。如所指出的那样，机械加工层44最初作为位于阀座插件18的第二侧34处的阀座插件18的一部分形成(在烧结过程中)，以便于随后的机械加工过程—其中，实现阀座插件上的精确表面切割。如所指出的那样，阀座插件18与阀12的密封面16接合，如图1B所示。由于在烧结的阀座插件18中实现了特殊的机械加工层44，因此当通过机械加工过程(未示出)实现阀座插件18的期望的缩短高度54'时(图2、4A-4B)，机械加工工具经受的损耗和磨损减少。

参考图3A-5中所示的非限制性实例，借助于粉末金属导热层40，能够在燃烧室内进行高效的热管理，并且因此改善燃烧室的燃烧性能。导热层40可以具有，但不一定具有大于约350W/(m-K)的导热率。导热层40可以，但不一定由一种或多种铜含量高的烧结材料形成。也如图3A-5的非限制性实例所示出的，阀座插件18中的粉末金属硬度层42可以具有，但不一定具有大于约Rc35的硬度。如图3A-3B的非限制性实例中所示，硬度层42可以向上延伸到圆柱形内壁，和/或硬度层42可以跨越阀座插件18的宽度53(图3A)，同时在烧结过程中最初定位在导热层40与机械加工层44之间。然而，如图3B和4B所示，硬度层42可以仅位于导热层的一部分与机械加工层44的一部分之间。因此，在图3A-4B所示的布置中，硬度层42可以主要构造成限定内圆柱形壁32的第二区域31。因此，圆柱形内壁粉末金属机械加工层44的第二区域31可以包括，但不一定包括，但不限于高合金钢烧结材料等。如前所述，当烧结插件18时，如图3A-B的非限制性实例所示，粉末金属硬度层42可以(但不一定)最初设置在粉末金属机械加工层44与粉末金属导热层40之间。可以如图3A-5中所示的非限制性实例所述的那样来布置上述粉末金属层，以便在阀座插件18的预定区域中提供每层的所需材料特性。

现在参考图5，在阀座插件18的任何实施方案中可以进一步包括过渡区48。过渡区48可以限定在粉末金属导热层40与硬度层42之间。过渡区48包括来自导热层40和硬度层42的粉末金属的混合物62。应当理解，由于在进行烧结过程之前来自相邻层的粉末金属彼此混合，因此可以形成过渡区48。

通常，应理解的是，在进行机械加工之前但在烧结粉末金属层之后，阀座插件18可以设置成如图3A-5所示的环状构造的形式。此外，在本公开的又一个实施方案中，阀座插件18还可以包括沿着环的内表面32(与硬度层42分开)设置的二次硬度层42'(在图3A和4A中以虚线示出)，其中，二次硬度层42'也位于导热层与机械加工层之间。类似于硬度层42，粉末金属二次硬度层42'可以具有，但不一定具有大于约Rc35的硬度。然而，还应理解，二次硬度层可以与硬度层42成一整体，以便形成可以具有非线性构造的单层—如实线所示。

无论硬度层42、42'和导热层40的各种构造如何，机械加工层44在机械加工(精细加工)过程之前限定阀座插件18的第二侧34(图3A-3B)。机械加工层44构造成可经由加工工具等从阀座插件18去除，以便在阀座插件18设置在主体24(或气缸盖24)的凹陷部27内之后将阀座插件18的高度54(图3A-3B)缩短到高度54'(参见图2、图4A-4B)。如所指出的那样，气缸盖24或主体24可以经由铸造过程形成，并且气缸盖可以限定凹陷部27，该凹陷部进一步限定基部29，该基部可以在安装时与阀座插件18的第一侧38接触(参见图1B)。

参考阀座插件18，可以理解的是，阀座插件18与发动机11的提升式进气和排气阀接触，如图1B所示。因此，本公开的阀座插件18必须表现出良好的耐磨性。应当理解，在阀座插件中的前述非限制性实例的预定区域处的硬度层使得阀座插件18能够表现出良好的耐磨性。另外，由于阀12本身主要通过从提升式阀头经过阀座插件18向气缸盖24(或主体24)传递热量而冷却，阀座插件18的高导热率也是重要的。根据本公开的各种实施方案，通过设置在阀座插件18中的导热层40来实现高导热性。

虽然在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施方案，但是应该理解存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施方案仅是实例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或构造。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施方案的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (9)

1.一种用于内燃发动机的气缸盖组件，包括：

主体，由第一材料形成并限定凹陷部，所述凹陷部构造成与相关的气缸孔和活塞配合以形成燃烧室；

至少一个流动通道，从所述凹陷部延伸穿过所述主体；以及

阀座插件，设置在所述凹陷部内，靠近所述至少一个流动通道的一端，

其中所述阀座插件包括粉末金属导热层、粉末金属硬度层和粉末金属机械加工层，所述粉末金属导热层具有设置成与所述主体相邻的上侧，并且所述粉末金属机械加工层具有暴露于所述相关的气缸孔和活塞的下侧。

2.根据权利要求1所述的气缸盖组件，其中，所述粉末金属导热层具有大于350W/(m-K)的导热率，所述粉末金属硬度层具有大于Rc35的硬度，所述粉末金属机械加工层包括高速切削钢合金。

3.根据权利要求2所述的气缸盖组件，其中，所述粉末金属硬度层设置在所述粉末金属机械加工层和所述粉末金属导热层之间。

4.根据权利要求2所述的气缸盖组件，进一步包括：

被限定在所述粉末金属导热层与所述粉末金属硬度层之间的过渡区；

其中所述过渡区包括来自所述导热层和所述硬度层的粉末金属的混合物。

5.根据权利要求2所述的气缸盖组件，其中，所述阀座插件通过烧结过程形成。

6.根据权利要求5所述的气缸盖组件，其中，所述阀座插件限定环状构造。

7.根据权利要求6所述的气缸盖组件，进一步包括沿着所述环的内表面设置的二次硬度层，其中，所述二次硬度层位于所述导热层与所述机械加工层之间。

8.根据权利要求6所述的气缸盖组件，其中，所述机械加工层的全部或一部分构造成可远离所述阀座插件对其进行机械加工。

9.根据权利要求7所述的气缸盖组件，其中，所述机械加工层的一部分构造成可远离所述阀座插件对其进行机械加工。

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