CN112392568A - 用于长寿命天然气贫燃发动机的阀座插入件 - Google Patents

用于长寿命天然气贫燃发动机的阀座插入件 Download PDF

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CN112392568A CN202010801307.7A CN202010801307A CN112392568A CN 112392568 A CN112392568 A CN 112392568A CN 202010801307 A CN202010801307 A CN 202010801307A CN 112392568 A CN112392568 A CN 112392568A
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A·A·哈提亚加迪
P·D·斯莫利奇
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Abstract

本发明涉及用于长寿命天然气贫燃发动机的阀座插入件。一种发动机的阀座插入件具有阀座表面，该阀座表面包括形成用于在早期磨损状态下接触阀的第一磨损冠部的外弯曲段、形成用于在后期磨损状态下接触阀的第二磨损冠部的内弯曲段，以及在外弯曲段与内弯曲段之间延伸的线性段。顶部流动冠部从发动机缸盖径向地向内偏离，并且从顶部流动冠部延伸的倾斜段相对于阀座中心轴成锐角定向。

Description

用于长寿命天然气贫燃发动机的阀座插入件
技术领域
本发明总体上涉及发动机阀和相关联的硬件，并且更具体地涉及一种用于进气阀或排气阀的阀座插入件，该阀座插入件被配置成用于为内燃机提供长寿命的天然气贫燃。
背景技术
在内燃机中使用换气阀，控制气缸与进气或进气和其他例如再循环排气的气体之间的流体连接，或控制气缸与排气歧管之间的流体连接，以在运行期间排出燃烧产物。已知其中单个进气阀和单个排气阀与发动机中的每个气缸相关联的设计，以及其中每个相应类型的多个换气阀与每个气缸相关联的设计。通常以发动机一半速度旋转的凸轮轴与气门挺杆、横臂、摇臂和/或用于在适当的发动机定时控制换气阀的打开和关闭的其他设备联接。
换气阀移动，与发动机缸盖或发动机缸盖内的阀座插入件接触或不接触，实现其打开和关闭动作。换气阀可以在很大的机械力作用下在其打开和关闭位置之间移动。气缸内环境与几百度的燃烧温度以及相对高的压力相关联。这些和其它因素导致换气阀的操作条件相当苛刻。已经观察到，换气阀和阀座或阀座插入件可以随着时间显示出被称为阀凹陷的现象。在发动机的使用寿命期间，或者在使用间隔之间，换气阀和其阀座之间的接触可以达到数百万甚至可能数十亿次。苛刻的条件和大量的冲击可导致制成换气阀和/或阀座的材料磨损和/或变形，使得阀朝向或进入发动机盖“凹陷”超过所需的程度。其中阀座凹陷变得严重到足以损害发动机操作或性能，有时需要所谓的顶端过早检修。工程师已经试验了各种不同的技术，试图改善阀座凹陷的程度和效果以及其它的阀磨损模式。试图重新设计阀或阀座的持续挑战是改变几何形状对气流或其它操作特性的通常不可预测的影响。气流模式和/或效率可影响气缸内的压力和温度，燃料和空气混合物的组成，或可能影响排放物减少策略、发动机效率、热耗散或热疲劳的其它参数，或其它参数。
在某些类型的发动机中，使用天然气。在这样的应用中，由本发明的申请人制造的天然气压缩贫燃G3500 ULB/J型发动机被一些人认为是长的顶端寿命和耐久性的行业领导者。然而，该领域的持续改进是有必要的。
申请号为KR20040045752A的韩国公开专利公开了由阀和阀座之间的界面形成的角度可以是预定的。然而，该参考文献没有公开如何在保持期望的发动机性能的同时延长阀座的寿命。
发明内容
在一个方面，用于内燃机的发动机缸盖组件包括具有形成在其中的流体导管的发动机缸盖和阀。阀座插入件至少部分地定位在发动机缸盖内并且限定阀座中心轴，所述阀座中心轴在构造成面向内燃机中的气缸的第一轴向端面与第二轴向端面之间延伸。所述阀座插入件还具有形成喉部的内周面、外周面和阀座表面。所述阀座表面在外形上包括形成用于在早期磨损状态下接触所述阀的第一磨损冠部的外弯曲段，形成用于在后期磨损状态下接触所述阀的第二磨损冠部的内弯曲段，以及在所述外弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的线性段；所述内周面在外形上包括形成顶部流动冠部的上弯曲段和在所述上弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的倾斜段。所述上弯曲段与所述第二轴向端面过渡，所述顶部流动冠部从所述发动机缸盖径向地向内偏离。所述倾斜段相对于阀座中心轴以锐角定向，使得内周面形成文氏管以加速进入气缸的气体流入，或者用作扩散器以减速来自气缸的气体流出。
在另一方面，一种用于内燃机中的进气阀的阀座插入件包括环形插入件本体，所述环形插入件本体限定阀座中心轴，所述阀座中心轴在构造成面向内燃机中的气缸的第一轴向端面与第二轴向端面之间延伸。所述环形插入件本体进一步具有内周面、外周面和阀座表面，所述内周面界定经构造以将所述气缸流体连接到发动机缸盖中的进气导管的喉部，所述阀座表面用于接触在所述第一轴向端面与所述内周面之间延伸的进气阀。所述阀座表面在外形上包括形成用于在早期磨损状态下接触所述进气阀的第一磨损冠部的外弯曲段，形成用于在后期磨损状态下接触所述进气阀的第二磨损冠部的内弯曲段，以及在所述外弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的线性段。所述内周面在外形上包括形成顶部流动冠部的上弯曲段和在所述上弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的倾斜段。上弯曲段与第二轴向端面过渡。所述倾斜段相对于所述阀座中心轴以约5°或更大的锐角从所述上弯曲段径向地向内延伸，使得所述内周面形成文氏管以便加速进入所述气缸的气流。
在另一方面，一种用于内燃机中的排气阀的阀座插入件包括环形插入件本体，所述环形插入件本体限定阀座中心轴，所述阀座中心轴在构造成面向内燃机中的气缸的第一轴向端面与第二轴向端面之间延伸。所述环形插入件本体进一步具有内周面、外周面和阀座表面，所述内周面界定经构造以将所述气缸流体连接到发动机缸盖中的进气导管的喉部，所述阀座表面用于接触在所述第一轴向端面与所述内周面之间延伸的进气阀。所述阀座表面在外形上包括形成用于在早期磨损状态下接触所述进气阀的第一磨损冠部的外弯曲段，形成用于在后期磨损状态下接触所述进气阀的第二磨损冠部的内弯曲段，以及在所述外弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的线性段。所述内周面在外形上包括形成顶部流动冠部的上弯曲段和在所述上弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的倾斜段。所述上弯曲段与所述第二轴向端面过渡，并且所述倾斜段相对于所述阀座中心轴以约9°或更大的锐角从所述上弯曲段径向地向内延伸，使得所述内周面形成扩散器以使来自所述气缸的流出气体流动减速。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的内燃机的截面侧视图解视图；
图2是根据本发明的一个实施例的可以在图1的内燃机中使用的阀座插入件的示图；
图3是穿过图2的阀座插入件的截面图；
图4是根据本发明的一个实施例可以在图1的内燃机中使用的换气(进气)阀和阀座插入件的部分的截面侧视图解视图；
图5是取自图4的圆圈5的细节图；
图6是根据本发明的另一个实施例可以在图1的内燃机中使用的换气(排气)阀和阀座插入件的部分的截面侧视图解视图；
图7是沿图6的圆圈7截取的详细视图；
图8是根据本发明的不同实施例和原理，在进气阀或排气阀附近的发动机盖的阀座插入件与之前的设计相比的对比图，以显示减小的接触应力(压力)；
图9是根据本发明和先前设计的排气口设计的阀门升程/直径与流量系数相比的曲线图；
图10是根据本发明与先前设计的进气端设计的阀门升程/直径与流量系数相比的曲线图；并且
图11是根据本发明与先前设计的排气口设计的阀门升程/直径与涡流数相比的曲线图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其示例在附图中示出。在所有附图中，尽可能使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。在一些情况下，在本说明书中将指示参考数字，并且附图将显示一些后面是字母，例如，100a、100b，或后面加撇号指示符，如100’、100”等的参考数字。应当理解，在参考数字之后立即使用字母或撇号表示这些特征具有类似的形状并且具有类似的功能，例如当几何结构关于对称平面成镜像时通常是这种情况。为了在本说明书中容易解释，字母或撇号通常不包括在本文中，而是可以在附图中示出，指示在本书面说明书中讨论的特征的重复。
参见图1，示出了根据一个实施例的内燃机，该内燃机包括具有气缸体14的发动机壳体12，气缸体14中形成有气缸16。内燃机10(下文中称为“发动机10”)可以是多种发动机中的任一种，包括压燃式柴油发动机、火花点火式汽油发动机、构造为使用在标准温度和压力下呈气态的燃料运行的气体燃料发动机、双燃料发动机或其他发动机。在压燃式柴油发动机应用中，例如直接喷射式柴油发动机，合适的燃料可包括柴油馏分燃料、生物柴油、这些的共混物或其它。对于在此特别讨论的实施例，发动机可以用天然气为燃料运行，例如由本发明的申请人制造的G3500 ULB/J型发动机。其它应用被认为在本发明的范围内。
发动机缸盖18联接到气缸体14并且具有形成在其中的第一换气导管20和第二换气导管21。换气导管20和21中的每一个可以是构造成与进气歧管流体连接的进气导管或构造成与排气歧管连接的排气导管。在实际的实施策略中，换气导管20是进气导管，换气导管21是排气导管。
活塞32可在气缸16内在下止点位置和上止点位置之间移动，并以通常传统的方式通过连杆34联接到曲轴(未示出)。发动机10可以包括以任何合适的构型布置的任何数量的气缸，例如V形构型、直列式构型或其他构型。发动机缸盖18可以包括与发动机10中的所有多个气缸相关联的整体式发动机缸盖，或者可以是多个单独的发动机缸盖部分中的一个，每个发动机缸盖部分与少于发动机10中的所有气缸相关联。
发动机10还包括第一换气阀24和第二换气阀25，第一换气阀24可包括进气阀，第二换气阀25可包括排气阀。换气阀24，包括其结构和操作的方面，在此以单数形式讨论，然而，应当理解，换气阀24的描述可以类似地应用于发动机10内的任何其他换气阀，除非另有说明。换气阀24示出为相对于活塞32的往复运动方向大致垂直定向，然而，还应当理解，其它构型，例如对角定向的换气阀也在此考虑。换气阀24还包括连接到阀头26的轴或杆28。阀横臂30等可以联接到换气阀24，使得换气阀24可以与另一个换气阀(未示出)一起在打开和关闭位置之间移动，例如响应于凸轮轴的旋转和摇臂、气门挺杆组件和/或其他仪器的移动。复位弹簧36以通常传统的方式与换气阀24联接，将阀偏压向关闭位置。
发动机10还包括发动机缸盖组件11，发动机缸盖组件11由发动机缸盖18和分别与换气阀24和25相关联的多个阀座插入件38和39形成。换气阀24和类似的发动机10的其它换气阀可在关闭阀位置和打开阀位置之间移动。在关闭阀位置，内阀面46接触阀座插入件38，而换气阀25接触阀座插入件39。在关闭位置，气缸16被阻止与相应的换气导管20和21流体连通。在打开阀位置处存在流体连通。外阀面44或燃烧面朝气缸16定向。如从以下描述中还将进一步清楚的，阀座插入件38以及可能还有阀座插入件39与对应的换气阀24和25一起构造成在发动机10的使用寿命或使用间隔的过程中减缓和改变阀凹陷这一特征，并且提供至少与已知设计一样有效并且可能相对于已知设计得到改进的进气流特性。
现在也参考图2和图3，图中更详细地示出了阀座插入件38。还将理解的是，阀座插入件38的某些特征的描述将被理解为指的是在此讨论和考虑的其他阀座插入件的类似特征，除了在上下文中另外指出或清楚的地方。阀座插入件38包括环形的单件式插入件本体40，该插入件本体40例如通过过盈配合至少部分地定位在发动机缸盖18内，并且限定阀座中心轴42。插入件本体40可以由诸如高合金硬化钢或工具钢的钢铸造和机加工而成。
阀座插入件38还包括面向气缸16的第一轴向端面48、第二轴向端面50、限定喉部54的内周面52、外周面56和在第一轴向端面48和内周面52之间延伸的阀座表面59，所述喉部54流体定位在气缸16和换气导管20之间以流体连接两者。阀座中心轴42在第一轴向端面48和第二轴向端面50之间延伸。内周面52是大致圆锥形的，或者可以具有圆锥形部分，并且可以进一步看到，以在第二轴向端面50的方向上形成锥形开口。内周面52和/或其组成表面或者形成朝向喉部54变窄的文氏管55，在换气阀24(进气阀)打开时加速进入气缸16的气体流，补偿某些阀座差异或者甚至改进较早的设计，具有其它或没有特殊修改以消除或延缓阀座凹陷的进展。可替代地，内周面152可以形成扩散器55'，以便当气体流被施加到排气阀(见图6)时，使来自气缸16的流出气流减速。
如在此参考图2和图3进一步讨论的，阀座插入件38可以具有比某些现有设计成比例地更大的阀座表面积，以及用于换气的稍微更小的可用流动面积，具有对否则可能期望降低性能的改进的文氏管加速的流动补偿，或多于补偿。外周面56具有圆柱形形状并且可以定位在距阀座中心轴42的均匀距离处。在实现方式中，阀座插入件38是“干的”，意味着不使用通过发动机冷却剂等的额外冷却。外周面56可以不中断地抵靠发动机缸盖18，使得当阀座插入件38定位在发动机缸盖18内用于使用时，例如通过过盈配合，不存在背面冷却空隙，或不存在形成为阀座插入件38提供液体冷却的其他空腔。倒角49可以在外周面56与第二轴向端面50之间延伸。对于排气阀应用可以做出类似的陈述。
现在也参考图4和图5，可以回想，阀座插入件38构造成减慢并影响由阀和阀座之间的接触引起的某些磨损模式随时间的进展。阀座插入件38包括如上所述在第一轴向端面48和内周面52之间延伸的阀座表面59。阀座表面59可以成形为限制阀凹陷，并且在外形上包括邻近第一轴向端面48的外线性段60、邻近外线性段60并与外线性段60过渡的外弯曲段62、邻近外弯曲段62并与外弯曲段62过渡的内线性段66、邻近内线性段66并与内线性段66过渡的内弯曲段68。内线性部分66可以理解为由中间表面形成，该中间表面在外弯曲段62和内弯曲段68之间延伸并与外弯曲段62和内弯曲段68过渡，外形为线性。
与……过渡、过渡及相关术语可以理解为一个线段的端点也是相邻线段的端点。外弯曲段62形成用于在早期磨损状态下接触换气阀24的第一磨损冠部64，内弯曲段68形成用于在后期磨损状态下接触换气阀24的第一磨损冠部64的径向地向内和轴向向内的第二磨损冠部70，其中内线性段66在外弯曲段62和内弯曲段68之间延伸。这里使用的术语“轴向向内”应理解为是指沿着阀座中心轴42朝向轴42的线段的中点的方向，该线段对应于阀座插入件38的整个轴向长度尺寸。“轴向向外”是指远离该中点的相反方向。“径向地向内”和“径向地向外”是常规使用的术语。
当阀座插入件38和换气阀24首次使用时的初始接触可发生在内阀面46和第一耐磨冠部64之间的接触带上。当各个部件变形和磨损时，它们可以从早期磨损状态过渡到全面接触，再到后期磨损状态。在早期磨损状态中，部件具有形成在内阀面46和第一磨损冠部64之间的线接触或几乎线接触带，在全面接触处内阀面46基本上平行于并完全接触外弯曲段62和内线性段66的一部分，在后期磨损状态下保持了全面接触，但也过渡为与第二磨损冠部70接触。应当理解，术语“早期磨损状态”和术语“后期磨损状态”在本文中相对于彼此使用，不一定意味着“早期”预期为新的，“后期”预期为稍后的，尽管这些术语可以应用于实际情况中。相对于阀座表面59的外形而示出的某些基本原理可应用于多个不同的实施例，其中一些实施例具有附加的或可选的结构细节，如本文进一步讨论的。
内周面52在外形上还包括倾斜段71，该倾斜段71是线性的并在形成第二磨损冠部70的内弯曲段62和形成顶部流动冠部75的上弯曲段73之间延伸。上弯曲段73以及顶部流动冠部75可以由具有约0.8毫米至约1.2毫米的尺寸的半径形成，并且在一个改进中可以是约1.0毫米。如本文所使用的，术语“半径”是指物理表面结构，而半径“尺寸”是指由该物理表面结构限定的圆的几何半径的尺寸。在本文中，半径可以包括单个半径或多个半径、变化的半径、样条、椭圆等。
倾斜段71可以围绕阀座中心轴42周向延伸并且相对于轴42以锐角77定向，该锐角77可以围绕阀座中心轴42周向均匀，等于约5°或更大，并且更具体地约6°至约8°，并且在一些实施例中可以是约7°。倾斜段71可以进一步与上弯曲段73和内弯曲段68中的每一个过渡(可以插入包括直线、曲线等的其它几何形状)，其中喉部54由竖直段83限定。流入流动冠部75和上弯曲段73与第二轴向端面50过渡，并从发动机缸盖18径向地向内偏离距离81，该偏离距离81可大于形成上弯曲段73的半径的尺寸。形成内弯曲段68并因此形成第二磨损冠部70的半径的尺寸可以为约0.4毫米至约0.6毫米，并且更具体地可以为约0.5毫米。形成外弯曲段62的半径的尺寸为约5.0毫米至约6.0毫米。
在图4和图5的图示中，还可以看出，内阀面46相对于垂直于阀座中心轴42定向的平面72以阀角74定向。内线性段66相对于平面72以大于阀角74的座角76定向。内阀面46与内线段66形成干涉角78，内阀面46与内线段66之间形成间隙80。阀角74可与座角76相差约0.3°至约0.5°(例如，约0.4°)。在一个实际实现中，座角76可以是约10°至约20°，并且座角76可以是约15°。如本文所用，术语“约”应在常规四舍五入至一致数字的有效数字的上下文中理解。因此，“约20”意指从19.5至20.4，“约19.5”意指从19.45至19.54，等等。
第二间隙90可形成在内阀面46和外弯曲段62之间，并从在大致如图所示的早期磨损状态下形成的接触带径向地向外和轴向向外延伸在内阀面46和第一磨损冠部64之间。回想一下，初始接触带可以具有环形形状，并且可以基本上是线接触图案，但是期望在早期发生磨合时开始朝着面接触图案变化。第二间隙90的尺寸可以包括在内阀面46和阀座表面59的外弯曲段62之间的约0.4毫米至约0.6毫米(例如约0.538毫米)的面向长度92。面向长度92可以理解为从接触带到阀头26的面向上的关闭表面29的外边缘的距离。另一个角94可以形成在下倒角49'与面向上的关闭表面29之间，并且可以是约10°至约20°度(在某些实施例中可以是约12.922°或约15°)。
图4中还示出了阀座插入件38的完全座宽度尺寸84或理论上的完全座宽度，与最初发生全面接触时获得的磨合面接触宽度相比，所述阀座插入件38的完全座宽度尺寸84或理论上的完全座宽度可以随着部件之间的磨损的进行而最终变得可用。在82处示出了磨合面接触宽度并且可以在早期磨合之后观察到。在一种实现方式中，完全座宽度84可以是约4毫米，更具体地约3.7毫米。在图4的实施例中，磨合面接触宽度82可以是约3毫米，更具体地约3.25毫米。第一轴向端面48的端面宽度在图5中以86示出，并且可以是约1毫米(例如，约0.813毫米)。外线性段60的线性段宽度在88处示出并且可以是约2.0毫米。
现在转向图6和图7，图中示出了根据本发明的另一个实施例的阀座插入件138和与换气阀25接触的环形插入件本体140的特征，该换气阀25可以包括排气阀。阀座插入件138包括阀座表面159，该阀座表面159具有限制阀凹陷的外形，并且在外形上包括邻近第一轴向端面(未编号)的外线性段160和邻近外线性段160并与外线性段160过渡的外弯曲段162，并且外弯曲段162形成在早期磨损状态下与换气阀25接触的第一磨损冠164。阀座表面159还包括内线性段166和内弯曲段168，内线性段166邻近外弯曲段162并与外弯曲段162过渡，内弯曲段168邻近内线性段166并与内线性段166过渡，并且内弯曲段168形成第一耐磨冠部164的径向地向内和轴向向内的第二耐磨冠部170，并在后期磨损状态下与换气阀25接触。
内阀面146相对于垂直于阀座中心轴142的平面172以阀角174定向。内线性段166相对于平面172以大于阀角174的座角176定向，从而形成干涉角178。在换气阀25和内线性段166之间形成间隙180。座角176可以是约10°至约20°,并且可以是约15°。干涉角178可以是约0.3°至约0.5°，并且更具体地是约0.4°。
如图6和图7所示，第二间隙190从内阀面146和第一冠部164之间的接触带径向地向外和轴向向外延伸。在可包括排气阀座插入件的阀座插入件138中，完全座宽度尺寸184可为约4毫米，更具体地约3.64毫米至约3.84毫米。磨合面接触宽度182可以为约2.75毫米至约3.25毫米，更具体地为约2.8毫米至约3.0毫米。线性段宽度188可以是约2.669毫米，并且端面宽度186可以是约0.46毫米。间隙面向长度192可为约0.749毫米。
阀座插入件138还包括具有下线性段(竖直段183)和倾斜段171的内周面152，下线性段在第二磨损冠部170和由下弯曲段185形成的第二流动冠部187之间延伸并与其过渡，倾斜段171在下弯曲段185和形成顶部流动冠部175的上弯曲段173之间延伸并与其过渡。顶部流动冠部175从发动机缸盖18偏离一定的偏离距离181，该距离大于形成上弯曲段173并且因此进入流动冠部175的半径的尺寸。类似地，外弯曲段162由比形成上弯曲段173的半径大的半径形成。
内周面152还包括竖直段183，该竖直段183平行于阀座中心轴142定向并与下弯曲段185和上弯曲段173中的每一个过渡。喉部(未编号，可限定阀座插入件的内径为约46.84mm至约47.21mm)由竖直段183限定。在一种实现方式中，竖直段183的运行长度是约1.3毫米至约1.6毫米(例如，可以是约1.5毫米)，但可以是约0.0毫米至约2.5毫米(或更具体地，约1.0毫米至约2.0毫米)。形成上弯曲段173的半径的尺寸可以是约0.5毫米(例如，约0.4毫米至约0.6毫米)。形成第二磨损冠部70的半径的尺寸可为约0.3毫米至约0.5毫米(例如约0.4毫米)。磨合面接触宽度182可为约3.0毫米，且更具体地约2.80毫米至约3.0毫米。全面接触宽度184可以是约4.0毫米，并且更具体地是约3.64毫米至约3.84毫米。锐角177可以是约9°或更大，并且更具体地约10°至11°(例如约10.28°)。形成外弯曲段162的半径的尺寸为约3.0毫米至约4.0毫米。
如上所述，不同阀座插入件实施例的各种特征和比例可以在共同的尺寸或比例范围内，所示实施例表示不同的实际实施策略。以下是被发现提供合适的芯设计原理的一般尺寸和角度范围。
形成第一磨损冠部64、164的外弯曲段62、162的尺寸可大于形成第二磨损冠部70、170的内弯曲段68、168的尺寸。类似地，外弯曲段62、162可由具有约3毫米至约6毫米的尺寸的半径形成。内弯曲段68、168可以由具有约0.3毫米至约0.6毫米的尺寸的半径形成。形成内弯曲段80、180并由此形成第二磨损冠部70、170的半径可小于形成外弯曲段62、162并由此形成第一磨损冠部64、164的半径和形成内弯曲段68、168并由此形成第二磨损冠部70、170的半径中的每一个。
类似地，外弯曲段62、162可以由比形成上弯曲段72、173的半径大的半径形成。形成上弯曲段73、173的半径可以大于形成内弯曲段68、168的半径。全面接触宽度84、184可以约3毫米至约4毫米，更具体地约3.64毫米至约3.84毫米。磨合面接触宽度82、182可以为约2毫米至约4毫米，更具体地为约2.80毫米至约3.00毫米。干涉角78、178可以约0.3°至约0.5°，并且更具体地约为0.4°。面向长度88、188可为约0.4毫米至约0.90毫米。锐角77、177可以约5°至约15°，更具体地约7°至约10.28°。内线性段66、166的运行长度可以与这里讨论的全面宽度范围和其它阀座表面参数一致地变化。形成上弯曲段75、175并因此形成第一流动冠部75、175的半径可以为约0.4毫米至约1.2毫米。下弯曲段185以及因此第二流动冠部187可以由约1毫米至约7毫米并且具体是约2.0毫米至约5.4毫米的半径形成。形成第二流动冠部187的半径可大于形成外弯曲段62并因此形成第一磨损冠部164的半径和形成上弯曲段173并因此形成顶部流动冠部175的半径中的每一个。
工业实用性
在实践中，机器、由机器使用的发动机、阀座插入件、阀和/或这些各种组件和部件的任何组合可以被制造、购买或销售以改造机器，或者在售后市场环境中已经在现场的发动机，或者可替代地，可以在原始设备制造商的环境中被制造、购买、销售或以其他方式获得。
如本文之前提到的，前述实施例可以延长阀座插入件和/或阀的寿命，同时保持或甚至改善发动机的性能，如本文稍后将进一步详细描述的。
在发动机10中，阀座插件38、138可包括可与第二轴向端面50过渡的上弯曲段73、173，并且顶部流动冠部75、175可从发动机缸盖10径向向偏离。倾斜段71、171可相对于阀座中心轴42以锐角77、177定向，使得内周面52、152形成文氏管55以加速进入气缸16的气体流入，或者形成扩散器55'以减速来自气缸16的气体流出。
在某些实施例中，锐角77、177可以在约5°至约20°的范围内。
在进一步的实施例中，阀座表面59、159的线性段限定了约1.5毫米至约3.5毫米的磨合面接触宽度82、182，并且倾斜段71、171具有大于磨合面接触宽度82、182的行程长度。
在某些实施例中，顶部流动冠部75、175从发动机缸盖10径向地向内偏离距离81、181，该距离大于形成上弯曲段73、173的半径的尺寸。
在一些实施例中，形成上弯曲段73、173的半径的尺寸是约0.2毫米至约1.0毫米，形成外弯曲段62、162的半径的尺寸是约3毫米至约6毫米，并且形成内弯曲段68、168的半径的尺寸是约0.3毫米至约0.6毫米。
在某些实施例中，竖直段83、183将上弯曲段73、173连接到内弯曲段68、168，并且喉部54由竖直段83、183限定。竖直段83、183可以限定范围约1.0毫米至约2.0毫米的高度。
在一些实施例中，下弯曲段形成第二流动冠部185。
在发动机10中，气缸16与流体导管(例如进气导管20、排气导管21)流体连通，活塞32布置在气缸16中，该活塞构造成在气缸16中向上和向下平移，阀(例如，进气阀24或排气阀25)设置在活塞32和阀座插入件38、138之间，该阀包括面向上的关闭表面29，该关闭表面29构造成接合和脱开阀座插入件38、138。面向上的关闭表面29可以是平坦的。
现参看图8，图中的比较图示出本发明的实施例(在图的右侧描绘)与先前设计相比如何使接触压力(应力)减小多达50％(参见左栏)。这可能是由于阀和阀座之间接触面积增加。因此，本领域的技术人员将预期本发明的各种实施例将具有改进的寿命，在发动机的寿命期间需要较少的维护。
阀座插入件可以通过对发动机缸盖寿命的磨损性能而在发动机性能和耐久性方面起关键作用。在减少磨损的同时优化气流已被证明是巨大的挑战。在发动机运行期间，进气阀往复运动进入和脱离与阀座插入件的接触。包括空气或与其它气体混合的空气，例如再循环排气或气体燃料，的气体通常以大于大气压力的压力供应到发动机，例如从涡轮增压器压缩机。只要进气阀打开，当活塞在进气冲程中从上止点位置朝向下止点位置移动时，活塞结合进气的增压向下行进使得进气冲入气缸中。
根据本发明，遇到顶部流动冠部75的进气将趋于相对平稳地流过顶部流动冠部75并进入由内周面52形成的文氏管55。在进入文氏管时，进气将根据已知原理开始朝向相关联的气缸加速。然后，加速的进气可以被期望围绕第二流动冠部87平稳地流动，并且围绕第二磨损冠部70平稳地流动，经过阀座表面59，并且最终围绕并经过换气阀24，并且进入相关联的气缸，以与其中的燃料一起燃烧。与阀座插入件38的设计和牺牲阀座或阀性能或发动机使用寿命的其他设计相比，通过本发明的阀座插入件的平稳且加速的流动可以补偿或大于补偿减小的流动面积。
图9示出了本发明的不同实施例的排气口流量系数与在无涡流应用中的先前设计的排气口流量系数大致相同。因此，本领域技术人员不会预期到在流体力学、热力学、排放等方面的发动机性能降低，同时也减小了维修阀座插入件或阀等所需的间隔。因此，本领域技术人员可以推测寿命和其他发动机性能之间的补偿(折中)已经使用本发明的各种实施例打破。
同样地，图10示出了在低涡流应用中本发明的不同实施例与基线(先前设计)之间的流量系数保持相同。同样地，本领域技术人员不会预期到在流体力学、热力学、排放等方面的发动机性能降低，同时也减小了维修阀座插入件或阀等所需的间隔。因此，本领域技术人员可以推测寿命和其他发动机性能之间的补偿(折中)已经使用本发明的各种实施例打破。
图11示出本发明的各种实施例的涡流数和基线(先前设计)保持相对接近或甚至小于基线。因此，本领域技术人员不会预期到在流体力学、热力学、排放等方面的发动机性能降低，同时也减小了维修阀座插入件或阀等所需的间隔。因此，本领域技术人员可以推测寿命和其他发动机性能之间的妥协(折中)已经使用本发明的各种实施例打破。
与阀座插入件38、138相关联的阀座直径小于与阀座插入件38、138相关联的全面接触宽度，并且阀座插入件38、138不形成有磨损冠部或某些其它专门的阀座几何形状。本文讨论的磨损冠部，结合阀座接触宽度、座角、阀角和其它几何特征，以可理解为缓冲阀-阀座冲击以减少阀座敲入以及减慢某些磨损模式的方式设计。提供符合这些目标的阀座几何形状可以改进阀座设计，例如用于阀座插入件38、138的设计，但是已经发现对其它阀座插入件特性例如气体流动特性的设计存在某些限制。
沿着这些线，阀座插入件38、138相对于进气阀座特性的几何形状和阀座插入件38、138相对于进气气流特性的几何形状可以被理解为交叉耦合变量的系统，其中修改阀座插入件几何形状的一个方面通常以不可预测的方式影响阀座插入件几何形状的另一个方面。例如，如果要保持或增加阀座直径，则提供第二磨损冠部70、170趋于需要减小喉部直径。在第二磨损冠部70、170的情况下，过大的半径可影响流动面积、锐角、座角或其它参数。太小的半径可能无法提供期望的流动模式和/或折中期望的阀座性能。
结合顶部流动冠部75、175和定位顶部流动冠部75、175以便从发动机缸盖偏离可以，与用不具有顶部流动冠部且没有偏离发动机缸盖的阀座插入件所获得的流通面积相比，进一步减小可用的流动面积，例如，如果形成顶部流动冠部的半径太小，则可能无法实现对进气流入的有利影响。如果形成顶部流动冠部的半径太大，则锐角可能太窄而不能实现期望的流动加速。另外的因素，例如确定合适的锐角范围、座角范围，是否使用第二流动冠部，以及其他因素可以具有类似的效果。当一个以上的设计参数随设计而变化时，对性能的影响可能仍然更加复杂和不可预测。由于这些一般原因，可以理解，本发明的优化设计和参数指导提供了与阀座和进气流动性能相关的因素的实际平衡。在一些情况下，妥协可能实际上被打破。
本说明书仅用于说明目的，而不应解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的完整和合理的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过研究附图和所附权利要求，其它方面、特征和优点将变得明显。如本文所用，冠词“一”和“某一”旨在包括一个或多个项，并且可与“一个或多个”互换使用。在仅想表达一项的情况下，使用术语“一个”或类似语言。此外，如在此所使用的，术语“具有”、“有”、“其具有”等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另外明确说明。
应当理解，前面的描述提供了所公开的组件和技术的示例。然而，可以设想，本发明的其他实现在细节上可以不同于前述示例。对本发明或其示例的所有引用旨在引用在该点所讨论的特定示例，而并非旨在更一般地暗示对本发明的范围的任何限制。所有关于某些特征的区别和不一致的语言旨在表示对这些特征缺乏偏好，但并非将其完全排除在本发明的范围之外，除非另外指明。
除非本文另有说明，否则本文对值的范围的叙述仅旨在用作个别地提及落在该范围内的每个单独值的速记方法，并且将每个单独值并入说明书中，如同其在本文中被个别地叙述一样。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本文所讨论的装置和组装方法的实施例进行各种修改和变化。通过考虑本文所公开的各种实施例的说明书和实践，本发明的其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，一些仪器可以与在此描述的不同地构造和运行，并且任何方法的某些步骤可以被省略，以与具体提及的不同的顺序执行，或者在一些情况下同时执行或者在子步骤中执行。此外，可以对各种实施例的某些方面或特征进行变化或修改，以创建进一步的实施例，并且可以将各种实施例的特征和方面添加到其他实施例的其他特征或方面，或者替换其他实施例的其他特征或方面，以便提供更进一步的实施例。
因此，本发明包括适用法律允许的所附权利要求书中所述主题的所有修改和等同物。此外，上述要素在其所有可能的变化中的任何组合都被本发明所涵盖，除非本文另有说明或与上下文明显抵触。

Claims (10)

1.一种用于内燃机中的进气阀的阀座插入件，包括：
环形插入件本体，限定阀座中心轴，所述阀座中心轴在被构造成面向所述内燃机中的气缸的第一轴向端面与第二轴向端面之间延伸；
所述环形插入件本体进一步具有内周面、外周面和阀座表面，所述内周面界定经构造以将所述气缸流体连接到发动机缸盖中的进气导管的喉部，所述阀座表面用于接触在所述第一轴向端面与所述内周面之间延伸的进气阀；
所述阀座表面在外形上包括形成用于在早期磨损状态下接触所述进气阀的第一磨损冠部的外弯曲段，形成用于在后期磨损状态下接触所述进气阀的第二磨损冠部的内弯曲段，以及在所述外弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的线性段；
所述内周面在外形上包括形成顶部流动冠部的上弯曲段和在所述上弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的倾斜段；以及
所述上弯曲段与所述第二轴向端面过渡，并且所述倾斜段相对于所述阀座中心轴以约5°或更大的锐角从所述上弯曲段径向地向内延伸，使得所述内周面形成文氏管以加速进入所述气缸的气流。
2.根据权利要求1所述的阀座插入件，其中，所述上弯曲段由比形成所述内弯曲段的半径大的半径形成，并且所述外弯曲段由比形成所述上弯曲段的半径大的半径形成。
3.根据权利要求1所述的阀座插入件，其中，所述锐角为约6°至约8°。
4.根据权利要求1所述的阀座插入件，其中：
所述阀座表面的所述线性段限定了约3毫米至约4毫米的磨合面接触宽度；
形成所述上弯曲段的半径的尺寸为约0.8毫米至约1.2毫米；
形成所述外弯曲段的半径的尺寸为约5.0毫米至约6.0毫米；并且
形成所述内弯曲段的半径的尺寸为约0.4毫米至约0.6毫米。
5.根据权利要求4所述的阀座插入件，进一步包括将所述上弯曲段连接到所述内弯曲段的竖直段，并且所述竖直段限定喉部。
6.一种用于内燃机中的排气阀的阀座插入件，包括：
环形插入件本体，限定阀座中心轴，所述阀座中心轴在被构造成面向所述内燃机中的气缸的第一轴向端面与第二轴向端面之间延伸；
所述环形插入件本体进一步具有内周面、外周面和阀座表面，所述内周面界定经构造以将所述气缸流体连接到发动机缸盖中的排气导管的喉部，所述阀座表面用于接触在所述第一轴向端面与所述内周面之间延伸的排气阀；
所述阀座表面在外形上包括形成用于在早期磨损状态下接触所述排气阀的第一磨损冠部的外弯曲段，形成用于在后期磨损状态下接触所述排气阀的第二磨损冠部的内弯曲段，以及在所述外弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的线性段；
所述内周面在外形上包括形成顶部流动冠部的上弯曲段和在所述上弯曲段和所述内弯曲段之间延伸的倾斜段；以及
所述上弯曲段与所述第二轴向端面过渡，并且所述倾斜段相对于所述阀座中心轴以约9°或更大的锐角从所述上弯曲段径向地向内延伸，使得所述内周面形成扩散器以使来自所述气缸的流出气体流动减速。
7.根据权利要求6所述的阀座插入件，其中，所述上弯曲段由比形成所述内弯曲段的半径大的半径形成，并且所述外弯曲段由比形成所述上弯曲段的半径大的半径形成。
8.根据权利要求6所述的阀座插入件，其中，所述锐角为约10°至约11°。
9.根据权利要求6所述的阀座插入件，其中：
所述阀座表面的所述线性段限定了约2.75毫米至约3.25毫米的磨合面接触宽度；
形成所述上弯曲段的半径的尺寸为约0.4毫米至约0.6毫米；
形成所述外弯曲段的半径的尺寸为约3.0毫米至约4.0毫米；并且
形成所述内弯曲段的半径的尺寸为约0.3毫米至约0.5毫米。
10.根据权利要求9所述的阀座插入件，进一步包括将所述上弯曲段连接到所述内弯曲段的竖直段，并且所述竖直段限定所述喉部。
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