CN113302381A - 发动机和带有轮廓设定成用于减轻弦应力的头下圆角的气体交换阀 - Google Patents

Abstract

一种内燃发动机(10)中的气体交换阀(36)包括阀头(52)，所述阀头具有构造成接触阀座(24)并且限定面角的密封面(58)。阀头(52)进一步包括头下圆角(64)，头下圆角从内部密封面(58)过渡到阀杆(48)并且限定所述下头圆角(64)内的弦应力区(66)。头下圆角(64)由根据弦应力区(66)内的应力扩散轮廓分布的材料(68)形成，并且以小于面角且处于约18°至约35°范围内的融合角与内部密封面(58)融合。阀头(52)轮廓与对弦应力引起的疲劳失效的抵抗性相关联。

Description

发动机和带有轮廓设定成用于减轻弦应力的头下圆角的气体 交换阀

技术领域

本公开大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构造成用于抵抗疲劳的气体交换阀。

背景技术

气体交换阀用于内燃发动机中，以控制气缸与进气或进气和其它气体(如再循环排气)的供应源，或气缸与用于排出燃烧产物的排气歧管之间的流体连通。一些已知的设计包括单个进气阀和与每个发动机气缸相关联的单个排气阀。其它设计采用与每个气缸相关联的每种类型的多个气体交换阀。通常以半发动机速度旋转的凸轮轴与阀挺杆、桥接件、摇臂或用于适当地控制气体交换阀的打开和关闭的其它装置联接。在一些发动机设计中，气体交换阀配备有致动器，用于实现所谓的可变气门正时，出于各种目的，该可变气门正时至少可以在某种程度上独立于凸轮控制的正时。

这种气体交换阀移动到与发动机盖或发动机盖内的阀座插入件接触和脱离接触，以实现打开和关闭。来自阀致动机构以及气缸压力的较大机械力可以作用来移动打开或关闭的气体交换阀。气缸内温度可以为至少数百度，并且在某些排气阀应用中，可以将排气阀加热到至少数百摄氏度。出于这些原因，气体交换阀操作条件可能相当严酷。已经观察到，响应于成千上万、数百万或甚至数十亿次的打开和关闭循环，某些气体交换阀在发动机的使用寿命期间可能会经历疲劳故障。当拆除发动机以进行再制造或回收时，有时可以直接观察到疲劳失效进展的证据。工程师已经尝试了许多不同的技术，试图改善或预防气体交换阀疲劳现象。即使气体交换阀设计、发动机操作条件、公差叠加或其它现象的微小变化也会显著影响气体交换阀的使用寿命。一个已知的气体交换阀设计在授予Boast的美国专利号6,125,809中阐述，并且提出具有收缩部分的阀设计，以减少头部上的应力并延长其寿命。尽管Boast的设计可以按预期执行，但总存在改进或备选设计策略的空间。

发明内容

一方面，一种内燃发动机包括：发动机壳体，所述发动机壳体包括气缸体，气缸体带有形成于其中的气缸；发动机盖，所述发动机盖联接到所述气缸体，并且具有形成于其中的气体交换导管；以及阀座，所述阀座形成通向所述气体交换导管的开口。所述内燃发动机进一步包括可在打开位置与关闭位置之间移动的气体交换阀，以控制所述气缸与所述气体交换导管之间的流体连通。所述气体交换阀包括限定纵向轴线的阀杆，以及阀头，所述阀头附接到阀杆且具有限定垂直于纵向轴线定向的平面的外部燃烧面。所述阀头进一步包括内部密封面，所述内部密封面构造成在所述关闭位置处接触所述阀座。所述内部密封面限定相对于所述平面的面角，并且所述阀座限定相对于所述平面的大于所述面角的座角。所述阀头进一步包括头下圆角，所述头下圆角从所述内部密封面过渡到所述阀杆，并且在所述头下圆角内限定弦应力区。所述头下圆角由根据在所述弦应力区内的应力扩散轮廓分布的材料形成，并且所述头下圆角以相对于平面的小于所述面角且处于约18°至约35°范围内的融合角与内部密封面融合。

另一方面，一种用于控制内燃发动机中的燃烧气缸和气体交换导管之间的流体连通的气体交换阀包括阀体，所述阀体具有限定纵向轴线的阀杆，以及阀头，所述阀头附接到阀杆并且具有限定垂直于纵向轴线定向的平面的外部燃烧面。所述阀头进一步包括：内部密封面，所述内部密封面构造成在所述关闭位置处接触所述阀座；以及外部周边边缘表面，所述外部周边边缘表面在所述外部燃烧面和所述内部密封面之间轴向地延伸。内部密封面限定相对于平面的面角。所述阀头进一步包括头下圆角，所述头下圆角从所述内部密封面过渡到所述阀杆，并且在所述头下圆角内限定弦应力区。所述头下圆角由根据在所述弦应力区内的应力扩散轮廓分布的材料形成，并且所述头下圆角以相对于平面的小于所述面角且处于约18°至约35°范围内的融合角与内部密封面融合。

又一方面，气体交换阀包括阀体，所述阀体具有限定纵向轴线的阀杆，以及阀头，所述阀头附接到阀杆并且具有限定垂直于纵向轴线定向的平面的外部燃烧面。所述阀头进一步包括内部密封面，所述内部密封面围绕所述纵向轴线周向地延伸并且相对于平面以小于45°的面角定向。所述阀头进一步包括头下圆角，所述头下圆角从所述内部密封面过渡到所述阀杆，并且在所述头下圆角内限定弦应力区。所述头下圆角由根据所述弦应力区内的应力扩散轮廓分布的材料和在所述弦应力区和所述内部密封面之间形成融合部的材料形成。所述融合部相对于平面具有在约18°至约35°范围内的融合角。

附图说明

图1是根据一个实施例的穿过内燃发动机的剖切侧视图解视图；

图2是根据一个实施例的气体交换阀的侧视图；

图3是根据一个实施例的通过气体交换阀的阀头的截面视图；以及

图4是将根据本公开的气体交换阀与已知设计进行比较的图解视图。

具体实施方式

参考图1，示出了根据一个实施例的内燃发动机10，并且该内燃发动机具有发动机壳体12，发动机壳体具有气缸体14，气缸体带有形成在其中的气缸16。内燃发动机10(下文称为“发动机10”)可以是各种发动机中的任一种，包括压缩点火柴油发动机、火花点火汽油发动机、构造成依靠在标准温度和压力下成气态的燃料操作的气体燃料发动机、双燃料发动机或另一种。尽管仅示出一个气缸，但将认识到，气缸体14可具有形成于其中的任何数目个气缸，并且呈任何合适的布置，如V形构造、直列构造或另一种构造。在压缩点火柴油发动机(如直射柴油发动机)应用中，合适的燃料可包括柴油蒸馏燃料、生物柴油、这些燃料的混合物或其它燃料。气体燃料应用可以使用天然气、垃圾填埋气、生物气或这些气体或另外其它气体的各种混合物。双燃料应用可以使用柴油蒸馏燃料和天然气。发动机盖18联接到气缸体14，并且具有形成于其中的第一气体交换导管20和第二气体交换导管22。阀座24形成通向气体交换导管20的开口28。在所示实施例中，阀座24由至少部分地定位在发动机盖18内的阀座插入件26形成。也由阀座插入件32形成的另一个阀座30形成通向气体交换导管22的开口34。气体交换导管20可以是排气导管，其构造成将燃烧产物从气缸16输送到排气歧管等。气体交换导管22可以是进气导管，其以大体上常规的方式将新鲜进气或与再循环排气混合的新鲜进气例如输送到气缸16中。发动机10可以用作常规四冲程发动机操作，采用大体常规的气体交换定时，但本公开在此方面不限于此。发动机10可包括与气缸16相关联的总共一个排气阀和总共一个进气阀，但大多数实施例采用这些中每一者的不止一个。

发动机10进一步配备有可在打开位置与关闭位置之间移动的气体交换阀36，以控制气缸16与气体交换导管20之间的流体连通。另一个气体交换阀38也可以在打开位置与关闭位置之间移动，以控制气缸16与气体交换导管22之间的流体连通。气体交换阀36因此可包括排气阀。应认识到，根据本公开的气体交换阀可以是排气阀或进气阀，并且本说明书应理解为通过类推来指代任一项。还应认识到，除非另外指示，否则对单数的气体交换阀或相关联部件的讨论还应理解为通过类推指代本文所涵盖的其它气体交换阀。发动机10还配备有套筒40，所述套筒可滑动地支承和引导气体交换阀36；复位弹簧42；以及连接器，所述连接器构造成将气体交换阀36联接到摇臂、气门横臂，直接联接到凸轮、联接到阀挺杆，或任何其它合适的致动装置。

如上所述，气体交换阀可经受严酷的操作条件，包括至少几百摄氏度的气缸内温度、高燃烧压力，以及使用中会导致疲劳的其它条件。例如，当气体交换阀36从打开位置移动到如图所示的关闭位置时，气体交换阀36接触阀座24，所述阀座具有通过复位弹簧42的膨胀产生的力以及通过气缸16内相对高度压缩的气体产生的力。气体交换阀36可以每两转曲柄转动经历一个完整的压力循环，该压力循环发生得非常快。如从以下描述将进一步显而易见的，气体交换阀36构造成抵抗原本可能响应于此类条件而经历的疲劳。

现在还参考图2，更详细地示出了气体交换阀36。气体交换阀36包括可以由一个或多个件形成的细长阀体46，并且包括限定纵向轴线50的阀杆48，以及阀头52，其附接到阀杆48并且具有限定垂直于纵向轴线50定向的平面56的外部燃烧面54。阀体46包括外表面47，所述外表面在阀头52的至少一部分内暴露于如上讨论的燃烧压力和温度。外表面47可以包括通过锻造阀体46获得的自然外表面(可能通过各种表面精加工技术进行处理)，或者表面47可以通过电镀形成，如电镀锻件或其它零件。

还参考图3，示出了穿过阀头52的截面视图，并且示出和识别其附加特征。阀头52包括内部密封面58，所述内部密封面构造成在气体交换阀36的关闭位置处接触阀座24。内部密封面58可以具有圆锥形形状，并且围绕纵向轴线50周向地且均匀地延伸。内部密封面58进一步限定相对于平面56的面角60。阀座24限定如本文中进一步讨论的座角，其相对于平面56大于面角60。阀头52进一步包括从内部密封面58过渡到阀杆48的下头圆角64。外部周边边缘表面84围绕纵向轴线50周向地延伸，并且在外部燃烧面54和内部密封面58之间轴向地延伸，并且基本上平行于纵向轴线50定向，使得边缘表面84相对于平面56以约90°的角度86定向。边缘表面85与内部密封面58过渡。阀头52还限定了本文中进一步讨论的在头下圆角64内的弦应力区66。头下圆角64还可以围绕纵向轴线50周向地且均匀地延伸，并且以提供优于某些其它设计的抗疲劳性的方式定形和设定比例。

头下圆角64进一步由诸如锻造铁或钢的材料68形成，其根据弦应力区66内的应力扩散轮廓分布，并且在弦应力区66和内部密封面58之间形成融合部70。融合部70相对于平面56限定融合角72，所述融合角小于面角60并且处于约18°至约35°的范围内。如本文所用，术语“约”应在常规四舍五入到有效数字的一致数目的上下文中理解。因此，“约18”表示17.5至18.4，“约18.5”表示18.45至18.54，以此类推。本文中所公开的不与明确公差相关联的定量术语或术语“约”应理解为精确在测量误差内。如上所述，头下圆角64与内部密封面58融合。“融合的”意指一个线性或曲线节段的端点也是邻近线性或曲线节段的端点。尽管在外表面47上，仅相对较短程度的融合部70实际上可以是线性的，但融合部70可具有小的线性延伸长度74，所述小线性延伸长度在头下圆角64远离内部密封面58前进时限定外表面47的初始轨迹。

头下圆角64进一步限定曲率半径80。曲率半径80可以在头下圆角64的至少大部分的延伸长度76上一致。在所示实施例中，延伸长度76的中点78在弦应力区66内。在一个实施方式中，曲率半径80可以大于16毫米，并且可以小于17毫米。在精细方案中，曲率半径80可以大于16.2毫米，并且在又一精细方案中，曲率半径80为16.5毫米±0.5毫米的公差。曲率半径80是由头下圆角64内的外表面47限定并位于与纵向轴线50共享的平面中的圆的半径。曲率半径80可以是比在某些设计的已知气体交换阀中观察到的半径相对大的半径，并且小于其它已知设计中的曲率半径的大小，反映了材料添加到阀头52的平衡，以在不负面影响气流特性、机械性或引起其它问题的情况下辅助弦应力扩散。

除了与已知设计相比不同的结构和/或曲率半径80的比例之外，融合角72也不同。如上所述，融合角72可以在约18°至约35°的范围内并且小于面角60。面角60可以小于45°，并且可以显著小于45°，但仍大于面角60。在精细方案中，在某些实施例中，融合角72为约22°至约30°，并且可为约21°至约23°或约29°至约31°。一种实际实施方式包括30°的融合角±1°的公差。另一个实施方式包括22°的融合角±1°的公差。

外部燃烧面54可以进一步限定燃烧面直径尺寸82，并且曲率半径80可以大于直径尺寸82的40％。直径尺寸82可以是约40毫米。鉴于本文公开的尺寸和比例范围，将理解为各种不同实施例落在本公开的范围内。所公开的曲率半径80与燃烧面54的直径之间的比例关系将理解为随着总气体交换阀尺寸的改变而按比例放大或按比例缩小。也可以将根据本公开的融合角理解为按比例。外部燃烧面54可以是均匀平坦的。在其它情况下，如图3中虚线所示的凹穴90可形成于外部燃烧面54中。半径97形成于内部密封面58与头下圆角64之间，而半径98在内部密封面58与表面84之间过渡，又一半径98在内部密封面58与表面84之间过渡，并且又一半径99在表面84与环形拐角面88之间过渡，环形拐角面围绕纵向轴线50周向地延伸，并且从外部燃烧面54过渡到边缘表面84。

现在还转而参看图4，示出了在附图的右侧上的根据本公开以及在附图的左侧上的根据已知设计的气体交换阀的对比图。气体交换阀36示出为可能看起来与阀座插入件26中的阀座24接触。如上所述，面角60可以小于45°。座角62大于面角60，并且在所示实施例中，内部密封面58和阀座24限定干涉角94。干涉角94可以是约1°或更小，并且在一些情况下可以是约0.5°。在图4中的附图的左侧，示出了气体交换阀136，其具有外部燃烧面154、内部密封面158和头下圆角164。气体交换阀136示出为其可能与阀座插入件126中的阀座124接触。可以理解，头下圆角164限定与曲率半径80类似的曲率半径180，然而，在气体交换阀136中，类似限定的曲率半径180小于曲率半径80，并且可以小于16毫米。虚线轮廓92在图4中的附图的左侧中示出，并且呈现气体交换阀36的曲率半径80相对于气体交换阀136的曲率半径180的比较视图。可以看出，与气体交换阀136的弦应力区166相比，在气体交换阀36中的弦应力区66中使用了附加材料。

融合角62还可以大于气体交换阀136中的类似限定的融合角172。在气体交换阀136中，融合角172可小于18°，如约15°。与弦应力区166相比，通过增加的圆角限定曲率半径的大小和融合角的优化来添加本公开中的材料可预期减少在弦应力区66中经历的应力，使用最大主应力评估，减少了20％或更多，可能减少30％或更多。在融合角72为约21°至约23°并且曲率半径80为16.5毫米±0.5毫米的公差的气体交换阀36的实施例的情况下，与气体交换阀136相比，最大主应力可以减小约22％。在融合角72为约29°至约31°并且曲率半径80为16.5毫米±0.5毫米的公差的实施例的情况下，气体交换阀36中的最大主应力可以比在气体交换阀136中可预期观测到的应力减小约32％。将最大主应力减小约22％可以支持气体交换阀36的疲劳寿命比原本可能预期的提高5倍或更多。预期最大主应力降低约32％可提供疲劳寿命改善10倍或可能甚至更多。

工业适用性

在工作期间，气体交换阀36将通过凸轮轴(未示出)和典型的摇臂的旋转而致动打开，所述摇臂与凸轮轴直接地联接或通过阀挺杆设备间接地联接到凸轮轴。气体交换阀36将通常通过复位弹簧42和气缸16内的流体压力被致动关闭。当气体交换阀36接触阀座24时，具体是形成阀头52和圆角64的材料68受到应力，从而赋予材料68诸如沿晶界微观拉开的一些趋势。图4中的箭头96示出可能预期气体交换阀36中的一种材料应力现象的近似和说明性趋势。箭头196类似地示出了气体交换阀136可能经历的应力。已经观察到，随着时间的推移，许多气体交换阀中会开始形成微观裂纹，最终可能会蔓延形成弦裂纹200。可以理解，沿着本文所讨论类型的气体交换阀中的头下圆角的任何给定轴向位置限定围绕阀的纵向轴线周向地延伸的圆。弦应力和弦裂纹是本文大体上参考此类圆的弦使用的术语，并且可以注意到，裂纹200已大体上在跨越头下圆角164的一致轴向位置处传播。认为通过气体交换阀64中的相对较大的曲率半径80提供的附加材料有助于防止形成此类微观裂纹，并且如果确实发生任何此类微观裂纹，则抑制传播。材料形成融合部70将座冲击力从内部密封面58传输到在弦应力区66内的材料。气体交换阀中的弦应力区可具有不明确界定的边界，但只有在实际发动机操作条件下操作多个类似的气体交换阀足够长的时间和足够数量的循环时随着观察到实际裂纹、微裂纹或其它疲劳迹象才会变得明显。大体上可以预期，如本文所设想的弦应力区包括至少中间50％的延伸长度76。图4中在气体交换阀的表面上的破折号示出弦应力区66和166的示例范围，并且在分布中相对较密集，其中应力可能更可能诱导疲劳失效，但本公开因此不受限制。本公开反映了令人惊讶的发现，即融合角和扩大的曲率半径可提供优于非线性的已知设计的改进。换句话说，与已知设计相比，可以通过较大融合角和增加的头下圆角64的材料而预期的疲劳寿命的增加可以成比例地大于融合角或半径大小中的成比例增加。

本说明书仅用于说明目的，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围。因此，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的完整和合理范围和精神的情况下，可对本文公开的实施例进行各种修改。通过查看附图和所附权利要求书，其它方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所使用，冠词“一(a)”和“一(an)”旨在包括一个或多个物品，并且可与“一个或多个”互换使用。在想要表示仅有一个物品时，使用术语“一个(one)”或类似语言。此外，如本文中所使用，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在为开放式术语。此外，短语“基于”意图表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。

Claims (10)

1.一种内燃发动机(10)，包括：

发动机壳体(12)，所述发动机壳体包括气缸体(14)，所述气缸体具有形成于所述气缸体中的气缸(16)；发动机盖(18)，所述发动机盖联接到所述气缸体(14)并且具有形成于所述发动机盖中的气体交换导管(20、22)；以及阀座(24、30)，所述阀座形成通向所述气体交换导管(20、22)的开口(28、34)；

气体交换阀(36、38)，所述气体交换阀可在打开位置与关闭位置之间移动以控制所述气缸(16)与所述气体交换导管(20、22)之间的流体连通；

所述气体交换阀(36、38)包括限定纵向轴线的阀杆(48)，以及阀头(52)，所述阀头附接到所述阀杆(48)并且具有限定垂直于所述纵向轴线定向的平面的外部燃烧面(54)；

所述阀头(52)进一步包括内部密封面(58)，所述内部密封面构造成在所述关闭位置处接触所述阀座(24、30)；

所述内部密封面(58)限定相对于所述平面的面角，并且所述阀座(24、30)限定相对于所述平面的大于所述面角的座角；

所述阀头(52)进一步包括头下圆角(64)，所述头下圆角从所述内部密封面(58)过渡到所述阀杆(48)，并且限定所述头下圆角(64)内的弦应力区(66)；以及

所述头下圆角(64)由根据所述弦应力区(66)内的应力扩散轮廓分布的材料(68)形成，并且所述头下圆角(64)以相对于所述平面的小于所述面角并且处于约18°至约35°范围内的融合角与所述内部密封面(58)融合。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机(10)，进一步包括至少部分地定位在所述发动机盖(18)内并且包括所述阀座(24、30)的阀座插入件(26、32)，并且其中所述面角小于45°，并且所述密封面(58)和所述阀座(24、30)限定约1°或更小的干涉角；以及

所述头下圆角(64)的延伸长度的中点在所述弦应力区(66)内。

3.根据权利要求2所述的内燃发动机(10)，其中所述头下圆角(64)限定在所述头下圆角(64)的至少大部分的延伸长度上一致的曲率半径；

所述曲率半径大于16毫米；并且

所述融合角为约22°至约30°。

4.一种用于控制内燃发动机(10)中的燃烧气缸(16)和气体交换导管(20、22)之间的流体连通的气体交换阀(36、38)，包括：

阀体(46)，所述阀体包括限定纵向轴线的阀杆(48)，以及阀头(52)，所述阀头附接到所述阀杆(48)并且具有限定垂直于所述纵向轴线定向的平面的外部燃烧面(54)；

所述阀头(52)进一步包括：内部密封面(58)，所述内部密封面构造成在关闭位置处接触所述阀座(24、30)，以及外部周边边缘表面(84)，所述外部周边边缘表面在所述外部燃烧面(54)与所述内部密封面(58)之间轴向地延伸；

所述内部密封面(58)限定相对于所述平面的面角；

所述阀头(52)进一步包括头下圆角(64)，所述头下圆角从所述内部密封面(58)过渡到所述阀杆(48)，并且限定所述头下圆角(64)内的弦应力区(66)；以及

所述头下圆角(64)由根据所述弦应力区(66)内的应力扩散轮廓分布的材料(68)形成，并且所述头下圆角(64)以相对于所述平面的小于所述面角并且处于约18°至约35°范围内的融合角与所述内部密封面(58)融合。

5.根据权利要求4所述的气体交换阀(36、38)，其中：

所述外部周边边缘表面(84)基本上平行于所述纵向轴线并且与所述密封面(58)过渡，并且所述阀头(52)进一步包括从所述外部燃烧面(54)过渡到所述外部周边边缘表面(84)的环形拐角面(88)；

所述外部燃烧面(54)限定燃烧面直径尺寸，并且所述头下圆角(64)限定大于所述燃烧面直径尺寸的40％的曲率半径。

6.根据权利要求4或5所述的气体交换阀(36、38)，其中：

所述头下圆角(64)的延伸长度的中点在所述弦应力区(66)内，并且所述头下圆角(64)限定在所述头下圆角(64)的至少大部分的延伸长度上一致的曲率半径；并且

所述融合角为约22°至约30°，所述面角小于45°，并且所述曲率半径大于16毫米。

7.根据权利要求5或6所述的气体交换阀(36、38)，其中：

所述曲率半径为16.5毫米加或减0.5毫米的公差；并且

所述融合角为约21°至约23°或约29°至约31°。

8.一种气体交换阀(36、38)，包括：

阀体(46)，所述阀体包括限定纵向轴线的阀杆(48)，以及阀头(52)，所述阀头附接到所述阀杆(48)并且具有限定垂直于所述纵向轴线定向的平面的外部燃烧面(54)；

所述阀头(52)进一步包括内部密封面(58)，所述内部密封面围绕所述纵向轴线周向地延伸并且相对于所述平面以小于45°的面角定向；

所述阀头(52)进一步包括头下圆角(64)，所述头下圆角从所述内部密封面(58)过渡到所述阀杆(48)，并且限定所述头下圆角(64)内的弦应力区(66)；以及

所述头下圆角(64)由根据所述弦应力区(66)内的应力扩散轮廓分布的材料(68)和在所述弦应力区(66)和所述内部密封面(58)之间形成融合部(70)的材料(68)形成，并且所述融合部(70)具有相对于所述平面处于约18°至约35°范围内的融合角。

9.根据权利要求8所述的气体交换阀(36、38)，其中：

所述外部燃烧面(54)限定燃烧面直径尺寸；

所述头下圆角(64)限定大于所述燃烧面直径尺寸的40％的曲率半径；并且

所述融合角为约22°至约30°。

10.根据权利要求9所述的气体交换阀(36、38)，其中所述曲率半径为16.5毫米加或减0.5毫米的公差，并且所述融合角为30°加或减1°的公差。

Images