Полый тарельчатый клапан - RU2641870C1
Код документа: RU2641870C1
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к полому тарельчатому клапану, включающему в себя теплоизолирующее пространство и полую часть, образованную от головки до стержня основного корпуса клапана.
Предшествующий уровень техники
[0002] В патентных литературных источниках 1 и 2 и т.д. описаны тарельчатые клапаны, каждый из которых включает в себя головку, образованную за одно целое с концевой частью стержня. Тарельчатый клапан, подлежащий использованию при внутреннем сгорании, обеспечивает приведение двигателя в движение посредством открытия и закрытия впускного канала или выпускного канала посредством установки на седле клапана головки цилиндров, с которой соединен впускной канал или выпускной канал.
[0003] Обычно при внутреннем сгорании чем выше внутренняя температура камеры сгорания, тем выше полнота сгорания. Во многих случаях тепло в камере сгорания рассеивается наружу через тарельчатый клапан. Следовательно, на поверхности головки или рядом с поверхностью головки тарельчатого клапана, которое входит в контакт с камерой сгорания, образуется пространство, и посредством создания вакуума в данном пространстве, его заполнения инертным газом или заполнения материалом, имеющим более низкую теплопроводность по сравнению с материалом, образующим тарельчатый клапан, образуется теплоизолирующее пространство для подавления рассеяния тепла внутри камеры сгорания (см. патентный литературный источник 1).
[0004] Посредством формирования теплоизолирующего пространства таким образом температура внутри камеры сгорания становится высокой, и, если температура внутри камеры сгорания будет чрезмерно высокой, возникает стук, и не достигается заданная эффективная мощность двигателя, что приводит к снижению эффективности использования топлива (ухудшению характеристик двигателя). Следовательно, для снижения температуры внутри камеры сгорания в качестве способа надежного отвода тепла, выделяющегося в камере сгорания, через клапан (способа увеличения теплорассеивающего эффекта клапана) были предложены различные полые клапаны, имеющие полую часть, заполненную охлаждающим веществом вместе с инертным газом.
[0005] В тарельчатом клапане, описанном в патентном литературном источнике 2, полая часть образована от головки до стержня, и данная полая часть заполнена охлаждающим веществом с более высокой теплопроводностью по сравнению с теплопроводностью базового материала клапана двигателя (например, металлическим натрием, температура плавления которого составляет приблизительно 98°С) вместе с инертным газом.
[0006] Полая часть клапана двигателя продолжается от внутреннего пространства головки до внутреннего пространства стержня, и количество охлаждающего вещества, подлежащего загрузке в полую часть, соответственно увеличивается, так что теплопроводность клапана двигателя (в дальнейшем называемая теплорассеивающим воздействием клапана) может быть увеличена. Однако объем стержня клапана двигателя уменьшается, поскольку в нем образована полая часть, так что в том случае, если теплорассеивающий эффект является чрезмерно большим, температура стержня чрезмерно повышается. Впускной клапан из клапанов двигателя всасывает смесь бензина и воздуха, и, если температура поверхности впускного клапана будет чрезмерно высокой, объем смеси, подлежащей входу в контакт с данным впускным клапаном, увеличивается, и количество смеси, которое может быть всосано в одном цикле, уменьшается, так что кпд двигателя снижается. Кроме того, выпускной клапан из клапанов двигателя подвергается воздействию высокой температуры по сравнению с впускным клапаном, и, в частности, прочность горловинной части клапана легко снижается.
Перечень ссылок
Патентные литературные источники
[0007] Патентный литературный источник 1: Опубликованная нерассмотренная заявка на патент Японии № 2012-72748
Патентный литературный источник 2: Японская опубликованная нерассмотренная заявка на полезную модель № S61-106677
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблема, подлежащая решению посредством изобретения
[0008] При таком тарельчатом клапане, в котором используется охлаждающее вещество, желательно достичь максимальной полноты сгорания посредством регулирования относительных величин теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта. В тарельчатом клапане, описанном в патентном литературном источнике 2, образованы теплоизолирующее пространство 9 и камера 7 охлаждения, при этом они отделены друг от друга поверхностной частью А головки. В данном тарельчатом клапане имеются теплоизолирующее пространство 9, которое создает теплоизолирующий эффект, и камера 7 охлаждения, которая создает эффект рассеяния тепла, однако поверхностная часть А головки, которая разделяет теплоизолирующее пространство и камеру охлаждения, представляет собой элемент, специфический для клапана, и отсутствует идея, заключающаяся в том, что осуществляется регулирование данного элемента для регулирования теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта. То есть, формы теплоизолирующего пространства 9 и камеры 7 охлаждения являются фиксированными, и, соответственно, их объемы являются фиксированными, так что теплоизолирующий эффект и теплорассеивающий эффект не могут быть заданы в соответствии с надлежащими соотношениями, пригодными для каждого типа транспортного вещества и т.д.
[0009] Настоящее изобретение было сделано на основе вышеописанных знаний автора изобретения о предшествующих литературных источниках, и задача настоящего изобретения состоит в разработке полого тарельчатого клапана, который может обеспечить значительное повышение полноты сгорания посредством подавления рассеяния тепловой энергии, получаемой в камере сгорания, в клапане.
Средства решения
[0010] Для решения вышеописанной задачи полый тарельчатый клапан в соответствии с настоящим изобретением (пунктом 1 формулы изобретения) выполнен с такой конфигурацией, что в полом тарельчатом клапане, включающем в себя головку, образованную за одно целое с одной концевой стороной стержня, полая часть, расположенная со стороны головки, и полая часть, расположенная со стороны стержня, разделенные перегородкой, образованы в клапане, и в полой части, расположенной со стороны головки, теплоизолирующая часть конфигурирована посредством содержания в ней газа или материала, имеющего более низкую теплопроводность по сравнению с металлом, образующим клапан, и в полую часть, расположенную со стороны стержня, загружено охлаждающее вещество.
[0011] (Функционирование) Когда тарельчатый клапан, выполненный с вышеописанной конфигурацией, используется в качестве клапана двигателя, в полой части, расположенной со стороны головки, (теплоизолирующем пространстве или полой части большого диаметра), расположенной ниже, чем перегородка, вследствие низкой теплопроводности данного пространства рассеяние тепла, выделяющегося внутри камеры сгорания, подавляется, и температура внутри камеры сгорания поддерживается высокой. С другой стороны, в охлаждающей части, расположенной выше, чем перегородка, охлаждающее вещество, такое как металлический натрий, охлаждает поверхность наружной стенки охлаждающей части и смесь вокруг охлаждающей части. Охлаждающая часть образована полой, так что ее усталостная прочность снижается и она легко повреждается под действием сильного нагрева, однако охлаждающая часть охлаждается охлаждающим веществом, так что существует малый риск теплового повреждения. Это заметно в горловинной части выпускного клапана, в которой температура смеси является высокой. В том случае, когда тарельчатый клапан представляет собой впускной клапан, смесь, подлежащая всасыванию, расширяется под действием нагрева, и количество смеси, подлежащей всасыванию в одном цикле, уменьшается, и эффективность использования топлива снижается. Тем не менее, поскольку смесь охлаждается охлаждающим веществом, смесь подается в достаточном объеме, и двигатель плавно включается. То есть, подавляется снижение полноты сгорания, обусловленное уменьшением количества всасываемой смеси, которое вызвано объемным расширением всасываемого воздуха (смеси) вокруг клапана, когда всасываемый воздух подвергается воздействию нагрева от клапана, и, кроме того, в сочетании с вышеописанным подавлением рассеяния тепловой энергии полнота сгорания может быть существенно повышена.
[0012] Поскольку в случае настоящего изобретения теплоизолирующее пространство и охлаждающая часть разделены перегородкой, посредством надлежащего задания положения данной перегородки в направлении вверх-вниз и длины данной перегородки в направлении вверх-вниз в соответствии с типом транспортного средства, для которого используется клапан, и т.д., достигаются соответствующие теплоизолирующий эффект и теплорассеивающий эффект. Кроме того, хотя механическая прочность тарельчатого клапана может быть недостаточной, поскольку получена полая конструкция посредством образования теплоизолирующего пространства и охлаждающей части, механическая прочность увеличивается посредством перегородки.
[0013] В соответствии с пунктом 2 формулы изобретения в полом тарельчатом клапане согласно пункту 1 формулы изобретения теплоизолирующий слой образован на по меньшей мере одной из расположенной со стороны камеры сгорания поверхности головки, наружной периферийной поверхности, продолжающейся от головки к стержню, и внутренней стенки полой части, расположенной со стороны головки.
[0014] (Функционирование) В данном полом тарельчатом клапане теплоизолирующий слой, образованный из керамических материалов и т.д., образован на обеих или на любой из расположенной со стороны камеры сгорания поверхности головки, которая в действительности легко подвергается воздействию высокой температуры, например, нижней поверхности корпусной части головки и нижней поверхности закрывающего элемента, и наружной периферийной поверхности, продолжающейся от головки до стержня, например, галтельной части тарельчатого клапана, так что избегают подвергания каждого элемента воздействию высокой температуры, и обеспечивается устойчивость к воздействию высоких температур. Кроме того, при образовании теплоизолирующего слоя также на внутренней стенке полой части, расположенной со стороны головки, тепло, которое прошло через теплоизолирующий слой, образованный на корпусной части головки, удерживается от отвода в полую часть, расположенную со стороны головки, и теплоизолирующий эффект может быть дополнительно увеличено.
[0015] В соответствии с пунктом 3 формулы изобретения в полом тарельчатом клапане согласно пункту 1 или 2 формулы изобретения перегородка образована за одно целое с основным корпусом клапана.
[0016] (Функционирование) Когда основной корпус клапана и перегородка образованы за одно целое, может быть получен тарельчатый клапан, который не имеет зоны соединения, имеет высокую жесткость и обладает высокой стойкостью к термическим и механическим напряжениям и может быть использован в жестких условиях работы.
[0017] В соответствии с пунктом 4 формулы изобретения в полом тарельчатом клапане согласно пункту 1 или 2 формулы изобретения перегородка конфигурирована посредством фиксации столбчатого элемента, имеющего наружный диаметр, по существу равный внутреннему диаметру стержня, в заданном положение посредством присоединения, такого как введение и установка или приваривание, к внутренней стороне охлаждающей части.
[0018] (Функционирование) В данном варианте, в котором перегородка конфигурирована посредством введения и установки столбчатого элемента в охлаждающую часть, может быть обеспечен такой же уровень жесткости, как в случае образования цельного элемента, однако положение столбчатого элемента при введении и установке и вертикальную длину столбчатого элемента можно легко изменять, и, кроме того, материал также легко изменяется, так что легко достигаются требуемые теплоизолирующий эффект и теплорассеивающий эффект.
[0019] В соответствии с пунктом 5 формулы изобретения в полом тарельчатом клапане согласно любому из пунктов 1-4 формулы изобретения закрывающий элемент, который образует нижнюю поверхность полой части, расположенной со стороны головки, присоединен к обращенной к камере сгорания стороне головки.
[0020] (Функционирование) В данном варианте, в котором закрывающий элемент присоединен, полая часть, расположенная со стороны головки, легко заполняется заданным теплоизоляционным материалом или газом, и при присоединении закрывающего элемента в вакууме или в условиях сниженного давления в полой части, расположенной со стороны головки, может поддерживаться вакуум или сниженное давление, при котором теплопроводность является низкой.
В пункте 6 формулы изобретения теплоизолирующий эффект достигается в теплоизолирующей части, теплорассеивающий эффект достигается в охлаждающей части, и посредством задания по меньшей мере одного из положения перегородки в направлении вверх-вниз и длины перегородки в направлении вверх-вниз могут быть отрегулированы относительные величины теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта.
В пункте 7 формулы изобретения в способе регулирования относительных величин теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта полого тарельчатого клапана, выполненного с такой конфигурацией, что головку образуют за одно целое с одной концевой стороной стержня, образуют полую часть, расположенную со стороны головки, и полую часть, расположенная со стороны стержня, в полой части, расположенной со стороны головки, конфигурируют теплоизолирующую часть, которая может оказывать теплоизолирующий эффект посредством содержания в ней газа или материала, имеющего более низкую теплопроводность по сравнению с металлом, образующим клапан, и в полой части, расположенной со стороны стержня, конфигурируют охлаждающую часть, которая может оказывать теплорассеивающий эффект посредством ее заполнения охлаждающим веществом, при этом обеспечивают способ регулирования относительных величин теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта посредством задания по меньшей мере, одного параметра из положения перегородки в направлении вверх-вниз и длины перегородки в направлении вверх-вниз.
(Функционирование) В пунктах 6 и 7 формулы изобретения, как описано выше, посредством изменения и надлежащего задания положения установки и длиныперегородки в вертикальном направлении в соответствии с типом транспортного средства, для которого используется клапан, и т.д. достигают соответствующих теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта.
Эффекты от изобретения
[0021] В полом тарельчатом клапане в соответствии с настоящим изобретением положение установки и длина перегородки в вертикальном направлении легко изменяются, и посредством надлежащего задания данных параметров в соответствии с типом транспортного средства, для которого используется клапан, и т.д. достигаются соответствующие теплоизолирующий эффект и теплорассеивающий эффект. Кроме того, посредством перегородки увеличиваются механическая или термическая прочность тарельчатого клапана, в котором образованы теплоизолирующее пространство и охлаждающая часть.
[0022] В полом тарельчатом клапане в соответствии с пунктом 2 формулы изобретения теплоизолирующий слой с низкой теплопроводностью образован на по меньшей мере одной из расположенной со стороны камеры сгорания поверхности головки, наружной периферийной поверхности, продолжающейся от головки к стержню, и внутренней стенки полой части, расположенной со стороны головки, которые легко подвергаются воздействию высокой температуры, и, соответственно, избегают теплового повреждения данных частей, обусловленного теплом газообразных продуктов сгорания, находящихся внутри камеры сгорания и в выпускном канале, и посредством образования теплоизолирующего слоя на внутренней стенке на обращенной к камере сгорания стороне полой части, расположенной со стороны головки, подавляется отвод тепла от стороны камеры сгорания к полой части, расположенной со стороны головки. Кроме того, посредством образования теплоизолирующего слоя на внутренней стенке на обращенной к стержню стороне полой части, расположенной со стороны головки, подавляется отвод тепла, выделяющегося внутри камеры сгорания, к стороне стержня.
[0023] В случае полого тарельчатого клапана в соответствии с пунктом 3 формулы изобретения тарельчатый клапан включает в себя перегородку и основной корпус клапана, которые образованы за одно целое, что способствует большему повышению прочности вблизи границы между стержнем и головкой, которая подвергается сильному деформированию при ее образовании.
[0024] В случае полого тарельчатого клапана в соответствии с пунктом 4 формулы изобретения объемы теплоизолирующего пространства и охлаждающей части могут быть сравнительно свободно заданы посредством перегородки, и, следовательно, может быть обеспечено приближение теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта к их оптимальным величинам.
[0025] В полом тарельчатом клапане в соответствии с пунктом 5 формулы изобретения закрывающий элемент присоединен для образования нижней поверхности полой части, расположенной со стороны головки, так что будет легко заполнить полую часть, расположенную со стороны головки, заданным газом или теплоизоляционным материалом и поддерживать вакуум или пониженное давление в полой части, расположенной со стороны головки.
Посредством полого тарельчатого клапана в соответствии с пунктом 6 формулы изобретения посредством надлежащего задания положения установки и длины перегородки в вертикальном направлении достигают соответствующих теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта.
Аналогичным образом, еще посредством способа изготовления полого тарельчатого клапана в соответствии с пунктом 7 формулы изобретения посредством надлежащего задания положения установки и длины перегородки в вертикальном направлении достигают соответствующих теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0026] Фиг.1 представляет собой продольное сечение полого тарельчатого клапана в соответствии с первым примером настоящего изобретения.
Фиг.2 представляют собой виды, показывающие этапы изготовления полого тарельчатого клапана в соответствии с первым примером; фиг.2(а) показывает этап горячей объемной штамповки, представляющей собой объемную штамповку корпуса как полуфабриката при изготовлении клапана; фиг.2(b) показывает этап рассверливания, представляющего собой рассверливание отверстия, эквивалентного полой части малого диаметра рядом с головкой; фиг.2(с) показывает этап рассверливания, представляющего собой рассверливание отверстия, эквивалентного полой части малого диаметра рядом с концевой частью стержня; фиг.2(d) показывает этап загрузки охлаждающего вещества, представляющей собой заполнение полой части малого диаметра охлаждающим веществом; фиг.2(е) показывает этап присоединения, представляющего собой присоединение концевого элемента стержня (этап герметичного закрытия полой части малого диаметра), и фиг.2(f) показывает этап присоединения закрывающего элемента к расположенной со стороны входной части, внутренней периферийной поверхности углубления (полой части большого диаметра) корпусной части головки (этап герметичного закрытия полой части большого диаметра).
Фиг.3 представляет собой продольное сечение полого тарельчатого клапана в соответствии со вторым примером настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет собой продольное сечение полого тарельчатого клапана в соответствии с третьим примером настоящего изобретения.
Фиг.5 представляет собой продольное сечение полого тарельчатого клапана в соответствии с четвертым примером настоящего изобретения.
Фиг.6 представляет собой продольное сечение полого тарельчатого клапана в соответствии с пятым примером настоящего изобретения.
Фиг.7 представляет собой продольное сечение полого тарельчатого клапана в соответствии с шестым примером настоящего изобретения.
Фиг.8 представляют собой виды, показывающие этапы изготовления полого тарельчатого клапана в соответствии с шестым примером; фиг.8(а) показывает этап горячей объемной штамповки, представляющей собой объемную штамповку корпуса как полуфабриката при изготовлении клапана; фиг.8(b) показывает этап образования ступенчатой плоской части на нижней поверхности сферического углубления корпусной части головки (верхней концевой поверхности полой части большого диаметра) (этап образования ступенчатой плоской части); фиг.8(с) показывает этап рассверливания, представляющего собой рассверливание отверстия, эквивалентного полой части малого диаметра, от нижней поверхности углубления корпусной части головки (верхней концевой поверхности полой части большого диаметра) до стержня; фиг.8(d) показывает этап загрузки охлаждающего вещества, представляющей собой заполнение полой части малого диаметра охлаждающим веществом со стороны углубления корпусной части головки; фиг.8(е) показывает этап запрессовки и присоединения пробки к входной части полой части малого диаметра посредством пайки твердым припоем и т.д. (этап герметичного закрытия полой части малого диаметра), и фиг.8(f) показывает этап приваривания закрывающего элемента к расположенной со стороны входной части, внутренней периферийной поверхности углубления (полой части большого диаметра) корпусной части головки (этап герметичного закрытия полой части большого диаметра).
Наилучший вариант осуществления изобретения
[0027] Далее один вариант осуществления настоящего изобретения описан на основе примеров.
[0028] Фиг.1 показывает полый тарельчатый клапан для внутреннего сгорания в соответствии с первым примером настоящего изобретения.
[0029] На фиг.1 ссылочная позиция 10 обозначает полый тарельчатый клапан, который изготовлен из жаропрочного сплава и включает в себя головку 14 клапана, образованную за одно целое с одной концевой стороной стержня 12 клапана, продолжающегося прямолинейно, посредством закругленной галтельной части 13, наружный диаметр которой постепенно увеличивается, и на наружной периферии головки 14 клапана выполнена коническая фаска 16.
[0030] Полая часть внутри полого тарельчатого клапана 10 разделена на имеющую большой диаметр, полую часть (расположенную со стороны головки, полую часть) S1 на стороне головки 14 клапана и имеющую малый диаметр, полую часть (расположенную со стороны стержня, полую часть) S2 на стороне стержня 12 клапана посредством перегородки 15 с толщиной х1, обеспеченной в положение, соответствующем галтельной части 13 между головкой 14 клапана и стержнем 12 клапана, и отделенная полая часть S1 большого диаметра заполнена газом, таким как воздух, азот и аргон и т.д., под нормальным давлением, или в данной полой части S1 поддерживается вакуум или сниженное давление, и полая часть S2 малого диаметра заполнена охлаждающим веществом 19 вместе с инертным газом. В полой части S1 большого диаметра желательно поддерживать вакуум, при котором теплопроводность является низкой.
[0031] Более подробно, внутри головки 14 клапана образована сферическая (куполообразная) полая часть S1 большого диаметра, которая имеет сферическую верхнюю концевую поверхность 14b1 коническую наружную периферийную поверхность (наклонную поверхность) 14b2, по существу повторяющую наружную форму головки 14 клапана, и, с другой стороны, внутри стержня 12 клапана узкая и длинная столбчатая полая часть S2 малого диаметра, продолжающаяся до зоны вблизи сферической закрывающей поверхности 14b1 полой части S1 большого диаметра, образована перпендикулярно к верхней концевой поверхности 14b1 полой части большого диаметра, и между полой частью S2 малого диаметра и полой частью S1 большого диаметра обеспечена перегородка 15 с толщиной Х1, образованная за одно целое с головкой 14 клапана.
[0032] Более подробно, корпус 11, объединенный за одно целое со стержнем, (в дальнейшем называемый просто корпусом) в качестве заготовки при изготовлении клапана, включающий в себя корпусную часть 14а головки, образованную за одно целое с одной концевой стороной стержнеобразной части 12а, и отверстие, эквивалентное полой части S2 малого диаметра, открывающееся на другой концевой стороне стержнеобразной части 12а, имеющий форму диска, закрывающий элемент 18, присоединенный к расположенной со стороны входной части, внутренней периферийной поверхности 14с в сферическом углублении 14b корпусной части 14а головки в корпусе 11, и стержнеобразный концевой элемент 12b стержня, присоединенный к стержнеобразной части 12а корпуса 11, образуют полый тарельчатый клапан 10, включающий в себя полую часть S1 внутри головки 14 клапана и полую часть S2 внутри стержня 12 клапана, отделенные друг от друга посредством перегородки 15, и полая часть S1 заполнена газом, таким как воздух, азот и аргон и т.д., и в полую часть S2 загружено охлаждающее вещество 19 вместе с инертным газом. Величина загруженного охлаждающего вещества 19 составляет, например, приблизительно от 1/2 до 4/5 от объема полой части S2.
[0033] На фиг.1 ссылочная позиция 2 обозначает головку цилиндров, ссылочная позиция 6 обозначает выпускной канал, продолжающийся от камеры 4 сгорания, и на краевой части входной части выпускного канала 6, которая «ведет» в камеру 4 сгорания, обеспечена вставка 8 с тороидальным седлом клапана, имеющая коническую поверхность 8а, с которой установочная поверхность 16 клапана, представляющего собой клапан 10, может входить в контакт. Ссылочная позиция 3 обозначает отверстие для вставки клапана, выполненное в головке 2 цилиндров, и отверстие 3 для вставки клапана образовано в цилиндрической направляющей 3а для клапана, с которой стержень 12 клапана 10 входит в скользящий контакт. Ссылочная позиция 9 обозначает пружину клапана, которая поджимает клапан 10 в направлении закрытия клапана (вверх на фиг.1), и ссылочная позиция 12с обозначает фиксирующую канавку, выполненную на концевой части стержня 12 клапана.
[0034] Для закрывающего элемента 18 используется материал с низкой теплопроводностью (например, инконель и т.д.), и корпус 11, который представляет собой часть, которая должна подвергаться воздействию высокотемпературного газа, имеющегося в камере 4 сгорания и выпускном канале 6, изготовлен из жаропрочной стали (например, SUH 35 и т.д.). С другой стороны, стержнеобразный концевой элемент 12b, для которого отсутствует необходимость в том, чтобы он был таким же жаропрочным, как корпус 11 и закрывающий элемент 18, но при этом требуется, чтобы он имел механическую прочность, изготовлен из менее дорогого материала (например, SUH 11 и т.д.) по сравнению с жаропрочной сталью, используемой для корпуса 11.
[0035] Полая часть S1, расположенная ниже перегородки 15 полого тарельчатого клапана 10, выполненного с вышеописанной конфигурацией, обычно заполнена воздухом, однако данное пространство может быть заполнено теплоизоляционным материалом. В качестве теплоизоляционного материала может быть использован жаропрочный металл или технический углерод, и теплоизоляционный материал может быть использован в виде наполнителя с пористостью, составляющей приблизительно от 25 до 80%, образованного, например, из нетканого материала, выполненного из нержавеющей стали, коротких волокон, длинных волокон, порошка или металлической сетки, или микросфер из стекловидного углерода. В качестве другого детализированного примера многослойный фильтр из металла и нетканого материала, образованный посредством ламинирования армирующей металлической сетки и защитной металлической сетки на металлическом нетканом материале, может быть использован в виде примера. Данным теплоизоляционным материалом легко манипулировать. Кроме того, теплоизоляционный материал может быть образован из металлического нетканого материала, полученного трехмерным формованием жаропрочной металлической нити.
[0036] При заполнении полой части S1 воздухом или заполнении полой части теплоизоляционным материалом теплопроводность полой части S1 снижается, и, соответственно, количество энергии, вырабатываемой при сжигании топлива и подлежащей отводу в виде тепла наружу через основной корпус клапана, уменьшается (потери при охлаждении снижаются).
[0037] Охлаждающее вещество, такой как металлический натрий, внутри полой части S2, расположенной выше перегородки 15, охлаждает поверхность наружной стенки охлаждающей части и смесь вокруг охлаждающей части. Охлаждающая часть образована полой, так что ее прочность при высоких температурах снижается, и охлаждающая часть легко повреждается под действием высокой температуры, однако охлаждающая часть охлаждается охлаждающим веществом, так что имеется малый риск термического повреждения.
[0038] Полая часть S2 малого диаметра состоит из полой части S21 малого диаметра, которая имеет сравнительно большой внутренний диаметр d1 и расположена близко к концевой части стержня клапана, и полой части S22 малого диаметра, которая имеет сравнительно малый внутренний диаметр d2 (d2 < d1) и находится близко к головке 14 клапана, и между полыми частями S21 и S22 малого диаметра образована тороидальная ступенчатая часть 17, и охлаждающее вещество 19 загружено в место за ступенчатой частью 17.
[0039] Следовательно, когда охлаждающее вещество 19, находящееся внутри полой части S2 малого диаметра, перемещается в направлении вверх-вниз под действием силы инерции, приложенной при открытии или закрытии клапана 10, рядом со ступенчатой частью 17 создается турбулентность, которая вызывает встряхивание охлаждающего вещества 19, и, соответственно, усиливается теплорассеивающий эффект (увеличивается теплопроводность) в стержне 12 клапана.
[0040] Как показано на фиг.1, ступенчатая часть 17 внутри полой части S2 малого диаметра обеспечена в положении, по существу соответствующем концевой части 3b на той стороне направляющей 3 для клапана, которая обращена к выпускному каналу 6, и полая часть S21 малого диаметра, имеющая большой внутренний диаметр и расположенная близко к концевой части стержня, образована длинной в аксиальном направлении, и, соответственно, площадь контакта между стержнем 12 клапана и охлаждающим веществом 19 увеличивается и эффективность теплопередачи, обеспечиваемой стержнем 12 клапана, повышается без снижения долговечности клапана 10, и стенка, ограничивающая полую часть S21 малого диаметра, становится тоньше и клапан 10 становится легким. То есть, ступенчатая часть 17 внутри полой части S2 малого диаметра обеспечена в заданном положение, которое не находится внутри выпускного канала 6 (на заданное положение, в котором тонкая стенка ограничивает имеющую малый диаметр, полую часть S21 стержня 12 клапана, почти не влияет тепло внутри выпускного канала 6) в состоянии, в котором клапан 10 полностью открывается (перемещается вниз), как показано воображаемой линией на фиг.1. Ссылочная позиция 17Х на фиг.1 обозначает положение ступенчатой части 17 в состоянии, в котором клапан 10 полностью открывается (перемещается вниз).
[0041] Более подробно, усталостная прочность металла снижается при повышении температуры, так что та зона в стержне 12 клапана, близкая к головке 14 клапана, которая представляет собой часть, всегда находящуюся внутри выпускного канала 6 и подвергающуюся воздействию сильного нагрева, должна быть образована с толщиной, достаточной для того, чтобы выдерживать снижение усталостной прочности. С другой стороны, тепло, выделяющееся в камере 4 сгорания и выпускном канале 6, передается посредством охлаждающего вещества 19 в ту зону, находящуюся рядом с концевой частью стержня, в стержне 12 клапана, которая представляет собой часть, удаленную от источника тепла и всегда находящуюся в скользящем контакте с направляющей 3а для клапана, однако передаваемое тепло сразу же выделяется в головку 2 цилиндров через направляющую 3а для клапана, так что данная зона вряд ли будет достигать такой же высокой температуры, как температура в зоне, близкой к головке 14 клапана.
[0042] То есть усталостная прочность зоны, находящейся рядом с концевой частью стержня, в стержне 12 клапана снижается в меньшей степени, чем усталостная прочность зоны, находящейся рядом с головкой 14 клапана, так что даже если зона, близкая к концевой части стержня, будет образована тонкой (полая часть S21 малого диаметра будет образована с большим внутренним диаметром), будет отсутствовать проблема, связанная с прочностью (устойчивостью к усталостному разрушению и т.д.).
[0043] Следовательно, в представленном примере, во-первых, посредством увеличения площади поверхности всей полой части S2 малого диаметра (площади контакта с охлаждающим веществом 19) посредством образования полой части S21 малого диаметра с большим внутренним диаметром эффективность отвода тепла в стержне 12 клапана повышается. Во-вторых, посредством увеличения объема всей полой части S2 малого диаметра общая масса клапана 10 уменьшается.
[0044] Не требуется, чтобы концевой элемент 12b стержня клапана имел такую же жаропрочность/термостойкость, как корпус 11, так что при использовании недорогого материала (например, SUH 11 и т.д.), имеющего более низкую термостойкость по сравнению с материалом корпуса 11, клапан 10 может быть выполнен недорогим.
[0045] Как описано в патентном литературном источнике 2, полый клапан, выполненный с полой конфигурацией от стержня клапана до головки клапана, имеет более низкое сопротивление стержня клапана изгибу и кручению по сравнению с полым клапаном, включающим в себя стержень клапана, образованный из сплошного элемента, однако в клапане 10 в соответствии с представленным примером перегородка 15, которая разделяет полую часть S2 малого диаметра и полую часть S1 большого диаметра, образована за одно целое с головкой 14 клапана и компенсирует снижение сопротивления стержня 12 клапана изгибу и кручению, и, соответственно, долговечность является отличной.
[0046] Далее, этапы изготовления полого тарельчатого клапана 10 в соответствии с первым примером описаны на основе фиг.2.
[0047] Сначала, как показано на фиг.2(а), посредством этапа горячей объемной штамповки образуют корпус 11, в котором корпусная часть 14а головки, выполненная со сферическим углублением 14b, и стержнеобразная часть 12а образованы за одно целое. Нижнюю поверхность 14b1 сферического углубления 14b в корпусной части 14а головки образуют в виде сферической поверхности, перпендикулярной к стержнеобразной части 12а (центральной оси L корпуса 11).
[0048] В качестве этапа горячей объемной штамповки могут быть выбраны или объемная штамповка выдавливанием, при которой штамп заменяют в определенном порядке и посредством которой корпус 11 изготавливают из заготовки из жаропрочной стали, или штамповка-высадка, при которой после образования сферической части высадкой на концевой части пруткового материала, образованного из жаропрочной стали, посредством машины для высадки корпус 11 (корпусную часть 14а головки) образуют объемной штамповкой путем использования штампа. На этапе горячей объемной штамповки между корпусной частью 14а головки и стержнеобразной частью 12а корпуса 11 образуют закругленную галтельную часть 13, и на наружной периферийной поверхности корпусной части 14а головки образуют коническую фаску.
[0049] Далее, как показано на фиг.2(b), отверстие 14е, эквивалентное полой части S22 малого диаметра, рассверливают посредством сверления от стороны концевой части стержнеобразной части 12а корпуса 11 (этап рассверливания). Посредством данного этапа рассверливания образуют перегородку 15, которая разделяет углубление 14b корпусной части 14а головки, образующее полую часть S1 большого диаметра, и отверстие 14е на стороне стержнеобразной части 12а, образующее полую часть S22 малого диаметра.
[0050] Далее, как показано на фиг.2(с), от стороны концевой части стержнеобразной части 12а корпуса 11 отверстие 14f, эквивалентное полой части S21 малого диаметра, рассверливают посредством сверления, и образуют ступенчатую часть 17 (этап рассверливания).
[0051] Далее, как показано на фиг.2(d), стержнеобразную часть 12а корпуса 11 размещают так, чтобы она была обращена вверх, и внутренние пространства отверстий 14е и 14f, эквивалентных полой части S2 малого диаметра, заполняют заданным количеством охлаждающего вещества 19 (твердого) (этап загрузки охлаждающего вещества).
[0052] Далее, как показано на фиг.2(е), в атмосфере газообразного аргона концевой элемент 12b стержня присоединяют к стержнеобразной части 12а корпуса 11 (этап герметичного закрытия полой части малого диаметра).
[0053] В завершение, как показано на фиг.2(f), имеющую большой диаметр, полую часть S1 клапана 10 герметично закрывают (этап герметичного закрытия полой части большого диаметра) путем присоединения (например, контактной сварки/сварки сопротивлением) закрывающего элемента 18 к расположенной со стороны входной части, внутренней периферийной поверхности 14с углубления 14b корпусной части 14а головки в атмосфере газообразного аргона, и выполняют технологическую операцию образования фиксирующей канавки 12с (см. фиг.1) на концевой части стержня, и, соответственно, изготовление клапана 10 завершается. Для присоединения закрывающего элемента 18 может быть выбрана электронно-лучевая сварка или лазерная сварка и т.д. вместо сварки сопротивлением/контактной сварки. При присоединении закрывающего элемента 18 в среде с пониженным давлением вместо вышеописанной атмосферы газообразного аргона, давление во внутреннем пространстве полой части S1 большого диаметра может быть снижено.
[0054] Фиг.3 показывает полый тарельчатый клапан для внутреннего сгорания в соответствии со вторым примером настоящего изобретения.
[0055] Полый тарельчатый клапан 10А (корпус 11А) в соответствии со вторым примером имеет такую же конфигурацию, как в первом примере, за исключением того, что толщина перегородки 15А задана равной Х2 и превышающей толщину Х1 перегородки 15 по первому примеру (Х1<Х2). Такие же элементы, как в первом примере, обозначены теми же ссылочными позициями, и, соответственно, их дублирующее описание опущено. Поскольку в тарельчатом клапане в соответствии со вторым примером толщина (длина в направлении вверх-вниз) перегородки 15А больше, чем в первом примере, галтельная часть 13, которая имеет сравнительно низкую механическую прочность, упрочняется. Таким образом, посредством надлежащего регулирования толщины перегородки 15А может быть получена необходимая и достаточная прочность.
[0056] Для изготовления полого тарельчатого клапана 10А в соответствии со вторым примером, показанного на фиг.3, добавляют этап уменьшения расстояния рассверливания при сверлении для образования отверстия 14е на этапе рассверливания по фиг.2(b) на (X2 - X1).
[0057] Фиг.4 показывает полый тарельчатый клапан в соответствии с третьим примером настоящего изобретения. Полый тарельчатый клапан 10В в соответствии с третьим примером представляет собой модификацию второго примера, и такие же элементы, как во втором примере, обозначены теми же ссылочными позициями, и описание опущено. В третьем примере у вершины сферической верхней концевой поверхности 14b1 образовано углубление 14g вдоль центральной оси L, и между углублением 14g и полой частью S2 малого диаметра образована перегородка 15В.
[0058] В данном третьем примере путем регулирования длины углубления 14g объем углубления 14g увеличивают или уменьшают для оптимального задания объема теплоизолирующего пространства, включающего в себя углубление и полую часть S1 большого диаметра, и, соответственно, обеспечивается заданная эффективность теплоизоляции.
[0059] Фиг.5 показывает полый тарельчатый клапан в соответствии с четвертым примером настоящего изобретения. Полый тарельчатый клапан 1°C в соответствии с четвертым примером представляет собой модификацию вышеописанного второго примера, и такие же элементы, как во втором примере, обозначены теми же ссылочными позициями, и описание опущено. В четвертом примере нижняя поверхность корпусной части 14а головки и нижняя поверхность закрывающего элемента 18, закругленная галтельная часть 13 и внутренняя стенка полой части (S1), расположенной со стороны головки, покрыты теплоизолирующим слоем 21, образованным из керамических материалов и т.д., например, посредством термического напыления. Данный теплоизолирующий слой 21 может быть нанесен в виде покрытия на, по меньшей мере, одну из нижней поверхности корпусной части 14а головки и нижней поверхности закрывающего элемента 18, галтельной части 13 и внутренней стенки полой части, расположенной со стороны головки. В данном случае внутренняя стенка полой части (S1), расположенной со стороны головки, включает в себя куполообразное сферическое углубление (14b) полой части (S1), расположенной со стороны головки, и верхнюю поверхность закрывающего элемента 18, и теплоизолирующий слой 21 образован на всех данных элементах или на их части.
[0060] Нижняя поверхность корпусной части 14а головки и нижняя поверхность закрывающего элемента 18 в полом тарельчатом клапане 1°C подвергаются воздействию высокой температуры камеры 4 сгорания, и в том случае, когда тарельчатый клапан представляет собой выпускной клапан, галтельная часть 13 подвергается воздействию смеси, имеющей высокую температуру, внутри выпускного канала. При образовании теплоизолирующего слоя 21 на данных частях термическое сопротивление повышается, и обеспечивается стойкость к воздействию высоких температур. При образовании теплоизолирующего слоя 21 на верхней поверхности закрывающего элемента 18 внутренней стенки полой части, расположенной со стороны головки, тепло, которое не может быть «изолировано» посредством теплоизолирующего слоя 21 на стороне нижней поверхности закрывающего элемента 18, «изолируется», и тепло может «удерживаться» от отвода в полую часть, расположенную со стороны головки. Посредством теплоизолирующей части, образованной в сферическом углублении (14b), тепло внутри полой части (S1), расположенной со стороны головки, «удерживается» от передачи по направлению к стержню.
[0061] Фиг.6 показывает полый тарельчатый клапан в соответствии с пятым примером настоящего изобретения. Полый тарельчатый клапан 10D в соответствии с пятым примером представляет собой модификацию первого примера, и такие же элементы, как в первом примере, обозначены теми же ссылочными позициями, и описание опущено. В пятом примере полая часть S1ʹ большого диаметра образована не с полусферической формой, но по существу с формой усеченного конуса, и, следовательно, верхняя концевая поверхность полой части S1ʹ большого диаметра образована в виде плоской поверхности 14С, и ступенчатая часть 17, имеющаяся в первом примере, не образована в полой части S2ʹ малого диаметра. Даже в данном пятом примере, как и в случае каждого примера, описанного выше, полая часть S1ʹ большого диаметра и полая часть S2ʹ малого диаметра разделены перегородкой 15С и, соответственно, оказывают теплоизолирующий эффект и охлаждающее воздействие. Никакой конвекции не создается внутри полой части S2ʹ малого диаметра, однако изготовление соответствующим образом упрощается.
[0062] Фиг.7 показывает полый тарельчатый клапан в соответствии с шестым примером настоящего изобретения. В вышеуказанном примере в полом тарельчатом клапане полая часть малого диаметра, расположенная внутри стержня клапана, и полая часть большого диаметра, расположенная внутри головки клапана, разделены перегородкой, образованной за одно целое с корпусом. С другой стороны, в полом тарельчатом клапане 10Е в соответствии с шестым примером полая часть S2ʺ малого диаметра, расположенная внутри стержня 12 клапана, и полая часть S1ʺ большого диаметра, расположенная внутри головки 14 клапана, разделены пробкой (столбчатым элементом) 15D, которая изготовлена из жаропрочной стали, представляющей собой такой же материал, как материал корпуса 11Е, прикреплена к внутренней стороне входной части полой части S2ʺ малого диаметра, ведущей к полой части S1ʺ большого диаметра, и образует перегородку, или данная пробка 15D изготовлена из материала (например, инконеля и т.д.), имеющего более низкую теплопроводность по сравнению с жаропрочной сталью. Данная пробка 15D зафиксирована в заданном положение посредством запрессовки (вставки) со стороны полой части S1ʺ большого диаметра. В данном шестом примере ступенчатая плоская часть 14b3 образована вблизи вершины наклонной наружной периферийной поверхности 14b2 полой части S1ʺ большого диаметра.
[0063] Другие компоненты такие же, как компоненты полого тарельчатого клапана 10 в соответствии с первым примером, описанным выше, и обозначены теми же ссылочными позициями, и, соответственно, их дублирующее описание опущено.
[0064] В клапане 10Е по данному шестому примеру пробка 15D, служащая в качестве перегородки, предназначенной для разделения полых частей S1ʺ и S2ʺ, изготовлена из такого же материала, как жаропрочная сталь, которая представляет собой материал клапана 10Е, или из материала, имеющего более низкую теплопроводность по сравнению с жаропрочной сталью, так что передача тепла из полой части S1ʺ может быть дополнительно подавлена посредством перегородки, и, соответственно, обеспечивается отличный теплоизолирующий эффект. Кроме того, пробка может быть подвергнута обработке без соединения, не требуется вновь выполнять этап присоединения, так что данный этап может быть опущен.
[0065] Далее, этапы изготовления полого тарельчатого клапана 10Е описаны на основе фиг.8.
[0066] Сначала, как показано на фиг.8(а), посредством этапа горячей объемной штамповки образуют корпус 11Е, в котором корпусная часть 14а головки, выполненная со сферическим углублением 14b, и стержень 12 клапана образованы за одно целое друг с другом.
[0067] Далее, как показано на фиг.8(b), вблизи вершины сферической поверхности полой части S1ʺ большого диаметра ступенчатую плоскую часть 14b3 образуют резанием и т.д. (этап образования ступенчатой плоской части).
[0068] Далее, как показано на фиг.8(с), корпус 11В размещают так, чтобы углубление 14b корпусной части 14а головки было обращено вверх, и круглое отверстие 14е, эквивалентное полой части S2ʺ малого диаметра, рассверливают посредством сверления от ступенчатой плоской части 14b3 со стороны углубления 14b корпусной части 14а головки до стержня 12 клапана (этап рассверливания). Посредством этапа рассверливания обеспечивают сообщение друг с другом углубления 14b корпусной части 14а головки, которое образует полую часть S1ʺ большого диаметра, и круглого отверстия 14е на стороне стержня 12 клапана, которое образует полую часть S2ʺ малого диаметра. На данном этапе рассверливания сверление может быть выполнено от ступенчатой плоской части 14b3 так, что круглое отверстие 14е может быть образовано сверлением точно и легко.
[0069] Далее, как показано на фиг.8(d), круглое отверстие 14е углубления 14b корпусной части 14а головки в корпусе 11В заполняют заданным количеством охлаждающего вещества (твердого) 19 (этап загрузки охлаждающего вещества).
[0070] Далее, как показано на фиг.8(е), полую часть S2ʺ малого диаметра герметично закрывают путем запрессовки и фиксации посредством пайки твердым припоем пробки 15В во входной части отверстия 14е внутри углубления 14b корпусной части 14а головки в атмосфере газообразного аргона.
[0071] В завершение, как показано на фиг.8(f), в атмосфере газообразного аргона закрывающий элемент 18 присоединяют в углублении 14b корпусной части 14а головки, и затем выполняют механическую обработку для образования фиксирующей канавки на концевой части стержня, и, соответственно, изготовление клапана 10Е завершается.
Перечень ссылочных позиций
[0072] 10,10А, 10В, 10С, 10D, 10Е: Полый тарельчатый клапан
11, 11А, 11В, 11С, 11D, 11Е: Корпус в качестве полуфабриката при изготовлении клапана, в котором корпусная часть головки и стержень образованы за одно целое
12: Стержень клапана
12а: Стержнеобразная часть корпуса
14: Головка клапана
14а: Корпусная часть головки
14b: Углубление корпусной части головки
14b1: Верхняя концевая поверхность полой части большого диаметра
14b2: Коническая наружная периферийная поверхность полой части большого диаметра
14b3: Ступенчатая плоская часть
15, 15А, 15В, 15D: Перегородка
15Е: Пробка (столбчатый элемент), образующая перегородку
17: Ступенчатая часть
18: Закрывающий элемент
19: Охлаждающее вещество
21: Теплоизолирующий слой
L: Центральная ось клапана
S1, S1ʹ, S1ʺ: Полая часть, расположенная со стороны головки (полая часть большого диаметра), имеющая форму усеченного конуса
S2, S2ʹ, S2ʺ: Линейная полая часть, расположенная со стороны стержня (полая часть малого диаметра)
S21: Полая часть малого диаметра рядом с концевой частью стержня
S22: Полая часть малого диаметра рядом с головкой
Реферат
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, где используются тарельчатые клапаны. Полый тарельчатый клапан (10) имеет головку (14), образованную за одно целое с одной концевой стороной стержня (12). Клапан (10) содержит полую часть (S1), расположенную со стороны головки (14), и полую часть (S2), расположенную со стороны стержня (12). Полая часть (S1) и полая часть (S2) отделены друг от друга перегородкой (15), выполненной в районе галтельной части (13) между головкой (14) клапана и стержнем (12) клапана. Полая часть (S1), расположенная со стороны головки (14), образована посредством перегородки (15), сферического углубления корпусной части головки (14) и закрывающего элемента, образующего нижнюю поверхность полой части (S1), расположенной со стороны головки (14). На обращенной к камере сгорания стороне головки (14), в полой части (S1), расположенной со стороны головки, выполнена теплоизолирующая часть, содержащая газ или материал, имеющий более низкую теплопроводность по сравнению с металлом, образующим клапан (10). В полой части (S2), расположенной со стороны стержня (12), выполнена охлаждающая часть, в которую загружено охлаждающее вещество (19). Теплоизолирующий эффект достигается в теплоизолирующей части. Теплорассеивающий эффект достигается в охлаждающей части. Посредством задания по меньшей мере одного из положения перегородки (15) в направлении вверх-вниз и длины перегородки (15) в направлении вверх-вниз обеспечивается регулирование относительных величин теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта. Раскрыт способ регулирования относительных величин теплоизолирующего эффекта и теплорассеивающего эффекта полого тарельчатого клапана. Технический результат заключается в повышении механической прочности тарельчатого клапана. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.
