Полый тарельчатый клапан - RU2618139C1
Код документа: RU2618139C1
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к полому тарельчатому клапану, содержащему головку клапана и стержень, выполненный за одно целое с головкой клапана, и более конкретно к тарельчатому клапану, имеющему внутреннюю полость, которая содержит диаметрально большую полость головки клапана, образованную в головке клапана, и диаметрально маленькую полость, образованную в стержне, в сообщении с полостью головки клапана, и заполнена охлаждающим агентом.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Патентные документы 1 и 2, перечисленные ниже, раскрывают полые тарельчатые клапаны, содержащие головку клапана, выполненную за одно целое на одном конце стержня клапана, при этом тарельчатый клапан образован с внутренней полостью, которая проходит внутри от головки клапана в стержень и заполнена, вместе с инертным газом, охлаждающим агентом, который имеет более высокую теплопроводность, чем материал клапана. Примером такого охлаждающего агента является металлический натрий, имеющий точку плавления около 98°C.
[0003] Так как этот тип внутренней полости проходит внутри от головки клапана в стержень и содержит большое количество охлаждающего агента, он, предпочтительно, может повышать способность теплопроводности (в дальнейшем называемую способностью уменьшения тепловыделения) клапана.
[0004] Известно, что, если температура камеры сгорания двигателя повышается до чрезмерно высокой температуры во время работы, могут происходить детонирующие удары, которые понижают эффективность топлива и выходную мощность и, следовательно, производительность двигателя. Для понижения температуры камеры сгорания были предложены разные типы полых тарельчатых клапанов, которые имеют внутреннюю полость, заполненную охлаждающим агентом вместе с инертным газом для положительного переноса тепла от камеры сгорания посредством такого клапана (т.е. способ улучшения эффекта уменьшения тепловыделения клапана для отвода тепла от камеры сгорания посредством улучшенного эффекта уменьшения тепловыделения тарельчатых клапанов).
ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[0005] Патентный документ 1: W02010/041337
Патентный документ 2: опубликованная заявка на патент Японии 2011-179328
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ЦЕЛИ, ПОДЛЕЖАЩИЕ ДОСТИЖЕНИЮ ПОСРЕДСТВОМ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Традиционные заполняемые охлаждающим агентом полые тарельчатые клапаны содержат имеющую, по существу, форму диска полость головки клапана, образованную в головке клапана в сообщении с линейной полостью стержня, образованной в стержне через плавную область взаимного соединения, имеющую постепенно изменяющийся внутренний диаметр между двумя полостями, таким образом (сжиженный) охлаждающий агент и инертный газ, заполняющиеся в две полости, могут беспрепятственно перемещаться между двумя полостями во время возвратно-поступательного движения клапана, тем самым способствуя предполагаемой способности уменьшения тепловыделения клапанов.
[0007 Однако, так как (сжиженный) охлаждающий агент может беспрепятственно перемещаться между двумя полостями через область взаимного соединения в ответ на возвратно-поступательное движение клапана, верхний, средний и нижний слои охлаждающего агента во внутренней полости могут беспрепятственно перемещаться в осевом направлении клапана, не перемешиваясь друг с другом.
[0008] Следовательно, термическая энергия, хранящаяся в нижних слоях охлаждающего агента (рядом с камерой сгорания) не передается надежно в средний и верхний слои охлаждающего агента, таким образом способность уменьшения тепловыделения (или способность теплопроводности) клапанов не полностью достигается.
[0009] В попытке решить эту проблему, авторы настоящего изобретения обнаружили, что инерционная сила, которая действует на охлаждающий агент во время возвратно-поступательного движения клапана (в осевого направлении клапана), может использоваться для побуждения горизонтального вихревого потока охлаждающего агента (в дальнейшем называемого вихревым потоком или просто вихрем) в полости головки клапана.
[0010] Известно, что охлаждающий агент подвергается воздействию направленной вверх или направленной вниз инерционной силы во время возвратно-поступательного движения клапана в его осевом направлении для открывания/закрывания впускного/выпускного порта, и перемещается под действием инерционной силы в осевом направлении. Следовательно, если, например, один или более радиальных выступов, каждый из которых образован с наклонной поверхностью, наклоненной в окружном направлении клапана, обеспечены на дне полости головки клапана, охлаждающий агент предположительно будет толкаться в окружном направлении посредством наклонных поверхностей, генерируя вихревой поток в нижнем слое охлаждающего агента, особенно когда клапан перемещается вверх для открывания порта, тем самым увеличивая перемешивание охлаждающего агента и, следовательно, способность уменьшения тепловыделения клапана.
[0011] Ввиду вышеприведенной проблемы предшествующего уровня техники, целью настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного полого тарельчатого клапана, на основе вышеупомянутого открытия, при этом тарельчатый клапан является способным формировать вихревой поток охлаждающего агента в полости головки клапана во время возвратно-поступательного движения клапана, который улучшает перемешивание охлаждающего агента в его внутренней полости для повышения способности уменьшения тепловыделения клапана.
СРЕДСТВА ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ
[0012] Для достижения вышеприведенной цели, обеспечен полый тарельчатый клапан в соответствии с изобретением по п.1, содержащий:
стержень;
головку клапана, выполненную на одном конце стержня за одно целое с ним, и
внутреннюю полость, которая проходит от внутренней части головки клапана в стержень, при этом внутренняя полость заполнена охлаждающим агентом вместе с инертным газом,
при этом внутренняя полость имеет диаметрально большую полость в головке клапана (полость, в дальнейшем называемую полостью головки клапана), и диаметрально маленькую линейную полость, образованную в стержне (линейную внутреннюю полость, в дальнейшем называемую полостью стержня), в сообщении с центральной областью полости головки клапана, и
в котором множество формирующих вихрь выступов образовано либо на дне, либо потолке полости головки клапана, при этом формирующие вихрь выступы разнесены друг от друга, по существу, на равные интервалы в окружном направлении полости головки клапана, при этом каждый выступ имеет наклонную поверхность, наклоненную в окружном направлении, для генерирования вихревого потока охлаждающего агента вокруг центральной оси во время возвратно-поступательного движения клапана в направлении его центральной оси.
[0013] (Работа) В ответ на возвратно-поступательное движение в осевом направлении клапана для открывания/закрывания впускного/выпускного порта, охлаждающий агент во внутренней полости подвергается воздействию инерционной силы в осевом направлении, которая перемещает охлаждающий агент в осевом направлении. Конкретно, когда клапан находится в направленном вниз движении для открывания впускного/выпускного порта, (сжиженный) охлаждающий агент подвергается воздействию направленной вверх инерционной силы, таким образом (сжиженный) охлаждающий агент перемещается вверх к потолку полости головки клапана, как показано на Фиг.4(a). В частности, когда формирующие вихрь выступы обеспечены на потолке полости головки клапана, наклонные поверхности выступов побуждают охлаждающий агент перемещаться в направлении наклона, генерируя окружные потоки F32, которые превращаются в вихревой поток F30 охлаждающего агента, образованный в верхнем слое в головке клапана, как показано на Фиг.3.
[0014] С другой стороны, когда клапан находится в направленном вверх движении для закрывания впускного/выпускного порта, (сжиженный) охлаждающий агент подвергается воздействию направленной вниз инерционной силы, как показано на Фиг.4(b), которая побуждает (сжиженный) охлаждающий агент перемещаться вниз ко дну полости головки клапана. Следовательно, с формирующими вихрь выступами, каждый из которых имеет наклонную поверхность, наклоненную в окружном направлении, обеспеченными на дне полости головки клапана, окружные потоки F22 охлаждающего агента генерируются вдоль наклонных поверхностей выступов (то есть в окружном направлении), приводя к вихревому потоку F20 охлаждающего агента в нижнем слое полости головки клапана, как показано на Фиг.3.
[0015] Таким образом, вихревой поток охлаждающего агента генерируется по меньшей мере либо в верхнем слое, либо в нижнем слое охлаждающего агента, в ответ на возвратно-поступательное движение клапана, активно перемешивая слой, для повышения теплопереноса посредством охлаждающего агента в головке клапана.
[0016] Конкретно, при повторяющихся возвратно-поступательных осевых движениях клапана, охлаждающий агент перемешивается с инертным газом во внутренней полости и вращается в окружном направлении посредством вихревого потока, генерируемого в ответ на возвратно-поступательное движение клапана в полости головки клапана. При этом охлаждающий агент в полости стержня начинает вращаться в окружном направлении, так как он "затягивается" охлаждающим агентом, закручивающимся в полости головки клапана. Так как центробежная сила, действующая на охлаждающий агент, больше в полости головки клапана, чем в полости стержня, падение давления в охлаждающем агенте больше в первой полости, чем в последней полости, таким образом, воронка F40 генерируется в полости стержня, как показано на Фиг.2, причем воронка заставляет охлаждающий агент и инертный газ в полости стержня увлекаться в полость головки клапана.
[0017] Во-первых, следовательно, определенное количество охлаждающего агента протекает из полости стержня в полость головки клапана, способствуя перемешиванию охлаждающего агента во внутренней полости.
[0018] Во-вторых, такие вихревые потоки побуждают (самый верхний) уровень сжиженного охлаждающего агента в полости стержня подниматься, что способствует увеличению площади стенки полости стержня в контакте с охлаждающим агентом, тем самым повышая способность теплопроводности стержня.
[0019] В полом тарельчатом клапане по п.1, формирующие вихрь выступы могут быть обеспечены на дне, а также на потолке полости головки клапана, при этом все наклонные поверхности выступов наклонены в одном и том же окружном направлении, как указано в п.2.
[0020] (Работа) Так как охлаждающий агент в полости головки клапана приводится в движение посредством вихря, генерируемого возвратно-поступательным движением клапана, и вращается в окружном направлении, направление вихря, генерируемого в верхнем слое охлаждающего агента во время направленного вниз движения клапана, и направление вихря, генерируемого в нижнем слое охлаждающего агента во время направленного вверх движения клапана, являются одинаковыми, весь охлаждающий агент в полости головки клапана активно перемешивается посредством вихрей во время возвратно-поступательного движения клапана, еще больше повышая теплоперенос посредством охлаждающего агента в полости головки клапана.
[0021] Конкретно, охлаждающий агент в полости головки клапана приводится в движение в заданном окружном направлении посредством вихря, генерируемого направленным вниз движением клапана, и дополнительно ускоряется в том же окружном направлении посредством вихря, генерируемого в направленном вверх движении клапана. Таким образом, охлаждающий агент получает существенный угловой момент в головке клапана, что понижает давление в полости головки клапана, нежели чем в полости стержня, таким образом, охлаждающий агент в полости стержня надежно втягивается, вместе с инертным газом, в воронку охлаждающего агента, закручиваясь в полость головки клапана.
[0022] Во-первых, следовательно, охлаждающий агент неизбежно втягивается из полости стержня в полость головки клапана, тем самым дополнительно способствуя перемешиванию охлаждающего агента во внутренней полости.
[0023] Во-вторых, (самый высокий) уровень сжиженного охлаждающего агента в полости стержня поднимается посредством вихрей, тем самым увеличивая площадь стенки полости стержня в контакте с охлаждающим агентом и повышая способность теплопроводности стержня клапана.
[0024] В полом тарельчатом клапане по п.1 или п.2, формирующие вихрь выступы могут быть смещены от периферии полости головки клапана на заданное расстояние так, чтобы позволять охлаждающему агенту протекать в кольцевой проход для протекания вокруг выступов и вдоль периферии полости головки клапана; и одновременно, наклонные поверхности выступов могут быть наклонены к кольцевому проходу для протекания, как указано в п.3.
[0025] (Работа) Окружные потоки, генерируемые посредством соответствующих наклонных поверхностей формирующих вихрь выступов, наклоненных в окружном направлении выступов, в ответ на возвратно-поступательное движение клапана, направляются к кольцевому проходу вдоль периферии полости головки клапана без взаимодействия с соседними выступами, размещенными в окружном направлении, приводя к беспрепятственному вихревому потоку в нижнем или верхнем слое охлаждающего агента в полости головки клапана и вдоль периферии полости головки клапана.
[0026] Как указано выше, потолок и периферия полости головки клапана образованы углублением углубления головки клапана, при этом дно полости головки клапана образовано дискообразной заглушкой, приваренной на открытом конце углубления. Таким образом, легко обеспечить формирующие вихрь выступы за одно целое на заглушке посредством штамповки, механической обработки и/или сварки до приваривания заглушки к корпусу головки клапана.
[0027] В полом тарельчатом клапане по любому из пп.1-3, полость головки клапана может быть выполнена в форме, по существу, усеченного круглого конуса, имеющего сужающуюся внутреннюю периферию, по существу, параллельную внешней периферии корпуса головки клапана, и полость стержня может быть выполнена, по существу, перпендикулярно относительно потолка полости головки клапана, посредством чего вертикально-вихревые потоки охлаждающего агента в полости головки клапана образуются вокруг центральной оси клапана во время возвратно-поступательного движения клапана, как указано в п.4.
[0028] (Работа) В ответ на возвратно-поступательное движение клапана в осевом направлении, охлаждающий агент во внутренней полости перемещается посредством инерционной силы в противоположном осевом направлении. Так как полость головки клапана имеет форму, по существу, усеченного круглого конуса, такое осевое движение охлаждающего агента создает градиент давления в полости головки клапана, который, в свою очередь, генерирует вертикально-вихревой поток охлаждающего агента в полости головки клапана.
[0029] Конкретно, когда клапан находится в направленном вниз движении для открывания впускного/выпускного порта, весь охлаждающий агент в линейной полости стержня беспрепятственно перемещается вверх посредством направленной вверх инерционной силы, как показано на Фиг.4(a), при этом в полости головки клапана турбулентный поток F4 генерируется рядом с областью взаимного соединения с головкой клапана благодаря карнизообразному кольцевому уступу 15 рядом с областью взаимного соединения, как показано на Фиг.5(a). С другой стороны, как показано на Фиг.4(a), так как направленная вверх инерционная сила, действующая на охлаждающий агент, больше в центральной области, чем в периферийной области полости головки клапана, охлаждающий агент в центральной области полости головки клапана перемещается к потолку и дальше вдоль периферии полости головки клапана (потоки F1), как показано на Фиг.5(a). В этом примере, рядом с дном полости головки клапана, охлаждающий агент в центральной области перемещается вверх, создавая отрицательное давление в центральной области, которое генерирует направленные радиально внутрь потоки F3, которые, в свою очередь, генерируют направленные вниз потоки F2 вдоль сужающейся периферии полости головки клапана.
[0030] Другими словами, вертикальные внешние периметрические циркулирующие потоки T1 охлаждающего агента (в дальнейшем называемые внешними периметрическими вертикально-вихревыми потоками T1) генерируются вокруг центральной оси клапана, как обозначено последовательностью стрелок F1->F2->F3->F1.
[0031] Когда клапан находится в направленном вверх движении для закрывания впускного/выпускного порта, (сжиженный) охлаждающий агент во внутренней полости перемещается вниз под действием инерционной силы, как показано на Фиг.4(b). В этом примере, весь охлаждающий агент, перемещенный вверх в полости стержня, когда клапан был открыт, может беспрепятственно перемещаться вниз, но в области взаимного соединения с полостью головки клапана генерируется турбулентный поток F5. С другой стороны, так как бόльшая инерционная сила действует на охлаждающий агент в центральной области полости головки клапана, нежели чем на периферийных областях, как показано на Фиг.4(b), направленные радиально наружу потоки F6 генерируются вдоль дна полости головки клапана, как показано на Фиг.5(b). При этом охлаждающий агент в центральной области полости головки клапана перемещается вниз, создавая отрицательное давление в центральной области, которое, в свою очередь, генерирует направленные радиально внутрь потоки F8 и направленные вверх потоки F7 вдоль сужающейся периферии полости головки клапана.
[0032] Таким образом, вертикальные внутренние периметрические циркулирующие потоки T2 охлаждающего агента (потоки, в дальнейшем называемые внутренними периметрическими вертикально-вихревыми потоками T2) генерируются в полости головки клапана вокруг центральной оси клапана, как обозначено последовательностью стрелок F6->F7->F8->F6.
[0033] Таким образом, во время возвратно-поступательных движений клапана, вертикально-вихревые потоки T1 и T2 генерируются в полости головки клапана, как показано на Фиг.5(a)-(b) дополнительно к вихревым потокам F20 и F30, показанным на Фиг.2 и 3, все вместе активно перемешивая верхний, средний и нижний слои охлаждающего агента в полости головки клапана, и существенно повышают способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана.
ПОЛЕЗНЫЙ ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0034] В соответствии с изобретением, вихревой поток генерируется в полости головки клапана во время возвратно-поступательного движения клапана, что способствует вращению охлаждающего агента в полости стержня в окружном направлении, взаимно перемешивая слои охлаждающего агента в ней, таким образом способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана повышается вследствие улучшения теплопереноса посредством охлаждающего агента во внутренней полости, и, следовательно, также повышается производительность двигателя.
[0035] В соответствии с изобретением по п.2, мощные вихревые потоки генерируются в полости головки клапана во время возвратно-поступательных движений клапана, которые способствуют активному вращению охлаждающего агента в полости стержня в окружных направлениях, перемешивая охлаждающий агент в ней, таким образом, способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана повышается вследствие улучшения теплопереноса посредством охлаждающего агента во внутренней полости, и, следовательно, также дополнительно повышается производительность двигателя.
[0036] В соответствии с изобретением по п.3, беспрепятственный вихревой поток охлаждающего агента вдоль периферии полости головки клапана генерируется в нижней или верхней области полости головки клапана, что надежно перемешивает охлаждающий агент в полости головки клапана и способствует теплопереносу во внутренней полости, следовательно, повышая способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана. Соответственно, повышается производительность двигателя.
[0037] В соответствии с изобретением по п.4, так как вертикально-вихревые потоки генерируются в полости головки клапана, наряду с вихревым потоком, генерируемым во время возвратно-поступательного движения клапана, весь охлаждающий агент активно перемешивается во внутренней полости, тем самым улучшая теплоперенос посредством охлаждающего агента во внутренней полости, дополнительно повышая способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана, и, следовательно, соответственно, повышается производительность двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0038] Фиг.1 представляет собой продольный разрез полого тарельчатого клапана в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.
Фиг.2(a) представляет собой увеличенный продольный разрез полого тарельчатого клапана, и Фиг.2(b) представляет собой поперечный разрез клапана, взятый по линии II-II на Фиг.2(a).
На Фиг.3 показан увеличенный перспективный вид головки клапана полого тарельчатого клапана, образованной с формирующими вихрь выступами на дне и потолке полости головки клапана.
На Фиг.4 показаны инерционные силы, которые действуют на охлаждающий агент во внутренней полости во время возвратно-поступательных движений клапана в его осевых направлениях. Более конкретно, на Фиг.4(a) показана инерционная сила во время направленного вниз движения клапана для открывания порта, и на Фиг.4(b) показана инерционная сила во время направленного вверх движения клапана для закрывания порта.
На Фиг.5 показаны в увеличенном виде схемы перемещения охлаждающего агента во время возвратно-поступательных движений полого тарельчатого клапана. Более конкретно, на Фиг.5(a) показано перемещение охлаждающего агента, когда клапан находится в направленном вниз движении для открывания порта, и на Фиг.5(b) показано перемещение охлаждающего агента, когда клапан находится в направленном вверх движении для закрывания порта.
На Фиг.6 показаны этапы изготовления полого тарельчатого клапана. Более конкретно, на Фиг.6(a) показан этап горячей штамповки корпуса клапана промежуточного продукта клапана; Фиг.6(b), этап сверления отверстия в стержне клапана, которое соответствует полости стержня рядом с головкой клапана (полости, в дальнейшем называемой полостью стержня стороны головки клапана); Фиг.6(c), этап сверления отверстия в стержне клапана, которое соответствует полости стержня рядом с концом стержня клапана (полости, в дальнейшем называемой полостью стержня стороны конца стержня); Фиг.6(d), этап сварки конца стержня, на котором приваривается концевой элемент стержня; Фиг.6(e), этап загрузки охлаждающего агента в полость стержня; и Фиг.6(f), этап закупоривания полости головки клапана, на котором заглушка приваривается к открытому концу углубления, образованного в корпусе головки клапана, для закупорки углубления для образования полости головки клапана.
Фиг.7 представляет собой продольный разрез полого тарельчатого клапана в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
Фиг.8 представляет собой продольный разрез полого тарельчатого клапана в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.9 показаны этапы изготовления полого тарельчатого клапана. Более конкретно, на Фиг.9(a) показан этап горячей штамповки корпуса промежуточного продукта клапана; Фиг.9(b), этап сверления отверстия, которое соответствует полости стержня; Фиг.9(c), этап загрузки охлаждающего агента в полость стержня; и Фиг.9(d), этап закупоривания полости головки клапана, на котором заглушка приваривается к открытому концу углубления, образованного в корпусе головки клапана, для закупорки углубления для образования полости головки клапана;
Фиг.10 представляет собой перспективный вид другого примера, в котором формирующие вихрь выступы обеспечены на дне полости головки клапана (или на задней стороне заглушки).
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0039] Настоящее изобретение теперь будет описано подробно в качестве примера со ссылкой на несколько вариантов осуществления.
[0040] Ссылаясь на Фиг.1-6, показан полый тарельчатый клапан для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.
[0041] На этих фигурах, ссылочная позиция 10 обозначает полый тарельчатый клапан, выполненный из жаростойкого металла. Клапан 10 имеет прямой стержень 12 и головку 14 клапана, выполненную за одно целое со стержнем 12 по сужающейся криволинейной переходной поверхности 13, которая имеет наружный диаметр (который увеличивается по направлению к головке клапана). Сужающееся седло 16 клапана обеспечено в периферийной области головки 14 клапана.
[0042] Конкретно, полый тарельчатый клапан 10 содержит единый корпус 11 головки и стержня клапана, имеющий цилиндрический стержень 12a, корпус 14a головки клапана, образованный на одном конце стержня 12a, концевой элемент 12b стержня, приваренный к другому концу стержня 12a, и дискообразную заглушку 18, как показано на Фиг.1 и 6. Корпус 14a головки клапана содержит углубление 14b, по существу, имеющее форму усеченного круглого конуса, которое закупорено заглушкой 18, приваренной на внутренней периферии 14c углубления 14b. Таким образом, полый тарельчатый клапан 10 имеет внутреннее полое пространство S, которое проходит внутри от головки 14 клапана в стержень 12 клапана. Полое пространство S заполняется охлаждающим агентом 19, таким как металлический натрий, вместе с инертным газом, таким как аргон. В принципе, является верным, что способность уменьшения тепловыделения клапана повышается с количеством охлаждающего агента, загруженного во внутреннюю полость S. В действительности, однако, способность уменьшения тепловыделения не будет повышаться с количеством охлаждающего агента, если количество превышает определенный уровень, а только будет увеличивать его стоимость. Таким образом, с точки зрения эффективности затрат (отношение стоимость/масса загруженного охлаждающего агента), является предпочтительным загружать внутреннюю полость S оптимальным количеством охлаждающего агента, которое, в объемном отношении, находится в диапазоне от 1/2 до 4/5 от полости S.
[0043] Как показано на Фиг.1, головка 2 цилиндра двигателя имеет выпускной порт 6, который проходит от камеры 4 сгорания. Кольцевая вставка 8 седла клапана обеспечена на входе выпускного порта 6 и имеет сужающуюся поверхность 8a, которая обеспечивает возможность посадки на нее сужающегося седла 16 клапана 10. В головке 2 цилиндра обеспечено отверстие 3 для вставки клапана, внутренняя периферия которого обеспечена с направляющей 3a клапана для размещения с возможностью скольжения стержня 12 клапана. Полый тарельчатый клапан 10 побуждается перемещаться посредством клапанной пружины 9 для закрывания порта. Канавка 12c для сухаря образована на одном конце стержня клапана.
[0044] Так как корпус 11 и заглушка 18 подвергаются воздействию высокотемпературного газа в камере сгорания и в выпускном порте 6, они выполняются из жаростойкой стали, при этом элемент 12b стержня может выполняться из стандартной стали, так как не требуется, чтобы элемент 12b стержня имел такую жаростойкость, как у корпуса 11 и заглушки 18, хотя требуется, чтобы он имел достаточную механическую прочность.
[0045] Механизм, посредством которого вертикально-вихревой поток (вертикально циркулирующий поток) охлаждающего агента 19 генерируется в полости S1 головки клапана в ответ на возвратно-поступательное движение клапана 10, теперь будет описан ниже.
[0046] Внутренняя полость S клапана 10 содержит диаметрально большую полость S1 головки клапана в форме усеченного круглого конуса и диаметрально маленькую линейную полость S2, образованную в стержне 12 (линейная внутренняя полость в дальнейшем называется полостью S2 стержня) таким образом, что полость S1 головки клапана и полость S2 стержня сообщаются под прямым углом. Круглый потолок 14b1 полости S1 головки клапана (то есть дно имеющего форму усеченного круглого конуса углубления 14b корпуса 14a головки клапана или периферийная область открытого конца полости S2 стержня) представляет собой планарную поверхность, перпендикулярную относительно центральной оси L полого тарельчатого клапана 10.
[0047] Между полостью S1 головки клапана и полостью S2 стержня обеспечена область P взаимного соединения, которая имеет карнизообразный кольцевой уступ 15, если смотреть от полости S1 головки клапана, в месте ровной области взаимного соединения, как раскрыта в документах 1 и 2 предшествующего уровня техники. Кольцевой уступ 15 обеспечен с плоской поверхностью, которая обращена к полости S1 головки клапана (или обращена к дну 14b1 углубления 14b) и является перпендикулярной относительно центральной оси L клапана 10. Другими словами, кольцевой уступ 15 образован круглой периферийной областью вокруг открытого конца полости S1 головки клапана (образованной на дне 14b1 имеющего форму усеченного круглого конуса углубления 14b) и внутренней периферией полости S1 головки клапана.
[0048] Таким образом, следует отметить, что, в клапане 10, образованном с имеющей форму усеченного круглого конуса полостью S1, охлаждающий агент 19 имеет возможность перемещения в осевом направлении во внутренней полости S посредством инерционной силы, которая действует на охлаждающий агент во время возвратно-поступательного движения клапана в его осевом направлении, как описано подробно позже. Когда охлаждающий агент 19 перемещается в осевом направлении полости S1 головки клапана, перепад давления возникает в полости S1 головки клапана, генерируя вертикально-вихревые потоки T1 и T2 охлаждающего агента 19, как обозначено последовательностью стрелок F1->F2->F3 (Фиг.5(a)) и F6->F7->F8 (Фиг.5(b)), при этом в полости S2 стержня турбулентные потоки F4 и F5 охлаждающего агента 19 генерируются рядом с областью P взаимного соединения.
[0049] Другими словами, вертикально-вихревые потоки T1 и T2 и турбулентные потоки F4 и F5, генерируемые во время возвратно-поступательных движений клапана, активно взаимно перемешивают нижний, средний и верхний слои охлаждающего агента 19 во внутренней полости S, повышая способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана.
[0050] В этом конкретном варианте осуществления, так как круглый потолок 14b1 полости S1 головки клапана (который представляет собой верхнюю концевую поверхность углубления 14b) и коническая периферия 14b2 углубления образуют тупой угол, беспрепятственные циркулирующие потоки F1->F2 охлаждающего агента 19 могут легко устанавливаться вдоль потолка полости S1 головки клапана и периферии 14b2, и таким образом вдоль периферии 14b и потолка устанавливаются потоки F7->F8, которые стимулируют вертикально-вихревые потоки T1 и T2 в охлаждающем агенте 19 в полости S1 головки клапана. Таким образом, перемешивание охлаждающего агента во внутренней полости S значительно улучшается посредством вертикально-вихревых потоков, тем самым существенно повышая способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана 10.
[0051] Далее будет подробно описан механизм, посредством которого вихрь (горизонтально циркулирующий поток) охлаждающего агента 19 генерируется в полости S1 головки клапана во время возвратно-поступательного движения клапана 10.
[0052] Как показано на Фиг.2 и 3, задняя сторона заглушки 18, которая образует дно полости S1 головки клапана, обеспечена тремя формирующими вихрь выступами 20, каждый из которых имеет наклонную поверхность 22, наклоненную в окружном направлении полости. Аналогичным образом, периферийная область 14b1 вокруг открытого конца полости S2 стержня, которая представляет собой потолок полости S1 головки клапана (верхнюю поверхность усеченного круглого конуса), обеспечена формирующими вихрь выступами 30, каждый из которых имеет наклонную поверхность 32, наклоненную в окружном направлении полости. Эти выступы разнесены друг от друга на равных интервалах в окружных направлениях.
[0053] Более конкретно, формирующие вихрь выступы 20, которые образованы с наклонными поверхностями 22, наклоненными в окружном направлении по часовой стрелке, обеспечены на центральной области дна полости S1 головки клапана, при этом формирующие вихрь выступы 30, образованные с наклонными поверхностями 32, наклоненными в том же окружном направлении, обеспечены на потолке полости S1 головки клапана вокруг открытого конца области P взаимного соединения рядом с полостью S2 стержня.
[0054] Таким образом, в клапане 10, обеспеченном с такими формирующими вихрь выступами 20 и 30 на дне и на потолке полости S1 головки клапана, соответственно, охлаждающий агент 19 перемещается во внутренней полости S посредством инерционной силы в осевом направлении клапана 10 во время возвратно-поступательного движения клапана 10, как описано более подробно.
[0055] В полости S1 головки клапана, вихревые потоки F22 и F32 генерируются вдоль наклонных поверхностей 22 и 32 формирующих вихрь выступов 20 и 30, соответственно, когда охлаждающий агент 19 толкается выступами, как показано на Фиг.2 и 3. Эти потоки F22 и F32 объединяются с вихревыми потоками F20 и F30 охлаждающего агента в нижней и верхней областях полости S1 головки клапана. Следовательно, охлаждающий агент 19 в полости S1 головки клапана хорошо перемешивается в окружных потоках в полости S1 головки клапана, тем самым значительно повышая способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана 10.
[0056] В этом конкретном варианте осуществления, во-первых, так как наклонные поверхности 22 формирующих вихрь выступов 20, образованных на дне полости S1 головки клапана, так и наклонная поверхность 32 формирующих вихрь выступов 30, образованных на потолке (или верхней концевой поверхности) 14b, наклонены в одном и том же окружном направлении, окружные вихри F20 и F30 по часовой стрелке генерируются в нижней части и верхней части, соответственно, охлаждающего агента 19 в полости S1 головки клапана.
[0057] Следовательно, охлаждающий агент в полости S1 головки клапана полностью перемешивается посредством потока по часовой стрелке, что помогает обеспечивать теплоперенос в полости S1 головки клапана посредством охлаждающего агента 19 и значительно повышает способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана.
[0058] Конкретно, охлаждающий агент 19 и инертный газ становятся смесью в полости S1 головки клапана, так как они повторяющимся образом приводятся в движение посредством вихревых потоков F20 и F30 в окружном направлении по часовой стрелке во время возвратно-поступательных движений клапана 10. В полости S2 стержня, охлаждающий агент вращается в окружном направлении по часовой стрелке, когда охлаждающий агент втягивается охлаждающим агентом 19 в полости S1 головки клапана. В частности, так как вихревой поток F30 в полости S1 головки клапана, вызванный направленным вниз движением клапана 10, ускоряется в том же окружном направлении вихревым потоком F20, вызванным направленным вверх движением клапана 10, охлаждающий агент 19 энергично вращается во внутренней полости S. Более того, так как центробежная сила, которая действует на охлаждающий агент 19, больше в полости S1 головки клапана, чем в полости S2 стержня, давление охлаждающего агента становится ниже в полости S1 головки клапана, чем в полости S2 стержня, таким образом генерируется воронка F40, как показано на Фиг.2, которая вытягивает охлаждающий агент 19 из полости S2 стержня в полость S1 головки клапана вместе с инертным газом.
[0059] Следовательно, охлаждающий агент 19 побуждается протекать из полости S2 стержня в полость S1 головки клапана, стимулируя перемешивание охлаждающего агента во внутренней полости S.
[0060] Следует отметить, что (самый высокий) уровень жидкости охлаждающего агента 19 в полости S2 стержня поднимается посредством воронки F40, которая опускает центральный уровень охлаждающего агента, тем самым увеличивая площадь стенки полости S2 стержня в контакте с охлаждающим агентом 19, что, в свою очередь, повышает способность теплопроводности стержня 12.
[0061] Во-вторых, формирующие вихрь выступы 20 и 30 смещены от периферии 14b2 полости S1 головки клапана на заданное расстояние, как показано на Фиг.2 и 3, для обеспечения кольцевых проходов 24 и 34 для текучей среды между периферией 14b2 полости S1 головки клапана и формирующими вихрь выступами 20 и 30. Каждый из выступов 20 и 30 проходит радиально наружу и имеет наклонную поверхность 22 или 32, которая наклонена от его дугообразной задней стенки 20a или 30a (Фиг.2 и 3), которая выше дна и потолка полости S1 головки клапана. В частности, каждая наклонная поверхность 22 выступающих формирующих вихрь выступов 20, образованных на дне полости S1 головки клапана, проходит по направлению к окружающему кольцевому проходу 24 для текучей среды вдоль дугообразной задней стенки 20a соседнего выступа 20, как показано на Фиг.2(b).
[0062] В результате, когда клапан 10 находится в направленном вниз движении, охлаждающий агент 19 в полости S1 головки клапана толкается посредством наклонных поверхностей 32 формирующих вихрь выступов 30, давая начало потокам F32 вдоль наклонных поверхностей 32. Каждый из этих потоков F32 направляется наружу от наклонных поверхностей 32 и от дугообразной задней стенки 30a соседних формирующих вихрь выступов 30 дальше по ходу потока, и в большой степени направляется к кольцевому проходу 34 для текучей среды вдоль периферии 14b2 полости S1 головки клапана, таким образом, что, в верхних слоях охлаждающего агента 19 в полости S1 головки клапана, вихревые потоки F30 беспрепятственно генерируются в кольцевом проходе 34 вдоль периферии 14b2 полости S1 головки клапана. Кроме того, поток F32 вдоль наклонных поверхностей 32 частично направляется радиально внутрь вдоль дугообразной задней стенки 30a и в область P взаимного соединения между полостью S1 головки клапана и полостью S2 стержня, таким образом вихрь F31 также генерируется в области P взаимного соединения.
[0063] С другой стороны, когда клапан 10 находится в направленном вверх движении, охлаждающий агент 19 в полости S1 головки клапана толкается посредством наклонных поверхностей 22 формирующих вихрь выступов 20, давая начало потокам F22 вдоль наклонных поверхностей 22. Так как каждый из потоков F22 направляется, посредством дугообразной задней стенки 20a соседнего формирующего вихрь выступа 20 стороны дальше по ходу, от наклонной поверхности 22 в проход 24 для текучей среды вдоль периферии 14b2 полости S1 головки клапана, таким образом вихрь F20 вдоль кольцевого прохода 24 для текучей среды периферии 14b2 полости S1 головки клапана беспрепятственно формируется в нижнем слое охлаждающего агента 19.
[0064] Таким образом, благодаря беспрепятственному формированию вихревых потоков F20 и F30 в полости S1 головки клапана, мощные вращательные потоки охлаждающего агента 19 генерируются в полости S1 головки клапана, а также в полости S2 стержня, приводя к сильному втеканию охлаждающего агента 19 из полости S2 стержня в полость S1 головки клапана, что обеспечивает улучшение перемешивания охлаждающего агента во внутренней полости S. Одновременно, максимальный уровень жидкого охлаждающего агента в полости S2 стержня, соответственно, повышается, что увеличивает площадь периферийной стенки полости S2 стержня в контакте с охлаждающим агентом 19, тем самым дополнительно повышая способность теплопроводности стержня 12 клапана.
[0065] Далее, ссылаясь на Фиг.5(a)-(b), будет описан механизм, посредством которого генерируются турбулентные потоки F9 и F10 в полости S2 стержня клапана во время возвратно-поступательных движений клапана 10.
[0066] Следует отметить, что полость S2 стержня клапана содержит полость S21, имеющую бόльший внутренний диаметр d1 рядом с концом стержня (полость S21 в дальнейшем называется полостью S21 стержня стороны конца стержня), и полость S22, имеющую меньший внутренний диаметр d2 рядом с головкой клапана (полость S22 в дальнейшем называется полостью S22 стержня стороны головки клапана), и что кольцевой уступ 17 обеспечен между полостью S21 стержня стороны конца стержня и полостью S22 стержня стороны головки клапана. Полость S2 стержня клапана частично загружается охлаждающим агентом 19 до уровня выше кольцевого уступа 17.
[0067] Следовательно, турбулентные потоки F9 и F10 генерируются в охлаждающем агенте дальше по ходу относительно уступа 17, когда охлаждающий агент 19 в полости S2 стержня клапана перемещается вверх и вниз посредством инерционных сил, действующих на охлаждающий агент 19 во время возвратно-поступательных движений клапана, как показано на Фиг.5(a)-(b).
[0068] Далее, поведение охлаждающего агента 19 во внутренней полости S во время возвратно-поступательного движения полого тарельчатого клапана 10 теперь будет подробно описано со ссылкой на Фиг.2, 3, 4 и 5.
[0069] Когда клапан находится в направленном вниз движении для открывания впускного/выпускного порта, (сжиженный) охлаждающий агент 19 в полости S1 головки клапана и полости S2 стержня подвергается воздействию направленной вверх инерционной силы и перемещается вверх, как показано на Фиг.4(a).
[0070] Однако, так как карнизообразный кольцевой уступ 15 образован в области P взаимного соединения между полостью S1 головки клапана и полостью S2 стержня клапана, охлаждающий агент 19 в полости S1 головки клапана не может перемещаться в полость S2 стержня клапана так беспрепятственно, как в полых тарельчатых клапанах, раскрытых в документах 1 и 2 предшествующего уровня техники, в которых область P взаимного соединения образована с ровной формой. Следовательно, турбулентный поток F4 охлаждающего агента генерируется в полости S2 стержня, вблизи области P взаимного соединения, как показано на Фиг.5(a).
[0071] Одновременно, турбулентный поток F9 генерируется в полости S2 стержня дальше по ходу относительно уступа 17, когда охлаждающий агент 19 перемещается из диаметрально меньшей полости S22 стержня стороны головки клапана в диаметрально бόльшую полость S21 стержня стороны конца стержня, как показано на Фиг.5(a).
[0072] С другой стороны, так как бόльшая направленная вверх инерционная сила действует на охлаждающий агент 19 в центральной области полости S1 головки клапана, нежели чем на ее периферийной области, как показано на Фиг.4(a), направленные радиально наружу потоки F1 охлаждающего агента 19 генерируются вдоль потолка полости S1 головки клапана, как показано на Фиг.5(a). В этом примере, охлаждающий агент 19 в центральной области дна полости S1 головки клапана перемещается вверх, делая давление в центральной области отрицательным, что, в свою очередь, дает начало направленным радиально внутрь потокам F3 и направленным вниз потокам F2 вдоль сужающейся периферии 14b2 полости S1 головки клапана.
[0073] Таким образом, внешние периметрические вертикально-вихревые потоки T1 охлаждающего агента, как обозначено последовательностью стрелок F1->F2->F3->F1, генерируются вокруг центральной оси L клапана 10 в полости S1 головки клапана.
[0074] Более того, когда клапан 10 перемещается вниз для открывания впускного/выпускного порта, (сжиженный) охлаждающий агент 19, который переместился к потолку полости S1 головки клапана, толкается наклонными поверхностями 32 формирующих вихрь выступов 30 потолка и побуждается протекать вдоль наклонных поверхностей 32 в виде окружных потоков F32, то есть, так как поверхности 32 наклонены в окружном направлении, окружной вихревой поток F30 возникает в верхней области полости S1 головки клапана, как показано на Фиг.3 и 5(a).
[0075] Таким образом, охлаждающий агент 19 в полости S1 головки клапана вращается в направлении по часовой стрелке, втягивая охлаждающий агент 19 в полости S2 стержня в том же направлении. В этом случае, так как давление охлаждающего агента становится ниже в полости S1 головки клапана, чем в полости S2 стержня, вследствие бόльшей центробежной силы, которая действует на охлаждающий агент в полости S1 головки клапана, чем в полости S2 стержня, охлаждающий агент 19 втягивается, вместе с инертным газом, в воронку F40, закручиваясь от полости S2 стержня в полость S1 головки клапана, как показано на Фиг.2
[0076] Более того, когда клапан 10 перемещается вверх для закрывания порта, (сжиженный) охлаждающий агент 19 в полостях S1 и S2, подвергается воздействию направленной вниз инерционной силы таким образом, что охлаждающий агент перемещается вниз, как показано на Фиг.4(b).
[0077] Следует отметить, что в полости S2 стержня, весь охлаждающий агент, который переместился вверх во время направленного вниз движения клапана 10, может беспрепятственно перемещаться вниз. В полости стержня, однако, когда охлаждающий агент перемещается из диаметрально большей полости стержня (полости стержня стороны конца стержня) S21 в диаметрально меньшую полость стержня (полость стержня стороны головки клапана) S22, охлаждающий агент должен проходить через уступ 17, посредством чего, генерируя турбулентный поток F10 дальше по ходу относительно уступа 17, как показано на Фиг.5(b). Более того, направленный вниз поток охлаждающего агента 19 генерирует турбулентный поток F5 также в области P взаимного соединения рядом с полостью S1 головки клапана.
[0078] С другой стороны, направленные радиально наружу потоки F6 охлаждающего агента генерируются вдоль дна полости S1 головки клапана, как показано на Фиг.5(b), вследствие большей (направленной вниз) инерционной силы, действующей на охлаждающий агент в центральной области, чем в периферийной области полости S1 головки клапана, как показано на Фиг.4(b). В этом случае, вследствие направленного вниз перемещения центрального охлаждающего агента в полости S1 головки клапана, центральное давление охлаждающего агента становится отрицательным рядом с потолком, приводя к направленным радиально внутрь потокам F8, которые дополняют направленные вверх потоки F7 вдоль сужающейся конической периферии 14b2 полости S1 головки клапана.
[0079] Другими словами, внутренние периметрические вертикально-вихревые потоки T2 охлаждающего агента генерируются вокруг центральной оси L клапана 10 в полости S1 головки клапана, как показано последовательностью стрелок F6->F7->F8->F6.
[0080] Когда клапан 10 перемещается вверх для закрывания порта, сжиженный охлаждающий агент 19, который переместился ко дну полости S1 головки клапана, толкается наклонными поверхностями 22 формирующих вихрь выступов 20, образованных на дне полости S1 головки клапана, давая начало потокам F22 вдоль наклонных поверхностей 22, наклоненных в окружном направлении, как показано на Фиг.3 и 5(b). Эти потоки превращаются в окружные вихревые потоки F20 охлаждающего агента в нижней области полости S1 головки клапана.
[0081] Таким образом, охлаждающий агент в полости S1 головки клапана вращается в окружном направлении по часовой стрелке, втягивая охлаждающий агент в полости S2 стержня в том же направлении. Так как бόльшая центробежная сила действует на охлаждающий агент в полости S1 головки клапана, чем в полости S2 стержня, бόльшее падение давления происходит в полости S1 головки клапана, чем в полости S2 стержня, охлаждающий агент в полости S2 стержня втягивается, вместе с инертным газом, в воронку F40, закручиваясь в полость S1 головки клапана, как показано на Фиг.2.
[0082] Таким образом, в ответ на возвратно-поступательные движения клапана 10, вертикально-вихревые потоки T2 и T3 охлаждающего агента генерируются в полости S1 головки клапана наряду с вихревыми потоками F20 и F30, которые все вместе активируют перемешивание, и, следовательно, теплоперенос охлаждающего агента во всей S1 улучшается.
[0083] Конкретно, охлаждающий агент не только в полости S1 головки клапана, но также в полости S2 стержня, перемешивается посредством вихревых потоков F20 и F30 по часовой стрелке во время возвратно-поступательных движений клапана 10. Кроме того, втекание охлаждающего агента 19 из полости S2 стержня в полость S1 головки клапана происходит вследствие воронки F40, образованной в полости S2 стержня. Более того, в результате перемешивания, вызванного вертикальными внешними и внутренними периметрическими потоками охлаждающего агента 19 вследствие чередующихся направленного вверх и направленного вниз движений клапана 10, теплоперенос посредством охлаждающего агента улучшается во всей внутренней полости S.
[0084] Следует понимать, что диаметрально большая полость S21 стержня стороны конца стержня имеет большую продольную длину, как показано на Фиг.1, и что уступ 17 располагается в осевом положении полости S2 стержня, которое соответствует фактическому концу 3b направляющей 3a клапана, который обращен к выпускного порту 6 направляющей 3a клапана, таким образом площадь стержня 12 клапана в контакте с охлаждающим агентом 19 увеличивается, тем самым повышая способность теплопроводности стержня 12 клапана и, предпочтительно, уменьшая вес клапана 10 посредством уменьшения толщины стенки полости S21 стержня без ухудшения долговечности клапана 10.
[0085] Кольцевой уступ 17 располагается в заданном положении, которое выбирается таким образом, что тонкая стенка полости диаметрально бόльшего участка S21 никогда не будет входить в выпускной порт 6 и не будет подвергаться воздействию горячего выхлопного газа в выпускном порте 6, даже когда клапан полностью опущен в свое самое нижнее положение, показанное пунктирной линией на Фиг.1. 17X, как показано на Фиг.1, обозначает положение кольцевого уступа 17, когда клапан полностью опущен.
[0086] Более конкретно, ввиду того факта, что усталостная прочность металла уменьшается с температурой и что участок стержня рядом с головкой клапана (участок, называемый участком стержня стороны головки клапана) постоянно подвергается воздействию горячего газа в нагретом выпускном порте 6, необходимо обеспечить участок стержня стороны головки клапана с достаточной толщиной стенки для сохранения его усталостной прочности, посредством надлежащего уменьшения внутреннего диаметра d2 участка стержня. С другой стороны, в отличие от участка стержня стороны головки клапана, участок стороны конца стержня клапана располагается на удалении от камеры сгорания и никогда не будет нагреваться до высокой температуры. Помимо того, участок всегда остается в контакте с направляющей клапана и тепло быстро рассеивается от участка стороны конца стержня к головке цилиндра посредством направляющей клапана, если тепло передается от камеры 4 сгорания или от выпускного порта 6 посредством охлаждающего агента 19, тем самым предотвращая нагревание участка стержня стороны конца стержня до высокой температуры. Таким образом, является возможным надлежащим образом уменьшить толщину стенки участка стержня стороны конца стержня.
[0087] Таким образом, так как участок стержня стороны конца стержня менее вероятно уменьшает свою усталостную прочность, чем участок стержня стороны головки клапана, первый участок не будет испытывать такую проблему долговечности как усталостное разрушение, если толщина стенки участка стержня стороны конца стержня (или полости S21 стержня стороны конца стержня) уменьшается для увеличения внутреннего диаметра S21.
[0088] В этом варианте осуществления, следовательно, во-первых, для повышения эффективности теплопереноса стержня 12 клапана, вся площадь поверхности полости S2 стержня клапана в контакте с охлаждающим агентом увеличивается посредством увеличения внутреннего диаметра полости S21 стержня стороны конца стержня. Во-вторых, общий вес клапана 10 уменьшается посредством увеличения общего объема полости S2 стержня клапана.
[0089] Не требуется, чтобы концевой элемент 12b стержня имел высокую жаростойкость, по сравнению с корпусом 11. Клапан 10 может обеспечивать небольшую стоимость благодаря использованию концевого элемента 12b стержня, который выполнен из менее жаростойкого, но менее дорогостоящего материала, чем материал корпуса 11.
[0090] Далее, ссылаясь на Фиг.6, процесс изготовления полого тарельчатого клапана 10 теперь будет подробно описан.
[0091] Во-первых, корпус 11 промежуточного продукта образуется посредством горячей штамповки таким образом, что корпус 11 продукта содержит корпус 14a головки клапана, выполненный за одно целое со стержнем 12a, и имеющее форму усеченного круглого конуса углубление 14b, как показано на Фиг.6(a). Следует отметить, что в этой штамповке корпус 14a головки клапана выполняется таким образом, чтобы иметь плоское дно 14b1, перпендикулярное относительно стержня 12a (или центральной оси L корпуса 11), и что формирующие вихрь выступы 30 образуются на дне 14b1 (дне углубления 14b), разнесенными друг от друга, по существу, на равные интервалы в окружном направлении.
[0092] Горячая штамповка может представлять собой объемную штамповку выдавливанием, в которой блок из жаростойкого стального сплава повторно выдавливается через разные металлические матрицы для образования корпуса 11, который имеет формирующие вихрь выступы 30 на углублении 14b корпуса 14a головки клапана, или штамповку высадкой, в которой стержень из жаростойкой стали сначала высаживается посредством высадочного пресса для формования на одном его конце полусферической секции, которая затем штампуется посредством штампа для формования корпуса 14a головки клапана корпуса 11, который имеет формирующие вихрь выступы 30 на его углублении 14b. В этой горячей штамповке, криволинейная переходная поверхность 13 образуется между корпусом 14a головки клапана и стержнем 12a, и сужающееся седло 16 клапана образуется на внешней периферии корпуса 14a головки клапана.
[0093] На дальнейшем этапе сверления, корпус 11 устанавливается с его углублением 14b корпуса 14a головки клапана, ориентированным вверх, как показано на Фиг.6(b), и отверстие 14e, которое соответствует полости S22 стержня стороны головки клапана, просверливается в стержне 12a от нижней поверхности 14b1 углубления 14b корпуса 14a головки клапана.
[0094] На этом этапе сверления, для выполнения полости S1 головки клапана в сообщении с полостью S22 стержня, углубление 14b корпуса 14a головки клапана сообщается с отверстием 14e таким образом, что карнизообразный кольцевой уступ 15 (если смотреть от углубления 14b) образуется в области взаимного соединения углубления 14b с отверстием 14e.
[0095] В следующем этапе сверления, показанном на Фиг.6(c), отверстие 14f, которое соответствует полости S21 стержня стороны конца стержня, просверливается в конце стержня корпуса 11, и уступ 17 образуется в полости S2 стержня.
[0096] На следующем этапе приваривания концевого элемента стержня, концевой элемент 12b стержня приваривается к концу стержня корпуса 11, как показано на Фиг.6(d).
[0097] На следующем этапе загрузки охлаждающего агента, заданное количество затвердевшего охлаждающего агента 19 помещается в отверстие 14e корпуса 14a головки клапана корпуса 11, как показано на Фиг.6(e).
[0098] В заключение, на этапе закупорки полости, заглушка 18, образованная с формирующими вихрь выступами 20 на ее задней стороне, приваривается (посредством контактной сварки, например) к открытому концу внутренней периферии 14c, в атмосфере газообразного аргона, тем самым закупоривая внутреннюю полость S в клапане 10, как показано на Фиг.6(f). Следует отметить, что формирующие вихрь выступы 20 могут быть образованы за одно целое на задней стороне заглушки 18, используя любой известный способ, такой как, например, штамповка, механическая обработка, пайка и сварка. В качестве альтернативы, заглушка может привариваться посредством электронно-лучевой сварки или лазерной сварки вместо контактной сварки.
[0099] На Фиг.7 показан полый тарельчатый клапан в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
[0100] Следует повторить, что в первом варианте осуществления полый тарельчатый клапан 10 обеспечен с имеющей форму усеченного круглого конуса полостью S1 головки клапана в головке 14 клапана в сообщении с линейной диаметрально меньшей полостью S2 стержня перпендикулярно относительно круглого потолка 14b1. В этом варианте осуществления, однако, полый тарельчатый клапан 10A обеспечен внутренней полостью S', которая содержит полость S2 стержня клапана в стержне 12 клапана в сообщении с, по существу, имеющей форму круглого конуса полостью S1' головки клапана в головке 14 клапана через посредство плавной области X взаимного соединения, внутренний диаметр которой постепенно изменяется в осевом направлении клапана, как в тарельчатом клапане по предшествующему уровню техники, раскрытому в патентных документах 1 и 2.
[0101] Видно, что корпус 14a' головки клапана имеет внешнюю периферию 14b2' и углубление 14b', которое соответствует диаметрально большой полости S1' головки клапана в форме усеченного круглого конуса.
[0102] В отличие от первого тарельчатого клапана 10, обеспеченного с формирующими вихрь выступами 20 и 30 на дне (то есть на задней стороне заглушки 18) и на потолке, соответственно, тарельчатый клапан 10A второго варианта осуществления обеспечен формирующими вихрь выступами только на дне полости S1' головки клапана (то есть на задней стороне заглушки 18) для генерирования вихревого потока F20' охлаждающего агента в нижней области полости S1' головки клапана и вокруг центральной оси L' клапана, когда клапан находится в направленном вверх движении для закрывания порта.
[0103] Другие конструктивные признаки второго варианта осуществления являются такими же, что и в первом варианте осуществления, таким образом, подобные или одинаковые элементы просто обозначены такими же позициями в этих вариантах осуществления, и дополнительные описания клапана 10A будут опущены.
[0104] В этом полом тарельчатом клапане 10A, как и в тарельчатом клапане 10 первого варианта осуществления, потоки охлаждающего агента генерируются в полости S1' головки клапана вдоль наклонных поверхностей 22 формирующих вихрь выступов 20 во время возвратно-поступательного движения клапана 10A, в частности, когда клапан 10A находится в направленном вверх движении. Эти потоки собираются в кольцевом проходе 24', окружающем формирующие вихрь выступы 20, формируя вихревой поток F20' вдоль периферии полости S1' головки клапана, который перемешивает нижний слой охлаждающего агента 19 в полости S1' головки клапана, тем самым активируя теплоперенос во внутренней полости S' посредством охлаждающего агента 19 и, следовательно, повышая способность уменьшения тепловыделения клапана 10A.
[0105] На Фиг.8 и 9 показан полый тарельчатый клапан 10B в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.
[0106] Следует повторить, что полость S2 стержня первого и второго полых тарельчатых клапанов 10 и 10A, соответственно, имеет диаметрально бόльшую полость S21 стержня стороны конца стержня, диаметрально меньшую полость S22 стержня стороны головки клапана, и уступ 17 в полости S2 стержня. В противоположность, тарельчатый клапан 10B имеет полость S2' стержня с постоянным внутренним диаметром в стержне 12 клапана.
[0107] Другие конструктивные признаки этого варианта осуществления являются такими же, что и в первом варианте осуществления, таким образом подобные или одинаковые элементы просто обозначены такими же позициями в этих вариантах осуществления, и дополнительные описания клапана 10B будут опущены.
[0108] Следует отметить, что, в отличие от вышеприведенных тарельчатых клапанов 10 и 10A, в которых охлаждающий агент 19 перемешивается в полости S2 стержня посредством уступа 17 во время возвратно-поступательного движения клапана, перемешивание охлаждающего агента 19 не вызывается в полости S2 стержня посредством уступа 17 этого тарельчатого клапана 10B. Однако в этом тарельчатом клапане 10B, вихревые потоки F20 и F30 (Фиг.2 и 3) генерируются в полости S1 головки клапана дополнительно к вертикально-вихревым потокам T1 и T2 (Фиг.5) вокруг центральной оси L'' во время возвратно-поступательных движений клапана, как в случае тарельчатого клапана 10. Более того, так как турбулентные потоки F4 и F5 и воронка F40 охлаждающего агента 19 генерируются в полости S2' стержня (Фиг.5), весь охлаждающий агент 19 во внутренней полости S'' энергично перемешивается, и способность уменьшения тепловыделения (способность теплопроводности) клапана 10B значительно повышается.
[0109] Следует отметить, что уступ не образуется в полости S2' стержня 12 клапана в процессе изготовления полого тарельчатого клапана 10B, как показано на Фиг.9. Следовательно, процесс изготовления клапана упрощен, так как этап сверления отверстия 14e' для полости S2' стержня требуется только один раз, а приваривание концевого элемента стержня не требуется.
[0110] При изготовлении полого тарельчатого клапана 10B, корпус 11' сначала формируется посредством горячей штамповки таким образом, что корпус 11' содержит стержень 12, выполненный за одно целое с корпусом 14a головки клапана, который имеет имеющее форму усеченного круглого конуса углубление 14b, как показано на Фиг.9(a). Одновременно, при формировании корпуса 11', размещенные в окружном направлении формирующие вихрь выступы 30, разнесенные друг от друга, по существу, на равные интервалы в окружном направлении, образуются на дне 14b1 углубления 14b.
[0111] Далее (на этапе сверления), как показано на Фиг.9(b), отверстие 14e' просверливается в стержне 12 и через дно 14b1 углубления 14b для образования диаметрально меньшей полости S2' стержня.
[0112] На следующем этапе загрузки охлаждающего агента, как показано на Фиг.9(c), заданное количество затвердевшего охлаждающего агента 19 помещается в отверстие 14e', сообщающееся с углублением 14b.
[0113] В заключение, на этапе закупорки полости, заглушка 18, образованная с формирующими вихрь выступами 20 на ее задней стороне, приваривается посредством контактной сварки, например, в атмосфере аргона, на открытом конце внутренней периферии 14c углубления 14b для закупорки внутренних полостей S'' клапана 10B, как показано на Фиг.9(d).
[0114] Фиг.10 представляет собой перспективный вид другого примера формирующих вихрь выступов, обеспеченных на дне полости головки клапана (или на задней стороне заглушки).
[0115] В трех вариантах осуществления выше, формирующие вихрь выступы 20, образованные на задней стороне заглушки 18, служащей в качестве дна полостей S1 и S1' головки клапана, образованы с завихривающими лопатками с их наклонными поверхностями 22, при этом каждая наклонена вниз в окружном направлении от ее самой высокой дугообразной задней стенки 20a. На Фиг.10 показаны четыре формирующих вихрь выступа 120, разнесенных друг от друга на равные интервалы в окружном направлении, при этом каждый выступ образован с прямоугольной наклонной поверхностью 122, которая имеет треугольное поперечное сечение и наклоняется от ее самой высокой задней стенки 120a.
[0116] Следует отметить, что наклонные поверхности 22, 32 и 122 формирующих вихрь выступов 20, 120 и 30, которые показаны посредством вышеприведенных вариантов осуществления, соответственно, наклонены в окружном направлении для толкания вперед охлаждающего агента 19 вдоль наклонных поверхностей, то есть в окружном направлении, во время возвратно-поступательного осевого движения клапана для генерирования потоков охлаждающего агента в окружном направлении. Однако следует понимать, что формирующие вихрь выступы не ограничены на форме выступов (20, 120 и 30), описанной выше, при условии, что они могут вызывать вихревые потоки в охлаждающем агенте во время возвратно-поступательных движений клапана.
ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
[0117] 2 головка цилиндра
3a направляющая клапана
4 камера сгорания
6 выпускной порт
10, 10А и 10B полые тарельчатые клапаны
11, 11' единые корпусы головки клапана и стержня клапана
12 стержень клапана
12a стержень
14 головка клапана
14a, 14a' корпусы головок клапанов
14b имеющее форму усеченного круглого конуса углубление
14b' имеющее форму круглого конуса углубление
14b1 круглый потолок полости головки клапана
14b2, 14b2' конические внутренние периферии углублений корпусов головок клапанов (конические периферии полостей головок клапанов)
15 карнизообразный кольцевой уступ вокруг одного конца полости стержня клапана, открывающегося в потолке полости головки клапана
17 уступ, образованный в полости стержня клапана
18 заглушка
19 охлаждающий агент
20, 30, 120 формирующие вихрь выступы
22, 32, 122 формирующие вихрь наклонные поверхности
L, L', L'' центральная ось клапанов
S, S', S'' внутренние полости
S1 полость головки клапана
S1' имеющая форму круглого конуса полость головки клапана
P область взаимного соединения
S2 и S2' линейные полости стержня
S21 полость стержня стороны конца стержня
S22 полость стержня стороны головки клапана
F20, F20', F30 и F31 вихревые потоки
F40 воронка, образованная в полости стержня клапана
T1, T2 вертикально-вихревые потоки
F4 и F5 турбулентные потоки
F9 и F10 турбулентные потоки
Реферат
Изобретение может быть использовано в полых тарельчатых клапанах, применяемых в двигателях внутреннего сгорания. Полый тарельчатый клапан содержит стержень (12), головку (14) клапана, выполненную на одном конце стержня (12) за одно целое с ним, и внутреннюю полость (S). Внутренняя полость (S) проходит от внутренней части головки (14) клапана в стержень (12). Внутренняя полость (S) заполнена охлаждающим агентом (19) вместе с инертным газом. Внутренняя полость (S) имеет диаметрально большую полость (S1) головки клапана, образованную в головке (14) клапана, и диаметрально маленькую линейную полость (S2) стержня, образованную в стержне (12) и сообщающуюся с центральной областью полости (S1) головки (14) клапана. Множество формирующих вихрь выступов (20), (30) образовано по меньшей мере на дне или потолке полости (S1) головки (14) клапана. Формирующие вихрь выступы (20), (30) расположены на равных интервалах в окружном направлении полости (S1) головки (14) клапана. Каждый выступ (20), (30) имеет наклонную поверхность, наклоненную в окружном направлении, для генерирования вихревого потока (F20), (F30) охлаждающего агента (19) в полости (S1) головки (14) клапана вокруг центральной оси (L) клапана (10) во время возвратно-поступательного движения клапана (10) в направлении вдоль его центральной оси (L). Раскрыты варианты выполнения полого тарельчатого клапана. Технический результат заключается в улучшении перемешивания охлаждающего агента в клапане. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 21 ил.
