改进的套筒密封

阅读:171发布:2021-01-08

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1.一种系统,包括:
套筒,包括至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞阀体,所述套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义内燃机燃烧室;以及
制动结构,在打开位置和关闭位置之间移动所述套筒阀以控制流动通过所述内燃机的端口;以及
阀座,当所述套筒阀被移动至所述关闭位置时,所述套筒阀的密封边缘被由所述阀制动结构产生的推动而抵住所述阀座,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括阀辅助特征,所述阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括所述燃烧室中燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面。
2.如权利要求1所述的系统,其中所述阀制动结构包括弹簧,所述弹簧的尺寸被制成确保最大气体压力不会提升所述密封边缘而脱离所述阀座。
3.如权利要求1至2中任一所述的系统,其中所述阀辅助特征包括在所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形以减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配。
4.如权利要求3所述的系统,其中所述干扰角被形成于所述密封边缘上的第一密封表面和在所述阀座上的第二密封表面之间,所述第一密封表面被制成形状类似于旋转的第一尖端固体的第一部分,所述第一部分具有朝向所述第一密封表面锥形的第一顶点,所述第二密封表面被制成形状类似于旋转的第二尖端固体的第二部分,所述第二部分具有朝向所述第二密封表面锥形的第二顶点,所述旋转的第一尖端固体和所述旋转的第二尖端固体中的每一个与所述燃烧室的中心轴共享其旋转轴
5.如权利要求4所述的系统,其中所述旋转的第一尖端固体包括第一圆锥以及所述旋转的第二尖端固体包括第二圆锥。
6.如权利要求4至5中任一权利要求所述的系统,其中所述第一顶点和所述第二顶点都朝向所述关闭位置。
7.如权利要求4至5中任一权利要求所述的系统,其中所述第一顶点和所述第二顶点都朝向所述打开位置。
8.如权利要求3至7中任一权利要求所述的系统,进一步包括所述第一密封表面和所述第二密封表面之间的倾斜干扰角。
9.如权利要求3至8中的任一权利要求所述的系统,其中所述干扰角是基于所述套筒阀由所述燃烧室中的所述燃烧气体的最大压力所估计的最大偏转,所述干扰角使得所述密封边缘的内边缘即使在最大偏转处也保持与所述阀座的接触
10.如权利要求3至9中的任一权利要求所述的系统,其中所述内燃机包括对置活塞发动机,其中所述至少一个活塞包括至少部分地由所述阀体围绕的在先活塞以及至少部分地由第二套筒阀的第二阀体围绕的在后活塞,所述在先活塞和所述第二活塞以不协调的方式在各自的上止点下止点位置之间往复运动,从而使得所述在先活塞先于所述在后活塞到达其上止点位置之前到达其上止点位置以提供可变压缩比性能,所述第二套筒阀包括抵住第二阀座的第二密封边缘以及在所述第二套筒阀的所述第二密封边缘和所述第二阀座之间的小于所述干扰角的第二干扰角。
11.如权利要求3至10中的任一权利要求所述的系统,其中所述内燃机包括对置活塞发动机,其中所述至少一个活塞包括至少部分地由所述阀体围绕的主活塞和至少部分地由第二套筒阀的第二阀体围绕的次活塞,所述主活塞和所述次活塞可以在各自的第一和第二机轴上的各自的上止点和下止点之间进行往复运动,所述第二机轴可沿所述次活塞的运动轴转动,从而使得在较低压缩比配置中的所述次活塞具有上止点位置,所述上止点位置距所述发动机中心的距离远于距所述主活塞的距离,所述第二套筒阀包括抵住第二阀座的第二密封边缘和在所述第二套筒阀的所述第二密封边缘以及所述第二阀座之间的大于所述干扰角的第二干扰角。
12.如权利要求3至11中的任一权利要求所述的系统,其中所述密封边缘包括多个角度,所述多个角度包括第一角,所述第一角软化或截掉所述密封边缘的其他锐边以消除密封边缘的过于快速的加热,匹配至所述阀座的角度的第二角并包括所述干扰角,以及大体上比所述套筒阀与所述阀座的接触角陡峭的第三、缓和角以使得在所述套筒阀和所述阀座磨损时,所述套筒阀不会压弯太多以至于所述密封边缘和所述阀座与第三、缓和区域接触。
13.一种方法,包括:
在打开位置和关闭位置之间移动套筒阀以控制流动通过内燃机的端口,所述套筒阀包括阀体,所述阀体至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞,所述套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义所述内燃机的燃烧室,所述移动由阀制动结构实施;以及当所述套筒阀被移至关闭位置时,由所述阀致动结构产生的推动力推动所述套筒阀的密封边缘抵住阀座;
由阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括所述阀辅助特征,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面。
14.如权利要求13所述的方法,其中所述阀制动结构包括弹簧,所述弹簧的尺寸被制成确保最大气体压力不会提升所述密封边缘而脱离所述阀座。
15.如权利要求13至14中的任一权利要求所述的方法,其中所述阀辅助特征包括在所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形以减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配。
16.如权利要求15所述的方法,其中所述干扰角被形成于所述密封边缘上的第一密封表面和在所述阀座上的第二密封表面之间,所述第一密封表面被制成形状类似于旋转的第一尖端固体的第一部分,所述第一部分具有朝向所述第一密封表面锥形的第一顶点,所述第二密封表面被制成形状类似于旋转的第二尖端固体的第二部分,所述第二部分具有朝向所述第二密封表面锥形的第二顶点,所述旋转的第一尖端固体和所述旋转的第二尖端固体的每一个与所述燃烧室的中心轴共享其旋转轴
17.如权利要求16所述的方法,其中所述旋转的第一尖端固体包括第一圆锥以及所述旋转的第二尖端固体包括第二圆锥。
18.如权利要求16至17中的任一权利要求所述的方法,其中所述第一顶点和所述第二顶点都朝向所述关闭位置。
19.如权利要求16至17中的任一权利要求所述的方法,其中所述第一顶点和所述第二顶点都朝向所述打开位置。
20.如权利要求15至19中的任一权利要求所述的方法,进一步包括所述第一密封表面和所述第二密封表面之间的倾斜干扰角。
21.如权利要求15至20中的任一权利要求所述的方法,其中所述干扰角是基于所述套筒阀由所述燃烧室中的所述燃烧气体的最大压力所估计的最大偏转,所述干扰角使得所述密封边缘的内边缘即使在最大偏转处也保持与所述阀座的接触。
22.如权利要求15至21中的任一权利要求所述的方法,其中所述内燃机包括对置活塞发动机,其中所述至少一个活塞包括至少部分地由所述阀体围绕的在先活塞以及至少部分地由第二套筒阀的第二阀体围绕的在后活塞,所述在先活塞和所述第二活塞以不协调的方式在各自的上止点和下止点位置之间往复运动,从而使得所述在先活塞先于所述在后活塞到达其上止点位置之前到达其上止点位置以提供可变压缩比性能,所述第二套筒阀包括抵住第二阀座的第二密封边缘以及在所述第二套筒阀的所述第二密封边缘和所述第二阀座之间的小于所述干扰角的第二干扰角。
23.如权利要求15至22中的任一权利要求所述的方法,其中所述内燃机包括对置活塞发动机,其中所述至少一个活塞包括至少部分地由所述阀体围绕的主活塞和至少部分地由第二套筒阀的第二阀体围绕的次活塞,所述主活塞和所述次活塞可以在各自的第一和第二机轴上的各自的上止点和下止点之间进行往复运动,所述第二机轴可沿所述次活塞的运动轴转动,从而使得在较低压缩比配置中的所述次活塞具有上止点位置,所述上止点位置距所述发动机中心的距离远于距所述主活塞的距离,所述第二套筒阀包括抵住第二阀座的第二密封边缘和在所述第二套筒阀的所述第二密封边缘以及所述第二阀座之间的大于所述干扰角的第二干扰角。
1.一种系统,包括:
套筒阀,包括至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞的阀体,所述套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义内燃机的燃烧室;
阀制动结构,在打开位置和关闭位置之间移动所述套筒阀以控制流动通过所述内燃机的端口;以及
阀座,当所述套筒阀被移至所述关闭位置时,所述套筒阀的密封边缘被所述阀制动结构推动抵住而所述阀座,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括阀辅助特征,所述阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述阀辅助特征包括形成于所述阀的所述密封边缘上的第一密封表面和所述阀座上的第二密封表面之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配,所述干扰角被形成于所述密封边缘上的第一密封表面和所述阀座上的第二密封表面之间,所述第一密封表面被制成形状类似于旋转的第一尖端固体的第一部分,所述第一部分具有朝向所述第一密封表面锥形的第一顶点,所述第二密封表面被制成形状类似于旋转的第二尖端固体的第二部分,所述第二部分具有朝向所述第二密封表面锥形的第二顶点,所述旋转的第一尖端固体和所述旋转的第二尖端固体的每一个与所述燃烧室的中心轴共享其旋转轴。
2.如权利要求1所述的系统,其中所述旋转的第一尖端固体包括第一圆锥以及所述旋转的第二尖端固体包括第二圆锥。
3.如权利要求1至2中任一权利要求所述的系统,其中所述第一顶点和所述第二顶点都朝向所述关闭位置。
4.如权利要求1至2中任一权利要求所述的系统,其中所述第一顶点和所述第二顶点都朝向所述打开位置。
5.一种系统,包括:
套筒阀,包括至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞的阀体,所述套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义内燃机的燃烧室;
阀制动结构,在打开位置和关闭位置之间移动所述套筒阀以控制流动通过所述内燃机的端口;以及
阀座,当所述套筒阀被移至所述关闭位置时,所述套筒阀的密封边缘被所述阀制动结构推动而抵住所述阀座,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括阀辅助特征,所述阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述阀辅助特征包括形成于所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配,所述干扰角是基于所述套筒阀由所述燃烧室中的所述燃烧气体的最大压力所估计的最大偏转,所述干扰角使得所述密封边缘的内边缘即使在最大偏转处也保持与所述阀座的接触。
6.一种系统,包括:
包括一阀体的套筒阀和包括第二阀体的第二套筒阀,所述套筒阀体至少部分地围绕在先活塞以及所述第二套筒阀体至少部分地围绕在后活塞,所述在先活塞和所述在后活塞以不协调的方式在各自的上止点和下止点位置之间往复运动,从而使得所述在先活塞先于所述在后活塞到达其上止点位置之前到达其上止点位置以提供可变压缩比性能,所述套筒阀、所述第二套筒阀、所述在先活塞和所述在后活塞至少部分地定义对置活塞内燃机的燃烧室;
阀制动结构,在所述套筒阀和所述第二套筒阀的各自的打开位置和关闭位置之间移动所述套筒阀和所述第二套筒阀以控制流动通过所述对置活塞内燃机的至少两个端口;
阀座,当所述套筒阀被移至所述关闭位置时,所述套筒阀的密封边缘被所述阀制动结构推动抵住所述阀座,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括阀辅助特征,所述阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述阀辅助特征包括在所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配;以及
第二阀座,所述第二套筒阀的第二密封边缘被所述阀制动结构推动抵住所述第二阀座,在所述第二套筒阀的所述第二密封边缘和所述第二阀座之间的小于所述干扰角的第二干扰角。
7.一种系统,包括:
包括一阀体的套筒阀和包括第二阀体的第二套筒阀,所述套筒阀体至少部分地围绕主活塞以及所述第二套筒阀体至少部分地围绕次活塞,所述主活塞和所述次活塞可以在各自的第一和第二机轴上的各自的上止点和下止点之间进行往复运动,所述第二机轴可沿所述次活塞的运动轴转动,从而使得在较低压缩比配置中的所述次活塞具有上止点位置,所述上止点位置距所述发动机中心的距离远于距所述主活塞的距离,所述套筒阀、所述第二套筒阀、所述主活塞和所述次活塞至少部分地定义对置活塞内燃机的燃烧室;
阀制动结构,在所述套筒阀和所述第二套筒阀的各自的打开位置和关闭位置之间移动所述套筒阀和所述第二套筒阀以控制流动通过所述对置活塞内燃机的至少两个端口;
阀座,当所述套筒阀被移至所述第一关闭位置时,所述套筒阀的密封边缘被所述阀制动结构推动而抵住所述阀座,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括阀辅助特征,所述阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述阀辅助特征包括在所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配;
第二阀座,所述第二套筒阀的第二密封边缘被所述阀制动结构推动抵住所述第二阀座,在所述第二套筒阀的所述第二密封边缘和所述第二阀座之间的大于所述干扰角的第二干扰角。
8.一种系统,包括
套筒阀,包括至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞的阀体,所述套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义内燃机的燃烧室;以及
阀制动结构,在打开位置和关闭位置之间移动所述套筒阀以控制流动通过所述内燃机的端口;以及
阀座,当所述套筒阀被移动至所述关闭位置时,所述套筒阀的所述密封边缘被所述阀制动结构推动而抵住所述阀座,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括阀辅助特征,所述阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述阀辅助特征包括在所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配,所述密封边缘包括多个角度,所述多个角度包括第一角,所述第一角软化或截掉所述密封边缘的其他锐边以消除密封边缘的过于快速的加热,匹配至所述阀座角度的第二角并包括所述干扰角,以及大体上比所述套筒阀与所述阀座的接触角陡峭的第三、缓和角以使得在所述套筒阀和所述阀座磨损时,所述套筒阀不会压弯太多以至于所述密封边缘和所述阀座与第三、缓和区域接触。
9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的系统,其中所述干扰角包括所述密封边缘和所述阀座之间的倾斜干扰角。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的系统,其中所述阀制动结构包括弹簧,所述弹簧的尺寸被制成确保最大气体压力不会提升所述密封边缘脱离所述阀座。
11.一种方法,包括:
在打开位置和关闭位置之间移动套筒阀以控制流动通过内燃机的端口,所述套筒阀包括阀体,所述阀体至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞,所述套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义所述内燃机的燃烧室,所述移动由阀制动结构实施;
当所述套筒阀被移至关闭位置时,由所述阀致动结构产生的推动力推动所述套筒阀的密封边缘抵住阀座;
由阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括所述阀辅助特征,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配,所述干扰角被形成于所述密封边缘上的第一密封表面和所述阀座上的第二密封表面之间,所述第一密封表面被制成形状类似于旋转的第一尖端固体的第一部分,所述第一部分具有朝向所述第一密封表面锥形的第一顶点,所述第二密封表面被制成形状类似于旋转的第二尖端固体的第二部分,所述第二部分具有朝向所述第二密封表面锥形的第二顶点,所述旋转的第一尖端固体和所述旋转的第二尖端固体的每一个与所述燃烧室的中心轴共享其旋转轴。。
12.如权利要求11所述的方法,其中所述旋转的第一尖端固体包括第一圆锥以及所述旋转的第二尖端固体包括第二圆锥。
13.如权利要求11至12中的任一权利要求所述的方法,其中所述第一顶点和所述第二顶点都朝向所述关闭位置。
14.如权利要求11至12中的任一权利要求所述的方法,其中所述第一顶点和所述第二顶点都朝向所述打开位置。
15.一种方法,包括:
在打开位置和关闭位置之间移动套筒阀以控制流动通过内燃机的端口,所述套筒阀包括阀体,所述阀体至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞,所述套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义所述内燃机的燃烧室,所述移动由阀制动结构实施;
当所述套筒阀被移至关闭位置时,由所述阀致动结构推动所述套筒阀的密封边缘抵住阀座;以及
由阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括所述阀辅助特征,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述阀辅助特征包括所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形以减少所述暴露表面的面积,所述干扰角是基于所述套筒阀由所述燃烧室中的所述燃烧气体的最大压力所估计的最大偏转,所述干扰角使得所述密封边缘的内边缘即使在最大偏转处也保持与所述阀座的接触。
16.一种方法,包括:
在套筒阀和第二套筒阀的各自的打开位置和关闭位置之间移动所述套筒阀和所述第二套筒阀,以控制流动通过对置活塞内燃机的至少两个端口,所述套筒阀包括至少部分地围绕在先活塞的阀体,以及所述第二套筒阀包括至少部分地围绕在后活塞的第二阀体,所述在先活塞和所述在后活塞以不协调的方式在各自的上止点和下止点位置之间往复运动,从而使得所述在先活塞先于所述在后活塞到达其上止点位置之前到达其上止点位置以提供可变压缩比性能,所述套筒阀、所述第二套筒阀、所述在先活塞和所述在后活塞至少部分地定义对置活塞内燃机的燃烧室;
当所述套筒阀被移至关闭位置时,由所述阀致动结构推动所述套筒阀的密封边缘抵住阀座;
由阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括所述阀辅助特征,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述阀辅助特征包括在所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形以减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配;以及当所述第二套筒阀被移至关闭位置时,由所述阀致动结构推动所述第二套筒阀的第二密封边缘抵住第二阀座,在所述第二套筒阀的所述第二密封边缘和所述第二阀座之间的小于所述干扰角的第二干扰角。
17.一种方法,包括:
在套筒阀和第二套筒阀的各自的打开位置和关闭位置之间移动所述套筒阀和所述第二套筒阀,以控制流动通过对置活塞内燃机的至少两个端口,所述套筒阀包括至少部分地围绕主活塞的阀体以及所述第二套筒阀包括至少部分地围绕次活塞的第二阀体,所述主活塞和所述次活塞可以在各自的第一和第二机轴上的各自的上止点和下止点之间进行往复运动,所述第二机轴可沿所述次活塞的运动轴转动,从而使得在较低压缩比配置中的所述次活塞具有上止点位置,所述上止点位置距所述发动机中心的距离远于距所述主活塞的距离,所述套筒阀、所述第二套筒阀、所述主活塞和所述次活塞至少部分地定义对置活塞内燃机的燃烧室,所述移动由阀制动结构实施;
当所述套筒阀被移至关闭位置时,由所述阀致动结构推动所述套筒阀的密封边缘抵住阀座;
由阀辅助特征帮助所述阀制动结构抵抗由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力,所述套筒阀和所述阀座的至少一个包括所述阀辅助特征,所述由所述内燃机产生的与所述推动力相反的力包括在所述燃烧室中的燃烧气体的压力,所述压力在与所述阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于所述密封边缘的暴露表面,所述阀辅助特征包括在所述阀的所述密封边缘和所述阀座之间的干扰角,所述干扰角配置为当所述套筒阀由于所述燃烧室中的燃烧气体压力引起的径向定向力而向外弯曲时,通过减少所述密封边缘和所述阀座之间的间隙开口的变形以减少所述暴露表面的面积,所述干扰角包括所述密封边缘的第一锥角和所述阀座的第二锥角之间的差值,所述第一锥角和所述第二锥角不匹配;以及当所述第二套筒阀被移至关闭位置时,由所述阀致动结构推动所述第二套筒阀的第二密封边缘抵住第二阀座,在所述第二套筒阀的所述第二密封边缘以及所述第二阀座之间的大于所述干扰角的第二干扰角。
18.一种方法,包括:
在打开位置和关闭位置之间移动套筒阀以控制流动通过内燃机的端口,所述套筒阀包括阀体,所述阀体至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞,所述套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义所述内燃机的燃烧室,所述移动由阀制动结构实施;

说明书全文

改进的套筒密封

[0001] 对相关申请的交互引用
[0002] 本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2010年10月8日递交的美国临时申请案61/391,519,专利名称为“Improved Internal Combustion Engine Valve Sealing”的优先权。本申请涉及共有的美国专利7,559,298,共有且共同待决的名称为“Single Piston Sleeve Valve with Optional Variable Compression Ratio Capability”的国际申请PCT/US2011/055457,共有且共同待决的名称为 的国际申请以及共有且共同待决的名称为“Positive Control(Desmodromic)
Valve Systems for Internal Combustion Engines”的国际申请PCT/US2011/055485。本段所列的每一项申请或者专利的公开内容及附图以参考方式被合并于此。

技术领域

[0003] 本公开一般涉及内燃机领域,在某些实施例中,涉及与套筒阀使用的阀系统。

背景技术

[0004] 套筒阀是一种可在内燃机中使用的阀,内燃机包括但不限于对置活塞发动机,在对置活塞发动机中两个活塞共享一个单缸,套筒阀也是一种在发动机中使用的阀,在发动机中每个活塞在其自己的气缸中作往复运动。这种阀通常形成气缸壁的一部分或全部。在一些变化中,一个或多个套筒阀可以大致平行于一轴进行来回往复运动,在该轴上的一个或多个活塞进行往复运动,以在适当的时间打开和关闭进气口和/或排气口从而引入空气或空气燃料混合物进入燃烧室,和/或从燃烧室排出燃烧产物。在其他变化中,一个或多个套筒阀可以绕活塞的轴旋转和/或沿活塞的轴平移,以打开和关闭进气口和排气口中的一个或将两个都打开和关闭。由于潜在的可以由套筒阀控制的大圆周口面积,这样的阀可以为在打开位置流体流动提供一个比较大的横截面面积。发明内容
[0005] 按照目前主题的各个方面,系统可以包括一个或多个阀辅助特征,诸如,例如套筒阀和阀座之间的干扰被配置以使得由燃烧气体压产生的套筒阀弯曲不会打开套筒阀密封边缘和阀座之间的间隙,该间隙为燃烧气体压力暴露足够大的表面积以作用于施加一个反力,该反力足以克服保持套筒阀关闭的机械力。在目前主题的范围之内也有可能的是用于调节套筒阀系统设计的方法以及设计和制造的属性,方法考虑可变压缩比发动机的低压缩引擎操作的较大弯曲力,属性可以确保有利的套筒阀几何形状以及在发动机大部分的使用寿命中其相应的阀座可以被维持。
[0006] 在一个方面,系统包括套筒阀,该套筒阀包括阀体,该阀体至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞。套筒阀和至少一个活塞至少部分地定义内燃机的燃烧室。阀致动结构在打开位置和关闭位置之间移动套筒阀以控制流过内燃机的一个端口。当套筒阀移动到关闭位置时,套筒阀的密封边缘被由阀致动结构产生的推动力抵住阀密封件。套筒阀和阀座中的至少一个包括阀辅助功能,该功能辅助阀致动结构抵制由内燃机产生的与推动力相反的力。由内燃机产生的与推动力相反的力包括在燃烧室内的燃烧气体的压力,该压力在与阀致动结构的阀关闭力相反的方向上作用在密封边缘的暴露的表面。
[0007] 在一个相关联的方面,方法包括由阀致动结构在打开位置和关闭位置之间移动套筒阀以控制流过内燃机的一个端口。套筒浮阀包括阀体,该阀体至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞。套筒阀和至少一个活塞至少部分地定义内燃机的燃烧室。当套筒阀移动到关闭位置时,套筒阀的密封边缘被由阀致动结构产生的推动力抵住阀座。阀辅助功能辅助阀致动结构抵制由内燃机产生的与推动力相反的力。套筒阀和阀座中的至少一个包括阀辅助功能或功能。由内燃机产生的与推动力相反的力包括在燃烧室内的燃烧气体的压力,该压力在与阀致动结构的阀关闭力相反的方向上作用在密封边缘的暴露的表面。
[0008] 在一些变化中,以下功能中的一个或多个可任选地被包括在任何可行的组合中。阀致动结构可选地包括弹簧,该弹簧的大小适于确保最大气体压力不会提升密封边缘脱离阀座。阀辅助功能可选地包括阀的密封边缘和阀座之间的干扰角,当套筒阀由于由燃烧室内的燃烧气体的压力引起的径向力而向外弯曲时,干扰角被配置为通过减少密封边缘与阀座之间的间隙开口形成从而减少暴露的表面面积。干扰角可选地包括密封边缘的第一锥角和阀座的第二锥角之间的差。干扰角可选地形成于密封边缘上的第一密封表面和阀座上的第二密封表面之间。第一密封表面可选地被形成像第一旋转尖端固体的第一部分的形状,第一旋转尖端固体具有第一密封表面朝向的第一顶点。第二密封表面可选地被形成像第二旋转尖端固体的第二部分的形状,第二旋转尖端固体具有第二密封表面朝向的第二顶点。
第一旋转尖端固体和第二旋转尖端固体可选地每一个将它们的旋转轴与燃烧室的中心轴共享。
[0009] 第一旋转尖端固体可选地包括第一圆锥体以及旋转的第二旋转尖端固体可选地包括第二圆锥体。第一顶点和第二顶点可选地都朝向关闭位置,或者第一顶点和第二顶点可选地都朝向打开位置。
[0010] 倾斜的或尖锐的干扰角可以形成于第一密封表面和第二密封表面之间。由于燃烧室中的燃烧气体的最大压力,干扰角可选地被基于套筒阀的被预估的最大偏斜。干扰角可选地引起密封边缘的内缘以保持与阀座接触,即使是在最大偏转时。
[0011] 内燃机可选地包括对置活塞发动机。在对置活塞发动机的可选的变化中,至少一个活塞可选地包括至少部分地由阀体包围的在先活塞以及至少部分地由第二套筒阀的第二阀体包围的在后活塞。在先活塞和第二活塞可以不协调的方式在各自的上止点下止点位置之间往复运动,从而使得在先活塞先于在后活塞到达器上止点位置之前先到达其上止点位置以提供可变压缩比性能。第二套筒阀可选地包括抵住第二阀座的第二密封边缘和在第二套筒阀的第二密封边缘以及第二阀座之间的大于干扰角的第二干扰角。
[0012] 在对置活塞发动机的第二可选变化中,至少一个活塞可选地包括至少部分地由阀体包围的主活塞和至少部分地由第二套筒阀的第二阀体包围的次活塞。主活塞和次活塞可以在各自的第一和第二机轴上的各自的上止点和下止点之间进行往复运动。第二机轴可沿次活塞的运动轴线平移,从而使得在较低压缩比配置中的次活塞具有上止点位置,该位置距发动机中心的距离远于距主活塞的距离。第二套筒阀可选地包括抵住第二阀座的第二密封边缘和在第二套筒阀的第二密封边缘以及第二阀座之间的大于干扰角的第二干扰角。
[0013] 密封边缘可选地包括多个角度。多个角度可选地包括第一角,该角软化或剪掉密封边缘的其他锐变以消除密封边缘的过于快速的加热;可选地包括干扰角的第二匹配阀座的角度;以及第三、缓和角,该角大体上比套筒阀与阀座的接触角陡峭,从而在套筒阀和阀座磨损时,套筒阀不会压弯以至于密封边缘和阀座与第三、缓和区域接触。
[0014] 本发明一个或多个变化的细节在以下所附的附图及说明书中进行阐述。通过说明书、附图和权利要求,在此所述的本发明的其它特征和优点将显而易见。

附图说明

[0015] 附图作为说明书的一部分,反映本发明的某些方面,与说明书一起帮助理解与具体实施例相关联的原则。在附图中:
[0016] 图1示出部分内燃机的剖面图,其中两个对置活塞在汽缸内往复运动;
[0017] 图2示出了图1所示的部分内燃机的横截面图;
[0018] 图3示出部分内燃机的横截面图,其中单个活塞在每个气缸内往复运动并且进气口和排气口中的至少一个被套筒阀打开和关闭;
[0019] 图4A、4B、4C、4D、4E和4F示出说明套筒阀密封的弯曲效果的横截面图;
[0020] 图5A、5B、5C和5D示出说明增强密封套筒阀特征的横截面图;
[0021] 图6A、6B、6C和6D示出说明增强密封套筒阀特征的横截面图;
[0022] 图7A、7B和7C示出说明双壁气体辅助套筒阀特征的横截面图和剖面图;
[0023] 图8示出说明双壁气体辅助套筒阀特征的横截面图;
[0024] 图9A、9B、9C和9D示出说明套筒阀冷却特征的等轴图;
[0025] 图10示出说明套筒阀特征的剖面图;
[0026] 图11A、11B、11C示出说明套筒阀密封方法的特征的等轴及横截面图;以及[0027] 图12示出阐述具有一个或多个与本发明的实现相一致的特征的方法的各方面的流程图
[0028] 当可行时,相似的参考标号表示相似的结构、功能或元素。

具体实施方式

[0029] 图1示出了具有一对对置活塞的内燃机100的局部剖面图,其包括第一活塞102和第二活塞104。第一活塞102通过第一连杆110可操作地耦合至第一机轴106,以及第二活塞104通过第二连杆114,以可操作地耦合到第二机轴112。如图1所示,第一机轴106通过一系列同步或以其他方式控制第一活塞102和第二活塞104的运动的齿轮可操作地耦合到第二机轴112。在发动机操作期间,第一活塞102和第二活塞104在由相应的套筒阀形成的同轴排列的圆柱孔中朝向和远离彼此往复运动。更具体地,第一活塞102在排气套筒阀116中前后往复运动,而第二活塞104在相应的进气套筒阀120中前后往复运动。排气套筒阀116和进气套筒阀120也可以前后往复运动以在发动机循环过程中的适当的时间分别打开和关闭相应的排气口122和进气口124,从而传送空气和/或燃料至燃烧室126,其至少部分地由排气和进气套筒阀116、120以及第一和第二活塞102、104所定义。
[0030] 图2示出图1的内燃机100的横截面图200。如图2中的进一步阐述,第一枢轴摇臂230(也被称为“摇杆”230)具有与相应的第一凸轮凸起部232操作接触的近端部分以及可操作地耦合到排气套筒阀116的远端部分。第一枢轴摇臂230打开排气套筒阀116,例如通过移动排气套筒阀116的密封边缘远离其相应的第一阀座234。同样地,枢轴摇臂236(也被称为“摇杆”240)具有与第二凸轮凸起部240操作接触的近端部分以及可操作地耦合到进气套筒阀120的远端部分。枢轴摇臂236打开进气套筒阀120,例如通过移动进气套筒阀120的密封边缘远离其相应的第二阀座242。
[0031] 第一凸轮凸起部232可配置在合适的第一凸轮轴上,其能够由一个或多个齿轮可操作地耦合到相应的机轴。在排气侧,例如,第一凸轮凸起部232的旋转可以在一个方向(例如,从左至右)驱动第一摇杆230的近端部分,这反过来导致第一摇臂230的远端部分在相反的方向(例如,从右到左)驱动排气套筒阀116,从而打开排气口122。类似的动作可以发生在进气侧,其中第二凸轮凸起部240的旋转可在一个方向(例如,从右到左)驱动第二摇臂236的近端部分,这反过来又导致第二摇臂236的远端部分在相反方向(例如,从左至右)驱动进气套筒阀120,从而打开进气口124。
[0032] 每个排气套筒阀116和进气套筒阀120被由相应的偏压元件压到闭合位置,偏压元件例如第一大螺旋弹簧244和第二大螺旋弹簧246,其中每一个都在相应的套筒阀的底部上的凸缘和固定到相应的机轴的对置表面之间被压缩。在第一凸轮凸起部232的控制下,第一偏压元件244驱使排气套筒阀116从左至右以关闭排气口122,以及在第二凸轮凸起部240的控制下,第二偏压元件246驱使进气套筒阀120从右至左以关闭进气口124。
[0033] 在操作发动机100的过程中,气体压力直接作用于至少部分的排气套筒阀116和进气套筒阀120的环形密封边缘,以及由相对于汽缸轴的活塞连杆角度产生的活塞侧负载,可趋于倾斜或以其他方式分别升高排气套筒阀116和进气套筒阀120以脱离它们各自的第一阀座234和第二阀座242。如果排气套筒阀116和进气套筒阀120密封不充分,可能导致一些不良后果,包括烧毁阀、功率损耗、燃油经济性差,加速磨损等。
[0034] 图3示出了在非对置活塞配置中的发动机300的一个例子,该发动机仍然使用套筒阀302打开和关闭的第一端口304,该端口可以是排气口或进气口。提升阀组件306可以控制第二端口310的打开和关闭,该第二端口可以是不由套筒阀302控制的其它排气口或进气口。单个套筒阀302可以以类似上述控制对置活塞发动机的方式进行控制。此外,同样在本发明的范围之内的是非对置活塞发动机,其包括双套筒阀,如例如在共同未决的和共同拥有的国际专利申请为PCT/US2011/055457中描述的那些套筒阀。
[0035] 这样的套筒阀,其主要经历的是沿往复运动的活塞轴线的线性往复运动,通常可以包括密封边缘,该密封边缘被压到与阀座接触以形成密封。在一些示例中,密封边缘和阀座可以有匹配的圆锥状角度表面,该表面被设计为当密封边缘和阀座相接触时进行重叠和配对。然而,在高气压下,系统必须被适当地设计为抵消泄漏的倾向。在提升阀中内燃机的燃烧室中的气压趋向于作用于阀头以迫使阀头的锥形圆周至阀座以协助密封,不同于提升阀,套筒阀受到向外推的力,并远离阀座而不是增加由阀致动系统产生的力以迫使密封边缘至阀座。换言之,气压直接作用在套筒阀的一端,以及由活塞加之在阀上的侧载荷,由于活塞上气压力以及相对于气缸轴线的杆角可以结合以倾斜阀的密封边缘脱离阀座斜。在一些发动机中,基本上沿气缸中心线的弹簧可用于克服这种趋势并保持阀边缘抵住阀座。该杆臂抵抗由杆角引起的倾覆力矩通常会增加作为提高气缸直径的函数。然而,顶锻力本身一般根据活塞的面积(即活塞直径的平方)确定大小。因此,较大的孔发动机可能需要更大的弹簧导致一个较低的自然频率,该频率可以为发动机限制运转速度范围。
[0036] 以前针对这个问题的方法是使用液压系统提供额外的力以保持阀安全地抵住阀座。无需液压系统以致动阀门,保持封闭机制作为独立的特征实施费用可能很高。在共同拥有的美国专利号7,559,298中描述的另一示例中,套筒阀的阀座端的尖端部分可以考虑用气压帮助保持套筒贴阀座。然而,在套筒阀的密封边缘处和/或在阀座上使用特殊的形状会增加设计的复杂性,从而增加发动机的制造成本。
[0037] 有几个因素可能涉及确保恰当地密封套筒阀。作用在阀顶表面上的暴露至燃烧室的气压可能成为试图推动开阀的一个大的力。孔与阀座的错位也可能在泄漏发生之前限制最大的压力。阀材料的刚度和厚度以及阀的直径也会影响密封能力。破坏阀尖端的锐边也可能导致泄漏之前最大压力的减少。
[0038] 虽然在提升阀的例子中阀和阀座以稍微不同的角度接触地面是很平常的,但在套筒阀的例子中,该方法可以略有不同。在套筒阀的例子中导致阀门提升脱离阀座以及泄露的力一般必须被保持阀门抵住阀座的结构进行反作用。
[0039] 由于燃烧室中的气压而致套筒的弯曲,需要保持阀门抵住气压的力可以由阀端上的边缘间隙的宽度结合阀端的额外的暴露面积的宽度来确定。如果套筒在其中滑动的孔相对于阀座偏移,需要额外的力以使套筒变形以适合阀座。此外,活塞侧载倾向于使套筒倾斜离开阀座。所有这些力需要以于保持阀门抵住阀座的结构来克服。
[0040] 为了以目前可用的解决方案解决这些以及可能出现的其他问题,本发明的一个或多个实施例提供的方法、系统、制造产品等等可能改进内燃机中套筒阀的密封能力。
[0041] 上述解决阀密封的挑战的一种方法是使用弹簧以迫使阀门抵住阀座。该弹簧的尺寸可使得其在关闭位置有足够的力量对抗上面列出的力。然而,所需的保持阀门关闭和密封的力可明显地大于所需的保持凸轮生成运动处于控制下所需的力。作为一个例子,对于51毫米的孔和0.25毫米的边缘间隙而言,所需的弹簧力是至少数倍的力,该力一般会被设计为以传统的小量生产发动机的运转速度(每分钟6000转)控制阀动作。获取与匹配角度的密封所需要的弹簧力可以高于如果存在的干扰角。最优的干扰角度可被表征为套筒阀
402的密封边缘的锥形和阀座404的锥形之间的不匹配,该干扰角度可以由几个因素确定,这些因素包括但不限于:相较于活塞顶环位置的室压、阀的密封边缘的边缘间隙的宽度,套筒阀自身的厚度、套筒阀材料的模量、阀座材料的模量、套筒阀直径、阀座的角度,等等。
[0042] 图4A和4B系列示出发动机系统400中套筒阀402与阀座404接触时,其在在径向方向上的偏转可能遇到的密封困难。在图4A中,套筒阀402的套筒阀接地锥形密封边缘与阀座404接触,阀座404以从密封边缘的稍微不同的角度与地面接触以使得阀门密封边缘的锥形与阀座404在近似地气压下不匹配。因此,一个小的间隙406位于套筒阀402的外侧上,该间隙暴露于端口容积410。在压缩冲程以及随后在包含在燃烧室126中的燃烧混合物点火之后的膨胀冲程中,随着活塞412移向阀座404,燃烧混合物的压力可能会导致套筒阀402在活塞顶环414之上以图4B所示的夸张的方式向外弯曲,该图不是按比例的。套筒阀402的弯曲可能会导致间隙406现存在套筒阀402的内侧上以使得套筒阀密封边缘的表面上经历作用在与弹簧驱动套筒阀402与阀座404接触的力的相反的方向上的燃烧室
126的高压。
[0043] 图4C和4D阐述与本发明的实施例相一致的特征,在该实施例中,干扰角或者套筒阀402的密封边缘的尖端与阀座404的尖端之间的不匹配是基于计算出的最大的套筒阀的偏转,该偏转是由于气体压力弯曲活塞顶环414和阀座404之间的套筒阀402。干扰角可以如图4C和4D系列中所示的被调整以使得在最大偏转处,套筒阀402的锥形密封边缘的内边缘(即暴露于燃烧室高压的边缘)始终与阀座保持接触。干扰角可有利地不大于必要的确保套筒阀402的密封边缘和阀座404之间的最大接触面积以提供最大的冷却。一旦干扰角被定义,弹簧的尺寸可以被制成确保密封边缘的边缘间隙上的气压不会导致套筒阀402提升离开阀座404。的孔大小和气缸孔的位置可以有利地确定为使得套筒阀402可以设置在阀座404上,从而使得阀中心线垂直于阀座404的平面且无需接触块侧壁。大于约1度的干扰角可以有利于薄的柔性阀。干扰角在约0度到1度的范围内可以被用于更硬的阀。有利的阀厚度和材料可以基于峰值压力、气缸直径以及所需的保持封闭力之间的关系而确定。
[0044] 图4E示出使用相移活塞运动提供对置活塞发动机中的可变压缩比的潜在影响。在先活塞412a可以早于在后活塞412b达到燃烧室126中的上止点中心位置并且在点火之前移回至下止点中心,这种移动可以被定时发生在接近在后活塞达到其上止点中心位置。
因此,在先活塞412a可以允许第一套筒阀402a暴露多于在后活塞412b允许第二套筒阀
402b暴露于燃烧室126的高燃烧压。在这种情况下,第一套筒阀402a的干扰角可有利地较大,其受到更大程度的弯曲因为第一阀较大的表面区域经历了燃烧室126中的燃烧压力峰值。
[0045] 类似的效果可以出现在可变压缩对置活塞发动机中,在该发动机中可变压缩比是通过连接对置活塞中的一个和机轴而提供,该机轴可以沿其往复运动的相关的活塞轴被转到以改变活塞的上止点中心位置的定位。在这个例子中,图4E的所示发生在两个活塞的上止点中心,在发动机的最大电流压缩位置。当发动机工作在较低压缩比配置是效果最为显著,作为转动的机轴,及因此的次级活塞的上止点位置,将被尽可能地从发动机的中心转动。
[0046] 图4F示出了具有多个角度的套筒阀402的密封边缘。角度422可以有效地“修截”原本的密封边缘的锐边以消除过于快速的部分套筒阀402加热。第二个、下一个角度424可以被匹配到阀座角并可以有利地具有包括的干扰角。第三个角度426可以是补角,其比套筒阀402接触角更陡峭,所以当套筒阀402和阀座404磨损时,套筒阀402从未弯曲成阀402在缓和区域接触到阀座404那样。在这样的系统磨损中,套筒阀402关于枢轴弯曲,该枢轴不会移出以允许过大的压力在阀顶部上形成,阀顶处它可以反向作用于保持套筒阀
402关闭的弹簧力。
[0047] 在其它实施例中,干扰角可以随阀座角改变。如果选择浅的30度角以通过阀门的打开提高流量系数,在某些情况下,阀与阀座之间的摩擦由于气体负载没有高到足以维持阀从膨胀到倾斜。这种不足可能会导致阀和阀座之间的合成角的不同。在一般情况下,这种类型的弯曲可以确保内边缘保持接触。
[0048] 因阀在压力下膨胀,所以浅的角度和不足的力量或摩擦可以使阀滑过阀座面。在一种方式中,这种效果可以提高组件的磨损率。然而,在另一种方式中,刮擦动作可以帮助减少堆积物的形成并可以在某些情况下实际地增强密封阀门的使用寿命的能力。
[0049] 在另一个实施方案中,套筒阀的反向角密封侧面可以被提供。在套筒阀的端部采用锥形部分或其他一些尖端的旋转固体可有助于阀的定位和密封。然而,暴露于燃烧气体的阀的端部表面可以倾向于强制打开阀。更改阀端部密封的几何形状,如下所述,可以降低保持关闭所需的力。
[0050] 图5A示出对置活塞发动机500中的两个套筒阀402a、402b的阀尖端几何形状的剖视图,对置活塞发动机500具有45度的圆锥形或其他尖端的具有阀座404的旋转密封面固体。类似的阀端或密封的边缘几何形状也可以被用于除对置活塞发动机以外的发动机中。定义两个套筒阀402的第一和第二密封面的圆锥体或其他尖端的固体的轴相当于阀502的中心轴和活塞的运动的轴。每一个圆锥或其他尖端的旋转固体的顶点被朝向相应阀的关闭位置,或者换句话说被朝向发动机的中心(例如,朝向靠近上止点的最接近的活塞的位置)而其基部面向各自的机轴。所示圆锥或其他尖端的旋转部分的固体可以有效地用于密封(可以以除45度以外的锥形密封面角度)。然而,每个套筒阀402的平的密封边缘表面504的一部分被暴露于燃烧室126中的燃烧气压,其倾向于驱动各阀打开。通过添加两者之间的轻微干扰、引起表面满足密封表面的内部区域,暴露的面积可以而被最小化,但是暴露阀面积不能减少到零且不引入不能实行的锐边。
[0051] 然而,如图5B所示的发动机500中,以小的干扰角反转每个套筒阀402的锥形或其他尖端的旋转几何形状的固体可以减少在燃烧区域中的需要的边缘间隙,因为内侧尖角可以是倾斜的,例如135度而不是45度。在这个例子中,圆锥或旋转锥形固体的顶点被面向每个套筒阀的打开位置,或者换句话说面向各活塞的各自的机轴。随着干扰角偏置接触朝向阀密封表面的内部边缘的应用,暴露于气体的阀顶部区域504就可以大大地最小化。在一些实施例中密封面可以减少到在大多是方顶形阀上的45度边缘间隙,其可以减少来自阀座密封唇口的端口干扰。暴露于燃烧气体的多余的面积可以是阀座的一部分,并因此可以导致没有净力施加到阀上。图5C和5D显示额外的发动机配置500,其包括与该实施例一致的替代配置的说明性示例。
[0052] 如图5所述的阀座配置导致的“阶梯式”座面也可能破坏端口流量。用于校正入口流的一种可能的配置是使用如图6A、图6B、图6C和图6D中的示例系统600所示的有弹力的或弹性的流动平滑器602。如图6A所示,当套筒阀402a关闭时,流量平滑器602可推入的缩回位置,而套筒阀402a打开时,流量平滑器602反弹以平滑入口流量。端口604、606可以被设计成使得端口的自然流线以阀座角度平稳地流动,在“负角途径”中,特别是所谓的滚筒端口(例如共同未决的和共同拥有的国际专利申请号PCT/US2010/046095中所描述的),其中端口途径主要是来自如图6A所示的方向。
[0053] 图6A中所示的配置的端口定向的流体流动通道一般引导流体的主要方向远离发动机中心608流动,在某些情况下有可能产生不被预期的流量系数。随着端口保持“正角”途径,其中端口的主要流线指向发动机中心,阀贮存器的尺寸可以被制成便于在阀座404中无需扰乱总体流动而形成低阻力再循环贮存器610。正角度途径端口的例子示于图6A和图6B中。图6D示出了与本发明实施例相一致的弹簧偏压的进气流、再循环抑制排气口配置。套筒阀的外边缘可选地具有与图中所示的完整的边缘相反的锐边间隙。这种软化相关于套筒阀在气体压力下的变形可以有一个额外的好处。该阀在环向应力下可伸展至一定程度,但阀簧仍然可以将其推回原位。但是,如果阀弹簧力不够,密封件的外侧上的锥形可以用于楔压在阀座另一个角度特征612上以抵抗环向应力。例如,第二圆锥形或旋转角度表面612的其他的尖端的固体可在阀座上形成,并伴随圆锥形或旋转角度其他的尖端的固体偏置回向燃烧室126的内部。套筒阀402b的内侧边缘可密封相反的锥形或阀座404的旋转几何形状的其他尖端的固体,然而外边缘偏置向第二圆锥形地或旋转角度表面的其他尖端的固体可以进一步帮助抵抗套筒阀402b的密封边缘的弯曲。在一些实施例中的纠正的“楔入”动作可以通过压入弹簧元件614实现以形成具有以较低险允许气体密封的稍柔和的抵抗。弹簧插入物614可以被添加作为阀座404的一部分以偏置套筒阀402a的密封边缘抵住阀座的锥形或旋转部分的其他尖端的固体。
[0054] 本发明的另一个实施例提供有关双壁气体辅助套筒阀的各种功能。如上所述,阀密封件可是往复运动的套筒阀发动机中的一个关键组成部分。经过密封件的漏油可以改变燃烧量属性和直接贡献于排放。降低与密封件接触的套筒表面的温度是有益的。因此,与一些实施例相一致,“伞”阀可以被使用,伞阀中的阀端具有双壁并且阀油密封件抵住的表面是直接冷却的。
[0055] 通过减少气体负载试图推开阀也可以是有益的,因为这会导致以较低的阀弹簧力实现更好的密封。唇形阀设计可以被使用,其中气缸压力可用于提高阀的接触力,而不是削弱它。伞套筒的问题是制造的复杂性,以及唇形阀的问题是以什么方式适当地磨合汽缸和阀唇。本文所讨论的双壁阀概念可以通过用炉钎焊组装两个或三个组件的复合阀来调和这两个问题。
[0056] 如图7A所示的阀的例子,其不一定是按比例的或以合适的宽高比显示的。阀700可以包括内部主体702的外部主体704。内部主体702可以作为汽缸表面,从而提供了一个正在运行的表面用于在套筒阀内的活塞的往复运动。外部主体704可以作为密封面,并能形成气体压力密封唇706、冷却腔710的外壁以及密封运行区域712,冷却腔710的外壁形成于内部主体702和外部主体704之间,密封运行区域712与阀和发动机主体之间的密封环进行交互。
[0057] 内部主体702可选地包括如图7B所示的管部分并可以被成形和压力解除以使得它可以经受热循环且无残余变形。形成内部主体702的组件可选地切断长度、成形以及消除必要压力至接近最后形状,并在其内表面714上磨合。用于形成内部主体702的操作可以包括打磨和成型操作。
[0058] 外部主体704还可以包括如图7C所示的管部。外管体部分可以进行成形操作以在一端上生成成角度的唇716并在另一端上形成方形切割长度。用于冷却流体的入口和出口720可以通过冲压、压印或切割过程被添加。汽缸外表面722可以接地以提供良好的运行表面,外部主体704的内表面724由于缺乏与其他表面的互动而不需要很好地被磨合。同样,块可以有利地是热稳定的并有良好的运行形状。
[0059] 发动机800中的组装的双壁气体辅助的套筒阀的例子被示于图8中。内部主体702和外部主体可以由底部固定环802组装并放置在炉钎焊过程中。炉钎焊下的热变形可有利的是尽可能的小以保持钎焊良好的形式。连接两个主体的其他候选可以包括但不限于,电子束或惯性焊接、焊,及可能是甚至高性能的粘合剂。图8还示出关于成角度的唇缘716的额外的细节,其可以经过内部主体702的内表面向内突出以提供一表面,该表面接收以协助推动阀抵住阀座404的方式定向的高燃烧室压力。
[0060] 当对置活塞发动机被典型地与汽缸轴线(活塞的往复运动的轴)平行安装时,阀冷却供应的一种可能的配置是将油喷射口902定位在套筒阀的顶部上,并将排贮存器904定位于图9A中阀体900所示的底部。油可以注入形成于如上所述的内部阀体702和外部阀体704之间的冷却套中,溅到周围并被排出。围绕阀的周边放置一些冷却流体排气口和一个或多个喷口是必要的,以保持与冷却流体一致的流动。提供外阀套中的多个冷却流体排气口的一种方法是在如图9B所示的外部主体704中形成纵向“鳃部”906。这些特征可以提供的排气表面,并同时增加外主体704的刚度。硬化冷却端口的另一种方法是在围绕椭圆形口912放置圆形凹坑910,其中可以被描述为如图9C中所示例子的“猫眼”端口。
两排交替端口914可被围绕如图9D所示的外部主体704周边被定位以提高冷却填充。如果交替端口914的端口面积重叠,则无论是在阀打开或是关闭过程中,在阀冲程的任何点端口都可以被使用。
[0061] 也可能构造仅有两个组件的阀的样式,其前提是持有足够紧的容许误差。如果内部主体阀下唇在磨合操作之前被形成、修剪、加热消除,足够的容许误差可以被保持。内部主体的向外形成的凸缘也可以延伸经过外部主体,阀摇臂可能会作用在凸缘上。该摇臂通过啮合一对槽1002可作用于如图10所示的阀1000上,该对槽中的一个在图10中可见。此方案可提供稍微抑制阀旋转阀的优点,所以冷却喷口总是可以被指向到阀。图10还示出另一组可任选地被包括的在内部主体底部的冷却填充/排水孔1004。
[0062] 在一个或多个实施例中,双组件套筒不需要空气间隙/冷却间隙。如果内部主体足够地硬于外部主体,则它在外部主体被压在其上之前就接地并磨合。外部主体唇提供气体辅助特征,基于该特征,燃烧室的压力作用进一步促使套筒阀抵住阀座,并且内部主体提供环向强度和形状。两个主体之间的配合可以抵抗试图推动内部主体离开外部主体的气体。内部和外部之间的接合件可以被形成以尽量减少分离力和缝隙体积。抵抗分离的按压可以应用于具有图7至图10中所示的空气/冷却间隙的阀,也可用于没有这样的间隙的阀。
[0063] 在另一个实施例中,活塞式环可用于密封套筒阀。如上所述,阀密封件可是往复运动的套筒阀发动机中的一个关键组件。经过密封件的油泄漏可以改变燃烧量属性和直接贡献于排放。另外,密封件一般在热的、恶劣的环境下工作,与套筒阀最热的部分接触。因此,密封件的性能是关键,暴露于热量可以防止聚合物唇式密封件的使用。
[0064] 传统的活塞环通常比聚合物唇式密封件具有较高的热导率和较高的温度耐受性的优点。通过它们的传导,它们通过在没有传导经过聚合物密封阀的点传导能量远离阀也可以减少峰值套筒阀温度。然而,末端间隙在阀密封应用中是有问题的,因为油可能会直接渗透。
[0065] 本发明实施例可以包括一组密封元件组装以形成如图11A中所示的可使用的密封件1100。夹层结构可以被创建,且顶层1102是在扁圆形中的高温聚合物的薄壳,其内径的刚刚大于套筒阀的外径。中间层可以包括一对具有平行的顶面和底面的索引活塞环1104和索引特征1106以使得末端间隙不对齐。优选地,索引特征1106可以是对称的以使得单一的部分可用于两个或一对环1104。底层1110可以包括波形弹簧,类似于在传统油环中的推动叠加在一起的间隔弹簧。
[0066] 对抗阀的密封主要由如图11B所示的下刮环实施。在一对活塞环的下环1104b中的末端间隙可以由一对中的上密封环1104a覆盖。上密封环1104a可推压聚合物密封件1102,其可在上密封环1104a及密封堆栈保持主体1112之间密封。聚合物密封件1102还可以有一个围绕其外周的裙部1114以密封上密封环1104a的外径。此裙部特征也可以由单独的柔性聚合块实施。裙部1114也可以具有增加环对阀表面张力的功能。
[0067] 这种方法可能需要的阀的外径被磨合,以使保油性能足够运行密封环而不会过度磨损。另外,能够以从活塞环的相反的方式操作的密封件是必要的。活塞环可以被压缩以向外推并在外表面上密封。阀密封环可被拉伸至向内拉动并在内侧表面上密封。这样的环的制造方法可以不同于标准环。另一种方法是如图11C中所示的类似刮横截面1120的大于一的线圈。此配置可有效地刮掉的阀的完整的表面,避免末端间隙问题,但可能需要圆周聚合物密封件,因为它不存在便于密封的平坦面。
[0068] 图12示出了流程图1200,其阐述与本发明的一个或多个实施例相一致的方法特征。在1202中,套筒阀由阀致动结构在打开位置和关闭位置之间移动以控制流动通过内燃机端口。套筒阀包括阀体,阀体至少部分地围绕至少一个以往复运动方式移动的活塞。套筒阀和所述至少一个活塞至少部分地定义内燃机的燃烧室。在1204中,当套筒阀被移动到关闭位置时,套筒阀的密封边缘通过由阀致动结构产生的推动力被推动抵住阀座。阀辅助特征有助于阀制动结构抵制由内燃机产生的与1206中的推动力相反的力。套筒阀和阀座中的至少一个包括阀辅助特征。由内燃机产生的与推动力相反的力可以包括在燃烧室内的燃烧气体的压力,该压力在与阀制动结构的阀关闭力相反的方向上作用于密封边缘的暴露表面。
[0069] 上述说明中的实施例并不代表所有与在此描述的发明一致的实施例。相反,它们仅是一些与所述发明相关方面相一致的一些例子。虽然一些变化在此被详细描述,但是其它的修改或增补亦为可能。特别地,进一步的特征和/或变化可以在除了所述的例子中被提供。例如,上述实施例可以应用于公开的特征和/或组合的不同组合和子组合及上述公开的一些进一步特征的子组合。另外,在此描述的和在附图中描述的逻辑流程并不必须要求所显示的特定顺序或连续次序以得到所需结果。所附权利要求可以包括其它具体示例或实施例。
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