ПУСТОТЕЛЫЙ ТАРЕЛЬЧАТЫЙ КЛАПАН
HOLLOW POPPET VALVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к пустотелому тарельчатому клапану, который имеет клапанную тарелку на одном конце штока и внутреннюю полость, выполненную с возможностью простираться из клапанной тарелки в шток, при этом внутренняя полость заполнена смазочно-охлаждающей жидкостью.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] В перечисленных ниже патентных документах 1 и 2 описан подобный пустотелый тарельчатый клапан, как описано выше, в котором внутренняя полость заполнена смазочно-охлаждающей жидкостью (например, металлическим натрием, который имеет точку плавления 98°С) вместе с инертным газом, при этом смазочно-охлаждающая жидкость имеет более высокую теплопроводность, чем материал клапана.
[0003] Поскольку внутренняя полость проходит в полости клапанной тарелки и штоке, она может содержать большое количество смазочно-охлаждающей жидкости, которая увеличивает способность теплопередачи (в дальнейшем именуемой как эффект уменьшения тепловыделения) клапана.
[0004] Если камера сгорания двигателя нагревается до чрезвычайно высокой температуры во время эксплуатации, то может возникнуть детонация, которая снижает эффективность топлива и, следовательно, мощность двигателя. Для того чтобы снизить температуру камеры сгорания, был предложен способ содержания смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости пустотелого тарельчатого клапана вместе с инертным газом, чтобы непосредственно проводить тепло от камеры сгорания через подобный клапан (то есть способ усиления эффекта уменьшения тепловыделения клапана), чтобы отводить тепло от камеры сгорания.
ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[0005]
Патентный документ 1: WO 2010/041337
Патентный документ 2: Выложенная заявка на патент Японии 2011-179328
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ЦЕЛИ, КОТОРЫЕ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ДОСТИГНУТЫ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0006] В традиционных наполненных смазочно-охлаждающей жидкостью пустотелых тарельчатых клапанах внутренняя полость имеет переходную зону (зона, далее называемая соединительной зоной), плавно соединяющую большую в диаметре внутреннюю полость, выполненную в клапанной тарелке (полость, далее называемая полостью клапанной тарелки) с малой в диаметре линейной полостью штока, выполненной в штоке (полость, далее называемая полость штока), в которой сжиженная смазочно-охлаждающая жидкость, содержащаяся вместе с инертным газом, может плавно перетекать между полостью клапанной тарелки и полостью штока во время операции открытия/закрытия клапанного канала (то есть, во время возвратно-поступательного движения клапана в своем осевом направлении), чтобы усилить эффект уменьшения тепловыделения клапана.
[0007] Однако отмечено, что поскольку соединительная зона является плавным непрерывным переходом, она обеспечивает плавное перемещение смазочно-охлаждающей жидкости в осевом направлении клапана и через соединительную зону в ответ на операцию открытия/закрытия клапана без ощутимого смешивания смазочно-охлаждающей жидкости в верхней, средней и нижней секциях внутренней полости.
[0008] Следовательно, тепло от более горячей смазочно-охлаждающей жидкости в нижнем участке полости рядом с камерой сгорания не передается непосредственно более холодной верхней и средней смазочно-охлаждающей жидкости, так что смазочно-охлаждающая жидкость не полностью способствует эффекту уменьшения тепловыделения (переносимости тепла) клапана.
[0009] С точки зрения вопроса подобной проблемы в предшествующем уровне техники, как отмечено выше, цель изобретения – создать пустотелый тарельчатый клапан, имеющий ступень, выполненную на заданном осевом положении полости штока в сообщении с полостью клапанной тарелки для создания турбулентности, которая способствует смешиванию смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости, чтобы посредством этого усилить эффект уменьшения тепловыделения клапана.
[0010] Для того чтобы достичь вышеупомянутую цель, в соответствие с изобретением, как изложено в пункте 1 формулы изобретения, предложен пустотелый тарельчатый клапан, содержащий:
шток;
клапанную тарелку, выполненную как одно целое со штоком на одном его конце; и
внутреннюю полость, которая простирается из клапанной тарелки в шток, при этом внутренняя полость заполнена смазочно-охлаждающей жидкостью вместе с инертным газом,
в котором внутренняя полость имеет полость клапанной тарелки с большим внутренним диаметром, выполненную в клапанной тарелке, и линейную полость штока с маленьким внутренним диаметром, выполненную в штоке и сообщающуюся с центральной зоной полости клапанной тарелки по существу под прямым углом,
при этом полость штока имеет первый участок рядом с его открытым концом (участок, далее называемый полость со стороны клапанной тарелки) и второй участок рядом с концом штока (далее называемым как участок со стороны конца штока), оба участка сконфигурированы таким образом, что второй участок имеет внутренний диаметр больше, чем первый участок,
при этом кольцевая ступень выполнена в полости штока на заданном осевом положении, и
внутренняя полость заполнена смазочно-охлаждающей жидкостью до уровня выше кольцевой ступени.
[0011] (Функция) В ответ на движение вверх/вниз клапана в осевом направлении клапана при открытии/закрытии канала, смазочно-охлаждающая жидкость перемещается в противоположном осевом направлении внутренней полости. В частности, при движении клапана 10 вниз, чтобы открыть выпускной канал 6, смазочно-охлаждающая жидкость подвергается воздействию восходящей инерционной силы, которая заставляет жидкую смазочно-охлаждающую жидкость двигаться вверх во внутреннюю полость. В этом случае, поскольку смазочно-охлаждающая жидкость 19 перемещается от маленького в диаметре участка со стороны клапанной тарелки к большему в диаметре участку рядом с концом штока (участок, далее называемый участок со стороны конца штока полости штока), турбулентный поток F9 смазочно-охлаждающей жидкости создается в полости штока ниже по потоку от ступени, как показано на фиг. 3(а), посредством этого перемешивая смазочно-охлаждающую жидкость в полости штока.
[0012] С другой стороны, при движении клапана 10 вверх, чтобы закрыть выпускной канал 6, смазочно-охлаждающая жидкость, будучи приведенной вверх в полости штока, теперь подвергается воздействию нисходящей инерционной силы, которая заставляет смазочно-охлаждающую жидкость перемещаться от большего в диаметре участка со стороны конца штока полости штока в меньший по диаметру участок со стороны клапанной тарелки полости штока. В результате турбулентные потоки F10 создаются в полости штока ниже по потоку от кольцевой ступени, так что смазочно-охлаждающая жидкость в полости штока перемешивается, как показано на фиг. 3(b).
[0013] Таким образом, в ответ на перемещение клапана (вниз) для открытия выпускного канала и перемещение клапана (вверх) для закрытия выпускного канала, смазочно-охлаждающая жидкость движется в осевом направлении внутренней полости, создавая турбулентные потоки поблизости от ступени, при этом эти потоки перемешивают по меньшей мере верхние участки смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости и облегчают теплопередачу с помощью смазочно-охлаждающей жидкости.
[0014] Как изложено в пункте 2 формулы изобретения, ступень может быть выполнена в некотором месте в полости штока, так что ступень не входит ни в выпускной канал, ни во впускной канал, когда клапан установлен либо в выпускном канале, либо во впускном канале.
[0015] (Функция) Поскольку усталостная прочность металла снижается при высоких температурах, необходимо изготовить стенку штока толстой рядом с клапанной тарелкой, так чтобы зона могла выдерживать снижение усталостной прочности. С другой стороны, хотя тепло передается с помощью смазочно-охлаждающей жидкости на зону со стороны конца штока, зона удалена от камеры сгорания и находится в контакте с направляющей клапана, так что тепло немедленно рассеивается от зоны со стороны конца штока к головке цилиндра через направляющую клапана. Следовательно, зона со стороны конца штока никогда не будет нагреваться до высокой температуры как зона со стороны клапанной тарелки. Таким образом, если зона штока со стороны конца штока изготовлена тонкой, чтобы увеличить ее внутренний диаметр, эта зона будет обеспечивать свою усталостную прочность в отношении тепла по меньшей мере также как и зона со стороны клапанной тарелки, не испытывая усталостного разрушения (например, трещина клапана, обусловленная усталостью металла).
[0016] Кроме того, во-первых, если внутренний диаметр участка полости штока со стороны конца штока увеличивается, общая площадь поверхности полости штока увеличивается. Следовательно, площадь поверхности полости штока, находящаяся в контакте со смазочно-охлаждающей жидкостью, увеличивается, чтобы посредством этого увеличить эффективность теплопередачи штока. Во–вторых, объем всей полости штока может быть увеличен, одновременно уменьшая вес клапана. В–третьих, путем увеличения количества смазочно-охлаждающей жидкости эффект уменьшения тепловыделения (переносимость тепла) штока увеличивается. Кроме того, если кольцевая ступень выполнена насколько это возможно близко к клапанной тарелке, то ее вклад в эффект уменьшения тепловыделения увеличивается.
[0017] По этой причине наиболее желательно выполнять ступень в некотором месте в полости штока так, чтобы ступень всегда оставалась внутри направляющей клапана, то есть, за пределами выпускного/впускного канала, во время возвратно-поступательных движений клапана.
[0018] Как изложено в пункте 3 формулы изобретения, полость клапанной тарелки может быть сконфигурирована в форме усеченного круглого конуса, имеющего конусообразную коническую поверхность параллельную наружной периферии клапанной тарелки, при этом полость штока сконфигурирована с возможностью сообщения с полостью клапанной тарелки по существу под прямым углом к потолку полости клапанной тарелки, при этом внутренние периметрические вертикальные циркулирующие (или конвективные) потоки смазочно-охлаждающей жидкости создаются вокруг оси клапана по меньшей мере в полости клапанной тарелки во время каждого возвратно-поступательного движения клапана.
[0019] (Функция) При движении клапана 10 вниз, чтобы открыть выпускной канал 6, смазочно-охлаждающая жидкость во внутренней полости подвергается воздействию восходящей инерционной силы, как показано на фиг. 2(а). Поскольку эта (направленная вверх) инерционная сила, действующая затем на смазочно-охлаждающую жидкость, больше в центральной зоне полости клапанной тарелки, чем в окружающей зоне, находящаяся в центре смазочно-охлаждающая жидкость вынуждена двигаться в полость штока через соединительную зону между полостью клапанной тарелки и полостью штока. Однако, поскольку кольцевая ступень выступающей формы выполнена в соединительной зоне таким образом, что потолок полости клапанной тарелки (или периферийная зона вокруг открытого конца полости штока) является планарной стороной по существу перпендикулярной к центральной оси тарельчатого клапана, смазочно-охлаждающая жидкость не может плавно протекать в полость штока как в традиционном пустотелом тарельчатом клапане.
[0020] Более подробно, восходящая инерционная сила создает радиально втекающие потоки F1 и F2 смазочно-охлаждающей жидкости 19, которые текут вдоль кольцевой ступени (или потолка полости клапанной тарелки) по направлению к центру соединительной зоны, как показано на фиг. 3(а). Эти потоки F2, направленные к центру соединительной зоны, сталкиваются друг с другом в соединительной зоне, приводя в результате к нисходящим потокам F3 по направлению ко дну полости клапанной тарелки, и восходящим потокам F4 по направлению к зоне S2 полости штока. Эти потоки F3, направленные ко дну полости клапанной тарелки, текут радиально наружу вдоль дна полости клапанной тарелки и, в конце концов, они превращаются в радиально втекающие потоки F1 и затем в потоки F2 по направлению к центру потолка полости клапанной тарелки. С другой стороны, восходящие потоки F4 и F5, направленные в верхнюю полостью штока, порождают турбулентность, как показано на фиг. 3(а).
[0021] Таким образом, вертикальный внутренний периметрический циркулирующий (или конвективный) поток смазочно-охлаждающей жидкости 19, как указано последовательностью стрелок F1->F2->F3->F1, создается в полости S1 клапанной тарелки вокруг центральной оси клапана 10, в то время как турбулентные потоки смазочно-охлаждающей жидкости 19 создаются в полости S2 штока, как указано стрелками F4 и F5.
[0022] С другой стороны, при движении клапана 10 вверх, чтобы закрыть выпускной канал 6, смазочно-охлаждающая жидкость 19 подвергается воздействию нисходящей инерционной силы, как показано на фиг. 2(b). Поскольку нисходящая инерционная сила, действующая на смазочно-охлаждающую жидкость 19 в центральной зоне полости S1 клапанной тарелки больше, чем инерционная сила, действующая на смазочно-охлаждающую жидкость в периферийной зоне, радиально вытекающие потоки F6 смазочно-охлаждающей жидкости создаются вдоль дна полости S1 клапанной тарелки из центральной зоны полости клапанной тарелки, как показано на фиг. 3(b). В то же самое время нисходящие турбулентные потоки F7 создаются в полости S2 штока и пересекают соединительную зону. Эти потоки F6, протекающие вдоль дна полости S1 клапанной тарелки, в конце концов, перенаправляются по направлению к потолку полости S1 клапанной тарелки, превращаются в потоки F8 вдоль потолка и сливаются в центральные потоки F6 и F7 в центре потолка.
[0023] Другими словами, вертикальный внутренний периметрический циркулирующий (или конвективный) поток смазочно-охлаждающей жидкости 19, как показано последовательностью стрелок F6->F8->F6, создается вокруг центральной оси клапана 10 в полости S1 клапанной тарелки, в то время как турбулентные потоки создаются в полости S2 штока, как указано стрелкой F7.
[0024] Таким образом, в ответ на возвратно-поступательные движения клапана вертикальные циркулирующие потоки смазочно-охлаждающей жидкости F1->F2->F3 и F6->F8, также как турбулентные потоки F4, F5, F7, F9 и F10 создаются в различных местах во всей внутренней полости, как показано на фиг. 3(а) и (b), посредством этого непосредственно смешивая верхний, средний и нижний слои смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости, значительно улучшая за счет этого эффект уменьшения тепловыделения (переносимость тепла) клапана.
ЭФФЕКТ ОТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0025] Согласно настоящему изобретению в ответ на движения вверх и вниз клапана во время операции открытия канала, турбулентные потоки смазочно-охлаждающей жидкости создаются поблизости от ступени, выполненной в полости штока пустотелого тарельчатого клапана, вызывая смешивание по меньшей мере верхнего и среднего слоев смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости. Таким образом, активируется теплопередача с помощью смазочно-охлаждающей жидкости, усиливая посредством этого эффект уменьшения тепловыделения (переносимость тепла) клапана и улучшая эксплуатационные показатели двигателя.
[0026] Как изложено в пункте 2 формулы изобретения, путем расширения в диаметре участка со стороны конца штока полости штока до такой степени, которая не будет влиять на срок службы клапана, эффект уменьшения тепловыделения (переносимость тепла) штока может быть дополнительно усилен, одновременно уменьшая общий вес клапана, что способствует дополнительному улучшению эксплуатационных показателей двигателя.
[0027] Как изложено в пункте 3 формулы изобретения, во время каждого возвратно-поступательного движения при операции открытия/закрытия канала клапана, вертикальные внутренние периметрические циркулирующие потоки смазочно-охлаждающей жидкости образуются в полости клапанной тарелки, что вызывает активное смешивание верхнего, среднего и нижнего слоев смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости. Следовательно, теплопередача во внутренней полости усиливается с помощью смазочно-охлаждающей жидкости, значительно улучшая посредством этого эффект уменьшения тепловыделения (переносимость тепла) клапана и эксплуатационные показатели двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0028] Фиг. 1 представляет собой продольное сечение пустотелого тарельчатого клапана в соответствие с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой чертеж, иллюстрирующий инерционные силы, которые действуют на смазочно-охлаждающую жидкость во внутренних полостях тарельчатого клапана во время его возвратно- поступательных движений в осевом направлении. Более конкретно, на фиг. 2(а) показан вид в разрезе инерционной силы, действующей на смазочно-охлаждающую жидкость во время движения клапана вниз, и на фиг. 2(b) - инерционной силы, действующей на смазочно-охлаждающую жидкость во время движения клапана вверх.
На фиг. 3 показаны увеличенные виды смазочно-охлаждающей жидкости в движении во время возвратно-поступательных движений пустотелого тарельчатого клапана в его осевом направлении. Более конкретно, на фиг. 3(а) показано движение смазочно-охлаждающей жидкости, когда клапан 10 движется вниз, чтобы открыть выпускной канал, и на фиг. 3(b) показано движение смазочно-охлаждающей жидкости, когда клапан 10 движется вверх, чтобы закрыть выпускной канал.
На фиг. 4 показан этап изготовления пустотелого тарельчатого клапана. Более конкретно, на фиг. 4(а) показан этап горячей штамповки промежуточного клапанного изделия в виде корпуса клапана; на фиг. 4(b) - этап сверления участка штока клапана, чтобы создать отверстие, которое соответствует полости штока; на фиг. 4(с) - этап сверления штока, чтобы создать отверстие, которое соответствует участку со стороны конца штока полости штока; на фиг. 4(d) - этап сварки элемента конца штока; и на фиг. 4(e) - этап загрузки смазочно-охлаждающей жидкости в полость штока, и на фиг. 4(f) - этап сварки крышки с открытым концом выемки (или полостью клапанной тарелки) корпуса клапанной тарелки в атмосфере инертного газа.
Фиг. 5 представляет собой продольный разрез пустотелого тарельчатого клапана в соответствие со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0029] Настоящее изобретение будет теперь описано подробно с помощью примера со ссылкой на два варианта осуществления настоящего изобретения.
[0030] На фиг. 1-4 показан пустотелый тарельчатый клапан для двигателя внутреннего сгорания, в соответствие с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0031] На этих фигурах ссылочной позицией 10 обозначен пустотелый тарельчатый клапан, изготовленный из жаропрочного металла. Клапан 10 имеет клапанную тарелку 14 и прямой шток 12, объединенный на одном своем конце с клапанной тарелкой посредством криволинейного переходного участка 13 между клапанной тарелкой 14 и штоком 12. Переходной участок 13 имеет радиально увеличивающийся наружный диаметр. Клапанная тарелка 14 снабжена на своей наружной периферии конусообразным клапанным гнездом 16.
[0032] Более конкретно, пустотелый тарельчатый клапан 10 содержит: интегральный корпус 11 (относится к фиг. 1,4), имеющий корпус 14а клапанной тарелки, как одно целое выполненный с цилиндрическим штоком 12а на его конце; элемент 12b конца штока, приваренный к другому концу участка 12а штока; и крышку 18 в форме круглого диска, приваренную к открытому концу 14с выемки 14b в форме усеченного конуса так, чтобы образовать внутреннюю полость S, которая простирается из клапанной тарелки в шток, при этом внутренняя полость S заполнена смазочно-охлаждающей жидкостью 19, такой как металлический натрий, вместе с инертным газом, таким как аргон. Ожидается, что эффект уменьшения тепловыделения штока клапана будет увеличиваться с количеством смазочно-охлаждающей жидкости. Однако, фактически он увеличивается очень мало, если количество смазочно-охлаждающей жидкости превышает определенный уровень. С точки зрения эффективности затрат и эффективного охлаждения штока, является предпочтительным заполнять внутреннюю полость S в диапазоне от примерно одной второй до четырех пятых объема.
[0033] На фиг. 1 показана головка 2 цилиндра двигателя и выпускной канал 6, который простирается от камеры сгорания 4 двигателя. В периферийной зоне камеры сгорания 4 вокруг выпускного канала 6 выполнена кольцевая вставка 8 клапанного гнезда, имеющая конусообразную сторону 8а, на которую может быть посажено клапанное гнездо 16 клапана 10. На внутренней периферии клапанного вставочного отверстия 3, выполненного в головке 2 цилиндра, выполнена направляющая 3а клапана для направления штока 12 клапана 10 в скользящий контакт с направляющей 3а клапана. Пустотелый тарельчатый клапан 10 поджат клапанной пружиной 9, чтобы закрыть канал. Стопорная канавка 12с выполнена на одном конце штока. Отмечено, что корпус 11 и крышка 18 изготовлены из жаропрочной стали, так что они могут выдерживать высокие температуры, будучи подвержены воздействию газа с высокой температурой в камере сгорания 4 и выпускном канале 6. С другой стороны, хотя элементу 12b штока требуется иметь достаточную механическую прочность, ему не требуется иметь такую же жаропрочность как корпус 11 и крышка 18, так что элемент 12 конца штока изготовлен из обычной стали.
[0034] Внутренняя полость S клапана 10 содержит широкую в диаметре полость S1 клапанной тарелки в виде круглого усеченного конуса и маленькую в диаметре линейную полость S2, выполненную в штоке 12 (линейная внутренняя полость, далее называемая полость S2 штока), так что полость S1 клапанной тарелки и полость S2 штока сообщаются под прямым углом. Круглый потолок 14b1 полости S1 клапанной тарелки (то есть, дно выемки 14b в форме усеченного круглого конуса корпуса 14а клапанной тарелки или периферийная площадь вокруг открытого конца полости S1 штока), является плоской поверхностью, перпендикулярной центральной оси L пустотелого тарельчатого клапана 10.
[0035] В отличие от плавных соединительных зон, описанных в ссылках 1 и 2, соединительная зона P между широкой полостью S1 клапанной тарелки и полостью S2 штока снабжена кольцевой ступенью 15 выступающей формы (как видно из широкой внутренней полости S1). Поверхность 14b1 кольцевой ступени 15, обращенная к полости S1 клапанной тарелки, является плоской и перпендикулярной центральной оси L пустотелого тарельчатого клапана 10. Другими словами, кольцевая ступень 15 выступающей формы образована внутренней периферией полости S2 штока и периферийной площадью 14b1 вокруг открытого конца полости S2 штока (или дна выемки 14b в форме круглого усеченного конуса внутри наружной корпуса 14а клапанной тарелки).
[0036] Полость S2 штока содержит более широкий в диаметре участок S21 со стороны конца штока и более маленький в диаметре участок S22 со стороны клапанной тарелки, а также кольцевую ступень 17, образованную между участком S21 со стороны конца штока и участком S22 со стороны клапанной тарелки. Полость S2 штока заполнена смазочно-охлаждающей жидкостью 19 до уровня выше кольцевой ступени 17.
[0037] Как следствие, во время возвратно-поступательного движения пустотелого тарельчатого клапана 10 вертикальный внутренний циркулирующий (или конвективный) поток смазочно-охлаждающей жидкости 19 создается в полости S1 клапанной тарелки, как указано последовательностью стрелок F1->F2->F3 или F6->F8 на фиг. 3(а)-(b), и в то же самое время турбулентные потоки F4, F5 и F7 создаются в полости S2 штока рядом с полостью клапанной тарелки, и дополнительные турбулентные потоки F9 и F10 рядом с кольцевой ступенью 17, как описано более подробно далее.
[0038] Таким образом, за счет циркулирующих (или конвективных) потоков и турбулентных потоков смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости S верхний, средний и нижний слои смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости активно смешиваются во время возвратно-поступательного движения клапана 10, значительно усиливая посредством этого эффект уменьшения тепловыделения (переносимость тепла) пустотелого тарельчатого клапана 10.
[0039] В частности, в данном варианте осуществления настоящего изобретения, поскольку круглый потолок (или верхняя торцевая поверхность) 14b1 и конусообразная поверхность (периферийная коническая поверхность) 14b2 полости S1 клапанной тарелки составляют тупой угол, вертикальные циркулирующие (или конвективные) потоки смазочно-охлаждающей жидкости 19 (F1, F2, показанные на фиг. 3(а), и F8, показанный на фиг. 3(b)) активно порождают потоки смазочно-охлаждающей жидкости, направленные радиально внутрь вдоль и по направлению к потолку полости S1 клапанной тарелки и затем к соединительной зоне P во время возвратно-поступательных движений клапана. Следовательно, смазочно-охлаждающая жидкость 19 во внутренней полости S хорошо перемешивается, значительно улучшая эффект уменьшения тепловыделения (переносимость тепла) клапана 10.
[0040] Далее будет подробно описано со ссылками на фиг. 2 и 3 поведение смазочно-охлаждающей жидкости во время возвратно-поступательного движения клапана 10.
[0041] При движении клапана 10 вниз, чтобы открыть выпускной канал, как показано на фиг. 2(а), восходящая инерционная сила действует на жидкую смазочно-охлаждающую жидкость 19 во внутренней полости S. Поскольку восходящая инерционная сила, действующая на центральную смазочно-охлаждающую жидкость 19 больше в центральной области полости S1 клапанной тарелки, чем в периферийной зоне, смазочно-охлаждающая жидкость 19 в полости S1 клапанной тарелки стремится перетекать в полость S2 штока через соединительную зону P. Однако, за счет кольцевой ступени 15, выполненной на соединительной зоне P, смазочно-охлаждающая жидкость не может так плавно перемещаться в полость S2 штока, как в традиционном клапане, имеющем плавную соединительную зону.
[0042] Следовательно, в полости S1 клапанной тарелки образуются с помощью восходящей инерционной силы радиально втекающие потоки F1 и F2 смазочно-охлаждающей жидкости по направлению к центру соединительной зоны P, которые будут протекать вдоль кольцевой ступени 15 (или потолка 14b1 полости S1 клапанной тарелки), как показано на фиг. 3(а). Радиально втекающие потоки F2, протекающие вдоль кольцевой ступени 15 по направлению к центру соединительной зоны P, сталкиваются друг с другом, порождая потоки F3 по направлению ко дну полости S1 клапанной тарелки и восходящие потоки F4 по направлению к полости S2 штока.
[0043] Потоки F3, направленные ко дну полости S1 клапанной тарелки, будут перенаправлены с помощью дна радиально наружу и будут превращаться в радиально втекающие потоки F1 и F2, направленные снова к потолку и затем к центру соединительной зоны P. С другой стороны, восходящие потоки F4 и F5, выходящие из соединительной зоны P, превращаются в турбулентные потоки в полости S2 штока, как показано на фиг. 3(а).
[0044] Таким образом, когда клапан 10 движется вниз, чтобы открыть выпускной канал 6, вертикальный внутренний периметрический циркулирующий (конвективный) поток смазочно-охлаждающей жидкости 19, как указано последовательностью стрелок F1->F2->F3->F1, создается вокруг центральной оси L клапана 10 в полости S1 клапанной тарелки, в то время как турбулентные потоки F4 и F5 создаются в полости S2 штока.
[0045] Далее, когда клапан 10 движется вниз, чтобы открыть выпускной канал 6, восходящая инерционная сила действует на смазочно-охлаждающую жидкость 19 в полости S2 штока, заставляя смазочно-охлаждающую жидкость двигаться вверх в полость S2 штока через кольцевую ступень 17. Это движение смазочно-охлаждающей жидкости из участка S22 с более маленьким диаметром со стороны клапанной тарелки в полость S21 со стороны конца штока с более широким диаметром создает турбулентный поток F9 ниже по потоку от ступени 17, как показано на фиг. 3(а).
[0046] С другой стороны, когда клапан 10 движется вверх, чтобы закрыть выпускной канал 6, смазочно-охлаждающая жидкость 19 во внутренней полости S подвержена действию нисходящей инерционной силы, как показано на фиг. 2(b). В этом случае, поскольку действующая на смазочно-охлаждающую жидкость 19 нисходящая инерционная сила больше в центральной зоне полости S1 клапанной тарелки, чем в периферийной зоне, смазочно-охлаждающая жидкость 19 в центральной зоне опускается ко дну полости и оказывается в направленными радиально наружу потоками F6 вдоль дна полости S1 клапанной тарелки, как показано на фиг. 3(b). В то же время нисходящий турбулентный поток F7 создается через центр соединительной зоны P в полости S2 штока. Потоки F6 вдоль дна полости S1 клапанной тарелки перенаправляются радиально внутрь и, в конце концов, превращаются в потоки F8 вдоль потолка полости S1 и вливаются в нисходящие потоки F6 и F7 в центральной соединительной зоне P.
[0047] Другими словами, вертикальный циркулирующий (или конвективный) поток смазочно-охлаждающей жидкости 19 создается в полости S1 клапанной тарелки вокруг центральной оси клапана 10, как показано последовательностью стрелок F6->F8->F6, одновременно в полости S2 штока создается турбулентный поток F7.
[0048] В дополнение, когда открытый клапан 10 закрывается, испытывая движение вверх, жидкая смазочно-охлаждающая жидкость 19, будучи перемещенной вверх в полость S2 штока, теперь подвергается действию нисходящей инерционной силы, так что смазочно-охлаждающая жидкость 19 движется в полость S2 штока, из участка S21 со стороны конца штока с более широким диаметром в участок S22 со стороны клапанной тарелки с более маленьким диаметром через кольцевую ступень 17, создавая турбулентный поток F10, как показано на фиг. 3(b).
[0049] Таким образом, такая конвекция (циркуляция) и турбулентность смазочно-охлаждающей жидкости 19, которая происходит во всей внутренней полости S во время возвратно-поступательных движений клапана 10, непосредственно перемешивает верхний, средний и нижний слои смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости S, значительно улучшает эффект уменьшения тепловыделения (или переносимость тепла) клапана 10.
[0050] Отмечено, что кольцевая ступень 17 выполнена на осевом месте (внутренней полости S), что соответствует основному концу 3b направляющей 3 клапана, обращенному к выпускному каналу 6, как показано на фиг. 1. Также отмечено, что более широкий в диаметре участок S21 со стороны конца штока является достаточно длинным и имеет более широкий внутренний диаметр, чем остаток полости штока, так что не только площадь штока 12, находящаяся в контакте со смазочно-охлаждающей жидкостью 19, увеличивается, чтобы улучшить эффективность теплопередачи штока 12, но также уменьшается толщина стенки полости, чтобы уменьшить вес клапана 10. Это может быть сделано без потери срока службы клапана 10. Кратко, кольцевая ступень 17 выполнена на заданном месте в полости штока, так что тонкая стенка полости более широкого в диаметре участка S21 никогда не входит в выпускной канал 6 и не будет подвержена воздействию горячих выпускных газов в выпускном канале 6, даже когда клапан полностью открыт (полностью опущен) до своего самого нижнего положения, показанного пунктирной линией на фиг. 1. 17х, как показано на фиг. 1, указывает положение кольцевой ступени 17, когда клапан полностью открыт (полностью опущен).
[0051] В частности, для того чтобы предотвратить потерю усталостной прочности на участке штока 12 рядом с клапанной тарелкой 14, когда он подвержен высокой температуре в выпускном канале 6, необходимо изготовить стенку этого участка достаточно толстой. С другой стороны, хотя тепло передается от камеры сгорания 4 и выпускного канала 6 к участку штока 12 со стороны клапанной тарелки, этот участок не будет нагреваться до высокой температуры, по сравнению с участком со стороны клапанной тарелки (близко к клапанной тарелке 14), поскольку этот участок удален от камеры сгорания и находится в контакте с направляющей 3а клапана через смазочно-охлаждающую жидкость 19, так что тепло мгновенно рассеивается от этого участка к головке 2 цилиндра через направляющую 3а клапана.
[0052] То есть, поскольку участок штока 12 со стороны конца штока возможно меньше теряет свою усталостную прочность, чем участок штока 12 со стороны клапанной тарелки, предшествующий участок не будет испытывать такой проблемы, связанной с долговечностью, как усталостное разрушение, если толщина стенки участка S21 со стороны конца штока уменьшается, чтобы увеличить внутренний диаметр этого участка S21.
[0053] Поэтому в одном варианте осуществления настоящего изобретения кольцевая ступень 17 расположена (в соединении с нижним концом 3b направляющей 3 клапана), насколько это возможно, низко в участке S21 со стороны конца штока, таком длинном, что кольцевая ступень 17 не входит в выпускной канал 6, когда клапан полностью опущен (чтобы открыть канал). Увеличивая внутренний диаметр участка S21 с более широким диаметром, вся площадь поверхности полости S2 штока, находящаяся в контакте со смазочно-охлаждающей жидкостью, во-первых, увеличивается, чтобы усилить эффективность теплопередачи штока 12, и, во-вторых, весь объем более широкого в диаметре участка S21 увеличивается, так что вес клапана 10 уменьшается.
[0054] Далее, ссылаясь на фиг. 4, показан процесс изготовления пустотелого тарельчатого клапана 10 в соответствие с настоящим изобретением.
[0055] Во-первых, корпус 11 выполнен путем горячей штамповки, так что он содержит корпус 14а клапанной тарелки, имеющий выемку 14b в форме усеченного круглого конуса, и шток 12а, который выполнен как одно целое с корпусом 11, как показано на фиг. 4(а). Дно 14b1 выемки 14b, выполненной внутри корпуса 14а клапанной тарелки, является плоским и перпендикулярным штоку 12 (и центральной оси L корпуса 11).
[0056] Корпус 11 может быть изготовлен горячей штамповкой из бруса жаропрочной стали путем повторного экструдирования бруса через различные металлические матрицы или путем штамповки корпуса 11 клапанной тарелки (корпуса 14а клапанной тарелки) с помощью штампов, после того как изготовлена полусферическая секция на одном конце стержня из жаропрочной стали путем штамповки осадкой. При этой горячей штамповке криволинейный переходной участок 13 формируется между корпусом 14а клапанной тарелки и участком 12а штока, при этом конусообразное гнездо 16 клапана выполнено на периферии корпуса 14а клапанной тарелки.
[0057] Затем, корпус 11 с выемкой 14b поворачивают вверх, как показано на фиг. 4(b), и просверливают в поверхности 14b1 дна выемки 14b для создания отверстия 14е для участка S22 полости S2 штока с более маленьким диаметром в штоке 12 (этап сверления участка штока клапана).
[0058] В этом процессе сверления выемка 14b корпуса 14а клапанной тарелки находится в сообщении с отверстием 14е штока 12 таким образом, что кольцевая ступень 15 выступающей формы образуется в зоне, соединяющей выемку 14b (которая будет служить в качестве полости S1 клапанной тарелки) и отверстие 14е (которое будет служить в качестве полости S22 штока).
[0059] На следующем этапе расточки конец штока корпуса 11 растачивают для создания отверстия 14f, которое соответствует участку S21 с более широким диаметром, как показано на фиг. 4(с).
[0060] Потом элемент 12b конца штока приваривают к концу штока корпуса 11, как показано на фиг. 4(d). Затем на этапе заполнения смазочно-охлаждающей жидкостью заданное количество (отвержденной) смазочно-охлаждающей жидкости 19 загружают в отверстие 14е выемки 14b, как показано на фиг. 4 (е).
[0061] Наконец, на этапе закрытия полости, крышку 18 приваривают (например, с помощью контактной сварки) на открытый конец 14с выемки 14b корпуса 14а клапанной тарелки в атмосфере аргона, герметизируя за счет этого полость, чтобы создать внутреннюю полость S в пустотелом тарельчатом клапане 10, как показано на фиг. 4(f). В альтернативном варианте крышка может быть приварена с помощью электронно-лучевой сварки или лазерной сварки.
[0062] На фиг. 5 показан пустотелый тарельчатый клапан в соответствие со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0063] Как описано выше, пустотелый тарельчатый клапан 10 по первому варианту осуществления настоящего изобретения имеет полость S клапанной тарелки в виде усеченного круглого конуса в форме, выполненной в клапанной тарелке 14, и линейную полость S2 штока, сообщающуюся с полостью клапанной тарелки перпендикулярно потолку полости S1 клапанной тарелки. В противоположность этому пустотелый клапан 10А по второму варианту осуществления настоящего изобретения имеет полость S2 штока в штоке 12, которая сообщается с внутренней полостью S’1 в форме круглого конуса, выполненной в клапанной тарелке 14, через плавно изгибающуюся переходную зону Х (имеющую плавно изменяющийся внутренний диаметр), как в клапанах по предшествующему уровню техники, описанному в документах 1 и 2.
[0064] Другими словами, выполненный как одно целое корпус 11А, который представляет собой промежуточное клапанное изделие, имеет корпус 14а’ клапанной тарелки, выполненной как одно целое с цилиндрическим штоком 12а на одном его конце. Корпус 14а’ клапанной тарелки имеет выемку 14b’ в форме усеченного круглого конуса, чтобы служить в качестве полости S’1 клапанной тарелки.
Другие признаки второго варианта осуществления настоящего изобретения являются такими же, что и признаки пустотелого тарельчатого клапана 10, показанного в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Одни и те же или подобные элементы первого и второго вариантов осуществления настоящего изобретения обозначены одними и теми же ссылочными позициями, при этом дополнительное описание второго варианта осуществления настоящего изобретения опущено.
[0065] Поскольку в вышеописанном пустотелом тарельчатом клапане 10 в соответствие с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, турбулентные потоки (не показано) смазочно-охлаждающей жидкости создаются в данном пустотелом тарельчатом клапане 10А поблизости с кольцевой ступенью 17 каждый раз смазочно-охлаждающая жидкость 19 движется в одном осевом направлении полости S2 штока во время каждого возвратно-поступательного движения клапана 10А, так что смазочно-охлаждающая жидкость 19 хорошо перемешивается в полости S2 штока, по меньшей мере в верхнем и среднем слоях смазочно-охлаждающей жидкости во внутренней полости S’, облегчая посредством этого теплопередачу с помощью смазочно-охлаждающей жидкости 19 во внутренней полости S, чтобы улучшить эффект уменьшения тепловыделения клапана 10А.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
[0066]
10 и 10А пустотелые тарельчатые клапаны
11 и 11А корпус (клапанной тарелки, выполненной интегральной со штоком)
12 шток клапана
12а шток
12b элемент штока
14 клапанная тарелка
14а,14а’ корпус клапанной тарелки
14b и 14b’ выемки, выполненные в корпусах клапанной тарелки
14b1 круглый потолок полости клапанной тарелки
14b2 коническая поверхность полости клапанной тарелки в форме усеченного круглого конуса, выполненной в корпусе
15 кольцевая ступень выступающей формы, выполненная на потолке полости клапанной тарелки вокруг открытого конца полости штока
17 кольцевая ступень
18 крышка
19 смазочно-охлаждающая жидкость
L центральная ось клапана
S и S’ внутренние полости
S1 и S’1 внутренние полости клапанной тарелки
S2 полость штока
S21 более широкий в диаметре участок полости штока со стороны конца штока
S22 более маленький в диаметре участок полости штока со стороны клапанной тарелки
P соединительная зона
F1->F2->F3; F6->F8 вертикальные внутренние периметрические циркулирующие (или конвективные) потоки вокруг оси клапана.