КЛАПАН ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
VALVE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение касается клапана, предпочтительно газовыпускного клапана и/или газообменного клапана, для двигателя внутреннего сгорания, целесообразным образом для автомобиля, в частности автомобиля промышленного назначения, например, грузового автомобиля или автобуса. Этот клапан может также служить для двигателей внедорожников, морских и/или стационарных двигателей внутреннего сгорания.
Клапаны для двигателей внутреннего сгорания автомобилей, имеющие стержень клапана и тарелку клапана, известны в самых различных вариантах осуществления. Так, из уровня техники известны клапаны, имеющие плоскую переднюю поверхность, и полые клапаны, имеющие выпуклую наружу переднюю поверхность. Выпуклая передняя поверхность служит для создания места для каналов/камер охлаждения или повышения механической прочности клапана, ослабленного полостью. Из-за высоких давлений вспышки и, в частности, из-за очень чистого отработавшего газа, получаемого вследствие мероприятий по снижению токсичности внутри двигателя (например, нормы токсичности отработавших газов, например, норма Евро-5 или выше), тарелки клапанов и седла клапанов склонны к сильному абразивному износу. Причиной этого является упругая деформация тарелки клапана и скольжение тарелки клапана по седлу клапана при нагрузках давлением вспышки. Проблематично, что очень чистый отработавший газ, в отличие от грязного отработавшего газа, не выделяет или выделяет только лишь очень небольшое количество смазки (копоти) для уменьшения износа между клапаном и седлом клапана. Для снижения износа между клапаном и седлом клапана из практики известно применение относительно дорогих износостойких материалов и/или малых, однако гидродинамически благоприятных углов седла клапана (например, меньше 30°).
Задачей изобретения является создать клапан, изготавливаемый конструктивно просто или, соответственно, экономично, для двигателя внутреннего сгорания, который, несмотря на чистый, в частности имеющий низкое содержание копоти отработавший газ, при нагрузке давлением вспышки имеет незначительный износ, предпочтительно без необходимости мириться с гидродинамическими недостатками.
Эта задача может решаться с помощью признаков независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования изобретения содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения и последующем описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
Изобретение создает клапан, предпочтительно газовыпускной клапан и/или газообменный клапан, для двигателя внутреннего сгорания, предпочтительно для автомобиля. Клапан имеет стержень клапана и тарелку клапана. Тарелка клапана включает в себя переднюю поверхность и заднюю поверхность. Передняя поверхность целесообразным образом предназначена для размещения со стороны нагрузки, в частности со стороны камеры сгорания и/или камеры сжатия, так что при эксплуатации она целесообразным образом обращена к стороне нагрузки, частности к стороне камеры сгорания и/или сжатия.
Клапан отличается, в частности, тем, что передняя поверхность тарелки клапана является выпуклой наружу, и что клапан выполнен в виде сплошного клапана. Таким образом, этот клапан может, в частности, называться сводчатым клапаном. Альтернативно или дополнительно клапан отличается, в частности, тем, что нейтральная ось тарелки клапана по меньшей мере отдельными участками, целесообразным образом преимущественной частью, проходит со стороны нагрузки, то есть при эксплуатации на стороне нагрузки, в частности на стороне камеры сжатия и/или сгорания, фиктивной или, соответственно, воображаемой базовой плоскости, которая проходит через эффективную середину опорной поверхности клапана на тарелке клапана и поперек стержня клапана. Эффективная середина опорной поверхности клапана на тарелке клапана целесообразным образом определяется серединой контактной поверхности между опорной поверхностью клапана на тарелке клапана и на седле клапана для нее.
Нейтральная ось тарелки клапана может, в частности преимущественной частью, проходит со стороны нагрузки базовой плоскости, например, больше, чем на 50%, 60%, 70%, 80% или даже больше, чем на 95% и/или практически полностью в области тарелки клапана сбоку от стержня клапана (то есть, в частности, обходя стержень клапана).
В рамках изобретения результирующая эффективная линия тарелки клапана, то есть собственно ее нейтральная ось, целесообразным образом преимущественной частью проходит со стороны нагрузки результирующей эффективной линии опорной поверхности клапана, то есть собственно базовой плоскости.
Под сплошным клапаном в рамках изобретения предпочтительно подразумеваются массивные клапаны, в частности клапаны, имеющие массивный стержень клапана и/или массивную тарелку клапана, то есть, в частности, не имеющие полости, не имеющие полости для охлаждения и/или не имеющие каналов охлаждения.
Опорная поверхность клапана на тарелке клапана предпочтительно выполнена наклонной.
Возможно, чтобы целесообразным образом обращенный к каналу угол «тюльпана» задней поверхности тарелки клапана был меньше 20°, 15°, 12°, 10° или 8°. При этом задняя поверхность может быть, например, выполнена в прямолинейной или изогнутой форме.
Определенное уменьшение износа может также достигаться путем выбора малого угла седла клапана, в экстремальном случае 0°, вследствие чего, однако, повышается гидравлическое сопротивление клапана, так что нарушается газообмен и повышается расход топлива двигателя внутреннего сгорания.
По одному из вариантов осуществления изобретения угол седла клапана опорной поверхности клапана на тарелке клапана целесообразным образом больше 25°, 30°, 35°, 40° или 45° и/или меньше 70°, 65°, 60°, 55° или 50°, так что становится возможным уменьшение скольжения и вместе с тем износа без гидродинамических недостатков.
Нейтральная ось, то есть, в частности, середина материала, тарелки клапана проходит, в частности, так, что оно является выпуклым в направлении стороны нагрузки (в частности, стороны камеры сгорания и/или камеры сжатия) и/или наружу.
Область вершины нейтральной оси относительно стержня клапана может проходить предпочтительно внецентренно и/или коаксиально, в частности кольцеобразно.
Возможно, чтобы передняя поверхность тарелки клапана была выпуклой сферически, параболически или в форме усеченного конуса. Хотя сферическая или параболическая выпуклость является идеальной или по меньшей мере предпочтительной, однако трудоемка в изготовлении. Поэтому целесообразным образом она может выполняться приближенно в виде пологой выпуклости в форме усеченного конуса.
Область вершины передней поверхности тарелки клапана может быть ориентирована относительно стержня клапана предпочтительно по центру.
Двигатель внутреннего сгорания предпочтительно представляет собой дизельный, или газовый или, соответственно, бензиновый двигатель внутреннего сгорания.
Задняя поверхность тарелки клапана предпочтительно выполнена в более пологой форме, чем передняя поверхность тарелки клапана. При этом задняя поверхность и/или передняя поверхность может быть выполнена, например, в прямолинейной и/или изогнутой форме.
Как уже упоминалось выше, эффективная середина опорной поверхности клапана на тарелке клапана определяется серединой контактной поверхности между опорной поверхностью клапана на тарелке клапана и на седле клапана для нее. При этом в рамках изобретения эффективная середина опорной поверхности клапана на тарелке клапана может быть расположена относительно опорной поверхности клапана на тарелке клапана, например, фактически по центру, однако также внецентренно.
Изобретение не ограничено одним клапаном, а включает в себя также комбинацию клапана и седла клапана, имеющую клапан, который раскрыт в настоящей заявке, и седло клапана для него.
Изобретение включает в себя, кроме того, автомобиль, предпочтительно автомобиль промышленного назначения, в частности грузовой автомобиль или автобус, имеющий двигатель внутреннего сгорания, который включает в себя камеру сгорания и/или сжатия, снабженную комбинацией клапана и седла клапана, которая описана в настоящей заявке.
Описанные выше предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения могут комбинироваться друг с другом. Другие предпочтительные усовершенствования изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения и вытекают из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения в связи с прилагаемыми фигурами.
фиг. 1: показан схематичный вид поперечного сечения части клапана по одному из вариантов осуществления изобретения в сравнении с клапаном по уровню техники;
фиг. 2: показано схематичное изображение принципа действия клапана по одному из вариантов осуществления изобретения, схематично упрощенное до нагружаемой на изгиб балки, имеющей средний шарнир, на двух опорах; и
фиг. 3: показано схематичное изображение принципа действия клапана по уровню техники, схематично упрощенное до нагружаемой на изгиб балки, имеющей средний шарнир, на двух опорах.
На фиг. 1 показан схематичный вид части клапана 1 по одному из вариантов осуществления изобретения для бензинового или газового двигателя или, соответственно, дизельного двигателя, удовлетворяющего норме токсичности отработавших газов, например, Евро≥5, так что в клапан 1 подается относительно чистый отработавший газ с низким содержанием копоти.
Клапан 1 включает в себя стержень 2 клапана и тарелку 3 клапана. Тарелка 3 клапана включает в себя переднюю поверхность 3.1, которая при эксплуатации обращена к камере Р сжатия/сгорания (сторона нагрузки), заднюю поверхность 3.2, которая при эксплуатации отвернута от камеры Р сжатия/сгорания, и целесообразным образом наклонную опорную поверхность 3.3 клапана для посадки на седло 5 клапана (посадочное кольцо).
Передняя поверхность 3.1 является выпуклой наружу, при эксплуатации в направлении стороны Р нагрузки (камеры сжатия/сгорания), и клапан 1 выполнен в виде массивного сплошного клапана и, таким образом, без полостей, в частности без каналов охлаждения и полостей для охлаждения.
Нейтральная ось 4 и вместе с тем средняя линия тарелки 3 тоже является выпуклой в направлении стороны Р нагрузки, в частности так, что она целесообразным образом проходит по меньшей мере преимущественной частью со стороны нагрузки, то есть при эксплуатации на стороне Р нагрузки фиктивной или, соответственно, воображаемой базовой плоскости BE. Базовая плоскость BE проходит через эффективную середину М опорной поверхности 3.3 клапана на тарелке 3 клапана и поперек стержня 2 клапана. Нейтральная ось 4, в принципе, обозначает результирующую эффективную линию тарелки 3 клапана, в то время как базовая плоскость BE, в принципе, обозначает результирующую эффективную линию опорной поверхности 3.3 клапана.
Эффективная середина М опорной поверхности 3.3 клапана на тарелке 3 клапана определяется, таким образом, результирующей при эксплуатации серединой контактной поверхности между опорной поверхностью 3.3 клапана на тарелке 3 клапана и на седле 5 клапана.
В частности, благодаря тому, что клапан 1 выполнен в виде сплошного клапана, имеющего выпуклую наружу переднюю поверхность 3.1, нейтральная ось 4 тарелки 3 клапана может по меньшей мере большей частью проходить со сторон нагрузки базовой плоскости BE, так что при нагрузке давлением вспышки не возникает или возникает очень небольшое скольжение опорной поверхности 3.3 клапана на седле 5 клапана. Так как скольжение является главной причиной износа между клапаном 1 и седлом 5 клапана, следовательно, несмотря на относительно чистый отработавший газ, не выделяющий или едва выделяющий смазку в виде копоти, износ уменьшается или устраняется.
Область 3.4 вершины передней поверхности 3.1 тарелки 3 клапана ориентирована относительно стержня 2 клапана по существу по центру.
Область 3.1 вершины нейтральной оси 4 из-за стержня 2 клапана проходит относительно стержня 2 клапана внецентренно и кольцеобразно коаксиально к стержню 2 клапана.
Задняя поверхность 4.1 тарелки 3 клапана целесообразным образом выполнена более пологой, чем передняя поверхность 3.1 тарелки 3 клапана. Передняя поверхность 3.1 и/или задняя поверхность 3.2 могут быть выполнены, например, прямолинейными или изогнутыми.
Угол α «тюльпана» задней поверхности 3.2 тарелки 3 клапана меньше 20°, в показанном варианте осуществления прибл. 7°.
Угол β седла клапана опорной поверхности 3.3 клапана больше 25°, в показанном варианте осуществления прибл. 40°.
На фиг. 1, кроме того, обозначен клапан V по уровню техники, имеющий нейтральную ось F.
Сравнение между клапаном 1 и клапаном V по уровню техники показывает, что обращенный к каналу угол а «тюльпана» клапана 1 меньше (более пологий), чем у клапана V, однако передняя поверхность 3.1, напротив, является усиленной и выпуклой, так что нейтральная ось 4 является выпуклой в направлении камеры Р сжатия/сгорания. Придание клапану 1 этой формы приводит к усилению клапана 1, в частности тарелки 3 клапана на стороне, обращенной к камере Р сгорания/сжатия, и ослаблению на стороне, отвернутой от камеры Р сгорания/сжатия. Нейтральная ось F клапана V по уровню техники проходит относительно базовой плоскости BE на стороне, отвернутой от стороны Р нагрузки, то есть на фиг. 1 выше базовой плоскости BE.
На фиг. 2 схематично показан клапан 1 фиг. 1, схематично упрощенный до нагружаемой на изгиб балки, имеющей средний шарнир, на двух опорах. Работающая на изгиб балка, которую можно видеть на фиг. 2, приблизительно соответствует нейтральной оси 4 тарелки 3 клапана. Снова можно видеть, что нейтральная ось 4 выполнена выпуклой в направлении стороны Р нагрузки (камера сжатия/сгорания). Движение опор (3.3/5) в наружном направлении ослабляется или даже уменьшается практически до нуля, благодаря этому износ ослабляется или даже снижается практически до нуля.
На фиг. 3 для сравнения показан клапан по уровню техники, тоже схематично упрощенный до нагружаемой на изгиб балки, имеющей средний шарнир, на двух опорах. Клапан может, например, представлять собой клапан с пологой передней поверхностью или сводчатый полый клапан. Нейтральная ось является выпуклой не в направлении стороны Р нагрузки, а в сторону, отвернутую от стороны Р нагрузки, то есть на фиг. 3 вниз. Поэтому клапан при эксплуатации относительно сильно скользит по седлу клапана, что сопровождается высоким износом.
Изобретение не ограничено описанными выше предпочтительными вариантами осуществления. Более того, возможно множество вариантов и модификаций, которые тоже используют идею изобретения и поэтому попадают в область охраны. Кроме того, изобретение претендует также на охрану предмета и признаков зависимых пунктов формулы изобретения, независимо от признаков и пунктов формулы изобретения, на которые делалась ссылка.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Клапан по одному из вариантов осуществления изобретения
2 Стержень клапана
3 Тарелка клапана
3.1 Передняя поверхность тарелки клапана
3.2 Задняя поверхность тарелки клапана
3.3 Опорная поверхность клапана
3.4 Область вершины передней поверхности тарелки клапана
4 Нейтральная ось
4.1 Область вершины нейтральной оси
5 Седло клапана
α Угол «тюльпана» задней поверхности тарелки клапана
β Угол седла клапана опорной поверхности клапана на тарелке клапана
Р Сторона нагрузки, в частности сторона камеры сгорания и/или сжатия
BE Базовая плоскость
М Эффективная середина опорной поверхности клапана
V Клапан по уровню техники
F Нейтральная ось тарелки клапана V.