旋转气门内燃发动机.pdf

一种旋转气门内燃发动机，其具有连接至曲轴(3)并且可在气缸(2)内往复运动的活塞(1)，燃烧室4部分地由该活塞限定。所述发动机具有可在相对于气缸(2)被固定的气门壳体(8)中以严密滑动配合方式旋转的旋转气门(5)，该旋转气门具有气门主体，该气门主体包含至少部分地限定燃烧室(4)的容积(9)并且还在其壁部(11)中具有端口(1)2，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口(13)、(14)相继进出于燃烧室的流体连通。旋转气门和气门壳体两者均由铝制成。

1.  一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，所述活塞连接至曲轴并 且能在气缸内往复运动；燃烧室，所述燃烧室部分地由所述活塞限定；和 旋转气门，所述旋转气门能在相对于所述气缸被固定的气门壳体中以严密 滑动配合的方式旋转，所述旋转气门具有气门主体，该气门主体包含部分 地限定所述燃烧室的容积并且还在该气门主体的壁部中具有端口，该端口 在所述气门旋转期间提供经由所述气门壳体中的进气端口和排气端口相继 进出于所述燃烧室的流体连通，其中所述气门主体和所述气门壳体的基材 为铝，在所述旋转气门的所述主体的表面与所述气门壳体的相邻表面之间 实施了密封功能。

2.  根据权利要求1所述的旋转气门内燃发动机，其中，全部密封功能 仅在所述旋转气门的所述主体的所述表面与所述气门壳体的所述表面之间 实施，在所述旋转气门或所述气门壳体内不包含另外的密封装置。

3.  根据权利要求1或2所述的旋转气门内燃发动机，其中，所述铝为 含铜量高达5％的铝合金。

4.  根据权利要求1或2所述的旋转气门内燃发动机，其中，所述铝为 共晶铝。

5.  根据权利要求1或2或3或4所述的旋转气门内燃发动机，其中， 所述气门主体和所述气门壳体中的一者或两者的界面设有硬化表面。

6.  根据权利要求5所述的旋转气门内燃发动机，其中，一个或多个所 述硬化表面包括阳极氧化铝、陶瓷或碳化硅涂层、DLC(类金刚石碳)涂 层或等离子氮化表面。

7.  根据权利要求1至6中任一项所述的旋转气门内燃发动机，其中， 所述气门中的所述端口是邻近所述燃烧室形成在所述气门主体的壁的下周 缘中的凹部，该凹部从所述气门的所述壁的所述下缘向上延伸以在所述气 门的侧面中形成所述端口。

8.  根据权利要求1至6中任一项所述的旋转气门内燃发动机，其中， 所述气门中的所述端口是所述气门主体的壁部中的孔，该壁具有邻近所述 燃烧室形成在所述端口下方的唇部。

旋转气门内燃发动机
技术领域
本发明涉及借助旋转气门来实现对燃烧气体的吸入和排出的控制的内 燃发动机。
背景技术
此类旋转气门例如在申请人的共同未决申请No.GB2467947A中被公 开。公知旋转气门存在密封问题，因为与最大限度地减小相对旋转体之间 的间隙存在冲突，最大限度地减小间隙提高了效率，但过热和抱死(seizing) 的风险加大。由于与燃烧室邻近并且事实上形成燃烧室的一部分，所以气 门在少量润滑或无润滑的情况下承受大的热应力、高气体压力和高表面速 度。因此于在气门主体中形成的端口与相关联的气门壳体之间提供充分密 封方面存在固有问题。不包含部分限定燃烧室的容积的常规旋转气门典型 地在旋转气门主体与气门壳体之间使用柔性或弹性密封件，但此类密封件 在不利环境中不可避免地具有非常短的寿命并且还需要大量使用润滑，这 引起过量和无法接受的排放。这种旋转气门的一个示例在美国专利 6,321,699中被公开。多年来已尝试制造商业上可行的利用不带密封件的旋 转气门的发动机，著名的是Aspin，但这些大部分是不成功的，主要是由 于气门主体与气门壳体之间的不同热膨胀。在现有技术如DE4217608A1 和DE4040936A1中，该冲突被认识到，并且通过设置复杂的冷却装置来 尝试解决该问题或者简单地说利用合适的材料来解决该问题。在实践中， 设置比所期望的间隙大的间隙来降低抱死风险，其代价是降低了发动机的 效率并且增加了排放。
因为部分地由旋转气门主体达到的比气门壳体高的温度导致的旋转气 门主体与气门壳体之间的不同热膨胀，所以在缩小间隙方面存在本质问题。 这部分地由气门主体在最高温度发生点位于燃烧室中并且还具有较差的用 于将热传导至外部的热路径的事实导致。相比而言，气门壳体所具有的优 点是，它能够通过诸如翅片或水冷却之类的外部冷却手段的提供来直接散 热。
过去所有解决该问题的努力均针对于使用具有最低可能的膨胀系数的 材料制造气门主体以限制其直径随着温度升高而扩大。这通常涉及具有用 于使磨损最小化的硬化处理的表面的高等级钢的使用。
钢质气门主体的又一个缺点在于钢是热的不良导体。因此，气门主体 的表面往往变得非常热，从而导致过度碳化的问题。
普遍使用铝作为用于气门壳体的主要基材，因为这使得发动机更轻并 且还有助于冷却，因为铝是比钢好得多的导热体。但是，随着发动机变热， 壳体的铝将膨胀得比气门主体的钢多，从而导致气门主体与气门壳体之间 的空隙扩大，从而引起气体泄漏和功率损失。
为了降低该差异化膨胀效应，有时将铸铁或青铜制的套管压入铝质气 门壳体中。钢质气门主体于是在该套管内移行。该套管进一步降低了导热 性，从而引起更严重的碳化问题。或者，气门主体可以靠着铝质壳体移行， 其中嵌入壳体内的钢带用来控制铝的膨胀。在任一情形中，主体和壳体的 膨胀系数仍将趋于不严密匹配。这在气门主体膨胀得比气门壳体多的情况 下会导致抱死问题，而在气门主体膨胀得比气门壳体少的情况下会导致泄 漏问题。
已知的利用钢质气门主体和铝质壳体的发动机在低温条件下存在又一 个缺点。由于铝质壳体的膨胀系数大于钢质气门主体，所以它在寒冷条件 下收缩得更多，并且已经发现，特别是在零下温度，所述间隙会完全消失， 其结果是发动机实际上抱死且将不会起动。为了能够实现冷起动，提供比 对于发动机效率而言所期望的间隙大的间隙是必要的。
发明内容
本发明旨在通过使旋转气门主体以及气门壳体均由铝制成来克服这些 缺点，铝质气门主体的表面自身用作密封表面，在气门主体或气门壳体内 不包含另外的密封装置。使用铝来制造气门主体与常规旋转气门设计相悖， 在所述常规旋转气门设计中，对最小化热膨胀以及非常硬的移行面(跑合 面)的需求意味着通常使用硬化钢质构件。然而，现在通过实验已经发现， 出乎意料地，可以成功地对气门主体使用铝并且它确实克服了钢质气门主 体的主要缺点。
本质上，由于气门主体和气门壳体两者使用了相同的材料，所以气门 主体和壳体以相同的比率膨胀。这形成了在从冷起动直至最高温度的整个 温度范围内的更一致的密封，既减少了热态时的泄漏，又防止了冷态时的 发动机抱死。
铝质气门主体的提高的导热性使得气门上的表面温度更低且减少了积 碳。
还发现，可以在气门主体与壳体之间使用比对于现有的钢质气门主体 而言可能的更大的间隙而不降低效率或提高抱死风险。这非常有利于制造， 特别是对于批量生产而言，并且提供了制造成本的显著节省。典型地，已 发现可以使用气门主体与壳体之间10-30微米的冷时空隙而不明显损失效 率，而在已知的发动机中，如果要满足效率要求，则需要在5-10微米的范 围内的空隙。在实践中，这种紧密公差的使用意味着气门主体和壳体必须 单独匹配，这对于批量生产而言是不切实际的。
该出乎意料的优点的原因是从气门主体到气门壳体的热传递中的热膨 胀反馈环路的类型。如果在移行期间气门主体与壳体之间的空隙扩大，则 从气门到壳体的传热减少，从而导致气门主体发热而缩小该空隙。类似地， 如果该空隙缩小，则传导增强且更多的热量传导至壳体，从而降低气门主 体温度。这种自平衡的校正因素使得能够使用更宽的公差范围。
根据本发明，提供了一种旋转气门内燃发动机，其具有：活塞，该活 塞连接至曲轴并且可在气缸内往复运动；燃烧室，该燃烧室部分地由活塞 限定；和旋转气门，该旋转气门可在相对于气缸被固定的气门壳体中以严 密滑动配合(紧滑动配合，close sliding fit)方式旋转，该旋转气门具有气 门主体，该气门主体包含部分地限定燃烧室的容积并且还在其壁部中具有 端口，该端口在气门旋转期间提供经由气门壳体中的进气端口和排气端口 相继进出于燃烧室的流体连通，其中所述旋转气门和气门壳体由铝制成， 在旋转气门的气门主体的表面与气门壳体的相邻表面之间实施了密封功 能。
优选地，全部密封功能仅在旋转气门主体的所述表面与气门壳体的所 述表面之间实施，在旋转气门或气门壳体内不包含另外的密封装置。
优选地，所述铝为含铜量高达5％的铝合金，并且可以是共晶铝。在 一优选实施例中，气门主体和气门壳体中的一者或两者的界面设有硬化表 面，该硬化表面可包括硬阳极氧化铝、陶瓷或碳化硅涂层、DLC(类金刚 石碳)涂层或等离子氮化表面。
在一个实施例中，气门中的端口是邻近燃烧室形成在气门主体的壁的 下周缘中的凹部，该凹部从气门的所述壁的所述下缘向上延伸以在气门的 侧面中形成端口。在另一个实施例中，气门中的端口是气门主体的壁部中 的孔，该壁具有邻近燃烧室在端口下方形成的唇部。
附图说明
现将参考附图通过示例的方式说明本发明的优选实施例，附图中：
图1示出了单缸风冷式发动机的剖视图，
图2是旋转气门主体的一个实施例的示意图。
具体实施方式
现在参照图1，示出了单缸风冷式发动机。气缸2具有以传统方式连 接至曲轴3以在气缸2内往复运动的活塞1。如特别在图2中所示，气缸2 的上部被燃烧室4封闭。进气/燃料混合物和排气的流入和流出燃烧室4由 旋转气门5控制。在本实施例中，气门可围绕与曲轴3的旋转轴线3a平行 的轴线5a在燃烧室壳体中的气门壳体中旋转。
在其远离燃烧室4的一端，旋转气门5具有装设在其上的从动带轮17， 该从动带轮通过带传动装置连接到发动机曲轴3上的驱动带轮18，所述带 传动装置包括环形带19，该环形带在其内表面上具有与带轮17和18上的 对应的齿传动接合的齿廓。两个带轮且因此环形带19均处于公共平面20 内。因而，曲轴3的旋转且因此活塞移动与旋转气门5的旋转协调，使得 发动机以传统四冲程循环运转。为了实现这一点，从动带轮17的直径为驱 动带轮18直径的两倍，使得旋转气门5以发动机转速的一半旋转。
现在还参照图2，示出了旋转气门5的更多细节。旋转气门由普通的 主动式气门组成，其具有形式为装设在包括单座圈滚珠轴承7的滚珠轴承 装置上的轴6的第一圆柱形部分，该第一圆柱形部分位于气门5的远离燃 烧室4的一侧。该气门具有略微更大的圆柱形主体部分，该主体部分包括 气门主体11，该气门主体自身形成有台肩12，滚珠轴承7靠在所述台肩上 定位。气门主体11延伸到燃烧室内且在该气门主体内部具有形成燃烧室4 的一部分的容积9。气门主体11可在气门壳体8中的孔内旋转，气门主体 11严密滑动配合在所述孔中。典型地，气门壳体8的孔与旋转气门5之间 的间隙在10-30微米的范围内。气门5和气门壳体8由铝形成。
优选地，所述铝可为含铜量高达5％的铝合金，其提供了良好的散热 特性和良好的轴承品质。优选的铝被表示为铝2618。在本发明的又一些开 发方案中，气门主体5和气门壳体8的界面中的一者或两者可设有硬涂层 如阳极氧化铝、陶瓷或硅碳化物涂层如Nikasil(注册商标)、DLC(类金 刚石碳)涂层或等离子氮化处理。
旋转气门5的轴部分6的直径仅略小于气门主体11以形成台肩。该轴 部分6是实心的，以提供用于从气门主体11向外部传热的良好路径。轴6 在其远离燃烧室的端部——从动带轮17连接至该端部——可具有另外的 冷却装置、如散热器13，其可包括可与从动带轮17一起旋转的翅片或风 扇。
旋转气门的气门主体具有端口14，该端口在气门旋转期间实现了经由 气门壳体中的进气端口和排气端口相继进出于燃烧室的流体连通。在这个 实施例中，该端口的形式为邻近燃烧室形成在气门主体的壁15的下周缘 16中的凹部，该凹部从气门的壁的该下缘向上延伸以在气门的侧面中形成 端口14。在替换结构(未示出)中，该端口是气门主体的壁部中的孔，该 壁具有邻近燃烧室在壁15的下周缘16处形成在端口下方的唇部。
虽然被描述为单缸发动机，但应理解的是，本发明同样适用于具有直 列、V形或水平对置构型的多缸发动机。此外，虽然被描述为火花点火式 发动机，但本发明同样适用于压燃式发动机。
虽然所给出的示例针对于旋转气门的旋转轴线与曲轴的轴线平行的发 动机，但应了解的是，本发明同样适用于气门的旋转轴线垂直于曲轴的旋 转轴线或事实上与曲轴的旋转轴线成任何中间角度的旋转气门发动机。