带有旋转阀组件的发动机
技术领域
该发明大体上涉及内燃机，且更特别地涉及使用旋转阀的发动机。
背景技术
内燃机是众所周知的且用于各种应用中。例如，内燃机用于汽车、农用设备、割草机和船只中。内燃机也有各种尺寸和构造，诸如两冲程或四冲程以及点火或压缩。
典型地，内燃机(图1)包括多个移动部分，例如，它们包括吸入阀和排放阀、摇臂、弹簧、凸轮轴、连杆、活塞和曲轴。关于具有多个移动部分的问题中的一个是，故障风险增加(特别是在阀机构中)，且效率由于摩擦损耗造成降低。可使用特殊的润滑剂和涂层来减小摩擦，且可使用某些合金来防止故障；然而，即使有这些提高，故障风险和摩擦损耗依然高。另外，当阀机构故障时，修理损坏的阀机构可为时间密集型的且需要特殊的工具，从而使在现场中修理非常困难。
因此，依然需要一种用于内燃机的阀机构，其带有低摩擦、良好的可靠性、少量的部分且能够在现场中快速且容易地替换和/或修理。
发明内容
该需要由本发明解决，本发明提供一种由各个旋转阀组件构成的阀机构，该旋转阀组件可一次移除一个并快速且容易地用新的旋转阀组件替换。
根据技术的一个方面，一种阀组件包括：壳体，该壳体具有内腔、开放顶部和开放底部，该开放顶部和开放底部与内腔流体连通；阀筒，该阀筒定位在内腔中且适于在其中旋转，该阀筒具有环形周边表面和横向延伸穿过其中在相反侧上与周边表面连通的孔口；第一密封组件和第二密封组件，第一密封组件定位在开放顶部中，第二密封组件定位在开放底部中，其中第一密封组件和第二密封组件各自包括具有与周边表面配合接合的密封表面的密封件以及延伸穿过其中的孔口，该孔口具有与阀筒中的孔口基本相等的尺寸和形状以允许流过其中；且其中当阀筒的孔口与第一密封组件和第二密封组件的孔口对准时，允许气体流过阀组件。
根据技术的另一方面，一种缸盖组件包括：至少一个吸入阀组件凹穴和至少一个排放吸入阀组件凹穴，该至少一个吸入阀组件凹穴由上缸盖区段和下缸盖区段限定，该至少一个排放吸入阀组件凹穴由上缸盖区段和下缸盖区段限定；至少一个吸入阀组件和至少一个排放阀组件，该至少一个吸入阀组件定位在至少一个吸入阀组件凹穴中，该至少一个排放阀组件定位在至少一个排放阀组件凹穴中，该至少一个吸入阀组件和至少一个排放阀组件各自包括：壳体，该壳体具有内腔、开放顶部和开放底部，该开放顶部和开放底部与内腔流体连通；阀筒，该阀筒定位在内腔中且适于在其中旋转，该阀筒具有环形周边表面和横向延伸穿过其中在相反侧上与周边表面连通的孔口；第一密封组件和第二密封组件，该第一密封组件定位在开放顶部中，该第二密封组件定位在开放底部中，其中该第一密封组件和第二密封组件各自包括具有与周边表面配合接合的密封表面的密封件以及延伸穿过其中的孔口，该孔口具有与阀筒中的孔口基本相等的尺寸和形状以允许流过其中；且其中当阀筒的孔口与第一密封组件和第二密封组件的孔口对准时，允许气体流过阀组件。
附图说明
本发明可参照连同附图进行的以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1是现有技术的内燃机的示意性截面视图；
图2是根据本发明的方面构造的内燃机的示意性透视；
图3是图1的内燃机的截面视图；
图4是图2中示出的发动机的缸盖组件的分解透视图；
图5是图4的缸盖组件的下区段的底部平面视图；
图6是图4的缸盖组件的上区段的底部平面视图；
图7是旋转阀组件的分解视图；
图8是旋转阀组件的分解视图；
图9是缸盖组件的上区段的底部平面视图；
图10是在吸入冲程期间操作中的发动机的一部分的示意图；
图11是在压缩冲程期间操作中的发动机的一部分的示意图；
图12是在功率冲程期间操作中的发动机的一部分的示意图；以及
图13是在排放冲程期间操作中的发动机的一部分的示意图。
具体实施方式
参照附图(其中贯穿各种视图，相同的参考标号表示相同的元件)，图2和图3示出根据本发明的方面构造的示例性内燃机10。
所示出的示例是V形构造的八缸发动机10，通常称为“V-8”，其中两个四缸组彼此90度设置。然而，将理解的是，本发明的原理适用于任何内燃机，例如运行各种循环(诸如奥托(Otto)或柴油循环)的发动机，或需要阀来打开和关闭流体流端口的类似机器。
发动机包括块(block)12，块12用作用于发动机10的其它构件的结构支承和安装点。大体上圆柱形的缸孔14形成在块12内。如上文说明的，缸孔14布置成每组四个缸孔14的两个纵向缸组16。具有偏置曲柄销20的曲轴18安装在块12中，以用于在合适的轴承中旋转。活塞22设置在每个缸孔14中，且每个活塞22由活塞杆24连接到曲柄销20中的一个。曲轴18、活塞杆24和活塞22共同限定旋转组件26。操作中，缸孔14中的气压引起活塞22的线性移动，且旋转组件26可以以已知方式操作成将活塞的线性移动转换成曲轴的旋转。
发动机包括附接到每个缸组16的一个缸盖组件28。缸盖组件28具有形成于其中的大体上凹的燃烧室30，燃烧室30对应于每个缸孔14且与每个缸孔14对准。每个缸孔14和对应的燃烧室30共同限定缸32。
缸盖组件28具有形成于其中的多个吸入端口34；每个吸入端口34从燃烧室30中的一个延伸到缸盖组件28的外表面处的吸入平面36。如下文将详细描述的，(图4和图6)旋转阀组件39的吸入阀筒38设置成横跨每个吸入端口34，且包括通过其中的吸入孔口40。吸入端口34、吸入阀筒38和吸入孔口40布置成使得在吸入阀筒38的第一角定向上，允许流体在吸入平面36与燃烧室30之间流动，且在吸入阀筒38的第二角定向上，阻挡流体在吸入平面36与燃烧室30之间流动。
缸盖组件28还包括形成于其中的多个排放端口42；每个排放端口42从燃烧室30中的一个延伸到缸盖组件28的外表面处的排放平面44。如下文将详细描述的，(图4)旋转阀组件47的排放阀筒46设置成横跨每个排放端口42，且包括通过其中的排放孔口48。排放端口42、排放阀筒46和排放孔口48布置成使得在排放阀筒46的第一角定向上，允许流体在排放平面44与燃烧室30之间流动，且在排放阀筒46的第二角定向上，阻挡流体在排放平面44与燃烧室30之间流动。
发动机10包括燃料输送系统50，该燃料输送系统50可操作成接纳引入的气流，计量进入气流以生成可燃吸入混合物的碳氢化合物燃料(诸如汽油)，且将吸入混合物输送至缸32。
燃料输送系统50可为连续流或间歇流，且燃料喷射点可在各个缸32处或在上游位置处。可选地，燃料喷射点可在缸32内，构造通常称为“直接喷射”，在该情况下吸入端口34仅将空气输送至缸32。已知类型的燃料输送系统包括汽化器、机械燃料喷射系统和电子燃料喷射系统。所示出的特定示例是一种电子燃料喷射系统，其中一个吸入流道(runner)52连接到每个吸入端口34。
发动机10包括点火系统，该点火系统包括安装在每个燃烧室30中的一个或多个火花塞54，以点燃吸入混合物。提供适当的点火功率源，诸如带有线圈和分配器的常规的凯特灵(Kettering)点火系统，或带有触发模块和多个线圈的直接点火系统。点火功率源连接到火花塞54，例如用导线(lead)56。
图4是缸盖组件28中的一个的分解视图。缸盖组件28包括一个或多个固定构件，该一个或多个固定构件构造成安装到缸组16且包围操作部分。缸盖组件28包括缸盖57。在示出的示例中，缸盖57由用螺栓附接到上区段60的下区段58构成。备选地，缸盖57可由单个块制成。
下区段58是块状元件，该块状元件可通过铸造或从坯料机加工来形成。它包括：外表面62，其结合燃烧室30(见图5)；以及相反的内表面64。邻近内表面64，下区段58具有形成于其中的多个吸入阀组件凹部66，其成纵向线布置。每个吸入阀组件凹部66与吸入开口68连通。多个半圆柱形轴承凹部70与吸入阀组件凹部交替。下区段58还具有形成于其中的多个排放阀组件凹部72，其成纵向线布置。每个排放阀组件凹部72与排放开口74(见图3)连通。多个半圆柱形轴承凹部70与排放阀组件凹部72交替。
上区段60也是块状元件，该块状元件可通过铸造或从坯料机加工来形成。它包括外表面76和与下区段58的内表面64配合的相反的内表面78。上文描述的吸入端口34形成为上区段60的部分。邻近内表面78，上区段60具有形成于其中的多个吸入阀组件凹部69，其成纵向线布置(见图6)。每个吸入阀组件凹部69与吸入端口34中的一个连通。多个半圆柱形轴承凹部70与吸入阀组件凹部69交替。下区段58还具有形成于其中的多个排放阀组件凹部71，其成纵向线布置。每个排放阀组件凹部71与排放端口42中的一个连通。多个半圆柱形轴承凹部70与排放阀组件凹部71交替。当下区段58和上区段60配合在一起时，吸入阀组件凹部66和69共同限定吸入阀组件凹穴，且排放阀组件凹部71和72限定排放阀组件凹穴。
可结合用于对缸盖57的全部或部分进行液体冷却的构造(Provision)。在示出的示例中，上区段60包括设置在内表面78与外表面76之间的中空内室(未示出)。一系列的冷却剂入口孔77(图6)形成在内表面78中且与内室连通。冷却剂出口79(见图4)形成在外表面76中。操作中，合适的液体冷却剂(诸如水或与防冻剂混合的水)通过下区段58的内表面64中的匹配的冷却剂传输孔81供应到冷却剂入口孔77。冷却剂循环穿过内室，吸收热量，且然后通过冷却剂出口79出去。然后可冷却它(例如使用常规的散热器(未示出))，且再循环以供重新使用。
下区段58和上区段60接纳多个吸入阀组件39和多个排放阀组件47。应了解的是，对于单缸发动机，将使用单个吸入阀组件39和单个排放阀组件47。阀组件39和47在结构方面彼此大体上类似，其中吸入阀组件39在大小方面稍微较大。将详细描述吸入阀组件39的构造，其中认识到(with the understanding that)细节适用于阀组件39、47两者。
参照图7，吸入阀组件39包括用于使吸入阀筒38接纳于其中的壳体83。每个吸入阀筒38是大体上圆柱形的元件，其中环形周边表面84在前端面86与后端面88之间延伸。吸入孔口40横向延伸穿过吸入阀筒38，在相反侧上与周边表面84连通。孔口40的截面流动面积在其长度上是恒定的。在示出的示例中，吸入孔口40具有“跑道”截面形状，其中两个平行侧由两个半圆形端部连接。可使用其它截面形状。吸入阀轴80A通过使用联接器41将多个吸入阀组件39联接在一起来形成。同样，排放阀轴80B通过使用联接器43将多个排放阀组件47联接在一起来形成。联接器41、43设计成允许每个阀组件39或47从相应的阀轴80A、80B一次移除一个，以用于简单的替换。
吸入孔口40的横向尺寸(垂直于轴线82)、吸入阀筒38的直径以及吸入阀轴80A相对于曲轴速度的旋转速度全都影响阀打开时间或“持续时间”，且这些影响是相互关联的。这对于排放阀筒46也是适用的(true)。可操纵这些变量以便使吸入阀轴80A和/或排放阀轴80B适于与特定的应用相配。例如，吸入阀筒38可与排放阀筒46直径不同。在一个非限制性示例中，吸入阀筒38的直径与排放阀筒46的直径之比可为约1:1至约4:1。
吸入阀筒38可由刚性的耐磨材料(诸如金属合金或陶瓷)制成。可向吸入阀筒38的全部或部分(特别是周边表面84)施加磨损涂层(诸如陶瓷或碳化物)，以改进其磨损性质。
可选地，纵向孔92或其它开口可形成在吸入阀筒38中，在前端面86与后端面88之间延伸。这些孔92可用来减小吸入阀筒38的质量(以用于平衡的目的)和/或提供冷却空气流。
圆柱形前短(stub)轴94从前端面86延伸，且圆柱形后短轴96从后端面88延伸。
短轴94、96可包括匹配的机械对准特征，以在两个邻近的吸入阀筒38之间传输扭矩且保持它们之间的特定角度关系。将理解的是，每个吸入阀筒38的吸入孔口40必须具有特定的角定向，该角定向取决于发动机10的缸点火顺序。上文描述的机械对准特征可构造成使得任何吸入阀筒38可在吸入阀轴80A内的任何位置中使用，即，机械对准特征可适应多角度对准，或备选地，机械对准特征可构造成仅产生单角度对准，在该情况下每个吸入阀筒38将需要放置在吸入阀轴80A内的特定位置中。
密封件102定位在每个短轴94、96上，且压到壳体83的孔口104、106中，以提供沿着阀筒38的端部的密封。壳体83还包括开放顶部108和开放底部110，以接纳阀密封组件112。如示出的，壳体83包括内腔109，内腔109与开放顶部108和开放底部110以及孔口104和106流体连通。如示出的，壳体83为矩形构造，以匹配缸盖57的阀组件凹部66和72的尺寸和形状且提供其中的紧密配合；然而，应了解的是，壳体83以及阀组件凹部66和72可具有其它合适的匹配构造。如示出的，阀密封组件112用于开放顶部108和开放底部110两者中；因此，将仅论述单个组件。
密封组件112包括：密封件114，该密封件114具有凹的阀筒配合表面116；孔口118，该孔口118具有与吸入孔口40基本相等的尺寸(在10%内)和形状以允许流过其中；以及衬板(backer plate)120。密封件114可由能够提供密封和耐磨性的任何合适材料(诸如石墨材料)制成。衬板120包括环封槽122，环封槽122用于在其中接纳环封件124。环封件124提供额外的密封，以防止气体在衬板120与盖126之间逸出。环封件124可具有合适的截面形状以允许环封件124在操作期间收缩和膨胀，从而允许密封件114在它由于热量在操作期间膨胀时沿着筒38浮动。例如，环封件124可具有c形截面。
盖126包括对应的环封槽128，该环封槽128用于在组装时在其中接纳环封件124且在衬板120与盖126之间压缩密封件124。盖126还包括孔口130，孔口130延伸穿过其中，以允许气体从吸入端口34流过筒38、密封件114和盖126进入燃烧室30(即，流体连通)。盖126还包括壳体槽132，壳体槽132用于在其中接纳壳体突起134(围绕开放顶部108和开放底部110的周边的连续突起)，从而将盖126固定到壳体83且将密封组件112保持在开放顶部108或开放底部110中。
参照图8和图9，示出吸入阀组件239。以下描述也将适用于排放阀组件。像吸入阀组件39，吸入阀组件239包括：壳体283；吸入阀筒238，其具有在前端面286与后端面288之间延伸的周边表面284、横向延伸穿过吸入筒238的吸入孔口240，以及前短轴294和后短轴296；密封件202，其定位在每个短轴294、296上；以及密封组件212，其带有密封件214，密封件214具有配合表面216、孔口218和衬板220。不像吸入阀组件39，吸入阀组件239不包括盖126。
如示出的，密封件202结合轴承表面304；然而，应了解的是，可使用其它类型的轴承来允许阀筒238相对于缸盖57旋转。例如，其它合适的轴承可为滚子轴承。
衬板220包括从衬板220的后表面300延伸的凸脊298。脊部298适于与形成在缸盖57的上区段60和下区段58中的凹部302配合接合。为了清楚，仅示出上区段60。脊部298与凹部302之间的配合接合提供迷宫型布置，其在燃烧期间分散来自缸的压力，从而减小由环封件124遇到的压力的量。此外，在加压气体迁移通过由凹部302和脊部298产生的迷宫型布置时，少量的残留气体被截留且压在脊部298上。这引起密封件214压在阀筒238上，从而增加阀筒238的周边表面284与密封件214之间的密封。
如示出的，凹部306也形成在缸盖57的上区段60和下区段58中。凹部306包绕凹部302且适于在其中接纳环封件124。因此，不像阀组件39，环封件124不夹在衬板220与盖之间；相反地，在安装时，环封件124压缩在衬板220的后表面300与缸盖57的凹部306之间且围绕凸脊298定位。
为了清楚，下文仅论述阀组件39和47；然而，应了解的是，大体的描述也适用于阀组件239。在使用中，阀组件39和47组装和预包装以供使用。当阀组件39、47中的一个故障时，用户简单地将故障的阀组件39、47与相应的阀轴80A、80B断开，且用新的阀组件39、47(其简单地落到相应的阀组件凹部66、72中)替换故障的阀组件39、47，且将阀组件39、47联接到轴80A、80B。
在组装的发动机中，为每个阀轴80A、80B提供传动组件140(图2)。传动组件140可为可调整的。更特别地，相对的角位置可为可变的。如图2中示出的，可为每个阀轴80提供一个传动组件140。第一传动带144将一个缸组16的两个传动组件140与惰轮146连接，且第二传动带148将惰轮146连接到发动机10的曲轴轮150。曲轴轮150、惰轮146和传动组件140尺寸设置成使得每个阀轴80以曲轴18的旋转速度的四分之一旋转，或换句话说，传动布置提供4:1的减速。在示出的示例中，第二传动带148以2:1的传动比将惰轮146连接到曲轴(即，惰轮146以曲轴速度的一半运行)，且第一传动带144以2：1的传动比将传动组件140连接到惰轮146(即，传动组件以惰轮速度的一半运行)。可选地，传动组件140中的一个或多个可结合已知类型的主动调整机构(未示出)，例如在由电子控制单元(未示出)的控制下。该类型的装置通常称为“凸轮移相器”。该装置可用来主动控制阀轴80A、80B中的一个或两个相对于曲轴18的角定向或相位。该能力对于在操作期间主动控制发动机10的操作特性是有用的。在柴油循环发动机中，该能力可用来通过在期望制动时使吸入阀轴80A选择性地前进来实现压缩制动器的功能。
将参照图10至图13来描述发动机10的操作，图10至图13示意性地描绘发动机10的单个缸32。如上文说明的，吸入阀轴80A和排放阀轴80B由带或其它合适的传动设备来传动，且以曲轴18的旋转速度的四分之一旋转。在使用常规奥托循环的发动机10的四个冲程期间，吸入阀轴80A和排放轴80B连续旋转以使它们相应的孔口40、48相对于端口34、42定位在适当位置中。如示出的，在吸入冲程期间(图10)，吸入阀轴80A的吸入孔口40与吸入端口34基本对准，以允许空气进入燃烧室30。排放阀轴80B的排放孔口48定位成使得排放阀轴80B关闭排放端口42且防止空气或气体通过排放端口42逸出燃烧室30。在压缩冲程期间(图11)，吸入阀轴80A和排放阀轴80B的孔口40和48都旋转以关闭吸入端口34和排放端口42。在功率冲程期间(图12)，吸入轴80A和排放轴80B的孔口40和48继续保持吸入端口34和排放端口42关闭。最终，在排放冲程期间(图13)，吸入阀轴80A继续关闭吸入端口34，且排放阀轴80B定位成使得排放端口42现在通过使排放孔口48与排放端口42基本对准来打开。然后循环继续。在该过程期间，阀轴80A和80B的开口可存在重叠，其类似于常规提升阀发动机中的阀重叠。例如，吸入端口34可在排放端口42开始关闭时开始打开，使得吸入端口34和排放端口42都打开达某一时间段。在加速用吸入混合物填充缸32方面，该重叠可为有益的。如上文说明的，可调整孔口40和48的角距以改变阀事件的定时和重叠程度。
上文描述的设备具有优于现有技术的若干优点。与常规提升阀机构相比，旋转阀结构具有显著较小的部分数量和摩擦损耗。旋转阀结构还具有比常规阀机构更加可靠的可能，因为它不需要来回移动且不依靠高应力的阀弹簧来用于在高发动机速度下操作。
此外，本文中描述的密封组件将提供旋转阀组件的有效密封，同时允许低机械负载和长构件寿命。
将理解的是，本发明可实现为完整的发动机，或本文中描述的缸盖组件可改装到现有的内燃机，或旋转阀组件可结合到缸盖设计中。
前文描述了带有旋转阀组件的发动机。该说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以除了其中此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合之外的任何组合来组合。
除非另外明确地指出，否则该说明书中公开的每个特征(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征所替换。因此，除非另外明确地指出，否则所公开的每个特征仅为一般系列的等同或类似特征的一个示例。
本发明不限于前述实施例的细节。本发明扩展至该说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或扩展至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。
