专利名称：带轴向冷却通道的圆柱形旋转气门的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于发动机上的旋转气门，即带轴向冷却通道的园柱形旋转气门。
四冲程发动机的气门系统不仅结构复杂，成本较高，占有空间体积和重量较大，而且工作方式原始，虽经历一百多年的不断改进与完善，仍是发动机的噪声和振动的主要源泉之一。
考斯特国际有限公司发明的球形旋转气门是将带有贯通孔的球体设置在原来菌形气门的位置上，贯通孔用作进、排气道，球体置于缸盖的球形腔中，气门球体绕通过球心的轴旋转。这种气门彻底改变了传统的气门结构。不仅减少了零件数目，降低了整机重量，体积，成本，油耗、振动等，并可在高压缩比时(14.5∶1)时使用低辛烷值的汽油。但是球形气门的几何形状和尺寸限制了气门帘区，而且这种气门及空腔的加工较复杂不利于尽决推广使用。此外由于这种气门难于冷却，工作温度较高，难以使用传统的、可润滑的金属轴承。
本实用新型的目的是提出一种具有轴向冷却系统的单园柱气门结构。
本实用新型的要点在于采用了一根设在缸盖上的园柱体作为进、排气门。气门柱体由耐高热硬质金属材料制成(如球墨铸铁)，表面经淬火处理以增加硬度，或表面喷涂工业陶瓷材料，以提高耐磨性，减少摩擦系数。柱体中开有两个直径不同的同轴空腔或两个横向贯通柱体的孔洞作为柱气门上的进、排气道。前者柱体的同轴进、排气道在柱面不同轴向位置处分别各开有二个(或一个或三个……)近似椭园形长孔作为柱面上的进、排气孔。二个以的同种气孔对称于柱轴设置。后者的横向贯通式气道在柱面上各有两个对称于柱轴分布的孔。具体结构是前一种同轴气道中，直径较小，长度较短并被另一轴向气道套在中间的是排气道，其排气中传给道壁的热量将被周围进气道中的冷气流带走，而获得绝热屏蔽，使废气热量不再加热柱气门的壁面，同时进气道中的气流将冷却所经之处的整个柱壁面，因而有效地降低了柱气门的工作温度。这样柱气门的两端可装用工作可靠、成本较低的普通滑动或滚针轴承，同时压力润滑轴承的机油也参与冷却作用。因此轴向设置于排气道外的进气道起到了在气门柱内轴向冷却通道的作用。后一种设有两个横向贯通气道的气门柱具有一轴向贯通整个柱长的园柱形空腔，该空腔用作独立的冷却通道，依靠外界的强制气(水)流或柱气门上装设的风扇(或泵)随气门柱转动的同时将冷却流体压进冷却通道来降低柱气门的工作温度。上述柱气门装在气缸盖的园柱形空腔中，园柱形空腔的中心线平行于曲轴，并偏离开气缸中心线，以留下安装火花塞的位置。在柱形空腔壁面与燃烧室之间开有两个在柱轴方向相邻的、截面近似椭园形的孔洞作为进、排气孔。两孔在柱形空腔表面上的形状，和几何尺寸相近于柱气门表面上对应的同种气孔。气门柱转动时，腔壁面的孔或与柱气门表面的孔(即气道)相通或被柱面遮盖，由此来实现进、排气门的启闭。对于有独立轴向冷却通道的气门，在柱形空腔壁面上还开有另外两个孔，作为通向外界进、排气管的气孔。这样柱形腔内共有二对孔。二对孔对称于轴线分布，每一对孔均沿轴线方向排列。为便于密封，实际的柱气门和空腔的表面是直径不同的几个园柱体的同轴组合体。相邻柱体的过渡环形面用作密封环的密封摩擦面。同时通向燃烧室的进、排气孔周围的空腔表面上各设置一道密封环，一般用具有自润滑性的，耐高温的工业陶瓷材料制成。
本实用新型具有下列优点(1)结构简单、紧凑、易于维修、保养。(2)可使用成本低廉的普通金属轴承。(3)可使缸盖与缸体一体化。(4)发动机的外部尺寸，特别是气缸的高度与缸盖的体积大大减少，对于摩托车的气冷发动机更为明显(5)工作平稳，减少了振动与噪声。(6)整机的制造成本明显降低。
以下结合附图对本实用新型的实施作进一步的描述。
图1是进气道21作为轴向冷却通道的柱气门的局部剖视图。
图2是与
图1中柱气门相配的柱形空腔53和端盖23的俯视方向剖视图。
图3是柱内设有独立轴向冷却通道46的柱气门局部剖视图。46中流过的冷却气(或水)流绕过气道21、18的外壁流过该处。B端内壁上的轴流风扇可作成可拆式，便于更换，对于水流，此处的轴流泵叶轮可与气门一起铸出。
图4是图3中气门柱对应的柱形空腔及气缸54上半部的剖视图。与进、排气孔55、50相通的外气道56、57连接进、排气管。
图5是安装到53中的独立轴向冷却通道柱气门在垂直于柱轴的一个剖面上的剖面图，此剖面位于进气孔26长轴向的中部，图中63、64是通向气孔密封环槽27和28底部的强制冷却风出入通道，它们主要目的冷却62、61。
图6、图7、图8、是槽27、28、40、41中密封环，槽侧壁U型截面密封环61和环形弹簧62的局部放大图。
由
图1、2、3、4和5可以看到，容纳柱气门1的柱形空腔53设置在燃烧室52顶部缸盖24上，壁面22和端盖23与缸盖材料相同，为合金铝或铸铁等材料制成。其中进、排气孔26、29所在的主体部分空腔44和43的长度主要取决于椭园形气孔26和29或柱面1上孔2和3沿柱轴向的尺寸即孔长度加上密封环槽27和28的宽度。主体部分44、43的直径由柱气门上进(或排)气孔数、曲轴转速、排气量等因素决定，对于双进(双排)气孔柱气门，其直径为缸径的0.65至0.9倍。柱形空腔53的中心线一般不与气缸中心线相交，两者应偏移一定距离，以留出火花塞孔25的位置。柱面上的进、排气孔相对位置由气门启、闭时间决定，对于双进(双排)柱气门气孔，进、排气孔间相对于柱轴的夹角约(40±5)度，其中气孔宽度对柱轴的夹角(20±2)度。本实用新型的柱气门1是靠柱内的气道中通过外界气流来降低气门的温度。为此，在不同的应用场合选取不同的办法。一种是
图1、图2的冷却方式，在柱气门1内设有直径相异的同轴气道18和21，排气道18被套在进气道21中央，两者在柱面上各有2个气孔2和3。外界混合气体由进气管30进入环形凹槽31，再穿过33侧面的孔洞45和柱面1的孔16流入21中，冷的混合气体将18的壁面19上吸收的排气热量和柱壁22表面的热吸收带走，从而降低气门温度。另一种如图3、4和5所示横穿柱轴线的进、排气道21和18的外壁47和48穿过轴向冷却通道46，这样46中的冷却气(水)流不仅带走22上的热量，同时冷却了进排气道21和18。进入46中的冷却气(水)流除外界强制供给外，由设在气门柱B端腔内的轴流风扇(泵)或A端49处加装普通离心风扇(泵)，当柱气内转动的同时，会带动其上的风扇(或泵)，将外界制冷气流(或水流)从51吸入46中。空腔53的壁面上开有对称于空腔中心线的两对气孔25、26和56、57，其中后一对进、排孔56和57的形状与26，29分别相似但在宽度上略大于后者。56、57的孔周围可不装密封环。
实际工作中，22和58之间的表面间并不直接接触，两者间留有一定间隙。柱1仅由气孔两端的装在59和39腔处的滑动或滚针轴承支承，其他的接触表面仅限于设在密封槽40、41和27、28中的密封环，轴向密封环42和轴向密封环36、34以及A端邻近卡簧槽13的油封。22和58表面之间的间隙由实际情况选定。对于常用中小排量的发动机径向和轴向的热机间隙通常要分别小于0.35mm和0.60mm。上述图中，37为轴承油孔，38是轴承卡簧环槽。18的外端从园孔35伸出，9、6、7、15、17是对轴向密封环的密封摩擦环面。柱1的驱动链(或皮带)轮装于轴11处，12是销槽，14是空腔，它与21之间由20隔开，8、10是轴承的工作面，4、5为加强条并防止27，28中的密封环在孔2、3经过时弹起。
固定式密封环42由金属环上喷涂工业陶瓷材料(如SiC，Si3N4等)的约0.2至0.5mm厚的薄层60组成，然后将环压入到腔内，也可以在腔内直接喷涂形成薄层密封环42。27、28、40、41内的密封环由热压工业陶瓷制成或在金属骨架上喷涂陶瓷层制成。33上的两道环面36、34是喷涂的陶瓷薄层。所有作用于1的轴向力，静止时主要由轴向密封环提供，其合力应对42提供足够的密封压力。端盖23与53之间的安装面上有精确的定位凹凸槽和密封垫。此外，为保证密封性，防止密封环与槽壁之间的空隙泄漏，除两者之间的配合间隙较小外、在环与下面弹性环之间设有一道由弹性较好的耐热薄金属片冲压成的截面呈U形的侧壁密封环，参图6、7、8，在上部密封环与下部弹性件62的共同作用下61的两侧翼将向槽侧壁张开，并紧贴在其上达到密封目的，U形的宽高之比约为2∶1。环槽40、41、27、28内弹性环应由耐热金属制成，对密封环的单位长压力不小于1.5kg/cm。对于水冷式发动机，A、B两端的风扇改用相应的水泵，他们可代替原来的水泵，因而无需再装设单独的水泵。对于转速较高的发动机，需要气门帘区较大时，气孔26、29可沿轴向向两侧加长(参图4)，使两孔占有的轴向尺度大于缸径10％以上。对于双进、排气孔的柱气门，其转速是由轴的1/4。
图中省去了机壳上的散热片或水套。
实施例1，对于排量70cc的四冲程发动机(如JC—70A，JC—70C等摩托车)，缸径为47cm，改用柱气门时有如下要求空腔53的中心线位于活塞顶28mm之上，中心线偏离气缸中心线8mm，火花塞孔中心线与气缸中心线间夹角的约45°，53的两个主腔44与43的直径分别为36mm与40mm，长度分别为30至33mm和24至27mm，39和59处的直径分别为32和37mm，长均为7mm。26、29长分别为23至25mm和16.5至20mm，宽度分别为6mm和6.6mm，两端园弧的曲率半径分别为3mm和3.3mm。27、29的槽宽为1.6至1.8mm，距孔边约为0.65至1.0mm，40、41的半径分别是32、36mm，断面宽2mm，深3.0mm，42厚约1.50mm截面宽约2mm，涂层60的宽度为1.6mm，36、34直径为31mm，25mm，33的长度与直径分别为11mm与36mm。气门柱上2、3所在柱面以及10、8的直径和轴向长度比空腔53相应部位的尺寸分别小0.05至0.6mm和0.15至0.6mm，5的宽度为1.2mm，18的内、外径分别为13mm、16.6mm，21最细处的外径为22.3mm，14的直径长度分别为28mm，18.5mm，11的长度为5mm，直径是22mm，孔16一般为4至6个，孔平均直径约6mm。安装时，先取下23，在27、27、40、41内装好密封环与39、59内的轴承，然后用专用工具压下27、28中的密封环，将气门柱体插53内，再装上23，地34旋入到位，即完成气门主体部分的安装。
实施例2，参图3、4、5与上例相比，增加了56、57(及55、50)，56、57的宽度比26、29增加了1—3mm46在A、B两端的直径分为15mm、24mm，47、48的厚度为2—3mm，33只有一端保留下36、35处封闭，并减少33的高度到约6.5mm，去掉的部分还包括18的轴向部分，20和16所在的柱形表面，并用椭园腔将两个孔2连通。21、18和46三者之间互不相通。其他部件尺寸和装配间隙同实施例1。上述两例中孔63、64的截面呈园形，其直径2至3mm。46内气流速度应大于1.5米/秒。两例中58的平均厚度为3mm左右(球墨铸铁材料)。
权利要求1.一种带轴向冷却通道的园柱形旋转气门，它包括一根设有进、排气道和轴向冷却通道的园柱体(1)，容纳(1)的柱形空腔(53)和空腔端盖(23)，气门柱面(58)上有进、排气孔(2)、(3)，(53)与燃烧室(52)之间开有孔洞(26)、(29)，空腔(53)的内表面上(26)、(29)周围的密封环以及轴向密封环，它们分别位于环槽(27)、(28)、(40)、(41)中，还包括轴向密封环(42)、(36)、(34)，其特征在于在缸盖顶部(24)上设有中心线与曲轴平行并与气缸(54)中心线偏移一定距离的园柱形空腔(53)，(53)内设有可绕自向轴线转动的一根园柱形气门(1)，(1)上设有进排气道(21)与(18)。
2.根据权利要求1所述的带轴向冷却通道的园柱形旋转气门，其特征在于沿柱形空腔(53)轴线方向排列于(52)与(53)之间的进、排气孔(26)、(29)的横截面包括空腔表面内的孔均呈椭园或近似椭园形，其长轴方向平行于柱腔中心线。
3.根据权利要求1所述的带轴向冷却通道的园柱形旋转气门，其特征在于在(53)内表面，孔(26)、(29)的周围设有与孔同形状的环槽(27)、(28)，槽内密封环的与此处的柱气门(1)表面的曲率相同。
4.根据权利要求1所述的带轴向冷却通道的园柱形旋转气门，其特征在于在环槽(27)、(28)、(40)、(41)内，密封环与下部弹性支撑环(62)之间设有一道截面呈U形的槽侧壁密款环(61)，它倒扣在顶部呈条状的(62)之上，在上部密封环与下部(62)的推压作用下，(61)具有三条密封线，其一是与上部密封环接触的截面U形的底部，其二是两侧与侧壁接触的两翼即U形截面的向上的两端。
5.根据权利要求1所述的带轴向冷却通道的园柱形旋转气门，其特征在于设置于缸盖上的单一园柱气门体(1)内开有同轴向冷却通道，并采用了两种设置方式一种是排气道(18)套放在进气道(21)中，(21)起冷却风道的作用，另一种是轴向贯通于整个柱气门的空腔(46)作为独立的冷却通道，并在(A)端(49)上直接装设离心式风扇(泵)或在(B)端内设置轴流风扇(泵)。
6.根据权利要求1所述的带轴向冷却通道园柱形旋转气门，其特征在于(53)中央部位的两个主腔(44)、(43)直径不同，相邻阶梯处安装了结构简单的固定式轴向密封环(42)。
7.根据权利要求3所述的进、排气孔密封环槽(27)、(28)，其特征在于(27)和(28)的槽底部与向其内输送冷却气流的通道(63)、(64)相通，(64)、(63)分别为进出通道。
专利摘要本实用新型公开了一种用于发动机的带轴向冷却通道的圆柱形旋转气门，其基本结构由一个内部开有轴向冷却腔同时设有进、排气道21和18的圆柱体1和容纳1的柱形空腔53组成。冷却腔由套在排气道18周围的进气道21构成或由轴向贯通气门柱1的空腔46构成。该系统不仅简化、缩小了气门机构和缸盖尺寸，并可采用一体化的缸体—缸盖和使用普通的金属轴承支撑气门柱。本实用新型可取代传统的菌形气门，尤其是单缸摩托车发动机的气门。
文档编号F01L7/10GK2232982SQ9521208
公开日1996年8月14日 申请日期1995年5月31日 优先权日1995年5月31日
发明者董伟, 王春荣 申请人:董玲