旋转气门内燃发动机的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]此类旋转气门例如在申请人的共同未决申请N0.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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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冋题。
[0008]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】
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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