本领域涉及一种用于内燃机的进气门。
背景技术：
背景描述包括了有助于理解本发明的信息。并非承认本文提供的信息是现有技术或与当前要保护的发明相关，或者任何具体或隐含引用的公开内容是现有技术。
具有内燃机的车辆每年产生大量排放到地球大气层的温室气体。世界各国政府越来越关注我们社会的生态足迹以及努力提高环境保护法律及法规的门槛。已经做了大量的研究来提高现代内燃机的效率，以符合不断提高的环境法规。
多年来，对内燃机进气门进行了各种设计修改以提高内燃机效率。在2008年8月的发动机制造者(enginebuilder)杂志上发表的一篇名为“阀座的内部角：你需要紧跟潮流”(请参阅http://www.enginebuildermag.com/2008/08/the-inside-angle-on-valve-seats-what-you-need-to-know-to-go-with-the-flow/)，其介绍了joemondello在阀座设置多角度表面以改善进入燃烧室的空气流动的早期工作。由joemondello研发的多角度表面阀座的原理提供了现代进气门设计的基础。尽管增加不同角度的表面产生了一些改进，但通过新的进气门设计来提高燃烧效率仍是一个重大的挑战。部分原因在于存在数量庞大的可能改进组合(如角度比、进气门与阀座的表面面积比等)及数量庞大的内燃机动态因素(如温度、发动机转速、活塞数量、发动机尺寸等)。不幸的是，这些导致了进气门设计的停滞。仍需要改进进气门的设计。
因此，仍需要改进内燃机进气门的设计。
技术实现要素：
本发明主题提供了一种装置、系统及方法，其中内燃机的进气门包括具有平滑边的头部。具体的，头部包括与底部表面相对的顶部表面、自底部表面延伸的杆部。围绕顶部表面的边缘进行倒斜边或倒圆角是用来提供平滑的流动路径使得围绕该流动路径的空气燃料混合物更容易流动。另外，底部表面具有第一斜面及第二斜面，第一斜面及第二斜面之间设有弧形过渡面。从底部表面至顶部表面的弧形过渡面或边可利用康达效应，有将流体引向附近表面的趋势。由于空气燃料混合物流过弧形边缘有停滞在附近表面的趋势，导致了顶部表面的中心附近会形小的气穴。
本发明的主题进一步包括设置在头部的底部表面的若干螺旋槽。这些螺旋槽沿逆时针方向或顺时针方向径向环绕杆部。多个螺旋槽中的每一螺旋槽被多个螺旋叶片的一螺旋叶片分隔开。螺旋槽及螺旋叶片引导空气燃料混合物围绕头部以环形运动的方式做旋转或转动流动，因而可避免空气燃料混合物分离及减小形成在头部的顶部表面的气穴的尺寸。
螺旋槽及螺旋叶片的另一优点在于，增加了空气燃料混合物与进气门之间的接触面积，因而改善了空气燃料混合物与进气门之间的热交换。更具体地是，空气燃料混合物与进气门之间的接触面积增加，使得空气燃料混合物被更好的加热及进气门被更好的冷却。螺旋槽及螺旋叶片也增加了空气燃料混合物在的螺旋叶片的底面的流动路径(由于曲线路径长于直线路径)，因而为空气燃料混合物与进气门之间进行热交换提供了更多的时间。
螺旋叶片的再一优点在于，可作为空气散热片冷却器将进气门迅速冷却到较低的温度。另外，螺旋槽设计使得从进气门的头部可去除更多的材料，因而在不影响进气门的头部结构完整性的情况下减少了进气门的重量。重量减少改善了内燃机的工作效率及抗疲劳及蠕变性能(如更长的寿命及更低的维护成本。)
在其他方面，头部的底部表面可包括第一斜面及第二斜面。底部表面的不同角度及表面积，用于改善围绕头部和流入燃烧室的空气燃料混合物的流动。底部表面的不同角度及表面积，也与燃烧室的开口内的阀座的角度及表面相对应。
关于方法的一方面，本发明的主题包括改进现有进气门的方法。现有进气门具有头部，头部具有多角度的底部表面。例如，底部表面具有与第二斜面相连接的第一斜面，第二斜面与垂直面相连接，垂直面以直角与顶部表面相连接。改进现有进气门的方法包括步骤(i)对直角进行倒角或倒圆角；及(ii)在第一斜面切出若干螺旋槽。该方法还包括对自底部表面至顶部表面的所有过渡角及边进行倒圆角。以这种方式，利用康达效应改善了围绕进气门的头部的空气燃料混合物的流动。因而减小了头部的顶部表面附近的气穴及改善了燃烧效率。当内燃机的转速较低时，改进的进气门对于提高燃烧效率特别有用。
关于方法的另一方面，本发明的主题包括一种制造具有弧形或光滑边缘的头部的进气门的方法。制造方法包括准备模具，模具对应进气门的头部的模腔具有平滑或弧形角度变化和平滑或弧形边缘。另外，模具可以包括设置在底部表面的若干螺旋槽及螺旋叶片。制造方法还一步包括用模具制造进气门的步骤，如冲压、锻造或压铸。
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍，使得本发明主题的各目的、特征、方面及优点更加清楚，附图中相同的标号表示相同的元件。
附图说明
图1是现有进气门的俯视的立体图。
图2是图1中的进气门的侧视图。
图3是图1中的进气门的头部的放大的侧视图。
图4是改进的进气门的侧视图。
图5是图4中的改进的进气门的头部的放大的侧视图。
图6是具有顺时针方向螺旋槽的改进的进气门的俯视的立体图。
图7是图6所示的进气门的头部的俯视且放大的立体图。
图8是图6所示的进气门的头部的仰视且放大的立体图。
图9是图6所示的进气门的头部的放大的侧视图。
图10是具有逆时针方向螺旋槽的改进的进气门的俯视的立体图。
图11是图10所示的进气门的侧视图。
图12是图10所示的进气门的头部的放大的侧视图。
图13是三组进气门的俯视的立体图。
图14是安装于三缸燃烧室且具有图13中的三组进气门的发动机本体的头部的俯视的立体图。
图15是另外五组进气门的头部的俯视的立体图及平面图，其中头部设有螺旋槽。
具体实施方式
下面讨论提供了对本发明主题的示例实施例。虽然每一实施例代表一种创造性元件的组合，但本发明的主题应该是被认为是包括揭露元件的所有可能组合。因而，如果一个实施例包括元件a、元件b及元件c，另一个实施例包括元件b及元件d，即使未明确揭露，本发明的主题可以被认为包括元件abcd的其他组合。
图1示出了一种现有内燃机进气门100。进气门100具有杆部105及头部110。头部110具有远离杆部105的顶部表面115。头部110还包括朝向杆部105的底部表面120。图2是现有进气门100的侧视图。图3是头部110的局部放大的侧视图。如图3所示，底部表面120包括第一斜面121、第二斜面122及垂直面123。第一斜面121及第二斜面122用来与内燃机的阀座的斜面滑动配合。
第一斜面121以锐边(如陡边或角度突然变化的边)连接第二斜面122。另外，垂直面123以直角与顶部表面115相连接并形成锐边。空气燃料混合物沿气流130的方向围绕这些锐边流动时，空气燃料混合物有脱离进气门表面的趋势及在顶部表面115的中心附近的空间135形成气穴。内燃机每分钟转速越低时，气穴的尺寸越大；内燃机每分钟转速越高时，气穴的尺寸越小。这是由于经历的空气燃料混合物的喷射频率越高，较高转速下的气流的流体动力越大，有搅动燃烧室内的空气燃料混合物及将空气燃料混合物推入气穴的趋势。在较低转速下，较大的气穴会造成空气燃料混合物低效率的燃烧。在低转速下的低效率燃烧会产生更高的排放量及增加工作成本。
图4示出一种改进的进气门400。进气门400在诸多方面与进气门100相似，具有杆部405、头部410、底部表面420及顶部表面415。另外，底部表面420包括第一斜面421及第二斜面422，如图5所示。进气门400与进气门100的不同之处在于：从第一斜面421至第二斜面422的过渡面是弧形的(如平滑的或渐变的)，从第二斜面422至斜面边缘423的过渡面也是弧形的。进气门400与进气门100的不同之处还在于：顶部表面415与底部表面120之间不是以直角相连接，而是通过顶部表面415具有的斜面边缘423(如顶杯或顶面角)相连接。如箭头430所示，这些弧形表面使得空气燃料混合物因康达效应围绕头部410的周边的流动更容易。相较于进气门100的空间135形成的气穴(所有其他参数恒定的情况下)，斜面边缘423及弧形过渡面减小了顶部表面415附近的空间435的气穴的尺寸。
发明人已经注意到，当现有进气门100改进为包括如进气门400所示的斜面边缘或弧形过渡面/过渡边时，车辆排放测试结果有显著的改进。现有进气门的设计的微小改动而产生的效率提升的程度是意想不到的。下面的表1显示了克莱斯勒赛百灵(chryslersebring)2001(2.7升发动机，6气缸，每缸4门-2个排气门及2个进气门)的加利福尼亚车辆排放检测报告的排放数据。该款车的进气门与进气门400类似。
表1
可以看出，在40公里/小时(大约25英里/小时)时，碳氢化合物(hc)的排放量比限值好4倍以上，一氧化碳的百分比排放量比限值好16倍。怠速时，碳氢化合物(hc)的排放量比限值好12.5倍，一氧化碳的百分比排放量比限值好23倍。这些结果远远超出本领域技术人员的期望。由于在较低的转速时发动机不能很好地混合燃烧室内的空气混合燃料，怠速限制在40公里/小时以上。尽管存在这种已知的挑战，测试数据出乎意料地显示了怠速相较于40公里/小时的碳氢化合物(hc)排放的改善，还显示了怠速与40公里/小时的可比的一氧化碳百分比排放量(如0.03及0.2)。发明人推测出乎意料的怠速排放结果是由于低转速下的康达效应更明显(或低转速与高转速具有相同的效应)这一事实。
图6显示了一种改进的进气门600。进气门600具有杆部605、头部610、底部表面620及顶部表面615。如图7至9所示，除了底部表面620设有若干逆时针方向径向环绕底部表面620的中心的螺旋槽650外，进气门600与进气门400相似。具体的，每一螺旋槽650被若干螺旋突起(如叶片)600中的一个分隔开。螺旋槽650及螺旋突起600引导空气燃料混合物围绕头部610以环形运动的方式做旋转流动，有助于防止空气燃料混合物分离。
相较于现有进气门100，斜面边缘623、螺旋槽650以及光滑/弧形表面，有助于极大地提高燃料效率及减低排放。具体的，引导的环形气流有助于减小空间635内的气穴的尺寸，延长了空气燃料混合物流经进气门表面的时间，从而提高了空气燃料混合物的温度及冷却了进气门。在不影响结构完整性的情况下，螺旋槽减轻了进气门的重量。进气门温度的降低及重量的减轻(如减小往复上下运动时的惯性)有助于密封及延长空气燃料混合物附着杆部的时间及降低工作能耗。所有上述特征改善了内燃机的整体性能及减少了工作成本。
在替代实施例中，可以想到的是，螺旋槽650及螺旋突起600无需完美的螺旋形状或相同尺寸及距离，只要螺旋槽及螺旋突起的大小、尺寸及曲率足以引导环形或螺旋形的空气燃料混合物流动路径及改善空气燃料混合物与进气门之间的热交换即可。
下面的表2显示了克莱斯勒君王(chryslerconcorde)2000(2.7升发动机，6气缸，每缸4阀-2个排气阀及2个进气门)的加利福尼亚车辆排放检测报告的排放数据。该款车的进气门与进气门600类似。
表2
可以看出，40公里/小时(大约25英里/小时)时，现在的碳氢化合物(hc)的排放量比限值高9倍以上，一氧化碳的百分比排放量远远好于限值(如0.00的一氧化碳百分比的排放量)。怠速时，碳氢化合物(hc)的排放量比限值好25倍，一氧化碳百分比的排放量远远好于限值。此外，测试这款车时，发明人观察到25英里/小时的车速时扭矩显著提升且转速较低。对进气门微小改进产生的这些结果远远超出本领域技术人员的期望。发明人推测排放数据及性能的显著提升，特别是在较低转速下，是由于康达效应及空气燃料混合物与进气门之间的热交换的改善。
图11及12显示了一种改进的进气门1000。除了螺旋槽1050及螺旋突起1060是顺时针方向设置而非逆时针方向设置外，进气门1000与进气门600在各个方面都是相同的。对于每个气缸具有两个或两个以上的进气门的内燃机，相邻两个进气门具有不同方向(如顺时针及逆时针)的螺旋槽可以改善喷射进燃烧室的两组空气燃料混合物的混合。
图13显示了三组进气门1301、1302及1303。每一组进气门具有顺时针方向设置的螺旋槽(如1301a、1302a及1303a)的进气门及逆时针方向设置的螺旋槽(如1301b、1302b及1303b)的进气门。图14显示了安装于六缸内燃机的三燃烧室的三组进气门1301、1302及1303。(图14仅显示发动机本体1400的一侧。发动机本体1400的另一侧具有另外的三个气缸/燃烧室，未示出)。每一组进气门1301，1302，1303沿顺时针方向及逆时针方向引导空气燃料混合物，有助于注入每一燃烧室的两组空气燃料混合物的混合。空气燃料混合物混合程度的改善有助于减少排放及提高内燃机的性能。
图15显示了五个替代实施例1501-1505的俯视的立体图及平面图。实施例1501-1505的进气门的头部的底部平面具有不同结构的螺旋槽。不同的实施例说明了本发明主题可能的参数变化。例如，螺纹槽/叶片的数量、螺旋叶片之间的距离(相等或不相等)，螺纹槽/片的曲率(恒定曲率与非恒定曲率)、螺纹槽的深度或螺纹叶片的高度及螺旋槽的方向(顺时针及逆时针)，在不脱离本公开的发明原理的情况下，可以在各个实施例之间显著变化。
在其他方面，本发明的主题包括一种制造更有效率的进气门的方法。该方法可以包括通过倒圆角、倒角、倒斜边及其他使得现有进气门的头部的底部表面的锐边平滑的步骤来改进现有进气门。优选地，底部表面的所有锐边、底部表面与顶部表面之间的过渡面均被倒圆角或平滑化，以提供连续平滑的表面。以这种方式，平滑的边及平滑角度变化提供了利用康达效应的表面及改善了围绕进气门的头部的空气燃料混合物的流动。本发明构思的方法还可包括切削、机加工、铸造或其他在现有进气门的头部的底部表面产生螺旋槽的步骤，以减轻现有进气门的重量。
制造更有效率的进气门的方法还包括准备及/或提供具有平滑边及平滑角度变化的进气门的头部的模腔的模具。更具体的，模具中的头部的底部表面具有平滑且逐渐过渡到第二斜面的第一斜面。然后第二斜面可平滑且逐渐过渡至头部的顶部表面的斜面边缘。最后，从斜面边缘到顶部表面的过渡面具有平滑表面或弧形表面。模具也可以具有设置在头部的底部表面的一个或多个螺旋槽及螺旋叶片。模具可用于压力成型的冲压或锻造过程，通过压力将金属合金(或其他合适的材料)成型为具有弧形边缘或平滑过渡面的进气门。以这种方式，本文在此描述的发明主题提供的制造进气门的方法减少排放并减少了用来使内燃机工作的燃料成本。
除非上下文有明确地指出，具体实施方式及随后的整个权利要求中的“一”及“所述”包括多个指代。除非上下文有明确地指出，具体实施方式中的“在…中”包括“在…中”及“在…上”的情形。
除非上下文有明确地指出，本文的用语“耦合至…”意思包括直接耦合(其中两个相互耦合的元件相互接触)和间接耦合(其中至少一个附加的元件位于两个相互耦合的元件之间)。因此，用语“耦合至…”及“与…耦合”可同义使用。
因此，本文已经公开进气门的具体结构、设计及制造方法。然而，对本领域技术人员显而易见的是，不脱离本发明的构思的情况下，除了本文已经公开的内容外，还可以进行更多的修改。因此，在本公开的精神内，本发明主题不应该受到限制。而且，在解释本公开时，所有用语时应该以与上下文一致的最宽泛的方式来进行解释。具体地，用语“包括”应该被解释为以非排他性的方式提及的元件、部件或步骤，或表明所提及的元件、部件、方法可被提出、使用或与其他未被明确提及的元件、部件、方法的相结合。