具体实施方式

参见图1，示出了根据一个实施例的内燃机，该内燃机包括具有气缸体14的发动机壳体12，气缸体14中形成有气缸16。内燃机10(下文中称为″发动机10″)可以是多种发动机中的任一种，包括压燃式柴油发动机、火花点火式汽油发动机、构造为使用在标准温度和压力下呈气态的燃料运行的气体燃料发动机、双燃料发动机或其他发动机。合适的气体燃料可以包括天然气、甲烷、填埋气、沼气、这些的共混物或其它。在双燃料或单燃料应用中的示例性液体燃料是柴油馏分燃料。发动机缸盖18联接到气缸体14，并且具有形成在其中的第一换气导管20和第二换气导管21。换气导管20和21中的每一个可以是构造成与进气歧管流体连接的进气导管或构造成与排气歧管连接的排气导管。因此，换气导管20和21中的每一个都可以包括进气导管、每一个都包括排气导管、或者可以是每一个为一种。

活塞32可在气缸16内在下止点位置和上止点位置之间移动，并以通常传统的方式通过连杆34联接到曲轴(未示出)。发动机10可以包括以任何合适的构型布置的任何数量的气缸，例如V形构型、直列构型或其它构型。发动机缸盖18可以包括与发动机10中的所有多个单独气缸相关联的整体式发动机缸盖，或者可以是多个单独的发动机缸盖部分中的一个，每个发动机缸盖部分与少于发动机10中的所有气缸相关联。发动机10还包括换气阀24，在所示实施例中示出了第二换气阀25，换气阀24包括阀头26，阀头26具有外阀面或燃烧面44以及内阀面或密封面46。发动机缸盖18与换气阀24和25一起形成发动机缸盖组件19。这里以单数形式讨论换气阀24，然而，应当理解，换气阀24的描述可以类似地应用于换气阀25和发动机10内的任何其它换气阀。换气阀24和25示出为相对于活塞32的往复运动方向大致垂直定向，然而，还应当理解，本文也考虑其它构型，例如对角定向的换气阀。换气阀24还包括连接到阀头26并通过阀横臂30联接到另一换气阀25的轴杆28，使得换气阀24和25可以一起在打开和关闭位置之间移动，例如响应于凸轮轴的旋转和摇臂、阀挺杆组件和/或其它设备的移动。复位弹簧36以通常传统的方式与换气阀24联接。发动机10还包括阀座插入件38，该阀座插入件38至少部分地定位在发动机缸盖18内并且具有围绕阀座中心轴线42周向延伸的阀座表面40。换气阀24可在关闭阀位置和打开阀位置之间移动，在关闭阀位置，内阀面46接触阀座表面40，气缸16被阻止与换气导管20流体连通。如从以下描述中可以更清楚的，阀座插入件38通过硬化材料和阀座几何形状来构造，以在发动机10的使用寿命或使用间隔的过程中减缓阀凹陷和其它与磨损相关的现象。

为此，现在还参考图2至图5，阀座插入件38可以由大致环形的单件式金属插入件本体50形成，该金属插入件本体50通过过盈配合维持在发动机缸盖18内。在顶端检修时，发动机缸盖18可从气缸体14上拆卸下来，而多个与阀座插入件38基本相同的阀座插入件可根据更换的需要从发动机缸盖18上拆卸下来。如上所述，已经观察到，在顶端检修时，常规的换气阀座和相关的换气阀可能已经经历了不期望的阀凹陷程度，意味着在到达关闭位置时，材料的变形和/或磨损会导致换气阀比期望的更远地移动到相应的阀座插入件中。过度的阀凹陷可能导致换气阀和整个发动机性能的降低。

阀座表面40具有抗阀凹陷轮廓，该轮廓被构造成减缓可能观察到的阀座凹陷，并且通常从而使得可以期望在发动机中的多个不同阀座插入件之间具有更高的可靠性和均匀性。在一些情况下，利用现有的设计，在多个阀座插入件中的单个阀座插入件中过度的阀座凹陷可能比其它可期望的情况需要更早的顶端检修。抗阀凹陷轮廓可以理解为图3至图5中的以截面所示的阀座表面40的轮廓。阀座表面40包括阀座中心轴线42，以及将结合本文讨论的其它实施例被类似地理解的抗阀凹陷轮廓。阀座表面40可以理解为复合物，因为它包括多个结构不同但功能上相互关联的部件，这与具有由阀体接触的单个座表面的阀座不同。还可以注意到，阀座中心轴线42在第一轴向端部表面52和插入件本体50的第二轴向端部表面54之间延伸，第一轴向端部表面52在使用中朝向并面对气缸16。插入件本体50还包括内周表面56和外周表面58。开口43由内周表面56形成在插入件本体50中并穿过插入件本体50，以流体地定位在发动机10中的气缸16和发动机缸盖18中的换气导管20之间。开口43可以理解为由内周表面56限定的最窄内径尺寸84形成。内周表面56具有在开口43和第二轴向端部表面54之间向外张开的非均匀内轮廓，即轴向地向外张开。外周表面58具有在第一轴向端部表面52和第二轴向端部表面54之间向内倾斜的非均匀外轮廓，并且使得形成用于使发动机冷却剂围绕阀座插入件38循环的冷却剂空腔48。根据本发明的阀座插入件也可以是″干的″，因此形成无冷却剂空腔。还应当认识到，除了从上下文中另外指出或显而易见的情况外，本文对任何一个实施例的特征或功能的描述应当通过类似方式理解为参考其它实施例。

阀座插入件38可以主要由基底材料57形成，诸如作为铸件形成的工具钢等性质的基底金属合金。阀座插入件38还可以包括相对于基底材料57硬化的材料，包括表面硬化材料61。表面硬化材料61通过冶金方式结合到基底材料57上并形成阀座表面40。第一轴向端部表面52和内周表面56中的每一个可以由基底材料57形成，并且表面硬化材料61可以形成从第一轴向端部表面52延伸到内周表面54的环形带。如图3所示，阀座表面40的行程长度63大于表面硬化材料61的厚度，包括最大厚度65。可以通过例如铸造插入件本体38，然后在铸件中加工凹槽，并用表面硬化材料61填充加工的凹槽，来制造阀座插入件38。用于施加表面硬化材料61的技术包括例如等离子转移焊接或激光焊接、诸如通过熔化表面硬化材料61的金属丝等的焊接，并允许熔化的表面硬化材料61在加工的凹槽内固化。表面硬化材料61可以包括多种不同的金属合金，并且在一个实际的实施例中，包括钴-钼合金，诸如以商品名T400商购的钴-钼合金。可以潜在地使用诸如感应硬化之类的其它技术来硬化形成插入件本体50的基底金属合金。行程长度63可以由阀座表面40的不同的外和内弯曲和线性轮廓段形成，如本文进一步讨论的。在一个实际实施例中，厚度65可以是约1.5毫米至约2.0毫米。

阀座插入件38(即插入件本体50)也可以包括在基底材料57和表面硬化材料61之间的焊接界面59，并且该焊接界面59具有弯曲形状的轮廓。弯曲的焊接界面59通常对应于为准备用于表面硬化的插入件本体50而形成的凹槽的形状，从第一轴向端部表面52径向地向内和轴向地向内净前进到内周表面54。同样，阀座表面40从第一轴向端部表面52径向地向内和轴向地向内净前进到内周表面54。因此可以注意到，基底材料57可以形成插入件本体50的轴向最外表面。除了表面硬化材料61之外，整个插入件本体50可以由基底材料57形成。

回到阀座表面40的几何形状，如本文进一步所述，抗阀凹陷轮廓由外弯曲段69、内弯曲段73以及内线性段71形成，外弯曲段69在阀头26与阀座插入件38的早期磨损状态或阶段形成与阀头26接触的第一冠部62，内弯曲段73在阀头26与阀座插入件38的后期磨损状态或阶段形成与阀头26接触的第二冠部64。外弯曲段69位于第一轴向端部表面52径向地向内，内线性段71邻近外弯曲段69和内弯曲段73中的每一个并与它们的每一个邻接，并且与它们的每一个融合。本文所用的术语″融合″或″过渡″应当理解为意指一个线性段或弯曲段的端点是邻接线性段或弯曲段的端点。外线性段67可在第一轴向端部表面52和外弯曲段69之间延伸。内线性段71由中间座表面66形成；在第一冠部62和第二冠部64之间延伸的线性轮廓。术语″早期″和″后期″在本文以相对于彼此的意义使用。因此，″早期″不一定意味着初始的或新的，″后期″不一定意味着用过的或旧的，然而，在一些情况下，此类描述可能是准确的。阀座插入件38还可包括邻近第二冠部64设置的倒角68。第二冠部64可以与倒角68融合，并且第一冠部62可以与外线性段67融合。

在一个实施例中，由具有第一尺寸的半径形成外弯曲段69，从而形成第一冠部62，由具有第二尺寸的半径形成内弯曲段73，从而形成第二冠部64，并且第一尺寸大于第二尺寸。本文所述的半径可以是单个半径或尺寸变化的多个邻接半径。本文公开的用于主体弯曲段和/或冠部的尺寸是指由形成外弯曲段69和内弯曲段73的弯曲物理结构限定的圆的半径。内线性段71的宽度以及中间座表面66的宽度可以大于第一轴向端部表面52的宽度。形成外弯曲段69的半径的尺寸以及由此形成的第一冠部62的尺寸可以是约6毫米或更小，并且在图2至图5的实施例中可以是约2毫米。形成第二冠部64的半径的尺寸可以是约0.4毫米至约3毫米，在图2至图7的实施例中可以是约1毫米。倒角68的尺寸可以是约2.2毫米。如本文所使用的，在上下文中，术语″约″可以理解为常规舍入到一致数量的有效数字。因此，″约2″是指1.5至2.4，″约2.0″是指1.95至2.04，依此类推。在术语″约″不与一个量或一个范围相关联地使用的情况下，则所表达的该量或范围旨在在制造公差内是精确的。

中间座表面66还被理解为相对于图5所示的平面76限定座角70，其定向为垂直于阀座中心轴线42。座角70可以小于20°，并且通常在19°和20°之间。中间座表面66具有在第一冠部62和第二冠部64之间的宽度74，该宽度74大于3毫米，并且通常在3毫米和4毫米之间。在一个实施例中，座角70是约19.6°，宽度74是约3.6毫米。阀座插入件38的磨合面接触宽度可以等于或略大于宽度74，并且可以在3毫米和6毫米之间，这是由于阀座表面40与内阀面46之间的初始完全面接触包括内阀面46与所有中间座表面66之间的接触加上与第一冠部62的一些接触。本文结合本发明的阀座插入件38和其它阀座插入件讨论的磨合面接触宽度是相关阀座表面的结构属性。开口43处的内径尺寸84可以是约42毫米。在第二轴向端部表面54处或其附近的外径尺寸86可以是约55毫米。插入件本体50在径向上可以比其在轴向上长得多。

现在还参见图6，阀座插入件38可能出现在阀头26和阀座插入件38的早期磨损状态或阶段。可以看出，内阀面46突出于中间座表面66，意味着内阀面46径向地向外和轴向地向外延伸超过中间座表面66与第一冠部62过渡的点。如本文所使用的，术语″轴向地向外″可以理解为是指远离与插入件本体50的整个轴向长度相对应的阀座中心轴线42的线段的中点，而″轴向地向内″是指朝向该中点的相反方向。″径向地向内″和″径向地向外″是通常常规使用的术语。内阀面46限定了相对于平面76的阀角78。座角70大于阀角78，使得第一冠部62在关闭位置处与内阀面46形成接触带88，近似如图6所示。起始面间隙80从接触带88径向地向内和轴向地向内延伸。接触带88将是环形的，并且当部件首次投入使用时，接触带88可以是或接近于线接触图案。因此，应当理解，外阀座面66和内阀面46可以彼此非常接近，但是除了当部件首次投入使用时第一冠部62接触突出的内阀面46的地方之外，在名义上不接触。从图6中所示的早期磨损结构开始，可发生部件的变形和磨损，使得接触图案改变，并且接触带88径向地向内和轴向地向内前进和扩大。

如上所述，座角70可以是约19.6°，阀角78可以是19.3°，因此可以将座角70和阀角78一起定义为干涉角82。干涉角82可以理解为当部件首次投入使用并且换气阀24关闭时，中间座表面66和内阀表面46之间的起始面间隙80形成的角度。还应当理解，在投入使用不久之后或甚至就在投入使用之时，阀头26与阀座插入件38接触可使阀头26变形，从而使中间座表面66和内阀面46之间的完全面接触沿完全面宽度74发生。当所述部件首次投入使用时，干涉角82可以是约0.35°，并最终可预期当部件磨合时降低到0°。

现在参见图7，示出了阀头26和阀座插入件38，因为它们可能在磨损后期或磨损状态下出现，其中可以发现阀头26已经开始凹陷进入阀座插入件38中。在图7所示的状态下，接触带88基本上延伸跨越整个外座面46，使得发生完全面接触，并且第二冠部64现在开始接触阀头26。从图7所示的状态开始，可以预计随着时间的推移进一步的阀凹陷，尽管其速度比在已知设计中观察到的速度慢。在根据某些已知设计成型的阀座插入件中，通常在阀座表面之间或邻近阀座表面设置相对尖锐的拐角。由于更大的挖入或切入内阀面的趋势，这种几何形状倾向于提供较小的阀凹陷阻力，而在本设计中，类似的接触可以被缓冲。某些已知设计的较大干涉角可能高达1°，也不会使阀头如同根据本发明的阀座插入件和换气阀那样容易地变形或磨损到与相应阀座插入件完全面接触的状态。最后，在已知的设计中，阀座表面的完全面宽度较小，在一些情况下比完全面宽度74小约20％，这通常将提供较小的表面积和接触长度来分配压力。

现在参见图8至图10，示出了另一种阀座插入件138，其被构造成减缓和影响由于与具有阀头126的换气阀124接触而导致的某些磨损模式的进展，与前述实施例相似，但有一定区别。阀座插入件138可以包括进气阀座插入件，虽然不限于此。换气阀124具有内阀面146。阀座插入件138包括阀座表面159，该阀座表面159被成形为限制阀凹陷，并且在轮廓上包括外线性段160、外弯曲段162、内线性段166和内弯曲段168，外弯曲段162邻接并融合外线性段160，内线性段166邻近、邻接并融合外弯曲段162，内弯曲段168邻近、邻接并融合内线性段166。内线性段166可以理解为由轮廓为直线形的中间座表面形成。外弯曲段162形成用于在早期磨损状态下接触换气阀124的第一冠部164，内弯曲段168在第一冠部164的径向地向内和轴向地向内形成第二冠部170，用于在后期磨损状态下接触换气阀124。

当阀座插入件138和换气阀124首次投入使用时，初始接触可能发生在内阀面146和第一冠部164之间的环形接触带处。当各个部件变形和磨损时，它们可以从早期磨损状态过渡到后期磨损状态然后过渡到更后期磨损状态，在早期磨损状态中，部件具有线接触，或接近线接触，在内阀面146和第一冠部164之间形成带，在后期磨损状态下，内阀面146基本上平行于第二冠部170和内线性段166的一部分并与之接触，在更后期磨损状态下，维持全表面接触，并与第二冠部170发生附加接触。

阀座插入件138和插入件本体140还包括基底材料157，以及以冶金方式结合到基底材料147上并形成阀座表面159的表面硬化材料161。弯曲焊接界面158由基底材料157和表面硬化材料161形成。阀座插入件138关于基底材料147和表面硬化材料161的其它结构以及设计和制造属性可以与前述实施例所讨论的那些基本相同。例如，可以注意到，弯曲焊接界面158和阀座表面159中的每一个都从第一轴向端部表面148径向地向内和轴向地向内净前进到内周表面152。表面硬化材料的最大厚度可以是约1.5毫米至约2.0毫米。

内周表面152在轮廓上还包括倾斜段171，该倾斜段171是线性的并且在形成第二冠部170的内弯曲段162和形成进入流冠部175的上弯曲段173之间延伸。上弯曲段173和因此进入流冠部175可以由尺寸为约1毫米至约3毫米的半径形成。倾斜段171可以围绕阀座中心轴线142周向延伸，并且相对于轴线142以文氏管角177定向，该文氏管角177可以是围绕阀座中心轴线142周向均匀的。在本文所考虑的各种实施例中，文氏管角177可以是约10°至约30°，并且在阀座插入件138中可以是约14°。倾斜段171可以进一步与上弯曲段173过渡，并且与形成第二流冠部187的下弯曲段185过渡。垂直段183平行于阀座中心轴线142定向，并且与下弯曲段185和内弯曲段168中的每一个过渡。垂直段183的行程长度可以是约1.5毫米。其它实施例可以仅包括类似于进入流冠部175的单个流冠部，具有在进入流冠部和第二流冠部之间延伸的大致类似的倾斜段，用于接触阀头并邻接或形成阀座表面的一部分。进入流冠部175和上弯曲段173(从相关的发动机缸盖)径向地向内伸出一段伸出距离181，该伸出距离181可以大于形成上弯曲段173和进入流冠部175的半径的尺寸。形成外弯曲段162的半径的尺寸以及因此形成第一冠部164的尺寸可以小于6毫米，并且在图8至图10的实施例中可以是约3毫米至约6毫米。形成内弯曲段168的半径的尺寸以及因此形成第二冠部170的尺寸可以是约0.4毫米至约3毫米。

在图8的图示中，还可以发现，内阀面146相对于垂直于阀座中心轴线142定向的平面172以阀角174定向。内线性段166相对于平面172以大于阀角174的座角176定向。内阀面146与内线性段166形成干涉角178，内阀面146与内线性段166之间形成间隙180。阀角174可与座角176相差约0.4°至约0.6°；座角176可以是约20°至约30°，并且座角176在一个实际实施例中可以是约20°。干涉角178可以是约0.37°。

现在还参见图9和图10，第二间隙190可形成于内阀面146和外弯曲段162之间，并从在大致如图所示的早期磨损状态下形成于内阀面146和第一冠部164之间的接触带径向地向外和轴向地向外延伸。第二间隙190的尺寸可以包括在内阀面146和阀座表面159的外弯曲段162之间的约0.1毫米的面向长度192。面对长度192可以理解为从接触带到阀头126的外边缘的距离。另一个角194可以形成在外线性段160和内线性段166之间，并且可以是约5°。边缘间隙距离在196处示出，并且表示在内阀面146的外边缘处到外弯曲段162的间隙距离，并且可以是约0.00056毫米。

图8中还示出了阀座插入件138的完全座宽度尺寸184或理论上的完全座宽度，与最初发生完全面接触时获得的磨合面接触宽度相比，其可以随着部件之间的磨损的进行而最终变得可用。在外弯曲段162和内弯曲段168之间的内线性段166的宽度大于3毫米，通常在3毫米和6毫米之间。磨合面接触宽度182可为约4毫米至约5毫米。图9中示出了第一轴向端部表面148的端部面宽度，该端部面宽度可以是约1毫米。外线性段160的线性段宽度在188处示出，并且可以是约0.5毫米。

现在转到图11，示出了根据另一个实施例的与换气阀224接触的阀座插入件238和插入件主体240的特征。阀座插入件238包括阀座表面259，该阀座表面259被成形为限制阀凹陷，并且在轮廓上包括邻近第一轴向端部表面(未编号)的外线性段260、以及邻近外线性段260并形成在早期磨损状态下与换气阀224接触的第一冠部264的外弯曲段262。阀座表面259还包括邻近外弯曲段262的内线性段166、以及邻近内线性段166并形成在后期磨损状态下与换气阀224接触的第二冠部270的内弯曲段268。图中在275处示出了进入流冠部。内阀面246相对于垂直于阀座中心轴线242的平面272以阀角274定向。内线性段266相对于平面272以大于阀角274的座角276定向，从而形成干涉角278。在换气阀224和内部线性段266之间形成间隙280。阀角274可以是约44.4°。座角276可以是约45°。干涉角278可以是约0.6°。如图12和图13所示，第二间隙290从内阀面246和第一冠部264之间的接触带径向地向外和轴向地向外延伸。

在可包括排气阀座插入件的阀座插入件238中，例如，完全座宽度尺寸284可以是约5.2毫米。形成外弯曲段262以及由此形成第一冠部264的半径的尺寸可以小于6毫米，并且可以是约3毫米至约6毫米。形成内弯曲段268以及由此形成第二冠部270的半径的尺寸可以是约0.4毫米至约3毫米。磨合面接触宽度282可以大于3毫米，并且在3毫米和6毫米之间，例如约4毫米至约5毫米。线性段宽度288可以是约0.3毫米，并且端部面宽度286可以是约1.88毫米。间隙面向长度292可以是约0.1毫米，边缘间隙296可以是约0.00052毫米。在外线性段260和内线性段266之间的角度294可以是约10°。阀座插入件还包括基底材料257，以及以冶金方式结合到基底材料257上并形成阀座表面259的表面硬化材料261。焊接界面158由基底材料257和表面硬化材料261形成。表面硬化材料261的特征和功能可以类似于结合前述实施例讨论的那些。

工业适用性

可以预期，根据本发明的发动机的操作随着时间的推移会导致换气阀和阀座插入件磨损，使得换气阀和阀座插入件从新的磨损状态或早期磨损状态过渡到后期磨损状态。在早期磨损状态下，部件之间的初始接触可以是线接触或接近线接触，随着时间的推移，材料逐渐磨损和/或变形，使得部件在后期磨损状态下呈现如本文所述的面接触。磨损和阀座凹陷将在部件的整个使用寿命中持续，但是基于使用表面硬化材料和本文公开的抗阀凹陷型材与某些已知设计相比，其速度减慢。

多年来工程师们已经试图发展用于降低换气阀和阀座/阀座插入件磨损的速率和/或方式的策略，挑战与发动机构造和操作特性的持续变化相混合，发动机构造和操作特性的持续变化可能使得针对一种应用而精细调节的设计不太适合甚至相同发动机的改进版本。沿着这些线，本文所考虑的阀座插入件的关于阀座和阀凹陷性能以及其它性能(诸如冷却的几何形状、气体流量及其它流量、以及阀座表面的材料性质)的几何形状可以理解为交叉耦合变量系统，其中修改阀座插入件几何形状的一个方面通常可能会以不可预测的方式影响阀座插入件几何形状的其它方面。

例如，给定任何一种阀座插入件设计，磨损性能可能理想地基于拨动(诸如阀座角、冠部尺寸或磨合面接触宽度)而改变，但是响应于此类改变，气流效能可能受到不利影响，或需要重新设计相关换气阀。又例如，在一些情况下，如果要维护阀座插入件或相关换气阀的阀座表面或其它结构的一般尺寸和/或形状，则试图设计改变半径尺寸或表面宽度可能需要补偿性地改变另一个半径的尺寸或另一个表面的宽度。此外，使用相对硬的材料(诸如本文所讨论的表面硬化材料)可以进一步使设计或研究选择复合，这是由于表面硬化材料可以以不同于使用常规基底金属合金所预期的方式与换气阀相互作用，例如，尤其是在诸如角度、冠部尺寸或其它因素变化的情况下。根据本发明，阀座插入件可在某些几何设计参数内形成，以提供适于抵抗阀凹陷的阀座表面轮廓，该阀座表面轮廓与硬化材料的使用相配合，以令使用寿命比已知系统延长至少几倍，以及在液冷或干式进气阀和排气阀应用中改善多个阀座插入件之间在使用中的磨损均匀性。

本说明书仅用于说明目的，而不应解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的完整和合理的范围和精神的情况下，可以对本发明的实施例进行各种修改。通过研究附图和所附权利要求，其它方面、特征和优点将变得明显。如本文所用，冠部词″一″和″某一″旨在包括一个或多个项，并且可与″一个或多个″互换使用。在仅想表达一项的情况下，使用术语″一个″或类似语言。此外，如在此所使用的，术语″具有″、″有″、″其具有″等旨在是开放式术语。此外，短语″基于″旨在表示″至少部分地基于″，除非另外明确说明。