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Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, dessen Grundkörper vorzugsweise mittels eines Sintervorganges hergestellt ist und welcher zumindest eine inhomogene Hohlraumanordnung aufweist, welche mit einem Füllwerkstoff ausfüllbar ist, der eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Grundkörper.
Es ist bekannt, Ventilsitzring oder deren Teile mit porösem Grundkörpern beispielsweise auf Eisenbasis durch Sintern herzustellen und nachträglich Kupfer in die Poren zu infiltrieren, um eine Verbesserung der Wärmeableitfähigkeit zu erreichen. Die US 4 424 953 A beschreibt beispielsweise einen Ventilsitzring, der aus einem oberen und einem unteren Ringteil besteht, wobei der obere Ringteil durch Sintern mit nachträglicher Infiltration mit Kupfer hergestellt ist.
Da allerdings die ursprüngliche Porosität des Grundkörpers des Ventilsitzringes isotrop ist, ist auch die Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen isotrop, sodass die Wärme sowohl in radialer Richtung, als auch in axialer Richtung des Ventilsitzringes gleich gut abgeführt wird. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die Ventilbrücken im Zylinderkopf zwischen den Ventilen thermisch hoch beansprucht werden.
Aus der DE 196 12 500 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumzylinderköpfen für Verbrennungsmotoren bekannt, welches vorsieht, dass Ventilsitzringe und Ventilführungen mit einem offenen Porenvolumen von 5 bis 15% aus einem Werkstoff auf Eisen- oder Kupferbasis durch Pressen und Sintern hergestellt werden. Die Ventilsitzring werden auf abgestufte Abschnitte eines Gieskernes aufgelegt, worauf flüssiges Aluminium in eine vorgewärmte Gussform eingegossen wird. Das flüssige Aluminium dringt in die Poren der temperierten Ventilsitzring ein und füllt diese aus. Dadurch wird eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit erzielt.
Es wird auch die Möglichkeit erwähnt, das Porenvolumen der Ventiltriebskomponenten gradiert einzustellen und Bereiche mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen, insbesondere den radial inneren Bereich des Ventilsitzringes, mit geringerem Porenvolumen auszuführen. Das Aluminiummaterial des Zylinderkopfes dringt dabei besonders gut in die radial äusseren Bereiche des Ventilsitzringes ein und bildet eine radiale Wärmebrücke zwischen Ventilsitzring und Zylinderkopf, wodurch die radial an den Ventilsitzring grenzenden Bereiche, insbesondere die Ventilbrücken zwischen zwei Ventile, thermisch stark belastet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und verbesserte Wärmeableitung von den Ventilsitzringen zu erreichen. Insbesondere sollen Be-
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reiche radial um die Ventilsitzringe, speziell die Ventilbrücken im Zylinderkopf zwischen zweier Ventile thermisch entlastet werden.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Ventilsitzring in einem in axialer Richtung an den Zylinderkopf grenzenden Stirnbereich eine höhere Wärmeableitfähigkeit aufweist, als in einem in radialer Richtung an den Zylinderkopf grenzenden äusseren Mantelbereich, wobei die Hohlraumanordnung im Hinblick auf die unterschiedlichen Wärmeableitfähigkeiten verteilt und ausgerichtet ist.
Dabei kann die Hohlraumanordnung in axialer Richtung im wesentlichen homogen ausgebildet sein. Um die Wärmeableitung in radialer Richtung zu vermindern, sollte die Hohlraumanordnung in radialer Richtung möglichst inhomogen ausgebildet sein. Dies wird etwa durch eine radiale, konzentrische, Strukturierung der Hohlraumanordnung im Grundkörper erreicht. Die Wärmeleitfähigkeit ist somit Abhängig vom Abstand zur Achse des Ventilsitzringes.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hohlraumanordnung zumindest zwei beispielsweise etwa ringförmige Bereiche mit unterschiedlichem Hohlraumvolumen aufweist. Zwischen den Bereichen kann sich das Hohlraumvolumen stetig oder unstetig ändern. Alternativ dazu kann die Hohlraumanordnung auch nur in einem, vorzugsweise ringförmigen, Bereich des Ventilsitzringes angeordnet sein.
Um auf möglichst einfache Weise eine gerichtete axiale Wärmeableitung zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Grundkörper eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das Füllmaterial. Um dies zu erfüllen, weist das Füllmaterial beispielsweise Kupfer auf oder besteht sogar aus reinem Kupfer. Das Grundsinterkörper kann auf Eisenbasis hergestellt sein.
Wird ein gut wärmeleitender Stoff als Füllmaterial verwendet, so ist eine bessere axiale Wärmeableitung erzielbar, wenn der Anteil des Hohlraumvolumens pro Grundkörpervolumen im an den Zylinderkopf grenzenden Stirnbereich höher ist, als im äusseren Mantelbereich. Eine besonders gute Wärmeableitung in axialer Richtung wird erreicht, wenn der Anteil des Hohlraumvolumens pro Grundkörpervolumen im äusseren Mantelbereich niedriger ist, als in einem inneren, eine Ven- tilsitzfläche aufweisenden Mantelbereich. Um die Wärmeableitung in radialer Richtung möglichst gering zu halten, sollte der Anteil des Hohlraumvolumens pro Grundkörpervolumen im äusseren Mantelbereich am geringsten sein.
Die Hohlräume der Hohlraumanordnung können beispielweise durch während des Sintervorganges erzeugte offene Poren gebildet sein. In diesem Fall wird eine gerichtete Wärmeableitung in axialer Richtung durch zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlicher Porosität erzielt.
Wenn als Füllmaterial ein gut wärmeleitender Stoff verwendet wird, nimmt dabei die Porosität beispielsweise in radialer Richtung nach aussen ab. Durch die Bereiche mit unterschiedlicher Porosität wird erreicht, dass der infiltrierte Füllstoff ü-
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berwiegend in den Bereich mit hoher Porosität eindringt. Die Wärmeleitung erfolgt somit hauptsächlich durch Bereiche mit hoher Porosität.
Um eine gezielte Wärmeleitung in axialer Richtung zu ermöglichen, ist weiters vorgesehen, dass die Bereiche mit unterschiedlicher Porosität ringförmig und konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Bereiche mit unterschiedlicher Porosität durch vorzugsweise zwei separate und aneinander grenzende Teilring gebildet sind. Der Grundkörper besteht somit im wesentlichen aus einem inneren und einem äusseren Teilring, wobei die beiden Teilringe ineinander gesteckt sind.
Der innere Teilring dient dabei als Wärmeableiter an den Zylinderkopf, der äussere Teilring fungiert als thermischer Isolator.
Der Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer, wird auf den Grundkörper gelegt und zusammen mit diesem erhitzt. Der Werkstoff schmilzt und fliesst bevorzugt in den eine höhere Porosität aufweisenden inneren Teilring.
Auch die feste Verbindung beider Teilring miteinander erfolgt durch den verschmolzenen Füllstoff durch die solcher Art ausgebildete Lötverbindung.
Die Grenzfläche zwischen den beiden Teilringen kann gemäss einer einfachen Ausführungsvariante als zylindrische Mantelfläche ausgebildet sein. Um die Wärmetransportleistung in axialer Richtung zu erhöhen ist es aber vorteilhaft, wenn die Grenzfläche zwischen den Teilringen als kegelige Mantelfläche ausgeführt ist, wobei die Erzeugenden der kegeligen Mantelfläche sich auf der dem Zylinderkopf abgewandten Stirnseite des Ventilsitzringes schneiden.
Alternativ oder zusätzlich zu den offenen Poren kann vorgesehen sein, dass die Hohlraumanordnung zumindest einen durch eine zum an den Zylinderkopf grenzenden Stirnbereich offene Ausnehmung gebildeten Hohlraum aufweist. Die Ausnehmung erstreckt sich dabei bevorzugt in der gewünschten Wärmeableitrichtung, also im wesentlichen in Richtung der Achse des Ventilsitzringes.
Die Ausnehmung kann als Sackloch ausgeführt sein. Sie kann in den Grundkörper gebohrt oder während der Verdichtung durch ein Presswerkzeug eingedrückt werden.
Die Ausnehmung kann aber auch durch eine vorzugsweise ringförmige, etwa durch einen kreisförmigen Einstich erzeugte, Nut gebildet sein.
Um eine Verbesserung der Wärmetransportleistung in axialer Richtung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt der Ausnehmung in Richtung des an den Zylinderkopf grenzenden Stirnbereiches konisch erweitert.
Um die axiale Wärmeableitung spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse einzustellen, können mehrere Ausnehmungen vorzugsweise kreisringförmig im Grundkörper angeordnet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante
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der Erfindung ist bei mehreren Ventilen pro Zylinder vorgesehen, dass im Bereich der Ventilbrücke die Ausnehmungen in gehäufter Anzahl angeordnet sind und/oder dass im Bereich der Ventilbrücke zumindest eine Ausnehmung einen grösseren Querschnitt aufweist, als ausserhalb des Bereiches der Ventilbrücke. Auf diese Weise ist eine besonders gute thermische Entlastung der jeweiligen Ventilbrücke erzielbar.
Daraus ergibt sich eine Reduktion des Temperaturniveaus und des Temperaturgradienten im Brückenbereich zwischen den Ventilen an der Grenzfläche Zylinderkopf-Brennraum.
Ist der Grundkörper mit inhomogener Porosität ausgeführt, so wird die Anordnung bevorzugt im Bereich mit höherer Porosität angeordnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen erfindungsgemässen Ventilsitzring in einer Draufsicht in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 diesen Ventilsitzring in einem Schnitt gemäss der Linie II - II in Fig. 1, Fig. 2a das Detail IIa aus Fig. 2, Fig. 3 einen Ventilsitzring in einer Draufsicht in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 4 diesen Ventilsitzring in einem Schnitt gemäss der Linie IV - IV in Fig. 3, Fig 5 einen Ventilsitzring gemäss der Erfindung in einer Draufsicht in einer dritten Ausführungsvariante, Fig. 6 diesen Ventilsitzring in einem Schnitt gemäss der Linie VI - VI in Fig. V, Fig 7 einen Ventilsitzring in einer Draufsicht in einer vierten Ausführungsvariante, Fig. 8 diesen Ventilsitzring in einem Schnitt gemäss der Linie VIII - VIII in Fig.
VII, Fig 9 einen weiteren Ventilsitzring gemäss der Erfindung in einer Draufsicht in einer fünften Ausführungsvariante und Fig. 10 diesen Ventilsitzring in einem Schnitt gemäss der Linie IX - IX in Fig. X, Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in den Fig. 1, 2 und 2a bzw. 3 und 4 gezeigten Ventilsitzring 1 weisen jeweils einen durch Pressen und Sintern hergestellten Grundkörper 2 auf, welcher aus einem inneren Teilring 3 und einem äusseren Teilring 4 besteht. Der Grundkörper 2 besitzt eine Hohlraumanordnung 8, wobei die Hohlräume durch im Sintervorgang erzeugte offene Poren 9 gebildet werden. Der innere Teilring 3 hat dabei ein offenes, relativ grosses Porenvolumen, der äussere Teilring 4 dagegen ist von hoher Dichte und enthält nur vernachlässigbar wenige offene Poren.
In der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführung ist die Grenzfläche 5 zwischen dem inneren Teilring 3 und dem äusseren Teilring 4 als zylindrische Mantelfläche ausgebildet. In dem in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dagegen ist die Grenzfläche 5 zwischen dem inneren Teilring 3 und dem äusseren Teilring 4 als sich in Richtung des Gaswechselkanales öffnende bzw. sich in Richtung des Brennraumes schliessende kegelige Mantelfläche ausgeführt.
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Die beiden Teilring 3 und 4 sind konzentrisch ineinander gesteckt. Sodann wird ein Füllmaterial mit höherer Wärmeleitfähigkeit als der Grundkörper 2, beispielsweise Kupfer, in den Ventilsitzring 1 infiltriert, sodass der Werkstoff das Volumen der offenen Poren 9 ausfüllt. Durch die Infiltration des Werkstoffes mit guter Wärmeleitfähigkeit wird somit die Wärmeleitfähigkeit des inneren Teilringes 3 verbessert. Gleichzeitig werden der innere Teilring 3 und der äussere Teilring 4 durch die Infiltration miteinander verbunden (Lötverbindung). Durch die relativ hohe Dichte des äusseren Teilringes 4 wird dessen Wärmeleitfähigkeit durch den Infiltrationsprozess nicht beeinflusst.
Der äussere Mantelbereich 1b weist damit eine niedrigere Wärmeableitfähigkeit auf, als der an den Zylinderkopf 7 grenzende Stirnbereich la, bzw. als der innere Mantelbereich lc, in welchem die Ventilsitzfläche 10 für ein nicht weiter dargestelltes Gaswechselventil angeordnet ist. Der äussere Teilring 4 wirkt somit als Isolator zwischen dem inneren Teilring 3 und dem den Ventilsitzring 1 radial umgebenden Ventilbrücken 7a zwischen den Ventilen im Zylinderkopf 7. Da der innere Teilring 3 in Richtung der Achse 6 des Ventilsitzringes 1 im Stirnbereich la direkt an den Zylinderkopf 7 grenzt, erfolgt die Wärmeableitung somit überwiegend in axialer Richtung. Die Ventilbrücken 7a zwischen den Ventilen werden somit wesentlich thermisch entlastet.
Durch die in der Ausführungsvariante gemäss den Figuren 3 und 4 als kegelige Mantelfläche ausgebildete Grenzfläche 5 zwischen dem inneren Teilring 3 und dem äussere Teilring 4 wird erreicht, dass eine grössere wärmeableitende Kontaktfläche des inneren Teilringes 3 zum Zylinderkopf 7 zur Verfügung steht. Die Erzeugenden Sa der kegeligen Mantelfläche schneiden sich dabei auf der dem Zylinderkopf 7 abgewandten Stirnseite des Ventilsitzringes 1. Durch diese Massnahme kann die Wärmeableitung zusätzlich verbessert werden.
Die Fig. 5 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele von Ventilsitzringen 11, welche jeweils aus einem Grundkörper 12 bestehen. In den Grundkörper 12, der in bekannter Weise durch Pressen und Sintern hergestellt sein kann, ist eine Hohlraumanordnung 18 eingeformt, welche zumindest einen durch eine Ausnehmung 19 gebildeten Hohlraum aufweist, welcher zum an den Zylinderkopf 17 grenzenden Stirnbereich lla offen ist. Die Ausnehmung 19 wird mit einem sehr gut leit- fähigem Füllmaterial, beispielsweise Kupfer, ausgefüllt. Dadurch wird in Richtung der Achse 16 des Ventilsitzringes 11 eine bessere Wärmeleitfähigkeit erreicht, als in radialer Richtung. Die Wärme wird somit in erster Linie über den Stirnbereich lla in den Zylinderkopf 17 geleitet.
Der Mantelbereich llb, der eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als der innere Mantelbereich llc bzw. der Stirnbereich lla hat, wirkt dagegen wärmeisolierend.
Jede Ausnehmung 19 kann als Sackloch 19a ausgeführt sein, welches gebohrt oder während des Verdichtungsvorganges durch ein entsprechenden Presswerkzeug von der Seite des Stirnbereiches lla in den Grundkörper 12 eingedrückt
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wird. Die Sacklöcher 19a können dabei auch eine von einer kreiszylindrischen oder kegeligen Form abweichende Gestalt haben. Bevorzugt wird eine Vielzahl an Ausnehmungen 19 kreisringförmig am Grundkörper 12 angeordnet. Um insbesondere die Ventilbrücken 17a thermisch zu entlasten, können die Ausnehmungen im Bereich einer Ventilbrücke 17a in gehäufter Zahl angeordnet sein, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt ist.
Eine Entlastung der Ventilbrücken 17a kann auch erreicht werden, wenn die Ausnehmungen 9 im Bereich der jeweiligen Ventilbrücke 17a mit grösserem Querschnitt ausgeführt werden, sodass die resultierende Wärmeleitung erhöht wird.
Die Ausnehmung 19 kann aber auch durch eine ringförmige Nut 19b gebildet sein, wie im in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Die kreisrunde Nut 19b kann durch einen Einstich hergestellt werden.
Eine weitere Verbesserung der Wärmetransportleistung in axialer Richtung kann erreicht werden, wenn sich die Ausnehmung 19 zum Stirnbereich lla hin konisch erweitert. Die Fig. 9 und 10 zeigen so ein Beispiel, bei dem sich die als Nut 19b ausgebildete Ausnehmung 19 in Richtung des Stirnbereiches lla erweitert. Die wärmeableitende Grenzfläche des Stirnbereiches lla zum Zylinderkopf 7 kann somit im wesentlichen aus reinem Kupfer bestehen.
Analog dazu können auch Ausnehmungen 19, welche als Sacklöcher 19b ausgebildet sind, konisch in Richtung Stirnbereich lla öffnend ausgeführt sein.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Hohlräume der Hohlraumanordnung 8, 18 teilweise durch Poren 9, und teilweise durch Ausnehmungen 19 zu bilden.
Der Grundkörper 12 kann auch in den Ausführungsvarianten gemäss Fig. 5 bis 10 zweiteilig mit zwei separaten Teilringen 3,4 ausgebildet sein, wobei die Ausnehmungen 19 vorteilhafterweise im inneren Teilring 3 angeordnet werden. Dadurch lässt sich eine besonders gute axiale Wärmeableitung aus dem Ventilsitzring 1, 11 erreichen.