AT404390B

AT404390B - Brennkraftmaschine mit einem abschnittsweise gekühlten ventilsitzring

Info

Publication number: AT404390B
Application number: AT190492A
Authority: AT
Inventors: Erich Ing Herzog; Wolfgang Ing Kling
Original assignee: Avl Verbrennungskraft Messtech
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1998-11-25
Also published as: DE4328904C2; ATA190492A; DE4328904A1

Description

AT 404 390 B

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem abschnittsweise gekühlten Ventilsitzring pro Auslaßventil, mit einem außen in den mittleren Bereich des Ventilsitzringes eingearbeiteten, umlaufenden Kühlkanal, welcher durch den Zylinderkopf begrenzt ist, wobei der Ventilsitzring im Bereich seines Befestigungsteiles einen Hinterstich aufweist, und wobei konzentrisch zum Ventilsitzring ein den Strömungsquerschnitt des Kühlkanales verkleinernder, mit seinem dem Ventilsitz zugewandten Rand am mittleren Bereich des Ventilsitzringes sitzender Füllring vorgesehen ist.

Bei Brennkraftmaschinen, die zur katalytischen Nachbehandlung der Verbrennungsgase bei einer Luftüberschußzahl X = 1 betrieben werden, treten insbesondere bei Vollast sehr hohe Brenngastemperaturen zwischen 600* und 1000* C auf. Durch die hohen thermischen Belastungen ist eine Kühlung der Ventilsitze bzw. der Ventilsitzringe notwendig.

Auch bei mit Schweröl betriebenen Dieselmotoren treten durch die langsame Verbrennung hohe Abgastemperaturen und somit eine große thermische Belastung der entsprechenden Bauteile auf. Eine Kühlung des ganzen Ventilsitzringes ist aber unerwünscht da die Gefahr besteht, daß sich am mehr oder weniger zylindrischen Teil des Ventilsitzringes bei zu starker Kühlung desselben Wasserdampf und Schwefeldioxid aus den Verbrennungsgasen niederschlagen und schwefelige Säure bilden. Die Kühlung sollte daher gezielt in den hoch beanspruchten Abschnitten des Ventilsitzringes erfolgen.

Aus der DE 27 13 510 A ist eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der ein Ventilsitzring mit einem füllringartigen Teil umgeben wird, welcher zusammen mit dem Ventilsitzring einen wärmeisolierenden Hohlraum einschließt. Dieser Füllring hat unter anderem die Aufgabe, die Dichtfunktion gegenüber dem Zylinderkopf zu übernehmen, wodurch die fertigungsgenaue Herstellung dieses Teiles entsprechend aufwendig ist.

Weiters ist aus der DE 27 13 510 A eine andere Ausführungsvariante bekannt, bei der die Ventilsitzringe von Brennkraftmaschinen abschnittsweise gekühlt werden und die Ventilsitzringe im zylindrischen Bereich doppelwandig ausgeführt sind, wobei ein zwischen den Wänden vorgesehener Spalt wärmeisolierend wirkt, sodaß eine zu starke Abkühlung der Innenwand des Ventilsitzringes durch den den Ventilsitzring umgebenden Kühlkanal verhindert wird. Diese technologisch sehr aufwendige Konstruktion stellt jedoch hohe Anforderungen an die Hersteller.

Die Kühlung des Ventilsitzringes wird üblicherweise durch einen vom Kühlwasser mit ausreichend hoher Geschwindigkeit durchströmten Kühlkanal zwischen Ventilsitzring und Zylinderkopf durchgeführt. Dieser Kühlkanal wird am einfachsten durch maschinelle Aushöhlung des Ventilsitzringes erzeugt. Um mit dem Kühlwasser möglichst nahe an den Ventilsitz, also die Kontaktfläche zwischen Ventilsitzring und Hubventil, zu gelangen, ist ein Hinterstechen des Befestigungsteiles des Sitzringes erforderlich. Durch den dazu notwendigen Freigang für das Bearbeitungswerkzeug wird der Strömungsquerschnitt des Kühlkanales größer als es zum Erreichen der gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten notwendig wäre. Dies hat zur Folge, daß einerseits die Wärme aus den thermisch hoch beanspruchten Bereichen des Ventilsitzringes unzureichend abgeleitet wird und entstehende Dampfblasen nicht weggespült werden. Andererseits werden die thermisch weniger beanspruchten Abschnitte im zylindrischen Bereich des Ventilsitzringes zu stark abgekühlt, was zur Kondensation der Verbrennungsgase führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, und eine sehr einfach herzustellende Einrichtung zur abschnittweisen Kühlung des Ventilsitzringes vorzuschlagen, mit welcher die Kühlung in den thermisch hoch beanspruchten Bereichen verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der auch mit seinem dem Ventilsitz abgewandten Rand am mittleren Bereich des Ventilsitzringes sitzende Füllring gegenüber dem Zylinderkopf freigestellt ist.

Die Fertigung des Kühlkanales kann auf herkömmliche Weise durch Hinterstechen des Befestigungsteiles des Ventilsitzinges erfolgen. Danach wird der Füllring in den Kühlkanal eingesetzt. Durch die Verkleinerung des Strömungsquerschnittes wird eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erreicht. Fallweise entstehende und die Wärmeabfuhr behindernde Dampfblasen werden sofort weggespült.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Füllring aus zwei Teilen, beispielsweise durch Schweißen, fest zusammengefügt ist. Dies ermöglicht eine sehr rasche und einfache Herstellung und Montage des Füllringes.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß der Füllring an seinen stirnseitigen Randbereichen zylindrische Flansche aufweist, welche über kegel- oder kreisringförmige Stege mit dem zylinderfömigen Gurt verbunden sind. Der Füllring wird an den Flanschflächen, beispielsweise durch Punktschweißung, am Ventilsitzring befestigt.

Zur Entfernung eventueller Dampfblasen aus dem Füllraum zwischen Füllring und Ventilsitzring kann vorgesehen sein, daß die Stege Bohrungen aufweisen. Die Entfernung von auftretenden Dampfblasen kann 2

Claims

ΑΤ 404 390 Β auch dadurch erreicht werden, daß die Flansche, vorzugsweise bis in den angrenzenden Steg hineinreichende, Ausnehmungen aufweisen. Anstelle von Bohrungen im Steg oder Ausnehmungen im Flansch kann auch in einer herstellungsmäßig sehr einfachen Ausführung vorgesehen sein, daß die Flansche radial nach außen verformte Ausbuchtungen aufweisen. Während auftretende Dampfblasen durch die Öffnungen im oberen Flansch entweichen, kann durch die Öffnungen im unteren Flansch das Kühlmedium zufließen. ln einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Füllring im Bereich der Flansche flüssigkeitsdicht mit dem Ventilsitzring verschweißt ist. Der zwischen Stegen, Gurt und Ventilsitzring ausgebiidete Füllraum isoliert dabei den mittleren, vorzugsweise zylindrischen, Bereich des Ventilsitzringes, sodaß die Kondensation der Abgase am Ventilsitzring vermieden wird. Der Füllraum kann mit Luft oder einem anderen Isolierstoff gefüllt sein. Vorzugsweise besteht der Füllring aus einem dünnwandigen metallischen Werkstoff. Dies ermöglicht eine sehr unproblematische und einfache Fertigung des Füllringes und eine sichere Fixierung am Ventilsitzring, beispielsweise durch Schweißnähte. Durch die sehr leichte Ausführung des Füllringes wird eine zu starke Belastung der Schweißnähte durch Trägheitskräfte als Folge der Vibrationen des Motors vermieden. Zur Verhinderung einer Verminderung der vorteilhaften Wirkung des Füllringes mit der Betriebsdauer, z.B. durch Korrosion, ist vorgesehen, daß der Füllring aus nichtrostendem Stahl besteht. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert: Es eigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf im Bereich eines Auslaßventiles nach der Linie l-l in Fig. 2 mit teilweise aufgeschnittenem Ventilsitzring, Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Ventilsitzringes nach der Linie ll-ll in Fig. 1, die Figuren 3 bis 5 verschiedene Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Füllringes. In Fig. 1 ist ein Ventilsitzring 2 in einem Zylinderkopf 1 dargestellt. Der Ventilsitzring 2 weist einen Befestigungsteil 2a, einen das Auslaßventil 10 aufnehmenden Ventilsitz 2b und einen mittleren Bereich 2c auf. In den Ventilsitzring 2 ist ein Kühlkanal 3 eingearbeitet, wobei im Befestigungsteil 2a ein Hinterstich 4 ausgeführt ist. Der Kühlkanal 3 besitzt eine Strömungsverbindung zur Einlaßöffnung 5a und zur Auslaßöffnung 5b des Kühlmediums. Im Kühlkanal 3 ist der erfindungsgemaße Füllring 6 vorgesehen, der zusammen mit dem mittleren Bereich 2c des Ventilsitzringes 2 einen Füllraum 12 einschließt, wodurch der nutzbare Strömungsquerschnitt des Kühlkanales 3 deutlich vermindert wird. Die Pfeile 5 deuten die Strömungswege des Kühlmediums von der Eintrittsöffnung 5a in den Kühlkanal 3, sowie vom Kühlkanal 3 zur Austrittsöffnung 5b an. Ventilsitzring 2, Füllring 6 und Auslaßventil 10 sind konzentrisch um die geometrische Längsachse 11 angeordnet. Mit 14 ist ein Dichtring des Ventilsitzringes gekennzeichnet. Wie in Fig. 2 ersichtlich sind die beiden Teile 6' und 6" des Füllringes 6 an den Fügestellen 13 zusammnengeschweißt. Der Füllring 6 besteht - wie in Fig. 3 gezeigt - aus Flanschen 6a, Stegen 6b und einem Gurt 6c. Damit im mit dem Kühlmedium gefüllten Füllraum 12 auftretende Dampfblasen leicht entweichen können, sind sowohl im unteren, als auch im oberen Steg 6b entlang dem Umfang Bohrungen 7 vorgesehen. Statt der Bohrungen 7 können auch Ausnehmungen 8 in den Flanschen 6a, welche bis in die Stege 6b reichen, vorgesehen sein, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Fig. 5 Zeigt eine Ausführungsvariante, bei der die Flansche 6a in radialer Richtung nach außen verformte Ausbuchtungen 9 aufweisen, welche ebenso zur Abfuhr der Dampfblasen dienen. Patentansprüche 1. Brennkraftmaschine mit einem abschnittsweise gekühlten Ventilsitzring pro Auslaßventil, mit einem außen in den mittleren Bereich des Ventilsitzringes eingearbeiteten, umlaufenden Kühlkanal, welcher durch den Zylinderkopf begrenzt ist, wobei der Ventilsitzring im Bereich seines Befestigungsteiles einen Hinterstich aufweist, und wobei konzentrisch zum Ventilsitzring ein den Strömungsquerschnitt des Kühlkanales verkleinernder, mit seinem dem Ventilsitz zugewandten Rand am mittleren Bereich des Ventilsitzringes sitzender Füllring vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der auch mit seinem dem Ventilsitz (2b) abgewandten Rand am mittleren Bereich (2c) des Ventilsitzringes (2) sitzende Füllring (6) gegenüber dem Zylinderkopf (1) freigestellt ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllring (6) aus zwei Teilen (6’, 6”), beispielsweise durch Schweißen, fest zusammengefügt ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllring (6) an seinen stimseitigen Randbereichen zylindrische Flansche (6a) aufweist, welche über kegel- oder kreisringförmige Stege (6b) mit einem zylinderförmigen Gurt (6c) verbunden sind. 3 AT 404 390 B
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (6b) Bohrungen (7) aufweisen.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (6a), vorzugsweise bis in den angrenzenden Steg (6b) hineinreichende, Ausnehmungen (8) aufweisen.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (6a) radial nach außen verformte Ausbuchtungen (9) aufweisen.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllring (6) im Bereich der Flansche (6a) flüssigkeitsdicht mit dem Ventilsitzring (2) verschweißt ist. 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllring (6) aus einem dünnwandigen metallischen Werkstoff besteht. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 4