AT414014B

AT414014B - Ventilsitzeinsatz

Info

Publication number: AT414014B
Application number: AT0802204A
Authority: AT
Inventors: Johann Wagner
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2003-11-03
Filing date: 2003-11-03
Publication date: 2006-08-15
Also published as: ATA80222004A

Description

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AT 414 014 B

Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzeinsatz für zumindest ein in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnetes Gaswechselventil eines Gaswechselkanals, wobei sich der Ventilsitzeinsatz von einem Ventilsitzbereich bis zu einem Ventilführungsbereich für das Gaswechselventil erstreckt. 5

Ventilsitze für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen werden häufig durch im Zylinderkopf fest angeordnete Ventilsitzringe gebildet. Da der Ventilsitzbereich eine thermisch hoch beanspruchte Region des Zylinderkopfes ist, ist eine ausreichende Wärmeabfuhr erforderlich. Bei der Verwendung von Ventilsitzringen besteht dabei allerdings das Problem, dass im Zylin-io derkopf eingeformte Kühlkanäle nicht nahe genug an den Ventilsitzbereich herangeführt werden können. Zwar sind beispielsweise aus der DE 30 32 276 A1 Ventilsitzringe mit zwischen Ventilsitzring und Zylinderkopf geformten Kühlkanälen bekannt, allerdings besteht dabei die Gefahr, dass Undichtheiten auftreten können. Ein weiterer Nachteil von Ventilsitzringen ist, dass diese relativ viel Platz beanspruchen und die Materialstege zwischen den Ventilöffnungen sehr 15 schmal ausgebildet werden müssen, was die Rissgefahr erhöht.

Aus der US 4,688,527 A ist ein in den Zylinderkopf eingegossener Ventilsitzeinsatz aus Keramikmaterial bekannt, welcher sich vom Ventilsitz bis zum Ventilführungsbereich erstreckt. Nachteilig ist, dass die Fertigung derartiger keramischer Bauelemente relativ kostenintensiv ist. 20 Eingegossene Ventilsitzeinsätze haben darüber hinaus den Nachteil, dass ein Auswechseln im Reparaturfall nicht möglich ist.

Weiters sind gegossene Ventilsitzeinsätze für Zylinderköpfe von Großmotoren mit integriertem Ventilsitz und integrierter Ventilführung ais der US 4,008,695 A bekannt. Für kleinere Motoren, 25 beispielsweise Fahrzeugmotoren, sind diese aber nicht geeignet.

Die FR 2 761 403 A1 offenbart einen Ventilsitzeinsatz für eine Brennkraftmaschine, wobei sich der Ventilsitzeinsatz für ein in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnetes Gaswechselventils eines Gaswechselkanals, wobei sich der Ventilsitzeinsatz von einem Ventil-30 sitzbereich bis zu einem Ventilführungsbereich für das Gaswechselventil erstreckt. Der Ventilsitzeinsatz ist als Sinterteil oder als Gussteil ausgeführt.

Ferner ist aus der DE 27 44 734 A1 eine Abgasleitung bekannt, wobei in einem Abgasrohr ein Innenrohr aus rostfreiem Stahl angeordnet ist. 35

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise eine ausreichende Kühlung im Ventilsitzbereich zu gewährleisten, wobei ein nachträgliches Austauschen von schadhaften Ventilsitzeinsätzen möglich sein soll. 40 Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Ventilsitzeinsatz aus Blech, vorzugsweise aus Stahlblech gefertigt ist, und dass der Ventilsitzeinsatz und die Ventilführung durch getrennte Teile gebildet sind. Der Ventilsitzeinsatz kann in einem einfachen Fertigungsvorgang aus einem Blechrohling geformt werden. Dies hat einerseits den Vorteil, dass der Ventilsitzeinsatz sehr kostengünstig in Großserien hergestellt werden kann. Andererseits weist ein Blechteil 45 gegenüber einem Keramikteil eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine besonders gute Wärmeabfuhr aus thermisch beanspruchten Regionen möglich ist.

Dabei ist vorgesehen, dass der Ventilsitzeinsatz austauschbar mit dem Zylinderkopf verbunden ist, wobei vorzugsweise der Ventilsitzeinsatz in den Zylinderkopf eingepresst ist. Im Bedarfsfall so kann ein verschlissener Ventilsitzeinsatz aus dem Zylinderkopf entfernt und ein neuer Ventilsitzeinsatz eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ventilsitzeinsatz fest mit einer den Schaft des Gaswechselventils aufnehmenden, in einer Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes fest angeordneten 55 Ventilführung verbunden ist. 3

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Um eine sichere und lagegenaue Einbettung des Ventilsitzeinsatzes im Zylinderkopf zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass der Ventilsitzeinsatz einen den Ventilschaft des Gaswechselventils umgebenden ringförmigen Fortsatz aufweist, welcher in die Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes für die Ventilführung eingeschoben, vorzugsweise eingepresst ist. 5

In einer besonders für Neutral-, Schräg-, Tangential- und Auslasskanäle geeigneten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilsitzeinsatz zwischen Ventilsitzbereich und Fortsatz eine domartige, durchgehende Verbindungswand aufweist, wobei im Bereich des Gaswechselkanals die Verbindungswand eine dem Querschnitt des Gaswechselkanals io entsprechende Durchtrittsöffnung aufweist. Aus thermischen Gründen ist es dabei insbesondere bei Auslasskanälen vorteilhaft, wenn zwischen der Verbindungswand und dem Zylinderkopf ein Isolierspalt ausgebildet ist. Durch die zwischen Verbindungswand und Zylinderkopf eingeschlossene Luft wird eine gute thermische Isolierung erzielt, und damit die Aufheizung des Zylinderkopfes verringert. 15

Bein Einlasskanälen kann allerdings eine derartige Isolierung unerwünscht sein. In einer insbesondere für Neutral-, Schräg- und Tangentialkanäle geeigneten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilsitzeinsatz zwischen Ventilsitzbereich und Fortsatz eine domartige Verbindungswand mit Durchbrüchen aufweist, wobei im Bereich des Gaswechselka-20 nals die Verbindungswand eine dem Querschnitt des Gaswechselkanals entsprechende Durchtrittsöffnung aufweist. Durch die Durchbrüche in der Verbindungswand wird der Wärmeaustausch zwischen Gaswechselkanal und Zylinderkopf ermöglicht.

In einer weiteren, insbesondere für einen als Spiralkanal ausgebildeten Gaswechselkanal be-25 sonders geeigneten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass zwischen dem Fortsatz und dem Ventilsitzbereich vorzugsweise zumindest ein Verbindungssteg ausgebildet ist, wobei vorzugsweise zumindest ein Verbindungssteg im Zungenbereich des Spiralkanals angeordnet ist. Um den Strömungswiderstand so gering wie möglich zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungsstege in Anströmrichtung strömungsgünstig geformt sind und beispielsweise ein Leit-30 Schaufelprofil aufweisen. Durch die leitschaufelartig geformten Verbindungsstege kann die Dralleinlassströmung begünstigt werden.

Zur Unterstützung der Dralleinlassströmung kann weiters vorgesehen sein, dass der Fortsatz im Bereich des Ventilraumes drallunterstützend ausgebildet ist. Die Strömungsverluste können 35 dabei möglichst klein gehalten werden, wenn der Fortsatz im Bereich des Gaswechselkanals den Schaft des Gaswechselventils möglichst eng umschließt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 40 Es zeigen Fig. 1 einen Zylinderkopf mit einem erfindungsgemäßen Ventilsitzeinsatz im Schnitt in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 einen Zylinderkopf mit einem erfindungsgemäßen Ventilsitzeinsatz im Schnitt in einer zweiten Ausführungsvariante und Fig. 3 den Ventilsitzeinsatz im Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 2. 45 Funktionsgleiche Bauteile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In einem Zylinderkopf 1 ist zumindest ein Ventileinsatz 2 für ein Gaswechselventil 3 zur Steuerung der Strömung in einem Gaswechselkanal 4 angeordnet. Der Ventilsitzeinsatz 2 besteht so aus Blech, beispielsweise Stahlblech und erstreckt sich vom Ventilsitzbereich 5 bis zu einem Ventilführungsbereich 6. Der Ventilsitzeinsatz 2 weist im Bereich des Ventilführungsbereiches 6 einen ringförmigen Fortsatz 7 auf, welcher in eine die Ventilführung 8 aufnehmende Aufnahmebohrung 9 des Zylinderkopfes 1 eingesetzt, beispielsweise eingepresst, ist. Der Ventilsitzeinsatz 2 kann mit der Ventilführung 8 fest verbunden, beispielsweise verklebt, verlötet, verschraubt 55 oder dergleichen sein. Es ist auch denkbar, den Ventilsitzeinsatz 2 einstückig mit der Ventilfüh-

Claims

4 AT 414 014 B rung 8 auszubilden. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante weist der Ventilsitzeinsatz 2 zwischen dem Fortsatz 7 und dem Ventilsitzbereich 5 eine Verbindungswand 10 auf, welche der Wand 11 des Gaswechselkanals 4 entsprechend geformt ist. Zwischen der Verbindungswand 10 und der Wand 11 des Gaswechselkanals 4 kann ein Isolierspalt 12 ausgebildet sein. Der Ventilsitzeinsatz 2 wird samt dem den Ventilsitzkegel 5a bildenden Ventilsitzbereich 5 von der Brennraumseite her in den Zylinderkopf 1 eingesetzt. Im Bereich des Gaswechselkanals 4 weist die Verbindungswand 10 eine Durchtrittsöffnung 13 für Luft bzw. Abgas auf. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsvariante eignet sich für Neutral-, Schräg-, Tangential- oder Auslasskanäle. Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsvariante für Spiralkanäle, wobei nur Verbindungsstege 14 als Verbindung zwischen dem Ventilsitzbereich 5 und dem Fortsatz 7 vorgesehen sind. Dabei ist einer der Stege 14 im Bereich der Zunge 15 des Spiralkanals 4a positioniert. Um die Einlassströmung günstig zu beeinflussen, können die Verbindungsstege 14 leitschaufelartig geformt sein. Für die Einlassströmung ist es dabei vorteilhaft, wenn die Verbindungsstege 14 dem Ventilteller 3a möglichst nachgeformt sind und die Verbindung zwischen dem ringförmigen Fortsatz 7 und den Verbindungsstegen 14 etwa in der Mitte des Ventilraumes 16 liegt. Der Fortsatz 7 umschließt somit zwischen dem Ventilführungsbereich 6 und den Verbindungsstegen 14 den Ventilschaft 3b möglichst eng. Das Material für den Sitzkegel 5a wird so dünn wie möglich gewählt, um den Platzgewinn gegenüber einem konventionellen Sitzring möglichst groß zu halten. Entsprechende Verschleißfestigkeit und Wärmebeständigkeit sind ebenfalls Voraussetzung. Die Vorteile dieser Lösung liegen insbesondere in geringen Herstellkosten bei der Massenproduktion, im Vergleich zu konventionellen Sitzringen. Der technische Gewinn liegt bei dem drastisch verringerten Raumbedarf des Ventilsitzringes, wobei die Kühlungsbedingungen wesentlich verbessert werden können, durch die vergrößerten Materialstege im Zylinderkopf Risse hintan gehalten werden bzw. auch besonders im Fall von Zweiventilmotoren die Ventilteller größer als bisher konzipiert werden können. Ein weiterer Effekt kann beim Auslassventil erreicht werden, wo durch einen gezielten Isolierspalt 10 zwischen Kanalwand und Ventileinsatz eine Isolierung zu Stande kommt und die Aufheizung des Zylinderkopfes verringert wird. Patentansprüche: 1. Ventilsitzeinsatz (2) für zumindest ein in einem Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine angeordnetes Gaswechselventil (3) eines Gaswechselkanals (4), wobei sich der Ventilsitzeinsatz (2) von einem Ventilsitzbereich (5) bis zu einem Ventilführungsbereich (6) für das Gaswechselventil (3) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzeinsatz (2) aus Blech, vorzugsweise aus Stahlblech gefertigt ist, und dass der Ventilsitzeinsatz (2) und die Ventilführung (8) durch getrennte Teile gebildet sind.
2. Ventilsitzeinsatz (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzeinsatz (2) austauschbar mit dem Zylinderkopf (1) verbunden ist.
3. Ventilsitzeinsatz (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzeinsatz (2) in den Zylinderkopf (1) eingepresst ist.
4. Ventilsitzeinsatz (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzeinsatz (2) fest mit einer den Schaft (3b) des Gaswechselventils (3) aufnehmen- 5 AT 414 014 B den, in einer Aufnahmebohrung (9) des Zylinderkopfes (1) fest angeordneten Ventilführung (8) verbunden ist.
5. Ventilsitzeinsatz (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der 5 Ventilsitzeinsatz (2) einen den Ventilschaft (3b) des Gaswechselventils (3) umgebenden ringförmigen Fortsatz (7) aufweist, welcher in die Aufnahmebohrung (9) des Zylinderkopfes (1) für die Ventilführung (8) eingeschoben, vorzugsweise eingepresst ist.
6. Ventilsitzeinsatz (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, vorzugsweise für einen als Ne- io utral-, Schräg-, Tangential-, oder Auslasskanal ausgebildeten Gaswechselkanal (3), da durch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzeinsatz (2) zwischen Ventilsitzbereich (5) und Fortsatz (7) eine domartige, durchgehende Verbindungswand (10) aufweist, wobei im Bereich des Gaswechselkanals (4) die Verbindungswand (10) eine dem Querschnitt des Gaswechselkanals (4) entsprechende Durchtrittsöffnung (13) aufweist. 15
7. Ventilsitzeinsatz (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verbindungswand (10) und dem Zylinderkopf (1) ein Isolierspalt (12) ausgebildet ist.
8. Ventilsitzeinsatz (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, vorzugsweise für einen als Neut- 20 ral-, Schräg- oder Tangentialkanal ausgebildeten Gaswechselkanal (3), dadurch gekenn zeichnet, dass der Ventilsitzeinsatz (2) zwischen Ventilsitzbereich (5) und Fortsatz (7) eine domartige Verbindungswand (10) mit Durchbrüchen aufweist, wobei im Bereich des Gaswechselkanals (4) die Verbindungswand (10) eine dem Querschnitt des Gaswechselkanals (4) entsprechende Durchtrittsöffnung (13) aufweist. 25
9. Ventilsitzeinsatz (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für einen als Spiralkanal ausgebildeten Gaswechselkanal (4), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fortsatz (7) und dem Ventilsitzbereich (5) zumindest ein Verbindungssteg (14) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise ein Verbindungssteg (14) im Zungenbereich (15) des Spiralkanals angeordnet 30 ist.
10. Ventilsitzeinsatz (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verbindungssteg (14) einen in Anströmrichtung strömungsgünstig geformten Querschnitt aufweist. 35
11. Ventilsitzeinsatz (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verbindungssteg (14) leitschaufelartig geformt sind.
12. Ventilsitzeinsatz (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass 40 der Fortsatz (7) im Bereich des Ventilraumes (16) des Gaswechselkanals (4) den Schaft (3b) des Gaswechselventils (3) möglichst eng umschließt.
13. Ventilsitzeinsatz (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (7) im Bereich des Ventilraumes (16) des Gaswechselkanals (4) drallunter- 45 stützend ausgebildet ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 50 55