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Die
Erfindung betrifft eine Gaswechselventilanordnung für Brennkraftmaschinen,
insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren.
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Die
Erfahrung hat gezeigt, dass die Lebensdauer der bisher verwendeten
Gaswechselventile sehr beschränkt
ist. Dies beruht sehr stark auf der großen Anfälligkeit dieser bekannten Anordnungen gegen
Durchbrennen. Dieses Durchbrennen geht erfahrungsgemäß von in
die Dichtflächen
eingedrückten
Vertiefungen aus, die durch zwischen die Dichtflächen eingeklemmte Verbrennungsrückstände gebildet
werden. Wenn mehrere derartige Vertiefungen entstehen, die miteinander
verbunden sind, ergibt sich ein kleiner Kanal zwischen Verbrennungsraum und
Gasleitung, über
den die im Verbrennungsraum entstehenden Gase in Form eines scharten
Strahls aus dem Verbrennungsraum entweichen können. In Folge des hohen Zünddrucks
erreicht dieser Gasstrahl eine sehr hohe Geschwindigkeit. Zusammen mit
der vergleichsweise hohen Temperatur ergibt sich die Wirkung eines
Schneidstrahls, was zu einer rasanten Zerstörung führt.
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In
der Vergangenheit wurde bereits versucht, dem durch eine Verbreiterung
der gegenseitigen Kontaktflächen
von Ventilsitz und Ventilteller entgegenzuwirken. Die Ergebnisse
waren jedoch nicht zufriedenstellend. Der Grund ist darin zu sehen,
dass breite Kontaktflächen
die zwischen diese gelangenden Verbrennungsrückstände daran hindern zu entweichen,
so dass die Verbrennungsrückstände zwangsläufig in
die Kontaktfläche
eingedrückt
werden. Außerdem
kommt es bei breiten Kontaktflächen auch
zu einem vergleichsweise starken Wärmeübergang zwischen Ventilteller
und Sitz. Dieser besteht jedoch in der Regel, im Gegensatz zum Ventilteller, der
aus hochtemperaturbeständigen
Werkstoff hergestellt wird und hohe Temperaturen annehmen kann,
aus gehärtetem
Stahl. Aufgrund eines starken Wärmeübergangs
kann es dabei zu Gefügeänderungen
und dementsprechend zu einem Verlust an Härte kommen.
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Aus
der
EP 24 890 B ist
eine Gaswechselventilanordnung bekannt, bei der eine den in Kontakt kommenden
Konusflächen
von Ventilsitz und Ventilteller vorgeordnete Ringkammer vorgesehen
ist, die nicht an der Verbrennung teilnehmende Luft aufnehmen soll.
Hiervon wird erwartet, dass der Sitz gekühlt wird und die Temperatur
der aus dem Verbrennungsraum entweichenden Gase abgesenkt wird.
Diese Maßnahme
bewirkt zwar eine Verzögerung
des Durchbrennens. Verhindert kann ein vollständiges Durchbrennen mit dieseer
Maßnahme
allein jedoch nicht.
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Aus
der
SU 1 768 770 A1 ist
eine Gaswechselventilanordnung bekannt, bei der im Bereich der Konusfläche des
Ventiltellers eine umlaufende Rille vorgesehen ist, die durch umlaufende,
erhabene Vorsprünge
seitlich begrenzt ist. Die Rille soll durch plastische Materialverformung
mittels eines anpressbaren, ein halbkreisförmiges Profil aufweisenden
Werkzeugs erzeugt werden, was nur eine geringe Tiefe ermöglicht.
Die Rille besitzt dementsprechend eine Tiefe von nur etwa 0,1mm
und erweist sich daher als vergleichsweise seicht. Die in die Konusfläche des Ventiltellers
eingedrückte
Rille soll die Verbrennungsrückstände aufnehmen.
Aufgrund der geringen Rillentiefe besteht jedoch die Gefahr, dass
die Rückstände in der
Rille verdichtet werden und diese daher in vergleichsweise kurzer
Zeit aufgefüllt
wird. Die Folge davon ist, dass anschließend die Rille keine Wirkung
mehr hat, was dazu führt,
dass die gefürchteten Vertiefungen
trotzdem entstehen. Außerdem
ergibt die aufgefüllte
Rille eine vergleichsweise große Kontaktfläche zwischen
Ventilteller und Ventilsitz, wodurch dieser unzulässig aufgeheizt
werden kann, was zu einem Härteverlust
führen
kann. Auch diese bekannte Anordnung erweist sich daher als nicht langlebig
genug.
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Hiervon
ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Gaswechselventilanordnung für
Brennkraftmaschinen mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern,
dass eine hohe Lebensdauer erreicht wird.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe wird durch die dem Anspruch 1 zugrundeliegende Kombination
ermöglicht.
Hierbei kommt eine Gaswechselventilanordnung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren,
mit einem stationären, einen
zugeordneten Strömungskanal
umgreifenden Ventilsitz und einem demgegenüber beweglichen Ventilteil
in Vorschlag, das einen in dichtende Anlage am Ventilsitz bringbaren
Ventiltelleraufweist, wobei im Bereich wenigstens einer der gegenseitigen
Konusflächen
von Ventilsitz bzw. Ventilteller wenigstens eine ringförmig umlaufende,
schmale Dichtfläche vorgesehen
ist, die wenigstens einseitig durch eine ringförmig umlaufende Materialausnehmung
begrenzt ist.
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Diese
Maßnahmen
ermöglichen
eine Profilierungstiefe, bei der in den Bereich der Konusflächen von
Ventilsitz und Ventilteller gelangende Verbrennungsrückstände nicht
eingeklemmt werden, sondern unverdichtet entweichen können, ohne
Vertiefungen an der Oberfläche
zu verursachen. Die Verbrennungsrückstände werden an den Kanten der schmalen
Dichtflächen
zerkleinert, was ein Entweichen ohne Verdichtung begünstigt.
Ein Auffüllen
der die Dichtflächen
seitlich begrenzenden Materialausnehmungen ist daher nicht zu befürchten,
zumal diese infolge ihrer spanabhebenden Herstellung eine vergleichsweise
große
Tiefe aufweisen können,
so dass auch auf lange Sicht einem Durchbrennen wirksam vorgebeugt
ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sich nur eine
sehr geringe Kotnaktfläche zwischen
Ventilsitz und Ventilteller und außerhalb dieser kleinen Kontaktfläche ein
vergleichsweise tiefer Spalt ergeben, wodurch der Wärmeübergang
vom gegenüber
dem Sitz vergleichsweise heißen
Ventilteller auf den Sitz sehr begrenzt ist. Da die die schmale
Dichtfläche
seitlichen begrenzenden Ausnehmungen in Folge ihrer Tiefe nicht
aufgefüllt
werden, ist diese Wirkung in vorteilhafter Weise langfristig gegeben.
In Folge des geringen Wärmeübergangs
ist sichergestellt, dass der in der Regel aus gehärtetem Stahl
bestehende Ventilsitz vergleichsweise kühl bleibt, so daß keine
Gefügeänderungen
und damit kein Härteverlust
zu befürchten
sind. Dieser Vorteil wird dadurch noch verstärkt, dass jeder durch eine
erfindungsgemäße Materialausnehmung
gebildete Spalt als Kammer zur Aufnahme von Luft fungieren kann,
die nicht an der Verbrennung teilnimmt und dementsprechend den Ventilsitz
zusätzlich
kühlen kann.
Die erfindungsgemäße Kombination
lässt daher
insgesamt eine lange Lebensdauer der Ventilanordnung erwarten.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen
der übergeordneten
Maßnahmen sind
in den Unteransprüchen
angegeben. So können zweckmäßig mehrere,
voneinander beabstandete, schmale Dichtflächen vorgesehen sein. Hierdurch wird
erreicht, dass die einzelnen Dichtflächen besonders schmal ausfallen
können,
wodurch die oben geschilderten, grundsätzlichen Vorteile noch verstärkt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Maßnahme
kann darin bestehen, dass zumindest der Ventilsitz mit wenigstens
einer ringförmig
umlaufenden, schmalen Dichtfläche
versehen ist. Dies vereinfacht die Herstellung, da der aus gehärtetem Stahl
bestehende Ventilsitz vor der Härtung
vergleichsweise einfach spanabhebend bearbeitet werden kann. Außerdem ist
hierdurch sichergestellt, dass die Konusfläche des Ventiltellers bei Bedarf
einfach nachgeschliffen werden kann, ohne dass hierdurch die Tiefe
der die schmalen Dichtflächen
begrenzenden Ausnehmungen verändert
würde.
Es ergibt sich daher auch eine einfache Ventilinstandhaltung.
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In
weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen
kann jede schmale Dichtfläche
scharte Seitenkanten aufweisen. Dies ergibt eine besonders gute Zerkleinerung
von in den Bereich der Seitenkanten gelangenden Verbrennungsrückständen.
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Vorteilhaft
kann die Gesamtbreite aller Dichtflächen eines Teils der Ventilanordnung
0,5% bis 2%, vorzugsweise 1% bis 1,5%, des mittleren Durchmessers
der jeweils zugeordneten Konusfläche
betragen. Dies ergibt eine sehr kleine Breite der erfindungsgemäßen Dichtflächen, was
zu einem besonders niedrigen Wärmeübergang
und zu einer besonders guten Zerkleinerung von Verbrennungsrückständen führt. Mit
einer Breite der einzelnen Dichtfläche von 2 mm wurden bei Versuchen
sehr gute Ergebnisse erreicht.
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Die
Tiefe der jeweils eine Dichtfläche
begrenzenden Ausnehmungen ist vorteilhaft größer als die zu erwartende Dicke
der Verbrennungsrückstände. Hierdurch
ist sichergestellt, dass die Verbrennungsrückstände nicht in die genannten
Ausnehmungen hineingedrückt
und in diesen verdichtet werden und diese nicht auffüllen, sondern
dass die Verbrennungsrückstände zuverlässig zerkleinert
werden und entweichen können.
Gleichzeitig ergibt sich hierdurch ein vergleichsweises großes Fassungsvermögen der
genannten Ausnehmungen, so dass in diesen viel an der Verbrennung
nicht teilnehmende Luft zur Kühlung
des Ventilsitzes vorhanden ist. Bei mit Zweitakt-Großdieselmotoren
durchgeführten
Versuchen wurden mit einer Ausnehmungstiefe von mehr als 1 mm, vorzugsweise
bis zu 3mm gute Ergebnisse erzielt.
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Eine
besonders zu bevorzugende Maßnahme
kann darin bestehen, dass die vom Brennraum aus gesehen erste, schmale
Dichtfläche
auf der dem Brennraum zugewandten Seite durch eine Materialausnehmung
begrenzt ist, die bei geschlossener Ventilanordnung durch einen
engen Spalt mit dem Brennraum verbunden ist und vorzugsweise ein
gegenüber
einer nachgeordneten Materialausnehmung vergleichsweise großes Fassungsvermögen aufweist.
Die hierin aufgenommene Luft nimmt trotz der Spaltverbindung zum
Brennraum nicht an der Verbrennung teil und bewirkt eine gute Kühlung des
Ventilsitzes. Gleichzeitig ergibt sich infolge des Spalts eine Luftbewegung
in der durch die betreffende, vergleichsweise große Materialausnehmung
gebildeten Kammer, was die Kühlwirkung
noch verbessert und eine zuverlässige
Spülung
der Konusflächen
bewirkt, so dass keine Ansammlungen von Verbrennungsrückständen entstehen
können,
die vorher durch die Kanten der benachbarten, schmalen Dichtfläche zerkleinert
wurden. Hierdurch werden daher die Vorteile der übergeordneten Maßnahmen
noch verstärkt.
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In
weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen
kann der Neigungswinkel der gegenseitigen Konunsflächen von
Ventilsitz und Ventilteller unterschiedlich sein, vorzugsweise um
0,5° voneinander
abweichen. Hierdurch ergeben sich besonders schmale gegenseitige
Kontaktflächen
und damit ein besonders geringer gegenseitiger Wärmeübergang sowie eine sehr gute
Zerkleinerung der getroffenen Verbrennungsrückstände.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen
sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der
nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
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In
der nachstehend beschriebenen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Gaswechselventilanordnung
teilweise im Schnitt und
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2 eine
Einzelheit aus 1 in gegenüber dieser vergrößertem Maßstab.
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Das
Einsatzgebiet der Erfindung sind mit Gaswechselventilen versehene
Verbrennungsmotoren, vorzugsweise Zweitakt-Großdieselmotoren, die ein im
Zylinderkopf angeordnetes, großes
Auslassventil aufweisen. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise
derartiger Motoren sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden
Zusammenhang keiner näheren
Erläuterung
mehr.
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Die
der 1 zugrundeliegende Gaswechselventilanordnung,
bei der es sich um eine Auslassventilanordnung vorstehend erwähnter Art
handeln kann, enthält
einen einem stationären
Bauteil 1, im genannten Beispiel eines Zweitakt-Großdieselmotors dem
Zylinderkopf, zugeordneten, am Eingang eines zugeordneten Gaskanals 2,
beim genannten Beispiel am Eingang des Abgaskanals, angeordneten,
diesen umgreifenden Ventilsitz 3 und ein demgegenüber bewegliches
Ventilteil 4, das einen am unteren Ende eines mit einer
hier nicht näher
dargestellten Betätigungseinrichtung
zusammenwirkenden Schafts 5 angeordneten Ventilteller 6 aufweist,
der in dichtende Anlage am Ventilsitz 3 bringbar ist. Der
Ventilsitz 3 und der Ventilteller 6 sind mit einander
zugewandten Konusflächen 7 bzw. 8 versehen,
die teilweise in dichtende Anlage gebracht werden können.
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Der
Ventilsitz 3 ist hier an ein in das zugeordnete, stationäre Bauteil 1,
im genannten Beispiel in den Zylinderkopf, eingesetztes Sitzteil 9 angeformt. Dieses
besteht aus gehärtetem
Stahl. Das den Ventilsitz 3 enthaltende Sitzteil 9 wird
durch hier nicht näher
dargestellte, im Bauteil 1 angeordnete, mit Kühlmittel
beaufschlagbare Kühlkanäle gekühlt, so
dass die Härte
des gehärteten
Stahls erhalten bleibt. Das bewegliche Ventilteil 4 kann
ganz oder zumindest im Bereich des Ventiltellers 6 aus
einem hochtemperaturbeständigen
Material bestehen, das keine Kühlung
benötigt.
Der Ventilteller 6 nimmt daher im Betrieb eine höhere Temperatur
an als der Ventilsitz 3.
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Die
Konusflächen 7, 8 von
Ventilsitz 3 und Ventilteller 6 kommen nicht auf
ihrer ganzen Breite in gegenseitige Anlage, sondern nur im Bereich
wenigstens einer vergleichsweise schmalen, ringförmig umlaufenden Dichtfläche 10.
Im dargestellten Beispiel sind zwei derartige, in axialer Richtung
voneinander distanzierte, innerhalb der oberen und unteren Randkanten
der jeweils zugeordneten Konusfläche 7 bzw. 8 angeordnete
Dichtflächen 10 vorgesehen.
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Diese
sind wenigstens einseitig durch ringförmig umlaufende, durch spanabhebende
Bearbeitung hergestellte Materialausnehmungen 11 bzw. 11a begrenzt,
die praktisch ringförmig
umlaufende Kammern bilden. Durch die Materialausnehmungen 11, 11a werden
Stege 12 gebildet, deren Oberseite jeweils eine Dichtfläche 10 bildet.
Der Querschnitt der Stege 12 ist zweckmäßig zur jeweiligen Dichtfläche 10 hin
verjüngt.
Die Dichtflächen 10 sind
als geschliffene Oberflächen
ausgebildet, so dass eine exakte Auflage auf einer hiermit zusammenwirkenden, ebenfalls
geschliffenen Gegenfläche
gewährleistet ist.
Im Bereich der Materialausnehmungen 11, 11a kann
eine rauhere Oberfläche
vorgesehen sein.
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Die
Materialausnehmungen 11, 11a bilden vergleichsweise
große
Kammern, in denen sich keine Verbrennungsrückstände halten können. Diese fallen
aus den genannten Kammern heraus und können daher mit dem Abgas entweichen,
so dass die Entstehung von Eindrückungen
nicht zu befürchten ist.
Die schmalen Dichtflächen 10 bewirken
eine Zerstückelung
der in ihren Bereich kommenden Verbrennungsrückstände, was deren Entweichen erleichtert. Der
Bildung von Eindrückungen
und Passagen, die den Ausgangspunkt für Durchbrennlöcher bilden,
ist somit wirksam vorgebeugt. Gleichzeitig ergeben sich vergleichsweise
kleine Kontaktflächen
zwischen dem vergleichsweise heißen Ventilteller 6 und
dem bei niedrigerer Temperatur zu haltenden Ventilsitz 7. Eine
Aufheizung des Ventilsitzes 7 durch den Ventilteller 6 in
nennenswertem Umfange ist daher nicht zu befürchten, so dass der gehärtete Ventilsitz 3 seine Härte nicht
verliert. Die durch die vergleichsweise tiefen Ausnehmungen 11 gebildeten
Kammern können zudem
vergleichsweise viel Luft aufnehmen, die nicht an der Verbrennung
teilnimmt und die dementsprechend einen weiteren Kühleffekt
ergibt.
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Die
die Dichtflächen 10 bildende
Profilierung mit Materialausnehmungen 11, 11a und
Stege 12 kann im Bereich der Konusfläche 8 des Ventiltellers oder
im Bereich der Konusflächen 7, 8 von
Ventilsitz und Ventilteller vorgesehen sein. Im dargestellten, bevorzugten
Beispiel sind die Dichtflächen 10 nur
im Bereich der Konusfläche 7 des
Ventilsitzes 3 vorgesehen. Die Materialausnehmungen 11, 11a können dabei
vorteilhaft vor der Härtung
des Sitzteils 9 hergestellt werden. Nach der Härtung können die
Dichtflächen 10 geschliffen
werden. Die Konusfläche 8 des
Ventiltellers 6 ist ebenfalls als geschliffene Fläche ausgebildet,
die von Zeit zu Zeit nachgeschliffen wird. Dies ist hier problemlos
möglich,
ohne die Profiltiefe der Materialausnehmungen 11, 11a zu
verändern.
Sofern die Materialausnehmung 11, 11a ventiltellerseitig
vorgesehen wären,
müssten
diese beim Nachschleifen vertieft werden. Dadurch, dass die Dichtflächen 10 als
geschliffene Flächen
ausgebildet sind, ergeben sich, wie aus 2 anschaulich
erkennbar ist, scharfe Seitenkanten 13. Diese sind in der
Lage, Verbrennungsrückstände nach
Art eines Messers zu zerkleinern.
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Die
Breite b der ringförmig
umlaufenden, schmalen Dichtflächen 10 ist
so gewählt,
dass die Gesamtbreite aller dieser Dichtflächen 10 eines Teils der
Ventilanordnung, hier des Ventilsitzes 3, so bemessen ist,
dass die Gesamtbreite aller Dichtflächen 10 einer Konusfläche 7 bzw. 8 jeweils
0,5% bis 2%, vorzugsweise 1 % bis 1,5%, des mittleren Durchmessers
der betreffenden Konusfläche 7 bzw. 8 beträgt. Die
Anzahl der vorhandenen Dichtflächen 10 kann zweckmäßig so gewählt werden,
dass sich eine Breite b der einzelnen Dichtfläche 10 von höchstens
2mm ergibt. Damit konnten bei Versuchen gute Ergebnisse erreicht
werden.
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Die
Tiefe t der die Dichtflächen 10 seitlich
begrenzenden Materialausnehmungen 11, 11a ist
größer zu wählen als
die zu erwartende Dicke der Verbrennungsrückstände. Eine untere Grenze liegt
dabei in den meisten Fällen
bei 0,4 bis 0,5mm. Zweckmäßig kann
die Tiefe t jedoch mindestens 1 mm, vorzugsweise mehr als 1 mm betragen.
Bei Versuchen mit Zweitakt-Großdieselmotoren
wurden mit einer Tiefe bis zu 3mm gute Ergebnisse erreicht. Im dargestellten
Beispiel entspricht die Tiefe t der zwischen den beiden Dichtflächen 10 vorgesehenen,
also der der brennraumnahen Dichtfläche 10 nachgeordneten Materialausnehmung 11 in
etwa der Breite b.
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In
einfachen Fällen
können
alle den Dichtflächen 10 zugeordneten
Materialausnehmungen 11, 11a gleich tief sein.
Im dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die die
vom Brennraum aus gesehen erste Dichtfläche 10 brennraumseitig
begrenzende, also die der ersten Dichtfläche 10 vorgeordnete
Materialausnehmung 11a wesentlich tiefer und dementsprechend
auch voluminöser
als die der ersten Dichtfläche 10 nachgeordnete
Materialausnehmung 11. Die Querschnittsfläche der
Materialausnehmung 11a beträgt im dargestellten Beispiel etwa
das Fünffache
der Querschnittsfläche
der Materialausnehmung 11. Es ergibt sich daher auch ein vergleichsweise
großes
Fassungsvermögen
der Materialausnehmung 11a. Diese ist bei geschlossener Ventilanordnung
durch einen engen Spalt 14 mit dem benachbarten Brennraum
verbunden. Der Spalt 14 ist so eng, dass die in der Materialausnehmung 11a enthaltene
Luft nicht an der Verbrennung teilnimmt. Dennoch führt der
Verbrennungsdruck aber zu einer Luftbewegung in der Materialausnehmung
und damit zu einer guten Kühlung
des umgebenden Materials des zweckmäßig die Materialausnehmung 11a enthaltenden
Sitzteils 9 und gleichzeitig zu einer guten Spülung der
Konusfläche 8 des
Ventiltellers 6 mit unverbrannter Luft. Dasselbe gilt für die Dichtflächen 10 in
der Anfangsphase der Öffnungsbewegung
des Ventiltellers 6.
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Der
Neigungswinkel a der Konusflächen 7,8 gegenüber der
Ventilachse a kann den Bedürfnissen des
Einzelfalls entsprechend gewählt
werden, beispielsweise in einem Bereich von 30°–75°. Bevorzugt ist ein Bereich
von 45°–60°. Ein kleiner
Winkel x ergibt vergleichsweise steile Konusflächen 7, 8 und
damit hohe Anpresskräfte.
Der untere Bereich kann daher für
diesen Fall vorteilhaft sein. Zweckmäßig können die Konusflächen 7, 8 winkelmäßig um etwa
0,5° voneinander
abweichen, wobei der Winkel α der
ventilsitzseitigen Konusfläche 7 um
0,5° größer als
der Winkel α der
ventiltellerseitigen Konusfläche 8 ist, wodurch
sich ein nach radial außen öffnender
Spalt ergibt. Diese Maßnahme
kann den oben erwähnten Messereffekt
noch verbessern.