DE102009037547B4

DE102009037547B4 - Zylinderkopf mit Ventilsitzring

Info

Publication number: DE102009037547B4
Application number: DE102009037547.3A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Beykirch; Anke Niehus; Udo Deuster; Sven Lauer
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2029-08-18
Also published as: DE102009037547A1; DE102009037547A8

Abstract

Zylinderkopf (10) für eine Brennkraftmaschine, der von Kühlmittel durchströmte Hohlräume (11) aufweist, mitventilgesteuerten Einlass- und Auslassöffnungen (12,13), von denen zumindest eine Öffnung (12,13) eine Ausnehmung (20) aufweist, in der ein Ventilsitzring (30) eingepasst ist, wobeider Ventilsitzring (30) an einer Wandung (21,22) der Ausnehmung (20) befestigt ist, zwischen dem Ventilsitzring (30) und der Wandung (21,22) mindestens ein Kontaktbereich (33) vorgesehen ist, der eine Dichtfläche (33a) aufweist, an der der Ventilsitzring (30) an der Wandung (21,22) kontaktierend anliegt, undder Kontaktbereich (33) konvex ausgeführt ist, wodurch eine mechanische Entlastung des Zylinderkopfes (10) bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet,dass die Fläche des Kontaktbereiches (33) größer ist als die Dichtfläche (33a).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, der von Kühlmittel durchströmte Hohlräume aufweist, mit ventilgesteuerten Einlass- und Auslassöffnungen, von denen zumindest eine Öffnung eine Ausnehmung aufweist, in der ein Ventilsitzring eingepasst ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt Ventilsitze, insbesondere die thermisch hochbelasteten Ventilsitzringe, insbesondere von Auslassventilen einer Brennkraftmaschine, zu kühlen. Im Bereich der Auslassventile von Verbrennungsmotoren wird versucht, den Kühlwassermantel so nah wie möglich an die Ventilsitzringe heranzuführen, um eine gute Wärmeabfuhr zu erzielen. Bei den aktuellen Mehrventilzylinderköpfen von Motoren mit Diesel-Direkteinspritzung und zentral angeordneter Einspritzdüse gestatten die beengten Platzverhältnisse oft keine zufriedenstellende Darstellung des Kühlwassermantels.
In der DE 32 05 676 A1 ist ein gekühlter Ventilsitzring beschrieben, welcher zusammen mit Bereichen des Zylinderkopfes den ringförmigen Fluidkanal umschließt, der in Betrieb der Brennkraftmaschine von einem Kühlmedium durchflossen ist. Nachteiligerweise kommt es immer wieder zu Undichtheiten und damit zu einem Austreten des Kühlmediums, das beispielsweise in den Zylinder der Brennkraftmaschine gelangt.
In der JP 2001- 355 416 A ein Zylinderkopf mit einem gekühlten Ventilsitzring offenbart, wobei der Ventilsitzring einen radial äußeren umlaufenden Bereich mit einer konvexen Kontur aufweist, wobei dieser Bereich den Zylinderkopf in einer komplementären konkaven Aussparung kontaktiert.
Die DE 27 13 510 A1 beschreibt einen Zylinderkopf mit einem Ventilsitzring, welcher einen über Verbindungskanäle mit Kühlräumen des Zylinderkopfes kommunizierenden Kühlring aufweist.
Die FR 2 067 739 A5 offenbart einen Zylinderkopf mit Ventilsitzringen, welche jeweils eine konkave Auskerbung aufweisen.
Einer der entscheidenden Parameter zur Herstellung einer zufriedenstellenden Dichtfunktion des Ventilsitzringes ist die Wahl der Presspassung, mit der der Ventilsitzring am Zylinderkopf befestigt ist. Die Wahl einer hohen Presspassung trägt zu einer Steigerung der Dichtigkeit maßgeblich bei, ist jedoch nachteiligerweise begrenzt hinsichtlich des Fügeprozesses und dient hauptsächlich der strukturellen Sicherheit des Zylinderkopfes. Bei einer zu hohen Presspassung kann es zu einer Materialzerstörung am Zylinderkopf kommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Zylinderkopf mit einem Ventilsitzring bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere ein Zylinderkopf geschaffen wird, bei dem der Ventilsitzring auch nach einer längeren Betriebsdauer der Brennkraftmaschine zuverlässig seine Position am Zylinderkopf beibehält, ohne den Zylinderkopf wesentlich zu schwächen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.
Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ventilsitzring an einer Wandung der Ausnehmung befestigt ist, zwischen dem Ventilsitzring und der Wandung mindestens ein Kontaktbereich vorgesehen ist, der eine Dichtfläche aufweist, an der der Ventilsitzring an der Wandung kontaktierend anliegt, und der Kontaktbereich konvex ausgeführt ist, wodurch eine mechanische Entlastung des Zylinderkopfes bewirkbar ist. Einer der wesentlichen Vorteile dieser Erfindung ist, dass über die konvexe Ausführung des Kontaktbereiches die mechanische Belastung durch den eingepassten Ventilsitzring am Zylinderkopf wesentlich reduziert werden kann, wobei die konvexe Fläche des Kontaktbereiches größer als die der Dichtfläche, an der tatsächlich die Wandung des Zylinderkopfes kontaktierend am Ventilsitzring über eine Pressverbindung befestigt ist. Vorteilhafterweise kann also zwischen dem Rand des Kontaktbereiches und der Wandung des Zylinderkopfes ein Spalt vorliegen, der insbesondere eine Spaltbreite B aufweist, die in einem Bereich zwischen ungefähr 1 µm ≤ B ≤ 500 µm liegt. In der Regel befindet sich der Ventilsitzring in einem Presssitz in der Ausnehmung des Zylinderkopfes, insbesondere der Einlass- und/oder Auslassöffnung und über die Konvexität des Kontaktbereiches erfolgt eine Vergleichmäßigung der Ventilsitzringpressung über den gesamten Bereich des Kontaktbereiches, insbesondere entlang der Dichtfläche, an der der Ventilsitzring an der Wandung des Zylinderkopfes anliegt. Somit kann zuverlässig ein Verschleiß des Ventilsitzringes wesentlich minimiert werden. Die konvexe Ausführung des Kontaktbereiches kann auch als bauchige, bogenförmige oder gewölbte Ausgestaltung beschrieben werden.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilsitzring mit dem Kontaktbereich ausgeführt. Ebenfalls ist es denkbar, die Wandung der Ausnehmung des Zylinderkopfes mit dem Kontaktbereich auszugestalten. Um möglichst eine homogenisierte Flächenpressung zu erzielen, die auf den Zylinderkopf wirkt, ist die Dichtfläche mittig am Kontaktbereich vorgesehen. In einer alternativen Ausführungsform ist es ebenfalls denkbar die Dichtfläche versetzt am Kontaktbereich anzuordnen.
Denkbar ist, dass ein ringförmiger Fluidkanal vorgesehen ist, der durch den Ventilsitzring und durch die Ausnehmung umschlossen ist und mit mindestens an einem der Hohlräume angeschlossen ist. Hierdurch wird der an der Auslassöffnung des Zylinderkopfes befestigte Ventilsitzring zuverlässig gekühlt. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, einen Ventilsitzring an der Einlassöffnung des Zylinderkopfes vorzusehen, welcher einen konvexen Kontaktbereich gemäß der Erfindung aufweist.
Im Falle eines gekühlten Ventilsitzringes ist es denkbar, dass eine obere und eine untere Fügestelle am Ventilsitzring vorgesehen ist, an der sich der Ventilsitzring im Presssitz an der Wandung der Ausnehmung des Zylinderkopfes befindet, wobei insbesondere zwischen der oberen und der unteren Fügestelle sich der Fluidkanal erstreckt, innerhalb dessen das Kühlmittel, insbesondere Wasser, zirkuliert.
In einer die Erfindung verbessernden Maßnahme ist mindestens eine Fügestelle mit dem konvexen Kontaktbereich ausgeführt, der umfangseitig des Ventilsitzringes sich erstreckt und im eingesetzten Zustand mit seiner Dichtfläche an der Wandung der Ausnehmung des Zylinderkopfes fest und unbeweglich anliegt.
Der Zylinderkopf mit Einlass- und Auslassöffnung ist in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Gussteil gebildet, das insbesondere aus Gusseisen oder einer Aluminiumlegierung besteht. Der Ventilsitzring kann beispielsweise durch Gießen oder Sintern eines hitzebeständigen Materials, beispielsweise ein Material mit Eisen als Grundsubstanz, geformt sein. Der Ventilsitzring ist somit vorteilhafterweise aus einem geeigneterem Material als das Gusseisen oder die Aluminiumlegierung des Zylinderkopfes hergestellt, um den Temperaturen oder Stößen standzuhalten, die im Bereich des Ventilsitzringes, beispielsweise beim Hineinströmen der heißen Auspuffgase in die Auslassöffnung, auftreten. Der Ventilsitzring besitzt vorteilhafterweise einen abgeschrägten, ringförmigen Passsitz für einen Ventilteller des Ein- und/oder Auslassventils, welches sich in der Einlass- und/oder Auslassöffnung befindet.
Der Ventilsitzring kann in einer Ausführungsform der Erfindung aus gesinterten Legierungen bestehen, die Metallelemente wie beispielsweise Cr, Ni, Co und Mo enthalten, wodurch der Ventilsitzring aufgrund der Hochtemperaturzustände in der Brennkraftmaschine eine verbesserte Verschleißbeständigkeit erhält.
Vorteilhafterweise ist der Kontaktbereich profiliert ausgeführt, um zum einen eine Vergleichmäßigung der Ventilsitzringpressung zu begünstigen und zum anderen etwaige Relativverschiebungen des Ventilsitzringes zu minimieren. Die Profilierung kann beispielsweise eine Rippenstruktur aufweisen oder als eine „Zick-Zack“-Profilierung ausgeführt sein.
Zusammenfassend wird durch die konvexe Ausführung des Kontaktbereiches zum einen ein gut abdichtender Ventilsitzring geschaffen, so dass das innerhalb des Fluidkanals zirkulierende Kühlmedium nicht in den Zylinder über etwaige Leckagestellen austreten kann. Zum anderen üben lediglich definierte Kräfte aufgrund des eingepassten Ventilsitzrings mechanisch auf den Zylinderkopf, der somit insgesamt definiert und niedrig belastet wird. Diese mechanische Entlastung bewirkt eine höhere TMF-Verträglichkeit (Thermo Mechanical Fatigue).
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines Zylinderkopfes, an dem Ventilsitzringe befestigt sind,
2 eine vergrößerte Darstellung des Ventilsitzringes im Bereich der Auslassöffnung des Zylinderkopfes gemäß 1,
3a eine vergrößerte Darstellung des Ventilsitzringes im Bereich seiner oberen Fügestelle gemäß 2,
3b eine Diagrammdarstellung, in der die Kontaktpressung bezogen auf den Kontaktbereich des Ventilsitzringes dargestellt ist,
4a eine weitere Darstellung des Ventilsitzringes am Zylinderkopf gemäß 2 und
4b eine vergrößerte Darstellung im Bereich der oberen Fügestelle am Ventilsitzring gemäß 4a.

In 1 ist ein Zylinderkopf 10 einer Brennkraftmaschine dargestellt. Im Zylinderkopf 10 der nicht näher dargestellten, wassergekühlten Brennkraftmaschine sind je Zylinder in der Regel zumindest ein Einlass- und ein Auslassventil, die ebenfalls nicht explizit gezeigt sind, in einer Einlass- und Auslassöffnung 12, 13 angeordnet.
An der Mündung beider Öffnungen 12, 13 ist jeweils ein Ventilsitzring 30 eingesetzt, welcher zusammen mit einem nicht dargestellten Ventilteller des jeweiligen Einlass- und Auslassventils die Einlass- und Auslassöffnung 12, 13 gegen den Zylinderraum abdichten kann.
Beide Ventilsitzringe 30 sind in einer Ausnehmung 20 des Zylinderkopfes 10 eingepasst. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich der Ventilsitzring 30 in einem Presssitz in der Ausnehmung 20 des Zylinderkopfes 10.
Wie auch in 2 und 4a verdeutlicht ist, weist der Zylinderkopf 10 einen ringförmigen Fluidkanal 34 auf, der durch den Ventilsitzring 30 sowie durch die Ausnehmung 20, insbesondere ihrer Wandungen 21, 22 (s. 2a, 3a) umschlossen ist. Der Fluidkanal 34 ist mit mindestens einem der Hohlräume 11 verbunden, in denen ein Kühlmedium zirkulieren kann, wodurch der Ventilsitzring 30 wirkungsvoll während des Betriebes der Brennkraftmaschine gekühlt werden kann. Bei dem Kühlmedium handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um Wasser.
Wie besonders in 2 und 4a zu erkennen ist, ist der Ventilsitzring 30 an der Wandung 21, 22 der Ausnehmung 20 befestigt. Der Ventilsitzring 30, der in der Auslassöffnung 13 befestigt ist, weist eine obere und eine untere Fügestelle 31, 32 auf, an der sich der Ventilsitzring 30 im Presssitz an der Wandung 21, 22 der Ausnehmung 20 befindet. Zwischen der oberen 31 und der unteren Fügestelle 32 erstreckt sich der Fluidkanal 34.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die obere Fügestelle 31 mit einem Kontaktbereich 33 ausgebildet, der eine Dichtfläche 33a aufweist, an der der Ventilsitz 30 unmittelbar an der Wandung 22 des Zylinderkopfes 10 kontaktierend anliegt. Hierbei ist der Kontaktbereich 33 konvex ausgeführt, welches insbesondere in 4a schematisch dargestellt ist. Hierbei bestimmt sich die Konvexität des Kontaktbereiches 33, insbesondere der Oberfläche des Kontaktbereiches 33 über einen definierten Radius R. Wie verdeutlicht ist, handelt es sich hierbei um eine sehr schwach ausgeführte Konvexität des Kontaktbereiches 33, die dafür sorgt, dass eine mechanische Entlastung des Zylinderkopfes 10 im eingesetzten Zustand des Ventilsitzringes 30 in der Ausnehmung 20 bewirkt wird. Die untere Fügestelle 32 ist im Gegensatz zur oberen Fügestelle 31 mit einem Kontaktbereich ausgebildet, der zylindrisch bzw. plan zur Wandung 22 ausgebildet ist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die konvexe Ausführung des Kontaktbereiches 33 eine Homogenisierung der Flächenpressung, die auf die Wandung 22 des Zylinderkopfes 10 wirkt, erreicht werden kann. Dieses wird in 3a und 3b verdeutlicht. Hierbei weist die Wandung 21, 22 der Ausnehmung 20 eine Positionierungsfläche 21 auf, die die horizontale Lage des Ventilsitzringes 30 in der Auslassöffnung 13 bestimmt. Ferner verfügt die Ausnehmung 20 über eine Presssitzfläche 22, die dem Kontaktbereich 33 des Ventilsitzringes 30 zugewandt ist. Im eingesetzten Zustand des Ventilsitzringes 30 kontaktiert die Dichtfläche 33a unmittelbar die Presssitzfläche 22 des Zylinderkopfes 10. Gemäß der Erfindung hat sich überraschenderweise gezeigt, dass mittig am Kontaktbereich 33, das bedeutet mittig der Dichtfläche 33a, eine Flächenpressung auf die Presssitzfläche 22 wirkt, die in Richtung des Randes des Kontaktbereiches 33 abnimmt, welches in 3b dargestellt ist. Im Falle einer „geraden“ bzw. planen Ausführung des Kontaktbereiches 33, wie es im Stand der Technik bekannt ist, wäre im eingesetzten Zustand des Ventilsitzringes 30 die Kontaktpressung mittig des Kontaktbereiches 33 gering und würde in Richtung des Randes des Kontaktbereiches 33, das bedeutet in Richtung des Fluidkanals 34 und in Richtung der Positionierungsfläche 21 stark anwachsen, wodurch an der Kante, die zwischen der Positionierungsfläche 21 und der Presssitzfläche 22 liegt, sehr hohe Pressungen entstehen, die zu etwaigen Rissbildungen am Zylinderkopf 10 führen können.
Wie in 4a, 4b verdeutlicht ist, liegt zwischen dem Rand des Kontaktbereiches 33 und der Wandung 22, insbesondere der Presssitzfläche 22 des Zylinderkopfes 10 ein Spalt S vor, der eine Breite B aufweist, die in einem Bereich zwischen ungefähr 1 µm ≤ B ≤ 500 µm liegen kann. Hierdurch wird die sehr schwache Konvexität der Oberfläche des Kontaktbereiches 33 verdeutlicht. Die Höhe h des Kontaktbereiches 33 liegt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Bereich zwischen ungefähr 3 mm ≤ h ≤ 35 mm.
Selbstverständlich kann in einer weiteren Ausführungsalternative die untere Fügestelle 32 ebenfalls analog zur oberen Fügestelle 31 mit einer konvexen Oberfläche des Kontaktbereiches 33 ausgeführt sein.
Analog zum Ventilsitzring 30 der Auslassöffnung 13 ist der Ventilsitzring 30 der Einlassöffnung 12 ebenfalls mit einem konvexen Kontaktbereich 33 ausgeführt, der mit seiner Dichtfläche an der Wandung 22, insbesondere an der Presssitzfläche 22 des Zylinderkopfes 10 mittels einer Presssitzverbindung anliegt. Auch hier erfolgt eine Vergleichmäßigung der Flächenpressung auf den Zylinderkopf 10, wie sie bereits für den Ventilsitzring 30 der Auslassöffnung 13 beschrieben ist.
Bezuaszeichenliste

10: Zylinderkopf
11: Hohlräume
12: Einlassöffnung
13: Auslassöffnung
20: Ausnehmung des Zylinderkopfes 10
21: Wandung des Zylinderkopfes 10, Positionierungsfläche 21
22: Wandung des Zylinderkopfes 10, Presssitzfläche 22
30: Ventilsitzring
31: obere Fügestelle
32: untere Fügestelle
33: Kontaktbereich
33a: Dichtfläche
34: Fluidkanal
S: Spalt
B: Breite des Spalts S
h: Höhe des Kontaktbereiches 33

Claims

Zylinderkopf (10) für eine Brennkraftmaschine, der von Kühlmittel durchströmte Hohlräume (11) aufweist, mit ventilgesteuerten Einlass- und Auslassöffnungen (12,13), von denen zumindest eine Öffnung (12,13) eine Ausnehmung (20) aufweist, in der ein Ventilsitzring (30) eingepasst ist, wobei der Ventilsitzring (30) an einer Wandung (21,22) der Ausnehmung (20) befestigt ist, zwischen dem Ventilsitzring (30) und der Wandung (21,22) mindestens ein Kontaktbereich (33) vorgesehen ist, der eine Dichtfläche (33a) aufweist, an der der Ventilsitzring (30) an der Wandung (21,22) kontaktierend anliegt, und der Kontaktbereich (33) konvex ausgeführt ist, wodurch eine mechanische Entlastung des Zylinderkopfes (10) bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Kontaktbereiches (33) größer ist als die Dichtfläche (33a).
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring (30) mit dem Kontaktbereich (33) ausgeführt ist und/oder die Wandung (22) der Ausnehmung (20) mit dem Kontaktbereich (33) ausgeführt ist.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (33a) mittig am Kontaktbereich (33) vorgesehen ist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Fluidkanal (34) vorgesehen ist, der durch den Ventilsitzring (30) und durch die Ausnehmung (20) umschlossen ist und mindestens an einem der Hohlräume (11) angeschlossen ist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (33) für einen Presssitz des Ventilsitzrings (30) in der Ausnehmung (20) dient.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring (30) eine obere (31) und eine untere Fügestelle (32) aufweist, an der sich der Ventilsitzring (30) im Presssitz an der Wandung (21,22) der Ausnehmung (20) befindet, wobei insbesondere zwischen der oberen (31) und der unteren Fügestelle (32) sich der Fluidkanal (34) erstreckt.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fügestelle (31,32) mit dem Kontaktbereich (33) ausgeführt ist, der umfangsseitig des Ventilsitzringes (30) sich erstreckt.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvexität des Kontaktbereiches (33) über einen definierten Radius (R) bestimmt ist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (21,22) der Ausnehmung (20) eine Positionierungsfläche (21), die die horizontale Lage des Ventilsitzringes (30) in der Einlass- und/oder Auslassöffnung (12,13) bestimmt, und eine Presssitzfläche (22) aufweist, die dem Kontaktbereich (33) des Ventilsitzringes (30) zugewandt ist.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenpressung an der Presssitzfläche (22) wesentlich größer ist als an der Positionierungsfläche (21).
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittig am Kontaktbereich (33) eine Flächenpressung auf die Presssitzfläche (22) wirkt, die in Richtung des Rands des Kontaktbereiches (33) abnimmt.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rand des Kontaktbereiches (33) und der Presssitzfläche (22) ein Spalt (S) vorliegt.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (S) eine Breite B von 1 µm ≤ B ≤ 500 µm aufweist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (33) profiliert ausgeführt ist.