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GEBIET DER ERFINDUNG
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Zylinderköpfe zum Managen einer Fluidströmung und insbesondere einen Zylinderkopf mit Tellerventilen mit Druckausgleich für ein verbessertes Fluidströmungsverhalten bei hohen Drehzahlen und niedrigen Ventilhüben.
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HINTERGRUND
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Konstrukteure moderner Hochleistungs-Kolbeneinrichtungen, wie etwa Verbrennungsmotoren und Kolben-Expander, werden mit vielen Konstruktionsproblemen konfrontiert, von denen das nicht Geringste umfasst, dass Fluid-Sollströmungsraten in den Kolbenraum hinein und aus diesem heraus speziell bei hohen Drehzahlen (Umdrehung/RPM) erreicht werden. Ein Kolben-Zylinder-Betrieb bei hoher Drehzahl ist primär durch eine Ventilöffnungszeit und eine Ventilfläche begrenzt. Wenn die Drehzahl der Kolben-Zylinder-Einrichtung erhöht wird, wird der Ventilhub notwendigerweise kleiner. Zudem sind Ventilbetätigungskräfte insofern von Bedeutung, als hohe Betätigungskräfte einen negativen Effekt auf die Betriebseffizienz aufweisen. Bei Verbrennungsmotoren weisen Anwendungen mit vier Ventilen wesentliche Vorteile gegenüber Konstruktionen mit zwei Ventilen hinsichtlich der Ventilfläche in Bezug auf die Kolbenbohrungsfläche auf. Aus der Perspektive der Luftmassenströmung hat sich gezeigt, dass das Hinzufügen zusätzlicher Ventile vorteilhaft ist. Zusätzliche Ventile erhöhen jedoch in signifikanter Weise die Komplexität, die Größe, die Kosten und die Masse des Ventiltriebs. Außerdem hat die Verwendung mehrerer Ventile zu Problemen bezüglich der Strömung und Bewegung geführt, die durch das Einleiten separater Strömungsflüsse in den Kolbenraum verursacht werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Fluidströmungsventil zum Steuern der Strömung eines Fluids in einem Zylinderkopf einer Kolben-Zylinder-Vorrichtung ein erstes Ventilende und ein zweites Schaftende, das axial entfernt davon angeordnet ist und durch einen Ventilschaft damit verbunden ist. Ein erstes Ventilelement ist an dem ersten Ventilende angeordnet und weist eine Ventilsitzfläche auf, die an einer Oberseite desselben angeordnet ist. Ein zweites Ventilelement ist axial entfernt von und in einer festgelegten Beziehung zu dem ersten Ventilelement entlang des Ventilschafts angeordnet und weist eine Ventilsitzfläche auf, die an einer Oberseite desselben angeordnet ist. Eine Ventilstütze erstreckt sich axial zwischen dem ersten Ventilelement und dem zweiten Ventilelement und verbindet diese; wobei die Ventilstütze einen sich axial erstreckenden Wandabschnitt umfasst, der umlaufend beabstandete Stützstreben aufweist, die sich radial zwischen dem Ventilschaft und dem Wandabschnitt erstrecken. Fluidströmungsdurchgänge erstrecken sich axial durch den Wandabschnitt zwischen den umlaufend beabstandeten Stützstreben, wobei ein Fluid gleichzeitig um die Außenseite des Wandabschnitts herum und durch die Fluidströmungsdurchgänge im Wandabschnitt hindurch strömt, wenn das Ventilelement in eine offene Position vorgespannt ist.
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Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung, die ein Fluidströmungsventil zum Steuern der Strömung eines Druckfluids in einen darin angeordneten Raum hinein und daraus heraus aufweist und ein erstes Ventilende und ein zweites Schaftende, das axial entfernt davon angeordnet und durch einen Ventilschaft damit verbunden ist, ein erstes Ventilelement, das an dem ersten Ventilende angeordnet ist und eine Ventilsitzfläche aufweist, die an einer Oberseite desselben angeordnet ist, ein zweites Ventilelement, das entlang des Ventilschafts axial vom ersten Ventilelement entfernt angeordnet ist und dazu in einer festgelegten Beziehung steht und eine Ventilsitzfläche aufweist, die an einer Oberseite desselben angeordnet ist, und eine Ventilstütze umfasst, die sich axial, zwischen dem ersten Ventilelement und dem zweiten Ventilelement erstreckt und diese verbindet, wobei die Ventilstütze einen sich axial erstreckenden Wandabschnitt umfasst, der umlaufend beabstandete Stützstreben aufweist, die sich radial zwischen dem Ventilschaft und dem Wandabschnitt erstrecken, dass ein rotierender Ventilsitzfach-Fräser, der erste und zweite axial beabstandete Fräsköpfe umfasst, die relativ zueinander befestigt sind und durch eine axiale Länge getrennt sind, die das erste Ventilelement und das zweite Ventilelement des Einlassventils oder des Auslassventils trennt, in eine Einlassöffnung oder eine Auslassöffnung im Raum des Zylinderkopfs eingeführt wird. Erste und zweite Ventilsitzfächer im Zylinderkopf werden vom Raum aus gleichzeitig gefräst.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur beispielhaft in der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, wobei die Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug nimmt, in denen:
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1 eine Teilschnittansicht von Einlass- und Auslassanschlüssen eines Zylinderkopfs und eines zugehörigen Kolbenraums eines Zylinderkopfs für eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung ist, die Merkmale der Erfindung verkörpert;
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2 eine schematische Schnittansicht eines Einlassventils des Zylinderkopfs von 1 ist, die eine Fluidströmung durch diesen hindurch darstellt;
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3 eine schematische Schnittansicht eines Auslassventils des Zylinderkopfs von 1 ist, die eine Fluidströmung durch diesen hindurch darstellt;
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4 eine Schnittansicht des Einlassventils von 1 entlang einer Linie 4-4 ist;
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5 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur maschinellen Bearbeitung der Ventilsitzfächer des Zylinderkopfs von 1 ist; und
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6 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur maschinellen Bearbeitung der Ventilsitze des Zylinderkopfs von 1 ist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung ist rein beispielhaft und ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Es versteht sich, dass entsprechende Bezugszeichen in den Zeichnungen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
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Mit Bezug nun auf 1–3 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung auf einen Zylinderkopf 14 für eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung, wie zum Beispiel einen Verbrennungsmotor oder einen Kolben-Zylinder-Expander gerichtet. Der Zylinderkopf 14 ist so ausgestaltet, dass er einen oder mehrere Räume 16 definiert. Ein Fluidströmungsanschluss, wie etwa ein Einlassanschluss 20 in Fluidverbindung mit einem (nicht gezeigten) Ansaugsystem erstreckt sich durch den Zylinderkopf 14 hindurch und öffnet sich durch eine Einlassöffnung 22 in den Raum 16. Ein Druckfluid 24 (beispielsweise Verbrennungsluft in einem Verbrennungsmotor) strömt aus dem Ansaugsystem und durch die Einlassöffnung 22 in den Raum 16 hinein. Auf ähnliche Weise erstreckt sich ein weiterer Fluidströmungsanschluss, wie etwa ein Auslassanschluss 26 in Fluidverbindung mit einem (nicht gezeigten) Auslasssystem durch den Zylinderkopf 14 hindurch und öffnet sich durch eine Auslassöffnung 28 in den Raum 16 hinein. Druckfluid 24 (beispielsweise Abgas im Verbrennungsmotor), 3, verlässt den Raum 16 durch den Auslassanschluss 26 im Anschluss an das Freisetzen von Energie im Raum 16 und an ein (nicht gezeigtes) Auslasssystem.
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Zur Hin- und Herbewegung im Einlassanschluss 20 ist ein Fluidströmungsventil, wie etwa ein Einlassventil 32, angeordnet. Das Einlassventil 32 erstreckt sich axial von einem ersten Ventilende 34, das im Einlassanschluss 20 angeordnet ist, zu einem zweiten Schaftende 36, das sich zum Eingriff mit Ventilstellgliedern (nicht gezeigt) aus dem Zylinderkopf 14 heraus erstreckt. Am ersten Ventilende 34 des Einlassventils 32 ist ein erstes Ventilelement 38 angeordnet. Das erste Ventilelement weist einen Durchmesser ”D1” auf und umfasst eine erste Sitzfläche 42 an der Oberseite desselben. Die Ventilsitzfläche 42 ist ausgestaltet, um mit einem Ventilsitz 44 abdichtend in Eingriff zu treten, der sich um die Einlassöffnung 22 des Einlassanschlusses 20 herum erstreckt und so ausgestaltet ist, dass er zu dem ersten Ventilelement 38 passt, um eine Abdichtung dazwischen zu ermöglichen. Ein zweites Ventilelement 48 ist um eine Distanz ”L” entlang des Ventilschafts 50 axial vom ersten Ventilelement 38 entfernt angeordnet. Das zweite Ventilelement 48 ist einstückig mit dem ersten Ventilelement 38 oder durch eine Ventilstütze 52 damit verbunden, die sich dazwischen erstreckt. Die Ventilstütze 52 kann eine beliebige einer Anzahl von Konfigurationen aufweisen. Bei der in 1 und 4 gezeigten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Ventilstütze einen sich axial erstreckenden zylindrischen Wandabschnitt 54 mit Stützstreben 56, die sich radial zwischen dem Ventilschaft 50 und dem zylindrischen Wandabschnitt erstrecken. Die Stützstreben 56 sind umlaufend von einander beabstandet und definieren Fluiddurchgänge 58, die sich axial durch den zylindrischen Wandabschnitt 54 hindurch erstrecken. Das zweite Ventilelement weist einen Durchmesser ”D2” auf, wobei D1 > D2 ist, und umfasst eine zweite Sitzfläche 60 an der Oberseite desselben. Die zweite Sitzfläche 60 ist ausgestaltet, um mit einem zweiten Ventilsitz 64 im Dach 66 des Einlassanschlusses 20 abdichtend in Eingriff zu treten. Der zweite Ventilsitz 64 ist so ausgestaltet, dass er zu dem zweiten Ventil 48 passt, um ein Abdichten dazwischen zu ermöglichen.
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Mit Bezug auf 1 steht die Sitzfläche 42 des ersten Ventilelements 38 in einem abdichtenden Eingriff mit dem Ventilsitz 46 und die zweite Sitzfläche 60 des zweiten Ventilelements 48 steht auf ähnliche Weise in Eingriff mit dem zweiten Ventilsitz 64 im Dach 66 des Einlassanschlusses, wenn das sich hin- und herbewegende Einlassventil 32 in eine geschlossene Position vorgespannt ist. In dieser Konfiguration wird ein Druckfluid 24 im Einlassanschluss 20 am Strömen in den Raum 16 hinein gehindert. Mit Bezug auf 2 ist die Sitzfläche 42 des ersten Ventilelements 38 vom Ventilsitz 44 wegbewegt, wenn das sich hin- und herbewegende Einlassventil 32 in eine offene Position vorgespannt ist, was ermöglicht, dass Druckfluid 24 in den Raum 16 strömt. Auf ähnliche Weise ist der zweite Ventilsitz 60 des zweiten Ventilelements 48 aus einem abdichtenden Eingriff mit dem zweiten Ventilsitz 64 im Dach 66 des Einlassanschlusses wegbewegt, was ermöglicht, dass Druckfluid 24 zwischen der Ventilsitzfläche 60 und dem zweiten Ventilsitz 64 und durch die Luftdurchgänge 58 in der Ventilstütze 52 und in den Brennraum hineinströmt. Da das Einlassventil 32 nahezu die doppelte Ventilsitzfläche aufweist, wird das Strömungsvolumen von Druckfluid 24 in den Raum 16 hinein proportional erhöht, speziell bei Anwendungen mit niedrigem Ventilhub. Für Anwendungen, die große Luftströmungsraten bei niedrigen Ventilhüben benötigen, ist die offenbarte Einlassventilgeometrie vorteilhaft. Da die Durchmesser D1 und D2 nur leicht variieren, ist darüber hinaus der Druckunterschied über das erste Ventilende 34 des Einlassventils 32 nahezu ausgeglichen, was zu einer wesentlichen Verringerung der Vorspannkräfte führt, die benötigt werden, um das Einlassventil 32 aus einer offenen in eine geschlossene Position und umgekehrt zu bewegen. Die Verringerung der Vorspannkraft, die zum Hin- und Herbewegen des Einlassventils 32 benötigt wird, verbessert den Gesamtwirkungsgrad der Kolben-Zylinder-Vorrichtung, indem die parasitären Lasten der Ventilbetätigung verringert werden. Bei einem Beispiel fiel die Betätigungslast eines Einlassventils 32 eines Verbrennungsmotors mit einem Durchmesser D1 = 29 mm, das in einem Einlassanschluss 20 mit einer Druckdifferenz von 0,2 MPa über dem Ventil angeordnet ist, von 130 N auf 1,7 N, während die Druckfluidströmung 24 bei niedrigen Ventilhüben nahezu verdoppelt wurde.
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Mit Bezug auf 1 und 3 ist ein Fluidströmungsventil, wie etwa ein Auslassventil 70, zur Hin- und Herbewegung im Auslassanschluss 26 angeordnet. Das Auslassventil 70 erstreckt sich axial von einem ersten Ventilende 72, das im Auslassanschluss 26 angeordnet ist, zu einem zweiten Schaftende 74, das sich zum Eingriff mit Ventilstillgliedern (nicht gezeigt) aus dem Zylinderkopf 14 heraus erstreckt. Am ersten Ventilende 72 des Auslassventils 70 ist ein erstes Ventilelement 76 angeordnet. Das erste Ventilelement 76 weist einen Durchmesser ”OD1” auf und umfasst eine erste Sitzfläche 78 an der Oberseite desselben. Die erste Sitzfläche 78 ist ausgestaltet, um mit einem Ventilsitz 82 abdichtend in Eingriff zu treten, der sich um die Auslassöffnung 28 des Auslassanschlusses 26 herum erstreckt und so ausgestaltet ist, dass er zu dem ersten Ventilelement 76 passt, um ein Abdichten dazwischen zu ermöglichen. Ein zweites Ventilelement 84 ist um eine Distanz ”L” entlang des Ventilschafts 86 vom ersten Ventilelement 76 axial entfernt angeordnet. Das zweite Ventilelement 84 ist einstückig mit dem ersten Ventilelement 76 oder damit durch eine Ventilstütze 88, die sich dazwischen erstreckt, verbunden. Die Ventilstütze 88 kann eine beliebige einer Anzahl von Konfigurationen aufweisen. Bei der in 1 und 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Ventilstütze einen sich axial erstreckenden zylindrischen Wandabschnitt 90 mit Stützstreben 92, die sich radial zwischen dem Ventilschaft 86 und dem zylindrischen Wandabschnitt 90 erstrecken. Die Stützstreben 92 sind umlaufend voneinander beabstandet und definieren Auslassdurchgänge 94, die sich axial durch den zylindrischen Wandabschnitt 90 hindurch erstrecken. Das zweite Ventilelement 84 weist einen Durchmesser ”OD2” auf, wobei OD1 > OD2 ist, und umfasst an der Oberseite desselben eine zweite Sitzfläche 96. Die zweite Sitzfläche 96 ist ausgestaltet, um mit einem zweiten Ventilsitz 100 im Dach 102 des Auslassanschlusses 26 abdichtend in Eingriff zu treten. Der zweite Ventilsitz 100 ist so ausgestaltet, dass er zu dem zweiten Ventilelement 84 passt, um ein Abdichten dazwischen zu ermöglichen.
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Mit Bezug auf 1 steht die Sitzfläche 78 des ersten Ventilelements 76 in abdichtendem Eingriff mit dem Ventilsitz 82 und die zweite Sitzfläche 96 des zweiten Ventilelements 84 steht auf ähnliche Weise in Eingriff mit dem zweiten Ventilsitz 100 im Dach 102 des Auslassanschlusses, wenn das sich hin- und herbewegende Auslassventil 70 in eine geschlossene Position vorgespannt ist. In dieser Konfiguration wird verhindert, dass Druckfluid 24 im Raum 16 in den Auslassanschluss 26 strömt. Mit Bezug auf 3 ist der Ventilsitz 78 des ersten Ventilelements 76 von der zweiten Sitzfläche 82 weg bewegt, was ermöglicht, dass Druckfluid 24 aus dem Raum 16 durch den Auslassanschluss 26 heraus strömt, wenn das sich hin- und herbewegende Auslassventil 70 in eine offene Position vorgespannt ist. Gleichzeitig ist der zweite Ventilsitz der zweiten Sitzfläche 96 des zweiten Ventilelements 84 aus einem abdichtenden Eingriff mit dem zweiten Ventilsitz 100 im Dach 102 des Auslassanschlusses weg bewegt, was ermöglicht, dass das Druckfluid 24 zwischen der Ventilsitzfläche 96 und dem zweiten Ventilsitz 100 und durch die Auslassdurchgänge 94 in der Ventilstütze 88 und aus dem Raum 16 herausströmt. Da das Auslassventil 70 etwa die doppelte Ventilsitzfläche eines herkömmlichen Tellerventils aufweist, wird das Strömungsvolumen von Druckfluid 24 aus dem Raum 16 heraus proportional erhöht, speziell bei Anwendungen mit niedrigem Ventilhub. Für Anwendungen, die große Strömungsraten bei niedrigen Ventilhüben benötigen, ist die offenbarte Auslassventilgeometrie vorteilhaft. Da die Durchmesser OD1 und OD2 zudem nur leicht variieren, ist der Druckunterschied über das erste Ventilende 72 des Auslassventils 70 nahezu ausgeglichen, was zu einer wesentlichen Verringerung bei den Vorspannkräften führt, die benötigt werden, um das Auslassventil 70 von einer offenen in eine geschlossene Position und umgekehrt zu bewegen. Die Verringerung der Vorspannkraft, die benötigt wird, um das Auslassventil 70 hin- und herzubewegen, verbessert den Gesamtwirkungsgrad der Kolben-Zylinder-Vorrichtung, indem parasitäre Lasten der Ventilbetätigung verringert werden.
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Sowohl das Einlassventil 32 als auch das Auslassventil 70, die vorstehend beschrieben sind, weisen eine vereinfachte Geometrie auf, die eine leichte Herstellung sowohl der Ventile 32, 70 als auch des Zylinderkopfs 14 ermöglicht. Die Einlass- bzw. Auslassventile 32, 70 können präzisionsgeschmiedet oder gegossen werden und die Ventilsitzflächen 42, 60 bzw. 78, 96 werden anschließend auf eine gewünschte Ausführung geschliffen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die in 5 und 6 dargestellt ist, ist eine Vorrichtung zur maschinellen Bearbeitung des Zylinderkopfs 14 gezeigt. In 5 umfasst die Vorrichtung einen rotierenden Ventilsitzfachfräser 110, der erste und zweite axial beabstandete Fräsköpfe 112 bzw. 114 umfasst, die relativ zueinander befestigt sind und durch eine axiale Länge ”L” getrennt sind; wobei die gleiche axiale Distanz das erste Ventilelement 38 und das zweite Ventilelement 48 des Einlassventils 32 trennt oder die gleiche axiale Distanz das erste Ventilelement 76 vom zweiten Ventilelement 84 des Auslassventils 70 trennt. Da der Ventildurchmesser D1 > D2 für das Einlassventil 32 ist und OD1 > OD2 für das Auslassventil 70 ist, können die Ventilsitzfächer 116 und 118 gleichzeitig und präzise vom Raum 16 des Zylinderkopfs 14 aus für den Einlassanschluss 20 geschliffen werden und die Ventilsitzfächer 116' und 118' können gleichzeitig und präzise von der Seite des Raums 16 des Zylinderkopfs 14 aus für den Auslassanschluss 26 geschliffen werden.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann in Fällen, bei denen gehärtete Ventilsitzeinsätze 120, 6, in Zylinderköpfen 14, die aus weicheren Legierungen aufgebaut sind, verwendet werden, ein ähnlich ausgestaltetes rotierendes Ventilsitzschleifwerkzeug 122 verwendet werden, das erste und zweite axial beabstandete Schleifköpfe 124 und 126 aufweist, die zum maschinellen Bearbeiten oder Schleifen der Ventilsitzeinsätze 120 entworfen sind, um darauf geeignete Ventilsitzflächen auszubilden. Eine derartige Ventilkonstruktion ermöglicht eine einfache maschinelle Bearbeitung eines monolithischen (d. h. einstückigen) Zylinderkopfs 14, die mit anderen Ventilkonstruktionen nicht möglich war.
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Obwohl die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Elemente derselben durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zudem können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den wesentlichen Umfang derselben zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art angesehen werden, um diese Erfindung auszuführen, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen enthalten wird, die in den Umfang der vorliegenden Anmeldung fallen.
