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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einer Ventilführung, in der ein Ventilschaft eines Ventils hubbeweglich geführt ist.
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STAND DER TECHNIK
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Es ist bekannt, dass Ventilanordnungen in einer Brennkraftmaschine mit einer Verdichtung des Brennkraftstoffes durch Hubkolben einer hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Beispielsweise kann die zur mechanischen Beanspruchung eines Auslassventils im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zusätzlich hinzukommende thermische Beanspruchung durch den Wärmeübergang aus dem Brennraum zu dauerhaften Verformungen des Ventils, insbesondere des Ventilschaftes führen, wodurch sich die Betriebsstundenzahl einer Brennkraftmaschine aufgrund unerwünschter Wartungsarbeiten bzw. Reparaturen deutlich senken kann.
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Zur Vermeidung derartiger Stillstandzeiten einer Brennkraftmaschine aufgrund eventueller Wartungsarbeiten bzw. Reparaturen sollte daher eine zu starke Erwärmung des Ventils vermieden werden.
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Die
DE 43 13 591 A1 beschreibt ein Kühlprinzip zur Kühlung von Ventilen von Brennkraftmaschinen, bei dem der Ventilkörper, insbesondere der Ventilschaft, mit Kühlflüssigkeit von innen durchströmt wird. Dadurch wird eine effektive Kühlung des Ventils erreicht, jedoch erfordert die Zu- und Abführung des Kühlmediums einen konstruktiv aufwändigen Aufbau.
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Die in der
DE 29 32 905 A1 gezeigte Kühlanordnung zur Kühlung eines Ventils ermöglicht ein Anströmen des Ventils mit Druckluft durch Kanäle im Körper des Zylinderkopfes hindurch, wobei die Druckluft nach Anströmen des Ventils, insbesondere des Ventiltellers, in den Abgaskanal gelangt. Diese Kühlmöglichkeit bietet lediglich die Druckluftkühlung, da anderenfalls Kühlflüssigkeit, beispielsweise Schmieröl, in den Abgaskanal gelangen würde, was technisch zu vermeiden ist. Nachteilig ist dabei die geringere Wärmeabfuhr durch das Medium Luft.
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Aus der
DE 25 02 631 A1 ist eine Ventilkühlung mit Ringkammern bekannt, die zur Kühlung der Ventilführung den wesentlichen Schaftabschnitt der Ventilführung umschließen und die mit einem Kühlmittel, beispielsweise mit Kühlwasser oder mit Schmieröl, durchflossen werden. Die Ringkammern sind so ausgebildet, dass das Ventil, und damit auch der Ventilschaft, nicht mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt gelangt. Die Schaftführung des Ventils wird lediglich mit den Kühlkammern umschlossen und die Wärmeabfuhr aus dem Ventil der Brennkraftmaschine muss durch einen Wandungsabschnitt der Schaftführung erfolgen, wodurch der Wärmeabtransport aus dem Ventil nachteilig verringert wird.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Vor dem Hintergrund des Standes der Technik ist es daher die Aufgabe der Erfindung, eine Ventilanordnung in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine Kühlung des Ventils auf einfache und effektive Weise ermöglicht, insbesondere soll eine Ventilführung geschaffen werden, über die mit nur geringem technischen Aufwand Wärme aus dem Ventil abgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Ventilführung in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass in der Ventilführung wenigstens eine Ölnut eingebracht ist, wobei die Ölnut einen Ölraum in der Ventilführung bildet in den aus wenigstens einem in die Ventilführung mündenden Druckkanal im Zylinderkopf Drucköl einleitbar ist.
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Die Erfindung sieht damit eine Ölnut in der Ventilführung vor, welche eine Führungsfläche zur Führung des Ventils aufweist, die mittels einer Führungsfläche im mittelbaren Kontakt mit dem Ventilschaft steht. Durch den indirekten Kontakt des Drucköls mit dem Ventilschaft kann Wärme, ausgehend vom Ventilschaft des Ventils, über die Ventilführung an das Drucköl abgeleitet werden, wodurch eine Kühlung des Ventils erzielt wird. Die Ölnut ist in Richtung zum Ventilschaft geschlossen ausgebildet und kann beispielsweise eine U-förmige Querschnittsgeometrie besitzen. Das Drucköl kann unter Druck stehend in die Ölnut eingespeist werden, sodass diese mit Drucköl durchströmt wird. Darüber hinaus wird mittels eines sich bildenden Öl-Films zwischen der Ventilführung und dem Ventilschaft eine unmittelbare Wärmeableitung ausgeführt, wobei sich der Öl-Film durch eine Hubbewegung des Ventils bildet. Der sich bildende Öl-Film dient neben der Funktion eines Transfermediums auch zur vollumfänglichen Schmierung des Ventils.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Ventilanordnung kann in der Ventilführung eine Ringnut eingebracht sein, wobei die Ölnut in die Ringnut mündet. Die Ölnut kann in der außenliegenden Wandung der Ventilführung in Hubrichtung des Ventils verlaufen und in die Ringnut münden. Beispielsweise kann der Druckkanal an einem dem Auslasskanal im Zylinderkopf fernen Ende mit der Ölnut verbunden sein, sodass das Drucköl über den Druckkanal in das obere Ende der Ölnut eingespeist wird. Hingegen kann sich die Ringnut am unteren Ende der Ölnut befinden und fluidisch mit dieser verbunden sein, und das untere Ende der Ölnut weist in Richtung zum Auslasskanal. Dem Verlauf der Ölnut folgend strömt das Drucköl entlang des Richtungsverlaufs des Ventilschaftes von der oberen Seite zur unteren Seite im Zylinderkopf in Richtung zum Brennraum und wird in der Ringnut aufgesammelt.
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Von der Ringnut ausgehend kann wenigstens eine weitere Ölnut in der Ventilführung eingebracht sein, aus der das Drucköl aus der Ringnut abfließt und durch die das Drucköl insbesondere in einem in Richtung zum Nockenwellenraum offenen Sammelbereich im Zylinderkopf fließt. Durch die erste Ölnut kann folglich das Drucköl entlang der Hubrichtung des Ventils in Richtung zur Ringnut fließen, sich in der Ringnut sammeln und anschließend durch die weitere Ölnut aus der Ringnut wieder abfließen und in Richtung zum Nockenwellenraum aus der Ölnut austreten. Der Nockenwellenraum befindet sich dabei gewöhnlich auf der dem Auslasskanal abgewandten Seite der Ventilführung.
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Die weitere Ölnut, die das Drucköl von der Ringnut in den Nockenwellenraum führt, kann in einem Umfangsbereich in der Ventilführung eingebracht sein, die in Richtung zum Auslasskanal weist. Dadurch wird erreicht, dass das durch die weitere Ölnut fließende Drucköl den Ventilschaft vor dem Wärmeeinfluss des Auslasskanals schützt und die Wärme über das in den ölführenden Nuten der Ventilführung fließende Öl in den Nockenwellenraum abführt. Insbesondere kann die weitere Ölnut der durch den Druckkanal gespeisten Ölnut gegenüberliegend in der Ventilführung eingebracht sein. Beispielsweise können beide Ölnuten auf sich 180° gegenüberliegenden Seiten in der Ventilführung eingebracht sein.
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Ein weiterer Vorteil wird erreicht, wenn der Druckkanal aus einem im Zylinderkopf vorhandenen Öl-Versorgungskanal gespeist ist, wobei der Öl-Versorgungskanal insbesondere zur Zufuhr von Öl an im Zylinderkopf vorhandene Kipphebellager dient und somit in den meisten Zylinderköpfen entsprechender Bauart bereits vorhanden ist. Grundsätzlich verlaufen im Zylinderkopf Druckkanäle zur Ölversorgung von im Zylinderkopf aufgenommenen bewegten Komponenten. Bekannt sind hierfür beispielsweise Öl-Versorgungskanäle im Zylinderkopf, die Drucköl an Kipphebellager führen, um diese zu schmieren. Die Kipphebellager dienen zur gelenkigen Aufnahme von Kipphebeln zwischen einer Nockenwelle und den Ventilen. Dabei kann der Druckkanal zur Versorgung der Ventilführung mit Drucköl das Drucköl aus dem Öl-Versorgungskanal abzweigen.
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Mit besonderem Vorteil kann der Druckkanal als Bohrung aus einem Zündkerzenloch im Zylinderkopf angelegt sein und sich zwischen dem Zündkerzenloch und der Ventilführung durch den Zylinderkopf hindurch erstrecken. Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte Fertigungsmöglichkeit zur Herstellung des Druckkanals zwischen dem Öl-Versorgungskanal und der Ventilführung, und der Druckkanal wird durch einen Bohrvorgang so angelegt, dass dieser den Öl-Versorgungskanal kreuzt. Um das Auslaufen von Drucköl in das Zündkerzenloch zu vermeiden, kann die Bohrung in Richtung zum Zündkerzenkanal mit einem Verschlussmittel verschlossen sein.
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Mit weiterem Vorteil kann im Druckkanal ein Drosselelement eingebracht sein, mit dem die insbesondere aus dem Öl-Versorgungskanal in den Druckkanal fließende Menge an Drucköl einstellbar ist. Beispielsweise kann das Drosselelement mit einem Werkzeug einstellbar sein, das durch den Druckkanal an das Drosselelement führbar ist. Im einfachsten Fall kann das Drosselelement durch eine Blende gebildet sein, oder das Drosselelement ist bereits durch eine entsprechende Strömungsverengung im Druckkanal hergestellt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Ventilführung als Führungshülse ausgebildet und im Zylinderkopf eingesetzt sein oder die Ventilführung wird bevorzugt durch das Material des Zylinderkopfes selbst gebildet, indem eine entsprechend angelegte Führungsbohrung im Zylinderkopf eingebracht wird, in der der Ventilschaft hubbeweglich geführt aufgenommen wird. In beiden Varianten kann die Ölnut in der Ventilführung selbst eingebracht sein, und ist die Ventilführung als Führungshülse ausgebildet, kann diese die innenliegende wenigstens eine Ölnut aufweisen.
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In einer überdies bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilführung eine zur ölführenden Ringnut beabstandete, weitere Ringnut auf. Diese zusätzliche Ringnut bildet bei eingesetzter Ventilführung im Zylinderkopf einen ringförmigen, mit Luft befüllten Hohlraum aus, welcher eine zusätzliche Wärmeisolierung im brennraumnahen Bereich der Ventilführung darstellt und somit einen Wärmeübergang auf die Ventilführung verringern kann.
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Die Brennkraftmaschine kann als Ottogasmotor ausgebildet sein und/oder das Ventil kann als Auslassventil dienen. Insbesondere bei Ottogasmotoren ist bekannt, dass auf der Auslassseite hohe Abgastemperaturen vorherrschen, wodurch eine besondere Kühlung des Auslassventils erforderlich wird, die mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung gekühlt werden kann.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf, in dem ein Ausführungsbeispiel einer Ventilanordnung mit einer erfindungsgemäßen Ventilführung gezeigt ist;
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2 eine Hauptansicht einer Ventilführunggemäß 1;
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3 eine Schnittdarstellung der Ventilführung gemäß der 2.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zylinderkopfes 10 in einer quergeschnittenen Ansicht entlang der Ebene, in welcher eine Ventilanordnung angeordnet ist. Im Schnitt liegend ist eine Ventilführung 11 dargestellt, in der ein nicht näher gezeigtes Ventil mit einem Ventilschaft eingesetzt werden kann, welches durch die Ventilführung 11 in Hubrichtung 15 geführt ist. Das Ventil kann gegen einen Ventilsitz 23 einen Brennraum verschließen oder diesen in einen Auslasskanal 16 öffnen, wobei sich der Brennraum unterhalb des Ventilsitzes 23 befindet. Die Ventilführung 11 ist beispielhaft ohne eine Führungsbohrung für das Ventil dargestellt und bereits im Körper des Zylinderkopfes 10 angeordnet.
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In der Ventilführung 11 ist eine erfindungsgemäße Ölnut 12 gezeigt, die sich entlang der Hubrichtung 15 auf der dem Abgaskanal 16 abgewandten Seite befindet. Die Ölnut 12 ist als Nut in der Fläche der Ventilführung 11 eingebracht und verläuft von einer oberen, dem Auslasskanal 16 abgewandten Seite zu einer unteren, dem Auslasskanal 16 zugewandten Seite, die der Seite des Brennraums entspricht, der durch den Zylinderkopf 10 begrenzt wird. Durch die Ölnut 12 wird ein Ölraum zwischen der Ventilführung (11) und einer die Ventilführung 11 aufzunehmenden Bohrung im Zylinderkopf 10 gebildet, in dem Drucköl in Kontakt mit der Oberfläche der Ventilführung 11 gelangt und darüber das Ventil kühlt.
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An der oberen, dem Auslasskanal 16 abgewandten Seite mündet ein Druckkanal 13 in die Ölnut 12, und über den Druckkanal 13 kann Drucköl in die Ölnut 12 gespeist werden. Der Druckkanal 13 verläuft von einem im Zylinderkopf 10 eingebrachten Zündkerzenloch 20 bis in die Wandung der Ventilführung 11 hinein, und der Durchstoßpunkt des Druckkanals 13 durch die Ventilführung 11 fällt mit dem oberen Ende der Ölnut 12 zusammen. Durch die Anordnung des Druckkanals 13 kann dieser durch einen mechanischen Bohrvorgang aus dem Zündkerzenloch 20 in den Körper des Zylinderkopfes 10 hinein angelegt werden, wobei der Verlauf des Druckkanals 13 so gewählt wird, dass dieser einen Öl-Versorgungskanal 19 kreuzt. Der Öl-Versorgungskanal 19 verläuft nicht in der Ebene der gezeigten Schnittansicht und ist durch einen Pfeil angedeutet. Der Öl-Versorgungskanal 19 ist bereits wie aus dem Stand der Technik bekannt im Zylinderkopf 10 vorhanden, um im Kurbelwellenraum aufgenommene Kipphebellager mit Drucköl zu versorgen. Ein Teil des Drucköls kann aufgrund der kreuzenden Anordnung des Druckkanals 13 in diesen abgezweigt werden, und um zu verhindern, dass Drucköl durch das hintere Ende des Druckkanals 13 in das Zündkerzenloch 20 gelangt, ist ein Verschlussmittel 21 in der Mündung des Druckkanals 13 in das Zündkerzenloch 20 eingesetzt worden.
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Zwischen den Kreuzungspunkten des Druckkanals 13 mit dem Öl-Versorgungskanal 19 und der Mündung des Druckkanals 13 in die Ölnut 12 ist ein Drosselelement 22 schematisch gezeigt, mit dem die aus dem Öl-Versorgungskanal abzweigbare Menge an Drucköl einstellbar ist. Durch das Drosselelement 22 kann folglich bestimmt werden, welche Menge an Drucköl in die Ölnut 12 in der Ventilführung 11 eingespeist wird. Das Drosselelement 22 kann beispielsweise mit einem Werkzeug aus Richtung des Zündkerzenloches 20 in den Druckkanal 13 eingesetzt und anschließend eingestellt werden.
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Am unteren, dem Brennraum zugewandten Ende der Ölnut 12 schließt sich eine Ringnut 14 an, und das durch die Ölnut 12 geführte Drucköl kann sich in der Ringnut 14 sammeln. Auf der der Anordnung der Ölnut 12 gegenüberliegenden Seite ist eine weitere Ölnut 17 in der Ventilführung 11 eingebracht, und das in die Ringnut 14 eingespeiste Drucköl kann über die Ölnut 17 in Richtung eines Sammelbereiches 18 abfließen, wobei der Sammelbereich 18 bereits einen Anschluss in den Aufnahmeraum zur Anordnung der Nockenwelle im Zylinderkopf 10 bildet. Im Sammelbereich 18 kann sich die Menge des Drucköls, die aus dem Öl-Versorgungskanal 19 abgezweigt und erfindungsgemäß in die Ventilführung 11 geführt wurde, gesammelt und dem Öl-Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine wieder zugeführt werden. Unterhalb der Ringnut 14 ist in nicht näher gezeigter Weise eine Dichtanordnung vorgesehen, um zu verhindern, dass Drucköl aus der Ringnut 14 in den Auslasskanal 16 gelangt.
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Durch die Anordnung der Ölnut 17 in Richtung zum Auslasskanal 16 wird eine besonders vorteilhafte Kühlung des in der Ventilführung 11 aufgenommenen Ventils geschaffen, da die Ölnut 17 Kühlöl an der Ventilführung entlangführt, und somit eine Wärmebarriere vom Auslasskanal 16 gegen das Ventil bildet bzw. die Wärme ausgehend vom Ventil über die Ventilführung 11 an das Kühlöl ableitet. Zwischen dem hubbeweglich geführten Ventil und der Ventilführung ist ein Ölfilm vorhanden, dessen Bildung in der Figurenbeschreibung zur 3 näher beschrieben wird.
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2 zeigt eine Hauptansicht einer erfindungsgemäßen Ventilführung 11, die von einem in die Ölnut 12 eingeleiteten Kühlöl, welches über die Ringnut 14 in die der Ölnut 12 gegenüberliegenden Anordnung einer weiteren Ölnut 17 umflossen wird. Ein von der Ringnut 14 beabstandete, weiter Ringnut 24 bildet im eingebauten Zustand der Ventilführung 11 im Zylinderkopf 10 einen Hohlraum, der mit Luft befüllt ist und eine zusätzliche Isolation der Ventilführung 11 gegenüber dem Brennraum bildet. Die in einen Zylinderkopf 10 angeordnete Ventilführung 11 wird mittels hier nicht näher dargestellten Dichtungsmitteln gegenüber dem Auslasskanal 16 abgedichtet, um ein unerwünschtes Einfließen von Drucköl in den Auslasskanal 16 zu vermeiden. Die Ventilführung kann aus einem warmfesten Metallmaterial mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gebildet sein. Jedoch ist es auch denkbar, dass die Ventilführung 11 zumindest teilweise im Bereich der druckölführenden Kanäle bzw. Nuten aus einem Sintermaterial gebildet, dessen porenförmiger Aufbau insgesamt von Drucköl durchflossen werden kann, wodurch eine verbesserte Wärmeableitung von dem Ventil bildbar ist. Zusätzlich kann durch den Einsatz eines Sintermaterials eine zumindest teilweise Schmierung des hubbewegten Ventils gebildet werden, die eine unterstützende Schmierfunktion zur Hauptschmierung eines Ventils übernehmen kann.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Ventilführung 11 gemäß der 2 im Schnitt gezeigt, wobei im Unterschied zur 2 eine in dem zum Brennraum liegenden Bereich der Ventilführung 11 eine weitere Ringnut 25 dargestellt ist, welche senkrecht zur Körperachse 27 der Ventilführung 11 auf der inneren Oberfläche der Führungsbohrung zur Führung des Ventilschaftes eines Ventils angeordnet ist.
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Die Ringnut 25 ist zur Aufnahme einer Dichtung ausgebildet, wobei die Dichtung ein übermäßiges Eindringen von größeren Mengen Drucköls, ausgehend von der darüber angeordneten Kipphebelanordnung über die Führungsbohrung 28 der Ventilführung 11 in den nachgeordneten Auslasskanal 16 vermeidet. Jedoch werden aufgrund der Hubbewegung eines Ventilschaftes eines Ventils entgegen entsprechender Abdichtung geringfügige Mengen von Drucköl über die Dichtung in die Führungsbohrung 28 eingeleitet. Dieses Drucköl wird zur Schmierung des in der Ventilführung 11 hubbewegten Ventils verwendet. Aufgrund der geringen Mengenanteile des über die Dichtung eingeleiteten Drucköls ist diese als unbedenklich hinsichtlich eventueller Störungen im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine einzustufen.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten in Form und Materialien denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumliche Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Die erfindungsgemäße Ventilführung 11 in einer Ventilanordnung in einem Zylinderkopf 10 ist für die Aufnahme eines Auslassventils zum Öffnen und Schließen eines Auslasskanals 16 gezeigt, wobei die Ventilanordnung mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung kann auch für ein Einlassventil einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinderkopf
- 11
- Ventilführung
- 12
- Ölnut
- 13
- Druckkanal
- 14
- Ringnut
- 15
- Hubrichtung
- 16
- Auslasskanal
- 17
- Ölnut
- 18
- Sammelbereich
- 19
- Öl-Versorgungskanal
- 20
- Zündkerzenloch
- 21
- Verschlussmittel
- 22
- Drosselelement
- 23
- Ventilsitz
- 24
- Ringnut
- 25
- Ringnut
- 26
- Führungsbohrung
- 27
- Körperachse
- 28
- Führungsbohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4313591 A1 [0004]
- DE 2932905 A1 [0005]
- DE 2502631 A1 [0006]
