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Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring zum Einpressen in eine korrespondierende Ausnehmung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, eine Anordnung eines Ventilsitzringes in einer (korrespondierenden) Ausnehmung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Montage eines Ventilsitzringes in einer Ausnehmung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft insbesondere Ventilsitzringe für (Hubkolben-)Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit Ventilsteuerung.
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Ventilsitzringe zum Einpressen werden als separate Bauteile hergestellt und anschließend in einer Ausnehmung eines Zylinderkopfes mittels Presssitz montiert. Dazu weisen die Ventilsitzringe in der Regel eine zylindermantelförmige Außenumfangsfläche mit einem Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der korrespondierenden Ausnehmung, so dass eine Überdeckung vorliegt, die während oder zumindest nach der Montage zu einem Presssitz führt.
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Ventile, mittels welchen Ein- und Auslasskanäle zu einem Brennraum einer Brennkraftmaschine üblicherweise bedarfsweise geöffnet und geschlossen werden, sind hohen Temperaturen ausgesetzt. Auf der Auslassseite treten meist Temperaturen von bis zu 800 °C auf, auf der Einlassseite Temperaturen von bis zu 400 °C oder bis zu 500 °C. Um die Klopffestigkeit einer Brennkraftmaschine zu steigern und ein Überhitzen und eine damit einhergehende Beschädigung der Ventile zu vermeiden, ist eine effiziente Wärmeableitung, insbesondere von den Ventilen über Ventilsitzringe in den Zylinderkopf von Vorteil.
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Aus der Praxis und aus
DE 85 11 657 U1 ist es bekannt, Ventilsitzringe vollständig aus einem wärmeleitfähigen Material herzustellen, um eine Wärmeableitung von den heißen Ventilen auf einen Zylinderkopf zu verbessern. Dies ist allerdings materialbedingt kostenintensiv. Aus
DE 85 11 657 U1 ist es darüber hinaus bekannt, eine innere Umfangsfläche eines Ventilsitzringes mit einer wärmeisolierenden Keramikschicht zu versehen. Durch die Keramikschicht soll ein Aufheizen des Ventilsitzringes, insbesondere durch vorbeiströmendes Brenngas vermieden und somit eine konstante Temperatur des Ventilsitzringes erreicht werden.
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Aus der Praxis ist es darüber hinaus bekannt, Ventile mittels einer kostenintensiven Natriumkühlung zu kühlen, wenn die Wärmeableitung über die Ventilsitzringe nicht ausreichend ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventilsitzring zum Einpressen in einen Zylinderkopf, eine Anordnung eines solchen Ventilsitzringes in einer Ausnehmung eines Zylinderkopfes sowie ein Montageverfahren für einen solchen Ventilsitzring zur Verfügung zu stellen, welche eine kostengünstige und effiziente verbesserte Kühlung des Ventils ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Ventilsitzring zum Einpressen in eine korrespondierende Ausnehmung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine umfasst einen ringförmigen Grundkörper mit einer Außenumfangsfläche, wobei die Außenumfangsfläche zumindest teilweise mit einer zusätzlichen Wärmeleitschicht versehen ist. Dabei ist die Außenumfangsfläche insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, als Pressfläche für einen Presssitz in einer korrespondierenden Ausnehmung des Zylinderkopfes ausgelegt. Unter einem Presssitz wird vorliegend eine Anordnung verstanden, bei welcher der Ventilsitzring vor der Montage gegenüber der Ausnehmung eine Überdeckung mit der Ausnehmung in radialer Richtung aufweist, insbesondere eine Überdeckung von ca. 50 µm bis 60 µm. Zur Montage kann der Ventilsitzring optional gekühlt werden, um die Einpresskraft zu reduzieren und ein weitestgehend reibungs- und kraftfreies Einsetzen des Ventilsitzringes zu ermöglichen. Nach dem Einsetzen des Ventilsitzringes erwärmt sich der Ventilsitzring wieder und presst sich aufgrund der resultierenden Ausdehnung mit seiner Außenumfangsfläche gegen die korrespondierende Umfangsfläche der in dem Zylinderkopf ausgebildeten Ausnehmung an. Der Ventilsitzring weist vorzugsweise eine runde (und weiter bevorzugt auch eine sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung kantenfreie) Außenkontur auf, besonders bevorzugt eine kreisringförmige Außenkontur, damit sich die presspassungsbedingten Spannungen weitestgehend gleichmäßig über den Umfang verteilen. Aufgrund der zumindest teilweise im Bereich der Außenumfangsfläche ausgebildeten Wärmeleitschicht kann der Grundkörper eines erfindungsgemäßen Ventilsitzringes aus einem kostengünstigen Werkstoff hergestellt werden, und dennoch über die Wärmeleitschicht ein hervorragender Wärmeübergang zwischen dem Ventilsitzring und dem den Ventilsitzring umgebenden Zylinderkopf geschaffen werden.
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Dazu ist die Außenumfangsfläche vorzugsweise vollständig mit einer Wärmeleitschicht versehen. Aufgrund des mit der Wärmeleitschicht verbesserten Wärme(ab-)transportes aus einem Einlass- oder Auslasskanal über den Ventilsitzring in den Zylinderkopf kann die Höchsttemperatur des Ventils nachprüfbar reduziert werden, insbesondere indem mit der Wärmeleitschicht der Wärmeübergangskoeffizient verbessert wurde. Der Wärmeübergangskoeffizient ist ein Maß für die Intensität eines Wärmeübergangs zwischen zwei Materialien, hier zum einen zwischen dem Grundkörper des Ventilsitzringes und der Wärmeleitschicht und zum anderen zwischen der Wärmeleitschicht und dem Zylinderkopf. Sowohl auf der Einlass- als auch auf der Auslassseite des Brennraums konnte mit einem erfindungsgemäßen Ventilsitzring eine deutliche Reduzierung der Ventiltemperatur während des Betriebs festgestellt werden. Durch den verbesserten Wärmeübergang kann der Ventilsitzring seine Temperatur effizienter an den Zylinderkopf abgeben, und somit die Temperaturbelastung des Ventils reduzieren. Die Reduzierung der Temperatur des Ventils kann entweder dazu genutzt werden, auf zusätzliche und kostenintensive Kühlmechanismen, wie z.B. Natriumkühlung, zu verzichten und/oder die Herstellungskosten für ein Ventil zu reduzieren, indem auf einen weniger hitzebeständigen und kostengünstigen Werkstoff zurückgegriffen werden kann.
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Als besonders geeignet für einen effizienten Wärmetransport bei gleichzeitig relativ geringen Herstellungskosten eines erfindungsgemäßen Ventilsitzringes haben sich Dicken der Wärmeleitschicht zwischen 1 µm und 50 µm herausgestellt. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Wärmeleitschicht zwischen 5 µm und 30 µm, weiter bevorzugt zwischen 10 µm und 25 µm oder zwischen 7 µm und 20 µm.
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Ein weiterer Werkstoffkennwert, welcher für die Wärmeleitschicht der Erfindung von Bedeutung ist, ist die die Härte, denn es hat sich herausgestellt, dass insbesondere duktile Werkstoffe besonders geeignet sind. Im Rahmen der Entwicklung ermittelte, besonders geeignete Werkstoffe für die Wärmeleitschicht weisen eine Härte zwischen 15 HB und 60 HB auf. Die hohe Duktilität und die relativ weiche Wärmeleitschicht fügen sich beim Einpressvorgang gut in die Morphologie bzw. die Topologie der Umfangsfläche der Ausnehmung ein, wodurch eine sehr enge Verbindung besteht. Durch die Anpassung der Wärmeleitschicht an die Mikrostruktur der Umfangsfläche der Ausnehmung werden – gegebenenfalls luftgefüllte – Zwischenräume weitestgehend oder vollständig eliminiert und der Wärmetransport dementsprechend verbessert.
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Ein weiterer, für die Erfindung relevanter optionaler Kennwert ist das Verhältnis der Bruchdehnung zur Gleichmaßdehnung. Wenn dieses Verhältnis größer als 2, bevorzugt größer als 5 und besonders bevorzugt größer als 15 ist, ergibt sich eine besonders gute Wärmeableitung.
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Der Wärmeübergang kann weiter verbessert werden, wenn der Grundkörper zumindest teilweise auch auf einer sich quer zur Außenumfangsfläche erstreckenden Stirnfläche mit einer Wärmeleitschicht versehen ist, insbesondere auf einer nach der Montage unmittelbar an den Zylinderkopf angrenzenden Stirnfläche. Vorzugsweise ist der Grundkörper auch auf einer solchen Stirnfläche vollständig mit einer Wärmeleitschicht versehen.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn der Grundkörper auf allen Flächen, die im montierten Zustand des Ventilsitzringes direkten Kontakt zum Zylinderkopf aufweisen, vollständig und somit auch vollflächig mit einer Wärmeleitschicht versehen ist.
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Als Werkstoff für die Wärmeleitschicht besonders geeignet sind metallische Werkstoffe, insbesondere solche mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Generell ergibt sich mit metallischen Werkstoffen ein hoher Wärmeübergangskoeffizient in Verbindung mit den üblichen Werkstoffen eines angrenzenden Zylinderkopfes, wie z.B. Aluminium oder Gusseisen, sowie des Grundkörpers des Ventilsitzringes, wie z.B. Sinterstahl. Besonders geeignet erscheinen Aluminium mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit und einer zugleich geringen Härte sowie alternativ Zink, Silber oder Molybdän. Es ist auch möglich, als Wärmeleitschicht eine Kohlenstoffschicht in Form von Graphit aufzubringen.
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Eine besonders effiziente Abkühlung eines Ventils mittels eines erfindungsgemäßen Ventilsitzringes kann erzielt werden, wenn die Wärmeleitschicht zumindest überwiegend aus Kupfer gebildet ist. Vorzugsweise ist die Wärmeleitschicht vollständig aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung gebildet. Kupfer stellt zum einen ein sehr kostengünstiges Material für eine Wärmeleitschicht dar, ferner ist die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeübergangskoeffizient zum Ventilsitzring (dieser ist in der Regel aus Sinterstahl, gegebenenfalls mit Kupfer infiltriert) und zum Zylinderkopf (zumeist aus Gusseisen oder Aluminium hergestellt) besonders hoch. Kupfer weist eine hohe Duktilität mit einem Verhältnis der Bruchdehnung zur Gleichmaßdehnung von etwa 20 und eine Härte in einem Bereich von 30 HB bis 50 HB auf. Mit einer Wärmeleitschicht aus Kupfer kann eine gute Anpassung an die Morphologie der Umfangswand der Ausnehmung erzielt werden.
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In einem kostengünstigen Verfahren wird die Wärmeleitschicht mittels Galvanisieren auf den Ventilsitzring aufgebracht. Galvanisieren, insbesondere eine galvanische Verkupferung, stellt ein kostengünstiges Verfahren zur Aufbringung einer Schicht dar und erlaubt eine Beschichtung der Ventilsitzringe im Rahmen einer Großserienfertigung.
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Alternativ kann die Wärmeleitschicht mittels thermischem Spritzen, Aufdampfen (CVD- oder PVD-Verfahren), Sprüh- und/oder Pulverbeschichtung oder mittels eines Tauchverfahrens in der Schmelze aufgebracht werden.
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Vorteilhafterweise ist an der Innenumfangsfläche des Ventilsitzringes mindestens eine umlaufende Fase ausgebildet, die als Dichtfläche dient und bei geschlossenem Ventil zur Anlage mit einer tellerartig ausgebildeten Fläche eines Ventils kommt. Um den Ventilsitzring hinsichtlich eines Strömungsflusses zu optimieren, können an der Innenumfangsfläche auch weitere Fasen ausgebildet sein, insgesamt eine oder zwei weitere Fasen, die sich auf der weiter entfernt vom Brennraum liegenden Seite der vorstehend beschriebenen Fase anschließen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung eines wie vorstehend beschriebenen Ventilsitzringes in einer Ausnehmung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, wobei der Ventilsitzring auf mindestens einer, mit dem Zylinderkopf in Kontakt stehenden Fläche zumindest teilweise mit einer Wärmeleitschicht versehen ist. Vorzugsweise ist der Ventilsitzring auf allen solchen Flächen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig und vollflächig, mit einer Wärmeleitschicht versehen. Bei diesen Flächen handelt es sich insbesondere um die Außenumfangsfläche des Grundkörpers des Ventilsitzringes und eine – im montierten Zustand des Ventilsitzringes – dem Brennraum abgewandten Stirnfläche des Grundkörpers. Eine solche Stirnfläche ist bei einer bevorzugten, einfachen Geometrie senkrecht zu der Außenumfangsfläche orientiert. Mit einer solchen Anordnung lässt sich bei geringen Herstellungskosten ein effizienter Wärmetransport von dem Ventilsitzring auf den Zylinderkopf erzielen.
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Strömungstechnisch bevorzugt ist es, wenn der Ventilsitzring derart in der Ausnehmung angeordnet ist, dass eine Innenkontur, die sich über eine Innenumfangsfläche des Ventilsitzringes und eine innere Mantelfläche eines Kanals in dem Zylinderkopf erstreckt, einen stufenfreien Verlauf aufweist. In diesem Fall werden durch Stufen bedingte Turbulenzen und damit verbundene Strömungsverluste in dem Einlass- bzw. Auslasskanal wirksam vermieden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage eines wie vorstehend beschriebenen Ventilsitzringes in einer korrespondierenden Ausnehmung eines Zylinderkopfes, insbesondere derart, dass eine Pressverbindung entsteht, wobei der Ventilsitzring während des Montagevorganges über eine zusätzliche Reibstrecke bewegt wird. Damit ist gemeint, dass der Ventilsitzring nicht einfach auf dem kürzesten Weg in seine Endmontagelage bewegt wird, sondern während der Einwirkung einer Presskraft zwischen Ventilsitzring und Ausnehmung in dem Zylinderkopf über einen zusätzlich Weg bewegt wird, so dass zumindest im Bereich zwischen der Außenumfangsfläche und der korrespondierenden Umfangsfläche der Ausnehmung eine zusätzliche Reibwirkung erzeugt wird. Mittels dieser zusätzlichen Reibwirkung wird das Einfügen des Ventilsitzringes in die Morphologie bzw. die Topologie der Umfangsfläche der Ausnehmung weiter verbessert, weil das duktile Material der Wärmeleitschicht sich durch die zusätzliche Reibwirkung in Verbindung mit der Pressung besonders gut anschmiegt und zu einer Art von Materialverschmelzung nach Art einer Reibschweißung bzw. „Materialverschmierung“ führt, was sich sehr positiv auf den Wärmeabtransport auswirkt.
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Die Reibwirkung kann beispielsweise durch zusätzliche, ggf. auch mehrfache Hubbewegungen in und entgegensetzt zur Einpressrichtung erzielt werden. Sie kann alternativ oder in Ergänzung dazu auch durch relative Rotation des Ventilsitzringes gegenüber der Ausnehmung in dem Zylinderkopf erzeugt werden. Mittels Rotation kann eine Reibwirkung auch vorteilhaft im Bereich einer Stirnfläche des Ventilsitzringes erzeugt werden, die in Endmontagelage mit einer korrespondierenden Fläche der Ausnehmung zur Anlage kommt.
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Die Höhe eines erfindungsgemäßen Ventilsitzringes kann – insbesondere bei Verwendung in Verbindung mit Kraftfahrzeugen – zwischen 3 mm und 10 mm betragen, vorzugsweise zwischen 4 mm und 6 mm, besonders bevorzugt ungefähr 5 mm. Eine montagetechnisch sinnvolle Einpresskraft zum Einpressen eines erfindungsgemäßen Ventilsitzringes ergibt sich, wenn der Ventilsitzring in radialer Richtung eine Überdeckung von ca. 50 µm bis 60 µm gegenüber der Ausnehmung aufweist. Es ergeben sich dann insbesondere Einpresskräfte zwischen 4 und 6 kN. Der Außendurchmesser des Ventilsitzringes kann insbesondere Werte zwischen 10 mm und 400 mm annehmen. Vorzugsweise beträgt der Außendurchmesser eines erfindungsgemäßen Ventilsitzringes 20 mm bis 40 mm.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt die einzige:
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1 eine Anordnung eines Ventilsitzringes in einer Ausnehmung in einem Zylinderkopf in einer geschnittenen Darstellung durch die Ventilachse.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung einer beispielhaften Ausführungsform eines Ventilsitzringes 10 in einer korrespondierenden Ausnehmung 12 eines Zylinderkopfes 14 einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) gezeigt.
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Gezeigt ist hier beispielhaft ein Einlasskanal 16 der Brennkraftmaschine zum Zuführen von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zu einem Brennraum in Richtung des Pfeils B. Die nachfolgende Beschreibung gilt analog auch für einen nicht dargestellten Auslasskanal einer Brennkraftmaschine, der im Wesentlichen zum Abführen von Abgas aus dem Brennraum in entgegengesetzter Richtung dient.
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Ausgehend von einer dem Brennraum zugewandten Brennraumseite 18 ist in dem Zylinderkopf 14 eine im Querschnitt kreisförmige Ausnehmung 12 ausgebildet. Diese Ausnehmung 12 dient der Anordnung des komplementär ausgebildeten Ventilsitzringes 10. Sowohl die Ausnehmung 12 als auch der Ventilsitzring 10 erstrecken sich über eine Höhe H, so dass der Ventilsitzring 10 in dem dargestellten Presssitz, welcher der Endmontagelage entspricht, wie dargestellt flächenbündig mit der Brennraumseite 18 des Zylinderkopfs 14 abschließt.
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Die Ausnehmung 12 weist einen größeren Durchmesser als der Einlasskanal 16 auf. Die Ausnehmung 12 und der Ventilsitzring 10 sind konzentrisch um die Mittelachse M ausgebildet bzw. angeordnet. Die Mittelachse M ist in der gezeigten Ausführungsform zugleich die Ventilachse, entlang welcher ein nicht dargestelltes Ventil zum Öffnen und Schließen nach oben bzw. nach unten verfahren wird.
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Der Ventilsitzring 10 umfasst einen ringförmigen Grundkörper 20 mit einer Außenumfangsfläche 22, einer Innenumfangsfläche 24, einer zum Brennraum gerichteten Stirnfläche 26 und einer dem Brennraum abgewandten Stirnfläche 28.
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Auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Grundkörpers 20 sind – vom Brennraum aus betrachtet – an der Innenumfangsfläche 24 eine erste Fase 30 und eine zweite Fase 32 ausgebildet. Die erste Fase 30 dient als Anlage und Dichtfläche für einen Teller eines nicht dargestellten, tellerartig ausgebildeten Ventils. Im geschlossenen Zustand des Ventils liegt der Teller dementsprechend an der ersten Fase 30 an, um den Einlasskanal 16 gegenüber dem Brennraum abzudichten.
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Die sich zwischen einer inneren Mantelfläche 36 des Einlasskanals 16 und der oberen Innenumfangsfläche 24 des Grundkörpers 20 erstreckende Innenkontur 34 ist stufenfrei ausgebildet. Insgesamt ergibt sich damit oberhalb der zweiten Fase 32 eine glattflächige und stetige Außenbegrenzung im Übergangsbereich zwischen dem Ventilsitzring 10 und dem Einlasskanal 16.
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Die Außenumfangsfläche 22 sowie die dem Brennraum abgewandte Stirnfläche 28 des Ventilsitzringes 10 sind vollständig und vollflächig mit einer Wärmeleitschicht 38 versehen. Das heißt, der Ventilsitzring 10 ist auf allen mit dem Zylinderkopf 14 in Kontakt stehenden Flächen mit der Wärmeleitschicht 38 versehen. Bei der Wärmeleitschicht 38 handelt es sich vorliegend um eine 8 µm dicke Kupferschicht, insbesondere mit einer Härte von ca. 30 HB. Die Wärmeleitschicht 38 wurde mittels Galvanisieren aufgetragen.
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Auf der Innenumfangsfläche 24, auf der Stirnfläche 26, auf der ersten Fase 30 und auf der zweiten Fase 32 sind keine Wärmeleitschichten aufgebracht. Es wird darauf verwiesen, dass optional eine Wärmeleitschicht auch auf allen Oberflächen vorgesehen sein kann. Aufgrund geringerer Materialkosten bevorzugt ist es jedoch, wenn die Wärmeleitschicht nur auf der Außenumfangsfläche 22 und ggf. auf der dem Brennraum abgewandten Stirnseite 28 aufgebracht ist.
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Der Ventilsitzring 10 ist vorliegend aus einem Sinterstahl hergestellt, und der Zylinderkopf 14 aus einem Metallwerkstoff, insbesondere aus Gusseisen oder aus Aluminium hergestellt. Der Durchmesser des Ventilsitzringes 10 beträgt vorliegend 30 mm, die Höhe beträgt 5 mm.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass der Übergang zwischen der Außenumfangsfläche und der dem Brennraum abgewandten Seite als Radius ausgebildet sein kann. Korrespondierend dazu kann an dem Zylinderkopf eine Fase ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventilsitzring
- 12
- Ausnehmung
- 14
- Zylinderkopf
- 16
- Einlasskanal
- 18
- Brennraumseite des Zylinderkopfs
- 20
- Grundkörper
- 22
- Außenumfangsfläche
- 24
- obere Innenumfangsfläche
- 26
- Stirnfläche (zum Brennraum gerichtet)
- 28
- Stirnfläche (vom Brennraum abgewandt)
- 30
- erste Fase
- 32
- zweite Fase
- 34
- Innenkontur
- 36
- innere Mantelfläche des Einlasskanals
- 38
- Wärmeleitschicht
- 40
- Umfangsfläche der Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 8511657 U1 [0004, 0004]
