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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Gaswechselventil mit einem Ventilteller und einem Ventilschaft, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Zylinderkopf.
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Gattungsgemäße Zylinderköpfe von Brennkraftmaschinen sind hinlänglich bekannt und dienen dem oberen Abschluss eines Brennraums sowie der Lagerung von Gaswechselventilen, die den Ein- und Auslass eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in und aus dem Brennraum dienen. Jedes der Gaswechselventile ist dabei üblicherweise mittels einer Feder mit seinem Ventilteller in eine Schließstellung gegen einen Ventilsitz am Zylinderkopf vorgespannt und wird bei Bedarf mittels eines Ventiltriebs entgegen der Federkraft geöffnet. Die Feder stützt sich dabei einerseits an einem fest mit dem Gaswechselventil verbundenen Ventilfederteller und andererseits am Zylinderkopf ab.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Zylinderköpfen bzw. Brennkraftmaschinen ist jedoch, dass es im Bereich des Ventilsitzes, insbesondere eines Ventilsitzrings, zu lokalen Verschleißerscheinungen kommen kann, deren Ursache zwar nicht genau bekannt ist, die jedoch bewirken, dass das jeweilige Gaswechselventil nicht mehr zuverlässig dicht schließt und es zu einem Durchbläser am Ventilsitz kommt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Zylinderkopf der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Gaswechselventil in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine während des Betriebs kontinuierlich leicht um seine Ventilschaftachse zu verdrehen, wodurch ein sich bislang lokal einstellender Verschleiß am Ventilteller bzw. am Ventilsitzring zwar nicht behoben, nun aber gleichmäßig über den Umfang verteilt werden kann und wodurch die Verschleißerscheinungen insgesamt minimiert werden können. Durch die Reduzierung von bislang lokal auftretenden Verschleißerscheinungen und deren Verteilung über den gesamten Umfang des Ventilsitzrings kann darüber hinaus auch die Lebensdauer des Gaswechselventils bzw. des Ventilsitzrings und damit auch des Zylinderkopfs bzw. der Brennkraftmaschine vergrößert werden. Erfindungsgemäß wird dies nun dadurch erreicht, dass zwischen dem Zylinderkopf und der Feder, welche das jeweilige Gaswechselventil in seine Schließstellung vorspannt, zumindest ein Zwischenelement angeordnet ist, dessen mit der Feder in Kontakt stehende erste Kontaktfläche und dessen mit dem Zylinderkopf in Kontakt stehende zweite Kontaktfläche eine höhere oder niedrigere Reibung aufweisen, als eine zwischen dem Ventilfederteller und der Feder auftretende Reibung. Konkret bedeutet dies, dass die mit der Feder in Kontakt stehende erste Kontaktfläche und die mit dem Zylinderkopf in Kontakt stehende zweite Kontaktfläche derart ausgebildet sind, dass eine Reibung zwischen der Feder und dem Zwischenelement und eine Reibung zwischen dem Zwischenelement und dem Zylinderkopf höher oder niedriger ist als die Reibung zwischen dem Ventilfederteller und der Feder. Die beschriebenen Reibungen treten sowohl beim Zusammendrücken, als auch beim Entspannen der Feder auf, wobei jedoch nun erfindungsgemäß durch die bspw. im Bereich einer Kopplung der Feder am Zylinderkopf vorhandenen höhere Reibung sich diese beim Zusammendrücken nicht mehr oder nicht mehr so stark verdreht und dadurch ein Drehmoment auf den Ventilfederteller ausübt. Da der Ventilfederteller seinerseits drehfest mit dem Ventilschaft des Gaswechselventils verbunden ist, kommt es vorzugsweise bei jedem Öffnen und/oder Schließen des jeweiligen Gaswechselventils zu einer geringfügigen Verdrehung des Gaswechselventils um seine Ventilschaftachse, wodurch in gleicher Weise auch der Ventilteller bei jedem Öffnen und/oder Schließen des Gaswechselventils um einen bestimmten Drehwinkelbereich verdreht wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass je nach Verdrehung des Gaswechselventils der Ventilteller nie auf genau derselben Stelle des Ventilsitzes aufliegt, als dies im vorhergehenden Schließzustand der Fall war. Durch ein stetiges Verdrehen des Gaswechselventils lassen sich somit lokal auftretende Verschleißerscheinungen erheblich reduzieren und damit die Lebensdauer des Gaswechselventils, des Ventilsitzrings und damit auch des Zylinderkopfs und der Brennkraftmaschine verlängern.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das zumindest eine Zwischenelement als Scheibe mit einer zentralen Durchgangsöffnung für den Ventilschaft ausgebildet. In dieser vergleichsweise einfachen Ausführungsform ist es sogar möglich, das erfindungsgemäße Zwischenelement bei bereits herkömmlichen Zylinderköpfen einzusetzen und diese dadurch nachzurüsten und damit verschleißbeständiger zu machen. Das zumindest eine Zwischenelement kann dabei eine sehr geringe Dicke aufweisen, so dass im günstigsten Fall sogar dieselben Federn weiter verwendet werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das zumindest eine Zwischenelement auf beiden Kontaktflächen eine die Reibung vermindernde oder eine die Reibung erhöhende Beschichtung auf. Es ist somit wahlweise möglich, das erfindungsgemäße Zwischenelement selbst aus einem Material mit einer erhöhten oder reduzierten Reibungszahl (Reibungskoeffizient) auszustatten oder aber an beiden bzw. an zumindest einer Kontaktfläche eine derartige Beschichtung vorzusehen. Je nach gewählter Ausführungsform ist es dabei denkbar, dass die Beschichtung Polytetrafluorethylen oder Diamantpartikel aufweist, wodurch die Beschichtung hinsichtlich ihres Reibungskoeffizienten reduziert oder erhöht wird. In gleicher Weise können selbstverständlich die zuvor erwähnten Werkstoffe Polytetrafluorethylen bzw. Diamantpartikel auch im Zwischenelement Verwendung finden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen, zuvor beschriebenen, Zylinderkopf auszustatten und dadurch diese deutlich verschleißbeständiger auszubilden. Besonders durch den Umstand, dass zwar lokal auftretende Verschleißerscheinungen nicht gänzlich verhindert, nunmehr aber gleichmäßig über den Umfang des Ventilsitzes bzw. des Ventiltellers verteilt werden können, reduziert sich somit der Gesamtverschleißwiderstand, woraus die gesteigerte Lebensdauer resultiert.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer Schnittdarstellung.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine 2, bspw. in einem Kraftfahrzeug, zumindest ein Gaswechselventil 3 mit einem Ventilteller 4 und einem Ventilschaft 5 auf. Das Gaswechselventil 3 ist dabei mittels einer Feder 6 mit seinem Ventilteller 4 in eine Schließstellung, hier also nach oben gegen einen Ventilsitz 7 am Zylinderkopf 1 vorgespannt. Die Feder 6 ist dabei als gängige Schraubenfeder ausgebildet. Die Feder 6 stützt sich darüber hinaus einerseits an einem fest mit dem Gaswechselventil 3 verbundenen Ventilfederteller 8 und andererseits am Zylinderkopf 1 ab. Der Ventilfederteller 8 ist dabei durch Kegelstücke 17 mit dem Ventilschaft 5 des Gaswechselventils 3 verbunden. Erfindungsgemäß ist nun zwischen dem Zylinderkopf 1 und der Feder 6 zumindest ein Zwischenelement 9 angeordnet, dessen mit der Feder in Kontakt stehende erste Kontaktfläche 10 und dessen mit dem Zylinderkopf 1 in Kontakt stehende zweite Kontaktfläche 11 eine höhere oder niedrigere Reibung aufweisen, als eine mit der Feder 6 in Kontakt stehenden Kontaktfläche 16 des Ventilfedertellers 8. Rein theoretisch können selbstverständlich auch zwei oder mehr Zwischenelemente 9 vorgesehen sein, wobei in diesen Fällen die erste Kontaktfläche 10 am obersten Zwischenelement 9 und die zweite Kontaktfläche 11 am untersten Zwischenelement 9 angeordnet ist.
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Dabei können/kann nur die zweite Kontaktfläche 11 bzw. das unterste Zwischenelement 9 mit einer reibungserhöhenden (Diamant-)Beschichtung 15 und nur die erste Kontaktfläche 10 bzw. das oberste Zwischenelement 9 mit einer reibungsreduzierenden (PTFE-)Beschichtung 15 versehen sein.
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Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einem Zusammendrücken bzw. Entspannen der Feder 6, zum Öffnen bzw. Schließen des Gaswechselventils 3, eine Drehbewegung auf das Gaswechselventil 3 ausgeübt wird, die dieses bei jeder Öffnungs- bzw. Schließbewegung zumindest geringfügig um seine Ventilschaftachse 12 verdreht, so dass bislang lokal auftretende Verschleißerscheinungen zwar nicht grundsätzlich vermieden, aber durch die permanente Rotation des Gaswechselventils gleichmäßig über den Umfang des Ventilsitzes 7 / Ventiltellers 4 verteilt und dadurch hinsichtlich des gesamt auftretenden Verschleißes reduziert werden können. Die Reibung der Feder 6 auf dem zumindest einen Zwischenelement 9 bzw. die Reibung des Zwischenelementes 9 auf dem Zylinderkopf 1 entsteht dabei durch das Zusammendrücken bzw. Entspannen der Feder 6, wobei durch den im Vergleich zum zwischen der Feder 6 und dem Ventilfederteller 8 vorhandenen Reibungskoeffizienten, geringeren oder höheren Reibungskoeffizienten ein schrittweises leichtes Verdrehen bewirkt wird. Die einer Schraubenfeder eigene spiralförmige Kompressionsbewegung wird damit effektiv als Antrieb für die Rotation des Ventils genutzt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das zumindest eine Zwischenelement 9 als Scheibe mit einer zentralen Durchgangsöffnung 13 für die Ventilführung 14 ausgebildet.
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Das zumindest eine Zwischenelement 9 kann darüber hinaus entweder selbst aus einem Material ausgebildet sein, welches die Reibung zur Feder 6 bzw. zum Zylinderkopf 1 entweder erhöht oder reduziert, wobei hierfür insbesondere Materialien, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) für eine Reibungsreduzierung und eingebettete Diamantpartikel für eine Reibungserhöhung genutzt werden können. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass das zumindest eine Zwischenelement 9 auf beiden Kontaktflächen 10, 11 eine die Reibung erhöhende oder reduzierende Beschichtung 15 aufweist, wobei dann diese Beschichtung 15 Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Diamantpartikel aufweisen kann. Polytetrafluorethylen reduziert die Reibung erheblich und zwar sowohl einen Haftreibungskoeffizienten als auch einen Gleitreibungskoeffizienten, während eine Beschichtung 15 mit darin eingebetteten Diamantpartikeln den Reibungskoeffizienten, das heißt den Haftreibungskoeffizienten und den Gleitreibungskoeffizienten erheblich erhöht. Die Reibwerterhöhung kann in einer anderen Ausführung auch durch das Strahlen einer gehärteten Oberfläche am Zwischenelement 9 erzielt werden.
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Zweckmäßig besteht zwischen der Feder 6 und dem zumindest einen Zwischenelement 9 und dem zumindest einen Zwischenelement 9 und dem Zylinderkopf 1 ein höherer Gleitreibungskoeffizient und/oder ein höherer Haftreibungskoeffizient, als zwischen dem Ventilfederteller 8 und der Feder 6. Alternativ kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass zwischen der Feder 6 und dem zumindest einen Zwischenelement 9 und dem zumindest einen Zwischenelement 9 und dem Zylinderkopf 1 ein niedriger Gleitreibungskoeffizient und/oder ein niedrigerer Haftreibungskoeffizient vorhanden ist, als zwischen dem Ventilfederteller 8 und der Feder 6.
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Generell kann mit dem erfindungsgemäßen Zwischenelement 9, welches als einfache Scheibe ausgebildet und dadurch kostengünstig hergestellt werden kann, im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 ein schrittweises Verdrehen des Gaswechselventils 3 um seine Ventilschaftachse 12 erreicht werden, wodurch die bislang bei einem stehenden und nicht drehenden Gaswechselventil 3 auftretenden lokalen Verschleißerscheinungen im Bereich des Ventiltellers 4 bzw. des Ventilsitzes 7 nun gleichmäßig über den Umfang verteilt werden können, wodurch sich der Verschleiß insgesamt erheblich reduzieren lässt.
