DE102019121826A1

DE102019121826A1 - Ventilführung für einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102019121826A1
Application number: DE102019121826.8A
Authority: DE
Inventors: Pascal Ortlieb; Mirko Plettenberg
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2019-10-17
Also published as: DE102020004587A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilführung (1) zur Führung eines Ventilschafts (20) in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, umfassend einen ersten Teilabschnitt (2) entlang einer Ventilführungslängsachse (17), wobei sich der erste Teilabschnitt (2) bis zu einem ersten Ende (11) der Ventilführung (1) erstreckt, und wobei der erste Teilabschnitt (2) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, einen sich entlang der Ventilführungsachse (17) erstreckenden Hohlraum zur Führung des Ventilschafts (20) und eine sich zu dem ersten Ende (11) hin verjüngende Wandstärke (10) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilführung zur Führung eines Ventilschafts in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, ein Verfahren zum Herstellen einer Ventilführung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Schwenkwinkels zum Herstellen einer Ventilführung.
Die DE1842136 offenbart eine Ventilführung für im Zylinderkopf hängend angeordnete Ventile für einen Verbrennungsmotor mit einer nach dem Ventilschaft allseitig offenen, umlaufenden, als Ölfang dienenden Aussparung.
Eine erfindungsgemäße Ventilführung zur Führung eines Ventilschafts in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors umfasst einen ersten Teilabschnitt entlang einer Ventilführungslängsachse. Der erste Teilabschnitt erstreckt bis zu einem ersten Ende der Ventilführung. Der erste Teilabschnitt ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Der erste Teilabschnitt weist einen sich entlang der Ventilführungsachse erstreckenden Hohlraum zur Führung des Ventilschafts und eine sich zu dem ersten Ende hin verjüngende Wandstärke auf.
Dadurch, dass sich die Wandstärke zum Ende hin verjüngt, wird ein geringer Materialverschleiß an der Ventilführung und dem Ventilschaft ermöglicht. Der Grund für einen andernfalls hohen Materialverschleiß sind im Regelbetrieb der Ventilführung auftretende Bewegungen des Ventilschaftes relativ zur Ventilführung. Dabei ergeben sich insbesondere an dem ersten Ende der Ventilführung sehr große mechanische Drücke zwischen dem Ventilschaft und dem ersten Ende der Ventilführung aufgrund einer sehr geringen Auflagefläche. Die sich verjüngende Wandstärke ermöglicht eine Vergrößerung der Auflagefläche und damit eine Reduktion des mechanischen Drucks.
Ein geringer Materialverschleiß ermöglicht es, dass weniger Materialpartikel von der Ventilführung und/oder von dem Ventilschaft abgetragen werden, und dadurch eine hohe Reinheit von Öl, welches zum Schmieren von Verbrennungsmotorkomponenten eingesetzt wird, da das Öl weniger Materialpartikel umfasst.
Rotationssymmetrisch bedeutet bevorzugt, dass mindestens eine Außenkontur der Ventilführung im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Von einer Rotationssymmetrie abweichende Fertigungstoleranzen, welche bei der Herstellung der Ventilführung auftreten, sind ebenfalls als rotationssymmetrisch zu betrachten. Der Hohlraum ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet und/oder weist einen elliptischen Querschnitt auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Ventilführung umfasst die Schritte:

- Bereitstellen einer Ventilführung mit einer gerade verlaufenden Bohrung, so dass die Ventilführung im wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist;
- Einführen des schwenkbaren Bohrwerkzeugs in die Bohrung;
- Schwenken des Bohrwerkszeugs um einen Schwenkwinkel zum Erzeugen einer sich verjüngenden Wandstärke in einem Teilabschnitt der Ventilführung.

Dadurch, dass die sich verjüngende Wandstärke durch ein schwenkbares Bohrwerkzeug erzeugt wird, wird eine mechanisch einfache Herstellung einer erfindungsgemäßen Ventilführung ermöglicht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines Schwenkwinkels für ein schwenkbares Bohrwerkzeug, welches in eine Bohrung einer erfindungsgemäßen Ventilführung eingeführt wird, umfasst die Schritte:

- Einführungen eines Ventilschaftes in die Bohrung;
- Kippen des Ventilschaftes zur Ermittlung eines maximalen Kippwinkels, um welchen der Ventilschaft in der Bohrung gekippt werden kann, und welcher durch eine Differenz zwischen einem Bohrungsdurchmesser und einem Durchmesser des Ventilschaftes bestimmt ist;
- Bestimmen des Schwenkwinkels derart, er größer oder gleich dem maximalen Kippwinkel ist.

Dadurch, dass zur Ermittlung des Schwenkwinkels der maximale Kippwinkel bestimmt wird, wird eine genaue Anpassung der Verjüngung der Wandstärke auf ein Bewegungsspiel zwischen dem Ventilschaft und der Ventilführung ermöglicht. Die ermöglicht eine Reduktion des mechanischen Drucks auf ermöglicht. Dies ermöglicht einen geringen Materialverschleiß an der Ventilführung und dem Ventilschaft.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der folgenden Figur näher erläutert. Dabei zeigt

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilführung 1 zur Führung eines Ventilschafts 20 in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors. Die Ventilführung umfasst einen ersten Teilabschnitt 2 entlang einer Ventilführungslängsachse 17. Der erste Teilabschnitt 2 erstreckt sich bis zu einem ersten Ende 11 der Ventilführung 1. Der erste Teilabschnitt 2 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Der erste Teilabschnitt 2 weist einen sich entlang der Ventilführungsachse 17 erstreckenden Hohlraum zur Führung des Ventilschafts 20 und eine sich zu dem ersten Ende 11 hin verjüngende Wandstärke 10 auf.

Die Ventilführung 1 wurde hergestellt aus einer bereitgestellten Ventilführung mit einer gerade verlaufenden Bohrung. Derartige Ventilführungen sind weit verbreitet und daher kostengünstig und einfach in der Beschaffung.
In die Bohrung wurde dann ein schwenkbares Bohrwerkzeug aus Richtung des ersten Endes 11 eingeführt. Das Bohrwerkzeug wurde dann um einen Schwenkwinkel innerhalb der Bohrung geschwenkt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das schwenkbare Bohrwerkzeug ein Bohrer, welcher in einer Fertigungsstraße für Zylinderköpfe eingesetzt wird. Der Bohrer ist in drei Raumrichtungen schwenkbar. Alternativ ist der Bohrer in zwei Raumrichtungen schwenkbar. In diesem Fall ermöglicht eine linearunabhängige Bewegung der Ventilführung eine relative Bewegung der Ventilführung 1 zum Bohrer in drei Raumrichtungen.
Der Schwenkwinkel wurde bestimmt, indem ein Ventilschaft 20 in die gerade verlaufende Bohrung eingeführt wurde. Der Ventilschaft 20 wurde zur Ermittlung eines maximalen Kippwinkels gekippt. Der maximale Kippwinkel ist dabei ein Winkel, um welchen der Ventilschaft 20 in der Bohrung gekippt werden kann, und welcher durch eine Differenz zwischen einem Bohrungsdurchmesser 6 und einem Durchmesser des Ventilschaftes bestimmt ist. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Differenz, also das ein Führungsspiel 40 µm. Der Schwenkwinkel ist dann derart bestimmt worden, dass er größer oder gleich dem maximalen Kippwinkel ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schwenkwinkel um 0.01° größer als der maximale Kippwinkel. Dies ermöglicht eine mechanisch einfach umsetzbare Möglichkeit, um die sich verjüngende Wandstärke 10 herzustellen. Zudem ermöglicht diese Wahl des Schwenkwinkels eine genaue Anpassung der sich verjüngenden Wandstärke 10 auf den Ventilschaft 20 und das Führungsspiel zwischen dem Ventilschaft 20 und der Bohrung.
Der erste Teilabschnitt 2 ist in Richtung eines Brennraums angeordnet, welcher von dem Zylinderkopf abgedeckt wird.
Dies ist vorteilhaft, da der erste Teilabschnitt 2 durch eine räumliche Nähe zu dem Brennraum hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Hohe Temperaturen führen zu einem erhöhten Materialverschleiß in dem ersten Teilabschnitt 2 gegenüber Teilbereichen der Ventilführung, welche geringeren Temperaturen ausgesetzt sind. Damit ergibt sich für den ersten Teilabschnitt 2 ein zusätzlicher Vorteil durch einen geringen Materialverschleiß.
Die Verjüngung der Wandstärke 10 bildet eine trompetenähnliche Öffnung der Ventilführung 1 aus. Die trompetenähnliche Öffnung weist einen Öffnungswinkel von 0.5° auf.
Die trompetenähnliche Öffnung ermöglicht es, dass keine scharfen Kanten innerhalb des Verlaufs des Hohlraums auftreten, in dem der Ventilschafts 20 geführt wird. Dadurch werden hohe mechanische Drücke und hohe Reibung zwischen dem Ventilschaft 20 und der Ventilführung 1 vermieden.
Die Ventilführung 1 umfasst einen zweiten Teilabschnitt 3 entlang der Ventilführungslängsachse 17. Der zweite Teilabschnitt 3 erstreckt sich bis zu einem zweiten Ende 12 der Ventilführung 1. Der zweite Teilabschnitt 3 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Der zweite Teilabschnitt 3 weist einen sich entlang der Ventilführungsachse 17 erstreckenden Hohlraum zur Führung des Ventilschafts 20 und eine sich zu dem zweiten Ende 12 hin verjüngende Wandstärke 10 auf.
Die Verjüngung der Wandstärke 10 bildet eine trompetenähnliche Öffnung der Ventilführung 1 hin zum zweiten Ende 12 aus. Die trompetenähnliche Öffnung weist einen Öffnungswinkel von 0.5° auf.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors tritt hin zum zweiten Ende 12 der Ventilführung ein ebenfalls hoher Materialverschleiß aufgrund von Reibung zwischen dem Ventilschaft 20 und der Ventilführung 1 auf. Auch wenn der Materialverschleiß aufgrund der geringeren Temperaturen geringer ausfällt als im ersten Teilabschnitt 2, ergibt sich durch den zweiten Teilabschnitt 3 eine zusätzliche Reduktion des Materialverschleißes für die Ventilführung 1.
Die Ventilführung 1 umfasst einen dritten Teilabschnitt 4 entlang der Ventilführungslängsachse 17. Der dritte Teilabschnitt 4 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und weist über einen sich entlang der Ventilführungsachse 17 erstreckenden Hohlraum zur Führung des Ventilschafts 20 eine konstante Wandstärke 10 auf. Der dritte Teilabschnitt 4 ist zwischen dem ersten Teilabschnitt 2 und dem zweiten Teilabschnitt 3 angeordnet.
Der Übergang des Hohlraumverlaufs zwischen dem dritten Teilabschnitt 4 und dem ersten und/oder zweiten Teilabschnitt 2, 3 ist derart ausgebildet, dass kein Kanten und/oder Abschätze auftreten.
Der erste Teilabschnitt 2 und der zweite Teilabschnitt 3 weisen eine Höhe 13 auf, welche 20% der Höhe 16 der Ventilführung 1 entspricht.
Der dritte Teilabschnitt 4 ermöglicht es, dass das schwenkbare Bohrwerkzeug lediglich so tief in die Bohrung eingeführt werden muss, wie die Teilabschnitte 2, 3 lang sind. Dies ermöglicht eine Reduktion in der Herstellungszeit für die Ventilführung 1. In diesem Ausführungsbeispiel fällt keine zusätzliche Bearbeitungszeit für 60% der Bohrung der Ventilführung 1 an.
Die Wandstärke 10 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel maximal 2 mm. Die Länge der Ventilführung 1 beträgt 50 mm.
Dies ermöglicht es, dass herkömmliche Ventilführungen genutzt werden können, um die erfindungsgemäße Ventilführung 1 herzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1842136 [0002]

Claims

Ventilführung (1) zur Führung eines Ventilschafts (20) in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, umfassend einen ersten Teilabschnitt (2) entlang einer Ventilführungslängsachse (17), wobei sich der erste Teilabschnitt (2) bis zu einem ersten Ende (11) der Ventilführung (1) erstreckt, und wobei der erste Teilabschnitt (2) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, einen sich entlang der Ventilführungsachse (17) erstreckenden Hohlraum zur Führung des Ventilschafts (20) und eine sich zu dem ersten Ende (11) hin verjüngende Wandstärke (10) aufweist.
Ventilführung (1) nach Anspruch 1, umfassend einen zweiten Teilabschnitt (3) entlang der Ventilführungslängsachse (17), wobei sich der zweite Teilabschnitt (3) bis zu einem zweiten Ende (12) der Ventilführung (1) erstreckt, und wobei der zweite Teilabschnitt (3) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, einen sich entlang der Ventilführungsachse (17) erstreckenden Hohlraum zur Führung des Ventilschafts (20) und eine sich zu dem zweiten Ende (12) hin verjüngende Wandstärke (10) aufweist.
Ventilführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verjüngung der Wandstärke (10) eine trompetenähnlichen Öffnung der Ventilführung (1) ausbildet, und wobei die trompetenähnliche Öffnung einen Öffnungswinkel von maximal 1°, bevorzugt von maximal 0.5° aufweist.
Ventilführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teilabschnitt (2) eine Höhe (13) aufweist, welche zwischen 10% und 30%, bevorzugt zwischen 15% und 25% der Höhe (16) der Ventilführung (1) entspricht.
Ventilführung (1) nach Anspruch 2, wobei der zweite Teilabschnitt (3) eine Höhe (15) aufweist, welche zwischen 10% und 30%, bevorzugt zwischen 15% und 25% der Höhe (16) der Ventilführung (1) entspricht.
Ventilführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandstärke (10) maximal zwischen 1 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 1.5 mm und 2.5 mm beträgt.
Ventilführung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, umfassend einen dritten Teilabschnitt (4) entlang der Ventilführungslängsachse (17), wobei der dritte Teilabschnitt (4) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, einen sich entlang der Ventilführungsachse (17) erstreckenden Hohlraum zur Führung des Ventilschafts (20) und eine konstante Wandstärke (10) aufweist, und wobei der dritte Teilabschnitt (4) zwischen dem ersten Teilabschnitt (2) und dem zweiten Teilabschnitt (3) angeordnet ist.
Ventilführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teilabschnitt (2) in Richtung eines Brennraums angeordnet ist, welcher von dem Zylinderkopf abgedeckt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Ventilführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Ventilführung (1) mit einer gerade verlaufenden Bohrung, so dass die Ventilführung (1) im wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist; - Einführen des schwenkbaren Bohrwerkzeugs in die Bohrung; - Schwenken des Bohrwerkszeugs um einen Schwenkwinkel zum Erzeugen einer sich verjüngenden Wandstärke (10) in einem Teilabschnitt der Ventilführung (1) .
Verfahren zum Bestimmen eines Schwenkwinkels für ein schwenkbares Bohrwerkzeug, welches eine Bohrung einer Ventilführung (1) eingeführt wird, um eine Ventilführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu erzeugen, umfassend die Schritte: - Einführungen eines Ventilschaftes (20) in die Bohrung; - Kippen des Ventilschaftes (20) zur Ermittlung eines maximalen Kippwinkels, um welchen der Ventilschaft (20) in der Bohrung gekippt werden kann, und welcher durch eine Differenz zwischen einem Bohrungsdurchmesser (6) und einem Durchmesser des Ventilschaftes bestimmt ist; - Bestimmen des Schwenkwinkels derart, er größer oder gleich dem maximalen Kippwinkel ist.