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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventilsystem, insbesondere in Form eines Auslassventils, für einen Verbrennungsmotor.
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Bei Verbrennungsmotoren stellt sich die grundsätzliche Aufgabe, einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Verbrennung zu erzielen. Im Zuge dieser Optimierung, wurden sämtliche bewegte Teile dahingehend untersucht, inwieweit sie einen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Verbrennung haben und die vorliegende Erfindung bezieht sich konkret auf die Optimierung der Auslassventile. Die Auslassventile müssen gegen den Gasdruck des Verbrennungsraums geöffnet werden, und gerade bei einem Gaswechsel ergeben sich durch den anliegenden statischen Gasdruck Widerstände entgegen der Bewegungsrichtung der Auslassventile, die die Effizienz eines Motors mindern. Hieraus ergibt sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, die Auslassventile so zu optimieren, dass der vorgenannte schädliche Einfluss reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Entsprechend weist ein Ventilsystem zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, mit einem beweglichen Ventil einen Ventilschaft und einen Ventilteller auf und das Ventil ist gegen einen Ventilsitz verschiebbar, um in einem Dichtbereich einen Ventilkanal zwischen dem Ventil, insbesondere dessen Ventilteller, und dem Ventilsitz wechselnd zu öffnen und zu schließen. Dabei ist am Ventil in Richtung des Ventilschafts angrenzend am Dichtbereich keine Konvexität angeordnet. Bei herkömmlich bekannten Auslassventilen ist der Ventilsitzwinkel größer, als der Hohlkehlenwinkel. Der Ventilsitzwinkel ist dabei definiert als der Winkel, in dem das Ventil im geöffneten Zustand einen Durchströmbereich freigibt und dieser Winkel wird relativ zur Ebene senkrecht zur Ventillängsrichtung gemessen. Der Hohlkehlenwinkel ist definiert als der Winkel des Ventiltellers hinter dem Ventilsitz auf der brennraumabgewandten Seite des Ventils, ebenso relativ zur genannten Ebene. Dieses Verhältnis ergibt sich herkömmlich aus den diversen Randbedingungen. Zum einen soll nämlich der Ventilsitzwinkel klein sein, da so die Auflagefläche des Ventils möglichst senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventils ist, da so der Gleitweg des Ventils relativ zum Ventilsitz reduziert wird. Dieser Gleitweg ergibt sich dadurch, dass sich bei jedem Verbrennungszyklus eine gewisse elastische Verformung des Ventiltellers aufgrund der Drücke im Brennraum existiert und ein großer Ventilsitzwinkel bewirkt entsprechend einen relativ hohen Verschleiß am Ventil. Zudem soll ein möglichst effektiver Auslass des Verbrennungsgases aus dem Verbrennungsraum stattfinden. Auch soll die gesamte Masse des Ventils, aufgrund seiner oszillierenden Bewegung nicht zu groß sein. Auch soll der Ventilsitzwinkel eine Mindestgröße nicht unterschreiten, um die Richtungsumlenkungen des Brenngases beim Ausstoß aus dem Brennraum nicht zu groß werden zu lassen. So ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass der Ventilsitzwinkel in der Regel nicht kleiner als 45° sein soll. Durch einen Ventilsitzwinkel, der, wie beim bekannten Stand der Technik, größer als der Hohlkehlenwinkel ist, kommt es am Übergang vom Ventilteller zum Ventilschaft zu einem Verwirbelungsgebiet, in dem eine turbulente Strömung vorherrscht. Dies ist mit einem reduzierten Druck in diesem Gebiet verbunden. So wirkt in der Kräftebilanz ein geringerer Druck von der motoraußenseitigen Seite des Ventiltellers, so dass höhere Kräfte benötigt werden, um das (Auslass-)Ventil zu öffnen. Durch die genannte Vermeidung einer Konvexität wird sichergestellt, dass ein derartiges Verwirbelungsgebiet nicht existiert. Sicherlich ist es nicht möglich, Verwirbelungen im Abgasstrom komplett zu reduzieren, aber zumindest wird ein gesonderter Bereich in dem kein geordneter Fluidstrom definiert ist, verhindert. Durch diese Maßnahme wird an der Ventilaußenseite, (also dem Brennraum gegenüberliegend) entlang des Ventils eine (möglichst) laminare Strömung erreicht, was bewirkt, dass eine gleichmäßigere Druckverteilung entsteht und so höhere Kräfte von außen auf das Ventil wirken, was wiederum bewirkt, dass geringere Kräfte zur Ventilöffnung benötigt werden. Bevorzugt tritt zeitlich gesehen dann dieser Vorteil auf, wenn das Ventil bereit ein geringes Stück geöffnet ist, so dass ein Teil des Verbrennungsgases bereits hinter (also außenseitig an) das Ventil gelangen konnte und bewirkt, dass der weitere Öffnungsweg des Auslassventils mit geringeren Kräften durchgeführt werden kann. Anders ausgedrückt: Ein gradliniger (bzw. tangentialer) Übergang vom Ventilsitz zur Hohlkehle erlaubt eine Strömungsführung entlang des Auslassventils, statt, wie bei Ausführung des Standes der Technik per Freistrahl in den Auslasskanal. Durch die Führung entlang der Ventiloberfläche entstehen auf der Ober- bzw. Außenseite des Ventiltellers günstige statische Drücke, die den Öffnungsvorgang des Ventils unterstützen.
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In einer weiteren Auslegung kann ein Ventilsystem zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor einen Ventilschaft und einen Ventilteller aufweisen, um in einem Dichtbereich einen Ventilkanal zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz wechselnd zu öffnen und zu schließen. Dabei kann am Ventil unmittelbar und kantenfrei angrenzend am Dichtbereich in Richtung des Ventilschafts, eine Konkavität angeordnet sein. Dies beschreibt einen Gegenstand, der vom genannten Stand der Technik dadurch abweicht, dass dort unmittelbar benachbart zum Dichtbereich eine Konvexität angeordnet ist. Vor Beginn der genannten Konkavität kann ggf. ein (kurzer) Abschnitt ohne eine Wölbung vorgesehen sein. Auch über diese Beschreibung der Erfindung ergeben sich die vorgenannten Vorteile.
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Insbesondere kann ein Übergang von der genannten Konkavität in den Ventilschaft vorgesehen sein. Bevorzugt ist dann dieser Übergang absatz- und/oder kantenfrei. Der Übergang kann ggf. entfernt vom Ventilteller einen Absatz aufweisen, so dass die Konkavität nicht in den Ventilschaft selbst übergeht, sondern in einen z.B. vergrößeren Querschnit des Ventilschafts.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn abstromseitig vom Ventilsitz ein Diffusor angeordnet ist, der nach der Bernoulli-Gleichung ausgelegt ist. Diese Auslegung bewirkt, dass die Strömung im erweiternden Bereich, also dem Diffusor, möglichst laminar ist, so dass Druckabfälle oder Verwirbelungen möglichst reduziert oder vermieden werden. Insbesondere kann das Ventilsystem so ausgelegt sein, dass in Strömungsrichtung die Länge des Diffusors, bzw. allgemein gesprochen, des sich erweiternden Bereichs mindestens dem Doppelten der Länge des dichtenden Abschnitts des Ventilsitzes entspricht. Dadurch kann die Strömung hinter der Engstelle des Dichtbereichs sich gleichmäßig erweitern. In anderen Anwendungen kann die Länge des sich erweiternden Bereichs maximal dem Durchmesser des Ventildeckels entsprechen. Diese Maße sind auch z.B. bei der genannten Konvexität, bzw. Konkavität anwendbar.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Ventilsitzwinkel, der zwischen der Fluidströmungsrichtung im Ventilkanal und einer Bezugsebene liegt, die einer senkrecht zur Ventillängsrichtung ist, kleiner als 40° sein. Bevorzugt ist dieser Winkel kleiner als 35°. Durch diese Auslegung kann der Volumenstrom durch das Ventil erhöht werden, ohne dass unerwünschte Turbulenzen unzulässig groß werden. Auch kann zudem oder alternativ dieser Winkel mindestens 20° betragen. Durch einen kleinen Ventilsitzwinkel wird der Verschleiß des Ventils reduziert. Anders ausgedrückt: Durch Wahl eines flacheren Ventilsitzwinkels (z.B. 30° statt 45°) kann bei Verkleinerung der gesamten Ventilsitzbreite erheblich mehr Strömungsquerschnitt freigegeben werden. Wird bei der Verkleinerung der Gesamtsitzbreite darauf geachtet, dass die entlang der Hubbewegung des Ventils projizierte Fläche konstant gehalten wird, so ergeben sich aus den Erfahrungen zur Verschleißbekämpfung bei Großdiesel- und Gasmotoren keine Nachteile. Nachteilig könnte aber ggf. der erhöhte Wärmeeintrag in das Auslassventil sein, der aus der Strömungsführung entlang des Auslassventils resultiert. Beide Effekte, sowohl die Widerstandsreduktion, als auch die Reduktion der Ventilsitzbreite in Kombination mit der Wahl eines flacheren Sitzwinkels und die damit verbundene Freigabe zusätzlichen Strömungsquerschnitts, erhöhen die Effizienz der Verbrennungskraftmaschine.
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Insbesondere kann vorteilhafterweise der Ventilsitz eine Einschnürung in Ventilsystemradial(innen)richtung aufweisen, durch die insbesondere der Strömungsquerschnitt für das durch das Ventil geleitete Fluid im Bereich der Einschnürung geringer ist, als an Stellen des Ventilsystems, die von der Einschnürung entfernt sind. Die Einschnürung ist bevorzugt radial umlaufend. Die Einschnürung ist bevorzugt in Ventilsystemaxialrichtung lokal ausgeführt, so dass sie an Stellen, die von dem Ventilsitz entfernt sind, nicht ausgebildet ist. Durch die Einschnürung kann abstromseitig von dem Ventilsitz eine Führung für das Fluid in Richtung zum Ventil erreicht werden, was den Druck auf der Ventildeckelaußenseite erhöht, und so die benötigten mechanischen Kräfte zum Öffnen des (Auslass-)Ventils reduziert.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann am Ventil eine vom Ventilsitz ausgehende Konkavität vorgesehen sein, deren Übergang zum Ventilsitz kantenfrei ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Konkavität sich bis zu einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt des Ventilschafts hin erstrecken. Der Radius der Konkavität kann variabel sein. Und/oder der Radius kann an jeder Stelle größer als 80% des maximalen Außenradius des Ventiltellers sein. Unschädlich ist es, wenn der Übergang von der Konkavität hin zum Ventilschaft mit Kanten und/oder Absätzen ausgestaltet ist, da es vornehmlich auf die Strömung benachbart zum Ventilsitz ankommt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch einen Auslasskanals gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein Detail eines Auslassventils mit dem Ventilsitz gemäß dem Stand der Technik und
- 3 ein erfindungsgemäßes Ventil mit einem Ventilsitz im Schnitt.
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1 zeigt im Schnitt ein Detail eines Auslasses aus einem Verbrennungsmotor mit einem Ventil 10, das über eine elektrische Ansteuerung axial verschiebbar ist und so abhängig von der Position mit einem am Ende eines Ventilschafts 14 befindlichen Ventilteller 16 einen am Motor ortsfest angeordneten Ventilsitz 20 wechselnd öffnen und schließen kann. Der Schnitt der 2 zeigt im Detail den Ventilsitz 20 mit dem Ventil 10 in einer teilgeöffneten Stellung. Es wird ein Ventilkanal 30 freigegeben, durch den das Verbrennungsgas aus dem Brennraum des Motors abgeleitet und radial um den Ventilschaft 14 gemäß dem gezeigten Pfeil geführt wird. Die Strömung des Pfeils hat vom Ventilkanal 30 ausgehend prinzipiell die gleiche Richtung wie die Ausrichtung des Schlitzes des (teil-)geöffneten Ventilsitzes, der mit einem Ventilsitzwinkel α bezeichnet ist Dabei wird die Fließrichtung durch einen Druckabfall bestimmt. Zudem ist ein Hohlkehlwinkel β gezeigt, der im Wesentlichen die Neigung des Ventiltellers auf dessen Rückseite, also der Nicht-Brennraumseite, bestimmt. Da der Hohlkehlwinkel β kleiner als der Ventilsitzwinkel α ist, entsteht eine Konkavität K1, also eine Art Winkel oder Kante, die bewirkt, dass abstromseitig von ihr eine Stromablösung von der Ventilaußenwand stattfindet. So entsteht dort ein Totstromgebiet, bzw. Verwirbelungsgebiet 25, in dem sich Turbulenzen bilden. Durch die Turbulenzen und in Verbindung mit einer Sogwirkung durch das abströmende Verbrennungsgas entsteht dort eine Zone mit einem reduzierten Druck. Da im Zustand des sich öffnenden Auslassventils im Motorinneren noch der Verbrennungsdruck (weitgehend) vorliegt, ergibt sich über die Druckdifferenz axial am Ventilteller 16 ein verbleibender Druck, der das Auslassventil 10 gegen die geforderte Öffnungsbewegung in die schließende Position drückt. Wie nachfolgend gezeigt, wird diese Druckdifferenz durch die Erfindung positiv reduziert.
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Dazu ist bevorzugt an jedem Punkt der Hohlkehlwinkel β größer als der Ventilsitzwinkel α. So findet nach dem Durchlass durch die Engstelle des Ventilsitzes, bzw. der entsprechenden Dichtstelle 33 eine durchgehende und gleichmäßige Ablenkung des Abgasstroms in Abströmrichtung, bzw. in Ventilaxialrichtung, bzw. Ventillängsrichtung a statt. Dadurch wird, anders als beim Stand der Technik, eine Bildung eines Verwirblungsgebiets vermieden. Statt dessen wird erreicht, dass im Abströmbereich, also hinter der Dichtstelle 33 eine (zumindest teilweise) laminare Strömung besteht. Dadurch wird in diesem Gebiet, also hinter dem Ventilteller 16, ein geringerer Druckabfall gegenüber dem Brennraumdruck bewirkt, was seinerseits bewirkt, dass geringere Kräfte bestehen, die gegen das Öffnen des (Auslass-)Ventils wirken.
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Diese Wirkung kann durch eine ventilsitzseitige Formveränderung unterstützt werden. Während beim Stand der Technik unmittelbar nach der Dichtstelle 33 des Ventilsitzes ventilsitzseitig (als ortsfest am Motor) eine mit einer Kante versehene deutliche Kanalaufweitung vorgesehen ist, die durch eine im Wesentlichen zylindrische Innenkontur erzielt werden kann, ist gemäß 3 am Ventilsitz eine Einschnürung vorgesehen. D.h., dass benachbart zum Ventilsitz der Innenquerschnitt gegenüber einer in Abströmrichtung entfernten Stelle reduziert ist. Dies bewirkt, dass die Durchflussquerschnittsaufweitung (siehe 3) nicht so schnell geschieht, wie beim Stand der Technik. Auch durch diese Maßnahme kann erzielt werden, dass sich auf der Ventilrückseite, also der brennraumabgewandten Seite des Ventiltellers die vorteilhafte Reduktion des Druckabfalls ergibt.
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Gezeigt ist in 1 der Außenradius r1 des Ventiltellers 16. Als eine Kenngröße für eine vorteilhafte Auslegung des Kanals kann der Radius R1 des Ventilschafts an jeder Stelle mehr als 80% des Ventiltelleraußendurchmessers r1 betragen.
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Bei einer vorteilhaften Auslegung des Motors kann die Dichtlänge des Ventilkanals 30 zwischen 1,8 und 2,5 mm betragen. Der Radius R1 kann mindestens 13 mm betragen, wobei er sich zum Auslauf bzw. Ende oder den Enden bis unendlich vergrößern kann. Der Ventiltelleraußendurchmessers r1 kann zwischen 12 und 15 mm liegen. Im Sinne der Erfindung sind die explizit genannten Zahlenwerte von untergeordnetem Interesse, da sie mit der Hubraumgröße des Motors variabel sind.
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Von größerem Interesse sind die Verhältnisse, die sich aufgrund dieser Zahlenwerte ergeben, so dass diese Verhältnisse insbesondere als erfindungsgemäße Erkenntnisse bezeichnet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventil
- 14
- Ventilschaft
- 16
- Ventilteller
- 20
- Ventilsitz
- 25
- Verwirbelungsgebiet
- 30
- Ventilkanal
- 33
- Dichtbereich, Dichtungslänge, Dichtstelle
- R1
- Radius, Konkavität
- K1
- Konvexität
- r1
- Ventiltelleraußendurchmesser
- a
- Ventillängsrichtung
- α
- Ventilsitzwinkel
- β
- Hohlkehlwinkel
