DE102020121147A1

DE102020121147A1 - Ventilsitzring für langlebige erdgasmagermotoren

Info

Publication number: DE102020121147A1
Application number: DE102020121147.3A
Authority: DE
Inventors: Ashwin A. Hattiangadi; Paul D. Smallidge; Rong Qu
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2021-02-25
Also published as: US10767520B1; CN112392568A

Abstract

Ein Ventilsitzring (38, 138) eines Motors (10) weist eine Ventilsitzoberfläche (59, 159) auf, die ein äußeres gekrümmtes Segment (62, 162), das eine erste Verschleißkrone (64, 164) für den Kontakt mit dem Ventil (24, 25) in einem frühen Verschleißzustand ausbildet, ein inneres gekrümmtes Segment (68, 168), das eine zweite Verschleißkrone (70, 170) für den Kontakt mit dem Ventil (24, 25) in einem späteren Verschleißzustand ausbildet, und ein lineares Segment (66, 166) auf, das sich zwischen dem äußeren und dem inneren gekrümmten Segment (62, 162, 68, 168) erstreckt. Eine obere Strömungskrone (75, 175) ist radial nach innen gerichtet von dem Motorkopf (10) abgesetzt und ein sich von der oberen Strömungskrone (75, 175) erstreckendes geneigtes Segment (71, 171) ist in einem spitzen Winkel (77, 177) relativ zu der Ventilsitzmittelachse (42, 142) orientiert.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Motorventile und zugeordnete Hardware und insbesondere auf einen Ventilsitzring für ein Einlassventil oder ein Auslassventil, die konfiguriert sind, um eine langlebige Erdgasmagerverbrennung für einen Verbrennungsmotor zu ermöglichen.
Hintergrund
Gaswechselventile werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um die Fluidverbindungen zwischen dem Zylinder und einer Zufuhr von Ansaugluft oder Ansaugluft und anderen Gasen wie rückgeführtem Abgas oder zwischen dem Zylinder und einem Abgaskrümmer zum Ausstoßen von Verbrennungsprodukten während des Betriebs zu steuern. Es sind Gestaltungen bekannt, bei denen jedem Zylinder in einem Motor ein einzelnes Einlassventil und ein einzelnes Auslassventil zugeordnet sind, sowie Gestaltungen, bei denen jedem Zylinder mehrere Gaswechselventile jedes jeweiligen Typs zugeordnet sind. Eine Nockenwelle, die typischerweise mit halber Motordrehzahl gedreht wird, ist mit Ventilaushebern, Brücken, Kipphebeln und/oder anderen Geräten zum Steuern des Öffnens und des Schließens von Gaswechselventilen zu geeigneten Motorzeitpunkten gekoppelt.
Gaswechselventile werden aus dem Kontakt mit dem Motorkopf oder einem Ventilsitzring innerhalb des Motorkopfes heraus und in Kontakt mit diesem gebracht, um ihre Öffnungs- und Schließvorgänge zu bewirken. Gaswechselventile können mit erheblichen mechanischen Kräften zwischen ihrer offenen und geschlossenen Position bewegt werden. Die Umgebung im Zylinder ist Verbrennungstemperaturen von mehreren hundert Grad und relativ hohen Drücken zugeordnet. Diese und andere Faktoren tragen dazu bei, dass die Betriebsbedingungen für Gaswechselventile recht rau sind. Es wurde beobachtet, dass Gaswechselventile und Ventilsitze oder Ventilsitzringe im Laufe der Zeit ein Phänomen zeigen können, das als Ventilrückgang bekannt ist. Im Laufe der Lebensdauer eines Motors oder zwischen den Dienstintervallen können die Kontakte zwischen einem Gaswechselventil und seinem Ventilsitz in die Millionen oder möglicherweise sogar Milliarden gehen. Die rauen Bedingungen und die große Anzahl von Stößen können dazu führen, dass Material, aus dem das Gaswechselventil und/oder der Ventilsitz ausgebildet ist, sich abnutzt und/oder verformt, sodass sich das Ventil weiter als gewünscht zu dem oder in den Motorkopf „zurückzieht“. Wenn der Ventilsitzrückgang stark genug wird, kann der Betrieb oder die Leistung des Motors beeinträchtigt werden, was manchmal eine so-genannte Überholung des oberen Endes vorzeitig erforderlich macht. Ingenieure haben mit einer Vielzahl verschiedener Techniken experimentiert, um das Ausmaß und die Auswirkungen von Ventilsitzrückgang und anderen Ventilverschleißmustern zu mildern. Eine ständige Herausforderung bei dem Versuch, ein Ventil oder einen Ventilsitz neu zu gestalten, sind die oft unvorhersehbaren Auswirkungen, die eine veränderte Geometrie auf die Gasströmung oder andere Betriebseigenschaften hat. Gasströmungsmuster und/oder der Wirkungsgrad können den Druck und die Temperatur im Zylinder, die Zusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs oder andere Parameter beeinflussen, die sich potenziell auf Strategien zur Emissionsreduzierung, den Motorwirkungsgrad, die Wärmeableitung oder die thermische Ermüdung oder noch andere Parameter auswirken können.
In bestimmten Motortypen wird Erdgas verwendet. In solchen Anwendungen wird ein von dem Antragsteller der vorliegenden Offenbarung hergestellter Erdgasverdichtungsmagermotor des Typs G3500 ULB/J von einigen als branchenführend für lange Lebensdauer und Haltbarkeit im oberen Leistungsbereich angesehen. Eine kontinuierliche Verbesserung in diesem Bereich ist jedoch gerechtfertigt.
Die veröffentlichte koreanische Patentanmeldung, Nr. KR20040045752A offenbart, dass die Winkel, die durch die Schnittstelle zwischen Ventil und Ventilsitz ausgebildet werden, vorbestimmt werden können. Dieser Bezug schlägt jedoch fehl, zu offenbaren, wie die Langlebigkeit eines Ventilsitzes verbessert werden kann, während ebenso die gewünschten Motorleistungen beibehalten werden können.
Kurzdarstellung der Erfindung
In einem Aspekt umfasst eine Motorkopfanordnung für einen Verbrennungsmotor einen Motorkopf mit einer darin ausgebildeten Fluidleitung und ein Ventil. Ein Ventilsitzring ist wenigstens teilweise innerhalb des Motorkopfs positioniert und definiert eine Ventilsitzmittelachse, die sich zwischen einer ersten axialen Endoberoberfläche, die aufgebaut ist, um einem Zylinder in dem Verbrennungsmotor zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endoberoberfläche erstreckt. Der Ventilsitzring weist ferner eine innere Umfangsoberoberfläche, die einen Lufttrichter ausbildet, eine äußere Umfangsoberoberfläche und eine Ventilsitzoberoberfläche auf. Die Ventilsitzoberfläche enthält im Profil ein äußeres gekrümmtes Segment, das eine erste Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Ventil in einem frühen Verschleißzustand ausbildet, ein inneres gekrümmtes Segment, das eine zweite Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Ventil in einem späteren Verschleißzustand ausbildet, und ein lineares Segment, das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Die innere Umfangsoberfläche im Profil ein oberes gekrümmtes Segment, das eine obere Strömungskrone ausbildet, und ein geneigtes Segment enthaltend, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Das obere gekrümmte Segment geht mit der zweiten axialen Endoberfläche über, und die obere Strömungskrone ist radial nach innen gerichtet von dem Motorkopf abgesetzt. Das geneigte Segment ist in einem spitzen Winkel relativ zu der Ventilsitzmittelachse orientiert, sodass die innere Umfangsoberfläche entweder ein Venturi ausbildet, um einen einströmenden Strom von Gasen in den Zylinder zu beschleunigen, oder als ein Diffusor wirkt, um einen aus dem Zylinder ausströmenden Strom von Gasen abzubremsen.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Ventilsitzring für ein Einlassventil in einem Verbrennungsmotor einen ringförmigen Einsatzkörper, der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endoberfläche, die aufgebaut ist, um dem Zylinder in dem Verbrennungsmotor zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endoberfläche erstreckt. Der ringförmige Einsatzkörper weist ferner eine innere Umfangsoberfläche, die einen Lufttrichter definiert, der aufgebaut ist, um den Zylinder mit einer Einlassleitung in einem Motorkopf fluidisch zu verbinden, eine äußere Umfangsoberfläche und eine Ventilsitzoberfläche für den Kontakt mit einem Einlassventil auf, die sich zwischen der ersten axialen Endoberfläche und der inneren Umfangsoberfläche erstreckt. Die Ventilsitzoberfläche enthält im Profil ein äußeres gekrümmtes Segment, das eine erste Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Einlassventil in einem frühen Verschleißzustand ausbildet, ein inneres gekrümmtes Segment, das eine zweite Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Einlassventil in einem späteren Verschleißzustand ausbildet, und ein lineares Segment, das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Die innere Umfangsoberfläche enthält im Profil ein oberes gekrümmtes Segment, das eine obere Strömungskrone ausbildet, und ein geneigtes Segment, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Das obere gekrümmte Segment geht mit der zweiten axialen Endoberfläche über. Das geneigte Segment erstreckt sich von dem oberen gekrümmten Segment in einem spitzen Winkel von etwa 5° oder mehr relativ zu der Ventilsitzmittelachse radial nach innen gerichtet, sodass die innere Umfangsoberfläche ein Venturi ausbildet, um einen einströmenden Strom von Gasen in den Zylinder zu beschleunigen.
In noch einem anderen Aspekt umfasst ein Ventilsitzring für ein Abgasventil in einem Verbrennungsmotor einen ringförmigen Einsatzkörper, der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endoberfläche, die aufgebaut ist, um dem Zylinder in dem Verbrennungsmotor zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endoberfläche erstreckt. Der ringförmige Einsatzkörper weist ferner eine innere Umfangsoberfläche, die einen Lufttrichter definiert, der aufgebaut ist, um den Zylinder mit einer Einlassleitung in einem Motorkopf fluidisch zu verbinden, eine äußere Umfangsoberfläche und eine Ventilsitzoberfläche für den Kontakt mit einem Einlassventil auf, die sich zwischen der ersten axialen Endoberfläche und der inneren Umfangsoberfläche erstreckt. Die Ventilsitzoberfläche enthält im Profil ein äußeres gekrümmtes Segment, das eine erste Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Einlassventil in einem frühen Verschleißzustand ausbildet, ein inneres gekrümmtes Segment, das eine zweite Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Einlassventil in einem späteren Verschleißzustand ausbildet, und ein lineares Segment, das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Die innere Umfangsoberfläche enthält im Profil ein oberes gekrümmtes Segment, das eine obere Strömungskrone ausbildet, und ein geneigtes Segment, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Das obere gekrümmte Segment geht mit der zweiten axialen Endoberfläche über und das geneigte Segment erstreckt sich von dem oberen gekrümmten Segment in einem spitzen Winkel von etwa 9° oder mehr relativ zu der Ventilsitzmittelachse radial nach innen gerichtet, sodass die innere Umfangsoberfläche einen Diffuser ausbildet, um einen einströmenden Strom von Gasen in den Zylinder zu verlangsamen.
Figurenliste

1 ist eine seitenperspektivische schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine bildliche Ansicht eines Ventilsitzrings gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in dem Verbrennungsmotor von 1 verwendet werden kann;
3 ist eine Schnittansicht durch den Ventilsitzring von 2;
4 ist eine seitliche schematische Schnittdarstellung von Abschnitten eines Gaswechsel- (Einlass-) Ventils und eines Ventilsitzrings gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in dem Verbrennungsmotor von 1 verwendet werden kann;
5 ist eine Detailansicht, genommen aus Kreis 5 von 4;
6 ist eine seitliche schematische Schnittdarstellung von Abschnitten eines Gaswechsel (Abgas-) Ventils und eines Ventilsitzrings gemäß0 einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in dem Verbrennungsmotor von 1 verwendet werden kann;
7 ist eine Detailansicht, genommen bei Kreis 7 von 6;
8 ist ein Vergleichsdiagramm eines Ventilsitzrings in einem Motorkopf in der Nähe eines Einlassventils oder eines Abgasventils gemäß verschiedenen Ausführungsformen und Prinzipien der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu einer früheren Gestaltung, um reduzierte Kontaktspannungen (Drücke) zu zeigen;
9 ist ein Diagramm des Durchflusskoeffizienten im Vergleich zu dem Ventilhub/- durchmesser für Abgaskanalgestaltungen gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer früheren Gestaltung;
10 ist ein Diagramm des Durchflusskoeffizienten im Vergleich zu dem Ventilhub/- durchmesser für Einlasskanalgestaltungen gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer früheren Gestaltung; und
11 ist ein Diagramm der Verwirbelungszahl im Vergleich zu dem Ventilhub/- durchmesser für Abgaskanalgestaltungen gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer früheren Gestaltung.

Detaillierte Beschreibung
Es wird nun ausführlich auf Ausführungsformen der Offenbarung eingegangen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Wo immer möglich, werden in allen Zeichnungen die gleichen Referenznummern verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile zu verweisen. In einigen Fällen wird in dieser Patentschrift eine Referenznummer angegeben, und die Zeichnungen zeigen die Referenznummer, gefolgt von einem Buchstaben, beispielsweise 100a, 100b oder einem Primärindikator wie 100', 100" usw. Es ist zu verstehen, dass die Verwendung von Buchstaben oder Primzahlen unmittelbar nach einer Referenznummer anzeigt, dass diese Merkmale ähnlich geformt sind und eine ähnliche Funktion aufweisen, wie es oft der Fall ist, wenn die Geometrie um eine Symmetrieebene gespiegelt wird. Zum Vereinfachen der Erklärung werden Buchstaben oder Primzahlen in dieser Patentschrift oft nicht aufgeführt, können jedoch in den Zeichnungen gezeigt werden, um auf Duplikate der in dieser schriftlichen Patentschrift erläuterten Merkmale hinzuweisen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform gezeigt, der ein Motorgehäuse 12 mit einem Zylinderblock 14 mit einem darin ausgebildeten Zylinder 16 enthält. Der Verbrennungsmotor 10 (im Folgenden „Motor 10“) könnte ein beliebiger Motor aus einer Vielzahl von Motoren sein, einschließlich eines Dieselmotors mit Eigenzündung, eines Benzinmotors mit Fremdzündung, eines Motors mit gasförmigem Kraftstoff, der aufgebaut ist, um mit einem bei Standardtemperatur und -druck gasförmigen Kraftstoff betrieben zu werden, eines Zweistoffmotors oder noch eines anderen. Bei einer Anwendung mit einem Dieselmotor mit Eigenzündung, wie einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung, könnten geeignete Kraftstoffe Dieseldestillatkraftstoff, Biodiesel, Mischungen davon oder noch andere Kraftstoffe enthalten. Für die hierin insbesondere erläuterten Ausführungsformen kann der Motor mit Erdgas betrieben werden, wie der Motor des Typs G3500 ULB/J, der von dem Antragsteller dieser Offenbarung hergestellt wird. Andere Anmeldungen sind in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung zu berücksichtigen.
Ein Motorkopf 18 ist mit dem Zylinderblock 14 gekoppelt und weist eine erste Gaswechselleitung 20 und eine zweite Gaswechselleitung 21 auf, die darin ausgebildet sind. Die Gaswechselleitungen 20 und 21 könnten jeweils eine Einlassleitung, die aufgebaut ist, um einen Einlasskrümmer fluidisch zu verbinden, oder eine Auslassleitung sein, die aufgebaut ist, um mit einem Abgaskrümmer verbunden zu werden. In einer praktischen Umsetzungsstrategie ist die Gaswechselleitung 20 eine Einlassleitung und die Gaswechselleitung 21 eine Abgasleitung.
Ein Kolben 32 ist innerhalb des Zylinders 16 zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition beweglich und ist über eine Kolbenstange 34 auf eine allgemein übliche Weise mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) gekoppelt. Der Motor 10 könnte eine beliebige Anzahl von Zylindern enthalten, die in einer beliebigen geeigneten Konfiguration angeordnet sind, wie in einer V-Konfiguration, einer Reihenkonfiguration oder noch einer anderen. Der Motorkopf 18 könnte einen monolithischen Motorkopf enthalten, der mit allen einer Mehrzahl von Zylindern in dem Motor 10 verbunden ist, oder er könnte einer einer Mehrzahl von separaten Motorkopfbereichen sein, die jeweils weniger als allen Zylindern in dem Motor 10 zugeordnet sind.
Der Motor 10 enthält ferner ein erstes Gaswechselventil 24, das ein Einlassventil enthalten kann, und ein zweites Gaswechselventil 25, das ein Abgasventil enthalten kann. Das Gaswechselventil 24, einschließlich der Aspekte seines Aufbaus und seines Betriebs, wird hierin in der Einzahl besprochen, es ist jedoch zu verstehen, dass die Beschreibung des Gaswechselventils 24 analog auf alle anderen Gaswechselventile innerhalb des Motors 10 angewendet werden kann, sofern nicht anders angegeben. Das Gaswechselventil 24 ist mehr oder weniger vertikal in Bezug auf eine Richtung der Hin- und Herbewegung des Kolbens 32 orientiert gezeigt, es sollte jedoch ebenso gewürdigt werden, dass hierin ebenso andere Konfigurationen wie Gaswechselventile in diagonalen Ausrichtungen in Betracht gezogen werden. Das Gaswechselventil 24 enthält ebenso einen Schaft oder einen Zapfen 28, der mit einem Ventilkopf 26 verbunden ist. Eine Ventilbrücke 30 oder ähnliches kann mit dem Gaswechselventil 24 gekoppelt werden, sodass das Gaswechselventil 24 zusammen mit einem anderen Gaswechselventil (nicht gezeigt) zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position bewegt werden kann, wie als Reaktion auf die Drehung einer Nockenwelle und die Bewegung eines Kipphebels, einer Ventilausheberanordnung und/oder anderer Geräte. Eine Rückstellfeder 36 ist mit dem Gaswechselventil 24 auf allgemein übliche Weise gekoppelt, um das Ventil in eine geschlossene Position vorzuspannen.
Der Motor 10 enthält ferner eine Motorkopfanordnung 11, die aus dem Motorkopf 18 und einer Mehrzahl von Ventilsitzringen 38 und 39 ausgebildet ist, die den Gaswechselventilen 24 beziehungsweise 25 zugeordnet sind. Das Gaswechselventil 24 und analog dazu andere Gaswechselventile des Motors 10 sind zwischen einer geschlossenen Ventilposition und einer offenen Ventilposition beweglich. In der geschlossenen Ventilposition berührt ein innerer Ventilsitz 46 den Ventilsitzring 38, während das Gaswechselventil 25 den Ventilsitzring 39 berührt. In der geschlossenen Stellung ist der Zylinder 16 für die Fluidkommunikation mit den entsprechenden Gaswechselleitungen 20 und 21 gesperrt. In der offenen Ventilposition besteht eine Fluidkommunikation. Eine äußere Ventilfläche 44 oder Verbrennungsfläche ist zu dem Zylinder 16 hin orientiert. Wie aus der folgenden Beschreibung weiter ersichtlich wird, ist der Ventilsitzring 38 und möglicherweise ebenso der Ventilsitzring 39 zusammen mit den entsprechenden Gaswechselventilen 24 und 25 aufgebaut, um die Art des Ventilrückgangs im Laufe der Lebensdauer oder des Wartungsintervalls von Motor 10 zu verlangsamen und zu verändern und Einlassgasströmungseigenschaften wenigstens so wirksam bereitzustellen wie bei bekannten Gestaltungen und möglicherweise gegenüber diesen verbessert.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird der Ventilsitzring 38 detaillierter gezeigt. Es wird ebenso gewürdigt, dass Beschreibungen bestimmter Merkmale des Ventilsitzrings 38 verstanden werden, um sich auf analoge Merkmale anderer hierin erläuterter und in Betracht gezogener Ventilsitzringe zu beziehen, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich. Der Ventilsitzring 38 enthält einen ringförmigen, einteiligen Einsatzkörper 40, der wenigstens teilweise innerhalb des Motorkopfs 18 positioniert ist, wie durch Übergangspassung, und definiert eine Ventilsitzmittelachse 42. Der Einsatzkörper 40 kann gegossen und bearbeitet und aus einem Stahl, wie einem hochlegierten gehärteten Stahl oder Werkzeugstahl, ausgebildet werden.
Der Ventilsitzring 38 enthält ferner eine erste axiale Endoberfläche 48, die dem Zylinder 16 zugewandt ist, eine zweite axiale Endoberfläche 50, eine innere Umfangsoberfläche 52, die einen Lufttrichter 54 definiert, die fluidisch zwischen Zylinder 16 und Gaswechselleitung 20 positioniert werden soll, um diese fluidisch zu verbinden, eine äußere Umfangsoberfläche 56 und eine Ventilsitzoberfläche 59, die sich zwischen der ersten axialen Endoberfläche 48 und der inneren Umfangsoberfläche 52 erstreckt. Die Ventilsitzmittelachse 42 erstreckt sich zwischen der ersten axialen Endoberfläche 48 und der zweiten axialen Endoberfläche 50. Die innere Umfangsoberfläche 52 ist im Allgemeinen konisch oder kann einen konischen Abschnitt aufweisen und kann ferner eine konische Öffnung zu der zweiten axialen Endoberfläche 50 ausbilden. Die innere Umfangsoberfläche 52 und/oder die sie ausbildenden Oberflächen bilden entweder ein Venturi 55, das sich zu dem Lufttrichter 54 hin verengt, aus, um, wenn das Gaswechselventil 24 (Einlassventil) geöffnet ist, einen einströmenden Gasstrom zu dem Zylinder 16 zu beschleunigen, wodurch bestimmte Unterschiede in dem Ventilsitz ausgeglichen oder sogar gegenüber früheren Gestaltungen verbessert werden, wobei sie andere oder keine speziellen Modifikationen aufweisen, um den Ventilsitzrückgang zu beseitigen oder das Fortschreiten des Rückgangs zu verzögern. Alternativ kann die innere Umfangsoberfläche 152 einen Diffusor 55' ausbilden, um den aus dem Zylinder 16 austretenden Gasstrom zu verlangsamen, wenn auf ein Abgasventil angewendet (siehe 6).
Wie unter Bezugnahme auf 2 und 3 hierin ferner erläutert, kann der Ventilsitzring 38 einen proportional größeren Ventilsitzflächeninhalt als bestimmte frühere Gestaltungen und eine etwas geringere verfügbare Strömungsfläche für den Gaswechsel aufweisen, wobei die verbesserte Venturi-beschleunigte Strömung die ansonsten zu erwartende reduzierte Leistung ausgleicht oder mehr als ausgleicht. Die äußere Umfangsoberfläche 56 weist eine zylindrische Form auf und kann sich in einem gleichmäßigen Abstand von der Ventilsitzmittelachse 42 befinden. In einer Umsetzung ist der Ventilsitzring 38 „trocken“, das heißt es wird keine zusätzliche Kühlung über Motorkühlmittel oder ähnliches eingesetzt. Die Außenumfangsoberfläche 56 kann ununterbrochen an dem Motorkopf 18 anliegen, sodass, wenn der Ventilsitzring 38 für den Dienst innerhalb des Motorkopfs 18 positioniert wird, wie durch eine Übergangspassung, kein rückseitiger Kühlhohlraum oder ein anderer ausgebildeter Hohlraum entsteht, der eine flüssige Kühlung des Ventilsitzringes 38 bereitstellt. Eine Fase 49 kann sich zwischen der äußeren Umfangsoberfläche 56 und der zweiten axialen Endoberfläche 50 erstrecken. Ähnliche Aussagen können in Bezug auf eine Abgasventilanwendung gemacht werden.
Unter Bezugnahme ebenso auf 4 und 5 wird nun daran erinnert, dass der Ventilsitzring 38 aufgebaut ist, um das Fortschreiten bestimmter Verschleißarten, die aus dem Kontakt zwischen einem Ventil und einem Ventilsitz über Zeit resultieren, verlangsamt und beeinflusst. Der Ventilsitzring 38 enthält die Ventilsitzoberfläche 59, die sich, wie vorstehend erläutert, zwischen der ersten axialen Endoberfläche 48 und der inneren Umfangsoberfläche 52 erstreckt. Die Ventilsitzoberfläche 59 kann profiliert werden, um den Ventilrückgang zu begrenzen, und enthält im Profil ein äußeres lineares Segment 60 angrenzend an die erste axiale Endoberfläche 48, ein äußeres gekrümmtes Segment 62 angrenzend an und übergehend mit dem äußeren linearen Segment 60, ein inneres lineares Segment 66 angrenzend an einen Übergang mit dem äußeren gekrümmten Segment 62 und ein inneres gekrümmtes Segment 68 angrenzend an und übergehend mit dem inneren linearen Segment 66. Das innere lineare Segment 66 kann so verstanden werden, dass es durch eine mittlere, im Profil lineare Oberfläche ausgebildet wird, die sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment 62 und dem inneren gekrümmten Segment 68 erstreckt und mit diesen übergeht.
Übergänge mit, übergehend und verwandte Begriffe können so verstanden werden, dass sie bedeuten, dass ein Endpunkt eines Liniensegments ebenso der Endpunkt eines angrenzenden Liniensegments ist. Das äußere gekrümmte Segment 62 bildet eine erste Verschleißkrone 64 für den Kontakt mit dem Gaswechselventil 24 in einem frühen Verschleißzustand aus und das innere gekrümmte Segment 68 bildet eine zweite Verschleißkrone 70 radial nach innen gerichtet und axial nach innen gerichtet von der ersten Verschleißkrone 64 für den Kontakt mit dem Gaswechselventil 24 in einem späteren Verschleißzustand aus, wobei sich das innere lineare Segment 66 zwischen dem äußeren gekrümmten Segment 62 und dem inneren gekrümmten Segment 68 erstreckt. Der Begriff „axial nach innen gerichtet“, wie er hierin verwendet wird, sollte so verstanden werden, dass er eine Richtung bezeichnet, die entlang der Ventilsitzmittelachse 42 zu einem Mittelpunkt eines Liniensegments der Achse 42 verläuft, das einer vollständigen axialen Längenabmessung des Ventilsitzrings 38 entspricht. „Axial nach außen gerichtet“ bedeutet eine entgegengesetzte Richtung, weg von diesem Mittelpunkt. „Radial nach innen gerichtet“ und „radial nach außen gerichtet“ sind konventionell verwendete Begriffe.
Der Erstkontakt bei der ersten Inbetriebnahme des Ventilsitzrings 38 und des Gaswechselventils 24 kann an einem Kontaktband zwischen der inneren Ventilsitzoberfläche 46 und der ersten Verschleißkrone 64 auftreten. Wenn sich die jeweiligen Komponenten verformen und verschleißen, können sie von einem frühen Verschleißzustand, in dem die Komponenten ein zwischen der inneren Ventiloberfläche 46 und der ersten Verschleißkrone 64 ausgebildetes Band mit Linienkontakt oder nahezu Linienkontakt aufweisen, in einen vollflächigen Kontakt, in dem die innere Ventiloberfläche 46 im Wesentlichen parallel zu einem Teil des äußeren gekrümmten Segments 62 und des inneren linearen Segments 66 verläuft und mit diesen vollständig in Kontakt steht, und in einen noch späteren Verschleißzustand übergehen, in dem der vollflächige Kontakt aufrechterhalten wird, jedoch ebenso in Kontakt mit der zweiten Verschleißkrone 70 übergeht. Es sollte gewürdigt werden, dass der Begriff 2früher Verschleißzustand" und der Begriff „späterer Verschleißzustand“ hierin in Beziehung zueinander verwendet werden, was nicht unbedingt bedeutet, dass „früh“ Neues in Betracht zieht und „später“ Altes in Betracht zieht, obwohl solche Begriffe in einem konkreten Fall zutreffen könnten. Bestimmte Grundprinzipien, die in Bezug auf die Profilierung der Ventilsitzoberfläche 59 dargestellt sind, finden Anwendung auf eine Reihe verschiedener Ausführungsformen, von denen einige zusätzliche oder alternative Aufbaudetails aufweisen, wie hierin weiter erörtert wird.
Die innere Umfangsoberfläche 52 enthält im Profil ebenso ein geneigtes Segment 71, das linear ist und sich zwischen dem inneren gekrümmten Segment 62, das die zweite Verschleißkrone 70 ausbildet, und einem oberen gekrümmten Segment 73, das die obere Strömungskrone 75 ausbildet, erstreckt. Das obere gekrümmte Segment 73 und damit die obere Fließkrone 75 können durch einen Radius mit einer Größe von etwa 0,8 Millimeter bis etwa 1,2 Millimeter ausgebildet werden, der bei einer Verfeinerung etwa 1,0 Millimeter betragen kann. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Radius“ auf eine physikalische Oberoberflächenstruktur, während Radius „größe" die Dimension eines geometrischen Radius eines Kreises bezeichnet, der durch diese physikalische Oberoberflächenstruktur definiert ist. Radien in diesem Zusammenhang könnten einen einzelnen Radius oder mehrere, variierende Radien, Spline, Ellipsen usw. enthalten.
Das geneigte Segment 71 kann sich in Umfangsrichtung um die Ventilsitzmittelachse 42 erstrecken und ist in einem spitzen Winkel 77 relativ zu der Achse 42 orientiert, der um die Ventilsitzmittelachse 42 in Umfangsrichtung gleichförmig sein kann, gleich etwa 5° oder mehr, und insbesondere etwa 6° bis etwa 8°, und in einigen Ausführungsformen etwa 7° betragen kann. Das geneigte Segment 71 kann weiter mit jeweils dem oberen gekrümmten Segment 73 und dem inneren gekrümmten Segment 68 übergehen (andere Geometrie einschließlich geraden Linien, Kurven usw. kann dazwischen liegen), wobei der Lufttrichter 54 durch ein vertikales Segment 83 definiert wird. Die Einströmkrone 75 und das obere gekrümmte Segment 73 gehen mit einer zweiten axialen Endoberfläche 50 über und sind radial nach innen gerichtet von dem Motorkopf 18 um einen Absetzabstand 81 abgesetzt, der größer sein kann als die Größe des Radius, der das obere gekrümmte Segment 73 ausbildet. Eine Größe des Radius, der das innere gekrümmte Segment 68 und damit die zweite Verschleißkrone 70 ausbildet, kann von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter und insbesondere etwa 0,5 Millimeter betragen. Ein Radius, der das äußere gekrümmte Segment 62 ausbildet, weist eine Größe von etwa 5,0 Millimetern bis etwa 6,0 Millimeter auf.
In den Darstellungen der 4 und 5 ist ebenso zu erkennen, dass die innere Ventilfläche 46 in einem Ventilwinkel 74 relativ zu einer Ebene 72 orientiert ist, die senkrecht zu der Ventilsitzmittelachse 42 ausgerichtet ist. Das innere lineare Segment 66 ist in einem Sitzwinkel 76 relativ zu der Ebene 72 orientiert, der größer als der Ventilwinkel 74 ist. Ein Interferenzwinkel 78 wird durch die innere Ventilfläche 46 und das innere lineare Segment 66 ausgebildet, und ein Spiel 80 wird zwischen der inneren Ventilfläche 46 und dem inneren linearen Segment 66 ausgebildet. Der Ventilwinkel 74 kann von dem Sitzwinkel 76 um etwa 0,3° bis etwa 0,5° (z. B. etwa 0,4°) abweichen. Der Sitzwinkel 76 kann von etwa 10° bis etwa 20° betragen und der Sitzwinkel 76 kann in einer praktischen Umsetzung etwa 15° betragen. Wie hierin verwendet, ist der Begriff „etwa“ im Zusammenhang mit der konventionellen Rundung auf eine gleichbleibende Anzahl signifikanter Stellen zu verstehen. Dementsprechend bedeutet „etwa 20“ von 19,5 bis 20,4, „etwa 19,5“ von 19,45 bis 19,54 und so weiter.
Ein zweites Spiel 90 kann zwischen der inneren Ventilfläche 46 und dem äußeren gekrümmten Segment 62 ausgebildet werden und erstreckt sich radial nach außen gerichtet und axial nach außen gerichtet von einem Kontaktband, das in dem frühen Verschleißzustand ungefähr wie abgebildet zwischen der inneren Ventilfläche 46 und dem ersten Verschleißkranz 64 ausgebildet wird. Es wird daran erinnert, dass das anfängliche Kontaktband eine Ringform aufweisen kann und im Wesentlichen ein Linienkontaktmuster sein kann, es wird jedoch erwartet, dass es sich bei einem frühen Einbruch zu einem Flächenkontaktmusters verändert. Eine Größe des zweiten Spiels 90 kann eine Zuwendungslänge 92 von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter (z. B. etwa .538 Millimeter) zwischen der inneren Ventilfläche 46 und dem äußeren gekrümmten Segment 62 der Ventilsitzoberfläche 59 enthalten. Die Zuwendungslänge 92 kann als der Abstand von dem Kontaktband zu einer Außenkante der nach oben gewandten Abschlussoberfläche 29 des Ventilkopfes 26 verstanden werden. Ein weiterer Winkel 94 kann zwischen der unteren Fase 49' und der nach oben gewandten Abschlussoberfläche 29 ausgebildet werden und kann etwa 10° bis etwa 20° betragen (kann bei bestimmten Ausführungsformen etwa 12,922° oder etwa 15° betragen).
Ebenso in 4 dargestellt ist eine volle Sitzbreitenabmessung 84 oder die theoretische volle Sitzbreite des Ventilsitzrings 38, die mit fortschreitendem Verschleiß zwischen den Komponenten schließlich verfügbar werden kann, im Vergleich zu einer Einbruchsflächenkontaktbreite, die bei anfänglichem vollständigem Flächenkontakt erreicht wird. Die Kontaktbreite der Einbruchsoberfläche wird bei 82 gezeigt und konnte nach einem frühen Einbruch beobachtet werden. In einer Umsetzung könnte die vollständige Sitzbreite 84 etwa 4 Millimeter betragen, insbesondere etwa 3,7 Millimeter. Die Einbruchoberflächenkontaktbreite 82 in der Ausführungsform von 4 kann etwa 3 Millimeter betragen, genauer gesagt etwa 3,25 Millimeter. Eine Endflächenbreite der ersten axialen Endoberfläche 48 ist in 5 bei 86 dargestellt und kann etwa 1 Millimeter betragen (z.B. etwa 0,813 Millimeter). Eine lineare Segmentbreite des äußeren linearen Segments 60 ist bei 88 dargestellt und kann etwa 2,0 Millimeter betragen.
In 6 und 7 sind Merkmale eines Ventilsitzrings 138 und eines ringförmigen Einsetzkörpers 140 in Kontakt mit einem Gaswechselventil 25, das ein Abgasventil enthalten kann, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Ventilsitzring 138 enthält eine Ventilsitzoberfläche 159, die profiliert ist, um den Ventilrückgang zu begrenzen, und enthält im Profil ein äußeres lineares Segment 160, das an eine erste axiale Endoberfläche angrenzt (nicht nummeriert), ein äußeres gekrümmtes Segment 162, das an das äußere lineare Segment 160 angrenzt und mit diesem übergeht und eine erste Verschleißkrone 164 ausbildet, die in einem frühen Verschleißzustand von dem Gaswechselventil 25 berührt wird. Die Ventilsitzoberfläche 159 enthält ferner ein inneres lineares Segment 166, das an das äußere gekrümmte Segment 162 angrenzt und mit diesem übergeht, und ein inneres gekrümmtes Segment 168, das an das innere lineare Segment 166 angrenzt und mit diesem übergeht und eine zweite Verschleißkrone 170 ausbildet, die radial nach innen gerichtet und axial nach innen gerichtet von der ersten Verschleißkrone 164 ist und in einem späteren Verschleißzustand von dem Gaswechselventil 25 berührt wird.
Eine innere Ventilfläche 146 ist in einem Ventilwinkel 174 relativ zu einer Ebene 172 senkrecht zu einer Ventilsitzmittelachse 142 orientiert. Das innere lineare Segment 166 ist in einem Sitzwinkel 176 relativ zu der Ebene 172 orientiert, der größer als der Ventilwinkel 174 ist, sodass ein Interferenzwinkel 178 ausgebildet wird. Zwischen dem Gaswechselventil 25 und dem inneren linearen Segment 166 wird ein Spiel 180 ausgebildet. Der Sitzwinkel 176 kann von etwa 10° bis etwa 20° betragen und kann etwa 15° betragen. Ein Interferenzwinkel 178 kann etwa 0,3° bis etwa 0,5° und insbesondere etwa 0,4° betragen.
Ein zweites Spiel 190, wie in 6 und 7 gezeigt, erstreckt sich radial nach außen gerichtet und axial nach außen gerichtet von einem Kontaktband zwischen der inneren Ventilfläche 146 und der ersten Krone 164. In dem Ventilsitzring 138, der einen Abgasventilsitzring enthalten kann, kann eine vollständige Sitzbreitenabmessung 184 etwa 4 Millimeter betragen, insbesondere etwa 3,64 Millimeter bis etwa 3,84 Millimeter. Die Einbruchsflächenkontaktbreite 182 kann etwa 2,75 Millimeter bis etwa 3,25 Millimeter betragen, insbesondere etwa 2,8 Millimeter bis etwa 3,0 Millimeter. Eine lineare Segmentbreite 188 kann etwa 2,669 Millimeter betragen, und eine Endflächenbreite 186 kann etwa 0,46 Millimeter betragen. Die Länge eines Spiels 192 kann etwa 0,749 Millimeter betragen. Der Ventilsitzring 138 enthält ebenso eine innere Umfangsoberfläche 152 mit einem unteren linearen Segment (vertikales Segment 183), das sich jeweils zwischen der zweiten Verschleißkrone 170 und der zweiten Strömungskrone 187 erstreckt und mit diesen übergeht, die jeweils von einem unteren gekrümmten Segment 185 ausgebildet werden, und einem geneigten Segment 171, das sich jeweils zwischen dem unteren gekrümmten Segment 185 und dem oberen gekrümmten Segment 173 erstreckt und mit diesen übergeht, die jeweils eine obere Strömungskrone 175 ausbilden. Die obere Strömungskrone 175 ist in einem Abstand 181 von dem Motorkopf 18 abgesetzt, der größer ist als die Größe eines Radius, der das obere gekrümmte Segment 173 und damit die einströmende Strömungskrone 175 ausbildet. Auf ähnliche Weise wird das äußere gekrümmte Segment 162 durch einen Radius ausgebildet, der größer ist als der Radius, der das obere gekrümmte Segment 173 ausbildet.
Die innere Umfangsoberfläche 152 enthält ebenso ein vertikales Segment 183, das parallel zu der Ventilsitzmittelachse 142 orientiert ist und jeweils mit dem unteren gekrümmten Segment 185 und dem oberen gekrümmten Segment 173 übergeht. Ein Lufttrichter (nicht nummeriert, kann einen Innendurchmesser des Ventilsitzrings von etwa 46,84 mm bis etwa 47,21 mm definieren) wird durch das vertikale Segment 183 definiert. In einer Umsetzung beträgt eine Lauflänge des vertikalen Segments 183 etwa 1,3 Millimeter bis etwa 1,6 Millimeter (kann z. B. etwa 1,5 Millimeter betragen), kann jedoch von etwa 0,0 Millimeter bis etwa 2,5 Millimeter (oder insbesondere von etwa 1,0 Millimeter bis etwa 2,0 Millimeter) reichen. Eine Größe des Radius, der das obere gekrümmte Segment 173 ausbildet, kann etwa .5 Millimeter betragen (z. B. im Bereich von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter). Eine Größe des Radius, der die zweite Verschleißkrone 70 ausbildet, kann etwa 0,3 Millimeter bis etwa 0,5 Millimeter (z. B. etwa 0,4 Millimeter) betragen. Eine Einbruchsflächenkontaktbreite 182 kann etwa 3,0 Millimeter betragen und insbesondere etwa 2,80 Millimeter bis etwa 3,0 Millimeter. Eine vollständige Flächenkontaktbreite 184 kann etwa 4,0 Millimeter betragen und insbesondere etwa 3,64 Millimeter bis etwa 3,84 Millimeter. Ein spitzer Winkel 177 kann etwa 9° oder mehr betragen und insbesondere etwa 10° bis 11° (z. B. etwa 10,28°). Ein Radius, der das äußere gekrümmte Segment 162 ausbildet, weist eine Größe von etwa 3,0 Millimetern bis etwa 4,0 Millimeter auf.
Wie vorstehend angedeutet, können verschiedene Merkmale und Proportionen der verschiedenen Ausführungsformen von Ventilsitzringen in gemeinsamen Abmessungs- oder Proportionalbereichen liegen, wobei die dargestellten Ausführungsformen unterschiedliche praktische Umsetzungsstrategien darstellen. Nachfolgend sind allgemeine Maß- und Winkelbereiche aufgeführt, die entdeckt wurden, um geeignete Kerngestaltungsprinzipien bereitzustellen.
Eine Größe des äußeren gekrümmten Segments 62, 162, das die erste Verschleißkrone 64, 164 ausbildet, kann größer sein als eine Größe des inneren gekrümmten Segments 68, 168, das die zweite Verschleißkrone 70, 170 ausbildet. Auf ähnliche Weise kann das äußere gekrümmte Segment 62, 162 durch einen Radius mit einer Größe von etwa 3 Millimetern bis etwa 6 Millimetern ausgebildet werden. Das innere gekrümmte Segment 68, 168 kann durch einen Radius mit einer Größe von etwa 0,3 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter ausgebildet werden. Der Radius, der das innere gekrümmte Segment 80, 180 und damit die zweite Verschleißkrone 70, 170 ausbildet, kann kleiner sein als jeder der Radien, die das äußere gekrümmte Segment 62, 162 und damit die erste Verschleißkrone 64, 164 ausbildet, und der Radius, der das innere gekrümmte Segment 68, 168 und damit die zweite Verschleißkrone 70, 170 ausbildet.
Auf ähnliche Weise kann das äußere gekrümmte Segment 62, 162 durch einen Radius ausgebildet werden, der größer ist als der Radius, der das obere gekrümmte Segment 72, 173 ausbildet. Der Radius, der das obere gekrümmte Segment 73, 173 ausbildet, kann größer sein als der Radius, der das innere gekrümmte Segment 68, 168 ausbildet. Die vollständige Flächenkontaktbreite 84, 184 kann von etwa 3 Millimeter bis etwa 4 Millimeter betragen, insbesondere von etwa 3,64 Millimeter bis etwa 3,84 Millimeter. Die Einbruchsflächenkontaktbreite 82, 182 kann von etwa 2 Millimeter bis etwa 4 Millimeter betragen, insbesondere von etwa 2,80 Millimeter bis etwa 3,00 Millimeter. Der Interferenzwinkel 78, 178 kann von etwa 0,3° bis etwa 0,5° betragen und insbesondere etwa 0,4°. Die Zuwendungslänge 88, 188 kann von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 0,90 Millimeter betragen. Der spitze Winkel 77, 177 kann von etwa 5° bis etwa 15° betragen, insbesondere von etwa 7° etwa 10,28°. Eine Lauflänge des inneren linearen Segments 66, 166 kann in Übereinstimmung mit dem gesamten Flächenbreitenbereich und anderen hierin erläuterten Ventilsitzoberflächenparametern variieren. Der Radius, der das obere gekrümmte Segment 75, 175 und damit die erste Strömungskrone 75, 175 ausbildet, kann von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 1,2 Millimeter betragen. Das untere gekrümmte Segment 185 und damit die zweite Strömungskrone 187 kann durch einen Radius von etwa 1 Millimeter bis etwa 7 Millimeter und insbesondere etwa 2,0 Millimeter und etwa 5,4 Millimeter ausgebildet werden. Der Radius, der die zweite Strömungskrone 187 ausbildet, kann größer sein als jeder der Radien, die das äußere gekrümmte Segment 62 und damit die erste Verschleißkrone 164 ausbilden, und der Radius, der das obere gekrümmte Segment 173 und damit die obere Strömungskrone 175 ausbildet.
Gewerbliche Anwendbarkeit
In der Praxis können eine Maschine, ein von der Maschine verwendeter Motor, ein Ventilsitzring, ein Ventil und/oder eine beliebige Kombination dieser verschiedenen Anordnungen und Komponenten hergestellt, gekauft oder verkauft werden, um eine Maschine oder einen Motor nachzurüsten, der sich bereits vor Ort befindet, im Rahmen eines Nachrüstmarktes oder alternativ dazu im Rahmen eines EA- (Erstausrüster-) Rahmens hergestellt, gekauft, verkauft oder anderweitig beschafft werden.
Wie bereits erwähnt, können die vorstehend genannten Ausführungsformen die Lebensdauer des Ventilsitzrings und/oder des Ventils verlängern, während die Motorleistung(en) beibehalten oder sogar verbessert werden, worauf in Kürze hierin näher eingegangen wird.
In einem Motor 10 kann der Ventilsitzring 38, 138 das obere gekrümmte Segment 73, 173 enthalten, mit der zweiten axialen Endoberfläche 50 übergehen und die obere Strömungskrone 75, 175 kann radial nach innen gerichtet von dem Motorkopf 10 abgesetzt sein. Das geneigte Segment 71, 171 kann in einem spitzen Winkel 77, 177 relativ zu der Ventilsitzmittelachse 42 orientiert sein, sodass die innere Umfangsoberfläche 52, 152 entweder ein Venturi 55, um einen einströmenden Strom von Gasen in den Zylinder 16 zu beschleunigen, oder einen Diffusor 55' ausbilden, um einen aus dem Zylinder 16 ausströmenden Strom von Gasen abzubremsen.
Der spitze Winkel 77, 177 kann in bestimmten Ausführungsformen von etwa 5° bis etwa 20° liegen.
In weiteren Ausführungsformen definiert das lineare Segment der Ventilsitzoberfläche 59, 159 eine Einbruchsflächenkontaktbreite 82, 182, die von etwa 1,5 Millimeter bis etwa 3,5 Millimeter reicht, und weist das geneigte Segment 71, 171 eine Lauflänge auf, die größer ist als die Einbruchsflächenkontaktbreite 82, 182.
In bestimmten Ausführungsformen ist die obere Strömungskrone 75, 175 von dem Motorkopf 10 radial nach innen gerichtet in einem Abstand 81, 181 abgesetzt, der größer ist als ein Radius, der das obere gekrümmte Segment 73, 173 ausbildet.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Größe des Radius, der das obere gekrümmte Segment 73, 173 ausbildet, etwa 0,2 Millimeter bis etwa 1,0 Millimeter, die Größe des Radius, der das äußere gekrümmte Segment 62, 162 ausbildet, etwa 3 Millimeter bis etwa 6 Millimeter und die Größe des Radius, der das innere gekrümmte Segment 68, 168 ausbildet, etwa 0,3 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter.
In bestimmten Ausführungsformen verbindet ein vertikales Segment 83, 183 das obere gekrümmte Segment 73, 173 mit dem inneren gekrümmten Segment 68, 168, und der Lufttrichter 54 wird durch das vertikale Segment 83, 183 definiert. Das vertikale Segment 83, 183 kann eine Höhe definieren, die von etwa 1,0 Millimeter bis etwa 2,0 Millimeter reicht.
In einigen Ausführungsformen bildet das untere gekrümmte Segment eine zweite Strömungskrone 185 aus.
In dem Motor 10 steht der Zylinder 16 in Fluidverbindung mit der Fluidleitung (z. B. Einlassleitung 20, Abgasleitung 21), ist ein Kolben 32 in dem Zylinder 16 angeordnet, der konfiguriert ist, um sich in dem Zylinder 16 aufwärts und abwärts zu versetzen, und ist ein Ventil (z. B. ein Einlassventil 24 oder ein Abgasventil 25) zwischen dem Kolben 32 und dem Ventilsitzring 38, 138 angeordnet, wobei das Ventil eine nach oben gerichtete Absperroberfläche 29 aufweist, die konfiguriert ist, um mit dem Ventilsitzring 38, 138 in und außer Eingriff zu kommen. Die nach oben gerichtete Absperroberfläche 29 kann flach sein.
Unter Bezugnahme auf 8 gibt es nun ein Vergleichsdiagramm, die zeigt, wie die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung (rechts in dem Diagramm dargestellt) die Kontaktdrücke (Spannungen) im Vergleich zu früheren Gestaltungen um bis zu 50 % reduziert haben (siehe den Balken links). Dies kann auf eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz zurückzuführen sein. Ein Fachmann würde also erwarten, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine verbesserte Langlebigkeit aufweisen würden, sodass während der Lebensdauer des Motors weniger Wartung erforderlich ist.
Ventilsitzringe können über das Verschleißverhalten für die Lebensdauer des Motorkopfes eine Schlüsselrolle für die Motorleistung und Haltbarkeit spielen. Die Optimierung des Luftstroms bei gleichzeitiger Reduzierung des Verschleißes hat sich als große Herausforderung erwiesen. Während des Betriebs eines Motors bewegen sich die Einlassventile hin und her in und außer Kontakt mit einem Ventilsitzring. Gase, einschließlich Luft oder mit anderen Gasen gemischte Luft, wie rückgeführtes Abgas oder gasförmiger Kraftstoff, werden dem Motor typischerweise bei einem Druck größer als der atmosphärische Druck zugeführt, wie von einem Turboladerkompressor. Die Abwärtsbewegung eines Kolbens in Verbindung mit der Druckbeaufschlagung der Einlassgase bewirkt, dass die Einlassgase in den Zylinder strömen, wenn sich der Kolben in einem Einlasshub von einer oberen Totpunktposition zu einer unteren Totpunktposition bewegt, solange das Einlassventil geöffnet ist.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung neigen Einlassgase, die auf die obere Strömungskrone 75 treffen, dazu, relativ glatt an der oberen Strömungskrone 75 vorbei zu strömen und in das Venturi 55 einzutreten, das von der inneren Umfangsoberfläche 52 ausgebildet wird. Beim Eintritt in das Venturi beginnen die einströmenden Gase gemäß bekannten Prinzipien zu dem zugeordneten Zylinder zu beschleunigen. Es ist dann zu erwarten, dass die beschleunigten Einlassgase glatt um die zweite Strömungskrone 87 und um die zweite Verschleißkrone 70 vorbei an der Ventilsitzoberfläche 59 und schließlich um und vorbei an dem Gaswechselventil 24 und in den zugeordneten Zylinder strömen, um darin mit Kraftstoff verbrannt zu werden. Die glatte und beschleunigende Strömung durch die Ventilsitzringe der vorliegenden Offenbarung kann den reduzierten Durchflussbereich im Vergleich zu der Gestaltung des Ventilsitzrings 38 und anderen Gestaltungen mit Einbußen bei Ventilsitz oder Ventilleistung oder Motorlebensdauer ausgleichen oder mehr als ausgleichen.
9 zeigt, dass der Abgaskanal-Durchflusskoeffizient verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bei Anwendungen ohne Wirbel etwa der gleiche ist wie bei früheren Gestaltungen. Ein Fachmann würde also keine Verschlechterung der Motorleistung in Bezug auf Strömungsmechanik, Thermodynamik, Emissionen usw. erwarten, während das Intervall, das für die Wartung des Ventilsitzrings oder des Ventils usw. benötigt wird, verringert wird. Daher kann ein Fachmann vermuten, dass der Kompromiss (Tausch) zwischen Langlebigkeit und anderen Motorleistungen unter Verwendung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gebrochen wurde.
Ebenso zeigt 10, dass der Durchflusskoeffizient zwischen verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und dem Ausgangswert (frühere Gestaltung) bei Anwendungen mit geringer Verwirbelung gleich bleibt. Auch hier würde ein Fachmann keine Verschlechterung der Motorleistung in Bezug auf Strömungsmechanik, Thermodynamik, Emissionen usw. erwarten, während das Intervall, das für die Wartung des Ventilsitzrings oder des Ventils usw. benötigt wird, verringert wird. Daher kann ein Fachmann vermuten, dass der Kompromiss (Tausch) zwischen Langlebigkeit und anderen Motorleistungen unter Verwendung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gebrochen wurde.
11 zeigt, dass die Wirbelanzahl der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und der Ausgangswert (frühere Gestaltung) relativ nahe an dem Ausgangswert oder sogar darunter bleibt. Ein Fachmann würde also keine Verschlechterung der Motorleistung in Bezug auf Strömungsmechanik, Thermodynamik, Emissionen usw. erwarten, während das Intervall, das für die Wartung des Ventilsitzrings oder des Ventils usw. benötigt wird, verringert wird. Daher kann ein Fachmann vermuten, dass der Kompromiss (Tausch) zwischen Langlebigkeit und anderen Motorleistungen unter Verwendung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gebrochen wurde.
Der dem Ventilsitzring 38, 138 zugeordnete Ventilsitzdurchmesser ist kleiner als die mit den Ventilsitzringen 38, 138 verbundene vollständige Flächenkontaktbreite und dieser Ventilsitzring 38, 138 ist nicht mit Verschleißkronen oder bestimmten anderen spezialisierten Ventilsitzgeometrien ausgebildet. Die hierin erläuterten Verschleißkronen sind in Verbindung mit den Ventilsitzkontaktbreiten, Sitzwinkeln, Ventilwinkeln und anderen geometrischen Merkmalen auf eine Weise gestaltet, die als Dämpfung von Ventil-Ventilsitzaufschlägen verstanden werden kann, um das Einschlagen des Ventilsitzes zu reduzieren und bestimmte Verschleißarten zu verlangsamen. Das Bereitstellen einer Ventilsitzgeometrie, die diesen Zielen entspricht, kann gegenüber Ventilsitzgestaltungen, wie sie in dem Ventilsitzring 38, 138 verwendet werden, verbessert werden, es hat sich jedoch herausgestellt, dass sie der Gestaltung anderer Ventilsitzringeigenschaften, wie die Gasströmungseigenschaften, gewisse Einschränkungen auferlegt.
In diesem Sinne kann die Geometrie des Ventilsitzrings 38, 138 in Bezug auf die Sitzeigenschaften des Einlassventils und die Geometrie des Ventilsitzrings 38, 138 in Bezug auf die Strömungseigenschaften des Einlassgases als ein System von kreuzgekoppelten Variablen verstanden werden, bei dem die Änderung eines Aspekts der Ventilsitzringgeometrie einen anderen Aspekt der Ventilsitzringgeometrie beeinflussen kann, oft auf unvorhersehbare Weise. Beispielsweise erfordert das Bereitstellen einer zweiten Verschleißkrone 70, 170 tendenziell eine Reduzierung des Lufttrichterdurchmessers, wenn der Ventilsitzdurchmesser beibehalten oder vergrößert werden soll. Bei der zweiten Verschleißkrone 70, 170 könnte sich ein zu großer Radius auf den Strömungsbereich, den spitzen Winkel, den Sitzwinkel oder andere Parameter auswirken. Ein zu kleiner Radius könnte die gewünschten Strömungsmuster nicht bereitstellen und/oder die gewünschte Ventilsitzleistung beeinträchtigen.
Durch den Einbau der oberen Strömungskrone 75, 175 und die Positionierung der oberen Strömungskrone 75, 175, sodass sie von dem Motorkopf abgesetzt ist, kann der verfügbare Durchflussbereich weiter reduziert werden, als dies bei einem Ventilsitzring ohne obere Strömungskrone und ohne Absetzung von dem Motorkopf erreicht werden könnte. Wenn beispielsweise der Radius, der eine obere Strömungskrone ausbildet, zu klein ist, können die vorteilhaften Auswirkungen auf die einströmende Strömung der Einlassgase nicht realisiert werden. Wenn der Radius, der eine obere Strömungskrone Krone ausbildet, zu groß ist, kann der spitze Winkel zu eng sein, um eine gewünschte Beschleunigung der Strömung zu erreichen. Zusätzliche Faktoren wie die Bestimmung eines geeigneten Bereichs für den spitzen Winkel, eines Sitzwinkelbereichs, ob eine zweite Strömungskrone verwendet wird und noch andere Faktoren können eine ähnliche Wirkung aufweisen. Wenn mehr als ein Gestaltungsparameter von Gestaltung zu Gestaltung variiert wird, können die Auswirkungen auf die Leistung noch komplexer und unvorhersehbarer sein. Aus diesen allgemeinen Gründen wird geschätzt, dass die optimierten Gestaltungen und parametrischen Richtlinien der vorliegenden Offenbarung einen praktischen Ausgleich der Faktoren bereitstellen, die sich auf den Ventilsitz und die Leistung des Einlassgasstroms auswirken. In einigen Fällen kann der Kompromiss tatsächlich gebrochen werden.
Die vorliegende Beschreibung dient nur für die Veranschaulichung und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie die Breite der vorliegenden Offenbarung auf eine beliebige Weise einschränkt. Daher werden Fachmänner es zu schätzen wissen, dass verschiedene Änderungen an den vorliegend offengelegten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem vollen und fairen Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Prüfung der beigefügten Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche deutlich. Wie hierin verwendet, sollen die Artikel „ein, eine, ein“ einen oder mehrere Artikel enthalten und können mit „ein, eine, ein oder mehrere“ austauschbar verwendet werden. Wenn nur ein Gegenstand beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein“ oder eine ähnliche Redeweise verwendet. Auch die hierin verwendeten Begriffe „aufweist“, „aufweisen“, „aufweisend“ oder dergleichen sind als erweiterbare Begriffe gedacht. Ferner soll der Ausdruck „auf Grundlage von“ „wenigstens teilweise auf Grundlage von“, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
Es wird geschätzt, dass die vorstehende Beschreibung Beispiele für die offengelegte Anordnung und Technik bereitstellt. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass sich andere Umsetzungen der Offenbarung im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder Beispiele davon sollen auf das spezielle Beispiel verweisen, das zu diesem Zeitpunkt erläutert wird, und sollen keine Einschränkung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen implizieren. Jede Redeweise der Unterscheidung und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll auf eine mangelnde Präferenz für diese Merkmale hinweisen, jedoch diese nicht vollständig aus dem Umfang der Offenbarung ausschließen, sofern nicht anders angegeben.
Die Erwähnung von Wertebereichen dient hierin lediglich als eine Kurzform für die individuelle Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, sofern hierin nicht anders angegeben, und jeder einzelne Wert wird so in die Patentschrift aufgenommen, als ob er hierin individuell rezitiert würde.
Für Fachmänner ist es offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an die Ausführungsformen der Einrichtung und Verfahren des Zusammenbaus wie hierin erläutert vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang oder dem Geist der Erfindung(en) abzuweichen. Andere Ausführungsformen dieser Offenbarung werden Fachmännern aus der Betrachtung der Patentschrift und der Praxis der hierin offenbarten verschiedene Ausführungsformen ersichtlich. Beispielsweise können einige der Geräte anders konstruiert sein und anders funktionieren als hierin beschrieben, und bestimmte Schritte jedes Verfahrens können ausgelassen, in einer anderen Reihenfolge als der ausdrücklich erwähnten ausgeführt oder in einigen Fällen gleichzeitig oder in Teilschritten ausgeführt werden. Darüber hinaus können Variationen oder Änderungen an bestimmten Aspekten oder Merkmalen verschiedener Ausführungsformen vorgenommen werden, um weitere Ausführungsformen zu schaffen, und Merkmale und Aspekte verschiedener Ausführungsformen können zu anderen Merkmalen oder Aspekten anderer Ausführungsformen hinzugefügt oder durch diese ersetzt werden, um noch weitere Ausführungsformen bereitzustellen.
Dementsprechend enthält diese Offenbarung alle Modifikationen und Äquivalente des in den beigefügten Ansprüchen genannten Gegenstands, soweit dies nach geltendem Recht zulässig ist. Darüber hinaus ist jede Kombination der vorstehend beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen davon von der Offenbarung eingeschlossen, sofern hierin nicht anders angegeben oder durch den Zusammenhang eindeutig widersprochen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 20040045752 A [0005]

Claims

Ventilsitzring (38) für ein Einlassventil (24) in einem Verbrennungsmotor (10), umfassend: einen ringförmigen Einsatzkörper (40), der eine Ventilsitzmittelachse (42) definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endoberfläche (40), die aufgebaut ist, um dem Zylinder (16) in dem Verbrennungsmotor (10) zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endoberfläche (50) erstreckt; wobei der ringförmige Einsatzkörper (40) ferner eine innere Umfangsoberfläche (52), die einen Lufttrichter (54) definiert, der aufgebaut ist, um den Zylinder (16) mit einer Einlassleitung (20) in einem Motorkopf (18) fluidisch zu verbinden, eine äußere Umfangsoberfläche (56) und eine Ventilsitzoberfläche (59) für den Kontakt mit einem Einlassventil (24) aufweist, die sich zwischen der ersten axialen Endoberfläche (40) und der inneren Umfangsoberfläche (52) erstreckt; wobei die Ventilsitzoberfläche (59) im Profil ein äußeres gekrümmtes Segment (62), das eine erste Verschleißkrone (64) für den Kontakt mit dem Einlassventil (24) in einem frühen Verschleißzustand ausbildet, ein inneres gekrümmtes Segment (68), das eine zweite Verschleißkrone (70) für den Kontakt mit dem Einlassventil (24) in einem späteren Verschleißzustand ausbildet, und ein lineares Segment (66) enthält, das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment (62) und dem inneren gekrümmten Segment (68) erstreckt; wobei die innere Umfangsoberfläche (52) im Profil ein oberes gekrümmtes Segment (73), das eine obere Strömungskrone (75) ausbildet, und ein geneigtes Segment (71) enthält, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment (73) und dem inneren gekrümmten Segment (68) erstreckt; und wobei das obere gekrümmte Segment (73) mit der zweiten axialen Endoberfläche (50) übergeht und sich das geneigte Segment (71) von dem oberen gekrümmten Segment (73) in einem spitzen Winkel (77) von etwa 5° oder mehr relativ zu der Ventilsitzmittelachse (42) radial nach innen gerichtet erstreckt, sodass die innere Umfangsoberfläche (52) ein Venturi (55) ausbildet, um einen einströmenden Strom von Gasen zu dem Zylinder (16) zu beschleunigen.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 1, wobei das obere gekrümmte Segment (73) durch einen Radius ausgebildet wird, der größer ist als ein Radius, der das innere gekrümmte Segment (68) ausbildet, und das äußere gekrümmte Segment (62) durch einen Radius ausgebildet wird, der größer ist als der Radius, der das obere gekrümmte Segment (73) ausbildet.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 1, wobei der spitze Winkel (77) zwischen etwa 6° und etwa 8° liegt.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 1, wobei: das lineare Segment (66) der Ventilsitzoberfläche (59) eine Einbruchsflächenkontaktbreite (82) definiert, die von etwa 3 Millimeter bis etwa 4 Millimeter reicht; eine Größe eines Radius, der das obere gekrümmte Segment (73) ausbildet, von etwa 0,8 Millimeter bis etwa 1,2 Millimeter beträgt; eine Größe eines Radius, der das äußere gekrümmte Segment (62) ausbildet, von etwa 5,0 Millimeter bis etwa 6,0 Millimeter beträgt; und eine Größe des Radius, der das innere gekrümmte Segment (68) ausbildet, von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter beträgt.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 4, der ferner ein vertikales Segment (83), das das obere gekrümmte Segment (73) mit dem inneren gekrümmten Segment (68) verbindet, und einen Lufttrichter (54) umfasst, der durch das vertikale Segment (83) definiert ist.
Ventilsitzring (138) für ein Abgasventil (25) in einem Verbrennungsmotor (10), umfassend: einen ringförmigen Einsatzkörper (140), der eine Ventilsitzmittelachse (142) definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endoberfläche (48), die aufgebaut ist, um dem Zylinder (16) in dem Verbrennungsmotor (10) zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endoberfläche (50) erstreckt; wobei der ringförmige Einsatzkörper (140) ferner eine innere Umfangsoberfläche (152), die einen Lufttrichter (54) definiert, der aufgebaut ist, um den Zylinder (16) mit einer Abgasleitung (21) in einem Motorkopf (18) fluidisch zu verbinden, eine äußere Umfangsoberfläche (56) und eine Ventilsitzoberfläche (159) für den Kontakt mit einem Abgasventil (25) aufweist, die sich zwischen der ersten axialen Endoberfläche (48) und der inneren Umfangsoberfläche (152) erstreckt; wobei die Ventilsitzoberfläche (159) im Profil ein äußeres gekrümmtes Segment (162), das eine erste Verschleißkrone (164) für den Kontakt mit dem Abgasventil (25) in einem frühen Verschleißzustand ausbildet, ein inneres gekrümmtes Segment (168), das eine zweite Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Abgasventil (25) in einem späteren Verschleißzustand ausbildet, und ein lineares Segment (166) enthält, das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment (162) und dem inneren gekrümmten Segment (168) erstreckt; wobei die innere Umfangsoberfläche (152) im Profil ein oberes gekrümmtes Segment (173), das eine obere Strömungskrone (175) ausbildet, und ein geneigtes Segment (171) enthält, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment (173) und dem inneren gekrümmten Segment (168) erstreckt; und wobei das obere gekrümmte Segment (173) mit der zweiten axialen Endoberfläche (50) übergeht und sich das geneigte Segment (171) von dem oberen gekrümmten Segment (173) in einem spitzen Winkel (177) von etwa 9° oder mehr relativ zu der Ventilsitzmittelachse (142) radial nach innen gerichtet erstreckt, sodass die innere Umfangsoberfläche (152) einen Diffusor (55') ausbildet, um einen ausströmenden Strom von Gasen von dem Zylinder (16) zu verlangsamen.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 6, wobei das obere gekrümmte Segment (173) durch einen Radius ausgebildet wird, der größer ist als ein Radius, der das innere gekrümmte Segment (168) ausbildet, und das äußere gekrümmte Segment (162) durch einen Radius ausgebildet wird, der größer ist als der Radius, der das obere gekrümmte Segment (173) ausbildet.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 6, wobei der spitze Winkel (177) zwischen etwa 10° und etwa 11 ° liegt.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 6, wobei: das lineare Segment (166) der Ventilsitzoberfläche (159) eine Einbruchsflächenkontaktbreite (182) definiert, die von etwa 2,75 Millimeter bis etwa 3,25 Millimeter reicht; eine Größe eines Radius, der das obere gekrümmte Segment (173) ausbildet, von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter beträgt; eine Größe eines Radius, der das äußere gekrümmte Segment (162) ausbildet, von etwa 3,0 Millimeter bis etwa 4,0 Millimeter beträgt; und eine Größe des Radius, der das innere gekrümmte Segment (168) ausbildet, von etwa 0,3 Millimeter bis etwa 0,5 Millimeter beträgt.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 9, der ferner ein vertikales Segment (183), das das obere gekrümmte Segment (173) mit dem inneren gekrümmten Segment (168) verbindet, und den Lufttrichter (54) umfasst, der durch das vertikale Segment (183) definiert ist.