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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Ventil und insbesondere ein Gaswechselventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Jeder Zylinder eines Verbrennungsmotors umfasst ein Gaswechselventil, wie beispielsweise ein Einlassventil und ein Auslassventil. Die Gaswechselventile öffnen und schließen selektiv, um die Strömung von Gasen in und aus dem Zylinder zu steuern. Während des Motorbetriebs werden die Gaswechselventile einem Laden unter hohem Druck und hohen Temperaturen unterworfen. Aufgrund des Ladens erfährt das Gaswechselventil ferner Verschleiß, der manchmal zu einem Ventilversagen führen kann. Außerdem erfährt ein Unterkopfabschnitt der Gaswechselventile aufgrund von Zugspannungen typischerweise ein klassisches strukturelles Versagen, das nicht wünschenswert ist.
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Das
US-Patent Nr. 8,869,511 beschreibt einen Zweitaktgroßdieselmotor und einen Prozess zum Reduzieren der NOx-Emission des Zweitaktgroßdieselmotors, der mindestens einen Verbrennungsraum, einen Hubkolben und eine Auslassöffnung aufweist, die durch ein Auslassventil gesteuert wird, wobei bei jedem Arbeitstakt ein kleines Volumen an verbranntem Gas im Verbrennungsraum zurückbehalten und so für die nächste Verbrennung zur Frischluft hinzugefügt wird. Um dieses Zurückbehalten von verbranntem Gas zu erreichen, ist die untere Fläche des Ventilkopfs aus dem Auslassventil heraus mit einer schwach konkaven Fläche versehen, die einen kesselartigen Ansammlungsraum bildet, dessen Tiefe innerhalb eines Bereichs von 2 bis 10 % des Außendurchmessers des Ventilkopfs beträgt.
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Kurzdarstellung der Offenbarung
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Bei einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Ventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitgestellt. Das Ventil umfasst einen Ventilkopf. Der Ventilkopf umfasst eine Verbrennungsfläche, die derart konfiguriert ist, dass sie einer Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors zugewandt ist. Die Verbrennungsfläche umfasst einen schrägen Seitenabschnitt. Die Verbrennungsfläche umfasst auch einen zentralen Aussparungsabschnitt, der einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser definiert. Der Innendurchmesser und der Außendurchmesser definieren zusammen eine Tiefe des zentralen Aussparungsabschnitts. Das Ventil umfasst zudem einen Halsabschnitt, der konfiguriert ist, den Ventilkopf mit einem Ventilschaft des Ventils zu verbinden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Motor bereitgestellt. Der Motor umfasst einen Zylinderblock mit mindestens einer Verbrennungskammer. Der Motor umfasst zudem einen Zylinderkopf, der auf dem Zylinderblock positioniert ist, wobei der Zylinderkopf mindestens einen Durchgang definiert. Der Motor umfasst ferner ein Gaswechselventil, das innerhalb des mindestens einen im Zylinderkopf definierten Durchgangs aufgenommen ist. Das Gaswechselventil ist konfiguriert, eine selektive Fluidverbindung zwischen der mindestens einen Verbrennungskammer und dem mindestens einen Durchgang zu ermöglichen. Das Gaswechselventil umfasst einen Ventilkopf. Der Ventilkopf umfasst eine Verbrennungsfläche, die derart konfiguriert ist, dass sie der mindestens einen Verbrennungskammer des Motors zugewandt ist. Die Verbrennungsfläche umfasst einen schrägen Seitenabschnitt und einen zentralen Aussparungsabschnitt. Der zentrale Aussparungsabschnitt definiert einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser. Der Innendurchmesser und der Außendurchmesser definieren zusammen eine Tiefe des zentralen Aussparungsabschnitts. Das Ventil umfasst zudem einen Halsabschnitt, der sich vom Ventilkopf erstreckt. Das Ventil umfasst ferner einen mit dem Halsabschnitt verbundenen Ventilschaft.
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Bei noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Ventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitgestellt. Das Ventil umfasst einen Ventilkopf. Der Ventilkopf umfasst eine Verbrennungsfläche, die derart konfiguriert ist, dass sie einer Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors zugewandt ist. Die Verbrennungsfläche umfasst einen schrägen Seitenabschnitt. Die Verbrennungsfläche umfasst auch einen zentralen Aussparungsabschnitt, der einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser definiert. Der Innendurchmesser und der Außendurchmesser definieren zusammen eine Tiefe des zentralen Aussparungsabschnitts. Das Ventil umfasst zudem einen Halsabschnitt, der konfiguriert ist, den Ventilkopf mit einem Ventilschaft des Ventils zu verbinden. Ferner beträgt eine Durchbiegung der Verbrennungsfläche relativ, zu einer imaginären Ebene zwischen 0,07 mm und 0,082 mm.
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Andere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittansicht eines Abschnitts eines beispielhaften Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine Querschnittansicht, die eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts 2-2 in 1 veranschaulicht, welche ein zu einem Zylinderkopf des Motors zugehöriges Einlassventil zeigt;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht des Einlassventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 4 ist eine perspektivische Ansicht des Einlassventils, das in 3 gezeigt ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Soweit wie möglich werden die gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen zum Bezeichnen gleicher oder ähnlicher Teile verwendet. 1 veranschaulicht einen beispielhaften Verbrennungs- (IC) -Motor 100, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der IC-Motor 100 wird im Folgenden austauschbar als der Motor 100 bezeichnet. Der Motor 100 kann einen Mehrzylinder-IC-Motor umfassen. Der Motor 100 kann mit irgendeinem oder einer Kombination aus bekannten flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Benzin, Diesel, Erdgas, Erdölgas, Biokraftstoffen und dergleichen.
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Der Motor 100 umfasst einen Zylinderkopf 102 und einen Zylinderblock 106. Der Zylinderkopf 102 ist auf dem Zylinderblock 106 positioniert. Der Zylinderblock 106 kann eine Anzahl an Zylindern 108 umfassen. Ein solcher Zylinder 108 ist in der begleitenden Figur gezeigt. Der Zylinder 108 definiert eine Verbrennungskammer 110. Die Verbrennungskammer 110 nimmt einen Kolben 112 verschiebbar auf. Der Kolben 112 kann eine translatorische Bewegung innerhalb des Zylinders 108 aufweisen. Der Kolben 112 kann mit einem Ende einer Verbindungsstange (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Ein anderes Ende der Verbindungsstange kann mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Die Verbindungsstange kann konfiguriert sein, die translatorische Bewegung des Kolbens 112 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umzuwandeln.
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Ferner umfasst der Zylinderkopf 102 einen Einlassdurchgang 114, der im Zylinderkopf 102 definiert ist. Der Einlassdurchgang 114 ermöglicht das Einführen von Gasen, wie beispielsweise Druckluft und/oder eine Luft-Kraftstoffmischung, in die Verbrennungskammer 110. Während eines Einlasshubs des Motors 100 treten die Gase in die Verbrennungskammer 110 über den Einlassdurchgang 114 ein. Der Einlassdurchgang 114 schließt an einem Einlasskanal 116 ab, der zur Verbrennungskammer 110 führt. Der Einlasskanal 116 umfasst einen Sitz 118. Ferner ist eine Sitzeinlage 120 innerhalb des Sitzes 118 des Einlasskanals 116 positioniert.
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Ein Gaswechselventil, das im Folgenden austauschbar als ein Einlassventil 130 bezeichnet wird, ist innerhalb des Einlassdurchgangs 114 aufgenommen. Das Einlassventil 130 öffnet und schließt den Einlasskanal 116 selektiv, um eine Strömung der Gase in den Zylinder 108 zu steuern und die Verbrennung zu erleichtern.
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Der Zylinderkopf 102 umfasst einen Auslassdurchgang 122, der im Zylinderkopf 102 definiert ist. Während eines Auslasshubs des Motors 100 werden Verbrennungsprodukte wie Abgase und Restgase von der Verbrennungskammer 110 ausgestoßen und in den Auslassdurchgang 122 eingeführt. Ein Auslasskanal 124 ist durch den Auslassdurchgang 122 definiert. Der Auslasskanal 124 umfasst einen Sitz 126. Ferner kann eine Sitzeinlage (nicht gezeigt) innerhalb des Sitzes 126 des Auslasskanals 124 positioniert sein. Ein Auslassventil 132 ist innerhalb des Auslassdurchgangs 122 positioniert. Das Auslassventil 132 öffnet und schließt den Auslasskanal 124 selektiv, um die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer 110 auszustoßen. Die Einlass- und Auslassventile 130, 132 verkörpern ein Tellerventil. Die Einlass- und Auslassventile 130, 132 sind zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich. In der ersten Position sind die Ventile 130, 132 in Eingriff mit den entsprechenden Sitzen 118, 126, um eine Fluidströmung durch die Einlass- und Auslasskanäle 116, 124 entsprechend zu verhindern. Die Einlass- und Auslassventile 130, 132 sind in der ersten Position durch die Federelemente 134, 136 vorgespannt. In der zweiten Position bewegen sich die Ventile 130, 132 von den entsprechenden Sitzen 118, 126 weg, um eine Fluidströmung durch die Einlass- und Auslasskanäle 116, 124 zu ermöglichen. Obwohl ein einzelnes Einlass- und Auslassventil 130, 132 in der begleitenden Figur gezeigt ist, kann eine Anzahl der Einlass- und Auslassventile basierend auf der Zylinderzahl 108 des Motors 100 variieren. Wenn beispielsweise der Motor 100 als ein Sechszylinderreihenmotor verkörpert ist, kann der Motor 100 sechs Einlassventile und sechs Auslassventile umfassen.
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Der Motor 100 umfasst zudem andere Komponenten (nicht gezeigt) wie eine Nockenwelle, einen Mitnehmer, eine Schubstange und einen Kipphebel. Die Nockenwelle kann innerhalb des Zylinderkopfes 102 des Motors 100 angeordnet sein. Alternativ kann die Nockenwelle innerhalb des Zylinderblocks 106 des Motors 100 angeordnet sein. Die Nockenwelle kann konfiguriert sein, den Mitnehmer gefolgt von der Schubstange, dem Kipphebel und danach den entsprechenden Ventilen 130, 132 zu betätigen, um die Ventile zwischen den ersten und zweiten Positionen zu wechseln.
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Die Auslegung und strukturellen Details des Einlassventils 130 werden jetzt unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erklärt. Es ist jedoch denkbar, dass die nachfolgend bereitgestellte Beschreibung gleichermaßen auf das Auslassventil 132 des Motors 100 anwendbar ist, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 umfasst das Einlassventil 130 einen Ventilkopf 138. Der Ventilkopf 138 definiert einen Außendurchmesser „D1“ (gezeigt in 4). Der Außendurchmesser „D1“ des Ventilkopfs 138 liegt zwischen 50 mm bis 65 mm. Bei einem Beispiel ist der Außendurchmesser „D1“ ungefähr gleich 59 mm. Der Ventilkopf 138 umfasst eine Verbrennungsfläche 140. Die Verbrennungsfläche 140 des Ventilkopfs 138 ist der Verbrennungskammer 110 zugewandt. Die Verbrennungsfläche 140 umfasst eine ebene Fläche 142. Ein Durchmesser „D2“ (gezeigt in 4) der ebenen Fläche 142 liegt zwischen 35 mm bis 45 mm. Bei einem Beispiel ist der Durchmesser „D2“ der ebenen Fläche 142 ungefähr gleich 39 mm.
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Die Verbrennungsfläche 140 umfasst einen zentralen Aussparungsabschnitt 144. Der zentrale Aussparungsabschnitt 144 definiert eine untere Fläche 146. Die untere Fläche 146 ist parallel zur ebenen Fläche 142. Ein Innendurchmesser „DI“ (gezeigt in 4) des zentralen Aussparungsabschnitts 144 ist an der unteren Fläche 146 definiert. Der Innendurchmesser „DI“ liegt zwischen 10 mm bis 15 mm. Bei einem Beispiel ist der Innendurchmesser „DI“ der unteren Fläche 146 ungefähr gleich 12,5 mm.
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Ferner definiert der zentrale Aussparungsabschnitt 144 eine Seitenfläche 148. Die Seitenfläche 148 erstreckt sich schräg von der unteren Fläche 146. Ein Winkel „A1“ (gezeigt in 4) ist zwischen der unteren Fläche 146 und der Seitenfläche 148 definiert. Der Winkel „A1“ kann innerhalb eines Bereichs von 26° und 40° sein. Bei einem Beispiel ist der Winkel „A1“ ungefähr gleich 30°. Ferner ist eine Kehle 150 (siehe 4) an einer Verbindung der unteren Fläche 146 und der Seitenfläche 148 vorgesehen. Ein Radius der Kehle 150 kann innerhalb eines Bereichs von 3 mm bis 4 mm liegen. Bei einem Beispiel ist der Radius der Kehle 150 ungefähr gleich 3,5 mm.
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Der zentrale Aussparungsabschnitt 144 definiert einen Außendurchmesser „DO“. Der Außendurchmesser „DO“ ist entlang einem Umfang 151 definiert (siehe 3). Ferner definieren der Innendurchmesser „DI“ und der Außendurchmesser „DO“ zusammen eine Tiefe „DR“ (gezeigt in 4) des zentralen Aussparungsabschnitts 144. Die Tiefe „DR“ kann innerhalb eines Bereichs von 3 mm bis 4 mm liegen. Bei einem Beispiel ist die Tiefe „DR“ ungefähr gleich 3,75 mm.
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Die Verbrennungsfläche 140 umfasst einen schrägen Seitenabschnitt 152. Der schräge Seitenabschnitt 152 erstreckt sich schräg von einem Außenumfang 154 der ebenen Fläche 142. Ein Winkel „A2“ (gezeigt in 4) ist zwischen der ebenen Fläche 142 der Verbrennungsfläche 140 und dem schrägen Seitenabschnitt 152 der Verbrennungsfläche 140 definiert. Der Winkel „A2“ kann innerhalb eines Bereichs von 9° und 10° sein. Bei einem Beispiel ist der Winkel „A2“ ungefähr gleich 9,5°.
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Eine Seitenfläche 156 des Ventilkopfs 138 erstreckt sich von dem schrägen Seitenabschnitt 152. Unter Bezugnahme auf 4 definiert die Seitenfläche 156 den Außendurchmesser „D1“ des Ventilkopfs 138. Eine Dicke „T1“ ist zwischen einem oberen Umfang 158 (siehe 3) von der Seitenfläche 156 und der ebenen Fläche 142 definiert. Die Dicke „T1“ kann innerhalb eines Bereichs von 5 mm bis 6 mm liegen. Bei einem Beispiel ist die Dicke „T1“ ungefähr gleich 5,3 mm.
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Wie in den begleitenden Figuren gezeigt umfasst der Ventilkopf 138 eine Dichtfläche 160. Die Dichtfläche 160 erstreckt sich schräg von der Seitenfläche 156 des Ventilkopfs 138. Wenn sich das Einlassventil 130 in der ersten Position befindet, ist die Dichtfläche 160 in Kontakt mit der Sitzeinlage 120 (siehe 2). Eine Neigungshöhe „H1“ der Dichtfläche 160 kann innerhalb eines Bereichs von 9,5 mm bis 11 mm liegen. Bei einem Beispiel ist die Neigungshöhe „H1“ ungefähr gleich 10,6 mm. Eine Krümmung 162 ist an einer Verbindung der Dichtfläche 160 des Ventilkopfs 138 und der Seitenfläche 156 vorgesehen. Ein Radius „R1“ der Krümmung 162 kann innerhalb eines Bereichs von 1 mm bis 2 mm liegen. Bei einem Beispiel ist der Radius „R1“ der Krümmung 162 ungefähr gleich 1,4 mm. Ferner kann eine Dicke „T2“, die zwischen einem Umfang 164 der Dichtfläche 160 und der ebenen Fläche 142 definiert ist, innerhalb eines Bereichs von 7 mm bis 9 mm liegen. Bei einem Beispiel ist die Dicke „T2“ ungefähr gleich 8 mm.
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Das Einlassventil 130 umfasst einen Halsabschnitt 166. Der Halsabschnitt 166 erstreckt sich vom Umfang 164 der Dichtfläche 160. Der Halsabschnitt 166 verbindet den Ventilkopf 138 mit einem Ventilschaft 168 (gezeigt in 3) des Einlassventils 130. Ein Radius „R2“ des Halsabschnitts 166 kann innerhalb eines Bereichs von 12 mm und 20 mm liegen. Bei einem Beispiel ist der Radius „R2“ des Halsabschnitts 166 ungefähr gleich 17 mm.
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Unter Bezugnahme auf 3 umfasst das Einlassventil 130 den Ventilschaft 168. Der Ventilschaft 168 erstreckt sich von dem Halsabschnitt 166. Das Federelement 134 umgibt einen Abschnitt des Ventilschafts 168. Ein Ende des Ventilschafts 168 kontaktiert den Kipphebel zur Bewegung des Einlassventils 130 zwischen den ersten und zweiten Positionen. Eine Länge „L“ des Ventilschafts 168 kann innerhalb eines Bereichs von 200 mm und 250 mm liegen. Bei einem Beispiel ist die Länge L" des Ventilschafts 168 ungefähr gleich 238,8 mm. Ferner kann ein Durchmesser „D3“ des Ventilschafts 168 innerhalb eines Bereichs von 11 mm und 14 mm liegen. Bei einem Beispiel ist der Durchmesser „D3“ des Ventilschafts 168 ungefähr gleich 12 mm.
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Das Einlassventil 130 kann aus einem Metall hergestellt sein, das gegenüber hohem Druck und hohen Temperaturen beständig ist. Bei einem Beispiel kann das Einlassventil 130 aus Chromo-Legierung wie Chromo 193®hergestellt sein. Das Metall des Einlassventils 130 kann basierend auf Systemanforderungen einer oder mehreren Oberflächenbehandlungen unterworfen werden. Um ein gewünschtes Oberflächenfinish zu erreichen, können außerdem eine oder mehrere Flächen des Einlassventils 130 einem Oberflächenveredelungsprozess unterzogen werden.
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Das hier offenbarte Einlassventil 130 kann eine einzelne einheitliche Komponente verkörpern. Alternativ können die Komponenten des Einlassventils 130, wie der Ventilkopf 138, der Halsabschnitt 166 und der Ventilschaft 168, als separate Komponenten hergestellt werden, die zusammengefügt werden, um das Einlassventil 130 zu bilden. Das Einlassventil 130 kann unter Verwendung jedes additiven oder subtraktiven Herstellungsprozesses, der auf dem Fachgebiet bekannt ist, ausgeführt werden, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Einlassventil 130 des Motors 100, das eine Auslegung aufweist, welche die Flexibilität des Einlassventils 130 erhöht. Das Einlassventil 130 umfasst einen erhöhten Betrag an Material, der auf der Verbrennungsfläche 140 vorgesehen ist, und einen größeren Radius „R2“ am Halsabschnitt 166 verglichen mit bekannten Einlassventilen. Die Abmessungen und die Auslegung des Ventilkopfs 138 verbessern die Flexibilität des Einlassventils 130, um der Geometrie des Zylinderkopfes bei Motorbetriebszuständen zu entsprechen. Insbesondere ist die Auslegung des Ventilkopfs 138 des Einlassventils 130 derart, dass eine Durchbiegung der Verbrennungsfläche 140 relativ zu einer imaginären Ebene X-X' (siehe 4) zwischen 0,07 mm und 0,082 mm liegt. Für eine Einlassventiltemperatur von 450 Grad C ist die Durchbiegung der Verbrennungsfläche 140 relativ zur imaginären Ebene X-X' ungefähr gleich 0,7695 mm. Für eine Einlassventiltemperatur von 650 Grad C ist die Durchbiegung der Verbrennungsfläche 140 relativ zur imaginären Ebene X-X' ferner ungefähr gleich 0,081 mm.
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Das hier offenbarte Einlassventil 130 wird während des Motorbetriebs reduzierten Größenordnungen von maximaler Hauptspannung unterworfen, wodurch jede Möglichkeit eines strukturellen Versagens reduziert wird. Insbesondere ist die Auslegung des Einlassventils 130 derart, dass der Halsabschnitt 166 verglichen mit bekannten Einlassventilen, die Hauptspannungen der Größenordnung 304 MPa bei einer Einlassventiltemperatur von 450 Grad C unterworfen werden, einer reduzierten Hauptspannung der Größenordnung 246 MPa unterworfen wird. Ferner wird der Halsabschnitt 166 verglichen mit bekannten Einlassventilen, die Hauptspannungen der Größenordnung 303 MPa bei einer Einlassventiltemperatur von 650 Grad C unterworfen werden, einer reduzierten Hauptspannung der Größenordnung 248 MPa unterworfen.
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Während Aspekte der vorliegenden Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf die vorstehenden Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass durch die Modifikation der offenbarten Maschinen, Systeme und Verfahren verschiedene zusätzliche Ausführungsformen erwogen werden können, ohne vom Sinn und Umfang des Offenbarten abzuweichen. Diese Ausführungsformen sollen als in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallend verstanden werden, wie sie basierend auf den Ansprüchen und jeglichen Entsprechungen davon bestimmt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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