DE112020000254T5

DE112020000254T5 - Motor- und gasaustauschventil mit konturierter unterkopfausrundung zurabschwächung der sehnenbelastung

Info

Publication number: DE112020000254T5
Application number: DE112020000254.3T
Authority: DE
Inventors: Ashwin Hattiangadi; Rong Qu
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2021-08-26
Also published as: DE112020000254T8; US10844758B2; CN113302381A; GB2595154B; GB2595154A; WO2020154139A1; US20200232353A1; GB202111625D0

Abstract

Ein Gasaustauschventil (36) in einem Verbrennungsmotor (10) beinhaltet einen Ventilkopf (52), der eine Dichtfläche (58) aufweist, die strukturiert ist, einen Ventilsitz (24) zu berühren und einen Flächenwinkel definiert. Der Ventilkopf (52) beinhaltet ferner eine Unterkopfausrundung (64), die von der inneren Dichtfläche (58) zu einem Ventilschaft (48) übergeht und einen Sehnenspannungsbereich (66) innerhalb des Unterkopfausrundungsbereiches (64) definiert. Die Unterkopfausrundung (64) wird durch ein Material (68) ausgebildet, das entsprechend einer spannungsdiffundierenden Kontur innerhalb des Sehnenspannungsbereiches (66) verteilt ist und mit der inneren Dichtfläche (58) in einem Übergangswinkel übergeht, der kleiner als der Flächenwinkel ist und in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegt. Die Kontur des Ventilkopfes (52) steht im Zusammenhang mit der Beständigkeit gegen Ermüdungsbruch durch Sehnenspannung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Motorventile und zugehörige Hardware, und insbesondere auf ein Gasaustauschventil, das für Ermüdungsfestigkeit strukturiert ist.
Stand der Technik
Gasaustauschventile werden in Verbrennungsmotoren zur Steuerung von Fluidverbindungen zwischen einem Zylinder und einer Zufuhr von Ansaugluft oder Ansaugluft und anderen Gasen, wie beispielsweise rückgeführtem Abgas, oder zwischen dem Zylinder und einem Abgaskrümmer zum Ausstoßen von Verbrennungsprodukten verwendet. Einige bekannte Konstruktionen beinhalten ein einzelnes Einlassventil und ein einzelnes Auslassventil, die jedem Motorzylinder zugeordnet sind. Andere Konstruktionen verwenden mehrere Gasaustauschventile jeder Art in Verbindung mit jedem Zylinder. Eine Nockenwelle, die normalerweise mit halber Motordrehzahl gedreht wird, ist zur entsprechenden Steuerung des Öffnens und Schließens der Gasaustauschventile mit Ventilstößeln, Brücken, Kipphebeln oder anderen Vorrichtungen gekoppelt. In einigen Motorkonstruktionen sind Gaswechselventile mit Aktoren ausgestattet, um sogenannte variable Ventilsteuerzeiten zu ermöglichen, die für verschiedene Zwecke zumindest etwas unabhängig von einer nockengesteuerten Steuerung sein können.
Solche Gasaustauschventile werden in und außer Kontakt mit einem Motorkopf oder einem Ventilsitzeinsatz innerhalb eines Motorkopfes bewegt, um das Öffnen und Schließen zu bewirken. Erhebliche mechanische Kräfte von Ventilbetätigungsmechanismen sowie Zylinderdruckwerte können zum Öffnen oder Schließen von Gasaustauschventilen wirken. Die Temperaturen im Zylinder können zumindest mehrere hundert Grad betragen, und bei bestimmten Auslassventilanwendungen können sich die Auslassventile auf zumindest mehrere hundert Grad erhitzen. Aus diesen Gründen können die Betriebsbedingungen für Gasaustauschventile ziemlich anspruchsvoll sein. Es wurde beobachtet, dass bestimmte Gasaustauschventile im Laufe der Lebensdauer eines Motors Ermüdungsschäden aufweisen können, die auf Tausende, Millionen oder sogar Milliarden von Öffnungs- und Schließzyklen zurückzuführen sind. Wenn ein Motor für die Aufarbeitung oder Rückgewinnung zerlegt wird, können Anzeichen für ein fortschreitendes Ermüdungsversagen manchmal direkt beobachtet werden. Ingenieure haben mit vielen verschiedenen Techniken experimentiert, die Ermüdungserscheinungen des Gasaustauschventils zu verbessern oder zu verhindern versuchen. Selbst kleinste Änderungen in der Konstruktion des Gasaustauschventils, der Betriebsbedingungen des Motors, der Toleranzstapel oder anderer Phänomene können die Lebensdauer des Gasaustauschventils erheblich beeinflussen. Eine bekannte Konstruktion eines Gasaustauschventils ist in dem US-Patent Nr. 6.125.809 von Boast dargelegt und schlägt eine Ventilkonstruktion vor, die einen verengten Abschnitt aufweist, um die Beanspruchung des Kopfes zu verringern und seine Lebensdauer zu verlängern. Auch wenn die Konstruktion von Boast wie vorgesehen funktioniert, gibt es immer Raum für Verbesserungen oder alternative Konstruktionsstrategien.
Kurzdarstellung der Erfindung
In einem Aspekt beinhaltet ein Verbrennungsmotor ein Motorgehäuse, das einen Zylinderblock mit einem darin ausgebildeten Zylinder beinhaltet, einen Motorkopf, der mit dem Zylinderblock gekoppelt ist und eine darin ausgebildete Gasaustauschleitung aufweist, sowie einen Ventilsitz, der eine Öffnung zur Gasaustauschleitung bildet. Der Verbrennungsmotor beinhaltet ferner ein Gasaustauschventil, das zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position beweglich ist, um die Fluidverbindungen zwischen dem Zylinder und der Gasaustauschleitung zu steuern. Das Gasaustauschventil beinhaltet einen eine Längsachse definierenden Ventilschaft und einen am Ventilschaft befestigten Ventilkopf, der eine äußere Brennfläche aufweist, die eine senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Ebene definiert. Der Ventilkopf beinhaltet ferner eine innere Dichtfläche, die strukturiert ist, um den Ventilsitz in der geschlossenen Position zu berühren. Die innere Dichtfläche definiert einen Flächenwinkel relativ zur Ebene und der Ventilsitz definiert einen Sitzwinkel relativ zur Ebene, der größer als der Flächenwinkel ist. Der Ventilkopf beinhaltet ferner eine Unterkopfausrundung, die von der inneren Dichtfläche zum Ventilschaft übergeht und einen Sehnenspannungsbereich innerhalb der Unterkopfausrundung definiert. Die Unterkopfausrundung wird durch ein Material ausgebildet, das gemäß einer spannungsdiffundierenden Kontur innerhalb des Sehnenspannungsbereiches verteilt ist, und die Unterkopfausrundung geht mit der inneren Dichtfläche in einem Übergangswinkel relativ zur Ebene über, der kleiner als der Flächenwinkel ist und in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegt.
In einem anderen Aspekt beinhaltet ein Gasaustauschventil zur Steuerung von Fluidverbindungen zwischen einem Verbrennungszylinder und einer Gasaustauschleitung in einem Verbrennungsmotor einen Ventilkörper mit einem eine Längsachse definierenden Ventilschaft und einem an dem Ventilschaft befestigten Ventilkopf mit einer äußeren Brennfläche, die eine senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Ebene definiert. Der Ventilkopf beinhaltet ferner eine innere Dichtfläche, die strukturiert ist, den Ventilsitz in der geschlossenen Position zu berühren, und eine Außenumfangsrandfläche, die sich axial zwischen der äußeren Brennfläche und der inneren Dichtfläche erstreckt. Die innere Dichtfläche definiert einen Flächenwinkel relativ zur Ebene. Der Ventilkopf beinhaltet ferner eine Unterkopfausrundung, die von der inneren Dichtfläche zum Ventilschaft übergeht und einen Sehnenspannungsbereich innerhalb der Unterkopfausrundung definiert. Die Unterkopfausrundung wird durch ein Material ausgebildet, das gemäß einer spannungsdiffundierenden Kontur innerhalb des Sehnenspannungsbereiches verteilt ist, wobei die Unterkopfausrundung mit der inneren Dichtfläche in einem Übergangswinkel relativ zur Ebene übergeht, der kleiner als der Flächenwinkel ist und in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegt.
In noch einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Gasaustauschventil einen Ventilkörper mit einem eine Längsachse definierenden Ventilschaft und einem am Ventilschaft befestigten Ventilkopf, der eine äußere Brennfläche aufweist, die eine senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Ebene definiert. Der Ventilkopf beinhaltet ferner eine innere Dichtfläche, die sich in Umfangsrichtung um die Längsachse erstreckt und in einem Flächenwinkel relativ zur Ebene ausgerichtet ist, der kleiner als 45° ist. Der Ventilkopf beinhaltet ferner eine Unterkopfausrundung, die von der inneren Dichtfläche zum Ventilschaft übergeht und einen Sehnenspannungsbereich innerhalb der Unterkopfausrundung definiert. Die Unterkopfausrundung wird durch ein Material ausgebildet, das gemäß einer spannungsdiffundierenden Kontur innerhalb des Sehnenspannungsbereiches verteilt ist, und durch Material, das einen Übergang zwischen dem Sehnenspannungsbereich und der inneren Dichtfläche bildet. Der Übergang weist einen Übergangswinkel relativ zur Ebene auf, der in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegt.
Figurenliste

1 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht durch einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine Seitenansicht eines Gasaustauschventils gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine Schnittansicht durch einen Ventilkopf eines Gasaustauschventils, gemäß einer Ausführungsform; und
4 ist eine schematische Ansicht, in der ein Gasaustauschventil gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer bekannten Konstruktion verglichen wird.

Ausführliche Beschreibung
Wie unter Bezugnahme auf 1 ersichtlich, ist ein Verbrennungsmotor 10 gemäß einer Ausführungsform dargestellt, der ein Motorgehäuse 12 aufweist, das einen Zylinderblock 14 mit einem darin ausgebildeten Zylinder 16 beinhaltet. Der Verbrennungsmotor 10 (im Folgenden „Motor 10“) kann ein beliebiger Motor aus einer Vielzahl von Motoren sein, einschließlich eines Dieselmotors mit Selbstzündung, eines Ottomotors mit Fremdzündung, eines Gasbrennstoffmotors, der so strukturiert ist, dass er mit einem Brennstoff betrieben wird, der bei Standardtemperatur und -druck gasförmig ist, eines Zweistoffmotors oder noch anderer. Obwohl nur ein Zylinder dargestellt ist, kann der Zylinderblock 14 eine beliebige Anzahl von darin ausgebildeten Zylindern aufweisen, und zwar in jeder geeigneten Anordnung, wie beispielsweise einer V-Konfiguration, einer Inline-Konfiguration oder noch einer anderen. Bei einem Dieselmotor mit Kompressionszündung, wie beispielsweise einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung, könnten geeignete Brennstoffe Dieseldestillatbrennstoff, Biodiesel, Mischungen aus diesen oder noch andere sein. Eine gashaltige Brennstoffanwendung könnte Erdgas, Deponiegas, Biogas oder verschiedene Mischungen dieser Gase oder noch andere verwenden. Eine Zweibrennstoffanwendung könnte Diesel-Destillatkraftstoff und Erdgas verwenden. Ein Motorkopf 18 ist mit dem Zylinderblock 14 gekoppelt und weist eine erste Gasaustauschleitung 20 und eine zweite Gasaustauschleitung 22 auf, die in ihm ausgebildet sind. Ein Ventilsitz 24 bildet eine Öffnung 28 zur Gasaustauschleitung 20 aus. In der dargestellten Ausführungsform ist der Ventilsitz 24 durch einen Ventilsitzeinsatz 26 ausgebildet, der zumindest teilweise im Motorkopf 18 angeordnet ist. Ein weiterer Ventilsitz 30, der ebenfalls durch einen Ventilsitzeinsatz 32 ausgebildet ist, bildet eine Öffnung 34 zur Gasaustauschleitung 22 aus. Die Gasaustauschleitung 20 kann eine Abgasleitung sein, die zur Förderung der Verbrennungsprodukte vom Zylinder 16 zu einem Abgaskrümmer oder dergleichen aufgebaut ist. Die Gasaustauschleitung 22 kann eine Einlassleitung sein, die beispielsweise frische Einlassluft oder mit rezirkulierten Abgasen gemischte frische Einlassluft auf allgemein übliche Weise in den Zylinder 16 fördert. Der Motor 10 könnte als konventioneller Viertaktmotor betrieben werden, der allgemein konventionelle Gasaustauschzeiten verwendet, wobei die vorliegende Offenbarung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist. Der Motor 10 könnte insgesamt ein Auslassventil und insgesamt ein Einlassventil beinhalten, die dem Zylinder 16 zugeordnet sind, obwohl die meisten Ausführungsformen mehr als eines von jedem dieser Ventile verwenden.
Der Motor 10 ist ferner mit einem Gasaustauschventil 36 ausgestattet, das zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position beweglich ist, um die Fluidverbindungen zwischen dem Zylinder 16 und der Gasaustauschleitung 20 zu steuern. Ein weiteres Gasaustauschventil 38 ist ebenfalls zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position beweglich, um die Fluidverbindungen zwischen Zylinder 16 und Gasaustauschleitung 22 zu steuern. Das Gasaustauschventil 36 kann somit ein Auslassventil beinhalten. Es ist zu verstehen, dass ein Gasaustauschventil gemäß der vorliegenden Offenbarung entweder ein Auslassventil oder ein Einlassventil sein kann, und die vorliegende Beschreibung ist so zu verstehen, dass sie sich analog auf beide bezieht. Es versteht sich ferner, dass die Erwähnung eines Gasaustauschventils oder zugehöriger Komponenten in der Einzahl auch so zu verstehen ist, dass sie sich analog auf andere hierin betrachtete Gasaustauschventile bezieht, sofern nicht anders angegeben. Der Motor 10 ist ferner mit einer Hülse 40 ausgestattet, die das Gasaustauschventil 36 gleitend abstützt und führt, einer Rückstellfeder 42 und einem Anschluss, der zur Kopplung des Gasaustauschventils 36 mit einem Kipphebel, einer Ventilbrücke, direkt mit einem Nocken, mit einem Ventilstößel oder mit einer anderen geeigneten Vorrichtung zur Betätigung ausgebildet ist.
Wie vorstehend erwähnt, können Gasaustauschventile rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt sein, die zumindest Zylindertemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius, hohe Verbrennungsdrücke und andere ermüdungsfördernde Bedingungen im Betrieb beinhalten. Wenn sich das Gasaustauschventil 36 beispielsweise von einer offenen Position in eine geschlossene Position bewegt, wie dargestellt, berührt das Gasaustauschventil 36 den Ventilsitz 24 mit einer Kraft, die durch die Ausdehnung der Rückstellfeder 42 erzeugt wird, und auch mit einer Kraft, die durch relativ hoch komprimierte Gase im Zylinder 16 erzeugt wird. Das Gasaustauschventil 36 kann alle zwei Kurbelumdrehungen einen vollen Druckzyklus erfahren, wobei der Druckwechsel recht schnell erfolgt. Wie aus der folgenden Beschreibung weiter ersichtlich, ist das Gasaustauschventil 36 derart strukturiert, dass es Ermüdungserscheinungen widersteht, die andernfalls in Reaktion auf derartige Bedingungen auftreten könnten.
Wie ebenfalls unter Bezugnahme auf 2 ersichtlich, ist das Gasaustauschventil 36 detaillierter dargestellt. Das Gasaustauschventil 36 beinhaltet einen länglichen Ventilkörper 46, der aus einem oder mehreren Teilen ausgebildet sein kann und einen Ventilschaft 48, der eine Längsachse 50 definiert sowie einen Ventilkopf 52, der am Ventilschaft 48 befestigt ist und eine äußere Brennfläche 54 aufweist, die eine senkrecht zur Längsachse 50 ausgerichtete Ebene 56 definiert. Der Ventilkörper 46 beinhaltet eine Außenfläche 47, die zumindest in einem Teil des Ventilkopfes 52 den vorstehend beschriebenen Verbrennungsdrücken und -temperaturen ausgesetzt ist. Die Außenfläche 47 könnte eine native Außenfläche beinhalten, die durch das Schmieden des Ventilkörpers 46 erhalten wurde und möglicherweise durch verschiedene Flächenbehandlungsverfahren behandelt wurde, oder die Fläche 47 könnte durch Beschichtung, beispielsweise durch Galvanisieren eines Schmiedeteils oder eines anderen Teils, ausgebildet werden.
Wie des Weiteren unter Bezugnahme auf 3 ersichtlich, ist ein Schnitt durch den Ventilkopf 52 dargestellt, der zusätzliche Merkmale veranschaulicht und identifiziert. Der Ventilkopf 52 beinhaltet eine innere Dichtfläche 58, die strukturiert ist, den Ventilsitz 24 in der geschlossenen Position des Gasaustauschventils 36 zu berühren. Die innere Dichtfläche 58 kann eine konische Form aufweisen und erstreckt sich in Umfangsrichtung und gleichmäßig um die Längsachse 50. Die innere Dichtfläche 58 definiert ferner einen Flächenwinkel 60 relativ zur Ebene 56. Der Ventilsitz 24 definiert einen Sitzwinkel, wie hierin ferner beschrieben, relativ zur Ebene 56, der größer ist als der Stirnflächenwinkel 60. Der Ventilkopf 52 beinhaltet ferner eine Unterkopfausrundung 64, die von der inneren Dichtfläche 58 zum Ventilschaft 48 übergeht. Eine Außenumfangsrandfläche 84 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Längsachse 50 und axial zwischen der äußeren Brennfläche 54 und der inneren Dichtfläche 58 und ist im Wesentlichen parallel zur Längsachse 50 ausgerichtet, sodass die Randfläche 84 unter einem Winkel 86 relativ zur Ebene 56 ausgerichtet ist, der etwa 90° beträgt. Die Randfläche 85 geht in die innere Dichtfläche 58 über. Der Ventilkopf 52 definiert auch einen Sehnenspannungsbereich 66 innerhalb der Unterkopfausrundung 64, der hierin weiter erläutert wird. Die Unterkopfausrundung 64 kann sich auch in Umfangsrichtung und gleichmäßig um die Längsachse 50 erstrecken und ist so geformt und proportioniert, dass eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit gegenüber bestimmten anderen Konstruktionen vorgesehen ist.
Die Unterkopfausrundung 64 wird ferner durch ein Material 68, beispielsweise Schmiedeeisen oder -stahl, gebildet, das entsprechend einer spannungsdiffundierenden Kontur innerhalb des Sehnenspannungsbereiches 66 verteilt ist und einen Übergang 70 zwischen dem Sehnenspannungsbereich 66 und der inneren Dichtfläche 58 ausbildet. Der Übergang 70 definiert einen Übergangswinkel 72 relativ zur Ebene 56, der kleiner ist als der Flächenwinkel 60 und in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegt. Der Begriff „etwa“, wie hierin verwendet, sollte im Kontext der üblichen Rundung auf eine gleichbleibende Anzahl von signifikanten Stellen verstanden werden. Dementsprechend bedeutet „etwa 18“ ein Wert von 17,5 bis 18,4, „etwa 18,5“ ein Wert von 18,45 bis 18,54 und so weiter. Die hierin offenbarten quantitativen Angaben, die nicht in Verbindung mit einer expliziten Toleranz oder dem Begriff „etwa“ stehen, sind als exakt innerhalb der Messabweichung zu verstehen. Wie bereits erwähnt, geht die Unterkopfausrundung 64 in die innere Dichtfläche 58 über. „Übergehen“ bezeichnet, dass ein Endpunkt eines linearen oder gekrümmten Segments auch ein Endpunkt eines angrenzenden linearen oder gekrümmten Segments ist. Obwohl nur ein relativ kurzes Stück des Übergangs 70 tatsächlich linear auf der Außenfläche 47 verläuft, kann der Übergang 70 eine kleine lineare Lauflänge 74 aufweisen, die eine anfängliche Trajektorie der Außenfläche 47 auf der Unterkopfausrundung 64 definiert, die sich von der inneren Dichtfläche 58 weg bewegt.
Die Unterkopfausrundung 64 definiert ferner einen Krümmungsradius 80. Der Krümmungsradius 80 kann zumindest über einen Großteil der Lauflänge 76 der Unterkopfausrundung 64 gleichmäßig sein. Ein Mittelpunkt 78 der Lauflänge 76 liegt in der dargestellten Ausführungsform innerhalb des Sehnenspannungsbereiches 66. In einer Implementierung kann der Krümmungsradius 80 größer als 16 mm und kleiner als 17 mm sein. In einer Verfeinerung kann der Krümmungsradius 80 größer als 16,2 Millimeter sein, und in einer weiteren Verfeinerung beträgt der Krümmungsradius 80 16,5 Millimeter plus oder minus einer Toleranz von 0,5 Millimetern. Der Krümmungsradius 80 ist der Radius eines Kreises, der durch die Außenfläche 47 innerhalb der Unterkopfausrundung 64 definiert ist und in einer gemeinsamen Ebene mit der Längsachse 50 liegt. Der Krümmungsradius 80 kann ein relativ größerer Radius sein als bei bekannten Gasaustauschventilen bestimmter Bauart und kleiner als die Größe eines Krümmungsradius bei anderen bekannten Konstruktionen, was eine ausgewogene Zugabe von Material zum Ventilkopf 52 widerspiegelt, um die Spannungsdiffusion in der Sehne zu unterstützen, ohne die Gasströmungseigenschaften, die Bearbeitbarkeit negativ zu beeinflussen oder andere Probleme zu verursachen.
Neben einem anderen Aufbau und/oder anderen Proportionen des Krümmungsradius 80 im Vergleich zu bekannten Ausführungen ist auch der Übergangswinkel 72 anders. Wie vorstehend erwähnt, kann der Übergangswinkel 72 in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegen und ist kleiner als der Flächenwinkel 60. Der Flächenwinkel 60 kann kleiner als 45° sein, er kann auch deutlich kleiner als 45° sein, jedoch immer noch größer als der Flächenwinkel 60 sein. In einer Verfeinerung beträgt der Übergangswinkel 72 etwa 22° bis etwa 30° und kann in bestimmten Ausführungsformen von etwa 21° bis etwa 23° oder von etwa 29° bis etwa 31° betragen. Eine praktische Implementierung beinhaltet einen Übergangswinkel von 30° plus oder minus einer Toleranz von 1°. Eine andere Implementierung beinhaltet einen Übergangswinkel von 22° plus oder minus einer Toleranz von 1°.
Die äußere Brennfläche 54 kann ferner einen Brennflächendurchmesser 82 definieren, und der Krümmungsradius 80 kann größer als 40 % des Durchmessers 82 sein. Das Durchmessermaß 82 kann etwa 40 Millimeter betragen. In Anbetracht der hierin offenbarten Abmessungs- und Proportionsbereiche fällt eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung. Die offenbarte proportionale Beziehung zwischen dem Krümmungsradius 80 und dem Durchmesser der Brennfläche 54 ist so zu verstehen, dass sie sich bei veränderter Gesamtgröße des Gasaustauschventils vergrößert oder verkleinert. Übergangswinkel gemäß der vorliegenden Offenbarung können auch maßstäblich verstanden werden. Die äußere Brennfläche 54 kann gleichmäßig eben sein. In anderen Fällen kann eine Tasche 90, wie sie in 3 gestrichelt dargestellt ist, in der äußeren Brennfläche 54 ausgebildet sein. Zwischen der inneren Dichtfläche 58 und der Unterkopfausrundung 64 ist ein Radius 97 ausgebildet, während ein Radius 98 zwischen der inneren Dichtfläche 58 und der Fläche 84, ein weiterer Radius 98 zwischen der inneren Dichtfläche 58 und der Fläche 84 und ein weiterer Radius 99 zwischen der Fläche 84 und einer ringförmigen Eckfläche 88, die sich in Umfangsrichtung um die Längsachse 50 erstreckt und von der äußeren Brennfläche 54 zur Randfläche 84 übergeht, verläuft.
Wie unter Bezugnahme auf 4 ersichtlich, ist auf der rechten Seite der Zeichnung eine vergleichende Darstellung eines Gasaustauschventils gemäß der vorliegenden Offenbarung und auf der linken Seite der Zeichnung gemäß einer bekannten Konstruktion dargestellt. Das Gasaustauschventil 36 ist so dargestellt, wie es in Kontakt mit dem Ventilsitz 24 im Ventilsitzeinsatz 26 erscheinen könnte. Wie vorstehend erwähnt, kann der Flächenwinkel 60 kleiner als 45° sein. Der Sitzwinkel 62 ist größer als der Flächenwinkel 60, wobei in der dargestellten Ausführungsform die innere Dichtfläche 58 und der Ventilsitz 24 einen Interferenzwinkel 94 bilden. Der Interferenzwinkel 94 kann etwa 1° oder weniger und in einigen Fällen etwa 0,5° betragen. Auf der linken Seite der Zeichnung in 4 ist ein Gasaustauschventil 136 veranschaulicht, das eine äußere Brennfläche 154, eine innere Dichtfläche 158 und eine Unterkopfausrundung 164 aufweist. Das Gasaustauschventil 136 ist so dargestellt, wie es in Kontakt mit einem Ventilsitz 124 in einem Ventilsitzeinsatz 126 erscheinen könnte. Die Unterkopfausrundung 164 könnte so verstanden werden, dass sie einen Krümmungsradius 180 analog zum Krümmungsradius 80 definiert, jedoch ist der analog definierte Krümmungsradius 180 im Gasaustauschventil 136 kleiner als der Krümmungsradius 80 und kann weniger als 16 Millimeter betragen. Auf der linken Seite der Zeichnung in 4 ist ein gestricheltes Linienprofil 92 dargestellt, das eine vergleichende Ansicht des Krümmungsradius 80 des Gasaustauschventils 36 im Verhältnis zum Krümmungsradius 180 des Gasaustauschventils 136 zeigt. Es ist zu erkennen, dass im Gasaustauschventil 36 in dem Sehnenspannungsbereich 66 im Vergleich zu einem Sehnenspannungsbereich 166 des Gasaustauschventils 136 zusätzliches Material verwendet wird.
Der Übergangswinkel 62 kann auch größer sein als ein analog definierter Übergangswinkel 172 im Gasaustauschventil 136. Im Gasaustauschventil 136 kann der Übergangswinkel 172 kleiner als 18° sein, sodass er beispielsweise etwa 15° beträgt. Die Hinzufügung von Material in der vorliegenden Offenbarung durch eine Vergrößerung des durch die Ausrundung definierten Krümmungsradius und die Optimierung des Übergangswinkels lässt eine Verringerung der Spannung in dem Sehnenspannungsbereich 66 im Vergleich zu dem Sehnenspannungsbereich 166 unter Verwendung einer Bewertung der maximalen Hauptspannung um 20 % oder mehr erwarten, möglicherweise sogar um 30 % oder mehr. Bei einer Ausführungsform des Gasaustauschventils 36 mit einem Übergangswinkel 72 von etwa 21° bis etwa 23° und einem Krümmungsradius 80 von 16,5 Millimetern plus oder minus einer Toleranz von 0,5 Millimetern kann die maximale Hauptspannung im Vergleich zum Gasaustauschventil 136 um etwa 22 % reduziert werden. Bei einer Ausführungsform, bei der der Übergangswinkel 72 etwa 29° bis etwa 31° beträgt und der Krümmungsradius 80 16,5 Millimeter plus oder minus einer Toleranz von 0,5 Millimetern beträgt, kann die maximale Hauptspannung im Gasaustauschventil 36 um etwa 32 % gegenüber derjenigen reduziert werden, die im Gasaustauschventil 136 zu erwarten wäre. Die Reduzierung der maximalen Hauptspannung um etwa 22 % kann eine verbesserte Ermüdungslebensdauer des Gasaustauschventils 36 unterstützen, die um den Faktor 5 oder mehr besser ist als die sonst zu erwartende. Bei einer Verringerung der maximalen Hauptspannung um etwa 32 % wäre eine Verbesserung der Ermüdungslebensdauer um den Faktor 10 oder möglicherweise sogar mehr zu erwarten.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Während des Betriebs wird das Gasaustauschventil 36 durch die Drehung einer Nockenwelle (nicht dargestellt) und normalerweise eines Kipphebels, der über eine Ventilstößelvorrichtung direkt mit der Nockenwelle oder indirekt mit der Nockenwelle gekoppelt ist, geöffnet. Das Gasaustauschventil 36 wird in der Regel durch die Rückstellfeder 42 und den Flüssigkeitsdruck im Zylinder 16 geschlossen. Da das Gasaustauschventil 36 den Ventilsitz 24 berührt, wird das Material 68, das den Ventilkopf 52 und die Ausrundung 64 bildet, Spannungen ausgesetzt, die eine gewisse Tendenz zum mikroskopischen Auseinanderziehen des Materials 68, beispielsweise entlang der Korngrenzen, bewirken. Die Pfeile 96 in 4 veranschaulichen eine ungefähre Tendenz für ein Materialspannungsphänomen, das im Gasaustauschventil 36 zu erwarten wäre. Die Pfeile 196 veranschaulichen analog die Spannungen, die auf das Gasaustauschventil 136 einwirken können. Es wurde beobachtet, dass sich in vielen Gasaustauschventilen im Laufe der Zeit mikroskopische Risse ausbilden können, die sich schließlich zu einem Sehnenriss 200 ausweiten können. Jede gegebene axiale Position entlang einer Unterkopfausrundung in Gasaustauschventilen der hierin diskutierten Art kann so verstanden werden, dass sie einen Kreis definiert, der sich in Umfangsrichtung um die Längsachse des Ventils erstreckt. Sehnenspannung und Sehnenrisse sind Begriffe, die hierin allgemein in Bezug auf Kreissehnen verwendet werden, und es ist zu erkennen, dass sich der Riss 200 allgemein an einer konsistenten axialen Position über die Unterkopfausrundung 164 ausgebreitet hat. Es wird angenommen, dass das zusätzliche Material, das durch den relativ großen Krümmungsradius 80 im Gasaustauschventil 64 vorgesehen ist, dazu beiträgt, die Bildung solcher mikroskopischer Risse zu verhindern und die Ausbreitung zu hemmen, falls solche mikroskopischen Risse doch auftreten. Der materialbildende Übergang 70 überträgt die Sitzstoßkräfte von der inneren Dichtfläche 58 auf das Material innerhalb des Sehnenspannungsbereiches 66. Sehnenspannungsbereiche in einem Gasaustauschventil können Grenzen aufweisen, die nicht scharf definiert sind, sondern erst nach dem Betrieb einer Vielzahl ähnlicher Gasaustauschventile über eine ausreichende Zeitspanne und für eine ausreichende Anzahl von Zyklen unter tatsächlichen Betriebsbedingungen des Motors sichtbar werden, um als tatsächliche Risse, Mikrorisse oder andere Anzeichen von Ermüdung beobachtet zu werden. Allgemein kann davon ausgegangen werden, dass ein Sehnenspannungsbereich, wie er hierin betrachtet wird, zumindest die mittleren 50 % der Lauflänge 76 beinhaltet. Die gestrichelten Markierungen in 4 auf einer Fläche der Gasaustauschventile stellen ein Beispiel für die Ausdehnung der Sehnenspannungsbereiche 66 und 166 dar und sind relativ dichter in der Verteilung, wo Spannungen eher zu Ermüdungsausfällen führen können, obwohl die vorliegende Offenbarung dadurch nicht eingeschränkt wird. Die vorliegende Offenbarung spiegelt die überraschende Entdeckung wider, dass der Übergangswinkel und der vergrößerte Krümmungsradius eine Verbesserung gegenüber bekannten Konstruktionen darstellen können, die nicht linear ist. Mit anderen Worten kann eine Erhöhung der Ermüdungslebensdauer, die durch einen größeren Übergangswinkel und ein verstärktes Material der Unterkopfausrundung 64 im Vergleich zu bekannten Konstruktionen erwartet werden kann, proportional größer sein als die proportionale Erhöhung des Übergangswinkels oder der Radiusgröße.
Die vorliegende Beschreibung dient lediglich zur Veranschaulichung und sollte nicht derart ausgelegt werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Fachleute auf dem Gebiet werden es daher begrüßen, dass verschiedene Modifikationen an den hierin offenbarten Ausführungsformen erfolgen könnten, ohne von dem beabsichtigten und angemessenen Sinn und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Prüfung der beigefügten Zeichnungen und angefügten Ansprüche deutlich werden. In der hierin verwendeten Form sollen die Artikel „ein/eine/einer/eines“ ein oder mehrere Elemente beinhalten und können mit „ein oder mehr“ austauschbar verwendet werden. Wenn nur ein Gegenstand beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein“ oder eine ähnliche Sprache verwendet. Auch die Begriffe „aufweist“, „aufweisen“, „aufweisend“ oder dergleichen sind als offene Begriffe gedacht. Des Weiteren soll der Ausdruck „basierend auf‟ „mindestens teilweise basierend auf‟ bedeuten, es sei denn, es ist ausdrücklich etwas anderes angegeben.
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

US 6125809 [0003]

Claims

Verbrennungsmotor (10), umfassend: ein Motorgehäuse (12), einschließlich eines Zylinderblocks (14) mit einem darin ausgebildeten Zylinder (16), eines mit dem Zylinderblock (14) gekoppelten Motorkopfes (18), der eine darin ausgebildete Gasaustauschleitung (20, 22) aufweist, und eines Ventilsitzes (24, 30), der eine Öffnung (28, 34) zu der Gasaustauschleitung (20, 22) aufweist; ein Gasaustauschventil (36, 38), das zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, um die Fluidverbindungen zwischen dem Zylinder (16) und der Gasaustauschleitung (20, 22) zu steuern; das Gasaustauschventil (36, 38) einschließlich eines eine Längsachse definierenden Ventilschaftes (48) und eines an dem Ventilschaft (48) befestigten Ventilkopfes (52), der eine äußere Brennfläche (54) aufweist, die eine senkrecht zu der Längsachse ausgerichtete Ebene definiert; wobei der Ventilkopf (52) ferner eine innere Dichtfläche (58) beinhaltet, die strukturiert ist, den Ventilsitz (24, 30) in der geschlossenen Position zu berühren; wobei die innere Dichtfläche (58) einen Flächenwinkel relativ zu der Ebene definiert und der Ventilsitz (24, 30) einen Sitzwinkel relativ zu der Ebene definiert, der größer als der Flächenwinkel ist, wobei der Ventilkopf (52) ferner eine Unterkopfausrundung (64) beinhaltet, die von der inneren Dichtfläche (58) zu dem Ventilschaft (48) übergeht und einen Sehnenspannungsbereich (66) innerhalb des Unterkopfausrundungsbereiches (64) definiert; und wobei die Unterkopfausrundung (64) durch ein Material (68) ausgebildet ist, das gemäß einer spannungsdiffundierenden Kontur innerhalb des Sehnenspannungsbereiches (66) verteilt ist, und wobei die Unterkopfausrundung (64) mit der inneren Dichtfläche (58) in einem Übergangswinkel relativ zur Ebene übergeht, der kleiner als der Flächenwinkel ist und in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegt.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Ventilsitzeinsatz (26, 32), der zumindest teilweise innerhalb des Motorkopfes (18) positioniert ist und den Ventilsitz (24, 30) beinhaltet, und wobei der Flächenwinkel weniger als 45° beträgt und die Dichtfläche (58) und der Ventilsitz (24, 30) einen Interferenzwinkel von etwa 1° oder weniger definieren; und ein Mittelpunkt einer Lauflänge der Unterkopfausrundung (64) innerhalb des Sehnenspannungsbereiches (66) liegt.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 2, wobei die Unterkopfausrundung (64) einen Krümmungsradius definiert, der zumindest über einen Großteil der Lauflänge der Unterkopfausrundung (64) gleichmäßig ist; wobei der Krümmungsradius größer als 16 Millimeter ist; und der Übergangswinkel von etwa 22° bis etwa 30° beträgt.
Ein Gasaustauschventil (36, 38) zum Steuern von Fluidverbindungen zwischen einem Verbrennungszylinder (16) und einer Gasaustauschleitung (20, 22) in einem Verbrennungsmotor (10), umfassend: einen Ventilkörper (46), einschließlich eines eine Längsachse definierenden Ventilschafts (48), und einen an dem Ventilschaft (48) befestigten Ventilkopf (52), der eine äußere Brennfläche (54) aufweist, die eine senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Ebene definiert; wobei der Ventilkopf (52) ferner eine innere Dichtfläche (58) beinhaltet, die strukturiert ist, den Ventilsitz (24, 30) in der geschlossenen Position zu berühren, und eine Außenumfangsrandfläche (84), die sich axial zwischen der äußeren Brennfläche (54) und der inneren Dichtfläche (58) erstreckt; wobei die innere Dichtfläche (58) einen Flächenwinkel relativ zu der Ebene definiert; wobei der Ventilkopf (52) ferner eine Unterkopfausrundung (64) beinhaltet, die von der inneren Dichtfläche (58) zu dem Ventilschaft (48) übergeht und einen Sehnenspannungsbereich (66) innerhalb des Unterkopfausrundungsbereiches (64) definiert; und wobei die Unterkopfausrundung (64) durch ein Material (68) ausgebildet ist, das gemäß einer spannungsdiffundierenden Kontur innerhalb des Sehnenspannungsbereiches (66) verteilt ist, und wobei die Unterkopfausrundung (64) mit der inneren Dichtfläche (58) in einem Übergangswinkel relativ zur Ebene übergeht, der kleiner als der Flächenwinkel ist und in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegt.
Gasaustauschventil (36, 38) nach Anspruch 4, wobei: die Außenumfangsrandfläche (84) im Wesentlichen parallel zur Längsachse ist und in die Dichtfläche (58) übergeht, und der Ventilkopf (52) ferner eine ringförmige Eckfläche (88) beinhaltet, die von der äußeren Brennfläche (54) zu der Außenumfangsrandfläche (84) übergeht; die äußere Brennfläche (54) eine Abmessung des Brennflächendurchmessers definiert, und die Unterkopfausrundung (64) einen Krümmungsradius definiert, der größer als 40 % der Abmessung des Brennflächendurchmessers ist.
Gasaustauschventil (36, 38) nach Anspruch 4 oder 5, wobei: ein Mittelpunkt einer Lauflänge der Unterkopfausrundung (64) innerhalb des Sehnenspannungsbereiches (66) liegt, und die Unterkopfausrundung (64) einen Krümmungsradius definiert, der zumindest über einen Großteil der Lauflänge der Unterkopfausrundung (64) gleichmäßig ist; und der Übergangswinkel von etwa 22° bis etwa 30° beträgt, der Flächenwinkel kleiner als 45° ist und der Krümmungsradius größer als 16 Millimeter ist.
Gasaustauschventil (36, 38) nach Anspruch 5 oder 6, wobei: der Krümmungsradius 16,5 Millimeter plus oder minus einer Toleranz von 0,5 Millimetern beträgt; und der Übergangswinkel von etwa 21° bis etwa 23° oder von etwa 29° bis etwa 31° beträgt.
Gasaustauschventil (36, 38), umfassend: einen Ventilkörper (46), einschließlich eines eine Längsachse definierenden Ventilschafts (48), und einen an dem Ventilschaft (48) befestigten Ventilkopf (52), der eine äußere Brennfläche (54) aufweist, die eine senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Ebene definiert; wobei der Ventilkopf (52) ferner eine innere Dichtfläche (58) beinhaltet, die sich in Umfangsrichtung um die Längsachse erstreckt und in einem Flächenwinkel relativ zu der Ebene ausgerichtet ist, der kleiner als 45° ist; wobei der Ventilkopf (52) ferner eine Unterkopfausrundung (64) beinhaltet, die von der inneren Dichtfläche (58) zu dem Ventilschaft (48) übergeht und einen Sehnenspannungsbereich (66) innerhalb des Unterkopfausrundungsbereiches (64) definiert; und wobei die Unterkopfausrundung (64) durch Material (68) ausgebildet ist, das gemäß einer spannungsdiffundierenden Kontur innerhalb des Sehnenspannungsbereiches (66) verteilt ist, und wobei Material (68) einen Übergang (70) zwischen dem Sehnenspannungsbereich (66) und der inneren Dichtfläche (58) ausbildet, und wobei der Übergang (70) einen Übergangswinkel relativ zur Ebene aufweist, der in einem Bereich von etwa 18° bis etwa 35° liegt.
Gasaustauschventil (36, 38) nach Anspruch 8, wobei: die äußere Brennfläche (54) eine Abmessung des Brennflächendurchmessers definiert; die Unterkopfausrundung (64) einen Krümmungsradius definiert, der größer als 40 % der Abmessung des Brennflächendurchmessers ist; und der Übergangswinkel von etwa 22° bis etwa 30° beträgt.
Gasaustauschventil (36, 38) nach Anspruch 9, wobei der Krümmungsradius 16,5 Millimeter plus oder minus einer Toleranz von 0,5 Millimetern beträgt und der Übergangswinkel 30° plus oder minus einer Toleranz von 1° beträgt.