DE112020000833T5

DE112020000833T5 - Ventilsitzring für zylinderkopf mit venturi- durchflusskränzen und sitzfläche, die zur begrenzung von ventilrückzug profiliert sind

Info

Publication number: DE112020000833T5
Application number: DE112020000833.9T
Authority: DE
Inventors: Ashwin A. Hattiangadi; Srikanth R. Boddapati; Dongyao Wang; Uijal Paladhi; Paul D. Smallidge; John R. Brubaker; Abe Ingold
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2021-11-11
Also published as: WO2020185337A1; US11060425B2; CN113557351B; US20200291827A1; CN113557351A

Abstract

Ein Ventilsitzring (38) für ein Gaswechselventil, wie etwa ein Einlassventil (24), das den Gasaustausch eines Zylinders (16) steuert, umfasst Folgendes: einen Ringkörper (40) mit einer Innenumfangsfläche (52), einer Außenumfangsfläche (56), und einer Ventilsitzfläche (59), die so strukturiert ist, dass sie das Gaswechselventil (24) in einer geschlossenen Position berührt und dafür profiliert ist, den Ventilrückzug davon zu begrenzen. Die Ventilsitzfläche (59) umfasst eine Anordnung von linearen Segmenten (166) und gekrümmten Segmenten (62, 68), die Verschleißkränze (64, 70) bilden, um das Gaswechselventil (24) bei verschiedenen Verschleißzuständen zu berühren. Der Ventilsitzring (38) ist ferner durch die Innenumfangsfläche (52) mit einem Einströmkranz (75) und eine Venturi-Vorrichtung (55), die sich von dem Einströmkranz (75) zu einer Verengung (54) des Ventilsitzrings (38) erstreckt, strukturiert. Die Venturi-Vorrichtung (55) beschleunigt den einströmenden Gasstrom.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Motorventile und zugehörige Hardware und insbesondere auf einen Ventilsitzring für ein Einlassventil, der für einen verbesserten Gasfluss gekrönt und profiliert ist, um Ventilrückzug zu begrenzen.
Stand der Technik
Gaswechselventile werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um Fluidverbindungen zwischen dem Zylinder und einer Zufuhr von Einlassluft oder Einlassluft und anderen Gasen wie z. B. rückgeführtem Abgas oder zwischen dem Zylinder und einem Auslasskrümmer zum Ausstoßen von Verbrennungsprodukten während des Betriebs zu steuern. Es sind Konstruktionen bekannt, bei denen jedem Zylinder in einem Motor ein einzelnes Einlassventil und ein einzelnes Auslassventil zugeordnet sind, sowie Ausführungen, bei denen jedem Zylinder mehrere Gaswechselventile des jeweiligen Typs zugeordnet sind. Eine Nockenwelle, die normalerweise mit halber Motordrehzahl gedreht wird, ist mit Ventilstößeln, Brücken, Kipphebeln und/oder anderen Vorrichtungen zum Steuern des Öffnens und Schließens von Gaswechselventilen zu geeigneten Motorsteuerzeiten gekoppelt.
Gaswechselventile werden außer Kontakt mit und in Kontakt mit dem Zylinderkopf oder einem Ventilsitzring im Zylinderkopf bewegt, 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 mit Verbrennungstemperaturen von mehreren hundert Grad bei relativ hohen Drücken verbunden. Diese und andere Faktoren tragen dazu bei, dass die Betriebsbedingungen des Gaswechselventils recht rau sind. Es wurde beobachtet, dass Gaswechselventile und Ventilsitze oder Ventilsitzringe im Laufe der Zeit ein Phänomen aufweisen können, das als Ventilrückzug bekannt ist. Im Laufe der Motorlebensdauer oder zwischen Wartungsintervallen können die Kontakte zwischen einem Gaswechselventil und seinem Ventilsitz Millionen oder sogar Milliarden betragen. Durch die rauen Bedingungen und die große Anzahl von Stößen kann sich Material, aus dem das Gaswechselventil und/oder der Ventilsitz gebildet ist, abnutzen und/oder verformen, so dass das Ventil weiter in Richtung oder in den Zylinderkopf „zurückgeht“ als gewünscht. Wenn der Ventilsitzrückzug stark genug wird, kann der Motorbetrieb oder die Leistung beeinträchtigt werden, was manchmal eine sogenannte Generalüberholung vorzeitig erfordert. Ingenieure haben mit einer Vielzahl verschiedener Techniken experimentiert, um das Ausmaß und die Auswirkungen von Ventilsitzrückzug und anderen Ventilverschleißmustem zu mildern. Eine ständige Herausforderung für Versuche zur Neukonstruktion von Ventilen oder Ventilsitzen sind die oft unvorhersehbaren Auswirkungen einer geänderten Geometrie auf den Gasfluss oder andere Betriebseigenschaften. Gasströmungsmuster und/oder -effizienz können den Zylinderinnendruck und die Temperatur, die Zusammensetzung eines Kraftstoff-LuftGemisches oder andere Parameter beeinflussen, die potenziell Emissionsreduktionsstrategien, den Motorwirkungsgrad, die Wärmeableitung oder thermische Ermüdung oder noch andere Parameter beeinflussen. Eine Strategie, die offensichtlich darauf abzielt, zu verhindern, dass die Außendurchmesserseite einer Ventilfläche lokal abgenutzt wird, ist in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP8270417A dargelegt. Gemäß der Referenz '417 stößt eine konvexe Fläche, die sich zu einer Sitzfläche einer Ventilfläche hin ausbaucht, gegen die Sitzfläche eines Ventilsitzes, um lokale Verschleißprobleme anzugehen.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt umfasst eine Zylinderkopfbaugruppe für einen Verbrennungsmotor Folgendes: einen Zylinderkopf mit einer darin gebildeten Einlassleitung, und einen zumindest teilweise im Zylinderkopf positionierten Ventilsitzring und Definieren einer Ventilsitzmittelachse, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche, die so strukturiert ist, dass sie einem Zylinder in dem Verbrennungsmotor zugewandt ist, und einer zweiten axialen Endfläche erstreckt. Der Ventilsitzring umfasst ferner eine Innenumfangsfläche, die eine Verengung bildet, eine Außenumfangsfläche und eine Ventilsitzfläche. Die Ventilsitzfläche umfasst im Profil Folgendes: ein äußeres gekrümmtes Segment, das einen ersten Verschleißkranz zum Kontaktieren des Einlassventils in einem frühen Verschleißzustand bildet, ein inneres gekrümmtes Segment, das einen zweiten Verschleißkranz bildet, um das Einlassventil in einem späteren Verschleißzustand zu berühren, und ein lineares Segment, das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Die Innenumfangsfläche umfasst im Profil ein oberes gekrümmtes Segment, das einen Einströmkranz bildet, und ein geneigtes Segment, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Das obere gekrümmte Segment geht in die zweite axiale Endfläche über, und der Einströmkranz ist vom Zylinderkopf radial nach innen abgesetzt. Das geneigte Segment ist in einem Venturi-Winkel relativ zur Ventilsitzmittelachse ausgerichtet, so dass die Innenumfangsfläche ein Venturi-Vorrichtung bildet, um einen einströmenden Gasstrom zum Zylinder zu beschleunigen.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Ventilsitzring für ein Einlassventil in einem Verbrennungsmotor einen ringförmigen Ringkörper, der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche, die so strukturiert ist, dass sie einem Zylinder in dem Verbrennungsmotor zugewandt ist, und einer zweiten axialen Endfläche erstreckt. Der ringförmige Ringkörper umfasst ferner eine Innenumfangsfläche, die eine Verengung definiert, die dafür strukturiert ist, den Zylinder mit einer Einlassleitung in einem Zylinderkopf fluidisch zu verbinden, eine Außenumfangsfläche, und eine Ventilsitzfläche zum Berühren eines Einlassventils, das sich zwischen der ersten axialen Endfläche und der Innenumfangsfläche erstreckt. Die Ventilsitzfläche umfasst im Profil Folgendes: ein äußeres gekrümmtes Segment, das einen ersten Verschleißkranz zum Kontaktieren des Einlassventils in einem frühen Verschleißzustand bildet, ein inneres gekrümmtes Segment, das einen zweiten Verschleißkranz bildet, um das Einlassventil in einem späteren Verschleißzustand zu berühren, und ein lineares Segment, das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Die Innenumfangsfläche umfasst im Profil ein oberes gekrümmtes Segment, das einen Einströmkranz bildet, und ein geneigtes Segment, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment und dem inneren gekrümmten Segment erstreckt. Das obere gekrümmte Segment geht in die zweite axiale Endfläche über, und das geneigte Segment erstreckt sich von dem oberen gekrümmten Segment unter einem Venturi-Winkel von etwa 10° oder größer relativ zur Ventilsitzmittelachse radial nach innen, so dass die Innenumfangsfläche eine Venturi-Vorrichtung bildet, um einen einströmenden Gasstrom zum Zylinder zu beschleunigen.
In noch einem anderen Aspekt umfasst ein Ventilsitzring für ein Einlassventil in einem Verbrennungsmotor einen ringförmigen Ringkörper, der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche, die so strukturiert ist, dass sie dem Zylinder in der Verbrennungsmotor zugewandt ist, und einer zweiten axialen Endfläche erstreckt. Der ringförmige Ringkörper umfasst ferner Folgendes: eine Innenumfangsfläche, die eine Verengung definiert, die strukturiert ist, um den Zylinder mit einer Einlassleitung in einem Motorkopf fluidisch zu verbinden, eine äußere Umfangsfläche, und eine Ventilsitzfläche zum Berühren eines Einlassventils, das sich zwischen der ersten axialen Endfläche und der Innenumfangsfläche erstreckt. Die Ventilsitzfläche bildet Folgendes: einen ersten Verschleißkranz zur Kontaktierung des Einlassventils in einem frühen Verschleißzustand, einen zweiten Verschleißkranz, der sich radial innen und axial innerhalb der ersten Verschleißkranz befindet, um das Einlassventil in einem späteren Verschleißzustand zu berühren, und eine im Profil lineare Mittelfläche, die sich zwischen dem ersten Verschleißkranz und dem zweiten Verschleißkranz erstreckt. Die Innenumfangsfläche bildet einen Einströmkranz, der in die erste axiale Endfläche übergeht, und eine Venturi-Vorrichtung, die sich zwischen dem Einströmkranz und dem Innenverschleißkranz erstreckt und einen Venturiwinkel von etwa 10° oder mehr relativ zur Ventilsitzmittelachse definiert.
Figurenliste

1 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine bildliche Ansicht eines Ventilsitzrings gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine Schnittansicht durch den Ventilsitzring von 2;
4 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht von Abschnitten eines Gaswechselventils und eines Ventilsitzrings gemäß einer Ausführungsform;
5 ist eine Detailansicht aus dem Kreis 5 von 4;
6 ist eine Detailansicht aus dem Kreis 6 von 5;
7 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht von Abschnitten eines Gaswechselventils und eines Ventilsitzrings in einem Zylinderkopf gemäß einer anderen Ausführungsform;
8 ist eine Detailansicht entlang des Kreises 8 von 7;
9 ist eine Detailansicht entlang des Kreises 9 von 8;
10 ist eine Vergleichsdarstellung eines Ventilsitzrings in einem Zylinderkopf in der Nähe eines Einlassventils gemäß der vorliegenden Offenbarung im Vergleich mit einer anderen Konstruktion; und
11 ist ein Diagramm des Durchflusskoeffizienten im Vergleich zum Ventilhub/-durchmesser für Konstruktionen gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer anderen Konstruktion.

Ausführliche Beschreibung
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform gezeigt, der ein Motorgehäuse 12 mit einem Motorblock 14 mit einem darin gebildeten Zylinder 16 umfasst. Der Verbrennungsmotor 10 (im Folgenden „Motor 10“) könnte jeder einer Vielzahl von Motoren sein, einschließlich eines Dieselmotors mit Selbstzündung, eines Ottomotors mit Funkenzündung, eines Gaskraftstoffmotors, der so aufgebaut ist, dass er mit einem Kraftstoff betrieben wird, der bei Standardtemperatur und -druck gasförmig ist, eines Dualkraftstoffmotors oder noch eines anderen Motors. Bei einer Dieselmotoranwendung mit Kompressionszündung, wie beispielsweise einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung, können geeignete Kraftstoffe Dieseldestillatkraftstoff, Biodiesel, Mischungen davon oder noch andere umfassen. Ein Zylinderkopf 18 ist mit dem Motorblock 14 gekoppelt und weist eine erste Gasaustauschleitung 20 und eine zweite Gasaustauschleitung 21 darin gebildet auf. Die Gasaustauschleitungen 20 und 21 könnten jeweils oder entweder eine Einlassleitung sein, die so strukturiert ist, dass sie eine Fluidverbindung mit einem Einlasskrümmer herstellt, oder eine Auslassleitung sein, die so strukturiert ist, dass sie mit einem Auslasskrümmer verbunden ist. In einer praktischen Implementierungsstrategie ist die Gasaustauschleitung 20 eine Einlassleitung und die Gasaustauschleitung 21 ist eine Auslassleitung.
Ein Kolben 32 ist innerhalb des Zylinders 16 zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition beweglich und ist mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) über eine Pleuelstange 34 auf allgemein herkömmliche Weise gekoppelt. Der Motor 10 könnte eine beliebige Anzahl von Zylindern umfassen, die in einer beliebigen geeigneten Konfiguration angeordnet sind, wie beispielsweise einer V-Konfiguration, einer Reihenkonfiguration oder noch einer anderen Konfiguration. Der Zylinderkopf 18 könnte einen monolithischen Zylinderkopf umfassen, der mit allen einer Vielzahl der Zylinder im Motor 10 verbunden ist, oder er könnte einer von mehreren separaten Zylinderkopfabschnitten sein, die jeweils weniger als allen Zylindern im Motor 10 zugeordnet sind. Der Motor 10 umfasst ferner ein erstes Gaswechselventil 24, das ein Einlassventil umfassen kann, und ein zweites Gaswechselventil 25, das ein Auslassventil umfassen kann. Das Gaswechselventil 24, einschließlich Aspekten seines Aufbaus und seiner Funktionsweise, wird hierin im Singular erörtert, jedoch versteht es sich, dass die Beschreibung des Gaswechselventils 24 analog für alle anderen Gaswechselventile innerhalb des Motors 10 gelten kann, sofern nicht anders angegeben. Das Gaswechselventil 24 ist mehr oder weniger vertikal orientiert in Bezug auf eine Hubrichtung des Kolbens 32 gezeigt, jedoch sollte auch erkannt werden, dass hierin auch andere Konfigurationen, wie beispielsweise Gaswechselventile in diagonalen Ausrichtungen, in Betracht gezogen werden. Das Gaswechselventil 24 umfasst auch einen Schaft oder Schaft 28, der mit einem Ventilteller 26 verbunden ist. Eine Ventilbrücke 30 oder dergleichen kann mit dem Gaswechselventil 24 gekoppelt sein, so dass sich das Gaswechselventil 24 zusammen mit einem anderen Gaswechselventil (nicht gezeigt) zwischen offenen und geschlossenen Positionen bewegen kann, wie als Reaktion auf die Drehung einer Nockenwelle und die Bewegung eines Kipphebels, einer Ventilstößelanordnung und/oder einer anderen Ausrüstung. Eine Rückstellfeder 36 ist in allgemein üblicher Weise mit dem Gaswechselventil 24 gekoppelt.
Der Motor 10 umfasst ferner eine Zylinderkopfanordnung 11, die durch den Zylinderkopf 18 und eine Vielzahl von Ventilsitzringen 38 und 39 gebildet wird, die den Gaswechselventilen 24 bzw. 25 zugeordnet sind. Das Gaswechselventil 24 und analog andere Gaswechselventile des Motors 10 sind zwischen einer geschlossenen Ventilstellung und einer offenen Ventilstellung beweglich. Bei geschlossener Ventilstellung liegt eine Innenventilfläche 46 am Ventilsitzring 38 an, während das Gaswechselventil 25 am Ventilsitzring 39 anliegt. In der geschlossenen Position ist der Zylinder 16 von der Fluidverbindung mit der entsprechenden Gasaustauschleitung 20 und 21 blockiert. Bei geöffneter Ventilstellung besteht eine Fluidverbindung. Eine Außenventilfläche 44 oder Verbrennungsfläche ist zum Zylinder 16 ausgerichtet. Wie auch aus der nachfolgenden Beschreibung weiter ersichtlich ist, ist der Ventilsitzring 38 und gegebenenfalls auch der Ventilsitzring 39 zusammen mit den entsprechenden Gaswechselventilen 24 und 25 aufgebaut, um die Art des Ventilrückzugs im Laufe der Lebensdauer oder des Wartungsintervalls des Motors 10 zu verlangsamen und zu verändern und die Strömungseigenschaften des Einlassgases mindestens so wirksam wie und möglicherweise verbessert gegenüber bekannten Konstruktionen bereitzustellen.
Nun auch auf 2 und 3 Bezug nehmend, wird der Ventilsitzring 38 detaillierter gezeigt. Es versteht sich auch, dass Beschreibungen bestimmter Merkmale des Ventilsitzrings 38 so verstanden werden, dass sie sich auf analoge Merkmale anderer hier diskutierter und in Betracht gezogener Ventilsitzringe beziehen, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich. Der Ventilsitzring 38 umfasst einen ringförmigen einteiligen Ringkörper 40, der zumindest teilweise im Zylinderkopf 18 positioniert ist, beispielsweise durch Presspassung, und eine Ventilsitzmittelachse 42 definiert. Der Ringkörper 40 kann gegossen und maschinell bearbeitet und aus einem Stahl wie beispielsweise einem hochlegierten gehärteten Stahl oder Werkzeugstahl geformt sein. Der Ventilsitzring 38 umfasst ferner Folgendes: eine dem Zylinder 16 zugewandte erste axiale Endfläche 48, eine zweite axiale Endfläche 50, eine Innenumfangsfläche 52, die eine Verengung 54 definiert, die zwischen dem Zylinder 16 und der Gasaustauschleitung 20 fluidisch positioniert ist, um diese fluidisch zu verbinden, eine Außenumfangsfläche 56, und eine Ventilsitzfläche 59, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche 48 und der Innenumfangsfläche 52 erstreckt. Die Ventilsitzmittelachse 42 erstreckt sich zwischen der ersten axialen Endfläche 48 und der zweiten axialen Endfläche 50. Die Innenumfangsfläche 52 ist im Allgemeinen konisch oder kann einen konischen Abschnitt aufweisen und kann ferner eine sich verjüngende Öffnung in einer Richtung der zweiten axialen Endfläche 50 bilden. Die Innenumfangsfläche 52 und/oder deren konstituierende Flächen bilden eine Venturi-Vorrichtung 55, die sich zur Verengung 54 hin verengt, um einen einströmenden Gasstrom zum Zylinder 16 zu beschleunigen, wenn das Gaswechselventil 24 geöffnet ist, wodurch gewisse Ventilsitzunterschiede ausgeglichen oder sogar gegenüber früheren Konstruktionen verbessert werden, und die andere oder keine speziellen Modifikationen aufweist, um den Ventilsitzrückzug zu beseitigen oder das Fortschreiten desselben zu verzögern. Wie hierin weiter erörtert, kann der Ventilsitzring 38 eine proportional größere Ventilsitzfläche als bestimmte frühere Konstruktionen und eine etwas weniger verfügbare Strömungsfläche für den Gasaustausch aufweisen, wobei die verbesserte Venturi-beschleunigte Strömung die ansonsten zu erwartende Leistungsminderung ausgleicht oder mehr als ausgleicht. Die Außenumfangsfläche 56 hat eine zylindrische Form und kann in einem gleichmäßigen Abstand von der Ventilsitzmittelachse 42 angeordnet sein. In einer Implementierung ist der Ventilsitzring 38 „trocken“, was bedeutet, dass keine zusätzliche Kühlung durch Motorkühlmittel oder dergleichen verwendet wird. Die Außenumfangsfläche 56 kann ununterbrochen am Zylinderkopf 18 anliegen, so dass, wenn der Ventilsitzring 38 zur Wartung im Zylinderkopf 18 positioniert ist, beispielsweise durch eine Presspassung, kein rückseitiger Kühlhohlraum oder ein anderer Hohlraum gebildet wird, der dem Ventilsitzring 38 eine Flüssigkeitskühlung bereitstellt. Eine Fase 49 kann sich zwischen der Außenumfangsfläche 56 und der zweiten axialen Endfläche 50 erstrecken.
Es wird nun auch auf 4 Bezug genommen, wobei daran erinnert wird, dass der Ventilsitzring 38 so aufgebaut ist, dass er das Fortschreiten bestimmter Verschleißarten, die sich aus dem Kontakt zwischen einem Ventil und einem Ventilsitz im Laufe der Zeit ergeben, verlangsamt und beeinflusst. Der Ventilsitzring 38 weist eine Ventilsitzfläche 59 auf, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche 48 und der Innenumfangsfläche 52 erstreckt, wie oben erörtert. Die Ventilsitzfläche 59 kann profiliert sein, um den Ventilrückzug zu begrenzen, und umfasst im Profil Folgendes: ein äußeres lineares Segment 60 angrenzend an die erste axiale Endfläche 48, ein äußeres gekrümmtes Segment 62 angrenzend an das äußere lineare Segment 60 und in dieses übergehend, ein inneres lineares Segment 66 angrenzend an ein äußeres gekrümmtes Segment 62 und in dieses übergehend und ein inneres gekrümmtes Segment 68 angrenzend an das innere lineare Segment 66 und in dieses übergehend. Das innere lineare Segment 66 kann so verstanden werden, dass es durch eine mittlere Fläche mit linearem Profil gebildet wird, die sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment 62 und dem inneren gekrümmten Segment 68 erstreckt und in dieses übergeht. Übergehen in, Übergang und verwandte Begriffe können so verstanden werden, dass ein Endpunkt eines Liniensegments auch der Endpunkt eines benachbarten Liniensegments ist. Das äußere gekrümmte Segment 62 bildet einen ersten Verschleißkranz 64 zum Kontaktieren des Gaswechselventils 24 in einem frühen Verschleißzustand und das innere gekrümmte Segment 68 bildet einen zweiten Verschleißkranz 70 radial einwärts und axial einwärts des ersten Verschleißkranzes 64 zum Kontaktieren des Gaswechselventils 24 in einem späteren Verschleißzustand, wobei sich das innere lineare Segment 66 zwischen dem äußeren gekrümmten Segment 62 und dem inneren gekrümmten Segment 68 erstreckt. Der Begriff „axial einwärts“, wie er hier verwendet wird, sollte so verstanden werden, dass er eine Richtung bedeutet, die entlang der Ventilsitzmittelachse 42 zu einem Mittelpunkt eines Liniensegments der Achse 42 verläuft, die einer vollständigen axialen Längenabmessung des Ventilsitzrings 38 entspricht. „Axial nach außen“ bedeutet eine entgegengesetzte Richtung, weg von diesem Mittelpunkt. „Radial nach innen“ und „radial nach außen“ sind allgemein gebräuchliche Begriffe.
Ein erster Kontakt, wenn der Ventilsitzring 38 und das Gaswechselventil 24 zum ersten Mal in Betrieb genommen werden, kann an einem Kontaktband zwischen der Innenventilfläche 46 und dem ersten Verschleißkranz 64 auftreten. Wenn sich die jeweiligen Komponenten verformen und verschleißen, können sie von einem frühen Verschleißzustand, in dem die Komponenten ein zwischen der Innenventilfläche 46 und dem ersten Verschleißkranz 64 gebildetes Band mit Linienkontakt oder nahezu Linienkontakt aufweisen, zu einem Vollflächenkontakt übergehen, wobei die Innenventilfläche 46 im Wesentlichen parallel zu und vollständig in Kontakt mit einem Teil des äußeren gekrümmten Segments 62 und des inneren linearen Segments 66 angeordnet ist, und einem noch späteren Verschleißzustand übergehen, bei dem der Vollflächenkontakt aufrechterhalten wird, aber auch in den Kontakt mit dem zweiten Verschleißkranz 70 übergegangen wird. Es versteht sich, dass der Begriff „früher Abnutzungszustand“ und der Begriff „späterer Abnutzungszustand“ hierin in Bezug aufeinander verwendet werden, was nicht notwendigerweise bedeutet, dass „früh“ neu oder „später“ alt bedeuten, obwohl solche Bedingungen in einem konkreten Fall gelten könnten. Bestimmte Grundprinzipien, die in Bezug auf die Profilierung der Ventilsitzfläche 59 dargestellt sind, finden Anwendung auf eine Anzahl verschiedener Ausführungsformen, von denen einige zusätzliche oder alternative strukturelle Details aufweisen, wie hierin weiter erörtert.
Die Innenumfangsfläche 52 umfasst im Profil auch ein geneigtes Segment 71, das linear ist und sich zwischen dem inneren gekrümmten Segment 62, das den zweiten Verschleißkranz 70 bildet, und einem oberen gekrümmten Segment 73, das eine Einströmkranz 75 bildet, erstreckt. Das obere gekrümmte Segment 73 und somit der Einströmkranz 75 können durch einen Radius mit einer Größe von etwa 1 Millimeter bis etwa 3 Millimeter gebildet werden und können in einer Verfeinerung etwa 1 Millimeter und noch genauer etwa 1,2 Millimeter betragen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Radius“ auf eine physikalische Oberflächenstruktur, wohingegen die „Radiusgröße“ die Abmessung eines geometrischen Radius eines Kreises bedeutet, der durch diese physikalische Oberflächenstruktur definiert ist. Radien können in diesem Zusammenhang einen einzelnen Radius oder mehrere variierende Radien umfassen. Das geneigte Segment 71 kann sich in Umfangsrichtung um die Ventilsitzmittelachse 42 erstrecken und ist in einem Venturi-Winkel 77 relativ zur Achse 42 ausgerichtet, der in Umfangsrichtung gleichförmig um die Ventilsitzmittelachse 42 etwa 10° oder größer und insbesondere etwa 14° betragen kann. Das geneigte Segment 71 kann ferner in jedes des oberen gekrümmten Segments 73 und des inneren gekrümmten Segments 68 übergehen, wobei die Verengung 54 durch das innere gekrümmte Segment 80 definiert wird. Der Einströmkranz 75 und das obere gekrümmte Segment 73 gehen in die zweite axiale Endfläche 50 über und sind radial nach innen von dem Zylinderkopf 18 um einen Abstand 81 versetzt, der größer sein kann als die Größe des Radius, der das obere gekrümmte Segment 73 bildet. Eine Größe des Radius, der das innere gekrümmte Segment 68 und somit den zweiten Verschleißkranz 70 bildet, kann von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 3 Millimeter betragen und kann insbesondere etwa 0,4 Millimeter betragen.
In der Darstellung von 4 ist auch zu sehen, dass die Innenventilfläche 46 in einem Ventilwinkel 74 relativ zu einer Ebene 72 ausgerichtet ist, die normal zur Ventilsitzmittelachse 42 ausgerichtet ist. Das innere lineare Segment 66 ist in einem Sitzwinkel 76 relativ zur Ebene 72 ausgerichtet, der größer als der Ventilwinkel 74 ist. Ein Interferenzwinkel 78 wird durch die Innenventilfläche 46 und das innere lineare Segment 66 gebildet, und ein Spiel 80 wird zwischen der Innenventilfläche 46 und dem inneren linearen Segment 66 gebildet. Der Ventilwinkel 74 kann vom Sitzwinkel 76 um etwa 0,4° bis etwa 0,6° abweichen. Der Sitzwinkel 76 kann von etwa 20° bis etwa 30° betragen, und der Sitzwinkel 76 kann in einer praktischen Implementierung etwa 20° betragen. Der Interferenzwinkel 78 kann etwa 0,37° betragen. Wie hier verwendet, sollte der Begriff „etwa“ im Zusammenhang mit herkömmlichem Runden auf eine konsistente Anzahl signifikanter Stellen verstanden werden. Dementsprechend bedeutet „etwa 20“ von 19,5 bis 20,4, „etwa 19,5“ von 19,45 bis 19,54 und so weiter.
Nun auch auf 5 und 6 Bezug nehmend, kann ein zweiter Zwischenraum 90 zwischen der Innenventilfläche 46 und dem äußeren gekrümmten Segment 62 gebildet werden und erstreckt sich radial nach außen und axial nach außen von einem Kontaktband, das etwa wie abgebildet im frühen Verschleißzustand zwischen der Innenventilfläche 46 und dem ersten Verschleißkranz 64 gebildet wurde. Es sei daran erinnert, dass das anfängliche Kontaktband eine ringförmige Form aufweisen kann und im Wesentlichen ein Linienkontaktmuster sein kann, wobei jedoch erwartet wird, dass es beginnt, sich in Richtung eines Flächenkontaktmusters zu ändern, wenn ein frühes Einfahren auftritt. Eine Größe des zweiten Spiels 90 kann eine zugewandte Länge 92, die etwa 0,1 Millimeter beträgt, zwischen der Innenventilfläche 46 und dem äußeren gekrümmten Segment 62 der Ventilsitzfläche 59 umfassen. Die zugewandte Länge 92 kann als Abstand vom Kontaktband zu einer Außenkante des Ventiltellers 26 verstanden werden. Ein weiterer Winkel 94 kann zwischen dem äußeren linearen Segment 60 und dem inneren linearen Segment 66 gebildet werden und kann etwa 5° betragen. Ein Kantenspielabstand ist bei 96 gezeigt und zeigt einen Spaltabstand zum äußeren gekrümmten Segment 62 an einer Außenkante der Innenventilfläche 46 an und kann etwa 0,00056 Millimeter betragen.
In 4 ist auch eine Abmessung der vollen Sitzbreite 84 oder die theoretische volle Sitzbreite des Ventilsitzrings 38 gezeigt, die schließlich verfügbar werden kann, wenn der Verschleiß zwischen den Komponenten fortschreitet, im Vergleich zu einer Einfahrflächenkontaktbreite, die bei anfänglichem Vollflächenkontakt erhalten wird. Die Kontaktbreite der Einfahrfläche ist mit 82 angegeben und konnte nach frühem Einfahren beobachtet werden. In einer Implementierung könnte die volle Sitzbreite 84 etwa 5 Millimeter betragen, insbesondere etwa 4,7 Millimeter. Die Kontaktbreite 82 der Einfahrfläche in der Ausführungsform von 4 kann etwa 4 Millimeter betragen, insbesondere etwa 4,2 Millimeter. Eine Endflächenbreite der ersten axialen Endfläche 48 ist bei 86 in 5 gezeigt und kann etwa 1 Millimeter betragen. Eine lineare Segmentbreite des äußeren linearen Segments 60 ist bei 88 gezeigt und kann etwa 0,5 Millimeter betragen.
Unter Bezugnahme auf 7 sind dort Merkmale eines Ventilsitzrings 138 und eines ringförmigen Ringkörpers 140 in Kontakt mit einem Gaswechselventil 124 gezeigt, das gemäß einer anderen Ausführungsform ein Einlassventil umfassen kann. Der Ventilsitzring 138 umfasst eine Ventilsitzfläche 159, die profiliert ist, um den Ventilrückzug zu begrenzen, und weist im Profil Folgendes auf: ein äußeres lineares Segment 160, das an eine erste axiale Endfläche (nicht nummeriert) angrenzt, ein äußeres gekrümmtes Segment 162, das an das äußere lineare Segment 160 angrenzt und in dieses übergeht und einen ersten Verschleißkranz 164 bildet, der von dem Gaswechselventil 124 in einem frühen Verschleißzustand kontaktiert wird. Die Ventilsitzfläche 159 umfasst ferner ein inneres lineares Segment 166, das an das äußere gekrümmte Segment 162 angrenzt und in dieses übergeht, und ein inneres gekrümmtes Segment 168, das an das innere lineare Segment 166 angrenzt und in dieses übergeht und einen zweiten Verschleißkranz 170 radial nach innen und axial nach innen von der ersten Verschleißkranz 164 bildet und von dem Gaswechselventil 124 in einem späteren Verschleißzustand kontaktiert wird. Eine Innenventilfläche 146 ist in einem Ventilwinkel 174 relativ zu einer Ebene 172 normal zu einer Ventilsitzmittelachse 142 ausgerichtet.
Das innere lineare Segment 166 ist in einem Sitzwinkel 176 relativ zur Ebene 172 ausgerichtet, der größer als der Ventilwinkel 174 ist, so dass ein Interferenzwinkel 178 gebildet wird. Zwischen dem Gaswechselventil 124 und dem inneren linearen Segment 166 ist ein Spiel 180 gebildet. Der Ventilwinkel 174 kann etwa 44,4° betragen. Der Sitzwinkel 176 kann etwa 20° bis etwa 30° betragen und kann etwa 20° betragen. Ein Interferenzwinkel 178 kann etwa 0,4° und insbesondere etwa 0,37° betragen. Ein zweites Spiel 190, wie in 8 und 9 gezeigt, erstreckt sich von einem Kontaktband zwischen der Innenventilfläche 146 und dem ersten Kranz 164 radial nach außen und axial nach außen. Bei dem Ventilsitzring 138, der einen Einlassventilsitzring umfassen kann, kann eine Abmessung 184 der vollen Sitzbreite etwa 5 Millimeter, insbesondere etwa 5,4 Millimeter betragen. Eine Kontaktbreite 182 der Einfahrfläche kann etwa 5 Millimeter betragen, insbesondere etwa 5,0 Millimeter. Eine lineare Segmentbreite 188 kann etwa 0,6 Millimeter betragen und eine Endflächenbreite 186 kann etwa 1 Millimeter betragen. Eine zugewandte Spielraumlänge 192 kann etwa 0,25 Millimeter betragen, ein Kantenspiel 196 kann etwa 0,00043 Millimeter betragen. Ein Winkel 194 zwischen dem äußeren linearen Segment 160 und dem inneren linearen Segment 166 kann etwa 5° betragen.
Der Ventilsitzring 138 umfasst darüber hinaus Folgendes: eine Innenumfangsfläche 152 mit einem unteren linearen Segment 183, das sich zwischen dem zweiten Verschleißkranz 170 und einem zweiten Strömungskranz 187 erstreckt, der durch ein unteres gekrümmtes Segment 185 gebildet wird und in dieses übergeht, und ein geneigtes Segment 171, das sich zwischen dem unteren gekrümmten Segment 185 und einem oberen gekrümmten Segment 173 erstreckt und in dieses übergeht, um einen Einströmkranz 175 zu bilden. Der Einströmkranz 175 ist um einen Abstand 181 vom Zylinderkopf 18 versetzt, der größer als eine Größe eines Radius ist, der das obere gekrümmte Segment 173 und somit den Einströmkranz 175 bildet. Die Innenumfangsfläche 152 umfasst darüber hinaus ein vertikales Segment 183, das parallel zur Ventilsitzmittelachse 142 ausgerichtet ist und in jedes des unteren gekrümmten Segments 185 und des oberen gekrümmten Segments 173 übergeht. Eine Verengung (nicht nummeriert) wird durch das vertikale Segment 183 definiert. In einer Implementierung beträgt eine Lauflänge des vertikalen Segments 183 etwa 1,5 Millimeter, kann aber von etwa 0,0 Millimeter bis etwa 2,5 Millimeter betragen. Eine Größe des Radius, der das obere gekrümmte Segment 173 bildet, kann etwa 1 Millimeter betragen. Eine Größe des Radius, der den zweiten Verschleißkranz 70 bildet, kann etwa 0,4 Millimeter betragen. Eine Kontaktbreite 182 der Einfahrfläche kann etwa 5 Millimeter und insbesondere etwa 5,04 Millimeter betragen. Eine Kontaktbreite 184 der Vollfläche kann etwa 5,4 Millimeter und insbesondere etwa 5,4 Millimeter betragen. Ein Venturi-Winkel kann etwa 10° oder mehr und insbesondere etwa 27° betragen.
Wie oben vorgeschlagen, können verschiedene Merkmale und Proportionen der verschiedenen Ventilsitzring-Ausführungsformen innerhalb gemeinsamer Abmessungs- oder Proportionalbereiche liegen, wobei die dargestellten Ausführungsbeispiele verschiedene praktische Umsetzungsstrategien darstellen. Im Folgenden sind allgemeine Abmessungs- und Winkelbereiche aufgeführt, die als geeignete Kernkonstruktionsprinzipien ermittelt wurden. Eine Größe des äußeren gekrümmten Segments 62, 162, das den ersten Verschleißkranz 64, 164 bildet, kann größer sein als eine Größe des inneren gekrümmten Segments 68, 168, das den zweiten Verschleißkranz 70, 170 bildet. Das äußere gekrümmte Segment 62, 162 kann durch einen Radius mit einer Größe von etwa 3 Millimeter bis etwa 6 Millimeter gebildet werden. Das innere gekrümmte Segment 68, 168 kann durch einen Radius mit einer Größe von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 3 Millimeter gebildet werden. Das den Radius bildende innere gekrümmte Segment 80, 180 und somit der zweite Verschleißkranz 70, 170 kann kleiner sein als jeweils das den Radius bildende äußere gekrümmte Segment 62, 162 und somit der erste Verschleißkranz 64, 164 und das den Radius bildende innere gekrümmte Segment 68, 168 und somit zweite Verschleißkranz 70, 170. Der Radius, der das obere gekrümmte Segment 73, 173 bildet, kann größer sein als der Radius, der das innere gekrümmte Segment 68, 168 bildet. Die Vollflächenkontaktbreite 84, 184 kann etwa 4 Millimeter bis etwa 5 Millimeter betragen, insbesondere etwa 4,67 Millimeter bis etwa 5,42 Millimeter. Die Einfahrflächenkontaktbreite 82, 182 kann etwa 4 Millimeter bis etwa 5 Millimeter betragen, insbesondere etwa 4,16 Millimeter bis etwa 5,04 Millimeter. Der Interferenzwinkel 78, 178 kann etwa 0,3° bis etwa 0,6° und insbesondere etwa 0,37° betragen. Die zugewandte Länge 88, 188 kann etwa 0,52 Millimeter bis etwa 0,63 Millimeter betragen. Der Winkel 94, 194 kann etwa 5° bis etwa 10° betragen. Der Venturi-Winkel 77, 177 kann etwa 10° bis etwa 30° betragen, insbesondere etwa 14° bis etwa 27°. Eine Lauflänge des inneren linearen Segments 66, 166 kann in Übereinstimmung mit dem Vollflächenbreitenbereich und anderen hierin erörterten Ventilsitzflächenparametern variieren. Der Radius, der das obere gekrümmte Segment 75, 175 und somit die erste Strömungskranz 75, 175 bildet, kann etwa 1 Millimeter bis etwa 3 Millimeter betragen. Das untere gekrümmte Segment 183 und somit der zweite Strömungskranz 185 kann durch einen Radius gebildet werden, der etwa 5 Millimeter bis etwa 7 Millimeter und insbesondere etwa 5,4 Millimeter beträgt. Der Radius, der den zweiten Strömungskranz 185 bildet, kann größer sein als jeweils der Radius, der das äußere gekrümmte Segment 62 und somit den ersten Verschleißkranz 164 bildet, und der Radius, der das obere gekrümmte Segment 173 und somit den Einströmkranz 175 bildet.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Unter Bezugnahme auf 10 wird nun ein Vergleichsdiagramm gezeigt, in dem der Ventilsitzring 138 der vorliegenden Offenbarung und ein anderer Ventilsitzring 238 anders strukturiert sind als Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, jedoch werden bestimmte ähnliche Designmerkmale im Profil gezeigt. Der Ventilsitzring 138 weist eine Vollflächenkontaktsitzbreite 184 (nach dem Einfahren) auf, die relativ zu einer analogen Sitzbreite 102 des Ventilsitzrings 238 um etwa 25 % vergrößert ist. Obwohl dies in 10 nicht gezeigt ist, kann die Sitzbreite 84 des Ventilsitzrings 38 mit Vollflächenkontakt (nach dem Einfahren) relativ zur Sitzbreite 102 um etwa 10 % vergrößert werden. Ein durch den Ventilsitzring 138 definierter Verengungsdurchmesser 100 ist größer als ein durch den Ventilsitzring 238 definierter Verengungsdurchmesser 99, was bedeutet, dass der Ventilsitzring 238 einen größeren verfügbaren Strömungsquerschnitt für Einlassgase aufweist. Es ist anzumerken, dass der Ventilsitzring 238 gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht mit Strömungskränzen oder Verschleißkränzen strukturiert ist.
Ventilsitzringe können eine Schlüsselrolle bei der Motorleistung und Haltbarkeit spielen, indem sie die Verschleißleistung für die Lebensdauer des Zylinderkopfes erhöhen. Die Optimierung des Luftstroms bei gleichzeitiger Reduzierung des Verschleißes hat sich als große Herausforderung erwiesen. Während des Betriebs eines Motors bewegen sich Einlassventile hin und her in und außer Kontakt mit einem Ventilsitzring. Gase, einschließlich Luft oder Luft gemischt mit anderen Gasen, wie beispielsweise rückgeführtem Abgas oder gasförmigem Kraftstoff, werden dem Motor typischerweise mit einem Druck über dem Atmosphärendruck zugeführt, beispielsweise 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 einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt bewegt, solange das Einlassventil offen ist.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung neigen Einlassgase, die auf den Einströmkranz 75, 175 treffen, dazu, relativ gleichmäßig an dem Einströmkranz 75, 175 vorbei zu strömen und in die Venturi-Vorrichtung einzudringen, die durch die Innenumfangsfläche 52, 152 gebildet wird. Beim Eintritt in die Venturi-Vorrichtung beginnen die einströmenden Gase nach bekannten Prinzipien in Richtung des zugehörigen Zylinders zu beschleunigen. Im Fall des Ventilsitzrings 138 ist dann zu erwarten, dass die beschleunigten Einlassgase gleichmäßig um den zweiten Strömungskranz 187 strömen, und im Fall eines der Ventilsitzringe der vorliegenden Offenbarung um den zweiten Verschleißkranz 70, 170, an der Ventilsitzfläche 59, 159 vorbei und schließlich um das Gaswechselventil 24, 124 herum und an diesem vorbei und in den zugehörigen Zylinder strömen zur Verbrennung mit darin befindlichem Kraftstoff. Die gleichmäßige und beschleunigende Strömung durch die Ventilsitzringe der vorliegenden Offenbarung kann die reduzierte Strömungsfläche kompensieren oder mehr als kompensieren im Vergleich zum Design des Ventilsitzrings 238 und anderen Designs mit Einbußen bei der Ventilsitz- oder Ventilleistung oder Motorlebensdauer.
Es wird nun auch auf 11 Bezug genommen, in der ein Diagramm 200 gezeigt ist, in dem ein Durchflusskoeffizient auf der Y-Achse im Vergleich zum Ventilhub/Durchmesser auf der X-Achse gezeigt ist. Der Durchflusskoeffizient ist eine dimensionslose Größe, die auf einem Quotienten des tatsächlichen Durchflusses gegenüber dem idealisierten Durchfluss basiert. Der Ventilhub/Durchmesser kann als Quotient aus Hubweg eines Einlassventils und Verengungsdurchmesser des Ventilsitzrings verstanden werden. Eine Kurve 202 zeigt ein angenähertes Ergebnis, das für den Ventilsitzring 138 erwartet werden könnte, eine Kurve 204 zeigt ein angenähertes Ergebnis, das für den Ventilsitzring 38 erwartet werden könnte, und eine Kurve 206 zeigt ein angenähertes Ergebnis, das für den Ventilsitzring 238 erwartet werden könnte. Es versteht sich, dass die Kurven 202 und 204 einen Durchflusskoeffizienten zeigen, der mindestens so groß und im Allgemeinen größer ist als ein Durchflusskoeffizient, der für den Ventilsitzring 238 beobachtet wurde. Diese Leistungssteigerung wird auch dort beobachtet, wo ein verfügbarer Strömungsquerschnitt für Einlassgase im Vergleich zu anderen Konstruktionen reduziert ist, wie beispielsweise beim Ventilsitzring 238.
Es sei auch daran erinnert, dass der dem Ventilsitzring 238 zugeordnete Ventilsitzdurchmesser 102 kleiner ist als die den Ventilsitzringen 38 und 138 zugeordneten Vollflächenkontaktbreiten 84, 184, und dass der Ventilsitzring 238 nicht mit Verschleißkränzen oder einer bestimmten anderen speziellen Ventilsitzgeometrie gebildet ist. Die hier besprochenen Verschleißkränze sind in Verbindung mit den Ventilsitzkontaktbreiten, Sitzwinkeln, Ventilwinkeln und anderen geometrischen Merkmalen so konstruiert, dass sie als Dämpfung von Ventilsitzstößen verstanden werden können, um das Einschlagen des Ventilsitzes zu reduzieren sowie bestimmte Verschleißarten zu verlangsamen. Die Bereitstellung einer Ventilsitzgeometrie, die diesen Zielen entspricht, kann gegenüber Ventilsitzkonstruktionen, wie sie beim Ventilsitzring 238 verwendet werden, verbessert werden, jedoch hat sich herausgestellt, dass sie der Konstruktion anderer Ventilsitzringeigenschaften, wie z. B. Gasströmungseigenschaften, bestimmte Einschränkungen auferlegt.
In diesem Sinne kann die Geometrie des Ventilsitzrings 38, 138 bezüglich der Einlassventilsitzeigenschaften und die Geometrie des Ventilsitzrings 38, 138 bezüglich der Einlassgasströmungseigenschaften als ein System von kreuzgekoppelten Größen verstanden werden, wobei die Änderung eines Aspekts der Ventilsitzringgeometrie einen anderen Aspekt der Ventilsitzringgeometrie beeinflussen kann, und zwar oft auf unvorhersehbare Weise. Zum Beispiel neigt das Vorsehen eines zweiten Verschleißkranzes 70, 170 dazu, eine Verringerung des Verengungsdurchmessers zu erfordern, wenn der Ventilsitzdurchmesser beibehalten oder vergrößert werden soll. Im Fall des zweiten Verschleißkranzes 70, 170 könnte ein zu großer Radius die Strömungsfläche, den Venturiwinkel, den Sitzwinkel oder andere Parameter beeinflussen. Ein zu kleiner Radius könnte die gewünschten Strömungsmuster nicht bereitstellen und/oder die gewünschte Ventilsitzleistung beeinträchtigen. Das Einbeziehen des Einströmkranzes 75, 175 und die Positionierung des Einströmkranzes 75, 175 so, dass er vom Zylinderkopf abgesetzt ist, kann die verfügbare Strömungsfläche weiter reduzieren gegenüber dem, was mit einem Ventilsitzring ohne Einströmkranz und ohne Absetzen vom Zylinderkopf erreicht werden könnte. Wenn zum Beispiel der Radius, der einen Einströmkranz bildet, zu klein ist, werden die vorteilhaften Auswirkungen auf den einströmenden Gasstrom möglicherweise nicht realisiert. Wenn der Radius, der einen Einströmkranz bildet, zu groß ist, kann der Venturi-Winkel zu eng sein, um eine gewünschte Strömungsbeschleunigung zu erreichen. Weitere Faktoren wie die Bestimmung eines geeigneten Venturi-Winkelbereichs, eines Sitzwinkelbereichs, ob ein zweiter Strömungskranz verwendet wird und noch andere Faktoren können ähnliche Auswirkungen haben. Wenn mehr als ein Designparameter von Design zu Design variiert wird, können die Auswirkungen auf die Leistung noch komplexer und unvorhersehbarer sein. Aus diesen allgemeinen Gründen versteht es sich, dass die optimierten Konstruktionen und parametrischen Richtlinien der vorliegenden Offenbarung einen praktischen Ausgleich von Faktoren bieten, die den Ventilsitz und die Einlassgasströmungsleistung betreffen.
Die vorliegende Beschreibung dient nur zur Veranschaulichung und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie die Breite der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Somit werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Modifikationen an den gegenwärtig offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom vollen und angemessenen Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei der Prüfung der beigefügten Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche ersichtlich. Wie hier verwendet, sollen die Artikel „ein“ und „eine“ einen oder mehrere Artikel umfassen und können austauschbar mit „einem oder mehreren“ verwendet werden. Wenn nur ein Element vorgesehen ist, wird der Begriff „eines“ oder eine ähnliche Sprache verwendet. Wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „hat“, „haben“, „habend“ oder dergleichen offene Begriffe sein. Ferner soll der Ausdruck „basierend auf‟ „zumindest teilweise basierend auf‟ bedeuten, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 8270417 A [0003]

Claims

Zylinderkopfanordnung (11) für einen Verbrennungsmotor (10), die Folgendes umfasst: einen Zylinderkopf (18) mit einer darin gebildeten Einlassleitung (20); einen Ventilsitzring (38, 39, 138), der zumindest teilweise in dem Zylinderkopf (18) positioniert ist und eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche (48), die so strukturiert ist, dass sie einem Zylinder (16) in dem Verbrennungsmotor (10) zugewandt ist, und einer zweiten axialen Endfläche (50) erstreckt; wobei der Ventilsitzring (38, 39, 138) ferner eine Innenumfangsfläche (52, 152), die eine Verengung (54) bildet, eine Außenumfangsfläche (56) und eine Ventilsitzfläche (59, 159) aufweist; wobei die Ventilsitzfläche (59, 159) im Profil Folgendes umfasst: ein äußeres gekrümmtes Segment (62, 162), das einen ersten Verschleißkranz (64, 164) bildet, um das Einlassventil (24) in einem frühen Verschleißzustand zu berühren, ein inneres gekrümmtes Segment (68, 168), das einen zweiten Verschleißkranz (70, 170) bildet, um das Einlassventil (24) in einem späteren Verschleißzustand zu berühren, und ein lineares Segment (66, 166), das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment (62, 162) und dem inneren gekrümmten Segment (68, 168) erstreckt; wobei die Innenumfangsfläche (52) im Profil ein oberes gekrümmtes Segment (73, 173) umfasst, das einen Einströmkranz (75, 175) bildet, und ein geneigtes Segment (71, 171) umfasst, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment (73, 173) und dem inneren gekrümmten Segment (68, 168) erstreckt; und wobei das obere gekrümmte Segment (73, 173) in die zweite axiale Endfläche (50) übergeht und der Einströmkranz (75, 175) radial nach innen vom Zylinderkopf (18) abgesetzt ist, und wobei das geneigte Segment (71) in einem Venturi-Winkel relativ zur Ventilsitzmittelachse ausgerichtet ist, so dass die Innenumfangsfläche (52, 152) eine Venturi-Vorrichtung (55) bildet, um einen einströmenden Gasstrom zum Zylinder (16) zu beschleunigen.
Zylinderkopfanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei der Venturi-Winkel etwa 10° bis etwa 30° beträgt; wobei das lineare Segment (66, 166) der Ventilsitzfläche (59, 159) eine Kontaktbreite der Einfahrfläche definiert, die etwa 4 Millimeter bis etwa 5 Millimeter beträgt, und das geneigte Segment (71, 171) eine Lauflänge aufweist, die größer ist als die Einfahrflächenkontaktbreite; wobei der Einströmkranz (75, 175) radial nach innen vom Zylinderkopf (18) um einen Abstand versetzt ist, der größer ist als eine Größe eines Radius, der das obere gekrümmte Segment (73, 173) bildet; die Größe des das obere gekrümmte Segment (73, 173) bildenden Radius von etwa 1 Millimeter bis etwa 3 Millimeter beträgt, eine Größe eines Radius, der das äußere gekrümmte Segment (62, 162) bildet, von ungefähr 3 Millimeter bis ungefähr 6 Millimeter beträgt, und eine Größe eines Radius, der das innere gekrümmte Segment (68, 168) bildet, von ungefähr 0,4 Millimeter bis ungefähr 3 Millimeter beträgt; wobei das geneigte Segment (71, 171) in jedes des oberen gekrümmten Segments (73, 173) und des inneren gekrümmten Segments (68, 168) übergeht und die Verengung (54) durch das innere gekrümmte Segment (68, 168) definiert wird.
Zylinderkopfbaugruppe (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innenumfangsfläche (152) ferner im Profil Folgendes umfasst: ein unteres gekrümmtes Segment (185), das einen zweiten Strömungskranz (187) bildet, ein senkrecht zur Ventilsitzmittelachse ausgerichtetes vertikales Segment (183), das in jedes des unteren gekrümmten Segments (185) und des inneren gekrümmten Segments (168) übergeht, wobei die Verengung durch das vertikale Segment (183) definiert wird.
Ventilsitzring (38, 138) für ein Einlassventil (24) in einem Verbrennungsmotor (10), der Folgendes umfasst: einen ringförmigen Ringkörper (40, 140), der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche (48), die so strukturiert ist, dass sie dem Zylinder (16) in dem Verbrennungsmotor (10) zugewandt ist, und einer zweiten axialen Endfläche (50) erstreckt; wobei der ringförmige Ringkörper (40, 140) ferner Folgendes aufweist: eine Innenumfangsfläche (52, 152), die eine Verengung (54) definiert, die dafür strukturiert ist, den Zylinder (16) mit einer Einlassleitung (20) in einem Zylinderkopf (18) fluidisch zu verbinden, eine Außenumfangsfläche (56) und eine Ventilsitzfläche (59, 159) zum Berühren eines Einlassventils (24), das sich zwischen der ersten axialen Endfläche (48) und der Innenumfangsfläche (52, 152) erstreckt; wobei die Ventilsitzfläche (59, 159) im Profil Folgendes umfasst: ein äußeres gekrümmtes Segment (62, 162), das einen ersten Verschleißkranz (64, 164) bildet, um das Einlassventil (24) in einem frühen Verschleißzustand zu berühren, ein inneres gekrümmtes Segment (68, 168), das einen zweiten Verschleißkranz (70, 170) bildet, um das Einlassventil (24) in einem späteren Verschleißzustand zu berühren, und ein lineares Segment (66, 166), das sich zwischen dem äußeren gekrümmten Segment (62, 162) und dem inneren gekrümmten Segment (68, 168) erstreckt; wobei die Innenumfangsfläche (52) im Profil Folgendes umfasst: ein oberes gekrümmtes Segment (73, 173), das einen Einströmkranz (75, 175) bildet, und ein geneigtes Segment (71, 171), das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment (73, 173) und dem inneren gekrümmten Segment (68, 168) erstreckt; und wobei das obere gekrümmte Segment (73, 173) in die zweite axiale Endfläche (50) übergeht, und das geneigte Segment (71, 171) sich von dem oberen gekrümmten Segment (73, 173) in einem Venturi-Winkel von etwa 10° oder größer relativ zur Ventilsitzmittelachse radial nach innen erstreckt, so dass die Innenumfangsfläche (52, 152) eine Venturi-Vorrichtung (55) bildet, um einen einströmenden Gasstrom zum Zylinder (16) zu beschleunigen.
Ventilsitzring (38, 138) nach Anspruch 4, wobei: das obere gekrümmte Segment (73, 173) von einem Radius gebildet wird, der größer ist als ein Radius, der das innere gekrümmte Segment (68, 168) bildet; und der Venturi-Winkel etwa 10° bis etwa 30° beträgt.
Ventilsitzring (38, 138) nach Anspruch 5, wobei: das lineare Segment (66, 166) der Ventilsitzfläche (59, 159) eine Kontaktbreite der Einfahrfläche definiert, die etwa 4 Millimeter bis etwa 5 Millimeter beträgt; eine Größe eines Radius, der das obere gekrümmte Segment (73, 173) bildet, etwa 1 Millimeter bis etwa 3 Millimeter beträgt; eine Größe eines Radius, der das äußere gekrümmte Segment (62, 162) bildet, etwa 3 Millimeter bis etwa 6 Millimeter beträgt, und eine Größe eines Radius, der das innere gekrümmte Segment (68, 168) bildet, etwa 0,4 Millimeter bis etwa 3 Millimeter beträgt.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 6, wobei das geneigte Segment (71) in jedes des oberen gekrümmten Segments (73) und des inneren gekrümmten Segments (68) übergeht und die Verengung (54) durch das innere gekrümmte Segment (68) definiert wird, die Kontaktbreite (82) der Einfahrfläche etwa 4 mm beträgt; die Größe des Radius, der das obere gekrümmte Segment (73) bildet, etwa 1 Millimeter beträgt; die Größe des Radius, der den zweiten Verschleißkranz (70) bildet, etwa 0,4 Millimeter beträgt; und der Venturi-Winkel (77) etwa 14° beträgt.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Innenumfangsfläche (152) ferner im Profil Folgendes umfasst: ein unteres gekrümmtes Segment (185), das einen zweiten Strömungskranz (187) bildet, und ein senkrecht zur Ventilsitzmittelachse ausgerichtetes vertikales Segment (183), das in jedes des unteren gekrümmten Segments (185) und des äußeren gekrümmten Segments (162) übergeht, wobei die Verengung durch das vertikale Segment (183) definiert wird.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 8, wobei eine Lauflänge des vertikalen Segments (183) etwa 1,5 Millimeter beträgt; die Kontaktbreite der Einfahrfläche etwa 5 Millimeter beträgt; die Größe des Radius, der das obere gekrümmte Segment (173) bildet, etwa 1 Millimeter beträgt; die Größe des Radius, der den zweiten Verschleißkranz (170) bildet, etwa 0,4 Millimeter beträgt; und der Venturi-Winkel etwa 27° beträgt.
Ventilsitzring (38, 138) für ein Einlassventil (24) in einem Verbrennungsmotor (10), der Folgendes umfasst: einen ringförmigen Ringkörper (40, 140), der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche (48), die so strukturiert ist, dass sie dem Zylinder (16) in dem Verbrennungsmotor (10) zugewandt ist, und einer zweiten axialen Endfläche (50) erstreckt; wobei der ringförmige Ringkörper (40, 140) ferner Folgendes aufweist: eine Innenumfangsfläche (52), die eine Verengung (54) definiert, die dafür strukturiert ist, den Zylinder (16) mit einer Einlassleitung (20) in einem Zylinderkopf (18) fluidisch zu verbinden, eine Außenumfangsfläche (56), und eine Ventilsitzfläche (59, 159) zum Berühren eines Einlassventils (24), das sich zwischen der ersten axialen Endfläche (48) und der Innenumfangsfläche (52) erstreckt; wobei die Ventilsitzfläche (59, 159) Folgendes bildet: einen ersten Verschleißkranz (64, 164) zum Kontaktieren des Einlassventils (24) in einem frühen Verschleißzustand, einen zweiten Verschleißkranz (70, 170), der sich radial innerhalb und axial innerhalb des ersten Verschleißkranzes (64, 164) befindet, um das Einlassventil (24) in einem späteren Verschleißzustand zu berühren, und eine Mittelfläche (66, 166), die im Profil geradlinig ist und sich zwischen dem ersten Verschleißkranz (64, 164) und dem zweiten Verschleißkranz (70, 170) erstreckt; wobei die Innenumfangsfläche (52) einen Einströmkranz (75, 175) bildet, der in die erste axiale Endfläche (48) übergeht, und eine Venturi-Vorrichtung (55), die sich zwischen dem Einströmkranz (75, 175) und dem zweiten Verschleißkranz (70, 170) erstreckt und einen Venturi-Winkel von etwa 10° oder mehr relativ zur Ventilsitzmittelachse definiert.