DE112020001509T5

DE112020001509T5 - Ventilsitzeinsatz mit doppelter krone mit sitzfläche aus aufschweissmaterial

Info

Publication number: DE112020001509T5
Application number: DE112020001509.2T
Authority: DE
Inventors: Ashwin A. Hattiangadi; Rong Qu; Paul D. Smallidge; Karen E. SNELLING; Pay Brodersen
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2021-12-16
Also published as: US10989321B2; WO2020219273A1; US20200340593A1; CN113785107A; CN113785107B

Abstract

Ein Ventilsitzeinsatz (38) für ein Gaswechselventil (24), das den Gaswechsel eines Zylinders (16) steuert, beinhaltet einen Einsatzkörper (50) mit einer Innenumfangsfläche (56), einer Außenumfangsfläche (58) und einer Ventilsitzfläche (40), die strukturiert ist, um das Gaswechselventil (24) in einer geschlossenen Position zu berühren, und profiliert ist, um die Ventilversenkung davon zu beschränken. Die Ventilsitzfläche (40) beinhaltet eine Anordnung von linearen Segmenten (71) und gekrümmten Segmenten (69, 73), die Kronen (62, 64) bilden, um das Gaswechselventil (24) in unterschiedlichen Verschleißzuständen zu berühren. Der Ventilsitzeinsatz (38) beinhaltet ferner ein Basismaterial (57) und ein Aufschweißmaterial (61), das mit dem Basismaterial (57) metallurgisch verbunden ist und die Ventilsitzfläche (40) bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Motorventile und zugehörige Hardware und genauer einen Motorventilsitzeinsatz für ein Gaswechselventil, der eine gehärtete Ventilsitzfläche hat, die profiliert ist, um eine Ventilversenkung zu beschränken.
Hintergrund
Gaswechselventile werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um Fluidverbindungen zwischen einem Zylinder und einer Zufuhr von Ansaugluft oder Ansaugluft und anderen Gasen, wie z. B. rückgeführtes Abgas, oder zwischen dem Zylinder und einem Abgaskrümmer zum Ausstoßen von Verbrennungsprodukten während des Betriebs zu steuern. Konstruktionen sind bekannt, wobei ein einzelnes Ansaugventil und ein einzelnes Auslassventil jedem Zylinder in einem Motor zugeordnet sind, sowie Konstruktionen, bei denen mehrere Gaswechselventile von jeder entsprechenden Art jedem Zylinder zugeordnet sind. Eine Nockenwelle, die typischerweise bei halber Motordrehzahl gedreht wird, ist mit Ventilstößeln, Brücken, Kipphebeln und/oder anderer Ausrüstung zum Steuern des Öffnens und Schließens von Gaswechselventilen zu geeigneten Motorzeiten gekoppelt.
Gaswechselventile werden mit dem Motorkopf oder einem Ventilsitzeinsatz in dem Motorkopf außer Kontakt genommen und in Kontakt gebracht, um zu öffnen und zu schließen. Gaswechselventile können zwischen ihren geöffneten und geschlossenen Positionen mit signifikanten mechanischen Kräften bewegt werden. Die Umgebung im Zylinder ist mit Verbrennungstemperaturen von mehreren hundert Grad zusammen mit relativ hohen Drücken verbunden. Diese und andere Faktoren tragen dazu bei, dass die Betriebsbedingungen für das Gaswechselventil recht hart sind. Es wurde beobachtet, dass Gaswechselventile und Ventilsitze oder Ventilsitzeinsätze im Laufe der Zeit ein Phänomen aufweisen können, das als Ventilversenkung bekannt ist. Im Laufe einer Motorlebensdauer oder zwischen Wartungsintervallen können die Kontakte zwischen einem Gaswechselventil und seinem Ventilsitz in den Millionen oder potenziell sogar Milliarden liegen. Die harten Bedingungen und die hohe Anzahl der Einwirkungen können verursachen, dass Material, aus dem das Gaswechselventil und/oder der Ventilsitz gebildet sind, abgenutzt wird und/oder verformt wird, sodass das Ventil weiter zu dem Motorkopf hin oder darin hinein versinkt, als erwünscht ist. Wo eine Ventilsitzversenkung stark genug wird, können Motorbetrieb oder -leistung beeinträchtigt werden, was manchmal vorzeitig eine sogenannte Top-End-Überholung erfordert. Ingenieure haben mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Techniken experimentiert und dabei versucht, das Ausmaß und die Auswirkungen von Ventilsitzversenkung und anderen Ventilabnutzungsmustern zu verbessern. Eine Strategie, die offenbar auf das Verhindern abgezielt ist, dass die Außendurchmesserseite einer Ventilfläche lokal abgenutzt wird, ist in Japanischer Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP8270417A dargelegt. Gemäß der Referenz '417 liegt eine konvexe Oberfläche, die sich zu einer Sitzfläche einer Ventilfläche hin wölbt, an die Sitzfläche eines Ventilsitzes an, um lokale Abnutzungsprobleme zu bewältigen.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt beinhaltet eine Motorkopfanordnung einen Motorkopf mit einer Gaswechselleitung, die darin gebildet ist, und einem Ventilsitzeinsatz, der mindestens teilweise in dem Motorkopf positioniert ist und eine Ventilsitzmittelachse definiert. Die Motorkopfanordnung beinhaltet ferner ein Gaswechselventil einschließlich eines Ventilkopfs mit einer äußeren Ventilfläche und einer inneren Ventilfläche, wobei das Gaswechselventil zwischen einer geschlossenen Ventilposition, wo die innere Ventilfläche den Ventilsitzeinsatz berührt, und einer geöffneten Ventilposition beweglich ist. Der Ventilsitzeinsatz hat eine axiale Endfläche, die dem Zylinder zugewandt ist, eine Innenumfangsfläche, die eine Öffnung fluidmäßig zwischen dem Zylinder und der Gaswechselleitung definiert, eine Außenumfangsfläche und eine Ventilsitzfläche, die sich zwischen der axialen Endfläche und der Innenumfangsfläche erstreckt. Die Ventilsitzfläche ist profiliert, um die Ventilversenkung zu beschränken, und beinhaltet, im Profil, ein äußeres gekrümmtes Segment radial nach innen von der axialen Endfläche, ein inneres lineares Segment benachbart zu dem äußeren gekrümmten Segment und ein inneres gekrümmtes Segment. Das äußere gekrümmte Segment bildet eine erste Krone, die durch das Gaswechselventil in einem frühen Verschleißzustand berührt wird, und das innere gekrümmte Segment bildet eine zweite Krone, die durch das Gaswechselventil in einem späteren Verschleißzustand berührt wird. Der Ventilsitzeinsatz beinhaltet ein Basismaterial und ein Aufschweißmaterial, das mit dem Basismaterial metallurgisch verbunden ist und die Ventilsitzfläche bildet.
In einem anderen Aspekt beinhaltet ein Ventilsitzeinsatz für ein Gaswechselventil, das den Gaswechsel eines Zylinders in einem Verbrennungsmotor steuert, einen ringförmigen Einsatzkörper, der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche, die strukturiert ist, um dem Zylinder im Verbrennungsmotor zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endfläche erstreckt. Der ringförmige Einsatzkörper hat ferner eine Innenumfangsfläche, die eine Öffnung definiert, die strukturiert ist, um den Zylinder mit einer Gaswechselleitung in einem Motorkopf fluidmäßig zu verbinden, eine Außenumfangsfläche und eine Ventilsitzfläche, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche und der Innenumfangsfläche erstreckt. Die Ventilsitzfläche ist profiliert, um die Ventilversenkung zu beschränken, und beinhaltet, im Profil, ein äußeres gekrümmtes Segment radial nach innen von der ersten axialen Endfläche, ein inneres lineares Segment benachbart zu dem äußeren gekrümmten Segment und ein inneres gekrümmtes Segment. Das äußere gekrümmte Segment bildet eine erste Krone zum Berühren des Gaswechselventils in einem frühen Verschleißzustand, und das innere gekrümmte Segment bildet eine zweite Krone zum Berühren des Gaswechselventils in einem späteren Verschleißzustand. Der Ventilsitzeinsatz beinhaltet ein Basismaterial und ein Aufschweißmaterial, das mit dem Basismaterial metallurgisch verbunden ist und die Ventilsitzfläche bildet.
In einem anderen Aspekt beinhaltet ein Ventilsitzeinsatz für ein Gaswechselventil, das den Gaswechsel eines Zylinders in einem Verbrennungsmotor steuert, einen ringförmigen Einsatzkörper, der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche, die strukturiert ist, um einem Zylinder in einem Verbrennungsmotor zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endfläche erstreckt. Der ringförmige Einsatzkörper hat ferner eine Innenumfangsfläche, die eine Öffnung definiert, die strukturiert ist, um den Zylinder mit einer Gaswechselleitung in einem Motorkopf fluidmäßig zu verbinden, eine Außenumfangsfläche und eine Ventilsitzfläche, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche und der Innenumfangsfläche erstreckt. Die Ventilsitzfläche beinhaltet eine erste Krone zum Berühren des Gaswechselventils in einem frühen Verschleißzustand, eine zweite Krone, die von der ersten Krone radial nach innen positioniert ist, zum Berühren des Gaswechselventils in einem späteren Verschleißzustand, und eine mittlere Sitzfläche, die linear im Profil ist und sich zwischen der ersten Krone und der zweiten Krone erstreckt. Die Ventilsitzfläche ist aus einem gehärteten Material gebildet, relativ zu einem Basismaterial des Ventilsitzeinsatzes, zum Verzögern der Ventilsitzversenkung als Reaktion auf eine Berührung mit dem Gaswechselventil.
Figurenliste

1 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine Bildansicht eines Ventilsitzeinsatzes gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine Schnittansicht durch den Ventilsitzeinsatz von 2;
4 ist eine weitere Schnittansicht durch den Ventilsitzeinsatz von 2;
5 ist eine Detailansicht eines Abschnitts des Ventilsitzeinsatzes von 4;
6 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Ventilsitzeinsatzes und Gaswechselventils in einem frühen Verschleißzustand gemäß einer Ausführungsform;
7 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Ventilsitzeinsatzes und Gaswechselventils in einem späteren Verschleißzustand gemäß einer Ausführungsform;
8 ist eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht von Abschnitten eines Gaswechselventils und Ventilsitzeinsatzes gemäß einer Ausführungsform;
9 ist eine Detailansicht, aufgenommen von Kreis 9 aus 8;
10 ist eine Detailansicht, aufgenommen von Kreis 10 aus 9;
11 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht von Abschnitten eines Gaswechselventils und Ventilsitzeinsatzes gemäß einer Ausführungsform;
12 ist eine Detailansicht, aufgenommen von Kreis 12 aus 11; und
13 ist eine Detailansicht, aufgenommen von Kreis 13 aus 12.

Ausführliche Beschreibung
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform und einschließlich eines Motorgehäuses 12 mit einem Zylinderblock 14 mit einem Zylinder 16, der darin gebildet ist, gezeigt. Verbrennungsmotor 10 (hiernach „Motor 10“) könnte irgendeiner aus einer Vielzahl von Motoren einschließlich eines Dieselmotors, eines Fremdzündungsmotors und, in einer praktischen Umsetzungsstrategie, eines Gasmotors sein, der fremdgezündet oder Dual-Fuel-pilotgezündet ist und strukturiert ist, um mit einem Kraftstoff zu arbeiten, der bei Standard-Temperatur und -Druck gasförmig ist. Geeignete gasförmige Kraftstoffe beinhalten Erdgas, Methan, Deponiegas, Biogas, Gemische aus diesen oder noch andere. Ein beispielhafter flüssiger Kraftstoff in einer Dual-Fuel-Anwendung oder einer Single-Fuel-Anwendung ist Dieseldestillatkraftstoff. Ein Motorkopf 18 ist an den Zylinderblock 14 gekoppelt und hat eine erste Gaswechselleitung 20 und eine zweite Gaswechselleitung 21, die darin gebildet sind. Gaswechselleitungen 20 und 21 könnten sowohl eine Ansaugleitung, die strukturiert ist, um mit einem Ansaugkrümmer fluidmäßig verbunden zu sein, als auch eine Abgasleitung sein, die strukturiert ist, um mit einem Abgaskrümmer verbunden zu sein, oder eines von beidem sein. Gaswechselleitungen 20 und 21 könnten daher jeweils Ansaugleitungen beinhalten, jeweils Abgasleitungen beinhalten oder könnten eines von jedem sein.
Ein Kolben 32 ist in dem Zylinder 16 zwischen einer unteren Totpunktlage und einer oberen Totpunktlage beweglich und ist an eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) durch eine Pleuelstange 34 auf eine im Allgemeinen herkömmliche Weise gekoppelt. Motor 10 könnte jede Anzahl von Zylindern beinhalten, die in einer geeigneten Konfiguration angeordnet sind, wie z. B. einer V-Konfiguration, einer Reihenkonfiguration oder einer anderen. Motorkopf 18 könnte einen monolithischen Motorkopf beinhalten, der allen aus einer Vielzahl von individuellen Zylindern in Motor 10 zugeordnet ist, oder könnte einer aus einer Vielzahl von separaten Motorkopfabschnitten sein, die jeweils weniger als allen der Zylinder in Motor 10 zugeordnet sind. Motor 10 beinhaltet ferner ein Gaswechselventil 24 und in der veranschaulichten Ausführungsform zeigt sich ein zweites Gaswechselventil 25 einschließlich eines Ventilkopfs 26 mit einer äußeren Ventilfläche oder Verbrennungsfläche 44 und einer inneren Ventilfläche oder Dichtungsfläche 46. Zusammen mit den Gaswechselventilen 24 und 25 bildet der Motorkopf 18 eine Motorkopfanordnung 19. Gaswechselventil 24 wird hier im Singular besprochen, jedoch wird verstanden, dass die Beschreibung des Gaswechselventils 24 durch eine Analogie auf ein Gaswechselventil 25 und jedes andere Gaswechselventil im Motor 10 angewendet werden kann. Gaswechselventile 24 und 25 werden mehr oder weniger vertikal ausgerichtet in Bezug auf eine Hin- und Herbewegungsrichtung des Kolbens 32 gezeigt, jedoch sollte auch anerkannt werden, dass andere Konfigurationen, wie z. B. Gaswechselventile in diagonalen Ausrichtungen, hier erwogen werden. Gaswechselventil 24 beinhaltet ferner eine Welle 28, die mit dem Ventilkopf 26 verbunden ist und durch eine Ventilbrücke 30 mit dem anderen Gaswechselventil 25 verbunden ist, sodass Gaswechselventile 24 und 25 sich zusammen zwischen geöffneten und geschlossenen Positionen bewegen können, wie z. B. als Reaktion auf eine Drehung einer Nockenwelle und Bewegung eines Kipphebels, einer Ventilstößelanordnung und/oder anderer Ausrüstung. Eine Rückstellfeder 36 ist mit Gaswechselventil 24 auf eine im Allgemeinen herkömmliche Weise gekoppelt. Motor 10 beinhaltet ferner einen Ventilsitzeinsatz 38, der mindestens teilweise im Motorkopf 18 positioniert ist und eine Ventilsitzfläche 40 hat, die sich in Umfangsrichtung um eine Ventilsitzmittelachse 42 erstreckt. Gaswechselventil 24 ist zwischen einer geschlossenen Ventilposition, wo die innere Ventilfläche 46 die Ventilsitzfläche 40 berührt und der Zylinder 16 von Fluidkommunikation mit Gaswechselleitung 20 blockiert ist, und einer geöffneten Ventilposition beweglich. Wie aus der folgenden Beschreibung weiter deutlich werden wird, ist der Ventilsitzeinsatz 38 durch gehärtetes Material und Ventilsitzgeometrie strukturiert, um die Ventilversenkung und andere verschleißbedingte Phänomene im Laufe einer Lebensdauer oder eines Wartungsintervalls des Motors 10 zu verzögern.
Zu diesem Zweck, und nun unter weiterer Bezugnahme auf 2-5, kann ein Ventilsitzeinsatz 38 durch einen im Allgemeinen ringförmigen, einstückigen Metalleinsatzkörper 50, der im Motorkopf 18 durch eine Presspassung gehalten wird, gebildet werden. Bei einer Top-End-Überholung kann der Motorkopf 18 von dem Zylinderblock 14 zerlegt werden und eine Vielzahl von Ventilsitzeinsätzen, die im Wesentlichen identisch zu dem Ventilsitzeinsatz 38 sind, kann von dem Motorkopf 18 bei Bedarf für Ersatz zerlegt werden. Wie oben besprochen, wurde beobachtet, dass bei Top-End-Überholung herkömmliche Gaswechselventilsitze und zugeordnete Gaswechselventile ein unerwünschtes Ausmaß an Ventilversenkung erfahren haben können, was bedeutet, dass beim Erreichen einer geschlossenen Position eine Verformung und/oder ein Verschleiß von Material dazu führen kann, dass sich das Gaswechselventil weiter als gewünscht in den entsprechenden Ventilsitzeinsatz bewegt. Die übermäßige Ventilversenkung führt möglicherweise zu verringerter Gaswechselventil- und Motorgesamtleistung.
Ventilsitzfläche 40 hat ein Ventilversenkungswiderstandsprofil, das strukturiert ist, um die Ventilsitzversenkung zu verzögern, die andernfalls beobachtet werden könnte, und sodass typischerweise eine größere Zuverlässigkeit und Einheitlichkeit unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Ventilsitzeinsätzen in einem Motor erwartet werden kann. In manchen Fällen kann mit bestehenden Konstruktionen eine übermäßige Ventilsitzversenkung in einem einzelnen aus einer Vielzahl von Ventilsitzeinsätzen eine frühere Top-End-Überholung erfordern, als was andernfalls erwünscht sein könnte. Das Ventilversenkungswiderstandsprofil kann als das Profil, wie z. B. das, das in 3-5 veranschaulicht wird, der Ventilsitzfläche 40 in einer Schnittebene verstanden werden, die Ventilsitzmittelachse 42 beinhaltet, und ein Ventilversenkungswiderstandsprofil soll analog in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verstanden werden, die hier besprochen werden. Ventilsitzfläche 40 kann als Zusammensetzung verstanden werden, indem sie mehrere strukturell unterschiedliche, doch funktionell zusammenhängende Teile beinhaltet, in Kontrast zu Ventilsitzen mit einer einzelnen Sitzfläche, die durch einen Ventilkörper berührt wird. Es kann ferner angemerkt werden, dass sich die Ventilsitzmittelachse 42 zwischen einer ersten axialen Endfläche 52, die zu dem Zylinder 16 im Betrieb ausgerichtet sein wird und ihm zugewandt ist, und einer zweiten axialen Endfläche 54 des Einsatzkörpers 50 erstreckt. Einsatzkörper 50 beinhaltet ferner eine Innenumfangsfläche 56 und eine Außenumfangsfläche 58. Eine Öffnung 43 ist in dem und durch den Einsatzkörper 50 durch Innenumfangsfläche 56 gebildet, um fluidmäßig zwischen Zylinder 16 in Motor 10 und Gaswechselleitung 20 in Motorkopf 18 positioniert zu sein. Öffnung 43 kann als durch eine engste Innendurchmesserabmessung 84 gebildet verstanden werden, die durch Innenumfangsfläche 56 definiert ist. Innenumfangsfläche 56 hat ein ungleichmäßiges Innenprofil, das sich zwischen der Öffnung 43 und der zweiten axialen Endfläche 54 ausweitet, anders gesagt axial nach außen öffnet. Außenumfangsfläche 58 hat ein ungleichmäßiges Außenprofil, das zwischen der ersten axialen Endfläche 52 und der zweiten axialen Endfläche 54 nach innen gerichtet ist, und sodass ein Kühlmittelhohlraum 48 zum Zirkulieren von Motorkühlmittel um den Ventilsitzeinsatz 38 gebildet ist. Ventilsitzeinsätze gemäß der vorliegenden Offenbarung könnten auch „trocken“ sein und daher ohne einen Kühlmittelhohlraum gebildet sein. Es sollte außerdem anerkannt werden, dass die Beschreibung hier der Merkmale und Funktionalität jeglicher Ausführungsform durch Analogie so verstanden werden sollte, dass sie sich auf andere Ausführungsformen bezieht, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich.
Ventilsitzeinsatz 38 kann vorwiegend aus einem Basismaterial 57 gebildet sein, wie z. B. eine Grundmetalllegierung in der Art von Werkzeugstahl oder dergleichen, gebildet als ein Gussteil. Ventilsitzeinsatz 38 kann außerdem ein Material beinhalten, das relativ zu Basismaterial 57 gehärtet ist, einschließlich eines Aufschweißmaterials 61. Aufschweißmaterial 61 ist mit Basismaterial 57 metallurgisch verbunden und bildet Ventilsitzfläche 40. Jede der ersten axialen Endfläche 52 und Innenumfangsfläche 56 kann aus Basismaterial 57 gebildet sein und Aufschweißmaterial 61 kann ein ringförmiges Band bilden, das sich von der ersten axialen Endfläche 52 zu der Innenumfangsfläche 54 erstreckt. Wie in 3 gezeigt, ist eine Lauflänge 63 der Ventilsitzfläche 40 größer als eine Dicke, einschließlich einer maximalen Dicke 65, von Aufschweißmaterial 61. Ventilsitzeinsatz 38 kann zum Beispiel durch gießen des Einsatzkörpers 38 und dann Bearbeiten einer Nut in dem Gussteil und Füllen der bearbeiteten Nut mit Aufschweißmaterial 61 hergestellt werden. Techniken zum Auftragen von Aufschweißmaterial 61 beinhalten, zum Beispiel, Plasmatransferschweißen oder Laserschweißen, Schweißen wie z. B. durch Schmelzen eines Drahts oder dergleichen aus Aufschweißmaterial 61 und Zulassen, dass sich das geschmolzene Aufschweißmaterial 61 in der bearbeiteten Nut verfestigt. Aufschweißmaterial 61 kann eine Vielzahl unterschiedlicher Metalllegierungen beinhalten und in einer praktischen Umsetzungsstrategie beinhaltet es eine Kobalt-Molybdän-Legierung, wie z. B. Kobalt-Molybdän-Legierungen, die unter dem Handelsnamen T400 kommerziell erhältlich sind. Andere Techniken, wie z. B. Induktionshärtung, könnten möglicherweise verwendet werden, um die Grundmetalllegierung zu härten, aus der der Einsatzkörper 50 gebildet ist. Die Lauflänge 63 kann durch unterschiedliche äußere und innere gekrümmte lineare Profilsegmente der Ventilsitzfläche 40 gebildet sein, wie hier ferner besprochen. In einer praktischen Umsetzungsstrategie kann die Dicke 65 von etwa 1,5 Millimeter bis etwa 2,0 Millimeter betragen.
Ventilsitzeinsatz 38, nämlich der Einsatzkörper 50, kann außerdem eine Schweißverbindung 59 zwischen dem Basismaterial 57 und Aufschweißmaterial 61 beinhalten und eine, im Profil, gekrümmten Form haben. Gekrümmte Schweißverbindung 59, die im Allgemeinen einer Form der Nut entspricht, die gebildet ist, um den Einsatzkörper 50 für Aufschweißen vorzubereiten, rückt, bereinigt, radial nach innen und axial nach innen von der ersten axialen Endfläche 52 zu der Innenumfangsfläche 54 vor. Genauso rückt die Ventilsitzfläche 40, bereinigt, radial nach innen und axial nach innen von der ersten axialen Endfläche 52 zu der Innenumfangsfläche 54 vor. Es kann somit angemerkt werden, dass das Basismaterial 57 eine axial äußerste Oberfläche des Einsatzkörpers 50 bilden kann. Eine Gesamtheit des Einsatzkörpers 50 außer dem Aufschweißmaterial 61 kann aus Basismaterial 57 gebildet sein.
Unter Rückkehr auf die Geometrie der Ventilsitzfläche 40 ist das Ventilversenkungswiderstandsprofil durch ein äußeres gekrümmtes Segment 69 , das eine erste Krone 62 bildet, die durch den Ventilkopf 26 berührt wird, wie hier ferner beschrieben, in einem frühen Verschleißzustand oder einer frühen Verschleißphase des Ventilkopfs 26 und Ventilsitzeinsatzes 38, ein inneres gekrümmtes Segment 73, das eine zweite Krone 64 bildet, die durch den Ventilkopf 26 berührt wird in einem späteren Verschleißzustand oder einer späteren Verschleißphase des Ventilkopfs 26 und Ventilsitzeinsatzes 38, und ein inneres lineares Segment 71 gebildet. Äußeres gekrümmtes Segment 69 ist radial nach innen von der ersten axialen Endfläche 52 und inneres lineares Segment 71 ist benachbart zu jedem und grenzt an jedes aus äußerem gekrümmtem Segment 69 und innerem gekrümmtem Segment 73 an und ist mit jedem vermischt. Wie hier verwendet, sollten die Begriffe „vermischt“ oder „übergehen“ sollten so verstanden werden, dass sie bedeuten, dass ein Endpunkt eines linearen oder kurvilineares Segment der Endpunkt eines angrenzenden linearen oder kurvilinearen Segments ist. Ein äußeres lineares Segment 67 kann sich zwischen der ersten axialen Endfläche 52 und dem äußeren gekrümmten Segment 69 erstrecken. Inneres lineares Segment 71 ist durch eine mittlere Sitzfläche 66 gebildet; linear im Profil, das sich zwischen der ersten Krone 62 und zweiten Krone 64 erstreckt. Die Begriffe „früh“ und „später“ werden hier in einem relativen Sinn in Beziehung zueinander verwendet. Daher bedeutet „früh“ nicht unbedingt anfangs oder neu, und „später“ bedeutet nicht unbedingt genutzt oder alt, jedoch könnten in manchen Fällen solche Beschreibungen korrekt sein. Ventilsitzeinsatz 38 kann ferner eine Schräge 68 beinhalten, die sich benachbart zu einer zweiten Krone 64 befindet. Zweite Krone 64 kann mit Schräge 68 vermischt werden und erste Krone 62 kann mit äußerem linearen Segment 67 vermischt werden.
In einer Implementierung ist das äußere gekrümmte Segment 69 und somit die erste Krone 62 durch einen Radius gebildet, der eine erste Größe hat, und das innere gekrümmte Segment 73 und somit die zweite Krone 64 ist durch einen Radius gebildet, der eine zweite Größe hat, und die erste Größe ist größer als die zweite Größe. Hier beschriebene Radien können ein einzelner Radius oder mehrere benachbarte Radien sein, die in ihrer Größe variieren. Die hier offenbarten Größen für die besprochenen gekrümmten Segmente und/oder Kronen beziehen sich auf die Größenordnung des Radius eines Kreises, der durch die gekrümmten physischen Strukturen definiert ist, die das äußere gekrümmte Segment 69 und innere gekrümmte Segment 73 bilden. Die Breite des inneren linearen Segments 71 und somit die mittlere Sitzfläche 66 können größer als eine Breite der ersten axialen Endfläche 52 sein. Die Größe des Radius, der das äußere gekrümmte Segment 69, und somit die erste Krone 62, bildet, kann etwa 6 Millimeter oder weniger betragen, und kann in der Ausführungsform von 2-5 etwa 2 Millimeter betragen. Die Größe des Radius, der die zweite Krone bildet, kann von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 3 Millimeter betragen, und kann in der Ausführungsform von 2-7 etwa 1 Millimeter betragen. Eine Größe der Schräge 68 kann etwa 2,2 Millimeter betragen. Wie hier verwendet, kann der Begriff „etwa“ im Kontext von herkömmlichem Runden auf eine einheitliche Zahl aus signifikanten Ziffern verstanden werden. Dementsprechend bedeutet „etwa 2“ von 1,5 bis 2,4, „etwa 2,0“ bedeutet von 1,95 bis 2,04 usw. Wo der Begriff „etwa“ nicht in Verbindung mit einer Menge oder einem Bereich verwendet wird, soll die Menge oder der Bereich, die/der ausgedrückt wird, genau innerhalb der Herstellungstoleranzen liegen.
Mittlere Sitzfläche 66 soll ferner so verstanden werden, dass sie einen Sitzwinkel 70 relativ zu einer Ebene 76 definiert, gezeigt in 5, der normal zur Ventilsitzmittelachse 42 ausgerichtet ist. Sitzwinkel 70 kann weniger als 20° und typischerweise zwischen 19° und 20° betragen. Mittlere Sitzfläche 66 hat eine Breite 74 zwischen erster Krone 62 und zweiter Krone 64, die größer als 3 Millimeter ist, und typischerweise zwischen 3 Millimeter und 4 Millimeter. In einer Implementierung beträgt der Sitzwinkel 70 etwa 19,6° und die Breite 74 beträgt etwa 3,6 Millimeter. Eine Einlauf-Flächenkontaktbreite des Ventilsitzeinsatzes 38 kann gleich wie oder nur geringfügig größer als die Breite 74 sein und könnte zwischen 3 Millimeter und 6 Millimeter betragen, da der anfängliche vollflächige Kontakt zwischen der Ventilsitzfläche 40 und der inneren Ventilfläche 46 einen Kontakt zwischen der inneren Ventilfläche 46 und der gesamten mittleren Sitzfläche 66 plus etwas Kontakt mit der ersten Krone 62 beinhaltet. Die Einlauf-Flächenkontaktbreite, wie hier in Verbindung mit dem Ventilsitzeinsatz 38 und den anderen Ventilsitzeinsätzen der vorliegenden Offenbarung besprochen, ist ein Strukturattribut der zugeordneten Ventilsitzfläche. Innendurchmesserabmessung 84 an Öffnung 43 kann etwa 42 Millimeter betragen. Eine Außendurchmesserabmessung 86 an oder nahe der zweiten axialen Endfläche 54 kann etwa 55 Millimeter betragen. Einsatzkörper 50 kann breiter in radialen Richtungen sein als er in axiale Richtungen lang ist.
Nun unter Bezugnahme auf 6 ist ein Ventilsitzeinsatz 38 gezeigt, wie er in einem frühen Verschleißzustand oder einer frühen Verschleißphase des Ventilkopfs 26 und Ventileinsatzes 38 erscheinen könnte. Man kann sehen, dass innere Ventilfläche 46 mittlere Sitzfläche 66 überragt, was bedeutet, dass sich innere Ventilfläche 46 radial nach außen und axial nach außen über einen Punkt hinaus erstreckt, an dem mittlere Sitzfläche 66 mit erster Krone 62 übergeht. Wie hier verwendet, kann der Begriff „axial nach außen“ so verstanden werden, dass er weg von einem Mittelpunkt eines Liniensegments der Ventilsitzmittelachse 42 entsprechend einer vollständigen Axiallänge des Einsatzkörpers 50 bedeutet, wobei „axial nach innen“ eine entgegengesetzte Richtung zu diesem Mittelpunkt hin bedeuten soll. „Radial nach innen“ und „radial nach außen“ sind Begriffe, die im Allgemeinen herkömmlich verwendet werden. Innere Ventilfläche 46 definiert einen Ventilwinkel 78 relativ zu der Ebene 76. Sitzwinkel 70 ist größer als Ventilwinkel 78, sodass erste Krone 62 ein Kontaktband 88 mit der inneren Ventilfläche 46 an der geschlossenen Position etwa wie in 6 gezeigt bildet, und sich ein Ausgangsflächenspiel 80 radial nach innen und axial nach innen von dem Kontaktband 88 erstreckt. Kontaktband 88 wird ringförmig sein, und wenn die Komponenten erstmals in Betrieb gebracht werden, kann es ein Linienkontaktmuster oder nahezu ein Linienkontaktmuster sein. Es wird daher verstanden, dass äußere Sitzfläche 66 und innere Ventilfläche 46 sehr nah zueinander sein können, doch sich nominell nicht berühren, außer wo die erste Krone 62 die überragende innere Ventilfläche 46 berührt, wenn die Komponenten erstmals in Betrieb gebracht werden. Aus der Konfiguration mit frühem Verschleiß, die in 6 gezeigt wird, können Verformung und Verschleiß der Komponenten auftreten, sodass sich das Kontaktmuster verändert, und das Kontaktband 88 rückt vor und vergrößert sich radial nach innen und axial nach innen.
Wie oben angemerkt, kann der Sitzwinkel 70 etwa 19,6° betragen. Ventilwinkel 78 kann etwa 19,3° betragen, und Sitzwinkel 70 und Ventilwinkel 78 können daher zusammen einen Interferenzwinkel 82 definieren. Interferenzwinkel 82 kann als ein Winkel verstanden werden, der durch Ausgangsflächenspiel 80 zwischen mittlerer Sitzfläche 66 und innerer Ventilfläche 46 gebildet wird, wenn Komponenten erstmals in Betrieb gebracht werden, und das Gaswechselventil 24 geschlossen ist. Es wird außerdem verstanden, dass kurz nach oder während der Inbetriebnahme der Kontakt des Ventilkopfs 26 mit dem Ventilsitzeinsatz 38 verursachen kann, dass sich der Ventilkopf 26 verformt, sodass vollflächiger Kontakt zwischen der mittleren Sitzfläche 66 und der inneren Ventilfläche 46 entlang der vollflächigen Breite 74 auftritt. Interferenzwinkel 82 kann etwa 0,35° betragen, wenn die Komponenten erstmals in Betrieb gebracht werden, und es ist zu erwarten, dass er sich schließlich auf 0° verringert, wenn die Komponenten eingelaufen sind.
Nun unter Bezugnahme auf 7 ist ein Ventilkopf 26 und Ventilsitzeinsatz 38 gezeigt, wie sie in einem späteren Verschleißzustand oder einer späteren Verschleißphase erscheinen können, wobei man sehen kann, dass der Ventilkopf 26 angefangen hat, sich in den Ventilsitzeinsatz 38 zu versenken. In dem Zustand, der in 7 dargestellt wird, erstreckt sich das Kontaktband 88 im Wesentlichen über eine Gesamtheit der äußeren Sitzfläche 46 hinaus, sodass ein vollflächiger Kontakt auftritt, und wobei die zweite Krone 64 nun anfängt, den Ventilkopf 26 zu berühren. Von dem Zustand, der in 7 dargestellt wird, kann eine weitere Ventilversenkung im Laufe der Zeit erwartet werden, wenn auch in einer langsameren Geschwindigkeit, als man in einer bekannten Konstruktion beobachten könnte. In Ventilsitzeinsätzen, die gemäß bestimmten bekannten Konstruktionen profiliert sind, waren relativ scharfe Ecken zwischen oder benachbart zu Ventilsitzflächen häufig bereitgestellt. Diese Geometrie würde dazu neigen, weniger Widerstand gegenüber Ventilversenkung bereitzustellen aufgrund einer größeren Tendenz, in eine innere Ventilfläche zu graben oder zu schneiden, wohingegen in der vorliegenden Konstruktion analoger Kontakt gedämpft werden kann. Der größere Interferenzwinkel bestimmter bekannter Konstruktionen, der 1° betragen könne, würde auch nicht ermöglichen, dass ein Ventilkopf sich so leicht verformt oder verschleißt zu einem Zustand von vollflächigem Kontakt mit dem entsprechenden Ventilsitzeinsatz, wie es ein Ventilsitzeinsatz und Gaswechselventil gemäß der vorliegenden Offenbarung tut. Schließlich würde eine kleinere vollflächige Breite einer Ventilsitzfläche in bekannten Konstruktionen, etwa 20 % weniger als vollflächige Breite 74 in manchen Fällen, typischerweise weniger Oberfläche und Kontaktlänge zum Verteilen von Druck bereitstellen.
Nun unter Bezugnahme auf 8-10, ist ein weiterer Ventilsitzeinsatz 138 gezeigt, der strukturiert ist, um den Fortschritt bestimmter Verschleißmodi zu verlangsamen und beeinflussen, die aus Kontakt mit Gaswechselventil 124 mit einem Ventilkopf 126 resultieren, ähnlich zu der vorhergehenden Ausführungsform, aber mit bestimmten Unterschieden. Ventilsitzeinsatz 138 könne einen Ansaugventilsitzeinsatz beinhalten, obwohl er nicht derart beschränkt ist. Gaswechselventil 124 hat eine innere Ventilfläche 146. Ventilsitzeinsatz 138 beinhaltet eine Ventilsitzfläche 159, die profiliert ist, um eine Ventilversenkung zu beschränken, und beinhaltet, im Profil, ein äußeres lineares Segment 160, ein äußeres gekrümmtes Segment 162, das an das äußere lineare Segment 160 angrenzt und damit vermischt ist, ein inneres lineares Segment 166 benachbart zu, angrenzend an und vermischt mit dem äußeren gekrümmten Segment 162 und ein inneres gekrümmtes Segment 168 benachbart zu, angrenzend an und vermischt mit dem inneren linearen Segment 66. Inneres lineares Segment 166 kann als durch eine mittlere Sitzfläche gebildet verstanden werden, die im Profil linear ist. Äußeres gekrümmtes Segment 162 bildet eine erste Krone 164 zum Berühren des Gaswechselventils 124 in einem frühen Verschleißzustand und inneres gekrümmtes Segment 168 bildet eine zweite Krone 170 radial nach innen und axial nah innen von der ersten Krone 164 zum Berühren des Gaswechselventils 124 in einem späteren Verschleißzustand.
Anfänglicher Kontakt, wenn der Ventilsitzeinsatz 138 und das Gaswechselventil 124 erstmalig in Betrieb gebracht werden, kann am ringförmigen Kontaktband zwischen innerer Ventilfläche 146 und erster Krone 164 auftreten. Während sich die entsprechenden Komponenten verformen und verschleißen, können sie von einem frühen Verschleißzustand, in dem die Komponenten einen Linienkontakt oder nahezu einen Linienkontakt haben, Band gebildet zwischen innerer Ventilfläche 146 und erster Krone 164, zu einem späteren Verschleißzustand, in dem die innere Ventilfläche 146 im Wesentlichen parallel zu und in Kontakt mit einem Teil der zweiten Krone 170 und dem inneren Liniensegment 166 ist, und dann zu einem noch späteren Verschleißzustand übergeben, wo vollflächiger Kontakt aufrechterhalten wird und zusätzliche Kontakt mit der zweiten Krone 170 auftritt.
Ventilsitzeinsatz 138 und Einsatzkörper 140 beinhalten außerdem ein Basismaterial 157 und ein Aufschweißmaterial 161, das mit dem Basismaterial 147 metallurgisch verbunden ist und die Ventilsitzfläche 159 bildet. Eine gekrümmte Schweißverbindung 158 wird durch das Basismaterial 157 und Aufschweißmaterial 161 gebildet. Andere Struktur- sowie Konstruktions- und Herstellungsattribute des Ventilsitzeinsatzes 138 hinsichtlich des Basismaterials 147 als auch des Aufschweißmaterials 161 können im Wesentlichen identisch zu denjenigen sein, die hinsichtlich der vorhergehenden Ausführungsform besprochen werden. Zum Beispiel kann angemerkt werden, dass jede der gekrümmten Schweißverbindung 158 und Ventilsitzfläche 159, bereinigt, radial nach innen und axial nach innen von einer ersten axialen Endfläche 148 zu einer Innenumfangsfläche 152 vorrückt. Eine maximale Tiefe von Aufschweißmaterial kann von etwa 1,5 Millimeter bis etwa 2,0 Millimeter betragen.
Innenumfangsfläche 152 beinhaltet außerdem, im Profil, ein Segment mit Neigung 171, das linear ist und sich zwischen innerem gekrümmtem Segment 162, das die zweite Krone 170 bildet, und einem oberen gekrümmten Segment 173, das eine Zuflusskrone 175 bildet, erstreckt. Oberes gekrümmtes Segment 173 und somit Zuflusskrone 175 kann durch einen Radius gebildet werden, der eine Größe von etwa 1 Millimeter bis etwa 3 Millimeter hat. Segment mit Neigung 171 kann sich in Umfangsrichtung um Ventilsitzmittelachse 142 erstrecken und ist in einem Venturi-Winkel 177 relativ zur Achse 142 ausgerichtet, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um die Ventilsitzmittelachse 142 sein kann. Unter den verschiedenen Ausführungsformen, die hier erwogen werden, kann der Venturi-Winkel 177 von etwa 10° bis etwa 30° betragen und kann etwa 14° in Ventilsitzeinsatz 138 betragen. Segment mit Neigung 171 kann ferner mit oberem gekrümmtem Segment 173 und mit einem unteren gekrümmten Segment 185 übergehen, das eine zweite Flusskrone 187 bildet. Ein vertikales Segment 183 ist parallel zur Ventilsitzmittelachse 142 ausgerichtet und geht mit jedem aus unterem gekrümmtem Segment 185 und innerem gekrümmtem Segment 168 über. Eine Lauflänge des vertikalen Segments 183 kann etwa 1,5 Millimeter betragen. Andere Ausführungsformen könnten nur eine einzelne Flusskrone analog zur Zuflusskrone 175 beinhalten, mit einem im Allgemeinen analogen Segment mit Neigung, das sich zwischen einer Zuflusskrone und einer zweiten Krone zum Berühren eines Ventilkopfs und Angrenzen oder Teilbilden einer Ventilsitzfläche erstreckt. Zuflusskrone 175 und oberes gekrümmtes Segment 173 ist radial nach innen (von einem zugeordneten Motorkopf) um eine Absetzdistanz 181 abgesetzt, die größer als die Größe des Radius sein kann, der das obere gekrümmte Segment 173 und die Zuflusskrone 175 bildet. Eine Größe des Radius, der das äußere gekrümmte Segment 162, und somit die erste Krone 164, bildet, kann weniger als 6 Millimeter, und kann in der Ausführungsform von 8-10 von etwa 3 Millimeter bis etwa 6 Millimeter betragen. Eine Größe des Radius, der das innere gekrümmte Segment 168, und somit die zweite Krone 170, bildet, kann von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 3 Millimeter betragen.
In der Veranschaulichung von 8 kann man außerdem sehen, dass eine innere Ventilfläche 146 in einem Ventilwinkel 174 relativ zu einer Ebene 172 ausgerichtet ist, die normal zur Ventilsitzmittelachse 142 ausgerichtet ist. Inneres lineares Segment 166 ist in einem Sitzwinkel 176 relativ zur Ebene 172 ausgerichtet, der größer als Ventilwinkel 174 ist. Ein Interferenzwinkel 178 ist durch innere Ventilfläche 146 und inneres lineares Segment 166 gebildet und Spiel 180 bildet sich zwischen innerer Ventilfläche 146 und innerem linearen Segment 166. Ventilwinkel 174 kann sich von Sitzwinkel 176 um etwa 0,4° bis etwa 0,6° unterscheiden. Sitzwinkel 176 kann von etwa 20° bis etwa 30° betragen und Sitzwinkel 176 kann etwa 20° betragen, in einer praktischen Implementierung. Interferenzwinkel 178 kann etwa 0,37° betragen.
Nun auch unter Bezugnahme auf 9 und 10 kann sich zweites Spiel 190 zwischen innerer Ventilfläche 146 und äußerem gekrümmtem Segment 162 bilden und erstreckt sich radial nach außen und axial nach außen von einem Kontaktband, das in dem frühen Verschleißzustand etwa wie dargestellt zwischen innerer Ventilfläche 146 und erster Krone 164 gebildet wird. Eine Größe des zweiten Spiels 190 kann eine zugewandte Länge 192 beinhalten, die etwa 0,1 Millimeter beträgt, zwischen innerer Ventilfläche 146 und äußerem gekrümmtem Segment 162 der Ventilsitzfläche 159. Zugewandte Länge 192 kann als die Distanz von dem Kontaktband zu einer Außenkante des Ventilkopfs 126 verstanden werden. Ein weiterer Winkel 194 kann zwischen äußerem linearem Segment 160 und innerem linearem Segment 166 gebildet sein und kann etwa 5° betragen. Ein Kanten-Sicherheitsabstand wird bei 196 gezeigt und gibt einen Spaltabstand zu äußerem gekrümmtem Segment 162 an einer Außenkante der inneren Ventilfläche 146 an und kann etwa 0,00056 Millimeter betragen.
Auch in 8 gezeigt ist ein Maß der vollen Sitzbreite 184 oder eine theoretische volle Sitzbreite des Ventilsitzeinsatzes 138, die schließlich verfügbar werden kann, wenn der Verschleiß zwischen den Komponenten fortschreitet, im Vergleich zu einer Einlauf-Flächenkontaktbreite 182, die man erhält, wenn vollflächiger Kontakt anfänglich auftritt. Eine Breite des inneren linearen Segments 166 zwischen äußerem gekrümmtem Segment 162 und innerem gekrümmtem Segment 168 ist größer als 3 Millimeter und ist typischerweise zwischen 3 Millimeter und 6 Millimeter. Die Einlauf-Flächenkontaktbreite 182 kann von etwa 4 Millimeter bis etwa 5 Millimeter betragen. Eine Endflächenbreite der ersten axialen Endfläche 148 wird bei 186 in 9 gezeigt und kann etwa 1 Millimeter betragen. Eine Breite des linearen Segments des äußeren linearen Segments 160 wird bei 188 gezeigt und kann etwa 0,5 Millimeter betragen.
Nun unter Bezugnahme auf 11, werden Merkmale eines Ventilsitzeinsatzes 238 und eines Einsatzkörpers 240 gemäß einer anderen Ausführungsform in Kontakt mit einem Gaswechselventil 224 gezeigt. Ventilsitzeinsatz 238 beinhaltet eine Ventilsitzfläche 259, die profiliert ist, um Ventilversenkung zu beschränken, und beinhaltet im Profil ein äußeres lineares Segment 260 benachbart zu einer ersten axialen Endfläche (nicht nummeriert), ein äußeres gekrümmtes Segment 262 benachbart zu äußerem linearem Segment 260 und das eine erste Krone 264 bildet, die durch das Gaswechselventil 224 in einem frühen Verschleißzustand berührt wird. Ventilsitzfläche 259 beinhaltet ferner ein inneres lineares Segment 166 benachbart zu äußerem gekrümmtem Segment 262 und ein inneres gekrümmtes Segment 268 benachbart zu innerem linearem Segment 166 und das eine zweite Krone 270 bildet, die durch das Gaswechselventil 224 in einem späteren Verschleißzustand berührt wird. Eine Zuflusskrone wird bei 275 gezeigt. Eine innere Ventilfläche 246 ist in einem Ventilwinkel 274 relativ zu einer Ebene 272 normal zu einer Ventilsitzmittelachse 242 ausgerichtet. Inneres lineares Segment 266 ist in einem Sitzwinkel 276 relativ zur Ebene 272 ausgerichtet, der größer als Ventilwinkel 274 ist, sodass ein Interferenzwinkel 278 gebildet wird. Spiel 280 bildet sich zwischen Gaswechselventil 224 und innerem linearem Segment 266. Ventilwinkel 274 kann etwa 44,4° betragen. Sitzwinkel 276 kann etwa 45° betragen. Interferenzwinkel 278 kann etwa 0,6° betragen. Zweites Spiel 290, wie in 12 und 13 gezeigt, erstreckt sich radial nach außen und axial nach außen von einem Kontaktband zwischen innerer Ventilfläche 246 und erster Krone 264.
Im Ventilsitzeinsatz 238, der einen Auslassventilsitzeinsatz zum Beispiel beinhalten kann, kann ein Maß der vollen Sitzbreite 284 etwa 5,2 Millimeter betragen. Eine Größe des Radius, der das äußere gekrümmte Segment 262, und somit die erste Krone 264, bildet, kann weniger als 6 Millimeter betragen, und kann von etwa 3 Millimeter bis etwa 6 Millimeter betragen. Eine Größe des Radius, der das innere gekrümmte Segment 268, und somit die zweite Krone 270, bildet, kann von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 3 Millimeter betragen. Eine Einlauf-Flächenkontaktbreite 282 kann größer als 3 Millimeter, und zwischen 3 Millimeter und 6 Millimeter, sein, zum Beispiel von etwa 4 Millimeter bis etwa 5 Millimeter. Eine Breite des linearen Segments 288 kann etwa 0,3 Millimeter betragen und eine Endflächenbreite 286 kann etwa 1,88 Millimeter betragen. Eine zugewandte Spiellänge 292 kann etwa 0,1 Millimeter betragen, ein Kantenspiel 296 kann etwa 0,00052 Millimeter betragen. Ein Winkel 294 zwischen äußerem linearem Segment 260 und innerem linearem Segment 266 kann etwa 10° betragen. Ventilsitzeinsatz 138 beinhaltet außerdem ein Basismaterial 257 und ein Aufschweißmaterial 261, das mit dem Basismaterial 257 metallurgisch verbunden ist und die Ventilsitzfläche 259 bildet. Eine Schweißverbindung 158 wird durch das Basismaterial 257 und Aufschweißmaterial 261 gebildet. Merkmale und Funktionalität von Aufschweißmaterial 261 können ähnlich wie die sein, die in Verbindung mit vorhergehenden Ausführungsformen besprochen wurden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Es kann erwartet werden, dass ein Betrieb eines Motors gemäß der vorliegenden Offenbarung im Laufe der Zeit zu einem Gaswechselventil- und Ventilsitzeinsatz-Verschleiß führt, sodass das Gaswechselventil und der Ventilsitzeinsatz von einem neuen oder frühen Verschleißzustand zu einem späteren Verschleißzustand übergehen. Anfänglicher Kontakt zwischen den Komponenten kann im frühen Verschleißzustand Linienkontakt oder nahezu ein Linienkontakt sein, wobei die allmähliche Abnutzung von und/oder Verformung von Material im Laufe der Zeit verursacht, dass die Komponenten Flächenkontakt annehmen, wie hier in einem späteren Verschleißzustand beschrieben. Verschleiß und Ventilsitzversenkung werden im Laufe der Lebensdauer der Komponenten fortschreiten, jedoch im Vergleich zu bestimmten bekannten Konstruktionen basierend auf der Nutzung von Aufschweißmaterial und den hier offenbarten Ventilversenkungswiderstandsprofilen verringert.
Ingenieure haben über viele Jahre versucht, Strategien zum Verringern der Geschwindigkeit und/oder Art und Weise von Gaswechselventil- und Ventilsitz-/Ventilsitzeinsatz-Verschleiß zu entwickeln, hinzu kommen die ständigen Änderungen der Motorkonfiguration und der Betriebseigenschaften, die dazu führen können, dass Konstruktionen, die für eine bestimmte Anwendung optimiert wurden, für verbesserte Versionen sogar desselben Motors weniger gut geeignet sind. In diesem Sinne können die Geometrie von Ventilsitzeinsätzen, die hier in Bezug auf die Ventilsitz- und Ventilversenkungseigenschaften betrachtet wird, und die Geometrie für andere Eigenschaften wie Kühlung, Gasdurchfluss und noch andere sowie die Materialeigenschaften der Ventilsitzfläche, als ein System von kreuzgekoppelten Variablen verstanden werden, bei dem die Änderung eines Aspekts der Ventilsitzeinsatzgeometrie möglicherweise andere Aspekte der Ventilsitzeinsatzgeometrie beeinflussen kann, oft auf unvorhersehbare Weise.
So können beispielsweise bei einer beliebigen Ventilsitzeinsatzkonstruktion die Verschleißeigenschaften basierend auf dem Umschalten von Faktoren wie Sitzwinkel, Kronengröße oder Einlauf-Flächenkontaktbreite in wünschenswerter Weise verändert werden, aber als Reaktion auf solche Änderungen könnte die Wirksamkeit des Gasflusses beeinträchtigt werden oder eine Neukonstruktion des zugehörigen Gaswechselventils erforderlich sein. Ein weiteres Beispiel ist, dass in einigen Fällen eine versuchte Konstruktionsänderung zur Veränderung der Größe eines Radius oder der Breite einer Fläche eine kompensatorische Veränderung der Größe eines anderen Radius oder der Breite einer anderen Fläche erfordern könnte, wenn eine allgemeine Größe und/oder Form einer Ventilsitzfläche oder anderer Strukturen eines Ventilsitzeinsatzes oder eines zugehörigen Gaswechselventils beibehalten werden soll. Des Weiteren kann die Verwendung eines relativ harten Materials, wie z. B. von Aufschweißmaterial, wie hier besprochen, Konstruktions- oder Forschungsoptionen weiter erschweren, da das Aufschweißmaterial mit einem Gaswechselventil auf eine Weise interagieren kann, die anders ist, als man erwarten würde bei Verwendung von zum Beispiel einer herkömmlichen Grundmetalllegierung, insbesondere wenn Faktoren wie z. B. Winkel, Kronengröße oder andere variiert werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können Ventilsitzeinsätze in bestimmten geometrischen Konstruktionsparametern gebildet werden, um ein Ventilsitzflächenprofil bereitzustellen, das zum Widerstand gegen Ventilversenkung angepasst ist, das mit der Verwendung von gehärtetem Material funktioniert, um die Lebensdauer mindestens mehrere Male über bekannte Systeme zu verlängern sowie die Gleichmäßigkeit des Verschleißes im Betrieb aus einer Vielzahl von Ventilsitzeinsätzen sowohl in flüssigkeitsgekühlten als auch trockenen Ansaug- und Auslassventilanwendungen zu verbessern.
Die vorliegende Beschreibung dient lediglich der Veranschaulichung und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Fachleute werden daher anerkennen, dass verschiedene Modifikationen an den gegenwärtig offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom vollen und angemessenen Anwendungsbereich und Sinn der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei der Betrachtung der beigefügten Zeichnungen und angehängten Ansprüche deutlich. Wie hier verwendet, sollen die Artikel „ein“ und „eine“ ein oder mehrere Elemente beinhalten, und können austauschbar mit „ein/e oder mehrere“ verwendet werden. Wo nur ein Element gemeint ist, wird der Begriff „ein/e einzeln(e)“ oder ähnliche Sprache verwendet. Außerdem sollen die Begriffe „hat“, „haben“, „mit“ oder dergleichen, wie hier verwendet, unbegrenzte Begriffe sein. Ferner soll die Phrase „basierend auf” basierend, zumindest teilweise, auf bedeuten, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 8270417 A [0003]

Claims

Motorkopfanordnung (19), umfassend: einen Motorkopf (18) mit einer Gaswechselleitung (20, 21), die darin gebildet ist; einem Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228), der mindestens teilweise in dem Motorkopf (18) positioniert ist und eine Ventilsitzmittelachse definiert; ein Gaswechselventil (24, 25, 124, 224) einschließlich eines Ventilkopfs (26, 126) mit einer äußeren Ventilfläche (44) und einer inneren Ventilfläche (46, 146, 246), und wobei das Gaswechselventil (24, 25, 124, 224) zwischen einer geschlossenen Ventilposition, wo die innere Ventilfläche (46, 146, 246) den Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) berührt, und einer geöffneten Ventilposition beweglich ist; wobei der Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) eine axiale Endfläche (51, 148), die dem Zylinder (16) zugewandt ist, eine Innenumfangsfläche (56), die eine Öffnung (43) fluidmäßig zwischen dem Zylinder (16) und der Gaswechselleitung (20, 21) definiert, eine Außenumfangsfläche (58) und eine Ventilsitzfläche (40, 159, 259) hat, die sich zwischen der axialen Endfläche (51, 148) und der Innenumfangsfläche (56) erstreckt; wobei die Ventilsitzfläche (40, 159, 259) profiliert ist, um die Ventilversenkung zu beschränken, und, im Profil, ein äußeres gekrümmtes Segment (69, 162, 262) radial nach innen von der axialen Endfläche (51, 148), ein inneres lineares Segment (71, 166, 266) benachbart zu dem äußeren gekrümmten Segment (69, 162, 262) und ein inneres gekrümmtes Segment (73, 168, 268) beinhaltet. wobei das äußere gekrümmte Segment (69, 162, 262) eine erste Krone (62, 164, 264) bildet, die durch das Gaswechselventil (24, 25, 124, 224) in einem frühen Verschleißzustand berührt wird, und das innere gekrümmte Segment (73, 168, 268) eine zweite Krone (64, 170, 270) bildet, die durch das Gaswechselventil (24, 25, 124, 224) in einem späteren Verschleißzustand berührt wird, und wobei der Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) ein Basismaterial (57, 157, 257) und ein Aufschweißmaterial (61, 161, 261) beinhaltet, das mit dem Basismaterial (57, 157, 257) metallurgisch verbunden ist und die Ventilsitzfläche (40, 159, 259) bildet.
Motorkopfanordnung (19) nach Anspruch 1, wobei: jede der axialen Endfläche (51, 148) und der Innenumfangsfläche (56) aus dem Basismaterial (57, 157, 257) gebildet ist und Aufschweißmaterial (61, 161, 261) ein ringförmiges Band bildet, das sich von der axialen Endfläche (51, 148) zu der Innenumfangsfläche (56) erstreckt; eine Lauflänge der Ventilsitzfläche (40, 159, 259) durch das äußere gekrümmte Segment (69, 162, 262), das innere gekrümmte Segment (73, 168, 268) und das innere lineare Segment (71, 166, 266) gebildet wird, und das Aufschweißmaterial (61, 161, 261) eine Dicke hat, die weniger als die Lauflänge der Ventilsitzfläche (40, 159, 259) ist; der Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) eine Schweißverbindung (59, 158, 258) zwischen dem Basismaterial (57, 157, 257) und dem Aufschweißmaterial (61, 161, 261) beinhaltet, und die Schweißverbindung (59, 158, 258) im Profil eine gekrümmte Form beinhaltet; und das äußere gekrümmte Segment (69, 162, 262) durch einen ersten Radius gebildet ist, der eine erste Größe hat, und das innere gekrümmte Segment (73, 168, 268) durch einen zweiten Radius gebildet ist, der eine zweite Größe hat, und die erste Größe größer als die zweite Größe ist.
Motorkopfanordnung (19) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die innere Ventilfläche (146, 246) in einem Ventilwinkel relativ zu einer Ebene normal zu der Ventilsitzmittelachse ausgerichtet ist und das innere lineare Segment (71, 166, 266) in einem Sitzwinkel relativ zu der Ebene ausgerichtet ist, der größer als der Ventilwinkel ist, sodass ein Interferenzwinkel durch die innere Ventilfläche (146, 246) und das innere lineare Segment (166, 266) gebildet wird und sich Spiel (190, 290) dazwischen bildet; und die Innenumfangsfläche (56) im Profil ein oberes gekrümmtes Segment (173), das eine Zuflusskrone (175) bildet, und ein Segment mit Neigung (171) beinhaltet, das sich zwischen dem oberen gekrümmten Segment (173) und dem inneren gekrümmten Segment (168, 268) erstreckt; und das obere gekrümmte Segment (173) mit der zweiten axialen Endfläche (54) übergeht und die Zuflusskrone (175) radial nach innen von dem Motorkopf (18) abgesetzt ist, und das Segment mit Neigung (171) in einem Venturi-Winkel relativ zu der Ventilsitzmittelachse (142, 242) ausgerichtet ist, sodass die Innenumfangsfläche (56) einen Venturi bildet, um einen Zufluss von Gasen zu dem Zylinder (16) zu beschleunigen.
Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) für ein Gaswechselventil (24, 25, 124, 224), das den Gaswechsel eines Zylinders (16) in einem Verbrennungsmotor (10) steuert, umfassend: einen ringförmigen Einsatzkörper (50, 140, 240), der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche (52, 148), die strukturiert ist, um dem Zylinder (16) im Verbrennungsmotor (10) zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endfläche (54) erstreckt; wobei der ringförmige Einsatzkörper (50, 140, 240) ferner eine Innenumfangsfläche (56), die eine Öffnung (43) definiert, die strukturiert ist, um den Zylinder (16) mit einer Gaswechselleitung (20, 21) in einem Motorkopf (18) fluidmäßig zu verbinden, eine Außenumfangsfläche (58) und eine Ventilsitzfläche (40, 159, 259) hat, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche (52, 148) und der Innenumfangsfläche (56) erstreckt; wobei die Ventilsitzfläche (40, 159, 259) profiliert ist, um die Ventilversenkung zu beschränken, und, im Profil, ein äußeres gekrümmtes Segment (69, 162, 262) radial nach innen von der ersten axialen Endfläche (52, 148), ein inneres lineares Segment (71, 166, 266) benachbart zu dem äußeren gekrümmten Segment (69, 162, 262) und ein inneres gekrümmtes Segment (73, 168, 268) beinhaltet; wobei das äußere gekrümmte Segment (69, 162, 262) eine erste Krone (62, 164, 264) zum Berühren des Gaswechselventils (24, 25, 124, 224) in einem frühen Verschleißzustand bildet, und das innere gekrümmte Segment (73, 168, 268) eine zweite Krone (64, 170, 270) zum Berühren des Gaswechselventils (24, 25, 124, 224) in einem späteren Verschleißzustand bildet; und wobei der Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) ein Basismaterial (57, 157, 257) und ein Aufschweißmaterial (61, 161, 261) beinhaltet, das mit dem Basismaterial (57, 157, 257) metallurgisch verbunden ist und die Ventilsitzfläche (40, 159, 259) bildet.
Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) nach Anspruch 4, wobei: jede der ersten axialen Endfläche (52, 148) und der Innenumfangsfläche (56) aus dem Basismaterial (57, 157, 257) gebildet ist und das Aufschweißmaterial (61, 161, 261) sich von der ersten axialen Endfläche (52, 148) zu der Innenumfangsfläche (56) erstreckt; der ringförmigen Einsatzkörper (50, 140, 240) beinhaltet im Profil eine gekrümmte Schweißverbindung (59, 158, 258) zwischen dem Basismaterial (57, 157, 257) und dem Aufschweißmaterial (61, 161, 261), und die gekrümmte Schweißverbindung (59, 158, 258) rückt, bereinigt, radial nach innen und axial nach innen von der ersten axialen Endfläche (52, 148) zu der Innenumfangsfläche (56) vor; und das Basismaterial (57, 157, 257) eine Grundmetalllegierung ist und das Aufschweißmaterial (61, 161, 261) eine Kobalt-Molybdän-Legierung ist.
Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) nach Anspruch 4 oder 5, wobei: das innere gekrümmte Segment (73, 168, 268) an die Innenumfangsfläche (56) angrenzt und die Ventilsitzfläche (40, 159, 259) im Profil ferner ein äußeres lineares Segment (67, 160, 260) beinhaltet, das an die erste axiale Endfläche (52, 148) angrenzt; und die Ventilsitzfläche (40, 159, 259) rückt, bereinigt, radial nach innen und axial nach innen von der ersten axialen Endfläche (52, 148) zu der Innenumfangsfläche (56) vor; und das äußere gekrümmte Segment (69, 162, 262) durch einen Radius gebildet ist, der eine erste Größe hat, und das innere gekrümmte Segment (73, 168, 268) durch einen Radius gebildet ist, der eine zweite Größe hat, und die erste Größe größer als die zweite Größe ist.
Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) nach Anspruch 6, wobei die Größe des Radius, der das äußere gekrümmte Segment (69, 162, 262) bildet, etwa 6 Millimeter oder weniger beträgt, und die Größe des Radius, der das innere gekrümmte Segment (73, 168, 268) bildet, von etwa 0,4 Millimeter bis etwa 3 Millimeter beträgt.
Ventilsitzeinsatz (38, 138) nach einem der Ansprüche 4-7, wobei eine Einlauf-Flächenkontaktbreite (182) der Ventilsitzfläche (40, 159) zwischen 3 Millimeter und 6 Millimeter beträgt; und der Ventilsitzeinsatz einen Ansaugventilsitzeinsatz (38, 138, 228) beinhaltet, wobei die Ventilsitzfläche (40, 159) einen Sitzwinkel (70, 176, 276) von etwa 20° definiert.
Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) für ein Gaswechselventil (24, 25, 124, 224), das den Gaswechsel eines Zylinders (16) in einem Verbrennungsmotor (10) steuert, umfassend: einen ringförmigen Einsatzkörper (50, 140, 240), der eine Ventilsitzmittelachse definiert, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche (52, 148), die strukturiert ist, um einem Zylinder (16) im Verbrennungsmotor (10) zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endfläche (54) erstreckt; wobei der ringförmige Einsatzkörper (50, 140, 240) ferner eine Innenumfangsfläche (56), die eine Öffnung (43) definiert, die strukturiert ist, um den Zylinder (16) mit einer Gaswechselleitung (20, 21) in einem Motorkopf (18) fluidmäßig zu verbinden, eine Außenumfangsfläche (58) und eine Ventilsitzfläche (40, 159, 259) hat, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche (52, 148) und der Innenumfangsfläche (56) erstreckt; und wobei die Ventilsitzfläche (40, 159, 259) eine erste Krone (62, 164, 264) zum Berühren des Gaswechselventils (24, 25, 124, 224) in einem frühen Verschleißzustand, eine zweite Krone (64, 170, 270), die radial nach innen von der ersten Krone (62, 164, 264) positioniert ist, zum Berühren des Gaswechselventils (24, 25, 124, 224) in einem späteren Verschleißzustand, und eine mittlere Sitzfläche (66) beinhaltet, die im Profil linear ist und sich zwischen der ersten Krone (62, 164, 264) und der zweiten Krone (64, 170, 270) erstreckt, und wobei die Ventilsitzfläche (40, 159, 259) aus einem gehärteten Material (61, 161, 261) relativ zu einem Basismaterial (57, 157, 257) des Ventilsitzeinsatzes (38, 138, 228) gebildet ist, zum Verzögern von Ventilsitzversenkung als Reaktion auf Kontakt mit dem Gaswechselventil (24, 25, 124, 224).
Ventilsitzeinsatz (38, 138, 228) nach Anspruch 9, wobei jede der ersten axialen Endfläche (52, 148) und der Innenumfangsfläche (56) aus dem Basismaterial (57, 157, 257) gebildet ist, und das gehärtete Material (61, 161, 261) ein Aufschweißmaterial (61, 161, 261) beinhaltet, das ein ringförmiges Band bildet, das sich von der ersten axialen Endfläche (52, 148) zu der Innenumfangsfläche (56) erstreckt; der ringförmige Einsatzkörper (50, 140, 240) eine Schweißverbindung (59, 158, 258) zwischen dem Basismaterial (57, 157, 257) und dem Aufschweißmaterial (61, 161, 261) beinhaltet; und jede der Ventilsitzfläche (40, 159, 259) und der Schweißverbindung (59, 158, 258), bereinigt, radial nach innen und axial nach innen von der axialen Endfläche zu der Innenumfangsfläche (56) vorrückt.