DE112020004748T5

DE112020004748T5 - Ventilsitzring für motoren und schiffsmotoren mit hoher leistungsdichte

Info

Publication number: DE112020004748T5
Application number: DE112020004748.2T
Authority: DE
Inventors: Ashwin A. Hattiangadi; Abram M. Ingold; Rong Qu
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2022-06-15
Also published as: WO2021091841A1; US10934902B1

Abstract

Ein Ventilsitzring (38, 138) eines Motors (10) weist eine Ventilsitzfläche (59, 159) auf, die ein äußeres gebogenes Segment (62, 162), das eine erste Verschleißkrone (64, 164) für den Kontakt mit dem Ventil (24, 25) in einem frühen Verschleißzustand bildet, ein inneres gebogenes Segment (68, 168), das eine zweite Verschleißkrone (70, 170) für den Kontakt mit dem Ventil (24, 25) in einem späteren Verschleißzustand bildet, und ein sich zwischen dem äußeren und dem inneren gebogenen Segment (62, 162, 68, 168) erstreckendes lineares Segment (66, 166) beinhaltet. Ein schräges Segment (71, 171) ist in einem spitzen Winkel (77, 177) relativ zur Ventilsitz-Mittelachse (42, 142) ausgerichtet und bildet eine Venturidüse (55) oder einen Diffusor (55'0) für in den Zylinder (16) ein- oder austretende Gase.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Motorventile und zugehörige Hardware, und insbesondere auf einen Ventilsitzring für ein Einlassventil oder ein Auslassventil, die zur Bereitstellung einer langen Lebensdauer ausgelegt sind, während andere Motorleistungen nicht beeinträchtigt werden.
Stand der Technik
Gasaustauschventile werden in Verbrennungsmotoren zur Steuerung von Fluidverbindungen zwischen dem Zylinder und einer Zufuhr von Ansaugluft oder Ansaugluft und anderen Gasen, wie beispielsweise rückgeführtem Abgas, oder zwischen dem Zylinder und einem Abgaskrümmer zum Ausstoßen von Verbrennungsprodukten während des Betriebs verwendet. Es sind sowohl Konstruktionen, bei denen jeder Zylinder in einem Motor mit einem einzelnen Einlassventil und einem einzelnen Auslassventil assoziiert sind, als auch Konstruktionen, bei denen jedem Zylinder mit mehreren Gasaustauschventilen des jeweiligen Typs assoziiert sind, bekannt. Eine Nockenwelle, die normalerweise mit halber Motordrehzahl gedreht wird, ist zur Steuerung des Öffnens und Schließens der Gasaustauschventile zu geeigneten Motorsteuerzeitpunkten mit Ventilstößeln, Brücken, Kipphebeln und/oder anderen Vorrichtungen gekoppelt.
Gasaustauschventile werden aus dem Kontakt mit dem Motorkopf oder einem Ventilsitzring innerhalb des Motorkopfes heraus und in Kontakt mit diesem bewegt, um ihre Öffnungs- und Schließvorgänge zu bewirken. Gasaustauschventile können mit erheblichen mechanischen Kräften zwischen ihrer offenen und geschlossenen Stellung bewegt werden. Die zylinderinterne Umgebung ist mit Verbrennungstemperaturen von mehreren hundert Grad und relativ hohen Druckwerten verbunden. Diese und andere Faktoren tragen dazu bei, dass die Betriebsbedingungen für Gasaustauschventile recht rau sind. Es wurde beobachtet, dass Gasaustauschventile und Ventilsitze bzw. Ventilsitzringe im Laufe der Zeit ein Phänomen aufweisen können, das als Ventilrückzug bezeichnet wird. Im Laufe der Lebensdauer eines Motors oder zwischen den Wartungsintervallen können die zwischen einem Gasaustauschventil und seinem Ventilsitz hergestellten Kontakte in die Millionen oder möglicherweise sogar in die Milliarden gehen. Durch die rauen Bedingungen und die hohe Anzahl von Stößen kann das Material, aus dem das Gasaustauschventil und/oder der Ventilsitz geformt ist, verschleißen und/oder verformt werden, sodass sich das Ventil weiter als gewünscht in Richtung des Motorkopfes oder in diesen hinein „zurückzieht“. Wenn der Ventilsitzrückzug stark genug ist, kann der Motorbetrieb oder die Leistung beeinträchtigt werden, sodass manchmal eine so genannte Top-End-Überholung vorzeitig erforderlich wird. Ingenieure haben mit einer Vielzahl verschiedener Techniken experimentiert, um das Ausmaß und die Auswirkungen von Ventilsitzrückzug und anderen Ventilverschleißmustern zu lindern. Eine ständige Herausforderung bei dem Versuch, ein Ventil oder einen Ventilsitz neu zu konstruieren, sind die oft unvorhersehbaren Auswirkungen, die eine veränderte Geometrie auf den Gasstrom oder andere Betriebseigenschaften hat. Gasströmungsmuster und/oder Effizienz können Druck und Temperatur im Zylinder, die Zusammensetzung eines Brennstoff-Luft-Gemisches oder andere Parameter beeinflussen, die sich möglicherweise auf Strategien zur Emissionsreduzierung, die Motoreffizienz, Wärmeableitung oder thermische Ermüdung oder noch andere Parameter auswirken.
Bei bestimmten Motorentypen ist eine hohe Leistungsdichte erwünscht. In solchen Anwendungen, wie z. B. einem C175 EP-Antriebsmotor oder anderen Schiffsmotoren mit hoher Leistungsdichte, die vom Anmelder der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden, gelten einige als führend in der Branche, wenn es um Langlebigkeit und Haltbarkeit im Spitzenbereich geht. Eine kontinuierliche Verbesserung in diesem Bereich ist jedoch gerechtfertigt.
Die koreanische Patentanmeldung Nr. KR20040045752A offenbart, dass die von der Grenzfläche zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz gebildeten Winkel vorbestimmt werden können. In dieser Referenz wird jedoch nicht offengelegt, wie die Langlebigkeit eines Ventilsitzes verbessert werden kann, während gleichzeitig die anderen gewünschten Motorleistungen erhalten bleiben.
Kurzdarstellung der Erfindung
In einem Aspekt umfasst eine Motorkopfbaugruppe für einen Verbrennungsmotor einen Motorkopf mit einer darin ausgebildeten Fluidleitung und einem Ventil. Ein Ventilsitzring ist zumindest teilweise innerhalb des Motorkopfes angeordnet und definiert eine Ventilsitz-Mittelachse, die sich zwischen einer ersten axialen Endfläche, die strukturiert ist, um einem Zylinder im Verbrennungsmotor zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endfläche erstreckt. Der Ventilsitzring weist ferner eine Innenumfangsfläche, die eine Ventilkehle bildet, eine Außenumfangsfläche und eine Ventilsitzfläche auf. Die Ventilsitzfläche beinhaltet im Profil ein äußeres gebogenes Segment, das eine erste Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Ventil in einem frühen Verschleißzustand bildet, ein inneres gebogenes Segment, das eine zweite Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Ventil in einem späteren Verschleißzustand bildet, und ein lineares Segment, das sich zwischen dem äußeren gebogenen Segment und dem inneren gebogenen Segment erstreckt. Die Innenumfangsfläche beinhaltet im Profil ein schräges Segment. Das obere gebogene Segment geht in die zweite axiale Endfläche über und die obere Strömungskrone ist radial nach innen vom Motorkopf abgesetzt. Das schräge Segment ist in einem spitzen Winkel relativ zur Ventilsitz-Mittelachse ausgerichtet, sodass die Innenumfangsfläche entweder eine Venturidüse bildet, um eine in den Zylinder eintretende Gasströmung zu beschleunigen, oder als Diffusor wirkt, um eine aus dem Zylinder austretende Gasströmung zu verlangsamen.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Ventilsitzring für ein Einlassventil in einem Verbrennungsmotor einen ringförmigen Ringkörper, der eine Ventilsitz-Mittelachse 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 Ringkörper weist ferner eine eine Ventilkehle definierende Innenumfangsfläche auf, die zur Fluidverbindung des Zylinders mit einer Ansaugleitung in einem Motorkopf strukturiert ist, eine Außenumfangsfläche und eine Ventilsitzfläche für den Kontakt mit einem Einlassventil, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche und der Innenumfangsfläche erstreckt. Die Ventilsitzfläche beinhaltet im Profil ein äußeres gebogenes Segment, das eine erste Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Einlassventil in einem frühen Verschleißzustand bildet, ein inneres gebogenes Segment, das eine zweite Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Einlassventil in einem späteren Verschleißzustand bildet, und ein lineares Segment, das sich zwischen dem äußeren gebogenen Segment und dem inneren gebogenen Segment erstreckt. Die Innenumfangsfläche beinhaltet im Profil ein sich zwischen der zweiten axialen Endfläche und dem inneren gebogenen Segment erstreckendes schräges Segment. Das schräge Segment erstreckt sich von der zweiten axialen Endfläche in einem spitzen Winkel von etwa 20° oder mehr relativ zur Ventilsitz-Mittelachse radial nach innen, sodass die Innenumfangsfläche eine Venturidüse bildet, um eine in den Zylinder eintretende Gasströmung zu beschleunigen.
In noch einem anderen Aspekt umfasst ein Ventilsitzring für ein Auslassventil in einem Verbrennungsmotor einen ringförmigen Ringkörper, der eine Ventilsitz-Mittelachse 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 Ringkörper weist ferner eine eine Ventilkehle definierende Innenumfangsfläche auf, die zur Fluidverbindung des Zylinders mit einer Ansaugleitung in einem Motorkopf strukturiert ist, eine Außenumfangsfläche und eine Ventilsitzfläche für den Kontakt mit einem Einlassventil, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche und der inneren Umfangsfläche erstreckt. Die Ventilsitzfläche beinhaltet im Profil ein äußeres gebogenes Segment, das eine erste Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Einlassventil in einem frühen Verschleißzustand bildet, ein inneres gebogenes Segment, das eine zweite Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Einlassventil in einem späteren Verschleißzustand bildet, und ein lineares Segment, das sich zwischen dem äußeren gebogenen Segment und dem inneren gebogenen Segment erstreckt. Die Innenumfangsfläche beinhaltet im Profil ein oberes gebogenes Segment, das eine obere Strömungskrone bildet, und ein schräges Segment, das sich zwischen dem oberen gebogenen Segment und dem inneren gebogenen Segment erstreckt. Das obere gebogene Segment geht in die zweite axiale Endfläche über, und das schräge Segment erstreckt sich von dem oberen gebogenen Segment in einem spitzen Winkel von etwa 15° oder mehr relativ zur Ventilsitz-Mittelachse radial nach innen, sodass die Innenumfangsfläche einen Diffusor bildet, um einen aus dem Zylinder austretenden Gasstrom zu verlangsamen.
Figurenliste

1 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine bildliche Darstellung eines Ventilsitzrings gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, der in dem Verbrennungsmotor von 1 verwendet werden kann;
3 ist eine Schnittdarstellung durch den Ventilsitzring aus 2;
4 ist eine schematische Seitenschnittansicht von Bereichen eines Gasaustauschventils (Einlassventils) und eines Ventilsitzrings gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in dem Verbrennungsmotor von 1 verwendet werden können;
5 ist eine von Kreis 5 aus 4 genommene Detailansicht;
6 ist eine von Kreis 6 aus 5 genommene Detailansicht;
7 ist eine schematische Seitenschnittansicht von Bereichen eines Gasaustauschventils (Auslassventils) und eines Ventilsitzrings gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in dem Verbrennungsmotor von 1 verwendet werden können;
8 ist eine an Kreis 8 von 7 genommene Detailansicht;
9 ist eine an Kreis 9 von 8 genommene Detailansicht;
10 ist ein Vergleichsdiagramm eines Ventilsitzrings in einem Motorkopf in der Nähe eines Einlassventils gemäß verschiedenen Ausführungsformen und Prinzipien der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu einer früheren Konstruktion zur Darstellung reduzierter Kontaktbelastungen (Drücke);
11 ist ein Vergleichsdiagramm eines Ventilsitzrings in einem Motorkopf in der Nähe eines Einlassventils, gemäß verschiedenen Ausführungsformen und Prinzipien der vorliegenden Offenbarung, im Vergleich zu einer früheren Konstruktion zur Darstellung von reduziertem Verschleiß;
12 ist ein Vergleichsdiagramm eines Ventilsitzrings in einem Motorkopf in der Nähe eines Auslassventils gemäß verschiedenen Ausführungsformen und Prinzipien der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu einer früheren Konstruktion zur Darstellung reduzierter Kontaktbelastungen (Drücke);
13 ist ein Vergleichsdiagramm eines Ventilsitzrings in einem Motorkopf in der Nähe eines Einlassventils, gemäß verschiedenen Ausführungsformen und Prinzipien der vorliegenden Offenbarung, im Vergleich zu einer früheren Konstruktion zur Darstellung von reduziertem Verschleiß;
14 ist ein Diagramm des Strömungskoeffizienten im Vergleich zum Ventilhub/-durchmesser für Ansaugkanalausführungen gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer früheren Konstruktion; und
15 ist ein Diagramm des Strömungskoeffizienten im Vergleich zum Ventilhub/-durchmesser für Auslasskanalausführungen gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer früheren Konstruktion.

Ausführliche Beschreibung
Es wird nun ausführlich auf Ausführungsformen der Offenbarung Bezug genommen, deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Soweit wie möglich werden die gleichen Bezugsnummern in den Zeichnungen zum Bezeichnen gleicher oder ähnlicher Teile verwendet. In manchen Fällen wird in dieser Spezifikation eine Bezugsnummer angegeben und die Zeichnungen zeigen die Bezugsnummer gefolgt von einem Buchstaben, zum Beispiel 100a, 100b oder einem Prime-Zeichen wie 100', 100" usw. Es ist selbstverständlich, dass die Verwendung von Buchstaben oder Primen unmittelbar nach einer Bezugsnummer angibt, dass diese Merkmale ähnlich geformt sind und eine ähnliche Funktion haben, wie dies häufig der Fall ist, wenn die Geometrie um eine Symmetrieebene gespiegelt wird. Zur Vereinfachung der Erklärung in dieser Spezifikation sind Buchstaben oder Primen häufig nicht hierin enthalten, sondern können in den Zeichnungen dargestellt sein, um Duplizierungen der in dieser schriftlichen Spezifikation erläuterten Merkmale anzugeben.
Wie unter Bezugnahme auf 1 ersichtlich, ist ein Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform dargestellt, der ein Motorgehäuse 12 aufweist, das einen Zylinderblock 14 mit einem darin ausgebildeten Zylinder 16 beinhaltet. Der Verbrennungsmotor 10 (im Folgenden „Motor 10“) kann ein beliebiger Motor aus einer Vielzahl von Motoren sein, einschließlich eines Dieselmotors mit Selbstzündung, eines Ottomotors mit Fremdzündung, eines Gasbrennstoffmotors, der so strukturiert ist, dass er mit einem Brennstoff betrieben wird, der bei Standardtemperatur und -druck gasförmig ist, eines Zweistoffmotors oder noch anderer. Bei einem Dieselmotor mit Kompressionszündung, wie beispielsweise einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung, könnten geeignete Brennstoffe Dieseldestillatbrennstoff, Biodiesel, Mischungen aus diesen oder noch andere sein. Insbesondere bei den hierin erörterten Ausführungsformen kann der Motor ein C175 EP Antriebsmotor mit hoher Leistungsdichte oder ein anderer vom Anmelder der vorliegenden Offenbarung hergestellter Schiffsmotor sein. Andere Anwendungen werden im Rahmen der vorliegenden Offenbarung in Betracht gezogen. Ein Motorkopf 18 ist mit dem Zylinderblock 14 gekoppelt und weist eine erste Gasaustauschleitung 20 und eine zweite Gasaustauschleitung 21 auf, die in ihm ausgebildet sind. Die Gasaustauschleitungen 20 und 21 können jeweils oder entweder eine Ansaugleitung sein, die zur Fluidverbindung mit einem Ansaugkrümmer strukturiert ist, oder eine Abgasleitung, die zur Verbindung mit einem Abgaskrümmer strukturiert ist. In einer praktischen Implementierungsstrategie ist die Gasaustauschleitung 20 eine Ansaugleitung und die Gasaustauschleitung 21 eine Abgasleitung.
Ein Kolben 32 ist innerhalb des Zylinders 16 zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition beweglich und über eine Pleuelstange 34 in allgemein üblicher Weise mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) gekoppelt. Der Motor 10 kann eine beliebige Anzahl von Zylindern enthalten, die in einer beliebigen geeigneten Konfiguration angeordnet sind, z. B. in einer V-Konfiguration, einer Reihenkonfiguration oder in einer noch weiteren Konfiguration. Der Motorkopf 18 könnte einen monolithischen Motorkopf beinhalten, der mit allen einer Vielzahl von Zylindern im Motor 10 assoziiert ist, oder könnte einer von einer Vielzahl von separaten Motorkopfabschnitten sein, die mit jeweils weniger als allen Zylindern im Motor 10 assoziiert sind.
Der Motor 10 beinhaltet ferner ein erstes Gasaustauschventil 24, das ein Einlassventil umfassen kann, und ein zweites Gasaustauschventil 25, das ein Auslassventil umfassen kann. Das Gasaustauschventil 24, einschließlich der Aspekte seines Aufbaus und seiner Funktionsweise, wird hierin in der Einzahl besprochen, es versteht sich jedoch, dass die Beschreibung des Gasaustauschventils 24, sofern nicht anders angegeben, analog für alle anderen Gasaustauschventile innerhalb des Motors 10 gelten kann. Das Gasaustauschventil 24 ist mehr oder weniger vertikal in Bezug auf die Richtung der Hin- und Herbewegung des Kolbens 32 dargestellt, jedoch sollte auch ersichtlich sein, dass andere Ausbildungen, wie z. B. Gasaustauschventile in diagonalen Ausrichtungen, hierin in Betracht gezogen werden. Gasaustauschventil 24 beinhaltet auch eine mit einem Ventilkopf 26 verbundene Welle oder einen Schaft 28. Mit dem Gasaustauschventil 24 kann eine Ventilbrücke 30 oder dergleichen gekoppelt sein,, sodass sich das Gasaustauschventil 24 zusammen mit einem anderen Gasaustauschventil (nicht dargestellt) zwischen offenen und geschlossenen Positionen bewegen kann, beispielsweise in Reaktion auf die Drehung einer Nockenwelle und die Bewegung eines Kipphebels, einer Ventilstößelbaugruppe und/oder anderer Vorrichtungen. Eine Rückstellfeder 36 ist in allgemein üblicher Weise mit dem Gasaustauschventil 24 zur Vorspannung des Ventils in Richtung einer geschlossenen Position gekoppelt.
Motor 10 beinhaltet ferner eine Motorkopfbaugruppe 11, die aus dem Motorkopf 18 und einer Mehrzahl von mit den Gasaustauschventilen 24 bzw. 25 verbundenen Ventilsitzringen 38 und 39 gebildet wird. Das Gasaustauschventil 24 und analog dazu auch die anderen Gasaustauschventile des Motors 10 sind zwischen einer geschlossenen Ventilstellung und einer offenen Ventilstellung beweglich. In der geschlossenen Ventilstellung berührt eine innere Ventilfläche 46 den Ventilsitzring 38, während das Gasaustauschventil 25 den Ventilsitzring 39 berührt. In der geschlossenen Stellung ist der Zylinder 16 für die Fluidverbindung mit der entsprechenden Gasaustauschleitung 20 und 21 gesperrt. In der offenen Ventilstellung besteht eine Fluidverbindung. Eine äußere Ventilfläche 44 oder Verbrennungsfläche ist in Richtung des Zylinders 16 ausgerichtet. Wie auch aus der folgenden Beschreibung weiter ersichtlich wird, sind der Ventilsitzring 38 und möglicherweise auch der Ventilsitzring 39 zusammen mit den entsprechenden Gasaustauschventilen 24 und 25 so aufgebaut, dass sie die Art des Ventilrückzugs im Laufe einer Lebensdauer oder eines Wartungsintervalls des Motors 10 verlangsamen und verändern und Einlassgasströmungseigenschaften bereitstellen, die mindestens so wirksam sind wie die bekannter Konstruktionen und möglicherweise gegenüber diesen verbessert sind.
Bezugnehmend auf die 2 und 3 ist der Ventilsitzring 38 ausführlicher dargestellt. Es versteht sich auch, dass die Beschreibungen bestimmter Merkmale des Ventilsitzrings 38 als Bezug auf analoge Merkmale anderer hierin erörterter und in Betracht gezogener Ventilsitzringe zu verstehen sind, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich. Der Ventilsitzring 38 beinhaltet einen ringförmigen, einteiligen Ringkörper 40, der zumindest teilweise im Motorkopf 18 angeordnet ist, wie beispielsweise durch eine Presspassung, und eine Ventilsitz-Mittelachse 42 definiert. Der Ringkörper 40 kann aus einem Stahl, wie etwa einem hochlegierten gehärteten Stahl oder Werkzeugstahl, gegossen, bearbeitet und ausgeformt werden. Der Ventilsitzring 38 beinhaltet ferner eine erste, dem Zylinder 16 zugewandte axiale Endfläche 48, eine zweite axiale Endfläche 50, eine Innenumfangsfläche 52, die eine Ventilkehle 54 definiert, die fluidisch zwischen dem Zylinder 16 und der Gasaustauschleitung 20 angeordnet ist, um diese fluidisch zu verbinden, eine Außenumfangsfläche 56, und eine Ventilsitzfläche 59, die sich zwischen der ersten axialen Endfläche 48 und der inneren Umfangsfläche 52 erstreckt. Die Ventilsitz-Mittelachse 42 erstreckt sich zwischen der ersten axialen Endfläche 48 und der zweiten axialen Endfläche 50. Die Innenumfangsfläche 52 ist allgemein konisch oder kann einen konischen Abschnitt aufweisen und kann ferner als eine sich verjüngende Öffnung in Richtung der zweiten axialen Endfläche 50 angesehen werden. Die Innenumfangsfläche 52 und/oder ihre einzelnen Flächen bilden entweder eine Venturidüse 55, der sich in Richtung der Ventilkehle 54 verengt, um eine eintretende Gasströmung in den Zylinder 16 zu beschleunigen, wenn das Gasaustauschventil 24 (Einlassventil) geöffnet ist, um bestimmte Ventilsitzdifferenzen auszugleichen oder um sogar eine Verbesserung gegenüber früheren Konstruktionen zu erzielen, die andere oder keine speziellen Modifikationen aufweisen, um das Fortschreiten des Ventilsitzrückzugs zu verhindern oder zu verzögern. Alternativ kann die Innenumfangsfläche 152 bei Anwendung auf ein Auslassventil einen Diffusor 55' bilden, um die aus dem Zylinder 16 austretende Gasströmung zu verlangsamen (siehe 6).
Wie hierin mit Bezug auf 2 und 3 weiter erörtert, kann der Ventilsitzring 38 eine proportional größere Ventilsitzfläche als bestimmte frühere Konstruktionen und eine etwas geringere verfügbare Strömungsfläche für den Gasaustausch aufweisen, wobei die verbesserte Venturi-beschleunigte Strömung das kompensiert oder überkompensiert, was andernfalls als verminderte Leistung erwartet werden könnte. Die Außenumfangsfläche 56 besitzt eine zylindrische Form und kann in einem gleichmäßigen Abstand zur Ventilsitz-Mittelachse 42 angeordnet sein. In einer Implementierung ist der Ventilsitzring 38 „trocken“, d. h., es wird keine zusätzliche Kühlung durch Motorkühlmittel oder dergleichen verwendet. Die Außenumfangsfläche 56 kann ununterbrochen am Motorkopf 18 anliegen, sodass, wenn der Ventilsitzring 38 zur Wartung innerhalb des Motorkopfes 18 positioniert wird, etwa durch eine Presspassung, kein rückseitiger Kühlhohlraum oder ein anderer Hohlraum ausgebildet wird, der dem Ventilsitzring 38 Flüssigkeitskühlung bietet. Eine Fase 49 kann sich zwischen der äußeren Umfangsfläche 56 und der zweiten axialen Endfläche 50 erstrecken. Ähnliche Aussagen können auch in Bezug auf eine Auslassventilanwendung getätigt werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf die 4 und 5 wird daran erinnert, dass der Ventilsitzring 38 zur Verlangsamung und Beeinflussung des Fortschreitens bestimmter Verschleißformen strukturiert ist, die sich im Laufe der Zeit aus dem Kontakt zwischen Ventil und Ventilsitz ergeben. Der Ventilsitzring 38 beinhaltet, wie vorstehend erläutert, eine sich zwischen der ersten axialen Endfläche 48 und der inneren Umfangsfläche 52 erstreckende Ventilsitzfläche 59. Die Ventilsitzfläche 59 kann zur Begrenzung des Ventilrückzugs profiliert sein und beinhaltet im Profil ein äußeres, an die erste axiale Endfläche 48 angrenzendes lineares Segment 60, ein an das äußere lineare Segment 60 angrenzendes und in dieses übergehendes äußeres gebogenes Segment 62, ein an das äußere gebogene Segment 62 angrenzendes und in dieses übergehendes inneres lineares Segment 66 und ein an das innere lineare Segment 66 angrenzendes und in dieses übergehendes inneres gebogenes Segment 68. Unter dem inneren linearen Segment 66 ist eine mittlere Fläche mit linearem Profil zu verstehen, die sich zwischen dem äußeren gebogenen Segment 62 und dem inneren gebogenen Segment 68 erstreckt und in diese übergeht.
Unter übergehen mit, übergehend und verwandten Begriffen ist zu verstehen, dass ein Endpunkt eines Liniensegments auch der Endpunkt eines angrenzenden Liniensegments ist. Das äußere gebogene Segment 62 bildet eine erste Verschleißkrone 64 für den Kontakt mit dem Gasaustauschventil 24 in einem frühen Verschleißzustand, und das innere gebogene Segment 68 bildet eine zweite Verschleißkrone 70 radial innerhalb und axial innerhalb der ersten Verschleißkrone 64 für den Kontakt mit dem Gasaustauschventil 24 in einem späteren Verschleißzustand, wobei sich das innere lineare Segment 66 zwischen dem äußeren gebogenen Segment 62 und dem inneren gebogenen Segment 68 erstreckt. Unter dem hierin verwendeten Begriff „axial nach innen“ ist eine Richtung zu verstehen, die entlang der Ventilsitz-Mittelachse 42 zu einem Mittelpunkt eines Liniensegments der Achse 42 verläuft, das einer vollen 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 Begriffe, die üblicherweise verwendet werden.
Der Erstkontakt bei der ersten Inbetriebnahme von Ventilsitzring 38 und Gasaustauschventil 24 kann an einem Kontaktband zwischen der inneren Ventilfläche 46 und der ersten Verschleißkrone 64 erfolgen. Bei der Verformung und dem Verschleiß der jeweiligen Komponenten können diese von einem frühen Verschleißzustand, bei dem die Komponenten ein Band mit Linienkontakt oder nahezu Linienkontakt zwischen der inneren Ventilfläche 46 und der ersten Verschleißkrone 64 bilden, zu einem vollständigen Flächenkontakt übergehen, bei dem die innere Ventilfläche 46 im Wesentlichen parallel zu einem Teil des äußeren gekrümmten Segments 62 und des inneren linearen Segments 66 verläuft und vollständig mit diesen in Kontakt steht, sowie zu einem noch späteren Verschleißzustand, bei dem der vollständige Flächenkontakt beibehalten wird, aber auch in Kontakt mit der zweiten Verschleißkrone 70 übergeht. Es sollte beachtet werden, dass die Begriffe „früher Verschleißzustand“ und „später Verschleißzustand“ hierin in Bezug zueinander verwendet werden, was nicht unbedingt bedeutet, dass „früh“ neu oder „später“ alt bedeutet, obwohl diese Begriffe in einem konkreten Fall zutreffen könnten. Bestimmte Grundprinzipien, die in Bezug auf die Profilierung der Ventilsitzfläche 59 veranschaulicht werden, lassen sich auf eine Reihe verschiedener Ausführungsformen anwenden, von denen einige zusätzliche oder alternative strukturelle Details aufweisen, wie hierin weiter erläutert wird.
Die Innenumfangsfläche 52 beinhaltet im Profil auch ein schräges Segment 71, das geradlinig ist und sich zwischen dem inneren gebogenen Segment 68, das die zweite Verschleißkrone 70 bildet, und der zweiten axialen Endfläche 50 erstreckt (in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein weiterer Radius zwischen der zweiten axialen Endfläche 50 und dem schrägen Segment 71 eingefügt sein oder nicht). In der in 4 dargestellten Ausführungsform treffen sich der Schnittpunkt des schrägen Segments 71 und die zweite axiale Endfläche 50 in einer scharfen Spitze, die mit der Seitenwand des Motorkopfes 18 zusammenfällt oder nahezu zusammenfällt. Mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist dies möglicherweise nicht der Fall.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Radius“ auf eine physikalische Flächenstruktur, während „Radiusgröße“ die Abmessung eines geometrischen Radius eines Kreises bezeichnet, der durch diese physikalische Flächenstruktur definiert ist. In diesem Zusammenhang können Radien einen einzelnen Radius oder mehrere, unterschiedliche Radien, Verzahnungen, Ellipsen, usw. beinhalten.
Das schräge Segment 71 kann sich in Umfangsrichtung um die Ventilsitz-Mittelachse 42 erstrecken und ist in einem spitzen Winkel 77 relativ zur Achse 42 ausgerichtet, der in Umfangsrichtung gleichmäßig um die Ventilsitz-Mittelachse 42 sein kann und etwa 20,0° oder mehr beträgt, insbesondere etwa 25,0° bis etwa 27,0°, und in einigen Ausführungsformen etwa 26,1° betragen kann. Das schräge Segment 71 kann ferner in das innere gebogene Segment 68 übergehen (andere Geometrien, einschließlich gerader Linien, Kurven usw., können dazwischen liegen), wobei die Ventilkehle 54 durch ein vertikales Segment 83 definiert ist, das sich vertikal von dem inneren gebogenen Segment 68 zu dem schrägen Segment 71 erstreckt und das innere gebogene Segment 68 mit dem schrägen Segment 71 verbindet. Die Ventilkehle 54 kann einen Ventilkehlendurchmesser 53 von etwa 49,65 Millimetern definieren.
Die Größe des Radius, der das innere gebogene Segment 68 und damit die zweite Verschleißkrone 70 bildet, kann zwischen etwa 0,3 Millimeter und etwa 0,5 Millimeter betragen, insbesondere etwa 0,4 Millimeter. Die Größe des Radius, der das äußere gebogene Segment 62 bildet, liegt zwischen etwa 5,0 Millimetern und etwa 6,0 Millimetern (z. B. etwa 5,4 Millimeter oder andere Werte größer als 5,0 Millimeter).
In den Illustrationen der 4 und 5 ist zudem zu erkennen, dass die innere Ventilfläche 46 in einem Ventilwinkel 74 relativ zu einer Ebene 72 ausgerichtet ist, die senkrecht zur Ventilsitz-Mittelachse 42 ausgerichtet ist. Das innere lineare Segment 66 ist relativ zu der Ebene 72 in einem Sitzwinkel 76 ausgerichtet, der größer ist als der Ventilwinkel 74. Zwischen der inneren Ventilfläche 46 und dem inneren linearen Segment 66 wird ein Interferenzwinkel 78 gebildet, und zwischen der inneren Ventilfläche 46 und dem inneren linearen Segment 66 wird ein Abstand 80 gebildet. Ventilwinkel 74 kann von dem Sitzwinkel 76 um etwa 0,3° bis etwa 0,4° (z. B. etwa 0,37°) abweichen. Der Sitzwinkel 76 kann zwischen etwa 10° und etwa 20° betragen, wobei der Sitzwinkel 76 in einer praktischen Implementierung etwa 15° betragen kann. Der Begriff „etwa“, wie hierin verwendet, sollte im Kontext der üblichen Rundung auf eine gleichbleibende Anzahl von signifikanten Stellen verstanden werden. Dementsprechend bedeutet „etwa 20“ ein Wert von 19,5 bis 20,4, „etwa 19,5“ ein Wert von 19,45 bis 19,54 und so weiter.
Ein zweiter Abstand 90 kann zwischen der inneren Ventilfläche 46 und dem äußeren gebogenen Segment 62 gebildet werden und erstreckt sich von einem Kontaktband, das im frühen Verschleißzustand etwa wie dargestellt zwischen der inneren Ventilfläche 46 und der ersten Verschleißkrone 64 ausgebildet ist, radial nach außen und axial nach außen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Erstkontaktband eine ringförmige Form aufweisen und im Wesentlichen ein Linienkontaktmuster sein kann, jedoch erwartet wird, dass es sich im Laufe des frühen Einlaufens in Richtung eines Flächenkontaktmusters zu verändern beginnt. Eine Größe des zweiten Abstands 90 kann eine Stirnlänge 92 zwischen der inneren Ventilfläche 46 und dem äußeren gekrümmten Segment 62 der Ventilsitzfläche 59 beinhalten, die etwa 0,2 Millimeter bis etwa 0,3 Millimeter (z. B. etwa 0,25 Millimeter) beträgt. Die Stirnlänge 92 kann als der Abstand von dem Kontaktband zu einer Außenkante der nach oben weisenden Absperrfläche 29 des Ventilkopfes 26 verstanden werden.
In 4 ist zudem ein Vollsitzbreitenmaß 84 bzw. eine theoretische Vollsitzbreite des Ventilsitzrings 38 dargestellt, die bei fortschreitendem Verschleiß zwischen den Komponenten im Vergleich zu einer Einlaufflächenkontaktbreite, die sich bei anfänglichem Vollkontakt ergibt, verfügbar werden kann. Die Einlaufflächenkontaktbreite ist bei 82 dargestellt und konnte nach einem frühen Einlaufen beobachtet werden. In einer Implementierung kann die Vollsitzbreite 84 etwa 4,0 Millimeter bis etwa 5,0 Millimeter, insbesondere etwa 4,463 Millimeter betragen. Die Einlaufflächenkontaktbreite 82 in der Ausführungsform von 4 kann etwa 4,0 Millimeter, insbesondere etwa 3,829 Millimeter, betragen. Die Endflächenbreite der ersten axialen Endfläche 48 ist in 5 mit 86 dargestellt und kann etwa 1 Millimeter (z. B. etwa 1,054 Millimeter) betragen. Eine lineare Segmentbreite des äußeren linearen Segments 60 ist bei 88 dargestellt und kann etwa 0,631 Millimeter betragen. Ein zwischen dem äußeren linearen Segment 60 in 5 und dem Ventil 24 gebildeter Winkel 61 ist mit etwa 5,0 Grad dargestellt, und die Abstandsdistanz 79 zwischen dem Ventil 24 und dem Ventilsitzring 38 ist in 6 mit etwa 0,0043 mm angegeben. In 4 kann das untere gebogene Segment 85 einen Radius von etwa 2,0 Millimetern aufweisen.
Mit Blick auf die 7 und 8 sind Merkmale eines Ventilsitzrings 138 und eines ringförmigen Ringkörpers 140 in Kontakt mit einem Gasaustauschventil 25 dargestellt, das ein Auslassventil gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhalten kann. Der Ventilsitzring 138 beinhaltet eine zur Begrenzung des Ventilrückzugs profilierte Ventilsitzfläche 159 und beinhaltet im Profil ein an eine erste axiale Endfläche (nicht nummeriert) angrenzendes äußeres lineares Segment 160, ein an das äußere lineare Segment 160 angrenzendes und in dieses übergehendes äußeres gebogenes Segment 162, das eine erste Verschleißkrone 164 bildet, mit der das Gasaustauschventil 25 in einem frühen Verschleißzustand in Kontakt kommt. Die Ventilsitzfläche 159 beinhaltet ferner ein an das äußere gekrümmte Segment 162 angrenzendes und in dieses übergehendes inneres lineares Segment 166 und ein an das innere lineare Segment 166 angrenzendes und in dieses übergehendes inneres gekrümmtes Segment 168, das eine zweite Verschleißkrone 170 bildet, die sich radial nach innen und axial nach innen von der ersten Verschleißkrone 164 erstreckt und in einem späteren Verschleißzustand vom Gasaustauschventil 25 berührt wird.
Eine innere Ventilfläche 146 ist relativ zu einer senkrecht zur Ventilsitz-Mittelachse 142 verlaufenden Ebene 172 in einem Ventilwinkel 174 ausgerichtet. Das innere lineare Segment 166 ist relativ zu der Ebene 172 in einem Sitzwinkel 176 ausgerichtet, der größer ist als der Ventilwinkel 174, sodass ein Interferenzwinkel 178 gebildet wird. Zwischen dem Gasaustauschventil 25 und dem inneren linearen Segment 166 wird ein Abstand 180 gebildet. Der Sitzwinkel 176 kann zwischen etwa 30,0° und etwa 40,0° liegen und kann etwa 38,0° betragen. Ein Interferenzwinkel 178 kann etwa 0,5° bis etwa 0,7° und insbesondere etwa 0,6° betragen.
Ein zweiter Abstand 190, wie in 8 dargestellt, erstreckt sich von einem Kontaktband zwischen der inneren Ventilfläche 146 und der ersten Krone 164 radial nach außen und axial nach außen. Bei dem in 7 dargestellten Ventilsitzring 138, der einen Auslassventilsitzring beinhalten kann, kann das Vollsitzbreitenmaß 184 etwa 5,0 Millimeter, insbesondere etwa 5,16 Millimeter, betragen. Die Einlaufflächenkontaktbreite 182 kann etwa 4,0 Millimeter bis etwa 5,0 Millimeter, insbesondere etwa 4,58 Millimeter, betragen. Eine lineare Segmentbreite 188 kann etwa 0,552 Millimeter betragen und eine Endflächenbreite 186 kann etwa 1,88 Millimeter betragen. Eine Abstandsstirnlänge 192 kann etwa 0,299 mm betragen.
Der Ventilsitzring 138 beinhaltet auch eine Innenumfangsfläche 152 mit einem unteren linearen Segment (vertikales Segment 183), das sich zwischen einer zweiten Verschleißkrone 170 und einer durch ein unteres gebogenes Segment 185 gebildeten zweiten Strömungskrone 187 erstreckt und in diese übergeht, und einem schrägen Segment 171, das sich zwischen einem unteren gebogenen Segment 185 und einem oberen gebogenen Segment 173, das eine obere Strömungskrone 175 bildet, erstreckt und in diese übergeht. Die obere Strömungskrone 175 ist um einen Abstand 181 vom Motorkopf 18 versetzt, der größer ist als die Größe des Radius, der das obere gebogene Segment 173 und damit die Eingangsströmungskrone 175 bildet. In ähnlicher Weise wird das äußere gebogene Segment 162 durch einen Radius gebildet, der größer ist als der Radius, der das obere gebogene Segment 173 bildet.
Die Innenumfangsfläche 152 beinhaltet ebenfalls ein vertikales Segment 183, das parallel zur Ventilsitz-Mittelachse 142 ausgerichtet ist und jeweils in ein unteres gebogenes Segment 185 und ein oberes gebogenes Segment 173 übergeht. Eine Ventilkehle 54' (kann einen Innendurchmesser des Ventilsitzringes (kann auch als Kehlendurchmesser 53' bezeichnet werden) von etwa 48,7 mm definieren) wird durch das vertikale Segment 183 definiert. In einer Implementierung beträgt die Lauflänge des vertikalen Segments 183 etwa 1,4 Millimeter bis etwa 1,6 Millimeter (z. B. kann sie etwa 1,5 Millimeter betragen). Die Größe des das obere gebogene Segment 173 bildenden Radius kann etwa 0,5 Millimeter (z. B. zwischen etwa 0,4 Millimeter und etwa 0,6 Millimeter) betragen. Die Größe des die zweite Verschleißkrone 70 bildenden Radius kann etwa 0,3 Millimeter bis etwa 0,5 Millimeter (z. B. etwa 0,4 Millimeter) betragen. Die Einlaufflächenkontaktbreite 182 kann etwa 4,0 Millimeter bis etwa 5,0 Millimeter und insbesondere etwa 4,58 Millimeter betragen. Die Vollflächenkontaktbreite 184 kann etwa 5,0 Millimeter und insbesondere etwa 5,16 Millimeter, betragen. Ein spitzer Winkel 177 kann etwa 15° oder mehr und insbesondere etwa 20,0° bis 23,0° (z. B. etwa 21,62°) betragen. Die Größe des das äußere gebogene Segment 162 bildenden Radius liegt zwischen etwa 5,0 Millimetern und etwa 6,0 Millimetern (z. B. etwa 5,4 Millimetern).
In 9 ist die Abstandsdistanz 79' zwischen dem Ventil 25 und dem Ventilsitzring 138 mit etwa 0,0055 mm dargestellt.
Wie vorstehend angedeutet, können verschiedene Merkmale und Proportionen der verschiedenen Ausführungsformen des Ventilsitzrings innerhalb gemeinsamer Dimensions- oder Proportionsbereiche liegen, wobei die dargestellten Ausführungsformen unterschiedliche praktische Implementierungsstrategien darstellen. Im Folgenden sind allgemeine Dimensions- und Winkelbereiche aufgeführt, die als zum Vorsehen geeigneter Kerndesignprinzipien entdeckt wurden.
Die Größe des die erste Verschleißkrone 64, 164 bildenden äußeren gebogenen Segments 62, 162 kann größer sein als die Größe des die zweite Verschleißkrone 70, 170 bildenden inneren gebogenen Segments 68, 168. In ähnlicher Weise kann das äußere gebogene Segment 62, 162 durch einen Radius mit einer Größe von etwa 5,0 Millimetern bis etwa 6,0 Millimetern gebildet werden. Das innere gebogene Segment 68, 168 kann durch einen Radius mit einer Größe von etwa 0,2 Millimetern bis etwa 0,5 Millimetern gebildet werden. Der das innere gebogene Segment 80, 180 und damit die zweite Verschleißkrone 70, 170 bildende Radius kann kleiner sein als der das äußere gebogene Segment 62, 162 und damit die erste Verschleißkrone 64, 164 bildende Radius und der das obere gebogene Segment 173 bildende Radius.
In ähnlicher Weise kann das äußere gebogene Segment 62, 162 durch einen Radius gebildet werden, der größer ist als der des oberen gebogenen Segments 173 bildende Radius. Die Vollflächenkontaktbreite 84, 184 kann zwischen etwa 5,0 Millimetern und etwa 6,0 Millimetern, insbesondere etwa 5,16 Millimetern, liegen. Die Einlaufflächenkontaktbreite 82, 182 kann zwischen etwa 3,0 Millimetern und etwa 5,0 Millimetern, insbesondere zwischen etwa 3,829 Millimetern und etwa 4,58 Millimetern, liegen. Der Interferenzwinkel 78, 178 kann zwischen etwa 0,3° und etwa 0,7° und insbesondere zwischen etwa 0,37° und etwa 0,6° liegen. Die Stirnlänge 88, 188 kann zwischen etwa 0,5 Millimeter und etwa 0,70 Millimeter betragen. Der spitze Winkel 77, 177 kann zwischen etwa 5° und etwa 15°, insbesondere zwischen etwa 10,0° und etwa 30,0° liegen. Die Lauflänge des inneren linearen Segments 66, 166 kann in Übereinstimmung mit dem Vollflächenbreitenbereich und anderen hierin beschriebenen Parametern der Ventilsitzfläche variieren. Der das obere gebogene Segment 173 und damit die erste Strömungskrone 175 bildende Radius kann etwa 0,4 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter betragen. Das untere gebogene Segment 185 und damit die zweite Strömungskrone 187 kann von einem Radius von etwa 0,5 Millimetern bis etwa 2,5 Millimetern und insbesondere von etwa 1,0 Millimetern bis etwa 2,0 Millimetern gebildet werden. Der die zweite Strömungskrone 187 bildende Radius kann kleiner sein als jeder der Radien, die das äußere gebogene Segment 62 und damit die erste Verschleißkrone 164 bilden, und kann größer sein als der Radius, der das obere gebogene Segment 173 und damit die obere Strömungskrone 175 bildet.
Gewerbliche Anwendbarkeit
In der Praxis kann eine Maschine, ein Motor, der von der Maschine verwendet wird, ein Ventilsitzring, ein Ventil und/oder eine beliebige Kombination dieser verschiedenen Anordnungen und Komponenten hergestellt, gekauft oder verkauft werden, um eine Maschine oder einen Motor, der sich bereits im Einsatz befindet, in einem Nachrüstungskontext nachzurüsten, oder alternativ kann sie/er in einem Originalgerätehersteller-Kontext (OEM-Kontext) hergestellt, gekauft, verkauft oder anderweitig bezogen werden.
Wie bereits zuvor ausgeführt, können die oben genannten Ausführungsformen die Lebensdauer des Ventilsitzrings und/oder des Ventils erhöhen, während die Motorleistung(en) beibehalten oder sogar verbessert wird/werden, wie hierin nachfolgend näher erläutert wird.
In einem Motor 10 kann der Ventilsitzring 38, 138 das obere gebogene Segment 73, 173 beinhalten, das in die zweite axiale Endfläche 50 übergeht, und die obere Strömungskrone 75, 175 kann radial nach innen vom Motorkopf 10 versetzt sein. Das schräge Segment 71, 171 kann in einem spitzen Winkel 77, 177 relativ zu den Ventilsitz-Mittelachse 42 ausgerichtet sein, sodass die Innenumfangsfläche 52, 152 entweder eine Venturidüse 55 bildet, um eine in den Zylinder 16 eintretende Gasströmung zu beschleunigen, oder als Diffusor 55' wirkt, um eine aus dem Zylinder 16 austretende Gasströmung zu verlangsamen.
Der spitze Winkel 77, 177 kann bei bestimmten Ausführungsformen von etwa 10,0° bis etwa 30,0° reichen.
In weiteren Ausführungsformen definiert das lineare Segment der Ventilsitzfläche 59, 159 eine Einlaufflächenkontaktbreite 82, 182, die etwa 3,5 Millimeter bis etwa 5,0 Millimeter beträgt, und das schräge Segment 71, 171 hat eine Lauflänge, die größer (siehe 4) oder kleiner (siehe 7) als die Einlaufflächenkontaktbreite 82, 182 ist.
In bestimmten Ausführungsformen ist die obere Strömungskrone 175 radial nach innen vom Motorkopf 10 um einen Abstand 181 versetzt, der größer ist als die Größe eines das obere gebogene Segment 173 bildenden Radius.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Größe des das obere gebogene Segment 73 bildenden Radius etwa 0,4 Millimeter bis etwa 0,6 Millimeter, die Größe des das äußere gebogene Segment 62, 162 bildenden Radius etwa 5,0 Millimeter bis etwa 6,0 Millimeter und die Größe des das innere gebogene Segment 68, 168 bildenden Radius etwa 0,3 Millimeter bis etwa 0,5 Millimeter. In bestimmten Ausführungsformen verbindet ein vertikales Segment 83, 183 das obere gebogene Segment 73, 173 mit dem inneren gebogenen Segment 68, 168, und die Ventilkehle 54 wird durch das vertikale Segment 83, 183 definiert. Das vertikale Segment 83, 183 kann eine Höhe definieren, die zwischen etwa 1,0 Millimetern und etwa 2,0 Millimetern liegt.
In einigen Ausführungsformen bildet das untere gebogene Segment eine zweite Strömungskrone 185.
Im Motor 10 steht der Zylinder 16 in Fluidverbindung mit der Fluidleitung (z. B. Ansaugleitung 20, Abgasleitung 21), ein im Zylinder 16 angeordneter Kolben 32, der zur Aufwärts- und Abwärtsbewegung im Zylinder 16 ausgelegt ist, und ein Ventil (z. B. ein Einlassventil 24 oder ein Auslassventil 25), das zwischen dem Kolben 32 und dem Ventilsitzring 38, 138 angeordnet ist, wobei das Ventil eine nach oben weisende Absperrfläche 29 beinhaltet, die ausgelegt ist, mit dem Ventilsitzring 38, 138 in Eingriff und außer Eingriff zu kommen. Die nach oben weisende Absperrfläche 29 kann flach sein.
Bezugnehmend auf 10 zeigt ein Vergleichsdiagramm, wie die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für ein Einlassventil (im Balken ganz rechts im Diagramm dargestellt) die Kontaktdrücke (Spannungen) um bis zu 40 % oder mehr im Vergleich zu früheren Konstruktionen (siehe den zweiten bis ganz linken Balken) und dem Ziel reduziert haben. Dies kann auf eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz zurückzuführen sein. Daher würde ein Fachkundiger auf dem Gebiet erwarten, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine verbesserte Langlebigkeit aufweisen und über die Lebensdauer des Motors weniger Wartung erfordern.
In ähnlicher Weise stellt 11 dar, dass Last x Schlupf für ein Einlassventil (was eine den Verschleiß vorhersagende Variable ist) im Vergleich zu früheren Konstruktionen um bis zu 40 % oder mehr verringert wird (Vergleich des Balken ganz links mit dem Balken ganz rechts).
12 ist ebenfalls ein Vergleichsdiagramm, das darstellt, wie die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für ein Auslassventil (im Balken ganz rechts im Diagramm dargestellt) die Kontaktdrücke (Spannungen) im Vergleich zu früheren Konstruktionen (siehe Balken ganz links) um bis zu 40 % oder mehr reduziert haben. Dies kann auf eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz zurückzuführen sein. Daher würde ein Fachkundiger auf dem Gebiet erwarten, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine verbesserte Langlebigkeit aufweisen und über die Lebensdauer des Motors weniger Wartung erfordern.
In ähnlicher Weise stellt 13 dar, dass Last x Schlupf für ein Auslassventil (was eine den Verschleiß vorhersagende Variable ist) im Vergleich zu früheren Konstruktionen um bis zu 50 % oder mehr verringert wird (Vergleich des Balken ganz links mit dem Balken ganz rechts). Ventilsitzringe können eine entscheidende Rolle bei der Motorleistung und Haltbarkeit spielen, indem sie das Verschleißverhalten für die Lebensdauer des Motorkopfes beeinflussen. Die Optimierung des Luftstroms bei gleichzeitiger Reduzierung des Verschleißes hat sich als große Herausforderung erwiesen. Während des Betriebs eines Motors bewegen sich die Einlassventile in und aus dem Kontakt mit einem Ventilsitzring. Gase, die Luft oder mit anderen Gasen gemischte Luft, wie zum Beispiel rückgeführte Abgase oder gasförmiger Kraftstoff, enthalten, werden dem Motor in der Regel mit einem Druck zugeführt, der höher als der atmosphärische Druck ist, zum Beispiel von einem Turboladerverdichter. Die Abwärtsbewegung eines Kolbens in Verbindung mit der Druckbeaufschlagung der Ansauggase bewirkt, dass die Ansauggase in den Zylinder strömen, wenn sich der Kolben in einem Ansaugtakt von einer oberen Totpunktposition zu einer unteren Totpunktposition bewegt, solange das Einlassventil geöffnet ist.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung strömen die auf die obere Strömungskrone 75 treffenden Ansauggase relativ gleichmäßig an der oberen Strömungskrone 75 vorbei und treten in die von der inneren Umfangsfläche 52 gebildete Venturidüse 55 ein. Nach dem Eintritt in die Venturidüse beginnen die einströmenden Gase nach bekannten Prinzipien in Richtung des zugehörigen Zylinders zu beschleunigen. Anschließend ist zu erwarten, dass die beschleunigten Ansauggase gleichmäßig um die zweite Strömungskrone 87 und um die zweite Verschleißkrone 70, vorbei an der Ventilsitzfläche 59 und schließlich um das und vorbei an dem Gasaustauschventil 24 und in den zugehörigen Zylinder zur Verbrennung mit dem darin befindlichen Kraftstoff strömen. Die gleichmäßige und beschleunigte Strömung durch die Ventilsitzringe der vorliegenden Offenbarung kann die reduzierte Strömungsfläche im Vergleich zur Konstruktion des Ventilsitzrings 38 und anderen Konstruktionen mit Einbußen hinsichtlich des Ventilsitzes oder der Ventilleistung oder der Motorlebensdauer kompensieren bzw. überkompensieren.
14 zeigt, dass der Strömungskoeffizient des Ansaugkanals bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in etwa der gleiche ist wie bei früheren Konstruktionen. Ein Fachkundiger auf dem Gebiet würde also keine Verschlechterung der Motorleistung in Bezug auf Strömungsmechanik, Thermodynamik, Emissionen usw. erwarten, während gleichzeitig das Intervall für die Wartung des Ventilsitzringes oder des Ventils usw. reduziert wird. Daher kann ein Fachkundiger auf dem Gebiet vermuten, dass der Kompromiss (die Abwägung) zwischen Langlebigkeit und anderen Motorleistungen mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung überwunden wurde.
Ebenso stellt 15 dar, dass der Strömungskoeffizient des Auslasskanals zwischen verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und der Basislinie (vorherige Konstruktion) gleich bleibt. Auch hier würde ein Fachkundiger auf dem Gebiet also keine Verschlechterung der Motorleistung in Bezug auf Strömungsmechanik, Thermodynamik, Emissionen usw. erwarten, während gleichzeitig das Intervall für die Wartung des Ventilsitzringes oder des Ventils usw. reduziert wird. Daher kann ein Fachkundiger auf dem Gebiet vermuten, dass der Kompromiss (die Abwägung) zwischen Langlebigkeit und anderen Motorleistungen mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung überwunden wurde.
Der dem Ventilsitzring 38, 138 zugeordnete Ventilsitzdurchmesser ist geringer als die den Ventilsitzringen 38, 138 zugeordneten Vollflächenkontaktbreiten und der Ventilsitzring 38, 138 ist nicht mit Verschleißkronen oder bestimmten anderen speziellen Ventilsitzgeometrien ausgebildet. Die hierin erörterten Verschleißkronen sind in Verbindung mit den Ventilsitz-Kontaktbreiten, Sitzwinkeln, Ventilwinkeln und anderen geometrischen Merkmalen so ausgelegt, dass sie Ventil-Ventilsitz-Stöße dämpfen, um das Anschlagen des Ventilsitzes zu reduzieren und bestimmte Verschleißarten zu verlangsamen. Die Bereitstellung einer Ventilsitzgeometrie, die mit solchen Zielen übereinstimmt, kann zu Verbesserungen gegenüber Ventilsitzkonstruktionen führen, wie sie im Ventilsitzring 38, 138 verwendet werden, doch es wurde festgestellt, dass die Konstruktion anderer Eigenschaften des Ventilsitzrings, wie z. B. die Gasströmungseigenschaften, gewissen Einschränkungen unterliegt.
In diesem Sinne kann die Geometrie des Ventilsitzringes 38, 138 in Bezug auf die Einlassventilsitzeigenschaften und die Geometrie des Ventilsitzringes 38, 138 in Bezug auf die Einlassgasströmungseigenschaften als ein System von kreuzgekoppelten Variablen verstanden werden, bei dem die Änderung eines Aspekts der Ventilsitzringgeometrie einen anderen Aspekt der Ventilsitzringgeometrie, oft auf unvorhersehbare Weise, beeinflussen kann. Zum Beispiel erfordert die Bereitstellung einer zweiten Verschleißkrone 70, 170 tendenziell eine Reduzierung des Ventilkehlendurchmessers, wenn der Ventilsitzdurchmesser beibehalten oder vergrößert werden soll. Im Fall der zweiten Verschleißkrone 70, 170 könnte ein zu großer Radius den Strömungsbereich, den spitzen Winkel, den Sitzwinkel oder andere Parameter beeinflussen. Ein zu kleiner Radius könnte nicht die gewünschten Strömungsmuster liefern und/oder die gewünschte Ventilsitzleistung beeinträchtigen.
Der Einbau eines Ventilsitzringes mit oben liegender Strömungskrone 75, 175 und die Positionierung der oberen Strömungskrone 75. 175, dass sie vom Motorkopf versetzt ist, kann den verfügbaren Strömungsbereich gegenüber einem Ventilsitzring ohne obere Strömungskrone und ohne Versatz zum Motorkopf weiter reduzieren. Wenn der Radius, der eine obere Strömungskrone bildet, beispielsweise zu klein ist, werden die vorteilhaften Auswirkungen auf die Anströmung der Ansauggase möglicherweise nicht realisiert. Ist der eine obere Strömungskrone bildende Radius zu groß ist, dann ist der spitze Winke möglicherweise zu eng, um eine gewünschte Beschleunigung der Strömung zu erreichen. Zusätzliche Faktoren wie die Bestimmung eines geeigneten spitzen Winkelbereichs, eines Sitzwinkelbereichs, ob eine zweite Strömungskrone verwendet wird, und noch andere können ähnliche Auswirkungen haben. Wenn mehr als ein Konstruktionsparameter von Konstruktion zu Konstruktion variiert wird, können die Auswirkungen auf die Leistung noch komplexer und unvorhersehbar sein. Aus diesen allgemeinen Gründen wird deutlich, dass die optimierten Konstruktionen und parametrischen Richtlinien der vorliegenden Offenbarung einen praktischen Ausgleich der Faktoren bieten, die den Ventilsitz und die Ansauggasströmungsleistung beeinflussen. In einigen Fällen kann der Kompromiss tatsächlich überwunden werden.
Zusammenfassend weisen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine neuartige Sitzgeometrie auf, die die Kontaktbelastung um bis zu 45 % senkt, den Kontaktschlupf um zumindest 15 % verringert, die Verschleißrate halbiert, die Ventiltemperaturen senkt und die Sehnenspannung um 5 % verringert. Insbesondere bei C175-Motoren ohne Kopfkühlung verdoppelt sich die Lebensdauer des Kopfes in der Praxis, die Lebensdauer der Ventile erhöht sich aufgrund der geringeren Belastung und Temperatur, und die Kosten steigen nicht, da sich der Zeitaufwand für die Herstellung der Sitze nicht wesentlich verändert hat.
Die vorliegende Beschreibung dient lediglich zur Veranschaulichung und sollte nicht derart ausgelegt werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Fachleute auf dem Gebiet werden es daher begrüßen, dass verschiedene Modifikationen an den hierin offenbarten Ausführungsformen erfolgen könnten, ohne von dem beabsichtigten und angemessenen Sinn und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Prüfung der beigefügten Zeichnungen und angefügten Ansprüche deutlich werden. In der hierin verwendeten Form sollen die Artikel „ein/eine/einer/eines“ ein oder mehrere Elemente beinhalten und können mit „ein oder mehr“ austauschbar verwendet werden. Wenn nur ein Gegenstand beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein“ oder eine ähnliche Sprache verwendet. Auch die Begriffe „aufweist“, „aufweisen“, „umfassend“ oder dergleichen sind als offene Begriffe gedacht. Des Weiteren soll der Ausdruck „basierend auf“ „mindestens teilweise basierend auf“ bedeuten, es sei denn, es ist ausdrücklich etwas anderes angegeben.
Es ist offensichtlich, dass die vorhergehende Beschreibung Beispiele der offenbarten Anordnung und Technik bereitstellt. Es ist j edoch denkbar, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder auf Beispiele davon sollen auf das jeweils an dieser Stelle beschriebene Beispiel Bezug nehmen und sollen keine Begrenzung des allgemeinen Umfangs der Offenbarung implizieren. Jeglicher Ausdruck von Unterscheidung und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll auf keine Bevorzugung dieser Merkmale hinweisen, diese jedoch nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, soweit dies nicht anderweitig angegeben ist.
Die Angabe von Wertebereichen soll lediglich als eine Kurzschreibweise für die Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, dienen, sofern es hierin nicht anderweitig angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung aufgenommen, als ob er einzeln aufgeführt wäre.
Es wird für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an den Ausführungsformen der Vorrichtung und den Anordnungsverfahren, wie sie hierin beschrieben werden, erfolgen können, ohne vom Umfang oder Sinn der Erfindung(en) abzuweichen. Andere Ausführungsformen dieser Offenbarung werden für Fachleute auf dem Gebiet unter Berücksichtigung der Beschreibung und einem Praktizieren der verschiedenen Ausführungsformen offensichtlich sein. Es kann beispielsweise ein Teil der Ausrüstung anders ausgelegt sein und unterschiedlich funktionieren, als das, was hierin beschrieben wurde, zudem können bestimmte Schritte eines beliebigen Verfahrens ausgelassen werden und in einer abweichenden Reihenfolge, von dem, was speziell angegeben wurde, ausgeführt werden oder in einigen Fällen gleichzeitig oder in Unterschritten ausgeführt werden. Darüber hinaus können Variationen oder Modifikationen an bestimmten Aspekten oder Merkmalen von verschiedenen Ausführungsformen erfolgen, um weitere Ausführungsformen und Merkmale zu schaffen, zudem können Aspekte von verschiedenen Ausführungsformen zu anderen Merkmalen oder Aspekten anderer Ausführungsformen hinzugefügt werden oder diese ersetzen, um noch weitere Ausführungsformen bereitzustellen.
Demzufolge beinhaltet diese Offenbarung im Rahmen des gesetzlich Erlaubten alle Modifikationen und Äquivalente des in den hieran angefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstands. Des Weiteren ist jegliche Kombination der zuvor beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen derselben in der Offenbarung umfasst, sofern hierin nichts anderes angegeben ist oder der Zusammenhang nicht eindeutig etwas Anderes besagt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 20040045752 A [0005]

Claims

Ventilsitzring (38) für ein Einlassventil (24) in einem Verbrennungsmotor (10), umfassend: einen eine Ventilsitz-Mittelachse (42) definierenden ringförmigen Ringkörper (40), der sich zwischen einer ersten axialen Endfläche (40), die strukturiert ist, dem Zylinder (16) in dem Verbrennungsmotor (10) zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endfläche (50) erstreckt; wobei der ringförmige Ringkörper (40) ferner eine eine Ventilkehle (54) definierende Innenumfangsfläche (52) aufweist, die zur Fluidverbindung des Zylinders (16) mit einer Ansaugleitung (20) in einem Motorkopf (18) strukturiert ist, eine Außenumfangsfläche (56) und eine Ventilsitzfläche (59) für den Kontakt mit einem Einlassventil (24), die sich zwischen der ersten axialen Endfläche (40) und der inneren Umfangsfläche (52) erstreckt; wobei die Ventilsitzfläche (59) im Profil ein äußeres gebogenes Segment (62), das eine erste Verschleißkrone (64) für den Kontakt mit dem Einlassventil (24) in einem frühen Verschleißzustand bildet, ein inneres gebogenes Segment (68), das eine zweite Verschleißkrone (70) für den Kontakt mit dem Einlassventil (24) in einem späteren Verschleißzustand bildet, und ein sich zwischen dem äußeren gebogenen Segment (62) und dem inneren gebogenen Segment (68) erstreckendes lineares Segment (66) beinhaltet; wobei die Innenumfangsfläche (52) im Profil ein sich zwischen der zweiten axialen Endfläche (50) und dem inneren gebogenen Segment (68) erstreckendes schräges Segment (71) beinhaltet; und wobei sich das schräge Segment (71) von der zweiten axialen Endfläche (50) in einem spitzen Winkel (77) von etwa 20° oder mehr relativ zur Ventilsitz-Mittelachse (42) radial nach innen erstreckt, sodass die Innenumfangsfläche (52) eine Venturidüse (55) bildet, um eine in den Zylinder (16) eintretende Gasströmung zu beschleunigen.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 1, wobei das äußere gebogene Segment (62) einen Radius von mehr als 5,0 Millimetern aufweist.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 1, wobei der spitze Winkel (77) zwischen etwa 25,0° und etwa 27,0° liegt.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 1, wobei: das lineare Segment (66) der Ventilsitzfläche (59) eine Einlaufflächenkontaktbreite (82) definiert, die zwischen etwa 3,5 Millimetern und etwa 4,5 Millimetern liegt; eine Größe eines das äußere gebogene Segment (62) bildenden Radius zwischen etwa 5,0 Millimetern und etwa 6,0 Millimetern liegt; und eine Größe eines das innere gebogene Segment (68) bildenden Radius zwischen etwa 0,3 Millimeter und etwa 0,5 Millimeter liegt.
Ventilsitzring (38) nach Anspruch 4, ferner umfassend ein vertikales Segment (83), das das schräge Segment (71) und das innere gebogene Segment (68) verbindet, und eine Ventilkehle (54), die durch das vertikale Segment (83) definiert ist.
Ventilsitzring (138) für ein Auslassventil (25) in einem Verbrennungsmotor (10), umfassend: einen eine Ventilsitz-Mittelachse (142) definierenden ringförmigen Ringkörper (140), der sich zwischen einer ersten axialen Endfläche (48), die strukturiert ist, dem Zylinder (16) in dem Verbrennungsmotor (10) zugewandt zu sein, und einer zweiten axialen Endfläche (50) erstreckt; wobei der ringförmige Ringkörper (140) ferner eine eine Ventilkehle (54) definierende Innenumfangsfläche (152) aufweist, die zur Fluidverbindung des Zylinders (16) mit einer Abgasleitung (21) in einem Motorkopf (18) strukturiert ist, eine Außenumfangsfläche (56) und eine Ventilsitzfläche (159) für den Kontakt mit einem Auslassventil (25), die sich zwischen der ersten axialen Endfläche (48) und der inneren Umfangsfläche (152) erstreckt; wobei die Ventilsitzfläche (159) im Profil ein äußeres gebogenes Segment (162), das eine erste Verschleißkrone (164) für den Kontakt mit dem Auslassventil (25) in einem frühen Verschleißzustand bildet, ein inneres gebogenes Segment (168), das eine zweite Verschleißkrone für den Kontakt mit dem Auslassventil (25) in einem späteren Verschleißzustand bildet, und ein sich zwischen dem äußeren gebogenen Segment (162) und dem inneren gebogenen Segment (168) erstreckendes lineares Segment (166) beinhaltet; wobei die Innenumfangsfläche (152) im Profil ein oberes gebogenes Segment (173), das eine obere Strömungskrone (175) bildet, und ein schräges Segment (171), das sich zwischen dem oberen gebogenen Segment (173) und dem inneren gebogenen Segment (168) erstreckt, beinhaltet; und wobei das obere gekrümmte Segment (173) in die zweite axiale Endfläche (50) übergeht und das schräge Segment (171) sich von dem oberen gekrümmten Segment (173) in einem spitzen Winkel (177) von etwa 15° oder mehr relativ zur Ventilsitz-Mittelachse (142) radial nach innen erstreckt, sodass die Innenumfangsfläche (152) einen Diffusor (55') bildet, um eine aus dem Zylinder (16) austretende Gasströmung zu verlangsamen.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 6, wobei das obere gebogene Segment (173) durch einen Radius gebildet wird, der größer ist als ein das innere gebogene Segment (168) bildender Radius, und das äußere gebogene Segment (162) durch einen Radius gebildet wird, der größer ist als der das obere gebogene Segment (173) bildende Radius.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 6, wobei der spitze Winkel (177) zwischen etwa 20,0° und etwa 23,0° liegt.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 6, wobei: das lineare Segment (166) der Ventilsitzfläche (159) eine Einlaufflächenkontaktbreite (182) definiert, die zwischen etwa 4,0 Millimetern und etwa 5,0 Millimetern liegt; eine Größe eines das obere gebogene Segment (173) bildenden Radius zwischen etwa 0,4 Millimeter und etwa 0,6 Millimeter liegt; eine Größe eines das äußere gebogene Segment (162) bildenden Radius zwischen etwa 5,0 Millimetern und etwa 6,0 Millimetern liegt; und eine Größe eines das innere gebogene Segment (168) bildenden Radius zwischen etwa 0,3 Millimeter und etwa 0,5 Millimeter liegt.
Ventilsitzring (138) nach Anspruch 9, ferner umfassend ein vertikales Segment (183), das das obere gekrümmte Segment (173) mit dem inneren gekrümmten Segment (168) verbindet, wobei die Ventilkehle (54) durch das vertikale Segment (183) definiert ist.