Die Erfindung betrifft ein Hubventil als Gaswechselventil für eine Brenn
kraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a globe valve as a gas exchange valve for a combustion
Engine, according to the preamble of claim 1.
Ein Hubventil der gattungsgemäßen Art zeigt beispielsweise die DE 39 26 431 A1,
bei dem zur Beherrschung der auftretenden Wechselspannungen
innerhalb des Ventilschaftes und des Ventiltellers ein metallischer Zuganker
angeordnet ist. Eine derartige Konstruktion ist aber fertigungstechnisch rela
tiv aufwendig, so daß ein einheitlich aus Keramik, z. B. aus Siliziumnitrid
Si₃N₄ gefertigtes Hubventil anzustreben ist.A globe valve of the generic type is shown, for example, in DE 39 26 431 A1,
in order to control the AC voltages that occur
a metallic tie rod inside the valve stem and valve plate
is arranged. Such a construction is rela production engineering
tiv complex, so that a uniform ceramic, z. B. made of silicon nitride
Si₃N₄ manufactured lift valve is to be aimed for.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hubventil der gattungsgemäßen Art vorzu
schlagen, das mit geringem zusätzlichem Aufwand eine erhöhte Betriebssi
cherheit besitzt.The object of the invention is to provide a globe valve of the generic type
propose an increased operational security with little additional effort
possesses security.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.This object is achieved with the characterizing features
of claim 1 solved. Advantageous developments of the invention
can be found in the further claims.
Es wurde erfindungsgemäß erkannt, daß durch die ballig gestaltete Sitzflä
che des Ventiltellers des Hubventiles mit dem angegebenen Radius eine
weitgehend homogene Spannungsverteilung in den auftretendem Bela
stungsfällen (geöffnet - geschlossen) erreicht wird. Zu berücksichtigen ist
dabei die Thermospannung, die permanent im Ventil wirkt, und die Überla
gerung dieser Spannung mit der mechanisch induzierten Spannung durch
den Verbrennungsdruck. Es werden in verstärktem Maße punktuelle Berei
che durch Kantenträger, Toleranzen, etc. vermieden, die im Betrieb starken
Wechselspannungen bzw. Zug- Druckspannungen ausgesetzt sind, mit der
Gefahr einer Rißinitiierung am Ventilteller. Vielmehr schafft die ballige Ge
staltung der Sitzflächen eine Vergrößerung der punktuellen Krafteinlei
tungsstellen und damit eine Verringerung der spezifischen Belastung bzw.
Flächenpressung und Wechselspannungen. Der definierte Radius r der
balligen Sitzfläche stellt dabei sicher, daß unter Berücksichtigung fertigungs
technischer Toleranzen der Druckberührungspunkt zwischen Ventilsitzfläche
und Ventilsitzring im Zylinderkopf in ausreichendem Abstand von den Ven
tilsitzkanten bleibt bzw. relativ mittig positioniert bleibt.It was recognized according to the invention that the spherically shaped seat
surface of the valve plate of the globe valve with the specified radius
largely homogeneous stress distribution in the Bela
cases (open - closed) is reached. To be considered
Thereby the thermal voltage, which acts permanently in the valve, and the overload
this voltage with the mechanically induced voltage
the combustion pressure. There are increasingly selective areas
che avoided by edge supports, tolerances, etc., which are strong in operation
AC voltages or tensile compressive stresses are exposed to
Risk of crack initiation on the valve plate. Rather, the crowned Ge creates
design of the seating areas an increase in the selective introduction of force
centers and thus a reduction in the specific load or
Surface pressure and AC voltages. The defined radius r the
crowned seat ensures that taking into account manufacturing
technical tolerances of the pressure contact point between the valve seat surface
and valve seat ring in the cylinder head at a sufficient distance from the Ven
tilsitzkanten remains or remains positioned relatively centrally.
Da die Biegebelastung des Ventiltellers in Folge des "Abrollens" der Sitzflä
che auf dem Ventilsitzring etwas ansteigt, wird ferner vorgeschlagen, den
Ventilteller durch eine ballige oder parabolische Gestaltung der den Brenn
raum zugewandten Seite des Ventiltellers zu verstärken. Insbesondere
durch die parabolische Ausbildung des Ventiltellers wird eine optimale Aus
nutzung des Werkstoffes erreicht, wobei bis zur Randfaser des Ventiltellers
eine relativ konstante Spannung wirkt.Since the bending stress of the valve plate as a result of the "rolling" of the seat
che slightly increases on the valve seat ring, it is also proposed that
Valve disc through a spherical or parabolic design of the burner
to reinforce the space-facing side of the valve plate. Especially
due to the parabolic design of the valve disc, an optimal out
Use of the material achieved, up to the edge fiber of the valve plate
a relatively constant voltage acts.
Schließlich kann zumindest die ballige Sitzfläche im Quick-point-Schleifver
fahren hergestellt sein, mit dem ballige Konturen fertigungstechnisch günstig
schleifbar sind.Finally, at least the spherical seat in the quick-point grinder
drive be manufactured, with the spherical contours cheap in terms of production technology
are grindable.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzel
heiten näher erläutert. Die anliegende Zeichnung zeigt ein Hubventil als
Gaswechselventil einer Hubkolben-Brennkraftmaschine aus Siliziumnitrid mit
balliger Sitzfläche und parabelförmig verstärktem Ventilteller.An embodiment of the invention is in the following with further details
explained in more detail. The attached drawing shows a globe valve as
Gas exchange valve of a reciprocating piston internal combustion engine made of silicon nitride
spherical seat and parabolic reinforced valve plate.
Das dargestellte Hubventil 10 als Gaswechselventil einer Hubkolben-Brenn
kraftmaschine, insbesondere als Auslaßventil, setzt sich aus einem Ventil
schaft 12 und einem Ventilteller 14 zusammen. Der Ventilteller 14 weist eine
ringförmige Sitzfläche 16 z. B. mit einer Neigung von 45° zur Ventilachse 18
auf. Die Sitzfläche 16 wirkt mit nur einem teilweise dargestellten Ventilsitz
ring 20 im Zylinderkopf 22 der Brennkraftmaschine zusammen. Die Sitzflä
che 24 des Ventilsitzringes 22 weist ebenfalls eine Neigung von 45° auf und
ist in herkömmlicher Weise plan gefertigt. Das Hubventil 10 ist aus einer
Siliziumnitrid-Oxidkeramik Si₃N₄ hergestellt.
The illustrated lift valve 10 as a gas exchange valve of a reciprocating internal combustion engine, in particular as an exhaust valve, is composed of a valve shaft 12 and a valve plate 14 . The valve plate 14 has an annular seat 16 z. B. with an inclination of 45 ° to the valve axis 18 . The seat surface 16 cooperates with only a partially shown valve seat ring 20 in the cylinder head 22 of the internal combustion engine. The Sitzflä surface 24 of the valve seat ring 22 also has an inclination of 45 ° and is made flat in a conventional manner. The globe valve 10 is made of a silicon nitride oxide ceramic Si₃N₄.
Die Sitzfläche 16 des Ventiltellers 14 ist mit einem Radius r = 30 mm ballig
ausgeführt, wobei der Durchmesser D des Ventiltellers 35 mm beträgt.
Durch die Balligkeit der Sitzfläche 16 wird unabhängig von den auftretenden
Fertigungstoleranzen (insbesondere bei den Ventilsitzwinkeln,
Desachsierungen, etc.) eine verbesserte punktuelle Krafteinleitung mit
verminderten Druck-Zugspannungsschwankungen erzielt.The seat surface 16 of the valve plate 14 is spherical with a radius r = 30 mm, the diameter D of the valve plate being 35 mm. Due to the crowning of the seat surface 16 , regardless of the manufacturing tolerances that occur (in particular in the case of the valve seat angles, roofing, etc.), an improved selective application of force with reduced pressure-tension fluctuations is achieved.
Zur Verstärkung des Widerstandmomentes des Ventiltellers ist dessen den
Brennraum zugewandte Seite 26 ballig bzw. parabelförmig mit nach außen
dem Ventiltellerrand zu abnehmender Dicke gestaltet. Daraus resultiert eine
optimale Ausnutzung des Werkstoffes mit bis zu den Randbereichen des
Ventiltellers 14 reichender konstanter Spannungsverteilung.To increase the section modulus of the valve disk, its side 26 facing the combustion chamber is designed spherically or parabolically with a thickness that decreases towards the outside of the valve disk edge. This results in an optimal utilization of the material with constant stress distribution reaching up to the edge areas of the valve plate 14 .
Die Sitzfläche 16 des Ventiltellers 14 ist im Quick-point-Schleifverfahren mit
punktförmigem Angriff des Schleifmittels hergestellt.The seat surface 16 of the valve plate 14 is produced in the quick-point grinding process with point-like attack of the abrasive.