DE19823798C2 - Gaswechselventil und Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzrings - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gaswechselventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Her­ stellung eines Ventilsitzrings.

Die Geometrie von Gaswechselventilen, insbesondere Ventilsitz­ ringen, wird heute in der Großserie durch mehrere Kreisringseg­ mente mit unterschiedlichen Bearbeitungswinkeln dargestellt. Für Einzelanfertigungen, wie z. B. im Rennmotorenbau, können mit großem technischen Aufwand auch beliebige Formen durch NC- Bearbeitung hergestellt werden.

Ventilsitze weisen in der Regel einen Ventilsitzwinkel von 90° auf. Üblicherweise ist der Ventilsitz mit 90° - 1°, der zugehöri­ ge Ventilteller mit 90° + 1° toleriert. Eine typische Sitzbreite am Ventil beträgt 2 mm, die Fläche am Ventilsitzring ist 0,7 bis 0,8 mm breit. Im Idealfall ergibt sich die Dichtheit durch ein genaues Aufeinanderliegen beider Flächen. Im ungünstigsten Fall entsteht der dichte Abschluß durch eine Linienberührung der äu­ ßeren Kante der Ventilsitz-Ringfläche mit der Ventiltellerflä­ che. Erst nach einem Einlaufen des Motors ergibt sich eine dichtende Kreisringfläche.

Die Bearbeitung des Ventilsitzringes erfolgt herkömmlicherweise in zwei Bearbeitungsschritten. Im ersten Schritt wird der Ring bis auf ein für die Endbearbeitung erforderliches Aufmaß zer­ spannt. Im zweiten Schritt wird der Ventilsitz durch Feindrehen fertiggestellt. Um sicherzustellen, daß die äußere Kante der Dichtfläche einen Kreisring ergibt (dies ist für die Kanten­ dichtfunktion von Bedeutung), ist es erforderlich, im gleichen Bearbeitungsschritt auch angrenzende Flächen der Dichtfläche zu bearbeiten. Die Bearbeitung erfolgt dergestalt, daß die gesamte Sitzringkontur, bestehend aus mehreren Flächen, im gleichzeiti­ gen Zusammenwirken mehrerer NC-gesteuerter Bearbeitungsachsen hergestellt wird. In der Praxis ergeben sich durch diese kom­ plizierte und technisch anspruchsvolle Bearbeitung immer wieder Schwierigkeiten, die sich durch Überschreitung vorgegebener To­ leranzen und damit in möglicher Undichtigkeit des Ventilsitzes äußern. Durch diese fertigungstechnischen Einschränkung ist es außerdem bisher nicht möglich, den Ventilsitzring strömungs­ technisch optimal zu gestalten, und die sich hieraus ergebenen motortechnischen Vorteile zu nutzen.

Aus der US-PS 1,506,900 ist ein Ventil bekannt, bei dem der Ventilsitz im Schnitt geradlinig ausgebildet ist, und der mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilteller eine konkave Form aufweist. Hierbei erweist sich als nachteilig, daß die Herstel­ lung eines derartigen konkav ausgebildeten Ventiltellers sehr aufwendig ist.

Aus der DE-OS 25 45 860 ist ein Ventil, insbesondere für Hub­ kolben-Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem am Ventilteller und gegebenenfalls am Ventilsitz ballige Abrundungen zur Erzielung guter Abdichtungsverhältnisse vorgesehen sind. Auch hier muß festgestellt werden, daß zur Schaffung von balligen Abrundun­ gen, welche eine ausreichende Dichtigkeit gewährleisten, auf­ wendige Fertigungsmaßnahmen notwendig sind.

In der EP 0 324 249 A1 ist eine Ventilanordnung beschrieben, deren Ventilsitz ballig, und deren Ventilteller im Schnitt planar ausgebildet ist. Auch hier ergibt sich die Schwierig­ keit, daß zur Erzielung einer ausreichenden Abdichtungswirkung die ballige Ventilsitzfläche nur sehr kleine Toleranzen aufwei­ sen darf, wodurch der Fertigungsaufwand sehr groß wird.

Aus der US 4,878,652 ist ferner ein Ventil bekannt, bei welchem der Ventilkörper dichtend am Ventilsitzring sitzt und die Quer­ schnittskontur des Ventilsitzringes im Bereich der Dichtflächen in Form eines ringförmigen Abschnitts der Pseudosphäre (Rotati­ onsfläche einer Traktrix) ausgebildet ist.

Aus der DE 38 10 467 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einem Düsenkörper bekannt, in welchem eine Düsennadel geführt ist. Das einspritzseitige Nadelende der Düsennadel ist hierbei mit einer rotationssymmetrischen Einführung versehen, deren Kontur insbesondere nach Art eines Hyperboloids ausgebildet sein kann. Diese Druckschrift bezieht sich nicht auf Gaswech­ selventile bzw. Ventilsitzringe.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Gaswechselventils für Hubkolbenmotoren, bei dem die mit einer balligen Ausbildung der Dichtflächen erzielbaren Vorteile, wie beispielsweise grö­ ßere zulässige Toleranzen, mit geringem Fertigungsaufwand rea­ lisiert werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gaswechselventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.

Erfindungsgemäß ist nun ein Gaswechselventil geschaffen, das sowohl bei dem Ventilsitzring als auch bei dem Ventilkörper größere Toleranzen im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen auf­ weisen kann ohne die Dichtwirkung im Schließzustand des Ventils zu verschlechtern. Bedingt durch die hyperbolisch gekrümmte Oberfläche des Ventilsitzringes oder des Ventilkörpers ergibt sich nach dem Prinzip der Linienberührung zwischen Ventilsitz­ ring und Ventilkörper eine wirksame Dichtkante. Durch Einlaufen des Motors kann in einfacher Weise eine gewünschte Flächen­ dichtwirkung erreicht werden. Die Breite der Dichtfläche kann über die Balligkeit der Hyperbelfläche beeinflußt werden. Da erfindungsgemäß in einfacher Weise gewährleistet werden kann, daß die Dichtkante auf jeden Fall innerhalb der erzeugten hy­ perbolischen Fläche liegt, sind angrenzende Flächen des Ventil­ sitzringes bzw. des Ventilkörpers funktionstechnisch überflüs­ sig, so daß keine besondere Bearbeitung dieser Flächen notwen­ dig ist. Hierdurch ist der Fertigungsaufwand für den Ventil­ sitzring bzw. den Ventilkörper vermindert, wodurch die Teile preiswerter zur Verfügung gestellt werden können. Mittels der balligen bzw. veränderlich konvexen Oberflächengestaltung ist es nun auch möglich, den Ventilsitz in unaufwendiger Weise strömungstechnisch optimal zu gestalten.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nun erstmals mit­ tels einer geradlinigen Schnittbewegung oder einer geradlinigen Schneide im Meridianquerschnitt ballige Oberflächen für Ventil­ sitzringe oder Ventilkörper herstellbar. Eine komplizierte, mehrachsige NC-Bearbeitung ist nicht mehr notwendig, so daß bislang Einzelanfertigungen vorbehaltene ballige bzw. veränder­ lich konvexe Oberflächengestaltungen von Ventilsitzringen oder Ventilkörpern in preiswerter Weise beispielsweise für eine Großserienproduktion zur Verfügung stehen. Mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren ist beispielsweise die Bearbeitung des Ven­ tilsitzringes in einem Verfahrensschritt durchführbar. Bislang übliche Vorbearbeitungen können entfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für beliebige Ventilsitzwinkel einsetzbar.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise wird der Ventilsitzring mittels einer Drehung um eine Drehachse an der Schneide vorbeigeführt, wobei die Schneide außermittig bezüglich der Drehachse des Ventilsitz­ rings angeordnet ist und eine geradlinige Vorschubbewegung ra­ dial zu der Drehachse ausführt.

Es ist bevorzugt, daß der Ventilsitzring mittels einer Drehung um eine Drehachse an der Schneide vorbeigeführt wird, wobei die Schneide eine Stechbearbeitung des Ventilsitzrings ausführt. Hierbei kann die Bearbeitung des Ventilsitzrings mit einer ge­ raden, geschränkt zur Axialrichtung in einen Bohrkopf eingebau­ ten Schneide spanabhebend nach Art eines Einstechvorgangs durchgeführt werden.

Es ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des er­ findungsgemäßen Verfahrens ebenfalls möglich, die Schneide mit­ tels einer Drehung um eine Drehachse an dem Ventilsitzring vor­ beizuführen wird, wobei der Ventilsitzring ortsfest angeordnet ist.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gaswechsel­ ventils und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einschaligen Rotati­ onshyperboloids,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Erzeugendengeraden ei­ nes Rotationshyperboloids gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform eines Ventilsitzringes gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei zur Verdeutlichung eines bevorzugten Herstellungsverfahrens eine Vorschublinie bzw. Berüh­ rungslinie einer bei der Herstellung verwendeten Schneide eingezeichnet ist,

Fig. 4 eine Draufsicht des Ventilsitzringes gemäß Fig. 3, wo­ bei ebenfalls die Vorschublinie bzw. Berührungslinie der Schneide eingezeichnet sind,

Fig. 5 einen Schnitt durch ein Rotationshyperboloid in ebener Hyperbeldarstellung, wobei zur Verdeutlichung der vor­ liegenden Erfindung die Lage eines Ventilsitzringes be­ züglich der Hyperbelgeometrie eingezeichnet ist,

Fig. 6 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils, und

Fig. 7 eine vergrößerte Teilschnittansicht der Schnittansicht gemäß Fig. 6 zur Verdeutlichung der Linienberührung zwischen Ventilsitz und Ventilkörper.

Zunächst wird anhand der Fig. 1 und 2 die erfindungsgemäß verwendete Form eines einschaligen Rotationshyperboloids 1 kurz erläutert. Ein wie in Fig. 1 dargestelltes Rotationshyperboloid 1 wird beschrieben durch zwei Scharen geradliniger Erzeugender 2a, 2b, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Geradenpaare, die aus beiden Scharen 2a, 2b gebildet werden, erzeugen Schnitt­ punkte auf allen Punkten der Oberfläche des Rotationshyperbo­ loids 1.

Führt man entlang einer Erzeugendengeraden die Vorschubbewegung einer Schneide durch oder ordnet man an Stelle der Erzeugenden­ geraden eine geradlinige Schneide an, so läßt sich eine konvex gekrümmte Oberfläche erzeugen, welche in ihrer Form derjenigen eines Rotationshyperboloids entspricht. Die hierzu notwendige Stellung bzw. Vorschubrichtung der Schneide bezüglich eines um eine Drehachse Z rotierenden Ventilsitzes 3 ist mittels der Pfeile P anschaulich in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Durch eine derart angeordnete Schneide ist eine Bearbeitung eines Werkstücks entsprechend den in Fig. 2 dargestellten geradlini­ gen Erzeugenden 2a bzw. 2b möglich.

In Fig. 5 ist ein derartig herstellbarer Ventilsitzring 3 sche­ matisch in eine Rotationshyperbelgeometrie (ebene Hyperbeldar­ stellung) eingezeichnet. Der Ventilsitzring 3 ist charakteri­ siert durch die Parameter Schneidenüberhöhung h, Schneidenwin­ kel α, Ventilsitzdurchmesser D und Ventilsitzwinkel β. Formeln für diese Parameter sind weiter unten angegeben.

Zerspanungstechnisch nutzbar ist insbesondere ein Bereich, bei dem die Schneidenüberhöhung etwa 90% des Kreisradius des klein­ sten erzeugten Durchmessers nicht überschreitet. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist ein Ventilsitzring mit einem Ventilsitzwinkel β = 90° durch eine unendliche Anzahl von Hyperbeln darstellbar, die sich nur im Wert ihrer Schneidenüberhöhung bzw. ihrer Hal­ bachse h und ihrer Schneidenwinkel bzw. Asymtotenwinkel α un­ terscheiden. Die erzeugte Balligkeit ist somit eine Funktion von Schneidenüberhöhung und Schneidenwinkel. Durch Umformung und Differentiation der Hyperbelgleichung erhält man zur Be­ rechnung und Auslegung einer Ventilsitzgeometrie folgende For­ meln für die bereits erwähnten Parameter:

Anhand einer Beispielrechnung werden die geometrischen Verhält­ nisse eines erfindungsgemäßen Ventilsitzes nun weiter erläu­ tert:

Besteht eine Vorgabe darin, in ein Werkstück auf einem Durch­ messer von 36 mm einen Ventilsitz mit einem Ventilsitzwinkel β von 90° zu fertigen, ist zur Bestimmung des minimalen bzw. ma­ ximalen Sitzwinkels wie folgt vorzugehen, wenn die Breite der bearbeiteten Fläche 1,4 mm betragen und die Schneide 75% vom kleinsten Bearbeitungsradius über Mitte stehen soll:

Für den Sitzring seien als kleinster Bearbeitungsdurchmesser 35 mm, und als größter Bearbeitungsdurchmesser 37 mm vorgesehen. Die Durchmesserdifferenz von 2 mm ergibt eine umlaufende Fläche mit einer Breite von

und eine Schneidenüberhöhung

Einsetzen in Gl. 1 ergibt einen Schneidenwinkel α = 34,44°. Einsetzten in Gl. 3 ergibt für den kleinsten Durchmesser einen Ventilsitzwinkel β(35 mm) = 88,07°, und für den größten Durch­ messer von β(37 mm) = 91,68. Man erhält also durch diese Bear­ beitung eine Ventilsitzfläche mit einer Breite von 1,4 mm und einem Ventilsitzwinkel von 90°(+1,68°, -1,93°). Ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkender Ventilkörper mit einem Ventilwin­ kel innerhalb dieses Toleranzbereiches erzeugt einen dichten Abschluß im Bereich der Sitzbearbeitung.

Fig. 6 und 7 dienen zur weiteren Verdeutlichung des erfindungs­ gemäßen Ventils. In einem Zylinderkopf 10 ist ein Ventil ange­ ordnet, welches einen mit dem Ventilsitzring 3 zusammenwirken­ den, hubbeweglichen Ventilkörper 11 aufweist. Die ballige bzw. rotationshyperboloide Form des Ventilsitzringes geht insbeson­ dere aus Fig. 7 hervor, in der der eingekreiste Bereich der Fig. 6 vergrößert dargestellt ist. Man erkennt, daß ein Bereich 11a des Ventilkörpers 11 im Schnitt geradlinig ausgebildet ist. Dieser Bereich 11a sitzt im Schließzustand des Ventils auf dem hyperbolisch geformten Bereich 3a des Ventilsitzringes 3 dich­ tend auf.

Mittels des rotationshyperbolisch geformten Ventilsitzringes 3 ist eine strömungstechnisch optimale Verbindung zwischen einem Strömungskanal 12 und einem Brennraum 14 des Zylinderkopfes 10 geschaffen, welche beispielsweise einen erhöhten Gasdurchsatz gegenüber herkömmlichen Ventilen ermöglicht.

Claims (5)

1. Gaswechselventil für Hubkolbenmotoren, mit einem hubbeweg­ lichen Ventilkörper (11) sowie einem mit diesem zusammenwir­ kenden Ventilsitzring (3), wobei Ventilkörper (11) und Ventil­ sitzring (3) mit Dichtflächen (11a, 3a) ausgebildet sind, mit­ tels welcher der Ventilkörper (11) im Schließzustand des Ven­ tils dichtend am Ventilsitzring (3) aufsitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittskontur des Ventilsitzringes (3) im Bereich der Dichtflächen (11a, 3a) in Form eines ringförmigen Ab­ schnitts eines Rotationshyperboloids ausgebildet ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzrings, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schneide derart mit dem Ventilsitzring in Wirkverbin­ dung gebracht wird, daß mittels einer Relativbewegung zwischen Schneide und Ventilsitzring auf einem Abschnitt des Ventil­ sitzringes eine rotationshyperbolische Oberfläche erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzring mittels einer Drehung um eine Drehachse (Z) an der Schneide vorbeigeführt wird, wobei die Schneide außermit­ tig bezüglich der Drehachse des Ventilsitzrings angeordnet ist und eine geradlinige Vorschubbewegung radial zu der Drehachse ausführt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzring mittels einer Drehung um eine Drehachse (Z) an der Schneide vorbeigeführt wird, wobei die geradlinige Schnei­ de übermittig und verschränkt angeordnet eine Stechbearbeitung in den Ventilsitzring ausführt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide mittels einer Drehung um eine Drehachse an dem Ven­ tilsitzring vorbeigeführt wird, wobei der Ventilsitzring orts­ fest angeordnet ist.