DE2410893C2 - Ventilkorb für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilkorb für Brennkraftmaschinen mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Ventilkorb ist aus der DE-OS 15 26 596 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Schalenkorb, der aufgrund seiner Konstruktion neben einer an sich vorteilhaften Sirömungsführung jedoch auch relativ große Nachteile aufweist Durch den gebogenen Verlauf des Ladungswechselkanales sind im Ventilkorb unsymmetrisch tragende Materialquer schnitte gegeben, die sich insbesondere unterhalb des Beeches der seitlichen Gaswechselöffnung negativ auswirken Diese Unsymmetrie in den tragenden Wandteilcn des Venlilkorbes führt zu elastischen Knickverformiingen desselben bei axialer Belastung Außerdem führt diese Unsymmetrie zwangsläufig /.u partiellen Ventilundichtigkeiten und damit wegen der dort möglichen Verbrennungsgasdüfchlfittc ZU einer erhöhten Aufheizung des Ventilsitzes und -sitzringes. Die Dichlverhältnisse zwischen Vcniilkorbsitzring und Zylinderdeckelauflage einerseits sowie zwischen Ventil· sitzring und Ventilkegel andererseits erweisen sich insofern als ungünstig, weil trotz relativ hoher Steifigkeit des Ventilkorbes in Achsrichtung bei gegebener Vofspännkfafl im Zylinderdeckel aufgrund der Ungleichmäßigen Materialverteilung die Flächenpressung im Bereich axial unterhalb der seitlichen Gaswechselöffnung wesentlich kleiner ist als im übrigen Auflagebereich des Ventilsitzringes. Ober etwa drei Vierte! des Umfanges gesehen ist dabei die Radian's pressung relativ groß, im restlichen Viertel unterhalb der seitlichen Gaswechselöffnung dagegen kleiner. Die dadurch bedingten örtlichen Undichtigkeiten zwischen Ventilkorbsitzring und Zylinderdeckel einerseits sowie Ventilsitzring und Ventilkegel andererseits sind auch ίο durch eine noch so günstige Kühlmittelführung innerhalb des Ventilkorbes nur teilweise reduzierbar, aber nicht vollständig verrneidbar. Diese der bekannten Schalenkorbbkonstruktion ahhaftenden Nachteile sind auch nicht durch das Vorsehen einer Öffnung in dem der seitlichen Gaswechselöffnung gegenüberliegenden Wandabschnitt des Ventilkorbes zu beheben, denn diese öffnung vermag aufgrund ihrer Ausgestaltung und Größe in Relation zur seitlichen Gasv/echselöffnung nicht zu einer Vergleichmäßigung der Kräfteverteilung im Ventilkorb beizutragen.

Aus der DE-AN A 19 034 Ia/46b' ist desweiteren ein Ventilkorb bekannt, der den Konstruktionsprinzipien eines Stelzenkorbes gehorcht In Fig. 4 dieser Vorveröffentlichung ist ein aus einem Oberteil, einem Unterteil und einem VentiNtzring zusammengesetzter Ventilkorb offenbart, bei dem durch besondere Ausgestaltung des Ventilkorbunterteiles im Bereich des Ladungswechselkanales bereits eine teilweise Vergleichmäßigung der auftretenden Druckkräfte zwischen Ventilsitzring und Ventilkorboberteil realisiert ist Das Ventilkorbunterteil besteht dabei aus einer oberen Druckplatte und einer unteren Druckplatte, die durch eine Vielzahl parallel zur Ventilkorblängsachse angeordneter Druckstäbe miteinander verbunden sind. Die Druckstäbe besitzen eine strömungsgünstige Querschnittsform und sind zwischen den beiden Druckplatten derart angeordnet, daß die Abgase mehr oder minder gleichmäßig in einen ringförmigen Außenraum des ventilkörperlängsachsenparnllel angeordneten, zu einer Seite hin offenen Auslaßkanal einleitbar sind. Darüber hinaus ist bei diesem Ventilkorb auf der der Gaswechselöffnung gegenüberliegenden Seite noch eine gekrümmte Wand eingezogen, die wenigstens einen Teil der Gase in Richtung der seitlichen Austrittsöffnung strömungsmäßig umlenken soll. Diese gekrümmte Wand ersweist sich bei dieser Ventilkorbkonstruktion jedoch insofern als nachteilig, als sie eier Vergleichmäßigung der Druckbelastung durch die Druckstäbe entgegenwirkt, da sie bei Druck- und thermischer Belastung Kräfte mit Kompo so nenten aufbaut, die nicht in Richtung der Kraftkomponenten der Druckstäbe gerichtet sind und daher die Wirkung der Druckstäbe durch diese gekrümmte Platte relativ stark kompensiert wird. Darüber hinaus besitzt dieser bekannte Ventilkorb jedoch auch noch eine Reihe weiterer Nachteile, denn sie erweist sich infolge der achsparcillel angeordneten, frei im Auslaßraum sichenden Druckstiibc trol/ der Verwendung einer zusätzlich gekrümmten Wand als strömungsungünstig Den aus- oder eintretenden Gasen stehen relativ viele in Μ Strömungsrichlüng querstehende Widerstandsflächen entgegen, die effektiv Prallflächen darstellen, von denen die auftreffenden Gase im wesentlichen reflektiert werden, zum Teil sogar total. Diese strömungsungünstige Konfiguration hat hierdurch relativ hohe Druckkraft te zumindest in Achsrichtung des Ventilkorbes aufzunehmen, die sich insbesondere im Bereich des Ventilsitzringes negativ auswirken. Andererseits tritt durch die konstruklionsbedingt relativ schlechte Abfüh-

rung heißer Abgase eine sehr starke Erwärmung nicht nur der Teile des Ventilkorbunterteiles sondern auch der angrenzenden Wandteile des Zylinderkopfes auf. Insbesondere die ungekühlten, querschnittsmäßig schwach dimensionierten Druckstäbe können sich stark erhitzen, wodurch sie sich zu längen versuchen und hierbei starke Druckkräfte auf das Ventilkorboberteil und den Ventilsitzring übertragen, was wiederum zu starken Spannungen im Zylinderkopf und dort insbesondere an den Befestigungselementen für den Ventilkorb führt. Es ist ersichtlich, daß sich aus diesen Nachteilen eine Reihe weiterer Nachteile ergibt, wie geringe Standzeit des Ventiles, um nur einen Fall zu nennen.

Ausgehend von den bekannten Nachteilen eines Schalenkorbes und eines Stelzenkorbes der vorstehend geschilderten Art ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen Ventilkorb zu schaffen, der einen opiimal gestalteten Ladungswechselkanal für eine strömungsgünstige Zu- bzw. Abführung von Gasen aufweist und bei dem die Gefahr von Verformungen bei axialer Druckbelastung sowie thermischer Belastung insbesondere im Bereich des Ventilkorbsitzringes auf ein Minimum reduziert ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Ventilkorb der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Ein hiernach ausgebildeter Ventilkorb verfügt aufgrund der Geometrie seiner Wandteile über einen äußerst strömungsgünstig gestalteten Ladungswechselkanal: es sind keine in ihn hineinragenden Teile vorhanden, die den hierdurch gegebenen niedrigen Strömungswiderstand ungünstig beeinflussen könnten. Außerdem ist bei einem solchen Ventilkorb aufgrund der erfindungsgemäß ausgestalteten querschnittsgleichen se'tlichen Wandteile im Bereich des Ventilkorbun lerieiles eine gleichmäßige Kräfteverteilung und Spjnn kraftdurchlei'ung gewährleistet. Letzteres resultiert aus der erfindungsgemäßen Maßnahme, nämlich im Vorsehen einer Schlitzanordnung im der seitlichen Gaswechselöffnung gegenüberliegenden rückwärtigen Wandabschnit* mit einem über die gesamte Breite desselben verlaufenden Schlitz, der an seinen Enden im wesentlichen parallel zu den seillichen, den Ladungswechselkanal seitlich begrenzenden Wandabschnitten verlaufende Äste aufweist. Ir. diesem derart unterbrochenen rückwärtigen Wandabschnitt, der praktisch nur eine strönvingsgünstig gestaltete Leitwand für eine strömungsgünstige Umlenkung des durchströmenden Mediums bildet, ist keine axiale Kraftausübung vom Ventilkorbobcrteil zum Ventilkorbsitzring möglich, denn er ist hinsichtlich der axialen Krdftdurchicitunj? « von den seitluhen Wandteilen durch die erfindungsgr ni.iße Schutzanordnung abgeKoppeli Die Spannkräfte. mit denen der Ventilkorb im Zylinderdeckel gehallen ist. werden mithin vom Ventilkorboberteil auf ein ringför miges Teil im oberen Bereich des Ventilkorbunteneiles, von diesem über die beiden relativ querschnittsstarken, quasi tragende Säulen bildenden seitlichen Wandteile des Ladungswechselkanales auf ein ringförmiges Teil im unteren Bereich des Ventilkorbunterteiles und von diesem auf den Ventilkorbsitzring übertragen, der im Zylinderdeckel abgestützt ist. Eine Knickverformung des Ventilkorbes auch bei thermischer Belastung ist damit praktisch ausgeschlossen. Ferner ist hierdurch eine dichte, einwandfreie Auflage des Ventilkorbsitzringes auch bei Erwärmung an der Auflagefläche jm Zylinderdeckel gewährleistet. Da sich hierdurch der Ventilkorbsitzring bei Erwärmung auch nicht einseitig verziehen kann, ist wiederum ein einwandfreier Dichtsitz zwischen Ventilsitzfläche und Ventilkegel, letztendlich insgesamt gesehen eine lange Standzeit des Ventiles gewährleistet.

Nachstehend sind weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

F i g. I einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventilkorbes,

Fig.2 einen Schnitt durch den Ventilkorb nach Fig. 1 entlang der Linie H-II,

Fig.3 einen Schnitt durch den Ventilkorb nach Fig. 1 entlang der Linie III—III.

Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nur teilweise dargestellten Ventilkorbes nach der Erfindung.

Der in den F i g. 1 bis 3 gezeve Ventilkorb kann Teil eines nicht dargestellten Auslab- jder Einlaßventiles sein; er umfaßt =in Ventilkorboberteil 1, ein Ventilkorbunterteil 2 und einen Ventilkorbsitzring 3. Diese drei Teile sind vorzugsweise durch Vakuumhartlölung m.-.einander verbunden. Das Ventilkorboberteil 1 weist zwei Kühlkammern 4 und 5 auf, die durch Trennwände 6, 7 abgeteilt und mit jeweils einem nicht dargestellten Kühlwasserzulauf sowie einem Kühlwasserablauf verbunden sind. Ferner ist im Vemilkorboberteil 1 eine zentrale Bohrung 8 für eine nicht dargestellte Büchse vorgesehen, die als Führung für den Schaft eines ebenfalls nicht dargestellten Ventiles dient Diese zentrale Bohrung 8 ist in das Ventikorbunterteil 2 ein Stück hinein verlängert, um dann in eine verjüngte Bohrung 9 überzugehen. Der im Ventilkorbunterteil 2 gelegene Bereich der zentralen Bohrung 8 ist für nicht dargestellte Dichtungspakete zur Abdichtung des Ventilschaftes vorgesehen. Die Bohrung 9 tauft in einen gebogenen innerhalb des Ventilkorbunterteiles 2 gelgenen Ladungswechselkanal lOaus.derzemrisch vom unteren ringförmigen Teilbereich II des Ventilkorbunterteiles 2 unter Weiterführung einer im Ventilkorbsitzring 3 gelegenen DiTchlaßbohrung 12 ausgeht und mit einer seitlichen Gaswechselöffnung 13 verbunden ist. Diese Gaswechselöffnung 13 des Ladungswechselkanales 10 dient je nach Verwendung des Ventilkorbes als Teil entweder eines Auslaß- oder Einlaßventiles entweder für den Austritt von Abgas aus dem Ventilkorb oder für den Eintritt von Ladeluft in den Ventilkorb. Der Ladungswechselkanal 10 ist im Bereich des Ventilkorbunteneiles 2 von zwei seitlichen, gleich großen Wandabschnitten 14 und 15 sowie einem der jeulichen Gäsweehselöffnung 13 gegenüberliegenden rückwärtigen Wandabschnitt 16 begrenzt. Dip einander zugekehrten, innenliegenden Flächen i,^r, 18 der beiden seitlichen Wandabschnitte 14, 15 verlaufen erfindungs gemäß - wie gut aus Fig. 2 und 3 ersichtlich — zumindest annähernd planparallel zueinander und parallel zur Ventilkorbachse AA. Der der seitlichen Gäsweehselöffnung 13 gegenüberliegende rückwärtige Wandabschnitt 16 des Ladungswerhselkanales 10 weist eine insgesamt mit 19 bezeichnete Öffnung auf. Diese Öffnung 19 isl erfindungsgemäß durch einen Schlitz 20 gebildet, der ¹JJCh über die gesamte Breite des der seillichen Gaswechselöffnung 13 gegenüberliegenden rückwärtigen Wandabschnittes 16 diesen unterbrechend erstreckt und an seinen Enden im wesentlichen parallel zu den seitlichen Wandabschnitlen 14, 15

verlaufende Äste 21, 22 aufweist. Durch den Schul/. 20 und seine Äste 21, 22 ist beispielsweise wie beim Ausführungsbeispiel gemäß den Pig. I und 3 und gut aus Fig. 2 ersichtlich eine U-förmige Schutzanordnung gegeben. Diese Schutzanordnung muß jedoch nicht ^ notwendigerweise U-förmig sein; es sind jederzeit auch andere Ausführungen möglich, wie beispielsweise aus dem zweiten in Fig.4 darggestellten Ausführungsbeispiel ersichtlich, wo eine H-förmige Schlitzanordnung gezeigt ist. Durch die U-förmigc Schutzanordnung gemäß Fig 1 bis 3 wird als Teil des Wandabschniues 16 ein zungenartiger Lappen 23 begrenzt, der bei der dargestellten Ausführungsform in Richtung der Ventil· sitzfläche 24 hinweist, welche am Ventilkorbsitzring 3 eingangs der Durchlaßbohrung 12 angeordnet ist. Die U-förmige Schutzanordnung kann jedoch auch so ausgeführt sein, daß der zungenartige Lappen 23 in Richtung auf das Veniilkorboberieil 1 weist, d. h. der Schlitz 20 ist gegenüber der dargestellten Anordnung mehr in Richtung Ventilkorboberteil 1 hinverlegt und seine Äste 21, 22 schließen sich entsprechend nach unten in Richtung Ventilkorbsitzring3 weisend an.

Der Schlitz 20 und seine Äste 21, 22 weisen eine Spaltbreite von 5 bis 15 mm auf und sind außerdem vornehmlich symmetrisch zu einer durch die Mitte der Gaswechselöffnung 13 und die Mittellinie des Ladungswechselkanales 10 enthaltenden Ebene ausgebildet. Damit sich der zungenartige Lappen 23 nicht zu stark aufheizen kann, sind in ihm Kühlbohrungen 25 vorgesehen. Der unterhalb der Schutzanordnung 20,21, 22 befindliche ringförmige Teilbereich 11 des Ventilkorb· Unterteiles 2 weist Ausnehmungen 26 auf. die mit Ausnehmungen 27 im Ventilkorbsitzring 3 korrespondieren und nach dem Zusammenfügen des letzteren mil dem Ventilkorbunterteil 2 einen ringförmigen Kühl- J5 raum 28 zum Kühlen des Ventilkorbsitzringes 3 bilden. Am äußeren Umfang des Venlilkorbsitzringes 3 ist eine Rmgschulter 29 vorgesehen, die zur Abstützung des Vcnttlkorbcs im nicht dargestellten Zylinderdeckel du'Pi -i>

\ns I 1 g.2 ist die Ut orni der ,ius dein Schill/ 20 un-.i seinen Asten 21, 22 bestehenden Schlit/;"i>)rdnung gi.·. ersichtlich. Aus F i g. 3 wiederum ist ersichtlich. ua!3 sich der Schlitz 20 und seine Äste 21, 22 quu zur Ventilkorbachse A-A erstrecken. Durch ' . ■ e Schlitzen-Ordnung sind zwei kreissegmentförniurc. symmetrisch angeordnete und gleich ausgebildete Stege gegeben, d.·.· die beiden seitlichen Wandabschnitk 14, 15 bilden Diese seitlichen Wandabschnitte ί4, 15 stützen M;h air unteren ringförmigen Teilbereich lld«., Venulkor*· .1. ^s.c teneiles 2 ab. Durch diese seitlichen Wandabschniiic 14, 15 ist jeweils mindestens eine Kühlbohrung 30, 31 geführt, die mil dem ringförmigen Kühlraum 28 im Ventilkorbsitzring 3 und mit den Kühlfäumcn 4, 5 im Ventilkorboberteil 1 in Verbindung stehen.

Bei der in Fig.4 dargestellten zweiten Ausführungsform eines Ventilkorbes, bei der der Schlitz 20 und seine Äste 21, 22 eine H-förmige Schlitzanordnung bilden, sind durch letztere zwei gcgeneinandergerichlele zungenartige Lappen 32, 33 begrenzt, die in gleicher oder ähnlicher Weise wie der Lappen 23 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. I bis 3 an eine Kühlmiilelversorgung angeschlossen sind.

Durch die erfindungsgemäße Ventilkorbkonstruktion ist eine Funklionstrennung im gasführenden Bereich des Ventilkorbes zwischen der Kraftdurchleitung der Befestigungskräfle und der Strömungsführung des Gasstromes gewährleistet. Die Kraftdurchleilung erfolgt durch die symmetrisch ausgebildeten, tragenden seitlichen Wandabschnitte 14, 15, so daß die Pressungsverteilung am Sitz des Ventilkorbes auch unter Berücksichlung thermischer Verformungen sehr gleichmäßig ist: außerdem wird hierdurch eine einwandfreie Führung der Gasströmung erreicht. Ferner werden durch diese erfindungsgemäße Ventilkorbausbildung außerhalb des Strömungsbereiches am Ventilkorb größere Toträume vermieden. Darüber hinaus ist eine Senkung der Bauteiltemperatur, vor allem im Ventilsitzbereich erzielbar. Dies gewährleistet längere Standzeiten der Ventile und führt damit auch zu erheblichen Kosteneinsparungen.

Um die Aufheizung der Bauteile in Grenzen zu halten, ist der Ventilkorb an einem Flüssigkeitskühlkreislauf angeschlossen. Die Kühlflüssigkeit strömt von nicht dargestellten Zulaufleitungen in die Kühlkammer 4 und von dort durch die Kühlbohrungen 30 im seitlichen Wandungsteil 14 in den Kühlringraum 28 ein und tritt durch die Kühlbohrungen 31 im anderen seitlichen Wandabschnitt 15 in die Kühlkammer 5 und von dort über ebenfalls nicht dargestellte Ablaufleitungen aus Mem Vf ;ilk<>rb aus. Die Kühlbohrungen 25 im /unjienariigir: Lappen 23 (Fi g. I bis 3) bzw.32 (Fig.4) sahen ebenulK mit den Kühlkammern 4 und 5 in Verbindung. Die Kuhlbohrungen 25 erhalten Kühlwasser durch thermische Umwälzung mit aufgeheiztem Walser, indem das kalte Wasser nach unten sinkt und d.i3 warme Wasser nach oben verdrängt wird.

Der erfindungsgemäße Venlilkorb kann aus Grauguß, Stahlguß oder Sphäroguß hergestellt sein; es besteht son.i. d.e Möglichkeit, die Schutzanordnung bereits niite.n/ugießen oder aber diese erst nachher ehzuarbeilen.

Hierzu 1 BlattZeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ventilkorb für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilsitz, der mit einer seitlichen Gaswechselöffnung durch einen gekrümmten Ladungswechselkanal verbunden ist, der von zwei seitlichen, gleich großen Wandabschnitten und einem der seillichen Gaswechselöffnung gegenüberliegenden, an die seitlichen Gaswechselöffnung gegenüberliegenden, an die seitlichen Wandabschnitte anschließenden sowie eine öffnung aufweisenden, rückwärtigen Wandabschnitt begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Rächen (17, 18) der seitlichen Wandabschnitte (14, 15) zumindest annähernd planparallel zueinander und parallel zur Ventilkorbachse (A-A) verlaufen, und daß die Öffnung (19) im rückwärtigen Windabschnitt (ISl durch einen über dessen gesamte Breite verlaufenden Schlitz (20) gebildet ist, der an seinen Enden im wesentlichen parallel zu den seitlichen Wandabschnitten (14, 15) verlaufende Äste (21, 22) aufweist.

2. Ventilkorb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (20,21,22) im rückwärtigen Wandabschnitt (16) symmetrisch zu einer die Mittellinie des Ladungswechselkanales (10) enthaltenden Ebene angeordnet ist.

3. Ventilkorb nach einem der Ansprüche 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Schütz (20, 21, 22) U-förmig oder H-förmig ausgebildet ist

4. Ventilkorb nach einem Jer Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die seitlichen Wandabschnitte (14, 15) des Ladung wechselkanales (10) einen kreissegmentförmigen Querschnitt haben.

5. Ventilkorb nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß im rückwärtigen Wandabschnitt (16) Kühlbohrungen (25) vorgesehen sind