DE2936557A1 - Cooled engine valve with improved heat transfer - Google Patents

Description

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Gekühltes Motorventil mit verbesserter Wärmeübertragung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Mittel zur Kühlung eines Ventils zur Verwendung bei einer Verbrennungskraftmaschine.

Berücksichtigter Stand der Technik

Einen hohen Schwefelgehalt aufweisende Brennstoffe enthalten häufig Vanadiumverbindungen. Derartige Brennstoffe verarbeitende Diesel-Motoren machen derzeitig das periodische Schleifen der Auslassventile infolge der Korrosionseffekte erforderlich, die durch hohe Wärmeniveaus an den Stirnflächen der Ventile hervorgerufen werden. Diese Korrosion hat die Tendenz, eine "Kanalbildung" oder "Rillenbildung" der Ventilstirnflächen einzuleiten/ was diese Korrosion beschleunigt/ auf welche Weise ein Anstieg des Gaslecks an den Ventilen vorbei sowie der mögliche Bruch der Ventilköpfe in Frage kommt. Die Korrosionseffekte entstehen auch auf der Oberseite der Ventilköpfe, was eine ernsthafte Lochbildung einleitet und ebenfalls zu Ventilkopfausfällen führt.

Es wurden bereits verschiedene Versuche gemacht, um die Auslaßventile zu kühlen, und zwar dadurch, daß man sie mit metallischem Natrium oder einem anderen Kühlmedium umgibt, wie dies in US-PS 2 682 261 für Achor (29. Juni 1954) gezeigt ist; eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man öl durch das Ventil zirkuliert, wie das in den US-PS 3 911 875 (Erfinder: Ysberg; 14. Oktober 1975) und 3 945 356 (Erfinder: Kühm; 22. März 1976) beschrieben ist. Beim erstgenannten Lösungsversuch ergibt sich trotz des Vorhandenseins einer erwünschten Bewegungswirkung die Tendenz zu einem Anstieg des Temperaturniveaus des Ventilschafts, auf welche Weise die Betriebslebens-

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dauer der rohrförmigen Führung vermindert wird, die in hin- und hergehender Weise das Ventil in einem Motor lagert. Insbesondere erfolgt die Wärmeleitung durch den Ventilschaft, einen Ölfilm innerhalb der Führung, wobei die eigentliche Führung und der Zylinderkopfvorsprung die Führung umgeben. Infolgedessen erhitzt sich das im Ventil enthaltene Kühlmedium bis zu einem unerwünschten Niveau und verhindert die wirkungsvolle Kühlung der Ventilstirnfläche.

Auch die ölzirkulation durch das Ventil hindurch, zu Kühlzwecken hat keine endgültige Lösung für das Korrosionsproblem gebracht. Insbesondere hängt eine übliche Ventilanordnung dieser Bauart in erster Linie von dem Prinzip der erzwungenen Konvektion für Kühlzwecke ab, wie beispielsweise vom Hindurchpumpen von öl durch ein Füllrohr und/oder einen Hohlraum. Auf diese Weise ist das dem Kopf des Ventils.zugeführte Kühlöl keiner erwünschten Wirkung ausgesetzt, die eine effiziente Verteilung und den Fluß des Kühlöls zu den kritischen Oberflächen des Ventils vorsehen würde.

Darüber hinaus zeigen die üblichen mehrere Teile aufweisenden Ventile dieser Bauart strukturelle Nachteile, die nicht in ausreichender Weise den Scher- und Biegebeanspruchungen entgegen wirken, die in kritischen Gebieten des Ventils während des Betriebs auftreten.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Ventil vorgesehen, welches einen langgestreckten Schaft besitzt; ein Kopf ist an einem Ende des Schafts angeordnet und definiert darauf eine ringförmige Ventilstirnfläche; Zirkulationsmittel im Ventil dienen zum Durchzirkulieren eines Kühlmittels und weisen einen Einlaß, einen Auslaß sowie Ringkammermittel auf, die im Kopf definiert sind, um die Verbindung mit dem Einlaß und Auslaß herzustellen. Ferner sind Agitations- oder Bewegungsmittel in den Kammermitteln angeordnet, um darin während des Ventilbetriebs eine Vibration hervorzubringen,

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um die Wärmeübertragung von der VentilStirnfläche auf das Kühlmittel zu verbessern.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Ventil vorgesehen, welches einen langgestreckten Schaft aufweist/ sowie einen Kopf am Ende des Schafts, und wobei eine Ringventilstirnfläche darauf definiert ist und eine ringförmige Kapsel an der Unterseite des Kopfes befestigt ist und wobei schließlich noch eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten sich radial erstreckenden Rippen zwischen dem Kopf und der Kappe befestigt ist, um alternativ eine Vielzahl von Einlaß- und Auslaß- und Durchlaß-Wegen dazwischen zu definieren, die zum Durchzirkulieren eines Kühlmittels geeignet sind.

Die Konstruktion und der Aufbau des Ventilkopfes erhöhten die bauliche Integrität desselben, um den Biege- und Seher-Beanspruchungen entgegenzuwirken, denen -das Ventil während seines Betriebs ausgesetzt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Motorventils; Fig. 2 einen Querschnitt durch den Ventilkopf in Richtung

der Pfeile II-II in Fig. 1; und Fig. 3 eine Teildraufsicht von unten auf das Ventil, wobei eine Vielzahl von Punktschweißungen daran befestigt ist.

Beste Möglichkeit zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Motorventil, bestehend aus einem hohlen Schaft 11 mit einem an einem unteren Ende daran befestigten Kopf 12.

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Der Kopf besitzt eine ringförmige Ventilstirnfläche 13 daran ausgebildet, und zwar zum Eingriff mit einem ähnlich geformten Sitz gebildet im Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine. Obwohl das Ventil besonders zur Verwendung als ein Auslaßventil geeignet ist, da Korrosions- und Wärme-irobleme hier von besonderer Bedeutung sind, sei bemerkt, daß die Einlaßventil* für einen Motor in gleicher Weise aufgebaut sein könnten. Der Schaft kann aus einem Stahlrohr hergestellt sein, welches an seinem unteren Ende den Kopf 12 durch eine Ringschweißung befestigt erhält. Der Kopf kann ein Stahlschmiedestück aufweisen, welches hohe Festigkeit sowie Antikorrosionseigenschaften besitzt. Alternativ kann Schaft und Kopf als eine einheitliche Struktur gegossen und entsprechend den Erfordernissen bearbeitet sein.

Eine Ringkappe 15 ist am Kopf 12 durch eine Ringschweißung 16 befestigt. Wie deutlich in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten und sich radial erstrekkenden Rippen 17 integral auf der Unterseite des Kopfs 12 ausgebildet, um alternierend eine Vielzahl von Einlaß- und Auslaß-Durchlaßwegen 18 bzw. 19 dazwischen zu bilden. Jedes Paar von umfangsmäßig benachbarten Rippen ist zusammen mit einem Brückenteil 20 befestigt, und zwar befestigt an der Kappe durch eine Punktschweißung 21, die sich durch die Kappe (Figuren 1 und 3) erstreckt.

Ein Merkmal des beschriebenen Ausführungsbeispiels sieht die zentrierte Beziehung der Punktschweißungen zwischen der Kappe und dem Ventilkopf vor, und zwar radial nach innen gegenüber Schweißung 16, um den Abrieb in dem Gebiet des Ventils benachbart zu den Rippen 17 zu verhindern. Zudem bewirkt diese Anordnung, daß Kappe und Ventilkopf zusammen den Scherbelastungen entgegenwirken, die auf das Ventil während des Betriebs ausgeübt werden. Auf diese Weise zeigt das Ventil einen beträchtlichen Querschnittsmodul, um dadurch den Scherbelastungen und Beanspruchungen entgegenzuwirken, die während des Betriebs des Ventils auftreten.

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Im folgenden werden die Mittel im Ventil beschrieben, die zum Zirkulieren eines Kühlmittels, wie beispielsweise öl, von einem Einlaß zu einem Auslaß des Ventils dienen. Diese Zirkulationsmittel weisen ein Stahlrohr 22 auf, welches mittig im Schaft 11 angeordnet ist und mit einem unteren Ende in geeigneter Weise mittig innerhalb des Kopfes 12 (vgl. Fig. 1) befestigt ist und einen ersten oder Einlaßdurchlaß 23 darinnen bildet, der mit den Einlaßdurchlaßwegen 18 (Fig. 2) in Verbindung steht. Ein zweiter oder Auslaßdurchlaß 24 ist zwischen Rohr 22 und Schaft 11 definiert, um mit dem Motorschmiersysteiti am oberen Ende in bekannter Weise in Verbindung zu stehen. Obwohl Durchlässe 23 und 24 als Einlaß- bzw. Auslaßdurchlässe beschrieben sind, so sei darauf hingewiesen, daß der Kühlmittelfluß auch umgekehrt werden könnte.

Der Einlaßdurchlaß 23 steht mit den Einlaßdurchlaßwegen 18 in Verbindung, um öl radial nach außen in die Ringkammer

25 zu verteilen. Die Kammer besitzt Agitationsmittel oder einen Ring 26 lose angeordnet darinnen und ferner steht sie mit Auslaßdurchlaßwegen 19 in Verbindung, die mit Auslaßdurchlaß 24 in Verbindung stehen,und zwar über eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten Auslaßanschlüssen 27, die durch gebohrte, durch den Kopf 12 verlaufende Löcher gebildet sind. Obwohl acht Rippen 17 dargestellt sind, um vier Einlaßdurchlaßwege 18 und vier Auslaßdurchlaßwege 19 zu definieren, so kann doch irgendeine Anzahl für einen bestimmten Ventilanwendungsfall vorgesehen sein. Es ist jedoch zweckmäßig, eine geradzahlige Anzahl von Rippen beizubehalten, so daß der Kühlmittelfluß gleichmäßig ausgewogen um den Ventilkopf herum auftritt.

Ein weiteres Merkmal ist die Verwendung des Agitatorrings

26 zur Unterstützung des Kühlens des Ventils während des Betriebe. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß öl im allgemeinen als ein ziemlich schlechtes Kühlmittel angesehen wird, wenn es nicht heftig agitiert (in Bewegung

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versetzt) wird. Die Oberseite des Agitatorrings definiert, bei Betrachtung des Querschnitts in Fig. 1, eine bogenförmige Oberfläche 28, die eng der bogenförmigen Gestalt benachbarter Wandteile des Kopfes 12 entspricht, die partiell die Kammer 25 definieren.

Wenn sich somit der Ring auf und ab innerhalb der Kammer während der Hin- und Herbewegung des Ventils bewegt, so wird erhitztes öl mehrere Male pro Sekunde aus der Kammer herausgezwungen, um eine Agitationswirkung vorzusehen, wodurch das öl kontinuierlich und gleichförmig agitiert wird, um die Wärmeübertragung von der Ventilstirnfläche 13 zum Kühlmittel zu verbessern. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Oberseite der Kappe 15 vorzugsweise flach ist, um auf diese Weise einer flachen Unterseite 29 des Agitatorrings zu entsprechen. Die eng zusammenpassenden und konform ausgebildeten Gebiete, die auf diese Weise durch die Oberflächen 28 und 29 des Agitatorrings innerhalb der Kammer 25 vorgesehen sind, bewirken ferner, daß diese Oberflächen nicht zur Deformation neigen, was zu einem Ermüdungsausfall des Rings führen könnte.

Ferner sieht die stagnierende ölgrenzlage, die über den gesamten Umfang des Ventilkopfes herum herausgequetscht wird, die gleichförmige Kühlung vor, da der Ölfilm-Koeffizient sowohl relativ hoch als auch gleichförmig ist. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Berührungsbeanspruchungen selbst beim Zusammentreffen des Agitatorrings mit dem Ventilkopf 12 und Kappe 15 infolge des relativ großen Oberflächenkontakts, der dazwischen vorgesehen ist minimiert sind, und auch deshalb weil eine sehr dünne ölschicht (Film) zwischen den benachbarten Oberflächen aufrechterhalten bleibt, um den Metall-zuMetall-Kontakt und den Abrieb zu verhindern, wobei aber keine signifikante Störung der gewünschten Wärmeübertragung auftritt. Der dünne Ölfilm ist nur eine kleinere Sperre gegenüber der gewünschten Wärmeübertragung von den kritisch erwärmten Gebieten des Ventils benachbart zur Ventilstirnfläche 13 zu dem öl in der Kammer 25.

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Ein konventionelles ölgekühltes Ventil sieht normalerweise einen laminarartigen ölfluss durch die Durchlässe desselben vor, da die Durchlässe entweder unzulässig klein sind oder aber das öl sich sehr langsam in Teilen der Durchlässe bewegt. Im Gegensatz dazu arbeiten die frei fließenden Durchlässe und Durchlaßwege der Kühlniittelzirkulationsmittel für das Ventil 10 mit der Wirkung des Agitatorrings 26 zusammen, um die verbesserte Kühlung zu erzeugen. Der Agitatorring bewegt das öl heftig in einem außerordentlich turbulenten Zustand, um diese Kühlung benachbart zur Ventilstirnfläche 13 zu unterstützen, die ja einen kritischen Teil des zu kühlenden Ventils bildet.

Faßt man die Ventilkühl-Arbeitsweise zusammen, so erkennt man, daß relativ kaltes Ul der Kammer 25 über Einlaßdurchlaß

23 und Einlaßdurchlaßwege 18 zugeführt wird. Die Auf- und Abbewegung des Agitatorrings 26 bewegt das 01 in der Kammer, wobei das öl durch die Wärmeübertragung vom Ventil in den kritischen Gebieten benachbart zur Ventilstirnfläche 13 erhitzt wird. Das öl fließt sodann durch den Auslaßdurchlaß

24 über die Auslaßdurchlaßwege 19 und die Anschlüsse 27 und kehrt zum Sumpf zum Zwecke der Rezirkulation zurück. Es sei bemerkt, daß die Abwärtsbewegung des Rings 26 gestattet, daß relativ kühles öl den Teil der Kammer 25 oberhalb des Rings füllt. Zudem bewirken Rippen 17 die Unterstützung bei der Wärmeübertragung auf das öl für Ventilkühlzwecke.

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Claims (19)

Ansprüche

1. Ventil (10) mit

einem langgestreckten Schaft (11),

einem Kopf (12), angeordnet an einem Ende des Schaftes (11) und darauf eine Ringventilstirnfläche (13) definierend, Zirkulationsmittel in dem Ventil zum Hindurchzirkulieren eines Kühlmittels, und zwar einschließlich eines Einlaßdurchlasses (18), eines Auslaßdurchlasses (19) und von Ringkammermittel (25) definiert in dem Kopf zur Verbindung mit den Einlaß- und Auslaßdurchlässen (18,19) und angeordnet dicht benachbart zur Ventilstirnfläche (13), und mit Agitations- oder Bewegungsmitteln (26), angeordnet in den Kammermitteln (25) zur Schwingung darinnen während des Ventilbetriebs, um Kühlmittel rückwärts und vorwärts in den Kammermitteln (25) zu drücken, um' so die Wärmeübertragung von der Ventilstirnfläche (13) zum Kühlmittel zu verbessern.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Agitationsmittel einen ringförmigen Ring (26) aufweisen, der locker für Vertikalbewegungen in den Kammermitteln (25) angeordnet ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (26) bei Betrachtung im Querschnitt eine bogenförmige Oberseite (28) darauf definiert aufweist, und wobei eine Oberseite der erwähnten Kammermittel, definiert in dem erwähnten Kopf, bogenförmig ist und mindestens im wesentlichen der bogenförmigen Oberseite des Rings (26) entspricht.

4. Ventil nach Anspruch 3 mit einer Kappe (15) befestigt an einem Ende des Kopfs (12) zur Definition der Kammermittel (25) damit, und wobei eine Unterseite (29) des Rings (28) bei Betrachtung im Querschnitt flach ausgebildet ist und mindestens im wesentlichen einer flachen Oberseite der Kappe (15) entspricht.

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5. Ventil nach Anspruch 2, wobei der Ring in dichter Nähe der Ventilstirnfläche (13) angeordnet ist.

6. Ventil nach Anspruch 1 ferner mit einem Rohr (22) angeordnet mittig im Schaft und mit einem unteren Ende befestigt mit dem Kopf (12), und wobei der Einlaßdurchlaß (23) in dem Rohr (22) definiert ist, und wobei ferner der Auslaßdurchlaß (24) zwischen dem Rohr (22)und dem Schaft (11)definiert ist.

7. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationsmittel ferner eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten und sich radial erstreckenden Einlaßdurchlaßwegen (18) aufweisen, definiert in dem Kopf zur Verbindung des Einlaßdurchlasses mit den Kammermitteln,und mit einer Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten sich radial erstreckenden Auslaßdurchlaßwegen (19) definiert in dem Kopf (12) zur Verbindung der Kammermittel (25) mit dem Auslaßdurchlaß (24).

8. Ventil nach Anspruch 7, wobei die Zirkulationsmittel ferner einen langgestreckten Anschluß (27) aufweisen, der durch den Kopf verlaufend ausgebildet ist, um jeden der Auslaßdurchlaßwege (19) mit dem Auslaßdurchlaß (24) zu verbinden.

9. Ventil nach Anspruch 7, wobei die Einlaß- und Auslaß-Durchlaßwege durch eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten und sich radial erstreckenden Rippen (17) befestigt am Kopf gebildet sind.

10. Ventil nach Anspruch 9 mit einer ringförmigen Kappe, befestigt an einem Ende des Kopfes und befestigt an den Rippen, und ferner befestigt an dem Umfang des Kopfes.

11. Ventil nach Anspruch 10 mit einem Brückenteil (20) befestigt zwischen jedem Paar von umfangsmäßig benachbarten Rippen, und wobei jeder Brückenteil an der Kappe durch eine Schweißung (21) befestigt ist.

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12. Ventil (10) mit

einem langgestreckten Schaft (11), einem Kopf (12) an einem Ende (12a) des Schafts und darauf eine ringförmige Ventilstirnfläche (13) definierend, eine ringförmige Kappe (15), befestigt an der Unterseite des Kopfes, und

eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten und sich radial erstreckenden Rippen (17) befestigt zwischen dem Kopf und der Kappe, um alternativ eine Vielzahl von Einlaß- (18) und Auslaß- (19) Durchlaßwegen dazwischen zu definieren, die zum Hindurchzirkulieren eines Kühlmittels dienen.

13. Ventil nach Anspruch 12, wobei die Kappe an dem Kopf durch eine Ringschweißung (16) befestigt ist, welche die Umfange der Kappe und des Kopfes miteinander befestigt, und mit einer Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten Schweißungen (21), die radial nach innen gegenüber der ersterwähnten Schweißung angeordnet sind, um die Rippen an der Kappe zu befestigen.

14. Ventil nach Anspruch 13, wobei jedes der umfangsmäßig benachbarten Rippenpaare die inneren Enden miteinander durch einen Brückenteil (20) befestigt aufweist, und wobei eine der umfangsmäßig angeordneten Schweißungen jeden Brückenteil an der Kappe befestigt.

15. Ventil nach Anspruch 12, wobei der Schaft hohl ist und ein Rohr (22) mittig darinnen angeordnet aufweist, und wobei ferner ein unteres Ende des Rohrs an dem Kopf befestigt ist und das Rohr einen ersten Durchlaß (23) darinnen bildet, der mit den Einlaßdurchlaßwegen in Verbindung steht und wobei ein zweiter Durchlaß (24) zwischen dem Rohr und dem Schaft definiert ist und mit den Auslaßdurchlaßwegen in Verbindung steht über eine Vielzahl von Durchlässen (27) , die durch den Kopf hindurch ausgebildet sind.

16. Ventil nach Anspruch 12 mit einer Ringkammer (25) definiert zwischen dem Kopf und der Kappe benachbart zu der Ventilstirnfläche, und wobei die Kammer mit den Einlaß- und Auslaß-Durchlaßwegen in Verbindung steht.

17. Ventil nach Anspruch 16 mit Bewegungsmitteln (26) angeordnet in der Kanuner für eine Vibration darinnen während des Ventilbetriebs, um ein flüssiges Kühlmittel in der Kammer in Bewegung zu versetzen, um dadurch den Wärmeübergang von der Ventilstirnfläche zum Kühlmittel zu verbessern.

18. Ventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsmittel einen ringförmigen Ring (26) bilden, der in der Kammer angeordnet ist.

19. Ventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Oberseiten und Unterseiten des Rings bogenförmig (28) bzw. flach (29) sind und mindestens im wesentlichen den Oberflächenteilen ausgebildet auf dem Kopf bzw. der Kappe entsprechen, die die Kammer bilden.

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