DE3122603A1

DE3122603A1 - "ventil, insbesondere ein- oder auslassventil an einem verbrennungsmotor"

Info

Publication number: DE3122603A1
Application number: DE19813122603
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. 8047 Karlsfeld Hüther
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1981-06-06
Filing date: 1981-06-06
Publication date: 1983-01-05
Also published as: JPS5825508A; EP0066733A1; DE3266638D1; US4475494A; EP0066733B1

Description

' WO/Sl

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH

München, den 2. Juni 1981

-_n Ventil, insbesondere Ein- oder Aus

laßventil an einem Verbrennungsmotor

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil, insbesondere Ein- oder Auslaßventil an einem Verbrennungsmotor bzw. an dessen Arbeitszylinder.

Ein Auslaßventil und ein Einlaßventil an einem Verbrennungsmotor und der Ventiltrieb sind allgemein bekannt, insbesondere in folgender Bauart:

Das Ventil befindet sich in einem Zylinderkopf oder -deckel. Ein Ventil körper, der ein Ventilteller ist, und ein Ventilschaft bilden eine einstückige Einheit aus Stahl, die ein Umdrehungskörper ist und in Richtung ihrer Längsachse hin- und herbewegbar ist. Die beiden gegenseitigen, zueinander parallelen Dichtflächen des Ventils sind Kegel stumpfflächen. Der Ventilteller ist während der Schließzeit durch die Kraft einer Schrauben druckfeder mit seiner Dichtfläche gegen die feststehende Dichtfläche drückbar.

Die Wärme im Ventilteller wird während der Schließzeit über den Kegelstumpf-Ventilsitz in den wasser- oder luft-

T-654 2.06.1981

: ::~..: ::;".. Μ ': 31226G3

! gekühlter» Zylinderkopf abgeleitet. Diese Wärmeableitung ist nicht besonders groß, d.h. insbesondere aer Ventilkörper ist hitzegefährdet,, bzw. solch ein Ventil ist thermisch nicht hoch belastbar. Außerdem ist erforderlich, daß zwischen dem Kipphebel oder dgl. des Ventiltriebs und dem Ventilschaft ein Spiel eingehalten wird und dadurch,. z.B. auch bei unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen dem Ventiltrieb und dem Zylinderkopf:, der Ventilteller während der Schließzeit mit seiner Dichtfläche tatsächlich gegen die feststehende Dichtfläche gedrückt wird bzw. satt und fest an dieser anliegt,,, damit wenigstens die genannte nicht besonders große Wärmeableitung erzielt wird. Durch dieses Spiel treten jedoch beim Auftreffen des Kipphebels oder dgl. auf den Ventilschaft beim öffnen des Ventils und ferner durch das ■Auftreffen des Ventilteller auf den Ventilsitz beim Schließen des Ventils sehr hohe Beschleunigungskräfte auf. Dies hat große mechanische Belastungen des Ventils

und erhebliche Geräuschentwicklung zur Folge. ■20.-

Ferner treten Strömungsprobleme auf, und zwar treten vor und hinter dem Ventilteller Verwirbeiungen auf,, und· ferner ist die Kegelform des Stroms des Fluids - Luft beim Diesel-, Gemisch beim Ottomotor - aus dem Einlaß-

ventil in den Brennraum hinein oft nicht günstig»

Aufgabe gemäß der Erfindung ist es_s ein Ventil zu schaffen, bei dem das genannte Spiel verkleinert oder beseitigt werden darf und sogar eine größere Wärme-

belastbarkeit erzielbar ist und meist auch die genannten Strömungsprobleme zumindest zum Teil gelöst werden können.

T-654

2.06.1981

-6-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit diesen zylindrischen Dichtflächen, die gleichzeitig Führungsflächen sind und deren Zylinderachse in der Bewegungsrichtung des Ventil körpers verläuft, darf das genannte Spiel verkleinert oder beseitigtwerden, weil sich der Ventil körper nicht mehr an einen Ventilsitz anlegen muß. Auch werden Beschleunigungsspitzen und somit hohe Aufschlagkräfte vermindert oder vermieden, wodurch der Einsatz aer Keramik wesentlich erleichtert wird. Wegen der hohen thermischen Stabilität des keramischen Werkstoffs ist nur wenig Wärmeableitung aus dem keramischen Ventil körper erforderlich. Dies macht es möglich, die gegenseitigen Dichtflächen als zylindrische Flächen auszuführen, deren Zylinderachse in der Ventil korperbewegungsrichtung verläuft. Der keramische Ventilkörper darf sehr heiß werden. Die thermische bzw. Wärme-Belastbarkeit des Ventilkörpers oder des Ventils ist größer als im vorn genannten Fall. Auch kann durch die Verwendung keramischen Werkstoffs für mindestens den Ventilkörper die Verbrennungstemperatur im Motorzylinder gesteigert werden. Ferner läßt der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Werkstoffs - insbe- *5 sondere Siliziumkarbid SiC oder Siliziumnitrid Si"3N4 enge Paßmaße zu, wodurch sichergestellt ist, daß das Ventil auch bei hoher Temperatur gut dichtet. Desweiteren gibt es hier keine kegelstumpfförmigen Sitzflächen, so daß es leicht ausführbar ist, das Fluid in günstigeren,

frei gewählten Richtungen aus dem Ventil in den Brennraum hinein ausströmen zu lassen. Ferner kann der Ventil körper leicht so ausgebildet werden, daß möglichst wenig Wirbel bildung im ein- bzw. ausströmenden Fluid auftritt, z.B. in den Brennraum hinein strömungsgünstig

ausgebaucht sein. Trotz einer solchen Vergrößerung wird

der Ventilkör-T-654 ·
2.06.1981

^ per durch die somit größere Wärmeaufnahme thermisch nicht überlastet, denn er besteht aus keramischem Werkstoff.

Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung sind insbesondere aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Durch das Kennzeichen des Anspruchs 2 ist sichergestellt₉ daß der Ventil körper bei der meist etwas weit von ihm entfernten Lagerung des Ventil Schafts in jedem Fall einwandfrei in die Paßfläche bzw. die feststehende zylindrische Dichtfläche einläuft.. Gemäß dem Anspruch 3 ergibt sich eine sehr einfache Ventil bauart. Relativ

^5 wenig Verwirbelung tritt am Ventil im Fall des im Anspruch 4 genannten,, knollenförmigen Ventil körpers aufs, der also .in den Brennraum hinein ausgebaucht ist. Bei geöffnetem Ventil strömt das Fluid im Fall des Anspruchs 3 oder 4 um den Ventil körper herum., im Fall des Anspruchs 5 durch den Zylinderkörper hindurch. Es besteht die Möglichkeit_s an hohlen Zylinderkörpern gemäß dem Anspruch 5 die Ein- und Ausströmrichtungen verschiedenartig festzulegen, üffnungsanordnungen dafür sind insbesondere in den Ansprüchen 6 und 7 angegeben.

*5 Der hohle Zylinderkörper des Ein- oder Auslaßventils kann aber auch brennraumseitig au seiner Stirn eine einzige z.B. -große öffnung und auf der anderen Seite der Wand an seinem Umfang jene Schließöffnung bzw» -Öffnungen aufweisen. Es kann von Vorteil sein_a die öffnungen am Umfang des -Zylinderkörpers über 360° gleichmäßig verteilt anzuordnen. Gemäß dem Anspruch 7 (Einlaßventil) geht man insbesondere dann vor₅ wenn im Verbrennungsraum eine Rotationsbewegung des Fluids,, eine Drall strömung,

T-654
2.05.1981

erwünscht ist. Diese weist innen die relativ leichteren Verbrennungsgase auf, während sie außen relativ kühle, nicht an der Verbrennung teilnehmende Luft aufweist, wodurch sich ein wärmedichterer Motor ergibt. W.ird gemäß dem Anspruch 8 vorgegangen, wird der Brennraum noch besser abgedichtet. Die Ausbildung gemäß dem Anspruch dient der Gewichtsverminderung des Ventil körpers. Der Ventilring oder das Ventilrohr gemäß dem Anspruch 10 besteht vorzugsweise aus keramischem Werkstoff. Er bzw. es sitzt fest im Zylinderkopf. Zum Anspruch 11 ist auszuführen, daß die Möglichkeit besteht, beim geschlossenen Ein- oder Auslaßventil, an einem Verbrennungsmotor; den Ventil körper so zu verschieben bzw. so zu steuern, daß während der Verbrennung die Größe des Brennraums zur Beeinflussung des Verbrennungsdrucks bzw. des Verlaufs desselben geändert wird.

Der Ventil körper oder dieser und das oder der andere Teil besteht bzw. bestehen insbesondere aus Siliziumkarbid SiC oder oder Siliziumnitrid Si3N4, kann bzw. können aber auch z.B. aus Oxidkeramik wie Aluminiumoxid AI2O3 oder Magnesiumoxid MgO bestehen.

Der Außendurchmesser des Ventilschafts ist zumindest in den Fällen der Ansprüche 3 und 4 kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Dichtflächen.

Die Ventile gemäß den Ansprüchen 3 und 4 und Ventile mit ähnlichem Ventil körper sind insbesondere von der Art, daß ihr Durchflußquerschnitt sich innerhalb des Verbrennungsraums bzw. des Innenraums des Arbeitszylinders des Verbrennungsmotors befindet. Diese Ventile können aber auch von der Art sein, daß ihr Durchflußquerschnitt sich außerhalb des Verbrennungsraums bzw. dieses Innenraums befindet.

T-654
2.06.1981

Das erfindungsgemäße Ventil kann ein Einlaßventils . aber auch ein Auslaßventil sein, insbesondere an einem Verbrennungsmotor.

Die Erfindung ist im allgemeinen bei Verbrennungsmotoren mit geradlinig hin- und herbewegbarem Arbeitskolben«, insbesondere bei Diesel- und Ottomotoren^ anwendbar.

Das Ventil gemäß der Erfindung kann auch z.B. an oder bei einem Behälter» einem Rohr oder einer bzw. einer anderen thermischen Kraft- oder Arbeitsmaschine», beispielsweise als Bypassventil bei einem Turbolader vorgesehen sein. Der Ventil körper besteht gemäß den

^5 Ansprüchen 1 bis 11 aus keramischem Werkstoff. Es wird aber auch im Rahmen dieser Anmeldung um Patentschutz nachgesucht für Ventile gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 für den FaIl₅ daß von den beiden genannten Teilen der . Ventilkörper aus anderem Werkstoffs insbesondere Metalls besteht und das andere Merkmal (die beiden gegenseitigen Dichtflächen sind zylindrisch) des Anspruchs 1 und die Kennzeichen der Ansprüche 2 bis 10 voll erhalten bleiben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Ventils *5 gemäß der Erfindung vereinfacht und jeweils in einem die Zylinderachse der zylindrischen Dichtflächen enthaltenden Längsschnitt dargestellt. Jedes dieser Ventile kann ein Einlaßventils aber auch ein Auslaßventil sein.

Fig. 1 zeigt ein voll geschlossenes Tellerventilι

Fig. 2 zeigt ein voll geschlossenes Ventil mit knollenförmig ausgebildetem Ventil körper;

■■

T-654
2.05.1981

Ί Ir-I It':-rl "I 3122603 -ιοί Fig. 3 und 4 zeigen ein Ventil mit einem hohlen Zylinderkörper als Ventilkörper, wobei das Ventil gemäß Fig. voll geschlossen, gemäß Fig. 4 voll offen ist.

Gemäß sämtlichen Figuren verläuft die Zylinderachse der zylindrischen Dichtflächen in den Hin- und Herbewegungsrichtungen - siehe den Doppelpfeil 11 - des Ventil körpers, besteht dieser zusammen mit einem Ventilschaft 12 (abgebrochen dargestellt) aus einem Stück und aus keramischem Werkstoff und stellt diese Einheit einen Umdrehungskörper dar.

Gemäß Fig. 1 ist der keramische Ventil körper ein Ventilteller 13. Dieser weist außen die zylindrische Dicht-. fläche 14 auf. Diese liegt an der zylindrischen Dichtfläche 15, die an einem Ventilring 16 vorgesehen ist. Der Ventilteller 13 weist an seiner Dichtfläche 14 in Richtung der Zylinderachse 10 aufeinanderfolgende Labyrinthdichtungsnuten 17 auf. Der Ventilring 16 besteht, zumindest im Fall eines Auslaßventils, ebenfalls aus keramischem Werkstoff, sitzt in einer am Brennraum 18 beginnenden Ausnehmung 19 eines Zylinderkopfs 20, der aus keramischem Werkstoff bestehen kann, und bildet eine brennraumseitige öffnung 21 des Ventils. Anstelle des Ventilrings 16 kann ein Ventilrohr 22 verwendet werden, das im Zylinderkopf 20 steckt und ebenfalls am Brennraum 18 beginnt. Der Ventilring 16 oder das Ventilrohr 22 weist eine Einlauffläche 23 auf, die sich an dessen zylindrische Dichtfläche 15 anschließt, sich bis zum Brennraum 18 konisch schwach erweitert und am Brennraum 18 mit der üffnung 21 endet.

Der keramische Ventil körper 24 gemäß Fig. 2 ist ein knollenförmiger Körper mit einer ringförmigen, relativ

T-654
2.06.1981

zu seinem größten Durchmesser und zu seiner Länge axial kurzen zylindrischen Dichtfläche 25 im Gebiet dieses Durchmessers» Die feststehende zylindrische Dichtfläche 26 ist durch den Zylinderkopf 20 gebildet» Dieser weist die Einlauffläche 23 auf. Der Ventil körper 24 weist zur Gewichtsersparnis innen einen kugelförmigen Hohlraum 27 auf. Der Ventil körper 24 hat durch seine Knollenform eine strömungsgünstige Ausbauchung 28 in den Brennraum 18 hinein. Die Ausbauchung 28 ist besonders strömungsgünstig, weil sie in den Brennraum 18 hinein zentral spitz auslaufend ausgebildet ist- Sehr strömungsgünstig sind auch die entgegengesetzte Ausbauchung 29 und das Merkmal, daß diese sich verjüngend in den Ventilschaft übergeht. Man kann den Ventil körper 24 auch als tropfenförmigen Körper bezeichnen.

Gemäß Fig. 1 und 2 wird der Ventil körper 13 bzw. 24 zum öffnen des Ventils in den Brennraum 18 hinein verschoben.

Der hohle keramische Zylinderkörper 30 gemäß Fig. 3 und 4 weist einen koaxialen, zylindrischen, vom Fluid des Ventils durchströmbaren Innenraum 31 und zwei Umfangs·? wanddurchbrüche oder öffnungen 32 und 33 für den Eintritt und den Austritt bzw. den Austritt und den Eintritt des betreffenden Fluids auf. Der Zylinderkörper 30 ist.in einer Bohrung einer Wand 34 dichtend geführt. Die Bohrungsoberfläche ist die feststehende zylindrische Dichtfläche 35, und am Umfang des Zylinderkörpers 30 befindet sich die andere Dichtfläche 35. Die öffnungen

32 und 33 sind um 180° zueinander versetzt angeordnet. Sie können auch um einen kleineren Winkel oder nicht zueinander versetzt angeordnet sein» Die öffnungen 32

T-654

2.06.1981

: IV'z'l HlVr-! 1 3122603

-12-

und 33, winkelmäßig zueinander versetzt oder nicht, sind in einem solchen axialen Abstand voneinander angeordnet, daß sie beide in der Volloffenstellung (Fig. 4) des Ventils voll offen sind, d.h. axial sich außerhalb der der Wand 34 befinden, die öffnungen 32 auf der einen Seite der Wand 34, die öffnungen 33 auf der anderen Seite der Wand 34. In der Vollgeschlossenstellung (Fig.3) des Ventils befindet sich die öffnung 33 voll in der Bohrung (36). Die Einströmung und die Ausströmung des Fluids erfolgen etwa senkrecht zur Zylinderachse 10. Beim Einlaßventil ist mit einer solchen in der Umfangswand des Zylinderkörpers 30 für den Austritt des Fluids vorgesehenen öffnung 33 eine Drall strömung im Brennraum möglich. - Anstelle oder zusätzlich zu einer öffnung können achsparallele öffnungen 38 in der beim Ventilschaft 12 gelegenen Stirnwand 37 des Zylinderkörpers vorgesehn sein.

T-654
2.06.1981

Claims

3122S03

wo/si

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÖNCHEN GMBH

München, den 2. Juni 198!

Patentansprüche

TQ- ' "

fi?

Ventil, insbesondere Ein- oder Auslaßventil an einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet;, daß von dsn die gegenseitigen Dichtflächen (14,15) des Ventils aufweisenden Teilen (13,16) des Ventils mindestens der Ventil körper (13) aus keramischem Werkstoff besteht und diese Dichtflächen (14₃15) zylindrische Flächen sind.
2. Ventil nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß sich an die feststehende zylindrische Dichtfläche

(26) eine feststehende, schwach konische Einlauf-. fläche (23) anschließt.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2_S dadurch gekennzeichnet,, daß der Ventil körper ein Ventilteller (13) mit zy- ■ lindrischer Dichtfläche (14) ist.
4= Ventil nach Anspruch 1 oder Z₉ dadurch gekennzeichnet,

daß der Ventil körper (24) knollenförmig mit zy-. lindrischer Dichtfläche (25) ausgebildet ist.

T-654

to * w

-2-

T
5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventil körper ein durch eine Bohrung (36) einer Wand (34) führender, hohler Zylinderkörper (30) mit mindestens einer Eintrittsöffnung (32,38) und mindestens einer Austrittsöffnung (33) für sein Fluid ist, wobei die öffnung (33) bzw. öffnungen einer dieser beiden Öffnungsarten am Umfang des Zylinderkörpers (30) vorgesehen und durch die Schließbewegung des Zylinderkörpers voll in die Bohrung (36) bev/egbar ist bzw. sind.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die öffnung (32) bzw. öffnungen (38) der anderen dieser beiden Öffnungsarten am Umfang und/oder an der Stirn (39) des hohlen Zylinderkörpers (30) vorgesehen ist bzw. sind.
7. Einlaßventil nach Anspruch 5 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Zylinderkörper (30) nur eine einzige Austrittsöffnung (33) für das Fluid und diese an seinem Umfang aufweist.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einer (14) der beiden zylindrischen Dichtflächen (14,15) in Richtung ihrer Zylinderachse (10) aufeinanderfolgende Labyrinthdichtungs-Ringnuten (17) vorgesehen sind.
9. Ventil nach Anspruch 1, 4 oder 8, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Ventil körper (24) hohl ausgebildet ist.

T-654
2.06.1981

-3-
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9_S dadurch

gekennzeichnet, daß ein die feststehende zylindrische Dichtfläche (15) aufweisendes Teil ein Ring (16) oder ein Rohr (22) ist. 5
11. Ein- oder Auslaßventil an einem Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 1O₉ gekennzeichnet durch eine bei geschlossenem Ventil vorhandenes die Größe des Brennraums (18) zur Beeinflussung des ¥erbrennungsdrucks ändernde Verschiebbarkeit bzw. Steuerbarkeit des Ventil körpers (24) längs der feststehenden zylindrischen Dichtfläche (26).

/2fr

T-654 2.06.1981