DE3332200C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein wassergekühlter Verbrennungs­ motor mit wenigstens einem Zylinder und mit diesem in Verbin­ dung stehenden, ventilgesteuerten Einlaß- und Auslaßöffnungen, von denen zumindest eine einen in einer ringförmigen Ausneh­ mung eingepaßten Ventilsitzring aufweist, der mit einem in Um­ fangsrichtung sich erstreckenden und zur Ausnehmung hin offe­ nen Durchlaß versehen ist, wobei die Ausnehmung mit dem Was­ serkühlsystem des Motors in Verbindung steht und es dem Wasser zur Kühlung des Ventilsitzringes und des ihm zugeordneten Ven­ tils ermöglicht, in den Durchlaß hineinzufließen, entlang diesem durchzufließen und aus ihm herauszufließen.

Ein wassergekühlter Verbrennungsmotor dieser Art ist aus der GB 6 68 962 bekannt. Der Ventilsitzring ist dabei mit einer Kühlvorrichtung versehen, die aus einem Durchlaß besteht, der mit dem Wasserkühlsystem des Motors in Verbindung steht und durch eine äußere ringförmige Nut gebildet wird, die auf beiden Seiten tief hinterschnitten ist. Der Ringnut direkt gegenüberliegend ist im Zylinderkopf um den gesamten Umfang des Ventilsitzes herum ein Ringraum ausgebildet.

Bei diesem bekannten Motor führt zwar das durch die äußere Ringnut eintretende Kühlwasser die Wärme im Mittelbereich des Ventilsitzringes ab, jedoch bleibt das Problem, daß die Wärme in den oberen und unteren Randbereichen des Ventilsitzringes nur ungenügend abgeführt wird. Zu diesem Zweck sind bei dem bekannten Ventilsitzring Hinterschneidungen vorgesehen, die von der Ringnut ausgehen. In der Praxis ist es jedoch schwie­ rig, einen Kühlwasserfluß durch diese Hinterschneidungen zu erzielen. Aus diesem Grund ist die Kühlung in diesen Bereichen nicht effizient.

Darüber hinaus ist die Herstellung von derartigen Ventilsitz­ ringen schwierig. Die Hinterschneidungen in der Ringnut können mit herkömmlichen Techniken nur sehr schwer hergestellt werden. Da die Basisform des Ventilsitzringes üblicherweise gegossen wird, muß anschließend eine Nachbearbeitung zur Ausbildung der Hinterschneidungen vorgenommen werden. Dies erhöht die Zeit zur Herstellung derartiger Ventilsitzringe und ist außerdem teuer.

Aus der GB 5 30 213 ist ein Ventilsitzring für einen wasser­ gekühlten Verbrennungsmotor bekannt, in dessen Oberseite ein Ringkanal als Durchlaß für das Kühlwasser ausgebildet ist. Der Ventilsitzring ist dabei mit dem vorderen Ende der für den Kühlwasserdurchlaß doppelwandigen Einlaß- und Auslaßöffnung des Zylinders verschweißt.

Aus der DE 32 05 676 A1 ist ein wassergekühlter Ventilsitzring für einen Verbrennungsmotor bekannt. Der Ventilsitzring ist dabei in eine ringförmige Ausnehmung der Einlaß- und Aus­ laßöffnung des Zylinders eingesetzt. Für die Wasserkühlung des Ventilsitzringes ist in diesem eine ebenfalls ringförmige Ausnehmung in Form eines Ringkanals ausgebildet, der über ent­ sprechende Durchlässe an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist.

Aus der GB 5 48 101 schließlich ist ein ölgekühlter Ventil­ sitzring für einen Verbrennungsmotor bekannt, der in eine entsprechende Ausnehmung in der Auslaßöffnung des Zylinders eingeschraubt oder in anderer Weise befestigt ist. Zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf ist ein Ringkanal ausgebildet, durch den Öl hindurchgepumpt wird.

Ausgehend von einem wassergekühlten Verbrennungsmotor der ein­ gangs angegebenen Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ventilsitzring für einen wassergekühlten Verbrennungsmotor zu schaffen, der gute Kühleigenschaften auf­ weist sowie technisch leicht herstellbar ist.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorge­ schlagen, daß der Durchlaß als Kanal in einer der Ausnehmung zugekehrten Oberseite des Ventilsitzringes ausgebildet ist, daß der Kanal im Ventilsitzring durch eine mit ihm zusammen­ wirkende Fläche der Ausnehmung geschlossen ist und daß Öff­ nungen in der anderen an der Ausnehmung anliegenden Oberseite des Ventilsitzringes vorgesehen sind, die den Kanal mit dem Wasserkühlsystem verbinden.

Ein nach dieser technischen Lehre ausgebildeter wassergekühl­ ter Verbrennungsmotor hat den Vorteil, daß der Ventilsitzring auf sehr gute Weise gekühlt wird. Dies wird durch die erfin­ dungsgemäße Ausbildung des Kanals in einer der Oberseiten er­ reicht, so daß der Kanal die gesamte Tiefe des Ventilsitzrin­ ges ausreichend kühlen kann. Dadurch, daß der Kanal durch die Oberfläche der Ausnehmung geschlossen wird, kann ein maximales Volumen für den Kühlwasserdurchlauf erzielt werden, wobei die­ ses Volumen auf jeden Fall größer ist als dasjenige, das durch einen Kanal gebildet würde, der im eigentlichen Innern des Ventilsitzringes verläuft. Durch den dadurch möglichen sehr großen Kanalquerschnitt kann der Ventilsitzring auf optimale Weise gekühlt werden. Darüber hinaus tragen die Öffnungen im Ventilsitzring, die den Kanal mit dem Wasserkühlsystem verbin­ den, zur Kühlung des Ventilsitzringes bei, da durch diese Öff­ nungen die wärmetauschenden Oberflächen zwischen dem Ventil­ sitzring und dem Kühlwasser vergrößert werden. Durch diese zu­ sätzliche Kühlung durch die als Einlaß und als Auslaß für das Kühlwasser dienenden Öffnungen werden die Kühleigenschaften noch weiter verbessert.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Ventilsitzring durch einfache Gießtechniken auf einfache Weise technisch herge­ stellt werden kann. Für den Kanal sind keine speziellen Ma­ schinen erforderlich, wie dies beispielsweise bei Hinter­ schneidungen der Fall wäre. Darüber hinaus gibt es keine dünnen Aussteifungen oder Flansche, die sehr leicht zerstört werden können.

In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß die Ausnehmung mit dem Wasserkühlsystem durch in der Ausnehmung ausgebildete Öffnungen verbunden ist, wobei hinsichtlich der Anzahl und der Anordnung der Öffnungen der Ausnehmung und der Öffnungen des Ventilsitzringes wenigstens vier Öffnungen der Ausnehmung mit Öffnungen des Ventilsitzringes unabhängig von der Winkelstel­ lung des Ventilsitzringes bezüglich zur Ausnehmung in Verbin­ dung miteinander stehen. Der Vorteil dieser Weiterbildung liegt insbesondere darin, daß der Ventilsitzring beim Ein­ setzen in die Ausnehmung des Zylinderkopfes nicht speziell ausgerichtet zu werden braucht, da auf jeden Fall nach dem Einsetzen des Ventilsitzringes die Verbindung mit dem Wasser­ kühlsystem hergestellt ist. Ein falsch eingesetzter Ventil­ sitzring ist somit ausgeschlossen.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventilsitz­ ringes für einen wassergekühlten Verbrennungsmotor wird nach­ folgend anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Auslaßöffnung eines wassergekühlten Verbren­ nungsmotors mit einem darin angeordneten Ven­ tilsitzring;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Ventilsitz­ ringes von Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Ausschnitt aus einem wassergekühl­ ten Verbrennungsmotor besitzt wenigstens einen Zylinder 10 sowie eine ventilgesteuerte Ein- und Auslaßöffnung 11, die mit dem Zylinder 10 in Verbindung steht. Die Ein- und Auslaßöff­ nung 11 wird dabei durch eine Wandung eines Gußteils 12 gebil­ det, das normalerweise aus Gußeisen oder einer Aluminiumlegie­ rung besteht. Eine Außenwand 13 des Gußteils 12 definiert einen Teil des Verbrennungsraums des Zylinders 10 und bildet ferner die Wandungen der Ein- und Auslaßöffnung 11. Eine Innenwand 14 des Gußteils 12 definiert einen Teil des Kühlwas­ sersystems des Motors und ermöglicht es dem Wasser 15, um den Zylinder 10 sowie um die Ein- und Auslaßöffnung 11 herum zu zirkulieren.

Am Gußteil 12 ist um das Ende der Ein- und Auslaßöffnung 11 herum eine ringförmige Ausnehmung 21 vorgesehen, in die ein ebenfalls ringförmiger Ventilsitzring 20 eingepaßt ist. Dieser kann beispielsweise durch Gießen oder Sintern eines hitzebe­ ständigen Materials, beispielsweise ein Material mit Eisen als Grundsubstanz, geformt werden. Der Ventilsitzring 20 ist somit aus einem geeigneterem Material als das Gußeisen oder die Alu­ miniumlegierung des Gußteils 12 hergestellt, um den Temperatu­ ren oder Stößen standzuhalten, die im Bereich des Ventilsitz­ ringes 20 beispielsweise beim Hineinströmen der heißen Aus­ puffgase in die Auslaßöffnung auftreten. Der Ventilsitzring 20 besitzt dabei den üblichen abgeschrägten, ringförmigen Paßsitz 18 für einen Ventilteller.

Aufgrund der hohen Temperaturen, die in der Verbrennungskammer des Zylinders 10 und in den Auspuffgasen auftreten, die in die Auslaßöffnung 11 hineinströmen, erreichen der Ventilteller sowie der Ventilsitzring 20 erhöhte Temperaturen. Beispiels­ weise kann die dem Zylinder 10 zugekehrte Oberseite 19 des Ven­ tilsitzringes 20 eine Temperatur von ungefähr 400°C und der mit dem Ventil in Eingriff stehende Paßsitz 18 eine Temperatur von ungefähr 480°C erreichen. Entsprechend höhere Temperaturen werden in dem Ventil selbst erreicht, wobei der Rand des Ven­ tiltellers beispielsweise ungefähr 550°C und die Mitte des Ventiltellers sogar ungefähr 800°C erreicht. Dies hat eine Vielzahl von Nachteilen. So ist es erforderlich, das Ventil aus teuren Legierungen, beispielsweise Kobalt enthaltende Le­ gierungen, herzustellen, insbesondere wenn der Motor ein hoch­ leistungsfähiger Benzinmotor oder turbogeladener Dieselmotor ist, wo besonders hohe Temperaturen auftreten. Auch kann das Ventil verbrennen und der Ventilsitzring 20 kann unter Umstän­ den aus der Ausnehmung 21 herausfallen. Zusätzlich können der Ventilteller sowie der Ventilsitzring 20 als überhitzte Stelle wirken und eine Frühzündung in einem Benzinmotor auslösen.

Um den Ventilsitzring 20 kühlen zu können, ist dieser mit einer Kühleinrichtung versehen. Zu diesem Zweck besitzt der Ventilsitzring 20 zwei zueinander senkrecht stehende Obersei­ ten 22, 23, die mit der Ausnehmung 21 in Eingriff stehen. Die eine Oberseite 22 liegt dabei in einer Ebene senkrecht zur Achse des Ventilsitzringes 20, während die andere Oberseite 23 koaxial zu dieser Achse liegt. Die Oberseite 22 ist mit einem ringförmigen und in Umfangsrichtung sich erstreckenden Kanal 24 versehen. Die andere Oberseite 23 ist mit einer Mehrzahl von über den Umfang verteilten U-förmigen Öffnungen 25 ver­ sehen, die vom Kanal 24 zur Oberseite 23 führen und an der Kante zwischen den beiden Oberseiten 22, 23 ausgebildet sind.

Die Ausnehmung 21 ist folgendermaßen ausgebildet. Das Motor­ teil mit der Ein- und Auslaßöffnung 11 ist ein Gußteil aus Eisen oder einer Aluminiumlegierung. Die Gießform ist derart, daß die Außenwand 13 des Gußteils 12 einen Teil der Innenfläche der Verbrennungskammer des Zylinders 10 und eine Eingangsöff­ nung für die Auslaßöffnung 11 bildet, ohne daß in dieser Phase die Ausnehmung 21 geformt wird. Wie insbesondere der Fig. 3 zu entnehmen ist, ist die Innenwand 14 des Gußteils 12 in dem Be­ reich, in dem die Ausnehmung 21 zu formen ist, mit einer über den Umfang verteilte Aufeinanderfolge von Erhebungen 26 und Vertiefungen 27 ausgebildet. Die Erhebungen 26 und die Vertie­ fungen 27 sind dabei derart ausgebildet, daß beim Herausarbei­ ten der Ausnehmung 21 aus dem Gußteil die Kante zwischen den beiden Oberseiten 22, 23 der Ausnehmung 21 die Vertiefung 27 schneidet, was in Fig. 3 zu erkennen ist. Auf diese Weise wird eine Aufeinanderfolge von über den Umfang verteilten Öffnungen 28 gebildet, die von der Ausnehmung 21 durch die Innenwand 14 in den Kühlwasserkreislauf führen.

Die Ausnehmung 21 und der Ventilsitzring 20 sind derart bemes­ sen, daß der Ventilsitzring 20 fest in der Ausnehmung 21 ein­ gepaßt ist. Vor dem Einfügen in die Ausnehmung 21 wird jedoch über die Oberseite 22 des Ventilsitzringes 20 ein O-Ring oder eine Dichtscheibe aus Polytetrafluoräthylen oder aus einem anderen hitzebeständigen Material gelegt und bildet nach dem Einfügen des Ventilsitzringes 20 in die Ausnehmung 21 eine Dichtung zwischen dieser Oberseite 22 und der mit ihr zusam­ menwirkenden Innenfläche der Ausnehmung 21.

Die Anzahl und Anordnung der Öffnungen 28 der Ausnehmung 21 und die Anzahl und Anordnung der Öffnungen 25 des Ventilsitz­ ringes 20 sind derart, daß unabhängig von der Winkelstellung des Ventilsitzringes 20 bezüglich zur Ausnehmung 21 wenigstens vier dieser Öffnungen in Verbindung miteinander stehen. Dies bedeutet, daß man sich beim Einpassen des Ventilsitzringes 20 in die Ausnehmung 21 keine Sorgen über die Orientierung des Ventilsitzes 20 zu machen braucht.

Während des Betriebs des Motors fließt das durch das Kühlwas­ sersystem zirkulierende Wasser durch einige der Öffnungen 25, 28, zirkuliert entlang des Kanals 24 und fließt aus anderen Öffnungen 25, 28 wieder heraus. Dies stellt sicher, daß die Temperatur in dem Bereich des Ventilsitzringes 20 entlang des Kanals 24 ungefähr bei 100°C liegt, was zu einer erheblichen Verminderung der Temperatur des Ventilsitzringes 20 im Paßsitz 18 und an der Oberseite 19 und darüber hinaus auch zu einer erheblichen Verminderung der Temperaturen des Ventiltellers führt. Beispielsweise kann die Temperatur im Paßsitz 18 geringer als 200°C und die Temperatur an der Oberseite 19 geringer als 350°C bis 400°C sein. Der Rand des Ventiltellers kann bei nur 400°C und die Mitte des Ventiltellers bei 600°C liegen. Dies hat eine Vielzahl von wichtigen Vorteilen. Zum einen macht es nicht die Verwendung von hochwertigen Legie­ rungen für das Ventil erforderlich, so daß sich die Kosten für das Ventil vermindern. Zum anderen wird die Widerstandsfähig­ keit gegen Verbrennen des Ventilsitzringes 20 bei Überbe­ lastung erhöht. Eine besondere Widerstandsfähigkeit wird gegen das Auftreten von überhitzten Stellen bei hochleistungsfähigen und turbogeladenen Benzinmotoren ermöglicht. Zusätzlich wird ein Herausfallen des Ventilsitzringes 20 aufgrund der Mate­ rialentspannung während des Betriebs des Motors ausgeschaltet.

Der Ventilsitzring 20 kann preiswert und einfach hergestellt werden. Das erforderliche Gußteil ist relativ einfach und ver­ teuert nur geringfügig die Herstellungskosten des Motors. Die Gestalt des Kanals 24 und der Öffnungen 25 ist derart, daß das Wasser 15 durch den Kanal 24 mit einer Reinigungswirkung hin­ durchströmt, die ein Verstopfen und die Bildung von Ablage­ rungen verhindert.

Es wäre hervorzuheben, daß der anhand des Ausführungsbeispiels beschriebene Ventilsitzring 20 auf vielfältige Weise variiert werden kann. Beispielsweise braucht der Durchlaß für das Wasser nicht als offener Kanal 24 ausgebildet sein. Er kann statt dessen auch als geschlossener Durchlaß mit zur Ausneh­ mung 21 hin sich erstreckenden Öffnungen ausgebildet sein. Weiterhin können mehrere Kanäle vorgesehen sein und der Weg, auf dem das Kühlwasser den Ventilsitzring 20 erreicht, kann geeignet angeordnet sein und ist nicht notwendigerweise auf den oben beschriebenen Weg beschränkt. Auch die Bildung der Öffnungen 28 im Gußteil muß nicht durch das oben beschriebene Verfahren erfolgen. Es kann jedes andere geeignete Verfahren verwendet werden, beispielsweise können die Öffnungen 28 ge­ bohrt werden.

Obwohl die größten Vorteile bei Verwendung des oben beschrie­ benen Ventilsitzringes in Auslaßöffnungen erzielt werden, sind die Vorteile auch bei einer Verwendung in Einlaßöffnungen gleichermaßen erzielbar.

Claims (2)

1. Wassergekühlter Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylin­ der (10) und mit diesem in Verbindung stehenden, ventilge­ steuerten Einlaß- und Auslaßöffnungen (11), von denen zumin­ dest eine einen in einer ringförmigen Ausnehmung (21) einge­ paßten Ventilsitzring (20) aufweist, der mit einem in Um­ fangsrichtung sich erstreckenden und zur Ausnehmung (21) hin offenen Durchlaß versehen ist, wobei die Ausnehmung (21) mit dem Wasserkühlsystem des Motors in Verbindung steht und es dem Wasser (15) zur Kühlung des Ventilsitzringes (20) und des ihm zugeordneten Ventils ermöglicht, in den Durchlaß hinein­ zufließen, entlang diesem durchzufließen und aus ihm heraus­ zufließen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchlaß als Kanal (24) in einer der Ausnehmung (21) zugekehrten Oberseite (22) des Ventilsitzringes (20) ausge­ bildet ist,
daß der Kanal (24) im Ventilsitzring (20) durch eine mit ihm zusammenwirkende Innen­ fläche der Ausnehmung (21) geschlossen ist und
daß Öffnungen (25) in der anderen an der Ausnehmung (21) an­ liegenden Oberseite (23) des Ventilsitzringes (20) vorgesehen sind, die den Kanal (24) mit dem Wasserkühlsystem verbinden.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ nehmung (21) mit dem Wasserkühlsystem durch in der Ausneh­ mung (21) ausgebildeten Öffnungen (28) verbunden ist, wobei hinsichtlich der Anzahl und der Anordnung der Öffnungen (28) der Ausnehmung (21) und der Öffnungen (25) des Ventilsitz­ ringes (20) wenigstens vier Öffnungen (28) der Ausnehmung (21) mit Öffnungen (25) des Ventilsitzringes (20) unabhängig von der Winkelstellung des Ventilsitzringes (20) bezüglich zur Ausnehmung (21) in Verbindung miteinander stehen.