DE3425301A1 - Kuehlanordnung fuer ein gaswechselventil einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Kiockner-Humboldt-Deutz AG

5000 Köln 80, den 6. 3uli 1984 D 84/38 AE-ZPB P/B

Kühlanordnung für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Auslaßventils einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der Kühlluft über einen vorzugsweise im nahen Bereich der Ventilsitzfläche gelegenen Kühlluftraum und über mit diesem und einem Gaswechselkanal in Strömungsverbindung stehende Ausströmöffnungen zuführbar ist.

Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen sind im Betrieb erheblichen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die mechanischen Beanspruchungen sind z. B. auf die Zünddruckbelastung des Ventiltellers und das harte Aufsetzen im Ventilsitz beim Schließvorgang zurückzuführen. Daneben nehmen die Ventile vom Verbrennungsraum her mit großer Oberfläche Wärme auf. Das Auslaßventil z. B. wird während der Öffnungsphase zusätzlich noch durch die ausströmenden heißen Abgase erhitzt, wobei die aufgenommene Wärme insbesondere über den Sitzflächenbereich abgeführt wird. Die thermischen Belastungen des Ventilsitzbereiches sind daher in vielen Anwendungsfällen, insbesondere bei mit Schweröl betriebenen selbstzündenden Brennkraftmaschinen derart hoch, daß im Hinblick auf die Gefahr von Verzunderungen der Sitzbereiche auf eine Kühlung des Gaswechselventils nicht verzichtet werden kann.

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Zur Kühlung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden. So ist es bekannt, zur Verbesserung der Wärmeleitung durch den Ventilschaft das Ventil hohl auszubilden und in den Hohlraum Wasser, Öl oder flüssiges Natrium einzufüllen (DE-OS 25 24 183). Mit dieser Maßnahme läßt sich zwar die Temperaturbelastung verringern, jedoch muß ein erheblicher Baumehraufwand in Kauf genommen werden und der Ventilwerkstoff der hohlen Ausbildung entsprechend angepaßt werden, um den auftretenden mechanischen Belastungen standhalten zu können.

Weiterhin ist es bekannt, im Bereich der Ventilsitzfläche Kühlöl- oder Kühlwasserbohrungen vorzusehen (DE-OS 25 58 775), was jedoch den entscheidenden Nachteil beinhaltet, daß aufgrund der notwendigen konstruktiven Gestaltung des Ventilsitzbereiches das Kühlmedium mit einem zur sicheren Wärmeabfuhr nur unzureichenden Abstand an die zu kühlenden Bereiche des Ventiles herangeführt werden kann.

Daneben ist es aus der DE-PS 524 453 bekannt, als Kühlmedium Kühlluft zu verwenden und die Kühlluft in der eingangs genannten Art über einen zentralen Kühlluftraum und Austrittsöffnungen den thermisch hochbelasteten Bereichen des Ventiles direkt zuzuführen, so daß auch der Ventilsitzflächenbereich äußerst wirksam gekühlt werden kann. Durch die besondere Gestaltung der Kühlluftzuführung muß allerdings bei der Gestaltung der Kühlanordnung nach der DE-PS 524 453 als insgesamt nachteilig angesehen werden, daß Verbrennungsgase in die Kuhlluftaustrittsoffnungen, somit in den Kühlluftraum und damit letztlich in die Kühlluftversorgungsquelle gelangen können. Dies wirkt sich

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insbesondere dann nachteilig aus, wenn die Kühlluftversorgung z. B. von einem Abgasturbolader übernommen wird, so daß die Gefahr besteht, daß über die Kühlluftversorgung austretende Abgasströme die Einlaßphasen der Brennkraftmaschine beeinflussen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anordnung zur Kühlung eines Gaswechselventils der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß mit geringem baulichen Aufwand die Gefahr des Übertretens von Verbrennungsluft in den Kühlluftraum wirksam verringert ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe von einer Anordnung zur Kühlung der eingangs genannten Art ausgehend dadurch gelöst, daß innerhalb der Strömungsführung der Verbrennungsluft des Gaswechselkanals ein oder mehrere Ausnehmungen vorgesehen sind, in die die Ausströmöffnungen der Kühlluft münden. Somit sind bei der Kühlungsanordnung nach der Erfindung die Mündungsbereiche der Ausströmöffnungen im Sogbereich der Verbrennungsgase angeordnet, so daß das Übertreten von Verbrennungsluft in die Ausströmöffnungen bzw. den Kühlluftraum weitgehend ausgeschlossen ist. Insgesamt ergibt sich dadurch, daß beispielsweise ohne besondere zusätzliche Anforderungen der Kühlluftraum mit der Druckseite eines Abgasturboladers verbunden werden kann, ohne befürchten zu müssen, daß die Einlaßphase der Brennkraftmaschine in negativer Weise beeinflußt wird.

Die unterschiedlichen thermischen Belastungen von einzelnen Ventilabschnitten, wie z. B. Ventilsitzbereiche, Übergang der Ventilsitzflächenbereiche zur Ventiltulpe oder der Ventiltulpe selbst finden nach der Erfindung dadurch Berücksichtigung, daß in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase zwei oder mehrere Ausnehmungen mit dazugehörigen

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Ausströmöffnungen vorgesehen sind, die verschiedenen Abschnitten des Gaswechselventils zugeordnet sind. Die Aufnehmungen ummanteln dabei das Gaswechselventil vorzugsweise im wesentlichen vollständig. Hierbei sind die Ausströmöffnungen bevorzugt derart anzuordnen, daß eine über den Umfang gleichmäßige Kühlung des Gaswechseventils stattfindet.

Besonders vorteilhaft lassen sich die Kühlluftausströmöffnungen, der Kühlluftraum und auch die Ausnehmungen durch eine besondere Gestaltung eines Ventilsitzringes darstellen. Hierbei kann auch auf baulich einfache Weise unterschiedlichen Gegebenheiten im Verlaufe des Strömungsweges (z. B. unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase) bei der Kühlluftzuführung Rechnung getragen werden, indem in fertigungstechnisch einfacher Weise die Struktur der Ausnehmungen diesen Anforderungen angepaßt wird, um (z. B. in verschiedenen Abschnitten gemäß Anspruch 2) einerseits eine optimale Kühlluftzuführung zu gewährleisten und andererseits ein Übertreten von Verbrennungsgas zu verhindern. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn eine Ausnehmung eine Querschnittsstruktur mit im wesentlichen sprungartiger Querschnittserweiterung und annähernd konvexem Auslauf aufweist. Als weitere vorteilhafte Möglichkeit der geometrischen Gestaltung der Ausnehmung bietet sich an, daß die Ausnehmung insgesamt eine im wesentlichen konkave Querschnittsstruktur aufweist.

Bei der Kühlanordnung nach der Erfindung ist ist weiterhin von Vorteil, sämtliche Ausnehmungen innerhalb eines Ventilsitzringes vorzusehen oder beispielsweise eine Ausnehmung innerhalb des Ventilsitzringes und eine andere Ausnehmung innerhalb der Gaswechselkanalwandung des Zylinder-

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kopfes der Brennkraftmaschine anzuordnen. Diese verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten ergeben sich jeweils aus den Erfordernissen des Kühlbedarfs unterschiedlicher Ventilabschnitte im jeweiligen Anwendungsfall.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein mit einem Ventilsitzring versehenes Auslaßventil in einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt ist.

Mit 1 ist allgemein ein Auslaßventil einer nicht im einzelnen näher dargestellten aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Ventilteller la, einem Ventilsitzflächenbereich Ib, einer Ventiltulpe Ic und einem Ventilschaft Id bezeichnet. Das Auslaßventil 1 dichtet den Gaswechselkanal (Auslaßkanal) 2 des Zylinderkopfes 3 der Brennkraftmaschine zu dem nicht gezeigten Brennraum ab. Der Ventilsitz des Auslaßventiles 1 wird von einem Ventilsitzring 4 gebildet. Der Ventilsitzring 4 ist auf baulich einfache Weise derart gestaltet, daß die mit der Erfindung beabsichtigten Vorteile zur Kühlung des Auslaßventiles realisiert werden können. An seinem dem Zylinderkopf zugewandten seitlichen Ende ist der Ventilsitzring 4 mit einem im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Kühlluftraum 5 versehen, der - nicht gezeigt - an die Druckseite eines Abgasturboladers angeschlossen ist und von diesem mit Kühlluft versorgt wird. Von diesem Kühlluftraum 5 ausgehend sind in Strömungsrichtung der austretenden Verbrennungsgase in zwei Abschnitten 6a und 6b über den Umfang des Ventilsitzringes 4 im wesentlichen gleichmäßig verteilt mehrere Kühlluftaustrittsöffnungen 7a und 7b vorgesehen. Gaswechselventilseitig münden diese Austrittsöffnungen 7a und 7b in Ausnehmungen 8a und 8b, wobei diese Ausnehmungen 8a und

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8b vollständig durch das Profil des Ventilsitzringes 4 gebildet werden. Die Ausnehmung 8a, d. h. also die in Strömungsrichtung der austretenden Verbrennungsgase erste Ausnehmung, weist eine Querschnittsstruktur mit im wesentlichen sprungartiger Querschnittserweiterung und anschließendem konvexen Auslauf auf, wobei die Ausströmöffnungen 7a im unmittelbaren Bereich der sprungartigen Querschnittsverbreiterung zur optimalen Ausnutzung der Sogwirkung der austretenden Verbrennungsgase vorgesehen sind.

Die in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase gesehen zweite Ausnehmung 8b stellt die Angleichung des konvexen Auslaufes der ersten Ausehmung 8a an die Breite des Gaswechselkanales 2 bei Sicherstellung der Sogwirkung der austretenden Verbrennungsgase durch eine im wesentlichen konkave Querschnittsstruktur dar.

Claims (8)

Patentansprüche

1. ) Anordnung zur Kühlung eines Gaswechselventils (1) .ner Brennkraftmaschine, insbesondere eines Auslaßventils

einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der Kühlluft über einen vorzugsweise im nahen Bereich der Ventilsitzfläche (16) gelegenen Kühlluftraum (5) und über mit diesem und einem Gaswechselkanal (2) in Strömungsverbindung stehende Ausströmöffnungen (7a, 7b) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Strömungsführung der Verbrennungsluft des Gaswechselkanals (2) eine oder mehrere Ausnehmungen (8a, 8b) vorgesehen sind, in die die Ausströmöffnungen (7a, 7b) der Kühlluft münden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase zwei oder mehrere Ausnehmungen (8a, 8b) mit auf verschiedene Abschnitte (Ib, Ic) des Gaswechselventils (1) ausgerichteten Ausströmöffnungen (7a, 7b) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (8a, 8b) das Gaswechselventil (1) im wesentlichen vollständig ummanteln.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftraum (5) und die Ausströmöffnungen (7a,7b) zumindest teilweise innerhalb eines Ventilsitzringes (4) vorgesehen sind.

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5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzring (4) ein die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen (8a, 8b) ausbildendes Profil aufweist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (8a) eine Querschnittsstruktur mit im wesentlichen sprungartiger Querschnittserweiterung und annähernd konvexen Auslauf aufweist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (8b) eine im wesentlichen konkave Querschnittsstruktur aufweist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftraum (5) mit einer Druckluftquelle, insbesondere einem Abgasturbolader, verbindbar ist.