DE68912528T2

DE68912528T2 - Ventilvorrichtung in einer Brennkraftmaschine.

Info

Publication number: DE68912528T2
Application number: DE89850384T
Authority: DE
Inventors: Ernst Holmer
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1988-11-15
Filing date: 1989-11-06
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-11-07
Also published as: US4938181A; CA2002878A1; SE467267B; EP0369967B1; SE8804120L; EP0369967A1; SE8804120D0; DE68912528D1; CA2002878C; JPH02157410A; JP2856461B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventil, das einen Ventilkopf hat, der mit einer kreisrunden Fläche versehen ist, die ihrerseits mit einem Ventilsitz zu Dichtungszwecken zusammenarbeitet sowie mit einem Ventilschaft, der mit dem Ventilkopf verbunden ist und mit dessen Hilfe das Ventil in einer Ventilführung beweglich geführt wird. Eine Ventilanordnung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-C-118 788 bekannt.
Zum Steuern der Verbindung zwischen dem Verbrennungsraum und den Einlaß- und Auslaßleitungen werden bei fast allen Verbrennungsmotoren Tellerventile verwendet. Die Ventile werden mit Hilfe eines Ventilantriebes geöffnet und geschlossen, der normalerweise eine Nockenwelle umfaßt, die zur Aktivierung der einzelnen Ventile mit Nocken versehen ist. Bei modernen Motoren wurden Bemühungen dahingehend unternommen, höhere Wirkungsgrade zu erzielen und demzufolge richtete sich das Interesse darauf, den Gasaustausch zwischen dem Verbrennungsraum im Zylinder und den Einlaß- und Auslaßleitungen zu verbessern. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, daß die Ventile sich so schnell wie möglich öffnen und schließen, um auf diese Weise den Drosseleffekt zu vermindern, der dann auftritt, wenn das Ventil nur teilweise geöffnet ist.
Um sicherzustellen, daß das Ventil schnell geöffnet werden kann, ist es notwendig, die Nocken mit steilen Nockenflächen zu versehen und hohe Kräfte aufzuwenden.
Diese Kräfte führen zu hohen Drücken auf die Nockenflächen, die ihrerseits zu mechanischen Belastungsproblemen führen. Um sicherzustellen, daß sich das Ventil schnell schließt, ist es notwendig, starke Ventilfedern zu benutzen, wobei solche Federn zu starken Kräften und hohen Belastungen führen, wenn der Ventilkopf auf den Ventilsitz aufschlägt; auch dies führt zu mechanischen Festigkeitsproblemen. Diese Probleme sind noch durch die Tatsache erschwert worden, daß die Ventile, die den mechanischen Belastungen standhalten müssen, denen sie unterworfen sind, immer dicker gemacht worden sind, was zu einer größeren Masse geführt hat, die ihrerseits wieder zu höheren Trägheitskräften geführt hat, insbesondere bei hohen Motordrehzahlen. Diese Probleme treten ferner bei größeren Ventildurchmessern stärker hervor, insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, daß das Ventil in der Lage sein muß, den großen Kräften zu widerstehen, die vom Verbrennungsdruck in der Verbrennungskammer herrühren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil anzugeben, bei dem die oben erwähnten Nachteile vermieden sind und das selbst dann relativ leichtgewichtig ist, wenn der Ventilkopf einen großen Durchmesser hat. Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäß konstruiertes Ventil gelöst, das die Merkmale aufweist, die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthalten sind.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nun im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ist eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäß konstruierten Ventils;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Teiles des Verbrennungsmotors, der mit dem erfindungsgemäßen Ventil gemäß Fig. 1 versehen ist; und
Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Ventils, das gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung konstruiert worden ist.
Die Zeichnung stellt ein Ventil 1 dar, das einen Ventilkopf 2 aufweist, der mit einem Ventilschaft 3 verbunden ist. Fig. 2 zeigt das Ventil 1, das in einen Verbrennungsmotor eingebaut ist, von dem lediglich ein Teil des Zylinderkopfes 4 zusammen mit einer Leitung 5, dem Teil eines Zylinders 6 und eines im Zylinder angeordneten Kolbens 7 dargestellt ist. Der Zylinderkopf 4, der Zylinder 6 und der Kolben 7 bilden zusammen einen Verbrennungsraum 8, in den hinein sich die Leitung 5 öffnet. Das Ventil 1 ist dazu bestimmt, den Gasaustausch zwischen der Leitung 5 und dem Verbrennungsraum 8 zu steuern. Dabei ist der Ventilkopf 2 dazu bestimmt, mit einem Ventilsitz 9 zusammenzuarbeiten, der an der Auslaßöffnung der Leitung 5 angeordnet ist und der Ventilschaft 3 wird in einer Ventilführung 10 geführt, die fest am Zylinderkopf 4 angeordnet ist. Das Ventil 1 wird mit Hilfe eines Ventilantriebes bekannter Art angetrieben, von dem lediglich eine doppelte Ventilfeder 11 in der Zeichnung dargestellt ist.
wie dies insbesondere aus Fig. 1 erkennbar ist, hat der Ventilkopf 2 zwichen seinem Mittelteil, an dem er mit dem Ventilschaft verbunden ist und seinem Außenumfang nur eine geringe Dicke; dabei ist der Außenumfang des Ventilkopfes mit einer schrägen, kreisrunden Anschlagfläche 12 versehen, die zur Zusammenarbeit mit dem Ventilsitz 9 bestimmt ist. Aufgrund der Dicke des Ventilkopfes ist das Gewicht des Ventils als Ganzes gering und demzufolge sind auch die Kräfte, die zum Öffnen und Schließen des Ventiles vom Ventilantrieb aufgebracht werden müssen, klein. Um den Ventilkopf 2 in die Lage zu versetzen, den Kräften zu widerstehen, die während des Betriebes auf ihn einwirken, ist der Ventilkopf 2 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit einem Teil 13 versehen, das in einer Richtung konvex ausgebildet ist, die vom Ventilschaft 3 wegweist. Der konvexe Teil 13 ist als kreisrundes Teil ausgebildet, das zwischen einem dickeren Teil 14 nahe der Anschlagfläche 12 und dem mittleren Teil des Ventilkopfes liegt, mit dem wiederum der Ventilschaft 3 verbunden ist. Dieser mittlere Teil hat dabei die Form einer Vertiefung 15.
Der Ventilschaft 3 ist zwischen seinen beiden Enden mit einem kreisrunden Kragen 16 versehen, der an derjenigen Seite, die vom Ventilkopf 2 abgewandt ist, eine im wesentlichen ebene Anschlagfläche 17 hat. Wenn das Ventil 2 seine geschlossene Stellung einnimmt, dann liegt die Anschlagfläche 17 gegen eine starre Anschlagfläche an, die entweder am Zylinderkopf selbst ausgebildet ist oder an einem Teil, der mit diesem verbunden ist. Im Fall der Ausführungsform nach Fig. 2 besteht diese Anschlagfläche in der Stirnfläche 10a der Ventilführung 10. Wenn die Anschlagfläche 17 an der Stirnfläche 10a anstößt und gleichzeitig die kreisrunde Anschlagfläche 12 an den Ventilsitz anstößt, dann werden die Kräfte, die auf den Ventilkopf 2 einwirken, zwischen den Anschlagflächen 12 und 17 aufgeteilt, wodurch es wiederum möglich wird, daß der konvexe Teil 13 des Ventilkopfes sehr dünn ausgeführt wird. Der konvexe Teil 13 ist in dieser Beziehung vorzugsweise so gekrümmt, daß die Kräfte, die auf das Ventil im Betrieb einwirken, im wesentlichen ausschließlich Druckkräfte im Material des konvexen Teiles 13 sind. Auf diese Weise ist es möglich, das Material, aus dem der Ventilkopf 2 besteht, bestmöglichst auszunutzen, insbesondere das Material im konvexen Teil 13. Der Ventilkopf 2 hat demzufolge ein viel geringeres Gewicht als den Ventilkopf eines entsprechenden, bekannten Ventiles.
Im Fall des erfindungsgemäßen Ventiles ist es notwendig, daß der Ventilkopf 2 und der Ventilschaft 3 so aufgebaut sind, daß das Ventil, unabhängig von den vorherrschenden Ventiltemperaturen und von den Temperaturen, mit denen es zusammenarbeitet, unter allen Bedingungen zufriedenstellend funktioniert. Dies bedeutet, daß der Abstand zwischen den Anschlagflächen 12 und 17 immer dem Abstand zwischen dem Ventilsitz 9 und der festen Anschlagfläche 10a so entspricht, daß eine Berührung sowohl zwischen der Anschlagfläche 12 und dem Ventilsitz 9 als auch zwischen der Anschlagfläche 17 und der festen Anschlagfläche 10a erzielt wird, ohne daß irgendein Teil des Ventiles wesentlich verformt würde.
Die oben erwähnte Temperaturunabhängigkeit des erfindungsgemäßen Ventiles kann durch eine geeignete Krümmung des konvexen Teiles 13 des Ventilkopfes 2 und durch eine geeignete Anpassung von seiner Wanddicke erzielt werden. In dieser Beziehung ist es denkbar, daß ein Teil des Ventilschaftes 3 aus einem Material hergestellt ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der von dem des übrigen Ventilschaftes unterschiedlich ist.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsmäßen Ventils. Diese Figur ist eine Schnittansicht lediglich einer Hälfte eines Ventilkopfes 18 und eines mit diesem verbundenen Ventilschaftes 19. Das Ventil nach dieser Ausführungsform ist ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 1 mit Ausnahme dessen, daß der Ventilkopf 18 gemäß Fig. 3 aus einem hohlen Körper besteht. Dieser hohle Körper hat einen Teil 20, der in einer Richtung konvex ist, die vom Ventilschaft 19 wegweist und die sich über die gesamte Ventilfläche erstreckt, die vom Ventilschaft 19 ausgeht und die an ihrem Umfang mit einer Anschlagfläche 21 verbunden ist, die ihrerseits zur Zusammenarbeit mit einem Ventilsitz, beispielsweise mit dem Ventilsitz 9 gemäß Fig. 2, bestimmt ist. Der konvexe Teil 20 der Ausführungsform des Ventiles gemäß Fig. 3 ist ebenfalls so gekrümmt, daß die Kräfte, die auf das Ventil während des Betriebes einwirken, im konvexen Teil 20 im wesentlichen ausschließlich Druckkräfte erzeugen.

Claims

1. Ventilanordnung für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventil (1) , das einen Ventilkopf (2) und einen mit dem Ventilkopf (2) verbundenen Ventilschaft (3) hat, sowie mit einem im Zylinderkopf (4) des Verbrennungsmotors angeordneten Ventilsitz (9), der mit einer kreisrunden Fläche (12) am Ventilkopf (2) zusammenarbeitet, sowie mit einer Ventilführung (10) , die am Zylinderkopf (4) fest angebracht ist und in der der Ventilschaft (3) bewegbar geführt ist, wobei der Ventilschaft (3) zwischen seinen beiden Enden mit einem Kragen (16) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkopf (2) im Querschnitt eine relativ geringe Wanddicke hat und daß der Kragen (16) an derjenigen Seite, die vom Ventilkopf (2) abgewandt ist, zur Zusammenarbeit mit einer festen Anschlagfläche (10a) am Zylinderkopf (4) eine Anschlagfläche (17) aufweist, und daß ferner der Abstand zwischen der kreisförmigen Fläche (12) des Ventilkopfes (2) und der Anschlagfläche (17) des Kragens (16) gleich ist mit dem Abstand zwischen dem Ventilsitz (9) und der festen Anschlagfläche (10a)

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkopf (2) an derjenigen Seite, die von dem Ventilschaft (3) abgewandt ist, mit einem konvexen Teil (13, 20) mit im wesentlichen konstanter Wanddicke ausgebildet ist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Teil (13) des Ventilkopfes (2) einen Ring bildet, der an derjenigen Seite, die vom Ventilschaft (3) abgewandt ist, eine mittige Vertiefung (15) umgibt.

4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Teil (13, 20) des Ventilkopfes (2) eine solche Krümmung hat, daß die Kräfte, die während des Betriebes auf das Ventil einwirken, allein im konvexen Teil (13, 20) im wesentlichen Druckbelastungen erzeugen.

5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagfläche (10a), die zur Zusammenarbeit mit dem Kragen (16) am Ventilschaft (3) bestimmt ist, am Ende der Ventilführung (10) ausgebildet ist.