EP1193375A1 - Ventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP1193375A1
EP1193375A1 EP00121412A EP00121412A EP1193375A1 EP 1193375 A1 EP1193375 A1 EP 1193375A1 EP 00121412 A EP00121412 A EP 00121412A EP 00121412 A EP00121412 A EP 00121412A EP 1193375 A1 EP1193375 A1 EP 1193375A1
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valve plate
plate
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Ulrich Bertram
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Ford Global Technologies LLC
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/20—Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/12—Cooling of valves
    • F01L3/14—Cooling of valves by means of a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in a valve
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49298—Poppet or I.C. engine valve or valve seat making
    • Y10T29/49307—Composite or hollow valve stem or head making

Definitions

  • the invention relates to a valve, in particular for internal combustion engines, according to the preamble of claim 1.
  • valves inside can coke very easily, resulting in a drastic deterioration in performance and Emissions behavior leads.
  • a valve with liquid cooling is known from US 4169488, in which the Valve stem is hollow on the inside with an inner second tube, with coolant through the valve stem up to the valve plug and back to be led.
  • a valve is only suitable for engines with very large valves, and because such a valve is complicated, it is accordingly also complex and expensive to manufacture.
  • US 5771852 discloses a valve with a hollow valve cone and valve stem, which are both made in one piece from a hollow tube.
  • the Transition from the valve stem to the valve plug are in the direction of the valve axis elongated or curved impressions arranged, on the one hand, the Increase the strength of the valve, on the other hand to swirl the Flow and thus lead to better heat dissipation.
  • the disadvantage here is that the heat input into the valve cone through Valve plate is not prevented and the valve cone is therefore very high Experienced heat load, which then dissipated only in the area of the indentations becomes.
  • the object of the invention is therefore to design a valve so that it is easy to manufacture and in the area of the valve stem and valve cone remains cool during operation so that the lubricating oil located there does not carbonized.
  • valve plate one has a smaller diameter than the recess in the valve cone, that between the recess in the valve cone and the valve plate edge Isolation gap is created.
  • valve cone By direct heat conduction from the valve plate to the valve cone through the Isolation gap is interrupted, the valve cone is only a fraction of the Heat applied with a firm, better heat-conducting connection to the valve plate would act on him. Because the one located directly in the combustion chamber The surface of the valve cone represents only a narrow circular ring heat introduced into the valve cone via this surface slightly above the Valve seat can be removed.
  • valve plate is exposed to the full heat load because of the constructively necessary contact with the valve cone only slight Amounts of heat are dissipated.
  • valve provides that in the recess of the valve cone is arranged a radially circumferential shoulder on which the Support the valve plate in the direction of the valve axis.
  • a paragraph makes sense to the valve plate resulting from the combustion pressure introduce the pressure forces acting on the valve cone into the valve seat.
  • Such a paragraph also serves as a stop for the assembly of the valve the exact axial positioning of the valve plate relative to the valve plug.
  • Valve cone and valve plate one or more joints on the circumference of the Valve plate edge.
  • the contact surfaces caused by the joining between valve cone and valve disc and thus the occurring The additions are only to keep heat transfer as low as possible arranged in sections on the circumference of the valve plate edge.
  • the Joining by caulking, by welding or by rolling on Valve cone. Other additions are possible as long as the Strength and low heat transfer requirements are met.
  • Another advantageous embodiment provides that radial at the edge of the valve plate Centering cams are arranged. These serve to center the valve disc in the recess during assembly. By centering is a constant insulation gap on the entire circumference of the valve plate edge guaranteed.
  • valve cone radial center cam be arranged. They do the same job there as with the arrangement on the edge of the valve plate. Another advantage is that in the case When the valve cone and valve disc are caulked, these cams act as Mortising material can be used.
  • valve stem 2 The installation arrangement of the valve in the cylinder head 1 is shown in Figure 1.
  • the Valve has valve stem 2, valve cone 3 and valve disk 4.
  • the Valve stem 2 is slidably mounted in the valve stem guide 5. Goes down the valve stem 2 in the valve cone 3 over. Both are in the illustration made in one piece. It is not a hindrance to the concept presented if - here not shown - valve stem 2 and valve plug 3 in two or more parts are executed.
  • the valve cone has a recess 3a in which the valve disk 4 is arranged centrally. Due to the smaller diameter of the Valve plates 4 with respect to the recess 3a result in the insulating gap 6 between the recess 3a and the valve plate edge 4a. Centering in radial direction takes place over several, on the circumference of the valve plate edge 4a arranged centering cam 7. By means of the annular shoulder 3b is the Valve plate 4 with respect to the valve cone 3 in the axial direction of the valve positioned. At the valve plate edge 4a there are several welding spots 8 on the circumference attached, which represent the joint between valve cone 3 and valve plate 4.
  • valve plate 4 The heat transfer from the valve plate 4 to the valve cone 3 is due to the Contact areas between the two parts determined. Result in contact areas essentially at the welding points 8, at paragraph 3b of the valve cone 3 and on the centering cams 7. Otherwise there are valve cone 3 and valve plate 4 essentially through the insulating gap 6 and between the two parts forming cavity 9 thermally insulated.
  • valve stem 2 and valve cone 3 experience additional cooling through the Fresh air supply in the intake duct 11.
  • valve plate 4 In Figure 2, the view of the valve on the valve plate 4 is shown. Through the Centering cam 7, the valve plate is centered in the recess 3a of the Valve plug 3 arranged. The insulating gap 6 runs around the entire circumference Valve plate edge 4a. The three welding points 8 make the fixed connection between valve cone 3 and valve plate 4.
  • FIG 3 it is shown how the valve plate 4 with the valve cone 3 through a Caulking 12 is added. This is done at regular intervals on the scope the recess 3a pressed material from the valve cone 3 onto the valve plate 4. Caulking at high temperature differences between is advantageous the two components. Because of the non-material connection of the two Components build voltage peaks with different thermal expansion by moving the two components against each other.
  • valve plate 4 and valve cone 3 by rolling Material from the ring flange 3c are joined.
  • the resulting ring bead 13 has similar advantageous properties with regard to thermal stresses as the caulking 12.
  • Relationships used in subclaims point to the others Training the subject of the main claim by the features of respective subclaim; they are not a waiver of attainment an independent, objective protection for the characteristics of the to understand related subclaims.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil, vorzugsweise für Brennkraftmaschinen, mit einem Ventilschaft, einem Ventilkegel und einem Ventilteller, wobei der Ventilkegel eine Ausnehmung zur Aufnahme des Ventiltellers aufweist, und Ventilkegel und Ventilteller gemeinsam einen Hohlraum bilden. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller einen geringeren Durchmesser als die Ausnehmung im Ventilkegel aufweist derart, daß zwischen der Ausnehmung im Ventilkegel und dem Ventiltellerrand ein Isolierspalt entsteht. Dadurch sind Ventilkegel und Ventilschaft thermisch gegenüber dem Ventilteller isoliert, woraus eine günstige, geringere Betriebstemperatur am Ventilkegel resultiert. Vor allem bei direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren wird damit die Neigung zum Verkoken am Ventilkegel reduziert. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei Motoren, die in einem oder beiden Einlaßkanälen kein Kraftstoff-Luft-Gemische ansaugen, können die darin befindlichen Ventile sehr leicht verkoken, was zu einer drastischen Verschlechterung des Leistungs- und Emissionsverhaltens führt.
Wesentliche Ursache ist, daß bei Motoren mit Direkteinspritzung im Gegensatz zu Kanaleinspritzmotoren die Einlaßventile deutlich heißer werden, da die Verdampfungskälte des Kraftstoffes fehlt. Auf dem Ventilschaft befinden sich immer geringe Mengen Schmieröl, die zum einen bei der Schmierung durch die Ventilschaftdichtung auf den Ventilschaft gelangen und zum anderen über das Kurbelgehäuseentlüftungssystem als Ölnebel und -dampf der Ansaugluft zugeführt werden und sich auf dem Ventilschaft ablagern. Da bei Motoren mit Direkteinspritzung im Gegensatz zu Kanaleinspritzmotoren das Schmieröl nicht durch das Lösungsmittel Kraftstoff vom Ventilschaft abgewaschen wird, trifft bei bestimmten Betriebszuständen des Motors das Schmieröl auf den heißen Ventilkegel, verkokt dort und bildet Ablagerungen, die zum Leistungsverlust führen.
Eine Lösung dieses Problemes ist es, Ventilschaft und Ventilkegel soweit zu kühlen, daß das dort angesammelte Schmieröl nicht verkokt.
Ein Ventil mit Flüssigkeitskühlung ist bekannt aus der US 4169488, bei dem der Ventilschaft innen hohl mit einem inneren zweiten Röhrchen ausgebildet ist, womit Kühlflüssigkeit durch den Ventilschaft bis zum Ventilkegel hin und zurück geführt wird. Ein solches Ventil eignet sich allerdings nur für Motoren mit sehr großen Ventilen, und, da ein solches Ventils kompliziert aufgebaut ist, ist es dementsprechend auch aufwendig und teuer in der Fertigung.
In der US 5771852 ist ein Ventil mit einem hohlen Ventilkegel und Ventilschaft, die beide in einem Stück aus einem hohlen Rohr gefertigt sind, beschrieben. Im Übergang vom Ventilschaft zum Ventilkegel sind in Richtung der Ventilachse längliche oder gekrümmte Eindrückungen angeordnet, die zum einen die Festigkeit des Ventils erhöhen, zum anderen zu einer Verwirbelung der Strömung und somit zu einer besseren Abführung der Wärme führen sollen. Nachteilig ist hier, daß der Wärmeeintrag in den Ventilkegel durch den Ventilteller nicht verhindert wird und der Ventilkegel somit eine sehr hohe Wärmebelastung erfährt, die dann erst im Bereich der Eindrückungen abgeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Ventil so zu gestalten, daß es einfach zu fertigen ist und im Bereich des Ventilschaftes und des Ventilkegels während des Betriebes kühl bleibt, damit das dort befindliche Schmieröl nicht verkokt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilteller einen geringeren Durchmesser als die Ausnehmung im Ventilkegel aufweist derart, daß zwischen der Ausnehmung im Ventilkegel und dem Ventiltellerrand ein Isolierspalt entsteht.
Indem die direkte Wärmeleitung vom Ventilteller zum Ventilkegel durch den Isolierspalt unterbrochen ist, wird der Ventilkegel nur mit einem Bruchteil der Wärme beaufschlagt, die bei einer festen, besser wärmeleitenden Verbindung zum Ventilteller auf ihn wirken würde. Da die direkt im Brennraum angeordnete Oberfläche des Ventilkegels nur einen schmalen Kreisring darstellt, kann die über diese Fläche in den Ventilkegel eingeführte Wärme leicht über den Ventilsitz abgeführt werden.
Der Ventilteller ist der vollen Wärmebelastung ausgesetzt, da über den konstruktiv notwendigen Kontakt mit dem Ventilkegel nur geringe Wärmemengen abgeführt werden. Durch eine geeignete Werkstoffauswahl wird sowohl die Warmfestigkeit des Ventiltellers als auch das unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten von Ventilkegel und Ventilteller an die erforderlichen Betriebsbedingungen im Motor angepaßt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Ventils sieht vor, daß in der Ausnehmung des Ventilkegels ein radial umlaufender Absatz angeordnet ist, auf dem sich der Ventilteller in Richtung der Ventilachse abstützt. Ein solcher Absatz ist sinnvoll, um zum die aus dem Verbrennungsdruck entstehenden, auf den Ventilteller wirkenden Druckkräfte über den Ventilkegel in den Ventilsitz einzuleiten. Weiterhin dient ein solcher Absatz bei der Montage des Ventils als Anschlag für die genau axiale Positionierung des Ventiltellers relativ zum Ventilkegel.
Vorteilhaft sind in der Ausnehmung des Ventilkegels mehrere im Umfang verteilte Absätze angeordnet sind, auf denen sich der Ventilteller in Richtung der Ventilachse abstützt. Damit wir die gleiche Funktionalität bezüglich Kraftübertragung und Positionierung erreicht wie beim umlaufenden Absatz, aufgrund der geringeren Kontaktfläche zwischen Ventilteller und Ventilkegel ist jedoch die Wärmeübertragung weiter reduziert.
Zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen Ventilkegel und Ventilteller weisen Ventilkegel und Ventilteller eine oder mehrere Fügungen am Umfang des Ventiltellerrandes auf. Um die durch die Fügungen bedingten Kontaktflächen zwischen Ventilkegel und Ventilteller und damit die auftretende Wärmeübertragung so gering wie möglich zu halten, sind die Fügungen nur abschnittweise am Umfang des Ventiltellerrandes angeordnet. Dabei kann die Fügung durch Verstemmen, durch Schweißen oder durch Einrollen am Ventilkegel ausgeführt sein. Auch andere Fügungen sind möglich, solange die Anforderungen an die Festigkeit und geringe Wärmeübertragung erfüllt sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß am Ventiltellerrand radiale Zentriernocken angeordnet sind. Diese dienen der Zentrierung des Ventiltellers in der Ausnehmung während der Montage. Durch die Zentrierung ist ein konstanter Isolierspalt am gesamten Umfang des Ventiltellerrandes gewährleistet.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß in der Ausnehmung des Ventilkegels radiale Zentriemocken angeordnet sein. Sie erfüllen dort die gleiche Aufgabe wie bei der Anordnung am Ventiltellerrand. Weiterer Vorteil ist, daß im Falle einer Verstemmung von Ventilkegel und Ventilteller diese Nocken gleichzeitig als Stemmmaterial benutzt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind den Abbildungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1
einen Querschnitt durch die Anordnung eines erfindungsgemäßen Ventils im Zylinderkopf;
Fig. 2
die Ansicht eines Ventils von unten auf den Ventilteller;
Fig. 3
einen Querschnitt durch ein Ventil mit einer Verstemmung; und
Fig. 4
einen Querschnitt durch ein Ventil mit eingerolltem Ventilteller.
Die Einbauanordnung des Ventils im Zylinderkopf 1 ist in Figur 1 dargestellt. Das Ventil weist den Ventilschaft 2, den Ventilkegel 3 und den Ventilteller 4 auf. Der Ventilschaft 2 ist in der Ventilschaftführung 5 verschieblich gelagert. Unten geht der Ventilschaft 2 in den Ventilkegel 3 über. In der Darstellung sind beide einteilig ausgeführt. Nicht hinderlich für das vorgestellte Konzept ist, wenn - hier nicht dargestellt - Ventilschaft 2 und Ventilkegel 3 zwei- oder mehrteilig ausgeführt sind.
Der Ventilkegel weist eine Ausnehmung 3a auf, in welcher der Ventilteller 4 zentrisch angeordnet ist. Aufgrund des geringeren Durchmessers des Ventiltellers 4 gegenüber der Ausnehmung 3a ergibt sich der Isolierspalt 6 zwischen der Ausnehmung 3a und dem Ventiltellerrand 4a. Die Zentrierung in radialer Richtung erfolgt über mehrere, am Umfang des Ventiltellerrandes 4a angeordneter Zentriernocken 7. Mittels des ringförmigen Absatzes 3b ist der Ventilteller 4 gegenüber dem Ventilkegel 3 in axialer Richtung des Ventils positioniert. Am Ventiltellerrand 4a sind am Umfang mehrere Schweißpunkte 8 angebracht, die die Fügung zwischen Ventilkegel 3 und Ventilteller 4 darstellen.
Der Wärmeübergang vom Ventilteller 4 zum Ventilkegel 3 wird durch die Kontaktflächen zwischen den beiden Teilen bestimmt. Kontaktflächen ergeben sich im wesentlichen an den Schweißpunkten 8, am Absatz 3b des Ventilkegels 3 und an den Zentriernocken 7. Ansonsten sind Ventilkegel 3 und Ventilteller 4 im wesentlichen durch den Isolierspalt 6 und den sich zwischen beiden Teilen bildenden Hohlraum 9 thermisch isoliert.
Während der Ventilteller 4 brennraumseitig voll von der Wärme im Brennraum beaufschlagt wird, erfährt der Ventilkegel 3 nur eine thermische Beaufschlagung im brennraumseitigen Ringflansch 3c. Die daraus resultierende geringe Wärmebelastung wird fast vollständig über den Ventilsitz 10 abgeführt. Zusätzliche Kühlung erfahren Ventilschaft 2 und Ventilkegel 3 durch die Frischluftzuführung im Ansaugkanal 11.
In Figur 2 ist die Ansicht des Ventils auf den Ventilteller 4 gezeigt. Durch die Zentriernocken 7 ist der Ventilteller zentrisch in der Ausnehmung 3a des Ventilkegels 3 angeordnet. Der Isolierspalt 6 läuft um den gesamten Umfang am Ventiltellerrand 4a. Die drei Schweißpunkte 8 stellen die feste Verbindung zwischen Ventilkegel 3 und Ventilteller 4 dar.
In Figur 3 ist gezeigt, wie der Ventilteller 4 mit dem Ventilkegel 3 durch eine Verstemmung 12 gefügt ist. Dazu wird in regelmäßigen Abständen am Umfang der Ausnehmung 3a Material vom Ventilkegel 3 auf den Ventilteller 4 gepreßt. Vorteilhaft ist eine Verstemmung bei hohen Temperaturunterschieden zwischen den beiden Bauteilen. Aufgrund der nicht stofflichen Anbindung der beiden Bauteile bauen sich bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung Spannungsspitzen durch Verschieben der beiden Bauteile gegeneinander ab.
In Figur 4 ist gezeigt, wie Ventilteller 4 und Ventilkegel 3 durch Einrollen von Material aus dem Ringsflansch 3c gefügt sind. Die entstehende Ringwulst 13 weist ähnlich vorteilhafte Eigenschaften bezüglich thermischer Spannungen wie die Verstemmung 12 auf.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmale zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Die Gegenstände dieser Unteransprüche bilden jedoch auch selbständige Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
Die Erfindung ist auch nicht auf das (die) Ausführungsbeispiel (e) der Beschreibung beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.

Claims (9)

  1. Ventil, vorzugsweise für Brennkraftmaschinen, mit einem Ventilschaft, einem Ventilkegel und einem Ventilteller, wobei der Ventilkegel eine Ausnehmung zur Aufnahme des Ventiltellers aufweist, und Ventilkegel und Ventilteller gemeinsam einen Hohlraum bilden,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Ventilteller einen geringeren Durchmesser als die Ausnehmung im Ventilkegel aufweist derart, daß zwischen der Ausnehmung im Ventilkegel und dem Ventiltellerrand ein Isolierspalt entsteht.
  2. Ventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in der Ausnehmung des Ventilkegels ein radial umlaufender Absatz angeordnet ist, auf dem sich der Ventilteller in Richtung der Ventilachse abstützt.
  3. Ventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in der Ausnehmung des Ventilkegels mehrere im Umfang verteilte Absätze angeordnet sind, auf denen sich der Ventilteller in Richtung der Ventilachse abstützt.
  4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    Ventilkegel und Ventilteller durch eine oder mehrere Fügungen am Umfang des Ventiltellerrandes verbunden sind.
  5. Ventil nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Fügung durch Verstemmen erfolgt.
  6. Ventil nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Fügung durch Schweißen erfolgt.
  7. Ventil nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Fügung durch Einrollen am Ventilkegel erfolgt.
  8. Ventil nach einem der Anspruch 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    am Ventiltellerrand radiale Zentriernocken angeordnet sind.
  9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in der Ausnehmung des Ventilkegels radiale Zentriemocken angeordnet sind.
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