EP1386062B1 - Zylinderkopf mit flüssigkeitsgekühltem ventilsitzring - Google Patents

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EP1386062B1 EP02735342A EP02735342A EP1386062B1 EP 1386062 B1 EP1386062 B1 EP 1386062B1 EP 02735342 A EP02735342 A EP 02735342A EP 02735342 A EP02735342 A EP 02735342A EP 1386062 B1 EP1386062 B1 EP 1386062B1
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sheet metal
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/12—Arrangements for cooling other engine or machine parts
    • F01P3/14—Arrangements for cooling other engine or machine parts for cooling intake or exhaust valves
    • 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
    • F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head with a cooled valve seat ring after the preamble of claim 1.
  • valve seat rings are known from DE 3829339, DD 287078 or DE 4328904. It is in the former Publications one to the cylinder head closed cooling channel provided in the valve seat ring. According to Fig. 5 DE 3829339 consists of the cooling channel of two with each other welded solid components into which the valve seat part is pressed. The cooled valve seat ring is cast in the cylinder head. The production of the cooled Valve seat ring made of solid components is expensive and leads to a relatively high weight penalty and as a result the pressing of the valve seat part in the cooling channel part to internal tensions.
  • the invention therefore deals with the problem in generic valve seat rings to create a cooling channel which is easy to manufacture and lightweight.
  • the sheet metal cooling channel of thin sheet steel can be compared with the production of solid material significantly weight be saved.
  • the sheet cooling channel by bending, possibly also deep drawing a flat sheet produced.
  • Another advantage of the sheet metal cooling channel compared consists of the known cooled valve seat rings in that regardless of the cross section of the valve seat part a freely selectable channel cross-section can be set can.
  • the thickness of the thin steel sheet is preferably smaller 1.2 mm and is advantageously between 0.3 and 0.7 mm.
  • a cooled valve seat ring 2 consisting of a valve seat part 3 and one welded to the valve seat part Sheet metal cooling channel 4, is by a composite casting with a cylinder head 1 connected.
  • the valve seat part 3 has a chamfered by a Cone angle beta is marked.
  • the sheet metal cooling channel 4 covers the valve seat part 3 in the region of this chamfer.
  • valve seat part 3 has centering lugs 9 on, when welding the sheet metal cooling channel 4 on the valve seat part 3 fix.
  • Figure 3 shows a section of a valve seat ring with welded cooling channel in cross section, with a sheet metal channel, the tubular member with a seat ring facing open side is executed, wherein the sheet metal channel with his two free legs to the valve seat ring gas-tight is attached.
  • Fig. 4 shows a similar valve seat ring with an angle alpha ⁇ 45 corresponding to a cone angle beta of ⁇ 90 °.
  • valve seat ring circumferential chamfer Cone angle or cone angle beta is usually between 70 ° and 110 °.
  • the choice of the cone angle depends on the geometric Boundary conditions, in particular of the minimum wall thicknesses to be complied with.
  • the sheet metal cooling channel is closed tubular designed with an annular cross-section and the seat ring has a recess adapted to the cooling channel diameter on, in which the sheet metal cooling channel is inserted.
  • At least one weld can be omitted.
  • the welding process takes place under partial vacuum instead of the welding process when closing the seam is not aggravated by leaking air.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit einem gekühlten Ventilsitzring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Bereich der Auslaßventile von Verbrennungsmotoren wird versucht, den Kühlwassermantel so nah wie möglich an die Ventilsitzringe heranzuführen, um eine gute Wärmeabfuhr zu erzielen. Bei den aktuellen Mehrventilzylinderköpfen von Motoren mit Diesel-Direkteinspritzung und zentral angeordneter Einspritzdüse gestatten die beengten Platzverhältnisse oft keine zufriedenstellende Darstellung des Kühlwassermantels. Besonders der Auslaßventilstegbereich und der Steg zwischen den Auslaßkanälen und der Einspritzdüse muß dann so filigran ausgeführt werden, daß ein serientauglicher Wassermantelkern kaum zu realisieren ist. Es wurden daher schon Ventilsitzringe mit eigenem Kühlkanal vorgeschlagen, wobei der Kühlkanal entweder zum Zylinderkopf hin offen oder geschlossen ausgeführt ist.
Derartige Ventilsitzringe sind bekannt aus der DE 3829339, DD 287078 oder der DE 4328904. Dabei ist bei den erstgenannten Veröffentlichungen jeweils ein zum Zylinderkopf hin geschlossener Kühlkanal im Ventilsitzring vorgesehen. Gemäß Fig. 5 der DE 3829339 besteht der Kühlkanal aus zwei miteinander verschweißten massiven Bauteilen, in die das Ventilsitzteil eingepreßt ist. Der gekühlte Ventilsitzring ist im Zylinderkopf eingegossen. Die Herstellung des gekühlten Ventilsitzrings aus massiven Bauteilen ist aufwendig und führt zu einem relativ hohen Gewichtsnachteil und infolge des Einpressens des Ventilsitzteils in den Kühlkanalteil zu inneren Spannungen.
Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, bei gattungsgemäßen Ventilsitzringen einen Kühlkanal zu schaffen, der einfach herstellbar und leicht ist.
Dieses Problem wird gelöst durch einen gekühlten Ventilsitzring nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der aus dünnem Stahlblech bestehende einseitig offene Kühlkanal direkt mit dem Ventilsitzteil verschweißt.
Durch den Blechkühlkanal aus dünnem Stahlblech kann verglichen mit der Herstellung aus Vollmaterial deutlich Gewicht eingespart werden. Vorzugsweise wird der Blechkühlkanal durch Biegen, evtl. auch Tiefziehen eines ebenen Blechs hergestellt. Ein weiterer Vorteil des Blechkühlkanals verglichen mit den bekannten gekühlten Ventilsitzringen besteht darin, daß unabhängig vom Querschnitt des Ventilsitzteils ein frei wählbarer Kanalquerschnitt eingestellt werden kann.
Die Stärke des dünnen Stahlblechs ist vorzugsweise kleiner 1,2 mm und liegt vorteilhaft zwischen 0,3 und 0,7 mm.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
einen Zylinderkopf mit einem erfindungsgemäßen gekühlten Ventilsitzring
Fig. 2
einen Ventilsitzring mit Zentrierbund
Fig. 3 - 5
verschiedene weitere Varianten.
Ein gekühlter Ventilsitzring 2, bestehend aus einem Ventilsitzteil 3 und einem an das Ventilsitzteil angeschweißten Blechkühlkanal 4, ist durch ein Verbundgießverfahren mit einem Zylinderkopf 1 verbunden.
Über Bohrungen 6 und 7 ist der vom Blechkühlkanal gebildete Ringraum 5 mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden.
Das Ventilsitzteil 3 weist eine Fase auf, die durch einen Konuswinkel beta gekennzeichnet ist. Der Blechkühlkanal 4 überdeckt das Ventilsitzteil 3 im Bereich dieser Anfasung.
Gemäß Fig. 2 weist das Ventilsitzteil 3 Zentrieransätze 9 auf, die beim Schweißen den Blechkühlkanal 4 auf dem Ventilsitzteil 3 fixieren.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ventilsitzring mit angeschweißtem Kühlkanal im Querschnitt, mit einem Blechkanal, der als rohrförmiges Bauteil mit einer dem Sitzring zugewandten offenen Seite ausgeführt ist, wobei der Blechkanal mit seinen beiden freien Schenkeln an den Ventilsitzring gasdicht angefügt ist. Der Sitzring hat eine Fase unter einem Winkel von alpha = 45°, damit die freie Querschnittsfläche für die Kühlmittelströmung so groß wie möglich ist. Die Fase begrenzt den Kühlmittelkanal sitzringseitig.
Fig. 4 zeigt einen ähnlichen Ventilsitzring mit einem Winkel alpha < 45 entsprechend einem Konuswinkel beta von < 90°.
Der durch die am Ventilsitzring umlaufende Fase gebildete Konuswinkel bzw. Kegelwinkel beta wird meist zwischen 70° und 110° liegen.
Die Auswahl des Konuswinkels hängt ab von den geometrischen Randbedingungen, insbesondere von den einzuhaltenden Mindestwandstärken.
Gemäß Fig. 5 ist der Blechkühlkanal rohrförmig geschlossen mit kreisringförmigem Querschnitt ausgeführt und der Sitzring weist eine an den Kühlkanaldurchmesser angepaßte Ausnehmung auf, in die der Blechkühlkanal eingelegt ist. Im Vergleich zu den oben dargestellten Ausführungsbeispielen kann zumindest eine Schweißnaht entfallen.
Vorteilhaft findet der Schweißvorgang unter Teilvakuum statt, um den Schweißvorgang beim Schließen der Naht nicht durch austretende Luft zu erschweren.

Claims (13)

  1. Zylinderkopf (1) eines Verbrennungsmotors mit einem gekühlten Ventilsitzring (2), wobei der gekühlte Ventilsitzring (2) einen Ventilsitzteil (3) und einen Blechkühlkanal (4) aufweist, der aus dünnem Stahlblech besteht und über Bohrungen (6, 7) mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden ist, die als Zufluss und Abfluss für ein Kühlmittel dienen,
    dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Ventilsitzring (2) gießtechnisch mit dam Zylinderkopfmaterial verbunden ist.
  2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Ventilsitzring (2) durch ein Verbundgießverfahren mit dem Zylinderkopfmaterial verbunden ist.
  3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Ventilsitzring (2) eine Alfinschicht zur Verbindung mit dem Zylinderkopfmaterial aufweist.
  4. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1-3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Blechkühlkanal (4) an das Ventilsitzteil (3) angeschweißt oder mit ihm verlötet ist.
  5. Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Blechkühlkanal (4) gasdicht mit dem Ventilsitzteil (3) verbunden ist.
  6. Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilsitzteil (3) ein mit Kupfer infiltriertes Sinterteil ist und die Verbindung zwischen Blechkühlkanal (4) und Ventilsitzteil (3) durch Infiltrieren des Ventilsitzteils mit Kupfer bei gleichzeitiger Benetzung des Blechkühlkanals hergestellt ist.
  7. Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Blechkühlkanal (4) U-förmig geformt ist und mit seiner offenen Seite dem Ventilsitzteil zugewandt ist.
  8. Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilsitzteil (3) Ansätze (9) aufweist, mit denen der Blechkühlkanal (4) auf dem Ventilsitzteil zentriert ist, sodaß beim Schweißen bzw. Löten keine zusätzlichen Spannvorrichtungen erforderlich sind.
  9. Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilsitzteil (3) an seinen zum Blechkühlkanal (4) hin weisenden Flächen angefast ist.
  10. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Fase am Ventilsitzring gebildete Konuswinkel beta zwischen 70° und 110° liegt.
  11. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Blechkühlkanal (4) als rohr- oder torusförmiges, geschlossenes Bauteil ausgeführt ist und das Ventilsitzteil (3) eine dem Blechkühlkanal (4) angepaßte umlaufende, im Querschnitt kreissegmentförmige Ausnehmung aufweist, in die der Blechkühlkanal (4) eingelegt ist.
  12. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Blechkühlkanal (4) durch ein Widerstandspreßverfahren oder ein Reibschweißverfahren oder durch Löten mit dem Ventilsitzteil (3) verbunden ist.
  13. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Blechkühlkanal (4) im Querschnitt kreissegmentförmig ist mit einem Segmentwinkel von bis zu 300° und daß das Ventilsitzteil an seiner zur umlaufenden Öffnung des Blechkühlkanals hin weisenden Fläche angefast ist.
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