EP1599658B1 - Gaswechselventil eines verbrennungsmotors - Google Patents

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EP1599658B1 EP05706738A EP05706738A EP1599658B1 EP 1599658 B1 EP1599658 B1 EP 1599658B1 EP 05706738 A EP05706738 A EP 05706738A EP 05706738 A EP05706738 A EP 05706738A EP 1599658 B1 EP1599658 B1 EP 1599658B1
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Mahle Ventiltrieb GmbH
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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
    • F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements

Definitions

  • the invention relates to a gas exchange valve of an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • Such gas exchange valves are known, for example, from WO99 / 16295 and US 2,398,514.
  • the invention is concerned with the problem of minimizing the stresses on the valve disk, in particular in its bottom region, due to temperature and combustion chamber pressure by means of an optimized disk geometry, in particular in its bottom area, while at the same time having as small a wall thickness as possible.
  • the overall deformation of the valve should be taken into account, with regard to a displacement of the valve stem on the one hand and to the deformation of the valve bottom between the support in the bottom center and the outer bottom region under combustion chamber pressure on the other.
  • the invention is based on the general idea of reinforcing the valve bottom in the case of an overall convex outward shape by means of annular bead regions surrounding the valve axis, each having a convexly outwardly extending bead cross section.
  • annular bead which may also be referred to as a torus section
  • a plurality of annular beads arranged concentrically with one another within the valve base can also be provided.
  • the central portion of the valve bottom when adjacent to a hollow valve stem, may be outwardly convex or concave.
  • the individual elements of the gas exchange valve according to the invention are usually welded together in an embodiment of the valve made of metal.
  • valve cone which is generally used in practice, "cone” with respect to its shape is not strictly mathematical, but rather to be understood in the sense of an arbitrary funnel shape.
  • the valve bottom closes via a connection collar to the valve cone at.
  • the connection is made such that the radially outer edge regions of the valve bottom in the form of the connection collar on the one hand and the valve cone on the other hand in a conical surface formed by the lateral surface of a fictitious, erected in the valve axis cone with a reference to the valve cone tapered connection surface and in this conical surface together in the direction of the cone base surface leak.
  • valve disc made of metal are welded together without the welds are shown as such.
  • the valve disk according to the invention according to FIG. 1 comprises a valve bottom 1, a hollow valve cone 2 and a hollow valve stem 3.
  • the valve base 1 is welded to the hollow cylindrical seated valve stem 3 on the one hand and the outer edge of the valve cone 2 on the other.
  • the tapered end of the valve cone 2 is welded to the valve stem 3.
  • the interconnected, aforementioned components together form a rigid rotating surface supporting structure.
  • the valve bottom 1 has a largely flat central area 4 in the middle of the floor.
  • the annular region lying between this central region 4 and the outer edge of the valve base 1 is designed as an annular bead 5, which can also be referred to as a torus section, with an outwardly convex curvature.
  • connection collar 7 is additionally formed between the annular bead 5 and a radially outer joining region 6 between the valve bottom 1 and the valve plug 2.
  • connection collar 7 adjoins the valve cone 2 in a connection surface which is formed on a cone erected in the valve axis by a lateral surface of a fictitious cone with a constriction which is rectilinear with respect to the valve cone 2.
  • the connection collar 7 and the adjacent edge region of the valve cone 2 run together in this conical surface in the direction of the cone base surface.
  • valve stem 3 with a widened area 8 inside the valve is used in a departure from the embodiment according to FIG. Through this widened region 8 improved support of the valve bottom 1 is achieved in its central region.
  • valve embodiment according to FIG. 4 differs from that according to FIG. 3 only in that the valve bottom 1 is convexly curved in a central region 9 outwardly within the widened region 8 of the valve stem 3 to the outside.
  • FIG. 5 is based on a basic valve shape according to FIG. 2.
  • a support cone 10 is provided in the interior of the valve cone 2. In its tapered region of this support cone 10 is welded to the valve stem 3. At the valve bottom 1 of the support cone 10 is also welded.
  • the valve bottom with two concentric annular beads 5 ', 11 has a particularly good stability.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Solche Gaswechselventile sind beispielsweise bekannt aus WO99/16295 und US 2,398,514.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, die an dem Ventilteller, insbesondere in dessen Bodenbereich, durch Temperatur und Brennraumdruck auftretenden Belastungen durch eine optimierte Tellergeometrie und zwar insbesondere in dessen Bodenbereich zu minimieren bei gleichzeitig möglichst geringen Wandstärken. Dabei soll insbesondere die Gesamtverformung des Ventils beachtet werden und zwar im Hinblick auf eine Verschiebung des Ventilschafts einerseits und auf die Verformung des Ventilbodens zwischen der Abstützung in der Bodenmitte und dem äußeren Bodenbereich unter Brennraumdruck andererseits.
  • Gelöst wird dieses Problem in erster Linie durch die Ausbildung eines gattungsgemäßen Gaswechselventiles nach dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1.
  • Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Ventilboden bei einer insgesamt konvex nach außen geprägten Form durch ringförmige, um die Ventilachse umlaufende Sickenbereiche mit jeweils konvex nach außen verlaufendem Sickenquerschnitt zu verstärken. Dabei kann bereits eine einzige derartige Ringsicke, die auch als Torusabschnitt bezeichnet werden kann, zwischen der inneren Abstützung an dem Ventilschaft und der äußeren Anbindung an den Ventilkegel ausreichend sein. Je nach Größe des Ventiltellers können auch mehrere innerhalb des Ventilbodens konzentrisch zueinander angeordnete Ringsicken vorgesehen werden. Darüber hinaus kann der Zentralbereich des Ventilbodens, wenn er an einen hohl ausgeführten Ventilschaft angrenzt, nach außen konvex oder konkav geformt sein. Die einzelnen Elemente des erfindungsgemäßen Gaswechselventiles sind bei einer Ausführung des Ventiles aus Metall in der Regel miteinander verschweißt.
  • Bei dem in der Praxis allgemein verwendeten Begriff "Ventilkegel" ist "Kegel" mit Bezug auf dessen Form nicht streng mathematisch, sondern vielmehr im Sinne einer beliebigen Trichterform zu verstehen.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung schließt der Ventilboden über einen Anschlusskragen an den Ventilkegel an. Der Anschluss erfolgt derart, dass die radial äußeren Randbereiche des Ventilbodens in der Form des Anschlusskragens einerseits sowie des Ventilkegels andererseits in einer von der Mantelfläche eines fiktiven, in der Ventilachse errichteten Kegels mit einer bezogen auf den Ventilkegel gleichgerichteten Verjüngung gebildeten Verbindungsfläche liegen und in dieser Kegelfläche gemeinsam in Richtung auf die Kegelbasisfläche auslaufen.
  • Durch eine solche Rand- beziehungsweise Anschlussgestaltung werden bei dem Ventil zusätzlich zu der dadurch erreichten erhöhten Ventilbodenstabilität insbesondere die Umströmungseigenschaften im Außenbereich des Ventilbodens verbessert. Eine Verbesserung wird auch bezüglich der Bearbeitung und der allgemeinen Bauteileigenschaften durch diese Ausbildung erreicht. Eine Gestaltung des Fügebereiches zwischen Ventilteller und Ventilboden mit einem Anschluss- beziehungsweise Verbindungsbereich der vorstehend beschriebenen Art ist im Prinzip unabhängig von der sich radial nach innen anschließenden Gestaltung des Ventilbodens, das heißt im Prinzip für beliebig geformte Ventilböden gleichermaßen günstig.
  • Der von der Mantelfläche des gedachten Kegels gegenüber dessen Basisfläche gebildete Kegelwinkel kann 180° - α mit α = 15° bis 45°, insbesondere 15° bis 35° messen.
  • Vorteilhafte, nachstehend noch näher erläuterte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
  • In dieser zeigen jeweils im Längsquerschnitt hohle Ventilteller mit nach
    • Fig. 1
    einem durch eine einzelne Ringsicke verstärkten Ventilboden,
    Fig. 2
    einem Ventilboden nach Fig. 1 mit einem radial außen liegenden Anschluss-Kragen,
    Fig. 3
    einem Ventilboden nach Fig. 2 mit einem innerhalb des Ventiltellers aufgeweiteten Ventilschaft,
    Fig. 4
    einem Ventilboden nach Fig. 1 mit einer zusätzlichen, konvexen Ausbildung im Zentralbereich,
    Fig. 5
    einem Ventilboden in einer Grundform nach Fig. 2 mit einer zusätzlichen Ringsicke und einem Stützkegel innerhalb des Ventiltellers.
  • In den gezeichneten Ausführungsbeispielen sind die einzelnen Bauelemente des Ventiltellers aus Metall miteinander verschweißt, ohne dass die Schweißnähte als solche dargestellt sind.
  • Wie alle gezeichneten Ausführungsbeispiele umfasst der erfindungsgemäße Ventilteller nach Fig. 1 einen Ventilboden 1, einen hohlen Ventilkegel 2 sowie einen hohlen Ventilschaft 3. Der Ventilboden 1 ist mit dem hohlzylindrisch aufsitzenden Ventilschaft 3 einerseits und dem Außenrand des Ventilkegels 2 andererseits verschweißt. Verschweißt ist auch das verjüngte Ende des Ventilkegels 2 mit dem Ventilschaft 3. Die miteinander verbundenen, vorgenannten Bauteile bilden gemeinsam ein biegesteifes Rotationsflächentragwerk. Der Ventilboden 1 weist einen weitgehend ebenen, zentralen Bereich 4 in der Bodenmitte auf. Der zwischen diesem zentralen Bereich 4 und dem äußeren Rand des Ventilbodens 1 liegende Ringbereich ist als Ringsicke 5, die auch als Torusabschnitt bezeichnet werden kann, mit einer nach außen konvexen Krümmung ausgeführt. Durch eine solche Auslegung kann bei einer Optimierung dieser Form die Summenbeanspruchung durch Temperatur und Brennraumspitzendruck minimiert und die Belastung durch eine Vergleichmäßigung der lokalen Belastungsmaxima reduziert werden.
  • Bei dem Ventil nach Fig. 2 ist zusätzlich zwischen der Ringsicke 5 und einem radial außen liegenden Fügebereich 6 zwischen Ventilboden 1 und Ventilkegel 2 ein Anschluss-Kragen 7 angeformt.
  • Der Anschlusskragen 7 grenzt an den Ventilkegel 2 in einer Verbindungsfläche an, die auf einer von der Mantelfläche eines fiktiven, in der Ventilachse errichteten Kegels mit einer bezogen auf den Ventilkegel 2 gleichgerichteten Verjüngung gebildet ist. Der Anschlusskragen 7 und der angrenzende Randbereich des Ventilkegels 2 laufen gemeinsam in dieser Kegelfläche in Richtung auf die Kegelbasisfläche aus. Der von der Mantelfläche des gedachten Kegels gegenüber dessen Basisfläche gebildete Kegelwinkel beträgt vorzugsweise 180° - α mit α = 15° bis 35°.
  • Bei der Ventilausführung nach Fig. 3 ist abweichend zu der Ausführung nach Fig. 2 ein Ventilschaft 3 mit einem im Inneren des Ventiles aufgeweiteten Bereich 8 eingesetzt. Durch diesen aufgeweiteten Bereich 8 wird eine verbesserte Abstützung des Ventilbodens 1 in dessen Zentralbereich erreicht.
  • Die Ventilausführung nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 lediglich dadurch, dass der Ventilboden 1 innerhalb des erweiterten Bereiches 8 des Ventilschaftes 3 nach außen konvex in einem Zentralbereich 9 gekrümmt ist.
  • Die Ausführung nach Fig. 5 baut auf einer Ventil-Grundform nach Fig. 2 auf. Im Unterschied zu der Ausführung nach Fig. 2 ist im Inneren des Ventilkegels 2 ein Stützkegel 10 vorgesehen. In seinem verjüngten Bereich ist dieser Stützkegel 10 an den Ventilschaft 3 angeschweißt. An dem Ventilboden 1 ist der Stützkegel 10 ebenfalls angeschweißt. Der Bereich, in dem der Stützkegel 10 an dem Ventilboden 1 angeschweißt ist, liegt zwischen in dem Ventilboden 1 konzentrisch zueinander geformten Ringsicken 5' und 11, die beide jeweils einen konvex nach außen verlaufenden Querschnitt besitzen. Der Ventilboden mit zwei konzentrisch zueinander verlaufenden Ringsicken 5', 11 weist eine besonders gute Stabilität auf.
  • Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (9)

  1. Gaswechselventil eines Verbrennungsmotors mit jeweils einem insbesondere hohlen Ventilschaft (3) und Ventilteller, bei dem
    - der Ventilteller einen Ventilboden (1) und einen mit dessen äußerem Rand verbundenen, hohlen Ventilkegel (2) umfasst, wobei der Ventilkegel (2) sich mit von dem Boden zunehmendem Abstand verjüngt,
    - der Ventilschaft (3) den hohlen Ventilkegel (2) durchläuft und jeweils fest einerseits mit dem Ventilboden (1) sowie andererseits mit dem verjüngten Ende des Ventilkegels (2) verbunden ist,
    - das Ende des mit dem Ventilboden (1) verbundenen Ventilschaftes (3) über die Verbindungsebene zwischen Ventilkegel (2) und Ventilboden (1) hinausragt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ventilboden (1) in dem zwischen seiner Anbindung an den Ventilschaft (3) einerseits und den Ventilkegel (2) andererseits liegenden Ringbereich radial benachbart mindestens eine Ringsicke (5; 5', 11) mit einer nach außen konvex verlaufenden Ringsickenquerschnittsfläche aufweist.
  2. Gaswechselventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ventilschaft (3) an seinem mit dem Ventilboden (1) verbundenen Ende einen größeren Durchmesser als in seinem Anbindungsbereich an den Ventilkegel (2) besitzt.
  3. Gaswechselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem hohlen, zylindrisch offen an dem Ventilboden (9) anliegenden Ventilschaft,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ventilboden (1) innerhalb seines an den Hohlraum des Ventilschaftes (3) angrenzenden Bereiches nach außen konvex gekrümmt ist.
  4. Gaswechselventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ventilboden (1) innerhalb seines an den Hohlraum des Ventilschaftes (3) angrenzenden Bereiches von außen nach innen konkav gekrümmt ist.
  5. Gaswechselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass innerhalb des Ventilkegels (2) ein innerer Stützkegel (10) mit einer Anbindung an den Ventilboden (1) in einem zwischen zwei radial aneinander grenzenden Ventilboden-Ringsicken (5', 11) einerseits und in seinem verjüngten Bereich an den Ventilschaft (3) andererseits vorgesehen ist.
  6. Gaswechselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ringsicken (5; 5', 11) einen parabel-, hyperbel- oder logarithmusförmig ausgelegten Querschnittsverlauf aufweisen.
  7. Gaswechselventil eines Verbrennungsmotors mit jeweils einem Ventilschaft (3) und Ventilteller bei dem
    - der Ventilteller einen Ventilboden (1) und einen mit dessen äußerem Rand verbundenen, hohlen Ventilkegel (2) umfasst, wobei der Ventilkegel (2) sich mit von dem Ventilboden (1) zunehmendem Abstand verjüngt,
    - der Ventilschaft (3) den hohlen Ventilkegel (2) durchläuft und jeweils fest einerseits mit dem Ventilboden (1) sowie andererseits mit dem verjüngten Ende des Ventilkegels (2) verbunden ist, nach insbesondere einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die radial äußeren Randbereiche des Ventilbodens (1) in der Form eines Anschlusskragens (7) einerseits sowie des Ventilkegels (2) andererseits in einer von der Mantelfläche eines fiktiven, in der Ventilachse errichteten Kegels mit einer bezogen auf den Ventilkegel (2) gleichgerichteten Verjüngung gebildeten Verbindungsfläche liegen und in dieser Kegelfläche gemeinsam in Richtung auf die Kegelbasisfläche auslaufen.
  8. Gaswechselventil nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der von der Mantelfläche des gedachten Kegels gegenüber dessen Basisfläche gebildete Kegelwinkel 180° - α mit α = 15° bis 45° misst.
  9. Gaswechselventil nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Winkel α zwischen 15° und 35° liegt.
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