EP1630364A1 - Ventilsitzring mit zylindrischer Aussenfläche - Google Patents

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EP1630364A1
EP1630364A1 EP05014597A EP05014597A EP1630364A1 EP 1630364 A1 EP1630364 A1 EP 1630364A1 EP 05014597 A EP05014597 A EP 05014597A EP 05014597 A EP05014597 A EP 05014597A EP 1630364 A1 EP1630364 A1 EP 1630364A1
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EP
European Patent Office
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valve seat
seat ring
cylinder head
excess
per thousand
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EP05014597A
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English (en)
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Andreas Bluem
Uwe Karrer
Martin Hoyer
Friedrich Dr. Ohmenhäuser
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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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
    • 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
    • F01L3/22—Valve-seats not provided for in preceding subgroups of this group; Fixing of valve-seats

Definitions

  • the invention relates to a valve seat ring with a cylindrical outer surface, which is used in a cylindrical bore of the cylinder head an internal combustion engine with excess, wherein the valve seat ring consists of a material with low thermal expansion and the cylinder head of a material with high thermal expansion.
  • Valve seat rings are usually connected by a shrinking and / or pressing with the cylinder head.
  • a certain excess of the valve seat ring is required.
  • the experts were of the opinion that this oversize must be greater, the more different the thermal expansions of the materials from which the valve seat ring or the cylinder head is made. For example, the thermal expansion of aluminum is almost twice that of steel.
  • the invention has for its object to overcome the above difficulties by optimizing the interpretation of the excess of the valve seat ring.
  • valve seat ring has an excess of at most 1.5 parts per thousand.
  • the invention is based on the finding that the cylinder head due to the uneven temperature distribution in the region of the combustion chamber roof at a free Extension is prevented. For this reason, contrary to the previous opinion, an excess of the valve seat ring of 1.5 parts per thousand or even less is sufficient.
  • the inventors have recognized that a thermal distortion of the combustion chamber roof caused by unequal temperature distribution prevents free expansion thereof.
  • the combustion chamber roof is surrounded by a material region which has a lower temperature. This self-contained material area acts somewhat like a lashing or a tire, which prevents free thermal expansion of the combustion chamber at a higher temperature roof. The actual expansion of the cylinder head in the region of the combustion chamber roof is therefore much lower than previously assumed.
  • valve seat rings which have virtually no oversize, a reliable hold in the cylinder head is guaranteed at operating temperature.
  • the valve seat ring should have an excess of at least 0.1 parts per thousand, preferably 0.5 parts per thousand for safety reasons.
  • the sole figure of the drawing shows a longitudinal section through a valve seat ring in the installed state.
  • an annular groove 2 having a diameter D1 is formed in an aluminum alloy cylinder head 1.
  • a valve seat ring 3 made of steel with an outer diameter D1 is inserted.
  • a conical valve seat surface 4 is formed for the valve plate of a (not shown) valve.
  • valve seat ring 3 Since the thermal expansion of aluminum is much greater than that of steel, the valve seat ring 3 must be used with excess in the cylinder head 1, to ensure a safe grip at operating temperature. On the other hand, the excess of the valve seat ring for the reasons mentioned above should be as small as possible in order to facilitate the insertion process and to avoid unnecessary stresses in the cylinder head. To meet these two requirements, the valve seat ring has an excess, which is in the range of 0.5 to 1.5 parts per thousand.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring (3) mit zylindrischer Außenfläche, der in eine zylindrische Bohrung (2) des Zylinderkopfes (1) einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist, wobei der Ventilsitzring aus einem Material mit geringer Wärmedehnung und der Zylinderkopf aus einem Material mit großer Wärmedehnung besteht. Dabei ist vorgesehen, daß der Ventilsitzring ein Übermaß von höchstens 1,5 Promille aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring mit zylindrischer Außenfläche, der in eine zylindrische Bohrung des Zylinderkopfes eine Brennkraftmaschine mit Übermaß eingesetzt ist, wobei der Ventilsitzring aus einem Material mit geringer Wärmedehnung und der Zylinderkopf aus einem Material mit großer Wärmedehnung besteht.
  • Ventilsitzringe werden üblicherweise durch einen Schrumpf- und/oder Preßvorgang mit dem Zylinderkopf verbunden. Um einen sicheren Halt des Ventilsitzrings in der Bohrung oder Ringnut des Zylinderkopfes zu gewährleisten, ist ein gewisses Übermaß des Ventilsitzrings erforderlich. Die Fachwelt war bisher der Meinung, daß dieses Übermaß um so größer sein muß, je unterschiedlicher die Wärmeausdehnungen der Materialien sind, aus denen der Ventilsitzring bzw. der Zylinderkopf hergestellt ist. Beispielsweise ist die Wärmeausdehnung von Aluminium nahezu doppelt so groß wie diejenige von Stahl.
  • Bisher wurde das erforderliche Übermaß des Ventilsitzrings anhand eines einfachen Modells berechnet, wobei man davon ausging, daß ein Sitzring aus Stahl in eine verzwängungsfreie Aluminiumplatte eingesetzt ist. Dabei wurde eine konstante Temperatur und ein freie Dehnung der Aluminiumplatte angenommen. Das erforderliche Übermaß des Ventilsitzrings wurde durch folgende Gleichung bestimmt: Übermaß min = ( α Fe − α AI ) * D * ΔT * Sicherheit
    Figure imgb0001
    wobei
    • αFe = thermische Ausdehnung von Eisen
    • αAl = thermische Ausdehnung von Aluminium
    • D = Außendurchmesser des Sitzrings
    • ΔT = Temperaturerhöhung bei Betrieb
    • Sicherheit = Sicherheitsfaktor
  • Nach dieser bisher angewendeten Formel zur Berechnung des Übermaßes werden sehr hohe Werte für das Übermaß erhalten. Wegen des hohen Übermaßes des Ventilsitzrings gegenüber der in dem Zylinderkopf zugeordneten Bohrung oder Ringnut ist bei der Montage ein großer Aufwand erforderlich. Die Sitzringe müssen unter Umständen tiefgekühlt werden, und mitunter ist es zusätzlich erforderlich, den Zylinderkopf zu erwärmen. Außerdem ist eine hohe Montagekraft notwendig. Bei der Montage des Ventilsitzrings kann eine hohe Zugbelastung im Ventilstegbereich des Zylinderkopfes auftreten, wodurch kritische Werte erreicht werden können. Die Belastung des Brennraumdachs ist daher sehr hoch, die sogar zu einer Rißbildung des Zylinderkopfes führen kann. In jedem Fall wird die Lebensdauer des Zylinderkopfes verringert. Für den Zylinderkopf muß daher ein höherwertiges Material verwendet werden oder die Wandstärke des Zylinderkopfes muß vergrößert werden. Mitunter ist auch eine Wärmebehandlung des Zylinderkopfes erforderlich. Alle diese Maßnahmen sind jedoch mit einer Steigerung der Herstellungskosten verbunden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Schwierigkeiten durch eine Optimierung der Auslegung des Übermaßes des Ventilsitzrings zu überwinden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ventilsitzring ein Übermaß von höchstens 1,5 Promille aufweist.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Zylinderkopf wegen der ungleichen Temperaturverteilung im Bereich des Brennraumdaches an einer freien Ausdehnung gehindert wird. Aus diesem Grund ist entgegen der bisherigen Auffassung ein Übermaß des Ventilsitzrings von 1,5 Promille oder sogar noch weniger ausreichend. Die Erfinder haben erkannt, daß eine durch ungleiche Temperaturverteilung bedingte thermische Verspannung des Brennraumdaches eine freie Ausdehnung desselben verhindert. Das Brennraumdach ist von einem Materialbereich umschlossen, der eine geringere Temperatur aufweist. Dieser in sich geschlossene Materialbereich wirkt gewissermaßen wie eine Umschnürung oder ein Reifen, der eine freie thermische Ausdehnung des auf einer höheren Temperatur befindlichen Brennraumdaches verhindert. Die tatsächliche Ausdehnung des Zylinderkopfes im Bereich des Brennraumdaches ist daher wesentlich geringer als bisher angenommen wurde. Im Betrieb wird das Brennraumdach im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten Modell einer verzwängungsfreien Aluminiumplatte infolge der thermischen Inhomogenität an einer freien Ausdehnung gehindert. Hierdurch entstehen Druckspannungen im Zylinderkopf, die der Aufweitung entgegenwirken und die Ventilsitzringe festhalten. Es ist daher ein deutlich geringeres Übermaß erforderlich als bisher angenommen wurde.
  • Durch geringere Belastung des Brennraumdachs infolge des reduzierten Übermaßes des Ventilsitzrings kann die Lebensdauer des Zylinderkopfes deutlich erhöht werden. Unter Umständen ist auch die Verwendung von kostengünstigeren Legierungen für den Zylinderkopf möglich. Auch die Montage der Sitzringe wird erleichtert, da diese wegen des geringeren Übermaßes mit einem geringeren Kraftaufwand montiert werden können. Dadurch können die mit der bisher erforderlichen Kühlung, z. B. mit flüssigem Stickstoff, verbundenen hohen Kosten gespart werden.
  • Es wurde festgestellt, daß mit Ventilsitzringen, die so gut wie kein Übermaß aufweisen, ein zuverlässiger Halt im Zylinderkopf bei Betriebstemperatur gewährleistet ist. Im Hinblick auf Oberflächenrauhigkeiten und Setzerscheinungen des Ventilsitzrings einerseits und des Zylinderkopfes andererseits sollte der Ventilsitzring aus Sicherheitsgründen jedoch ein Übermaß von mindestens 0,1 Promille vorzugsweise 0,5 Promille aufweisen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.
  • Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch einen Ventilsitzring im Einbauzustand.
  • In einem Zylinderkopf 1 aus einer Aluminiumlegierung ist eine Ringnut 2 mit einem Durchmesser D1 ausgebildet. In die Ringnut 2 ist ein Ventilsitzring 3 aus Stahl mit einem Außendurchmesser D1 eingesetzt. An der dem Brennraum zugekehrten Stirnseite des Ventilsitzrings 3 ist eine konische Ventilsitzfläche 4 für den Ventilteller eines (nicht gezeigten) Ventils ausgebildet.
  • Da die Wärmeausdehnung von Aluminium wesentlich größer ist als diejenige von Stahl, muß der Ventilsitzring 3 mit Übermaß in den Zylinderkopf 1 eingesetzt werden, um bei Betriebstemperatur einen sicheren Halt zu gewährleisten. Andererseits soll das Übermaß des Ventilsitzrings aus den eingangs genannten Gründen möglichst klein sein, um den Einsetzvorgang zu erleichtern und unnötige Spannungen im Zylinderkopf zu vermeiden. Um diesen beiden Forderungen zu entsprechen, weist der Ventilsitzring ein Übermaß auf, das im Bereich von 0,5 bis 1,5 Promille liegt.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Zylinderkopf
    2
    Ringnut
    3
    Ventilsitzring
    4
    Ventilsitzfläche
    D1
    Außendurchmesser von 3
    D2
    Innendurchmesser von 2

Claims (3)

  1. Ventilsitzring mit zylindrischer Außenfläche, der in eine zylindrische Bohrung des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit Übermaß eingesetzt ist, wobei der Ventilsitzring aus einem Material mit geringer Wärmedehnung und der Zylinderkopf aus einem Material mit großer Wärmedehnung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzring (3) ein Übermaß von höchstens 1,5 Promille aufweist.
  2. Ventilsitzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Übermaß von mindestens 0,1 Promille aufweist.
  3. Ventilsitzring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Übermaß von mindestens 0,5 Promille aufweist.
EP20050014597 2004-08-12 2005-07-06 Ventilsitzring mit zylindrischer Aussenfläche Expired - Lifetime EP1630364B1 (de)

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