WO1999040295A1 - Leichtbauventil - Google Patents

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Thomas Glas
Andreas VON KÄNEL
Walter Krepulat
Martin Lechner
Christoph Steinmetz
Frank Sticher
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Mahle Ventiltrieb Gmbh
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    • 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 lightweight valve, in particular for an internal combustion engine.
  • valve is known from DE 36 25 590 A.
  • the valve disclosed there is intended to contribute to the development of an engine type with heat-insulated combustion chambers.
  • the valve disk facing the combustion chamber is particularly thin-walled. This measure is intended to bring about a low heat absorption of the valve plate and correspondingly low heat losses.
  • additional components are provided as a support between the valve plate and the valve stem in the extension of the valve stem.
  • Lightweight valves are also known for. B. from DE 1 960 331 A, EP 0 091 097 A, US 2,731,708 or US 1,294,416.
  • the support of the valve plate against the stem is also known from DE 36 25 590 A.
  • a disadvantage of the solutions disclosed there, however, is that the support is provided with the aid of an additional intermediate piece, which is fixed between the valve plate and the stem, and that the wall thickness - 3 -
  • valve plate is very small, so that deformations of the valve head can be expected.
  • the invention is therefore concerned with the problem of increasing the stiffness of the valve head in a lightweight construction valve and of making the valve easier to manufacture.
  • deformation values can be achieved which are in the range of the values of valves with a valve head made of solid material.
  • the mass reduction of these lightweight valves is at least 40% compared to solid steel valves.
  • the embodiment according to claim 1 represents a far-reaching departure from the previously customary design for lightweight valves, since the valve cone is no longer in one piece with the valve stem, but is manufactured as an individual part and the valve stem - possibly with an enlarged diameter - continues towards the valve disk .
  • the conventional design of a one-piece tapered stem part is retained and the valve disk is supported against the stem by an integral extension which is integral with the stem part.
  • the shaft is preferably designed as a drawn or welded tube or consists of solid material. - 4 -
  • the valve cone is preferably fixed to the stem by soldering or welding.
  • 'Radially inside' means: away from the outside diameter of the valve disk.
  • the valve according to the invention creates a lightweight valve which has high rigidity even with thin walls and a correspondingly low weight.
  • the invention is based on the basic idea of absorbing the gas forces acting on the valve plate by directly supporting the valve plate against the stem. By supporting the valve plate against the valve stem, in connection with the valve cone, a bending-resistant rotating surface structure with an approximately triangular cross-section is created.
  • Fig. 1 shows an inventive valve in cross section
  • Fig. 2 shows another embodiment, valve plate and cone in two pieces
  • Fig. 3 shows an embodiment with a centering for the shaft foot - 5 -
  • Fig. 4 shows an embodiment with a support molded onto the valve plate
  • Valve cone and support are in one piece.
  • a valve 1 for an internal combustion engine consists of a stem 2, a valve base (not shown), a funnel-shaped valve cone 3 and a valve disk 4 which is produced in one piece with the valve cone.
  • the diameter of the stem is enlarged at the level of the valve cone 3.
  • the stem 2 is welded to the valve plate 4.
  • the valve cone 3 is welded to the stem 2 at its upper end.
  • the valve cone 3, the valve plate 4 and the lower, extended shaft end connecting them together form a rigid rotational surface support structure.
  • the wall thickness of the valve cone 3 is smaller than the wall thickness of the valve plate 4.
  • valve plate 4 and valve cone 3 are not in one piece, but are connected to one another by a weld seam.
  • the shaft is made of solid material.
  • the shaft below the weld seam can also have a smaller diameter than in the area above the weld seam.
  • valve plate 4 and valve cone 3 are in one piece and in the valve plate 4 a centering for the end of the stem 2 is provided. A welded connection is only provided between the upper end of the valve cone 3 and the stem.
  • the wall thickness of the valve disk 4 is greater than the wall thickness of the valve cone 3.
  • valve plate 4 is shown with a molded collar-shaped support according to claim 6. - 6 -
  • stem 2 In Fig. 5 an embodiment according to claim 8 is shown, stem 2, valve cone 3 and the support of the valve plate are made in one piece, for. B. by metal injection molding or by turning.

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Abstract

Bei einem Hohlventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Verhältnis von Wandstärke zu Schaftdurchmesser kleiner 1 : 3 soll die Verformung des Ventilkopfs minimiert werden. Hierzu stützt sich der Ventilteller direkt gegen den Schaft ab.

Description

- 1 -
Leichtbauventil
Die Erfindung betrifft ein Leichtbauventil insbesondere für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8.
Ein derartiges Ventil ist aus der DE 36 25 590 A bekannt. Das dort offenbarte Ventil soll einen Beitrag zur Entwicklung einer Motorengattung mit wärmeisolierten Verbrennungsräumen darstellen. Hierzu ist der dem Brennraum zugewandte Ventilteller besonders dünnwandig ausgebildet. Diese Maßnahme soll eine geringe Wärmeaufnahme des Ventiltellers und entsprechend niedrige Wärmeverluste bewirken. Um die Dünnwandigkeit des Ventiltellers zu ermöglichen, sind in Verlängerung des Ventilschafts zusätzliche Bauteile als Ab- stützung zwischen Ventilteller und Ventilschaft vorgesehen.
Leichtbauventile sind ferner bekannt z. B. aus der DE 1 960 331 A, der EP 0 091 097 A, der US 2,731,708 oder der US 1,294,416.
Bei der Entwicklung moderner Motoren wird verstärkt auch an eine elektromagnetische, pneumatische oder hydraulische An- steuerung des Ventiltriebs gedacht. Die für derartige Ventiltriebe aufzubringende Antriebsleistung wächst exponen- tiell mit dem Gewicht der oszillierenden Massen, d. h. der Ventile. Daraus ergibt sich die Forderung, Leichtbauventile bezüglich des Gewichts weiter zu optimieren, d. h. insbesondere die Wandstärken weiter zu minimieren. - 2 -
Bei den meisten bekannten Leichtbauventilen wird durch das Bestreben, im Innern des Ventils einen möglichst großen Hohlraum zu schaffen, eine relativ große, nicht unterstützte Bodenfläche zum Brennraum hin gebildet, die im Betrieb - insbesondere bei minimierten Wandstärken - durch den Verbrennungsdruck deformiert wird. Die durch diese Verformungen entstehenden Verschiebungen an der Umfangsfläche des Ventilsitzes tragen zu einem vorzeitigen Verschleiß des Sitzes und zur zusätzlichen Beanspruchung des Ventils bei. Außerdem bewirken diese Verformungen eine zusätzliche Beanspruchung im Bereich der Fügestelle zwischen Ventilteller und Ventilkegel mit der Gefahr eines Aufplatzens der Verbindung .
Eine Abstützung des Ventiltellers ist an sich aus der US 2,439,240 bekannt. Die dort dargestellte Lösung ist jedoch bedingt durch die Ausbildung der Abstützung herstellungstechnisch aufwendig.
Ein weiterer Lösungsansatz ist aus der US 2,371,548 bekannt. Dort wird der Ventilteller mittig abgestützt, wobei die von der Abstützung aufgenommenen Kräfte über ein innerhalb des Schafts angeordnetes Rohrstück in das Schaftende eingeleitet werden. Diese Anordnung ist aufwendig und erzielt nur teilweise den erwünschten Effekt einer minimalen Verformung des Ventilkopfes unter Last. Insbesondere ergibt sich aufgrund des Kraftflusses über den Schaft für diesen Lösungsansatz bei gleichen geometrischen Verhältnissen sogar eine Verschlechterung der Verformungswerte verglichen mit z. B. dem aus der EP-OS 091 097 bekannten Ventil.
Die Abstützung des Ventiltellers gegen den Schaft ist auch aus der DE 36 25 590 A bekannt. Nachteilig bei den dort offenbarten Lösungen ist jedoch, daß die Abstützung mit Hilfe eines zusätzlichen Zwischenstücks, das zwischen Ventilteller und Schaft fixiert ist, erfolgt und daß die Wandstärke - 3 -
des Ventiltellers sehr gering ist, sodaß Verformungen des Ventilkopfes zu erwarten sind.
Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, bei einem Leichtbauventil auf einfache Art und Weise die Stei- figkeit des Ventilkopfes zu erhöhen und die Herstellung des Ventils zu erleichtern.
Dieses Problem wird bei gattungsgemäßen Ventilen gelöst durch eine Ausbildung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit erfindungsgemäßen Ventilen lassen sich Verformungswerte realisieren, die im Bereich der Werte von Ventilen mit einem Ventilkopf aus Vollmaterial liegen. Die Massenreduktion dieser Leichtbauventile beträgt mindestens 40 % im Vergleich mit Vollmaterial-Stahlventilen.
Dabei stellt die Ausführung nach Anspruch 1 eine weitgehende Abkehr von der bisher üblichen Bauform für Leichtbauventile dar, da der Ventilkegel nicht mehr einstückig mit dem Ventilschaft ist, sondern als Einzelteil hergestellt wird und der Ventilschaft sich - ggfs. mit vergrößertem Durchmesser - zum Ventilteller hin fortsetzt.
Bei der Ausführung nach Anspruch 8 wird die konventionelle Bauform eines einstückigen Kegel-Schaft-Teils beibehalten und es wird der Ventilteller durch eine angeformte, mit dem Schaftteil einstückige Verlängerung gegen den Schaft abgestützt .
Bei beiden Ausführungen ist der Schaft vorzugsweise als gezogenes oder geschweißtes Rohr ausgeführt oder besteht aus Vollmaterial . - 4 -
Die Fixierung des Ventilkegels am Schaft erfolgt vorzugsweise durch Löten oder Schweißen.
Unter 'radial innen' ist zu verstehen: entfernt vom Außendurchmesser des Ventiltellers.
Durch das erfindungsgemäße Ventil wird ein Leichtbauventil geschaffen, das auch noch bei dünnen Wandstärken und entsprechend geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit aufweist.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die auf den Ventilteller wirkenden Gaskräfte durch direkte Abstützung des Ventiltellers gegen den Schaft aufzunehmen. Durch die Abstützung des Ventiltellers gegen den Ventilschaft entsteht in Verbindung mit dem Ventilkegel ein biegesteifes Rotationsflächentragwerk mit etwa dreieckförmigem Querschnitt .
Zwar ist aus der US 4,834,036 ein Leichtbauventil bekannt, bei dem der Schaft bis in den Bereich des Ventiltellers durchgeht, bei dem Ventilkopf handelt es sich jedoch um ein leichtes, gegossenes oder geschmiedetes Vollmaterial auf Titanbasis wie Titanaluminid, sodaß dieses Ventil gattungsgemäß nicht zu den erfindungsgemäßen Hohlventilen gehört.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ventil im Querschnitt
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, Ventilteller und Kegel zweistückig
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer Zentrierung für den Schaftfuß - 5 -
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer am Ventilteller angeformten Abstützung
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel , Schaft,
Ventilkegel und Abstützung sind einstückig.
Ein Ventil 1 für einen Verbrennungsmotor besteht aus einem Schaft 2, einem nicht dargestellten Ventilfuß, einem trichterförmigen Ventilkegel 3 und einem einstückig mit dem Ventilkegel hergestellten Ventilteller 4. Der Durchmesser des Schafts ist auf Höhe des Ventilkegels 3 erweitert. An seinem unteren Ende ist der Schaft 2 mit dem Ventilteller 4 verschweißt. Der Ventilkegel 3 ist an seinem oberen Ende mit dem Schaft 2 verschweißt. Der Ventilkegel 3, der Ventilteller 4 und das beide verbindende untere, erweiterte Schaftende bilden gemeinsam ein biegesteifes Rotationsflä- chentragwerk. Die Wandstärke des Ventilkegels 3 ist kleiner als die Wandstärke des Ventiltellers 4.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung sind Ventilteller 4 und Ventilkegel 3 nicht einstückig, sondern durch eine Schweißnaht miteinander verbunden. Der Schaft besteht aus Vollmaterial. Dabei kann der Schaft unterhalb der Schweißnaht auch einen kleineren Durchmesser aufweisen als im Bereich oberhalb der Schweißnaht .
In Fig. 3 sind Ventilteller 4 und Ventilkegel 3 einstückig und im Ventilteller 4 ist eine Zentrierung für das Ende des Schafts 2 vorgesehen. Eine Schweißverbindung ist nur zwischen dem oberen Ende des Ventilkegels 3 und dem Schaft vorgesehen. Auch hier ist die Wandstärke des Ventiltellers 4 größer als die Wandstärke des Ventilkegels 3.
In Fig. 4 ist ein Ventilteller 4 mit einer angeformten bundförmigen Abstützung gemäß Anspruch 6 dargestellt. - 6 -
In Fig. 5 ist eine Ausführung gemäß Anspruch 8 dargestellt, Schaft 2, Ventilkegel 3 und die Abstützung des Ventiltellers sind einstückig hergestellt, z. B. durch Metall Injec- tion Moulding oder durch Drehen.

Claims

- 7 -Patentansprüche
1. Leichtbauventil, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einem Schaft, einem Ventilkegel und einem Ventilteller, wobei Ventilkegel und Ventilteller gemeinsam einen Hohlraum bilden und die Wandstärken von Ventilteller und Ventilkegel relativ zum Schaftdurchmesser ein Verhältnis von kleiner 1 : 3 aufweisen, mit den Merkmalen
a) der Ventilteller (4) stützt sich in einem radial innen liegenden Bereich gegen den Ventilschaft (2) ab,
b) Ventilkegel (3) und Ventilschaft (2) bestehen aus zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Bauteilen, sind also nicht einstückig,
c) der Ventilkegel (3) ist an seinem oberen Ende am Ventilschaft (2) fixiert,
gekennzeichnet durch die Merkmale
d) das Ende des Ventilschafts (2) liegt direkt - ohne Zwischenstück - am Ventilteller bzw. an einem mit dem Ventilteller einstückigen Bund an oder der Ventilschaft (2) ist einstückig mit dem Ventilteller (4) und
e) die Wandstärke des Ventilkegels (3) ist kleiner als die Wandstärke des Ventiltellers (4). - 8 -
2. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wandstärken von Ventilkegel (3) zu Ventilteller (4) kleiner 0,7 ist.
3. Leichtbauventil nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (2) am Ventilteller (4) fixiert ist.
4. Leichtbauventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (2) auf Höhe des Ventilkegels (3) einen größeren Durchmesser aufweist als in einem oberhalb des Ventilkegels (3) liegendem Bereich.
5. Leichtbauventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zum größeren Schaftdurchmesser kegelförmig so geformt ist, daß sich im verschweißtem Zustand ein bündiger Abschluß mit dem Ventilkegel (3) ergibt .
6. Leichtbauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilteller (4) einstückig mit diesem eine Abstützung angeformt ist, mit der sich der Ventilteller (4) gegen den Ventilschaft (2) abstützt.
7. Leichtbauventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilkegel (3) und Ventilteller (4) einstückig sind. - 9 -
Leichtbauventil für einen Verbrennungsmotor, bestehend aus einem Schaft (2), einem mit dem Schaft einstückigen Ventilkegel (3) und einem Ventilteller (4), wobei Ventilkegel (3) und Ventilteller (4) gemeinsam einen Hohlraum bilden und die Wandstärken von Ventilteller (4) und Ventilkegel (3) relativ zum Schaftdurchmesser ein Verhältnis von kleiner 1 : 3 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß etwa in Verlängerung des Schafts eine mit dem Ventilkegel (3) und dem Schaft (2) einstückige Abstützung für den Ventilteller (4) angeformt ist und daß die Wandstärke des Ventilkegels (3) kleiner ist als die Wandstärke des Ventiltellers (4).
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