WO2002006640A1 - Gaswechselventilanordnung und ventilsitzkonstruktion mit rinförmiger nut - Google Patents

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WO2002006640A1
WO2002006640A1 PCT/EP2001/008099 EP0108099W WO0206640A1 WO 2002006640 A1 WO2002006640 A1 WO 2002006640A1 EP 0108099 W EP0108099 W EP 0108099W WO 0206640 A1 WO0206640 A1 WO 0206640A1
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WO
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gas exchange
valve arrangement
arrangement according
exchange valve
valve seat
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PCT/EP2001/008099
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French (fr)
Inventor
Finn Quordrup Jensen
Original Assignee
Man B & W Diesel A/S
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Priority to AT01967166T priority patent/ATE268863T1/de
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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
    • F01L3/22—Valve-seats not provided for in preceding subgroups of this group; Fixing of valve-seats
    • 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
    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/01—Absolute values
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F2007/0097—Casings, e.g. crankcases or frames for large diesel engines

Definitions

  • the invention relates to a gas exchange valve arrangement for internal combustion engines, in particular two-stroke large diesel engines.
  • a gas exchange valve arrangement is known from SU 1 768 770 A1, in which a circumferential groove is provided in the region of the cone surface of the valve plate, which is delimited laterally by circumferential, raised projections.
  • the groove is to be created by plastic material deformation using a press-on tool with a semicircular profile, which allows only a small depth.
  • the groove accordingly has a depth of only about 0.1 mm and therefore proves to be comparatively shallow.
  • the groove pressed into the conical surface of the valve disk is intended to absorb the combustion residues. However, due to the shallow groove depth, there is a risk that the residues in the groove will be compacted and this will therefore be filled up in a comparatively short time.
  • a gas exchange valve arrangement for internal combustion engines in particular two-stroke large diesel engines, with a stationary valve seat encompassing an assigned flow channel and a valve part that is movable relative to it, which has a valve plate that can be brought into sealing contact with the valve seat, is proposed, with at least one of the mutual conical surfaces of the valve seat or valve disk at least one annular circumferential, narrow sealing surface is provided, which is delimited at least on one side by an annular circumferential material recess.
  • each gap formed by a material recess according to the invention can act as a chamber for receiving air, which does not participate in the combustion and accordingly can additionally cool the valve seat.
  • the combination according to the invention can therefore be expected to have a long service life for the valve arrangement overall.
  • a further advantageous measure may consist in that at least the valve seat is provided with at least one annular, narrow sealing surface. This simplifies production, since the valve seat, which is made of hardened steel, can be machined comparatively easily before hardening. This also ensures that the conical surface of the valve disk can be easily reground if necessary, without changing the depth of the recesses delimiting the narrow sealing surfaces. This also results in simple valve maintenance.
  • each narrow sealing surface can have sharp side edges. This results in a particularly good one Shredding of combustion residues reaching the side edges.
  • the total width of all sealing surfaces of part of the valve arrangement can advantageously be 0.5% to 2%, preferably 1% to 1.5%, of the mean diameter of the cone surface assigned in each case. This results in a very small width of the sealing surfaces according to the invention, which leads to a particularly low heat transfer and to a particularly good comminution of combustion residues. With a width of the individual sealing surface of 2 mm, very good results were achieved in tests.
  • the depth of the recesses delimiting a sealing surface is advantageously greater than the expected thickness of the combustion residues. This ensures that the combustion residues are not pressed into the recesses mentioned and compressed in them and do not fill them up, but that the combustion residues are reliably comminuted and can escape. At the same time, this results in a comparatively large capacity of the recesses mentioned, so that there is a lot of air not participating in the combustion for cooling the valve seat. In tests carried out with large two-stroke diesel engines, good results were achieved with a recess depth of more than 1 mm, preferably up to 3 mm.
  • a particularly preferred measure can consist in that the first, narrow sealing surface seen from the combustion chamber is delimited on the side facing the combustion chamber by a material recess which is connected to the combustion chamber by a narrow gap when the valve arrangement is closed, and preferably one opposite a downstream one Material recess has a comparatively large capacity.
  • the air taken in does not take part in the combustion and causes good cooling of the valve seat.
  • the gap results in an air movement in the through the relevant, comparatively large material recess formed chamber, which improves the cooling effect and causes reliable flushing of the conical surfaces, so that no accumulation of combustion residues can occur, which were previously crushed by the edges of the adjacent, narrow sealing surface.
  • the advantages of the overriding measures are further enhanced.
  • the angle of inclination of the mutual conical surfaces of the valve seat and valve plate can be different, preferably differ from one another by 0.5 °. This results in particularly narrow mutual contact surfaces and thus a particularly low mutual heat transfer and very good comminution of the combustion residues.
  • FIG. 1 shows a gas exchange valve arrangement according to the invention partly in
  • Section and Figure 2 shows a detail of Figure 1 in enlarged compared to this
  • the field of application of the invention is internal combustion engines provided with gas exchange valves, preferably two-stroke large diesel engines, which have a large exhaust valve arranged in the cylinder head.
  • gas exchange valves preferably two-stroke large diesel engines, which have a large exhaust valve arranged in the cylinder head.
  • the basic structure and the mode of operation of such motors are known per se and need no further explanation in the present context.
  • the gas exchange valve arrangement on which FIG. 1 is based which can be an exhaust valve arrangement of the type mentioned above, contains a cylinder component associated with a stationary component 1, in the example mentioned a two-stroke large diesel engine, at the input of an associated gas channel 2, in the example mentioned on Entrance of the exhaust gas duct, arranged, encompassing this valve seat 3 and a valve part 4 which is movable relative to it and which has a valve plate 6 arranged at the lower end of a shaft 5 cooperating with an actuating device (not shown here), which can be brought into sealing contact with the valve seat 3.
  • the valve seat 3 and the valve plate 6 are provided with mutually facing conical surfaces 7 and 8, which can be partially brought into sealing contact.
  • the valve seat 3 is here molded onto a seat part 9 inserted into the associated, stationary component 1, in the example mentioned in the cylinder head.
  • This consists of hardened steel.
  • the seat part 9 containing the valve seat 3 is cooled by cooling channels, not shown here, which are arranged in the component 1 and can be acted upon with coolant, so that the hardness of the hardened steel is retained.
  • the movable valve part 4 can consist entirely or at least in the region of the valve plate 6 of a high-temperature-resistant material that does not require cooling. The valve disk 6 therefore assumes a higher temperature in operation than the valve seat 3.
  • the conical surfaces 7, 8 of valve seat 3 and valve plate 6 do not come into abutment over their entire width, but only in the area of at least one comparatively narrow, annular circumferential sealing surface 10.
  • two such spaced apart axially are within the Upper and lower edge edges of the associated conical surface 7 and 8 arranged sealing surfaces 10 are provided.
  • These are delimited at least on one side by annular material recesses 11 and 11a, which are produced by machining, and which practically form annular chambers.
  • Crosspieces 12 are formed by the material recesses 11, 11a, the upper side of which each forms a sealing surface 10.
  • the cross section of the webs 12 is expediently tapered toward the respective sealing surface 10.
  • the sealing surfaces 10 are designed as ground surfaces, so that an exact support on a cooperating, also ground counter surface is ensured. A rougher surface can be provided in the area of the material recesses 11, 11a.
  • the material recesses 11, 11a form comparatively large chambers in which no combustion residues can remain. These fall out of the above-mentioned chambers and can therefore escape with the exhaust gas, so that there is no fear of indentations.
  • the narrow sealing surfaces 10 cause the combustion residues coming into their area to be dismembered, which facilitates their escape. The formation of indentations and passages, which form the starting point for blow-through holes, is thus effectively prevented.
  • there are comparatively small contact areas between the comparatively hot valve plate 6 and the valve seat 7 to be kept at a lower temperature.
  • the chambers formed by the comparatively deep recesses 11 can also absorb a comparatively large amount of air which does not participate in the combustion and which accordingly results in a further cooling effect.
  • the profiling with material recesses 11, 11a and webs 12 forming the sealing surfaces 10 can be provided in the region of the cone surface 8 of the valve plate or in the region of the cone surfaces 7, 8 of the valve seat and valve plate.
  • the sealing surfaces 10 are only in the area of Conical surface 7 of the valve seat 3 is provided.
  • the material recesses 11, 11a can advantageously be produced before the seat part 9 is hardened. After hardening, the sealing surfaces 10 can be ground.
  • the conical surface 8 of the valve plate 6 is also designed as a ground surface, which is reground from time to time. This is easily possible here without changing the profile depth of the material recesses 11, 11a.
  • the width b of the annular circumferential, narrow sealing surfaces 10 is selected such that the total width of all of these sealing surfaces 10 of part of the valve arrangement, here of the valve seat 3, is dimensioned such that the total width of all sealing surfaces 10 of a conical surface 7 or 8 is 0, 5% to 2%, preferably 1% to 1.5%, of the average diameter of the cone surface 7 or 8 in question.
  • the number of sealing surfaces 10 present can expediently be chosen such that a width b of the individual sealing surface 10 of at most 2 mm results. This allowed good results to be achieved in experiments.
  • the depth t of the material recesses 11, 11a that laterally delimit the sealing surfaces 10 is to be selected greater than the expected thickness of the combustion residues. In most cases, a lower limit is 0.4 to 0.5 mm. However, the depth t can expediently be at least 1 mm, preferably more than 1 mm. In tests with large two-stroke diesel engines, good results were achieved with a depth of up to 3 mm. In the example shown, the depth t corresponds approximately to the width b of the material recess 11 provided between the two sealing surfaces 10, that is to say the material recess 11 arranged downstream of the sealing surface 10 near the combustion chamber. In simple cases, all material recesses 11, 11a assigned to the sealing surfaces 10 can be of the same depth.
  • the material recess 11a delimiting the first sealing surface 10 as seen from the combustion chamber i.e. the material recess 11a upstream of the first sealing surface 10
  • the material recess 11a upstream of the first sealing surface 10 is accordingly deeper and accordingly also more voluminous than the material recess 11 downstream of the first sealing surface 10.
  • the cross-sectional area of the material recess 11a is The example shown is about five times the cross-sectional area of the material recess 1. This also results in a comparatively large capacity for the material recess 11a. When the valve arrangement is closed, this is connected to the adjacent combustion chamber by a narrow gap 14. The gap 14 is so narrow that the air contained in the material recess 11a does not participate in the combustion.
  • the combustion pressure leads to air movement in the material recess and thus to a good cooling of the surrounding material of the seat part 9 expediently containing the material recess 11a and at the same time to a good flushing of the conical surface 8 of the valve plate 6 with unburned air.
  • the angle of inclination ⁇ of the conical surfaces 7, 8 with respect to the valve axis a can be selected according to the needs of the individual case, for example in a range from 30 ° to 75 °. A range of 45 ° -60 ° is preferred. A small angle x results in comparatively steep conical surfaces 7,8 and thus high contact forces. The lower area can therefore be advantageous in this case.
  • the conical surfaces 7, 8 can expediently differ from one another in terms of angle by approximately 0.5 °, the angle ⁇ of the conical surface 7 on the valve seat side being larger by 0.5 ° than the angle ⁇ of the conical surface 8 on the valve plate, which results in a gap opening radially outwards , This measure can improve the knife effect mentioned above.

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Abstract

Bei einer Gaswechselventilanordnung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotoren, mit einem stationären, einen zugeordneten Strömungskanal (2) umgreifenden Ventilsitz (3) und einem demgegenüber beweglichen Ventilteil (4) das einen in dichtende Anlage am Ventilsitz (3) bringbaren Ventilteller (6) aufweist, lässt sich dadurch eine lange Lebensdauer erreichen, dass im Bereich wenigstens einer der gegenseitigen Konusflächen (7, 8) von Ventilsitz (3) und Ventilteller (6) wenigstens eine rinförmig umlaufende, schmale Dichtfläche (10) vorgesehn ist, die wenigstens einseitig durch eine ringförmig umlaufende Materialausnehmung (11, 11a) begrenzt ist.

Description

GASWECHSELVENTILANORDNUNG UND VENTILSITZKONSTRUKTION MIT RINFÖRMIGER NUT
Die Erfindung betrifft eine Gaswechselventilanordnung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Lebensdauer der bisher verwendeten Gaswechselventile sehr beschränkt ist. Dies beruht sehr stark auf der großen Anfälligkeit dieser bekannten Anordnungen gegen Durchbrennen. Dieses Durchbrennen geht erfahrungsgemäß von in die Dichtflächen eingedrückten Vertiefungen aus, die durch zwischen die Dichtflächen eingeklemmte Verbrennungsrückstände gebildet werden. Wenn mehrere derartige Vertiefungen entstehen, die miteinander verbunden sind, ergibt sich ein kleiner Kanal zwischen Verbrennungsraum und Gasleitung, über den die im Verbrennungsraum entstehenden Gase in Form eines scharfen Strahls aus dem Verbrennungsraum entweichen können. In Folge des hohen Zünddrucks erreicht dieser Gasstrahl eine sehr hohe Geschwindigkeit. Zusammen mit der vergleichsweise hohen Temperatur ergibt sich die Wirkung eines Schneidstrahls, was zu einer rasanten Zerstörung führt.
In der Vergangenheit wurde bereits versucht, dem durch eine Verbreiterung der gegenseitigen Kontaktflächen von Ventilsitz und Ventilteller entgegenzuwirken. Die Ergebnisse waren jedoch nicht zufriedenstellend. Der Grund ist darin zu sehen, dass breite Kontaktflächen die zwischen diese gelangenden Verbrennungsrückstände daran hindern zu entweichen, so dass die Verbrennungsrückstände zwangsläufig in die Kontaktfläche eingedrückt werden. Außerdem kommt es bei breiten Kontaktflächen auch zu einem vergleichsweise starken Wärmeübergang zwischen Ventilteller und Sitz. Dieser besteht jedoch in der Regel, im Gegensatz zum Ventilteller, der aus hochtemperaturbeständigen Werkstoff hergestellt wird und hohe Temperaturen annehmen kann, aus gehärtetem Stahl. Aufgrund eines starken Wärmeübergangs kann es dabei zu Gefügeänderungen und dementsprechend zu einem Verlust an Härte kommen.
Aus der EP 24 890 B ist eine Gaswechselventilanordnung bekannt, bei der eine den in Kontakt kommenden Konusflächen von Ventilsitz und Ventilteller vorgeordnete Ringkammer vorgesehen ist, die nicht an der Verbrennung teilnehmende Luft aufnehmen soll. Hiervon wird erwartet, dass der Sitz gekühlt wird und die Temperatur der aus dem Verbrennungsraum entweichenden Gase abgesenkt wird. Diese Maßnahme bewirkt zwar eine Verzögerung des Durchbrennens. Verhindert kann ein vollständiges Durchbrennen mit dieseer Maßnahme allein jedoch nicht.
Aus der SU 1 768 770 A1 ist eine Gaswechselventilanordnung bekannt, bei der im Bereich der Konusfläche des Ventiltellers eine umlaufende Rille vorgesehen ist, die durch umlaufende, erhabene Vorsprünge seitlich begrenzt ist. Die Rille soll durch plastische Materialverformung mittels eines anpressbaren, ein halbkreisförmiges Profil aufweisenden Werkzeugs erzeugt werden, was nur eine geringe Tiefe ermöglicht. Die Rille besitzt dementsprechend eine Tiefe von nur etwa 0,1mm und erweist sich daher als vergleichsweise seicht. Die in die Konusfläche des Ventiltellers eingedrückte Rille soll die Verbrennungsrückstände aufnehmen. Aufgrund der geringen Rillentiefe besteht jedoch die Gefahr, dass die Rückstände in der Rille verdichtet werden und diese daher in vergleichsweise kurzer Zeit aufgefüllt wird. Die Folge davon ist, dass anschließend die Rille keine Wirkung mehr hat, was dazu führt, dass die gefürchteten Vertiefungen trotzdem entstehen. Außerdem ergibt die aufgefüllte Rille eine vergleichsweise große Kontaktfläche zwischen Ventilteller und Ventilsitz, wodurch dieser unzulässig aufgeheizt werden kann, was zu einem Härteverlust führen kann. Auch diese bekannte Anordnung erweist sich daher als nicht langlebig genug.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gaswechselventilanordnung für Brennkraftmaschinen mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass eine hohe Lebensdauer erreicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die dem Anspruch 1 zugrundeliegende Kombination ermöglicht. Hierbei kommt eine Gaswechselventilanordnung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren, mit einem stationären, einen zugeordneten Strömungskanal umgreifenden Ventilsitz und einem demgegenüber beweglichen Ventilteil in Vorschlag, das einen in dichtende Anlage am Ventilsitz bringbaren Ventilteller aufweist, wobei im Bereich wenigstens einer der gegenseitigen Konusflächen von Ventilsitz bzw. Ventilteller wenigstens eine ringförmig umlaufende, schmale Dichtfläche vorgesehen ist, die wenigstens einseitig durch eine ringförmig umlaufende Materialausnehmung begrenzt ist.
Diese Maßnahmen ermöglichen eine Profilierungstiefe, bei der in den Bereich der Konusflächen von Ventilsitz und Ventilteller gelangende Verbrennungsrückstände nicht eingeklemmt werden, sondern unverdichtet entweichen können, ohne Vertiefungen an der Oberfläche zu verursachen. Die Verbrennungsrückstände werden an den Kanten der schmalen Dichtflächen zerkleinert, was ein Entweichen ohne Verdichtung begünstigt. Ein Auffüllen der die Dichtflächen seitlich begrenzenden Materialausnehmungen ist daher nicht zu befürchten, zumal diese infolge ihrer spanabhebenden Herstellung eine vergleichsweise große Tiefe aufweisen können, so dass auch auf lange Sicht einem Durchbrennen wirksam vorgebeugt ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sich nur eine sehr geringe Kotnaktfläche zwischen Ventilsitz und Ventilteller und außerhalb dieser kleinen Kontaktfläche ein vergleichsweise tiefer Spalt ergeben, wodurch der Wärmeübergang vom gegenüber dem Sitz vergleichsweise heißen Ventilteller auf den Sitz sehr begrenzt ist. Da die die schmale Dichtfläche seitlichen begrenzenden Ausnehmungen in Folge ihrer Tiefe nicht aufgefüllt werden, ist diese Wirkung in vorteilhafter Weise langfristig gegeben. In Folge des geringen Wärmeübergangs ist sichergestellt, dass der in der Regel aus gehärtetem Stahl bestehende Ventilsitz vergleichsweise kühl bleibt, so daß keine Gefügeänderungen und damit kein Härteverlust zu befürchten sind. Dieser Vorteil wird dadurch noch verstärkt, dass jeder durch eine erfindungsgemäße Materialausnehmung gebildete Spalt als Kammer zur Aufnahme von Luft fungieren kann, die nicht an der Verbrennung teilnimmt und dementsprechend den Ventilsitz zusätzlich kühlen kann. Die erfindungsgemäße Kombination lässt daher insgesamt eine lange Lebensdauer der Ventilanordnung erwarten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So können zweckmäßig mehrere, voneinander beabstandete, schmale Dichtflächen vorgesehen sein. Hierdurch wird erreicht, dass die einzelnen Dichtflächen besonders schmal ausfallen können, wodurch die oben geschilderten, grundsätzlichen Vorteile noch verstärkt werden.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass zumindest der Ventilsitz mit wenigstens einer ringförmig umlaufenden, schmalen Dichtfläche versehen ist. Dies vereinfacht die Herstellung, da der aus gehärtetem Stahl bestehende Ventilsitz vor der Härtung vergleichsweise einfach spanabhebend bearbeitet werden kann. Außerdem ist hierdurch sichergestellt, dass die Konusfläche des Ventiltellers bei Bedarf einfach nachgeschliffen werden kann, ohne dass hierdurch die Tiefe der die schmalen Dichtflächen begrenzenden Ausnehmungen verändert würde. Es ergibt sich daher auch eine einfache Ventilinstandhaltung.
In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann jede schmale Dichtfläche scharfe Seitenkanten aufweisen. Dies ergibt eine besonders gute Zerkleinerung von in den Bereich der Seitenkanten gelangenden Verbrennungsrückständen.
Vorteilhaft kann die Gesamtbreite aller Dichtflächen eines Teils der Ventilanordnung 0,5% bis 2%, vorzugsweise 1% bis 1,5%, des mittleren Durchmessers der jeweils zugeordneten Konusfläche betragen. Dies ergibt eine sehr kleine Breite der erfindungsgemäßen Dichtflächen, was zu einem besonders niedrigen Wärmeübergang und zu einer besonders guten Zerkleinerung von Verbrennungsrückständen führt. Mit einer Breite der einzelnen Dichtfläche von 2 mm wurden bei Versuchen sehr gute Ergebnisse erreicht.
Die Tiefe der jeweils eine Dichtfläche begrenzenden Ausnehmungen ist vorteilhaft größer als die zu erwartende Dicke der Verbrennungsrückstände. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Verbrennungsrückstände nicht in die genannten Ausnehmungen hineingedrückt und in diesen verdichtet werden und diese nicht auffüllen, sondern dass die Verbrennungsrückstände zuverlässig zerkleinert werden und entweichen können. Gleichzeitig ergibt sich hierdurch ein vergleichsweises großes Fassungsvermögen der genannten Ausnehmungen, so dass in diesen viel an der Verbrennung nicht teilnehmende Luft zur Kühlung des Ventilsitzes vorhanden ist. Bei mit Zweitakt-Großdieselmotoren durchgeführten Versuchen wurden mit einer Ausnehmungstiefe von mehr als 1 mm, vorzugsweise bis zu 3mm gute Ergebnisse erzielt.
Eine besonders zu bevorzugende Maßnahme kann darin bestehen, dass die vom Brennraum aus gesehen erste, schmale Dichtfläche auf der dem Brennraum zugewandten Seite durch eine Materialausnehmung begrenzt ist, die bei geschlossener Ventilanordnung durch einen engen Spalt mit dem Brennraum verbunden ist und vorzugsweise ein gegenüber einer nachgeordneten Materialausnehmung vergleichsweise großes Fassungsvermögen aufweist. Die hierin aufgenommene Luft nimmt trotz der Spaltverbindung zum Brennraum nicht an der Verbrennung teil und bewirkt eine gute Kühlung des Ventilsitzes. Gleichzeitig ergibt sich infolge des Spalts eine Luftbewegung in der durch die betreffende, vergleichsweise große Materialausnehmung gebildeten Kammer, was die Kühlwirkung noch verbessert und eine zuverlässige Spülung der Konusflächen bewirkt, so dass keine Ansammlungen von Verbrennungsrückständen entstehen können, die vorher durch die Kanten der benachbarten, schmalen Dichtfläche zerkleinert wurden. Hierdurch werden daher die Vorteile der übergeordneten Maßnahmen noch verstärkt.
In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann der Neigungswinkel der gegenseitigen Konunsflächen von Ventilsitz und Ventilteller unterschiedlich sein, vorzugsweise um 0,5° voneinander abweichen. Hierdurch ergeben sich besonders schmale gegenseitige Kontaktflächen und damit ein besonders geringer gegenseitiger Wärmeübergang sowie eine sehr gute Zerkleinerung der getroffenen Verbrennungsrückstände.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Gaswechselventilanordnung teilweise im
Schnitt und Figur 2 eine Einzelheit aus Figur 1 in gegenüber dieser vergrößertem
Maßstab.
Das Einsatzgebiet der Erfindung sind mit Gaswechselventilen versehene Verbrennungsmotoren, vorzugsweise Zweitakt-Großdieselmotoren, die ein im Zylinderkopf angeordnetes, großes Auslassventil aufweisen. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Motoren sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.
Die der Figur 1 zugrundeliegende Gaswechselventilanordnung, bei der es sich um eine Auslassventilanordnung vorstehend erwähnter Art handeln kann, enthält einen einem stationären Bauteil 1, im genannten Beispiel eines Zweitakt- Großdieselmotors dem Zylinderkopf, zugeordneten, am Eingang eines zugeordneten Gaskanals 2, beim genannten Beispiel am Eingang des Abgaskanals, angeordneten, diesen umgreifenden Ventilsitz 3 und ein demgegenüber bewegliches Ventilteil 4, das einen am unteren Ende eines mit einer hier nicht näher dargestellten Betätigungseinrichtung zusammenwirkenden Schafts 5 angeordneten Ventilteller 6 aufweist, der in dichtende Anlage am Ventilsitz 3 bringbar ist. Der Ventilsitz 3 und der Ventilteller 6 sind mit einander zugewandten Konusflächen 7 bzw. 8 versehen, die teilweise in dichtende Anlage gebracht werden können.
Der Ventilsitz 3 ist hier an ein in das zugeordnete, stationäre Bauteil 1, im genannten Beispiel in den Zylinderkopf, eingesetztes Sitzteil 9 angeformt. Dieses besteht aus gehärtetem Stahl. Das den Ventilsitz 3 enthaltende Sitzteil 9 wird durch hier nicht näher dargestellte, im Bauteil 1 angeordnete, mit Kühlmittel beaufschlagbare Kühlkanäle gekühlt, so dass die Härte des gehärteten Stahls erhalten bleibt. Das bewegliche Ventilteil 4 kann ganz oder zumindest im Bereich des Ventiltellers 6 aus einem hochtemperaturbeständigen Material bestehen, das keine Kühlung benötigt. Der Ventilteller 6 nimmt daher im Betrieb eine höhere Temperatur an als der Ventilsitz 3.
Die Konusflächen 7,8 von Ventilsitz 3 und Ventilteller 6 kommen nicht auf ihrer ganzen Breite in gegenseitige Anlage, sondern nur im Bereich wenigstens einer vergleichsweise schmalen, ringförmig umlaufenden Dichtfläche 10. Im dargestellten Beispiel sind zwei derartige, in axialer Richtung voneinander distanzierte, innerhalb der oberen und unteren Randkanten der jeweils zugeordneten Konusfläche 7 bzw. 8 angeordnete Dichtflächen 10 vorgesehen. Diese sind wenigstens einseitig durch ringförmig umlaufende, durch spanabhebende Bearbeitung hergestellte Materialausnehmungen 11 bzw. 11a begrenzt, die praktisch ringförmig umlaufende Kammern bilden. Durch die Materialausnehmungen 11, 11a werden Stege 12 gebildet, deren Oberseite jeweils eine Dichtfläche 10 bildet. Der Querschnitt der Stege 12 ist zweckmäßig zur jeweiligen Dichtfläche 10 hin verjüngt. Die Dichtflächen 10 sind als geschliffene Oberflächen ausgebildet, so dass eine exakte Auflage auf einer hiermit zusammenwirkenden, ebenfalls geschliffenen Gegenfläche gewährleistet ist. Im Bereich der Materialausnehmungen 11, 11a kann eine rauhere Oberfläche vorgesehen sein.
Die Materialausnehmungen 11,11a bilden vergleichsweise große Kammern, in denen sich keine Verbrennungsrückstände halten können. Diese fallen aus den genannten Kammern heraus und können daher mit dem Abgas entweichen, so dass die Entstehung von Eindrückungen nicht zu befürchten ist. Die schmalen Dichtflächen 10 bewirken eine Zerstückelung der in ihren Bereich kommenden Verbrennungsrückstände, was deren Entweichen erleichtert. Der Bildung von Eindrückungen und Passagen, die den Ausgangspunkt für Durchbrennlöcher bilden, ist somit wirksam vorgebeugt. Gleichzeitig ergeben sich vergleichsweise kleine Kontaktflächen zwischen dem vergleichsweise heißen Ventilteller 6 und dem bei niedrigerer Temperatur zu haltenden Ventilsitz 7. Eine Aufheizung des Ventilsitzes 7 durch den Ventilteller 6 in nennenswertem Umfange ist daher nicht zu befürchten, so dass der gehärtete Ventilsitz 3 seine Härte nicht verliert. Die durch die vergleichsweise tiefen Ausnehmungen 11 gebildeten Kammern können zudem vergleichsweise viel Luft aufnehmen, die nicht an der Verbrennung teilnimmt und die dementsprechend einen weiteren Kühleffekt ergibt.
Die die Dichtflächen 10 bildende Profilierung mit Materialausnehmungen 11, 11a und Stege 12 kann im Bereich der Konusfläche 8 des Ventiltellers oder im Bereich der Konusflächen 7, 8 von Ventilsitz und Ventilteller vorgesehen sein. Im dargestellten, bevorzugten Beispiel sind die Dichtflächen 10 nur im Bereich der Konusfläche 7 des Ventilsitzes 3 vorgesehen. Die Materialausnehmungen 11, 11a können dabei vorteilhaft vor der Härtung des Sitzteils 9 hergestellt werden. Nach der Härtung können die Dichtflächen 10 geschliffen werden. Die Konusfläche 8 des Ventiltellers 6 ist ebenfalls als geschliffene Fläche ausgebildet, die von Zeit zu Zeit nachgeschliffen wird. Dies ist hier problemlos möglich, ohne die Profiltiefe der Materialausnehmungen 11, 11a zu verändern. Sofern die Materialausnehmung 11, 11a ventiltellerseitig vorgesehen wären, müssten diese beim Nachschleifen vertieft werden. Dadurch, dass die Dichtflächen 10 als geschliffene Flächen ausgebildet sind, ergeben sich, wie aus Figur 2 anschaulich erkennbar ist, scharfe Seitenkanten 13. Diese sind in der Lage, Verbrennungsrückstände nach Art eines Messers zu zerkleinern.
Die Breite b der ringförmig umlaufenden, schmalen Dichtflächen 10 ist so gewählt, dass die Gesamtbreite aller dieser Dichtflächen 10 eines Teils der Ventilanordnung, hier des Ventilsitzes 3, so bemessen ist, dass die Gesamtbreite aller Dichtflächen 10 einer Konusfläche 7 bzw. 8 jeweils 0,5% bis 2%, vorzugsweise 1% bis 1,5%, des mittleren Durchmessers der betreffenden Konusfläche 7 bzw. 8 beträgt. Die Anzahl der vorhandenen Dichtflächen 10 kann zweckmäßig so gewählt werden, dass sich eine Breite b der einzelnen Dichtfläche 10 von höchstens 2mm ergibt. Damit konnten bei Versuchen gute Ergebnisse erreicht werden.
Die Tiefe t der die Dichtflächen 10 seitlich begrenzenden Materialausnehmungen 11, 11a ist größer zu wählen als die zu erwartende Dicke der Verbrennungsrückstände. Eine untere Grenze liegt dabei in den meisten Fällen bei 0,4 bis 0,5mm. Zweckmäßig kann die Tiefe t jedoch mindestens 1mm, vorzugsweise mehr als 1mm betragen. Bei Versuchen mit Zweitakt- Großdieselmotoren wurden mit einer Tiefe bis zu 3mm gute Ergebnisse erreicht. Im dargestellten Beispiel entspricht die Tiefe t der zwischen den beiden Dichtflächen 10 vorgesehenen, also der der brennraumnahen Dichtfläche 10 nachgeordneten Materialausnehmung 11 in etwa der Breite b. In einfachen Fällen können alle den Dichtflächen 10 zugeordneten Materialausnehmungen 11, 11a gleich tief sein. Im dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die die vom Brennraum aus gesehen erste Dichtfläche 10 brennraumseitig begrenzende, also die der ersten Dichtfläche 10 vorgeordnete Materialausnehmung 11a wesentlich tiefer und dementsprechend auch voluminöser als die der ersten Dichtfläche 10 nachgeordnete Materialausnehmung 11. Die Querschnittsfläche der Materialausnehmung 11a beträgt im dargestellten Beispiel etwa das Fünffache der Querschriittsfläche der Materialausnehmungl 1. Es ergibt sich daher auch ein vergleichsweise großes Fassungsvermögen der Materialausnehmung 11a. Diese ist bei geschlossener Ventilanordnung durch einen engen Spalt 14 mit dem benachbarten Brennraum verbunden. Der Spalt 14 ist so eng, dass die in der Materialausnehmung 11a enthaltene Luft nicht an der Verbrennung teilnimmt. Dennoch führt der Verbrennungsdruck aber zu einer Luftbewegung in der Materialausnehmung und damit zu einer guten Kühlung des umgebenden Materials des zweckmäßig die Materialausnehmung 11a enthaltenden Sitzteils 9 und gleichzeitig zu einer guten Spülung der Konusfläche 8 des Ventiltellers 6 mit unverbrannter Luft. Dasselbe gilt für die Dichtflächen 10 in der Anfangsphase der Öffnungsbewegung des Ventiltellers 6.
Der Neigungswinkel α der Konusflächen 7,8 gegenüber der Ventilachse a kann den Bedürfnissen des Einzelfalls entsprechend gewählt werden, beispielsweise in einem Bereich von 30° - 75°. Bevorzugt ist ein Bereich von 45° - 60°. Ein kleiner Winkel x ergibt vergleichsweise steile Konusflächen 7,8 und damit hohe Anpresskräfte. Der untere Bereich kann daher für diesen Fall vorteilhaft sein. Zweckmäßig können die Konusflächen 7,8 winkelmäßig um etwa 0,5° voneinander abweichen, wobei der Winkel α der ventilsitzseitigen Konusfläche 7 um 0,5° größer als der Winkel α der ventiltellerseitigen Konusfläche 8 ist, wodurch sich ein nach radial außen öffnender Spalt ergibt. Diese Maßnahme kann den oben erwähnten Messereffekt noch verbessern.

Claims

Patentansprüche
1. Gaswechselventilanordnung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren, mit einem stationären, einen zugeordneten Strömungskanal (2) umgreifenden Ventilsitz (3) und einem demgegenüber beweglichen Ventilteil (4), das einen in dichtende Anlage am Ventilsitz (3) bringbaren Ventilteller (6) aufweist, wobei im Bereich wenigstens einer der gegenseitigen Konusflächen (7,8) von Ventilsitz (3) und Ventilteller (6) wenigstens eine ringförmig umlaufende, schmale Dichtfläche (10) vorgesehen ist, die wenigstens einseitig durch eine ringförmig umlaufende Materialausnehmung (11,11a) begrenzt ist.
2. Gaswechselventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, voneinander beabstandete, schmale Dichtflächen (10) vorgesehen sind.
3. Gaswechselventilanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Ventilsitz (3) wenigstens eine ringförmig umlaufende, schmale Dichtfläche (10) aufweist.
4. Gaswechselventilanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (3) und/oder der Ventilteller (6) jeweils wenigstens eine ringförmig umlaufende, schmale Dichtfläche (10) aufweisen.
5. Gaswechselventilanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede schmale Dichtfläche (10) scharfe Seitenkanten (13) aufweist.
6. Gaswechselventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede schmale Dichtfläche (10) als geschliffene Fläche ausgebildet ist.
7. Gaswechselventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtbreite aller schmalen Dichtflächen (10) eines Teils der Gaswechselventilanordnung 0,5% bis 2%, vorzugsweise 1% bis 1,5%, des mittleren Durchmessers der zugeordneten Konusfläche (7 bzw.8) beträgt.
8. Gaswechselventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite b einer Dichtfläche (10) höchstens 2mm beträgt.
9. Gaswechselventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe t jeder eine Dichtfläche (10) begrenzenden Materialausnehmung (11,11a) größer als die Dicke der zu erwartenden Verbrennungsrückstände ist.
10. Gaswechselventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe t jeder eine Dichtfläche (10) begrenzenden Materialausnehmung (11,11a) zumindest 1mm, vorzugsweise bis zu 3 mm, beträgt.
11. Gaswechselventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Brennraum aus gesehen erste, schmale Dichtfläche (10) brennraumseitig durch eine Materialausnehmung (11a) begrenzt ist, die bei geschlossener Ventilanordnung durch einen engen Spalt (14) mit dem Brennraum verbunden ist.
12. Gaswechselventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Brennraum verbundene Materialausnehmung (11 a) eine größere Tiefe und Querschnittfläche aufweist als eine nachgeordnete Materialausnehmung (11).
13. Gaswechselventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungswinkel der gegenseitigen Konunflächen (7,8) von Ventilsitz (3) und Ventilteller (6) unterschiedlich sind, vorzugsweise um 0,5° voneinander abweichen.
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