DE102005035296B4

DE102005035296B4 - Verfahren zur Herstellung von Hubkolbenmaschinen sowie Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102005035296B4
Application number: DE200510035296
Authority: DE
Inventors: Florian Streifinger; Peter Wastl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: DE102005035296A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Hubkolbenmaschinen mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Einlassventil mit einem in einen Brennraum des Zylinders mündenden Einlassventilkanal aufweist, bei dem der Einlassventilkanal im Bereich seiner Einmündung in den Brennraum mit einer Maskierung versehen wird, die den Einlassventilkanal auf einem Teil seines Umfangs umgibt und entlang ihrer Umfangserstreckung einen Strömungsquerschnitt des Einlassventils bei kleinem Ventilhub verengt, wobei die Maskierung durch drehende Bearbeitung mit einer an eine Ventilsitzaufnahme angrenzenden, zu einer Mittelachse der Ventilsitzaufnahme koaxialen teilzylindrischen Fläche versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein brennraumseitiger Begrenzungsrand (22) der teilzylindrischen Fläche (14) im Zuge einer Bearbeitung der Ventilsitzaufnahme (16) hergestellt oder endbearbeitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hubkolbenmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Hubkolbenmaschine gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 9 bis 11.
Hubkolbenmaschinen der genannten Art sind aus der DE 198 28 946 A1 und der DE 195 35 147 C2 bekannt. Bei diesen Hubkolbenmaschinen wird angestrebt, die Einströmung von Frischluft durch die Einlassventile bei kleinem Ventilhub zu beeinflussen, um im Teillastbereich innerhalb des Zylinders bzw. des Brennraums für eine gezielte Ladungsbewegung zu sorgen, wodurch eine Verbesserung der Gemischbildung und der Verbrennung, eine Verkürzung des Zündverzugs und der Brenndauer sowie eine Erhöhung der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, der Restgasverträglichkeit und der Magerlauffähigkeit und damit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs sowie eine Verbesserung der Abgasqualität herbeigeführt werden kann. Die Beeinflussung der Einströmung der Frischluft erfolgt dort unter anderem durch eine so genannte Ventil-Maskierung, das heißt durch eine einen Teil des Umfangs jedes Einlassventilkanals umgebende und axial über den Ventilsitz überstehende brennraumseitige Verlängerung der Wand der Einlassventilkanals, die bei einem kleinen Ventilhub entlang ihrer Umfangserstreckung für eine Verengung oder Einschnürung des Strömungsquerschnitts sorgt und damit auf der zur Maskierung entgegengesetzten Seite jedes Einlassventils eine stärkere Einströmung der Frischluft begünstigt. Die Maskierung wird zum jeweiligen Einlassventilkanal hin durch eine teilzylindrische Fläche begrenzt, die koaxial zur Mittelachse einer Ventilsitzaufnahme bzw. eines in diese eingesetzten ringförmigen Ventilsitzes des Einlassventils ist, so dass der Strömungsquerschnitt im Bereich der Maskierung bei kleinem Ventilhub im Wesentlichen über den gesamten Hubweg konstant bleibt.
Die durch drehende Bearbeitung hergestellte teilzylindrische Fläche kann jedoch in Abhängigkeit von den Rohteiltoleranzen des als Gussteil ausgebildeten Zylinderkopfs über ihre Umfangserstreckung und/oder im Vergleich mit den teilzylindrischen Flächen der Maskierungen der übrigen Einlassventilkanäle der Hubkolbenmaschinen beträchtlichen Höhentoleranzen unterliegen, was in unerwünschter Weise dazu führt, dass der Strömungsquerschnitt über den Hubweg des Ventilstößels unterschiedlich stark eingeschnürt wird. Um dies zu vermeiden, sind zusätzliche Bearbeitungsschritte zur Vergleichmäßigung der Höhen erforderlich.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung und eine danach hergestellte Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich der Einfluss der Rohteiltoleranzen verringert und die Bearbeitung vereinfachen lässt.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren nach Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein brennraumseitiger Begrenzungsrand der teilzylindrischen Fläche im Zuge einer Bearbeitung der Ventilsitzaufnahme hergestellt oder endbearbeitet wird, so dass die teilzylindrische Fläche abgesehen von ihren verjüngten Enden bei sämtlichen Einlassventilen der Hubkolbenmaschine entlang der gesamten Umfangserstreckung der Maskierung toleranzfrei mit der gewünschten Höhe versehen werden kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der brennraumseitige Begrenzungsrand der teilzylindrischen Fläche im Zuge einer Kontrollbearbeitung der Ventilsitzaufnahme mit einem zu diesem Zweck verwendeten Kontrollwerkzeug hergestellt oder endbearbeitet wird, so dass die Herstellung oder Endbearbeitung des Begrenzungsrandes der teilzylindrischen Fläche in einem Arbeitsschritt mit der Kontrollbearbeitung der Ventilsitzaufnahme erfolgen kann. Gegenüber einer Herstellung bzw. Endbearbeitung beim Ausbohren oder Ausfräsen der Ventilsitzaufnahme hat dies den Vorteil, dass die Höhe der teilzylindrischen Fläche durch nachfolgende Bearbeitungsschritte nicht mehr verändert wird.
Das zur Kontrollbearbeitung der Ventilsitzaufnahme eingesetzte und als Stufenwerkzeug ausgebildeten Kontrollwerkzeug wird dazu zweckmäßig mit einer zusätzlichen Stufe zur Herstellung oder Endbearbeitung des brennraumseitigen Begrenzungsrandes der teilzylindrischen Fläche versehen, wobei die Höhe der letzteren durch Wahl eines anderen Werkzeugs bei Bedarf verändert werden kann.
Die weitere Stufe des Kontrollwerkzeugs weist vorzugsweise eine konische Mantelfläche auf, so dass die Maskierung des Einlassventils bei der Kontrollbearbeitung der Ventilsitzaufnahme brennraumseitig mit einer Fase versehen wird, die entlang einer zur Mittelachse der Ventilsitzaufnahme bzw. des Ventilsitzes koaxialen Kante an die teilzylindrische Fläche angrenzt, wobei diese Kante den brennraumseitigen Begrenzungsrand der teilzylindrischen Fläche bildet.
Im Hinblick auf die Hubkolbenmaschine wird die Aufgabe gemäß den Merkmalen der Ansprüche 9, 10 oder 11 dadurch gelöst, dass ein brennraumseitiger Begrenzungsrand der teilzylindrischen Fläche entlang der Umfangserstreckung eines Mittelteils der Maskierung des Einlassventils einen konstanten Abstand vom Ventilsitz aufweist und/oder dass ein brennraumseitiger Begrenzungsrand der teilzylindrischen Fläche entlang der Umfangserstreckung eines Mittelteils der Maskierung bei sämtlichen Einlassventilen eines Zylinders bzw. bei den Einlassventilen sämtlicher Zylinder denselben Abstand vom Ventilsitz aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht der Einmündungen von zwei mit einer Maskierung versehenen Einlassventilkanälen in einen Brennraum eines Zylinders eines Hubkolbenmotors;
2 eine Teilschnittansicht entlang der Linie II-II der 1, in der ein zur Kontrollbearbeitung eines Ventilsitzrings der Einlassventilkanäle dienendes Kontrollwerkzeug in strichpunktierten Linien dargestellt ist.
Die beiden in 1 der Zeichnung beispielhaft dargestellten, in einem Zylinderkopf 2 eines Vierventil-Sechszylindermotors ausgesparten und in einen Brennraum 4 eines Zylinders (nicht dargestellt) des Motors mündenden Einlassventilkanäle 6 sind wie die übrigen Einlassventilkanäle des Motors mit einer so genannten Maskierung 8 versehen, mit der sich bei einem kleinen Ventilhub die Einströmung von Frischluft durch die an den Einmündungen der Einlassventilkanäle 6 angeordneten Einlassventile (nicht dargestellt) beeinflussen lässt, um im Teillastbereich innerhalb des Zylinders bzw. des Brennraums 4 für eine gezielte Ladungsbewegung zu sorgen. Der Mechanismus der Beeinflussung der Einströmung ist in der eingangs genannten DE 198 28 946 A1 und DE 195 35 147 C2 offenbart, auf die hinsichtlich weiterer Einzelheiten verwiesen werden soll.
Wie in 1 dargestellt, sind die Maskierungen 8 auf den von einer Zündkerzenbohrung 10 abgewandten Seiten der Einmündungen der beiden Einlassventilkanäle 6 angeordnet, wobei sie diese Einmündungen abgesehen von einem zur Zündkerzenbohrung 10 benachbarten Bereich umgeben. Die Maskierungen 8 werden jeweils von einem Teil des Zylinderkopfs 2 gebildet, durch den die Umfangswand 12 (2) der Einlassventil kanäle 6 entlang eines großen Teils ihrer Umfangserstreckung etwas verlängert wird, so dass sich in diesem Bereich im Falle eines kleinen Hubs eines Ventilstößels (nicht dargestellt) der Einlassventile 6 zwischen der Maskierung 8 und dem Ventilstößel ein kleinerer Strömungsquerschnitt als in dem zur Zündkerzenbohrung 10 benachbarten Bereich öffnet. Jede der Maskierungen 8 ist auf ihrer dem Einlassventilkanal 6 zugewandten Seite mit einer teilzylindrischen Fläche 14 versehen, die beim Bohren bzw. Ausfräsen einer Ventilsitzaufnahme 16 von jedem der Einlassventile mit hergestellt wird, so dass sie zu einer Mittelachse 18 der Ventilsitzaufnahme 16 bzw. des Einlassventilkanals 6 im Bereich seiner Einmündung koaxial ist. Die teilzylindrische Fläche 14 besitzt einen Krümmungsradius, der geringfügig größer als der halbe Innendurchmessers der zum Einsetzen eines Ventilsitzes (nicht dargestellt) dienenden Ventilsitzaufnahme 16 und nur wenig größer als der Radius eines Ventilstößels der Einlassventile ist, so dass bei kleinen Ventilhüben zwischen dem Umfangsrand des Ventilstößels und der Fläche 14 entlang der Umfangserstreckung der Maskierung 8 ein schmaler Ringspalt gebildet wird, durch den im Vergleich zu dem zur Zündkerzenbohrung 10 benachbarten Bereich nur wenig Frischluft in den Brennraum 4 einströmen kann.
Die teilzylindrische Fläche 14 verjüngt sich an beiden Enden der Maskierung 8, wo diese letztere allmählich niedriger wird, sollte jedoch entlang der Umfangserstreckung des mittleren Teils jeder Maskierung 8 eine konstante Höhe aufweisen, die darüber hinaus auch der Höhe der entsprechenden Fläche der Maskierung 8 des benachbarten Einlassventils jedes Zylinders bzw. der Einlassventile der übrigen Zylinder entsprechen sollte, um bei kleinen Ventilhüben sämtlicher Einlassventile über den gesamten Hubweg für ein im Wesentlichen identisches Einströmungsverhalten zu sorgen.
Dies ist jedoch bisher nicht immer gewährleistet, da die Höhe der teilzylindrischen Fläche 14, das heißt der Abstand zwischen einer Ringschulter 20 an einem brennraumseitigen Stirnende der Ventilsitzaufnahme 16 und einem brennraumseitigen Begrenzungsrand 22 der teilzylindrischen Fläche 14 aufgrund von Rohteiltoleranzen des als Gussteil ausgebildeten Zylinderkopfs 2 sowohl entlang der Länge des mittleren Teils einer jeden Maskierung 8 als auch unter den Maskierungen verschiedener Einlassventilkanäle 6 des Motors beträchtlichen Schwankungen unterworfen sein kann.
Wie am besten in 2 dargestellt, wird aus diesem Grund der brennraumseitige Begrenzungsrand 22 der teilzylindrischen Fläche 14 im Zuge einer Kontrollbearbeitung der Ventilsitzaufnahme 16 hergestellt oder endbearbeitet, indem ein zu diesem Zweck ver wendetes und in 2 in strichpunktierten Linien dargestelltes, als Fräser ausgebildetes Kontrollwerkzeug 24 in einem Abstand A + B von seiner zur Drehachse 26 des Werkzeugs 24 senkrechten Stirnfläche 28 mit einer zusätzlichen Stufe 30 versehen wird, wobei der Abstand A der Höhe einer zylindrischen Umfangsfläche 32 der Ventilsitzaufnahme 16 ausgehend von einer ringförmigen axialen Sitzfläche 34 derselben und der Abstand B der gewünschten Höhe der teilzylindrischen Fläche 14 der Maskierung 8 entspricht.
Bei dem in 2 dargestellten Werkzeug 24 weist die Stufe 30 eine konische Mantelfläche 36 auf, die sich jenseits von einer im Abstand A + B von der Stirnfläche 28 angeordneten Kante 38 unter einem Neigungswinkel α zur Drehachse 26 des Werkzeugs 24 von etwa 35 Grad in Richtung eines eingespannten Schaftendes des Werkzeugs 24 erweitert.
Wenn das Kontrollwerkzeug 24 nach einer fluchtenden Ausrichtung seiner Drehachse 26 mit der Mittelachse 18 der Ventilsitzaufnahme zur Kontrollbearbeitung der Sitzfläche 34 und der über einen Radius daran angrenzenden Umfangsfläche 32 des Ventilsitzes von der Seite des Brennraums 4 her um ein vor der Kontrollbearbeitung vorgegebenes Maß in die Ventilsitzaufnahme 16 an der Einmündung des Einlassventilkanals 6 eingeführt wird, schneidet sich die konisch erweiterte Stufe 30 in die Maskierung 8 ein, wobei entlang des Mittelteils der Maskierung 8 eine zur Mittelachse 18 des Ventilsitzes schräg geneigte Fase 40 gebildet (oder eine bereits zuvor beim Ausbohren oder Ausfräsen der Ventilsitzaufnahme an dieser Stelle gebildete Fase weiter abgetragen und endbearbeitet wird). Auf diese Weise wird am brennraumseitigen Stirnende der teilzylindrischen Fläche 14 zwischen dieser und der Fase 40 eine umlaufende ringförmige und zur Mittelachse 18 der Ventilsitzaufnahme 16 bzw. später des Ventilsitzes koaxiale Kante 22 gebildet, die der Kante 38 des Werkzeugs 24 entspricht und den brennraumseitigen Begrenzungsrand der teilzylindrischen Fläche 14 bildet, der über die gesamte Länge des Mittelteils der Maskierung 8, das heißt abgesehen von deren verjüngten Enden, einen konstanten Abstand von der Sitzfläche 34 bzw. von der Ringschulter 20 der Ventilsitzaufnahme 16 und damit vom Ventilsitz aufweist.
Entsprechendes gilt auch für die übrigen Einlassventile des Motors, die mit demselben Kontrollwerkzeug bearbeitet werden, so dass bei kleinen Ventilhüben über die Umfangs erstreckung der Maskierungen sämtlicher Einlassventile des Motors für ein identisches Einströmungsverhalten gesorgt werden kann.

2: Zylinderkopf
4: Brennraum
6: Einlassventilkanal
8: Maskierung
10: Zündkerzenbohrung
12: Umfangswand Einlassventilkanal
14: teilzylindrische Fläche
16: Ventilsitzaufnahme
18: Mittelachse
20: Ringschulter
22: brennraumseitiger Begrenzungsrand
24: Werkzeug
26: Drehachse
28: Stirnfläche
30: Stufe
32: Umfangsfläche
34: Sitzfläche
36: Mantelfläche
38: Kante
40: Fase
A: Abstand
B: Abstand
α: Neigungswinkel

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hubkolbenmaschinen mit mindestens einem Zylinder, der mindestens ein Einlassventil mit einem in einen Brennraum des Zylinders mündenden Einlassventilkanal aufweist, bei dem der Einlassventilkanal im Bereich seiner Einmündung in den Brennraum mit einer Maskierung versehen wird, die den Einlassventilkanal auf einem Teil seines Umfangs umgibt und entlang ihrer Umfangserstreckung einen Strömungsquerschnitt des Einlassventils bei kleinem Ventilhub verengt, wobei die Maskierung durch drehende Bearbeitung mit einer an eine Ventilsitzaufnahme angrenzenden, zu einer Mittelachse der Ventilsitzaufnahme koaxialen teilzylindrischen Fläche versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein brennraumseitiger Begrenzungsrand (22) der teilzylindrischen Fläche (14) im Zuge einer Bearbeitung der Ventilsitzaufnahme (16) hergestellt oder endbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der brennraumseitige Begrenzungsrand (22) der teilzylindrischen Fläche (14) im Zuge einer Kontrollbearbeitung der Ventilsitzaufnahme (16) hergestellt oder endbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der brennraumseitige Begrenzungsrand (22) der teilzylindrischen Fläche (14) im Zuge einer Bearbeitung einer ringförmigen Sitzfläche (34) der Ventilsitzaufnahme (16) hergestellt oder endbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungsrand der teilzylindrischen Fläche (14) eine zur Mittelachse (18) der Ventilsitzaufnahme (16) koaxiale Kante (22) zwischen der teilzylindrischen Fläche (14) und einer brennraumseitig an die teilzylindrische Fläche angrenzenden Fase (40) bildet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fase (40) bei der Bearbeitung der Ventilsitzaufnahme (16) hergestellt oder endbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der brennraumseitige Begrenzungsrand (22) der teilzylindrischen Fläche (14) mit einem zur Bearbeitung der Ventilsitzaufnahme (16) dienenden Bearbeitungswerkzeug (24) hergestellt oder endbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung oder Endbearbeitung des brennraumseitigen Begrenzungsrandes (22) der teilzylindrischen Fläche (14) und die Bearbeitung der Ventilsitzaufnahme (16) mit einem Stufenwerkzeug (24) erfolgen, das eine Stufe (30) mit einem größeren Durchmesser als dem Durchmesser der teilzylindrischen Fläche (14) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe (30) eine konische Mantelfläche (36) aufweist.
Hubkolbenmaschine hergestellt nach einem der vorangegagenen Ansprüche 1 bis 8, mit mindestens einem Zylinder, der mindestens zwei Einlassventile mit in einen Brennraum des Zylinders mündenden Einlassventilkanälen aufweist, wobei jeder Einlassventilkanal im Bereich seiner Einmündung in den Brennraum auf einem Teil seines Umfangs von einer Maskierung umgeben ist, die entlang ihrer Umfangserstreckung einen Strömungsquerschnitt des Einlassventils bei kleinem Ventilhub verengt und von einer an einen Ventilsitz des Einlassventils angrenzenden, zu einer Mittelachse des Ventilsitzes koaxialen teilzylindrischen Fläche begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein brennraumseitiger Begrenzungsrand (22) der teilzylindrischen Fläche (14) entlang der Umfangserstreckung eines Mittelteils der Maskierung (8) einen konstanten Abstand vom Ventilsitz aufweist.
Hubkolbenmaschine hergestellt nach einem der vorangegagenen Ansprüche 1 bis 8, mit mindestens einem Zylinder, der mindestens zwei Einlassventile mit in einen Brennraum des Zylinders mündenden Einlassventilkanälen aufweist, wobei jeder Einlassventilkanal im Bereich seiner Einmündung in den Brennraum auf einem Teil seines Umfangs von einer Maskierung umgeben ist, die entlang ihrer Umfangserstreckung einen Strömungsquerschnitt des Einlassventils bei kleinem Ventilhub verengt und von einer an einen Ventilsitz des Einlassventils angrenzenden, zu einer Mittelachse des Ventilsitzes koaxialen teilzylindrischen Fläche begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein brennraumseitiger Begrenzungsrand (22) der teilzylindrischen Fläche (14) bei sämtlichen Einlassventilen entlang der Umfangserstreckung eines Mittelteils der Maskierung (8) denselben Abstand vom Ventilsitz aufweist.
Hubkolbenmaschine hergestellt nach einem der vorangegagenen Ansprüche 1 bis 8, mit einer Mehrzahl von Zylindern, die jeweils mindestens ein Einlassventil mit einem in einen Brennraum des Zylinders mündenden Einlassventilkanal aufweisen, sowie mit einer den Einlassventilkanal im Bereich seiner Einmündung in den Brennraum auf einem Teil seines Umfangs umgebenden Maskierung, die entlang ihrer Umfangserstreckung einen Strömungsquerschnitt des Einlassventils bei kleinem Ventilhub verengt und von einer an einen Ventilsitz des Einlassventils angrenzenden, zu einer Mittelachse des Einlassventils koaxialen teilzylindrischen Fläche begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein brennraumseitiger Begrenzungsrand (22) der teilzylindrischen Fläche (14) bei sämtlichen Zylindern entlang der Umfangserstreckung eines Mittelteils der Maskierung (8) denselben Abstand vom Ventilsitz aufweist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die teilzylindrische Fläche (14) brennraumseitig an eine zur Mittelachse des Ventilsitzes koaxiale angedrehte Fase (40) angrenzt.