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Die
Erfindung betrifft einen zum Eingießen in einen Zylinderkopf
einer Brennkraftmaschine vorgesehenen Ventilsitzring, der eine im
Wesentlichen ringförmige Gestaltung aufweist und aus verschleißfestem
Metall hergestellt ist.
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Ventilsitzringe
sind wichtige Bauteile innerhalb des Ventiltriebes und essentiell
für den einwandfreien Verbrennungsablauf im Zylinder. Zusammen mit
dem Ventil haben sie eine einwandfreie Abdichtung des Verbrennungsraumes
zu gewährleisten, damit die erforderlichen Verdichtungsbeziehungsweise Verbrennungsdrücke
im Zylinder erreicht werden. Ein erhöhter Verschleiß führt
zu Veränderungen der Verbrennungsbedingungen und damit
zu schlechteren Leistungs- und Emissionsdaten des Motors. Ventilsitzringe
sind an den Mündungen der Ein- und Auslasskanäle
der Zylinderköpfe angeordnete Ringe. Diese sind nicht nur
der hämmernden Wirkung der Ventile ausgesetzt, sondern
stehen auch unter dem Einfluss der heißen Explosionsgase.
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Üblicherweise
werden Ventilsitzringe in den Zylinderkopf eingepresst oder eingeschrumpft.
Dabei sind enge und folglich teure Fertigungstoleranzen bei der
Herstellung der Ventilsitzringe einzuhalten und es ist nach dem
Gießen des Zylinderkopfes eine aufwendige Bearbeitung der
Aufnahmen für die Ventilsitzringe im Zylinderkopf erforderlich.
Hinzu kommt, dass die Ventilsitzringe zum Einschrumpfen zu kühlen
sind und der Zylinderkopf gegebenenfalls erwärmt werden
muss.
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Weiterhin
ist es möglich, die Ventilsitzringe in den Zylinderkopf
einzugießen. Ventilsitzringe mit kreisringförmiger
Innen- und Außenfläche, die in den Zylinderkopf
eingegossen werden, sind aus der
DE 39 37 402 A1 bekannt. Eingegossene Ventilsitzringe eröffnen
zahlreiche Vorteile in der Motorenfertigung. So entfallen die durch
das Eingießen der Ventilsitzringe üblicherweise
erforderlichen Maßnahmen bei der Montage größtenteils.
Auch ist eine Gestaltung der Ventilsitzringe mit einer vergrößerten
Kontaktfläche zum Zylinderkopf möglich, wodurch
ein verbesserter Wärmeübergang in den Zylinderkopf
stattfindet. Somit sind diese Ventilsitzringe besonders gut auslassseitig
einzusetzen. Durch den verbesserten Wärmeübergang
kann die Wärmemenge in dem thermisch am höchsten
beanspruchten Bereich des Ventilsitzringes, der Kon taktfläche
zwischen Ventil und Ventilsitzring, schneller in den Zylinderkopf
abgeführt werden. Zusätzlich ist die Gesamtsteifigkeit
der Struktur aus Zylinderkopf und Ventilsitzring durch den Formschluss
und den durch Schrumpfspannungen beim Abkühlen des Zylinderkopfes
hervorgerufenen Kraftschluss stark verbessert. Für den
verbesserten Wärmeübergang ist einerseits die
vergrößerte Kontaktfläche zwischen Ventilsitzring
und Zylinderkopf verantwortlich, andererseits der verbesserte Materialkontakt
durch das Gießen und durch die überlagerten Schrumpfspannungen.
Die erhöhte Gesamtsteifigkeit und das herabgesetzte Temperaturniveau
erhöhen die Lebensdauer der Ventilsitzringe. Die Ventilsitzringe
sind als Sinterring oder als Gussring aus allen gebräuchlichen
Sitzringmaterialien, zum Beispiel aus hoch- und niedriglegierten
Sinterstählen bzw. hoch- und niedriglegierten Gussqualitäten
kostengünstig herstellbar. Die Rohlinge werden anschliessend
beim Gießen des Zylinderkopfes in diesen Kopf eingegossen.
Die Fertigbearbeitung der Sitzringkontur im Bereich der Kontaktfläche
zum Ventil und im Auslasskanalbereich erfolgt wie bei den bekannten
Lösungen bei der abschließenden Zylinderkopfbearbeitung.
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Auch
die
EP 0 092 081 B1 zeigt
Ventilsitzringe, die in den Zylinderkopf eingegossen werden. Durch
den Verzicht auf das Einpressen der Ventilsitzringe unter Einhaltung
genauer Passungen kann der Zylinderkopf vereinfacht gefertigt werden.
Für Ventilsitzringe sind unter anderem auch wegen der Verwendung
bleifreier Kraftstoffe sehr harte und verschleißfeste Materialien
erforderlich, deren spanende Bearbeitung entsprechend aufwendig
ist. Weiterhin ist die verbesserte Wärmeableitung vom Ventilsitzring
in den Zylinderkopf möglich.
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Bei
den aus der
DE
10 2005 050 509 A1 bekannten Ventilsitzringen lassen sich
die Einlass- bzw. Auslasskanalgeometrie bis an die Dichtfläche
für das Gaswechselventil, also bis an die Innenumfangsfläche
des Ventilsitzringes heran, frei bestimmen und in einfacher Art
bearbeiten. Ferner ergeben sich auch im Brennraum im Bereich der
Ventilsitzringe mehr Freiheiten bei der Geometriebestimmung. Da
der Ventilsitzring erfindungsgemäß nicht in den
Ansaugkanal hineinragt, ergibt sich in vorteilhafter Weise ein geringerer
Verschleiß der Schnittwerkzeuge bei der Bearbeitung der
Ansaug- bzw. Auslasskanäle, da die harten Ventilsitzringe
nicht bearbeitet werden. Durch den L- oder Y-förmigen Querschnitt
jenes Bereiches des Ventilsitzringes, der in den Zylinderkopf hineinragt,
resultiert eine gute Krafteinleitung der Gaswechselventilschläge
vom Ventilsitzring in den Zylinderkopf.
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Demgegenüber
sind Ventilsitzringe aus der
DE 103 38 386 B3 bekannt, die in baulich
einfacher Weise scheibenförmig ausgeführt sind.
Danach wird der Umstand, dass zwei Einzellagen sich werkstoffbedingt
mit zunehmender Temperatur stark unterschiedlich dehnen und dadurch
ein sog. Bimetall-Effekt gegeben ist, im Sinne einer Minimierung
eines thermisch hervorgerufenen Verzuges der eingegossenen Bauteile
ausgenutzt, der sich normalerweise bei Betriebstemperatur der fertigen
Hubkolbenmaschine einstellt. Die beiden Lagen aus dem eisenbasierten
bzw. aluminiumbasierten Werkstoff sind in dieser Hinsicht gezielt
sowohl in Umfangs- als auch in Axialrichtung bezüglich
ihrer lokalen Lagendicke variiert und optimiert, sodass umfangsmäßige
Ovalisierungen sowie axiale Taillierungen oder Tonnenbildungen aufgrund
des genannten, lokal unterschiedlich stark bemessenen Bimetall-Effektes
kompensiert werden. Derart optimierte Ventilsitzringe dichten in allen
Temperaturbereichen besser ab als herkömmliche Ventilsitze,
sodass mit einem geringeren Druckverlust im Arbeitsraum, mit einem
höheren Wirkungsgrad und somit mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch
gerechnet werden kann.
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Der
aus der
DE 929 157 bekannte
Ventilsitzring wird derart in den Zylinderkopf eingesetzt, dass nur
ein kleiner Teil seiner Oberfläche den heißen
Gasen ausgesetzt ist, während der überwiegende
Teil der Oberfläche des Ventilsitzringes von der Wandung des
Zylinderkopfes überdeckt ist. Der größte
Teil der Gesamtoberfläche des Ringes ist also in den Zylinderkopf
eingebettet, sodass die dem Ring zugeführten verhältnismäßig
geringen Wärmemengen infolge der großen Übergangsflächen
schnell an den ihn umgebenden gekühlten Zylinderkopf abgeführt
werden. Wärmestauungen und Deformationen in dem Ring werden
auf diese Weise weitgehend vermieden. Vorteilhaft wird der Ventilsitzring
beim Gießen des Zylinderkopfes mit eingegossen; er kann
aber auch eingeschrumpft sein. Der Ventilsitzring kann kegelförmig ausgebildet
und in die Wandung des Zylinderkopfes eingegossen sein. Er kann
aber auch zylindrisch gestaltet und hinter einem Vorsprung der Wandung
des Gaskanals in dem Zylinderkopf eingebettet sein, sodass er weitgehend
vor dem unmittelbaren Einfluss der heißen Gase geschützt
ist.
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Die
DE 43 01 632 A1 beschreibt
einen Ventilsitzring, der in baulich einfacher Weise scheibenförmig
ausgeführt ist. Der Ventilsitzring bildet dabei nur einen
Teil der Gesamtdichtfläche des Zylinderkopfes. Der Ventilsitzring
wirkt als eine Dichtbarriere im Gesamtsystem bei hervorragender
Wärmeableitung und einfacher Bearbeitbarkeit. Dabei kann
gegebenenfalls mittels eines Lasers ein Aufschmelzlegieren zwischen
dem Zylinderkopf-Basismaterial und dem Ventilsitzring durchgeführt
werden. Ferner wird ein hinsichtlich der Konfiguration einfacher
Ventilsitzring vorgeschlagen, dessen eine – bevorzugt jedoch
beide – Ringfläche mit einer porösen
Hartschicht überzogen ist. Diese an der Dichtfläche
des Ventilsitzringes endenden Hartschichten bilden kreisförmige,
extrem verschleißfeste Barrieren, die die Verschleißfestigkeit
des Ventilsitzringes sicherstellen, wobei eine gute Bearbeitbarkeit
des Ventilsitzringes erhalten bleibt. In einer bevorzugten Weiterbildung
des Ventilsitzringes ist dieser in herstellungstechnisch einfacher
Weise wie eine Tellerfeder gestaltet und bildet mit seiner inneren
Umfangsfläche nur einen ring förmigen Abschnitt
der Gesamtdichtfläche, die dementsprechend von 30% bis
zu 70% aus dem Zylinderkopfmaterial besteht. Daraus resultiert eine
hervorragende Wärmeableitung für das Hubventil
und eine weitgehende, umfassende Einbettung des Ventilsitzringes
in den Zylinderkopf.
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Die
Ventilsitzringe müssen vor dem Eingießen exakt
positioniert werden, um Ausschuss und Nacharbeit zu vermeiden. Dabei
ist es besonders schwierig, die Ventilsitzringe eines Zylinders
exakt zueinander zu positionieren. Auch ist das Eingießen der
Ventilsitzringe in den Zylinderkopf aufgrund der hohen Anzahl von
Einzelteilen mit einem erheblichen Aufwand bei der mechanischen
Fertigung verbunden.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Ventilsitzring der eingangs genannten Art derart auszuführen,
dass die Ventilsitzringe eines Zylinders einfach und schnell exakt
zueinander positionierbar sind, wodurch Ausschuss und Nacharbeit
vermieden sowie die Anzahl von Einzelteilen und der Aufwand bei
der mechanischen Fertigung verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst mit einem Ventilsitzring gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen
besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist
also ein Ventilsitzring vorgesehen, der mit zumindest einem anderen
Ventilsitzring durch einen Steg zu einem Ringpaket verbunden ist.
Hierdurch ist es möglich, gleichzeitig mehrere bereits
zueinander positionierte Ventilsitzringe in der Gießform
anzuordnen. Durch die hohe Positionsgenauigkeit der miteinander
verbundenen Ventilsitzringe zueinander ist es ferner möglich,
dass die Ventilsitzringe als Führung für die Formkerne
dienen. Im Gegensatz zum Einpressen der Ventilsitzringe trägt
das Eingießen keine zusätzlichen Spannungen in
den Zylinderkopf ein. Die verbundenen Ventilsitzringe benötigen
einen wesentlich geringeren Bauraum für ihren Sitz, wodurch
der Zylinderkopf im Bereich zwischen den Ventilsitzringen geringeren
Spitzenbelastungen ausgesetzt ist. Zu einem Ringpaket verbundene
Ventilsitzringe sind exakt zueinander positioniert, wodurch Ausschuss
und Nacharbeit vermieden werden, die Anzahl von Einzelteilen und
somit der Aufwand bei der mechanischen Fertigung ist verringert,
da die Fertigung einfacher und schneller ist.
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Ventilsitzringe
weisen häufig eine im Wesentlichen ringförmige
Gestaltung auf. Eine besonders gute Dichtwirkung zwischen dem Ventilsitzring und
dem Ventil ist dadurch erreichbar, dass der Ventilsitzring konisch
gestaltet ist.
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Der
Steg zwischen den Ventilsitzringen kann beim Gießen des
Zylinderkopfs erhalten bleiben. Das könnte zu einer Ausdehnung
des Ringpakets führen. Günstig ist es, dass der
Steg einen gegenüber dem Ventilsitzring geringeren Schmelzpunkt
aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass beim Gießen
des Zylinderkopfs der Steg seine Funktion verliert und in der Schmelze
aufgeht oder verdampft. Im fertigen Zylinderkopf sind die eingegossenen
Ventilsitzringe nur indirekt über das Material des Zylinderkopfs
miteinander verbunden.
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Der
Ventilsitzring wirkt als eine Dichtbarriere im Gesamtsystem bei
hervorragender Wärmeableitung und einfacher Bearbeitbarkeit.
Vorteilhaft ist es, dass die Ventilsitzringe eines Zylinders zu
Ringpaketen verbunden sind. Somit sind die Ventilsitzringe eines
Zylinders produktionsbedingt perfekt zueinander ausgerichtet. Ein
weiterer Vorteil ist es, dass die Ventilsitzringe mehrerer Zylinder
eines Motors zu einem Ringpaket verbunden sind. Hierdurch ist eine
einfache Handhabe in der mechanischen Fertigung möglich,
da die Anzahl der Einzelteile stark reduziert ist. Weiterhin ist
die Positionsgenauigkeit der Ventilsitzringe erhöht.
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Es
ist empfehlenswert, ein Ringpaket aus mehreren Ventilsitzringen
und Stegen gleichzeitig, insbesondere mittels Sinterung, herzustellen.
Werden mehrere Ventilsitzringe durch Stege verbunden, dann ist es
günstig, dass bei einem Ringpaket die Stege zwischen den
Ventilsitzringen unabhängig von den Ventilsitzringen, insbesondere
durch Sinterung, erzeugbar sind. Somit ist es möglich,
die Stege insbesondere aus metallischen Werkstoffen schnell, einfach
und in großen Serien zu fertigen.
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Die
Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu.
Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in
der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1 eine
geschnittene Darstellung eines Ventilsitzrings;
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2 eine
Ansicht eines Ringpakets für einen Zylinder;
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3 eine
Ansicht eines Ringpakets für zwei Zylinder;
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4 eine
Ansicht mehrerer in einem Zylinderkopf eingegossener Ventilsitzringe.
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1 zeigt
einen Abschnitt eines Zylinderkopfes 2 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine
mit einem Gas-Auslasskanal 3, der von einem nicht dargestellten,
in einer Ventilachse 4 angeordneten Hubventil gesteuert
wird. Das Hubventil wirkt dabei mit einem im Zylinderkopf 2 symmetrisch
zur Ventilachse 4 vorgesehenen Ventilsitzring 1 zusammen.
Der Ventilsitzring 1 besteht aus einem hochlegierten Stahl
und ist ähnlich einer Tellerfeder gestaltet. Der Ventilsitzring 1 wird
beim Gießen des Zylinderkopfes 2 aus einer Aluminium-Leichtmetall-Legierung
mit eingegossen.
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Die 2 und 3 zeigen
ein Ringpaket 5 aus Ventilsitzringen 1, bei dem
mehrere Ventilsitzringe 1 mittels eines Stegs 6 miteinander
verbunden sind. In der 2 sind vier Ventilsitzringe 1 eines
Zylinders zu einem Ringpaket 5 verbunden. Das in 3 dargestellte
Ringpaket 5 umfasst je vier Ventilsitzringe zweier Zylinder.
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In 4 ist
eine dem Brennraum einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zugeordnete
Seite eines Zylinderkopfs 2 abgebildet. Der Zylinderkopf 2 weist sechzehn
(Öffnungen der Gas-Auslasskanäle 3 und der
Gas-Einlasskanäle 7 der Hubkolben-Brennkraftmaschine
auf. In dem Zylinderkopf 2 sind die Ventilsitzringe 1 eingegossen,
wobei die Stege beim Gießprozess verdampft sind.
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- 1
- Ventilsitzring
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Gas-Auslasskanal
- 4
- Ventilachse
- 5
- Ringpaket
- 6
- Steg
- 7
- Gas-Einlasskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3937402
A1 [0004]
- - EP 0092081 B1 [0005]
- - DE 102005050509 A1 [0006]
- - DE 10338386 B3 [0007]
- - DE 929157 [0008]
- - DE 4301632 A1 [0009]