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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinderkopf angeordneten Ventil, das im Schließzustand auf einem Ventilsitzring aufliegt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Ventilsitzring für eine solche Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen besitzen neben sich translatorisch bewegenden Kolben auch Ventile, je Brennraum zumindest ein Einlassventil und ein Auslassventil, welche in geöffnetem Zustand einen Gasaustausch ermöglichen. Ist ein derartiges Ventil geschlossen, soll eine möglichst zuverlässige Abdichtung erreicht werden, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nicht durch Undichtigkeiten zu reduzieren. Eine Abdichtung erfolgt dabei üblicherweise über einen jeweils einem Ventil zugeordneten Ventilsitzring, auf welchem das zugehörige Ventil in geschlossenem Zustand ringartig aufliegt. Derartige Ventilsitzringe übernehmen zudem einen Großteil einer Wärmeabfuhr des Ventils in den Zylinderkopf.
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Durch das ständige Aufliegen der Ventile im Schließzustand auf den jeweils zugehörigen Ventilsitzring sind derartige Ventilsitzringe im Betrieb der Brennkraftmaschine äußerst hohen Belastungen ausgesetzt. Die Belastungen steigen dabei zusätzlich durch aufgeladene Brennkraftmaschinen und Brennkraftmaschinen mit zunehmender Leistung.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Verschleißbeständigkeit auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals ein Schließverhalten eines Ventils belastungsärmer zu gestalten, indem ein Ventilsitzring, auf welchem ein zugehöriges Ventil, beispielsweise ein Einlassventil oder ein Auslassventil, im Schließzustand aufliegt, elastisch ausgebildet und/oder elastisch am Zylinderkopf gelagert ist. Durch die elastische Lagerung bzw. die elastische Ausbildung des Ventilsitzringes ist es möglich, ein Aufsetzen eines Ventiltellers, eines zugehörigen Ventils beim Schließvorgang sanfter zu gestalten und darüber hinaus mit geringerer Sitzverschiebung (Gleitweg des Ventils relativ zum Ventilsitzring) unter Brennraumdruck. Darüber hinaus kann auch ein unerwünschtes Wiederöffnen des Ventils durch eine vergleichsweise hohe Aufsetzgeschwindigkeit und durch ein damit verbundenes Abprallen vom Ventilsitzring zuverlässig verhindert werden, da der Ventilsitzring beim Aufsetzen des Ventiltellers des Ventils nachgibt und dämpfend wirkt. Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist es somit auch bei hohen Brennraumdrücken und schnell schließenden Ventilen möglich, die Belastung der Ventilsitzringe und der zugehörigen Ventile beim Schließen zu reduzieren und dadurch die Verschleißbeständigkeit der Brennkraftmaschine als Ganzes zu steigern.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem Zylinderkopf ein Federring angeordnet. Ein derartiger Federring kann beispielsweise in der Art einer Tellerfeder ausgebildet sein, wodurch der Ventilsitzring federnd gegenüber dem Zylinderkopf gelagert ist. Bei einem schnellen Aufsetzen des Ventils bzw. des Ventiltellers des Ventils auf den Ventilsitzring kann somit ein elastisches Nachgeben des Federrings erfolgen, wodurch die schlagartige Aufsetzbewegung abgefedert und damit gedämpft wird. Ein derartiger Federring, beispielsweise eine Tellerfeder kann dabei sehr flach ausgebildet sein, da zur Absorption von kinetischer Aufsetzenergie ein lediglich geringer Federweg erforderlich ist. Mit einem derartigen Federring lässt sich somit fertigungstechnisch einfach und zugleich kostengünstig ein Verschleiß im Bereich eines Zylinderkopfes, im Bereich des Ventils und/oder des Ventilsitzrings wirkungsvoll reduzieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der Ventilsitzring eine elastische Schicht auf. Diese kann einteilig mit dem Ventilsitzring ausgebildet sein, sodass ein Aufbringen der elastischen Schicht auf den Ventilsitzring bereits vor dessen Montage im Zylinderkopf erfolgt. Eine derartige elastische Schicht kann beispielsweise ein Metallschaum sein, der ebenfalls eine gewisse Kompressibilität aufweist und dadurch bei einer Anordnung des Ventilsitzrings mit zum Zylinderkopf gerichtetem Metallschaum eine Absorption von durch das Ventil auftreffender kinetischer Energie bietet. Selbstverständlich ist es alternativ auch vorstellbar, dass ein separater Ring aus einem Metallschaum zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf angeordnet wird, wobei in diesem Fall der Metallschaumring die elastische und kinetische Energie aufnehmende Schicht zwischen dem eigentlichen Ventilsitzring und dem Zylinderkopf darstellt. Eine derartige Ausführungsform bietet den großen Vorteil, dass bei einem Austausch des Ventilsitzrings der Ring aus dem Metallschaum, sofern er nicht beschädigt ist, im Zylinderkopf verbleiben kann, wodurch eine Ressourcenschonung erreicht werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der Zylinderkopf eine Ventilsitzringauflage mit im Vergleich zum übrigen Zylinderkopf reduzierter Steifigkeit auf. Der Zylinderkopf ist somit im Bereich des Ventilsitzrings aus einem Material mit reduzierter Steifigkeit oder konstruktiv derart ausgebildet, wodurch zur Absorption von kinetischer Energie beim Auftreffen des Ventiltellers des Ventils im Schließzustand auch ein herkömmlicher Ventilsitzring verwendet werden kann. In diesem Fall würde die elastische Nachgiebigkeit durch das Material oder die Ausbildung des Zylinderkopfes im Bereich des Ventilsitzrings bewirkt. Das Material wird einfach auf die Sitzringfläche im Zylinderkopf aufgetragen. Auch durch eine Tasche o.ä. kann die Steifigkeit lokal im Zylinderkopf gesenkt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf ein Kupferring (ggf. eine Kupferlegierung) angeordnet. Über einen derartigen Kupferring kann ebenfalls eine elastische Lagerung des Ventilsitzrings erreicht und zugleich, insbesondere im Vergleich zu einem Ring aus einem Metallschaum, eine Wärmeabfuhr aufgrund des gut wärmeleitenden Materials Kupfer erreicht werden. Hierdurch lässt sich das Ventil besser kühlen und dadurch die Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine steigern und/oder der Ventilverschleiß minimieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf ein Piezoelement angeordnet. Durch Anlegen einer Spannung oder Drucks ändert dies seine Form und/oder Steifigkeit. Ein derartiges Piezoelement kann somit durch ein Bestromen oder unter Belastung elastischer gestaltet werden, wodurch ein aktives Steuern der Bewegung des Piezoelements bzw. der Steifigkeit desselben ermöglicht oder ggf. eine Spannung erzeugt wird.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Ventilsitzring für die in den vorherigen Absätzen beschriebene Brennkraftmaschine anzugeben, der eine elastische Schicht aufweist. Eine derartige elastische Schicht kann beispielsweise aus Kupfer (ggf. Kupferlegierung aus korrosionsschutzgründen oder inkl. einer Beschichtung) oder aus einem Metallschaum ausgebildet sein. Ein solcher Ventilsitzring ist somit zweilagig aufgebaut, wobei die Kupferschicht bzw. die Metallschaumschicht fest mit dem Ventilsitzring verbunden sind. Hierdurch wird ein deutlich vereinfachtes Handling, insbesondere bei der Montage des Ventilsitzringes im Zylinderkopf, erreicht. Sowohl mittels der Schicht aus Metallschaum als auch mittels der Schicht aus Kupfer kann eine elastische Nachgiebigkeit des ansonsten steiferen Ventilsitzringes erreicht werden, wobei die elastische Schicht aus Kupfer zudem den großen Vorteil bietet, Wärme abzuführen und dadurch eine verbesserte Kühlung des Ventils zu bewirken.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine bei einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem zwischen einem Ventilsitzring und einem Zylinderkopf angeordneten Federring,
- 3 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Ventilsitzauflage mit im Vergleich zum übrigen Zylinderkopf reduzierter Steifigkeit.
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Entsprechend den 1 bis 3 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 2 angeordnet sein kann, einen Zylinderkopf 3 auf mit einem darin angeordneten Ventil 4 mit einem Ventilteller 5, der im Schließzustand auf einem Ventilsitzring 6 dicht aufliegt. In diesem Fall liegt somit das Ventil 4 dicht auf dem Ventilsitzring 6 auf. Erfindungsgemäß ist nun dieser Ventilsitzring 6 elastisch ausgebildet (vgl. 1) und/oder elastisch am Zylinderkopf 3 gelagert (vgl. die 2 und 3).
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Betrachtet man beispielsweise die 1, so kann man erkennen, dass der Ventilsitzring 6 eine elastische Schicht 7 aufweist, die im Einbauzustand des Ventilsitzringes 6 zwischen diesem und dem Zylinderkopf 3 angeordnet ist. Die elastische Schicht 7 kann dabei einteilig mit dem Ventilsitzring 6 ausgebildet sein und dadurch zusammen mit diesem montiert bzw. demontiert werden. Die elastische Schicht 7 kann beispielsweise aus Kupfer oder aus einem Metallschaum ausgebildet sein, wobei insbesondere eine Ausbildung der elastischen Schicht 7 aus Kupfer eine verbesserte Wärmeabfuhr von Wärmeenergie aus dem Ventil 4 in den Zylinderkopf 3 ermöglicht. Alternativ kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass der Ventilsitzring 6 separat zur elastischen Schicht 7 ausgebildet ist, sodass in diesem Fall die elastische Schicht 7 einen Ring 8 bildet, der ebenfalls beispielsweise aus Kupfer oder aus einem Metallschaum ausgebildet sein kann.
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Betrachtet man die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 entsprechend der 2, so kann man erkennen, dass dort zwischen dem Ventilsitzring 6 und dem Zylinderkopf 3 ein Federring 9 angeordnet ist, der beispielsweise als Tellerfeder ausgebildet sein kann. Ein derartiger Federring 9 kann dabei ebenfalls entweder separat zum Ventilsitzring 6 oder einstückig mit diesem ausgebildet werden.
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Betrachtet man die 3, so kann man erkennen, dass der Zylinderkopf 3, in dem dort gezeigten Beispiel eine Ventilsitzringauflage 10 besitzt, welche eine im Vergleich zum übrigen Zylinderkopf 3 reduzierte Steifigkeit aufweist. In diesem Fall erfolgt somit die elastische Lagerung des Ventilsitzringes 6 am Zylinderkopf 3 durch die zylinderkopfseitige Ventilsitzringauflage 10 mit geringerer Steifigkeit.
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Betrachtet man nochmals die 1, so kann man anstatt der Schicht 7 bzw. des Ringes 8 dort auch ein Piezoelement 11 anordnen, welches durch ein Bestromen eine mechanische Bewegung ausführt und dadurch beispielsweise seine Form und/oder Elastizität bzw. Steifigkeit ändert. Hierdurch könnte das Dämpfungsverhalten beim Schließen des Ventils 4, d. h. beim Aufsetzen dessen Ventiltellers 5 auf den Ventilsitzring 6 aktiv beeinflusst werden.
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Sämtlichen Ausführungsformen ist dabei gemein, dass durch die elastische Lagerung des Ventilsitzringes 6 am Zylinderkopf 3 bzw. die elastische Ausbildung des Ventilsitzringes 6, beispielsweise über die elastische Schicht 7 bzw. den elastischen Ring 8, eine gewisse Nachgiebigkeit des Ventilsitzringes 6 beim Auftreffen des Ventiltellers 5 bzw. unter Brennraumdruck erreicht werden kann, wodurch insbesondere ein Ventilgleiten des Ventiltellers 5 auf dem Ventilsitzring 6 reduziert werden kann, da dieser beim Auftreffen nachgibt. Insgesamt kann durch den elastischen Ventilsitzring 6 und/oder die elastische Lagerung des Ventilsitzringes 6 am Zylinderkopf 3 ein Sitzverschleiß reduziert und dadurch die Verschleißbeständigkeit der Brennkraftmaschine 1 insgesamt gesteigert werden. Auch ein unerwünschtes Wiederöffnen des Ventils 4 durch hohe Aufsetzgeschwindigkeiten und einen relativ harten Ventilsitzring 6 kann dadurch zuverlässig vermieden werden.
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Selbstverständlich sind dabei die gemäß den 1 bis 3 gezeigten Lösungen für den Ventilsitzring 6 bzw. dessen Lagerung am Zylinderkopf 3 nicht nur einzeln, sondern auch in beliebiger Kombination denkbar.
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Das Ventil 4 kann dabei beispielsweise ein Einlassventil oder ein Auslassventil der Brennkraftmaschine 1 sein und einen Brennraum 12 im Schließzustand abdichten.
