DE3926431A1

DE3926431A1 - Reciprocating valve, for IC engine cylinder head - has metal valve core assembled so that it exerts high compressive stress on ceramic valve body

Info

Publication number: DE3926431A1
Application number: DE19893926431
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Klose; Gerhard Gruber
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1989-08-10
Filing date: 1989-08-10
Publication date: 1991-02-14

Abstract

The reciprocating valve (10) is esp. used in the cylinder head of an IC engine. It is made from a high temp. resistant ceramic and has a metal core (18, 22). The metal core is assembled so that it exerts a high copressive stress on the ceramic valve body (12, 14). Tensile stresses, occurring in operation, are thus reduced or eliminated. USE/ADVANTAGE - Higher strength for valves in IC engine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hubventil, insbesondere Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine, welches aus hochtemperaturfester Keramik mit einem metallischen Kern besteht.The invention relates to a globe valve, in particular gas exchange valve for an internal combustion engine, which is made of high temperature resistant ceramic consists of a metallic core.

Ein derartiges Ventil ist beispielsweise in der DE-PS 32 12 562 be schrieben. Dabei besteht das Ventil überwiegend aus Stahl und ist mit einem Schutzmantel aus keramischen Werkstoff überzogen. Damit soll das Ventil thermisch und chemisch höher beanspruchbar sein.Such a valve is for example in DE-PS 32 12 562 be wrote. The valve is mainly made of steel and is included covered with a protective jacket made of ceramic material. This is supposed to Valve can be subjected to higher thermal and chemical loads.

Durch die DE-OS 33 02 650 ist ferner ein Hubventil bekannt, welches einen Ventilteller aus kermamischen Werkstoff und einen hohlen Schaft aus Metall aufweist, welche mittels eines in den Schaft eingepreßten zylindrischen Stabes aus Metall miteinander verbunden sind.From DE-OS 33 02 650 a lift valve is also known, which a valve plate made of ceramic material and a hollow stem made of metal, which is pressed into the shaft by means of a cylindrical metal rod are interconnected.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Ventil herstellungs technisch günstig und mechanisch hochbelastbar auszubilden.The object of the invention is to manufacture the generic valve to train technically inexpensive and mechanically strong.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin dung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.This object is achieved with the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous further training of the Erfin can be found in the other claims.

Als eine kritische Belastung bei keramischen Ventilen hat sich das Auf schlagen des Ventiles auf dem Ventilsitz bei hohen Ventilgeschwindig keiten herausgestellt, bei der unter Umständen sogar Ventilbrüche auf treten können. Die Brüche resultieren aus hohen Zugspannungen, die beim Schließen des Ventiles insbesondere in dem Bereich zwischen dem Ventil teller und dem Ventilschaft auftreten können. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, diese Zugspannungen durch Einsetzen eines Zugankers in das im wesentlichen aus keramischem Material bestehende Ventil abzu bauen. Der Zuganker übt eine hohe Druckvorspannung auf den Ventilkörper aus und vermindert oder eliminiert dadurch die auftretenden schädlichen Zugspannungen.The up has proved to be a critical load for ceramic valves hitting the valve on the valve seat at high valve speed in the event of valve breaks can kick. The fractures result from high tensile stresses that the Closing the valve especially in the area between the valve plate and the valve stem can occur. According to the invention proposed this tension by inserting a tie rod in the valve consisting essentially of ceramic material to build. The tie rod exerts a high prestress on the valve body and thereby reduces or eliminates the harmful ones that occur Tensile stresses.

Der Zuganker ist vorzugsweise entsprechend den Merkmalen des Patentan spruches 2 ausgebildet, so daß er nach der Herstellung des keramischen Ventilkörpers in diesen eingesetzt und mittels der aufgeschraubten Kap pe verspannt wird. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Druckvorspannung auf den gesamten Ventilkörper sollte der Kopf des Zugankers entspre chend Patentanspruch 3 kegelförmig ausgebildet sein. Es versteht sich, daß aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Zugankers auch die bei einer Brennkraftmaschine bei einem Auslaßventil auftretenden Temperaturen wirksam abgebaut werden können.The tie rod is preferably in accordance with the features of the patent saying 2 formed so that after the manufacture of the ceramic Valve body inserted in this and by means of the screwed cap pe is clamped. To achieve an even pressure preload the head of the tie rod should correspond to the entire valve body Chend claim 3 be conical. It goes without saying that due to the thermal conductivity of the tie rod also at a Internal combustion engine temperatures occurring at an exhaust valve can be effectively broken down.

Zur Erzielung einer einfachen Montage des Hubventiles und eines einfa chen Einbaues später in die Führung des Hubventiles kann die Kappe ge mäß Patentanspruch 4 mit dem keramischen Schaft des Hubventiles einen einheitlichen Schaft bilden. Durch eine Verdrehsicherung gemäß Anspruch 5 zwischen der Kappe und dem Schaft des Hubventiles wird sicherge stellt, daß die eingestellte Zugspannung bzw. Druckvorspannung auf den Ventilkörper über die Betriebszeit des Ventiles erhalten bleibt. Die Verdrehsicherung kann beispielsweise durch einen geeigneten Klebstoff oder formschlüssig mittels einer an den Kontaktflächen vorgesehenen Riffelung vorgesehen sein.To achieve a simple assembly of the globe valve and a simple Chen installation later in the guide of the globe valve, the cap can ge according to claim 4 with the ceramic stem of the globe valve form a uniform shaft. By an anti-rotation device according to claim 5 is secured between the cap and the stem of the globe valve represents that the set tension or compression preload on the Valve body is preserved over the operating time of the valve. The A suitable adhesive can be used to prevent rotation or positively by means of one provided on the contact surfaces Corrugation may be provided.

In herstellungstechnisch günstiger Weise trägt die Kappe die Ausnehmun gen oder Erhöhungen, mittels denen das Ventil formschlüssig mit den Ventilbetätigungsteilen verbindbar ist.The cap carries the recess in a manner which is favorable in terms of production technology conditions or increases, by means of which the valve with the Valve actuation parts can be connected.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die beiliegende Zeichnung zeigt einen halbseitigen Längsschnitt durch ein Gaswechselventil für eine Brenn kraftmaschine aus keramischen Werkstoff mit einem eingesetzten Zug anker.An embodiment of the invention is below with others Details explained in more detail. The attached drawing shows one half-sided longitudinal section through a gas exchange valve for a burner Engine made of ceramic material with an inserted train anchor.

Das dargestellte Hubventil 10 ist als Gaswechselventil bzw. Auslaßven til einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine ausgebildet und setzt sich im wesentlichen aus einem Ventilteller 12 und einem Ventilschaft 14 zusammen.The illustrated lift valve 10 is designed as a gas exchange valve or Auslaßven valve of a four-stroke reciprocating internal combustion engine and is composed essentially of a valve plate 12 and a valve stem 14 .

Der aus einem keramischen Werkstoff wie Siliziumkarbid oder Silizium nitrid gebildete Ventilkörper ist durchgehend entlang seiner Längsmit telachse hohl ausgebildet und mit einem Zuganker 16 aus hochlegiertem Stahl (z.B. X 15 Cr Ni Si; 25 20) versehen. Der Zuganker 16 weist einen pilzförmigen Kopf 18 auf, der mit einem Kegelsitz 20 in dem Ven tilteller 12 verankert ist. Der Schaft 22 des Zugankers überragt den hohlen Schaft 14 des keramischen Ventilkörpers und trägt ein Außenge winde 24, auf das eine metallische Kappe 26 mit einem entsprechenden Innengewinde aufgeschraubt ist. Der Schaft 14 und die Kappe 26 weisen dabei einen einheitlichen Außendurchmesser auf.The valve body formed from a ceramic material such as silicon carbide or silicon nitride is hollow throughout along its longitudinal axis and is provided with a tie rod 16 made of high-alloy steel (eg X 15 Cr Ni Si; 25 20). The tie rod 16 has a mushroom-shaped head 18 which is anchored with a conical seat 20 in the Ven tilteller 12 . The shaft 22 of the tie rod projects beyond the hollow shaft 14 of the ceramic valve body and carries a Außenge thread 24 , onto which a metallic cap 26 is screwed with a corresponding internal thread. The shaft 14 and the cap 26 have a uniform outer diameter.

An den Kontaktflächen bzw. Stirnflächen zwischen der Kappe 26 und dem hohlen Ventilschaft 14 des keramischen Ventilkörpers ist eine Riffelung 28 als Verdrehsicherung vorgesehen. Durch Anziehen der Kappe 26 auf einen definierten Wert wird auf den keramischen Ventilkörper in gleich mäßiger Verteilung eine Druckvorspannung ausgeübt, die die beim Schließen des Gaswechselventiles 10 auftretenden Zugspannungen beim Aufschlagen des Ventiltellers 12 auf den nicht dargestellten Ventilsitz stark vermindert bzw. eliminiert. Uber den Kegelsitz 22 verteilt sich diese Druckvorspannung auch auf den Ventiltellerbereich.On the contact surfaces or end faces between the cap 26 and the hollow valve stem 14 of the ceramic valve body, a corrugation 28 is provided to prevent rotation. By tightening the cap 26 to a defined value, a pressure bias is exerted on the ceramic valve body in a uniform distribution, which greatly reduces or eliminates the tensile stresses that occur when the gas exchange valve 10 closes when the valve disk 12 strikes the valve seat (not shown). This pressure preload is also distributed over the valve disk area via the conical seat 22 .

Zur Erzielung einer guten Wärmeableitung und um Turbulenzen im Brenn raum zu vermeiden, liegt die Stirnfläche 30 des Kopfes 18 des Zugankers 16 in einer einheitlichen Ebene mit der Stirnfläche 32 des Ventiltel lers 12.In order to achieve good heat dissipation and to avoid turbulence in the combustion chamber, the end face 30 of the head 18 of the tie rod 16 lies in a uniform plane with the end face 32 of the ventilator 12 .

Die Kappe 26 ist an ihrem Außenumfang mit zwei ringförmigen Nuten 34, 36 versehen, in denen formschlüssig zwei halbschalenförmige Keile 38 ein greifen, die wiederum in einem korrespondierenden Federteller 40 gehal ten sind. Die Keile 38 mit dem Federteller 40 bilden eine formschlüssi ge Verbindung mit der Kappe 26 zur Abstützung einer nicht dargestellten Ventilfeder, die das Gaswechselventil 10 in seine Schließrichtung vor spannt.The cap 26 is provided on its outer circumference with two annular grooves 34 , 36 , in which two half-shell-shaped wedges 38 engage positively, which in turn are held in a corresponding spring plate 40 . The wedges 38 with the spring plate 40 form a positive connection with the cap 26 for supporting a valve spring, not shown, which tensions the gas exchange valve 10 in its closing direction before.

Claims

1. Hubventil, insbesondere Gaswechselventil für eine Brennkraftma schine, welches aus hochtemperaturfester Keramik mit einem metalli schen Kern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern als Zug anker (16) ausgebildet ist.1. Lift valve, in particular gas exchange valve for an internal combustion engine, which consists of high-temperature-resistant ceramic with a metallic core, characterized in that the core is designed as an anchor ( 16 ).

2. Hubventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (16) einenends mit einem Kopf (18) im Ventilteller (12) des Hubven tiles verankert ist und andernends mittels einer aufgeschraubten Kappe (26) verspannt ist.2. Lift valve according to claim 1, characterized in that the tie rod ( 16 ) is anchored at one end with a head ( 18 ) in the valve plate ( 12 ) of the Hubven tiles and at the other end is clamped by means of a screwed-on cap ( 26 ).

3. Hubventil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (18) mit einem Kegelsitz (20) im Ventilteller (12) auf liegt und seine Stirnfläche (30) in einer Ebene mit der Stirnfläche (32) des Ventiltellers (12) liegt.3. Lift valve according to claims 1 and 2, characterized in that the head ( 18 ) with a conical seat ( 20 ) in the valve plate ( 12 ) lies on and its end face ( 30 ) in one plane with the end face ( 32 ) of the valve plate ( 12 ) lies.

4. Hubventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (22) des Zugankers (16) den hohlen Schaft (14) des Hubventiles (10) überragt und ein Außengewinde (24) trägt, auf das die Kappe (26) den Schaft (14) vorspannend aufge schraubt ist, wobei der Schaft (14) und die Kappe (26) einen ein heitlichen Außendurchmesser aufweisen.4. Lift valve according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the shaft ( 22 ) of the tie rod ( 16 ) projects beyond the hollow shaft ( 14 ) of the lift valve ( 10 ) and carries an external thread ( 24 ) on which the Cap ( 26 ) the shaft ( 14 ) is screwed biasing, the shaft ( 14 ) and the cap ( 26 ) have a uniform outer diameter.

5. Hubventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (26) gegenüber dem Schaft (14) des Hubventiles (10) verdrehge sichert ist (Riffelung 28, Kleben etc.).5. Lift valve according to claim 4, characterized in that the cap ( 26 ) against the shaft ( 14 ) of the lift valve ( 10 ) is secured against rotation (corrugation 28 , adhesive, etc.).

6. Hubventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (26) mit Ausnehmungen (36, 34) oder Erhöhungen zur Verankerung von das Hubventil (10) federnd vor spannenden oder betätigenden Funktionsmitteln (Federteller 40) ver sehen ist.6. Lift valve according to one or more of the preceding claims, characterized in that the cap ( 26 ) with recesses ( 36 , 34 ) or increases for anchoring the lift valve ( 10 ) is resiliently seen before exciting or actuating functional means (spring plate 40) .