DE3937402A1

DE3937402A1 - IC-engine cylinder head valve seat - is cast in cylinder head and projection extending into cylinder head away from combustion chamber

Info

Publication number: DE3937402A1
Application number: DE19893937402
Authority: DE
Inventors: Antonius Dipl Ing Rehr; Gerhard Koller
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1989-11-10
Filing date: 1989-11-10
Publication date: 1991-05-16

Abstract

The valve seat (9), for an exhaust valve, is cast in an I.C. engine cylinder head (1) provided with cooling channels (5). The valve seat is ring shaped and has its gas-contact surface (10,11) limited by a first plane (E1), adjacent the combustion chamber (6), and a second plane (E2), spaced from the first, both planes being perpendicular to the valve seat central axis (Z). A projection (18) on the valve seat extends away from the second plane into the cylinder head. ADVANTAGE - Improved heat transfer and seat retention in the cylinder head.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a valve seat ring for an internal combustion engine the preamble of claim 1.

Bekannte Ventilsitzringe mit kreisringförmiger Innen- und Außenfläche werden in den Zylinderkopf eingeschrumpft. Dabei sind enge und folglich teuere 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.Known valve seat rings with an annular inner and outer surface shrunk into the cylinder head. There are tight and therefore expensive Compliance with manufacturing tolerances in the manufacture of the valve seat rings and after casting the cylinder head, it is a complex machining of the Holders for the valve seat rings in the cylinder head required. Come in addition, that the valve seat rings are to be cooled to shrink and the cylinder head may need to be heated.

Tritt beim Betrieb der Brennkraftmaschine an den auslaßseitigen Ventilsitzringen aufgrund ihrer relativ geringen Oberfläche ein hohes Temperaturniveau auf, so ist es z. B. aus der DE 34 12 052 bekannt, eine zusätzliche Ventilsitzringkühlung einzusetzen, die aber den Bauaufwand erhöht.Occurs on the exhaust side during operation of the internal combustion engine Valve seat rings a high due to their relatively small surface Temperature level, so it is z. B. from DE 34 12 052 known use additional valve seat ring cooling, but the construction effort elevated.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und einen Ventilsitzring zu schaffen, der einfach und kostensparend in den Zylinderkopf integrierbar ist und einen optimierten Wärmeübergang zu angrenzenden Bereichen des Zylinderkopfs gewährleistet.The object of the present invention is therefore to overcome the aforementioned disadvantages to avoid and create a valve seat ring that is simple and can be integrated cost-effectively into the cylinder head and is optimized Heat transfer to adjacent areas of the cylinder head guaranteed.

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weitere, die Erfindung vorteilhaft ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen benannt.The problem is solved by the features of claim 1. Features advantageously configuring the invention are in the subclaims named.

Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß durch das Eingießen der Ventilsitzringe die üblicherweise erforderlichen Maßnahmen bei der Montage größtenteils entfallen und daß durch die Gestaltung der Ventilsitzringe mit einer vergrößerten Kontaktfläche zum Zylinderkopf 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 Kontaktfläche 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.The main advantages achieved with the invention are the following: that by pouring the valve seat rings, the usually required Measures during assembly are largely eliminated and that through the design the valve seat rings with an enlarged contact area to the cylinder head improved heat transfer takes place in the cylinder head. So these are Use valve seat rings particularly well on the outlet side. By the Improved heat transfer can be the heat amount in the thermally highest stressed area of the valve seat ring, the contact surface between the valve and valve seat ring can be discharged more quickly into the cylinder head. In addition, the overall rigidity of the structure consists of the cylinder head and Valve seat ring due to the form fit and the shrinkage stresses at Cooling of the cylinder head caused frictional connection greatly improved. For the improved heat transfer is on the one hand the enlarged contact area between valve seat ring and cylinder head, on the other hand the improved material contact through the casting and through the superimposed Shrinkage stress. The increased overall rigidity and the decreased Temperature levels increase the life of the valve seat rings.

Die Ventilsitzringe sind als Sinterring oder als Gußring aus allen gebräuchlichen Sitzringmaterialien, z. B. hoch- und niedriglegierte Sinterstähle bzw. hoch- und niedriglegierte 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.The valve seat rings are as a sintered ring or as a cast ring from all Common seat ring materials, e.g. B. high and low alloy Sintered steels or high and low alloyed casting qualities are inexpensive producible. The blanks are then cast when the cylinder head poured into this head. The finishing of the seat ring contour in The area of the contact surface to the valve and in the outlet channel area is as in the known solutions for the final machining of the cylinder head.

Anhand von Figuren wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to figures.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinderkopf mit einem bekannten und einem erfindungsgemäßen Ventilsitzring, Fig. 1 shows a section through a cylinder head with a known and a valve seat ring according to the invention,

Fig. 2 die Querschnittsfläche eines bekannten und eines erfindungsgemäßen Ventilsitzringes überlagert, Fig. 2 is superimposed on the cross-sectional area of a prior art and a valve seat ring according to the invention,

Fig. 3 die Querschnittsfläche einer zweiten Ausführung der Erfindung. Fig. 3 shows the cross-sectional area of a second embodiment of the invention.

Der Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine weist als Gaswechselkanäle einen Einlaßkanal 2 und einen Auslaßkanal 3 auf. Die Linien 4 stellen die Mittellängsachsen von Ein- und Auslaßventilen dar, die wie einige weitere, erfindungsunwesentliche Teile nicht dargestellt sind. Die Linien 4 sind um den Ventilwinkel B gegenüber der Ventilwinkelhalbierenden W geneigt. Der Zylinderkopf 1 weist einen Kühlkanal 5 für ein flüssiges oder gasförmiges Medium auf und begrenzt einen Brennraum 6. In einer Aufnahme 7 ist in bekannter Weise ein herkömmlicher Ventilsitzring 8 eingeschrumpft. In den Übergangsbereich zwischen Brennraum 6 und Auslaßkanal 3 ist ein Ventilsitzring 9 form- und kraftschlüssig eingegossen. Die Innenkontur 10 der beiden Ventilsitzringe 8, 9 ist nach der Fertigbearbeitung nahezu identisch. Die Mittellängsachsen Z der Sitzringe 8, 9 fallen mit den Linien 4 zusammen. Senkrecht zu der Mittellängsachse Z des Ventilringes 9 verlaufen eine erste, dem Brennraum 6 zugeordnete Begrenzungsebene E1 und beabstandet dazu eine zweite Begrenzungsebene E2. Die dem Brennraum 6 zugewandte, kreisringförmige Unterseite 11 des Ventilsitzringes 9 liegt in der Ebene E1. Die Ebene E2 wird festgelegt durch den Übergang der Innenkontur 10 in den Auslaßkanal 3. Die Unterseite 11 weist eine größere Fläche auf, als die vergleichbare Unterseite des bekannten Ventilsitzringes 8. Dadurch ist die Sitzringsteifigkeit insbesondere in diesem Bereich deutlich erhöht. Die äußere Ringfläche 13 des Ventilsitzringes 9 und dessen Oberseite 14 weisen eine räumliche Struktur auf. Dabei sind an der Ringfläche 13 zwei Einschnürungen 15, 16 angeordnet. Diese vergrößern einerseits die Kontaktfläche zum Zylinderkopf 1, andererseits belassen sie einen als Verzahnungshaken wirkenden Vorsprung 17 zwischen sich. Dieser begünstigt einen guten Formschluß zwischen Ventilsitzring 9 und Zylinderkopf 1 und sichert den Ventilsitzring 9 gegen ein eventuelles Herausfallen.The cylinder head 1 of an internal combustion engine has an inlet channel 2 and an outlet channel 3 as gas exchange channels. Lines 4 represent the central longitudinal axes of intake and exhaust valves, which, like some other parts which are not essential to the invention, are not shown. The lines 4 are inclined by the valve angle B with respect to the valve angle bisector W. The cylinder head 1 has a cooling channel 5 for a liquid or gaseous medium and delimits a combustion chamber 6 . In a receptacle 7 , a conventional valve seat ring 8 is shrunk in a known manner. In the transition area between the combustion chamber 6 and the outlet duct 3 , a valve seat ring 9 is cast in a positive and non-positive manner. The inner contour 10 of the two valve seat rings 8 , 9 is almost identical after finishing. The central longitudinal axes Z of the seat rings 8 , 9 coincide with the lines 4. A first boundary plane E 1 assigned to the combustion chamber 6 runs perpendicular to the central longitudinal axis Z of the valve ring 9 and a second boundary plane E 2 is spaced apart therefrom. The annular underside 11 of the valve seat ring 9 facing the combustion chamber 6 lies in the plane E 1 . The level E 2 is determined by the transition of the inner contour 10 into the outlet channel 3 . The underside 11 has a larger area than the comparable underside of the known valve seat ring 8 . As a result, the seat ring rigidity is significantly increased, particularly in this area. The outer annular surface 13 of the valve seat ring 9 and its upper side 14 have a spatial structure. Two constrictions 15 , 16 are arranged on the annular surface 13 . On the one hand, these increase the contact area with the cylinder head 1 , on the other hand, they leave a projection 17 acting as a toothing hook between them. This favors a good form fit between the valve seat ring 9 and cylinder head 1 and secures the valve seat ring 9 against falling out.

Die Oberseite 14 weist eine über die Ebene E2 hinaus kronenartig in den Zylinderkopf 1 ragende Verlängerung 18 auf. Diese vergrößert ebenfalls die Kontaktfläche und den Formschluß zwischen Ventilsitzring 9 und Zylinderkopf 1. Sie erweitert sich bezüglich der Mittellängsachse Z von der Ebene E2 aus konisch in den Zylinderkopf 1 und ist dabei auf Teilen ihres Umfanges bis nahe an den Kühlkanal 5 herangeführt und trägt so zu einer guten Wärmeabfuhr bei. Die benachbart der Ebene E1 angeordnete Einschnürung 15 weist einen geringeren Durchmesser auf, als die im Bereich der Verlängerung 18 vorgesehene Einschnürung 16.The upper side 14 has an extension 18 protruding beyond the plane E2 in the manner of a crown into the cylinder head 1 . This also increases the contact area and the form fit between valve seat ring 9 and cylinder head 1 . It widens conically with respect to the central longitudinal axis Z from the plane E 2 into the cylinder head 1 and is brought up to parts of its circumference close to the cooling channel 5 and thus contributes to good heat dissipation. The constriction 15 arranged adjacent to the plane E 1 has a smaller diameter than the constriction 16 provided in the area of the extension 18 .

Der Innendurchmesser der kreisförmigen Unterseite 11 ist kleiner als der Durchmesser der Einschnürung 15. Der maximale Außendurchmesser der Verlängerung 18 ist größer als der des Vorsprunges 17.The inner diameter of the circular underside 11 is smaller than the diameter of the constriction 15 . The maximum outer diameter of the extension 18 is larger than that of the projection 17 .

Die Querschnittsfläche des Ventilsitzringes 9 ist bei dieser Ausführung gegenüber der des bekannten Ventilsitzringes 8 deutlich vergrößert, wie die zu diesem Zweck gezeigte Überlagerung in Fig. 2 zeigt, in der der Ventilsitzring 9 als Gußrohling gezeigt ist. Der gegenüber dem Ventilsitzring 8 verringerte Innendurchmesser wird nach dem Eingießen in den Zylinderkopf 1 auf die Innenkontur 10 gearbeitet. Eine Radienerweitung 19 am Gußrohling dient als Anlagefläche für den Kern des Auslaßkanales beim Gießen des Zylinderkopfes 1, um den Ventilsitzring 9 bei diesem Gießvorgang zu fixieren. Die so entstehende Innenkontur 10 des Ventilsitzringes 9 weist eine kleinere Fläche auf, die kanalseitig mit dem heißen Abgas beaufschlagt wird, als die des bekannten Ventilsitzringes 8. Der zwischen der Mittellängsachse Z und der Innenkontur 20 des Gußrohlings entstehende Winkel A ist etwas größer als der Winkel B, der zwischen der Linie 4 und der Ventilwinkelhalbierenden W entsteht. Anderenfalls ist nach dem Gießen des Zylinderkopfes 1 ein Herausfahren der Gußkokille nicht möglich.The cross-sectional area of the valve seat ring 9 is significantly enlarged in this embodiment compared to that of the known valve seat ring 8 , as the overlay shown for this purpose in FIG. 2 shows, in which the valve seat ring 9 is shown as a cast blank. The reduced inside diameter compared to the valve seat ring 8 is worked after pouring into the cylinder head 1 onto the inside contour 10 . A radius widening 19 on the casting blank serves as a contact surface for the core of the exhaust port when casting the cylinder head 1 in order to fix the valve seat ring 9 during this casting process. The resulting inner contour 10 of the valve seat ring 9 has a smaller area, which is exposed to the hot exhaust gas on the channel side than that of the known valve seat ring 8 . The angle A which arises between the central longitudinal axis Z and the inner contour 20 of the cast blank is somewhat larger than the angle B which arises between the line 4 and the valve angle bisector W. Otherwise it is not possible to move the casting mold out after casting the cylinder head 1 .

In einer zweiten Ausführung der Erfindung ist der Ventilsitzring 9 als Sinterteil hergestellt. Dieses kostengünstige Herstellverfahren läßt sich weiter bezüglich der Kosten optimieren, wenn die Einschnürungen 15, 16 gemäß Fig. 3 zylindrisch gestaltet werden. In beiden Ausführungen der Erfindung ist die Montage der Ventilsitzringe besonders einfach. Durch das Eingießen entfällt das aufwendige Bearbeiten einer Aufnahme für den Ventilsitzring 9 im Zylinderkopf 1. Dementsprechend muß der Ventilsitzring 9 vor dem Eingießen nicht genau auf Maß gearbeitet werden. Zur Erzielung einer bestmöglichen Kontaktgüte hinsichtlich Wärmeübergang und Festigkeit wird die im Guß liegende Kontaktfläche des Ventilsitzringes 9 vorbehandelt, z. B. durch Sandstrahlen oder das Aufbringen einer dünnen Aluminiumschicht.In a second embodiment of the invention, the valve seat ring 9 is produced as a sintered part. This inexpensive manufacturing process can be further optimized in terms of costs if the constrictions 15 , 16 are designed cylindrically according to FIG. 3. In both embodiments of the invention, the assembly of the valve seat rings is particularly simple. The pouring eliminates the complex machining of a receptacle for the valve seat ring 9 in the cylinder head 1 . Accordingly, the valve seat ring 9 does not have to be made to measure exactly before pouring. In order to achieve the best possible contact quality with regard to heat transfer and strength, the contact surface of the valve seat ring 9 , which is cast, is pretreated, e.g. B. by sandblasting or the application of a thin aluminum layer.

Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Abstand zwischen den Ebenen E1 und E2 gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten verringert. Die Verlängerung 18 überragt dabei die Ebene E2 nur geringfügig und die Ringfläche weist nur die Einschnürung 15 auf. Die Querschnittsfläche ist bei dieser Ausführung nahezu identisch groß zu der des bekannten Ventilsitzringes. Die Vorteile des erhöhten Wärmeüberganges in Folge des verbesserten Materialkontaktes zwischen Zylinderkopf 1 und Ventilsitzring 9 bleiben voll erhalten.In a further embodiment of the invention, the distance between the planes E1 and E2 is reduced compared to that shown in FIG. 1. The extension 18 projects only slightly above the plane E2 and the ring surface has only the constriction 15 . The cross-sectional area in this embodiment is almost identical to that of the known valve seat ring. The advantages of the increased heat transfer as a result of the improved material contact between the cylinder head 1 and the valve seat ring 9 are fully retained.

Claims

1. Ventilsitzring für ein Hubventil in einem Gaswechselkanal, vorzugsweise Auslaßkanal eines mit Kühlkanälen versehenen Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, wobei der Ventilsitzring einen seine Mittellängsache umfassenden Grundkörper aufweist, zu der senkrecht eine erste dem Brennraum zugeordnete Begrenzungsebene und beabstandet dazu eine zweite Begrenzungsebene verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzring (9) in den Zylinderkopf (1) eingegossen ist, und eine von der zweiten Begrenzungsebene (E2) weggeführte, in den Zylinderkopf (1) hineinragende Verlängerung (18) aufweist.1. A valve seat ring for a globe valve in a gas exchange duct, preferably an outlet duct of a cylinder head of an internal combustion engine provided with cooling ducts, wherein the valve seat ring has a basic body comprising its central longitudinal matter, to which a first delimitation plane associated with the combustion chamber and at a distance from it run a second delimitation plane, characterized in that that the valve seat ring ( 9 ) is cast into the cylinder head ( 1 ) and has an extension ( 18 ) extending from the second boundary plane (E 2 ) and projecting into the cylinder head ( 1 ).

2. Ventilsitzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verlängerung (18) in bezug auf die Mittellängsachse (Z) von der Begrenzungsebene (E2) aus kronenartig und konisch erweitert.2. Valve seat ring according to claim 1, characterized in that the extension ( 18 ) with respect to the central longitudinal axis (Z) from the limiting plane (E 2 ) from crown-like and conically widened.

3. Ventilsitzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner äußeren Ringfläche (13) eine oder mehrere axial beabstandete Einschnürungen (15, 16) aufweist.3. Valve seat ring according to claim 1, characterized in that it has on its outer annular surface ( 13 ) one or more axially spaced constrictions ( 15 , 16 ).

4. Ventilsitzring nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine benachbart der ersten Begrenzungsebene (E1) angeordnete Einschnürung (15) einen kleineren Durchmesser aufweist als eine im Bereich der Verlängerung (18) vorgesehene Einschnürung (16).4. Valve seat ring according to one or more of the preceding claims, characterized in that a constriction ( 15 ) arranged adjacent to the first boundary plane (E 1 ) has a smaller diameter than a constriction ( 16 ) provided in the region of the extension ( 18 ).

5. Ventilsitzring nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf seiner äußeren Ringfläche (13) ein als Verzahnungshaken wirkender Vorsprung (17) angeordnet ist.5. Valve seat ring according to claim 1 or 3, characterized in that on its outer annular surface ( 13 ) acting as a toothed hook projection ( 17 ) is arranged.

6. Ventilsitzring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß seine dem Brennraum (6) zugewandte, in der ersten Begrenzungsebene (E1) liegende Unterseite (11) eine Kreisringfläche ist, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der benachbarten Einschnürung (15).6. Valve seat ring according to claim 4, characterized in that its combustion chamber ( 6 ) facing in the first boundary plane (E 1 ) lying underside ( 11 ) is an annular surface whose inner diameter is smaller than the diameter of the adjacent constriction ( 15 ).

7. Ventilsitzring nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung (18) einen größeren Außendurchmesser aufweist, als der Vorsprung (17).7. Valve seat ring according to claim 1 and 5, characterized in that the extension ( 18 ) has a larger outer diameter than the projection ( 17 ).

8. Ventilsitzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung (18) zumindest auf einem Teil ihres Umfanges eng benachbart einem Kühlkanal (5) angeordnet ist.8. Valve seat ring according to claim 1, characterized in that the extension ( 18 ) is arranged closely adjacent to a cooling channel ( 5 ) at least on part of its circumference.