DE4328904A1

DE4328904A1 - IC engine with sectional cooling of valve seat rings - has cooling duct reducing ring on central section of valve seat ring free w.r.t. cylinder head

Info

Publication number: DE4328904A1
Application number: DE19934328904
Authority: DE
Inventors: Erich Herzog; Wolfgang Kling
Original assignee: AVL List GmbH; AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2013-08-28
Also published as: AT404390B; ATA190492A; DE4328904C2

Abstract

Each IC engine exhaust valve seat ring (2) has a peripheral cooling duct in the centre section (2c). Concentrically to valve seat ring is fitted a filling ring (6), reducing the duct flow cross-section, and set free w.r.t. the cylinder head (1). Pref. the filling ring consists of two parts welded together. At its front side edge regions, the filling ring has cylindrical flanges coupled to a cylindrical web by conical or annular straps with bores. The flanges may have recesses, extending up to the adjacent strap. Alternatively they have radially outwards deformed curvatures. USE/ADVANTAGE - For IC engines with catalytic exhaust treatment. Provides for improved cooling in the thermally stressed regions.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem ab schnittsweise gekühlten Ventilsitzring pro Auslaßventil, mit einem außen in den mittleren Bereich des Ventilsitzringes ein gearbeiteten, umlaufenden Kühlkanal, wobei konzentrisch zum Ventilsitzring ein den Strömungsquerschnitt des Kühlkanales verkleinernder, Füllring vorgesehen ist.The invention relates to an internal combustion engine with a Sectionally cooled valve seat ring per outlet valve, with one outside in the middle area of the valve seat ring machined, circumferential cooling channel, being concentric to the Valve seat ring on the flow cross section of the cooling channel reducing, filling ring is provided.

Bei Brennkraftmaschinen, die zur katalytischen Nachbehandlung der Verbrennungsgase bei einer Luftüberschußzahl λ=1 betrie ben werden, treten insbesondere bei Vollast sehr hohe Brenn gastemperaturen zwischen 600° und 1000°C auf. Durch die hohen thermischen Belastungen ist eine Kühlung der Ventilsitze bzw. der Ventilsitzringe notwendig.In internal combustion engines, for catalytic aftertreatment the combustion gases at an excess air ratio λ = 1 operated ben, very high burning occurs especially at full load gas temperatures between 600 ° and 1000 ° C. By the high thermal loads is cooling of the valve seats or the valve seat rings necessary.

Auch bei mit Schweröl betriebenen Dieselmotoren treten durch die langsame Verbrennung hohe Abgastemperaturen und somit eine große thermische Belastung der entsprechenden Bauteile auf. Eine Kühlung des ganzen Ventilsitzringes ist aber unerwünscht, da die Gefahr besteht, daß sich am mehr oder weniger zylindri schen Teil des Ventilsitzringes bei zu starker Kühlung dessel ben Wasserdampf und Schwefeldioxid aus den Verbrennungsgasen niederschlagen und schwefelige Säure bilden. Die Kühlung sollte daher gezielt in den hoch beanspruchten Abschnitten des Ventilsitzringes erfolgen.Even with diesel engines operated with heavy oil the slow combustion high exhaust gas temperatures and thus one large thermal load on the corresponding components. Cooling the entire valve seat ring is undesirable, since there is a risk that more or less cylindri part of the valve seat ring if the valve is cooled too much ben steam and sulfur dioxide from the combustion gases precipitate and form sulphurous acid. The cooling should therefore be targeted in the highly stressed sections of the Valve seat ring.

Aus der DE-OS 27 13 510 ist eine Brennkraftmaschine der ein gangs genannten Art bekannt, bei der ein Ventilsitzring mit einem füllringartigen Teil umgeben wird, welcher zusammen mit dem Ventilsitzring einen wärmeisolierenden Hohlraum ein schließt. Dieser Füllring hat unter anderem die Aufgabe, die Dichtfunktion gegenüber dem Zylinderkopf zu übernehmen, wo durch die fertigungsgenaue Herstellung dieses Teiles entspre chend aufwendig ist.From DE-OS 27 13 510 is an internal combustion engine known type, in which a valve seat ring with a fillet-like part is surrounded, which together with a heat-insulating cavity in the valve seat ring closes. This filler ring has, among other things, the task of Sealing function against the cylinder head to take over where correspond to the precise manufacture of this part is expensive.

Weiters ist aus der DE-OS 27 13 510 eine andere Ausführungsva riante bekannt, bei der die Ventilsitzringe von Brennkraftma schinen abschnittsweise gekühlt werden, und die Ventilsitz ringe im zylindrischen Bereich doppelwandig ausgeführt sind, wobei ein zwischen den Wänden vorgesehener Spalt wärmeisolie rend wirkt, so daß eine zu starke Abkühlung der Innenwand des Ventilsitzringes durch den den Ventilsitzring umgebenden Kühl kanal verhindert wird. Diese technologisch sehr aufwendige Konstruktion stellt jedoch hohe Anforderungen an die Herstel ler.Furthermore, DE-OS 27 13 510 is another embodiment riante known in which the valve seat rings from Brennkraftma seem to be cooled in sections, and the valve seat rings are double-walled in the cylindrical area, wherein a gap between the walls provided thermal insulation rend acts, so that excessive cooling of the inner wall of the Valve seat ring by the cooling surrounding the valve seat ring channel is prevented. This is technologically very complex However, construction places high demands on the manufacturer ler.

Die Kühlung des Ventilsitzringes wird üblicherweise durch einen vom Kühlwasser mit ausreichend hoher Geschwindigkeit durchströmten Kühlkanal zwischen Ventilsitzring und Zy linderkopf durchgeführt. Dieser Kühlkanal wird am einfachsten durch maschinelle Aushöhlung des Ventilsitzringes erzeugt. Um mit dem Kühlwasser möglichst nahe an den Ventilsitz, also die Kontaktfläche zwischen Ventilsitzring und Hubventil, zu gelan gen, ist ein Hinterstechen des Befestigungsteiles des Sitzrin ges erforderlich. Durch den dazu notwendigen Freigang für das Bearbeitungswerkzeug wird der Strömungsquerschnitt des Kühlka nales größer als es zum Erreichen der gewünschten Strömungsge schwindigkeiten notwendig wäre. Dies hat zur Folge, daß einer seits die Wärme aus den thermisch hoch beanspruchten Bereichen des Ventilsitzringes unzureichend abgeleitet wird und entste hende Dampfblasen nicht weggespült werden. Andererseits werden die thermisch weniger beanspruchten Abschnitte im zylin drischen Bereich des Ventilsitzringes zu stark abgekühlt, was zur Kondensation der Verbrennungsgase führt.The cooling of the valve seat ring is usually done by one of the cooling water at a sufficiently high speed flowed through cooling channel between valve seat ring and Zy linderkopf performed. This cooling channel is the easiest generated by mechanical hollowing of the valve seat ring. Around with the cooling water as close to the valve seat as possible Contact area between valve seat ring and globe valve, too good gene, is a stabbing of the fastening part of the seat ring required. Through the necessary clearance for that Processing tool is the flow cross section of the Kühlka nales larger than it to achieve the desired flow Ge speed would be necessary. As a result, one on the one hand, the heat from the thermally highly stressed areas of the valve seat ring is insufficiently derived and arises steam bubbles cannot be washed away. On the other hand the thermally less stressed sections in the cylin drischer area of the valve seat ring cooled too much, what leads to the condensation of the combustion gases.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, und eine sehr einfach herzustellende Einrichtung zur ab schnittweisen Kühlung des Ventilsitzringes vorzuschlagen, mit welcher die Kühlung in den thermisch hoch beanspruchten Berei chen verbessert wird.The object of the invention is to avoid these disadvantages, and a very easy to manufacture device for to propose sectional cooling of the valve seat ring with which is the cooling in the thermally highly stressed area chen is improved.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der am mittle ren Bereich des Ventilsitzringes sitzende Füllring gegenüber dem Zylinderkopf freigestellt ist. Die Fertigung des Kühlkana les kann auf herkömmliche Weise durch Hinterstechen des Befe stigungsteiles des Ventilsitzringes erfolgen. Danach wird der Füllring in den Kühlkanal eingesetzt. Durch die Verkleinerung des Strömungsquerschnittes wird eine ausreichend hohe Strö mungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erreicht. Fallweise ent stehende und die Wärmeabfuhr behindernde Dampfblasen werden sofort weggespült.According to the invention this is achieved in that the most opposite area of the valve seat ring seated filling ring opposite the cylinder head is free. The manufacture of the cooling channel les can be done in a conventional way by stabbing the befe Tightening part of the valve seat ring. Then the Filling ring inserted in the cooling channel. By downsizing the flow cross-section becomes a sufficiently high flow cooling medium reached. Occasionally ent standing and heat dissipation vapor bubbles washed away immediately.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Füllring aus zwei Teilen, beispielsweise durch Schweißen, fest zusammengefügt ist. Dies ermöglicht eine sehr rasche und einfache Herstellung und Mon tage des Füllringes.It is preferably provided that the filler ring consists of two parts, for example by welding, is firmly joined together. This enables a very quick and easy production and Mon days of the filling ring.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß der Füllring an seinen stirnseitigen Randbereichen zylindri sche Flansche aufweist, welche über kegel- oder kreis ringförmige Stege mit dem zylinderförmigen Gurt verbunden sind. Der Füllring wird an den Flanschflächen, beispielsweise durch Punktschweißung, am Ventilsitzring befestigt.In a preferred embodiment it is provided that the filler ring is cylindrical at its front edge areas cal flanges, which over conical or circular annular webs connected to the cylindrical belt are. The filler ring is on the flange surfaces, for example fixed to the valve seat ring by spot welding.

Zur Entfernung eventueller Dampfblasen aus dem Füllraum zwi schen Füllring und Ventilsitzring kann vorgesehen sein, daß die Stege Bohrungen aufweisen. Die Entfernung von auftretenden Dampfblasen kann auch dadurch erreicht werden, daß die Flan sche, vorzugsweise bis in den angrenzenden Steg hineinrei chende, Ausnehmungen aufweisen. Anstelle von Bohrungen im Steg oder Ausnehmungen im Flansch kann auch in einer herstellungs mäßig sehr einfachen Ausführung vorgesehen sein, daß die Flan sche radial nach außen verformte Ausbuchtungen aufweisen. Wäh rend auftretende Dampfblasen durch die Öffnungen im oberen Flansch entweichen, kann durch die Öffnungen im unteren Flansch das Kühlmedium zufließen.To remove any steam bubbles from the filling space between Filling ring and valve seat ring can be provided that the webs have holes. The removal of occurring Steam bubbles can also be achieved in that the flan cal, preferably into the adjacent web appropriate recesses. Instead of holes in the web or recesses in the flange can also be manufactured moderately very simple design that the flan have radially outwardly deformed bulges. Wuh Steam bubbles appearing through the openings in the upper one Flange can escape through the openings in the bottom The coolant flows into the flange.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Füllring im Bereich der Flansche flüssigkeitsdicht mit dem Ventilsitzring verschweißt ist. Der zwischen Stegen, Gurt und Ventilsitzring ausgebildete Füllraum isoliert dabei den mitt leren, vorzugsweise zylindrischen, Bereich des Ventilsitzrin ges, so daß die Kondensation der Abgase am Ventilsitzring ver mieden wird. Der Füllraum kann mit Luft oder einem anderen Isolierstoff gefüllt sein.In an advantageous embodiment it is provided that the Filling ring in the area of the flanges with the Valve seat ring is welded. The between webs, belt and Valve seat ring designed filling space isolates the mitt leren, preferably cylindrical, area of the valve seat ges, so that the condensation of the exhaust gases ver on the valve seat ring is avoided. The filling space can be filled with air or another Insulation must be filled.

Vorzugsweise besteht der Füllring aus einem dünnwandigen me tallischen Werkstoff. Dies ermöglicht eine sehr unpro blematische und einfache Fertigung des Füllringes und eine si chere Fixierung am Ventilsitzring, beispielsweise durch Schweißnähte. Durch die sehr leichte Ausführung des Füllringes wird eine zu starke Belastung der Schweißnähte durch Träg heitskräfte als Folge der Vibrationen des Motors vermieden.The filler ring preferably consists of a thin-walled me metallic material. This enables a very unpro diagrammatic and simple manufacture of the filling ring and a si chere fixation on the valve seat ring, for example by Welds. Due to the very light design of the filling ring If the weld seams are subjected to excessive stress by the wearer forces due to the vibration of the engine avoided.

Zur Verhinderung einer Verminderung der vorteilhaften Wirkung des Füllringes mit der Betriebsdauer, z. B. durch Korrosion, ist vorgesehen, daß der Füllring aus nichtrostendem Stahl be steht.To prevent the beneficial effect from diminishing the filler ring with the operating time, e.g. B. by corrosion, it is intended that the filler ring be made of stainless steel stands.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:In the following, the invention is explained on the basis of embodiment tion examples explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf im Bereich eines Auslaßventiles nach der Linie I-I in Fig. 2 mit teilweise aufgeschnittenem Ventilsitzring, Fig. 1 shows a longitudinal section through a cylinder head in the region of an exhaust valve according to the line II in Fig. 2, partially cut-open valve seat ring

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Ventilsitzringes nach der Linie II-II in Fig. 1, die Fig. 3 bis 5 verschiedene Ausführungsvarianten des erfin dungsgemäßen Füllringes. Fig. 2 is a sectional view of a valve seat ring along the line II-II in Fig. 1, Fig. 3 to 5 different embodiments of the filler ring according to the Invention.

In Fig. 1 ist ein Ventilsitzring 2 in einem Zylinderkopf 1 dargestellt. Der Ventilsitzring 2 weist einen Befesti gungsteil 2a, einen das Auslaßventil 10 aufnehmenden Ventil sitz 2b und einen mittleren Bereich 2c auf. In den Ventil sitzring 2 ist ein Kühlkanal 3 eingearbeitet, wobei im Befe stigungsteil 2a ein Hinterstich 4 ausgeführt ist. Der Kühlka nal 3 besitzt eine Strömungsverbindung zur Einlaßöffnung 5a und zur Auslaßöffnung 5b des Kühlmediums. Im Kühlkanal 3 ist der erfindungsgemäße Füllring 6 vorgesehen, der zusammen mit dem mittleren Bereich 2c des Ventilsitzringes 2 einen Füll raum 12 einschließt, wodurch der nutzbare Strömungsquerschnitt des Kühlkanales 3 deutlich vermindert wird. Die Pfeile 5 deu ten die Strömungswege des Kühlmediums von der Ein trittsöffnung 5a in den Kühlkanal 3, sowie vom Kühlkanal 3 zur Austrittsöffnung 5b an. Ventilsitzring 2, Füllring 6 und Aus laßventil 10 sind konzentrisch um die geometrische Längsachse 11 angeordnet. Mit 14 ist ein Dichtring des Ventil sitzringes gekennzeichnet.In Fig. 1, a valve seat ring 2 is shown in a cylinder head 1. The valve seat ring 2 has a fastening part 2 a, an exhaust valve 10 receiving valve seat 2 b and a central region 2 c. In the seat ring 2, a cooling passage 3 is incorporated, wherein a is an undercut 4 running in BEFE stigungsteil. 2 The Kühlka channel 3 has a flow connection to the inlet opening 5 a and the outlet opening 5 b of the cooling medium. In the cooling channel 3 , the filling ring 6 according to the invention is provided, which together with the central region 2 c of the valve seat ring 2 includes a filling space 12 , whereby the usable flow cross section of the cooling channel 3 is significantly reduced. The arrows 5 deu th the flow paths of the cooling medium from the inlet opening 5 a in the cooling channel 3 , and from the cooling channel 3 to the outlet opening 5 b. Valve seat ring 2 , filling ring 6 and from lassventil 10 are arranged concentrically around the geometric longitudinal axis 11 . With 14 a sealing ring of the valve seat ring is marked.

Wie in Fig. 2 ersichtlich sind die beiden Teile 6′ und 6′′ des Füllringes 6 an den Fügestellen 13 zusammengeschweißt. As can be seen in Fig. 2, the two parts 6 'and 6 ''of the filler ring 6 are welded together at the joints 13 .

Der Füllring 6 besteht - wie in Fig. 3 gezeigt - aus Flan schen 6a, Stegen 6b und einem Gurt 6c. Damit im mit dem Kühl medium gefüllten Füllraum 12 auftretende Dampfblasen leicht entweichen können, sind sowohl im unteren, als auch im oberen Steg 6b entlang dem Umfang Bohrungen 7 vorgesehen. Statt den Bohrungen 7 können auch Ausnehmungen 8 in den Flanschen 6a, welche bis in die Stege 6b reichen, vorgesehen sein, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Fig. 5 zeigt eine Ausfüh rungsvariante, bei der die Flansche 6a in radialer Richtung nach außen verformte Ausbuchtungen 9 aufweisen, welche ebenso zur Abfuhr der Dampfblasen dienen.The filler ring 6 consists - as shown in Fig. 3 - of flanges 6 a, webs 6 b and a belt 6 c. So that steam bubbles occurring in the cooling medium filled filling chamber 12 can easily escape, bores 7 are provided along the circumference in both the lower and the upper web 6 b. Instead of the holes 7 , recesses 8 can also be provided in the flanges 6 a, which extend into the webs 6 b, as shown in FIG. 4. Fig. 5 shows an embodiment approximately Ausfüh, in which the flanges 6 a in the radial direction outwardly deformed bulges 9 , which also serve to remove the vapor bubbles.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit einem abschnittsweise gekühlten Ventilsitzring pro Auslaßventil, mit einem außen in den mittleren Bereich des Ventilsitzringes eingearbeiteten, umlaufenden Kühlkanal, wobei konzentrisch zum Ventil sitzring ein den Strömungsquerschnitt des Kühlkanales ver kleinernder, Füllring vorgesehen ist, dadurch gekennzeich net, daß der am mittleren Bereich (2c) des Ventilsitzrin ges (2) sitzende Füllring (6) gegenüber dem Zylinder kopf (1) freigestellt ist.1.Internal combustion engine with a sectionally cooled valve seat ring per outlet valve, with a circumferential cooling channel incorporated into the outside of the central area of the valve seat ring, concentric with the valve seat ring, a flow cross section of the cooling channel ver reducing, filler ring is provided, characterized in that the middle Area ( 2 c) of the valve seat ring ( 2 ) seated filler ring ( 6 ) relative to the cylinder head ( 1 ) is free.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Füllring (6) aus zwei Teilen (6′, 6′′), bei spielsweise durch Schweißen, fest zusammengefügt ist.2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the filling ring ( 6 ) from two parts ( 6 ', 6 ''), for example by welding, is firmly joined.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Füllring (6) an seinen stirnseitigen Randbereichen zylindrische Flansche (6a) aufweist, welche über kegel- oder kreisringförmige Stege (6b) mit dem zy linderförmigen Gurt (6c) verbunden sind.3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the filler ring ( 6 ) has at its front edge regions cylindrical flanges ( 6 a), which over conical or annular webs ( 6 b) with the zy-cylindrical belt ( 6 c ) are connected.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Stege (6b) Bohrungen (7) aufweisen.4. Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that the webs ( 6 b) have bores ( 7 ).

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Flansche (6a), vorzugsweise bis in den an grenzenden Steg (6b) hineinreichende, Ausnehmungen (8) aufweisen.5. Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that the flanges ( 6 a), preferably up to the adjacent web ( 6 b) extending into, recesses ( 8 ).

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Flansche (6a) radial nach außen verformte Ausbuchtungen (9) aufweisen.6. Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that the flanges ( 6 a) have radially outwardly deformed bulges ( 9 ).

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Füllring (6) im Bereich der Flansche (6a) flüssigkeitsdicht mit dem Ventilsitzring (2) verschweißt ist. 7. Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that the filler ring ( 6 ) in the region of the flanges ( 6 a) is welded liquid-tight to the valve seat ring ( 2 ).

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß der Füllring (6) aus einem dünn wandigen metallischen Werkstoff besteht.8. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the filler ring ( 6 ) consists of a thin-walled metallic material.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß der Füllring (6) aus nichtrostendem Stahl be steht.9. Internal combustion engine according to claim 8, characterized in that the filler ring ( 6 ) is made of stainless steel be.