DE4328904C2 - Brennkraftmaschine mit einem abschnittsweise gekühlten Ventilsitzring - Google Patents

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.

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.

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.

Aus der DE 27 13 510 A1 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.

Weiters ist aus der DE 27 13 510 A1 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. Auch aus der Zeitschrift "Technische Rundschau Sulzer", 1977, Nr. 2, Seite 69 bis 77, sind derartige Ventilsitzkonstruktionen bekannt. Diese technologisch sehr aufwendigen Konstruktionen stellen jedoch hohe Anforderungen an die Hersteller.

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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit geringem Herstellungsaufwand eine abschnittweise Kühlung des Ventilsitzringes in thermisch hoch beanspruchten Bereichen zu ermöglichen.

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 Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erreicht. Fallweise entstehende und die Wärmeabfuhr behindernde Dampfblasen werden sofort weggespült.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Füllring aus zwei Teilen, wie durch Schweißen, fest zusammengefügt ist. Dies ermöglicht eine sehr rasche und einfache Herstellung und Montage des Füllringes.

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.

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 bis in den angrenzenden Steg hineinreichende Ausnehmungen aufweisen. Anstelle von Bohrungen im Steg oder Ausnehmungen im Flansch kann auch in einer herstellungsmäßig sehr einfachen Ausführung vorgesehen sein, daß die Flansche radial nach außen verformte Ausbuchtungen aufweisen. Während auftretende Dampfblasen durch die Öffnungen im oberen Flansch entweichen, kann durch die Öffnungen im unteren Flansch das Kühlmedium zufließen.

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.

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.

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.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf im Bereich eines Auslaßventiles nach der Linie I-I in Fig. 2 mit teilweise aufgeschnittenem Ventilsitzring,

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.

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.

Wie in Fig. 2 ersichtlich sind die beiden Teile 6′ und 6′′ des Füllringes 6 an den Fügestellen 13 zusammengeschweißt.

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.

Claims (9)

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.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Füllring (6) aus zwei Teilen (6′, 6′′), wie durch Schweißen, fest zusammengefügt ist.

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.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stege (6b) Bohrungen (7) aufweisen.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flansche (6a) bis in den an­ grenzenden Steg (6b) hineinreichende Ausnehmungen (8) aufweisen.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flansche (6a) radial nach außen verformte Ausbuchtungen (9) aufweisen.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Füllring (6) im Bereich der Flansche (6a) flüssigkeitsdicht mit dem Ventilsitzring (2) verschweißt ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Füllring (6) aus einem dünn­ wandigen metallischen Werkstoff besteht.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Füllring (6) aus nichtrostendem Stahl be­ steht.