WO2024088604A1 - Valve with sealing surface and valve seat ring with valve seat surface having a hydrophilic structure - Google Patents

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WO2024088604A1
WO2024088604A1 PCT/EP2023/066944 EP2023066944W WO2024088604A1 WO 2024088604 A1 WO2024088604 A1 WO 2024088604A1 EP 2023066944 W EP2023066944 W EP 2023066944W WO 2024088604 A1 WO2024088604 A1 WO 2024088604A1
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WO
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valve
valve seat
recesses
seat ring
sealing surface
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/066944
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thorsten MATTHIAS
Fernando Arias
Olaf Josef
Original Assignee
Federal-Mogul Valvetrain Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F01L3/04—Coated valve members or valve-seats
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2810/00—Arrangements solving specific problems in relation with valve gears
    • F01L2810/01—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/01—Absolute values

Definitions

  • the present invention relates to poppet valves of internal combustion engines which are used to seal a combustion chamber.
  • a valve and a valve seat ring with a structured surface in the area of the respective sealing surface are used.
  • valve seat ring is defined as the component that comprises a sealing surface of a poppet valve in a cylinder head.
  • the truncated cone-shaped sealing surface of the valve seat ring is hereinafter referred to simply as the "valve seat”.
  • sealing surface is used hereinafter in the sense of "valve sealing surface” to refer to the truncated cone-shaped sealing surface of a poppet valve body, whereby this surface is generally also referred to as the valve cone surface or valve seat. These terms were chosen to achieve clarity as to whether a surface is assigned to the valve seat or the valve body.
  • the sealing surface and the valve seat each describe the envelope of the surfaces that come to rest on one another when the valve is closed, and therefore not an entire truncated cone surface on the valve or the valve seat ring
  • poppet valve is used for the poppet valve body in order to make the description more concise.
  • the poppet valve body together with the cylinder head, the valve seat, the valve spring and the valve train form a valve in the design of a poppet valve.
  • the present invention relates to a poppet valve, more particularly to a poppet valve body with a valve stem, a valve divider, a valve base and a sealing surface on a valve head which has a truncated cone shape, wherein the valve stem is provided with a receptacle for connection to a valve spring at an end opposite the valve plate.
  • poppet valve is used to refer to a poppet valve body.
  • a poppet valve with the features of claim 1 is provided.
  • a poppet valve or a poppet valve body is provided with a sealing surface on the valve head, which is provided with depressions.
  • the sealing surface of conventional poppet valves is designed to be as smooth as possible in order to reduce wear by reducing the possibility of rough surface components getting caught on one another.
  • the present invention is based on the assumption that the impact of the sealing surface of the valve on the valve seat surface leads to an impulse load, which is largely responsible for wear of the valve.
  • the surface of the sealing surface with depressions in which liquid and solid deposits can collect, which are intended to form a film that can dampen the impact of the valve during the closing process and when the fuel-air mixture in the combustion chamber is ignited.
  • the depressions are intended to create a reservoir in which material can be deposited on the one hand, and from which a film can form that extends over the entire sealing surface and can at least reduce the peak load during a closing process.
  • the poppet valve is designed as an internally cooled poppet valve.
  • a valve seat ring is provided with a valve seat or a valve seat sealing surface for contact with a poppet valve, which is provided with recesses.
  • the principle is here in Essentially the same as the sealing surface of the poppet valve, except that it is used in the area of the valve seat ring, which, because it is better cooled, also promises better formation of a liquid film or fluid film.
  • the depressions (6) on the sealing surface or the valve seat are arranged in a two-dimensional arrangement.
  • This also applies to a rectified development of the sealing surface or the valve seat in a plane of a Euclidean space.
  • not only a linear arrangement of depressions is required, but in particular one in which the depressions (or the area centroids of the depressions) cannot be mapped onto a line.
  • This embodiment relates to a distribution of depressions (the area centroids of which) can only be mapped onto one surface in a unique manner.
  • a poppet valve or a valve seat ring is provided, the depressions of which are flat, wherein a ratio between a square of a greatest depth of the depression and an area of the depression is between 10 and 1,000,000, preferably between 100 and 100,000, and further between 1,000 and 10,000.
  • a ratio between a square of a greatest depth of the depression and an area of the depression is between 10 and 1,000,000, preferably between 100 and 100,000, and further between 1,000 and 10,000.
  • the most general definition possible for "flat” was sought, which can be applied independently of the actual dimensions and a measurement system.
  • the surface area occupied by a depression on the sealing or valve seat surface is compared with the square of the greatest depth to the surface.
  • the recesses have a depth between 0.5 ⁇ m and 12 ⁇ m, preferably between 1.0 ⁇ m and 8 ⁇ m and more preferably between 1.5 ⁇ m and 5 ⁇ m.
  • the recesses can have a surface area between 1 and 40%, preferably between 2 and 30% and more preferably between 5 and 20% of the sealing surface or the valve seat surface.
  • the recesses are arranged regularly on the sealing surface or the valve seat.
  • the recesses form a regular grid in order to ensure uniform surface pressure and to form a uniform film of liquid or deposit.
  • a uniform grid is also considered uniform here if it has only been created by distorting a uniform grid to adapt to the shape of the cone.
  • Grids that do not have rotational symmetry should also be considered uniform here, since, for example, a hexagonal grid can be spirally offset at the seam of the cone, so that rotational symmetry is not possible even with a regular grid.
  • the grid can be designed spirally as a grid on a circular cylinder surface and then distorted according to the surface of a truncated cone.
  • the recesses are arranged irregularly on the sealing surface or the valve seat.
  • a random arrangement of the recesses can be achieved by a random arrangement of each recess as such. It is also possible to provide grid points of a regular grid with random deviations in terms of direction and distance from an exact grid point.
  • the arrangement of the recesses does not have any rotational symmetry.
  • a spiral-shaped regular grid on a cylinder can be selected, in which the grid is only shifted by one cell, the grid is wound onto the cylinder at an angle, so to speak, and pure rotational symmetry without an offset in the axial direction is therefore not possible.
  • the area ratio between the area of the depressions and the area of the sealing surface in the circumferential direction is between 0.5 and 20%, preferably between 1 and 10% and more preferably between 2 and 5%.
  • This ratio refers to the area of the sum of all depressions in the sealing surface or the valve seat surface to the envelope of the sealing surface or the valve seat surface.
  • the envelope here refers to the entire truncated cone surface including the depressions (or in a state without the depressions).
  • the recesses are designed as circular recesses and/or elliptical and/or linear recesses and/or arcuate recesses. It is intended to use a combination of circular and arcuate recesses. It is also intended to use curved recesses. It is particularly It is intended to use channels or depressions that extend in the circumferential direction. An angular extension of depressions that extend in the circumferential direction is preferably smaller than an angular rotation that is carried out by a valve rotating device per valve stroke. It is also intended to use depressions that extend at least partially in the circumferential direction in a curve or a sine curve.
  • Another exemplary embodiment of the poppet valve is provided with a circumferential recess which is arranged adjacent to the sealing surface. This circumferential recess is provided on the combustion chamber side of the poppet valve.
  • valve seat ring is provided with a circumferential recess which is arranged adjacent to the valve seat surface. This circumferential recess is provided on the combustion chamber side of the valve seat surface.
  • the recess of these embodiments is not sealed against the combustion chamber and is intended to fulfil the function of the top land on a piston of an internal combustion engine, which is intended to cool the combustion gases before they hit the sealing gap in order to reduce chemical corrosion.
  • the recesses are made by shot peening.
  • balls are thrown or shot at the sealing surface or the valve seat surface at high speed, on the one hand to leave impressions and on the other to achieve local work hardening of the material.
  • the depressions are arranged according to an aperiodic tiling.
  • the depressions are each arranged in the middle of a type of tile that corresponds to a Penrose tiling.
  • Aperiodic tiling can achieve a non-rotationally symmetrical distribution of the depressions. It is also possible to implement a tiling using polygonal depressions in order to achieve an essentially constant web width. Such tiling can by embossing or knurling with appropriate rollers into the surface of the sealing surface or the valve seat surface.
  • the recesses of the poppet valve or the valve seat ring are not provided with a coating.
  • the sealing surface is not provided with a coating.
  • the valve seat surface is not provided with a coating.
  • the depressions are arranged in the middle of a type of tile, which corresponds to a Penrose tiling.
  • Aperiodic tiling can achieve a non-rotationally symmetrical distribution of the depressions. It is also possible to create a tiling using polygonal depressions in order to achieve an essentially constant web width. Such tiling can be introduced into the surface of the sealing surface or the valve seat surface by embossing or knurling with appropriate rollers.
  • a cylinder head is provided with a valve seat ring as described above, wherein the cylinder head is further provided with valve rotating devices. Only in combination with a valve rotating device can the recesses perform their function correctly, since otherwise there is a risk that the profile of the valve seat surface is transferred to a sealing surface of a valve and forms a complementary profile there. In such a case, if the valve were to twist even a little, it would lead to an air gap which could lead to the sealing surface or the valve seat surface burning out.
  • a cylinder head is provided with one of the valve bodies described above, wherein the cylinder head is further provided with valve rotating devices.
  • part of the valve seat surface and part of the sealing surface are provided with depressions, wherein these two types of depressions should be arranged spatially (axially or radially) separated from one another. It is also possible to arrange depressions of different sizes in the valve seat surface and the sealing surface, wherein one type of depression must be smaller than a web width between the depressions of the other component.
  • the cylinder head can be provided with one of the valve bodies described above as well as with one of the above valve seat rings, wherein it is preferred that the depressions are staggered in the radial direction in such a way that overlapping Indentations can lead to leaks.
  • it is intended to provide only a radially outer part of the valve seat with indentations and to combine such a valve seat ring with a valve body which has indentations only in a radially inner part.
  • an engine having any of the cylinder heads described above is provided.
  • Figure 1 shows a conventional poppet valve of an internal combustion engine.
  • Figure 2 shows a conventional poppet valve of an internal combustion engine in contact with a valve seat ring.
  • Figure 3 shows a conventional valve seat ring of an internal combustion engine.
  • Figures 4A to 4E show a possible mapping of a rectangular surface on a conical surface.
  • Figures 5A to 5D illustrate another possible representation of a rectangular surface with depressions arranged in a dot grid on a conical surface.
  • Figures 6A to 6C show an image of a regular point grid on the surface of a cone, where the grid has no rotational symmetry.
  • Figures 7A to 7H show various grids and arrangements of recesses that can be mapped onto a conical surface of a sealing surface of a poppet valve or a poppet valve body 2 or onto the valve seat surface of a valve seat ring.
  • Figures 8A to 8C show enlarged sections of a sealing gap between different designs of poppet valves 2 and valve seat rings.
  • Figure 9 shows an enlarged detail of an internal combustion engine with a cylinder head.
  • Figure 1 shows a poppet valve 2 of an internal combustion engine.
  • the poppet valve 2 comprises a valve head 30, which has a valve base 56 on the combustion chamber side and tapers on the side of an intake/exhaust duct and merges into a valve stem 34. Between the valve stem 34 and the valve base 56, the valve has a valve sealing surface 32 on the valve head 30.
  • the valve stem 34 runs into a valve stem end 36, on which an engagement structure 40 for a valve spring or a valve spring cover or a valve rotating device is provided, which are usually attached to the engagement structure 40 by means of conical pieces.
  • the most important aspect of the present invention cannot be seen on this scale, namely a structuring of the sealing surface 32 of the valve 2.
  • Figure 1 is therefore referred to as belonging to the prior art, since the feature essential to the invention cannot be seen here.
  • Figure 2 shows a conventional poppet valve 2 of an internal combustion engine in contact with a valve seat ring.
  • the poppet valve 2 of Figure 1 is shown installed in a cylinder head 60, wherein the valve 2 is guided by valve guides 48 in the cylinder head 60 and can execute a downward movement directed against a spring force of a valve spring (not shown) in order to connect a combustion chamber with a tapered intake/exhaust duct 62 in the cylinder head 60.
  • Figure 2 shows the valve in a closed position, wherein the sealing surface 32 of the valve 2 rests on the valve seat or a valve seat surface of a valve seat ring 10.
  • the valve seat ring 10 is embedded or pressed into the cylinder head.
  • Figure 2 is also referred to as belonging to the prior art, since the feature essential to the invention cannot be seen here either.
  • Figure 3 shows a conventional valve seat ring 10 of an internal combustion engine.
  • Figure 2 serves to show the position of the valve seat or the sealing surface of the valve seat or the valve seat surface 8 of the valve seat ring 10 of Figure 2.
  • Figure 3 is also marked as prior art, since here too, due to the scale, no feature essential to the invention is shown.
  • Figures 4A to 4E show a possible mapping of a rectangular surface onto a truncated cone surface.
  • the present invention relates to a sealing surface of a valve or a disk valve 2 or a valve seat ring. It seems extremely cumbersome to describe the arrangement of points or depressions on a cone or truncated cone surface, whereas arrangements, in particular uniform grids and lattices in a plane, are clearly defined.
  • the rectangle in Figure 4A can be made into a trapezoidal shape by a simple trapezoidal distortion, with the two parallel sides having a length that corresponds to the respective circumferences of the cone's surface.
  • the height of the trapezoid should correspond to the corresponding dimension of the cone's surface. This first distortion creates a distorted arrangement, which, however, maintains most of the relevant parameters of the arrangement.
  • Figure 4C shows another mapping of the trapezoid onto a ring segment, where the lengths of the outer boundaries can be maintained.
  • the flat ring segment corresponds to a development of a cone shell in a plane.
  • Figure 4D shows a top view of the ring segment of Figure 4C, which is bent into a cone.
  • the width of the ring appears reduced due to the perspective from above, but this is due to the fact that a three-dimensional conical surface is viewed from above
  • Figure 4E shows the conical surface of Figure 4C, where the two blunt ends have been connected.
  • Figures 5A to 5D show further possibilities for mapping a grid or an arrangement of a rectangle in a plane onto a cone shell.
  • Figure 5A shows a lattice that forms unit cells. In each of the unit cells there is a circular depression.
  • the grid shown is symmetrical and uniform and has a rotational symmetry of 90°.
  • Figure 5D shows a representation of the cylinder shell of Figure 5D distorted into a conical shell, which can correspond to the sealing surface of a poppet valve 2 or a valve seat ring.
  • Figures 6A to 6C correspond essentially to Figures 5A to 5C, with an example being given of how a lattice with a high degree of symmetry with translational and rotational symmetry can be mapped onto a surface that has no symmetry whatsoever.
  • Figure 6A is based on a parallelogram surface that has the same area and the same height as the rectangular surface of Figure 5A.
  • Figure 6A is also based on the same grid or the same arrangement of the recesses 6 as Figure 5A.
  • the parallelogram of Figure 6A is not parallel to all edges of the parallelogram.
  • all recesses 6 that are too close to an edge of the parallelogram are only shown as dots.
  • Figure 6B Figure 6A has been rotated so that the long sides of the parallelogram are horizontal, causing the grid to now be slanted.
  • Figures 7A to 7H show various grids and arrangements of recesses 6 which can be imaged on a conical surface of a sealing surface of a poppet valve 2 or on the valve seat surface of a valve seat ring according to Figures 4A to 6C.
  • an irregular or random arrangement of round or oval depressions 6 is proposed.
  • the depressions 6 can be created randomly, for example by shot peening, whereby only a low shot peening density should be used in order to prevent the formation of channels in the axial direction.
  • Such an arrangement can also be calculated using other more or less random parameters and then, provided the random pattern shows a sufficiently uniform distribution of the depressions 6, transferred to a sealing surface of a poppet valve or a valve seat surface by means of embossing or machining.
  • Figure 7B shows a grid of recesses 6, with elongated recesses 6 being arranged regularly on a square surface.
  • a circumferential recess 24 is arranged on a lower side of the rectangle, which later extends in a ring shape around the sealing surface or the valve seat surface.
  • Figure 7C shows an arrangement of several circumferential parallel depressions 24, in particular no webs running in the radial or axial direction, which means that this grid can be used particularly well without a valve turning device.
  • the depressions 6 here do not run in a spiral shape but rather parallel in a plane in order to avoid spiral-shaped burning out of the valve sealing surfaces.
  • Figure 7D shows an arrangement of several curved channels. It is also intended to choose a more random arrangement of the channels. It can also be intended to arrange the channels flatter in order to avoid possible gas flows in the radial / axial direction as far as possible.
  • Figure 7E shows an arrangement of several curved channels and round Recesses 6 in a regular arrangement.
  • an even distribution of the cavities on the sealing surface can be achieved by appropriate design.
  • Figure 7F shows a regular honeycomb-shaped arrangement of hexagonal depressions 6.
  • This design has the advantage that a substantially uniform web width can be achieved between the depressions 6. It is also possible to design this arrangement in a spiral shape according to Figures 6A to 6C and thus combine a very uniform surface structure with a surface that has no rotational symmetry.
  • the relatively small web width can ensure that the structure produces a hydrophilic (or fluidophilic) property over the entire surface, since a liquid can precipitate in the depressions 6 essentially anywhere on the surface.
  • Figure 7G shows an embodiment in which a distribution of the round depressions 6 is based on a so-called Penrose tiling.
  • a Penrose tiling is aperiodic and can also be carried out without rotational symmetry.
  • Two different types of diamond-shaped tiles are laid out on a flat surface in such a way that the resulting tiling forms a pentagonal tiling.
  • a center point of a type of tile can then be selected as a position for a round or oval depression 6, for example. In this way, a uniform but irregular distribution of depressions 6 can be achieved, which on the one hand can avoid rotational symmetry and on the other hand can prevent the distribution from having large gaps or too small distances between the depressions 6.
  • Figures 8A to 8C show enlarged sections of a sealing gap between different designs of poppet valves 2 and valve seat rings 10.
  • Figure 8 A shows a valve seat ring 10 which is in contact with a closed valve 2, wherein a circumferential recess 24 is arranged on the valve seat 8 or the valve seat surface, which is in contact with the combustion chamber via a gap even when the valve is closed.
  • the circumferential recess 24 serves to absorb a small part of the combustion gases and to condense part of the fuel and part of the lubricant which are in the combustion gases. This creates a small liquid reservoir from which the contact surfaces between the sealing surface and the valve seat surface or the valve seat 8 can be wetted during an opening process and which can dampen the impact of the sealing surface of the valve on the valve seat 8 during the next closing process at least to the extent that a Wear is significantly reduced.
  • valve seat ring 10 also has a recess 6 which is not connected to the combustion chamber when the valve is closed.
  • the recess 6 can also absorb and hold liquid components of the combustion gases in order to form a fluid film on the valve seat 8 when the valve is opened.
  • Figure 8B shows an embodiment corresponding to Figure 8A, whereby the sealing surface of the valve is provided with the recesses 6 and the circumferential recess 24.
  • Figure 8C shows a combination of the valve seat ring 10 of Figure 8A with the valve 2 of Figure 8B.
  • both components have both the recesses 6 and the circumferential recess 24.
  • FIG. 9 shows an enlarged detail of an internal combustion engine 64 with a cylinder head 60.
  • a poppet valve 2 or poppet valve body is arranged in the cylinder head 60 and is mounted in the cylinder head in the axial direction by a cylinder head guide 48.
  • the wedge pieces and the spring plate as well as the valve spring are not shown here, which are arranged between a valve stem end and the valve rotating device 72, nor are the camshaft and any valve tappets or rocker arms that may be present.
  • the valve 2 closes off a combustion chamber 66 from an intake/exhaust channel 62, with a sealing surface of the valve pressing against the valve seat of the valve seat ring 10.
  • the cylinder head 60 is sealed by a cylinder head gasket against a cylinder liner 68 which is inserted into an engine block 70.
  • the other components of the internal combustion engine such as an injection system, a carburetor, a piston with a crankshaft, an oil pump, a camshaft and the like, are known to those skilled in the art and have been omitted from the view of the engine.
  • either the sealing surface of the valve body 2 and/or the valve seat of the valve seat ring 10 is provided with the recesses.

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Abstract

The invention relates to a poppet valve body (2) with a sealing surface (4) on a valve disk, the sealing surface (4) being provided with recesses (6).

Description

Ventil mit Dichtfläche und Ventilsitzring mit Ventilsitzfläche mit einer hydrophilen Struktur Valve with sealing surface and valve seat ring with valve seat surface with a hydrophilic structure
Die vorliegende Erfindung betrifft Tellerventile von Verbrennungsmotoren, die zur Abdichtung einen Brennraums Verwendung finden. Hier wird ein Ventil und ein Ventilsitzring mit einer strukturierten Oberfläche im Bereich der jeweiligen Dichtfläche eingesetzt. The present invention relates to poppet valves of internal combustion engines which are used to seal a combustion chamber. Here, a valve and a valve seat ring with a structured surface in the area of the respective sealing surface are used.
Durch einen verbesserten Rostschutz steigt die Verwendbarkeitsdauer von Fahrzeugen. Um zu verhindern, dass die Motoren der die Betriebszeit begrenzende Faktor bei einem Betrieb eines Fahrzeugs werden, muss der Verschleiß insbesondere von kritischen Komponenten begrenzt werden. Die Ventile eines Verbrennungsmotors sind dabei einer besonders hohen Belastung ausgesetzt. Früher wurden die Dichtflächen von Tellerventilen durch Bleioxidablagerungen aus Rückständen von Tetraetylblei geschützt, was inzwischen durch die Verwendung von gehärteten Dichtflächen und Ventilsitzen nicht mehr notwendig ist. Bei den gestiegenen Betriebszeiten von Verbrennungsmotoren kann es sein, dass die herkömmliche Härtung oder Panzerung von Ventildichtflächen nicht mehr ausreicht, um einen sicheren Betrieb über die gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs gewährleisen zu können; daher ist es inzwischen wünschenswert, die Lebensdauer von Tellerventilen von Verbrennungsmotoren zu erhöhen. Improved rust protection increases the service life of vehicles. To prevent engines from becoming the factor limiting the operating time of a vehicle, wear and tear, particularly on critical components, must be limited. The valves of an internal combustion engine are subject to particularly high levels of stress. In the past, the sealing surfaces of poppet valves were protected by lead oxide deposits from residues of tetraethyl lead, but this is no longer necessary thanks to the use of hardened sealing surfaces and valve seats. With the increased operating times of internal combustion engines, the conventional hardening or armoring of valve sealing surfaces may no longer be sufficient to guarantee safe operation over the entire service life of a motor vehicle; it is therefore now desirable to increase the service life of poppet valves in internal combustion engines.
Im Folgenden wird der Begriff „Ventilsitzring“ als die Komponente definiert, die eine Dichtfläche eines Tellerventils in einem Zylinderkopf umfasst. Die kegelstumpfmantelförmige Dichtfläche des Ventilsitzring wird im Folgenden einfach als „Ventilsitz“ bezeichnet. Der Begriff „Dichtfläche“ wird im Folgenden im Sinne von „Ventildichtfläche“ verwendet, um die kegelstumpfmantelförmige Dichtfläche eines Tellerventilkörpers zu bezeichnen, wobei diese Fläche im Allgemeinen auch als Ventilkegelfläche oder Ventilsitz bezeichnet wird. Diese Bezeichnungen wurden gewählt, um Klarheit darüber zu erreichen, ob eine Fläche nun dem Ventilsitz oder dem Ventilkörper zugeordnet ist. Die Dichtfläche und der Ventilsitz beschreiben jeweils die Einhüllenden der Flächen, die bei einem geschlossenen Ventil aufeinander zu liegen kommen, und damit nicht eine gesamte Kegelstumpfmantelfläche an dem Ventil oder dem Ventilsitzring In the following, the term "valve seat ring" is defined as the component that comprises a sealing surface of a poppet valve in a cylinder head. The truncated cone-shaped sealing surface of the valve seat ring is hereinafter referred to simply as the "valve seat". The term "sealing surface" is used hereinafter in the sense of "valve sealing surface" to refer to the truncated cone-shaped sealing surface of a poppet valve body, whereby this surface is generally also referred to as the valve cone surface or valve seat. These terms were chosen to achieve clarity as to whether a surface is assigned to the valve seat or the valve body. The sealing surface and the valve seat each describe the envelope of the surfaces that come to rest on one another when the valve is closed, and therefore not an entire truncated cone surface on the valve or the valve seat ring
Im Folgenden wird der Begriff Tellerventil für den Tellerventilköper verwendet, um die Beschreibung knapper gestalten zu können. Im Prinzip bildet der Tellerventilköper zusammen mit dem Zylinderkopf, dem Ventilsitz, der Ventilfeder und dem Ventiltrieb zusammen ein Ventil in der Bauform eines Tellerventils In the following, the term poppet valve is used for the poppet valve body in order to make the description more concise. In principle, the poppet valve body together with the cylinder head, the valve seat, the valve spring and the valve train form a valve in the design of a poppet valve.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tellerventil, spezieller einen Tellerventil-Körper mit einem Ventilschaft, einem Ventilteiler, einem Ventilboden und einer Dichtfläche an einem Ventilkopf, die eine Kegelstumpfmantelförmige Gestalt aufweist, wobei der Ventilschaft an einem dem Ventilteller gegenüberliegenden Ende mit einer Aufnahme zur Verbindung mit einer Ventilfeder versehen ist. Im Folgenden wird der Begriff Tellerventil verwendet, um auf einen Tellerventilkörper Bezug zu nehmen. The present invention relates to a poppet valve, more particularly to a poppet valve body with a valve stem, a valve divider, a valve base and a sealing surface on a valve head which has a truncated cone shape, wherein the valve stem is provided with a receptacle for connection to a valve spring at an end opposite the valve plate. In the following, the term poppet valve is used to refer to a poppet valve body.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Tellerventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Hier wird ein Tellerventil bzw. ein Tellerventilkörper mit einer Dichtfläche am Ventilkopf bereitgestellt, die mit Vertiefungen versehen ist. Die Dichtfläche herkömmlicher Tellerventile ist möglichst glatt ausgeführt, um einen Verschleiß zu verringern, indem die Möglichkeit, dass sich raue Oberflächenkomponenten miteinander verhaken können verringert wird. Die vorliegende Erfindung geht nun davon aus, dass der Aufprall der Dichtfläche des Ventils auf der Ventilsitzfläche zu einer Impulsbelastung führt, die wesentlich für einen Verschleiß des Ventils verantwortlich ist. Es wird daher vorgeschlagen, die Oberfläche der Dichtfläche mit Vertiefungen zu versehen, in denen sich flüssige und feste Ablagerungen ansammeln können, die einen Film bilden sollen, der den Aufprall des Ventils beim Schließvorgang und beim Zünden des Treibstoff-Luftgemischs im Brennraum dämpfen kann. Grundlegend ist hier vorgesehen durch die Vertiefungen ein Reservoir zu schaffen, in dem sich einerseits Material ablagem kann, und aus dem sich ein Film bilden kann, der sich über die gesamte Dichtfläche erstreckt und bei einem Schließvorgang zumindest die Spitzenbelastung verringern kann. According to a first aspect of the present invention, a poppet valve with the features of claim 1 is provided. Here, a poppet valve or a poppet valve body is provided with a sealing surface on the valve head, which is provided with depressions. The sealing surface of conventional poppet valves is designed to be as smooth as possible in order to reduce wear by reducing the possibility of rough surface components getting caught on one another. The present invention is based on the assumption that the impact of the sealing surface of the valve on the valve seat surface leads to an impulse load, which is largely responsible for wear of the valve. It is therefore proposed to provide the surface of the sealing surface with depressions in which liquid and solid deposits can collect, which are intended to form a film that can dampen the impact of the valve during the closing process and when the fuel-air mixture in the combustion chamber is ignited. Basically, the depressions are intended to create a reservoir in which material can be deposited on the one hand, and from which a film can form that extends over the entire sealing surface and can at least reduce the peak load during a closing process.
In einer Ausführungsform des Tellerventils ist das Tellerventil als innengekühltes Tellerventil ausgeführt. In one embodiment of the poppet valve, the poppet valve is designed as an internally cooled poppet valve.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilsitzring mit einem Ventilsitz bzw. einer Ventilsitzdichtfläche für einen Kontakt mit einem Tellerventil bereitgestellt, der bzw. die mit Vertiefungen versehen ist. Das Prinzip ist hier im Wesentlichen das gleiche wie bei der Dichtfläche des Tellerventils, nur dass es im Bereich des Ventilsitzrings verwendet wird, der dadurch, dass er besser gekühlt ist, auch eine bessere Bildung eines Flüssigkeitsfilms oder eines Fluidfilms verspricht. According to another aspect of the present invention, a valve seat ring is provided with a valve seat or a valve seat sealing surface for contact with a poppet valve, which is provided with recesses. The principle is here in Essentially the same as the sealing surface of the poppet valve, except that it is used in the area of the valve seat ring, which, because it is better cooled, also promises better formation of a liquid film or fluid film.
Gemäße einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Vertiefungen (6) an der Dichtfläche bzw. dem Ventilsitz in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet. Dies gilt ebenfalls für eine entzerrte Abwicklung der Dichtfläche bzw. des Ventilsitzes in eine Ebene eines Euklidischen Raums. Hier wird also nicht nur eine lineare Anordnung von Vertiefungen beansprucht, sondern insbesondere eine, bei der die Vertiefungen (bzw. die Flächenschwerpunkte der Vertiefungen) sich nicht auf eine Linie abbilden lassen. Hier ist eine Anordnung gemeint die beispielsweise im Falle einer regelmäßigen Parkettierung sich zumindest auf ein n x 2 -Raster abbilden lässt. Diese Ausführungsform betrifft eine Verteilung von Vertiefungen (deren Flächenschwerpunkte) eineindeutig nur auf eine Fläche abgebildet werden können. According to one aspect of the present invention, the depressions (6) on the sealing surface or the valve seat are arranged in a two-dimensional arrangement. This also applies to a rectified development of the sealing surface or the valve seat in a plane of a Euclidean space. Here, not only a linear arrangement of depressions is required, but in particular one in which the depressions (or the area centroids of the depressions) cannot be mapped onto a line. This means an arrangement which, for example in the case of regular tiling, can be mapped onto at least an n x 2 grid. This embodiment relates to a distribution of depressions (the area centroids of which) can only be mapped onto one surface in a unique manner.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Tellerventil oder ein Ventilsitzring bereitgestellt, dessen Vertiefungen flach ausgeführt sind, wobei ein Verhältnis zwischen einem Quadrat einer größten Tiefe der Vertiefung und einer Fläche der Vertiefung zwischen 10 und 10000000, bevorzugt zwischen 100 und 100000, und weiter zwischen 1000 und 10000 beträgt. Hier wurde eine möglichst allgemeine Definition für „flach“ gesucht, die unabhängig von den tatsächlichen Abmessungen und einem Maßsystem angewendet werden kann. Hierbei wird der Flächeninhalt, den eine Vertiefung an der Dicht- bzw. Ventilsitzfläche einnimmt, mit dem Quadrat der größten Tiefe zu der Oberfläche vergleichen. According to one embodiment of the present invention, a poppet valve or a valve seat ring is provided, the depressions of which are flat, wherein a ratio between a square of a greatest depth of the depression and an area of the depression is between 10 and 1,000,000, preferably between 100 and 100,000, and further between 1,000 and 10,000. Here, the most general definition possible for "flat" was sought, which can be applied independently of the actual dimensions and a measurement system. Here, the surface area occupied by a depression on the sealing or valve seat surface is compared with the square of the greatest depth to the surface.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings weisen die Vertiefungen eine Tiefe zwischen 0,5 μm und 12μm, bevorzugt zwischen l,0μm und 8μm und weiter bevorzugt zwischen l,5μm und 5μm auf. In a further embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the recesses have a depth between 0.5 μm and 12 μm, preferably between 1.0 μm and 8 μm and more preferably between 1.5 μm and 5 μm.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings können die Vertiefungen einen Flächenanteil zwischen 1 und 40% bevorzugt zwischen 2 und 30% und weiter bevorzugt zwischen 5 und 20% der Dichtfläche bzw. der Ventilsitzfläche aufweisen. According to an additional embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the recesses can have a surface area between 1 and 40%, preferably between 2 and 30% and more preferably between 5 and 20% of the sealing surface or the valve seat surface.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings sind die Vertiefungen regelmäßig auf der Dichtfläche bzw. dem Ventilsitz angeordnet. Hier bilden die Vertiefungen ein regelmäßiges Raster um eine gleichmäßige Flächenpressung und eine gleichmäßige Ausbildung eines Films einer Flüssigkeit oder einer Ablagerung bilden zu können. Ein gleichmäßiges Raster wird hier ebenfalls als gleichmäßig betrachtet, sofern es aus lediglich einer Verzerrung eines gleichmäßigen Rasters zur Anpassung an die Kegelmantelform hervorgegangen ist. Hier sollten auch Raster als gleichmäßig betrachtet werden, die keine Drehsymmetrie aufweisen, da beispielsweise ein hexagonales Raster an der Nahtstelle des Kegelmantels spiralförmig versetzt sein kann, sodass auch bei einem regelmäßigen Raster keine Drehsymmetrie möglich ist. Das Raster kann als Raster auf einer Kreiszylinderfläche spiralförmig ausgelegt werden und dann gemäß einer Kegelstumpfmantelfläche verzerrt werden. In another exemplary embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the recesses are arranged regularly on the sealing surface or the valve seat. Here, the recesses form a regular grid in order to ensure uniform surface pressure and to form a uniform film of liquid or deposit. A uniform grid is also considered uniform here if it has only been created by distorting a uniform grid to adapt to the shape of the cone. Grids that do not have rotational symmetry should also be considered uniform here, since, for example, a hexagonal grid can be spirally offset at the seam of the cone, so that rotational symmetry is not possible even with a regular grid. The grid can be designed spirally as a grid on a circular cylinder surface and then distorted according to the surface of a truncated cone.
Bei einer anderen Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings sind die Vertiefungen unregelmäßig auf der Dichtfläche oder dem Ventilsitz angeordnet. Hier kann eine zufällige Anordnung der Vertiefungen durch eine zufällige Anordnung jeder Vertiefung als solche erreicht werden. Es ist ebenfalls möglich, Rasterpunkte eines regelmäßigen Rasters mit zufälligen Abweichungen in Bezug auf Richtung und Entfernung von einem exakten Rasterpunkt zu versehen. In another embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the recesses are arranged irregularly on the sealing surface or the valve seat. Here, a random arrangement of the recesses can be achieved by a random arrangement of each recess as such. It is also possible to provide grid points of a regular grid with random deviations in terms of direction and distance from an exact grid point.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings weist eine Anordnung der Vertiefungen keine Drehsymmetrie auf. Hier kann ein spiralförmiges regelmäßiges Raster auf einem Zylinder gewählt sein, bei dem das Raster nur um eine Zelle verschoben ist, das Raster quasi schief auf den Zylinder aufgewickelt ist und dadurch eine reine Drehsymmetrie ohne eine Versetzung in Axialrichtung nicht möglich ist. In a further embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the arrangement of the recesses does not have any rotational symmetry. Here, a spiral-shaped regular grid on a cylinder can be selected, in which the grid is only shifted by one cell, the grid is wound onto the cylinder at an angle, so to speak, and pure rotational symmetry without an offset in the axial direction is therefore not possible.
Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings beträgt ein Flächenverhältnis zwischen der Fläche der Vertiefungen zu der Fläche der Dichtfläche in Umfangsrichtung zwischen 0,5 bis 20%, bevorzugt zwischen 1 und 10% und weiter bevorzugt zwischen 2 und 5%. Dieses Verhältnis bezeichnet die Fläche der Summe aller Vertiefungen in der Dichtfläche bzw. der Ventilsitzfläche zu jeweils der Einhüllenden der Dichtfläche bzw. der Ventilsitzfläche. Die Einhüllende bezeichnet hier die gesamte Kegelstumpfmantelfläche einschließlich der Vertiefungen (bzw. in einem Zustand ohne die Vertiefungen). In an additional embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the area ratio between the area of the depressions and the area of the sealing surface in the circumferential direction is between 0.5 and 20%, preferably between 1 and 10% and more preferably between 2 and 5%. This ratio refers to the area of the sum of all depressions in the sealing surface or the valve seat surface to the envelope of the sealing surface or the valve seat surface. The envelope here refers to the entire truncated cone surface including the depressions (or in a state without the depressions).
Bei einer anderen Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings sind die Vertiefungen als kreisförmige Vertiefungen und/oder Elliptische und/oder linienförmige Vertiefungen und/oder bogenförmige Vertiefungen ausgeführt. Es ist vorgesehen, eine Kombination von kreisförmigen und bogenförmigen Vertiefungen einzusetzen. Es ist ebenfalls vorgesehen kurvenförmige Vertiefungen einzusetzen. Es ist insbesondere vorgesehen Kanäle oder Vertiefungen einzusetzen, die sich in Umfangsrichtung erstrecken. Eine Winkelerstreckung von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Vertiefungen ist bevorzugt geringer ausgeführt als eine Winkel-Drehung, die pro Ventilhub von einer Ventildrehvorrichtung ausgeführt wird. Es ist ebenfalls vorgesehen Vertiefungen einzusetzen, die sich in einer Kurve bzw. einer Sinuskurve zumindest teilweise in Umfangsrichtung erstrecken. In another embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the recesses are designed as circular recesses and/or elliptical and/or linear recesses and/or arcuate recesses. It is intended to use a combination of circular and arcuate recesses. It is also intended to use curved recesses. It is particularly It is intended to use channels or depressions that extend in the circumferential direction. An angular extension of depressions that extend in the circumferential direction is preferably smaller than an angular rotation that is carried out by a valve rotating device per valve stroke. It is also intended to use depressions that extend at least partially in the circumferential direction in a curve or a sine curve.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Tellerventils ist mit einer umlaufenden Vertiefung versehen, die angrenzend zu der Dichtfläche angeordnet ist. Diese umlaufende Vertiefung ist auf der Brennraumseite des Tellerventils vorgesehen. Another exemplary embodiment of the poppet valve is provided with a circumferential recess which is arranged adjacent to the sealing surface. This circumferential recess is provided on the combustion chamber side of the poppet valve.
Eine weitere Ausführungsform des Ventilsitzrings ist mit einer umlaufenden Vertiefung versehen, die angrenzend zu der Ventilsitzfläche angeordnet ist. Diese umlaufende Vertiefung ist auf der Brennraumseite des Ventilsitzfläche vorgesehen. A further embodiment of the valve seat ring is provided with a circumferential recess which is arranged adjacent to the valve seat surface. This circumferential recess is provided on the combustion chamber side of the valve seat surface.
Die Vertiefung dieser Ausführungsformen wird nicht gegen den Brennraum abgedichtet und soll die Aufgabe des Feuerstegs an einem Kolben eines Verbrennungsmotors erfüllen, die dazu dienen soll, die Verbrennungsgase vor einem Auftreffen auf den Dichtspalt abzukühlen, um eine chemische Korrosion zu verringern. The recess of these embodiments is not sealed against the combustion chamber and is intended to fulfil the function of the top land on a piston of an internal combustion engine, which is intended to cool the combustion gases before they hit the sealing gap in order to reduce chemical corrosion.
Bei einer anderen Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings sind die Vertiefungen durch Kugelstrahlen hergestellt. Dazu werden Kugeln mit hoher Geschwindigkeit auf die Dichtfläche bzw. die Ventilsitzfläche geworfen oder geschossen, um einerseits Abdrücke zu hinterlassen und andererseits eine lokale Kaltverfestigung des Materials zu erreichen. Hier besteht noch ein Bedarf für eine Möglichkeit, die Kugeln mit hoher Geschwindigkeit bei gleichzeitig geringer Abdeckung bzw. Bedeckung der Fläche zu strahlen, sodass keine oder nur weniger Treffer sich berühren oder übereinander liegen. Dies kann über Kurzzeit-Kugelstrahlen oder über Präzisions-Kugelstrahlen mit geringem Kugelanteil verwirklicht werden. In another embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the recesses are made by shot peening. To do this, balls are thrown or shot at the sealing surface or the valve seat surface at high speed, on the one hand to leave impressions and on the other to achieve local work hardening of the material. There is still a need for a way to peen the balls at high speed while at the same time covering the surface to a small extent, so that no or only a few hits touch or lie on top of each other. This can be achieved using short-term shot peening or precision shot peening with a low proportion of balls.
Bei einer beispielhaften weiteren Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings sind die Vertiefungen gemäß einer aperiodischen Parkettierung angeordnet. Hier sind die Vertiefungen jeweils in der Mitte einer Sorte Kacheln angeordnet, die einer Penrose- Parkettierung entspricht. Durch eine aperiodische Parkettierung kann eine nicht drehsymmetrische Verteilung der Vertiefungen erreicht werden. Es ist ebenfalls möglich, eine Parkettierung mit Hilfe von polygonalen Vertiefungen zu verwirklichen, um eine im Wesentlichen gleichbleibende Stegbreite zu verwirklichen. Derartige Parkettierungen können durch Einprägen oder Rändeln mit entsprechenden Walzen in die Oberfläche der Dichtfläche oder der Ventilsitzfläche eingebracht werden. In an exemplary further embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the depressions are arranged according to an aperiodic tiling. Here, the depressions are each arranged in the middle of a type of tile that corresponds to a Penrose tiling. Aperiodic tiling can achieve a non-rotationally symmetrical distribution of the depressions. It is also possible to implement a tiling using polygonal depressions in order to achieve an essentially constant web width. Such tiling can by embossing or knurling with appropriate rollers into the surface of the sealing surface or the valve seat surface.
Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings sind die Vertiefungen des Tellerventils bzw. des Ventilsitzrings nicht mit einer Beschichtung versehen. Bei einer anderen zusätzlichen Ausführungsform des Tellerventils ist die Dichtfläche nicht mit einer Beschichtung versehen. Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Ventilsitzrings ist die Ventilsitzfläche nicht mit einer Beschichtung versehen. In an additional embodiment of the poppet valve or the valve seat ring, the recesses of the poppet valve or the valve seat ring are not provided with a coating. In another additional embodiment of the poppet valve, the sealing surface is not provided with a coating. In an additional embodiment of the valve seat ring, the valve seat surface is not provided with a coating.
Hier sind die Vertiefungen jeweils in der Mitte einer Sorte Kacheln angeordnet, die einer Penrose-Parkettierung entspricht. Durch eine aperiodische Parkettierung kann eine nicht drehsymmetrische Verteilung der Vertiefungen erreicht werden. Es ist ebenfalls möglich, eine Parkettierung mit Hilfe von polygonalen Vertiefungen zu verwirklichen, um eine im Wesentlichen gleichbleibende Stegbreite zu verwirklichen. Derartige Parkettierungen können durch Einprägen oder Rändeln mit entsprechenden Walzen in die Oberfläche der Dichtfläche oder der Ventilsitzfläche eingebracht werden. Here, the depressions are arranged in the middle of a type of tile, which corresponds to a Penrose tiling. Aperiodic tiling can achieve a non-rotationally symmetrical distribution of the depressions. It is also possible to create a tiling using polygonal depressions in order to achieve an essentially constant web width. Such tiling can be introduced into the surface of the sealing surface or the valve seat surface by embossing or knurling with appropriate rollers.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zylinderkopf mit einem Ventilsitzring, wie er vorstehend beschrieben wurde, bereitgestellt, wobei der Zylinderkopf weiter mit Ventildrehvorrichtungen versehen ist. Erst in der Kombination mit einer Ventildrehvorrichtung können die Vertiefungen ihre Funktion richtig ausüben, da sonst die Gefahr besteht, dass sich das Profil der Ventilsitzfläche in eine Dichtfläche eines Ventils überträgt und dort ein komplementäres Profil bildet. In einem solchen Fall würde das Ventil, so es sich auch nur ein wenig verdreht, zu einem Luftspalt führen, der zu einem Ausbrennen der Dichtfläche oder der Ventilsitzfläche führen könnte. According to a further aspect of the present invention, a cylinder head is provided with a valve seat ring as described above, wherein the cylinder head is further provided with valve rotating devices. Only in combination with a valve rotating device can the recesses perform their function correctly, since otherwise there is a risk that the profile of the valve seat surface is transferred to a sealing surface of a valve and forms a complementary profile there. In such a case, if the valve were to twist even a little, it would lead to an air gap which could lead to the sealing surface or the valve seat surface burning out.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zylinderkopf mit einem der vorstehend beschriebenen Ventilkörper bereitgestellt, wobei der Zylinderkopf weiter mit Ventildrehvorrichtungen versehen ist. Hier ist eine Ausführung denkbar, bei der ein Teil der Ventilsitzfläche und ein Teil der Dichtfläche mit Vertiefungen versehen ist, wobei diese zwei Arten von Vertiefungen räumlich (axial oder radial) voneinander getrennt angeordnet sein sollten. Es ist ebenfalls möglich, unterschiedlich große Vertiefungen in der Ventilsitzfläche und der Dichtfläche anzuordnen, wobei eine Sorte der Vertiefungen kleiner ausgeführt sein muss als eine Stegbreite zwischen den Vertiefungen der anderen Komponente. Der Zylinderkopf kann sowohl mit einem der vorstehend beschriebenen Ventilkörper als auch mit einem der vorstehenden Ventilsitzringe versehen sein, wobei hier bevorzugt ist, dass die Vertiefungen in Radialrichtung so gestaffelt sind, dass es nicht durch überlappende Vertiefungen zu Undichtigkeiten kommen kann. Es ist insbesondere vorgesehen, nur einen radial äußeren Teil des Ventilsitzes mit Vertiefungen zu versehen und einen solchen Ventilsitzring mit einem Ventilkörper zu kombinieren, der nur in einem radial inneren Teil Vertiefungen aufweist. According to another aspect of the present invention, a cylinder head is provided with one of the valve bodies described above, wherein the cylinder head is further provided with valve rotating devices. Here, an embodiment is conceivable in which part of the valve seat surface and part of the sealing surface are provided with depressions, wherein these two types of depressions should be arranged spatially (axially or radially) separated from one another. It is also possible to arrange depressions of different sizes in the valve seat surface and the sealing surface, wherein one type of depression must be smaller than a web width between the depressions of the other component. The cylinder head can be provided with one of the valve bodies described above as well as with one of the above valve seat rings, wherein it is preferred that the depressions are staggered in the radial direction in such a way that overlapping Indentations can lead to leaks. In particular, it is intended to provide only a radially outer part of the valve seat with indentations and to combine such a valve seat ring with a valve body which has indentations only in a radially inner part.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor mit einem der vorstehend beschriebenen Zylinderköpfe bereitgestellt. According to another aspect of the present invention, an engine having any of the cylinder heads described above is provided.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von schematischen und nicht maßstabgerechten Abbildungen dargestellt und verdeutlicht, die das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern. In the following, the present invention is illustrated and explained using schematic and non-scale figures that facilitate the understanding of the present invention.
Figur 1 zeigt ein herkömmliches Tellerventil eines Verbrennungsmotors. Figure 1 shows a conventional poppet valve of an internal combustion engine.
Figur 2 zeigt ein herkömmliches Tellerventil eines Verbrennungsmotors in Kontakt mit einem Ventilsitzring. Figure 2 shows a conventional poppet valve of an internal combustion engine in contact with a valve seat ring.
Figur 3 zeigt einen herkömmliche Ventilsitzring eines Verbrennungsmotors. Figure 3 shows a conventional valve seat ring of an internal combustion engine.
Die Figuren 4A bis 4E zeigen eine mögliche Abbildung einer Rechteckfläche auf einer Kegelmantelfläche. Figures 4A to 4E show a possible mapping of a rectangular surface on a conical surface.
Die Figuren 5A bis 5D veranschaulichen eine weitere mögliche Abbildung einer Rechteckfläche mit in einem Punkraster angeordneten Vertiefungen auf einer Kegelmantelfläche. Figures 5A to 5D illustrate another possible representation of a rectangular surface with depressions arranged in a dot grid on a conical surface.
Die Figuren 6A bis 6C zeigen eine Abbildung eines regelmäßigen Punkrasters auf Kegelmantelfläche, wobei das Raster keine Drehsymmetrie aufweist. Figures 6A to 6C show an image of a regular point grid on the surface of a cone, where the grid has no rotational symmetry.
Die Figuren 7A bis 7H zeigen verschiedene Raster und Anordnungen von Vertiefungen, die auf einer Kegelmantelfläche einer Dichtfläche eines Tellerventils bzw. eines Tellerventilkörpers 2 oder auf die Ventilsitzfläche eines Ventilsitzrings abgebildet werden können. Figures 7A to 7H show various grids and arrangements of recesses that can be mapped onto a conical surface of a sealing surface of a poppet valve or a poppet valve body 2 or onto the valve seat surface of a valve seat ring.
Die Figuren 8A bis 8C stellen Ausschnittvergrößerungen eines Dichtspalts zwischen verschiedenen Ausführungen von Tellerventilen 2 und Ventilsitzringen dar. Die Figur 9 stellt eine Ausschnittvergrößerungen eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinderkopf dar. Figures 8A to 8C show enlarged sections of a sealing gap between different designs of poppet valves 2 and valve seat rings. Figure 9 shows an enlarged detail of an internal combustion engine with a cylinder head.
Sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Komponenten oder Elemente Bezug zu nehmen. Both in the description and in the drawing, the same or similar reference symbols are used to refer to the same or similar components or elements.
Figur 1 zeigt ein Tellerventil 2 eines Verbrennungsmotors. Das Tellerventil 2 umfasst dabei einen Ventilkopf 30, der brennraumseitig einen Ventilboden 56 aufweist und sich auf der Seite eines Ansaug-/ Abgaskanals verjüngt und in einen Ventilschaft 34 übergeht. Zwischen Ventilschaft 34 und Ventilboden 56 weist das Ventil am Ventilkopf 30 eine Dichtfläche 32 des Ventils auf. Der Ventilschaft 34 läuft in ein Ventilschaftende 36 aus, an dem eine Eingriffsstruktur 40 für eine Ventilfeder oder ein Ventilfederdeckel oder eine Ventildrehvorrichtung vorgesehen ist, die üblicherweise mittels Kegelstücken an der Eingriffsstruktur 40 befestigt werden. In diesem Maßstabe ist der wichtigste Aspekt der vorliegenden Erfindung nicht zu erkennen, nämlich eine Strukturierung der Dichtfläche 32 des Ventils 2. Die Figur 1 wird daher als zum Stand der Technik gehörend bezeichnet, da das erfindungswesentliche Merkmal hier nicht zu erkennen ist. Figure 1 shows a poppet valve 2 of an internal combustion engine. The poppet valve 2 comprises a valve head 30, which has a valve base 56 on the combustion chamber side and tapers on the side of an intake/exhaust duct and merges into a valve stem 34. Between the valve stem 34 and the valve base 56, the valve has a valve sealing surface 32 on the valve head 30. The valve stem 34 runs into a valve stem end 36, on which an engagement structure 40 for a valve spring or a valve spring cover or a valve rotating device is provided, which are usually attached to the engagement structure 40 by means of conical pieces. The most important aspect of the present invention cannot be seen on this scale, namely a structuring of the sealing surface 32 of the valve 2. Figure 1 is therefore referred to as belonging to the prior art, since the feature essential to the invention cannot be seen here.
Figur 2 zeigt ein herkömmliches Tellerventil 2 eines Verbrennungsmotors in Kontakt mit einem Ventilsitzring. Hier ist das Tellerventil 2 von Figur 1 in einem Zylinderkopf 60 eingebaut dargestellt, wobei das Ventil 2 durch Ventilführungen 48 in dem Zylinderkopf 60 geführt wird und eine gegen eine Federkraft einer nicht dargestellten Ventilfeder gerichtete Bewegung nach unten ausführen kann um einen Brennraum mit einem Ansaug-/ Abgaskanals 62 verjüngt in dem Zylinderkopf 60 zu verbinden. Die Figur 2 zeigt das Ventil in einer geschlossenen Stellung, wobei die Dichtfläche 32 des Ventils 2 auf dem Ventilsitz bzw. einer Ventilsitzfläche eines Ventilsitzrings 10 aufliegt, Der Ventilsitzring 10 ist in den Zylinderkopf eingelassen bzw. eingepresst. Die Figur 2 wird ebenfalls als zum Stand der Technik gehörend bezeichnet, da das erfindungswesentliche Merkmal hier ebenfalls nicht zu erkennen ist. Figure 2 shows a conventional poppet valve 2 of an internal combustion engine in contact with a valve seat ring. Here, the poppet valve 2 of Figure 1 is shown installed in a cylinder head 60, wherein the valve 2 is guided by valve guides 48 in the cylinder head 60 and can execute a downward movement directed against a spring force of a valve spring (not shown) in order to connect a combustion chamber with a tapered intake/exhaust duct 62 in the cylinder head 60. Figure 2 shows the valve in a closed position, wherein the sealing surface 32 of the valve 2 rests on the valve seat or a valve seat surface of a valve seat ring 10. The valve seat ring 10 is embedded or pressed into the cylinder head. Figure 2 is also referred to as belonging to the prior art, since the feature essential to the invention cannot be seen here either.
Figur 3 zeigt einen herkömmliche Ventilsitzring 10 eines Verbrennungsmotors. Die Figur 2 dient dazu die Lage des Ventilsitz bzw. der Dichtfläche des Ventilsitzes bzw. die Ventilsitzfläche 8 des Ventilsitzrings 10 von Figur 2 zu zeigen. Auch die Figur 3 ist als Stand der Technik gekennzeichnet, da auch hier aufgrund des Maßstabs kein erfindungswesentliches Merkmal dargestellt ist. Die Figuren 4 A bis 4E zeigen eine mögliche Abbildung einer Rechteckfläche auf eine Kegelstumpfmantelfläche. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtfläche eines Ventils oder eines Tellerventils 2 bzw. eines Ventilsitzrings. Es erscheint hier ausgesprochen unhandlich die Anordnung von Punkten oder Vertiefungen auf einer Kegel- bzw. Kegelstumpfmantelfläche zu beschreiben, wohingegen Anordnungen insbesondere gleichmäßige Raster und Gitter in einer Ebene klar definiert sind. Figure 3 shows a conventional valve seat ring 10 of an internal combustion engine. Figure 2 serves to show the position of the valve seat or the sealing surface of the valve seat or the valve seat surface 8 of the valve seat ring 10 of Figure 2. Figure 3 is also marked as prior art, since here too, due to the scale, no feature essential to the invention is shown. Figures 4A to 4E show a possible mapping of a rectangular surface onto a truncated cone surface. The present invention relates to a sealing surface of a valve or a disk valve 2 or a valve seat ring. It seems extremely cumbersome to describe the arrangement of points or depressions on a cone or truncated cone surface, whereas arrangements, in particular uniform grids and lattices in a plane, are clearly defined.
Es wird daher von einem Rechteck ausgegangen wie es in der Figur 4 A dargestellt ist. Hier können alle möglichen Anordnungen im Euklidischen Raum ohne Probleme abgebildet werden, wobei die Abmessungen von Rastern oder Gittern so gewählt werden können, dass das Rechteck durch ein gerades Vielfaches einer Elementarzelle aufgefullt werden kann. We therefore start with a rectangle as shown in Figure 4 A. Here, all possible arrangements in Euclidean space can be mapped without any problems, whereby the dimensions of grids or lattices can be chosen so that the rectangle can be filled by an even multiple of a unit cell.
In einem nächsten Schritt kann das Rechteck der Figur 4A durch eine einfache trapezoide Verzerrung in eine Trapezform gebracht werden, wobei die beiden parallel zueinander liegenden Seiten eine Länge aufweisen, die den jeweiligen Umfängen der Kegelmantelfläche entsprechen. Zudem sollte die Höhe des Trapezes der entsprechenden Abmessung der Kegelmantelfläche entsprechen. Durch diese erste Verzerrung wird eine verzerrte Anordnung erzeugt, die jedoch die meisten relevanten Parameter der Anordnung aufrechterhält. In a next step, the rectangle in Figure 4A can be made into a trapezoidal shape by a simple trapezoidal distortion, with the two parallel sides having a length that corresponds to the respective circumferences of the cone's surface. In addition, the height of the trapezoid should correspond to the corresponding dimension of the cone's surface. This first distortion creates a distorted arrangement, which, however, maintains most of the relevant parameters of the arrangement.
Figur 4C stellt eine weitere Abbildung des Trapezes auf ein Ringsegment dar, wobei die Längen der äußeren Begrenzungen aufrechterhalten werden können. Das flache Ringsegment entspricht dabei einer Abwicklung eines Kegelmantels in einer Ebene. Figure 4C shows another mapping of the trapezoid onto a ring segment, where the lengths of the outer boundaries can be maintained. The flat ring segment corresponds to a development of a cone shell in a plane.
Figur 4D zeigt eine Aufsicht auf das Ringsegment von Figur 4C, das zu einem Kegel gebogen ist. Hier erscheint durch die Perspektive von oben die Breite des Rings verringert, was jedoch bei dieser Ansicht dadurch bedingt ist, dass hier eine dreidimensionale Kegelmantelfläche von oben betrachtet wird Figure 4D shows a top view of the ring segment of Figure 4C, which is bent into a cone. Here, the width of the ring appears reduced due to the perspective from above, but this is due to the fact that a three-dimensional conical surface is viewed from above
Figur 4E zeigt die Kegelmantelfläche von Figur 4C, bei der die beiden stumpfen Enden miteinander verbunden wurden. Bei der Transformation des Rechtecks der Figur 4A bis zum Kegelmantel der Figur 4E wird eine (gesamt-) Flächengleichheit sichergestellt. Figure 4E shows the conical surface of Figure 4C, where the two blunt ends have been connected. When transforming the rectangle of Figure 4A to the conical surface of Figure 4E, (overall) surface equality is ensured.
Figuren 5 A bis 5D zeigen weitere Möglichkeiten ein Raster bzw. eine Anordnung von einem Rechteck in einer Ebene auf einen Kegelmantel abzubilden. Figures 5A to 5D show further possibilities for mapping a grid or an arrangement of a rectangle in a plane onto a cone shell.
Figur 5A zeigt ein Gitter das Elementarzellen bildet. In jeder der Elementarzellen ist eine kreisrunde Vertiefung angeordnet. Das dargestellte Gitter ist symmetrisch und gleichmäßig und weist eine Drehsymmetrie von 90° auf. Figure 5A shows a lattice that forms unit cells. In each of the unit cells there is a circular depression. The grid shown is symmetrical and uniform and has a rotational symmetry of 90°.
In Figur 5B sind nur die Vertiefungen der Figur 5A auf einem Rechteck dargestellt. In Figure 5B, only the recesses of Figure 5A are shown on a rectangle.
In Figur 5C wurde das Rechteck zu einem Zylinder umgebogen, wobei die Anordnung der Vertiefungen nicht geändert wurde. In der Figur 5C sind die Enden des Rings noch nicht miteinander verbunden. In Figure 5C, the rectangle has been bent into a cylinder without changing the arrangement of the recesses. In Figure 5C, the ends of the ring are not yet connected to each other.
Figur 5D zeigt schließlich eine Darstellung des zu einem Kegelmantel verzerrten Zylindermantels der Figur 5D, die jeweils der Dichtfläche eines Tellerventils 2 oder eines Ventilsitzrings entsprechen kann. Finally, Figure 5D shows a representation of the cylinder shell of Figure 5D distorted into a conical shell, which can correspond to the sealing surface of a poppet valve 2 or a valve seat ring.
Die Figuren 6A bis 6C entsprechen im Wesentlichen den Figuren 5A bis 5C, wobei hier ein Beispiel dargelegt ist, wie ein Gitter mit einem hohen Symmetriegrad mit translatorischer und Drehsymmetrie auf eine Fläche abgebildet werden kann, die keinerlei Symmetrie aufweist. Figures 6A to 6C correspond essentially to Figures 5A to 5C, with an example being given of how a lattice with a high degree of symmetry with translational and rotational symmetry can be mapped onto a surface that has no symmetry whatsoever.
Die Figur 6A geht von einer Parallellogrammfläche aus, die die gleiche Fläche und eine gleiche Höhe aufweist wie die Rechteckfläche von Figur 5A. Die Figur 6A geht auch von dem gleichen Raster bzw. der gleichen Anordnung der Vertiefungen 6 wie Figur 5A aus. Im Gegensatz zu der Figur liegt das Parallelogramm der Figur 6A jedoch nicht parallel zu allen Kanten des Parallelogramms. In der Figur 6A sind alle Vertiefungen 6, die zu nahe an einem Rand des Parallelogramms liegen nur gepunktet dargestellt. Figure 6A is based on a parallelogram surface that has the same area and the same height as the rectangular surface of Figure 5A. Figure 6A is also based on the same grid or the same arrangement of the recesses 6 as Figure 5A. In contrast to the figure, however, the parallelogram of Figure 6A is not parallel to all edges of the parallelogram. In Figure 6A, all recesses 6 that are too close to an edge of the parallelogram are only shown as dots.
In der Figur 6B wurde die Figur 6A so gedreht, dass die Längsseiten des Parallelogramms waagerecht liegen, wodurch das Raster nun schräg verläuft. In Figure 6B, Figure 6A has been rotated so that the long sides of the parallelogram are horizontal, causing the grid to now be slanted.
In der Figur 6C wurde wie in der Figur 6C das Parallelogramm zu einem Ring gebogen, wodurch das Raster der Vertiefungen 6 ein Gewinde bildet, das sich um den Zylinder erstreckt. In Figure 6C, as in Figure 6C, the parallelogram has been bent into a ring, whereby the grid of recesses 6 forms a thread that extends around the cylinder.
Sobald dieser Ring entsprechend der Figur 5D zu einem Kegelstumpfmantel verzerrt wird, verliert sich jede Art von Symmetrie der Anordnung. Diese Anordnung der Vertiefungen 6 auf dem Kegelstumpfmantel weist beispielsweise keinerlei Spiegel-, Translations- oder Drehsymmetrie auf, obwohl das grundlegende Gitter hochsymmetrisch war. Mit einer solchen Anordnung kann zusammen mit einer Ventildrehvorrichtung verhindert werden, dass ein Raster von Vertiefungen 6 zu einem Verschleiß auf einer gegenüberliegenden Dichtfläche führt, die insgesamt zu einer Undichtigkeit führen kann. As soon as this ring is distorted into a truncated cone shell as shown in Figure 5D, any kind of symmetry of the arrangement is lost. This arrangement of the depressions 6 on the truncated cone shell, for example, has no mirror, translation or rotational symmetry, although the basic lattice was highly symmetrical. With such an arrangement, together with a valve rotating device, it can be prevented that a grid of recesses 6 leads to wear on an opposite sealing surface, which can overall lead to a leak.
Die Figuren 7A bis 7H zeigen verschiedene Raster und Anordnungen von Vertiefungen 6 die auf einer Kegelmantelfläche einer Dichtfläche eines Tellerventils 2 oder auf die Ventilsitzfläche eines Ventilsitzrings gemäß den Figuren 4A bis 6C abgebildet werden können. Figures 7A to 7H show various grids and arrangements of recesses 6 which can be imaged on a conical surface of a sealing surface of a poppet valve 2 or on the valve seat surface of a valve seat ring according to Figures 4A to 6C.
Als erste Ausführungsform wird eine unregelmäßige oder zufällige Anordnung von runden oder ovalen Vertiefungen 6 vorgeschlagen. Ausgehend von wenigen Vertiefungen 6 können die Vertiefungen 6 zufällig beispielsweise durch Kugelstrahlen erzeugt werden, wobei nur eine geringe Kugelstrahldichte verwendet werden soll, um eine Bildung von Kanälen in Axialrichtung zu verhindern. Eine solche Anordnung kann auch durch andere mehr oder minder zufällige Parameter berechnet werden und dann sofern das zufällige Muster eine ausreichend gleichmäßige Verteilung der Vertiefungen 6 zeigt mittels prägender oder spanender Bearbeitung auf eine Dichtfläche eines Tellerventils oder eine Ventilsitzfläche übertragen werden. As a first embodiment, an irregular or random arrangement of round or oval depressions 6 is proposed. Starting from a few depressions 6, the depressions 6 can be created randomly, for example by shot peening, whereby only a low shot peening density should be used in order to prevent the formation of channels in the axial direction. Such an arrangement can also be calculated using other more or less random parameters and then, provided the random pattern shows a sufficiently uniform distribution of the depressions 6, transferred to a sealing surface of a poppet valve or a valve seat surface by means of embossing or machining.
Figur 7B zeigt ein Raster von Vertiefungen 6, wobei längliche Vertiefungen 6 regelmäßig auf einer quadratischen Fläche angeordnet sind. Zusätzlich ist an einer Unterseite des Rechtecks eine umlaufende Vertiefung 24 angeordnet, die sich später ringförmig um die Dichtfläche bzw. die Ventilsitzfläche erstreckt. Figure 7B shows a grid of recesses 6, with elongated recesses 6 being arranged regularly on a square surface. In addition, a circumferential recess 24 is arranged on a lower side of the rectangle, which later extends in a ring shape around the sealing surface or the valve seat surface.
Figur 7C stellt eine Anordnung von mehreren umlaufenden parallelen Vertiefungen 24 dar, wobei insbesondere keine Stege in Radialrichtung oder Axialrichtung verlaufen, wodurch dieses Raster besonders gut ohne eine Ventildrehvorrichtung eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zu den üblichen Bearbeitungsspuren, die an einer Oberfläche zu finden sind wie beispielsweise Spuren von einem Drehstahl verlaufen die Vertiefungen 6 hier nicht spiralförmig sondern parallel in einer Ebene um eine spiralförmiges Ausbrennen der Ventildichtflächen zu vermeiden. Figure 7C shows an arrangement of several circumferential parallel depressions 24, in particular no webs running in the radial or axial direction, which means that this grid can be used particularly well without a valve turning device. In contrast to the usual machining marks that can be found on a surface, such as marks from a turning tool, the depressions 6 here do not run in a spiral shape but rather parallel in a plane in order to avoid spiral-shaped burning out of the valve sealing surfaces.
Figur 7D zeigt eine Anordnung von mehreren gebogenen Kanälen. Es ist ebenfalls vorgesehen hier eine zufälligere Anordnung der Kanäle zu wählen. Es kann ebenfalls vorgesehen sein die Kanäle flache anzuordnen um möglichen Gasströmungen in Radial / Axialrichtung möglichst zu vermeiden. Figure 7D shows an arrangement of several curved channels. It is also intended to choose a more random arrangement of the channels. It can also be intended to arrange the channels flatter in order to avoid possible gas flows in the radial / axial direction as far as possible.
Figur 7E zeigt eine Anordnung von mehreren gebogenen Kanälen und runden Vertiefungen 6 in einer regelmäßigen Anordnung. Hier kann durch eine entsprechende Auslegung eine gleichmäßige Verteilung der Hohlräume auf der Dichtfläche erreicht werden. Figure 7E shows an arrangement of several curved channels and round Recesses 6 in a regular arrangement. Here, an even distribution of the cavities on the sealing surface can be achieved by appropriate design.
Figur 7F zeigt eine regelmäßige bienenwabenförmige Anordnung von sechseckigen Vertiefungen 6. Die Ausführung weist den Vorteil auf, dass hier eine im Wesentlichen gleichmäßige Stegbreite zwischen den Vertiefungen 6 erreicht werden kann. Es ist ebenfalls möglich diese Anordnung gemäß den Figuren 6A bis 6C spiralförmig auszuführen und so eine sehr gleichmäßige Oberflächenstruktur mit einer Oberfläche zu kombinieren, die keinerlei Drehsymmetrie aufweist. In dieser Ausführungsforme kann durch die relativ geringe Stegbreite sichergestellt werden, dass die Struktur über die gesamte Oberfläche eine hydrophile (bzw. fluidophile) Eigenschaft erzeugt, da sich eine Flüssigkeit im Wesentlichen überall auf der Oberfläche in den Vertiefungen 6 niederschlagen kann. Figure 7F shows a regular honeycomb-shaped arrangement of hexagonal depressions 6. This design has the advantage that a substantially uniform web width can be achieved between the depressions 6. It is also possible to design this arrangement in a spiral shape according to Figures 6A to 6C and thus combine a very uniform surface structure with a surface that has no rotational symmetry. In this embodiment, the relatively small web width can ensure that the structure produces a hydrophilic (or fluidophilic) property over the entire surface, since a liquid can precipitate in the depressions 6 essentially anywhere on the surface.
Figur 7G zeigt eine Ausführung, bei der eine Verteilung der hier runden Vertiefungen 6 auf einer sogenannten Penrose-Parkettierung basiert. Eine Penrose-Parkettierung ist aperiodisch und kann auch ohne Drehsymmetrie ausgeführt werden. Dabei werden zwei verschiedene Arten von rautenförmigen Kacheln so auf einer ebenen Fläche ausgelegt, dass die sich ergebende Parkettierung eine pentagonale Parkettierung bildet. Ein Mittelpunkt einer Sorte von Kacheln kann dann als Position beispielsweise für eine runde oder ovale Vertiefung 6 gewählt werden. So kann eine gleichmäßige, aber unregelmäßige Verteilung von Vertiefungen 6 erreicht werden, womit einerseits eine Drehsymmetrie vermieden werden kann und andererseits verhindert werden kann, dass die Verteilung große Lücken oder zu geringe Abstände zwischen den Vertiefungen 6 aufweist. Figure 7G shows an embodiment in which a distribution of the round depressions 6 is based on a so-called Penrose tiling. A Penrose tiling is aperiodic and can also be carried out without rotational symmetry. Two different types of diamond-shaped tiles are laid out on a flat surface in such a way that the resulting tiling forms a pentagonal tiling. A center point of a type of tile can then be selected as a position for a round or oval depression 6, for example. In this way, a uniform but irregular distribution of depressions 6 can be achieved, which on the one hand can avoid rotational symmetry and on the other hand can prevent the distribution from having large gaps or too small distances between the depressions 6.
Die Figuren 8A bis 8C stellen Ausschnittvergrößerungen eines Dichtspalts zwischen verschiedenen Ausführungen von Tellerventilen 2 und Ventilsitzringen 10 dar. Figures 8A to 8C show enlarged sections of a sealing gap between different designs of poppet valves 2 and valve seat rings 10.
Figur 8 A zeigt einen Ventilsitzring 10, der mit einem geschlossenen Ventil 2 in Kontakt steht, wobei an dem Ventilsitz 8 bzw. der Ventilsitzfläche eine umlaufende Vertiefung 24 angeordnet ist, die auch bei einem geschlossenen Ventil mit dem Brennraum über einen Spalt in Kontakt steht. Die umlaufende Vertiefung 24 dient dazu einen geringen Teil der Brenngase aufzunehmen und dabei einen Teil des Brennstoffs und einem Teil von Schmiermittel, die sich in den Brenngasen befinden zu kondensieren. Dadurch wird ein geringes Flüssigkeitsreservoir aufgebaut, aus dem bei einem Öffnungsvorgang die Kontaktflächen zwischen der Dichtfläche und der Ventilsitzfläche bzw. dem Ventilsitz 8 benetzt werden können und die bei einem nächsten Schließvorgang den Aufprall der Dichtfläche des Ventils auf dem Ventilsitz 8 zumindest soweit dämpfen können, dass ein Verschleiß erheblich verringert wird. Neben der umlaufenden Vertiefung 24 weist der Ventilsitzring 10 weiter eine Vertiefung 6 auf, die bei geschlossenem Ventil nicht mit dem Brennraum in Verbindung steht. Die Vertiefung 6 kann ebenfalls flüssige Komponenten der Brenngase aufnehmen und festhalten, um während einer Öffnung des Ventils einen Fluidfilm auf dem Ventilsitz 8 zu bilden. Figure 8 A shows a valve seat ring 10 which is in contact with a closed valve 2, wherein a circumferential recess 24 is arranged on the valve seat 8 or the valve seat surface, which is in contact with the combustion chamber via a gap even when the valve is closed. The circumferential recess 24 serves to absorb a small part of the combustion gases and to condense part of the fuel and part of the lubricant which are in the combustion gases. This creates a small liquid reservoir from which the contact surfaces between the sealing surface and the valve seat surface or the valve seat 8 can be wetted during an opening process and which can dampen the impact of the sealing surface of the valve on the valve seat 8 during the next closing process at least to the extent that a Wear is significantly reduced. In addition to the circumferential recess 24, the valve seat ring 10 also has a recess 6 which is not connected to the combustion chamber when the valve is closed. The recess 6 can also absorb and hold liquid components of the combustion gases in order to form a fluid film on the valve seat 8 when the valve is opened.
Figur 8B zeigt eine der Figur 8A entsprechende Ausführung, wobei hier die Dichtfläche des Ventils mit den Vertiefungen 6 und der umlaufenden Vertiefung 24 versehen ist. Figure 8B shows an embodiment corresponding to Figure 8A, whereby the sealing surface of the valve is provided with the recesses 6 and the circumferential recess 24.
Figur 8C zeigt eine Kombination des Ventilsitzrings 10 der Figur 8 A mit dem Ventil 2 der Figur 8B. Hier weisen beide Komponenten sowohl die Vertiefungen 6 als auch die umlaufende Vertiefung 24 auf. Figure 8C shows a combination of the valve seat ring 10 of Figure 8A with the valve 2 of Figure 8B. Here, both components have both the recesses 6 and the circumferential recess 24.
Die Figur 9 zeigt eine Ausschnittvergrößerungen eines Verbrennungsmotors 64 mit einem Zylinderkopf 60 dar. In dem Zylinderkopf 60 ist ein Tellerventil 2 bzw. Tellerventilkörper angeordnet, der in dem Zylinderkopf durch eine Zylinderkopfführung 48 in Axialrichtung gelagert ist. Die Keilstücke und der Federteller sowie die Ventilfeder sind hier nicht dargestellt, die zwischen einem Ventilschaftende und der Ventildrehvorrichtung 72 angeordnet sind, ebenso sind die Nockenwelle und die eventuell vorhandenen Ventilstößel oder Kipphebel nicht dargestellt. Das Ventil 2 verschließt einen Brennraum 66 gegenüber einem Ansaug- / Abgaskanal 62 wobei eine Dichtfläche des Ventils gegen den Ventilsitz des Ventilsitzrings 10 drückt. Der Zylinderkopf 60 ist über eine Zylinderkopfdichtung gegen eine Zylinderlaufbuchse 68 abgedichtet die eine einem Motorblock 70 eingesetzt ist. Die anderen Komponenten des Verbrennungsmotors wie einen Einspritzlanglage, ein Vergaser, einen Kolben mit Kurbelwelle einer Ölpumpe einer Nockenwelle und dergleichen sind dem Fachmann bekannt und wurden bei der Ansicht des Motors weggelassen. In der dargestellten Ausführungsform ist entweder die Dichtfläche des Ventilkörpers 2 und/oder der Ventilsitz des Ventilsitzrings 10 mit den Vertiefungen versehen. Figure 9 shows an enlarged detail of an internal combustion engine 64 with a cylinder head 60. A poppet valve 2 or poppet valve body is arranged in the cylinder head 60 and is mounted in the cylinder head in the axial direction by a cylinder head guide 48. The wedge pieces and the spring plate as well as the valve spring are not shown here, which are arranged between a valve stem end and the valve rotating device 72, nor are the camshaft and any valve tappets or rocker arms that may be present. The valve 2 closes off a combustion chamber 66 from an intake/exhaust channel 62, with a sealing surface of the valve pressing against the valve seat of the valve seat ring 10. The cylinder head 60 is sealed by a cylinder head gasket against a cylinder liner 68 which is inserted into an engine block 70. The other components of the internal combustion engine, such as an injection system, a carburetor, a piston with a crankshaft, an oil pump, a camshaft and the like, are known to those skilled in the art and have been omitted from the view of the engine. In the embodiment shown, either the sealing surface of the valve body 2 and/or the valve seat of the valve seat ring 10 is provided with the recesses.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
2 Tellerventil bzw. Teilerventikörper) 2 poppet valve or divider valve body)
4 Dichtfläche, die mit Vertiefungen versehen ist. 4 Sealing surface provided with recesses.
6 Vertiefungen 6 recesses
8 Ventilsitz (-fläche) 8 Valve seat (surface)
10 Ventilsitzring 10 Valve seat ring
24 umlaufende Vertiefung 24 circumferential recess
30 Ventilkopf 30 Valve head
32 Dichtfläche des Ventils (Ventilsitz) 32 Sealing surface of the valve (valve seat)
34 Ventilschaft 34 Valve stem
36 Ventilschaftende 36 Valve stem end
40 Eingriffsstruktur für Ventilfeder 40 Valve spring engagement structure
56 Ventilboden 56 Valve base
60 Zylinderkopf 60 cylinder head
62 Ansaug- / Abgaskanal 62 Intake / exhaust duct
64 Verbrennungsmotor 64 Combustion engine
66 Brennraum 66 Combustion chamber
68 Zylinderlaufbuchse 68 Cylinder liner
70 Verbrennungsmotor 70 Combustion engine
72 Ventildrehvorrichtung 72 Valve turning device

Claims

Ansprüche Expectations
1. Tellerventilkörper (2) mit einer Dichtfläche (4) an einem Ventilteller, wobei die Dichtfläche (4) mit Vertiefungen (6) versehen ist. 1. Poppet valve body (2) with a sealing surface (4) on a valve disk, wherein the sealing surface (4) is provided with recesses (6).
2. Ventilsitzring (10) mit einem Ventilsitz (8) zur Abdichtung gegenüber einer Dichtfläche (4) eines Ventiltellers, wobei der Ventilsitz (8) mit Vertiefungen (6) versehen ist. 2. Valve seat ring (10) with a valve seat (8) for sealing against a sealing surface (4) of a valve disk, wherein the valve seat (8) is provided with recesses (6).
3. Tellerventil (2) gemäß Anspruch 1 oder Ventilsitzring (10) gemäß Anspruch 2, wobei die Vertiefungen (6) eine zweidimensionale Anordnung bilden. 3. Poppet valve (2) according to claim 1 or valve seat ring (10) according to claim 2, wherein the recesses (6) form a two-dimensional arrangement.
4. Tellerventil (2) gemäß Anspruch 1 oder 3 oder Ventilsitzring (10) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Vertiefungen (6) flach ausgeführt sind, wobei ein Verhältnis zwischen einem Quadrat einer größten Tiefe der Vertiefung (6) und einer Fläche der Vertiefung (6) zwischen 10 und 10000000, bevorzugt zwischen 100 und 100000, und weiter zwischen 1000 und 10000 beträgt. 4. Poppet valve (2) according to claim 1 or 3 or valve seat ring (10) according to claim 2 or 3, wherein the recesses (6) are flat, wherein a ratio between a square of a maximum depth of the recess (6) and an area of the recess (6) is between 10 and 1,000,000, preferably between 100 and 100,000, and further between 1,000 and 10,000.
5. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1 , 3 bis 4 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Vertiefungen (6) eine Tiefe zwischen 0,5 μm und 12μm μm bevorzugt zwischen l,0μm und 8μm und weiter bevorzugt zwischen l,5μm und 5μm aufweisen. 5. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 4 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 4, wherein the recesses (6) have a depth between 0.5 μm and 12 μm, preferably between 1.0 μm and 8 μm and more preferably between 1.5 μm and 5 μm.
6. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 5 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Vertiefungen (6) regelmäßig auf der Dichtfläche (4) angeordnet sind wobei die Vertiefungen (6) regelmäßig auf dem Ventilsitz (8) angeordnet sind. 6. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 5 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 5, wherein the recesses (6) are regularly arranged on the sealing surface (4), wherein the recesses (6) are regularly arranged on the valve seat (8).
7. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 6 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Vertiefungen (6) unregelmäßig auf der Dichtfläche (4) oder dem Ventilsitz (8) angeordnet sind. 7. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 6 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 6, wherein the recesses (6) are arranged irregularly on the sealing surface (4) or the valve seat (8).
8. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 7 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 7, wobei eine Anordnung der Vertiefungen (6) keine Drehsymmetrie aufweist. 8. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 7 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 7, wherein an arrangement of the recesses (6) has no rotational symmetry.
9. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 8 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 8, wobei ein Flächenverhältnis zwischen der Fläche Vertiefungen (6) zu der Fläche der Dichtfläche (4) in Umfangsrichtung zwischen 0,5 bis 20% bevorzugt zwischen 1 und 10% und weiter bevorzugt zwischen 2 und 5% aufweist. 9. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 8 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 8, wherein an area ratio between the area of recesses (6) to the area of the sealing surface (4) in the circumferential direction is between 0.5 to 20%, preferably between 1 and 10% and more preferably between 2 and 5%.
10. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 9 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Vertiefungen (6) kreisförmige Vertiefungen (6) und/oder Elliptische und/oder linienförmige Vertiefungen (6) und/oder bogenförmige Vertiefungen (6) aufweist, wobei eine Kombination von kreisförmigen und bogenförmigen Vertiefungen (6) bevorzugt ist. 10. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 9 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 9, wherein the recesses (6) have circular recesses (6) and/or elliptical and/or linear recesses (6) and/or arcuate recesses (6), wherein a combination of circular and arcuate recesses (6) is preferred.
11. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 10 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 10, wobei das Tellerventil (2) angrenzend zu der Dichtfläche (4) eine umlaufende Vertiefung (24) aufweist oder wobei der Ventilsitzring (10) angrenzend des Ventilsitzes (8) eine umlaufende Vertiefung (24) aufweist. 11. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 10 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 10, wherein the poppet valve (2) has a circumferential recess (24) adjacent to the sealing surface (4) or wherein the valve seat ring (10) has a circumferential recess (24) adjacent to the valve seat (8).
12. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 11 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Vertiefungen (6) durch Kugelstrahlen hergestellt sind. 12. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 11 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 11, wherein the recesses (6) are produced by shot peening.
13. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 12 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 12, wobei die Vertiefungen (6) gemäß einer aperiodischen Parkettierung bevorzugt gemäß einer Penrose-Parkettierung angeordnet sind. 13. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 12 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 12, wherein the recesses (6) are arranged according to an aperiodic tiling, preferably according to a Penrose tiling.
14. Tellerventil (2) gemäß einem der Ansprüche 1, 3 bis 13 oder Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 13, wobei die Dichtfläche (4) des Tellerventils (2) und/oder der Ventilsitz (8) des Ventilsitzrings (10) nicht mit einer Beschichtung versehen sind. 14. Poppet valve (2) according to one of claims 1, 3 to 13 or valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 13, wherein the sealing surface (4) of the poppet valve (2) and/or the valve seat (8) of the valve seat ring (10) are not provided with a coating.
15. Zylinderkopf (60) mit Ventilsitzring (10) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei der Zylinderkopf (60) weiter mit Ventildrehvorrichtungen (72) versehen ist. 15. Cylinder head (60) with valve seat ring (10) according to one of claims 2 to 14, wherein the cylinder head (60) is further provided with valve rotating devices (72).
16. Zylinderkopf (60) mit einem Ventilkörper (2) gemäß einem der Ansprüche 1 und 3 bis 14, wobei der Zylinderkopf (60) weiter mit Ventildrehvorrichtungen (72) versehen ist, wobei der Zylinderkopf (60) insbesondere einen Ventilsitzring (10) gemäß einen der Ansprüche 2 bis 15, umfasst. 16. Cylinder head (60) with a valve body (2) according to one of claims 1 and 3 to 14, wherein the cylinder head (60) is further provided with valve rotating devices (72), wherein the cylinder head (60) in particular has a valve seat ring (10) according to a of claims 2 to 15.
17. Motor (64) mit einem Zylinderkopf (60) gemäß Anspruch 15 oder 16. 17. Engine (64) with a cylinder head (60) according to claim 15 or 16.
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