AT5645U1 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem durch ein Hubventil verschließbaren Gaswechselkanal (2, 3), wobei der Ventilsitz (6, 7) des Hubventils durch einen Ventilsitzring (6, 7) gebildet ist, welcher durch Schweißen fest mit dem Zylinderkopf (1) verbunden ist. Um auf möglichst einfache Weise eine ausreichende Kühlung des Ventilsitzringes (8, 9) zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass der Ventilsitzring (6, 7) im Bereich seiner äußeren Mantelfläche (8a, 9a) an einen Kühlraum (12) grenzt.

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem durch ein Hubventil verschliessbaren Gaswechselkanal, wobei der Ventilsitz des Hubventils durch einen Ventilsitzring gebildet ist, welcher durch Schweissen fest mit dem Zylinderkopf verbunden ist. 



  Bei Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge ist es bekannt, Ventilsitze durch eingepresste oder eingeschrumpfte Ventilsitzring zu bilden. Diese Methode wurde entwickelt, da Aluminium, der Standardwerkstoff bei Zylinderköpfen für Personenkraftfahrzeuge, den Beanspruchungen dort in keinster Weise gewachsen wäre. Aber auch Grauguss, der Standardwerkstoff bei Zylinderköpfen von Brennkraftmaschinen für Lastkraftwagen, sowie Marine- und Industrieanwendungen zeigt in den allermeisten Fällen keine befriedigenden Eigenschaften für den Ventilsitz. 



  Der Vorteil von Ventilsitzringen ist, dass Werkstoffe eingesetzt werden können, die speziell für diesen Zweck entwickelt wurden. Sie weisen eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen Einschlag durch das Aufsetzen des Hubventils beim Schliessen gegen Verschleiss durch Mikrobewegungen zufolge Durchbiegung unter dem Verbrennungsdruck und gegen Korrosion auf. 



  Die Wärme, die das Hubventil aufnimmt, wird dabei zum grössten Teil an den Ventilsitz abgegeben, weshalb der Weitertransport der Wärme eine sehr wichtige Aufgabe des Ventilsitzringes ist. Dabei wird die Wärme vom Ventilsitz auf den Umfang weitergeleitet und muss dann auf den Zylinderkopfboden übertragen werden. Von dort wird sie an die Innenseite des Zylinderkopfes transportiert und geht dann an die   Kühlflüssigkeit   über. 



  Der eingepresste Ventilsitzring ist am Umfang sehr gut gepresst, was an seiner oberen, dem Ventilsitz abgewandten Seite nicht der Fall ist, da die Möglichkeiten einen hohen Druck aufzubringen und diesen zu halten, begrenzt sind. Somit ist der Wärmeübergang vom Ventilsitzring auf den Zylinderkopf nicht optimal. Besteht der Zylinderkopf aus Grauguss, so kommt dazu, dass der Weitertransport an der schlechten Wärmeleitung im Grauguss leidet. 



  Ein weiterer Nachteil von eingepressten oder eingeschrumpften Ventilsitzringen ist, dass um die Ventilsitzring aus Festigkeitsgründen und aus Gründen der Giessgenauigkeit genügend Material im Zylinderkopf angehäuft werden muss, was den Weg der schlechten Wärmeleitung noch verlängert. Dazu behindert die Materialanhäufung ganz wesentlich die Strömung des Kühlmittels, so dass einerseits die Geschwindigkeit an der Grenzschicht, die für die Wärmeübergangszahl mass- 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 geblich ist, vermindert wird, andererseits kommt es zu Strömungsablösungen, wodurch die Geschwindigkeit an der Grenzschicht überhaupt zusammenbricht. Der Abtransport von Dampfblasen von diesen Stellen wird gestört.

   Dementsprechend gibt es häufig Probleme mit der thermischen Standfestigkeit im Bereich der Ventilsitzringe, die sich mit der Tendenz zu höherer Leistungsdichte noch wesentlich verschärfen. 



  Bei sehr grossen Brennkraftmaschinen ist es daher üblich, die Ventilsitzring direkt mit dem   Motorkühlmittel   zu kühlen, indem man dieses durch Bohrungen zum Ventilsitzring und mittels ringförmigen Nuten im Ventilsitzring um diesen 
 EMI2.1 
 kraftmaschinen für Fahrzeuge ist dies allerdings relativ aufwendig. 



  Aus der US 6, 259, 054 Bl ist es bekannt, Ventilsitzring durch Schweissen in entsprechende Ausnehmungen des Zylinderkopfes einzuschweissen. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise eine ausreichende Wärmeabfuhr im Bereich der Ventilsitze zu   ermöglichen.   



  Erfindungsgemäss wird die dadurch erreicht, dass der Ventilsitzring im Bereich seiner äusseren Mantelfläche an einen   Kühlraum   grenzt. Das   Kühlmittel   gelangt somit ähnlich wie bei Grossmotoren direkt an den Ventilsitzring. 



  Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die äussere Mantelfläche des Ventilsitzringes im Wesentlichen kegelig ist und dass der Ventilsitzring entlang seiner äu- sseren Mantelfläche mit dem Zylinderkopf verschweisst ist. Die äussere Mantelfläche des Ventilsitzringes ist dabei glatt, also ohne Vertiefungen oder Erhebungen, ausgeführt. Durch die einfache Formgebung ist eine preiswerte Herstellung möglich. 



  Um eine sichere Abdichtung gegenüber den   Kühlräumen   zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass eine dem Ventilsitz abgewandte ringförmige Stirnfläche mit dem Zylinderkopf verschweisst ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die äussere Mantelfläche im Bereich der dem Ventilsitz abgewandten Stirnfläche an den Kühlraum grenzt. 



  Zum Unterschied zu konventionellen Zylinderköpfen mit eingepressten oder eingeschrumpften Ventilsitzringen sind keine Materialanhäufungen notwendig. Es kann sogar vorgesehen sein, dass der Zylinderkopfboden im Bereich der Ventilsitzringe am dünnsten ausgeführt ist. Dadurch kann das   Kühlmittel   näher an den 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 Ventilsitzring gebracht werden, wodurch der Wärmetransport und die   Kühlmittel-   strömung verbessert wird. 



  Das Einschweissen kann auf sehr wirtschaftliche Weise durch Reibschweissen oder durch elektrische Widerstandsschweissung erfolgen. Beim Reibschweissen wird der Ring in die vorbereitete Bohrung gepresst und gedreht. Durch die dabei auftretende Reibung erhitzen sich die zu verschweissenden Teile stark und verschmelzen miteinander. 



  Damit auch am Umfang genügend Anpressung und Reibung entsteht, ist es günstig, den Umfang konisch zu gestalten, wodurch zuerst dort Reibung und Erhitzung auftreten. Dadurch wird das Material im Bereich der äusseren Mantelfläche vorerst weich. Durch den anhaltenden Anpressdruck bewegt sich der Ventilsitzring axial weiter in Richtung des Zylinderkopfes nach innen und kontaktiert dann an seiner dem Ventilsitz abgewandten Stirnfläche, erhitzt sich durch Reibung und verschweisst auch an der Stirnfläche mit dem Zylinderkopf. 



  Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der sichere Halt des Ventilsitzringes nicht mehr von der Herstellungsgenauigkeit des Einpasses und vom vernünftigen Gebrauch des Motors (z. B. : dem Vermeiden von abrupten Leistungsanforderungen mit anschliessender scharfer Abkühlung) abhängt. 



  Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert. 



  Die Fig. zeigt einen erfindungsgemässen Zylinderkopf 1 im Schnitt durch zwei   Gaswechselkanäle   2,3, beispielsweise einem Einlasskanal und einem Auslasskanal. Die Mündungen 4,5 der beiden Gaswechselkanäle 2,3 werden durch nicht dargestellte Hubventile gesteuert. Die Ventilsitze 6,7 der Hubventile werde durch Ventilsitzring 8,9 gebildet, weiche in entsprechende Ausnehmungen des Zylinderkopfes 1 durch Reibschweissen oder elektronische Widerstandsschwei- ssung eingeschweisst sind. 



  Jeder Ventilsitzring 8,9 weist eine konische äussere   Mantelfläche   8a, 9a und eine ringförmige, dem Ventilsitz 6,7 abgewandte Stirnfläche   8b,   9b auf. 



  Über die Mantelfläche 8a, 9a und die Stirnseite 8b, 9b ist jeder Ventilsitzring 8,9 mit dem Zylinderkopf 1 verschweisst. 



  Das Einschweissen kann beispielsweise durch Reibschweissen erfolgen. Dabei wird der Ventilsitzring 8,9 in die vorbereitete Ausnehmung des Zylinderkopfes 1 gepresst und gedreht. Durch die dabei auftretende Reibung erhitzen sich die Partner stark und verschmelzen miteinander. Dadurch, dass die äussere   Mantetftä-   che 8a, 9a des Ventilsitzringes 8,9 konisch gestaltet ist, erhitzt sich der Ventil- 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 sitzring 8,9 der Mantelfläche 8a, 9a zuerst, wodurch im Bereich der Mantelfläche 8a, 9a das Material vorerst weich wird.

   Durch den anhaltenden Anpressdruck bewegt sich der Ventilsitzring 8,9 in Richtung der Ventilsitzringachsen 10, 11 weiter nach innen und kontaktiert dann an seiner Stirnfläche 8b, 9b den Zylinderkopf   1,   erhitzt sich und verschweisst mit dem Zylinderkopf 1 sowohl an den Stirnseiten 8b, 9b, als auch entlang den Mantelflächen 8a, 9a. 



  Nahe der Stirnfläche 8b, 9b grenzt die Mantelfläche 8a, 9a des Ventilsitzringes 8, 9 direkt an einen   Kühlraum   12 des Zylinderkopfes 1. Der Ventilsitzring 8, 9 ist somit in einem ringförmig umlaufenden Bereich 13,14 der Mantelfläche 8a, 9a mit dem   Kühlraum   12 verbunden und wird dort von   Kühlmittel   umströmt. 



  Dabei ist der Zylinderkopfboden la im Bereich des Ventilsitzringes 8, 9, insbesondere im Bereich 13 dünner ausgebildet ist als in anderen Bereichen und weist in ringförmigen Bereichen um die Ventilsitzring 8,9 seine minimale Stärke s auf. Dies ermöglicht es, das   Kühlmittel   besonders nahe an den Ventilsitzring 8,9 zu bringen, um den Wärmetransport und die   Kühlmittelströmung   zu verbessern. 



  Durch den in den Zylinderkopf 1 eingeschweissten Ventilsitzring 8,9 kann auf sehr einfache Weise ein optimale Wärmeabfuhr aus den Bereichen der Ventilsitzringe 8,9 und ein sicherer Halt des Ventilsitzringes 8,9 im Zylinderkopf 1 ermöglicht werden.

Claims (7)

1. ANSPRÜCHE 1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem durch ein Hubventil verschliessbaren Gaswechselkanal (2,3), wobei der Ventil- sitz (6,7) des Hubventils durch einen Ventilsitzring (8,9) gebildet ist, wel- cher durch Schweissen fest mit dem Zylinderkopf (1) verbunden ist, da- durch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring (6,7) im Bereich seiner äusseren Mantelfläche (8a, 9a) an einen Kühlraum (12) grenzt.
2. 2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äu- ssere Mantelfläche (8a, 9a) des Ventilsitzringes (6,7) im Wesentlichen kege- lig ist und dass der Ventilsitzring (6,7) entlang seiner äusseren Mantelflä- che (8a, 9a) mit dem Zylinderkopf (1) verschweisst ist.
3. 3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Ventilsitz (6,7) abgewandte ringförmige Stirnfläche (8b, 9b) mit dem Zylinderkopf (1) verschweisst ist.
4. 4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die äussere Mantelfläche (8a, 9a) im Bereich der dem Ventil- sitz (6,7) abgewandten Stirnfläche (8b, 9b) an den Kühlraum (12) grenzt.
5. 5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Ventilsitzring (6,7) durch Reibschweissen oder durch e- lektrische Widerstandsschweissung mit dem Zylinderkopf (1) verbunden ist.
6. 6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die äussere Mantelfläche (8a, 9a) des Ventilsitzringes (6,7) glatt ausgeführt ist.
7. 7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Zylinderkopfboden (la) in einem unmittelbar an die Ventilsitzring (8,9) grenzenden, vorzugsweise ringförmigen Bereich seine minimale Stärke (s) aufweist.