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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-
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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
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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
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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-
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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.
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The invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine with at least one gas exchange channel which can be closed by a lift valve, the valve seat of the lift valve being formed by a valve seat ring which is firmly connected to the cylinder head by welding.
In internal combustion engines for vehicles, it is known to form valve seats by pressing or shrinking the valve seat ring. This method was developed because aluminum, the standard material for cylinder heads for passenger cars, would in no way be able to withstand the stresses there. But also gray cast iron, the standard material for cylinder heads of internal combustion engines for trucks, as well as marine and industrial applications, in most cases does not show satisfactory properties for the valve seat.
The advantage of valve seat rings is that materials can be used that have been specially developed for this purpose. They have a special resistance to impact by fitting the lift valve when closing against wear due to micro-movements due to deflection under the combustion pressure and against corrosion.
The heat that the lift valve absorbs is largely released to the valve seat, which is why the further transport of the heat is a very important task of the valve seat ring. The heat is transferred from the valve seat to the circumference and must then be transferred to the cylinder head base. From there it is transported to the inside of the cylinder head and then passes to the coolant.
The pressed-in valve seat ring is very well pressed on the circumference, which is not the case on its upper side facing away from the valve seat, since the possibilities of applying and maintaining a high pressure are limited. The heat transfer from the valve seat ring to the cylinder head is therefore not optimal. If the cylinder head is made of gray cast iron, this means that further transport suffers from poor heat conduction in the gray cast iron.
Another disadvantage of pressed-in or shrunk-in valve seat rings is that enough material has to be piled around the valve seat ring in the cylinder head for reasons of strength and for reasons of casting accuracy, which further extends the path of poor heat conduction. To this end, the material accumulation significantly impedes the flow of the coolant, so that on the one hand the speed at the boundary layer, which is important for the heat transfer coefficient
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is reduced, on the other hand there are flow separations, whereby the speed at the boundary layer collapses at all. The removal of vapor bubbles from these places is disrupted.
Accordingly, there are often problems with the thermal stability in the area of the valve seat rings, which are exacerbated with the tendency towards higher power density.
In very large internal combustion engines, it is therefore customary to cool the valve seat ring directly with the engine coolant by passing it through holes to the valve seat ring and by means of annular grooves in the valve seat ring around it
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However, this is relatively complex for motor vehicles.
From US 6, 259, 054 Bl it is known to weld the valve seat ring by welding into corresponding recesses in the cylinder head.
The object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned and to enable adequate heat dissipation in the region of the valve seats in the simplest possible way.
According to the invention, this is achieved in that the valve seat ring borders on a cooling space in the region of its outer lateral surface. The coolant thus reaches the valve seat ring directly, similar to large engines.
It is preferably provided that the outer lateral surface of the valve seat ring is essentially conical and that the valve seat ring is welded to the cylinder head along its outer lateral surface. The outer circumferential surface of the valve seat ring is smooth, that is to say without any depressions or elevations. The simple design enables inexpensive production.
In order to ensure a secure seal with respect to the cold rooms, it is provided that an annular end face facing away from the valve seat is welded to the cylinder head. It is particularly advantageous if the outer lateral surface borders the cooling space in the region of the end surface facing away from the valve seat.
In contrast to conventional cylinder heads with pressed or shrunk valve seat rings, no material accumulations are necessary. It can even be provided that the cylinder head base is made thinnest in the area of the valve seat rings. This allows the coolant to be closer to the
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Valve seat ring are brought, whereby the heat transport and the coolant flow is improved.
The welding can be carried out in a very economical way by friction welding or by electrical resistance welding. During friction welding, the ring is pressed into the prepared hole and turned. Due to the friction that occurs, the parts to be welded heat up considerably and fuse together.
So that there is sufficient pressure and friction on the circumference, it is advantageous to make the circumference tapered, as a result of which friction and heating occur first. As a result, the material is initially soft in the area of the outer surface. Due to the sustained contact pressure, the valve seat ring moves axially further in the direction of the cylinder head and then makes contact on its end face facing away from the valve seat, heats up due to friction and also welds to the end face with the cylinder head.
Another advantage of the invention is that the secure hold of the valve seat ring no longer depends on the manufacturing accuracy of the fitting and on the sensible use of the engine (e.g.: avoiding abrupt performance requirements with subsequent sharp cooling).
The invention is explained in more detail below with reference to the figure.
The figure shows a cylinder head 1 according to the invention in a section through two gas exchange channels 2, 3, for example an inlet channel and an outlet channel. The orifices 4, 5 of the two gas exchange channels 2, 3 are controlled by lift valves (not shown). The valve seats 6, 7 of the globe valves are formed by valve seat rings 8, 9, which are welded into corresponding recesses in the cylinder head 1 by friction welding or electronic resistance welding.
Each valve seat ring 8.9 has a conical outer jacket surface 8a, 9a and an annular end surface 8b, 9b facing away from the valve seat 6.7.
Each valve seat ring 8, 9 is welded to the cylinder head 1 via the lateral surface 8a, 9a and the end face 8b, 9b.
The welding can be carried out, for example, by friction welding. The valve seat ring 8.9 is pressed and rotated into the prepared recess in the cylinder head 1. Due to the friction that occurs, the partners heat up considerably and fuse together. The fact that the outer jacket pocket 8a, 9a of the valve seat ring 8, 9 is conical means that the valve
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Seat ring 8.9 of the outer surface 8a, 9a first, whereby the material is initially soft in the region of the outer surface 8a, 9a.
Due to the sustained contact pressure, the valve seat ring 8, 9 moves further inward in the direction of the valve seat ring axes 10, 11 and then contacts the cylinder head 1 on its end face 8b, 9b, heats up and welds to the cylinder head 1 both on the end faces 8b, 9b, as well as along the lateral surfaces 8a, 9a.
Near the end face 8b, 9b, the outer surface 8a, 9a of the valve seat ring 8, 9 directly borders a cooling chamber 12 of the cylinder head 1. The valve seat ring 8, 9 is thus in an annular circumferential area 13, 14 of the outer surface 8a, 9a with the cooling chamber 12 connected and is surrounded by coolant.
The cylinder head base 1 a is thinner in the area of the valve seat ring 8, 9, in particular in the area 13, than in other areas and has its minimum thickness s in annular areas around the valve seat ring 8, 9. This makes it possible to bring the coolant particularly close to the valve seat ring 8.9 in order to improve the heat transport and the coolant flow.
The valve seat ring 8, 9 welded into the cylinder head 1 enables optimum heat dissipation from the areas of the valve seat rings 8, 9 and a secure hold of the valve seat ring 8, 9 in the cylinder head 1 in a very simple manner.