Brennkraftmaschinen-Einlass-oder Auslassventil

Abstract

 Es soll ein Ventil bzw. Ventil dieser Art geschaffen werden, bei dem ein Spiel zwischen einem Ventiltrieb und einem Ventilschaft vermindert oder beseitigt werden darf, eine größere Wärmebeiastbarkeit erzielbar ist und meist auch weniger Strömungsprobleme auftreten. Die Erfindung besteht darin, daß von den die beiden gegenseitigen Dichtflächen des Ventils aufweisenden Teilen des Ventils mindestens der Ventilkörper aus keramischem Werkstoff besteht und diese Dichtflächen zylindrisch sind. Der Ventilkörper ist insbesondere teller-, knollen- oder tropfenförmig oder ein durch eine Wand hindurch hin und her bewegbarer, hohler Zylinderkörper, bei dem eine Öffnung am Umfang desselben durch Hineinbewegen in die Wand durch diese verschließbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil, insbesondere Ein- oder Auslaßventil an einem Verbrennungsmotor bzw. an dessen Arbeitszylinder.

[0002] Ein Auslaßventil und ein Einlaßventil an einem Verbrennungsmotor und der Ventiltrieb sind allgemein bekannt, insbesondere in folgender Bauart:

Das Ventil befindet sich in einem Zylinderkopf oder -deckel. Ein Ventilkörper, der ein Ventilteller ist, und ein Ventilschaft bilden eine einstückige Einheit aus Stahl, die ein Umdrehungskörper ist und in Richtung ihrer Längsachse hin- und herbewegbar ist. Die beiden gegenseitigen, zueinander parallelen Dichtflächen des Ventils sind Kegelstumpfflächen. Der Ventilteller ist während der Schließzeit durch die Kraft einer Schraubendruckfeder mit seiner Dichtfläche gegen die feststehende Dichtfläche drückbar.

[0003] Die Wärme im Ventilteller wird während der Schließzeit über den Kegelstumpf-Ventilsitz in den wasser- oder luftgekühlten Zylinderkopf abgeleitet. Diese Wärmeableitung ist nicht besonders groß, d.h. insbesondere der Ventilkörper ist hitzegefährdet, bzw. solch ein Ventil ist thermisch nicht hoch belastbar. Außerdem ist erforderlich, daß zwischen dem Kipphebel oder dgl. des Ventiltriebs und dem Ventilschaft ein Spiel eingehalten wird und dadurch, z.B. auch bei unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen dem Ventiltrieb und dem Zylinderkopf, der Ventilteller während der Schließzeit mit seiner Dichtfläche tatsächlich gegen die feststehende Dichtfläche gedrückt wird bzw. satt und fest an dieser anliegt, damit wenigstens die genannte nicht besonders große Wärmeableitung erzielt wird. Durch dieses Spiel treten jedoch beim Auftreffen des Kipphebels oder dgl. auf den Ventilschaft beim Uffnen des Ventils und ferner durch das Auftreffen des Ventiltellers auf den Ventilsitz beim Schließen des Ventils sehr hohe Beschleunigungskräfte auf. Dies hat große mechanische Belastungen des Ventils und erhebliche Geräuschentwicklung zur Folge.

[0004] Ferner treten Strömungsprobleme auf, und zwar treten vor und hinter dem Ventilteller Verwirbelungen auf, und ferner ist die Kegelform des Stroms des Fluids - Luft beim Diesel-, Gemisch beim Ottomotor - aus dem Einlaßventil in den Brennraum hinein oft nicht günstig.

[0005] Aufgabe gemäß der Erfindung ist es, ein Ventil zu schaffen, bei dem das genannte Spiel verkleinert oder beseitigt werden darf und sogar eine größere Wärmebelastbarkeit erzielbar ist und meist auch die genannten Strömungsprobleme zumindest zum Teil gelöst werden können.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

[0007] Mit diesen zylindrischen Dichtflächen, die gleichzeitig Führungsflächen sind und deren Zylinderachse in der Bewegungsrichtung des Ventilkörpers verläuft, darf das genannte Spiel verkleinert oder beseitigtwerden, weil sich der Ventilkörper nicht mehr an einen Ventilsitz anlegen muß. Auch werden Beschleunigungsspitzen und somit hohe Aufschlagkräfte vermindert oder vermieden, wodurch der Einsatz der Keramik wesentlich erleichtert wird. Wegen der hohen thermischen Stabilität des keramischen Werkstoffs ist nur wenig Wärmeableitung aus dem keramischen Ventilkörper erforderlich. Dies macht es möglich, die gegenseitigen Dichtflächen als zylindrische Flächen auszuführen, deren Zylinderachse in der Ventilkörperbewegungsrichtung verläuft. Der keramische Ventilkörper darf sehr heiß werden. Die thermische bzw. Wärme-Belastbarkeit des Ventilkörpers oder des Ventils ist größer als im vorn genannten Fall. Auch kann durch die Verwendung keramischen Werkstoffs für mindestens den Ventilkörper die Verbrennungstemperatur im Motorzylinder gesteigert werden. Ferner läßt der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Werkstoffs - insbesondere Siliziumkarbid SiC oder Siliziumnitrid Si₃N₄ - enge Paßmaße zu, wodurch sichergestellt ist, daß das Ventil auch bei hoher Temperatur gut dichtet. Desweiteren gibt es hier keine kegelstumpfförmigen Sitzflächen, so daß es leicht ausführbar ist, das Fluid in günstigeren, frei gewählten Richtungen aus dem Ventil in den Brennraum hinein ausströmen zu lassen. Ferner kann der Ventilkörper leicht so ausgebildet werden, daß möglichst wenig Wirbelbildung im ein- bzw. ausströmenden Fluid auftritt, z.B. in den Brennraum hinein strömungsgünstig ausgebaucht sein. Trotz einer solchen Vergrößerung wird der Ventilkörperdurch die somit größere Wärmeaufnahme thermisch nicht überlastet, denn er besteht aus keramischem Werkstoff.

[0008] Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung sind insbesondere aus den Unteransprüchen ersichtlich.

[0009] Durch das Kennzeichen des Anspruchs 2 ist sichergestellt, daß der Ventilkörper bei der meist etwas weit von ihm entfernten Lagerung des Ventilschafts in jedem Fall einwandfrei in die Paßfläche bzw. die feststehende zylindrische Dichtfläche einläuft. Gemäß dem Anspruch 3 ergibt sich eine sehr einfache Ventilbauart. Relativ wenig Verwirbelung tritt am Ventil im Fall des im Anspruch 4 genannten, knollenförmigen Ventilkörpers auf, der also in den Brennraum hinein ausgebaucht ist. Bei geöffnetem Ventil strömt das Fluid im Fall des Anspruchs 3 oder 4 um den Ventilkörper herum, im Fall des Anspruchs 5 durch den Zylinderkörper hindurch. Es besteht die Möglichkeit, an hohlen Zylinderkörpern gemäß dem Anspruch 5 die Ein- und Ausströmrichtungen verschiedenartig festzulegen. Uffnungsanordnungen dafür sind insbesondere in den Ansprüchen 6 und 7 angegeben. Der hohle Zylinderkörper des Ein- oder Auslaßventils kann aber auch brennraumseitig an seiner Stirn eine einzige z.B. große öffnung und auf der anderen Seite der Wand an seinem Umfang jene Schließöffnung bzw. -öffnungen aufweisen. Es kann von Vorteil sein, die öffnungen am Umfang des Zylinderkörpers über 360° gleichmäßig verteilt anzuordnen. Gemäß dem Anspruch 7 (Einlaßventil) geht man insbesondere dann vor, wenn im Verbrennungsraum eine Rotationsbewegung des Fluids, eine Drallströmunq, erwünscht ist. Diese weist innen die relativ leichteren Verbrennungsgase auf, während sie außen relativ kühle, nicht an der Verbrennung teilnehmende Luft aufweist, wodurch sich ein wärmedichterer Motor ergibt. Wird gemäß dem Anspruch 8 vorgegangen, wird der Brennraum noch besser abgedichtet. Die Ausbildung gemäß dem Anspruch 9 dient der Gewichtsverminderung des Ventilkörpers. Der Ventil ring oder das Ventilrohr gemäß dem Anspruch 10 besteht vorzugsweise aus keramischem Werkstoff. Er bzw. es sitzt fest im Zylinderkopf. Zum Anspruch 11 ist auszuführen, daß die Möglichkeit besteht, beim geschlossenen Ein- oder Auslaßventil, an einem Verbrennungsmotor, den Ventilkörper so zu verschieben bzw. so zu steuern, daß während der Verbrennung die Größe des Brennraums zur Beeinflussung des Verbrennungsdrucks bzw. des Verlaufs desselben geändert wird.

[0010] Der Ventilkörper oder dieser und das oder der andere Teil besteht bzw. bestehen insbesondere aus Siliziumkarbid SiC oder oder Siliziumnitrid Si₃N₄, kann bzw. können aber auch z.B. aus Oxidkeramik wie Aluminiumoxid A1₂0₃ oder Magnesiumoxid Mg0 bestehen.

[0011] Der Außendurchmesser des Ventilschafts ist zumindest in den Fällen der Ansprüche 3 und 4 kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Dichtflächen.

[0012] Die Ventile gemäß den Ansprüchen 3 und 4 und Ventile mit ähnlichem Ventilkörper sind insbesondere von der Art, daß ihr Durchflußquerschnitt sich innerhalb des Verbrennungsraums bzw. des Innenraums des Arbeitszylinders des Verbrennungsmotors befindet. Diese Ventile können aber auch von der Art sein, daß ihr Durchflußquerschnitt sich außerhalb des Verbrennungsraums bzw. dieses Innenraums befindet.

[0013] Das erfindungsgemäße Ventil kann ein Einlaßventil, aber auch ein Auslaßventil sein, insbesondere an einem Verbrennungsmotor.

[0014] Die Erfindung ist im allgemeinen bei Verbrennungsmotoren mit geradlinig hin- und herbewegbarem Arbeitskolben, insbesondere bei Diesel- und Ottomotoren, anwendbar.

[0015] Das Ventil gemäß der Erfindung kann auch z.B. an oder bei einem Behälter, einem Rohr oder einer bzw. einer anderen thermischen Kraft- oder Arbeitsmaschine, beispielsweise als Bypassventil bei einem Turbolader, vorgesehen sein. Der Ventilkörper besteht gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 aus keramischem Werkstoff. Es wird aber auch im Rahmen dieser Anmeldung um Patentschutz nachgesucht für Ventile gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 für den Fall, daß von den beiden genannten Teilen der Ventilkörper aus anderem Werkstoff, insbesondere Metall, besteht und das andere Merkmal (die beiden gegenseitigen Dichtflächen sind zylindrisch) des Anspruchs 1 und die Kennzeichen der Ansprüche 2 bis 10 voll erhalten bleiben.

[0016] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Ventils gemäß der Erfindung vereinfacht und jeweils in einem die Zylinderachse der zylindrischen Dichtflächen enthaltenden Längsschnitt dargestellt. Jedes dieser Ventile kann ein Einlaßventil, aber auch ein Auslaßventil sein.

Fig. 1 zeigt ein voll geschlossenes Tellerventil;

Fig. 2 zeigt ein voll geschlossenes Ventil mit knollenförmig ausgebildetem Ventilkörper;

Fig. 3 und 4 zeigen ein Ventil mit einem hohlen Zylinderkörper als Ventilkörper, wobei das Ventil gemäß Fig. 3 voll geschlossen, gemäß Fig. 4 voll offen ist.

[0017] Gemäß sämtlichen Figuren verläuft die Zylinderachse 10 der zylindrischen Dichtflächen in den Hin- und Herbewegungsrichtungen - siehe den Doppelpfeil 11 - des Ventilkörpers, besteht dieser zusammen mit einem Ventilschaft 12 (abgebrochen dargestellt) aus einem Stück und aus keramischem Werkstoff und stellt diese Einheit einen Umdrehungskörper dar.

[0018] Gemäß Fig. 1 ist der keramische Ventilkörper ein Ventilteller 13. Dieser weist außen die zylindrische Dichtfläche 14 auf. Diese liegt an der zylindrischen Dichtfläche 15, die an einem Ventil ring 16 vorgesehen ist. Der Ventilteller 13 weist an seiner Dichtfläche 14 in Richtung der Zylinderachse 10 aufeinanderfolgende Labyrinthdichtungsnuten 17 auf. Der Ventilring 16 besteht, zumindest im Fall eines Auslaßventils, ebenfalls aus keramischem Werkstoff, sitzt in einer am Brennraum 18 beginnenden Ausnehmung 19 eines Zylinderkopfs 20, der aus keramischem Werkstoff bestehen kann, und bildet eine brennraumseitige öffnung 21 des Ventils. Anstelle des Ventil rings 16 kann ein Ventilrohr 22 verwendet werden, das im Zylinderkopf 20 steckt und ebenfalls am Brennraum 18 beginnt. Der Ventil ring 16 oder das Ventilrohr 22 weist eine Einlauffläche 23 auf, die sich an dessen zylindrische Dichtfläche 15 anschließt, sich bis zum Brennraum 18 konisch schwach erweitert und am Brennraum 18 mit der öffnung 21 endet.

[0019] Der keramische Ventilkörper 24 gemäß Fig. 2 ist ein knollenförmiger Körper mit einer ringförmigen, relativ zu seinem größten Durchmesser und zu seiner Länge axial kurzen zylindrischen Dichtfläche 25 im Gebiet dieses Durchmessers. Die feststehende zylindrische Dichtfläche 26 ist durch den Zylinderkopf 20 gebildet. Dieser weist die Einlauffläche 23 auf. Der Ventilkörper 24 weist zur Gewichtsersparnis innen einen kugelförmigen Hohlraum 27 auf. Der Ventilkörper 24 hat durch seine Knollenform eine strömungsgünstige Ausbauchung 28 in den Brennraum 18 hinein. Die Ausbauchung 28 ist besonders strömungsgünstig, weil sie in den Brennraum 18 hinein zentral spitz auslaufend ausgebildet ist. Sehr strömungsgünstig sind auch die entgegengesetzte Ausbauchung 29 und das Merkmal, daß diese sich verjüngend in den Ventilschaft 12 übergeht. Man kann den Ventilkörper 24 auch als tropfenförmigen Körper bezeichnen.

[0020] Gemäß Fig. 1 und 2 wird der Ventilkörper 13 bzw. 24 zum öffnen des Ventils in den Brennraum 18 hinein verschoben.

[0021] Der hohle keramische Zylinderkörper 30 gemäß Fig. 3 und 4 weist einen koaxialen, zylindrischen, vom Fluid des Ventils durchströmbaren Innenraum 31 und zwei Umfangswanddurchbrüche oder öffnungen 32 und 33 für den Eintritt und den Austritt bzw. den Austritt und den Eintritt des betreffenden Fluids auf. Der Zylinderkörper 30 ist in einer Bohrung einer Wand 34 dichtend geführt. Die Bohrungsoberfläche ist die feststehende zylindrische Dichtfläche 36, und am Umfang des Zylinderkörpers 30 befindet sich die andere Dichtfläche 35. Die öffnungen 32 und 33 sind um 180° zueinander versetzt angeordnet. Sie können auch um einen kleineren Winkel oder nicht zueinander versetzt angeordnet sein. Die öffnungen 32 und 33, winkelmäßig zueinander versetzt oder nicht, sind in einem solchen axialen Abstand voneinander angeordnet, daß sie beide in der Volloffenstellung (Fig. 4) des Ventils voll offen sind, d.h. axial sich außerhalb der der Wand 34 befinden, die öffnungen 32 auf der einen Seite der Wand 34, die öffnungen 33 auf der anderen Seite der Wand 34. In der Voll geschlossenstellung (Fig.3) des Ventils befindet sich die öffnung 33 voll in der Bohrung (36). Die Einströmung und die Ausströmung des Fluids erfolgen etwa senkrecht zur Zylinderachse 10. Beim Einlaßventil ist mit einer solchen in der Umfangswand des Zylinderkörpers 30 für den Austritt des Fluids vorgesehenen öffnung 33 eine Drallströmung im Brennraum 18 möglich. - Anstelle oder zusätzlich zu einer öffnung 32 können achsparallele öffnungen 38 in der beim Ventilschaft 12 gelegenen Stirnwand 37 des Zylinderkörpers 30 vorgesehn sein.

Ansprüche

1. Ventil, insbesondere Ein- oder Auslaßventil an einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß von den die gegenseitigen Dichtflächen (14,15) des Ventils aufweisenden Teilen (13,16) des Ventils mindestens der Ventilkörper (13) aus keramischem Werkstoff besteht und diese Dichtflächen (14,15) zylindrische Flächen sind.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die feststehende zylindrische Dichtfläche (26) eine feststehende, schwach konische Einlauffläche (23) anschließt.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper ein Ventilteller (13) mit zylindrischer Dichtfläche (14) ist.

4. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (24) knollenförmig mit zylindrischer Dichtfläche (25) ausgebildet ist.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper ein durch eine Bohrung (36) einer Wand (34) führender, hohler Zylinderkörper (30) mit mindestens einer Eintrittsöffnung (32,38) und mindestens einer Austrittsöffnung (33) für sein Fluid ist, wobei die öffnung (33) bzw. öffnungen einer dieser beiden öffnungsarten am Umfang des Zylinderkörpers (30) vorgesehen und durch die Schließbewegung des Zylinderkörpers voll in die Bohrung (36) bewegbar ist bzw. sind.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (32) bzw. öffnungen (38) der anderen dieser beiden öffnungsarten am Umfang und/oder an der Stirn (39) des hohlen Zylinderkörpers (30) vorgesehen ist bzw. sind.

7. Einlaßventil nach Anspruch 5 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Zylinderkörper (30) nur eine einzige Austrittsöffnung (33) für das Fluid und diese an seinem Umfang aufweist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einer (14) der beiden zylindrischen Dichtflächen (14,15) in Richtung ihrer Zylinderachse (10) aufeinanderfolgende Labyrinthdichtungs-Ringnuten (17) vorgesehen sind.

9. Ventil nach Anspruch 1, 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (24) hohl ausgebildet ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein die feststehende zylindrische Dichtfläche (15) aufweisendes Teil ein Ring (16) oder ein Rohr (22) ist.

11. Ein- oder Auslaßventil an einem Verbrennungsmotor, nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine bei geschlossenem Ventil vorhandene, die Größe des Brennraums (18) zur Beeinflussung des Verbrennungsdrucks ändernde Verschiebbarkeit bzw. Steuerbarkeit des Ventilkörpers (24) längs der feststehenden zylindrischen Dichtfläche (26).

Zeichnung