Ventilsitzring mit zylindrischer Aussenfläche

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring (3) mit zylindrischer Außenfläche, der in eine zylindrische Bohrung (2) des Zylinderkopfes (1) einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist, wobei der Ventilsitzring aus einem Material mit geringer Wärmedehnung und der Zylinderkopf aus einem Material mit großer Wärmedehnung besteht. Dabei ist vorgesehen, daß der Ventilsitzring ein Übermaß von höchstens 1,5 Promille aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring mit zylindrischer Außenfläche, der in eine zylindrische Bohrung des Zylinderkopfes eine Brennkraftmaschine mit Übermaß eingesetzt ist, wobei der Ventilsitzring aus einem Material mit geringer Wärmedehnung und der Zylinderkopf aus einem Material mit großer Wärmedehnung besteht.

[0002] Ventilsitzringe werden üblicherweise durch einen Schrumpf- und/oder Preßvorgang mit dem Zylinderkopf verbunden. Um einen sicheren Halt des Ventilsitzrings in der Bohrung oder Ringnut des Zylinderkopfes zu gewährleisten, ist ein gewisses Übermaß des Ventilsitzrings erforderlich. Die Fachwelt war bisher der Meinung, daß dieses Übermaß um so größer sein muß, je unterschiedlicher die Wärmeausdehnungen der Materialien sind, aus denen der Ventilsitzring bzw. der Zylinderkopf hergestellt ist. Beispielsweise ist die Wärmeausdehnung von Aluminium nahezu doppelt so groß wie diejenige von Stahl.

[0003] Bisher wurde das erforderliche Übermaß des Ventilsitzrings anhand eines einfachen Modells berechnet, wobei man davon ausging, daß ein Sitzring aus Stahl in eine verzwängungsfreie Aluminiumplatte eingesetzt ist. Dabei wurde eine konstante Temperatur und ein freie Dehnung der Aluminiumplatte angenommen. Das erforderliche Übermaß des Ventilsitzrings wurde durch folgende Gleichung bestimmt:


wobei

α_Fe = thermische Ausdehnung von Eisen

α_Al = thermische Ausdehnung von Aluminium

D = Außendurchmesser des Sitzrings

ΔT = Temperaturerhöhung bei Betrieb

Sicherheit = Sicherheitsfaktor

[0004] Nach dieser bisher angewendeten Formel zur Berechnung des Übermaßes werden sehr hohe Werte für das Übermaß erhalten. Wegen des hohen Übermaßes des Ventilsitzrings gegenüber der in dem Zylinderkopf zugeordneten Bohrung oder Ringnut ist bei der Montage ein großer Aufwand erforderlich. Die Sitzringe müssen unter Umständen tiefgekühlt werden, und mitunter ist es zusätzlich erforderlich, den Zylinderkopf zu erwärmen. Außerdem ist eine hohe Montagekraft notwendig. Bei der Montage des Ventilsitzrings kann eine hohe Zugbelastung im Ventilstegbereich des Zylinderkopfes auftreten, wodurch kritische Werte erreicht werden können. Die Belastung des Brennraumdachs ist daher sehr hoch, die sogar zu einer Rißbildung des Zylinderkopfes führen kann. In jedem Fall wird die Lebensdauer des Zylinderkopfes verringert. Für den Zylinderkopf muß daher ein höherwertiges Material verwendet werden oder die Wandstärke des Zylinderkopfes muß vergrößert werden. Mitunter ist auch eine Wärmebehandlung des Zylinderkopfes erforderlich. Alle diese Maßnahmen sind jedoch mit einer Steigerung der Herstellungskosten verbunden.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Schwierigkeiten durch eine Optimierung der Auslegung des Übermaßes des Ventilsitzrings zu überwinden.

[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ventilsitzring ein Übermaß von höchstens 1,5 Promille aufweist.

[0007] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Zylinderkopf wegen der ungleichen Temperaturverteilung im Bereich des Brennraumdaches an einer freien Ausdehnung gehindert wird. Aus diesem Grund ist entgegen der bisherigen Auffassung ein Übermaß des Ventilsitzrings von 1,5 Promille oder sogar noch weniger ausreichend. Die Erfinder haben erkannt, daß eine durch ungleiche Temperaturverteilung bedingte thermische Verspannung des Brennraumdaches eine freie Ausdehnung desselben verhindert. Das Brennraumdach ist von einem Materialbereich umschlossen, der eine geringere Temperatur aufweist. Dieser in sich geschlossene Materialbereich wirkt gewissermaßen wie eine Umschnürung oder ein Reifen, der eine freie thermische Ausdehnung des auf einer höheren Temperatur befindlichen Brennraumdaches verhindert. Die tatsächliche Ausdehnung des Zylinderkopfes im Bereich des Brennraumdaches ist daher wesentlich geringer als bisher angenommen wurde. Im Betrieb wird das Brennraumdach im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten Modell einer verzwängungsfreien Aluminiumplatte infolge der thermischen Inhomogenität an einer freien Ausdehnung gehindert. Hierdurch entstehen Druckspannungen im Zylinderkopf, die der Aufweitung entgegenwirken und die Ventilsitzringe festhalten. Es ist daher ein deutlich geringeres Übermaß erforderlich als bisher angenommen wurde.

[0008] Durch geringere Belastung des Brennraumdachs infolge des reduzierten Übermaßes des Ventilsitzrings kann die Lebensdauer des Zylinderkopfes deutlich erhöht werden. Unter Umständen ist auch die Verwendung von kostengünstigeren Legierungen für den Zylinderkopf möglich. Auch die Montage der Sitzringe wird erleichtert, da diese wegen des geringeren Übermaßes mit einem geringeren Kraftaufwand montiert werden können. Dadurch können die mit der bisher erforderlichen Kühlung, z. B. mit flüssigem Stickstoff, verbundenen hohen Kosten gespart werden.

[0009] Es wurde festgestellt, daß mit Ventilsitzringen, die so gut wie kein Übermaß aufweisen, ein zuverlässiger Halt im Zylinderkopf bei Betriebstemperatur gewährleistet ist. Im Hinblick auf Oberflächenrauhigkeiten und Setzerscheinungen des Ventilsitzrings einerseits und des Zylinderkopfes andererseits sollte der Ventilsitzring aus Sicherheitsgründen jedoch ein Übermaß von mindestens 0,1 Promille vorzugsweise 0,5 Promille aufweisen.

[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

[0011] Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch einen Ventilsitzring im Einbauzustand.

[0012] In einem Zylinderkopf 1 aus einer Aluminiumlegierung ist eine Ringnut 2 mit einem Durchmesser D1 ausgebildet. In die Ringnut 2 ist ein Ventilsitzring 3 aus Stahl mit einem Außendurchmesser D1 eingesetzt. An der dem Brennraum zugekehrten Stirnseite des Ventilsitzrings 3 ist eine konische Ventilsitzfläche 4 für den Ventilteller eines (nicht gezeigten) Ventils ausgebildet.

[0013] Da die Wärmeausdehnung von Aluminium wesentlich größer ist als diejenige von Stahl, muß der Ventilsitzring 3 mit Übermaß in den Zylinderkopf 1 eingesetzt werden, um bei Betriebstemperatur einen sicheren Halt zu gewährleisten. Andererseits soll das Übermaß des Ventilsitzrings aus den eingangs genannten Gründen möglichst klein sein, um den Einsetzvorgang zu erleichtern und unnötige Spannungen im Zylinderkopf zu vermeiden. Um diesen beiden Forderungen zu entsprechen, weist der Ventilsitzring ein Übermaß auf, das im Bereich von 0,5 bis 1,5 Promille liegt.

Bezugszeichenliste:

[0014] 

1

Zylinderkopf

2

Ringnut

3

Ventilsitzring

4

Ventilsitzfläche

D1

Außendurchmesser von 3

D2

Innendurchmesser von 2

Ansprüche

1. Ventilsitzring mit zylindrischer Außenfläche, der in eine zylindrische Bohrung des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit Übermaß eingesetzt ist, wobei der Ventilsitzring aus einem Material mit geringer Wärmedehnung und der Zylinderkopf aus einem Material mit großer Wärmedehnung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitzring (3) ein Übermaß von höchstens 1,5 Promille aufweist.

2. Ventilsitzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Übermaß von mindestens 0,1 Promille aufweist.

3. Ventilsitzring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Übermaß von mindestens 0,5 Promille aufweist.

Zeichnung