DE19602720B4

DE19602720B4 - Hubventil

Info

Publication number: DE19602720B4
Application number: DE1996102720
Authority: DE
Inventors: Hans-Günther Dipl.-Ing. Haldenwanger; Hans Dr. Bauer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2016-01-27
Also published as: DE19602720A1

Abstract

Hubventil (10) als Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine, das aus Keramik hergestellt ist, mit einem an einem Ventilschaft (12) angeformten Ventilteller (14), der mit einer ringförmigen Sitzfläche (16) versehen ist, wobei die Sitzfläche (16) ballig mit einem Radius (r) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r) der ballig ausgeführten Sitzfläche (16) etwa dem Durchmesser (D) des Ventiltellers (14) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hubventil als Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Hubventile der gattungsgemäßen Art mit ballig ausgestalteten Sitzflächen der Ventilteller zeigen beispielsweise die Druckschriften DE 25 45 860 A1 , DE 33 02 650 A1 und DE 39 26 431 A1 .
Zur Beherrschung der auftretenden Wechselspannungen innerhalb des Ventilschaftes und des Ventiltellers ist der Druckschrift DE 39 26 431 A1 ein Hubventil zu entnehmen, in dem ein metallischer Zuganker angeordnet ist. Eine derartige Konstruktion ist aber fertigungstechnisch relativ aufwendig, so dass ein einheitlich aus Keramik, z. B. aus Siliziumnitrid Si₃N₄ gefertigtes Hubventil anzustreben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hubventil der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, das mit geringem zusätzlichem Aufwand eine erhöhte Betriebssicherheit besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass durch die ballig ausgeführte Sitzfläche des Ventiltellers des Hubventils, deren Radius etwa dem Durchmesser des Ventiltellers entspricht, eine weitgehend homogene Spannungsverteilung in den auftretendem Belastungsfällen (geöffnet – geschlossen) erreicht wird. Zu berücksichtigen ist dabei die Thermospannung, die permanent im Ventil wirkt, und die Überlagerung dieser Spannung mit der mechanisch induzierten Spannung durch den Verbrennungsdruck. Es werden in verstärktem Maße punktuelle Bereiche durch Kantenträger, Toleranzen, etc. vermieden, die im Betrieb starken Wechselspannungen bzw. Zug-Druckspannungen ausgesetzt sind, mit der Gefahr einer Rissinitiierung am Ventilteller. Vielmehr schafft die ballige Gestaltung der Sitzflächen eine Vergrößerung der punktuellen Krafteinleitungsstellen und damit eine Verringerung der spezifischen Belastung bzw. Flächenpressung und Wechselspannungen. Der definierte Radius r der balligen Sitzfläche stellt dabei sicher, daß unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Toleranzen der Druckberührungspunkt zwischen Ventilsitzfläche und Ventilsitzring im Zylinderkopf in ausreichendem Abstand von den Ventilsitzkanten bleibt bzw. relativ mittig positioniert bleibt.
Da die Biegebelastung des Ventiltellers in Folge des "Abrollens" der Sitzfläche auf dem Ventilsitzring etwas ansteigt, wird ferner vorgeschlagen, den Ventilteller durch eine ballige oder parabolische Gestaltung der den Brennraum zugewandten Seite des Ventiltellers zu verstärken. Insbesondere durch die parabolische Ausbildung des Ventiltellers wird eine opitmale Ausnutzung des Werkstoffes erreicht, wobei bis zur Randfaser des Ventiltellers eine relativ konstante Spannung wirkt.
Schließlich kann zumindest die ballige Sitzfläche im Quick-point-Schleifverfahren hergestellt sein, mit dem ballige Konturen fertigungstechnisch günstig schleifbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die anliegende Zeichnung zeigt ein Hubventil als Gaswechselventil einer Hubkolben-Brennkraftmaschine aus Siliziumnitrid mit balliger Sitzfläche und parabelförmig verstärktem Ventilteller.
Das dargestellte Hubventil 10 als Gaswechselventil einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere als Auslaßventil, setzt sich aus einem Ventilschaft 12 und einem Ventilteller 14 zusammen. Der Ventilteller 14 weist eine ringförmige Sitzfläche 16 z. B. mit einer Neigung von 45° zur Ventilachse 18 auf. Die Sitzfläche 16 wirkt mit nur einem teilweise dargestellten Ventilsitzring 20 im Zylinderkopf 22 der Brennkraftmaschine zusammen. Die Sitzfläche 24 des Ventilsitzringes 22 weist ebenfalls eine Neigung von 45° auf und ist in herkömmlicher Weise plan gefertigt. Das Hubventil 10 ist aus einer Siliziumnitrid-Oxidkeramik Si₃N₄ hergestellt.
Die Sitzfläche 16 des Ventiltellers 14 ist mit einem Radius r = 30 mm ballig ausgeführt, wobei der Durchmesser D des Ventiltellers 35 mm beträgt. Durch die Balligkeit der Sitzfläche 16 wird unabhängig von den auftretenden Fertigungstoleranzen (insbesondere bei den Ventilsitzwinkeln, Desachsierungen, etc) eine verbesserte punktuelle Krafteinleitung mit verminderten Druck-Zugspannungsschwankungen erzielt.
Zur Verstärkung des Widerstandmomentes des Ventiltellers ist dessen den Brennraum zugewandte Seite 26 ballig bzw. parabelförmig mit nach außen dem Ventiltellerrand zu abnehmender Dicke gestaltet. Daraus resultiert eine optimale Ausnutzung des Werkstoffes mit bis zu den Randbereichen des Ventiltellers 14 reichender konstanter Spannungsverteilung.
Die Sitzfläche 16 des Ventiltellers 14 ist im Quick-point-Schleifverfahren mit punktförmigem Angriff des Schleifmittels hergestellt.

Claims

Hubventil (10) als Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine, das aus Keramik hergestellt ist, mit einem an einem Ventilschaft (12) angeformten Ventilteller (14), der mit einer ringförmigen Sitzfläche (16) versehen ist, wobei die Sitzfläche (16) ballig mit einem Radius (r) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r) der ballig ausgeführten Sitzfläche (16) etwa dem Durchmesser (D) des Ventiltellers (14) entspricht.
Hubventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik für das Hubventil (10) Si₃N₄ ist.
Hubventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) des Ventiltellers (14) 25 bis 50 Millimeter beträgt.
Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) des Ventiltellers (14) 35 Millimeter beträgt, und dass der Radius (r) der ballig ausgeführten Sitzfläche (16) etwa 30 Millimeter beträgt.
Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (14) an seiner dem Brennraum zugewandten Seite (26) zumindest teilweise ballig aufgedickt ist.
Hubventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung der dem Brennraum zugewandten Seite (26) des Ventiltellers (14) im Querschnitt parabelförmig gestaltet ist.
Hubventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die ballige Sitzfläche (16) im Quick-point-Schleifverfahren hergestellt ist.