CN103867248B

CN103867248B - 气体交换阀以及用于制造气体交换阀的方法

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Publication number: CN103867248B
Application number: CN201310683638.5A
Authority: CN
Inventors: T·哈恩兹卡; D·施拉格
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: EP2743468B1; JP6385671B2; KR102150124B1; KR20140075577A; EP2743468A1; BR102013021206A2; RU2013154782A; CN103867248A; JP2014114817A

Abstract

本发明涉及气体交换阀以及用于制造气体交换阀的方法。用于往复式活塞内燃发动机的气体交换阀（1）包括：具有阀轴（2）的阀体，阀轴沿着轴向的阀轴轴线（A）延伸；以及在阀轴（2）处邻接的阀盘（3），该阀盘（3）沿轴向方向背离阀轴（2）延伸并且相对于阀轴轴线（A）以径向向外扩展的方式延伸。在阀盘（3）处，在该阀盘（3）的相对于阀轴轴线（A）以大体上正交的形式形成的足表面（31）和阀轴（2）之间形成有阀配合表面（32）。根据本发明，在阀盘（3）的足表面（31）中设置有呈第一覆层凹坑（41）的形式的凹部（4），在覆层凹坑中设置有呈第一防腐层（51）的形式的防腐覆层（5）。

Description

气体交换阀以及用于制造气体交换阀的方法

技术领域

本发明涉及用于往复式内燃发动机的气体交换阀，具体而言涉及用于纵向扫气的大型二冲程柴油发动机的排气阀，本发明还涉及用于制造该气体交换阀的方法。

背景技术

对于高温腐蚀，常常也简单地称为热腐蚀或热气体腐蚀的保护覆层在现有技术中是众所周知的。这些被理解为例如是表面层保护覆层，这些保护覆层特别是对于高温下的氧化或硫化以及在化学侵蚀性环境下具有高耐腐蚀性。它们例如通过热喷涂制成，其中MCrAlY层被广泛用作热温防腐。关于这一点，金属M可以例如是铁、钴、镍或这些金属的合金或者其它金属的合金。而且例如通过镀铬形成的铝铬层显示了在多种应用中的或多或少的良好的耐高温腐蚀性，特别是对于含硫介质的良好的耐高温腐蚀性。

关于这一点，高温腐蚀的现象通过出现在存在少许100℃到远高于1000℃的相当高的过程温度的地方，其中常常不仅高温因而对腐蚀效应的出现负责，而且化学侵蚀性环境条件也能被发现，例如该化学侵蚀性条件能被引回到燃烧产品或其他化学反应产品或者也能由燃料、润滑剂等中的混合物引起。

因此，特别地或多或少与燃烧过程直接接触的工件、部件和机械零件受到高温腐蚀威胁。对此的示例是内燃发动机中活塞的活塞表面、汽缸壁、汽缸盖、喷嘴、气体交换阀，还有内燃发动机的排气系统的部件，例如涡轮增压机，特别是还有涡轮部件和/或排气供应或者排气的抽取以及涡轮增压机系统。

关于这一点，大型柴油燃烧马达的排气阀常常由镍基合金（超级合金）（例如Nimonic80A）构成，这些合金对于重油燃烧时出现的侵蚀性介质具有合适的耐蚀性。与镍基合金相比有成本效益的变型是使用用于制造阀体的耐腐蚀铬镍钢，然而，其腐蚀相关特性不会得到镍基合金的那些特性。为了匹配这些钢的相应特性与相应的要求，已知，具体地将这些钢借助于沉积焊接以多层（例如，以大约6至9层）沉积在气体交换阀的有腐蚀危险的区域中。关于这一点，通过沉积焊接引入的热导致阀体中的强的预应力，导致部件变形并且因此增大了阀体中形成裂纹的危险。

现在将参照示意性图1在下文解释该状态的众所周知的问题。

在这方面，关于这一点，应该注意的是，关于涉及现有技术的示例的特征所设置的附图标记带有引号，而涉及根据本发明的实施方式的特征不具有引号。

图1示出了从示意性图示中的纵向扫气大型二冲程柴油发动机的现有技术已知的排气阀。

图1的排气阀1’包括：具有阀轴2’阀体，该阀轴沿着轴向的阀轴轴线A’延伸；以及在阀轴2’处邻接的阀盘3’，该阀盘沿着轴向方向背离阀轴2’延伸并且相对于阀轴轴线A’以径向向外扩展的方式延伸。关于这一点，阀配合表面32’在阀盘3’处构造成位于该阀盘3’的相对于阀轴轴线A’以大体上正交的形式形成的足表面31’和阀轴2’之间。

在阀盘3’的在安装状态下，面向活塞的在大型柴油发动机的汽缸中运行的表面的足表面31’处的是呈上下叠置沉积的连续沉积的防腐层51’、52’的形式的防腐覆层5’，其设置用于对于由于在操作状态期间在汽缸中的燃烧过程而直接作用于在足表面31’处的侵蚀性负荷、热负荷、化学负荷和物理负荷来保护该足表面31’。图1的排气阀1’的防腐覆层5’关于这一点在足表面31’的整个半径R1’的范围内扩展。

以多层沉积在足表面31’上的防腐覆层5’关于这一点实际上常常具有连续沉积的大约6至9层，其中，为了清楚起见，在图1中仅示出了两层，即，两个防腐覆层51’、52’。关于这一点，由沉积焊接引起的热导致阀体中的强的预应力Z’，特别是但不仅在图1中的用Z’指出的阀盘3’的区域处引起强的预应力。在沉积焊接期间，这些导致如由图1中的箭头W’指示的部件变形W’，由此，特别是阀体中的形成裂纹的风险被整体增大。此外，在沉积焊接内形成热裂纹和重复熔融裂纹的风险随着所引入的热而增大。

由于部件变形W’，阀盘3’因多层焊而沿远离阀轴2’的方向如此强烈地凸出，使得防腐层52’的附加层在阀盘3’的中央中焊接，要求机械加工余量以便再次抵消部件变形W’使得在足表面31’处再次确保尽可能平坦的表面。

关于这一点，应该注意的是，每个另外层的焊接均增大了热裂纹形成和重复熔融裂纹形成的风险并且能导致一部分的部件变形W’。此外，如已提及的，预应力Z’由于引入的焊接热而特别地出现在阀轴2’到阀盘3’的过渡处的临界区域中。关于这一点，在排气阀1’中的机械负荷是相当大的并且预应力Z’促进裂纹形成。

为此，本发明的目的是避免沉积焊接时的部件变形和/或致使大大减小部件变形并且因此减小阀体中的相关联的预应力，特别是存在阀轴到阀盘的过渡的临界区域，并且因此避免焊接的防腐层中的内在裂纹形成。

发明内容

因此，本发明涉及用于往复式活塞内燃发动机的气体交换阀，特别是用于纵向扫气大型二冲程柴油发动机的排气阀，其中，所述气体交换阀包括：具有阀轴的阀体，该阀轴沿着轴向的阀轴轴线延伸；以及在该阀轴处邻接的阀盘，所述阀盘沿轴向方向背离所述阀轴延伸并且相对于所述阀轴轴线以径向向外扩展的方式延伸。关于这一点，在所述阀盘处，在该阀盘的相对于所述阀轴轴线以大体上正交的形式形成的足表面和所述阀轴之间形成有阀配合表面。根据本发明，在所述阀盘的所述足表面中设置有呈第一覆层凹坑的形式的凹部，其中所述覆层凹坑中设置有呈第一防腐层的形式的防腐覆层。

由于以下事实，即，根据本发明，防腐覆层不直接被焊接到阀盘的足表面的平坦外表面上，而是被焊接到覆层凹坑中，该覆层凹坑被加工到阀盘的足表面中，因此在沉积焊接时能基本上防止部件变形，并且关于技术上相关的尺寸能完全防止通常的部件变形。

防止部件变形的基本原因应该在于，将热引入阀盘不再在整个足表面上发生，并且基本上仅平行于阀轴轴线发生，而是在于根据本发明关于用于阀的阀轴轴线引入热还包括垂直于该阀轴轴线的主要部件。

而且，至少在其中仅呈第一覆层凹坑形式的第一凹部设置在阀盘的足表面中的情况下和/或在那些其中足表面的外边界区域未设置有防腐层的情况下，阀盘的外边界区域在沉积焊接时较小强烈地加载有引入的热，使得因此也能显著地减小和/或完全防止部件变形。

特别优选地，防腐覆层包括至少一个第二防腐层，其中，所述第二防腐层特别是能设置在第二覆层凹坑中。关于这一点，第一防腐层特别优选地设置在阀轴和第二防腐层之间的区域中，其中实际上第二防腐层直接焊接在第一防腐层之上。

由于以下事实，即，至少第一防腐层和第二防腐层优选地分别上下叠置地直接焊接在第一覆层凹坑和/或第二覆层凹坑中，因此所引入的焊接热能相应地针对每个焊接过程被减小，这附加地减小和/或基本上完全防止了从现有技术已知的损坏部件变形。由于焊接层和焊接区域的数量减小，因此能实现阀盘中的总的热引入的减小。

关于这一点，明显应该注意的是，在优选实施方式中，关于这一点，即使仅借助布置在足表面处的，优选地布置在绕阀轴线的中央区域中的单个防腐层也可以第一次通过使用根据本发明的覆层凹坑来获得充分的防腐。这样，自然地能整体地减小全部引入阀盘中的热，使得实际上能完全排除由于沉积焊接造成的部件变形的危险。

关于这一点，已经显示了阀盘的足表面的腐蚀例如在阀盘的足表面的直径的大约2/3的区域中是常常最强的并且直到直径的大约3/4小于先前提及的内部区域。而且，根据应用领域和马达的操作条件，可以的是，例如，腐蚀加载在相对于中央焊接轴的轴线径向间隔开的环状区域中最大，并且腐蚀加载在前述环状区域内径向地并且在该环状区域外径向地再次减小。将理解的是，前述陈述实际上能具有偏离值或几何形状并且取决于马达、其负荷等。

为此，针对本发明的具体实施方式，第一防腐层的外边界线形成为具有绕阀轴轴线的外边界半径的圆形，其中，例如，则当腐蚀加载主要在足表面的圆形区域（也常常称为阀下侧）中发生时，第一防腐层也能形成为具有绕阀轴轴线的可限定的内边界半径的圆形或者原则上也呈现不同的合适的几何形状。

实际上防腐覆层能自然地还包括至少一个第二防腐层或甚至更多的附加的保护层，其中第二保护层能优选地，但不是必需地设置在第二覆层凹坑中并且可能另外的腐蚀层能以其他方式设置在相应的覆层凹坑中。

关于这一点，第一防腐层不是必需的，而是特别优选地设置在阀轴和第二防腐层之间，其中第二防腐层的外边界线能例如构造为具有绕阀轴轴线的外边界半径的圆形，但是自然地也能呈现任何其他合适的几何形状。

为了例如在安装或拆卸或所有其他表面加工工作时更好地操纵气体交换阀，第一防腐层和/或第二防腐层能以本身已知的方式绕设置在阀盘中的维修孔设置。实际上，维修孔例如能具有内螺纹，用于更舒适地操纵气体交换阀的操纵设备能被拧紧在该内螺纹中。将理解的是，维修孔优选地在防腐覆层已经沉积时被首先引入。

关于这一点，腐蚀覆层本身能由任何合适的材料构成并且待使用的材料能根据本领域技术人员的要求被选择。关于这一点，实际上使用镍基防腐覆层，特别是由至少包括镍和铬的镍基合金形成的防腐覆层是已知的，其中，铬含量优选地按重量计在10%至60%的铬之间，更优选地，按重量计在15%至50%的铬之间，特别优选地，按重量计在20%至45%的铬之间，例如按重量计43%的铬。

关于这一点，第一防腐层与第二防腐层可由相同的材料制造，其中，特别是，然而，也可以的是，使用不同材料制成两个或更多个防腐层。

气体交换阀的阀体关于这一点能自然地以其他方式也由任何合适的材料制造，然而特别优选地由铬镍钢制造，其中特别是腐蚀覆层的铁含量按重量计小于5%，优选地，按重量计在0.5%至4%之间，更优选地，按重量计小于3%。

本发明还涉及用于详细地制造如上所述的气体交换阀的方法，在该方法中，设置有阀体并且在该气体交换阀的阀体的阀盘的足表面中设置有呈第一覆层凹坑和/或第二覆层凹坑的形式的凹部。关于这一点，在第一覆层凹坑中和/或第二覆层凹坑中设置有呈第一防腐层和/或第二防腐层的形式的防腐覆层。

关于这一点，第一防腐层和/或第二防腐层通过沉积焊接，特别是通过金属保护气体焊接来施加，其中防腐覆层由至少包括镍和铬的镍基合金形成。铬含量特别优选地按重量计在10%至60%的铬之间，更具体地，按重量计在15%至50%的铬之间，特别优选地，按重量计在20%至45%的铬之间。

关于这一点，金属保护气体焊接是现有技术中公知的焊接方法，为了清楚起见，其原理将在下文中简要地解释。常常简称为MSG的金属保护气体焊接已知其不同的变型，也称为例如借助惰性气体的金属焊接，MIG焊接或者也称为MAG焊接，这意味着借助能够起反应的活性气体的金属焊接并且从基本原理的观点看是光弧焊，其中熔融焊丝常常由具有可变速度的马达自动连续地供应。常常使用的焊丝直径例如在0.6mm至2mm之间，或者甚至达到3mm。同时丝供给，保护气体或混合气体由喷嘴以可预定量供应至焊接点，该可预定的量自然地由特定应用来限定。除其他之外，所供应的气体保护光弧之下的液体金属不发生化学反应，特别是不发生氧化，化学反应将削弱焊缝。关于这一点，在所谓的金属活性气体焊接（MAG）时，常常借助纯CO₂或氩和小部分CO₂和O₂的混合气体工作，其中，在金属惰性气体焊接（MIG）时，常常使用惰性气体氩，在更罕见的情况下也使用昂贵的惰性气体氦。MAG方法关于这一点在实践中主要用于钢，MIG方法优选地用于NE金属。

选择性地填充丝自然地也能用作金属保护气体焊接上。这些能借助成渣材料并且可能借助合金添加剂设置在内部中。它们用于与封装丝电极相同的目的。一方面，组成有助于焊接体积，另一方面，它们形成渣并且保护被焊接的位置不被氧化。

关于这一点，根据本发明的气体交换阀的阀体能例如由铬镍钢制成或者也能由不同的材料制成，其中特别优选地上述金属保护气体焊接用作焊接过程，使得，在进行金属保护气体焊接时，获得的防腐覆层的铁含量按重量计小于5%，优选地按重量计在0.5%至4%之间，特别是，按重量计小于3%。

附图说明

在下文中将参照示意图详细地描述本发明。示出有：

图1示出从现有技术已知的大型二冲程柴油发动机的排气阀；

图2a示出根据本发明的气体交换阀的第一实施方式；

图2b示出具有两个覆层凹坑的根据本发明的气体交换阀的第二实施方式；

图2c示出根据图2b的不同实施方式；

图2d示出具有维修孔和覆层阀座的根据图2b的不同实施方式；以及

图2e示出具有环状覆层凹坑的根据本发明的气体交换阀的实施方式。

具体实施方式

从现有技术已知的根据图1的大型二冲程柴油发动机的排气阀在背景技术中已经详细地讨论过，为此不必关于这一点进一步讨论。

图2a示出了根据本发明的气体交换阀的第一简化实施方式，在下文中该气体交换阀将利用附图标记1完全指示。

图2a的用于往复式活塞内燃发动机的根据本发明的气体交换阀1的具体实施方式在该示例中是用于纵向扫气的大型二冲程柴油发动机的排气阀。该气体交换阀1包括：具有阀轴2的阀体，该阀轴沿着轴向的阀轴轴线A延伸；以及在该阀轴2处邻接的阀盘3，该阀盘沿轴向方向背离阀轴2延伸并且相对于阀轴轴线A以径向向外扩展的方式延伸。关于这一点，在阀盘3处，在该阀盘3的相对于阀轴轴线A以大体上正交形式形成的足表面31和阀轴2之间形成有阀配合表面32，该阀配合表面，本领域技术人员常常也简称为阀盘底侧。根据本发明，在阀盘3的足表面31中设置有呈第一覆层凹坑41的形式的凹部4，呈第一防腐层51的形式的防腐覆层5设置在该覆层凹坑中。关于这一点，覆层凹坑41在施加防腐层51之前借助于已知的方法被加工。第一防腐层51的外边界线构造成针对本示例为圆形，该圆形具有绕阀轴轴线A的外边界半径R1。

防腐层51在该示例中借助于沉积焊接，优选地借助于如已经在上更详细地以不同的变形描述的金属保护气体焊接被施加。

参照图2b，示意地示出了具有两个覆层凹坑41、42的根据本发明的气体交换阀1的第二实施方式，其在实践中特别是很重要的。图2b的实施方式与图2a的实施方式的差异因此特别是在于，在该示例中，防腐覆层5包括至少一个第二防腐层52，其中该防腐层52设置在第二覆层凹坑42中，并且第一防腐层51沉积在位于阀轴2和第二防腐层52之间的在该第二防腐层52正下方的区域中。

第二防腐层52的外边界线关于这一点成圆形地形成有绕阀轴轴线A的外边界半径R2，其中外边界半径R2小于足表面31的半径。

关于这一点，然而，也可以的是，外边界半径R2大体上与足表面31的半径相同，如借助于图2c示意地示出的。这意味着，对于图2c的实施方式，第二覆层凹坑42实际上与第一防腐层51的表面相同并且与足表面31未由第一防腐层51覆盖的剩余表面相同。

关于这一点，维修孔6常常在实践中以本身已知的方式设置在足表面31中，如图2d中示意地示出的，该维修孔优选地包括内螺纹，使得对于安装和维修工作，操纵工具能被拧到维修孔6中。

图2e最后示出了具有环状覆层凹坑41的根据本发明的气体交换阀1的不同的具体实施方式。这意味着，第一防腐层51例如成圆形地布置，其具有绕阀轴轴线A的内边界半径R12和外边界半径R1。

根据图2e的实施方式也能特别有利地被使用，于是当腐蚀负荷特别强地出现在环状防腐层51的区域中并且在环状防腐层51的外部内不太强烈时，使得能省除防腐层。

自然地应理解的是，在本申请的上下文中所描述的本发明的具体实施方式仅仅通过示例来理解，并且本发明自然地还包括所述的实施方式的所有合适的组合，以及本发明的关于所要求的保护范围的任何进一步的改进对于本领域技术人员是显而易见的。

根据本发明，因此根据要求高度耐蚀层的施加被首次建议用于利用整体上减小的热的引入的内燃发动机的气体交换阀。例如，在具有强烈腐蚀的区域中，腐蚀层能施加在位于阀盘的足表面中的先前提供的覆层凹坑中且具有相应的更大的层厚度并且在低腐蚀的区域中具有相应的小的层厚度。根据腐蚀负荷，在这方面，例如间隔开预定距离，例如，从阀轴的足表面移位直径的3/4以上的外部区域也能构造成不具有电镀，这意味着，也不具有沉积焊接的防腐层。根据本发明进行的电镀几何尺寸将变形减小到最小值或者甚至完全消除，使得不再需要用于补偿足表面处的部件变形的多个机械加工余量层的沉积焊接，如从现有技术中已知的。这意味着通过整体地最小化和/或大体上不再存在变形，同样地电镀的最后加工能常常被省略，当焊道制备时，这意味着根据本发明的覆层凹坑在焊接过程之前被加工到阀盘基部中并且沉积焊接的厚度对应于覆层凹坑的深度。

Claims

1.一种用于往复式活塞内燃发动机的气体交换阀，其中，所述气体交换阀包括：具有阀轴(2)的阀体，所述阀轴沿着轴向的阀轴轴线(A)延伸；以及在所述阀轴(2)处邻接的阀盘(3)，所述阀盘(3)沿轴向方向背离所述阀轴(2)延伸并且相对于所述阀轴轴线(A)以径向向外扩展的方式延伸，其中在所述阀盘(3)处，在该阀盘(3)的相对于所述阀轴轴线(A)以大体上正交的形式形成的足表面(31)和所述阀轴(2)之间形成有阀配合表面(32)，所述气体交换阀的特征在于，在所述阀盘(3)的所述足表面(31)中设置有呈第一覆层凹坑(41)的形式的凹部(4)，在所述覆层凹坑中设置有呈第一防腐层(51)的形式的防腐覆层(5)。

2.根据权利要求1所述的气体交换阀，其中，所述第一防腐层(51)的外边界线构造为绕所述阀轴轴线(A)并且具有外边界半径(R1)的圆形。

3.根据权利要求1或2所述的气体交换阀，其中，所述第一防腐层(51)构造为绕所述阀轴轴线(A)并且具有内边界半径(R12)的圆形。

4.根据权利要求1所述的气体交换阀，其中，所述防腐覆层(5)包括至少一个第二防腐层(52)。

5.根据权利要求4所述的气体交换阀，其中，所述第二防腐层(52)设置在第二覆层凹坑(42)中。

6.根据权利要求4或5所述的气体交换阀，其中，所述第一防腐层(51)设置在所述阀轴(2)和所述第二防腐层(52)之间的区域中。

7.根据权利要求4所述的气体交换阀，其中，所述第二防腐层(52)的外边界线构造为绕所述阀轴轴线(A)并且具有外边界半径(R2)的圆形。

8.根据权利要求4所述的气体交换阀，其中，所述第一防腐层(51)和/或所述第二防腐层(52)绕设置在所述阀盘(3)中的维修孔(6)设置。

9.根据权利要求1所述的气体交换阀，其中，所述防腐覆层(5)是镍基防腐覆层。

10.根据权利要求1所述的气体交换阀，其中，所述防腐覆层(5)由至少包括镍和铬的镍基合金形成。

11.根据权利要求4所述的气体交换阀，其中，所述第一防腐层(51)与所述第二防腐层(52)由相同的材料制成。

12.根据权利要求1所述的气体交换阀，其中，所述气体交换阀的所述阀体由铬镍钢制成，和/或所述防腐覆层(5)的铁含量按重量计小于5％。

13.根据权利要求1所述的气体交换阀，其中，所述气体交换阀是用于纵向扫气大型二冲程柴油发动机的排气阀。

14.根据权利要求10所述的气体交换阀，其中，铬含量按重量计在10％至60％的铬之间。

15.根据权利要求10所述的气体交换阀，其中，铬含量按重量计在15％至50％的铬之间。

16.根据权利要求10所述的气体交换阀，其中，铬含量按重量计在20％至45％的铬之间。

17.根据权利要求12所述的气体交换阀，其中，所述防腐覆层(5)的铁含量按重量计在0.5％至4％之间。

18.根据权利要求12所述的气体交换阀，其中，所述防腐覆层(5)的铁含量按重量计小于3％。

19.一种用于制造根据前述权利要求中的任一项所述的气体交换阀(1)的方法，在该方法中，提供阀体，并且呈第一覆层凹坑(41)和/或第二覆层凹坑(42)的形式的凹部(4)设置在所述气体交换阀(1)的所述阀体的阀盘的足表面(31)中，并且呈第一防腐层(51)和/或第二防腐层(52)的形式的防腐覆层(5)设置在所述第一覆层凹坑(41)中和/或设置在所述第二覆层凹坑(42)中。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一防腐层(51)和/或所述第二防腐层(52)通过沉积焊接。

21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述防腐覆层(5)由至少包括镍和铬的镍基合金形成，所述气体交换阀(1)的所述阀体由铬镍钢制成，并且金属保护气体焊接被用作焊接过程，使得在进行金属保护焊接时，所获得的所述防腐覆层(5)的铁含量按重量计小于5％。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一防腐层(51)和/或所述第二防腐层(52)通过金属保护气体焊接来施加。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，铬含量按重量计在10％至60％的铬之间。

24.根据权利要求21所述的方法，其中，铬含量按重量计在15％至50％的铬之间。

25.根据权利要求21所述的方法，其中，铬含量按重量计在20％至45％的铬之间。

26.根据权利要求21所述的方法，其中，所述防腐覆层(5)的铁含量按重量计在0.5％至4％之间。

27.根据权利要求21所述的方法，其中，所述防腐覆层(5)的铁含量按重量计小于3％。