DE102007026018B4 - Bimetallic valve with a truncated cone-shaped area of the valve stem - Google Patents

Bimetallic valve with a truncated cone-shaped area of the valve stem Download PDF

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Abstract

Bimetallventil (10a, 10b) zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor mit:- einem Ventilteller (14a, 14b) und- einem Ventilschaft (16a, 16b), der einen ersten Bereich mit einem konstanten ersten Durchmesser (D1) und einen zweiten Bereich mit einem konstanten zweiten Durchmesser (D2) aufweist, wobei der zweite Bereich näher an dem Ventilteller (14a, 14b) angeordnet ist als der erste Bereich, wobei der Ventilschaft (16a, 16b) ferner einen mit dem Ventilteller (14a, 14b) verbundenen und aus einem ersten Material bestehenden ersten Ventilschaftabschnitt (18a, 18b) sowie einen mit dem ersten Ventilschaftabschnitt (18a, 18b) verbundenen und aus einem zweiten Material bestehenden zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) aufweist, wobei das zweite Material des zweiten Ventilschaftabschnitts (22a, 22b) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das erste Material des ersten Ventilschaftabschnitts (18a, 18b), und wobei der Ventilschaft (16a, 16b) einen den ersten Bereich und den zweiten Bereich verbindenden kegelstumpfförmig ausgebildeten Bereich (24a, 24b) umfasst, in dem sich der Durchmesser des Ventilschafts (16a, 16b) in Richtung des Ventiltellers (14a, 14b) von dem ersten Durchmesser (D1) auf den zweiten Durchmesser (D2) verringert, wobei sich der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich (24a, 24b) des Ventilschafts (16a, 16b) über mehr als 50% seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) erstreckt und die Länge des kegelstumpfförmigen Bereichs (24a, 24b) ungefähr 0,5 % bis ungefähr 10 % der Gesamtlänge des Bimetallventils (10a, 10b) beträgt.Bimetallic valve (10a, 10b) for use in an internal combustion engine, comprising: - a valve head (14a, 14b), and - a valve stem (16a, 16b) having a first area with a constant first diameter (D1) and a second area with a constant second diameter (D2), the second region being arranged closer to the valve head (14a, 14b) than the first region, the valve stem (16a, 16b) further having a valve head (14a, 14b) connected and consisting of a first material and a second valve stem section (22a, 22b) connected to the first valve stem section (18a, 18b) and made of a second material, the second material of the second valve stem section (22a, 22b) having a lower Coefficient of thermal expansion as the first material of the first valve stem portion (18a, 18b), and wherein the valve stem (16a, 16b) has a first region and z wide area connecting frustoconical area (24a, 24b), in which the diameter of the valve stem (16a, 16b) decreases in the direction of the valve disk (14a, 14b) from the first diameter (D1) to the second diameter (D2), wherein the frusto-conical portion (24a, 24b) of the valve stem (16a, 16b) extends more than 50% of its length in the second valve stem portion (22a, 22b) and the length of the frusto-conical portion (24a, 24b) is about 0.5 % to about 10% of the total length of the bimetallic valve (10a, 10b).

Description

Die Erfindung betrifft ein Bimetallventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor.The invention relates to a bimetallic valve for use in an internal combustion engine.

Aus der US 5 592 913 A ist ein Bimetallventil bekannt. Dieses Dokument beschreibt ein zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor vorgesehenes Ventil, das einen Ventilteller sowie einen Ventilschaft aufweist. Der Ventilschaft besteht aus zwei miteinander verschweißten Abschnitten, die zur Anpassung an die im Betrieb an die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Ventils gestellten Anforderungen aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfahren die beiden Schaftmaterialien im Betrieb des Ventils unterschiedliche thermische Ausdehnungen. Um sicherzustellen, dass im Betrieb des Ventils in beiden Schaftabschnitten stets ein ausreichendes Ventilführungsspiel vorhanden ist, weist der Ventilschaft einen kegelstumpfförmig ausgebildeten Bereich auf, in dem sich der Ventilschaft in Richtung des Ventiltellers verjüngt. Der kegelstumpfförmige Bereich erstreckt sich über einen verhältnismäßig großen Teil der Länge des Ventilschafts und weist zwei gleich lange Teilbereiche auf, die sich jeweils zu beiden Seiten einer die beiden Ventilschaftabschnitte miteinander verbindenden Schweißnaht erstrecken.From the U.S. 5,592,913A a bimetallic valve is known. This document describes a valve intended for use in an internal combustion engine, which valve has a valve head and a valve stem. The valve stem consists of two sections welded together, made of different materials to suit the operational demands placed on the mechanical and thermal properties of the valve. Due to their different coefficients of thermal expansion, the two stem materials experience different thermal expansions during valve operation. In order to ensure that there is always sufficient valve guide play in both stem sections during operation of the valve, the valve stem has an area designed in the shape of a truncated cone, in which the valve stem tapers in the direction of the valve disk. The frustoconical area extends over a relatively large part of the length of the valve stem and has two partial areas of equal length, which each extend on either side of a weld seam connecting the two valve stem sections to one another.

Ein gemäß der US 5 592 913 A konstruiertes Ventil weist den Nachteil auf, dass im Betrieb des Ventils das Ventilführungsspiel in einem ventiltellerseitigen Abschnitt des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs, insbesondere bei kaltem Motor, verhältnismäßig groß ist. Dies kann zur Bildung einer karbonisierten Schicht auf dem Ventilschaft führen, die die Ableitung von Wärme von dem Ventil beeinträchtigen und somit eine erhöhte thermische und mechanische Belastung des Ventils, im Extremfall sogar ein Blockieren des Ventils in der Ventilführung zur Folge haben kann.A according to the U.S. 5,592,913A constructed valve has the disadvantage that during operation of the valve, the valve guide play is relatively large in a valve plate-side section of the frustoconical valve stem area, especially when the engine is cold. This can lead to the formation of a carbonized layer on the valve stem, which impairs the dissipation of heat from the valve and thus results in increased thermal and mechanical stress on the valve, and in extreme cases even blocking of the valve in the valve guide.

Ein Bimetallventil mit einem Ventilteller aus einer ersten Stahlsorte und einem Schaft aus einer zweiten Stahlsorte, die mittels Reibschweißens miteinander verbunden sind, ist aus DE 40 14 072 A1 bekannt.A bimetallic valve with a valve head made of a first steel grade and a stem made of a second steel grade, which are connected to one another by means of friction welding, is made of DE 40 14 072 A1 known.

PL 159 378 B1 offenbart zudem ein Ventil mit einem Kern aus Kohlenstoffstahl, der in einem Bereich eines Ventiltellers mit einem austenitischen Stahl überzogen ist. PL 159 378 B1 also discloses a valve having a carbon steel core covered with an austenitic steel in a portion of a valve head.

Die DE 196 18 477 A1 beschreibt ein Bimetallventil mit einem Ventilschaft, welcher zwei unterschiedlich große Durchmesser aufweist.the DE 196 18 477 A1 describes a bimetallic valve with a valve stem which has two different diameters.

Die Erfindung ist auf die Aufgabe gerichtet, ein Bimetallventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, das so aufgebaut ist, dass im Betrieb des Ventils ein Blockieren des Ventils in einer Ventilführung zuverlässig vermieden und gleichzeitig das Ventilführungsspiel so klein wie möglich gehalten wird.The invention is directed to the task of providing a bimetallic valve for use in an internal combustion engine, which is constructed in such a way that the valve is reliably prevented from blocking in a valve guide during operation of the valve and at the same time the valve guide play is kept as small as possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Bimetallventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.According to the invention, this object is achieved by a bimetallic valve having the features of claim 1. Further developments of the invention can be found in the dependent claims.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst ein erfindungsgemäßes Bimetallventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor einen Ventilteller sowie einen Ventilschaft, wobei der Ventilschaft einen mit dem Ventilteller verbundenen und aus einem ersten Material bestehenden ersten Ventilschaftabschnitt sowie einen mit dem ersten Ventilschaftabschnitt verbundenen und aus einem zweiten Material bestehenden zweiten Ventilschaftabschnitt aufweist. Vorzugsweise sind der Ventilteller und der erste Ventilschaftabschnitt einstückig ausgeführt und bestehen beispielsweise aus einem austenitischen Stahl, der sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine hohe Warmfestigkeit auszeichnet. Der zweite Ventilschaftabschnitt kann beispielsweise aus einem martensitischen Stahl bestehen, der eine hohe Härte, eine hohe Festigkeit sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte sind vorzugsweise durch Reibschweißen miteinander verbunden, wobei die Schweißnaht zwischen den ersten und zweiten Ventilschaftabschnitten im Betrieb des Ventils vorzugsweise innerhalb einer Ventilführung angeordnet ist.To solve this problem, a bimetallic valve according to the invention for use in an internal combustion engine comprises a valve disk and a valve stem, the valve stem having a first valve stem section connected to the valve disk and made of a first material, and a second valve stem section connected to the first valve stem section and made of a second material having. The valve disk and the first valve stem section are preferably designed in one piece and consist, for example, of austenitic steel, which is characterized by good corrosion resistance and high heat resistance. The second valve stem section can consist of a martensitic steel, for example, which has a high level of hardness, high strength and high thermal conductivity. The first and second valve stem portions are preferably joined together by friction welding, with the weld between the first and second valve stem portions preferably being located within a valve guide during operation of the valve.

Das zweite Material des zweiten Ventilschaftabschnitts weist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das erste Material des ersten Ventilschaftabschnitts. Wenn der erste Ventilschaftabschnitt aus einem austenitischen Stahl besteht und der zweite Ventilschaftabschnitt aus einem martensitischen Stahl gefertigt ist, liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials des ersten Ventilschaftabschnitts im interessierenden Betriebstemperaturintervall des Ventils bei ca. 19 x 10-6 1/K, während der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Materials des zweiten Ventilschaftabschnitts im interessierenden Betriebsemperaturintervall des Ventils bei ca. 13 × 10-6 1/K liegt. Infolgedessen erfährt der erste Ventilschaftabschnitt im Betrieb des Ventils eine größere Wärmeausdehnung als der zweite Ventilschaftabschnitt.The second material of the second valve stem section has a lower coefficient of thermal expansion than the first material of the first valve stem section. If the first valve stem portion is made of an austenitic steel and the second valve stem portion is made of a martensitic steel, the thermal expansion coefficient of the first material of the first valve stem portion is about 19 x 10-6 1/K in the operating temperature range of interest of the valve, while the thermal expansion coefficient of the second material of the second valve stem portion is about 13 × 10 -6 1/K in the relevant operating temperature range of the valve. As a result, the first valve stem portion experiences greater thermal expansion than the second valve stem portion during operation of the valve.

Um den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte im Betrieb des Ventils Rechnung zu tragen, umfasst der Ventilschaft einen kegelstumpfförmig ausgebildeten Bereich, in dem sich der Durchmesser des Ventilschafts in Richtung des Ventiltellers von einem ersten Durchmesser auf einen zweiten Durchmesser verringert. Der kugelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts erstreckt sich über mehr als 50 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt. Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen Bimetallventil ist der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts überwiegend in dem zweiten Ventilschaftabschnitt angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bimetallventils wird im Betrieb des Ventils ein Blockieren des Ventils in der Ventilführung aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens der ersten und zweiten Ventilschaftmaterialien sicher unterbunden. Gleichzeitig wird ein übermäßiges Ventilführungsspiel im Bereich des ersten Ventilschaftabschnitts vermieden. Das erfindungsgemäße Bimetallventil zeichnet sich daher durch eine hervorragende Betriebssicherheit aus.In order to take account of the different thermal expansions of the first and second valve stem sections during operation of the valve, the valve stem comprises a frustoconical region in which the diameter of the valve stem changes from a first diameter to a second diameter in the direction of the valve disk knife decreased. The frusto-spherical portion of the valve stem extends more than 50% of its length in the second valve stem portion. In other words, in the case of the bimetallic valve according to the invention, the region of the valve stem designed in the shape of a truncated cone is predominantly arranged in the second valve stem section. The configuration of the bimetallic valve according to the invention reliably prevents the valve from jamming in the valve guide during operation of the valve due to the different thermal expansion behavior of the first and second valve stem materials. At the same time, excessive valve guide play in the area of the first valve stem section is avoided. The bimetallic valve according to the invention is therefore characterized by excellent operational reliability.

Der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts erstreckt sich vorzugsweise über mehr als 60 %, besonders bevorzugt über mehr als 70 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts über mehr als 80 %, besonders bevorzugt über mehr als 90 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt.The frustoconical region of the valve stem preferably extends over more than 60%, particularly preferably over more than 70% of its length in the second valve stem section. According to a further preferred embodiment of the invention, the region of the valve stem designed in the shape of a truncated cone extends over more than 80%, particularly preferably over more than 90% of its length in the second valve stem section.

Der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts kann auch vollständig in dem zweiten Ventilschaftabschnitt angeordnet sein, d.h. sich über seine gesamte Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt erstrecken. Bei einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bimetallventils kann der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts unmittelbar angrenzend an die Verbindungsstelle, d.h. die Schweißnaht zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt in dem zweiten Ventilschaftabschnitt angeordnet sein. Alternativ dazu kann der kegelstumpfförmige Bereich des Ventilschafts jedoch auch in einem Abstand von der Verbindungsstelle, d.h. der Schweißnaht zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt in dem zweiten Ventilschaftabschnitt angeordnet sein.The frusto-conical portion of the valve stem may also be located entirely within the second valve stem portion, i.e., extend its entire length within the second valve stem portion. In such a configuration of the bimetallic valve according to the invention, the frustoconical region of the valve stem can be arranged in the second valve stem section immediately adjacent to the connection point, i.e. the weld seam, between the first and the second valve stem section. Alternatively, however, the frusto-conical portion of the valve stem may be spaced from the junction, i.e. the weld, between the first and second valve stem portions in the second valve stem portion.

Die Länge des kegelstumpfförmigen Bereichs des Ventilschafts beträgt lediglich ungefähr 0,5 % bis ungefähr 10 %, besonders bevorzugt lediglich ungefähr 1 % bis ungefähr 5 % der Gesamtlänge des Bimetallventils. Durch eine derartige Ausgestaltung des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs wird ein gleichmäßiger Übergang von einem einen geringeren Durchmesser aufweisenden ventiltellerseitigen Ventilschaftbereich zu einem einen vergrößerten Durchmesser aufweisenden und von dem Ventilteller abgewandten Ventilschaftbereich realisiert. Gleichzeitig wird eine Beeinträchtigung der Betriebseigenschaften des Bimetallventils durch einen eine größere Länge aufweisenden kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich vermieden. Beispielsweise kann die Länge des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs ungefähr 1 mm bis ungefähr 3 mm, vorzugsweise ungefähr 2 mm betragen.The length of the frustoconical portion of the valve stem is only about 0.5% to about 10%, more preferably only about 1% to about 5% of the total length of the bimetallic valve. Such a configuration of the truncated cone-shaped valve stem area results in a smooth transition from a valve stem area on the valve disk side having a smaller diameter to a valve stem area having an enlarged diameter and facing away from the valve disk. At the same time, an impairment of the operating properties of the bimetallic valve is avoided by having a longer, frustoconical valve stem region. For example, the length of the frusto-conical valve stem portion can be about 1 mm to about 3 mm, preferably about 2 mm.

Die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich ist vorzugsweise an die Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Materialien der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte angepasst. Beispielsweise können die ersten und zweiten Durchmesser des Ventilschafts und somit die Verringerung des Ventilschaftdurchmessers in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich so gewählt sein, dass sich im Betrieb des Bimetallventils bei einer vorbestimmten, beispielsweise einer durchschnittlichen oder einer maximalen Betriebstemperatur des Ventils entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte ein gewünschtes Ventilführungsspiel einstellt. Das sich einstellende Ventilführungsspiel ist vorzugsweise so klein wie möglich gewählt, jedoch groß genug, um ein Blockieren des Ventils in der Ventilführung in allen Betriebszuständen des Ventils sicher zu vermeiden.The reduction in diameter of the valve stem in the frusto-conical valve stem region is preferably matched to the coefficients of thermal expansion of the first and second materials of the first and second valve stem sections. For example, the first and second diameters of the valve stem and thus the reduction in the valve stem diameter in the frustoconical valve stem area can be selected such that during operation of the bimetallic valve at a predetermined, for example an average or maximum operating temperature of the valve along the first and second valve stem sections, a desired valve guide clearance adjusted. The resulting valve guide play is preferably chosen to be as small as possible, but large enough to reliably prevent the valve from jamming in the valve guide in all operating states of the valve.

Die ersten und zweiten Durchmesser des Ventilschafts und somit die Verringerung des Ventilschaftdurchmessers in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich sind vorzugsweise so gewählt, dass sich im Betrieb des Bimetallventils bei einer vorbestimmten, beispielsweise einer durchschnittlichen oder einer maximalen Betriebstemperatur des Bimetallventils im Bereich der Verbindungsstelle, d.h. der Schweißnaht zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte ein gleich großes Führungsspiel einstellt. Mit anderen Worten, die ersten und zweiten Ventilschaftdurchmesser des erfindungsgemäßen Bimetallventils sind vorzugsweise so ausgelegt, dass eine aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Materialien der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte resultierende unterschiedliche Wärmeausdehnung der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte bei der vorbestimmten Betriebstemperatur des Ventils kompensiert wird.The first and second diameters of the valve stem and thus the reduction in the valve stem diameter in the frustoconical valve stem area are preferably selected so that during operation of the bimetallic valve at a predetermined, for example an average or a maximum operating temperature of the bimetallic valve in the area of the connection point, i.e. the weld seam between adjusts the first and the second valve stem section along the first and second valve stem sections an equal guide play. In other words, the first and second valve stem diameters of the bimetallic valve according to the invention are preferably designed such that a different thermal expansion of the first and second valve stem sections resulting from the different thermal expansion coefficients of the first and second materials of the first and second valve stem sections is compensated for at the predetermined operating temperature of the valve.

Die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser kann ungefähr 0,05 % bis ungefähr 0,3 % betragen. Eine derartige Verringerung des Ventilschaftdurchmessers ermöglicht insbesondere bei Bimetallventilen mit einem aus einem austenitischen Stahl bestehenden ersten Ventilschaftabschnitt und einem aus einem martensitischen Stahl bestehenden zweiten Ventilschaftabschnitt im Betrieb des Ventils eine gute Kompensation der aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Ventilschaftmaterialien resultierenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte.The reduction in diameter of the valve stem in the frusto-conical valve stem portion from the first diameter to the second diameter can be about 0.05% to about 0.3%. Such a reduction in the valve stem diameter enables a good Compensation for the different thermal expansions of the first and second valve stem sections resulting from the different thermal expansion coefficients of the first and second valve stem materials.

Bei einem als Einlassventil eingesetzten Bimetallventil beträgt die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts in dem kegelstumpfförmigen Bereich von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser vorzugsweise ungefähr 0,1 %. Wenn der erste Durchmesser des Ventilschafts ungefähr 10 mm beträgt, ergibt sich somit eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftdurchmesser von ungefähr 10 µm. Eine derartige Verringerung des Ventilschaftdurchmessers hat sich bei den durchschnittlichen Betriebstemperaturen eines Einlassventils als besonders zweckmäßig erwiesen.In the case of a bimetallic valve used as an inlet valve, the reduction in the diameter of the valve stem in the frustoconical region from the first diameter to the second diameter is preferably approximately 0.1%. Thus, if the first diameter of the valve stem is approximately 10 mm, there will be a difference between the first and second valve stem diameters of approximately 10 µm. Such a reduction in valve stem diameter has been found to be particularly useful at average intake valve operating temperatures.

Wenn das Bimetallventil dagegen als Auslassventil eingesetzt werden soll, beträgt die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser vorzugsweise ungefähr 0,2 %. Wenn der erste Durchmesser des Ventilschafts ca. 10 mm beträgt, ergibt sich eine Verringerung des Ventilschaftdurchmessers von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser von ungefähr 20 µm. Eine derartige Verringerung des Ventilschaftdurchmessers hat sich bei der im Vergleich zur Betriebstemperatur eines Einlassventils höheren Betriebstemperatur eines Auslassventils als besonders geeignet erwiesen, um die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Ventilschaftmaterialien resultierenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte zu kompensieren.On the other hand, if the bimetallic valve is to be used as an exhaust valve, the reduction in the diameter of the valve stem in the frusto-conical valve stem region from the first diameter to the second diameter is preferably about 0.2%. When the first diameter of the valve stem is about 10 mm, there is a reduction in valve stem diameter from the first diameter to the second diameter of about 20 microns. Such a reduction in the valve stem diameter has proven to be particularly suitable when the operating temperature of an exhaust valve is higher than the operating temperature of an intake valve, in order to compensate for the different thermal expansions of the first and second valve stem sections resulting from the different thermal expansion coefficients of the first and second valve stem materials.

Vorzugsweise ist der Ventilschaft des erfindungsgemäßen Bimetallventils zumindest teilweise hartverchromt. Eine auf den Ventilschaft des erfindungsgemäßen Bimetallventils aufgebrachte Chromschicht kann sich beispielsweise über die Bereiche der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte erstrecken, die im Betrieb des Ventils verschiebbar in der Ventilführung geführt werden.The valve stem of the bimetallic valve according to the invention is preferably at least partially hard chrome-plated. A chromium layer applied to the valve stem of the bimetallic valve according to the invention can extend, for example, over the areas of the first and second valve stem sections which are guided displaceably in the valve guide during operation of the valve.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen

  • 1 zwei erfindungsgemäße Bimetallventile im in entsprechenden Ventilführungen montierten Zustand zeigt,
  • 2 ein erfindungsgemäßes Bimetallventil zeigt, und
  • 3 einen Detailausschnitt des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Bimetallventils zeigt.
Preferred embodiments of the present invention will now be explained in more detail with reference to the attached schematic drawings, of which
  • 1 shows two bimetallic valves according to the invention mounted in corresponding valve guides,
  • 2 shows a bimetallic valve according to the invention, and
  • 3 a detail of the in 2 illustrated bimetallic valve according to the invention shows.

1 zeigt einen Abschnitt eines Verbrennungsmotors mit einem Einlassventil 10a, das entlang einer Längsachse La verschiebbar in einer Einlassventilführung 12a aufgenommen ist. Ein Auslassventil 10b ist entlang einer Längsachse Lb verschiebbar in einer Auslassventilführung 12b aufgenommen. Die Ventile 10a, 10b weisen jeweils einen Ventilteller 14a, 14b sowie einen Ventilschaft 16a, 16b auf. 1 Figure 12 shows a portion of an internal combustion engine having an intake valve 10a which is slidably received in an intake valve guide 12a along a longitudinal axis L a . An exhaust valve 10b is slidably received in an exhaust valve guide 12b along a longitudinal axis Lb. The valves 10a, 10b each have a valve plate 14a, 14b and a valve stem 16a, 16b.

Der Ventilschaft 16a, 16b der Ventile 10a, 10b umfasst jeweils einen einstückig mit dem Ventilteller 14a, 14b ausgebildeten ersten Ventilschaftabschnitt 18a, 18b. Der erste Ventilschaftabschnitt 18a, 18b der Ventile 10a, 10b besteht aus einem austenitischen Stahl, der sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine hohe Wärmefestigkeit auszeichnet und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 19 × 10-6 1/K aufweist. Der erste Ventilschaftabschnitt 18a, 18b der Ventile 10a, 10b ist über eine Reibschweißnaht 20a, 20b mit einem zweiten Ventilschaftabschnitt 22a, 22b verbunden. Der zweite Ventilschaftabschnitt 22a, 22b der Ventile 10a, 10b besteht aus einem martensitischen Stahl mit einer hohen Härte, einer hohen Festigkeit sowie einer hohen Wärmeleitfähigkeit, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 13 × 10-61/K aufweist. Wie aus der 1 ersichtlich wird, ist die Reibschweißnaht 20a, 20b zwischen den ersten und zweiten Ventilschaftabschnitten 18a, 18b, 22a, 22b innerhalb der Ventilführungen 12a, 12b angeordnet.The valve stem 16a, 16b of the valves 10a, 10b each includes a first valve stem section 18a, 18b formed in one piece with the valve disk 14a, 14b. The first valve stem section 18a, 18b of the valves 10a, 10b consists of an austenitic steel, which is characterized by good corrosion resistance and high heat resistance and has a thermal expansion coefficient of approximately 19×10 -6 1/K. The first valve stem section 18a, 18b of the valves 10a, 10b is connected to a second valve stem section 22a, 22b via a friction weld seam 20a, 20b. The second valve stem section 22a, 22b of the valves 10a, 10b consists of a martensitic steel with high hardness, high strength and high thermal conductivity, which has a thermal expansion coefficient of approximately 13×10 -6 1/K. How from the 1 As can be seen, the friction weld 20a, 20b between the first and second valve stem portions 18a, 18b, 22a, 22b is located within the valve guides 12a, 12b.

Zur Kompensation der aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 18b, 22a, 22b resultierenden unterschiedlichen Wärmeausdehnung der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 18b, 22a, 22b im Betrieb der Ventile 10a, 10b weist der Ventilschaft 16a, 16b im Bereich des zweiten Ventilschaftabschnitts 22a, 22b einen ersten Durchmesser D1 auf, der sich entlang eines kegelstumpfförmig ausgebildeten Ventilschaftbereichs 24a, 24b in Richtung des Ventiltellers 14a, 14b auf einen zweiten Durchmesser D2 verringert (siehe 2 und 3). Die Länge des kegelstumpfförmigen Bereichs 24a, 24b des Ventilschafts 16a, 16b, d.h. die Erstreckung des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs 24a, 24b entlang der Ventillängsachse La, Lb beträgt ungefähr 0,5 % bis 10 % der Ventilgesamtlänge.To compensate for the different thermal expansion of the first and second valve stem sections 18a, 18b, 22a, 22b resulting from the different thermal expansion coefficients of the materials of the first and second valve stem sections 18a, 18b, 22a, 22b during operation of the valves 10a, 10b, the valve stem 16a, 16b has an Area of the second valve stem section 22a, 22b has a first diameter D1, which decreases to a second diameter D2 along a valve stem area 24a, 24b designed in the shape of a truncated cone in the direction of the valve disk 14a, 14b (see 2 and 3 ). The length of the frustoconical region 24a, 24b of the valve stem 16a, 16b, ie the extension of the frustoconical valve stem region 24a, 24b along the longitudinal valve axis L a , L b is approximately 0.5% to 10% of the total valve length.

Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Ventilen 10a, 10b ist der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich 24a, 24b des Ventilschafts 16a, 16b vollständig in dem zweiten Ventilschaftabschnitt 18a, 18b in einem Abstand von der Reibschweißnaht 20a, 20b angeordnet. Alternativ dazu kann ein vollständig in dem zweiten Ventilschaftabschnitt 22a, 22b angeordneter kegelstumpfförmiger Ventilschaftbereich 24a, 24b auch unmittelbar an die Reibschweißnaht 20a, 20b angrenzen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass sich ein Teilbereich des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs 24a, 24b in den ersten Ventilschaftabschnitt 18a, 18b erstreckt, d.h. die Reibschweißnaht 20a, 20b innerhalb des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs 24a, 24b angeordnet ist. Wesentlich ist jedoch, dass sich der kegelstumpfförmige Ventilschaftbereich 24a, 24b über mehr als 50 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt 22a, 22b erstreckt.At the in the 1 until 3 In the valves 10a, 10b shown, the frustoconical region 24a, 24b of the valve stem 16a, 16b is completely in the second valve stem section 18a, 18b are arranged at a distance from the friction weld seam 20a, 20b. As an alternative to this, a valve stem region 24a, 24b in the shape of a truncated cone, which is arranged completely in the second valve stem section 22a, 22b, can also directly adjoin the friction weld seam 20a, 20b. In addition, it is also conceivable that a partial area of the frustoconical valve stem area 24a, 24b extends into the first valve stem section 18a, 18b, ie the friction weld seam 20a, 20b is arranged inside the frustoconical valve stem area 24a, 24b. It is essential, however, that the frustoconical valve stem region 24a, 24b extends over more than 50% of its length in the second valve stem section 22a, 22b.

Die ersten und zweiten Durchmesser D1, D2 des Ventilschafts 16a, 16b sind so gewählt, dass sich im Betrieb der Ventile 10a, 10b bei einer jeweiligen durchschnittlichen Betriebstemperatur der Ventile 10a, 10b entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 18b, 22a, 22b ein gewünschtes Ventilführungsspiel zwischen dem Ventilschaft 16a, 16b und der Ventilführung 12a, 12b einstellt. Insbesondere sind die ersten und zweiten Durchmesser D1, D2 des Ventilschafts 16a, 16b so gewählt, dass sich im Betrieb der Ventile 10a, 10b bei einer jeweiligen durchschnittlichen Betriebstemperatur der Ventile 10a, 10b im Bereich der Reibschweißnaht 20a, 20b entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 18b, 22a, 22b ein gleich großes Ventilführungsspiel zwischen dem Ventilschaft 16a, 16b und der Ventilführung 12a, 12b einstellt.The first and second diameters D 1 , D 2 of the valve stem 16a, 16b are selected such that during operation of the valves 10a, 10b at a respective average operating temperature of the valves 10a, 10b along the first and second valve stem sections 18a, 18b, 22a, 22b sets a desired valve guide play between the valve stem 16a, 16b and the valve guide 12a, 12b. In particular, the first and second diameters D 1 , D 2 of the valve stem 16a, 16b are selected such that during operation of the valves 10a, 10b at a respective average operating temperature of the valves 10a, 10b in the area of the friction weld seam 20a, 20b along the first and second valve stem sections 18a, 18b, 22a, 22b sets an equally large valve guide play between the valve stem 16a, 16b and the valve guide 12a, 12b.

Bei dem Einlassventil 10a, dessen erster Ventilschaftabschnitt 18a aus einem austenitischen Stahl und dessen zweiter Ventilschaftabschnitt 22a aus einem martensitischen Stahl besteht, beträgt die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts 16a in dem kegelstumpfförmigen Bereich 24a von dem ersten Durchmesser D1 auf dem zweiten Durchmesser D2 ungefähr 0,1 %. Dies entspricht bei einem ersten Ventilschaftdurchmesser D1 von ungefähr 10 mm einer Durchmesserverringerung um ungefähr 10 µm. Dadurch wird eine gute Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 22a bei der durchschnittlichen Betriebstemperatur des Einlassventils 10a erreicht.In the intake valve 10a, whose first valve stem section 18a is made of an austenitic steel and whose second valve stem section 22a is made of a martensitic steel, the reduction in the diameter of the valve stem 16a in the frustoconical region 24a is approximately from the first diameter D 1 to the second diameter D 2 0.1%. With a first valve stem diameter D 1 of approximately 10 mm, this corresponds to a diameter reduction of approximately 10 μm. This achieves good compensation for the different thermal expansions of the first and second valve stem sections 18a, 22a at the average operating temperature of the intake valve 10a.

Bei dem Auslassventil 10b beträgt die Verringerung des Ventilschaftdurchmessers in dem kegelstumpfförmigen Bereich 24b von dem ersten Durchmesser D1 auf den zweiten Durchmesser D2 ungefähr 0,2 %. Dies entspricht bei einem ersten Ventilschaftdurchmesser D1 von ungefähr 10 mm einer Durchmesserverringerung von ungefähr 20 µm. Eine derartige Verringerung des Ventilschaftdurchmessers hat sich bei der durchschnittlichen Betriebstemperatur des Auslassventils 10b als besonders zweckmäßig zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18b, 22b erwiesen.For the exhaust valve 10b, the reduction in valve stem diameter in the frusto-conical region 24b from the first diameter D 1 to the second diameter D 2 is approximately 0.2%. With a first valve stem diameter D 1 of approximately 10 mm, this corresponds to a diameter reduction of approximately 20 μm. At the average operating temperature of the exhaust valve 10b, such a reduction in the valve stem diameter has proven to be particularly useful for compensating for the different thermal expansions of the first and second valve stem sections 18b, 22b.

Das Einlassventil 10a und das Auslassventil 10b sind im Bereich ihres Ventilschafts 16a, 16b mit einer Hartchromschicht 26a, 26b versehen. Die Hartchromschicht 26a, 26b erstreckt sich über den überwiegenden Teil des zweiten Ventilschaftabschnitts 22a, 22b sowie über einen Teil des ersten Ventilschaftabschnitts 18a, 18b, der im Betrieb der Ventile 10a, 10b innerhalb der Ventilführung 12a, 12b angeordnet ist.The inlet valve 10a and the outlet valve 10b are provided with a hard chrome layer 26a, 26b in the region of their valve stem 16a, 16b. The hard chrome layer 26a, 26b extends over the majority of the second valve stem section 22a, 22b and over part of the first valve stem section 18a, 18b, which is arranged within the valve guide 12a, 12b during operation of the valves 10a, 10b.

Claims (15)

Bimetallventil (10a, 10b) zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor mit: - einem Ventilteller (14a, 14b) und - einem Ventilschaft (16a, 16b), der einen ersten Bereich mit einem konstanten ersten Durchmesser (D1) und einen zweiten Bereich mit einem konstanten zweiten Durchmesser (D2) aufweist, wobei der zweite Bereich näher an dem Ventilteller (14a, 14b) angeordnet ist als der erste Bereich, wobei der Ventilschaft (16a, 16b) ferner einen mit dem Ventilteller (14a, 14b) verbundenen und aus einem ersten Material bestehenden ersten Ventilschaftabschnitt (18a, 18b) sowie einen mit dem ersten Ventilschaftabschnitt (18a, 18b) verbundenen und aus einem zweiten Material bestehenden zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) aufweist, wobei das zweite Material des zweiten Ventilschaftabschnitts (22a, 22b) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das erste Material des ersten Ventilschaftabschnitts (18a, 18b), und wobei der Ventilschaft (16a, 16b) einen den ersten Bereich und den zweiten Bereich verbindenden kegelstumpfförmig ausgebildeten Bereich (24a, 24b) umfasst, in dem sich der Durchmesser des Ventilschafts (16a, 16b) in Richtung des Ventiltellers (14a, 14b) von dem ersten Durchmesser (D1) auf den zweiten Durchmesser (D2) verringert, wobei sich der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich (24a, 24b) des Ventilschafts (16a, 16b) über mehr als 50% seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) erstreckt und die Länge des kegelstumpfförmigen Bereichs (24a, 24b) ungefähr 0,5 % bis ungefähr 10 % der Gesamtlänge des Bimetallventils (10a, 10b) beträgt.Bimetal valve (10a, 10b) for use in an internal combustion engine with: - a valve head (14a, 14b) and - a valve stem (16a, 16b) having a first area with a constant first diameter (D 1 ) and a second area with a constant second diameter (D 2 ), the second region being located closer to the valve disk (14a, 14b) than the first region, the valve stem (16a, 16b) further having a valve disk (14a, 14b) connected to and from a first valve stem section (18a, 18b) consisting of a first material and a second valve stem section (22a, 22b) connected to the first valve stem section (18a, 18b) and consisting of a second material, the second material of the second valve stem section (22a, 22b) has a lower coefficient of thermal expansion than the first material of the first valve stem section (18a, 18b), and wherein the valve stem (16a, 16b) has a first region and area (24a, 24b) of truncated cone shape connecting the second area, in which the diameter of the valve stem (16a, 16b) changes in the direction of the valve disk (14a, 14b) from the first diameter (D 1 ) to the second diameter (D 2 ) wherein the frusto-conical portion (24a, 24b) of the valve stem (16a, 16b) extends more than 50% of its length in the second valve stem portion (22a, 22b) and the length of the frusto-conical portion (24a, 24b) approximately 0.5% to about 10% of the total length of the bimetallic valve (10a, 10b). Bimetallventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich (24a, 24b) über mehr als 60 %, insbesondere mehr als 70 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) erstreckt.bimetallic valve claim 1 , characterized in that the frustoconical region (24a, 24b) extends over more than 60%, in particular more than 70% of its length in the second valve stem section (22a, 22b). Bimetallventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich (24a, 24b) über mehr als 80 %, insbesondere mehr als 90 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) erstreckt.bimetallic valve claim 1 or 2 , characterized in that the cone frustum-shaped area (24a, 24b) over more than 80%, in particular more than 90% of its length in the second valve stem section (22a, 22b). Bimetallventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich (24a, 24b) vollständig in dem zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) angeordnet ist.Bimetallic valve according to one of Claims 1 until 3 characterized in that the frusto-conical portion (24a, 24b) is disposed entirely within the second valve stem portion (22a, 22b). Bimetallventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Bereich (24a, 24b) unmittelbar angrenzend an eine Verbindungsstelle (20a, 20b) zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt (18a, 18b, 22a, 22b) in dem zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) angeordnet ist.bimetallic valve claim 4 , characterized in that the frusto-conical region (24a, 24b) is located immediately adjacent to a junction (20a, 20b) between the first and second valve stem sections (18a, 18b, 22a, 22b) in the second valve stem section (22a, 22b). . Bimetallventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Bereich (24a, 24b) in einem Abstand von einer Verbindungsstelle (20a, 20b) zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt (18a, 18b, 22a, 22b) in dem zweiten Ventilschaftabschnitt (22a, 22b) angeordnet ist.bimetallic valve claim 4 characterized in that the frusto-conical portion (24a, 24b) is spaced from a junction (20a, 20b) between the first and second valve stem portions (18a, 18b, 22a, 22b) in the second valve stem portion (22a, 22b). is. Bimetallventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des kegelstumpfförmigen Bereichs (24a, 24b) ungefähr 1 % bis ungefähr 5 % der Gesamtlänge des Bimetallventils (10a, 10b) beträgt.Bimetallic valve according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the length of the frusto-conical region (24a, 24b) is about 1% to about 5% of the total length of the bimetallic valve (10a, 10b). Bimetallventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Durchmesser (D1, D2) des Ventilschafts (16a, 16b) so gewählt sind, dass sich im Betrieb des Bimetallventils (10a, 10b) bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur des Bimetallventils (10a, 10b) entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte (18a, 18b, 22a, 22b) ein gewünschtes Ventilführungsspiel zwischen dem Ventilschaft (16a, 16b) und einer Ventilführung (12a, 12b) einstellt.Bimetallic valve according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the first and second diameters (D 1 , D 2 ) of the valve stem (16a, 16b) are selected such that during operation of the bimetallic valve (10a, 10b) at a predetermined operating temperature of the bimetallic valve (10a, 10b) a desired valve guide clearance between the valve stem (16a, 16b) and a valve guide (12a, 12b) along the first and second valve stem sections (18a, 18b, 22a, 22b). Bimetallventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Durchmesser (D1, D2) des Ventilschafts (16a, 16b) so gewählt sind, dass sich im Betrieb des Bimetallventils (10a, 10b) bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur des Bimetallventils (10a, 10b) im Bereich der Verbindungsstelle (20a, 20b) zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt (18a, 18b, 22a, 22b) entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte (18a, 18b, 22a, 22b) ein gleich großes Ventilführungsspiel zwischen dem Ventilschaft (16a, 16b) und der Ventilführung (12a, 12b) einstellt.Bimetallic valve according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the first and second diameters (D 1 , D 2 ) of the valve stem (16a, 16b) are selected such that during operation of the bimetallic valve (10a, 10b) at a predetermined operating temperature of the bimetallic valve (10a, 10b) in the region of the connection point (20a, 20b) between the first and the second valve stem section (18a, 18b, 22a, 22b) along the first and second valve stem sections (18a, 18b, 22a, 22b) an equally large valve guide play between the valve stem (16a, 16b) and the valve guide (12a, 12b). Bimetallventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts (16a, 16b) in dem kegelstumpfförmigen Bereich (24a, 24b) von dem ersten Durchmesser (D1) auf den zweiten Durchmesser (D2) ungefähr 0,05 % bis ungefähr 0,3 % beträgt.Bimetallic valve according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the reduction in diameter of the valve stem (16a, 16b) in the frusto-conical region (24a, 24b) from the first diameter (D 1 ) to the second diameter (D 2 ) is about 0.05% to about 0. is 3%. Bimetallventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts (16a, 16b) in dem kegelstumpfförmigen Bereich (24a, 24b) von dem ersten Durchmesser (D1) auf den zweiten Durchmesser (D2) ungefähr 0,1 % beträgt.Bimetallic valve according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that the reduction in diameter of the valve stem (16a, 16b) in the frusto-conical region (24a, 24b) from the first diameter (D 1 ) to the second diameter (D 2 ) is approximately 0.1%. Bimetallventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetallventil (10a, 10b) ein Einlassventil ist.bimetallic valve claim 11 , characterized in that the bimetallic valve (10a, 10b) is an inlet valve. Bimetallventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts (16a, 16b) in dem kegelstumpfförmigen Bereich (24a, 24b) von dem ersten Durchmesser (D1) auf den zweiten Durchmesser (D2) ungefähr 0,2 % beträgt.Bimetallic valve according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that the reduction in diameter of the valve stem (16a, 16b) in the frusto-conical region (24a, 24b) from the first diameter (D 1 ) to the second diameter (D 2 ) is approximately 0.2%. Bimetallventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetallventil (10a, 10b) ein Auslassventil ist.bimetallic valve Claim 13 , characterized in that the bimetallic valve (10a, 10b) is an outlet valve. Bimetallventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (16a, 16b) zumindest teilweise hartverchromt ist.Bimetallic valve according to one of Claims 1 until 14 , characterized in that the valve stem (16a, 16b) is at least partially hard chrome plated.
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