DE102013218488A1

DE102013218488A1 - Hollow valve, in particular for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102013218488A1
Application number: DE201310218488
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Issler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2015-03-19
Also published as: WO2015036257A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hohlventil (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, – mit einem Ventilschaft (2), welcher entlang seiner axialen Richtung (A) einen konstanten Außendurchmesser (dA) aufweist und in der axialen Richtung (A) in einen radial nach außen vom Ventilschaft (2) abstehenden Ventilteller (3) übergeht, – wobei im Ventilschaft (2) ein sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckender und im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Hohlraum (4) vorgesehen ist, welcher wenigstens teilweise mit einem flüssigem oder verflüssigbarem Kühlmittel befüllt ist, – wobei der Hohlraum (4) entgegen der axialen Richtung (A), vom Ventilteller (3) weg, von einem ersten in einen zweiten axialen Abschnitt (7, 8) übergeht, – wobei der Hohlraum (4) im ersten axialen Abschnitt (7) einen ersten Hohlraum-Durchmesser (d1) aufweist, der von einem zweiter Hohlraum- Durchmesser (d2) im zweiten axialen Abschnitt (8) verschieden ist, so dass sich der Durchmesser des Hohlraums (4) innerhalb des Ventilschafts (2) ändert.The invention relates to a hollow valve (1), in particular for an internal combustion engine, having a valve stem (2) which has a constant outer diameter (dA) along its axial direction (A) and a radially outward direction in the axial direction (A) - wherein in the valve stem (2) along the axial direction (A) extending and substantially cylindrically formed cavity (4) is provided which at least partially with a liquid or liquefiable coolant is filled, - wherein the cavity (4) against the axial direction (A), the valve plate (3) away, from a first into a second axial section (7, 8), - wherein the cavity (4) in the first axial Section (7) has a first cavity diameter (d1) which is different from a second cavity diameter (d2) in the second axial section (8), so that the diameter of the cavity ( 4) within the valve stem (2) changes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hohlventil für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem solchen Hohlventil.The invention relates to a hollow valve for an internal combustion engine and an internal combustion engine with at least one such hollow valve.

Ein Mechanismus, der bei einem Hubkolbenmotor die Ventile und damit den Ladungswechsel durch Öffnen und Schließen der Lufteinlass- und Abgasaustrittskanäle steuert, wird in der Fahrzeugtechnik als Ventilsteuerung oder Ventiltrieb bezeichnet. Ventiltriebe auf der Basis sogenannter Tellerhubventile werden nach dem Stand der Technik in nahezu sämtlichen Viertaktmotoren verwendet. Ein solches Ventil umfasst einen Ventilteller, der den Ein- oder Auslasskanal im geschlossenen Zustand gegen den passend geformten Ventilsitz im Zylinderkopf des Hubkolbenmotors abdichtet. Der Ventilteller geht in einen mit ihm verbundenen länglichen, zylindrischen Abschnitt des Ventils über, um den durchströmenden Gasen einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen. Letztgenannter Abschnitt ist dem Fachmann als Ventilschaft geläufig.A mechanism that controls the valves and thus the charge exchange by opening and closing the air inlet and exhaust gas outlet channels in a reciprocating engine, is referred to in the vehicle technology as a valve control or valve train. Valve trains on the basis of so-called Tellerhubventile are used in the prior art in almost all four-stroke engines. Such a valve comprises a valve disk, which seals the inlet or outlet passage in the closed state against the suitably shaped valve seat in the cylinder head of the reciprocating engine. The valve plate merges into an elongated, cylindrical section of the valve connected to it, in order to provide as little resistance as possible to the gases flowing through it. The last-mentioned section is familiar to the person skilled in the art as a valve stem.

Nach dem Stand der Technik ist es zur Verbesserung der thermischen Belastbarkeit der thermisch hoch beanspruchten Auslassventile im Falle besonders stark belasteter Hubkolbenmotoren üblich, den Ventilschaft hohl auszuführen und den im Ventilschaft vorgesehenen Hohlraum und mit einem geeigneten Kühlmittel zu befüllen. Im Betrieb des Hubkolbenmotors schmilzt das Kühlmittel und schwappt in diesem flüssigen Zustand zwischen dem zeitweise rotglühend heißen Ventilteller und dem abgewandten kälteren Ende des Ventilschafts hin und her und erlaubt somit einen effektiven Wärmetransport vom heißen Ventilteller zum weniger heißen Ventilschaft. Auf diese Weise kann bei geeigneter Kühlmittelwahl eine Absenkung der Temperatur des Ventiltellers um bis zu 100 K erreicht werden.In the prior art, to improve the thermal capacity of the highly thermally stressed exhaust valves in the case of particularly heavily loaded reciprocating engines is customary to hollow out the valve stem and fill the cavity provided in the valve stem and with a suitable coolant. During operation of the reciprocating engine, the coolant melts and sloshes in this liquid state between the temporarily hot red hot valve plate and the opposite colder end of the valve stem and thus allows effective heat transfer from the hot valve plate to the less hot valve stem. In this way, with a suitable choice of coolant, a lowering of the temperature of the valve disk by up to 100 K can be achieved.

Als problematisch erweist sich bei Hohlventilen indes eine optimale Dimensionierung des Durchmessers des Hohlraums im Ventilschaft relativ zum Außendurchmesser des Ventilschafts. Einerseits begünstigt ein mit einem möglichst großen Durchmesser ausgeführter Hohlraum aufgrund der damit einhergehenden dünnwandigen Ausbildung der Umfangswand des Ventilschafts eine besonders gute thermische Ankopplung des im Hohlraum befindlichen Kühlmittels nach außen. Andererseits führt eine zu dünnwandige Ausführung des Ventilschafts zu einer nicht mehr akzeptablen Minderung der mechanischen Steifigkeit des Ventilschafts.In hollow valves, however, proves to be an optimal dimensioning of the diameter of the cavity in the valve stem relative to the outer diameter of the valve stem. On the one hand, a cavity designed with the largest possible diameter favors a particularly good thermal coupling of the coolant in the cavity to the outside due to the associated thin-walled design of the circumferential wall of the valve stem. On the other hand, too thin a design of the valve stem leads to an unacceptable reduction of the mechanical stiffness of the valve stem.

Aus dem Stand der Technik ist im Zusammenhang mit dieser Problematik die DE 10 2011 077 198 A1 bekannt, die ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlventils mit einem Ventilschaft und einem Ventilteller beschreibt. Gemäß dem Verfahren wird in den Ventilschaft eine Bohrung mit konstantem Durchmesser eingebracht und anschließend im Bereich des Ventiltellers durch elektrochemisches Abtragen aufgeweitet. From the prior art is in connection with this problem the DE 10 2011 077 198 A1 which describes a method for producing a hollow valve with a valve stem and a valve disk. According to the method, a bore with a constant diameter is introduced into the valve stem and then widened in the region of the valve disk by electrochemical removal.

Die CN 102 159 799 A offenbart ein Hohlventil mit einem Hohlraum, dessen Hohlraum-Durchmesser im Bereich des Ventiltellers vom Ventilschaft weg kontinuierlich zunimmt.The CN 102 159 799 A discloses a hollow valve having a cavity whose cavity diameter increases continuously in the region of the valve disk away from the valve stem.

Die JP 2008-274779 A beschreibt schließlich ein Hohlventil mit einem Ventilschaft, in dessen Hohlraum ein separates, drosselartiges Bauelement vorgesehen ist, welches für eine Verjüngung des Durchmessers des Hohlraums sorgt.The JP 2008-274779 A finally describes a hollow valve with a valve stem, in the cavity of a separate, throttle-like component is provided, which ensures a tapering of the diameter of the cavity.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Hohlventil zu schaffen, welches einerseits eine möglichst starke thermische Kopplung des im Hohlraum vorhandenen Kühlmittels mit der Umgebung des Ventils gestattet, andererseits aber auch mit der für den Betrieb in stark belasteten Hubkolbenmotoren erforderlichen mechanischen Steifigkeit versehen ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Hubkolbenmotor, um ein solches Hohlventil zu ergänzen.The invention has as its object to provide a hollow valve, which on the one hand allows the strongest possible thermal coupling of the coolant present in the cavity with the environment of the valve, but on the other hand also provided with the necessary for operation in heavy-duty reciprocating engines mechanical stiffness. A further object of the invention is to be seen in an internal combustion engine, in particular a reciprocating engine to supplement such a hollow valve.

Grundgedanke der Erfindung ist demnach, den Durchmesser des im Ventilschaft vorgesehenen Hohlraums entlang seiner axialen Erstreckungsrichtung zu variieren, wohingegen beim Außendurchmesser des Ventilschafts entlang der axialen Richtung einen konstanten Wert beibehalten wird. Im einfachsten Fall kann eine derartige Variation des Durchmessers erzielt werden, indem der Hohlraum entlang der axialen Richtung in einen ersten und einen sich an diesen anschließenden zweiten axialen Abschnitt unterteilt wird, wobei der Hohlraumdurchmesser im ersten axialen Abschnitt – im Folgenden als erster Hohlraumdurchmesser bezeichnet – entweder größer oder kleiner ist als der Hohlraumdurchmesser im zweiten axialen Abschnitt, der im Folgenden als zweiter Hohlraumdurchmesser bezeichnet wird. Eine Dimensionierung der beiden Hohlraumdurchmesser etwa derart, dass der erste Hohlraumdurchmesser einen nur geringfügig geringeren Wert aufweist als der Außendurchmesser des Ventilschafts, führt zu einer dünnwandigen Ausbildung des Ventilschafts im Bereich des ersten axialen Abschnitts und folglich zu einer sehr guten thermischen Ankopplung des im Hohlraum befindlichen Kühlmittels an die Umgebung des Ventilschafts. Um nun zu verhindern, dass die mechanische Steifigkeit der Umfangswand des Ventilschafts unterhalb eines für die Funktionsfähigkeit des Hohlventils in einer Brennkraftmaschine kritischen Schwellwerts absinkt, wird der zweite Hohlraumdurchmesser des zweiten axialen Abschnitts hinreichend klein gewählt, was zu einer im Vergleich zum ersten axialen Abschnitt entsprechend dickwandigeren – und folglich steiferen – Ausbildung des Ventilschafts führt. Dies hat eine erhöhte mechanische Stabilität des gesamten Ventilschafts zur Folge. Durch eine geeignete Festlegung der Werte für die beiden Hohlraum-durchmesser lässt sich der Ventilschaft gegenüber herkömmlichen Ventilschäften hinsichtlich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften individuell an verschiedene Betriebsbedingungen unterschiedlicher Arten von Hubkolbenmotoren anpassen. Durch den Durchmessersprung zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum entsteht die zuvor beschriebene radiale Stufe, die mit ihrer Kante eine besonders gute Vermischung des im Hohlraum eingefüllten Kühlmittels und damit eine gute Wärmeabfuhr bewirkt. The basic idea of the invention is thus to vary the diameter of the cavity provided in the valve stem along its axial extension direction, whereas a constant value is maintained along the axial direction of the external diameter of the valve stem. In the simplest case, such a variation of the diameter can be achieved by subdividing the cavity along the axial direction into a first and an adjoining second axial section, wherein the cavity diameter in the first axial section - hereinafter referred to as first cavity diameter - either is greater or smaller than the cavity diameter in the second axial section, which will be referred to as a second cavity diameter hereinafter. A dimensioning of the two cavity diameter approximately such that the first cavity diameter has only a slightly smaller value than the outer diameter of the valve stem, leads to a thin-walled design of the valve stem in the region of the first axial portion and consequently to a very good thermal coupling of the coolant in the cavity to the surroundings of the valve stem. In order to prevent the mechanical rigidity of the circumferential wall of the valve stem from dropping below a threshold value which is critical for the functioning of the hollow valve in an internal combustion engine, the second cavity diameter of the second axial portion is chosen to be sufficiently small, resulting in a comparison with the first axial portion corresponding thick-walled - and therefore stiffer - training the valve stem leads. This results in increased mechanical stability of the entire valve stem. By suitable setting of the values for the two cavity diameters, the valve stem can be adapted individually to different operating conditions of different types of reciprocating engines with respect to its mechanical and thermal properties compared with conventional valve stems. Due to the diameter jump between the first and the second cavity, the above-described radial step is created, which causes with its edge a particularly good mixing of the refrigerant filled in the cavity and thus a good heat dissipation.

Hinsichtlich der Dimensionierung des Hohlraums im Ventilschaft eröffnet der erfindungsgemäße Ansatz dem Fachmann verschiedene technische Realisierungsmöglichkeiten, aus denen er unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten auszuwählen vermag. Technisch besonders einfach realisieren lässt sich besagter Hohlraum etwa, indem auf einer vom Ventilteller abgewandten Stirnseite des Ventilschafts eine Bohrung eingebracht wird. Hierzu kann ein Bohrgerät mit einem Bohrer vorbestimmten Durchmessers eingesetzt werden, mittels welchem das Schaftmaterial des Ventilschafts zur Bildung besagter Bohrung bis zu einer vorbestimmten Bohrungstiefe zerspant wird. Der Durchmesser der auf diese Weise geschaffenen Bohrung entspricht dem oben beschriebenen ersten Hohlraumdurchmesser, die Tiefe der Bohrung einer Länge des ersten axialen Abschnitts des Hohlraums. Um nun einen zweiten axialen Abschnitt mit einem gegenüber dem ersten axialen Abschnitt reduzierten, zweiten Hohlraum-Durchmesser zu erzeugen, kann ein Bohrer mit reduziertem Durchmesser in die bereits vorhandene Bohrung eingeführt und die Bohrung entlang der axialen Richtung mit reduziertem Durchmesser in axialer Richtung verlängert werden. Der Betrag dieser Verlängerung entspricht einer Länge des besagten zweiten axialen Abschnitts, der reduzierte Durchmesser der Bohrung in diesem Bereich dem zweiten Hohldurchmesser, welcher folglich kleiner ist als der erste Hohlraum-Durchmesser ist. Mit anderen Worten, der Hohlraum- Durchmesser des Hohlzylinders nimmt von der Stirnseite des Ventilschafts weg zum Ventilteller hin ab, wobei sich der Übergang zwischen den beiden axialen Abschnitten in Form einer radialen Stufe gestaltet.With regard to the dimensioning of the cavity in the valve stem of the approach of the invention opens the expert various technical implementation options, from which he is able to select from production engineering point of view. For example, said cavity can be implemented in a particularly simple manner by introducing a bore on an end face of the valve stem facing away from the valve disk. For this purpose, a drill with a drill of predetermined diameter can be used, by means of which the shaft material of the valve stem is machined to form said bore to a predetermined depth hole. The diameter of the bore thus created corresponds to the first cavity diameter described above, the depth of the bore corresponds to a length of the first axial portion of the cavity. In order now to produce a second axial section with a second cavity diameter reduced with respect to the first axial section, a reduced diameter drill bit may be inserted into the already existing bore and the bore be lengthened along the reduced diameter axial direction in the axial direction. The amount of this extension corresponds to a length of said second axial portion, the reduced diameter of the bore in this region to the second hollow diameter, which is therefore smaller than the first cavity diameter. In other words, the cavity diameter of the hollow cylinder decreases away from the end face of the valve stem toward the valve disk, whereby the transition between the two axial portions takes the form of a radial step.

Alternativ zu oben beschriebenem Vorgehen kann zunächst auch der Bohrer mit geringerem Durchmesser verwendet werden, um eine Bohrung mit einer Bohrungstiefe zu erzeugen, deren Wert einer Summe der Länge von erstem und zweitem axialen Abschnitt entspricht. Anschließend wird die auf diese Weise erzeugte Bohrung durch Verwendung eines Bohrers mit größerem Durchmesser bis zu einer Tiefe, welche der Länge des ersten axialen Abschnitts entspricht, entsprechend aufgeweitet oder es wird ein Stufenbohrer verwendet, der es erlaubt die gesamte Bohrung in einem Arbeitsgang herzustellen. Bei allen oben beschriebenen Ausgestaltungsvarianten bildet eine den Hohlraum begrenzende radial innere Umfangsseite im Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten axialen Abschnitt eine radiale Stufe aus.As an alternative to the procedure described above, the driller with a smaller diameter can first be used to produce a bore with a bore depth whose value corresponds to a sum of the length of the first and second axial section. Subsequently, the bore thus produced is expanded by using a larger diameter drill to a depth corresponding to the length of the first axial portion, or a step drill is used which allows the entire bore to be made in one operation. In all embodiments described above forms a cavity bounding radially inner peripheral side in the transition region between the first and the second axial portion of a radial step.

Um nun die in oben beschriebener Weise gefertigte Bohrung nach der Befüllung mit Kühlmittel, das aus den Elementen der Erdalkalimetalle gewählt wird, etwa in der Form von verflüssigbarem Natrium, fluiddicht zu verschließen, empfiehlt es sich, auf der Stirnseite des Ventilschafts einen diesen verlängernden Schaftdeckel zu befestigen. Bevorzugt bietet es sich dabei an, den Schaftdeckel mit einem Außenradius zu versehen, der jenem des Ventilschafts entspricht, so dass die Umfangsseite des Schaftdeckels mit der des Ventilschafts fluchtet. In order to close the hole made in the manner described above after filling with coolant, which is selected from the elements of the alkaline earth metals, such as in the form of liquefiable sodium, fluid-tight, it is advisable on the front side of the valve stem to extend this shaft cover fasten. Preferably, it is advisable to provide the shaft cover with an outer radius that corresponds to that of the valve stem, so that the peripheral side of the shaft cover is aligned with the valve stem.

Hinsichtlich der Befestigung des Ventildeckels am Ventilschaft eröffnen sich dem einschlägigen Fachmann verschiedene Optionen. Als gegen unerwünschte Verschleißerscheinungen besonders widerstandsfähig erweist sich ein an den Ventilschaft angeschweißter Ventildeckel. Eine besonders widerstandsfähige und kostengünstige Variante nutzt hierfür ein Reibschweißverfahren oder ein Laserstrahlschweißen.With regard to the attachment of the valve cover to the valve stem, various options are available to the person skilled in the art. As particularly resistant to unwanted wear and tear proves a welded to the valve stem valve cover. A particularly resistant and cost-effective variant uses a friction welding or laser beam welding for this purpose.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltungsvariante kann der Hohlraum des Ventilschafts auch mittels einer auf der Stirnseite des Ventiltellers in den Ventilschaft eingebrachten Bohrung erzeugt werden. Dieser Ansatz gestattet es, den Ventilschaft mit einem Hohlraum zu versehen, dessen Hohlraum- Durchmesser vom Ventilteller weg abnimmt. Die Herstellung eines solchen Hohlraums gelingt wiederum durch Verwendung von Bohrgeräten mit Bohrern unterschiedlichen Durchmessern oder mit Stufenbohrern. Die unmittelbar am Ventilteller geschaffene Bohrung lässt sich nach dem regulären Befüllen des Hohlraums mit Kühlmittel, mit Hilfe eines stopfenartig ausgebildeten Verschlusselements fluiddicht verschließen. Die gewünschte Abdichtung kann erneut durch ein Verschweißen des Verschlusselements mit dem Ventilteller hergestellt werden. Dabei kann beispielsweise ein besonders kostengünstiges Reibschweißverfahren oder auch ein Laserstrahlschweißen eingesetzt werden.According to an alternative embodiment variant, the cavity of the valve stem can also be produced by means of a bore introduced into the valve stem on the end face of the valve disk. This approach makes it possible to provide the valve stem with a cavity whose cavity diameter decreases away from the valve head. The production of such a cavity is again achieved by using drills with drills of different diameters or step drills. The hole created directly on the valve disk can be closed in a fluid-tight manner after the regular filling of the hollow space with coolant, with the aid of a plug-like closure element. The desired seal can be made again by welding the closure element to the valve disk. In this case, for example, a particularly inexpensive friction welding or laser beam welding can be used.

Der hier vorgestellte Ansatz eines Hohlraums mit variierendem Hohlraum- Durchmesser ist indes nicht auf zwei Axialabschnitte mit unterschiedlichen Hohlraum-Durchmessern beschränkt. Dem Fachmann eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Gedanken durch entsprechende konstruktive Maßnahmen weiterzuführen. So ist etwa daran zu denken, vom zweiten axialen Abschnitt weg in Richtung der dem Ventilteller abgewandten Stirnseite des Ventilschafts einen dritten axialen Abschnitt mit einem dritten Hohlraum-Durchmesser zu versehen, der größer oder kleiner ist als der zweite Hohlraum-Durchmesser. Zur Herstellung eines solchen dritten axialen Abschnitts sei auf obige Erläuterungen zum Einbringen einer Bohrung in den Ventilteller bzw. die vom Ventilteller abgewandte Stirnseite des Ventilschafts verwiesen. Die oben beschriebenen Maßnahmen lassen sich vom einschlägigen Fachmann ohne weiteres für die Herstellung eines Hohlraums mit drei oder mehr verschiedenen Hohlraum-Durchmessern anwenden. However, the approach presented here of a cavity with varying cavity diameter is not limited to two axial sections with different cavity diameters. A person skilled in the art will be presented with a variety of possibilities to continue the inventive concept by appropriate design measures. So is about to think of the second axial portion away in the direction of the valve disc facing away from the end face of the valve stem to provide a third axial portion with a third cavity diameter which is larger or smaller than the second cavity diameter. For the preparation of such a third axial section, reference is made to the above explanations for the introduction of a bore in the valve disk or the end face of the valve stem facing away from the valve disk. The above-described measures can readily be used by those skilled in the art to produce a cavity having three or more different cavity diameters.

Um einen effektive Wärmetransport zwischen dem Ventilteller und dem vom Ventilteller abgewandten axialen Ende des Ventilschafts zu erzielen, sollte wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 60%, des Hohlraumvolumens des Hohlraums mit Kühlmittel befüllt sein. In order to achieve effective heat transfer between the valve disk and the axial end of the valve stem facing away from the valve disk, at least 50%, preferably at least 60%, of the cavity volume of the cavity should be filled with coolant.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Hubkolbenmotor, mit wenigstens einem Hohlventil mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale.The invention further relates to an internal combustion engine, in particular a reciprocating engine, with at least one hollow valve having one or more of the aforementioned features.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,Show, in each case schematically,

1 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Hohlventils in einem Längsschnitt, 1 a first example of a hollow valve according to the invention in a longitudinal section,

2 ein zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen Hohlventils, ebenfalls in einem Längsschnitt. 2 a second example of a hollow valve according to the invention, also in a longitudinal section.

1 illustriert in einem Längsschnitt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Hohlventil 1. Dieses besitzt einen Ventilschaft 2 mit einem entlang einer axialen Richtung A konstanten Außendurchmesser d_A. Der Ventilschaft 2 geht in der axialen Richtung A in einen radial nach außen vom Ventilschaft 2 abstehenden Ventilteller 3 über. Der Ventilschaft 2 ist in einem Hubkolbenmotor, welcher in den Figuren nur grobschematisch angedeutet und mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet ist, beweglich gelagert. Der Ventilschaft 2 ist als Hohlkörper ausgebildet, d.h. in diesem erstreckt sich entlang der axialen Richtung A ein zylindrischer Hohlraum 4, welcher zu wenigstens 50 Vol.-% mit einem Kühlmittel 5 in Form von im Betrieb flüssigem Natrium befüllt ist. Dieses bewegt sich im Betrieb des Hubkolbenmotors aufgrund seiner Massenträgheit in dem sich entlang der axialen Richtung A periodisch bewegenden Ventilschaft 2 hin und her und sorgt somit für den gewünschten Wärmetransfer zwischen dem heißen Ventilteller 3 und dem weniger heißen, dem Ventilteller 3 gegenüberliegenden axialen Ende 6 des Ventilschafts 2. 1 Illustrates in a longitudinal section by way of example a hollow valve according to the invention 1 , This has a valve stem 2 with an outer diameter d _A constant along an axial direction A. The valve stem 2 goes in the axial direction A in a radially outward from the valve stem 2 protruding valve plate 3 above. The valve stem 2 is in a reciprocating engine, which in the figures only roughly sketched and indicated by the reference numeral 19 is designated, movably mounted. The valve stem 2 is formed as a hollow body, that is, in this extends along the axial direction A, a cylindrical cavity 4 containing at least 50% by volume with a coolant 5 in the form of liquid sodium in operation. This moves during operation of the reciprocating engine due to its inertia in the periodically moving along the axial direction A valve stem 2 back and forth and thus ensures the desired heat transfer between the hot valve plate 3 and the less hot, the valve plate 3 opposite axial end 6 of the valve stem 2 ,

Der Hohlraum 4 ist in Form einer Bohrung 13 ausgebildet, die mit Hilfe eines geeigneten Bohrmittels auf einer vom Ventilteller 3 abgewandten Stirnseite 11 in den Ventilschaft 2 eingebracht wurde. Auf jener Stirnseite 11 ist eine den Ventilschaft 2 entgegen der axialen Richtung A verlängernde Kappe 12 angeschweißt, welcher die Bohrung 13 fluiddicht verschließt. In einem ersten axialen Abschnitt 7 des Ventilschafts 2, noch im Bereich des Ventiltellers 3, weist der Hohlraum 5 nun einen ersten Hohlraum-Durchmesser d₁ auf. Im Ventilschaft 2 geht der erste axiale Abschnitt 7 entgegen der axialen Richtung in einen zweiten axialen Abschnitt 8 über, welcher sich gegenüber dem ersten axialen Abschnitt 7 durch einen vergrößerten Durchmesser d₂ auszeichnet. Der Übergang zwischen den beiden axialen Abschnitten 7, 8 ist an einer den Hohlraum 4 begrenzende radial inneren Umfangsseite 10 in Form einer radialen Stufe 9 ausgebildet.The cavity 4 is in the form of a hole 13 formed by means of a suitable drilling means on one of the valve plate 3 opposite end face 11 into the valve stem 2 was introduced. On that front 11 is a valve stem 2 opposite to the axial direction A extending cap 12 welded, which the bore 13 closes fluid-tight. In a first axial section 7 of the valve stem 2 , still in the area of the valve disk 3 , points the cavity 5 now a first cavity diameter d ₁ on. In the valve stem 2 goes the first axial section 7 against the axial direction in a second axial section 8th over which is opposite the first axial section 7 characterized by an enlarged diameter d ₂ . The transition between the two axial sections 7 . 8th is at one of the cavity 4 limiting radially inner peripheral side 10 in the form of a radial step 9 educated.

Der Darstellung der 1 entnimmt man ferner, dass der Hohlraum 4 entgegen der axialen Richtung A, also vom Ventilteller 3 weg, vom zweiten axialen Abschnitt 8 in einen dritten axialen Abschnitt 14 übergeht, welcher einen dritten Hohlraum-Durchmesser d₃ besitzt, der wiederum größer ist als der zweite Hohlraum-Durchmesser d₂ ist, d.h. der Hohlraum-Durchmesser d des Hohlraums 4 nimmt entlang der axialen Richtung A zum Ventilteller 3 hin ab. Auch der Übergang zwischen zweitem und drittem axialen Abschnitt 8, 14 ist in Form einer radialen Stufe 15 ausgebildet, wodurch eine besonders gute Verwirbelung des Kühlmittels und dadurch ein besonders guter Wärmeübergang erzielt werden können. The representation of the 1 If one further deduces that the cavity 4 against the axial direction A, ie from the valve disk 3 away, from the second axial section 8th in a third axial section 14 passes, which has a third cavity diameter d ₃ , which in turn is greater than the second cavity diameter d ₂ , that is, the cavity diameter d of the cavity 4 takes along the axial direction A to the valve disk 3 down. Also, the transition between the second and third axial section 8th . 14 is in the form of a radial step 15 formed, whereby a particularly good turbulence of the coolant and thus a particularly good heat transfer can be achieved.

Die 2 illustriert nun eine zum Beispiel der 1 alternative Ausgestaltungsvariante des Hohlventils 1, bei welcher der Hohlraum 4 durch eine Bohrung 18 ausgebildet wird, die auf einer vom Ventilschaft 2 abgewandten Stirnseite 16 des Ventiltellers 3 in den Ventilteller 3 eingebracht wurde. In analoger Weise zur Kappe 12 des Beispiels der 1 ist auch die Bohrung 18 mittels eines stopfenartig ausgebildeten Verschlusselements 17 fluiddicht verschlossen. Auch die Befestigung des Verschlusselements 17 kann dabei auf Basis eines Schweißprozesses erfolgen. The 2 now illustrates an example of the 1 alternative embodiment variant of the hollow valve 1 in which the cavity 4 through a hole 18 is formed on one of the valve stem 2 opposite end face 16 of the valve disk 3 in the valve plate 3 was introduced. In a similar way to the cap 12 of the example of 1 is also the hole 18 by means of a plug trained closure element 17 sealed fluid-tight. Also the attachment of the closure element 17 can be done on the basis of a welding process.

Im Beispiel der 2 nimmt der Durchmesser des Hohlraums 4 in axialer Richtung zum Ventilschaftende 2 hin ab. Der erste Hohlraum-Durchmesser d₁ des erste axialen Abschnitts weist im Szenario der 2 also einen größeren Wert auf als der zweite Hohlraum-Durchmesser d₂ des zweiten axialen Abschnitts 8 auf; dieser wiederum ist größer als der dritte Hohlraum- Durchmesser d₃ des dritten axialen Abschnitts 14. Die Übergänge zwischen den axialen Abschnitten 7, 8, 14 sind in analoger Weise zum Beispiel der 1 in Form radialer Stufen 9, 15 realisiert.In the example of 2 takes the diameter of the cavity 4 in the axial direction to the valve stem end 2 down. The first cavity diameter d _{1 of} the first axial section has in the scenario of 2 So a greater value than the second cavity diameter d _{2 of} the second axial section 8th on; this in turn is larger than the third cavity diameter d _{3 of} the third axial section 14 , The transitions between the axial sections 7 . 8th . 14 are in an analogous manner, for example, the 1 in the form of radial steps 9 . 15 realized.

Bei dem Hohlventil 1 nach der 1 kann im ersten Abschnitt 7 oberhalb des Ventiltellers 3 der Außendurchmesser d_A lokal zylindrisch leicht reduziert sein, insbesondere um einige 1/10mm, wodurch die Wandstärke zumindest im ersten und zweiten Abschnitt 7, 8 nahezu gleich wäre.At the hollow valve 1 after 1 can in the first section 7 above the valve disk 3 the outer diameter d _A locally cylindrically be slightly reduced, in particular by some 1 / 10mm, whereby the wall thickness at least in the first and second section 7 . 8th almost the same.

Zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit kann darüber hinaus zumindest ein Teil der Außenoberfläche des Hohlventils 1 mittels eines stromlosen oder galvanischen Prozesses beschichtet werden oder einer oberflächenmodifizierenden Behandlung, insbesondere Nitrieren, Borieren, Carbonitrieren, unterzogen werden.To increase the wear resistance, moreover, at least a part of the outer surface of the hollow valve 1 be coated by means of an electroless or galvanic process or a surface-modifying treatment, in particular nitriding, boriding, carbonitriding, be subjected.

Auch kann vorgesehen sein, dass der Ventilschaft 2 aus mehreren einzelnen (Rohr-)abschnitten 7, 8, 14 mit unterschiedlichen Hohlraum-Durchmessern d₁, d₂, d₃ und/oder unterschiedlicher Werkstoffen zusammengesetzt ist, die durch einen Schweißprozess miteinander verbunden werden und deren Hohlräume 4 anschließend durch einen oder mehrere Bohrvorgänge nachbearbeitet worden werden.It can also be provided that the valve stem 2 from several individual (pipe) sections 7 . 8th . 14 is composed with different cavity diameters d ₁ , d ₂ , d ₃ and / or different materials, which are joined together by a welding process and their cavities 4 subsequently be reworked by one or more drilling operations.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011077198 A1 [0005]
CN 102159799 A [0006]
JP 2008-274779 A [0007]

Claims

Hollow valve ( 1 ), in particular for an internal combustion engine, - with a valve stem ( 2 ), which along its axial direction (A) has a constant outer diameter (d _A ) and in the axial direction (A) in a radially outwardly from the valve stem (A) 2 ) projecting valve plate ( 3 ), wherein - in the valve stem ( 2 ) extending along the axial direction (A) and substantially cylindrically shaped cavity ( 4 ) is provided, which is at least partially filled with a liquid or liquefiable coolant, - wherein the cavity ( 4 ) against the axial direction (A), from the valve disk ( 3 ), from a first to a second axial section ( 7 . 8th ), wherein the cavity ( 4 ) in the first axial section ( 7 ) has a first cavity diameter (d ₁ ) that is of a second cavity diameter (d ₂ ) in the second axial portion ( 8th ) is different, so that the diameter of the cavity ( 4 ) within the valve stem ( 2 ) changes.

Hollow valve according to claim 1, characterized in that a cavity ( 4 ) limiting radially inner peripheral side ( 10 ) in the transition region between the first and the second axial section ( 7 . 8th ) a (first) radial step ( 9 ) trains.

Hollow valve according to claim 1 or 2, characterized in that - the cavity ( 4 ) through a hole ( 13 ) is formed, which on one of the valve plate ( 3 ) facing away from the front side ( 11 ) of the valve stem ( 2 ), - that on the front ( 11 ) a the valve stem ( 2 ) against the axial direction (A) extending cap ( 12 ), which bore ( 13 ) closes fluid-tight.

Hollow valve according to claim 3, characterized in that the cap ( 12 ) on the front side ( 11 ) is welded.

Hollow valve according to claim 1 or 2, characterized in that - the cavity ( 4 ) through a hole ( 13 ) is formed, which on one of the valve stem ( 2 ) facing away from the front side ( 16 ) of the valve disk ( 3 ), - the bore ( 13 ) by means of a plug-like closure element ( 17 ) is sealed fluid-tight.

Hollow valve according to one of the preceding claims, characterized in that - the first cavity diameter (d ₁ ) is greater than the second cavity diameter (d ₂ ), or that - the first cavity diameter (d ₁ ) is smaller than that second cavity diameter (d ₂ ).

Hollow valve according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 4 ) against the axial direction (A), from the valve disk ( 3 ) away from the second axial section ( 8th ) in a third axial section ( 14 ), which has a third cavity diameter (d ₃ ) which is larger or smaller than the second cavity diameter (d ₂ ).

Hollow valve according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity diameter of the cavity ( 4 ) either increases or decreases along the axial direction (A).

Hollow valve according to one of the preceding claims, characterized in that at least 50%, preferably at least 60%, of the cavity ( 4 ) are filled with coolant.

Hollow valve according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant comprises an alkaline earth metal, in particular sodium or comprises.

Hollow valve according to one of the preceding claims, characterized in that in the first section ( 7 ) above the valve disk ( 3 ) The outer diameter d _{A is} locally reduced slightly cylindrical, in particular by a few 1 / 10mm.

Hollow valve according to one of the preceding claims, characterized in that at least a part of the outer surface of the hollow valve ( 1 ) is coated by means of an electroless or galvanic process or surface-treated, in particular nitrated, borated, carbonitrided.

Hollow valve according to one of the preceding claims, characterized in that the valve stem ( 2 ) from several individual (pipe) sections ( 7 . 8th . 14 ) is composed with different cavity diameters (d ₁ , d ₂ , d ₃ ) and / or different materials, which are connected to one another by a welding process and whose cavities ( 4 ) have subsequently been reworked by one or more drilling operations.

Internal combustion engine, in particular reciprocating engine with at least one hollow valve ( 1 ) according to any one of the preceding claims.