DE19702067A1

DE19702067A1 - Poppet valve for IC engine

Info

Publication number: DE19702067A1
Application number: DE1997102067
Authority: DE
Inventors: Frank Mueller; Ulrich Dr Weiss
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 1998-01-15

Abstract

The hollow valve has a cavity (7) with a filling (9) to increase the heat transfer from the valve head (3) to the stem (4). The filling is retained by a tip cap (8). The filling is made of lead and, at least in its upper region, is pressed against the wall of the cavity. The cavity may be filled with solid lead in the valve guide area of the stem. The filling can be formed of lead wire fed into the cavity. Alternatively, molten lead can be poured into the valve stem cavity.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hohlventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einem Hohlraum, der eine Füllung zur Verbesserung der Wärmeableitung vom Ventilteller zum Ventilschaft enthält und durch einen Stopfen verschlossen ist.The invention relates to a hollow valve, in particular for Internal combustion engines, with a cavity that is a filling for Improvement of heat dissipation from the valve plate to Valve stem contains and is closed by a plug.

Insbesondere die Auslaßventile von Brennkraftmaschinen sind im Betrieb thermisch hoch beansprucht. So können im Bereich des Überganges vom Ventilteller in den Ventilschaft Temperaturen von über 800°C auftreten, wodurch die Festigkeit des Ventilwerkstoffes erheblich reduziert wird. Um diese Tempera turen abzusenken, ist es bekannt, durch eine entsprechende Füllung eine Wärmeableitung zum Bereich des Ventilschaftes zu erreichen, der im Zylinderkopf geführt und dadurch abgekühlt wird.In particular, the exhaust valves of internal combustion engines are in the Operation subject to high thermal loads. So in the area of Transition from the valve plate to the valve stem temperatures of over 800 ° C occur, whereby the strength of the Valve material is significantly reduced. To this tempera lowering the doors, it is known to do so by means of a corresponding Filling a heat dissipation to the area of the valve stem reach, which is guided in the cylinder head and thereby cooled becomes.

Üblicherweise (siehe z. B. DE-C 32 04 986), ist im Ventilschaft ein Hohlraum vorgesehen, der etwa zur Hälfte mit Natrium, in einigen Fällen unter Vakuum gefüllt wird, das bei Betriebstemperatur flüssig ist und aufgrund des durch die unvollständige Füllung beim Öffnen und Schließen des Ventils bewirkten Shaker-Effekts den Transport größerer Wärmemengen zu dem Führungsbereich des Ventilschaftes bewirkt. Dieser Shaker-Effekt ist jedoch drehzahlabhängig, so daß in bestimmten Drehzahlbereichen die Wärmeableitung gering ist. Außerdem hängt der Shaker-Effekt von der korrekten Befüllungsmenge ab und er reagiert sehr sensibel auf Mengenabweichungen. Darüber hinaus gibt es stochiastisch auftretende Störungen unbekannten Ursprunges. In beiden Fällen wird der Wärmetransport in den Führungsbereich des Ventilschaftes verschlechtert, was eine Überhitzung des Ventils und einen Motorschaden zur Folge haben kann. Wird die Befüllung nicht im Vakuum durchgeführt, so kann die Ausdehnung der Luft zusammen mit der Ausdehnung des Natriums zum Platzen des Hohlventils infolge zu hohen Innendruckes führen.Usually (see e.g. DE-C 32 04 986) is in Valve stem provided a cavity that is about half with Sodium, which in some cases is filled under vacuum Operating temperature is liquid and due to the incomplete filling when opening and closing the valve caused shaker effect to transport larger amounts of heat the guide area of the valve stem. This shaker effect is speed dependent, however, so in certain Speed ranges the heat dissipation is low. Furthermore the shaker effect depends on the correct filling quantity and he is very sensitive to quantity deviations. About that there are also stochiastically occurring disorders of unknown Origin. In both cases, the heat transfer in the Guide area of the valve stem deteriorates, which is a Valve overheating and engine damage can. If the filling is not carried out in a vacuum, it can the expansion of the air along with the expansion of the Sodium to burst the hollow valve due to too high Internal pressure.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hohlventil der gattungs gemäßen Art zu schaffen, bei dem die Wärmeableitung von den thermisch hoch beanspruchten Bereichen verbessert, drehzahl unabhängig und im wesentlichen proportional zur Ventil temperatur ist.The object of the invention is a hollow valve of the genus create in accordance with the manner in which the heat dissipation from the Improved thermally stressed areas, speed independent and essentially proportional to the valve temperature is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Füllung Blei verwendet ist, das zumindest in seinem oberen Bereich gegenüber der Wand des Ventilhohlraumes verpreßt ist, um ein Verschieben der Bleifüllung unter den im Betrieb auftretenden Beschleunigungskräften zu vermeiden und einen guten Wärmeübergang zur Wand des Ventilschaftes zu erreichen, der in diesem Bereich im Zylinderkopf geführt und gekühlt wird.This object is achieved in that as Filling lead is used, at least in its top Area is pressed against the wall of the valve cavity, to shift the lead filling under that in operation to avoid occurring acceleration forces and a to achieve good heat transfer to the wall of the valve stem, which is guided and cooled in the cylinder head in this area.

Bei einer besonders einfachen und wirtschaftlichen Ausführung ist die Füllung von einem Bleidraht gebildet, der engpassend in den als Längsbohrung ausgebildeten Ventilhohlraum eingesetzt und in seinem oberen Bereich mit der Bohrungswand verpreßt ist. Der Bleidraht braucht sich nur bis in die Ventilführung hinein zu erstrecken, da schon im unteren Teil der Ventilführung der größte Teil der Wärme abgeleitet wird. Dadurch entsteht zwischen dem oberen Ende des Bleidrahtes und dem Stopfen, der den Hohlraum abschließt und zur Befestigung des Ventilfedertellers dient, ein Freiraum, in den sich die Bleifüllung bei Erwärmung verschieben kann.With a particularly simple and economical design is the filling formed by a lead wire that fits snugly in the valve cavity designed as a longitudinal bore and is pressed with the bore wall in its upper region. The lead wire only needs to go into the valve guide to extend, since already in the lower part of the valve guide most of the heat is dissipated. This creates between the top of the lead wire and the stopper that closes the cavity and for fastening the Valve spring plate serves, a space in which the Lead filling can shift when heated.

Alternativ kann das Blei in flüssigem Zustand in den Ventilhohlraum eingeführt und nach dem Erstarren in seinem oberen Bereich mit der Wand des Ventilhohlraumes verpreßt werden. Auch hier braucht sich die Bleifüllung nur bis in den Führungsbereich des Ventils zu erstrecken.Alternatively, the lead in the liquid state can Valve cavity inserted and after solidification in its upper area pressed with the wall of the valve cavity will. Here too, the lead fill only needs to be filled To extend the guide area of the valve.

Bei höheren Ventiltemperaturen wird die Bleifüllung (Schmelz punkt ca. 350°C) teilweise flüssig. Da die Wärmeleitfähigkeit von Blei im flüssigen Zustand ca. 18.000 W/m K beträgt (flüssiges Natrium hat 8.000 bis 13.000 W/m K), wird ein großer Kühleffekt durch reine Wärmeleitung entlang der Bleifüllung zum gekühlten Bereich des Ventilschaftes erreicht, in dem die Bleifüllung fest und mit der Wand der Bohrung verpreßt ist. Dieser nichtflüssige Abschnitt der Bleifüllung bildet einen zweiten Verschlußstopfen, der verhindert, daß sich die flüssige Bleifüllung bewegt, so daß die Kühlwirkung unabhängig von der Motordrehzahl ist und die Bildung von Hohlräumen ohne Wärmeleitung vermieden wird. Die Länge des verflüssigten Bereiches stellt sich entsprechend der Wärmebelastung des Ventils ein und ändert sich somit ständig entsprechend dem Betriebszustand.At higher valve temperatures, the lead filling (melt point approx. 350 ° C) partly liquid. Because the thermal conductivity of lead in the liquid state is approx. 18,000 W / m K (liquid sodium has 8,000 to 13,000 W / m K) becomes a big one Cooling effect through pure heat conduction along the lead filling reaches the cooled area of the valve stem in which the Lead filling is tight and pressed to the wall of the hole. This non-liquid section of the lead filling forms one second plug, which prevents the liquid Lead filling moves, so that the cooling effect regardless of the Engine speed is and the formation of cavities without Heat conduction is avoided. The length of the liquefied Area arises according to the heat load of the Valve and thus changes constantly according to the Operating status.

Gegenüber einem Na-gefüllten Ventil ist die Kühlwirkung wesentlich größer, da die Wärmeleitfähigkeit der Bleifüllung um 50-100% höher liegt. Darüber hinaus besteht ein ständiger Kontakt zwischen dem Blei und der Hohlraumwand im Gegensatz zur Na-Füllung, die wegen des Shaker-Effekts den zu kühlenden Bereich nur während 50% der Zeit benetzt. Da die Kühlung durch eine Bleifüllung keinen Shaker-Effekt erfordert, ist die Kühlwirkung unabhängig von der Motordrehzahl, proportional zur Ventiltemperatur, sicher vor stochastischen Bewegungs-Störungen und im Prinzip unabhängig vom Befüllungsverhältnis, solange sichergestellt ist, daß der bleigefüllte Bereich bis in die Ventilführung reicht. Wegen der gegenüber einer Na-Füllung besseren Wärmeabfuhr kann der Bohrungsdurchmesser kleiner und die Schaftwandstärke größer sein als bei einem Na-gekühlten Ventil, so daß Schaftwandstärke und Kühlwirkung in einem weiten Bereich variiert und aufeinander abgestimmt werden können. Die im Vergleich zu Na wesentlich geringere Wärmeausdehnung (ca. 39%) der Bleifüllung bewirkt, daß der Innendruck bei hohen Temperaturen und damit die Schadensanfälligkeit infolge in den Ventilhohlraum eingetretener Luft entsprechend geringer ist. Bei kleinen Bohrungsdurchmessern bzw. ausreichender Wandstärke kann daher gegebenenfalls auf ein Befüllen unter Vakuum verzichtet werden. Schließlich ist die Bleifüllung einfacher zu bemessen und zu handhaben als eine Na-Füllung, insbesondere wenn ein Bleidraht verwendet wird.The cooling effect is compared to a Na-filled valve much larger because the thermal conductivity of the lead filling 50-100% higher. In addition, there is a permanent In contrast, contact between the lead and the cavity wall for the Na filling, which due to the shaker effect is the one to be cooled Area only wetted for 50% of the time. Because the cooling through a lead filling does not require a shaker effect Cooling effect regardless of engine speed, proportional to Valve temperature, safe from stochastic movement disorders and in principle regardless of the filling ratio, as long as it is ensured that the lead-filled area up to the Valve guidance is sufficient. Because of a Na filling the hole diameter can be smaller and better heat dissipation the shaft wall thickness may be greater than that of a Na-cooled one Valve, so that shaft wall thickness and cooling effect in one wide range can be varied and coordinated can. The much smaller compared to Na Thermal expansion (approx. 39%) of the lead filling causes the Internal pressure at high temperatures and thus the Susceptibility to damage due to in the valve cavity entering air is correspondingly lower. With small ones Bore diameters or sufficient wall thickness can therefore if necessary, filling under vacuum can be dispensed with. After all, lead filling is easier to measure and close handle as a Na fill, especially if a lead wire is used.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hohlventils ist in der Zeichnung im Längsschnitt schematisch dargestellt.An embodiment of a hollow valve according to the invention is shown schematically in the drawing in longitudinal section.

Das Hohlventil 1 weist einen mit einem Ventilsitz 2 zusam menwirkenden Ventilteller 3 und einen Ventilschaft 4 auf, der in einer Büchse 5 im Zylinderkopf 6 geführt ist. Der Ventil schaft 4 enthält einen Hohlraum in Form einer Längsbohrung 7, die sich bis in den Ventilteller 3 erstreckt und am oberen Ende durch einen angeschweißten Stopfen 8 verschlossen ist. In die Längsbohrung 7 ist ein Bleidraht 9 eingeführt, der sich vom unteren Ende der Längsbohrung bis in den Führungsbereich des Ventils erstreckt. Zwischen dem oberen Ende des Bleidrahtes 9 und dem Stopfen 8 verbleibt somit ein Freiraum 10.The hollow valve 1 has a valve plate 3 which cooperates with a valve seat 2 and a valve stem 4 which is guided in a sleeve 5 in the cylinder head 6 . The valve stem 4 contains a cavity in the form of a longitudinal bore 7 which extends into the valve plate 3 and is closed at the upper end by a welded plug 8 . A lead wire 9 is inserted into the longitudinal bore 7 and extends from the lower end of the longitudinal bore into the guide region of the valve. A free space 10 thus remains between the upper end of the lead wire 9 and the plug 8 .

Der Bleidraht 9 wird ggf. unter Vakuum in die Längsbohrung 7 eingesetzt und zumindest in seinem oberen Bereich durch Einführen eines Stempels verpreßt, um ihn gegen Verrutschen im Betrieb zu sichern. Dann wird die Längsbohrung 7 durch den Stopfen 8 verschlossen.The lead wire 9 is optionally inserted into the longitudinal bore 7 under vacuum and pressed at least in its upper area by inserting a stamp in order to secure it against slipping during operation. Then the longitudinal bore 7 is closed by the plug 8 .

In der Zeichnung ist das Ventil im betriebswarmen Zustand dargestellt. Dabei wird das Blei im unteren Bereich flüssig, während es im Bereich der Führungsbüchse 5 gekühlt wird und fest bleibt. Der gewünschte Kühleffekt stellt sich durch reine Wärmeleitung durch die flüssige Bleifüllung, die eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit hat, zu dem nichtflüssigen Teil der Bleifüllung ein. Dieser Teil bildet einen zweiten Verschloßstopfen und verhindert eine Bewegung des flüssigen Teils. Der Freiraum 10 oberhalb der Bleifüllung ermöglicht ein Ausdehnen der Bleifüllung bei Erwärmung, so daß das Entstehen eines hohen Innendruckes in der Längsbohrung vermieden ist.In the drawing, the valve is shown in the operating condition. The lead becomes liquid in the lower area, while it is cooled in the area of the guide bush 5 and remains solid. The desired cooling effect is achieved by pure heat conduction through the liquid lead filling, which has an extremely high thermal conductivity, to the non-liquid part of the lead filling. This part forms a second plug and prevents movement of the liquid part. The free space 10 above the lead filling allows the lead filling to expand when heated, so that the creation of a high internal pressure in the longitudinal bore is avoided.

Die Bleifüllung kann auch von in flüssigem Zustand in die Längsbohrung eingefülltem Blei gebildet werden, das nach dem Erstarren zumindest im oberen Bereich verpreßt wird. Diese Methode wird insbesondere dann angewandt, wenn die Längs bohrung im Bereich des Ventiltellers erweitert ist.The lead filling can also be in the liquid state in the Longitudinally filled lead are formed, which after the Solidify is pressed at least in the upper area. This The method is used especially when the longitudinal bore in the area of the valve plate is expanded.

Die Erfindung ist nicht auf Ventile für Brennkraftmaschinen beschränkt, sondern allgemein bei thermisch hochbelasteten Ventilen anwendbar.The invention is not on valves for internal combustion engines limited, but generally in the case of highly thermally stressed Valves applicable.

Claims

1. Hollow valve, in particular for internal combustion engines, with a cavity ( 7 ) which contains a filling ( 9 ) to improve heat dissipation from the valve plate ( 3 ) to the valve stem ( 4 ) and is closed by a stopper ( 8 ), characterized in that the filling ( 9 ) consists of lead and is pressed against the wall of the cavity ( 7 ) at least in its upper region.

2. Hollow valve according to claim 1, characterized in that the cavity ( 7 ) is filled with lead only up to the guide region of the valve stem ( 4 ).

3. Hollow valve according to claim 1 or 2, characterized in that the filling ( 9 ) is formed by a lead wire inserted into the cavity ( 7 ).

4. Hollow valve according to claim 1 or 2, characterized in that the filling ( 9 ) consists of lead introduced in the liquid state into the cavity ( 7 ) which, after solidification, at least in its upper region presses against the wall of the cavity ( 7 ) is.