DE19714030A1 - Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere zum Freigeben und Absperren von Ein- und/oder Auslaßleitungen eines Ver­ brennungsraumes bei Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Ventilteller, einem sich daran anschließenden in einer Ventil­ führung verlaufenden Ventilschaft und einem sich vom Ventil­ teller bis in den Ventilschaft erstreckenden und teilweise mit einem Arbeitsmedium gefüllten Ventilhohlraum, zum Abtransport von Wärme aus dem Bereich des Ventiltellers. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Ventils mit einem Ventilteller, einem Ventilschaft und einem sich vom Bereich des Ventiltellers bis in den Ventilschaft er­ streckenden und teilweise mit einem Arbeitsmedium gefüllten Ventilhohlraum.

Bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Hochlei­ stungs- und Großmotoren, stellt die thermische Belastung der Ventile ein technisches Problem dar. Durch die erhebliche thermische Belastung der Ventile sind die Leistung und die Lebensdauer der Motoren begrenzt. Insbesondere bei Großmoto­ ren, die mit Heavy Fuel betrieben werden, ist durch die Heiß­ gaskorrosion der Ventile die Lebensdauer der Ventile auf eini­ ge Tausend Betriebsstunden reduziert. Ebenso zeigen Gasmotoren aufgrund der hohen Ventiltemperaturen erhebliche technische Probleme im Betrieb. Bei zu hoher Ventiltemperatur neigen Gasmotoren zur klopfenden Verbrennung. Allgemein verhindern zu hohe Ventiltemperaturen, daß die Motoren mit einem Verdich­ tungsverhältnis und einem Zündzeitpunkt betrieben werden kön­ nen, die für einen maximalen Wirkungsgrad bei minimaler Schad­ stoffemission notwendig sind.

Vornehmlich aus den oben aufgeführten Gründen besteht das Be­ dürfnis Ventile zu kühlen. Insbesondere bei Hochleistungs­ motoren werden Natrium gekühlte Ventile verwendet. Bei einem Natrium gekühlten Ventil ist das Ventil hohlgebohrt und der Ventilhohlraum zu ungefähr 3/5 mit Natrium gefüllt. Im Ventil­ tellerbereich nimmt das flüssige Natrium gemäß seiner Wärme­ kapazität eine Wärmemenge auf und entzieht diese dem Ventil­ tellerbereich. Durch die Auf- und Abbewegung des Ventils ge­ langt das erwärmte Natrium in den Ventilschaft und zurück. Der Ventilschaft ist aufgrund seines Abstandes zum Verbrennungs­ raum und seiner Wärmeabfuhr zur Ventilführung kälter als das erwärmte Natrium. Mithin gibt das erwärmte Natrium in der Zeit, in der es sich in dem kälteren Ventilschaft befindet, seine Wärme ab. Das abgekühlte Natrium kann anschließend wie­ der im Bereich des Ventiltellers erwärmt werden. Eine solche Kühlung wird als Pendelkühlung oder Shaker-Kühlung bezeichnet. Nachteilig an einem derart gekühlten Ventil ist, daß die Küh­ lung nur sehr aufwendig und teuer herstellbar ist, und daß im Falle eines Ventilbruchs das reaktive und dadurch gefährliche Natrium freigesetzt wird.

Diesen Stand der Technik berücksichtigend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gekühltes Ventil und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, das eine effiziente und ungefährliche Kühlung bei einfacher Herstellung gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Druck in dem Ventilhohlraum so gewählt ist, daß während des Betrie­ bes der Maschine das Arbeitsmedium in dem Ventilhohlraum in einem Bereich des Ventiltellers verdampft und in einem Bereich des Ventilschafts kondensiert. Bei dieser Art der Kühlung siedet das Arbeitsmedium im Bereich des Ventiltellers. Der Dampf des Arbeitsmediums steigt in dem Ventilhohlraum auf und kondensiert an der kühleren Wandung im Ventilschaft. Das Kon­ densat fließt zurück in den Ventiltellerbereich, wo es erneut verdampfen kann. Bei dieser Art der Kühlung wird im Bereich des Ventiltellers die Verdampfungswärme (Enthalpiedifferenz) des Arbeitsmediums aufgenommen und im Bereich niedrigerer Temperatur wieder vollständig freigegeben.

Anders als bei einem konventionellen Ventil erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Ventil eine Wärmetransport durch Stoff­ transport des Arbeitsmediums.

Im Gegensatz zur Pendelkühlung oder Shaker-Kühlung findet bei der erfindungsgemäßen Kühlung der Wärmetransport durch den Transport des Arbeitsmedium nach einem Phasenübergang statt.

Die Kühlung durch Transport eines phasenumgewandelten Arbeits­ mediums ist von den als Wärmerohre bzw. Heat-Pipes bezeichne­ ten Kühlvorrichtungen, so wie sie beispielsweise in der Offen­ legungsschrift DE 28 36 527 A1 ausgeführt sind, her bekannt. Hierdrin wird offenbart, wie durch das Wärmerohr Wärme aus einem thermisch belasteten Bereich einer Maschinen abgeführt wird. Als thermisch belasteter Bereich wird der Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors durch Wärmerohre gekühlt, wobei in der Druckschrift das Problem der Montage des Wärmerohres ge­ löst wird.

Allgemein sind Siede- und Kondensationstemperatur eines Ar­ beitsmediums druckabhängig. Durch die Wahl des in dem Ventil­ hohlraum herrschenden Drucks ist es möglich, daß die Siede­ temperatur niedriger als die Temperatur im Bereich des Ventil­ tellers und die Kondensationstemperatur höher als die Tempera­ tur im Bereich des Ventilschafts ist. An dem erfindungsgemäßen Ventil ist vorteilhaft, daß eine sehr effektive und wirkungs­ volle Kühlung, mit einer hohen Zirkulationsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums, erfolgen kann. Die erfindungsgemäße Ventilküh­ lung zeichnet sich mithin durch einen hohen Wärmefluß aus, der erheblich über dem der bekannten Kühlungen liegen kann.

In einer vorteilhaften Weiterführung der Erfindung wird als Arbeitsmedium im wesentlichen Wasser verwendet. An Wasser als Arbeitsmedium ist besonders vorteilhaft, daß es eine ver­ gleichsweise große Verdampfungswärme (Enthalpiedifferenz) auf­ weist und bei der Herstellung des Ventils besonders einfach zu handhaben ist. Bei der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium können in dem Ventilhohlraum Wärmeströme realisiert werden, die circa von der Größenordnung 10 kW cm^-2 des Hohlraum­ querschnitts sind.

In einer Weiterführung der Erfindung ist der Ventilhohlraum mindestens teilweise mit einer kapillaren Innenwandung ver­ sehen. Indem bei der erfindungsgemäßen Kühlung die Wärme mit Hilfe des Arbeitsmediums transportiert wird, ist es erforder­ lich, um einen effizienten Wärmetransport sicherzustellen, daß das im Ventilschaft kondensierte Arbeitsmedium aus diesem Be­ reich abtransportiert und dem Tellerbereich zugeführt wird. Hierzu ist die Verwendung von Oberflächen, die wie beispiels­ weise ein Docht oder ein feinmaschiges Drahtgitter Kapillare aufweisen, besonders vorteilhaft. Durch den Transport in der Flüssigkeit mit Hilfe einer Kapillare kann das Arbeitsmedium rasch dem Verdampfungsbereich zugeführt werden.

Ebenso kann in dem Ventilhohlraum ein Einsatz mit mindestens einer Kapillare angeordnet sein. Wegen der beiden in dem Ven­ tilhohlraum auftretenden Transportphänomene sind bei der Aus­ gestaltung solcher Einsätze mit Kapillaren im wesentlichen zwei Möglichkeiten gegeben. Hierbei wird in der Kapillare das kondensierte Arbeitsmedium transportiert. So kann der Einsatz beispielsweise in einem zentralen Bereich der sich in axialer Richtung erstreckt, röhrenartige Kanäle aufweisen, die dem Transport des Dampfes dienen. Weiterhin können nahe der Wan­ dung des Ventilhohlraums sich ebenfalls in axialer Richtung erstreckende Kapillare angeordnet sein. Auch können fein­ maschige Drahtgitter in der Nähe der Wandung des Ventilhohl­ raumes angeordnet sein, die das kondensierte Arbeitsmedium transportieren. Auch die umgekehrte Anordnung, in der Dampf entlang der Umwandung geführt wird und in einem zentralen Bereich des Einsatzes das kondensierte Arbeitsmedium über ein System von Kapillaren zurückgeführt wird, ist möglich. Vor­ teilhaft an der Verwendung eines Einsatzes mit mindestens einer Kapillare ist es, daß der Transport des kondensierten Arbeitsmediums verbessert ist und somit von der Ventilbe­ schleunigung und der Gravitationsbeschleunigung unabhängig erfolgen kann.

In einer vorteilhaften Ausführung weist der Hohlraum im Be­ reich des Ventiltellers einen erweiterten Durchmesser auf. Eine solche Ausformung des Ventilhohlraums ermöglicht es, das Arbeitsmedium in einem Bereich mit großer Oberfläche zu ver­ dampfen. Hierdurch wird der bei der Kühlung auftretende Wärme­ strom vergrößert und die Kühlung effektiver.

Weiterhin kann der Ventilhohlraum im Bereich des Ventil­ schaftes unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Insbesondere eine Erweiterung des Querschnitts im Bereich der Kondensation und/oder des Verdampfens des Arbeitsmediums kann ein erhöhtes Maß an Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme bewirken, was letztend­ lich zu einer vermehrten Kühlung des Ventiltellers führt. Ebenso kann die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes durch eine Veränderung des Durchmessers beeinflußt werden. In dem Abschnitt des Ventilhohlraums zwischen dem Verdampfungs- und Kondensationsbereich kann beispielsweise durch eine Verengung des Durchmessers der Dampf mit einer erhöhten Strömungs­ geschwindigkeit transportiert werden.

Bevorzugt weist der Ventilhohlraum im Bereich des Ventil­ tellers Rippen auf. Durch eine solche Ausgestaltung des Ventilhohlraums ist die Fläche über die das Arbeitsmedium beim Verdampfen die Wärme aufnehmen kann vergrößert. Mithin sind der Volumenstrom des verdampften Arbeitsmediums und die aus dem Tellerbereich abtransportierte Wärmemenge größer.

In einer zweckmäßigen Weiterführung der Erfindung ist die Ventilführung gekühlt. Die bei der Kondensation freiwerdene Kondensationswärme (Enthalpiedifferenz) des Arbeitsmediums wird durch die Kühlung der Ventilführung und der damit verbun­ denen Kühlung des Ventilschaftes schneller abgeführt. Mithin kann der Wärmestrom im Ventilhohlraum erheblich vergrößert werden.

Als Kühlung für die Ventilführung kann eine Wasserkühlung ver­ wendet werden. Eine derartige Wasserkühlung des Ventilschaftes kann mit einer in der Umgebung der Ventilführung verlaufenden Wasserleitung besonders einfach und wirkungsvoll realisiert werden.

Ebenso kann es günstig sein, die Wandung des Verbrennungsraums im Bereich des Sitzes des Ventiltellers zu kühlen. Durch eine solche Kühlung werden zu hohe Temperaturen im Bereich des Ventilsitzes und in dem Randgebiet des Ventiltellers ver­ mieden. Das Kühlsystem für den Ventilsitz kann mit dem Kühl­ system für die Ventilführung verbunden sein.

Die Aufgabenstellung wird ebenfalls durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Ventils gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor einem Verschließen des Ventilhohlraums das Arbeitsmedium gefroren. Bei der Herstel­ lung des hohlen Ventils muß das Arbeitsmedium vor dem Ver­ schließen des Ventilhohlraums in den Ventilhohlraum einge­ bracht werden. Hierzu kann das Arbeitsmedium entweder in dem Hohlraum gefroren werden oder bereits in gefrorener Form in den Hohlraum eingebracht werden. Vorteilhaft an diesem Verfah­ ren zur Herstellung eines Ventils ist, daß beim Verschließen des Ventilhohlraums das Arbeitsmedium aus dem Hohlraum nicht ohne weiteres entweichen kann. Beispielsweise wird durch die Verwendung eines gefrorenen Arbeitsmediums, selbst bei stark flüchtigen Arbeitsmedien, ein Verdampfen aus dem noch nicht verschlossenen Ventilhohlraum beim Einstellen des Druckes ver­ hindert. Auch kann bei dem Verschluß des Ventilhohlraums weit­ gehend unabhängig von der Orientierung des Ventils gearbeitet werden. Hierdurch wird die Handhabung beim Herstellungsver­ fahren erheblich vereinfacht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Ventilhohlraum durch Reibschweißen verschlossen. Durch Reib­ schweißen werden die Teile dauerhaft miteinander verbunden und der Ventilhohlraum verschlossen, wobei eventuell auftretende Schweißnähte nach dem Schweißen entfernt werden. Hierbei ist es möglich das Ventil aus mehreren Teilen herzustellen von denen mindestens ein Teil den Ventilhohlraum aufweist. Der Ventil­ hohlraum wird dabei durch die Verbindung der Teile gebildet.

Zweckmäßigerweise kann der Ventilhohlraum vor dem Verschließen mit mindestens einem Inertgas gespült werden. Durch das Spülen mit inertem Gas werden etwaige Gasrückstände aus dem Ventil­ hohlraum verdrängt und mithin chemische Reaktionen dieser Gasrückstände mit der Innenwandung des Ventilhohlraums verhin­ dert.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil, das in einen Zylinderkopf eingesetzt ist,

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Ventiltellers aus Fig. 1,

Fig. 3 zeigt den Schnitt A-A des Ventilschaftes aus Fig. 2,

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil mit einem in den Ventilhohlraum eingesetzten Einsatz,

Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Ventiltellers aus Fig. 4,

Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil mit einem im Be­ reich des Ventiltellers erweiterten Ventilhohlraum und

Fig. 7 zeigt die Ansicht eines Ventiltellers mit einem er­ weiterten Ventilhohlraum.

Das Ventil 1 dient in der dargestellten Ausführungsform zum Freigeben und Absperren einer Auslaßleitung 2 gegen einen Verbrennungsraum 3. Hierzu ist das Ventil 1 beweglich gela­ gert, wobei der Ventilteller 4 in dem Verbrennungsraum 3 hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Die an den Verbrennungsraum 3 angrenzende Auslaßleitung 2 ist so gekrümmt, daß das Ventil 1 sich mit dem Ventilschaft 5 durch die Auslaßleitung 2 in den Zylinderkopf 13 erstreckt. Der Ventilschaft 5 ist in einer Ventilführung 7 des Zylinder­ kopfs 13 angeordnet, wobei die Ventilführung 7 aus einem als Reibpartner für den Ventilschaft 6 besonders günstigen Materi­ al hergestellt ist. Auch ist der Ventilsitz 11, der durch das Anschlagen des Ventiltellers 4 besonders beansprucht ist, aus einem besonders widerstandsfähigen Material hergestellt.

Das Ventil 1 weist in den dargestellten Ausführungsformen einen Ventilhohlraum 6 auf, der sich vom Ventilschaft 5 bis in den Bereich des Ventiltellers 4 erstreckt. Der Ventilhohlraum 6 ist hierbei ein Raum in dem Ventil, der nach der Herstellung des Ventils 1 vollständig verschlossen ist. Der Verschluß der Ventilhohlraums 6 kann hierbei durch die Verbindung von zwei Teilen erfolgen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Ventilhohlraum 6 durch beispielsweise einen einschraubbaren Stift an einem Ende des Ventilhohlraums 6 zu verschließen. In den in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsformen ist der Ventilhohlraum 6 zylinderförmig. Ein solcher zylinderför­ miger Ventilhohlraum 6 ist besonders einfach herstellbar, indem das Ventil 1 aus zwei Teilen zusammengesetzt wird und jedes dieser Teile mit einer axial verlaufenden Bohrung verse­ hen wird.

Das Ventil 1 erwärmt sich durch das heiße Gas in dem Ver­ brennungsraum 3 und in der Auslaßleitung 2. In den Fig. 1, 3 und 5 ist dargestellt wie das Ventil 1 im Bereich der Ven­ tilführung 7 gekühlt wird. Hierzu ist die Ventilführung 7 im Zylinderkopf 13 mit einem Wassermantel 10 umgeben. Der Wasser­ mantel 10 dient dazu, die von dem Ventilschaft 5 an die Ven­ tilführung 7 abgegebene Wärme aufzunehmen und abzutransportie­ ren. Der Wärmeentzug durch den Wassermantel 10 bewirkt ein Abkühlen im Bereich des Ventilschafts 5 und unterstützt mithin die Kondensation des Arbeitsmediums im Ventilhohlraum 6 in diesem Bereich, indem die freiwerdene Wärme abgeführt wird.

Mit Hilfe des Wassermantels 10 kann ebenfalls der Ventilsitz 11 gekühlt werden. In der in Fig. 3 und 4 dargestellten Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Ventils ist in den Ventil­ hohlraum 6 ein Einsatz 9 angeordnet. Der Einsatz 9, 14 besteht in den dargestellten Ausführungsformen aus einem Gewebe, das nach Art eines Dochtes das Arbeitsmedium transportiert. Bei dem in den Fig. 5 und 7 dargestellten Einsatz 9, 14 wird das dampfförmige Arbeitsmedium zentral in dem Einsatz 9, 14 transportiert und das kondensierte Arbeitsmedium entlang der Wandung des Ventilhohlraumes 6. Bei der Verwendung eines sol­ chen Einsatzes können Strömungsgeschwindigkeiten für den Dampf von über 300 m/s auftreten.

In der in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist der zylinderförmige Ventilhohlraum 6 im Bereich des Ven­ tiltellers 4 konkav erweitert. Hierdurch wird eine größere Oberfläche zum Verdampfen des Arbeitsmediums bereitgestellt.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Ventilhohlraum (6) auf, der mit einer kapillaren Innenwandung (8) versehen ist. In den Kapillaren wird das kondensierte Arbeitsmedium transportiert, hierzu erstrecken sich die Kapil­ laren in axialer Richtung des Ventils.

Der Einsatz 14 reicht nicht bis in den Bereich des Ventil­ tellers 4, sondern endet kurz bevor die Erweiterung des Ven­ tilhohlraums 6 beginnt. Mit der Verwendung eines Einsatzes 9 oder 14 wird das kondensierte Arbeitsmedium weitgehend unab­ hängig von der Schwerkraft und der Auf- und Abbewegung des Ventils 1 in den Bereich des Ventiltellers 4 zurücktran­ sportiert. Durch den Transport des Arbeitsmediums in den Kap­ pilaren des Einsatzes 9 oder 14 ist die Orientierung des Ven­ tils 1 unerheblich.

Bezugszeichenliste

1

Ventil

2

Auslaßleitung

3

Verbrennungsraum

4

Ventilteller

5

Ventilschaft

6

Ventilhohlraum

7

Ventilführung

8

kapillare Innenwandung

9

Einsatz

10

Wassermantel der Ventilführung

11

Ventilsitz

12

Wassermantel für Ventilsitz

13

Zylinderkopf

14

Einsatz

Claims (13)

1. Ventil (1), insbesondere zum Freigeben und Absperren von Ein- und/oder Auslaßleitungen eines Verbrennungsraums (3) bei Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Ventilteller (4), einem sich daran anschließenden in einer Ventilführ­ ung (7) verlaufenden Ventilschaft (5) und einem sich vom Ventilteller bis in den Ventilschaft erstreckenden und teilweise mit einem Arbeitsmedium gefüllten Ventilhohlraum (6), zum Abtransport von Wärme aus dem Bereich des Ventil­ tellers, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Ventilhohlraum (6) so gewählt ist, daß während des Betriebes der Maschine das Arbeitsmedium in dem Ventilhohlraum in einem Bereich des Ventiltellers (4) verdampft und in einem Bereich des Ventilschafts (5) kon­ densiert.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Arbeitsmedium im wesentlichen aus Wasser besteht.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ventilhohlraum (6) minde­ stens teilweise mit einer kapillaren Innenwandung (8) ver­ sehen ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ventilhohlraum (6) ein Einsatz (9; 14) mit mindestens einer Kapillare ange­ ordnet ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilhohlraum (6) im Bereich des Ventiltellers einem erweiteren Durchmesser aufweist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilhohlraum (6) im Bereich des Ventilschafts (5) unterschiedliche Durchmesser aufweist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilhohlraum (6) im Bereich des Ventiltellers (4) Rippen aufweist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilführung (7) gekühlt ist.

9. Ventil Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ventilführung (7) wassergekühlt ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Verbren­ nungsraums (3) im Bereich des Sitzes (11) des Ventil­ tellers (4) gekühlt ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Ventils (1) mit einem Ventilteller (4), einem Ventilschaft (5) und einem sich vom Bereich des Ventiltellers (4) bis in den Ventilschaft (5) erstreckenden und teilweise mit einem Arbeitsmedium gefüllten Ventilhohlraum (6), dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor Verschließen des Ventilhohlraums (6) das Arbeitsmedium gefroren wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilhohlraum durch Reib­ schweißen verschlossen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem Einbringen des Ar­ beitsmediums der Ventilhohlraum mit mindestens einem Inertgas gespült wird.