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Hohlventil
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Thermisch hoch beanspruchte Ventile, insbesondere Auslaßventile von
Verbrennungskraftmaschinen werden durch besendere M@@@@@hmen so weit gekühlt, daß
ihre maximalen Betriebstemperaturen in einen Bereich gelangen, in dem herkömmliche
Ventilwerkstoffe verwendet werden können.
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Die Kühlung wird dadurch erreicht, daß durch eine Füllung mit Natrium,
Wasser oder organischen Flüssigkeiten die Wärme vom heißen Ventilteller zum Ventilschaft
und von da zur Ventilführung geleitet wird. Besitzen die Ventile im Kopfbereich
zusätzlich einen Hohlraum, so kann auch Ware in Richtung Ventilsitz, der vom Ventilsitzring
gekühlt wird, abgeführt werden.
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Gemeinsames Merkmal dieser Ventile ist ein im Zentrum befindlicher
Hohlraum, der, wie bereits erwähnt, im Bereich des Ventilkopfes vergrößert sein
kann. Die Hohlräume der Ventile werden entweder vom Ventilteller her oder vom Schaftende
aus durch Schweißverfahren verschlossen.
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Beim natriumgefüllten Ventil wird die Wärme dadurch vom heißen Teller
zum Schaft transportiert, daß das relativ gut wärmeleitfähige Natrium mit einem
Schmelzpunkt von 97,70C im flüssigen Zustand durch die schnelle Bewegung
des
Ventiles beim Öffnen und Schließen hin und her geschüttelt wird und so neben einem
größeren Betrag an statischer Wärmeleitung die Wärmeabfuhr auch durch die örtliche
Verlagerung von heißem und kaltem Natrium innerhalb des Hohlraumes zustande kommt.
Bei der Kühlung mit Wasser oder organischen Flüssigkeiten wird zusätzlich die latente
Verdampfungswärme im heißen Teil des Ventiles und die entsprechende Kondensjtionswärme
im kalten Schaft zum Wärmetransport ausgenutzt.
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Wdsser und organische Füllungen sind fertigunystechnisch schwierig
zu handhaben, weil nach dem Schweißvorgang zum Verschließen des Hohlraumes nur noch
in sehr begrenztem Umfange Wärmebehandlungen durchgeführt werden können.
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Auch die Handhabung des Natriums zum Befüllen der natriumgekühlten
Ventile ist kritisch. Im Kontakt mit der Atmosphäre bildet Natrium mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit
hydroskopisches Natriumhydroxid. Es bedarf eines erheblichen technischen Aufwandes,
um das Natrium vom Versand des Herstellers bis zum Befüllen und Verschlie;3en des
Ventiles vor dieser Korrosion so wirksam zu schützen, daß kein Korrosionsprodukt
mit in den Ventilhohlraum gelangt. Befindet sich Natriumhydroxid, möglicherweise
zusammen mit Wasser im Hohlraum als Verunreinigung der Natriumfüllung, so finden
folgende chemische Reaktionen statt: 1. Das Wasser bildet weiteres Natriumhydroxid
und setzt dabei Wasserstoff frei nach der Reaktionsgleichung H20 + Na = NaOH + 1/2
H2.
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2. Ab ca. 4350C zerfällt das Natriumhydroxid in Gegenwart von metallischem
Natrium nach der Gleichung NaOH + 2Na = Na20 + NaH.
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Das Ndtriumhydrid besitzt einen sehr hohen Dampfdruck, so daß es zusammen
mit dem sich aus der Wasserzersetzung bildenden Wasserstoff zu erheblichen Innendrucken
im Hohlraum kommt, die zu einer statischen Vorspannung des Ventiles führen.
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Das Natriumoxid seinerseits verursacht eine Oxidation der Hohlraumwdndung,
weil insbesondere dds Hduptlegierungselement der üblichen Ventilstähle, nämlich
Chrom, eine höhere Sauerstoffaffinität besitzt als Natrium. Auch Mangan wird oxidiert
und unter bestimmten Betriebsbedingungen des Ventiles kann auch Eisen mit in die
entstehenden Oxidschichten eingebaut werden, Diese Oxidschichten stellen hohe Wärmeleitwiderstände
dar und beeinträchtigen die Kühlwirkung je nach ihrer Dicke ganz erheblich. Sie
stellen ferner in Verbindung mit dem gleichzeitig vorhandenen hohen Innendruck den
Ausgangspunkt von Dauerbrüchen dar, zumal die Oxidation auch entlang von Korngrenzen
bis weit in die Oberfläche der Hohlraumwand fortschreiten kann.
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Ein weiterer Nachteil natriumgefüllter Hohlventile besteht darin,
daß die Kühlwirkung nur dann optimiert werden kann, wenn bei Betriebstemperatur
möglichst der gesamte Hohlraum mit Natrium ausgefüllt ist. Gasblasen im Hohlraum
unterbrechen den gut wärmeleitenden Querschnitt der Natriumsäule und verschlechtern
je nach ihrer Größe und Lage im Hohlraum die Wärmeabfuhr in undefinierter
Weise.
Die Optimierung der Natriumbefüllung zur Vermeidung von Gasblasen bei Betriebstemperatur
ist kaum möglich, weil die maximalen Betriebstemperaturen nicht vorauszusehen sind
und die Wärmeausdehnung des Natriums um den Faktor 7 höher ist als die gebräuchlicher
Ventilstähle.
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Natriumgefüllte Hohlventile sind somit gefährdet, je nuch ihrem Verschmutzungsgrad
mit Feuchtigkeit und Natrium hydroxid vorzeitig zu versdgen. Die Wirksdmkeit der
Natriumkühlung hängt von Zufälligkeiten ab.
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Der Erfindung liegt der gedanke zugrunde, diese Ndchteile zu umgehen,
dadurch, daß die Ventile durch feste, gut warmeleitende Metalle oder Legierungen
gekühlt werden.
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Vorzugsweise wird Kupfer oder Reinstaluminium verwendet, wobei der
niedrige Schmelzpunkt des Aluminiums seinen Anwendungsbereich einengt. Sowohl Kupfer
als auch Aluminium besitzen abweichende Wärmeausdehnungskoeffizienten zu den gebräuchlichen
Ventilstählen.
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Dadurch ergeben sich Schwierigkeiten beim Wärmeübergang vom festen
Kühlmittel auf den Ventilwerkstoff, die es zu beheben gilt.
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Nimmt man das Wärmeleitpotential von optimal befüllten natriumgekühlten
Ventilen als Standard, so erlaubt die Verwendung von Aluminium einen Wärmeleitquerschnitt
von 58% des Natriumquerschnittes, bei Kupfer geht dieser Wert auf 35% zurück.
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Der erforderliche oder ein größerer Wärmeleitquerschnitt als dem seitherigen
Standard entsprechende, wird erfindungsgemäß
als Rohr dargestellt
mit einem Außendurchmesser, der es erlaubt, dieses leicht in die Hohlraumbohrung
einzuführen. Dieses Rohr ist beidseitig verschlossen. In seinem Inneren befindet
sich eine Substanz, die bei der Erwärmung auf bestimmte Temperaturen sich thermisch
zersetzen und definierte Drücke im Innenraum der gut wärmeleitfähigen Hülse erzeugen
kann.
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Die Hülse wird in den Innenraum des Hohlventiles eingeführt und dls
Ventil in der gewohnten Weise entweder vom Schaftende her oder vom Ventilteller
her durch Schweildverfahren verschlossen. Es eignen sich hierzu auch Ventile, die
im Ventilkopf einen vergrößerten Hohlraum besitzen und durch Einschweißen eines
Deckels verschlossen werden.
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Die Länge der Hülse muß so abgestimmt werden, daß die Hülse beim Schweißen
nicht beschädigt wird.
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Nach dem Verschließen des Hohlraumes wird das Ventil einer Wärmebehandlung
unterzogen bei definierten Temperaturen, die auf den Hülsenwerkstoff, den Ventilwerkstoff
und Menge und Art, der thermisch unter Druckbildung sich zersetzenden Stoffe im
Inneren der Hülse, abgestimmt sind. Die Temperatur muß hoch genug sein, um die Warmdehngrenze
des Hülsenwerkstoffes auf niedrige Werte zu bringen, gleichzeitig muß sie niedrig
genug sein, um entsprechend des Zersetzungsdruckes im Inneren der Hülse keine Dehnungen
des Ventilwerkstoffes zu bewirken.
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Mit Hilfe des Innendruckes in der Hülse wird bei der Wärmebehandlung
die Hülse so verformt, daß sie sich der Innenkontur des Ventilhohlraumes völlig
anpaßt und zu einem innigen Kontakt zur Hohlraumwand gelangt. Bei der
Wärmebehandlung
wird der Hülsenwerkstoff gleich rekristallisierend weich geglüht, so daß er auch
bei tieferen Temperaturen möglichst niedrige Streckgrenzwerte besitzt. Der Gasinnendruck
in der Hülse muß gleichzeitig so hoch gewählt werden, daß bei allen Temperaturen,
von Raumtemperatur bis über die Betriebstemperatur, die Streckgrenze des Hülsenwerkstoffes
überwunden wird, um bei allen Ventiltemperaturen den Innendruck unterstützten innigen
Kontakt zwischen Ventilhohlraum und wärmeleitender Hülse zu gewährleisten.
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Die niedrigen Streckgrenzwerte der in Betracht gezogenen gut wärmeleitfähigen
Werkstoffe für die beschriebene Hülse kommen dieser Wirkungsweise sehr entgegen,
ohne eine Gefahr für die Dauerfestigkeit des Ventiles darzustellen.
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Als chemische Substanzen zur Erzeugung des Innendruckes eignen sich
alle Stoffe, die bei der thermischen Zersetzung mit genügend hohem Druck gegen den
Hülsenwerkstoff inert wirkende Gase oder Dämpfe bilden, die gleichzeitig bei langer
Beanspruchungszeit und hohen Betriebstemperaturen nicht aus dem Hohlraum effundieren.
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Für Kupfer und Aluminium eignen sich in gleicher Weise stickstoff-
und CO-abspaltende Substanzen. Es kann auch an die Verwendung organischer Substanzen
wie Öle und dergleichen als druckerzeugende Stoffe gedacht werden.
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Die Figuren 1 und.2 der Zeichnung zeigen unterschiedliche Beispiele
von Hohlventilkonstruktionen in erfindungsgemäß er Ausführung.
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Die nachstehenden Berechnungsbeispiele lassen die gute Ausführbarkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennen.
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Hohlventil mit Kupferhülse Ausführungsbeispiel Hohlraum di = 9 mm
li = 171 mm F = 63,62 mm2 = Natrium-Querschnitt (Na-Standard) Natrium-Standard äquivalenter
Kupfer- Kupferrohr (di/dii) mm2 querschnitt mm2 mm 2-fach 44,5 9/4,9 1,5-fach 33,4
9/6,2 1-fach 22,3 9/7,2 (8/6 ca.) 1. Druckunterstützter Kontakt der Cu-Hülse mit
der Ventilbohrung ab 1500C Vergleichs-Betriebstemperatur, entsprechend ca. 3000C
Kopftemperatur und 600C am Schaftende. Für 1500C beträgt die Streckgrenze des Kupfers
ca. 20 N/mm2.
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Na-Standard pi(N/mm²) pi(atü) ml-Gas unter mol-Gas gPE mlPE Normalbeding.
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2-fach 16,7 167 344 0,015 0,21 0,23 1,5-fach 9 90 296 0,013 0,19
0,20 1-fach 4,9 49 221 0,010 0,14 0,15
Spannung in der Ventilwand
in N/mm2 Na-Standard bei 5000C bei 7000C (Wärmehandlung) 2-fach < 34,2 < 43,1
1,5-fach < 18,5 < 23,3 1-fach ç 10,1 < 12,7 2. Für einen druckunterstützten
Kontakt bereits bei Raumtemperatur und einer Streckgrenze für Kupfer von ca. 40
N/mm² ergeben sich folgende Werte: Na-Standard gPE Spannung in der Ventilwand (N/mm2)
500°C 700°C 2-fach 0,42 f < 68,5 C 86,3 1,5-fach 0,38 < 37,0 f 46,6 1-fach
0,28 ¢ 20,1 < 25,6 Die zu erwartenden Spannungen in der Ventilwand sind um den
Betrag niedriger, den die Kupferhülse bei der jeweiligen Temperatur aufnimmt.
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Die Treibladung besteht bei der vorliegenden Berechnung aus Polyäthylen,
das bei der thermischen Zersetzung in CH2 zerfällt, welches gegen Kupfer inert ist.
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- Patentansprüche -
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