DE3001480A1 - Hohlventil - Google Patents

Hohlventil

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DE3001480A1
DE3001480A1 DE19803001480 DE3001480A DE3001480A1 DE 3001480 A1 DE3001480 A1 DE 3001480A1 DE 19803001480 DE19803001480 DE 19803001480 DE 3001480 A DE3001480 A DE 3001480A DE 3001480 A1 DE3001480 A1 DE 3001480A1
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DE
Germany
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sleeve
valve
cavity
hollow valve
copper
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Withdrawn
Application number
DE19803001480
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English (en)
Inventor
Richard Dipl.-Ing. 7713 Hüfingen Weintz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teves Thompson and Co GmbH
Original Assignee
Teves Thompson and Co GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/12Cooling of valves
    • F01L3/14Cooling of valves by means of a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in a valve
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23PMETAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/001Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings
    • B23P15/002Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings poppet valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2820/00Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/01Absolute values

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Description

  • Hohlventil
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2. Ab ca. 4350C zerfällt das Natriumhydroxid in Gegenwart von metallischem Natrium nach der Gleichung NaOH + 2Na = Na20 + NaH.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt der gedanke zugrunde, diese Ndchteile zu umgehen, dadurch, daß die Ventile durch feste, gut warmeleitende Metalle oder Legierungen gekühlt werden.
  • 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.
  • Dadurch ergeben sich Schwierigkeiten beim Wärmeübergang vom festen Kühlmittel auf den Ventilwerkstoff, die es zu beheben gilt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Länge der Hülse muß so abgestimmt werden, daß die Hülse beim Schweißen nicht beschädigt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Figuren 1 und.2 der Zeichnung zeigen unterschiedliche Beispiele von Hohlventilkonstruktionen in erfindungsgemäß er Ausführung.
  • Die nachstehenden Berechnungsbeispiele lassen die gute Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennen.
  • 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.
  • Na-Standard pi(N/mm²) pi(atü) ml-Gas unter mol-Gas gPE mlPE Normalbeding.
  • 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.
  • Die Treibladung besteht bei der vorliegenden Berechnung aus Polyäthylen, das bei der thermischen Zersetzung in CH2 zerfällt, welches gegen Kupfer inert ist.
  • - Patentansprüche - Leerseite

Claims (14)

  1. Patentansprüche v Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Hohlventils einer Verbrennungskraftmaschine mit einer im Hohlraum angeordneten Hülse aus einem Stoff guter Wärmeleitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum der Hülse nach deren Anordnung im Ventilhohlraum, ein zu einer plastischen Verformung des Hülsenwerkstoffs führender Druck erzeugt wird.
  2. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch die Anordnung eines einer thermischen Zersetzung unterliegenden Stoffes in der Hülse mit anschließender Wärmebehandlung des Ventils erzeugt wird.
  3. 3.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Wahl einer Wärmebehandlungstemperatur, welche die Warmdehngrenze des Hülsenwerkstoffs herabsetzt, ohne bei gleichzeitig wirkendem Innendruck zu einer Dehnung des Ventilwerkstoffs zu führen.
  4. 4.) Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hülsenwerkstoff während der Wärmebehandlung rekristallisierend weichgeglüht wird.
  5. 5.) Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch die Wahl eines Innendruckes, der bei allen Temperaturen, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Betriebstemperatur, die Streckgrenze des Hülsenwerkstoffs überwindet.
  6. 6.) Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5, gekennzeichnet durch einen Stoff zur Erzeugung des Innendruckes, der durch thermische Zersetzung im Hülseninnenraum verbleibende Gase bzw. Dämpfe bildet.
  7. 7.) Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Stickstoff abspaltenden Stoffen.
  8. 8.) Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kohlenmonoxyd abspaltenden Stoffen.
  9. 9.) Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von organischen Stoffen.
  10. 10.) Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Polyäthylen.
  11. 11.) Hohlventil, hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilhohlraum wenigstens eine beidseitig verschlossene, mit der Hohlraumwand in einem innigen wärmeleitenden Kontakt stehende dickwandige Hülse aus einem gut wärmeleitfähigen Material angeordnet ist.
  12. 12.) Hohlventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilhohlraum zusätzlich mit einem oder mehreren massiven rotationssymmetrischen Körpern gefüllt ist.
  13. 13.) Hohlventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Material der massiven Körper von dem der Hülsen unterscheidet.
  14. 14.) Hohlventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilhohraum mit Hilfe von Formteilen Speicherhohlräume zum Aufnehmen von Gas gebildet sind, welches durch den Anpreßvorgang aus dem Raum zwischen der Hülsenaußenfläche und der Hohlraumwand verdrängt wird.
DE19803001480 1980-01-17 1980-01-17 Hohlventil Withdrawn DE3001480A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011077198A1 (de) * 2011-06-08 2012-12-13 Mahle International Gmbh Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils mit verbesserter Kühlung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011077198A1 (de) * 2011-06-08 2012-12-13 Mahle International Gmbh Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils mit verbesserter Kühlung

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