DE3015201A1

DE3015201A1 - Hohlventil fuer verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE3015201A1
Application number: DE19803015201
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Ing. 7713 Hufingen Weintz
Original assignee: Teves Thompson and Co GmbH
Current assignee: Teves Thompson and Co GmbH
Priority date: 1980-04-19
Filing date: 1980-04-19
Publication date: 1981-10-22

Description

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^J- Hannover, den 18. 4. 1980

Betr.: T 412/A/Bs - Anmelder: Firma

Teves-Thompson GmbH

3013 Barsinghausen 1

Hohlventil für Verbrennungskraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Hohlventil für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Füllung aus einem zumindest; bei Betriebstemperatur flüssigen Metall zur Verbesserung der Wärmeableitung vom Ventilteller zum Ventilschaft.

Ventile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Auslaßventile, werden in den thermisch am höchsten beanspruchten Bereichen durch besondere Maßnahmen soweit gekühlt, daß die maximalen Betriebstemperaturen die Verwendung von herkömmlichen Ventilwerkstoffen gestatten.

Weit verbreitet ist die Kühlung solcher Ventile mit Hilfe eines im Ventil befindlichen Hohlraumes, in dem sich eine Natriumfüllung befindet. Natrium besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Es ist bei den Betriebstemperaturen von Auslaßventilen flüssig. Die Schüttelbewegungen des Ventils beim Öffnen und Schließen führen zu einer Durchmischung von heißem und kalten Natrium und dadurch zu einem zusätzlichen Wärmetransport vom heißen Ventilkopf zum gekühlten Schafft.

Zur Verbesserung der Kühlwirkung von Hohlventilen wurde

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bereits die Vervendung von Metallen oder Legierungen vorgeschlagen, die eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Natrium besitzen. Kupfer beispielsweise zählt zu diesen Metallen. Es hat jedoch den Machteil, daß es bei Betriebstemperatur seinen festen Aggregatzustand beibehält. Deshalb weisen alle bislang bekannten Vorschläge den gemeinsamen Nachteil auf, daß es, wenn überhaupt, nur durch komplizierte Maßnahmen gelingt, einen festen metallischen Einsatz im Hohlraum des Ventils in einen so innigen Kontakt mit "der Hohlraumwand zu bringen, daß koine hohon Wärmeleitwiderstände entstehen, die die Kühlwirkung des festen metallischen Kerns sehr verschlechtern, wenn nicht gar verhindern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Kühlwirkung gegenüber den bisher bekannten Ausführungen gesteigert ist, ohne daß die vorgenannten Nachteile auftreten können.

Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß das bei Betriebstemperatur flüssige Metall mit einem Pulver aus einem Metall versetzt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit die des flüssigen Metalls übersteigt. Als besonders günstig hierfür eignet sich ein Kupferpulver, insbesondere aus feinkörnigem SE-Cu, das zwischen 5-95 Vol.% Anteil an der Gesamtmischung haben kann, bevorzugt jedoch zu 50 «Vol.% beigegeben wird.

Als bei Betriebstemperatur flüssiger Mischungsanteil kann in üblicher Weise Natrium oder ein anderes geeignetes Element, beispielsweise Kalium verwendet werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, Natrium-Kalium-

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Legierungen einzusetzen, deren niedrigsten Schmelzpunkt °

bei ca. -13°C liegt.

Kupfer und Natrium bzw. Kalium sind gegenseitig im festen und flüssigen Zustand unlöslich. Bei 100 C besitzt Kupfer eine 4,5-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als beispielsweise Natrium. Bei 400°C steigt dieser Faktor ciuf 5,3 und bei HOO⁰C auf 7,0, d. h. mit steigender Betriebstemperatur steigt auch dor Wärmetransport vom heißen Ventilkopf zum gekühlten Ventilschaft, was insbesondere bei hochbelasteton Auslaßventilen von großem Vorteil ist.

Das Kupferpulver beteiligt sich an der Schüttelbewegung des Ventils und wird zusammen mit dem flüssigen Anteil durchmischt. Es erhöht auf diese Weise den Wärmetransport erheblich und zwar erstens durch die statische Wärmeleitung und zweitens durch den Wärmetransport mit Hilfe der Durchmischung, also auf dynamische Weise.

Werden beispielsweise 50 Volumenprozent einer Natriumfüllung durch Kupferpulver ersetzt, so ändert sich die Wärmeleitfähigkeit dieser Mischung wie folgt im Vergleich zum reinen Natrium:

Temperatur Wärmeleitfähigkeit cal/cm sec C \erbesseruhg

3O-5OV%) x-fach

2,75 2,87 3,01 3,15 3,31 3,51 3,74

3,yy - 4 130043/0519

°c	Na	Na-Cu
100	2,05	5,64
200	1 ,94	5,56
300	1 ,82	5,47
400	1 ,71	5,38
500	1 ,60	5,30
600	1 ,48	5,20
700	1 ,37	5,12
800	1 ,26	5,03

Um die Kontaktfläche zwischen dem flüssigen Anteil und dem Kupfer und damit die Wärmeübergangszahl zu optimieren, wird ein möglichst feinkörniges Kupferpulver bevorzugt.

Natrium bzw. Kalium besitzen Eigenschaften, die die Funktion der beschriebenen Kühlung gefährden können. Im Kontakt mit der mehr oder weniger feuchten Atmosphäre bilden die genannten Elemente neben Oxiden und Carbonaten hauptsächlich ein sehr hygroskopisches Hydroxid.Es bedarf eines sehr erheblichen technischen Aufwandes, um das Natrium bzw. das Kalium bei der Handhabung so vor der atmosphärischen Korrosion zu schützen, daß keine Korrosionsprodukte zusammen mit dem Gemisch in den Ventilhohlraum gelangen.

Befindet sich beispielsweise Natriumhydroxid, möglicherweise zusammen mit Wasser in dem mit Natrium gefüllten Hohlraum, so finden folgende chemische Reaktionen statt:

1.) Das Wasser bildet weiteres Natriumhydroxid und setzt dabei Wasserstoff frei nach der Reaktionsgleichung:

H₂O + Na = NaOH + 1/2- H₂

2.) Ab ca. 435°C zerfallt das Natriumhydroxid in Gegenwart von metallischem Natrium nach der Gleichung:

NaOH + 2 Na = Na₃O + NaH

Natriumhydrid besitzt einen hohen Dampf- bzw. Zersetzungsdruck, so daß es zusammen mit dem aus der Wasserzersetzuig gebildeten Wasserstoff zu erheblichen Gasdrücken im Hohl-

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ORlGiNAL INSPECTED

raum kommt, die zu einer gefährlichen statischen Vorspannung des Ventils führen. Der Innendruck wird zusätzlich erhöht, wenn auch nur geringe Mengen öliger Substanzen sich bei erhöhter Temperatur thermisch zersetzen

Das Natriumoxid seinerseits verursacht eine Oxidation der Hohlraumwand, weil sehr viele der für Ventile verwendeten Werkstoffe Legierungselemente enthalten, die eine höhere Affinität zu Sauerstoff besitzen als Natrium.

Uxidsch ich t.en stellen bekanntermaßen sehr hohe Wärmelei twiders t'inde dar und verhindern ab einer bestimmten Schichtdicke den Wärmetransport vom Ventil zum Natrium und umgekehrt, wodurch der Kühleffekt zusammenbricht.

Sie stellen ferner in Verbindung mit dem meist gleichzeitig vorhandenen hohen Innendruck den Ausgangspunkt von Dauerbrüchen dar, zumal die Oxidation entlang von Korngrenzen bis weit in die Oberfläche der Hohlraumwand vordringen kann.

Durch Innendrücke steigt außerdem die Viskosität der im Hohlraum eingeschlossenen Gase, wodurch die Durchmischung des flüssigen Natriums bei der Schüttelbewegung des Ventils behindert und die Kühlwirkung verschlechtert wird.

Es genügen schon Verunreinigungen durch Wasser, Kohlenwasserstoffe/ Natriumhydroxid, Natriumoxid und Stickstoff sowie Sauerstoff und Feuchtigkeit aus der Luft im Milligrammbereich, um die beschriebenen Mechanismen ablaufen zu lassen. Mit Natrium gekühlte Hohlventile sind deshalb gefährdet, vorzeitig im Motor zu versagen.

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Die Gefährdung steigt mit zunehmender Menge an Verunreinigungen. Das gleiche gilt für das sehr ähnliche Element Kalium.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird in weiterer Ausbildung gemäß der Erfindung vorgeschlagen, in den Ventilhohlraum zusätzlich chemische Elemente oder Verbindungen einzubringen, die eine höhere Affinität zu Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff besitzen als Natrium, Kalium und die verwendeten Ventilwerkstoffe. Als Zusatz hierfür eignen sich insbesondere metallisches Calcium oder auch Calciumcarbid und CaI-c iutn-Hyd r i d , letztere bei der Anwesenheit von Kupferpulver im Hohlraum.

Calcium, sowie der Calciumanteil von Calciumcarbid oder Calciumhydrid besitzen sehr hohe Affinitäten zu Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff. Es ist in flüssigem Natrium und Kalium in ausreichenden Mengen löslich. Seine Löslichkeitsgrenzen für die als Verunreinigungen aufgeführten Elemente sind sehr niedrig, wodurch die jeweilige Verbindungsbildung stark gefördert wird .

Von besonderer Bedeutung für den vorgesehenen Verwendungszweck ist die außerordentlich hohe Affinität des Calciums zu Sauerstoff. In seiner Gegenwart werden alle bekannten Legierungselemente von Ventilwerkstoffen vor Oxidation geschützt, bzw. deren Oxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels, wie beispielsweise Wasserstoff, reduziert. Hierdurch ist sichergestellt, daß Calcium als Desoxidationsmittel die Hohlraumwand vor Oxidation schützt. In Gegenwart von Sauerstoff werden Calciumcarbid und Calciumhydrid unter Bildung von CO/CO_? bzw. H_?O und metallischem Calcium angegriffen. Das Calciumcarbid oder Calciumhydrid besitzt gleichsam eine Depotwirkung in

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in dem Sinne, daß nur soviel davon gebraucht wird, wie Sauerstoff zugegen ist.

Die sich mit den Verunreinigungen bildenden Calciumverbindungen besitzen beispielsweise gegenüber den entsprechenden Natriumverbindungen die nachfolgend aufgeführten freien Bildungsenthalpien:

2 Ca + O₂ = 2 CaO Ag° = -302 600 + 46,8 T cal/Mol 4 Na + O₂ = 2 Na₂O = -193 900 + 61,6 T

3 Ca + N₂ - Ca₃N₂ = -105 000 + 50,0 T 2/3 Na+ N_?= 2/3 NaN₃ = + 34 000 + 42,8 T

1/2 Ca + C = 1/2 CaC^ =- 5 810 - 4.3T Na + C = 1/2 Na₃C₂ = - 4 83O + 5,2 T

Ca + H₂ = CaH₂ = - 44 000 + 33,6 T

2Na + H₂ = 2 NaH = - 27 260 + 39,4 T

(T = Temperatur in Kelvin)

Die niedrigen Zersetzungs- bzw. Dampfdrücke der Reaktionsprodukte CaO, Ca₃N₂, CaC₂ und CaH₂ bewirken, daß der Hohlraum gleichsam evakuiert wird. Den höchsten Zersetzungsdruck dieser Verbindungen besitzt CaH₂. Er reicht aus, in Gegenwart von metallischem Calcium oxidische Passivierungsschichten auf der Hohlraumwand zu reduzieren. Hierdurch werden für den Wärmeübergang vom Ventil zum Natrium und umgekehrt ideale Voraussetzungen geschaffen. Ferner wird sichergestellt, daß während des Motorbetriebes bei erhöhten Temperaturen durch Diffusion oder Ionenleitung in den Hohlraum gelangender Sauerstoff an metallisches Calcium gebunden wird.

Der niedrige Innendruck im Hohlraum und die damit verbundene niedrige Viskosität des Restgases Wasserstoff förderr außerdem die Durchmischung des Natriums oder

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Kaliums durch die Schuttelbewegung des Ventils beim Öffnen und Schließen.

Eine vollständigere Evakuierung des Ventilhohlraums als durch eine Calciumzugabe ist allein wegen des
Dampfdruckes des Natriums nicht möglich.

Die genannten Verbindungen zwischen Calcium und den Verunreinigungen besitzen ausnahmslos Schmelzpunkte, die über öOO°C liegen.

- Patentansprüche -

-1-

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Claims

Patentansprüche

1.j Hohlventil für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Füllung aus einem zumindest bei Betriebstemperatur flüssigen Metall zur Verbesserung der Wärmeableitung vorn Ventilteller zum Ventilschaft, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall mit einem Pulver aus einem Metall versetzt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit die des flüssigen Metalls übersteigt.

2.) Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall mit Kupferpulver versetzt ist.

3.) Ventil nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverzusatz 5 bis 95_:Vol.%, vorzugsweise 50 Vol.% beträgt.

4.) Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen besonders feinkörnigen Zusatz aus SE-Cu.

5.) Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als bei Betriebstemperatur flüssiger Metallanteil Natrium eingesetzt ist.

6.) Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als bei Betriebstemperatur flüssiger Metallanteil Kalium eingesetzt ist.

7.) Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiger Metallanteil eine Natrium-Kalium-Legierung eingesetzt ist.

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8.) Ventil nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Natrium-Kalium-Legierung mit 77,8 Vol% Kalium.

9.) Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den Zusatz eines chemischen Elements mit einer höheren Affinität zu den Korrosionsprodukten von Natrium und Kalium, zu Wasser, Kohlenwasserstoffen, Luft und Luftfeuchtigkeit als Natrium, Kalium und die verwendeten Ventilwerkstoffe.

10.) Ventil nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Füllungszusatz von metallischem Calcium.

11.) Ventil nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Füllungszusatz von Calciumcarbid für Ventile, die zusätzlich Kupfer im Hohlraum enthalten.

12.) Ventil nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Füllungszusatz von Calciumhydrid bei Ventilen, die zusätzlich Kupfer im Hohlraum enthalten.

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