DE3204986A1

DE3204986A1 - Hohlventil fuer verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE3204986A1
Application number: DE19823204986
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Ing. 7713 Hüfingen Weintz
Original assignee: Teves-Thompson 3013 Barsinghausen GmbH; Teves Thompson and Co GmbH
Current assignee: TRW Thomson GmbH
Priority date: 1981-02-14
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1982-09-09
Also published as: DE3204986C2

Description

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Betr.: T. 421 - A/Ha - Anmelder: Firma.

Teves-Thompson

3013 Barsinghausen 1.

Unter Beanspruchung der inneren Priorität der Deutschen Patentanmeldung P 31 05 500.1 vom 14.02.1981.

HOHLVENTIL FÜR VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN

Die Erfindung bezieht sich auf 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, inbesqndere Auslaßventile, werden in den thermisch am höchsten beanspruchten Bereichen durch besondere Maßnahmen so weit gekühlt, daß die maximalen Betriebtemperaturen die Verwendung von herkömmlichen Ventilwerkstoffen gestatten.

Weit verbreitet ist die Kühlung solcher Ventile mit Hilfe von Natrium, das sich innerhalb eines im Ventil angeordneten Hohlraumes befindet. Natrium besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit^ Es ist bei den Betriebstemperaturen von Auslaßventilen flüssig. Die Schüttelbewegungen des Ventils beim Öffnen und beim Schließen führen zu einer Durchmischung von heißem und kalte.m fiatrium und dadurch zu einem zusätzlichen Wärmetransport vom heißen Ventilkopf zum gekühlten Schaft. Anstelle von Natrium ist es bekannt andere, bei Betriebstemperatur des Ventils flüssige Metalle für den Wärmetransport innerhalb des Ventils einzusetzen. Hierzu gehört unter anderem Kalium. Bekannt ist auch die Verwendung von Natrium-Kalium Legierungen, deren niedrigster Schmelzpunkt bei ca. minus 13 Grad Celsius liegt.

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Natrium bzw. Kalium besitzen Eigenschaften, die jedoch 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

2.) Oberhalb von ca. 435⁰C zerfällt das Natriumhydroxid in Gegenwart von metallischem Natrium nach der Gleichung:

NaOH + 2 Na = Na₂O + NaH

Natfiumhydrid besitzt, einen hohen Dampf- bzw. Zersetzungsdruck, so ^:daß es zusammen mit dem aus der Wasserzersetzung gebildeten Wasserstoff zu erheblichen Gasdrücken im Hohlraum 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.

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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,

Oxidschichten stellen bekanntermaßen sehr hohe Wärmeleitwiderstäride dar und verhindern.bei 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 Milligrämmbereich, um die beschriebenen Vorgänge
ablaufen zu-lassen. Mit Natrium gekühlte Hohlventile
sind deshalb gefährdet, vorzeitig im Motor zu versagen. Die Gefährdung steigt mit zunehmender Menge an Verunreinigungen. Das gleiche gilt für das sehr ähnliche Element Kalium.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hohlventil.der eingangsgenannten Art mit einem Füllungszusatz zu versehen, wodurch die vorstehend geschilderten Nachteile vermieden werden, die durch die Bildung von Oxiden der Flüssigmetall-Füllungen sowie das Entstehen hoher Gasdrücke im Hohlraum verursacht werden. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch F.üllungszusätze aus einem der Elemente Zirkonium, Hafnium, Yttrium, Uran 238 oder Mischungen dieser Elemente aus, wobei vorzugsweise die Mischungen Zirkonium-Anteile von 50 Gew. % aufweisen. Besonders vorteilhaft durch eine entsprechende Vereinfachung ist die Zugabe der Zusätze in Tablettenform.

Durch einen Zusatz der vorgenannten Metalle in Hohlventilen, die mit Natrium oder Kalium oder deren Legie- ■ rungen gefüllt sind, werden die Verunreinigungen Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff sowie Kohlenstoff so abgebunden, daß überraschenderweise überhaupt keine Sperrschichten auf den Hohlraumwänden entstehen. Hierdurch werden' ideale Voraussetzungen für den Wärmetransport vom Ventil zur HohlraumfüILung bestehend beispielsweise aus Natrium, und umgekehrt vom Natrium zum Ventil, geschaffen. Gleichzeitig wird der Schütteleffekt günstig beeinflußt, weil ein niedriger Innendruck im Ho'hlraum eine sehr niedrige Viskosität des Testgases zur Folge hat. Es wird also nicht nur der Sauerstoff, sondern gleichzeitig auch der. das Hohlventil ebenfalls gefährdende Wasserstoff abgebunden. Von außergewöhnlicher Bedeutung ist auch, daß der Stickstoffanteil im Hohlraum 'in eine Verbindung mit niedrigem Zersetzungsdruck übergeführt wird, so daß¹ der Gasdruck im Hohlraum des Ventils auf den Dampfdruck des verwendeten Kühlmetalls reduziert wird. Es hat sich überraschenderweise anhand von Versuchen gezeigt, ,daß .die

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Hohlraumoberfläche eines Hohlventils auch nach sehr langen Expositionszeiten bei der Betriebstemperatur von Auslaßventilen völlig blank blieb. Zurückzufuhren ist dies offensichtlich auf die Tatsache, daß hierdurch Metallschmelzen desoxidiert, dehydriert und denitriert werden können, ohne daß die Reaktionsprodukte einen störenden Einfluß auf die Funktion des Kühlmechanismus ausüben und dies, ohne daß das Mittel zur Desoxidation, Dehydrierung und Denitrierung in dem Kühlmetall löslich ist.

Die Verwendung .von Yttrium sowie Uran 238 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Hohlventile aus AL-legierten Werkstoffen bestehen, wie z. B. Nimo.nic 8OA. Der hohe Zirkonium-Anteil bei Mischungen der vorgenannten Elemente sorgt dafür, daß mit Hilfe der hohen Wasserstoff Affinität des Zirkoniums der Wasserstoffpartialdruck im Hohlraum bis auf den sehr niedrigen Wert des Zirkoniumhydrids erniedrigt wird.

Claims

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Betr.: T 421/A/Ha - Anmelder: Firma

Teves—Thompson

3013 Barsinghausen 1

PATENTANSPRÜCHE

[ 1.jHohlventil für Verbrennungskraftmaschinen mit einer ^—''Füllung aus einem zumindest bei Betriebstemperatur flüssigen Metall zur Verbesserung der Wärmeableitung vom Ventilteller zum Ventilschaft, gekennzeichnet durch einen Füllungszusatz aus Zirkonium.
2. Hohlventil für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Füllung aus einem zumindest bei Betriebstemperatur flüssigen Metall zur Verbesserung der Wärmeableitung vom Ventilteller zum Ventilschaft, gekennzeichnet durch einen Füllungszusatz aus Hafnium.
3. Hohlventil für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Füllung aus einem zumindest bei Betriebstemperatur flüssigen-Metall zur Verbesserung der Wärmeableitung vom Ventilteller zum Ventilschaft, gekennzeichnet durch einen FUllungszusatz aus Yttrium.
4· Hohlventil für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Füllung aus einem zumindest .bei Betriebstemperatur flüssigen Metall zur Verbesserung der Wärmeableitung vom Ventilteller zum Ventilschaft, gekenn-■-"■-.-■ zeichnet durch einen Füllungszusatz aus Uran 238.
5. Hohlventil nach einem.oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungszusatz aus einer Mischung aus weinigstens zwei der Elemente Zirkonium, Hafnium, Yttrium und Uran 238 besteht.
6. Hohlventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischungen eine Zirkonium-Anteil von 50 Gew.% aufweisen.
7. Hohlventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch die Füllungszusätze in Tablettenform.