DE3204986C2

DE3204986C2 - Hohlventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3204986C2
Application number: DE19823204986
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Ing. 7713 Hüfingen Weintz
Original assignee: Trw Thompson 3013 Barsinghausen GmbH; TRW Thomson GmbH
Current assignee: TRW Thomson GmbH
Priority date: 1981-02-14
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1986-03-06
Also published as: DE3204986A1

Abstract

Zum Kühlen von Hohlventilen für Verbrennungskraftmaschinen wird eine bei Betriebstemperatur flüssige Materialfüllung verwendet. Bekannt ist vor allem die Verwendung von Natrium. Das Füllmaterial bildet jedoch bei Berührung mit der Atmosphäre Oxide, Karbonate und vor allem ein sehr hygroskopisches Hydroxid. Diese Nachteile sollen durch Füllungszusätze aus einem der Elemente Zirkonium, Hafnium, Yttrium, Uran 238 sowie Mischungen dieser Elemente vermieden werden.

Description

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

H₂O + Na = NaOH + 1/2 H₂

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

NaOH + 2 Na = Na₂O + NaH

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hohlventil für Brennkraftmaschinen mit einer Füllung bestehend aus einem zumindest bei Betriebstemperatur des Ventils flüssigen Metall zur Verbesserung der Wärmeableitung vom Ventilteller zum Ventilschaft und einem Füllungszusatz zum Abbinden von Verunreinigungen in der Füllung.

Ventile für Brennkraftmaschinen, insbesondere 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 der 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 kaltem Natrium und dadurch zu einem zusätzlichen Wärmetransport vom heißen Ventilkopf zum gekühlten Schaft. An Stelle 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.

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, 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 Natriumhydrid 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 sich geringe Mengen öliger Substanzen 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.
Oxidschichten stellen bekanntermaßen sehr hohe Wärmeleitwiderstände 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 Milligrammbereich, 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.

Um die Gefährdung der Ventile durch Verunreinigungen einzuschränken, wurde bereits nach der DE-OS 30 15 201 der Zusatz chemischer Elemente vorgeschlagen, deren Affinität zu den Korrosionsprodukten von Natrium und Kalium und zu den Verunreinigungen selbst größer ist als zu Natrium und Kalium. Die genannten Zusätze zeigten jedoch nicht den gewünschten Erfolg, der zunächst erwartet worden war.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Hohlventile mit solchen Füllzusätzen zu versehen, die das Entstehen von Korrosionsprodukten der Füllmengen und der damit in Zusammenhang stehenden hohen Innendrücke und Viskositäten in ausreichendem Maße verhindern. Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungszusatz aus einem der Elemente Zirkonium, Hafnium, Yttrium oder Uran 238

besteht Mischungen dieser Elemente sind möglich, welche vorzugsweise Zirkonium-Anteile von 50Gew.°/o aufweisen. Die Zusätze können zur Vereinfachung in Tablettenform zugegeben werden.

Durch einen der vorgenannten Zusätze 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 Hohlraumfüllung bestehend beispielsweise aus Natrium, und umgekehrt vom Natrium zum Ventil, geschaffen. Gleichzeitig wird der Schütteleffekt günstig beeinflußt, weil ein niedriger Innendruck im Hohlraum eine sehr niedrige Viskosität des Restgases zur Folge hat. Es wird also nicht nur der Sauerstoff, sos;dern 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 daß der Gasdruck im Hohlraum des Ventils auf den Dampfdruck des verwendeten Kühlmetalls reduziert wird. Es hat sich überraschenderweise anhand von Versuchen gezeigt, daß die Hohlraumoberfläche eines Hohlventils auch nach sehr langen Expositionszeiten bei der Betriebstemperatur von Auslaßventilen völlig blank blieb. Zurückzuführen 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. Nimonic 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.

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Claims

Patentansprüche:

1. Hohlventil für Brennkraftmaschinen mit einer Füllung bestehend aus einem zumindest bei Betriebstemperatur des Ventils flüssigen Metall zur Verbesserung der Wärmeableitung vom Ventilteller zum Ventilschaft und einem Füllungszusatz zum Abbinden von Verunreinigungen in der Füllung, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungszusatz aus einem der Elemente Zirkonium, Hafnium, Yttrium oder Uran 238 besteht.

2. Hohl ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungszusatz aus einer Mischung aus wenigstens zwei der Elemente Zirkonium, Hafnium, Yttrium und Uran 238 besteht

3. Hohlventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung einen Zirkonium-Anteil von 50 Gew.% aufweist.

4. Hohlventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungszusatz in Tablettenform zur Füllung zugegeben wird.

gefüllten Hohlraum, so finden folgende chemische Reaktionen statt: