EP0530720B1 - Hohlventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L3/00—Lift-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
- F01L3/12—Cooling of valves
- F01L3/14—Cooling of valves by means of a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in a valve
Definitions
- the invention relates to a hollow valve for internal combustion engines with a filling, consisting of an alkali metal from group 1 a, period 2 to 6 of the periodic system of the elements, which is liquid at least at the operating temperature of the valve, preferably consisting of sodium because of the good thermal conductivity Improved heat dissipation from the hot areas of the valve head to the cooler areas of the valve on the valve stem and on the valve seat in connection with a filler additive to set unavoidable impurities that get into the filler until the cavity is finally closed.
- a filling consisting of an alkali metal from group 1 a, period 2 to 6 of the periodic system of the elements, which is liquid at least at the operating temperature of the valve, preferably consisting of sodium because of the good thermal conductivity
- German patent 32 04 986 describes a valve of the type mentioned at the beginning, for which one of the elements zirconium, hafnium, yttrium or uranium 238 is used as a filler additive. These are getter elements which are added in the form of tablets pressed from powder. This means that impurities can be chemically bound in such a way that, surprisingly, no barrier layer is formed on the cavity walls.
- the following are known contaminants in the cavities: oil residues, moisture, air humidity, oxygen and nitrogen from the air, carbon and hydrogen as decomposition products of the cracked oil, and also hydroxide as a corrosion product of the alkali metals due to the action of moisture on the coolant, for example sodium or other alkali metals which are used as cavity filling.
- brittle carburizing layers which jeopardize the valve's fatigue strength can be produced on the cavity surface by carbon-emitting contaminants.
- the internal pressure in the valve cavity can increase due to the presence of gases such as hydrogen and nitrogen so that static preloads also impair the vibration resistance of the valve and that heat dissipation is also impaired by the impediment to the shaker effect.
- the impurities mentioned are converted into insoluble solid compounds in the presence of the getter, which preferably consists of zirconium, so that the aforementioned disadvantages for heat dissipation and the dangers for the operational strength of the valve are avoided.
- the contaminants enter into the getter chemical compounds that have vapor pressures so low that the remaining vapor pressure in the cavity of the valve corresponds to that of sodium, that is, the cavity of the valve is additionally evacuated as much as physically possible by the gettering, as a result of which the Heat dissipation is strongly promoted by the shaker effect.
- the getter technology described has been in use for more than 6 years and has proven itself functionally in accordance with expectations. So far, around 15 million sodium-filled hollow valves have been successfully saved using this technology.
- the boundary conditions for gettering hollow valves with very fine-grained and therefore also very reactive zirconium powder are therefore much more difficult than those that have to be taken into account, for example, for gettering sodium in cooling circuits of power plants or when evacuating electronic tubes or evacuating Thermos vessels, all of which, in accordance with the prior art, use zirconium or similar getter elements in metallic form, in the form of foils, grids, nets, metal sponges or coarser ground powders and pressed into shaped articles.
- the object of the invention is, contrary to the current state of the art and the underlying understanding that a pure metal must be used for gettering, to create a hollow valve of the type mentioned, the filler addition of which poses no problems when introduced into the valve, in particular with none Risk of self-ignition is associated.
- the invention as a solution to this problem is characterized in that the filling additive consists of a chemical compound of zirconium, namely zirconium tetrafluoride. Because of the close chemical relationship between hafnium and zirconium, hafnium tetrafluoride can also be considered.
- zirconium which is initially chemically bound as fluoride
- one of the other alkali metals lithium, potassium, rubidium and cesium can be used instead of sodium for the reduction of the zirconium tetrafluoride to metallic zirconium.
- sodium is clearly preferred as the heat transfer medium in hollow valves. Alloys of sodium with other alkali metals or metals of the The group of alkaline earths only has disadvantages due to the generally significant, in some cases very significant, drop in thermal conductivity.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Hohlventil für Brennkraftmaschinen mit einer Füllung, bestehend aus einem zumindest bei der Betriebstemperatur des Ventils flüssigen Alkalimetall aus der Gruppe 1 a, Periode 2 bis 6 des periodischen Systems der Elemente, bestehend vorzugsweise, wegen der guten Wärmeleitfähigkeit, aus Natrium, zur Verbesserung der Wärmeableitung von den heißen Bereichen des Ventilkopfes zu den kühleren Bereichen des Ventils am Ventilschaft und am Ventilsitz in Verbindung mit einem Füllungszusatz zum Abbinden von unvermeidbaren Verunreinigungen, die bis zum Zeitpunkt des endgültigen Verschließens des Hohlraums in die Füllung gelangen.
- Das deutsche Patent 32 04 986 beschreibt ein Ventil der eingangs erwähnten Gattung, für welches als Füllungszusatz eines der Elemente Zirkonium, Hafnium, Yttrium oder Uran 238 eingesetzt wird. Es sind dies Getterelemente, die in Form von aus Pulver gepreßten Tabletten zugesetzt werden - Dadurch können Verunreinigungen chemisch so abgebunden werden, daß überraschenderweise keine Sperrschicht auf den Hohlraumwänden entsteht. Als Verunreinigungen in den Hohlräumen sind bekannt: ölreste, Feuchtigkeit, Luftfeuchtigkeit, Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft, Kohlenstoff und Wasserstoff als Zersetzungsprodukte des gekrackten Öles, ferner Hydroxid als Korrosionsprodukt der Alkalimetalle durch die Einwirkung von Feuchtigkeit auf das Kühlmittel, beispielsweise Natrium oder andere Alkalimetalle, die als Hohlraumfüllung Verwendung finden. Die Verunreinigungen verursachen die vorgenannten Sperrschichten, die die Wärmeleitung zwischen dem Ventil und dem flüssigen Kühlmedium behindern, es sind dies vor allem Oxid- und Zunderschichten durch oxidische Verunreinigungen. Außerdem können auf der Hohlraumoberfläche spröde, die Schwingfestigkeit des Ventils gefährdende Aufkohlungsschichten durch kohlenstoffabgebende Verunreinigungen erzeugt werden. Schließlich kann bei der Betriebstemperatur der Innendruck im Ventilhohlraum durch die Anwesenheit von Gasen wie Wasserstoff und Stickstoff so steigen, daß statische Vorspannungen ebenfalls die Schwingfestigkeit des Ventils beeinträchtigen und daß außerdem die Wärmeableitung durch die Behinderung des Shakereffektes beeinträchtigt wird. Die genannten Verunreinigungen werden in Anwesenheit des vorzugsweise aus Zirkonium bestehenden Getters in unlösliche feste Verbindungen überführt, so daß die vorgenannten Nachteile für die Wärmeabfuhr und die Gefährdungen für die Betriebsfestigkeit des Ventils vermieden werden. Die Verunreinigungen gehen mit dem Getter chemische Verbindungen ein, die so niedrige Dampfdrucke besitzen, daß der verbleibende Dampfdruck im Hohlraum des Ventils dem des Natriums entspricht, das heißt, der Hohlraum des Ventils wird durch das Gettern zusätzlich so weitgehend wie physikalisch möglich evakuiert, wodurch die Wärmeableitung durch den Shakereffekt stark gefördert wird.
Die beschriebene Gettertechnologie ist seit mehr als 6 Jahren im Einsatz und hat sich funktionell entsprechend dem Erwartungen voll und ganz bewährt. Es wurden bislang rund 15 Millionen natriumgefüllte Hohlventile nach dieser Technologie erfolgreich gegettert. Die zusätzliche Temperaturabsenkung gegenüber sonst identischen, jedoch nicht gegetterten und mit den beschriebenen Nachteilen mehr oder weniger behafteten Ventilen konnte meßtechnisch mit über 50 °C erfaßt werden.
Die Handhabung des metallischen, aus Gründen der erforderlichen hohen Reaktionsfähigkeit und des erforderlichen hohen Ausnutzungsgrades in dem als geschlossenes System vorliegenden Hohlraum notwendigerweise sehr feinkörnigen Zirkoniummetallpulvers und das Befüllen der Ventile mit Gettertabletten war jedoch nur unter Inkaufnahme vom erheblichen Problemen möglich. So ist es auch nicht gelungen, einen Tablettenlieferanten für die Herstellung von Tabletten, beispielsweise auch nicht von solchen mit einem Gewicht von nur 20 Milligramm, ausfindig zu machen, weil das Zirkoniumpulver sehr anfällig ist für die Selbstentzündung durch Reibung, Schlag, Elektrizität oder elektrische Entladung und die Handhabung deshalb ganz besondere Sicherheitsvorkehrungen erforderlich macht, unter anderem die Bereitstellung von Spezialfeuerlöschern auf Graphitbasis oder wasserfreier Salze, weil zum Löschen von brennendem Zirkonium keinesfalls Wasser, CO₂ oder Chlorkohlenstoffverbindungen verwendet werden dürfen, da diese mit Zirkoniumpulver stark reagieren. Auch Sand ist als Löschmittel nur dann angezeigt, wenn dieser sehr zuverlässig trocken gehalten wird. - Die Randbedingungen zum Gettern von Hohlventilen mit erforderlicherweise sehr feinkörnigem und deshalb auch bei der Handhabung sehr reaktivem Zirkoniumpulver sind somit ungleich schwierigerer Natur als die, die beispielsweise zum Gettern von Natrium in Kühlkreisläufen von Kraftwerken zu berücksichtigen sind oder beim Evakuieren von elektronischen Röhren oder zum Evakuieren von Thermosgefäßen, die alle, dem Stand der Technik entsprechend, Zirkonium oder ähnliche Getterelemente in metallischer Form verwenden, im Form von Folien, Gittern, Netzen, Metallschwamm oder gröber gemahlenen und zu Formlingen gepreßten Pulvern.
- Aufgabe der Erfindung ist es, entgegen dem derzeitigen Stand der Technik und dem zugrundeliegenden Verständnis, daß zur Getterung ein reines Metall verwendet werden muß, ein Hohlventil der eingangs genannten Gattung zu schaffen, dessen Füllungszusatz beim Einbringen in das Ventil keine Probleme bereitet, insbesondere mit keiner Gefahr durch Selbstentzündung verbunden ist. Die Erfindung als Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich im Gegensatz zum bisherigen Verständnis dadurch aus, daß der Füllungszusatz aus einer chemischen Verbindung des Zirkoniums, nämlich Zirkoniumtetrafluorid besteht. Aufgrund der engen chemischen Verwandtschaft des Hafniums mit dem Zirkonium kann auch Hafniumtetrafluorid in Betracht gezogen werden.
- Der Vorteil der Verwendung beispielsweise von festem, kristallinem ZrF₄ ist insbesondere in der leichten, sehr unkomplizierten Handhabung dieses stabilen Salzes, einerseits bei Handel und Transport und zum anderen bei der Herstellung von Tabletten und bei deren Einbringen in den Hohlraum der beschriebenen Ventile zu sehen. Es ist sicher, daß mit der Verwendung von ZrF₄ anstelle von metallischem Zirkonium- oder Hafniumpulver sich auch ein wirtschaftlicher Vorteil einstellt, einmal wegen der leichteren Handhabung und zum anderen wegen der Gestehungskosten des Ausgangsmaterials. Es ist ferner sichergestellt, daß sich ZrF₄ problemlos zu Tabletten jeder erforderlichen Abmessung und Menge auf herkömmlichen Tablettiermaschinen verarbeiten läßt.
- Die dennoch positive Wirkung des zunächst chemisch als Fluorid gebundenen Zirkoniums beruht darauf, daß sich ZrF₄ nach dem Erreichen einer bestimmten Temperatur, die deutlich unter der Betriebstemperatur von Auslaßventilen in Brennkraftmaschinen liegt, im Hohlraum von natriumgekühlten Hohlventilen wie metallisches Zirkonium verhält, weil offenbar das mit dem Natrium in den Hohlraum verbrachte Zirkoniumtetrafluorid mit Hilfe des Natriums dann in der Wärme zu metallischem Zirkonium reduziert wird nach der Summengleichung
ZrF₄ + 4 Na = Zr + 4 NaF.
- In Versuchen mit ZrF₄ als Getterzusatz statt metallischem Zirkonium wurde festgestellt, daß dieselben Wirkungen erreicht werden, nämlich metallisch reine Hohlraumwandungen und freie, unbehinderte Beweglichkeit der Natriumfüllung im Betriebstemperaturbereich.
- In gleicher Weise kann für die Reduktion des Zirkoniumtetrafluorids zu metallischem Zirkonium anstelle des Natriums auch eines der anderen Alkalimetalle Lithium, Kalium, Rubidium und Cäsium benutzt werden. Aus Gründen der erheblich günstigeren Wärmeleitfähigkeit des Natriums im Vergleich zu den übrigen Alkalimetallen und aus preislichen Gründen wird Natrium als Wärmeübertragungsmedium in Hohlventilen jedoch eindeutig bevorzugt. Auch Legierungen des Natriums mit anderen Alkalimetallen oder Metallen der Gruppe der Erdalkalien bringen nur Nachteile durch den bei Legierungen generell zu verzeichnenden, zum Teil sehr erheblichen Abfall der Wärmeleitfähigkeit.
Claims (3)
- Hohlventil für Brennkraftmaschinen mit einer Füllung, bestehend aus einem zumindest bei Betriebstemperatur des Ventils flüssigen Alkalimetall, insbesondere Natrium, zur Verbesserung der Wärmeableitung von den heißen Bereichen des Ventilkopfes zu den kühleren Bereichen des Ventils am Ventilschaft und am Ventilsitz und mit einem Füllungszusatz zum Abbinden von Verunreinigungen in der Füllung, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungszusatz aus der chemischen Verbindung Zirkoniumtetrafluorid besteht.
- Hohlventil für Brennkraftmaschinen mit einer Füllung, bestehend aus einem zumindest bei Betriebstemperatur des Ventils flüssigen Alkalimetall, insbesondere Natrium, zur Verbesserung der Wärmeableitung von den heißen Bereichen des Ventilkopfes zu den kühleren Bereichen des Ventils am Ventilschaft und am Ventilsitz und mit einem Füllungszusatz zum Abbinden von Verunreinigungen in der Füllung, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungszusatz aus der chemischen Verbindung Hafniumtetrafluorid besteht.
- Hohlventil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Menge des Füllungszusatzes, welche den Hohlraum durch die Getterung bis auf den Dampfdruck des Natriums evakuiert, wobei diese Menge eine gewisse Reserve vorhält.
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