EP0898055A1 - Hohlventil für Verbrennungsmotoren - Google Patents
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- 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 for lowering the temperature and Weight reduction.
- Hollow valves are a special type, especially those with higher loads Exhaust valves, represent. On the one hand, they are mainly used to lower the temperatures in the fillet and plate area also serves to reduce weight. You sit down Hollow valves to lower the temperature, the cavity becomes about 60% of the volume filled with metallic sodium, which is used to transport heat from the valve head into the Valve stem provides. From there, the heat is dissipated via the valve guide.
- the base body is also drilled from the shaft end. However, the bore is closed by induction heating of the shaft end with subsequent forging, the full shaft end piece being attached by friction welding. A friction weld of the full shaft end piece with the drawn "end of the base body offers greater security. This embodiment is used predominantly in high-performance engines.
- valve stem seals to high temperatures Valve, however, only up to the vicinity of the sealing lip of the outer diameter predominantly elastomeric valve stem seals. A longer hole can only if no valve stem seal is used.
- Hollow valves can be designed as monometal valves, but they are more common Bimetallic valves, in which the stem piece made of a ferritic-martensitic steel and the Headpiece made of austenitic material or a nickel-based material. This Material is thermoformed during the manufacture of the head piece before it is drilled hollow.
- the production of very light valves is already known, for which stem and Headboard as a one-piece, hollow, cylindrical component made of a ductile sheet metal is, as EP 0 619 419 B1 shows, but it is a monometal valve for lower loads, because the use of austenitic material closed previously cold forming processes.
- the cavity is sufficient in the known valve deep-drawn valve body to the extreme end of the stem. A dissipation of heat through a possibly used valve filling in the shaft end piece would be under certain circumstances harmful.
- the use of such valves for temperature reduction is at least Valve guides with final valve stem seals are very questionable.
- the invention has for its object to a hollow bimetal valve of very low mass create, which at the same time the demands for great mechanical wear resistance and resistance to high temperature corrosion met and compared to the previously known manufacturing process is particularly economical to manufacture.
- the invention solves this problem with the features of the characterizing part of claim 1.
- a valve designed according to the invention permits the use of the deep-drawing process for the part of the valve body which extends from the stem end part into the plate area and consists of an austenitic material.
- the largest possible internal bead on the weld seam is created by the welding process (Welding expulsion), which creates the connection between the drilled cavity in the Shaft end part and the cavity in the valve body either completely or partially closes.
- the coolant present in the valve body is thus penetrated into the Cavity of the stem end part prevented and the valve stem seal at the end of the Valve guide protected against damage due to excessive temperature.
- the cavity in the Shaft end piece therefore only serves the desired weight reduction.
- the cover that closes off the plate area is preferably covered with the seat armor Valve body connected. This simplifies the manufacturing process and a economical production ensured, although the valve consists of three parts. Training of the valve body as a deep-drawn component enables the economically Vary wall thickness and thus adapt to the load requirements.
- the valve consists essentially of the three parts shaft end part 1, valve body 2 and Cover 3.
- the shaft end part 1 is provided with a bore 4 in order to close the cavity 5 create.
- the valve body 2 with the plate, the fillet area 7 and in the Valve guide-reaching stem part 9 is a deep-drawn component.
- the shaft end part is 1 in contrast, made in the usual way from a ferritic-martensitic material.
- the both parts 1 and 2 are preferably connected to one another by friction welding, the inner bead (welding expulsion) 10 extending far inward forms.
- the Cavity divided into sections 5 and 11, with a small passage cross section 12th can be preserved.
- the valve head In the plate area, the valve head is closed by a cover 3, the Seat armor 15 also serves as a welded joint.
- Figures 2 to 5 are different designs of the contact surfaces between the Valve head shown in the plate area and the cover 3.
- the armor 15 serves as a connecting element between the cover 3 and the valve body.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Hohlventil für Verbrennungsmotoren mit
einem Hohlraum zur Temperaturabsenkung und Gewichtsreduzierung, wobei
das Ventil aus drei miteinander verschweissten Teilen (1,2,3) besteht,
welche einen Hohlraum einschliessen, der sich vom Tellerbereich (13) des
Ventilkörpers bis in den Ventilschaft hinein erstreckt, wobei der sich
vom Schaftendenteil (1) bis zum Tellerbereich erstreckende Ventilkörper
(2) als tiefgezogenes Blechteil aus austenitischem Werkstoff ausgebildet
und mit dem Schaftendenteil durch Schweissen verbunden ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Hohlventil für Verbrennungsmotoren zur Temperaturabsenkung und
Gewichtsreduzierung.
Hohlventile stellen eine besondere Ausführungsart, insbesondere der höher belasteten
Auslaßventile, dar. Ihr Einsatz erfolgt einerseits zur Absenkung der Temperaturen vorwiegend
im Hohlkehlen- und Tellerbereich dient aber auch der Gewichtsreduzierung. Setzt man
Hohlventile zur Temperaturabsenkung ein, wird der Hohlraum zu etwa 60 % des Volumens
mit metallischem Natrium gefüllt, das für den Transport von Wärme vom Ventilkopf in den
Ventilschaft sorgt. Von dort wird die Wärme über die Ventilführung abgeleitet.
Es sind mehrere Hohlventilvarianten bekannt. Bei einer dieser Varianten wird ein Grundkörper
hohl gebohrt und mittels Reibschweißen mit einem vollen Schaftendenstück verbunden. Das
Schaftendenstück ist härtbar und läßt daher eine auf den besonderen Belastungsfall
abgestimmte Stabilisierung zu.
Eine weitere Variante ist in der Herstellung wesentlich aufwendiger. Der Grundkörper wird
ebenfalls vom Schaftende her gebohrt. Das Verschließen der Bohrung erfolgt jedoch durch
induktives Erwärmen des Schaftendes mit anschließendem Zuschmieden, wobei das volle
Schaftendenstück durch Reibschweißen angesetzt wird. Eine Reibschweißung des vollen
Schaftendenstuckes mit dem 
zugezogenen" Ende des Grundkörpers bietet eine höhere
Sicherheit. Diese Ausführungsform findet überwiegend in Hochleistungsmotoren Anwendung.
Das bisherige Optimum an Gewichtsreduzierung und an Wärmeableitung von der
Ventiltellerfläche wird durch ein Hohlkopfventil erreicht. Es wird im Gegensatz zu den
vorgenannten Ausführungen von der Tellerseite her gebohrt und bearbeitet. Die Öffnung wird
durch Einsetzen eines Deckels verschlossen. Der Einsatz solcher Ventile ist überwiegend auf
den Motorsport beschränkt, da die aufwendige Herstellung zu hohen Kosten führt. Um die
Ventilschaftabdichtungen nicht zu hohen Temperaturen auszusetzen, darf die Bohrung des
Ventils jedoch nur bis in die Nähe der Dichtlippe der am Außendurchmesser laufenden,
überwiegend elastomeren Ventilschaftabdichtung geführt sein. Eine längere Bohrung kann
lediglich ausgeführt werden, wenn keine Ventilschaftabdichtung verwendet wird.
Hohle Ventile können zwar als Monometallventile ausgeführt sein, üblicher sind aber
Bimetallventile, bei welchen das Schaftstück aus einem ferritisch-martensitischen Stahl und das
Kopfstück aus austenitischem Material oder einem nickelbasischen Werkstoff besteht. Dieses
Material wird bei der Herstellung des Kopfstückes warm verformt, bevor es hohlgebohrt wird.
Zwar ist bereits die Herstellung von sehr leichten Ventilen bekannt, bei welchen Schaft- und
Kopfteil als einstückiges, hohles, zylindrisches Bauteil aus einem duktilen Metallblech gefertigt
wird, wie die EP 0 619 419 B1 zeigt, jedoch handelt es sich hierbei um ein Monometallventil
für geringere Beanspruchungen, denn die Verwendung von austenitischem Werkstoff schloß
bisher Kaltumformvorgänge aus. Außerdem reicht der Hohlraum bei dem bekannten Ventil mit
tiefgezogenem Ventilkörper bis zum äußersten Schaftende. Eine Ableitung von Wärme durch
eine eventuell verwendete Ventilfüllung in das Schaftendstück wäre jedoch unter Umständen
schädlich. Der Einsatz solcher Ventile zur Temperaturabsenkung ist zumindest bei
Ventilführungen mit abschließender Ventilschaftabdichtung sehr bedenklich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hohles Bimetallventil sehr geringer Masse zu
schaffen, welches gleichzeitig die Forderungen nach großer mechanischer Verschleißfestigkeit
und Widerstandsfähigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion erfüllt und im Vergleich zu den
bisher bekannten Herstellungsverfahren besonders wirtschaftlich herstellbar ist. Die Erfindung
löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeichenteils des Patentanspruchs 1.
Ein erfindungsgemäß gestaltetes Ventil gestattet die Verwendung des Tiefziehverfahrens für
den Teil des Ventilkörpers, der sich vom Schaftendenteil bis in den Tellerbereich erstreckt und
aus einem austenitischen Werkstoff besteht.
Für Fachleute als sehr überraschend hat sich die erfolgreiche Verwendung eines nicht als
tiefziehfähig geltenden austenitischen Werkstoffs für die Ausbildung des Ventilkörpers als
tiefgezogenes Blechteil erwiesen.
An der Schweißnaht wird durch den Schweißvorgang eine möglichst große Innenwulst
(Schweißaustrieb) erzeugt, welche die Verbindung zwischen dem gebohrten Hohlraum im
Schaftendenteil und dem Hohlraum im Ventilkörper entweder vollständig oder teilweise
verschließt. Das im Ventilkörper vorhandene Kühlmittel wird somit am Eindringen in den
Hohlraum des Schaftendenteils gehindert und die Ventilschaftdichtung am Ende der
Ventilführung vor einer Beschädigung durch zu hohe Temperatur geschützt. Der Hohlraum im
Schaftendenstuck dient damit lediglich der gewünschten Gewichtsreduzierung.
Vorzugsweise ist der den Tellerbereich abschließende Deckel durch die Sitzpanzerung mit dem
Ventilkörper verbunden. Dadurch wird das Herstellungsverfahren vereinfacht und eine
wirtschaftliche Fertigung gesichert, obwohl das Ventil aus drei Teilen besteht. Die Ausbildung
des Ventilkörpers als tiefgezogenes Bauteil ermöglicht in wirtschaftlich günstiger Weise, die
Wandstärke zu variieren und damit den Belastungsanforderungen anzupassen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung rein schematisch dargestellt und
nachstehend erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- den Längsschnitt durch ein Ventil und die
- Figuren 2 bis 5
- mehrere Ausbildungsvarianten an den Verbindungsstellen zwischen dem Deckel und dem Ventilkörper.
Das Ventil besteht im wesentlichen aus den drei Teilen Schaftendenteil 1, Ventilkörper 2 und
Deckel 3. Das Schaftendenteil 1 ist mit einer Bohrung 4 versehen, um den Hohlraum 5 zu
schaffen. Der Ventilkörper 2 mit dem Teller, dem Hohlkehlenbereich 7 und dem in die
Ventilführung reichenden Schaftteil 9 ist ein tiefgezogenes Bauteil. Das Schaftendenteil 1 ist
demgegenüber in üblicher Weise aus einem ferritisch-martensitischen Werkstoff gefertigt. Die
beiden Teile 1 und 2 werden vorzugsweise durch Reibschweißen miteinander verbunden,
wobei sich die weit einwärts reichende Innenwulst (Schweißaustrieb) 10 bildet. Dabei wird der
Hohlraum in die Abschnitte 5 und 11 unterteilt, wobei ein kleiner Durchtrittsquerschnitt 12
erhalten bleiben kann. Dadurch ist es dem im Hohlraum 11 des Ventilkörpers 2 vorhandenen
Kühlmittel nicht oder nur in einem sehr geringen Maße möglich, in den Hohlraum 5 des
Schaftendenteils 1 zu gelangen. Der schaftendenseitige Hohlraum dient daher lediglich der
Gewichtsreduzierung. Die vom Ventilteller 13 über das Kühlmittel in den Schaft des
Ventilkörpers geleitete Wärme wird in ausreichendem Maße auf die Führung 8 übertragen und
von dort weiter über den Wasserkreislauf im Zylinderkopf abgeleitet. Die am Ende der
Ventilführung ansetzende Schaftdichtung 14 wird somit vor Zerstörung durch zu hohe Wärme
geschützt.
Im Tellerbereich wird der Ventilkopf durch einen Deckel 3 verschlossen, wobei die
Sitzpanzerung 15 gleichzeitig als Schweißverbindung dient.
In den Figuren 2 bis 5 sind verschiedene Gestaltungen der Berührungsflächen zwischen dem
Ventilkopf im Tellerbereich und dem Deckel 3 dargestellt. Bei allen Ausführungsbeispielen
dient die Sitzpanzerung 15 gleichzeitig als Verbindungselement zwischen dem Deckel 3 und
dem Ventilkörper.
Claims (6)
- Hohlventil für Verbrennungsmotoren mit einem Hohlraum zur Temperaturabsenkung und Gewichtsreduzierung, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil aus drei miteinander verschweißten Teilen (1, 2, 3) besteht, welche einen Hohlraum einschließen, der sich vom Tellerbereich des Ventilkörpers bis in den Ventilschaft hinein erstreckt, wobei der sich vom Schaftendenteil (1) bis zum Tellerbereich (13) erstreckende Ventilkörper (2) als tiefgezogenes Blechteil aus austenitischem Werkstoff ausgebildet und mit dem Schaftendenteil durch Schweißen verbunden ist.
- Hohlventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schweißnaht eine den Hohlraumquerschnitt teilweise oder vollständig verschließende Innenwulst (10) ausgebildet ist.
- Hohlventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftendenteil (1) hohlgebohrt ist.
- Hohlventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftendenteil aus einem ferritisch-martensitischen Stahl besteht.
- Hohlventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der tiefgezogene Blechteil des Ventilkörpers (2) im Bereich besonders hoher Belastung mit einer größeren Wandstärke versehen ist.
- Hohlventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (13) mit einem Deckel (3) verschlossen ist, und beide Teile durch die Sitzpanzerung (15) miteinander verschweißt sind.
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