EP2803827B1 - Metallisches Hohlventil - Google Patents

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EP2803827B1
EP2803827B1 EP14152509.7A EP14152509A EP2803827B1 EP 2803827 B1 EP2803827 B1 EP 2803827B1 EP 14152509 A EP14152509 A EP 14152509A EP 2803827 B1 EP2803827 B1 EP 2803827B1
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EP
European Patent Office
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cavity
hollow valve
valve
hollow
metallic hollow
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French (fr)
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EP2803827A1 (de
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Peter Kroos
Christoph Luven
Roland Schacherer
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Mahle International GmbH
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Mahle International GmbH
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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
    • F01L3/20—Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group
    • 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 present invention relates to a metallic hollow valve of an internal combustion engine with a tubular shaft and a valve disk connected thereto according to the preamble of claim 1.
  • valves gas exchange valves
  • hollow valves are used with an internal cooling medium.
  • a method for producing a metallic hollow valve of an internal combustion engine in which in a blank designed as a forging bulb a bore is introduced. A later valve head is then at least partially hollowed out by electrochemical removal, wherein subsequently the cavity produced in this way is filled by means of a support fluid and the hollow valve is closed.
  • the hollow valve can be manufactured comparatively inexpensively.
  • metallic hollow valves are lighter than full valves and offer improved heat dissipation when filled with a cooling medium such as sodium.
  • a hollow valve which offers a particularly good heat dissipation, leads to a shift of the knock limit and thus to a particularly advantageous operation.
  • Knocking refers to the uncontrolled ignition of the gasoline-air mixture due to high temperature and pressure. This leads to shocks in the internal combustion engine with high mechanical and thermal loads, which ultimately adversely affect the life and efficiency negative.
  • the knock limit can be raised, a higher compression in the cylinder is possible, which leads to a significant increase in efficiency in the combustion process and thus to a higher performance with lower fuel consumption.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing an improved embodiment for a metallic hollow valve of the generic type, which allows an increased knock limit.
  • the present invention is based on the general idea to raise the knock limit in an internal combustion engine by the valves used in this internal combustion engine (gas exchange valves) are designed as very thin-walled hollow valves and thereby are particularly effective to cool.
  • the metallic hollow valve according to the invention has for this purpose in a known manner a tubular shaft and a valve head connected thereto.
  • the shaft according to the invention has an outer diameter between 5.0 and 6.0 mm and an inner diameter between 3.0 and 4.6 mm, whereby a wall thickness of the shank can be significantly reduced compared to conventional hollow valves.
  • a cavity is provided in the valve head, the surrounding walls having a thickness between 1.0 and a maximum of 2.0 mm and thereby also enables a high heat transfer and excellent cooling of the hollow valve.
  • the cavity in the valve head is produced by electrochemical removal, wherein the cavity is substantially round, ellipsoidal or conical.
  • the electrochemical removal offers the opportunity to create as large a cavity in the valve head without great mechanical effort and without the use of complicated tools.
  • the electrochemical removal represents an extremely precisely controllable process, so that the metallic hollow valves according to the invention can be produced with consistently high quality.
  • the shaft can also be extended by electrochemical removal, which is usually drilled first.
  • a surface roughness R Z of an inner wall of the cavity is> 10 ⁇ m, in particular R Z > 16 ⁇ m. Due to the comparatively large surface roughness on the inner wall of the cavity in the valve head, an enlarged heat transfer surface is available, which positively influences a heat exchange and thus also the cooling of the hollow valves according to the invention. In the same way, of course, the surface roughness of an inner wall can be designed in the shaft of the hollow valve.
  • the hollow valve is made of X45CrSi9-3, of X50CrMnNiNbN21-9, of NiCr20TiAl, or of NCF 3015 (Ni 30%, Cr 15%) steel.
  • Such high-alloy steels allow only the filigree design of the hollow valve according to the invention and also have a comparatively high resistance to wear.
  • such high-alloyed steels usually have a high corrosion resistance and, in particular, a high resistance to aggressive chemicals, such as, for example, oils or combustion exhaust gases, so that they are particularly suitable for use in such metallic hollow valves in internal combustion engines.
  • FIG. 1 shows a cross section through a metallic hollow valve according to the invention.
  • a metallic hollow valve 1 according to the invention of an internal combustion engine has a tubular shaft 2 and a valve head 3 connected thereto.
  • the shaft 2 and the valve head 3 are usually formed in one piece.
  • this is filigree, that is equipped with comparatively thin wall thicknesses b 1 , b 2 and b 3 , wherein the wall thickness b 1 is in the region of a valve head bottom facing a combustion chamber, not shown, whereas the wall thickness b 2 is measured in the region of a valve throat 6.
  • the wall thickness b 3 refers to the thickness of the wall in the area of the shaft 2.
  • the metallic hollow valve 1 Due to the thin wall thicknesses b 1 , b 2 and b 3 , however, not only improved cooling of the metallic hollow valve 1 is achieved, but also an increase in the knock limit of the internal combustion engine, thereby avoiding an uncontrolled ignition of a gasoline-air mixture with the associated high mechanical and thermal loads , but at least can be greatly reduced.
  • the thin wall thicknesses cause the increase of the knock limit.
  • the metallic hollow valve 1 according to the invention has, in the region of its shank 2, an outer diameter d a which lies between 5 and 6 mm.
  • An inner diameter d i is in the range of the shaft 2 between 3.0 and 4.6 mm, so that the wall thickness b 3 is between about 0.7 and 1.5 mm.
  • the wall thickness b 3 tolerance may also be between about 0.5 and 1.5 mm, preferably the inner diameter d i is 4.6 mm, provided that the outer diameter d a is 6 mm.
  • a cavity 4 is provided, which forms a receiving space for a coolant, such as sodium, together with a arranged in the shaft 2 cavity 5.
  • a wall surrounding the cavity 4 has a thickness b 1 between 1 and 2 mm in the region of the valve head bottom, as well as in the region of a valve throat 6, so that the thickness b 2 of the wall is also approximately 1 to 2 mm in this area.
  • a surface roughness R Z of an inner wall 7 of the hollow space 4 or of the hollow space 5 is greater than 10 ⁇ m, in particular greater than 16 microns is.
  • the increased surface roughness R Z increases the area available for the heat exchange and thus improves the heat transfer.
  • the hollow valve 1 may be made of a high-alloy steel such as X45CrSi9-3, X50CrMnNiNbN21-9, NiCr20TiAl or NCF3015 steel.
  • a high-alloy steel such as X45CrSi9-3, X50CrMnNiNbN21-9, NiCr20TiAl or NCF3015 steel.
  • Such high-alloyed steels enable the filigree design of the metallic hollow valve 1 according to the invention and, moreover, are resistant to aggressive chemical media, such as, for example, oils or combustion exhaust gases. In addition, they have a high resistance to wear and corrosion and thus have a long service life.
  • the cavity 5 in the shaft 2 is usually drilled, whereas the cavity 4 is made in the valve head 3 by means of electrochemical ablation.
  • the cavity 4 may for example be round, conical or even ellipsoidal.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein metallisches Hohlventil einer Brennkraftmaschine mit einem rohrförmigen Schaft und einem daran angebundenen Ventilteller gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die zunehmenden thermischen Belastungen in Verbrennungsmotoren, insbesondere in PKW-Motoren, erfordern es zunehmend, auch Bestandteile derselben, wie beispielsweise die Gaswechselventile, kurz auch Ventile genannt, zu kühlen. Hierfür werden sogenannten Hohlventile mit einem innenliegenden Kühlmedium verwendet.
  • Aus der EP 2 541 000 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlventilen bekannt, bei welchem mittels entsprechender Stempel das Ventil sukzessive verformt, insbesondere dessen Schaft verjüngt wird.
  • Aus der DE 10 2010 051 871 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlventilen für den Gasaustausch einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Hohlräume der das Ventil bildenden Hohlteile miteinander verbunden sind und wobei diese Hohlräume wenigstens teilweise durch elektrochemische Metallabtragung hergestellt sind. Hierzu wird zunächst der Ventilschaft der Länge nach durchgebohrt, wobei anschließend der Hohlraum im Ventilkopf als Erweiterungsbohrung quer zur Längsachse des Ventilschafts erzeugt wird. Mittels des beschriebenen Verfahrens soll insbesondere die Herstellung von Hohlventilen vereinfacht und zugleich deren Qualität verbessert werden können.
  • Aus der DE 10 2012 209 187 A1 ist wiederum ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem in einen als Schmiedebirne ausgebildeten Rohling eine Bohrung eingebracht wird. Ein späterer Ventilkopf wird anschließend durch elektrochemisches Abtragen zumindest teilweise ausgehöhlt, wobei anschließend der derart hergestellte Hohlraum mittels eines Stützfluides befüllt und das Hohlventil geschlossen wird. Hierdurch kann das Hohlventil vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden.
  • Aus der DE 10 2011 077 198 A1 ist wiederum ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils einer Brennkraftmaschine mit einem in einen Ventilschaft übergehenden Ventilkopf bekannt, bei welchem in den Ventilkopf eine Bohrung eingebracht wird und dieser anschließend durch elektrochemisches Abtragen zumindest teilweise ausgehöhlt wird. Auch hierdurch soll prinzipiell die Herstellung derartiger metallischer Hohlventile verbessert werden.
  • Aus der EP 2 357 326 A1 ist ein gattungsgemäßes metallisches Hohlventil einer Brennkraftmaschine mit einem rohrförmigen Schaft mit einem Hohlraum und einem daran angebundenen Ventilkopf bekannt.
  • Generell gilt für metallische Hohlventile, dass diese leichter sind als Vollventile und bei Füllung mit einem Kühlmedium, wie beispielsweise Natrium, eine verbesserte Wärmeabfuhr bieten. Bei Ottomotoren führt ein Hohlventil, das eine besonders gute Wärmeableitung bietet, zu einer Verschiebung der Klopfgrenze und damit zu einem besonders vorteilhaften Betrieb. Das Klopfen bezeichnet das unkontrollierte Zünden des Benzin-Luft-Gemisches aufgrund zu hoher Temperatur und Druck. Dies führt zu Schlägen in der Brennkraftmaschine mit hohen mechanischen und thermischen Belastungen, welche schlussendlich die Lebensdauer und den Wirkungsgrad negativ beeinträchtigen. Kann die Klopfgrenze jedoch angehoben werden, wird eine höhere Verdichtung im Zylinder möglich, die zu einer deutlichen Effizienzsteigerung im Verbrennungsprozess und damit zu einer höheren Leistung bei geringerem Kraftstoffverbrauch führt.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein metallisches Hohlventil der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die eine erhöhte Klopfgrenze ermöglicht.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Klopfgrenze in einer Brennkraftmaschine anzuheben, indem die in dieser Brennkraftmaschine eingesetzten Ventile (Gaswechselventile) als sehr dünnwandige Hohlventile ausgebildet werden und dadurch besonders effektiv zu kühlen sind. Das erfindungsgemäße metallische Hohlventil weist hierzu in bekannter Weise einen rohrförmigen Schaft sowie einen daran angebundenen Ventilkopf auf. Der Schaft besitzt erfindungsgemäß einen Außendurchmesser zwischen 5,0 und 6,0 mm sowie einen Innendurchmesser zwischen 3,0 und 4,6 mm, wodurch eine Wandstärke des Schaftes im Vergleich zu herkömmlichen Hohlventilen deutlich reduziert werden kann. Im Ventilkopf ist zusätzlich ein Hohlraum vorgesehen, wobei die diesen umgebenden Wände eine Dicke zwischen 1,0 und maximal 2,0 mm aufweist und dadurch ebenfalls eine hohe Wärmeübertragung und eine exzellente Kühlung des Hohlventils ermöglicht. Durch die vergleichsweise filigrane Ausbildung des erfindungsgemäßen Hohlventils kann insbesondere eine effektive Kühlung an der planen und dem Brennraum zugewandten Ventilkopfunterseite erreicht werden, welche dazu beiträgt, die Klopfgrenze zu verschieben, das heißt anzuheben, und dadurch die mechanischen und thermischen Belastungen der Brennkraftmaschine, hervorgerufen durch das Klopfen, zu senken. In dem erfindungsgemäßen filigranen Ventil kann darüber hinaus eine höhere Verdichtung im Zylinder erzielt werden, die zu einer deutlichen Effizienzsteigerung im Verbrennungsprozess und damit zu einer höheren Leistung bei gleichzeitig geringerem Kraftstoffverbrauch führt. Dabei ist der Hohlraum im Ventilkopf durch elektrochemisches Abtragen hergestellt, wobei der Hohlraum im Wesentlichen rund, ellipsoidisch oder kegelförmig ausgebildet ist. Das elektrochemische Abtragen bietet dabei die Möglichkeit, ohne großen mechanischen Aufwand und ohne Einsatz komplizierter Werkzeuge einen möglichst großen Hohlraum im Ventilkopf zu schaffen. Das elektrochemische Abtragen stellt dabei einen äußerst genau kontrollierbaren Prozess dar, sodass die erfindungsgemäßen metallischen Hohlventile mit gleichbleibend hoher Qualität hergestellt werden können. Der Schaft kann dabei ebenfalls durch elektrochemisches Abtragen erweitert werden, wobei dieser üblicherweise zunächst gebohrt wird.
  • Zweckmäßig beträgt eine Oberflächenrauheit RZ einer Innenwand des Hohlraums > 10 µm, insbesondere RZ> 16 µm. Durch die vergleichsweise große Oberflächenrauheit an der Innenwand des Hohlraums im Ventilkopf steht eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung, die einen Wärmetausch positiv beeinflusst und damit auch die Kühlung der erfindungsgemäßen Hohlventile. In gleicher Weise kann selbstverständlich auch die Oberflächenrauheit einer Innenwand im Schaft des Hohlventils gestaltet sein.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist das Hohlventil aus X45CrSi9-3, aus X50CrMnNiNbN21-9, aus NiCr20TiAl, oder aus NCF 3015 (Ni 30%, Cr 15%) Stahl hergestellt. Derartige hochlegierte Stähle erlauben erst die filigrane Ausbildung des erfindungsgemäßen Hohlventils und weisen darüber hinaus einen vergleichsweise hohen Verschleißwiderstand auf. Derartige hochlegierte Stähle besitzen darüber hinaus üblicherweise eine hohe Korrosionsbeständigkeit und insbesondere auch eine hohe Beständigkeit gegen aggressive Chemikalien, wie beispielsweise Öle oder Verbrennungsabgase, sodass sie besonders geeignet für den Einsatz bei derartigen metallischen Hohlventile in Brennkraftmaschinen sind.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes metallisches Hohlventil.
  • Entsprechend der Figur 1, weist ein erfindungsgemäßes metallisches Hohlventil 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine einen rohrförmigen Schaft 2 sowie einen daran angebundenen Ventilkopf 3 auf. Der Schaft 2 und der Ventilkopf 3 sind dabei üblicherweise einstückig ausgebildet. Um nun eine möglichst effiziente Kühlung des metallischen Hohlventils 1 erreichen zu können, ist dieses filigran, das heißt mit vergleichsweise dünnen Wandstärken b1, b2 und b3 ausgestattet, wobei die Wandstärke b1 im Bereich eines einem nicht gezeigten Brennraum zugewandten Ventilkopfbodens ist, wogegen die Wandstärke b2 im Bereich einer Ventilkehle 6 gemessen wird. Die Wandstärke b3 bezieht sich auf die Dicke der Wand im Bereich des Schafts 2. Durch die dünnen Wandstärken b1, b2 und b3 wird jedoch nicht nur eine verbesserte Kühlung des metallischen Hohlventils 1 erreicht, sondern auch eine Erhöhung der Klopfgrenze der Brennkraftmaschine, wodurch ein unkontrolliertes Zünden eines Benzin-Luft-Gemisches mit den damit verbundenen hohen mechanischen und thermischen Belastungen vermieden, zumindest aber stark reduziert werden kann. Die dünnen Wandstärken bewirken dabei die Erhöhung der Klopfgrenze. Um dies zu erreichen, weist das erfindungsgemäße metallische Hohlventil 1 im Bereich seines Schaftes 2 einen Außendurchmesser da auf, der zwischen 5 und 6 mm liegt. Ein Innendurchmesser di liegt im Bereich des Schaftes 2 zwischen 3,0 und 4,6 mm, sodass die Wandstärke b3 zwischen circa 0,7 und 1,5 mm liegt. Selbstverständlich kann die Wandstärke b3 toleranzbedingt auch zwischen ca. 0,5 und 1,5mm liegen, wobei vorzugsweise der Innendurchmesser di bei 4,6 mm liegt, sofern der Außendurchmesser da bei 6 mm liegt. Im Ventilkopf 3 ist dabei ein Hohlraum 4 vorgesehen, der zusammen mit einem im Schaft 2 angeordneten Hohlraum 5 einen Aufnahmeraum für ein Kühlmittel, beispielsweise Natrium, bildet. Eine den Hohlraum 4 umgebende Wand weist dabei im Bereich des Ventilkopfbodens eine Dicke b1 zwischen 1 und 2 mm auf, ebenso wie im Bereich einer Ventilkehle 6, sodass auch in diesem Bereich die Dicke b2 der Wand circa 1 bis 2 mm beträgt.
  • Um die Wärmeübertragung zwischen dem im Hohlraum 4 und 5 angeordneten Kühlmittel und dem metallischen Hohlventil 1 weiter verbessern zu können, kann vorgesehen sein, dass eine Oberflächenrauheit RZ einer Innenwand 7 des Hohlraums 4 bzw. des Hohlraums 5 größer als 10 µm, insbesondere größer als 16 µm ist. Durch die erhöhte Oberflächenrauheit RZ wird die für den Wärmetausch zur Verfügung stehende Fläche vergrößert und dadurch die Wärmeübertragung verbessert.
  • Generell kann das Hohlventil 1 aus einem hochlegierten Stahl, wie beispielsweise X45CrSi9-3, aus X50CrMnNiNbN21-9, aus NiCr20TiAl oder aus NCF3015 Stahl hergestellt sein. Derartige hochlegierte Stähle ermöglichen die filigrane Ausbildung des erfindungsgemäßen metallischen Hohlventils 1 und sind darüber hinaus beständig gegen aggressive chemische Medien, wie beispielsweise Öle oder Verbrennungsabgase. Zudem besitzen sie einen hohen Verschleiß- und Korrosionswiderstand und besitzen dadurch eine hohe Lebensdauer.
  • Der Hohlraum 5 im Schaft 2 wird üblicherweise gebohrt, wogegen der Hohlraum 4 im Ventilkopf 3 mittels elektrochemischen Abtragens hergestellt wird. Der Hohlraum 4 kann beispielsweise rund, kegelförmig oder aber auch ellipsoidisch ausgebildet sein. Ein derartiges elektrochemisches Abtragen ermöglicht eine einerseits einfache und andererseits höchst genaue Herstellung des Hohlraums 4 und damit auch diesen umgebenden Wände.
  • Mit dem erfindungsgemäßen metallischen Hohlventil 1 lässt sich dieses deutlich besser kühlen und dadurch indirekt die Klopfgrenze der Brennkraftmaschine anheben, was nicht nur die Lebensdauer der Brennkraftmaschine erhöht, sondern auch zu einer höheren Leistung bei gleichzeitig geringerem Kraftstoffverbrauch führt. Durch die filigrane Ausführung wird zudem Gewicht eingespart, was sich positiv auf einen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine auswirkt.

Claims (6)

  1. Metallisches Hohlventil (1) einer Brennkraftmaschine, mit einem rohrförmigen Schaft (2) mit einem Hohlraum (5) und einem daran angebundenen Ventilkopf (3), wobei
    - der Schaft (2) einen Außendurchmesser 5,0 mm < da < 6,0 mm und einen Innendurchmesser 3,0 mm < di < 4,6 mm aufweist,
    - im Ventilkopf (3) ein Hohlraum (4) vorgesehen ist,
    - eine den Hohlraum (4) umgebende Wand eine Dicke 1,0 mm < b1,2 < 2,0 mm aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Hohlraum (4) im Ventilkopf (3) durch elektrochemisches Abtragen hergestellt ist.
  2. Hohlventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine den Hohlraum (5) umgebende Wand eine Dicke 0,7 mm < b3 < 1,5 mm aufweist.
  3. Hohlventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Hohlventil (1) aus X45CrSi9-3, aus X50CrMnNiNbN21-9, aus NiCr20TiAl oder aus NCF 3015 Stahl hergestellt ist.
  4. Hohlventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Hohlraum (4) im Wesentlichen rund, ellipsoidisch oder kegelförmig ausgebildet ist.
  5. Hohlventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Hohlraum (5) im Schaft (2) gebohrt ist.
  6. Hohlventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Oberflächenrauheit RZ einer Innenwand (7) des Hohlraums (4,5) größer als 10 µm, insbesondere größer als 16 µm, ist.
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