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 R_Z einer Innenwand des Hohlraums > 10 µm, insbesondere R_Z > 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 ist auch die Oberflächenrauheit einer Innenwand im Schaft des Hohlventils gestaltet.

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 d_a auf, der zwischen 5 und 6 mm liegt. Ein Innendurchmesser d_i 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 d_i bei 4,6 mm liegt, sofern der Außendurchmesser d_a 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 R_Z einer Innenwand 7 des Hohlraums 4 und des Hohlraums 5 größer als 10 µm, insbesondere größer als 16 µm ist. Durch die erhöhte Oberflächenrauheit R_Z 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.