[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein metallisches Hohlventil einer Brennkraftmaschine
mit einem rohrförmigen Schaft und einem daran angebundenen Ventilteller gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0011] 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.
[0012] 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 kann selbstverständlich auch die Oberflächenrauheit einer Innenwand
im Schaft des Hohlventils gestaltet sein.
[0013] 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.
[0014] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
[0015] 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.
[0016] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
[0017] Die einzige Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes metallisches
Hohlventil.
[0018] 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 b
1, b
2 und b
3 ausgestattet, wobei die Wandstärke b
1 im Bereich eines einem nicht gezeigten Brennraum zugewandten Ventilkopfbodens ist,
wogegen die Wandstärke b
2 im Bereich einer Ventilkehle 6 gemessen wird. Die Wandstärke b
3 bezieht sich auf die Dicke der Wand im Bereich des Schafts 2. Durch die dünnen Wandstärken
b
1, b
2 und b
3 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 b
3 zwischen circa 0,7 und 1,5 mm liegt. Selbstverständlich kann die Wandstärke b
3 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 b
1 zwischen 1 und 2 mm auf, ebenso wie im Bereich einer Ventilkehle 6, sodass auch in
diesem Bereich die Dicke b
2 der Wand circa 1 bis 2 mm beträgt.
[0019] 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 bzw. 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
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.
1. Metal hollow valve (1) of an internal combustion engine, comprising a tubular shaft
(2) with a cavity (5) and a valve head (3) attached to the latter, in which
- the shaft (2) has an outer diameter of 5.0 mm < da < 6.0 mm and an inner diameter of 3.0 mm < di < 4.6 mm,
- a cavity (4) is provided in the valve head (3),
- a wall surrounding the cavity (4) has a thickness of 1.0 mm < b1.2 < 2.0 mm
characterised in that the cavity (4) in the valve head (3) is produced by electrochemical removal.
2. Hollow valve according to claim 1, characterised in that a wall surrounding the cavity (5) has a thickness 0.7 mm < b3 < 1.5 mm.
3. Hollow valve according to any one of the preceding claims, characterised in that the hollow valve (1) is made from X45CrSi9-3, X50CrMnNiNbN21-9, NiCr20TiAl or NCF
3015 steel.
4. Hollow valve according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the cavity (4) is designed to be substantially round, ellipsoidal or conical.
5. Hollow valve according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the cavity (5) is bored in the shaft (2).
6. Hollow valve according to any one of claims 1 to 4, characterised in that a surface roughness Rz of an inner wall (7) of the cavity (4, 5) is greater than 10 µm, in particular greater
than 16 µm.
1. Soupape métallique creuse (1) d'un moteur à combustion interne, comprenant une queue
tubulaire (2) avec un espace creux (5) et une tête de soupape (3) qui lui est reliée,
dans laquelle :
- la queue (2) présente un diamètre externe de 5,0 mm < da < 6,0 mm et un diamètre interne de 3,0 mm < di < 4,6 mm,
- il est prévu dans la tête de soupape (3) un espace creux (4) et
- une paroi entourant l'espace creux (4) présente une épaisseur de 1,0 mm < b1,2 < 2,0 mm,
caractérisée en ce que :
l'espace creux (4) de la tête de soupape (3) est élaboré par abrasion électrochimique.
2. Soupape creuse selon la revendication 1,
caractérisée en ce que :
une paroi entourant l'espace creux (5) présente une épaisseur de 0,7 mm < b3 < 1,5 mm.
3. Soupape creuse selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisée en ce que :
la soupape creuse (1) est fabriquée en X45CrSi9-3, en X50CrMnNiNbN21-9, en NiCr20TiAl
ou en acier NCF 3015.
4. Soupape creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisée en ce que :
l'espace creux (4) est conçu sous forme sensiblement ronde, ellipsoïdale ou conique.
5. Soupape creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisée en ce que :
l'espace creux (5) est foré dans la queue (2).
6. Soupape creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisée en ce que :
une rugosité de surface Rz d'une paroi interne (7) de l'espace creux (4,5) est supérieure à 10 µm, en particulier
supérieure à 16 µm.