EP3870814B1

EP3870814B1 - Innengekühltes ventil mit kühlmittelleitsystem

Info

Publication number: EP3870814B1
Application number: EP19812758.1A
Authority: EP
Inventors: Parth MISTRY; Stefan Kellermann; Guido Bayard; Jens GÄRTNER
Original assignee: Federal Mogul Valvetrain GmbH
Current assignee: Federal Mogul Valvetrain GmbH
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2022-10-05
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: WO2020173587A1; DE102019104659A1; EP3870814A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein innengekühltes Ventil mit einem Kühlmittelleitsystem.
Natriumgekühlte Ventile sollen idealerweise durch eine sogenannte Shaker-Kühlung betrieben werden, bei der Wärmenergie, die von dem Kühlmittel an einem Ventilkopf aufgenommen wird, durch eine Bewegung des Kühlmittels zum Ventilschaft transportiert wird, um durch den gekühlten Zylinderkopf bzw. dessen gekühlte Ventilführungen abgeleitet zu werden. Das Dokument DE2240572A1 offenbart eine solche Shaker-Kühlung.
Die Shaker-Kühlung arbeitet jedoch nicht immer so wie gewünscht, vor allem wenn sich neben dem Kühlmittel ein Gas in dem Hohlraum des innengekühlten Ventils befindet, kann es vorkommen, dass dieses Gas lediglich komprimiert wird, und dadurch die Bewegung des inkompressiblen Kühlmittels in dem Hohlraum behindert, da das Kühlmittel und das Gas nicht ohne weiteres aneinander vorbeiströmen können.
Eine einfache Lösung besteht darin, das Ventil unter Vakuumbedingungen zu befüllen und zu verschließen, was jedoch sehr aufwändig und teuer ist. Es ist daher bevorzugt, anstelle eines Vakuums ein Schutzgas bei der Befüllung des Hohlraums zu verwenden, da ein Gas ebenfalls die Belastung des Ventils verringert.
Die vorliegende Erfindung ist bestrebt, dieses Problem zu verringern, bzw. die Effekte, die von einem kompressiblen Gas in dem Hohlraum neben dem Kühlmittel selbst ausgehen, zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein innengekühltes Ventil nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführung des innengekühlten Ventils weist der Hohlraum einen Übergangsbereich auf, in dem sich der Durchmesser des Hohlraums von einem größten Durchmesser im Ventilkopf zu einem kleineren Durchmesser im Ventilschaft verjüngt, und wobei der Kanal in einem Drittel des Übergangsbereichs im Ventilkopf endet, das weiter an einem Ventilboden liegt.
Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführung des innengekühlten Ventils weist der Hohlraum einen Übergangsbereich auf, in dem sich der Durchmesser des Hohlraums von einem größten Durchmesser im Ventilkopf zu einem kleineren Durchmesser im Ventilschaft verjüngt, und wobei der Kanal vor diesem Übergangsbereichs des Ventilkopf nahe an einem Ventilboden endet. Hier liegt das Ende des Kanals zwischen dem Übergangsbereich und dem Ventilboden.
Bei diesen Ausführungen wird sichergestellt, dass das Ende das Kanals, das in den Übergangsbereich hinein oder über ihn hinaussteht, am Ende einer Schließbewegung des Ventils zuerst "trockenfällt". Nachdem nur ein kleiner Teil des Kühlmittels in den Kanal eingedrungen ist, kann sich in dem Hohlraum eine größere Kühlmittelsäule bilden, die bewirkt, dass ein Rest des Kühlmittels wieder aus dem Kanal entgegen der HauptBewegungsrichtung des Kühlmittels herausgedrückt wird, und verbleibendes komprimiertes Restgas durch den Kanal entweichen kann. Da das Restgas durch den Kanal in Richtung Ventilkopf fließen kann behindert es nicht mehr die Bewegung des Kühlmittels, wodurch die Shaker-Kühlung verbessert wird.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführung des innengekühlten Ventils verläuft der Kanal parallel zu einer Axialrichtung des Ventilkörpers bzw. des Ventils. Hier können der Hohlraum und der Kanal nebeneinander parallel in dem Ventilschaft verlaufen.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführung ist der Ausgleichskanal rohrförmig. Diese Ausführung betrifft einen Kanal, der einen rechteckigen oder polygonalen oder kreisründen Querschnitt aufweist.
In einer zusätzlichen Ausführung ist der Ausgleichskanal durch ein Rohr gebildet, das in dem Hohlraum angeordnet ist. Das Rohr verläuft dabei durch den Hohlraum und durch den Schaft des Ventils und ist an beiden Enden zum Hohlraum hin geöffnet.
In einer beispielhaften Ausführung ist der Hohlraum im Wesentlichen rotationssymmetrisch. In einer anderen Ausführung ist das gesamte Ventil oder zumindest der Ventilkörper rotationssymmetrisch.
Eine weitere beispielhafte Ausführung setzt ein Rohr als Kanal ein, das im Wesentlichen koaxial zu dem Hohlraum bzw. zu dem Ventilschaft verläuft. Hier können sich die rotationssymmetrisch auftretenden thermischen Belastungen am wenigstens auf den Betrieb des Ventils bzw. des Motors auswirken.
Eine weitere beispielhafte Ausführung setzt ein Rohr als Kanal ein, das Wesentlichen am oder nahe dem Rand des Hohlraums verläuft. Hier können sich Kapillarkräfte stärker auswirken, die nur bei dem Kühlmittel nicht jedoch bei dem verbleibenden Gas in dem Hohlraum auftreten. Bevorzugt ist das Rohr nahe des Randes angeordnet, sodass das Kühlmittel auch zwischen dem Rohr und dem Schaft strömen kann und so eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Ventilschaft mit daraus resultierenden Verformungen vermieden werden können. In einer Ausführung verläuft das Rohr exzentrisch durch den Schaft.
Bei einer Ausführung des Ventils ist das Rohr an mindestens einem Ende abgeschrägt. Die Abschrägung ermöglicht es einfach eine definierte Einström- bzw. Ausströmöffnung zu erzeugen, ohne dass dafür gesonderte Bohrungen an dem Rohr angebracht werden müssen.
Bei einer anderen Ausführungsform weist das Rohr an mindestens einem Ende einen Winkel bzw. ein Winkelstück bzw. eine Biegung auf. Hier kann das Rohr beispielsweise um 45° bis 90° gebogen ausgeführt sein. Durch eine Biegung kann gerade an einem Ventilboden eine größere Fläche des Rohrs zur Verbindung mit dem Ventilboden bereitgestellt werden.
In einer anderen beispielhaften Ausführung ist das Rohr an mindestens einem Ende mit einer Innenseite des Hohlraums verschweißt. Hierbei können Reibschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen wie auch Widerstandsschweißen eingesetzt werden.
Bei einer zusätzlichen Ausführung wird das Rohr an mindestens einem Ende mit einer Innenseite des Hohlraums verklemmt. Hier soll ein Reibschluss vorliegen, um das Rohr in Axialrichtung oder in Radialrichtung zu halten. So kann beispielsweise das Rohr mit einem Ventildeckel verschweißt und in einem zum Ventilboden hin offenen Ventilrohling zusammen mit dem Deckel eingesetzt und verschweißt werden.
Bei einer weiteren Ausführung wird das Rohr an mindestens einem Ende mit einer Innenseite des Hohlraums durch Formschluss gehalten. Hier können beispielsweise in dem Ventilschaftende und/oder am Ventilboden Vertiefungen oder Führungsstifte vorgesehen sein, die das Rohr in dem Hohlraum halten und fixieren.
Bei einer zusätzlichen Ausführung des innengekühlten Ventils sind an dem Rohr radial verlaufende Zentrierelemente angeordnet, die das Rohr koaxial zu dem Hohlraum halten. Diese Zentrierelemente sollen einen Zwischenraum zwischen dem Rohr und einer Innenfläche des Hohlraums möglichst wenig verringern.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des innengekühlten Ventils sind der Ventilschaft und der Ventilkopf einstückig ausgeführt. Einstückig bedeutet hier, dass sich keine Schweißnaht zwischen Ventilschaft und dem Ventilkopf befindet, und auch der Ventilkopf keine Schweißnaht aufweist. Hier wird das Ventil zum größten Teil nicht spanend sondern durch Umformen hergestellt. Bei dieser Ausführungsform wird das Ventil aus einem becherförmigen Halbzeug hergestellt, der so umgeformt wird, dass der bzw. ein Boden sich nach unten verbreitert und einen Ventilteller bildet. Diese erste Form weist noch einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum auf. In weiteren Schritten wird ein Wandbereich, der über dem Boden liegt, immer weiter verjüngt und gestreckt, sodass ein Hohlraum entsteht der im Kopf einen größeren Durchmesser aufweist als in einem Schaft. Durch das Verjüngen, das über einem Dorn ausgeführt werden kann wird die Länge der Wand und damit des Schafts weiter erhöht. Wenn der Schaft eine ausreichende Länge erreicht hat und der Ausgleichskanal und das Kühlmittel in den Hohlraum eingebracht werden, kann der Hohlraum geschlossen werden, indem beispielsweise ein Ventilschaftende durch Reibschweißen angebracht wird. Es ist ebenfalls möglich ein in Axialrichtung offenes Schaftende durch Zusammenwalzen zu verschließen, wobei dabei bevorzugt am Schaftende ein Abschnitt mit einer erhöhten Wandstärke vorliegt, sodass der Schaft nach dem Zusammenwalzen einen gleichbleibenden oder gleichmäßigen Außendurchmesser aufweist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des innengekühlten Ventils ist der Ventilschaft und der Ventilkopf mit dem Ventilboden aus einem Stück Metall umgeformt. Der Hohlraum ist dabei durch ein Ventilschaftende verschlossen, das durch Schweißen bevorzugt Reibschweißen mit dem Ventilschaft verbunden ist. Bei dieser Ausführung wird der Ventilkörper aus einem zylindrischen oder napfförmigem Halbzeug durch Gesenkschmieden, Tiefziechen und Verjüngen hergestellt. Durch mehrere Umformschritte und Spannungsfreiglühen kann so ein großer Hohlraum in einem Ventilkopf erzeugt werden, ohne dass dafür ein Fräsen und Verschließen des Ventilkopfes mit einem Ventildeckel notwendig ist. Hierfür wird ausgehend von einem becherförmigem Vorformling durch Pressund Fließpressverfahren ein Ventilkopf und ein Hohlraum mit einem großen Durchmesser geformt. In folgenden Schritten wird ein oberer Teil des napfförmigen Formlings durch Verjüngen beispielsweise durch Reck-, Quer-, Rundquerwalzen, Flachbackenquerwalzen, Hämmern oder Ziehen (jeweils mit oder ohne Kern) soweit im Durchmesser verringert und dabei verlängert, dass in mehreren Schritten ein Schaft entsteht. Durch die Verjüngung nimmt dabei auch die Länge des Schafts zu, während der Hohlraum durch Verwendung eines Kerns oder Dorns erhalten bleibt. In den so geformten Hohlraum des einstückigen Ventilkörpers kann dann von dem noch oben offenen Schaftende der Ausgleichskanal das Kühlmittel Natrium eingebracht werden. In einem letzten Schritt kann dann der Schaft durch "Voll-auf-Rohr"-Reibschweißen (oder einem anderen Schweißverfahren) mit einem Ventilschaftende verbunden und der Hohlraum so verschlossen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungsmotor mit einem der vorstehend beschriebenen innengekühlten Ventile bereitgestellt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Darstellungen beispielhafter Ausführungsformen näher verdeutlicht. Die Figuren stellen lediglich schematische Darstellungen dar.

Figur 1 stellt eine Schnittansicht eines herkömmlichen innengekühlten Ventils dar.
Figur 2 stellt ein erfindungsgemäßes innengekühltes Ventil mit einem Ausgleichskanal in einer Schnittansicht dar.
Figuren 3A bis 3E zeigten in einer Schnittansicht die Wirkungsweise des Ausgleichskanals bei einem Schließvorgang.
Figur 4A und 4B zeigen die Lage eines durch ein Rohr gebildeten Ausgleichskanals in einer Schnittansicht.
Figuren 5A bis 5G zeigen mögliche Befestigungen und Anordnungen von Ausgleichskanal-Rohren in dem Hohlraum.
Figuren 6A und 6B zeigen Ausführungsformen von Ventilen mit einem anderen Aufbau des Ventilkörpers

Sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente Bezug zu nehmen. Um die Beschreibung so kurz und knapp wie möglich zu halten, werden Elemente, die bereits in einer Figur beschrieben wurden, in weiteren Figuren nicht gesondert beschrieben, um Redundanz zu vermeiden.
Figur 1 stellt ein herkömmliches innengekühltes Ventil 22 mit einem Ventilschaft 6 dar, der an einem unteren Ende in einem Ventilkopf 8 mit einem Ventilteller ausläuft. Der Ventilschaft 6 endet oben am Schaftende, an dem Kegelstücke die Ventilfeder befestigen und an dem das Ventil angesteuert wird. Innen ist das Ventil 22 mit einem Hohlraum 10 versehen, der teilweise mit einem Kühlmittel 24 gefüllt ist. Als Kühlmittel 24 wird üblicherweise Natrium verwendet, das bei Betriebstemperaturen eines Verbrennungsmotors in einem flüssigen Zustand vorliegt. Üblicherweise ist nicht der gesamte Hohlraum sondern nur 1/2, bis 3/4 des Hohlraums des Ventils mit Natrium gefüllt. Es ist ebenfalls möglich lediglich 1/4 oder 1/3 des Hohlraums des Ventils mit Natrium zu füllen. Im Betrieb bewegt sich das Natrium im Ventilschaft 6 bzw. im Hohlraum 10 des Ventilschafts 6 auf und ab und transportiert dabei Wärme von dem Ventilkopf 8 in Richtung des gekühlten Ventilschafts 6. Das Natrium bewegt sich dabei bei jedem Öffnungs- bzw. Schließvorgang innerhalb des Ventils 22. Der Hohlraum 10 wurde bei dem Ventil 22 dadurch erzeugt, dass der Ventilkopf 8 an einer Ventiltellerfläche mit einer Öffnung versehen wurde. Durch die Öffnung wurde der Hohlraum 10 in den Ventilteller 8 und den Ventilschaft 6 eingebracht. Nach einem Einfüllen des Kühlmittels 24 (hier Natrium) wurde die Öffnung durch einen Ventilboden oder Ventilbodendeckel 20 verschlossen. Der Boden 20 bzw. Deckel wurde durch Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Widerstandsschweißen oder Reibschweißen mit dem Ventilteller gefügt. Die Rückseite des Ventilkopfes 8, die zum Ventilschaft 6 ausläuft, weist bei dieser Ausführung keine Fügestellen auf, und der Ventilkopf kann einstückig mit dem Ventilschaft 6 hergestellt werden, so dass eine Gefahr eines Ventilteller bzw. Ventilkopfabrisses minimiert werden kann. Hier tritt beim Betrieb jedoch das Problem auf, dass das flüssige Kühlmittel 24, wenn es vom Ventilkopf in Richtung Schaftende strömen will, auf ein kompressibles Gas trifft, welches sich in dem Hohlraum 10 befindet.
Durch die lange, schmale Form des Hohlraums 10 wird ein Gasaustausch erschwert und das Natrium läuft beim Hochströmen wie gegen eine elastische Feder, die der Bewegung des Kühlmittels und damit der angestrebten "Shaker-Kühlung" entgegenwirkt. Der Hohlraum teilt sich hier in einen im Wesentlichen zylindrischen Schaftbereich bzw. Bereich des Schafts 14 und einen Kopfbereich bzw. Bereich des Ventilkopfs 12 auf, der ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt ist. Der Bereich des Ventilschafts 14 ist prälat geformt und weist einen kleinen Durchmesser d auf. Der Bereich des Ventilkopfs 14 ist oblat geformt und weist einen großen Durchmesser D auf. Zwischen dem Bereich des Ventilschafts 14 und dem Bereich des Ventilkopfs 14 ist ein Übergangsbereich 18 angeordnet, der trichterförmig geformt ist und sich von dem Durchmesser D zum Durchmesser d verjüngt. In dem Hohlraum ist ein Kühlmittel 24 angeordnet. Das Kühlmittel 24 wurde anhand von Kreisen verdeutlichend dargestellt.
Figur 2 stellt eine einfache erfindungsgemäße Ausführungsform eines innengekühlten Ventils 2 mit einem Ausgleichskanal 16 in einer Schnittansicht dar. Der Ventilkörper 4 umfasst auch hier einen Ventilschaft 6 und einen Ventilkopf 8 und ist mit einem Hohlraum 10 versehen der sich fast durch das gesamte Ventil erstreckt. Der Hohlraum 10 ist im Kopf breiter und im Schaft schmaler. Der Hohlraum 10 ist hier im Schaft exzentrisch angeordnet, um im Schaft Platz für einen Ausgleichskanal 16 bereitzustellen. Der Ausgleichskanal 16 ist in dem Ventil 2 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem Bereich des Ventilschafts 14 des Hohlraums 10 bis in ein Bereich des Ventilkopfs 14 des Hohlraums 10 erstreckt. Hier mündet der Kanal nahe dem Schaftende und in einem Ansatz der sich bis kurz vor den Ventilboden erstreckt. Bei geöffnetem Ventil befindet sich das Kühlmittel um Ventilkopf nahe dem Ventilboden.
Der Hohlraum 10 und der Ausgleichskanal 16 verlaufen in dem Ventilschaft 6 im Wesentlichen Parallel. Der Ausgleichskanal 16 mündet mit einem Schaftende des Kanals 44 nahe einem Schaftende des Ventilschafts 6 in den Hohlraum 10. Der Ausgleichskanal 16 mündet mit einem Kopfende des Ausgleichskanals 46 in einem Stutzen in dem Übergangsbereich 18 bzw. den Kopfbereich 12 des Ventilkopfs 8 in den Hohlraum 10. Bei geöffnetem Ventil oder bei stehenden Ventilen befindet sich das Kühlmittel wie dargestellt in dem Hohlraum 10, und erstreckt sich sowohl in dem Hohlraum als auch in dem Ausgleichskanal 16, wie es durch die Kreise dargestellt ist.
Die Darstellung der Figur 2 dient dazu das Prinzip zu verdeutlichen wie die Bewegung des Kühlmittels in dem Ventilschaft verbessert werden kann, die Ausführung der Figuren 2 und 3 sind jedoch nicht die erste Wahl in Bezug auf Fertigung und Betrieb des Ventils.
Figuren 3A bis 3E zeigten in einer Schnittansicht die Wirkungsweise des Ausgleichskanals bei einem Schließvorgang. Die Figur 2 stellt die Situation am Ende eines Schließvorgangs kurz vor dem Aufsetzen des Ventiltellerrandes auf einem Ventilsitz eines Zylinderkopfes dar, wobei das Kühlmittel 24 noch im Kopf gesammelt vorliegt. Die Beschleunigung des Kühlmittels entspricht einer Richtung zum unteren Rand der Figur, und entspricht der Situation eines Ventils, das mit dem Teller auf einer ebenen Unterlage steht und der Gravitation unterworfen ist.
Figur 3A stellt den Moment des Aufsetzens des Ventiltellerrandes auf einem Ventilsitz eines Zylinderkopfes dar. Die Beschleunigung des Kühlmittels entspricht einer Richtung zum Ventilschaft 6. Die Darstellung entspricht der Situation eines Ventils, das mit dem Schafende einer ebenen Unterlage steht und der Gravitation unterworfen ist. Das Kühlmittel ist noch genauso verteilt wie in der Figur 2, und die Füllhöhe bzw. die Fülltiefe des Hohlraums 10 und die Füllhöhe bzw., die Fluidsäule des Kühlmittels in dem Ausgleichskanal 16 ist im Wesentlichen gleich hoch.
Figur 3B stellt einen Moment nach dem Aufsetzen des Ventiltellerrandes auf einem Ventilsitz eines Zylinderkopfes dar. Das Kühlmittel 24 hat sich in Richtung Ventilschaft 6 bewegt, und oberhalb des Kühlmittels hat sich ein Vakuum bzw. ein Gebiet mit geringem Druck gebildet, während ein Gas in dem Hohlraum unterhalb des Kühlmittels durch die Bewegung komprimiert wird. Das Kühlmittel füllt den Hohlraum 10 und den Ausgleichskanal 16 gleichmäßig auf. Es könnte vorkommen, dass durch die Form des Übergansbereich ein Düseneffekt eintritt, der das Kühlmittel 24 in dem Hohlraum 10 beschleunigt und so zu einer größeren Kühlmittelsäule in dem Hohlraum 10 als in dem Ausgleichskanal 16 erzeugt, was jedoch dem Effekt der vorliegenden Anordnung nur verstärkt.
In Figur 3B strömt das Kühlmittel noch in Richtung des Schafts und durch das Kopfende bzw. den Stutzen 46 weiter in den Ausgleichskanal 16. In dem Ausgleichskanal nimmt die Höhe einer Fluidsäule noch gleichmäßig zu.
In Figur 3C hat der Ansatz bzw. Stutzen des Kopfendes 46 des Ausgleichskanals die Oberfläche des Kühlmittels 24 durchbrochen, und es fließt kein weiteres Kühlmittel 24 in den Ausgleichskanal 16. Da der Ausgleichskanal einen konstanten Durchmesser aufweist, ändert sich ab hier die Höhe der Flüssigkeitssäule nicht mehr. Durch den Übergangsabschnitt wird weiteres Kühlmittel 24 in den Schaft bewegt und durch die Trichterform steigt die Flüssigkeitssäule in dem Hohlraum 10 weiter an, während ein kompressibles Gas in dem Hohlraum 10 im Schaft weiter komprimiert wird.
In Figur 3D erhöht sich durch die Verringerung des Durchmessers in dem Übergangsbereich 18 des Hohlraums 10 sich die Höhe der Fluidsäule hH im Hohlraum 10 immer weiter, während die Höhe der Fluidsäule hA in dem Ausgleichskanal 16 nicht weiter zunimmt. Der Druck innerhalb des Kompressiblen Gas in dem Schaftbereich des Hohlraums wird dabei durch die Höhe der Fluidsäule hH und die Beschleunigung sowie der Dichte des Kühlmittels bestimmt. Solange beide Fluidsäulen hH und hA gleich hoch sind tragen sie in gleicher Weise zur Kompression des Gases im Schaft bei. In Figur 3D wird der Druck auf das Gas durch die Fluidsäule hH in dem Hohlraum dominiert. Da der Hohlraum unterhalb der Fluidsäulen in Kommunikation steht, wird der Druck, den das Gas auf die beiden Fluidsäulen ausübt weiter ansteigen.
In Figur 3E ist der Druck in dem Gas durch die weiter wachsende Höhe der Fluidsäule hH in dem Hohlraum soweit angestiegen, dass dieser die kleinere Fluidsäule hA in dem Ausgleichskanal 16 nach oben durch das Kopfende des Ausgleichskanals in den Kopf bzw. den Übergansbereich herausgedrückt hat. Sobald die gesamte Fluidsäule aus dem Ausgleichskanal 16 herausgedrückt ist, kann das komprimierte Gas aus dem Schaft wieder in den Kopfbereich und den Übergangsbereich strömen und so entspannen. Das Kühlmittel kann weiter bis zum Schaftende in den Hohlraum strömen, ohne dass dies durch das Komprimierte Gas behindert wird. Hier kann durch die Geometrie des Hohlraums zusammen mit dem Ausgleichskanal verhindert werden, dass ein kompressibles Gas in dem Hohlraum die Bewegung eines Kühlmittels 24 behindert.
Die folgenden Figuren 4A bis 5F sind mit einem Ventilkörper versehen, dessen Ventilkopf 8 und dessen Ventilschaft 6 mit Ausnahme des Ventilschaftendes 26 einstückig ausgeführt sind. Dieser Ventilkörper wurde aus einem napfförmigem Halbzeug durch Tiefziechen und Verjüngen hergestellt und gestattet es durch mehrere Umformschritte einen großen Hohlraum in einem Ventilkopf zu erzeugen, ohne dass dafür ein Fräsen und Verschließen des Ventilkopfes notwendig ist. Dabei kann isbesondere auf eine Schwächung des Ventils im Bereich der hochbelasteten Teile wie Ventilboden und Ventilkopf verzichtet werden. Ein solches Ventil kann hergestellt werden, indem ein becherförmiger Vorformling durch Pressund Fließpressverfahren in einen Ventilkopf mit einem Hohlraum umgeformt wird, wobei eine Wand des Bechers später den Ventilschaft bildet. In folgenden mehreren Schritten wird ein oberer Teil des napfförmigen Formlings insbesondere die Wand des Bechers verjüngt und verlängert. Beim Verjüngen kann Reck-, Quer-, Rundquerwalzen, Flachbackenquerwalzen, Hämmern oder Ziehen jeweils mit oder ohne Kern zum Einsatz kommen. Nachdem der Durchmesser der Becherwand ausreichtend verringert und die Becherwand in Axialrichtung verlängert ist, bildet sie einen hohlen Ventilschaft. In den so gebildeten hohlen Ventilschaft können von dem offenen Schaftende ein Rohr das den Ausgleichskanal bildet und das Kühlmittel eingeschoben werden. Der Hohlraum kann dann durch Aufschweißen eines Ventilschaftendes durch Schweiß-/Reibschweißnaht 28 verschlossen werden. Die Figuren 4A bis 5F beschreiben dabei insbesondere verschiedene Ausführungen des Rohrs bzw. des Ausgleichskanals.
Figur 4A und 4B zeigen die Lage eines durch ein Rohr gebildeten Ausgleichskanals in einer Schnittansicht. Anstelle eines Kanals in dem Schaft selbst wird in den Figuren 4A und 4B der Kanal durch ein Rohr 40 gebildet, das konzentrisch im Ventil bzw. im Hohlraum 10 angeordnet ist. In den Figuren 4A und 4B ist nicht dargestellt wie das Rohr in dem Hohlraum 10 befestigt ist, da diese Figuren nur dazu dienen, die Lage des Kopfendes 46 des Rohrs 40 zu definieren, das den Ausgleichskanal 16 bildet. In den Figuren 4A und 4B soll sich das Rohr nicht in Axialrichtung bewegen können.
In der Figur 4A ist der Übergangsbereich 18 durch gestrichelte Linien in zwei Hälften unterteilt dargestellt. Das Rohr 40, das den Ausgleichskanal bildet, ist so dargestellt, dass es in der Hälfte hl/2 des Übergangsbereichs endet, der dem Ventilboden näher liegt.
In der Figur 4B ist der Übergangsbereich 18 durch gestrichelte Linien in drei Drittel unterteilt dargestellt. Das Rohr 40, das den Ausgleichskanal 16 bildet ist so dargestellt dass es in dem Drittel hl/3 des Übergangsbereichs endet, der dem Ventilboden näher liegt.
In der Figur 4A ist der Bereich 12 des Ventilkopfes oberhalb des Übergangsbereichs dargestellt. In der Figur 4B wird der Bereich des Ventilkopfes 12 durch den oberen Rand des Übergangsbereichs gebildet.
In den Figuren 5A bis 5E sind mögliche Befestigungen und Anordnungen von Ausgleichskanal-Rohren in dem Hohlraum dargestellt. In den Figuren 5A bis 5E wurde darauf verzichtet das Kühlmittel darzustellen.
Figur 5A zeigt das Rohr 40, das den Ausgleichskanal 16 bildet in einer beidseitig abgeschrägten Form. Die Abschrägungen des Rohrs 40 ermöglicht es auf einfache Weise das Schaftende 44 bzw. das Kopfende 46 des Rohrs 40 offenzuhalten. In dieser Form kann beispielsweise das Kopfende 46 des Rohrs 40 mit dem Ventilboden 20 verschweißt werden.
Das Rohr kann auch auf andere Weise im Schaft befestigt werden. Das Rohr kann auch nur gegen ein Ende des Hohlraums 10 anliegen. Es können auch nicht dargestellte Führungselemente eingesetzt werden. Durch die Abschrägung wird sichergestellt, dass die Schaftende und das Kopfende des Rohrs auch dann noch freibleiben, wenn sich die Befestigung des Rohrs 40 lösen sollte und das Rohr frei in dem Hohlraum liegt.
In der Figur 5B ist das Rohr durch keglige Strukturen des Hohlraums in dem Schaftende und dem Ventilboden 20 reib- und formschlüssig befestigt, hier sind noch Querbohrungen notwendig, die einen Fluid-Ein- bzw. -Austritt in das Rohr 40 sicherstellen. Die obere keglige Struktur kann durch einen Bohrkegel bzw. die Hauptschneiden eines Wendelnutenbohrers erzeugt werden, der das Schaftende 26 vor dem Verschweißen bearbeitet. Die keglige Struktur am Ventilboden 20 kann beim Umformen des Vorformlings erzeugt werden. Das Rohr wird in den Radialrichtungen durch Formschluss und in Umfangsrichtung durch Reibschluss gehalten. Durch die Form ist es auch möglich das Rohr 40 am Schaft 8 und oder am Ventilboden 20 durch Reibschweißen zu befestigen, beispielsweise zusammen mit dem Reibschweißen des Ventilschaftendes 26 auf den Ventilschaft.
In Figur 5B endet das Ausgleichskanal 16 bzw. das Rohr vor die Übergangsbereich 18 im Ventilkopf 8 nahe an einem Ventilboden 20.
Figuren 5C und 5D stellen Ausführungen dar, bei denen die Rohre 40 an ihren Enden geschlitzt sind. In der Ausführung der 5C ist das Rohr 40 direkt an der Wand des Hohlraums 10 angeordnet. Das Rohr ist unten am Ventilboden 20 durch schweißen befestigt und kann oben in einer formschlüssigen Befestigung eingesteckt sein. Durch den Formschluss kann sich das Rohr 40 in Längsrichtung ausdehnen und zusammen ziehen. Das Rohr 40 verringert eine in Umfangsrichtung gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels, was jedoch aufgrund der geringen Abmessungen des Rohrs nicht oder nur gering auswirkt. Diese Ausführung ist darauf gerichtet den Erfindungsgemäßen Effekt durch eine Kapillarwirkung des Kühlmittels weiter zu verstärken. Flüssiges Natrium weist wie Quecksilber und Stahl eine relativ hohe Oberflächenspannung auf. Durch die hohe Oberflächenspannung wird eine Kapillardepression erwartet. Es wird sich also unter Betriebsbedingungen im Verglich zu der Figur 2 und 3A bis 3E eine kleinere Flüssigkeitssäule in dem Rohr 40 bilden, wodurch der erfinderische Effekt weiter verstärkt wird. Durch die Anordnung des Rohrs 40 am Rand des Hohlraums wird der Kappillareffekt im Hohlraum weiter verringert. Der Kapillareffekt ist proportional zu der Inversen des Durchmessers. Durch die Anordnung des Rohrs 40 exzentrisch am Rand des Hohlraums 10 wird dort der Kapillareffekt weiter verringert, und die Funktion des Ausgleichskanals 16 bzw. des Rohrs weiter verbessert.
Figur 5D stellt eine Ausführung dar bei der das Rohr 40 nur leicht exzentrisch angeordnet ist, um eine ungleichmäßige Erwärmung des Schafts zu verringern und gleichzeitig den Kapillareffekt in dem Hohlraum außerhalb des Rohrs 40 zu verringern. Hier kann die Shaker-Kühlung deutlich verbessert werden, auch wenn insgesamt nicht rotationssymmetrisches Ventil verwendet wird. Durch den geringen Abstand zwischen dem Rohr 40 und der Innenwand des Hohlraums auf der linken Seite kann das Kühlmittel noch durch die gesamte Innenfläche des Schafts gekühlt werden, wodurch eine Verbiegung des Schafts durch thermische Expansion vermieden werden kann.
In der Figur 5E ist ein Rohr dargestellt, das an einem unteren, dem Ventilboden 20 zugewandten Kopfende 46 mit einem Winkel bzw. einer Biegung versehen ist. Durch die Biegung kann eine größere Fläche zur Verbindung mit dem Ventilboden 20 bereitgestellt werden. Das obere Schaftende 44 des Rohrs 40 ist mit einer Abschrägung versehen. Das Rohr ist zudem mit Zentrierelementen 42 versehen, die das Rohr mittig oder leicht versetzt in dem Hohlraum des Ventils halten können. In der Ausführung der Figur 5E kann das Rohr 40 einfach nur vo, Schaftende aus in den Hohlraum eingesteckt sein, und durch Reibschluss in dem Hohlraum 10 fixiert werden.
In der Figur 5F ist das Ventil von Figur 5B dargestellt, das zusätzlich mit einem Kühlmittel gefüllt ist. Vor dem Anschweißen des Schaftendes wird das Natrium zusammen mit dem Rohr 40 das den Ausgleichskanal bildet in den Hohlraum 10 eingesetzt. Da das Natrium bei Raumtemperatur in einem festen Zustand vorliegt, kann dieses auch ohne weiteres in den Hohlraum in Form von Natriumsand eingebracht werden, bevor oder nachdem das Rohr des Ausgleichskanals eingesetzt wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich, das Rohr das den Ausgleichskanal bildet, in das Natrium welches die Kühlmittelfüllung bilden soll einzugießen und das Rohr 40 zusammen mit dem Natrium 24 in den Schaft einzustecken. Dies hätte zudem den Vorteil, dass das Rohr durch das feste Natrium in dem Hohlraum zentriert werden kann, sodass sichergestellt ist, dass das Rohr mit den entsprechenden Führungs-Halteelementen in dem Hohlraum ausgerichtet ist. Sobald sich das Ventil im Betrieb das erste Mal erwärmt schmilzt das Natrium und das Rohr kann weiter durch Formschluss in dem Ventil gehalten werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, das Ventil vor dem Verschließen mit dem Natrium teilweise aufzufüllen, und dann den teilweise gefüllten Kopf oder den teilweise gefüllten Schaft soweit auszubohren, dass das Rohr, welches als Ausgleichskanal dienen soll, in die Bohrung in dem Natrium eingesteckt werden kann. Schließlich besteht natürlich auch die Möglichkeit, das Natrium in einem Schleudergussverfahren hauptsächlich im Hohlraum des Ventilkopfes einzugießen und dort erstarren zu lassen. Danach kann dann das Rohr, welches den Ausgleichskanal bildet in den Schaft eingesteckt werden und entweder am Schaftende 26 oder innen am Ventilboden 20 verschweißt werden. Das Ventil kann dann durch herkömmliche Schweißverfahren wie beispeilsweise Reibschweißen an einer der Schweißnaht 28 zwischen dem Ventilschaft 6 und dem Ventilschaftende 26 verschlossen werden.
In der Figur 5G ist ein Ventil dargestellt bei dem der Ventilkopf 8 und der Ventilschaft 6 mit Ausnahme des Ventilschaftendes 26 einstückig ausgeführt sind. Dieser Ventilkörper wurde aus einem napfförmigem Halbzeug durch Tiefziechen und Verjüngen hergestellt und gestattet durch mehrere Umformschritte einen großen Hohlraum in einem Ventilkopf zu erzeugen, ohne dass dafür ein Fräsen und Verschließen des Ventilkopfes notwendig ist. Hierfür wird ausgehend von einem becherförmigem Vorformling durch Press- und Fließpressverfahren ein Ventilkopf und ein Hohlraum mit einem großen Durchmesser geformt. In folgenden Schritten wird ein oberer Teil des Napfförmigen Formlings durch Verjüngen beispielsweise durch Reck-, Quer-, Rundquerwalzen, Flachbackenquerwalzen, Hämmern oder Ziehen (jeweils mit oder ohne Kern) soweit im Durchmesser verringert und dabei verlängert, dass in mehreren Schritten ein Schaft entsteht. Durch die Verjüngung nimmt auch die Länge des Schafts zu, während der Hohlraum durch Verwendung eines Kerns oder Dorns erhalten bleibt. In den so geformten Hohlraum des einstückigen Ventilkörpers wurde vom noch offenen Schaftende das Rohr 40 das den Ausgleichskanal bildet und Natrium (nicht dargestellt) eingebracht. In einem letzten Schritt wurde der Schaft durch "Voll-auf-Rohr"-Reibschweißen mit einem Ventilschaftende verschlossen. Sollte es sich herausstellen, dass die Reibschweißnaht am Schaftende in irgendeiner Weise problematisch ist, kann das Schaftende des Formlings weniger stark verjüngt werden, und durch einen abschließendes Umformverfahren geschlossen werden. Hier kann das Schaftende einfach durch Walzen so in Radialrichtung zusammengepresst werden, dass der Hohlraum verschlossen wird.
In der Figur 6A ist ein Rohr dargestellt, das an einem unteren, dem Ventilboden 20 zugewandten Kopfende 46 mit einem Winkel bzw. einer Biegung versehen ist. Durch die Biegung kann eine größere Fläche zur Verbindung mit dem Ventilboden 20 bereitgestellt werden. Das obere Schaftende 44 des Rohrs 40 ist mit einer Abschrägung versehen. Das Rohr ist zudem mit Zentrierelementen 42 versehen, die das Rohr mittig oder leicht versetzt in dem Hohlraum des Ventils halten können. In der Ausführung der Figur 5E kann das Rohr 40 einfach nur von unten in den Hohlraum eingesteckt sein, und durch Reibschluss in dem Hohlraum 10 fixiert werden.
In der Figur 6A ist ein Ventil dargestellt, dessen Ventilkörper aus vier Teilen zusammengesetzt ist. Der Ventilkopf umfasst einen Ventildeckel 20 der unten in den Ventilboden eingesetzt ist und durch eine Schweißnaht 28 befestigt ist. Der Ventilkopf 8 ist mit dem Ventilschaft 6 durch eine Schweißverbindung 28 verbunden. Der Ventilschaft 6 ist ebenfalls durch eine Schweißverbindung 28 mit einem Ventilende 26 verbunden. Das vorliegende Ventil kann dabei in einer gewünschten oder vorteilhaften Weise zusammengesetzt werden, indem der Ventildeckel 20 mit dem Ventilboden verbunden wird, dann der Ventilschaft 6 durch Schweißen mit dem Ventilkopf 8 verbunden wird, und schließlich das Ventilende 26 mit dem Ventilschaft 6 verschweißt wird. Es sind jedoch auch andere Reihenfolgen der Schweißverbindungen möglich. Bevorzugt wird jedoch zuerst der Ventilboden in den Ventilkopf eingesetzt, und dann der Schaft mit dem Ventilschaftende oder dem Ventilkopf verschweißt. Vorzugsweise wird vor dem Anbringen der letzten Schweißung das Natrium 24 zusammen mit dem Rohr 40 das den Ausgleichskanal bildet in den Hohlraum eingesetzt.
Die Ausführung der Figur 6B entspricht der Figur 5G und ist dahingehend abgewandelt, dass die Schweißnaht zwischen dem Ventilkopf und dem Ventilschaft entfällt, sondern am Ventilboden angeordnet ist. Hier wird dann zuerst der Hohlraum 10 im Kopf 8 durch Fräsen herausgearbeitet, dann der Schaft 6 in Längsrichtung ausgebohrt. Nachfolgend ist es möglich den Ausgleichskanal bzw. das Rohr das den Ausgleichskanal bildet und Natrium als Kühlmittel von dem noch offenen Ventilkopf in den Hohlraum einzubringen. Der Hohlraum eines solchen Ventilrohlings kann dann durch einen Ventildeckel 20 der durch eine "Top of Head" Verschweißung am Ventilboden angebracht wird, unten geschlossen werden.

Bezugszeichenliste

2: Innengekühltes Ventil
4: Ventilkörper
6: Ventilschaft
8: Ventilkopf
10: Hohlraum
12: Bereich des Ventilkopfes
14: Bereich des Ventilschafts
16: Ausgleichskanal
18: Übergangsbereich des Durchmessers im Hohlraum
20: Ventilboden
22: herkömmliches innengekühltes Ventil
24: Kühlmittel
26: Ventilschaftende
28: Schweiß-/Reibschweißnähte
40: Rohr das den Ausgleichskanal bildet
42: Zentrierelemente
44: Schaftende des Rohrs / Ausgleichskanals
46: Kopfende des Rohrs / Ausgleichskanals

A: Axialrichtung
d: Durchmesser des Hohlraums im Bereich des Ventilschafts
D: Durchmesser des Hohlraums im Bereich des Ventilkopfes
hH: Fluidsäule des Kühlmittels im Hohlraum
hA: Fluidsäule des Kühlmittels im Ausgleichskanal
h1/2: Hälfte des Übergangsbereichs
h1/3: Drittel des Übergangsbereichs
R: Radialrichtung

Claims

Innengekühltes Ventil (2), umfassend:
einen Ventilkörper (4) mit einem Ventilschaft (6) und einem Ventilkopf (8),

wobei sich in dem Ventilkörper (4) ein Hohlraum (10) von dem Ventilschaft (6) bis in den Ventilkopf (8) erstreckt,

wobei der Hohlraum (10) teilweise mit Natrium gefüllt und verschlossen ist,

wobei der Hohlraum (10) im Bereich des Ventilkopfes (12) einen größeren Durchmesser (D) aufweist als in einem Bereich des Ventilschafts (14), dadurch gekennzeichnet, dass

ein Ausgleichskanal (16) in dem Ventil (2) angeordnet ist, der sich zwischen einem Bereich des Ventilschafts (14) des Hohlraums bis in einen Bereich des Ventilkopfs (14) des Hohlraums (10) erstreckt, wobei Gas in dem Hohlraum durch den Ausgleichskanal fließen kann und so nicht die Bewegung des Natriums behindert,

wobei der Hohlraum (10) einen Übergangsbereich (18) umfasst, in dem sich der Durchmesser des Hohlraums (10) verändert, und wobei der Ausgleichskanal (16) in einer Hälfte (H1/2) des Übergangsbereichs (18) im Ventilkopf (8) endet, die näher an einem Ventilboden (20) liegt.
Innengekühltes Ventil nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum (10) einen Übergangsbereich (18) umfasst, in dem sich der Durchmesser des Hohlraums (10) verändert, und wobei der Ausgleichskanal (16) in einem Drittel des Übergangsbereichs (18) im Ventilkopf (8) endet, das näher an einem Ventilboden (20) liegt.
Innengekühltes Ventil nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum (10) einen Übergangsbereich (18) umfasst, in dem sich der Durchmesser des Hohlraums (10) verändert, wobei der Ausgleichskanal (16) vor diesem Übergangsbereich (18) im Ventilkopf (8) nahe an einem Ventilboden (20) endet.
Innengekühltes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskanal (16) parallel zu einer Axialrichtung (A) des Ventilkörpers (4) verläuft.
Innengekühltes Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (10) im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist.
Innengekühltes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskanal (16) rohrförmig bzw. durch ein Rohr (4) gebildet ist.
Innengekühltes Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (40) im Wesentlichen koaxial zu dem Hohlraum (10) bzw. zu dem Ventilschaft (6) verläuft.
Innengekühltes Ventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (40) im Wesentlichen am Rand des Hohlraums (10) verläuft.
Innengekühltes Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (40) an mindestens einem Ende abgeschrägt ist.
Innengekühltes Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (40) an mindestens einem Ende einen Winkel aufweist oder an mindestens einem Ende mit einer Innenseite des Hohlraums (10) verschweißt ist.
Innengekühltes Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (40) an mindestens einem Ende mit einer Innenseite des Hohlraums (10) verklemmt ist oder durch Formschluss gehalten wird.
Innengekühltes Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rohr (40) Zentrierelemente (42) angeordnet sind, die das Rohr (40) koaxial zu dem Hohlraum (10) halten.
Innengekühltes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (6) und der Ventilkopf (8) einstückig ausgeführt sind.
Innengekühltes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (6), der Ventilkopf (8) mit dem Ventilboden einstückig aus einem Stück Metall umgeformt wurde, wobei der Hohlraum (10) durch ein Ventilschaftende (26) verschlossen ist, das durch Schweißen mit dem Ventilschaft (6) verbunden ist.
Verbrennungsmotor mit einem innengekühlten Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 14.