WO1999005397A1 - Gaswechselventil - Google Patents

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WO1999005397A1
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Karl Heinz Leiber
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    • 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
    • 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
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a gas exchange valve with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention has for its object to provide another solution to the problem.
  • materials with the lowest thermal expansion are used for the force-transmitting device, in particular for the rod or the tube.
  • Magnetic materials with high magnetostriction, which decrease with increasing temperature, are particularly suitable, which results in a decrease in volume, which largely compensates for a temperature-related expansion of the material. So with these materials in particular in the temperature range from -30 ° C to + 50 ° C Thermal expansion coefficient reached with low values down to 2 x 10 "6 K " 1 .
  • Materials with high magnetostriction are e.g. Nickel, iron-nickel as well as iron-cobalt and iron-aluminum alloys.
  • a Fe-Ni alloy known under the name Invar steel with 36% ⁇ 0.5% nickel content is particularly preferably used, in which the following values are not exceeded: C ⁇ 0.04%, Si ⁇ 0.2%, Mn ⁇ 0.4%, P ⁇ 0.01% and S ⁇ 0.015%.
  • this alloy has a particularly low thermal expansion with a minimum of about 2 x 10 "6 K " 1 .
  • Other nickel components are also possible at the expense of minimal thermal expansion, with alloys with 30-50% nickel the thermal expansion being less than 10 x 10 "6 K " 1 .
  • Steels with 42-55% nickel have thermal expansions that are comparable to that of glass.
  • the invention is of particular interest for electromagnetic valve actuations, because problems would arise there when realizing hydraulic valve lash compensation.
  • a cylinder head 7 is shown, in the gas channel 8, which acts as an outlet channel, fuel gases flow out, as indicated by an arrow 9.
  • the gas exchange valve designated overall by 10, has a valve plate 11 and a valve stem 12.
  • the valve plate 11 is directed against a combustion chamber 13. It has a plate part 14, the edge of which is designated 15.
  • On the Edge 15 has a heat shield 16, preferably a ceramic plate.
  • the heat shield 16 is attached to the plate part 14.
  • the valve stem 12 has a tube 30.
  • a first discharge funnel 25 which is preferably made of aluminum sheet, encloses the tube 30 with its upper, tapered end.
  • the first discharge funnel 25 is fastened to the plate part 24 at its lower, enlarged end.
  • the first discharge funnel 25 is only to be understood as an option; it can also be omitted. It serves for better cooling and heat dissipation of the valve plate 1.
  • a second, outer discharge funnel 26 which is made of a ceramic material.
  • the second discharge funnel 26 surrounds the valve stem 12 with its upper, tapered end. H. in the illustrated embodiment, the pipe 30.
  • the lower, widened end of the second discharge funnel 26 is connected to the edge 15 of the plate part 14, for example by flanging, as indicated at 27.
  • an inner space 28 remains between it and the tube 30 or the plate part 14 and specifically its inner membrane 20.
  • an Invar rod 31 is provided in the interior of the tube 30, which causes the force transmission from the part 34 to the membrane 20.
  • This rod is supported by a ring 35 on the outer tube as kink protection.
  • the tube 30 is only a protective tube.
  • Sodium 32 is filled between the Invar rod 31 and the tube 20 for heat dissipation.
  • Other alkali metals are also possible.
  • the Invar rod is shrunk into both the part 34 and the membrane 20. Other connection techniques are conceivable. It can be seen that the tube 30 is displaceable relative to the part 34. It contributes nothing to the power transmission and, when heated, shifts relative to part 34.
  • Suitable materials for the force-transmitting part are generally materials with high magnetostriction, which decreases with increasing temperature, resulting in a A decrease in volume results, which largely compensates for a temperature-related expansion of the material.
  • Materials with high magnetostriction are, for example, nickel, iron-nickel as well as iron-cobalt and iron-aluminum alloys.
  • the Fe-Ni alloy known above under the name Invar steel with 36% ⁇ 0.5% nickel content can be used, in which the following values are not exceeded: C ⁇ 0.04%, Si ⁇ 0.2%, Mn ⁇ 0.4%, P ⁇ 0.01% and S ⁇ 0.015%.
  • this alloy has a particularly low thermal expansion with a minimum of about 2 x 10 "6 K " 1 . It is also possible to use alloys with other nickel or cobalt contents, thermal expansions smaller than 10 x 10 "6 K " 1 being achieved with alloys with 30-50% nickel. Alloys with 42-55% nickel have thermal expansions comparable to that of glass.
  • valve is shown cut on one side.
  • the pipe 40 is made of Invar or a material with a small coefficient of expansion.
  • This tube 40 is connected to the part 41 on which the force acts, for. B. by welding.
  • a valve funnel 43 is attached, which has a shoulder 44 and connected to the valve plate at the edge and in the center, for. B. is laser welded.
  • the tube 40 is inserted into the funnel 43, is supported on the shoulder 44 and is welded to the funnel 43.
  • the tube has a kink protection in the form of beads 45.
  • Fig. 2a shows a section through the tube in the area of the beads. A possible outer tube for protection is not shown in FIG. With this kink protection, the tube can be made very thin-walled and lightweight.
  • Fig. 3 half of the lower part of the valve is shown.
  • the tube is labeled 50, the funnel 53, the valve disk 52.
  • the funnel 53 is connected to the valve plate 52 by flanges at the edge and in the center, possibly shrink-wrapped at 56.
  • the connection of the tube 50 to the funnel can be realized in that a section 57 of the funnel is finished. (turned, ground) and that the pipe has shrunk in this area, which has a small step due to the fine machining.
  • the inside of the tube 50 and possibly also the funnel is filled with sodium 59. Other alkali metals can also be used here.
  • An outer tube 58 (protective tube) is also provided here.
  • beads can be provided in the inner tube as kink protection.
  • FIG. 4 largely corresponds to that of FIG. 3.
  • the funnel 63 is welded to the valve disk at 67.
  • the tube 60 is also welded to the funnel 63 at 68; and finally the outer tube is welded to the funnel at 69.
  • a bead 65 is visible here. The beads protrude into the valve guide at the inlet valve, up to the valve guide at the outlet valve.
  • the exhaust valve can be designed like the intake valve.

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Abstract

Es wird ein Gaswechselventil beschrieben mit einem Ventilschaft und mit einem im wesentlichen metallischen Ventilteller, der im eingebauten Zustand des Gaswechselventils einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gegenüber einem mit dem Brennraum verbindbaren Gaskanal verschliesst, bzw. öffnet, wobei in der Offenstellung des Gaswechselventils Brenngase an der Rückseite des Gaswechselventils entlang strömen und die Rückseite mit einem Ableittrichter versehen ist, der vom Umfang des Ventiltellers unter Verjüngung zu dem Ventilschaft führt und diesen umschliesst. Die die Kraft der Ventilbetätigung zum Ventilteller übertragende Einrichtung ist weitgehend aus einem Material mit sehr geringer Wärmeausdehung, z.B. Invar.

Description

Gaswechselventil
Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei den bekannten Ventilen wird die größere Längenausdehnung des Ventils gegenüber den Zylinderkopf dadurch verringert, daß ein hydraulischer Spielausgleich verwendet wird.
Diese ist relativ aufwendig, erfordert zusätzliche bewegliche Massen und benötigt Leistung aus der hydraulischen Pumpe. Bei elektromagnetischer Ventilsteuerung ist der hydraulische Ventilspieiausgleich nur teilweise einsetzbar, da bei einer größeren Unsymetrie der aus den beiden Rückstellfedern des Magnetsystems resultierenden Kraft die Hubarbeit des Magneten ungünstig beeinflußt wird. Außerdem ist das Gewicht des Ventils sehr wichtig, da es direkt in die beweglichen Massen eingeht und damit nennenswert zum Leistungsverbrauch des Ventilantriebes beiträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine andere Lösung des Problems zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Ansprüche 2 und 8 und die darauf zurück bezogenen Unteransprüche offenbaren zwei etwas unterschiedliche Lösungswege der Erfindung mit unterschiedlichen Ausbildungen.
Hierbei werden für die die Kraft übertragende Einrichtung, insbesondere für den Stab oder das Rohr Materialien mit geringster Wärmeausdehnung eingesetzt. Besonders geeignet sind Magnetwerkstoffe mit hoher Magnetostriktion, die mit steigender Temperatur abnimmt, woraus eine Volumenabnahme resultiert, welche eine temperaturbedingte Ausdehnung des Materials weitgehend kompensiert. So werden mit diesen Materialien insbesondere im Temperaturbereich von -30°C bis +50°C Wärmeausdehnungskoeffizienten mit niedrigen Werten bis hinab zu 2 x 10"6 K"1 erreicht.
Werkstoffe mit hoher Magnetostriktion sind z.B. Nickel, Eisen-Nickel- sowie Eisen- Kobalt- und Eisen-Aluminium-Legierungen.
Besonders bevorzugt eingesetzt wird eine unter der Bezeichnung Invar-Stahl bekannte Fe-Ni-Legierung mit 36% ± 0,5% Nickelanteil bei der weiterhin folgende Werte nicht überschritten werden: C<0,04%, Si<0,2%, Mn<0,4%, P<0,01 % und S<0,015%.
Diese Legierung weist bis etwa 200°C eine besonders geringe Wärmeausdehnung mit einem Minimum von etwa 2 x 10"6 K"1 auf. Auf Kosten der minimalen Wärmeausdehnung sind auch andere Nickelanteile möglich, wobei bei Legierungen mit 30-50% Nickel die Wärmeausdehnung kleiner als 10 x 10"6 K"1 ist. Stähle mit 42- 55% Nickel weisen Wärmeausdehnungen auf, die vergleichbar mit der von Glas sind.
Die Erfindung ist insbesondere für elektromagnetische Ventilansteuerungen von Interesse, weil sich dort bei der Realisierung eines hydraulischen Ventilspielausgleichs Probleme ergeben würden.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
Fig.1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Invarstab
die Fig.2 bis 4 Ausführungsbeispiele mit einem Invarrohr.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Zylinderkopf 7 dargestellt, in dessen Gaskanal 8, der als Auslaßkanal wirkt, Brenngase abströmen, wie mit einem Pfeil 9 angedeutet.
Das insgesamt mit 10 bezeichnete Gaswechselventil weist einen Ventilteller 11 , sowie einen Ventilschaft 12 auf. Der Ventilteller 11 ist gegen einen Brennraum 13 gerichtet. Er weist ein Tellerteil 14 auf, dessen Rand mit 15 bezeichnet ist. Auf dem Rand 15 liegt ein Hitzeschild 16, vorzugsweise eine keramische Platte, auf. Der Hitzeschild 16 ist am Tellerteil 14 befestigt.
Der Ventilschaft 12 weist ein Rohr 30 auf.
Ein erster Ableittrichter 25, der vorzugsweise aus Aluminiumblech besteht, schließt mit seinem oberen, verjüngten Ende das Rohr 30 ein. An seinem unteren, erweiterten Ende ist der erste Ableittrichter 25 am Tellerteil 24 befestigt. Der erste Ableittrichter 25 ist nur als Option zu verstehen, er kann auch entfallen. Er dient zur besseren Kühlung und Wärmeableitung des Ventiltellersl 1.
Wichtig ist demgegenüber ein zweiter, äußerer Ableittrichter 26, der aus einem keramischen Werkstoff besteht. Der zweite Ableittrichter 26 umschließt mit seinem oberen, verjüngten Ende den Ventilschaft 12, d. h. beim dargestellten Ausführungsbeispiel das Rohr 30. Das untere, erweiterte Ende des zweiten Ableittrichter 26 ist mit dem Rand 15 des Tellerteils 14 verbunden, beispielsweise durch Umbördeln, wie bei 27 angedeutet.
Da der zweite Ableittrichter 26 nur eine gewisse Wandstärke aufweist, verbleibt zwischen ihm und dem Rohr 30 bzw. dem Tellerteil 14 und speziell dessen innerer Membran 20 ein Innenraum 28.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig.1 ist im Innern des Rohrs 30 ein Invarstab 31 vorgesehen, der die Kraftübertragung vom Teil 34 auf die Membran 20 bewirkt. Dieser Stab wird über einen Ring 35 am Außenrohr als Knickschutz abgestützt. Das Rohr 30 ist nur ein Schutzrohr. Zwischen dem Invarstab 31 und dem Rohr 20 ist zur Wärmeableitung Natrium 32 eingefüllt. Auch andere Alkalimetalle sind möglich. Der Invarstab ist sowohl in das Teil 34 , als auch die Membran 20 eingeschrumpft. Andere Verbindungstechniken sind denkbar. Man erkennt, daß das Rohr 30 gegenüber dem Teil 34 verschiebbar ist. Es trägt nichts zur Kraftübertragung bei und verschiebt sich bei Erwärmung gegenüber dem Teil 34.
Geeignet sind als Material für das kraftübertragende Teil allgemein Werkstoffe mit hoher Magnetostriktion, die mit steigender Temperatur abnimmt, woraus eine Volumenabnahme resultiert, welche eine temperaturbedingte Ausdehnung des Materials weitgehend kompensiert. Werkstoffe mit hoher Magnetostriktion sind z.B. Nickel, Eisen-Nickel- sowie Eisen-Kobalt- und Eisen-Aluminium-Legierungen.
Eingesetzt werden kann die obengenannte unter der Bezeichnung Invar-Stahl bekannte Fe-Ni-Legierung mit 36% ± 0,5% Nickelanteil bei der weiterhin folgende Werte nicht überschritten werden: C<0,04%, Si<0,2%, Mn<0,4%, P<0,01 % und S<0,015%.
Diese Legierung weist bis etwa 200°C eine besonders geringe Wärmeausdehnung mit einem Minimum von etwa 2 x 10"6 K"1 auf. Es ist ebenfalls möglich Legierungen mit anderen Nickel- oder auch Kobaltanteilen einzusetzen, wobei Wärmeausdehnungen kleiner als 10 x 10"6 K"1 bei Legierungen mit 30-50% Nickel erreicht werden. Legierungen mit 42-55% Nickel weisen Wärmeausdehnungen auf, die vergleichbar mit der von Glas sind.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig.2 ist das Ventil halbseitig geschnitten gezeigt. Hier ist das Rohr 40 aus Invar oder einem Material mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten. Dieses Rohr 40 ist mit dem Teil 41 , auf das die Kraft einwirkt verbunden, z. B. durch Schweißung. Am Ventilteller 42 ist ein Ventiltrichter 43 angesetzt, der einen Absatz 44 aufweist und mit dem Ventilteller am Rand und mittig verbunden, z. B. lasergeschweißt ist.
Das Rohr 40 ist in den Trichter 43 eingeführt, stützt sich am Absatz 44 ab und ist mit dem Trichter 43 verschweißt. Das Rohr weist einen Knickschutz in Form von Sicken 45 auf. Ein Schnitt durch das Rohr im Bereich der Sicken zeigt Fig.2a. In Fig.2 ist ein mögliches Außenrohr zum Schutz nicht eingezeichnet. Durch diesen Knickschutz kann das Rohr sehr dünnwandig mit geringem Gewicht gestaltet werden.
In Fig. 3 ist die Hälfte des unteren Teils des Ventils gezeigt. Das Rohr ist mit 50, der Trichter mit 53, der Ventilteller mit 52 bezeichnet. Hier ist der Trichter 53 durch Bördelungen am Rand und mittig mit dem Ventilteller 52 verbunden, eventuell bei 56 noch eingeschrumpft. Die Verbindung des Rohrs 50 mit dem Trichter kann dadurch realisiert sein, daß ein Abschnitt 57 des Trichters feinbearbeitet ist. (gedreht, geschliffen) und daß das Rohr in diesem Bereich, der ja wegen der Feinbearbeitung einen kleinen Absatz aufweist, eingeschrumpft ist. Das Innere des Rohrs 50 und gegebenenfalls auch des Trichters ist mit Natrium 59 gefüllt. Auch andere Alkalimetalle können hier eingesetzt werden. Es ist hier auch noch ein Außenrohr 58 (Schutzrohr) vorgesehen. Auch hier können im Innenrohr Sicken als Knickschutz vorgesehen sein.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 entspricht weitgehend dem der Fig. 3. Hier ist der Trichter 63 bei 67 mit dem Ventilteller verschweißt. Auch das Rohr 60 ist bei 68 mit dem Trichter 63 verschweißt; und schließlich ist das Außenrohr bei 69 mit dem Trichter verschweißt. Hier ist eine Sicke 65 sichtbar. Die Sicken ragen beim Einlaßventil in die Ventilführung hinein, beim Auslaßventil bis an die Ventilführung heran. Bei einer Lösung mit zusätzlichem Innendruck im Zylindergehäuse kann das Auslaßventil wie das Einlaßventil gestaltet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Gaswechselventil mit einem Ventilschaft und mit einem im wesentlichen metallischen Ventilteller, der im eingebauten Zustand des Gaswechselventils einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gegenüber einem mit dem Brennraum verbindbaren Gaskanal verschließt ,bzw. öffnet, wobei in der Offenstellung des Gaswechselventils Brenngase an der Rückseite des Gaswechselventils entlang strömen und die Rückseite mit einem Ableittrichter versehen ist, der vom Umfang des Ventiltellers unter Verjüngung zu dem Ventilschaft führt und diesem umschließt, wobei Mittel vorgesehen sind , um die unterschiedliche Wärmeausdehnung des Ventils gegenüber dem Zylinderkopf zu verringern, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kraft der Ventilbetätigung zum Ventilteller (11 ,20) übertragende Einrichtung (32; 40, 50, 60) weitgehend aus einem Material mit sehr geringer Wärmeausdehnung ist.
2. Gaswechselventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die die Kraft übertragende Einrichtung ein Stab (31) aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung, insbesondere aus der Legierung Invar ist.
3. Gaswechselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (31 ) innerhalb des Ventilschafts (30) angeordnet ist, der als Schutzrohr dient.
4. Gaswechselventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (30) im Ventilteller (11 , 20) eingeschrumpft oder eingerollt oder angeschraubt oder eingeschweißt ist.
5. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Ventilteller (11 , 20) ferne Ende des Stabs mit einem Teil (34) verbunden ist, auf das die zu übertragenden Kräfte einwirken und daß dieses Teil nur mit dem Stabende verbunden ist und daß der Stab gegebenenfalls einen Ring als Knickschutz aufweist.
6. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schutzrohr und dem Stab ein weiteres Rohr (Innenrohr) angeordnet ist.
7. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stab (31 ) und dem Schutzrohr (30) ein Alkalimetall, insbesondere Natrium (32) eingefüllt ist.
8. Gaswechselventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die die Kraft übertragende Einrichtung ein Rohr (40, 50, 60) aus einem Stahl mit geringer Wärmeausdehnung, insbesondere aus der Legierung Invar ist.
9. Gaswechselventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventiltrichter (43, 53, 63)vorgesehen ist, der mit dem Rand des Ventiltellers (42, 52, 62) verbunden ist und mittig mit der Rückseite des Ventiltellers (42,52,62) verbunden ist und daß sich das Rohr ( 40, 50, 60) zentral an diesem Ventiltrichter (43, 53, 63) abstützt.
10. Gaswechselventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Rohr umgebendes weiteres Rohr (60 /Außenrohr) als Schutzrohr vorgesehen ist.
11. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (40, 60) einen wenigstens über einen Teil der Rohrlänge gehenden Knickschutz ( Sicken 45, 65) aufweist.
12. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr ( 50, 60) mit einem Alkalimetall, insbesondere mit Natrium (59, 69) gefüllt ist.
13. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltrichter (43, 53, 63) tiefgezogen ist.
14. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltrichter einen Absatz (44) zur Abstützung des Rohrs (40) aufweist.
15. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (40, 60) am Ventiltrichter (43, 63) angeschweißt oder im Ventiltrichter eingeschrumpft ist.
16. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltrichter (43, 53, 63) am Rand des Ventiltellers angeschweißt oder eingebördelt ist.
17. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltrichter (43, 53, 63) mittig mit dem Ventilteller (40, 50, 60) durch Schweißung oder Bördelung verbunden ist.
18. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltrichter am Ventiltellerrand und am Tellerboden durch mechanische Umformung befestigt ist. (Fig.3)
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