-
Die Erfindung betrifft ein Bimetallventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor.
-
Aus der
US 5 592 913 A ist ein Bimetallventil bekannt. Dieses Dokument beschreibt ein zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor vorgesehenes Ventil, das einen Ventilteller sowie einen Ventilschaft aufweist. Der Ventilschaft besteht aus zwei miteinander verschweißten Abschnitten, die zur Anpassung an die im Betrieb an die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Ventils gestellten Anforderungen aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfahren die beiden Schaftmaterialien im Betrieb des Ventils unterschiedliche thermische Ausdehnungen. Um sicherzustellen, dass im Betrieb des Ventils in beiden Schaftabschnitten stets ein ausreichendes Ventilführungsspiel vorhanden ist, weist der Ventilschaft einen kegelstumpfförmig ausgebildeten Bereich auf, in dem sich der Ventilschaft in Richtung des Ventiltellers verjüngt. Der kegelstumpfförmige Bereich erstreckt sich über einen verhältnismäßig großen Teil der Länge des Ventilschafts und weist zwei gleich lange Teilbereiche auf, die sich jeweils zu beiden Seiten einer die beiden Ventilschaftabschnitte miteinander verbindenden Schweißnaht erstrecken.
-
Ein gemäß der
US 5 592 913 A konstruiertes Ventil weist den Nachteil auf, dass im Betrieb des Ventils das Ventilführungsspiel in einem ventiltellerseitigen Abschnitt des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs, insbesondere bei kaltem Motor, verhältnismäßig groß ist. Dies kann zur Bildung einer karbonisierten Schicht auf dem Ventilschaft führen, die die Ableitung von Wärme von dem Ventil beeinträchtigen und somit eine erhöhte thermische und mechanische Belastung des Ventils, im Extremfall sogar ein Blockieren des Ventils in der Ventilführung zur Folge haben kann.
-
Ein Bimetallventil mit einem Ventilteller aus einer ersten Stahlsorte und einem Schaft aus einer zweiten Stahlsorte, die mittels Reibschweißens miteinander verbunden sind, ist aus
DE 40 14 072 A1 bekannt.
-
PL 159 378 B1 offenbart zudem ein Ventil mit einem Kern aus Kohlenstoffstahl, der in einem Bereich eines Ventiltellers mit einem austenitischen Stahl überzogen ist.
-
Die
DE 196 18 477 A1 beschreibt ein Bimetallventil mit einem Ventilschaft, welcher zwei unterschiedlich große Durchmesser aufweist.
-
Die Erfindung ist auf die Aufgabe gerichtet, ein Bimetallventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, das so aufgebaut ist, dass im Betrieb des Ventils ein Blockieren des Ventils in einer Ventilführung zuverlässig vermieden und gleichzeitig das Ventilführungsspiel so klein wie möglich gehalten wird.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Bimetallventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst ein erfindungsgemäßes Bimetallventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor einen Ventilteller sowie einen Ventilschaft, wobei der Ventilschaft einen mit dem Ventilteller verbundenen und aus einem ersten Material bestehenden ersten Ventilschaftabschnitt sowie einen mit dem ersten Ventilschaftabschnitt verbundenen und aus einem zweiten Material bestehenden zweiten Ventilschaftabschnitt aufweist. Vorzugsweise sind der Ventilteller und der erste Ventilschaftabschnitt einstückig ausgeführt und bestehen beispielsweise aus einem austenitischen Stahl, der sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine hohe Warmfestigkeit auszeichnet. Der zweite Ventilschaftabschnitt kann beispielsweise aus einem martensitischen Stahl bestehen, der eine hohe Härte, eine hohe Festigkeit sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte sind vorzugsweise durch Reibschweißen miteinander verbunden, wobei die Schweißnaht zwischen den ersten und zweiten Ventilschaftabschnitten im Betrieb des Ventils vorzugsweise innerhalb einer Ventilführung angeordnet ist.
-
Das zweite Material des zweiten Ventilschaftabschnitts weist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das erste Material des ersten Ventilschaftabschnitts. Wenn der erste Ventilschaftabschnitt aus einem austenitischen Stahl besteht und der zweite Ventilschaftabschnitt aus einem martensitischen Stahl gefertigt ist, liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials des ersten Ventilschaftabschnitts im interessierenden Betriebstemperaturintervall des Ventils bei ca. 19 x 10-6 1/K, während der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Materials des zweiten Ventilschaftabschnitts im interessierenden Betriebsemperaturintervall des Ventils bei ca. 13 × 10-6 1/K liegt. Infolgedessen erfährt der erste Ventilschaftabschnitt im Betrieb des Ventils eine größere Wärmeausdehnung als der zweite Ventilschaftabschnitt.
-
Um den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte im Betrieb des Ventils Rechnung zu tragen, umfasst der Ventilschaft einen kegelstumpfförmig ausgebildeten Bereich, in dem sich der Durchmesser des Ventilschafts in Richtung des Ventiltellers von einem ersten Durchmesser auf einen zweiten Durchmesser verringert. Der kugelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts erstreckt sich über mehr als 50 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt. Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen Bimetallventil ist der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts überwiegend in dem zweiten Ventilschaftabschnitt angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bimetallventils wird im Betrieb des Ventils ein Blockieren des Ventils in der Ventilführung aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens der ersten und zweiten Ventilschaftmaterialien sicher unterbunden. Gleichzeitig wird ein übermäßiges Ventilführungsspiel im Bereich des ersten Ventilschaftabschnitts vermieden. Das erfindungsgemäße Bimetallventil zeichnet sich daher durch eine hervorragende Betriebssicherheit aus.
-
Der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts erstreckt sich vorzugsweise über mehr als 60 %, besonders bevorzugt über mehr als 70 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts über mehr als 80 %, besonders bevorzugt über mehr als 90 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt.
-
Der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts kann auch vollständig in dem zweiten Ventilschaftabschnitt angeordnet sein, d.h. sich über seine gesamte Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt erstrecken. Bei einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bimetallventils kann der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich des Ventilschafts unmittelbar angrenzend an die Verbindungsstelle, d.h. die Schweißnaht zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt in dem zweiten Ventilschaftabschnitt angeordnet sein. Alternativ dazu kann der kegelstumpfförmige Bereich des Ventilschafts jedoch auch in einem Abstand von der Verbindungsstelle, d.h. der Schweißnaht zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt in dem zweiten Ventilschaftabschnitt angeordnet sein.
-
Die Länge des kegelstumpfförmigen Bereichs des Ventilschafts beträgt lediglich ungefähr 0,5 % bis ungefähr 10 %, besonders bevorzugt lediglich ungefähr 1 % bis ungefähr 5 % der Gesamtlänge des Bimetallventils. Durch eine derartige Ausgestaltung des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs wird ein gleichmäßiger Übergang von einem einen geringeren Durchmesser aufweisenden ventiltellerseitigen Ventilschaftbereich zu einem einen vergrößerten Durchmesser aufweisenden und von dem Ventilteller abgewandten Ventilschaftbereich realisiert. Gleichzeitig wird eine Beeinträchtigung der Betriebseigenschaften des Bimetallventils durch einen eine größere Länge aufweisenden kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich vermieden. Beispielsweise kann die Länge des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs ungefähr 1 mm bis ungefähr 3 mm, vorzugsweise ungefähr 2 mm betragen.
-
Die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich ist vorzugsweise an die Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Materialien der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte angepasst. Beispielsweise können die ersten und zweiten Durchmesser des Ventilschafts und somit die Verringerung des Ventilschaftdurchmessers in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich so gewählt sein, dass sich im Betrieb des Bimetallventils bei einer vorbestimmten, beispielsweise einer durchschnittlichen oder einer maximalen Betriebstemperatur des Ventils entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte ein gewünschtes Ventilführungsspiel einstellt. Das sich einstellende Ventilführungsspiel ist vorzugsweise so klein wie möglich gewählt, jedoch groß genug, um ein Blockieren des Ventils in der Ventilführung in allen Betriebszuständen des Ventils sicher zu vermeiden.
-
Die ersten und zweiten Durchmesser des Ventilschafts und somit die Verringerung des Ventilschaftdurchmessers in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich sind vorzugsweise so gewählt, dass sich im Betrieb des Bimetallventils bei einer vorbestimmten, beispielsweise einer durchschnittlichen oder einer maximalen Betriebstemperatur des Bimetallventils im Bereich der Verbindungsstelle, d.h. der Schweißnaht zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftabschnitt entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte ein gleich großes Führungsspiel einstellt. Mit anderen Worten, die ersten und zweiten Ventilschaftdurchmesser des erfindungsgemäßen Bimetallventils sind vorzugsweise so ausgelegt, dass eine aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Materialien der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte resultierende unterschiedliche Wärmeausdehnung der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte bei der vorbestimmten Betriebstemperatur des Ventils kompensiert wird.
-
Die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser kann ungefähr 0,05 % bis ungefähr 0,3 % betragen. Eine derartige Verringerung des Ventilschaftdurchmessers ermöglicht insbesondere bei Bimetallventilen mit einem aus einem austenitischen Stahl bestehenden ersten Ventilschaftabschnitt und einem aus einem martensitischen Stahl bestehenden zweiten Ventilschaftabschnitt im Betrieb des Ventils eine gute Kompensation der aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Ventilschaftmaterialien resultierenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte.
-
Bei einem als Einlassventil eingesetzten Bimetallventil beträgt die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts in dem kegelstumpfförmigen Bereich von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser vorzugsweise ungefähr 0,1 %. Wenn der erste Durchmesser des Ventilschafts ungefähr 10 mm beträgt, ergibt sich somit eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilschaftdurchmesser von ungefähr 10 µm. Eine derartige Verringerung des Ventilschaftdurchmessers hat sich bei den durchschnittlichen Betriebstemperaturen eines Einlassventils als besonders zweckmäßig erwiesen.
-
Wenn das Bimetallventil dagegen als Auslassventil eingesetzt werden soll, beträgt die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts in dem kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereich von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser vorzugsweise ungefähr 0,2 %. Wenn der erste Durchmesser des Ventilschafts ca. 10 mm beträgt, ergibt sich eine Verringerung des Ventilschaftdurchmessers von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser von ungefähr 20 µm. Eine derartige Verringerung des Ventilschaftdurchmessers hat sich bei der im Vergleich zur Betriebstemperatur eines Einlassventils höheren Betriebstemperatur eines Auslassventils als besonders geeignet erwiesen, um die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Ventilschaftmaterialien resultierenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte zu kompensieren.
-
Vorzugsweise ist der Ventilschaft des erfindungsgemäßen Bimetallventils zumindest teilweise hartverchromt. Eine auf den Ventilschaft des erfindungsgemäßen Bimetallventils aufgebrachte Chromschicht kann sich beispielsweise über die Bereiche der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte erstrecken, die im Betrieb des Ventils verschiebbar in der Ventilführung geführt werden.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen
- 1 zwei erfindungsgemäße Bimetallventile im in entsprechenden Ventilführungen montierten Zustand zeigt,
- 2 ein erfindungsgemäßes Bimetallventil zeigt, und
- 3 einen Detailausschnitt des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Bimetallventils zeigt.
-
1 zeigt einen Abschnitt eines Verbrennungsmotors mit einem Einlassventil 10a, das entlang einer Längsachse La verschiebbar in einer Einlassventilführung 12a aufgenommen ist. Ein Auslassventil 10b ist entlang einer Längsachse Lb verschiebbar in einer Auslassventilführung 12b aufgenommen. Die Ventile 10a, 10b weisen jeweils einen Ventilteller 14a, 14b sowie einen Ventilschaft 16a, 16b auf.
-
Der Ventilschaft 16a, 16b der Ventile 10a, 10b umfasst jeweils einen einstückig mit dem Ventilteller 14a, 14b ausgebildeten ersten Ventilschaftabschnitt 18a, 18b. Der erste Ventilschaftabschnitt 18a, 18b der Ventile 10a, 10b besteht aus einem austenitischen Stahl, der sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine hohe Wärmefestigkeit auszeichnet und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 19 × 10-6 1/K aufweist. Der erste Ventilschaftabschnitt 18a, 18b der Ventile 10a, 10b ist über eine Reibschweißnaht 20a, 20b mit einem zweiten Ventilschaftabschnitt 22a, 22b verbunden. Der zweite Ventilschaftabschnitt 22a, 22b der Ventile 10a, 10b besteht aus einem martensitischen Stahl mit einer hohen Härte, einer hohen Festigkeit sowie einer hohen Wärmeleitfähigkeit, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 13 × 10-61/K aufweist. Wie aus der 1 ersichtlich wird, ist die Reibschweißnaht 20a, 20b zwischen den ersten und zweiten Ventilschaftabschnitten 18a, 18b, 22a, 22b innerhalb der Ventilführungen 12a, 12b angeordnet.
-
Zur Kompensation der aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 18b, 22a, 22b resultierenden unterschiedlichen Wärmeausdehnung der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 18b, 22a, 22b im Betrieb der Ventile 10a, 10b weist der Ventilschaft 16a, 16b im Bereich des zweiten Ventilschaftabschnitts 22a, 22b einen ersten Durchmesser D1 auf, der sich entlang eines kegelstumpfförmig ausgebildeten Ventilschaftbereichs 24a, 24b in Richtung des Ventiltellers 14a, 14b auf einen zweiten Durchmesser D2 verringert (siehe 2 und 3). Die Länge des kegelstumpfförmigen Bereichs 24a, 24b des Ventilschafts 16a, 16b, d.h. die Erstreckung des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs 24a, 24b entlang der Ventillängsachse La, Lb beträgt ungefähr 0,5 % bis 10 % der Ventilgesamtlänge.
-
Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Ventilen 10a, 10b ist der kegelstumpfförmig ausgebildete Bereich 24a, 24b des Ventilschafts 16a, 16b vollständig in dem zweiten Ventilschaftabschnitt 18a, 18b in einem Abstand von der Reibschweißnaht 20a, 20b angeordnet. Alternativ dazu kann ein vollständig in dem zweiten Ventilschaftabschnitt 22a, 22b angeordneter kegelstumpfförmiger Ventilschaftbereich 24a, 24b auch unmittelbar an die Reibschweißnaht 20a, 20b angrenzen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass sich ein Teilbereich des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs 24a, 24b in den ersten Ventilschaftabschnitt 18a, 18b erstreckt, d.h. die Reibschweißnaht 20a, 20b innerhalb des kegelstumpfförmigen Ventilschaftbereichs 24a, 24b angeordnet ist. Wesentlich ist jedoch, dass sich der kegelstumpfförmige Ventilschaftbereich 24a, 24b über mehr als 50 % seiner Länge in dem zweiten Ventilschaftabschnitt 22a, 22b erstreckt.
-
Die ersten und zweiten Durchmesser D1, D2 des Ventilschafts 16a, 16b sind so gewählt, dass sich im Betrieb der Ventile 10a, 10b bei einer jeweiligen durchschnittlichen Betriebstemperatur der Ventile 10a, 10b entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 18b, 22a, 22b ein gewünschtes Ventilführungsspiel zwischen dem Ventilschaft 16a, 16b und der Ventilführung 12a, 12b einstellt. Insbesondere sind die ersten und zweiten Durchmesser D1, D2 des Ventilschafts 16a, 16b so gewählt, dass sich im Betrieb der Ventile 10a, 10b bei einer jeweiligen durchschnittlichen Betriebstemperatur der Ventile 10a, 10b im Bereich der Reibschweißnaht 20a, 20b entlang der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 18b, 22a, 22b ein gleich großes Ventilführungsspiel zwischen dem Ventilschaft 16a, 16b und der Ventilführung 12a, 12b einstellt.
-
Bei dem Einlassventil 10a, dessen erster Ventilschaftabschnitt 18a aus einem austenitischen Stahl und dessen zweiter Ventilschaftabschnitt 22a aus einem martensitischen Stahl besteht, beträgt die Verringerung des Durchmessers des Ventilschafts 16a in dem kegelstumpfförmigen Bereich 24a von dem ersten Durchmesser D1 auf dem zweiten Durchmesser D2 ungefähr 0,1 %. Dies entspricht bei einem ersten Ventilschaftdurchmesser D1 von ungefähr 10 mm einer Durchmesserverringerung um ungefähr 10 µm. Dadurch wird eine gute Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18a, 22a bei der durchschnittlichen Betriebstemperatur des Einlassventils 10a erreicht.
-
Bei dem Auslassventil 10b beträgt die Verringerung des Ventilschaftdurchmessers in dem kegelstumpfförmigen Bereich 24b von dem ersten Durchmesser D1 auf den zweiten Durchmesser D2 ungefähr 0,2 %. Dies entspricht bei einem ersten Ventilschaftdurchmesser D1 von ungefähr 10 mm einer Durchmesserverringerung von ungefähr 20 µm. Eine derartige Verringerung des Ventilschaftdurchmessers hat sich bei der durchschnittlichen Betriebstemperatur des Auslassventils 10b als besonders zweckmäßig zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der ersten und zweiten Ventilschaftabschnitte 18b, 22b erwiesen.
-
Das Einlassventil 10a und das Auslassventil 10b sind im Bereich ihres Ventilschafts 16a, 16b mit einer Hartchromschicht 26a, 26b versehen. Die Hartchromschicht 26a, 26b erstreckt sich über den überwiegenden Teil des zweiten Ventilschaftabschnitts 22a, 22b sowie über einen Teil des ersten Ventilschaftabschnitts 18a, 18b, der im Betrieb der Ventile 10a, 10b innerhalb der Ventilführung 12a, 12b angeordnet ist.