DE3240461A1 - DISC VALVE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE - Google Patents
DISC VALVE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINEInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Tellerventil für eine Brennkraftmaschine.The invention relates to a poppet valve for an internal combustion engine.
Bei der Entwicklung moderner Brennkraftmaschinen verfolgt man zwei Hauptziele. Ein Ziel besteht darin, einen möglichst wirtschaftlichen Brennstoffverbrauch zu erzielen, wobei andererseits die Leistung pro Gewichtseinheit so groß als möglich sein soll. Es gibt zwei hauptsächliche Mittel, um diese Ziele zu erreichen. Einerseits sucht man das Gesamtexpansionsverhältnis beispielsweise durch eine Turboaufladung zu vergrößern, und andererseits sucht man soweit als möglich das Gewicht der hin- und hergehenden Teile zu verringern.Two main goals are pursued in the development of modern internal combustion engines. One goal is the most economical fuel consumption possible to achieve, on the other hand, the performance per unit weight should be as large as possible. There are two main ones Means to achieve these goals. On the one hand, one looks for the overall expansion ratio, for example to enlarge by a turbocharger, and on the other hand one seeks to reduce the weight of the reciprocating parts as much as possible.
Durch Vergrößerung des Gesamtexpansionsverhältnisses wird notwendigerweise die Temperatur erhöht, der jene Teile des Motors ausgesetzt sind, die die Brennkammer bilden und von diesen Bauteilen ist das Auslaßventil den extremsten Bedingungen ausgesetzt. Die Fähigkeit dieser Ventile, diesen sich vergrößernden schwerwiegenden Betriebsparametern zu widerstehen, stellten bei der Entwicklung dieser Brennkraftmaschinen eine Grenze dar.By increasing the total expansion ratio, the temperature is necessarily increased, which is that Parts of the engine that form the combustion chamber are exposed and of these components is the exhaust valve exposed to the most extreme conditions. The ability of these valves to cause this enlarging serious Resisting operating parameters represented a limit in the development of these internal combustion engines.
Der zweite Weg erforderte, daß die hin- und hergehenden Teile hinsichtlich ihres Gewichtes verringert werden. Die Tellerventile haben hier einen großen Gewichtsanteil, da ein schweres Ventil ein entsprechend scheres Ventilbetätigungsgestänge erfordert. Eine Verbesserung kann deshalb dadurch erreicht werden, daß die Ventile so leichtThe second way required the going back and forth Parts are reduced in terms of their weight. The poppet valves have a large share of weight here, because a heavy valve requires a correspondingly shear valve actuation linkage. An improvement can be therefore achieved by making the valves so light
• ·• ·
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als möglich gemacht werden.as possible.
Bisher wurden die Ventile für Brennkraftmaschinen höherer Leistung aus geschmiedeten Nickellegierungen hergestellt. Versuche, das Verhalten dieser Ventile zu verbessern, führten zur Benutzung besserer Schmiedelegierungen. Außerdem wurde eine Natriumkühlung vorgesehen und eine thermische Isolation angewendet, um den Wärmeeingang nach dem Metall zu vermindern. Diese Versuche haben gewisse Erfolge gezeitigt, aber es besteht noch immer das Bedürfnis nach einer Verbesserung der Ventilkörper.So far, the valves for internal combustion engines of higher power have been made of forged nickel alloys manufactured. Attempts to improve the performance of these valves have resulted in the use of better forged alloys. In addition, sodium cooling was provided and thermal insulation was used to protect the To decrease heat input after the metal. These attempts have had some success, but it persists there is still a need for valve body improvement.
Die Verwendung von Metallguß für leistungsfähige Tellerventile hat sich nicht als praktisch möglich erwiesen. Gußkörper sind bekanntermaßen spröde und lassen nur eine schlechte qualitative Überprüfung zu, und dies kann zu beträchtlichen Änderungen der Eigenschaften infolge von Einschlüssen, Porosität und anderen Defekten führen. Deshalb hat es sich als notwendig erwiesen, bei hochqualitativen Ventilen wiederholte Schmiedevorgänge durchzuführen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in einem bestimmten Gießverfahren eine sehr hohe Qualitätskontrolle möglich wird und außerdem sind gute Metalleigenschaften erlangt worden, wenn das Verfahren mit sorgfältig gewählten Legierungen durchgeführt wird. Dieses bestimmte Verfahren umfaßt einen Einkristall-Gießprozeß und durch Anwendung dieses Verfahrens werden Einkristalle erzeugt, deren Eigenschaften von den Eigenschaften normaler Gußstücke abweichen. Bei richtiger Wahl der Legierung ist es möglich, eine sehr hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen zu erreichen, wobei sich gleichzeitig ein guter Korrosionswiderstand und eine Ducktilität ergibt, die jener der besten Schmiedematerialien angenähert ist.The use of cast metal for high-performance poppet valves has not proven practical. Cast bodies are known to be brittle and leave only one poor qualitative review too, and this can result in significant changes in properties Inclusions, porosity and other defects. This is why it has been found necessary with high quality Valves to perform repeated forging operations. The invention is based on the knowledge that a very high quality control in a certain casting process becomes possible and, moreover, good metal properties have been obtained if the method is used carefully selected alloys is carried out. This particular method involves a single crystal casting process and by Using this process, single crystals are produced whose properties are different from the properties of normal castings differ. With the right choice of alloy it is possible to have a very high strength at high temperatures to achieve, while at the same time a good corrosion resistance and a Ducktilität results that approximates that of the best forging materials.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe bei einem Tellerventil für eine Brennkraftmaschine dadurch gelöst, daß dieses Ventil aus einem Einkristall aus einem hochtemperaturfestem Metall besteht, welches einen flächenzentrierten kubischen Kristallaufbau besitzt, dessen ^001^ Kristallachse in Längsrichtung des Ventils verläuft.According to the invention, the set object is thereby achieved in the case of a poppet valve for an internal combustion engine solved that this valve consists of a single crystal of a high temperature resistant metal, which has a face-centered cubic crystal structure, its ^ 001 ^ crystal axis in the longitudinal direction of the valve runs.
Vorzugsweise besteht das Ventil aus einer Superlegierung auf Nickelbasis. Der Stiel des Ventils kann hohl sein, um das Gewicht und demgemäß die parasitischen Metallbelastungen zu verringern.Preferably the valve is made from a nickel-based superalloy. The stem of the valve can be hollow in order to reduce the weight and, accordingly, the parasitic metal loads.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:Embodiments of the invention are shown below described with reference to the drawing. In the drawing show:
Fig. 1 bis 3 aufeinanderfolgende Verfahrensschritte der Vorrichtung, die benutzt wird zur Herstellung von Tellerventilen gemäß der Erfindung;Fig. 1 to 3 successive process steps of the device which uses is used to manufacture poppet valves according to the invention;
Fig. 4 eine Schnittansicht des Tellerventils,4 is a sectional view of the poppet valve,
das in der Vorrichtung nach Fig. 1 bis hergestellt wird;which is produced in the device of Figures 1 to;
Fig. 5 eine Form, die bei einem anderen Ausführungsbeispiel zur Herstellung benutzt wird.Fig. 5 shows a shape that is used in another embodiment is used for production.
Figur 1 zeigt im Schnitt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Einkristallwerkstücks, die aus drei Kammern,Figure 1 shows in section a device for generating of a single crystal workpiece consisting of three chambers,
nämlich einer oberen Schmelzkammer 10, einer mittleren Gießkammer 11 und einer unteren Wegzugskammer 12 besteht. Die obere Schmelzkammer umfaßt einen Schmelztopf 13, in dem eine Metallcharge 14 enthalten ist, die im vorliegenden Fall aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung besteht.namely an upper melting chamber 10, a middle one Casting chamber 11 and a lower withdrawal chamber 12 consists. The upper melting chamber includes a melting pot 13, in which a metal charge 14 is contained, which in the present case consists of a nickel-based Superalloy.
Der Schmelztopf besitzt ein Ausgießloch 15, welches durch einen schmelzbaren Stopfen 16 verschlossen und von der Wendel 17 einer Induktionsheizvorrichtung umschlossen ist. The melting pot has a pouring hole 15 which is closed by a fusible stopper 16 and is enclosed by the coil 17 of an induction heating device.
Das Gießloch 15 des Schmelztopfes 13 ist auf den Einlaßkanal 18 der Gießkammer 11 ausgerichtet. Die Kammer besteht grundsätzlich aus einem Ofen mit isolierenden Wänden 19 und elektrischen Heizelementen 20. Das Dach des Ofens weist den Einlaßkanal 18 auf, während im Boden 22 des Ofens eine Öffnung 23 angeordnet ist, die so bemessen ist, daß eine wassergekühlte Schreckplatte hindurchtreten kann. Die Schreckplatte 24 ist vertikal auf einem Kolbenantrieb 25 vor der Gießkammer 11 und der Wegzugskammer 12 montiert. Im Gebrauch trägt die Schreckplatte 24 eine Form, die weiter unten im einzelnen beschrieben wird.The pouring hole 15 of the melting pot 13 is on the inlet channel 18 of the casting chamber 11 aligned. The chamber basically consists of an oven with insulating Walls 19 and electrical heating elements 20. The roof of the furnace has the inlet duct 18, while in the floor 22 of the furnace an opening 23 is arranged, which is dimensioned so that a water-cooled shock plate can pass through. The shock plate 24 is vertical on a piston drive 25 in front of the casting chamber 11 and the withdrawal chamber 12 is mounted. In use, the shock plate 24 bears a shape which is detailed below is described.
Die Wegzugskammer 12 weist eine Wand 26 auf, die mit Wasserkühlrohren 27 ausgerüstet ist. Es ist ersichtlich, daß dann wenn die Heizelemente 20 und die Kühlrohre 27 arbeiten, eine Wärmefront in der Nähe der Öffnung zwischen der heißen Gießkammer 11 und der gekühlten Wegzugskammer 12 erzeugt wird. Die Arbeitsweise der Vorrichtung hängt vom Vorhandensein dieser Wärmefront ab.The withdrawal chamber 12 has a wall 26 with Water cooling pipes 27 is equipped. It can be seen that when the heating elements 20 and the cooling tubes 27 work, a heat front near the opening between the hot casting chamber 11 and the cooled withdrawal chamber 12 is generated. The operation of the device depends on the presence of this warm front.
Der Endteil der Vorrichtung umfaßt die Keramikform 28. Diese Form wird auf die für eine Hohlform normale Weise dadurch hergestellt, daß ein Wachsmodell der erforderlichen Gestalt geformt und mit einem überzug aus Keramikmaterial versehen wird. Dann wird das Wachs ausgeschmolzen und die Form gebrannt, um ihr die erforderliche Festigkeit zu verleihen.The end portion of the device includes the ceramic mold 28. This shape is modified to that normal for a hollow mold Way made by having a wax model of the required shape molded and covered with a coating made of ceramic material. Then the wax is melted out and the shape is fired to make it to give the required strength.
Die Form besteht aus vier Teilen, nämlich einem Startabschnitt 29, einem Wählabschnitt 30, einem Formhohlraum 31 und einem Gießtrichter 32. Der Startabschnitt 29 ist am Boden offen und ist auf die obere Oberfläche der Schreckplatte 24 ausgerichtet, die den Starterabschnitt abschließt. Innerhalb des Starterabschnitts wird, wie weiter unten erläutert, ein säulenförmiger Kornaufbau erzeugt.The mold consists of four parts, namely a starting section 29, a selection section 30, and a mold cavity 31 and a pouring funnel 32. The starting section 29 is open at the bottom and is on the upper surface of the Aligned shock plate 24, which closes the starter section. Inside the starter section is how explained below, a columnar grain structure is produced.
Der Teil der Form über der Startkammer umfaßt einen schmalen, schraubenlinienförmig gestalteten Kanal, der einen Selektor 30 bildet. Die Funktion des Selektors besteht darin, daß nur eines von mehreren Körnern, die in der Starterkammer 29 gewachsen sind, auch weiterhin wachsen kann. Über dem Selektor 30 befindet sich der Hauptformhohlraum 31. Dieser Hohlraum hat die Gestalt des herzustellenden Ventils, d.h. der Hohlraum definiert einen Stielabschnitt, der sich allmählich erweitert, um einen sich verbreiternden Kopfabschnitt zu bilden. Gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel befindet sich der Stiel am Boden des Hohlraums, während der Kopf oben befindlich ist. Schließlich ist über dem Formhohlraum ein Gießtrichter 32 vorgesehen, der einen trichterförmigen Kanal zum Eingießen des geschmolzenen Metalls bildet.The portion of the mold above the starting chamber includes a narrow, helically shaped channel, the a selector 30 forms. The function of the selector is that only one of several grains that have grown in the starter chamber 29 can continue to grow. Above the selector 30 is the Main mold cavity 31. This cavity has defined the shape of the valve to be manufactured, i.e. the cavity a stem portion that gradually widens to form a widening head portion. According to the above embodiment, the stem is at the bottom of the cavity, while the head is at the top is located. Finally, a pouring funnel 32 is provided above the mold cavity, which has a funnel-shaped Forms channel for pouring the molten metal.
• · · ο - β• · · ο - β
Die Arbeitsweise der Vorrichtung besteht darin, daß anfänglich die Form 28 in der heißen Gießkammer 11, wie in Figur 1 dargestellt, untergebracht wird, wobei eine Metallcharge in dem Schmelztopf 13 untergebracht ist. Dann werden die Spulen 17 erregt, um die Metallcharge zu schmelzen, wodurch wiederum der schmelzbare Zapfen 16 verflüssigt wird und durch das Austrittsloch 15, durch den Einlaßkanal 18 und über den Gießtrichter 32 in die Form 28 gelangt. Diese Form wird von dem geschmolzenen Metall allmählich ausgefüllt. The operation of the device is that initially the mold 28 in the hot casting chamber 11, as shown in FIG. 1, with a metal charge being accommodated in the melting pot 13 is. Then the coils 17 are energized to melt the metal charge, which in turn causes the fusible pin 16 is liquefied and through the Exit hole 15, through the inlet channel 18 and via the pouring funnel 32 into the mold 28. These The molten metal gradually fills the mold.
Danach wird der Kolbenantrieb 25 betätigt, um die gefüllte Form langsam aus der Gießkammer 11 in die gekühlte Wegzugskammer 12 abzuziehen, während gleichzeitig die Schreckplatte 24 gekühlt wird. Dies bewirkt, daß die Hitze von der Basis der Form abgezogen wird und wegen der Bewegung der Form durch die Hitzefront zwischen den Kammern 11 und 12 wird der geschmolzene Inhalt der Form veranlaßt, progressiv von der Basis nach oben zu erstarren. Dies ergibt eine Bedingung, die für die Erzeugung langgestreckter Körner in der Starterkammer 29 erforderlich ist.Then the piston drive 25 is actuated to slowly move the filled mold from the casting chamber 11 into the to withdraw cooled withdrawal chamber 12 while at the same time the shock plate 24 is cooled. This causes, that the heat is drawn away from the base of the mold and because of the movement of the mold by the heat front between the chambers 11 and 12 is the melted The content of the form causes it to solidify progressively from the base upwards. This gives a condition which is required for the production of elongated grains in the starter chamber 29.
Diese langgestreckten Körner wachsen in der Starterkammer 29, wenn die Erstarrungsfront fortschreitet, bis die Front den schraubenförmigen Selektorkanal 30 erreicht (dies ist die Bedingung gemäß Figur 2). Hier bewirkt die Gestaltung des Kanals, daß nur eines der Körner wachsen kann und die übrigen Körner abgesperrt werden«, was zur Auswahl nur eines Kornes führt, welches durch den KanalThese elongated grains grow in the starter chamber 29 as the solidification front progresses until the Front reaches the helical selector channel 30 (this is the condition according to FIG. 2). Here the design of the channel causes only one of the grains to grow can and the remaining grains are blocked off «, what to Selecting only one grain, which leads through the channel
und in den Haupthohlraum 31 hineinwächst, wo es weiter in die erforderliche Gestalt und Form eines Einzelkristalls wächst. Der Kristall wird durch dieses Verfahren veranlaßt, in seiner <OO1} Achse in der Längserstreckung der Form zu wachsen, d.h. in Richtung der Längserstreckung des zu erzeugenden Ventils.and grows into the main cavity 31 where it continues into the required shape and form of a single crystal grows. The crystal is caused by this procedure, in its <OO1} axis in the longitudinal extension to grow in shape, i.e. in the direction of the longitudinal extension of the valve to be produced.
Die Form wird weiter in die Kammer 12 zurückgezogen, bis sie vollständig aus dieser Kammer abgezogen ist und das geschmolzene Metall vollständig erstarrt ist. Die Form und der Inhalt können dann von der Schreckplatte angehoben werden und die Form kann mechanisch oder auf andere Weise von dem gegossenen Metall entfernt werden. Dann ist es erforderlich, das gegossene Ventil von den übrigen Abschnitten des vergossenen Materials zu trennen, die den Selektor und den Gießtrichter ausgefüllt haben. Dann kann eine zusätzliche spanabhebende Bearbeitung durchgeführt werden. Figur zeigt das Ventil bzw. den Ventilstößel in der fertigen Form.The mold is further withdrawn into chamber 12 until it is completely withdrawn from that chamber and the molten metal is completely solidified. The mold and contents can then be lifted off the chill plate and the mold can be mechanical or otherwise removed from the cast metal. Then it is necessary to cast the Separate the valve from the remaining sections of potted material that make up the selector and the sprue have filled out. Additional machining can then be carried out. figure shows the valve or the valve stem in its finished form.
Es kann zweckmäßig sein, das Ventil mit einem hohlen Stiel zu versehen. Dies kann gemäß Figur 5 dadurch geschehen, daß ein Keramikkern 33 in die Form eingefügt wird. Der Kern 33 definiert den Hohlraum, der in dem fertigen Ventil ausgebildet werden soll, und dieser Kern muß nach dem Guß ausgelaugt oder ausgeschmolzen werden .It can be useful to provide the valve with a hollow stem. According to FIG. 5, this can be done by that a ceramic core 33 is inserted into the mold. The core 33 defines the cavity in the finished valve is to be formed, and this core must be leached or melted out after casting will .
Es können auch andere Verfahren zur Herstellung benutzt werden und so können zum Beispiel Kristallkeime benutztOther methods of manufacture can also be used, and for example, seed crystals can be used
• *• *
werden statt den Selektor gemäß Figur 1 bis 3 zu benutzen. Auch die jeweilige Form des Ventilstößels kann sich ändern und das benutzte Material muß nicht notwendigerweise eine Superlegierung auf Nickelbasis sein.are to be used instead of the selector according to FIGS. 1 to 3. Also the shape of the valve tappet can change and the material used need not necessarily be a nickel base superalloy be.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Ventile schaffen die Möglichkeit, daß der Motorzylinder so isoliert wird, daß eine Wärmevergeudung nach dem Kühlmittel hin verringert wird. Hierdurch wird natürlich die Temperatur der ventile erhöht, was die Anwendung der Erfindung notwendig macht. Durch diese Verminderung der vergeudeten Wärmeenergie kann jedoch ein höheres Verhältnis von Leistung zu Gewicht und Leistung pro Volumen einheit erlangt werden. Hierdurch ergibt sich auch eine sehr viel bessere Ausnutzung des Brennstoffs.The valves designed according to the invention create the Ability to isolate the engine cylinder so as to reduce heat waste to the coolant will. This naturally increases the temperature of the valves, which makes the application of the invention makes necessary. However, by reducing the wasted thermal energy, a higher ratio can be achieved of power to weight and power per unit volume can be achieved. This also results in a much better fuel economy.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |