Verfahren zur Herstellung eines innengekühlten Ventils mit einer Kühlstruktur sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Ventil

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Innengekühlten Ventils wobei in einen Hohlraum des Ventils eine Kühlstruktur am Ventilboden angebracht ist. Das Vorliegende Verfahren betrifft weiter ein Ventil das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.

Es sind bereits seit längerem innengekühlte Ventile bekannt bei denen sich ein Hohlraum im Ventilschaft erstreckt und bei dem Natrium durch eine sogenannte „Shaker-Kühlung“ Wärme von einem Ventilkopf in Richtung des durch den Motorkopf gekühlten Ventilschaft transportiert wird.

Es ist ebenfalls bekannt durch einsetzbare Ventilböden Kühlstrukturen innen in dem Hohlraum anzuordnen um einen Wärmeübertrag von dem Ventilboden auf das Kühlmittel in dem Hohlraum zu verbessern. Da jedoch durch eine Schweißnaht mit der ein gesonderter Ventilboden mit dem Ventilkopf verbunden ist das Material des Ventils geschwächt wird kann es hier zu Ventilausfällen und erheblichen Motorschäden kommen, wenn die Schweißnaht versagt und Kühlmittel in den Brennraum austritt oder der Gesamte Ventilboden in den Brennraum fällt. Weiterhin stellt ein Verschweißen einen technisch aufwändigen und kostspieligen Verarbeitungsschritt dar.

Es ist also wünschenswert ein Verfahren zur Verfügung zu haben, mit dem eine Kühlstruktur an einer Innenseite eines Kühlmittelhohlraums im Bereich des Ventilbodens angebracht werden kann, ohne dass hierfür gesonderte Schweißnähte im Bereich des Ventilbodens oder des Ventilkopfes notwendig sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für ein innengekühltes Ventil bereitgestellt das, ein Bereitstellen eines im außen zumindest teilweise zylinderförmigen Halbzeuges, ein Erzeugen oder Vertiefen eines zumindest teilweise zylinderförmigen Hohlraums in dem Halbzeug durch Warmumformen mit einem Stempel umfasst, wodurch ein Ventilformling erzeugt wird. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch erfinderisch aus, dass die Stirnfläche des Stempels mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist, durch die beim Umformen eine Struktur auf einem Boden des Hohlraums geformt wird. Damit wird die Kühlstruktur von oben durch einen Bereich der später zu einem Ventilschaft umgeformt wird in die Innenseite eines Ventilbodens eingeprägt. In einen späteren Zeitraum wird der Teil der später den Ventilschaft bildet im Durchmesser verringert, sodass ein Hohlraum im späteren Ventil vorliegt, der in dem Ventilkopf einen größeren Durchmesser aufweist als im Ventilschaft. Durch dieses Verfahren kann auf jede Art von Schweißnähten im Beriech des Ventilkopfes oder des Ventilbodens verzichtet werden. Kurz kann das Verfahren als Einprägen einer Struktur in den Hohlraum im Bereich des Ventilbodens bezeichnet werden, gefolgt von einem Schritt des Umformens eines Teils des Ventilrohlings zu einem Ventilschaft, ohne dabei die Struktur im Ventilboden im Wesentlichen zu verändern.

Dieser anfängliche Schritt kann direkt beim Umformen aus einem scheiben- oder zylinderförmigen Halbzeug angewendet werden, wobei das scheiben- oder zylinderförmige Halbzeug zu einem napfförmigen Ventilformling umgeformt wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich bei einem bereits napfförmigen Halbzeug in einem weiteren Bearbeitungsschritt die Kühlstruktur innen in den Ventilboden einzuprägen und dabei ebenfalls die Vertiefung zumindest teilweise zu vertiefen.

Bei einer beispielhaften Ausführung des Herstellungsverfahrens für ein innengekühltes Ventil umfasst das wobei das Umformen ein Rückwärtsfließpressen. Bei einer derartigen Auslegung kann einem einzelnen Schritt aus einem im Wesentlichen zylinderförmigen bzw. scheibenförmigen Halbzeug ein Ventilformling gepresst werden. Aus dem Ventilformling wird dann durch weitere Bearbeitungsschritte ein Ventil bzw. Tellerventil geformt, in dessen Hohlraum dann ein Kühlmittel wie Natrium eingebracht wird.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausführung des Herstellungsverfahrens umfasst das Umformen ein Schmieden. Dabei kann sowohl beim Schmieden als auch beim Rückwärtsfließpressen ebenfalls ein Ventilteller angeformt werden.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst die Struktur Kühlrippen, die kreisförmig oder sternförmig verlaufen. Die Kühlrippen verlaufen dabei Kreisförmig oder Sternförmig von einer Achse des Ventilformlings.

Eine weitere Ausführungsform des Herstellungsverfahrens verwendet einen Stempel der eine Struktur in Form von Stiften, oder Kegel, oder Kegelstümpfen in den Hohlraum am Ventilboden einpresst, die als Kühlelemente Dienen. Gerade stab-, kegel- oder auch kegelstumpfförmige Kühlelemente können aufgrund ihrer großen Oberfläche einen großen Wärmeübertrag ermöglichen. Es ist ebenfalls vorgesehen an einem Rand des Kolbenbodens eher Kegelstümpfe einzusetzen und in der Mitte eher Kegelförmige Kühlelemente zu verwenden. Ein auf der Symmetrieachse des Ventil bzw. Ventilformlings liegendes kegelförmiges Kühlelement kann zudem ein Umleiten des Kühlmittelstroms von einer Bewegung in einer Axialrichtung in einer Radialrichtung zum Tellerrand hin erreichen, um die Kühlung des Ventilkopfes zu verbessern.

Bei einer weiteren Ausführung des Herstellungsverfahrens umfasst die Struktur Leitschaufeln, die ein sich in dem Hohlraum bewegendes Kühlmittel in dem Ventil in eine Drehung um eine Symmetrieachse des Ventils versetzen können. Dabei können die Leitschaufeln ähnlich wie bei einer Radialverdichter-Turbine angeordnet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren weiter bei dem Umformen oder nach dem Umformen ein Anformen eines Ventilkopfs an dem Ventilformling umfassen. Dabei wird ein Unterer Teil des Halbzeugs oder des Ventilformlings verbreitert und zu einem Ventilteller oder Ventiltellerrand ausgeformt.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein innengekühltes Ventil, wird nach dem Formen des Ventilkopfs ein Durchmesser des Venitlformlings in Axialrichtung neben dem Ventilkopf verringert, und so ein Ventilschaft gebildet. Der Napfförmige Ventilformling muss noch weiter Umgeformt werden, um als Tellerventil eingesetzt zu werden. Die Erfindung basiert darauf, dass eine Vertiefung mit einem großen Durchmesser, größer als der spätere Ventilschaftdurchmesser, in ein Halbzeug gepresst wird, wobei am Grund der Vertiefung eine Struktur eingepresst wird, die ein Kühlung eines späteren Ventilbodens verbessert. Es ist dabei besonders Vorteil, wenn der spätere Hohlraum im Ventil einen besonders großen Durchmesser aufweist, um besonders viel Wärme von dem Ventilboden aufnehmen zu können. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht dabei durch den großen Durchmesser der Vertiefung anbringen bzw. einprägen von Kühlstrukturen auf der Innenseite des Ventilbodens, da hier ein geringes Verhältnis von Durchmesser zu einer Höhe des Stempels eine große Kraftübertragung ermöglicht. Dies ist bei herkömmlichen Hohlventilen nicht möglich da die dazu notwendigen Stempel eine zu ungünstiges Längen zu Durchmesser Verhältnis aufweisen und bei einem Prägevorgang seitlich ausweichen könnten.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein innengekühltes wird der Ventilschaft durch Formwalzen, Rundkneten bevorzugt durch Warm- oder Kalthämmern auf einem Dorn geformt. Das Schmiedewerkzeug versetzt dem Werkstück radiale Schläge und gibt dem bearbeiteten Werkstück dadurch einen geringeren Querschnitt. Durch die Dehnung des Materials erreicht man dabei eine höhere Qualität als beim Zerspanen. Durch Dorne kann sichergestellt werden, dass ein Hohlraum im Inneren des Werkstücks einen gewünschten Innendurchmesser aufweist.

Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren ein Walzen oder ein Querkeilwalzen auf einem Dorn, wobei durch das Walzen der Ventilschaft geformt wird.

Gemäße eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Innengekühltes Ventil bereitgestellt, das mit einem der vorstehenden Verfahren hergestellt wurde.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von nicht beschränkenden und schematischen Figuren veranschaulicht.

In den 1A bis 1F sind Schnittansichten von verschiedenen Herstellungsabschnitten eines erfindungsgemäßen innengekühlten Ventils dargestellt.

Sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet um auf gleiche oder ähnliche Komponenten oder Elemente Bezug zu nehmen.

1A zeigt eine Schnittansicht eines zylindrischen Halbzeugs 2, das als Ausgangsmaterial zur Herstellung eines Innengekühlten Tellerventils dient.

1B zeigt eine Schnittansicht eines napfförmig umgeformten Halbzeugs 45. Das napfförmig umgeformte Halbzeug 4 wurde durch einen nicht dargestellten Stempel von oben napfförmig umgeformt. Die Umformung kann als Warm- oder Kaltumformung durchgeführt werden. Hier wurde ein Rückwärtsfließpressen eingesetzt, wodurch sich die Höhe des umgeformten Halbzeugs 4 gegenüber dem nicht umgeformten Halbzeugs 2 von 1 deutlich erhöht hat. In dem Stempel waren Ausnehmungen vorhanden, die sich am Boden gebildeten Hohlraums als Rippen oder Erhöhungen eingeprägt haben. Diese Rippen oder Erhöhungen bilden eine Kühlstruktur 6, durch die die Oberfläche der Vertiefung deutlich erhöht wird, was einen Wärmeübertrag von einem späteren Ventilboden auf ein Kühlmittel erhöhen soll.

Durch ein gutes Durchmesser-zu-Längen-Verhältnis ist es möglich ein Rückwärtsfließpressen anzuwenden, ohne dass eine Gefahr besteht, dass der Stempel sich seitlich verformt.

1C zeigt das napfförmig umgeformte Halbzeug 4, das zu einem ersten Venilformling 8 weiterumgeformt wurde. Es kann dabei ein ähnlicher Stempel verwendet werden, um durch Quer- und Rückwärtsfließpressen einen Ventilkopf 16 zu formen, wobei in der Vertiefung immer noch die Kühlstrukturen 6 angeordnet sind. Durch das Querfließpressen kann der Durchmesser des ersten Ventilformlings 8 im Bereich des Ventilkopfes 16 erhöht werden, wobei zusätzlich in diesem Schritt die Dicke des Ventilbodens 18 deutlich verringert wird. Durch einen Anteil eines Rückwärtsfließpressens kann gleichzeitig eine Länge eines Schafabschnitts 20 erhöht werden, wobei ein Durchmesser des Schaftabschnitts nicht vergrößert wird.

Es ist ebenfalls möglich das Halbzeug von 1A direkt in den ersten Ventilformling 8 umzuformen. Es kann also auch in einem einzelnen Schritt von einem im Wesentlichen zylindrischen Halbzeug der erste Ventilformling 8 umgeformt werden, wobei bei dem entsprechenden Verfahren der Schritt, der durch 1B dargestellt ist, übersprungen wird bzw. entfällt.

1D zeigt den ersten Ventilformling 8 wie er durch Walzen, Querkeilwalzen oder Hämmern im Schaftbereich 22 weiter bearbeitet worden ist um den Durchmesser des Schaftes zu verringern und eine Länge des Schaftes zu erhöhen, wodurch ein zweiter Ventilformling 10 erzeugt wurde. Auch bei diesem Bearbeitungsschritt werden die Kühlstrukturen 6 nicht oder nur gering verformt.

1E zeigt den zweiten Ventilformling 10 von 1D der durch Walzen, Querkeilwalzen oder Hämmern im Schaftbereich 24 weiter bearbeitet wurde, wodurch der Durchmesser des Schaftes 24 weiter verringert wurde und eine Länge des Schaftes 24 weiter erhöht wurde. Durch diese Arbeitsschritte wurde der zweite Ventilformling 10 zu einem dritten Ventilformling 12 umgeformt. Auch bei diesem Bearbeitungsschritt werden die Kühlstrukturen 6 im Bereich des Ventilbodens 18 des Hohlraums 30 nicht oder nur gering umgeformt.

1E zeigt den dritten Ventilformling 12 nach einer weiteren Bearbeitung durch Walzen, Querkeilwalzen oder Hämmern im Schaftbereich 24 sowie im am Übergang zu dem Ventilteller 16. In dem Letzten Schritt kann ein Außendurchmesser des Ventilschafts 26 auf ein oder nahezu auf ein Endmaß gebracht werden. Der Schaft bzw. der Hohlraum 32 bzw. die Vertiefung kann nun mit einem Kühlmittel (nicht dargestellt) gefüllt und der Hohlraum verschlossen werden. Durch das Verringern des Durchmessers des Schaftes 26 wird auch eine Länge des Schaftes 26' bis auf oder über ein Endmaß erhöht. Zusätzlich kann der Schaft und der Ventilkopf noch spanend oder Schleißend endbearbeitet werden. Bei den letzten Arbeitsschritten wunden auch die Kühlstrukturen 6 im Bereich des Ventilbodens 18 des Hohlraums 30 leicht umgeformt. Insgesamt verbleibt jedoch im Bereich des Ventilkopfes 16 ein größerer Hohlraum der zusätzlich mit Kühlstrukturen 6 versehen ist, die einen höheren Wärmeübertrag von dem Ventilboden auf ein Kühlmittel in dem Hohlraum 32 ermöglichen.

Die Ansprüche definieren den Schutzumfang.

2

Halbzeug

4

Halbzeug, napfförmig umgeformt

6

Kühlstruktur

8

erster Ventilformling

10

zweiter Ventilformling

12

dritter Ventilformling

14

Ventilrohling

16

Ventilteller

18

Ventilrohling

20

Ventilschaft des ersten Ventilformlings

22

Ventilschaft des zweiten Ventilformlings

24

Ventilschaft des dritten Ventilformlings

26

Ventilschaft des ersten Ventilrohlings

30

Hohlraum / Vertiefung für ein Kühlmittel