Natriumgefüllte Auslassventile

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mitsublue
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Natriumgefüllte Auslassventile

Beitrag von mitsublue » 28. Mai 2006 09:56

Auslassventile eines Verbrennungsmotors unterliegen starken Belastungen. Neben mechanischen Belastungen vor allem durch heiße Verbrennungsgase und Korrosion. Der Ventilteller kann bei Vollast bis ca. 1000°C heiß werden.

Ventilbauarten, -werkstoffe
Hier zunächst einige relevante Daten der versch. Metalle:

Unleg. Stahl, gehärtet
Dichte: 7,85g/cm³
Wärmeleitfähigkeit: ca. 50 W / m x K

Stahl, Cr, Ni, W, V -legiert
Dichte: 7,95 g/cm³
Wärmeleitfähigkeit: ca.15 W / m x K

Natrium (Na)
Dichte: 0,97g/cm³
Wärmeleitfähigkeit: 126 W / m x K

Bi-Metall
Üblicherweise werden höher beanspruchte Auslassventile, entsprechend der Beanspruchung, aus zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt.
Ventilteller und unterer Ventilschaft:
Warmfester, korrosions- und zunderbeständiger Stahl (legiert mit Chrom, Nickel, Wolfram, Vanadium u. ä.). Diese Stähle lassen sich jedoch nicht härten, haben schlechte Gleiteigenschaften und schlechte Wärmeleitfähigkeit.
Oberer Ventilschaft:
Gehärteter Stahl, bessere Gleiteigenschaften und Wärmeleitfähigkeit.

Verbunden werden die beiden Teilstücke meist durch Reib- oder Lasersschweißen.
Ggf. werden die Ventilteller noch zusätzlich mit besonders hochwarmfesten, verschleißfesten Werkstoffen gepanzert.

Mono-Metall
Bei geringeren Belastungen kann man Mono-Metall Ventile aus nur einem Werkstoff verwenden. Dabei wird ein Werkstoff ausgewählt, der für beide o. g. Anforderungen geeignet ist, d. h. rel. hohe Warmfestigkeit und relativ gute Gleiteigenschaften besitzt.

Natriumgefüllte Hohlventile
Bei hoch belasteten Motoren verwendet man hohle Auslassventile (aus Bi-Metall, s. o.) welche mit Natrium gefüllt sind. Der hohle Schaft wird zu etwa 60% des Volumens mit Na gefüllt und durch Reib- o. Laserschweißen verschlossen.
Natrium schmilzt bei 97° C, ist leicht, ein sehr guter Wärmeleiter (wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl, s. o.). Im Betrieb wird das Natrium flüssig und durch die Massenkräfte im Schaft hin- und herbewegt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom so genannten "Coctailshaker-Effekt". Das Natrium transportiert dabei einen Teil der bei der Verbrennung anfallenden Wärme vom Ventilteller in den oberen Schaftbereich. Dort wird die Wärme über die Ventilführung an den wassergekühlten Zylinderkopf abgeführt. werden.

Bild
Natriumgefülltes Auslassventil (schematisch)

Bild
Hier habe ich mal ein Na-AV aufgeschnitten

Die Temperaturen am Ventilteller können bei dieser Bauart um bis zu 150° C abgesenkt werden. Da die Ventilteller mit zu den heißesten Teilen im Brennraum gehören, kann bei (zu) hoher Belastung von ihnen aus das schädliche „Klopfen“ beginnen. Durch die o. g. Temperaturabsenkung wird diese Gefahr vermindert.
Positiver Nebeneffekt ist eine Gewichtsreduzierung (und dadurch Reduzierung der bewegten Massen ---> Drehzahlfestigkeit, Drehfreude, Leistung, Kraftstoffverbrauch, Verschleiß).

GT-Auslassventile
EU-Modelle des GT sind mit natriumgefüllten Ventilen ausgestattet (deutsche BAB sei Dank :) ).
Übrige GT haben "nur" Bi-Metall-AV.

Wer also z. B. (aufgrund des üblichen Tunershop-bla-bla) die in den USA angebotenen Ventile (das sind Mono-Metall- oder bestenfalls Bi-Metallventile) kauft, erwirbt höchstwahrscheinlich schlechtere Ventile als unsere Originalen (s. o. und erhöht als negativen Nebeneffekt die bewegten Massen).
Ob die angebotenen Ventile beim Einbau in US-Modelle eine qualitative Verbesserung darstellen, sei mal dahingestellt (da die genaue Werkstoffzusammensetzung dieser Ventile nicht bekannt ist).

mitsublue

Tiberius
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Re: Natriumgefüllte Auslassventile

Beitrag von Tiberius » 9. Feb 2011 08:02

Mögliche Materialien für Auslassventile sind ausserdem noch:

Inconel
Speziell für Hochtemperaturanwendungen entwickelte Nickelbasislegierungen, hochlegiert mit den Hauptbestandteilen Nickel und Chrom, aber auch diverse andere Stoffe wie Eisen, Molybdän, Kobalt uvm. in geringeren Anteilen. Inconel ist ein geschützter Markenname, im Handel tauchen die verschiedenen Inconelvarianten auch unter anderen Namen auf.
Andere Anwendungsgebiete für Inconel sind Turboladerschaufeln (z.B. alle Mitsubishi Evo GSR), Turbinenschaufeln in Gasturbinen und chemische Reaktoren.
Inconel Auslassventile für den GT sind bei 3SX erhältlich.

Titanlegierungen
Sehr selten, hauptsächlich Motorradmotoren wo aufgrund der hohen Drehzahlen das Ventilgewicht sehr wichtig ist (z.B. BMW S 1000 RR). Auch Titanlegierungen werden für Turboladerschaufeln verwendet (z.B. alle Mitsubishi Evo RS und RS2, Porsche Turbo)

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