Ventile

Ein- und Auslassventile dichten den Verbrennungsraum ab und steuern den Gaswechsel im Motor. Ventile sind thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile, die zusätzlich auch korrosiven Einflüssen ausgesetzt sind.

Die mechanische Beanspruchung entsteht infolge der Durchbiegung des Ventiltellers unter Zünddruck und durch das Aufsetzen beim Schließen (Stoßbeanspruchung). Durch entsprechende Konstruktion wie Stärke und Formgebung des Ventiltellers und entsprechende Wahl des Werkstoffs werden diese Beanspruchungen auf ein verträgliches Niveau gebracht. Das Auslassventil wird zudem durch die umströmenden heißen Abgase während des Öffnens beim Auslasstakt zusätzlich erwärmt.

Das Abkühlen der Ventile erfolgt vor allem durch die Ableitung der Wärme über den Ventilsitzring in den Zylinderkopf. Der geringere Teil der Wärme wird über die Ventilführung zum Zylinderkopf abgeleitet. Einlassventile erreichen Temperaturen von ca. 300 °C bis 550 °C, Auslassventile können bis zu 1.000 °C heiß werden.

Ventilbauarten

Einlaßventil

  • Mono-Metall Ventil
  • Mono-Metall Ventil mit Sitzhärtung
  • Mono-Metall Ventil mit Sitzpanzerung
  • Bi-Metall Ventil
  • Bi-Metall Ventil mit Sitzpanzerung

Auslaßventil

  • Mono-Metall Ventil,
  • Mono-Metall Ventil mit Sitzpanzerung,
  • Bi-Metall Ventil,
  • Bi-Metall Ventil mit Sitzpanzerung

Mono-Metall

Mono-Metall Ventile werden aus nur einem Werkstoff hergestellt. Dabei wird ein Werkstoff ausgewählt, der für beide Anforderungsprofile geeignet ist, nämlich hohe Warmfestigkeit und gute Gleiteigenschaft.

Bi-Metall Ventil

Bi-Metall Ventile erlauben die Materialpaarung eines hochwarmfesten Werkstoffs (Kopfstück) mit einem Schaftmaterial, welches sich einerseits härten lässt (Schaftende) und darüber hinaus noch gute Gleiteigenschaften zur Ventilführung besitzt. Die Verbindung der Materialien erfolgt mittels Reibschweißen.

Hohlventile

Hohle Auslassventile werden vornehmlich zur Senkung der Temperatur im besonders gefährdeten Hohlkehlenbereich eingesetzt und sind dazu mit Natrium gefüllt. Gewünschter positiver Nebeneffekt ist eine Gewichtsreduzierung. Hohle, unbefüllte Einlassventile werden nur aus diesem Grund, der Massenreduzierung, zum Einsatz gebracht.

Um eine Temperaturabsenkung bei Ventilen zu erzielen, wird der hohl gebohrte Schaft zu etwa 60 % des Volumens mit Natrium gefüllt und in einem Reibschweißverfahren verschlossen. Natrium schmilzt bei 97,5 °C, hat eine Dichte von 0,97 g/cm³ und ist ein sehr guter Wärmeleiter. Im Motorenbetrieb wird das Natrium flüssig und wird durch die Massenkräfte im Schaft hin- und herbewegt.

Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom so genannten „Shaker-Effekt“. Das Natrium transportiert dabei einen Teil der bei der Verbrennung anfallenden Wärme vom Ventilteller in den Schaftbereich. Dort wird die Wärme über die Ventilführung abgeführt. Die Temperaturen am Ventilteller können auf diese Weise um 80° C bis 150° C abgesenkt werden.

Umgang mit natriumgefüllten Hohlventilen

Das Bearbeiten und Aufschneiden von natriumgefüllten Hohlventilen bedarf entsprechender Vorsicht. Es muss darauf geachtet werden, dass der Hohlraum nicht versehentlich geöffnet wird, da Natrium mit Wasser bzw. mit Bohr- und Schleifemulsion heftig reagiert. Bei der ablaufenden Reaktion von Natrium und Wasser entsteht Wasserstoff und Natronlauge.

Untersuchung und Entsorgung

Hohlventile in Kleinmengen können auf die übliche Art und Weise verschrottet werden. Es sind keine besonderen Vorschriften zu beachten. Sollen natriumgefüllte Ventile untersucht oder in größerer Menge entsorgt werden ist der Hohlraum, ohne Verwendung von Kühlmittel, entweder durch Anbohren an zwei Stellen oder durch mittiges Trennen des Ventils zu öffnen. Die so vorbereiteten Ventile werden einzeln in einen mit Wasser gefüllten Eimer geworfen um das Natrium unschädlich zu machen. Nach Ablauf der Reaktion können die Ventile auf normale Art und Weise verschrottet werden. Die Entsorgung der zurückbleibenden Natronlauge erfolgt nach den jeweiligen örtlichen Bestimmungen.

Sicherheitshinweise:

Aufgrund der mitunter heftigen Reaktion und der Freisetzung von Wasserstoff bei der Reaktion von Natrium mit Wasser, sollte das Unschädlichmachen der Ventile nur in gut gelüfteten Räumen oder im Freien geschehen. Haut- und Augenkontakt ist in jedem Fall zu vermeiden. Der Umgang mit Natrium darf daher nur durch entsprechend geschultes Personal nur mit entsprechender Schutzkleidung (Handschuhe, Schutzbrille etc.) erfolgen. Es sind die üblichen Sicherheitsbestimmungen beim Umgang mit aggressiven und ätzenden Stoffen und explosiven Gasen zu beachten.

Sitzpanzerung und Sitzhärtung

Speziell Auslassventile sind thermisch und verschleißmäßig sehr hoch beansprucht. Daher sind diese Ventilsitze oft gepanzert. Einlassventile werden bei hochbelasteten Motoren hauptsächlich induktiv gehärtet. Das Einschlagen und der Verschleiß der Ventilsitzringe wird durch diese Maßnahmen vermieden.

Das Ventilschaftende

Das Ventilschaftende erfährt hohe Beanspruchung durch die Ventilbetätigung (Kipphebel, Schlepphebel, Stößel). Um an dieser Stelle Verschleiß zu vermeiden, werden Ventilschaftenden aus einem härtbarem Stahl gehärtet. Ventilschaftenden aus nicht härtbarem Stahl erhalten eine Panzerung aus Stellit oder bekommen ein gehärtetes Plättchen aufgeschweißt.

Abmessungen und Bezeichnungen

1 Gesamtlänge = L
2 Gesamttellerstärke
3 Sitzhöhe
4 Tellerrandhöhe
5 Sitzpanzerung (optional)
6 Ventilteller
7 Schaftdurchmesser = d
8 Ventilschaft
9 Einstichbereich
10 Schaftendfläche (gehärtet)
11 Schleiflänge
12 Hohlkehle
13 Sitzwinkel = α
14 Tellerfläche
15 Tellerdurchmesser = D
16 Kalotte

Einbau

Von einem korrekten Einbau hängt stark die Lebensdauer der Ventile und somit die Funktionsfähigkeit des Motors ab. Bei der Montage sollten immer auch die Einbaurichtlinien und Einstellwerte der Motorenhersteller beachtet werden.

Arbeitssorgfalt

Ventile sind sorgsam zu behandeln. Ventile dürfen weder mit Schmirgelpapier bearbeitet noch mit Körner oder Schlagzahlen auf dem Tellerboden markiert werden.

Montage

Für die Montage des Ventils in den Zylinderkopf ist geeignetes Werkzeug zu verwenden. Beim Einbau neuer Ventile sind stets auch neue Klemmstücke zu verwenden. Der Innenkonus des Ventilfedertellers ist auf Verschleiß und Beschädigung zu prüfen. Die Ventilfederkraft ist auf die Grenzwertangaben des Motorenherstellers zu prüfen.

Vor der Montage

siehe: Einbau Ventilführungen

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