CH713420A2 - Ventilsitzring eines Gaswechselventils, Gaswechselventil und Verfahren zum Herstellen des Ventilsitzrings. - Google Patents

Abstract

Ventilsitzring (10) für ein Gaswechselventil eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, wobei ein Ventilkörper des Gaswechselventils zum Schliessen des Gaswechselventils an dem Ventilsitzring zur Anlage bringbar ist, und wobei der Ventilkörper zum Öffnen des Gaswechselventils von dem Ventilsitzring entfernbar ist. Der Ventilsitzring (10) besteht aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich in ersten Abschnitten (13) aus einem ersten Werkstoff und in zweiten Abschnitten (14) aus einem zweiten Werkstoff, wobei der erste Werkstoff im Vergleich zum zweiten Werkstoff eine höhere Festigkeit aufweist, und wobei der zweite Werkstoff im Vergleich zum ersten Werkstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Herstellen des Ventilsitzrings.

[0002] Aus der Praxis bekannte Brennkraftmaschinen verfügen über Gaswechselventile, nämlich über einlassseitige Gaswechselventile, über welche Zylindern der Brennkraftmaschine Ladeluft zugeführt werden kann, sowie über auslassseitige Wechselventile, über welche von den Zylindern der Brennkraftmaschine Abgas abgeführt werden kann.

[0003] Jedes Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine verfügt über einen Ventilkörper, wobei mit dem Ventilkörper ein Ventilsitzring zusammenwirkt. Bei geschlossenem Gaswechselventil liegt bzw. sitzt der Ventilkörper mit einem definierten Bereich an einem definierten Oberflächenbereich des Ventilsitzrings an bzw. auf, wohingegen bei geöffnetem Gaswechselventil dieser Bereich des Ventilkörpers nicht am Ventilsitzring anliegt sondern vom Ventilsitzring entfernt bzw. abgehoben ist.

[0004] Aus der Praxis bekannte Ventilsitzringe von Gaswechselventilen sind durchgehend aus ein und demselben Werkstoff gefertigt und teilweise mit einem Verschleissschutz versehen (z.B. Panzerung). Infolge von zunehmend höheren Drücken und Temperaturen in den Brennräumen von Zylindern steigen die Anforderungen an die Ventilsitzringe von Gaswechselventilen insbesondere hinsichtlich Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Verschleissbeständigkeit. Mit aus der Praxis bekannten Ventilsitzringen können diese Anforderungen nur unzureichend erfüllt werden.

[0005] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Ventilsitzring eines Gaswechselventils, ein Gaswechselventil mit einem solchen Ventilsitzring und ein Verfahren zum Herstellen des Ventilsitzrings zu schaffen.

[0006] Diese Aufgabe wird durch einen Ventilsitzring nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäss besteht der Ventilsitzring aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich in ersten Abschnitten aus einem ersten Werkstoff und in zweiten Abschnitten aus einem zweiten Werkstoff, wobei der erste Werkstoff im Vergleich zum zweiten Werkstoff eine höhere Festigkeit aufweist, und wobei der zweite Werkstoff im Vergleich zum ersten Werkstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Erfindung schlägt demnach einen Ventilsitzring vor, der nicht durchgehend aus ein und demselben Werkstoff gefertigt ist, sondern der vielmehr im Sinne einer Verbundstruktur Abschnitte aus unterschiedlichen Werkstoffen aufweist. Die ersten Abschnitte aus dem ersten Werkstoff übernehmen die Hauptfunktion der statischen und dynamischen Festigkeit des Ventilsitzrings. Die zweiten Abschnitte aus dem zweiten Werkstoff übernehmen die Funktion eines hohen Wärmeabtransports vom Ventilsitzring. Wechselweise unterstützen dabei die beiden Werkstoffe die jeweilige Hauptfunktion des jeweils anderen Werkstoffs. Die Verwendung der unterschiedlichen Werkstoffe verfügt dabei über den Vorteil, dass die Werkstoffe individuell angepasst auf deren Hauptfunktion ausgewählt werden können und nicht ein einzelner Werkstoff die Anforderungen an eine hohe Festigkeit und an eine gute Wärmeleitfähigkeit gleichzeitig erfüllen muss.

[0007] Vorzugsweise ist der Ventilsitzring in einem dritten Abschnitt aus einem dritten Werkstoff gebildet, wobei der dritte Werkstoff im Vergleich zum ersten und zweiten Werkstoff eine höhere Duktilität aufweist. Mit dem dritten Werkstoff im dritten Bereich des Ventilsitzrings kann insbesondere das Schliessverhalten des Gaswechselventils positiv beeinflusst werden. Durch die hohe Duktilität im dritten Abschnitt wird gewährleistet, dass eine Dichtwirkung zwischen Ventilsitzring und Ventilkörper des Gaswechselventils bereits innerhalb weniger Betriebsstunden erreicht wird und sich somit Betriebsschwankungen reduzieren.

[0008] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Ventilsitzring mehrteilig ausgebildet, wobei ein erster Teil, welcher mit dem Ventilkörper zusammenwirkt und gekühlt ist, die aus den unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Abschnitte aufweist, und wobei ein zweiter Teil, welcher der Montage des Ventilsitzrings in der Brennkraftmaschine dient, durchgehend aus einem Werkstoff besteht, wobei die beiden Teile fest miteinander verbunden sind. Dies ist für eine wirtschaftliche Fertigung des Ventilsitzrings von Vorteil. Lediglich die hinsichtlich Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie Dichtwirkung kritischen Bereiche des Ventilsitzrings werden aus Abschnitten unterschiedlicher Werkstoffe gefertigt. Derjenige Teil des Ventilsitzrings, welcher der Montage desselben in der Brennkraftmaschine dient, kann auf konventionelle Art und Weise aus ein und demselben Werkstoff gefertigt werden.

[0009] Das erfindungsgemässe Gaswechselventil ist in Anspruch 11. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen des Ventilsitzrings ist in Anspruch 12 oder 13 definiert.

[0010] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine im Bereich eines erfindungsgemässen Ventilsitzrings des Gaswechselventils.

[0011] Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, ein Gaswechselventil mit einem solchen Ventilsitzring sowie ein Verfahren zum Herstellen des Ventilsitzrings.

[0012] Fig. 1 zeigt stark schematisiert einen Ausschnitt aus einem Ventilsitzring 10 für ein Gaswechselventil eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Bei dem Gaswechselventil kann es sich um ein einlassseitiges Gaswechselventil für Ladeluft oder auch um ein auslassseitiges Gaswechselventil für Abgas handeln.

[0013] Der in Fig. 1 gezeigte Ventilsitzring 10 wirkt mit einem nicht gezeigten Ventilkörper zusammen, wobei der Ventilkörper auch als Ventilkegel oder Ventilteller bezeichnet wird. Zum Schliessen des Gaswechselventils ist der Ventilkörper an den Ventilsitzring 10 zur Anlage bringbar, wobei in Kontakt gebrachte Abschnitte bzw. Oberflächenbereiche von Ventilkörper und Ventilsitzring 10 die Dichtwirkung bereitstellen. Zum Öffnen des Gaswechselventils ist der Ventilkörper von dem Ventilsitzring 10 entfernbar, insbesondere abhebbar.

[0014] Der in Fig. 1 gezeigte Ventilsitzring 10 verfügt über zwei Teile 11,12, die fest miteinander verbunden sind, und zwar in Fig. 1 über eine Schweissnaht 18. Der erste Teil 11 des Ventilsitzrings 10 ist derjenige Teil, welcher mit dem Ventilkörper zusammenwirkt und hinsichtlich Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Dichtwirkung entsprechend ausgelegt sein muss. Der zweite Teil 12 des Ventilsitzrings 10 dient der Montage der Ventilsitzrings 10 in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine.

[0015] Der zweite Teil 12 des Ventilsitzrings 10, welcher der Montage des Ventilsitzrings 10 in der Brennkraftmaschine, insbesondere im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, dient, ist durchgehend aus ein und demselben Werkstoff gefertigt, wobei dieser zweite Teil 12 insbesondere überein spannendes Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel Fräsen oder Drehen, hergestellt sein kann.

[0016] Der erste Teil 11 des Ventilsitzrings 10 der Fig. 1, welcher mit dem Ventilkörper zusammenwirkt, ist aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt.

[0017] So weist der Teil 11 des Ventilsitzrings 10 erste Abschnitte 13 aus einem ersten Werkstoff und zweite Abschnitte 14 aus einem zweiten Werkstoff auf, wobei der erste Werkstoff der ersten Abschnitte 13 im Vergleich zum zweiten Werkstoff der zweiten Abschnitte 14 eine höhere Festigkeit aufweist, und wobei der zweite Werkstoff der zweiten Abschnitte 14 im Vergleich zum ersten Werkstoff der ersten Abschnitte 13 eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

[0018] Die aus dem ersten Werkstoff gefertigten ersten Abschnitte 13 stellen in erster Linie eine ausreichende statische und dynamische Festigkeit des Ventilsitzrings 10 sicher. Die zweiten Abschnitte 14 aus dem zweiten Werkstoff stellen in erster Linie eine entsprechend hohe Wärmeleitfähigkeit bereit, um einen hohen Wärmeabtransport von zu temperierenden Oberflächen des Ventilsitzrings 10 zu ermöglichen. Beide Abschnitte aus den unterschiedlichen Werkstoffen übernehmen dabei zusätzlich jeweils unterstützend die Funktion des jeweiligen anderen Bereichs aus dem anderen Werkstoff.

[0019] Die Abschnitte 13 und 14 aus den unterschiedlichen Werkstoffen bilden dabei eine Verbundstruktur aus. Jeder der Werkstoffe der beiden Abschnitte 13 und 14 kann dabei separat auf die jeweilige Hauptfunktion ausgewählt bzw. ausgelegt werden. Der erste Werkstoff ist vorzugsweise ein erster metallischer Werkstoff. Ebenso ist der zweite Werkstoff vorzugsweise ein zweiter metallischer Werkstoff.

[0020] Vorzugsweise beträgt die Festigkeit des ersten Werkstoffs der ersten Abschnitte 13 zwischen 740 N/m2 und 1200 N/ m2. Als erster Werkstoff für die ersten Abschnitte 13 findet vorzugsweise folgender Werkstoff Verwendung: Stellite 12.

[0021] Die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Werkstoffs der zweiten Abschnitte 14 beträgt vorzugsweise zwischen 250 W/ mK und 400 W/mK Als zweiter Werkstoff für die zweiten Abschnitte 14 findet vorzugsweise folgender Werkstoff Verwendung: Kupfer.

[0022] Die aus dem ersten Werkstoff mit hoher Festigkeit gebildeten ersten Abschnitte 13 bilden vorzugsweise eine dreidimensionale Struktur aus, wobei die zweiten Abschnitte 14 aus dem zweiten Werkstoff mit der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit dadurch ausgebildet sind, dass die Hohlräume oder Freiräume der dreidimensionalen Struktur mit dem zweiten Werkstoff gefüllt sind. Die dreidimensionale Struktur kann dabei eine regelmässige Struktur, insbesondere eine Wabenstruktur oder Fachwerkstruktur, oder auch eine unregelmässige Struktur, insbesondere eine Schaumstruktur, sein.

[0023] Es liegt demnach im Sinne der Erfindung, dass der Ventilsitzring 10 zumindest im Bereich des Teils 11, welcher mit einem Ventilkörper zusammenwirkt, Abschnitte 13, 14 aus unterschiedlichen Werkstoffen aufweist, nämlich die ersten Abschnitte 13 aus dem ersten Werkstoff zur Bereitstellung der Hauptfunktion der statischen und dynamischen Festigkeit des Ventilsitzrings 10 und die zweiten Abschnitte 14 aus dem zweiten Werkstoff zur Bereitstellung eines hohen Wärmeabtransports von zu temperierenden Abschnitten, wie Oberflächenbereichen, des Ventilsitzrings 10. Fig. 1 zeigt im Bereich des Teils 11 des Ventilsitzrings 10 eine Kühleinrichtung im Sinne eines Kühlrohrs bzw. Kühlkanals, die von Kühlmittel durchströmt ist, wobei durch die zweiten Abschnitte 14 aus dem zweiten Werkstoff ein guter Wärmeabtransport in Richtung auf die Kühleinrichtung 17 gewährleistet ist.

[0024] Im in Fig. 1 gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ventilsitzrings 10 verfügt derselbe über einen dritten Abschnitt 15, der einen Oberflächenbereich 16 des Ventilsitzrings 10 definiert, an dem zum Schliessen des Gaswechselventils der Ventilkörper zur Anlage gebracht werden kann. In diesem dritten Abschnitt 15, der den Aufsetzbereich für den Ventilkörper bildet, ist der Ventilsitzring 10 vorzugsweise aus einem dritten Werkstoff gefertigt, wobei der dritte Werkstoff im Vergleich zum ersten Werkstoff und im Vergleich zum zweiten Werkstoff eine hohe bzw. höhere Duktilität aufweist.

[0025] Vorzugsweise findet als dritter Werkstoff folgender metallischer bzw. keramischer Werkstoff Verwendung: Nickel bzw. Zirkonoxid.

[0026] Durch den dritten Abschnitt 15 aus einem metallischen oder keramischem Werkstoff mit hoher Duktilität kann insbesondere die Dichtwirkung zwischen Ventilsitzring 10 und Ventilkörper des Gaswechselventils verbessert werden, sodass eine hervorragende Dichtwirkung bereits innerhalb weniger Betriebsstunden erreicht wird und somit Betriebsschwankungen reduziert werden können.

[0027] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Gaswechselventil mit einem solchen Ventilsitzring 10, wobei das Gaswechselventil weiterhin eine mit dem Ventilsitzring 10 zusammenwirkenden, nicht gezeigten Ventilkörper aufweist.

[0028] Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren, um den erfindungsgemässen Ventilsitzring herzustellen. Der in Fig. 1 gezeigte Ventilsitzring 10 wird dadurch hergestellt, dass das zweite Teil 12 über ein spannendes Fertigungsverfahren hergestellt wird. Zur Herstellung des ersten Teils 11 des Ventilsitzrings 10 wird vorzugsweise zunächst aus dem ersten Werkstoff eine dreidimensionale Struktur wie eine Hohlraumstruktur aufgebaut, sodass demnach zunächst in einem ersten Schritt zur Herstellung des Teils 11 des Ventilsitzrings 10 die ersten Abschnitte 13 aus dem ersten Werkstoff gefertigt werden. Dabei kann die dreidimensionale Struktur, wie bereits ausgeführt, regelmässig zum Beispiel in Form einer Wabenstruktur oder unregelmässig zum Beispiel in Form einer Schaumstruktur ausgeführt sein. Die dreidimensionale Struktur kann zum Beispiel über ein generatives Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel 3D-Drucken gefertigt werden. Im Anschluss an das Herstellen der dreidimensionalen Struktur werden Hohlräume oder Freiräume mit dem zweiten Werkstoff ausgefüllt, zum Beispiel durch Infiltration, um so zwischen den ersten Abschnitten 13 aus dem ersten Werkstoff die zweiten Abschnitte 14 aus dem zweiten Werkstoff bereitzustellen. Nach dem Bereitstellen der beiden Teile 11, 12 werden dieselben vorzugsweise durch Verschweissen miteinander verbunden.

[0029] Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass der erste Teil 11, der zumindest die ersten Abschnitte 13 aus dem ersten Werkstoff und die zweiten Abschnitte 14 aus dem zweiten Werkstoff umfasst, dadurch hergestellt wird, dass beide Werkstoffe und damit beide Abschnitte 13, 14 des Teils 11 des Ventilsitzrings 10 gleichzeitig bzw. quasi gleichzeitig mit Hilfe eines generativen Fertigungsverfahrens aufgebaut werden, so zum Beispiel mit Hilfe eines Multimaterial-3D-Druck-prozesses.

[0030] Vor dem Verbinden der beiden Teile 11, 12 oder auch nach dem Verbinden der beiden Teile 11,12 kann am Teil 11 des Ventilsitzrings 10 der dritte Abschnitt 15 aus dem dritten Werkstoff ausgebildet werden, zum Beispiel mit Hilfe eines Beschichtungsverfahrens. Alternativ kann der dritte Abschnitt 15 des ersten Teils 11 auch über ein generatives Fertigungsverfahrens hergestellt werden.

[0031] Der zweite Teil 12 des Ventilsitzrings 10, welcher der Montage des Ventilsitzrings 10 in der Brennkraftmaschine, insbesondere im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, dient, ist vorzugsweise durchgehend aus ein und demselben Werkstoff gefertigt. Vorzugsweise besteht dabei der zweite Teil 12 aus dem ersten Werkstoff der ersten Abschnitt 13 des ersten Teils 11. Dies gewährleistet dann eine gute Verbindbarkeit der beiden Teile 11,12 durch z.B. Verschweissen.

[0032] Die Erfindung schlägt demnach einen völlig neuartigen Ventilsitzring 10 für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine vor. Zumindest derjenige Teil 11 des Ventilsitzrings 10, der hohen mechanischen Belastungen sowie hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, besteht aus einer Verbundstruktur aus mindestens zwei unterschiedlichen Abschnitten 13, 14, die aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sind, nämlich aus den ersten Abschnitten 13 aus dem ersten Werkstoff mit einer relativ hohen Festigkeit und den zweiten Abschnitten 14 aus dem zweiten Werkstoff mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit.

[0033] Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, in welcher der Ventilsitzring 10 in einem dritten Abschnitt, welcher als Aufsetzbereich für einen Ventilkörper dient, aus einem dritten Werkstoff mit hoher Duktilität gefertigt ist.

Bezugszeichenliste [0034] 10 Ventilsitzring 11 Teil 12 Teil 13 erster Abschnitt 14 zweiter Abschnitt 15 dritter Abschnitt 16 Oberfläche 17 Kühleinrichtung 18 Schweissnaht

Claims (13)

Patentansprüche

1. Ventilsitzring (10) für ein Gaswechselventil eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, wobei ein Ventilkörper des Gaswechselventils zum Schliessen des Gaswechselventils an dem Ventilsitzring zur Anlage bringbar ist, und wobei der Ventilkörper zum Öffnen des Gaswechselventils von dem Ventilsitzring entfernbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring (10) aus unterschiedlichen Werkstoffen besteht, nämlich in ersten Abschnitten (13) aus einem ersten Werkstoff und in zweiten Abschnitten (14) aus einem zweiten Werkstoff, wobei der erste Werkstoff im Vergleich zum zweiten Werkstoff eine höhere Festigkeit aufweist, und wobei der zweite Werkstoff im Vergleich zum ersten Werkstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

2. Ventilsitzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem ersten Werkstoff gebildeten ersten Abschnitte (13) eine dreidimensionale Struktur ausbilden, und dass die zweiten Abschnitte (14) von mit dem zweiten Werkstoff gefüllten Hohlräumen oder Freiräumen der Struktur ausgebildet sind.

3. Ventilsitzring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Struktur eine regelmässige Struktur, insbesondere eine Wabenstruktur, ist.

4. Ventilsitzring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Struktur eine unregelmässige Struktur, insbesondere eine Schaumstruktur, ist.

5. Ventilsitzring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkstoff ein erster metallischer Werkstoff ist.

6. Ventilsitzring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff ein zweiter metallischer Werkstoff ist.

7. Ventilsitzring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring (10) in einem dritten Abschnitt (15) aus einem dritten Werkstoff gebildet ist, wobei der dritte Werkstoff im Vergleich zum ersten und zweiten Werkstoff eine höhere Duktilität aufweist.

8. Ventilsitzring Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt (15) einen Oberflächenbereich (16) des Ventilsitzrings (10) definiert, an dem der Ventilkörper zum Schliessen des Gaswechselventils zur Anlage bringbar.

9. Ventilsitzring nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Werkstoff ein dritter metallischer oder keramischer Werkstoff ist.

10. Ventilsitzring nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring (10) mehrteilig ausgebildet ist, wobei ein ersten Teil (11), welcher mit dem Ventilkörper zusammenwirkt und gekühlt ist, die aus den unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Abschnitte (13,14, 15) aufweist, und wobei ein zweiter Teil (12), welcher der Montage des Ventilsitzrings in der Brennkraftmaschine dient, durchgehend aus einem Werkstoff besteht, wobei die beiden Teile (11, 12) fest miteinander verbunden sind.

11. Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit einem Ventilkörper und mit einem Ventilsitzring (10) für den Ventilkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.

12. Verfahren zum Herstellen des Ventilsitzrings (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die ersten Abschnitte (13) aus dem ersten Werkstoff unter Ausbildung einer dreidimensionalen Struktur hergestellt werden, und dass anschliessend in einem zweiten Schritt unter Ausbildung der zweiten Abschnitte (14) Hohlräume oder Freiräume der dreidimensionalen Struktur mit dem zweiten Werkstoff ausgefüllt werden.

13. Verfahren zum Herstellen des Ventilsitzrings (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abschnitte (13) aus dem ersten Werkstoff und die zweiten Abschnitte (14) aus dem zweiten Werkstoff zeitgleich überein generatives Fertigungsverfahren hergestellt werden.