DE102007051374A1 - Gas shuttle valve for internal-combustion engine, is formed from lightweight construction material and is provided with coating in sections, where coating is applied by cold gas spraying - Google Patents

Gas shuttle valve for internal-combustion engine, is formed from lightweight construction material and is provided with coating in sections, where coating is applied by cold gas spraying Download PDF

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Abstract

The gas shuttle valve (12) is formed from a lightweight construction material and is provided with a coating (30) in sections. The coating is applied by cold gas spraying. A valve stem (14) is provided with the coating. An end section (24) of the valve stem is provided with the coating.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine.The The invention relates to a gas exchange valve for an internal combustion engine.

Ein Gaswechselventil mit einem Ventilschaft und einem Ventilteller kann von einem Antrieb wie einer Nockenwelle oder einem elektromagnetischen Aktuator so betätigt werden, daß das Gaswechselventil aus der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung wechseln kann. Die auf das Gaswechselventil wirkenden Kräfte sind dabei vergleichsweise hoch.One Gas exchange valve with a valve stem and a valve disk can from a drive such as a camshaft or an electromagnetic actuator so pressed be that Gas exchange valve from the closed position to the open position can change. The forces acting on the gas exchange valve are forces doing comparatively high.

Um einen vorzeitigen Verschleiß des Gaswechselventils zu verhindern, werden Gaswechselventile meist aus einem harten, verschleißfesten Material hergestellt. Solche Gaswechselventile sind jedoch schwer, weshalb beispielsweise ein als Antrieb eingesetzter elektromagnetische Aktuator eine große Kraft aufbringen muß, um das Gaswechselventil aus der geschlossenen in die geöffnete Stellung und umgekehrt zu bewegen. Solche Gaswechselventile können deshalb nur bedingt beispielsweise bei hochdrehenden Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.Around a premature wear of the Gas exchange valves are usually gas exchange valves made of a hard, wear-resistant Material produced. However, such gas exchange valves are difficult why, for example, used as a drive electromagnetic Actuator a great force must raise around the gas exchange valve from the closed to the open position and vice versa. Such gas exchange valves can therefore only conditionally, for example, in high-speed internal combustion engines be used.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Gaswechselventil bereitzustellen, das bei geringen Kosten verschleißgeschützt ist.The The object of the invention is to provide a gas exchange valve, which is wear-resistant at low cost.

Zu diesem Zweck sieht die Erfindung ein Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine vor, wobei das Gaswechselventil aus einem Leichtbauwerkstoff ausgebildet ist und wenigstens abschnittsweise mit einer Beschichtung versehen ist. Aufgrund der Beschichtung kann ein Gaswechselventil, aus einem Leichtbauwerkstoff, wie z. B. Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, verwendet werden, da das vergleichsweise leichte Gaswechselventil aufgrund der Beschichtung vor Verschleiß geschützt ist. Das Gaswechselventil aus einem Leichtbauwerkstoff selbst weist nämlich eine zu geringe Stützfähigkeit auf und ist deshalb nicht verschleißfest. Gaswechselventile in Leichtbauweise können insbesondere für hochdrehende Verbrennungsmotoren und/oder Verbrennungsmotoren mit variablem Ventilantrieb eingesetzt werden, da sie aufgrund ihres niedrigen Gewichtes von Antrieben wie einer Nockenwelle oder einem elektromagnetischen Aktuator mit einer geringen Kraft angetrieben werden können. Das so hergestellte Gaswechselventil ist kostengünstig.To For this purpose, the invention provides a gas exchange valve for an internal combustion engine before, wherein the gas exchange valve formed of a lightweight material is and at least partially provided with a coating is. Due to the coating, a gas exchange valve, from a Lightweight material, such. As aluminum, magnesium or their alloys, be used because the comparatively light gas exchange valve due the coating is protected against wear. The Gas exchange valve made of a lightweight material itself has a too low supportability and is therefore not wear resistant. Gas exchange valves in lightweight construction, especially for high-revving Internal combustion engines and / or variable valve drive internal combustion engines be used because of their low weight of Drives such as a camshaft or an electromagnetic actuator can be driven with a small force. The gas exchange valve produced in this way is inexpensive.

Vorzugsweise ist die Beschichtung mittels Kaltgasspritzen aufgebracht. Kaltgasspritzen ist ein Spritzprozeß, bei dem ungeschmolzene Pulverpartikel beschleunigt werden und mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Gaswechselventil gespritzt werden. Dazu wird ein auf wenige 100° Celsius aufgeheiztes Fördergas durch Expansion auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Anschließend werden die Pulverpartikel in den Gasstrahl initiiert. Die initiierten Pulverpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, daß sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Gaswechselventil eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Da die Temperatur des Fördergases nur leicht erhöht ist und das aufgespritzte Pulvermaterial in keinem Fall die Schmelztemperatur des Gaswechselventils erreicht, eignet sich das Kaltgasspritzen für Gaswechselventile aus leichten und/oder niedrig schmelzenden Materialien.Preferably the coating is applied by means of cold gas spraying. Cold Spraying is a spraying process, in which unmelted powder particles are accelerated and with be sprayed at very high speed on the gas exchange valve. This will be a few hundred degrees Celsius heated conveying gas by expanding to supersonic speed accelerated. Then be initiated the powder particles in the gas jet. The initiated powder particles are thereby accelerated to such a high speed that they are in the Contrary to other thermal spraying methods without previous Melting or melting on impact with the gas exchange valve form a dense and firmly adhering layer. As the temperature of the delivery gas only slightly increased and the sprayed powder material in no case the melting temperature achieved the gas exchange valve, the cold gas spraying is suitable for gas exchange valves made of light and / or low melting materials.

Es kann der Ventilschaft mit der Beschichtung versehen sein, und zwar insbesondere der Teil des Ventilschaftes, der in einer Ventilführung aufgenommen ist. Der Teil, der in der Ventilführung aufgenommen ist, bewegt sich beim Öffnen und Schließen des Gaswechselventils entlang der Ventilführung. Die Beschichtung verhindert, daß die Bewegung des Ventilschaftes relativ zur Ventilführung zu einem Materialverlust an der Oberfläche des Gaswechselventils führt.It the valve stem can be provided with the coating, namely in particular the part of the valve stem which is received in a valve guide is. The part that is received in the valve guide moves when opening and closing the Gas exchange valve along the valve guide. The coating prevents that the Movement of the valve stem relative to the valve guide to a loss of material on the surface the gas exchange valve leads.

Es kann auch der Endabschnitt des Ventilschaftes, der der Ventilbetätigung zugewandt ist, mit der Beschichtung versehen sein. Herkömmliche Ventilbetätigungen wirken auf den Ventilschaft des Gaswechselventils, um das Gaswechselventil aus einer geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung zu verstellen. Die dabei zwischen der Ventilbetätigung und dem Ventilschaft wirkenden Kräfte am Endabschnitt des Ventilschaftes sind vergleichsweise hoch.It may also be the end portion of the valve stem, which faces the valve actuation is to be provided with the coating. Conventional valve actuations act on the valve stem of the gas exchange valve to the gas exchange valve to move from a closed position to the open position. The case between the valve actuation and forces acting on the valve stem at the end portion of the valve stem are comparatively high.

Die Beschichtung, die am Endabschnitt des Ventilschaftes vorgesehen ist, verhindert einen vorzeitigen Verschleiß.The Coating provided at the end portion of the valve stem is, prevents premature wear.

Auch kann eine Sitzfläche des Ventiltellers mit der Beschichtung versehen sein. Die Sitzfläche des Ventiltellers wirkt mit einem Ventilsitz zusammen. Die Beschichtung schützt die Sitzfläche vor Verschleiß.Also can be a seat the valve disk be provided with the coating. The seat of the Valve plate interacts with a valve seat. The coating protects the seat from wear.

Vorzugsweise ist die Dicke der Beschichtung so gewählt, daß sie selbsttragend ist. Das Grundmaterial, aus dem das Gaswechselventil ist, ist ein Leichtbauwerkstoff mit einer geringen Stützfähigkeit. Aufgrund des geringen Verformungswiderstandes des Gaswechselventils können keine dünnen Beschichtungen verwendet werden. Es ist notwendig, daß die Beschichtung selbsttragend ist, um eine Dauerfestigkeit des Gaswechselventils zu gewährleisten.Preferably the thickness of the coating is chosen so that it is self-supporting. The Base material of which the gas exchange valve is a lightweight material with a low supportability. by virtue of the low deformation resistance of the gas exchange valve can not thin Coatings are used. It is necessary that the coating self-supporting, to a fatigue strength of the gas exchange valve to ensure.

Das Gaswechselventil kann aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen bestehen, also Materialien, die eine geringe Stützfähigkeit haben, leicht und niedrig schmelzend sind. Aufgrund ihres geringen Gewichtes werden solche Gaswechselventile insbesondere für hochdrehende Verbrennungsmotoren und/oder Verbrennungsmotoren mit variablem Ventilantrieb eingesetzt.The gas exchange valve can be made of aluminum, magnesium or their alloys, ie materials that have low supportability, are light and low melting. Due to their low weight, such Gaswechselven tile used in particular for high-speed internal combustion engines and / or internal combustion engines with variable valve drive.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further Features and advantages emerge from the dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in der einzigen Zeichnung dargestellt ist. In 1 ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen Aktuator gezeigt.The invention will be described below with reference to an embodiment shown in the single drawing. In 1 is a partially sectioned view of a gas exchange valve according to the invention of an internal combustion engine with an electromagnetic actuator shown.

In 1 ist ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine dargestellt. In einem Zylinderkopf 10 ist ein Gaswechselventil 12 mit einem Ventilschaft 14 verschiebbar geführt.In 1 a valve train of an internal combustion engine is shown. In a cylinder head 10 is a gas exchange valve 12 with a valve stem 14 slidably guided.

Das Gaswechselventil 12 wird von einem elektromagnetischen Aktuator 16 betätigt. Der Aktuator 16 umfaßt zwei Elektromagnete 18, 20, durch die sich ein Ankerschaft 22 erstreckt, der an seinem unteren Ende auf einen Endabschnitt 24 des Ventilschaftes 14 einwirkt, so daß das Gaswechselventil 12 aus der in 1 gezeigten, geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung (nicht gezeigt) bewegt werden kann. Ein Ventilteller 26, der an dem Ende des Ventilschaftes 14 angeordnet ist, das dem Ankerschaft 22 abgewandt ist, wird dabei aus einem Ventilsitz 28 bewegt. Der Ventilteller 26 hat insbesondere eine Sitzfläche 27 (oder auch Paßfläche genannt), die im geschlossenen Zustand am Ventilsitz 28 anliegt.The gas exchange valve 12 is powered by an electromagnetic actuator 16 actuated. The actuator 16 includes two electromagnets 18 . 20 through which an anchor shaft 22 extends, which at its lower end to an end portion 24 of the valve stem 14 acts, so that the gas exchange valve 12 from the in 1 shown, closed position in an open position (not shown) can be moved. A valve plate 26 at the end of the valve stem 14 is arranged, the the anchor shaft 22 is turned away, it is from a valve seat 28 emotional. The valve plate 26 has in particular a seat 27 (Or also called mating surface), which in the closed state at the valve seat 28 is applied.

Das Gaswechselventil 12 besteht aus einem Leichtbauwerkstoff, insbesondere aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen. Das Gaswechselventil 12 ist wenigstens abschnittsweise mit einer verschleißfesten Beschichtung 30 versehen. Die verschleißfeste Beschichtung 30 ist in den Bereichen des Gaswechselventils 12 vorgesehen, die hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind, und/oder in den Bereichen, die sich entlang benachbarter Flächen bewegen, nämlich am Endabschnitt 24 des Ventilschaftes 14, der dem Aktuator 16 zugewandt ist, an der Sitzfläche 27 des Ventiltellers 26 und in dem Bereich des Ventilschaftes 14, der in einer Ventilführung 32 aufgenommen ist. Die Dicke der Beschichtung 30 ist dabei so gewählt, daß sie selbsttragend ist. Die Beschichtung 30 kann auch als Panzerung bezeichnet werden.The gas exchange valve 12 consists of a lightweight material, in particular aluminum, magnesium or their alloys. The gas exchange valve 12 is at least partially with a wear-resistant coating 30 Mistake. The wear-resistant coating 30 is in the areas of the gas exchange valve 12 provided, which are exposed to high stresses, and / or in the areas that move along adjacent surfaces, namely at the end portion 24 of the valve stem 14 , the actuator 16 facing, on the seat 27 of the valve disk 26 and in the area of the valve stem 14 in a valve guide 32 is included. The thickness of the coating 30 is chosen so that it is self-supporting. The coating 30 can also be referred to as armor.

Das leichte und verschleißgeschützte Gaswechselventil 12 wird folgendermaßen hergestellt: Der Ventilschaft 14 aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen wird abschnittsweise kaltgasgespritzt, wodurch der Ventilschaft 14 bereichsweise mit einer Beschichtung 30 versehen wird. Kaltgasspritzen ist ein Spritzprozeß, bei dem ungeschmolzene Pulverpartikel beschleunigt werden und mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Gaswechselventil 12 gespritzt werden. Dazu wird ein auf wenige 100° Celsius aufgeheiztes Fördergas durch Expansion auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Anschließend werden die Pulverpartikel in den Gasstrahl initiiert. Die initiierten Pulverpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, daß sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Gaswechselventil 12 eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Da die Temperatur des Fördergases nur leicht erhöht ist und das aufgespritzte Pulvermaterial in keinem Fall die Schmelztemperatur des Gaswechselventils 12 erreicht, eignet sich das Kaltgasspritzen für Gaswechselventile 12 aus leichten und/oder niedrig schmelzenden Materialien.The lightweight and wear-protected gas exchange valve 12 is made as follows: The valve stem 14 made of aluminum, magnesium or their alloys is partially sprayed cold gas, whereby the valve stem 14 partially with a coating 30 is provided. Cold gas spraying is an injection process in which unmelted powder particles are accelerated and at very high speed on the gas exchange valve 12 be sprayed. For this purpose, a conveyor gas heated to a few 100 ° Celsius is accelerated by expansion to supersonic speed. Subsequently, the powder particles are initiated in the gas jet. The initiated powder particles are thereby accelerated to such a high speed that, in contrast to other thermal spraying methods, they can also be applied to the gas exchange valve without prior melting or melting 12 form a dense and firmly adhering layer. Since the temperature of the conveying gas is only slightly increased and the sprayed powder material in no case the melting temperature of the gas exchange valve 12 achieved, the cold gas spraying is suitable for gas exchange valves 12 made of light and / or low melting materials.

Das Gaswechselventil 12 kann anschließend in einen Zylinderkopf 10 eingesetzt werden.The gas exchange valve 12 can then be in a cylinder head 10 be used.

Claims (8)

Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine, wobei das Gaswechselventil (12) aus einem Leichtbauwerkstoff ausgebildet ist und wenigstens abschnittsweise mit einer Beschichtung (30) versehen ist.Gas exchange valve for an internal combustion engine, wherein the gas exchange valve ( 12 ) is formed of a lightweight material and at least partially with a coating ( 30 ) is provided. Gaswechselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (30) mittels Kaltgasspritzen aufgebracht ist.Gas exchange valve according to claim 1, characterized in that the coating ( 30 ) is applied by cold gas spraying. Gaswechselventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventilschaft (14) mit der Beschichtung (30) versehen ist.Gas exchange valve according to claim 1 or 2, characterized in that a valve stem ( 14 ) with the coating ( 30 ) is provided. Gaswechselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endabschnitt (24) des Ventilschaftes (14) mit der Beschichtung (30) versehen ist.Gas exchange valve according to one of the preceding claims, characterized in that an end section ( 24 ) of the valve stem ( 14 ) with the coating ( 30 ) is provided. Gaswechselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sitzfläche (27) des Ventiltellers (26) des Gaswechselventils (12) mit der Beschichtung (30) versehen ist.Gas exchange valve according to one of the preceding claims, characterized in that a seat surface ( 27 ) of the valve disk ( 26 ) of the gas exchange valve ( 12 ) with the coating ( 30 ) is provided. Gaswechselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung (30) so gewählt ist, daß sie selbsttragend ist.Gas exchange valve according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the coating ( 30 ) is chosen so that it is self-supporting. Gaswechselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil (12) aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen besteht.Gas exchange valve according to one of the preceding claims, characterized in that the gas exchange valve ( 12 ) consists of aluminum, magnesium or their alloys. Gaswechselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (30) mittels thermischen Spritzens aufgebracht ist.Gas exchange valve according to one of vorge dependent claims, characterized in that the coating ( 30 ) is applied by thermal spraying.
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