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Die Erfindung betrifft eine Ventilsitzanordnung für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Ventilsitzanordnung.
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In einer Brennkraftmaschine wird häufig ein Ventilsitzring an einem Zylinderkopf angeordnet, um dort insbesondere ein dichtes und verschleißfestes Aufsitzen eines dem Ventilsitzring zugeordneten Ventiltellers eines Gaswechselventils für eine Brennkammer der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Derartige Gaswechselventile können insbesondere als Einlassventil oder als Auslassventil ausgebildet sein. Typischerweise wird ein solcher Ventilsitzring stoffschlüssig mit dem Zylinderkopf verbunden. Insbesondere wenn der Ventilsitzring und der Zylinderkopf jeweils voneinander verschiedene Werkstoffe aufweisen, können Diffusionsprozesse in einem Fügebereich, in welchem der Ventilsitzring und der Zylinderkopf aneinander grenzen, auftreten. Ebenso können bei einem Einpressen des Ventilsitzrings in den Zylinderkopf Kaltverschweißungen auftreten, welche derartige Diffusionsprozesse bewirken. Diese Diffusionsprozesse führen meist zu einer Versprödung, Korrosion oder Rissbildung in dem Fügebereich, woraus hohe Reparatur- beziehungsweise Instandhaltungskosten, oder sogar eine Verringerung der Lebensdauer der Brennkraftmaschine resultieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilsitzanordnung für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Ventilsitzanordnung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Ventilsitzanordnung für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche einen Ventilsitzring und einen Zylinderkopf aufweist. Der Ventilsitzring ist dabei fest an dem Zylinderkopf angeordnet. Die erfindungsgemäße Ventilsitzanordnung weist eine Diffusionsbarriereschicht auf, welche den Ventilsitzring und den Zylinderkopf voneinander abgrenzt. Dabei ist die Diffusionsbarriereschicht eingerichtet, um einen Diffusionsprozess zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf zu verhindern. Die Erfindung weist Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Dadurch, dass die Diffusionsbarriereschicht den Ventilsitzring und den Zylinderkopf voneinander trennt und dadurch ein Diffusionsprozess zwischen dem Material des Ventilsitzrings und dem Material des Zylinderkopfs verhindert wird, kann eine Versprödung, Rissbildung und/oder Korrosion in einem Fügebereich, in welchem der Ventilsitzring und der Zylinderkopf benachbart zueinander liegen, verhindert werden. Dadurch können Reparatur- beziehungsweise Instandhaltungskosten gesenkt und/oder die Lebensdauer einer Brennkraftmaschine signifikant erhöht werden. Darüber hinaus ist – im Vergleich zu einer Ventilsitzanordnung ohne eine Diffusionsbarriereschicht der angesprochenen Art – eine höhere zulässige Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine erreichbar, sodass eine höhere Leistungsdichte der Brennkraftmaschine erzielbar ist, was – insbesondere bei einer dadurch ermöglichten kleineren Dimensionierung der Brennkraftmaschine – zu einer Verbrauchsreduzierung und/oder zu einer höheren Spitzenleistung führt.
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Ein Gaswechselventil der angesprochenen Art kann als Einlassventil oder als Auslassventil für eine Brennkammer der Brennkraftmaschine ausgebildet sein. Insbesondere handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
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Die Diffusionsbarriereschicht ist insbesondere eingerichtet, um einen Diffusionsprozess zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf bei einem – insbesondere bezüglich Höhe, Zeitdauer und/oder Häufigkeit einer thermischen Belastung der Ventilsitzanordnung – bestimmungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine zu verhindern.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Ventilsitzanordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Diffusionsbarriereschicht mittels Beschichten auf den Ventilsitzring aufgebracht ist. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise die Diffusionsbarriereschicht mittels Beschichten auf den Zylinderkopf aufgebracht.
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Eine solche Beschichtung ist insbesondere mittels eines Verfahrens durchgeführt, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), Flammspritzen, Reibschweißen, Löten, Eintauchen, und Sputtern. Insbesondere ist die Diffusionsbarriereschicht dann stoffschlüssig mit dem Ventilsitzring und/oder dem Zylinderkopf verbunden.
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Vorzugsweise ist der mit der Diffusionsbarriereschicht beschichtete Ventilsitzring stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen, oder kraftschlüssig, beispielsweise durch Einpressen, mit dem Zylinderkopf verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise der mit der Diffusionsbarriereschicht beschichtete Zylinderkopf stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen, oder kraftschlüssig, beispielsweise durch Einpressen, mit dem Ventilsitzring verbunden. Es kann somit die Diffusionsbarriereschicht der Ventilsitzanordnung auf technologisch ausgereifte Weise effizient realisiert werden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Ventilsitzanordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Diffusionsbarriereschicht mittels Sintern auf den Ventilsitzring aufgebracht ist. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise die Diffusionsbarriereschicht mittels Sintern auf den Zylinderkopf aufgebracht. Vorzugsweise ist die Diffusionsbarriereschicht mittels Einsintern, Nachsintern oder Ansintern auf den Ventilsitzring und/oder den Zylinderkopf aufgebracht. Insbesondere ist die Diffusionsbarriereschicht mittels Sintern erzeugt, wobei die Diffusionsbarriereschicht vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Ventilsitzring und/oder mit dem Zylinderkopf verbunden ist.
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Vorzugsweise ist der mit der Diffusionsbarriereschicht mittels Sintern verbundene Ventilsitzring stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen, oder kraftschlüssig, beispielsweise durch Einpressen, mit dem Zylinderkopf verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise der mit der Diffusionsbarriereschicht mittels Sintern verbundene Zylinderkopf stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen, oder kraftschlüssig, beispielsweise durch Einpressen, mit dem Ventilsitzring verbunden.
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Vorzugsweise werden ein der Diffusionsbarriereschicht zugeordneter Grünling und ein dem Ventilsitzring zugeordneter Grünling zusammengesetzt und im Rahmen eines Sinterprozesses zu einem insbesondere einstückigen Bauteil verarbeitet. Alternativ oder zusätzlich werden vorzugsweise ein der Diffusionsbarriereschicht zugeordneter Grünling und ein dem Zylinderkopf zugeordneter Grünling zusammengesetzt und im Rahmen eines Sinterprozesses zu einem insbesondere einstückigen Bauteil verarbeitet.
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Alternativ werden vorzugsweise ein der Diffusionsbarriereschicht zugeordnetes Pulver und ein dem Ventilsitzring oder dem Zylinderkopf zugeordnetes Pulver in eine Grünlingpressform oder Spritzgussform insbesondere sequentiell eingefüllt, wobei im Rahmen eines Sinterprozesses hieraus ein insbesondere einstückiges Bauteil hergestellt wird.
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Alternativ werden vorzugsweise ein der Diffusionsbarriereschicht zugeordnetes Pulver und ein dem Ventilsitzring oder dem Zylinderkopf zugeordnetes Pulver jeweils in verschiedene Teilkammern einer Grünlingpressform oder Spritzgussform eingefüllt, wobei hieraus im Rahmen eines Sinterprozesses ein insbesondere einstückiges Bauteil hergestellt wird. Somit kann in technologisch ausgereifter Weise kostengünstig die Diffusionsbarriereschicht realisiert werden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Ventilsitzanordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Diffusionsbarriereschicht als separates Bauteil ausgebildet ist, welches fest, insbesondere starr und/oder permanent, mit dem Ventilsitzring verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise die Diffusionsbarriereschicht als separates Bauteil ausgebildet, welches fest, insbesondere starr und/oder permanent, mit dem Zylinderkopf verbunden ist. Insbesondere ist die Diffusionsbarriereschicht dann kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Ventilsitzring und/oder dem Zylinderkopf verbunden. Somit kann auf einfache und kostengünstige Weise die Diffusionsbarriereschicht realisiert werden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Ventilsitzanordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Ventilsitzring einen ersten Werkstoff, der Zylinderkopf einen zweiten Werkstoff und die Diffusionsbarriereschicht einen dritten Werkstoff aufweisen, oder dass der Ventilsitzring aus einem ersten Werkstoff, der Zylinderkopf aus einem zweiten Werkstoff und die Diffusionsbarriereschicht aus einem dritten Werkstoff bestehen. Vorzugsweise ist der dritte Werkstoff von dem ersten Werkstoff und/oder dem zweiten Werkstoff verschieden.
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Insbesondere ist der erste Werkstoff von dem zweiten Werkstoff verschieden. Insbesondere weist der Ventilsitzring mehrere Ventilsitzringwerkstoffe auf, wobei der erste Werkstoff ein Basiswerkstoff der mehreren Ventilsitzringwerkstoffe ist. Alternativ oder zusätzlich weist insbesondere der Zylinderkopf mehrere Zylinderkopfwerkstoffe auf, wobei der zweite Werkstoff ein Basiswerkstoff der mehreren Zylinderkopfwerkstoffe ist.
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Vorzugsweise ist der dritte Werkstoff ein Werkstoff, welcher ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Nickel, einer Nickel-Phosphor-Legierung, Tantal, Tantaloxid, Kupfer, Silizium, Siliziumoxid, Bor, Platin, Wolfram, Hafniumcarbid, Tantalcarbid, Tantalhafniumcarbid, und Zirkonium. Mittels eines dritten Werkstoffs der angesprochenen Art kann ein Diffusionsprozess zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf sicher verhindert werden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Ventilsitzanordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der erste Werkstoff eine erste Schmelztemperatur, der zweite Werkstoff eine zweite Schmelztemperatur und der dritte Werkstoff eine dritte Schmelztemperatur aufweisen, wobei die dritte Schmelztemperatur höher ist als die erste Schmelztemperatur und/oder die zweite Schmelztemperatur. Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise dem ersten Werkstoff eine erste Diffusionsaktivierungsenergie, dem zweiten Werkstoff eine zweite Diffusionsaktivierungsenergie und dem dritten Werkstoff eine dritte Diffusionsaktivierungsenergie zugeordnet, wobei die dritte Diffusionsaktivierungsenergie größer ist als die erste Diffusionsaktivierungsenergie und/oder die zweite Diffusionsaktivierungsenergie. Eine Diffusionsaktivierungsenergie der angesprochenen Art ist insbesondere eine Energie, welche zur Initiierung und/oder für den Ablauf eines Diffusionsprozesses insbesondere in Festkörpern erforderlich ist. Durch die Schmelztemperatur und/oder die Diffusionsaktivierungsenergie des dritten Werkstoffs kann ein Diffusionsprozess zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf sicher verhindert werden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Ventilsitzanordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Zylinderkopf einen Basisteil und eine Trägerhülse aufweist, wobei die Trägerhülse fest, insbesondere starr und/oder permanent, an dem Basisteil angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Ventilsitzring an dem Basisteil angeordnet, wobei die Diffusionsbarriereschicht den Ventilsitzring von dem Basisteil abgrenzt. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise der Ventilsitzring an der Trägerhülse angeordnet, wobei die Diffusionsbarriereschicht den Ventilsitzring von der Trägerhülse abgrenzt. Somit kann bei verschiedenen Ausgestaltungen des Zylinderkopfs ein Diffusionsprozess zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopf mittels der Diffusionsbarriereschicht sicher verhindert werden.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit einer Ventilsitzanordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele geschaffen wird. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Ventilsitzanordnung erläutert wurden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Ventilsitzanordnung im Längsschnitt,
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Ventilsitzanordnung im Längsschnitt,
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Ventilsitzanordnung im Längsschnitt, und
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4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ventilsitzrings im Längsschnitt.
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1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Ventilsitzanordnung 3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Ventilsitzanordnung 3 ist im Längsschnitt dargestellt, wobei in 1 lediglich ein – aus Sicht eines Betrachters gesehen – rechter Teil der Ventilsitzanordnung 3 gezeigt ist.
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Die Ventilsitzanordnung 3 weist einen Ventilsitzring 5 und einen Zylinderkopf 7 auf. Der Ventilsitzring 5 dient in einem Auflagebereich 8 insbesondere als Auflagefläche und/oder Dichtfläche für ein – hier nicht dargestelltes – Gaswechselventil, insbesondere ein Einlassventil oder ein Auslassventil, für eine Brennkammer der Brennkraftmaschine 1. Der Ventilsitzring 5 ist fest an dem Zylinderkopf 7 angeordnet.
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Die Ventilsitzanordnung 3 weist eine Diffusionsbarriereschicht 9 auf, welche den Ventilsitzring 5 und den Zylinderkopf 7 voneinander abgrenzt. Die Diffusionsbarriereschicht 9 ist eingerichtet, um einen Diffusionsprozess zwischen dem Ventilsitzring 5 und dem Zylinderkopf 7 zu verhindern. Insbesondere grenzt die Diffusionsbarriereschicht 9 den Ventilsitzring 5 und den Zylinderkopf 7 in einem Fügebereich 11, in welchem der Ventilsitzring 5 und der Zylinderkopf 7 benachbart zueinander liegen, voneinander ab.
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Optional ist die Diffusionsbarriereschicht 9 mittels Beschichten auf den Ventilsitzring 5 oder den Zylinderkopf 7 aufgebracht. Alternativ ist optional die Diffusionsbarriereschicht 9 auf den Ventilsitzring 5 und den Zylinderkopf 7 aufgebracht, wobei dann die Diffusionsbarriereschicht 9 insbesondere zweiteilig ausgebildet ist. In diesem Fall sind insbesondere ein erster Schichtbereich der Diffusionsbarriereschicht 9 auf den Ventilsitzring 5 und ein zweiter Schichtbereich der Diffusionsbarriereschicht 9 auf den Zylinderkopf 7 aufgebracht. Die Diffusionsbarriereschicht 9 ist dann insbesondere als eine Schicht ausgebildet, welche mittels Beschichten hergestellt und insbesondere stoffschlüssig mit dem Ventilsitzring 5 und/oder dem Zylinderkopf 7 verbunden ist.
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Optional ist die Diffusionsbarriereschicht 9 mittels Sintern auf den Ventilsitzring 5 oder den Zylinderkopf 7 aufgebracht. Alternativ ist optional die Diffusionsbarriereschicht 9 mittels Sintern auf den Ventilsitzring 5 und den Zylinderkopf 7 aufgebracht, wobei dann die Diffusionsbarriereschicht 9 insbesondere zweiteilig ausgebildet ist. In diesem Fall sind insbesondere ein erster Schichtbereich der Diffusionsbarriereschicht 9 auf den Ventilsitzring 5 und ein zweiter Schichtbereich der Diffusionsbarriereschicht 9 auf den Zylinderkopf 7 aufgebracht. Die Diffusionsbarriereschicht 9 ist dann insbesondere als eine Schicht ausgebildet, welche mittels Sintern hergestellt und insbesondere stoffschlüssig mit dem Ventilsitzring 5 und/oder dem Zylinderkopf 7 verbunden ist.
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Der Ventilsitzring 5 und der Zylinderkopf 7 sind insbesondere über die Diffusionsbarriereschicht 9 stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Optional ist die Diffusionsbarriereschicht 9 als separates Bauteil ausgebildet, welches fest mit dem Ventilsitzring 5 oder dem Zylinderkopf 7 verbunden ist. Alternativ ist optional die Diffusionsbarriereschicht 9 fest mit dem Ventilsitzring 5 und dem Zylinderkopf 7 verbunden.
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Optional weisen der Ventilsitzring 5 einen ersten Werkstoff, der Zylinderkopf 7 einen zweiten Werkstoff und die Diffusionsbarriereschicht 9 einen dritten Werkstoff auf. Alternativ bestehen der Ventilsitzring 5 aus einem ersten Werkstoff, der Zylinderkopf 7 aus einem zweiten Werkstoff und die Diffusionsbarriereschicht 9 aus einem dritten Werkstoff. Insbesondere ist der dritte Werkstoff von dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff verschieden.
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Optional weisen der erste Werkstoff eine erste Schmelztemperatur, der zweite Werkstoff eine zweite Schmelztemperatur und der dritte Werkstoff eine dritte Schmelztemperatur auf, wobei die dritte Schmelztemperatur höher ist als die erste Schmelztemperatur und/oder die zweite Schmelztemperatur. Alternativ oder zusätzlich sind optional dem ersten Werkstoff eine erste Diffusionsaktivierungsenergie, dem zweiten Werkstoff eine zweite Diffusionsaktivierungsenergie und dem dritten Werkstoff eine dritte Diffusionsaktivierungsenergie zugeordnet, wobei die dritte Diffusionsaktivierungsenergie größer ist als die erste Diffusionsaktivierungsenergie und/oder die zweite Diffusionsaktivierungsenergie.
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2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Ventilsitzanordnung 3 im Längsschnitt. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Hier ist der Zylinderkopf 7 mehrteilig ausgebildet. Der Zylinderkopf 7 weist hier einen Basisteil 13 und eine Trägerhülse 15 auf, wobei die Trägerhülse 15 fest an dem Basisteil 13 angeordnet ist.
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Der Ventilsitzring 5 ist hier nur an der Trägerhülse 15 angeordnet. Es erstreckt sich bei der Darstellung gemäß 2 ein erster Teil 17 der Diffusionsbarriereschicht 9 im Wesentlichen in Richtung einer Längsachse 19 der Ventilsitzanordnung 3. Insbesondere ist die Längsachse 19 eine Rotationsachse des insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildeten Ventilsitzrings 5 und der Diffusionsbarriereschicht 9. Weiterhin erstreckt sich ein zweiter Teil 21 der Diffusionsbarriereschicht 9 im Wesentlichen in einer Richtung quer zu der Längsachse 19. Die Diffusionsbarriereschicht 9 grenzt hier mit dem ersten Teil 17 und dem zweiten Teil 21 den Ventilsitzring 5 von der Trägerhülse 15 ab.
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3 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der Ventilsitzanordnung 3 im Längsschnitt. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Der Zylinderkopf 7 weist hier – wie in 2 – den Basisteil 13 und die Trägerhülse 15 auf. Dabei ist der Ventilsitzring 5 an der Trägerhülse 15 und – anders als bei 2 – zusätzlich an dem Basisteil 13 angeordnet. Die Diffusionsbarriereschicht 9 grenzt hier den Ventilsitzring 5 entsprechend von dem Basisteil 13 und der Trägerhülse 15 ab. Dabei grenzt der erste Teil 17, welcher bei der Darstellung gemäß 3 im Wesentlichen in Richtung der Längsachse 19 verläuft, den Ventilsitzring 5 von dem Basisteil 13 ab. Weiterhin grenzt der zweite Teil 21, welcher bei der Darstellung gemäß 3 im Wesentlichen in einer Richtung quer zu der Längsachse 19 verläuft, den Ventilsitzring 5 von der Trägerhülse 15 ab.
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4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Ventilsitzrings 5 im Längsschnitt. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Der Ventilsitzring 5 ist hier als Sinterteil ausgebildet, wobei er eine Funktionsschicht 23 aufweist, an welcher der Auflagebereich 8 angeordnet ist. Die Funktionsschicht 23 ist stoffschlüssig mit einer Trägerschicht 25 des Ventilsitzrings 5 verbunden. Die Funktionsschicht 23 und die Trägerschicht 25 bilden somit zusammen den Ventilsitzring 5, wobei die Funktionsschicht 23 und die Trägerschicht 25 mittels Sintern hergestellt sind. Auf den Ventilsitzring 5 ist insbesondere mittels Sintern die Diffusionsbarriereschicht 9 aufgebracht, wobei hier die Diffusionsbarriereschicht 9 auf die Trägerschicht 25 aufgebracht ist und damit quasi bereichsweise eine Randzone der Trägerschicht 25 bildet. Der Ventilsitzring 5 ist mit der Diffusionsbarriereschicht 9 insbesondere stoffschlüssig verbunden. Ein mehrschichtig aufgebauter Ventilsitzring 5 ist vorteilhaft, da insbesondere je nach mechanischer und/oder thermischer Beanspruchung des Ventilsitzrings 5 einzelne Schichten spezifisch ausgebildet werden können.
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Insgesamt zeigt sich, dass mittels der Ventilsitzanordnung 3 beziehungsweise der Brennkraftmaschine 1 mit der Ventilsitzanordnung 3 Diffusionsprozesse zwischen dem Ventilsitzring 5 und dem Zylinderkopf 7 effektiv und kostengünstig verhindert werden können, sodass insbesondere eine Versprödung, Rissbildung und Korrosion in dem Fügebereich 11 vermieden werden.
