DE102018118791A1 - Poppet valve with a high temperature coating - Google Patents

Poppet valve with a high temperature coating Download PDF

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Guido Bayard
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tellerventil (4) mit einem Ventilschaft (8) und einem Ventilteller (10) mit einer Ventiltellerfläche (16) und einer Ventiltellerrückseite (18), wobei auf der Ventiltellerfläche (16), der Ventiltellerrückseite (18) und/oder dem Ventilschaft (8) eine Beschichtung auf Siliziumbasis (22) aufgebracht ist.The invention relates to a poppet valve (4) with a valve stem (8) and a valve plate (10) with a valve plate surface (16) and a valve plate rear side (18), with the valve plate surface (16), the valve plate rear side (18) and / or a silicon-based coating (22) is applied to the valve stem (8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Tellerventile, im Folgenden auch vereinfacht als Ventile bezeichnet, für Verbrennungsmotoren. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein Ein- oder Auslassventil für einen Verbrennungsmotor, das mit einer Außenbeschichtung versehen ist, um eine Gleitreibung an einer Oberfläche des Ventils zu verringern bzw. zu beeinflussen. Die Außenbeschichtung kann weiter dazu beitragen, eine Korrosion und eine Ablagerung von Verbrennungsrückständen auf dem Ventil bzw. dem Ventilkopf zu verringern. Die Außenbeschichtung kann weiter dazu beitragen, eine Reibung des Ventils bezüglich des Ventil- bzw. Zylinderkopfes zu verringern. Es ist ebenfalls möglich die Leistung eines Motors länger zu erhalten, da durch die Beschichtung Ablagerungen verhindert werden können, die den Gasstrom im Ansaug- und Abgassystem oder im Brennraum behindern können.The present invention relates to poppet valves, hereinafter also referred to simply as valves, for internal combustion engines. More particularly, the present invention relates to an intake or exhaust valve for an internal combustion engine which is provided with an outer coating in order to reduce or influence sliding friction on a surface of the valve. The outer coating can further help to reduce corrosion and deposits of combustion residues on the valve or the valve head. The outer coating can further help to reduce friction of the valve with respect to the valve or cylinder head. It is also possible to maintain the performance of an engine for longer, because the coating can prevent deposits that can hinder the gas flow in the intake and exhaust system or in the combustion chamber.

Benzin- und Ottomotoren mit Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum leiden insbesondere an dem Problem der Bauteilverkokung. Hierbei sind besonders die Ventilkehlungen von Einlassventilen betroffen. Die Verkokung beginnt auf der Oberfläche der Ventile mit Bildung eines Belags, vorrangig bestehend aus schwer flüchtigen Komponenten von Schmier- und Kraftstoffen. Auf diesem klebrigen Belag bleiben Rußpartikel besonders gut haften. Dadurch entsteht ein lokaler Angriff auf der Oberfläche was zu muldenartiger Korrosion führt. In diese Mulden sammeln sich anschließend schwer flüchtige Komponenten aus Schmier- und Kraftstoffen und verstärken den Prozess. Durch die durch die Korrosion aufgeraute Oberfläche haften Rußpartikel noch besser und es können sich starke Verkokungschichten aufbauen, die sogar das Strömungsverhalten in dem Ansaugkanal beeinträchtigen können.Gasoline and petrol engines with direct fuel injection into the combustion chamber suffer particularly from the problem of component coking. The valve channels of intake valves are particularly affected. Coking begins on the surface of the valves with the formation of a coating, primarily consisting of the non-volatile components of lubricants and fuels. Soot particles stick particularly well to this sticky surface. This creates a local attack on the surface which leads to trough-like corrosion. Hardly volatile components made of lubricants and fuels then collect in these troughs and reinforce the process. Due to the surface roughened by the corrosion, soot particles adhere even better and strong coking layers can build up, which can even impair the flow behavior in the intake duct.

Es besteht immer noch ein Bedarf danach, die Eigenschaften und die Haltbarkeit bzw. Einsatzdauer von Tellerventilen weiter zu verbessern. Es besteht zudem ein Bedarf, ein Ventil zur Verfügung zu stellen, das gegen Korrosion geschützt ist. Es ist weiterhin wünschenswert, die Menge von Ablagerungen zu verringern, die sich auf einem Ventil ablagern kann.There is still a need to further improve the properties and durability or life of poppet valves. There is also a need to provide a valve that is protected against corrosion. It is also desirable to reduce the amount of debris that can deposit on a valve.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Tellerventil mit einer Beschichtung bereitgestellt. Das Tellerventil umfasst einen Ventilschaft und einen Ventilteller bzw. Ventilkopf. Der Ventilteller umfasst eine Ventiltellerfläche, die Teil eines Brennraums ist und eine Ventiltellerrückseite. Die Ventiltellerrückseite umfasst einen kegelförmigen Bereich, der als Ventilsitz dient, sowie einen ringförmigen Bereich, der in einem Querschnitt durch die Ventilachse einen Hohlkehlbereich bildet, mit dem der Ventilteller an seiner Ventiltellerrückseite in den Ventilschaft übergeht. Erfindungsgemäß ist auf dem Ventilteller bzw. dem Ventilkopf und/oder der Ventiltellerfläche und/oder der Ventiltellerrückseite und/oder dem Ventilschaft eine Beschichtung auf Siliziumbasis aufgebracht. Weiterhin können auch der Schaftendenbereich und/oder der Einstichbereich beschichtet sein. Insbesondere kann das gesamte Ventil beschichtet sein.According to the present invention, a poppet valve with a coating is provided. The poppet valve comprises a valve stem and a valve disk or valve head. The valve plate comprises a valve plate surface that is part of a combustion chamber and a valve plate rear side. The back of the valve plate comprises a conical area which serves as a valve seat, and an annular area which, in a cross section through the valve axis, forms a fillet area with which the valve plate merges into the valve stem on the back of the valve plate. According to the invention, a coating based on silicon is applied to the valve plate or the valve head and / or the valve plate surface and / or the valve plate back and / or the valve stem. Furthermore, the shaft end area and / or the puncture area can also be coated. In particular, the entire valve can be coated.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Tellerventils umfasst die Beschichtung auf Siliziumbasis amorphes Silizium. Die durch amorphes Silizium erreichbaren Schichtdicken sind dabei etwa um einen Faktor 100 kleiner als bei kristallinem Silizium. Hier wird eine Beschichtung ermöglicht, die besonders dünn ausgeführt werden kann.In an exemplary embodiment of the poppet valve, the silicon-based coating comprises amorphous silicon. The layer thicknesses that can be achieved with amorphous silicon are about one factor 100 smaller than with crystalline silicon. This enables a coating that can be made particularly thin.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Tellerventils umfasst die Beschichtung auf Siliziumbasis dotiertes amorphes Silizium. In einer einfachen Ausführung können hier Wasserstoffatome als Dotierung verwendet werden, mit denen sich beispielsweise Defekte im Material absättigen lassen.In a further exemplary embodiment of the poppet valve, the coating comprises silicon-based doped amorphous silicon. In a simple embodiment, hydrogen atoms can be used here as doping, with which, for example, defects in the material can be saturated.

In einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Tellerventils umfasst die Beschichtung Siliziumcarbid (SiC). Siliziumcarbid lässt sich durch Chemische Gasphasenabscheidung als Schicht herstellen. Eine SiC Beschichtung weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass sie sehr hart ist. Es ist ebenfalls vorgesehen, Verbundschichten aus SiC und amorphem Silizium als Beschichtung zu verwenden.In another exemplary embodiment of the poppet valve, the coating comprises silicon carbide (SiC). Silicon carbide can be produced as a layer by chemical vapor deposition. An SiC coating has the additional advantage that it is very hard. It is also envisaged to use composite layers of SiC and amorphous silicon as the coating.

In einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Tellerventils mit einer Beschichtung umfasst die Beschichtung Siliziumnitrid (Si3N4, allgemeiner SixNy). Siliziumnitrid weist vorteilhafte mechanische Eigenschaften auf. Siliziumnitrid kann als Partikel oder als Schicht in einem Niederdruck-Chemischen-Gasphasenabscheidungsverfahren oder in einem Plasmaunterstützten Chemischen-Gasphasenabscheidungsverfahren aufgebracht werden. Es ist ebenfalls vorgesehen, kleinste Partikel aus keramischem Siliziumnitrid in eine Schicht bzw. Matrix aus amorphem Silizium einzubetten.In another exemplary embodiment of the poppet valve with a coating, the coating comprises silicon nitride (Si 3 N 4 , more generally Si x N y ). Silicon nitride has advantageous mechanical properties. Silicon nitride can be applied as a particle or as a layer in a low-pressure chemical vapor deposition process or in a plasma-assisted chemical vapor deposition process. It is also envisaged to embed the smallest particles of ceramic silicon nitride in a layer or matrix of amorphous silicon.

Es kann ebenfalls vorgesehen sein Partikel aus Siliziumcarbid in eine Matrix aus amorphem Silizium einzubetten.It can also be provided to embed particles of silicon carbide in a matrix of amorphous silicon.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die zur Verfügung gestellte Beschichtung sowohl Siliziumnitrid als auch Siliziumcarbid.According to a particularly preferred embodiment, the coating provided contains both silicon nitride and silicon carbide.

Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird ein Tellerventil mit einer Beschichtung bereitgestellt, bei dem die Beschichtung durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren (Magnetron Sputtering), durch Vakuumverdampfen, durch Gasphasenabscheiden, durch Chemisches Gasphasenabscheiden (CVD), durch Plasmaunterstütztes Chemisches Gasphasenabscheiden (PECVD) oder durch eine Kombination dieser Verfahren aufgebracht wurde. Eine Kombination dieser Verfahren bietet sich vor allem bei einem Einsatz eines Schichtverbundes an.In another exemplary embodiment, a poppet valve with a coating is provided, in which the coating is sputtered using a cathode sputtering method (magnetron Sputtering), by vacuum evaporation, by vapor deposition, by chemical vapor deposition (CVD), by plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD) or by a combination of these methods. A combination of these methods is particularly useful when using a layered composite.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Tellerventil mit einer Beschichtung bereitgestellt, bei dem die zu beschichtenden Flächen des Ventils durch ein Sand-/Kugelstrahlen, ein Reinigen und/oder ein Anätzen bzw. Ätzen der zu beschichtenden Flächen auf die Beschichtung vorbereitet wurden. Durch diese Verfahren kann sichergestellt werden, dass die Haftung zwischen der Beschichtung und der Metalloberfläche des Ventils für die Belastung ausreichend hoch ist, um ein Ablösen zu vermeiden.In an exemplary embodiment, a poppet valve with a coating is provided, in which the surfaces of the valve to be coated have been prepared for the coating by sand / shot blasting, cleaning and / or etching or etching of the surfaces to be coated. These methods can ensure that the adhesion between the coating and the metal surface of the valve is sufficiently high for the load to avoid detachment.

In einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Tellerventils weist die Beschichtung eine Dicke von 0,5µm bis 10µm, bevorzugt von 0,7µm bis 5µm, und weiter bevorzugt von 1 µm bis 3µm, auf. Die Beschichtung ist somit deutlich dünner als herkömmliche Beschichtungen für Tellerventile.In another exemplary embodiment of the poppet valve, the coating has a thickness of 0.5 μm to 10 μm, preferably 0.7 μm to 5 μm, and more preferably 1 μm to 3 μm. The coating is therefore significantly thinner than conventional coatings for poppet valves.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung wird bei dem Verfahren die Beschichtung auf (insbesondere nur auf) der Unterseite bzw. die Brennraumseite des Ventiltellers aufgebracht. Dieses Verfahren ist insbesondere für Ansaugventile bzw. Einlass-Ventile eines Motors geeignet. Hier können insbesondere die mechanisch nicht auf Reibung belasteten Flächen ein Ablagerungen von Kohlenstoff bzw. ein Verkoken geschützt werden.According to a further exemplary embodiment of the present invention, in the method the coating is applied to (in particular only on) the underside or the combustion chamber side of the valve disk. This method is particularly suitable for intake valves or intake valves of an engine. Here in particular the surfaces not mechanically stressed by friction can be protected from carbon deposits or coking.

Gemäß einer zusätzlichen weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung wird bei dem Verfahren die Beschichtung auf (insbesondere nur auf) der Ober- bzw. Ansaug- bzw. Abgaskanalseite des Ventiltellers aufgebracht. Dieses Verfahren ist insbesondere für Auslassventile bzw. Abgas-Ventile eines Motors geeignet.According to an additional further exemplary embodiment of the present invention, in the method the coating is applied to (in particular only) the upper or intake or exhaust gas channel side of the valve plate. This method is particularly suitable for exhaust valves or exhaust valves of an engine.

In einer anderen Ausführungsform des Tellerventils mit Beschichtung ist diese auf einem kegelförmigen Bereich und/oder einem Übergangsbereich, mit dem der kegelförmige Bereich der Ventiltellerrückseite in den Ventilschaft übergeht, aufgebracht. Hier ist definiert von wo bis wo sich die Beschichtung erstrecken soll. Der Ventilschaft wird hier als der Teil des Ventils bezeichnet, der oberhalb des Übergangsbereichs (bei der Montage) mit dem Zylinderkopf in Kontakt steht, d.h. der zylinderförmige Teil des Ventils der im Betrieb tatsächlich mit dem Zylinderkopf in Kontakt steht und bei dem Reibung auftritt. Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Beschichtung auf dem Ventilschaft oder nur auf dem Ventilschaft aufgebracht, dadurch kann die Reibung zwischen dem Ventilschaft und einer Ventilschaftführung auch bei mangelhafter Schmierung verringert werden. Das Ventilschaftende mit den Eingriffsstrukturen für die Kegelstücke wird übrigens dem Ventilschaft zugerechnet. Auch wenn dieser Teil des Ventils durch das Motoröl hinreichend geschmiert sein sollte, können gerade während des Motorstarts, und während der Motorlaufpausen bei Fahrzeugen mit Start-/Stoppautomatik, der Reibungswiderstand und der Verschleiß in diesen Motorbetriebszuständen deutlich reduziert werden.In another embodiment of the poppet valve with coating, this is applied to a conical area and / or a transition area with which the conical area of the valve plate rear side merges into the valve stem. Here is defined from where to where the coating should extend. The valve stem is referred to here as the part of the valve that is in contact with the cylinder head above the transition area (during assembly), i.e. the cylindrical part of the valve which is actually in contact with the cylinder head during operation and where friction occurs. In a further embodiment of the method, the coating is applied to the valve stem or only to the valve stem, as a result of which the friction between the valve stem and a valve stem guide can be reduced even with inadequate lubrication. Incidentally, the valve stem end with the engagement structures for the cone pieces is attributed to the valve stem. Even if this part of the valve is adequately lubricated by the engine oil, the frictional resistance and wear in these engine operating states can be significantly reduced, especially during engine start and during engine breaks in vehicles with automatic start / stop.

Eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Tellerventils umfasst weiter einen Ventilsitz, der nicht mit der Beschichtung auf Siliziumbasis beschichtet ist oder von dem die Beschichtung auf Siliziumbasis entfernt wurde. Der Ausdruck „Ventilsitz“ bezeichnet hier die konische Fläche, mit der das Tellerventil mit dem Zylinderkopf in Kontakt steht um den Brennraum tatsächlich gegen den Ansaugkanal bzw. Abgaskanal im Zylinderkopf abzudichten.Another exemplary embodiment of the poppet valve further includes a valve seat that is not coated with the silicon-based coating or from which the silicon-based coating has been removed. The term "valve seat" here designates the conical surface with which the poppet valve is in contact with the cylinder head in order to actually seal the combustion chamber against the intake duct or exhaust duct in the cylinder head.

Es ist ebenfalls vorgesehen, das gesamte Ventil mit der Beschichtung zu beschichten.It is also envisaged to coat the entire valve with the coating.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Darstellungen beispielhafter Ausführungsformen näher verdeutlicht. Die Figuren stellen lediglich schematische Darstellungen dar.

  • 1 stellt eine Teilschnittansicht eines herkömmlichen innengekühlten Tellerventils dar, das als innengekühltes Tellerventil ausgeführt ist.
  • 2 zeigt eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen innengekühlten Ventils mit einer Beschichtung, die auf dem gesamten Ventilkopf angeordnet ist.
  • 3 ist eine teilgeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils mit einer Beschichtung, die auf der Ventiltellerfläche und einer Ventiltellerrückseite nicht jedoch auf einem Ventilsitz angeordnet ist.
  • 4 stellt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils dar, wobei eine Beschichtung nur auf einem Ventilschaft angebracht ist.
  • 5 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils, wobei eine Beschichtung nur auf der Ventiltellerfläche aufgebracht ist.
  • 6 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils, wobei eine Beschichtung nur auf der Ventilteller-Rückseite aufgebracht ist.
  • 7 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils, wobei eine Beschichtung überall auf dem Ventil aufgebracht ist.
The present invention is explained in more detail below on the basis of illustrations of exemplary embodiments. The figures represent only schematic representations.
  • 1 is a partial sectional view of a conventional internally cooled poppet valve, which is designed as an internally cooled poppet valve.
  • 2 shows a partial sectional view of an internally cooled valve according to the invention with a coating which is arranged on the entire valve head.
  • 3 is a partially sectioned view of a valve according to the invention with a coating which is not arranged on the valve plate surface and a valve plate back but on a valve seat.
  • 4 is a partial sectional view of an internally cooled valve with a coating applied to only one valve stem.
  • 5 shows a partial sectional view of an internally cooled valve, wherein a coating is applied only to the valve plate surface.
  • 6 shows a partial sectional view of an internally cooled valve, wherein a coating is applied only to the back of the valve plate.
  • 7 shows a partial sectional view of an internally cooled valve, wherein a coating is applied all over the valve.

Sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente Bezug zu nehmen. Um unnötige Längen in der Beschreibung zu vermeiden, werden Elemente, die bereits in einer Figur beschrieben wurden, in weiteren Figuren nicht gesondert erwähnt. The same or similar reference numerals are used both in the description and in the figures to refer to the same or similar components and elements. In order to avoid unnecessary lengths in the description, elements that have already been described in one figure are not mentioned separately in other figures.

1 stellt eine Teilschnittansicht eines herkömmlichen innengekühlten Ventils 2 dar. Ein herkömmliches innengekühltes Ventil 2 umfasst einen Ventilschaft 8 und einen Ventilkopf 6. Der Ventilkopf 6 weist einen verjüngten Teil und den Ventilteller 10 auf. Der Ventilteller 10 umfasst die zu einem Brennraum gerichtete Ventiltellerfläche 16, den kegelstumpfmantelförmigen Ventilsitz 20 und die Ventiltellerrückseite 18, die in einem Ansaugkanal bzw. einen Abgaskanal angeordnet ist. Das herkömmliche innengekühlte Ventil 2 weist keinerlei Beschichtungen auf. 1 represents a partial sectional view of a conventional internally cooled valve 2 A conventional internally cooled valve 2 includes a valve stem 8th and a valve head 6 , The valve head 6 has a tapered portion and the valve disc 10 on. The valve plate 10 includes the valve disc surface facing a combustion chamber 16 , the frustoconical valve seat 20 and the back of the valve plate 18 , which is arranged in an intake duct or an exhaust duct. The conventional internally cooled valve 2 has no coatings.

Hochtemperaturbelastete Ventilteile, insbesondere die Ventiltellerfläche 16 und die Ventilteller-Rückseite 18, werden aus austenitischen Werkstoffen oder aus Werkstoffen auf Basis von Nickel hergestellt. Bisher war es üblich, die Schäfte von hochbelasteten Ventilen durch Nitrieren oder Hartverchromen zu schützen. Inzwischen ist jedoch absehbar, dass Hartverchromen nicht mehr verwendet werden darf, da Chrom (VI), welches beim Hartverchromen prozessbedingt entsteht, ein Gefahrenstoff ist.Valve parts exposed to high temperatures, especially the valve disc surface 16 and the back of the valve plate 18 , are made from austenitic or nickel-based materials. Until now, it was common to protect the stems of highly loaded valves by nitriding or hard chrome plating. In the meantime, however, it is foreseeable that hard chrome plating may no longer be used, since chromium (VI), which is produced during hard chrome plating due to the process, is a hazardous substance.

2 zeigt eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen innengekühlten Ventils 4 mit einer Beschichtung auf Siliziumbasis 22, die auf dem gesamten Ventilkopf 6 angeordnet ist. Im Gegensatz zu dem Ventil der 1 ist der Ventilkopf 6 insbesondere auf der Ventiltellerfläche 16, dem Ventilsitz 20 sowie der Ventilteller-Rückseite 18 mit einer Beschichtung auf Siliziumbasis 22 beschichtet. Die Beschichtung auf Siliziumbasis 22 kann Ablagerungen und eine Verkokung des Ventils auf der Ventiltellerfäche 16 sowie der Ventilteller-Rückseite 18 im sogenannten Hohlkehlenbereich oder Übergangsbereich verhindern. 2 shows a partial sectional view of an internally cooled valve according to the invention 4 with a silicon-based coating 22 that on the entire valve head 6 is arranged. In contrast to the valve of the 1 is the valve head 6 especially on the valve disc surface 16 , the valve seat 20 and the back of the valve plate 18 with a silicon-based coating 22 coated. The silicon-based coating 22 can build up deposits and coking of the valve on the valve disc surface 16 and the back of the valve plate 18 prevent in the so-called fillet area or transition area.

Die Beschichtung auf Siliziumbasis 22 kann eine Temperaturstabilität bis >800°C erreichen und zeichnet sich durch eine harte und glatte Oberfläche aus.The silicon-based coating 22 can achieve a temperature stability of up to> 800 ° C and is characterized by a hard and smooth surface.

Die Beschichtung auf Siliziumbasis 22 trägt weiter zu einem Korrosionsschutz bei, da die Abgase nicht direkt mit dem Ventilmaterial in Kontakt treten können. Die Beschichtung auf Siliziumbasis 22 kann nach einer Vorbehandlung der zu beschichtenden Ventile durch Strahlen, Reinigen oder Anätzen, beispielsweise durch Sprühtechnik, aufgetragen werden. Die Schichtstärke soll im Bereich weniger µm liegen und ist damit deutlich dünner als herkömmliche Beschichtungen wie beispielsweise Chrombeschichtungen. Durch die Beschichtung kann es möglich werden, anstelle von teuren Substratwerkstoffen (z.B. auf Nickel-Basis) preisgünstige Materialien für den Ventilkörper zu verwenden, die einer deutlicheren Korrosion unterworfen sind.The silicon-based coating 22 also contributes to corrosion protection since the exhaust gases cannot come into direct contact with the valve material. The silicon-based coating 22 can be applied after pretreatment of the valves to be coated by blasting, cleaning or etching, for example by spray technology. The layer thickness should be in the range of a few µm and is therefore significantly thinner than conventional coatings such as chrome coatings. The coating can make it possible to use inexpensive materials for the valve body, which are subject to more pronounced corrosion, instead of expensive substrate materials (for example based on nickel).

Die Beschichtung auf Siliziumbasis 22 weist eine sehr hohe Abriebfestigkeit auf, wobei sich ablösende Partikel eine Größe im Mikrometerbereich aufweisen, sodass keinerlei Beschädigungen von Turboladern durch abgelöste Partikel erwartet werden müssen. Die Beschichtung auf Siliziumbasis 22 weist eine sehr hohe Härte und damit eine sehr hohe Kratzfestigkeit auf. Die Beschichtung auf Siliziumbasis 22 ist chemikalienbeständig und kann eine sehr hohe Oberflächenqualität erreichen. Das Auftragen der Beschichtung auf Siliziumbasis 22 gestaltet sich durch die bevorzugten CVD-/PECVD-Verfahren aufwändiger.The silicon-based coating 22 has a very high abrasion resistance, whereby detachable particles have a size in the micrometer range, so that no damage to turbochargers from detached particles must be expected. The silicon-based coating 22 has a very high hardness and therefore a very high scratch resistance. The silicon-based coating 22 is resistant to chemicals and can achieve a very high surface quality. Applying the silicon-based coating 22 is more complex due to the preferred CVD / PECVD processes.

3 ist eine teilgeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils 4 mit einer Beschichtung auf Siliziumbasis 22, die auf der Ventiltellerfläche 16 und einer Ventiltellerrückseite 18 angeordnet ist. 3 zeigt ein Ventil 4, bei dem der Schaft als Vollschaft 34 ausgeführt ist. Es ist bei allen Ausführungen ebenfalls möglich, anstelle von innengekühlten Ventilen Ventile mit einem Vollschaft 34 zu verwenden, wobei der Vollschaft hier nur gewählt wurde, um die Beschichtung deutlicher hervorzuheben. Die Beschichtung auf Siliziumbasis 22 ist bei 3 sowohl auf der Ventiltellerfläche 16 als auch auf der Ventilteller-Rückseite 18 aufgebracht. 3 is a partially sectioned view of a valve according to the invention 4 with a silicon-based coating 22 that on the valve disc surface 16 and a valve plate back 18 is arranged. 3 shows a valve 4 in which the shaft is a full shaft 34 is executed. With all versions it is also possible to use valves with a full stem instead of internally cooled valves 34 to be used, the full shaft was only chosen here to emphasize the coating more clearly. The silicon-based coating 22 is at 3 both on the valve disc surface 16 as well as on the back of the valve plate 18 applied.

4 stellt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils 4 dar, wobei nur der Ventilschaft 8 mit der Beschichtung auf Siliziumbasis 22 beschichtet ist. 4 represents a partial sectional view of an internally cooled valve 4 represents, with only the valve stem 8th with the silicon-based coating 22 is coated.

5 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils 4, wobei eine Beschichtung auf Siliziumbasis 22 nur auf der Ventiltellerfläche 16 aufgebracht ist. Ein derartiges Ventil eignet sich insbesondere für Einlassventile da beispielsweise die Rückseite von Einlassventilen von Dieselmotoren nicht von Verkokung betroffen ist, da kein Gemisch sondern nur gefilterte Luft angesaugt wird. 5 shows a partial sectional view of an internally cooled valve 4 , with a silicon-based coating 22 only on the valve disc surface 16 is applied. Such a valve is particularly suitable for intake valves since, for example, the rear of intake valves of diesel engines is not affected by coking, since no mixture but only filtered air is drawn in.

6 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils 5, wobei eine Beschichtung auf Siliziumbasis 22 nur auf der Ventilteller-Rückseite 18 aufgebracht ist. Hier wird davon ausgegangen, dass die thermische Belastung der Ventilteller-Unterseite zu hoch für eine Beschichtung auf Siliziumbasis 22 ist, und daher mit einer nicht dargestellten anderen Beschichtung versehen ist. Gerade bei Hochleistungsmotoren kann die Temperatur im Brennraum und an der Ventiltellerfläche hoch genug sein, dass abgelagerte Schichten auf Kohlenstoffbasis wieder verbrennen. 6 shows a partial sectional view of an internally cooled valve 5 , with a silicon-based coating 22 only on the back of the valve plate 18 is applied. It is assumed here that the thermal load on the underside of the valve plate is too high for a silicon-based coating 22 and is therefore provided with a different coating, not shown. In the case of high-performance engines in particular, the temperature in the combustion chamber and on the valve disc surface can be high enough that deposited carbon-based layers burn again.

7 zeigt eine Teilschnittansicht des innengekühlten Ventils 4 von 2, wobei eine Beschichtung auf Siliziumbasis 22 ebenfalls auf dem Ventilschaft aufgebracht ist. 7 shows a partial sectional view of the internally cooled valve 4 of 2 , with a silicon-based coating 22 is also applied to the valve stem.

Allgemeine Vorteile ergeben sich aus den folgenden Eigenschaften der Beschichtung:

  • - Hohe Verschleißbeständigkeit,
  • - Amorphe Struktur (gasdicht)
  • - Hohe Haftfestigkeit
  • - Chemisch inert
  • - Geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit
  • - Temperaturbeständigkeit bis ca. 800°C
General advantages result from the following properties of the coating:
  • - high wear resistance,
  • - Amorphous structure (gastight)
  • - High adhesive strength
  • - Chemically inert
  • - Low thermal and electrical conductivity
  • - Temperature resistance up to approx. 800 ° C

Durch die geringe mögliche Schichtdicke von wenigen µm spielt die geringe thermische Leitfähigkeit keine wesentliche Rolle.Due to the small possible layer thickness of a few µm, the low thermal conductivity does not play an important role.

Die Beschichtung auf Siliziumbasis stellt eine mögliche und umweltfreundliche Alternative zu bisherigen Hartchrombeschichtungen dar.The silicon-based coating represents a possible and environmentally friendly alternative to previous hard chrome coatings.

Es ist vorgesehen, auch Kombinationen von einzelnen Beschichtungsarten als offenbart anzusehen, insbesondere alle Kombinationen der Beschichtungen der 5, 6 und 7, sowie alle möglichen Kombinationen der Beschichtungen der 5, 6 und 7 mit der DLC-Schicht an dem Ventilsitz gemäß 4. Diese Ausführungen wurden lediglich weggelassen, um die Beschreibung nicht durch redundante Kombinationen von einzelnen Beschichtungstypen zu überfrachten. Es soll ebenfalls bemerkt werden, dass für die Teilbeschichtungen der 5, 6 und 7 jeweils andere Beschichtungswerkstoffe bzw. unterschiedliche keramische Hochtemperatur-Beschichtungen verwendet werden können.It is envisaged that combinations of individual types of coating are also considered to be disclosed, in particular all combinations of the coatings of the 5 . 6 and 7 , as well as all possible combinations of the coatings of the 5 . 6 and 7 with the DLC layer according to the valve seat 4 , These explanations have been omitted so as not to overload the description with redundant combinations of individual coating types. It should also be noted that for the partial coatings the 5 . 6 and 7 different coating materials or different ceramic high-temperature coatings can be used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22
innengekühltes Ventil gemäß des Standes der Technikinternally cooled valve according to the prior art
44
erfindungsgemäßes Ein- oder Auslassventilinlet or outlet valve according to the invention
66
Ventilkopfvalve head
88th
Ventilschaftvalve stem
1010
Ventiltellervalve disc
1212
Hohlraumcavity
1414
Kühlmittelcoolant
1616
Ventiltellerfläche / VentiltellerunterseiteValve disc surface / underside of the valve disc
1818
Ventilteller-Rückseite / VentiltelleroberseiteValve plate rear / valve plate top
2020
Ventilsitzvalve seat
2222
Beschichtung auf SiliziumbasisSilicon-based coating
2424
Mehrschicht-BeschichtungMultilayer coating
3232
Schaftendeshank end
3434
Vollschaftfull stock

Claims (15)

Tellerventil mit einer Beschichtung, umfassend ein Tellerventil (4) mit einem Ventilschaft (8) und einem Ventilteller (10) mit einer Ventiltellerfläche (16) und einer Ventiltellerrückseite (18), wobei auf der Ventiltellerfläche(16), der Ventiltellerrückseite (18) und/oder dem Ventilschaft (8) eine Beschichtung auf Siliziumbasis (22) aufgebracht ist.Poppet valve with a coating, comprising a poppet valve (4) with a valve stem (8) and a valve plate (10) with a valve plate surface (16) and a valve plate rear side (18), whereby on the valve plate surface (16), the valve plate rear side (18) and / or a coating based on silicon (22) is applied to the valve stem (8). Tellerventil mit einer Beschichtung, nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung auf Siliziumbasis (22) amorphes Silizium umfasst.Poppet valve with a coating, after Claim 1 , wherein the silicon-based coating (22) comprises amorphous silicon. Tellerventil mit einer Beschichtung, nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung auf Siliziumbasis (22) dotiertes amorphes Silizium umfasstPoppet valve with a coating, after Claim 2 , wherein the silicon-based coating (22) comprises doped amorphous silicon Tellerventil mit einer Beschichtung, nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Beschichtung (22) Siliziumcarbid (SiC) umfasst.Poppet valve with a coating, after Claim 1 . 2 or 3 , wherein the coating (22) comprises silicon carbide (SiC). Tellerventil mit einer Beschichtung, nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Beschichtung (22) Siliziumnitrid (Si3N4, SixNy) umfasst.Poppet valve with a coating, after Claim 1 . 2 . 3 or 4 , wherein the coating (22) comprises silicon nitride (Si 3 N 4 , Si x N y ). Tellerventil mit einer Beschichtung, nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Beschichtung (22) Siliziumnitirid und/oder Siliziumcarbid in einer Matrix aus amorphem Silizium umfasst.Poppet valve with a coating, according to one of the Claims 2 to 5 , wherein the coating (22) comprises silicon nitride and / or silicon carbide in a matrix of amorphous silicon. Tellerventil mit einer Beschichtung, nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Beschichtung (22) einen Schichtverbund aus Siliziumcarbid und amorphem Silizium umfasst.Poppet valve with a coating, according to one of the Claims 2 to 5 , wherein the coating (22) comprises a layer composite of silicon carbide and amorphous silicon. Tellerventil mit einer Beschichtung, nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (22) durch eine Kathodenzerstäubungsverfahren, durch Vakuumverdampfen, durch Gasphasenabscheiden, durch Chemisches Gasphasenabscheiden oder durch Plasmaunterstütztes Chemisches Gasphasenabscheiden aufgebracht wurde.A poppet valve with a coating according to any one of the preceding claims, wherein the coating (22) was applied by a sputtering process, by vacuum evaporation, by vapor deposition, by chemical vapor deposition or by plasma-assisted chemical vapor deposition. Tellerventil mit einer Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die beschichteten Flächen des Tellerventils (4) durch ein Sand-/Kugelstrahlen, Reinigen und/oder ein Anätzen auf das Beschichten vorbereitet werden. A poppet valve with a coating according to one of the preceding claims, wherein the coated surfaces of the poppet valve (4) are prepared for coating by sand / shot peening, cleaning and / or etching. Tellerventil mit einer Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (22) eine Dicke von 0,5µm bis 10µm, bevorzugt von 0,7µm bis 5µm, und weiter bevorzugt von 1 µm bis 3µm, aufweist.Poppet valve with a coating according to one of the preceding claims, wherein the coating (22) has a thickness of 0.5 µm to 10 µm, preferably 0.7 µm to 5 µm, and more preferably 1 µm to 3 µm. Tellerventil mit einer Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die Beschichtung (22) nur auf einer Unterseite bzw. Brennraumseite Ventiltellers (10) erstreckt.Poppet valve with a coating according to one of the preceding claims, wherein the coating (22) extends only on an underside or combustion chamber side of the valve plate (10). Tellerventil mit einer Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die Beschichtung (22) nur auf einer Oberseite bzw. Rückseite des Ventiltellers (10) erstreckt.Poppet valve with a coating according to one of the preceding claims, wherein the coating (22) extends only on an upper side or rear side of the valve plate (10). Tellerventil mit einer Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (22) auf einem kegelförmigen Bereich und/oder einem Übergangsbereich, mit dem der kegelförmige Bereich der Ventiltellerrückseite (18) in den Ventilschaft (8) übergeht, aufgebracht ist.Poppet valve with a coating according to one of the preceding claims, wherein the coating (22) is applied to a conical area and / or a transition area with which the conical area of the valve plate rear side (18) merges into the valve stem (8). Tellerventil mit einer Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (22) sich auf dem Ventilschaft (8) oder nur auf einem Ventilschaft (8) erstreckt.Poppet valve with a coating according to one of the preceding claims, wherein the coating (22) extends on the valve stem (8) or only on one valve stem (8). Tellerventil mit einer Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ventilteller (10) weiter einen Ventilsitz (20) umfasst, der nicht mit der Beschichtung auf Siliziumbasis (22) beschichtet ist oder von dem die Beschichtung auf Siliziumbasis (22) entfernt wurde.A poppet valve with a coating according to any one of the preceding claims, wherein the valve disc (10) further comprises a valve seat (20) which is not coated with the silicon-based coating (22) or from which the silicon-based coating (22) has been removed.
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