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Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil und eine Anordnung mit einem solchen Gaswechselventil. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Gaswechselventil oder einer solchen Anordnung.
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Generell sind Gaswechselventile in Brennkraftmaschinen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere die sogenannten Kegelstücke, welche zur Übertragung einer Rückstellkraft von der Ventilfeder auf das Gaswechselventil in als Umfangsnuten ausgebildete Einstich-Rillen des Ventilschafts eingreifen und während des Betriebs der Brennkraftmaschine an diesen reiben, werden hohen Belastungen unterzogen. Dies kann zum Verschleiß der Kegelstücke führen. Ist durch den Verschleiß nicht mehr sichergestellt, dass die Kegelstücke in die Rillen/Nuten greifen, so kann das Ventil ungesteuert in den Brennraum gelangen, was zu einem kapitalen Motorschaden führen kann.
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Durch die Behandlung eines Ventils mit einem Härteverfahren, insbesondere einem Nitrierverfahren, wird die Oberfläche des Ventils oftmals rauer. Insbesondere eine erhöhte Rauheit der Rillenflanken der als Umfangsnuten ausgebildeten Einstich-Rillen führt dabei zu einem erhöhten Verschleiß der Kegelstücke. Dies macht eine Nachbehandlung der Rillenoberfläche notwendig, etwa mittels Schleifens oder Polierens der Rillen, womit aber ein erhöhter Fertigungsaufwand und somit auch erhöhte Herstellungskosten einhergehen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Gaswechselventil eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform zu schaffen, welche sich insbesondere durch einen reduzierten Verschleiß sowie einen reduzierten Fertigungsaufwand auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, die von einem Ventilteller eines Gaswechselventils abgewandte Nutflanke einer am Ventilschaft vorgesehenen Umfangsnut des Gaswechselventils mit einer Fase zu versehen. Eine derartig ausgebildete Fase ist an besagter Umfangsnut einfach herstellbar und mindert den beim Eingreifen eines Kegelstücks in die Umfangsnut reibungsbedingt auftretenden Verschleiß.
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Ein erfindungsgemäßes Gaswechselventil umfasst einen sich entlang einer axialen Richtung erstreckenden Ventilschaft, der eine Ventilschaft-Mantelfläche aufweist und entlang der axialen Richtung in einen Ventilteller übergeht. Der Ventilschaft weist dabei mindestens eine Umfangsnut auf, welche eine erste und eine zweite Nutflanke umfasst, die sich zweckmäßig axial gegenüberliegen. Denkbar sind zwei oder mehr, jeweils axial im Abstand zueinander angeordnete Umfangsnuten. Die erste Nutflanke einer jeden Umfangsnut ist dabei entlang der axialen Richtung in einem größeren Abstand vom Ventilteller angeordnet als die zweite Nutflanke derselben Umfangsnut. Erfindungsgemäß ist an einem Übergang der ersten Nutflanke mindestens eine Umfangsnut zur Ventilschaft-Mantelfläche eine Fase ausgebildet.
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Bevorzugt ist auf einem die erste Nutflanke enthaltenden Oberflächenabschnitt des Gaswechselventils eine Schutzbeschichtung oder Schutzschicht, insbesondere eine Nitrier- oder Nitrocarburierschicht, ausgebildet. Eine solche Schutzbeschichtung oder Schutzschicht bewirkt eine erhöhte Härte der Oberfläche des Ventilschafts im Bereich der mechanisch besonders belasteten Umfangsnut und reduziert somit Verschleißeffekte in diesem Bereich. Insbesondere die durch ein Nitrierverfahren entstehende bzw. geschaffene Verbindungsschicht an der Oberfläche des Werkstoffes weißt eine extrem hohe Härte auf, welche diese Verschleißeffekte minimiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung die Oberfläche mindestens einer Fase um einen Winkel α im Bereich 65° < α < 89°, vorzugsweise um einen Winkel α von ungefähr 80°, gegen die axiale Richtung geneigt. Diese Ausführungsform reduziert den reibungsbedingten Verschleiß am Gegenstück des Ventilschafts, dem eingangs erwähnten Kegelstück, besonders stark.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt eine entlang der axialen Richtung gemessene Erstreckung mindestens einer Fase zwischen 0,02 mm und 0,1 mm. Auch diese Ausführungsform gewährleistet einen besonders reduzierten Verschleiß der Kegelstücke.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt eine entlang einer zur axialen Richtung senkrechten radialen Richtung gemessene Erstreckung mindestens einer Fase zwischen 0,15 mm und 0,25 mm. Auch auf diese Weise lässt sich der reibungsbedingt am Kegelstück auftretende Verschleiß mindern.
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Zweckmäßig weist die mindestens eine Umfangsnut einen Nutradius zwischen 0,4 mm und 0,6 mm auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Ventilschaft an der mindestens einen Umfangsnut einen minimalen Durchmesser zwischen 3,6 mm und 5 mm auf. Diese Ausführungsform ermöglicht ein stabiles mechanisches Eingreifen des Kegelstücks in die Umfangsnut.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Ventilschaft an der Ventilschaft-Mantelfläche einen Durchmesser zwischen 4 mm und 10 mm auf. Auch auf diese Weise werden ein besonders sicheres Eingreifen in eine Umfangsnut und ein besonders zuverlässiger Kraftübertrag von den Einstichrillen auf ein Kegelstück erreicht.
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Bevorzugt ist an einem Übergang der zweiten Nutflanke mindestens einer Umfangsnut zur Ventilschaft-Mantelfläche eine Fase ausgebildet. Diese Ausführungsform führt zu einer besonders erhöhten Verschleißreduktion an einem Kegelstück, welches in die Einstichrillen des Gaswechselventils eingreift. Weiterhin reduziert diese Ausführungsform die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung von für den sicheren Betrieb der Brennungskraftmaschine notwendigen Ventilschaft-Dichtungen, beim Einbau der Ventile.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist in einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung die Oberfläche der Fase eine geradlinige und/oder eine gerundete Kontur auf.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Ventilschaft mindestens zwei, vorzugsweise drei, Umfangsnuten auf, welche entlang der axialen Richtung im Abstand zueinander angeordnet sind und jeweils eine erste und eine zweite Nutflanke aufweisen.
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Zweckmäßig kann das Material des Gaswechselventils ein Stahl sein, der unter der Bezeichnung 1.4718, 1.4871, 1.4882, 1.4748, 2.4952,sowie NIREVA3015 bekannt ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung enthält ein Oberflächenabschnitt eine Oberfläche eine Ventilhohlkehle und zumindest teilweise die Ventilschaft-Mantelfläche. Bei dieser Weiterbildung fehlt zumindest auf diesem Oberflächenabschnitt besagte Schutzbeschichtung bzw. Schutzschicht, insbesondere die Nitrier- oder Nitrocarburierschicht oder wurde, insbesondere mittels Schleifens, wieder entfernt. Bei dieser Weiterbildung wird durch die Nitrier- bzw. Nitrocarburierschicht eine erhöhte Härte an der Oberfläche des Gaswechselventils und somit eine besonders hohe Reduzierung von Verschleißeffekten an der Oberfläche des Gaswechselventils erreicht, wobei gleichzeitig eine durch die Nitrier- bzw. Nitrocarburierschicht verursachte Korrosion, insbesondere eine Heißgaskorrosion, auf dem weiteren Oberflächenabschnitt ohne Schutzbeschichtung bzw. Schutzschicht, welcher die Oberfläche der Ventilhohlkehle und zumindest teilweise die Ventilschaft-Mantelfläche enthält, vermieden wird.
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Bevorzugt erstreckt sich ein Oberflächenabschnitt des Gaswechselventils, welcher die Oberfläche der Ventilhohlkehle und zumindest teilweise die Ventilschaft-Mantelfläche enthält, von einem dem Ventilteller zugewandten Bereich des Ventilschafts, welcher sich im Einbauzustand des Gaswechselventils, insbesondere in einer Schließstellung des Gaswechselventils, nicht in einer Ventilschaftführung befindet, bis zum Übergang der Ventilhohlkehle zum Ventilteller. Diese Ausführungsform vermeidet eine Korrosion des Gaswechselventils besonders wirksam.
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Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist auf der Oberfläche des Gaswechselventils, aber nicht auf dem Oberflächenabschnitt, welcher die Oberfläche der Ventilhohlkehle und zumindest teilweise die Ventilschaft-Mantelfläche enthält, eine Nitrierschicht oder Nitrocarburierschicht, insbesondere mittels Gas- oder Plasmabehandlung, ausgebildet, wobei der Oberflächenabschnitt während der Ausbildung der Nitrier- oder Nitrocarburierschicht abgedeckt ist. Auch bei dieser Ausführungsform wird durch die Nitrier- bzw. Nitrocarburierschicht eine erhöhte Härte an der Oberfläche des Gaswechselventils und somit eine besonders hohe Reduzierung von Verschleißeffekten an der Oberfläche des Gaswechselventils erreicht, wobei gleichzeitig eine durch die Nitrier- bzw. Nitrocarburierschicht verursachte Korrosion, insbesondere eine Heißgaskorrosion, auf dem Oberflächenabschnitt, welcher die Oberfläche der Ventilhohlkehle und zumindest teilweise die Ventilschaft-Mantelfläche enthält, vermieden wird.
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Bevorzugt ist der Oberflächenabschnitt während der Ausbildung der Nitrier- oder Nitrocarburierschicht mittels Auftragen eines Lackes oder einer Paste abgedeckt, oder der Oberflächenabschnitt ist während der Ausbildung der Nitrier- oder Nitrocarburierschicht mittels einer mehrfach verwendbaren Maskierung abgedeckt. Auf diese Weise kann in dem Oberflächenabschnitt wenigstens eine Zone ohne Nitrier- oder Nitrocarburierschicht erzeugt werden. Dadurch wird die Ausbildung einer Nitrier- oder Nitrocarburierschicht auf dem Oberflächenabschnitt, welcher die Oberfläche der Ventilhohlkehle und zumindest teilweise die Ventilschaft-Mantelfläche enthält, und somit auch eine Korrosion des Gaswechselventils besonders effektiv vermieden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung mit wenigstens einem vorangehend vorgestellten Gaswechselventil und einem Kegelstück, welches teilweise in die wenigstens eine Umfangsnut des Gaswechselventils eingreift. Die vorangehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Gaswechselventils übertragen sich somit auch auf die erfindungsgemäße Anordnung.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine wenigstens einer Brennkammer und mit wenigstens einer vorangehend vorgestellten Anordnung. Das wenigstens eine Gaswechselventil ist der Anordnung ist an der Brennkammer vorgesehen und fungiert dort als Einlass- oder Auslassventil. Die vorangehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeige, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Gaswechselventils,
- 2a, 2b Detaildarstellungen der 1 im Bereich einer Umfangsnut.
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Die 1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Gaswechselventils 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine, welche einen Ventilteller 3 sowie einen Ventilschaft 2 umfasst. Das Gaswechselventil 1 ist dabei üblicherweise als Einlass- oder Auslassventil für eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine ausgebildet.
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Der Ventilschaft 2 erstreckt sich entlang einer axialen Richtung A, geht entlang der axialen Richtung A in einen Ventilteller 3 über und weist außerdem eine Ventilschaft-Mantelfläche 5 auf. Die axiale Richtung A erstreckt sich entlang einer Mittellängsachse M des Ventilschafts 2. Der Ventilschaft 2 besitzt im Beispiel drei Umfangsnuten 6, welche entlang der axialen Richtung A im Abstand zueinander angeordnet sind und jeweils eine erste und eine zweite Nutflanke 8, 9 umfassen. In Varianten des Beispiels ist selbstredend eine andere Anzahl an Umfangsnuten 6 denkbar. Die erste Nutflanke 8 einer jeweiligen Umfangsnut 6 ist per definitionem in der axialen Richtung A weiter entfernt vom Ventilteller 3 angeordnet als die zweite Nutflanke 9 derselben Umfangsnut 6. Außerdem ist an den Übergängen der ersten Nutflanken 8 der drei Umfangsnuten 6 zur Ventilschaft-Mantelfläche 5 jeweils eine Fase 7a ausgebildet, was auch in 2a zu erkennen ist, welche eine Detailansicht des Ausschnitts C1 der 1 wiedergibt.
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In einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung A sind die Oberflächen 11a der drei Fasen 7a um einen Winkel α = 80° gegen die axiale Richtung A geneigt, und eine entlang der axialen Richtung A gemessene Erstreckung y der drei Fasen beträgt 0,08 mm. Die entlang einer zur axialen Richtung A senkrechten radialen Richtung R gemessene Erstreckung x der Fasen 7a beträgt 0,2 mm. Die Umfangsnuten 6 weisen einen minimalen Nutradius zwischen 0,4 mm und 0,6 mm auf. Der Ventilschaft 2 an den Umfangsnuten 6 weist einen minimalen Durchmesser zwischen 4 mm auf, wohingegen der Ventilschaft 2 an der Ventilschaft-Mantelfläche 5 einen Durchmesser von 6 mm aufweist.
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An den Übergängen der jeweiligen zweiten Nutflanken 9 der Umfangsnuten 6 zur Ventilschaft-Mantelfläche 5 sind ebenfalls Fasen 7b ausgebildet, wie in 2b zu sehen, welche eine Detailansicht des Ausschnitts C2 der 1 zeigt. In einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung A sind die Oberflächen 11b der drei Fasen 7b um einen Winkel β = 80° gegen die axiale Richtung A geneigt.
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Gemäß dem Beispiel der 1 und 2a weist die Oberfläche 11a der Fase 7a in einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung eine geradlinige Kontur auf. Denkbar ist aber auch, dass in einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung A die Oberfläche 11a der Fase 7a eine gerundete Kontur aufweist. Auch eine abschnittweise Kombination einer gerundeten und einer geradlinigen Kontur ist denkbar. Analog kann auch die Oberfläche 11b der Fase 7b ausgebildet sein.
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Das Material des Gaswechselventils 1 kann ein gehärteter martensitischer Stahl mit der Bezeichnung 1.4718 sein. Denkbar ist aber auch, dass das Material des Gaswechselventils 1 die Stähle mit der Bezeichnung 1.4882, 1.4871, 1.4748, 2.4952 oder NIREVA 3015 enthält. Insbesondere der Bereich der Umfangsnuten des Gaswechselventils und das vom Ventilteller abgewandte Schaftende des Gaswechselventils kann bei martensitischen Stählen, wie beispielsweise 1.4718, gehärtet, vorzugsweise durchgehärtet oder randschichtgehärtet sein.
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Im Beispiel der 1, 2a und 2b ist auf einem die erste Nutflanke 8 enthaltenden Oberflächenabschnitt 10 des Gaswechselventils 1 eine Nitrierschicht ausgebildet. Die Nitrierschicht weist an der Oberfläche dabei eine Verbindungschicht und darunter eine Diffusionsschicht auf. Anstelle einer Nitrierschicht kann auch eine Nitrocarburierschicht oder andersartige Schutzschicht zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit vorgesehen sein. Die Nitrier- bzw. Schutzschicht weist eine Härte zwischen 650 und 1800 HV 0.5 auf.
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Außerdem kann ein weiterer Oberflächenabschnitt 13 vorgesehen sein, welcher eine Oberfläche einer Ventilhohlkehle 12 und zumindest teilweise die Ventilschaft-Mantelfläche 5 enthält, und bei welchem die Schutzschicht bzw. Schutzbeschichtung in Form der Nitrier- bzw. Nitrocarburierschicht fehlt. Hierzu kann die bereits aufgebrachte Schutzschicht bzw. Schutzbeschichtung in Form der Nitrier- bzw. Nitrocarburierschicht mittels Schleifens wieder entfernt worden sein. Ein solcher Oberflächenabschnitt 13 erstreckt sich im Beispiel der 1 von einem dem Ventilteller 3 zugewandten Bereich des Ventilschafts 2, welcher sich im Einbauzustand des Gaswechselventils 1 in einer Schließstellung des Gaswechselventils 1 nicht in einer Ventilschaft-Führung befindet, bis zum Übergang der Ventilhohlkehle 12 zum Ventilteller 3.
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Alternativ zum nachträglichen Entfernen kann die Schutzschicht bzw. Schutzbeschichtung in Form der Nitrier- bzw. Nitrocarburierschicht nur auf wenigstens einem zum Oberflächenabschnitt 13 verschiedenen oder sogar komplementären Bereich der Oberfläche des Gaswechselventils 1 aufgebracht werden sein. In diesem Szenario wird der weitere Oberflächenabschnitt 13 vor und während des Aufbringens der Nitrier- oder Nitrocarburierschicht maskiert oder durch Auftragen eines Lackes oder einer Paste abgedeckt.
