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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Zylinderkopf sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine.
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Zu den Funktionen eines Zylinderkopfes einer Verbrennungskraftmaschine gehören beispielsweise die Begrenzung jeweilige Brennräume der Verbrennungskraftmaschine sowie die Aufnahme von Gaswechselventilen, um nur einige Beispiele zu nennen. Dementsprechend ist der Zylinderkopf besonders hohen Temperatur- und Druckbelastungen ausgesetzt. Um diesen Belastungen gerecht zu werden, sind verschiedene Ansätze bekannt, welche beispielsweise auf die Randschichthärtung verschiedener Komponenten des Zylinderkopfes oder auf deren Werkstoffauswahl abstellen.
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So ist der
DE 33 27 168 A1 ein Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen, der mit einem Ventilsitz bzw. einem Ventilsitzelement versehene Ventilöffnungen für zumindest ein Einlass- und ein Auslassventil aufweist. Zumindest der zwischen den Ventilöffnungen liegende Ventilstegbodenbereich des Zylinderkopfes ist gehärtet, insbesondere induktions-, flammen- oder einsatzgehärtet. Der die Ventilsitze bildende Zylinderkopfbodenbereich ist oberflächengehärtet, wobei die Ventilsitzhärtezone in die Ventilsteghärtezone übergeht. Der die Ventilsitzelemente im Bereich des Ventilsteges ummantelnde Zylinderkopfbodenbereich ist gehärtet, wobei die Ventilsitzringhärtezone in die Ventilsteghärtezone übergeht.
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Die
DE 690 02 429 T2 offenbart hingegen ein faserverstärktes, keramisches Kompositventil für einen inneren Verbrennungsmotor enthaltend einen länglichen, zur Aufnahme in die Ventilführung eines Motors geformten Schaft, der eine faserhaltige keramische Hülse umfasst, die mit einem axial ausgerichteten, unidirektionalen Bündel aus verstärkenden Keramikfasern gepackt ist, enthaltend eine keramische, zum Zusammenpassen mit dem Ventilsitz eines Motors geformte keramische Glocke, die diskontinuierliche Keramikfasern umfasst, und enthaltend eine Matrix aus Keramikmaterial, in welches die Fasern des Schafts und der Glocke eingebettet sind, wobei ein Ende der Schafthülse in die Glocke hinein gepresst oder geformt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf, eine Verbrennungskraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen verbesserten Wärmetransport aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem Ventilsitzring zum Abstützen zumindest eines Gaswechselventils der Verbrennungskraftmaschine und mit wenigstens einer Ventilführung zum Führen des wenigstens einen Gaswechselventils bei einer Bewegung des Gaswechselventils relativ zu der Ventilführung.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Ventilsitzring und zusätzlich oder alternativ die wenigstens eine Ventilführung zumindest eine Außenschicht aufweist, welche sp3-hybridisierten Kohlenstoff umfasst. Von Vorteil ist hierbei, dass die Außenschicht des Ventilsitzrings und/oder die Außenschicht der Ventilführung aufgrund des sp3-hybridisierten Kohlenstoffs eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hohem Verschleißschutz aufweist. Dadurch weist der Ventilsitzring bzw. die Ventilführung einen verbesserten Wärmetransport auf und ist zudem besonders langlebig. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sp3-hybridisierter Kohlenstoff nicht nur besonders haltbar (abriebfest) ist, sondern auch eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa λ=2*103 Wm-1 K-1 aufweist. Dadurch führen auch hohe Temperaturen, wie sie beim befeuerten und damit motorischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im Brennraum auftreten, zu geringeren Verschleißerscheinungen, wodurch Motorausfälle vermieden werden können. Durch diese Ausgestaltung des Ventilsitzrings und/oder der Ventilführung kann die Verbrennungskraftmaschine auch bei veränderten Brennverfahren, durch welche Emissionen im praktischen Fahrbetrieb, auch Real driving emissions genannt, und welche zu besonders hohen Brennraumtemperaturen führen können, besonders ausfallsicher betrieben werden.
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Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Ventilsitzringen, welche beispielsweise aus Legierungen mit erhöhtem Kupferanteil bestehen, stellt der die Außenschicht mit sp3-hybridisiertem Kohlenstoff umfassende Ventilsitzring eine besonders verschleißresistente Komponente dar.
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Der Ventilsitzring kann einen Ventilsitz-Grundkörper, welcher aus einem ersten Stahlwerkstoff gebildet sein kann, aufweisen. Auf den Ventilsitz-Grundkörper kann die entsprechende Außenschicht aufgebracht werden. Alternativ dazu kann die Außenschicht in den Ventilsitz-Grundkörper eingebracht werden, was beispielsweise durch Implantation, insbesondere durch Ionenimplantation, erfolgen kann.
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Die Ventilführung kann einen, insbesondere zylindrischen, Ventilführung-Grundkörper, welcher aus einem zweiten Stahlwerkstoff gebildet sein kann, aufweisen. Auf den Ventilführung-Grundkörper kann die entsprechende Außenschicht aufgebracht werden. Alternativ dazu kann die Außenschicht in den Ventilführung-Grundkörper eingebracht werden, was beispielsweise durch Implantation, insbesondere durch Ionenimplantation, erfolgen kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Außenschicht als Beschichtung ausgebildet oder durch Implantation, insbesondere Ionenimplantation, gebildet. Dies ist von Vorteil, da einerseits die als Beschichtung ausgebildete Außenschicht besonders einfach und damit aufwandsarm aufgetragen werden kann und andererseits die durch Implantation gebildete Außenschicht einen besonders gleichmäßigen Konzentrationsübergang innerhalb des Ventilsitzrings bzw. der Ventilführung ermöglicht. Mit anderen Worten können durch die Implantation zu große Konzentrationssprünge vermieden werden. Die Außenschicht kann als außenliegende Beschichtung ausgebildet sein, wohingegen der sp3-hybridisierte Kohlenstoff bei der Implantation eingebracht werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die als Beschichtung ausgebildete, zumindest eine Außenschicht eine Schichtdicke zwischen einschließlich 0,5 µm und einschließlich 10 µm auf. Dies ist von Vorteil, da sich hierdurch eine besonders hohe Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig hohem Wärmetransport realisieren lässt. Hierunter sind beispielsweise Schichtdicken mit Werten von 0,5 µm , 1,0 µm, 1,5 µm , 2,0 µm, 2,5 µm , 3,0 µm, 3,5 µm, 4,0 µm, 4,5 µm, 5,0 µm, 5,5 µm, 6,0 µm, 6,5 µm, 7,0 µm, 7,5 µm, 8,0 µm, 8,5 µm, 9,0 µm , 9,5 µm und 10 µm zu verstehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die durch Implantation gebildete, zumindest eine Außenschicht eine Schichtdicke zwischen einschließlich 0,5 µm und einschließlich 100 µm auf. Bei diesen Schichtdicken lässt sich in vorteilhafter Weise eine besonders hohe Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig hohem Wärmetransport realisieren. Hierunter sind beispielsweise Schichtdicken mit Werten von 0,5 µm, 1,0 µm, 5,0 µm, 10,0 µm, 15,0 µm, 20,0 µm, 25,0 µm, 30,0 µm, 35,0 µm, 40,0 µm, 45,0 µm, 50,0 µm, 55,0 µm, 60,0 µm, 65,0 µm, 70,0 µm, 75,0 µm, 80,0 µm, 85,0 µm, 90,0 µm, 95,0 µm und 100,0 µm zu verstehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die als Beschichtung ausgebildete zumindest eine Außenschicht wenigstens 20 % sp3-hybridisierten Kohlenstoff. Dadurch ist die als Beschichtung ausgebildete Außenschicht besonders verschleißbeständig. Es ist klar, dass sich Massenanteile verschiedener Bestandteile eines Materials, aus welchem die Außenschicht gebildet sein kann, zu 1 = 100 % addieren. Sofern die Außenschicht also beispielsweise genau 20 % sp3-hybridisierten Kohlenstoff enthält, so besteht die Außenschicht zudem noch aus weiteren Bestandteilen, deren gemeinsamer Massenanteil sich zu 80 % addiert. Denkbar ist auch, dass die Außenschicht vollständig aus sp3-hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, wodurch sich eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit erzielen lässt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die durch Implantation gebildete zumindest eine Außenschicht maximal 10 % sp3-hybridisierten Kohlenstoff. Dadurch lässt sich gleichzeitig eine hohe Verschleißfestigkeit sowie ein besonders vorteilhafter Wärmetransport realisieren.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Zylinderkopf gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Diese Verbrennungskraftmaschine ist einerseits besonders verschleißfest und weist insbesondere im Bereich der Gaswechselventile der Verbrennungskraftmaschine eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zumindest eine Gaswechselventil als Auslassventil ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da am Auslassventil besonders hohe Temperaturen auftreten, wobei durch den sp3-hybridisierten Kohlenstoff eine besonders gute Wärmeableitung sowie eine hohe Verschleißfestigkeit erzielt werden kann.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Die in Bezug auf einen der Aspekte vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die jeweils anderen Aspekte der Erfindung und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
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Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Hierzu zeigt die einzige Fig. eine schematische Perspektivansicht eines Ventilsitzrings und einer Ventilführung einer abstrahiert dargestellten Verbrennungskraftmaschine sowie eines ebenfalls abstrahiert dargestellten Kraftfahrzeugs.
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Die Fig. zeigt eine stark vereinfachte, schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs K mit einer Verbrennungskraftmaschine 50. Die Verbrennungskraftmaschine 50 umfasst einen ebenfalls stark vereinfacht dargestellten Zylinderkopf 10. Der Zylinderkopf 10 umfasst Ventilsitzringe 20 zum Abstützen von Gaswechselventilen der Verbrennungskraftmaschine 50. Von den Gaswechselventilen sind manche als Auslassventile und manche als Einlassventile ausgebildet.
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Exemplarisch ist eine Ventillängsachse 40, entlang welcher sich eines der Gaswechselventile beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 50 - beispielsweise zur Durchführung eines Ladungswechsels - bewegt, als strichpunktierte Linie dargestellt. Zudem umfasst der Zylinderkopf 10 jeweilige, als Hohlzylinder ausgebildete Ventilführungen 30 zum Führen der jeweiligen Gaswechselventile bei deren Bewegung relativ zu der Ventilführung 30 sowie entlang der Ventillängsachse, also mit anderen Worten bei der Bewegung in Ventillängsrichtung. Das entsprechende Gaswechselventil weist einen Ventilschaft auf, an welchem das Gaswechselventil in der Ventilführung 30 aufgenommen und geführt ist.
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Die Ventilsitzringe 20 und zusätzlich oder alternativ die Ventilführungen 30 weisen zumindest eine Außenschicht 22 bzw. 32 auf, welche sp3-hybridisierten Kohlenstoff umfasst. In der vorliegenden Variante sind den Ventilsitzringen 20 jeweils mindestens zwei Außenschichten 22 zugeordnet, von welchen eine eine ebene Stirnfläche und die andere eine zylindrische Randfläche umfasst. Jede der Ventilführungen 30 weist die Außenschicht 32 mit einer zylindrischen Randfläche auf. Die Außenschichten 22, 32 können als Beschichtung ausgebildet oder durch Implantation, insbesondere Ionenimplantation, gebildet sein.
Sofern die Außenschicht 22 und zusätzlich oder alternativ die Außenschicht 32 als Beschichtung ausgebildet ist, weist die jeweilige Außenschicht 22 bzw. 32 eine jeweilige Schichtdicke zwischen einschließlich 0,5 µm und einschließlich 10 µm auf. Sofern die Außenschicht 22 und zusätzlich oder alternativ die Außenschicht 32 durch Implantation gebildet ist, weist die jeweilige Außenschicht 22 bzw. 32 eine Schichtdicke von bis zu 100 µm auf.
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Die als Beschichtung ausgebildete zumindest eine Außenschicht 22 bzw. 32 enthält wenigstens 20 % sp3-hybridisierten Kohlenstoff. Die durch Implantation gebildete zumindest eine Außenschicht 22 bzw. 32 enthält maximal 10 % sp3-hybridisierten Kohlenstoff.
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Der Zylinderkopf 10 weist verglichen mit aus dem Stand der Technik bekannten Zylinderkopf-Konstruktionen eine insgesamt verbesserte Wärmeleitfähigkeit der Ventilsitzringe 20 und Ventilführungen 30 auf. Um die Wärmeleitfähigkeit dieser Bauteile signifikant zu steigern, wird sp3 hybridisierter Kohlenstoff eingesetzt. Dieser besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 2*103 Wm-1 K-1. Zur Abscheidung des sp3 hybridisierten Kohlenstoffs können verschiedene Verfahren angewendet werden wie z.B. PVD (Physical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition), PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) oder PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), sowie Ionenimplantation.
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Durch das Aufbringen bzw. Einbringen kann die entsprechende Außenschicht 22 bzw. 32 als reine Schicht, welche am Ventilsitzring 20 bzw. an der Ventilführung angeordnet und an dem Gaswechselventil anliegt, ausgebildet werden. Alternativ dazu kann die Außenschicht 22 bzw. 32 durch Implantation gebildet werden.
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So kann beispielsweise die Implantation am Ventilsitzring stirnseitig, am Rand oder an der Unterseite erfolgen.
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Die Ventilführung 30 kann -mit den gleichen Parametern wie beim Ventilsitzring 20 - vorzugsweise an deren unterem Drittel, welches dem Ventilteller des Gaswechselventils und damit dem Brennraum zugewandt ist, beschichtet oder mit sp3 hybridisiertem Kohlenstoff implantiert werden, um die Wärmeleitfähigkeit der Ventilführung 30 zu verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinderkopf
- 20
- Ventilsitzring
- 22
- Außenschicht
- 30
- Ventilführung
- 32
- Außenschicht
- 40
- Ventillängsachse
- 50
- Verbrennungskraftmaschine
- K
- Kraftfahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3327168 A1 [0003]
- DE 69002429 T2 [0004]
