DE10353088A1

DE10353088A1 - Bauteil eines Ventiltriebes sowie Ventiltriebe, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE10353088A1
Application number: DE10353088A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Reinhold Wentzel; Norbert Siegfried Alberta Wentzel; Wolfram Prof. Dr. Beier
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2005-06-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil eines Ventiltriebes sowie Ventiltriebe, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen.
Es soll ein Ventiltriebsbauteil bereitgestellt werden, das insbesondere den hohen Temperaturen, welchen das Bauteil aufgrund des im Brennraum ablaufenden Verbrennungsprozesses ausgesetzt ist, standhält.
Erreicht wird dies durch ein Ventiltriebsbauteil, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es zumindest teilweise aus einem anorganischen Verbundwerkstoff gefertigt ist, wobei der Verbundwerkstoff eine Matrix aus Glas oder Glaskeramik aufweist und darüber hinaus über anorganische Verstärkungsfasern verfügt, bzw. durch solche Bauteile enthaltende Ventiltriebe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil eines Ventiltriebes, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen. Ferner betrifft die Erfindung Ventiltriebe, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen.
Ventile werden im Motorenbau zur Steuerung des Ladungswechsels eingesetzt. In der Regel werden bei Viertaktmotoren Hubventile und bei Zweitaktmotoren Schlitze für den Wechsel des Gases im Brennraum verwendet. Alternativ kommen aber auch Dreh-, Schwing-, Schwenk- und Gleitschieber zum Einsatz. Der erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
Die Aufgaben des Ventiltriebes sind das rechtzeitige Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassöffnungen und eine schnelle Freigabe genügend großer Strömungsquerschnitte. Die erforderlichen hohen Beschleunigungen und Verzögerungen der Ventiltriebsteile ergeben eine hohe Beanspruchung durch Massenkräfte und damit auch eine hohe mechanische Beanspruchung, die mit steigender Drehzahl zunimmt. Mechanische Beanspruchungen ergeben sich insbesondere auch infolge des Zünddruckes in Form einer Durchbiegung des Ventiltellers und durch hartes Aufsetzen des Ventils beim Schließen im Ventilsitz.
Darüber hinaus sind Ventile nicht nur mechanisch, sondern auch thermisch hoch beanspruchte Bauteile, die zusätzlich korrosiven Einflüssen ausgesetzt sind. Die Ventile nehmen mit großer Oberfläche Wärme auf, die durch den im Brennraum ablaufenden Verbrennungsprozess generiert wird. Insbesondere die Auslassventile, über welche das heiße Ab gas abgeführt wird, werden thermisch hoch belastet und das im Gegensatz zu den Einlassventilen auch auf der Oberseite. Einlassventile erreichen Temperaturen von 300 bis 500°C, Auslassventile 600 bis 800°C.
Aufgrund der beschriebenen Einsatzbedingungen muss der Werkstoff, aus dem das Ventil gefertigt ist, eine hohe Warmfestigkeit und Zunderbeständigkeit aufweisen. Hierfür wurden besondere Stähle entwickelt, wie beispielsweise X 45 Cr Si 9 3 (Kurzname nach DIN 17480). Metallische Werkstoffe dehnen sich aber bei Temperaturwechseln mit steigender Temperatur aus, so dass eine befriedigende Dichtung am Ventilsitz nicht immer sichergestellt ist. Undichtigkeiten des Brennraums führen aber insbesondere während des Verbrennungsprozesses auf Kosten der Güte der Verbrennung, insbesondere der Abgasqualität, zu einem Druckverlust im Brennraum. Darüber hinaus entstehen örtlich Überhitzungen und Abschmelzungen, die zum Versagen des Ventils führen.
Nachteilig an Ventilen bzw. Ventiltrieben aus metallischen Werkstoffen ist des Weiteren die Notwendigkeit, diese mit Schmierstoff zu schmieren.
Um der hohen thermischen Belastung der Bauteile eines Ventiltriebes Rechnung zu tragen, wurden verschiedene Lösungskonzepte erarbeitet. So wurde der Schaft des Ventils zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit hohl ausgeführt und mit Natrium gefüllt. Dies führte zu einer Verminderung der Temperatur um bis zu 100°C, wobei diese Ventilkonstruktion aufgrund der hohen Kosten nur für Spezialanwendungen wie Rennsportmotoren zielführend ist. Im Hinblick auf den Verschleiß infolge thermischer Belastung wird der Ventilsitz auch beschichtet oder beispielsweise durch Aufschweißen von Stellit gepanzert.
Es wurden auch Versuche unternommen, Ventile nicht mehr aus metallischen Werkstoffen, sondern aus Keramik zu fertigen, die sich gerade durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit und ihren geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auszeichnet und aus diesem Grunde für den Einsatz im Motorenbau geeignet erschien. Als Nachteil erwiesen sich aber die fehlenden elastischen Eigenschaften, weshalb aus Keramik gefertigte Ventile im Versuch schnell infolge eines Sprödbruchs versagten.

In der US 6,098,579 sind Dreh-, Walzen- und Scheibenventile beschrieben, die aus einem Verbundmaterial aus einer kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffmatrix bestehen. Dieses Verbundmaterial weist allerdings den Nachteil auf, bei höheren Temperaturen nicht chemisch inert zu sein. So besteht ab ca. 315°C die Gefahr, dass das Ventil. oxidiert.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ventiltriebsbauteil, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, bereitzustellen, das den geschilderten Anforderungen genügt und insbesondere der hohen thermischen Beanspruchung standhält.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ventiltriebsbauteil, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es zumindest teilweise aus einem anorganischen Verbundwerkstoff gefertigt ist, wobei der Verbundwerkstoff eine Matrix aus Glas, Glaskeramik oder Porzellan aufweist und darüber hinaus über anorganische Verstärkungsfasern verfügt.

Die aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff gefertigten Bauteile verfügen über geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten, eine hohe Warmfestigkeit und die notwendigen elastischen Eigenschaften, um einerseits den hohen Temperaturen standzuhalten und andererseits aufgrund ihrer Zähigkeit nicht wie die herkömmlichen aus Keramik gefertigten Bauteile infolge Sprödbruch zu versagen.

Ferner sind die genannten Verbundmaterialien auch bei höheren Temperaturen unempfindlich gegen chemische Einwirkungen. Je nach Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Bauteile lassen sich die Werkstoffe durch Zusätze z. B. an bestimmte Atmosphären chemisch anpassen.

Die genannten Verbundmaterialien, insbesondere faserverstärktes Glas, zeichnen sich durch viele günstige Eigenschaften aus: Sie sind leicht. Bei gleicher Festigkeit weisen sie nur ein Viertel bis ein Drittel des Gewichts von Stahl auf. Die Verbundmaterialien sind außerdem bruchzäh und schadenstolerant. Bei mechanischen Belastungen werden die Fasern nach und nach aus der Matrix herausgezogen (sogenannter Pull-out-Effekt). Dazu bedarf es einer erheblichen Energie, um die Reibungskräfte der zahlreichen Mikroreibpaarungen Faser/Matrix zu überwinden. Außerdem wird dadurch gewährleistet, dass Beschädigungen zunächst lokal begrenzt bleiben und es nicht zu einem plötzlichen Zerspringen des gesamten Gegenstandes wie bei Glas oder einem Überschreiten einer Fliessgrenze wie bei Stahl kommt. Der Ausdehnungskoeffizient ist klein bzw. einstellbar. Bei allen Betriebstemperaturen kann daher ein gasdichter Formschluss gewährleistet werden. Durch Heißpressen lassen sich einfache bis komplexe Strukturen anfertigen, wobei durch die Wahl des Matrix-Materials und der Fasern eine große Bandbreite von Möglichkeiten eröffnet wird. Außerdem lassen sich durch die Zugabe von Füllstoffen günstige Notlaufeigenschaften einstellen.

Die Herstellung von faserverstärktem Glas bzw. faserverstärkter Glaskeramik wird u.a. in der US 4,610,917 , der US 4,626,515 und der US 5,079,196 beschrieben.

Grundsätzlich besteht bei jedem Glas die Möglichkeit, eine Verstärkung in Form von anorganischen Fasern vorzusehen. Zur Vermeidung bzw. Reduzierung innerer Spannung bei Temperaturwechseln werden Kombinationen bevorzugt, bei denen das Glas und die das Glas verstärkenden Fasern ähnliche, günstigstenfalls dieselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Bevorzugt handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Ventiltriebsbauteilen um Zylinderkopfbauteile und Rotationsventile. Dort wirken sich die genannten Vorteile besonders stark aus.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Verbundwerkstoff weitere Funktionsstoffe umfasst. Mittels derartiger Funktionsstoffe können die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes und damit des Bauteils beeinflusst bzw. eingestellt werden. Diese Funktionsstoffe dienen u.a. als Gleit- und Schmierstoffe, Reibwertmodifikatoren oder aber als reine Füllstoffe. Sie werden vorzugsweise im Herstellungsprozess pulverförmig eingearbeitet. Dabei kann es sich um keramische, glasige oder auch metallische Funktionsstoffe handeln.

Die EP 0 469 464 B1 hat die Zugabe derartiger Füll- und Funktionsstoffe zu Verbundwerkstoffen zum Gegenstand.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Funktionsstoff einen oder mehrere Komponenten der Gruppe SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, Magnesiumsilicate, Calciumsilicate, Mullit, Kaolin, SiC, TiC, BN, Kohlenstoff oder Ruß umfasst. Dabei zeichnen sich die Funktionsstoffe hoher Härte dadurch aus, dass sie die Verschleißfestigkeit der Bauteile erhöhen, während die Funktionsstoffe von geringer Härte eher schmierende Eigenschaften aufweisen.

Besonders günstig sind Gemische aus SiO₂ und Kaolin, aus Kaolin und Talk, aus Kaolin und Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver oder aus ZrO₂ und Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver. Bei diesen Gemischen ist jeweils ein härterer Füllstoff mit einem weicheren Füllstoff kombiniert, um sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die Schmierung zu verbessern. Insbesondere ist es vorteilhaft, einen oder mehrere Komponenten aus der Gruppe SiC, Al₂O₃, ZrO₂, Kohlenstoff, Ruß zu verwenden.

Im Folgenden werden die wichtigsten Funktionsstoffe genannt. Eingesetzt werden SiO₂, und zwar als kristalliner Quarz, Quarzglas oder Quarzgut, Al₂O₃, ZrO₂ oder ähnliche Oxide, auch Fe₂O₃ und Cr₂O₃, Calciumsilicate wie Wollastonit (CaO·SiO₂), 2CaO·SiO₂, 3CaO·SiO₂, Magnesiumsilicate und ihre Hydrate, z. B. Talk (3MgO·4SiO₂·H₂O), Zirkoniumsilicate, Glimmer, Dolomit, Aluminiumsilicate wie Mullit, Sillimanit, Kaolin oder Ton, weiterer Calciumaluminosilicate, Kaliumaluminosilicate und Magnesiumaluminosilicate, z.B. Cordierit, auch Magnesiumoxid, Magnesiumaluminat, Chromit, Titanoxid, z. B. Rutil, Aluminiumtitanat, weitere Karbonate, z. B. Kalk, auch gebrannter Kalk (CaO), Sulfate, Sulfide wie MoS₂ oder CuS, Nitride, z. B. BN, Karbide, z. B. SiC, BaC, TiC, Kohlenstoff, und zwar als Graphit oder Ruß sowie Metalle, z. B. Kupfer, Aluminium, Magnesium, Eisen oder auch Stahl, oder Halbmetalle wie Silizium und/oder deren Legierungen.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Gehalt des Funktionsstoffes im Verbundwerkstoff zwischen 0 und 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0 und 10 Gew.-%, insbesondere zwischen 0 und 5 Gew.-% liegt, wobei der jeweils optimale Gehalt vom jeweiligen Funktionsstoff abhängt. Bei höheren Anteilen als 50 Gew.-% treten hingegen prozesstechnische Schwierigkeiten bei der Fertigung auf.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Korndurchmesser des Funktionsstoffes zwischen 0,1 μm und 40 μm liegt. Kleinere Korn größen sind im Herstellungsprozess nur schwer dispergierbar; größere Korngrößen führen dazu, dass sich keine homogenen Kompositeigenschaften mehr einstellen.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das für die Matrix verwendete Glas ein Borosilicatglas, ein Aluminosilicatglas oder ein Quarzglas, insbesondere ein titanoxidhaltiges Quarzglas ist. Die Wahl des Matrix-Materials erfolgt u. a. aufgrund der Einsatzbedingungen für das Bauteil: Borosilicatgläser eignen sich bis zu Temperaturen von 500°C, Aluminosilicatglas bis 750°C und Quarzglas bis 1000°C. Für Hochtemperaturanwendungen bis 1500°C ist Glaskeramik besonders geeignet. Zu beachten ist ferner, dass Glaskeramik schwerer verarbeitbar ist, während sich Borosilicatgläser relativ leicht verarbeiten lassen. Bei üblichen Verbrennungsmotoren liegt die Temperaturbelastung im durchgewärmten Zustand bei 200–500°C. Auch Stoßbelastungen liegen unterhalb von 950°C, der Temperatur der Abgase.

Bei Fasern, die Siliciumkarbid oder Kohlenstoff enthalten und damit geringe Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, werden Gläser als Matrix bevorzugt, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 < 10 × 10^–6 K^–1 (Ausdehnung zwischen 20°C und 300°C) aufweisen.

Die zulässige Einsatztemperatur derartiger Verbundwerkstoff ist abhängig von der konkreten Zusammensetzung des Werkstoffes im Einzelfall, d.h. den Inhaltsstoffen und ihrem Anteil im Verbundwerkstoff. Als Orientierung für die maximale Dauereinsatztemperatur kann die Glasübergangstemperatur T_g des als Matrix verwendeten Glases herangezogen werden. Jedoch bedingt die Faserverstärkung eine Erhöhung der Temperaturbelastbarkeit, so dass faserverstärkte Gläser auch Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g der Glasmatrix standhalten.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen borsäurehaltige Gläser als Matrix verwendet werden. Borosilicatgläser, deren bekannteste Vertreter unter den Bezeichnungen Duran^® und Pyrex^® im Handel erhältlich sind, verfügen über die erwähnten vorteilhaften Eigenschaften, nämlich einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa α_20/300 = 3 bis 5 × 10^–6 K^–1, der damit unter einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 < 10 × 10^–6 K^–1 liegt, und eine ausreichend hohe Glasübergangstemperatur T_g, die im Bereich von etwa 500°C bis 600°C liegt.

Diese Gläser haben beispielsweise die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf Oxidbasis:
70–80% SiO₂,
7–13% B₂O₃,
4–8% Alkalioxide, und
2–7% Al₂O₃.

Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen, bei denen Aluminosilicatgläser, insbesondere Gläser mit einer ungefähren Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf Oxidbasis von
50–55% SiO₂,
8–12% B₂O₃,
10–20% Erdalkalioxide, und
20–25% Al₂O₃
als Matrixmaterial eingesetzt werden. Sie besitzen eine Glasübergangstemperatur T_g, die etwa im Bereich von 650°C bis 800°C liegt, und weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 von etwa 4–5 × 10^–6 K^–1 auf.

Aber auch Alkali-Erdalkali-Silicatgläser, die beispielsweise eine Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf Oxidbasis von
74% SiO₂,
16% Na₂O, und
10% CaO
aufweisen, eignen sich als Glasmatrixmaterial. Ihre Glasübergangstemperatur T_g liegt im Bereich von 540°C, wobei sie über einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 von etwa 9 × 10^–6 K^–1 verfügen. Besonders vorteilhaft ist es, dass der Ausdehnungskoeffizient an diejenigen der übrigen Materialien des Ventilbetriebes anpassbar ist, so dass bei jeder Betriebstemperatur ein gasdichter Formschluss gewährleistet ist. So ist z. B. der Zylinderkopf oft aus ggf. faserverstärktem Aluminium. An dessen Ausdehnungskoeffizient lässt sich der des Ventils anpassen.

Basaltglas und Quarzglas, insbesondere titanoxidhaltiges Quarzglas, verfügen ebenfalls über die erforderlichen Eigenschaften und kommen daher auch als Glasmatrixmaterial zum Einsatz.

Glaskeramiken zeichnen sich gegenüber Glas durch eine noch höhere Temperaturbeständigkeit aus. Sie werden vorzugsweise durch eine gesteuerte Kristallisation hergestellt.

Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen, bei denen die als Matrix verwendete Glaskeramik auf einem der Systeme Li₂O-Al₂O₃-SiO₂, MgO-Al₂O₃-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂ oder MgO-CaO-BaO-Al₂O₃-SiO₂ basiert. Die Glaskeramikmatrix kann beispielsweise aus einem Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-kristallhaltigem Boratglas oder anderen kristallisierenden Glasloten bestehen. Solche Komposite haben den Vorteil, dass sie sich bei relativ niedrigen Temperaturen verarbeiten lassen und nach der Kristallisation höheren Temperaturen standhalten.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Verstärkungsfasern ein oder mehrere Komponenten der Gruppe Kohlenstoff, SiC, BN, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, 3Al₂O₃·2SiO₂ (Mullit) oder SiO₂ enthalten. Günstig sind Verstärkungsfasern, die auf Si-reichem 3Al₂O₃·2SiO₂, Calciumsilicaten xCaO·ySiO₂, Kieselglas, hoch SiO₂-haltigen Gläsern, d.h. Gläsern mit einem SiO₂-Gehalt von mehr als 80 Gewichtsprozent, A-, C-, S- oder E-Glas als Hauptkomponente basieren.

Bei E-Glas handelt es sich um ein Calciumaluminoborosilicatglas, das weitgehend alkalifrei ist. S-Glas ist ein Magnesiumaluminosilicatglas, C-Glas ein Natriumcalciumborosilicatglas und A-Glas ein Natriumcalciumsilicatglas.

Vorteilhaft sind insbesondere Fasern, die auf Kohlenstoff oder Siliziumkarbid basieren. Ein hoher Faseranteil an SiC-Fasern senkt den Verschleiß, wohingegen ein hoher Faseranteil an C-Fasern den Verbundwerkstoff preiswerter macht und gute Schmiereigenschaften zeigt. Fasern, die sowohl Kohlenstoff als auch Siliziumkarbid enthalten, ermöglichen gleichzeitig eine Verminderung des Verschleißes und eine Abstimmung des Reibverhaltens mittels kostengünstiger Kohlenstofffasern. Bevorzugt wird hierbei ein SiC/C-Verhältnis von etwa 0,25.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die anorganischen Verstärkungsfasern mit einer Beschichtung aus Kohlenstoff, Karbiden, SiO₂ oder Al₂O₃ oder anderen Oxiden versehen sind. Dies führt zu einer Verbesserung der Reibeigenschaften, was bei sämtlichen bewegten Bauteilen als vorteilhaft anzusehen ist.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Fasergehalt des Verbundwerkstoffes zwischen 5 und 55 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 25 und 45 Gew.-% liegt. Ein höherer Prozentsatz kann nur durch Inkaufnahme erheblicher Kosten realisiert werden, wobei bei einem Fasergehalt < 5 Gew.-% zum einen die gleichmäßige Verteilung der Fasern im Verbundwerkstoff erschwert wird und zum anderen die gewollte Änderung der Eigenschaften, insbesondere eine Steigerung der Festigkeit, spürbar abnimmt oder sogar vollständig eliminiert wird. Folglich wird vorzugsweise ein Fasergehalt zwischen 25 und 45 Gew.-% angestrebt. Durch Verwendung mehrerer unterschiedlicher Fasersorten erhält man so genannte Hybridkomposite.

Die im Verbundwerkstoff eingebauten Fasern können in vielfältiger Weise variiert werden, und zwar sowohl im Hinblick auf ihre chemische Zusammensetzung als auch im Hinblick auf das Mikrogefüge sowie die äußere Geometrie. Das Mikrogefüge der Fasern bestimmt bei gleicher chemischer Zusammensetzung die physikalischen Eigenschaften. So gibt es z. B. bei C-Fasern spezielle Hochmodul- und Hochfestfasern, deren unterschiedlicher Graphitisierungsgrad das tribologische und thermische Verhalten des Verbundwerkstoffes verändert. Somit besteht auch bei Verwendung der gleichen Verstärkungsfasern in begrenztem Umfang eine Variationsmöglichkeit, mit Hilfe derer das Material auf die gewünschten Eigenschaften eingestellt werden kann.

Besonders vielfältige Variationsmöglichkeiten bieten die Geometrie, d.h. die Form und Abmessungen der Verstärkungsfasern und die Anordnung der Fasern im Kompositwerkstoff.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Faserdurchmesser des Verbundwerkstoffes zwischen 3 und 30 μm liegt. Fasern mit kleinem Durchmesser lassen sich bei der Herstellung des Materials schlecht dispergieren; Fasern mit größerem Durchmesser führen dazu, dass sich das Material nicht mehr als homogener Kompositwerkstoff darstellt. Bei Kohlenstofffasern werden Durchmesser unter 10 μm besonders bevorzugt, bei Siliziumkarbid zwischen 10 μm und 20 μm.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Verbundwerkstoff mittels Endlosfasern verstärkt ist. In Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Verbundwerkstoffs können aber auch Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen der Verbundwerkstoffes mittels Langfasern oder Kurzfasern verstärkt ist. Whisker und Kurzfasern, d.h. Fasern mit einer Faserlänge von bis zu 5 mm, sind meist isotrop im Komposit verteilt und führen auf diese Weise zu isotropen Eigenschaften. Grundsätzlich lassen sich aber auch Kurzfasern, beispielsweise durch Strangpressen bei erhöhter Temperatur, ausrichten. Sehr hohe Bruchzähigkeiten sind aber mit Whiskern oder Kurzfasern nicht zu erzielen, weshalb bei dieser Zielsetzung Lang- und Endlosfasern bevorzugt werden. Diese Fasern können zumindest in größeren Partien des Verbundwerkstoffes parallel angeordnet werden und somit zu einem anisotropen Eigenschaftsprofil des Bauteils führen, wodurch beispielsweise eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in einer bestimmten Richtung erzielt werden kann.

Aus diesem Grunde sind bei Anwendungsfällen, bei denen die Bauteile vorwiegend in einer bevorzugten Richtung beansprucht werden, Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Fasern eine unidirektionale Faserstruktur ausbilden.

Ist ein isotropes Eigenschaftsprofil erforderlich oder soll ein kostengünstiger Verbundwerkstoff bereitgestellt werden, der keine erhöhten Anforderungen an die Festigkeit erfüllen muss, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Fasern ein isotropes Wirrfaserkomposit bilden und folglich eine Ausrichtung der Fasern entfallen kann. So können beispielsweise auch Fasergewebe und Faserfilz bei der Herstellung der Verbundwerkstoffe verwendet werden, die mit Glasschmelzen oder Sol-Gel-Lösungen, die durch eine anschleißende Wärmebehandlung in Glas oder Glaskeramik umgewandelt werden können, infiltriert werden.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Fasern eine cross-ply Faserstruktur ausbilden, denn sie führen zu einer quasi-isotropen Verstärkung. Besonders bevorzugt ist sogenanntes technisches Laminat, was zwei übereinander und um 45° verdrehten cross-ply-Strukturen entspricht. Generell besteht die Möglichkeit, den Faserverlauf im Werkstoff der Geometrie des aus dem Verbundwerkstoffes hergestellten Bauteils anzupassen, indem beispielsweise durch Wickeln zirkuläre oder anders geformte Ringstrukturen erzeugt werden, die insbesondere zur Herstellung ringförmiger und rotationssymmetrischer Bauteile dienen können.

Die mechanischen Eigenschaften wie die Festigkeit und der Elastizitätsmodul von faserverstärkten Gläsern oder Glaskeramiken werden im Wesentlichen durch Menge und Anordnung der eingebrachten Fasern beeinflusst. Die thermomechanischen Eigenschaften, so die thermische Dehnung, und die thermischen Eigenschaften, z. B. die Wärmeleitfähigkeit, werden wie auch die tribologischen Eigenschaften wie Reibwerte und Verschleiß durch die Zusammensetzung des Gesamtverbundes, d. h. durch die Anteile an Einzelkomponenten und durch ihre Eigenschaften beeinflusst.

So werden mit C- oder SiC-Fasern bei unidirektionaler Faseranordnung mit einem Fasergehalt von ca. 40 Gew.-% Biegezugfestigkeiten von mehr als 1200 MPa und E-Moduln von mehr als 130 GPa bei gleichzeitiger Steigerung der Brucharbeit gegenüber den reinen Gläsern oder Glaskeramiken erreicht. In multidirektional gerichteter bzw. zufälliger Faseranordnung sowie bei verändertem Fasergehalt ergeben sich, dem Anteil der im Verbund in Belastungsrichtung vorhandenen Faser entsprechend, geringere Festigkeiten und E-Moduln.

Rein SiC-faserverstärkte Gläser besitzen mit ca. 1,5 Wm^–1K^–1 eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, die durch das Einbringen von Zusatzkomponenten in Abhängigkeiten von deren Anteil verändert werden kann. So werden durch die Zugabe von Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-, Metall- und/oder Keramikpulver die Wärmeleitfähigkeit und auch die thermische Dehnung erhöht. Durch die Zugabe von Komponenten mit geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer thermischer Dehnung wie z. B. Kieselglas können diese Eigenschaftswerte entsprechend gesenkt werden.

Die für die erfindungsgemäßen Bauteile verwendeten Verbundwerkstoffe sind darüber hinaus gut bearbeitbar, was sie als Werkstoff auch unter Fertigungsgesichtspunkten attraktiv macht.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist das Bauteil rotationssymmetrisch, insbesondere als Zylinderwalze oder als Scheibe eines Drehschiebers ausgebildet. Trotz großer konstruktiver Variationsbreite (z. B. Flach-, Walzen- oder Kegeldrehschieber) konnten sich Drehschieber bisher im Motorenbau nicht durchsetzen, weil sie schwer abzudichten waren. Wegen der günstigen Ausdehnungskoeffizienten ist dieses Hindernis aber bei den erfindungsgemäßen Bauteilen überwunden.

Insbesondere Walzenschieber haben den Vorteil, großvolumig zu sein. Je großvolumiger das Bauteil, desto besser sind die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe, die dann eine hohe Festigkeit aufweisen, obwohl beide Komponenten, Faser und Matrix, auf mikroskopischer Ebene spröde sind. Drehschieber haben den Vorteil, dass sie nur die Reibung überwinden müssen. Sie arbeiten kontinuierlich, zeigen mehr Leistung als herkömmliche Kegelventile und führen insgesamt zu einer besseren Kraftstoffeffizienz.

Ein weiterer Vorteil insbesondere rotationssymmetrischer Walzventile besteht darin, dass sie die Verwendung kleinerer, leichterer Antriebssysteme ermöglichen. Dies führt zu geringerem Energieverbrauch. Denn da auf Walzventilen basierende Gaswechselsteuersysteme keine Ventilkräfte bzw. oszillierende Massen zu überwinden haben, sind gegenüber Hubventilen reduzierte Antriebskräfte zur Betätigung des Ventilsystems hinreichend.

Die erfindungsgemäßen Ventiltriebe zeichnen sich durch eine besondere Umweltfreundlichkeit aus. Zum einen sind die genannten Verbundwerkstoffe leichter als die bisher für Ventiltriebe verwendeten Materialien. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch gemindert. Dies gilt insbesondere für Ventiltriebe mit oszillierenden Massen. Durch die besonders gute Wärmeanpassung der Materialien lässt sich eine gute Abdichtung der bewegten Teile gegenüber dem Zylinderkopfgehäuse erreichen. Dadurch wird die Effizienz des Motors erhöht, was ebenfalls zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauches führt. Die vorgenannten Effekte machen sich besonders stark bemerkbar, wenn der gesamte Ventiltrieb aus den vorbenannten Verbundmaterialien gefertigt ist, insbesondere das Gehäuse und die bewegten Teile. Dabei können die Materialeigenschaften, insbesondere die tribologischen Eigenschaften durch Zusatz der oben genannten Funktionsstoffe verbessert werden.

Besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße Ventiltrieb, dessen Rotationskörper sich in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl gegenüber der ihn umgebenden Hülle bzw. gegenüber dem ihn umgebenden Zylinderkopf verdrehen lässt, so dass die Ventilsteuerzeit in Relation zur Kolbenstellung verändert werden kann. So führt bei hohen Umdrehungszahlen eine große Überschneidung von Ein- und Auslasszeit zu einer höheren Leistung. Bei niedrigen Umdrehungszahlen sollten die Überschneidung minimiert werden, damit die Spielverluste klein bleiben und sich ein möglichst hohes Drehmoment einstellt. Dies lässt sich beim erfindungsgemäßen Ventiltrieb z. B. dadurch erreichen, dass das Rotationsbauteil gegenüber dem Außenrohr antriebsseitig verdreht wird. Durch die Verwendung der genannten Verbundmaterialien für das Außen- und das Innenteil wird gewährleistet, dass beide Bauteile auch bei Temperaturschwankungen gasdicht gegeneinander abschließen.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung veranschaulicht werden. Dazu zeigen
1 eine erste Drehzylinder-Gassteuerung,
2 eine zweite Drehzylinder-Gassteuerung und
3 einen Doppeldrehzylinder.
In 1 ist ein Zylinder 2 mit einem Zylinderkopf 1 dargestellt. In dem Zylinder 2 ist ein Kolben 8 angeordnet, der über ein Pleuel 3 eine Kurbelwelle 4 antreibt. In dem Zylinderkopf 1 aus beispielsweise Aluminium sind ein Einlasskanal 6a und ein Auslasskanal 7a vorhanden. Außerdem ist in dem Zylinderkopf 1 ein walzenförmiger Drehzylinder 5 angeordnet. Auch der Drehzylinder 5 weist einen Einlasskanal 6b und einen Auslasskanal 7b auf. Der Drehzylinder 5 wird um seine zentrale Längsachse gedreht. Je nach Stellung des Drehzylinders 5 relativ zum Zylinderkopf 1 stehen der Einlasskanal 6a oder der Auslasskanal 7a in Strömungsverbindung mit dem Zylinderinnenraum. Der Drehzylinder 5 besteht aus einem mit Siliziumkarbidfasern verstärken Kalknatronglas. Das Kalknatronglas wurde dabei danach ausgewählt, dass es einen dem Material des Zylinderkopfs möglichst dicht angenäherten Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Dadurch wird auch bei einer Betriebstem peratur von bis zu 500°C ein weitgehend gasdichter Formschluss zwischen dem Drehzylinder 5 und dem Zylinderkopf 1 erreicht.
In 2 ist eine weitere Drehzylinder-Gassteuerung dargestellt, die sich von der vorherigen dahingehend unterscheidet, dass 2 Drehzylinder 5a und 5b vorgesehen sind, die jeweils einen Einlasskanal 6 bzw. einen Auslasskanal 7 aufweisen, die hier nicht dargestellte Ein- und Auslasskanäle im Zylinderkopf 1 in Verbindung mit dem Zylinderinnenraum bringen können. Dadurch kann eine thermische Entkoppelung des Einlassbereiches erreicht werden, wodurch sich eine bessere Füllung und damit fallweise ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine höhere Leistung ergibt. Im Gegensatz zu dem vorherigen Drehzylinder 5 sind die Drehzylinder 5a und 5b aus kohlenstofffaserverstärktem Borosilicatglas. Auch der Zylinderkopf bzw. zumindest eine im Zylinderkopf befindliche, den Drehzylinder umgebende Hülse kann aus kohlefaserverstärktem Borosilicatglas bestehen, um eine optimale Wärmeanpassung zu erreichen.
In 3 ist ein hülsenartiger Drehzylinder 5' dargestellt, der von einem Außenrohr 9 und einem Innenrohr 10 gebildet wird. Das Innenrohr 10 kann, wie dargestellt, als Rohr, aber auch als ein aus vollem Material bestehender Zylinder mit entsprechenden Kanälen für die Einlassöffnung 6 bzw. Auslassöffnung 7 gebildet sein. Beide Bauteile 9 und 10 bestehen aus einem glasfaserverstärkten Aluminosilicatglas. Da beide Bauteile 9, 10 den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, bleibt die Gasdichtepassung auch bei höheren Temperaturen bestehen. Beide Bauteile 9, 10 weisen in ihrer Umfangswand eine Einlassöffnung 6 und eine Auslassöffnung 7 auf. Bei hohen Drehzahlen werden Außenrohr 9 und Innenrohr 10 derart gegeneinander verschoben, dass Einlass- und Auslassvorgang sich zeitlich überschneiden. Bei niedrigeren Drehzahlen wird die Einlassöffnung durch entsprechende Drehung des Innenrohres 10 gegenüber dem Außenrohr 9 zugeschoben, so dass die Überschneidung des Einlass- und Auslassvorganges minimiert wird.

Claims

Bauteil eines Ventiltriebes, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest teilweise aus einem anorganischen Verbundwerkstoff gefertigt ist, wobei der Verbundwerkstoff eine Matrix aus Glas, Glaskeramik oder Porzellan aufweist und darüber hinaus über anorganische Verstärkungsfasern verfügt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff weitere Funktionsstoffe umfasst.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsstoff einen oder mehrere Komponenten der Gruppe SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, Magnesiumsilicate, Calciumsilicate, Mullit, Kaolin, SiC, TiC, BN, Kohlenstoff oder Ruß umfasst.
Bauteil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korndurchmesser des Funktionsstoffes zwischen 0,1 μm und 40 μm liegt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Matrix verwendete Glas ein Borosilicatglas, ein Aluminosilicatglas, ein Alkali-Erdalkali-Silicatglas oder ein Quarzglas, insbesondere ein titanoxidhaltiges Quarzglas ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Matrix verwendete Glaskeramik auf einem der Systeme Li₂O-Al₂O₃-SiO₂, MgO-Al₂O₃-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂ oder MgO-CaO-BaO-Al₂O₃-SiO₂ basiert.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Verstärkungsfasern ein oder mehrere Komponenten der Gruppe Kohlenstoff, SiC, BN, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, 3Al₂O₃·2SiO₂ oder SiO₂ enthalten.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Verstärkungsfasern mit einer Beschichtung aus Kohlenstoff, Karbiden, SiO₂ oder Al₂O₃ versehen sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fasergehalt des Verbundwerkstoffes zwischen 5 und 55 Gew.-% liegt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fasergehalt des Verbundwerkstoffes zwischen 25 und 45 Gew.-% liegt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserdurchmesser des Verbundwerkstoffes zwischen 3 und 30 μm liegt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mittels Endlosfasern verstärkt ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mittels Langfasern verstärkt ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoffes mittels Kurzfasern verstärkt ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine unidirektionale Faserstruktur ausbilden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern ein isotropes Wirrfaserkomposit bilden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine cross-ply Faserstruktur ausbilden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern zirkulär gewickelt sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es als Zylinderwalze ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es als Scheibe ausgebildet ist.
Ventiltrieb, insbesondere für Verbrennungskraftmechanismen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem anorganischen Verbundwerkstoff gefertigt ist, wobei der Verbundwerkstoff eine Matrix aus Glas, Glaskeramik oder Porzellan aufweist, die mit anorganischen Fasern verstärkt ist.
Ventiltrieb mit mindestens einem Bauteil nach Anspruch 1 bis 21.
Ventiltrieb mit zwei Bauteilen nach Anspruch 1 bis 21, wobei sie als Rotationskörper (10) und diesen umgebende Hülse (9) oder Zylinderkopf jeweils mit Ein- und Auslassöffnung (6, 7) ausgebildet sind und konzentrisch, gegeneinander verdrehbar angeordnet sind.
Ventiltrieb nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bauteile als Rohre (10, 9) mit Ein- und Auslassöffnungen (6, 7) in der Umfangswand ausgebildet sind.