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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine leichtgewichtige Ventilanordnung zur Anwendung in einem Motor.
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Motorventile steuern den Strömungsmittelfluss
in einen Motorzylinder oder in eine Brennkammer und aus diesen heraus.
Sie passen in den Zylinderkopf und arbeiten in Ventilführungen.
Ventilfedern passen über das
obere Ende der Ventile, um die Ventile in einer normalerweise geschlossenen
Position zu halten. Üblicherweise
hat jedes Ventil eine Ventilstirnseite, einen Ventilsitz, einen
Rand, einen Schaft und ein spitzes Ende. Wenn es nach unten gleitet,
gleitet das Ventil weg von seinem Sitz, und der Anschluss wird geöffnet. Wenn
es nach oben gleitet, kommt das Ventil in Kontakt mit seinem Sitz,
um die Brennkammer von dem Anschluss abzudichten.
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Das Einlassventil ist oft ein größeres Ventil,
welches gestattet, dass eine Brennstoffladung in einen Motorzylinder
fließt.
Typischerweise fließt
eine Luft-Brennstoff-Mischung durch den Einlassanschluss, über das
Ventil und in die Brennkammer, wenn das Ventil geöffnet wird.
Das Auslassventil kann ein kleineres Ventil sein, welches sich öffnet, um
zu gestatten, dass verbrannte Gase aus dem Motor entweichen.
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Automotoren, sowohl für Benzin
als auch für
Diesel, sind normalerweise Vier-Takt-Motoren. Die vier Takte sind
der Einlasstakt, der Kompressions- bzw. Verdichtungstakt, der Leistungstakt
und der Auslasstakt. Während
des Einlasshubes werden Luft und Brennstoff in die Brennkammer gezogen.
Der Kolben gleitet nach unten, um ein Vakuum zu erzeugen. Das Einlassventil
wird geöffnet,
und das Auslassventil wird geschlossen. Somit wird der Zylinder
mit einer zündbaren
Mischung aus Brennstoff und Luft gefüllt.
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Während
des Kompressionshubes wird die Luft-Brennstoff-Mischung komprimiert,
um sie besser verbrennbar zu machen. Sowohl das Einlassventil als
auch das Auslassventil sind geschlossen. Der Kolben gleitet nach
oben und komprimiert die Mischung in einem kleinen Bereich der Brennkammer.
Für eine
ordnungsgemäße Verbrennung
ist es wichtig, dass die Ventile, die Rin ge und andere Komponenten
keine Druckleckage aus der Brennkammer gestatten. Die Leckage würde die
Mischung davon abhalten, im Leistungshub zu verbrennen und zu zünden. Während des
Leistungshubes wird die Luft-Brennstoff-Mischung gezündet und
verbrannt, um eine Gasexpansion, Druck und eine kräftige Abwärtsbewegung
des Kolbens zu erzeugen. Beide Ventile sind geschlossen. In einem
funkengezündeten
Motor zündet
eine Zündkerze
die Brennstoffmischung zur Verbrennung. Während der Verbrennung expandiert
die Mischung und Druck sammelt sich in der Brennkammer. Da der Kolben
das einzige bewegliche Teil ist, wird er nach unten geschoben. Die
Abwärtsbewegung wird
auf eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange und auf die Kurbelwelle übertragen,
die dazu gezwungen wird, sich zu drehen.
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Ein Auslasshub stößt dass verbrannte Gas aus
dem Zylinder aus und in das Abgassystem des Autos. Das Einlassventil
bleibt geschlossen, und das Auslassventil schiebt sich auf. Da der
Kolben sich nun nach oben bewegt, wird verbrannter Rauch aus dem
Auslassanschluss ausgestoßen,
um den Zylinder zur Aufnahme einer frischen Ladung einer brennbaren
Luft-Brennstoff-Mischung
vorzubereiten. Während
des Auslasshubes besteht weiter eine Notwendigkeit eines dichtenden
Eingriffes zwischen dem Einlassventil und seinem Sitz, auch in fortgesetzten
Phasen der Betriebslebensdauer des Motors.
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Üblicherweise
sind Ventilsitze runde, maschinell bearbeitete Oberflächen, die
in den Anschlussöffnungen
zu den Brennkammern aufgenommen sind. Wenn das Motorventil sich
schließt,
berührt
das Ventil den Sitz, um den Anschluss abzudichten. Die Ventilsitze
können
ein Teil des Zylinderkopfes sein oder können als getrennte eingepresste
Komponente geformt sein. Ein integrierter Ventilsitz wird hergestellt
unter Verwendung eines Werkzeugs zur maschinellen Bearbeitung einer
präzisen
Stirnseite auf der Anschlussöffnung
in der Brennkammer. Der Sitz ist mit der Ventilführung ausgerichtet und um diese
herum zentriert, so dass das Ventil auf dem Sitz zentriert ist.
Ein eingepresster Ventilsitz oder ein Sitzeinsatz ist typischerweise
ein getrenntes maschinell bearbeitetes Teil, welches in den Zylinderkopf
pressgepasst ist. Die Ausnehmung, die in der Brennkammer definiert
ist, ist geringfügig
kleiner als der Aussendurchmesser des Einsatzes. Eine Presse wird
verwendet, um den Einsatz in den Kopf zu treiben. Reibung hält den Sitz
in Beziehung zum Kopf.
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Typischerweise werden Ventilsitzeinsätze aus
Stahl in Aluminiumzylinderköpfen
verwendet. Stahl wird benötigt,
um den hohen Betriebstemperaturen zu widerstehen, die durch die
Verbrennung erzeugt werden.
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In Benzinmotoren wird ein Sitzeinsatz
in Gusseisenzylinderköpfen
nicht üblicherweise
verwendet, weil die Wärme
nicht so schnell abgeleitet wird, wie bei integrierten Sitzen. Bei
Schwerlast-Dieselmotoren können niedrig
legierte oder hoch legierte Einsätze
in Gusseisen-Köpfen
verwendet werden.
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Die Charakteristiken von Härte und
Widerstand gegen Abnutzung werden oft verbessert durch Induktionshärtung, die
gewöhnlicherweise
durch einen elektrischen Heizvorgang durchgeführt wird. Induktionsgehärtete Ventilsitze
können
in Motoren verwendet werden, um die Betriebslebensdauer zu steigern,
obwohl viele Motoren neuerer Modelle Aluminium-Zylinderköpfe aufweisen,
in denen die Ventilsitze nicht leicht induktionsgehärtet werden
können.
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Bleiadditive im Brennstoff haben
in der Vergangenheit dabei geholfen, den Kontakt zwischen den Ventilen
und den Ventilsitzen zu schmieren. Bei hohen Temperaturen wirkt
das Blei als ein Schmiermittel dazwischen, jedoch haben die nicht
verbleiten Brennstoffe heute keine Bleischmiermittel. Zusätzlich tendieren
die Betriebstemperaturen der Motoren dazu, höher zu sein. Somit werden die
Probleme der Abnutzung von Ventil und Ventilsitz deutlicher. Um
diesen herausfordernden Zuständen
zu widerstehen, sind gehärtete
Ventilstirnseiten und Ventilsitze, insbesondere bei den Auslassventilen,
erforderlich.
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Die weltweite Nachfrage nach einem
größeren Wirkungsgrad,
nach kompakter Größe und reduziertem Gewicht
haben zu der Entwicklung von ultraleichten Ventilen zur Anwendung
in Motoren geführt.
Solche Ventile können
65% weniger wiegen als Automobilventile, die vor zehn Jahren hergestellt
wurden. Eine Antwort auf die Herausforderung von solchen Betriebsumgebungen
mit hohen Anforderungen ist die Entwicklung von leichtgewichtigen
hohlen Ventilen, die mit Natrium oder einem ähnlichen internen Kühlmittel
gefüllt
sein können oder
nicht, wenn eine zusätzliche
Kühlwirkung
und zusätzliche
Leichtigkeit benötigt
werden. Während
des Betriebs des Motors schmilzt das Natrium innerhalb des hohlen
Ventils. Bei manchen Konstruktionen spritzt das Natrium nach unten
wenn das Ventil sich öffnet
in den Ventilkopf und nimmt Wärme
auf. Wenn das Ventil sich schließt, spritzt das Natrium nach
oben in dem Ventilschaft. Die Wärme überträgt sich
aus dem Natrium in den Schaft, die Ventilführung und das Motorkühlmittel.
Das Ventil wird somit gekühlt.
Mit Natrium gefüllte
Ventile werden bei wenigen Hochleistungsmotoren verwendet. Sie sind
leicht und gestatten eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors über längere Perioden
ohne eine signifikante Überhitzung
der Ventile, da solche Ventile dazu tendieren, kühler zu laufen als Ventile
mit vollen Schäften.
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Gemäß der Erfindung ist nun eine
leichtgewichtige Ventilanordnung zur Anwendung in einem Motor vorgesehen,
wobei die Anordnung folgendes aufweist:
ein Einlassventil und
ein Auslassventil, die hin und her beweglich innerhalb der inneren
Bohrung einer Ventilschaftführung
aufgenommen sind,
wobei das Einlassventil einen Einlassventilsitz
aufweist, der folgendes aufweist (Gew.-%):
| C | 0,15–0,50 |
| Si | maximal
0,30 |
| Mn | 0,30–1,65 |
| Fe | Rest |
wobei das Auslassventil einen Auslassventilsitz
aufweist, der Folgendes aufweist (Gew.-%):
| C | 0,02–0,90 |
| Si | 0,10–3,50 |
| Mn | maximal
9,5 |
| Cr | 8,00–22,0 |
| Ni | maximal
14,0 |
| Fe | Rest |
wobei die Anordnung weiter folgendes aufweist:
einen
Einsatz, der innerhalb des Motors montiert ist, wobei der Einsatz
in zusammenarbeitender Weise die Sitzstirnseiten des Einlassventils
und des Auslassventils aufnimmt;
wobei der Einsatz und die
Sitzstirnseiten des Einlassventils und des Auslassventils folgendes
aufweisen:
eine Schicht, die im wesentlichen aus einem Nitrid
besteht, um die Abnutzung durch Anhaftung und Abrieb zwischen den
Ventilstirnseiten und dem Einsatz zu reduzieren.
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Die Schrift EPO 0 526 174 zeigt ein ähnliches
Ventil mit einer Nitrid-Schicht.
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Die Erfindung wird unten genauer
nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen die Figuren folgendes darstellen:
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1 eine
Querschnittsansicht, die eine leichtgewichtige hohle Ventilanordnung
und ihre assoziierte Umgebung veranschaulicht;
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2 eine
Querschnittsansicht, die die vorliegende Ventilanordnung genauer
veranschaulicht; und
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3 eine
noch detailliertere Ansicht des Einsatzes und der Ventilsitzstirnseiten
in abgedichteter Beziehung, die gegen Reibung und Abnutzung beständige Schichten
zeigt, die darauf ausgebildet sind.
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Mit Bezug auf die 1–3 ist eine leichtgewichtige
hohle Ventilanordnung 10 zur Anwendung in einem Motor gezeigt.
Die Anordnung 10 weist ein leichtgewichtiges hohles Ventil 12 auf,
welches hin und her beweglich innerhalb der inneren Bohrung einer
Ventilschaftführung 14 aufgenommen
ist. Wie abgebildet, ist die Ventilschaftführung 14 eine rohrförmige Struktur,
die in den Zylinderkopf 24 eingeführt wurde. Die Erfindung ist
jedoch nicht auf dieses eingeschränkt. Alternative Ausführungsbeispiele
können
erfordern, dass der Zylinderkopf selbst eine Führung für den Ventilschaft vorsieht,
ohne dass die rohrförmige
Struktur dazwischen vorgesehen ist, um als die Ventilschaftführung zu
dienen.
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Das Ventil 12 weist eine
Ventilsitzstirnseite 16 auf. Die Ventilsitzstirnseite 16 ist
zwischen dem Rand 26 und dem Hals 28 des Ventils 12 angeordnet.
Oberhalb von dem Hals 28 ist ein Ventilschaft 30 angeordnet, der
innerhalb der Ventilschaftführung 14 aufgenommen
ist.
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Die leichtgewichtige oder ultraleichte
Ventilanordnung 10 weist einen Einsatz 18 auf,
der innerhalb des Zylinderkopfes 24 des Motors montiert
ist. Vorzugsweise ist der Einsatz 18 im Querschnitt ringförmig. Der
Einsatz 18 nimmt kooperativ die Ventilsitzstirnseite 16 auf.
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Um einen Dichtungseingriff sicherzustellen,
sind der Einsatz
18 und die Ventilsitzstirnseite
16 jeweils (
3) mit einer Schicht
20,
22 versehen,
um die Abnutzung durch Anhaftung und Abrieb zwischen der Ventilsitzstirnseite
16 und
dem Einsatz
18 zu reduzieren. Vorzugsweise besteht jede
Schicht
20,
22 im wesentlichen aus einem Nitrid,
welches die erforderlichen Abnutzungscharakteristiken vorsieht und
die Betriebslebensdauer der Ventilanordnung
10 verlängert. Die
Schicht
22 der Einlassventilsitzstirnseite weist folgendes
auf (alle Prozentsätze
hier sind in Gew.-%):
und der Auslassventilsitz
weist folgendes auf
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Die Auslassventile tendieren dazu,
heißer
zu laufen als die Einlassventile. Die Erfinder haben dies entdeckt
durch Verwendung einer anderen metallurgischen Zusammensetzung für die ultraleichten
Auslassventilsitze und Einlassventilsitze, wodurch die Ziele der
Verringerung der Abnutzung durch Anhaftung und Abrieb zwischen dem
Ventilsitz und dem Einsatz im wesentlichen erreicht werden.
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Andere typische Materialien für Motorventile
und Einsätze
sind in Tabelle 1 aufgelistet.
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In einem Ausführungsbeispiel sind der Einsatz 18 und
die Ventilsitzstirnseite 16 jeweils mit einer Schicht 20, 22 versehen,
die im wesentlichen aus einem Nitrid besteht, und zwar ungefähr 20–40 μm dick. Gute Ergebnisse
sind unter Verwendung einer Schichtdicke von mindestens 20 μm erreicht
worden, jedoch sind ungefähr
20–40 μm bevorzugt.
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Ohne dass man sich an eine spezielle
Theorie binden möchte,
glauben die Erfinder, dass bei pulvermetallurgischen Einsätzen aufgrund
der Porosität
Stickstoff dazu tendiert, tiefer in den Körper einzudringen. Die Partikel
werden dann mit einer Nitrid-Schicht beschichtet. Dies gestattet
eine maschinel le Bearbeitung ohne, dass man die Schicht vollständig verliert.
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Eine Beschreibung des Testverfahrens
erscheint bei Y. S. Wang und anderen in "The Effect of Operating Conditions on
Heavy Duty Engine Valve Seat Wear" (der Effekt der Betriebsbedingungen
auf die Ventilsitzabnutzung bei Schwerlast-Motoren), WEAR 201 (1996).
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Der Prozess, durch den eine Komponente
nitriert werden kann, ist entweder eine "Eindringungsbehandlung", wie beschrieben
in "Nitriding in
a Cyanate Based Salt Bath to Improve Resistance to Scuffing Wear and
Fatigue" (Nitrieren
in einem cyanbasierten Salzbad, um die Beständigkeit gegen Fressen und
Ermüdung zu
verbessern), von Brian Radford in Industrial Heating, V. 46, Nr.
6, 1979. In einer Alternative kann ein Melonit- oder Tufftrid- oder QPQ-Prozess
verwendet werden, um eine nitrierte Schicht vorzusehen, wie beschrieben
in "Basics of Salt
Bath Nitriding" (Grundlagen
der Salzbad-Nitrierung)
von James Easterday in Proceedings of Salt Bath Nitriding Seminar,
29. Oktober 1985.
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Die Salzbad-Nitrierung (SBN) verbessert
die Abnutzungseigenschaften, die Ermüdungsfestigkeit, die Fressbeständigkeit
und die Korrosionsbeständigkeit.
Siehe hier beispielsweise Y. S. Wang und andere in Engine Intake
Valve Seat Wear Study, Eaton Corporation, Seite 1 und die dort zitierten
Referenzen. Die Salzbad-Nitrierung tendiert dazu, eine geringere
Verwerfung vorzusehen bzw. einzuleiten, und zwar wegen den niedrigen
damit in Beziehung stehenden Prozesstemperaturen, wegen der Abwesenheit
von Phasenumwandlungen und wegen der Eigenschaft der hohen Härte, die
mit der Eigenschaft der großen
Härte bei
Oberflächentemperaturen
assoziiert ist, die unter der Nitriertemperatur liegen, siehe dort,
Seite 1.
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Die Salzbad Nitrierung ist ein thermo-chemischer
Diffusionsprozess, der eine Verbundschicht (Epsilon-Eisen-Nitrid,
Fe3N) von hoher Härte durch die die Fusion von
atomarem Stickstoff in die Oberflächen erzeugt. Benachbart zu der
Verbundzone ist eine viel geringere Konzentration von diffundiertem
Stickstoff in fester Lösung
mit dem Eisen vorhanden. Diese Region wird Diffusionszone genannt.
Eisen-Nitrid, Gamma' und Epsilon-Eisen-Nitrid
genauso wie amorphe Karbon-Nitride sind die Hauptphasen, die über diesen
Bereichen auftreten, und zwar abhängig von den Prozessbedingungen.
Das Fe3N und der Oxidfilm auf der Oberfläche mit
der Salzbad-Nitrierung sehen die inhärent schmierende Oberfläche vor,
die den Reibungskoeffizienten in dem entweder geschmierten und/oder
nicht geschmierten Zustand reduziert.
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Ein geeigneter Prozess zur Herstellung
eines Ventilsitzeinsatzes und beispielhafte chemische Zusammensetzungen
sind offenbart im US-Patent 4 724 000 (ebenfalls mit der vorliegenden
Anmeldung zueigen). Üblicherweise
kann eine Nitrid-Schicht auf dem Ventil oder auf dem Einsatz durch
irgend eines der heute verfügbaren
Nitrierungsbehandlungsverfahren erzeugt werden, wie beispielsweise
durch Salzbad-Nitrierung, durch Gas-Nitrierung oder durch die Ionen-Nitrierung.
Details dieser herkömmlichen
Vorbereitungstechniken bzw. Bearbeitungstechniken sind hier zur
Abkürzung
nicht mit eingeschlossen, da die Kenntnis von solchen üblichen
Techniken als innerhalb der Kenntnis des Fachmanns angesehen wird.
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Bei der Herstellung kann das Ventil
aus einer Kohlenstoftlegierung hergestellt werden, weiter aus rostfreiem
Stahl oder einer Ni-Basis-Legierung. Das hohle Ventil kann entweder
geschmiedet und gebohrt oder kalt geformt und tiefgezogen werden,
wie jene, die im US-Patent 5 413 070 offenbart wird (gemeinsam mit
der vorliegenden Anmeldung zueigen).
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Geeignete Techniken zur Vorbereitung
des Einsatzes weisen die Anwendung einer Knetmetalllegierung, einer
Gussmetalllegierung oder einer Pulvermetalllegierung auf.
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Das Verfahren zur Herstellung der
Ventilanordnung weist folgende Schritte auf:
Endbearbeitung
der Ventilsitze ohne Endbearbeitung der Ventilschäfte;
Salzbad-Nitrierung
der Ventilsitze; und
Endbearbeitung der Ventilschäfte durch
Schleifen, wodurch ein harter Nitrid-Verbundwerkstoff und eine dicke Diffusionsschicht
auf den Ventilsitzen gebildet wird, um sie vor einer Einkernbung,
vor Abrieb und einer Abnutzung durch Anhaftung zu schützen.
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Die Einsätze können entweder nitriert oder
nicht nitriert sein. Für
den nitrierten Fall sind vorzugsweise die Sitzeinsätze endbearbeitet
oder in einem Zustand nahe der Netto-Form, bevor man sie irgend
einem Nitrierungsprozess unterwirft. Bis jetzt ist es als nicht
durchführbar
angesehen worden, den Einsatz zu nitrieren, und zwar wegen den Verarbeitungsanforderungen,
die den Vorteil der Nitrierung eines Einsatzes zunichte machen würden. Nun
beginnen Hersteller von Schwerlast-Diesel-Motoren, vor-endbearbeitete
Einsätze
zu akzeptieren, die nitrierte Einsätze praktisch machen.
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Ein vor-endbearbeiteter nitrierter
Einsatz ist nicht nur deswegen attraktiv, weil die nitrierte Schicht
eine hohe Abnutzungsbeständigkeit
bietet, sondern auch weil mehr Hersteller von Schwerlast-Diesel-Motoren
Einsätze
mit einer Form nahe der Netto-Form (oder mit einer endbearbeiteten
Form) verwenden, und zwar aufgrund der Möglichkeit der hoch präzisen maschinellen
Bearbeitung.
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Somit steht die vorliegende Erfindung
im Kontrast zu früheren
Praktiken. Früher
sind Ventilsitzeinsätze,
die in Motorkopfanordnungen eingebaut wurden (entweder Gusseisen-Köpfe oder
Aluminium-Köpfe)
in die Köpfe
in einem maschinell grob bearbeiteten Zustand eingesetzt worden.
Beim Einbau sind sie in dem Zylinderkopf maschinell endbearbeitet
worden, um den notwendigen Sitzwinkel, die Konzentrizität und den
Oberflächenzustand
für die
Sitzfläche
zu erreichen. Mit den Fortschritten bei den Technologien des Giessens
und der maschinellen Bearbeitung haben immer mehr Motoren, insbesondere
in der Industrie der Schwerlast-Diesel-Motoren, Zylinderköpfe, die
so präzise
bearbeitet sind, dass sie endbearbeitete Sitzeinsätze akzeptieren bzw.
aufnehmen können,
die keine weitere maschinelle Bearbeitung beim Einbau benötigen.
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Da die als eine Abnutzung beständiger Beschichtung
offenbarte Nitrierschicht nur 20–40 μm dünn sein kann, wird ein nitrierter
Einsatz keine weitere maschinelle Bearbeitung tolerieren (außer einem
Poliervorgang, der nicht mehr als einige μm von der Oberfläche entfernt),
ohne die abnutzungsbeständige
Schicht zu beeinträchtigen.
Eine solche nitrierte Schicht kann auf Zylinderköpfe aufgebracht werden, die
endbearbeitete Einsätze
aufnehmen können.
Entsprechend gibt es einen immer weiter laufenden Trend zu der Anwendung
von vor-endbearbeiteten Komponenten, wie beispielsweise Ventilsitzen
und Ventilführungen
bei dem Schwerlast-Diesel-Motor oder dem Erdgas-Motor. Ein ähnlicher
Trend kann bei Personenkraftwagen erwartet werden, wenn die Technologie
der maschinellen Bearbeitung die Toleranzen bei der maschinellen
Bearbeitung der hauptsächlich
aus Aluminium bestehenden Köpfe
verbessert, die in der Industrie für Personenkraftwagen verwendet
werden.
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und der Auslassventilsitz weist folgendes auf
