EP2743468B1

EP2743468B1 - Gaswechselventil, sowie verfahren zur herstellung eines gaswechselventils

Info

Publication number: EP2743468B1
Application number: EP13195119.6A
Authority: EP
Inventors: Torsten Häntzka; Dietmar Dr. Schlager
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: KR20140075577A; JP2014114817A; JP6385671B2; CN103867248A; BR102013021206A2; KR102150124B1; EP2743468A1; CN103867248B; RU2013154782A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Auslassventil für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gaswechselventils gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.
Schutzschichten gegen Hochtemperaturkorrosion, häufig auch einfach als Heisskorrosion oder Heissgaskorrosion bezeichnet, sind im Stand der Technik wohlbekannt. Man versteht darunter zum Beispiel Oberflächenschutzschichten, die einen hohen Widerstand gegen Korrosion, insbesondere gegen Oxidation oder Sulfidation bei hohen Temperaturen und in chemisch aggressiven Umgebungen bieten. Sie werden beispielsweise durch thermisches Spritzen hergestellt, wobei MCrAIY-Schichten als Hochtemperaturkorrosionsschutz weit verbreitet sind. Das Metall M kann dabei z.B. Eisen, Kobalt oder Nickel oder eine Legierung dieser oder anderer Metalle sein. Auch Aluminium-Chrom-Schichten, die zum Beispiel durch Chromalitieren gebildet werden, zeigen in vielen Anwendungen eine mehr oder weniger gute Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion, insbesondere in sulfathaltigen Medien.
Das Phänomen der Hochtemperaturkorrosion kann dabei überall dort auftreten, wo relativ hohe Prozesstemperaturen von einigen 100°C bis weit über 1000°C herrschen, wobei häufig nicht nur die hohen Temperaturen als solches für das Auftreten korrosiver Effekte verantwortlich sind, sondern auch chemisch aggressive Umgebungsbedingungen anzutreffen sind, die zum Beispiel auf Verbrennungsprodukte oder andere chemische Reaktionsprodukte zurückzuführen sind oder auch von Beimischungen in Brennstoffen, Schmiermitteln usw. hervorgerufen werden können,
Somit sind besonders Werkstücke, Bauteile und Maschinenkomponenten, die in mehr oder weniger direktem Kontakt mit Verbrennungsvorgängen stehen, von Hochtemperaturkorrosion bedroht. Beispiele hierfür sind Kolbenoberflächen von Kolben in Brennkraftmaschinen, Zylinderwände, Zylinderdeckel, Einspritzdüsen, Gaswechselventile, aber auch die Komponenten der Abgassysteme von Brennkraftmaschinen, wie zum Beispiel Turbolader, insbesondere auch Turbinenteile und / oder die Abgas Zu- oder Abführung von Abgas- und Turbolader-Systemen. Diese Problematik ist bereits aus der FR 2 666 847 A1 oder der GB 2 238 349 A bekannt. Die FR 1 394 167 A offenbart ein Ventil, welches mit einer keramischen Schutzschicht versehen ist.
Auslassventile von Grossdiesel Verbrennungsmotoren bestehen dabei oft aus Nickelbasislegierungen (Superlegierungen) z. B. Nimonic 80 A, welche eine geeignete Korrosionsbeständigkeit gegenüber den aggressiven Medien aufweisen, die bei der Verbrennung von Schweröl auftreten. Eine kostengünstigere Variante im Vergleich zu Nickelbasislegierungen ist die Verwendung korrosionsbeständiger Chrom-Nickel-Stähle zur Herstellung der Ventilkörper, deren korrosionsrelevanten Eigenschaften jedoch nicht an die von Nickelbasislegierungen reichen. Um die entsprechenden Eigenschaften dieser Stähle den Anforderungen entsprechend anzupassen ist es bekannt, diese insbesondere im korroslonsgefährdeten Bereich des Gaswechselventils mehrlagig mittels Auftragsschweissen beispielweise in ca. 6 bis 9 Lagen aufzuschweissen. Die durch das Aufschweissen eingebrachte Wärme führt dabei zu starken Eigenspannungen im Ventilkörper, zu Bauteilverzug und erhöht damit das Risiko von Rissbildung im Ventilkörper.
Diese aus dem Stand der Technik wohl bekannte Problematik soll im Folgenden anhand der schematischen Fig. 1 kurz erläutert werden.
Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Bezugszeichen, die sich auf Merkmale von Beispielen aus dem Stand der Technik beziehen ein Hochkomma tragen, während Merkmale, die erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele betreffen, kein Hochkomma tragen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik wohlbekanntes Auslassventil eines längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotors.
Das Auslassventil 1' der Fig. 1 umfasst einen Ventilkörper mit einem sich entlang einer axialen Ventilschaftachse A' erstreckenden Ventilschaft 2', sowie einen sich an den Ventilschaft 2' anschliessenden Ventilteller 3', der sich in axialer Richtung vom Ventilschaft 2' weg, und in Bezug auf die Ventilschaftachse A' radial erweiternd nach aussen erstreckt. Dabei ist zwischen einer im Wesentlichen orthogonal zur Ventilschaftachse A' ausgebildeten Fussfläche 31' des Ventiltellers 3' und dem Ventilschaft 2' eine Ventilsitzfläche 32' am Ventilteller 3' ausgebildet.
An der Fussfläche 31' des Ventiltellers 3', die im Einbauzustand der Oberfläche des im Zylinder des Grossdielmotors laufenden Kolbens zugewandt ist, ist zum Schutz der Fussfläche 31' gegen die aggressiven thermischen, chemischen und physikalischen Belastungen, die aufgrund der Verbrennungsvorgänge im Zylinder im Betriebszustand direkt auf die Fussfläche 31' einwirken, eine Korrosionsschutzbeschichtung 5' in Form von aufeinander aufgeschweissten Korrosionsschutzschichten 51', 52' vorgesehen. Die Korrosionsschutzbeschichtung 5' des Auslassventils 1' der Fig. 1 ist dabei über den gesamten Radius R1' der Fussfläche 31' ausgedehnt.
Die auf die Fussfläche 31' mehrlagig aufgeschweisste Korrosionsschutzbeschichtung 5' hat dabei in der Praxis häufig ca. 6 bis 9 Lagen, die nacheinander aufgeschweisst werden, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 1 nur zwei Lagen, nämlich die beiden Korrosionsschutzschichten 51', 52' dargestellt sind. Die durch das Aufschweissen eingebrachte Wärme führt dabei zu starken Eigenspannungen Z' im Ventilkörper, insbesondere aber nicht nur an den in Fig. 1 mit Z' bezeichneten Bereichen am Ventilteller 3'. Diese führen beim Aufschweissen zu einem Bauteilverzug W', wie durch die Pfeile W' in Fig. 1 angedeutet ist, wodurch insbesondere das Risiko von Rissbildung im Ventilkörper massiv erhöht wird. Darüber hinaus steigt das Risiko der Bildung von Heiss- und Wiederaufschmelzungsrissen innerhalb der Auftragsschweissung mit der eingebrachten Wärme.
In Folge des Bauteilverzugs W' wölbt sich der Ventilteller 3' infolge des mehrlagigen Schweissens derartig stark in Richtung vom Ventilschaft 2' weg, dass das Schweissen einer zusätzlichen Lage einer Korrosionsschutzschicht 52' im Zentrum des Ventiltellers 3' als Bearbeitungsaufmass notwendig wird, um den Bauteilverzug W' wieder auszugleichen, so dass wieder eine einigermassen ebene Oberfläche an der Fussfläche 31' gewährleistet ist.
Dabei ist anzumerken, dass das Schweissen jeder weiteren Lage das Risiko der Heiss- und Wiederaufschmelzungsrissbildung erhöht und zu weiterem Bauteilverzug W' führen kann. Des Weiteren entstehen, wie bereits angedeutet, durch die eingebrachte Schweisswärme Zugeigenspannungen Z', vor allem im kritischen Bereich am Übergang des Ventilschaft 2' auf den Ventilteller 3'. Die mechanischen Belastungen im Auslassventil 1' sind hier beachtlich und die Zugeigenspannungen Z' begünstigen die Rissbildung.
Aufgabe der Erfindung ist daher, die Vermeidung bzw. eine massive Reduzierung des Bauteilverzugs beim Auftragschweissen und der damit verbunden Zugeigenspannung im Ventilkörper, insbesondere in den kritischen Bereichen, dort wo der Ventilschaft in den Ventilteller übergeht, und die damit einhergehenden Rissbildungen in der geschweissten Korrosionsschutzschicht zu vermeiden.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit ein Gaswechselventil für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere ein Auslassventil für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, wobei das Gaswechselventil einen Ventilkörper mit einem sich entlang einer axialen Ventilschaftachse erstreckenden Ventilschaft, sowie einen sich an den Ventilschaft anschliessenden Ventilteller umfasst, der sich in axialer Richtung vom Ventilschaft weg, und in Bezug auf die Ventilschaftachse radial erweiternd nach aussen erstreckt. Dabei ist zwischen einer im Wesentlichen orthogonal zur Ventilschaftachse ausgebildeten Fussfläche des Ventiltellers und dem Ventilschaft eine Ventilsitzfläche am Ventilteller ausgebildet. Erfindungsgemäss ist in der Fussfläche des Ventiltellers eine Ausnehmung in Form einer ersten Beschichtungsmulde vorgesehen, in welcher eine Korrosionsschutzbeschichtung in Form einer ersten Korrosionsschutzschicht vorgesehen ist.
Dadurch, dass gemäss der vorliegenden Erfindung die Korrosionsschutzbeschichtung nicht auf die ebene äussere Oberfläche der Fussfläche des Ventiltellers direkt aufgeschweisst wird, sondern in einer Beschichtungsmulde, die in die Fussfläche des Ventiltellers eingearbeitet wird, eingeschweisst wird, kann ein Bauteilverzug beim Aufschweissen weitestgehend, in der Regel sogar in Bezug auf technisch relevante Massstäbe vollständig verhindert werden.
Mit ein wesentlicher Grund dafür dürfte sein, dass der Wärmeintrag in den Ventilteller nicht mehr über die gesamte Fussfläche, im wesentlichen nur parallel zur Ventilschaftachse erfolgt, sondern der Wärmeeintrag in Bezug auf die Ventilschaftachse bei einem erfindungsgemässen Ventil auch wesentliche Komponenten senkrecht zur Ventilschaftachse hat.
Ausserdem werden zumindest in den Fällen, in denen nur eine erste Ausnehmung in Form einer ersten Beschichtungsmulde in der Fussfläche des Ventiltellers vorgesehen wird, bzw. in den Fällen, in denen die äusseren Randbereiche der Fussfläche nicht mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen werden, die äusseren Randbereiche des Ventiltellers beim Aufschweissen weniger stark mit eingetragener Wärme belastet, so dass ein Bauteilverzug auch dadurch deutlich reduzierbar bzw. vollständig verhinderbar ist.
Besonders bevorzugt umfasst die Korrosionsschutzbeschichtung mindestens eine zweite Korrosionsschutzschicht, wobei die zweite Korrosionsschutzschicht im Speziellen in einer zweiten Beschichtungsmulde vorgesehen sein kann. Dabei ist die erste Korrosionsschutzschicht besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen dem Ventilschaft und der zweiten Korrosionsschutzschicht vorgesehen, wobei in der Praxis häufig die zweite Korrosionsschutzschicht direkt auf die erste Korrosionsschutzschicht aufgeschweisst ist.
Dadurch, dass zumindest eine erste und eine zweite Korrosionsschutzschicht, bevorzugt direkt übereinander jeweils in der ersten Beschichtungsmulde bzw. in der zweiten Beschichtungsmulde aufgeschweisst werden, kann pro Schweissvorgang die eingebrachte Schweisswärme entsprechend reduziert werden, was zusätzlich den aus dem Stand der Technik bekannten schädlichen Bauteilverzug reduziert bzw. im wesentlichen ganz verhindert. Eine Reduzierung des gesamten Wärmeeintrags in den Ventilteller kann somit vorteilhaft dadurch erzielt werden, dass die Anzahl der Schweisslagen und der Schweissbereich reduziert werden.
Dabei soll deutlich darauf hingewiesen werden, dass in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch Verwendung der erfindungsgemässen Beschichtungsmulden es dabei erstmals möglich ist, sogar mit nur einer einzigen Korrosionsschutzschicht an der Fussfläche, bevorzugt in einem zentralen Bereich um die Ventilschaftachse einen ausreichenden Korrosionsschutz zu erzielen. Damit kann natürlich der Wärmeeintrag insgesamt in den Ventilteller massiv reduziert werden, so dass die Gefahr eines Bauteilverzugs infolge des Auftragsscheissens praktisch völlig ausgeschlossen ist.
Dabei hat sich gezeigt, dass sehr häufig die Korrosion an der Fussfläche des Ventiltellers beispielweise im Bereich bis ca. 2/3 des Durchmessers der Fussfläche des Ventiltellers am stärksten ist und bis ca. 3/4 des Durchmessers geringer ist als im vorgenannten inneren Bereich. Ausserdem kann es je nach Anwendungsbereich und Betriebsbedingungen des Motors möglich sein, dass zum Beispiel in einem von der zentralen Ventilschaftachse radial beabstandeten ringförmigen Bereich die Korrosionsbelastung am grössten ist, und radial innerhalb und radial ausserhalb des vorgenannten Ringbereichs die Korrosionsbelastung wieder abnimmt. Es versteht sich, dass die vorgenannten Angaben in der Praxis abweichende Werte oder Geometrien haben können und abhängig vom Motor, dessen Belastung usw. sein können.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine äussere Begrenzungslinie der ersten Korrosionsschutzschicht kreisförmig mit einem äusseren Begrenzungsradius um die Ventilschaftachse ausgebildet, wobei zum Beispiel dann, wenn die Korrosionsbelastungen vorwiegend in einem kreisförmigen Bereich der Fussfläche, die auch häufig als Ventilunterseite bezeichnet wird, stattfinden, kann die erste Korrosionsschutzschicht auch kreisringartig mit einem vorgebaren inneren Begrenzungsradius um die Ventilschaftachse ausgebildet sein, oder im Prinzip auch jede andere geeignete Geometrie haben.
In der Praxis kann die Korrosionsschutzbeschichtung selbstverständlich auch noch mindestens eine zweite Korrosionsschutzschicht oder sogar noch mehrere zusätzliche Korrosionsschutzschichten umfassen, wobei die zweite Korrosionsschutzschicht bevorzugt, aber nicht notwenig in einer zweiten Beschichtungsmulde vorgesehen sein kann und die eventuell weiteren Korrosionsschutzschichten ebenfalls in entsprechenden Beschichtungsmulden vorgesehen sein können.
Die erste Korrosionsschutzschicht ist dabei zwar nicht notwendig aber besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen dem Ventilschaft und der zweiten Korrosionsschutzschicht vorgesehen, wobei eine äussere Begrenzungslinie der zweiten Korrosionsschutzschicht beispielweise kreisförmig mit einem äusseren Begrenzungsradius um die Ventilschaftachse ausgebildet sein kann, aber selbstverständlich auch jede andere geeignete Geometrie haben kann.
Um das Gaswechselventil zum Beispiel bei der Montage oder Demontage oder bei anderen Servicearbeiten besser handhaben zu können, kann in an sich bekannter Weise die erste Korrosionsschutzschicht und / oder die zweite Korrosionsschutzschicht um eine im Ventilteller vorgesehene Servicebohrung vorgesehen sein. In der Praxis kann die Servicebohrung z.B. ein Innengewinde aufweisen in welches eine Handlingvorrichtung zum bequemen Handling des Gaswechselventils verschraubbar ist. Es versteht, dass die Servicebohrung bevorzugt erst eingebracht wird, wenn die Korrosionsschutzbeschichtung bereits aufgeschweisst ist.
Die Korrosionsschutzbeschichtung an sich kann dabei aus jedem geeigneten Material zusammengesetzt sein und das zu verwendende Material kann je nach Anforderungen entsprechend vom Fachmann ausgewählt werden. In der Praxis ist es dabei an sich bekannt, eine Nickel basierte Korrosionsschutzbeschichtung zu verwenden, insbesondere eine Korrosionsschutzbeschichtung, die aus einer Nickelbasislegierung umfassend mindestens Nickel und Chrom gebildet ist, wobei der Chromgehalt bevorzugt zwischen 10 Gew.% und 60 Gew.% Chrom, im Speziellen zwischen 15 Gew.% und 50 Gew.% Chrom, besonders bevorzugt zwischen 20 Gew.% und 45 Gew.% Chrom, z.B. bei 43 Gew.% liegt.
Dabei kann die erste Korrosionsschutzschicht aus dem gleichen Material wie die zweite Korrosionsschutzschicht hergestellt sein, wobei es im Speziellen jedoch auch durchaus möglich ist, dass zwei oder mehrere Korrosionsschutzschichten aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden.
Der Ventilkörper des Gaswechselventils kann dabei natürlich ebenfalls aus jedem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, und ist aber besonders bevorzugt aus einem Chrom-Nickelstahl hergestellt, wobei im Speziellen ein Eisengehalt der Korrosionsschutzbeschichtung kleiner als 5 Gew.%, bevorzugt zwischen 0.5 Gew.% und 4 Gew.%, im Speziellen kleiner als 3 Gew.% sein kann.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Gaswechselventils wie oben eingehend beschrieben, bei welchem Verfahren ein Ventilkörper bereitgestellt wird und in einer Fussfläche eines Ventiltellers des Ventilkörpers des Gaswechselventils eine Ausnehmung in Form einer ersten Beschichtungsmulde und / oder einer zweiten Beschichtungsmulde vorgesehen wird. Dabei wird in der ersten Beschichtungsmulde und / oder in der zweiten Beschichtungsmulde eine Korrosionsschutzbeschichtung in Form einer ersten Korrosionsschutzschicht und / oder einer zweiten Korrosionsschutzschicht vorgesehen.
Dabei wird die erste Korrosionsschutzschicht und / oder die zweite Korrosionsschutzschicht durch Aufschweissen, insbesondere durch Metall-Schutzgasschweissen aufgebracht, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung aus einer Nickelbasislegierung umfassend mindestens Nickel und Chrom gebildet wird. Der Chromgehalt kann besonders vorteilhaft zwischen 10 Gew.% und 60 Gew.% Chrom, im Speziellen zwischen 15 Gew.% und 50 Gew.% Chrom, besonders bevorzugt zwischen 20 Gew.% und 45 Gew.% Chrom gewählt werden.
Dabei ist das Metall-Schutzgasschweissen eine an sich im Stand der Technik bekannte Schweissmethode, dessen Prinzip nur zur Klarstellung im Folgenden noch kurz umrissen wird. Das Metall-Schutzgasschweissen, das häufig einfach als MSG abgekürzt wird, ist in seinen verschiedenen Varianten auch z.B. als Metallschweißen mit inerten Gasen als MIG-Schweissen oder auch als MAG-Schweißen, also Metallschweissen mit aktiven reaktionsfähigen Gasen bekannt und ist vom Grundprinzip her ein Lichtbogenschweissverfahren, bei dem ein abschmelzender Schweissdraht oft automatisch von einem Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit kontinuierlich nachgeführt wird. Häufig verwendete Schweissdrahtdurchmesser liegen beispielweise zwischen 0,6 mm und 2 mm oder sogar bis 3 mm. Gleichzeitig mit dem Drahtvorschub wird der Schweissstelle über eine Düse das Schutz- oder Mischgas in einer vorgebbaren Menge zugeführt, die natürlich durch die konkrete Anwendung definiert wird. Das zugeführte Gas schützt unter anderem das flüssige Metall unter dem Lichtbogen vor chemischen Veränderungen, insbesondere vor Oxidation, welche die Schweissnaht schwächen würde. Dabei wird beim sogenannten Metallaktivgasschweissen (MAG) häufig entweder mit reinem CO₂ oder einem Mischgas aus Argon und geringen Anteilen von CO₂ und O₂ gearbeitet, wobei beim Metallinertgasschweissen (MIG) oft das Edelgas Argon, seltener auch das teure Edelgas Helium verwendet wird. Das MAG-Verfahren wird dabei in der Praxis in erster Linie bei Stählen eingesetzt, das MIG-Verfahren bevorzugt bei NE-Metallen oder legierten Stählen.
Wahlweise können beim Metall-Schutzgasschweissen natürlich auch Fülldrähte eingesetzt werden. Diese können im Inneren mit einem Schlackebildner und ggf. Legierungszusätzen versehen sein. Sie dienen dem gleichen Zweck wie die Umhüllungen der Stabelektrode. Einerseits tragen die Inhaltsstoffe zum Schweissvolumen bei, andererseits bilden sie eine Schlacke und schützen die geschweisste Stelle vor Oxidation.
Der Ventilkörper eines erfindungsgemässen Gaswechselventils kann dabei beispielsweise aus einem Chrom-Nickelstahl oder auch aus einem anderen Material hergestellt werden, wobei als Schweissprozess besonders bevorzugt das oben beschriebene Metall-Schutzgasschweissen derart verwendet wird, dass beim Metall-Schutzgasschweissen ein Eisengehalt der Korrosionsschutzbeschichtung kleiner als 5 Gew.%, bevorzugt zwischen 0.5 Gew.% und 4 Gew.%, im Speziellen kleiner als 3 Gew.% erreicht wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1:: ein aus dem Stand der Technik bekanntes Auslassventil eines Zweitakt-Grossdieselmotors;
Fig. 2a:: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gaswechselventils;
Fig. 2b:: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gaswechselventils mit zwei Beschichtungsmulden;
Fig. 2c:: ein anderes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2b;
Fig. 2d:: ein anderes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2b mit Servicebohrung und beschichtetem Ventilsitz;
Fig. 2e:: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gaswechselventils mit einer ringförmigen Beschichtungsmulde.

Das aus dem Stand der Technik bekannte Auslassventil eines Zweitakt-Grossdieselmotors gemäss Fig. 1 wurde bereits eingangs ausführlich beschrieben und muss daher an dieser Stelle nicht weiter diskutiert werden. Fig. 2a zeigt ein erstes einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gaswechselventils, das im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist.
Das spezielle Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gaswechselventils 1 für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine der Fig. 2a ist hier ein Auslassventil für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor. Das Gaswechselventil 1 umfasst einen Ventilkörper mit einem sich entlang einer axialen Ventilschaftachse A erstreckenden Ventilschaft 2, sowie einen sich an den Ventilschaft 2 anschliessenden Ventilteller 3, der sich in axialer Richtung vom Ventilschaft 2 weg, und sich in radialer Richtung in Bezug auf die Ventilschaftachse A radial erweiternd nach aussen erstreckt. Dabei ist zwischen einer im Wesentlichen orthogonal zur Ventilschaftachse A ausgebildeten Fussfläche 31 des Ventiltellers 3 und dem Ventilschaft 2 eine Ventilsitzfläche 32 am Ventilteller 3 ausgebildet, die der Fachmann häufig auch einfach als Ventilteller Unterseite bezeichnet. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist in der Fussfläche 31 des Ventiltellers 3 eine Ausnehmung 4 in Form einer ersten Beschichtungsmulde 41 vorgesehen, in welcher eine Korrosionsschutzbeschichtung 5 in Form einer ersten Korrosionsschutzschicht 51 vorgesehen ist. Dabei kann die Beschichtungsmulde 41 mittels an sich bekannter Verfahren vor dem Aufbringen der Korrosionsschutzschicht 51 herausgearbeitet worden sein. Eine äussere Begrenzungslinie der ersten Korrosionsschutzschicht 51 ist bei dem vorliegenden Beispiel kreisförmig mit einem äusseren Begrenzungsradius R1 um die Ventilschaftachse A ausgebildet.
Die Korrosionsschutzschicht 51 wurde hier mittels Auftragsschweissen, bevorzugt mittels einem Metall-Schutzgasschweissen aufgebracht, wie es in verschiedenen Varianten weiter oben bereits genauer beschrieben wurde.
Anhand der Fig. 2b ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gaswechselventils 1 mit zwei Beschichtungsmulden 41, 42 schematisch dargestellt, das vor allem in der Praxis besondere Bedeutung hat. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2b unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 2a vor allem dadurch, dass hier die Korrosionsschutzbeschichtung 5 mindestens eine zweite Korrosionsschutzschicht 52 umfasst, wobei die zweite Korrosionsschutzschicht 52 in einer zweiten Beschichtungsmulde 42 vorgesehen ist und die erste Korrosionsschutzschicht 51 in einem Bereich zwischen dem Ventilschaft 2 und der zweiten Korrosionsschutzschicht 52 unmittelbar unter der zweiten Korrosionsschutzschicht 52 aufgeschweisst ist.
Eine äussere Begrenzungslinie der zweiten Korrosionsschutzschicht 52 ist dabei kreisförmig mit einem äusseren Begrenzungsradius R2 um die Ventilschaftachse A ausgebildet, wobei der äussere Begrenzungsradius R2 kleiner ist als der Radius der Fussfläche 31.
Dabei ist es jedoch auch möglich, dass der äussere Begrenzungsradius R2 im Wesentlichen gleich der dem Radius der Fussfläche 31 ist, wie es zur Illustration schematisch anhand der Fig. 2c dargestellt ist. D.h., bei einem Ausführungsbeispiel der Fig. 2c ist die zweite Beschichtungsmulde 42 eigentlich identisch mit der Oberfläche der ersten Korrosionsschutzschicht 51 und der verbleibenden, von der ersten Korrosionsschutzschicht 51 nicht bedeckten Oberfläche der Fussfläche 31.
Dabei wird in der Praxis häufig, wie schematisch in Fig. 2d dargestellt, in an sich bekannter Weise eine Servicebohrung 6 in der Fussfläche 31 vorgesehen sein, die bevorzugt ein Innengewinde umfasst, so dass zu Montage und Servicearbeiten ein Handling Werkzeug in der Servicebohrung 6 verschraubt werden kann.
Die Fig. 2e zeigt schliesslich ein anderes spezielles Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gaswechselventils 1 mit einer ringförmigen Beschichtungsmulde 41. D.h., die erste Korrosionsschutzschicht 51 ist z.B. kreisringartig mit einem inneren Begrenzungsradius R12 und einem äusseren Begrenzungsradius R1 um die Ventilschaftachse A ausgebildet.
Ausführungsbeispiele gemäss Fig. 2e können besonders vorteilhaft dann eingesetzt werden, wenn die korrosiven Belastungen besonders stark im Bereich der ringförmigen Korrosionsschutzschicht 51 auftreten und innerhalb und ausserhalb der ringartig Korrosionsschutzschicht 51 so wenig intensiv sind, dass dort auf eine Korrosionsschutzbeschichtung verzichtet werden kann.
Es versteht sich dabei von selbst, dass die im Rahmen dieser Anmeldung beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lediglich exemplarisch zu verstehen sind und die Erfindung selbstverständlich auch alle geeigneten Kombinationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele, sowie jegliche, dem Fachmann naheliegenden Weiterbildungen der Erfindung vom beanspruchten Schutzumfang umfasst sind.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird somit für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine erstmals ein beanspruchungsgerechtes Aufbringen einer hoch korrosionsbeständigen Schicht durch Auftragsschweissen mit massiv reduziertem Wärmeeintrag vorgeschlagen. Beispielweise kann in Bereichen mit starker Korrosion die Korrosionsschicht in eine vorher in die Fussfläche des Ventiltellers vorgesehene Beschichtungsmulde bevorzugt mit entsprechend grosser Schichtdicke und in Bereichen geringerer Korrosion mit entsprechend geringerer Schichtdicke aufgetragen werden. Je nach Korrosionsbeanspruchung können äussere Bereiche, die zum Beispiel um einen vorgebbaren Abstand, zum Beispiel mehr als 3/4 des Durchmessers der Fussfläche von der Ventilschaftachse entfernt sind, auch ohne Plattierung, also auch ohne aufgeschweisste Korrosionsschutzschicht ausgeführt werden. Die erfindungsgemäss ausgeführte Plattierungsgeometrie reduziert den Verzug auf ein Minimum oder sogar vollständig, so dass das Aufschweissen mehrerer Aufmasslagen zum Ausgleich des Bauteilverzugs an der Fussfläche nicht mehr notwendig ist. D.h. durch den massiv minimierten bzw. im Wesentlichen nicht mehr vorhandenen Verzug kann ebenfalls sehr häufig auf eine Endbearbeitung der Plattierung verzichtet werden, wenn die Schweissnahtvorbereitung, also die erfindungsgemässen Beschichtungsmulden in den Ventiltellerboden vordem Schweissvorgang eingearbeitet werden und die Dicke der Aufschweissung der Tiefe der Beschichtungsmulde entspricht.

Claims

Gaswechselventil für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Auslassventil für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, wobei das Gaswechselventil einen Ventilkörper mit einem sich entlang einer axialen Ventilschaftachse (A) erstreckenden Ventilschaft (2), sowie einen sich an den Ventilschaft (2) anschliessenden Ventilteller (3) umfasst, der sich in axialer Richtung vom Ventilschaft (2) weg, und in Bezug auf die Ventilschaftachse (A) radial erweiternd nach aussen erstreckt, wobei, zwischen einer im wesentlichen orthogonal zur Ventilschaftachse (A) ausgebildeten Fussfläche (31) des Ventiltellers (3) und dem Ventilschaft (2), eine Ventilsitzfläche (32) am Ventilteller (3) ausgebildet ist, wobei in der Fussfläche (31) des Ventiltellers (3) eine Ausnehmung (4) in Form einer ersten Beschichtungsmulde (41) vorgesehen ist, in welcher eine Korrosionsschutzbeschichtung (5) in Form einer ersten Korrosionsschutzschicht (51) aufgeschweisst ist, und wobei die Korrosionsschutzbeschichtung (5) mindestens eine zweite Korrosionsschutzschicht (52) umfasst, welche direkt auf die erste Korrosionsschutzschicht (51) aufgeschweisst ist.
Gaswechselventil nach Anspruch 1, wobei eine äussere Begrenzungslinie der ersten Korrosionsschutzschicht (51) kreisförmig mit einem äusseren Begrenzungsradius (R1) um die Ventilschaftachse (A) ausgebildet ist.
Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die erste Korrosionsschutzschicht (51) kreisringartig mit einem inneren Begrenzungsradius (R12) um die Ventilschaftachse (A) ausgebildet ist.
Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Korrosionsschutzschicht (52) in einer zweiten Beschichtungsmulde (42) vorgesehen ist.
Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Korrosionsschutzschicht (51) in einem Bereich zwischen dem Ventilschaft (2) und der zweiten Korrosionsschutzschicht (52) vorgesehen ist.
Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine äussere Begrenzungslinie der zweiten Korrosionsschutzschicht (52) kreisförmig mit einem äusseren Begrenzungsradius (R2) um die Ventilschaftachse (A) ausgebildet ist.
Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Korrosionsschutzschicht (51) und / oder die zweite Korrosionsschutzschicht (52) um eine im Ventilteller (3) vorgesehene Servicebohrung (6) vorgesehen ist.
Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung (5) eine Nickel basierte Korrosionsschutzbeschichtung ist.
Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung (5) aus einer Nickelbasislegierung umfassend mindestens Nickel und Chrom gebildet ist, wobei der Chromgehalt bevorzugt zwischen 10 Gew.% und 60 Gew.% Chrom, im Speziellen zwischen 15 Gew.% und 50 Gew.% Chrom, besonders bevorzugt zwischen 20 Gew.% und 45 Gew.% Chrom liegt.
Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Korrosionsschutzschicht (51) aus dem gleichen Material wie die zweite Korrosionsschutzschicht (52) hergestellt ist.
Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ventilkörper des Gaswechselventils aus einem Chrom-Nickelstahl hergestellt ist und / oder ein Eisengehalt der Korrosionsschutzbeschichtung (5) kleiner als 5 Gew.%, bevorzugt zwischen 0.5 Gew.% und 4 Gew.%, im Speziellen kleiner als 3 Gew.% ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gaswechselventils (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem Verfahren ein Ventilkörper bereitgestellt wird und in einer Fussfläche (31) eines Ventiltellers (3) des Ventilkörpers des Gaswechselventils (1) eine Ausnehmung (4) in Form einer ersten Beschichtungsmulde (41) und / oder einer zweiten Beschichtungsmulde (42) vorgesehen wird, und in der ersten Beschichtungsmulde (41) und / oder in der zweiten Beschichtungsmulde (42) eine Korrosionsschutzbeschichtung (5) in Form einer ersten Korrosionsschutzschicht (51) und einer zweiten Korrosionsschutzschicht (52) aufgeschweisst wird, wobei die zweite Korrosionsschutzschicht (52) direkt auf die erste Korrosionsschutzschicht (51) aufgeschweisst ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Korrosionsschutzschicht (51) und die zweite Korrosionsschutzschicht (52) durch Metall-Schutzgasschweissen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung (5) aus einer Nickelbasislegierung umfassend mindestens Nickel und Chrom gebildet wird, wobei der Chromgehalt bevorzugt zwischen 10 Gew.% und 60 Gew.% Chrom, im Speziellen zwischen 15 Gew.% und 50 Gew.% Chrom, besonders bevorzugt zwischen 20 Gew.% und 45 Gew.% Chrom gewählt wird, wobei der Ventilkörper des Gaswechselventils (1) aus einem Chrom-Nickelstahl hergestellt wird und als Schweissprozess das Metall-Schutzgasschweissen derart verwendet wird, dass beim Metall-Schutzgasschweissen ein Eisengehalt der Korrosionsschutzbeschichtung (5) kleiner als 5 Gew.%, bevorzugt zwischen 0.5 Gew.% und 4 Gew.%, im Speziellen kleiner als 3 Gew.% erreicht wird.