WO2015022252A1 - Leichtmetalleinlassventil - Google Patents

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Arvid Lehrkamp
Alexander Puck
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Mahle International Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/20—Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group

Definitions

  • the present invention relates to a light metal inlet valve for a
  • the invention also relates to an internal combustion engine having at least one such light metal inlet valve.
  • Inlet valves of gasoline engines are comparatively moderate
  • the present invention therefore deals with the problem of a
  • Specify light metal inlet valve which can be used in internal combustion engines.
  • the present invention is based on the general idea
  • the light metal inlet valve for an internal combustion engine in addition to a valve stem and a valve disc with a difference from previous
  • the convex curved valve disk surface makes the geometry or design so robust be interpreted as it is for the use of the light metal inlet valve in
  • Light metal inlet valve can be optimized. Particularly expedient here was a crowning of the valve disk surface, so that it is about 0.5-2 mm higher in the middle than at the edge of the valve disk.
  • the groove angle ⁇ of the valve groove should be greater than 30 °.
  • the light metal inlet valve is made of aluminum or an alloy thereof and consequently has a significantly lower weight than a comparable valve made of steel, which is particularly noticeable in the fast translational movements during operation of the internal combustion engine.
  • the light metal valve is formed of an aluminum alloy, the one
  • the light metal valve is completely or at least partially coated, for example with chromium or nickel or nitrided or with a Ceramic coating, in particular with titanium dioxide.
  • Chromium and nickel coatings and nitriding layers are wear protection layers already known as state of the art.
  • An innovation is the coating of an aluminum inlet valve with ceramic, which also the
  • the functional surfaces are the valve seat, the valve stem, the valve grooves and the shank end surface.
  • a particularly advantageous wear protection layer with ceramic coating results in hard anodization of the aluminum with the simultaneous embedding of nanoceramic particles. The resulting
  • Ceramic coating is a micro-crosslinked nanostructured corundum layer which has a very high hardness and can thus coat the valve.
  • Fig. 1 shows an inventive light metal valve in the region of a valve stem and a valve disk.
  • a light-metal inlet valve 1 according to the invention for a combustion engine has a valve stem 2 and a valve disk 4 adjoining it via a valve throat 3.
  • Valve plate 4 has a convexly curved valve plate surface 5, wherein the curved valve plate surface 5 in the middle by 0.5 mm ⁇ a ⁇ 2.0 mm higher than at the edge.
  • the convex elevation a is thus between 0.5 and 2.0 mm.
  • the light metal inlet valve 1 according to the invention is made of aluminum or an aluminum alloy, which may in particular have the following constituents: silicon 23-27 vol.%, Iron 3-4 vol.%, Nickel 2.5-3.5 vol. -%, magnesium 0.3-0.7 vol .-%, titanium maximum 0.5 vol .-%, zirconium maximum 0.5 vol .-%, chromium maximum 0.5 vol .-% and the rest
  • Light metal inlet valve 1 has the following constituents: nickel 4-6% by volume, iron 1, 5-3.5% by volume, copper 1, 5-3.5% by volume, manganese 0.5-1, 5 vol.%, Magnesium 0.4-0.8 vol.%, Titanium 0.4-0.8 vol.%, Zirconium 0.5-1.0 vol.%, Molybdenum 0.6- 1, 0 vol .-% and balance aluminum.
  • Light metal inlet valve 1 preferably has a minimum tensile strength of 200 MPa at 300 ° C, 150 MPa at 350 ° C and 85 MPa at 400 ° C. Moreover, it is also conceivable that the light metal inlet valve 1 according to the invention is at least partially coated, in particular with chromium or nickel. It is also conceivable that the light metal inlet valve 1 has wholly or at least partially a ceramic coating, in particular a titanium dioxide-containing ceramic coating or a hard anodized surface with embedded nanoceramic particles.
  • the cylindrical part of the valve stem 2 may usually have a diameter d between 5.5 mm and 7.0 mm, wherein it is also conceivable that the diameter d decreases conically at the transition from Hohlkhlradius R to the cylindrical part of the valve stem.
  • the valve head 4 preferably has a radius r which is greater than 15 mm.
  • the light metal inlet valve according to the invention which is usually designed as an aluminum inlet valve, but in theory can also be formed from another light metal, its use in a gasoline engine is possible for the first time by the selected geometric shape of the light metal inlet valve 1.
  • the previously known from steel valves geometric shape does not allow sufficiently high robustness of the design. This is inventively by the cambered, i. convexly outwardly curved valve disk surface 5, and the comparatively large groove angle ⁇ is reached, which stands for the slow transition between the valve disk 4 in the valve throat 3 and thus the comparatively squat shape of the valve throat 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leichtmetalleinlassventil (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventilschaft (2) und einem Ventilteller (4) mit einer konvex gewölbten Ventiltellerfläche (5). In Kombination mit einer bestimmten Aluminiumlegierung kann hierdurch erstmals eine geometrische Form gefunden werden, bei denen das Leichtmetalleinlassventil (1) zumindest annähernd eine ähnliche Robustheit der Auslegung aufweist, wie ein Ventil aus Stahl.

Description

Leichtmetalleinlassventil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leichtmetalleinlassventil für eine
Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem derartigen Leichtmetalleinlassventil.
Einlassventile von Benzinmotoren sind vergleichsweise moderaten
Bauteiltemperaturen von beispielsweise 350-400°C ausgesetzt. Für diesen Anwendungsfall können deshalb auch Aluminiumeinlassventile bzw. generell Leichtmetalleinlassventile eingesetzt werden. Nachteilig, insbesondere bei Aluminiumeinlassventilen, ist dabei jedoch deren geringere Festigkeit im
Vergleich zu Stahl.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein
Leichtmetalleinlassventil anzugeben, welches in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der
unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein
Leichtmetalleinlassventil, insbesondere ein Aluminiumeinlassventil, durch eine Abkehr von einem bisher bei Stahlventilen üblichem Design nunmehr für den Einsatz bei Benzinmotoren tauglich zu machen und mit einer speziellen,
Hochleistungsaluminiumlegierung zu verwenden. Erfindungsgemäß weist deshalb das Leichtmetalleinlassventil für eine Brennkraftmaschine neben einem Ventilschaft auch einen Ventilteller mit einer im Unterschied zu bisherigen
Ventilen aus Stahl nunmehr konvex gewölbten Ventiltellerfläche auf. Durch die konvex gewölbte Ventiltellerfläche kann die Geometrie bzw. das Design so robust auslegt werden, wie es für den Einsatz des Leichtmetalleinlassventils in
Benzinmotoren erforderlich ist. Selbstverständlich kann die Festigkeit auch noch durch Variation einzelner Legierungsbestandteile des Werkstoffs des
Leichtmetalleinlassventils optimiert werden. Besonders zielführend war hierbei eine Bombierung der Ventiltellerfläche, so dass dieser in der Mitte um ca. 0,5-2 mm höher ist als am Rand des Ventiltellers.
Um die Robustheit der Ventilauslegung des erfindungsgemäßen
Leichtmetallventils weiter steigern zu können, sollte der Hohlkehlwinkel α der Ventilhohlkehle größer als 30° sein.
Zweckmäßig ist das Leichtmetalleinlassventil aus Aluminium ausgebildet bzw. einer Legierung davon und besitzt demzufolge ein deutlich geringeres Gewicht als ein vergleichbares Ventil aus Stahl, was sich besonders günstig bei den schnellen Translationsbewegungen beim Betrieb der Brennkraftmaschine bemerkbar macht.
Weiterhin kann durch die, im Vergleich zu Stahl, höhere Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung eine Temperaturabsenkung im Ventilkopf, besonders der Ventiltellerfläche, erzielt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Leichtmetallventil aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet, die eine
Mindestzugfestigkeit von 200 MPa bei 300°C, 150 MPa bei 350°C und 85 MPa bei 400°C aufweist. Eine derartige Mindestzugfestigkeit bei diesen
Temperaturen ermöglicht den Einsatz derartiger Leichtmetalleinlassventile in Benzinmotoren.
Zweckmäßig ist das Leichtmetallventil ganz oder zumindest teilweise beschichtet, beispielsweise mit Chrom oder Nickel oder nitriert oder mit einer Keramikbeschichtung, insbesondere mit Titandioxid. Chrom- und Nickelbeschichtungen und Nitrierschichten sind bereits als Stand der Technik bekannte Verschleißschutzschichten. Eine Neuerung stellt die Beschichtung eines Aluminiumeinlassventils mit Keramik dar, die ebenfalls die
Funktionsflächen des Ventils vor Verschleiß schützen soll. Die Funktionsflächen sind der Ventilsitz, der Ventilschaft, die Ventilrillen und die Schaftendfläche.
Eine besonders vorteilhafte Verschleißschutzschicht mit Keramikbeschichtung ergibt sich bei einem Hartanodisieren des Aluminiums mit der gleichzeitigen Einbettung von Nanokeramikpartikeln. Die sich dabei ergebende
Keramikbeschichtung ist eine mikrovernetzte Nanostruktur-Korrundschicht die eine sehr hohe Härte aufweist und das Ventil so panzern kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Leichtmetallventil im Bereich eines Ventilschafts und eines Ventiltellers.
Entsprechend der Fig. 1 , weist ein erfindungsgemäßes Leichtmetalleinlassventil 1 für eine im Übrigen nicht gezeigte Brennkraftmaschine einen Ventilschaft 2 sowie einen sich daran über eine Ventilkehle 3 anschließenden Ventilteller 4 auf. Der Ventilteller 4 besitzt erfindungsgemäß eine konvex gewölbte Ventiltellerfläche 5, wobei die gewölbte Ventiltellerfläche 5 in der Mitte um 0,5 mm < a < 2,0 mm höher ist als am Rand. Die konvexe Überhöhung a liegt somit zwischen 0,5 und 2,0 mm. Generell ist das erfindungsgemäße Leichtmetalleinlassventil 1 aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellt, die insbesondere die folgenden Bestandteile aufweisen kann: Silizium 23-27 Vol.-%, Eisen 3-4 Vol.-%, Nickel 2,5-3,5 Vol.-%, Magnesium 0,3-0,7 Vol.-%, Titan maximal 0,5 Vol.-%, Zirconium maximal 0,5 Vol.-%, Chrom maximal 0,5 Vol.-% und dem Rest
Aluminium.
Eine weitere besonders vorteilhafte Aluminiumlegierung für das
erfindungsgemäße Leichtmetalleinlassventil 1 weist folgende Bestandteile auf: Nickel 4-6 Vol.-%, Eisen 1 ,5-3,5 Vol.-%, Kupfer 1 ,5-3,5 Vol.-%, Mangan 0,5-1 ,5 Vol.-%, Magnesium 0,4-0,8 Vol.-%, Titan 0,4-0,8 Vol.-%, Zirconium 0,5-1 ,0 Vol.- %, Molybdän 0,6-1 ,0 Vol.-% und Rest Aluminium.
Eine mögliche Aluminiumlegierung für das erfindungsgemäße
Leichtmetalleinlassventil 1 besitzt vorzugsweise eine Mindestzugfestigkeit von 200 MPa bei 300°C, 150 MPa bei 350°C und 85 MPa bei 400°C. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass das erfindungsgemäße Leichtmetalleinlassventil 1 zumindest teilweise beschichtet ist, insbesondere mit Chrom oder Nickel. Ebenso denkbar ist, dass das Leichtmetalleinlassventil 1 ganz oder zumindest teilweise eine Keramikbeschichtung aufweist, insbesondere eine Titandioxid enthaltende Keramikbeschichtung bzw. eine hartanodisierte Oberfläche mit eingebetteten Nanokeramikpartikeln.
In der gewölbten Ventiltellerfläche 5, die maßgeblich für die Festigkeitssteigerung des Leichtmetalleinlassventils 1 verantwortlich ist und der überhaupt erst einen Einsatz desselben in einer Brennkraftmaschine ermöglicht, kann zusätzlich ein Hohlkehlwinkel α zwischen einer durch den Rand der Ventiltellerfläche 5 definierten Ventiltellerflächenebene 6 und einer Tangente 8 an die Ventilkehle 3 größer als 30° sein. Durch den vergleichsweise großen Hohlkehlwinkel α wird ein vergleichsweise gedrungener Ventilteller 4 und ein vergleichsweise langsamer Übergang in den Ventilschaft 2 erreicht, wodurch eine geometrische Form erzielbar ist, die die Robustheit der Auslegung des Leichtmetallventils 1 erhöht.
Der zylindrische Teil des Ventilschafts 2 kann üblicherweise einen Durchmesser d zwischen 5,5 mm und 7,0 mm aufweisen, wobei auch denkbar ist, dass der Durchmesser d am Übergang vom Hohlkehlradius R zum zylindrischen Teil des Ventilschafts konisch abnimmt. Der Ventilkopf 4 besitzt vorzugsweise einen Radius r, der größer ist als 15 mm.
Mit dem erfindungsgemäßen Leichtmetalleinlassventil, welches üblicherweise als Aluminiumeinlassventil ausgebildet ist, rein theoretisch aber auch aus einem anderen Leichtmetall ausgebildet sein kann, ist erstmals durch die gewählte geometrische Form des Leichtmetalleinlassventils 1 dessen Einsatz in einem Benzinmotor möglich. Die bisher von Stahlventilen bekannte geometrische Form ermöglicht keine ausreichend hohe Robustheit der Auslegung. Diese wird erfindungsgemäß durch die bombierte, d.h. konvex nach außen gewölbte Ventiltellerfläche 5, und den vergleichsweise großen Hohlkehlwinkel α erreicht, der für den langsamen Übergang zwischen dem Ventilteller 4 in die Ventilkehle 3 und damit die vergleichsweise gedrungene Form der Ventilkehle 3 steht.

Claims

Ansprüche
1 . Leichtmetalleinlassvent.il (1 ) für eine Brennkraftmaschine mit einem
Ventilschaft (2) und einem Ventilteller (4) mit einer konvex gewölbten Ventiltellerflache (5).
2. Leichtmetalleinlassventil nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Leichtmetalleinlassventil (1 ) aus Aluminium ausgebildet ist.
3. Leichtmetalleinlassventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der gewölbte Ventiltellerflache (5) in der Mitte um 0,5 mm < a < 2,0 mm höher ist als am Rand.
4. Leichtmetalleinlassventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hohlkehlwinkel α zwischen einer durch den Rand der
Ventiltellerflache (5) definierten Ebene der Ventiltellerflache (6) und einer Tangente (7) an eine Ventilhohlkehle (3) größer als 30 ° ist.
5. Leichtmetalleinlassventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Ventilschaft (2) einen Durchmesser von 5,5 mm < d < 7,0 mm aufweist.
6. Leichtmetalleinlassventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Leichtmetalleinlassventil (1 ) aus einer Legierung mit folgenden Bestandteilen zusammengesetzt ist, Si 23-27 Vol.-%, Fe 3-4 Vol.-%, Ni 2,5-3,5 Vol.-%, Mg 0,3-0,7 Vol.-%, Mn 0,3-0,7 Vol.-%, Ti max. 0,5 Vol.-%, Zr max. 0,5 Vol.-%, Cr max. 0,5 Vol.-% und Rest AI.
7. Leichtmetalleinlassventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Leichtmetalleinlassventil (1 ) aus einer Legierung mit folgenden Bestandteilen zusammengesetzt ist, Ni 4-6 Vol.-%, Fe 1 ,5-3,5 Vol.-%, Cu 1 ,5-3,5 Vol.-%, Mn 0,5-1 ,5 Vol.-%, Mg 0,4-0,8 Vol.-%, Ti 0,4-0,8 Vol.-%, Zr 0,5-1 ,0 Vol.-%, Mo 0,6-1 ,0 Vol.-% und Rest AI.
8. Leichtmetalleinlassventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Leichtmetalleinlassventil (1 ) aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist, die eine Mindestzugfestigkeit von 200 MPa bei 300 °C, 150 MPa bei 350°C und 85 MPa bei 400°C aufweist.
9. Leichtmetalleinlassventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Leichtmetalleinlassventil (1 ) ganz oder zumindest teilweise beschichtet ist, insbesondere mit Cr, oder Ni, oder nitriert ist,
- dass das Leichtmetallventil (1 ) ganz oder zumindest teilweise eine Keramikbeschichtung aufweist, insbesondere T1O2.
10. Leichtmetalleinlassventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leichtmetallventil (1 ) ganz oder zumindest teilweise hartanodisiert ist wobei die Beschichtung eingebettete
Nanokeramikpartikel aufweist.
1 1 . Leichtmetalleinlassventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hohlkehlradius R größer als 15 mm ist.
12. Brennkraftmaschine mit zumindest einem Leichtmetalleinlassventil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 .
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