Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder und mit zumindest zwei Hohlkopfventilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Aufgrund von immer höheren geforderten Leistungsdichten im Bereich von Zylindern einer Brennkraftmaschine, wird zunehmend ein so genanntes

Temperaturmanagement an den Ventilen wichtig, wobei hier insbesondere

Wärme möglichst schnell und in großem Maße von den Ventilen abgeführt werden soll. Generell sind hierzu bspw. bereits eine ganze Reihe von

Einzelmaßnahmen, wie bspw. mit Natrium gefüllte Hohlkopfventile bekannt, die eine verbesserte Kühlung und damit auch eine verbesserte Wärmeabfuhr im Bereich des Ventils bewirken.

Das Temperaturmanagement an Ventilen, das heißt an Ein- und Auslassventilen, bildet bei heutigen Brennkraftmaschinen den limitierenden Faktor bezüglich einer weiteren Zunahmen der Leistungsdichte im Zylinder und damit auch bezüglich der weiteren Zunahme der Leistung der Brennkraftmaschine.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere eine weitere Zunahme der Leistungsdichte im Zylinder ermöglicht. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mehrere Einzelmaßnahmen hinsichtlich eines verbesserten Temperaturmanagements bei einem Ventil einer Brennkraftmaschine zu kombinieren und durch mehrere kleine Einzelmaßnahmen einen großen Gesamteffekt hinsichtlich der Wärmeabfuhr und damit hinsichtlich einer möglichen Steigerung einer Leistungsdichte an einem Zylinder zu erreichen. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist dabei zumindest einen Zylinder und zumindest ein Hohlkopfventil auf, das einen Ventilschaft und einen Ventilkopf besitzt und in einer jeweils zugehörigen

Ventilführung geführt ist. Selbstverständlich sind dabei vorzugsweise sämtliche Ventile der Brennkraftmaschine derart ausgeführt. Bei einem geschlossenen Hohlkopfventil liegt der Ventilkopf des Hohlkopfventils auf einem zugehörigen Ventilsitzring dicht auf. Zur verbesserten Wärmeabfuhr ist nunmehr vorgesehen, eine Ventilschaftdichtung mit zumindest zwei Lippen bereitzustellen, wobei zwischen dem Ventilschaft und der Ventilschaftführung Öl als

Wärmeübertragermedium angeordnet ist. Durch die Verwendung der

Ventilschaftdichtung mit zumindest zwei Dichtlippen wird die Ölabdichtung im Bereich der Ventilschaftführung optimiert, wodurch das Öl im Bereich der

Ventilschaftführung gehalten werden kann und für einen optimalen Betriebspunkt und damit auch einen maximalen Wärmetransfer vom Ventilschaft zur

Ventilschaftführung zur Verfügung steht. Durch das Halten des Öls im

Zwischenraum zwischen der Ventilschaftführung und dem Ventilschaft, können jedoch nicht nur der Wärmetransfer und darüber die Wärmeabfuhr und das Temperaturmanagement verbessert, sondern zudem auch ein Verschleiß und schädliche Ablagerungen am Ventilschaft reduziert werden. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die

Ventilschaftführung und/oder der Ventilsitzring eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als der Ventilschaft und der Ventilkopf, wodurch in diese Komponenten

übertragene Wärme schnell abgeführt werden kann. Durch die Ausbildung der Ventilschaftführung und/oder des Ventilsitzringes aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als der Ventilschaft bzw. der Ventil köpf, können auch im Bereich des Ventilkopfs und des Ventilschaftes eine verbesserte Wärmeabfuhr und damit eine verbesserte Kühlung und ein verbessertes

Temperaturmanagement erreicht werden, wobei durch die verbesserte Kühlung des Ventils eine Steigerung der Leistungsdichte im Zylinder ermöglicht wird, was sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen

Brennkraftmaschine auswirkt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Ventilschaftführung aus einem Sintermetall oder einem Buntmetall, insbesondere aus Messing, ausgebildet. Messing weist bspw. eine Wärmeleitfähigkeit λ zwischen 81 und 105 W/mK auf, was im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit von Stahl, aus welchem üblicherweise der Ventilkopf bzw. der Ventilschaft besteht, deutlich höher ist. Stahl weist eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 46,5 W/mK auf. Durch ein derartiges Sintermetall bzw. ein solches Buntmetall kann die

Wärmeabfuhr im Bereich der Ventilschaftführung deutlich verbessert werden, wodurch auch hier theoretisch eine erhöhte Leistungsdichte möglich ist. Durch das zwischen der Ventilschaftführung und dem Ventilschaft angeordnete Öl bzw. den Ölfilm, können ein Wärmeübertrag und damit eine Wärmeabfuhr vom

Ventilschaft in die Ventilschaftführung besonders gut erfolgen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist ein Hohlraum in dem Hohlkopfventil durch Bohren und/oder durch

elektrochemisches Abtragen (ECM) hergestellt. Ein Hohlraum im Ventilschaft kann dabei bspw. durch ein einfaches Bohren hergestellt werden, während ein entsprechender Hohlraum im Ventilkopf bspw. mittels elektrochemischem

Abtragen hergestellt werden kann, wodurch insbesondere eine an die

Außengeometrie des Ventilkopfs angepasste Geometrie des Hohlraums im Ventil köpf geschaffen werden kann. Hierdurch ist eine besonders effektive Kühlung des Ventilkopfes möglich.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Hohlraum im Hohlkopfventil zumindest teilweise mit Natrium gefüllt. Durch das zumindest teilweise Befüllen des Hohlraumes mit im Motorbetrieb flüssigem Natrium, erfolgt ein noch besserer Wärmetransport von dem, dem Brennraum zugewandten Ventilkopf in Richtung des Ventilschaftes, wobei eine innere

Kühlung des Hohlkopfventils durch den so genannten Shaker-Effekt, das heißt das Hin- und Herschütteln des zum Betrieb flüssigen Natriums im Hohlraum, erfolgt. Durch die verbesserte Kühlung kann insbesondere auch eine kühlere Oberfläche im Brennraum des Zylinders erreicht werden, wodurch bspw. ein Verschieben der Klopfgrenze und somit eine günstige Wahl des Zündzeitpunkts bei der ottomotorischen Verbrennungsauslegung erreicht werden kann. Durch Optimierung dieser Prozesse kann auch eine Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs erreicht werden.

Erfindungsgemäß ist der Ventilsitzring aus einem Sintermetall mit infiltriertem Kupfer ausgebildet. Kupfer besitzt eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit λ von 380 W/mK und ist dadurch besonders für eine optimierte Wärmeabfuhr und damit eine optimierte Kühlung des Ventilkopfs prädestiniert.

Erfindungsgemäß weist der Ventilschaft eine Chrom-haltige oder eine Borcarbid- Beschichtung auf. Durch eine derartige Beschichtung am Ventilschaft kann ein nochmals verbesserter Wärmeübertrag erreicht werden, da der Grundwerkstoff des Ventilschafts, das heißt üblicherweise Stahl, lediglich einen Wärmeleitkoeffizienten λ von 46,5 W/mK aufweist, während eine chromhaltige Beschichtung bspw. eine nahezu doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Je nach Anteilen an Legierungselementen kann auch eine Borcarbid-haltige

Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit λ von bis zu 90 W/mK und damit eine deutlich verbesserte Wärmeleitfähigkeit λ als Stahl aufweisen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Ventilschaft mit Spiel in der Ventilschaftführung angeordnet, insbesondere mit einem Spiel s vom 40 μιτι < s < 80 μιτι. Hierbei handelt es sich um ein Spiel, welches im Vergleich zu herkömmlichen Standardventilsystemen deutlich vergrößert ist, so dass im Zwischenraum zwischen dem Ventilschaft und der Ventilschaftführung mehr Öl und damit ein größerer Anteil an

Wärmeübertragermedium platziert werden kann. Durch das größere Schaftspiel können jedoch nicht nur ein verbesserter Wärmeübergang vom Ventilschaft zur Ventilschaftführung, sondern zudem auch verbesserte Schmiereigenschaften erreicht werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Ventilsitzring einen eisenbasierten Werkstoff mit 2-15% Cr, 2-20% Mo, 0,3-5,0% V, 0,3-7,0% W und < 20% Co ^* , mit einer Härte von 35-60 HRC, und infiltriertem Cu auf und ist insbesondere durch Sintern bei 1 100-1200 °C hergestellt.

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 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine im Bereich eines Ventils.

Entsprechend der Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 zumindest einen Zylinder 2 und zumindest zwei Hohlkopfventilen 3 auf, wovon im vorliegenden Fall jeweils lediglich ein Zylinder 2 und ein zugehöriges

Hohlkopfventil 3 gezeichnet sind, während das zweite Hohlkopfventil oberhalb oder unterhalb der Bildebene angeordnet ist. Das Hohlkopfventil 3 weist dabei einen Ventilschaft 4 und einen Ventilkopf 5 auf und ist in einer zugehörigen Ventilschaftführung 6 geführt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Ventilsitzring 7, auf dem der jeweilige Ventilkopf 5 bei geschlossenem Hohlkopfventil 3 dicht aufliegt, wie dies gemäß der Fig. 1 gezeigt ist. Erfindungsgemäß ist nun an zumindest einem Hohlkopfventil 3 eine Ventilschaftdichtung 8 mit zumindest zwei den Ventilschaft 4 umschließenden Dichtlippen 9 vorgesehen, wobei die

Ventilschaftdichtung 8 fest mit der Ventilschaftführung 6 verbunden ist und mit ihren zumindest zwei Dichtlippen 9 beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 an einer Außenmantelfläche des Ventilschafts 4 entlang gleitet. Zwischen dem Ventilschaft 4 und der Ventilschaftführung 6 ist dabei Öl angeordnet, wobei dieses Öl nicht nur einer Schmierung, sondern vor allen Dingen auch einem Wärmeabtrag und damit als Wärmeübertragermedium zwischen dem Ventilschaft 4 und der Ventilschaftführung 6 dient. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen nun zusätzlich noch die Ventilschaftführung 6 und/oder der Ventilsitzring 7 eine höhere

Wärmeleitfähigkeit λ auf, als der Ventilschaft 4 und der Ventilkopf 5, wodurch auch hier ein verbesserter Wärmeübertrag und damit eine verbesserte

Wärmeabfuhr erreicht werden können.

Üblicherweise sind der Ventilschaft 4 und der Ventilkopf 5 aus Stahl ausgebildet, wobei das Hohlkopfventil 3 bspw. als gebautes Hohlkopfventil ausgebildet sein kann. Stahl besitzt üblicherweise je nach Anteilen an Legierungselementen eine Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 46,5 W/mK, wogegen die Ventilschaftführung 6 und der Ventilsitzring 7 aus Materialien ausgebildet sind, die eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit λ besitzen. Die Ventilschaftführung 6 kann bspw. aus einem Sintermetall oder einem Buntmetall, insbesondere aus Messing, ausgebildet sein, wobei Messing bspw. eine Wärmeleitfähigkeit λ von 81 bis 105 W/mK aufweist und damit eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit λ besitzt als Stahl. Der Ventilsitzring 7 wiederum kann ebenfalls bspw. aus einem Sintermetall mit infiltriertem Kupfer ausgebildet sein, wobei besonders Kupfer durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 380 W/mK auffällt und dadurch ebenfalls einen verbesserten Wärmetransfer und eine verbesserte Wärmeabfuhr und damit auch eine verbesserte Kühlung des Hohlkopfventils 3 ermöglicht.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Ventilsitzring 7 einen

eisenbasierten Werkstoff mit 2-15% Cr, 2-20% Mo, 0,3-5,0% V, 0,3-7,0% W und < 20% Co ^* , mit einer Härte von 35-60 HRC, und infiltriertem Cu auf und ist insbesondere durch Sintern bei 1 100-1200 °C hergestellt.

Prinzipiell kann der Ventilsitzring 7 wie folgt zusammengesetzt sein: Werkstoff mit Angaben in Gew.-%

C Cr Mo Co W V Cu Fe Rest

Min. 0,5 5,0 5,0 15,0 1 ,0 0 10 Rest 0

Max. 2,0 15,0 15,0 20,0 4,0 3,0 17,0 Rest 5,0

Insbesondere o hne Hg, Cd, Pb od er sechswertiges Cr, Einsal z für eine Vielzahl an Kraftstoffen, au 3h Alkohol und Ga s.

Werkstoff mit Angaben in Gew.-%

Insbesondere ohne Hg, Cd, Pb oder sechswertiges Cr, hoher Verschleißwiderstand, Einsatz für eine Vielzahl an Kraftstoffen, auch Alkohol und Gas.

Werkstoff mit Angaben in Gew.-%

C Cr Mo Co W V Cu Fe Rest

Min. 0,7 2,0 12,0 8,0 2,0 1 ,0 10,0 Rest 0

Max. 1 ,5 4,0 18,0 12,0 4,0 2,0 20,0 Rest 3,0 hoher Verschleißwiderstand, hohe Belastungsfä ^" rigkeit, Einsatz für eine Vielzahl an Kraftstoffen, auch Alkohol und Gas. Werkstoff mit Angaben in Gew.-%

C Cr Mo Si W V Cu Fe Rest

Min. 0,5 2,5 5,0 0,2 3,0 1 ,0 10,0 Rest 0

Max. 1 ,5 5,0 8,0 1 ,0 6,0 4,0 20,0 Rest 3,0 hoher Verschleißwiderstand, Einsatz für eine Vielzahl an Kraftstoffen, auch Alkohol und

Gas.

Werkstoff mit Angaben in Gew.-% bei einem Ventilsitzring, bestehend aus einem Basismaterial (BM) und einem Funktionsmaterial (FM)

C Cr Mo Co W V Cu Fe Rest Mn S

BM Min. 0,5 5,0 Rest 0 0 0

BM Max. 1 ,5 15,0 Rest 3,0 1 ,0 0,5

FM Min. 1 ,0 2,0 12,0 8,0 2,0 1 ,0 10,0 Rest 0

FM Max. 1 ,5 4,0 18,0 12,0 4,0 2,0 20,0 Rest 3,0

Insbesondere ohne Hg, Cd, Pb oc er sechswertiges Cr, hoher Verschleißwiderstand, hohe Belastungsfähigkeit, Einsatz für eine Vielzahl an Kraftstoffen, auch Alkohol und Gas. Werkstoff mit Angaben in Gew.-% bei einem Ventilsitzring, bestehend aus einem Basismaterial (BM) und einem Funktionsmaterial (FM)

C Cr Mo Si W V Cu Fe Rest Mn S

BM Min. 0,3 28,0 Rest 0 0 0

BM Max. 1 ,3 48,0 Rest 3,0 1 ,0 0,5

FM Min. 1 ,0 10,0 2,5 0,2 0,8 0,4 18,0 Rest 0 0

FM Max. 1 ,8 15,0 4,5 1 ,8 1 ,5 1 ,0 28,0 Rest 3,0 0,6

Insbesondere ohne Hg, Cd, Pb oc er sechswertiges Cr, hoher Verschleißwiderstand, Einsatz für eine Vielzahl an Krafts toffen, auch Alkohol und Gas, Basismaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit.

Die zuvor und nachfolgendend genannten Legierungen bieten den großen Vorteil, dass sie einen hohen Verschleißwiderstand, eine hohe Belastungsfähigkeit und z.T. eine hohe Wärmeleitfähigkeit bieten und für eine Vielzahl an Kraftstoffen, auch Alkohol und Gas, eingesetzt werden können. Werkstoff mit Angaben in Gew.-% bei einem Ventilsitzring, bestehend aus einem Basismaterial (BM) und einem Funktionsmaterial (FM)

C Cr Mo Si W V Cu Fe Rest Mn S

BM Min. 0,5 5,0 Rest 0 0 0

BM Max. 1 ,5 15,0 Rest 3,0 1 ,0 0,5

FM Min. 0,5 3,0 8,0 2,0 1 ,0 12,0 Rest 0 0

FM Max. 2,0 6,0 15,0 5,0 3,0 22,0 Rest 3,0 1 ,0

Insbesondere ohne Hg, Cd, Pb oc er sechswertiges Cr, hoher Verschleißwiderstand, hohe Belastungsfähigkeit, Einsatz für eine Vielzahl an Kraftstoffen, auch Alkohol und Gas, Basismaterial mit hoher War meleitfähigkeit.

Wie der Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, weist das Hohlkopfventil 3 einen innenliegenden Hohlraum 10 auf, der teilweise als den Ventilschaft 4

durchdringende und im Ventilkopf 5 endende Bohrung ausgebildet ist. Bei dem Hohlkopfventil 3 ist der Hohlraum 10 im Bereich des Ventilkopfs 5 zusätzlich durch elektrochemisches Abtragen vergrößert und dadurch an die

Außengeometrie des Ventilkopfes 5 angepasst. Um die Kühlung des

Hohlkopfventils 3 steigern zu können, kann der Hohlraum 10 zumindest teilweise mit Natrium 1 1 befüllt werden, welches im Motorbetrieb aufgrund seines geringen Schmelzpunktes flüssig wird und dadurch eine Kühlung des Hohlkopfventils 3 durch einen sogenannten Shaker-Effekt bewirkt. Durch diesen Shaker-Effekt wird insbesondere Wärme aus dem Zylinder 2 über den Ventilschaft 4 abgeführt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist der Ventilschaft 4 eine chromhaltige oder eine borcarbidhaltige Beschichtung 12 auf, welche nochmals den Wärmeübertrag vom Grundmaterial des Ventilschafts 4, welches üblicherweise aus Stahl besteht, über das im Zwischenraum zwischen Ventilschaft 4 und Ventilschaftführung 6 angeordnete Öl in die Ventilschaftführung 6 verbessert. Durch eine derartige Beschichtung 12 kann neben einem verbesserten Wärmeübertrag zusätzlich auch eine erhöhte Verschleißbeständigkeit erreicht werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Ventilschaft 4 konisch ausgebildet und verjüngt sich hin zum Ventilkopf 5, so dass er im Bereich des Ventilkopfes 5 einen geringeren Außendurchmesser aufweist als an einem davon abgewandten freien Ende. So soll insbesondere beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 eine temperaturbedingte

Durchmesserdifferenz zwischen einem Ventilschaftende 13 und dem Ventilschaft 4 im Bereich des Ventilkopfes 5 reduziert und dadurch insbesondere ein

Klemmen des Ventilschaftes 4 im Bereich der Ventilführung 6 vermieden werden. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ist der Ventilschaft 4 am Übergang zum Ventilkopf 5 deutlich höheren Temperaturbelastungen ausgesetzt als am

Ventilschaftende 13, wodurch am Übergang zum Ventilkopf 5 eine größere temperaturbedingte Wärmedehnung erfolgt. Ist hier der Durchmesser des

Ventilschaftes 4 an sich bereits kleiner, führt die temperaturbedingte

Wärmedehnung nun zu einem Durchmesser, welcher demjenigen Durchmesser am freien Ventilschaftende 13 im Wesentlichen entspricht, so dass im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ein vorzugsweise nahezu zylindrischer Ventilschaft 4 vorliegt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Ventilschaft 4 mit Spiel s in der Ventilschaftführung 6 angeordnet, insbesondere mit einem Spiel s von 40 μιτι < s < 80 μιτι. Durch dieses

vergleichsweise große Spiel kann ein zwischen dem Ventilschaft 4 einerseits und der Ventilschaftführung 6 andererseits vergrößerter Ringraum geschaffen werden, in welchem mehr Öl und damit mehr Wärmeübertragermedium angeordnet werden kann, wodurch jedoch nicht nur ein verbesserter Wärmeabtrag und dadurch eine verbesserte Kühlung und ein verbessertes Temperaturnnanagennent erzielt werden können, sondern zudem auch eine verbesserte Schmierung des Ventilschaftes 4 in der Ventilschaftführung 6 und dadurch eine leichtgängige Lagerung des Hohlkopfventils 3 in der Ventilschaftführung 6.

Durch die Kombination einzelner Temperaturmanagementmaßnahmen kann ein in Summe vergleichsweise großer Kühleffekt erzielt werden, der zu einer deutlich verbesserten Kühlung des Hohlkopfventils 3 und damit zu einem deutlich verbesserten Temperaturmanagement führt, wodurch sich insbesondere eine größere Leistungsdichte im Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 erreichen lässt.