Die vorliegende Erfindung betrifft ein verschleißarmes Kegelstück zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Dabei sind Kegelstücke an mindestens einer Innenfläche mit einer DLC- (Diamond-iike-Carbon) Schicht versehen. DLC ist eine auf Kohlenstoff basierende

Beschichtung, bei der der Kohlenstoff in einem amorphen Zustand vorliegt, der einige typische Eigenschaften von Diamant zeigt. Kegelstücke, auch Ventilsicherungskeile oder V entilsicherungsstücke genannt, dienen dazu, an einem oberen Ende eines Ventilschafts einen Federteller für Ventüfedern anzubringen. Das Ventil wird somit durch die Federkraft der Ventilfedern gegen den Ventilsitzring gedrückt und durch die Ventilfedern in einer geschlossenen Stellung gehalten. Bisher war es lediglich üblich, Kegelstücke durch Einsatzhärten, Karbonitrieren oder Nitrokarburieren gegen Verschleiß zu schützen.

In den Patentdokumenten DE 10 2012 209 391 AI , DE 4342072 AI sowie die US 5597657 sind jeweils verschiedene Wege offenbart, eine Gleitflache aufzubauen.

Kegelstücke sind die Teile, die einen Ventilschaft eines Ventils eines Verbrennungsmotors mit einem Federteller für eine Ventilfeder verbinden.

Es ist wünschenswert, die Verschleißbeständigkeit von Kegel stücken, insbesondere von Ventil.- und Mehrrillenkegeistücken, zu erhöhen.

Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Kegelstück mit einer Diamond-Like-Carbon-(DLC-)Beschichtung an einer Innenseite des Kegelstücks bereitgestellt. DLC oder auch diamantartiger Kohlenstoff ist eine auf Kohlenstoff basierende Beschichtung, bei der der Kohlenstoff amorph vorliegt und einige der typischen Eigenschaften von Diamant sowie einige Eigenschaften von Graphit zeigt. Sie besteht aus sp2-und sp3-Bindungen. Sp2-Bindungen sind charakteristisch für Graphit und sp3- Bindungen für Diamant. Da DLC-Schichten über beiderlei Bindungsarten verfügen, spricht man auch von dicht amorphen diamantartigen Kohlenstoffschichten. Durch die DLC-Beschichtung kann die Reibung zwischen dem Ventilschaftende und der Innenseite der Kegelstücke verringert werden. Die Kegelstücke greifen das Ende des Ventilschafts nicht wie eine Spannzange, sondern gestatten es, dass sich das Ventil bzw. der Ventilschaft gegenüber den Kcgclstücken drehen kann. Dies ist nur möglich, wenn die Kegelstücke und das Ventilschaftende durch Formschluss und nicht durch Kraftschluss miteinander verbunden sind. Damit sich das Ventil beim Betrieb des Verbrennungsmotors um seinen eigene Achse drehen kann, darf das Kegelstück den Ventilschaft nicht kraftschlüssig, sondern lediglich formschlüssig halten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Kegelstück als ein Mehrrillenkegclstück ausgeführt. Mehrrillenkcgelstücke sollten eigentlich genauer als Mehrvorsprungs- bzw. Mehrrippcn-Kcgelstückc bezeichnet werden, da sie mehrere halb- ringförmige Erhebungen oder Rippen aufweisen, die jeweils in mehrere Rillen greifen, die an dem Ventilschaftende vorgesehen sind. Die Bezeichnung Mehrrillenkegelstück wurde hier gewählt, um darzulegen, dass das Mehrrillenkegelstück mit einem Mehrrillen- Ventilschaftende zusammenwirken soll. Zusammengefügt liegen jeweils zwei Teile eines Kegelstücks um das Schaftende eines Ventils und liegen mit einer konischen Außenfläche jeweils an einer ebenfalls konischen Innenfläche eines Ventil fedcrtcllers an. Die Ventil feder drückt dabei den Ventilteller gegen den Rand des Auslassventils, um den Brennraum abzudichten.

Bei einer beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung weist das Kegel stück weiter eine Cr-Nitridschicht als Haftvermittlerschicht zwischen einem Material des Kegelstücks und der Diamond-Like-Carbon-Beschichtung auf. Die harte DLC-Schicht kann viel härter sein als das darunterliegende Material, was dazu führen kann, dass sich die DLC-Beschichtung ablösen kann. Durch eine Cr-Nitridschicht als Haftvermittlerschicht kann dies beispielsweise verhindert werden. Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Kegelstück weiter mit einer Ti-Nitridschicht als Haftvermittlerschicht versehen, um die Haftung der DLC- Schicht auf dem Material des Kegelstücks zu verbessern. Es ist ebenfalls möglich, mehre Haftvermittlcrschichten übereinander anzubringen. Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Kegelstück weiter mit einer TiAI-Nitridschicht als Haftvermittlerschicht ausgestattet. Die TiAl-Nitridschicht ist zwischen einem Material des Kegelstücks und der Diamond-Like-Carbon-Beschichtung bevorzugt an einer Innenseite des Kegelstücks bzw. Mehrrillenkegclstücks angebracht. Aluminium und Titan bilden laut Ellingham-Richardson-Diagramm im Vergleich zu z.B. Cr bei wesentlich geringeren Sauerstoffpartialdrücken Oxide und sollten damit im Falle von Defekten in der Kohlenstoffschicht zudem einen erhöhten Korrosionsschutz aufweisen. Hieraus ergibt sich ein erheblicher Vorteil gegenüber anderen Beschichtungen.

Die Haftvermittlerschicht wird bevorzugt an einer Innenseite des Kegelstücks angebracht. Die Haftvermittlerschicht kann ebenfalls an den Stellen eingesetzt werden, an denen das Kegelstück mit einer DLC-Schicht bzw. -Beschichtung versehen wird.

Bei einer weiteren Aus führungs form ist die DLC-Schicht als wasserstofffreie DLC-Schichl ausgeführt.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die DLC-Schicht Chrom oder Silizium als Dotierungsmittel auf.

Weiterhin kann vorgesehen werden, an der Innenseite des Kegelstücks eine Einlaufschicht auf der Diamond-Like-Carbon-Beschichtung aufzubringen, um den Einlaufvorgang an den Kontaktstellen zu verbessern.

Bei einer zusätzlichen Ausführung des Kegelstücks, ist die Beschichtung oder sind die Beschichtungen lediglich an einer oder mehrerer zu der Basis der Kegelstücke weisenden Flächen der Innenseite des Kegelstücks aufgebracht. Dies kann durch ein schräges Auftragen der Beschichtung oder durch eine Abdeckung der nicht zu beschichtenden Teile erreicht werden. Die Ventil federn wirken auf die Kegelstücke und drücken diese aus Sicht der Ventilteller gegen das Schaftende des Ventils. Das Ventil selbst wird durch einen Druck auf das Schaftende angesteuert. In dieser Konfiguration werden die Flächen, die zu der Basis der kegelförmigen Kegelstücke weisen, stärker belastet als die anderen Teile der Kcgelstücke. Daher kann vorgesehen werden, lediglich die hochbelasteten Stellen bzw. Flächen der Kegelstücke mit einer DLC Schicht zu beschichten.

Bei einer anderen Ausfuhrungsform des Kegel Stücks, ist die Beschichtung oder sind die Beschichtungen ebenfalls auf einer Außenseite des Kcgelstücks aufgebracht. Somit können die Außen- und insbesondere die Kegelfläche des Kegelstücks mit einem Beschichtungsverbund wie vorstehend beschrieben beschichtet werden.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Motorkopf mit Ventilen bereitgestellt, die durch ein Kegelstück in dem Motorkopf gehalten werden, wie es vorstehend beschrieben ist

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor bereitgestellt, der mit einem Zylinderkopf versehen ist, in dem die Ventile durch die vorstehend beschriebenen Kegeistücke gehalten werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren verdeutlicht.

Figur 1 A stellt eine Ansicht auf eine Innenseite eines Kegelstücks 2 dar, das als Mehrrillen- Kegelstück ausgeführt ist.

Figuren 1 B bis I E zeigen jeweils Teil-Schnittansichten, die verschiedene Beschichtungsvarianten des Kegelstücks von Figur 1 A verdeutlichen.

Figur 2 stellt eine Ausführung eines Kegelstücks mit nur einer Rille in einer perspektivischen Ansicht dar. Figuren 3A bis 3C zeigen ein Beispiel eines Ventilschafts und eines Kegelstücks sowie eines Ventiltellers mit nur einer Rille in verschiedenen Ansichten.

Figuren 4A bis 4C zeigen ein Beispiel eines Ventilschafts und eines Kegelstücks sowie eines Ventiltellers mit nur einer Rille in verschiedenen Ansichten.

Sowohl in den Figuren als auch in der Beschreibung werden gleiche oder ähnliche Bezugszeiclien verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente und Komponenten Bezug zu nehmen. Figur 1 A stellt eine Ansicht bzw. eine seitliche Ansicht auf eine Innenseite eines Kegelstücks 2 dar, das als Mehrrillen-Kegelstück ausgeführt ist. Das Kegelstück weist an einer Innenseite 8 eine Struktur mit mehreren Erhebungen bzw. Rillen auf, die mit entsprechenden komplementär geformten Strukturen an einem Ventilschaftende eines Ein- oder Auslassventils eines Verbrennungsmotors in Eingriff gebracht werden können.

Die Struktur ist hier als im Querschnitt halbkreisförmige Rippen ausgeführt. Die Außenbzw. Mantelfläche 10 des Kegelstücks 4 bildet eine halbe Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Die Basisfläche des Kegel stumpfes bildet die Basis 20 des Kegelstücks. Die Innenseite 8 des Kegeistücks 2 ist mit einer Diamond-Like-Carbon- bzw. einer diamantartigen Kohlenstoffbzw. DLC-Schicht versehen. Die Innenbeschichtung ist aufgrund ihrer geringen Dicke nicht explizit in der Figur 1 A dargestellt In der Aufsicht bildet das Kegelstück einen Drittel- oder Halbring. Die Figur 1A ist somit eine Aufsicht auf eine Innenfläche des Kegeistücks 2 und keine Schnittansicht.

Figuren 1 B bis 1E zeigen jeweils Teil-Schnittansichten, die verschiedene Beschichtungsvarianten des Kegeistücks von Figur 1 A verdeutlichen.

Figur 1 B ist eine Teil-Schnittansicht der Figur 1A, bei der die gesamte Innenfläche 8 mit einer gleichmäßigen DLC-Beschichtung 6 versehen ist. Die DLC-Schicht kann als wasserstofffreie DLC-Schicht ausgeführt werden. Es ist ebenfalls möglich, die DLC-Schicht als mit Chrom dotierte DLC-Schicht auszufuhren. Zusätzlich zu der Innenfläche können ebenfalls die Außenflächen des Kegeistücks 2 mit der DLC-Schicht beschichtet sein.

Figur I C ist eine Teil-Schnittansicht der Figur 1A, bei der die gesamte Innenfläche 8 mit einer gleichmäßigen DLC-Beschichtung versehen ist, wobei zwischen der DLC-Schicht und einem Material 24 des Kegeistücks weiter eine Haftvermittlerschicht 12, 14, 16 angeordnet ist. Die Haftvermittlerschicht kann eine Cr-Nitridschicht 12 sein. Die Haftvermittlerschicht kann als eine Ti-Nitridschicht ausgeführt sein. Die Haftvermittlerschicht kann ebenfalls als eine TiAl-Nitridschicht vorgesehen sein. Zusätzlich zu der Innenfläche können ebenfalls die Außenflächen des Kegeistücks 2 mit der DLC-Schicht und der Haftvermittlerschicht beschichtet sein.

Figur 1 D ist eine Teil-Schnittansicht der Figur 1 A, bei der nur ein Teil der gesamten Innenfläche 8 mit einer DLC-Beschichtung versehen ist. Eine Haftvermittlerschicht, wie sie in Figur IC beschrieben wurde, ist direkt auf dem Material 24 des Kegeistücks aufgebracht. Innerhalb eines Bereichs, der mit der Haftvermittlerschicht 12, 14, 16 versehen ist, wurde weiterhin die DLC-Schicht auf das Kegelstück aufgebracht. Die Kraft wird durch die Ventil federn auf die Kegelfläche des Kegeistücks übertragen und drückt das Kegelstück mit den Flächen, die in Richtung der Basis des Kegeistücks weisen, gegen die Strukturen des Ventilschaftendes. Es ist daher davon auszugehen, dass an dieser Stelle eine wesentlich höhere Belastung auftritt als an den gegenüberliegenden, zur Spitze des Kegelstumpfs weisenden Flächen der Strukturen. Daher erscheint es lediglich notwendig, die oberen, zum Ventilschaftende weisenden Flächen mit der DLC zu beschichten. Dies kann eine schnellere und damit wirtschaftlichere Beschichtung ermöglichen. In Figur 1 E wurde zusätzlich auf die DLC Schicht eine Einlaufschicht aufgebracht. Diese kann als Graphit- oder MoS ₂ -Schicht ausgeführt sein, es ist jedoch ebenfalls möglich, beispielsweise eine Chromschicht zu wählen. DLC-Schichten weisen üblicherweise eine eher noppige Mikrostruktur auf, deren Zwischenräume durch ein Material der Einlaufschicht aufgefüllt werden kann. Die Einlaufschicht kann ebenfalls bei den Ausführungen der Figuren 1A bis 1 D eingesetzt werden.

Figur 2 stellte eine Ausführung eines Kegelstücks mir nur einer Rille in einer perspektivischen Ansicht dar. In der perspektivischen Ansicht ist die gesamte Form eines Kegelstücks zu erkennen. Kegelstücke werden üblicherweise paarweise eingesetzt.

Figuren 3A bis 3C zeigen ein Beispiel eines Ventilschafts und eines Kegelstücks sowie eines Ventiltellers mit nur einer Rille in verschiedenen Ansichten.

Figur 3A zeigt eine Teilansicht eines Ventils, nämlich das Ventil schaftende 26, das mit nur einer Rille versehen ist, die mit einem entsprechenden Vorsprung in einem Kegelstück in Eingriff gebracht werden kann. Figur 3B zeigt eine teilgeschnittene Teilansicht eines Ventil schaffendes 26, das mit Kegelstücken 2 in einem Federteller 28 befestigt ist. Der Federteller 28 wird durch eine nicht dargestellte Feder nach oben gedrückt, wodurch die Kegelstücke, die mit der Rippe mit einer entsprechenden Ausnehmung bzw. Rille in dem Ventilschaftende 26 in Eingriff stehen, ebenfalls nach unten gedrückt werden. Durch die Kegel form der Kegelstücke 2 und der zentralen Bohrung des Fcdcrtellers 28 werden die Kegelstücke 2 in Radialrichtung gegen den Ventilschaft bzw. das Ventilschaftende 26 gepresst.

Figur 3C zeigt eine axiale Aufsicht auf ein Ventilschaftende 26, das mit Kegelstücken 2 in einem Federteller 28 befestigt ist. Wie in Figur 3B wird der Fedcrteller 28 nach oben in Richtung des Betrachters gedrückt, wodurch die Kegelstücke durch ihre Form in Radialrichtung gegen den Ventilschaft bzw. das Ventilschaftende 26 gepresst werden. In der Figur 3C weisen die Kegelstücke Kegelslück-Spalten 30 in Umfangsrichtung auf. Durch die Kegelstückspalten erfolgt zusätzlich zu einem Formschluss in Axialrichtung ein Kraftschluss zwischen dem Federteller 28 und dem Ventilschaftende 26 in Radialrichtung.

Figuren 4A bis 4C zeigen ein Beispiel eines Ventilschafls und eines Kegelstücks sowie eines Ventiltellers mit drei Rillen in verschiedenen Ansichten. Figur 4A zeigt eine Teilansicht eines Ventils, nämlich das Ventilschaftende 26, das mit drei Rillen versehen ist, die mit einem entsprechenden Vorsprung an einem bzw. zwei Mehrrillen-Kegelstücken 4 in Eingriff gebracht werden kann.

Figur 4B zeigt eine teilgeschnittene Teilansicht eines Ventilschaftendes 26, das mit Mehrrillen-Kegelstücken 4 in einem Federteller 28 befestigt ist. Der Federteller 28 wird auch hier durch eine nicht dargestellte Feder nach oben gedrückt, wodurch sich die Mehrrillen- Kegelstücke 4, die mit ihren Rippen mit einer entsprechenden Ausnehmung bzw. Rille in dem Ventilschaftende 26 in Eingriff stehen, ebenfalls nach unten gedrückt werden. Durch die Kegel form der Mehrrillen-Kegelstücke 4 und der zentralen Bohrung des Federtellers 28 werden die Mehrrillen-Kegelstücke 4 in Radialrichtung gegen den Ventilschaft bzw. das Ventilschaftende 26 gepresst. Figur 4C zeigt eine axiale Aufsicht auf ein Ventilschaftende 26, das mit den Mehrrillen- Kegelstücken 4 in einem Federtcller 28 befestigt ist. Wie in Figur 3B wird der Federteller 28 nach oben in Richtung des Betrachters gedrückt, wodurch die Kegel stücke durch ihre Form in Radialrichtung gegen den Ventilschaft bzw. das Ventilschaftende 26 gepresst werden. In der Figur 4C sind die Mehrrillen-Kegelstücke als spaltlose Kegelstücke 32 ausgeführt, sodass die Kegel stücke in Umfangsrichtung aneinander liegen. Durch die Kegelstückspalten erfolgt ein Formschluss zwischen dem Federteller 28 und dem Ventilschaftende 26 in Axialrichtung. Ein Kraftsehl uss zwischen den Kegelstücken 4 und dem Ventilschaftende 26 liegt nicht vor, weshalb die Armierung der Rippen der Kegelstücke insbesondere für diese Ausführung sehr wichtig ist.

Die Figuren 3A bis 4C zeigen lediglich weitere Ausführungen von Kegelstücken, die ebenfalls mit einer Beschichtung wie in den Figuren 1 B bis I E versehen sind. Die Beschichtung ist in den Figuren 3A bis 4C nicht dargestellt, da sie in dem Maßstab nicht dargestellt werden konnte, und die Darstellung aller möglichen Bcschichtungsvarianten den Umfang der Beschreibung und der Zeichnung unnötig erhöhen würde, ohne neue Merkmale bereitzustellen.

Abweichend zu den Figuren 1A bis 2 können auch andere Formen von Rippen oder Strukturen vorgesehen sein, die mit einem Ventilschaftende eines Ventils eines Verbrennungsmotors in Eingriff stehen sollen.

Es ist ebenfalls möglich, die Kegelstücke vor dem Aufbringen der DLC- und der anderen Schichten durch Einsatzhärten vorzubereiten.

Durch die DLC-Beschichtung der Innenkontur wird das Verschleißverhalten der Kegelstücke verbessert und die Reibung der Wülste, Rippen oder Strukturen im Einstich deutlich reduziert, wodurch eine Verbesserung des Drehverhaltens der Ventile erreicht werden kann.

Es ist ebenfalls vorgesehen, andere Flächen als nur die Innenfläche des Kegelstücks mit einer DLC- Schicht und eventuell auch mit den Haftvermittlerschichten zu beschichten. Es ist beabsichtigt, dass auch Kombinationen von Merkmalen der Ausführungen der Figuren 1 A bis 4C als offenbart angesehen werden sollen. Die Figuren sollen nicht zur Beschränkung des in den Ansprüchen bestimmten Schutzumfangs herangezogen werden.

Die DLC Beschichtung der Innenkontur ist auch bei kraftschlüssigen Kegelstückverbindungen vorteilhaft, da hierdurch ein Kaltverschweißen zwischen Kegelstück und Ventilschaft bei hohen Klemmkräften verhindert wird.

Das Kegelstück kann in einer Sonderform auch ohne Wülste ausgeführt sein und in einer entsprechend rechteckig geformten Nut am Ventilschaft sitzen. Hierbei ist ebenfalls eine formschlüssige oder aber auch eine kraftschlüssige Ausführung der Verbindung möglich.

Bezugszeichenliste

2 Kegelstück

4 Mehrriücnkegelstücks

6 Diamond-Like-Carbon-Beschichtung

8 Innenseite des Kegelstücks

10 Außenseite des Kegelstücks

12 eine Cr-Nitridschicht

14 Ti-Nitridschicht

16 TiAl-Nitridschicht

18 Chrom dotierte Diamond-Like-Carbon-Beschichtung.

20 Einlaufschicht

22 Basis

24 Material des Kegelstücks

26 Ventilschaftende

28 Federteller

30 Kcgelstück-Spalt

32 Spaltlose Kegelstücke