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Patent Searching and Data


Title:
VALVE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES HAVING A COATING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/001578
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for coating a valve head (6) of an intake and/or exhaust valve (4) comprising: preparing a surface of the valve (4) to be coated for a coating, and coating the prepared surface with a ceramic high-temperature coating (22).

Inventors:
STRÜBBE CARSTEN (DE)
BAYARD GUIDO (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/055930
Publication Date:
January 04, 2018
Filing Date:
March 14, 2017
Export Citation:
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Assignee:
FEDERAL-MOGUL VALVETRAIN GMBH (DE)
International Classes:
C23C26/00; C23C28/04
Foreign References:
DE19647099A11998-05-28
EP1614946A12006-01-11
DE2856232A11980-07-17
US20010028049A12001-10-11
DE102010052971A12012-05-31
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWÄLTE BECKER KURIG STRAUS (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Beschichten eines Ventilkopfes (6) eines Ein- und/oder Auslassventils (4) umfassend,

Vorbereiten einer zu beschichtenden Fliehen des Ventils (4) für eine Beschichtung und

Beschichten der vorbereiteten Fläche mit einer keramischen Hochtemperatur- Beschichtung (22).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorbereiten der zu beschichtenden Flächen des Ventils (4) ein Sand/ Kugelstrahlen, ein Reinigen und/oder ein Anätzen der zu beschichtenden Flächen umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die keramische Höchte mperatur- Beschichtung (22) eine Hochtemperaturfestigkeit zwischen 950°C und 1 100°C aufweist, bevorzugt zwischen 970°C und 1050°C, und weiter bevorzugt zwischen 990°C und 1020°C.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die keramische Hochtemperatur- Beschichtung (22) eine Lufttrocknende keramische Hochtemperatur-Beschichtung (22) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die keramische Hochtemperatur- Beschichtung (22) eine ofentrocknende keramische Hochtemperatur-Beschichtung (22) ist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ausgehärtete

keramische Hochtemperatur-Beschichtung (22) eine Dicke von ΙΟμηι bis 50μηι bevorzugt von 15 ηι bis 40pm und weiter bevorzugt von 20μπι bis 30μιτι aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die keramische Hochtemperatur-Beschichtung (22) als eine Mehrschicht-Beschichtung (24)

ausgeführt ist, sie mindestens eine Grundiemng (26) und mindestens einen Decklack (28) umfasst,

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die keramische

Hochtemperatur-Beschichtung (22) als eine Mehrschicht-Beschichtung ausgeführt ist, die mindestens eine Grundierung und mindestens einen Decklack umfasst.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend: Beschichten mindestens eines Ventilsitzes des Ventils (4) mit einer DLC-Beschichtung (30).

10. Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend: Beschichten mindestens eines

Ventilkopfes (6) des Ventils (4) mit Ausnahme des Ventilsitzes, oder Entfernen der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung (22) von dem Ventilsitz bzw. der DLC- Beschichtung (30) auf dem Ventilsitz, nach dem Beschichten mit der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung (22).

1 1. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die keramische

Hochtemperatur-Beschichtung (22) auf einer Unterseite eines Ventiltellers (10) aufgetragen wird oder nur auf einer Unterseite eines Ventiltellers (10) aufgetragen wird.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die keramische

Hochtemperatur-Beschichtung (22) auf einer Oberseite eines Ventiltellers ( 10) aufgetragen wird oder nur auf einer Oberseite eines Ventiltellers (10) aufgetragen wird.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die keramische

Hochtemperatur-Beschichtung (22) auf einem Ventilschaft (8) oder nur auf einem Ventilschaft (8) aufgetragen wird. Ein- oder Auslassventil (4), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche umfassend einen mit einer keramischen Hochtemperatur- Beschichtung (22) beschichteten Ventilkopf (6).

Description:
Ventil für Verbrennungsmotoren mit Beschichtung Die vorliegende Erfindung betrifft gekühlte Ventile für Verbrennungsmotoren. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein natriumgekühltes Ein- oder Auslassventil für einen Verbrennungsmotor, das mit einer Außenbeschichtung versehen ist, um einen Wärmeübertrag auf das Ventil zu verringern bzw. zu beeinflussen. Die Außenbeschichtung kann weiter dazu beitragen, eine Korrosion und eine Ablagerang von Verbrennungsrückständen auf dem Ventil bzw. dem Ventilkopf zu verringern.

Innengekühlte bzw. natriumgekühlte Abgasventile sind spätestens seit 1935 bekannt.

Natriumkühlung und deren Effekte sind im Stand der Technik wohlbekannt und die technischen Weiterentwicklungen der letzten Jahre betrafen hauptsächlich ein vergrößertes Kühlmittelvolumen im Bereich des Ventiltellers und vereinfachte Herstellungsverfahren, um natriumgekühlte Ventile kostengünstiger herstellen zu können.

Es besteht jedoch immer noch ein Bedarf, die Kühlung bzw. die Kühleigenschaften, insbesondere von Abgasventilen, weiter zu verbessern. Es besteht zudem ein Bedarf, ein Ventil zur Verfügung zu haben, das gegen Korrosion geschützt ist. Es ist weiterhin wünschenswert, die Menge von Ablagerungen zu verringern, die sich auf einem Ventil ablagern kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten eines Ventilkopfes eines Ein- und/oder Auslassventils mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs und ein mit dem Verfahren hergestelltes Ventil bereitgestellt, wobei bevorzugte Ausführungen des

Verfahrens in den abhängigen Ansprüchen beschrieben sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten eines Ventilkopfes eines Ein- und/oder Auslassventils bereitgestellt. Das Verfahren umfasst dabei ein Vorbereiten der zu beschichtenden Flächen des Ventils für eine Beschichtung und ein Beschichten des Ventilkopfes mit einer keramischen Hochtemperatur-Beschichtung. Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung wird dabei als Lack auf die vorbereiteten Stellen des Ventils zumindest im Kopfbereich aufgetragen und ausgehärtet. Es handelt sich bei der keramischen Hochtemperaturbeschichtung nicht um ein Aufdampfen, ein Nitrieren oder ein Plasma-Abscheidungsverfahren. Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung wird dabei als Lack durch Sprühen, durch Aufpinseln oder durch Tauchen oder auch durch Überfließen auf den Ventilkopf oder auf Teile des Ventilkopfes aufgetragen. Es ist ebenfalls vorgesehen, ein sogenanntes „Spin coating" oder „Rotationsbeschichten" zu verwenden, um die keramische Hochtemperaturbeschichtung auf dem Ventilkopf oder auf Teilen des Ventilkopfes aufzutragen. Nach dem Auftragen wird die Beschichtung im Kopfbereich ausgehärtet.

Bei einer beispielhaften Aus führungs form des Verfahrens umfasst das Vorbereiten der zu beschichtenden Flächen des Ventils ein Sand-/Kugelstrahlen, ein Reinigen und/oder ein Anätzen bzw. Ätzen der zu beschichtenden Flächen. Durch diese Verfahren kann sichergestellt werden, dass die Haftung zwischen der keramischen Hochtemperaturbeschichtung und der Metalloberfläche des Ventils für die Belastung ausreichend hoch ist, um ein Ablösen des Lacks zu vermeiden.

Bei einer weiteren Ausführung des vorliegenden Verfahrens weist die keramische Hochtemperatur-Beschichtung eine Temperaturfestigkeit zwischen 950°C und 1 100°C, bevorzugt zwischen 970°C und 1050°C, und weiter bevorzugt zwischen 990°C und 1020°C auf. Die Beschichtung muss dabei den Temperaturen der Verbrennungsgase widerstehen können, wobei berücksichtigt werden muss, dass das Ventil selbst gekühlt wird, und die hohe Temperaturbclastung auf der einen Seite der Beschichtung und auf deren anderer Seite von dem gekühlten Ventil aufgenommen wird. Die Hochtemperaturbeschichtung wird durch das gekühlte Ventil ebenfalls gekühlt, und kann daher auch Abgastemperaturen widerstehen, die oberhalb der Festigkeitstemperaturen der Beschichtung liegen. Dies ermöglicht die Hochtemperaturbeschichtung auch bei Abgastemperauren oberhalb der Temperaturfestigkeit der Beschichtung einzusetzen, da die gekühlte Venüloberfläche die Temperatur der

Beschichtung unterhalb der Festigkeitstemperatur hält. Gemäß einer weiteren Variante des Verfahrens ist die keramische Hochtemperatur- Beschichtung eine lufttrocknende keramische Hochtemperatur-Beschichtung. Das Verfahren umfasst dabei den Schritt des Lufttrocknens der keramischen Hochtemperaturbeschichtung.

Gemäß einer anderen weiteren Variante des Verfahrens ist die keramische Hochtemperatur- Beschichtung eine ofentrocknende keramische Hochtemperatur-Beschichtung. Das Verfahren umfasst dabei den Schritt des Ofentrocknens der keramischen

Hochtemperaturbeschichtung.

In einer weiteren zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens weist die ausgehärtete keramische Hochtemperatur-Beschichtung eine Dicke von Ι Ομιη bis 50μπι, bevorzugt von 15μπι bis 40μπι, und weiter bevorzugt von 20μπι bis 30μηι auf. Das Verfahren umfasst dabei das Auftragen einer Lackschicht mit einer Dicke, die nach dem Aushärten die vorstehend genannten Dicken der ausgehärteten Lackschicht ergibt. Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die keramische Hochtemperatur-Beschichtung als eine Mehrschicht-Beschichtung ausgeführt, die mindestens eine Grundierung und mindestens einen Decklack umfasst. Das Verfahren umfasst daher mindestens zweimal die Schritte des Auftragens einer keramischen Hochtemperatur-Beschichtung, zuerst als Auftragen einer Grundierung und einem Aushärten der Grundierung und einem nachfolgenden Auftragen einer keramischen Hochtemperatur- Beschichtung als Decklack.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausführung des Verfahrens ist die keramische Hochtemperatur-Beschichtung als eine Mehrschicht-Beschichtung ausgeführt, die mindestens eine Grundierung und mindestens einen Decklack umfasst. Das Verfahren umfasst dabei zumindest ein Beschichten des Ventilkopfes mit einer Grundierung, und einem anschließenden Beschichten der Grundierung mit mindestens einem Decklack. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, die bereits aufgebrachte Grundierung vor dem Aufbringen des Decklacks zu bearbeiten, um eine gewünschte Dicke der Grundierung oder eine gewünschte Oberflachenrauigkeit einer Oberfläche der Grundierung zu erreichen. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass der Decklack aufgebracht wird, bevor die Grundierung vollständig durch Trocken oder Ofentrocknen ausgehärtet ist.

Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird mindestens ein Ventilsitz des Ventils mit einer DLC-Beschichtung versehen. Der Ventilsitz ist der Teil des Ventilkopfes, der bei geschlossenem Ventil gegen den Ventilsitzring im Zylinderkopf anliegt und so den Brennraum gegenüber einem Einlasskanal oder einem Auslasskanal im Zylinderkopf abdichtet. Der Begriff „Ventilsitz" wird hier lediglich in Verbindung mit einer im Wesentlichen konischen Fläche an dem Ventilteller bzw. Ventilkopf verwendet, wenn auf die zugehörige Fläche an dem Zylinderkopf Bezug genommen wird, wird der Ausdruck „Ventilsitzring" verwendet.

Bei einer anderen beispielhaften Ausführung des Verfahrens umfasst dieses weiter ein Beschichten eines Ventilkopfes des Ventils mit der keramischen Hochtemperatur- Beschichtung mit Ausnahme des Ventilsitzes. Der Ventilsitz des Ventilkopfes kann vorher mit einer DLC-Schicht beschichtet worden sein, wobei es ebenfalls möglich ist, diese später auf einem unbeschichteten Teil eine DLC-Schicht aufzutragen. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, den Ventilkopf vollständig mit der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung zu beschichten und diese dann im Bereich des Ventilsitzes wieder zu entfernen. Auch bei dieser Ausführung ist es möglich, vorher im Bereich Ventilsitzes eine DLC-Schicht aufzubringen.

Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung kann als Isolationsschicht dienen, die einen Wärmeübertrag von dem Brennraum über die Tellerfläche und bei einem Auslassventil zusätzlich von Verbrennungsgasen über den Ventilkopf auf das Ventil verringern. Die Kühlleistung des Ventils über den Ventilschaft auf den gekühlten Zylinderkopf wird durch die keramische Hochtemperatur-Beschichtung nicht beeinflusst, da der Ventilschaft nicht mit der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung beschichtet wird. Durch einen geringeren Wärmeeintrag, und einen unveränderten Wärmeaustrag kann die Gesamttemperatur des Ventils im Betrieb gesenkt werden. Bei Ansaugventilen wird es ausreichen, lediglich die brennraumseitige Fläche des Ventiltellers zu beschichten, da die angesaugte Luft bzw. das angesaugte Gemisch eine geringe Temperatur aufweist, und somit die Rückseite des Ventils zum Kühlen des Ventilkopfes verwendet werden kann. Eine Beschichtung des Ventilkopfes auf der dem Brennraum abgewandten Seite würde hier lediglich zu einer Erhöhung der Ventütemperatur fuhren.

Gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung wird bei dem Verfahren die keramische Hochtemperatur-Beschichtung nur auf der Unterseite eines Ventiltellers aufgetragen. Dieses Verfahren ist insbesondere für Ansaugventile bzw. Einlass-Ventile eines Motors geeignet. Bei einer weiteren Ausführung wird lediglich der Ventilkopf, nicht jedoch die Unterseite eines Ventiltellers, mit der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung beschichtet. Der Abgaskanal kann eine höhere Temperatur aufweisen als der Verbrennungsraum, da dieser zumindest bei dem Ansaugtakt durch die einströmende Frischluft bzw. durch das einströmende Gemisch gekühlt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die keramische Hochtemperatur- Beschichtung ebenfalls auf dem Ventilschaft oder nur auf dem Ventilschaft aufgetragen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ein- oder Auslassventil bereitgestellt, das gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, wobei ein Ventilkopf des Ventils mit einer keramischen Hochtemperatur-Beschichtung beschichtet ist. Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung ist dabei auf eine vorbereitete Oberfläche am Ventilkopf aufgetragen, die eine bestimmte Rauigkeit aufweist. Die Oberfläche, die mit der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung beschichtet ist, wurde dabei durch S and-/Kugelstrahlen, ein Reinigen und/oder ein Anätzen bzw. Ätzen der zu beschichtenden Flächen vorbehandelt und weist daher eine besonders gute Adhäsion der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung auf dem Ventilkopf auf. Es ist dabei mindestens ein Teil des Ventilkopfes beschichtet. Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung des Ventils kann dabei eine Temperaturfestigkeit zwischen 950 und I 100°C, bevorzugt zwischen 970 C C und 1050°C, und weiter bevorzugt zwischen 990°C und 1020°C aufweisen. Bei einer Ausfuhrung des Ventils ist die keramische Hochtemperatur-Beschichtung eine luftgetrocknete keramische Hochtemperatur-Beschichtung. Dies gestattet eine einfache Trocknung ohne zusätzlichen Energieaufwand.

Bei einer anderen Ausführung des Ventils ist die keramische Hochtemperatur-Beschichtung eine ofengetrocknete keramische Hochtemperatur-Beschichtung. Eine ofengetrocknete keramische Hochtemperatur-Beschichtung kann eine höhere Festigkeit aufweisen, da der

Trocknungsvorgang besser gesteuert werden kann.

Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführung des Ventils weist die keramische Hochtemperatur-Beschichtung eine Dicke von ΙΟμπι bis 50μη , bevorzugt von 15μηι bis 40μπι, und weiter bevorzugt von 20μιτι bis 30μπι auf. Die relativ dünn gehaltene keramische Hochtemperatur-Beschichtung soll einerseits eine Isolationsschicht darstellen, um den Wärmeübertrag auf dem Metallkörper des Ventils zu verringern, die Isolationswirkung soll jedoch nicht so ausgeprägt sein, dass eine Oberflächentemperatur der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung im Betrieb eine Festigkeitstemperatur überschreiten kann, bei der die keramische Hochtemperatur-Beschichtung zerstört wird. Es soll lediglich der thermische Wiederstand erhöht werden, jedoch nicht soweit, dass die Oberfläche der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung durch eine zu starke Erhitzung durch die Verbrennungsgase zerstört werden kann.

Bei einer anderen beispielhaften Ausführung des Ventils ist die keramische Hochtemperatur- Beschichtung als eine Mehrschicht-Beschichtung ausgeführt, die mindestens eine Grundierung und mindestens einen Decklack um asst. Eine mehrlagige Beschichtung kann es gestatten, die Gesamteigenschaften der Beschichtung besser zu steuern. Die Grundierung kann als Haftvermittler dienen. Die Grundierung kann ebenfalls eine leicht niedrigere Festigkeitstemperatur aufweisen, da sie durch die darüber liegende keramische Hochtemperatur-Beschichtung geschützt ist und auf einer gekühlten Ventiloberfläche aufgebracht ist.

Bei einer weiteren beispielhaften Ausfuhrung des Ventils umfasst dieses weiter mindestens einen mit einer DLC- (diamond like carbon) Schicht beschichteten Ventilsitz. Bevorzugt ist die DLC-Schicht nicht mit der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung beschichtet.

Das Ventil ist bei einer weiteren Ausführungsforrn der vorliegenden Erfindung im Bereich des Ventilsitzes nicht mit der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung beschichtet und kann ebenfalls im Bereich des Ventilsitzes gepanzert, mit einer anderen Beschichtung oder mit einer Nitrierung versehen sein.

Bei einer anderen beispielhaften Ausfuhrungsform des Ventils wurde der gesamte Ventilkopf mit der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung beschichtet, wobei der Ventilkopf im Bereich des Ventilsitzes mit einer DLC-Schicht versehen war, und die keramische Hochtemperatur-Beschichtung wurde im Bereich des Ventilsitzes in einem nachfolgenden Arbeitsschritt entfernt.

Die Beschichtung ist sowohl eine Schutzschicht als auch eine thermische Isolation, die den Wärmeeintrag in das Ventil verringern soll. Durch den verringerten Wärmeeintrag bei gleichbleibenden Kühlbedingungen über den Ventilschaft kann die Gesamttemperatur des Ventils gegenüber einem unbeschichteten Ventil gesenkt werden

Bei einer Ausfuhrungsform des Ventils ist die keramische Hochtemperatur-Beschichtung nur auf der Unterseite eines Ventiltellers aufgetragen.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventils ist die keramische Hochtemperatur- Beschichtung nur auf der Rückseite des Ventiltellers aufgetragen.

Bei einer zusätzlichen Aus führungs form des Ventils ist die keramische Hochtemperatur- Beschichtung auf dem Ventilschaft oder nur auf dem Ventil schall aufgetragen. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Darstellungen beispielhafter Ausfuhrungsformen näher verdeutlicht. Die Figuren stellen lediglich schematische

Darstellungen dar.

Figur 1 stellt eine Teilschnittansicht eines herkömmlichen innengekühlten Ventils dar,

Figur 2 zeigt eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen innengekühlten Ventils mit einer keramischen Hochtemperatur-Beschichtung, die auf dem gesamten Ventilkopf angeordnet ist.

Figur 3 ist eine teilgeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils mit einer keramischen Hochtemperatur-Beschichtung, die auf der Ventiltellerfläche und einer Ventiltellerrückseite angeordnet ist.

Figur 4 stellt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils dar, wobei ein Ventilsitz mit einer DLC-Schicht versehen ist, und weiter eine keramische Hochtemperatur- Beschichtung auf der Ventiltellerfläche und der Ventiltellerrückseite angeordnet ist. Figur 5 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils, wobei eine keramische Hochtemperatur-Beschichtung auf der Ventiltellerfläche aufgebracht ist.

Figur 6 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils, wobei eine keramische Hochtemperatur-Beschichtung auf der Ventilteller-Rückseite aufgebracht ist.

Figur 7 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils, wobei eine keramische Hochtemperatur-Beschichtung ebenfalls auf dem Ventilschaft aufgebracht ist.

Sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente Bezug zu nehmen. Um unnötige Längen in der Beschreibung zu vermeiden, werden Elemente, die bereits in einer Figur beschrieben wurden, in weiteren Figuren nicht gesondert erwähnt

Figur I stellt eine Teilschnittansicht eines herkömmlichen innengekühlten Ventils 2 dar. Ein herkömmliches innengekühltes Ventil 2 umfasst einen Ventilschaft 8 und einen Ventilkopf 6. Der Ventilkopf 8 erstreckt sich dabei im Wesentlichen bis zum Ventilschaft 8, wobei ein Abschnitt von der Länge eines Ventilhubes zwischen dem Ventilschaft 8 und dem Ventilkopf vorgesehen sein kann. Der Ventilkopf 6 weist einen verjüngten Teil und den Ventilteller 10 auf. Der Ventilteller 10 umfasst die zu einem Brennraum gerichtete Ventiltellerfläche 16, den kegelstumpfmantelförmigen Ventilsitz 20 und die Ventilte! lerrückseite 18, die in einem Ansaugkanal bzw. einen Abgaskanal angeordnet ist. Das herkömmliche innengekühlte Ventil 2 weist keinerlei Beschichtungen auf. Innen ist das herkömmliche innengekühlte Ventil 2 mit einem Hohlraum versehen, in dem ein Kühlmittel 14, meist Natrium, angeordnet ist. Das Natrium transportiert Wärme von dem Ventilkopf 6 zu dem Ventilschaft 8, der in einem gekühlten Zylinderkopf eingelassen ist. Die Wärme des Natriums wird über den Ventilschaft 8 an den gekühlten Zylinderkopf abgegeben. Da sich das Natrium bzw. das Kühlmittel auf- und abbewegt, spricht man hier von einer„Shaker- Kühlung". Der Ventilschaft 8 endet in einem Ventilschaftende 32, an dem das Ventil über Keilstücke gehalten wird. Hochtemperaturbelastete Ventilteile, insbesondere die Ventiltellerfläche 16 und die Ventilteller-Rückseite 18, werden aus austenitischen Werkstoffen oder aus Werkstoffen auf Basis von Nickel hergestellt. Bisher war es üblich, die Schäfte von hochbelasteten Ventilen durch Nitrieren oder Hartverchromen zu schützen. Inzwischen ist jedoch absehbar, dass Hartverchromen nicht mehr verwendet werden darf, da Chrom (VI), welches beim Hartverchromen prozessbedingt entsteht, ein Gefahrenstoff ist.

Figur 2 zeigt eine Teilschnitt ansieht eines erfindungsgemäßen innengekühlten Ventils 4 mit einer keramischen Hochtemperatur-Beschichtung 22, die auf dem gesamten Ventilkopf 6 angeordnet ist. Im Gegensatz zu dem Ventil der Figur 1 ist der Ventilkopf 6 insbesondere auf der Ventiltellerfläche 16, dem Ventilsitz 20 sowie der Ventilteller-Rückseite 18 mit einer keramischen Hochtemperatur-Beschichtung 22 beschichtet. Die keramische Hochtemperatur- Beschichtung 22 erreicht eine Verbesserung der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit der Ventile auf der Ventilteller fache 16 sowie der Ventilteller-Rückseite 18 im sogenannten Hohlkehlenbereich. Die Beschichtung kann die tribologischen Eigenschaften (Reibung und Verschleiß) sowie den Korrosionsschutz im Schaftbereich von Ventilen verbessern. Die Verwendung der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung 22 kann eine Alternative zum Hart verchromen von Ventilen im Schaftbereich dienen.

Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung 22 kann eine Cerakote Ceramic Beschichtung der Firma PBN (Pulverbeschichtung Nord GmbH) sein, welche eine Temperaturstabilität von 650°C, bis hin zu 1.100°C ermöglicht. Cerakote Ceramic Coatings sind temperaturstabil bis Über 1.100°C und zeichnen sich durch eine harte und abriebfeste Oberfläche aus. Diese Beschichtungen ermöglichen eine Temperaturstabi Ii tat bis über 1.100°C, einen hervorragenden Korrosionsschutz sowie eine ausgezeichnete thermische Isolierung. Diese Beschichtung kann ebenfalls an dem Ventilkopf 6 sowie dem Ventilschaft 8 angewendet werden.

Keramikbasierte Hochtemperaturl acke als flüssiges Beschichtungsmaterial können auf einfache Weise eine thermische Sperrschicht bzw. Isolation und einen Korrosionsschutz erzeugen. Der Lack kann nach einer Vorbehandlung der zu beschichtenden Ventile durch Strahlen, Reinigen oder Anätzen, beispielsweise durch eine Farbspritzpistole, aufgetragen werden. Es ist ebenfalls möglich, die Ventile in einen Lack einzutauchen. Die Schichtstärke soll zwischen 10 und 50μηι betragen. Der Lack kann in einem Ofen bei Temperaturen unter 200°C getrocknet bzw. eingebrannt werden oder in bis zu 5 Tagen an Luft trocknen. Durch die Beschichtung kann es möglich werden, anstelle von teuren Substratwerkstoffen (z.B. auf Nickel-Basis) preisgünstige Materialien für den Ventükörper zu verwenden.

Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung 22 weist eine sehr hohe Abriebfestigkeit auf, wobei sich ablösende Partikel eine Größe im Mikrometerbereich aufweisen, sodass keinerlei Beschädigungen von Turboladern durch abgelöste Partikel erwartet werden müssen. Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung 22 weist eine sehr hohe Härte und damit eine sehr hohe Kratzfestigkeit auf. Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung 22 ist chemikalienbeständig und kann eine sehr hohe Oberflächenqualität erreichen. Es sind zum Auftrag der Beschichtung keine komplexen Beschichtungsanlagen erforderlich.

Figur 3 äst eine teilgeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils 4 mit einer keramischen Hochtemperatur-Beschichtung 22, die auf der Ventiltellerfläche 16 und einer Ventiltellerrückseite 18 angeordnet ist. Figur 3 zeigt ein Ventil 4, bei dem der Schaft als Vollschaft 34 ausgeführt ist. Es ist bei allen Ausführungen ebenfalls möglich, anstelle von innengekühlten Ventilen Ventile mit einem Vollschaft 34 zu verwenden, wobei der Vollschaft hier nur gewählt wurde, um die Beschichtung deutlicher hervorzuheben. Die keramische Hochtemperatur-Beschichtung 22 ist bei Figur 3 sowohl auf der Ventiltellerfläche 16 als auch auf der Ventiiteller-Rückseite 18 aufgetragen. Der Bereich des Ventilsitzes 20 wurde nicht beschichtet, da die Festigkeit der keramischen Hochtemperatur- Beschichtung 22 gerade der starken Wechselbelastung am Ventilsitz 20 nicht gewachsen sein könnte. Der Ventilsitz 20 kann wie im Falle herkömmlicher Ventile gepanzert ausgeführt sein.

Figur 4 stellt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils 4 dar, wobei ein Ventilsitz 20 mit einer DLC-Schicht 30 versehen ist und weiter eine keramische Hochtemperatur- Beschichtung 22 auf der Ventiltellerfläche und der Ventiltellerrückseite angeordnet ist. DLC steht für Diamond Like Carbon, einer Beschichtung mit einigen Eigenschaften von Diamant. Hier ist nur der Ventilsitz 20 mit der DLC-Schicht versehen. Diese Ausführung kann den höheren Belastungen, insbesondere den Belastungen des Ventilsitzes, länger standhalten.

Figur 5 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils 4, wobei eine keramische Hochtemperatur-Beschichtung 22 nur auf der Ventiltellerfläche 16 aufgebracht ist. Ein derartiges Ventil eignet sich insbesondere für Einlassventile da die thermische Belastung an der Ventilteller-Rückseite 18 viel geringer ist als im Falle der Abgas- bzw. Auslassventile.

Figur 6 zeigt eine Teilschnittansicht eines innengekühlten Ventils 5, wobei eine keramische Hochtemperatur-Beschichtung 22 auf der Ventilteller-Rückseite 18 aufgebracht ist. Hier wird davon ausgegangen, dass die thermische Belastung der Ventilteller-Rückseite höher ist als die der Ventillellerfläche 16, da die Ventiltellerfläche 16 zumindest beim Ansaugtakt durch ein einströmendes Gemisch gekühlt wird, während der Abgaskanal immer nur mit den heißen Verbrennungsgasen in Kontakt steht. Figur 7 zeigt eine Teilschnittansicht des innengekühlten Ventils 4 von Figur 4, wobei eine keramische Hochtemperatur-Beschichtung 22 ebenfalls auf dem Ventilschaft aufgebracht ist. Es ist ebenfalls möglich, nur den Ventilschaft 8 mit der keramischen Hochtemperatur- Beschichtung 22 zu versehen. In diesem Fall dient die keramische Hochtemperatur- Beschichtung 22 hauptsächlich dazu, den Abrieb gegenüber den Ventilführungen zu verringern, was insbesondere bei Motoren mit geringer Leistung möglich ist. Der Nachteil der Isolationswirkung der keramischen Hochtemperatur-Beschichtung 22 am Schaft fällt jedoch nicht so besonders aus, da der geringe Durchmesser des Ventilschafts 8 im Vergleich zu dem relativ geringen zu kühlenden Volumen ein hervorragendes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ergibt, was insgesamt trotz einer Isolationsschicht nur eine geringe Verschlechterung der Kühlung erwarten lässt.

Es ist vorgesehen, auch Kombinationen von einzelnen Beschichtungsarten als offenbart anzusehen, insbesondere alle Kombinationen der Beschichtungen der Figuren 5, 6 und 7, sowie alle möglichen Kombinationen der Beschichtungen der Figuren 5, 6 und 7 mit der DLC-Schicht an dem Ventilsitz gemäß Figur 4. Diese Ausführungen wurden lediglich weggelassen, um die Beschreibung nicht durch redundante Kombinationen von einzelnen Beschichtungstypen zu Überfrachten. Es soll ebenfalls bemerkt werden, dass für die Tei lbeschichtungen der Figuren 5, 6 und 7 jeweils andere B eschi chtungswerkstoffe bzw. unterschiedliche keramische Hochtempcratur-Beschichtungen verwendet werden können.

Bezugszeichenliste

2 innengekühltes Ventil gemäß des Standes der Technik

4 erfindungsgemäßes Ein- oder Auslassventil

6 Ventilkopf

8 Ventilschaft

10 Ventilteller

12 Hohlraum

14 Kühlmittel

16 Ventiltellerfläche

18 Ventilteller-Rückseite

20 Ventilsitz

22 keramische Hochtemperatur-Beschichtung.

24 Mehrschicht-Beschichtung

26 Grundierung

28 Decklack

30 DLC-Beschichtung

32 Schaftende

34 Vollschaft