内燃机的阀动装置 |
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| 申请号 | CN200680042120.1 | 申请日 | 2006-11-03 | 公开(公告)号 | CN101305164B | 公开(公告)日 | 2011-02-09 |
| 申请人 | 谢夫勒科技有限两合公司; | 发明人 | 奥利弗·施内尔; 蒂姆·马蒂亚斯·赫泽费尔德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 内燃机 的 阀 动装置，具有气体交换阀(11)和阀 门 操纵件(4)，该阀门操纵件具有对于在由阀门操纵件(4)在打开和闭合方向上操纵的气体交换阀(11)的阀杆(10)上的端面(9)的 接触 面(8)。在此方面，接触面(8)和/或端面(9)具有抗磨层(12)，该抗磨层由含有sp2-和sp3-杂化 碳 的至少一种不含金属的 无定形碳 氢化合物层组成。 | ||||||
| 权利要求 | 1.内燃机的阀动装置，具有气体交换阀(11)和阀门操纵件(4)，该阀门操纵件具有对于在气体交换阀(11)阀杆(10)上的端面(9)的接触面(8)，该气体交换阀由阀门操纵件(4)在打开和闭合方向上操纵，其特征在于，所述接触面(8)和/或所述端面(9)具有抗磨 |
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| 说明书全文 | 内燃机的阀动装置技术领域背景技术[0002] 在取决于阀动装置结构的情况下，阀门操纵件的接触面与阀杆端面之间下面称为阀杆接触的接触承受机械高负荷，这种负荷既会导致一个或者两个接触搭档的表面上提前磨损，也会明显增加不希望的阀动装置摩擦。因此在杠杆式阀动装置中，造成旋转运动的阀门操纵件的接触面在线性运动的阀杆端面上滑移运动。但在此方面，尽管滑移速度很高，但由于其逆向而妨碍在阀杆接触中构成连续的弹性液力润滑膜。这一点在与高接触压力的结合下，既导致很高的滑动摩擦，其产生阀动装置对内燃机油耗来说重要的损耗功率的一大部分，也导致接触搭档表面提前磨损的危险，特别是在润滑膜受到润滑油中产生磨损作用的颗粒污染的情况下。 [0003] 这种观察也针对推杆式阀动装置，其阀门操纵件线性并总体上与气体交换阀平行运动。虽然在这种情况下阀杆接触中不会由于阀门操纵件在阀杆端面上的接触面侧向偏移而出现值得一提的滑移速度，但通过气体交换阀或者阀门操纵件在阀杆接触中旋转产生的微量运动，会导致阀动装置摩擦或者表面磨损方面类似不希望的后果。 [0004] 作为用于防止阀杆接触磨损的常见措施，一方面将阀杆末端感应淬火和另一方面进行热处理，需要时随后进行渗氮，以提高阀门操纵件的表面硬度。在非常高的接触压力情况下，公知在阀杆上焊接硬金属的小片或者可淬火的气门材料。然而，特别是在阀杆接触通过高滑移速度和接触压力以及被污染的润滑油的综合负荷时，这些措施在其有效性上不够，或者在焊接小片的情况下导致不希望的高制造成本。尚未公开除了始终足够的防磨损外，还使阀杆接触中通过摩擦产生的损耗功率得到明显降低的措施。 发明内容[0005] 本发明的目的因此在于，避免所介绍的这些缺点并因此提供一种在阀门操纵件与气体交换阀之间的耐磨损且同时低摩擦的阀杆接触。 [0006] 该目的依据本发明由此得以实现，即，接触面和/或端面具有抗磨层，该层由含有2- 3- sp 和sp 杂化碳的至少一种不含金属的无定形碳氢化合物层组成。采用无定形碳氢化合物层涂层的接触搭档除了突出的耐磨损性外，其特征还在于降低摩擦系数。由此一方面还可以更好地满足对阀动装置的使用寿命进一步提高的要求，而另一方面进一步有助于降低内燃机的油耗。第一个标准在很大程度上对柴油内燃机具有重要意义，在这种内燃机上，借助微尘滤清器的废气再处理提高了废气调节压力并因此提高了润滑油被产生磨损作用的炭黑颗粒的污染。 [0007] 在本发明的进一步构成中，阀门操纵件作为由凸轮至少间接加载的阀门摇臂构成，其中，接触面分布在与阀门摇臂材料连接的端段上。专业人员公知作为具有中心支点的气门摇杆可由凸轮间接加载的阀门摇臂，该阀门摇臂在其第一端段上由推杆或者阀门挺杆加载并利用其在第二末端上构成的接触面操纵气体交换阀的阀杆上的端面。作为可由凸轮直接加载的气门摇杆的例子，首先是具有端面回转轴承和中心凸轮作用面的气门摇杆和摆动杆，但也有具有端面凸轮作用面和中心回转轴承的气门摇杆。作为回转轴承大多使用支承件，其根据气门摇杆的类型或者直立或者悬挂支承在内燃机的气缸盖上，或者使用设置在气缸盖纵向上的回转轴。 [0008] 作为选择，阀门操纵件作为与气体交换阀在其打开和闭合位置上共同运动的液压阀门间隙补偿件构成。在此方面，阀门间隙补偿件与外壳、可纵向移动支承在外壳内和限制压力室的平衡活塞、止回阀以及复位弹簧构成安装单元，该单元特别是用于容纳在杯形挺杆内，其中，接触面分布在外壳的端面上。这种阀门间隙补偿件作为用于采用液压间隙补偿直接操纵杯形挺杆式阀动装置、分开制造的功能和安装单元公知，并可以在阀门挺杆上组件式使用不同直径或者不同造型的凸轮作用面。 [0009] 在液压阀门间隙补偿件作为用于容纳在摆动杆或者气门摇杆内的安装单元情况下，需要附加包括保持在外壳上的铰接座，接触面分布在其端面上。这种铰接座对专业人员来说作为易于转换的措施公知，接触压力在杠杆式阀动装置上也随着阀门间隙补偿件偏移到阀杆侧面端面上的接触面而降低。 [0010] 也可以选择阀动装置采用机械阀门间隙调整，方法是阀门操纵件作为整体制造的杯形挺杆具有可纵向移动支承在内燃机的导向件上和一端上过渡到底部内的空心圆柱体壁构成。由凸轮外部加载的底部内部具有与所要调整的阀门间隙相应规定高度的靠近气体交换阀的凸起部，其中，接触面分布在凸起部的端面上。 [0011] 但在采用机械阀门间隙调整的杯形挺杆式阀动装置情况下，阀门操纵件也可以构成为下置调整盘，其具有与所要调整的阀门间隙相应地规定的厚度和端侧接触面，其中，杯形挺杆的底部在外部由凸轮或者间接通过起动盘加载或者直接加载且在内部紧贴在调整盘上。 [0012] 本发明此外包括一种采用借助调整盖的机械阀门间隙调整的阀动装置。该调整盖利用空心圆柱体和一端上以与所要调整的阀门间隙相应规定的厚度过渡到底部内的壁环绕阀杆，其中，阀杆上的端面分布在底部的外面上。 [0013] 此外，阀门操纵件也可以作为由凸轮加载采用机械阀门间隙调整的阀门摇臂构成，其中，接触面分布在旋入阀门摇臂内的调整螺栓的端面上。这种调整螺栓对专业人员来说公知，其作为特别是在气门摇杆和摆动杆上，但还有阀门摇臂上阀门间隙无级调整的低成本和重量轻的解决方案。 [0014] 依据本发明一种优选的进一步构成，无定形碳氢化合物层具有最大16原子％的氢含量和低于1原子％的过程造成的杂质，例如以O或者Ar原子、金属等形式。由此，提供了抗磨层的表面(或者可以是阀门操纵件的接触面或者可以是阀杆上的端面)在对磨粒磨损高耐抗性的情况下，相对于其金属表面的接触搭档具有较小的附着倾向。同时这种碳氢化合物层的特征在于高化学耐抗性、高机械强度和高硬度/E模数比。更高的碳比例会导致与润滑剂或者这类物质的不希望的结合。 [0015] 无定形碳氢化合物层具有约0.8μm-2.5μm的厚度。在此方面依据另一种优选构成，无定形碳氢化合物层的下半部具有至少一个增附层和/或至少一个中间层。增附层依据目的由金属材料、过渡金属的硼化物、碳化物和/或氮化物组成并具有约0.1μm-0.5μm的厚度。中间层最好作为含金属的碳氢化合物层构成，其金属成分由W、Ti、Hf、Ge或者上述成分的组合组成并具有约0.5μm-2.0μm的厚度。 [0017] 现借助不同结构的阀动装置多种阀门操纵件的附图举例对本发明进行说明。其中： [0018] 图1示出阀门摇臂式阀动装置的横截面； [0019] 图2示出推杆式阀动装置的气门摇杆透视图； [0020] 图3示出液压阀门间隙补偿件的剖面透视图； [0021] 图4示出图3的杯形挺杆及阀门间隙补偿件； [0022] 图5示出液压阀门间隙补偿件及铰接座的剖面透视图； [0023] 图6示出凸轮操纵的气门摇杆及图5阀门间隙补偿件的部分剖面透视图； [0024] 图7示出双摆动杆及图5阀门间隙补偿件的透视图； [0025] 图8示出采用机械阀门间隙调整和整体制造的杯形挺杆的杯形挺杆式阀动装置横截面； [0026] 图9示出采用机械阀门间隙调整和下置调整盘的杯形挺杆式阀动装置； [0027] 图10示出气体交换阀及用于机械阀门间隙调整的调整盖纵剖面； [0028] 图11示出气门摇杆及用于机械阀门间隙调整的调整螺栓纵剖面；以及[0029] 图12示出依据本发明的抗磨层的放大图。 具体实施方式[0030] 附图中相同的附图标记表示相同的或者功能相同的部件，就此而言不提供任何对应部分。 [0031] 图1示出内燃机的一个作为杠杆式阀动装置构成的阀动装置1a，具有由凸轮2操纵且作为气门摇杆3a构成的阀门操纵件4，其一端支承在支承件6上，该支承件静止支承在内燃机气缸盖5内且随同液压阀门间隙补偿而回转运动。在与支承件6相对并与气门摇杆3a材料连接的端段7上，分布对于在气体交换阀11阀杆10上的端面9的接触面8。从接触面8传递到端面9上用于在其打开和闭合方向上操纵气体交换阀11的力，特别是在内燃机的高转速情况下，导致阀杆接触中的高机械压力。这种压力在这里所示的杠杆式阀动装置1a的情况下，由接触面8在端面9上的往复滑移运动而叠加。因为这种滑移运动的换向阻止阀杆接触中连续流体弹性动力润滑膜的构成，所以随着接触力的增加，加大了接触面8与端面9这个接触搭档的不允许的较高附着和/或磨粒磨损的危险。 [0032] 为避免这种随着润滑油中磨损作用的颗粒比例上升而进一步加大的危险，涂覆抗磨层12。这种下面还要详细介绍的抗磨层12可以涂覆在阀门操纵件4的接触面8上或者阀杆10的端面9上，或者也可以涂覆在两个接触搭档上。但从制造和成本方面考虑，完全可以仅在一个接触搭档上，如图1虚线所示，仅在气门摇杆3a的接触面8上具有抗磨层12。 [0033] 图1中的气门摇杆3a作为阀门摇臂13构成，而图2示出气门摇杆3a，其形式为滚动支承的摇臂14a，正如从具有下置凸轮轴的推杆式阀动装置中所公知的那样。摇臂14a也具有与其材料连接的端段7，上面分布具有采用小点所示的抗磨层12的接触面8。 [0034] 在图3中，阀门操纵件4作为随同气体交换阀11在其打开和闭合方向上共同运动的液压阀门间隙补偿件15a构成。也如从图4所看到的那样，这种阀门间隙补偿件15a作为安装和功能单元特别是用于容纳在杯形挺杆16内并基本上包括外壳17a、纵向移动支承在外壳17a内且限制压力室18的平衡活塞19、止回阀20以及复位弹簧21。在这种情况下，具有抗磨层12的接触面8分布在外壳17a的端面22上。抗磨层12在图3中虚线和在图4中以小点示出。 [0035] 图5中所示的液压阀门间隙补偿件15b与图3的主要区别在于，其利用保持在外壳17b上的附加铰接座23形成功能和安装单元，该单元通常在具有液压随动的阀门间隙补偿件的气门摇杆上使用。这种气门摇杆3b的典型实施例是依据图6轴支承的摇臂14b以及轴支承的摆动杆24，其在图7中作为用于同时操纵两个气体交换阀11的双摆动杆构成。在具有铰接座23的阀门间隙补偿件15b情况下，具有在图5-7中分别采用虚线示出的抗磨层12的接触面8分布在铰接座23的端面22上。 [0036] 图8示出采用机械阀门间隙调整的阀动装置1b，其中阀门操纵件4作为整体制造的杯形挺杆25a构成，具有纵向移动支承在内燃机导向件26上且在一端过渡到底部27a内的空心圆柱体壁28。由凸轮2外部加载的底部27a在内部具有靠近气体交换阀11的凸起部29，通过其高度30调整阀门间隙。在此方面，具有虚线所示抗磨层12的接触面8分布在凸起部29的端面22上。 [0037] 与此相比，依据图9的阀动装置1c的阀门间隙通过具有规定厚度32的调整盘31调整。该调整盘31设置在杯形挺杆25b的底部27b与阀杆10上的端面9之间，其中，以虚线示出的抗磨层12的接触面8分布在调整盘31靠近端面9的端面22上。但为避免定向安装调整盘31，在这种情况下，调整盘31的两个端面可以具有抗磨层12。 [0038] 在依据图10的另一实施例中具有调整盖33，其利用空心圆柱体且一端过渡到具有规定厚度底部34内的壁35而搭接阀杆10。在这种情况下，底部34具有虚线所示抗磨层12的外面36被确定为阀杆10上的端面9。 [0039] 与图8-10中所示采用分级机械阀门间隙调整的实施例相比，图11示出阀门侧旋入气门摇杆3c内用于无级机械阀门间隙调整的调整螺栓37。这种阀门间隙调整最好在摇臂和阀门摇臂上使用，其中，具有小点所示抗磨层12的接触面8分布在调整螺栓37凸面构成的端面22上。 [0040] 涂覆在阀门操纵件4端面8或者阀杆10端面9上的抗磨层12最后由图12以放大图示出。在此方面依据目的，在接触面8或者端面9上首先沉积由铬组成的增附层38。这一点借助PVD方法(PhysicalVapour Deposition)进行，其中，过程造成的杂质(例如由于O或者Ar原子、金属或者这类物质)的允许公差最高为1原子％。增附层38具有 0.1μm-0.5μm的厚度并用于提高中间层39和抗磨层12与接触面8或者端面9的结合。 [0041] 中间层39同样借助PVD方法沉积在增附层38上并作为最大20％的W和最大20％的H的含金属碳氢化合物层(Me-C：H)构成。中间层39的厚度约为0.5μm-2.0μm并用于提高抗磨层12在增附层38上的结合。抗磨层12作为无定形碳氢化合物层(a-C：H)构成并最好借助PVD和/或(PA)CVD方法(Plasma Assisted Chemical VapourDeposition)沉积在中间层39上。 [0042] 由增附层38、中间层39和抗磨层12构成的总体层具有约1.0μm-5.0μm的层厚度。通过这种层厚度小程度地改变涂层部件的尺寸，从而无需再加工并含有调整的表面结构或涂层表面的形貌。无定形碳氢化合物层同样少地需要事后的热处理。在此方面，抗磨层12的低摩擦系数明显降低了阀杆接触中所产生的摩擦功率。 [0043] 附图标记 [0044] 1a、b、c 阀动装置 [0045] 2凸轮 [0046] 3a、b、c 气门摇杆 [0047] 4 阀门操纵件 [0048] 5 气缸盖 [0049] 6 支承件 [0050] 7 端段 [0051] 8 接触面 [0052] 9 端面 [0053] 10 阀杆 [0054] 11 气体交换阀 [0055] 12 抗磨层 [0056] 13 阀门摇臂 [0057] 14a、b 摇臂 [0058] 15a、b 液压阀门间隙补偿件 [0059] 16 杯形挺杆 [0060] 17a、b 外壳 [0061] 18 压力室 [0062] 19 平衡活塞 [0063] 20 止回阀 [0064] 21 复位弹簧 [0065] 22 端面 [0066] 23 铰接座 [0067] 24 摆动杆 [0068] 25a、b 杯形挺杆 [0069] 26 导向件 [0070] 27a、b 底部 [0071] 28 壁 [0072] 29 凸起部 [0073] 30 高度 [0074] 31 调整盘 [0075] 32 厚度 [0076] 33 调整盖 [0077] 34 底部 [0078] 35 壁 [0079] 36 外面 [0080] 37 调整螺栓 [0081] 38 增附层 [0082] 39 中间层 |
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