DE10361976B4

DE10361976B4 - Brennkraftmaschine mit Einlassventilanordnung

Info

Publication number: DE10361976B4
Application number: DE2003161976
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Suck Gerrit; Dipl.-Ing. Söhlke Günter; Dipl.-Ing. Strich Reinhard; Dipl.-Ing. Schille Volker; Dipl.-Ing. Fladung Oliver; Dipl.-Ing. Quandt Hans-Jürgen; Dipl.-Ing. Groeer Hans Günter; Dipl.-Ing. Stiebels Bernd; Dipl.-Ing. Walkling Friedhelm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2023-11-22
Also published as: DE10361976A1

Abstract

Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit Einlaßventilen (10) und mit einer Einspritzvorrichtung für Kraftstoff, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß diese den Kraftstoff direkt in einen Brennraum von Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine einspritzt, wobei für jedes Einlaßventil (10) in einem Zylinderkopf (18) der Brennkraftmaschine eine Ventilführung (16) vorgesehen ist, welche einen Ventilschaft (14) des Einlaßventiles (10) führt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Ventilführungen (16) einen Hohlraum (32) aufweist, welcher derart angeordnet und ausgebildet ist, daß dieser Hohlraum (32) eine Wärmeleitung durch die Ventilführung (16) reduziert, wobei wenigstens ein Hohlraum (32) im Bereich einer Anlagefläche der Ventilführung (16) am Ventilschaft (14) ausgebildet ist und nur zum Ventilschaft (14) hin eine Öffnung aufweist und im zusammen gebauten Zustand von dem Ventilschaft (14) im Wesentlichen verschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit Einlaßventilen und mit einer Einspritzvorrichtung für Kraftstoff, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese den Kraftstoff direkt in einen Brennraum von Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine einspritzt, wobei für jedes Einlaßventil in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eine Ventilführung vorgesehen ist, welche einen Ventilschaft des Einlaßventiles führt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Benzinmotoren mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, d. h. nicht in den Ansaugtrakt, leiden besonders an dem Problem der Bauteilverkokung. Eine Verkokung tritt besonders an der Ventilkehlung von Einlaßventilen auf. Eine genauere Analyse, wie es zu dieser Verkokung kommt gibt folgendes Ergebnis: Zuerst bilden Öl- und Kraftstoffkomponenten einen klebrigen Belag auf den Bauteilen. Dabei handelt es sich vorrangig um langkettige und verzweigte Kohlenwasserstoffe, d. h. die schwer flüchtigen Komponenten von Öl und Kraftstoff. Aromaten kleben hierbei besonders gut. Dieser klebrige Grundbelag dient als Grundlage für die Anlagerung von Rußpartikeln. Dadurch entsteht eine poröse Oberfläche, in die sich wiederum Öl- und Kraftstoffkomponenten einlagern. Dieser Vorgang stellt einen Kreisprozeß dar, durch den die Schichtdicke der Verkokung ständig zunimmt. Vor allem im Bereich der Einlaßventile stammen die Ablagerungen aus Blow-By-Gasen sowie innerer und externer Abgasrückführung, wobei die Blow-By-Gase sowie das zurückgeführte Abgas mit dem Einlaßventil direkt in Berührung kommt.
Insbesondere im Bereich der Ventilkehlung der Einlaßventile ist eine übermäßige Verkokung aus folgenden Gründen äußerst negativ: Bei Otto-Direkteinspritzern ist die erfolgreiche Entflammung der geschichteten Ladung erheblich von einer korrekten Ausbildung der Zylinderinnenströmung abhängig, die für einen sicheren Transport des eingespritzten Kraftstoffes zur Zündkerze sorgt, um dort eine sichere Entflammung zu gewährleisten. Ein Verkokungsbelag des Einlaßventils im Bereich der Ventilkehlung kann jedoch die Tumbleströmung ggf. so stark stören, dass es als Folge davon zu Zündaussetzern kommt. Diese können jedoch u. U. zu einer irreversiblen Schädigung eines im Abgastrakt angeordneten Katalysators zur Abgasreinigung führen. Ferner bildet der Verkokungsbelag des Einlaßventils im Bereich der Ventilkehlung einen Strömungswiderstand aus, der besonders im oberen Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zu erheblichen Leistungsverlusten aufgrund unzureichender Zylinderfüllung führen kann. Desweiteren verhindert der Verkokungsbelag des Einlaßventils im Bereich der Ventilkehlung ggf. einen korrekten Ventilschluß, so dass es zu Kompressionsverlusten und damit sporadischen Zündaussetzern kommt. Wiederum könnte dadurch der Katalysator irreversibel geschädigt werden. Von dem Verkokungsbelag des Einlaßventils im Bereich der Ventilkehlung können sich ggf. kleine Partikel lösen und in den Katalysator gelangen. Dort sind diese heißen Partikel ggf. Ursache für Sekundärreaktionen mit entsprechender lokaler Schädigung des Katalysators. Beispielsweise brennt sich ein Loch in die Katalysatorstruktur.
Insbesondere am Ventilschaft stromab eines Trennbleches im Einlaßkanal zeigen sich kugelförmige Ablagerungen. Durch das Abtropfen von schwersiedenden Kohlenwasserstoffen von dem Trennblech gegen den Ventilhals bzw. Ventilschaft bauen sich dort mit der Zeit kugelförmige Verkokungen nach dem zuvor erläuterten Ablauf auf. Diese Ablagerungen am Ventilschaft können durch unerwünschte Verwirbelungen und turbulente Strömungen um die kugelige Verkokung Strömungsdefizite zur Folge haben. Eine Ausbildung der stabilen Tumbleströmung von Zyklus zu Zyklus ist dadurch ggf. nachhaltig gestört.
Eine naheliegende Lösung wäre, diese Quellen für Ablagerungen beispielsweise vom Einlaßventil dadurch fern zu halten dass man auf die Einleitung von Blow-By-Gasen in den Ansaugtrakt sowie auf eine Abgasrückführung ganz verzichtet. Jedoch ist bei den Brennverfahren von modernen Hubkolbenbrennkraftmaschinen aus Emissions- und Verbrauchsgründen zumindest eine externe Abgasrückführung sowie das Einleiten von Blow-By-Gasen in den Ansaugtrakt zwingend erforderlich, so dass dieser Ansatz nicht möglich ist.
Aus der US 4 809 662 ist es bekannt, einen Zündzeitpunkt soweit vor zu verstellen, dass sich eine erhöhte Temperatur im Brennraum ergibt, so dass dieser von Ablagerungen gereinigt wird.
Die EP 0 785 350 A2 beschreibt eine Kühlmaßnahme für eine Austrittsöffnung einer Kraftstoffeinspritzung, um Ablagerungen an der Einspritzöffnung zu verhindern. In ähnlicher Weise ist es aus der DE 197 47 268 A1 bekannt, durch Einspritzen von Zusatzflüssigkeit einen Düsenkörper der Einspritzdüse zu kühlen, was einer Verkokung der Düsenbohrung entgegen wirken soll.
Um Ablagerungen an der Einspritzdüse zu verhindern ist es aus der EP 0 798 560 A1 bekannt, auf einer Düsenhalteroberfläche etwas Kraftstoff zu halten.
Mit einer Verhinderung der Verkokung der Zündkerze beschäftigt sich die DE 197 4 119 A1 . Hierzu wird von einem Steuergerät die Einspritzung von Kraftstoff vor der Entzündung desselben beendet. Dies soll die Verkokung der Zündkerze insbesondere beim Starten der Brennkraftmaschine vermeiden. In der DE 199 11 023 A1 wird zur Vermeidung der Verkokung der Zündkerze der Kraftstoff derart kegelförmig eingespritzt, dass eine Benetzung der Zündkerze mit Kraftstoff vermieden ist. Die US 5 913 302 beschreibt eine Reinigungsstrategie für eine Zündkerze einer Zweitakt-Brennkraftmaschine. Hierzu wird eine Zünddauer kurzfristig verlängert, wodurch Kohlenstoffablagerungen an der Zündkerze abgebaut werden.
Die US 4 703 734 beschreibt eine Ventilüberschneidung und ein sequentielles Öffnen von Einlaßventilen für den Betrieb bei niedrigen Drehzahlen sowie für den Betrieb bei hohen Drehzahlen, um die Ausbildung von Kohlenstoffablagerungen zu verhindern.
Aus der DE 31 33 223 A1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem Brennraum- sowie Ansaugrohrwandungen, welche in Kontakt mit dem zu zündenden Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. Verbrennungsgasen kommen, mit einem derartigen Material beschichtet sind, dass sich an diesen beschichteten Wandungen im Betrieb der Brennkraftmaschine derart hohe Temperaturen einstellen, dass eine Bildung von Ablagerung verhindert ist. Gleichzeitig ist jedoch die Wärmekapazität derart niedrig gehalten, dass die beschichtete Wandung eine Temperatur von während der Ansaug- und Kompressionstakte ankommendem Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht wesentlich erhöhen.
Aus der EP 0 048 333 A1 ist es bekannt, ein Einlaßventil mit einem Schild im Bereich der Ventilkehlung zu versehen, um durch niedrige Oberflächentemperatur einer Verkokung entgegen zu wirken.
Aus der DE 199 45 813 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei bei Erkennen von Ablagerungen im Brennraum gezielte Maßnahmen zur Reinigung des Brennraums eingeleitet werden. Es wird beispielsweise eine klopfende Verbrennung herbeigeführt und/oder der angesaugten Verbrennungsluft eine Reinigungsflüssigkeit zugesetzt.
Aus der DE 101 17 527 A1 ist es bekannt, Einlassventile und Ventilführung mit die Wärmeleitung behindernden Maßnahmen auszubilden. Hierfür ist beispielsweise ein Sitzring für ein Einlassventil mit einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. Dies dient dem Zweck, einen Wärmeabgang im Bereich der Sitzfläche zu reduzieren und eine Temperatur des Einlassventils zu erhöhen. Dadurch sollen Temperaturen von über 380°C erreicht werden, bei denen Verkokungsablagerungen abgebaut werden. Der Sitzring weist am Umfang Ausnehmungen auf, welche abschnittsweise eine Kontaktfläche zwischen dem Sitzring und dem Zylinderkopf reduzieren. Die sich so ergebende, reduzierte Kontaktfläche zwischen dem Sitzring und dem Zylinderkopf führt zu einem entsprechend reduzierten Wärmeübergang vom Sitzring zum Zylinderkopf, so dass das diesem Sitzring zugeordnete Einlassventil eine höhere Wärmemenge enthält und damit eine höhere Temperatur aufweist, als ein Einlassventil mit herkömmlichem Sitzring ohne Ausnehmungen. Weitere Maßnahme sind zur Behinderung der Wärmeableitung betreffen: einen Sitzring aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, Einlassventile aus einem Werkstoff mit hoher Wärmekapazität, ein Einlassventil mit einem zum Brennraum hin offenen Hohlkopf mit minimierter Wandstärke und eine wärmeisolierende Schicht im Bereich der Kehlung des Einlassventils. Es wird jedoch keine konkrete Maßnahme an der Ventilschaftführung genannt. Statt dessen lehrt die Druckschrift DE 36 15 018 C1 , dass eine Wärmeisolierung im Bereich der Ventilführung bei thermisch hoch belasteten Auslassventilen nur zu einer relativ geringen Temperaturerhöhung im heißen Umfangsbereich der Ventilführung und damit am Ventil selbst führt. Eine Wärmeisolierung ist nur zwischen Ventilschaftführung und Zylinderkopf vorgesehen.
Aus der DE 195 18 501 A1 ist eine keramische Ventilführungsanordnung für ein Einlassventil und ein Auslassventil bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine übermäßige Verkokung an Einlaßventilen der Brennkraftmaschine verhindert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens eine der Ventilführungen einen Hohlraum aufweist, welcher derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dieser Hohlraum eine Wärmeleitung durch die Ventilführung reduziert, wobei wenigstens ein Hohlraum im Bereich einer Anlagefläche der Ventilführung am Ventilschaft ausgebildet ist und nur zum Ventilschaft hin eine Öffnung aufweist und im zusammengebauten Zustand von dem Ventilschaft (14) im Wesentlichen verschlossen ist.
Dies hat den Vorteil, dass sich durch die verminderte Wärmeleitung durch die Ventilführung bereits bei solchen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine eine derart hohe Oberflächentemperatur am Einlaßventil einstellt, die einer Bildung von Verkokungsablagerungen entgegenwirkt oder ggf. vorhandene Verkokungsablagerungen abbaut, bei denen ansonsten lediglich niedrigere Oberflächentemperaturen an den Einlaßventilen erreicht werden.
Zum wirksamen Abbau von ggf. sich aufbauenden Verkokungsablagerungen weist wenigstens ein Einlaßventil eine katalytische oder autokatalytische Beschichtung wenigstens im Bereich eines Einlaßventiltellers und/oder einer Ventilkehlung auf. Die katalytische Beschichtung umfaßt beispielsweise Pt oder Vanadiumnitrid (VN), ist optional mikrorauh ausgebildet und ist in einer bevorzugten Weiterbildung oxidiert, insbesondere Vanadiumpentoxid (V₂O₅) umfassend, ausgebildet.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen
Fig. eine bevorzugte Ausführungsform einer Einlaßventilanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Schnittansicht.
Die in der Fig. dargestellte Ausführungsform einer Einlaßventilanordnung einer Brennkraftmaschine umfaßt ein Einlaßventil 10 mit einem Ventilteller 12 und einem Ventilschaft 14, welcher in einer Ventilführung 16 geführt ist. In einem Zylinderkopf 18 der Brennkraftmaschine ist ein Einlaßventilsitz mittels eines Einlaßventilsitzringes 20 ausgebildet. Hierbei liegt der Einlaßventilsitzring 20 mit einer Seite an dem Zylinderkopf 18 an und bildet mit der gegenüberliegenden Seite einen Anschlag für den Einlaßventilteller 12. Die Ausführungen mit den Bezugszeichen 28 und 30 zeigen andere Lösungen, die nicht unter Schutz gestellt werden sollen.
Erfindungsgemäß ist in der Ventilführung 16 wenigstens ein Hohlraum 32 ausgebildet. Dieser Hohlraum 32 ist als offener Hohlraum 32 ausgebildet. Der offene Hohlraum 32 ist im Bereich derjenigen Seite der Ventilführung 16 angeordnet, die an dem Ventilschaft 14 anliegt und ist zu einer Fläche des Ventilschaftes 14 hin offen. Der Hohlraum 32 bewirkt einen schlechteren Wärmeübergang vom Einlaßventil 10 zum Zylinderkopf 18 bzw. stellt eine Wärmeisolation zwischen dem Einlaßventil 10 und dem Zylinderkopf 18 dar. Hierdurch ergibt sich im Betrieb der Brennkraftmaschine bei gleichem Betriebszustand wegen der geringeren Wärmeableitung von dem Einlaßventil 10 eine höhere Oberflächentemperatur am Einlaßventil 10 als ohne diesen Hohlraum 32. Der zum Ventilschaft 14 hin offene Hohlraum 32 hat den zusätzlichen Effekt, dass eine Berührungsfläche zwischen der Ventilführung und dem Ventilschaft 14 reduziert ist, wodurch sich noch zusätzlich ein geringerer Wärmeübergang vom Einlaßventil 10 zum Zylinderkopf 18 ergibt.
Zusätzlich unterstützen läßt sich dieser Effekt der höheren Oberflächentemperatur durch folgende weitere Maßnahmen: Die Ventilführung 16 ist aus einem Werkstoff mit schlechter Wärmeleitung hergestellt. Es ist eine wärmeisolierende Beschichtung am Außendurchmesser des Ventilschaftes im Bereich der Ventilführung 16 und/oder am Innendurchmesser der Ventilführung 16 vorgesehen.

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit Einlaßventilen (10) und mit einer Einspritzvorrichtung für Kraftstoff, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß diese den Kraftstoff direkt in einen Brennraum von Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine einspritzt, wobei für jedes Einlaßventil (10) in einem Zylinderkopf (18) der Brennkraftmaschine eine Ventilführung (16) vorgesehen ist, welche einen Ventilschaft (14) des Einlaßventiles (10) führt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Ventilführungen (16) einen Hohlraum (32) aufweist, welcher derart angeordnet und ausgebildet ist, daß dieser Hohlraum (32) eine Wärmeleitung durch die Ventilführung (16) reduziert, wobei wenigstens ein Hohlraum (32) im Bereich einer Anlagefläche der Ventilführung (16) am Ventilschaft (14) ausgebildet ist und nur zum Ventilschaft (14) hin eine Öffnung aufweist und im zusammen gebauten Zustand von dem Ventilschaft (14) im Wesentlichen verschlossen wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einlaßventil (10) eine katalytische oder autokatalytische Beschichtung wenigstens im Bereich eines Einlaßventiltellers (12) oder einer Kehlung aufweist.
Brennkraftmaschine Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Beschichtung Pt oder Vanadiumnitrid (VN) umfaßt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mikrorauh ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche oxidiert ist, insbesondere Vanadiumpentoxid (V₂O₅) umfaßt.