CN1293287C - 直喷式内燃机及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，尤其是用于机动车的汽油机，带有一个喷射燃料(42)的喷射装置(40)，该喷射装置的布置和设计使它能够将燃料(42)直接喷射到内燃机工作气缸的燃烧室(16)中，所述内燃机还有一个进气门和一个进气门座。这里，至少一个进气门单元具有防止散热的措施，使得在负荷-速度关系特性曲线的至少一个预定区域(112)内，进气门(20)的气门颈(68)部位表面温度被提高到高于380℃。

Description

直喷式内燃机及其工作方法
本发明涉及一种内燃机，尤其是汽油机，它带有一个喷射燃料的喷射装置，该喷射装置的布置和设计使其将燃料直接喷入内燃机工作气缸的一个燃烧室中，每个工作气缸带有至少一个进气门单元，该进气门单元具有一个进气门和一个进气门座。本发明还涉及上述类型的内燃机的工作方法。
将燃料直接喷射到燃烧室中而不是在进气冲程喷射的汽油机，特别存在构件积碳的问题。积碳尤其在进气门的气门颈处出现。对这种积碳的更精确的分析表明：首先是机油和燃料成分在构件上形成一种粘性的层。这里主要是长链的和支链的碳氢化合物，即机油和燃料的较重的挥发性成分。这里芳香烃的粘性特别高。这种粘性的基层成了碳黑颗粒沉积的基础。由此产生了一种多孔的表面，机油和燃料成分又积聚到该表面中。这个过程是一个循环过程，通过该过程积碳的层厚不断增加。首先在进气门部位聚集了由含机油燃气以及内部和外部废气再循环产生的沉积，其中含机油燃气以及再循环的废气与进气门直接接触。
尤其在进气门的气门颈部位，由于以下原因过多的积碳特别不利：在汽油直接喷射时，分层加载的成功点火主要取决于气缸内部气流的正确设计，以便被喷射出的燃料可靠地运送到火花塞，保证在火花塞处可靠点火。然而，进气门在气门颈部位的积碳层可能会强烈干扰滚流，其结果是导致灭火。而这种情况会导致设置在废气通道中用于废气净化的催化转化器不可逆的损伤。另外，进气门在气门颈部位的积碳层形成一定阻力，尤其是在内燃机的高负荷和高转速范围会由于气缸充气不足而导致明显的功率损失。此外，进气门在气门颈部位的积碳层有时会阻碍正确的气门关闭，从而产生压缩损失，有时会导致灭火。由此又会不可逆地损伤催化转化器。从进气门在气门颈部位的积碳层可能会掉下一些微小颗粒，到达催化转化器。这里，这些热颗粒可能是引起二次反应伴随相应的催化转化器局部损伤的原因。例如在催化转化器中烧出一个孔。
尤其是在进气管中分隔板下游的气门杆上会出现球状的沉积。由于高沸点的碳氢化合物从分隔板滴落到气门喉部或者气门杆，随着时间推移，该处就会产生前述的球状积碳。在气门杆上的这种积碳由于绕球状积碳的不希望的紊流和涡流可能会产生气流不足。由此可能会持续地干扰反复的稳定滚流的形成。
一种可能的方案是通过取消将含机油燃气引进进气管以及取消废气再循环来使造成积碳的根源例如与进气门保持较远。但是在现代活塞式内燃机的燃烧方法中，考虑到排放和燃油消耗原因，至少要求一个外部的废气再循环以及强迫将含机油燃气引进进气管中，从而使这种方法不可行。
从US 4 809 662中已知这样一种方法，即调节点火时刻，使得在燃烧室中温度升高，从而使该燃烧室的积碳得以清扫。
EP 0 785 350 A2披露了一种燃料喷射出口的冷却措施，以避免喷射口的积碳。类似地从DE 197 47 268 A1已知通过喷射添加液冷却喷嘴的喷嘴体，以克服喷嘴孔的积碳。
为了避免喷嘴上的沉积，由EP 0 798 560 A1中已知在喷嘴支架表面上保留一定燃料。
DE 197 56 119 A1致力于防止火花塞的积碳。为此，由一个控制装置结束点火前的燃料喷射。这应该是尤其在内燃机起动时避免火花塞的积碳。在DE 199 11 023 A1中，为了避免火花塞的积碳，燃料成锥形喷射，避免火花塞被燃料润湿。US 5 913 302中描述了一种二冲程内燃机的火花塞的净化方案。为此短暂地延长点火持续时间，从而分解火花塞上的碳沉积。
US 4 703 734描述了为了防止碳沉积，对低速运转和高速运转的一种气门重叠和进气门顺序开启。
DE 31 33 223 A1公开了一种内燃机，其中与待燃的燃料空气混合气或燃烧气体接触的燃烧室和进气管壁被涂以一种材料，在被涂覆的壁上在内燃机工作时调节到防止沉积形成的高温。而同时保持热容较低，使被涂覆的壁并不能明显提高进气冲程和压缩冲程中进来的燃料空气混合气的温度。
DE 36 34 461 A1公开了一种活塞往复运动式内燃机的进气门布置方案，其中设有一个在工作中旋转的气门顶。该气门顶与一个气门座圈共同作用，该座圈具有一个径向向内的轴肩，在气门处于关闭位置时该轴肩以一个尖棱延伸到气门顶附近。由此沉积在表面上的油碳就去除了。
DE 32 12 562 A1公开了以下内容：对于受高温腐蚀的内燃机的气门，设置水冷以降温。但借助热量散到冷却水会丢失能量，引起发动机效率降低。通过导热良好的材料与用导热差的材料制成的抗腐蚀层和高温层的组合结构，减少热量向内部散发，从而提高机械效率。向内散发的热量部分可以通过导热良好的材料传导给气门杆进而散发导冷却水中。气门芯和气门杆保持较冷，可以更好地满足足够的热强度以避免变形的要求。
本发明要解决的技术问题是改善上述类型的内燃机及其工作方法，防止内燃机构件例如进气门的过量积碳。
根据本发明，上述技术问题是通过这样一种内燃机、尤其是汽油机来解决，该内燃机带有一个喷射燃料的喷射装置，该喷射装置的布置和设计使其将燃料直接喷入内燃机工作气缸的一个燃烧室中，每个工作气缸带有至少一个进气门单元，该进气门单元具有一个进气门和一个进气门座。上述技术问题还通过这样一种内燃机的工作方法来解决。
根据本发明，在上述类型的内燃机中，至少一个进气门单元采取这样一种防止散热的措施，使得在负荷-速度关系特性曲线的至少一个预定区域(112)内，进气门(20)的气门颈(68)部位表面温度被提高到高于380℃。
其优点是，在内燃机工作过程中在负荷-转速关系特征曲线的相应范围内借助进气门温度的提高来分解进气门上的沉积，使内燃机运行产生的进气门积碳对内燃机的工作安全性和工作性能没有负面影响。
在具有相应的进气门升高温度的气缸头周围的较小的散热性是通过以下措施实现：布置在至少一个进气门单元的进气门座部位的一个气门座圈用一种导热能力差的材料制成，尤其是一种铁含量较高和/或铜含量较低的材料制成。
对气缸头降低热传递还通过以下措施实现：布置在至少一个进气门单元的进气门座部位的一个气门座圈在其面向气缸头的面上具有至少一个减少该面的缺口，从而在该缺口部位使气门座圈与气缸头之间的接触面减小。气门座圈例如在其周边是齿轮状的。
提高进气门温度还可以通过以下措施实现：至少一个进气门单元的进气门由一种具有高热容的材料制成，尤其是尼莫尼克镍基合金气门(Nimonic-气门)；和/或至少一个进气门单元的进气门由一种低导热性的材料制成。
升高进气门表面上的温度还可以通过以下措施实现：至少一个进气们单元的进气门设计成空心杆气门和/或空心头气门，尤其是该气门的向燃烧室开放的空心头具有最小的壁厚和良好的导热性，因为到气门座和气门导管的散热较差，由此使较高的热量回到进气门中。
内燃机在进气冲程经过进气门的空气的较小的热输出可以通过以下措施实现：在至少一个进气单元的进气门颈部有一个绝热层，尤其是陶瓷层；或者至少一个进气门单元的进气门的气门头设计成平坦的。
根据本发明，在上述类型的内燃机中，在保养和/或维修期间，使内燃机在负荷-转速关系特征曲线中进气门温度高于380℃的范围内工作一段规定时间长度。
这样做的好处是，当内燃机在负荷一转速关系特征曲线中进气门温度升高的范围内工作时，分解在进气门上的沉积，使内燃机运行产生的进气门积碳不会增加到对内燃机的工作安全性和工作性能产生负面影响的程度。
上述规定时间长度例如是5分钟到60分钟，尤其是30分钟。
进一步加强进气门上的积碳层分解以及加大负荷-转速关系特征曲线中进气门温度高于380℃的范围可以通过以下措施实现：在内燃机工作过程中，在负荷-转速关系特征曲线进气门温度高于380℃的范围中，另外使冷却水温度比负荷-转速关系特征曲线的该范围以外的工况升高10℃。
本发明的其它特征、优点和优选设计方案由从属权利要求和下面参照附图所作描述阐明。
图1内燃机的一种优选实施形式的示意剖视图，
图2传统的进气门温度特征曲线的曲线图，
图3T＜180°的特征曲线范围扩大的进气门温度特征曲线的曲线图，
图4带有T＞380°的特征曲线范围的进气门温度特征曲线的曲线图，
图5为了使气门温度尽可能低的优选进气门设计方案示意剖面图，
图5A用于本发明内燃机的一种气门座圈的优选改进方案俯视图，
图6为了使气门温度尽可能低的优选进气门设计方案示意剖面图，
图7为了使气门温度尽可能高的优选进气门设计方案示意剖面图，
图8不同的举例性气门涂层示意图，
图9用于进气管的一个分隔板的第一优选实施形式平面图，
图10用于进气管的一个分隔板的第二优选实施形式平面图，
图11用于进气管的一个分隔板的第三优选实施形式平面图，
图12图11所示分隔板侧视图，
图13借助图11和12所示分隔板产生的气流绕行立体示意图，
图14A带有气门转动机构的刮削机构优选实施形式的示意剖面图，
图14B分隔板设计成刮削器的优选实施形式示意剖面图，
图14C图14B的A部位横截面放大图，
图14D刮削机构另一种实施形式的示意剖面图，
图14E气门座圈部位已有积碳的气门转动示意图，
图14F刮削机构另一种优选实施形式的平面图，
图14G图14F的刮削机构示意剖面图，
图14H图14F和14G的刮削机构另一种实施形式的示意剖面图，
图15带有气门扫气的喷油装置优选实施形式的示意剖面图，
图16图15所示气门扫气细节图，其中进气门处于开启和关闭位置，
图17试验结果表，
图18直喷式汽油机的负荷-转速关系特性曲线示意图，
图19按照本发明的气门杆密封的优选实施形式示意图，
在图1中示出的内燃机是燃料汽油机，包括一个曲轴箱10，其中活塞12在工作气缸14中上下运动，其中通过热动力循环过程以公知方式做功，活塞12的振荡运动传递给一个未示出的曲轴转换为旋转运动。活塞分隔出一个燃烧室16。该燃烧室16通过一个进气管18输入新鲜空气。进气门20选择性地开启和关闭燃烧室16与进气管18之间的连接。进气门20包括一个气门杆22和一个气门顶24。气门顶在关闭状态密封地靠在一个气门座圈26上。此外，进气门20由一个气门导管28引导。进气门20、进气门座26、气门导管28以及在进气门20部位功能上属于进气门20的其它可能有的构件在此称为进气门单元。在图1中未示出的一根凸轮轴通过一个相应的凸轮致动进气门20。进气管18被一个分隔板30分成一个上部管道32和一个下部管道34。另外还有一个充气运动阀门36，该阀门可绕一根轴线38摆动到一个关闭状态和一个开启状态。在关闭状态(如图所示)，充气运动阀门36将下部管道34关闭。用于燃料42的喷油装置40的布置使燃料42直接喷入燃烧室16中。因此在所示内燃机中涉及一种直喷式汽油机。与进气门20和喷油装置40相邻的是在气缸头中设计一个冷却水通道44用于散热。带有分隔板30和进气门20的进气管18的设计使在空气从进气管20流进燃烧室16中时形成进气滚流，如箭头46所示。与燃料42的喷射方向(箭头48)一起，在压缩冲程将可燃的燃料空气混合气送到火花塞50。火花塞点燃燃料空气混合气，通过活塞12做功。接着，所产生的废气经一个排气门52、一根排气管54和一个前置催化转化器56。充气运动阀门36在内燃机正常运转过程中在低速时关闭下部管道34，以便保证足够的进气滚流46。
由于工作气缸14的活塞12和壁58之间必然存在的不密封性，在内燃机运转过程中，气体60从燃烧室16经活塞12进入气缸曲轴箱10中。为了将含机油燃气60导出，设置一个曲轴箱换气装置62，将含机油燃气60经过进气管18重新进行燃烧。由于含机油燃气60中含有碳氢化合物，因此不能直接排到外界中。
为了减小内燃机的废气有害物质排放，另外设置一个机构64用于外部废气再循环(EAGR)。该机构将废气从排气管54吸出废气再将废气输送给进气管18。此外，所谓的内部废气再循环这样实现：仍处于排气冲程时就关闭排气门52开启进气门20，从而使上一工作冲程的一部分废气不进入排气管54而进入进气管18中(箭头66)，随下一进气冲程再次进入燃烧室16中。
进气门20不仅与被过滤的干净新鲜空气接触，而且与含机油燃气60、来自内部废气再循环和外部再循环的废气以及流经气门杆22的机油相接触。因此存在形成积碳层的危险，尤其是在进气门20的颈部68部位。因为涉及一个直喷式发动机，所以在进气管中喷油的传统汽油机中存在的由于燃料将进气门20润湿所产生的净化作用不存在。本发明通过防止沉积本身或者分解已形成的沉积来消除积碳。
内燃机以所谓的负荷-转速关系特性曲线工作，如图2所示。这里示出了负荷70(Pme[kPa])与转速72(n[1/min])的关系。负荷曲线76与坐标系轴线78和80围出的面积74构成特性曲线，可以含有不同的参数。在图2中，该参数是进气门20的温度82。在划阴影线的较小特征曲线区域84中，进气门温度低于180℃，而在另一个特征曲线区域112a中温度高于380℃。
为了基本防止在内燃机通常工作的大部分过程中在进气门上形成积碳层，进气门、气门座圈26和/或气门导管28的设计使至少在进气门20的颈部68部位，在内燃机的负荷特征曲线的一个较大区域74调节到低于180℃的较低表面温度82。这在图3中示出。通过进气门20或者气门导管28上的相应措施，明显扩大了进气门温度低于180℃的划阴影线区域84。换句话说，至少一个具有这样的散热措施的进气门单元扩大负荷-转速关系特性曲线中进气门颈部表面温度低于180℃的区域，或者扩大没有这样的散热措施的相应负荷-转速特性曲线区域，使得内燃机工作时能够减少进气门上的积碳产生。结果令人惊奇地表明，在低于180℃的温度下进气门20上没有明显的积碳形成。因此特性曲线的大部分76是没有沉积形成的区域84。该特性曲线区域84例如位于转速低于4000转/分，基本上达到了满负荷。机动车的正常行驶中，内燃机大部分工作时间处于该特性曲线区域中。因此内燃机在其大部分工作时间中都处于没有在进气门上形成积碳或者只有很少一点积碳的工况中。例如，进气门单元的设计使得在内燃机负荷-转速关系特性曲线的至少三分之一中进气门颈部表面温度调节到低于180℃。
这样一种特征曲线借助以下单个措施或者相互组合实现：将气门座圈26用一种导热性高的材料制成，使气缸头周围散热性高，进气门20相应温度降低。进一步降低进气门温度通过用低热容的材料和/或低导热性或高导热性的材料制造进气门20来实现。进气门20的表面温度降低是通过将进气门20设计成带有钠钾填充物86的空心气门来实现，如图5所示，因为改善了到气门座圈26和气门导管28的散热，由此使很少的热量回到进气门20中。换句话说，改善了的冷却整体降低了进气门20的温度，尤其是进气门颈部68的表面温度，进气门颈部有最大的积碳危险。通过在进气门20的气门底部88部位设计一绝热层尤其是陶瓷层，实现了只有很小的热量从热燃烧室进入到进气门20中。为了进一步降低温度，至少一个进气门20有一个套筒92，如图6所示，该套筒覆盖了杆22的一部分、颈部68以及气门顶24远离燃烧室16的一侧94的至少一部分。这里，在进气门20与套筒92之间与一个气隙96，该气隙形成气门20与套筒92之间的绝热。这就几乎在内燃机整个负荷特性曲线内降低了从气门20到套筒92的热传递，相应地经受进气气流的套筒表面98表面温度很低，最大为165℃，从而有效避免了积碳层的产生。
图1所示用于外部废气再循环的机构64最好与前置催化转化器56后面的或者下游的排气管54相连，如虚线110所示。这样就使内燃机进气管18中的气流受到冷却，因为再循环的废气较冷。由此相应降低了进气门20的温度，进气门温度低于180℃的负荷-转速特性曲线区域进一步被扩大。另外，废气被预先净化，使废气含有较少的能够沉积的成分尤其是碳氢化合物。再循环的废气流还有另一种成分，该成分令人意外地能够减少积碳的形成。进气管18中进气流的进一步冷却是通过以下措施实现的：用于废气再循环的机构64具有一个未示出的用于冷却再循环废气的机构。为了进一步减少废气中可能导致形成积碳层的能够沉积的成分，用于废气再循环的机构64还有一个颗粒过滤器100。此外优选的是，在会强化积碳沉积的工况下，进气凸轮轴向“后”调整。由此在排气冲程进气门和排气门20和52的气门重叠减小，从而相应减少内部废气再循环。
为了进一步通过进气门温度低于180℃的负荷-转速关系特征曲线区域温度降低以及扩大该区域来避免进气门上积碳层的形成，当内燃机在进气门温度低于180℃的负荷-转速关系特征曲线区域工作时，另外使冷却水的温度降低到比负荷-转速关系特征曲线该区域以外的工况低例如10℃。
另一种降低进气门20的积碳的方法是，至少暂时提高进气门温度，因为已经令人意外地发现当超过380℃时，积碳沉积会分解。为此其中包括进气门20和气门导管28的进气门单元设计这样的避免散热措施，即至少在进气门20的颈部68部位，在内燃机负荷特征曲线的至少一个规定区域74中使温度调节到高于380℃。这在图4中示出。在划阴影线区域112b，进气门温度超过380℃。在该温度下，进气门20上的积碳分解。该特征曲线区域84例如处于转速高于3000转/分，基本达到满负荷。即使在机动车正常行驶中，内燃机在时间上不是主要在区域112工作，也不会产生危害内燃机工作的积碳沉积，因为在划阴影线的特征曲线区域112b内的分解进行得很快。因此为了分解即使很厚的积碳层，内燃机在该特征曲线区域112b工作例如20分钟就足够了。换句话说，例如在高速公路上均匀行驶足以净化进气门20。此外，该特征曲线区域还可以在内燃机保养或者维修过程中在工场行驶。
图4示出的特征曲线走向借助以下单个措施或者相互组合实现：将气门座圈26用一种导热性低的材料尤其是含铁量高的材料制成，使气缸头周围散热性低，进气门20相应温度升高。进一步提高进气门温度通过用高热容的材料尤其是尼莫尼克镍基合金或类似材料和/或高导热性的材料制造进气门20来实现。
如果内燃机在保养或者维修期间暂时在T＞380℃的特征曲线区域112(图4)内工作，规定时间长度最好在5分钟到60分钟，尤其是30分钟。进一步加强进气门积碳层的分解以及扩大进气门温度高于380℃的负荷-转速关系特征曲线区域可以通过以下措施实现：当内燃机在进气门温度高于380℃的负荷-转速关系特征曲线区域内工作时另外使冷却水的温度比负荷-转速关系特征曲线该区域以外的区域升高例如10℃。为了加强积碳沉积的分解，当内燃机在特征曲线区域112内工作时向进气管18喷入一种积碳沉积的溶剂。
进一步提高进气门20的表面温度还可以通过以下措施实现：如图7所示，进气门20的向燃烧室开放的空心头具有最小的壁厚，从而使更高的热量通过进气门颈部68。通过内燃机在进气冲程流经进气门20的空气的较小散热通过以下措施实现：在进气门20的颈部68设计一绝热层118，尤其是陶瓷层，或者将进气门20的气门头24设计成平坦的。
图5A示出了气门座圈26的一种实施例，该座圈布置在至少一个进气门单元的气门座部位。该座圈26在其面对气缸头的侧面具有一个面190，该面是一个从座圈26到气缸头具有相应热传递的接触面。在座圈26周围是缺口192，缺口局部减少了接触面。因此在缺口192部位的接触面190比没有缺口192的座圈26的接触面190周围部分上的小。这导致从座圈26到气缸头的热传递相应减少，从而对应于该座圈26的进气门20有较高的热量，因此比没有缺口192的传统座圈26的进气门20具有更高的温度。
为了支持进气门上已经存在的积碳沉积的分解，发动机机油含有至少一种溶解积碳的添加剂，因此机油作为积碳溶剂的载体。这是发动机机油的附加作用，迄今为止，发动机机油仅仅用作润滑油，最多含有耐磨保护的添加剂。为了使足够量的带有溶解积碳的添加剂的发动机机油到达积碳部位，就是说在进气门20的气门顶24的颈部68和上侧94，在进气门20的气门导管28的气门杆密封特别设计成能透过机油。这强化了机油从气缸头沿着气门杆22流下来流到颈部68和气门头24，从而添加到机油中的积碳溶剂能够相应起作用。以这种添加了积碳溶剂的机油工作的内燃机最好具有以下特征：进气门20的气门杆密封的设计应使机油通过率大于0.002克/小时。优选的是，内燃机活塞的活塞环组使回到燃烧室的机油的量在额定转速下每个气缸大于1.5克/小时，和/或曲轴箱通风装置的机油分离器的设计使得机油通过率大于1克/小时。所有这些措施加强了带有积碳溶剂的发动机机油输送到进气门中。
另外一种克服危害运转的进气门20积碳沉积的方法是，至少在进气门20颈部68或者在进气门20整个表面的特殊的表面特性或者涂层，其中该表面或者涂层是绝热的、抗粘性的、化学惰性的或者催化的。绝热的、抗粘性的和化学惰性的表面或者涂层应该就能防止或者至少减少积碳沉积的产生，而催化的表面或者涂层还能分解积碳沉积。这里优点是内燃机和催化表面或者涂层相互协调，使积碳沉积速度比催化表面或者涂层分解积碳的速度快的工况不占优势。换句话说，内燃机在其大部分工作时间里都处于催化表面或者涂层分解积碳的速度比积碳产生的速度快的工况下。进气门的这种特殊表面或者涂层的工作机理产生的效果还可以通过特殊的表面形状来实现，这种特殊的表面形状至少在进气门20表面的对积碳沉积特别没有抵抗力的部位例如颈部68。抛光的表面也有利于防止积碳产生。而微观粗糙的表面结构具有很大的面积，相应地有利于催化表面或者涂层的作用效果。进气门涂层或者表面的一种特殊的氧化状态有时也是有利的。图8示出了不同的涂层及其相应的效果。
上述表面例如是一种绝热涂层，尤其是陶瓷，例如ZrO2，特别是层厚为80μm。在内燃机进气冲程流经进气门的空气的较小散热是通过以下措施实现的：绝热层在进气门的颈部。这样在进气门上所产生的表面较高温度使在内燃机运行中已产生的积碳沉积分解。为了实现从热的燃烧室进入进气门的热量很少，绝热层在进气门的气门底部。由此在进气门上所产生的较低表面温度抵抗积碳沉积的形成。克服积碳的预防性措施是，表面作成微孔的或者抗粘性的，例如包括尤其是层厚为5μm的Cr-C-N。这里，作用机理包括克服积碳沉积的相应的表面张力。为了防止积碳沉积，表面是化学惰性的例如规定元素尤其例如是C，H，O和/或N，例如包括TiZr-C-H-N-O或者TiAl-C-H-N-O，例如层厚为5μm。这里作用机理包括对不沉积的一定元素，表面饱和。为了分解积碳沉积，表面是催化的或者自动催化的，例如包括Pt或者氮化钒(VN)。特别优选的是设置一种氧化层，例如五氧化二钒(Vanaduimnitrid)。通过表面作成微观粗糙的，由于很大的表面而获得了特别好的催化作用。
另一种防止在分隔板30下游进气门20的气门杆22上形成积碳尤其是块茎状积碳的措施是，由分隔板30到气门杆22的液流绕行进到进气管18中。为此分隔板30在对着进气门20的端部这样设计，使液流在进气管18中经过进气门20的气门杆22导向。由此有效避免液流中存在的颗粒滴落到或者沉积到气门杆22上，从而在气门杆22上没有积碳沉积形成。图9-12示出了分隔板30的不同实施形式。在分隔板30对着进气门20的端部120上例如是一个三角形(图9)或者半圆形(图10)缺口122。在板上可能有的液滴在进气管18中的气流作用下首先沿着缺口122的棱边移动，然后液滴从分隔板30上掉下来。随后被气流带动的液滴飘过气门杆22，与气门杆不接触。另外一种可选择的方案是，在分隔板30的这一端120布置一个楔形的冲压块124，该冲压块如图11和12所示是一个进气管18中的气流相应绕行的凸起。图13示出了气流126通过分隔板30的结构发生转向。除了避免进气管18中分隔板30下游出现不希望的紊流，上述分隔板30的设计方案还有利于空气导向，这改善了直喷式汽油机的燃烧方法的稳定性。由于吸入的空气绕进气门20转向，在相同的通流下获得了更高的滚流强度。
因此，分隔板30在对着进气门20的端部120具有一个缺口122或者一个冲压块124，其逆着气流方向在气门杆22上游布置在一条平行于液流方向126的线128上，线128与气门杆22的中心轴线130相交。由此在分隔板30上分离的液体(机油冷凝液)沿着缺口122或者冲压块124的棱边滑动，离开分隔板30后飘过气门杆22。按照图11至13所示的分隔板30在对着进气门20的端部120有一个凸起124，该凸起逆着气流方向在气门杆22上游布置在一条平行于液流方向126的线128上，线128与气门杆22的中心轴线128相交。因此液流126绕过气门杆22，从而无论是从分隔板30掉下来的液体还是在液流126中夹带的颗粒都不会落到气门杆22上。这就有效地防止了气门杆22上的积碳沉积。凸起124例如是三角形的或者楔形的。即使如果在气门杆22上产生沉积，则会有利地通过以下措施切断，即分隔板30以一定间距在气门杆22上游，该间距使得分隔板30对着进气门20的端部120与在气门杆22上形成的沉积机械接触(图14B和图14C)。
图14A示出了另外一种去除进气门20的积碳沉积的措施。如图所示，进气凸轮轴的凸轮132通过气门旋转机构134作用到进气门20上。气门旋转机构只是举例性示出，也可以没有气门旋转机构134。因此，例如可以不用气门旋转机构134，而是采用一个拖杆/挺杆相对气门杆22布置在外部中央，同样可以使进气门20绕其纵轴线130转动。在进气管18中相邻于进气门20设置一个刮削机构136，该刮削机构与进气门20以这样一个间距布置和设计，即进气门20上的沉积与刮削机构136机械接触。通过进气门20的旋转138，颈部68和气门杆22表面上的沉积被刮削机构136切除，从而在进气门20上不会形成危害内燃机运转的积碳沉积。刮削机构136轮廓与进气门20近似，例如是浇铸在气缸头中的板，该板对进气管18中的气流动力学影响很小。在颈部68和杆22处，刮削机构136尽可能紧挨着气门轮廓。
本发明另一种实施形式在图14B和14C中示出。这里，分隔板30在气门杆22旁以一定间距布置，使刮削机构136与分隔板30一体或者分隔板本身就是刮削机构136，其方法是将分隔板30在进气门20上游一定距离处布置，使分隔板30对着进气门20的端部120与进气门20上形成的沉积机械接触。通过进气门20的运动(提升运动或者转动)，气门杆22表面上的沉积被分隔板30靠近气门的端部120切除，从而在进气门20上不会形成危害内燃机运转的积碳沉积。如图14C所示，带有缺口122的分隔板30靠近气门杆22布置，使缺口122部分围绕气门杆22。这使得气门杆22周围大部分的积碳沉积可以被刮削掉。在分隔板30上靠近气门杆的端部120上还有一个刮削棱边152。例如在分隔板30的端部120和进气门之间的间距是0.1毫米到0.5毫米，尤其是0.2毫米到0.15毫米。为了有效去除进气门20上的积碳沉积，在分隔板20靠近气门的端部120上是一个刮削棱边152。
图14F和14G示出了分隔板30的一种改进方案，例如带有一体刮削装置的分隔板或者带有流过气门杆22的液流导向机构的分隔板。如图14F和14G所示，分隔板30垂直于其纵轴线具有一个例如2毫米到3毫米宽的缝186，该缝占据了分隔板30的整个宽度。这使分隔板30上的残留物如机油、燃料等排泄到进气管18的底部，从而在进气门20开启时更好地排到燃烧室中。例如，排泄缝186有一个排泄凹槽188，如图14G所示。但是也可以没有该排泄凹槽，如图14H所示。
最近的大量试验结果表明，令人意外的是，在进气门20的气门座圈26部位的沉积对上述现象也负有责任。如图14E所示，在气门座圈26部位形成了一个“积碳唇”180。现代内燃机的气门机构的机械原理设计使得从一定发动机转速起，进气门20或多或少会出现快速自身转动(图14A和14E中箭头138所示)，就是说，进气门20在开启和关闭过程中执行一种沿着气门纵轴线130的平移运动和绕气门纵轴线130的旋转运动。按照本发明，在进气门20的颈部68上固定有一个机构，该机构的布置和设计使得通过气门20的自身旋转在气门颈部68和座圈26之间产生刮削，从而防止燃烧残留物在气门座圈26的关键部位聚集。图14D和14E示出了第一种变型方案，包括一个固定在气门颈部68上与座圈68相邻的销或者螺栓182。图14E示出了该销或螺栓182如何掠过可能有沉积的预定部位并相应将沉积刮削掉。在图14D所示的另一种实施形式中，在气门颈部68上固定一块板184。在座圈26部位的刮削机构182或184例如借助焊，激光焊或者热装固定在进气门20的颈部68上。
另外一种克服进气门20的危害内燃机运行的积碳沉积的方法是改进喷油装置40，如图15和16所示。喷油装置40将燃料射束140喷射到燃烧室16中。此外，喷油装置40的设计和布置使得在进气门20开启时(图16)喷出的燃料一部分到达进气门20的气门顶24。为此，喷油装置40至少有一个附加的孔，尤其是两个附加的孔，通过附加的孔，至少一个附加的燃料射束142喷射入燃烧室中。在此，该附加的燃料射束142的取向时其能够到达开启的进气门20，如图16所示。在图16中仅在144处通过气门顶24示出了开启的进气门20。通过气门顶24上的燃料产生了一种对气门顶的净化作用，防止进气门上的积碳沉积形成到危害内燃机运行安全性和工作性能的程度。换句话说，实现了气门顶24和颈部68的扫气。必要时，附加的燃料射束142的射出不在周期性冲程的每个周期中都喷入工作气缸中，而只是临时地。
另一种分解积碳沉积的方法是充气运动阀门36。图18示出了具有一个分层运行区域160和一个均匀运行区域162的负荷-转速关系特征曲线。线164将分层运行区域160和均匀运行区域162分开。此外，线166将负荷-转速关系特征曲线分成第一区域168和第二区域170。在第一区域168，充气运动阀门36关闭，以保证足够的滚流，在第二区域，充气运动阀门36开启，以保证足够的气缸充气。本发明建议，与负荷-转速关系特征曲线规定相反，当内燃机在第二区域170的一个工作点时短暂关闭充气运动阀门36。在该关闭期间，令人意外地发现在进气门20上可能有的积碳沉积充分分解，从而运行造成的进气门20积碳对运行内燃机的安全性和工作性能没有负面影响。
例如，在内燃机正常工作中，尤其是装备了该内燃机的机动车行驶过程中，短暂地重复实施上述方案。这里，重复的关闭时间为1秒到10秒就足够了。该短暂的关闭时间能够使汽车乘客对内燃机未按照特征曲线运行的后果根本注意不到。该后果是例如内燃机功率减小或者运行不平稳。
作为替换的或者附加的，充气运动阀门36在第二区域170关闭是在维修或者保养时实施。在这种情况下，关闭时间例如未15分钟到60分钟，尤其是30分钟。为了更有利于进气门上积碳的分解，有利的是，同时将点火提前角向后或者向前调整，将进气门凸轮轴向前调整，将废气再循环率提高，喷油时刻向后移和/或Lambda值调整到大于1。上述涉及到充气运动阀门的措施和其它工作参数例如结合到一个发动机控制器中，作为用户方例如在检测时的修理方案，或者作为正常行驶的常规措施。
为了显示上述净化进气门20积碳的方法的效果，下面进行试验：在一个四缸汽油机中，每个气缸有两个进气门20，在这些气缸中有一到三个分别装入一个新的和一个粘有较强积碳沉积的进气门20。在气缸四中，装入两个只是轻微积碳的涂有铂的进气门20。所有进气门20都在装入时称重。相应测得的重量在图17第146行以克为单位列出。汽油机在充气运动阀门在负荷-转速关系特征曲线的第二区域170关闭30分钟的情况下工作。接着，重新称重进气门20。此时测得的重量在图17的第148行以克为单位列出。可以看出，具有积碳沉积的进气门20明显重量减少了，这说明通过上述发动机运行，在进气门20上沉积的残留物几乎完全灰化了。这种灰化估计至少部分地归因于进气门温度提高到超过380℃。相反，在装入的斩新进气门上只有很小的重量增加，这说明当发动机在上述工况下工作时基本上不产生积碳沉积。另外，图17所示表格中第150行以克为单位列出了按照另外一种对装入时具有积碳沉积的进气门20的机械净化方法测出的重量。很显然，机械净化只是不明显地减少了重量，这说明按照上述热措施在进气门20上只留有很少的积碳沉积。另一种强化净化效果的方法是在以上述调整工作时提高冷却水温度。
另一种克服进气门20的危害内燃机运行的积碳沉积的措施是，在配备了直喷式汽油机的机动车滑行时，设置在进气管中的节气门开启。这避免了燃烧室和进气管道之间的可能的压降。
在曲轴箱通风装置62(图1)中最好分离出含机油燃气60中含有的机油。附加的或者加强的机油分离有利影响上述克服进气门积碳的措施，因为更少的可能沉积的成分通过进气管18流经进气门20。
其它分解积碳沉积的措施是在内燃机运行过程中向进气管中添加或者喷入一种积碳沉积的溶剂，该溶剂润湿相应的进气门20并溶解积碳。这种喷入可以借助一个另外的喷射机构例如在内燃机正常工作过程中临时进行。由此在内燃机工作过程中将进气门上的沉积分解到一定程度，使运行所产生的进气门积碳对内燃机的运行安全性和工作性能没有负面影响。取代上述或者附加地，在维修或者保养工作中，内燃机稳定运转，例如为了测量或者检查目的，同时在该运转过程中在该工场将积碳溶剂喷入或者添加到进气管18中。以此方式定期地去除可能存在的积碳，从而使该积碳不会增加到危害内燃机工作的程度。这种溶解积碳沉积的溶剂例如通过一个用于分隔板的法兰添加到或者喷入进气管中。
此外优选的是，尽可能地减少不含溶解积碳的添加剂的机油与进气门的接触，因为业已令人惊奇的发现，由此可以在内燃机大部分正常工作区域防止或者至少明显减少在进气门上形成积碳层。为此，气门杆的密封应使机油通过率小于0.003克/小时。另一种优选的减少与进气门接触的机油量的方法是相应的内燃机工作活塞的活塞环组应设计成再循环回到燃烧室的机油在额定转速下每个工作气缸具有小于3克/小时的值，和/或曲轴箱通风装置的机油分离器应设计成机油通过率小于5克/小时。
图19示出了本发明的用于进气门气门杆22的气门杆密封172的优选实施形式。该气门杆密封172包括一个靠在气门杆22的半径为R的密封位置174，在该密封位置174一侧与气门杆22夹成一个角度α。此外，气门杆密封172与一个弹簧176和另外的支承件178共同作用。气门杆密封172的机油通过性通过优化参数α，R和弹簧176的弹力来调整。通过成对属于每个气门杆密封172的另外的支承件178来减少误差造成的机油通过率数值的发散。

Claims (20)

1.内燃机，它带有一个用于燃料(42)的喷油装置(40)，该喷油装置的布置和设计使其将燃料(42)直接喷入内燃机工作气缸(14)的一个燃烧室中，每个工作气缸(14)带有至少一个进气门单元，该进气门单元具有一个进气门(20)和一个进气门座，其特征在于，至少一个进气门单元具有这样的防止散热的措施，即在负荷-转速关系特征曲线的至少一个预定区域(112)中将进气门(20)的颈部(68)表面温度提高到超过380℃。
2.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，布置在至少一个进气门单元的进气门座部位的座圈(26)用一种导热性差的材料制成。
3.按照权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述导热性差的材料是一种具有高含铁量的和/或低含铜量的材料。
4.按照权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，布置在至少一个进气门单元的进气门座部位的座圈(26)在其面对气缸头的面上至少具有一个减少该面面积的缺口，从而在该缺口部位座圈与气缸头之间的接触面减少。
5.按照权利要求3所述的内燃机，其特征在于，座圈在其周围设计成齿轮状。
6.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，至少一个进气门单元的进气门(20)用一种高热容的材料制成。
7.按照权利要求6所述的内燃机，其特征在于，所述进气门是尼莫尼克镍基合金气门。
8.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，至少一个进气门单元的进气门(20)用一种具有低导热性的材料制成。
9.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，至少一个进气门单元的进气门(20)是空心杆气门和/或空心头气门。
10.按照权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述进气门是带有一个向燃烧室开放的具有最小壁厚和良好导热性的空心头。
11.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在至少一个进气门单元的进气门(20)的颈部(68)有一绝热层(118)。
12.按照权利要求11所述的内燃机，其特征在于，所述绝热层是一陶瓷层。
13.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，至少一个进气门单元的进气门(20)的一个气门头(24)设计成平坦的。
14.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机是汽油机。
15.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机是机动车的汽油机。
16.按照前述权利要求中至少一项所述内燃机的工作方法，其特征在于，在保养和/或维修期间，内燃机在负荷-转速关系特征曲线中进气门温度高于380℃的区域中运行规定时间长度。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，所述预定时间长度是5分钟到60分钟。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，所述预定时间长度是30分钟。
19.按照权利要求16或17所述的、用于按照权利要求1至15中至少一项所述内燃机的工作方法，其特征在于，另外使冷却水的温度比负荷-转速特征曲线该区域以外的工况提高。
20.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，使冷却水的温度比负荷-转速特征曲线该区域以外的工况提高10℃。
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