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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, mit einer
Einspritzvorrichtung für Kraftstoff, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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.
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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.
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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
gegebenenfalls nachhaltig gestört.
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Eine mögliche 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.
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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.
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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.
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Um Ablagerungen an der Einspritzdüse zu verhindern ist es aus der EP 0 798 560 A1
bekannt, auf einer Düsenhalteroberfläche etwas Kraftstoff zu halten.
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Mit einer Verhinderung der Verkokung der Zündkerze beschäftigt sich die
DE 197 56 119 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.
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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.
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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 beschichteten
Wandungen die Temperaturen von während der Ansaug- und Kompressionstakte
ankommenden Kraftstoff-Luft-Gemischen nicht wesentlich erhöhen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der
obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine übermäßige Verkokung von
Bauteilen der Brennkraftmaschine, wie z. B. den Einlaßventilen, verhindert ist.
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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.
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Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß
die Einspritzvorrichtung derart ausgebildet ist, daß bei geöffnetem Einlaßventil ein Teil
des eingespritzten Kraftstoffes auf einen Ventilteller des Einlaßventils trifft.
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Dies hat den Vorteil, daß sich durch den Kraftstoff am Ventilteller eine Reinigung
desselben ergibt, welche einen Aufbau von Verkokungsablagerungen am Einlaßventil in
einem solchen Ausmaß, daß die Betriebssicherheit und das Betriebsverhalten der
Brennkraftmaschine beeinträchtigt ist, verhindert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Einspritzvorrichtung wenigstens eine,
insbesondere zwei zusätzliche Öffnungen derart auf, daß ein diese Öffnungen
verlassender Kraftstoffstrahl auf den Ventilteller des Einlaßventils in geöffneter Stellung
gerichtet ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden, beispielhaften
Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in
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Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine in schematischer
Schnittansicht,
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Fig. 2 eine graphische Darstellung eines herkömmlichen Temperaturkennfeldes für
ein Einlaßventil,
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Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Temperaturkennfeldes für ein Einlaßventil
mit einem vergrößerten Kennfeldbereich mit T < 180°,
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Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Temperaturkennfeldes für ein Einlaßventil
mit einem Kennfeldbereich mit T > 380°,
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Fig. 5 eine bevorzugte Weiterbildung eines Einlaßventils für möglichst niedrige
Ventiltemperaturen in schematischer Schnittansicht,
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Fig. 5A eine vorteilhafte Weiterbildung eines Ventilsitzringes für eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in Aufsicht,
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Fig. 6 eine bevorzugte Weiterbildung eines Einlaßventils für möglichst niedrige
Ventiltemperaturen in schematischer Schnittansicht,
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Fig. 7 eine weitere bevorzugte Weiterbildung eines Einlaßventils für möglichst hohe
Ventiltemperaturen in schematischer Schnittansicht,
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Fig. 8 eine schematische Darstellung verschiedener, beispielhafter
Ventilbeschichtungen,
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Fig. 9 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Trennbleches für den
Einlaßkanal in Aufsicht,
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Fig. 10 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Trennbleches für den
Einlaßkanal in Aufsicht,
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Fig. 11 eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines Trennbleches für den
Einlaßkanal in Aufsicht,
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Fig. 12 das Trennblech von Fig. 11 in Seitenansicht,
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Fig. 13 eine schematische und perspektivische Veranschaulichung der
Strömungsumleitung mittels des Trennbleches von Fig. 11 und 12,
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Fig. 14A eine bevorzugte Ausführungsform einer Abstreifeinrichtung mit
Ventildreheinrichtung in schematischer Schnittansicht,
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Fig. 14B eine bevorzugte Ausführungsform eines Trennbleches, welches als Abstreifer
ausgebildet ist, in schematischer Schnittansicht,
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Fig. 14C eine Detailansicht des Bereiches A von Fig. 14B in einem schematischen
Querschnitt,
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Fig. 14D eine alternative Ausführungsform einer Abstreifeinrichtung in schematischer
Schnittansicht,
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Fig. 14E eine Veranschaulichung der Ventildrehung mit Verkokungen im Bereich des
Sitzringes,
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Fig. 14F eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Abstreifeinrichtung in Aufsicht,
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Fig. 14G die Abstreifeinrichtung von Fig. 14F in schematischer Schnittansicht,
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Fig. 14H eine Alternative Ausführungsform der Abstreifeinrichtung von Fig. 14F und
14G in schematischer Schnittansicht,
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Fig. 15 eine bevorzugte Ausführungsform einer Einspritzvorrichtung mit Ventilspülung
in schematischer Schnittansicht,
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Fig. 16 eine Detailansicht der Ventilspülung von Fig. 15 mit Einlaßventil in offener und
geschlossener Stellung,
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Fig. 17 eine tabellarische Aufstellung eines Versuchsergebnisses,
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Fig. 18 eine schematische Darstellung eines Last-Drehzahl-Kennfeldes für einen
Ottomotor mit Direkteinspritzung und
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Fig. 19 eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Ventilschaftabdichtung.
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Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine in Form eines Ottomotors von
Kraftstoff umfaßt ein Kurbelgehäuse 10 in dem sich ein Kolben 12 in einem
Arbeitszylinder 14 auf und ab bewegt, wobei durch einen thermodynamischen
Kreisprozeß in bekannter Weise Arbeit geleistet und die Oszillationsbewegung des
Kolbens 12 auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle als Drehbewegung übertragen wird.
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Der Kolben trennt einen Brennraum 16 ab. Dem Brennraum 16 wird über einen
Ansaugkanal 18 Frischluft zugeführt. Ein Einlaßventil 20 öffnet oder schließt wahlweise
eine Verbindung zwischen dem Brennraum 16 und dem Ansaugkanal 18. Das
Einlaßventil 20 umfaßt einen Ventilschaft 22 und einen Ventilteller 24. Letzterer liegt im
geschlossenen Zustand dichtend an einem Sitzring 26 an. Ferner wird das Einlaßventil
20 von einer Ventilschaftführung 28 geführt. Die Kombination aus Einlaßventil 20,
Einlaßventilsitz 26, Ventilschaftführung 28 sowie ggf. weiterer Bauteile im Bereich des
Einlaßventils 20, welche funktional zum Einlaßventil 20 gehören, wird hierin als
Einlaßventileinheit bezeichnet. Eine in Fig. 1 nicht dargestellte Nockenwelle betätigt über
einen entsprechenden Nocken das Einlaßventil 20. Der Einlaß- oder Ansaugkanal 18
wird von einem Trennblech 30 in einen oberen Kanal 32 und einen unteren Kanal 34
unterteilt. Es ist ferner eine Ladungsbewegungsklappe 36 vorgesehen, welche um eine
Achse 38 in einen geschlossenen und in einen offenen Zustand verschwenkbar ist. Im
geschlossenen Zustand (wie dargestellt) verschließt die Ladungsbewegungsklappe 36
den unteren Kanal 34. Eine Einspritzvorrichtung 40 für Kraftstoff 42 ist derart
angeordnet, daß diese den Kraftstoff 42 direkt in den Brennraum 16 einspritzt. Es
handelt sich somit bei der dargestellten Brennkraftmaschine um einen Ottomotor mit
Direkteinspritzung. Benachbart zum Einlaßventil 20 und der Einspritzvorrichtung 40 ist im
Zylinderkopf ein Kühlwasserkanal 44 zum Abführen von Wärme ausgebildet. Der
Einlaßkanal 18 mit dem Trennblech 30 und dem Einlaßventil 20 ist derart ausgebildet,
daß sich beim Einströmen von Luft aus dem Einlaßkanal 20 in den Brennraum 16 eine
Tumbleströmung einstellt, wie mit Pfeil 46 angedeutet. Zusammen mit der
Einspritzrichtung des Kraftstoffes 42 (Pfeil 48) wird in einem Verdichtungstakt ein
zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch zu einer Zündkerze 50 transportiert. Diese zündet
das Kraftstoff-Luftgemisch und es wird über den Kolben 12 Arbeit geleistet.
Anschließend wird entsprechend entstandenes Abgas über ein Auslaßventil 52, einen
Abgaskanal 54 und einen Vorkatalysator 56 abgeleitet. Die Ladungsbewegungsklappe
36 verschließt bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine den unteren Kanal 34 bei
niedrigen Drehzahlen, um eine ausreichende Tumbleströmung 46 sicher zu stellen.
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Durch unvermeidliche Undichtigkeiten zwischen Kolben 12 und einer Wandung 58 des
Arbeitszylinders 14 strömt während des Betriebs der Brennkraftmaschine Gas 60 aus
dem Brennraum 16 am Kolben 12 vorbei in das Zylinderkurbelgehäuse 10. Um dieses
sogen. Blow-By-Gas 60 abzuleiten, ist eine Kurbelgehäuseentlüftung 62 vorgesehen,
welche das Blow-By-Gas 60 über den Ansaugkanal 18 erneut der Verbrennung zuführt.
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Wegen der Kohlenwasserstoffbelastung des Blow-By-Gases 60 darf dieses nicht direkt
an die Umgebung abgegeben werden.
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Zur Verringerung von Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine mit dem Abgas ist
ferner eine Einrichtung 64 zur externen Abgasrückführung (EAGR) vorgesehen. Diese
entnimmt dem Abgaskanal 54 Abgas und führt dieses dem Einlaßkanal 18 zu. Zusätzlich
ist eine sogen. innere Abgasrückführung dadurch realisiert, daß noch während eines
Ausstoßtaktes das Auslaßventil 52 schließt und das Einlaßventil 20 öffnet, so daß ein
Teil das Abgases aus dem letzten Arbeitstakt nicht in den Abgaskanal 54 sondern in den
Ansaugkanal 18 ausgeschoben (Pfeil 66) und mit dem nächsten Ansaugtakt wieder in
den Brennraum 16 gesogen wird.
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Das Einlaßventil 20 steht also nicht nur mit gefilterter sauberer Frischluft in Berührung,
sondern kommt auch mit den Blow-By-Gasen 60, dem Abgas aus innerer und externer
Abgasrückführung sowie mit Öl, welches am Ventilschaft 22 herab läuft, in Kontakt.
Dementsprechend besteht die Gefahr, daß sich Verkokungsablagerungen insbesondere
im Bereich einer Kehlung bzw. Tulpe 68 des Einlaßventiles 20 bilden. Da es sich um
einen direkteinspritzenden Motor handelt, entfällt der bei in den Ansaugkanal
einspritzenden herkömmlichen Ottomotoren vorhandene Reinigungseffekt aufgrund von
Kraftstoff, welcher das Einlaßventil 20 benetzt. Die Erfindung wirkt diesen
Verkokungsablagerungen entgegen, indem bereits die Ablagerung an sich verhindert
wird oder sich bildende Ablagerungen abgebaut werden.
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Die Brennkraftmaschine wird in einem sogen. Last-Drehzahl-Kennfeld betrieben, wie in
Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist eine Last 70 (Pme[kPa]) über einer Drehzahl 72 (n[1/min])
aufgetragen. Die Fläche 74, welche die Lastkurve 76 mit den Achsen 78, 80 des
Koordinatensystems einschließt bildet das Kennfeld und kann verschiedene Parameter
beinhalten. In der Darstellung von Fig. 2 ist dieser eine Temperatur 82 für das
Einlaßventil 20. In einem relativ kleinen, schraffierten Kennfeldbereich 84 liegt die
Einlaßventiltemperatur unter 180°C oder aber in einem anderen Kennfeldbereich 112a
über 380°C.
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Um einen Aufbau von Verkokungsschichten auf den Einlaßventilen über einen Großteil
des üblichen Betriebes der Brennkraftmaschine im wesentlichen zu verhindern, sind die
Einlaßventile, der Sitzring 26 des Einlaßventilsitzes und/oder die Ventilschaftführung 28derart ausgebildet, daß sich wenigstens im Bereich der Kehlung 68 der Einlaßventile 20
in einem wesentlichen Bereich des Lastkennfeldes 74 der Brennkraftmaschine niedrige
Oberflächentemperaturen 82 unter 180°C einstellen. Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht.
Durch entsprechende Maßnahmen an den Einlaßventilen 20 bzw. an der
Ventilschaftführung 28 ist der schraffierte Kennfeldbereich 84 mit
Einlaßventiltemperaturen unter 180°C deutlich vergrößert. Mit anderen Worten ist
wenigstens eine Einlaßventileinheit mit derartigen wärmeableitenden Maßnahmen
ausgebildet, daß der Bereich des Last-Drehzahl-Kennfeldes mit
Oberflächentemperaturen im Bereich der Kehlung des Einlaßventils unter 180°C bzgl.
dem entsprechenden Bereich des Last-Drehzahl-Kennfeldes ohne diese
wärmeableitenden Maßnahmen derart vergrößert ist, daß im Betrieb der
Brennkraftmaschine ein Aufbau von Verkokungsablagerungen am Einlaßventil reduziert
ist. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß sich bei Temperaturen unter
180°C keine wesentlichen Verkokungsablagerungen an den Einlaßventilen 20 bilden. Ein
wesentlicher Teil des Kennfeldes 76 ist somit ein Bereich 84, in dem sich keine
Ablagerungen aufbauen. Dieser Kennfeldbereich 84 befindet sich beispielsweise bei
Drehzahlen bis 4.000 U/min und reicht dort im wesentlich bis zur Vollast. Im üblichen
Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges wird die Brennkraftmaschine zum überwiegend Teil
der Betriebszeit in diesem Kennfeldbereich Betrieben. Daher befindet sich die
Brennkraftmaschine in einem überwiegenden Teil ihrer Betriebszeit in einem
Betriebszustand, in dem sich keine oder nur geringe Verkokungsablagerungen an den
Einlaßventilen ausbilden. Beispielsweise ist die Einlaßventileinheit derart ausgebildet,
daß sich im Bereich der Kehlung der Einlaßventile in wenigstens einem Drittel des
Lastkennfeldes der Brennkraftmaschine Oberflächentemperaturen von unter 180°C
einstellen.
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Ein derartiger Kennfeldverlauf wird mit folgenden Maßnahmen einzeln oder in
Kombination miteinander erreicht: Eine hohe Wärmeableitung an einen umgebenden
Zylinderkopf mit entsprechend sich erniedrigender Temperatur der Einlaßventile 20
erzielt man dadurch, daß der Sitzring 26 aus einem Werkstoff mit hoher
Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist. Weiter erniedrigte Einlaßventiltemperaturen erzielt
man dadurch, daß die Einlaßventile 20 aus einem Werkstoff mit niedriger
Wärmekapazität und/oder aus einem Werkstoff mit niedriger oder hoher
Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sind. Erniedrigte Temperaturen an der Oberfläche der
Einlaßventile 20 erzielt man ferner dadurch, daß die Einlaßventile 20 als Hohlventile mit
Na-K-Füllung 86 ausgebildet sind, wie in Fig. 5 dargestellt, da sich eine verbesserte
Wärmeableitung zum Sitzring 26 und zur Ventilschaftführung 28 ergibt, wodurch eine
geringere Wärmemenge im Einlaßventil 20 zurück bleibt. Mit anderen Worten senkt eine
verbesserte Kühlung die Temperatur des Einlaßventils 20 insgesamt und besonders
auch an der Oberfläche im Bereich der Kehlung 68, wo die größte Gefahr für
Verkokungsablagerungen besteht. Einen geringeren Wärmeeintrag aus dem heißen
Brennraum in die Einlaßventile 20 erzielt man dadurch, daß im Bereich eines
Ventilbodens 88 des Einlaßventiles 20 eine wärmeisolierende Schicht, insbesondere eine
Keramikschicht 90, ausgebildet ist. Wenigstes ein Einlaßventil 20 weist zur weiteren
Temperaturerniedrigung eine Hülse 92 auf, wie in Fig. 6 dargestellt, welche einen Teil
des Schaftes 22, die Kehlung 68 sowie wenigstens einen Teil einer dem Brennraum 16
abgewandten Seite 94 des Ventiltellers 24 des Einlaßventiles 20 überdeckt. Dabei ist
zwischen Einlaßventil 20 und Hülse 92 ein Luftspalt 96 ausgebildet, welcher eine
Wärmeisolation zwischen Ventil 20 und Hülse 92 bildet. Dies bedingt einen reduzierten
Wärmeübergang vom Ventil 20 zur Hülse 92 nahezu in dem gesamten Lastkennfeld der
Brennkraftmaschine mit einer entsprechend niedrigen Oberflächentemperatur der dem
Ansaugluftstrom ausgesetzten Hülsenoberfläche 98 von maximal 165°C, so daß ein
Aufbau einer Verkokungsschicht wirksam vermieden ist.
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Die aus Fig. 1 ersichtliche Einrichtung 64 zur externen Abgasrückführung ist bevorzugt
mit dem Abgastrakt 54 hinter bzw. stromab des Vorkatalysators 56 verbunden, wie durch
gestrichelte Linien 110 angedeutet. Hierdurch resultiert ein kühlerer Luftstrom im
Ansaugtrakt 18 der Brennkraftmaschine, da das rückgeführte Abgas kühler ist. Hierdurch
verringert sich dementsprechend die Temperatur der Einlaßventile 20 und der Bereich
des Last-Drehzahl-Kennfeldes mit niedrigen Einlaßventiltemperaturen unterhalb 180°C
wird weiter vergrößert. Zusätzlich ist das Abgas vorgereinigt, so daß sich weniger
ablagerungsfähige Anteile, insbesondere Kohlenwasserstoffe, im Abgas befinden. Ferner
hat der rückgeführte Abgasluftstrom eine andere Zusammensetzung, welche in
überraschender Weise zu einem geringeren Aufbau von Verkokungsablagerungen führt.
Eine weitere Abkühlung des Ansaugluftstromes im Ansaugkanal 18 erzielt man dadurch,
daß die Einrichtung 64 zur Abgasrückführung eine nicht dargestellte Einrichtung zum
Kühlen des zurückgeführten Abgases aufweist. Um die ablagerungsfähigen Anteile im
Abgas, welche ggf. zum Aufbau einer Verkokungsschicht beitragen, weiter zu
reduzieren, umfaßt die Einrichtung 64 zur Abgasrückführung zusätzlich einen
Partikelfilter 100. Desweiteren ist es vorteilhaft, in solchen Betriebssituation, in denen die
Verkokungsablagerungen verstärkt auftreten, eine Einlaßnockenwelle nach "spät" zu
verstellen. Dadurch wird die Ventilüberschneidung der Ein- und Auslaßventile 20 bzw. 52
um Ausschubtakt verringert, wodurch die innere Abgasrückführung entsprechend
reduziert wird.
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Zur weiteren Vermeidung des Aufbaus einer Verkokungsschicht an den Einlaßventilen
durch erniedrigte Temperatur dieser sowie zur weiteren Vergrößerung des Bereiches des
Last-Drehzahl-Kennfeldes mit Einlaßventiltemperaturen unter 180°C wird während des
Betriebs der Brennkraftmaschine in dem Bereich des Last-Drehzahl-Kennfeldes mit
Einlaßventiltemperatur unter 180°C zusätzlich eine Temperatur des Kühlwassers
gegenüber dem Betrieb außerhalb dieses Bereiches des Last-Drehzahl-Kennfeldes,
beispielsweise um 10°C, erniedrigt.
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Ein weiterer Ansatz zur Reduktion der Verkokung der Einlaßventile 20 liegt darin, die
Einlaßventiltemperatur wenigstens temporär zu erhöhen, da es sich in überraschender
Weise heraus gestellt hat, daß oberhalb von 380°C etwaige Verkokungsablagerungen
abgebaut werden. Hierzu ist die Einlaßventileinheit, welche u. a. die Einlaßventile 20 und
die Ventilschaftführung 28 umfaßt, derart mit die Wärmeableitung behindernden
Maßnahmen ausgebildet, daß sich wenigstens im Bereich der Kehlung 68 der
Einlaßventile 20 in wenigstens einem vorbestimmten Bereich des Lastkennfeldes 74 der
Brennkraftmaschine erhöhte Oberflächentemperaturen über 380°C einstellen. Dies ist in
Fig. 4 veranschaulicht. In dem schraffierten Kennfeldbereich 112b liegt die
Einlaßventiltemperatur über 380°C. Bei diesen Temperaturen bauen sich
Verkokungsablagerungen an den Einlaßventilen 20 ab. Dieser Kennfeldbereich 84
befindet sich hier beispielhaft bei Drehzahlen über 3.000 U/min und reicht dort im
wesentlich bis zur Vollast. Selbst wenn im normalen Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges
die Brennkraftmaschine zeitlich nicht hauptsächlich in dem Bereich 112 betrieben wird,
so kann sich trotzdem keine den Betrieb der Brennkraftmaschine beeinträchtigende
Verkokungsablagerung aufbauen, da der Abbau in dem schraffierten Kennfeldbereich
112b sehr rasch erfolgt. So genügt beispielsweise ein Betrieb der Brennkraftmaschine in
diesem Kennfeldbereich 112b für eine Zeitspanne von beispielsweise 20 min. um selbst
eine dicke Verkokungsablagerung abzubauen. Mit anderen Worten reinigt beispielsweise
eine regelmäßige Autobahnfahrt ausreichend die Einlaßventile 20. Zusätzlich kann dieser
Kennfeldbereich im Zuge einer Wartung oder Reparatur der Brennkraftmaschine in einer
Werkstatt angefahren werden.
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Der in Fig. 4 veranschaulichte Kennfeldverlauf wird mit folgenden Maßnahmen einzeln
oder in Kombination miteinander erreicht: Eine niedrige Wärmeableitung an den
umgebenden Zylinderkopf mit entsprechend höherer Temperatur der Einlaßventile 20
erzielt man dadurch, daß der Sitzring 26 aus einem Werkstoff mit niedriger
Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus einem Werkstoff mit hohem Eisengehalt,
ausgebildet ist. Weiter erhöhte Einlaßventiltemperaturen erzielt man dadurch, daß die
Einlaßventile 20 aus einem Werkstoff mit hoher Wärmekapazität, insbesondere als
Nimonic-Ventile oder einem ähnlichen Werkstoff, und/oder aus einem Werkstoff mit
hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sind.
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Sofern die Brennkraftmaschine im Zuge von Wartungs- oder Reparaturarbeiten temporär
im Kennfeldbereich 112 (Fig. 4) mit T > 380°C betrieben wird, beträgt die vorbestimmte
Zeitspanne zweckmäßigerweise 5 min bis 60 min. insbesondere 30 min. Eine weitere
Verstärkung des Abbaus des Verkokungsbelages an den Einlaßventilen sowie eine
Vergrößerung des Bereiches des Last-Drehzahl-Kennfeldes mit Einlaßventiltemperaturen
über 380°C erzielt man dadurch, daß während des Betriebs der Brennkraftmaschine in
diesem Bereich des Last-Drehzahl-Kennfeldes mit Einlaßventiltemperatur über 380°C
zusätzlich eine Temperatur des Kühlwassers gegenüber dem Betrieb außerhalb dieses
Bereiches des Last-Drehzahl-Kennfeldes, beispielsweise um 10°C, erhöht wird. Zum
verstärkten Abbauen von Verkokungsablagerungen wird während des Betriebs der
Brennkraftmaschine im Kennfeldbereich 112 ein Verkokungsablagerungen lösendes
Mittel in den Ansaugkanal 18 eingespritzt.
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Eine weitere Erhöhung der Temperaturen an der Oberfläche der Einlaßventile 20 erzielt
man ferner dadurch, daß, wie in Fig. 7 dargestellt, die Einlaßventile 20 mit einem zum
Brennraum hin offenen Hohlkopf mit minimierter Wandstärke ausgebildet sind, wodurch
eine höhere Wärmemenge an die Einlaßventilkehlung 68 geführt wird. Einen geringeren
Wärmeabtransport durch im Ansaugtakt am Einlaßventil 20 vorbei strömende Luft der
Brennkraftmaschine erzielt man dadurch, daß im Bereich der Kehlung 68 der
Einlaßventile 20 eine wärmeisolierende Schicht 118, insbesondere eine Keramikschicht,
oder daß ein Ventilkopf 24 der Einlaßventile 20 flach ausgebildet ist.
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Fig. 5A veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Sitzringes 26, welcher
im Bereich des Einlaßventilsitzes der wenigstens einen Einlaßventileinheit angeordneter
ist. Dieser Sitzring 26 weist an seiner dem Zylinderkopf zugewandten Seite eine Fläche
190 auf, die eine Kontaktfläche mit entsprechendem Wärmeübergang vom Sitzring 26
zum Zylinderkopf darstellt. Am Umfang des Sitzringes 26 sind Ausnehmungen 192
ausgebildet. welche abschnittsweise diese Kontaktfläche reduzieren. Im Bereich der
Ausnehmungen 192 ist somit eine kleinere Kontaktfläche 190 vorhanden, als an
denjenigen Umfangsabschnitten der Kontaktfläche 190 des Sitzringes 26 ohne
Ausnehmung 192. Dies führt zu einem entsprechend reduzierten Wärmeübergang vom
Sitzring 26 zum Zylinderkopf, so daß das diesem Sitzring 26 zugeordnete Einlaßventil 20
eine höhere Wärmemenge enthält und damit eine höhere Temperatur aufweist, als ein
Einlaßventil 20 mit herkömmlichem Sitzring 26 ohne Ausnehmungen 192.
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Zur Unterstützung des Abbaus von am Einlaßventil bereits vorhandenen
Verkokungsablagerungen erhält das Motoröl wenigstens ein Verkokungen lösendes
Additiv, wobei damit das Motoröl als Träger für den bzw. die Verkokungslöser dient. Dies
ist ein Zusatznutzen des Motoröls, welches bisher nur als Schmiermittel dient und
allenfalls Additive als Verschleißschutz enthält. Um eine ausreichende Menge Motoröl mit
Verkokungen lösenden Additiven an den Ort der Verkokungsablagerungen zu bringen,
d. h. an die Kehlung 68 und die Oberseite 94 des Ventiltellers 24 der Einlaßventile 20, ist
es vorgesehen, daß eine Ventilschaftabdichtung im Bereich der Ventilschaftführung 28
der Einlaßventile 20 für Motoröl besonders durchlässig ausgebildet ist. Dies verstärkt ein
Herunterlaufen von Motoröl aus dem Zylinderkopf entlang des Ventilschaftes 22 zur
Kehlung 68 und zum Ventilkopf 24, so daß die dem Motoröl hinzugefügten
Verkokungslöser entsprechend wirken können. Eine mit diesem additivierten Motoröl
betriebene Brennkraftmaschine weist bevorzugt folgende Merkmale auf: Eine
Ventilschaftabdichtung der Einlaßventile 20 ist derart ausgebildet, daß diese eine
Öldurchlässigkeit von größer 0,002 g/h aufweist. In besonders vorteilhafter Weise sind
Kolbenringpakete von Kolben der Brennkraftmaschine derart ausgebildet, daß eine
Menge von in den Brennraum zurück geführtem Öl größer 1,5 g/h pro Zylinder bei
Nenndrehzahl ist, und/oder ist ein Ölabscheider einer Kurbelgehäuseentlüftung derart
ausgebildet, daß dieser eine Öldurchlässigkeit von größer 1 g/h aufweist. Alle diese
Maßnahmen führen dazu, daß verstärkt Motoröl mit dem Verkokungslöser zu den
Einlaßventilen transportiert wird.
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Ein weiterer Ansatz gegen betriebsbeeinträchtigende Verkokungsablagerungen der
Einlaßventile 20 betrifft eine spezielle Oberflächenbeschaffenheit bzw. Beschichtung
wenigstens im Bereich der Kehlung 68 der Einlaßventile 20 bzw. der gesamten
Oberfläche der Einlaßventile 20, wobei die Oberfläche bzw. die Beschichtung
wärmeisolierend, antiadhäsiv, chemisch inert oder katalytisch ausgebildet ist. Isolierende,
antiadhäsive und chemisch inerte Oberflächen bzw. Beschichtungen sollen dabei bereits
den Aufbau einer Verkokungsablagerung verhindern oder zumindest bremsen, während
katalytische Oberflächen bzw. Beschichtungen Verkokungsablagerungen wieder
abbauen. Hierbei ist es vorteilhaft, daß die Brennkraftmaschine und die katalytische
Oberfläche bzw. Beschichtung derart aufeinander abgestimmt sind, daß nicht solche
Betriebsbedingungen überwiegen, in denen sich die Verkokungsablagerungen schneller
aufbauen als sie von der katalytischen Oberfläche bzw. Schicht abgebaut werden. Mit
anderen Worten soll die Brennkraftmaschine in ihrer überwiegenden Betriebszeit unter
solchen Bedingungen laufen, in denen die katalytische Oberfläche bzw. Schicht die
Verkokungsablagerungen schneller abbaut als sich diese aufbauen. Einen den
Wirkmechanismus der speziellen Oberfläche bzw. Beschichtung der Einlaßventile
unterstützenden Effekt erzielt man zusätzlich durch spezielle Oberflächentopografien,
welche zumindest in solchen Bereichen der Oberfläche des Einlaßventiles 20 ausgebildet
sind, welche besonders für Verkokungsablagerungen anfällig sind, beispielsweise im
Bereich der Kehlung 68. Eine polierte Oberfläche unterstützt dabei besonders die
Verhinderung des Aufbaus von Verkokungsablagerungen. Eine mikrorauhe
Oberflächenstruktur dagegen weist eine große Fläche auf und unterstützt
dementsprechend eine katalytische Oberfläche bzw. Beschichtung in ihrer Wirkung.
Auch ein spezieller Oxidationszustand der Beschichtung bzw. der Oberfläche des
Einlaßventils ist ggf. vorteilhaft. Fig. 8 veranschaulicht schematisch verschiedene
Beschichtungen mit deren entsprechendem Effekt.
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Die Oberfläche ist beispielsweise als eine wärmeisolierende Beschichtung, insbesondere
eine Keramik, beispielsweise ZrO2, insbesondere mit einer Schichtdicke von 80 µm,
ausgebildet. Einen geringeren Wärmeabtransport durch am Einlaßventil vorbei
strömende Luft im Ansaugtakt der Brennkraftmaschine erzielt man dadurch, daß die
wärmeisolierende Beschichtung im Bereich der Kehlung der Einlaßventile ausgebildet ist.
Die hierdurch sich ergebenden höheren Oberflächentemperaturen am Einlaßventil bauen
eine sich ggf. aufgebaute Verkokungsablagerung bereits im Betrieb der
Brennkraftmaschine ab. Einen geringeren Wärmeeintrag aus dem heißen Brennraum in
die Einlaßventile erzielt man dadurch, daß die wärmeisolierende Beschichtung im
Bereich eines Ventilbodens der Einlaßventile ausgebildet ist. Die hierdurch sich
ergebenden niedrigeren Oberflächentemperaturen am Einlaßventil wirken einem Aufbau
von Verkokungsablagerungen entgegen. Eine Prävention gegen
Verkokungsablagerungen erzielt man dadurch, daß die Oberfläche mikroporös oder
antiadhäsiv ausgebildet ist und beispielsweise Cr-C-N, insbesondere in einer
Schichtdicke von 5 µm, umfaßt. Der Wirkmechanismus umfaßt dabei eine entsprechende
Oberflächenspannung, die Verkokungsablagerungen entgegen wirkt. Zum Verhindern
der Anlagerung von Verkokungsablagerungen ist die Oberfläche chemisch inert bzgl.
vorbestimmter Elemente, insbesondere bzgl. C, H, O und/oder N, ausgebildet und
umfaßt beispielsweise TiZr-C-H-N-O oder TiAl-C-H-N-O, beispielsweise in einer
Schichtdicke von 5 µm. Der Wirkmechanismus umfaßt hier eine Sättigung der Oberfläche
für bestimmte Elemente, die sich dann nicht ablagern. Zum Abbau von
Verkokungsablagerungen ist die Oberfläche katalytisch oder autokatalytisch ausgebildet
und umfaßt beispielsweise Pt oder Vanadiumnitrid (VN). In besonders vorteilhafter Weise
ist eine oxidierte Schicht, wie beispielsweise Vanadiumpentoxid, vorgesehen. Eine
besonders gute katalytische Wirkung wegen einer großen Oberfläche erzielt man
dadurch, daß die Oberfläche mikrorauh ausgebildet ist.
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Eine weitere Maßnahme zum Verhindern des Aufbaus insbesondere einer
knollenförmigen Verkokungsablagerung am Ventilschaft 22 des Einlaßventils 20 stromab
des Trennbleches 30 betrifft eine Strömungsumleitung des vom Trennblech 30 auf den
Ventilschaft 22 treffenden Fluidstromes im Einlaßkanal 18. Hierzu ist das Trennblech 30
an einem dem Einlaßventil 20 zugewandten Ende derart ausgebildet, daß eine
Fluidströmung im Einlaßkanal 18 an dem Ventilschaft 22 des Einlaßventiles 20 vorbei
geführt ist. Ein Abtropfen bzw. Ablagern von in der Fluidströmung befindlichen Partikeln
bzw. Flüssigkeiten am Ventilschaft 22 ist dadurch wirksam verhindert, so daß sich am
Ventilschaft 22 keine Verkokungsablagerung aufbaut. Verschiedene Ausführungsformen
für das Trennblech 30 sind in den Fig. 9 bis 12 dargestellt. An dem dem Einlaßventil 20
zugewandten Ende 120 des Trennbleches 30 ist beispielsweise eine dreieckige (Fig. 9)
oder halbkreisförmige (Fig. 10) Ausnehmung 122 ausgebildet. Etwaige auf dem Blech
vorhandene Flüssigkeitstropfen bewegen sich unter dem Einfluß der Strömung im
Ansaugkanal 18 zunächst entlang der Kanten der Ausnehmung 122, bevor sich diese
Tropfen vom Trennblech 30 lösen. Dadurch fliegen diese dann von der Strömung
mitgerissenen Tropfen am Ventilschaft 22 vorbei, ohne mit diesem in Kontakt zu
kommen. Alternativ ist an diesem Ende 120 des Trennbleches 30 eine keilförmige
Stanzung 124 angeordnet, welche eine die Strömung im Einlaßkanal 18 entsprechend
umleitende Erhebung ausbildet, wie aus Fig. 11 und 12 ersichtlich. Fig. 13
veranschaulicht die Umlenkung der Strömung 126 durch die Ausgestaltung des
Trennbleches 30. Neben der Vermeidung von unerwünschten Verwirbelungen der
Strömung im Einlaßkanal 18 stromab des Trennbleches 30 ergeben die vorgenannten
Ausgestaltungen des Trennbleches 30 zusätzlich eine positive Luftführung, die die
Stabilität des Brennverfahrens des direkteinspritzenden Ottomotors verbessert. Es
resultiert durch eine Umlenkung der Ansaugluft um das Einlaßventil 20 eine höhere
Tumble-Intensität bei gleichem Durchfluß.
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Das Trennblech 30 weist somit an dem dem Einlaßventil 20 zugewandten Ende 120 eine
Ausnehmung 122 oder Ausstanzung 124 auf, welche entgegen der Strömungsrichtung
stromauf des Ventilschaftes 22 auf einer parallel zur Fluidströmung 126 verlaufenden
Linie 128 angeordnet ist, welche eine Mittelachse 130 des Ventilschaftes 22 schneidet.
Hierdurch werden sich am Trennblech 30 abscheidende Flüssigkeiten (Ölkondensat)
entlang des Randes dieser Ausnehmung 122 bzw. Ausstanzung 124 geleitet und fliegen
nach dem Ablösen vom Trennblech 30 am Ventilschaft 22 vorbei. Das Trennblech 30
gemäß Fig. 11 bis 13 weist an dem dem Einlaßventil 20 zugewandten Ende 120 eine
Erhebung 124 auf, welche entgegen der Strömungsrichtung stromauf des Ventilschaftes
22 auf der parallel zur Fluidströmung 126 verlaufenden Linie 128 angeordnet ist, welche
die Mittelachse 128 des Ventilschaftes 22 schneidet. Hierdurch wird die Fluidströmung
126 um den Ventilschaft 22 herum geleitet, so daß weder von dem Trennblech 30 sich
ablösende Flüssigkeiten noch in dem Fluidstrom 126 mitgerissene Partikel auf den
Ventilschaft 22 treffen. Dies verhindert wirksam eine Verkokungsablagerung am
Ventilschaft 22. Die Erhebung 124 ist beispielsweise dreieckig oder keilförmig
ausgebildet. Sollten sich dennoch Ablagerungen am Ventilschaft 22 ergeben, so werden
diese in vorteilhafter Weise dadurch abgeschert, daß das Trennblech 30 in einem
derartigen Abstand stromauf des Ventilschaftes 22 angeordnet ist, daß das dem
Einlaßventil 20 zugewandte Ende 120 des Trennbleches 30 in mechanischen Kontakt mit
sich auf dem Ventilschaft 22 ausbildenden Ablagerungen kommt (vgl. Fig. 14B und 14C).
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Fig. 14A veranschaulicht eine weitere Maßnahme zum Entfernen von
Verkokungsablagerungen vom Einlaßventil 20. Wie dargestellt wirkt eine Nocke 132 der
Einlaßnockenwelle über eine Ventildreheinrichtung 134 auf das Einlaßventil 20. Die
Ventildreheinrichtung ist lediglich beispielhaft, es ist auch eine Anordnung ohne diese
Ventildreheinrichtung 134 möglich. So ist beispielsweise alternativ statt der
Ventildreheinrichtung 134 eine außermittige Anordnung von
Rollenschlepphebel/Tassenstößel zum Ventilschaft 22 vorgesehen, welche ebenfalls
eine Drehung des Einlaßventils 20 um dessen Längsachse 130 hervorruft. Im
Einlaßkanal 18 benachbart zum Einlaßventil 20 ist eine Abstreifeinrichtung 136
vorgesehen, welche derart ausgebildet und in einem derartigen Abstand zum Einlaßventil
20 angeordnet ist, daß Ablagerungen am Einlaßventil 20 in mechanischen Kontakt mit
der Abstreifeinrichtung 136 kommen. Durch die Drehung 138 des Einlaßventiles 20
werden Ablagerungen auf der Oberfläche der Kehlung 68 und des Ventilschaftes 22 von
der Abstreifeinrichtung 136 abgeschert, so daß sich keine den Betrieb der
Brennkraftmaschine beeinträchtigende Verkokungsablagerungen an den Einlaßventilen
20 aufbauen können. Die Abstreifeinrichtung 136 hat eine dem Einlaßventil 20
kongruente Kontur und ist beispielsweise als im Zylinderkopf eingegossenes Blech
ausgebildet, welches eine Strömungsdynamik im Einlaßkanal 18 nur geringfügig
beeinflußt. Die Abstreifeinrichtung 136 folgt möglichst eng der Ventilkontur im Bereich
der Kehlung 68 und des Schaftes 22.
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Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 14B und Fig. 14C dargestellt.
Hier ist das Trennblech 30 derart nah beabstandet zum Ventilschaft 22 angeordnet, daß
die Abstreifeinrichtung 136 einstückig mit dem ausgebildet ist bzw. daß das Trennblech
selbst die Abstreifeinrichtung 136 ausbildet, indem das Trennblech 30 in einem
derartigen Abstand stromauf des Einlaßventils 20 angeordnet ist, daß das dem
Einlaßventil 20 zugewandte Ende 120 des Trennbleches 30 in mechanischen Kontakt mit
sich auf dem Einlaßventil 20 ausbildenden Ablagerungen kommt. Durch die Bewegung
des Einlaßventiles 20 (Hub- bzw. Drehbewegung) werden Ablagerungen auf der
Oberfläche des Ventilschaftes 22 von dem ventilseitigen Ende 120 des Trennbleches 30
abgeschert, so daß sich keine den Betrieb der Brennkraftmaschine beeinträchtigende
Verkokungsablagerungen an den Einlaßventilen 20 aufbauen können. Wie detaillierter
aus Fig. 14C ersichtlich, ist das Trennblech 30 mit der Ausnehmung 122 nahe an den
Ventilschaft 22 heran angeordnet, so daß die Ausnehmung 122 den Ventilschaft 22
teilweise umgreift. Dies ermöglichst eine Abstreifung von Verkokungsablagerungen um
einen größeren Umfangsabschnitt des Ventilschaftes 22. Am ventilschaftseitigen Ende
120 ist ferner eine Abstreifkante 152 am Trennblech 30 ausgebildet. Beispielsweise
beträgt ein Abstand zwischen dem Ende 120 des Trennbleches 30 und dem Einlaßventil
0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere 0,2 mm oder 0,15 mm. Zum wirksamen Entfernen von
Verkokungsablagerungen am Einlaßventil 20 ist am ventilschaftseitigen Ende 120 des
Trennbleches 30 eine Abstreifkante 152 ausgebildet.
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Eine Weiterbildung des Trennbleches 30, beispielsweise des Trennbleches mit
integrierter Abstreifvorrichtung oder des Trennbleches mit Leiteinrichtung für die
Fluidströmung vorbei am Ventilschaft 22, ist in den Fig. 14F bis 14H dargestellt. Wie aus
den Fig. 14F und 14G ersichtlich, weist das Trennblech 30 senkrecht zur Längsachse
desselben einen beispielsweise 2 mm bis 3 mm breiten Schlitz 186 auf, der die gesamte
Breite des Trennbleches 30 einnimmt. Dies ermöglicht den auf dem Trennblech 30
befindlichen Rückständen, wie Öl, Kraftstoff etc., das Ablaufen auf den Boden des
Einlaßkanals 18 und damit das bessere Abließen in den Brennraum beim Öffnen des
Einlaßventils 20. Beispielsweise ist der Ablaufschlitz 186 mit einem Ablauffalz 188
versehen, wie aus Fig. 14G ersichtlich. Auf diesen kann jedoch auch verzichtet werden,
wie aus Fig. 14H ersichtlich.
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Umfangreiche Untersuchungen der letzen Zeit haben ergeben, daß in überraschender
Weise auch Ablagerungen im Bereich des Ventilsitzringes 26 des Einlaßventils 20 für die
einleitend beschriebenen Phänomene verantwortlich sind. Es kommt zur Bildung einer
"Verkokungslippe" 180 im Bereich des Sitzringes 26, wie in Fig. 14E dargestellt. Die
Mechanik eines Ventiltriebs moderner Brennkraftmaschinen ist so ausgelegt, daß es ab
einer bestimmten Motordrehzahl zu einer mehr oder weniger schnellen Eigendrehung
(Pfeil 138 in Fig. 14A und Fig. 14E) der Einlaßventile 20 kommt, d. h. das Einlaßventil 20
führt während des Öffnens und Schließens eine translatorische Bewegung entlang der
Ventillängsachse 130 und eine Rotationsbewegung um die Ventillängsachse 130 durch.
Auf der Tulpe 68 des Einlaßventils 20 wird erfindungsgemäß eine Einrichtung befestigt,
welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß durch die Eigendrehung des Ventils
20 ein Abstreifmechanismus zwischen Ventiltulpe 68 und Sitzring 26 entsteht und damit
Ansammlungen von Verbrennungsrückständen im kritischen Bereich des Ventilsitzringes
26 verhindert werden. Eine erste Variante ist in Fig. 14D und Fig. 14E dargestellt und
umfaßt einen Stift oder Bolzen 182, der an der Ventiltulpe 68 benachbart zum Sitzring 68
befestigt ist. Fig. 14E veranschaulicht, wie dieser Stift bzw. Bolzen 182 einen
vorbestimmten Bereich etwaiger Ablagerungen überstreicht und dementsprechend
Ablagerungen abschert. In einer aus Fig. 14D ersichtlichen alternativen Ausführungsform
ist ein Blech 184 an der Ventiltulpe 68 befestigt. Die im Bereich des Sitzringes 26abstreifenden Einrichtungen 182 bzw. 184 sind beispielsweise mittels Schweißen,
Laserschweißen oder Aufschrumpfen auf der Tulpe 68 des Einlaßventils 20 befestigt.
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Ein weiterer Ansatz gegen betriebsbeeinträchtigende Verkokungsablagerungen der
Einlaßventile 20 betrifft eine Weiterbildung der Einspritzvorrichtung 40, wie in Fig. 15 und
16 veranschaulicht. Die Einspritzvorrichtung 40 spritzt einen Kraftstoffstrahl 140 in den
Brennraum 16 ein. Zusätzlich ist die Einspritzvorrichtung 40 derart ausgebildet und
angeordnet, daß bei geöffnetem Einlaßventil 20 (Fig. 16) ein Teil des eingespritzten
Kraftstoffes auf den Ventilteller 24 des Einlaßventils 20 trifft. Hierzu weist die
Einspritzvorrichtung 40 wenigstens eine zusätzliche Öffnung, insbesondere zwei
zusätzliche Öffnungen, auf, durch die wenigstens ein zusätzlicher Kraftstoffstrahl 142 in
den Brennraum eingespritzt wird. Dieser zusätzliche Kraftstoffstrahl 142 ist dabei derart
ausgerichtet, daß er auf das geöffnete Einlaßventil 20 trifft, wie aus Fig. 16 ersichtlich. In
Fig. 16 ist das geöffnete Einlaßventil 20 lediglich durch den Ventilteller 24 bei 144
angedeutet. Durch den Kraftstoff am Ventilteller 24 ergibt sich eine Reinigung desselben,
welche einen Aufbau von Verkokungsablagerungen am Einlaßventil in einem solchen
Ausmaß, daß die Betriebssicherheit und das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine
beeinträchtigt ist, verhindert. Mit anderen Worten ist eine Spülung des Ventiltellers 24
und der Kehlung 68 realisiert. Ggf. erfolgt der Ausstoß des zusätzlichen Kraftstoffstrahls
142 nicht in jedem Zyklus der zyklischen Taktfolge in den Arbeitszylindern, sondern nur
temporär.
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Ein weiterer Ansatz zum Abbau von Verkokungsablagerungen betrifft die
Ladungsbewegungsklappe 36. Fig. 18 veranschaulicht ein Last-Drehzahl-Kennfeld mit
einem Schichtbetrieb-Bereich 160 und einem Homogenbetrieb-Bereich 162. Eine Linie
164 trennt den Schichtbetrieb-Bereich 160 von dem Homogenbetrieb-Bereich 162.
Ferner trennt eine Linie 166 das Last-Drehzahl-Kennfeld in einen ersten Bereich 168 und
einen zweiten Bereich 170. Im ersten Bereich 168 ist die Ladungsbewegungsklappe 36
geschlossen, um eine ausreichende Tumbleströmung zu gewährleisten und im zweiten
Bereich ist die Ladungsbewegungsklappe 36 geöffnet, um eine ausreichende
Zylinderfüllung zu gewährleisten. Erfindungsgemäß ist es nunmehr vorgesehen, daß
entgegen der Vorgabe des Last-Drehzahl-Kennfeldes die Ladungsbewegungsklappe 36
kurzzeitig geschlossen wird, wenn sich die Brennkraftmaschine an einem Betriebspunkt
im zweiten Bereich 170 befindet. Während dieser Schließzeit werden in überraschender
Weise ggf. vorhandene Verkokungsablagerungen an den Einlaßventilen 20 in
ausreichender Weise abgebaut, so daß eine betriebsbedingte Verkokung der
Einlaßventile 20 keinen negativen Einfluß auf die Betriebssicherheit und das
Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine hat.
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Beispielsweise wird dies im normalen Betrieb des Brennkraftmaschine, insbesondere im
Fahrbetrieb des mit dieser Brennkraftmaschine ausgerüsteten Kraftfahrzeuges,
wiederholt kurzzeitig ausgeführt. Hierbei hat sich eine wiederholte Schließzeit von 1
Sekunde bis 10 Sekunden als ausreichend herausgestellt. Diese kurze Schließzeit
ermöglicht, daß Fahrzeuginsassen von den Folgen dieses dem Kennfeld nicht
entsprechenden Betriebes der Brennkraftmaschine nichts bemerken. Diese Folgen sind
beispielsweise eine verringerte Leistung bzw. ein unruhigerer Lauf der
Brennkraftmaschine.
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Alternativ oder zusätzlich wird die Schließung der Ladungsbewegungsklappe 36 im
zweiten Bereich 170 im Zuge von Reparatur- oder Wartungsmaßnahmen ausgeführt. In
diesem Fall beträgt die Schließzeit beispielsweise 15 min bis 60 min. insbesondere
30 min. Zur weiteren Unterstützung des Abbaus von Verkokungen an den Einlaßventilen
hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, gleichzeitig den Zündwinkel auf spät oder früh
zu verstellen, die Einlaßnockenwelle nach früh zu verstellen, eine hohe
Abgasrückführrate einzustellen, den Einspritzzeitpunkt nach spät zu verschieben
und/oder einen Wert für Lambda von größer 1 einzustellen. Die vorgenannten
Maßnahmen betreffend Ladungsbewegungsklappe und weitere Betriebsparameter
werden beispielsweise in ein Motorsteuergerät eingebunden und als Reparaturlösung im
Kundendienst, beispielsweise bei der Inspektion, oder als regelmäßige Maßnahme im
normalen Fahrbetrieb umgesetzt.
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Zur Veranschaulichung der Wirkung dieses Verfahrens zur Reinigung der Einlaßventile
20 von Verkokungsablagerungen wurde folgender Versuch durchgeführt: In einen
Ottomotor mit vier Zylindern und je zwei Einlaßventilen 20 pro Zylinder wurden bei den
Zylindern eins bis drei je ein neues und ein mit starken Verkokungsablagerungen
behaftetes Einlaßventil 20 eingebaut. In Zylinder vier wurden zwei lediglich leicht
verkokte, mit Platin beschichtete Einlaßventile 20 eingebaut. Alle Einlaßventile 20 wurden
im Einbauzustand verwogen. Die entsprechend ermittelten Gewichte sind in der Tabelle
von Fig. 17 in Zeile 146 in g angegeben. Der Ottomotor wurde bei geschlossener
Ladungsbewegungsklappe im zweiten Bereich 170 des Last-Drehzahl-Kennfeldes für
30 min betrieben. Anschließend wurden die Einlaßventile 20 wieder verwogen. Die hierbei
ermittelten Gewichte sind in der Tabelle von Fig. 17 in Zeile 148 in g angegeben. Es
ergibt sich anschaulich, daß die mit Verkokungsablagerung versehenen Einlaßventile 20
deutlich an Gewicht verloren haben, was bedeutet, daß durch den vorgenannten
Motorbetrieb die auf diesen Einlaßventilen 20 abgelagerten Rückstände nahezu
vollständig verascht wurden. Diese Veraschung ist vermutlich wenigstens teilweise auf
erhöhte Temperaturen der Einlaßventile auf über 380°C zurück zu führen. Dagegen ist
eine nur geringe Gewichtszunahme bei den im Neuzustand eingebauten Einlaßventilen
zu beobachten, was bedeutet, daß sich keine wesentlichen Verkokungsablagerungen
beim Betrieb des Motors bei den genannten Betriebsbedingungen aufbauen. In der
Tabelle von Fig. 17 in Zeile 150 sind desweiteren Gewichte in g angegeben, die sich
nach einer weiteren mechanischen Reinigung derjenigen Einlaßventile 20 ergeben, die
mit Verkokungsablagerungen eingebaut wurden. Es ist ersichtlich, daß die mechanische
Reinigung nur unwesentliche Gewichtsabnahmen bewirkt, was bedeutet, daß nach der
o. g. Heißmaßnahme nur wenig Verkokungsablagerungen auf den Einlaßventilen 20
zurück bleiben. Eine weitere Verstärkung des Reinigungseffektes erzielt man dadurch,
daß während des Betriebs mit den o. g. Einstellungen eine Kühlwassertemperatur erhöht
wird.
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Eine weitere Maßnahme gegen betriebsbeeinträchtigende Verkokungsablagerungen der
Einlaßventile 20 liegt darin, in Schubphasen eines Kraftfahrzeuges, das mit dem
Ottomotor mit Direkteinspritzung versehen ist, eine im Ansaugkanal angeordnete
Drosselklappe zu öffnen. Dies vermeidet ein potentielles Druckgefälle zwischen
Brennraum und Einlaßtrakt.
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In der Kurbelgehäuseentlüftung 62 (Fig. 1) wird zweckmäßigerweise Öl, welches in den
Blow-By-Gasen 60 enthalten ist, abgeschieden. Eine zusätzliche oder verstärkte
Ölabscheidung beeinflußt die vorgenannten Maßnahmen gegen die Verkokung des
Einlaßventils weiter positiv, da weniger potentiell ablagerungsfähige Anteile durch den
Einlaßkanal 18 am Einlaßventil 20 vorbei strömen.
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Eine weitere Maßnahme zum Abbau von Verkokungsablagerungen betrifft das
Eindosieren bzw. Einspritzen ein Verkokungsablagerungen lösendes Mittel in den
Ansaugkanal während des Laufes der Brennkraftmaschine, so daß diese das
entsprechende Einlaßventil 20 benetzen und Verkokungen lösen. Dieses Einspritzen
kann mit einer zusätzlichen Einspritzeinrichtung beispielsweise temporär während des
normalen Betriebes der Brennkraftmaschine erfolgen. Dadurch werden während des
Betriebs der Brennkraftmaschine Ablagerungen am Einlaßventil in solchem Umfang
abgebaut, daß eine betriebsbedingte Verkokung der Einlaßventile keinen negativen
Einfluß auf die Betriebssicherheit und das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine
zeigt. Statt dessen oder zusätzlich ist es vorgesehen, daß im Rahmen von Reparatur-
oder Wartungsarbeiten die Brennkraftmaschine stationär betrieben wird, beispielsweise
zu Meß- oder Prüfzwecken, und gleichzeitig in der Werkstatt während dieses Betriebes
Verkokungslöser in den Ansaugkanal 18 eingespritzt bzw. eindosiert werden. Auf diese
Weise werden ggf. vorhandene Vorkokungsablagerungen regelmäßig entfernt, so daß
diese keine solchen Ausmaße annehmen können, daß sie den Betrieb der
Brennkraftmaschine beeinträchtigen. Das Verkokungsablagerungen lösende Mittel wird
beispielsweise über einen Flansch für ein Trennblech in den Ansaugkanal eindosiert oder
eingespritzt.
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Es hat sich ferner als besonders vorteilhaft erwiesen, einen Kontakt von Öl, welches kein
Verkokungen lösendes Additiv enthält, mit dem Einlaßventil so weit wie möglich zu
verringern, denn es hat sich in überraschender Weise herausgestellt, daß dadurch ein
Aufbau von Verkokungsschichten auf den Einlaßventilen über einen Großteil des
üblichen Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine verhindert oder zumindest erheblich
reduziert ist. Hierzu ist die Ventilschaftabdichtung derart ausgebildet, daß sie eine
Öldurchlässigkeit kleiner 0,003 g/h aufweist. Eine weitere vorteilhafte Reduzierung der
mit dem Einlaßventil in Kontakt kommenden Ölmenge erzielt man dadurch, daß jeweilige
Kolbenringpakete von Arbeitskolben der Brennkraftmaschine derart ausgebildet sind,
daß in den Brennraum zurückgeführtes Öl einen Wert von kleiner 3 g/h pro
Arbeitszylinder bei Nenndrehzahl aufweist, und/oder daß der Ölabscheider der
Kurbelgehäuseentlüftung derart ausgebildet ist, daß dieser eine Öldurchlässigkeit von
kleiner 5 g/h aufweist.
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Fig. 19 zeigt beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Ventilschaftabdichtung 172 für einen Ventilschaft 22 eines Einlaßventiles. Diese
Ventilschaftabdichtung 172 umfaßt einen am Ventilschaft 22 anliegende Dichtstelle 174
mir Radius R und schließt an einer Seite der Dichtstelle 174 mit dem Ventilschaft 22
einen Winkel α ein. Ferner wirkt die Ventilschaftabdichtung 172 mit einer Feder 176 und
zusätzlichen Abstützungen 178 zusammen. Die Öldurchlässigkeit der
Ventilschaftabdichtung 172 wird über die Optimierung der Parameter α, R und Federkraft
der Feder 176 eingestellt. Eine Reduzierung von toleranzbedingten Streuungen der
Öldurchlässigkeitswerte erzielt man durch die zusätzlichen Abstützungen 178, welche
jeder Ventilschaftabdichtung 172 paarweise zugeordnet sind.