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Die
Erfindung betrifft ein Gaswechselventil, insbesondere Einlassventil,
für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung,
insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Ventilteller und einen
Ventilschaft, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein
bekanntes Problem von Verbrennungskraftmaschinen stellen so genannte
Verkokungsrückstände des
zugeführten
Kraftstoffes und Motoröls dar.
Das sind bitumenartige und zum Teil sehr komplexe Kohlenwasserstoffgemische,
die sich an Ventilen, Kolbenoberflächen, Einlasskanälen, Einspritzdüsen und
am Brennraumdach abscheiden und ansammeln. Diese Verkokungsrückstände können sich
insbesondere an Einlassventilen so weit akkumulieren, dass sie unerwünschte Veränderungen
hinsichtlich Strömungsdynamik
oder Schließverhalten
des Ventils hervorrufen. Auch an anderen Bauteiloberflächen des
Ansaugtrakts oder des Brennraums, beispielsweise eines Kolbenbodens,
können
sich Verkokungsrückstände äußerst nachteilig
auswirken.
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Benzinmotoren
bzw. Ottomotoren mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den
Brennraum (innere Gemischbildung), 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 kommen.
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Insbesondere
im Bereich der Ventilkehlung der Einlassventile ist eine übermäßige Verkokung aus
folgenden Gründen äußerst negativ:
Insbesonder bei geschichteten 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. Dies kann 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.
Des Weiteren 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 schwer siedenden 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.
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Eine
nahe liegende Lösung
wäre, die
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
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.
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Aus
der
DE 69405539 T2 ist
es bekannt, auf der Oberfläche
des Ventilschaftes eines Verbrennungsmotorventiles eine Kontaktflächenbeschichtung
mit Nickel und Phosphor vorzusehen.
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Eine
autokatalytische Beschichtung beispielsweise im Kehlungsbereich
der Einlassventile wirkt nur ab dem Erreichen einer bestimmten Oberflächentemperatur
einem Verkokungsaufbau entgegen. Diese Temperatur wird bei dem Übergang
der Kehlung in den Schaft und darüber nicht mehr erreicht. Gerade
in diesem Bereich kann es jedoch zu einem verstärkten Verkokungsaufbau (Knolle)
mit der Folge von Fahrbarkeitsmängeln,
Leistungseinbußen, Verbrauchseinbußen und
Emissionsnachteilen kommen.
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Aus
der
DE 3719077 C2 ist
es bekannt, ein Ventil für
Verbrennungsmotoren mit einer Antihaftbeschichtung mit Cer(IV)-Oxid
zu versehen. Diese Beschichtung ist insbesondere auf dem rückseitigen
Teil des Ventiltellers sowie dem daran angrenzenden Teil des Ventilschaftes
vorgesehen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gaswechselventil
für eine
Brennkraftmaschine der obengenannten Art dahingehend zu verbessern,
dass eine übermäßige Verkokung
dieses Gaswechselventils der Brennkraftmaschine verhindert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Gaswechselventil der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu
ist es bei einem Gaswechselventil der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass eine einem Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandte Seite
des Ventiltellers mit einer katalytischen Beschichtung und eine
Oberfläche
des an den Ventilteller angrenzenden Ventilschaftes mit einer antiadhäsiven Beschichtung
versehen ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass sich auf dem relativ kalten Oberflächenbereich
des Ventilschaftes ablagernde bzw. niederschlagende Schmutzpartikel, wie
beispielsweise Öl,
AGR-Bestandteile und BlowBy-Bestandteile, nicht anhaften können und
deshalb auf den Ventilteller abgleiten, wo sie mittels der katalytischen
Beschichtung bei hohe Temperaturen verbrannt werden. Dies verhindert
wirksam und auf einfache Weise einen Aufbau von Verkokungen am Ventil
im Bereich des Ventilschaftes und des Ventiltellers, ohne dass dafür besondere
Maßnahmen
zur Erhöhung
der Oberflächentemperatur
im Bereich des Ventilschaftes erforderlich sind.
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Die
antiadhäsive
Beschichtungen auf der Oberfläche
des Ventilschaftes ist beispielsweise zwischen einem Ventilführungsbereich
und dem Ventilteller ausgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die katalytische Beschichtung eine autokatalytische Beschichtung,
insbesondere eine Nickel-Phosphorschicht.
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Beispielsweise
ist die antiadhäsive
Beschichtung eine Antihaftbeschichtung auf Lackbasis, insbesondere
mit Nanopartikeln.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in der einzigen Figur eine Seitenansicht einer bevorzugten
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gaswechselventils
für eine
Brennkraftmaschine.
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Die
in der einzigen Figur dargestellte bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gaswechselventils
in Form eines Einlassventils umfasst einen Ventilschaft 10 und
einen Ventilteller 12. Bezugszeichen 14 kennzeichnet
einen ersten Beschichtungsbereich und Bezugszeichen 16 kennzeichnet
einen zweiten Beschichtungsbereich. Der erste Beschichtungsbereich 14 umfasst
eine Oberfläche 18 an
einer Rückseite
des Ventiltellers 12, die von einem nicht dargestellten
Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandt ist. Der zweite Beschichtungsbereich 16 umfasst
eine Oberfläche 20 des Ventilschaftes 10 in
einem Bereich, in dem der Ventilschaft 10 an den Ventilteller 12 angrenzt.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass im ersten Beschichtungsbereich 14 eine
autokatalytische Nickel-Phosphorschicht mit hoher Passivität ausgebildet
ist. Diese autokatalytische Schicht ist beispielsweise im Tauchverfahren
oder galvanisch (chrombasiert) aufgebracht. Unmittelbar oberhalb des
ersten Beschichtungsbereiches 14 ist auf der Oberfläche 20 des
an den Ventilteller 12 angrenzenden Ventilschaftes 10 eine
Antihaft beschichtung auf Lackbasis, beispielsweise mit Nanopartikeln,
aufgebracht. Dadurch ist das Einlassventil mit einer Zweikomponentenbeschichtung
ausgestattet.
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Im
Bereich des Ventiltellers 12 liegt zumindest in Teilen
der Betriebszustände
der Brennkraftmaschine eine ausreichend hohe Oberflächentemperatur
vor, um mittels der autokatalytischen Beschichtung Verkokungen an
der Oberfläche 18 wirksam
abzubauen. Im Beschichtungsbereich 16 des Ventilschaftes 10 ist
in dies nicht notwendigerweise der Fall.
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Die
Antihaftbeschichtung im Beschichtungsbereich 16 bewirkt,
dass Schmutzpartikel, wie beispielsweise Öl, AGR-Bestandteile oder BlowBy-Bestandteile,
welche sich im Bereich des Ventilschaftes 10, insbesondere
im Beschichtungsbereich 16, niederschlagen, dort nicht
anhaften können
und deshalb, beispielsweise unter Einwirkung der Schwerkraft, auf
den Ventilteller 12 abgleiten. Dort werden sie von der
autokatalytischen Beschichtung verbrannt. Eine optimale Wirkungsweise
ergibt sich durch das Zusammenspiel der unterschiedlichen, übereinander
angeordneten Beschichtungen in den Beschichtungsbereichen 14 und 16.
Insbesondere bei Motoren mit innerer Gemischbildung ist dadurch die
Verkokungsbildung am Gaswechselventil wirksam vermieden.
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Es
ist auch möglich,
Antihaftbeschichtungen auf Lackbasis, beispielsweise mit Nanopartikeln,
an sich bei mit zu verbrennendem Luft-Kraftstoffgemisch, Abgasen
und/oder Motoröl
in Berührung
kommenden Oberflächen
von Bauteilen der Brennkraftmaschine zu verwenden, wie beispielsweise
Gaswechselventil, Einlassventil, Drosselklappe, AGR-Ventil, Tumbleklappe,
Einlasskanal, Ventilsitzring, Einspritzventil, Brennraum.
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Ebenso
ist es auch möglich,
die katalytische Nickel-Phosphorbeschichtung an sich bei mit zu
verbrennendem Luft-Kraftstoffgemisch, Abgasen und/oder Motoröl in Berührung kommenden
Oberflächen
von Bauteilen der Brennkraftmaschine zu verwenden, wie beispielsweise
Gaswechselventil, Einlassventil, Drosselklappe, AGR-Ventil, Tumbleklappe,
Einlasskanal, Ventilsitzring, Einspritzventil, Brennraum.