DE10361976A1 - Method for reducing carbon deposits around inlet valve of fuel injection IC engine has voids in the valve stem guides to reduce thermal losses and provide a high temperatures to burn off the carbon - Google Patents
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Abstract
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.The The invention relates to an internal combustion engine, in particular gasoline engine, in particular a motor vehicle, with intake valves and with an injection device for fuel, which is arranged and designed so that this directly the fuel injected into a combustion chamber of working cylinders of the internal combustion engine, being for each inlet valve provided in a cylinder head of the internal combustion engine, a valve guide is, which leads a valve stem of the intake valve, according to the preamble of the claim 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.petrol engines with direct injection of the fuel into the combustion chamber, i. Not into the intake tract, especially suffering from the problem of Bauteilverkokung. Coking occurs especially at the valve throat of intake valves on. A more detailed analysis of how this coking occurs the following result: First, make oil and fuel components a sticky coating on the components. These are priority long-chain and branched hydrocarbons, i. the hard ones volatile Components of oil and fuel. Aromatics stick here particularly well. This sticky Base covering serves as the basis for the accumulation of soot particles. This creates a porous Surface, into which, in turn, oil and store fuel components. This process represents one Circular process, by which the layer thickness of the coking increases constantly. Especially in the Range of intake valves The deposits come from blow-by gases and internal and external exhaust gas recirculation, with the blow-by gases and the recirculated exhaust gas with the inlet valve directly in touch comes.
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.Especially in the area of the valve throat of the intake valves is excessive coking extremely negative for the following reasons: In gasoline direct injection, the successful ignition of the stratified charge of a correct training of the Cylinder flow dependent, the for a safe transport of the injected fuel to the spark plug ensures to ensure a safe ignition there. A coking lining of the intake valve in the area of the valve groove, however, the tumble flow may possibly disturb so much, that it as a result, misfires occur. these can however u.U. to an irreversible damage in the exhaust tract arranged catalyst lead to the emission control. Furthermore, the coking lining forms of the intake valve in the area of the valve groove, a flow resistance that is particularly in the upper load and speed range of the internal combustion engine to considerable Power loss may result due to insufficient cylinder filling. Furthermore prevents the coking of the intake valve in the area of the valve groove, if necessary, a correct valve closing, so that it too Compression losses and thus sporadic misfires comes. In turn could this irreversibly damages the catalyst. From the coking lining of the intake valve in the area of the valve groove can If necessary, dissolve small particles and get into the catalyst. There are these hot particles possibly cause for Secondary reactions with corresponding local damage of the catalyst. For example, a hole burns into the catalyst structure.
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.Especially on the valve stem downstream of a separating plate in the inlet channel show spherical Deposits. By the dripping of high-boiling hydrocarbons from the separating plate against the valve neck or valve stem build there spherical with time Coking after the previously explained Expiration. These deposits on the valve stem can be caused by unwanted turbulence and turbulent currents around the spherical coking flow deficits have as a consequence. An education of the stable Tumbleströmung of Cycle to cycle may be permanently disturbed.
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.A obvious solution would be this Sources for Keep deposits away from the inlet valve, for example that he on the introduction of blow-by gases completely omitted in the intake and exhaust gas recirculation. however is in the combustion process of modern reciprocating internal combustion engines for emission and consumption reasons at least one external exhaust gas recirculation as well the introduction of blow-by gases into the intake tract is mandatory, so that this Approach not possible is.
Aus
der
Die
Um
Ablagerungen an der Einspritzdüse
zu verhindern ist es aus der
Mit
einer Verhinderung der Verkokung der Zündkerze beschäftigt sich
die
Die
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine übermäßige Verkokung an Einlaßventilen der Brennkraftmaschine verhindert ist.Of the Invention is the object of an internal combustion engine of to improve the above type so that excessive coking on intake valves the internal combustion engine is prevented.
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.These The object is achieved by a Internal combustion engine o.g. Type with the characterized in claim 1 Characteristics solved. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
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.To it is in an internal combustion engine o.g. Art provided according to the invention, that at least one of the valve guides having a cavity which is arranged and formed in this way is that this Cavity a heat conduction through the valve guide reduced.
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.This has the advantage of being due to the reduced heat conduction through the valve guide already with such operating conditions the internal combustion engine such a high surface temperature at the inlet valve which counteracts formation of coking deposits or degrades any existing coking deposits where otherwise only lower surface temperatures at the intake valves be achieved.
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.For the effective removal of any buildup of coking deposits, at least one inlet valve has a catalytic or autocatalytic coating at least in the region of an inlet valve disk and / or a valve groove. The catalytic coating comprises, for example, Pt or vanadium nitride (VN), is optionally microrough and is oxidized in a preferred embodiment, in particular comprising vanadium pentoxide (V 2 O 5 ).
Beispielsweise ist der Hohlraum als Fluidtasche, insbesondere Lufttasche, oder Vakuumtasche ausgebildet ist.For example is the cavity as a fluid bag, in particular air pocket, or Vacuum bag is formed.
Zur Wärmeisolation im Bereich einer Anlagefläche der Ventilführung zum Zylinderkopf ist wenigstens ein Hohlraum im Bereich einer Anlagefläche der Ventilführung am Zylinderkopf ausgebildet und weist optional zum Zylinderkopf hin eine Öffnung auf. Alternativ oder zusätzlich ist wenigstens ein Hohlraum im Bereich einer Anlagefläche der Ventilführung am Ventilschaft ausgebildet und weist optional zur Ventilschaftführung hin eine Öffnung auf. Die Öffnung zum Zylinderkopf bzw. Ventilschaft hin reduziert zusätzlich eine wärmeübertragende Kontaktfläche zwischen dem Einlaßventil und dem Zylinderkopf.For heat insulation in the region of a contact surface of the valve guide to the cylinder head at least one cavity in the region of a contact surface of the valve guide is formed on the cylinder head and optionally has an opening to the cylinder head. Alternatively or additionally, at least one cavity in the region of a contact surface of the valve guide is formed on the valve stem and optionally has an opening towards the valve stem guide. The opening to the cylinder head or valve stem also reduces a heat transferring contact surface between the intake valve and the cylinder head.
Beispielsweise ist wenigstens ein Hohlraum vollständig und geschlossen innerhalb der Ventilführung ausgebildet.For example At least one cavity is complete and closed within the valve guide educated.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß für jedes Einlaßventil in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ein Einlaßventilsitz mit jeweils einem Einlaßventilsitzring vorgesehen ist, an dem ein Ventilteller des Einlaßventils in geschlossenem Zustand anliegt, wobei wenigstens ein Einlaßventilsitzring wenigstens einen Hohlraum aufweist, welcher derart angeordnet und ausgebildet ist, daß dieser Hohlraum eine Wärmeleitung durch den Einlaßventilsitzring reduziert. Beispielsweise ist der Hohlraum als Fluidtasche, insbesondere Lufttasche, oder Vakuumtasche ausgebildet.In a preferred embodiment, it is inventively provided that for each intake valve in a cylinder head of the internal combustion engine, an intake valve seat each with an intake valve seat ring is provided, on which a valve disc of the intake valve is in the closed state, wherein at least one intake valve seat ring has at least one cavity, which is arranged and formed in such a way is that this Cavity a heat conduction through the intake valve seat ring reduced. For example, the cavity as a fluid pocket, in particular Air pocket, or vacuum bag formed.
Dies hat den Vorteil, daß sich durch die verminderte Wärmeleitung durch den Einlaßventilsitzring 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.This has the advantage of being due to the reduced heat conduction through the intake valve seat ring already with such operating conditions the internal combustion engine such a high surface temperature at the inlet valve which counteracts formation of coking deposits or degrades any existing coking deposits where otherwise only lower surface temperatures at the intake valves be achieved.
Zur Wärmeisolation im Bereich einer Anlagefläche des Einlaßventilsitzringes zum Zylinderkopf ist wenigstens ein Hohlraum im Bereich einer Anlagefläche des Einlaßventilsitzringes am Zylinderkopf ausgebildet und weist optional zum Zylinderkopf hin und/oder zum Brennraum hin oder zum Einlassventilteller hin eine Öffnung auf, wobei der Hohlraum insbesondere kalottenförmig ausgebildet ist. Dies reduziert zusätzlich eine wärmeübertragende Kontaktfläche zwischen dem Einlaßventilsitzring und dem Zylinderkopf.to thermal insulation in the area of a contact surface of the intake valve seat ring to the cylinder head is at least one cavity in the region of a contact surface of the Intake valve seat ring formed on the cylinder head and optionally points to the cylinder head towards and / or to the combustion chamber or towards the intake valve plate an opening on, wherein the cavity is formed in particular dome-shaped. This additionally reduced a heat transferring contact area between the intake valve seat ring and the cylinder head.
Beispielsweise ist wenigstens ein Hohlraum vollständig und geschlossen innerhalb des Einlaßventilsitzringes ausgebildet.For example At least one cavity is complete and closed within of the intake valve seat ring educated.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß für jedes Einlaßventil ein Einlaßventilsitz mit jeweils einem Einlaßventilsitzring, an dem ein Ventilteller des Einlaßventils in geschlossenem Zustand anliegt, vorgesehen ist, wobei im Zylinderkopf wenigstens ein Hohlraum benachbart zur Ventilführung und/oder zum Einlaßventilsitzring derart angeordnet und ausgebildet ist, daß dieser Hohlraum einen Wärmeübergang von der Ventilführung bzw. dem Einlaßventilsitzring zum Zylinderkopf reduziert. Beispielsweise ist der Hohlraum als Fluidtasche, insbesondere Lufttasche, oder Vakuumtasche ausgebildet.In a preferred embodiment, it is inventively provided that for each intake valve an intake valve seat each having an intake valve seat ring, on which a valve disc of the intake valve in the closed state is present, is provided, wherein in the cylinder head at least one cavity adjacent to the valve guide and / or to the intake valve seat ring is arranged and designed such that this cavity heat transfer from the valve guide or the intake valve seat ring reduced to the cylinder head. For example, the cavity as Fluid pocket, in particular air pocket, or vacuum bag formed.
Dies hat den Vorteil, daß sich durch die verminderte Wärmeleitung von der Ventilführung bzw. dem Einlaßventilsitzring zum Zylinderkopf 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.This has the advantage of being due to the reduced heat conduction from the valve guide or the intake valve seat ring to the cylinder head already in such operating conditions of Internal combustion engine such a high surface temperature at the inlet valve which counteracts formation of coking deposits or possibly existing coking deposits degrades, where otherwise only lower surface temperatures at the intake valves be achieved.
Zur Wärmeisolation im Bereich einer Anlagefläche der Ventilführung zum Zylinderkopf ist wenigstens ein Hohlraum im Bereich einer Anlagefläche des Zylinderkopfes an der Ventilführung ausgebildet und weist optional zur Ventilführung hin eine Öffnung auf. Alternativ oder zusätzlich ist wenigstens ein Hohlraum im Bereich einer Anlagefläche des Zylinderkopfes am Einlaßventilsitzring ausgebildet und weist optional zum Einlaßventilsitzring hin eine Öffnung auf. Die Öffnung zur Ventilführung bzw. zum Einlaßventilsitzring hin reduziert zusätzlich eine wärmeübertragende Kontaktfläche zwischen dem Einlaßventil und dem Zylinderkopf.to thermal insulation in the area of a contact surface the valve guide to the cylinder head is at least one cavity in the region of a contact surface of the cylinder head on the valve guide formed and optionally has an opening to the valve guide. alternative or additionally is at least one cavity in the region of a contact surface of the Cylinder head on intake valve seat ring formed and optionally has an opening to the intake valve seat ring. The opening to the valve guide or to the intake valve seat ring in addition reduces a heat transferring contact area between the inlet valve and the cylinder head.
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 inFurther Features, advantages and advantageous embodiments of the invention arise from the dependent ones claims, and from the following description of the invention with reference to the attached Drawing. This shows in
Die
in
Es
ist in dem Einlaßventilsitzring
Zusätzlich unterstützen läßt sich
dieser Effekt der höheren
Oberflächentemperatur
durch folgende weitere Maßnahmen:
Eine Verringerung der Breite des Sitzringes und/oder eine Einbringung
einer radialen, kalottenförmigen
Ausnehmung
Alle
Maßnahmen
zur Wärmeisolation
zwischen dem Einlaßventilteller
Der
Hohlraum
Zusätzlich unterstützen läßt sich
dieser Effekt der höheren
Oberflächentemperatur
durch folgende weitere Maßnahmen:
Die Ventilführung
Zusätzlich unterstützen läßt sich
dieser Effekt der höheren
Oberflächentemperatur
durch folgende weitere Maßnahmen:
Ein Kühlwasserraum
Die
erhöhte
Oberflächentemperatur
durch die oben mit Bezugnahme auf
Alle
der zuvor genannten Hohlräume
Die
bezüglich
der
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