Einlaßventil für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Einlaßventil für eine Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung.
Einlaß- und Auslaßventile sind Präzisionsmotorenteile zur Sperrung von Strömungsquerschnitten, die man für die Steuerung des Gaswechsels in Verbrennungskraftmaschinen verwendet. Sie sollen den Arbeitsraum des Zylinders nach außen abdichten. Einlaßventile sind, da sie durch die Umspülung von Frischgasen gekühlt werden, thermisch weniger hoch beansprucht als Auslaßventile. Mit Einlaßventilen einhergehende Probleme sind daher leichter beherrschbar als die der Auslaßventile. Jedoch werden an die Konstrukteure von Verbrennungskraftmaschinen im Zuge der allgemeinen Energieeinsparung ständig höhere Ansprüche gestellt. Es werden insbesondere ständig günstigere Kraftstoffverbrauchswerte erwartet. Die Einspritzung des Kraftstoffes direkt in den Brennraum auch beim Otto-Motor schafft hierzu Vorteile gegenüber einer äußeren Gemischbildung, die heute meist üblich ist. Eine Direkteinspritzung bei Otto-Motoren ist jedoch nicht unproblematisch. Obwohl Einlaßventile durch die einströmende Verbrennungsluft gekühlt werden, zeigen sich bei
relativ kurzen Motorenlaufzeiten im Bereich des Ventilschaftes, der frei im Einlaßkanal steht, Ablagerungen, die allmählich so anwachsen, daß ein weiterer Betrieb des Motors ohne Säuberung des Ventils im Bereich der Hohlkehle und/oder der Einschnürung nicht mehr möglich ist.
Ziel der Erfindung ist es daher, den Bereich der Hohlkehle bis zur Abstreifkante, d. h. den Übergang vom Ventilschaft zum Ventilteller, gegen den Aufbau von Ablagerungen zu schützen. Der oft beobachtete Mechanismus der Bildung von Ablagerungen in diesem Bereich muß unterbunden oder zumindest erheblich reduziert werden. Bekanntlich wird der obengenannte Bereich des Ventils durch Wärmeleitung, ausgehend von der dem Brennraum zugewandten Tellerfläche, aufgeheizt und erreicht nicht selten Temperaturen, die dazu führen, daß sich Ölrückstände oder Verbrennungsrückstände ablagern. Ölrückstände haben ihre Ursache im Durchtritt von Öl an der Ventilführung. Verbrennungsrückstände können sich im Hohlkehlenbereich durch eine Abgasrückführung ablagern. Die Ablagerungen zwingen bei einem Fahrzeug mit einer Benzindirekteinspritzung zu einer Reinigung der Ventile nach einer Laufzeit des Motors, die einer zurückgelegten Fahrstrecke von etwa 60.000 km entspricht. Die Ventile müssen für die Reinigung ausgebaut werden.
Es wurde festgestellt, daß für die Bildung von Ablagerungen, die hauptsächlich durch die Verkokung von Ölrückständen entstehen, ein kritischer Temperaturbereich verantwortlich ist, der von ca. 180 °C bis 380 °C reicht. Unterhalb dieses Bereichs bildet sich kein anhaftender Belag. Oberhalb 380 °C wird die sich ablagernde Ölkohle verbrannt (verascht) und platzt ab. Es ist ferner bekannt, daß bei einer Gemischbildung außerhalb des Brennraums Ablagerungsprobleme in deutlich geringeren Maße vorkommen.
Naturgemäß darf also ein Ventil in dem fraglichen Bereich eine Temperatur aufweisen, die geringer als 180 °C oder höher als 380 CC ist. Eine Temperaturabsenkung könnte durch besser wärmeleitende
Sitzringmaterialien oder durch eine Unterbrechung der Wärmeleitung im Ventil, beispielsweise durch einen ungefüllten Hohlraum, erreicht werden.
Ein Sitzring mit schlechter Wärmeleitung oder ein gefülltes Hohlventil, welches einen besseren Wärmetransport vom Teller in Richtung Schaft gewährleistet, könnte zu einer höheren Temperatur als 380 °C führen. Diese technisch durchaus realisierbaren Lösungen sind jedoch mit nicht unerheblich höheren Kosten verbunden.
Durch die DE-OS 33 33 326 ist bereits ein Ventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Motoren mit Benzineinspritzung bekannt geworden, das mit einem Schutzmantel versehen ist. Der Schutzmantel ist als ein gegenüber dem Ventil schwingfähiges Bauelement ausgebildet, um Ablagerungen des der Verbrennungsluft zugemischten Kraftstoffs durch Absprengung zu vermeiden. Diese Lösung hat sich bei Fahrzeugmotoren mit einer Direkteinspritzung für Benzin nicht bewährt, wie die Erfahrung gezeigt hat. Die Ventile müssen nach einer Fahrstrecke von etwa 60.000 km gereinigt werden.
Durch die DE-PS 814 682 ist ferner der Einsatz eines Abschirmelements bekannt, mit dem insbesondere bei Auslaßventilen die Ventilrückseite von einem zu hohen Wärmeeinfall durch die vorbeistreichenden Verbrennungsgase geschützt werden soll. Die bei Auslaßventilen bekannten Probleme infolge hoher Temperaturen treten dagegen bei Einlaßventilen durch die Umspülung mit kühlen Frischgasen nicht auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einlaßventil aus einem üblichen Material für eine Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung zu schaffen, dessen mit der einströmenden Verbrennungsluft in Berührung gelangende Oberfläche im Bereich zwischen der Hohlkehle und der Abstreifkante am Ventilschaft durch einfache, kostengünstige Mittel gegen Ablagerungen geschützt wird. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der sich vom Hohlkehlenbereich des Ventiltellers bis zur Abstreifkante des
Ventilschaftes erstreckende Übergangsbereich mit einem Abschirmelement versehen ist, durch welches eine separate Kontaktoder Leitfläche für die dem Brennraum zugeführte Verbrennungsluft geschaffen wird, deren Oberflächentemperatur geringer ist als die Verkokungstemperatur des Motoröls.
Als Abschirmelement eignet sich insbesondere eine dünnwandige Hülse, die unter Einhaltung eines definierten Zwischenraums die Ventileinschnürung umfaßt.
Vorzugsweise wird die Hülse reibschlüssig auf ihrem Sitz gehalten. Hierfür ist das dem Ventilschaft zugekehrte Ende der Hülse in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zur Bildung von federnd biegbaren Lamellen mit in Längsrichtung weisenden Einschnitten oder Schlitzen versehen.
In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Hülse aus einem tiefziehf higen, rostfreien Stahl zu fertigen, so daß sie in einfacher Weise konisch ausgebildet werden kann. Für eine zylindrische Gestaltung der Hülse bietet sich vorteilhaft die Fertigung aus einem Rohrmaterial an.
Es besteht ferner die Möglichkeit, die Oberfläche des
Abschirmelements mit einem adhäsionsmindernden Material zu beschichten.
Um insbesondere bei zylindrisch ausgebildeten Hülsen eine flächige
Anlage am Ventil zu erhalten, können die Lamellenenden so verformt werden, daß gleichzeitig ein definierter Zwischenraum zwischen
Hülse und Ventiloberfläche eingehalten wird.
Motorenversuche mit erfindungsgemäß gestalteten Einlaßventilen haben die Unterbindung der Bildung von Ablagerungen im Hohlkehlenbereich nach längerer Laufzeit gezeigt. Durch die aufgesetzte Hülse als Abschirmelement wird eine Trennung zwischen der heißen Ventiloberfläche und der das Ventil umgebenden Atmosphäre erreicht. Es hat sich gezeigt, daß die Temperatur der Oberfläche der Hülse entscheidend unterhalb der der Ventiloberfläche liegt, so daß die von der einströmenden
Verbrennungsluft umspülte Hülsenoberfläche entweder keine oder erheblich geminderte Ablagerungsraten an Rückständen zeigte.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Einlaßventil mit einer konisch gestalteten Hülse,
Figur 2 ein Ventil mit einer zylindrischen Hülse,
Figur 3 das am Ventil klemmend anliegende Ende der Hülse gemäß Figur 2 als vergrößerte Einzelheit,
Figur 4 ein komplett abgedecktes Ventil und
Figur 5 die Oberflächentemperaturen eines mit einer Hülse bestückten Einlaßventils, zeitabhängig bis etwa 10 Minuten nach dem Beginn eines Motorenversuchlaufs .
Das generell mit 1 bezeichnete Einlaßventil ist mit einer konisch gestalteten Hülse 2 bestückt. Diese reicht vom Hohlkehlenbereich 3, der den Übergang vom Ventilteller 4 zur Einschnürung 5 des Ventilschafts 6 bildet, bis zur Abstreifkante 7 am schaftseitigen Ende der Ventilschafteinschnürung. Bei geschlossenem Ventil taucht die Abstreifkante um etwa eine halbe Hubhöhe in die nicht dargestellte Führung ein und ragt bei geöffnetem Ventil um den halben Hub aus der Führung heraus. Die Abstrei kante des Ventils und die scharfe Kante der Ventilführungsbohrung halten sich dadurch gegenseitig sauber.
Das an der Ventilschafteinschnürung anliegende Ende der Hülse ist mit in Längsrichtung weisenden Schlitzen oder Einschnitten 8 versehen, wodurch Lamellen gebildet werden, die federnd an der Einschnürung 5 anliegen und die Hülse reibschlüssig halten. Mit ihrem dem Ventilteller 4 zugewandten Ende stützt sie sich auf der Hohlkehle 3 ab. Der Raum 9 zwischen Hülse und Ventil ist von definierter Größe.
Die Figuren 2 und 3 zeigen ein Einlaßventil mit einer zylindrischen Hülse 22. Diese umfaßt die Ventileinschnürung 5 ebenfalls mit einem definierten Abstand 30. Das dem Ventilschaft zugewandte Ende ist mit Längsschlitzen 28 versehen, um eine federnde Anlage zu gewährleisten. Die freien Enden 29 der durch die Schlitze 28 gebildeten Lamellen sind s-förmig umgebördelt, um sowohl eine flächige Anlage am Ventil zu erzielen als auch einen ausreichend großen Zwischenraum 30 zu erhalten. Das den Lamellen gegenüberliegende Ende der zylindrischen Hülse ist in der Hohlkehle 3 des Ventils abgestützt.
Das kopfseitige Ende einer Hülse 42 kann sich bei Bedarf aber auch bis zum Sitzbereich 43 erstrecken, so daß der gesamte Hohlkehlenbereich am Ventilkopf und damit das Ventil vollständig abgeschirmt wird.
Durch die definierten Räume 9, 30 und 40 wird ein erheblicher Widerstand gegen die Übertragung der Wärme vom Ventilkörper auf die Hülse geschaffen.
Zusätzlich wird die Außenfläche- der Hülse durch die mit jedem Öffnungshub einströmende Verbrennungsluft umspült und gekühlt, so daß insgesamt ein erheblicher Temperaturgradient zwischen Hülse und Ventil erreicht wird, wie die graphische Darstellung der Figur 5 überraschend deutlich zu erkennen gibt. Danach liegt die Höchsttemperatur an der Außenfläche der Hülse deutlich unter der kritischen, zu Ablagerungen führenden Temperatur an der Ventiloberfläche .
Die Herstellung einer Hülse ist technisch einfach und kostengünstig. Die dünnwandige Hülse ist von geringer Masse und und daher vorteilhaft für den Einsatz bei oszillierenden Ventilen geeignet .