Einlassventil für einen Brennraum einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Bei bekannten Einlaßventilen kommt es insbesondere im kalten Zustand der Brennkraftmaschine am Einlaßventil zu einer Kondensation des Brennstoffs, der sich in Form eines Wandfilms niederschlägt. Aus dem Wandfilm können sich relativ große Brennstofftropfen ablösen, die eine Erhöhung der schädlichen Bestandteile im Abgas verursachen.
Das erfindungsgemäße Einlaßventil (1) hat einen hohlen Schaft (9), in welchen über zumindest eine Einlaßschaftöffnung (30) Druckluft einströmt, die dann aus zumindest einer Auslaßöffnung (50) wieder herausströmt, welche an einer einem Brennraum (20) der Brennkraftmaschine abgewandten Seite des Einlaßventils (1) vorgesehen ist. Durch die herausströmende Druckluft wird einen Luftfilm um den Ventilteller (12) erzeugt, der eine Kondensation des Brennstoffs verhindert.
Das Einlaßventil ist insbesondere für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen vorgesehen.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Einlaßventil für einen Brennraum einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1. Es ist bereits eine Einlaßventil bekannt (DE-OS 36 00 067), das einen hohlen Schaft aufweist, in welchem ein Auslaßventil verschiebbar gelagert ist. Das Auslaßventil besitzt einen Auslaßventilteller, der Teil eines Einlaßventiltellers des Einlaßventils ist, und zwar der Art, daß in Schließstellung des Auslaßventils der Auslaßventilteller bündig mit dem Einlaßventilteller abschließt. In Offenstellung des Auslaßventils ist der Auslaßventilteller vom Einlaßventilteller abgehoben, um die nach der Verbrennung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine eingeschlossenen Abgase über den hohlen Schaft des Einlaßventils aus dem Brennraum abzuführen. Die Abgase strömen dabei aus dem hohlen Schaft des Einlaßventils aus mehreren Auslaßöffnungen aus, die schlitzförmig aus einer äußeren Mantelfläche des hohlen Schaftes ausgenommen sind. Bei geöffnetem Einlaßventil ist das Auslaßventil geschlossen, um über das offene Einlaßventil hinweg ein Brennstoff-Luft-Gemisch aus einem Einlaßkanal anzusaugen.

[0002] Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird üblicherweise von einem Brennstoffeinspritzventil aufbereitet, das den Brennstoff in Form eines Brennstoffstrahls in Richtung des Einlaßventils abgibt. Der das Brennstoffeinspritzventil verlassende Brennstoff zerfällt dabei in feinste Brennstofftröpfchen, um ein möglichst homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen. Dabei kann es, insbesondere im kalten Zustand der Brennkraftmaschine oder bei plötzlichen Lastwechseln, zu einer Kondensation der Brennstofftröpfchen an Innenwandungen des Einlaßkanals, an Innenwänden des Brennraums und insbesondere am Ventilteller des Einlaßventils kommen, wobei sich ein Wandfilm aus Brennstoff bildet. Aus einem derartigen Wandfilm können sich nur relativ große Brennstofftropfen ablösen, die dann im Brennraum zu einem lokal überfetteten Brennstoff-Luft-Gemisch führen. Ein überfettetes Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt jedoch nur unvollständig, so daß sich der Anteil schädlicher Bestandteile im Abgas dementsprechend erhöht.

Vorteile der Erfindung

[0003] Das erfindungsgemäße Einlaßventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß auf einfache Art und Weise eine Kondensation des beispielsweise von einem Brennstoffeinspritzventil abgegebenen Brennstoffs, insbesondere am Ventilteller des Einlaßventils, vermieden wird. Vorteilhafterweise wird dadurch eine insbesondere während eines Kaltstarts und der nachfolgenden Warmlaufphase sowie bei bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine ansonsten stattfindende Erhöhung der schädlichen Bestandteile im Abgas verhindert. Darüber hinaus verringert sich mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Einlaßventil auch der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine. Von Vorteil ist ebenfalls, daß das erfindungsgemäße Einlaßventil gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Lebensdauer aufweist.

[0004] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Einlaßventils möglich.

Zeichnung

[0005] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0006] Die Zeichnung zeigt in teilweiser Schnittdarstellung ein erfindungsgemäß gestaltetes Einlaßventil 1, das insbesondere für eine gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Das Einlaßventil 1 ist in einem Zylinderkopf 3 der Brennkraftmaschine untergebracht und beispielsweise in einer Ventilführungshülse 7 verschiebbar gelagert. Das Einlaßventil 1 besitzt einen Ventilteller 12, der eine einem Brennraum 20 der Brennkraftmaschine zugewandte, ebene Ventilschließfläche 17 und eine dem Brennraum 20 abgewandte Ventiltellerfläche 14 hat. Die Ventiltellerfläche 14 geht mit Krümmung in einen zylindrischen Schaft 9 des Einlaßventils 1 über, der an einem nicht näher dargestellten Betätigungsende außerhalb des Zylinderkopfes 3 endet. Zur Betätigung des Einlaßventils 1 greift in bekannter Weise am Betätigungsende des Schaftes 9 beispielsweise ein Kipphebel an, der das Einlaßventil 1 in eine Offen- und mittels einer Ventilfeder in eine Schließstellung zurückbringt.

[0007] Das Einlaßventil 1 ist in der Zeichnung in seiner Schließstellung dargestellt, bei der ein ringförmiger Abschnitt der Ventiltellerfläche 14 an einem beispielsweise konisch ausgebildeten Ventilsitz 15 anliegt. Der Ventilsitz 15 wird zum Beispiel von einem hülsenförmigen Ventileinsatz 16 gebildet, der beispielsweise mittels einer Preßpassung in den Zylinderkopf 3 eingebracht ist. In Offenstellung des Einlaßventils 1 mit vom Ventilsitz 15 abgehobener Ventiltellerfläche 14 wird eine Strömungsverbindung freigegeben, die über das offene Einlaßventil 1 einen Einlaßkanal 18 mit dem Brennraum 20 der Brennkraftmaschine verbindet.

[0008] Der Einlaßkanal 18 ist beispielsweise über einen Dichtring 11 mit einem Ansaugrohr 22 der Brennkraftmaschine verbunden. Das Einlaßventil 1 öffnet bekanntermaßen bei der nach unten gerichteten Bewegung eines im Brennraum 20 verschiebbaren Kolbens, wobei Luft über das Ansaugrohr 22 aus der Umgebung angesaugt wird. Der angesaugten Luft wird beispielsweise im Ansaugrohr 22 Brennstoff zugemischt, um zur nachfolgenden Verbrennung im Brennraum 20 ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch zu erhalten. Zur Brennstoffaufbereitung ist beispielsweise ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil 24 vorgesehen, das am Ansaugrohr 22 angebracht ist, um den Brennstoff in Form eines mehr oder weniger gebündelten, beispielsweise kegelförmigen Brennstoffstrahls 25 in Richtung des Einlaßventils 1 in das Ansaugrohr 22 und den Einlaßkanal 18 abzugeben. Das in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Brennstoffeinspritzventil 24 ist zur Brennstoffversorgung beispielsweise über einen Brennstoffverteiler (ein sogenanntes Fuel-Rail) an einer Brennstofförderpumpe 26 angeschlossen, die den Brennstoff aus einem Brennstoffbehälter 27 fördert.

[0009] Der vom Brennstoffeinspritzventil 3 abgegebene Brennstoff zerfällt stromabwärts des Brennstoffeinspritzventils 24 in feinste Brennstofftröpfchen, die sich im Ansaugrohr 22 und im Einlaßkanal 18 mit der strömenden Luft vermischen, so daß ein möglichst homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch entsteht. Das Brennstoff-Luft-Gemisch strömt bei offenem Einlaßventil 1 in den Brennraum 20 ein, wird gezündet und verbrennt dort bei geschlossenem Einlaßventil 1. Um insbesondere in der Kaltstartphase und der nachfolgenden Warmlaufphase sowie bei bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine eine möglichst vollständige Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu erhalten, muß ein Kondensieren des vom Brennstoffeinspritzventil 24 abgegebenen Brennstoffs an Wänden des Ansaugrohres 22, an Wänden des Einlaßkanals 18, an Innenwänden des Brennraums 20 und insbesondere am Einlaßventil 1 an der Ventiltellerfläche 14 verhindert werden. Hierzu besitzt das Einlaßventil 1 einen Schaft 9, der erfindungsgemäß nicht massiv ausgebildet ist, sondern einen Hohlraum 28 in seinem Inneren aufweist. Der Hohlraum 28 hat eine längliche Form und ist beispielsweise durch Bohren aus dem Schaft 9 ausgenommen. Der Hohlraum 28 erstreckt sich ausgehend von einem Übergangsbereich 31 zwischen Ventiltellerfläche 14 und Schaft 9 in Richtung einer Ventillängsachse 5 des Einlaßventils 1 und endet im geschlossenen Zustand des Einlaßventils 1 in der Ventilführungshülse 7.

[0010] An einem in der Ventilführungshülse 7 gelegenen Endbereich 29 des Hohlraums 28 besitzt der Schaft 9 zumindest eine Einlaßschaftöffnung 30, die von einer äußeren Mantelfläche 34 des Schaftes 9 in den Hohlraum 28 führt. Die Ventilführungshülse 7 besitzt ebenfalls eine Öffnung 36, die von einer Innenfläche 37 zu einer Außenfläche 38 der Ventilführungshülse 7 führt. Die Ventilführungsöffnung 36 ist beispielsweise durch Bohren aus der Ventilführungshülse 7 ausgenommen und erstreckt sich zum Beispiel quer zur Ventillängsachse 5 des Einlaßventils 1. Die Ventilführungsöffnung 36 der Ventilführungshülse 7 ist über eine korrespondierende Zylinderöffnung 40 im Zylinderkopf 3 mit einer Druckleitung 41 verbunden. Die Druckleitung 41 ist mit einem beispielsweise elektromagnetisch betätigbaren Zweiwege-Ventil 44 verbunden. Das Zweiwege-Ventil 44 ist über eine Anschlußdruckleitung 42 an einen Druckluftbehälter 45 angeschlossen. Der Druckluftbehälter 45 ist über eine Druckluftbehälterleitung 46 zum Beispiel an eine Pumpvorrichtung 47 angeschlossen. Die Pumpvorrichtung 47 ist beispielsweise in Form einer membranangetriebenen Luftpumpe ausgebildet, bei der die in einem Kurbelwellengehäuse der Brennkraftmaschine von einem Kolben durch seine Auf- und Abwärtsbewegungen erzeugten Druckschwankungen zum Pumpen eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Luft, ausgenutzt werden. Der Druckluftbehälter 45 kann bei laufender Brennkraftmaschine in bestimmten Betriebsbereichen von der Pumpvorrichtung 47 mit Luft nachgefüllt werden, um zur Druckluftversorgung ausreichend Druckluft im Druckluftbehälter 45 bereitzustellen. In Offenstellung des Zweiwege-Ventils 44 steht der vom Druckluftbehälter 45 bereitgestellte Druck über die Anschlußdruckleitung 42, die Druckleitung 41 und über die Zylinderöffnung 40 an der Ventilführungsöffnung 36 der Ventilführungshülse 7 an.

[0011] Wie in der Zeichnung dargestellt ist, ist in Schließstellung des Einlaßventils 1 ein axialer Abstand von der Ventilführungsöffnung 36 der Ventilführungshülse 7 zur Einlaßschaftöffnung 30 des Schaftes 9 vorhanden, wobei die Ventilführungsöffnung 36 näher am Brennraum 20 liegt, als dies bei der Einlaßschaftöffnung 30 des Schaftes 9 der Fall ist. Weiterhin ist im Übergangsbereich 31 zwischen Schaft 9 und Ventiltellerfläche 14 zumindest eine Auslaßöffnung 50 am Ventilteller 12 vorgesehen, die beispielsweise quer zur Ventillängsachse 5 aus der Ventiltellerfläche 14 ausgenommen ist, um eine Strömungsverbindung mit dem Hohlraum 28 des Schaftes 9 herzustellen. Der axiale Abstand der Ventilführungsöffnung 36 zur Einlaßschaftöffnung 30 sowie deren Öffnungsquerschnitte sind derart gewählt, daß es beim Übergang von der Schließstellung in die Offenstellung des Einlaßventils 1, insbesondere im Bereich der maximalen Offenstellung des Einlaßventils 1, zu einer Überdeckung der Einlaßschaftöffnung 30 mit der Ventilführungsöffnung 36 kommt, die in maximaler Offenstellung des Einlaßventil 1 vollständig ineinander münden. Bei sich überdeckenden Öffnungen 30, 36 strömt Druckluft vom Druckbehälter 45 über die Anschlußdruckleitung 42, das offen geschaltete Zweiwege-Ventil 44 in die Druckleitung 41 und über die Zylinderöffnung 40 in die Ventilführungsöffnung 36 in den Hohlraum 28 ein und über die zumindest eine Auslaßöffnung 50 aus der Ventiltellerfläche 14 wieder aus. Vorzugsweise sind mehrere Einlaßschaftöffnungen 30 am Umfang der äußeren Mantelfläche 34 des Schaftes 9 vorgesehen, so daß auch bei einer Rotation des Einlaßventils 1 eine Strömungsverbindung der Ventilführungsöffnung 36 mit zumindest einer der mehreren Einlaßschaftöffnungen 30 vorhanden ist. Es ist auch denkbar, am Umfang der Außenfläche 38 der Ventilführungshülse 7 mehrere Ventilführungsöffnungen 36 vorzusehen, die dann mit beispielsweise mehreren, schlitzförmigen Einlaßschaftöffnungen 30 korrespondieren, um in Offenstellung des Einlaßventils 1 stets eine Strömungsverbindung vom Druckluftbehälter 45 zur Auslaßöffnung 50 des Einlaßventils 1 herzustellen. Es ist auch möglich, daß im Bereich der Ventilführungsöffnung 36 an der Innenfläche 37 eine umlaufende Nut ausgebildet ist, mit der sich in Offenstellung die Einlaßschaftöffnung 30 in jeder Drehstellung des Einlaßventils 1 überdecken kann.

[0012] Durch die im Bereich der Ventiltellerfläche 14 aus zumindest einer Auslaßöffnung 50 ausströmende Druckluft bildet sich in Offenstellung des Einlaßventils 1 ein Luftfilm, der im wesentlichen den Ventilteller 12 umgibt. Der Luftfilm verhindert, daß es insbesondere im kalten Zustand der Brennkraftmaschine sowie in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine zu einer ansonsten stattfindenden Kondensation von Brennstofftröpfchen kommt, die sich dann insbesondere an der Ventiltellerfläche 14 anlagern. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, ist es auch möglich, mehrere Auslaßöffnungen 50 aus der Ventiltellerfläche 14 auszunehmen, die zum Beispiel vom Übergangsbereich 31 zwischen Ventiltellerfläche 14 und Schaft 9 radial zum Hohlraum 28 führen, um durch die ausströmende Luft einen besonders gleichmäßigen Luftfilm an der Ventiltellerfläche 14 zu erzeugen. Es ist auch möglich, anstelle oder zusätzlich zu den Auslaßöffnungen 50 im Übergangsbereich 31 weitere Auslaßöffnungen 50 vorzusehen, die beispielsweise aus der Ventiltellerfläche 14 oder aus der äußeren Mantelfläche 34 des Schaftes 9, insbesondere in der Nähe des Ventiltellers 12, ausgenommen sind. Die Anordnung der Auslaßöffnungen 50 kann auch derart erfolgen, daß eine Vielzahl von Auslaßöffnungen 50 siebförmig die Ventiltellerfläche 14 durchlöchern. Die aus der Vielzahl von Auslaßöffnungen 50 austretende Druckluft erzeugt einen besonders gleichmäßigen Luftfilm, der dann die ganze Ventiltellerfläche 14 mit dem Ventilteller 12 umgibt.

[0013] Es ist aber auch möglich, die Ventiltellerfläche 14 mit einer rauhen Oberfläche auszubilden, welche die aus einer Auslaßöffnung 50 oder beispielsweise aus mehreren Auslaßöffnungen 50 austretende Druckluft an der rauhen Oberfläche derart verwirbelt, daß sich ein Luftstrom um den Ventilteller 12 herum ausbildet. Die Herstellung einer rauhen Oberfläche der Ventiltellerfläche 14 kann beispielsweise durch einen Sinterprozeß erfolgen, bei dem eine Metallschicht auf die Ventiltellerfläche 14 aufgebracht wird, um eine rauhe Oberfläche zu erzeugen. Zur Herstellung der Auslaßöffnungen 50 und der rauhen Oberfläche der Ventiltellerfläche 14 ist es auch möglich, das Einlaßventil 1 zweiteilig auszubilden, wobei ein Teil beispielsweise aus dem Schaft 9 und ein Teil aus dem Ventilteller 12 besteht, die nach der getrennten Bearbeitung von Schaft 9 und Ventilteller 12 wieder zusammengefügt werden.

[0014] Das Ausblasen der Druckluft am Einlaßventil 1 ist insbesondere während der Kaltstartphase und der nachfolgenden Warmlaufphase sowie in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine vorgesehen. Der Zeitpunkt der Druckluftzufuhr ist einerseits abhängig vom gewählten Abstand der wenigstens einen Ventilführungsöffnung 36 zur wenigstens einen Einlaßschaftöffnung 30 und andererseits vom Zweiwege-Ventil 44 steuerbar. Das Zweiwege-Ventil 44 ist hierzu beispielsweise über eine elektrische Anschlußleitung 52 an ein elektronisches Steuergerät 53 angeschlossen, das nur bei bestimmten Betriebsbereichen, insbesondere in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine, das Zweiwege-Ventil 44 in eine Offenstellung bringt, um Druckluft aus dem Einlaßventil 1 auszublasen. Die Druckluftzufuhr ist insbesondere während der ersten 120 Sekunden nach dem Start der Brennkraftmaschine vorgesehen. Es ist aber auch möglich, die Druckluftzufuhr zusätzlich noch in Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine durchzuführen, bei denen beispielsweise nur kurzzeitig erhöhte schädliche Bestandteile im Abgas, zum Beispiel bei Vollast, auftreten. Derartige Betriebsbereiche können vom elektronischen Steuergerät 53 mittels mit dem Steuergerät 53 verbundener Sensoren erfaßt werden.

[0015] Die über die Ventiltellerfläche 14 des Ventiltellers 12 abgegebene Druckluft bewirkt zudem, daß eine verbesserte Vermischung des vom Brennstoffeinspritzventil 24 abgegebenen Brennstoffs, insbesondere im Brennraum 20, stattfindet. Dies führt zu einer optimalen Verbrennung des Brennstoffs im Brennraum 20, wodurch sich auch der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert. Überdies erfolgt durch die im Hohlraum 28 strömende und aus dem Ventilteller 12 ausströmende Druckluft eine Kühlung des Einlaßventils 1, so daß dessen thermische Belastung, insbesondere bei Vollast der Brennkraftmaschine, reduziert wird, wodurch sich unter anderem die Lebensdauer des Einlaßventils 1 erhöht.

Ansprüche

1. Einlaßventil für einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, das einen Ventilteller und einen hohlen Schaft mit einem Hohlraum hat, durch welchen ein gasförmiges Medium strömen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium über zumindest eine im Schaft (9) vorgesehene Einlaßschaftöffnung (30) in den Hohlraum (28) einströmt und aus zumindest einer Auslaßöffnung (50) wieder ausströmt, welche an einer dem Brennraum (20) der Brennkraftmaschine abgewandten Seite des Einlaßventils (1) vorgesehen ist.

2. Einlaßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Auslaßöffnung (50) in einem Übergangsbereich (31) zwischen Ventilteller (12) und Schaft (9) vorgesehen ist.

3. Einlaßventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Auslaßöffnung (50) aus einer dem Brennraum (20) abgewandten Ventiltellerfläche (14) des Ventiltellers (12) ausgenommen ist.

4. Einlaßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Auslaßöffnung (50) aus einer äußeren Mantelfläche (34) des Schaftes (9) ausgenommen ist.

5. Einlaßventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Auslaßöffnungen (50) vorgesehen sind, die sich radial vom Hohlraum (28) zum Ventilteller (12) erstrecken.

6. Einlaßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Brennraum (20) abgewandte Ventiltellerfläche (14) des Ventiltellers (12) über die das aus der zumindest einen Auslaßöffnung (50) austretende Medium strömt, rauh ausgebildet ist.

7. Einlaßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (1) aus zwei Teilen, dem Schaft (9) und dem Ventilteller (12), hergestellt ist.

Zeichnung