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Gebläseluftgekühlte gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung
Die Erfindung bezieht sich auf eine gebläseluftgekühlte gemischverdichtende Brennkraftmaschine
mit Fremdzündung und bezweckt eine solche Ausbildung eines besonders hochtourigen
leistungsstärkeren Motors, die die gleichzeitige wirtschaftliche Herstellung zweier
in der Leistung verschiedener Motortypen der gleichen Bauart ermöglicht.
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Erfahrungsgemäß ist es bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren
nämlich häufig der Fall, daß aus bewährten Motoren mittlerer Leistung, die etwa
als Tourenmotoren zu bezeichnen sind, besonders leistungsstarke, hochbeanspruchte
Motoren entwickelt werden sollen. Der Aufwand bleibt hierbei dann klein, wenn für
den Hoch.leistungsmotor möglichst viele der kostspieligen Teile Verwendung finden
können, die auch beim weniger beanspruchten Grundmodell in Verwendung stehen. Es
kommt in diesem Zusammenhang besonders darauf an, daß das Kurbelgehäuse und dessen
Einbauteile, wie etwa der Antrieb der Steuerung, unverändert bleiben und sich die
Abänderungen nur auf bestimmte Teile beschränken, deren zusätzliche Neuauflage durch
die große Zahl der bei ihnen auftretenden Änderungen und durch deren Einfluß auf
das Resultat zu vertreten ist. In diese Richtung weisen zwar bereits Vorschläge,
wonach der Motor wahlweise so ausgebildet wird, daß er nach dem Zwei- oder Viertaktverfahren
arbeitet, doch setzt dies den Austausch zahlreicher Teile voraus, ohne gleichzeitig
eine für die meisten Wünsche ausreichende Leistungssteigerung erzielen zu lassen.
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Es ist bekannt, daß gebläseluftgekühlte Verbrennungsmotoren für eine
Abänderung in eine Hochleistungsforrn besonders geeignet sind, da durch die Steigerung
der Gebläseleistung die zusätzliche thertnische Belastung leicht aufzunehmen ist.
Dies unterstützt die Reihenanordnung der Zylinder und die Zuführung der Kühlluft
senkrecht zur Zylinderreihe. Die Einlaßkanäle liegen dabei zweckmäßig im Bereich
des Stromes der zum Motor hinzutretenden Luft, während die Auslaßkrümmer etwa im
rechten Winkel zur Kühlluftströmung münden.
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Hängend angeordnete, oben gesteuerte Ventile, deren Stoßstangen an
der dem Einlaßkrümmer gegenüberliegenden Seite der Zylinder liegen, geben im Verein
mit der durch herstellungsmäßige Vorteile begründeten Zusammenfassung der Köpfe
je zweier benachbarter Zylinder zu einem Gußstück die Möglichkeit, nur durch Austausch
des Zylinderkopfes einen Motor mittlerer Belastung in einen Hochleistungsmotor umzuwandeln,
wobei lediglich die Verstärkung einiger kleinerer Bauteile, deren Abänderung kostenmäßig
nicht ins Gewicht fällt, vorzunehmen ist.
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Der beim Hochleistungsmotor zu verwendende Zylinderkopf, der den Gegenstand
der Erfindung bildet, ist hinsichtlich seines Aufbaues und der Form seiner Teile
durch folgende, im einzelnen an sich bekannte Merkmale bestimmt: a) Der Brennraum
ist gegenüber dem Zylinderraum abgesetzt und besteht aus einer Vertiefung, deren
im wesentlichen parallel zum Zylindermantel und mit Abrundungen in die Bodenfläche
der Vertiefung verlaufende Seitenflächen die Randpartien der Ein- und Auslaßventilsitze
mit Ausnahme des Ventilsteges annähernd in Form einer Lemniskate begrenzen und deren
Bodenfläche, in der die Ventilsitze vorgesehen sind, mit der Dichtfläche des Zylinderkopfes
einen spitzen Winkel einschließt, dessen offener Teil gegen die ansaugseitige, von
der Kühlluft angeströmte Längsseite der Zylinderreihe gerichtet ist; b) die hängend
angeordneten, obengesteuerten Eih-und Auslaßventile sind zur Zylinderachse schräg
angeordnet, wobei die Ventilschäfte mit ihren von Kipphebeln gesteuerten Enden entsprechend
der Neigung der die Ventilsitze enthaltenden Bodenfläche der Brennraumv ertiefung
gegen die an der abströmseitigen Längsseite der Zylinderreihe vorgesehenen Ventilstoßstangen
geneigt sind; c) die schräg nach oben herausgeführte, ansaugseitig vorgesehene Zündkerze
mündet in der größeren Seitenfläche der Brennraumvertiefung zwischen den Ventilen
ein, wobei die gegen die verlängerte
Zylinderachse gerichtete Bohrung
für die Zündkerze annähernd tangential in die Bodenfläche der Brennraumvertiefung
verläuft.
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Unabhängig vom Kühl- und Zündsystem sowie vom Wirkungsprinzip der
Brennkraftmaschine sind Konstruktionen bekannt, welche einzelne Merkmale des im
vorangegangenen gekennzeichneten Erfindungsgegenstandes aufweisen, ohne jedoch dessen
Effekt, der erst durch ihre vorteilhafte Kombination erreichbar ist, vorwegzunehmen.
So ist es bei flüssigkeits-,;ekühlten Brennkraftmaschinen bekannt, Zylinderköpfe
mit vom Zylinderraum abgesetztem Brennraum und mit einer ähnlichen Anordnung der
Ventile zu versehen, wie dies auch beim Erfindungsgegenstand der Fall ist.
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Brennkraftmaschinen mit schräg angeordnetenVentilen im gewölbten und
in einzelnen Fällen zum Teil durch eine ebene Fläche begrenzten Brennräumen sowie
mit schräger Anordnung der Stoßstangen sind bekannt, ebenso solche mit in der Zylinderachse
angeordneten Ventilen. In beiden Fällen weisen jedoch die den Brennraum seitlich
begrenzenden Wände nicht den für den Erfindungsgegenstand bezeichnenden lemniskatenartigen
Verlauf auf. Lediglich eine zur Ebene durch die Ventilschäfte symmetrische Grundrißform
der Brennraumseitenwände, bei der eine geringe mittlere Einschnürung des Verbrennungsraumes
eine Lemniskatenform andeutet, ist bisher nur bei einem Zylinderkopf vorgeschlagen
worden, bei dem die Ventile parallel zur Zylinderachse liegen und der Boden des
Brennraumes senkrecht zur Zylinderachse verläuft. Bei einem anderen bekannten Zylinderkopf,
bei welchem ebenfalls die Ventile in Achsrichtung der Zylinder angeordnet sind und
der Brennraum abgesetzt ist, ist eine der beiden Brennraumseitenwände nach innen
gewölbt, wobei sich eine nieren- oder kardioidenartige Form der Verschneidungslinien
ergibt.
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Auch die Anordnung der Zündkerze im Zylinderkopf in der großen Seitenfläche
der Brennraumvertiefung ist ebenso wie die Neigung der Zündkerze gegen die Dichtungsfläche
des Zylinderkopfes an sich bekannt, doch ist im ersten Fall die Zündkerze nicht
schräg, sondern senkrecht zur Zylinderachse herausgeführt, während im zweiten Fall
vorwiegend kugelförmige Verbrennungsräume Verwendung finden bzw. die Zündkerze in
die hier parallel zur Dichtfläche verlaufende Bodenfläche des Verbrennungsraumes
zwischen den Ventilen hineinragt. Bei keinem der bisher bekanntgewordenen Vorschläge
ist die günstige Form des Brennraumes gemäß der Erfindung erzielt. Diese zeigt,
wie später noch ausgeführt wird, eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich der
Widerstandsfähigkeit des Zylinderkopfes gegen Kerb- und Wärmerisse, und außerdem
ist die Zündkerze beim Zylinderkopf nach der Konstruktion gemäß der Erfindung besser
zugänglich.
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Beim Austausch der erfindungsgemäßen Zylinderköpfe erwachsen in der
Fertigung keine nennenswerten höheren Einrichtungskosten, weil es die herangezogene
Bauart zuläßt, daß die Grundform des Zylinderkopfes gleichbleiben kann und lediglich
einzelne Funktionsorgane desselben abgeändert werden müssen.
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Die gegenüber dem Zylinderraum abgesetzte Aus-Eihrung des Brennraumes
mit seiner im Grundriß lemniskatenartigen, die Ein- und Auslaßventile begrenzenden
Form, ermöglicht gegenüber der leistungsschwächeren Ausführung, bei welcher der
Brennraum weniger oder gar nicht abgesetzt ist, ohne Änderung der bei derartigen
Brennkraftmaschinen gebräuchlichen Kolben mit einem ebenen Boden oder ohne zusätzliches
Abschleifen des Zylinderkopfbodens, wie dies vielfach üblich ist, das Verdichtungsverhältnis
in der erforderlichen Weise zu erhöhen und gleichzeitig einen günstigen Brennstoffverbrauch
zu erzielen.
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Durch die im Gegensatz zur leistungsschwächeren Ausführung geneigte
Anordnung des Brennraumbodens in der Zylinderkopfvertiefung können einerseits die
in diesem hängend angeordneten, obengesteuerten Ein- und Auslaßventile schräg zur
Zylinderachse in Richtung gegen die an der abströmseitigen Längsseite der Zylinderreihe
vorgesehenen Ventilstoßstangen geneigt gelagert werden, so daß bei Beibehaltung
dieser Bauteile die Kipphebel kürzer ausgeführt werden können, um die bei hohen
Drehzahlen auftretenden Massenkräfte möglichst klein zu halten. Hierbei kann gleichzeitig
eine Vergrößerung des Ventilhubes durch ungleich große Hebelarme der Schwinghebel
bei gleicher Nockenwelle erzielt werden.
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Anderseits ergibt sich durch die geneigte Ausführung des Brennraumbodens
in einem spitzen Winkel zur Dichtfläche des Zylinderkopfes, dessen offener Winkelteil
gegen die ansaugseitige, von der Kühlluft angeströmteLängsseite der Zylinderreihe
gerichtet ist, eine Vergrößerung und Verstärkung derjenigen Seitenfläche des gegen
den Zylinderraum abgesetzten Brennraumes, die der ansaugseitigen, von der Kühlluft
angeströmten Längsseite der Zylinderreihe benachbart ist. Auf diese Weise kann die
Bohrung der auf der gleichen Seite angeordneten, schräg nach oben herausgeführten
Zündkerze, die zwischen den Ventilen in die Brennraumvertiefung einmündet, annähernd
tangential in die Bodenfläche des Brennraumes verlaufen, ohne daß befürchtet werden
muß, daß sich zwischen den Ventilsitzbohrungen und der Zündkerzenbohru.ng Kerbrisse
bilden, die den Zylinderkopf unbrauchbar machen, wie dies schon bei der niedrigertourigenAusführungsart
mit einem üblichen, flach gewölbten bzw. im Ouerschnitt trapezförmigen Brennraum
bei einer Dauerbeanspruchung des Motors auftreten kann.
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Diese Anordnung der Zündkerze unmittelbar an der Bodenfläche der Brennraumvertiefung
schafft jedoch besonders günstige Bedingungen für gute Zündeigenschaften, insbesondere
bei hochverdichteten Brennkraftmaschinen unter anderem hinsichtlich des Kaltstartes
sowie hinsichtlich des gefährlichen Auftretens eines Klopfens des Motors.
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Damit der in der vorstehend geschilderten Weise ausgebildete bzw.
abgeänderte Zylinderkopf den erhöhten Anforderungen, die sich durch das Anwachsen
der Leistung ergeben, ansaugseitig in festigkeitsmäßiger und thermischer Hinsicht
entspricht, wird erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, für jeden Zylinder einen
eigenen Ansaugkanal vorzusehen, welcher an der von der Kühlluft angeströmten Längsseite
des Zylinderkopfes ausmündet und in einer zur Zylinderlängsebene senkrecht verlaufenden
Ebene liegt und den zwischen den Ein- und Auslaßkrümmern und ihren Ventilführungen
verbleibenden Raum zwecks Versteifung des Zylinderkopfes und gleichmäßiger Wärmeverteilung
vollwandig auszuführen. Dagegen sind zwischen den beiden benachbarten Ansaugkanälen
quer zur Zylinderlängsebene verlaufende Kühlluftdurchtrittsöffnungen mit Kühlrippen
vorgesehen, von denen vorzugsweise die unterste, den Zylindern zugewandte Öffnung
mit einem zum Spannungsausgleich. dienenden, in der gleichen Richtung zwischen den
beiden Brennräumen in der Mitte des Zylinderkopfes vorgesehenen Spalt in Verbindung
steht,
der sich durchgehend bis zur Fläche des Zylinderkopfbodens erstreckt.
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Durch diese aus strömungstechnischen, festigkeitsmäßigen und thermischen
Gründen bedingte Ausbildung des Zylinderkopfes wird jedoch gleichfalls seine Grundform
nicht geändert. Zur Erhöhung der Ladungsmenge kann gegebenenfalls auch für jeden
Zylinder ein eigener Vergaser vorgesehen werden, wie dies bei Sport- und Rennmotoren
häufig der Fall ist. Die bei der erfindungsgemäßen, vollwandigen Ausführung des
zwischen dem Ein- und Auslaßkanal verbleibenden Querschnittes aufgetretenen Bedenken,
daß nämlich das Ansaugrohr durch die Abgaswärme zu stark aufgeheizt wird und dadurch
eine schlechte Füllung des Zylinders auftritt, haben sich als unbegründet erwiesen,
weil die Ansaugkanäle durch die zwischen denselben verlaufenden Kühlluftdurchtrittsöffnungen
in genügend hohem Maße abgekühlt werden. Dagegen wirkt sich die Verstärkung dieser
Zylinderkopfpartie für eine gleichmäßige thermische Belastung dieses Querschnittes
günstig aus, so daß hierdurch die oft im Ventilsteg und zwischen den Ventilsitzen
und der Bohrung für die Zündkerze bei einem Überhitzen des Motors in der Brennraumwand
auftretenden Rißbildungen vermieden werden, wie dies durchgeführte Dauerversuche
bewiesen haben.
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Durch die erfindungsgemäße Vereinigung der obengenannten, an sich
bekannten Maßnahmen ist eine Zylinderkopfform geschaffen, die eine weitgehende Leistungssteigerung
einer luftgekühlten Brennkraftmaschine unter Beibehaltung ihrer ursprünglichen Bauart
zuläßt, wobei bei gleichzeitiger Fertigung der verschieden starken Motoren nur unwesentliche
Mehrkosten verursacht werden, welche gegenüber einer unabhängigen Fertigung von
Motoren verschiedener Leistung noch tragbar sind.
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In der Zeichnung ist der erfindungsgemäße Zylinderkopf für Hochleistungsmotoren
beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt des Zylinderkopfes
durch eine Ventilachse, Fig.2 eine Seitenansicht der ansaugseitigen Zylinderkopflängsseite,
Fig. 3 einen Längsschnitt in der Ventilebene gemäß der Linie III-III in Fig. 1,
Fig. 4 eine Unteransicht des Zylinderkopfes mit den Grundformen des Brennraumes
und Fig. 5 einen Querschnitt durch den Ventilsteg gemäß der Linie V-V der Fig. 4.
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Mit 1 ist der sich über zwei der in Reihe angeordneten Zylinder erstreckende
Zylinderkopf bezeichnet, der mit Kühlrippen 2 versehen ist, die quer zur Zylinderachse
angeordnet sind und von einer Zylinderreihenlängsseite aus von der Kühlluft angeströmt
werden. Die die Ventilsitze tragenden Mündungsöffnungen der Gasführungskanäle 3,4
des Zylinderkopfes 1 liegen in einer Längsrichtung der Zylinderreihe und sind etwas
gegenüber der Längsmittelebene seitlich versetzt. Für jeden Zylinder ist in der
gebräuchlichen Weise je ein Einlaßkanal3 und je ein Auslaßkanal 4 vorgesehen. Die
Einlaßkanäle 3 sind symmetrisch zur Quermittelebene des Zylinderkopfes 1 nebeneinander
zu der von der Kühlluft angeströmten Zylinderlängsseite herausgeführt und besitzen
dort voneinander getrennte Mündungsöffnungen 5, so daß zwecks Erhöhung der Ladungsmenge
gegebenenfalls an jedem Einlaßkanal ein Vergaser angeschlossen werden kann.
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Die Auslaßkanäle 4 hingegen sind in einer Längsebene der Zylinderreihe
angeordnet und erhalten ihre einander gegenüberliegenden Anschlußöffnungen 6 für
die Abgasleitungen jeweils an den senkrecht zur Längsebene der Zylinderreihe verlaufenden
Seitenwände des Zylinderkopfes 1.
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Der Verbrennungsraum 7 des Zylinderkopfes 1 ist statt der bei niedertourigen
Motoren gebräuchlichen, dem Zylinderdurchmesser entsprechenden gewölbten bzw. trapezförmigenOuerschnittsform
gegenüber dem Zylinderraum abgesetzt und besteht aus einer Vertiefung, deren im
wesentlichen parallel zum Zylindermantel und eventuell mit Abrundungen in den Zylinderkopfboden
bzw. in die Bodenfläche der Vertiefung verlaufende Seitenflächen 8, 9 die Randpartien
der Ein- und Auslaßventilsitzes 11, 12 mit Ausnahme des Ventilsteges annähernd in
Form einer Lemniskate begrenzen und deren Bodenfläche 10, in denen die Ventilsitze
11,12 vorgesehen sind, mit der Dicht-bzw. Auflagefläche des Zylinderkopfes einen
spitzen Winkel von vorzugsweise 5 bis 15° einschließt, dessen offener Teil gegen
die ansaugseitige, von der Kühlluft angeströmte Längsseite der Zylinderreihe gerichtet
ist.
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Die im geneigten Verbrennungsraumboden 10 vorgesehenen, obengesteuerten
Ein- und Auslaßventile 13,14 sind hängend und im Gegensatz zur Regelausführung des
Zylinderkopfes für den niedertourigen Motor schräg zur Zylinderachse angeordnet,
wobei entsprechend der Neigung der die Ventilsitze 11,12 enthaltenden Bodenfläche
der Brennraumvertiefung die Ventilschäfte mit ihren von Kipphebeln 15 gesteuerten
Enden gegen die an der abströmseitigen Längsseite der Zylinderreihe vorgesehenen
Ventilstoßstangen 16 geneigt sind. Durch die schräge Anordnung der Ventile können
die Kipphebel mit dem Vorteil einer Verkleinerung der bei hohen Drehzahlen auftretenden
Massenkräfte entsprechend gekürzt ausgeführt werden, wobei aber durch ungleiche
Hebelarme die Ventilhübe bei gleicher Nockenwelle vergrößert werden können.
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Im Verbrennungsraum mündet schließlich noch die schräg nach oben herausgeführte
Zündkerze 17 (angedeutet durch deren -Mittellinie), und zwar zwischen den Ventilen
13 und 14, zweckmäßigerweise in Richtung auf die verlängerte Zylinderachse zu. Die
Bohrung 18 für die Zündkerze 17 durchsetzt die größere Seitenfläche 8 der Brennraumvertiefung
7 von der Ansaugseite der Zylinderreihe aus, und zwar in einer solchen Höhe, daß
die schräg nach oben verlaufende Bohrung annähernd tangential in die Bodenfläche
10 der Brennraumvertiefung 7 verläuft, wodurch bei einer gleichzeitigen Vermeidung
von Wärme- bzw. Kerbrissen zwischen der Zündkerzenbohrung und den Ventilsitzen besonders
günstige Zündeigenschaften des Motors zu erzielen sind.
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Der zwischen den Ein- und Auslaßkrümmern und ihren Ventilführungen
verbleibende Raum 19 ist zwecks Versteifung des Zylinderkopfes und gleichmäßiger
Wärmeverteilung vollwandig ausgeführt, wogegen zwischen den beiden benachbarten
Ansaugkanälen 3 quer zur Zylinderlängsebene verlaufende, Kühlluftdurchtrittsöffnungen
20 mit Kühlrippen vorgesehen sind, von denen vorzugsweise die unterste, den Zylindern
zugewandte Öffnung mit einem zum Spannungsausgleich dienenden, in der gleichen Richtung
zwischen den beiden Brennräumen in der Mitte des Zylinderkopfes vorgesehenen Spalt
21 in Verbindung steht, der sich durchgehend bis zur Fläche des Zylinderkopfbodens
erstreckt.
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Unter Heranziehung eines vorstehend beschriebenen, eine hoheVerdichtun
g ermöglichenden Zylinderkopfes ist es bei einer gemäß der Erfindung herangezogenen
luftgekühlten
Brennkraftmaschine einer bestimmten Bauart in Verhindung mit den üblichen, zur Leistungssteigerung
dienenden :Maßnahmen, das sind z. B. eine Erhöhung der Drehzahl, Aufbohrung der
Zylinder, Verwendung zweier oder mehrerer Vergaser, Vergrößerung der Einlaßventile,
Verstärkung der Ventilfeder u. dgl., möglich, die Leistungsdaten der niedertourigen
Brennkraftmaschine von z. B. 25 bis 30 PS bei 3000 bis 3400 U/min mit einem Rauminhalt
von ungefähr 1100 bis 1200 cm und einer Verdichtung von etwa 6 : 1 innerhalb der
gleichen Fertigung, also bei Aufrechterhaltung derselben Zylinderachsabstände, des
gleichen Hubes u. dgl. und unter Verwendung der gleichen, eventuell nur unwesentlich
abgeänderten Bauteile, auf weit darüber hinausgehende Werte zu verbessern, die einem
Hochleistungsmotor entsprechen, wie er insbesondere für Sport- und Rennzwecke verwendet
wird, nämlich auf eine Leistung von 50 bis 60 PS bei einer Umdrehungszahl von 4000
bis 5500 U/min, einem Rauminhalt von 1300 cm und einer Verdichtung von
7,5: 1 bis 8,2: 1.
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Dieser durch die erfindungsgemäße Fertigung einer bestimmten Motorbauart
erzielbare technische Fortschritt wird noch augenscheinlicher durch den Umstand,
daß beim Einbau des erstgenannten, niedertourigen Motors in einen serienmäßigen,
viersitzigen Personenkraftwagen eine Geschwindigkeit von annähernd 110 km/h erreicht
werden kann, wogegen beim Einbau des zweiten, hochtourigen Motors in denselben Personenkraftwagen
eine Geschwindigkeit von 140 km/h und beim Einbau dieses Motors in einen leichten
Sportwagen sogar eine Geschwindigkeit von über 160 km/h zu erzielen ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße
Ausbildung des Zylinderkopfes lediglich bei einer einreihigen Brennkraftmaschine
erläutert. Es ist jedoch für den Erfindungsgedanken unerheblich, in welcher Weise
die Zylinderreihen der luftgekühlten Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die Erfindung
erstreckt sich vielmehr auf alle Ausführungsarten von luftgekühlten mehrzylindrigen
Reihenmotoren, ob deren Zylinderreihen nun nebeneinander, in V-Form, gegenüberliegend
als Boxeranordnung oder sternförmig vorgesehen sind. Sie ist nicht nur bei einer
Serienfertigung derartiger luftgekühlter Brennkraftmaschinen, sondern auch mit a11
ihren Vorteilen bei einer Einzelfertigung anwendbar.