DE4002442A1 - Zylinderkopf fuer einen mit einem brennstoff-luftgemisch arbeitenden motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen mit einem Brennstoff-Luftgemisch arbeitenden Motor, bei dem pro Zylinder wenigstens ein Einlaßkanal mit Einlaßventil für das Brennstoff- Luftgemisch oder für die Luft und mindestens ein Auslaßventil mit Auslaßkanal für die Verbrennungsabgase vorgesehen sind.

Zylinderköpfe dieser Art sind z. B. durch ihre Verwendung bei Kraftfahrzeugmotoren hinlänglich bekannt. Es gibt Zylinderköpfe, die nur mit je einem Ein- und Auslaßventil pro Zylinder ausgestattet sind. In der Regel weisen die heutigen Motoren jedoch je zwei Ein- und je zwei Auslaßventile auf, wobei zahlenmäßig ungerade Anordnungen ebenfalls bekannt sind. Insbesondere die Verwendung von mehr als einem Einlaßventil soll eine gleichmäßigere Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches oder der Luft im Zylinder bewirken. Daß die Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches von jeher ein Problem war und ist, beweisen die vielen technischen Vorschläge, die in der Vergangenheit zur Bewältigung dieses Problems erarbeitet wurden. Es ist bekannt, daß eine schlechte Verteilung oder Verwirbelung des Brennstoff-Luftgemisches im Zylinder letztendlich auch mit einer schlechteren Verbrennung einhergeht, was im Grunde eine Leistungsminderung bei gleichzeitig erhöhtem Schadstoffausstoß bedeutet. Selbst bei den heute bekannten Motoren gelingt es mit einem relativ großen technischen Aufwand (z. B. Einspritzverfahren) nicht mehr, die Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches im Zylinder noch entscheidend zu verbessern. Dies läßt sich vor allem durch die Lage der Ein- und Auslaßventile bezogen auf die Querschnittsfläche des Zylinders begründen. Alle diese Ventile sind neben der zentralen Achse des Zylinders, also außermittig angeordnet. Allein aus diesem Grund und bedingt durch den raschen Lauf des Kolbens kann eine optimal gleichmäßige Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches im Zylinder bei der Kürze der dafür zur Verfügung stehenden Zeit nicht erreicht werden. Die bekannte Anordnung der Ein- und Auslaßventile läßt noch eine weitere Unzulänglichkeit entstehen. Durch die zylindrische Form der Ventilteller entstehen am Zylinderkopfgehäuse ringsektorförmige Flächenabschnitte unterschiedlicher Breite. Dies bedeutet, daß diese Flächenabschnitte unterschiedlich starken thermischen Belastungen und dadurch sehr hohen Spannungen ausgesetzt sind, welche ungünstig auf das Materialgefüge wirken. Nur durch die Verwendung hochwertiger Materialien und durch konstruktive Maßnahmen zur Eliminiuerung der auftretenden Spannungen lassen sich diese Belastungen beherrschen. Diese Maßnahmen erhöhen jedoch die Herstellkosten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Zylinderkopf so weiterzuentwickeln, daß die eben geschilderten Nachteile weitgehendst vermieden werden. Insbesondere wird angestrebt, mit der aufzufindenden technischen Lösung eine gleichmäßigere und damit homogenere Verteilung des Brennstoff- Luftgemisches im Zylinder zu erzielen. Dies soll mit einer gleichzeitigen Reduzierung des dazu erforderlichen Bauteileaufwandes und Platzbedarfes erreichbar sein.

Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung läßt folgende Vorteile entstehen:

Der oder die Einlaßquerschnitte für das Brennstoff-Luftgemisch oder für die Luft, bezogen auf gleiche Zylinder, sind größer als bei bisher bekannten Motoren. Dadurch läßt sich pro Verbrennungsvorgang mehr Luft als bisher ansaugen.

Durch die bevorzugt zentrische Anordnung des oder der Ventilpaare wird die angesaugte Luft bzw. das Brennstoff-Luftgemisch im Zylinder wesentlich gleichmäßiger verteilt, als dies bisher mit ähnlich einfachen Mitteln möglich war.

Bei Verwendung von nur einem Ventilpaar entstehen am Zylinderkopfgehäuse keine ringsektorförmigen Flächen, die auf thermische Belastungen durch unterschiedliche Spannungen reagieren könnten. Entstehende Spannungen werden gleichmäßig verteilt.

Die Ein- und Auslaßkanäle können komplett auf einer Seite des Motors angebracht werden. Im Gegensatz zu bisher bekannten Motoren, bei denen die Einlaßkanäle auf der einen und die Auslaßkanäle auf der anderen Seite angebracht sind, kann der nunmehr freigewordene Raum an einer Motorseite für die Unterbringung anderer Teile des Motors oder für den Motorbetrieb notwendiger Teile Verwendung finden.

Es können ferner relativ große Auslaßkanäle geschaffen werden. Ist der Motor mit einem Turbolader ausgerüstet, so können die Abgase ohne große Umwege zu nehmen, zur Abgasturbine geleitet werden. Die bisher üblichen Wärmeverluste werden dadurch verringert.

Eine wesentliche Bauteileersparnis ergibt sich gegenüber mit mehreren Ventilen ausgestatteten Motoren dadurch, daß in vielen Fällen nur noch ein einziges Ventilpaar benötigt wird. Dies führt zu einer spürbaren Reduzierung der Herstellkosten der Motoren.

Schließlich bewirkt die erfindungsgemäße Lösung ein Erwärmen der angesaugten Luft dadurch, daß diese Luft am heißen Einlaßventil vorbeigeführt wird, das durch die im Inneren des Einlaßventils nach außen transportierten Verbrennungsgase erwärmt wird. Umgekehrt bewirkt die vorbeistreichende Ansaugluft ein Kühlen des Einlaßventils.

Die Erfindung wird in schematischer Weise anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Detail einen Schnitt durch einen Zylinderkopf und durch einen Zylinder mit einem zentrisch angeordneten Ventilpaar sowie die

Fig. 2 und 3 weitere Anordnungen von Ventilpaaren am Zylinderkopfgehäuse.

Der in Fig. 1 ausschnittsweise gezeigte Zylinderkopf 1 ist mit einem oberen Teil des übrigen Motorblocks 2 lösbar verbunden und im Schnitt dargestellt. Im Motorblock 2 ist ein Teil eines Zylinders 4 erkennbar. Ersichtlich ist ferner ein im Zylinderkopf 1 befindliche Zündkerze 3. Mit 5 ist die Zylinderlängsachse gekennzeichnet. Über dem Zylinder 4 befinden sich im Zylinderkopf 1 ein Einlaßventil 6 und ein Auslaßventil 11. Dieses Ventilpaar 17 ist in der Regel auf einer gemeinsamen Achse 18 angeordnet, die zumindest annähernd, bevorzugt jedoch identisch ist mit der nach oben verlängerten Zylinderlängsachse 5. Im Zylinderkopf 1 sind ein Einlaßkanal 21 für die Ansaugluft bzw. für das Brennstoff-Luftgemisch und ein Auslaßkanal 22 für die Verbrennungsabgase vorgesehen. Beide Kanäle 21, 22 sind um das Ventilpaar 17 herumgeführt und streben nach einer Seite von diesem (17) weg. Im Beispiel ist das Einlaßventil 6 als zylindrischer hohler Körper gestaltet, der nach unten hin in einen Ventilteller 7 mündet. Im Einlaßventil 6 ist das Auslaßventil 11 entlang der gemeinsamen Achse 18 längsverschiebbar gelagert. Auch das Einlaßventil 6 ist im Zylinderkopf 1 in bekannter Weise längsverschiebbar geführt. Das im Beispiel einstückig gestaltete Einlaßventil 6 besitzt einen Durchbruch 8, der in den Auslaßkanal 22 mündet. Das Auslaßventil 11 besteht aus zwei Teilen, nämlich dem Ventilschaft 13 mit Ventilteller 12 und aus einem zylindrischen Kopfteil 14, das mit dem Ventilschaft 13 lösbar verbunden ist. Im Kopfteil 14 sind zwei diametral angeordnete senkrechte Durchbrüche 15 vorgesehen, welche zur schiebebeweglichen Aufnahme von zwei nach oben gerichteten Vorsprüngen 9 vorgesehen sind, die dem Einlaßventil 6 angehören. Sowohl die Vorsprünge 9 als auch ein am Kopfteil 14 des Auslaßventils 11 angeformter, nach oben sich erstreckender Flächenabschnitt in Form einer Erhebung 16 bilden Anlageflächen für die Nocken 24 einer horizontal angeordneten, im Beispiel nur bruchstückhaft dargestellten Nockenwelle 23, durch welche die Öffnungs- und Schließbewegungen des gegen Verdrehung gesicherten Einlaßventils 6 und des Auslaßventils 11 gesteuert werden. Sowohl das Einlaß- als auch das Auslaßventil 6, 11 sind derart federbeaufschlagt, daß der Ventilteller 7 des Einlaßventils 6 bestrebt ist, sich an die kreisförmige Einlaßöffnung 19 am Zylinderkopf 1 zu pressen, wobei der Ventilteller 12 des Auslaßventils 11 ebenfalls bestrebt ist, sich an die zylindrische Öffnung 10 des Einlaßventils 6 zu pressen, das im unteren Bereich des Einlaßventils 6 durch dessen zylindrische Hohlform gebildet ist. Wie bei den bisher üblichen Motoren wird auch beim vorgeschlagenen Zylinderkopf 1 das Öffnen und Schließen der Einlaßöffnung 19 des Einlaßkanals 21 durch Längsverschieben des Einlaßventils 6 in Zusammenwirken mit dem Zylinderkopfgehäuse 1′ bewirkt. Neu ist nun, daß das Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung 20 durch das Ventilpaar 17 selbst, also das Ein- und das Auslaßventil 6, 11 bewerkstelligt wird.

In der Zeichnung ist das Ventilpaar 17 so dargestellt, daß die Einlaßöffnung 19 durch Herabdrücken des Einlaßventils 6 den Zugang für die Ansaugluft bzw. das Brennstoff-Luftgemisch freigegeben hat, während der Ventilteller 12 des Auslaßventils 11 an die Wandung der am Ventilteller 7 des Einlaßventils 6 befindlichen Auslaßöffnung 20 angepreßt ist, so daß die Auslaßöffnung 20 geschlossen ist. Es kann also nur Luft oder Brennstoff-Luftgemisch eintreten.

In der strichpunktierten Darstellung erkennt man, daß dadurch das nach oben gedrückte Einlaßventil 6 die Einlaßöffnung 19 geschlossen ist, während durch das nach unten gedrückte Auslaßventil 11 die zwischen dem Einlaß- und Auslaßventil 6, 11 im Bereich ihrer Ventilteller 7, 12 gebildete Auslaßöffnung 20 offen ist und Verbrennungsabgase über den Durchbruch 8 in den Auslaßkanal 22 strömen können. In der Zeichnung erkennt man die Druckfedern 25, welche sich am Kopf des Einlaßventils 6 und am Kopfteil 14 des Auslaßventils 11 und am Zylinderkopfgehäuse 1′ abstützen und zusammen mit der Nockenwelle 23 in an sich bekannter Weise die Auf- und Abwärtsbewegung des Ein- und Auslaßventils 6, 11 ermöglichen.

Während bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die gemeinsame Achse 18 des Ein- und Auslaßventils 6, 11 identisch ist mit der Zylinderlängsachse 5, zeigen die Fig. 2 und 3 jeweils in einer Draufsicht bevorzugte Anordnung von Ventilpaaren 17. In Fig. 2 sind drei Ventilpaare 17 in gleichen Abständen zueinander bevorzugt zentrisch zur Zylinderlängsachse 5 angeordnet. Dabei werden zwei Ventilpaare 17 von einer Nockenwelle 23 gemeinsam und das dritte Ventilpaar 17 durch eine weitere Nockenwelle 23, die parallel zur ersten verläuft, angesteuert.

In Fig. 3 sind vier Ventilpaare 17 ebenfalls in gleichen Abständen und zentrisch zur Zylinderlängsachse 5 vorgesehen. Auch hier sind zwei Nockenwellen 23 erforderlich, die je zwei Ventilpaare 17 ansteuern.

Aus den genannten Beispielen ist ersichtlich, daß die vorteilhafte zentrische Anordnung des oder der Ventilpaare 17 eine äußerst homogene Verteilung der Ansaugluft oder des Brennstoff- Luftgemisches im Zylinder 4 ermöglichen.

Natürlich ist es denkbar, auch zwei Ventilpaare 17 vorzusehen. Es ist jedoch bei dieser Anordnung zu befürchten, daß die Verteilung des Brennstoff-Luftgemisches nicht ganz in jener optimalen Weise erzielt wird, wie bei den Anordnungen von einem, drei, vier oder sogar mehr Ventilpaaren 17. Schließlich ist es auch vorstellbar, das Einlaßventil 6 als Auslaßventil 11 und das Auslaßventil 11 als Einlaßventil 6 zu nutzen, wobei natürlich die beschriebenen Ein- und Auslaßkanäle 21, 22 entsprechend umzufunktionieren sind. Dies bedeutet, daß das Einlaßventil (6) im Auslaßventil (11) geführt ist.

Die Beschreibung hat sich auf die Schilderung des wesentlichen Inhalts der Erfindung beschränkt. Es wurde bewußt auf eine detaillierte Beschreibung weiterer, zur praktischen Verwirklichung der Erfindung notwendiger Teile verzichtet. Die Erfindung überläßt es dem Fachmann, bewährte bauliche Komponenten, wie z. B. Nockenwelle, Rollenstößel, Nockenformen, Kipphebel usw., die zur Ansteuerung eines Ventilpaares 17 notwendig sind, beim Erfindungsgegenstand vorzusehen. Gleiches gilt für Ventilringe, Ventilschaftführungsbuchsen, Ventilfedern sowie für Schmierung und Kühlung. Auch beschränkt sich die Erfindung nicht nur auf Zylinderköpfe 1 für Kraftfahrzeugmotoren, sondern auf alle anderen Brennkraftmaschinen, die für ihr Funktionieren ohne Ein- und Auslaßventile 6, 11, die in einem Zylinderkopf 1 untergebracht sind, nicht auskommen.

Claims (9)

1. Zylinderkopf für einen mit einem Brennstoff-Luftgemisch arbeitenden Motor, bei dem pro Zylinder wenigstens ein Einlaßkanal mit Einlaßventil für das Brennstoff-Luftgemisch oder für die Luft und mindestens ein Auslaßventil mit Auslaßkanal für die Verbrennungsabgase vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einlaßventil (6) als Hohlkörper gestaltet ist, in welchem das Auslaßventil (11) längsverschiebbar geführt ist, daß ein im Einlaßventil (6) befindlicher Durchbruch (8) zum Auslaßkanal (22) führt, daß die Auslaßöffnung (20) für die Verbrennungsabgase durch das Ein- und Auslaßventil (6, 11) gebildet ist, daß ferner bei Verwendung von nur einem durch ein Ein- und Auslaßventil (6, 11) gebildetes Ventilpaar (17) die gemeinsame Achse (18) zumindest annähernd identisch ist mit der Zylinderlängsachse (5) und daß bei Verwendung mehrerer Ventilpaare (17) pro Zylinder (4) deren gemeinsame Achsen (18) zumindest nahezu zentrisch zur Zylinderlängsachse (5) angeordnet sind.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (12) des Auslaßventils (11) zur Anlage an den Ventilteller (7) des Einlaßventils (6) bestimmt ist.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (6) im Zylinderkopf (1) verdrehsicher geführt ist.

4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (11) aus einem Ventilschaft (13) mit angeformtem Ventilteller (12) und aus einem mit dem Ventilschaft (13) lösbar verbundenen Kopfteil (14) gebildet ist.

5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil (14) zwei diametrale Öffnungen zur Aufnahme von nach oben gerichteten Vorsprüngen (9) des Einlaßventils (6) aufweist.

6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Vorsprünge (9) als auch ein am Kopfteil (14) befindlicher Flächenabschnitt (z. B. Erhebung 16) zur Anlage an eine Nockenwelle (23) vorgesehen sind.

7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein- und der Auslaßkanal (21, 22) um das Ventilpaar (17) herumgeführt sind.

8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein- und Auslaßkanal (21, 22) in einer gemeinsamen Richtung vom Ventilpaar (17) wegstreben.

9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß analog das Auslaßventil (11) als Hohlkörper gestaltet ist, in welchem das Einlaßventil (6) längsverschiebbar geführt ist, daß das Auslaßventil (11) einen Durchbruch (8) aufweist, der in den Einlaßkanal (21) mündet und daß das Brennstoff-Luftgemisch oder die Luft im Inneren des Auslaßventils (11) zum Zylinder (4) geführt wird.