DE69801303T2 - Ottobrennkraftmaschine mit Brennkammer mit drei Ventilen und zentraler Zündkerze - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Funkenzündungsverbrennungsmotoren, des in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Typs. Motoren dieses Typs sind in der EP-A-0209426 und in der EP0075643 offenbart:
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine spezifische Verbrennungsraum-Anordnung bereitzustellen, die gleichzeitig die Vorteile vom Standpunkt der verringerten Masse und vom Standpunkt des effektiven Betriebs aufweist.
• Gemäß der allgemeinen Lösungsidee, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, ist der Motor durch die Kombination der in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
• Wie aus der nachstehenden Beschreibung klar ersichtlich wird, ist die allgemeine Lösungsidee sowohl deshalb vorteilhaft, weil sie eine verringerte Masse aufweist, als auch weil sie während des Betriebs des Motors eine Konzentration des Brennstoff/Luft-Gemisches in der Nähe des Zündbereichs der Zündkerze fördert, somit die Abwesenheit von heißen Flecken sicherstellt, mit dem Ergebnis von bester Effizienz der Verbrennung und Anti-klopf Eigenschaften, während hohe Verdichtungsverhältnisse erreicht werden, die thermodynamische Effizienz des Motors verbessert wird, und die Verringerung des Brennstoffverbrauchs begünstigt ist.
• Die Verwendung einer Zündkerze mit den vorstehend erwähnten, nicht normgerechten Abmessungen liefert verschiedene Vorteile. Die Wahl eines relativ verkleinerten Durchmessers ermöglicht es, Einlass- und Auslassventile von größerem Durchmesser vorzusehen. Die Wahl eines Gewindeabschnitts der Zündkerze mit einer größeren Länge als die herkömmlichen Standardlängen stellt den notwendigen Raum bereit, um den Kühlmantel für den Zündkerzensitz bereitzustellen. Folglich wird eine bessere Kühlung des Verbrennungsraums erreicht, während sogar bei hohen Verdichtungsverhältnissen die Abwesenheit von Klopfen und Vorzündungen sichergestellt wird.
• Es muß besonders erwähnt werden, dass in der Vergangenheit bereits Verbrennungsräume mit drei Ventilen, typischerweise zwei Einlassventilen und einem Auslassventil vorgeschlagen wurden. Gewöhnlich wurde diese Lösung vorgeschlagen, um es zu ermöglichen die Ventile mit einer innerhalb des Kopfes angeordneten Nockenwelle anzutreiben, während die Achsen der Ventile im wesentlichen parallel zu der Zylinderachse bleiben. In diesen bekannten Lösungen werden jedoch eine oder zwei Zündkerzen für jeden Verbrennungsraum vorgesehen, die in bezug auf die Zylinderachse peripher angeordnet sind, und den Raum zwischen dem Auslassventil und jedem Einlassventil ausnutzen. Motoren mit zwei Aulassventilen und einem Einlassventil für jeden Verbrennungsraum wurden auch hergestellt.
• Es muß besonders erwähnt werden, dass in der Vergangenheit bereits Verbrennungsräume mit nur zwei diametral gegenüberliegenden Ventilen, oder mit vier Ventilen, die relativ zueinander mit 90º angeordnet, und mit der Zündkerze in der Mitte, vorgeschlagen wurden. Diese Lösungen sind jedoch von dem Standpunkt der Herstellungskosten nicht zufriedenstellend, und implizieren einen Verbrennungsraum mit einer relativ unregelmäßigen Oberfläche.
• Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die drei Ventilöffnungen in einem Querschnitt senkrecht zur Zylinderachse drei Profile auf, die das kreisförmige Profil des Zylinders innen tangieren, wobei die Zündkerze an dem Zentrum zwischen diesen drei Profilen und dazu tangential bzw. tangierend angeordnet ist. In der Ebene dieses Querschnitts hat der Verbrennungsraum ein pseudo-dreieckiges Profil, mit gerundeten Spitzen, die lokal mit dem Profil der Einlass- und Auslassöffnungen zusammenlaufen.
• Die Oberfläche des Verbrennungsraums weist daher eine sehr einfache und gleichmäßige Form auf, um diese Oberfläche, die von der Flammenfront erreicht wird, sehr kompakt und gleichmäßig zu machen. Aufgrund der zentralen Anordnung der Zündkerze beginnt die Flammenfront von dem Zentrum des Verbrennungsraums und bewegt sich symmetrisch bis zu der Verbrennungsperipherie, während sie auf eine extrem gleichmäßige Oberfläche trifft.
• Die besondere Form des Raums bedingt (hives origin) ausgedehnte Bereiche, auf denen am Ende des Kompressionstaktes das Quetschen der Gase zu dem Zentralbereich der Verbrennungskammer stattfindet. Durch Zusammenführen der ebenen Form der Verbrennungskammer mit der kreisförmigen ebenen Form des Zylinders werden tatsächlich drei Bereiche definiert, die jede durch ein kreisförmiges Segment und eine Rippe gebildet werden, wobei der Kolben die Mischung in den Zylinder presst, was die Mischung dazu bringt, sich in Bereiche mit geringerem Druck zu quetschen, beispielsweise zum Zentrum der Verbrennungskammer, so dass eine Mikroverwirbelung erzeugt wird, die angepasst ist, um die Verbrennung zu starten und deren Fortschreiten zu begünstigen.
• Die Geometrie gemäß der Erfindung kann sowohl bei Motoren verwendet werden, bei denen Brennstoff oberhalb des Einlassventils eingespritzt wird, als auch mit geeigneter Anordnung des Injektors, bei Motoren mit direkt in den Verbrennungsraum eingespritztem Benzin eingesetzt werden. In dem letzteren Fall liefert die erfindungsgemäße Bereitstellung der Zündkerze in dem Zentrum Platz für den Injektor zwischen den beiden Einlassventilen. Diese Anordnung ist weder in den bekannten Konfigurationen mit drei Ventilen und zwei Seitenzündkerzen möglich, noch ist es in dem Fall der Konfiguration mit vier Ventilen möglich, in dem die Ventile den gesamten verfügbaren Raum beanspruchen.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden von der nachstehenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen klar, die lediglich als ein nicht beschränkendes Beispiel gegeben sind, in denen:
• Fig. 1 eine graphische perspektivische Ansicht der, innerhalb des Kopfes eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors vorhandenen Hohlräume, die den Verbrennungsraum und die Einlass- und Auslasskanäle definieren, mit dem Zusatz der Zündkerze und der Ventilschäfte ist,
• Fig. 2 eine Seitenansicht des Aufbaus von Fig. 1 ist,
• Fig. 3 eine Ansicht in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene ist,
• Fig. 4 eine, entlang der Linie IV-IV von Fig. 3 aufgenommene Querschnittsansicht ist,
• Fig. 5 eine, entlang der Linie V-V von Fig. 2 aufgenommene Querschnittsansicht ist,
• Fig. 6, 7 eine Seitenriss-Ansicht bzw. eine Aufsicht einer weiteren Variante sind,
• Fig. 8 eine teilweise quergeschnittene graphische Seitenriss-Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, und
• Fig. 9 eine Variante von Fig. 9 zeigt.
• In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 den graphisch gezeigten Block eines Funkenzündungsverbrennungsmotors, aufweisend mindestens einen Zylinder 2, in dem ein (nicht gezeigter) Kolben verschieblich angebracht ist. Über dem Block 1 ist ein Zylinderkopf 3 angebracht, an dessen unterer Oberfläche ein Hohlraum 4 gebildet ist, der den dem Zylinder 2 zugeordneten Verbrennungsraum definiert.
• Fig. 1-5 zeigen eine Ausführungsform, in der die Oberfläche des Hohlraums 4 dachförmig ist, und die zwei im wesentlichen plane Oberflächenabschnitte 5, 6 (Fig. 3) aufweist, die geneigt sind, und in Richtung einer oberen Kante 7 zusammenlaufen.
• An dem Zentrum des Oberflächenabschnitts 5 öffnet sich eine einzelne Auslassöffnung 8, die den Sitz für ein Auslassventil 9 bildet. Die Auslassöffnung 8 definiert das abschließende Ende eines in dem Zylinderkopf 3 gebildeten Auslasskanals 10.
• Wie bereits angegeben sind die Figuren der angehängten Zeichnungen virtuelle Darstellungen des Verbrennungsraums, in denen die hohlen Räume des Kopfes als feste Teile gezeigt wurden. Darüber hinaus zeigen die Zeichnungen nicht die Struktur des die Ventile antreibenden Steuersystems, die dem Zylinder zugeordnet sind im Detail, da diese konstruktiven Merkmale in jeder bekannten Weise hergestellt werden können und nicht in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen. Darüber hinaus macht die Löschung dieser Details von den Zeichnungen es möglich, die Letzteren einfacher und leichter zu verstehen.
• Auf dem Oberflächenabschnitt 6 öffnen sich zwei Einlassöffnungen 11, 12, die die Sitze für zwei Einlassventile 13, 14 bilden, und die abschließenden Enden von zwei in dem Zylinderkopf gebildeten Einlasskanälen 15, 16 definieren.
• Wie in Fig. 3 sichtbar, sind die Profile der Einlass- und Auslassöffnungen 8, 11, 12, in einer Ebene senkrecht zu der Zylinderachse, innen tangential bzw. tangierend zu dem kreisförmigen Profil des Zylinders 2, und der durch den Hohlraum 4 definierte Verbrennungsraum weist ein pseudo-dreieckiges Profil mit gerundeten und lokal den Profilen der vorstehend erwähnten drei Öffnungen folgenden Spitzen auf. Erfindungsgemäß ist eine Zündkerze 18 jedem Brennraum 4 zugeordnet, und an dem Zentrum zwischen den drei Öffnungen 8, 11, 12 angeordnet, und weist in der Aufsicht ein Profil auf, das in der dargestellten Ausführungsform (Fig. 3) im wesentlichen tangential zu den drei Profilen, der vorstehend erwähnten Öffnungen ist. In der Anordnung, die in Form eines Beispiels in den angehängten Zeichnungen gezeigt ist, ist die Achse der Zündkerze 18 parallel zu der Achse des Zylinders angeordnet. Noch unter Bezugnahme auf Fig. 3 sind die beiden Einlassöffnungen 11, 12 auf dem, vorstehend erwähnten Oberflächenabschnitt 6 und auf beiden Seiten der Ebene IV-IV symmetrisch angeordnet, wobei die Öffnung 8 statt dessen in dem Zentrum des Oberflächenabschnitts 5 in bezug auf die, vorstehend erwähnte Ebene IV-IV angeordnet ist. Die Achse der Zündkerze 18 liegt in der, vorstehend erwähnten Ebene IV-IV (siehe Fig. 3) und ist sehr nahe der Kante 7 des Verbrennungsraums.
• Wegen der, vorstehend beschriebenen Merkmale liefert ein erfindugsgemäßer Motor die Vorteile von verringerter Masse und von effizientem Betrieb.
• Die zentrale Anordnung der Zündkerze bringt die Flammenfront dazu, von dem Zentrum des Verbrennungsraums auszugehen, und sich in symmetrischer Weise bis zu den Kanten des Raums zu bewegen, während sie immer auf eine extrem gleichmäßige Oberfläche trifft.
• Die besondere Form des Raumes bedingt ausgedehnte Bereiche, bei denen am Endteil des Kompressionstaktes ein Quetschen der Gase zu dem Zentralbereich der Verbrennungskammer stattfindet. Der Grund hierfür ist, dass die Überlappung der pseudo-dreieckigen, ebenen Form des Verbrennungsraums und der kreisförmigen ebenen Form des Zylinders drei Bereiche definiert, die jeweils durch ein kreisförmiges Segment und eine Rippe gebildet sind, die die Bereiche sind an denen der Kolben die in dem Zylinder vorliegende Mischung komprimiert, was sie dazu bringt, in Bereiche mit geringerem Druck geschossen zu werden, das heisst, zum Zentrum der Verbrennungskammer, so dass eine Mikroverwirbelung erzeugt wird, die geeignet ist, die Verbrennung zu starten und deren Fortschreiten zu begünstigen.
• Die Zündkerze 18, die in einen zusammenwirkenden Gewindesitz des Kopfes eingeschraubt ist, weist einen Gewindeabschnitt 18a auf, dessen Abmessungen von den herkömmlichen Standardabmessungen abweichen. Der Abschnitt 18a weist eine Länge L (siehe Fig. 5) beispielsweise 19 mm, und jedenfalls nicht weniger als das, und einen Durchmesser D auf, der 12 mm ist, und jedenfalls nicht mehr als das ist, um so Raum für einen Kühlmantel 18b (Fig. 4) zu lassen.
• Die Geometrie gemäß der Erfindung kann sowohl bei Motoren verwendet werden, bei denen Brennstoff oberhalb des Einlassventils eingespritzt wird, als auch mit geeigneter Anordnung des Injektors, bei Motoren, bei denen Benzin direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt wird, eingesetzt werden. Fig. 4 zeigt einen Injektor 40 in einem Einbau des letzteren Typs.
• Natürlich können, während die Prinzipien der Erfindung die selben bleiben, die Details der Konstruktion und der Ausführungsformen in bezug auf das Beschriebene und Dargestellte weit verändert werden, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Beispielsweise kann der Verbrennungsraum komplett in der oberen Wand des Kolbens gebildet sein. Dieser Fall würde der in Fig. 6 gezeigten Lösung entsprechen, wenn die Höhe des Hohlraums 4 auf Null verringert wird.
• Fig. 6, 7 zeigen eine Variante, in der die Einlass- und Auslasskanäle zu der selben Seite des Zylinderkopfes gerichtet sind, auf der sie sich jeweils zur Verbindung mit dem Einlass- und Auslasskrümmer öffnen. Die Einlasskanäle sind in der Nähe der Zündkerze weiter voneinander entfernt, um einen Raum zu lassen, um die Letztere zu befestigen, während sie in der Nähe der Ventilsitze (Fig. 7) dichter zueinander kommen. Die Zündkerze ist zentral zwischen den Sitzen der beiden Einlassventile und des Auslassventils angeordnet. Die Achse, die die Zentren der Sitze der beiden Einlassventile verbindet, ist parallel zu der Achse der Kurbelwelle, und die Schäfte der beiden Einlassventile liegen in einer Ebene parallel zu der Kurbelwelle. Der Verbrennungsraum kann eine Herzform oder einfach eine Dachform aufweisen. Darüber hinaus können die Sitze der Einlassventile in einer, zu der Kurbelwelle parallelen Ebene liegen. Im Unterschied zu dem was in den Fig. 6, 7 dargestellt ist, kann die vorstehend erwähnte Ebene, die diese Sitze aufweist, senkrecht zu der Zylinderachse sein.
• Fig. 8 zeigt eine Variante von Fig. 6, wobei die Einlassventile 13, 14 und das Auslassventil 9 durch eine einzige Nockenwelle 20 gesteuert werden. Das Auslassventil wird durch einen Kipphebel 21 und einen Hydraulikstößel 22 angetrieben. Die Einlassventile 13, 14 werden durch einen Kipphebel 23 und eine elektronisch gesteuerte Hydraulikvorrichtung 24 des Typs angetrieben, der den Gegenstand der Europäischen Patentanmeldung Nr. 97830123.2 der selben Anmelderin bildet, der einen Kolben 25 aufweist, der mit einem durch den Kipphebel 23 angetrieben Kolben 26 durch eine Druckkammer, die durch ein Magnetventil 27 entladen werden kann, hydraulisch verbunden ist. Fig. 10 zeigt eine vereinfachte Variante ohne Magnetventil, in dem die hydraulische Verbindung zwischen den zwei Kolben 25, 26 fest ist. Durch diese Lösung kann ebenfalls eines der beiden Einlassventile ausgeschaltet werden.

Claims (5)

1. Funkenzündungsverbrennungsmotor, umfassend einen Motorblock (1), der mindestens einen Zylinder (2) einschließt, einen auf dem Motorblock (1) befestigten Zylinderkopf (3), auf dessen unterer Oberfläche ein Hohlraum (4) gebildet ist, der einen mit dem Zylinder (2) verbundenen Verbrennungsraum definiert, zwei Einlaßkanäle (1 l, 12) und einen Auslaßkanal (8), die sich in den Hohlraum (4) öffnen und Sitze für Einlaß- und Auslaßventile (9, 13, 14) definieren, und eine mit jedem Verbrennungsraum verbundene Zündkerze (18), wobei:

- drei Ventile (9, 13, 14) zu jedem Verbrennungsraum (4) gehören, wobei sie Achsen aufweisen, die an peripheren Positionen um die Zylinderachse angeordnet sind,

- die Zündkerze (18) jedes Verbrennungsraums (4) im Zentrum zwischen den drei Ventilen (9, 13, 14) angeordnet ist,

- die Zündkerze einen Gewindebereich (18a) aufweist, der in einen zusammenwirkenden Gewindesitz eingeschraubt ist, der in dem Kopf gebildet ist, wobei der Kopf einen Kühlmantel (18b) aufweist, der zumindest teilweise den Sitz für die Zündkerze umgibt,

- dadurch gekennzeichnet, dass der Zündkerzengewindebereich eine Länge (L) von nicht weniger als 19 mm und einen Durchmesser (D) von nicht mehr als 12 mm aufweist, und, dadurch dass die Oberfläche des Hohlraums (4) in dem Kopf (3), der den Verbrennungsraum definiert, dachförmig ist, und zwei geneigte Oberflächenbereiche (5, 6) aufweist, bei denen die beiden Einlaßkanäle (11, 12) beziehungsweise der Auslaßkanal (8) angeordnet sind, und weiter dadurch, dass die Zündkerze (18) ihre Achse im wesentlichen parallel zu der Zylinderachse (2) hat, und in einer Ebene liegt, die die Zylinderachse umfasst und plan-symmetrisch bezüglich der beiden Einlaßkanäle (11, 12) ist, wobei die Achse der Zündkerze (18) nahe einer Kante (7) ist, die durch die beiden Oberflächenbereiche (5, 6) der Oberfläche des Hohlraums (4) definiert wird, der den Verbrennungsraum definiert.

2. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt senkrecht zu der Zylinderachse, die drei Ventilkanäle (8, 11, 12) Konturen aufweisen, die im Wesentlichen die Kreiskontur des Zylinders (2) innen tangieren, und die Zündkerze (18) eine Kontur aufweist, die im Wesentlichen die Konturen der drei Kanäle innen tangiert.

3. Motor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ebene senkrecht zu der Zylinderachse der Verbrennungsraum (4) eine pseudodreieckige Kontur mit gerundeten Spitzen aufweist, die lokal der Kontur der drei Einlaß- und Auslaßkanäle (11, 12, 8) folgt.

4. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einlaßventile ihre Achsen in einer zu der Achse der Kurbelwelle parallelen Ebene haben, und durch eine einzige Nockenwelle angetrieben werden.

5. Motor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle die Einlaßventile mittels einer elektronisch gesteuerten Hydraulikvorrichtung antreibt.