DE102010026440B4

DE102010026440B4 - Dreiventilzylinderkopf für Mehrzylindermotoren

Info

Publication number: DE102010026440B4
Application number: DE102010026440.7A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: YAPICI, KURT IMREN, DR.-ING., DE
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: DE102010026440A1

Abstract

Dreizylinderhubkolbenmaschine mit zwei Einlassventilen (1) und einem Auslassventil (2) pro Zylinder, wobei eines der beiden Einlassventile (1) der äußeren Zylinder nur auf einer Bankseite angeordnet ist, wobei auf der anderen Bankseite der äußeren Zylinder jeweils ein Einlassventil und ein Auslassventil angeordnet sind, wobei die Ventilachsen jeden Zylinders derart zu jeweiligen Zylinderachse geneigt sind, dass sie mittig einen nötigen Raum für eine Zündkerze oder einer Brennstoffzuführung bilden, wobei in Zylinderachsrichtung gesehen, die Achse des Auslassventils (2) des mittleren Zylinders einen rechten Winkel zur Achsrichtung einer Nockenwelle (4) bildet, während an den Zylindern 1 und 3 eine Längsachse eines Einlassventils (1) auf der gegenüberliegenden Bankseite des Auslassventils (2) des mittleren Zylinders, einen rechten Winkel zur Achsrichtung der Nockenwelle (5) bildet und die Auslassventilachsen der äußeren Zylinder keinen rechten Winkel zur Achse der Nockenwelle (5) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasskanäle (3) der drei Zylinder auf kürzestem Wege miteinander verbunden sind und die Auslassventile der beiden äußeren Zylinder zur Mitte der Zylindergruppe hin orientiert angeordnet sind, wobei der mittlere Zylinder die Einlassventile (1) auf einer Bankseite und das Auslassventil (2) auf der anderen Bankseite aufweist.

Description

Dreiventilzylinderköpfe für Viertakt Verbrennungsmotoren sind in der Regel mit zwei Einlassventilen und einem Auslassventil ausgeführt. Die Ventile können, wie bei Dieselmotoren üblich, parallel zueinander angeordnet werden, oder geneigt. Durch eine Neigung der Ventilachsen zur Zylinderachse kann in der Zylindermitte der nötige Raum geschaffen werden für den Einbau einer Zündkerze oder einer Brennstoffzuführungen. In der Regel wird man die Ventilachsen nach außen geneigt ausführen, d.h. dass sich ihr Abstand zueinander mit zunehmender Entfernung von der Kurbelwelle vergrößert.
Nach dem Stand der Technik sind zwei Ventilanordnungen für radial angeordnete Dreiventilmotoren in Mehrzylinderbauweise bekannt, zum einen eine Bauweise bei der alle Einlassventile auf einer Seite einer Zylinderbank liegen und die Auslassventile auf der anderen, zum anderen eine Bauweise bei der die Anordnung für jeden zweiten Zylinder um 180° verdreht ist. Der Vorteil der letztgenannten Anordnung ist daran zu sehen, dass bei nach außen geneigten Ventilachsen ein kleiner Zylinderabstand realisierbar ist, da bei der erstgenannten Anordnung wegen des Raumbedarfs der Einlassventilbetätigung der Zylinderabstand oder der Ventilwinkel nicht frei gewählt werden können. Nachteilig an der zweiten Variante ist insbesondere, dass für beide Zylinderbankseiten ein Auspuff- und Ansaugkrümmer vorgesehen werden muss. Der Bauraumbedarf des Motors und die Komplexität nehmen dadurch zu.
Weitere Mehrzylindermotoren und deren Zylinderköpfe offenbaren die Druckschriften DE 44 26 557 A1 , US 6 016 775 A , DE 10 2004 062 038 A1 und AT 404 388 B .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die eingangs genannten Probleme aus dem Stand der Technik zu lösen.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Dreizylinderhubkolbenmaschine nach Patentanspruch 1.
Die Erfindung bezieht sich nur auf Motoren bei denen Gruppen von Drei Zylindern (1) parallel hintereinander angeordnet sind, hierbei kann es sich um Reihenmotoren mit 3, 6, 9 usw. Zylinder handeln als auch um V-Motoren bei denen die Zylinderbänke in entsprechende Anordnungen aufgeteilt werden können.
1. beschreibt die erfindungsgemäße Anordnung der Ein- und Auslassventile für Zylindergruppen mit drei Zylindern.
Bei den zuvor beschriebenen Ventilanordnungen für Zylinderbänke mit drei Ventilen pro Zylinder, besitzt jeder Zylinder auf einer Bankseite alle Einlassventile und auf der anderen alle Auslassventile. Erfindungsgemäß sollen die Ventilanordnungen der äußeren Zylinder einer Zylindergruppe von drei Zylindern um die Zylinderachse so gedreht werden, dass die äußeren Zylinder auf einer Bankseite nur ein Einlassventil (1) besitzen und auf der anderen jeweils ein Ein- und ein Auslassventil (2). Die Auslassventile der beiden äußeren Ventile sind dabei zur Mitte der Zylindergruppe hin orientiert. Bei dem mittlere Zylinder einer Zylindergruppe mit drei Zylindern, befinden sich alle Einlassventile auf der Zylinderbankseite bei denen sich bei den äußeren Zylindern nur Einlassventile befinden, während das verbleibende Auslassventil des mittleren Zylinders sich auf der anderen Seite befindet. Eine analoge Möglichkeit der Ventilanordnung bietet sich auch für Motoren mit mehr als drei Ventilen pro Zylinder an, wenn anstelle des Aulassventils ein zusammenhängendes Gebiet von Auslassventilen eingesetzt wird und für die Einlassventile ein Gebiet von mehr als zwei Einlassventilen.
Durch diese Anordnung entsteht bei Dreizylindergruppen mit drei Ventilen pro Zylinder ein vergleichbarer Freiraum für die Ventilbetätigung wie bei der um 180° gedrehten Anordnung, zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit die Auslasskanäle (3) der Zylinder einer Zweier- oder Dreiergruppe auf kürzestem Wege miteinander zu vereinigen (3). Die Vereinigung der Auslasskanäle kann schon im Zylinderkopf erfolgen so, dass ein Auslasskrümmer entfällt. Damit ergibt sich die Möglichkeit einen Turbolader unmittelbar an den Zylinderkopf an zubauen. Neben der Kostenersparnis, durch Entfall eines Auspuffkrümmers aus hochwarmfesten Material, ergibt sich auch eine Verbesserung des Turboladeransprechverhaltens, da wegen des sehr kleinen Schadvolumens in den Auslasskanälen sehr hohe Druckspitzen an der Turboladerturbine anliegen.
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung hilft auch die Wärmeverluste der Abgase im Zylinderkopf zu minimieren, dies ermöglicht oder verbessert die Nutzung der Abgasexergie, beispielsweise für eine chemische Kraftstoffreformierung zur Wirkungsgradsteigerung. In diesem Fall könne die Auslasskanäle isoliert werden, beispielsweise durch sog. Portliner aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wie Al2TiO5. Auch die Nutzung der Abgasenergie durch eine Turbine welche mechanische Leistung an die Kurbelwelle abgibt wird durch die Erfindung wesentlich verbessert, da durch das kleine Krümmervolumen sehr hohe Druckspitzen an einer nachgeschalteten Turbine zur Verfügung stehen.
Neben den beschriebenen Vorteilen auf der Abgasseite ermöglichte die erfindungsgemäße Anordnung der Ventile auch eine drosselfreie Laststeuerung, bei der das Atkinson Verfahren angenähert wird. Bekannt ist die Verwendung sog. gemischter Nockenwellen, hierbei wird von einer Nockenwelle des Zylinderkopfs mindestens ein Einlassventil pro Zylinder betätigt. Eine weitere Nockenwelle des Zylinderkopf betätigt mindestens ein weiteres Einlassventil und alle vorhandenen Auslassventile. Die Laststeuerung kann bei einer derartigen Anordnung verlustarm durch Spätverstellen der reinen Einlassnockenwelle erfolgen, so, dass während des Beginns des Verdichtungshubs Zylinderladung wieder in den Einlasskanal zurückgeschoben wird. Die beschriebene Laststeuerung erscheint vom Prinzip her wesentlich einfacher realisierbar, als eine Variation der Einlasssteuerzeitenlänge, allerdings ist sie bei den gebräuchlichen Vierventilzylinderköpfen nach dem Stand der Technik nur schwer zu realisieren. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Ventile hingegen, lässt sich sich sehr vorteilhaft verwirklichen. Im Falle der beschriebenen Zweiergruppenanordnung der Zylinder ergibt sich automatisch eine Anordnung, bei der auf einer Motorseite nur Einlassventile liegen, während auf der anderen Seite jeder Zylinder jeweils ein Ein- und ein Auslassventil aufweist. Hier können vorteilhaft zwei Nockenwellen verwendet werden, bei der eine (4) die Betätigung der Einlassventile einer Zylinderbankseite übernimmt, und die andere (5) die Betätigung der Ein- und Auslassventile der anderen Zylinderbank (4 5). Es ist auch denkbar beide Nockenwellen in ihrer Phasenlage zur Kurbelwelle einstellbar durch Nockenwellensteller (9) auszuführen. Hiermit kann sowohl die Leistungsausbeute des Motors erhöht als auch der Verbrauch im Teillastbereich verbessert werden. Auch kann durch eine Frühverstellung der reinen Einlassnockenwelle eine Ventilüberschneidung realisiert werden, welche bei niedrigen Drehzahlen den Massenstrom durch einen ggf. vorhandenen Turbolader erhöht und somit das Ansprechverhalten und das maximale Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen verbessert, indem der Massenstrom durch die Überschneidung angehoben wird.
Im Falle einer erfindungsgemäßen Dreiergruppenanordnung der Zylinder, befinden sich beide Einlassventile des mittleren Zylinders auf einer Zylinderbankseite. Um die beschriebene vorteilhafte Laststeuerung verwenden zu können, muss eines der beiden Einlassventile von der gemischten Nockenwelle betätigt werden (4). Hierzu kann der Nocken (7) für das betreffende Ventil hohl ausgeführt werden und koaxial verdrehbar auf der reinen Einlassnockenwelle gelagert werden. Der Antrieb (8) dieses Nockens erfolgt von der gemischten Nockenwelle, beispielsweise durch Zahnräder, Kettentrieb oder dergleichen.
Die nach außen geneigte Anordnung der Ventilachsen erleichtert im Vergleich zu parallelen Einlassventilen bei Dreiventilzylinderköpfen die Verwendung einer zentralen Zündkerze nahe der Zylinderachse. Bei jedem Zylinder der erfindungsgemäßen Ausführung ist eine Ventilachse senkrecht, oder anähernd senkrecht zur Nockenwellenachse, hier bietet sich die Verwendung von Schlepphebeln (6) an. Letztere können gekröpft ausgeführt werden, um die Montage der Zündkerzen zu ermöglichen. Die Ventile, deren Achse einen Winkel zur Nockenwellenachse aufweisen welcher deutlich von 90 Grad abweicht, können vorteilhafter Weise durch konische Nocken in Verbindung mit Tassenstößeln betätigt werden. Dabei ist bei der Ventilanordnung und den Ventilschaftlängen darauf zu achten, dass sich bei gleichen oder annähernd gleichen Brennraumgeometrieen aller Zylinder die Ventilachsen die einen von 90° deutlich abweichenden Winkel zu der betätigenden Nockenwelle aufweisen sich mit der Nockenwellenachse schneiden bzw. annähernd schneiden.
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung beeinflusst die Anordnung der Ansaugkanäle. Anzustreben ist eine möglichst identische Ausführung des Ansaugkanals jeden Zylinders. Bei Zylinderbänken die nur aus den beschriebenen Zweier- oder Dreiergruppen bestehen, kann dies vorteilhaft realisiert werden indem die Mittelachse der der Ansaugkanäle zunächst entgegengesetzt zu den jeweiligen Auslassventilen verläuft, danach steil aufragend in Richtung der Zylinderachsen ausgeführt wird. Im weiteren Verlauf können diese Kanäle über den Zylinderkopf hinweg geführt werden, um sich dort oder erst auf der Auslassseite der Zylinderbank zu vereinigen.

Claims

Dreizylinderhubkolbenmaschine mit zwei Einlassventilen (1) und einem Auslassventil (2) pro Zylinder, wobei eines der beiden Einlassventile (1) der äußeren Zylinder nur auf einer Bankseite angeordnet ist, wobei auf der anderen Bankseite der äußeren Zylinder jeweils ein Einlassventil und ein Auslassventil angeordnet sind, wobei die Ventilachsen jeden Zylinders derart zu jeweiligen Zylinderachse geneigt sind, dass sie mittig einen nötigen Raum für eine Zündkerze oder einer Brennstoffzuführung bilden, wobei in Zylinderachsrichtung gesehen, die Achse des Auslassventils (2) des mittleren Zylinders einen rechten Winkel zur Achsrichtung einer Nockenwelle (4) bildet, während an den Zylindern 1 und 3 eine Längsachse eines Einlassventils (1) auf der gegenüberliegenden Bankseite des Auslassventils (2) des mittleren Zylinders, einen rechten Winkel zur Achsrichtung der Nockenwelle (5) bildet und die Auslassventilachsen der äußeren Zylinder keinen rechten Winkel zur Achse der Nockenwelle (5) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasskanäle (3) der drei Zylinder auf kürzestem Wege miteinander verbunden sind und die Auslassventile der beiden äußeren Zylinder zur Mitte der Zylindergruppe hin orientiert angeordnet sind, wobei der mittlere Zylinder die Einlassventile (1) auf einer Bankseite und das Auslassventil (2) auf der anderen Bankseite aufweist.
Dreizylinderhubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (1, 2), welche nicht senkrecht zu den Nockenwellenachsen liegen, die jeweiligen Nockenwellenachsen schneiden.
Dreizylinderhubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (1, 2), deren Achsen einen Winkel zur Nockenwelle aufweisen, welcher deutlich von 90 Grad abweicht, durch konische Nocken in Verbindung mit Tassenstößel betätigt werden, wobei die Ventile (1, 2), deren Ventilachsen senkrecht zur jeweiligen Nockenwellenachse angeordnet sind, mittels Schlepphebel von einer der beiden Nockenwellen (4,5) betätigt werden.
Hubkolbenmotor mit einer durch drei teilbaren Zylinderzahl, wobei Gruppen aus drei Zylindern mit jeweils einem Dreizylinderhubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gebildet werden.