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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens, ist bereits der
DE 10 2005 050 777 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Zylinderkopf weist wenigstens einen Einlasskanal zum Einleiten einer Gasladung in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine auf. Ferner weist der Zylinderkopf wenigstens ein dem Einlasskanal zugeordnetes Einlassventil auf, mittels welchem wenigstens eine Einlassöffnung, über welche die Gasladung aus dem Einlasskanal in den Brennraum einströmen kann, einstellbar ist. Dies bedeutet, dass das Einlassventil zum Steuern, das heißt Einstellen der Einlassöffnung dient. Üblicherweise ist das Einlassventil zwischen einer die Einlassöffnung und somit den Einlasskanal fluidisch versperrenden Schließstellung und wenigstens einer den Einlasskanal freigebenden Offenstellung bewegbar, wobei die Gasladung in der Offenstellung aus dem Einlasskanal in den Brennraum strömen kann. Bei der Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung führt das Einlassventil einen Hub aus, welcher auch als Ventilhub bezeichnet wird.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind dabei verstellbare Ventiltriebe bekannt, bei denen der Hub des Einlassventils einstellbar ist und somit zwischen wenigstens zwei Werten umgeschaltet werden kann.
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Der Zylinderkopf weist ferner wenigstens eine den Einlasskanal beziehungsweise die Einlassöffnung zumindest teilweise begrenzende Wandung auf, durch welche ein Ventilsitz für das Einlassventil gebildet ist. Das Einlassventil sitzt in seiner Schließstellung auf dem Ventilsitz auf, wodurch der Einlasskanal mittels des Einlassventils fluidisch versperrt ist.
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Ferner weist der Zylinderkopf wenigstens eine relativ zur Wandung bewegbare Einlassventilmaskierung auf, welche in zumindest einer Stellung den Ventilsitz zum Brennraum hin überragt. Dies bedeutet, dass die Einlassventilmaskierung zwischen wenigstens zwei unterschiedlichen Stellungen bewegbar ist, wobei die Einlassventilmaskierung in zumindest einer der Stellungen den Ventilsitz zum Brennraum hin überragt.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind ferner feste, das heißt unbewegliche Einlassventilmaskierungen bekannt, die den Ventilsitz zum Brennraum hin überragen. Die Einlassventilmaskierung dient dabei zur Beeinflussung einer Bewegung der den Einlasskanal durchströmenden und vom Einlasskanal in den Brennraum einströmenden Gasladung. Insbesondere dient die Einlassventilmaskierung dazu, der Gasladung eine erwünschte Bewegung beziehungsweise Bewegungsart aufzuprägen. Die Bewegung der Gasladung wird auch als Ladungsbewegung bezeichnet. Bei der Gasladung handelt es sich üblicherweise um Luft oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches der Einfachheit wegen auch als Gemisch bezeichnet wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann unter Entstehung von Abgas verbrannt werden. Die Ladungsbewegung und die Gemischaufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sind wesentliche Stellgrößen bei der Optimierung von Verbrennungsprozessen von Verbrennungskraftmaschinen.
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Die Einlassventilmaskierung, welche auch als Ventilmaskierung oder Ventilsitzmaskierung bezeichnet wird, ist als effektive Technologie zur Erhöhung der Ladungsbewegung bekannt. Hierbei wird die einströmende Gasladung beziehungsweise die einströmende Luft infolge einer zumindest teilweisen Abdeckung zwischen dem Einlassventil und dem Brennraum gezielt beeinflusst. Die Luft strömt infolge einer durch die Einlassventilmarkierung bewirkten Verkleinerung eines Öffnungsquerschnitts des Einlasskanals mit erhöhter Geschwindigkeit und verändertem Eintrittswinkel in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ein. Es kommt bei kleinen Ventilhüben zur Überströmung des Einlassventils, was eine Erhöhung der Ladungsbewegung insbesondere in Form einer tumbleförmigen Ladungsbewegung bewirkt. Die tumbleförmige Ladungsbewegung wird auch als Tumble bezeichnet. Dies wirkt sich positiv auf die Gemischaufbereitung, das heißt auf die Durchmischung des Kraftstoffes mit der Luft aus.
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Als Ergebnis steht eine hohe Homogenisierung infolge einer höheren turbulenten kinetischen Energie zum Zündzeitpunkt zur Verfügung, welche sich positiv bezüglich Entflammung und Durchbrennverhalten beziehungsweise Brenndauer auswirkt. Die Ventilmaskierung wirkt auch dann noch, wenn das Einlassventil den Bereich der Ventilmaskierung verlassen hat, das heißt wenn beispielsweise ein Ventilteller des Einlassventils nicht in Überdeckung mit der Ventilmaskierung angeordnet ist. Die Wirkung der Ventilmaskierung lässt jedoch mit zunehmendem axialem Abstand zwischen dem Einlassventil und der Ventilmaskierung nach.
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Den Vorteilen einer Einlassventilmaskierung stehen folgende Nachteile entgegen:
- – eine starre, das heißt unbewegliche Ventilmaskierung ist nur für genau einen Ventilhub optimal ausgelegt
- – geringer effektiver Öffnungsquerschnitt, woraus Nachteile für den Volllastbetrieb resultieren
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Zylinderkopf der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Zylinderkopf der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders vorteilhafter und insbesondere effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einlassventilmaskierung um eine Drehachse relativ zu der Wandung drehbar ist. Hierdurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden bei gleichzeitiger Realisierung nur geringer Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine. Mittels der Einlassventilmaskierung ist es möglich, eine optimierte Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum infolge einer angepassten, bestmöglichen Gemischaufbereitung zu realisieren. Hierdurch können der Kraftstoffverbrauch und die Rohemissionen zumindest nahezu im gesamten Kennfeldbereich der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden.
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Die Einlassventilmaskierung ist eine variable Einlassventilmaskierung, da sie relativ zur Wandung rotatorisch bewegbar und gegebenenfalls zusätzlich translatorisch bewegbar, das heißt verschiebbar ist. Mittels dieser variablen Einlassventilmaskierung kann die Ladungsbewegung gezielt beeinflusst und gesteuert werden. Dadurch kann eine zumindest nahezu bestmögliche Gemischbildung erzielt werden, die für zumindest nahezu jeden beliebigen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine einstellbar ist und eine zumindest nahezu optimale Verbrennung gewährleistet.
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Vorzugsweise ist die Verbrennungskraftmaschine als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, wobei der Brennraum ein Zylinder ist. Insbesondere ist die Verbrennungskraftmaschine als Ottomotor mit Direkteinspritzung ausgebildet, wobei die Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere Personenkraftwagens, dient.
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Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, welche einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf aufweist. Bei dem Verfahren wird die Einlassventilmaskierung um die Drehachse gedreht und gegebenenfalls zusätzlich translatorisch bewegt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können die eingangs erwähnten Nachteile einer Einlassventilmaskierung vermieden werden, da die Einlassventilmaskierung voll- oder teilvariabel ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Unteransicht eines Zylinderkopfes für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, mit einer variablen Einlassventilmaskierung, welche rotatorisch und gegebenenfalls translatorisch bewegbar ist;
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2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Zylinderkopfes;
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3 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine; und
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4 ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Unteransicht einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist und wenigstens einen Brennraum insbesondere in Form eines Zylinders aufweist, der in 2 ausschnittsweise erkennbar und dort mit 10 bezeichnet ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist eine Komponente eines Kraftwagens und dient zum Antreiben dieses.
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Aus 1 ist erkennbar, dass durch den Zylinderkopf ein Brennraumdach 12 gebildet ist, wobei in fertig hergestelltem Zustand der Verbrennungskraftmaschine der Zylinder 10 durch das Brennraumdach 12 teilweise begrenzt ist. In dem fertig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine ist der Zylinderkopf mit einem Zylindergehäuse verbunden, durch welchen der Zylinder 10 gebildet ist.
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Der Zylinderkopf weist zwei Einlasskanäle zum Einleiten einer jeweiligen Gasladung in den Zylinder 10 auf. Von diesen Einlasskanälen ist in 2 ein mit 14 bezeichneter Einlasskanal erkennbar, wobei die vorigen und folgenden Ausführungen zum Einlasskanal 14 auch auf den anderen Einlasskanal übertragbar sind.
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Den Einlasskanälen ist jeweils ein Gaswechselventil in Form eines Einlassventils 16 des Zylinderkopfes zugeordnet, wobei das jeweilige Einlassventil 16 translatorisch zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar ist. In der Schließstellung ist der jeweilige Einlasskanal 14, insbesondere eine Einlassöffnung 18 (2) des Einlasskanals 14, mittels des Einlassventils 16 fluidisch versperrt, so dass keine über den Einlasskanal 14 in den Zylinder 10 strömen kann. In der Offenstellung gibt das Einlassventil 16 den Einlasskanal 14 beziehungsweise die Einlassöffnung 18 frei, so dass die Gasladung aus dem Einlasskanal 14 in den Zylinder 10 einströmen kann.
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Bei der Bewegung des Einlassventils 16 aus der Schließstellung in die Offenstellung führt das Einlassventil 16 einen Hub aus, welcher auch als Ventilhub bezeichnet wird. Dabei ist beispielsweise ein variabler Ventiltrieb vorgesehen, mittels welchem der Ventilhub einstellbar, das heißt variabel veränderbar ist.
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Der Zylinderkopf weist ferner eine den Einlasskanal 14 zumindest teilweise begrenzende Wandung 20 auf, durch welche ein Ventilsitz 22 des Einlassventils 16 gebildet ist. In der Schließstellung sitzt das Einlassventil 16 auf dem Ventilsitz 22, wodurch der Einlasskanal 14 mittels des Einlassventils 16 fluidisch versperrt ist. Darunter ist zu verstehen, dass das Einlassventil 16 in der Schließstellung an dem Ventilsitz 22 anliegt. Das Einlassventil 16 weist dabei einen Ventilteller 24 und einen mit dem Ventilteller 24 verbundenen Ventilschaft 27 auf, wobei der Ventilteller 24 auf dem Ventilsitz 22 in der Schließstellung sitzt. Dabei ist das Einlassventil 16 relativ zur Wandung 20 in eine Bewegungsrichtung translatorisch bewegbar.
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Der Zylinderkopf weist ferner zwei dem Zylinder 10 zugeordnete und in den Figuren nicht erkennbare Auslasskanäle auf, denen jeweils ein Gaswechselventil in Form eines Auslassventils 26 zugeordnet ist. Das jeweilige Auslassventil 26 ist ebenfalls zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung translatorisch bewegbar. In der Schließstellung ist der jeweilige Auslasskanal durch das zugehörige Auslassventil 26 fluidisch versperrt. In der Offenstellung gibt das Auslassventil den zugehörigen Auslasskanal frei.
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Die über den jeweiligen Einlasskanal 14 in den Zylinder 10 einströmende Gasladung umfasst zumindest Luft, welche somit in den Zylinder 10 einströmt. Dem Zylinder 10 wird ferner ein Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt, so dass in dem Zylinder 10 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch wird gezündet, woraufhin das Kraftstoff-Luft-Gemisch unter Entstehung von Abgas verbrennt. Dieses Abgas kann bei geöffneten Auslassventilen 26 über die Auslasskanäle aus dem Zylinder 10 abgeführt werden.
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Vorliegend weist die Verbrennungskraftmaschine eine Direkteinspritzung auf, welche auch als Kraftstoff-Direkteinspritzung bezeichnet wird. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Ottomotor ausgebildet. Im Rahmen der Direkteinspritzung ist dem Zylinder 10 ein in 1 erkennbarer Injektor 28 zugeordnet, welcher auch als Einspritzelement bezeichnet wird. Mittels des Injektors 28 kann der Kraftstoff direkt in den Zylinder 10 eingespritzt werden.
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Die Verbrennungskraftmaschine weist ferner eine Fremdzündung auf. Dabei ist dem Zylinder 10 ein Zündelement in Form einer Zündkerze 30 zugeordnet, mittels welcher ein Zündfunke erzeugbar ist. Durch diesen Zündfunken wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder 10 gezündet. Ein Zeitpunkt, zu welchem das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels des Zündfunken gezündet wird, wird auch als Zündzeitpunkt bezeichnet. Ein Zeitpunkt, zu welchem der Kraftstoff mittels des Injektors 28 in den Zylinder 10 eingespritzt wird, wird auch als Einspritzzeitpunkt bezeichnet.
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Es ist auch denkbar, dass die Verbrennungskraftmaschine als selbstzündende Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist.
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Der Zylinderkopf weist darüber hinaus je Einlasskanal und somit je Einlassventil 16 eine relativ zur Wandung 20 bewegbare Einlassventilmaskierung 32 auf, welche – wie in 1 durch Doppelpfeile 34 veranschaulicht ist – um eine jeweilige Drehachse relativ zur Wandung 20 drehbar ist. Dies bedeutet, dass die jeweilige Einlassventilmaskierung 32, welche auch als Ventilmaskierung, Ventilsitzmaskierung oder Einlassventilsitzmaskierung bezeichnet wird, zwischen wenigstens zwei unterschiedlichen Stellungen um die Drehachse drehbar ist, wobei die Ventilmaskierung in zumindest einer der Stellungen den Ventilsitz 22 zum Zylinder 10 hin überragt.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erstreckt sich die Einlassventilmaskierung 32 in Umfangsrichtung des Ventilsitzes 22 etwa 180 Grad um den Ventilsitz 22, wobei jede geeignete Erstreckung der Einlassventilmaskierung 32 in Umfangsrichtung des Ventilsitzes 22 denkbar ist.
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Aus 2 ist erkennbar, dass die jeweilige Einlassventilmaskierung 32 auch relativ zur Wandung 20 verschiebbar ist, was in 2 durch einen Doppelpfeil 36 veranschaulicht ist. Die Einlassventilmaskierung 32 ist dabei beispielsweise entlang einer Längsachse relativ zur Wandung 20 in wenigstens zwei unterschiedliche Stellungen verschiebbar und überragt den Ventilsitz 22 zum Zylinder 10 in wenigstens einer dieser Stellungen.
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Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die jeweilige Einlassventilmaskierung 32 durch ein Maskierungselement gebildet ist, welches ein zusätzliches, separat von der Wandung 20 hergestelltes und beispielsweise an der Wandung 20 gelagertes Bauteil ist, das beispielsweise als Hülse ausgeführt und in den Zylinderkopf integriert ist.
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Da die Einlassventilmaskierung 32 insbesondere entlang ihrer Längsachse variabel verschiebbar sowie um die Drehachse drehbar ist, ist die Einlassventilmaskierung 32 als variable, insbesondere vollvariable Ventilmaskierung ausgebildet. Dadurch kann beispielsweise zu jedem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine eine zumindest nahezu optimale Position beziehungsweise Stellung der Ventilmaskierung eingestellt werden. Durch das Drehen und/oder Verschieben der Einlassventilmaskierung 32 kann beispielsweise ein Maß, um welches die Einlassventilmaskierung 32 den Ventilsitz 22 zum Zylinder 10 hin überragt, eingestellt werden. Dieses Maß wird auch als Höhe oder Maskierungshöhe bezeichnet. Insbesondere wird die Maskierungshöhe durch Verschieben der Ventilmaskierung eingestellt. Dabei wird durch die Maskierungshöhe die Höhe der Turbulenzenergie eingestellt, insbesondere geregelt.
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Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass eine Orientierung der jeweiligen Einlassventilmaskierung 32 durch Drehen dieser um die Drehachse eingestellt wird.
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3 und 4 zeigen jeweiligen Diagramme, anhand derer im Folgenden ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine beschrieben wird. Im Rahmen des Verfahrens wird die jeweilige Einlassventilmaskierung 32 um die Drehachse gedreht sowie gegebenenfalls verschoben.
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Auf der jeweiligen Abszisse 38 des Diagramms ist die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine aufgetragen, wobei auf der zugehörigen Ordinate 40 des jeweiligen Diagramms die Last der Verbrennungskraftmaschine aufgetragen ist. 3 und 4 zeigen somit das Kennfeld beziehungsweise Betriebskennfeld der Verbrennungskraftmaschine, wobei in 3 und 4 die mit 42 bezeichnete Volllastlinie erkennbar ist. 3 veranschaulicht die Einstellung beziehungsweise Verstellung der Maskierungshöhe im Betriebskennfeld schematisch. Ein Richtungspfeil 44 deutet eine zunehmende Maskierungshöhe an, wobei ein Richtungspfeil 46 eine abnehmende Maskierungshöhe veranschaulicht. Aus 3 ist somit erkennbar, dass hin zu hohen Lasten beziehungsweise Motorlasten es vorteilhaft ist, die Maskierungshöhe kontinuierlich zu reduzieren, so dass im Bereich der Volllast die Maskierungshöhe minimal oder sogar komplett reduziert ist. Unter dieser kompletten Reduzierung der Maskierungshöhe ist zu verstehen, dass die Maskierungshöhe null beträgt, so dass die Einlassventilmaskierung 32 den Ventilsitz 22 nicht zum Zylinder 10 hin überragt. Somit ist für eine besonders hohe Motorleistung ein maximaler Einlassventilöffnungsquerschnitt eingestellt, über welchen die Gasladung in den Zylinder 10 einströmen kann.
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4 veranschaulicht die Orientierung der jeweiligen Einlassventilmaskierung 32, das heißt ihre jeweilige Lage um die Drehachse. Die Lage der Ventilmaskierung, das heißt die Orientierung der Ventilmaskierung um ihre Drehachse beeinflusst insbesondere die Form der sich ausbildenden Ladungsbewegung. Durch die variable Einstellung der Ventilmaskierung ist es möglich, in bestimmten Bereichen des Kennfelds der Verbrennungskraftmaschine unterschiedliche Ladungsbewegungskonzepte zu realisieren. Beispielhaft kann im Niedriglastbereich durch die Verdrehung einer der Ventilmaskierungen, insbesondere bei einer 4-Ventil-Zylinderkopfauslegung, der vorhandenen Tumbleströmung eine Drall-Komponente hinzugefügt werden. Dies ist in 4 anhand eines mit Z1 bezeichneten ersten Zustands veranschaulicht.
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In 4 ist auch ein zweiter Zustand Z2 gezeigt, in denen die jeweiligen Ventilmaskierungen die gleiche Orientierung aufweisen. Im Zustand Z1 ist die bezogen auf die Bildebene von 1 linke Einlassventilmaskierung 32 gegenüber dem zweiten Zustand Z2 verdreht, während die bezogen auf die Bildebene von 2 rechte Einlassventilmaskierung 32 in den Zuständen Z1 und Z2 dieselbe Orientierung aufweist. Dies bedeutet, dass bei einem Übergang vom zweiten Zustand Z2 zum ersten Zustand Z1 eine Relativdrehung zwischen den Ventilmaskierungen (Einlassventilmaskierungen 32) erfolgt. Eine hohe Ladungsbewegung ist insbesondere bei homogenen mageren Brennverfahren wünschenswert. Sie gewährleistet hohe Abmagerungsraten bei guter Luftstabilität und geringen Emissionswerten der Verbrennungskraftmaschine.
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Somit wird eine zumindest nahezu optimale turbulente kinetische Energie im Bereich der Zündkerze 30 bereitgestellt. Übermäßig hohe Turbulenzwerte an der Zündkerze 30, welche zu Flammenverwehungen und Flammenlöschung führen können, können durch die Reduzierung der Maskierungshöhe vermieden werden. Die Kombination aus Maskierungshöhe und Orientierung der Ventilmaskierung ermöglicht eine zumindest nahezu optimale Einstellung individuell für jeden Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine. Dies kann insbesondere bei einer Verbrennungskraftmaschine, welche in einem Fahrzeug üblicherweise in einem großen Kennfeldbereich betrieben wird, positiv genutzt werden, da hierbei, abhängig vom Brennverfahren und vom Lastpunkt, unterschiedliche Anforderungen bezüglich Ladungsbewegung auftreten. Diese können wie beschrieben völlig konträr zueinander sein. Da die Einlassventilmaskierung 32 drehbar und verschiebbar ist, ist die Einlassventilmaskierung 32 vollvariabel. Mithilfe einer solchen vollvariablen Ventilmaskierung ist man in der Lage, die oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Beim Einsatz einer solchen Ventilmaskierung ist vorzugsweise eine entsprechende Abdichtung im Brennraum bei vorherrschenden hohen Drücken und Temperaturen sowie vor dem Hintergrund einer nahen Lage zu einem Wassermantel zu berücksichtigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005050777 A1 [0002]
