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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine, die nach dem Viertaktprinzip arbeitet.
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Als Brennkraftmaschine kleiner und mittlerer Größen haben sich im Laufe der Zeit sogenannte Hubkolbenmaschinen durchgesetzt. Diese können nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten, am weitesten verbreitet ist dabei der Viertaktmotor. Um ein Arbeiten eines solchen Motors zu ermöglichen, ist es erforderlich, zu einem bestimmten Zeitpunkt ein zündfähiges Gemisch im Brennraum zu haben. Hierzu sind im Laufe der Zeit unterschiedliche Ventilkonstruktionen und insbesondere Ventilansteuerungen entwickelt worden. Allen gemeinsam ist jedoch die hohe Komplexität, die hohe Anzahl bewegter Teile und insbesondere auch die physikalisch eher ungünstige Hubbewegung, die die verwendeten Ventile ausführen. Diese Ventile werden meist durch Verwendung wenigstens einer Nockenwelle betätigt und gegen die Kraft eines schließenden Elements, meist einer Ventilfeder, bewegt. Dadurch öffnet das Ventil und gibt eine Verbindung zwischen dem Brennraum und dem Einlass oder dem Auslass frei. Ein Problem dabei ist auch, dass das Öffnen lediglich in den Brennraum hinein erfolgen kann. Dadurch stehen jedoch die Ventile von der Brennraumseite des Zylinderkopfs hervor und es sind geeignete Maßnahmen erforderlich, um einen Kontakt zwischen dem sich im Brennraum auf und ab bewegenden Kolben und dem Ventil zu vermeiden. Insbesondere bei einem Riss von Steuerkette oder Zahnriemen führt das Hineinstehen in den Brennraum in der Regel wegen des Kontakts von Kolben und Ventilen zur vollständigen Zerstörung des Motors.
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All dies erhöht die Komplexität der gesamten Brennkraftmaschine bzw. insbesondere des Zylinderkopfs erheblich. Eine entsprechende Steigerung der Kosten ist damit nicht vermeidbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Zylinderkopf zu schaffen, bei dem eine Reduzierung der Komplexität möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Zylinderkopf gelöst.
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Erfindungsgemäß ist in dem Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine wenigstens eine Steuerwelle vorgesehen. Diese Steuerwelle, bzw. jede Steuerwelle im Fall von mehreren Steuerwellen, treibt wenigstens ein rotationssymmetrisches, z.B. scheibenförmiges oder kugelförmiges Ventilschließelement an. Das Ventilschließelement weißt einen Kanal auf, der abhängig von einem Drehwinkel des Ventilschließelements einen Einlasskanal oder einen Auslasskanal des Zylinderkopfs mit einer Brennraumseite des Zylinderkopfs verbindet. Durch das Vorsehen eines solchen scheibenförmigen Ventilschließelements ist eine Rotationssymmetrie, abgesehen von dem in dem Ventilschließelement liegenden Kanal, möglich. Hubbewegungen, wie sie bei herkömmlichen Ventilen erforderlich sind, können damit vermieden werden. Durch die Rotationssymmetrie sind somit höhere Drehzahlen möglich. Gleichzeitig entfällt eine Vielzahl der sonst benötigten Teile, so dass insgesamt die Fertigung kostengünstiger werden kann. Dadurch, dass in den Zylinder keine Ventile mehr Hineinragen, unabhängig von der Steuerphase des Motors, besteht auch bei einem Schaden am antrieb kein Risiko des Motorschadens.
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Im einfachsten Fall ist lediglich eine einzelne Steuerwelle vorgesehen, auf der in Längsrichtung der Welle ein oder mehrere Ventilschließelemente aufeinanderfolgend angebracht sind. Dabei kann jedes Ventilschließelement einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeordnet sein. Abhängig von den verwendeten Steuerzeiten ist es dabei auch möglich, dass dasselbe Ventilschließelement sowohl die zeitgerechte Verbindung der Einlassseite mit dem Brennraum als auch die zeitgerechte Verbindung des Auslasses mit dem Brennraum vornimmt.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen ausgeführt.
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Insbesondere kann pro Brennraum zumindest ein zweites, vorzugsweise scheibenförmiges Ventilschließelement vorgesehen sein. Eine solche Verwendung von zwei Ventilschließelementen erhöht die Flexibilität hinsichtlich der Steuerzeiten. Während bei der Verwendung lediglich eines Ventilschließelements, zum Beispiel eine Anpassung der Steuerzeiten nur konstruktiv möglich ist indem die Position des Ein- bzw. Auslasskanals in dem Zylinderkopf angepasst wird, ist bei Verwendung von zwei Ventilschließelementen eine Kanalführung innerhalb des Ventilschließelements anpassbar. Damit lassen sich die Lage der Ein-Auslasskanäle in dem Zylinderkopf den sonstigen geometrischen Erfordernissen besser anpassen.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sich die beiden Ventilschließelemente gegeneinander verdrehen lassen. Damit ist auch während des Betriebs durch eine Stellvorrichtung für die Ventilschließelemente eine Anpassung der Steuerzeiten zum Beispiel an Last- bzw. Drehzahlsituationen anpassbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Prinzips der Erfindung mit dem erfindungsgemäßen Zylinderkopfs;
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2 eine schematische Darstellung des Zylinderkopfs in einer Ansicht von oben bei abgenommenem Zylinderoberteil her;
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3 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs eines Ein-Zylinder-Motors;
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4 einen zweiten Schnitt durch das Ausführungsbeispiel der 3; und
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5 eine weitere Ansicht des Ausführungsbeispiels der 3.
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Bevor auf einige Einzelheiten der Erfindung eingegangen wird, soll zunächst anhand der 1 das Funktionsprinzip erläutert werden.
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Der erfindungsgemäße Zylinderkopf 1 ist auf einem stark vereinfacht dargestellten Kurbelgehäuse 2 einer Brennkraftmaschine montiert. Er schließt damit auf einer Seite einen Brennraum 3 der Brennkraftmaschine ab. In dem Motorblock 2 bzw. einer darin angeordneten Zylinderbohrung bewegt sich ein Kolben 4 auf und ab, der über ein Pleuel 5 mit einer Kurbelwelle verbunden ist.
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In dem Zylinderkopf 1 sind ein Einlasskanal 6 und ein Auslasskanal 7 vorgesehen. Diese Kanäle müssen zeitrichtig, dass heißt, in Bezug auf die jeweilige Position des Kolbens 4 und damit der Kurbelwelle (nicht gezeigt), mit dem Brennraum 3 verbunden werden.
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In der 1a) ist der Kolben zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt, und bewegt sich aufgrund der Kurbelwellendrehung abwärts, wie es durch den Pfeil angedeutet ist. Damit vergrößert sich das Volumen des Brennraums 3. Zu dieser Zeit muss frisches Gemisch, oder Frischluft im Falle eines Direkteinspritzers, dem Brennraum 3 zugeführt werden. Dazu muss der Einlasskanal 6 mit dem Brennraum 3 verbunden werden. In dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zylinderkopf ist hierzu ein Ventilschließelement 8 vorgesehen. Das Ventilschließelement 8 im dargestellten Ausführungsbeispiel ist scheibenförmig, also im Wesentlichen kreiszylindrisch. Ebenso kann es jedoch auch kugelförmig ausgebildet sein. Im Inneren des Ventilschließelements 8 ist ein Kanal 9 vorgesehen, der im dargestellten Ausführungsbeispiel einen 90 Grad Winkel beschreibt, und damit den Einlasskanal 6 mit dem Brennraum 3 verbinden kann. Das Ventilschließelement 8 ist auf in der 1 nicht dargestellte Weise drehfest mit einer Steuerwelle verbunden, die sich im Zylinderkopf 1 in fester Relation zur Kurbelwelle drehen kann. Die Steuerwelle treibt damit das Ventilschließelement 8 an. Um die Steuerzeiten relativ zum Kurbelwellenwinkel in einem konstanten und fest geregelten Verhältnis zu haben, ist die Steuerwelle mit der Kurbelwelle verbunden. Hierzu können sämtliche Techniken eingesetzt werden, die auch zum Antreiben von Nockenwellen in einem herkömmlichen Zylinderkopf vorgesehen sind.
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Während der weiteren Drehung der Kurbelwelle dreht sich damit auch das Ventilschließelement 8 in dem Zylinderkopf und erreicht die in der Figur b) gezeigte Position. Zwar ist nach einer solchen 90 Grad Drehung weiterhin der Kanal 9 des Ventilschließelements 8 mit dem Einlasskanal 6 verbunden, das zweite Ende des Kanals 9 hat jedoch keine Verbindung mehr zu dem Brennraum 3. Der Brennraum 3 wird durch eine geschlossene Seite des Zylindermantels des Ventilschließelements 8 abgedichtet.
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Die Figur c) zeigt nochmal zu einem späteren Zeitpunkt, nach der Verbrennung, die Position des Kanals in dem sich drehenden Ventilschließelement 8. Wie in b) ist auch hier ein Ende des Kanals 9 in Verbindung mit dem Auslasskanal 7, jedoch das zweite Ende des Kanals 9 nicht mit dem Brennraum verbunden. Der Brennraum 3 bleibt daher geschlossen und aufgrund der Verbrennung wird eine Kraft auf den Kolben 4 erzeugt. Erst bei weiterer Drehung des Ventilschließelements 8 kommt der Kanal 9 in Verbindung mit dem Auslasskanal 7 und gleichzeitig mit dem Brennraum 3. Jetzt kann der nunmehr in einer Aufwärtsbewegung befindliche Kolben 4 die Verbrennungsrückstände als Abgas über den Auslasskanal 7 des Zylinderkopfs 1 ausstoßen.
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Das Prinzip wurde anhand eines Viertaktmotors gezeigt, bei dem die Steuerwelle mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Selbstverständlich ist das dargestellte Prinzip auch auf andere Motoren, also insbesondere einen Zweitaktmotor, anwendbar, das Verhältnis der Drehzahl der Steuerwelle und damit des Ventilschließelements 8, das drehfest mit der Steuerwelle verbunden ist, und der Kurbelwelle muss dann entsprechend angepasst werden.
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Die 2 zeigt eine Draufsticht auf einen Mehrzylindermotor in stark vereinfachter Darstellung. Diese Darstellung dient dazu, die Anordnung von mehreren Ventilschließelementen 8, 8´, ... in Bezug auf die einzelnen Brennräume darzustellen. Zu erkennen ist, dass die Steuerwelle 10 die verschiedenen Ventilschließelemente 8, 8´, ... gemeinsam trägt und antreibt. An dieser Stelle ist anzumerken, dass in dem einfachen Ausführungsbeispiel der 2 (oder auch der 1) lediglich ein Ventilschließelement 8, 8´, ... pro Brennraum vorgesehen ist. Es ist allerdings möglich, auch axial versetzt auf ein und derselben Steuerwelle mehrere solche Ventilschließelemente pro Brennraum zu haben. Insbesondere kann dann eine Anpassung der Steuerzeiten vorgenommen werden, da die Kanalführung im inneren des Ventilschließelements für den Einlass und für den Auslass anders sein kann. Als weitere vorteilhafte Ausbildung kann vorgesehen sein, wenigstens eines der beiden Ventilschließelemente eines einzelnen Brennraums relativ zu dem anderen auf der Steuerwelle zu verdrehen. Damit wird eine weitere Flexibilisierung erreicht. Anstelle einer Drehung der beiden Ventilschließelemente gegeneinander kann auch vorgesehen sein, die Ventilschließelemente durch jeweils eine Steuerwelle anzutreiben. Dann können die gesamten Steuerwellen gegeneinander verdreht werden. Aus Platzgründen kann es hierbei auch denkbar sein, die Steuerwellen nicht wie es dargestellt ist einstückig mit den Ventilschließelementen vorzusehen, sondern wie Zahnradwelle und Zahnrad miteinander in Eingriff zu bringen. Die Steuerwellen können dann außerhalb des Außenumfangs der Ventilschließelemente verlaufen, wodurch eben zwei getrennte Steuerwellen vorgesehen sein können.
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Die 3 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf 1 eines Einzylinderviertaktmotors, bei dem die Schnittachse durch die Steuerwelle 10 hindurch verläuft. Zu erkennen ist, dass der Zylinderkopf 1 zweiteilig ausgeführt ist. Dadurch lässt sich in dem Unterteil bereits die Steuerwelle samt der Lager 12, 13 montieren und anschließend wird das Oberteil des Zylinderkopfs 1 aufgesetzt und verschraubt. Der Gesamtaufwand bei der Montage des Zylinderkopfs 1 ist damit nicht höher, als bei herkömmlichen Motoren das Aufsetzten der Zylinderkopfhaube. In dem Zylinderkopfoberteil und im Zylinderkopfunterteil sind dichtende Bahnen vorgesehen, die mit der Mantelfläche des zylindrischen Ventilschließelements dichtend zusammenwirken. Eine Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem Brennraum bzw. dem Auslasskanal 7 und dem Brennraum 3 ist damit nur dann gegeben, wenn die Enden des Kanals 9 den Brennraum mit dem Ein- bzw. Auslasskanal 6, 7 verbinden.
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Eine Schnittdarstellung in einer um 90° gedrehten Position ist in der 4 dargestellt. Noch einmal ist gut zu erkennen, dass der Zylinderkopf 1 zweiteilig ausgeführt ist. Beispielhaft ist das Ventilschließelement 8 in einer Position gezeigt, in der es über seinen Kanal 9 den Einlasskanal 6 mit dem Brennraum 3 verbindet und, gestrichelt, in einer Position, in der keine Verbindung existiert, beispielsweise wie dargestellt der obere Totpunkt.
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Eine Draufsicht auf das Zylinderkopfunterteil ist schließlich in der 5 dargestellt. Zu erkennen ist die Lagerung der Steuerwelle 11 zu beiden Seiten. Wie es gut zu erkennen ist, liegen sich der Einlasskanal 6 und der Auslasskanal 7 gegenüber, sodass die Erfindung in einfacher Weise ermöglicht einen sogenannten Querstrommotor zu bauen.
