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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen stellen sich viele Aufgaben der Optimierung. Eine dieser Aufgaben ist die Zufuhr von Frischgas in Form von Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum und die entsprechende Optimierung der Einströmung. Die Kernaufgabe, die sich dabei stellt, ist, den Brennraum einerseits mit dem benötigten Frischgas zu befüllen und andererseits im Zylinder eine Ladungsbewegung zu erzeugen, die die gewünschte Geschwindigkeit der Verbrennung sicherstellt. Engpassstellen bei der Zufuhr des Frischgases in den Brennraum stellen einerseits das Ventil dar, das umlaufend um den Ventilteller einen Spalt bereitstellt, andererseits kann auch der Querschnitt des Einlasskanals derart ausgeführt werden, dass dieser, zumindest für hohe Ventilhübe, den engsten Querschnitt beinhaltet. Die Gestaltung des engsten Querschnitts des Einlasskanals im ventilnahen Bereich ist dabei teilweise durch die nötigen mechanischen Bearbeitungen zum Herstellen der Aussparungen für die Ventilsitzringe beeinflusst. Auch ist es bei der Einströmung von Frischgas in den Brennraum vorteilhaft, dem Motor ein möglichst kühles Frischgas zuzuführen, da so der Brennraum mit mehr Frischgas befüllt werden kann bzw. die Klopfneigung eines Ottomotors durch die geringeren Temperaturen verbessert ist. Hierdurch kann die Leistung der Verbrennungskraftmaschine bzw. ihr Wirkungsgrad gesteigert werden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eine Vier-Takt-Verbrennungsmaschine, umfasst einen Einlasskanal für das zu verbrennende Frischgas in einen Brennraum und mindestens ein Ventil zum wahlweisen Öffnen und Schließen des Durchlasses vom Einlasskanal in den Brennraum. Dabei ist der Einlasskanal zumindest abschnittsweise durch eine Innenkontur eines Einsatzteils definiert. Das Einsatzteil ist bevorzugt vom Dichtbereich eines Ventilsitzes beabstandet. Der Ventilsitz ist bevorzugt ein eingesetzter Ring, der ortsfest am Verbrennungsmotor angeordnet ist und zum Dichten des Ventils gegenüber dem Einlasskanal dient. Das Einsatzteil umfasst einen Kanal, durch den das zu verbrennende Gasgemisch strömt. Das Einsatzteil ist bevorzugt umlaufend geschlossen. Die Innenkontur des Einsatzteils beschreibt den Kanal für das zu verbrennende Frischgasgemisch. Herkömmlich dient ein unmittelbar in den Zylinderkopf eingegossener oder geformter Kanal als Einlasskanal. Durch die Art Auskleidung dieses Kanals mit dem Einlasskanal dient das Material des Einsatzteils als Isolator. Dadurch wird die Verbrennungswärme des Brennraums, die auf das Material des Zylinderkopfs übertragen wird, gegenüber dem Frischgas isoliert, welches sich folglich nicht so sehr aufheizt.
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Vorteilhaft ist, wenn das Einsatzteil nicht rotationssymmetrisch ist. Dies unterscheidet das Einsatzteil von einem einfachen Dichtring, welcher bei manchen Ausführungsformen verwendet werden kann und Dichtfunktionen übernimmt. Ein Dichtring hat zudem nur eine begrenzte axiale Erstreckung, so dass dadurch der beschriebene vorteilhafte Effekt der thermischen Isolierung nicht auftritt.
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Bevorzugt ist das Einsatzteil aus Kunststoff gefertigt. Es kann insbesondere als ein Spritzgussteil ausgeführt sein und/oder das Einsatzteil kann insbesondere aus einem Kunststoff ausgeführt sein, der eine zulässige Arbeitstemperatur von mindestens 150 °C und bevorzugt von mindestens 200 °C aufweist. Hier kommen die vorteilhaften Eigenschaften der geringen thermischen Leitfähigkeit von Kunststoff zum Einsatz. Dies können beispielsweise Polyamide, Polyazetate, PTFE, PEEK oder PE-Werkstoffe sein. Vorteilhaft ist insbesondere der genannte Temperaturbereich gerade dann, wenn mit einer inneren Abgasrückführung gearbeitet wird. Allgemein gesprochen ist das Einsatzteil bevorzugt aus einem anderen Material als der Zylinderkopf gefertigt. Bei Kunststoffmaterialien können ohne Aufwand enge Toleranzen eingehalten werden. Da es gerade am ventilseitigen Ende vom Einlasskanal auf exakte Geometrien ankommt, kann so an dieser Stelle auf eine geringtolerierte Bearbeitung mit den damit verbundenen Kosten verzichtet werden.
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Insbesondere ist bevorzugt, wenn um die Längsachse des Ventils ein rotationssymmetrischer Bereich für das zu verbrennende Frischgas vorgesehen ist und ein Abschnitt des Einsatzteils in diesem Bereich liegt. Dieser rotationssymmetrische Bereich wird üblicherweise mit einem spanenden Verarbeitungsschritt in den Zylinderkopf eingearbeitet während die Aufnahme für einen Ventilsitz hergestellt wird. Da beim Spanen mit einem rotatorischen Werkzeug (Fräskopf oder Formbohrer) gearbeitet wird, können nur rotationssymmetrische Bereiche hergestellt werden. Innerhalb dieser Bereiche sind also herkömmlich keine Strukturen bzw. Fluidleitelemente möglich. Dieser Nachteil wird dadurch beseitigt, dass sich ein Abschnitt vom Einsatzteil bis in diesen Bereich erstreckt. Die Herstellung geschieht so, dass zunächst der Zylinderkopf gegossen und spanabhebend auf Maß gebracht wird. Dabei wird das freie Ventilvolumen erzeugt bzw. bearbeitet. Anschließend wird der Einsatzkanal in den jeweiligen Einlasskanal eingesetzt und mechanisch fixiert sowie ggf. abgedichtet.
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Insbesondere weist das Einsatzteil von einer weitgehend in axialer Richtung konstanten Innenkontur ausgehend, wobei diese Innenkontur auch konisch sein kann, einen nach innen gerichteten Vorsprung auf. Es kann so erreicht werden, dass der Fluidstrom des zu verbrennenden Frischgases radial und/oder tangential relativ zu der Längsachse des Einsatzteils abgelenkt wird. Mit dieser Ablenkung wird erreicht, dass der Fluidstrom gezielt auf einen bestimmten Bereich des Durchlassspalts des Ventils in den Brennraum verteilt wird, z.B. spezielle Führung des Fluidstroms über den oberen Bereich zur Erzeugung einer ausgeprägten Tumbleströmung. Vorteilhaft ist ferner, wenn das Einsatzteil einen ersten Innenquerschnitt zum Durchströmen mit dem Gasgemisch aufweist, wobei dieser erste Innenquerschnitt beabstandet vom Ventilsitz konstant ist und benachbart zum Ventilsitz zumindest einen davon ausgehend nach innen gerichteten Vorsprung aufweist.
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Zusätzlich kann das Einsatzteil Bohrungen bzw. Kavitäten und/oder Rillen und/oder Vertiefungen bzw. Erhöhungen umfassen, die als Kanal oder Kanäle für ein Kühlmittel verwendbar sind. Dadurch wird verhindert oder zumindest reduziert, dass das Frischgas sich über die Erwärmung des Motorkopfes selbst miterwärmt.
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Zusätzlich ist vorteilhaft, wenn die axiale Länge des Einsatzteils mindestens 50 % dessen Außendurchmessers beträgt und insbesondere mindestens 100 % und besonders bevorzugt mindestens 150 % dessen Außendurchmessers beträgt. Der gewählte Begriff „Außendurchmesser“ erfordert nicht zwingend, dass das Einsatzteil rotationssymmetrisch ist. In anderen Fällen soll statt des geometrischen Außendurchmessers ein Mittelwert der Außenerstreckungen für diese Betrachtung herangezogen werden. Hierdurch unterscheidet sich das Einsatzteil bspw. von Dichtringen oder ähnlichem, die in dem Einlasskanal Verwendung finden können.
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In einem Verfahren zur Zuführung von zu verbrennendem Frischgas in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine wird das Frischgas zunächst durch ein Einsatzteil geleitet, welches in einem Teil des Motors, insbesondere dem Zylinderkopf, gelagert ist, anschließend in ein freies Ventilvolumen, welches sich insbesondere und/oder zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch um die Längsachse eines Einlassventils ergibt und nachfolgend in den Brennraum. Dabei ist entweder an dem Einsatzteil ein vorstehender Abschnitt angeformt, der in das freie Ventilvolumen ragt. Und/oder an dem Einsatzteil ist ein Vorsprung vorgesehen, der von der Innenkontur des Einsatzteils ausgehend nach innen gerichtet ist, um so entweder die Führung des Verbrennungsgases in Längsrichtung des Einsatzteils zu unterstützen und/oder eine radiale oder tangentiale Ablenkung des Verbrennungsgases zu bewirken.
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Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn das Einsatzteil eine Innenkontur mit einem nicht runden Querschnitt und insbesondere einem rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht des oberen Bereichs rund um den Brennraum eines Verbrennungsmotors,
- 2 eine Schnittansicht durch den oberen Bereich rund um den Brennraum des Verbrennungsmotors mit Ventilen und einem Einlasskanal,
- 2a ein Detail zur Verbesserung der Sichtbarkeit eines vorstehenden Abschnitts 33,
- 3 ein Einsatzteil 30, wie es in der Ausführungsform der 1 und 2 zum Einsatz kommt,
- 4 ein alternatives Einsatzteil mit einem Vorsprung 39 und
- 5 ein weiteres alternatives Einsatzteil mit Kühlkanälen.
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Die Strichzeichnung der 2 zeigt den oberen Bereich des Brennraums einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Einlassventil 20 (linke Seite) und einem Auslassventil 21 (rechte Seite). Lediglich beim Einlassventil 20 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ein Einlasskanal 12 gezeigt, welcher sich als ein axial durchgehender Kanal eines Einsatzteils 30 ergibt. Zudem sind jeweils bei den Ventilen 20 und 21 Ventilsitze 40 gezeigt. Die Ventilsitze 40 umfassen jeweils benachbart zu den Ventilen 20, 21 eine Dichtfläche. Die vorgenannten Teile sind in einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine gelagert. Der Zylinderkopf selbst ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Vielmehr kann die Darstellung der 1 weitgehend so verstanden werden, dass die innere Kavität 36a bzw. Kontur des Zylinderkopfes gezeigt ist. Dies ist beispielsweise bei dem Bezugszeichen 12 zu sehen, welches den Einlasskanal 12 zeigt und an der mit „12“ gezeigten Stelle ein materialfreies Volumen umfasst. Ebenso sind in 1 und 2 (material-)freie Ventilvolumen 28 gezeigt, die sich zwischen der Innenkontur des Zylinderkopfes bis zu dem unteren Bereich des jeweiligen Ventil 20, 21 ergeben.
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Die Ventile 20 und 21 weisen gemäß 2 Ventillagerungen 25 auf, die bspw. mit einer Feder (nicht dargestellt) versehen sein können, um eine Vorspannung der Ventile in die geschlossene Stellung zu bewirken. In ihren unteren Bereichen weiten sich die Ventile 20, 21 absatzfrei auf, bis sie in einer tellerartigen Fläche enden, deren Durchmesser weitgehend der Größe des jeweiligen Ventilsitzes 40 entspricht. Die Ventilsitze 40 sind Ringe, die in den Zylinderkopf eingepresst sind und die an einer inneren Fläche eine Dichtkontur umfassen, die mit einer entsprechenden Fläche des Ventils 20, 21 im Eingriff steht, um die Dichtwirkung zu erzielen. In 2 ist auf der rechten Seite das freie Ventilvolumen 28 des Auslassventils 21 zu sehen. Dieses freie Ventilvolumen 28 ist als eine Ausnehmung in das Gussteil des Ventilkopfs eingeformt, bzw. aus einem entsprechenden Teil ausgefräst. Zudem sind zwei parallele von der Mittelachse des Auslassventils 21 entfernte Linien gezeigt, welche dem Außendurchmesser des Ventilsitzes 40 entsprechen und die auf der vom Brennraum 14 entfernten Seite einen Absatz, bzw. Anschlag für den Ventilsitz 40 aufweisen. Von diesem Anschlag ausgehend geht die Innenkontur des Zylinderkopfdeckels in das freie Ventilvolumen 28 über. Vorstehend wurde der Aufbau der Motorauslassseite beschrieben, wo das verbrannte Gas ausgelassen und in eine nicht gezeigte Abgasabführung geführt wird. Auf der Frischgasseite, bei der das zu verbrennende Gasgemisch in den Motor geleitet wird, ist der Aufbau prinzipiell identisch, wobei aber das freie Zylindervolumen 28 etwas kleiner (siehe 2) ist. Zudem ist hier der Einlasskanal 12 gezeigt. Der Einlasskanal 12 ist als ein Durchlass eines Einsatzteils 30 ausgeführt, der in 3 perspektivisch gezeigt ist. Er umfasst einen ovalen Außendurchmesser, der in anderen Ausführungsformen auch zylindrisch oder eckig sein kann. Innerhalb dieses Außendurchmessers ist eine axial durchgehende Kavität 36a gezeigt, die den Einlasskanal 12 darstellt. Diese Kavität 36a ist rechteckförmig, hat aber an jeder der Ecken einen ausgeprägten Radius. An dem axialen Ende des Einsatzteils 30, das auf der brennraumabgewandten Seite ist, ist ein stumpfes Ende gezeigt. Hier kann (nicht dargestellt) ein Flansch zu einem Rohrkanal der Frischgaszuführung angeordnet sein. Auf der gegenüberliegenden Seite des Einsatzteils 30 hat es einen Endabschnitt, der senkrecht zu der Längsachse des Einsatzteils ist und der eine Anfasung aufweist. Das Einsatzteil 30 endet an dieser angefasten Stelle, um den notwendigen freien Platz zu schaffen, der für das entsprechende Ventil 20 benötigt wird (siehe 1). Das beschriebene stumpfe Ende des Einsatzteils 30 steht in Anschlag mit einem entsprechenden Vorsprung des Zylinderkopfes. Zudem hat das Einsatzteil 30 einen vorstehenden Abschnitt 33, der gegenüber dem beschriebenen stumpfen Ende axial vorsteht. Dieser Abschnitt 33 liegt insbesondere bei dem Einbau des Einsatzteils 30 benachbart zu dem Brennraum, also gemäß 2 an der unteren Seite. Dieser vorstehende Abschnitt 33 steht axial vor und weist eine radiale Erstreckung auf, die kleiner ist als der Außendurchmesser des Einsatzteils 30. Der vorstehende Abschnitt 33 hat bevorzugt keinen Versatz zu der Innenkontur des Einsatzteils. Dieser vorstehende Abschnitt 33 ragt in das bereits beschriebene freie Ventilvolumen 28, wie dies in 2 mit dem Bezugszeichen 33 gezeigt ist. Da dies ggf. in 2 schwer erkennbar ist, ist in 2a dieses Überschneidungsvolumen schwarz eingezeichnet. Hier ist ersichtlich, dass das Einsatzteil 30 unmittelbar vor dem Ventil 20 endet. Der Abstand dieser Teile kann bevorzugt weniger als 3 mm und bevorzugt weniger als 2 mm betragen. Bevorzugt wird in jedem Fall ein Mindestabstand vorgesehen sein, der bspw. mindestens 0,2 mm betragen kann.
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Das Einsatzteil 30 hat eine Axialerstreckung, die mindestens 50 % der Materialdicke des Zylinderkopfes aufweist. In anderen Worten: Mindestens 50 % der Dicke des Zylinderkopfes sind durch das Einsatzteil 30 abgedeckt. Das Einsatzteil 30 wird aus dem Zylinderkopf herausgeführt und umfasst einen Anschlussbereich für z.B. eine Frischluftzuführung. Dies kann bspw. als ein Flansch ausgestaltet sein.
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Der vorstehende Abschnitt 33 dient als eine Führung für das zuzuführende Frischgas. Bei Ausführungsformen mit einen entsprechenden vorstehenden Abschnitt 33 wurde nämlich beobachtet, dass das Verbrennungsgas gezielt über den oberen Bereich der Ventilteller in den Brennraum eingeleitet wird, wodurch eine gerichtete walzenförmige Ladungsbewegung (Tumble) induziert wird. Der vorstehende Abschnitt 33 dient als ein „Leitblech“, welches den Frischgasstrom gezielt auf das Ventil 20 führt.
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In der Variante des Einsatzteils 30, die in 4 gezeigt ist, ist am Ende des Einsatzteils 30 ein keilförmiger Vorsprung 39 gezeigt, der von der Innenkontur des Einsatzteils nach innen ausgerichtet ist. Hierdurch wird eine Beeinflussung des Fluidstroms des Frischgases erreicht. Der Fluidstrom wird dadurch seitlich abgeleitet, so dass er weniger komplett die Mitte des Ventilschafts des Ventils 20 trifft. Der gezeigte Vorsprung 39 ist keilförmig und nimmt von einem Startpunkt ausgehend sukzessiv in axialer Richtung zu. Alternativ können Vorsprünge zum Einsatz kommen, die wie Leitbleche (also bspw. flach) geformt sind und so den Volumenstrom optimal lenken können. Der gezeigte Vorsprung 39 ist auf der Seite des vorstehenden Abschnitts 33 angeformt. Alternativ und/oder zusätzlich können an sämtlichen anderen umlaufenden Seiten des Einsatzteils 30 derartige Vorsprünge 39, wie auch derartige vorstehende Abschnitte 33 vorgesehen sein. Diese Abschnitte 33 und/oder ebenfalls Vorsprünge 39 können in der Längsachse A des Einsatzteils liegen oder auch dazu verdreht sein.
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Neben der beschriebenen Funktion des Einsatzteils 30 der effektiven Führung des Frischgases in den Dichtspalt des Ventils dient das Einsatzteil 30 zusätzlich bevorzugt der thermischen Isolation des Frischgases gegenüber dem Zylinderkopf. Da der Zylinderkopf unmittelbar den Brennraum begrenzt und aus einem metallischen Werkstoff besteht, welcher bekanntermaßen gut thermisch leitend ist, wird bei bekannten Ausführungsformen ohne ein Einsatzteil, der Einlasskanal, der Teil vom Zylinderkopf ist, deutlich thermisch erhitzt und gibt die Hitze an das Frischgas ab. Dies ist nachteilig, da die Dichte eines erhitzten Gases geringer ist, so dass bei gleichen Druckbedingungen weniger Frischgas (gewichtsmäßig) in den Brennraum fließen kann, als bei der Verwendung von dem Einsatzteil 30. Das Einsatzteil ist bevorzugt aus einem Kunststoff hergestellt und somit schlechter thermisch leitend als das Material des Zylinderkopfes. Zusätzlich können in dem Einsatzteil 30 Kühlkanäle eingeformt sein und der Kühlung mit einem Kühlmittel dienen. Dies können z.B. Kühlbohrungen 35 sein, die, wie in 1 gezeigt, sich axial durch das Einsatzteil 30 erstrecken. An dem gezeigten offenen Ende des Einsatzteils 30 ist eine nicht gezeigte Umkehrung bzw. Rückführung vorgesehen, die als eine Ausnehmung in dem entsprechenden Abschnitt des Zylinderkopfs ausgeführt ist. Alternativ und/oder zusätzlich können, gemäß 5, rillenartige Kühlkanäle 36 vorgesehen sein, die in die Außenkontur des Einsatzteils 30 umlaufend angeformt sind. Aus Gründen der vereinfachten Darstellung ist nur ein derartiger Kühlkanal 36 gezeigt, wobei aber insbesondere eine Vielzahl bevorzugt gleichmäßig verteilt an der genannten Außenkontur vorgesehen sein kann. Die Kühlkanäle 36 können meandernd um das Einsatzteil 30 angeordnet sein.
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Bei der Steuerung des Motors kann ggf. eine interne Abgasrückführung vorgesehen sein. Bei dieser Art der Abgasrückführung wird die Öffnungszeit des Einlassventils so gesteuert, dass ein Teil des verbrannten Gases in den Einlasskanal strömen kann. Aufgrund der so entstehenden thermischen Belastung des Einsatzteils 30, ist es aus einem Material gefertigt, welches bei den Anforderungen von ca. 200 °C bestehen kann. Bevorzugt können (glas-)faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt werden, da hier die (thermische) Formbeständigkeit besser ist. Mögliche Materialien sind insbesondere Polyimid, PTFE, Polysulfide, Polysulfone, PVDF, POM und/oder PEI.
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Bezugszeichenliste
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- 12
- Einlasskanal
- 14
- Brennraum
- 20, 21
- Ventile (Einlassventil und Auslassventil)
- 25
- Ventillagerung
- 28
- freies Ventilvolumen
- 28a
- rotationssymmetrischer Bereich
- 30
- Einsatzteil
- 33
- vorstehender Abschnitt
- 35
- Kühlbohrungen
- 36
- Kühlkanal
- 36a
- Kavitäten
- 38
- Innenkontur des Einsatzteils
- 39
- Vorsprung
- 40
- Ventilsitz
- A
- Längsachse des Einsatzteils
- L
- Längsachse des Ventils 20
