DE112013000183T5

DE112013000183T5 - Brennkammeraufbau für einen Motor

Info

Publication number: DE112013000183T5
Application number: DE112013000183.7T
Authority: DE
Inventors: Takashi YOUSO; Tadasu Hashiguchi; Tadatomo Toda; Mitsunori Wasada; Kazuhiro NAGATSU
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2033-08-13
Also published as: US20150167536A1; CN104583556B; JP5692462B2; CN104583556A; WO2014030319A1; DE112013000183B4; JPWO2014030319A1; US9267421B2

Abstract

Die Axialmittellinie des Einlassventils ist geneigt und der Abstand zwischen Kolbenbodenfläche und dem Bereich, der zumindest auf der der Kurbelwellenachse näheren Seite einen Teil der unteren Oberfläche des Ventilkopfes des Einlassventils bildet, vergrößert sich entsprechend der Annäherung der Kurbelwellenachse. Die Beziehung G2 > G1 ist erfüllt. Dabei steht G1 für den minimalen Abstand zwischen der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes, die zwischen dem Einlassventil und dem dem Einlassventil gegenüberliegenden Auslassventil mit dazwischenliegender Kurbelwellenachse angeordnet ist, und der Kolbenbodenfläche im oberen Totpunkt und G2 steht unter den verschiedenen Abständen zwischen der unteren Oberfläche des Ventilkopfs der Einlassventile und der Kolbenbodenfläche für den kleinsten Abstand zur Kurbelwellenachse in der Taktmitte der Überlappung erfüllt wird, wenn Einlassventil und Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft den Brennkammeraufbau eines Motors mit Kompressionszündung.
STAND DER TECHNIK
Motoren, die benzinhaltige Brennstoffe verwenden, arbeiten typischerweise mit einem Funkenzündsystem, in welchem ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch eine Zündkerze zwangsweise gezündet wird. Um signifikante Brennstoffeinsparungen zu erzielen, wurde kürzlich empfohlen, unter Verwendung eines benzinhaltigen Kraftstoffes die Kompressionszündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches (Kompressionszündung des Vorgemisches) durch Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses des Motors auf ein hohes Kompressionsverhältnis von 15 oder höher zu erreichen.
Die Patentschrift 1 offenbart einen Motor mit einem Funkenzündsystem ohne Kompressionszündung, bei dem das geometrische Verdichtungsverhältnis allerdings trotzdem auf einen hohen Wert von 13 oder höher gesteigert wird. Dieser Motor verwendet eine einseitig abgeschrägte Brennkammer. Bei diesem Motor, bei dem Si1 die Querschnittsflächen der Brennkammer mit einer Vielzahl von zueinander parallel verlaufenden virtuellen Schnittebenen bezeichnet, die parallel zur linearen Pendelrichtung des Einlassventils und durch den Ventilkopf des Einlassventils verlaufen und Si2 die wirksame Öffnungsfläche (Schleieroberfläche) zwischen dem Ventilkopf und dem Ventilsitz bezeichnet, sind die Formen der Teile des Verbrennungsmotors so gestaltet, dass ein Verhältnis von Si1 ≥ Si2 auf jeder virtuellen Schnittebene in der Taktmitte der Überlappung erfüllt ist, wenn Einlassventil und Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind. Demzufolge kann die vom umlaufenden Rand des Ventilkopfs in den Verbrennungsmotor zugeführte Ansaugluft reibungslos entlang der unteren Oberfläche des Ventilkopfes streichen. Daher werden Spülvermögen und Fülleffizienz erhöht.
Die Patentschrift 2 offenbart einen Zweitakt-Dieselmotor, in welchem die Ansaugluft aus einem Einlassventil eine Ringströmung entlang der Innenwandfläche eines Zylinders bildet, weil die Axialmittellinie des Einlassventils in Bezug auf die Zylinderachse geneigt ist.
Zur Auslösung der Kompressionszündung wird vorzugsweise ein möglichst homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Zylinders gebildet werden. Zu diesem Zweck wird ein in der Mitte des Zylinders angeordnetes Kraftstoffeinspritzventil bevorzugt und gewünscht, dass der Kraftstoff vom Kraftstoffeinspritzventil gleichförmig in den gesamten Zylinder eingespritzt wird.
Es ist jedoch nicht leicht, eine ausreichende Menge eines homogenen Luft-Kraftstoff-Gemisches im Zylinder eines oben beschriebenen Motors mit sehr hohem geometrischen Kompressionsverhältnis zu bilden. Dies liegt daran, dass in einem Motor mit hohem geometrischen Kompressionsverhältnis der Abstand zwischen der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes und der Kolbenbodenfläche am oberen Totpunkt des Kolbens und in dessen Nähe extrem klein ist und sich der Spülvorgang während der Überlappung verschlechtert, wenn Einlassventil und Auslassventil geöffnet sind. Insbesondere ist der Spülvorgang im Hohlraum unzureichend, wenn ein Hohlraum in der Kolbenbodenfläche ausgebildet ist und es wird schwierig, genügend Ansaugluft in den Hohlraum zu liefern. Dies ist der Hauptgrund, warum die Fülleffizienz abnimmt und daher die Leistung abnimmt.
Patentschrift 1: Veröffentlichung der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2009-162154
Patentschrift 2: Veröffentlichung der Japanischen Patentanmeldung Nr. H05-113120
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Ausführungen entwickelt und ihr Ziel ist es, einen Brennkammeraufbau für einen Motor mit hohem Verdichtungsverhältnis bereitzustellen, in dem das geometrische Kompressionsverhältnis gleich oder größer 15 ist und der Brennkammeraufbau eine ausreichende Spülung des im Mittelteil der Kolbenbodenfläche gebildeten Hohlraums ermöglicht.
Um dieses Ziel zu erreichen, verwendet die vorliegende Erfindung einen wie nachstehend beschriebenen Brennkammeraufbau, in dem die Ansaugluft reibungslos in die Brennkammer eingeführt wird. Insbesondere wird die der Brennkammer zugeführte Ansaugluft in den Hohlraum aus dem umlaufenden Rand des Ventilkopfs der Einlassventile von einer Seite zugeführt, die weiter von der Zylinderachse entfernt ist.
Somit umfasst der Brennkammeraufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung: einen Zylinderblock mit einem oder mehreren Zylindern; einen Zylinderkopf, der den Zylinder auf einer Seite in Richtung der Zylinderachse bedeckt; einen in den Zylinder pendelnd eingesetzten Kolben; zwei Einlassventile pro Zylinder auf einer Hälfte des Zylinders, die von der anderen durch die Kurbelwellenachse getrennt wird; und zwei Auslassventile pro Zylinder auf der anderen Hälfte des Zylinders, die von der ersten durch die Kurbelwellenachse getrennt wird und in einen Motor eingebaut ist, bei dem eine Kompressionszündung zumindest im Niedriglastbereich erfolgt. Das geometrische Verdichtungsverhältnis des Zylinders ist auf 15 oder höher eingestellt und im Mittelteil der Kolbenbodenfläche ist ein Hohlraum ausgebildet. Ein Teil eines jeden Ventilkopfs der Einlassventile überlappt den Hohlraum in Richtung der Zylinderachse. Ventilvertiefungen zur Vermeidung von Kollisionen zwischen dem Kolben und den Ventilköpfen der Einlassventile sind in der Kolbenbodenfläche ausgebildet und so mit dem Hohlraum verbunden. Die Axialmittellinie des Einlassventils ist in Richtung der Zylinderachse so geneigt, dass sie mit zunehmendem Abstand vom Ventilkopf von der Zylinderachse zurückweicht und sich der Abstand zwischen Kolbenbodenfläche und dem Bereich entsprechend der Annäherung der Kurbelwellenachse vergrößert, der zumindest auf der der Kurbelwellenachse näheren Seite einen Teil der unteren Oberfläche des Ventilkopfes bildet. Die Beziehung G2 > G1 ist erfüllt, wobei G1 für den minimalen Abstand zwischen der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes, die zwischen dem Einlassventil und dem dem Einlassventil gegenüberliegenden Auslassventil mit dazwischenliegender Kurbelwellenachse angeordnet ist, und der Kolbenbodenfläche im oberen Totpunkt steht, und G2 für den kleinsten Abstand zur Kurbelwellenachse unter den verschiedenen Abständen zwischen der unteren Oberfläche des Ventilkopfs der Einlassventile und der Kolbenbodenfläche in der Taktmitte der Überlappung, wenn Einlassventil und Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind, steht.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass in einem Motor mit hohem Verdichtungsverhältnis mit Selbstentzündung die Fülleffizienz durch ausreichende Spülung des Hohlraums wirksam erhöht werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnittzeichnung eines spezifischen beispielhaften Motors mit einem Brennkammeraufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Draufsicht auf einen Zylinder von einer Seite in Richtung der Zylinderachse (Oberseite) und zeigt die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt eine spezifische Form des Kolbens zur Verwendung in der ersten Ausführungsform.
4 ist eine Seitenansicht des in 3 gezeigten Kolbens von einer Seite in Richtung der Kurbelwelle.
5 ist eine Draufsicht des in 3 gezeigten Kolbens von oben.
6 ist eine schematische Draufsicht, welche die gemeinsame Anordnung der Einlassventile, der Auslassventile und des Hohlraums veranschaulicht.
7 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie VII-VII in 2.
8 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie VIII-VIII in 2.
9 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie IX-IX in 5.
10 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie X-X in 5.
11 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie XI-XI in 2.
12 ist ein Kennfeld und veranschaulicht eine beispielhafte Einstellung der Überlappung der Ein- und Auslassventile.
13 ist eine Draufsicht und zeigt die Position (Schnittposition) einer virtuellen Schnittfläche zum Bestimmen der Schleieroberfläche des Einlassventils und der Spaltoberfläche unter dem Ventilkopfs des Einlassventils.
14 ist eine perspektivische Schnittzeichnung und zeigt gleichzeitig die Schleieroberfläche und Spalt-Oberfläche unter dem Ventilkopf.
15 ist ein Kennfeld und veranschaulicht beispielhaft eine spezifische Einstellung der Schleier- und Spaltoberfläche unter dem Ventilkopf.
16 ist eine Hauptdraufsicht und zeigt den Bereich der Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S-12.
17 ist eine Hauptdraufsicht und zeigt den Bereich der Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S-8.
18 ist eine Hauptdraufsicht und zeigt den Bereich der Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S-4.
19 ist eine Hauptdraufsicht und zeigt den Bereich der Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S0.
20 ist eine Hauptdraufsicht und zeigt den Bereich der Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S4.
21 ist eine Hauptdraufsicht und zeigt den Bereich der Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S8.
22 ist eine Hauptdraufsicht und zeigt die Spalt-Oberfläche unter dem Ventilkopf am Querschnittpunkt S0.
23 ist eine Hauptdraufsicht und zeigt die Spalt-Oberfläche unter dem Ventilkopf am Querschnittpunkt S8.
24 ist eine Draufsicht entsprechend 5 und zeigt einen Kolben für den Einsatz in der zweiten Ausführungsform.
25 ist eine perspektivische Ansicht entsprechend 3 und zeigt einen Kolben für den Einsatz in der zweiten Ausführungsform.
26 ist eine Schnittzeichnung entsprechend 11 und veranschaulicht die zweite Ausführungsform.
27 ist eine Draufsicht entsprechend 5 und zeigt einen Kolben für den Einsatz in der dritten Ausführungsform.
28 ist eine Schnittzeichnung entsprechend 11 und veranschaulicht die dritte Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Motors mit einem Brennkammeraufbau entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der in der Figur gezeigte Motor ist ein Mehrzylinderreihenottomotor für ein Kraftfahrzeug und weist einen Zylinderblock 20 mit einer Vielzahl von Zylindern 5 auf (nur einer davon ist in 1 dargestellt), die rechtwinkelig zur Zeichnung nebeneinander angeordnet sind, einen auf dem Zylinderblock 20 befestigten Zylinderkopf 30, der die obere Fläche der Zylinder 5 abgedeckt und einen in jedem Zylinder 5 pendelnd eingesetzten Kolben 10. Eine Brennkammer mit einem sich entsprechend der vertikalen Position des Kolbens 10 verändernden Volumens wird über dem Kolben 10 gebildet. Der Kolben 10 ist über eine Pleuelstange 8 mit einer Kurbelwelle 9 verbunden und die Kurbelwelle 9 dreht sich um eine Achse als Reaktion auf die Pendelbewegung des Kolbens 10.
Das geometrische Verdichtungsverhältnis jedes Zylinders 5 ist gleich oder größer als 15, d. h. das Verhältnis des Brennkammervolumens mit dem Kolben 10 im oberen Totpunkt zum Brennkammervolumen mit dem Kolben 10 im unteren Totpunkt ist gleich oder größer als 15. Ein entsprechender Wert kann für das geometrische Verdichtungsverhältnis entnommen werden, vorausgesetzt es ist gleich oder größer als 15, aber beispielsweise ist 18 ein bevorzugter Wert für das geometrische Verdichtungsverhältnis.
2 ist eine Draufsicht auf einen Zylinder 5. In den 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen J eine Zylinderachse, d. h. die Mittellinie des Zylinders 5, und das Bezugszeichen K bezeichnet eine Kurbelwellenachse, d. h. Mittellinie der Kurbelwelle 9. Die Zylinderachse J und die Kurbelwellenachse K stehen rechtwinkelig zueinander.
Im Zylinderkopf 30 sind für einen Zylinder 5 zwei Einlassventile 1A und 1B und zwei Auslassventile 2a und 2b vorgesehen. Die Einlassventile 1A und 1B haben jeweils einen scheibenförmigen Ventilkopf 1a, der den Einlasskanal 6 im Zylinderkopf 30 schließen kann und einen Ventilschaft 1b, der sich vom Ventilkopf 1a nach oben erstreckt. Ebenso haben die Auslassventile 2A und 2B jeweils einen scheibenförmigen Ventilkopf 2a, der den Einlasskanal 7 im Zylinderkopf 30 schließen kann und einen Ventilschaft 2b, der sich vom Ventilkopf 2a nach oben erstreckt.
Von der (oberen) Seite der Zylinderachse J aus betrachtet, sind die Einlassventile 1A und 1B so ausgelegt, dass sie entlang der Kurbelwellenachse K auf einer Seite (der linken Seite in 1) angeordnet sind, wobei angenommen wird, dass der Zylinder 5 von der Kurbelwellenachse K halbiert wird. Ebenso sind die Einlassventile 2A und 2B so ausgelegt, dass sie entlang der Kurbelwellenachse K auf einer Seite (der rechten Seite in 1) angeordnet sind, wobei angenommen wird, dass der Zylinder 5 von der Kurbelwellenachse K halbiert wird. Das Einlassventil 1A ist gegenüber dem Auslassventil 2a auf der anderen Seite der Kurbelwellenachse K angeordnet und das Einlassventil 1B gegenüber dem Auslassventil 2b auf der anderen Seite der Kurbelwellenachse K.
Wie in 12 gezeigt, sind die Einlassventile 1A und 1B und die Auslassventile 2A und 2B für eine vorgegebene Überlappungsdauer T, einschließlich dem oberen Totpunkt, gleichzeitig geöffnet. Einer der Gründe für eine solche Überlappungsdauer T, in welcher die Ein- und Auslassventile geöffnet sind, ist das Entsorgen (d. h. Spülen) der verbrannten Gase aus der Brennkammer. Das Bezugszeichen Tc in der Figur bezeichnet die Taktmitte der Überlappungsdauer T. Im in 12 gezeigten Beispiel ist die Taktmitte Tc der Überlappungsdauer in Bezug auf den oberen Totpunkt des Kolbens etwas vorzeitig eingestellt.
Ein Kraftstoffeinspritzventil 3 und zwei Zündkerzen (erste und zweite Zündkerze) 4A und 4B sind für einen Zylinder 5 im Zylinderkopf 30 vorgesehen. Das Kraftstoffeinspritzventil 3 ist so angeordnet, dass es sich in der der Zylinderachse J entsprechenden Richtung in jedem Zylinder 5 erstreckt. Die erste Zündkerze 4A ist zwischen den zwei Einlassventilen 1A und 1B in jedem Zylinder 5 vorgesehen und die zweite Zündkerze 4B ist zwischen den beiden Auslassventilen 2A und 2B in jedem Zylinder 5 vorgesehen.
Ein hauptsächlich aus Benzin bestehender Kraftstoff wird vom Kraftstoffeinspritzventil 3 genauso wie bei einem üblichen Ottomotor eingespritzt. Der Begriff „hauptsächlich aus Benzin bestehender Kraftstoff” bedeutet, dass auch Kraftstoffe mit anderen Hilfskomponenten als Benzin verwendet werden können. Mit anderen Worten kann im Motor der vorliegenden Ausführungsform ein Kraftstoff mit einem Benzingehalt von 100% und ein Kraftstoff mit nicht-Benzin-Hilfskomponenten, wie z. B. Ethanol, verwendet werden.
Im oben beschriebenen Motor erfolgt die Verbrennung durch Kompressionszündung, genauer gesagt die Verbrennung durch Kompressionszündung des Vorgemisches, auch HCCl genannt (Homogene Kompressionszündung), im Niederlastbereich des Motors.
Genauer gesagt wird der Kraftstoff im Niedriglastbereich, in dem die Kompressionszündung erfolgt, vom Kraftstoffeinspritzventil 3 lange genug vor dem oberen Totpunkt eingespritzt. Der eingespritzte Kraftstoff wird infolge der Kompressionswirkung des Kolbens 10 erwärmt, während er sich mit der der Brennkammer zugeführten Ansaugluft vermischt und erreicht dann den Selbstzündungszustand, wenn sich der Kolben 10 in der Nähe des oberen Totpunktes der Kompression befindet. Die aus der Kompressionszündung resultierende Verbrennung erfolgt in einer mageren Atmosphäre bei einem Gas-Luft-Kraftstoffverhältnis (dargestellt durch G/F) von gleich oder größer 20. Dabei steht G für die Gesamtgasmenge (Gewicht) aus neuer Luft und AGR-Gas und F steht für die Kraftstoffmenge (Gewicht).
In einem anderen Betriebsbereich (d. h. dem Hochlastbereich des Motors), in dem keine Kompressionszündung erfolgt, wird Funkenzündung durchgeführt. Dabei wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch zwangsweise durch Funkenzündung der Zündkerzen 4A, und 4B verbrannt. Genauer gesagt wird der Kraftstoff im Hochlastbereich des Motors vom Kraftstoffeinspritzventil 3 unmittelbar vor dem oberen Totpunkt eingespritzt und danach wird Zündenergie durch Funkenzündung der beiden Zündkerzen 4A und 4B erzeugt. Das bei einer solchen Funkenzündung erreichte Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist hinreichend fetter als das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei einer Kompressionszündung, genauer gesagt wird ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein dem ähnliches mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht
Eine Last an der Grenze zwischen dem Betriebsbereich, in dem die Verbrennung durch Zündung oder durch Kompressionszündung erfolgt, wird auf die untere Lastseite eingestellt, wenn die Motordrehzahl zunimmt.
3 bis 5 zeigen die Form des Kolbens 10. Wie in den Figuren gezeigt, ist der Hohlraum 11 (auf der dem Zylinderkopf 30 entgegengesetzten Seite) im Mittelteil der Kolbenbodenfläche (obere Oberfläche) des Kolben 10 konkav nach unten ausgebildet. Der Hohlraum 11 ist in Richtung der Zylinderachse betrachtet im Wesentlichen rund und im Mittelteil des Hohlraums 11 ist ein gipfelförmiger Vorsprung 11a ausgebildet.
Die ebenen Oberflächen 10a, 10b, 10c und 10d erstrecken sich entlang der zur Zylinderachse J rechtwinkelig verlaufenden Fläche und die Ventilvertiefungen 15A, 15B, 16A und 16B und die Senkungen 12A und 12B, die flacher sind als der Hohlraum 11, sind in einem Bereich der Kolbenbodenfläche 10 außerhalb des Hohlraums 11 ausgebildet.
Genauer gesagt sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Ventilvertiefungen 15A und 15B in den Bereichen der Kolbenbodenfläche 10 ausgebildet, die den Ventilköpfen 1a der Einlassventile 1A und 1B zugewandt sind und die Ventilvertiefungen 16A und 16B sind in den Bereichen der Kolbenbodenfläche 10 ausgebildet, die den Ventilköpfen 2a der Auslassventile 2A und 2B zugewandt sind. Ferner sind die Senkungen 12A und 12B so ausgebildet, dass sie mit dem Hohlraum 11 in der Kolbenbodenfläche 10 in den Bereichen verbunden sind, die den ersten und zweiten Zündkerzen 4A und 4B zugewandt sind. In der folgenden Erklärung, bei der die vier Ventilvertiefungen 15A, 15B, 16A und 16B voneinander zu unterscheiden sind, wird die Ventilvertiefung 15A für das Einlassventil 1A als die „erste Ventilvertiefung”, die Ventilvertiefung 15B für das Einlassventil 1B als die „zweite Ventilvertiefung”, die Ventilvertiefung 16A für das Auslassventil 2A als die „dritte Ventilvertiefung” und die Ventilvertiefung 16B für das Auslassventil 2B als die „vierte Ventilvertiefung” bezeichnet.
Die Abschnitte der Kolbenbodenfläche 10 außerhalb des Hohlraums 11, der Ventilvertiefungen 15A, 15B, 16A und 16B und der Senkungen 12a, 12b werden als ebene Oberflächen (10a bis 10d) angenommen. In der vorliegenden Ausführungsform wird die ebene Oberfläche zwischen der ersten Ventilvertiefung 15A für das Einlassventil 1A und der zweiten Ventilvertiefung 15B für das Einlassventil 1B durch 10a, die ebene Oberfläche zwischen der dritten Ventilvertiefung 16A für das Auslassventil 2A und die vierte Ventilvertiefung 16B für das Auslassventil 2B durch 10b, die ebene Oberfläche zwischen der ersten Ventilvertiefung 15A für das Einlassventil 1A und der dritten Ventilvertiefung 16A für das Auslassventil 2A durch 10c und die ebene Oberfläche zwischen der zweiten Ventilvertiefung 15B für das Einlassventil 1B und der vierten Ventilvertiefung 16B für das Auslassventil 2B als 10d bezeichnet. Die Höhe dieser ebenen Oberflächen 10a, 10b, 10c und 10d ist gleich und diese ebenen Flächen sind höher als die Bodenfläche des Hohlraums 11, die Bodenflächen der Ventilvertiefungen 15A, 15B, 16A und 16B und die Bodenflächen der Senkungen 12A und 12B.
Wie in 6 gezeigt, sind die Einlassventile 1A und 1B und die Auslassventile 2A und 2B so ausgebildet, dass Teile der Ventilköpfe 1A und 2A den Hohlraum 11 des Kolbens 10 in Richtung der Zylinderachse überlappen.
Wie in den 7 und 8 gezeigt, wird das Kraftstoffeinspritzventil 3 so ausgebildet, dass es sich unmittelbar über dem vorstehenden Teil 11a des Hohlraums 11 befindet. Wie in 7 gezeigt, ist die erste Zündkerze 4A so vorgesehen, dass deren Spitze (Elektrodenteil) in der Senkung 12A aufgenommen wird und die zweite Zündkerze 4B ist so vorgesehen, dass deren Spitze (Elektrodenteil) in der Vertiefung 12B aufgenommen wird.
Wie in den 7 und 8 gezeigt, handelt es sich bei den Teilen der unteren Oberfläche des Zylinderkopfs 30, der den ebenen Flächen 10a, 10b, 10c und 10d des Kolbens 10 zugewandt ist, um ebene Flächen entlang der zur Zylinderachse J rechtwinkelig verlaufenden Fläche. Als Ergebnis wird ein gleichförmig kleiner Spalt zwischen dem Zylinderkopf 30 und den ebenen Flächen 10a bis 10d des Kolbens im oberen Totpunkt gebildet. Daher wird die Zunahme des geometrischen Kompressionsverhältnisses (der Übergang zu einem hohen Kompressionsverhältnis) und die Bildung einer Quetschströmung (Strömung von der umlaufenden Kante in die Mitte der Brennkammer) begünstigt. Wie bereits oben erwähnt, ist der Abstand in der Brennkammer über den ebenen Flächen 10a bis 10d klein. Daher wird das Volumen der Brennkammer, wenn sich der Kolben 10 im oberen Totpunkt befindet, vor allem durch den Hohlraum 11 aufgenommen.
In den 3, 5 und 11 bezeichnet das Bezugszeichen R1 die Grenzposition zwischen der ersten und zweiten Ventilvertiefung 15A und 15B für die Einlassventile 1a und 1b und den benachbarten ebenen Oberflächen 10c und 10d. Die Grenzposition R1 ist so eingestellt, dass sie sich parallel zur Kurbelwellenachse K an den Positionen vergrößert, die der Mitte des Ventilkopfs 1a der Einlassventile 1A und 1B entsprechen (im Wesentlichen entsprechen diese der Mitte des Ventilkopfs 1a in Richtung der Zylinderachse). Die ersten und zweiten Ventilvertiefungen 15A und 15B sind in der Bodenfläche des Kolbens 10 in den Bereichen ausgebildet, die den Ventilköpfen 1a der Einlassventile 1A und 1B in den Bereichen auf der Seite der Grenzposition R1 entsprechen, die weiter von der Kurbelwellenachse K entfernt sind. Wie in 11 gezeigt, handelt es bei den Bodenflächen der ersten und zweiten Ventilvertiefung 15A und 15B insbesondere um Schrägen, die so geneigt sind, dass deren Höhe mit zunehmendem Abstand von der Kurbelwellenachse K abnimmt.
Die Kolbenbodenfläche 10 auf der Seite der Grenzposition R1, die näher an der Kurbelwellenachse K liegt, wird als die oben beschriebene ebene Fläche 10c und 10d verwendet. Mit anderen Worten sind die ersten und zweiten Ventilvertiefungen 15A und 15B stufenlos mit den ebenen Flächen 10c und 10d des Kolbens 10 an der Grenzposition R1 verbunden.
Die gleiche Bauform wird für die dritte und vierte Ventilvertiefung 16A und 16B für die Auslassventile 2A und 2B verwendet. Wird daher eine Grenzposition R2 eingenommen, die den Mitten der Ventilköpfe 2a der Auslassventile 2A und 2B entspricht und parallel zur Kurbelwellenachse K liegt, wird die dritte und vierte Ventilvertiefung 16A und 16B in der Kolbenbodenfläche 10 in den Abschnitten, die den Ventilköpfen 2a der Auslassventile 2A und 2B in den Bereichen auf der Seite der Grenzposition R2 zugewandt sind gebildet, die weiter von der Kurbelwellenachse K entfernt sind. Bei den Bodenflächen der dritten und vierten Ventilvertiefung 16A und 16B handelt es sich um Schrägen, die so geneigt sind, dass deren Höhe mit zunehmendem Abstand von der Kurbelwellenachse K abnimmt.
Die Kolbenbodenfläche 10 auf der Seite der Grenzposition R2, die näher an der Kurbelwellenachse K liegt, wird als die oben beschriebene ebene Fläche 10c und 10d verwendet. Mit anderen Worten sind die dritten und vierten Ventilvertiefungen 16A und 16B stufenlos mit den ebenen Flächen 10c und 10d des Kolbens 10 an der Grenzposition R2 verbunden.
Wie oben beschrieben, bilden sich in der vorliegenden Ausführungsform auf der Kolbenbodenfläche 10 zwischen den Grenzpositionen R1 und R2 die ebene Flächen 10c und 10d mit einer vergleichsweise großen Oberfläche, die sich entlang einer zur Kurbelwellenachse K rechtwinkelig verlaufenden Ebene erstrecken. Wenn sich diese ebenen Flächen 10c und 10d mit einer großen Oberfläche am umlaufenden Rand des Kolbens 10 bilden, nähern sich diese ebenen Flächen 10c und 10d dem Zylinderkopf 30, wenn sich der Kolben 10 hebt. Dadurch kann sich in einem großen Bereich eine gute Quetschströmung bilden. Da es unwahrscheinlich ist, dass sich auf den ebenen Flächen 10c und 10d ein Ansaugluftstrom in Umfangsrichtung bildet, wird ein Ansaugluftstrom vom Einlassventil 1A zum Auslassventil 2A gehemmt und der Ansaugluftstrom vom Einlassventil 1B zum Auslassventil 2B wird ebenfalls gehemmt.
Die Beziehung zwischen dem Einlassventil 1A und der ersten Ventilvertiefung 15A wird nachstehend unter Bezugnahme auf 11 näher erläutert. Der Ventilschaft 1b des Einlassventils 1A liegt auf einer zur Kurbelwellenachse K rechtwinkelig verlaufenden Ebene und ist außerdem so ausgelegt, dass er in einem vorbestimmten Winkel θ (hier 5 Grad) zur Zylinderachse J liegt. Genauer gesagt ist die Mittelachse des Ventilschafts 1b in Richtung der Kurbelwelle so geneigt, dass sie sich allmählich von der Zylinderachse J entfernt, je weiter sie sich vom Ventilkopf 1a des Einlassventils 1A (nach oben) entfernt. In 11 wird die virtuelle Achsenlinie, die parallel zur Zylinderachse J verläuft, durch das Bezugszeichen J1 dargestellt und der durch die virtuelle Achsenlinie J1 und die Mittellinie des Ventilschaftes 1b gebildete Winkel wird durch θ dargestellt.
Der Neigungswinkel der Bodenfläche der ersten Ventilvertiefung 15A ist so gestaltet, dass er dem Neigungswinkel θ des Ventilschafts 1b entspricht. Mit anderen Worten verlaufen die untere Fläche des Ventilkopfes 1a des Einlassventils 1A und die Bodenfläche der ersten Ventilvertiefung 15A parallel zueinander. Da sich jedoch die Grenzposition R1 der ersten Ventilvertiefung 15A im Wesentlichen in der Mitte des Ventilkopfes 1a auf der Seite der Grenzposition R1 befindet, die näher an der Kurbelwellenachse K liegt, ist der Abstand zwischen der unteren Oberfläche des Ventilkopfes 1a und der ebenen Fläche 10c des Kolbens 10 so eingestellt, dass er größer wird, wenn man sich die Kurbelwellenachse K nähert. Mit anderen Worten: Streicht die der Brennkammer vom umlaufenden Rand des Ventilkopfes 1a (linke Endposition in 11) zugeführte Ansaugluft (in 2 insbesondere der umlaufende Rand im unten beschriebenen dritten Quadranten A des Ventilkopfes 1a) durch die untere Fläche des Ventilkopfes 1a, kann die Ansaugluft reibungslos durch den Spalt strömen, der durch die oben beschriebene Einstellung der Neigungswinkel θ schrittweise erweitert wurde. Weil ein Teil der ersten Ventilvertiefung 15A (einem Teil nahe der benachbarten zweiten Ventilvertiefung 15B) mit dem Hohlraum 11 verbunden ist, kann die Ansaugluft insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 5 gezeigt wird, problemlos durch die untere Oberfläche des Ventilkopfes 1a in den Hohlraum 11 strömen.
Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform die ebene Fläche 10c mit einer vergleichsweise großen Oberfläche zwischen der ersten Ventilvertiefung 15A und der dritten Ventilvertiefung 16A ausgebildet, und diese fördert auch die oben erwähnte Einführung der Ansaugluft in den Hohlraum 11. Genauer gesagt werden in der vorliegenden Ausführungsform der minimale Spalt zwischen der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes 30, der zwischen dem Einlassventil 1A und dem Auslassventil 2A liegt und dem Einlassventil 1A mit dazwischen liegender Kurbelwellenachse K zugewandt ist, und die ebene Fläche 10c des Kolbens 10, welche der unteren Fläche zugewandt ist, als der in 11 gezeigte Wert G1 in der Taktmitte Tc der Überlappung verwendet. Wird der maximale Wert des Spaltes zwischen der ebenen Fläche 10c und der unteren Fläche des Ventilkopfes 1a des Einlassventils 1A in der Taktmitte Tc der gleichen Überlappung als G2 genommen, d. h. einem Spalt zwischen der ebenen Fläche 10c und dem umlaufenden Rand (rechte Endposition in 11) auf der Seite der Ventilkopf 1a, der am nächsten zur Kurbelwellenachse K liegt, dann wird die Beziehung zwischen dem maximalen Spalt G2 und dem minimalen Spalt G1 als G2 > G1 eingestellt. Als Folge ist die Strömung der Ansaugluft vom Einlassventil 1A zum Auslassventil 2A ungehindert. Daher wird die oben erwähnte Zufuhr der Ansaugluft in den Hohlraum 11 weiter begünstigt.
In diesem Fall wird der Ventilkopf 1a des Einlassventils 1A in Richtung der Zylinderachse virtuell in vier Regionen (Quadranten) unterteilt. Genauer gesagt und wie in 2 gezeigt, wird die Richtung, die durch die Mitte des Ventilkopfs 1a des Einlassventils 1A und senkrecht zur Kurbelwellenachse K verläuft als X-Achse genommen und die Richtung, die durch die Mitte des Ventilkopfs 1a des Einlassventils 1A und parallel zur Kurbelwellenachse K verläuft als Y-Achse genommen. Von den vier Regionen, die man durch das Teilen des Ventilkopfs 1a mit der X-Achse und Y-Achse erhält, wird die Region, die am weitesten von der Zylinderachse J entfernt ist, als dritter Quadrant A genommen Die Region neben dem dritten Quadranten A in der X-Achsenrichtung wird als vierter Quadrant B, die Region neben dem dritten Quadranten A in der Y-Achsenrichtung als der zweite Quadrant C und die Region neben dem zweiten Quadranten C in X-Achsenrichtung wird als erster Quadrant D genommen.
Die vom umlaufenden Rand des dritten Quadranten A und dem vierten Quadranten B des Ventilkopfes 1a in die Brennkammer zugeführte Ansaugluft strömt durch den oben beschriebenen Aufbau (Vergrößerung des Spalts G2 durch Einstellung des Neigungswinkels θ) hauptsächlich in Richtung des Hohlraums 11 und eine durch einen Pfeil α in 2 gezeigte Strömung wird gebildet. In 2 wird die Strömung der Ansaugluft vom dritten und vierten Quadranten A und B in Richtung des Auslassventils 2A durch einen Pfeil β gezeigt. Weil der durch den Pfeil β gezeigte Ansaugluftstrom durch den oben beschriebenen Aufbau (Verringerung des Spalts G1) blockiert wird, wird die Strömung in Richtung des Pfeils α entsprechend verstärkt. Als Ergebnis einer solchen Verstärkung der Strömung der Ansaugluft in Richtung des Pfeiles α wird die Zufuhr der Ansaugluft in den Hohlraum 11 begünstigt und das Innere des Hohlraums 11 wird ausreichend gespült.
Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform die folgende Anordnung in Bezug auf das Einlassventil 1A verwendet, um die Strömung in Richtung des Pfeils α noch weiter zu intensivieren.
Zuerst wird, wie in 13 gezeigt, in Richtung der Zylinderachse eine virtuelle Linie Z angenommen, welche die Zylinderachse J mit der Mitte des Ventilkopfs 1a des Einlassventils 1A verbindet. Dann wird angenommen, dass der Ventilkopf 1a durch willkürliche Querschnitt geteilt wird, die senkrecht zur virtuellen Linie Z und parallel zur Axialmittellinie (Mittelachse des Ventilschafts 1b) des Einlassventils 1 verlaufen. Die Querschnittpunkte werden in diesem Fall mit Si bezeichnet. Das „i” im Querschnittpunkt Si repräsentiert den Abstand (mm) von der Mitte (Ventilmitte) des Ventilkopfs 1a zur Zylinderachse J auf der virtuellen Linie Z. Daher ist „i” gleich 0 ist, wenn der Querschnittpunkt durch die Ventilmitte verläuft, hat einen negativen Wert, wenn sich der Querschnittpunkt (auf der Seite der Zylinderlaufbuchse) bei Zylinder 5 von der Ventilmitte radial nach außen verschiebt und einen positiven Wert, wenn sich der Querschnittpunkt (auf der Seite der Zylinderachse J) bei Zylinders 5 von der Ventilmitte radial nach innen verschiebt. 13 zeigt S-12, S-8, S-4, S0, S4 und S8 beispielhaft dafür, wenn Querschnittpunkte dieser Regel folgen. Beispielsweise ist S-12 ein Querschnittpunkt mit einem Abstand zur Ventilmitte von –12 mm radial nach außen, S0 ein Querschnittpunkt, der durch die Ventilmitte verläuft und S8 ist ein Querschnittpunkt mit einem Abstand zur Ventilmitte von 8 mm radial nach innen.
Ferner zeigt 14 in der vorliegenden Ausführungsform eine Schleieroberfläche Si^1 für den Ventilkopf 1a und eine Spaltoberfläche Si^2 unter dem Ventilkopf 1a als Kenngrößen des Einlassventils 1a an willkürlichen Querschnittpunkten Si. Beispielsweise ist die Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S-12 gleich S-12^1, die Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S0 gleich S-0^1 und die Schleieroberfläche am Querschnittpunkt S8 gleich S-8^1. Ferner ist die Spaltoberfläche unter dem Ventilkopf 1a am Querschnittpunkt S-12 gleich S-12^2, die Spaltoberfläche unter dem Ventilkopf 1a am Querschnittpunkt S0 gleich S0^2 und die Spaltoberfläche unter dem Ventilkopf 1a am Querschnittpunkt S8 gleich S8^2.
Wie in den 14 und 16 bis 21 gezeigt, ist die hier bezeichnete „Schleieroberfläche Si^1 am Querschnittpunkt Si” definiert als der kürzeste Abstand d (14) zwischen der Ventilsitzfläche und dem Ventilkopf 1a, die auf dieser in der Taktmitte Tc der Überlappung zum Sitzen kommt und die Länge W (16 bis 21) in Umfangsrichtung, die in Bezug auf die Schnittstelle Si bestimmt wird, genauer gesagt ein Wert, der sich durch Integration des kürzesten Abstands d über den Bereich der Länge W in Umfangsrichtung ergibt. Wie hier verwendet entspricht die Länge W in Umfangsrichtung der Länge des umlaufenden Randes im überlappenden Teil des Bereichs auf der Seite der Querschnittpunkte Si, die weiter von der Zylinderachse J und dem dritten Quadranten A und dem vierten Quadranten B des Ventilkopfs 1a entfernt ist. In den 16 bis 21 wird die Schleieroberfläche Si^1 als kreisbogenförmiger weißer Bereich dargestellt.
Wie in 14 gezeigt, ist die hier bezeichnete „Spaltoberfläche Si^2 unter dem Ventilkopf 1a am Querschnittpunkt Si” eine Fläche, die definiert wird als die Länge L der Unterseite der Querschnittsfläche des Ventilkopfs 1a, wenn der Ventilkopf 1a am Querschnittpunkt Si in der Taktmitte Tc der Überlappung geschnitten wird und der Abstand h von dieser Unterseite bis zur Kolbenbodenfläche 10, genauer gesagt ein Wert, der sich durch Integrieren des Abstands h über den Bereich der Länge L der Unterseite ergibt.
15 ist ein Diagramm, das beispielhaft einen spezifischen numerischen Werte der Schleieroberfläche Si^1 und der Spaltoberfläche Si^2 unter dem Ventilkopf 1a veranschaulicht. Wie in der Figur in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt, ist die Spaltoberfläche Si^2 unter dem Ventilkopf 1a an jedem Querschnittpunkt S-12 bis S8 größer als die Schleieroberfläche Si^1, mit anderen Worten wird die Beziehung Si^2 ≥ Si^1 an allen Schnittstellen Si erfüllt.
Die Schleieroberfläche Si^1 wird in der vorliegenden Ausführungsform aus folgendem Grund nur über den dritten Quadranten A und den vierten Quadranten B des Ventilkopfes 1a angegeben. Praktisch die gesamte Ansaugluft, die der Brennkammer aus anderen Regionen als dem dritten und vierten Quadranten A und B des Ventilkopfs 1a zugeführt wird, mit anderen Worten vom umlaufenden Rand des ersten Quadranten D oder des zweiten Quadranten C des Ventilkopfes 1a, strömt offensichtlich durch den Brennkammerspalt außerhalb des ersten und zweiten Quadranten C und D und wird vergleichsweise problemlos in den Hohlraum 11 zugeführt, ohne unter dem Ventilkopf 1a zu fließen. Im Gegensatz dazu kann die Ansaugluft, die der Brennkammer vom umlaufenden Rand des dritten und vierten Quadranten A und B des Ventilkopfs 1a zugeführt wird, nicht problemlos in den Hohlraum 11 eindringen, es sei denn sie fließt unter dem Ventilkopf 1a. Daher ist die Beziehung Si^2 ≥ Si^1 erfüllt, um die Zufuhr der Ansaugluft vom dritten und vierten Quadranten A und B unter dem Ventilkopf 1a zu erleichtern.
Oben werden die Beziehung zwischen dem Einlassventil 1A und der ersten Ventilvertiefung 15A und die Beziehung zwischen der Schleieroberfläche Si^1 des Einlassventils 1A und dem Ansaugquerschnitt Si^2 unter dem Ventilkopf 1a erläutert, aber diese Merkmale des Einlassventils 1A werden ebenfalls beim anderen Einlassventil 1B verwendet.
Daher ist die Axialmittellinie des Einlassventils 1B in einem vorbestimmten Winkel θ (in diesem Fall 5 Grad) zur Zylinderachse J geneigt. Auf der Seite der Grenzposition R1 der Ventilvertiefung 15B, die dem Einlassventil 1B entspricht, das näher an der Kurbelwellenachse K liegt, ist der Abstand zwischen der unteren Oberfläche des Ventilkopfes 1a und der ebenen Fläche 10d des Kolbens 10 so eingestellt, dass er größer wird, wenn man sich die Kurbelwellenachse K nähert. Ferner ist der maximale Wert (entspricht G2 in 11) dieses Spaltes größer als der maximale Spalt (entspricht G1 in 11) oberhalb der ebenen Fläche 10d. Ferner wird die Spaltoberfläche (entspricht Si^2 in 14) unter dem Ventilkopf 1a des Einlassventils 1B an einem beliebigen Querschnittpunkt parallel zur Axialmittellinie des Einlassventils 1B und rechtwinkelig zu einer virtuellen Verbindungslinie zwischen der Mitte des Ventilkopfs 1a des Einlassventils 1B und der Zylinderachse J auf einen Wert eingestellt, der gleich oder größer der Schleieroberfläche ist (entspricht Si^1 in 14).
Ferner werden die Merkmale der Einlassventile 1a und 1b ebenfalls bei den Auslassventilen 2A und 2B verwendet.
24 bis 26 veranschaulichen die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei werden die gleichen Bestandteile wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine redundante Erläuterung derselben wird hier verzichtet.
Bei der zweiten Ausführungsform sind die Ventilvertiefungen 15A, 15B, 16A und 16B so ausgebildet, dass sie fast alle Teile der Ventilköpfe 1a und 2a der Ein- und Auslassventile aufnehmen können, genauer gesagt, alle Teile mit Ausnahme der Teile der Ventilköpfe 1a und 2a, die den Hohlraum 11 überlappen. Speziell sind alle Bodenflächen der Ventilvertiefungen 15A, 15B, 16A und 16B eben ausgebildet, und die Höhe desselben wird als Ganzes etwas kleiner (beispielsweise um 1 mm) ausgebildet als die ebenen Flächen 10a bis 10d auf der Kolbenbodenfläche 10.
26 zeigt die Querschnittsform des Einlassventils 1A und der entsprechenden Ventilvertiefung 15A. Wie aus 26 folgt, ist der Ventilkopf 1a des Einlassventils 1A so ausgebildet, dass er die erste Ventilvertiefung 15A vollständig bedeckt und ein Spalt zwischen der unteren Oberfläche des Ventilkopfes 1a und der ersten Ventilvertiefung 15A vergrößert sich schrittweise über die gesamte Oberfläche, wenn man sich der Kurbelwellenachse K nähert. Eine Stufe P ist zwischen der ersten Ventilvertiefung 15A und der ebenen Fläche 10c auf Seite des Auslassventils 2A ausgebildet. Die Beziehung zwischen dem anderen Einlassventil 1B und der Ventilvertiefung 15B und die Beziehungen zwischen den Auslassventilen 2A und 2B und den Ventilvertiefungen 16A und 16B werden in der gleichen Weise hergestellt.
Durch diese Bauform wird die Strömung der Ansaugluft durch die Stufe P blockiert, die über die ebene Fläche 10c (10d) verläuft und in Richtung der Auslassventile 2A und 2B strömt. Daher wird die Zufuhr der Ansaugluft in den Hohlraum 11 begünstigt. Ferner wird die Ausbildung der Ventilvertiefung 15A (15B, 16A, 16B) erleichtert.
27 bis 28 veranschaulichen die dritte Ausführungsform (eine beispielhafte Variation der zweiten Ausführungsform) der vorliegenden Erfindung. In der dritten Ausführungsform werden auf die gleiche Weise, wie dies in den 24 bis 26 für die zweite Ausführungsform gezeigt wurde, die Höhe der Bodenflächen der Ventilvertiefungen 15A, 15B, 16A und 16B als Ganzes kleiner festgelegt als die ebenen Flächen 10a, 10b, 10c und 10d des Kolbens 10. Im Gegensatz zur zweiten Ausführungsform ist in der dritten Ausführungsform ein Teil der Bodenflächen der Ventilvertiefungen 15A, 15B, 16A und 16B jedoch geneigt.
Spezieller sind die Bodenflächen der Ventilvertiefungen 15A (15B, 16A, 16B) in eine ebene Fläche und eine geneigte Fläche unterteilt, für die eine Grenzposition R1' (R2', R3', R4') entsprechend der Mitte des Ventilkopfes 1a als Grenze dient. Beispielsweise wird wie in 28 gezeigt, für die Ventilvertiefung 15A die geneigte Fläche mit abnehmender Höhe bei zunehmendem Abstand von der Kurbelwellenachse K in dem Bereich auf der Seite der Grenzposition R1' ausgebildet, der weiter von der Kurbelwellenachse K entfernt ist. Dagegen ist die Oberfläche im Bereich auf der Seite der Grenzposition R1', der näher an der Kurbelwellenachse K ist, eben. Die Stufe P ist zwischen der ebenen Fläche der Ventilvertiefung 15A und der ebenen Fläche 10c des Kolbens 10 auf Seite des Auslassventils 2A ausgebildet.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden vorstehend erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann gegebenenfalls geändert werden, ohne vom Umfang der Patentansprüche abzuweichen.
Beispielsweise kann nur die Axialmittellinie (die Mittellinie jedes Ventilschafts 1b) der Einlassventile 1A und 1B in Bezug zur Zylinderachse J geneigt werden und die Axialmittellinien der Auslassventile 2 können parallel zur Zylinderachse J eingestellt werden. Als Ergebnis kann eine flachere Brennkammer erreicht werden. Ferner können die Axialmittellinien der Einlassventile 1a und 1b in Richtung (Pfeilrichtung 6 in 24) einer virtuellen Linie geneigt werden, die die Mitte des Ventilkopfs 1a des Einlassventils 1 mit der Zylinderachse J in Richtung der Zylinderachse verbindet. In diesem Fall sind die Bodenflächen der Ventilvertiefungen 15A und 15B so ausgebildet, dass deren Höhe radial nach außen von Zylinder 5 abnimmt.
Ferner wird in den Ausführungsformen ein Beispiel erläutert, bei dem der Brennkammeraufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung in einem Mehrzylinder-Reihenmotor (ein Motor, bei dem eine Vielzahl von Zylindern 5 entlang der Kurbelwellenachse K angeordnet sind) für ein Automobil verwendet wird, aber der Brennkammeraufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung ist nicht auf Automotoren beschränkt und kann auch in Motoren für andere geeignete Anwendungen verwendet werden. Die Anzahl der Zylinder im Motor und die Anordnung der Zylinder unterliegen keinen besonderen Beschränkungen. Daher kann der Brennkammeraufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung auch bei Motoren anderer geeigneter Systeme verwendet werden, beispielsweise Mehrzylinder-V-Motoren oder Einzylindermotoren.
Ferner wird in den Ausführungsformen ein Beispiel erläutert, bei dem der Brennkammeraufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung in einem Motor verwendet wird, in dem die Kompressionszündung nur im Niedriglastbereich erfolgt, aber der Brennkammeraufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise auch in einem Motor verwendet werden, in dem die Kompressionszündung auch in einem anderen Betriebsbereich als dem Niedriglastbereich erfolgt, z. B. in einem Motor, bei dem die Kompressionszündung im gesamten Bereich in Lastrichtung erfolgt.
Zusammenfassung der Ausführungsformen
In den Ausführungsformen offenbarte besondere Merkmale und darauf basierende Betriebseffekte werden nachstehend zusammengefasst.
Der Brennkammeraufbau der Ausführungsformen umfasst: einen Zylinderblock mit einem oder mehreren Zylindern; einen Zylinderkopf, der den Zylinder auf einer Seite in Richtung der Zylinderachse bedeckt; einen in den Zylinder pendelnd eingesetzten Kolben; zwei Einlassventile pro Zylinder auf einer Hälfte des Zylinders, die von der anderen durch die Kurbelwellenachse getrennt wird; und zwei Auslassventile pro Zylinder auf der anderen Hälfte des Zylinders, die von der ersten durch die Kurbelwellenachse getrennt wird und in einen Motor eingebaut ist, bei dem eine Kompressionszündung zumindest im Niedriglastbereich erfolgt. Das geometrische Verdichtungsverhältnis des Zylinders ist auf 15 oder höher eingestellt und im Mittelteil der Kolbenbodenfläche ist ein Hohlraum ausgebildet. Ein Teil eines jeden Ventilkopfs der Einlassventile überlappt den Hohlraum in Richtung der Zylinderachse. Ventilvertiefungen zur Vermeidung von Kollisionen zwischen dem Kolben und den Ventilköpfen der Einlassventile sind in der Kolbenbodenfläche ausgebildet und so mit dem Hohlraum verbunden. Die Axialmittellinie des Einlassventils ist in Richtung der Zylinderachse so geneigt, dass sie mit zunehmendem Abstand vom Ventilkopf von der Zylinderachse zurückweicht und sich der Abstand zwischen Kolbenbodenfläche und dem Bereich entsprechend der Annäherung der Kurbelwellenachse vergrößert, der zumindest auf der der Kurbelwellenachse näheren Seite einen Teil der unteren Oberfläche des Ventilkopfes bildet. Die Beziehung G2 > G1 ist erfüllt. Dabei steht G1 für den minimalen Abstand zwischen der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes, die zwischen dem Einlassventil und dem dem Einlassventil gegenüberliegenden Auslassventil mit dazwischenliegender Kurbelwellenachse angeordnet ist, und der Kolbenbodenfläche im oberen Totpunkt und G2 steht unter den verschiedenen Abständen zwischen der unteren Oberfläche des Ventilkopfs der Einlassventile und der Kolbenbodenfläche für den kleinsten Abstand zur Kurbelwellenachse in der Taktmitte der Überlappung erfüllt wird, wenn Einlassventil und Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind.
Bei einer solchen Bauform wird die Ansaugluft, die in die Brennkammer vom umlaufenden Rand des Bereichs im Ventilkopf des Einlassventils auf der Seite zugeführt wird, die weiter von der Zylinderachse entfernt ist, in den Hohlraum über eine Zone unter dem Ventilkopf des geneigten Einlassventils zugeführt. Daher wird die Zufuhr der Ansaugluft in den Hohlraum gefördert und das Innere des Hohlraums kann ausreichend gespült werden.
Im Brennkammeraufbau wird bei der Ventilvertiefung eine erste Ventilventilvertiefung und eine zweite Ventilvertiefung bevorzugt, die entsprechend den zwei Einlassventilen individuell ausgeführt werden und es wird eine ebene Fläche mit einer Höhe bevorzugt, die größer ist als die Bodenflächen der zwei Ventilvertiefungen im umlaufenden Rand der Kolbenbodenfläche, die zwischen den ersten und zweiten Ventilvertiefungen vorgesehen ist.
Bei einer solchen Bauform wird die Spülung des Hohlraums weiter gefördert, während eine ausreichende Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhältnis (Übergang zu einem höheren Kompressionsverhältnis) sichergestellt wird.
Ein Brennkammeraufbau ist bevorzugt, der ein Verhältnis von Si^2 > Si^1 unter der Annahme erfüllt, dass der Ventilkopf des Einlassventils durch beliebige Querschnitte geschnitten wird, die senkrecht zu einer virtuellen Verbindungslinie zwischen Zylinderachse und der Mitte des Ventilkopfes des Einlassventils und parallel zur Axialmittellinie des Einlassventils liegen, wobei jeder Querschnittpunkt mit Si, die Schleieroberfläche des Einlassventils am Querschnittpunkt mit Si^1 und eine Spaltoberfläche unter dem Ventilkopf am Querschnittpunkt Si mit Si^2 bezeichnet werden. Dabei wird die hierin bezeichnete „Schleieroberfläche Si^1 im Querschnittpunkt Si” als eine Fläche definiert, die bestimmt wird durch den kürzesten Abstand zwischen einer Ventilsitzfläche und einem Ventilkopf, der zur Taktmitte der Überlappung darauf zum Sitzen kommt und der Länge in Umfangsrichtung eines überlappenden Teilabschnittes auf einer Seite des Querschnittpunkts Si, der weiter von der Zylinderachse und einem dritten Quadranten und einem vierten Quadranten des Ventilkopfes entfernt ist; die hierin bezeichnete „Spaltoberfläche unter dem Ventilkopf am Querschnittpunkt Si” ist eine Fläche, die bestimmt wird durch die Länge der Unterseite der Querschnittsfläche eines Ventilkopfes, wenn der Ventilkopf am Querschnittpunkt Si in der Taktmitte der Überlappung geschnitten wird und dem Abstand von dieser Unterseite zur dieser zugewandten Kolbenbodenfläche; und der hierin bezeichnete „dritte Quadrant des Ventilkopfes” ist ein Bereich mit dem größten Abstand zur Zylinderachse, wenn der Ventilkopf in vier Regionen geteilt wird, indem eine X-Achse durch die Mitte des Ventilkopfes des Einlassventils und rechtwinkelig zur Kurbelwellenachse und eine Y Achse durch die Mitte des Ventilkopfs des Einlassventils und parallel zur Kurbelwellenachse in Richtung der Zylinderachse verläuft; und der hierin bezeichnete „vierte Quadrant des Ventilkopfs” ist ein angrenzender Bereich neben dem dritten Quadranten in Richtung der X-Achse.
Bei einer solchen Bauform strömt die Ansaugluft, die der Brennkammer vom umlaufenden Rand des Ventilkopfs des Einlassventils zugeführt wird, problemlos in den Hohlraum, wenn sie entlang der unteren Oberfläche des Ventilkopfs fließt. Daher wird die vorgenannte Spülung des Hohlraums weiter gefördert.
Im Brennkammeraufbau ist es bevorzugt, dass nahezu der gesamte Abschnitt der Kolbenbodenfläche mit Ausnahme der Ventilvertiefungen und des Hohlraums eine ebene Fläche bildet, die sich entlang einer Ebene erstreckt, die senkrecht zur Zylinderachse steht und dass der Abschnitt der unteren Oberfläche des Zylinderkopfs, welcher der ebenen Fläche der Kolbenbodenfläche gegenüber steht, eine ebene Fläche bildet, die sich entlang einer senkrecht zur Zylinderachse stehenden Ebene erstreckt.
Mit einer solchen Bauform kann eine ebene Oberfläche mit einer großen Fläche an den meisten Teilen des umlaufenden Rand des Kolbens sichergestellt werden. Deshalb kann eine homogene Quetschströmung erzeugt und eine homogene Verbrennung realisiert werden.
Bei dieser Bauform wird weiterhin bevorzugt, dass die Bodenfläche der Ventilvertiefungen eine geneigte Fläche bilden, deren Höhe mit zunehmendem Abstand zur Kurbelwellenachse allmählich abnimmt, und zwar in einem Bereich auf einer Seite einer Grenzposition, die der Mitte des Ventilkopfs des Einlassventils entspricht und weiter von der Kurbelwellenachse entfernt ist und dass die untere Oberfläche des Ventilkopfs des Einlassventils und die geneigte Oberfläche der Ventilvertiefung parallel zueinander stehen.
Bei dieser Bauform ist zumindest ein Teil der Bodenfläche der Ventilvertiefung eine geneigte Fläche, die parallel zur unteren Fläche des Ventilkopfs des Einlassventils steht. Dies wird aus Sicht des Erhaltens eines hohen geometrischen Kompressionsverhältnisses bevorzugt.
Bei dieser Bauform wird weiterhin bevorzugt, dass die Ventilvertiefung mit der ebenen Fläche der Kolbenbodenfläche an einer Grenzposition entsprechend der Mitte des Ventilkopfs des Einlassventils stufenlos verbunden ist.
Eine solche Bauform wird aus Sicht der Gewährleistung einer ausreichenden Quetschfläche und der Erzielung eines hohen geometrischen Kompressionsverhältnisses bevorzugt.
In einer anderen Bauform kann ein Teil der Kolbenbodenfläche, die der unteren Fläche des Zylinderkopfes zugewandt ist und zwischen dem Einlassventil und dem gegenüberliegenden, dem Einlassventil zugewandten Auslassventil mit dazwischenliegender Kurbelwellenachse angeordnet ist, kann eine ebenen Fläche ausgebildet sein und die Bodenfläche der Ventilvertiefung kann als Ganzes niedriger als die ebene Fläche ausgebildet werden.
Bei dieser Bauform gibt es eine Stufe zwischen der Ventilvertiefung und der ebenen Fläche. Daher kann wirksam verhindert werden, dass die der Brennkammer über den umlaufenden Rand des Ventilkopfs des Einlassventils zugeführte Ansaugluft direkt auf die Seite des Auslassventils strömt.
Im Brennkammeraufbau ist es bevorzugt, dass eine Zündkerze zwischen den zwei Einlassventilen vorgesehen ist.
Wird somit eine Zündkerze zwischen den beiden Einlassventilen angeordnet, wenn beispielsweise eine Verbrennung durch Funkenzündung im Hochlastbereich des Motors durchgeführt wird, kann die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht werden.
Bei dieser Bauform wird es bevorzugt, dass eine Zündkerze zwischen den zwei Auslassventilen vorgesehen ist.
Bei dieser Bauform kann die Verbrennungsgeschwindigkeit bei der oben erwähnten Verbrennung durch Zündung weiter erhöht werden.
Bei dieser Bauform wird es weiterhin bevorzugt, dass eine mit dem Hohlraum verbundene Vertiefung unter der Zündkerze zwischen den beiden Einlassventilen und unter der Zündkerze zwischen den beiden Auslassventilen in der Kolbenbodenfläche vorgesehen ist.
Bei dieser Bauform kann die Ansaugluft, die der Brennkammer vom umlaufenden Rand der Ventilköpfe der beiden Einlassventile zugeführt wird, leicht in den Hohlraum über die Vertiefungen für die Zündkerzen zugeführt werden und die oben erwähnte Spülung des Hohlraums wird weiter gefördert.
Industrielle Anwendungsmöglichkeit
Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise im Bereich der Kraftfahrzeugmotoren besonders vorteilhaft verwendet werden.

Claims

Brennkammeraufbau für einen Motor umfassend: einen Zylinderblock mit einem oder mehreren Zylindern; einen Zylinderkopf, der den Zylinder auf einer Seite in Richtung der Zylinderachse bedeckt; einen in den Zylinder pendelnd eingesetzten Kolben; zwei Einlassventile pro Zylinder auf einer Hälfte des Zylinders, die von der anderen durch die Kurbelwellenachse getrennt wird; und zwei Auslassventile pro Zylinder auf der anderen Hälfte des Zylinders, die von der ersten durch die Kurbelwellenachse getrennt wird und in einen Motor eingebaut ist, bei dem eine Kompressionszündung zumindest im Niedriglastbereich erfolgt, wobei ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Zylinders auf 15 oder höher festgelegt wird; im Mittelteil der Kolbenbodenfläche ein Hohlraum ausgebildet ist; ein Teil eines jeden Ventilkopfs der Einlassventile den Hohlraum in Richtung der Zylinderachse überlappt; Ventilvertiefungen zur Vermeidung von Kollisionen zwischen dem Kolben und den Ventilköpfen der Einlassventile in der Kolbenbodenfläche ausgebildet und so mit dem Hohlraum verbunden sind; die Axialmittellinie des Einlassventils in Richtung der Zylinderachse so geneigt ist, dass sie mit zunehmendem Abstand vom Ventilkopf von der Zylinderachse zurückweicht und sich der Abstand zwischen Kolbenbodenfläche und dem Bereich entsprechend der Annäherung der Kurbelwellenachse vergrößert, der zumindest auf der der Kurbelwellenachse näheren Seite einen Teil der unteren Oberfläche des Ventilkopfes bildet; und eine Beziehung G2 > G1 erfüllt ist, wobei G1 für den minimalen Abstand zwischen der unteren Oberfläche des Zylinderkopfs, die zwischen dem Einlassventil und dem dem Einlassventil gegenüberliegenden Auslassventil mit dazwischenliegender Kurbelwellenachse angeordnet ist, und der Kolbenbodenfläche im oberen Totpunkt steht, und G2 für den kleinsten Abstand zur Kurbelwellenachse unter den verschiedenen Abständen zwischen der unteren Oberfläche des Ventilkopfs der Einlassventile und der Kolbenbodenfläche in der Taktmitte der Überlappung, wenn Einlassventil und Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind, steht.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach Anspruch 1, wobei die Ventilvertiefung eine erste Ventilventilvertiefung und eine zweite Ventilvertiefung ist, die entsprechend den zwei Einlassventilen individuell ausgeführt werden, und eine ebene Fläche eine Höhe aufweist, die größer ist als die Bodenflächen der zwei Ventilvertiefungen im umlaufenden Rand der Kolbenbodenfläche und zwischen den ersten und zweiten Ventilvertiefungen vorgesehen ist.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verhältnis von Si^2 ≥ Si^1 unter der Annahme erfüllt ist, dass der Ventilkopf des Einlassventils durch beliebige Querschnitte geschnitten wird, die senkrecht zu einer virtuellen Verbindungslinie zwischen Zylinderachse und der Mitte des Ventilkopfes des Einlassventils und parallel zur Axialmittellinie des Einlassventils liegen, wobei jeder Querschnittpunkt mit Si, die Schleieroberfläche des Einlassventils am Querschnittpunkt mit Si^1 und eine Spaltoberfläche unter dem Ventilkopf am Querschnittpunkt Si mit Si^2 bezeichnet werden, wobei die hierin bezeichnete „Schleieroberfläche Si^1 im Querschnittpunkt Si” als eine Fläche definiert wird, die sich bestimmt durch den kürzesten Abstand zwischen einer Ventilsitzfläche und einem Ventilkopf, der zur Taktmitte der Überlappung darauf zum Sitzen kommt und der Länge in Umfangsrichtung eines überlappenden Teilabschnittes auf einer Seite des Querschnittpunkts Si, der weiter von der Zylinderachse und einem dritten Quadranten und einem vierten Quadranten des Ventilkopfes entfernt ist; die hier bezeichnete „Spaltoberfläche unter dem Ventilkopf am Querschnittpunkt Si” ist eine Fläche, die definiert wird als die Länge der Unterseite der Querschnittsfläche des Ventilkopfs, wenn der Ventilkopf am Querschnittpunkt Si in der Taktmitte der Überlappung geschnitten wird und dem Abstand von dieser Unterseite bis zur dieser zugewandten Kolbenbodenfläche 10; der hierin bezeichnete „dritte Quadrant des Ventilkopfes” ist ein Bereich mit dem größten Abstand zur Zylinderachse, wenn der Ventilkopf in vier Regionen geteilt wird, indem eine X-Achse durch die Mitte des Ventilkopfes des Einlassventils und rechtwinkelig zur Kurbelwellenachse und eine Y-Achse durch die Mitte des Ventilkopfs des Einlassventils und parallel zur Kurbelwellenachse in Richtung der Zylinderachse verläuft; und der hierin bezeichnete „vierte Quadrant des Ventilkopfs” ist ein angrenzender Bereich neben dem dritten Quadranten in Richtung der X-Achse.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nahezu der gesamte Abschnitt der Kolbenbodenfläche mit Ausnahme der Ventilvertiefungen und des Hohlraums eine ebene Fläche bildet, die sich entlang einer Ebene erstreckt, die senkrecht zur Zylinderachse steht; und ein Abschnitt der unteren Oberfläche des Zylinderkopfs, welcher der ebenen Fläche der Kolbenbodenfläche gegenüber steht, eine ebene Fläche bildet, die sich entlang einer senkrecht zur Zylinderachse stehenden Ebene erstreckt.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach Anspruch 4, wobei die Bodenfläche der Ventilvertiefungen eine geneigte Fläche bilden, deren Höhe mit zunehmendem Abstand zur Kurbelwellenachse allmählich abnimmt, und zwar in einem Bereich auf einer Seite einer Grenzposition, die der Mitte des Ventilkopfs des Einlassventils entspricht und weiter von der Kurbelwellenachse entfernt ist; und die untere Oberfläche des Ventilkopfs des Einlassventils und die geneigte Oberfläche der Ventilvertiefung parallel zueinander stehen.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach Anspruch 5, wobei die Ventilvertiefung mit der ebenen Fläche der Kolbenbodenfläche an einer Grenzposition entsprechend der Mitte des Ventilkopfs des Einlassventils stufenlos verbunden ist.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach Anspruch 4, wobei ein Teil der Kolbenbodenfläche, die der unteren Fläche des Zylinderkopfs zugewandt ist und zwischen dem Einlassventil und dem gegenüberliegenden, dem Einlassventil zugewandten Auslassventil mit dazwischenliegender Kurbelwellenachse angeordnet ist, kann als ebene Fläche ausgebildet sein und die Bodenfläche der Ventilvertiefung kann als Ganzes niedriger als die ebene Fläche ausgebildet werden.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Zündkerze zwischen den zwei Einlassventilen vorgesehen ist.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach Anspruch 8, wobei eine Zündkerze zwischen den zwei Auslassventilen vorgesehen ist.
Brennkammeraufbau für einen Motor nach Anspruch 9, wobei eine mit dem Hohlraum verbundene Vertiefung unter der Zündkerze zwischen den beiden Einlassventilen und unter der Zündkerze zwischen den beiden Auslassventilen in der Kolbenbodenfläche vorgesehen ist.