DE19540398C1 - Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für Brennkraftma­ schinen, insbesondere Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei schnellaufenden, direkteinspritzenden Dieselmotoren, die vorwiegend in Personenkraftwagen und Lastkraftwagen eingesetzt werden, ist zur Gemischaufbereitung und Homogenisierung im Brennraum eine Drallströmung um die Zylinderhochachse erfor­ derlich. Damit die Verbrennungsluft einen solchen Drall er­ hält, wird die Richtung des Einlaßkanals entsprechend gewählt oder eine exzentrische Anfasung im Bereich des Einlaßventil­ sitzringes vorgesehen.

Aus der GB-PS 1 568 302 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Ventile im Zylinderkopf V-förmig angeordnet sind. Durch eine extrem starke Neigung der Ventile wird erreicht, daß deren der Zylinderwandung benachbarter Bereich bereits bei einem geringen Ventilhub das Ventil öffnet, wohingegen der Be­ reich des Ventils, der der Zylinderhochachse benachbart ist, aufgrund des schrägen Ventilsitzes abgedeckt ist. Erst kurz vor Erreichen des maximalen Ventilhubes wird an diesem der Zy­ linderhochachse benachbarten Bereich ein Spalt zum Durchtritt der Verbrennungsluft freigegeben. Mit der bekannten Konstruk­ tion wird erreicht, daß die in den Brennraum eintretende Ver­ brennungsluft parallel zur Zylinderhochachse entlang der Zy­ linderwand geführt wird. Auf diese Weise soll ein Kurzschluß der Strömung vom Einlaßventil zum Auslaßventil vermieden wer­ den.

Bei der bekannten Anordnung ist eine extreme Neigung der Ven­ tile von etwa 45° bezogen auf die Zylinderlängsachse notwen­ dig, um die gewünschte Funktion zu gewährleisten. Eine solche Anordnung ist bei vielen Motoren aus Gründen des Bauraums und verschiedener, durch die Motorbauart vorgegebener Bedingungen nicht realisierbar. Dies gilt insbesondere für Motoren, die pro Zylinder zwei Einlaßventile besitzen.

Aus der DD 2 34 998 A3 ist ein Zylinderkopf mit einem Einlaß­ drallkanal für Dieselmotoren mit Direkteinspritzung bekannt. Dabei soll das natürliche Drallverhalten des Einlaßdrallkanals dahingehend beeinflußt werden, daß sich eine etwa konstante Drallzahl über dem Ventilhub ergibt und auch die maximale Drallzahl abänderbar ist. Hierzu wird in der genannten Druck­ schrift vorgeschlagen, an dem Einlaßventil eine exzentrisch zur Ventilachse verlaufende Sichelfase anzuordnen, die etwa über die Hälfte des Umfangs des Ventils reicht. Über den ver­ bleibenden Teil des Umfangs des Ventils soll eine kleine, zen­ trische Anfasung vorgesehen werden.

Bei dieser bekannten Anordnung wird im Anfangsbereich des Ven­ tilhubs über den gesamten Umfang ein gleichmäßiger Spalt ge­ bildet, so daß zunächst eine über den gesamten Ventilumfang gleich große Durchströmung erfolgt. Im weiteren Verlauf des Ventilhubs wird dann durch die exzentrische Anfasung ein grö­ ßerer Austrittsspalt in diesem Bereich gebildet. Diese erst ab einem bestimmten Ventilhub wirksame Strömungsbeeinflussung ist zur Erzeugung eines ausreichenden Dralls nicht geeignet. In der US-PS 2,768,618 ist ein Zylinderkopf für eine Brenn­ kraftmaschine beschrieben, der ein gegenüber der Längsachse des Zylinders schräg angeordnetes Einlaßventil besitzt. Aufgrund der Schrägstellung befindet sich ein Abschnitt des Ventilsit­ zes nahe der den Brennraum begrenzenden Kontur, wohingegen ein anderer Abschnitt des Ventilsitzes etwas weiter innen im Zylinderkopf liegt. Das hat zur Folge, daß insbesondere bei geringem Ventilhub die Verbrennungsluft bevorzugt durch den Abschnitt, der dem Brennraum näher liegt, in den Brennraum einströmt, so daß die Strömung einen Drall um die Zylinder­ hochachse erhält.

Bei der bekannten Anordnung ist die Stärke des Dralls im we­ sentlichen von der Neigung des Einlaßventils abhängig, d. h. bei geringer Neigung erfolgt das Einströmen der Verbrennungs­ luft in der Vorzugsrichtung lediglich über einen kurzen Ven­ tilhub, so daß der gewünschte Drall nicht bzw. nur unzurei­ chend erzeugt wird. Der Schrägsitz der Ventile ist jedoch mei­ stens von Einbaubedingungen abhängig, die durch Anordnung und Lage der Zuströmkanäle, Nockenwelle, Kühlmittelkanäle und dergleichen bestimmt ist.

In der DE-PS 4 78 415 ist ein Zylinderkopf mit einem Einlaß­ ventil beschrieben, wobei an der einem Einlaßkanal entfernt liegenden Seite am Ventilsitz des Einlaßventils eine Anfasung vorgesehen ist, durch die einströmende Verbrennungsluft eine bevorzugte Richtung erhält.

Bei der bekannten Anordnung erzeugt die Anfasung eine bevor­ zugte Einströmung in den Zylinderraum, da bei geringem Öff­ nungshub des Ventils der Strömungsquerschnitt auf der Seite der Anfasung wesentlich größer ist als im Bereich des Ventils ohne Anfasung. Bei Zylinderköpfen mit zwei Einlaßventilen ist die bekannte Anordnung nicht realisierbar, da die aus den An­ fasungsbereichen in den Zylinder eintretenden Strömungen einen entgegengesetzt gerichteten Drall hätten, deren Strö­ mungsvektoren sich im wesentlichen aufheben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen zu schaffen, bei dem unabhän­ gig vom Einbauwinkel der Ventile durch zwei nebeneinander an­ geordnete Einlaßventile in einem Zylinder eine wesentliche Drallsteigerung erreicht ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß insbesondere bei kleinen Ventilhüben an beiden Einlaßven­ tilen eine bevorzugte Einströmrichtung in den Brennraum er­ zeugt wird, deren Strömungsvektoren - bezogen auf den Zylin­ derkopfboden - im wesentlichen entgegengesetzt in den Brenn­ raum verlaufen. Die durch die Ventile einströmenden Teilströme eilen einander nach, so daß sie sich gegenseitig in der Drall­ wirkung unterstützen. Bei Durchtritt durch das Ventil ist keine nennenswerte Einströmungskomponente ohne Drall gegeben, da nur Strömungsanteile in den Zylinder strömen können, die die Hauptdrallrichtung unterstützen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegen­ standes beträgt die Höhe der Sitzabdeckung mindestens etwa 10% des maximalen Ventilhubs. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß zunächst die Verbrennungsluft an dem Einlaßventil, das in Drallrichtung gesehen nachgeordnet ist, ausschließlich in Richtung auf die Zylinderwandung erfolgt und nicht in Richtung auf die Zylindermitte. Erst in einem späteren Abschnitt des Ventilhubs wird dann ein geringer Strömungsanteil zur Zylin­ dermitte hin möglich. Damit jedoch dieser Strömungsanteil die gesamte Strömung in Hauptdrallrichtung unterstützt, ist es zweckmäßig, an dem Ventilsitz des in Drallrichtung nachgeord­ neten Ventils eine exzentrische Anfasung vorzusehen, die auf das benachbarte Einlaßventil gerichtet ist. Diese Anfasung ist wesentlich kleiner ausgebildet als die Anfasung des vorderen Einlaßventils.

Als besonders geeignet wird angesehen, daß die Anfasung des in Drallrichtung vorderen Einlaßventils sich über einen Bogen­ winkel, dessen Maß abhängig ist vom Ventilwinkel und der An­ fasungstiefe und sich gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 über ca. 240° erstreckt und mit ihrer größten Breite auf das benachbarte Auslaßventil gerichtet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Hauptströmung, die bogenförmig um die Zylinderhoch­ achse verläuft. Die Anfasung des in Drallrichtung nachgeord­ neten Einlaßventils weist dagegen lediglich einen Bogenwinkel von ca. 90° auf.

Bei Vierventilmotoren ist es außerdem vorteilhaft, daß die zwei Auslaßventile je Zylinder jeweils eine dem benachbarten Einlaßventil zugewandte Anfasung aufweisen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Anfasungen besteht darin, daß die Anfasung des in Drallrichtung vorderen Einlaßventils und des benachbarten Auslaßventils aneinandergrenzen und zwischen sich einen stegartigen übergangsbereich bilden. Auf diese Weise ist eine die Drallströmung nicht hemmende Kontur gege­ ben. Die Anfasungen an den Auslaßventilen bezüglich ihrer Größe und Richtung sind gleich ausgebildet und sie erstrecken sich vorzugsweise über einen Bogenwinkel von 210°. Die Ventile sind vorzugsweise geneigt zur Ebene des Zylinderkopfbodens angeordnet, so daß die Ventilschäfte von Einlaß- und Aus­ laßventil V-förmig zueinander ausgerichtet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Einlaßkanäle eines Zylinders für einen Motor mit vier Ventilen pro Zylinder,

Fig. 2 die Draufsicht auf eine Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein erstes Einlaßventil entlang der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 einen Schnitt durch ein zweites Einlaßventil entlang der Linie V-V in Fig. 2 und

Fig. 6 einen Ausschnitt der Ansicht auf den Zylinderkopfboden mit den Ventilen.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht zweier Einlaß­ kanäle 20, 21 eines Zylinders für einen Vierventilmotor. Dabei sind im Zylinderkopfboden 22 zwei Einlaßventile 10, 10′ mit entsprechenden Ventilsitzen 23, 24 sowie zwei Auslaßventile vorgesehen, von denen lediglich die jeweiligen Abschnitte der im Zylinderkopfboden ausgebildeten Öffnungen 25, 26 dar­ gestellt sind. Daß diese Öffnungen 25, 26 lediglich einen Kreisabschnitt darstellen, ist dadurch bedingt, daß die Ven­ tile geneigt zum Zylinderkopfboden angeordnet sind und teil­ weise die entsprechenden Ventilsitzringe die Ebene des Zylin­ derkopfbodens berühren. Die Einlaßkanäle 20, 21 verlaufen im Abstand über den Ventilsitzen 23, 24 in Richtung auf den Zy­ linder. Bei geöffneten Einlaßventilen 10, 10′ erfolgt das Ein­ strömen der Luft in den Zylinder mit einer Drallströmung gemäß Pfeil 19.

An den Ventilsitzen 22, 23 sind im Zylinderkopfboden 22 exzen­ trische Anfasungen 31, 32 vorgesehen, die sich sichelförmig um die jeweiligen Ventilöffnungen erstrecken. Außerdem sind an den Öffnungen 25, 26 für die Auslaßventile Anfasungen 33 und 34 vorgesehen, die ebenfalls exzentrisch zu den Öffnungen 25, 26 verlaufen. Die Form und Lage dieser Anfasungen 31 bis 34 ist insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich. An dem in Drallrich­ tung 19 vorderen Einlaßventil 10 ist die Anfasung 31 vorgese­ hen, die sich über einen Bogenwinkel von ca. 240° (Fig. 2) er­ streckt, wobei die größte Breite der Sichel der Öffnung 25 des benachbarten Auslaßventils zugewandt ist. Die an dem Ventil­ sitz des in Drallrichtung nachgeordneten Einlaßventils 10′ an­ geordnete sichelförmige Anfasung 32 reicht lediglich über ei­ nen Winkel von ca. 90° und besitzt eine wesentlich geringere Breite als die Anfasung 31 am Einlaßventil 10. Die Anfasung 32 ist so angeordnet, daß sie mit ihrer größten Breite der Öff­ nung 25 zugewandt ist, die dem Einlaßventil 10′ diagonal ge­ genüberliegt.

An den Öffnungen 25 und 26 der beiden Auslaßventile sind die Anfasungen 33 und 34 vorgesehen, die bezüglich ihrer Größe und Richtung exakt gleich ausgebildet sind. Dabei ist die Form ebenfalls eine Sichel, die sich über ca. 210° erstreckt und mit ihrer größten Breite auf das jeweils benachbarte Einlaß­ ventil 10, 10′ gerichtet ist. Aufgrund der relativ geringen Anfasung 32 und deren Richtung verbleibt zwischen den An­ fasungen 32 und 34 ein Abstand. Dagegen grenzen die Anfasungen 31 und 33 an den breitesten Ausdehnungen der Sicheln an­ einander und bilden zwischen sich einen stegartigen Übergangs­ bereich 35. Die Hauptströmungsrichtungen, in denen die Ver­ brennungsluft aus den Einlaßventilen 10 und 10′ in den Zylin­ der eintritt, ist mit Pfeilen 6 und 16 angegeben. Im übrigen stimmen die Bezugszeichen der Fig. 2 für gleiche Teile mit denjenigen der Fig. 1 überein.

In Fig. 3, die eine Ansicht in Richtung des Pfeiles III der Fig. 2 zeigt, ist lediglich das Einlaßventil 10 mit dem Ein­ laßkanal 21 zu sehen; das weitere Einlaßventil, mit dem diesem zugeordneten Einlaßkanal 20 ist verdeckt. Die Längsachse des Ventilschaftes der Einlaßventile, die durch Linie 41 bezeich­ net ist, verläuft in einem Winkel zur Senkrechten auf dem Zy­ linderkopfboden 22 stehenden Achse 30 und jedoch zur anderen Seite geneigt, oder parallel zur Senkrechten verläuft die Längsachse des Ventilschaftes der Auslaßventile, wie dies mit der Linie 42 angegeben ist. Daraus wird deutlich, daß die Ein­ laßventile zu den Auslaßventilen V-förmig angeordnet sind.

In der Fig. 4 ist der Längsschnitt durch das Einlaßventil 10 entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 gezeigt. In dem Zylinder­ kopf 1 befindet sich an dem Zylinderkopfboden 2 eine Ausneh­ mung 3, in der ein Ventilsitzring 13 eingesetzt ist. In einer Bohrung 9 im Zylinderkopf 1 ist eine Führungshülse 14 angeord­ net, in welcher ein Ventilschaft 12 des Einlaßventils 10 längsverschieblich geführt ist. Am unteren Ende des Ventil­ schaftes 12 ist ein Ventilteller 11 angeformt, der mit dem Ventilsitzring 13 im Sinne eines schließbaren Durchlasses zu­ sammenwirkt.

Die Ebenen des Ventiltellers 11 sowie auch des Ventilsitzrin­ ges 13 sind - bezogen auf den Zylinderkopfboden - geneigt an­ geordnet. An der Ausnehmung 3 ist eine exzentrische Anfasung 8 vorgesehen, und zwar auf der Seite, an der der Ventilteller 11 im Zylinderkopfboden 2 versenkt ist. Zu dem Einlaßventil 10 führt ein im Zylinderkopf 1 angeordneter Einlaßkanal 5.

Die Darstellung in Fig. 4 zeigt das Einlaßventil 10, in geöff­ netem Zustand, d. h. der Ventilteller 11 ist vom Ventilsitz­ ring 13 abgehoben. Aufgrund der Richtung des Einströmkanals 5 und der exzentrischen Anfasung 8 ergibt sich eine bevorzugte Ausströmung der Verbrennungsluft in Richtung des Pfeiles 6, wohingegen ein geringerer Strömungsanteil in Richtung des Pfeiles 7 durch das Einlaßventil 10 tritt.

In der Fig. 5 ist der Schnitt durch das Einlaßventil 10′ ent­ lang der Linie V-V der Fig. 2 gezeigt. Dieses Einlaßventil 10′ entspricht im Aufbau grundsätzlich dem Einlaßventil 10 der Fig. 4, es ist jedoch an der Ausnehmung 3 keine Anfasung vorgesehen, sondern eine sich bis zu dem Zylinderkopfboden 2 erstreckende Abdeckung 15. Durch diese Abdeckung 15 wird bei einem Abheben des Ventiltellers 11 von dem Ventilsitzring 13 zunächst lediglich ein Spalt in dem Bereich des Ventilsitzrin­ ges 13 geöffnet, der dem Zylinderkopfboden 2 benachbart ist. Der Ventilteller 11 ist an seinem anderen Bereich durch die Sitzabdeckung 15 abgedeckt, so daß die Einströmung der Ver­ brennungsluft bis zu einem bestimmten Ventilhub ausschließlich in Richtung des Pfeiles 16 erfolgt. Erst bei einem größeren Ventilhub, bspw. von mehr als 10% des maximalen Ventilhubs, ist der Ventilteller 11 über die Sitzabdeckung 15 hinaus verschoben, so daß dort ein Spalt entsteht, der jedoch wesentlich geringer ist als auf der anderen Seite des Ventil­ tellers. Auf diese Weise ergibt sich an dem Einlaßventil 10′ eine Hauptströmung gemäß dem Pfeil 16 und ein lediglich unbe­ deutender Strömungsanteil auf der Seite der Sitzabdeckung 15, der mit dem Pfeil 17 bezeichnet ist.

In Fig. 6 ist ein Ausschnitt einer Ansicht des Zylinderkopf­ bodens 22 für einen Motor mit vier Ventilen je Zylinder ge­ zeigt. In je einem Quadrant der Kreisfläche des Zylinders 36 befindet sich ein Ventil, wobei - bezogen auf eine Querachse 37 - auf einer Seite die Einlaßventile 10, 10′ und auf der an­ deren Seite die Auslaßventile 38, 38′ angeordnet sind. Während die Einlaßventile 10, 10′ geöffnet sind, indem die Ventiltel­ ler 11, 11′ von den jeweiligen Ventilsitzen abgehoben sind, befinden sich Ventilteller 39, 39′ auf den jeweiligen Ventil­ sitzen, so daß die Auslaßventile 38, 38′ ihre Schließstellung einnehmen. Aus der Darstellung in Fig. 6 ist auch deutlich der Verlauf der Anfasungen 31 bis 34 sowie der Übergangsbereich 35 zu erkennen. Im Zentrum der Kreisfläche des Zylinders 36 ist im Zylinderkopf zwischen den Ventilen 10, 10′; 38, 38′ eine Öffnung 40 für eine nicht dargestellte Einspritzdüse vorgese­ hen. Der Pfeil 19 bezeichnet die Drallrichtung der durch die Einlaßventile 10, 10′ eintretenden Luft.

Claims (11)

1. Zylinderkopf (1) für Brennkraftmaschinen, insbeson­ dere Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, mit Ein­ laßventil (10) und Auslaßventil (38) und mit einer im Zylinderkopf (1) im Bereich des Ventilsitzes für das Einlaßventil (10) vorgesehenen Anfasung zur Er­ zeugung einer Drallströmung um die Zylinderhoch­ achse, dadurch gekennzeichnet, daß je Zylinder zwei in Drallrichtung (19) hinter­ einander angeordnete Einlaßventile (10, 10′) vorge­ sehen sind, von denen in Drallrichtung (19) gesehen der Ventilsitz des vorderen Einlaßventils (10) mit einer exzentrischen und daher sichelförmig anzuse­ henden Anfasung versehen ist, die sich im wesent­ lichen zur Zylindermitte hin erstreckt, und daß das andere, in Drallrichtung (19) gesehen, nachgeord­ nete Einlaßventil (10′) an seinem der Zylindermitte benachbarten Bereich des Ventilsitzes eine Sitzab­ deckung (15) aufweist.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net daß die Ventile (10, 10′, 38, 38′) zur Ebene des Zylinderkopfbodens (22) geneigt angeordnet sind, so daß die Ventilschäfte von Einlaß- und Auslaßventil V-förmig zueinander ausgerichtet sind.

3. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sitzabdeckung (15) eine Höhe aufweist, die mindestens 10% des maximalen Ventilhubs beträgt.

4. Zylinderkopf nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfasung (31) des in Drallrichtung (19) vorderen Einlaßventils (10) sich über einen Bogen­ winkel von ca. 240° erstreckt und mit ihrer größten Breite auf das benachbarte Auslaßventil (38) ge­ richtet ist.

5. Zylinderkopf nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Auslaßventile (38, 38′) vorgesehen sind, die jeweils eine dem benachbarten Einlaßventil (10, 10′) zugewandte Anfasung (33, 34) aufweisen.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anfasungen (31, 33) des in Drallrichtung vorderen Einlaßventils (10) und des benachbarten Auslaßventils (38) aneinandergrenzen und zwischen sich einen stegartigen Übergangsbereich (35) bil­ den.

7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anfasungen an den Auslaßventilen (38, 38′) bezüglich ihrer Größe und Richtung gleich ausgebil­ det sind und sich vorzugsweise über einen Bogenwin­ kel von ca. 210° erstrecken.

8. Zylinderkopf nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ventilsitz des in Drallrichtung (19) nachgeordneten Einlaßventils (10′) eine Anfasung vorgesehen ist, die auf das benachbarte Einlaßven­ til (10) gerichtet ist.

9. Zylinderkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß diese Anfasung des nachgeordneten Einlaßventils wesentlich kleiner ausgebildet ist als die Anfasung des vorderen Einlaßventils.

10. Zylinderkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anfasung des in Drallrichtung nachgeordne­ ten Einlaßventils (10′) einen Bogenwinkel von ca. 90° aufweist und mit ihrer größten Breite auf das diagonal benachbarte Auslaßventil oder auf das benachbarte Einlaßventil gerichtet ist.

11. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anfasung derart bemessen ist, daß sie vorzugsweise bei kleinen Ventilhüben für die Strömung wirksam wird.