DE19719984A1 - Strömungsoptimierte, tropfenförmige Ventilgestaltung auf der Auslaßseite von Viertaktmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Auslaßventilkonstruktion nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Ausgehend von ursprünglich zwei Ventilen pro Brennraum ging der Trend bei der Serienfertigung von Automobil-Viertaktmotoren zur Mehrventiltechnik, insbe­ sondere zur 4-Ventiltechnik oder sogar zur 5-Ventiltechnik. Gerade aber bei den Automobil-Gebrauchsmotoren hat sich gezeigt daß Brennräume mit vier oder mehr Ventilen im Alltagsbetrieb bei überwiegend niedriger und mittlerer Drehzahl weder bei Motorleistung und -drehmoment, noch bei verbrauchswerten Vorteile erbringen. Im Gegenteil, die Anzahl bewegter Teile, die Störanfälligkeit und Komplexizität des Zylinderkopfes steht in keinem Verhältnis zum erhofften Vorteil, der - wenn überhaupt - nur bei hochtouriger, sportlicher Fahrweise zum Tragen kommt.

Als derzeitiges Optimum für Automobil-4-Takt-Motoren kristallisiert sich zuneh­ mend die Dreiventiltechnik heraus, die sowohl hinsichtlich Zylinderfüllung durch zwei Einlaßventile als auch Abgasauslaß durch ein Auslaßventil beste Ergebnisse in Motorleistung, -drehmoment, -gewicht, Emissions- und Verbrauchsverhalten erzielt. In diesem Zusammenhang sei auf die neueste Motorentechnik von Mercedes-Benz verwiesen, die als Dreiventiltechnik in der neuen E-Klasse und in der SLK-Baureihe zum Einsatz kommt.

Hinzu kommt, daß der Schwerpunkt bei der Motorenentwicklung vor allem auf der Gestaltung der Einlaßventilseite liegt, mit Hinblick auf verbesserte Füllung bei hohen Drehzahlen und effizienterer Gemischverbrennung. Unterstützt wird dies durch strömungsgünstigen Übergang vom Ventilschaft zum Ventilteller.

Umgekehrt jedoch wirkt das Auslaßventil in der bekannten Form zum das dein Brennraum verlassenden Abgasgemisch wie eine "Prallplatte", also strömungs­ technisch bzw. strömungsmechanisch denkbar ungünstig. Die bisher verwendeten Ventilteller sind zur Brennraumseite hin eben und/oder leicht konkav nach innen gewölbt, so daß das verbrannte Abgas beim Verlassen des Brennraumes diese Strömungswiderstände überwinden muß und als Folge durch diese Reibungs­ verluste der Motorwirkungsgrad herabgesetzt wird.

Im Rahmen des eingangs beschriebenen Problemkreises liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch strömungsmechanisch optimierte Gestaltung des Auslaßventils den Gasauslaß zu erleichtern und somit Motorwirkungsgrad, aber auch Verbrennungsablauf, Gaswechsel, Emissions- und Geräuschverhalten zu verbessern. Aus der Verbesserung des Motorwirkungsgrades ergibt sich ein gün­ stigeres Verbrauchsverhalten.

Zusätzlich wird durch vorteilhafte Verwendung von nur einem optimierten Aus­ laßventil neben zwei Einlaßventilen und vorteilhafte Verwendung von nur einer obenliegenden Nockenwelle die Zahl der bewegten Teile und das Gesamtgewicht reduziert.

Die Verbesserung der Gasausströmung aus der Brennkammer wird dadurch erreicht, daß durch konvexe, also in den Brennraum hinein gewölbte Form des Ventiltellers das verbrannte Gas leichter am Ventilteller vorbei den Brennraum verlassen kann.

Daraus resultiert die TROPFEN - oder Birnenform (Reflektorlampe) des Auslaßventils nach Fig. 1.

Fig. 1 bis 3 zeigen neben der Funktion einige Gestaltungsmöglichkeiten bei der Fertigung dieses EINEN Auslaßventils.

Zur Reduzierung des Gewichts und zur Ermöglichung der Ventilkühlung mittels geeigneter Kühlmedien ist das Auslaßventil als Hohlkörper ausgebildet, wie es beispielsweise bei Flugtriebwerken zum Einsatz gelangt.

Eine entsprechende Mulde im Kolbenboden verhindert einerseits den Kontakt zwischen Ventil und Kolbenboden und dient weiterhin zur OPTIMIERUNG des Verbrennungsablaufes. Das Ziel ist ein effizientes Verbrennungs-Verbrauchs- und Emissionsverhalten des Motors.

In Fig. 1 ist die Grundform des Auslaßventils beispielhaft gezeigt.

In Fig . 2 sind für Kombinationen versch. Stahl-Legierungen die Verfahren WIG-EB- oder IW-Schweißen dargestellt. Als Alternative ist Hochtemperatur- Löten, oder ähnl. Fügemethoden vorgesehen.

Fig. 3 zeigt die Kombination der Werkstoffe Stahl/Keramik, wobei an die Fügetechniken wie Bördeln, und/oder Hochtemperaturlöten gedacht ist.

Claims (5)

1. Auslaßventil nach Fig. 1 ausgebildet, zur Optimierung der Abgasführung.

2. Auslaßventil nach Fig. 4 zeigt die weitgehend zentrale Position des mit "A" gekennzeichneten Auslaßventils im Zylinderkopf.

3. Fig. 5 zeigt die optimierte DREIventil - Aufteilung auf den Zylinderquer­ schnitt bezogen, wobei die günstigere Raumausnutzung - gegenüber Vier- und Mehrventilmotoren deutlich dargestellt ist. Diese Aufteilung bietet viel mehr Raum für die Unterbringung von zwei (und mehr) Zündkerzen, bezw. Sonden, Düsen und dergl.

4. In Fig. 6 ist eine Anordnung von nur zwei Schlepphebeln (Doppelschlepphebel) mit nur zwei gegenüberliegenden Ventilspielausgleichs-Einrichtungen vor­ gesehen. Diese beiden autom. Ventilspielausgleichseinrichtungen sind außer­ dem im statischen (unbewegten) Teil des ges. Hebelsystem's platziert. Diese Doppelhebel-Anordnung reduziert den Nockenwellen-Antrieb auf je eine Nockenwellen pro Zylinderreihe.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß ausgehend von nur einem optimierten "Kugel-oder Tropfen - Ventil" im Auslaßbereich, die gesamte mechanische und strömungsgünstige Situation - gegenüber Mehrventilmotoren verbessert werden konnte. Nur die herausragenden Verbesserungen sind im Anspruch 1 bis 4 berücksichtigt worden.