DE19746222A1 - Zylinderkopf mit gemeinsamen Einlaßkanälen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei herkömmlichen Zylinderköpfen mit vier Ventilen pro Zylinder ist jedem Zylinder ein eigener Einlaßkanal sowie ein eigener Auslaßkanal zugeordnet. Die Einlaßkanäle gabeln sich vor den beiden Einlaßventilen bzw. vor den beiden Auslaßventilen. Während des Ansaugtaktes ist die in dem Einlaßkanal befindliche Gassäule in einer Strömungsbewegung, während sie während des Kompressionstaktes, des Arbeitstaktes und des Auspufftaktes im wesentlichen in Ruhe ist, weil die Einlaßventile des Zylinders geschlossen sind. Bei niedrigen Motorendrehzahlen sind die Einlaßventile ausreichend lange geöffnet, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch der Gassäule von einem im wesentlichen ruhenden Zustand zu beschleunigen, um so den Zylinder zu füllen. Bei höheren Drehzahlen wird jedoch die Öffnungszeit der Ventile erheblich reduziert, so daß die Gassäule in geringerer Zeit von dem Ruhezustand in den strömenden Zustand versetzt werden muß. Hierdurch sinkt bei hohen Drehzahlen der Füllungsgrad der Zylinder.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren zu schaffen, bei dem die Ruheperioden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Einlaßkanälen verringert sind.

Diese Aufgabe wird von einem Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung am Beispiel eines Vierzylindermotors mit vier Ventilen pro Zylinder beschrieben. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 Einen Zylinderkopf in Querstrombauweise; sowie

Fig. 2 einen Zylinderkopf, bei dem auf jeder Seite jeweils Ein- und Auslaßkanäle vorgesehen sind.

In der Fig. 1 ist ein Zylinderkopf für einen Vierzylinder-Vier­ taktmotor mit vier Ventilen pro Zylinder dargestellt. Der Zylinderkopf umfaßt einen Grundkörper 1 mit eingearbeiteten Kühlwasserkanälen 2. Die Zylinder sind mit I bis IV numeriert. Jedem Zylinder ist ein Brennraum 5 mit jeweils 2 Auslaßventilen 6 und zwei Einlaßventilen 7, 7' sowie eine Zündkerze 18 zugeordnet. Die Auslaßventile 6 eines jeden Brennraums 5 münden in einen gemeinsamen Auslaßkanal 8, während die Einlaßventile 7 eines jeden Zylinders einen eigenen Einlaßkanal 9 aufweisen. Die Einlaßventile 7' der Zylinder I und II sowie die Einlaßventile 7' der Zylinder III und IV hingegen stehen jeweils mit einem gemeinsamen Einlaßkanal 10 in Verbindung.

Bei der üblichen Zündfolge eines Vierzylindermotors (I-III-IV-II) sind die Zylinder I und II sowie die Zylinder III und IV um 180° gegeneinander versetzt. Dies führt dazu, daß auf den Einlaßtakt des dritten Zylinders nach dem Schließen seines Einlaßventils unmittelbar der Einlaßtakt des vierten Zylinders folgt, sodann folgt der Einlaßtakt des zweiten Zylinders, und unmittelbar darauf der Einlaßtakt des ersten Zylinders. Bei jedem Zylinder ist während des Einlaßtakts die Gassäule in dem Einlaßkanal 9 in Bewegung, während sie unmittelbar nach dem Einlaßtakt zur Ruhe kommt. In den gemeinsamen Einlaßkanälen 10 sieht die Situation folgendermaßen aus:

Während des Einlaßtakts des Zylinders III strömt die Gassäule durch den Einlaßkanal 10 auf das Ventil 7' des dritten Zylinders, welches geöffnet ist. Mit dem Ende des Einlaßtakts des dritten Zylinders am unteren Totpunkt des zugehörigen Kolbens schließt das Ventil 7', während das Ventil 7' des benachbarten vierten Zylinders geöffnet wird. Möglicherweise ist je nach Gestaltung der verwendeten Nockenwelle auch eine Überschneidung zwischen den beiden Ventilen 7' der Zylinder III und IV vorgesehen. Die durch den gemeinsamen Einlaßkanal 10 strömende Gassäule wird dann am schließenden Ventil des dritten Zylinders gestoppt und strömt im wesentlichen ohne Unterbrechung der Bewegung in das Einlaßventil 7' des vierten Zylinders, bis der Ansaugtakt des vierten Zylinders ebenfalls abgeschlossen ist und das Einlaßventil geschlossen wird. Bei den Zylindern II und I wiederholt sich der Einlaßvorgang spiegelbildlich. Zunächst öffnet das Einlaßventil 7' des zweiten Zylinders (zusammen mit dem Einlaßventil 7), und die Gassäule im Einlaßkanal 10 gerät in Bewegung. Am unteren Totpunkt des Kolbens, der dem zweiten Zylinder zugeordnet ist, wird das Einlaßventil 7' des zweiten Zylinders geschlossen, während das Ventil 7' des ersten Zylinders sich öffnet und die im Einlaßkanal 10 zwischen den Zylindern I und II in Bewegung befindliche Gassäule ohne Unterbrechung nun in den ersten Zylinder einströmen kann. Während also bei jedem Einlaßtakt eines Zylinders das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den zugeordneten Einlaßkanal strömt und bei geschlossenem Ventil zur Ruhe kommt, bleibt die Strömung in den gemeinsamen Einlaßkanälen 10 während zweier Einlaßtakte der benachbarten Zylinder III und IV bzw. II und I ständig in Bewegung. Durch die verminderte Abbremsung und Beschleunigung der Gassäule in dem gemeinsamen Einlaßkanal 10 wird deshalb weniger Energie im Einlaßtrakt verbraucht. Der Strömungswiderstand und damit die Füllung der zugeordneten Zylinder wird verbessert.

Bei der Konfiguration nach Fig. 1 ist bei ansonsten identischer Gestaltung der Frischgaszuführungen die Füllung für die Zylinder I und IV besser als für die Zylinder II und III, weil letztere Zylinder zu Beginn des Ansaugtaktes die ruhende Gassäule beschleunigen müssen, während sie am Beginn des Ansaugtaktes der ersteren Zylinder bereits in Bewegung ist.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Fig. 2 zeigt einen Zylinderkopf eines Vierzylindermotors mit vier Ventilen pro Zylinder. Auch hier ist der Grundkörper des Zylinderkopfs mit 1 bezeichnet. Der Grundkörper 1 trägt Kühlwasserkanäle 2 und für jeden Zylinder einen Brennraum 5. Die Auslaßventile tragen die Bezugsziffer 6 und die dazugehörigen Auslaßkanäle die Bezugsziffer 8.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Einlaßventile 17 eines Zylinders dem jeweiligen Brennraum 5 zugeordnet. Je ein Einlaßventil 17 hat mit dem Einlaßventil 17' des jeweils benachbarten Zylinders einen gemeinsamen Einlaßkanal 10. Während bei einem herkömmlichen Zylinderkopf ebenso wie bei dem Zylinderkopf gemäß Fig. 1 in Querstrombauweise jeweils die Einlaßventile auf einer Seite des Zylinderkopfes angeordnet sind und die Auslaßventile auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen sind, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 je ein Einlaßventil 17, 17' eines jeden Zylinders auf einer Seite des Zylinderkopfs angeordnet, während ebenso jeweils ein Auslaßventil 6 eines jeden Zylinders auf jeder Seite vorgesehen ist. Folglich münden die Auslaßventile 6 in separate Auslaßkanäle 8, von denen pro Zylinder insgesamt zwei existieren. Die Auslaßkanäle 8 eines Zylinders sind zu beiden Seiten des Zylinderkopfs hinausgeführt. Ebenso gibt es für die beiden Zylinder I und II sowie für die beiden Zylinder III und IV je einen gemeinsamen Einlaßkanal 10 auf jeder Seite des Zylinderkopfs.

Im Betrieb zeigt sich für die um 180° der Kurbelwellenumdrehung versetzten Zylinder I und II sowie III und IV ein Vorteil im Ansaugverhalten. Bei geschlossenen Einlaßventilen 17, 17' ruht die Gassäule in den beiden Einlaßkanälen 10 im wesentlichen. Der zuerst mit seinem Ansaugtakt beginnende Zylinder II bzw. III versetzt dann bei Öffnung der Einlaßventile 17' die Gassäule in den Einlaßventilen 10 in Bewegung und saugt Kraftstoff-Luft-Ge­ misch an. Am Ende des Ansaugtakts der Zylinder II bzw. III beginnt der Ansaugtakt des benachbarten, um 180° versetzten Zylinders I bzw. IV mit der Öffnung der Einlaßventile 17. Die bereits in Bewegung befindliche Gassäule 10 strömt dann ohne zwischenzeitliche Abbremsung kontinuierlich in die Zylinder I bzw. IV. Die Ventile 17' der Zylinder II bzw. III werden etwa zeitgleich mit der Öffnung der benachbarten Ventile 17 geschlossen. Die Zylinder I und IV müssen deshalb beim Beginn ihres Ansaugtaktes die in den Einlaßkanälen befindliche Gassäule nicht beschleunigen, so daß die Füllung dieser Zylinder verbessert wird. Dies führt zu einem besseren Drehmoment, einer höheren Leistung und einem besseren Wirkungsgrad des derart gestalteten Verbrennungsmotors.

Die vorliegenden Erfindung ist bei allen Verbrennungsmotoren mit mindestens zwei Zylindern anwendbar. Besonders vorteilhaft ist diese Erfindung bei Reihenvierzylindermotoren, bei Reihensechszylindermotoren sowie bei V8-Motoren.

Bei ansonsten gleichmäßiger Konfiguration der einzelnen Zylindereinheiten führt die Anwendung der vorliegenden Erfindung zu unterschiedlichen Mitteldrücken in benachbarten Zylindern mit gemeinsamem Ansaugkanal. Diese Unterschiede können gegebenenfalls durch die Funktionen eines elektronischen Motormanagements, beispielsweise durch Variation des Zündzeitpunkts und der jeweiligen Einspritzmenge ausgeglichen werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verbesserung des Füllungsgrades der Zylinder bei verschiedenen Drehzahlen im wesentlichen ohne zusätzliche Bauelemente, die bei anderen Technologien wie Turboaufladung, Kompressoraufladung und Mehrventilmotoren erforderlich sind und dort die Fertigungskosten erhöhen. Es sind lediglich Modifikationen an den Einlaß- und/oder Auslaßkanälen erforderlich, die in der Großserie preisgünstig vorzunehmen sind und weder zusätzliches Gewicht noch reduzierte Lebensdauer des Motors hervorrufen.

Claims (5)

1. Zylinderkopf für Antriebsmaschinen mit innerer Verbrennung mit wenigstens zwei Zylindern, wobei der Zylinderkopf pro Zylinder wenigstens zwei Einlaßventile (7, 7', 17, 17') aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einlaßventil (7, 17) des einen Brennraums mit wenigstens einem Einlaßventil (7, 17) eines benachbarten Brennraums (5) einen gemeinsamen Einlaßkanal (10) aufweist.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Einlaßkanal (10) in Strömungsrichtung unmittelbar vor den Einlaßventilen (7, 7', 17, 17') Y-förmig gegabelt ist.

3. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Einlaßventil (7) eines Brennraums (5) einen mit einem benachbarten Brennraum (5) gemeinsamen Einlaßkanal (10) aufweist und das jeweils andere Einlaßventil (7) eines Brennraums (5) einen separaten Einlaßkanal (9) aufweist.

4. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennraum (5) zu beiden Seiten einer parallel zur Kurbelwelle liegenden Mittenachse je ein Einlaßventil (17, 17') aufweist.

5. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßventile (17) eines Brennraums (5) den Einlaßventilen (17') eines benachbarten Brennraums (5) zugewandt sind.