DE19925776B4

DE19925776B4 - Vierventiliger Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19925776B4
Application number: DE19925776A
Authority: DE
Inventors: Franz Brauers
Original assignee: Brauers Franz Dr
Current assignee: Brauers Franz Dr
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-06-05
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2019-06-06
Also published as: DE19925776A1

Abstract

Vierventiliger Zylinderkopf mit überkreuz angeordneten Ventilen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der langen Achse der aufgrund einer dachförmigen Wölbung ellipsoiden Zylinderkopfoberfläche zwei kleinere Auslassventile (2, 2'), auf der kurzen Achse zwei größere Einlassventile (1, 1') und in zentralliegenden Positionen (3, 4) zwischen den Ventilen (1, 1' und 2, 2') zwei Motorbetriebsvorrichtungen angeordnet sind.

Description

Bei gegebenen Zylinderdurchmesser lassen sich die Ventile im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine nicht beliebig groß machen. Größere Ventilquerschnitte bedeuten jedoch weniger Gaswechselarbeit und bei höheren Drehzahlen verbesserten Füllgrad und damit verbessertes Leistungsgewicht. In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat sich deshalb bei den im 4-Takt-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen zunehmend die Mehrventiltechnik (3-, 4-, 5-Ventiler), insbesondere die Vierventiltechnik durchgesetzt.
Vier Ventile können in einem Zylinderkopf prinzipiell auf zwei Arten eingesetzt werden: linear und überkreuz. Die lineare Anordnung, d.h. zwei Ventile einer Funktion sind linear hintereinander angeordnet und liegen den beiden Ventilen der anderen Funktion gegenüber, hat den Vorteil der einfachen Bauweise und der einfachen Gasführung, wohingegen die Überkreuzanordnung, d.h. Ein- und Auslassventile sind alternierend um die Zylinderachse herum angeordnet, beispielsweise den Vorteil hat, dass Zylinder und Kolben thermisch symmetrisch belastet werden und die Wärmeabfuhr über den Zylinderkopf günstiger verlaufen kann. Bisherige Konstruktionen mit Überkreuz-Anordnung sind allerdings technisch sehr aufwendig ( DE 17 51 401 A , DE 13 00 578 B ).
Weitere bekannte Zylinderköpfe mit überkreuz angeordneten Ventilen sind in DE 19 19 323 A und DE 197 28 946 A1 beschrieben.
Bei Ausrüstung einer Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Benzineinspritzung wäre es von Vorteil, wenn sowohl die Einspritzdüse wie auch die Zündkerze möglichst zentral angeordnet werden könnten. Beides ist mit bisherigen Ventilanordnungen jedoch kaum zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf vorzuschlagen, der die Vorteile einer vierventiligen Überkreuzanordnung mit den Vorteilen von sowohl zentral liegender Einspritzdüse wie auch zentral liegender Zündkerze verknüpft (Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine). Statt einer Einspritzdüse und einer Zündkerze können auch zwei Zündkerzen (Doppelzündung) oder auch eine Einspritzdüse und eine Glühkerze (Diesel-Brennkraftmaschine) zum Einsatz gelangen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Zylinderkopf verfügt über 4 überkreuz angeordnete Ventile, wobei die Zylinderkopfoberfläche bzw. die dem Brennraum zugewandte Innenoberfläche des Zylinderkopfes dachförmig gewölbt ist (1, 2; gezeichneter Winkel 25°), so dass eine ellipsoide Fläche entsteht, auf deren lange Hauptachse die kleineren Auslassventile 2 und 2' angeordnet sind und auf deren kürzeren Hauptachse die größeren Einlassventile 1 und 1'. Dadurch verbleibt mittig eine in etwa rechteckige Fläche, die zwei Positionen (3, 4) für Motorbetriebsvorrichtungen bietet und die mit Einspritzdüsen bzw. Zünd- und Glühkerzen besetzt werden können.
Die Ventilsteuerung kann direkt über Tassenstößel erfolgen, indem der Zylinderkopf relativ zur Längsachse des Motors um ca. 40° verdreht gelegt wird (wie in 1 durch die Nockenwellen 5 angedeutet), was allerdings den Nachteil hat, dass die Nocken nicht geradlinig auf die Ventile wirken können. Vorteilhafter ist es wohlmöglich, wenn eine Nockenwelle 5 über Kipphebel 6 die beiden Einlassventile 1 und 1' und ein Auslassventil 2' betätigt. Das verbleibende Auslassventil 2 kann dann über einen separate Nockenwelle 5' betätigt werden (2). Diese Nockenwelle kann auch dazu herangezogen werden, eine Pumpe-Düse als Direkt-Einlasssystem zu nutzen.
Von der Gasführung her ist eine solcher Zylinderkopf aufwendiger als einer, bei dem die Ventile nicht überkreuz, sondern linear angeordnet sind. Es ergeben sich jedoch entscheidende Vorteile. Zu den allgemeinen Vorteilen einer Überkreuz-Anordnung:

– symmetrische thermische Belastung von Kolben und Zylinderkopf;
– die thermisch hoch belasteten Auslassventile liegen weit auseinander, es existiert kein heißer Steg zwischen den Auslassventilen, weshalb die Klopffestigkeit verbessert ist und das Verdichtungsverhältnis heraufgesetzt werden kann;
– ein strömungstechnischer Vorteil ergibt sich, weil mit den beiden diagonal gegenüber liegenden Einlassventilen auf einfache Weise ein wirkungsvoller drallförmiger Einlass realisiert werden kann; kommen die Vorteile von sowohl zentral liegender Zündkerze, als auch zentral liegender Einspritzdüse hinzu:
– effektive Gemischbildung dadurch, dass der Kraftstoffstrahl zunächst zerstäubt und dann gegen den Kolbenboden gelenkt wird (welcher entsprechend ausgeformt sein kann) und danach zur Zündkerze zurückreflektiert wird;
– im Magerbetrieb (Teillastbereich) kann lokal (zentral im Brennraum) ein überfettetes Gemisch erzeugt werden, bei dem ein Überschuss an CO verbleibt, so dass die aufwendige Denox-Katalysatortechnik entfallen kann.

Bei Verwendung von zwei Zündkerzen können als Vorteile genannt werden:

– verbesserte Zündsicherheit, verbesserte Zyklenstreuung und damit ruhigerer Motorlauf;
– kürzere Flammwege, verbesserter Wirkungsgrad, geringere Kohlenwasserstoff-Emissionen
– phasenversetzte Zündung ermöglicht Geräuschreduktion.

Da die Durchmesser von Zündkerze und Einspritzdüse fixe Größen sind und nicht beliebig verkleinert werden können, ist diese Ventilanordnung im Zylinderkopf für Hubvolumina > 500 cm³ sinnvoll, weil dann keine Einbußen bei den Ventilquerschnitten hingenommen werden müssen.
Die konstruktive Realisation einer solchen Anordnung wäre bei einer Einzylinder-Brennkraftmaschine, wie sie in der Motorradtechnik häufig zum Einsatz gelangt, kaum aufwendiger als die konventionelle Anordnung der Ventile. Bei einem Mehrzylindermotor können nebeneinander angeordnete Ein- bzw. Auslassventile zweier benachbarter Zylinder zusammen geschaltet werden ( DE 700 396 C ).

Claims

Vierventiliger Zylinderkopf mit überkreuz angeordneten Ventilen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der langen Achse der aufgrund einer dachförmigen Wölbung ellipsoiden Zylinderkopfoberfläche zwei kleinere Auslassventile (2, 2'), auf der kurzen Achse zwei größere Einlassventile (1, 1') und in zentralliegenden Positionen (3, 4) zwischen den Ventilen (1, 1' und 2, 2') zwei Motorbetriebsvorrichtungen angeordnet sind.
Vierventiliger Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den zentralliegenden Positionen (3, 4) zwischen den Ventilen (1, 1' und 2, 2') eine Düse für den Benzin-Direkteinlass und eine Zündkerze angeordnet sind.
Vierventiliger Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den zentralliegenden Positionen (3, 4) zwischen den Ventilen (1, 1' und 2, 2') zwei Zündkerzen angeordnet sind.
Vierventiliger Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den zentralliegenden Positionen (3, 4) zwischen den Ventilen (1, 1' und 2, 2') eine Glühkerze und eine Düse für die Diesel-Direkteinspritzung angeordnet sind.
Vierventiliger Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit zwei Nockenwellen (5), dadurch gekennzeichnet, dass je eine Nockenwelle (5) direkt über Tassenstößel je ein Einlass- und ein Auslassventil (1, 2) bzw. (1', 2') betätigen.
Vierventiliger Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit zwei Nockenwellen (5, 5'), dadurch gekennzeichnet, dass eine Nockenwelle (5) über Kipphebel (6) die beiden Einlassventile (1, 1') und ein Auslassventil (2') betätigt und das verbleibende Auslassventil (2) über eine weitere Nockenwelle (5') gesteuert wird.