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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf und auf einen Viertakt-Verbrennungsmotor und einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf.
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Herkömmliche Zylinderkopfe für Verbrennungsmotoren mit Viertaktverfahren besitzen auf der Einlass- bzw. Auslassseite jeweils 2, 4 oder 5 Tellerventile. Diese gesteuerten Ventile sind für die zyklisch dosierte Zufuhr von der zu verbrennenden Luft oder des Luft-Kraftstoff Gemischs in den Zylinder sowie den Auslass der Abgase aus dem Zylinder zuständig. Das Einlassventil gibt den Querschnitt des Ansaugkanals zum Brennraum im Zylinder frei und das Auslassventil gibt die Auslasskanäle zum Ausschieben der verbrannten Gase frei. Über den Ventilhub öffnen die Ventile den Weg für die Ansaugluft vom Zylinderkopf zum Brennraum und für die Abgase vom Brennraum in den Auslass vom Zylinderkopf. Die freigegebene Fläche eines jeden Ventils ist somit ein Ringspalt, definiert durch den Umfang vom Querschnitt des freigegebenen Kanals und der Höhe des Ventilhubs. Durch diese von dem Ringspalt freigegebene Ringspaltfläche muss das Gas strömen.
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Normalerweise gibt es ein Einlassventil und ein Auslassventil (Zweiventiltechnik), zwei Einlassventile und zwei Auslassventile (Vierventiltechnik) oder drei Einlassventile und zwei Auslassventile (5-Ventiltechnik). Die Evolution der Mehrventiltechnik zeigt das Bestreben einem Zylinder mehr Luftzufuhr (Luft-Kraftstoffgemisch) zu ermöglichen sowie die Strömungsverluste beim Ausschieben der Abgase zu verringern. Bei gleicher Bohrung (bzw. gleicher verfügbarer Querschnittsfläche für den Gaswechsel im Zylinderkopf über dem Zylinder) und bei gleichem Ventilhub ist dies möglich durch die Vergrößerung der gesamten Ringspaltfläche welche die Ventile freigeben. Eine Optimierung (Vergrößerung) dieser möglichen Ringspaltfläche bedeutet somit eine Mehrzahl an Ventilen welche den begrenzten Raum der Querschnittsfläche eines Zylinders besser ausfüllen. Somit kann der Füllungsgrad eines Zylinders (Luft oder Luft-Kraftstoffmasse die dem Zylinder zugefügt wird im Verhältnis zu der maximal theoretisch möglichen Luft oder Luft-Kraftstoffmasse im Zylinder) erhöht werden und die Leistung eines Zylinders gesteigert werden. Eine Verbesserung des Füllungsgrades ist besonders bei schnelllaufenden Motoren gefordert, denn mit zunehmender Drehzahl verringert sich proportional die Zeit in der der Gasaustausch stattfinden kann.
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Ein Nachteil der herkömmlichen Tellerventile sind die Strömungsverluste die auftreten, weil das Gas den Ventilkopf umströmen muss. Auf der Einlassseite ist das Tellerventil strömungsgünstig gestaltet, aber Ventilschaft und Ventilkopf stehen unweigerlich im Gasstrom (Luft oder Luft-Kraftstoffgemisch) und verursachen somit einen Strömungswiderstand entgegen der Ansaugluft. Dadurch entstehen Strömungsverluste, welche einen höheren Kraftstoffverbrauch verursachen aufgrund eines reduzierten Wirkungsgrads des Motors.
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Beim Ausspülen des Restgases im Zylinder, nach dem Abgas-Ausstoß-Takt des Kolbens, konzentrieren sich Gasrückstände im Brennraum hinter dem Einlassventil. Ventilüberschneidung erlaubt der Frischluft (Gasgemisch) das Restgas aus dem Restvolumen im Zylinder zu spülen. Der Kolben befindet sich hierfür um den oberen Totpunkt während Einlass- und Auslassventile gleichzeitig offen sind. Auch hier muss die Frischluft (Gasgemisch) das Einlassventil umspülen und ein Totraum bildet sich hinter dem Ventil. Verlängerte Ventilüberschneidung ermöglicht eine gründlichere Ausspülung vom Restgas, bedeutet aber auch höhere Spülverluste und einen geringeren Wirkungsgrad. Dies wird bei herkömmlichen Ventilen in Kauf genommen um eine bessere Zylinderfüllung und höhere Motorleistung zu erzielen.
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Auf der Auslassseite ist das herkömmliche Ventil ein strömungsungünstiges Hindernis. Es formt eine kreisförmige Wand perpendikular zur Strömung. Diese geometrische Anordnung vom Ventil im Strömungsfluss verursacht hohe Strömungsverluste beim Ausschieben des Abgases. Dadurch kommt es zu weiteren Wirkungsgradverlusten des Motors.
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Bei Motoren betrieben mit moderner Benzindirekteinspritzung kann es zudem zu einer Verkokung von Einlassventilen durch Probleme der Gemisch-Aufbereitung kommen. Bei manchen Betriebspunkten, wenn das Luft-Kraftstoff Verhältnis nicht genau stimmt, kann es zu lokalem Sauerstoffmangel und dadurch zu Rußbildung kommen. Eine Ablagerung von Ruß auf dem Kopf und Schaft von Einlassventilen beeinträchtigt die Frischgaszufuhr durch eine Minderung der verfügbaren Ringspaltfläche. Diese Ablagerung auf den Ventilen ist möglich, weil die Ventile in den Brennraum ragen während die Luft einströmt und das Benzin in den Zylinder eingespritzt wird oder auch weil die Ventile bei der Restgas Ausspülung von Restgasen umströmt werden. Solche Ablagerungen auf den Ventilen beeinträchtigen die Leistung und den Verbrauch eines Motors. Schlimmer noch, sie beeinträchtigen die Dichtwirkung der Ventile. In manchen Fällen kann es zu Bränden und Motorschäden führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf anzugeben, bei welchem die Umströmung der Ventile verbessert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor mit einem verbesserten Gaswechsel anzugeben.
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Diese Aufgaben werden mit dem Zylinderkopf gemäß den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 sowie mit den Verbrennungsmotoren gemäß den Merkmalen der Schutzansprüche 8 und 9 gelöst.
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Die Erfindung geht aus von einem Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor, welcher einen Gaskanal mit mindestens einem Ventil umfasst. Gemäß der Erfindung ist das mindestens eine Ventil ein starr mit dem Zylinderkopf verbundener Ventilstöpsel. Ferner ist dem Gaskanal eine Ventilplatte zugeordnet. Diese Ventilplatte ist beweglich am Zylinderkopf gelagert. Ferner weist die Ventilplatte Durchbrechungen auf, welche mit dem mindestens einen Ventilstöpsel des Gaskanals korrespondieren. Die Durchbrechungen in der Ventilplatte sind beispielsweise kreisförmig, oval, halbkreisförmig, rechteckig oder als Kombination daraus ausgebildet. Insbesondere können die Durchbrechungen eine beliebige Öffnungsform aufweisen. Für den Fall, dass auf einer Ventilplatte mehrere Durchbrechungen ausgebildet sind, können die Durchbrechungen unterschiedliche Formen aufweisen und/oder die Querschnittsflächen der Durchbrechungen können unterschiedlich sein. Insbesondere können Durchbrechungen in Gruppen angeordnet sein, d. h. unterschiedliche Gruppen von Durchbrechungen weisen jeweils Durchbrechungen mit unterschiedlichen Formen und/oder unterschiedlichen Querschnittsflächen auf.
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Mit anderen Worten, bei mehreren Durchbrechungen auf einer Ventilplatte können die einzelnen Durchbrechungen unterschiedliche Durchmesser bei jeweils gleicher Öffnungsform aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die einzelnen Durchbrechungen unterschiedliche Öffnungsformen aufweisen, d. h. eine erste Gruppe von Durchbrechungen weist eine kreisförmige Öffnung auf und eine zweite Gruppe weist eine rechteckige Öffnung auf.
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Ein Gaskanal in einem Zylinderkopf, z. B. der Einlasskanal oder der Auslasskanal weist, entsprechend den aus dem Stand der Technik bekannten Zylinderköpfen, mindestens ein Ventil auf. Dieses Ventil in einem Gaskanal ist im Gegensatz zum Stand der Technik nicht beweglich am Zylinderkopf gelagert, sondern es ist in der vorliegenden Erfindung starr mit dem Zylinderkopf verbunden. Das Ventil wird im Weiteren somit als Ventilstöpsel bezeichnet.
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Der Ventilstöpsel kann zum Beispiel an den Zylinderkopf angeformt sein. Es ist aber auch möglich, dass der Ventilstöpsel in den Zylinderkopf geschraubt ist oder an den Zylinderkopf geschweisst ist. Der Ventilstöpsel besteht im Wesentlichen aus einem Ventilschaft und einem Ventilteller, wobei der Ventilschaft an den Zylinderkopf angebracht ist und zwar derart, dass der Ventilstöpsel unbeweglich ist, d. h. der Ventilstöpsel kann im Gegensatz zum Stand der Technik keine Bewegung axial zum Ventilschaft ausführen.
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Dem Gaskanal, z. B. dem Einlasskanal oder dem Abgasauslasskanal ist eine Ventilplatte zugeordnet. Die Ventilplatte ist z. B. senkrecht zur Achse des Ventilschafts des Ventilstöpsels ausgerichtet. Diese Ventilplatte ist beweglich am Zylinderkopf gelagert. Die Ventilplatte weist eine oder mehrere Durchbrechungen auf. Diese Durchbrechungen korrespondieren mit den Ventilstöpseln des Gaskanals. Mit anderen Worten, jedem Ventilstöpsel des Gaskanals ist genau eine Durchbrechung in der Ventilplatte zugeordnet. Eine Durchbrechung dient der Durchleitung von Gas in den Gaskanal oder aus dem Gaskanal heraus. Diese Ventilplatte dient dazu, den Gaskanal abzuschließen bzw. zu öffnen. Beim Schließen des Gaskanals wird die Ventilplatte in Richtung der Ventilstöpsel bewegt. Die Ventilstöpsel greifen dabei formschlüssig in die entsprechenden Durchbrechungen der Ventilplatte ein. Durch das formschlüssige Eingreifen der Ventilstöpsel in die Durchbrechungen wird eine zuverlässige Abdichtung des Gaskanals gewährleistet.
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In einer Ausführungsform weist der Gaskanal einen umlaufenden Ventilsitzring zur Aufnahme der Ventilplatte auf. Dieser Ventilsitzring ist hierbei in den Zylinderkopf eingearbeitet. Der Ventilstöpsel weist einen umlaufenden Ventilsitzring zum Eingriff in die Durchbrechung in der Ventilplatte auf. Die Ventilplatte weist in ihrem Randbereich eine umlaufende Sitzpanzerung auf zur Abdichtung gegen den Ventilsitzring des Gaskanals. Die Ventilplatte weist ferner im Randbereich der Durchbrechung eine umlaufende Sitzpanzerung auf zur Aufnahme des Ventilstöpsels und zur Abdichtung gegen den Ventilsitzring des Ventilstöpsels. Der Gaskanal ist somit vollständig abdichtbar. Die Abdichtung des Gaskanals erfolgt somit nicht über die Bewegung eines Tellerventils, sondern über die Bewegung einer Ventilplatte mit Durchbrechungen, wobei die Ventilplatte gegen den Gaskanal und über die Durchbrechungen gegen die feststehenden Ventilstöpsel abschließt.
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Der neue Zylinderkopf ermöglicht eine Verbesserung der Gasführung einerseits aus dem Gaskanal heraus in einen an den Zylinderkopf angrenzenden Verbrennungsraum eines Verbrennungszylinders und andererseits aus einem Verbrennungsraum heraus in den Gaskanal hinein. Bei geöffnetem Gaskanal und wenn Gas aus dem Zylinderkopf in einen Verbrennungsraum einströmt, kann das Gas auf direktem und kürzerem Weg in den Verbrennungsraum einströmen, ohne dass das Gas dabei den Ventilschaft oder den Ventilkopf umströmen muss, wodurch es zu Strömungsverlusten kommen kann. In diesem Fall strömt das Gas aus dem Gaskanal im Zylinderkopf direkt durch die ein oder mehreren Durchbrechungen in der Ventilplatte in den Verbrennungsraum. Die kreisförmigen Durchbrechungen ermöglichen ein Durchströmen ohne wesentlichen Strömungsverlust.
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Mit anderen Worten, das Gas strömt hierbei aus dem Gaskanal durch eine Ringspaltfläche zwischen der Durchbrechung in der Ventilplatte und dem Ventilteller des Ventilstöpsels in einen mit dem Zylinderkopf verbindbaren Verbrennungsraum. Diese Ringspaltfläche kann dadurch vergrößert werden, dass die Zahl der Durchbrechungen und damit die Zahl der Ventilstöpsel vergrößert wird. Es ist z. B. möglich in der Ventilplatte 2, 3, 4, 5 Durchbrechungen und im Gaskanal entsprechend 2, 3, 4 oder 5 Ventilstöpsel vorzusehen. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, mehr als 5 Durchbrechungen in der Ventilplatte bzw. 5 Ventilstöpsel im Gaskanal vorzusehen.
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Durch die Erhöhung der Anzahl an Durchbrechungen und Ventilstöpseln wird somit im Gegensatz zum Stand der Technik bei gleichem Hub der Ventilplatte ein Überangebot an effektiver Ringspaltfläche geschaffen. Dadurch wird gegenüber herkömmlichen Zylinderköpfen mit beweglichen Tellerventilen bei gleichem Hub der Ventilplatte ein größerer Atmungsquerschnitt bis zur Dichtplatte gewährleistet. Das Luft-Gasgemisch-Angebot vor Eintritt in den Verbrennungszylinder ist somit effektiv größer und besser verteilt. Die Drosselung dieses Luftangebots durch die kreisförmigen Bohrungen der Dichtplatte erzeugt im Ansaugtakt eine sehr schnelle Ladebewegung. Die durch die Druckdifferenz generierten Jet-Säulen strömen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf kürzestem Weg verteilt über die gesamte Fläche der Ventilplatte in den Verbrennungsraum. Höhere Einströmgeschwindigkeit bedeutet eine turbulentere Ladung, eine bessere Mischung vom Luft-Kraftstoff Gemisch und eine schnellere und gründlichere Verbrennung.
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Auch bei geöffnetem Gaskanal und wenn Gas aus dem Verbrennungsraum in den Gaskanal gedrückt wird, kann das Gas direkt in den Gaskanal abgeleitet werden, wobei es nur zu geringen Strömungsverlusten kommt. Beim Ableiten des Gases strömt das Gas durch die Öffnungen in der Ventilplatte direkt in den Gaskanal des Zylinderkopfes ohne den Ventilkopf oder den Ventilschaft umströmen zu müssen, wodurch Strömungsverluste entstehen könnten.
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Ablagerungen auf den Ventiloberflächen wie bei einem Tellerventil sind auf Grund der Konstruktion, geometrischen Anordnung und Anströmung bei den feststehenden Ventilstöpseln mit beweglicher Ventilplatte nicht möglich. Die Bohrungen in der Ventilplatte, durch welche das Gasgemisch strömt, lassen keine Ablagerungen auf der Dichtfläche zu.
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In einer Ausführungsform sind die Ventilstöpsel mit einer Kühleinrichtung verbunden. Zum Beispiel können die Ventilstöpsel über einen Kühlkanal direkt mit einer Wasserkühlung im Zylinderkopf verbunden sein. Die wassergekühlten Ventilstöpsel können somit über ihren Ventilsitz zyklisch Wärme von den Ventilplatten abführen. In einer weiteren Ausführungsform können die Ventilplatten hohl ausgeführt sein und beispielsweise mit Natrium gefüllt sein. Dadurch ist es möglich, dass durch die oszillierende Bewegung der Ventilplatte beim Betrieb des Zylinderkopfes die Wärme gleichmäßig über die Ventilplatte verteilt wird.
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Die oben dargestellten Ausführungen für einen Zylinderkopf mit einem einzigen Gaskanal, z. B. für ein Zweitaktverfahren, gelten selbstverständlich auch für einen Zylinderkopf mit mindestens einem Gaseinlasskanal und mindestens einem Abgasauslasskanal, z. B. für ein Viertaktverfahren oder ein Zweitaktverfahren mit Umkehrspülung.
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In einer Ausführungsform weist der Zylinderkopf mindestens einen Gaseinlasskanal und mindestens einen Abgasauslasskanal auf. Im Gaseinlasskanal sind mindestens ein Einlassventilstöpsel und im Abgasauslasskanal mindestens ein Auslassventilstöpsel vorhanden. Dem mindestens einen Gaseinlasskanal ist eine erste Ventilplatte und dem mindestens einen Abgasauslasskanal ist eine zweite Ventilplatte zugeordnet. Insbesondere ist bei mehreren Gaseinlasskanälen die erste Ventilplatte allen Gaseinlasskanälen zugeordnet und bei mehreren Abgasauslasskanälen die zweite Ventilplatte allen Abgasauslasskanälen zugeordnet.
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Die erste Ventilplatte weist Durchbrechungen auf, welche zu den Einlassventilstöpseln der ein oder mehreren Gaseinlasskanälen korrespondieren. Die zweite Ventilplatte weist Durchbrechungen auf, welche zu den Auslassventilstöpseln der ein oder mehreren Abgasauslasskanälen korrespondieren.
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Wie bereits oben erläutert, strömt das in einen an den Zylinderkopf anbringbaren Verbrennungszylinder einströmende oder herausströmende Gas durch ein oder mehrere Durchbrechungen in einer Ventilplatte. Insbesondere strömt das Gas durch eine Ringspaltfläche, welche durch die Abmessung der Durchbrechung und den Ventilhub, also die Auslenkung der Ventilplatte definiert ist. Je größer die Ringspaltfläche, umso mehr Gas kann pro Zeiteinheit durch die Ringspaltfläche strömen.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Zahl der Durchbrechungen in der Ventilplatte und damit die Zahl der Ventilstöpsel im Gaskanal nahezu beliebig gewählt werden kann. Außerdem ist es möglich die Geometrie (Öffnungsquerschnitt) der Durchbrechungen in der Ventilplatte beliebig zu wählen. Darüber hinaus können in einer Ventilplatte Durchbrechungen mit unterschiedlichen Geometrien verwendet werden. Dadurch kommt es zu einer turbulenten Ladungsströmung durch die Ventilplatte. Damit kann die Ladung des Verbrennungszylinders mit dem Luft-Kraftstoffgemisch und damit die Verbrennung positiv beeinflusst werden.
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Bei bekannten Zylinderköpfen wird konstruktionsbedingt maximal eine 5-Ventiltechnik verwendet, das bedeutet, dass auf im Einlasskanal drei Ventile und im Auslasskanal zwei Ventile verwendet werden. Diese Ventile müssen jeweils synchron betätigt werden.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass mit der Verwendung von Ventilplatten mit mehreren Durchbrechungen ein geringerer Ventilhub als bei herkömmlichen beweglichen Ventilen nötig ist, um eine gleiche Ringspaltfläche zu erzeugen.
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In der nachfolgenden Berechnung wird die effektive Ringspaltfläche für einen Zylinder mit zwei Einlassventilen gemäß dem Stand der Technik einer effektiven Ringspaltfläche von 12 Durchbrechungen in einer Ventilplatte bei gleichem Ventilhub gegenübergestellt. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Querschnitte der zwei Einlassventile bzw. die Querschnitte der 12 Durchbrechungen auf der Hälfte des Querschnitts eines Verbrennungszylinders mit einem Durchmesser von 62 mm gleichmäßig verteilt sind.
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Bei einem Einlassventil gemäß dem Stand der Technik wird ein Durchmesser des Ventiltellers von 20 mm angenommen. Hieraus ergibt sich bei einem Ventilhub von 10 mm eine effektive Ringspaltfläche von 6,28 cm2 pro Einlassventil. Für zwei Einlassventile ergibt sich somit eine effektive Ringspaltfläche von 12,54 cm2.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für eine Durchbrechung ein Durchmesser von 7 mm angenommen. Hieraus ergibt sich bei einem Ventilhub, also einer Auslenkung der Ventilplatte um 10 mm eine effektive Ringspaltfläche von 2,20 cm2.
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Bei 12 Durchbrechungen ergibt dies eine gesamte effektive Ringspaltfläche von 26,4 cm2. Es ist zu erkennen, dass durch die erhöhte Zahl von Durchbrechungen in der Ventilplatte eine größere effektive Ringspaltfläche zur Verfügung gestellt werden kann.
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Eine Vielzahl von Ventilstöpseln vergrößert die effektive Ringspaltfläche zwischen Brennraum und Gaskanal gegenüber herkömmlichen 2, 4 oder 5 Ventilköpfen erheblich. Somit kann bei gleicher Zylinderbohrung mehr Luft (Gasgemisch) in den Verbrennungszylinder gesaugt werden (oder gedrückt werden bei aufgeladenen Motoren). Weiterhin muss das Gasgemisch kein Ventil umspülen, sondern gelangt auf direktem Weg durch die Durchbrechungen in der Ventilplatte in den Verbrennungszylinder. Das Gasgemisch bildet beim Einströmen in den Brennraum eine Anzahl von Jet Säulen die über eine größere Fläche und direkteren Weg gegenüber herkömmlichen Ventilen in den Brennraum gelangen kann.
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Die erste und zweite Ventilplatte sind jeweils unabhängig voneinander am Zylinderkopf gelagert. Beispielsweise ist eine Ventilplatte mit einem mit dem Zylinderkopf verbindbaren Ventiltrieb verbunden. Es können alle aus dem Stand der Technik bekannten Ventiltriebe verwendet werden, insbesondere mechanisch gesteuerte Nocken mit Übertragungselementen wie Schlepphebel, Schwinghebel oder Kipphebel. Der Ventiltrieb kann aber auch hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch gesteuert werden. Alle Arten von bekannten variablem Ventiltrieb, welche auch Tellerventile antreiben, können mit leichten konstruktiven Änderungen und Anpassungen verwendet werden.
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Durch die erste und zweite Ventilplatte werden der Gaseinlasskanal und der Abgasauslasskanal voneinander getrennt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Viertakt-Verbrennungsmotor, welcher ein Gehäuse mit mindestens einem Verbrennungszylinder und einen Zylinderkopf umfasst. Der Zylinderkopf ist an das Gehäuse angebracht und deckt zumindest einen Verbrennungszylinder des Viertakt-Verbrennungsmotors ab. Der Zylinderkopf weist mindestens einen Gaseinlasskanal und mindestens einen Gasauslasskanal auf, wobei der Gaseinlasskanal als auch der Gasauslasskanal mindestens einem jeweiligen Verbrennungszylinder zugeordnet sind. Der Gaseinlasskanal weist mindestens ein Einlassventil und der Abgasauslasskanal weist mindestens ein Auslassventil auf. Mit anderen Worten, jeder Verbrennungszylinder ist mit einem Gaseinlasskanal und einem Abgasauslasskanal des Zylinderkopfes verbunden und der Gaseinlasskanal als auch der Abgasauslasskanal weisen jeweils mindestens ein Ventil auf.
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Der Viertakt-Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine Einlassventil und das mindestens eine Auslassventil jeweils starr mit dem Zylinderkopf verbundene Einlassventilstöpsel und Auslassventilstöpsel sind. Ferner sind eine erste halbkreisförmige Ventilplatte und eine zweite halbkreisförmige Ventilplatte vorhanden, welche jeweils beweglich am Zylinderkopf gelagert und in dem Verbrennungszylinder verschiebbar angeordnet sind. Die erste Ventilplatte ist dabei dem Gaseinlasskanal und die zweite Ventilplatte ist dem Gasauslasskanal zugeordnet. Beide Ventilplatten weisen Durchbrechung auf, welche zu den Einlassventilstöpsel bzw. Auslassventilstöpsel korrespondieren.
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Die feststehenden Ventilstöpsel und die beweglichen um einen Ventilhub auslenkbaren Ventilplatten bringen eine Verbesserung im Gaswechsel durch einen Zylinderkopf in einem Verbrennungsmotor durch die Minderung der Füllungsverluste der Ansaugluft auf dem Weg zum Verbrennungszylinder und eine Minderung der Strömungsverluste beim Ausschieben des Abgases.
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Bei gleichen motorischen Randbedingungen (Hubraum, Bohrung, Ansaugluft – Unterdruck, Ladedruck, Ansaugluft – Temperatur, Ventilhub, Drehzahl etc.) erzielen die feststehenden Ventilstöpsel und die beweglichen um einen Ventilhub auslenkbaren Ventilplatten eine verbesserte Füllung des Verbrennungszylinders, was ausschlaggebend ist für ein höheres Drehmoment sowie eine höhere Leistung in einem Verbrennungsmotor. Zudem, durch eine Minderung der Gaswechselverluste, erzielen sie einen höheren Wirkungsgrad und somit einen geringeren Verbrauch bei vergleichbaren Motoren mit beweglichen Ventilen und fehlender Ventilplatte.
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Im Ansaugtakt wird die erste Ventilplatte geöffnet und die zweite Ventilplatte geschlossen. Das bedeutet die zweite Ventilplatte dichtet den Verbrennungsraum vom Gasauslasskanal ab. Die erste Ventilplatte wird um einen vorbestimmten Ventilhub bewegt. Die Bewegung erfolgt dabei in den Verbrennungsraum hinein. Gas, insbesondere Luft oder ein Luft-Kraftstoffgemisch strömt aus dem Gaseinlasskanal durch die von feststehenden Ventilstöpseln freigegebenen Durchbrechungen (Öffnungen) in der ersten Ventilplatte in den Verbrennungsraum.
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Im Kompressionstakt wird die erste Ventilplatte geschlossen. Das bedeutet die erste Ventilplatte dichtet den Verbrennungsraum von Gaseinlasskanal ab. Die zweite Ventilplatte bleibt geschlossen.
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Im Arbeitstakt bleiben die erste und zweite Ventilplatte geschlossen. Durch den ansteigenden Druck im Verbrennungsraum werden die erste und zweite Ventilplatte gegen den Ventilsitz im Zylinderkopf und gegen die Ventilsitze der feststehenden Ventilstöpsel gedrückt. Insbesondere wird die erste Ventilplatte an den am Zylinderkopf ausgeführten Ventilsitz am Gaseinlasskanal und die zweite an den am Zylinderkopf ausgeführten Ventilsitz am Abgasauslasskanal gedrückt. Dabei werden jeweils die Sitzpanzerungen in den Randbereichen der Durchbrechungen der beiden Ventilplatten gegen die Ventilsitze der jeweils korrespondierenden Ventilstöpsel gedrückt.
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Im Ausstoßtakt wird die zweite Ventilplatte um einen vorbestimmten Ventilhub bewegt. Die Bewegung erfolgt dabei in den Verbrennungsraum hinein. Dadurch werden die Durchbrechungen in der zweiten Ventilplatte von feststehenden Ventilstöpseln im Abgasauslasskanal freigegeben und das Abgas im Verbrennungszylinder kann ausgestoßen werden. Die erste Ventilplatte bleibt geschlossen. Somit ist gewährleistet, dass das Abgas ausschließlich in den Abgasauslasskanal geleitet wird. Das Schließen einer Ventilplatte bedeutet im Folgenden, dass die Ventilplatte den Verbrennungsraum von dem jeweiligen Gaskanal abdichtet, indem die Ventilplatte gegen den Ventilsitz am Zylinderkopf und gegen den Ventilsitz an den Ventilstöpseln gedrückt ist. Die Ventilplatte dient somit auch als Dichtplatte. Für Restgasausspülung können in einer Ausführungsform die erste und die zweite Dichtplatten gegen Ende des Ausstoßtakts, d. h. wenn der Kolben um den oberen Totpunkt fährt, leicht geöffnet sein.
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Die oben genannten Ausführungen für den Viertakt-Verbrennungsmotor gelten analog auch für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit Umkehrspülung. In diesem Fall sind im Spültakt, d. h. der Kolben befindet sich um den unteren Totpunkt, beide Ventilplatten geöffnet, d. h. Gaseinlasskanal und Abgasauslasskanal sind geöffnet. Im Kompressionstakt und im Arbeitstakt sind beide Ventilplatten verschlossen, d. h. die Gaskanäle sind abgedichtet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Zweitakt-Verbrennungsmotor, welcher ein Gehäuse mit mindestens einem Verbrennungszylinder und einen Zylinderkopf umfasst. Der Zylinderkopf ist an das Gehäuse angebracht und deckt zumindest einen Verbrennungszylinder des Zweitakt-Verbrennungsmotors ab. Der Zylinderkopf weist mindestens einen Gaseinlasskanal auf, wobei der Gaseinlasskanal mindestens einem jeweiligen Verbrennungszylinder zugeordnet ist. Der Gaseinlasskanal weist mindestens ein Einlassventil auf. Mit anderen Worten, jeder Verbrennungszylinder ist mit einem Gaseinlasskanal des Zylinderkopfes verbunden und der Gaseinlasskanal weist mindestens ein Ventil auf.
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Der Zweitakt-Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine Einlassventil ein starr mit dem Zylinderkopf verbundener Einlassventilstöpsel ist. Ferner ist eine kreisförmige Ventilplatte vorhanden, welche beweglich am Zylinderkopf gelagert und in dem Verbrennungszylinder verschiebbar angeordnet ist. Die Ventilplatte ist dem Gaseinlasskanal zugeordnet. Die Ventilplatte weist Durchbrechungen auf, welche zu den Einlassventilstöpseln korrespondieren.
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Das Abgas wird bei einem Zweitakt-Verbrennungsmotor mit direkter und großflächiger Gleichstromspülung idealerweise im unteren Bereich des Verbrennungszylinders ausgebracht. Bei großen Zweitakt-Dieselmotoren im Marinebereich mit Gleichstromspülung von unten nach oben wird das Abgas üblicherweise im oberen Bereich des Verbrennungszylinders ausgebracht, gegenüber dem großflächigen Einlass im unteren Bereich des Verbrennungszylinders.
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Die feststehenden Ventilstöpsel und die beweglichen um einen Ventilhub auslenkbaren Ventilplatten gewährleisten bei geschlossenen Ventilplatten einen idealen Verbrennungsraum.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Art der verwendeten Kolben in den Verbrennungsmotoren nicht beeinträchtigt wird, so kann z. B. bei einem Dieselmotor ein Kolben mit Brennraummulde verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors mit Zylinderkopf in einer ersten und zweiten Stellung gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors mit Zylinderkopf mit einer Ventilplatte in einer ersten und zweiten Stellung gemäß der Erfindung,
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3 einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors mit Zylinderkopf mit einem Ventil in einer dritten Stellung gemäß der Erfindung,
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4 einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinderkopf mit zwei Ventilen gemäß der Erfindung
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5 eine schematische Darstellung einer ersten und zweiten Ventilplatte in einem Verbrennungszylinder in Draufsicht.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verbrennungszylinders eines Verbrennungsmotors 1 mit Zylinderkopf 2 gemäß dem Stand der Technik. In der oberen Darstellung ist das Ventil 7 geschlossen, z. B. während des Arbeitstakts des Verbrennungsmotors 1. In der unteren Darstellung ist das Ventil 7 geöffnet, z. B. während dem Ansaugtakt des Verbrennungsmotors 1.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Gehäuse 3 mit einem Verbrennungszylinder 4 und mit einem Zylinderkopf 2. Die Wandung des Verbrennungszylinders 4 ist mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden gekühlt. An das Gehäuse 3 ist ein Zylinderkopf 2 angebracht, welcher den Verbrennungszylinder 4 abdeckt. In dem Zylinderkopf 2 ist ein Ventil 7, insbesondere ein Tellerventil mit einem Ventilschaft und einem Ventilkopf angeordnet. Dieses Tellerventil 7 ist beweglich in dem Zylinderkopf 2 gelagert und mit einer Ventilsteuerung verbunden. Die Lagerung des Tellerventils und die Ventilsteuerung sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Zwischen dem Verbrennungszylinder 4 und dem Zylinderkopf 2 ist eine Zylinderkopfdichtung 19 ausgeführt. In dem Zylinderkopf 2 ist ein Gaskanal 11, z. B. ein Ansaugluftkrümmer ausgeführt. In dem Verbrennungszylinder 4 ist ein axial beweglich ausgeführter Hubkolben 6 dargestellt, welcher zusammen mit dem Zylinderkopf 2 einen Brennraum 5 im Verbrennungszylinder 4 einschließt. Zündkerzen oder Einspritzdüsen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Einem Fachmann sind entsprechende Positionierungen bekannt.
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Die obere Darstellung in 1 zeigt ein geschlossenes Ventil 7. Das Ventil 7 sitzt auf einem im Zylinderkopf 2 ausgeführten umlaufenden Ventilsitz 14. Das Ventil 7 dichtet den Brennraum 5 vom Gaskanal 11 ab.
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In der unteren Darstellung in 1 bewegt sich der Hubkolben 6 im Ansaugtakt des Motors 1 nach unten (Pfeilrichtung), wodurch ein Unterdruck im Brennraum 5 entsteht. Gleichzeitig wird das Ventil 7 geöffnet und zwar mittels einer Ventilsteuerung (nicht dargestellt), welche über einen Schlepp- oder Kipphebel (nicht dargestellt) auf den Ventilschaft 7a wirkt. Das Ventil 7 wird somit um einen Ventilhub 20 in den Brennraum 5 gelenkt. Die einströmende Luft bzw. das einströmende Luft-Kraftstoffgemisch strömt durch den Gaskanal 11 in den Brennraum 5 ein. Dabei umströmt (Pfeile) das Gemisch im Brennraum 5 den Ventilkopf 7b. Durch den langen und richtungswechselnden Strömungsweg um den Ventilkopf 7b entsteht unterhalb des Ventilkopfes 7b ein Totraum 8, welcher die erzielte Füllung und die Qualität des Gemisches beeinträchtigen kann.
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2 zeigt einen Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse mit einem Verbrennungszylinder und mit einem Zylinderkopf mit einer Ventilplatte in einer ersten (Kompressions- bzw. Arbeitstakt) und zweiten Stellung (Ansaugtakt) gemäß der Erfindung. In 2 sind mit in 1 übereinstimmende Komponenten mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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An dem Zylinderkopf 2 ist ein feststehender Ventilstöpsel 7 angeordnet. Dieser Ventilstöpsel 7 weist einen Ventilschaft 7a und einen Ventilkopf 7b auf. Der Ventilstöpsel 7 ist dabei derart mit dem Zylinderkopf 2 verbunden, dass keine axiale Bewegung in Richtung Brennraum 5 möglich ist. Eine Ventilplatte 9 mit Durchbrechungen 13 ist beweglich am Zylinderkopf 2 gelagert. 2 zeigt beispielhaft aus Gründen der Übersichtlichkeit einen Zylinderkopf 2 mit einem Ventilstöpsel 7 und eine Ventilplatte 9 mit einer Durchbrechung 13.
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Die Ventilplatte 9 ist um einen vorbestimmbaren Ventilhub 20 axial zum Ventilschaft 7a des Ventilstöpsels 7 verschiebbar. Die Ventilplatte 9 ist hierbei mit einer Ventilsteuerung (nicht dargestellt) verbunden. Insbesondere sind Halterungen 18 vorhanden, welche an der zylinderkopfseitigen Oberseite der Ventilplatte 9 angebracht sind und im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Ventilplatte bzw. parallel zum Ventilschaft 7a des Ventilstöpsel 7 verlaufend in den Zylinderkopf 2 geführt und dort befestigt und gelagert sind (nicht dargestellt). Diese Halterungen 18 können z. B. Schaftstücke sein, wie sie im Stand der Technik bei Schaftstücken mit beweglichen Ventilen bekannt sind. Die Halterung 18 ist durch den Gaskanal 11 geführt. Die Halterung 18 wird z. B. von einer Nocke über eine Nockenwelle angetrieben, was zu einer Auslenkung der Ventilplatte 9 führt.
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Die obere Darstellung in 2 zeigt die Ventilplatte 9 beispielhaft im Kompressions- oder Arbeitstakt eines Viertakt-Verbrennungsmotors 1, wobei die Ventilplatte 9 den Brennraum 5 des Verbrennungszylinders 4 und den Gaskanal 11, 12 abdichtet. Der Gaskanal kann hierbei der Einlassgaskanal 11 oder der Abgasauslasskanal 12 sein. Hierbei sitzt die Ventilplatte 9 auf einem umlaufenden Ventilsitz 14, welcher am Zylinderkopf 2, insbesondere am Gaskanal 11, 12 angebracht ist und gleichzeitig auf einem umlaufenden Ventilsitz 15, welcher an dem Ventilstöpsel 7 angebracht ist. Bei dem Ventilsitz 14, 15 kann es sich um Ventilsitzringe handeln. An der Ventilplatte 9 sind entsprechende Sitzpanzerungen 16, 17 im Bereich des Umfangs der Ventilplatte 9 und im Bereich des Umfangs der Durchbrechungen 13 vorgesehen, welche in die Ventilsitze 14, 15 eingreifen und somit eine zuverlässige Dichtung zwischen Brennraum 5 und Gaskanal 11, 12 gewährleisten. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der Umfang der Ventilplatte 9 und der Umfang der Durchbrechung 13 mit einem Ventilsitz (Ventilsitzring) ausgeführt wird und die entsprechenden darin eingreifende Bereiche des Ventilstöpsels 7 und des Gaskanals 11, 12 mit einer Ventilsitzpanzerung.
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In der unteren Darstellung in 2 bewegt sich der Hubkolben 6 im Ansaugtakt des Motors nach unten (Pfeilrichtung), wodurch ein Unterdruck im Brennraum 5 entsteht. Gleichzeitig wird die Ventilplatte 9 in Richtung des Brennraums 5 um einen Ventilhub 20 mittels einer Ventilsteuerung (nicht dargestellt) bewegt. Die Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9 werden freigegeben. Die einströmende Luft bzw. das einströmende Luft-Kraftstoffgemisch strömt durch den Gaseinlasskanal 11 in den Brennraum 5 ein. Das Gas muss dabei den Ventilstöpsel 7 im Brennraum 5 nicht umspülen, sondern tritt direkt durch die Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9 in den Brennraum 5 ein.
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Das Gas strömt (Pfeile) dabei durch die Ringspaltfläche 10 zwischen Ventilstöpsel 7 und Ventilplatte 9 ohne nennenswerten Strömungswiderstand als Jet-Säule durch die kreisförmigen Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9. Im Gegensatz zum Stand der Technik entsteht im Brennraum 5 kein Totraum 8. Durch eine Vergrößerung der Anzahl der Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9 kann, wie bereits oben erläutert, die verfügbarer effektive Ringspaltfläche 10 für die Zufuhr von Gas in den Brennraum 5 vergrößert werden.
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In der unteren Darstellung in 2 ist zu erkennen, dass die Ringspaltfläche 10 bei der erfindungsgemäßen Anordnung außerhalb des Brennraums 5 gebildet wird, da die Ventilplatte 9 eine Trennung zwischen Brennraum 5 und Gaskanal 11, 12 darstellt.
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Die untere Darstellung in 2 zeigt, wie bereits beschrieben die Ansaugseite eines Zylinderkopfes 2. Für die Auslassseite gilt allerdings entsprechendes (3). Im geöffneten Zustand, d. h. beim Ausstoßen der Abgase, ist die Ventilplatte 9 in den Brennraum 5 gedrückt und die Abgase passieren die vielen Durchbrechungen 13 in der Ventilplatte 9 ohne einen Ventilkopf 7b umströmen zu müssen. Die Ringspaltfläche 10 durch welchen die Abgase fließen müssen, befindet sich auch hier auf der Zylinderkopfseite im Auslassbereich des Abgasauslasskanal 12 und nicht im Brennraum 5. Eine Vielzahl von Durchbrechungen 13 ermöglicht auch hier eine erhebliche Vergrößerung der Ringspaltfläche 10.
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3 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Verbrennungsmotors gemäß 2 in einer weiteren Stellung (Ausstoßtakt). In 3 sind mit in 2 übereinstimmende Komponenten mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Ausstoßtakt, d. h. beim Ausstoßen der Abgase fährt der Hubkolben 6 nach oben (Pfeilrichtung), die Ventilplatte 9 ist geöffnet, d. h. die Ventilplatte 9 ist in den Brennraum 5 gedrückt. Die Abgase (Pfeile) durchströmen die Durchbrechung 13 in der Ventilplatte 9 und werden anschließend um den Ventilstöpsel 7 in den Abgasauslasskanal 12 geleitet. Hierbei umströmen die Abgase den Ventilstöpsel 7 nicht innerhalb des Brennraums 5, sondern erst nach Durchströmung der Durchbrechung 13 im Abgasauslasskanal 12. Beispielhaft ist in 3 nur eine Durchbrechung 13 gezeigt. Durch eine Vielzahl von Durchbrechungen 13 kann die Ringspaltfläche 10 vergrößert werden, so dass mehr Gas pro Zeiteinheit ausgestoßen werden kann, als es mit einem Zylinderkopf gemäß dem Stand der Technik mit beweglichen Ventilen möglich ist.
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Der Ventilstöpsel 7 ist wassergekühlt. Hierzu befindet sich innerhalb des Ventilschafts 7a und dem Ventilteller 7b ein Kühlkanal 21, welcher mit einer Kühlvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist. Somit ist es möglich, dass über den Ventilstöpsel 7 Wärme von der Ventilplatte 9 zyklisch, d. h. wenn die Ventilplatte 9 geschlossen ist, abgeführt werden kann.
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Die bewegliche Ventilplatte 9 ist über eine Halterung 18, wie in 2 erläutert, im Zylinderkopf 2 gehalten.
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4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinderkopf mit zwei feststehenden Ventilstöpseln 7 und einer Ventilplatte 9 mit entsprechend zwei Durchbrechungen 13. Die beiden Ventilstöpsel 7 sind beispielsweise parallel zueinander angeordnet.
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Die Darstellung zeigt, dass beim Öffnen des Gaskanals 11, 12, d. h. beim Bewegen der Ventilplatte 9 in den Brennraum 5 z. B. im Ansaugtakt, Gas einerseits durch die Durchbrechungen 13 und anderseits am Rand der Ventilplatte 9 in den Brennraum 5 strömen kann. Insbesondere ist es möglich, dass die Oberseite der Ventilplatte 7, d. h. die gaskanalzugewandte Seite der Ventilplatte mit einer Maskierung (nicht dargestellt) versehen ist. Diese Maskierung dient dazu dem einströmenden Gas eine Drallströmung aufzuprägen.
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Auf der Oberseite, also der brennraumabgewandten Seite der Ventilplatte 9 sind Halterungen 18 vorgesehen zum Halten und Lagern der Ventilplatte 9 im Zylinderkopf 2. Diese Halterungen 18 können z. B. Metallstangen sein, welche an der Oberseite der Ventilplatte 9 befestigt sind und mit einem Lager im Zylinderkopf 2 (nicht dargestellt) verbunden sind und wie oben beschrieben z. B. über eine Nocke einer Nockenwelle angetrieben werden. Diese Halterungen 18 sind beispielsweise parallel zueinander ausgeführt.
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5 zeigt in Draufsicht einen Verbrennungszylinder mit einer ersten und einer zweiten Ventilplatte 9a, 9b. Die erste Ventilplatte 9a und die zweite Ventilplatte 9b sind jeweils halbkreisförmig ausgebildet und senkrecht zur Zeichenebene im Verbrennungszylinder 4 beweglich angeordnet. In den Ventilplatten 9a, 9b sind Durchbrechungen 13 ausgebildet, in welche die Ventilstöpsel 7, welche am Zylinderkopf 2 fest angebracht sind, eingreifen können.
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Beispielhaft weist jede Ventilplatte 9a, 9b drei Befestigungspunkte 18 auf, an welchen die Halterung für die Ventilplatte 9a, 9b befestigt ist. Diese Halterungen sind im Zylinderkopf gelagert. Eine solche Lagerung kann z. B. entsprechend einer Lagerung eines herkömmlichen beweglichen Tellerventils erfolgen.
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Beispielhaft ist die Anzahl der Durchbrechungen 13 der ersten Ventilplatte 9a gleich der Anzahl der Durchbrechungen der zweiten Ventilplatte 9b. Es ist aber auch möglich, dass die Ventilplatten 9a, 9b eine unterschiedliche Anzahl von Durchbrechungen 13 aufweisen. Insbesondere kann die Zahl der Durchbrechungen der Ventilplatte, welche dem Abgasauslasskanal zugeordnet ist kleiner sein als die Zahl der Durchbrechungen der Ventilplatte, welche dem Einlassgaskanal zugeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die ansaugseitige Ventilplatte 9a, d. h. die Ventilplatte des Gaseinlasskanals größer ausgebildet sein, als die abgasseitige Ventilplatte 9b. Mit anderen Worten der Querschnitt der ansaugseitigen Ventilplatte 9a bezogen auf den Zylinderquerschnitt ist größer als der Querschnitt der abgasseitigen Ventilplatte 9b. Die ansaugseitige Ventilplatte 9a kann somit einen größeren Querschnitt als nur den halben Zylinderquerschnitt 4 (Zylinderbohrung) aufweisen.
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Hieraus ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich des Atmungsquerschnitts der ansaugseitigen Ventilplatte 9a, wodurch die Befüllung des Zylinders 4 verbessert werden kann.
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Wie bereits oben erwähnt, können die einzelnen Durchbrechungen einer Ventilplatte 9a, 9b unterschiedliche Formen und/oder Durchmesser aufweisen. Insbesondere ist es möglich, dass die erste Ventilplatte 9a Durchbrechungen mit anderen Durchmessern aufweist, als die zweite Ventilplatte 9b. Damit ist es möglich, dass pro Ventilplatte 9a, 9b zur Verfügung stehende Fläche besser ausgenutzt werden kann, so dass eine möglichst große Gasmenge pro Zeiteinheit durch die Ventilplatte und den mit dem Ventilstöpsel gebildeten Ringspalt transportiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Gehäuse
- 4
- Verbrennungszylinder
- 5
- Brennraum
- 6
- Hubkolben
- 7
- Ventil, Ventilstöpsel
- 7a
- Ventilschaft
- 7b
- Ventilkopf
- 8
- Totraum
- 9
- Ventilplatte
- 10
- Ringspaltfläche
- 11
- Gaseinlasskanal
- 12
- Abgasauslasskanal
- 13
- Durchbrechung
- 14
- Ventilsitzring Gaskanal
- 15
- Ventilsitzring Ventilstöpsel
- 16
- Sitzpanzerung Ventilplatte
- 17
- Sitzpanzerung Durchbrechung
- 18
- Halterung Ventilplatte
- 19
- Zylinderkopfdichtung
- 20
- Ventilhub
