DE2731086B2

DE2731086B2 - Gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere fremdgezündete Viertaktbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2731086B2
Application number: DE2731086A
Authority: DE
Inventors: Jiri Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Seidl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1977-07-09
Filing date: 1977-07-09
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2731086A1; DE2731086C3

Description

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e^r> ßeren Teiles (K₀₂) des Quetschspaltes (V_Q , und Vq-,) am größten ist,
- während der Abstand zum Schwerpunkt (27) der Ventiltasche (V_E) unter dem Einlaßventilteller (4) dazwischen liegt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine gemischverdichtende Viertakt-Brennkraftmaschine, insbesondere fremdgezündete Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist anzustreben, bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine einen hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsablaufs durch die Annäherung an den Gleichraumprozeß zu erreichen. Diese Forderung führt zu einem möglichst hohen Verdichtungsverhältnis.

Bekannte Brennraumanordnungen bekommen bei hohem Verdichtungsverhältnis eine ungünstige Form, die oft zu einem hohen Oktanzahlbedarf bzw. zu einer klopfenden Verbrennung führt. Sind z. B. beide Ventilteller dachförmig ausgebildet, wie bei der V-Ventilanordnung oder bei einem Keilbrennraum, beansprucht der Raum zwischen dem Kolbenboden und den Ventiltellern das ganze zur Verfügung stehende Brennraumvolumen. Es ist dann schwierig, den Brennraum günstig aufzuteilen und dadurch den Verbrennungsablauf zu steuern.

Bei parallel zur Zylinderachse angeordneten Ventilen kann eine Volumenanhäufung an der Zündkerze, was eine wichtige Voraussetzung für einen günstigen Verbrennungsablauf ist, durch eine tiefe Mulde im Kolbenboden (Heronbrennraum) verwirklich werden. Nachteilig ist jedoch die große Kolbenmasse und eine thermische Überlastung des Kolbens zwischen der Mulde und der Ringpartie.

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine gemäß DE-Patentanmeldung D 4707, bekanntgemacht am 26. 07. 51, ist der Ventilteller des Auslaßventils in einer gegenüber dem Ventilteller des Einlaßventils zurückgesetzten Lage innerhalb einer teilweise über den Zylinderumfang hinausreichenden Ventiltasche angeordnet. Nachteilig ist der Steg zwischen den beiden Ventilen, der insbesondere bei einem Zylinderkopf mit eingesetzten Ventilsitzringen aus Festigkeitsgründen sehr breit sein muß. Die demzufolge teilweise außerhalb der Zylinderbohrung liegende Ventiltasche bildet einen zerklüfteten Brennraum mit langen Brennwegen, der zu einer klopfender. Verbrennung neigt. Der Steg zwischen den Ventilen hindert die Ausströmung der verbrannten Zylinderladung. Das versetzte und parallel zum Einlaßventil angeordnete Auslaßventil bedingt ferner einen komplizierten Ventilantrieb.

Bei einer ähnlichen anderen bekannten Brennkraftmaschine gemäß DE-OS 2 542 942 ist eine Ventiltasche unter dem Auslaßventil mit dem restlichen Brennraum mittels eines Leitkanals verbunden. Die Gestaltung des Leitkanals führt zu einer übermäßig großen Quetschfläche. Der schmale Leitkanal und die große Quetschfläche verursachen große Strömungsverluste, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Verbrennung auswirkt. Die Lage der Zündkerze in der Ventiltasche nahe der Quetschfläche führt zu einer unvollständigen Verbrennung in ucr unnüitCiwsr l*c-

nachbarten großen und dünnen Quetschfläche. Durch die Lage der parallelen Ventile innerhalb des Zylinderumfanges ist der Ventildurcjjmesser sehr beschränkt.

Bei einer weiteren bekannten Brennkraftmaschine gemäß DE-AS 1072000 sind in zwei Ventiltaschen je ein Auslaßventil und eine Zündkerze angeordnet. Das Einlaßventil liegt in einem dünnen Guetsch<-aum. Nachteilig ist wieder der Steg zwischen den Ventiltellern und die daraus resultierende Lage der Ventiltaschen teilweise außerhalb des Zylinderumfanges.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Brennraumform, vorzugsweise für eine hochverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, zu schaffen, die eine Verbrennung der Zylinderladung mit hohem Wirkungsgrad und geringer Klopfgefahr bei zugleich günstiger Ventilsteuerungsanordnung ermöglicht.

Von der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Dadurch ergeben sich sowohl für die Ventilbetätigung als auch für die Vcntilsitzanordnung räumlich günstige Voraussetzungen um einerseits bei einem Reihenmotor die Ventilsteuerung mit einer Nockenwelle auszubilden und andererseits die Ventilsitzringe bei geringem Abstand mit hoher Festigkeit anzuordnen. Weiter ermöglicht die Anordnung uii J Ausbildung der Ventiltaschen bzw. BrennraumteiiC sowohl günstige Einströmverhältnisse für die Ladung als auch günstige Formen und Größen der sich ergebenden Quetschspalte für die Durchwirbelung und Durchzündung der Ladung. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Aus der GB-PS 637209 und der CH-PS 276 820 sind zwar einzelne kennzeichnende Merkmale der Erfindung bekannt. So zeigt die GB-PS 637 209 die Anordnung eines weiteren Teiles des Brennraumes als etwa querab von den Ventiltaschen an die Zylinderbohrung angenäherte, eine Zündkerze enthaltende Erweiterung. Jedoch ragen auch hierbei Teile des Brennraumes über die Zylinderbohrung hinaus und es besteht im übrigen keine Übereinstimmung oder Anregung mit bzw. zu der Gesamtkombination der Erfindung. Die CH-PS 276 820 enthält eine für sich mit der Erfindung übereinstimmende Ventilanordnung, jedoch weder eine Ausbildung des Brennraumes noch eine Anordnung des Einlaßkanals im Sinne der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit eiern Brennraum und einer Ventilanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine ausschnittweise Unteransicht des Zylinderkopfes nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch einen Zylinderkopf mit einer abgewandelten Ausführungsform gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Zylinderkopf mit einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Teilquerschnitt durch den Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Viertaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung zeigt ein je Zylinder parallel zur Zylinderachse 1 angeordnetes Einlaßventil 2. Das Einlaßventil 2 ist, wie auch Fig. 2 zeigt, zu der Zylinderbohrung 3 außermittig angeordnet. Der Ventilteller 4 des Einlaßventils 2 ist gegenüber der Trciliicucilc 5 des Zyiiiluci kopfes 6 ^urückgeseizi, si) daß zwischen ihm jnd dem Kolbenboden 7' bei OT-Lage des Kolbens 7 eine flache Ventiltasche V_E verbleibt. Die Ventiltasche V_E \cann auch im Kolbenboden 7' ausgebildet werden, sofern der Ventilteller 4 in der Trennebene 5 liegt.

Etwa tangential zur Zylinderbohrung 3 ist ein Einlaßkanal 8 angeordnet. Die Ventilt-sche V_E ist in Strömungsrichtung kegelförmig (10) geöffnet, um die Zuströmung in Richtung der Einlaß-Kanalachse 9 zu

ίο ermöglichen. Gleichzeitig verringert die kegelförmige Kontur 10 die Fläche eines dünnen Quetschspaltes K_ßl in der Nähe der Zündkerze 11. Die tangential zur Zylinderbohrung 3 gerichtete Zuströmung wird noch durch eine gegenüber der kegelförmigen Kontur 10 in der Ventiltasche V_E angeordnete Schulter 12 unterstützt.

Schräg zu der Reihe von Einlaßventilen 2 ist eine Reihe von Auslaßventilen 13 angeordnet. Der Abstand der Ventilachsen an deren Ventilschaftenden 14 und IS ist kleiner als an deren Tellerenden. Der Ventilteller 16 des Auslaßventils 13 ist jeweils zu dem Ventilteller 4 des Einlaßventils 2 so geneigt, daß sich die Ebenen 17 und 18 der beiden Ventilteller 4 und 16 etwa im Bereich ihrer größten Annäherung schneiden. Die in den Zylinderkopf 6 eingesetzten Ventilsitzringe 19 und 20 stützen ihre Preßsitze gegeneinander ab. Der dazwischenliegende Steg 21 kann daher schmal sein. Dies ermöglicht, innerhalb des Zylinderdurchmessers 3 verhältnismäßig große Ventile un-

Ki terzubringen. Die Ventilschaftenden 14 und 15 aller Ventile im Zylinderkopf 6 liegen nahezu in einer Linie, was eine einfache Betätigung mittels einer einzigen, im Zylinderkopf liegenden Nockenwelle ermöglicht.

Γι Die zwischen dem Ventilteller 16 des Auslaßventils 13 und dem Kolben 7 ausgebildete Ventiltasche V_A ist im wesentlichen innerhalb der Zylinderbohrung um einen Teil des Brennraumes V_K erweitert. Die Kontur

22 des Teiles V_R schneidet sich mit der Kontur 10 der Ventiltasche V_E. Der überwiegend im Zylinderkopf 6 ausgebildete Brennraum V_K ist mit einer Mulde 23 im Kolbenboden 7 ergänzt. Die Grundfläche 24 der Mulde 23 verläuft etwa parallel zur Ebene 18 des Ventiltellers 16 des Auslaßventils 13. Entspre-

Vi chend der Neigung des Auslaßventils 13 ist die Mulde

23 etwa in der Mitte des Kolbens 7 am tiefsten und im Bereich des Außenumfanges des Kolbens 7 läuft sie flach aus. Dadurch wird eine thermische Überlastung des Kolbens 7 vermieden, weil zwischen seiner

-,ο Mulde 23 und seiner Ringpartie 25 ein ausreichender Querschnitt für die Wärmeabfuhr zur Verfügungsteht. Die flache Ventiltasche V_E mündet im Bereich der sich schneidenden Konturen 10 und 22 in den wesentlich dickeren Teil des Brennraumes V_K, so daß die Zylinderladung aus dem Raum V_E in den kompakten Teil am Ende des Kompressionshubes frei einströmen kann.

Im Teil V_R des Brennraumes V_K ist in der Nähe des Auslaßventils 13 eine Züiids'elle angeordnet. In

bo Fig. 1 und 2 ist eine Zündkerze 11 dargestellt. An dieser Stelle kann aber auch eine andere Zündquelle, z. B. ein Verbindungskanal 30 einer Zündkammer 29, aurgebildet werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Den Rest des Brennraumes V_K zwischen dem Zy-

_b5 linderkopf 6 und dem Kolbenboden T innerhalb der Zylinderbohrung 3 bildet ein Quetschspalt V_Q. Dieser Teil des Brennraumes ist so flach, daß die Ladung am Ende des KomprcssiuiiMiubes in die neiuii.!iuuiien

Zonen, überwiegend in die Ventiltasche V_t: verdrängt wird. Der Quetschspalt V_Q ist in zwei Zonen aufgeteilt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Ein kleinerer Teil V_Q , befindet sich in der Nähe der Zündkerze 11 und ein größerer Teil V_{Q 2} liegt relativ weit von der Zünd- >

kerze 11 entfernt dieser etwa gegenüber.

Der Abstand zwischen der Zündkerze 11 und dem Schwerpunkt 26 der kompakten Teile V_R und V_A des Brennraumes V_K ist sehr kurz. Der Schwerpunkt 27 der flachen Ventiltasche V_E liegt von der Zündkerze ^w

11 weiter entfernt und die Entfernung vom Schwerpunkt 28 des größeren Teiles V_Q2 des Quetschspaltes

V^ ist am größten.

Die angesaugte Ladung wird durch die tangentiale Anordnung des Einlaßkanals 8 und durch die Form der flachen Ventiltasche V_E in eine Drehbewegung versetzt. Die einzelnen Teile des Brennraumes V_K sind - in Richtung der rotierenden Ladung gesehen (Pfeilrichtung)-in der Reihenfolge l>'_Q2-V'_E-V'_R-V_A angeordnet. Die Höhe der Brennraumteile nimmt in dieser Reihenfolge zu. Die rotierende Ladung wird am Ende des Kompressionshubes aus dem dünnen Quetschspalt V_Q2 überwiegend in den Raum V_E und weiter in die kompakten Teile V_R und V_A des Brennraumes V_K verdrängt. Die beim Absaugvorgang erzeugte Rotation wird am Ende des Kompressionshubes durch die günstige Aufteilung des Brennraumes V_K weiter verstärkt. Eine intensive Turbulenz beschleunigt die erste Phase des im kompakten Teil V_R und V_A des Brennraumes V_K erfolgten Verbren- so nungsablaufes vor dem oberen Totpunkt und in OT-Nähe.

Kurze Brenndauer bedeutet eine größere Annäherung an den Gleichraumprozeß und dadurch höheren Wirkungsgrad. Der Ventilteller 16 des Auslaßventils 13 ist im kompakten Teil des Brennraumes angeordnet, an einer Stelle, an der er während der ersten Verbrennungsphase trotz seiner Wärmeabgabe noch keine klopfende Verbrennung verursachen kann. Die kleine Oberfläche des kompakten Teiles des Brennraumes V_K und der heiße Ventilteller 16 des Auslaßventils 13 vermindern die durch die Turbulenz bedingten Wärmeverluste. Kleine Oberfläche und die Turbulenz wirken sich positiv auf das Durchbrennen des Grenzschichtvolumens und dadurch auf die Kohlenwasserstoff-Emission aus.

In OT-Nähe erreicht die von der Zündkerze 11 ausgehende Flammenfront auch die weiter entfernte Ventiltasche V₁. Dieser Raum ist flach, damit ein möglichst großer Anteil des zur Verfügung stehenden Brennraumvolumens in deren kompaktem Teil konzentriert werden kann. Eine Mindesthöhe von etwa 4 mm ist aber erforderlich, damit eine vollständige Verbrennung auch in dieser Zone erfolgen kann. Die durch die Verbrennung auftretende Druckwelle verdichtet den noch unverbrannten Anteil der Ladung vor sich her. Eine verhältnismäßig große und vom Einlaßventil 2 gut gekühlte Oberfläche der Ventiltasclie V_E vermindert die Gefahr, daß sich der noch unverbrannte Anteil von selbst entzündet. Erst in der letzten Verbrennungsphase nach OT erreicht die Flammenfront den von der Zündkerze 11 am weitesten entfernten größeren Teil K„₂ des Quetschspaltes V„. In dieser Lage des Kolbens 7 ist der Quetschspalt Vq bereits wieder relativ weit geöffnet und eine vollstandige Verbrennung ist auch in dieser Zone gewährleistet.

Der kompakte Teil V_R und V_A des Brennraumes V_K kann auch für Bildung eines heterogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches ausgenutzt werden. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im kompakten Teil des Brennraumes V_K ein Einspritzventil 31 angeordnet. Der Kraftstoff wird während des Kompressionshubes außerhalb der Mulde 23 und damit des kompakten Brennraumleils zur Bildung eines mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches eingespritzt. Ab etwa 50° vor OT wird der Kraftstoff ausschließlich in die Mulde 23 gespritzt. In dieser letzten Phase des Kompressionshubes bildet sich auf diese Weise im kompakten Brennraumteil in der Nähe der Zündkerze 11 ein fetteres und gut zündbares Gemisch. Der im kompakten Brennraumteil verbrannte Anteil der Ladung dient dann zur Zündung des mageren schwer zündbaren Gemisches. Das Ergebnis ist ein niedriger Kraftstoffverbrauch und eine verminderte Schadstoff-Emission.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gemischverdichtende Viertakt-Brennkraftmaschine, insbesondere fremdgezündete Brennkraftmaschine,

- mit einem durch Kolben und Zylinderkopf begrenzten Brennraum,

- mit einem parallel zur Zylinderachse angeordneten Einlaßventil, und

- mit einem Auslaßventil, das zum Einlaßventil in einer parallelen Ebene so geneigt ist, daß der Abstand der Ventilachsen an den Ventilschaftenden kleiner ist als an den Tellerenden,

und ferner

- mit unter den Ventiltellern angeordneten Ventiltaschen,

- von denen diejenige unter dem Auslaßventil im Zylinderkopf ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß sich die Ebenen (17 und 18) der Ventilteller (4 und 16) etwa im Bereich deren größter Annäherung schneiden,

- daß die Ventiltaschen (V_E und K₄ ) und ein weiterer Teil (V„) des Brennraumes (V_K) räumlich ineinander übergehen,

- wobei der weitere Teil (V_R) des Brennraumes (,V₁₁) von einer etwa querab von den Ventiltaschen (V_E und V_A ) an die Zylinder- «> bohrung (3) angenäherten, die Zündstelle (Zündkerze 11 oder Schußkanalmündung 30) einschließenden Erweiterung gebildet ist, und

- daß der vom Einlaßventil (2) gesteuerte Ein- r> laßkanal (8) etwa tangential zur Zylinderbohrung (3) von der dem weiteren Teil (V_R) des Brennraumes (V_K) gegenüberliegenden Seite des Einlaßventils (2) her einmündet,

- wobei die Höhe der Brennraumteile von dem den Ventiltaschen ( V_E und V_A ) benachbarten größeren Teil (V„ ₂) eines Quetschspaltes (Vd ) ()

Vq,

(₂) p

und V_Q2) zur Ventiltasche (V_E) unter

dem Einlaßventilteller (4) und weiter zu dem restlichen kompakt ausgebildeten Teil (K₄ und V_R) des Brennraumes (V_K) zunimmt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- im Kolben (7) als Mulde (23) ein weiterer Teil der Ventiltasche (K₄) und des weiteren Teiles (V_R) des Brennraumes (V_K ) unter dem Ventilteller (16) des Auslaßventils (13) und unter der Zündstelle (Zündkerze 11 oder Schußkanalmündung 30) ausgebildet ist,

- der etwa parallel zum Ventilteller (16) im Bereich des Außenumfanges des Kolbens (7) flach ausläuft.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Zündstelle (Zündkerze 11 oder Schußkanalmündung 30) - in Zylinderachsrichtung gesehen - annähernd auf einer mittelsenkrechten Linie zu der Verbindungslinie der Ventiltellermitten angeordnet ist,

- wobei der Abstand der Zündstelle vom gemeinsamen Schwerpunkt (26) des kompakten Teils (V_R und K₄) am kleinsten und

- der Abstand vom Schwerpunkt (28) des grö-

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