DE3814262A1 - Brennkraftmaschine mit keramikventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, die insbesondere eine hohe Abgabeleistung hat.

Einlaß- und Auslaßventile von Brennkraftmaschinen wurden bisher aus wärmebeständigem Stahl hergestellt. Es ist übliche Praxis, jeden Brennkraftmaschinenzylinder mit zwei Ventilen, d. h. einem Einlaßventil und einem Auslaßventil zu versehen. Bei einigen Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge oder Fahrräder mit Hilfsmotor ist jedoch jeder Brennkraftmaschinenzylinder mit mehr als drei Ventilen versehen, um eine hohe Ab­ gabeleistung und einen hohen Betriebswirkungsgrad zu erreichen.

Es wurde vor kurzer Zeit versucht, Ventile aus Keramikmaterial zu verwenden, um das Gewicht des Ventilantriebs zu reduzieren und hierdurch das Ansprechverhalten zu verbessern und die maximale Abgabeleistung und den Betriebswirkungsgrad zu steigern.

Die Brennkraftmaschinendrehzahl (Upm), bei der das sogenannte "Ventilflattern" auftritt, ist üblicherweise durch das Gewicht des schwersten Ventils bestimmt. Das "Ventilflattern" ist eine Art Vibration oder ein Springen eines Ventils, welche aus einer Resonanzerscheinung des Ventilantriebs resultieren, der ein Ventil, eine Ventilfeder, einen Ventilstößel usw. umfaßt. Daher ist es zur Verhinderung des "Ventilflatterns" zweckmäßig, ein Einlaßventil oder -ventile vorzusehen, die aus keramischem Material bestehen. Das Einlaßventil oder -ventile, die aus keramischem Material hergestellt sind, sind derart ausgelegt, daß sie größer als das Auslaßventil oder die Aus­ laßventile sind.

Wenn jedoch das Einlaßventil oder -ventile, die aus Keramik­ material hergestellt sind, zerspanend bearbeitet werden soll, so tritt oder treten das abgebrochene Stück oder die abge­ brochenen Stücke in einen anderen Zylinder ein, und hierdurch werden die Ventile gebrochen, woraus eine große Wahrscheinlichkeit resultiert, daß die Brennkraftmaschine nicht mehr arbeiten kann. Daher ist es aus Sicherheitsgründen unerwünscht, das Einlaßventil oder die Einlaßventile aus keramischen Werkstoffen herzustellen.

Nach der Erfindung wird eine verbesserte Brennkraftmaschine bereitgestellt, die wenigstens ein Einlaßventil aus Metall pro jedem Zylinder und eine Mehrzahl von Auslaßventilen pro jeweiligem Zylinder aufweist, die aus keramischen Materialien her­ gestellt sind. Das Verhältnis der Anzahl zu Ventilkopfdurchmesser zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen ist derart gewählt, daß Pe < Pi und De < Di ist, wobei Pe die Anzahl der Auslaßventile pro jeweiligem Zylinder ist, Pi die Anzahl der Einlaßventile pro jeweiligem Zylinder ist, De der Ventilkopfdurchmesser der Auslaßventile und Di der Ventilkopfdurchmesser des Ein­ laßventils ist.

Die vorstehend genannte Auslegung ist zur Überwindung der eingangs genannten Schwierigkeiten beim Stand der Technik von Vorteil.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine verbesserte Brennkraftmaschine bereitzustellen, die eine gesteigerte Abgabeleistung erzeugen kann, ohne daß die Brennkraftmaschinendrehzahl (Upm) vermindert zu werden braucht, bei der das "Ventilflattern" auftritt.

Ferner bezweckt die Erfindung, eine verbesserte Brennkraft­ maschine bereitzustellen, die äußerst betriebszulässig arbeitet.

Auch soll nach der Erfindung eine verbesserte Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, die für die Massenherstellung geeignet ist und die ein ausgewogenes Ansprechverhalten zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen hat.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die bei­ gefügte Zeichnung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer Brennkraftmaschine gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die einzige Figur ist eine Brennkraft­ maschine 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit Benzin als Betriebsstoff, die einen Zylinder 21 mit einer 76 mm Zy­ linderbohrung oder Innendurchmesser hat.

Ein Auslaßventil 1, das aus Siliziumnitrid (95 Gew.-% SiN) hergestellt ist, ist derart bemessen, daß es einen Ventilkopfdurch­ messer 35 mm und ein Gewicht von 23 g hat. Das Auslaßventil 1 wird durch eine Nocke 4 angetrieben, die einteilig mit einer Nockenwelle 3 ausgelegt ist, wobei ein Ventilstößel oder eine Spielausgleichseinrichtung 9 vorgesehen ist. Ein Einlaßventil 2 ist aus wärmebeständigem Stahl hergestellt und derart bemessen, daß es einen Ventilkopfdurchmesser von 28 mm und ein Gewicht von 55 g hat. Zwei derartige Einlaßventile 2 sind pro jeweiligem Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen, und sie sind derart ausgelegt, daß sie durch eine Nocke 5 angetrieben sind, die einteilig mit der Nockenwelle 3 ausgelegt ist. Das Aus­ laßventil 1 und das Einlaßventil 2 sind so beschaffen und ausgelegt, daß Ventilhübe von jeweils 10 mm und 8 mm erzeugt werden.

Die Brennkraftmaschine 20 wurde getestet, um die Brennkraft­ maschinendrehzahl Upm zu messen, bei der das "Ventilflattern" auftritt, und es wurde die maximale Abgabeleistung bestimmt, wie dies in Tabelle 1 gezeigt ist. Zu Vergleichszwecken wurden eine modifizierte Brennkraftmaschine R 1 und eine übliche Brenn­ kraftmaschine R 2 zur Messung derselben Größen getestet. Die Brennkraftmaschine R 1 ist im wesentlichen gleich ausgelegt wie die Brennkraftmaschine 20, abgesehen von den Auslaßventilen, die aus wärmebeständigem Stahl bestehen. Die Brennkraftmaschine R 2 ist im wesentlichen gleich wie die Brennkraftmaschine R 1 ausgelegt, abgesehen davon, daß die Auslaßventile derart be­ schaffen waren, daß sie einen Ventilhub von 8 mm bewirken.

Aus dieser Tabelle ist zu ersehen, daß die Brennkraftmaschine 20 nach der Erfindung derart ausgelegt werden kann, daß man einen vergrößerten Ventilhub erhält, um hierdurch die maximale Abgabeleistung zu erhöhen, ohne die Brennkraftmaschinendrehzahl (Upm) zu reduzieren, bei der das "Ventilflattern" auftritt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß ein we­ sentliches Merkmal nach der Erfindung darin zu sehen ist, daß das Verhältnis der Anzahl von Ventilen pro jeweiligem Zylinder und des Ventilkopfdurchmessers zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen derart gewählt ist, daß Pe < Pi (Pe, Pi sind positive ganze Zahlen) und De < Di werden, wobei Pe die Anzahl der Auslaßventile pro jeweiligem Zylinder der Brenn­ kraftmaschine ist, Pi die Anzahl der Einlaßventile pro jeweiligem Zylinder der Brennkraftmaschine ist, De der Ventilkopf­ durchmesser des Auslaßventiles und Di der Ventilkopfdurchmesser des Einlaßventiles ist, wobei die Auslaßventile aus ke­ ramischen Werkstoffen hergestellt sind, während das Einlaßventil oder die Einlaßventile aus Metall hergestellt sind.

Bei einer solchen Auslegung kann die Brennkraftmaschinendrehzahl, Upm, bei der das "Ventilflattern" auftritt, größer gewählt werden und zugleich kann der Ventilhub der Auslaßventile im Vergleich zu dem Fall vergrößert werden, bei dem das Aus­ laßventil dieselben Abmessungen hat, aber aus Metall besteht, und zusammen mit einer Ventilfeder mit derselben Federkonstanten verwendet wird.

Während bei der Auslegung, bei der De < Di wird, sich ergibt, daß die Menge des Einlaßgemisches durch jedes Einlaßventil reduziert wird, bleibt die notwendige Gesamtmenge des Einlaß­ gemisches durch die gewählte Auslegung gleich, wenn Pe < Pi ist. Das optimale Verhältnis eines der Ventilkopfdurchmesser De und Di zu dem anderen verändert sich in Abhängigkeit von den Materialien, aus denen die Einlaß- und Auslaßventile hergestellt sind. Wenn das Einlaßventil aus Titan (spezifisches Gewicht 4,5) hergestellt ist, und das Auslaßventil aus Sili­ ziumnitrid (spezifisches Gewicht 3,2) hergestellt ist, erhält man eine optimale Auslegung wenn Di = 0,9 De ist, wobei die Ventilfedern und die Federhalter für die Einlaß- und Auslaßventile in gleicher Weise ausgestaltet und aus dem gleichen Material bestehen können, wodurch man Vorteile bei der Mas­ senherstellung erhält und ein ausgewogenes Ansprechverhalten zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen erreicht wird.

In weiterer Abänderung von dem Fall, bei dem das Einlaßventil oder die Einlaßventile aus keramischen Werkstoffen hergestellt sind, führt das Zerspanen der Auslaßventile aus keramischen Werkstoffen nicht zu schädlichen Zuständen der Brennkraftmaschine, da die sich gelösten Stücke des Auslaßventiles oder der Auslaßventile nicht in den Brennkraftmaschinenzylinder eintreten können, sondern unmittelbar von der Brennkraftmaschine zusammen mit den Abgasen nach außen abgegeben werden.

Ferner ist es erwünscht, daß die Auslaßventile direkt durch die Nocken angetrieben werden, um Biegebeanspruchungen zu vermeiden, die auf die Auslaßventile einwirken, so daß man die Betriebszuverlässigkeit erhöhen kann. Ferner ist es erwünscht, daß eine einzige Nockenwelle verwendet wird, um die Auslaßventile direkt anzutreiben, während die Einlaßventile mittels Kipphebel angetrieben werden, wodurch sich die zum Antreiben der Nockenwelle notwendige Energie im Vergleich zu dem Fall der Verwendung von zwei Nockenwellen reduzieren läßt, und ferner lassen sich auch die Kosten reduzieren.

Tabelle 1

Claims (2)

1. Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch:
wenigstens ein Einlaßventil (2) pro jeweiligem Zy­ linder (21), das aus Metall hergestellt ist, und
eine Mehrzahl von Auslaßventilen (1) pro Zylinder (21), die aus Keramikmaterial hergestellt sind,
wobei das Verhältnis der Anzahl des Ventilkopfdurch­ messers zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen derart be­ schaffen ist, daß Pe < Pi und De < Di wird, wobei Pe die Anzahl der Auslaßventile pro jeweiligem Zylinder (21) ist, Pi die Anzahl der Einlaßventile pro jeweiligem Zylinder (21) ist, De der Ventilkopfdurchmesser der Auslaßventile (1) ist und Di der Ventilkopfdurchmesser des Einlaßventiles (2) ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nockenwelle (13) mit Nocken (4, 5) und einem Kipphebel (6) vorgesehen ist, wobei die Auslaßventile (1) direkt durch die Nocken (4) der Nockenwelle (3) ange­ trieben und das Einlaßventil (2) durch die Nockenwelle (3) mittels des Kipphebels (6) angetrieben ist oder sind.