DE3901225A1 - Verbrennungsraum fuer verbrennungsmaschinen mit einer vielzahl von ventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsraum für eine Verbrennungsmaschine mit einer Vielzahl von Ventilen je Zylinder (wenigstens drei).

Es ist bekannt, in der Mitte der Kolbenoberfläche von Ver­ brennungsmaschinen einen im wesentlichen ebenen vorsprin­ genden Bereich vorzusehen, um auf diese Weise im Verbren­ nungsraum einen Squish-Bereich auszubilden, mit dessen Hilfe die Verbrennung beschleunigt werden kann. Ein Ver­ brennungsraum mit Squish-Bereich ist beispielsweise aus der US-PS 45 49 510 bekannt.

Es ist auch bereits bekannt, daß die Mehrventiltechnik, d. h. das Vorsehen von mehreren Einlaß- und/oder Auslaßven­ tilen je Zylinder, nützlich ist, um die Zylinderleistung zu steigern. Es sind bereits Verbrennungsmotoren mit Mehr­ ventiltechnik bekannt, bei welchen die Einlaßventile und die Auslaßventile so geneigt angeordnet sind, daß sich eine giebeldachförmige Gestalt des Verbrennungsraumes er­ gibt.

Versieht man einen giebeldachförmigen Verbrennungsraum mit einem Squish-Bereich, so erhält der vorspringende Bereich, der in der Mitte der Kolbenoberfläche ausgebildet ist, die Gestalt eines sich parallel zur Nockenwelle erstreckenden erhöhten Dammes. Dies hat zur Folge, daß sich die von der Einlaßventilseite kommenden Gemischströme und die von der Auslaßventilseite kommenden Gemischströme frontal auf­ einander zubewegen und miteinander kollidieren, wodurch der angestrebte Squish-Effekt beeinträchtigt wird.

Zu den Begriffen "Squish-Bereich" und "Squish-Effekt" sei bemerkt, daß der vorstehend erwähnte vorspringende Bereich in der Mitte der Kolbenoberfläche als Squish-Bereich be­ zeichnet wird. Dieser über die Kolbenoberfläche vorstehen­ de Squish-Bereich verengt den Verbrennungsraum im der Zy­ linderbohrung benachbarten Bereich mit dem Zweck, eine ho­ he Flammenausbreitungsgeschwindigkeit während des Verbren­ nungsvorganges zu erzielen (US-PS 45 49 510).

Wird nun, wie vorstehend angesprochen, das Ausbilden eines Squish-Bereiches in einem giebeldachförmigen Verbrennungs­ raum angestrebt, so erhält dieser auf der Kolbenoberfläche ausgebildete dammförmige vorspringende Bereich mit ebener Oberfläche seine Längsausdehnung in Richtung der Nocken­ welle. Treffen bei einer solchen Ausbildung die von der Einlaßventilseite kommenden Gemischströme frontal mit den von den Auslaßventilseite kommenden Gemischströmen zusam­ men, so wird dadurch der angestrebte Durchwirbelungseffekt des Squish-Bereiches beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Be­ einträchtigung der Gemischströme zu vermindern.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angege­ bene Erfindung gelöst.

Die folgenden Punkte sind im Rahmen der vorliegenden Er­ findung von besonderer Bedeutung:

• 1. Der aus der Mitte der Kolbenoberfläche vorstehende längliche Vorsprung erstreckt sich hauptsächlich pa­ rallel zur Nockenwelle.
• 2. Die auslaßventilseitige oder die einlaßventilseitige Umrißlinie (Kantenlinie) des vorstehenden länglichen Vorsprunges erstreckt sich gleichfalls parallel zur Nockenwelle.
• 3. Eine weitere (gegenüberliegende) Umrißlinie (Kanten­ linie) an der Einlaßventilseite oder an der Auslaß­ ventilseite erstreckt sich nicht parallel zur Nocken­ welle.

Als Folge dieser Konfigurationen der genannten Umrißlinien (Kantenlinien) treffen die Gemischströme nicht frontal aufeinander, so daß der angestrebte Squish-Effekt nicht beeinträchtigt wird, sondern weitere Turbulenzen hervor­ ruft.

Dank der erfindungsgemäßen Verbrennungsraumgestaltung wird das beispielsweise aus dem Squish-Bereich der Auslaßven­ tilseite strömende Gemisch in Richtung senkrecht zur Nockenwelle aus dem Squish-Bereich herausgepreßt. Anderer­ seits wird das Gemischgas, welches aus dem Squish-Bereich der Einlaßventilseite herausströmt, leicht einwärts in Richtung senkrecht zu der sich nicht parallel zur Nocken­ welle erstreckenden Umrißlinie (Kantenlinie) des vorste­ henden Bereiches herausgepreßt.

Weil bei der erfindungsgemäßen Konfiguration der zur Mitte der Zylinderbohrung gerichtete Gemischstrom von der (im ausgewählten Beispiel) Einlaßventilseite größer ist als der Gemischstrom von der (im ausgewählten Ausführungsbei­ spiel) Auslaßventilseite, kann die nachteilige frontale Kollision der beiden Gemischströme vermieden werden, und es wird eine weitere Verwirbelung hervorgerufen, wie in Fig. 5 dargestellt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrie­ ben. In dieser zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den Verbrennungsraum,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 mit Blick auf den Zylinderkopf,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 mit Blick auf die Kolbenoberfläche,

Fig. 4 eine perspektivische Zuordnungsdarstellung des Verbrennungsraumes, und

Fig. 5 einen mit Fig. 3 vergleichbaren Querschnitt, wel­ cher die Gasströmungsrichtungen in dem Verbren­ nungsraum veranschaulicht.

In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine, das Bezugszeichen 2 einen Zylinderkopf, das Bezugszeichen 2 a wenigstens einen ebenen Abschnitt, das Bezugszeichen 3 ein Einlaßventil, das Be­ zugszeichen 4 ein Auslaßventil, das Bezugszeichen 5 eine Einlaßventil-Nockenwelle, das Bezugszeichen 6 eine Auslaßventil-Nockenwelle, das Bezugszeichen 7 eine Ventil­ feder, das Bezugszeichen 8 einen Ventilstößel (Ventilhe­ ber), das Bezugszeichen 9 den Verbrennungsraum, das Be­ zugszeichen 9 a den Squish-Bereich, das Bezugszeichen 10 einen Zylinder, das Bezugszeichen 11 die Zylinderwandung, das Bezugszeichen 11 a eine die Zylinderbohrungsachse ent­ haltende Ebene, das Bezugszeichen 12 einen Kolben, das Be­ zugszeichen 12 a einen länglichen Vorsprung auf der Kolbenoberfläche, das Bezugszeichen 12 b Kolbenoberflächen­ segmente zwischen den Einlaßventilen und den Auslaßventi­ len, das Bezugszeichen 12 c die Umrißlinie (Kantenlinie) des länglichen Vorsprungs 12 a, das Bezugszeichen 12 d die Umrißlinie (Kantenlinie) des vorstehenden Abschnitts 12 a an der Einlaßventilseite, das Bezugszeichen 12 e eine schräge Fläche, das Bezugszeichen 15 einen ausgehöhlten Abschnitt im Zylinderkopf und das Bezugszeichen 17 eine Zündkerze.

Die Vierzylinder-Brennkraftmaschine 1 besitzt in ihrem Zy­ linderkopf 2 drei Einlaßventile 3 und zwei Auslaßventile 4. Diese Ventile werden durch die Umdrehung einer nicht dargestellten Kurbelwelle, über eine einlaßventilseitige Nockenwelle 5 bzw. eine auslaßventilseitige Nockenwelle 6 vermittels Ventilfedern 7 und mit Hilfe von Ventilstößeln (Ventilhebern) 8 gesteuert.

Der Verbrennungsraum 9 ist in einem Raum ausgebildet, wel­ cher durch den Zylinderkopf 2, den Zylinder 10 sowie einen in der Zylinderbohrung 11 aufgenommenen Kolben 12 defi­ niert ist. Die Einlaßventile 3 sowie die Auslaßventile 4 sind zu beiden Seiten einer Ebene 11 a angeordnet, welche die Achse der Zylinderbohrung 11 einschließt. Dabei sind die Einlaßventile auf der einen Seite dieser Ebene 11 a und die Auslaßventile auf der der anderen Seite dieser Ebene angeordnet. Die einzelnen Einlaßventile sind nicht radial angeordnet, sondern parallel zueinander. Entsprechendes gilt für die Auslaßventile.

Die Einlaßventile 3 sind in einem Richtungssinn geneigt, während die Auslaßventile 4 im entgegengesetzten Rich­ tungssinn geneigt sind. Wenn sich der Kolben 12 in seiner oberen Totlage befindet, so bildet die konkave Oberfläche des in der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes 2 ausge­ bildete Verbrennungsraumes im Schnitt gemäß Fig. 1 nahezu ein Dreieck, wobei sich der "First" des giebeldachförmig gestalteten Verbrennungsraumes in Parallelrichtung zu den Nockenwellen erstreckt, so daß der Verbrennungsraum als solcher die Gestalt eines Giebeldaches aufweist.

Der Verbrennungsraum 9 ist außerhalb der Einlaßventile 3 und der Auslaßventile 4 mit dem sogenannten Squish-Bereich 9 a versehen. Dabei handelt es sich, wie am besten in Fig. 2 dargestellt, um wenigstens einen ebenen Abschnitt 2 a, welcher außerhalb der Ventile 3 und 4 angeordnet ist und aus der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes 2 in Rich­ tung auf das Innere der Zylinderbohrung 11 vorsteht. Der ebene Abschnitt 2 a ist nicht in den Bereich 2 b vorgese­ hen, die sich zwischen den Einlaßventilen 3 und den Aus­ laßventilen 4 erstrecken. Dieses dient zweierlei Zwecken, nämlich dem Vermeiden von Strömungsinterferenzen, welche sonst in dem ebenen Abschnitt während des Öffnens der bei­ den Ventile entstehen würden und zwecks Ermöglichung eines Unterdruckes auf der Außlaßventilseite, um das Einlaßven­ til geeignet während der Überlappungszeitdauer zu beauf­ schlagen, während welche die beiden Ventile sich in ihrer geöffneten Stellung befinden. Das Bezugszeichen bezeichnet eine Zündkerze. Wie Fig. 2 deutlich zu entnehmen, umfaßt jeder der beiden dargestellten Squish-Bereiche 9 a einen im Zylinderkopf ausgebildeten ebenen Abschnitt 2 a.

Der Randbereich der Oberfläche des Kolbens 12 liegt den ebenen Abschnitten 2 a parallel gegenüber. Im Zentralab­ schnitt der Kolbenoberfläche ist der bereits erwähnte längliche Vorsprung 12 a vorgesehen, welche sich mit seiner Hauptabmessung parallel zur Achse der Nockenwelle erstreckt und welcher eine ebene Oberfläche aufweist. Der Vorsprung 12 a hat auf der Auslaßventilseite eine Umrißlinie (Kantenlinie) 12 c, welche parallel zur Achse der Nocken­ welle verläuft. Ferne hat dieser Vorsprung 12 a auf der Einlaßventilseite eine Umrißlinie (Kantenlinie) 12 d, wel­ che wie die Bogenlinie eines umgekehrten Großbuchstabens D bzw. wie die Sichel des abnehmenden Mondes gekrümmt ist. Als Folge dieser beiden nicht parallel zueinander verlau­ fenden Umrißlinien (Kantenlinien) 12 c und 12 d besitzt der Vorsprung 12 a in seinem Mittelabschnitt eine größere Brei­ tenabmessung als im Bereich seiner einander gegenüberlie­ genden Endabschnitte, so wie die Sichelenden eines Halb­ mondes schmaler sind als der Mittelabschnitt eines Halb­ mondes. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist der Vorsprung 12 a in der Aufsicht bestimmt durch den Verlauf der Umrißlinien (Randlinien) 12 c und 12 d, welche zwischen schräg verlau­ fenden Flächen 12 e ausgebildet sind. Jede der beiden Um­ rißlininen (Kantenlinien) 12 c und 12 d erstreckt sich pa­ rallel zu einer Linie, welche die Mittelpunkte benachbar­ ter Einlaßventile 3 bzw. benachbarter Auslaßventile 4 mit­ einander verbindet. Das hat zur Folge, daß die Umrißlinie (Kantenlinie) 12 c auf der Auslaßventilseite parallel zu den Längsachsen der Nockenwellen 5 und 6 verläuft, wohin­ gegen die Kantenlinie (Umrißlinie) 12 d, die aus einem obe­ ren Teilstück und einem unteren Teilstück besteht, so ge­ bogen ist, daß der Mittelabschnitt des Vorsprunges 12 a breiter ist als die beiden einander gegenüberliegenden Endabschnitte.

Im folgenden wird der Betrieb der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert. Der Kolben 12 wird abgesenkt, um ein Gasgemisch in den Verbrennungsraum einzuführen. So­ dann wird die Kolbenrichtung zu einem Aufwärtshub umge­ steuert. Wenn der Kolben in einer Stellung etwa 10° vor seiner oberen Totlage angekommen ist, wird das in der Squish-Zone enthaltene Gas in Richtung auf die Mitte des Verbrennungsraumes 9 herausgeschleudert (ejected); wobei unter "Squish-Zone" diejenige Zone zu verstehen ist, die zwischen den um den Umfang des konkaven Abschnitts 15 des Zylinderkopfes ausgebildeten ebenen Abschnitten 9 a, 2 a und den ebenen Abschnitten der Kolbenoberfläche ausgebildet ist.

Als Folge dieses Squish-Vorganges werden, wie in Fig. 1 dargestellt, die Gasströme aus unterschiedlichen Ortslagen herausgeschleudert (ejected) bzw. in unterschiedliche Richtungen gelenkt. Als Folge der in Fig. 5 dargestellten Wirbel und der dadurch hervorgerufenen Turbulenzen wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront gestei­ gert. Die zweiteilige Umrißlinie (Kantenlinie) 12 d ver­ läuft parallel zu einer Linie, welche zwei einander be­ nachbarter Einlaßventile miteinander verbindet. In ähn­ licher Weise verläuft die Umrißlinie (Kantenlinie) 12 c pa­ rallel zu einer Linie, welche ein Paar einander benachbar­ ter Auslaßventile miteinander verbindet. Sind, wie im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel, drei Einlaßventile vorge­ sehen, so ist die Umrißlinie (Kantenlinie) 12 d in zwei Ab­ schnitte unterteilt. Ein erster Abschnitt verläuft pa­ rallel zu einer Verbindungslinie zwischen dem in Fig. 2 oberen Auslaßventil und dem mittleren Auslaßventil und ein zweiter Abschnitt verläuft zwischen dem mittleren Auslaß­ ventil und dem in Fig. 2 unteren Auslaßventil.

Hervorzuheben ist, daß in den Randbereichen 12 b, die zwi­ schen den Einlaßventilen und den Auslaßventilen vorgesehen sind, kein den ebenen Abschnitten 2 a entsprechender ebener Abschnitt vorgesehen ist. Demzufolge werden während einer Überlappungszeit, zu welcher beide Ventile (Auslaßventil und Einlaßventil) geöffnet sind, weder der Einlaßvorgang noch der Auslaßvorgang einen nachteiligen Einfluß auf­ einander ausüben.

Wie vorstehend beschrieben, sind in der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes ebene Abschnitte außerhalb der Einlaß­ ventile und Auslaßventile vorgesehen, welche in Richtung auf die Zylinderbohrung vorstehen. Zudem ist, wie vorste­ hend beschrieben, in der Mitte der Kolbenoberfläche ein D-förmiger länglicher Vorsprung 12 a ausgebildet, der sich mit seiner Hauptabmessung (Längsabmessung) parallel zur Achse der Nockenwellen erstreckt. Ferner ist, wie vorste­ hend erwähnt, die Umrißlinie (Kantenlinie) des Vorsprunges 12 a auf der Auslaßventilseite parallel zur Nockenwellen­ achse orientiert, wohingegen die Kantenlinie (Umrißlinie) des Vorsprunges auf der Einlaßventilseite so gekrümmt ist, daß die beiden Endabschnitte des Vorsprunges eine ge­ ringere Breite aufweisen als der Mittelabschnitt dieses Vorsprunges. Als Folge dieser Konfiguration des vorste­ henden Abschnittes 12 a wird das Auftreten einer Interfe­ renz zwischen dem Gemischgasfluß, der aus dem Squish-Bereich auf der Auslaßventilseite in Richtung auf das Zentrum des Verbrennungsraumes gerichtet ist, und dem Gemischgasstrom, der aus dem Squish-Bereich auf der Ein­ laßventilseite in Richtung auf das Zentrum des Verbren­ nungsraumes gerichtet ist, vermieden, so daß die Geschwin­ digkeiten dieser Gemischgasströme nicht vermindert werden.

Es folgt somit, daß im Verbrennungsraum nach der Erfin­ dung, obwohl derselbe mit einer Vielzahl von Einlaßventi­ len und Auslaßventilen versehen ist und folglich eine komplizierte Gestalt hat, die aus den Squish-Bereichen mit hoher Geschwindigkeit austretenden Gasströme wirksam ge­ nutzt werden, um die Verbrennung des Gemisches im Verbren­ nungsraum zu verbessern.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Verbrennungsmo­ tors mit fünf Ventilen je Zylinder beschrieben worden. Es versteht sich, daß die Erfindung auch auf Verbrennungsmo­ toren mit vier Ventilen je Zylinder angewendet werden kann.

Ferner wurde im vorstehenden Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, daß drei Einlaßventile und zwei Auslaßventile vorgesehen sind, woraus sich die gekrümmte Konturlinie bzw. Umrißlinie 12 d im Bereich der Einlaßventile ergibt. Es versteht sich jedoch, daß die gekrümmte Umrißlinie (Kantenlinie) im Bereich der Auslaßventile verläuft, falls dort drei Auslaßventile vorgesehen werden. Wichtig im Rah­ men der Erfindung ist, daß eine Umrißlinie (Kantenlinie) des vorspringenden Abschnitts 12 a sich parallel zur Nockenwelle erstreckt, während die gegenüberliegende Um­ rißlinie (Kantenlinie) dieses vorspringenden Bereiches 12 a nicht parallel zur Nockenwelle verläuft.

Ferner hat sich als vorteilhaft herausgestellt, daß jede der in der Kolbenoberfläche ausgebildeten Vertiefungen, welche nach Form und Anordnung den der Kolbenoberfläche gegenüberliegend angeordneten Ventilköpfen entsprechen, eine schräge Fläche aufweisen, welche parallel zu einer entsprechenden schrägen Fläche des Zylinderkopfs 2 ver­ läuft. Das Ausbilden derart paralleler Flächen einerseits im Zylinderkopf und andererseits in der Kolbenoberfläche hat zur Folge, daß der Gemischstrom im Bereich einer äuß­ eren Vertiefung nicht parallel verläuft mit einem Ge­ mischstrom, der von einer inneren Vertiefung ausgeht. Der Grund dafür liegt darin, daß das innere (mittlere Einlaß­ ventil) einen kleineren Neigungswinkel gegenüber der Zy­ linderlängsachse 11 a aufweist als die beiden äußeren Ein­ laßventile. Ein Zusamentreffen der Gemischströme, wenn auch nur geringfügig, hat die Wirkung, das Durchwirbeln des angesaugten Gemisches zu beschleunigen, woraus sich eine Verbesserung des Verbrennungsfortschritts im Verbren­ nungsraum 9 ergibt.

Claims (3)

1. Verbrennungsraum für eine mit einer Vielzahl von Einlaß- und Auslaßventilen je Zylinder versehene Brennkraftmaschine, wobei der Verbrennungsraum defi­ niert ist innerhalb einer Zylinderbohrung zwischen einer konkaven Oberfläche, die in der unteren Ober­ fläche eines Zylinderkopfes ausgebildet ist und der Oberfläche eines in der Zylinderbohrung aufgenommenen Kolbens, wobei im Zylinderkopf zu beiden Seiten einer die Zylinderbohrungslängsachse einschließenden Ebene die Einlaßventile und Auslaßventile angeordnet sind, von welchen die Einlaßventile in einem Richtungssinn geneigt sind und die Auslaßventile im anderen Rich­ tungssinn geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes (2) wenigstens ein ebener Abschnitt (2 a) außerhalb der Einlaßventile (3) und der Auslaßventile (4) vorgese­ hen ist, welcher der Zylinderwandung gegenüberliegt, daß im Mittelbereich der Oberfläche des Kolbens (12) ein D-förmiger, länglicher Vorsprung (12 a) vorgesehen ist, der sich mit seiner Längsrichtung parallel zur Längsachse einer Nockenwelle (4, 5) erstreckt, und daß die Umrißlinie (12 c, 12 d) des länglichen Vor­ sprunges (12 a) an der Auslaßventilseite bzw. an der Einlaßventilseite parallel zur Nockenwelle (5, 6) verläuft, während die andere Umrißlinie (12 d, 12 c) des länglichen Vorsprunges (12 a) auf der Einlaßven­ tilseite bzw. auf der Auslaßventilseite nicht pa­ rallel zu der Nockenwelle verläuft.

2. Verbrennungsraum nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umrißlinie (Kantenlinie) (12 c) auf der Auslaßventilseite parallel zur Nockenwelle (5, 6) verläuft und daß die Umrißlinie (Kantenlinie) (12 e) auf der Einlaßventilseite bogenförmige verläuft, so daß die Fläche zwischen der Kantenlinie (12 c) auf der Auslaßventilseite und der Kantenlinie (12 e) auf der Einlaßventilseite die D-förmige Gestalt aufweist.

3. Verbrennungsraum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der längliche Vorsprung (12 a) in seinen beiden Endbereichen eine geringere Breite auf­ weist als in seinem Mittelbereich.