DE4001819A1 - Fremdgezuendete ventilgesteuerte brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete, ventilge­ steuerte Brennkraftmaschine mit zumindest einem Auslaß­ ventil, zumindest zwei Einlaßventilen und zumindest drei Zündkerzen. Für eine derartige Brennkraftmaschine soll eine im Hinblick auf die Verbrennung und damit zusammen­ hängende Kenngrößen (beispielsweise Energieumsetzung, Emissionen, Standfestigkeit) optimierte Anordnung von Zündkerzen und Ventilen angegeben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß eine erste Zündkerze zwischen zwei Einlaßventilen und je eine Zündkerze zwischen einem Einlaß- und einem Auslaßventil angeordnet ist. Im Gegensatz zur bisher üblichen mitti­ gen Zündkerzenanordnung kann somit die von den Zündker­ zen ausgehende Flamme besser insbesondere in die durch die Einlaßventile eingezogenen, spitzen Brennraumzonen gelangen. Ferner sind alle Zündkerzen mehr oder weniger nahe der Einlaßventile und somit in relativ kalten Brennraumzonen angeordnet. Gewährleistet ist ein siche­ res Entzünden des Magergemisches in den relativ kalten Brennraumzonen durch die Bildung stabiler Flammenkerne an diesen Stellen aufgrund hoher Zündenergie und einem zusätzlichen Anstieg der Gemischtemperatur zur Zeit der Zündung, da diese während der Kompressionsphase erfolgt. Ebenso erfolgt die anschließende Verbrennung in den kritischen, kältesten und geometrisch eingezogenen Brennraumzonen zum Zeitpunkt höchster Gemischtempera­ turen und Drücke (OT-Bereich). Es ergibt sich somit eine erzwungene Verbrennung des Gemisches insbesondere in den Brennraumrandzonen, in denen bei üblichen Brennkraft­ maschinen ein selbsttätiges Erlöschen der Flamme er­ folgt, wodurch eine Herabsetzung der Kohlenwasser­ stoff-Rohemissionen erreicht wird. Auch eine magere Brennraumladung wird schnell und nahezu vollständig durchbrennen, insbesondere durch eine Kombination mit den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4, da die symmetrische Mehrfachzündung in Verbindung mit Gemischerwärmung durch Verdichtung eine anfänglich ansteigende Brenngeschwin­ digkeit sicherstellt. Gegen Ende der Verbrennung erfolgt ein zusätzliches Aufheizen des Restgemisches am bzw. an den heißen Auslaßventil(en), wodurch ein größerer Abfall der Brenngeschwindigkeit vermieden wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die Zündkerzen im Brenn­ raum-Randbereich anzuordnen, da hierdurch der Brenn­ raummittenbereich sowie der Bereich der bzw. des Aus­ laßventile(s) intensivst gekühlt werden kann. Dies ermöglicht wegen der geringeren Klopfneigung ein höheres Verdichtungsverhältnis und führt über zeitliche Ver­ gleichmäßigung der Energieumsetzung, insbesondere aber auch über Erniedrigung der maximalen Verbrennungstem­ peraturen zu einer Reduzierung der Stickoxyd-Emissionen. Weiterhin gelangen hierdurch die Flammen nochmals besser in die einzelnen Brennraum-Randzonen, insbesondere in den Ventilbereichen. Insbesondere bei höheren Gemisch- Abmagerungsraten werden die bei üblichen Brennräumen mit nahezu mittig angeordneter Zündkerze auftretenden Nachteile hiermit vermieden. Diese Nachteile resultieren bei mittiger Zündung aus einer in Richtung auf den Brennraumrandbereich abnehmenden Brenngeschwindigkeit durch mit Flammenfortschritt zunehmenden Wärmeverluste sowie durch einen expansionsbedingten Abfall der Rest­ gastemperatur. Als Folgewirkungen genannt werden können hierfür eine schlechte Energieumsetzung sowie hohe Schadstoffemissionen. Diese Nachteile werden mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vermieden.

Die Ansprüche 5 und 6 geben eine im wesentlichen symme­ trische Anordnung der Ventile und Zündkerzen an, die beste Ergebnisse erwarten läßt. Anspruch 7 hingegen nennt eine konstruktiv vorteilhafte Ausführungsform für eine mehrzylindrige Reihenbrennkraftmaschine.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Erfindungs­ wesentlich können dabei alle näher bezeichneten Merkmale sein. Es zeigt

Fig. 1 in einer Prinzipskizze eine senkrechte Projektion auf einen Brennraum der Brenn­ kraftmaschine,

Fig. 2 einen Zylinderkopf-Schnitt einer konstruktiv ausgeführten Brennkraftmaschine, sowie

Fig. 3 die senkrechte Projektion auf den Zylinder­ kopf aus Fig. 2.

In einen Brennraum 40 einer Brennkraftmaschine münden zwei Einlaßkanäle 4a, 4b, die wie üblich durch Einlaß­ ventile 6a, 6b verschließbar sind. Ferner mündet in den Brennraum 40 ein Auslaßkanal 5. In den Brennraum ragen drei Zündkerzen 3a, 3b, 3c hinein. Alle Zündkerzen befinden sich im Randbereich des Brennraumes 40, wobei die Zündkerze 3c zwischen den beiden Einlaßventilen 6a, 6b angeordnet ist, während sich die Zündkerzen 3a bzw. 3b jeweils zwischen einem Einlaßventil (6a bzw. 6b) und dem Auslaßventil 7 befinden. Diese Anordnung ist mit den eingangs genannten Vorteilen verbunden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen einen konstruktiv ausgeführten Zylinderkopf einer entsprechenden Brennkraftmaschine. Im wesentlichen kommen hierbei gängige Konstruktionsele­ mente bzw. Konstruktionsprinzipien zum Einsatz. Die folgende Bezugszeichenliste enthält dabei die wesent­ lichsten Elemente:

 1 Zylinderkopf
 2 Kolben
 3 Zündkerze
 4 Einlaßkanal
 5 Auslaßkanal
 6 Einlaßventil
 7 Auslaßventil
 8 Nockenwelle
 9 Schlepphebel des Einlaßventiles
10 Schlepphebel des Auslaßventiles
11 Hydraulisches Ventilspiel-Ausgleichselement
12 Ruhende Hochspannungsverteilung einer einlaßseiti­ gen Zündkerze
13 Ruhende Hochspannungsverteilung zweier benachbarter auslaßseitiger Zündkerzen
14 Zylinderkopf-Haube
15 Flansch eines Ansaugkrümmers
16 Flansch eines Abgaskrümmers
17 Zylinderkopf-Schraube
18 Sitzring des Einlaßventiles
19 Sitzring des Auslaßventiles
20 Federteller oben des Einlaßventiles
21 Federteller oben des Auslaßventiles
22 Federteller unten für die Ventilfeder des Einlaß­ ventiles
23 Federteller unten für die Ventilfeder des Auslaß­ ventiles
24 Ventilführung des Einlaßventiles
25 Ventilführung des Auslaßventiles
26 Ventilschaftdichtung des Einlaßventiles
27 Ventilschaftdichtung des Auslaßventiles
28 Ölabscheider der Kurbelgehäuse-Entlüftung
29 Nockenwellen-Lagerbügel
30 Zylinderkopf-Dichtung
31 Abgaskrümmer-Dichtung
32 Metallische Zündspulenabdeckung
33 Zündspulenabdeckung - einlaßseitig
34 Zündspulenabdeckung - auslaßseitig
35 Druckölversorgungskanal
36 Ölrücklauflängsbohrung

Der gezeigte Zylinderkopf zeichnet sich durch eine äußerst kompakte Bauweise aus. Durch Fehlen der die Ventiltellergrößen einschränkenden Mittenkerze sind größte Ein- und Auslaßventile realisierbar.

Der sehr kleine Ventilwinkel (<10°) ermöglicht eine besonders vorteilhafte Brennraumform, welche in Ver­ bindung mit einem günstigen flachen Kolbenboden folgende Merkmale aufweist:

• a) ausreichende Brennraumhöhen in den Zündkerzen und Brennraummittenbereichen, welche eine ungehinderte Flammenausbreitung sicherstellen
• b) keine Ventiltaschen im Kolben, auch bei für Otto- Motoren sehr hohem Verdichtungsverhältnis von etwa 15 bei über Kolben gesteuerten variablen Verdich­ tungsverhältnissen und ausreichend großen Ventil­ hüben
• c) durch Nichtvorhandensein von Ventiltaschen sind auch mit bis zum Brennraumrand ragenden Ventil­ tellern kleinste Spalthöhen zwischen Kolbenboden und erstem Kolbenring realisierbar, wodurch eine zusätzliche Reduktion der HC-Rohemissionen erreicht wird.

Die gespreizten Einlaßkanäle und die Auslaßkanäle ergeben ausreichende kleinste Strömungsquerschnitte. Durch das jeweilige Aneinanderfügen der Einlaßkanäle zweier benachbarter Zylinder am Eintrittsflansch kann der Zylinderkopf mit einer sehr einfachen differenzier­ ten Sauganlage, welche nur vier Drehmomentäste und drei Leistungsäste erfordert, betrieben werden. Die Geometrie der Ventilsteuerungsorgane ermöglicht die Verwendung einer Nockenwelle, bei der die Einlaßnocken deutlich größere Grundkreisdurchmesser besitzen als die Auslaß­ nocken. Somit können die Einlaßventile aufgrund der geringeren Flächenpressungen zwischen Nocken und Schlepphebelgleitstein mit sehr hohen Beschleunigungen geöffnet und geschlossen werden, wodurch hohen Zylinder­ füllungen erreicht werden.

Bei ausreichender Größe der Einlaß- und Auslaßkanäle sowie unter Gewährleistung hinreichend großer Räume für Kühlmittel sind unter optimaler Brennraumgestaltung drei Ventile sowie drei Zündkerzen je Brennraum unterge­ bracht. Vorteilhafterweise können die Zündkerzen neben den Auslaßventilen jeweils von zwei nebeneinanderlie­ genden Zylindern einer Reihen-Brennkraftmaschine in einem gemeinsamen Kerzenschacht zusammengefaßt werden. Ebenso ist es möglich, mittels einer einzigen Nocken­ welle alle Ventile einer Zylinderreihe zu betätigen.

Insbesondere kann eine derartige Brennkraftmaschine auch ohne gezielte Turbulenzmaßnahmen mit homogenen Mager­ gemischen betrieben werden.

Claims (7)

1. Fremdgezündete, ventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit zumindest einem Auslaßventil (7), zumindest zwei Einlaßventilen (6a, 6b) und zumindest drei Zündkerzen (3a, 3b, 3c), wobei eine erste Zündkerze (3c) zwischen zwei Einlaßventilen (6a, 6b) und je eine Zündkerze (3a, 3b) zwischen einem Einlaßventil (6a bzw. 6b) und einem Auslaßventil (7) angeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerzen (3a, 3b, 3c) im Brennraum-Randbereich angeordnet sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchbruchzündung zum Einsatz kommt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung aller Zündkerzen im wesentlichen gleichzeitig erfolgt.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einem Auslaßventil, zwei Einlaßventilen und drei Zünd­ kerzen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer senkrechten Projektion das Auslaßventil (7) und eine Zündkerze (3c) auf einer im wesentlichen den Brennraum (40) halbierenden Geraden liegen.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer senkrechten Projektion eine von den brennraumseitigen Enden der jeweils zwischen einem Einlaßventil (6a, 6b) und dem Auslaßventil (7) liegenden Zündkerzen (3a, 3b) beschriebene Gerade im wesentlichen senkrecht steht auf der im wesentlichen den Brennraum (40) halbie­ renden, durch das Auslaßventil (7) verlaufenden Geraden.

7. Mehrzylindrige Reihen-Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schächte neben­ einanderliegender Zündkerzen zweier Zylinder zusammengefaßt sind.