DE4426557A1 - Diagonal angeordnete Ventile - Google Patents

Diagonal angeordnete Ventile

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Description

Die Erfindung betrifft diagonal angeordnete, vorzugsweise 4 Ventile und deren Betätigung. Es sind zahlreiche Lösungen bekannt für diagonal angeordneten Ventile bzw. derer Betätigung. Dabei sind in der Mehrzahl räumlich angeordnete Ventile und Kipphebel vorgesehen, welche direkt bzw. unter Zwischenschaltung von Tassenstößel durch Nocken mit konischer Form betätigt werden. Hierbei ist der mechanische Wirkungsgrad schlecht, der Verschleiß stark ausgeprägt und der Raumbedarf sowie der Aufwand wegen einer Mehrzahl aufwendiger Bauteile mit räumlicher Anordnung sehr groß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vielzahl der Bauelemente zu verringern, deren räumliche Anordnung aufzuheben und Nocken mit konischer Flankenform zu vermeiden. Weiterhin soll eine Einströmgasverwirbelung mittels Tangential­ anordnung mindestens eines Einlaßkanals erzielt werden und durch getrennte Regelung der Einlaßsysteme eine quasi Ventilabschaltung bedingte Drehmomentoptimierung erreicht werden.
Diese Probleme werden durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.
Diese Merkmale sind folgende:
A. Allgemeine Merkmale
  • - die zwei Einlaßventile liegen quer zur Kurbelwelle stehend bzw. schräg im Mittelschnitt der Zylinder mit gleichem oder unterschiedlichem Ventilwinkel
  • - die zwei Auslaßventile sind - entgegen anderer Patentbeschrei­ bungen - im Zylinderlängsschnitt stehend, während sie im Zylinderquerschnitt stehend bzw. schräg angeordnet sind
  • - die Einlaßventile münden in getrennten Einlaßkanälen, welche wiederum in ein gemeinsames Sammelrohr zusammengeführt wer­ den
  • - die Auslaßventile eines Zylinders münden zunächst in getrenn­ te Auslaßkanäle, die außerhalb des Zylinderkopfes jeweils in ein Auspuffrohr zusammengeführt werden
  • - zumindest einer der Einlaßkanäle mündet tangential in den Zylinder
  • - die separaten Einlaßsysteme können getrennt geregelt werden.
B. 4-Ventilanordnung mit einer untenliegenden Nockenwelle
  • - die zwei Einlaßventile werden durch je einen Kipphebel betätigt, wobei einer direkt, bzw. mittels Rollen auf den parallelflankigen Nocken anliegt, während der andere sich auf den ersten abstützt und von diesem mitbetätigt wird
  • - die zwei Auslaßventile werden durch getrennte, bzw. zusammenge­ faßte Kipphebel direkt, bzw. mittels Rollen von dem paral­ lelflankigen Nocken betätigt
  • - die Zündkerze liegt im tangential einströmenden Luftstrom
C. 4-Ventilanordnung mit zwei obenliegenden Nockenwellen
  • - die zwei Einlaßventile werden getrennt durch je eine Nocken­ welle betätigt
  • - die zwei Auslaßventile werden von einer der Einlaßnockenwellen aus mitbetätigt
  • - die zwei Einlaßsysteme können auch hier getrennt geregelt werden. Gegenüber dem Einnockenwellensystem können sie un­ terschiedliche Steuerzeiten aufweisen
  • - für Rennmotoren ist die Kombination pneumatische Ventilfede­ rung und Schlepphebelbetätigung vorgesehen
  • Die Vorteile dieser erfindungsgemäßigen Lösung sind folgen­ de:
  • - die Einlaßventile befinden sich in der größten, mittleren Zylinderebene, vielfach mit größerem Ventilwinkel, wodurch die Ventile und damit der volumetrische Wirkungsgrad größer wird als es bei konventioneller Ventilanordnung der Fall ist
  • - die Einlaß- sowie die Auslaßventile sind voneinander soweit entfernt, daß keine gegenseitige Störung in der Gasströmung stattfindet
  • - die Betätigung der in der Querschnittsebene parallel stehenden Ventile ist sehr einfach und kann mit dem besten mechanischen Wirkungsgrad erfolgen
  • - die jeweils völlig getrennten Ein- und Auslaßkanäle können an ihren gesamten Außenflächen gekühlt werden
  • - diese erfindungsgemäße Lösung ist vorteilhaft in Bezug auf Verbrauch sowie Rohemission, sowohl bei den Benzin- als auch bei den Dieselmotoren, weil durch die tangentionale Einmün­ dung einer der Einlaßkanäle eine bessere Gasvermischung er­ zielbar ist.
  • - die Einzelregelung der getrennten Einlaßsysteme bewirken eine Drehmomentoptimierung. Mit der Annahme des Vorhandenseins einer Nockenwellenverstellung ist folgende lastabhängige Regelung möglich:
  • - Leerlauf: nur ein Saugrohr (Ventil) in Funktion, Nocken­ wellenverstellung (NV) in Leerlaufstellung (in­ direkte Abgasrückführung)
  • - Niedrige Teillast: nur ein Saugrohr in Funktion, NV in Laststellung
  • - Mittellast: beide Saugrohre in Funktion, NV in Niedriglast­ stellung
  • - Gehobener Leistungsbereich: beide Saugrohre in Funktion, NV in Laststellung
  • - die getrennten Einlaßsysteme können bei der Zweinockenwellen­ lösung mit unterschiedlichen Steuerzeiten, teillast- bzw. leistungsoptimiert betrieben werden
  • - durch die bei diesem erfindungsgemäßigen Konzept erreichbare, etwa 20% höhere spezifische Leistung ergibt sich ein niedri­ geres Motorgewicht, überproportional bei Dieselmotoren
  • - der Ventilwinkel kann über das übliche Maß bei konventi­ oneller Lösung hinaus gesteigert werden. Hierdurch steigt die Leistung, bedingt durch größeren Ventile und geringere Gasflußstörung in wandnahem Bereich.
Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend an Hand des auf den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spielen beschrieben.
Fig. 1 zeigt, auf welche Weise das erfindungsgemäße 4-Ventilsystem aus konventioneller Lösung abgeleitet wird
Fig. 2 zeigt nun die erfindungsgemäße 4-Ventilanordnung.
Fig. 3 stellt ein Schnitt in der Kanalmittelebene dar.
Fig. 4 zeigt die Betätigung der Einlaßventile sowie das getrennte Einlaß-Schaltkanalsystem.
Fig. 5 zeigt die Auslaßventilbetätigung und die Zündkerzen­ anordnung.
Fig. 6 zeigt die Kipphebelanordnung in der Daraufsicht.
Fig. 7 zeigt die Einlaßventilbetätigung bei der Zweinocken­ wellenlösung.
Fig. 8 stellt eine der möglichen Auslaßventilbetätigungen dar.
Fig. 9 zeigt die Einlaßventilbetätigung eines Dieselmotors mit zentraler Einspritzdüse.
Fig. 10 zeigt die dazugehörige Auslaßventilbetätigung.
Fig. 11 zeigt dieselbe Ventilanordnung, jedoch mit zentral angeordneter Zündkerze, im Austausch zur Einspritzdüse als Benzin­ motor.
Fig. 12 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung der Ventile eines 5-Ventilers im Schnitt AA und
Fig. 13 im Schnitt BB.
Fig. 14 zeigt die erfindungsgemäßige Anordnung der Ventile eines 6-Ventilers im Schnitt AA und
Fig. 15 im Schnitt BB.
Fig. 16 zeigt den Einlaßtrakt eines 4-Ventiler Rennmotors mit pneumatischer Ventilfeder und die Ventilbetätigung mittels Schlepphebel.
Fig. 17 zeigt dessen Auslaßventilbetätigung mittels pneu­ matischer Ventilfeder und von einer der Einlaßnockenwelle aus betätigten Kipphebel.
Mit 1 sind die Einlaßventile bezeichnet, welche im Zylin­ dermittelschnitt stehend, bzw. schräg angeordnet sind. Fig. 1 veranschaulicht, auf welche Weise die erfindungsgemäße Anordnung aus der klassischen 4-Ventilanordnung 2 entsteht und weist auf die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung hin. Die klassischen Einlaßventile 2 werden aus dem kleineren Zylinderlängsschnitt "a"in den größten Zylinderquerschnitt "b" verlegt,wodurch die Ventile, nunmehr 1, größer werden können. Eine weitere Vergrößerung der Ventile 1 können erreicht werden durch einen anordnungsmäßig möglichen größeren Ventilwinkel in der Ebene "b". Größere Ventile ermöglichen aber bekannterweise größere spezifische Motorleistung. Hinzu kommt, daß an den Stellen 3 die Gasströmungswiderstände in wandnahem Bereich deutlich größer sind, als an den Stellen 4 der erfindungsgemäßen Ventilanordnung. Der mögliche größere Ventilwinkel verringert zusätzlich die Wandstörung.
Ein zusätzlicher Nachteil ist bei der konventionellen Ventilan­ ordnung an Stelle 5 auszumachen. Dort wird die Gasströmung gegenseitig durch die nahe Lage der Einlaßventile gestört.
Diese Art Störung fehlt bei der erfindungsgemäßen Lösung fast völlig, insbesondere dadurch, daß eine der Einlaßkanäle schräg angestellt werden kann, was zusätzlich den Vorteil der turbulen­ ten Gaseinströmung ergibt. In Fig. 3 ist ein solcher Schrägein­ laßkanal 6 zu sehen. Auch Auslaßventile 7 sowie Zündkerze 8 bzw. 22 werden besser gekühlt. Die erfindungsgemäßige Ventil­ anordnung ist auf Fig. 2 deutlich erkennbar.
Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Ventilanordnung besteht in der besseren Kühlung der vom Kühlwasser völlig um­ spülten Einzelkanäle.
Auch für die Betätigung der Ventile ergeben sich deutliche Vorteile durch Vereinfachungen, wie nachfolgend ausgeführt:
Ventilbetätigung bei einer untenliegenden Nockenwelle nach Punkt B (Fig. 4 bis 6).
Fig. 4 zeigt den sehr niedrig bauenden Zylinderkopf. Die Einlaß­ ventile 1 werden durch die versetzt liegende Nockenwelle 9 mittels zweier Kipphebel 10 und 11 betätigt. Kipphebel 10 liegt direkt, oder mittels Rolle 12 an der Nockenwelle an, während Kipphebel 11 vom Kipphebel 10 über die Berührungsstelle 13 mitbetätigt wird. Der Vorteil dieser sehr einfachen Lösung ergibt sich aus der geringen Gesamt-Reibleistung und des kleinen axialen Bauraumbedarfs. Dadurch sind breitere Nocken und somit eine größere Lebensdauer erreichbar. Vorteilhafter Weise bilden die stark unterschiedlich langen und in ein Sammelrohr 14 mündenden Saugrohre 15 und 16 mittels Drosselklappe 17 ein Schaltsaugrohrsystem mit bekannter Funktion. Saugrohr 15 kann, wie in Fig. 3 bereits erläutert, als Schrägeinlaßkanal 6 ausge­ führt werden, wobei seine Länge deutlich erhöht werden kann, was bekannterweise zur zusätzlichen Drehmomenterhöhung beiträgt.
Die Betätigung der zwei Auslaßventile 7 (Fig. 5) erfolgt mittels zwei einzelner oder zusammengefaßter Kipphebel 19. Eine Reibungsverminderung kann auch hier durch Anwendung von Rollen 20 erreicht werden. Der hydraulische Spielausgleich 21 (Fig. 4 und 5) ist heute obligatorisch. Die im Zylinderkopf optimal gekühlten, getrennten Auslaßkanäle 18 werden jeweils außerhalb des Zylinderkopfes in ein Einzelrohr zusammengeführt. Dadurch minimiert sich gleichzeitig der Auslaßgasgegendruck.
Bei der Ventilanordnung mit einer Nockenwelle liegt erfin­ dungsgemäß die Zündkerze 22 (Fig. 3 und 5) in dem kühlenden Einlaßgasstrom des Schrägeinlaßkanals 6. Die Zugängigkeit der Zündkerze 22 ist bei dieser Anordnung beispielhaft (Fig. 5). Auch die Zündkerze 22 ist voll wasserumströmt (23 und 24 in Fig. 5).
Die Zylinderkopfkühlung erfolgt jeweils von den Auspuffkanä­ len her mit Querstromfluß. Das Wasser wird dann über das Sammel­ rohr 25 hindurch zum Kühler geführt.
Die Kipphebel 10, 11 und 19 mit Ventilspielausgleich 21 werden von dem zentralen Schmierkanal 30 aus über Nockenwellen­ schmierbohrung 26 und Kipphebelwellenbohrungen 27, 28 sowie 29 mit Drucköl versorgt.
Die Anordnung der Saug- bzw. Auspuffkanäle, die Zündkerze sowie Ventile sind in Draufsicht auf Fig. 6 dargestellt. Eine Besonderheit stellen die rechten Zylinderkopfschrauben 31 dar, mit deren Hilfe die entsprechenden Nockenwellenlagerbügel 32 mit verschraubt werden.
Ventilbetätigung mit zwei Nockenwellen nach Punkt C bei Benzinmotor
Die Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung der Einlaß­ ventilsteuerung mittels Schlepphebel 33 (Fig. 7) bzw. Kipphebel 34 (Fig. 8) ist selbstsprechend. Für die Ventil- und Kanalanord­ nung gilt im wesentlichen das unter Punkt B gesagte mit dem Unterschied, daß hier eine zentrale Zündkerzenanordnung 8 das gegebene ist. Die Schlepphebel 33 mit ihrem hydraulischen Spiel­ ausgleich 35 (Fig. 7), sowie die Kipphebel 34 mit ihrem eben­ falls hydraulischen Spielausgleich 36 (Fig. 8) werden über die Schmierkanäle 37 und 38 mit Drucköl versorgt.
Ventilbetätigung mit zwei Nockenwellen nach Punkt C bei Diesel- bzw. Benzinmotor
Fig. 9 zeigt die erfindungsgemäße Einlaßventilanordnung mit geringstem Ventilwinkel zwecks Erreichung höheren Kompres­ sionsdrücke. Durch den Raumbedarf der zentralen Einspritzdüse 39 sind die Schlepphebel 42 und 43 samt ihres hydraulischen Spielausgleichs 44 und 45 sowie Druckölkanäle 50 und 51 nach außen verlagert. Fig. 10 zeigt eine Auslaßventilbetätigung mittels Schlepphebel 46 mit Gleitfläche 47 bzw. Rolle 48 (strich­ punktiert dargestellt) sowie hydraulischem Spielausgleich 49 und Druckölkanäle 50 und 51. Erfindungsgemäß ist die Verschrau­ bung der Einspritzdüse 39 derart gestaltet, daß im Austausch eine Zündkerze 54 (Fig. 11) eingeschraubt werden kann zwecks Erstellung eines Niederdruck-Dieselmotors, oder gar eines Ben­ zinmotors. Kompressionsvolumendifferenzen werden im Kolben aus­ geglichen. Die entsprechenden Einspritzvorrichtungen sind eben­ falls austauschbar.
5-Ventilanordnung
Die Fig. 12 und 13 führen den Beweis, daß sich der erfindungsgemäße Gedanke der Ventilanordnung auch auf eine 5-Ventilanordnung übertragen läßt. Die Darstellung der Anordnung der Ventile sowie deren Betätigung mittels zweier Nockenwellen, Tassenstößel 72 bzw. Schlepphebel 73 sind in den Fig. 12 und 13 selbstsprechend dargestellt.
6-Ventilanordnung
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung, verteilt auf sechs Ventile wird in den Fig. 14 und 15 klar dargestellt, daher kann auf weitere Erklärungen verzichtet werden.
Rennmotor mit pneumatischer Ventilfeder (Fig. 16 und 17) Die erfindungsgemäße Ventilanordnung ist hier kombiniert mit pneumatischer Ventilfeder 57 und Schlepphebel 59 mit nach unten gekehrtem U-Profil, Gasrückschlagventil 61 und Druckluft­ versorgungskanäle 62 für die Einlaßkanäle 71 (Fig. 16), sowie pneumatische Ventilfeder 58 mit Gasrückschlagventil 61 und Druck­ versorgungskanäle 62 für die Auslaßventile 7 (Fig. 17).

Claims (24)

1. Diagonal angeordnete Ventile insbesondere für Benzin- und Dieselmotoren, sowohl für Serien-, als auch für Rennmotoren mit im mittleren Zylinderquerschnitt einander diagonal ange­ ordneten Einlaßventilen dadurch gekennzeichnet, daß bei einer 4-Ventilanordnung einer der zwei Einlaßkanäle (16) mittig, zwi­ schen den symmetrisch angeordneten Auslaßkanälen (18) liegt, während der andere, den ersteren gegenüber liegenden Einlaßkanal (15 bzw. 6) schräg zur mittleren Zylinderquerschnittsebene der Ventile steht.
2. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Einlaßventile (1) parallel stehend bzw. schräg mit gleichen bzw. ungleichen Ventilwinkeln zugeordnet sind.
3. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei 5-Ventilanordnung einer der drei Einlaß­ kanäle (63) mittig zwischen den zwei symmetrisch angeordneten Auslaßkanälen (18) liegt, während die anderen zwei, den ersteren gegenüberliegenden Einlaßkanälen (64 und 65) symmetrisch zur Zylinderquerschnittsebene zugeordnet sind.
4. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei 6-Ventilanordnung zwei von den vier Einlaßkanälen (66 und 67) symmetrisch zur Zylinderquerschnitts­ ebene angeordnet sind, mittig liegend zwischen den zwei symme­ trisch angeordneten Auslaßkanälen (18), während die anderen zwei, den ersteren gegenüber liegenden Einlaßkanälen (68 und 69) symmetrisch zur Zylinderquerschnittsebene zugeordnet sind.
5. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßventile (1) in getrennten Einlaß­ kanälen (15 und 16) münden.
6. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Einlaßkanäle (15 bzw. 16) unterschiedlich lang sind.
7. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Einlaßkanäle (15 und 16) in ein gemeinsames Saugrohr (14) münden.
8. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Einlaßkanäle (15 und 16) an unterschiedlichen, voneinander getrennten Stellen ins Saugrohr (14) münden.
9. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kürzere Einlaßkanal (16) mittels Drosselklappe (17) zu- bzw. abgeschaltet werden kann.
10. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der unten liegenden Einnockenwellenanord­ nung die zwei Einlaßventile (1) mittels je eines, in einer Zylinderquerschnittsebene liegenden Kipphebel (10 und 11) betä­ tigt werden, wobei einer der Kipphebel (10) direkt, bzw. über Rollen (12) von den gradflankigen Nocken (9) betätigt wird, während der andere Kipphebel (11) von dem ersteren über die Gleitfläche (13) mitbetätigt wird.
11. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Auslaßventile (7) in der Zylinder­ längsschnittsebene einander gegenüber stehend, während in der Zylinderquerschnittsebene ebenfalls stehend bzw. schräg ange­ ordnet sind.
12. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten und sich gegenüber zur Zylin­ derquerschnittsebene symmetrisch angeordneten Auslaßkanäle (18) erst außerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt werden.
13. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßventile (7) jeweils durch getrennten bzw. zusammengefaßten Kipphebel (19) direkt, bzw. über Rollen (20) von gradflankigen Nocken betätigt werden.
14. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zweinockenwellenlösung die Auslaß­ ventile (7) von einer der Einlaßnockenwelle (55) aus mitbetätigt werden.
15. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Einlaßsysteme unterschiedliche Einlaßventilgrößen aufweisen.
16. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zweinockenwellenlösung die getrenn­ ten Einlaßsysteme unterschiedliche Ventilsteuerzeiten aufwei­ sen.
17. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß die nicht zentral angeordnete Zündkerze (22) zwischen den Auslaßkanal (18) und dem schrägen Einlaßkanal (6 bzw. 15) stehend bzw. räumlich schräg angeordnet ist.
18. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dieselmotorversion die zentrale Ein­ spritzdüse (39) mit einer solchen Verschraubung versehen wird, daß sie durch eine Zündkerze (54) ersetzt werden kann, zwecks Erstellung eines Niederdruck- Diesel- bzw. eines Benzinmotors.
19. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Lösung mit untenliegender Nocken­ welle je zwei Zylinderkopfschrauben (31) die Nockenwellenlager­ deckel (32) mithalten und die gegenüberliegenden Zylinderkopf­ schrauben (70 und 74) etwa unterhalb der Auslaßkanäle liegen.
20. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von zwei Nockenwellen, pneumatischer Ventilfederung (57 bzw. 58), Schlepphebel (59) mit nach unten gedrehter U-Profilform betätigte Einlaßventile (1), sowie Kipphebel (60) betätigte Auslaßventile (7) für Rennmotoren vorgesehen sind.
21. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Auspuffventil (7) so geneigt ist, daß die zentrale Zündkerze (8) senkrecht stehen kann.
22. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasrückschlagventile (61) als Plattenventile ausgebildet sind.
23. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle (71) steiler ver­ laufen als die Auslaßkanäle (18).
24. Diagonal angeordnete Ventile nach Anspruch 1 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Luftkanäle (62) sowohl den Auslaßpneumatikzylinder (58) als auch den entsprechenden Einlaßpneumatikzylinder (57) mit Druckluft mitversorgt.
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