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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf gemäß dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
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Damit Verbrennungsmotoren zum Verkauf zugelassen werden, müssen sie
gesetzliche Anforderungen in bezug auf Abgasemissionen erfüllen. Das Erfüllen dieser
Anforderungen ist mit einer zunehmend teuren Steuerung der Verbrennung des
Motors verbunden. Ein wichtiger Faktor, der den Verbrennungsprozess und daher die
Bildung schädlicher Emissionen und die Effizienz der Verbrennung beeinflusst, ist die
Luftbewegung, die in der Brennkammer stattfindet, wenn der Kraftstoff eingesprüht
wird und die Verbrennung beginnt. Diese Luftbewegung wird durch die Bewegung
entscheidend beeinflusst, die als Folge der Gestaltung des/der Einlasskanals/kanäle
der in den Zylinder eintretenden Einlassluft verliehen wird.
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In Dieselmotoren mit Doppeleinlassventilen und mit relativ langen
Einlasskanälen der Bauart, auf die in SE A 9203900-7 verwiesen wird, hat die der Einlassluft
verliehene Bewegung einen verhältnismäßig kleinen Winkel in bezug auf die
Kolbenebene und ist gleichzeitig im wesentlichen tangential in bezug auf einen imaginären
Kreis, der kleiner als der Zylinder und mit diesem konzentrisch ist. Die Kanäle
verleihen folglich der Einlassluft eine bestimmte Drehung, die mittels Laboreinrichtungen
gemessen und zum Testen von Kanalgestaltungen mit optimalen Eigenschaften für
einen gewählten Kompromiss genutzt werden kann.
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Man hat festgestellt, dass die Gestaltung solcher Kanäle des sogenannten
Tangentialtyps und insbesondere ihrer in die Brennskammer führenden Mündung von
großer Bedeutung ist, um die gewünschte Drehung der Einlassluft zu erreichen. Ein
beim Gießen großer Serien von Zylinderköpfen auftretendes Problem ist, ausreichend
enge Toleranzen der Lage der Kanäle einzuhalten. Eine Gefahr, die auftritt, ist, dass
ein anschließendes Fräsen für den Einbau eines Ventilsitzrings zur Folge haben kann,
dass dieser mit dem Kanal nicht vollkommen konzentrisch ist. Deshalb können
Unregelmäßigkeiten, die unter anderem die Form von sich in den Kanal
erstreckenden Kanten beeinflussen, mit sich daraus ergebenden nachteiligen Wirkungen auf die
Bewegung der Einlassluft in den Zylinder auftreten und daher eine vollkommene
Unterbrechung bzw. Störung der gewünschten Überwachung und Steuerung des
Verbrennungsprozesses bewirken.
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Die europäische Patentschrift EP-A-275841 zeigt einen Ventilsitz in einem
Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors. Eine gefräste Ausnehmung im Einlasskanal
beherbergt den mit einer doppelseitigen Fase versehenen Ventilsitz. Der Zweck ist,
den Bearbeitungsprozess zum Erhalten eines Ventilsitzes in einem Einlasskanal zu
verbilligen.
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Die schwedische Patentschrift SE A 7501689-9 bezieht sich auf die Gestaltung
der Mündung eines in die Brennkammer eines Dieselmotors führenden Einlasskanals,
ohne anzugeben, wie die Bewegung der Einlassluft dadurch beeinflusst wird. Der
dort angesprochene Einlasskanal ist vom sogenannten Spiraltyp, der der Einlassluft
eine ausgeprägte spiralartige Bewegung verleiht, welche gleichzeitig eine
verhältnismäßig starke vertikale Komponente aufweist. Diese Art einer Einlassluftbewegung hat
eine Verbrennung zur Folge, die vom Emissionsstandpunkt aus verhältnismäßig
ungünstig ist und in modernen Dieselmotoren gewöhnlich vermieden wird.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, in einem Dieselmotor eine
Gestaltung der Mündung eines in die Brennkammer führenden sogenannten
Tangentialeinlasskanals zu schaffen, so dass die Toleranzanforderungen an die geometrische Lage
im Zylinderkopf des Kanals und/oder des Ventilsitzrings bei einen Niveau gehalten
werden können, das eine einfache und effiziente Herstellung des Zylinderkopfes
erleichtert. Die vorliegende Erfindung erreicht dies durch das im kennzeichnenden
Teil des Hauptanspruchs Angegebene, was sicherstellt, dass die scharfen Kanten
aufgrund des Ventilsitzrings nicht in den Einlasskanal vorragen und dessen
Gestaltung eine vorteilhafte Steuerung des Stroms der Einlassluft in den Zylinder
erleichtert.
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In einer Ausführungsform der Erfindung hat der Ventilsitzring eine
bogenförmige Gestaltung, welche sich bis zu der dem Einlasskanal benachbarten Schulterfläche
erstreckt und zumindest in ihrem oberen Abschnitt einen Radius hat, der zwischen 10
und 50% der Höhe des Ventilsitzrings gleich ist. Dies macht es möglich, dass die den
Einlasskanal verlassende Einlassluft keinen wesentlichen, den Strom verändernden
Störungen ausgesetzt ist, selbst wenn es an der Verbindung zwischen dem
Einlasskanal und dem Ventilsitzring einen gewissen Mangel an Konzentrizität gibt. Das
Ergebnis ist eine zufriedenstellende Aufrechterhaltung des durch den
Tangentialeinlasskanal der Luft verliehenen gerichteten Stroms selbst während des Eintritts der
Luft in den Zylinder mit folglich guten Bedingungen für in Serie gefertigte Motoren,
um einen Einlassluftstrom in die Brennkammer aufrechtzuerhalten, der von den
Standpunkten der Emission und des Kraftstoffverbrauchs aus die gewünschten
Eigenschaften liefert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Anschluss des
Einlasskanals an die Schulterfläche über eine im wesentlichen scharfe Kante. Dies
bedeutet, dass die Richtung eines Stroms der Einlassluft so lange wie möglich
gesteuert werden kann, bevor sie in den Zylinder eintritt, wodurch die Möglichkeit,
einen gewünschten Einlassluftstrom in der Brennkammer zu erzielen, weiter
verbessert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden mit Verweis
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 einen horizontalen Schnitt durch einen Zylinderkopf für einen Zylinder
eines Dieselmotors mit vier Ventilen zeigt,
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Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch einen der Einlasskanäle an seinem
Eingang zum Zylinder zeigt, und
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Fig. 3 einen Querschnitt durch einen für die Erfindung verwendeten
Ventilsitzring zeigt.
Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
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In einem Dieselmotor der in der schwedischen Patentschrift SE A 9203900-7
beschriebenen Art weist einer der separaten Zylinderköpfe eine Gestaltung von
Einlass- und Auslasskanälen auf, die durch den horizontalen Schnitt in Fig. 1
angegeben ist.
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Die unterbrochene Linie in der Zeichnung repräsentiert die Ausdehnung des
Zylinders 1. Der Zylinderkopf 2 enthält zwei Einlassventile 4 und zwei Auslassventile 6
(die in Fig. 1 durch einen Querschnitt durch die jeweiligen Ventilschäfte dargestellt
sind) und eine Ausnehmung oder ein Loch 7, das in bezug auf den Zylinder 1 mittig
und auch konzentrisch mit ihm angeordnet und für einen (nicht dargestellten)
Kraftstoffeinspritzer gedacht ist.
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Der Zylinderkopf ist folglich für einen Vierventilmotor gedacht, in welchem die
Ventile 4, 6 in bezug auf die Seitenflächen 8 des Zylinderkopfes in einer
Drehwinkelkonfiguration angeordnet sind.
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Der Zylinderkopf 2 ist mit einem Abgaskanal 9 versehen, durch den über die
Auslassventile 6 des Motors ausströmende Abgase zu dessen Mündung geleitet
werden können, die in einen nicht dargestellten, einer Seite 8 des Zylinderkopfes 2
benachbarten Abgaskrümmer führt. Der Abgaskanal 9 ist für Abgase von den beiden
Auslassventilen 6 gemeinsam vorgesehen. Der Motor ist ferner mit zwei
Einlasskanälen 10 versehen, welche die Form separater Kanäle für die jeweiligen Einlassventile 4
haben, um Einlassluft von einem (nicht dargestellten) auf der anderen Seite 8 des
Zylinders 2 gelegenen Einlassrohr zur Brennkammer des Zylinders 1 zu leiten. Die
Drehwinkelanordnung der Ventile 4, 6 hat zur Folge, dass die Einlasskanäle 10 eine
relativ lange Ausdehnung aufweisen, was den Vorteil bietet, dass die Einlassluft in
den Zylinder 1 besser gesteuert werden kann, da ihr Strom über eine längere Distanz
beeinflusst werden kann.
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Das Ergebnis ist, dass die Bewegungsrichtung der Einlassluft unter einem
verhältnismäßig kleinen Winkel zu einer hier nicht dargestellten Kolbenebene und
gleichzeitig im wesentlichen tangential zu einem imaginären Kreis liegt, der kleiner
als der Zylinder 1 und mit ihm konzentrisch ist. Die Kanäle 10 verleihen somit der
Einlassluft eine bestimmte Verwirbelung, die so gewählt wird, dass sie optimale
Bedingungen für eine Verbrennung erzeugt, wodurch die Forderung nach sowohl
niedrigen Emissionen als auch geringem Kraftstoffverbrauch erfüllt werden kann.
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Fig. 2 zeigt die Mündung eines der in den Zylinder 1 führenden Kanäle 10 in
einem vertikalen Schnitt. Die Mündung ist herkömmlicherweise mit einem Ventilsitz
11 ausgestattet, der in einem Ventilsitzring 12 ausgebildet ist, welcher in
herkömmlicher Weise in eine gefräste Ausnehmung 13 gepresst ist, die die Mündung des
Einlasskanals 10 umgibt. Die Ausnehmung 13, auch die Ventilsitzmulde genannt, ist
mit einem Tellerventil 14 konzentrisch, das mit dem Ventilsitz 11 zusammenarbeitet
und eine mit der Mittellinie des Zylinders 1 parallele, hin- und hergehende Bewegung
aufweist, d. h. im Falle eines im Tellerventil 11 vertikal angeordneten Zylinders 1 eine
vertikale Bewegung aufweist. Das Tellerventil 14 hat einen Ventilschaft 15, der in
einer Ventilführung 16 gehalten wird, deren unteres Ende einen enthält, der in den
Einlasskanal 10 hineinragenden Vorsprung 23 aufweist. Der Ventilsitzring 12 hat
rundum den gleichen Querschnitt und eine im wesentlichen horizontale untere
Begrenzungsebene 17, die in der eingebauten Lage in einer vertikalen Abstand von
der unteren Ebene 18 des Zylinderkopfes liegt. Dieser Abstand entspricht im
wesentlichen der Distanz, um die der Ventilkopf unterhalb der Begrenzungsebene 17
vorragt, wodurch es ermöglicht wird, eine Ausnehmung in einem im Zylinder 1
laufenden Kolben 5 zu vermeiden. Die Ausnehmung ist ansonsten üblicherweise
erforderlich, um zu verhindern, dass das Tellerventil 14 während eines Betriebs des
Motors mit dem Kolben 5 zusammenstößt. Dies bedeutet, dass der Kolben von
einfacherer Konstruktion ist, wodurch gleichfalls vorteilhaftere Bedingungen für eine
gut überwachte und gesteuerte Verbrennung geschaffen werden.
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Der Prozess zum Gießen des Zylinderkopfes 2 hat zur Folge, dass die Lagen der
Einlasskanäle 10 innerhalb bestimmter Abmessungstoleranzen liegen. Die
Bearbeitung des Zylinderkopfes und der um die Mündungen der Einlasskanäle 10 gelegenen
Ventilsitzmulden 13 basiert auf der Lage der Ventilführung 16 und daher der
vertikalen Bewegung des Ventils 14. Innerhalb der gegebenen Toleranzen kann dies zur
Folge haben, dass die Lage der Mulden 13 in bezug auf die Mündungen der
Einlasskanäle 10 ein wenig versetzt ist. Versieht man den Ventilsitzring 12 mit einer
Bogenfläche 20 entlang seinem oberen Abschnitt, wird es möglich sicherzustellen, dass
sogar im Falle relativ großer Toleranzen der Ventilsitzring 12 nicht in irgendeiner,
eine Strömung unterbrechenden bzw. störenden Weise in den Einlasskanal 10
vorragt. Der Ventilsitzring 12 wird sich somit an einer durch die gefräste
Ausnehmung 13 gebildeten Schulterfläche 19 an den Einlasskanal 10 anschließen. Dies
bringt es mit sich, dass der Anschluss an den Einlasskanal mittels einer sich bis zur
Schulterfläche 19 erstreckenden Bogenform 20 unter einem größeren Durchmesser
als demjenigen erfolgt, den der Einlasskanal 10 an der Schulterfläche 19 aufweist.
Die Bogenform 20 versieht den Ventilsitzring 12 mit einem kleineren
Innendurchmesser als minimaler Durchmesser des Einlasskanals 10 und bildet eine Verengung, die
die Geschwindigkeit der in den Zylinder strömenden Einlassluft erhöht.
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Der Anschluss des Einlasskanals 10 an die Schulterfläche 19 ist über eine im
wesentlichen scharfe Kante 21 ausgebildet, um in der Tasche, welche die Bogenform
20 des Ventilsitzringes 12 mit der Schulterfläche 19 bildet, unmittelbar nach der
Kante einen bestimmten gesteuerten Wirbel zu ermöglichen. Dieser moderate Wirbel
beeinflusst den Einlassluftstrom/ so dass die durch den Ventilsitzring 12 gebildete
Verengung einen erheblich verminderten Effekt auf den Einlassluftstrom und die
Stromrichtung in den Zylinder hat. Das Ergebnis ist eine erwünschte, verhältnismäßig
große Unempfindlichkeit der Ventilsitzanordnung gegenüber verschiedenen
Abmessungsbeziehungen der Bauteile, solange sie innerhalb vorgeschriebener
Herstellungstoleranzen liegen. Trotz derartiger Abweichungen kann folglich die Einlassluft eine
erwünschte gesteuerte tangentiale Einströmung in den Zylinder erzielen, wodurch
gute Möglichkeiten geschaffen werden, dass in Serie gefertigte Motoren die von den
Standpunkten der Emission und des Kraftstoffverbrauchs aus erwünschte
Verbren
nung liefern. Es ist folglich wesentlich, dass der Innendurchmesser des Ventilsitzrings
12, wo er an die Schulterfläche 19 stößt, größer als die Summe des Durchmessers
des Einlasskanals 10 und der auf diesen bezogenen maximalen
Herstellungstoleranzen ist.
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Es wurde als wesentlich festgestellt, dass die Bogenform 20 des Ventilsitzrings
12 bis zu der sich an den Einlasskanal anschließenden Schulterfläche 19 verläuft und
dass sie mindestens in ihrem oberen Abschnitt einen Radius haben sollte, der
zwischen 20 und 50% der Höhe 2 des Ventilsitzrings gleich ist (siehe Fig. 3). Es ist
jedoch auch möglich, für Radien gleich etwas mehr als 10% der Höhe des
Ventilsitzrings gute Effekte zu erzeugen, falls die Ausdehnung in der radialen Richtung der
durch die Kante 21 und die Bogenform 20 begrenzten Tasche etwa 10% der Höhe
des Ventilsitzrings übersteigt. Die Ausdehnung in der radialen Richtung ist
vorteilhafterweise kleiner als etwa 50% der größten Querschnittsbreite des Ventilsitzrings.
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Die Bogenform 20 besteht in vorteilhafter Weise aus mindestens zwei separaten
kreisförmigen Bögen, von denen der obere Bogen einen wesentlich (etwa 40-50%)
kleineren Radius R24 als der Radius R25 des unteren Bogens aufweist. Der Übergang
zwischen den beiden Bögen liegt im wesentlichen dort, wo der Ventilsitzring 12
seinen kleinsten Durchströmquerschnitt aufweist.