EP0344599A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit obenliegenden Steuerwellen in einem Mehrventil-Zylinderkopf - Google Patents

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit obenliegenden Steuerwellen in einem Mehrventil-Zylinderkopf Download PDF

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EP0344599A1
EP0344599A1 EP89109346A EP89109346A EP0344599A1 EP 0344599 A1 EP0344599 A1 EP 0344599A1 EP 89109346 A EP89109346 A EP 89109346A EP 89109346 A EP89109346 A EP 89109346A EP 0344599 A1 EP0344599 A1 EP 0344599A1
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EP
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valves
combustion engine
cylinder
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valve
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EP89109346A
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Paul Rosche
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4214—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves per cylinder
    • F02F1/4221—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves per cylinder particularly for three or more inlet valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/26—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of two or more valves operated simultaneously by same transmitting-gear; peculiar to machines or engines with more than two lift-valves per cylinder
    • F01L1/265—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of two or more valves operated simultaneously by same transmitting-gear; peculiar to machines or engines with more than two lift-valves per cylinder peculiar to machines or engines with three or more intake valves per cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/18—DOHC [Double overhead camshaft]
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F2001/244—Arrangement of valve stems in cylinder heads
    • F02F2001/245—Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated at an angle with the cylinder axis

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating internal combustion engine of the type described in the preamble of claim 1.
  • Such an internal combustion engine with five valves per combustion chamber is known from US Pat. No. 4,624,222, three valves serving for the inlet.
  • Two control shafts arranged in the cylinder head on both sides of a cylinder center plane actuate a group of valves of the same type.
  • Two of the three intake valves are arranged near the cylinder center plane, while the third intake valve is arranged pivoted about the axis of the intake valve control shaft away from the cylinder center plane in the direction of the edge of the cylinder bore. This closes the end face of the valve plate of the third inlet valve e.g. with the cylinder head separating surface a smaller angle than the end faces of the valve plates of the two first-mentioned intake valves.
  • valve disks for the intake valves result in accordance with the large cross sections of the intake ducts. This can be the case with valve disks that are relatively large in relation to the diameter of the cylinder bore cause that they form a significant proportion of the area on the cylinder head-side combustion chamber boundary.
  • the invention has for its object to show an arrangement with three similar poppet valves in about a half of the combustion chamber limit for designing a favorable combustion chamber for a reciprocating piston internal combustion engine of the type described above.
  • the advantage of the invention is that the zone of the combustion chamber limitation on the cylinder head side with the valve disks of the two intake valves with the zone adjacent to the cylinder side with the valve disk of the third intake valve includes a relatively large obtuse angle on the cylinder side, the latter zone, for example, to a cylinder head separating surface at a relative angle large acute angle is arranged. So that's one complete whirling of the combustion chamber section under the valve plate of the third inlet valve is achieved with complete blowing of the charge.
  • the invention advantageously enables the two zones in the approximately half combustion chamber boundary to be matched in sections to the contour of a combustion chamber which is lenticular in cross section and which is known for favorable charge combustion.
  • next subclaims relate to geometrical information on the surface design of the combustion chamber delimitation in the area of the three poppet valves, which are preferably used for the inlet, the respective zone of the combustion chamber delimitation having one or two valve disks being flat or cylindrical or spherical.
  • a compact construction of the cylinder head is achieved by means of conical cams on the control shaft controlling the two identical valves.
  • a compact design of the cylinder head with a flat combustion chamber bowl in the bottom of the cylinder head is served by the features of further subclaims, the two control shafts provided for a 5-valve cylinder head for driving the three intake valves being arranged in the smallest possible mutual center distance.
  • the smallest possible center distance can be determined in particular by the cam height. This allows one of the control shafts to be driven by the other via small-diameter gear wheels.
  • a reciprocating internal combustion engine 1 is equipped with a cylinder head 2, which is equipped with three intake valves 4, 4 ', 4' and two exhaust valves 5, 5 'per combustion chamber 3.
  • the exhaust valves 5, 5 ' are arranged with their valve disks 50, 50' in the half of the combustion chamber delimitation 30 lying on this side of the cylinder center plane E ZM .
  • An overhead control shaft 6 actuates the exhaust valves 5, 5 '.
  • the inlet valves 4, 4 ', 4 ⁇ with their valve disks 40, 40', 40 ⁇ are arranged.
  • the aforementioned valve plate form a substantial proportion of the area of half the combustion chamber boundary 30.
  • FIG. 2 shows that the inlet valves 4 and 4 'with their axes 7 and 7' are in a common plane E V , which are 1 with the cylinder center plane E ZM in the area of the cylinder 8 cuts at an acute angle " ⁇ ".
  • An overhead control shaft 9 actuates the inlet valves 4 and 4 '.
  • the third inlet valve 4 ⁇ is with its valve plate 40 ⁇ between which the inlet valves 4, 4 'arranged approximately centrally and offset to the edge of the cylinder 8, Fig. 2.
  • the third inlet valve 4 ⁇ is with its axis 10 under one point Angle " ⁇ " to the plane E V of the two intake valves 4, 4 'arranged, the axis 10 and the plane E V intersecting in the region of the cylinder 8.
  • the third inlet valve 4 ⁇ is actuated by a control shaft 11.
  • the angle " ⁇ " between the plane E V and the axis 10 of the third intake valve 4 ⁇ is chosen in size so that the center distance "a" of the drive shafts for driving the three intake valves 4, 4 ', 4 ⁇ provided 9 and 11 is as small as possible considering the given cam height. Both control shafts 9, 11 can be driven in opposite directions via meshing gears (not shown).
  • the axes 7, 7 'and 10 of the three intake valves 4, 4', 4 ⁇ each serve as surface normals for the respective valve disks 40 , 40 ', 40 ⁇ adjacent surface areas of the cylinder head-side combustion chamber limitation 30.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit obenliegenden Steuerwellen in einem 5-Ventil-Zylinderkopf werden in einer Brennraumhälfte zwei Einlaßventile (4, 4') mit ihren Achsen (7, 7') in einer gemeinsamen Ebene (Ev) einer Zylindermittenebene (EZM) unter einem spitzen Winkel (α) benachbart angeordnet, während ein gegenüber den zwei vorgenannten Einlaßventilen zum Zylinderrand quer versetztes, drittes Einlaßventil (4'') so angeordnet ist, daß es mit seiner Achse (10) die gemeinsame Ebene (Ev) der beiden anderen Einlaßventile (4, 4') zylinderseitig unter einem spitzen Winkel (β) schneidet. Das dritte Einlaßventil (4'') ist von einer gesonderten Steuerwelle (11) angetrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Bauart.
  • Aus der US-PS 4 624 222 ist eine derartige Brennkraft­maschine mit fünf Ventilen je Brennraum bekannt, wobei drei Ventile für den Einlaß dienen. Zwei im Zylinderkopf beiderseits einer Zylindermittenebene angeordnete Steuerwellen betätigen je eine Gruppe gleichartiger Ventile. Zwei der drei Einlaßventile sind nahe der Zylindermittenebene angeordnet, während das dritte Einlaßventil um die Achse der Einlaßventil-Steuerwelle von der Zylindermittenebene weg in Richtung Rand der Zylinderbohrung verschwenkt angeordnet ist. Damit schließt die Stirnseite des Ventiltellers des dritten Einlaßventiles z.B. mit der Zylinderkopf-Trennfläche einen kleineren Winkel ein als die Stirnflächen der Ventilteller der zwei erstgenannten Einlaßventile.
  • Bei Brennkraftmaschinen für hohe Leistungen ergeben sich entsprechend den großen Querschnitten der Einlaßkanäle große Durchmesser der Ventilteller für die Einlaßven­tile. Dies kann bei im Verhältnis zum Durchmesser der Zylinderbohrung relativ großen Ventiltellern dazu führen, daß diese einen erheblichen Flächenanteil an der zylinderkopfseitigen Brennraumbegrenzung bilden.
  • Hieraus ergibt sich mit einem - wie oben beschrieben - angeordneten dritten Einlaßventil ein zerklüfteter Brennraum mit einem relativ großen Brennraumabschnitt von flach keilförmiger Gestalt unterhalb des Ventil­tellers dieses dritten Einlaßventiles gegenüber dem übrigen Brennraumabschnitt mit den im Winkel steiler angeordneten zwei Einlaßventilen. Nachteilig an diesem zerklüfteten Brennraum ist das unzureichende Durch­brennen der Ladung in dem flach keilförmigen Brennraum­abschnitt unter dem dritten Einlaßventil, da mit der relativ niedrigen Öffnung des keilförmigen Brennraum­abschnittes ein zügiges Vordringen der Flammenfront verhindert ist. Da diese Brennraumform einer raschen und restlosen Verbrennung der Ladung entgegensteht, ergeben sich daraus weiter ein erhöhter Verbrauch und eine schlechtere Abgasqualität.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Bauart eine Anordnung mit drei gleichartigen Teller­ventilen etwa in einer Hälfte der Brennraumbegrenzung zur Gestaltung eines günstigen Brennraumes aufzuzeigen.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Zone der zylinderkopfseitigen Brennraumbegrenzung mit den Ventiltellern der zwei Einlaßventile mit der zylinderseitig benachbarten Zone mit dem Ventilteller des dritten Einlaßventiles zylin­derseitig einen relativ großen stumpfen Winkel ein­schließt, wobei letztgenannte Zone beispielsweise zu einer Zylinderkopf-Trennfläche unter einem relativ großen spitzen Winkel angeordnet ist. Damit ist eine restlose Durchwirbelung des Brennraumabschnittes unter dem Ventilteller des dritten Einlaßventiles mit voll­ständigem Durchbrennen der Ladung erreicht. Die Erfin­dung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, die beiden Zonen in der etwa hälftigen Brennraumbegrenzung ab­schnittsweise an die Kontur eines im Querschnitt lin­senförmigen Brennraumes anzugleichen, der für eine günstige Ladungsverbrennung bekannt ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. So beziehen sich die nächsten Unteransprüche auf geometrische Angaben zur Oberflächen­gestaltung der Brennraumbegrenzung im Bereich der drei vorzugsweise dem Einlaß dienenden Tellerventile, wobei die jeweilige Zone der Brennraumbegrenzung mit einem oder zwei Ventiltellern eben oder zylindrisch oder sphärisch gestaltet sein kann. Bei einer sphärischen Brennraumgestaltung mit radial angeordneten Ventilen wird eine kompakte Bauweise des Zylinderkopfes mittels konischer Nocken an der die zwei gleichartigen Ventile steuernden Steuerwelle erreicht. Einer kompakten Bau­weise des Zylinderkopfes bei flacher Brennraummulde im Boden des Zylinderkopfes dienen die Merkmale weiterer Unteransprüche, wobei die bei einem 5-Ventil-Zylinder­kopf vorgesehenen zwei Steuerwellen zum Antrieb der drei Einlaßventile in einem kleinstmöglichen, gegenseitigen Achsabstand angeordnet sind. Der kleinstmögliche Achs­abstand kann insbesondere durch die Nockenhöhe bestimmt sein. Damit kann weiter eine der Steuerwellen von der anderen über im Durchmesser kleine Zahnräder angetrieben werden.
  • Die Erfindung ist anhand einer Prinzipdarstellung veranschaulicht. Die Zeichnung zeigt in
    • Fig. 1 eine lediglich teilweise dargestellte Brennkraftmaschine im Querschnitt mit einem Zylinderkopf,
    • Fig. 2 eine Ansicht der Brennraummulde im 5-Ventil-Zylinderkopf.
  • Eine Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Zylinderkopf 2 ausgerüstet, der je Brennraum 3 mit drei Einlaßventilen 4, 4′, 4˝ und zwei Auslaßventilen 5, 5′ bestückt ist. Die Auslaßventile 5, 5′ sind mit ihren Ventiltellern 50, 50′ in der diesseits der Zylindermit­tenebene EZM liegenden Hälfte der Brennraumbegrenzung 30 angeordnet. Eine obenliegend angeordnete Steuerwelle 6 betätigt die Auslaßventile 5, 5′. In der jenseits der Zylindermittenebene EZM liegenden Hälfte der Brennraum­begrenzung 30 sind die Einlaßventile 4, 4′, 4˝ mit ihren Ventiltellern 40, 40′, 40˝ angeordnet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, bilden die vorgenannten Ventilteller einen wesentlichen Flächenanteil der hälftigen Brenn­raumbegrenzung 30. Weiter zeigt die Fig. 2, daß die Einlaßventile 4 und 4′ mit ihren Achsen 7 und 7′ in einer gemeinsamen Ebene EV liegen, die sich gemäß Fig. 1 mit der Zylindermittenebene EZM im Bereich des Zylin­ders 8 unter einem spitzen Winkel "α" schneidet. Eine obenliegend angeordnete Steuerwelle 9 betätigt die Einlaßventile 4 und 4′.
  • Das dritte Einlaßventil 4˝ ist mit seinem Ventiltel­ler 40˝ zwischen denen der Einlaßventile 4, 4′ etwa mittig und zum Rand des Zylinders 8 versetzt angeordnet, Fig. 2. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist das dritte Einlaßventil 4˝ mit seiner Achse 10 unter einem spitzen Winkel "β" zur Ebene EV der zwei Einlaßventile 4, 4′ angeordnet, wobei die Achse 10 und die Ebene EV sich im Bereich des Zylinders 8 schneiden. Das dritte Einlaß­ventil 4˝ ist von einer Steuerwelle 11 betätigt.
  • Der Winkel "β" zwischen der Ebene EV und der Achse 10 des dritten Einlaßventiles 4˝ ist in seiner Größe so gewählt, daß der Achsabstand "a" der für den Antrieb der drei Einlaßventile 4, 4′, 4˝ vorgesehenen Steuerwel­len 9 und 11 unter Beachtung der gegebenen Nockenhöhe möglichst klein ist. Beide Steuerwellen 9, 11 können über miteinander kämmende Zahnräder (nicht gezeigt) gegenläufig angetrieben sein.
  • Im Hinblick auf eine günstige Gestaltung des Brennrau­mes 3 mit einer flachen Mulde im Zylinderkopf 2 als Abschluß für den Zylinder 8 dienen die Achsen 7, 7′ und 10 der drei Einlaßventile 4, 4′, 4˝ jeweils als Flä­chennormale für die den jeweiligen Ventiltellern 40, 40′, 40˝ benachbarten Flächenbereiche der zylinder­kopfseitigen Brennraumbegrenzung 30. Weisen die den Ventiltellern 40 und 40′ der Einlaßventile 4 und 4′ benachbarten Flächenbereiche der Brennraumbegrenzung 30 eine einzige, in der gemeinsamen Ebene EV der vorge­nannten Tellerventile liegende Flächennormale auf, ist eine bereichsweise glatte Brennraumbegrenzung 30 er­zielt.
  • Wird die in der Ebene EV liegende, vorgenannte Flächen­normale mit der Achse 10 des dritten Einlaßventiles 4˝ in der Zylindermittenebene EZM in einem Punkt 12 zum Schnitt gebracht, ist damit ein Mittelpunkt für Krüm­mungsradien erreicht, deren Werte etwa vom Durchmesser­maß DZ der Zylinderbohrung 8′ bis Unendlich reichen.
  • Bei unendlich großen Krümmungsradien ergeben sich in Nachbarschaft der Ventilteller 40, 40′, 40˝ ebene Flächenbereiche der Brennraumbegrenzung 30. Bei klei­neren Krümmungsradien können zylindrisch oder sphärisch gewölbte Flächenbereiche erzielt werden. Weiter können in einem Brennraum 3 Flächenbereiche der Brennraumbe­grenzung 30 mit verschieden gekrümmten Oberflächen vorgesehen sein.
  • Weiter ist eine im Bereich der drei Einlaßventile 4, 4′, 4˝ kalottenartig gestaltete Brennraumbegrenzung 30 denkbar mit radial angeordneten Ventilen, wobei die der Zylindermittenebene EZM benachbarten zwei Einlaßventile mit kegelförmigen Nocken der zugehörigen Steuerwelle zusammenwirken (nicht gezeigt).
  • Mit der Erfindung ist somit nicht nur eine günstige räumliche Ausbildung des Brennraumes erreicht, sondern in Verbindung damit auch eine vorteilhafte Oberflächen­gestaltung des Brennraumes.

Claims (8)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit obenliegenden Steuerwellen in einem Mehrventil-Zylinderkopf,
- der je Brennraum (3) mit jeweils mehreren gleich­artigen, hängend angeordneten Tellerventilen (4,4′,4˝;5,5′) ausgerüstet ist, und
- im wesentlichen in einer Hälfte seiner jeweiligen Brennraumbegrenzung (30) die Ventilteller (40, 40′,40˝) dreier gleichartiger Tellerventile (4,4′,4˝) einen wesentlichen Flächenanteil bilden, wobei
- zwei der drei Tellerventile (4,4′) mit ihren Achsen (7,7′) in einer gemeinsamen Ebene (EV) einer Zylindermittenebene (EZM) unter einem spitzen Winkel ( α ) benachbart angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das dritte Tellerventil (4˝) mit seiner Achse (10) die für die zwei Tellerventile (4,4′) gemeinsame Ebene (EV) zylinderseitig unter einem spitzen Winkel ( β ) schneidet, und
- mittels einer gesonderten Steuerwelle (11) betätigt ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Achsen (7,7′,10) der drei Teller­ventile (4,4′,4˝) jeweils als Flächennormale für die den jeweiligen Ventiltellern (40,40′,40˝) benachbarten Flächenbereiche der zylinderkopfsei­tigen Brennraumbegrenzung (30) dienen.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die den Ventiltellern (40,40′) der zwei Tellerventile (4,4′) benachbarten Flächenbe­reiche der Brennraumbegrenzung (30) eine einzige Flächennormale in der gemeinsamen Ebene (EV) dieser Tellerventile liegend aufweisen.
4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Achse (10) des dritten Tellerventils (4˝) und die in der Ebene (EV) der zwei Tellerventi­le (4,4′) liegende, einzige Flächennormale sich in einem Punkt (12) im Bereich der Zylindermitten­ebene (EZM) schneiden,
- wobei dieser Schnittpunkt (12) als Mittelpunkt für Krümmungsradien dient, deren Werte etwa vom Durch­messermaß (DZ) einer Zylinderbohrung (8′) bis Unendlich ( ∞ ) reichen.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­zeichnet,
- daß die Brennraumbegrenzung (30) im Bereich der drei Tellerventile (4,4′,4˝) kalottenartig gestal­tet ist mit radial angeordneten Tellerventilen, wobei
- die der Zylindermittenebene (EZM) benachbarten zwei Tellerventile mit kegelförmigen Nocken der zugehö­rigen Steuerwelle zusammenwirken.
6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet,
- daß die drei Tellerventile (4,4′,4˝) als Einlaß­ventile dienen, und
- daß in der anderen Hälfte der Brennraumbegren­zung (30) die Ventilteller (50,50′) zweier von einer weiteren Steuerwelle (6) betätigter Auslaß­ventile (5,5′) angeordnet sind.
7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuerwel­len (9,11) der drei Einlaßventile (4,4′,4˝) in einem kleinstmöglichen gegenseitigen Achsab­stand ("a") angeordnet sind.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß beide Steuerwellen (9,11) über miteinander kämmende Zahnräder gegenläufig ange­trieben sind.
EP89109346A 1988-06-01 1989-05-24 Hubkolben-Brennkraftmaschine mit obenliegenden Steuerwellen in einem Mehrventil-Zylinderkopf Withdrawn EP0344599A1 (de)

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