EP4655495B1

EP4655495B1 - Verbrennungskraftmaschine für ein kraftfahrzeug

Info

Publication number: EP4655495B1
Application number: EP23814167.5A
Authority: EP
Inventors: Werner HOLLY; Jochen Haefner
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-01-27
Filing date: 2023-11-28
Publication date: 2026-03-18
Anticipated expiration: 2043-11-28
Also published as: WO2024156401A1; JP2026508105A; CN120530260A; DE102023000254A1; EP4655495A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise aus der DE 10 2021 000 690 A1 oder aus DE 10 2016 105673 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum und wenigstens einen Zylinderkopf auf, welcher wenigstens ein den Brennraum teilweise begrenzendes Brennraumdach aufweist. Dem Brennraumdach und somit dem Brennraum sind, insbesondere genau, zwei Auslasskanäle des Zylinderkopfes und, insbesondere genau, eine an dem Zylinderkopf gehaltene Zündkerze zugeordnet, welche zumindest teilweise zwischen den Auslasskanälen angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, ist erfindungsgemäß je Auslasskanal ein zylindrischer Einstich in den jeweiligen Auslasskanal auf einer jeweiligen, der Zündkerze zugewandten Seite des jeweiligen Auslasskanals vorgesehen. Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Eine jeweilige, auch als Auslasskanaldurchfluss bezeichnete Luftströmung durch den jeweiligen Auslasskanal hindurch ist für die Leistungsfähigkeit einer auch als Verbrennungsmotor oder Brennkraftmaschine bezeichneten Verbrennungskraftmaschine entscheidend. Hierfür ist eine jeweilige, auch als Auslasskanal gestaltete und bezeichnete Gestaltung des jeweiligen Auslasskanals entscheidend. Üblicherweise unterliegt die Auslasskanalgestaltung jedoch folgenden Einschränkungen: Zwischen den Auslasskanälen und somit zwischen den Auslasskanälen zugeordneten Auslassventilen ist vorteilhafterweise die Zündkerze positioniert, was jedoch zu einer starken Reduktion eines jeweiligen, luftdurchströmbaren Strömungsquerschnitts des jeweiligen Auslasskanals führen kann. Vorteilhafterweise wird die Zündkerze durch einen Wassermantel zwischen einem Zündkerzenschacht, in welchem die Zündkerze angeordnet ist, und dem jeweiligen Auslasskanal gekühlt, was zu einer weiteren Reduktion des Strömungsquerschnitts führen kann. Die Auslasskanäle werden üblicherweise mittels eines Gusskerns hergestellt, der den Zylinderkopf beispielsweise als Gussbauteil ausgebildet oder einen die Auslasskanäle aufweisenden beziehungsweise bildenden, durch Gießen hergestellten Gusskörper aufweist. Vorteilhafterweise ist der Gusskern nach oben hin entformbar. Hierdurch ergibt sich jedoch eine eigentlich ungünstige Strömungsführung, woraus Ablösungen im jeweiligen Auslasskanal resultieren können, die zu einer weiteren Reduktion des effektiven Strömungsquerschnitts führen können.
Mögliche Optionen, um die zuvor genannten Nachteile und Probleme zumindest zu reduzieren oder zu vermeiden, können beispielsweise eine Gussoberfläche mit einer Kegelbearbeitung in einem Ventilsitzring umfassen, was kostengünstig ist, jedoch zu sehr schlechten Strömungseigenschaften führt. Ferner wäre der Einsatz eines 2D-Konturfräsers denkbar. Aus Fertigungsgründen kann dieser jedoch nur parallel zur Zylinderachse gefertigt werden. Dadurch ergeben sich nur moderate Vorteile in der Strömungsführung, hauptsächlich derart, dass man die Wandstärken im Vergleich zu einer Gussoberfläche reduzieren kann, weil man keine Gusstoleranzen vorhalten muss. Dadurch ergeben sich geringfügig größere Kanalquerschnitte, allerdings bleiben starke Ablösungen (Strömungswinkel) begrenzt optimierbar. Es ergeben sich allerdings schon deutliche Mehrkosten (lange Standzeiten). Ferner wäre eine 5-Achs-Bearbeitung des Auslasskanals im Bereich des Ventilsitzrings denkbar, was jedoch zu sehr hohen Kosten führen würde und daher nur für Motorsportanwendungen sinnvoll erscheint. Dadurch realisiert werden kann jedoch eine besonders vorteilhafte Strömungskontur mit vorteilhaften Querschnitten und minimalen Ablösungen, so dass eine maximal effektive Strömungsquerschnittsfläche beziehungsweise maximal effektiver Strömungsquerschnitt dargestellt werden kann.
Die Erfindung sieht nun je Auslasskanal einen zylindrischen Einstich in den jeweiligen Auslasskanal und somit pro Auslassventil auf der der Zündkerze zugewandten Seite des jeweiligen Auslasskanals vor. Hierdurch kann auf besonders kostengünstige Weise ein vorteilhaft großer, von Luft durchströmbarer Strömungsquerschnitt des jeweiligen Auslasskanals gewährleistet werden. Der jeweilige, zylindrische Einstich ist eine mechanische Bearbeitung, bei der beispielsweise eine 1D-Bewegung, das heißt eine eindimensionale Bewegung eines Werkzeugs zum Herstellen des jeweiligen Einstiches oder des Zylinderkopfes als Werkstück erfolgt, um den jeweiligen, zylindrischen Einstich herzustellen. Mit anderen Worten kann der jeweilige, zylindrische Einstich durch eine nur eindimensionale Bewegung hergestellt werden, so dass der jeweilige zylindrische Einstich besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann. Durch den jeweiligen, zylindrischen Einstich kann ein vorteilhaft großer Strömungsquerschnitt des jeweiligen Auslasskanals realisiert werden, und im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen können Strömungswinkel von kritischen Bereichen deutlich optimiert werden. Es wurde gefunden, dass durch die Erfindung 90 Prozent des Durchflusses einer 5-Achs-Bearbeitung realisiert werden kann, wobei jedoch im Vergleich zu einer solchen 5-Achs-Bearbeitung der jeweilige zylindrische Einstich besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auf besonders kostengünstige Weise dargestellt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1: ausschnittsweise eine schematische Draufsicht einer Verbrennungskraftmaschine auf ein Brennraumdach der Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 2: ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Perspektivansicht der Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 3: ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht der Verbrennungskraftmaschine entlang einer in Fig. 1 gezeigten Schnittlinie A-A; und
Fig. 4: ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Rückansicht der Verbrennungskraftmaschine entlang einer in Fig. 1 gezeigten Schnittlinie B-B.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Draufsicht eine als Hubkolbenmotor, mithin als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen und ganz vorzugsweise für einen Personenkraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist wenigstens einen Brennraum 12 auf, welcher teilweise durch einen Zylinder 14 und teilweise durch ein Brennraumdach 16 (Fig. 2) der Verbrennungskraftmaschine 10 begrenzt ist. Der Zylinder 14 ist durch ein erstes Gehäuseelement der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet, wobei das erste Gehäuseelement beispielsweise ein Zylindergehäuse, insbesondere ein Zylinderkurbelgehäuse, ist. Das Brennraumdach 16 ist durch ein als Zylinderkopf 18 ausgebildetes, zweites Gehäuseelement der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet, wobei der Zylinderkopf 18 separat von dem ersten Gehäuseelement ausgebildet und mit dem ersten Gehäuseelement verbunden ist. Der Brennraum 12 ist auch teilweise durch einen Kolben begrenzt, welcher translatorisch bewegbar in dem Zylinder 14 angeordnet ist.
Dem Brennraum 12 sind, vorliegend genau, zwei Auslasskanäle 20 zugeordnet, welche durch den Zylinderkopf 18 gebildet, das heißt begrenzt und somit in dem Zylinderkopf 18 verlaufen. Dem jeweiligen Auslasskanal 20 ist, insbesondere genau, ein jeweiliges Auslassventil 22 zugeordnet. Außerdem sind im Brennraum 12, vorliegend genau, zwei Einlasskanäle 24 zugeordnet. Die Einlasskanäle 24 sind ebenfalls durch den Zylinderkopf 18 gebildet, das heißt begrenzt, so dass die Einlasskanäle 24 in dem Zylinderkopf 18 verlaufen. Dem jeweiligen Einlasskanal 24 ist, insbesondere genau, ein jeweiliges Einlassventil 26 zugeordnet. Außerdem ist im Brennraum 12, insbesondere genau, eine Zündkerze 28 zugeordnet, welche separat von dem Zylinderkopf 18 ausgebildet und an dem Zylinderkopf 18 gehalten ist. Beispielsweise weist der Zylinderkopf 18 einen Zündkerzenschacht auf, in welchem die Zündkerze 28 zumindest teilweise angeordnet ist. Erkennbar aus Fig. 1 ist auch ein Wassermantel 30, welcher beispielsweise zumindest teilweise in dem Zylinderkopf 18 verläuft und somit durch den Zylinderkopf 18 gebildet ist. Der Wassermantel 30 ist von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbar, welches zumindest Wasser aufweist. Mittels des den Wassermantel 28 durchströmenden Kühlmittels kann die Zündkerze 28 gekühlt werden. Es ist erkennbar, dass die Zündkerze 28 außenumfangsseitig zumindest teilweise von dem Wassermantel 30 umgeben ist, wobei zumindest ein jeweiliger Teilbereich des Wassermantels 30 zwischen der Zündkerze 28 und dem jeweiligen Auslasskanal 20 beziehungsweise dem jeweiligen Auslassventil 22 angeordnet ist. Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass die Zündkerze 28 zumindest teilweise zwischen den Auslasskanälen 20, insbesondere zwischen den Auslassventilen 22, angeordnet ist. Insbesondere weist der jeweilige Auslasskanal 20 eine jeweilige Eintrittsöffnung auf, über welche der jeweilige Auslasskanal 20 an sich, das heißt für sich alleine betrachtet, in den Brennraum 12 mündet. Somit kann beispielsweise Abgas aus dem Brennraum 12 die jeweilige Eintrittsöffnung durchströmen und somit über die jeweilige Eintrittsöffnung in den jeweiligen Auslasskanal 20 einströmen, so dass das Abgas aus dem Brennraum 12 über die Auslasskanäle 20 abgeführt werden kann. Dabei ist die Zündkerze 28 zumindest teilweise zwischen den Eintrittsöffnungen der Auslasskanäle 20 angeordnet.
Um nun einen besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 auf besonders kostengünstige Weise realisieren zu können, ist je Auslasskanal 20 und somit je Auslassventil 22 ein jeweiliger zylindrischer Einstich 32 in den jeweiligen Auslasskanal 20 auf einer jeweiligen, der Zündkerze 28 zugewandten Seite S des jeweiligen Auslasskanals 20 vorgesehen.
Aus Fig. 2 ist besonders gut eine jeweilige Kegelbearbeitung 34 des jeweiligen Auslasskanals 20 erkennbar. Außerdem besonders gut aus Fig. 2 erkennbar ist der als eindimensionaler Einstich, mithin als 1D-Einstich ausgebildeter, zylindrischer Einstich 32. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass der jeweilige, zylindrische Einstich 32 durch eine nur eindimensionale Relativbewegung zwischen dem Zylinderkopf 18 und einem Werkzeug hergestellt wird, mittels welchem der jeweilige Einstich 32 hergestellt wird. Beispielsweise handelt es sich bei dem jeweiligen Werkzeug um einen Fräser oder Fräskopf, so dass beispielsweise der jeweilige Einstich 32 eine insbesondere als Fräsung ausgebildete, mechanische Bearbeitung des Zylinderkopfs 18 ist.
In Fig. 3 ist eine erste Stromlinie mit 36 veranschaulicht. Die Stromlinie 36 veranschaulicht eine erste Strömung des die jeweilige Eintrittsöffnung durchströmenden und somit über die jeweilige Eintrittsöffnung in den jeweiligen Auslasskanal 20 einströmenden und den jeweiligen Auslasskanal 20 durchströmenden Abgases, wobei es zu der ersten, durch die Stromlinie 36 veranschaulichten Strömung des Abgases kommt oder kommen würde, wenn der jeweilige Auslasskanal 20 den jeweiligen Einstich 32 nicht aufweisen würde. Außerdem veranschaulicht in Fig. 3 eine zweite Stromlinie 38 eine zweite Strömung des die jeweilige Eintrittsöffnung durchströmenden und somit über die jeweilige Eintrittsöffnung in den jeweiligen Auslasskanal 20 einströmenden und den jeweiligen Auslasskanal 20 durchströmenden Abgases, wobei es zu der zweiten Strömung dadurch kommt, dass der jeweilige Auslasskanal 20 den jeweiligen, zylindrischen Einstich 32 aufweist. Anhand der Stromlinien 36 und 38 ist erkennbar, dass das durch den jeweiligen Einstich 32 zu einer deutlichen Verbesserung der Strömung des Abgases kommt, so dass ein besonders effizienter und kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt werden kann. Außerdem kann der jeweilige Einstich 32 kostengünstig hergestellt werden.
Außerdem ist aus Fig. 3 erkennbar, dass der jeweilige Einstich 32 eine erste Mittelachse 40 aufweist. Außerdem weist der Zylinder 14 eine zweite Mittelachse auf, welche auch als Zylinderachse bezeichnet wird. Beispielsweise ist der Zylinder 14 bezüglich seiner Zylinderachse (zweite Mittelachse) zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. In Fig. 3 ist mit α ein erster Winkel bezeichnet, wobei die erste Mittelachse 40 mit einer Geraden 42 den ersten Winkel α einschließt. Dabei verläuft die Gerade 42 parallel zur Zylinderachse, die Gerade 42 ist von der Zylinderachse beabstandet. Dabei verläuft die jeweilige erste Mittelachse 40 in einer jeweiligen, parallel zur zweiten Mittelachse (Zylinderachse) verlaufenden und von der zweiten Mittelachse beabstandeten, ersten Ebene, welche parallel zu einer sich mittig zwischen den Auslasskanälen 20, insbesondere zwischen den Eintrittsöffnungen, hindurch erstreckende, zweiten Ebene verläuft, in der die zweite Mittelachse (Zylinderachse) verläuft. In dieser zuvor definierten, ersten Ebene betrachtet schließt die jeweilige, erste Mittelachse 40 mit der jeweiligen, parallel zu der zweiten Mittelachse und in der ersten Ebene verlaufenden Geraden 42 den ersten Winkel α ein, welcher vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 20 Grad bis einschließlich 60 Grad liegt.
In Fig. 4 ist mit 44 das zuvor genannte Werkzeug veranschaulicht, mittels welchem der jeweilige, zylindrische Einstich 32 hergestellt wird. Somit veranschaulicht das jeweilige Werkzeug 44 den jeweiligen zylindrischen Einstich 32 selbst. Außerdem ist in Fig. 4 ein mit β bezeichneter, zweiter Winkel gezeigt, der beispielsweise von dem jeweiligen Werkzeug 44 insbesondere von dessen dritter Mittelachse, und der zweiten Mittelachse in einer dritten Ebene eingeschlossen wird, in welcher beide Mittelachsen 40 verlaufen. Somit wird beispielsweise der zweite Winkel β in der dritten Ebene betrachtet von der jeweiligen, ersten Mittelachse 40 und der zweiten Mittelachse (Zylinderachse) eingeschlossen, wobei vorzugsweise der zweite Winkel β in einem Bereich von einschließlich 1 Grad bis einschließlich 20 Grad liegt. Hierdurch ist ein jeweiliges, von dem Brennraum 12 abgewandtes, oberes Ende E des jeweiligen Einstiches 32 von der Zündkerze 28 weggeneigt.
Außerdem ist in Fig. 4 der in Fig. 4 mit 46 bezeichnete Zündkerzenschacht erkennbar, in welchem die Zündkerze 28 zumindest teilweise angeordnet ist.
Das Werkzeug 44 weist beispielsweise einen ersten Durchmesser, insbesondere einen ersten Innendurchmesser auf, wobei beispielsweise der erste Durchmesser in einem Bereich von einschließlich 5 mm bis einschließlich 16 mm liegt. Beispielsweise korrespondiert der erste Durchmesser mit einem jeweiligen, zweiten Durchmesser, insbesondere in einem jeweiligen, ersten Innendurchmesser, des jeweiligen, zylindrischen Einstichs 32. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass der jeweilige, zweite Durchmesser des jeweiligen, zylindrischen Einstichs 32 in einem Bereich von einschließlich 5 mm bis einschließlich 16 mm liegt.

Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Brennraum
14: Zylinder
16: Brennraumdach
18: Zylinderkopf
20: Auslasskanal
22: Auslassventil
24: Einlasskanal
26: Einlassventil
28: Zündkerze
30: Wassermantel
32: zylindrischer Einstich
34: Kegelbearbeitung
36: erste Stromlinie
38: zweite Stromlinie
40: erste Mittelachse
42: Gerade
44: Werkzeug
46: Zündkerzenschacht
E: Ende
S: Seite
α: erster Winkel
β: zweiter Winkel

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (12), und mit wenigstens einem Zylinderkopf (18), welcher wenigstens ein den Brennraum (12) teilweise begrenzendes Brennraumdach (16) aufweist, welchem zwei Auslasskanäle (20) des Zylinderkopfes (18) und eine an dem Zylinderkopf (18) gehaltene Zündkerze (28) zugeordnet sind, welche zumindest teilweise zwischen den Auslasskanälen (20) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
je Auslasskanal (20) ein zylindrischer Einstich (32) in den jeweiligen Auslasskanal (20) auf einer jeweiligen, der Zündkerze (28) zugewandten Seite (S) des jeweiligen Auslasskanals (20) vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige, zylindrische Einstich (32) eine jeweilige, erste Mittelachse (40) aufweist, wobei der Brennraum (12) teilweise durch einen Zylinder (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) begrenzt ist, deren Zylinder (14) eine zweite Mittelachse aufweist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige erste Mittelachse (40) in einer jeweiligen, parallel zur zweiten Mittelachse verlaufenden und von der zweiten Mittelachse beabstandeten, ersten Ebene verläuft und in der jeweiligen, ersten Ebene, welche parallel zu einer sich mittig zwischen den Auslasskanälen (20) hindurcherstreckenden, zweiten Ebene verläuft, in welcher die zweite Mittelachse verläuft, mit einer parallel zu der zweiten Mittelachse und in der ersten Ebene verlaufenden Geraden (42) einen ersten Winkel (α) einschließt, welcher in einem Bereich von einschließlich 20 Grad bis einschließlich 60 Grad liegt.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige erste Mittelachse (40) in einer dritten Ebene betrachtet, in welcher beide erste Mittelachsen (40) verlaufen, mit der zweiten Mittelachse einen zweiten Winkel (β) einschließt, welcher in einem Bereich von einschließlich 1 Grad bis einschließlich 20 Grad liegt, wodurch ein jeweiliges, von dem Brennraum (12) abgewandtes Ende (E) des jeweiligen Einstiches (32) von der Zündkerze (28) weggeneigt ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Einstich (32) einen jeweiligen Durchmesser aufweist, welcher in einem Bereich von einschließlich 5 Millimeter bis einschließlich 16 Millimeter liegt.