WO2013023858A1 - Zylinderkopf mit tumblefase - Google Patents

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WO2013023858A1
WO2013023858A1 PCT/EP2012/063987 EP2012063987W WO2013023858A1 WO 2013023858 A1 WO2013023858 A1 WO 2013023858A1 EP 2012063987 W EP2012063987 W EP 2012063987W WO 2013023858 A1 WO2013023858 A1 WO 2013023858A1
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angle
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axis
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Jürgen BITTNER
Ellen Junker
Robert BÖWING
Friedrich SCHÄFER
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Mwm Gmbh
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4235—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of intake channels
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head of a stationary gas spark-ignition engine with at least two Einlasskanä ⁇ len, which open to a cylinder head bottom, and each egg ⁇ nem provided in the inlet passage a valve seat for a one ⁇ outlet valve, wherein the valve seat has a central axis, wherein at least an inlet duct in the region of the cylinder head floor has a chamfer with an axis of symmetry causing a tumble flow of the incoming gas, a radius RF, RF 'of the chamfer forming a radial maximum at a point M relative to the central axis and passing through the central axes and a point M, M 1 of the chamfer cutting radius RF, RF 'on the one hand and the two central axes intersecting connecting line MG on the other hand include an angle ⁇ , wherein the angle ⁇ is removed with respect to the connecting line MG in the clockwise direction and both inlet channels have a chamfer, where Win
  • a tumble combustion process is usually used.
  • This combustion method is based, among other things, on an inlet side generated Tumbleströmung, a roof-shaped combustion chamber and a Tumbleströmung supporting piston recess.
  • the tumble flow thus generated during the suction phase is "crushed" during the compression phase and converted into turbulence.
  • the turbulence accelerates the burning and made light ⁇ good lean-running properties and high exhaust gas recirculation rates.
  • Stationary gas engines are typically derived from auto-ignition diesel engines based on a combustion process with swirl inlet ducts and omega piston recesses.
  • twist chamfers are sometimes used here as well. These are eccentric chamfers on the cylinder head below the intake valves, which direct the outflow from the intake ducts in the twisting direction.
  • the diesel swirl combustion process primarily aims to ensure good internal engine mixture formation.
  • EP 1493910 Al discloses a cylinder head for a diesel engine comprising a first intake passage that extends from a first inlet port to a first outlet opening, and a second inlet channel, which extends from a second inlet port to a second off ⁇ outlet opening, wherein both inlet channels are designed such that the gas flow executes a swirling motion about the main axis of the combustion chamber, wherein at ⁇ least one edge of the first outlet opening of the first intake port has a crescent-shaped chamfer, the downstream with respect to the swirling motion of the main axis of the outlet opening is arranged, wherein the crescent-shaped bevel sym- is arranged metric to an axis C, which is determined by the center of the outlet opening, wherein the axis C is aligned tangentially to the swirl flow.
  • the object of the invention is based, to form a cylinder head ⁇ a stationary gas spark-ignition engine, the base is a diesel engine and so arranged that targeting a tumble flow is generated.
  • the function of the Tumblefasen can be write ⁇ detail as follows.
  • the Tumblefasen act especially at low valve lift, so when opening and closing the valve, when the flow through the valve forcibly to the chamfer or the chamfering is performed. In a large valve ver ⁇ through the outflow from the inlet channel primarily along the valve axis and is hardly affected by the chamfer.
  • the chamfering leads to a significant increase in the tumble flow in the cylinder.
  • the efficiency of this measure is good, that is, the charge movement is significantly increased, oh ⁇ ne that the air expenses in an inadmissible way be taken ⁇ TIG.
  • the eccentric chamfering can in principle be implemented without production costs.
  • the maximum M is achieved in that the axis of symmetry of the chamfer is arranged eccentrically and / or hired to the central axis of the valve seat.
  • the exzentri ⁇ rule arrangement is achieved by the employment of the axis of symmetry that an angle of incidence ⁇ , ⁇ 2 the chamfer surface varies relative to the central axis over the circumference.
  • the ex- centric arrangement and the employment can of course be provided alternatively or in combination.
  • the formation of the chamfer can therefore be determined by its flank angle, ie the cone angle ⁇ of an eccentrically placed milling tool and / or by their Anstel ⁇ ment, ie the angle ⁇ between the axis of the milling tool and the surface normal of Zylinderkopfbo- dens.
  • the flank angle or cone angle ⁇ is preferably between 100 ° and 140 °.
  • the employment or the angle of attack ß is preferably between 0 ° and 10 °. By both measures, a center axis asymmetric bevel can be generated with the desired orientation.
  • the cone angle ⁇ of the eccentrically placed milling tool and / or the angle of attack ß of the milling tool are chosen so that an efficient flow control he ⁇ aims.
  • D Zy i is the diameter of the part of the cylinder head bottom, the combustion chamber after limited above.
  • the tumble flow is favorably influenced, since the flow deflection takes place in the direction of the common, the two inlet valves nearest cylinder wall.
  • both flows converge toward one another in the region of the nearest cylinder wall and are deflected downwards in a favorable manner, so that a tumbling movement is initiated.
  • a trained as Kammerker ⁇ ze spark plug is provided.
  • the maximum intensity of the tumble flow must be limited so that the flame kernel between the spark plug electrodes is not blown out by the strong current.
  • This limitation is eliminated by using a chamber candle.
  • the chamber candle shields the ignition location or the flame kernel from the spark plug pre-chamber from the flow in the combustion chamber and creates its own, defined ignition conditions.
  • a strong tumble flow and a high turbulence Therefore, they primarily affect combustion in the main combustion chamber and not directly on the sensitive ignition phase in the spark plug prechamber. A maximum intensification of the Tumbleströmung is thus possible.
  • the gas engine is operated with a cylinder head described above having a very high purge pressure gradient ⁇ ⁇ - ⁇ , the purge pressure gradient ⁇ ⁇ - ⁇ satisfying the following condition:
  • Figure 1 is a schematic diagram of the cylinder head in the view from below;
  • Figure 2 is a schematic diagram of a sectional view of the cylinder head;
  • Figure 3 is a schematic diagram of a piston.
  • cylinder head 1 of a stationary internal combustion engine has a cylinder head bottom to 1.3, in which two inlet channels 1.1, 1 and two from ⁇ vent channels 7.1, flow 7.1.
  • the cylinder head 1 In the transition region between the respective inlet channel 1.1, 1 and the cylinder head base 1.3, the cylinder head 1 each have a valve seat 2, 2 ⁇ , each with a central axis 2.1, 2.1, which is coaxial with an axis of the respective inlet valve, not shown.
  • the respective valve seat 2, 2 ⁇ closes with respect to the flow direction of the gas to be introduced depending on a mounted on the cylinder head floor 1.3 chamfer 3, 3, each with an axis of symmetry 3.1, 3.1 at.
  • the chamfer 3, 3 has a sickle-shaped shape, since its axis of symmetry 3.1, 3.1 with respect to the central axis 2.1, 2.1 of the respective valve seat 2, 2 ⁇ is provided with an offset or with an eccentricity E. This is achieved by using a frusto-conical milling tool 6 with a cone angle a, the coaxially with the axis of symmetry 3.1 aligned tool axis 6.1 is arranged eccentrically to the central axis 2.1, so that the described sickle-shaped chamfer 3, 3 ⁇ is generated.
  • eccentricity E it is possible according to FIG. 2 to set the applied tool 6 or its tool axis 6.1 with respect to the center axis 2.1 at an angle ⁇ , so that the aforementioned sickle-shaped or unilateral formation of the chamfer 3, 3 is achieved.
  • the included between the chamfer 3 and the center axis 2.1 angle cpi, ⁇ 2 varies over the circumference of the chamfer.
  • the eccentricity E and the An ⁇ angle ⁇ can also be used in combination.
  • the bevel 3, 3 and the radius RF ⁇ on the basis of the previously described eccentricity E with respect to their distance to the center axis 2.1, 2.1 'to a maximum M.
  • the latter angle ⁇ is removed from the connecting straight line MG to the right.
  • an angle ⁇ of the chamfer 3 ⁇ of the left half of the image, starting from the connecting straight line MG, is removed counterclockwise, so that the radii RF, RF ⁇ of the two maxima M, M x facing each other.
  • a spark plug 4 is provided in the cylinder head floor 1.3.
  • delt it is a Kammerzündkerze by means of which are not adversely affected due to the tumbling motion provided that not ⁇ manoeuvrable ignition mixture or the flame kernel.
  • a piston 5 is ⁇ applied, which has a part-spherical or teilorische or lenticular piston recess 5.1.
  • han ⁇ delt there are basic outlines.
  • the design of the cylinder head 1 is not limited to a cylinder ⁇ .

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf (1) eines stationären Gas-Ottomotors mit mindestens zwei Einlasskanälen (1.1, 1.1'), die an einem Zylinderkopfboden (1.3) münden, und mit je einem im Einlasskanal (1.1, 1.1') vorgesehenen Ventilsitz (2, 2') für ein Einlassventil, wobei der Ventilsitz (2, 2') eine Mittelachse (2.1, 2.1') aufweist, wobei mindestens ein Einlasskanal (1.1, 1.1') im Bereich des Zylinderkopfbodens (1.3) eine Fase (3, 3') mit einer Symmetrieachse (3.1, 3.1') aufweist, die eine Tumbleströmung des eintretenden Gases bewirkt, wobei ein Radius (RF, RF'), der Fase (3, 3') in einem Punkt (M) relativ zur Mittelachse (2.1), ein radiales Maximum bildet. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes eines stationären Gasmotors, bei dem ein Fräswerkzeug (6) zur Herstellung der Fase (3) verwendet wird, das einen Kegelwinkel (α) aufweist und mit der Exzentrizität (E) zur Mittelachse (2.1) und/oder unter einem Anstellwinkel (ß) zur Mittelachse (2.1) angesetzt wird, wobei der Kegelwinkel (α) zwischen 100° und 140° beträgt und der Anstellwinkel (ß) zwischen 0° und 10° beträgt.

Description

Zylinderkopf mit Tumblefase
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf eines stationären Gas-Ottomotors mit mindestens zwei Einlasskanä¬ len, die an einem Zylinderkopfboden münden, und mit je ei¬ nem im Einlasskanal vorgesehenen Ventilsitz für ein Ein¬ lassventil, wobei der Ventilsitz eine Mittelachse aufweist, wobei mindestens ein Einlasskanal im Bereich des Zylinderkopfbodens eine Fase mit einer Symmetrieachse aufweist, die eine Tumbleströmung des eintretenden Gases bewirkt, wobei ein Radius RF, RF' der Fase in einem Punkt M relativ zur Mittelachse ein radiales Maximum bildet und der durch die Mittelachsen verlaufende und einen Punkt M, M1 der Fase schneidende Radius RF, RF' einerseits und eine die beiden Mittelachsen schneidende Verbindungsgerade MG andererseits einen Winkel φ einschließen, wobei der Winkel φ mit Bezug zur Verbindungsgeraden MG im Uhrzeigersinn abgetragen ist und beide Einlass kanäle eine Fase aufweisen, wobei ein Win¬ kel φ' der Fase des zweiten Ventilsitzes mit Bezug zur Ver¬ bindungsgeraden MG gegen den Uhrzeigersinn abgetragen ist.
Der Ablauf der Verbrennung in einem Motor wird maßgeblich von der Strömung im Zylinder beeinflusst. Hierbei wird zwischen makroskopischer Strömung (Drall, Tumble) und mikro¬ skopischer Strömung (Turbulenz) unterschieden. Als Drall wird eine Wirbelströmung bezeichnet, deren Rotationsachse parallel zur Zylinderachse liegt, als Tumble wird eine Wir¬ belströmung bezeichnet, deren Rotationsachse rechtwinklig zur Zylinderachse liegt.
Bei fremdgezündeten Pkw-Motoren (Ottomotoren) wird in der Regel ein Tumble-Brennverfahren verwendet. Dieses Brennverfahren basiert u. a. auf einer einlassseitig generierten Tumbleströmung, einem dachförmigen Brennraum und einer die Tumbleströmung unterstützenden Kolbenmulde. Die während der Ansaugphase so generierte Tumbleströmung wird während der Kompressionsphase "zerquetscht" und in Turbulenz umgewandelt. Die Turbulenz beschleunigt die Verbrennung und ermög¬ licht gute Magerlaufeigenschaften bzw. hohe Abgasrück- führraten .
Bei stationären Gasmotoren wird das Tumble-Brennverfahren in dieser Form bisher nicht genutzt.
Stationäre Gasmotoren sind in der Regel von selbstzündenden Dieselmotoren abgeleitet, die auf einem Brennverfahren mit Drall-Einlasskanälen und Omega-Kolbenmulden basieren. Zur Erhöhung des Dralls werden hier zum Teil auch Drallfasen verwendet. Hierbei handelt es sich um exzentrische Anfasungen am Zylinderkopf unterhalb der Einlassventile, die die Abströmung von den Einlasskanälen gezielt in Drallrichtung lenken. Das Diesel-Drall-Brennverfahren zielt allerdings in erster Linie darauf hin ab, eine gute innermotorische Gemischbildung zu gewährleisten.
Eine Umsetzung einer die Tumbleströmung unterstützenden Brennraumgeometrie, wie sie von den fremdgezündeten Pkw- Motoren bekannt ist, würde eine komplette ümkonstruktion bzw. Neukonstruktion des Motors erfordern, wie u. a. die Positionierung der Ventile, die Form der Einlasskanäle, der Brennraum im Zylinderkopf und die Änderung der Ventilbetätigung .
Es ist bereits ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine aus der EP 0 814 245 Bl bekannt, deren Gaswechsel von periodisch betätigten Einlass- und Auslassventilen gesteuert wird, wo¬ bei dem über das Einlassventil einströmenden Frischgas eine Strömungsbewegung derart aufgeprägt wird, dass sich aus der Abgas-Drallströmung und der Frischgasströmungsbewegung im Brennraum eine Ladungsschichtung mit in der Nähe einer Zündkerze erhöhter Frischgaskonzentration einstellt und dass dem zurückgeführten Abgas die Drallströmung durch eine sich nur teilumfänglich um den Strömungsquerschnitt erstreckende Fase aufgeprägt wird, wobei die beiden an den Auslassventilen angeordneten Fasen mit ihren Richtungen derart voneinander abweichen, dass sich zwei gegenläufig zueinan¬ der um parallele Zylinderachsen rotierende Drallströmungen ausbilden, so dass die dem Frischgas aufgeprägte Strömungsbewegung eine quer zur Zylinderachse rotierende Tumbleströmung ist.
Nach der DE 10 2008 026 728 AI ist es bekannt, den Ventilsitz des Einlassventils zwecks Generierung einer Drallströmung mit einer Drallfase zu versehen, wobei die Drallfasen von zwei oder von allen Zylindern unterschiedlich ausgebildet sind. Als variable Größe der Fase kann wohl der Fasenwinkel oder die Größe der Fase in Betracht kommen .
Die EP 1 493 910 AI beschreibt einen Zylinderkopf für einen Dieselmotor mit einem ersten Einlasskanal, der sich von einer ersten Einlassöffnung zu einer ersten Auslassöffnung hin erstreckt, sowie einem zweiten Einlasskanal, welcher sich von einer zweiten Einlassöffnung zu einer zweiten Aus¬ lassöffnung erstreckt, wobei beide Einlasskanäle derart ausgebildet sind, dass die Gasströmung eine Drallbewegung um die Hauptachse der Brennkammer vollführt, wobei zumin¬ dest eine Kante der ersten Auslassöffnung des ersten Einlasskanals eine sichelförmige Fase aufweist, die mit Bezug zur Drallbewegung stromabwärts der Hauptachse der Auslassöffnung angeordnet ist, wobei die sichelförmige Fase sym- metrisch zu einer Achse C angeordnet ist, die durch die Mitte der Auslassöffnung bestimmt ist, wobei die Achse C tangential zur Drallströmung ausgerichtet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinder¬ kopf eines stationären Gas-Ottomotors, dessen Basis ein Dieselmotor ist, derart auszubilden und anzuordnen, dass gezielt eine Tumbleströmung erzeugt wird.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Winkel φ und der Winkel φ ' folgende Bedingungen erfüllen:
Figure imgf000006_0001
wobei beide Punkte M, M' mit Bezug zu der Verbindungsgera¬ den MG auf derselben Seite angeordnet sind. Hierdurch wird eine intensive Tumbleströmung im Zylinder erreicht. Die Fa¬ sen bzw. Ansenkungen sind so Richtung Zylinderwand ausge¬ richtet, dass mit der Einströmung durch die Einlasskanäle in den Zylinder eine Tumbleströmung generiert wird. Im Ge¬ gensatz zu den bekannten Drallfasen, die zur Erzeugung ei¬ ner Drallströmung angewendet werden, handelt es sich hier also um Tumblefasen an den Einlasskanälen, die eine Tumbleströmung erzeugen.
Dies ist insbesondere vorteilhaft bei stationären Gas- Ottomotoren mit unten liegender Nockenwelle. Stationäre Gasmotoren haben in der Regel eine unten liegende Nocken¬ welle, damit der jeweilige zylinderbezogene Zylinderkopf auf einfache Weise zwecks Wartung und Instandhaltung demon¬ tiert werden kann. Ein gemeinsamer Zylinderkopf für mehrere bzw. bis zu 20 oder 24 Zylinder mit integrierten Nockenwellen wäre mithin nicht nur für die Herstellung zu aufwendig, sondern auch nachteilig bei der Wartung. Damit einher geht jedoch eine beschränkte Variabilität bezüglich der Anord¬ nung und Ausrichtung der Ein- und Auslassventile. Letzteres insbesondere vor dem Hintergrund, dass es sich bei statio¬ nären Gas-Ottomotoren um Motoren auf Dieselbasis handelt, die von der Zylinderkopfarchitektur auf eine Drallströmung hin ausgerichtet sind.
Die Funktion der Tumblefasen lässt sich wie folgt näher be¬ schreiben. Die Tumblefasen wirken vor allem bei niedrigem Ventilhub, also beim Öffnen und beim Schließen des Ventils, wenn die Strömung durch das Ventil zwangsweise an die Fase bzw. die Anfasung geführt wird. Bei großem Ventilhub ver¬ läuft die Abströmung vom Einlasskanal primär längs der Ventilachse und wird von der Anfasung kaum beeinflusst.
Die Anfasung führt zu einer deutlichen Verstärkung der Tumbleströmung im Zylinder. Die Effizienz dieser Maßnahme ist gut, d.h. die Ladungsbewegung wird deutlich erhöht, oh¬ ne dass der Luftaufwand in unzulässiger Weise beeinträch¬ tigt wird. Die Anfasung kann in die Serienfertigung einge¬ führt werden, ohne dass der Zylinderkopf anderweitig um¬ konstruiert werden muss. Die exzentrische Anfasung kann im Prinzip fertigungskostenneutral umgesetzt werden.
Insgesamt ergibt sich beim Gasmotor ein mit erhöhtem Wir¬ kungsgrad verbessertes Brennverfahren.
Das Maximum M wird dadurch erreicht, dass die Symmetrieachse der Fase exzentrisch und/oder angestellt zur Mittelachse des Ventilsitzes angeordnet ist. Im Gegensatz zur exzentri¬ schen Anordnung wird durch die Anstellung der Symmetrieachse erreicht, dass ein Anstellwinkel φχ, ψ2 der Fasenfläche relativ zur Mittelachse über den Umfang variiert. Die ex- zentrische Anordnung und die Anstellung können selbstverständlich alternativ oder kombiniert vorgesehen werden.
Die Ausbildung der Fase kann demnach bestimmt sein durch ihren Flankenwinkel, d. h. den Kegelwinkel α eines exzentrisch angesetzten Fräswerkzeugs und/oder durch ihre Anstel¬ lung, d. h. den Anstellwinkel ß zwischen der Achse des Fräswerkzeugs und der Flächennormalen des Zylinderkopfbo- dens . Der Flankenwinkel bzw. Kegelwinkel α beträgt vorzugsweise zwischen 100° und 140°. Die Anstellung bzw. der Anstellwinkel ß beträgt vorzugsweise zwischen 0° und 10°. Durch beide Maßnahmen kann eine zur Mittelachse unsymmetrische Fase mit der gewünschten Ausrichtung erzeugt werden. Der Kegelwinkel α des exzentrisch angesetzten Fräswerkzeugs und/oder der Anstellwinkel ß des Fräswerkzeugs, werden so gewählt, dass eine effiziente Strömungsbeeinflussung er¬ zielt wird. Die Fase kann dabei derart platziert werden, dass ein Abstand a zu einem Durchmesser DZyi bzw. zu einer Zylinderwand größer oder gleich Null ist, d.h. a >= 0. DZyi ist der Durchmesser des Teils des Zylinderkopfbodens , der den Brennraum nach oben begrenzt.
Durch die angegebenen Winkel wird die Tumbleströmung günstig beeinflusst, da die Strömungsablenkung in Richtung der gemeinsamen, den beiden Einlassventilen nächstgelegenen Zylinderwand erfolgt. Zudem laufen beide Strömungen im Bereich der nächstgelegenen Zylinderwand aufeinander zu und werden in günstiger Weise nach unten abgelenkt, so dass eine Tumblebewegung eingeleitet wird.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, wenn | φ| = |φ' | oder |ψ - φ '| <= 45° oder |ψ - φ '| <= 30° oder |φ-φ'| <= 15°. Die beiden Winkel können bis auf 45° voneinander ab- weichen, ohne dass gravierende Nachteile für die Strömung entstehen. Vorzugsweise sind sie etwa gleich groß.
Vorteilhaft ist die Ausrichtung der Tumblefasen unter An¬ wendung eines der vorstehend genannten Winkel φ derart, dass die Strömungsablenkung in Richtung der den beiden Ein¬ laßventilen nächstgelegenen Zylinderwand zielt. Somit wird einerseits im Zusammenspiel mit der Krümmung der Zylinderwand eine Tumbleströmung generiert und andererseits aber ein Abstand a der Tumblefase zur Zylinderwand, mit a <= 0 gewährleistet .
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn die durch die exzentrische Anordnung bestehende Exzentrizität E zwischen der Symmetrieachse und der Mittelachse die Bedingung erfüllt, dass
1/260 <= E/DZyi <= 10/260 oder 3/260 <= E/DZyl <= 7/260, wo¬ bei DZyi der Durchmesser des Teils des Zylinderkopfbodens ist, der den Brennraum nach oben begrenzt. Die Exzentrizität E der Ansenkungen bzw. Tumblefase ist so gewählt, dass eine deutliche Intensivierung der Tumbleströmung erreicht wird, ohne dass die Durchflussgüte der Einlasskanäle nen¬ nenswert beeinträchtigt wird.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn eine als Kammerker¬ ze ausgebildete Zündkerze vorgesehen ist. Beim Pkw- Ottomotor muss die maximale Intensität der Tumbleströmung begrenzt sein, damit der Flammenkern zwischen den Zündkerzenelektroden nicht durch die starke Strömung ausgeblasen wird. Diese Begrenzung fällt durch Anwendung einer Kammerkerze weg. Die Kammerkerze schirmt den Zündort bzw. den Flammenkern durch die Zündkerzen-Vorkammer vor der Strömung im Brennraum ab und schafft eigene, definierte Zündbedingungen. Eine starke Tumbleströmung und eine hohe Turbulenz wirken sich daher primär auf die Verbrennung im Hauptbrennraum aus und nicht direkt auf die empfindliche Entflammungsphase in der Zündkerzen-Vorkammer. Eine maximale Intensivierung der Tumbleströmung ist somit also möglich.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn eine sphärisch oder torisch bzw. linsenförmig geformte Kolbenmulde vorgesehen ist. Die am Einlasskanal generierte Tumbleströmung kann nur dann vollständig genutzt werden, wenn der Motor eine die Tumbleströmung unterstützende Kolbenmulde aufweist. Eine solche Kolbenmulde wie vorgehend beschrieben hat im Ver¬ gleich zur tiefen Mulde wie der Omega-Mulde außerdem die Vorteile, dass die Flammenwege von der Zündkerze bis zum Brennraumrand besonders kurz sind und die Brennraumoberfläche klein ist.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes eines stationären Gasmotors von Vorteil, bei dem ein Fräswerkzeug zur Herstellung der Fase verwendet wird, das einen Kegelwinkel aufweist und mit der Exzentrizität E zur Mittelachse und/oder unter einem Anstellwinkel ß zur Mittelachse angesetzt wird, wobei der Kegelwin¬ kel α zwischen 100° und 140° beträgt und der Anstellwin¬ kel ß zwischen 0° und 10° beträgt.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn der Gasmotor mit einem vorstehend beschriebenen Zylinderkopf mit einem sehr hohen Spüldruckgefälle ΔρΕ-Α betrieben wird, wobei das Spüldruckgefälle ΔρΕ-Α die folgende Bedingung erfüllt:
700 mbar <= ÄpE-Ä <= 1200 mbar.
Beim stationären, aufgeladenen Gasmotor liegt nun prinzipbedingt ein hohes Spüldruckgefälle zwischen Ein-und Auslasskanal vor. Dadurch entsteht beim Öffnen der Einlassventile, bis sich die Druckverhältnisse ausgeglichen haben, zunächst eine starke Strömung. Die Tumblefasen haben daher in diesem Zeitraum eine besonders starke Wirkung.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Betrieb unter Verwendung von Miller-Steuerzeiten mit frühem Schließen der Einlassventile erfolgt, wobei das Einlassventil bei einem Kurbelwinkel KW von KW >= 20° vor UT schließt, gemessen bei einem Ventilhub von 1 mm. D.h. bei einem Kurbelwinkel KW von KW = 20° ist das Einlassventil gerade noch 1 mm geöffnet. Diese unterstützen die Tumblebewegung, weil die Einlassventile bereits schließen, während sich der Kolben noch zum unteren Totpunkt hinbewegt. Dadurch entsteht beim Schließen der Einlassventile - wie auch beim Öffnen - eine starke Strömung, die die Wirkung der Tumblefasen auch im Schließvorgang begründet.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch einen stationären Gas- Ottomotor mit einer unten liegenden Nockenwelle mit einem vorstehend beschriebenen Zylinderkopf und/oder durch einen stationären Gas-Ottomotor, der betrieben wird mit einem sehr hohen Spüldruckgefälle ΔρΕ_Α, wobei ΔρΕ_Α die folgende Bedingung erfüllt: 700 mbar <= ΔρΕ-Α <= 1200 mbar und/oder bei dem Miller-Steuerzeiten angewendet werden, wobei der Kurbelwinkel KW bei dem die Einlassventile schließen, die folgende Bedingung erfüllt: KW >= 20 vor UT, bei 1 mm Ven¬ tilhub.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze des Zylinderkopfs in der Ansicht von unten; Figur 2 eine Prinzipskizze einer Schnittdarstellung des Zylinderkopfs ;
Figur 3 eine Prinzipskizze eines Kolbens.
Ein in Fig. 1 dargestellter Zylinderkopf 1 einer stationären Brennkraftmaschine weist einen Zylinderkopfboden 1.3 auf, in dem zwei Einlasskanäle 1.1, 1. sowie zwei Aus¬ lasskanäle 7.1, 7.1 münden. Im Übergangsbereich zwischen dem jeweiligen Einlasskanal 1.1, 1. und dem Zylinderkopfboden 1.3 weist der Zylinderkopf 1 je einen Ventilsitz 2, 2Λ mit je einer Mittelachse 2.1, 2.1 auf, die koaxial zu einer Achse des jeweiligen, nicht dargestellten Einlassventils verläuft. An dem jeweiligen Ventilsitz 2, 2Λ schließt mit Bezug zur Strömungsrichtung des einzuführenden Gases je eine am Zylinderkopfboden 1.3 angebrachte Fase 3, 3 mit je einer Symmetrieachse 3.1, 3.1 an. Die Fase 3, 3 weist eine sichelförmige Form auf, da ihre Symmetrieachse 3.1, 3.1 mit Bezug zu der Mittelachse 2.1, 2.1 des jeweiligen Ventilsitzes 2, 2Λ mit einem Versatz bzw. mit einer Exzentrizität E versehen ist. Dies wird erreicht durch Anwendung eines kegelstumpfförmigen Fräswerkzeuges 6 mit einem Kegelwinkel a, dessen koaxial zur Symmetrieachse 3.1 ausgerichtete Werkzeugachse 6.1 exzentrisch zur Mittelachse 2.1 angeordnet ist, sodass die beschriebene sichelförmige Fase 3, 3 λ erzeugt wird .
Der Zylinderkopfboden 1.3 weist einen Bereich 1.4 auf, der den Brennraum bzw. den Zylinder nach oben begrenzt. Der Be¬ reich 1.4 weist einen Durchmesser DZyi auf, der einem Durch¬ messer eines nicht dargestellten abzudeckenden Zylinders entspricht. Das hier dargestellte Verhältnis von Exzentrizität E zu Durchmesser DZyi ist beträgt etwa 3,4 zu 260. Die Fase weist einen Abstand a zum Rand des Brennraumde¬ ckels 1.4, d.h. zum Durchmesser DZyl bzw. zu einer nicht dargestellten Zylinderwand auf, der größer oder gleich Null sein sollte. Mithin sollte ein negativer Abstand, also eine Überschneidung zwischen der Fase und dem Durchmesser DZyi vermieden werden.
Alternativ zu der vorgehend beschriebenen Exzentrizität E ist es gemäß Fig. 2 möglich, das angewendete Werkzeug 6 bzw. dessen Werkzeugachse 6.1 in Bezug zur Mittelachse 2.1 unter einem Anstellwinkel ß anzustellen, sodass vorgenannte sichelförmige bzw. einseitige Ausbildung der Fase 3, 3 erreicht wird. In diesem Fall variiert der zwischen der Fase 3 und der Mittelachse 2.1 eingeschlossene Winkel cpi, φ2 über den Umfang der Fase. Die Exzentrizität E und der An¬ stellwinkel ß können auch kombiniert angewendet werden.
Nach Fig. 1 weist die Fase 3, 3 bzw. der Radius RF auf¬ grund der vorbeschrieben Exzentrizität E bezüglich ihres Abstandes zur Mittelachse 2.1, 2.1' ein Maximum M auf. Hierbei schließt ein durch den Punkt M sowie die Symmetrieachse 3.1, 3.1 in der Fase 3, 3λ verlaufender Radius RF mit einer die beiden Mittelachsen 2.1, 2.1' verbindenden Verbindungsgeraden MG einen Winkel ψ von etwa 60° ein. Letztgenannter Winkel φ ist ausgehend von der Verbindungsgeraden MG nach rechts abgetragen. Im Gegensatz zu der Fase 3 in der rechten Bildhälfte nach Fig. 1 ist ein Winkel φ der Fase 3Λ der linken Bildhälfte, ausgehend von der Verbindungsgeraden MG, gegen den Uhrzeigersinn abgetragen, sodass die Radien RF, RF Λ der beiden Maxima M, Mx einander zugewandt sind.
In der Prinzipskizze nach Fig. 2 ist im Zylinderkopfboden 1.3 eine Zündkerze 4 vorgesehen. Bei der Zündkerze 4 han- delt es sich um eine Kammerzündkerze, mittels der das not¬ wendige Zündgemisch bzw. der Flammenkern aufgrund der bereitgestellten Tumblebewegung nicht negativ beeinflusst werden .
In Fig. 3 wird in einer Ausführungsform ein Kolben 5 ange¬ wendet, der eine teilsphärische bzw. teiltorische oder auch linsenförmige Kolbenmulde 5.1 aufweist.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen han¬ delt es sich um Prinzipskizzen. Selbstverständlich ist die Ausbildung des Zylinderkopfs 1 nicht auf einen Zylinder be¬ schränkt .
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000016_0001

Claims

Patentansprüche
1. Zylinderkopf (1) eines stationären Gas-Ottomotors mit mindestens zwei Einlasskanälen (1.1, 1.1'), die an einem Zylinderkopfboden (1.3) münden, und mit je einem im Einlasskanal (1.1, 1.1') vorgesehenen Ventilsitz (2, 2') für ein Einlassventil, wobei der Ventilsitz (2, 2') eine Mittelachse ( 2.1 , 2.1') aufweist, wobei mindestens ein Einlasskanal (1.1, 1.1') im Bereich des Zylinderkopfbo- dens (1.3) eine Fase (3, 3') mit einer Symmetrieach¬ se (3.1, 3.1') aufweist, die eine Tumbleströmung des eintretenden Gases bewirkt, wobei ein Radius RF, RF' der Fase (3, 3') in einem Punkt M relativ zur Mittelach¬ se (2.1) ein radiales Maximum bildet und der durch die Mittelachsen (2.1, 2.1') verlaufende und einen Punkt M, M' der Fase (3, 3') schneidende Radius RF, RF' einerseits und eine die beiden Mittelachsen (2.1, 2.1') schneidende Verbindungsgerade MG andererseits einen Win¬ kel φ einschließen, wobei der Winkel φ mit Bezug zur Verbindungsgeraden MG im Uhrzeigersinn abgetragen ist und beide Einlasskanäle (1.1, 1.1') eine Fase (3, 3') aufweisen, wobei ein Winkel φ ' der Fase (3') des zweiten Ventilsitzes (2') mit Bezug zur Verbindungsgeraden MG gegen den Uhrzeigersinn abgetragen ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Winkel φ und der Winkel φ' folgende Bedingungen erfüllen:
Figure imgf000017_0001
wobei beide Punkte M, ' mit Bezug zu der Verbindungsge¬ raden MG auf derselben Seite angeordnet sind.
2. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass |ψ| = [φΊ oder |ψ - φ ' | <= 45° oder |φ-φ'| <= 15°.
3. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Exzentrizität E zwischen der Symmetrieachse (3.1, 3.1') und der Mittelachse (2.1, 2.1') folgende Bedingung erfüllt:
Figure imgf000018_0001
wobei DZyl der Durchmesser des Brennraumdeckels ist.
4. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Fase (3, 3') zum Durchmesser DZyl einen Abstand a, mit a >= 0 aufweist.
5. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass eine als Kammerkerze ausgebildete Zündkerze (4) vorgesehen ist.
6. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass am Kolben (5) eine sphärisch oder torisch bzw. linsenförmig geformte Kolbenmulde (5.1) vorgesehen ist .
7. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes eines stationären Gasmotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass ein Fräswerkzeug (6) zur Herstellung der Fase (3) verwendet wird, das einen Kegelwinkel aufweist und mit der Exzentrizität E zur Mittelachse (2.1) und/oder unter einem Anstellwinkel ß zur Mittelachse (2.1) angesetzt wird, wobei der Kegelwinkel α zwischen 100° und 140° beträgt und der Anstellwinkel ß zwischen 0° und 10° beträgt.
8. Betrieb eines Gasmotors mit einem Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass ein sehr hohes Spüldruckgefälle ΔρΕ_Α bereitgestellt wird, wobei ΔρΕ-Α die folgende Bedingung erfüllt:
Figure imgf000019_0001
9. Verfahren nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass Miller-Steuerzeiten angewendet werden, wobei der Kurbelwinkel KW bei dem die Einlassventile schließen, die folgende Bedingung erfüllt: KW >= 20 vor UT, bei 1 mm Ventilhub.
10. Stationärer Gas-Ottomotor mit einer unten liegenden Nockenwelle mit einem Zylinderkopf nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche und/oder Betrieben nach einem Verfahren nach Anspruch 8 oder 9.
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