DE102017221527A1

DE102017221527A1 - Ventil-Kolben-System einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017221527A1
Application number: DE102017221527.5A
Authority: DE
Inventors: Marcel Morgenstern
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-06
Also published as: KR20190064447A; FI130504B; KR102512199B1; FI20185984A1; CN109973239B; JP2019100339A; CN109973239A; JP7248413B2

Abstract

Ventil-Kolben-System (20) eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, mit einem auf- und ab bewegbar geführten Kolben (26), mit mindestens einem einlassseitigen Gaswechselventil (21) und mindestens einem auslassseitigen Gaswechselventil (22), wobei der Kolben (26) an einem den Gaswechselventilen (21, 22) zugewandten Ende eine mittige Kolbenmulde (27) und den Gaswechselventilen (21, 22) zugewandte, seitliche Ventiltaschen (28) aufweist, die in die mittige Kolbenmulde (27) übergehen, und wobei die jeweilige Ventiltasche (28) derart tellerabschnittartig oder trichterabschnittartig ausgebildet ist, dass eine dem jeweiligen Gaswechselventil (21, 22) zugewandte Fläche (29) derselben gegenüber einer Senkrechten (30) zur Axialrichtung des Kolbens (26) oder einer Senkrechten (30) zur Axialrichtung (25) eines Ventilkörpers (24) des jeweiligen Gaswechselventils (21, 22) geneigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil-Kolben-System einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen verfügen typischerweise über mehrere Zylinder. Jeder Zylinder einer Brennkraftmaschine verfügt über einen Kolben, der in einer Zylinderlaufbuchse des jeweiligen Zylinders auf und ab bewegbar geführt ist. Darüber hinaus verfügt jeder Zylinder einer Brennkraftmaschine über mindestens ein einlassseitiges Gaswechselventil für zumindest Ladeluft und mindestens ein auslassseitiges Gaswechselventil für Abgas. Dann, wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgeführt ist, wird über das oder jedes einlassseitige Gaswechselventil nicht nur Ladeluft, sondern auch gasförmiger Kraftstoff in Form eines Gas-Luft-Gemischs zur Verbrennung dem jeweiligen Zylinder zugeführt. Dann, wenn die Brennkraftmaschine als Dieselbrennkraftmaschine ausgeführt ist, verfügt jeder Zylinder über mindestens einen Injektor, über welchen der Kraftstoff dem Zylinder zugeführt werden kann.
Aus der Praxis ist es bekannt, dass ein Kolben eines Zylinders einer Brennkraftmaschine an einer den Gaswechselventilen zugewandten Fläche bzw. an einem den Gaswechselventilen zugewandten Ende über eine mittige Kolbenmulde verfügt. Weiterhin ist es bekannt, dass an diesem Ende des Kolbens den Gaswechselventilen zugewandte Ventiltaschen ausgebildet sind, wobei über solche Ventiltaschen eine Kollision zwischen den Kolben und Ventilkörpern der Gaswechselventile im Betrieb der Brennkraftmaschine vermieden werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Ventil-Kolben-System einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventil-Kolben-System zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Ventil-Kolben-System einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die jeweilige Ventiltasche derart tellerabschnittartig oder trichterabschnittartig ausgebildet, dass eine dem jeweiligen Gaswechselventil zugewandte Fläche derselben gegenüber einer Senkrechten zur Axialrichtung des Kolbens oder einer Senkrechten zur Axialrichtung eines Ventilkörpers des jeweiligen Gaswechselventils geneigt ist. Bedingt dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Ventil-Kolben-System die Ventiltaschen tellerabschnittartig oder trichterabschnittartig ausgebildet sind, wird die Ausbildung sogenannter Hotspots im Übergangsbereich zwischen den Ventiltaschen und der Kolbenmulde vermieden. Ferner entstehen bei der Verbrennung weniger Verwirbelungen, sodass insgesamt die Verbrennung des Kraftstoffs effektiver und demnach mit höherem Wirkungsgrad erfolgen kann.
Vorzugsweise ist die dem jeweiligen Gaswechselventil zugewandte Fläche der jeweiligen Ventiltasche in Richtung auf die Kolbenmulde geneigt. Dies ist zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Hotspots sowie zur Reduzierung von Verwirbelungen besonders bevorzugt.
Nach einer Weiterbildung ist ein Ventilkörper des jeweiligen Gaswechselventils derart kegelabschnittartig oder kegelstumpfabschnittartig ausgebildet, dass eine der jeweiligen Ventiltasche zugewandte Fläche desselben gegenüber der Senkrechten zur Axialrichtung des Ventilkörpers geneigt ist. Vorzugsweise ist die der jeweiligen Ventiltasche zugewandte Fläche des jeweiligen Ventilkörpers von der Kolbenmulde weg geneigt. Auch dies ist zur Vermeidung von Hotspots sowie zur Reduzierung von Verwirbelungen bevorzugt. Weiterhin wird ein Sicherheitsabstand zwischen den Ventilkörpern der Gaswechselventile und dem Kolben bei minimalem Bauraum eingehalten.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die dem jeweiligen Gaswechselventil zugewandte Fläche der jeweiligen Ventiltasche mit einem ersten Winkel geneigt, wobei die der jeweiligen Ventiltasche zugewandte Fläche des jeweiligen Ventilkörpers mit einem zweiten Winkel geneigt ist. Vorzugsweise sind der erste Winkel und der zweiten Winkel gleich groß, sodass die geneigten Flächen parallel zueinander verlaufen. Alternativ ist der zweite Winkel größer als der erste Winkel. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Hotspots sowie zur Reduzierung von Verwirbelungen im Brennraum des Zylinders unter Gewährleistung eines Sicherheitsabstands zwischen den Ventilkörpern der Gaswechselventile und dem Kolben bei minimalem Bauraum bevorzugt.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist in Anspruch 10 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Draufsicht auf einen Zylinder einer Brennkraftmaschine;
2 einen Ausschnitt aus einem aus der Praxis bekannten Ventil-Kolben-System einer Brennkraftmaschine;
3 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Ventil-Kolben-System einer Brennkraftmaschine.

Die Erfindung betrifft ein Ventil-Kolben-System einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine.
1 zeigt eine stark schematisierte Draufsicht auf einen Zylinder einer Brennkraftmaschine. Der Zylinder 10 der 1 verfügt im gezeigten Ausführungsbeispiel über mehrere einlassseitige Gaswechselventile 11 sowie mehrere auslassseitige Gaswechselventile 12. So sind in 1 zwei einlassseitige Gaswechselventile 11 gezeigt, über die zumindest Ladeluft in einen Brennraum des Zylinders 10 eingebracht werden kann. In 1 wird Kraftstoff in den Brennraum des jeweiligen Zylinders über einen Injektor 13 eingebracht, über den flüssiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Diesel, Schweröl oder Rückstandsöl, in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingespritzt werden kann. Bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehendes Abgas kann über die auslassseitigen Gaswechselventile 12 vom Brennraum abgeführt werden.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung bei Brennkraftmaschinen geschränkt ist, in denen ein flüssiger Kraftstoff, wie Diesel, Schweröl oder Rückstandsöl, verbrannt wird. Vielmehr kann die Erfindung auch bei Gasmotoren zum Einsatz kommen, bei welchen ein gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, wobei bei derartigen Gasmotoren ein Gemisch aus Ladeluft und gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders über die einlassseitigen Gaswechselventile 11 eingebracht wird. Ferner kann die Erfindung bei Dual-Fuel-Motoren genutzt werden.
2 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen Zylinder 10 einer Brennkraftmaschine, wobei die in 2 gezeigten Details der Praxis bzw. dem Stand der Technik entsprechen. So zeigt 2 vom gezeigten Gaswechselventil 11 bzw. 12 einen Ventilkörper 14, der in Richtung seiner Axialrichtung 15 im Betrieb auf und ab bewegbar ist, um das jeweilige Gaswechselventil 11 bzw. 12 zu öffnen oder zu schließen. Ferner zeigt 2 einen Ventilkolben 16, der in einer nicht gezeigten Laufbuchse des Zylinders auf und ab bewegbar geführt ist, und zwar in Richtung einer Axialrichtung des Kolbens 10, die typischerweise parallel zur Axialrichtung 15 des Ventilkörpers 14 des jeweiligen Gaswechselventils 11, 12 verläuft.
Wie 2 entnommen werden kann, ist es aus der Praxis bereits bekannt, dass der Kolben 16 an einem den Gaswechselventilen 11, 12 zugewandten Ende eine mittige Kolbenmulde 17 aufweist. Ferner zeigt 2 an diesem Ende des Kolbens 16 eine Ventiltasche 18, die dem jeweiligen Ventilkörper 14 des jeweiligen Gaswechselventils 11 bzw. 12 zugewandt ist, wobei über die jeweilige Ventiltasche 18 im Betrieb ein Mindestabstand zwischen dem Kolben 16 und dem Ventilkörper 14 des jeweiligen Gaswechselventils 11, 12 bereitgestellt wird, um im Betrieb eine Kollision zwischen dem Kolben 16 des jeweiligen Zylinders und dem jeweiligen Ventilkörper 14 des jeweiligen Gaswechselventils 11 bzw. 12 des jeweiligen Zylinders 10 zu vermeiden.
3 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Ventil-Kolben-System 20 eines Zylinders 23 einer Brennkraftmaschine, nämlich im Bereich eines Ventilkörpers 24 eines einlassseitigen bzw. auslassseitigen Gaswechselventils 21 bzw. 22 und eines Kolbens 26. Im Betrieb ist der Ventilkörper 24 in Richtung seiner Axialrichtung 25 bewegbar, um das jeweilige Gaswechselventil 21 bzw. 22 zu öffnen bzw. zu schließen. Der Kolben 26 des Zylinders 23 ist in Richtung seiner Axialrichtung (nicht gezeigt) in einer nicht gezeigten Laufbuchse des Zylinders 23 auf und ab bewegbar geführt, wobei die Axialrichtung des Kolbens 26 typischerweise parallel zur Axialrichtung 25 des jeweiligen Ventilkörpers 24 des jeweiligen Gaswechselventils 21 bzw. 22 verläuft.
An einem den Gaswechselventilen 21, 22 zugewandten Ende weist der Kolben 26 eine Kolbenmulde 27 auf, die mittig an dem den Gaswechselventilen 21, 22 zugewandten Ende des Kolbens 26 ausgebildet ist.
Ferner weist der Kolben 26 des jeweiligen Zylinders 23 an diesem den Gaswechselventilen 21, 22 zugewandten Ende Ventiltaschen 28 auf, die mit den Gaswechselventilen 21, 22 zusammenwirken. Diese Ventiltaschen 28 gehen in die mittlere Kolbenmulde 27 über.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die jeweilige Ventiltasche 28 tellerabschnittartig oder trichterabschnittartig ausgebildet, nämlich derart, dass eine dem jeweiligen Gaswechselventil 21, 22, nämlich dem Ventilkörper 24 des jeweiligen Gaswechselventils 21, 22, zugewandte Fläche 29 der jeweiligen Ventiltasche 28 gegenüber einer Senkrechten 30 zur Axialrichtung des Kolbens 26 bzw. zur Axialrichtung 25 des Ventilkörpers 24 des jeweiligen Gaswechselventils 21, 22 geneigt ist, und zwar in Richtung auf die Kolbenmulde 27 des Kolbens 26 mit einem ersten Winkel α.
Durch diese Ausgestaltung wird die Ausbildung sogenannter Hotspots insbesondere im Bereich der Ventiltaschen 28, insbesondere im Bereich einer Übergangskante 31 zwischen der jeweiligen Ventiltasche 28 und der Kolbenmulde 27, vermieden, weiterhin werden Verwirbelungen reduziert, welche die Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum des Zylinders 23 beeinträchtigen. Die Ventiltaschen 28 gehen harmonisch in die Kolbenmulde 27 über.
Der Ventilkörper 24 ist derart kegelabschnittartig oder kegelstumpfartig an einem dem Kolben 26 zugewandten Ende ausgebildet, dass eine der jeweiligen Ventiltasche 28 zugewandte Fläche 32 gegenüber einer Senkrechten 33 zur Axialrichtung 25 des jeweiligen Ventilkörpers 24 mit einem zweiten Winkel β geneigt ist, und zwar derart, dass die der jeweiligen Ventiltasche 28 zugewandte Fläche 32 des jeweiligen Ventilkörpers 24 vom Kolben 26 bzw. von der Kolbenmulde 27 bzw. von der jeweiligen Ventiltasche 28 weg geneigt ist.
Wie ausgeführt, ist die dem jeweiligen Gaswechselventil bzw. dem jeweiligen Ventilkörper 24 des jeweiligen Gaswechselventils 21, 22 zugewandte Fläche 29 der jeweiligen Ventiltasche 28 mit dem ersten Winkel α geneigt, wobei die der jeweiligen Ventiltasche 28 zugewandte Fläche 32 des jeweiligen Ventilkörpers 24 des jeweiligen Gaswechselventils 21, 22 mit dem zweiten Winkel β geneigt ist. Vorzugsweise sind der ersten Winkel α und der zweite Winkel β gleich groß, sodass die geneigten Flächen 29, 32 parallel zueinander verlaufen.
Alternativ ist es auch möglich, dass der erste Winkel α und der zweite Winkel β unterschiedlich groß sind, sodass dann die geneigten Flächen 29, 32 nicht parallel zueinander verlaufen, insbesondere ist in diesem Fall der erste Winkel α kleiner als der zweite Winkel β bzw. der zweite Winkel β ist größer als der erste Winkel α wobei sich dann virtuelle Verlängerungen der geneigten Flächen 29, 32 im Bereich des Kolbens 26, insbesondere im Bereich der Kolbenmulde 27, schneiden.
Die beiden Winkel α, β betragen maximal 45°, bevorzugt maximal 40°, besonders bevorzugt maximal 35°.
Mit der Erfindung kann die Ausbildung von unerwünschten Hotspots bzw. Bereichen mit zu hohen Temperaturen, insbesondere im Übergangsbereich zwischen den Ventiltaschen 28 und der Kolbenmulde 27 vermieden werden. Ferner werden Verwirbelungen eines zu verbrennenden Krfatstoffs im Brennraum des jeweiligen Zylinders reduziert, die Verbrennung kann dadurch mit höherem Wirkungsgrad erfolgen. Eine Kollision zwischen den Ventilkörpern 24 der Gaswechselventile 21, 22 und dem Ventilkolben 26 wird vermieden.
Die Erfindung kann sowohl bei Dieselbrennkraftmaschinen als auch bei Otto-Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen und zwar sowohl bei 2-Takt als auch bei 4-Takt Brennkraftmaschinen. Dabei kann in den Zylindern der jeweiligen Brennkraftmaschine sowohl ein flüssiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Diesel, Schweröl oder Rückstandsöl, oder auch ein gasförmiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas, verbrannt werden.
Bezugszeichenliste

10: Zylinder
11: einlassseitiges Gaswechselventil
12: auslassseitiges Gaswechselventil
13: Injektor
14: Ventilkörper
15: Axialrichtung
16: Kolben
17: Kolbenmulde
18: Ventiltasche
20: Ventil-Kolben-System
21: einlassseitiges Gaswechselventil
22: auslassseitiges Gaswechselventil
23: Zylinder
24: Ventilkörper
25: Axialrichtung
26: Kolben
27: Kolbenmulde
28: Ventiltasche
29: Fläche
30: Senkrechte
31: Kante
32: Fläche
33: Senkrechte

Claims

Ventil-Kolben-System (20) eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, mit einem auf- und ab bewegbar geführten Kolben (26), mit mindestens einem einlassseitigen Gaswechselventil (21) und mindestens einem auslassseitigen Gaswechselventil (22), wobei der Kolben (26) an einem den Gaswechselventilen (21, 22) zugewandten Ende eine mittige Kolbenmulde (27) und den Gaswechselventilen (21, 22) zugewandte, seitliche Ventiltaschen (28) aufweist, die in die mittige Kolbenmulde (27) übergehen, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Ventiltasche (28) derart tellerabschnittartig oder trichterabschnittartig ausgebildet ist, dass eine dem jeweiligen Gaswechselventil (21, 22) zugewandte Fläche (29) derselben gegenüber einer Senkrechten (30) zur Axialrichtung des Kolbens (26) oder einer Senkrechten (30) zur Axialrichtung (25) eines Ventilkörpers (24) des jeweiligen Gaswechselventils (21, 22) geneigt ist.
Ventil-Kolben-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem jeweiligen Gaswechselventil (21, 22) zugewandte Fläche (29) der jeweiligen Ventiltasche (28) in Richtung auf die Kolbenmulde (27) geneigt ist.
Ventil-Kolben-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilkörper (24) des jeweiligen Gaswechselventils (21, 22) derart kegelabschnittartig oder kegelstumpfabschnittartig ausgebildet ist, dass eine der jeweiligen Ventiltasche (28) zugewandte Fläche (32) desselben gegenüber einer Senkrechten (33) zur Axialrichtung (25) des Ventilkörpers (24) geneigt ist.
Ventil-Kolben-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der jeweiligen Ventiltasche (28) zugewandte Fläche (32) des jeweiligen Ventilkörpers (24) von der Kolbenmulde (27) weg geneigt ist.
Ventil-Kolben-System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem jeweiligen Gaswechselventil (21, 22) zugewandte Fläche (29) der jeweiligen Ventiltasche (28) mit einem ersten Winkel (α) geneigt ist, und dass die der jeweiligen Ventiltasche (28) zugewandte Fläche (32) des jeweiligen Ventilkörpers (24) mit einem zweiten Winkel (β) geneigt ist.
Ventil-Kolben-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) und der zweiten Winkel (β) gleich groß sind, sodass die geneigten Flächen (29, 32) parallel zueinander verlaufen.
Ventil-Kolben-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) und der zweiten Winkel (β) unterschiedlich groß sind, sodass die geneigten Flächen (29, 32) nicht parallel zueinander verlaufen.
Ventil-Kolben-System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Winkel (β) größer als der erste Winkel (α) ist.
Ventil-Kolben-System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) und der zweiten Winkel (β) maximal 45° betragen.
Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei der oder jeder Zylinder ein Ventil-Kolben-System nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.