DE19728946A1

DE19728946A1 - Zylinderkopf einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19728946A1
Application number: DE19728946A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Ing Clos
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 1999-01-14

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer direkteinspritzen den Brennkraftmaschine.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Zylinderkopf einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, daß die notwendigen Komponenten, wie Einlaß- und Auslaßventile, Zünd- oder Glühkerzen und Einspritzdüsen in optimaler Größe und funktionsgerechter Lage untergebracht werden können. Dadurch sollen mit diesem Zylinderkopf besonders günstige Verbrauchswerte, aber auch hohe Leistung bei Vollast betrieb, erreichbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Denn mit dieser Anordnung ist die Fläche des Brennraums, die durch den vorhandenen Zylinderdurchmesser beschränkt ist, maximal genutzt für große Ladungswechsel- bzw. Ventilquerschnitte auf der Einlaß- und Auslaßseite und sie ermöglicht eine Mehrzahl von Zünd- oder Glühkerzen und Einspritz düsen, die weitgehend in der Nähe des Brennraumzentrums angeordnet sind.

Außerdem eröffnen die drei Einlaßventile durch selektive Ventilsteuerung oder Ventilabschaltung eines oder mehrerer Einlaßventile und/oder ihrer zu gehörigen Einlaßkanäle vielgestaltige Einflußmöglichkeiten auf die Ladungs bewegung im Zylinder, das heißt auf Tumble- und Drallströmungsanteile. Die Abstimmung der Ladungsbewegung ist für die Gemischaufbereitung eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors entscheidend und ihre Steuerbar keit ist vorteilhaft für die Optimierung der Verbrennung bei unterschiedlichen Last- und Drehzahlzuständen des Motors.

Und ein einzelnes Auslaßventil genügt den Anforderungen des Ladungs wechsels, hat jedoch den Vorteil, daß aufgrund des günstigen Oberflächen- Volumenverhältnisses des Auslaßkanals weniger Wärme von den heißen Auspuffgasen auf den Zylinderkopf übertragen wird.

Im Fall der Zündkerzen ermöglicht die zentrumsnahe Lage kurze Brennwege bis zu den Rändern des Brennraums mit Vorteilen bezüglich des Wirkungs grads, der Leistung sowie der Schadstoffemissionen des Motors, insbeson dere, wenn mehrere Zündkerzen pro Zylinder verwendet werden.

Und im Falle der Einspritzdüsen bewirkt die zentrumsnahe Lage und die da durch bedingte, zur Zylinderachse weitgehend parallele Ausrichtung des Einspritzstrahls eine optimale Platzierung der eingespritzten Kraftstoffmenge im Zentrum des Zylinders bzw. Brennraums ohne daß eine bezüglich Ver brauch und Schadstoffemission nachteilige Benetzung der Zylinderlauffläche auftritt.

Auch eine gewollte Wandanlagerung von Kraftstoff in einer Brennraummulde des Kolbens ist durch die Anordnung der Einspritzdüsen leicht realisierbar und in bestimmten Betriebszuständen vorteilhaft bezüglich der Kolbenküh lung und der Aufbereitung des Kraftstoff/Luftgemischs.

Durch die weitgehend zentralsymmetrische Anordnung der Zünd- oder Glüh kerzen und der Einspritzdüsen im zylinderseitigen Brennraum wird der zur Verfügung stehende Bauraum zwischen den Einlaßventilen und dem Aus laßventil optimal genutzt. Die Merkmale des Patentanspruchs 1 ermöglichen weiterhin, die Zünd- oder Glühkerzen und Einspritzdüsen unmittelbar ne beneinander anzuordnen, lediglich getrennt durch nach Kühl- und Festig keitsanforderungen dimensionierte Wandstege.

Die Nähe der Zündkerzen zum Ort der Einspritzung bzw. Gemischbildung gewährleistet die Entflammung des hier auch bei kleinsten Einspritzmengen vorherrschenden zündfähigen Gemischs. Das bedeutet, daß mit sehr hohen Abmagerungsgraden, bezogen auf die Gesamtzylinderfüllung, gefahren werden kann, was für den Teillastverbrauch vorteilhaft ist.

Durch die Gruppierung der Zünd- oder Glühkerzen und Einspritzdüsen weit gehend konzentrisch zum bzw. im gleichen Abstand zum Auslaßventil ge mäß Patentanspruch 1, verbleibt ein sichelförmiger Bereich des Brennraums, dessen Fläche für den Zylindereinlaß optimal nutzbar ist.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind das mittlere der drei Einlaßventile und das Auslaßventil bezüglich einer die beiden Halbseiten des Zylinders halbierenden Mittellinie jeweils versetzt angeordnet. Dieses Merk mal hat sich bei der Gemischaufbereitung bewährt.

Bevorzugt ist die Summe der Ventildurchtrittsquerschnitte der drei Einlaß ventile größer als der Ventildurchtrittsquerschnitt des einzelnen Auslaßven tils. Dadurch kann ein verhältnismäßig kleines Auslaßventil zum Einsatz kommen, da bei niedrigen Drehzahlen stets ein noch ausreichender Gasaus tausch stattfinden kann.

Ebenfalls bevorzugt ist der Ventildurchtrittsquerschnitt wenigstens eines der Einlaßventile kleiner als der Ventildurchtrittsquerschnitt der übrigen Einlaß ventile bzw. des übrigen Einlaßventils. Beispielsweise werden die beiden seitlichen Einlaßventile kleiner ausgeführt als das mittlere Einlaßventil.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Auslaßventil symmetrisch zu den Einlaßventilen angeordnet. Durch dieses Merkmal läßt sich unterhalb des Zylinderkopfes ein im wesentlichen symmetrischer Brennraum gestalten.

Darüber hinaus können bei dieser Ausführungsform auch mehrere Quetschflächen vorgesehen sein, welche im zylinderseitigen Randbereich jeweils zwischen den zueinander benachbarten Einlaßventilen sowie zwi schen den beiden seitlichen Einlaßventilen und dem Auslaßventil angeord net sind, wobei die Quetschflächen zwischen den zueinander benachbarten Einlaßventilen in der Summe kleiner sind als die Quetschflächen zwischen den beiden seitlichen Einlaßventilen und dem Auslaßventil. Mit Hilfe der so angeordneten Quetschflächen läßt sich eine weiter verbesserte Ge mischaufbereitung erreichen.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist das Auslaßventil unsymmetrisch zu den Einlaßventilen angeordnet. Dadurch verschiebt sich auch der sichel förmige Bereich der Brennraumfläche, der für die Einlaßventile zur Verfü gung steht. Ein unsymmetrisch angeordnetes Auslaßventil ist bezüglich des Ventiltriebs vorteilhaft und begünstigt die Zugänglichkeit der Zünd- oder Glühkerzen und Einspritzdüsen.

In diesem Fall wird die Fläche optimal genutzt, wenn das dem Auslaßventil benachbarte Einlaßventil kleiner ist als die übrigen beiden, vorzugsweise einander gleichen Einlaßventile.

Bei dieser zweiten Ausführungsform können ebenfalls eine Mehrzahl von Quetschflächen vorgesehen sein, welche im zylinderseitigen Randbereich jeweils zwischen den zueinander benachbart angeordneten Einlaßventilen und zwischen einem der beiden seitlichen Einlaßventile und dem Auslaß ventil angeordnet sind, wobei die Quetschflächen zwischen den zueinander benachbarten Einlaßventilen in der Summe kleiner sind als die Quetschflä che zwischen dem einen der beiden Einlaßventile und dem Auslaßventil, was zu einer Verbesserung der Gemischaufbereitung führt.

Insbesondere bei der symmetrischen Anordnung gemäß der ersten Ausfüh rungsform ist es zweckmäßig, wenn die Aufnahmen für die Zünd- oder Glüh kerzen und die Einspritzdüsen symmetrisch zu den Einlaßventilen angeord net sind.

Zudem ist es insbesondere bei der unsymmetrischen Anordnung gemäß der zweiten Ausführungsform zweckmäßig, wenn die Aufnahmen für die Zünd- oder Glühkerzen und die Einspritzdüsen unsymmetrisch zu den Einlaßventi len angeordnet sind.

Dadurch findet eine gleichmäßigere Zündung des Kraftstoff-/Luftgemischs sowie eine bessere Verwirbelung des Kraftstoff-/Luftgemischs statt, was in beiden Fällen zu einer Verbrauchsoptimierung führt.

Im Einzelfall können bei beiden Ausführungsformen aber auch Kombinatio nen von symmetrischen und unsymmetrischen Anordnungen sinnvoll sein.

Schließlich wird noch darauf hinwiesen daß bei dem erfindungsgemäßen Zy linderkopf die Einlaßventile, das Auslaßventil, die Zünd- oder Glühkerzen und/oder die Einspritzdüsen zur Achse des Zylinders parallel oder geneigt angeordnet sein können.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungsfigu ren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine stark vereinfachte Darstellung eines Teils des erfindungsge mäßen Zylinderkopfes sowie eines sich anschließenden Zylinders mit darin befindlichem Kolben in einer geschnittenen Ansicht;

Fig. 2 eine Darstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Zylinderkop fes gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem Auslaßventil, das symmetrisch zu den Einlaßventilen angeordnet ist, in einer Draufsicht; und

Fig. 3 eine Darstellung analog zu Fig. 2, die eine zweite Ausführungs form mit einem Auslaßventil zeigt, das unsymmetrisch zu den Einlaßventilen angeordnet ist.

In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils ein Ausschnitt eines Zylinderkopfes 1 einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine abgebildet. Dabei ist der dem Zy linder 2 zugewandte kreisrunde Bereich des Zylinderkopfes 1 in eine erste Halbseite A und in eine zweite Halbseite B unterteilt. Im wesentlichen auf der ersten Halbseite A sind Öffnungen 3 für drei Einlaßventile 4, 4', 4'' angeord net und auf der zweiten Halbseite B ist eine weitere Öffnung 3' für ein ein zelnes Auslaßventil 5 angeordnet. Die Einlaßventile 4, 4', 4'' sind in etwa gleichen Abständen nebeneinander angeordnet. Sowohl die Gruppe der drei Einlaßventile 4, 4', 4'' als auch das Auslaßventil 5 sind zur Mittellinie M, wel che die beiden Halbseiten A, B des Zylinderkopfes 1 halbiert, versetzt ange ordnet.

Zwischen den Einlaßventilen 4, 4', 4'' und dem Auslaßventil 5 sind dort ins gesamt drei Aufnahmen 6, 6', 6'' für Zündkerzen 7 und Einspritzdüsen 8 vor gesehen. Die Aufnahmen 6, 6', 6'' sind auf einer Kreisringfläche mit der Breite C und ihre Mitten annähernd auf einer Kreisbahn K mit dem Radius R, das heißt in jeweils gleichem Abstand zur Achse des Auslaßventils 5 ange ordnet. Außerdem ist die mittlere der Aufnahmen 6, 6', 6'' bezüglich der Mit tellinie M versetzt angeordnet. Die drei Aufnahmen 6, 6', 6'' können dabei entweder mit einer Zündkerze 7 und zwei Einspritzdüsen 8 oder mit zwei Zündkerzen 7 und einer Einspritzdüse 8 bestückt sein, wobei die Zündker zen 7 und Einspritzdüsen 8 in allen möglichen Kombinationen angeordnet sein können.

Gemäß Fig. 1, die einen Schnitt entlang der Linie I-I aus Fig. 2 darstellt, sind sowohl die Einlaßventile 4, 4', 4'' als auch das Auslaßventil 5 zur Achse des Zylinders 2 geneigt angeordnet, ebenso die Zünd- bzw. Glühkerzen 7 und die Einspritzdüse 8. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kön nen die Einlaßventile und/oder das Auslaßventil und/oder die Einspritzdüsen und/oder die Zündkerzen jedoch auch senkrecht zum Zylinderkopfflansch bzw. parallel zur Achse des Zylinders 2 angeordnet sein.

Die Einspritzdüse 8 ist im Brennraum weitgehend zentral angeordnet und ihr Einspritzstrahl 9 verläuft annähernd parallel zur Achse des Zylinders 2 und trifft in eine Brennraummulde 10 am Boden 11 des Kolbens 12, der zusam men mit dem Zylinderkopf 1 und dem Zylinder 2 den Arbeitsraum des Ver brennungsmotors umschließt. Der Boden 11 des Kolbens 12 ist in einer mittleren Hubposition dargestellt sowie im oberen Totpunkt als strichpunktier te Linie 11'.

Gemäß Fig. 2 ist das Auslaßventil 5 symmetrisch zu den drei Einlaßventilen 4, 4', 4'' angeordnet.

Durch die Anordnung der Öffnungen 3, 3' für die Einlaß- und Auslaßventile 4, 4', 4'', 5 und der Aufnahmen 6, 6', 6'' für die Zünd- oder Glühkerzen 7 und die Einspritzdüsen 8 ist sichergestellt, daß die dazwischen verbleibenden Stege 13 beziehungsweise deren tiefer liegende Wandstärken noch ausrei chend stark dimensioniert sind, so daß die thermische Beanspruchung in nerhalb des dem Zylinder 2 zugewandten Bereiches nicht zur Rißbildung des Zylinderkopfes 1 führen kann.

Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind zudem eine Anzahl von schraffiert dargestellten Quetschflächen 14 vorgesehen, welche linsenförmig ausgebildet sind und am Rand des Bereichs zwischen den zueinander be nachbarten Einlaßventilen 4, 4' bzw. 4, 4'' sowie am Rand des Bereichs zwi schen den seitlichen Einlaßventilen 4', 4'' und dem einzelnen Auslaßventil 5 positioniert sind. Dabei sind die Quetschflächen 14 zwischen den zueinander benachbarten Einlaßventilen 4, 4' bzw. 4, 4'' flächenmäßig kleiner als die Quetschflächen 14 zwischen den seitlichen Einlaßventilen 4', 4'' und dem Auslaßventil 5.

Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist das Auslaßventil 5 un symmetrisch zu den drei Einlaßventilen 4, 4', 4'' angeordnet, indem es nicht nur bezüglich der Mittellinie M, sondern auch bezüglich des mittleren Einlaß ventils 4 versetzt ist.

Zwischen den Einlaßventilen 4, 4', 4'' und dem Auslaßventil 5 sind dort ins gesamt zwei Aufnahmen 6, 6' für eine Zünd- oder Glühkerze 7 und eine Ein spritzdüse 8 vorgesehen. Auch diese Aufnahmen 6, 6' sind auf einer Kreis ringfläche mit der Breite C und ihre Mitten annähernd auf einer Kreisbahn K mit dem Radius R, das heißt in konstantem Abstand zu der Achse des Aus laßventils 5 angeordnet. Die beiden Aufnahmen 6, 6' sind dort mit einer Zünd- oder Glühkerze 7 und einer Einspritzdüse 8 bestückt, wobei auch hier beide Kombinationsmöglichkeiten realisierbar sind.

Außerdem ist in Fig. 3 ebenfalls eine Anzahl von schraffiert dargestellten Quetschflächen 14 vorgesehen, welche linsenförmig ausgebildet sind und am Rand des Bereichs zwischen den zueinander benachbarten Einlaßventi len 4, 4' bzw. 4, 4'' sowie am Rand des Bereichs zwischen einem der seitli chen Einlaßventile 4' und dem Auslaßventil 5 positioniert sind. Die Flächen der Quetschflächen 14 zwischen den zueinander benachbarten Einlaßventi len 4, 4' bzw. 4, 4'' sind dort ebenfalls kleiner als die Fläche der Quetschflä che 14 zwischen dem einen seitlichen Einlaßventil 4' und dem Auslaßventil 5.

Bei beiden Ausführungsformen sind die Aufnahmen 6, 6', 6'' bzw. 6, 6' für die Zünd- oder Glühkerze 7 und die Einspritzdüse 8 so verteilt, daß sie be züglich des Zylinders 2 weitgehend zentralsymmetrisch angeordnet sind.

Claims

1. Zylinderkopf einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, mit

- drei Einlaßventilen (4, 4', 4'') pro Zylinder (2), die im wesentlichen auf der einen Halbseite (A) des Zylinders (2) vorgesehen sind,
- einem Auslaßventil (5) pro Zylinder (2), das auf der anderen Halbsei te (B) des Zylinders (2) vorgesehen ist,
- wenigstens einer Aufnahme (6, 6', 6'') für eine Zünd- oder Glühkerze (7) pro Zylinder (2) und
- wenigstens einer Aufnahme (6, 6', 6'') für eine Einspritzdüse (8) pro Zylinder (2),
- wobei die Aufnahmen (6, 6', 6'') für die Zünd- oder Glühkerze (7) und die Einspritzdüse (8) bezüglich des Zylinders (2) weitgehend zentral symmetrisch und in jeweils etwa gleichem Abstand zur Achse des einzelnen Auslaßventils (5) angeordnet sind.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mitt lere der drei Einlaßventile (4) und das Auslaßventil (5) bezüglich einer die beiden Halbseiten (A, B) des Zylinders (2) halbierenden Mittellinie (M) jeweils versetzt angeordnet sind.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Ventildurchtrittsquerschnitte der drei Einlaßventile (4, 4', 4'') größer ist als der Ventildurchtrittsquerschnitt des Auslaßventils (5).

4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß der Ventildurchtrittsquerschnitt wenigstens eines der Einlaß ventile (4, 4', 4'') kleiner ist als der Ventildurchtrittsquerschnitt der übri gen Einlaßventile bzw. des übrigen Einlaßventils.

5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß das Auslaßventil (5) symmetrisch zu den Einlaßventilen (4, 4', 4'') angeordnet ist.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Quetschflächen (14) vorgesehen sind, welche im zylinderseitigen Randbereich jeweils zwischen den zueinander benachbarten Einlaß ventilen (4, 4' bzw. 4, 4'') und zwischen den beiden seitlichen Einlaß ventilen (4', 4'') und dem Auslaßventil (5) angeordnet sind, wobei die Quetschflächen (14) zwischen den zueinander benachbarten Einlaß ventilen (4, 4' bzw. 4, 4'') in der Summe kleiner sind als die Quetschflä chen (14) zwischen den beiden seitlichen Einlaßventilen (4', 4'') und dem Auslaßventil (5).

7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß das Auslaßventil (5) unsymmetrisch zu den Einlaßventilen (4, 4', 4'') angeordnet ist.

8. Zylinderkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Quetschflächen (14) vorgesehen sind, welche im zylinderseitigen Randbereich jeweils zwischen den zueinander benachbarten Einlaß ventilen (4, 4' bzw. 4, 4'') und zwischen einem der beiden seitlichen Einlaßventile (4'') und dem Auslaßventil (5) angeordnet sind, wobei die Quetschflächen (14) zwischen den zueinander benachbarten Einlaß ventilen (4, 4' bzw. 4, 4'') in der Summe kleiner sind als die Quetschflä che (14) zwischen dem einen der beiden seitlichen Einlaßventile (4'') und dem Auslaßventil (5).

9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß die Aufnahmen (6, 6', 6'') für die Zünd- oder Glühkerzen (7) und für die Einspritzdüsen (8) symmetrisch zu den Einlaßventilen (4, 4', 4'') angeordnet sind.

10. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß die Aufnahmen (6, 6', 6'') für die Zündkerzen (7) und für die Einspritzdüsen (8) unsymmetrisch zu den Einlaßventilen (4, 4', 4'') an geordnet sind.

11. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einlaßventile (4, 4', 4''), das Auslaßventil (5), die Zünd- oder Glühkerzen (7) und/oder die Einspritzdüsen (8) zur Achse des Zylinders (2) geneigt angeordnet sind.

12. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einlaßventile (4, 4', 4''), das Auslaßventil (5), die Zünd- oder Glühkerzen (7) und/oder die Einspritzdüsen (8) zur Achse des Zylinders (2) parallel angeordnet sind.