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Die Erfindung bezieht sich auf eine gemischverdichtende
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Brennkraftmaschine, insbesondere fremdgezündete Viertaktbrennkraftmaschine,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Es ist anzustreben, bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine einen
hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsablaufs durch die Annäherung an den Gleichraumprozeß
zu erreichen.
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Diese Forderung führt zu einem möglichst hohen Verdichtungsverhältnis.
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Bekannte Brennraumanordnung bekommen bei hohem Verdichtungsverhältnis
eine ungünstige From, die oft zu einem hohen Oktanzahlbedarf bzw. zu einer klopfenden
Verbrennung führt. Sind z. B. beide Ventilteller durchförmig angeordnet, wie bei
der V-Ventilanordnung oder bei einem Keilbrennra-n, beansprucht der Raum zwischen
dem Kolbenboden und den Ventiltellern das ganze zur Verfügung stehende Brennraumvolumen.
Es ist dann schwierig, den Brennraum ginstig aufzuteilen und dadurch den Verbrennungsablauf
zu steuern.
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Bei parallel zur Zylinderachse angeordneten Ventilen kann eine Volumenanhäufung
an der Zündkerze, was eine wichtige Voraussetzung für einen günstigen Verbrennungsablauf
ist, durch eine tiefe Mulde im Kolbenboden (Heronbrennraum) verwirklich werden.
Nachteilig ist jedoch die große Kolben masse und eine thermische Überlastung des
Kolbens zwischen der Mulde und der Ringspartie.
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Bei einer bekannten BrenrJcraft:naschine gemäß DT-Patentanmeldung
D 4707, bekanntgemacht a 25.07.51, ist der Ventilteller des Auslaßventils in eier
gegenüber den Ventilteller des Einlaßventils zurückgesetzten Lage innerhalb einer
teilweise über den Zylinderumfang hinausreichenden Ventiltasche angeordnet. Nachteilig
ist der Steg zwischen den beiden Ventilen, der insbesondere bei einem Zylinderkopf
mit eingesetzten Ventilsitzringen aus Festigkeitsgründen
sehr breit
sein muß. Die demzufolge teilweise außerhalb der Zylinderbohrung liegende Ventiltasche
bildet einen zerklüfteten Brennraum mit langen Brennwegen, der zu einer klopfenden
Verbrennung neigt. Der Steg zwischen den Ventilen hindert die Ausströmung der verbrannten
Zylinderladung. Das versetzte und parallel zum Einlaßventil angeordnete Auslaßventil
bedingt ferner einen komplizierten Ventilantrieb.
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Bei einer ähnlichen anderen bekannten Brennkraftmaschine gemäß DT-OS
25 42 942 ist eine Ventiltasche unter dem Auslaßventil mit dem restlichen Brennraum
mittels eines Leitkanals verbunden. Die Gestaltung des Leitkanals führt zu einer
übermäßig großen Quetschfläche. Der schmale Leitkanal und die große Quetschfläche
verursachen große Strömungsverluste, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Verbrennung
auswirkt. Die Lage der Zündkerze in der Ventiltasche nahe der Quetschfläche führt
zu einer unvollständigen Verbrennung in der unmittelbar benachbarten großen und
dünnen Quetschfläche. Durch die Lage der parallelen Ventile innerhalb des Zylinderumranges
ist der Ventildurchmesser sehr beschränkt.
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Bei einer weiteren bekannten Brennkraftmaschine gemäß DT-AS 10 72
000 sind in zwei Ventiltaschen je ein Auslaßventil und eine ZUndkerze angeordnet.
Das Einlaßventil liegt in einem dUnnen Quetschraum. Nachteilig ist wieder der Steg
zwischen den Ventiltellern und die daraus resultierende Lage der Ventiltaschen teilweise
außerhalb des Zylinderumfanges.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Brennraumform, vorzugsweise für eine
hochverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung. zu schaffen, die eine
Verbrennung der Zylinderladung mit hohem Wirkungsgrad und geringer Klopfgefahr bei
zugleich gUnstiger Ventilsteuerungsanordnung ermöglicht.
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Von der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst. Dadurch ergeben sich sowohl für die Ventilbetätigung
als auch für die Ventilsitzanordnung räumlich günstige Voraussetzungen, um einerseits
bei einem Reihenmotor die Ventilsteuerung mit einer Nockenwelle auszubilden und
andererseits die Ventilsitzringe bei geringem Abstand mit hoher Festigkeit anzuordnen.
Weiter ermöglicht die Anordnung und Ausbildung der Ventiltaschen bzw. Brennraumteile
sowohl günstige Einströmverhältnisse für die Ladung als auch günstige Formen und
Größen der sich ergebenden Quetschspalte für die Durchwirbelung und Durchzündung
der Ladung. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein Ausführungsbeisp&el der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
mit einem Brennraum und einer Ventilanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine ausschnittweise
Unteransicht des Zylinderkopfes nach Fig. 1, Fig. 3 einen Teilschnitt durch einen
Zylinderkopf mit einer abgewandelten Ausführungsform gemäß der Erfindung und Fig.
4 einen Teilschnitt durch einen Zylinderkopf mit einer anderen Ausführungsrorm gemäß
der Erfindung.
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Der in Fig. 1 dargestellte Teilquerschnitt durch den Zylinderkopf
einer mehrzylindrigen Viertaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung zeigt ein 3e Zylinder
parallel zur Zylinderachse 1 angeordnetes Einlaßventil 2. Das EinlaOventil 2 ist,
wie
auch Fig. 2 zeigt, zu der Zylinderbohrung 3 aibrmittigb angeordnet. Der Ventilteller
4 des Einlaßventils 2 ist gegenüber der Trennebene 5 des Zylinderkopfes 6 zurUckgesetzt,
so daß zwischen ihn und dem Kolbenboden 7' bei OT-Lage des Kolbens 7 eine flache
Ventiltasche VEverbleibt.
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Die Ventiltasche VE kann auch im Kolbenboden 7' ausgebildet werden,
sofern der Ventilteller 4 in der Trennebene 5 liegt.
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Etwa tangential zur ylinderbohrung 3 ist ein Einlaßkanal 8 angeordnet.
Die Ventiltasche VE ist in Strömungsrichtung kegelförmig (10) geöffnet, um die Zuströmung
in Richtung der Einlaß-Kanalachse 9 zu ermöglichen. Gleichzeitig verringert die
kegelförmige Kontur 10 die Fläche eines dünnen Quetschspaltes VQ1 in der Nähe der
ZUndkerze 71. Die tangential zur Zylinderbohrung 3 gerichtete Zuströmung wird noch
durch eine gegenüber der kegelförmigen Kontur Kontur 10 in der Ventiltasche VE angeordnete
Schulter 12 unterstUtzt.
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Schräg zu der Reihe von Einlaßventilen 2 ist eine Reihe von Auslaßventilen
13 angeordnet. Der Abstand der Ventilachsen an Ventilschaftenden 14 und 15 ist kleiner
als an deren Tellerenden. Der Ventilteller 16 des Auslaßventils 13 ist 3eweils zu
dem Ventilteller 4 des Einlaßventils 3 so geneigt, daß sich die Ebenen 17 und 18
der beiden Ventilteller 4 und 16 etwa im Bereich ihrer größten Annäherung schneiden.
Die in den Zylinderkopf 6 eingesetzten Ventilsitzringe 19 und 20 stützen ihre Preßsitze
gegeneinander ab. Der dazwischenliegende Steg 21 kann daher schmal sein.
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Dies ermöglicht, innerhalb des Zylinderdurchmessers 3 verhältnismäßig
große Ventile unterzubringen. Die Ventilschaftenden 14 und 15 aller Ventile im Zylinderkopf
6 liegen nahezu in einer Linie, was eine einfache Betätigung mittels einer einzigen,
im Zylinderkopf liegenden Nockenwelle ermöglicht.
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Die zwischen dem Ventilteller 16 des Auslaßventils 13 und dem Kolben
7 ausgebildete Ventiltasche VA ist im wesentlichen innerhalb der Zylinderbohrung
um einen Teil des Brennraumes VK erweitert. Die Kontur 22 des Teiles VR schneidet
sich mit der Kontur 10 der Ventiltasche VE.
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Der Ubenfiegend im Zylinderkopf 6 ausgebildete Brennraum VK ist mit
einer Mulde 23 im Kolbenboden 7 ergänzt. Die Grundfläche 24 der Mulde 23 verläuft
etwa parallel zur Ebene 18 des Ventiltellers 16 des Auslaßventils 13. Entsprechend
der Neigung des ßuslaBventils 13 ist die Mulde 23 etwa in der Mitte des Kolbens
7 am tiefsten und im Bereich des Außenumfanges des Kolbens 7 läuft sie flach aus.
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Dadurch wird eine thermische Überlastung des Kolbens 7 vermieden,
weil zwischen seiner Mulde 23 und seiner Ringpartie 25 ein ausreichender Querschnitt
für die Wärmeabfuhr zur Verfügung steht.
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Die flache Ventiltasche VE mündet im Bereich der sich schneidenden
Konturen 10 und 22 in den wesentlich dickeren Teil des Brennraumes VK, so daß die
Zylinderladung aus dem Raum VE in den kompakten Teil am Ende des Kompressionshubes
frei einströmen kann.
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Im Teil VR des Brennraumes VK ist in der Nähe des Auslaßventils 13
eine Zündstelle angeordnet. In Fig. 1 und 2 ist eine Zündkerze 11 dargestellt. An
dieser Stelle kann aber auch eine andere Zündquelle, z.B. ein Verbindungskanal 30
einer Zündkammer 29, ausgebildet werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
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Den Rest des Brennraumes VK zwischen dem Zylinderkopf 6 und dem Kolbenboden
7' innerhalb der Zylinderbohrung 3 bildet ein Quetschspalt VQ. Dieser Teil des Brennraumes
ist so flach, daß die Ladung am Ende des Kompressionshubes in die
benachbarten
Zonen, tiberwiegend in die Ventiltasche VE verdrängt wird, Der Quetschspalt VQ ist
in zwei Zonen aufgeteilt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Ein'kleinerer Teil V01
befindet sich in der Nähe der ZUndkerze 11 und ein größerer Teil V02 liegt relativ
weit von der Zündkerze 11 entfernt dieser etwa gegenüber.
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Der Abstand zwischen der Zündkerze 11 und den Schwerpunkt 26 der kompakten
Teile VR und VA des Brennraumes VK ist sehr kurz. Der Schwerpunkt 27 der flachen
Ventiltasche VE liegt von der Zündkerze 11 weiter entfernt und die Entfernung zum
Schwerpunkt 28 des größeren Teiles VQ2 des Quetschspaltes VQ ist - größten.
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Die angesaugte Ladung wird durch die tangentiale Anordnung des Einlaßkanals
8 und durch die Form der flachen Ventiltasche VE in eine Drehbewegung versetzt.
Die einzelnen Teile des Brennraumes VK sind - in Richtung der rotierenden Ladung
gesehen (Pfeilrichtung) - in der Reihenfolge VQ2 -VE - VR - VA angeordnet. Die Höhe
der Brennraumteile nimmt in dieser Reihenfolge zu. Die rotierende Ladung wird am
Ende des Kompressionshubes aus dem dünnen Quetschspalt VQ2 überwiegend in den Raum
VE und weiter in die kompakten Teile VR und VA des Brennraumes VK verdrängt. Die
beim Ansaugvorgang erzeugte Rotation wird al Ende des Kompressionshubes durch die
günstige Aufteilung des Brennrauies VK weiter verstärkt.
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Eine intensive Turbulenz beschleunigt die erste Phase des im kompakten
Teil VR und VA des Brennraumes VK erfolgten Verbrennungsablaufes vor den oberen
Totpunkt und in OT-Nähe.
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Kurze Brenndauer bedeutet eine größere Annäherung an den Gleichraumprozeß
und dadurch höheren Wirkungsgrad. Der Ventllteller 16 des Auslaßventils 13 ist im
kompakten Teil des Brennraumes angeordnet, an einer Stelle, an der er vShrend der
ersten Verbrennungsphase trotz seiner Wärmeabgabe noch
keine klopfende
Verbrennung verursachen kann. Die kleine Oberfläche des kompakten Teiles des Brennraumes
VK und der heiße Ventilteller 16 des Auslaßventils 13 vermindern die durch die Turbulenz
bedingten Wärmeverluste. Kleine Oberfläche und die Turbulenz wirken sich positiv
auf das Durchbrennen des Grenzschichtvolumens und dadurch auf die Kohlenwasserstoff-Emission
aus.
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In OT-Nähe erreicht die von der Zündkerze 11 ausgehende Flammenfront
auch die weiter entfernte Ventiltasche VE.
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Dieser Raum ist flach, damit ein möglichst großer Anteil des zur Verfugung
stehenden Brennraumvolumens in deren kompaktem Teil konzentriert werden kann. Eine
Mindesthöhe von etwa 4 mm ist aber erforderlich, damit eine vollständige Verbrennung
auch in dieser 70ne erfolgen kann. Die durch die Verbrennung auftretende Druckwelle
verdichtet den noch unverbrannten Anteil der Ladung vor sich her. Eine verhältnismäßig
große und vom Einlaßventil 2 gut gekühlte Oberfläche der Ventiltasche VE vermindert
die Gefahr, daß sich der noch unverbrannte Anteil von selbst entzündet. Erst in
der letzten Verbrennungaphase nach OT erreicht die Flammenfront den von der Zündkerze
11 am weitesten entfernten größeren Teil VQ2 des Quetschspaltes VQ. In dieser Lage
des Kolbens 7 ist der Quetschspalt VQ bereits wieder relativ weit geöffnet und eine
vollständige Verbrennung ist auch in dieser Zone gewährleistet.
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Der kompakte Teil VR und VA des Brennraumes VK kann auch fUr Bildung
eines heterogenen Eraftstoff-Luft-Gemisohes ausgenutzt werden. Bei dem in Fig. 4
gezeigten Ausfuhrungabeispiel ist im kompakten Teil des Brennraumes VK ein Einspritzventil
31 angeordnet. Der Kraftstoff wird wShrend des Kompressionshubes außerhalb-der-Mulde
23 und damit des kompakten Brnnraumteiles zur Bildung eines mageren Krftstoff-Luft-Gemisches
eingespritzt.
Ab etwa 500 vor OT wird der Kraftstoff ausschließlich in die Mulde 23 gespritzt.
In dieser letzten Phase des Kompressionshubes bildet sich auf diese Weise im kompakten
Brennraumteil in der Nähe der Zündkerze 11 ein fetteres und gut zündbaren Gemisch.
Der im kompakten Brennraumteil verbrannte Anteil der Ladung dient dann zur Zündung
des mageren schwer zündbaren Gemisches. Das Ergebnis ist ein niedriger Kraftstoffverbrauch
und eine verminderte Schadstoff-Emission.
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L e e r s e i t e