DE3901225C2 - Mehrventil-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrventil-Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Einlaß- und Auslaßventilen pro Zylinder, die beiderseits einer, eine Zylinderbohrungs­ achse enthaltenden Vertikalebene mit entgegengesetzter Neigung angeordnet sind, mit einer Verbrennungskammer, die zwischen einer Kolbenoberseite eines in dem Zy­ linder gleitbaren Kolbens und einer zugehörigen, unteren Oberfläche eines Zylinder­ kopfes der Brennkraftmaschine gebildet ist und mit einer Strömungssteuerflächenan­ ordnung an der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes und der Kolbenoberseite.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 36 01 458 A1 bekannt.

Es ist bekannt, in der Mitte der Kolbenoberfläche von Verbrennungsmaschinen einen im wesentlichen ebenen vorspringenden Bereich vorzusehen, um auf diese Weise im Verbrennungsraum einen Squish-Bereich auszubilden, mit dessen Hilfe die Verbren­ nung beschleunigt werden kann. Ein Verbrennungsraum mit Squish-Bereich ist bei­ spielsweise aus der US-PS 4,549,510 bekannt.

Es ist auch bereits bekannt, daß die Mehrventiltechnik, d. h. das Vorsehen von mehre­ ren Einlaß- und/oder Auslaßventilen je Zylinder nützlich ist, um die Zylinderleistung zu steigern. Es sind bereits Verbrennungsmotoren mit Mehrventiltechnik bekannt, bei welchen die Einlaßventile und die Auslaßventile so geneigt angeordnet sind, daß sich eine giebeldachförmige Gestalt des Verbrennungsraumes ergibt.

Versieht man einen giebeldachförmigen Verbrennungsraum mit einem Squish-Be­ reich, so erhält der vorspringende Bereich, der in der Mitte der Kolbenoberfläche aus­ gebildet ist, die Gestalt eines sich parallel zur Nockenwelle erstreckenden erhöhten Dammes. Dies hat zur Folge, daß sich die von der Einlaßventilseite kommenden Ge­ mischströme und die von der Auslaßventilseite kommenden Gemischströme frontal aufeinanderzubewegen und miteinander kollidieren, wodurch der angestrebte Squish- Effekt beeinträchtigt wird.

Zu den Begriffen "Squish-Bereich" und "Squish-Effekt" sei bemerkt, daß der vorste­ hend erwähnte vorspringende Bereich in der Mitte der Kolbenoberfläche als Squish- Bereich bezeichnet wird. Dieser über die Kolbenoberfläche vorstehende Squish- Bereich verengt den Verbrennungsraum im der Zylinderbohrung benachbarten Be­ reich mit dem Zweck, eine hohe Flammenausbreitungsgeschwindigkeit während des Verbrennungsvorganges zu erzielen (US-PS 4,549,510).

Wird nun, wie vorstehend angesprochen, das Ausbilden eines Squish-Bereiches in ei­ nem giebeldachförmigen Verbrennungsraum angestrebt, so erhält dieser auf der Kol­ benoberfläche ausgebildete dammförmig vorspringende Bereich mit ebener Oberflä­ che seine Längsausdehnung in Richtung der Nockenwelle. Treffen bei einer solchen Ausbildung die von der Einlaßventilseite kommenden Gemischströme frontal mit den von der Auslaßventilseite kommenden Gemischströmen zusammen, so wird dadurch der angestrebte Durchwirbelungseffekt des Squish-Bereiches beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mehrventil-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern derart, daß eine verbesserte Gemischbildung im Verbrennungsraum erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dank der erfindungsgemäßen Verbrennungsraumgestaltung wird das beispielsweise aus dem Squish-Bereich der Auslaßventilseite strömende Gemisch in Richtung senk­ recht zur Nockenwelle aus dem Squish-Bereich herausgepreßt. Andererseits wird das Gemischgas, welches aus dem Squish-Bereich der Einlaßventilseite herausströmt, leicht einwärts in Richtung senkrecht zu der sich nicht parallel zur Nockenwelle erstre­ ckenden Umrißlinie (Kantenlinie) des vorstehenden Bereiches herausgepreßt.

Weil bei der erfindungsgemäßen Konfiguration der zur Mitte der Zylinderbohrung ge­ richtete Gemischstrom von der (vorzugsweise) Einlaßventilseite größer ist als der Gemischstrom von der (vorzugsweise) Auslaßventilseite, kann die nachteilige frontale Kollision der beiden Gemischströme vermieden werden, und es wird eine weitere Verwirbelung hervorgerufen, wie in Fig. 5 dargestellt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrie­ ben.

Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine folgende vorteilhafte Merkmale auf:

• 1. Der aus der Mitte der Kolbenoberfläche vorstehende längliche Vorsprung erstreckt sich hauptsächlich parallel zur Nockenwelle.
• 2. Die auslaßventilseitige oder die einlaßventilseitige Umrißlinie (Kantenlinie) des vorstehenden länglichen Vorsprunges erstreckt sich gleichfalls parallel zur No­ ckenwelle.
• 3. Eine weitere (gegenüberliegende) Umrißlinie (Kantenlinie) an der Einlaßventilseite oder an der Auslaßventilseite erstreckt sich nicht parallel zur Nockenwelle.

Als Folge dieser Konfiguration der genannten Umrißlinien (Kantenlinien) treffen die Gemischströme nicht frontal aufeinander, so daß der angestrebte Squish-Effekt nicht beeinträchtigt wird, sondern weitere Turbulenzen hervorruft.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den Verbrennungsraum,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 mit Blick auf den Zylin­ derkopf,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1 mit Blick auf die Kol­ benoberfläche,

Fig. 4 eine perspektivische Zuordnungsdarstellung des Verbrennungsraumes, und

Fig. 5 einen mit Fig. 3 vergleichbaren Querschnitt, welcher die Gasströmungs­ richtungen in dem Verbrennungsraum veranschaulicht.

In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Vierzylinder-Brennkraftma­ schine, das Bezugszeichen 2 einen Zylinderkopf, das Bezugszeichen 2a wenigstens einen ebenen Abschnitt, das Bezugszeichen 3 ein Einlaßventil, das Bezugszeichen 4 ein Auslaßventil, das Bezugszeichen 5 eine Einlaßventil-Nockenwelle, das Bezugs­ zeichen 6 eine Auslaßventil-Nockenwelle, das Bezugszeichen 7 eine Ventilfeder, das Bezugszeichen 8 einen Ventilstößel (Ventilheber), das Bezugszeichen 9 den Verbrennungsraum, das Bezugszeichen 9a den Squish-Bereich, das Bezugszeichen 10 einen Zylinder, das Bezugszeichen 11 die Zylinderwandung, das Bezugszeichen 11a eine die Zylinderbohrungsachse enthaltende Ebene, das Bezugszeichen 12 einen Kolben, das Bezugszeichen 12a einen länglichen Vorsprung auf der Kolbenoberflä­ che, das Bezugszeichen 12b Kolbenoberflächensegmente zwischen den Einlaßventi­ len und den Auslaßventilen, das Bezugszeichen 12c die Umrißlinie (Kantenlinie) des länglichen Vorsprungs 12a, das Bezugszeichen 12d die Umrißlinie (Kantenlinie) des vorstehenden Abschnitts 12a an der Einlaßventilseite, das Bezugszeichen 12e eine schräge Fläche, das Bezugszeichen 15 einen ausgehöhlten Abschnitt im Zylinderkopf und das Bezugszeichen 17 eine Zündkerze.

Die Vierzylinder-Brennkraftmaschine 1 besitzt in ihrem Zylinderkopf 2 drei Einlaßven­ tile 3 und zwei Auslaßventile 4. Diese Ventile werden durch die Umdrehung einer nicht dargestellten Kurbelwelle über eine einlaßventilseitige Nockenwelle 5 bzw. eine auslaßventilseitige Nockenwelle 6 vermittels Ventilfedern 7 und mit Hilfe von Ventil­ stößeln (Ventilhebern) 8 gesteuert.

Der Verbrennungsraum 9 ist in einen Raum ausgebildet, welcher durch den Zylinder­ kopf 2, den Zylinder 10 sowie einen in der Zylinderbohrung 11 aufgenommenen Kol­ ben 12 definiert ist. Die Einlaßventile 3 sowie die Auslaßventile 4 sind zu beiden Sei­ ten einer Ebene 11a angeordnet, welche die Achse der Zylinderbohrung 11 ein­ schließt. Dabei sind die Einlaßventile auf der einen Seite dieser Ebene 11a und die Auslaßventile auf der anderen Seite dieser Ebene angeordnet. Die Achsen der ein­ zelnen Einlaßventile 3 sind nicht radial angeordnet, sondern parallel zueinander. Ent­ sprechendes gilt für die Auslaßventile.

Die Einlaßventile 3 sind in einem Richtungssinn geneigt, während die Auslaßventile 4 im entgegengesetzten Richtungssinn geneigt sind. Wenn sich der Kolben 12 in seiner oberen Totlage befindet, so bildet die konkave Oberfläche des in der unteren Oberflä­ che des Zylinderkopfes 2 ausgebildeten Verbrennungsraumes im Schnitt gemäß Fig. 1 nahezu ein Dreieck, wobei sich der "First" des giebeldachförmig gestalteten Verbrennungsraumes in Parallelrichtung zu den Nockenwellen erstreckt, so daß der Verbrennungsraum als solcher die Gestalt eines Giebeldaches aufweist.

Der Verbrennungsraum 9 ist außerhalb der Einlaßventile 3 und der Auslaßventile 4 mit dem sogenannten Squish-Bereich 9a versehen. Dabei handelt es sich, wie am besten in Fig. 2 dargestellt, um wenigstens einen ebenen Abschnitt 2a, welcher au­ ßerhalb der Ventile 3 und 4 angeordnet ist und aus der unteren Oberfläche des Zylin­ derkopfes 2 in Richtung auf das Innere der Zylinderbohrung 11 vorsteht. Der ebene Abschnitt 2a ist nicht in den Bereichen 12b vorgesehen, die sich zwischen den Ein­ laßventilen 3 und den Auslaßventilen 4 erstrecken. Dieses dient zweierlei Zwecken, nämlich dem Vermeiden von Strömungsinterferenzen, welche sonst in dem ebenen Abschnitt während des Öffnens der beiden Ventile entstehen würden und zwecks Er­ möglichung eines Unterdruckes auf der Auslaßventilseite, um das Einlaßventil geeig­ net während der Überlappungszeitdauer zu beaufschlagen, während welcher sich die beiden Ventile in ihrer geöffneten Stellung befinden. Das Bezugszeichen 17 bezeich­ net eine Zündkerze. Wie Fig. 2 deutlich zu entnehmen, umfaßt jeder der beiden dar­ gestellten Squish-Bereiche 9a einen im Zylinderkopf ausgebildeten ebenen Abschnitt 2a.

Der Randbereich der Oberfläche des Kolbens 12 liegt den ebenen Abschnitten 2a pa­ rallel gegenüber. Im Zentralabschnitt der Kolbenoberfläche ist der bereits erwähnte längliche Vorsprung 12a vorgesehen, welcher sich mit seiner Hauptabmessung pa­ rallel zur Achse der Nockenwelle erstreckt und welcher eine ebene Oberfläche auf­ weist. Der Vorsprung 12a hat auf der Auslaßventilseite eine Umrißlinie (Kantenlinie) 12c, welche parallel zur Achse der Nockenwelle verläuft. Ferner hat dieser Vorsprung 12a auf der Einlaßventilseite eine Umrißlinie (Kantenlinie) 12d, welche wie die Bogen­ linie eines umgekehrten Großbuchstabens D bzw. wie die Sichel des abnehmenden Mondes gekrümmt ist. Als Folge dieser beiden nicht parallel zueinander verlaufenden Umrißlinien (Kantenlinien) 12c und 12d besitzt der Vorsprung 12a in seinem Mittelabschnitt eine größere Breitenabmessung als im Bereich seiner einander gegenüberlie­ genden Endabschnitte, so wie die Sichelenden eines Halbmondes schmaler sind als der Mittelabschnitt eines Halbmondes. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist der Vorsprung 12a in der Aufsicht bestimmt durch den Verlauf der Umrißlinien (Randlinien) 12c und 12d, welche zwischen schräg verlaufenden Flächen 12e ausgebildet sind. Jede der beiden Umrißlinien (Kantenlinien) 12c und 12d erstreckt sich parallel zu eine Linie, welche die Mittelpunkte benachbarter Einlaßventile 3 bzw. benachbarter Auslaßventile 4 mitein­ ander verbindet. Das hat zur Folge, daß die Umrißlinie (Kantenlinie) 12c auf der Aus­ laßventilseite parallel zu den Längsachsen der Nockenwellen 5 und 6 verläuft, wohin­ gegen die Kantenlinie (Umrißlinie) 12d, die aus einem oberen Teilstück und einem unteren Teilstück besteht, so gebogen ist, daß der Mittelabschnitt des Vorsprunges 12a breiter ist als die beiden einander gegenüberliegenden Endabschnitte.

Im folgenden wird der Betrieb der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläu­ tert. Der Kolben 12 wird abgesenkt, um ein Gasgemisch in den Verbrennungsraum einzuführen. Sodann wird die Kolbenrichtung zu einem Aufwärtshub umgesteuert. Wenn der Kolben in einer Stellung etwa 10° vor seiner oberen Totlage angekommen ist, wird das in der Squish-Zone enthaltene Gas in Richtung auf die Mitte des Verbrennungsraumes 9 herausgeschleudert (ejected); wobei unter "Squish-Zone" diejenige Zone zu verstehen ist, die zwischen den um den Umfang des konkaven Ab­ schnitts 15 des Zylinderkopfes ausgebildeten ebenen Abschnitten 9a, 2a und den ebenen Abschnitten der Kolbenoberfläche ausgebildet ist.

Als Folge dieses Squish-Vorganges werden, wie in Fig. 1 dargestellt, die Gasströme aus unterschiedlichen Ortslagen herausgeschleudert (ejected) bzw. in unterschiedli­ che Richtungen gelenkt. Als Folge der in Fig. 5 dargestellten Wirbel und der dadurch hervorgerufenen Turbulenzen wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen­ front gesteigert. Die zweiteilige Umrißlinie (Kantenlinie) 12d verläuft parallel zu einer Linie, welche zwei einander benachbarter Einlaßventile miteinander verbindet. In ähn­ licher Weise verläuft die Umrißlinie (Kantenlinie) 12c parallel zu einer Linie, welche ein Paar einander benachbarter Auslaßventile miteinander verbindet. Sind, wie im darge­ stellten Ausführungsbeispiel, drei Einlaßventile vorgesehen, so ist die Umrißlinie (Kantenlinie) 12d in zwei Abschnitte unterteilt. Ein erster Abschnitt verläuft parallel zu einer Verbindungslinie zwischen dem in Fig. 2 oberen Auslaßventil und dem mittleren Auslaßventil und ein zweiter Abschnitt verläuft zwischen dem mittleren Auslaßventil und dem in Fig. 2 unteren Auslaßventil.

Hervorzuheben ist, daß in den Randbereichen 12b, die zwischen den Einlaßventilen und den Auslaßventilen vorgesehen sind, kein den ebenen Abschnitten 2a entspre­ chender ebener Abschnitt vorgesehen ist. Demzufolge werden während einer Über­ lappungszeit, zu welcher beide Ventile (Auslaßventil und Einlaßventil) geöffnet sind, weder der Einlaßvorgang noch der Auslaßvorgang einen nachteiligen Einfluß aufein­ ander ausüben.

Wie vorstehend beschrieben, sind in der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes ebe­ ne Abschnitte außerhalb der Einlaßventile und Auslaßventile vorgesehen, welche in Richtung auf die Zylinderbohrung vorstehen. Zudem ist, wie vorstehend beschrieben, in der Mitte der Kolbenoberfläche ein D-förmiger länglicher Vorsprung 12a ausgebil­ det, der sich mit seiner Hauptabmessung (Längsabmessung) parallel zur Achse der Nockenwellen erstreckt. Ferner ist, wie vorstehend erwähnt, die Umrißlinie (Kantenli­ nie) des Vorsprunges 12a auf der Auslaßventilseite parallel zur Nockenwellenachse orientiert, wohingegen die Kantenlinie (Umrißlinie) des Vorsprunges auf der Einlaß­ ventilseite so gekrümmt ist, daß die beiden Endabschnitte des Vorsprunges eine ge­ ringere Breite aufweisen als der Mittelabschnitt dieses Vorsprunges. Als Folge dieser Konfiguration des vorstehenden Abschnittes 12a wird das Auftreten einer Interferenz zwischen dem Gemischgasfluß, der aus dem Squish-Bereich auf der Auslaßventil­ seite in Richtung auf das Zentrum des Verbrennungsraumes gerichtet ist, und dem Gemischgasstrom, der aus dem Squish-Bereich auf der Einlaßventilseite in Richtung auf das Zentrum des Verbrennungsraumes gerichtet ist, vermieden, so daß die Ge­ schwindigkeiten dieser Gemischgasströme nicht vermindert werden.

Es folgt somit, daß im Verbrennungsraum nach der Erfindung, obwohl derselbe mit einer Vielzahl von Einlaßventilen und Auslaßventilen versehen ist und folglich eine komplizierte Gestalt hat, die aus den Squish-Bereichen mit hoher Geschwindigkeit austretenden Gasströme wirksam genutzt werden, um die Verbrennung des Gemi­ sches im Verbrennungsraum zu verbessern.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Verbrennungsmotors mit fünf Ventilen je Zylinder beschrieben worden. Es versteht sich, daß die Erfindung auch auf Verbren­ nungsmotoren mit vier Ventilen je Zylinder angewendet werden kann.

Ferner wurde im vorstehenden Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, daß drei Einlaßventile und zwei Auslaßventile vorgesehen sind, woraus sich die gekrümmte Konturlinie bzw. Umrißlinie 12d im Bereich der Einlaßventile ergibt. Es versteht sich jedoch, daß die gekrümmte Umrißlinie (Kantenlinie) im Bereich der Auslaßventile verläuft, falls dort drei Auslaßventile vorgesehen werden. Wichtig im Rahmen der Er­ findung ist, daß eine Umrißlinie (Kantenlinie) des vorspringenden Abschnitts 12a sich parallel zur Nockenwelle erstreckt, während die gegenüberliegende Umrißlinie (Kan­ tenlinie) dieses vorspringenden Bereiches 12a nicht parallel zur Nockenwelle verläuft.

Ferner hat sich als vorteilhaft herausgestellt, daß jede der in der Kolbenoberfläche ausgebildeten Vertiefungen, welche nach Form und Anordnung den der Kolbenober­ fläche gegenüberliegend angeordneten Ventilköpfen entsprechen, eine schräge Flä­ che aufweisen, welche parallel zu einer entsprechenden schrägen Fläche des Zylin­ derkopfes 2 verläuft. Das Ausbilden derart paralleler Flächen einerseits im Zylinder­ kopf und andererseits in der Kolbenoberfläche hat zur Folge, daß der Gemischstrom im Bereich einer äußeren Vertiefung nicht parallel verläuft mit einem Gemischstrom, der von einer inneren Vertiefung ausgeht. Der Grund dafür liegt darin, daß das innere (mittlere Einlaßventil) einen kleineren Neigungswinkel gegenüber der Zylinderlängs­ achse 11a aufweist als die beiden äußeren Einlaßventile. Ein Zusammentreffen der Gemischströme, wenn auch nur geringfügig, hat die Wirkung, das Durchwirbeln des angesaugten Gemisches zu beschleunigen, woraus sich eine Verbesserung des Verbrennungsfortschritts im Verbrennungsraum 9 ergibt.

Claims (4)

1. Mehrventil-Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Einlaß- und Auslaßventilen pro Zylinder, die beiderseits einer, eine Zylinderbohrungsachse enthaltenden Ver­ tikalebene mit entgegengesetzter Neigung angeordnet sind, mit einer Verbren­ nungskammer, die zwischen einer Kolbenoberseite eines in dem Zylinder gleitba­ ren Kolbens und einer zugehörigen, unteren Oberfläche eines Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine gebildet ist und mit einer Strömungssteuerflächenanordnung an der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes und der Kolbenoberseite, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Oberfläche des Zylinderkopfes (2) eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung der Verbrennungskammer ungleichmäßig verteilt ange­ ordneten Verdrängungsbereichen (2a, 9a) aufweist, denen ebene Umfangsrandab­ schnitte der Kolbenoberseite gegenüberliegen.

2. Mehrventil-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Umrißlinie (Kantenlinie) (12c) der Umfangsrandabschnitte auf der Aus­ laßventilseite parallel einer Nockenwelle (5, 6) verläuft und daß eine zweite Umriß­ linie (Kantenlinie) (12e) der Umfangsrandabschnitte auf der Einlaßventilseite bo­ genförmig verläuft, so daß die Fläche zwischen der Kantenlinie (12c) auf der Aus­ laßventilseite und der Kantenlinie (12e) auf der Einlaßventilseite die D-förmige Gestalt aufweist.

3. Mehrventil-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein länglicher Vorsprung (12a) der Kolbenoberseite in seinen beiden Endbereichen eine geringere Breite aufweist als in seinem Mittelbereich.

4. Mehrventil-Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorstehenden An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede der beiden Umrißlinien (Kantenlinien) (12c, 12d) parallel zu einer Linie erstreckt, welche die Mittelpunkte benachbarter Einlaßventile (3) bzw. benachbarter Auslaßventile (4) miteinander verbindet.