DE4012492A1 - Zweitakt-hubkolben-brennkraftmaschine mit ladungswechselventilen und umkehrspuelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Damit bei einer derartigen Brennkraftmaschine eine zuverlässige Spülung des gesamten Brennraums zwischen Zylinderkopf und Kolbenoberfläche erfolgt, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, da anderenfalls die Frischgasströmung den kürzesten Weg von dem mittels des Einlaßventils freigegebenen Einlaßquerschnitt zu dem zeitweilig durch das Auslaßventil ebenfalls freigegebenen Auslaßquerschnitt nimmt, ohne zuvor im Sinne der Ausbildung eines U-förmigen Strömungswegs bis zur Kolbenoberfläche gelangt zu sein. Zur Erzwingung einer derartigen Umkehrspülung ist aus der DE-OS 31 43 402, F 02 B 25/00, bekannt, durch entsprechende Ausbildung des Zylinderkopfes im Bereich des Einlaßventils einen ringdüsenförmigen Einlaßspalt zu bilden, der für eine Beschleuni­ gung des Frischgases in Richtung Kolbenoberfläche sorgt, wo die Frischgasströmung um­ gelenkt wird, so daß sie nunmehr zum Auslaßquerschnitt gelangt. Eine derartige Strahler­ zeugung erfordert jedoch Energie, so daß der Wirkungsgrad der Maschine nachteilig be­ einflußt wird. Auch der durch die DE-OS 27 01 272, F 02 B 25/20, gegebene gattungsbil­ dende Stand der Technik sorgt für die Ausbildung eines Teilringspalts durch eine ent­ sprechende Ausnehmung des Brennraum im Bereich des Einlaßventils. Dieser Teilring­ spalt wird durch eine Ausnehmung des Brennraums gebildet, deren Tiefe vom auslaßven­ tilnahen Bereich in Richtung auf die benachbarte Zylinderwand hin gleichmäßig abnimmt, so daß der Teilringspalt und damit der Einströmquerschnitt mit zunehmender Entfernung vom Auslaßventil ebenfalls zunimmt. Demgemäß liegt eine Frischgaseinströmung überwie­ gend durch den der benachbarten Zylinderwand nahen Bereich des Einlaßquerschnitts vor. Diese bekannte Konstruktion bedingt jedoch, so einfach sie ist, in vielen Fällen einen Eingriff in die Brennraumgestaltung, da beispielsweise bei parallel verlaufenden Ladungs­ wechselventilen zur Erzielung des beschriebenen Größenverlaufs des Teilringspalts bzw. des Verlaufs des Einströmquerschnitts über seinen Umfang ein zwischen den Ladungs­ wechselventilen liegender Bandbereich des Zylinderkopfes gleichsam nach unten gezogen sein muß. Dieses Schwierigkeiten werden noch vergrößert, wenn die jeweils einem Brenn­ raum zugeordneten Ladungswechselventile, wie beispielsweise bei V-Maschinen bekannt, mit derart zueinander geneigt verlaufenden Achsen angeordnet sein müssen, daß diese Ventilachsen einen in Richtung Brennraum offenen spitzen Winkel einschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Zweitakt-Hubkolben- Brennkraftmaschine, die insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen gedacht ist, zu schaffen, die unter Wahrung der Vorteile, nämlich insbesondere einer zuverlässigen Umkehrspülung, unabhängig von der jeweils vorliegenden Ventilanordung und Brennraum­ ausbildung, also auch sowohl bei Diesel- als auch bei Ottomotoren, einsetzbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteran­ sprüche.

Bei der Erfindung werden also örtlich, nämlich in dem dem Auslaßventil zugekehrten Be­ reich des Einlaßquerschnitts, Formvorsprünge auf der Rückseite des Einlaßventils und/oder an der Wandung des Einlaßkanals bzw. am Ventilsitzring vorgesehen, die die Einströmung nahe dem Auslaßventil zumindest erheblich verringern. Dadurch erfolgt mit vernachlässig­ barem Energieverlust eine Verlagerung praktisch der gesamten Einströmung in den dem Auslaßventil abgekehrten Bereich des Einlaßquerschnitts unter Umlenkung der Frischgas­ strömung in Richtung vom Auslaßventil weg, so daß die Frischgasströmung - gegebenen­ falls unter Mitwirkung des benachbarten Bereichs der Zylinderwand - in Richtung auf den Kolben gelenkt wird.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder einschließlich Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 die in Fig. 1 bei II-II angedeutete Schnittansicht,

Fig. 3 die in Fig. 1 bei III-III angedeutete Schnittansicht,

Fig. 4 einen Längsschnitt im wesentlichen durch den Zylinderkopf im Bereich des Einlaßventils bei einer anderen Ausführung der Erfindung, die

die Fig. 5, 6 und 7 Ansichten entsprechend V-V in Fig. 4 für Maschinen mit unterschiedlicher Ventilbestückung,

Fig. 8 eine Ansicht eines Zylinderkopfes von unten mit der er­ zielten Spülströmung für eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die

Fig. 9, 10 und 11 die Erzeugung von strömungshindernden Formvorsprüngen unter Ausnutzung unterschiedlicher Einmündungswinkel der Einlaßkanäle und

Fig. 12 die Schnittansicht gemäß XII-XII in Fig. 9 mit eingezeich­ netem Verlauf der Ladungswechselkanäle.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist bei 1 ein in üblicher Weise einen Hubkolben 2 aufnehmender Zylinder der in der Regel mehrzylindrigen Brennkraftmaschine angedeutet. Der Brennraum 3 wird in Richtung nach oben durch den Zylinderkopf 4 begrenzt, in den der Einlaßkanal 5 und der Auslaßkanal 6 mit den durch Pfeile angedeuteten Frischgas- bzw. Abgasströmungen eingearbeitet ist. Zugehörige Einlaß- und Auslaßventile 7 und 8, die hier mit ihren Achsen parallel verlaufend angeordnet sind, sind in üblicher Weise durch nicht dargestellte Ventilbetätigungen längs ihrer Achsen verschiebbar im Zylinder­ kopf 4 gelagert. Ihnen sind Ventilsitzringe 9 und 10 zugeordnet, die zusammen mit den Rückseiten der Ventilteller der Ventile 7 und 8 einen Ein- bzw. Ausströmquerschnitt de­ finieren.

Ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen bestünde die Gefahr, daß das bei geöffnetem Einlaßventil 7 einströmende Frischgas (Verbrennungsluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch) zumindest teilweise gleichsam im Kurzschluß zum Ausströmquerschnitt zwischen Auslaß­ ventil 8 und zugeordnetem Ventilsitzring 10 strömt, also ohne Spülwirkung den Brenn­ raum 3 wieder verläßt. Um dies zu verhindern, ragt in den Strömungsweg des Frischga­ ses der Formvorsprung 11 an der Wand des Einlaßkanals 5 hinein, und zwar auf der dem Auslaßventil 8 zugekehrten Seite. Das bedeutet, daß die Einströmung von Frischgas zu­ mindest im überwiegenden Maße nur auf der dem Auslaßventil 8 bezüglich der Achse des Einlaßventils 7 abgekehrten Seite des Einströmquerschnitts erfolgt und diese Strömung im Sinne der Erzeugung einer in diesem Längsschnitt etwa U-förmigen Umkehrspülung 12 zunächst zum Kolbenboden und von diesem dann nach oben in Richtung Auslaßven­ til 8 gelenkt wird. Zur Unterstützung dieser Umlenkwirkung kann der Kolbenboden mit einer gekrümmten Vertiefung 13 versehen sein.

Fig. 2 zeigt nochmals die Form des Formvorsprungs 11. Man erkennt deutlich, daß er sich nur über ein Teil des Umfangs des Einlaßkanals 5 erstreckt und sich relativ nah an das Einlaßventil 7, genauer: dessen Schaft anschmiegt.

Fig. 3 zeigt den Querverlauf der Spülströmung im Bereich von Ein- und Auslaßventil 7 bzw. 8. Zwischen beiden Ventilen erkennt man bei 14 eine Zündkerze. Wie die Pfeile deutlich zeigen, ist durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine direkte Kurzschluß­ strömung zwischen den Ventilen 7 und 8 vermieden; die Frischgasströmung gelangt viel­ mehr erst dann zum Auslaßventil 8, wenn sie längs der gekrümmten Kolbenoberfläche 13 geströmt ist.

In Fig. 1 ist mit unterbrochenen Linien eine Ausführungsform der Erfindung gezeichnet, bei der unter Verzicht auf den Formvorsprung 11 an der Wand des Einlaßkanals 5 - diese Wand verläuft also entsprechend der Linie 15 - ein entsprechender Formvorsprung 16 auf der Rückseite des Ventils 7 vorgesehen ist.

Während in Fig. 1 der einseitige Vorsprung 11 sich praktisch über die ganze Länge des innerhalb des Einlaßkanals 5 verlaufenden Teils des Ventilschafts erstreckt, zeigt Fig. 4 einen Formvorsprung 20 an der Wand des Einlaßkanals 21, der in seiner axialen Er­ streckung im wesentlichen auf den Bereich des Einlaßventilsitzrings 22 beschränkt ist. Auch dieser Formvorsprung 20 liegt einseitig auf der dem hier nicht dargestellten Aus­ laßventil zugekehrten Seite des Einlaßquerschnitts, dessen Größe auch hier wieder durch die Stellung des Einlaßventils 23 gegeben ist. Die Wand des Einlaßkanals 21 geht, wie bei 24 angedeutet, stufenlos durch entsprechende Krümmung in den Formvorsprung 20 über, der bei 25 eine Kante zur Erzielung des Abreißens der Strömung aufweist.

Wie die Fig. 5, 6 und 7 erkennen lassen, läßt sich auch diese Maßnahme bei Maschi­ nen mit unterschiedlichen Anzahlen von Ein- und Auslaßventilen mit Erfolg einsetzen. So weist die Maschine gemäß Fig. 5 zwei Einlaßventile 26 und 27 auf, deren zugehörige Einlaßkanäle analog dem Einlaßkanal 21 in Fig. 4 mit einem einseitigen Formvorsprung versehen sind; ferner erkennt man zwei Auslaßventile 28 und 29, die hier kleinere Strö­ mungsquerschnitte als die Einlaßventile definieren. Zwischen den Einlaßventilen 26 und 27 einerseits und den Auslaßventilen 28 und 29 andererseits erkennt man die Zündkerze 30. Durch Pfeile ist der Verlauf der Umkehrspülung 31 angedeutet; auch hier sieht man, daß ein Strömungskurzschluß, also eine Frischgasströmung direkt zum Auslaßquerschnitt, unterbunden ist.

Dasselbe gilt für den in Fig. 6 angenommenen Fall einer Maschine mit zwei Einlaßven­ tilen 32 und 33, aber nur einem Auslaßventil 34; dazwischen erkennt man bei 35 wieder­ um eine Zündkerze. Auch hier besitzen die den Einlaßventilen 32 und 33 zugeordneten Einlaßkanäle in ihren dem Auslaßventil 34 zugekehrten Bereichen Formvorsprünge analog dem Vorsprung 20 in Fig. 4.

In Fig. 7 schließlich ist eine Maschine mit nur einem Einlaßventil 36, aber zwei Aus­ laßventilen 37 und 38 angenommen. Die Ventile bilden eine dreieckförmige Anordnung, in deren Mittelpunkt die Zündkerze 39 liegt. In den Einströmquerschnitt des Ventils 36 ragt ein Formvorsprung entsprechend Vorsprung 20 in Fig. 4 hinein.

In der Ausführungsform nach Fig. 8 finden sich ein Einlaßventil 40 mit zugehörigem Einlaßkanal 41 und ein Auslaßventil 42 mit zugehörigem Auslaßkanal 43. In diesem Falle werden die Formvorsprünge, die hier übrigens in beiden Kanälen 41 und 43 vorgesehen sind, durch Kanalversatz gebildet; diese Formvorsprünge werden also am besten durch die Linien 44 und 45 angegeben, die zeigen, daß die Kanäle 41 und 43 an ihren einander gegenüberliegenden Seiten gegenüber den Erstreckungen der Ventile 40 und 42 zurück­ gesetzt sind.

Das besondere des Ausführungsbeispiels nach Fig. 9 besteht darin, daß der eine Abreiß­ kante für die Frischgasströmung bildende Formvorsprung 50 durch einen nicht kontinuier­ lichen Übergang des schräg verlaufenden Einlaßkanals 51 in die Ebene des Einströmquer­ schnitts, also letztlich in die Ebene des Ventilsitzrings 52 für das Einlaßventil 53, gewon­ nen ist. Der Einlaßkanal 51 verläuft, ausgehend von dem Einlaßquerschnitt, in der Ansicht der Fig. 9 etwa in Richtung auf das benachbarte Auslaßventil 54 und schließlich etwa parallel zum Auslaßkanal 55. Für den Fall des Vorhandenseins von zwei Einlaßventilen 53 und 56 mit zugeordneten Einlaßkanälen 51 und 57 zeigt dies Fig. 12. Ebenso wie der Auslaßkanal 55 verlaufen die Einlaßkanäle 51 und 57, ausgehend von den Einlaßventilen 53 und 56, in der Darstellung der Fig. 12 nach rechts; sie schließen zwischen sich den Auslaßkanal 55 ein. Auch hier bilden die drei Ventile 53, 54 und 56 eine Anordnung nach Art eines gleichseitigen Dreiecks, in dessen Mittelpunkt die Zündkerze 58 angeordnet ist.

Durch die so gebildete Strömungsabreißkante 50 wird gemäß Fig. 9 eine Spülströmung 59 erzwungen, die als Umkehrspülung sich bis in den gekrümmten Bereich 60 der Ober­ fläche des Kolbens 61 erstreckt.

Auch in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 liegt ein gekrümmter Einlaßkanal 70 vor, der infolge seiner Krümmung und eines unstetigen Übergangs in die Ebene des Einström­ querschnitts, also letztlich in die Ebene des Ventilsitzrings 71 für das Einlaßventil 72, bei 73 eine Abreißkante für die Frischgasströmung bildet. Auch hier wird gemäß dem bei 74 angedeuteten Strömungsverlauf eine Umkehrspülung erzeugt, also eine direkte Frisch­ gasströmung zum Auslaßventil 75 bzw. Auslaßkanal 76 unterbunden.

In der Ausführungsform nach Fig. 11 schließlich liegen bezüglich des Verlaufs von Ein­ laßkanal 80 und Auslaßkanal 81 ähnliche Verhältnisse vor wie in der Ausführungsform nach Fig. 9. Hier wird die strömungshindernde Wirkung des Formvorsprungs 82 in der Wand des Einlaßkanals 80 durch bezüglich der Achse des Brennraums 83 schräge Anord­ nung des Einströmquerschnitts, also letztlich der Ebene des Ventilsitzrings 84 für das Einlaßventil 85, unterstützt. Wiederum ergibt sich dadurch eine in diesem Längsschnitt etwa U-förmige Umkehrspülung 86 zum Auslaßventil 87. Beide Ventile 85 und 87 werden in üblicher Weise von der Nockenwelle 88 her betätigt.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine einfache Möglichkeit zur Erzwingung einer Umkehr­ spülung in den Brennräumen einer Zweitakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine geschaffen, die unabhängig von dem jeweiligen Aufbau der Maschine im Bereich ihrer Brennräume Einsatz finden kann.

Claims (10)

1. Zweitakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest je einem Ein- und Auslaßhub­ ventil je Zylinder, die nebeneinander im Zylinderkopf angeordnet sind, und mit Mitteln zur Erzeugung einer überwiegenden Frischgaseinströmung durch einen dem Auslaßven­ til bezüglich der Achse des Einlaßventils abgekehrten Teilquerschnitt des Einlaßquer­ schnitts zwecks Erzielung einer Umkehrspülung, dadurch gekennzeichnet, daß am Ein­ laßventil (7) und/oder am zu diesem führenden Einlaßkanal (5) im Zuge eines bezüglich der Achse des Einlaßventils (7) dem Auslaßventil (8) zugekehrten Teilquerschnitts des Einlaßquerschnitts zumindest ein strömungshindernd in diesen hineinragender Formvor­ sprung (11) vorgesehen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formvorsprung am Einlaßventilsitzring (9) vorgesehen ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formvorsprung (11) nur an der Wand des Einlaßkanals (5) vorgesehen ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formvorsprung (16) nur in einem an den Einlaßventilsitzring (9) anschließenden Bereich des Einlaß­ kanals (5) vorgesehen ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Formvor­ sprung (44, 45) nach Art eines Kanalversatzes zumindest über einen längeren Bereich des Einlaßkanals (41) erstreckt.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formvorsprung durch einen kantigen Übergang (50) zwischen einem schräg zur Ebene des Einlaßquerschnitts verlaufenden Einlaßkanal (51) und dem Einlaßquerschnitt gebildet ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (51), ausgehend vom Einlaßquerschnitt, in Richtung auf die das Auslaßventil (54) ent­ haltende Zylinderkopfseite gebogen verläuft.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Einlaßkanäle (51, 57) das Auslaßventil (54) und einen Auslaßkanal (55) zwischen sich einschließend verlaufen.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formvorsprung als Abreißkante (50) für die Frischgasströmung ausgebildet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Auslaßventil (8) und/oder einem zu diesem führenden Auslaßkanal (6) im Zuge ei- nes bezüglich der Achse des Auslaßventils (8) dem Einlaßventil (7) zugekehrten Teil­ querschnitts des Auslaßquerschnitts zumindest ein strömungshindernd in diesen hinein­ ragender Formvorsprung (17) vorgesehen ist.