Technisches Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren und
insbesondere auf einen modifizierten Zylinderkopf zur
Verminderung der Wärmeabfuhr bzw. -ableitung davon.
Stand der Technik
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Es ist in der Technik bekannt, daß eine Verminderung der
Wäremeableitung von der Verbrennungskammer eines
Verbrennungsmotors ein wichtiger Schritt ist bei der
Erhöhung thermischer Effizienz, die mit dem Motor
assoziiert ist. Verschiedene Vorteile ergeben sich aus der
Erhöhung der thermischen Effizienz bzw. des
Wärmewirkungsgrads, und zwar einschließlich der folgenden:
verminderter Brennstoffverbrauch, verminderte
Kühlsystemanforderungen und erhöhte
Abgasenergiewiedergewinnungseffektivität.
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Mehrfache Einlaßventile, die betriebsmäßig mit einer
gemeinsamen Verbrennungskammer assoziiert sind, wurden im
Stand der Technik gezeigt und betonen den Vorteil dieser
Konstruktion zur Erreichung einer hohen Ausgangsgröße
Die Konstruktionen mehrfacher Einlaßventile haben nicht
die wichtige Beziehung erkannt, die zwischen den
Querschnittsflächen der Einlaß- und Auslaßventilanschlüsse
besteht, und zwar bei der Verminderung der Wärmeableitung
in einem Verbrennungsmotor.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Vorteile
zu erkennen, die in einem mehrfach Einlaßventilsystem
verfügbar sind, während eine Konstruktion vorgesehen
wird, die die Wärmeableitung vermindert, wodurch die
thermische Effizienz bzw. der Wärmewirkungsgrad des
Motors erhöht wird.
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Bezüglich des Stands der Technik sei auf die Druckschrift
DE 3724495 A1 hingewiesen, die einen Viertaktmotor zeigt,
welcher drei Einlaßventile und ein gegenüberliegend
angeordnetes Auslaßventil für jede Verbrennungskammer
aufweist. Die Einlaßventile sind auf einer Seite und das
Auslaßventil ist auf der anderen Seite einer Mittellinie
angeordnet, die durch die Mitte der Verbrennungskammer
hindurch geht. In einer Ebene parallel zu der Mittellinie
sind zwei Zündkerzen auf beiden Seiten des Auslaßventils
vorgesehen.
Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung sieht einen Zylinderkopf vor,
der geeignet ist zur Verwendung mit einem
Verbrennungsmotor zur Verminderung von Wärmeableitung. Der
Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist
gekennzeichnet durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von
Anspruch 1. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist in dem Unteranspruch offenbart.
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Ein weiterer Aspekt sieht einen Verbrennungsmotor vor mit
einem Zylinderblock wie oben angegeben.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Verbesserung bei der
Verminderung der Wärmeableitung vor durch Erhöhung der
Querschnittsfläche des Einlaßventils auf mehr als
ungefähr 69 % der kombinierten Querschnittsfläche der
Einlaß- und Auslaßventilanschlüsse bzw. -öffnungen. Die
verbesserte Verminderung der Wärmeableitung wird die
thermische Effizienz bzw. den Wärmewirkungsgrad des
Motors erhöhen, wodurch der Brennstoffverbrauch und die
Kühlkapazitätanforderungen vermindert werden, während die
Effektivität der Abgasenergiewiedergewinnung erhöht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 1-1 von
Fig. 2 und zeigt einen Zylinderkopf, Ventile und
eine Ventilanordnung eines Verbrennungsmotors für
die vorliegende Erfindung.
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Fig. 2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht entlang
der Linie 2-2 der Ventilanschluß- bzw.
-öffnungsanordnung und zeigt, daß die Querschnittsfläche
des Einlaßventilanschlusses ungefähr 75 % der
kombinierten Querschnittsfläche der Einlaß- und
Auslaßventilanschlüsse ist.
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Fig. 3 ist eine vergrößerte schematische Ansicht entlang
der Linie 2-2 der Ventilanschlußanordnung und
zeigt, daß die Querschnittsfläche des
Einlaßventilanschlusses ungefähr 70 % der
kombinierten Querschnittsfläche der Einlaß- und
Auslaßventilanschlüsse ist.
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Fig. 4 ist eine schematische Ansicht in perspektivischer
Form und zeigt die Konfiguration der Durchlässe.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
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Ein Verbrennungsmotor (10) ist in Fig. 1 dargestellt und
ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung aufgebaut. Nur ein einziger Zylinder wurde
dargestellt und wird beschrieben. Es ist jedoch verständlich,
daß die Erfindung bei Motoren Verwendung finden kann, die
mehrere Zylinder und jegliche Art der
Zylinderkonfiguration besitzen.
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Der Motor (10) umfaßt einen Zylinderblock (12) mit einer
Zylinderbohrung (14), in der sich ein Kolben (15)
hinund
herbewegt, welcher mittels einer Verbindungsstange
(nicht gezeigt) mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt)
verbunden ist zum Antrieb der Kurbelwelle in
herkömmlicher Weise.
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Ein Zylinderkopf (16) ist an dem Zylinderblock (12)
befestigt, und zwar in abschließender Beziehung mit der
Zylinderbohrung (14) auf herkömmliche Weise, und arbeitet
mit der Zylinderbohrung (14) und dem Kolben (15) zusam
men, um eine Verbrennungskammer (18) mit veränderbarem
Volumen vorzusehen. Ein Einlaßdurchlaß (19) mit drei
Zweigen (20, 22 und 24), von denen einer in Fig. 1
gezeigt ist, ist in dem Zylinderkopf (16) ausgebildet und
endet an einer Vielzahl von zugehörigen
Einlaßventilanschlüssen oder -öffnungen (26, 28 und 30), welche
effektive Querschnittsflächen besitzen, die jeweils definiert
werden durch die Einlaßventilsitze, von denen einer bei
(32) gezeigt ist. Beispielsweise besitzen die in Fig. 2
gezeigten Einlaßventilanschlüsse (26, 28 und 30) effek
tive Querschnittsflächen von jeweils 1090,4 mm², und die
kombinierte effektive Querschnittsfläche der drei
Einlaßventilanschlüsse (26, 28 und 30) ist 3271,2 mm². Drei
Einlaßventile (38, 40 und 42) mit jeweiligen Schaftteilen
(44, 46 und 48) werden zur Hin- und Herbewegung in dem
Zylinderkopf (16) auf herkömmliche Weise getragen, wie
beispielsweise durch Ventilführungsmechanismen (50, 52
und 54). Schraubenfedern, von denen eine bei (56) gezeigt
ist, umgeben die Einlaßventilschäfte (44, 46 und 48) und
wirken gegen Anschläge oder Halterungen, von denen einer
bzw. eine bei (58) gezeigt ist, um die Einlaßventile (38,
40, 42) in ihre geschlossene Position zu drängen. Eine
nicht geführte Brücke (60) kann verwendet werden, wie in
Fig. 1 dargestellt ist, um die drei Einlaßventile (38, 40
und 42) auf irgendeine herkömmliche Weise gleichzeitig zu
betätigen, und zwar entweder elektrisch, mechanisch oder
hydraulisch. Die Einlaßventile (38, 40 und 42) definieren
Einlaßventilmittel (62), welche die strömung eines
Bestandteils
einer brennbaren Mischung, in diesem Fall
Luft, durch die Einlaßdurchlässe (20, 22 und 24) in die
Verbrennungskammer (18) steuern. Ein Auslaßdurchlaß (64)
ist in dem Zylinderkopf gebildet und endet an einem
zugehörigen Auslaßventilanschluß (66) mit einer effektiven
Querschnittsfläche, die durch den Auslaßventilsitz
definiert wird ähnlich wie bei dem Einlaßventilsitz, der bei
(32) dargestellt ist. Beispielsweise besitzt der in Fig.
2 gezeigte Auslaßventilanschluß (66) eine effektive
Querschnittsfläche von 1090,4 mm². Ein Auslaßventil (68) mit
einem Schaftteil (70) ist zur Hin- und Herbewegung in dem
Zylinderkopf (16) auf herkömmliche Weise getragen, wie
beispielsweise durch einen Ventilführungsmechanismus
(72). Eine Schraubenfeder, ähnlich zu der, die bei (56)
gezeigt ist, umgibt den Auslaßventilschaft (70) und wirkt
gegen einen Anschlag bzw. eine Halterung, ähnlich zu dem
bzw. der bei (58) gezeigten, um das Auslaßventil (68) in
seine geschlossene Position zu drängen. Das Auslaßventil
(68) definiert Auslaßventilmittel (74), die die Strömung
der Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer (18)
und durch den Auslaßdurchlaß (64) steuern. Die
Einlaßventilanschlüsse (26, 28 und 30) bilden
Einlaßventilanschlußmittel (76), die betriebsmäßig mit den
Einlaßventilmitteln (62) assoziiert sind. Der
Auslaßventilanschluß (66) bildet Auslaßventilanschlußmittel (78), die
betriebsmäßig mit den Auslaßventilmitteln (74) assoziiert
sind. Die Einlaß- und Auslaßventilanschlüsse (26, 28, 30
und 66) sind schematisch in Fig. 2 dargestellt. Die
Auslaßventilanschlußmittel (78) können auch eine Vielzahl
von Auslaßventilanschlüssen (66) umfassen, obwohl dies in
den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
nicht dargestellt ist. Die kombinierte effektive
Querschnittsfläche (3271,2 mm²) der Einlaßventilanschlüsse
(26, 28 und 30) ist ungefähr 75 % der kombinierten
Querschnittsfläche (4361,6 mm²) der Einlaß- und
Auslaßventilanschlüsse (26, 28, 30 und 66).
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Es sei bemerkt, daß die
gleichen Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels
verwendet werden, um ähnlich aufgebaute Teile oder
Gegenstücke dieses Ausführungsbeispiels zu bezeichnen. Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist die gesamte effektive
Querschnittsfläche der Einlaßventilanschlüsse (26, 28 und
30) ungefähr 70 % der kombinierten Querschnittsfläche der
Einlaß- und Auslaßventilanschlüsse (26, 28, 30 und 66).
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Der Einlaßdurchlaß (19) mit drei Zweigen (20, 22 und 24),
und der Auslaßdurchlaß (64) sind in Fig. 4 mit ihren
zugehörigen Ventilanschlüssen (26, 28, 30 und 66)
dargestellt. Es sei bemerkt, daß die Querschnittsfläche der
Einlaßventilanschlüsse (26, 28, 30) größer sein sollte
als ungefähr 69 % der kombinierten Querschnittsfläche der
Einlaß- und Auslaßventilanschlüsse (26, 28 , 30 und 66).
Industrielle Anwendbarkeit
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Eine Verminderung der Wärmeableitung wird erreicht über
eine Beziehung zwischen den Querschnittsflächen der
Einlaßventilanschlüsse (26, 28, 30) und dem
Auslaßventilanschluß (66), was ein Erhöhung des Wärmewirkungsgrads
für einen Verbrennungsmotor vorsieht. Die
Einlaßventilanschlüsse (26, 28, 30) sind so konstruiert, daß ihre
Querschnittsfläche größer ist als ungefähr 69 % der
kombinierten Querschnittsfläche der Einlaß- und
Auslaßventilanschlüsse (26, 28, 30, 66).
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Es ist bekannt, daß ein Strömungsmittel, wie
beispielsweise Luft, daß sich durch einen Durchlaß hindurchbewegt,
eine Strömungsmittelschicht oder -lage benachbart zu der
umgebenden Oberfläche besitzt, welche verminderte
Strömungsgeschwindigkeiten aufweist. Diese Schicht ist die
Grenzschicht und innerhalb dieser Schicht vermindern sich
die Strömungsgeschwindigkeiten je näher man sich der um
gebenden Oberfläche annähert. Die Geschwindigkeit des
Strömungsmittels in unmittelbarem Kontakt mit der
Umgebungsoberfläche ist null. Es ist auch bekannt, daß die
Dicke der Grenzschicht umgekehrt proportional zu der
Geschwindigkeit des sich bewegenden Strömungsmittels ist.
Die verminderten Geschwindigkeiten der Grenzschicht
vermindern die Wärmeübertragung durch Konvektion von dem
strömenden Srömungsmittel zu der Umgebungsoberfläche oder
umgekehrt. Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung wird
dominant, wenn man sich der Umgebungsoberfläche annähert.
Die wärmeübertragung durch Wärmeleitung ist viel
langsamer als Konvektionswärmeübertragung in Gasen, wie
beispielsweise in Luft. Die kombinierten Effekte der
Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und der verminderten
Konvektionswärmeübertragung innerhalb der Grenzschicht ist
bekannt als der Gasseitenwärmeübertragungskoeffizient
bzw. die gasseitige Wärmeleitzahl. Bei der vorliegenden
Erfindung sind die Wände der Verbrennungskammer (18) die
Umgebungsoberflächen und die Geschwindigkeiten sind die
Restgeschwindigkeiten, die sich aus dem ankommenden
Luftstrom durch die Einlaßventilanschlüsse (26, 28, 30)
ergeben.
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Es ist bekannt, daß die Restgeschwindigkeiten ansteigen,
wenn das Volumen der Verbrennungskammer (18) abnimmt und
der Druck ansteigt in Folge einer Bewegung des Kolbens
(15) innerhalb der Zylinderbohrung (14), wodurch die
Dicke der Grenzschicht abnimmt. Die durch den
Einlaß- oder Ansaugtakt bzw. -hub hervorgerufene oder etablierte
Grenzschicht beeinflußt die Wärmeableitung von der
Verbrennungskammer (18) während der gesamten nachfolgenden
Kompressions-, Expansions- und Auslaßtakte bzw. -hübe.
Jegliche Verminderung der anfänglichen
Restgeschwindigkeiten ergibt proportional dickere Grenzschichten während
der gesamten nachfolgenden Kompressions-, Expansions- und
Auslaßtakte. Daher wird die Wärmeübertragung von dem
Inhalt der Verbrennungskammer (18) zu den Wänden der
Verbrennungskammer (18) vermindert.
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Man kann beobachten, daß die größeren Querschnittsflächen
der Einlaßanschlüsse (26, 28, 30) die Geschwindigkeit der
Einlaßluft vermindern und eine verminderte
Restgeschwindigkeit der Luft in der Verbrennungskammer (18) vorsehen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die mittlere
Einlaßgeschwindigkeit weniger als ungefähr 4,3-mal der
mittleren Geschwindigkeit des Kolbens (15). Bei einem
herkömmlichen Motor mit Einlaßventilanschlüssen, die
weniger als ungefähr 69 % der gesamten kombinierten
Querschnittsfläche der Einlaß- und Auslaßventilanschlüsse
ausmachen, ist die mittlere Einlaßgeschwindigkeit größer
als ungefähr 4,3-mal der mittleren Geschwindigkeit des
Kolbens. Die mittlere Einlaßgeschwindigkeit bei einem
herkömmlich konstruierten Motor ist typischer Weise
ungefähr 6,0-mal der mittleren Kolbengeschwindigkeit.
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Aufgrund der vergrößerten Querschnittsflächen der
Einlaßventilanschlüsse (26, 28, 30), wird die Pumparbeit
vermindert, die notwendig ist während des Einlaßtakts oder
-hubs eines Verbrennungsmotors. Umgekehrt wird die
Pumparbeit erhöht, die notwendig ist während des Auslaßtakts
oder -hubs eines Verbrennungsmotors, sodaß die gesamte
Pumparbeit größer ist als die eines herkömmlichen
Verbrennungsmotors. Jedoch ergibt die Verminderung der
wärmeableitung von der Verbrennungskammer (18) in die
umgebenden Strukturen mehr Leistung während des
Expansionstakts und heißeres Abgas. Die zusätzliche Leistung,
die sich aus diesem Effekt ergibt, gleicht im
wesentlichen die zusätzliche Leistung aus, die notwendig ist, um
die Pumparbeit bei vorgesehenen oder Nenn-Drehzahlen bzw.
-Geschwindigkeiten zu liefern. Bei verminderten
Belastungen und/oder Drehzahlen liefert die sich aus der
Verminderung der Wärmeableitung ergebende zusätzliche Leistung
insgesamt einen Leistungsgewinn bzw. eine
Leistungssteigerung
für den Motor, nachdem die Leistung im
wesentlichen ausgeglichen wurde, die für die Pumparbeit der
Einlaß- und Auslaßtakte notwendig ist. Die heißeren
Verbrennungskammergase sehen eine Erhöhung des
Wärmewirkungsgrads bzw. der thermischen Effizienz vor, wodurch
der Brennstoffverbrauch des Verbrennungsmotors vermindert
wird. Bei einem Turbomotor erhöht das heißere Abgas die
Effektivität der Abgasenergierückgewinnung und sieht
insgesamt eine Verbesserung der Motoreffizienz bzw. des
Motorwirkungsgrads vor. Die Verminderung der
Wärmeableitung des Zylinderkopfes (16), des Zylinderblocks
(12) und des Kolbens (15) sieht den zusätzlichen Vorteil
vor, daß die Verwendung eines kleineren Kühlers zum
Kühlen des Motors gestattet wird.
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Angesichts der obigen Beschreibung ist deutlich, daß die
vorliegende Erfindung Mittel vorsieht, um die
Wärmeableitung zu vermindern und um dadurch den
Wärmewirkungsgrad eines Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden
Erfindung können erhalten werden aus einem Studium der
Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten
Ansprüche.