[0001] Die Erfindung geht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 von der DE-PS 32
09 901 aus.
[0002] Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine sind zur Erzielung einer hohen Leistung
im Zylinderkopf je Brennraum eines Zylinders zwei Einlaß- und zwei Auslaß-Ventile
angeordnet. Um einen steifen Ventiltrieb zu erreichen, werden die obenliegenden Steuerwellen
zur Betätigung der hängend angeordneten Ventile zwischen den Einlaß- und den Auslaß-Ventilen
eines Zylinders gelagert. Zur Verringerung der Bauhöhe des Zylinderkopfes sind die
Steuerwellen-Lager geteilt ausgeführt, wobei die gesonderten Deckel jeweils beiderseits
der jeweiligen Steuerwelle befestigt sind. Zwischen den in einer gemeinsamen Querebene
angeordneten Steuerwellen-Lagern ist im Bereich der Zylinderachse eine Zündkerze angeordnet,
die in einem Schacht vom oberen Ende des Zylinderkopfes her zugänglich ist.
[0003] Wie aus der Fig. 5 der o.g. DE-PS 32 09 901 hervorgeht, ist für die Anordnung der
Befestigungseinrichtungen der gesonderten Lagerdeckel zwischen der jeweiligen Steuerwelle
und dem Zündkerzen-Schacht ein erheblicher Bauraum vorgesehen. Dies führt in nachteiliger
Weise zu einem breitbauenden Zylinderkopf mit aus größerem Material aufwand und größeren,
gefüllten Kühlräumen resultierendem zusätzlichem Gewicht.
[0004] Weiter ergibt sich aus der insgesamt gekippten 4-Ventilanordnung mit etwa zur Zylinderachse
parallelen Auslaßventilen ein Brennraum, der zum raschen Durchbrennen der Ladung
zwei Zündkerzen erfordert, da die mittige Zündkerze im Schatten einer in OT-Stellung
auftretenden, einseitig gerichteten Quetschströmung liegt.
[0005] Aus der DE-OS 29 19 213 ist eine Brennkraftmaschine mit einem im Bereich des Steuergehäuses
schmalbauenden Zylinderkopf bekannt. Diese günstige Bauart ist begründet durch eine
einzige Steuerwelle, die über Kipphebel je Zylinder vier hängend angeordnete Ventile
betätigt. Die Achsen der beiden Einlaß- und der beiden Auslaß-Ventile sind zur Zylinderachse
gering geneigt, wodurch im Zylinderkopfboden ein flacher Kalotten-Brennraum ausgebildet
werden kann. In den eine höhere Verdichtung zulassenden Brennraum ragt zentral eine
Zündkerze. Erreicht ist damit ein klopffester Brennraum, der bei verbrauchsgünstig
mageren Gemischen ein schnelles Durchbrennen der Ladung sicherstellt.
[0006] Nachteilig bei diesem bekannten Zylinderkopf ist die durch eine schräge Anordnung
der Zündkerze erreichte zentrale Lage der Zündkerzen-Funkenstrecke. In einem flachen
Brennraum muß diese durch die Schräganordnung gegenüber der brennraumseitigen Mündung
der Aufnahmebohrung der Zündkerze zurückgesetzt angeordnet werden, wodurch beim Gaswechsel
sich eine unzureichende Spülung der Zündkerze von Brenngasresten ergibt. Weiter ist
mit der schrägen Anordnung ein in Seitenwänden des Zylinderkopfes und des Steuergehäuses
austretender, die Zündkerze aufnehmender Schacht verbunden, der einer strömungsgünstigen
Anordnung benachbarter Gaswechsel kanäle mit großem Durchmesser entgegensteht. Dies
kann trotz einer zur Zylinderachse einseitig versetzten Ventilanordnung mit Antrieb
dazu führen, daß die dem Schacht benachbarten Gaswechselkanäle zu nahe der Zylinderbohrung
in den Brennraum münden. Der Zylinderbohrung zu eng benachbarte bewegte Ventilteller
behindern jedoch bekanntlich die Strömung beim Ladungswechsel.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Brennkraftmaschine
mit Merkmalen der Brennkraftmaschine der weiteren Druckschrift derart zu kombinieren,
daß bei einem Brennraum für hohe Leistung bei niederem Verbrauch mit einer auf optimalen
Ladungswechsel abgestellten Ventilsteuerung ein schmalbauender Zylinderkopf erzielt
ist.
[0008] Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.
Die erfindungsgemäße, mittige Befestigung eines gemeinsamen Lagerdeckels für beide
Steuerwellen eröffnet den Vorteil eines geringen gegenseitigen Achsabstandes der
Steuerwellen. Mit der Anordnung kegelförmiger Nocken im gegenseitigen axialen Abstand
etwa des Steuerwellen-Achsabstandes ergibt sich der Vorteil der Anordnung sämtlicher
Ventile bzw. deren Achsen auf dem Mantel eines sehr spitzen Kegels, wodurch die Ventile
bei relativ großen Durchmessern ihrer Ventilteller mit diesen in einem den Einströmwiderstand
verringernden Abstand zur Kontur der Zylinderbohrung angeordnet werden können. Weiter
ist der mit der Kegelspitze identische Schnittpunkt aller Ventilachsen vom freien
Ende der mittig angeordneten Zündkerze oder der Einspritzdüse um das Mehrfache des
Durchmessers der Zylinderbohrung entfernt. Damit ist über die Ventilteller in vorteilhafter
Weise eine sehr flache Mulden Kontur für die Brennraumbegrenzung im Zylinderkopf
vorgegeben.
[0009] Um trotz der Ventilteller eine relativ glatte Oberfläche der Brennraumbegrenzung
im Zylinderkopf zu erreichen, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß
der Schnittpunkt der Ventilachsen ca. um das Maß des 2fachen Durchmessers der Zylinderbohrung
entfernt auf der Zylinderachse vorgesehen ist. Eine besonders günstig an die Ventilteller
angepaßte Brennraumbegrenzung wird nach einem weiteren Vorschlag durch die Verwendung
des Schnittpunktes als Mittelpunkt einer im Zylinderkopf den Brennraum begrenzenden
Kalotte erzielt, wobei deren Berandung mit dem Durchmesser der den Kolben aufnehmenden
Zylinderbohrung identisch ist.
[0010] Die vorbeschriebene Ausbildung der Kalotte bis zur den Kolben aufnehmenden Zylinderbohrung
ermöglicht in weiterer Ausgestaltung den Kolben in seinem umfänglichen Randbereich
des Kolbenbodens über eine vorbestimmte radiale Erstreckung der Brennraum-Kalotte
im Zylinderkopf entsprechend anzupassen. Damit ist in Kolben-OT-Stellung ein konzentrischer,
umlaufender Quetschspalt erreicht, aus dem die Ladung entlang der durch die Ventilteller
nur wenig gestörten Kalotten-Oberfläche bei gemischverdichtender Brennkraftmaschine
der zentrisch angeordneten Zündkerze zuströmt. Die mit der Kalotte erzielte symmetrische
Brennraumgestaltung ergibt somit in Verbindung mit der symmetrischen Quetschspalt-Gestaltung
eine Ladungskonzentration im Zündkerzenbereich, wobei die im umfänglichen Quetschspalt
initiierte Ladungsströmung von etwa gleichmäßiger Massenverteilung im Bereich der
Zündkerze zum Kolbenboden umgelenkt wird. Damit wird ein schnelles Durchbrennen der
Ladung erzielt. Dies wird nach einem weiteren Merkmal der Erfin dung durch eine
flache, symmetrische Mulde im Kolbenboden zusätzlich unterstützt.
[0011] Bei einer Brennraum-Kalotte im Zylinderkopf mit dem Kugelmittelpunkt im Schnittpunkt
der Ventilachsen kann eine 4-Ventil-Anordnung zur Erzielung großer Tellerdurchmesser
der Einlaßventile die Ventilanordnung insgesamt ohne Nachteile einseitig gekippt angeordnet
werden. Damit können bei im Kolbenboden vorgesehenen Taschen für die Ventile die gegebenen
Anschnitte des bei einer Kolbenmulde erhöhten, umlaufenden Randbereiches etwa vergleichmäßigt
werden, wobei der äußerste Umfang des Randbereiches unverändert bleibt. Dies ergibt
eine der Anzahl der Anschnitte entsprechende Anzahl sektorieller Ladungsströmungen
aus dem Quetschspalt, wobei die geringeren Geschwindigkeiten an den Rändern der Einzel-Ladungsströmungen
zu einer Mikroverwirbelung in Teilbereichen des etwa linsenförmigen Brennraumes vorteilhaft
beitragen.
[0012] Die Erfindung ist mit einem geänderten Kolben auch für eine Diesel-Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung geeignet. Schließlich beschreibt ein letzter Vorschlag eine
bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen, mittigen Befestigung des gemeinsamen
Steuerwellen-Lagerdeckels.
[0013] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine gemischverdichtende, fremdgezündete
Brennkraftmaschine ist in der Zeichnung dargestellt. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine teilweise dargestellte Brennkraftmaschine mit einem 4-Ventil-Zylinderkopf
im Querschnitt,
Fig. 2 einen Ausschnitt des Ventiltriebes für einen Zylinder in Draufsicht, und
Fig. 3 einen Kolben in Draufsicht des Kolbenbodens.
[0014] Die lediglich teilweise dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 umfaßt einen
Zylinder 2, dem ein 4-Ventil-Zylinderkopf 3 mit obenliegenden Steuerwellen 4 und 5
zugeordnet ist. Der Zylinderkopf 3 ist mit zwei hängend angeordneten Einlaßventilen
6 und zwei hängend angeordneten Auslaßventilen 7 ausgerüstet, die jeweils über Tassenstößel
8 und 9 von der jeweiligen Steuerwelle 4 bzw. 5 betätigt werden. Zwischen den Einlaßventilen
6 ist ein Lager 10 für die Steuerwelle 4 und zwischen den Auslaßventilen 7 ist ein
Lager 11 für die Steuerwelle 5 angeordnet. Zwischen den in einer Querebene des Zylinderkopfes
3 angeordneten Lagern 10 und 11 weist die gemischverdichtende Brennkraftmaschine 1
eine im Bereich der Zylinderachse 12 angeordnete Zündkerze 13 auf, die in einem im
Zylinderkopf 3 ausgebildeten Schacht 14 angeordnet ist.
[0015] Zur Fortsetzung des Schachtes 14 über einen Zylinderkopfdeckel 15 hinaus ist ein
Rohr 16 vorgesehen, das im Zylinderkopf 3 drehgesichert fixiert ist. Mit seinem freien
Endbereich durchsetzt das Rohr 16 mittig und mit Spiel einen für beide Steuerwellen-Lager
10 und 11 gemeinsamen Lagerdeckel 17. Im Bereich des Lagerdeckels 17 weist das Rohr
16 an seinem Außenumfang ein Gewinde 18 für eine Spannmutter 19 auf. Die Spannmutter
19 dient der Niederhaltung bzw. mittigen Befestigung des gemeinsamen Lagerdeckels
17, der in seinen freien Endbereichen bei 20 und 21 zusätzlich befestigt ist.
[0016] Die Steuerwellen 4 und 5 sind dem Rohr 16 bzw. der mittigen Befestigungsstelle mittels
der Spannmutter 19 eng benachbart angeordnet, wodurch ein relativ kleiner Achsabstand
zwischen den vorgenannten Steuerwellen erreicht ist. Wie aus Fig. 2 näher hervorgeht,
wird jedes der Einlaßventile 6 von separaten Nocken 22 und 22′ und jedes der Auslaßventile
7 von separaten Nocken 23 bzw. 23′ betätigt. Die Nocken 22, 22′ und 23, 23′ der Steuerwellen
4, 5 sind zur Querebene 24 bzw. zum gemeinsamen Lagerdeckel 17 im wesentlichen symmetrisch
angeordnet, wobei ihre mittigen Drehebenen E
D1 und E
D2 axial im Maß des Steuerwellen-Achsabstandes "a" beabstandet sind. Weiter sind sämtliche
vorgenannten Nocken Steuerwellen 4 und 5 kegelförmig gestaltet. Damit lassen sich
die Achsen sämtlicher Ventile 6 und 7 auf dem Mantel eines spitzen Kegels anordnen,
dessen Spitze im Schnittpunkt aller Ventil-Achsen liegt. Mit dem gemeinsamen Lagerdeckel
17 und dessen erfindungsgemäßer, mittiger Befestigung kann der Achsabstand a der Steuerwellen
4 und 5 relativ zum Durchmesser D
Z der Zylinderbohrung 2′ klein gewählt werden. Wird weiter der axiale Abstand der
Drehebenen E
D1 und E
D2 der kegelförmigen Nocken 22, 23 und 22′, 23′ im wesentlichen gleich dem Steuerwellen-Achsabstand
a gewählt, wird ein flacher, linsenförmiger Brennraum 25 durch eine um das Mehrfache
des Durchmessers D
Z der Zylinderbohrung 2′ entfernte Anordnung des Schnittpunktes 26 aller Ventilachsen
von der brennraumseitigen Mündung einer an den Schacht 14 brennraumseitig anschließenden
Aufnahmebohrung 27 für die Zündkerze 13 erzielt. Vorzugsweise ist der Schnittpunkt
26 der Ventilachsen ca. um das Maß des 2fachen Durchmessers D
Z der Zylinderbohrung 2′ entfernt auf der Zylinderachse 12 vorgesehen. Damit wird für
die kegelförmigen Nocken 22, 22′ und 23, 23′ jeweils ein relativ kleiner Kegelwinkel
erreicht, wodurch sich günstige tribologische Verhältnisse zwischen den vorgenannten
Nocken und den Tassenstößeln 8 und 9 ergeben.
[0017] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, dient der Schnittpunkt 26 als Mittelpunkt einer im Zylinderkopf
3 den Brennraum 25 begrenzenden Kalotte 28, deren Berandung 29 mit dem Durchmesser
D
Z der einen Kolben 30 aufnehmenden Zylinderbohrung 2′ im wesentlichen identisch ist.
Der Kolben 30 weist einen der Brennraum-Kalotte 28 entsprechend angepaßten Randbereich
31 am Kolbenboden 32 auf für einen im wesentlichen konzentrischen, umlaufenden Quetschspalt
33 in OT-Stellung des Kolbens 30.
[0018] Der Randbereich 31 am Kolbenboden 32 begrenzt ferner eine im Kolbenboden 32 zur Zylinderachse
12 symmetrisch angeordnete, flache Mulde 34 im Kolbenboden 32, die mit der zylinderkopfseitigen
Brennraum-Kalotte 28 einen im wesentlichen linsenförmigen Brennraum 25 ergibt. Dieser
bietet für ein Brennverfahren mit Gemischverdichtung und Fremdzündung (Zündkerze 13)
ein rasches, klopffreies Durchbrennen der Ladung.
[0019] Zur Erzielung großer Ventilteller der Einlaßventile 6 ist die 4-Ventil-Anordnung
insgesamt um den Schnittpunkt 26 der Ventilachsen in Richtung der Auslaßventile
7 gekippt. Weiter gestattet die gewählte Lage des Schnittpunktes 26 der Ventilachsen,
der ca. um das Maß des 2fachen Innendurchmessers D
Z der Zylinderbohrung 2′ von der Mündung der Aufnahmebohrung 27 für die Zündkerze
13 auf der Zylinderachse 12 entfernt angeordnet ist, die Ventile 6 und 7 mit ihren
Ventiltellern nahe der Zündkerze 13 anzuordnen. Damit ergibt sich für die Ventilteller
der Ventile 6 und 7 eine von der Zylinderbohrung 2′ beabstandete Anordnung. Wie aus
Fig. 3 weiter ersichtlich, wird durch im Kolbenboden 32 vorgesehene Taschen 35, 36
für die Ventilteller der Ventile 6 und 7 der Randbereich 31 des Kolbens 30 lediglich
teilweise angeschnitten. Damit bleibt ein durchgängig umlaufender Quetschspalt 33
bestehen.
[0020] Die vorbeschriebene Brennkraftmaschine 1 ist auch für ein Brennverfahren mit Luftverdichtung
und Selbstzündung geeignet, wobei der hierfür vorzusehende Kolben einen bis auf eine
mittige Öffnung zu einer im Kolben angeordneten Brennraummulde einen der Kalotte
im Zylinderkopf angepaßten Kolbenboden aufweist. An die Stelle der Zündkerze tritt
eine Einspritzdüse.
[0021] Abschließend ist noch anzumerken, daß mit der Erfindung neben einem schmal bauenden
Zylinderkopf dieser auch in Längsrichtung kurz gebaut werden kann, da mit der kompakten
Anordnung eines Antriebes der vier radial angeordneten Ventile eines Zylinders zwischen
den Zylinder etwa tangierenden Maschinen-Querebenen die Zylinderabstände klein gewählt
werden können.
1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem zwei obenliegende Steuerwellen umfassenden
Zylinderkopf,
- bei der einem Brennraum eines Zylinders im Zylinderkopf mehrere geneigt hängende,
von den Steuerwellen angetriebene Gaswechselventile zugeordnet sind, und
- in einer Querebene des Zylinderkopfes geteilte Lager für die Steuerwellen angeordnet
sind, und
- weiter der Zylinderkopf zwischen den Steuerwellen-Lagern einen der Aufnahme einer
mit dem Brennraum in Verbindung stehenden Einrichtung (Zündkerze, Einspritzdüse) dienenden
Schacht aufweist, dadurch gekennzeichnet,
- daß ein den Schacht (14) begrenzender Fortsatz (Rohr 16) der Befestigung eines für
beide Steuerwellen-Lager (10,11) gemeinsamen Lagerdeckels (17) dient,
- daß die Nocken (22,22′ und 23,23′) jeder Steuerwelle (4,5) beiderseits des Lagerdeckels
(17) kegelförmig und mit den mittigen Drehebenen (ED1, ED2) zueinander axial beabstandet sind etwa entsprechend einem kleinen Abstandsmaß der
Steuerwellen, wobei
- die Achsen aller Ventile (6,7) sich in einem triebwerkseitigen Punkt (26) schneiden,
- der von der brennraumseitigen Mündung einer an den Schacht (14) brennraumseitig
anschließenden Aufnahmebohrung (27) für die jeweilige Einrichtung (Zündkerze 13,
Einspritzdüse) um das Mehrfache des Durchmessers (DZ) der Zylinderbohrung (2′) entfernt ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittpunkt
(26) der Ventilachsen ca. um das Maß des 2fachen Durchmessers (DZ) der Zylinderbohrung (2′) entfernt auf der Zylinderachse (12) vorgesehen ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Schnittpunkt (26) als Mittelpunkt einer im Zylinderkopf (3) den Brennraum
(25) begrenzenden Kalotte (28) dient,
- deren Berandung (29) mit dem Durchmesser (DZ) der einen Kolben (30) aufnehmenden Zylinderbohrung (2′) im wesentlichen identisch
ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Kolben (30) einen der Brennraum-Kalotte (28) entsprechend angepaßten Randbereich
(31) am Kolbenboden (32) für einen konzentrischen, umlaufenden Quetschspalt (33)
in Kolben-OT-Stellung aufweist, und
- daß im Kolbenboden (32) vorgesehene Taschen (35,36) für die über Tassenstößel (8,9)
angetriebenen Ventile (6,7) einer mit den Einlaßventilen (6) zur Zylinderachse (12)
um den Schnittpunkt (26) insgesamt gekippten 4-Ventilanordnung den Randbereich (31)
lediglich anschneiden.
5. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (30) für ein Brennverfahren mit Gemischverdichtung und Fremdzündung
(Zündkerze 13) eine zur Zylinderachse (12) symmetrische, flache Mulde (34) im Kolbenboden
(32) aufweist.
6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben für ein Brennverfahren mit Luftverdichtung und Selbstzündung bis auf
eine Öffnung zu einer im Kolben angeordneten Brennraummulde einen der Kalotte im Zylinderkopf
angepaßten Kolbenboden aufweist.
7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Fortsatz ein gesondertes, den Lagerdeckel (17) durchsetzendes Rohr (16)
ist,
- das im Zylinderkopf (3) fixiert ist und
- das lagerdeckelseitig ein Gewinde (18) für eine am Lagerdeckel aufliegende Spannmutter
(19) aufweist.