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Dokumentenidentifikation DE4435443A1 29.06.1995
Titel Verbrennungskraftmaschine
Anmelder Vetter, Richard, 31226 Peine, DE
Erfinder Gurk, Friederich, 31224 Peine, DE
Vertreter Depmeyer, L., Dipl.-Ing. Pat.-Ing., 30823 Garbsen
DE-Anmeldedatum 04.10.1994
DE-Aktenzeichen 4435443
Offenlegungstag 29.06.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.1995
IPC-Hauptklasse F02F 1/42

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem Einlaß- und Auslaßventil am Zylinderkopf.

Wegen der Forderung, bei Verbrennungskraftmaschinen die Gaswechsel in möglichst kurzer Zeit durchzuführen, gehen die Bestrebungen zu möglichst groben Querschnitten von Einlaß- und Auslaßventilen. Sowohl Zylinder als auch Ventile haben jedoch Kreisquerschnitte, und es erscheint wenig sinnvoll, von dieser Formgebung abzuweichen, vor allem wegen Forderungen an Dichtung und Verschleißfestigkeit, sowie aus fertigungstechnischen Gründen. Dem Wunsch nach möglichst groben Querschnitten für die Ventile sind somit aus einfachen geometrischen Gründen enge Grenzen gesetzt, denn es gilt, mehrere kleine Kreisquerschnitte innerhalb eines groben Kreisquerschnittes unterzubringen, womit die zur Verfügung stehende Fläche jedoch nicht ausgefüllt und optimal genutzt werden kann. Dem Bemühen, hier eine Verbesserung zu erreichen, dient die heute zunehmend angewandte Vier-Ventil-Technik, doch ist diese mit erheblichem Aufwand verbunden.

Weiterhin wird bei den heute üblichen Ottomotoren wegen der hohen Drehzahlen von über 6000 UpM das Kraftstoff- Luft-Gemisch vom Vergaser durch den Ansaugkanal über das Ansaugventil in den Zylinder mit einer derart hohen Strömungsgeschwindigkeit angesaugt, daß eine gute Durchwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches praktisch nicht erreicht wird. Die Verbrennung ist dadurch unvollkommen, so daß die Energie des Kraftstoffes nur zu einem Teil genutzt wird, während ein Teil des Kraftstoffes unverbrannt ausgestoßen wird und zur Umweltbelastung beiträgt. Bisherige Abhilfen wie z. B. Katalysatoren sind kostspielig und führen zudem zur Leistungsminderung des Motors.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf für Verbrennungskraftmaschinen zur Verfügung zu stellen, dessen dem Gaswechsel dienende Einrichtungen an die durch den Zylinder vorgegebene Form besser angepaßt sind. Darüberhinaus soll eine bessere Vermischung von Kraftstoff und Luft ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Ventile zu einem Ventil vereinigt sind und in zwei unterschiedlichen Öffnungsstellungen als Einlaß- und Auslaßventil dienen, wobei der Schaft des Ventils hohl und mit Durchbrechungen versehen ist und dem Zylinder Luft und Kraftstoff über den hohlen Schaft des Ventils zuführbar sind.

Da nur ein Ventil im Kompressionsraum sitzt, kann dieser besonders günstig geformt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß das Luft- Kraftstoff-Gemisch über eine Vielzahl von Durchbrechungen in den Brennraum eingebracht wird. Dies bewirkt eine gute Durchmischung Luft und Kraftstoff, so daß eine vollständigere Verbrennung erreicht wird als bei herkömmlichen Motoren. Die Energie des Kraftstoffes wird somit besser ausgenutzt bei gleichzeitiger deutlicher Verringerung unverbrannter Kraftstoffanteile, die über das Auspuffsystem an die Umwelt abgegeben werden.

Um zwei verschiedene Öffnungsstellungen des Ventils zu ermöglichen, kann der Schaft des Ventils im Zylinderkopf so in einer ihn allseitig dichtend umgebenden Führung gelagert und geführt sein, daß sich die Durchbrechungen für das Kraftstoff-Luft-Gemisch im geschlossenen Zustand des Ventils innerhalb der Führung befinden.

Zum Ausstoßen der der im Zylinder befindlichen Abgase wird das Ventil soweit geöffnet, daß ein ausreichend großer Querschnitt frei wird, die Durchbrechungen aber noch innerhalb der Führung liegen und der Weg für den Gemischeinlaß somit verschlossen ist. Für den nachfolgenden Ansaugvorgang wird das Ventil in einem zweiten Schritt um ein weiteres Stück geöffnet, so daß nun auch die Durchbrechungen frei werden. Zwischen Auslaß und Einlaß liegt somit eine kontinuierliche Fortsetzung in der Bewegung des Ventils. Dieses bewirkt einen ruhigen Lauf des Motors.

Bei der beschriebenen Ventilkonstruktion können alle auf dem Markt befindlichen Kraftstoffe, aber auch sogenannte alternative Kraftstoffe, wie Pflanzenöl oder Gas, verwendet werden. Da das Ventil sowohl die Einlaß- als auch die Auslaßvorgänge steuert, bleibt es temperaturgüstig und kann nicht verbrennen oder verkoken. Einem Verziehen des Ventiltellers kann vorgebeugt werden, indem dieser spannungsfrei geglüht und danach gehärtetet wird. Das Ventil kann während des Motorlaufes, eventuell durch geeignete Maßnahmen veranlaßt, in Drehbewegung geraten, so daß eine einseitige Abnutzung vermieden und eine sichere Abdichtung gewährleistet wird.

Die Steuerung des Ventils kann durch einen Kipphebel erfolgen, der das Ventil gegen die Kraft einer Feder verstellt. Vorzugsweise ist jedoch eine Zwangssteuerung zu verwenden.

In einer Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens kann der Hohlraum im Schaft des Ventils zur Gemischbildung genutzt werden, wobei zusätzliche, externe Einrichtungen zur Gemischbildung wie etwa ein Vergaser nicht mehr benötigt werden. Dazu werden dem Hohlraum im Ventilschaft Luft und Kraftstoff über getrennte Leitungen zugeführt und im Hohlraum Einrichtungen zur dosierten Abgabe des Kraftstoffes vorgesehen.

Eine derartige Einrichtung kann aus einem Tropfendosierer bestehen, der von außen in den Hohlraum im Ventilschaft hineinragt. Die Tropfenabgabe kann dann unter Ausnutzung der Ventilbewegungen mechanisch gesteuert werden, etwa über einen Auslöser, der mit dem Ventil fest verbunden ist und der bei einer Aufwärtsbewegung des Ventils den Tropfendosierer berührt und so die Kraftstoffabgabe auslöst. Der Auslöser kann aus einem Stab bestehen, der am Boden des Hohlraumes angebracht ist und in den Hohlraum hereinragt.

Anstelle des Tropfenspenders mit zugehöriger Auslösevorrichtung kann auch ein Einspritzventil verwendet werden, über das kontinuierlich Kraftstoff in den Hohlraum abgegeben wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Zylinderkopfes dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf mit zugehöriger Steuerung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II nach Fig. 1 durch den Ventilschaft und die Führung für den Schaft,

Fig. 3 den Zylinderkopf mit Ventil in Stellung "Auslassen",

Fig. 4 den Zylinderkopf mit Ventil in Stellung "Einlassen";

Fig. 5 eine Abwandlung der Erfindung,

Fig. 6 Zylinderkopf und Zylinder in einer weiteren Ausführung der Erfindung, Stellung: "Auslassen" und

Fig. 7 Zylinderkopf und Zylinder entsprechend Fig. 6, Stellung: "Einlassen".

Ein Zylinderkopf 1 ist auf oben auf einem senkrecht stehenden Zylinder 2 montiert, dessen Wandungen den Brennraum 3 umschließen. Der Zylinderkopf 1 trägt ein Ventil 4 in hängender Anordnung.

Die Anordnung von Zylinder, Zylinderkopf und Ventil ist jedoch nicht zwingend. Der erfindungsgemäß Zylinderkopf könnte z. B. ebensogut an einem Zylinder montiert sein, dessen Längsachse geneigt ist oder waagerecht verläuft.

Das Ventil 4 hat einen Teller 5 und einen Schaft 6. Der Ventilschaft 6 weist in seinem Inneren einen Hohlraum 7 auf, der an dem dem Ventilteller 5 abgewandten Ende des Schaftes 6 offen ist. An dem gegenüberliegenden Ende weist der Schaft 6 Durchbrechungen 8 auf, die ringsherum auf seinem Umfang verteilt sind (Fig. 2) und die den Hohlraum 7 mit der Umgebung verbinden. Es können 12 bis 16 Durchbrechungen 7 als Bohrungen von 2 bis 3 mm Durchmesser in den Ventilschaft 6 eingebracht werden.

Der Durchmesser des Ventilschaftes 6 sollte etwa halb so groß sei wie der Durchmesser des Ventiltellers 5. Der Hohlraum 7 im Ventilschaft 6 kann bis zum Teller 5 reichen. Die Dicke des Tellers 5 kann etwa 3 mm betragen, die des Schaftes 6 etwa 1,5 mm.

Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird über eine biegsame Leitung 9 in den Hohlraum 7 im Ventilschaft 6 gebracht, und kann von dort bei geöffneter Ventilstellung über die Durchbrechungen 8 in den Brennraum 3 gelangen.

Der Ventilschaft 6 befindet sich innerhalb einer Führung 10 im Zylinderkopf 1, die ihn allseitig dicht umschließt.

Fig. 1 zeigt das Ventil 4 geschlossen, es befindet sich in seiner am weitesten oben gelegenen Stellung. Der Teller 5 liegt an dem Ventilsitz 11 an und dichtet den Brennraum 3 ab. Die Durchbrechungen 8 befinden sich innerhalb der Führung 10, so daß der Zutritt für das Luft- Kraftstoff-Gemisch geschlossen ist.

Um die Abgase aus dem Brennraum 3 auszulassen, wird das Ventil 4 so weit geöffnet, daß sich die Durchbrechungen 8 noch innerhalb der Führung 10 befinden und somit verschlossen bleiben (Fig. 3). Die Abgase strömen um den Ventilteller 5 herum (in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet) und verlassen den Zylinderkopf 1 über eine Öffnung 12, von wo aus sie dem Auspuffsystem zugeführt werden können.

Um das Gemisch in den Brennraum 3 einzulassen, wird das Ventil 4 noch weiter geöffnet bzw. bei der hier gewählten Darstellung nach unten bewegt, so daß sich die Durchbrechungen 8 nun außerhalb der Führung 10 befinden (Fig. 4). Somit ist der Weg für das Gemisch freigegeben.

Damit kein unverbranntes Gemisch in das Abgassystem gelangen kann, muß die Öffnung 10 während des Einlassens geschlossen sein. Zu diesem Zweck ist ein Schieber 13 vorgesehen, der so gesteuert wird, daß er die Öffnung 10 nur dann frei gibt, wenn Abgas ausgelassen werden soll (Fig. 1). Der Schieber 13 ist als Walzendrehschieber ausgeführt. Ihm kommt keine Abdichtungsaufgabe bezüglich des Brennraumes 3 zu. Er dreht sich mit halber Kurbelwellendrehzahl, der Antrieb erfolgt über einen Mitnehmerzapfen und einen Zahnriemen, der mit der Nockenwelle verbunden ist.

Das Ventil wird durch eine Zwangssteuerung betätigt (Fig. 1). Diese besteht aus einen Kipphebel 14, der über eine Gabel 15 an einer Schulter 16 am Ventilschaft 6 angreift. Der Gabelkipphebel 14 ist mit einer Innennockenscheibe 17 verbunden und mit dieser zusammen um eine Achse 18 schwenkbar.

Die Innennockenscheibe 17 besteht aus einem Ring, auf dessen Innenseite nockenartigen Vorsprüngen 19 angeordnet sind. Die Nockenwelle 20 liegt innerhalb des Ringes und beaufschlagt die Nocken über einen Finger 21. Die Nockenwelle 20 wird mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben.

Die nockenartigen Vorsprünge 19 sind in ihrer Größe und Formgebung auf Hub und Steuerzeiten des Ventils abzustimmen. Für das Ausstoßen der Abgase kann z. B. eine Öffnung des Ventils um 6 mm vorgesehen werden, für das Ansaugen des Gemisches weitere 5 mm.

Fig. 5 zeigt eine Weiterentwicklung der Erfindung, bei der der Hohlraum im Ventil zur Gemischbildung genutzt wird.

Dazu werden dem Hohlraum 7 im Ventilschaft 6 Luft und Kraftstoff getrennt zugeführt. Die Kraftstoffzufuhr geschieht über einen Tropfendosierer, der in der Zeichnung bei 22 angedeutet ist. Auf dem Boden des Hohlraumes 7, also auf der dem Brennraum 3 abgewandten Seite des Ventiltellers 5, ist in der Mitte ein Stab 23 angeordnet, der zur Auslösung der Kraftstoffabgabe am Tropfenspender 22 dient.

Der Tropfenspender 22 ist in hier nicht näher dargestellter Weise gelenkig an einer starren Halterung befestigt. Er kann etwa 25 mm tief in den Hohlraum 7 hineinragen. Der Stab 23 kann eine Länge von etwa 40 mm und einen Durchmesser von 5 bis 6 mm haben. Vorzugsweise ist er mit dem Ventilteller 5 zusammen aus einem Stück zu fertigen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in Verbindung mit einem Zylinder, welcher hier vereinfacht dargestellt ist. Vor der Auslaßöffnung 12 im Zylinderkopf 1 befindet sich anstelle des oben beschriebenen Walzendrehschiebers 13 eine Klappe 24, welche mittels hier nicht eingezeichneter Federn in geschlossener Stellung gehalten wird und erst durch den Druck der ausströmenden Gase geöffnet wird. Ein zusätzlicher mechanischer Antrieb und Steuerung werden für die Klappe 24 nicht benötigt.

Der Zylinder 2 besitzt zudem in seinem unteren Bereich eine weitere Auslaßöffnung 25, die vollständig freigegeben wird, wenn der Kolben 27 seinen unteren Totpunkt erreicht hat. Die Öffnung 25 wird durch eine Klappe 26 verschlossen, welche der Klappe 24 im Zylinderkopf 1 analog ist. Der Motor besitzt somit zwei Auslaßöffnungen, die expansiven Ströme der Verbrennungsgase werden zusammengeführt und es kann eine Nachverbrennung durchgeführt werden, um so eine Beseitigung der in den Verbrennungsgasen enthaltenen Schadstoffe zu erreichen.

Die Abgase werden in einem Gehäuse 28 geführt, an dem auch die Klappen 24 und 26 gelagert sind. Die gesamte Abgasführung ist somit in einem in sich geschlossen Bauteil enthalten, welches außen am Zylinder 2 und Zylinderkopf 1 angeflanscht ist und bei Reparaturarbeiten leicht demontiert werden kann.

Die Klappen 24 und 26 sind während des Arbeitstaktes nicht dem im Zylinder herrschenden hohen Druck ausgesetzt, ihre Dichtungen können daher einfach gehalten sein und es reicht aus, sie durch Stahlfedern, z. B. in Form von Spiralfedern, geschlossen zu halten. Die Klappen 24 und 26 schließen den Motor gegen die Auspuffanlage ab und bleiben während des Einlassens geschlossen (Fig. 7). Erst beim Auslassen werden sie durch die expansiven Verbrennungsgase geöffnet.

Es sei erwähnt, daß mit Ausnahme von Fig. 2 alle Figuren senkrechte Schnitte wiedergeben.


Anspruch[de]
  1. 1. Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem Einlaß- und Auslaßventil am Zylinderkopf, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ventile zu einem Ventil vereinigt sind und in zwei unterschiedlichen Öffnungsstellungen als Einlaß- und Auslaßventil dienen, wobei der Schaft (6) des Ventils (4) hohl und mit Durchbrechungen (8) versehen ist und dem Zylinder (2) Luft und Kraftstoff über den hohlen Schaft (6) des Ventils (4) zuführbar sind.
  2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (6) des Ventils (4) so in einer ihn allseitig dichtend umgebenden Führung (10) gelagert und geführt ist, daß sich die Durchbrechungen (8) innerhalb dieser Führung (10) befinden, wenn das Ventil geschlossen oder nur um ein Stück geöffnet ist, und daß sie sich außerhalb der Führung (10) befinden, wenn die Öffnung des Ventils maximal ist.
  3. 3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen (8) als Bohrungen von z. B. 2 bis 3 mm Durchmesser in einer Vielzahl über den Umfang angeordnete sind.
  4. 4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 10 bis 20 Durchbrechungen (8) vorgesehen sind.
  5. 5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abgasöffnung (12) ein Schieber (13) vorgesehen ist, der die Abgasöffnung (12) nur dann freigibt, wenn das Abgas ausgestoßen werden soll.
  6. 6. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (13) ein Walzendrehschieber ist.
  7. 7. Maschine nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzendrehschieber (13) mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert.
  8. 8. Maschine nach Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Schiebers (13) über einen Zahnriemen von der Nockenwelle aus erfolgt.
  9. 9. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ventil eine Zwangssteuerung vorgesehen ist.
  10. 10. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangssteuerung einen Innennockenring (17) aufweist, der durch die Nockenwelle (20) betätigt wird.
  11. 11. Maschine nach den Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (6) eine Schulter (16) aufweist, an der die Ventilsteuerung mittels einer Gabel (15) angreift.
  12. 12. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle (20) mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert.
  13. 13. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Ventils zum Einlassen und Auslassen etwa die gleiche Größenordnung aufweist und jeweils etwa 5 bis 6 mm beträgt.
  14. 14. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (7) im Ventilschaft (6) zur Gemischbildung dient.
  15. 15. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung des Hohlraumes (7) im Ventilschaft (6) zur Gemischbildung.
  16. 16. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß Luft und Kraftstoff dem Hohlraum (7) im Ventilschaft (6) getrennt zugeführt werden und der Kraftstoff über einen Tropfenspender (22) abgegeben wird, der von außen in den Hohlraum (7) hineinragt.
  17. 17. Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (7) ein Auslöser (23) angeordnet ist, der mit dem Ventil (4) verbundenen ist und der den Tropfenspender (22) betätigt.
  18. 18. Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöser (23) ein Stab ist, der in der Mitte des Bodens des Hohlraumes (7) angeordnet ist und in Richtung der Längsachse des Ventilschaftes (6) verläuft.
  19. 19. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (23) und der Ventilteller (5) aus einem Stück gefertigt sind.
  20. 20. Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff über ein Einspritzventil kontinuierlich in den Hohlraum (7) eingespritzt wird.
  21. 21. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine zwei oder mehrere Ventile mit Einlaß- und Auslaßeigenschaften zugeordnet sind.
  22. 22. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abgasöffnung (12) eine Klappe (24) angeordnet ist, welche durch Federn geschlossen gehalten und erst durch den Druck der Abgase geöffnet wird.
  23. 23. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich des Zylinders (2) eine weitere, im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens (27) befindliche Auslaßöffnung (25) angeordnet ist.
  24. 24. Maschine nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströme aus der Öffnung (12) im Zylinderkopf (1) und aus der Öffnung (25) im Zylinder (2) zusammengeführt werden.
  25. 25. Maschine nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abgasöffnung (25) im Zylinder (2) eine Klappe (26) angeordnet ist, welche durch Federn geschlossen gehalten und erst durch den Druck der Abgase geöffnet wird.
  26. 26. Maschine nach Anspruch 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase in einem Gehäuse (28) geführt werden, an welchem die Klappen (24, 26) gelagert sind und welches als Anbauteil am Zylinderkopf (1) und Zylinder (2) angeflanscht wird.






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